微重力環(huán)境下液橋?qū)α骷捌浯艌隹刂频臄?shù)值模擬研究.pdf

1、浮區(qū)法（Floatingzone）是一種無坩鍋容器接觸、生長高質(zhì)量單晶的重要晶體生長技術(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的限制；同時，熔體浮力流亦極度減弱，可以避免不穩(wěn)定浮力流對晶體質(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流，研究浮區(qū)法晶體生長中的表面張力流及其控制對生長高質(zhì)量晶體具有重要意義。本論文針對研究浮區(qū)法對流的典型模型――半浮區(qū)(Half-zone)液橋模型，采用有限體積法，

2、對空間浮區(qū)法晶體生長中的表面張力流及其磁場對流控制進(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，液橋的半導(dǎo)體熔體對流是定常、二維軸對稱結(jié)構(gòu)；隨雷諾數(shù)的增大、超過某一臨界值（第一次失穩(wěn)的臨界雷諾數(shù)Rec1)，對流變?yōu)槿S、定常流動；隨雷諾數(shù)進(jìn)一步增大、超過臨界值（第二次失穩(wěn)的臨界雷諾數(shù)Rec2），熔體對流演化為三維、非定常振蕩對流。對流結(jié)構(gòu)的突變對晶體品質(zhì)有不利影響，因此研究對流

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流失穩(wěn)的臨界雷諾數(shù)與液橋體積的關(guān)系；對流第一次失穩(wěn)后變?yōu)橹芟驕u對數(shù)為m的三維對流，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)鍵之一是熔體對流的控制。由于洛倫茲力的作用，磁場可控制導(dǎo)電性流體的對流。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：均勻軸向磁場作用下，對流

4、趨向于軸對稱，但受抑制的表面張力流在徑向無法穿透液橋，對流主要集中于自由表面附近，而液橋中心區(qū)域?qū)α飨鄬苋?，該對流結(jié)構(gòu)不利于晶體生長摻雜的徑向均勻分布；在均勻橫向磁場作用下，對流的軸對稱性環(huán)境受到破壞，其不利于良好的生長界面的形成。
　　在研究均勻磁場對流控制的基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步研究了線圈產(chǎn)生非均勻磁場的對流控制。在軸向單載流線圈產(chǎn)生磁場的作用下，對流趨向于軸對稱，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磁場可以有效抑制自由表面附近的對流，其平均速度和最大速度都隨著線圈半徑的增大而增大；對于理想的圓柱形液橋，通過 CUSP磁場對稱面較強(qiáng)的徑向分量來抑制局部強(qiáng)烈的對流并不能達(dá)到整體最強(qiáng)的抑制效果。雖然橫向二載流線圈磁場和橫向四載流線圈磁場均會破壞對流的軸對稱性環(huán)境，但較均勻橫向磁場有所改善。橫向二載流線圈磁場作用下，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侠淼膶α鹘Y(jié)構(gòu)。對橫向四載流線圈磁場的研究中，同樣存在一個對對流的抑制作用最強(qiáng)的優(yōu)化線圈半徑，與橫向二載流線圈磁場相比，其對流結(jié)構(gòu)和溫度分布有進(jìn)一步改善。通過對比研究，軸向二載流線圈磁場對對流的抑制和對流結(jié)構(gòu)的優(yōu)化優(yōu)于橫向二載流線圈磁場和橫向四載流線圈磁場。
　　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)生的非均勻磁場對對流的影響。利用單獨各種圈磁場分布的優(yōu)點組合線圈磁場可以更加有效地抑制對流、改善對流結(jié)構(gòu)。
　　本文最后研究了磁場對變形液橋的影響。軸向均勻磁場對凸液橋和凹液橋?qū)α鞯挠绊懙难芯拷Y(jié)果表明，軸向均勻磁場對凸液橋的抑制作用強(qiáng)于對凹液橋的抑制作用；對于軸向二載流線圈產(chǎn)生的非均勻磁場，研究對稱面位于不同位置時的液橋?qū)α鳎ㄟ^把磁場對稱面布置于凹液橋局部對流比較強(qiáng)烈的區(qū)域時，磁