CN111172584B - 用于直拉单晶炉热场的三相交流加热器及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于直拉单晶炉热场的三相交流加热器，包括分别位于正三角形3个端点的三个加热器脚；三个加热器叶片组件围合形成一个圆筒，相邻的加热器叶片组件之间设有间隙Ⅰ；所述三个加热器脚位于圆筒的内表面的底部；在2个相邻的加热器叶片组件之间设置一个加热器脚。本发明还同时公开了该三相交流加热器的使用方法。本发明利用三相交流加热器形成内部磁场，不仅起到横向磁场和旋转磁场的作用，而且节省了外置磁场设备的造价及运维费用，大大降低了产品的生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及直拉单晶炉热场技术领域，特别是涉及一种用于直拉单晶炉热场的三相交流加热器及使用方法。
背景技术
直拉单晶炉是在惰性气体(氩气为主)环境中，使用加热器将多晶硅等多晶材料熔化，并采用直拉法生长无位错单晶的设备。加热器是单晶炉热场的核心部件，提供多晶熔化长晶的热能，目前使用最多的加热器是圆筒鸟笼状石墨加热器，底部一般有两个或四个连接电极的脚，图1所示为两个脚的石墨加热器。单晶炉的供电电源通常为低压大电流的直流电源，一般要求电源的输出功率在0～180KW，输出电压在0～60V范围内可调，输出电流在0～3000A范围内可调，电源的正负电极连接加热器脚，提供电能转换为热能。
采用传统的用直拉法生长晶体时，采用以加热器围绕坩埚外部的加热方式，坩埚中熔体由于温度场的非均匀性，存在温度梯度产生的熔体热对流，熔体易出现涡流，晶体-熔体界面形状、温度梯度以及杂质浓度分布的均匀性难于控制，不易达到点缺陷的平衡。
所以，为了使直拉单晶的杂质分布以及与杂质有关的材料特性得到比较全面改善，在晶体生长时向熔体空间引入外加磁场，导电熔体在磁场中运动(对流)时要受到洛伦兹力的阻滞，该方法即为磁场直拉单晶技术。目前最常用的为横向磁场，图2为横向磁场、磁力线方向和熔体对流方向示意图，将单晶炉配置在横向磁场的两个磁极之间，让磁力线平行横穿单晶炉内的硅单晶熔体，即磁力线与熔体的液面平行，磁力线穿过炉体，形成一个磁通路，便形成横向磁场。熔体上下对流方向与磁力线方向成一定的角度，当磁感应强度达到一定大小后，一切宏观对流均因受到洛伦兹力的作用而被阻滞。
单晶炉磁场分为电磁场和永磁场两种。横向电磁场装置是由两个完全相同的独立螺旋管直流线圈、铁芯、磁回路、集水器、分水器、磁场横向和纵向调节及连接机构、冷却供水系统、多路水温循环检测和显示报警系统、双路大功率直流电源以及其它附件构成。横向永磁场由分别固定在轭板上的两个磁系构成，两轭板经导磁板连接在一起，轭板固定在立柱上，两磁系相对，与轭板、导磁板形成半围形状，磁系由多个紧密排列的永磁体构成。不管是电磁场还是永磁场，它们的设计都比较复杂，造价也非常昂贵。
单晶炉的供电电源通常为直流电源，电源系统采用模块化设计、组合式结构，由交流输入、变压器、整流器、滤波电路、稳压器、直流输出等部分组成，如图3所示。整流器是一个整流装置，就是将交流(AC)转化为直流(DC)的装置，经滤波电路后供给负载。此供电电源设计比较复杂。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于直拉单晶炉热场的三相交流加热器及使用方法，从而实现用装置对单晶炉内坩埚加热的同时引入外部磁场，从而提高生长晶体的杂质分布均匀性。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于直拉单晶炉热场的三相交流加热器，包括分别位于正三角形3个端点的三个加热器脚，
三个加热器叶片组件围合形成一个圆筒，相邻的加热器叶片组件之间设有间隙Ⅰ；所述三个加热器脚位于圆筒的内表面的底部；在2个相邻的加热器叶片组件之间设置一个加热器脚；
