直拉單晶爐磁場裝置及使用該磁場裝置的拉晶方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種直拉單晶爐磁場裝置，用于向坩堝中的熔體施加磁場。所述直拉單晶爐磁場裝置包括圍繞所述坩堝上下設(shè)置的第一線圈及第二線圈，第一線圈及第二線圈均與坩堝同軸。所述第一線圈和第二線圈共同形成的磁場具有下凹的分界面。所述分界面上方區(qū)域的磁場強度為零。所述分界面具有相對的第一側(cè)邊和第二側(cè)邊，所述第一側(cè)邊和第二側(cè)邊均沿所述坩堝的側(cè)壁的延長線向遠離所述坩堝的方向延伸。本發(fā)明的直拉單晶爐磁場裝置造價低，可產(chǎn)生變化的磁場，尤其是在熔體內(nèi)部具有高磁場強度、在分界面上方磁場強度為零的特定形狀的磁場，可有效抑制熔體熱對流，利于單晶穩(wěn)定生長并獲得高品質(zhì)單晶。本發(fā)明還提供一種使用該直拉單晶爐磁場裝置的拉晶方法。
【專利說明】直拉單晶爐磁場裝置及使用該磁場裝置的拉晶方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于單晶制造【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及直拉單晶爐磁場裝置，還涉及使用該直拉單晶爐磁場裝置的拉晶方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著世界經(jīng)濟的不斷發(fā)展，現(xiàn)代化建設(shè)對高效能源需求不斷增長。光伏發(fā)電作為綠色能源以及人類可持續(xù)發(fā)展的主要能源的一種，日益受到世界各國的重視并得到大力發(fā)展。單晶硅片作為光伏發(fā)電的基礎(chǔ)材料的一種，有著廣泛的市場需求。一種常見的單晶硅生長方法是直拉法，即，在單晶爐中，使籽晶浸入容置于石英坩堝的熔體提拉籽晶，以在籽晶下端生長單晶娃棒。
[0003]使用傳統(tǒng)的直拉法進行單晶生長，熔體中的熱對流使得單晶中的摻雜劑、氧、碳等雜質(zhì)元素分布不均，嚴重影響晶體質(zhì)量。一種解決的辦法是在單晶生長過程中施加磁場以抑制熔體對流。然而，現(xiàn)有的橫向磁場或縱向磁場均為單一方向，對與磁力線平行方向的熱對流起不到抑制作用。也就是說，采用現(xiàn)有的磁場并不能完全地抑制熔體對流，難以獲得高
質(zhì)量單晶。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種直拉單晶爐磁場裝置及使用直拉單晶爐磁場裝置的拉晶方法，以解決現(xiàn)有的直拉法拉單晶過程中熔體熱對流得不到完全抑制的問題，提高單晶質(zhì)量。
[0005]本發(fā)明的另一個目的在于提供一種使用該直拉單晶爐磁場裝置的拉晶方法。
[0006]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，一種直拉單晶爐磁場裝置，用于向坩堝中的熔體施加磁場。直拉單晶爐磁場裝置包括圍繞坩堝上下設(shè)置的第一線圈及第二線圈，第一線圈及第二線圈均與坩堝同軸。第一線圈和第二線圈共同形成的磁場具有下凹的分界面。分界面上方區(qū)域的磁場強度為零。分界面具有相對的第一側(cè)邊和第二側(cè)邊，第一側(cè)邊和第二側(cè)邊均沿坩堝的側(cè)壁的延長線向遠離坩堝的方向延伸。
[0007]本發(fā)明的另一個目的是這樣實現(xiàn)的，一種使用該直拉單晶爐磁場裝置的拉晶方法，包括步驟:提供直拉單晶爐，其包括盛有熔體的坩堝，使直拉單晶爐磁場裝置的第一線圈及第二線圈均與坩堝同軸，且圍繞坩堝上下設(shè)置；利用直拉單晶爐磁場裝置對熔體施加磁場，磁場具有下凹的分界面，分界面上方區(qū)域的磁場強度為零，分界面具有相對的第一側(cè)邊和第二側(cè)邊，第一側(cè)邊和第二側(cè)邊均沿坩堝的側(cè)壁的延長線向遠離坩堝的方向延伸；以及提供籽晶，將籽晶浸入坩堝內(nèi)的熔體中提拉單晶棒。
