本文關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)對Czochralski熔體晶體生長中熱對流過程的影響

  更多相關(guān)文章： Czochralski結(jié)構(gòu) 旋轉(zhuǎn) 熱對流 流型 流動不穩(wěn)定性

【摘要】：Czochralski(Cz)法是工業(yè)上最常見的熔體晶體生長技術(shù),其生長晶體質(zhì)量主要受熔體流動影響。在這種晶體生長過程中,坩堝與晶體之間存在溫度差,從而在熔體自由表面上形成表面張力梯度,驅(qū)動熔體流動;同時,在常重力條件下,由于密度差產(chǎn)生的浮力也是熔體流動的重要驅(qū)動力;在結(jié)晶過程中,由于溶質(zhì)的偏析作用,使得熔體內(nèi)的溶質(zhì)/雜質(zhì)濃度分布不均勻,從而在自由表面上產(chǎn)生溶質(zhì)毛細力。各種驅(qū)動力的相互耦合作用使得熔體內(nèi)的流動變得非常復雜。為了使熔體內(nèi)的流動更加穩(wěn)定,溶質(zhì)分布更加均勻,工業(yè)上往往會使晶體和坩堝旋轉(zhuǎn),以獲得高質(zhì)量的晶體,為此,毛細力、浮力、旋轉(zhuǎn)離心力和Coriolis力共同耦合驅(qū)動的熔體熱對流過程受到了極大的關(guān)注。雖然已經(jīng)有許多研究致力于分析Cz法熔體晶體生長過程中復雜流動的基本特征和流型演變過程,但目前對多力場耦合驅(qū)動下流動失穩(wěn)的機理仍不清楚,特別是相關(guān)復雜熱對流的實驗研究更為匱乏。本文主要采用實驗研究結(jié)合數(shù)值模擬方法對Cz結(jié)構(gòu)液池內(nèi)旋轉(zhuǎn)對純工質(zhì)和混合工質(zhì)復雜熱對流過程的影響進行系統(tǒng)研究,獲得了流動失穩(wěn)后自由表面流型結(jié)構(gòu)、內(nèi)部流場以及溫度場,分析了各種流型的轉(zhuǎn)變規(guī)律,揭示了流動失穩(wěn)的物理機制。首先,通過系統(tǒng)實驗揭示了Cz結(jié)構(gòu)淺液池內(nèi)晶體和坩堝旋轉(zhuǎn)對熱毛細對流及其穩(wěn)定性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),當熱毛細雷諾數(shù)超過某一臨界值后,穩(wěn)定的軸對稱流動將轉(zhuǎn)變?yōu)槿S時相關(guān)的振蕩流動。不論坩堝是否旋轉(zhuǎn),臨界熱毛細雷諾數(shù)都隨晶體旋轉(zhuǎn)速度的增加而降低;與坩堝和晶體同向旋轉(zhuǎn)相比,二者相向旋轉(zhuǎn)時流動更容易轉(zhuǎn)變?yōu)檎袷幜鲃�。當晶體旋轉(zhuǎn)速度較小時,熱毛細力主導流動,此時流動失穩(wěn)的機理為熱流體波不穩(wěn)定性,晶體旋轉(zhuǎn)對熱流體波波數(shù)、傳播角幾乎沒有影響。隨著晶體旋轉(zhuǎn)速度的逐漸增加,旋轉(zhuǎn)波開始出現(xiàn),并與熱流體波共存于液池中,最后,旋轉(zhuǎn)波占據(jù)整個液池,此時流動失穩(wěn)的機理為環(huán)形剪切不穩(wěn)定性。坩堝旋轉(zhuǎn)能夠抑制熱流體波的振蕩,控制熱流體波的周向傳播方向。其次,觀測了Cz結(jié)構(gòu)深液池內(nèi)旋轉(zhuǎn)-熱毛細-浮力對流的流動特征及流動轉(zhuǎn)變規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著液池深度的增加,浮力對流動的影響增強,流動失穩(wěn)后的熱流體波逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛ò鸂钶嗇椊Y(jié)構(gòu);當液池較深、浮力主導流動時,自由表面流動結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槊靼迪嚅g的輪輻狀直條紋,此時流動失穩(wěn)機理為Rayleigh-Bénard不穩(wěn)定性。當坩堝靜止時,熱對流失穩(wěn)的臨界瑞利數(shù)隨晶體旋轉(zhuǎn)速度的增加而增大。