低プラントル混合対流振動場のカオス的挙動の解明

本研究では半導体基板材料となるシリコン単結晶などの作成に用いられているチョクラルスキー法において、融液中に発生する周期的な振動流の発生条件を実験的に検討した。チョクラルスキー法ではルツボ内融液中に、結晶棒などの回転による強制対流と、結晶棒とルツボとの温度差による自然対流が共存し複雑な流れとなっている。このとき融液中に発生する振動流の発生機構を明らかにするため、小型チョクラルスキー法結晶育成装置を用い、融液中に発生する振動流の発生条件などを測定した。実験は直径76mmのルツボを用い、実験材料としてスズを用いた。実験条件として融液深さ79mm、結晶直径36mmとし、この時の無次元パラメータはGr=5.5×10^7,Pr=0.0140である。実験法方法としては、ルツボが静止した状態で結晶回転数のみを変化させ、この時の融液内温度の変化を融液中に設置した直径0.5mmのシース熱伝対により測定し、測定データをFFT解析した。まず結晶回転数が小さい0〜20rpmの自然対流支配の場合では、0.1K程度の短周期の温度変動が見られたのみであったが、結晶回転数を増し25rpm(Re=3.04×10^3、Gr/Re^2=5.79)になると、振動周期592秒、温度振幅0.296Kの周期的な温度振動が見られた。そしてさらに結晶回転数を増し、強制対流の影響が大きくなることの振動周期はゆっくり減少し、結晶回転数40rpm(Re=4.86×10^3、Gr/Re^2=2.27)では振動周期は107秒となった。このように結晶回転数の増加に伴い振動周期の減少がみられた。またルツボの温度分布が等温の場合と非軸対称の場合についても振動周期の比較を行い、非軸対称加熱の場合の方が振動の始まるGr/Re^2が大きく、かつ振動周期は長くなった。

本研究では半導体基板材料となるシリコン単結晶などの作成に用いられているチョクラルスキー法において、融液中に発生する周期的な振動流の発生条件を実験的に検討した。チョクラルスキー法ではルツボ内融液中に、結晶棒などの回転による強制対流と、結晶棒とルツボとの温度差による自然対流が共存し複雑な流れとなっている。このとき融液中に発生する振動流の発生機構を明らかにするため、小型チョクラルスキー法結晶育成装置を用い、融液中に発生する振動流の発生条件などを測定した。実験は直径76mmのルツボを用い、実験材料としてスズを用いた。実験条件として融液深さ79mm、結晶直径36mmとし、この時の無次元パラメータはGr=5.5×10^7,Pr=0.0140である。実験法方法としては、ルツボが静止した状態で結晶回転数のみを変化させ、この時の融液内温度の変化を融液中に設置した直径0.5mmのシース熱伝対により測定し、測定データをFFT解析した。まず結晶回転数が小さい0〜20rpmの自然対流支配の場合では、0.1K程度の短周期の温度変動が見られたのみであったが、結晶回転数を増し25rpm(Re=3.04×10^3、Gr/Re^2=5.79)になると、振動周期592秒、温度振幅0.296Kの周期的な温度振動が見られた。そしてさらに結晶回転数を増し、強制対流の影響が大きくなることの振動周期はゆっくり減少し、結晶回転数40rpm(Re=4.86×10^3、Gr/Re^2=2.27)では振動周期は107秒となった。このように結晶回転数の増加に伴い振動周期の減少がみられた。またルツボの温度分布が等温の場合と非軸対称の場合についても振動周期の比較を行い、非軸対称加熱の場合の方が振動の始まるGr/Re^2が大きく、かつ振動周期は長くなった。