本發(fā)明涉及晶體生長和材料冶煉控制，特別是涉及一種熔體法晶體生長的外加行波磁場控制方法。

背景技術(shù)：

1、熔體流動在外加磁場作用下產(chǎn)生感應(yīng)電流，而感應(yīng)電流與外加磁場的共同作用產(chǎn)生洛倫茲力，其方向與流動方向相反，使得洛倫茲力的作用可以抑制熔體的熱對流，降低熔體溫度波動，從而控制晶體與熔體固-液界面處的點(diǎn)缺陷及雜質(zhì)分布，改善固液界面形狀，提高單晶生長的質(zhì)量。

2、通過調(diào)控外加磁場使得洛倫茲力達(dá)到最大值，可有效控制晶體生長，從而充分發(fā)揮行波磁場的電磁攪拌作用。

3、現(xiàn)有技術(shù)中，需要在晶體生長爐的外側(cè)施加行波磁場并進(jìn)行電磁模擬計算，從而獲得洛倫茲力達(dá)到最大值。但是，因?yàn)檎麄€晶體生長爐結(jié)構(gòu)復(fù)雜、組成部件眾多，使得電磁模擬計算過程的數(shù)據(jù)量較大、效率較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種熔體法晶體生長的外加行波磁場控制方法，以改善現(xiàn)有調(diào)控外加行波磁場獲得洛倫茲力達(dá)到最大值的電磁模擬計算過程數(shù)據(jù)量較大、效率較低的問題。

2、為了改善上述問題，本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

3、本發(fā)明提出了一種熔體法晶體生長的外加行波磁場控制方法，其中，包括：

4、根據(jù)晶體生長爐內(nèi)各部件的屏蔽因子，簡化晶體生長爐對應(yīng)的熔體法晶體生長爐模型；

5、基于簡化后的所述晶體生長爐模型，根據(jù)爐壁參數(shù)、部件參數(shù)及熔體參數(shù)，確定洛倫茲力與爐壁間隙、電流頻率之間的關(guān)系曲線；

6、根據(jù)所述關(guān)系曲線及晶體生長爐的爐壁間隙，確定目標(biāo)電流頻率，并按所述目標(biāo)電流頻率在晶體生長爐外側(cè)施加行波磁場，使得熔體中洛倫茲力達(dá)到最大值。

7、進(jìn)一步地，所述的控制方法中，所述爐壁參數(shù)包括爐壁的材質(zhì)、厚度、爐壁間隙，部件參數(shù)包括部件的結(jié)構(gòu)尺寸、相對介電常數(shù)、相對磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率，熔體參數(shù)包括熔體結(jié)構(gòu)、熔體材料。

8、進(jìn)一步地，所述的控制方法中，根據(jù)晶體生長爐內(nèi)各部件的屏蔽因子，簡化熔體法晶體生長爐模型，包括：

9、在第一部件的屏蔽因子小于第一閾值的情況下，在熔體法晶體生長爐模型舍去所述第一部件；

10、在第二部件的屏蔽因子大于等于第一閾值的情況下，在熔體法晶體生長爐模型加入所述第二部件。

11、進(jìn)一步地，在根據(jù)晶體生長爐內(nèi)各部件的屏蔽因子，簡化熔體法晶體生長爐模型之前，所述的控制方法包括：

12、根據(jù)無屏蔽作用時行波磁場對熔體產(chǎn)生的第一洛倫茲力、各部件單獨(dú)存在時行波磁場對熔體產(chǎn)生的第二洛倫茲力以及爐壁單獨(dú)存在時行波磁場對熔體產(chǎn)生的第三洛倫茲力，確定各所述部件的屏蔽因子。

13、進(jìn)一步地，在根據(jù)晶體生長爐內(nèi)各部件的屏蔽因子，簡化熔體法晶體生長爐模型之前，所述的控制方法包括：

14、針對所述晶體生長爐內(nèi)各部件中任一第一部件，根據(jù)無屏蔽作用時行波磁場對熔體產(chǎn)生的第一洛倫茲力、第一部件單獨(dú)存在時行波磁場對熔體產(chǎn)生的第二洛倫茲力以及爐壁單獨(dú)存在時行波磁場對熔體產(chǎn)生的第三洛倫茲力，按以下式（1）確定各所述部件的屏蔽因子：

15、（1）

16、其中，s代表屏蔽因子，fln代表無屏蔽作用時行波磁場對熔體產(chǎn)生的第一洛倫茲力，flb代表第一部件單獨(dú)屏蔽時行波磁場對熔體產(chǎn)生的第二洛倫茲力，flw代表爐壁單獨(dú)屏蔽時行波磁場對熔體產(chǎn)生的第三洛倫茲力。

17、進(jìn)一步地，在根據(jù)晶體生長爐內(nèi)各部件的屏蔽因子，簡化熔體法晶體生長爐模型之前，所述的控制方法還包括：

18、在相同的電流強(qiáng)度和電流頻率下，分別向仿真軟件maxwell輸入晶體生長爐的各部件模型結(jié)構(gòu)、相對磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、相對介電常數(shù)，以及熔體結(jié)構(gòu)、熔體材料的相對磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、相對介電常數(shù)，分別確定無晶體生長爐屏蔽、部件單獨(dú)屏蔽、爐壁單獨(dú)屏蔽情況下的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布和感應(yīng)電流密度分布；

