CN103590109A - 直拉单晶炉磁场装置及使用该磁场装置的拉晶方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种直拉单晶炉磁场装置，用于向坩埚中的熔体施加磁场。所述直拉单晶炉磁场装置包括围绕所述坩埚上下设置的第一线圈及第二线圈，第一线圈及第二线圈均与坩埚同轴。所述第一线圈和第二线圈共同形成的磁场具有下凹的分界面。所述分界面上方区域的磁场强度为零。所述分界面具有相对的第一侧边和第二侧边，所述第一侧边和第二侧边均沿所述坩埚的侧壁的延长线向远离所述坩埚的方向延伸。本发明的直拉单晶炉磁场装置造价低，可产生变化的磁场，尤其是在熔体内部具有高磁场强度、在分界面上方磁场强度为零的特定形状的磁场，可有效抑制熔体热对流，利于单晶稳定生长并获得高品质单晶。本发明还提供一种使用该直拉单晶炉磁场装置的拉晶方法。

Description

直拉单晶炉磁场装置及使用该磁场装置的拉晶方法

技术领域

本发明属于单晶制造技术领域，涉及直拉单晶炉磁场装置，还涉及使用该直拉单晶炉磁场装置的拉晶方法。

背景技术

随着世界经济的不断发展，现代化建设对高效能源需求不断增长。光伏发电作为绿色能源以及人类可持续发展的主要能源的一种，日益受到世界各国的重视并得到大力发展。单晶硅片作为光伏发电的基础材料的一种，有着广泛的市场需求。一种常见的单晶硅生长方法是直拉法，即，在单晶炉中，使籽晶浸入容置于石英坩埚的熔体提拉籽晶，以在籽晶下端生长单晶硅棒。

使用传统的直拉法进行单晶生长，熔体中的热对流使得单晶中的掺杂剂、氧、碳等杂质元素分布不均，严重影响晶体质量。一种解决的办法是在单晶生长过程中施加磁场以抑制熔体对流。然而，现有的横向磁场或纵向磁场均为单一方向，对与磁力线平行方向的热对流起不到抑制作用。也就是说，采用现有的磁场并不能完全地抑制熔体对流，难以获得高质量单晶。

发明内容

本发明的目的是提供一种直拉单晶炉磁场装置及使用直拉单晶炉磁场装置的拉晶方法，以解决现有的直拉法拉单晶过程中熔体热对流得不到完全抑制的问题，提高单晶质量。

本发明的另一个目的在于提供一种使用该直拉单晶炉磁场装置的拉晶方法。

本发明的目的是这样实现的，一种直拉单晶炉磁场装置，用于向坩埚中的熔体施加磁场。直拉单晶炉磁场装置包括围绕坩埚上下设置的第一线圈及第二线圈，第一线圈及第二线圈均与坩埚同轴。第一线圈和第二线圈共同形成的磁场具有下凹的分界面。分界面上方区域的磁场强度为零。分界面具有相对的第一侧边和第二侧边，第一侧边和第二侧边均沿坩埚的侧壁的延长线向远离坩埚的方向延伸。

本发明的另一个目的是这样实现的，一种使用该直拉单晶炉磁场装置的拉晶方法，包括步骤：提供直拉单晶炉，其包括盛有熔体的坩埚，使直拉单晶炉磁场装置的第一线圈及第二线圈均与坩埚同轴，且围绕坩埚上下设置；利用直拉单晶炉磁场装置对熔体施加磁场，磁场具有下凹的分界面，分界面上方区域的磁场强度为零，分界面具有相对的第一侧边和第二侧边，第一侧边和第二侧边均沿坩埚的侧壁的延长线向远离坩埚的方向延伸；以及提供籽晶，将籽晶浸入坩埚内的熔体中提拉单晶棒。

本发明具有如下有益效果，本发明提供的直拉单晶炉磁场装置造价低，可产生变化的磁场。尤其可产生具有下凹的分界面的磁场，在该分界面下方区域形成强磁场，在该分界面上方区域的磁场强度为零。使用该磁场装置的拉晶方法可降低磁场装置运行能耗，产生的磁场对应熔体内部的部分可有效抑制熔体热对流，且对熔体固液界面的形状基本无影响，利于单晶稳定生长并获得高品质单晶。

