CN114318504A - 一种用于直拉法生长晶体的热磁耦合加热装置及配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于直拉法生长晶体的热磁耦合加热装置及配置方法，该装置包括多层阿基米德螺线型线圈，由钨或钼等高熔点且导电性良好的材料制成，在生长晶体的坩埚外围沿轴向依次排列。通过改变该热磁耦合加热装置中多层螺线型线圈的连接方式，可以获得不同的加热功率和不同类型及大小的磁场。多层螺线型线圈通以方向相同的电流时，可以产生轴向磁场；不同层通以方向相反的电流时，可以产生勾型磁场；加热功率及磁场类型和大小可在晶体生长过程中根据需要实时调控。该热磁耦合加热装置同时具备加热和磁场调控双重功能，既能够产生强磁场以改善晶体生长条件，又能够避免设置外置磁场带来的高成本及高能耗。

Description

一种用于直拉法生长晶体的热磁耦合加热装置及配置方法

技术领域

本发明属于直拉法晶体生长装置领域，具体涉及一种用于直拉法生长晶体的热磁耦合加热装置及配置方法。

背景技术

直拉法是生长各种晶体材料的主要方法，为了控制晶体生长过程中的熔体流动或者抑制熔体湍流引发的温度和速度脉动，通常将磁场控制应用到直拉法之中。轴向磁场和勾形磁场是直拉法生长晶体过程中的常用磁场类型。轴向磁场一般由通以电流方向相同的一个或数个直流线圈产生的磁场构成，熔体被置于线圈中心，线圈内部会形成轴向磁场。研究表明，一定大小的轴向磁场可以改善熔体温度分布的对称性及杂质分布的均匀性。勾型磁场一般由上下两组线圈产生的磁场合成，两组线圈通以方向相反的直流电时，线圈内部会形成勾型磁场。研究表明，勾型磁场可以有效抑制熔体的对流，降低晶体中杂质的含量。

在现有的直拉法生长晶体过程中，人们通常在晶体炉外部沿轴向设置线圈来产生强磁场，使得磁场装置占地面积较大。此外，这种通常采用电流磁效应来产生磁场的装置是一种大电流高功耗设备，其功耗一般为几十乃至上百千瓦，能耗巨大。有少数厂家在制备大尺寸电子级硅单晶时使用超导磁场，但超导磁体工艺复杂，制作和维护成本十分高昂。

目前常用的直拉法晶体生长炉中的磁场装置不仅占地面积大而且能耗很高，为了实现降低能耗和节省占地面积的目的，提出本发明所述装置。

目前可以检索到关于直拉法晶体生长装置中涉及热磁耦合的有以下两个专利。申请号为201120503128.1，授权公告号为CN202430328U，授权公告日为2019年9月12日的中国专利提出了一个螺旋管状结构的环形加热器，既可以提供热量，又能产生轴向磁场。申请号为 201320225335.4，授权公告号为CN203295656U，授权公告日为2013年11月20日的中国专利提出了一个螺旋线圈加热器，既可以提供热量，又可以产生勾型磁场。但现有专利加热器线圈设计相对简单，在满足加热功率要求时，无法产生上千高斯的足够有效影响熔体流动的磁场强度，同时无法在晶体生长过程中根据需要调节磁场的类型及大小。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于直拉法生长晶体的热磁耦合加热装置，既能够提供熔体熔化及长晶所需的热量，又能够产生足够调控熔体流动的轴向磁场和勾型磁场。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：一种用于直拉法生长晶体的热磁耦合加热装置，包括多层螺线型线圈，所述多层螺线型线圈在生长晶体的坩埚外围沿轴向依次排列，每层螺线型线圈的形状为阿基米德螺旋线，每层螺线型线圈的转数多于1转。

螺线型线圈的起点与中心的距离由晶体生长所用坩埚半径决定，螺线型线圈的半径大于坩埚的半径至少10mm，相邻两层阿基米德螺线型线圈的距离为5-25mm。

每层螺线型线圈上设有接线柱，螺线型线圈通过接线柱接入电流回路，不同螺线型线圈之间采用串联或并联的连接方式。

每层螺线型线圈单独连接电源；或所有螺线型线圈连接同一个电源控制；或多层螺线型线圈分组连接多个电源。

螺线型线圈的截面大小采用多种规格。

所述螺线型线圈沿着坩埚外围轴向分为上下两部分，当每层螺线型线圈通以方向相同的电流时，加热装置内部产生轴向磁场；当上下两部分螺线型线圈通以方向相反的电流时，加热装置内部产生勾型磁场。

