Митин К.А.   Бердников В.С.  

Влияние радиационно-конвективной теплоотдачи от кристаллов на поля температуры и термических напряжений на различных стадиях процесса роста в методе Чохральского

Докладчик: Митин К.А.

Влияние радиационно-конвективной теплоотдачи от кристаллов на поля температуры и термических напряжений на различных стадиях процесса роста в методе Чохральского

К.А. Митин1), В.С. Бердников1)
1)Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, Новосибирск

Структурное совершенство монокристаллов, получаемых вытягиванием из расплавов методом Чохральского, зависит от формы фронта кристаллизации и нестационарных полей температуры в процессе роста кристалла. В реальном высокотемпературном технологическом процессе важны особенности радиационно-конвективной теплоотдачи от кристалла в окружающую среду. Конвективная составляющая теплоотдачи с образующих кристаллов определяется нестационарными термогравитационными течениями газа в сочетании с влиянием вращения кристаллов и вынужденной конвекцией. Сочетание различных механизмов генерации конвективного течения приводит к сложной структуре и зависимости от времени  пограничных слоев у образующих кристаллов. Теплообмен имеет сложный сопряженный характер и поля температуры самосогласованны во всей ростовой камере. Нелинейность задач конвективного и сопряженного теплообмена между кристаллом, расплавом и окружающей средой приводит к необходимости их решения при большом количестве промежуточных геометрий расчетных областей по мере роста кристалла. Для понимания общих закономерностей зависимости полей температуры и термических напряжений в кристаллах от интенсивности теплоотдачи с их образующих необходимо проводить параметрические исследования, решая задачи в рамках не глобального а частичного моделирования. Поля температуры в кристалле в режимах нестационарного сопряженного теплообмена корректирует кривизну фронтов кристаллизации и определяют объемное распределение собственных точечных дефектов и других несовершенств [1].
Численно, методом конечных элементов, исследован сопряженный теплообмен в различных режимах теплоотдачи в системе «кристалл – окружающая среда – стенки ростовой камеры», геометрически подобной упрощенной схеме верхней части теплового узла в методе Чохральского на различных стадиях технологического процесса. Продолжая исследования [2, 3] в режимах смешанной конвекции дополнительно учтено равномерное вращение кристаллов. Расчеты проведены при различных отношениях длины кристалла к радиусу кристалла в диапазоне от 1 до 8. Расчеты выполнены при числе Прандтля равном 0,68 (аргон) и числе Грасгофа 16000, характерном для реального технологического процесса. Изучена относительная роль и совместное влияние конвективного и радиационного механизмов теплообмена при равномерном вращении кристалла на различных стадиях технологического процесса.

Работа на 70% выполнена в рамках гос. задания ИТ СО РАН (проект III.18.2.5. гос. рег. АААА-А17-117022850021-3) и на 30% исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-08-00707.

Литература
    1. Простомолотов А.И., Мильвидский М. Г. // Известия Вузов. Материалы электрон. техники. 2008. №3. С. 49.
    2. Бердников В.С., Митин К.А., Григорьева А.М., Клещенок М.С. Зависимость полей температуры в кристаллах от их теплофизических параметров и свойств окружающей среды в методе Чохральского при различных режимах теплообмена. // Известия РАН. Серия Физическая. – 2017. – № 9. – С. 1198 – 1204.
    3. Бердников В.С., Митин К.А. Влияние режимов теплоотдачи на поля температуры и термических напряжений в монокристаллах //  Известия Российской академии наук. Серия физическая. - 2016. Т. 80,  № 1. - С. 75-80.