CN113122926A - 一种单晶炉辅助磁场控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种单晶炉辅助磁场控制系统，属于单晶制造的领域，其包括炉筒，所述炉筒的两侧设有磁头，且两个磁头相对设置，所述磁头下方设有驱动机构，所述驱动机构包括用于驱动两个磁头相向运动的第一驱动组件，以及用于驱动磁头上下移动的第二驱动组件。本申请具有提高磁场的效果，从而提高所生产的单晶的品质的效果。

Description

一种单晶炉辅助磁场控制系统及方法

技术领域

本申请涉及单晶制造的领域，尤其是涉及一种单晶炉辅助磁场控制系统及方法。

背景技术

单晶炉是一种在惰性气体环境中,用石墨加热器将多晶硅等多晶材料熔化,用直拉法生长无错位单晶的设备。直拉单晶的杂质分布以及与杂质有关的材料特性得到比较全面改善的方法是在拉晶时对熔体引入外加磁场。因为对熔融态的导电物质而言，磁场条件下的对流必然引起感应电流的存在，而磁场又对这种感应电流有洛伦兹力的作用，因此可以抑制熔体中的对流，磁场的抑制作用相当于提高了熔体的粘滞性。当磁场强度大于某一数值时，能有效地抑制热对流。

公开号为CN105696085A的中国专利公开了一种磁场装置，用于在单晶炉中产生磁场，磁场装置套设于单晶炉外，磁场装置包括磁体和内导磁板，内导磁板位于单晶炉和磁体之间，且与单晶炉的外炉筒壁相接触；本发明公开的具有该磁场装置的单晶生长设备包括上述磁场装置以及套设于磁场装置内部的单晶炉。本发明缩短了磁场装置与单晶炉的间距，能够有效地抑制单晶炉中的熔体对流。

针对上述中的相关技术，发明人认为在拉晶过程中，磁场中心不会发生变化，而结晶的界面会逐渐变化，由此使得磁场中心与结晶界面发生偏移，降低磁场的效果，导致单晶质量不佳。

发明内容

为了提高磁场的效果，从而提高所生产的单晶的品质，本申请提供一种单晶炉辅助磁场控制系统及方法。

本申请提供的一种单晶炉辅助磁场控制系统及方法采用如下的技术方案：

第一方面，本申请提供一种单晶炉辅助磁场控制系统，采用如下的技术方案：

一种单晶炉辅助磁场控制系统，包括炉筒，所述炉筒的两侧设有磁头，且两个磁头相对设置，所述磁头下方设有驱动机构，所述驱动机构包括用于驱动两个磁头相向运动的第一驱动组件，以及用于驱动磁头上下移动的第二驱动组件。

通过采用上述技术方案，第一驱动组件驱动两个磁头相向移动，使得两个磁头距离炉筒的距离可以调整，通过调整两个磁头的位置，使得两个磁头所形成的磁场的中心位于炉筒的中线上，磁场中心处的磁力线与炉筒内溶体表面平行，当进行拉晶工艺时，磁感线垂直于热对流，提高结晶品质，同时方便磁头的拆装，另外在结晶过程中，磁场中心与结晶界面重合能够达到最佳的结晶效果，随着溶体结晶，结晶界面逐渐降低，第二驱动组件则带动磁头移动，从而使得磁场中心随结晶界面一起移动，保持最佳的结晶效果，提高结晶的效率与品质。

可选的，所述第一驱动组件包括设置在磁头下方的移动块，所述移动块下端滑动连接有导轨，所述导轨上方转动连接有平行于导轨的第一丝杠，所述第一丝杠穿过移动块并且与移动块螺纹连接。

通过采用上述技术方案，转动第一丝杠，驱动移动块沿导轨滑动，移动块带动磁头移动，由此两个磁头的相对位置能够调整，进而使得磁场中心的位置以及相同电流下的磁场强度均能够进行调整改变。