在較小的晶體旋轉(zhuǎn)速度下,坩堝旋轉(zhuǎn)使得臨界瑞利數(shù)大幅增加;隨著晶體旋轉(zhuǎn)速度的增大,輪輻狀流型周向傳播速度增加,但波動幅度逐漸減小,最終被振蕩波所取代。在輪輻狀波動消失前,輪輻狀波的條紋數(shù)量與晶體旋轉(zhuǎn)速度無關(guān)。液池越深,晶體旋轉(zhuǎn)越容易使流動失穩(wěn),相反,坩堝旋轉(zhuǎn)使較深液池內(nèi)的流動更加穩(wěn)定。然后,通過一系列的三維數(shù)值模擬詳細分析了Cz結(jié)構(gòu)液池內(nèi)旋轉(zhuǎn)耦合熱毛細力-浮力對流特征。當旋轉(zhuǎn)速度較低時,Cz結(jié)構(gòu)液池內(nèi)的流動主要受熱毛細力-浮力驅(qū)動,從而形成一個逆時針流胞。當徑向溫度梯度超過臨界值后,在淺液池內(nèi)流動將由二維軸對稱穩(wěn)態(tài)流動轉(zhuǎn)變?yōu)槿S振蕩流動,失穩(wěn)后的振蕩流動結(jié)構(gòu)為螺旋狀熱流體波。在深液池內(nèi),軸對稱穩(wěn)態(tài)流動將轉(zhuǎn)變?yōu)槿S振蕩流動,在自由表面上可觀察到徑向直條紋輪輻狀結(jié)構(gòu)。隨著液池深度的增加,振蕩波的波數(shù)逐漸減少。淺液池內(nèi)溫度振蕩幅度最大處位于晶體側(cè)壁附近,而在深液池內(nèi)坩堝側(cè)壁附近溫度振蕩更加劇烈。晶體旋轉(zhuǎn)對熱流體波的波數(shù)、傳播角和傳播方向等影響較小,而坩堝旋轉(zhuǎn)能夠有效控制波動的周向傳播方向,減少熱流體波的波數(shù)。在淺液池內(nèi),熱毛細力和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動流動形成剪切層,隨著晶體旋轉(zhuǎn)速度的逐漸增加,旋轉(zhuǎn)波出現(xiàn)并與熱流體波共存,最后旋轉(zhuǎn)波會完全抑制熱流體波。最后,通過數(shù)值模擬分析了Cz結(jié)構(gòu)深液池內(nèi)硅鍺晶體(Ge0.98Si 0.02)生長時,旋轉(zhuǎn)對耦合浮力-溶質(zhì)/熱毛細力對流的影響。結(jié)果表明,坩堝和晶體靜止時,流動失穩(wěn)轉(zhuǎn)變?yōu)槿S振蕩流動,根據(jù)溶質(zhì)濃度梯度和溫度梯度的強弱,振蕩結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為穩(wěn)定的三胞狀結(jié)構(gòu)和不穩(wěn)定的輪輻狀結(jié)構(gòu),流動失穩(wěn)的機理是Rayleigh-Bénard不穩(wěn)定性。晶體轉(zhuǎn)速較低時,流動失穩(wěn)的臨界瑞利數(shù)隨晶體旋轉(zhuǎn)速度的增加而增大,即晶體低速旋轉(zhuǎn)有利于流動的穩(wěn)定;但當晶體轉(zhuǎn)速超過某一臨界值后,流動失穩(wěn)的臨界值隨晶體旋轉(zhuǎn)速度的增大而降低。當晶體和坩堝均靜止時,軸對稱流動在相對較小的瑞利數(shù)下就會失穩(wěn),轉(zhuǎn)變?yōu)槿S非穩(wěn)態(tài)流動。隨著坩堝轉(zhuǎn)速的緩慢增加,流動失穩(wěn)的臨界值先逐漸增加、然后降低,即坩堝的高速旋轉(zhuǎn)不利于熔體流動的穩(wěn)定性。當坩堝靜止時,隨著晶體旋轉(zhuǎn)速度的增加,自由表面上的輪輻狀徑向條紋轉(zhuǎn)變?yōu)檠鼐w旋轉(zhuǎn)方向周向傳播的振蕩波,當晶體旋轉(zhuǎn)速度進一步增大,自由表面周向速度波動增大,但波數(shù)基本不變。當晶體靜止時,在給定的瑞利數(shù)下,坩堝低速旋轉(zhuǎn)能夠抑制Si溶質(zhì)濃度波動,一旦坩堝轉(zhuǎn)速超過某一臨界值后,自由表面上Si濃度波動隨坩堝轉(zhuǎn)速的增加而增大,流動將經(jīng)歷三胞狀結(jié)構(gòu)-混沌狀態(tài)-旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的振蕩流動結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變過程。當晶體和坩堝聯(lián)合旋轉(zhuǎn),同向旋轉(zhuǎn)時的振蕩總是比相向旋轉(zhuǎn)時振蕩劇烈,且周向傳播速度不斷增加。在相向旋轉(zhuǎn)過程中,存在使振蕩顯著降低,甚至出現(xiàn)三維穩(wěn)態(tài)的區(qū)域。所以采用Cz法雙組分熔體生長晶體時,晶體和坩堝相向旋轉(zhuǎn)更利于晶體的生長。
