專利名稱：大直徑單晶爐勾型電磁場(chǎng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及硅單晶材料加工設(shè)備，具體涉及一種大直徑單晶爐配套的勾型電磁場(chǎng)裝置。
背景技術(shù)：
硅單晶材料是最重要的半導(dǎo)體材料，是信息社會(huì)的物質(zhì)基礎(chǔ)。受集成電路快速發(fā)展的促使和利潤(rùn)因素的刺激，硅單晶材料的科學(xué)研究必將向著高純度、高完整性、高均勻性和大直徑的方向發(fā)展。而在直拉法生產(chǎn)單晶中，由于溫度梯度、重力、坩堝晶棒自轉(zhuǎn)等，坩堝內(nèi)熔體存在著復(fù)雜的對(duì)流，在大直徑單晶爐中這種對(duì)流更加劇烈。這些熱對(duì)流將導(dǎo)致結(jié)晶時(shí)單晶棒在軸向和徑向的不均勻，導(dǎo)致單晶棒電阻率不均勻甚至出現(xiàn)缺陷，同時(shí)也會(huì)造成單晶棒氧含量高，滿足不了要求。在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中加入磁場(chǎng)可以有效的抑制熱對(duì)流。目前，在大直徑單晶爐中使用的是一種較先進(jìn)的非均勻磁場(chǎng)——勾型磁場(chǎng)(CUSP磁場(chǎng))。該磁場(chǎng)磁力線分布為軸對(duì)稱，晶棒的軸向徑向均勻性得到保證；在拉晶面上縱向磁場(chǎng)基本為零，不會(huì)影響氧的蒸發(fā)；在坩堝壁上磁場(chǎng)基本與之垂直，可以減少坩堝的溶解；在其他大部分區(qū)域有著較強(qiáng)的軸向和徑向磁場(chǎng)，能夠有效的抑制熱對(duì)流。相比傳統(tǒng)的不加磁場(chǎng)或者加單一橫向、縱向磁場(chǎng)的單晶爐相比，這種單晶在氧含量、均勻性和完整性等性能上都得到了很大的提高。目前的大直徑單晶爐中使用的勾型磁場(chǎng)，通常都是采用空心螺線管，銅管中間必須要有足夠的空心來(lái)保證線圈的冷卻。這種方式的缺陷是空心銅管必須符合一個(gè)最小尺寸，因此在實(shí)際安裝尺寸的限制下，采用空心螺線管方式線圈匝數(shù)會(huì)受到限制，因?yàn)榇艌?chǎng)強(qiáng)度是與線圈匝數(shù)和通過(guò)線圈電流的積成正比，而為了保證磁場(chǎng)強(qiáng)度足夠大，則必然要提高線圈的通電電流I，這樣就必然增加線圈的功耗。同時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)中整體式屏蔽體，由于線圈和屏蔽體之間間隙比較小，上下兩個(gè)線圈一起裝配麻煩，不易于裝配和維護(hù)。而且整體式屏蔽體總質(zhì)量大，對(duì)吊車要求高。因此將兩個(gè)線圈的屏蔽體分成雙體將有利于裝配和吊裝，可降低廠房吊車要求，更加適應(yīng)于普通安裝廠房。并且對(duì)于日常維護(hù)和檢修，雙體式的磁屏蔽體非常有利于單獨(dú)拆卸和檢修。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種大直徑單晶爐勾型電磁場(chǎng)裝置，以提高單晶的品質(zhì)，并降低磁場(chǎng)的功耗。為解決技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是提供一種大直徑單晶爐勾型電磁場(chǎng)裝置，包括用于產(chǎn)生勾型電磁場(chǎng)的直流線圈， 該裝置包括至少兩個(gè)充滿冷卻油的環(huán)狀密閉容腔，且上下疊加呈中空的圓筒狀；每個(gè)密閉容腔均由位于外側(cè)的半包圍式的屏蔽體、位于內(nèi)側(cè)的內(nèi)筒和兩塊厄板以焊接形式相互連接形成，且通過(guò)管路與油泵、油冷卻器共同組成強(qiáng)制油冷卻系統(tǒng)；所述密閉容腔中分別設(shè)置一組以實(shí)心銅管繞制成的直流線圈。
