CN102154687B - 大直径单晶炉勾型电磁场装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及硅单晶材料加工设备，旨在提供一种大直径单晶炉勾型电磁场装置。该装置包括用于产生勾型电磁场的直流线圈，该装置包括至少两个充满冷却油的环状密闭容腔，且上下叠加呈中空的圆筒状；每个密闭容腔均由位于外侧的半包围式的屏蔽体、位于内侧的内筒和两块厄板以焊接形式相互连接形成，且通过管路与油泵、油冷却器共同组成强制油冷却系统；密闭容腔中分别设置一组以实心铜管绕制成的直流线圈。本发明由于采用了上下两个线圈平行布置方式，产生的磁力线分布为轴对称，同时磁场强度连续可调，晶棒的轴向径向均匀性得到保证，单晶氧含量控制效果要好。采用二分式结构使用时通过螺栓联接起来，运输、拆卸、安装和调试都更简单、方便。

Description

大直径单晶炉勾型电磁场装置

技术领域

本发明涉及硅单晶材料加工设备，具体涉及一种大直径单晶炉配套的勾型电磁场装置。

背景技术

硅单晶材料是最重要的半导体材料，是信息社会的物质基础。受集成电路快速发展的促使和利润因素的刺激，硅单晶材料的科学研究必将向着高纯度、高完整性、高均匀性和大直径的方向发展。而在直拉法生产单晶中，由于温度梯度、重力、坩埚晶棒自转等，坩埚内熔体存在着复杂的对流，在大直径单晶炉中这种对流更加剧烈。这些热对流将导致结晶时单晶棒在轴向和径向的不均匀，导致单晶棒电阻率不均匀甚至出现缺陷，同时也会造成单晶棒氧含量高，满足不了要求。在晶体生长过程中加入磁场可以有效的抑制热对流。目前，在大直径单晶炉中使用的是一种较先进的非均匀磁场——勾型磁场(CUSP磁场)。该磁场磁力线分布为轴对称，晶棒的轴向径向均匀性得到保证；在拉晶面上纵向磁场基本为零，不会影响氧的蒸发；在坩埚壁上磁场基本与之垂直，可以减少坩埚的溶解；在其他大部分区域有着较强的轴向和径向磁场，能够有效的抑制热对流。相比传统的不加磁场或者加单一横向、纵向磁场的单晶炉相比，这种单晶在氧含量、均匀性和完整性等性能上都得到了很大的提高。

目前的大直径单晶炉中使用的勾型磁场，通常都是采用空心螺线管，铜管中间必须要有足够的空心来保证线圈的冷却。这种方式的缺陷是：空心铜管必须符合一个最小尺寸，因此在实际安装尺寸的限制下，采用空心螺线管方式线圈匝数会受到限制，因为磁场强度是与线圈匝数和通过线圈电流的积成正比，而为了保证磁场强度足够大，则必然要提高线圈的通电电流I，这样就必然增加线圈的功耗。

同时，现有技术中整体式屏蔽体，由于线圈和屏蔽体之间间隙比较小，上下两个线圈一起装配麻烦，不易于装配和维护。而且整体式屏蔽体总质量大，对吊车要求高。因此将两个线圈的屏蔽体分成双体将有利于装配和吊装，可降低厂房吊车要求，更加适应于普通安装厂房。并且对于日常维护和检修，双体式的磁屏蔽体非常有利于单独拆卸和检修。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种大直径单晶炉勾型电磁场装置，以提高单晶的品质，并降低磁场的功耗。

为解决技术问题，本发明所采用的技术方案是：

提供一种大直径单晶炉勾型电磁场装置，包括用于产生勾型电磁场的直流线圈，该装置包括至少两个充满冷却油的环状密闭容腔，且上下叠加呈中空的圆筒状；每个密闭容腔均由位于外侧的半包围式的屏蔽体、位于内侧的内筒和两块厄板以焊接形式相互连接形成，且通过管路与油泵、油冷却器共同组成强制油冷却系统；所述密闭容腔中分别设置一组以实心铜管绕制成的直流线圈。

作为一种改进，所述直流线圈采用非完全对称的平行布置方式；各直流线圈的半径、径向匝数、导线面积等都相同，但位于下方的直流线圈的轴向匝数要多于位于上方的直流线圈。

作为一种改进，所述屏蔽体外周安装有水冷套。

作为一种改进，所述装置有一用于固定安装的定位装置，上下两个密闭容腔通过螺栓联接于定位装置。

作为一种改进，所述屏蔽体是DT4纯铁材料制成的屏蔽体。

作为一种改进，所述油冷却器是板式换热器。

作为一种改进，所述密闭容腔外部设置用于吊装的吊装固定部位。

作为一种改进，所述密闭容腔的冷却油出口处装有测温仪，并通过信号线与装置的电控开关相连。

本发明的有益效果在于：

1、由于采用了上下两个线圈平行布置方式，产生的磁力线分布为轴对称，同时磁场强度连续可调，晶棒的轴向径向均匀性得到保证；在拉晶面上纵向磁场基本为零，不会影响SiO的蒸发；在坩埚壁上磁场基本与之垂直，可以减少坩埚的溶解；在其他大部分区域有着较强的轴向和径向磁场，能够有效的抑制热对流。相对于传统不施加磁场或加横向或者纵向磁场的单晶，施加勾型磁场的单晶氧含量控制效果要好。

2、采用二分式结构，使用时通过螺栓联接起来，运输、拆卸、安装和调试都更简单、方便。

3、直流线圈采用强制对流冷却方式，传热好、温升低、结构简单；相比一般采用的空心螺线管，通水冷却的方式，这种方式简单可靠，少了复杂的水路分布，实心铜管绕制工艺也简单很多。

