雙向溫度梯度耦合作用下Cz法晶體生長中熔體Marangoni-熱毛細(xì)對流的研究.pdf

1、Czochralski（Cz）法是人工晶體生長方法中最重要的一種熔體生長方法，廣泛應(yīng)用于工業(yè)上單晶硅的生產(chǎn)。熔體的流動(dòng)對晶體生長系統(tǒng)內(nèi)的傳熱傳質(zhì)起著十分重要的作用，在實(shí)際的晶體生長過程中，熱對流、強(qiáng)制對流、表面張力驅(qū)動(dòng)力共同作用在熔體上，使熔體流動(dòng)變得復(fù)雜。而在微重力環(huán)境制備晶體材料過程中，由于有效重力加速度降低了幾個(gè)數(shù)量級，浮力極大地減小，難以發(fā)生浮力對流。此時(shí)，由表面張力梯度驅(qū)動(dòng)的熱毛細(xì)流（Marangoni流動(dòng)）作用突顯，直接影響

2、制備晶體的質(zhì)量。當(dāng)溫度梯度垂直于自由界面時(shí)，這種流動(dòng)稱為Marangoni對流；當(dāng)溫度梯度平行于自由界面時(shí)，稱這種流動(dòng)為熱毛細(xì)對流。
　　目前，已有的研究主要集中于水平溫度梯度驅(qū)動(dòng)的熱毛細(xì)對流或垂直溫度梯度誘導(dǎo)的Marangoni對流，而由兩種溫度梯度共同驅(qū)動(dòng)的熱對流過程往往存在于許多實(shí)際工程應(yīng)用中。因此，本課題結(jié)合Cz法的工業(yè)實(shí)際應(yīng)用背景，采用數(shù)值模擬方法對微重力條件下水平溫度梯度和垂直溫度梯度耦合作用下Cz淺液池內(nèi)熔體Mara

3、ngoni-熱毛細(xì)對流進(jìn)行研究，探討了水平溫度梯度和底部熱流驅(qū)動(dòng)流體運(yùn)動(dòng)的過程中各自發(fā)揮的作用，并獲得了流動(dòng)的基本形態(tài)和不穩(wěn)定性的基本特征。
　　研究結(jié)果表明：水平溫差（Ma數(shù)）使自由表面溫度分布由晶體側(cè)向坩堝側(cè)壁遞增，驅(qū)動(dòng)表面流體由坩堝側(cè)壁流向晶體側(cè)；底部熱流（Q）使自由表面溫度分布由Cz池中心區(qū)域向晶體和坩堝側(cè)壁遞減，驅(qū)動(dòng)自由表面流體由中心處流向晶體和坩堝側(cè)壁。這兩種力的相對強(qiáng)度決定了熔體流動(dòng)的形態(tài)。
　　底部施加較小熱

4、流，增大Ma數(shù)的過程中，熔體內(nèi)流動(dòng)形態(tài)發(fā)生改變：當(dāng)Ma?Macr1時(shí)，流動(dòng)為二維穩(wěn)態(tài)軸對稱流動(dòng)，Q起主導(dǎo)作用時(shí)，液池內(nèi)中心區(qū)域形成最高溫度，流動(dòng)呈現(xiàn)雙流胞形態(tài)；Ma數(shù)起主導(dǎo)作用時(shí)，坩堝側(cè)壁形成最高溫度，流動(dòng)呈現(xiàn)單流胞形態(tài)。當(dāng)Macr1?Ma?Macr2，流動(dòng)為三維穩(wěn)態(tài)，自由表面上溫度沿坩堝側(cè)壁向晶體遞減，自由表面上溫度波動(dòng)呈靜止輪輻型結(jié)構(gòu)，增大Ma數(shù)和Q均增大溫度波動(dòng)，輪輻數(shù)目基本保持不變，而形態(tài)發(fā)生改變。當(dāng)Ma?Macr2，流動(dòng)將失穩(wěn)