微重力環(huán)境下液橋?qū)α骷捌浯艌?chǎng)控制的數(shù)值模擬研究.pdf

1、浮區(qū)法（Floatingzone）是一種無(wú)坩鍋容器接觸、生長(zhǎng)高質(zhì)量單晶的重要晶體生長(zhǎng)技術(shù)。在空間微重力環(huán)境下，熔體靜壓力極度減小，浮區(qū)法可以突破小尺寸晶體生長(zhǎng)的限制；同時(shí)，熔體浮力流亦極度減弱，可以避免不穩(wěn)定浮力流對(duì)晶體質(zhì)量的影響。微重力條件下，表面張力流成為熔體中的主要對(duì)流，研究浮區(qū)法晶體生長(zhǎng)中的表面張力流及其控制對(duì)生長(zhǎng)高質(zhì)量晶體具有重要意義。本論文針對(duì)研究浮區(qū)法對(duì)流的典型模型――半浮區(qū)(Half-zone)液橋模型，采用有限體積法，

2、對(duì)空間浮區(qū)法晶體生長(zhǎng)中的表面張力流及其磁場(chǎng)對(duì)流控制進(jìn)行了一系列的數(shù)值模擬研究。
　　當(dāng)表面張力流雷諾數(shù)（Reynolds number:Re）較小時(shí)，液橋的半導(dǎo)體熔體對(duì)流是定常、二維軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)；隨雷諾數(shù)的增大、超過(guò)某一臨界值（第一次失穩(wěn)的臨界雷諾數(shù)Rec1)，對(duì)流變?yōu)槿S、定常流動(dòng)；隨雷諾數(shù)進(jìn)一步增大、超過(guò)臨界值（第二次失穩(wěn)的臨界雷諾數(shù)Rec2），熔體對(duì)流演化為三維、非定常振蕩對(duì)流。對(duì)流結(jié)構(gòu)的突變對(duì)晶體品質(zhì)有不利影響，因此研究對(duì)流

3、失穩(wěn)的臨界雷諾數(shù)很重要。本文首先研究了表面張力流第一次對(duì)流失穩(wěn)的臨界雷諾數(shù)與液橋體積的關(guān)系；對(duì)流第一次失穩(wěn)后變?yōu)橹芟驕u對(duì)數(shù)為m的三維對(duì)流，m值與液橋幾何尺寸的關(guān)系本文也進(jìn)行了討論。
　　晶體質(zhì)量控制的關(guān)鍵之一是熔體對(duì)流的控制。由于洛倫茲力的作用，磁場(chǎng)可控制導(dǎo)電性流體的對(duì)流。盡管半導(dǎo)體在室溫下接近于絕緣體，但半導(dǎo)體熔體卻像金屬一樣具有良好導(dǎo)電性，外部靜態(tài)磁場(chǎng)作用可以有效地抑制液橋表面張力流。本文數(shù)值研究表明：均勻軸向磁場(chǎng)作用下，對(duì)流

4、趨向于軸對(duì)稱，但受抑制的表面張力流在徑向無(wú)法穿透液橋，對(duì)流主要集中于自由表面附近，而液橋中心區(qū)域?qū)α飨鄬?duì)很弱，該對(duì)流結(jié)構(gòu)不利于晶體生長(zhǎng)摻雜的徑向均勻分布；在均勻橫向磁場(chǎng)作用下，對(duì)流的軸對(duì)稱性環(huán)境受到破壞，其不利于良好的生長(zhǎng)界面的形成。
　　在研究均勻磁場(chǎng)對(duì)流控制的基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步研究了線圈產(chǎn)生非均勻磁場(chǎng)的對(duì)流控制。在軸向單載流線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)的作用下，對(duì)流趨向于軸對(duì)稱，液橋平均速度和最大速度都隨著載流線圈半徑的增大而增大，并隨著載流

5、線圈從低溫端往高溫端移動(dòng)亦逐步增大。數(shù)值結(jié)果顯示：軸向二載流線圈產(chǎn)生的CUSP磁場(chǎng)可以有效抑制自由表面附近的對(duì)流，其平均速度和最大速度都隨著線圈半徑的增大而增大；對(duì)于理想的圓柱形液橋，通過(guò) CUSP磁場(chǎng)對(duì)稱面較強(qiáng)的徑向分量來(lái)抑制局部強(qiáng)烈的對(duì)流并不能達(dá)到整體最強(qiáng)的抑制效果。雖然橫向二載流線圈磁場(chǎng)和橫向四載流線圈磁場(chǎng)均會(huì)破壞對(duì)流的軸對(duì)稱性環(huán)境，但較均勻橫向磁場(chǎng)有所改善。橫向二載流線圈磁場(chǎng)作用下，液橋?qū)α鞯乃俣入S著線圈半徑的增大先減小、后增大

6、；隨著兩線圈的距離的增大對(duì)流速度是增大的；液橋?qū)α鹘Y(jié)構(gòu)隨著線圈的半徑和兩線圈的相對(duì)位置而不斷變化，隨著線圈半徑的減小和線圈之間距離的增大，液橋?qū)α髭呄蛴谙鄬?duì)合理的對(duì)流結(jié)構(gòu)。對(duì)橫向四載流線圈磁場(chǎng)的研究中，同樣存在一個(gè)對(duì)對(duì)流的抑制作用最強(qiáng)的優(yōu)化線圈半徑，與橫向二載流線圈磁場(chǎng)相比，其對(duì)流結(jié)構(gòu)和溫度分布有進(jìn)一步改善。通過(guò)對(duì)比研究，軸向二載流線圈磁場(chǎng)對(duì)對(duì)流的抑制和對(duì)流結(jié)構(gòu)的優(yōu)化優(yōu)于橫向二載流線圈磁場(chǎng)和橫向四載流線圈磁場(chǎng)。
　　本文還研究了軸

7、向單載流線圈、軸向二載流線圈和橫向四載流線圈組合產(chǎn)生的非均勻磁場(chǎng)對(duì)對(duì)流的影響。利用單獨(dú)各種圈磁場(chǎng)分布的優(yōu)點(diǎn)組合線圈磁場(chǎng)可以更加有效地抑制對(duì)流、改善對(duì)流結(jié)構(gòu)。
　　本文最后研究了磁場(chǎng)對(duì)變形液橋的影響。軸向均勻磁場(chǎng)對(duì)凸液橋和凹液橋?qū)α鞯挠绊懙难芯拷Y(jié)果表明，軸向均勻磁場(chǎng)對(duì)凸液橋的抑制作用強(qiáng)于對(duì)凹液橋的抑制作用；對(duì)于軸向二載流線圈產(chǎn)生的非均勻磁場(chǎng)，研究對(duì)稱面位于不同位置時(shí)的液橋?qū)α?，通過(guò)把磁場(chǎng)對(duì)稱面布置于凹液橋局部對(duì)流比較強(qiáng)烈的區(qū)域時(shí)，磁