直拉法單晶硅熔體內(nèi)熱量、動量及質(zhì)量輸運的數(shù)值模擬.pdf

1、單晶硅是半導體器件和集成電路的重要原材料，對信息技術(shù)的發(fā)展有著很重要的影響。直拉法是生長單晶硅的一種重要方法，直拉法晶體生長過程既有物質(zhì)的傳輸，也有動量和熱量的傳輸，坩堝內(nèi)熔體的流動、傳熱及傳質(zhì)直接影響硅單晶的質(zhì)量。為了提高晶體硅的質(zhì)量，必須了解直拉法生長坩堝內(nèi)硅熔體的流動、傳熱和傳質(zhì)特性。
　　 本課題在常規(guī)的硅單晶生長坩堝內(nèi)加入間壁，研究在不同的邊界條件下坩堝內(nèi)硅熔體的流動、傳熱及傳質(zhì)的特性和規(guī)律。建立了加入間壁后直拉法硅熔

2、體內(nèi)的能量、動量、質(zhì)量輸運的物理模型和數(shù)學模型，假定硅熔體為不可壓縮牛頓流體，滿足Boussinesq假設(shè)，作穩(wěn)態(tài)的二維軸對稱運動，采用有限容積法進行數(shù)值求解。計算采用低雷諾數(shù)κ-ε湍流模型，分析了不同的間壁高度、間壁位置、晶體轉(zhuǎn)速、坩堝轉(zhuǎn)速和坩堝側(cè)壁熱邊界條件等因素對硅熔體流場、溫度場和氧濃度的影響。
　　 結(jié)果表明：隨著間壁高度的變短，硅熔體流動變?nèi)酰蝗垠w-晶體界面附近等溫線更密集、更平坦；熔體-晶體界面的平均氧濃度增加，熔

3、體-晶體界面的氧濃度徑向分布更不均勻。隨著間壁與坩堝中心軸之間距離的增加，熔體流動減弱；熔體-晶體界面附近等溫線更密集、更平坦；熔體-晶體界面的平均氧濃度降低，熔體-晶體界面的氧濃度徑向分布更不均勻。晶體轉(zhuǎn)速對硅熔體的整體流動影響不是很大，而且由于間壁的存在進一步減弱了晶體旋轉(zhuǎn)對整體流場的影響。但晶體旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力會影響熔體-晶體界面附近熔體的流動、傳熱和氧濃度。隨著晶體轉(zhuǎn)速的增加，熔體流動增強；熔體-晶體界面附近等溫線變得稀疏；熔體

4、-晶體界面的平均氧濃度增大，熔體-晶體界面的氧濃度徑向分布更均勻。坩堝旋轉(zhuǎn)對整個硅熔體的流動有很大的影響。隨著坩堝轉(zhuǎn)速的增加，硅熔體的總體流動減弱；熔體-晶體界面附近等溫線更密集、更平坦；熔體-晶體界面的平均氧濃度降低，熔體-晶體界面的氧濃度徑向分布更均勻。在坩堝側(cè)壁熱邊界為第二類熱邊界條件與第一類熱邊界條件的工況下，整個硅熔體的流場、溫度場和氧濃度場有著類似的特征。隨著坩堝側(cè)壁與熔體-晶體界面的最大溫差或坩堝側(cè)壁熱流密度的增加，整個熔