區(qū)熔單晶生長(zhǎng)過(guò)程中高頻線圈形變的原因分析及理論計(jì)算

劉洪

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津 300220)

區(qū)熔硅單晶是電力電子器件，大功率高壓元件的關(guān)鍵材料。高純的區(qū)熔硅單晶是制作各種探測(cè)器、傳感器的關(guān)鍵原材料。探測(cè)器和傳感器是工業(yè)自動(dòng)化的關(guān)鍵元器件，被廣泛應(yīng)用于光探測(cè)、光纖通訊、工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中以及醫(yī)療、軍事、電訊、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。擁有極大的市場(chǎng)空間。以及高效太陽(yáng)能電池領(lǐng)域。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，區(qū)熔硅單晶的市場(chǎng)需求量越來(lái)越大。但是區(qū)熔硅單晶的規(guī)?；a(chǎn)過(guò)程中，保持較高的成晶率是所有生產(chǎn)部門追求的目標(biāo)。要保持單晶的高成晶率，必須具備較完備的適合單晶生長(zhǎng)的工藝條件和完美的熱場(chǎng)。本文對(duì)使用CGS區(qū)熔爐生長(zhǎng)單晶時(shí)，發(fā)現(xiàn)的熱場(chǎng)條件缺陷，進(jìn)行了原因分析及理論計(jì)算，并針對(duì)性地提出改進(jìn)措施，以保證單晶順利生長(zhǎng)。

1 單晶生長(zhǎng)過(guò)程中線圈的形變

單晶生長(zhǎng)過(guò)程中，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的運(yùn)行，高頻線圈經(jīng)常出現(xiàn)機(jī)械變化，影響單晶的正常生長(zhǎng)。通過(guò)進(jìn)一步的精確測(cè)量發(fā)現(xiàn)：

（1）線圈兩電極之間縫隙減??；

（2）線圈整體自行發(fā)生逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，形成單晶與線圈的軸中心不對(duì)稱及線圈水平面的扭曲變化。通常線圈發(fā)生偏轉(zhuǎn)后，線圈的中心與軸的對(duì)稱度偏離超過(guò)1 mm，即線圈與單晶錠不在一個(gè)同心軸上，而線圈的水平面發(fā)生傾斜，扭曲嚴(yán)重時(shí)線圈下坡面的角度從左邊9.5°至右邊6.5°逆時(shí)針減小，兩側(cè)邊緣高低相差2～3 mm，與單晶錠的軸心不垂直，形成了一定的夾角。改變了原有沿中心軸成軸對(duì)稱的磁場(chǎng)，偏離了單晶生長(zhǎng)條件的原設(shè)計(jì)要求。

2 線圈的形變對(duì)生長(zhǎng)單晶的影響

正常生長(zhǎng)單晶時(shí)，要求高頻熱場(chǎng)均勻、平整、軸中心對(duì)稱，利于單晶的正常結(jié)晶。平衡狀態(tài)下線圈如圖1。圖形上部分為線圈截面圖，下面成軸對(duì)稱的折線代表線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度由外而內(nèi)先升高再降低分布，但是軸中心兩側(cè)是對(duì)稱的。由于線圈外形上不規(guī)則的扭曲變化及線圈逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的綜合作用，降低了線圈的水平度和中心的對(duì)稱度，嚴(yán)重破壞了線圈原有設(shè)計(jì)的對(duì)稱均勻的熱場(chǎng)。

圖1 平衡情況下線圈截面圖

正常生長(zhǎng)的單晶沿垂直于線圈中心點(diǎn)的軸逆時(shí)針自傳（如圖2）。對(duì)稱的磁場(chǎng)使單晶上的同一點(diǎn)始終接受到相同強(qiáng)度的磁場(chǎng)。由于線圈成一定角度變形，水平度變差，所以越是遠(yuǎn)離中心點(diǎn)，在同一水平面上磁場(chǎng)變化越大。使大直徑單晶在旋轉(zhuǎn)到不同位置時(shí)吸收的磁場(chǎng)強(qiáng)度產(chǎn)生周期性的變化，同一點(diǎn)上的單晶生長(zhǎng)速度成周期性的變化，大大增加了單晶生長(zhǎng)過(guò)程中回熔和局部過(guò)冷機(jī)會(huì)，導(dǎo)致單晶邊緣溶液周期性不飽滿，而內(nèi)部應(yīng)力過(guò)大產(chǎn)生位錯(cuò)，使得單晶中途斷苞變晶。而且單晶的直徑越大，影響越大。

