CN113174627A - 一种不对称的双环路侧部加热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种晶体生长炉用双环路侧部加热器。每个环路有两个电极，两个环路的电极交替布置将环路圆周均分为四段。在每个电极处，两环路在竖直方向上相互交叉，在交叉点处两环路保持电绝缘。两环路分别连接单相工频电源。上层加热带优选直板结构，下层加热带为蛇形周期结构，下层加热带电阻显著大于上层加热带电阻。下层蛇形周期结构具有上下不对称性，其向上凸起半波形的宽度，大于向下凸起半波形宽度；其向上凸起半波形的上部的横截面积，大于向下凸起半波形下部横截面积。这种不对称交叉双环路结构，电流分布重心向上偏移，可以产生更均匀的电磁力场，而发热量分布重心向下偏移，可以抑制铸造单晶生长中的侧壁形核和多晶侵入。

Description

一种不对称的双环路侧部加热器

技术领域

本发明涉及晶体生长设备领域，特别涉及一种晶硅铸锭炉用的侧部电阻加热器结构及其使用方法。

背景技术

在硅晶体铸锭生长过程中，熔硅中的碳和氮杂质一般都达到饱和溶解度浓度,其固液分凝系数分别是0.07和不到0.001的水平，意味着固液界面向前推进过程中，绝大部分的碳和氮杂质都将被排到熔硅中。如果熔硅中没有足够强度的对流，排入熔体中的碳氮杂质不能被及时带走，将在界面前沿形成杂质富集层，促进碳化硅和氮化硅的形核析出，降低铸锭良率和切片良率。对于铸造单晶影响更大，考虑到晶粒和位错更容易在杂质点处形核生长。因此，足够强度的熔硅对流是铸锭单晶生长的前提条件。

铸锭单晶生长的另一个前提条件是要能够保持固液界面平坦，也就是保证温度分布的均匀性和对称性，避免冷热区分布的不对称性。在晶体生长过程中，熔硅流速达到几个厘米每秒，对流传热是主导传热形式。因此，热对称性不仅依赖于发热体和热场保温结构的对称均匀性，更依赖于熔硅流场的对称性，特别是要避免熔硅的上下翻腾流动，考虑熔硅向上流的区域会偏冷，界面内斜，引起侧壁形核和多晶区侵入，而熔硅向下流的区域，热硅流的冲刷导致偏热，界面外斜，热应力大，位错密度增加，电池效率下降。

在保证足够对流强度前提下，保持对流的圆周对称性，改善冷热区均匀性，是铸造单晶设备要解决的核心问题。现有晶硅铸锭炉无法同时满足上述两项要求。国内约六千台铸锭炉大部分为GT类炉型，其加热器包括位于坩埚上方的顶部加热器和位于坩埚侧面的侧部加热器。在一些近期交付使用的大尺寸炉台上，顶侧加热器之外，又增加了独立控制的位于坩埚下方的底部加热器。顶、侧和底部加热器分别连接三相交流电源。沿ABC方向的旋转磁场引起熔硅同方向的旋转流动。由于电流是通过吊臂自上而下引入侧加热器环路，电流分布在竖直方向上的不对称性，导致电极两侧的熔硅在竖直方向上所受电磁力的不对称。以电极B为例，在其附近区域，偏向A电极一侧，熔硅会受到向上的拉力，而在偏向C电极一侧，则会受到向下的推力。电磁力场的不对称性，导致熔硅对流的不对称，晶体生长过程中冷热区分布很不均匀，无法实现高质量的铸锭单晶生长。

提升电压降低电流，电磁洛伦兹力相应下降，其所引起的对流不对称性相应改善。但是在电磁搅拌力不足的情况下，需要依赖热对流来保证必要的排杂能力。热对流的浮力来源于同一水平面上的温度差异分布，热对流的产生必然伴随着固液界面的倾斜分布。在一个扁平的熔池中，需要更大的驱动力来维持一个有序的适当强度的热对流流场，意味着在G7或G8大尺寸铸锭中，需要有更大的中心-边缘固液界面高度差，这会损害晶体质量。首先，过度凸起的界面意味着更长的边缘长晶时间，也就是更严重的杂质扩散；其次，更凸的界面也意味着在温度均匀化的退火过程中会产生更高的应力，导致更高的位错密度；再次，在掺镓的硅晶体中，由于镓的分凝系数只有0.008，不平整的固液界面意味着热区晶砖的上部容易出现低电阻，以及在同一张硅片内电阻率分布的不均匀。由于凸界面的以上弊端，以及弱对流带来的排杂阴影问题，国内外几家公司先后放弃了高电压低电流这一技术方向上的设备工艺研发。

