浮区内热-质耦合对流不稳定性及其磁场主动控制研究
发布时间：2021-04-16 10:12
浮区法晶体生长是一个包含固体导热、熔体对流、固液相变等多种传热流动方式的复杂热-质输运过程。因其具有无坩埚接触污染的优点而被广泛用于高精度硅、高温合金及其他半导体材料的生长。在微重力环境下,由重力引起的浮力对流几近消失,由表面温度梯度和浓度梯度引起的毛细对流成为影响浮区晶体质量的主要因素之一。为了提高浮区法生长单晶材料的品质,研究浮区法晶体生长中毛细对流时空演化特性及其控制显得尤为重要。本文以浮区法晶体生长过程中存在的毛细对流为研究对象,采用数值模拟的方法对零重力下熔体中单纯溶质毛细对流、单纯热毛细对流的演化特征、热-质耦合毛细对流的不稳定性展开研究,并对施加不同类型磁场下熔体内的毛细对流的行为特征进行了仿真。研究内容及获得的研究结果如下:首先,数值研究了半浮区液桥内单纯热毛细对流不稳定性的产生条件、发展演化机制及其在静态磁场控制下的演化规律。研究发现,对硅熔体而言,随着Marangoni（Ma）数的增加,液桥内热毛细对流依次经历二维轴对称流、三维定常流,而后转变为三维单频周期性振荡流再到多频振荡流,最终演化为非周期性振荡流。当熔体对流处在多频振荡模式时,频谱分析发现频率之间满足f
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：166 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
Czochralski法单晶生长示意图
(a)基本结构 (b)温度分布图 1.2 Bridgman 法晶体生长的基本原理下降法(Bridgman 法)[2]将坩埚垂直放置，然后缓缓下沉通过结晶炉，由于结晶炉的温度上高下低，因此熔体自下而上定向凝固成晶体(图 1.2)。也可使生长炉沿坩埚上升，或者生长炉和坩埚都不动，通过生长炉的逐渐降温来实现晶体的生长。坩埚的特殊构型可以改善炉内的热场，有利于单晶的生长。下降法适于大尺度的碱卤化物单晶的生长，将此方法与液相封盖技术相结合，也用来生长分解压或蒸气压较高的Ⅲ～Ⅴ、Ⅱ～Ⅵ族半导体晶体材料。下降法生长中，由于其特殊的结晶过程，坩埚的重要性更为突出，坩埚的选材、形状和结构设计是晶体生长过程能否实现以及晶体结晶质量优劣的控制因素之一。对于冷却时体积增大的晶体，利用此法生长的晶体内部通常具有较多的杂质和较大的应力。另外，由于晶体生长周期较长，生长过程中直接观察存在困难，因此下降法特定的结构所带来的缺点有待进一步改进。浮区法(Floating zone)具有无坩埚接触污染的优点，是生长高纯度、高质量、高品质单晶材料的一种重要技术，在各类晶体生长法中颇具竞争力，因而被广泛应用到现代工业生产中(图1.3)。1952 年，Pfann 首先在提纯材料中引进区域熔化法[3-5]，为浮区法的诞生奠定了基础。次年，Keck 和 Golay[6]将 Pfann 提出的区域熔化法用于单晶硅生长，即浮区法。在浮区法晶体生
?しㄖ衅木呔赫?Γ?蚨?还惴河τ玫较执?ひ瞪???图1.3)。1952 年，Pfann 首先在提纯材料中引进区域熔化法[3-5]，为浮区法的诞生奠定了基础。次年，Keck 和 Golay[6]将 Pfann 提出的区域熔化法用于单晶硅生长，即浮区法。在浮区法晶体生长过程中，利用高频感应、光学聚焦或电子轰击等方法形成一个高温区，将多晶棒通过这个高温区熔化形成一个浮熔区，然后移动多晶棒或者反向移动加热体，使多晶棒依次熔化并冷却结晶，最后整个多晶棒熔化结晶后就形成单晶棒。浮区内的熔体靠表面张力维持其形状，这种方法能有效地避免坩埚的接触污染和对所生长单晶熔化温度的限制，因而可以制备高纯度、高熔点的单晶材料。为了使生长的单晶具有高度的完整性，在接好籽晶后需要生长一段细颈单晶，以消除晶体位错。目前，20%工业应用的高质量、高精度的单晶硅都是通过浮区法获得[7]，这得益于浮区法生长技术的独特优势。