每个加热器叶片组件由相互对称的加热器叶片Ⅰ和加热器叶片Ⅱ组成；加热器叶片Ⅰ和加热器叶片Ⅱ之间设有间隙Ⅱ，加热器叶片Ⅰ和加热器叶片Ⅱ的顶部相连，加热器叶片Ⅰ的底部与一个加热器脚相连，加热器叶片Ⅱ的底部与另一个加热器脚相连。
作为本发明的用于直拉单晶炉热场的三相交流加热器的改进：加热器叶片Ⅰ和加热器叶片Ⅱ的顶部通过连接件相连(实际，加热器叶片Ⅰ、加热器叶片Ⅱ的顶部、连接件，可设置成一体的形式)。
作为本发明的用于直拉单晶炉热场的三相交流加热器的改进：所述间隙Ⅰ的宽度＝间隙Ⅱ的宽度；间隙Ⅰ的宽度为6～12mm。
本发明还同时提供了上述三相交流加热器的使用方法：三相交流加热器被至于直拉单晶炉内，坩埚被置于由3个加热器叶片组件围合形成的圆筒内；由三相交流加热器对坩埚内的物料进行加热；三相交流加热器的供电电源为交流电源。
本发明具有以下技术优势：
1、本发明的连接方式如同三相绕组的三角形接法，连通三相交流电后，在加热器内部形成一个不断变化的旋转磁场。首先，该磁场磁力线方向始终平行于熔体液面并以一定角度穿过熔体，熔体上下对流由于洛伦兹力的作用而受到一定程度的阻滞，使处于稳定状态的晶体-熔体界面少受外界对流的冲击，改善晶体-熔体界面形状，使晶体-熔体界面处的杂质分布更加均匀。其次，由于产生的磁场是旋转的，熔体在旋转洛伦兹力的作用下会发生水平旋转，起到类似搅拌的作用，这样就会使不断从晶体-熔体界面偏析出来的杂质被全部硅熔体更快地均匀，不易在晶体-熔体界面下方富集，从而提高生长晶体杂质分布的轴向和径向均匀性。
2、本发明利用三相交流加热器形成内部磁场，不仅起到横向磁场和旋转磁场的作用，而且节省了外置磁场设备的造价及运维费用，大大降低了产品的生产成本。
3、本发明的三相交流加热器需连接三相交流电源，输出电压是低压可调的，因此单晶炉的供电电源设计相比直流电源较为简单，无需整流和滤波，只需变压和稳压，整个电源系统的电气元件减少，功率因素提高，不但减少了设备硬件费用，而且降低了本身电能的损耗。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1为现有的石墨加热器(两个脚)的示意图；
图1中，左图为俯视图，右图为主视图；
图2为图1在磁场中的横向磁场、磁力线方向和熔体对流方向示意图；
图3为直流电源原理示意图；
图4-1为三相交流加热器的俯视示意图；
图4-2为图4-1展开后的主视示意图；
图4-3为三相交流加热器的使用状态示意图；
图4-4为三角形接法示意图；
图5为三相交流电波形图；
图6-1为A相负载、B相负载和C相负载的交变电流瞬时波形图(0度)；
图6-2为流经加热器叶片的电流方向(0度)；
图6-3为图6-2的Z处断开后的加热器展开图；
图6-4为加热器叶片周围的磁力线方向示意图(0度)；
图7-1为A相负载、B相负载和C相负载的交变电流瞬时波形图(90度)；
图7-2为流经加热器叶片的电流方向以及叶片周围的磁力线方向示意图(90度)；
图8-1为A相负载、B相负载和C相负载的交变电流瞬时波形图(120度)；
图8-2为流经加热器叶片的电流方向以及叶片周围的磁力线方向示意图(120度)；
图9-1为A相负载、B相负载和C相负载的交变电流瞬时波形图(210度)；
图9-2为流经加热器叶片的电流方向以及叶片周围的磁力线方向示意图(210度)；
图10-1为A相负载、B相负载和C相负载的交变电流瞬时波形图(240度)；
图10-2为流经加热器叶片的电流方向以及叶片周围的磁力线方向示意图(240度)；
图11-1为A相负载、B相负载和C相负载的交变电流瞬时波形图(330度)；
图11-2为流经加热器叶片的电流方向以及叶片周围的磁力线方向示意图(330度)；
图12为使用常规加热器(A)和三相交流加热器(B)时的晶体-熔体界面形状示意图；
图13为硅晶锭从头至尾每200mm处的中心电阻率分布图；
图14为硅片一个直径上每隔5mm的电阻率分布图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
