融液凝固法による単結晶育成プロセスにおける流動・伝熱過程に関する研究

1989 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 63460095
• Research Institution: Institute of Industrial Science, University of Tokyo
• Principal Investigator: 棚沢 一郎 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (30013105)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 前川 透 東洋大学, 工学部, 助教授 (40165634)
• Keywords: 伝熱 / 流れ / 材料製造 / 単結晶 / チョクラルスキ-法 / 引き上げ凝固法

Research Abstract

本研究は、チョクラルスキ-法(Czochralski method)による単結晶育成において、るつぼ内に生じている融液の流動および伝熱過程について基本的理解を深めること、特に凝固の際に結晶内に出現する成長縞(ストライエ-ション)の発生機構を伝熱学的に解明することを目的とするものである。前年度に行ったモデル実験(流動・伝熱の可視化)および大型計算機による数値シミュレ-ションの結果、るつぼ内では、浮力による自然対流と回転による強制対流の相互干渉のために、流れと温度場の周期的変動が生じうることが明らかとなった。しかも、このような変動の周期が実際の結晶中の成長縞の周期とほぼ一致することから、成長縞の成因は流れの振動であろうという結論に達した。本年度は、このような融液内の変動流を抑制する手段として有効と考えられる外部磁場の効果について理論的検討を行った。まず近似解析および数値計算によって、導電性流体の自然対流に及ぼす磁場の影響について調べ、ある臨界値以上の磁場を印加すると、液体の流速が急激に減少するようになること、そしてこのような流速の減少の割合は磁場の強さの2乗に比例することを明らかにした。次に、チョクラルスキ-法による実際の単結晶育成プロセスについて、ガリウムひ素(CaAs)の物性値を与えた数値計算を行い、ある程度以上の強さの磁場を印加することにより、融液内の流れの変動を完全に抑制することができることを確認した。

Research Products

• [Publications] 宗像鉄雄: "融液よりの結晶育成過程における磁場の効果" 日本機械学会論文集. 54. 2545-2549 (1989)
• [Publications] 棚沢一郎: "融液からの単結晶育成における熱と流れの問題" 生産研究. 4. 205-210 (1989)
• [Publications] T.Maekawa: "Effect of Magnetic Field and Bouyancy on Onset of Marangoni Convection" Int.J.Heat Mass Transfer. 32. 1377-1380 (1989)
• [Publications] 宗像鉄雄: "チョクラルスキ-法による単結晶育成時の融液中の対流現象と磁場による変動抑制に関する研究" 日本機械学会論文集(B編). 55. 2610-2617 (1989)