【關(guān)鍵詞】：Czochralski結(jié)構(gòu) 旋轉(zhuǎn) 熱對流 流型 流動不穩(wěn)定性
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O78;TK124
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-10
• 主要符號表10-12
• 1 緒論12-26
• 1.1 引言12-14
• 1.2 熱毛細-浮力對流14-20
• 1.3 旋轉(zhuǎn)-熱毛細-浮力對流20-23
• 1.3.1 實驗研究20-21
• 1.3.2 數(shù)值模擬及理論研究21-23
• 1.4 溶質(zhì)-熱毛細對流耦合浮力對流23-24
• 1.5 主要研究內(nèi)容24-26
• 2 旋轉(zhuǎn)-熱對流實驗研究26-48
• 2.1 引言26
• 2.2 實驗裝置及方法26-29
• 2.2.1 實驗裝置26-28
• 2.2.2 實驗方法28-29
• 2.2.3 實驗步驟29
• 2.3 淺液池內(nèi)旋轉(zhuǎn)-熱毛細對流29-38
• 2.3.1 實驗結(jié)果及討論30-36
• 2.3.2 實驗不確定度分析36-37
• 2.3.3 小結(jié)37-38
• 2.4 深液池內(nèi)旋轉(zhuǎn)-熱毛細-浮力對流38-46
• 2.4.1 實驗結(jié)果及分析38-45
• 2.4.2 小結(jié)45-46
• 2.5 本章小結(jié)46-48
• 3 旋轉(zhuǎn)-熱對流的數(shù)值模擬48-78
• 3.1 引言48
• 3.2 物理數(shù)學模型48-53
• 3.2.1 物理模型48-49
• 3.2.2 數(shù)學模型49-52
• 3.2.3 數(shù)值方法52-53
• 3.3 旋轉(zhuǎn)對熱毛細對流的影響53-66
• 3.3.1 穩(wěn)態(tài)流動53-57
• 3.3.2 三維時相關(guān)振蕩流動57-65
• 3.3.3 小結(jié)65-66
• 3.4 旋轉(zhuǎn)對熱毛細-浮力對流的影響66-76
• 3.4.1 穩(wěn)態(tài)流動66-69
• 3.4.2 三維流動69-75
• 3.4.3 小結(jié)75-76
• 3.5 本章小結(jié)76-78
• 4 旋轉(zhuǎn)對溶質(zhì)/熱毛細-浮力對流的影響78-108
• 4.1 引言78
• 4.2 物理模型78-79
• 4.3 數(shù)學模型及計算方法79-83
• 4.3.1 控制方程及定解條件79-80
• 4.3.2 控制方程和定解條件的無因次化80-82
• 4.3.3 計算條件和數(shù)值方法82-83
• 4.4 結(jié)果及討論83-106
• 4.4.1 穩(wěn)態(tài)流動83-87
• 4.4.2 流動失穩(wěn)臨界條件87-88
• 4.4.3 非穩(wěn)態(tài)振蕩流動88-106
• 4.5 本章小結(jié)106-108
• 5 結(jié)論與展望108-112
• 5.1 主要結(jié)論108-109
• 5.2 主要創(chuàng)新點109
• 5.3 后續(xù)研究工作展望109-112
• 致謝112-114
• 參考文獻114-126
• 附錄126
• A 攻讀博士學位期間以第一作者身份發(fā)表的論文126
• B 攻讀博士學位期間參加的科研項目126

【參考文獻】

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 莫東鳴;環(huán)形雙層液池內(nèi)熱毛細對流的線性穩(wěn)定性分析[D];重慶大學;2012年

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 凌芳;開口圓形液池內(nèi)熱毛細對流及其失穩(wěn)機理分析[D];重慶大學;2007年

，

本文編號：642101