区熔单晶生长过程中高频线圈形变的原因分析及理论计算

刘洪

(中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津 300220)

区熔硅单晶是电力电子器件，大功率高压元件的关键材料。高纯的区熔硅单晶是制作各种探测器、传感器的关键原材料。探测器和传感器是工业自动化的关键元器件，被广泛应用于光探测、光纤通讯、工业自动化控制系统中以及医疗、军事、电讯、工业自动化等领域。拥有极大的市场空间。以及高效太阳能电池领域。随着经济的发展，区熔硅单晶的市场需求量越来越大。但是区熔硅单晶的规模化生产过程中，保持较高的成晶率是所有生产部门追求的目标。要保持单晶的高成晶率，必须具备较完备的适合单晶生长的工艺条件和完美的热场。本文对使用CGS区熔炉生长单晶时，发现的热场条件缺陷，进行了原因分析及理论计算，并针对性地提出改进措施，以保证单晶顺利生长。

1 单晶生长过程中线圈的形变

单晶生长过程中，经过一定时间的运行，高频线圈经常出现机械变化，影响单晶的正常生长。通过进一步的精确测量发现：

（1）线圈两电极之间缝隙减小；

（2）线圈整体自行发生逆时针偏转，形成单晶与线圈的轴中心不对称及线圈水平面的扭曲变化。通常线圈发生偏转后，线圈的中心与轴的对称度偏离超过1 mm，即线圈与单晶锭不在一个同心轴上，而线圈的水平面发生倾斜，扭曲严重时线圈下坡面的角度从左边9.5°至右边6.5°逆时针减小，两侧边缘高低相差2～3 mm，与单晶锭的轴心不垂直，形成了一定的夹角。改变了原有沿中心轴成轴对称的磁场，偏离了单晶生长条件的原设计要求。

2 线圈的形变对生长单晶的影响

正常生长单晶时，要求高频热场均匀、平整、轴中心对称，利于单晶的正常结晶。平衡状态下线圈如图1。图形上部分为线圈截面图，下面成轴对称的折线代表线圈产生的磁场强度由外而内先升高再降低分布，但是轴中心两侧是对称的。由于线圈外形上不规则的扭曲变化及线圈逆时针转动的综合作用，降低了线圈的水平度和中心的对称度，严重破坏了线圈原有设计的对称均匀的热场。

图1 平衡情况下线圈截面图

正常生长的单晶沿垂直于线圈中心点的轴逆时针自传（如图2）。对称的磁场使单晶上的同一点始终接受到相同强度的磁场。由于线圈成一定角度变形，水平度变差，所以越是远离中心点，在同一水平面上磁场变化越大。使大直径单晶在旋转到不同位置时吸收的磁场强度产生周期性的变化，同一点上的单晶生长速度成周期性的变化，大大增加了单晶生长过程中回熔和局部过冷机会，导致单晶边缘溶液周期性不饱满，而内部应力过大产生位错，使得单晶中途断苞变晶。而且单晶的直径越大，影响越大。

图2 单晶生长图

3 线圈形变的原因分析

3.1 线圈受力分析

线圈安装时，被两个铜螺钉固定在同心中轴上。固定线圈的螺钉在拧紧过程中发生弹性形变，在摩擦力的作用下螺钉达到暂时平衡状态。而在单晶生长过程中，螺钉所吸收热量通过线圈传给冷却水，螺钉与线圈之间产生正的温度梯度。螺钉与线圈用相同材料制作，热膨胀系数相等。从而导致螺钉线性膨胀量大于线圈，导致压力减小，摩擦力产生的力矩减小。平衡状态被打破。而变形的螺钉复原过程中将带动线圈同时逆时针转动，线圈在两个螺钉不同轴的扭矩下将产生特定变形，而线圈的偏转量也与扭矩成正比。在长时间的外力及高温环境下线圈的塑性变形逐渐加大。经过测量线圈及多次开炉试验，判断与实际情况完全相符。

3.2 偏转角度计算

计算在固定线圈过程中螺钉所产生的扭曲变形。总的旋转角度为θ，螺钉上产生变形的两部分半径分别为R1=0.625cm，R2=0.4cm，长度L1=0.8cm，L2=1.4cm，

其中：M为力矩，剪切模量G=408000 kgf/cm2，θ1r剪切应变。

解方程(1)(2)(3)可得出力矩M与螺钉偏转角度的关系：

换算成角度为1.6°。实际生产中线圈偏转角度为0.8～1.4°，考虑到形变不可能完全恢复，结果与实际生产完全符合。

由于线圈在炉内使用过程中，一直因受到外力成扭曲变形状态，而线圈的部分位置要承受很高的温度。因此长时间使用的线圈将发生塑性形变，线圈不能在使用后完全恢复原状。

而随着使用次数的增加，塑性扭曲变形将增大，致使在相同的外力环境下所发生的变形将越来越大，最终严重地影响单晶的生长。并使得线圈报废。

3.3 改进方法

通过选用热膨胀系数极低的新材料制作新螺钉。在单晶生长过程中，螺钉的膨胀量小于线圈，线圈与螺钉之间的压力增加，使平衡状态得以维持，可以减低线圈在单晶生长过程中的形变。

4 结 论

高频线圈在使用过程中，由于多种原因，发生形变是经常出现的，如果形变严重，会大大降低单晶生长的成功率。了解了线圈发生形变的原因，采取有效的措施，减少形变的因素，可以降低线圈形变发生的机会。本文在消除了线圈在开炉过程中的自偏转现象，大大降低了单晶的断苞几率，极大地提高了成品率。同时，也大大延长了线圈的使用寿命。