实施例1、一种用于直拉单晶炉热场的三相交流加热器的装置，如图4-1、图4-2所述，包括分别位于正三角形3个端点的三个加热器脚1，分别为加热器脚A、加热器脚B、加热器脚C。三个加热器脚1的空间位置互差120°电角度空间相位。
3个加热器叶片组件围合形成一个圆筒，相邻的加热器叶片组件之间设有间隙Ⅰ；3个加热器叶片组件形成了对称三相负载---A相负载、B相负载、C相负载；
所述三个加热器脚1位于圆筒的内表面的底部；在2个相邻的加热器叶片组件之间设置一个加热器脚1；
每个加热器叶片组件由相互对称的加热器叶片Ⅰ21和加热器叶片Ⅱ22组成；加热器叶片Ⅰ21和加热器叶片Ⅱ22之间设有间隙Ⅱ，加热器叶片Ⅰ21和加热器叶片Ⅱ22的顶部通过连接件相连，实际加工时，加热器叶片Ⅰ21、加热器叶片Ⅱ22的顶部、连接件可设置成一体的形式。加热器叶片Ⅰ21的底部与一个加热器脚1相连，加热器叶片Ⅱ22的底部与另一个加热器脚1相连。
以C相负载为例进行如下的具体说明：C相负载的加热器叶片Ⅰ21的底部与加热器脚A相连，C相负载的加热器叶片Ⅱ22的底部与加热器脚C。
所述间隙Ⅰ的宽度＝间隙Ⅱ的宽度，为确保加热器供热效果，上述间隙的宽度一般不会很大，但也不会很小，防止叶与叶之间积尘短路打火，通常为6-12mm，根据加热器电阻值的设计而调整。
实际使用时，如图4-3所示，三相交流加热器被至于直拉单晶炉内，坩埚被置于由3个加热器叶片组件围合形成的圆筒内；由三相交流加热器对坩埚内的物料进行加热；三相交流加热器的供电电源为交流电源。
上述三相交流加热器通电状态如图4-3所述，工业用电380V(交流电)的三相通过交流电源的变压、稳压处理后分别与加热器脚A、加热器脚B、加热器脚C相连；类似于三相绕组的三角形接法(图4-4)；交流电源主要包括变压子模块和稳压子模块，工业用电380V(交流电)进行变压、稳压处理，此为常规技术。
对称三相负载中分别流过三相交变电流(A相负载电流IA、B相负载电流IB和C相负载电流IC)，按每个交流周期360度算，各相负载电流在相位上互差120度，图5为三相交流电的波形图，具体如下：
以IA起点为0度，三相负载交变电流的波形图如图6-1所示，说明A相负载无电流，B相负载为反向电流，C相负载为正向电流，此时流经加热器叶片组件的电流方向如图6-2、图6-3所述；根据安培定则，有电流通过的加热器叶片Ⅰ和加热器叶片Ⅱ的周围会产生磁场，其磁力线方向如图6-4所示。
当IA为90度时，三相负载交变电流的波形图如图7-1所示，A相负载为正向电流，B相负载为反向电流，C相负载为反向电流，此时流经加热器叶片组件的电流方向以及叶片周围的磁力线方向如图7-2所示。
当IA为120度时，三相负载交变电流的波形图如图8-1所示，A相负载为正向电流，B相负载无电流，C相负载为反向电流，此时流经加热器叶片组件的电流方向以及叶片周围的磁力线方向如图8-2所示。
当IA为210度时，三相负载交变电流的波形图如图9-1所示，A相负载为反向电流，B相负载为正向电流，C相负载为反向电流，此时流经加热器叶片组件的电流方向以及叶片周围的磁力线方向如图9-2所示。
当IA为240度时，三相负载交变电流的波形图如图10-1所示，A相负载为反向电流，B相负载为正向电流，C相负载无电流，此时流经加热器叶片组件的电流方向以及叶片周围的磁力线方向如图10-2所示。
当IA为330度时，三相负载交变电流的波形图如图11-1所示，A相负载为反向电流，B相负载为反向电流，C相负载为正向电流，此时流经加热器叶片组件的电流方向以及叶片周围的磁力线方向如图11-2所示。
如上所述，当三相交流加热器上通过三相交变电流后，在加热器内部形成了一个不断变化的旋转磁场，交变电流每变化一周磁场旋转一周，而且该旋转磁场的磁力线方向始终与熔体的液面平行并以一定角度穿过熔体，类似一个旋转的横向磁场，因此熔体上下对流由于洛伦兹力的作用而受到一定程度的阻滞，使晶体-熔体界面形状得到改善，熔体自身在旋转洛伦兹力的作用下会发生水平旋转搅拌，从而使生长晶体的杂质分布的轴向均匀性和径向均匀性得到改善。
