專利名稱：等效微重力晶體生長用徑向輻射式磁場可調的永磁裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于一種在晶體生長中產生磁場的裝置，特別涉及一種能在地面模擬空間微重力環(huán)境的等效微重力晶體生長用徑向輻射式磁場可調的永磁裝置。
功能材料是高科技發(fā)展的基礎，眾多具有各種功能的無機材料，一部分要在熔體中生長成單晶體才能使用。隨著晶體直徑的增大，投料量增加，熔體強烈熱對流，將嚴重影響晶體的完整性、均勻性。熱對流驅動力的大小，可用無量綱格拉斯霍夫數(Grasheff number)來表征GT＝ΔT.g.α.b3/v2其中b為熔體的特征長度，很明顯，當投料量增加，b加大，GT是隨b3增加的。
為了解決熱對流問題，人們采用了下列二種方案1、在太空生長單晶(即在人造衛(wèi)星上拉單晶)，因為此時重力加速度(地心引力造成的)g→0，所以GT→0，熔體中則無宏觀熱對流，使得晶體生長過程中雜質熱量的輸運完全依靠擴散進行(擴散是輸運的唯一機制)。雜質沿晶體縱向的分布均勻性極好，且微區(qū)(亞微米極)均勻性也極好。太空拉晶，代價極其昂貴，不可能實現產業(yè)化。
2、在熔體中引入磁場眾所周知，如果在熔體中引入磁場，導電熔體在磁場中運動，會受到羅侖茲力(Lorents force，F＝e/c.v)的作用。該磁滯阻力的大小，可用無量綱哈德曼數(Hartman number)表征HM＝(σ/ρv)μBbσ表示導電率，μ表示磁導率，B表示磁場強度，ρ表示熔體密度，v表示熔體流動速度，b表示坩堝特征尺寸。
只要熔體具有良好的導電率(σ)和磁導率(μ)，當引入的磁場強度B達到某一臨介值B0時，熔體中的宏觀對流就會被抑制。于是晶體生長時熔體中雜質熱量的輸運就會與太空拉晶一樣，完全依賴于擴散，滿足“等效微重力生長的物理條件。目前引入磁場的方法有兩種；(1)常規(guī)電磁場。在晶體生長設備外兩側各放置一塊圓柱軟鐵，上面繞上線圈，當電流通過時，產生磁場，磁力線從N極到S極水平分布。也可在爐膛外側套裝螺旋管線圈，產生垂直磁力線，磁力線穿過熔體，熔體熱對流方向與磁力線交割，將受到洛侖茲力作用被抑制；與磁力線平行的熱對流不受洛侖茲力作用，仍可自由流動。
(2)超導磁場。(1)中的線圈改成超導線圈，形成超導磁場。
常規(guī)磁場或超導磁場為了維持磁場，都要消耗大量的冷卻水和電，還需要一套配電設施。因而，設備復雜，噪音大。超導磁場還需要消耗液氮和液氦。因此消耗能源，造價高。
本實用新型的目的在于克服現有技術中的不足之處而提供一種節(jié)省能源，成本低，結構簡單，維修方便，能在地面模擬空間微重力環(huán)境的等效微重力晶體生長用徑向輻射式磁場可調的永磁裝置。
本實用新型的技術解決方案如下等效微重力晶體生長用徑向輻射式磁場可調的永磁裝置的結構是，在爐底座(1)上固裝著生長爐膛(2)和其上有導槽的導柱，生長爐膛外圍套裝著永磁磁環(huán)，永磁磁環(huán)與爐體有間隙，永磁磁環(huán)通過固裝在其上的套環(huán)套裝在導柱上，永磁磁環(huán)還連接著傳動機構。
傳動機構的結構是，導柱內通過軸承架裝著絲杠，絲杠上裝著傳動輪，傳動輪通過傳動帶與固裝在電機軸上的傳動輪連接，固裝在永磁磁環(huán)上的套環(huán)內裝著電磁離合器，電磁離合器和電機與控制柜上的電源輸出連接?？刂乒竦恼姘迳涎b著指示燈LED、總電源開關K1、電機開關K2、控制永磁磁環(huán)運動開關K3～K7、外電源輸入線D1、電源輸出到電機和離合器的動力線D2。
電磁離合器的線圈兩端連接著微機。在空載狀態(tài)下，測定出磁環(huán)的相對位置與磁場強度大小的關系，以此編制成微機控制程序軟件，通過微機控制離合器的啟、閉，調節(jié)磁環(huán)的運動及其相對位置，從而調節(jié)磁場強度的大小。
本實用新型與現有技術相比有如下優(yōu)點
1、本實用新型采用熔體周圍產生磁場，再利用特殊運動機構調節(jié)磁環(huán)的相對位置來改變磁場強度。采用永磁磁環(huán)，不但結構簡單，而且還節(jié)省了用常規(guī)電磁場或超導磁場維持所消耗的水和電，節(jié)省能源。
