劉洪

(中國電子科技集團(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器、傳感器的關(guān)鍵原材料。探測器和傳感器是工業(yè)自動化的關(guān)鍵元器件，被廣泛應(yīng)用于光探測、光纖通訊、工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中以及醫(yī)療、軍事、電訊、工業(yè)自動化等領(lǐng)域。擁有極大的市場空間。以及高效太陽能電池領(lǐng)域。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，區(qū)熔硅單晶的市場需求量越來越大。但是區(qū)熔硅單晶的規(guī)?；a(chǎn)過程中，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的工藝條件和完美的熱場。本文對使用CGS區(qū)熔爐生長單晶時，發(fā)現(xiàn)的熱場條件缺陷，進(jìn)行了原因分析及理論計(jì)算，并針對性地提出改進(jìn)措施，以保證單晶順利生長。

1 單晶生長過程中線圈的形變

單晶生長過程中，經(jīng)過一定時間的運(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。通過進(jìn)一步的精確測量發(fā)現(xiàn)：

（1）線圈兩電極之間縫隙減??；

（2）線圈整體自行發(fā)生逆時針偏轉(zhuǎn)，形成單晶與線圈的軸中心不對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稱度偏離超過1 mm，即線圈與單晶錠不在一個同心軸上，而線圈的水平面發(fā)生傾斜，扭曲嚴(yán)重時線圈下坡面的角度從左邊9.5°至右邊6.5°逆時針減小，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稱的磁場，偏離了單晶生長條件的原設(shè)計(jì)要求。

2 線圈的形變對生長單晶的影響

正常生長單晶時，要求高頻熱場均勻、平整、軸中心對稱，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，下面成軸對稱的折線代表線圈產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度由外而內(nèi)先升高再降低分布，但是軸中心兩側(cè)是對稱的。由于線圈外形上不規(guī)則的扭曲變化及線圈逆時針轉(zhuǎn)動的綜合作用，降低了線圈的水平度和中心的對稱度，嚴(yán)重破壞了線圈原有設(shè)計(jì)的對稱均勻的熱場。

圖1 平衡情況下線圈截面圖

正常生長的單晶沿垂直于線圈中心點(diǎn)的軸逆時針自傳（如圖2）。對稱的磁場使單晶上的同一點(diǎn)始終接受到相同強(qiáng)度的磁場。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變化越大。使大直徑單晶在旋轉(zhuǎn)到不同位置時吸收的磁場強(qiáng)度產(chǎn)生周期性的變化，同一點(diǎn)上的單晶生長速度成周期性的變化，大大增加了單晶生長過程中回熔和局部過冷機(jī)會，導(dǎo)致單晶邊緣溶液周期性不飽滿，而內(nèi)部應(yīng)力過大產(chǎn)生位錯，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 單晶生長圖

3 線圈形變的原因分析

3.1 線圈受力分析

線圈安裝時，被兩個銅螺釘固定在同心中軸上。固定線圈的螺釘在擰緊過程中發(fā)生彈性形變，在摩擦力的作用下螺釘達(dá)到暫時平衡狀態(tài)。而在單晶生長過程中，螺釘所吸收熱量通過線圈傳給冷卻水，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)原過程中將帶動線圈同時逆時針轉(zhuǎn)動，線圈在兩個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。在長時間的外力及高溫環(huán)境下線圈的塑性變形逐漸加大。經(jīng)過測量線圈及多次開爐試驗(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。因此長時間使用的線圈將發(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)生的變形將越來越大，最終嚴(yán)重地影響單晶的生長。并使得線圈報(bào)廢。

3.3 改進(jìn)方法

通過選用熱膨脹系數(shù)極低的新材料制作新螺釘。在單晶生長過程中，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過程中的形變。

4 結(jié) 論

高頻線圈在使用過程中，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，會大大降低單晶生長的成功率。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。本文在消除了線圈在開爐過程中的自偏轉(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，也大大延長了線圈的使用壽命。