加热器的发热均匀性是高质量长晶的基础，侧部加热器上下分层独立控制结构，侧加热器上层和顶加热器并联的结构，顶和侧部加热器通过厚度变化实现局部发热量调控的设计，侧部加热器采用六电极同时和顶加热器共享其中三个电极的结构等不同设计见于专利CN107523867、CN107699943和CN108193266。前述的结构都是针对加热器发热量均匀性的改善，并不能解决吊臂处洛伦兹力不对称，进一步引起的晶锭冷热区不对称问题。

电阻加热器在发热的同时，利用其电流产生一个移动磁场来调节熔硅对流，这样的铸锭炉设计见于专利DE102009045680。其侧部加热器为多层线圈结构，虽然可以产生竖直方向的移动磁场，但由于各层线圈处在不同高度，其线圈的外部连接电极没有四面对称性，导致电磁搅拌力场四面不对称。专利WO2007148988中提出了一种铸锭炉结构，在炉壳和保温层之间布置多层水冷铜线圈，通过馈入不同位相的交变电流，实现对熔硅的电磁搅拌。这种结构需要专门的供电单元和线圈布置，需要额外消耗电能，且占用炉腔内空间，这不利于现有铸锭炉的升级改造。专利CN111910247提供了一种旋转坩埚的铸锭炉，其优点是通过硅锭的旋转可以解决冷热区分布不对称的问题，但其设备热场改造较复杂，且有以下两点不足：首先，由于旋转，侧加热器与熔硅间的平均距离增大，导致电磁驱动力下降，对流强度下降；其次，如果使用近圆形坩埚，切割方形晶砖时会损失铸锭良率，而如果使用偏离圆形的坩埚，则坩埚和保温层之间的间隙变大，导致电耗增加。

专利申请2021101446626提供了一种交叉排布双环路侧部加热器设计，其产生的旋转磁场和在坩埚四周方向一致的向上或向下的运动磁场，在强电磁搅拌下可以得到较好的力场和冷热区均匀性。在这个设计的基础上，本发明提供一种不对称的双环路侧加热器设计，其位于下层的属于一个环路的加热带的发热量，显著大于位于上层的属于另外一个环路的加热带发热量；下层加热带为上下不对称的蛇形周期结构，其向上凸起半波形的宽度，大于向下凸起半波形宽度；其向上凸起半波形的上部的横截面积，大于向下凸起半波形下部横截面积。该结构发热量分布区间更靠近下部，可以抑制铸造单晶的侧壁成核和多晶侵入；同时不对称结构的电流分布区间更靠近上部，可以产生更均匀的电磁力场，相应改善熔硅对流的对称性。

发明内容

交叉排布双环路侧部加热器的电流分布需要靠近上部，以利于得到更均匀的电磁力分布，进而实现更好的冷热区均匀性，而发热量分布需要靠近下部，以利于抑制铸造单晶的侧壁成核和多晶侵入。本发明提供了一种结构设计，其分层结构的下层发热量显著大于上层，同时其下层发热带为上下不对称的蛇形周期结构，进一步实现电流靠上分布同时发热量靠下分布，其详细特征描述如下。

一种晶体生长炉用的侧部石墨电阻加热器，参看图1，其特征是：所述交叉排布双环路侧部加热器包括两个闭合导电环路，分别围绕坩埚一周。所述任一个环路，可以是由多段不同形状的加热段，使用螺栓依次首尾连接而成的闭环，其中任一段的形状可以是单层直板、并联的多层直板、垂直连接板、垂直或倾斜的Z形交叉点连接板、角部连接板、蛇形周期结构板等。

在每个导电环路上，设置两个电极接入点，两个环路的电极接入点在环路周长线上交替布置，将环路周长线大致均分为等长度的4段。石墨电极穿过保温板，通过一个中间连接板，在所述电极接入点处，连接加热器环路。在每个电极接入点临近区域，两个环路在竖直方向上发生一次交叉，在交叉点处，通过安装绝缘瓦片或保持空气间隙，实现两个环路间的电绝缘。

由于交叉，在任意一对相邻的分属于不同导电环路的两个电极之间区域，有上层和下层两个加热带，分属于所述两个导电环路。上下层加热带不对称布置，下层加热带的电阻，是上层加热带电阻的2倍到10倍。考虑任意一个上层加热带与其临近区间的下层加热带串联，为了使发热量重心下移，下层加热带的电阻要显著大于上层加热带的电阻。为了降低电阻，上层加热带优选直板结构。

在每个环路的两个石墨电极上，分别施加工频交变电压，两回路施加的电压幅值相同，其范围是25V到80V。

作为优选，所述位于下层的加热带为上下不对称的蛇形周期结构，参考图2，其向上凸起半波形的宽度D1，是向下凸起半波形宽度D2的1.2倍到3倍。上部半波形的宽度更大，可以使得电流分布的重心向上部偏移，这有利于改善洛伦兹力均匀性。