可选的，所述移动块上方设有屏蔽罩，所述磁头设置在屏蔽罩内，所述屏蔽罩朝向炉筒一侧开设有开口，两个屏蔽罩拼接成圆环状且套接在炉筒的外侧。

通过采用上述技术方案，两个屏蔽罩在构成一个屏蔽腔，在两个磁头所形成的磁场被限制在屏蔽腔内，减少因磁场扩散而使得磁场强度降低，提高磁场的利用效果。

可选的，所述屏蔽罩一端设有卡接块，另一端设有用于插接卡接块的卡接槽，一个屏蔽罩上的卡接块插接到另一个屏蔽罩的卡接槽中，两个屏蔽罩通过螺栓固定连接。

通过采用上述技术方案，卡接块和卡接槽配合使得两个屏蔽罩构成一个整体，不会因外力而错位，保持内部的屏蔽腔的封闭，同时保持两个磁头之间相对位置的不变，由此提高磁场的稳定性。

可选的，所述屏蔽罩内设有调距组件，所述调距组件连接磁头和屏蔽罩。

通过采用上述技术方案，当两个屏蔽罩拼接并构成屏蔽腔后，调距组件调整磁头相对炉筒的距离，从而调整两个磁头之间的距离，使得磁场能够在屏蔽腔内得到调整。

可选的，所述调距组件包括设置在磁头上下两侧的固定块，所述固定块与屏蔽罩内壁滑动连接，所述磁头远离炉筒的一侧设有第二丝杠，所述第二丝杠远离固定块的一端穿过屏蔽罩，所述第二丝杠穿过屏蔽罩的一端螺纹连接有套筒，所述套筒与屏蔽罩转动连接，且套筒一侧设有驱动套筒转动的伺服电机。

通过采用上述技术方案，伺服电机驱动套筒转动，随着套筒转动，第二丝杠沿套筒的轴线平移，固定块则使得磁头随第二丝杠平移，由此调整磁头水平方向上的位置。

可选的，所述第二驱动组件包括设置在屏蔽罩下方的移动板，所述移动板的下方设有竖直的液压缸，所述液压缸一端固定在移动板的下端面，另一端固定在移动块的上端面。

通过采用上述技术方案，液压缸通过伸缩液压杆从而调整移动板和移动块之间的距离，通过改变移动板的位置，进而改变磁体的高度以及磁场中心的高度，使得磁场中心随结晶界面的改变而改变。

可选的，所述移动板和移动块之间设有用于测量两者之间距离的红外测距传感器，所述红外测距传感器电连接有用于控制液压缸升降的单晶炉控制柜。

通过采用上述技术方案，单晶炉控制柜控制拉晶高度，并通过计算可以得知溶体表面的下降高度，由此控制液压缸调整磁体的高度，使得磁体中心与溶体表面高度相合，另外红外测距传感器可以精确测量液压缸对磁体高度的调整，提高移动的精度以及结晶的品质。

第二方面，本申请提供一种单晶炉辅助磁场控制方法，采用如下的技术方案：

一种单晶炉辅助磁场控制方法，具体步骤如下：

S1：第一驱动组件驱动两个移动块抵接在炉筒侧壁上，两个屏蔽罩构成屏蔽区域；

S2：检测磁场中心，通过调距组件调整两个磁头在屏蔽罩内位置，从而调整磁场中心位置并使之与炉筒中心重合；

S3：在单晶炉内拉晶时，单晶炉控制柜控制拉晶上升高度，同时红外测距传感器将磁头高度时刻传递给单晶炉控制柜，由此同步控制液压缸移动磁头，从而控制磁场的中心位于结晶的界面位置。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.第一驱动组件驱动两个磁头相向移动，通过调整两个磁头的位置使得磁场中心处的磁力线与炉筒内溶体表面平行，当进行拉晶工艺时，磁感线垂直于热对流，提高结晶品质；

