Flüssigmetall-Strömungsuntersuchungen für die Kristallzüchtung unter Einfluss eines magnetischen Wanderfeldes mit einem Zweiebenen-Ultraschallmesssystem
Das Ziel des Vorhabens besteht in einer Analyse der komplexen Strömung bei der gerichteten Erstarrung von metallischen Schmelzen zur Modellierung der hydrodynamischen Situation bei der Kristallzüchtung nach dem vertikalen Gradient Freeze-Verfahren mit magnetischem Wanderfeld. Bei der Züchtung von Halbleiterkristallen aus der Schmelze kann die Kristallqualität während des Züchtungsprozesses durch die Applizierung örtlich und zeitlich maßgeschneiderter Magnetfelder verbessert werden. Die auftretenden Strömungsfelder sind durch komplexe dreidimensionale und zeitabhängige Strukturen charakterisiert. Zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit in metallischen Schmelzen eignen sich Ultraschalltechniken. Kommerziell verfügbar sind linienförmig messende Techniken, womit die Untersuchung transienter Strömungsstrukturen nicht möglich ist. Zur Lösung des Problems wird in diesem Vorhaben ein neuartiges, mehrkomponentiges Zweiebenen-Ultraschall-Messsystem zum Einsatz kommen. Durch die Fortschritte der verfügbaren Rechenleistung können die Strömungsmuster und deren zeitliche Übergänge untereinander erstmals in Echtzeit und mit bisher unerreichter Detailfülle aufgezeichnet und studiert werden. In dem Vorhaben werden erstmals bildgebende Untersuchungen der Schmelzströmung in zwei Ebenen unter züchtungsrelevanten thermischen sowie Geometrie- und Magnetfeldbedingungen anhand von Modellexperimenten durchgeführt, wobei die Untersuchung von transienten sowie zeitlich fluktuierenden Strömungszuständen in Abhängigkeit von der Schmelzhöhe im Mittelpunkt steht. Aus strömungsmechanischer Sicht besteht ein besonderes Interesse daran, wie sich die Übergänge zwischen zwei- und dreidimensionalen sowie zwischen stationären und zeitabhängigen Strömungszuständen im Detail vollziehen. Die experimentell gewonnenen Ergebnisse werden fortlaufend mit numerischen Resultaten abgeglichen, was nicht nur der Entwicklung der Modellanordnungen sondern umgekehrt auch der Verifizierung von numerischen Algorithmen zur Strömungssimulation sowie für die Validierung von Turbulenzmodellen dient. Anhand von Skalengesetzen, die im Rahmen des Vorhabens aufgestellt werden, sollen die Ergebnisse auf reale Züchtungsprozesse übertragen werden und als Basis für die Entwicklung neuer Strategien zur Strömungskontrolle mittels Magnetfeldern dienen.
Bearbeiter: N.Thieme
Zeitraum: 12/15 - 05/19
Partner: TU Bergakademie Freiberg, Dr. Pätzold
(a) square and (b) circular crucibles equipped with four ultrasound arrays
N. Thieme, P. Bönisch, D. Meier, R. Nauber, L. Büttner, K. Dadzis, O. Pätzold, L. Sylla, J. Czarske, “Ultrasound flow mapping for the investigation of crystal growth”, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Volume 64 Issue 4, Pages 725-735, doi: 10.1109/TUFFC.2017.2654124, (2017)