微重力双向温差作用下Czochralski法硅熔体中的热毛细对流

采用数值模拟的方法研究了微重力条件下Czochralski法生长硅晶体过程中熔体热毛细对流的基本特征,探讨了水平和垂直温度梯度的耦合对熔体流动的影响。熔体自由表面与外界辐射换热,水平温度梯度Marangoni（Ma）数选取（0-3 000）,底部热流Q选取（1.39×10^-2-1.76×10^-2）。结果表明,当Q和Ma数均较小时,流动为稳态,液池内产生3个流胞,熔体流动由Q主导,减小Q或增大Ma数可使流动更稳定。当Ma数增大到一定值时,流动从稳态转变为非稳态,流动的临界Mac数随Q的增大而显著减小。流动失稳后,出现了新的流动转变方式,Ma数为影响表面波动形式的关键因素,Q会改变热流体波数,是晶体附近的热流体波产生的决定因素。随着Ma数和Q的不断增强,自由表面最终形成弯曲条幅状热流体波。

双向温度梯度作用下Cz池内热对流的数值模拟

为了了解双向温度梯度作用下Cz液池内复杂流动和传热特性,利用有限容积法对底部施加不同垂直热流密度(3.0~4.0 W/cm^2)的Cz结构内硅熔体流动进行了三维数值模拟。结果表明,当3.0 W/cm^2≤q≤3.4 W/cm^2时,液池内为稳态轴对称流动,自由表面上温度波动呈直辐条结构,液池内最高温度出现在坩埚侧壁(即T_h);当3.6 W/cm^2≤q≤4.0W/cm^2时,流动失稳,液池内总体温度水平提高,最高温度高于壁面温度,其出现的位置离开壁面逐渐向液池中心移动。