CN112195519A - 一种适用于晶体生长过程的行波磁场控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于晶体生长过程的行波磁场控制方法，该方法是在导电熔体的外围施加一个由正弦交变电源产生的行波磁场，该行波磁场的发生装置由多组线圈构成，线圈的结构参数及电流参数均可便利调节。所述行波磁场在导电熔体内产生的感应电流和磁场相互作用产生洛伦兹力，对某一种导电熔体而言，行波磁场参数的改变会影响到洛伦兹力的大小、方向和及其在熔体中的分布。本发明通过改变不同长晶阶段的行波磁场参数来控制熔体流动、温度分布、结晶界面形状、杂质分布等晶体生长参数，以提高晶体品质，例如在晶体生长过程中调制行波磁场参数使得结晶界面形状一直保持平直或微凸、杂质在轴向和径向分布均匀等。

Description

一种适用于晶体生长过程的行波磁场控制方法
技术领域
本发明属于晶体生长控制技术领域，具体涉及一种适用于晶体生长过程的行波磁场控制方法。
背景技术
近年来，晶体生长过程中磁场控制技术的相关研究逐渐受到重视。磁场一般可分为动态磁场和静态磁场。由于动态磁场控制晶体生长时所需的磁场强度远小于静态磁场，同时动态磁场可调参数较多并且可根据需要进行设计，这使得动态磁场具有广泛的应用前景。行波磁场属于动态磁场的一种，它基于电磁感应定律在导电熔体中产生感应电流，感应电流与磁场相互作用产生洛伦兹力，进而影响熔体流动与晶体生长。自20世纪90年代以来，一些研究者对行波磁场应用于垂直Bridgman法、垂直梯度凝固法、提拉法和定向凝固法生长晶体材料进行了基础研究。
行波磁场产生的洛伦兹力能够主动驱动熔体产生对称的子午线方向的流动，其形态类似于热浮力引起的自然对流。行波磁场可调参数众多，主要包括线圈的个数、间距、相对熔体的位置，以及线圈内部通入电流的顺序、大小、频率、相移等。通过调整行波磁场参数，可以抑制或者强化自然对流，能够主动控制熔体流动的结构与强度，进而影响温度分布并优化结晶界面形状和控制杂质分布。
由于晶体生长是一个动态变化过程，整个过程中的传热、流动及传质特性均处于不断变化之中，而这些特性决定着熔体流动、温度与组分分布、结晶界面形状等宏观晶体生长参数，进而决定了晶体内部的微观结构以及缺陷、杂质的分布。因此，要想采用行波磁场精确控制整个晶体生长，必须在这个过程中不断调整行波磁场参数以适应晶体生长的需要。然而，现有行波磁场控制晶体生长的研究中，磁场参数确定后不再随晶体生长而改变，还没有针对不同长晶阶段改变行波磁场参数以获得高品质的晶体的系统性研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于晶体生长过程的行波磁场控制方法，通过改变不同长晶阶段的行波磁场参数，例如线圈的个数、间距、相对熔体的位置，以及线圈内部通入电流的顺序、大小、频率、相移等，最终改变熔体流动状态、温度分布、结晶界面形状和杂质分布等晶体生长参数，以提高晶体品质。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：
一种适用于晶体生长过程的行波磁场控制方法，该方法包括：
晶体生长过程中在导电熔体的外围施加一个由正弦交流电源产生的行波磁场，所述行波磁场的发生装置由在导电熔体外围自下而上布置的多组线圈组成，通过调制不同长晶阶段的行波磁场参数来控制熔体流动，进而改善温度分布、结晶界面形状和杂质分布。
本发明进一步的改进在于，所述行波磁场参数包括线圈的个数、间距、相对熔体的位置，以及线圈内部通入电流的顺序、大小、频率和相移。
本发明进一步的改进在于，所述行波磁场的发生装置由3组或者6组线圈组成；线圈间距满足0≤h≤1.5H，H为熔体区域高度。
本发明进一步的改进在于，熔体在线圈组中的相对位置下限至线圈组下沿，相对位置上限至线圈组上沿。
本发明进一步的改进在于，所述外加电流顺序分为向上和向下；所述外加电流大小根据熔体所受热浮力大确定，确保磁场产生的洛伦兹力能够克服热浮力作用；所述外加电流频率满足公式
Figure BDA0002718453860000021
R/8≤δ≤R，R为导电熔体半径，μ0为真空磁导率，μr为导电熔体的相对磁导率，σ为导电熔体的电导率，δ为集肤深度；所述相邻线圈之间相移变化范围为-180°～180°。
本发明进一步的改进在于，在晶体生长过程中实时调控行波磁场参数，以控制熔体流动，进而改善温度分布、结晶界面形状和杂质分布。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明所述行波磁场可调参数多，调制范围广，可在整个晶体生长过程中精确调制其参数组合方式来控制熔体流动，优化温度分布，得到平直或微凸的结晶界面形状，控制晶体中杂质分布的均匀性，或降低晶体中杂质的浓度，从而有利于改善晶体品质。
附图说明
图1为本发明中行波磁场线圈系统结构示意图。
图2中(a)和(b)为线圈中通入5A电流、行波磁场方向向下、磁场频率为50Hz、结晶高度分别为20mm和80mm时硅熔体内的洛伦兹力分布情况。
图3为不同凝固高度及不同磁场条件下凝固界面变形度分布。
图4中(a)至(d)为线圈中通入5A电流、行波磁场方向向下、磁场频率分别为0、50、150、500Hz时长晶完成时硅晶体内的氧杂质浓度(atom/cm3)分布情况。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做出进一步的说明：
实施例一：
本实施例为通过调整行波磁场参数来控制不同长晶阶段的结晶界面形状。
参见图1，行波磁场由通有正弦交流电的六组线圈产生。图2给出了晶体生长过程中不同结晶阶段导电熔体内洛伦兹力分布情况，此时产生行波磁场的六组线圈内径为230mm、外径为330mm，线圈高度为40mm，每组线圈匝数为38匝，每匝通入电流5A频率50Hz，相邻线圈之间相位差60°、间距100mm，硅熔体全熔状态时直径和高均为100mm。图3中纵坐标界面变形度定义为中心轴处界面位置与径向边缘处界面位置之差，变形度为负值时界面下凹，变形度为正值时界面上凸。由图3可以发现，对于凝固高度为20和80mm两种情况，不论在何种磁场条件下，凝固后期界面的变形度总小于凝固前期，这也意味随着长晶的进行，熔体区域越来越少，行波磁场对导电熔体的调控作用逐渐减弱。因此，实际应用中可在长晶前期采用较小的磁感应强度、在长晶后期采用较大的磁感应强度，以达到均衡调控整个长晶过程结晶界面形状的目的。而增大外加电流的大小和频率、减小线圈的相移等都可以增大磁感应强度。
实施例二：
本实施例为通过调整不同长晶阶段的行波磁场参数来控制氧杂质浓度及分布。
参见图4，给出了线圈中通入5A电流、行波磁场方向向下、磁场频率分别为0、50、150、500Hz时长晶完成时硅晶体内的氧杂质浓度分布情况。可以发现，随着频率的升高，晶体中下部氧杂质浓度先升高后降低，而晶体中上部氧杂质浓度相差不大。因此，为了减少晶体内氧杂质含量且使得氧杂质在晶体内分布均匀，可在长晶初期采用较大的频率(例如500Hz)，在长晶中后期降低频率(例如150Hz)，也可将频率设置为一个随着长晶时间的增加而减少的函数。