圖2 單晶生長(zhǎng)圖

3 線圈形變的原因分析

3.1 線圈受力分析

線圈安裝時(shí)，被兩個(gè)銅螺釘固定在同心中軸上。固定線圈的螺釘在擰緊過(guò)程中發(fā)生彈性形變，在摩擦力的作用下螺釘達(dá)到暫時(shí)平衡狀態(tài)。而在單晶生長(zhǎng)過(guò)程中，螺釘所吸收熱量通過(guò)線圈傳給冷卻水，螺釘與線圈之間產(chǎn)生正的溫度梯度。螺釘與線圈用相同材料制作，熱膨脹系數(shù)相等。從而導(dǎo)致螺釘線性膨脹量大于線圈，導(dǎo)致壓力減小，摩擦力產(chǎn)生的力矩減小。平衡狀態(tài)被打破。而變形的螺釘復(fù)原過(guò)程中將帶動(dòng)線圈同時(shí)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，線圈在兩個(gè)螺釘不同軸的扭矩下將產(chǎn)生特定變形，而線圈的偏轉(zhuǎn)量也與扭矩成正比。在長(zhǎng)時(shí)間的外力及高溫環(huán)境下線圈的塑性變形逐漸加大。經(jīng)過(guò)測(cè)量線圈及多次開(kāi)爐試驗(yàn)，判斷與實(shí)際情況完全相符。

3.2 偏轉(zhuǎn)角度計(jì)算

計(jì)算在固定線圈過(guò)程中螺釘所產(chǎn)生的扭曲變形?？偟男D(zhuǎn)角度為θ，螺釘上產(chǎn)生變形的兩部分半徑分別為R1=0.625cm，R2=0.4cm，長(zhǎng)度L1=0.8cm，L2=1.4cm，

其中：M為力矩，剪切模量G=408000 kgf/cm2，θ1r剪切應(yīng)變。

解方程(1)(2)(3)可得出力矩M與螺釘偏轉(zhuǎn)角度的關(guān)系：

換算成角度為1.6°。實(shí)際生產(chǎn)中線圈偏轉(zhuǎn)角度為0.8～1.4°，考慮到形變不可能完全恢復(fù)，結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)完全符合。

由于線圈在爐內(nèi)使用過(guò)程中，一直因受到外力成扭曲變形狀態(tài)，而線圈的部分位置要承受很高的溫度。因此長(zhǎng)時(shí)間使用的線圈將發(fā)生塑性形變，線圈不能在使用后完全恢復(fù)原狀。

而隨著使用次數(shù)的增加，塑性扭曲變形將增大，致使在相同的外力環(huán)境下所發(fā)生的變形將越來(lái)越大，最終嚴(yán)重地影響單晶的生長(zhǎng)。并使得線圈報(bào)廢。

3.3 改進(jìn)方法

通過(guò)選用熱膨脹系數(shù)極低的新材料制作新螺釘。在單晶生長(zhǎng)過(guò)程中，螺釘?shù)呐蛎浟啃∮诰€圈，線圈與螺釘之間的壓力增加，使平衡狀態(tài)得以維持，可以減低線圈在單晶生長(zhǎng)過(guò)程中的形變。

4 結(jié) 論

高頻線圈在使用過(guò)程中，由于多種原因，發(fā)生形變是經(jīng)常出現(xiàn)的，如果形變嚴(yán)重，會(huì)大大降低單晶生長(zhǎng)的成功率。了解了線圈發(fā)生形變的原因，采取有效的措施，減少形變的因素，可以降低線圈形變發(fā)生的機(jī)會(huì)。本文在消除了線圈在開(kāi)爐過(guò)程中的自偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，大大降低了單晶的斷苞幾率，極大地提高了成品率。同時(shí)，也大大延長(zhǎng)了線圈的使用壽命。