[0008]本發(fā)明具有如下有益效果，本發(fā)明提供的直拉單晶爐磁場裝置造價低，可產(chǎn)生變化的磁場。尤其可產(chǎn)生具有下凹的分界面的磁場，在該分界面下方區(qū)域形成強磁場，在該分界面上方區(qū)域的磁場強度為零。使用該磁場裝置的拉晶方法可降低磁場裝置運行能耗，產(chǎn)生的磁場對應熔體內(nèi)部的部分可有效抑制熔體熱對流，且對熔體固液界面的形狀基本無影響，利于單晶穩(wěn)定生長并獲得聞品質(zhì)單晶。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明的直拉單晶爐磁場裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0010]圖2是使用本發(fā)明的直拉單晶爐磁場裝置的拉晶方法流程圖。
[0011]圖中，10.直拉單晶爐磁場裝置，11.屏蔽體，12.第一線圈，13.第二線圈，14.分界面，140.第一側(cè)邊，141.底邊，142.第二側(cè)邊，100.直拉單晶爐，101.爐筒，102.坩堝，103.熔體，104.籽晶，105.單晶棒。
【具體實施方式】
[0012]下面結(jié) 合附圖和實施例對本發(fā)明的直拉單晶爐磁場裝置及使用該直拉單晶爐磁場裝置的拉晶方法進行詳細說明。
[0013]參照圖1，本發(fā)明提供一種用于在直拉單晶過程中施加磁場的直拉單晶爐磁場裝置10。在直拉單晶爐100中，爐筒101內(nèi)側(cè)設(shè)置有坩堝102和加熱器(圖未示)，坩堝102內(nèi)盛有熔體103，加熱器用于加熱熔體103。直拉單晶過程中，籽晶104轉(zhuǎn)動上升，依次經(jīng)歷引晶、放肩、轉(zhuǎn)肩、等徑及收尾等階段，逐漸加長加粗以獲得單晶產(chǎn)品。
[0014]直拉單晶爐磁場裝置10設(shè)置于直拉單晶爐100的爐筒101外側(cè)，包括屏蔽體11、第一線圈12、第二線圈13、第一控制器(圖未示)、第二控制器(圖未示)和升降機構(gòu)(圖未示)。
[0015]屏蔽體11環(huán)繞直拉單晶爐100的外圍設(shè)置。第一線圈12和第二線圈13均安裝于屏蔽體11內(nèi)，第一線圈12位于第二線圈13上方。第一線圈12及第二線圈13均與坩堝102同軸。第一控制器連接于第一線圈12，用于控制通入第一線圈12的電流。第二控制器連接于第二線圈13，用于控制通入第二線圈13的電流。升降機構(gòu)可采用液壓驅(qū)動，其設(shè)置于直拉單晶爐100外的底部，機械連接于屏蔽體11。通過升降機構(gòu)調(diào)節(jié)屏蔽體11內(nèi)的第一線圈12與第二線圈13的高度，使得屏蔽體11內(nèi)的第一線圈12及第二線圈13對應圍繞坩堝102的外圍設(shè)置。往第一線圈12及第二線圈13內(nèi)通入方向相反的電流，利用第一控制器與第二控制器，控制第一線圈12和第二線圈13的磁場強度比為1:3至1:2，形成特定形狀的磁場。第二線圈13與第一線圈12中的電流大小可以相同或不同。本實施例中，第一線圈12和第二線圈13中的電流大小相同，第一線圈12和第二線圈13的匝數(shù)之比為1:3至1:2。當然，第一線圈12和第二線圈13的匝數(shù)也可相同或為其它比值，通過控制第一線圈12和第二線圈13的電流也可使得第一線圈12和第二線圈13的磁場強度比為1:3至1:2。第一線圈12和第二線圈13形成的磁場相互疊加，在靠近固液界面處形成下凹的分界面14。第一線圈12產(chǎn)生的磁場與第二線圈13產(chǎn)生的磁場部分抵消，分界面14上方區(qū)域的磁場強度為零。分界面14大致為U型，具有依次相連的第一側(cè)邊140、底邊141和第二側(cè)邊142，第一側(cè)邊140與第二側(cè)邊142相對，且以坩堝102中心軸對稱。底邊141連接于第一側(cè)邊140與第二側(cè)邊142之間。第一側(cè)邊140和第二側(cè)邊142均沿坩堝102的側(cè)壁的延長線向遠離坩堝102的方向延伸。底邊141的中心點可位于熔體103的固液界面中心點以下，或者與熔體103的固液界面中心點重合，或者位于固液界面中心點以上。