附图说明

图1是本发明的直拉单晶炉磁场装置的结构示意图；

图2是使用本发明的直拉单晶炉磁场装置的拉晶方法流程图。

图中，10.直拉单晶炉磁场装置，11.屏蔽体，12.第一线圈，13.第二线圈，14.分界面，140.第一侧边，141.底边，142.第二侧边，100.直拉单晶炉，101.炉筒，102.坩埚，103.熔体，104.籽晶，105.单晶棒。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的直拉单晶炉磁场装置及使用该直拉单晶炉磁场装置的拉晶方法进行详细说明。

参照图1，本发明提供一种用于在直拉单晶过程中施加磁场的直拉单晶炉磁场装置10。在直拉单晶炉100中，炉筒101内侧设置有坩埚102和加热器（图未示），坩埚102内盛有熔体103，加热器用于加热熔体103。直拉单晶过程中，籽晶104转动上升，依次经历引晶、放肩、转肩、等径及收尾等阶段，逐渐加长加粗以获得单晶产品。

直拉单晶炉磁场装置10设置于直拉单晶炉100的炉筒101外侧，包括屏蔽体11、第一线圈12、第二线圈13、第一控制器（图未示）、第二控制器（图未示）和升降机构（图未示）。

屏蔽体11环绕直拉单晶炉100的外围设置。第一线圈12和第二线圈13均安装于屏蔽体11内，第一线圈12位于第二线圈13上方。第一线圈12及第二线圈13均与坩埚102同轴。第一控制器连接于第一线圈12，用于控制通入第一线圈12的电流。第二控制器连接于第二线圈13，用于控制通入第二线圈13的电流。升降机构可采用液压驱动，其设置于直拉单晶炉100外的底部，机械连接于屏蔽体11。通过升降机构调节屏蔽体11内的第一线圈12与第二线圈13的高度，使得屏蔽体11内的第一线圈12及第二线圈13对应围绕坩埚102的外围设置。往第一线圈12及第二线圈13内通入方向相反的电流，利用第一控制器与第二控制器，控制第一线圈12和第二线圈13的磁场强度比为1:3至1:2，形成特定形状的磁场。第二线圈13与第一线圈12中的电流大小可以相同或不同。本实施例中，第一线圈12和第二线圈13中的电流大小相同，第一线圈12和第二线圈13的匝数之比为1:3至1:2。当然，第一线圈12和第二线圈13的匝数也可相同或为其它比值，通过控制第一线圈12和第二线圈13的电流也可使得第一线圈12和第二线圈13的磁场强度比为1:3至1:2。第一线圈12和第二线圈13形成的磁场相互叠加，在靠近固液界面处形成下凹的分界面14。第一线圈12产生的磁场与第二线圈13产生的磁场部分抵消，分界面14上方区域的磁场强度为零。分界面14大致为U型，具有依次相连的第一侧边140、底边141和第二侧边142，第一侧边140与第二侧边142相对，且以坩埚102中心轴对称。底边141连接于第一侧边140与第二侧边142之间。第一侧边140和第二侧边142均沿坩埚102的侧壁的延长线向远离坩埚102的方向延伸。底边141的中心点可位于熔体103的固液界面中心点以下，或者与熔体103的固液界面中心点重合，或者位于固液界面中心点以上。优选地，底边141的中心点与熔体103的固液界面中心点的间距为-100毫米至100毫米。具体地，第一线圈12和第二线圈13共同形成的磁场为：在熔体103内部具有向四周发散的、较强的磁力线分布；分界面14上方区域的磁场强度为零，在熔体103的固液界面附近区域，分界面14的底边141靠近固液界面，第一侧边140与第二侧边142贴合坩埚102的内壁向远离坩埚102底部的方向延伸。如此，一方面可有效抑制熔体103热对流，利于杂质在单晶产品中均布，另一方面对固液界面的形状基本无影响，可利于单晶稳定生长。