【参考文献】：
期刊论文
[1]微重力条件下红外材料的空间生长[J]. 焦翠灵,王仍,陆液,李向阳. 空间科学学报. 2018(04)
[2]Oscillatory and Chaotic Buoyant-Thermocapillary Convection in the Large-Scale Liquid Bridge[J]. 王佳,段俐,康琦. Chinese Physics Letters. 2017(07)
[3]旋转磁场对空间浮区内流场及浓度场的影响[J]. 邹勇,朱桂平,马建军,黄护林. 人工晶体学报. 2017(04)
[4]旋转磁场对激光熔凝钛合金熔池的影响[J]. 杨光,薛雄,钦兰云,王维. 稀有金属材料与工程. 2016(07)
[5]微重力科学实验卫星——“实践十号”[J]. 康琦,胡文瑞. 中国科学院院刊. 2016(05)
[6]Effect of Marangoni Number on Thermocapillary Convection and Free-Surface Deformation in Liquid Bridges[J]. ZHANG Yin,HUANG Hu-Lin,ZHOU Xiao-Ming,ZHU Gui-Ping,ZOU Yong. Journal of Thermal Science. 2016(02)
[7]空间熔体材料科学:实践十号返回式科学实验卫星[J]. 尹志岗,张兴旺,潘秀红. 物理. 2016(04)
[8]热毛细对流表面波空间实验研究[J]. 康琦,段俐,尹永利,杨京松,吴笛,赵肆方,姜欢,章楚,胡文瑞. 力学与实践. 2016(02)
[9]侧壁非对称的方管MHD流动的线性稳定性分析[J]. 刘婵,张年梅,倪明玖. 中国科学院大学学报. 2016(01)
[10]微重力下静态磁场对浮区法硅单晶生长的影响[J]. 邹勇,张银,唐硕捷,马建军,黄护林. 人工晶体学报. 2015(09)
博士论文
[1]微重力环境下半浮区液桥的对流特性以及旋转磁场对流控制的研究[D]. 姚丽萍.重庆大学 2011
硕士论文
[1]微重力环境下液桥对流及其磁场控制的数值模拟研究[D]. 陈朝波.重庆大学 2008
本文编号：3141237
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：166 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
Czochralski法单晶生长示意图
(a)基本结构 (b)温度分布图 1.2 Bridgman 法晶体生长的基本原理下降法(Bridgman 法)[2]将坩埚垂直放置，然后缓缓下沉通过结晶炉，由于结晶炉的温度上高下低，因此熔体自下而上定向凝固成晶体(图 1.2)。也可使生长炉沿坩埚上升，或者生长炉和坩埚都不动，通过生长炉的逐渐降温来实现晶体的生长。坩埚的特殊构型可以改善炉内的热场，有利于单晶的生长。下降法适于大尺度的碱卤化物单晶的生长，将此方法与液相封盖技术相结合，也用来生长分解压或蒸气压较高的Ⅲ～Ⅴ、Ⅱ～Ⅵ族半导体晶体材料。下降法生长中，由于其特殊的结晶过程，坩埚的重要性更为突出，坩埚的选材、形状和结构设计是晶体生长过程能否实现以及晶体结晶质量优劣的控制因素之一。对于冷却时体积增大的晶体，利用此法生长的晶体内部通常具有较多的杂质和较大的应力。另外，由于晶体生长周期较长，生长过程中直接观察存在困难，因此下降法特定的结构所带来的缺点有待进一步改进。浮区法(Floating zone)具有无坩埚接触污染的优点，是生长高纯度、高质量、高品质单晶材料的一种重要技术，在各类晶体生长法中颇具竞争力，因而被广泛应用到现代工业生产中(图1.3)。1952 年，Pfann 首先在提纯材料中引进区域熔化法[3-5]，为浮区法的诞生奠定了基础。次年，Keck 和 Golay[6]将 Pfann 提出的区域熔化法用于单晶硅生长，即浮区法。在浮区法晶体生
