多場(chǎng)耦合下直拉硅單晶熔體流動(dòng)與傳熱研究.pdf

1、硅單晶是最重要的半導(dǎo)體材料，已滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防科技的各個(gè)領(lǐng)域，逐漸受到世界各國(guó)的廣泛重視。極大規(guī)模集成電路的不斷發(fā)展，對(duì)硅單晶品質(zhì)提出了更高的要求。特別是目前大尺寸、電子級(jí)硅單晶對(duì)溫度場(chǎng)精度的要求越來(lái)越高。因此，對(duì)晶體生長(zhǎng)這樣的復(fù)雜過(guò)程，研究在多物理場(chǎng)耦合情況下熔體的流動(dòng)結(jié)構(gòu)和熱傳遞形式、得到熔體內(nèi)部的流場(chǎng)和熱場(chǎng)分布，是非常重要且很有意義的。
　　本文采用格子Boltzmann方法，根據(jù)單晶生長(zhǎng)的特性，建立了二維軸對(duì)稱不可壓耦

2、合熱格子模型，構(gòu)建了包含熱浮力、旋轉(zhuǎn)慣性力和洛倫茲力的熔體流速與溫度演化關(guān)系，分別模擬了不同坩堝旋轉(zhuǎn)速度、晶體旋轉(zhuǎn)速度下熔體的流動(dòng)與熱傳遞情況，以及不同Cusp磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)熔體流動(dòng)結(jié)構(gòu)與熱傳遞形式的影響。模擬結(jié)果顯示晶體旋轉(zhuǎn)可以在晶體生長(zhǎng)下方建立一個(gè)穩(wěn)定的、對(duì)晶體生長(zhǎng)有利的流動(dòng)區(qū)域；坩堝旋轉(zhuǎn)促進(jìn)了熱量在熔體內(nèi)部的傳遞，Cusp磁場(chǎng)可以有效的抑制熔體對(duì)流，改善溫度分布；Cusp磁場(chǎng)與堝轉(zhuǎn)、晶轉(zhuǎn)的有效結(jié)合不僅在晶體生長(zhǎng)下方建立了一個(gè)對(duì)晶體生長(zhǎng)

3、有利的穩(wěn)定區(qū)域，還改善了熔體內(nèi)部的溫度分布。最后本文建立了晶體生長(zhǎng)的三維局部模型，用FLUENT軟件分別模擬了無(wú)磁場(chǎng)環(huán)境、橫向磁場(chǎng)和Cusp磁場(chǎng)環(huán)境下熔體自由表面的三維熱分布情況。模擬結(jié)果顯示，無(wú)磁場(chǎng)環(huán)境下熔體自由表面上熔體邊沿的熱分布出現(xiàn)波紋；橫向磁場(chǎng)的施加有效改善了此現(xiàn)象，但是卻影響了晶體的軸向?qū)ΨQ性；Cusp磁場(chǎng)克服了橫向磁場(chǎng)的這一缺陷，并且改善了熱分布的平滑性，減小了晶體生長(zhǎng)界面附近的溫度梯度，將溫度梯度大的區(qū)域擠壓到坩堝壁面附