该直拉单晶炉磁场装置10造价低，可产生变化的磁场。尤其可产生一种在熔体103内部具有高磁场强度，在分界面14上方磁场强度为零的特定形状的磁场。产生该磁场时，第一线圈12的磁场强度远小于第二线圈13的磁场强度，可节省装置运行能耗。

请参照图1和图2，本发明还提供一种使用如上的直拉单晶炉磁场装置10的拉晶方法，包括步骤：

首先，提供直拉单晶炉100，其包括盛有熔体103的坩埚102。使直拉单晶炉磁场装置10的第一线圈11及第二线圈12均与坩埚102同轴，且围绕坩埚102上下设置。

其次，利用直拉单晶炉磁场装置10对熔体103施加磁场，磁场具有下凹的分界面14。分界面14上方区域的磁场强度为零。分界面14具有相对的第一侧边140和第二侧边142，第一侧边140和第二侧边142均沿坩埚102的侧壁的延长线向远离坩埚102的方向延伸。

具体地，利用升降机构调节屏蔽体11内的第一线圈12与第二线圈13的高度，使得屏蔽体11内的第一线圈12及第二线圈13对应围绕坩埚102的外围。往第一线圈12及第二线圈13内通入方向相反的电流，利用第一控制器与第二控制器，控制第一线圈和第二线圈的磁场强度比为1:3至1:2，形成特定形状的磁场。该磁场在靠近熔体103的固液界面处形成下凹的分界面14，分界面14上方区域的磁场强度为零。分界面14大致为U型，具有依次相连的第一侧边140、底边141和第二侧边142，第一侧边140与第二侧边142相对，且以坩埚102中心轴对称。底边141连接于第一侧边140与第二侧边142之间。第一侧边140和第二侧边142均沿坩埚102的侧壁的延长线向远离坩埚102的方向延伸。底边141的中心点可位于熔体103的固液界面中心点以下，或者与熔体103的固液界面中心点重合，或者位于固液界面中心点以上。优选地，底边141的中心点与熔体103的固液界面中心点的间距为-100毫米至100毫米。

最后，提供籽晶104，将籽晶104浸入坩埚102内的熔体103中提拉单晶棒105。依次经历引晶、放肩、转肩、等径及收尾等阶段，籽晶104逐渐加长加粗以获得单晶产品。拉晶时，分别控制通入第一线圈12与第二线圈13中的电流，以控制随着拉晶时间或拉晶长度的变化、熔体103的固液界面与坩埚102交界处的最大磁场强度值的变化，从而控制所得单晶产品长度方向上的质量均匀度。具体地，在引晶、放肩等阶段拉制单晶头部时，熔体103的固液界面与坩埚102交界处的最大磁场强度值大于等径阶段时熔体103的固液界面与坩埚102交界处的最大磁场强度值。

尤其是，在等径阶段，调节磁场强度，使熔体103的固液界面与坩埚102交界处的最大磁场强度（下简称“最大磁场强度”）值逐渐降低。具体地，随等径长度的变化控制磁场时，不同等径长度对应的最大磁场强度范围可参下表：

序号	等径长度/mm	最大磁场强度/Gs
			1	0	300～800
2	0～100	200～600
			3	100～500	100～400
4	500～1000	0～100
			5	1000以上	0

或者，在等径阶段，随等径时间的变化控制磁场时，不同时间对应的最大磁场强度范围可参下表：

序号	时间/min	最大磁场强度/Gs
			1	0	300～800
2	0～80	200～600
			3	80～450	100～400
4	450～900	0～100
			5	900以上	0

本发明提供的使用直拉单晶炉磁场装置的拉晶方法，在具有下凹的分界面14的磁场环境中进行，在该分界面14上方区域的磁场强度为零。可降低磁场装置运行能耗。产生的磁场对应熔体103内部的部分可有效抑制熔体热对流，且对熔体固液界面的形状基本无影响，利于单晶稳定生长并获得高品质单晶。此外，该拉晶方法还根据拉晶阶段的不同调整熔体103的固液界面与坩埚102交界处的最大磁场强度值的大小，不仅进一步节省了运行功耗，还提高了单晶产品长度方向上的质量均匀度。