?しㄖ衅木呔赫?Γ?蚨?还惴河τ玫较执?ひ瞪???图1.3)。1952 年，Pfann 首先在提纯材料中引进区域熔化法[3-5]，为浮区法的诞生奠定了基础。次年，Keck 和 Golay[6]将 Pfann 提出的区域熔化法用于单晶硅生长，即浮区法。在浮区法晶体生长过程中，利用高频感应、光学聚焦或电子轰击等方法形成一个高温区，将多晶棒通过这个高温区熔化形成一个浮熔区，然后移动多晶棒或者反向移动加热体，使多晶棒依次熔化并冷却结晶，最后整个多晶棒熔化结晶后就形成单晶棒。浮区内的熔体靠表面张力维持其形状，这种方法能有效地避免坩埚的接触污染和对所生长单晶熔化温度的限制，因而可以制备高纯度、高熔点的单晶材料。为了使生长的单晶具有高度的完整性，在接好籽晶后需要生长一段细颈单晶，以消除晶体位错。目前，20%工业应用的高质量、高精度的单晶硅都是通过浮区法获得[7]，这得益于浮区法生长技术的独特优势。
【参考文献】：
期刊论文
[1]微重力条件下红外材料的空间生长[J]. 焦翠灵,王仍,陆液,李向阳. 空间科学学报. 2018(04)
[2]Oscillatory and Chaotic Buoyant-Thermocapillary Convection in the Large-Scale Liquid Bridge[J]. 王佳,段俐,康琦. Chinese Physics Letters. 2017(07)
[3]旋转磁场对空间浮区内流场及浓度场的影响[J]. 邹勇,朱桂平,马建军,黄护林. 人工晶体学报. 2017(04)
[4]旋转磁场对激光熔凝钛合金熔池的影响[J]. 杨光,薛雄,钦兰云,王维. 稀有金属材料与工程. 2016(07)
[5]微重力科学实验卫星——“实践十号”[J]. 康琦,胡文瑞. 中国科学院院刊. 2016(05)
[6]Effect of Marangoni Number on Thermocapillary Convection and Free-Surface Deformation in Liquid Bridges[J]. ZHANG Yin,HUANG Hu-Lin,ZHOU Xiao-Ming,ZHU Gui-Ping,ZOU Yong. Journal of Thermal Science. 2016(02)
[7]空间熔体材料科学:实践十号返回式科学实验卫星[J]. 尹志岗,张兴旺,潘秀红. 物理. 2016(04)
[8]热毛细对流表面波空间实验研究[J]. 康琦,段俐,尹永利,杨京松,吴笛,赵肆方,姜欢,章楚,胡文瑞. 力学与实践. 2016(02)
[9]侧壁非对称的方管MHD流动的线性稳定性分析[J]. 刘婵,张年梅,倪明玖. 中国科学院大学学报. 2016(01)
[10]微重力下静态磁场对浮区法硅单晶生长的影响[J]. 邹勇,张银,唐硕捷,马建军,黄护林. 人工晶体学报. 2015(09)
博士论文
[1]微重力环境下半浮区液桥的对流特性以及旋转磁场对流控制的研究[D]. 姚丽萍.重庆大学 2011
硕士论文
[1]微重力环境下液桥对流及其磁场控制的数值模拟研究[D]. 陈朝波.重庆大学 2008
本文编号：3141237
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxue/3141237.html
教材专著