Claims (6)

1.一种适用于晶体生长过程的行波磁场控制方法，其特征在于，该方法包括：
晶体生长过程中在导电熔体的外围施加一个由正弦交流电源产生的行波磁场，所述行波磁场的发生装置由在导电熔体外围自下而上布置的多组线圈组成，通过调制不同长晶阶段的行波磁场参数来控制熔体流动，进而改善温度分布、结晶界面形状和杂质分布。
2.根据权利要求书1所述的一种适用于晶体生长过程的行波磁场控制方法，其特征在于，所述行波磁场参数包括线圈的个数、间距、相对熔体的位置，以及线圈内部通入电流的顺序、大小、频率和相移。
3.根据权利要求书1所述的一种适用于晶体生长过程的行波磁场控制方法，其特征在于，所述行波磁场的发生装置由3组或者6组线圈组成；线圈间距满足0≤h≤1.5H，H为熔体区域高度。
4.根据权利要求书3所述的一种适用于晶体生长过程的行波磁场控制方法，其特征在于，熔体在线圈组中的相对位置下限至线圈组下沿，相对位置上限至线圈组上沿。
5.根据权利要求书1所述的一种适用于晶体生长过程的行波磁场控制方法，其特征在于，所述外加电流顺序分为向上和向下；所述外加电流大小根据熔体所受热浮力大确定，确保磁场产生的洛伦兹力能够克服热浮力作用；所述外加电流频率满足公式
Figure FDA0002718453850000011
R/8≤δ≤R，R为导电熔体半径，μ0为真空磁导率，μr为导电熔体的相对磁导率，σ为导电熔体的电导率，δ为集肤深度；所述相邻线圈之间相移变化范围为-180°～180°。
6.根据权利要求书1所述的一种适用于晶体生长过程的行波磁场控制方法，其特征在于，在晶体生长过程中实时调控行波磁场参数，以控制熔体流动，进而改善温度分布、结晶界面形状和杂质分布。
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