2.第二驱动组件则带动磁头移动，从而使得磁场中心随结晶界面一起移动，保持最佳的结晶效果，提高结晶的效率与品质。

附图说明

图1是本申请实施例的结构示意图。

图2是屏蔽罩的结构示意图。

图3是调距组件的结构示意图。

附图标记说明：1、磁头；2、炉筒；21、支脚；3、第一驱动组件；31、导轨；32、滑槽；33、移动块；34、第一丝杠；35、驱动电机；36、支撑杆；4、第二驱动组件；41、液压缸；42、移动板；43、红外测距传感器；5、屏蔽罩；51、卡接块；52、卡接槽；53、固定螺栓；6、调距组件；61、固定块；62、第二丝杠；63、套筒；64、第一锥齿轮；65、第二锥齿轮；66、伺服电机。

具体实施方式

以下结合附图1-3对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种单晶炉辅助磁场控制系统。

参照图1和图2，单晶炉辅助磁场控制系统包括两个相对设置的磁头1，两个磁头1位于单晶炉的炉筒2的两侧，炉筒2下端固定有四个均匀分布的支脚21。在磁头1的下方设有驱动两个磁头1移动的驱动机构，驱动机构包括第一驱动组件3和第二驱动组件4，第一驱动组件3驱动两个磁头1水平相向移动，第二驱动组件4驱动两个组件上下移动。

第一驱动组件3包括设置在炉筒2两侧的导轨31，均位于所对应的磁头1的正下方。导轨31的一端通过螺栓同时与两个支脚21固定连接，另一个导轨31的一端则通过螺栓同时与另外两个支脚21固定连接。每个导轨31均与两个支脚21固定连接，使得导轨31的位置与方向能够被快速确定，并且使得两个导轨31处于同一直线上。

在导轨31上端面开设有平行于导轨31的滑槽32，同时导轨31上方设有移动块33，移动块33与滑槽32滑动连接。在滑槽32上方设有平行于导轨31的第一丝杠34，第一丝杠34穿过移动块33并与移动块33螺纹连接，同时第一丝杠34两端均与导轨31端部转动连接。在导轨31远离炉筒2的一端固定有驱动电机35，驱动电机35的输出轴与第一丝杠34的端部固定连接。

在第一丝杠34的两侧设有平行于第一丝杠34的支撑杆36，支撑杆36穿过移动块33，且支撑块的两端与导轨31固定连接。支撑杆36对移动块33提供导向作用，使得移动块33仅沿滑槽32滑动，提高移动块33的稳定性。

第二驱动组件4设置在移动块33的上方，磁头1通过第二驱动组件4与移动块33连接。

驱动电机35驱动第一丝杠34转动，使得与第一丝杠34螺纹连接的移动块33沿滑槽32滑动，从而带动磁块移动，使得磁块能够在水平方向上靠近或远离炉筒2。通过调整两个磁头1的水平位置，可以调整两个磁头1所形成的磁场中心的位置。在炉筒2内通过特斯拉计检测磁场中心的位置，随后通过调整磁头1的位置上调整磁场中心的位置，使得磁场中心与炉筒2的轴线重合，提高炉筒2内拉晶的品质。

参照图1和图2，第二驱动组件4包括竖直固定在移动块33上方的液压缸41，液压缸41的伸缩杆上固定有水平的移动板42，移动板42上方固定有半环状的屏蔽罩5，磁头1设置在屏蔽罩5内。

两个磁头1外侧的屏蔽罩5能够构成一个圆环，当第一驱动组件3驱动两个移动块33相互靠近，直至两个屏蔽罩5拼合成圆环时，屏蔽罩5的内侧边缘抵接在炉筒2的外侧壁上，使得两个屏蔽罩5内部构成一个封闭的屏蔽腔。两个磁头1在屏蔽腔内形成磁场，并被屏蔽腔限制，减少磁场的扩散而降低磁场强度。

在屏蔽罩5的一端固定有卡接块51，另一端开设有用于插接卡接块51的卡接槽52。在两个屏蔽罩5拼接时，一个屏蔽罩5上的卡接块51插接在另一个屏蔽罩5的卡接槽52中，在屏蔽罩5开设卡接槽52的一端的上方设有固定螺栓53，固定螺栓53穿入卡接槽52中，并且插接在卡接块51上。固定螺栓53将两个屏蔽罩5固定连接，从而提高屏蔽罩5的稳定性，进而保护磁头1。