作为优选，所述位于下层的上下不对称的蛇形周期结构加热带，其向上凸起半波形的上部的横截面积，是向下凸起半波形的下部的横截面积的1.2倍到5倍。横截面积可以通过加热带宽度来调节，如图2示例，其上部半波形宽度W1显著大于下部半波形宽度W2；横截面积也可以通过加热带厚度来调节，比如使得上部半波形的厚度显著大于下部半波形的厚度。上部半波形的加热带具有更大的横截面积，电阻相对更小，发热量更小，发热量分布向下偏移，这有利于更好控制侧壁形核和多晶侵入。

作为优选，在任意一对相邻的分属于不同环路的两个电极上，交变电压所引起的馈入电流之间的相角差的绝对值大约等于90度。当图1中电极11的馈入电流相角，落后电极20的馈入电流相角90度的情况下，交变电流将产生逆时针方向的旋转磁场，同时伴随着四个侧面方向一致向下的移动磁场。

需要指出，所述两个侧部加热器环路一般情况下应保持相互电绝缘的状态。如果将一个环路上的任意一处与另一个环路上的任意一处做导电连接，考虑在两悬空环路间无法实现电流回路，通过此导电连接的任意一个横截面的总电流必然为零。这样的一个局部导电连接，对两个环路中的电流分布没有实质的影响，相应地，对发热量和电磁力场分布也没有实质的影响。因此，这种具有单一局部联通区的双环路侧部加热器结构应视为与完全电绝缘的双环路结构互相等价。

如果悬空不接地且没有其它联通点的两个侧加环路之间,或侧加环路和顶加热器电路之间,共用一段铜导线和铜电极，甚至还包括与该铜电极连接的石墨电极，共用对各自回路的影响只能来自于共用段压降的变化。考虑在电阻加热器电路中，压降主要发生在发热带上，在铜导线、铜电极、甚至石墨电极中的压降一般都比较小，由于共用而发生在该组部件上的压降的变化也是比较小的，相应地，共用导致的各自加热带环路中的电流的变化也是比较小的，也就是说，其对各自环路的发热量和电磁力场的影响也是比较小的。这种在两个悬浮的，没有其它联通区的回路之间，共用发热量较小压降较小的一组连续的部件的结构，也应和完全相互绝缘的双环路结构视同等价。

现有的大部分铸锭炉的顶部和侧部加热器分别有三个电极，炉腔上部总计有六个电极引入孔。双环路侧部加热器有四个电极，加上原先的顶加的三个电极，共有7个电极。通过铜导线、铜电极，甚至石墨电极的共用，本发明的侧部加热器结构可以方便地应用于现有炉台的改造。最直接的方法，将斯科特变压器的两个单相交变源低压侧的各一个引出端子短接，然后通过一个铜电极连接引入炉腔内部，再通过软连接分叉连接到侧加热器的两个导电环路的各一个石墨电极。基于同样的考虑，也可以连接顶加三相变压器的一个低压引出端子和斯科特变压器的任一个单相绕组的一个低压引出端子，然后通过一个铜电极连接引入炉腔内部，再通过软连接分叉连接到一个侧加热器导电环路的一个石墨电极和顶加热器的一个石墨电极。

需要指出，本发明的侧部加热器结构可以和不同类型的顶部加热器配合使用，包括但不限于单相两电极顶部加热器、三相三电极顶部加热器、由斯科特变压器驱动的4电极顶部加热器，和直流电源驱动的顶部加热器等。

这种不对称的双环路交叉设计，电流分布重心向上偏移，同时发热量分布重心向下偏移，有利于实现更优电磁力场均匀性，同时有效抑制铸造单晶生长中的侧壁形核和多晶向内侵入，实现高质量的铸锭单晶生长。

附图说明

图1是一种交叉排布双环路侧部加热器结构。

图2是图1中的下层不对称蛇形周期加热带的结构说明。

4、11、20、29-侧部加热器石墨电极；3、12、19、28-侧部加热器吊臂；5、13、18、25-实现环路交叉的Z形连接板；2、6、9、14、17、22、24、27-上层发热带石墨直板；1、7、10、15、16、21、23、26-下层蛇形发热带；8-角部连接板。

具体实施方式

为使本发明的上述特征和优点更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

图1是一种交叉排布的双环路侧部加热器结构。双环路的四个电极连接点对称地分布在坩埚的侧面中心位置，将环路圆周均分为四份。电极接入点与其临近区域内的环路交叉点位于环路周长线上相同的位置。其中一个加热器环路包括石墨电极4，向下连接吊臂3，然后沿着顺时针方向，依次经过位于上层的发热板6、角部连接板8、上层发热板9、Z形连接板13、下层蛇形周期发热带15和16，最后连接到对面的吊臂19和石墨电极20；前述吊臂3沿逆时针方向，依次连接下层蛇形周期发热带1和26，通过Z形连接板25，连接上层发热板24和11，最后连接对面吊臂19和石墨电极20。通过安装绝缘陶瓷片或保持空气间隙，Z形连接板5、13、18、25分别与其临近的吊臂3、12、19、28保持电绝缘。在每个Z形连接板的中心位置，两个导电环路实现一次交叉。注意到两个加热器环路具有完全相同的结构，任一个环路以加热器的竖直中心线为轴心旋转90度，则得到另一个环路。