19、分別根據(jù)無晶體生長爐屏蔽、部件單獨(dú)屏蔽、爐壁單獨(dú)屏蔽情況下的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布和感應(yīng)電流密度分布，確定所述第一洛倫茲力、所述第二洛倫茲力、所述第三洛倫茲力。

20、進(jìn)一步地，所述的控制方法中，所述第一閾值等于0.5。

21、進(jìn)一步地，所述的控制方法中，基于簡化后的所述晶體生長爐模型，根據(jù)爐壁參數(shù)、部件參數(shù)及熔體參數(shù)，確定洛倫茲力與爐壁間隙、電流頻率之間的關(guān)系曲線，包括：

22、在爐壁的不同爐壁間隙下，保持電流強(qiáng)度不變并調(diào)整電流頻率，獲得不同爐壁間隙、不同頻率下洛倫茲力；

23、對不同爐壁間隙、不同電流頻率下洛倫茲力數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，擬合出洛倫茲力與爐壁間隙、電流頻率之間的關(guān)系曲線。

24、進(jìn)一步地，所述的控制方法中，所述磁場頻率的調(diào)整范圍為0~500hz。

25、進(jìn)一步地，所述的控制方法中，所述關(guān)系曲線滿足以下式（2）：

26、（2）

27、其中， f對應(yīng)洛倫茲力歸一化數(shù)值， f對應(yīng)電流頻率， h對應(yīng)爐壁間隙大小，z0、a01、b01、b02、c02、a1、b1、a2、b2、c2為系數(shù)。

28、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實(shí)施例包括以下優(yōu)點(diǎn)：

29、本發(fā)明實(shí)施例中，所提供的熔體法晶體生長的外加行波磁場控制方法中，先根據(jù)晶體生長爐內(nèi)各部件的屏蔽因子，簡化晶體生長爐模型；然后基于簡化后的所述晶體生長爐模型，根據(jù)爐壁參數(shù)、部件參數(shù)及熔體參數(shù)，確定洛倫茲力與爐壁間隙、電流頻率之間的關(guān)系曲線；再根據(jù)上述關(guān)系曲線及晶體生長爐的爐壁間隙，確定目標(biāo)電流頻率，并按目標(biāo)電流頻率在晶體生長爐外側(cè)施加行波磁場，使得熔體中洛倫茲力達(dá)到最大值。其中，先基于反映晶體生長爐內(nèi)部件屏蔽作用強(qiáng)弱的屏蔽因子對晶體生長爐模型進(jìn)行簡化，再基于該簡化后的晶體生長爐模型調(diào)整電流頻率，能夠更簡便地確定出洛倫茲力與爐壁間隙、電流頻率之間的關(guān)系曲線，進(jìn)而可以基于該關(guān)系曲線結(jié)合實(shí)際的晶體生長爐的爐壁間隙施加使得熔體中洛倫茲力達(dá)到最大值的目標(biāo)電流頻率，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生同等大小的洛倫茲力所需的通入電流較小，達(dá)到控制熔體流動及節(jié)能降耗的目的。

30、應(yīng)當(dāng)理解的是，以上的一般描述和后文的細(xì)節(jié)描述僅是示例性和解釋性的，并不能限制本申請。

技術(shù)特征：

1.一種熔體法晶體生長的外加行波磁場控制方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述爐壁參數(shù)包括爐壁的材質(zhì)、厚度、爐壁間隙，部件參數(shù)包括部件的結(jié)構(gòu)尺寸、相對介電常數(shù)、相對磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率，熔體參數(shù)包括熔體結(jié)構(gòu)、熔體材料。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于，根據(jù)晶體生長爐內(nèi)各部件的屏蔽因子，簡化熔體法晶體生長爐模型，包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于，根據(jù)晶體生長爐內(nèi)各部件的屏蔽因子，簡化熔體法晶體生長爐模型之前，還包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于，根據(jù)晶體生長爐內(nèi)各部件的屏蔽因子，簡化熔體法晶體生長爐模型之前，還包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的控制方法，其特征在于，根據(jù)晶體生長爐內(nèi)各部件的屏蔽因子，簡化熔體法晶體生長爐模型之前，還包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述第一閾值等于0.5。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于，基于簡化后的所述晶體生長爐模型，根據(jù)爐壁參數(shù)、部件參數(shù)及熔體參數(shù)，確定洛倫茲力與爐壁間隙、電流頻率之間的關(guān)系曲線，包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述電流頻率的調(diào)整范圍為0~500hz。

10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述關(guān)系曲線滿足以下式（2）：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明實(shí)施例提供了一種熔體法晶體生長的外加行波磁場控制方法，其中，本發(fā)明實(shí)施例所提供的熔體法晶體生長的外加行波磁場控制方法，先基于反映晶體生長爐內(nèi)部件屏蔽作用強(qiáng)弱的屏蔽因子對晶體生長爐模型進(jìn)行簡化，再基于該簡化后的晶體生長爐模型調(diào)整電流頻率，能夠更簡便地確定出洛倫茲力與爐壁間隙、電流頻率之間的關(guān)系曲線，進(jìn)而可以基于該關(guān)系曲線結(jié)合實(shí)際的晶體生長爐的爐壁間隙施加使得熔體中洛倫茲力達(dá)到最大值的目標(biāo)電流頻率，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生同等大小的洛倫茲力所需的通入電流較小，達(dá)到控制熔體流動及節(jié)能降耗的目的。

技術(shù)研發(fā)人員：李早陽,史睿菁,楊垚,徐星宇,祁沖沖,王君嵐,羅金平,劉立軍
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西安交通大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15