CN2401571Y - 等效微重力晶体生长用径向辐射式磁场可调的永磁装置 - Google Patents
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Abstract
一种等效微重力晶体生长用径向辐射式磁场可调的永磁装置,在炉底座上固装着生长炉,在生长炉外围圆周固装着导柱,导柱内通过轴承架装着丝杠,丝杠上固装着传动轮,传动轮通过传动带与传动机构连接,生长炉外围套装着永磁磁环,固装在磁环上的套环套装在导柱上,套环内装着电磁离合器。该装置结构简单,节省能源,能实现晶体的“等效微重力生长”,大大提高晶体均匀性与微区均匀性,成本低,可广泛用于无机晶体的生长。
Description
本实用新型属于一种在晶体生长中产生磁场的装置，特别涉及一种能在地面模拟空间微重力环境的等效微重力晶体生长用径向辐射式磁场可调的永磁装置。
功能材料是高科技发展的基础，众多具有各种功能的无机材料，一部分要在熔体中生长成单晶体才能使用。随着晶体直径的增大，投料量增加，熔体强烈热对流，将严重影响晶体的完整性、均匀性。热对流驱动力的大小，可用无量纲格拉斯霍夫数(Grasheff number)来表征：
GT＝ΔT.g.α.b3/v2 其中b为熔体的特征长度，很明显，当投料量增加，b加大，GT是随b3增加的。
为了解决热对流问题，人们采用了下列二种方案：
1、在太空生长单晶(即在人造卫星上拉单晶)，因为此时重力加速度(地心引力造成的)g→0，所以GT→0，熔体中则无宏观热对流，使得晶体生长过程中杂质热量的输运完全依靠扩散进行(扩散是输运的唯一机制)。杂质沿晶体纵向的分布均匀性极好，且微区(亚微米极)均匀性也极好。太空拉晶，代价极其昂贵，不可能实现产业化。
2、在熔体中引入磁场众所周知，如果在熔体中引入磁场，导电熔体在磁场中运动，会受到罗仑兹力(Lorents force，F＝e/c.v)的作用。该磁滞阻力的大小，可用无量纲哈德曼数(Hartman number)表征：
HM＝(σ/ρv)μBb
σ表示导电率，μ表示磁导率，B表示磁场强度，ρ表示熔体密度，
v表示熔体流动速度，b表示坩埚特征尺寸。
只要熔体具有良好的导电率(σ)和磁导率(μ)，当引入的磁场强度B达到某一临介值B0时，熔体中的宏观对流就会被抑制。于是晶体生长时熔体中杂质热量的输运就会与太空拉晶一样，完全依赖于扩散，满足“等效微重力生长的物理条件。目前引入磁场的方法有两种；
(1)常规电磁场。在晶体生长设备外两侧各放置一块圆柱软铁，上面绕上线圈，当电流通过时，产生磁场，磁力线从N极到S极水平分布。也可在炉膛外侧套装螺旋管线圈，产生垂直磁力线，磁力线穿过熔体，熔体热对流方向与磁力线交割，将受到洛仑兹力作用被抑制；与磁力线平行的热对流不受洛仑兹力作用，仍可自由流动。
(2)超导磁场。(1)中的线圈改成超导线圈，形成超导磁场。
常规磁场或超导磁场为了维持磁场，都要消耗大量的冷却水和电，还需要一套配电设施。因而，设备复杂，噪音大。超导磁场还需要消耗液氮和液氦。因此消耗能源，造价高。
本实用新型的目的在于克服现有技术中的不足之处而提供一种节省能源，成本低，结构简单，维修方便，能在地面模拟空间微重力环境的等效微重力晶体生长用径向辐射式磁场可调的永磁装置。
本实用新型的技术解决方案如下：
等效微重力晶体生长用径向辐射式磁场可调的永磁装置的结构是，在炉底座(1)上固装着生长炉膛(2)和其上有导槽的导柱，生长炉膛外围套装着永磁磁环，永磁磁环与炉体有间隙，永磁磁环通过固装在其上的套环套装在导柱上，永磁磁环还连接着传动机构。
传动机构的结构是，导柱内通过轴承架装着丝杠，丝杠上装着传动轮，传动轮通过传动带与固装在电机轴上的传动轮连接，固装在永磁磁环上的套环内装着电磁离合器，电磁离合器和电机与控制柜上的电源输出连接。控制柜的正面板上装着指示灯LED、总电源开关K1、电机开关K2、控制永磁磁环运动开关K3～K7、外电源输入线D1、电源输出到电机和离合器的动力线D2。
