Комплексные исследования сопряженного конвективного теплообмена и его влияния на формы фронта кристаллизации в методе Бриджмена

Суть метода Бриджмена заключается в том, что наполненный шихтой тигель разогревается в верхней части трубчатой печи. После расплавления шихты и выдержки для гомогенизации расплава тигель плавно опускается в холодную зону, где в условиях заданного градиента температуры от охлаждаемого дна вверх идет процесс кристаллизации. Численно, методом конечных элементов, в осесимметричной постановке исследован процесс роста слитка кремния в методе Бриджмена–Стокбаргера в системе «кристалл–расплав–тигель». Моделирование осуществлено с учетом теплоты фазового перехода в режимах нестационарной теплопроводности и термогравитационной конвекции. Исследована зависимость формы фронта кристаллизации от режима теплообмена. Если реализовать режимы теплопроводности, подбирая скорость вращения тигля, то на протяжении всего процесса кристаллизации формируется фронт кристаллизации выпуклой формы. 

Режим теплопроводности практически не реализуем в реальном технологическом процессе без вращения тигля, так как из-за разности теп-лопроводности расплавов и стенок тигля появляется радиальный градиент температуры, и неизбежно возникает термогравитационная конвекция. Однако режим теплопроводности может быть полезен на начальных стадиях роста кристалла. В данном режиме возможно зарождение только одного центра кристаллизации в центре дна тигля, что положительно сказывается на итоговом качестве кристалла. Экспериментально и численно исследовано развитие течения гептадекана в цилиндрических тиглях и воды в цилиндрических и прямоугольных тиглях.

Нестационарные поля температуры  исследовались методами гильберт-оптики и интерферометрии на экспериментальном  стенде с использованием модифицированного прибора ИАБ-463М в режиме интерферометра и гильберт оптики. Получены новые результаты в режимах сложного сопряженного теплообмена, что важно для разработки методов получения многофункциональных монокристаллов различных материалов для силовой и микроэлектроники, лазерной техники и других областей применения. Результаты исследований – теоретическая база для оптимизации технологических процессов выращивания монокристаллов из расплавов методом Бриджмена.

ИТ СО РАН, д. ф.-м. н. Бердников В.С., д. т. н. Дубнищев Ю.Н., тел. : 8(383)316-53-32.