優(yōu)選地，底邊141的中心點與熔體103的固液界面中心點的間距為-100毫米至100毫米。具體地，第一線圈12和第二線圈13共同形成的磁場為:在熔體103內(nèi)部具有向四周發(fā)散的、較強的磁力線分布；分界面14上方區(qū)域的磁場強度為零，在熔體103的固液界面附近區(qū)域，分界面14的底邊141靠近固液界面，第一側(cè)邊140與第二側(cè)邊142貼合坩堝102的內(nèi)壁向遠離坩堝102底部的方向延伸。如此，一方面可有效抑制熔體103熱對流，利于雜質(zhì)在單晶產(chǎn)品中均布，另一方面對固液界面的形狀基本無影響，可利于單晶穩(wěn)定生長。
[0016]該直拉單晶爐磁場裝置10造價低，可產(chǎn)生變化的磁場。尤其可產(chǎn)生一種在熔體103內(nèi)部具有高磁場強度，在分界面14上方磁場強度為零的特定形狀的磁場。產(chǎn)生該磁場時，第一線圈12的磁場強度遠小于第二線圈13的磁場強度，可節(jié)省裝置運行能耗。 [0017]請參照圖1和圖2，本發(fā)明還提供一種使用如上的直拉單晶爐磁場裝置10的拉晶方法，包括步驟:
[0018]首先，提供直拉單晶爐100，其包括盛有熔體103的坩堝102。使直拉單晶爐磁場裝置10的第一線圈11及第二線圈12均與坩堝102同軸，且圍繞坩堝102上下設(shè)置。
[0019]其次，利用直拉單晶爐磁場裝置10對熔體103施加磁場，磁場具有下凹的分界面
14。分界面14上方區(qū)域的磁場強度為零。分界面14具有相對的第一側(cè)邊140和第二側(cè)邊142，第一側(cè)邊140和第二側(cè)邊142均沿坩堝102的側(cè)壁的延長線向遠離坩堝102的方向延伸。
[0020]具體地，利用升降機構(gòu)調(diào)節(jié)屏蔽體11內(nèi)的第一線圈12與第二線圈13的高度，使得屏蔽體11內(nèi)的第一線圈12及第二線圈13對應圍繞坩堝102的外圍。往第一線圈12及第二線圈13內(nèi)通入方向相反的電流，利用第一控制器與第二控制器，控制第一線圈和第二線圈的磁場強度比為1:3至1:2，形成特定形狀的磁場。該磁場在靠近熔體103的固液界面處形成下凹的分界面14，分界面14上方區(qū)域的磁場強度為零。分界面14大致為U型，具有依次相連的第一側(cè)邊140、底邊141和第二側(cè)邊142，第一側(cè)邊140與第二側(cè)邊142相對，且以坩堝102中心軸對稱。底邊141連接于第一側(cè)邊140與第二側(cè)邊142之間。第一側(cè)邊140和第二側(cè)邊142均沿坩堝102的側(cè)壁的延長線向遠離坩堝102的方向延伸。底邊141的中心點可位于熔體103的固液界面中心點以下，或者與熔體103的固液界面中心點重合，或者位于固液界面中心點以上。優(yōu)選地，底邊141的中心點與熔體103的固液界面中心點的間距為-100毫米至100毫米。
[0021]最后，提供籽晶104，將籽晶104浸入坩堝102內(nèi)的熔體103中提拉單晶棒105。依次經(jīng)歷引晶、放肩、轉(zhuǎn)肩、等徑及收尾等階段，籽晶104逐漸加長加粗以獲得單晶產(chǎn)品。拉晶時，分別控制通入第一線圈12與第二線圈13中的電流，以控制隨著拉晶時間或拉晶長度的變化、熔體103的固液界面與坩堝102交界處的最大磁場強度值的變化，從而控制所得單晶產(chǎn)品長度方向上的質(zhì)量均勻度。具體地，在引晶、放肩等階段拉制單晶頭部時，熔體103的固液界面與坩堝102交界處的最大磁場強度值大于等徑階段時熔體103的固液界面與坩堝102交界處的最大磁場強度值。
[0022]尤其是，在等徑階段，調(diào)節(jié)磁場強度，使熔體103的固液界面與坩堝102交界處的最大磁場強度(下簡稱“最大磁場強度”)值逐漸降低。具體地，隨等徑長度的變化控制磁場時，不同等徑長度對應的最大磁場強度范圍可參下表:
[0023]
【權(quán)利要求】
