直拉法單晶硅熔體內熱量、動量及質量輸運的數(shù)值模擬.pdf

1、單晶硅是半導體器件和集成電路的重要原材料，對信息技術的發(fā)展有著很重要的影響。直拉法是生長單晶硅的一種重要方法，直拉法晶體生長過程既有物質的傳輸，也有動量和熱量的傳輸，坩堝內熔體的流動、傳熱及傳質直接影響硅單晶的質量。為了提高晶體硅的質量，必須了解直拉法生長坩堝內硅熔體的流動、傳熱和傳質特性。
　　 本課題在常規(guī)的硅單晶生長坩堝內加入間壁，研究在不同的邊界條件下坩堝內硅熔體的流動、傳熱及傳質的特性和規(guī)律。建立了加入間壁后直拉法硅熔

2、體內的能量、動量、質量輸運的物理模型和數(shù)學模型，假定硅熔體為不可壓縮牛頓流體，滿足Boussinesq假設，作穩(wěn)態(tài)的二維軸對稱運動，采用有限容積法進行數(shù)值求解。計算采用低雷諾數(shù)κ-ε湍流模型，分析了不同的間壁高度、間壁位置、晶體轉速、坩堝轉速和坩堝側壁熱邊界條件等因素對硅熔體流場、溫度場和氧濃度的影響。
　　 結果表明：隨著間壁高度的變短，硅熔體流動變弱；熔體-晶體界面附近等溫線更密集、更平坦；熔體-晶體界面的平均氧濃度增加，熔

3、體-晶體界面的氧濃度徑向分布更不均勻。隨著間壁與坩堝中心軸之間距離的增加，熔體流動減弱；熔體-晶體界面附近等溫線更密集、更平坦；熔體-晶體界面的平均氧濃度降低，熔體-晶體界面的氧濃度徑向分布更不均勻。晶體轉速對硅熔體的整體流動影響不是很大，而且由于間壁的存在進一步減弱了晶體旋轉對整體流場的影響。但晶體旋轉產(chǎn)生的離心力會影響熔體-晶體界面附近熔體的流動、傳熱和氧濃度。隨著晶體轉速的增加，熔體流動增強；熔體-晶體界面附近等溫線變得稀疏；熔體

4、-晶體界面的平均氧濃度增大，熔體-晶體界面的氧濃度徑向分布更均勻。坩堝旋轉對整個硅熔體的流動有很大的影響。隨著坩堝轉速的增加，硅熔體的總體流動減弱；熔體-晶體界面附近等溫線更密集、更平坦；熔體-晶體界面的平均氧濃度降低，熔體-晶體界面的氧濃度徑向分布更均勻。在坩堝側壁熱邊界為第二類熱邊界條件與第一類熱邊界條件的工況下，整個硅熔體的流場、溫度場和氧濃度場有著類似的特征。隨著坩堝側壁與熔體-晶體界面的最大溫差或坩堝側壁熱流密度的增加，整個熔