上层发热带2、6、9、14、17、22、24、27为90mm宽14mm厚度的石墨直板。下层发热带1、7、10、15、16、21、23、26为210mm高度11mm厚度的上下不对称的蛇形石墨周期结构，上下层之间的间隙距离是100mm。图2是一片下层不对称蛇形侧加热片的结构。本实例中，上部半波形的宽度D1为172毫米，下部半波形宽度D2为130毫米，D1是D2的约1.3倍。

本实例中，蛇形不对称加热带的上部半波形的上部水平段的宽度W1为90毫米，下部半波形的宽度W2为50毫米。上部的宽度大，相应电阻小，发热量小，发热带的发热量重心下移，有利于控制侧部形核和多晶侵入。

本实施例的双环路侧部加热器由斯科特变压器驱动，交变电源为工频。首先将斯科特变压器的两个单相电源的低压侧的各一个引出端子短接，然后通过一个铜电极连接引入炉腔内部，再通过软连接分叉连接到侧加热器的两个导电环路的各一个石墨电极。斯柯达变压器的另外两个独立的引出端子分别通过两个独立的铜电极连接到双环路侧加热器的剩余的两个石墨电极。

本实施例中，交变电压为38V，侧部加热器峰值功率约98千瓦，其中上层发热带8根直板和相应4块角部连接板的总和发热量为18.2千瓦，下层发热带8块蛇形周期板和相应4块角部连接板的总和发热量为60.9千瓦，其余部件包括4块Z形连接板、4个吊臂和4个石墨电极的发热量为18.9千瓦。注意到下层加热带的发热量约是上层加热带发热量的3.3倍。

不考虑吊臂，实施例中侧部加热器的高度为400mm，从上到下可以大致分为四个部分，包括上层直板90mm，上下层间隙100mm，下层加热带的上部水平段90mm高度，和下层加热带的下部120mm高度。定量计算显示，该侧部加热器的前述四个高度区间的发热强度分别是220、43、211和358瓦每毫米高度。上下层间隙的100mm区间，发热强度为43瓦每毫米高度，来自于四个Z形连接板和四个吊臂位于此高度区间的部分。注意到不仅下层加热带的发热量显著大于上层发热带，由于下层加热带的上下宽度不对称，其下部120mm高度范围的发热强度358瓦每毫米，也是明显大于其上部90mm高度范围的发热强度211瓦每毫米。

本领域的技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干调整和等同替换，这些调整和等同替换也应视为本发明的保护范围，本发明不受前述具体实施例的限制。

Claims (5)

1.一种晶体生长炉用的侧部电阻加热器，其特征是：

a、包含两个闭合导电环路，分别围绕坩埚一周；

b、在每个导电环路上，设置2个电极接入点，两个环路的电极接入点在环路周长线上交替布置，将环路周长线大致均分为等长度的4段；

c、石墨电极穿过保温板，通过一个中间连接板，在所述电极接入点处，连接加热器环路；

d、在每个电极接入点临近区域，两个环路在竖直方向上发生一次交叉，在交叉点处，通过安装绝缘瓦片或保持空气间隙，实现两个环路间的电绝缘；

e、在任意一对相邻的分属于不同导电环路的两个电极之间区域，位于下层的属于一个环路的加热带的电阻，是位于上层的属于另外一个环路的加热带的电阻的2倍到10倍；

f、在每个环路的两个石墨电极上，分别施加工频交变电压，两回路施加的电压幅值相同，其范围是25V到80V。

2.如权利要求1所述加热器，其特征在于，位于下层的加热带为上下不对称的蛇形周期结构，其向上凸起半波形的宽度，是向下凸起半波形宽度的1.2倍到3倍。

3.如权利要求1所述加热器，其特征在于，位于下层的加热带为上下不对称的蛇形周期结构，其向上凸起半波形的上部区域的横截面积，是向下凸起半波形的下部区域的横截面积的1.2倍到5倍。

4.如权利要求1-3所述加热器，其特征在于，在任意一对相邻的分属于不同环路的两个石墨电极上，交变电压所引起的馈入电流之间的相角差的绝对值大约等于90度。

5.一种晶体硅铸锭炉，包括炉体，该炉体内设置有保温层笼体，该保温层笼体内设置有定向凝固热交换块，该热交换块上方设置有坩埚，其特征在于，所述炉体内还设置有如权利要求1-4任一项所述侧部加热器。

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