实验例1、在直拉单晶炉内设有实施例1所述的三相交流加热器，下面介绍分别使用本发明的三相交流加热器和常规加热器(图1所示)时以直拉法生长φ150mm硅单晶的情况对比。首先，在晶体生长过程中，将正在正常生长的晶体直接提离液面，观察晶体-熔体界面的形状并测量最凹点深度，如图12所示，可以看出，使用本发明的三相交流加热器时，界面中心最凹点深度变小(从8.5mm变至3.75mm)，这是因为加热器运行时自身产生的旋转磁场对自下而上的熔体热对流起到一定的抑制作用，使得晶体-熔体界面的径向温度梯度变小，从而使界面变得相对平坦一些。其次，完成晶体生长后，对硅晶锭从头到至尾每隔200mm切取一片硅片并测量中心电阻率，数据如图13所示，可以看出，使用本发明的三相交流加热器时，硅晶锭从头至尾的中心电阻率下降幅度变小。晶体-熔体界面下方是杂质偏析富集区域(尤其是中心区域)，杂质浓度高，杂质通过对流和扩散向低浓度的熔体区域迁移，熔体在旋转洛伦兹力的作用下发生水平旋转搅拌，使得杂质被快速均匀，从而加快了界面下方杂质富集区的杂质迁移，界面中心杂质浓度变低，中心电阻率变高，所以硅晶锭的轴向电阻率均匀性得到改善。最后，取400mm处的硅片测量并对比面内电阻率分布情况，由于直拉法长晶时晶体是作圆周旋转的，所以晶体-熔体界面的杂质分布可视为圆周对称，因此在表征硅片面内电阻率分布时可以取任意直径上的点作为测量点，如图14所示，为一直径上每隔5mm取一点测得的电阻率分布图，从硅片中心至硅片边缘5mm，径向电阻率逐渐增大，可以看出，使用本发明的三相交流加热器时的硅片径向电阻率增大幅度明显变小，一方面，晶体-熔体界面变平坦有利于杂质分散均匀分布，另一方面，界面下方杂质富集程度减轻以及整体熔体杂质更均匀化都有利于界面处杂质的均匀分布，所以硅晶锭的径向电阻率均匀性得到改善。
常规加热器的供电端为直流电源，当电源输出端的平均功率为80kW时，电源输入端的平均功率约为89kW，功率效率约为90％，而三相交流加热器的供电端为三相交流电源，当电源输出端的平均功率为80kW时，电源输入端的平均功率约为84kW，功率效率约为95％。可以看出，三相交流电源系统的整体功率效率提升了5％，这是因为三相交流电源系统去除了整流滤波电路，电气元件和线路有所减少，从而使得功率效率得到提升。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (2)
1.用于直拉单晶炉热场的三相交流加热器，其特征是：包括分别位于正三角形3个端点的三个加热器脚(1)；
三个加热器叶片组件围合形成一个圆筒，相邻的加热器叶片组件之间设有间隙Ⅰ；所述三个加热器脚(1)位于圆筒的内表面的底部；在2个相邻的加热器叶片组件之间设置一个加热器脚(1)；
每个加热器叶片组件由相互对称的加热器叶片Ⅰ(21)和加热器叶片Ⅱ(22)组成；加热器叶片Ⅰ(21)和加热器叶片Ⅱ(22)之间设有间隙Ⅱ，加热器叶片Ⅰ(21)和加热器叶片Ⅱ(22)的顶部相连，加热器叶片Ⅰ(21)的底部与一个加热器脚(1)相连，加热器叶片Ⅱ(22)的底部与另一个加热器脚(1)相连；
加热器叶片Ⅰ(21)和加热器叶片Ⅱ(22)的顶部通过连接件相连；
所述间隙Ⅰ的宽度＝间隙Ⅱ的宽度；
间隙Ⅰ的宽度为6～12mm；
3个加热器叶片组件形成了对称三相负载---A相负载、B相负载、C相负载。
2.如权利要求1所述的三相交流加热器的使用方法，其特征是：三相交流加热器被至于直拉单晶炉内，坩埚被置于由3个加热器叶片组件围合形成的圆筒内；由三相交流加热器对坩埚内的物料进行加热；三相交流加热器的供电电源为交流电源。
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