电磁离合器的线圈两端连接着微机。在空载状态下，测定出磁环的相对位置与磁场强度大小的关系，以此编制成微机控制程序软件，通过微机控制离合器的启、闭，调节磁环的运动及其相对位置，从而调节磁场强度的大小。
本实用新型与现有技术相比有如下优点：
1、本实用新型采用熔体周围产生磁场，再利用特殊运动机构调节磁环的相对位置来改变磁场强度。采用永磁磁环，不但结构简单，而且还节省了用常规电磁场或超导磁场维持所消耗的水和电，节省能源。
2、本实用新型采用永磁环，因此磁场结构为环行结构，磁力线成辐射状均匀发射。径向辐射式磁力线分布，可有效地控制马兰哥尼对流和热对流，从而能方便地控制熔体—晶体固液界面处的杂质输运，并进一步控制杂质在晶体中的浓度与分布，能大大提高晶体质量的均匀性与微区均匀性，以及氧浓度的PPm级可控。
3、应用本结构的永磁场，只要施加磁场强度足够大，能完全抑制住熔体中的任何对流，使得熔体中的杂质热量输运完全依靠扩散(扩散是杂质热量输运的唯一机制)，此时的晶体生长完全可以等效太空拉晶，实现“等效微重力生长”，因此成本低，且很容易实现产业化。
4、三个磁环之间的距离可以通过调节机构进行调节，磁环(10)和(12)可以同步靠近或远离磁环(11)，且能保证磁环(10)和(12)距磁环(11)的距离相等。同时，磁环(11)的位置也可以单独上下调节。整个磁体相对于熔体表面的位置也可以调节。因此，在晶体生长过程中，炉内熔体永磁场强度能连续可调，调节的范围在0～3000高斯。
附图的图面说明如下：
图1是本实用新型等效微重力晶体生长用径向辐射式磁场可调的永磁装置的结构示意图；
图2是本实用新型控制柜示意图；
图3是本实用新型熔体在永磁环内磁力线分布示意图；
图4是本实用新型三个磁环压紧时，磁力线分布示意图，此时磁场强度最大；
图5是本实用新型三个磁环分开最大距离(即磁环(10)和(12)距磁环(11)150mm)时，磁力线分布示意图，此时磁场强度最小；
图6是本实用新型磁环(10)和(12)距磁环(11)25mm时，磁力线分布的图；
图7是本实用新型磁环(10)和(12)距磁环(11)50mm时，磁力线分布图。
下面结合附图对本实用新型实施例作进一步详述：
等效微重力晶体生长用径向辐射式磁场可调的永磁装置的结构如图1、图2所示，在生长炉底座(1)上固装着生长炉膛(2)，在生长炉膛外围圆周固装着三根其上有导槽的导柱(3)、(4)、(5)，在导柱(3)、(4)内通过轴承架装着丝杠(6)和(7)，丝杠(6)和(7)的顶端分别固装着传动齿轮(8)和(9)，生长炉膛外围套装着三个磁环(10)、(11)、(12)，每个磁环与炉体有间隙，每个磁环上分别固装着套环(13)、(14)、(15)、(16)、(17)、(18)，套环(13)、(15)、(17)套装在导柱(3)上，套环(14)、(16)、(18)套装在导柱(3)上，在每个套环内分别装着一个电磁离合器。导柱(5)的顶部固装着电机(23)电机的轴上固装着传动齿轮(19)、(20)，传动齿轮(19)通过传动带(21)与传动齿轮(8)连接，传动齿轮(20)通过传动带(22)与传动齿轮(9)连接。
控制柜的正面板上装着指示灯LED、总电源开关K1、电机开关K2、控制永磁磁环运动开关K3～K7、外电源输入线D1、电源输出到电机和离合器的动力线D2。电源输入线D1串联总电源开关K1、指示灯LED、电机开关K2后，并联三个永磁环同时运动开关K3、上环(12)单独运动开关K4、中环(11)单独运动开关K5、下环(10)单独运动开关K6、上环(12)和下环(10)同时运动开关K3。套环(13)、(14)、(15)、(16)、(17)、(18)内的离合器同时连接在K3上，套环(13)、(14)内的离合器同时连接在K4上，套环(15)、(16)内的离合器同时连接在K5上，套环(17)、(18)内的离合器同时连接在K6上，套环(13)、(14)、(17)、(18)内的离合器同时连接在K7上。电机和全部离合器均连接在动力线D2上。