2、本實用新型采用永磁環(huán)，因此磁場結構為環(huán)行結構，磁力線成輻射狀均勻發(fā)射。徑向輻射式磁力線分布，可有效地控制馬蘭哥尼對流和熱對流，從而能方便地控制熔體—晶體固液界面處的雜質輸運，并進一步控制雜質在晶體中的濃度與分布，能大大提高晶體質量的均勻性與微區(qū)均勻性，以及氧濃度的PPm級可控。
3、應用本結構的永磁場，只要施加磁場強度足夠大，能完全抑制住熔體中的任何對流，使得熔體中的雜質熱量輸運完全依靠擴散(擴散是雜質熱量輸運的唯一機制)，此時的晶體生長完全可以等效太空拉晶，實現“等效微重力生長”，因此成本低，且很容易實現產業(yè)化。
4、三個磁環(huán)之間的距離可以通過調節(jié)機構進行調節(jié)，磁環(huán)(10)和(12)可以同步靠近或遠離磁環(huán)(11)，且能保證磁環(huán)(10)和(12)距磁環(huán)(11)的距離相等。同時，磁環(huán)(11)的位置也可以單獨上下調節(jié)。整個磁體相對于熔體表面的位置也可以調節(jié)。因此，在晶體生長過程中，爐內熔體永磁場強度能連續(xù)可調，調節(jié)的范圍在0～3000高斯。
附圖的圖面說明如下

圖1是本實用新型等效微重力晶體生長用徑向輻射式磁場可調的永磁裝置的結構示意圖；圖2是本實用新型控制柜示意圖；圖3是本實用新型熔體在永磁環(huán)內磁力線分布示意圖；圖4是本實用新型三個磁環(huán)壓緊時，磁力線分布示意圖，此時磁場強度最大；圖5是本實用新型三個磁環(huán)分開最大距離(即磁環(huán)(10)和(12)距磁環(huán)(11)150mm)時，磁力線分布示意圖，此時磁場強度最小；圖6是本實用新型磁環(huán)(10)和(12)距磁環(huán)(11)25mm時，磁力線分布的圖；圖7是本實用新型磁環(huán)(10)和(12)距磁環(huán)(11)50mm時，磁力線分布圖。
以下結合附圖對本實用新型實施例作進一步詳述等效微重力晶體生長用徑向輻射式磁場可調的永磁裝置的結構如圖1、圖2所示，在生長爐底座(1)上固裝著生長爐膛(2)，在生長爐膛外圍圓周固裝著三根其上有導槽的導柱(3)、(4)、(5)，在導柱(3)、(4)內通過軸承架裝著絲杠(6)和(7)，絲杠(6)和(7)的頂端分別固裝著傳動齒輪(8)和(9)，生長爐膛外圍套裝著三個磁環(huán)(10)、(11)、(12)，每個磁環(huán)與爐體有間隙，每個磁環(huán)上分別固裝著套環(huán)(13)、(14)、(15)、(16)、(17)、(18)，套環(huán)(13)、(15)、(17)套裝在導柱(3)上，套環(huán)(14)、(16)、(18)套裝在導柱(3)上，在每個套環(huán)內分別裝著一個電磁離合器。導柱(5)的頂部固裝著電機(23)電機的軸上固裝著傳動齒輪(19)、(20)，傳動齒輪(19)通過傳動帶(21)與傳動齒輪(8)連接，傳動齒輪(20)通過傳動帶(22)與傳動齒輪(9)連接。
控制柜的正面板上裝著指示燈LED、總電源開關K1、電機開關K2、控制永磁磁環(huán)運動開關K3～K7、外電源輸入線D1、電源輸出到電機和離合器的動力線D2。電源輸入線D1串聯總電源開關K1、指示燈LED、電機開關K2后，并聯三個永磁環(huán)同時運動開關K3、上環(huán)(12)單獨運動開關K4、中環(huán)(11)單獨運動開關K5、下環(huán)(10)單獨運動開關K6、上環(huán)(12)和下環(huán)(10)同時運動開關K3。套環(huán)(13)、(14)、(15)、(16)、(17)、(18)內的離合器同時連接在K3上，套環(huán)(13)、(14)內的離合器同時連接在K4上，套環(huán)(15)、(16)內的離合器同時連接在K5上，套環(huán)(17)、(18)內的離合器同時連接在K6上，套環(huán)(13)、(14)、(17)、(18)內的離合器同時連接在K7上。電機和全部離合器均連接在動力線D2上。