1.一種直拉單晶爐磁場裝置，用于向坩堝(102) (102)中的熔體施加磁場，所述直拉單晶爐磁場裝置包括圍繞所述坩堝(102)上下設(shè)置的第一線圈(12)及第二線圈(13)，所述第一線圈(12)及第二線圈(13)均與所述坩堝(102)同軸，所述第一線圈(12)和第二線圈(13)共同形成的磁場具有下凹的分界面，所述分界面上方區(qū)域的磁場強度為零，所述分界面具有相對的第一側(cè)邊和第二側(cè)邊，所述第一側(cè)邊和第二側(cè)邊均沿所述坩堝(102)的側(cè)壁的延長線向遠離所述坩堝(102)的方向延伸。
2.如權(quán)利要求1所述的直拉單晶爐磁場裝置，其特征在于:所述第一側(cè)邊和第二側(cè)邊以坩堝(102)中心軸對稱，所述分界面還具有連接所述第一側(cè)邊和第二側(cè)邊的底邊，且底邊的中心點與所述熔體的固液界面中心點的間距為-100毫米至100毫米。
3.如權(quán)利要求1-2中任一項所述的直拉單晶爐磁場裝置，其特征在于:所述第一線圈(12)和第二線圈(13)中的電流方向相反，第一線圈(12)和第二線圈(13)的磁場強度比為1:3 至 1:2。
4.如權(quán)利要求3所述的直拉單晶爐磁場裝置，其特征在于:所述第一線圈(12)和第二線圈(13)中的電流大小相等，所述第一線圈(12)和第二線圈(13)的匝數(shù)之比為1:3至1:2。
5.如權(quán)利要求1所述的直拉單晶爐磁場裝置，其特征在于:所述直拉單晶爐磁場裝置還包括升降機構(gòu)，所述升降機構(gòu)用于調(diào)節(jié)第一線圈(12)與第二線圈(13)的高度。
6.如權(quán)利要求1所述的直拉單晶爐磁場裝置，其特征在于:所述直拉單晶爐磁場裝置還包括第一控制器及第二控制器，所述第一控制器連接于所述第一線圈(12)，用于控制通入所述第一線圈(12)的電流，所述第二控制器連接于所述第二線圈(13)，用于控制通入所述第二線圈(13)的電流?！?br> 7.一種使用如權(quán)利要求1所述的直拉單晶爐磁場裝置的拉晶方法，包括步驟:提供直拉單晶爐，其包括盛有熔體的坩堝(102)，使所述直拉單晶爐磁場裝置的第一線圈(12)及第二線圈(13)均與所述坩堝(102)同軸，且圍繞所述坩堝(102)上下設(shè)置；利用所述直拉單晶爐磁場裝置對所述熔體施加磁場，所述磁場具有下凹的分界面，所述分界面上方區(qū)域的磁場強度為零，所述分界面具有相對的第一側(cè)邊和第二側(cè)邊，所述第一側(cè)邊和第二側(cè)邊均沿所述坩堝(102)的側(cè)壁的延長線向遠離所述坩堝(102)的方向延伸；以及提供籽晶，將所述籽晶浸入坩堝(102)內(nèi)的熔體中提拉單晶棒。
8.如權(quán)利要求7所述的使用直拉單晶爐磁場裝置的拉晶方法，其特征在于:利用所述直拉單晶爐磁場裝置對所述熔體施加磁場時，所述第一側(cè)邊和第二側(cè)邊以坩堝(102)中心軸對稱，所述分界面還具有連接所述第一側(cè)邊和第二側(cè)邊的底邊，所述分界面的底邊的中心點與所述熔體的固液界面中心點的間距為-100毫米至100毫米。
9.如權(quán)利要求8所述的使用直拉單晶爐磁場裝置的拉晶方法，其特征在于:利用所述直拉單晶爐磁場裝置對所述熔體施加磁場時，所述第一線圈(12)和第二線圈(13)的磁場強度比為1:3至1:2。
10.如權(quán)利要求8所述的使用直拉單晶爐磁場裝置的拉晶方法，其特征在于:將所述籽晶浸入坩堝(102)內(nèi)的熔體中提拉單晶棒，在等徑階段，隨著拉晶時間或晶棒的長度，調(diào)節(jié)磁場強度，使熔體的固液界面與坩堝(102)交界處的最大磁場強度值逐漸降低。
【文檔編號】C30B15/00GK103590109SQ201310368359
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年8月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月21日
【發(fā)明者】李定武, 周銳, 李僑, 鄧浩, 馬自成 申請人:西安隆基硅材料股份有限公司, 無錫隆基硅材料有限公司, 寧夏隆基硅材料有限公司, 銀川隆基硅材料有限公司