4、直流线圈采用非完全对称形式，下线圈匝数多，节省材料；可对线圈直径、线圈间距、线圈轴向径向匝数等进行优化，磁场装置在产生同样磁场强度下，与同类产品相比功耗减少20％以上。

附图说明

图1为本发明专利的安装外形的俯视图；

图2为本发明专利的剖面结构示意图；

图3为本发明专利的冷却系统示意图；

图4为本发明专利与现有的同类磁场的功耗比较图。

图中的附图标记为：

上线圈屏蔽体1、直流线圈2、水冷套3、螺栓5、直流线圈6、下线圈屏蔽体7、呼吸器8、冷却水接口9、磁场强度传感器10、厄板11、内筒12、油冷却器13、螺旋升降机14、电气连接盒15。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式加以表述。

本实施例中的大直径单晶炉勾型电磁场装置包括两个充满冷却油的环状密闭容腔，环状密闭容腔上下叠加呈中空的圆筒状；每个密闭容腔均由位于外侧的半包围式的屏蔽体(上线圈屏蔽体1或下线圈屏蔽体7)、位于内侧的内筒12和两块厄板11以焊接形式相互连接形成，且通过管路与油泵、油冷却器13共同组成强制油冷却系统，屏蔽体外周安装有水冷套3。本实施例中的油冷却器13是板式换热器。该装置有一用于固定安装的定位装置，上下两个密闭容腔通过螺栓5联接于定位装置。

两个密闭容腔中分别设置一组以实心紫铜管绕制成的直流线圈6，每匝铜管轴向和径向之间都留有一定间隙，以利于冷却油冷却。每匝线圈都通过焊接在内筒12上的绝缘板固定住，减少可能因外干扰而引起的高频振动。而这种实心铜管绕制而成的线圈就能很好的解决这个问题，相比于国内外同类产品，功耗减少20％以上。

直流线圈2、6通以大小相同、方向相反的直流电流。上下两组线圈采用的是非完全对称、平行布置的方式。它们的绕制方式、线圈半径、径向匝数、导线面积等都相同，不同的是线圈的轴向匝数，直流线圈6匝数比直流线圈2匝数多。在晶体生长的过程中，晶体生长的表面在“零磁面”附近，这样晶体生长表面上面的磁场都没起到作用。为了节省线圈的资源消耗和功耗，采用的是下线圈匝数多，上线圈匝数少的方式，这样在保证在熔体区域磁场强度的情况下，可以减少线圈的资源消耗，也能降低一定的功耗。非完全对称的上下线圈方式，“零磁面”的位置不在轴向上的中间，可以通过仿真得到。

如图1所示，整个勾型磁场装置是筒形，整体可以套在单晶炉炉体外面，并且与炉体外壁有一定间隙，整个磁场装置可以通过四个螺旋升降机14悬吊设于密闭容腔外部的吊装固定部位进行提升和下降，来调整磁场和炉体的相对位置。

屏蔽体选用的是高磁导率高的DT4型纯铁材料，由于DT4纯铁材料构成的屏蔽体磁阻远远低于空气磁阻，线圈的磁力线几乎都会屏蔽于屏蔽体内，而漏到空气中的磁力线非常微小。这样能够提高单晶炉内的磁场强度，并且避免了磁场对外界的污染。

密闭容腔的冷却油出口处装有测温仪，并通过信号线与装置的电控开关相连。当油温过高异常时，启动警报，关闭整个勾型磁场装置。屏蔽体外表面安装有一层水冷套3，保证屏蔽体外表面温度不超过预定值。

本实施例中磁场装置与KAYEX公司同型号装置的功耗对比如图4所示，从图中可以看出，在单晶炉正常工作要求的磁场范围内(500-800G)，本发明的磁场装置比国外同型号磁场装置节能20％以上。

以上所述，仅是本发明的几种较佳实施案例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围内。

Claims (8)

1.大直径单晶炉勾型电磁场装置，包括用于产生勾型电磁场的直流线圈，其特征在于，该装置包括至少两个充满冷却油的环状密闭容腔，且上下叠加呈中空的圆筒状；每个密闭容腔均由位于外侧的半包围式的屏蔽体、位于内侧的内筒和两块厄板以焊接形式相互连接形成，且通过管路与油泵、油冷却器共同组成强制油冷却系统；所述密闭容腔中分别设置一组以实心铜管绕制成的直流线圈。

2.根据权利要求1所述的勾型电磁场装置，其特征在于，所述直流线圈采用非完全对称的平行布置方式；各直流线圈的半径、径向匝数、导线面积都相同，但位于下方的直流线圈的轴向匝数要多于位于上方的直流线圈。

3.根据权利要求1或2所述任意一项中的勾型电磁场装置，其特征在于，所述屏蔽体外周安装有水冷套。

4.根据权利要求1或2所述任意一项中的勾型电磁场装置，其特征在于，所述装置有一用于固定安装的定位装置，上下两个密闭容腔通过螺栓联接于定位装置。

5.根据权利要求1或2所述任意一项中的勾型电磁场装置，其特征在于，所述屏蔽体是DT4纯铁材料制成的屏蔽体。

6.根据权利要求1或2所述任意一项中的勾型电磁场装置，其特征在于，所述油冷却器是板式换热器。

7.根据权利要求1或2所述任意一项中的勾型电磁场装置，其特征在于，所述密闭容腔外部设置用于吊装的吊装固定部位。

8.根据权利要求1或2所述任意一项中的勾型电磁场装置，其特征在于，所述密闭容腔的冷却油出口处装有测温仪，并通过信号线与装置的电控开关相连。

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