第二驱动组件4还包括竖直固定在移动块33上方的红外测距传感器43，红外测距传感器43远离移动块33的一端正对移动板42。红外测距传感器43电连接有单晶炉控制柜，单晶炉控制柜同时电连接液压缸41，另外，单晶炉控制柜控制拉晶工艺中的结晶上升高度。

在拉晶工艺中，炉筒2内溶体的表面随结晶而下降，通过单晶炉控制柜计算下降的高度，并控制液压缸41的伸缩杆收缩，从而调整磁头1的高度，使得磁场中心随结晶界面的变化而改变，在此期间，红外测距传感器43将检测移动板42的下降高度，从而保持磁头1高度改变的准确性。

参照图1和图3，为了精确调整磁场中心的位置，在磁头1和屏蔽罩5之间设有调距组件6，通过调距组件6可以调整磁头1和屏蔽罩5的相对位置。

参照图2和图3，调距组件6包括固定在磁头1上下两侧的固定块61，位于上端的固定块61与屏蔽罩5上内侧壁滑动连接，位于下端的固定块61则与屏蔽罩5的下内侧壁滑动连接，且固定块61的移动方向平行于导轨31。

在磁头1远离炉筒2的一端固定有平行于固定块61移动方向的第二丝杠62，第二丝杠62远离磁头1的一端穿过屏蔽罩5，在第二丝杠62外侧螺纹连接有套筒63，且套筒63与屏蔽罩5转动连接。套筒63位于屏蔽罩5外侧的一端固定有第一锥齿轮64，第一锥齿轮64上啮合有第二锥齿轮65，在移动板42上固定有伺服电机66，伺服电机66的输出轴固定在第二锥齿轮65的圆心处。

当两个屏蔽罩5组合成屏蔽腔后，两个磁头1形成的磁场中心未与炉筒2中心重合，会使得磁场的效果降低，伺服电机66带动第二锥齿轮65转动，带动第一锥齿轮64以及套筒63转动，使得第二丝杆沿套筒63的轴线平移，从而带动磁头1在屏蔽罩5内移动，使得磁头1与炉筒2的相对距离可以调整，进而调整磁场中心的位置。

本申请实施例一种单晶炉辅助磁场控制系统的实施原理为：驱动电机35驱动第一丝杠34转动，移动块33随第一丝杠34转动而平移靠近炉筒2，直至屏蔽罩5抵接在炉筒2侧壁上，同时屏蔽罩5上的卡接块51插接在另一个屏蔽罩5的卡接槽52中，固定螺栓53同时插接两个屏蔽罩5；

伺服电机66驱动套筒63转动，使得第二丝杠62平移，并带动磁头1平移，从而调整两个磁头1所形成磁场中心的位置；

红外测距传感器43将移动板42以及磁头1的位置信号传递给单晶炉控制柜，单晶炉控制柜则控制液压缸41伸缩，从而调整磁场中心的高度。

本申请实施例还公开一种单晶炉辅助磁场控制方法，其具体步骤如下：

S1：第一驱动组件3调整磁头1的位置，启动驱动电机35，转动第一丝杠34从而调整移动块33的位置，使得两个屏蔽罩5组合形成屏蔽腔；

S2：调距组件6进一步调节磁头1的位置，通过伺服电机66驱动第二丝杠62平移，带动磁头1平移，从而调整磁场中心的位置，在炉筒2内通过特斯拉计检测磁场中心的位置，并使磁场中心移动到炉筒2的中线上；