使用时，接通电源总开关K1，指示灯LED亮，接通电机开关K2，电机(23)启动，带着齿轮(19)、(20)转动，齿轮(19)、(20)通过传动带(21)、(22)带动齿轮(8)和(9)转动，齿轮(8)和(9)又带动丝杠(6)和(7)转动，在磁环运动开关都没有闭合时，电磁离合器也没有闭合，此时，丝杠空转，永磁磁环都不动。开关K3闭合时，套环内的电磁离合器都闭合，三个永磁磁环同时运动。断开K3，三个永磁磁环停止运动。开关K4闭合时，套环(13)、(14)内的电磁离合器都闭合，永磁磁环(12)单独运动，断开K4，永磁磁环(12)停止运动。开关K5闭合时，套环(15)、(16)内的电磁离合器闭合，永磁磁环(11)单独运动，断开K5，永磁磁环(11)停止运动。开关K6闭合时，套环(17)、(18)内的电磁离合器都闭合，永磁磁环(10)单独运动，断开K6，永磁磁环(10)停止运动。开关K7闭合时，套环(13)、(14)、(17)、(18)内的电磁离合器都闭合，永磁磁环(12)、(10)同时相对永磁磁环(11)运动。利用三个磁环相互位置及其与熔体固液界面的相对位置，则可调节固液界面处磁场强度的大小。
1、从图4、图5可以看出，当三个磁环压紧时，磁场强度最大；当三个磁环分开最大距离时，磁场强度最小，此时，磁力线不能作用到坩埚中心，抑制热对流和控制氧浓度效果最差，与普通无磁场炉效果近似。当三个磁环一起移出炉膛时固液界面处及熔体中磁场强度为0。由图可以看出，不管三个磁环压紧或分离，其磁力线分布都是径向辐射式的形式。该磁力线的分布对控制马兰哥尼对流具有重要意义。
3、当磁环(10)和(12)距磁环(11)25mm时，磁力线的分布如图6所示，在石英坩埚边缘处，从固液界面表面向下(熔体深度方向)至3mm处，磁场强度达到1500高斯，且在径向360度内均匀分布。生长出Φ3英寸、长500mm的单晶硅中氧浓度可控制在3×1017～4×1017cm-3，且电阻率均匀性≤3％(目标电阻率32Ω.cm)。
4、当磁环(10)和(12)距磁环(11)50mm时，磁力线的分布如图7所示，在石英坩埚边缘处，磁场强度值为1000高斯，且磁力线在径向360度内均匀分布。生长出Φ3英寸、长500mm的单晶硅中氧浓度仍可控制在5×1017～6×1017cm-3，且电阻率均匀性≤3％。
5、当磁环(10)和(12)距磁环(11)150mm时，磁力线的分布如图8所示，在石英坩埚边缘处，磁场强度值为600高斯，且磁力线在径向360度内均匀分布。生长出Φ3英寸、长500mm的单晶硅中氧浓度仍可控制在6×1017～8×1017cm-3，且电阻率均匀性≤3％。
Claims (3)
1、一种能在地面模拟空间微重力环境的等效微重力晶体生长用径向辐射式磁场可调的永磁装置，是在生长炉膛周围装着磁体，其特征在于：在炉底座(1)上固装着生长炉膛(2)和其上有导槽的导柱，生长炉膛外围套装着永磁磁环，永磁磁环与炉体有间隙，永磁磁环通过固装在其上的套环套装在导柱上，永磁磁环还连接着传动机构。
2、按照权利要求1所说的永磁装置，其特征在于：传动机构的结构是导柱内通过轴承架装着丝杠，丝杠上装着传动轮，传动轮通过传动带与固装在电机轴上的传动轮连接，在固装在永磁磁环上的套环内装着电磁离合器，电磁离合器和电机与控制柜上的电源输出连接。
3、按照权利要求1或2所说的永磁装置，其特征在于：电磁离合器的线圈两端连接着微机，通过微机控制离合器的启、闭，调节磁环的运动及其相对位置。
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