Claims (10)

1.一种直拉单晶炉磁场装置，用于向坩埚（102）（102）中的熔体施加磁场，所述直拉单晶炉磁场装置包括围绕所述坩埚（102）上下设置的第一线圈（12）及第二线圈（13），所述第一线圈（12）及第二线圈（13）均与所述坩埚（102）同轴，所述第一线圈（12）和第二线圈（13）共同形成的磁场具有下凹的分界面，所述分界面上方区域的磁场强度为零，所述分界面具有相对的第一侧边和第二侧边，所述第一侧边和第二侧边均沿所述坩埚（102）的侧壁的延长线向远离所述坩埚（102）的方向延伸。

2.如权利要求1所述的直拉单晶炉磁场装置，其特征在于：所述第一侧边和第二侧边以坩埚（102）中心轴对称，所述分界面还具有连接所述第一侧边和第二侧边的底边，且底边的中心点与所述熔体的固液界面中心点的间距为-100毫米至100毫米。

3.如权利要求1-2中任一项所述的直拉单晶炉磁场装置，其特征在于：所述第一线圈（12）和第二线圈（13）中的电流方向相反，第一线圈（12）和第二线圈（13）的磁场强度比为1:3至1:2。

4.如权利要求3所述的直拉单晶炉磁场装置，其特征在于：所述第一线圈（12）和第二线圈（13）中的电流大小相等，所述第一线圈（12）和第二线圈（13）的匝数之比为1:3至1:2。

5.如权利要求1所述的直拉单晶炉磁场装置，其特征在于：所述直拉单晶炉磁场装置还包括升降机构，所述升降机构用于调节第一线圈（12）与第二线圈（13）的高度。

6.如权利要求1所述的直拉单晶炉磁场装置，其特征在于：所述直拉单晶炉磁场装置还包括第一控制器及第二控制器，所述第一控制器连接于所述第一线圈（12），用于控制通入所述第一线圈（12）的电流，所述第二控制器连接于所述第二线圈（13），用于控制通入所述第二线圈（13）的电流。

7.一种使用如权利要求1所述的直拉单晶炉磁场装置的拉晶方法，包括步骤：提供直拉单晶炉，其包括盛有熔体的坩埚（102），使所述直拉单晶炉磁场装置的第一线圈（12）及第二线圈（13）均与所述坩埚（102）同轴，且围绕所述坩埚（102）上下设置；利用所述直拉单晶炉磁场装置对所述熔体施加磁场，所述磁场具有下凹的分界面，所述分界面上方区域的磁场强度为零，所述分界面具有相对的第一侧边和第二侧边，所述第一侧边和第二侧边均沿所述坩埚（102）的侧壁的延长线向远离所述坩埚（102）的方向延伸；以及提供籽晶，将所述籽晶浸入坩埚（102）内的熔体中提拉单晶棒。

8.如权利要求7所述的使用直拉单晶炉磁场装置的拉晶方法，其特征在于：利用所述直拉单晶炉磁场装置对所述熔体施加磁场时，所述第一侧边和第二侧边以坩埚（102）中心轴对称，所述分界面还具有连接所述第一侧边和第二侧边的底边，所述分界面的底边的中心点与所述熔体的固液界面中心点的间距为-100毫米至100毫米。

9.如权利要求8所述的使用直拉单晶炉磁场装置的拉晶方法，其特征在于：利用所述直拉单晶炉磁场装置对所述熔体施加磁场时，所述第一线圈（12）和第二线圈（13）的磁场强度比为1:3至1:2。

10.如权利要求8所述的使用直拉单晶炉磁场装置的拉晶方法，其特征在于：将所述籽晶浸入坩埚（102）内的熔体中提拉单晶棒，在等径阶段，随着拉晶时间或晶棒的长度，调节磁场强度，使熔体的固液界面与坩埚（102）交界处的最大磁场强度值逐渐降低。

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