S3：单晶炉控制柜通过控制液压缸41调整移动板42的高度，使得磁头1的高度随之改变，从而调整磁场中心的高度，使得磁场中心高度与溶体的表面相同；

S4：在拉晶工艺中，溶体表面的高度随结晶而降低，单晶炉控制柜控制液压缸41调整磁场中心的高度，并使磁场中心的高度与溶体表面的高度相同，红外测距传感器43则时刻监测磁头1移动距离，使得磁场移动距离更加精确。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种单晶炉辅助磁场控制系统，包括炉筒（2），所述炉筒（2）的两侧设有磁头（1），且两个磁头（1）相对设置，其特征在于：所述磁头（1）下方设有驱动机构，所述驱动机构包括用于驱动两个磁头（1）相向运动的第一驱动组件（3），以及用于驱动磁头（1）上下移动的第二驱动组件（4）。

2.根据权利要求1所述的一种单晶炉辅助磁场控制系统，其特征在于：所述第一驱动组件（3）包括设置在磁头（1）下方的移动块（33），所述移动块（33）下端滑动连接有导轨（31），所述导轨（31）上方转动连接有平行于导轨（31）的第一丝杠（34），所述第一丝杠（34）穿过移动块（33）并且与移动块（33）螺纹连接。

3.根据权利要求2所述的一种单晶炉辅助磁场控制系统，其特征在于：所述移动块（33）上方设有屏蔽罩（5），所述磁头（1）设置在屏蔽罩（5）内，所述屏蔽罩（5）朝向炉筒（2）一侧开设有开口，两个屏蔽罩（5）拼接成圆环状且套接在炉筒（2）的外侧。

4.根据权利要求3所述的一种单晶炉辅助磁场控制系统，其特征在于：所述屏蔽罩（5）一端设有卡接块（51），另一端设有用于插接卡接块（51）的卡接槽（52），一个屏蔽罩（5）上的卡接块（51）插接到另一个屏蔽罩（5）的卡接槽（52）中，两个屏蔽罩（5）通过螺栓固定连接。

5.根据权利要求3所述的一种单晶炉辅助磁场控制系统，其特征在于：所述屏蔽罩（5）内设有调距组件（6），所述调距组件（6）连接磁头（1）和屏蔽罩（5）。

6.根据权利要求5所述的一种单晶炉辅助磁场控制系统，其特征在于：所述调距组件（6）包括设置在磁头（1）上下两侧的固定块（61），所述固定块（61）与屏蔽罩（5）内壁滑动连接，所述磁头（1）远离炉筒（2）的一侧设有第二丝杠（62），所述第二丝杠（62）远离固定块（61）的一端穿过屏蔽罩（5），所述第二丝杠（62）穿过屏蔽罩（5）的一端螺纹连接有套筒（63），所述套筒（63）与屏蔽罩（5）转动连接，且套筒（63）一侧设有驱动套筒（63）转动的伺服电机（66）。

7.根据权利要求3所述的一种单晶炉辅助磁场控制系统，其特征在于：所述第二驱动组件（4）包括设置在屏蔽罩（5）下方的移动板（42），所述移动板（42）的下方设有竖直的液压缸（41），所述液压缸（41）一端固定在移动板（42）的下端面，另一端固定在移动块（33）的上端面。

8.根据权利要求7所述的一种单晶炉辅助磁场控制系统，其特征在于：所述移动板（42）和移动块（33）之间设有用于测量两者之间距离的红外测距传感器（43），所述红外测距传感器（43）电连接有用于控制液压缸（41）升降的单晶炉控制柜。

9.一种根据权利要求1-7任意一项所述的单晶炉辅助磁场控制方法，其特征在于：具体步骤如下：

S1：第一驱动组件驱动两个移动块抵接在炉筒侧壁上，两个屏蔽罩构成屏蔽区域；

S2：检测磁场中心，通过调距组件调整两个磁头在屏蔽罩内位置，从而调整磁场中心位置并使之与炉筒中心重合；

S3：在单晶炉内拉晶时，单晶炉控制柜控制拉晶上升高度，同时红外测距传感器将磁头高度时刻传递给单晶炉控制柜，由此同步控制液压缸移动磁头，从而控制磁场的中心位于结晶的界面位置。

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