使用時，接通電源總開關K1，指示燈LED亮，接通電機開關K2，電機(23)啟動，帶著齒輪(19)、(20)轉動，齒輪(19)、(20)通過傳動帶(21)、(22)帶動齒輪(8)和(9)轉動，齒輪(8)和(9)又帶動絲杠(6)和(7)轉動，在磁環(huán)運動開關都沒有閉合時，電磁離合器也沒有閉合，此時，絲杠空轉，永磁磁環(huán)都不動。開關K3閉合時，套環(huán)內的電磁離合器都閉合，三個永磁磁環(huán)同時運動。斷開K3，三個永磁磁環(huán)停止運動。開關K4閉合時，套環(huán)(13)、(14)內的電磁離合器都閉合，永磁磁環(huán)(12)單獨運動，斷開K4，永磁磁環(huán)(12)停止運動。開關K5閉合時，套環(huán)(15)、(16)內的電磁離合器閉合，永磁磁環(huán)(11)單獨運動，斷開K5，永磁磁環(huán)(11)停止運動。開關K6閉合時，套環(huán)(17)、(18)內的電磁離合器都閉合，永磁磁環(huán)(10)單獨運動，斷開K6，永磁磁環(huán)(10)停止運動。開關K7閉合時，套環(huán)(13)、(14)、(17)、(18)內的電磁離合器都閉合，永磁磁環(huán)(12)、(10)同時相對永磁磁環(huán)(11)運動。利用三個磁環(huán)相互位置及其與熔體固液界面的相對位置，則可調節(jié)固液界面處磁場強度的大小。
1、從圖4、圖5可以看出，當三個磁環(huán)壓緊時，磁場強度最大；當三個磁環(huán)分開最大距離時，磁場強度最小，此時，磁力線不能作用到坩堝中心，抑制熱對流和控制氧濃度效果最差，與普通無磁場爐效果近似。當三個磁環(huán)一起移出爐膛時固液界面處及熔體中磁場強度為0。由圖可以看出，不管三個磁環(huán)壓緊或分離，其磁力線分布都是徑向輻射式的形式。該磁力線的分布對控制馬蘭哥尼對流具有重要意義。
3、當磁環(huán)(10)和(12)距磁環(huán)(11)25mm時，磁力線的分布如圖6所示，在石英坩堝邊緣處，從固液界面表面向下(熔體深度方向)至3mm處，磁場強度達到1500高斯，且在徑向360度內均勻分布。生長出Φ3英寸、長500mm的單晶硅中氧濃度可控制在3×1017～4×1017cm-3，且電阻率均勻性≤3％(目標電阻率32Ω.cm)。
4、當磁環(huán)(10)和(12)距磁環(huán)(11)50mm時，磁力線的分布如圖7所示，在石英坩堝邊緣處，磁場強度值為1000高斯，且磁力線在徑向360度內均勻分布。生長出Φ3英寸、長500mm的單晶硅中氧濃度仍可控制在5×1017～6×1017cm-3，且電阻率均勻性≤3％。
5、當磁環(huán)(10)和(12)距磁環(huán)(11)150mm時，磁力線的分布如圖8所示，在石英坩堝邊緣處，磁場強度值為600高斯，且磁力線在徑向360度內均勻分布。生長出Φ3英寸、長500mm的單晶硅中氧濃度仍可控制在6×1017～8×1017cm-3，且電阻率均勻性≤3％。
權利要求1.一種能在地面模擬空間微重力環(huán)境的等效微重力晶體生長用徑向輻射式磁場可調的永磁裝置，是在生長爐膛周圍裝著磁體，其特征在于在爐底座(1)上固裝著生長爐膛(2)和其上有導槽的導柱，生長爐膛外圍套裝著永磁磁環(huán)，永磁磁環(huán)與爐體有間隙，永磁磁環(huán)通過固裝在其上的套環(huán)套裝在導柱上，永磁磁環(huán)還連接著傳動機構。
2.按照權利要求1所說的永磁裝置，其特征在于傳動機構的結構是導柱內通過軸承架裝著絲杠，絲杠上裝著傳動輪，傳動輪通過傳動帶與固裝在電機軸上的傳動輪連接，在固裝在永磁磁環(huán)上的套環(huán)內裝著電磁離合器，電磁離合器和電機與控制柜上的電源輸出連接。
3.按照權利要求1或2所說的永磁裝置，其特征在于電磁離合器的線圈兩端連接著微機，通過微機控制離合器的啟、閉，調節(jié)磁環(huán)的運動及其相對位置。
專利摘要一種等效微重力晶體生長用徑向輻射式磁場可調的永磁裝置,在爐底座上固裝著生長爐,在生長爐外圍圓周固裝著導柱,導柱內通過軸承架裝著絲杠,絲杠上固裝著傳動輪,傳動輪通過傳動帶與傳動機構連接,生長爐外圍套裝著永磁磁環(huán),固裝在磁環(huán)上的套環(huán)套裝在導柱上,套環(huán)內裝著電磁離合器。該裝置結構簡單,節(jié)省能源,能實現晶體的“等效微重力生長”,大大提高晶體均勻性與微區(qū)均勻性,成本低,可廣泛用于無機晶體的生長。
文檔編號C30B30/00GK2401571SQ9925751
公開日2000年10月18日 申請日期1999年12月28日 優(yōu)先權日1999年12月28日
發(fā)明者徐岳生, 張維連, 楊慶新, 李養(yǎng)賢, 任丙彥, 孫軍生, 顏威利, 劉福貴, 劉采池, 王海云 申請人:河北工業(yè)大學