螺线型线圈采用熔点不低于1000℃的导电材料制成。

本发明所述用于直拉法生长晶体的热磁耦合加热装置的配置方法，对线圈进行分组配置，每层螺线型线圈单独为一组、所有螺线型线圈为同一组或多层螺线型线圈为同一组。

需要降低晶体中杂质的含量时，将多层螺线型线圈分为上下两部分，所述上下两部分连接反向电流，加热装置内部产生勾型磁场；需要改善杂质分布的均匀性时，多层螺线型线圈接同向电流，加热装置内部产生轴向磁场。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明所述用于直拉法生长晶体的热磁耦合加热装置同时具备加热和磁场调控功能，产生的加热功率能够提供晶体生长所需的热场条件，产生的轴向磁场或勾型磁场能够调控熔体流动及晶体生长；本发明所述热磁耦合加热装置，可在提供晶体生长所需加热功率的同时，产生上千高斯的足够大的轴向磁场和勾型磁场以调控熔体流动和晶体生长；并且可在晶体生长过程中根据需要方便地调节磁场的类型及大小，实现对晶体生长的实时调控。

本发明所述装置在使用过程中可以通过控制接入电源的线圈个数、不同线圈之间的间距、线圈的半径、每层线圈的转数以及线圈中通入电流的大小来调节磁场强度和加热功率的大小，可以满足晶体生长对磁场类型和强度的需求

所述线圈沿着轴向分为上下两部分，当上下两部分的每层线圈通以方向相同的电流时，加热装置内部产生轴向磁场；当上下两部分线圈通以方向相反的电流时，加热装置内部产生勾型磁场，可在晶体生长过程中根据需要实时调节加热功率的大小，并变换磁场的类型及大小。

附图说明

图1为一种用于直拉法生长晶体的热磁耦合加热装置示意图。

图2为单层螺线型线圈示意图。

图3为实施例1时熔体中的磁场强度分布图。

图4为实施例2时熔体中的磁场强度分布图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种用于直拉法生长晶体的热磁耦合加热装置，包括多层螺线型线圈，所述多层螺线型线圈在生长晶体的坩埚外围沿轴向依次排列，每层螺线型线圈的形状为阿基米德螺旋线，螺线型线圈的转数多于1转，每层的转数可以相同也可以不同；每层螺线型线圈上设有接线柱，螺线型线圈通过接线柱接入电流回路，不同螺线型线圈之间采用串联或并联的连接方式，可以形成多组，每组螺线型线圈层数可以相同也可以不同；螺线型线圈采用熔点不低于1000℃的导电材料制成。

本发明优选采用钨丝或钼丝制成螺线型线圈。

本发明所设计的热磁耦合装置是由多个阿基米德螺线型线圈在生长晶体的坩埚外围沿轴向依次排列组合而成，每个螺线型线圈均是水平布置，不仅制造简单，而且还可以针对不同的需求产生不同类型，不同大小以及不同方向的磁场；因此，本发明通过设计的基于阿基米德螺线型线圈的热磁耦合装置，在满足直拉法晶体生长过程中对各种类型磁场需求的同时，大幅度降低磁场功耗、成本及占地面积。

参见图1，本发明所述用于直拉法生长晶体的热磁耦合加热装置，包括多层螺线型线圈，图中以40层为例，多层螺线型线圈放置于生长晶体的坩埚外围，并沿竖直方向依次排列。每层螺线型线圈均采用阿基米德螺线型，参见图2，实施例中采用20转；螺线型线圈由高熔点且导电性良好的材料制成，实施例中采用金属钨。

阿基米德螺线型线圈的起点与中心的距离由石墨坩埚的半径决定，一般比其半径大10mm 以上，相邻两层线圈的距离一般为5-25mm，能保证足够的磁场强度。

作为可选的实施例，每层螺线型线圈可以由单独的电源控制，这样可以实现不同层线圈通不同大小的电流，可以满足更复杂的热场和磁场设计；所有螺线型线圈可以由一个电源控制，这样可以实现不同层线圈通相同大小的电流；而且每层螺线型线圈可以是粗细不一样的螺线型线圈，这样可以获得不同电阻的螺线型线圈。

本发明所述螺线型线圈还可以沿着坩埚外围轴向分为上下两部分，当每层螺线型线圈通以方向相同的电流时，加热装置内部产生轴向磁场；当上下两部分螺线型线圈通以方向相反的电流时，加热装置内部产生勾型磁场；而且，在螺线型线圈分为上下两部分时，上下两部分螺线型线圈层数可以一致也可以不一致。

针对本发明所述用于直拉法生长晶体的热磁耦合加热装置的配置方法，对螺线型线圈进行分组配置时，每层螺线型线圈单独为一组、所有螺线型线圈为同一组或多层螺线型线圈为同一组。

另外，需要降低晶体中杂质的含量时，将多层螺线型线圈分为上下两部分，所述上下两部分连接反向电流，加热装置内部产生勾型磁场；需要改善杂质分布的均匀性时，多层螺线型线圈接同向电流，加热装置内部产生轴向磁场。

实施例1

采用串联连接方式将螺线型线圈1-32层接入电流回路中，通入大小495A的电流，此时该热磁耦合加热装置产生的功率为63kW，满足直拉法生长大尺寸硅晶体对于加热功率的要求，同时产生强度大于0.2特斯拉(2000高斯)的轴向磁场，参考图3，可实现对熔体流动和晶体生长的有效调控。

实施例2

采用并联连接方式将螺线型线圈1-20层和21-40层分别通以方向相反的电流，电流大小均为495A，此时该热磁耦合加热装置产生的功率为80kW，满足直拉法生长大尺寸硅晶体对于加热功率的要求，同时产生强度大于0.1特斯拉(1000高斯)的勾型磁场，见图4，可实现对熔体流动和晶体生长的有效调控。

Claims (9)

1.一种用于直拉法生长晶体的热磁耦合加热装置，其特征在于：包括多层螺线型线圈，所述多层螺线型线圈在生长晶体的坩埚外围沿轴向依次排列，每层螺线型线圈的形状为阿基米德螺旋线，每层螺线型线圈的转数多于1转。

2.根据权利要求1所述的用于直拉法生长晶体的热磁耦合加热装置，其特征在于：螺线型线圈的起点与中心的距离由晶体生长所用坩埚半径决定，螺线型线圈的半径大于坩埚的半径至少10mm，相邻两层阿基米德螺线型线圈的距离为5-25mm。

3.根据权利要求1所述的用于直拉法生长晶体的热磁耦合加热装置，其特征在于：每层螺线型线圈上设有接线柱，螺线型线圈通过接线柱接入电流回路，不同螺线型线圈之间采用串联或并联的连接方式。

4.根据权利要求1所述的用于直拉法生长晶体的热磁耦合加热装置，其特征在于：每层螺线型线圈单独连接电源；或所有螺线型线圈连接同一个电源控制；或多层螺线型线圈分组连接多个电源。

5.根据权利要求1所述的用于直拉法生长晶体的热磁耦合加热装置，其特征在于：螺线型线圈的截面大小采用多种规格。

6.根据权利要求1所述的用于直拉法生长晶体的热磁耦合加热装置，其特征在于：所述螺线型线圈沿着坩埚外围轴向分为上下两部分，当每层螺线型线圈通以方向相同的电流时，加热装置内部产生轴向磁场；当上下两部分螺线型线圈通以方向相反的电流时，加热装置内部产生勾型磁场。

7.根据权利要求1所述的用于直拉法生长晶体的热磁耦合加热装置，其特征在于：螺线型线圈采用熔点不低于1000℃的导电材料制成。

8.权利要求1-7任一项所述用于直拉法生长晶体的热磁耦合加热装置的配置方法，其特征在于：对线圈进行分组配置，每层螺线型线圈单独为一组、所有螺线型线圈为同一组或多层螺线型线圈为同一组。

9.根据权利要求8所述的配置方法，其特征在于：需要降低晶体中杂质的含量时，将多层螺线型线圈分为上下两部分，所述上下两部分连接反向电流，加热装置内部产生勾型磁场；需要改善杂质分布的均匀性时，多层螺线型线圈接同向电流，加热装置内部产生轴向磁场。

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