作為一種改進(jìn)，所述直流線圈采用非完全對(duì)稱的平行布置方式；各直流線圈的半徑、徑向匝數(shù)、導(dǎo)線面積等都相同，但位于下方的直流線圈的軸向匝數(shù)要多于位于上方的直流線圈。作為一種改進(jìn)，所述屏蔽體外周安裝有水冷套。作為一種改進(jìn)，所述裝置有一用于固定安裝的定位裝置，上下兩個(gè)密閉容腔通過(guò)螺栓聯(lián)接于定位裝置。作為一種改進(jìn)，所述屏蔽體是DT4純鐵材料制成的屏蔽體。作為一種改進(jìn)，所述油冷卻器是板式換熱器。作為一種改進(jìn)，所述密閉容腔外部設(shè)置用于吊裝的吊裝固定部位。作為一種改進(jìn)，所述密閉容腔的冷卻油出口處裝有測(cè)溫儀，并通過(guò)信號(hào)線與裝置的電控開(kāi)關(guān)相連。本發(fā)明的有益效果在于1、由于采用了上下兩個(gè)線圈平行布置方式，產(chǎn)生的磁力線分布為軸對(duì)稱，同時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度連續(xù)可調(diào)，晶棒的軸向徑向均勻性得到保證；在拉晶面上縱向磁場(chǎng)基本為零，不會(huì)影響SiO的蒸發(fā)；在坩堝壁上磁場(chǎng)基本與之垂直，可以減少坩堝的溶解；在其他大部分區(qū)域有著較強(qiáng)的軸向和徑向磁場(chǎng)，能夠有效的抑制熱對(duì)流。相對(duì)于傳統(tǒng)不施加磁場(chǎng)或加橫向或者縱向磁場(chǎng)的單晶，施加勾型磁場(chǎng)的單晶氧含量控制效果要好。2、采用二分式結(jié)構(gòu)，使用時(shí)通過(guò)螺栓聯(lián)接起來(lái)，運(yùn)輸、拆卸、安裝和調(diào)試都更簡(jiǎn)單、 方便。3、直流線圈采用強(qiáng)制對(duì)流冷卻方式，傳熱好、溫升低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；相比一般采用的空心螺線管，通水冷卻的方式，這種方式簡(jiǎn)單可靠，少了復(fù)雜的水路分布，實(shí)心銅管繞制工藝也簡(jiǎn)單很多。4、直流線圈采用非完全對(duì)稱形式，下線圈匝數(shù)多，節(jié)省材料；可對(duì)線圈直徑、線圈間距、線圈軸向徑向匝數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化，磁場(chǎng)裝置在產(chǎn)生同樣磁場(chǎng)強(qiáng)度下，與同類產(chǎn)品相比功耗減少20%以上。


圖1為本發(fā)明專利的安裝外形的俯視圖；圖2為本發(fā)明專利的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明專利的冷卻系統(tǒng)示意圖；圖4為本發(fā)明專利與現(xiàn)有的同類磁場(chǎng)的功耗比較圖。圖中的附圖標(biāo)記為上線圈屏蔽體1、直流線圈2、水冷套3、螺栓5、直流線圈6、下線圈屏蔽體7、呼吸器8、冷卻水接口 9、磁場(chǎng)強(qiáng)度傳感器10、厄板11、內(nèi)筒12、油冷卻器13、螺旋升降機(jī)14、電氣連接盒15。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
加以表述。本實(shí)施例中的大直徑單晶爐勾型電磁場(chǎng)裝置包括兩個(gè)充滿冷卻油的環(huán)狀密閉容腔，環(huán)狀密閉容腔上下疊加呈中空的圓筒狀；每個(gè)密閉容腔均由位于外側(cè)的半包圍式的屏蔽體(上線圈屏蔽體1或下線圈屏蔽體7)、位于內(nèi)側(cè)的內(nèi)筒12和兩塊厄板11以焊接形式相互連接形成，且通過(guò)管路與油泵、油冷卻器13共同組成強(qiáng)制油冷卻系統(tǒng)，屏蔽體外周安裝有水冷套3。本實(shí)施例中的油冷卻器13是板式換熱器。該裝置有一用于固定安裝的定位裝置，上下兩個(gè)密閉容腔通過(guò)螺栓5聯(lián)接于定位裝置。兩個(gè)密閉容腔中分別設(shè)置一組以實(shí)心紫銅管繞制成的直流線圈6，每匝銅管軸向和徑向之間都留有一定間隙，以利于冷卻油冷卻。每匝線圈都通過(guò)焊接在內(nèi)筒12上的絕緣板固定住，減少可能因外干擾而引起的高頻振動(dòng)。而這種實(shí)心銅管繞制而成的線圈就能很好的解決這個(gè)問(wèn)題，相比于國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品，功耗減少20%以上。直流線圈2、6通以大小相同、方向相反的直流電流。上下兩組線圈采用的是非完全對(duì)稱、平行布置的方式。它們的繞制方式、線圈半徑、徑向匝數(shù)、導(dǎo)線面積等都相同，不同的是線圈的軸向匝數(shù)，直流線圈6匝數(shù)比直流線圈2匝數(shù)多。在晶體生長(zhǎng)的過(guò)程中，晶體生長(zhǎng)的表面在“零磁面”附近，這樣晶體生長(zhǎng)表面上面的磁場(chǎng)都沒(méi)起到作用。為了節(jié)省線圈的資源消耗和功耗，采用的是下線圈匝數(shù)多，上線圈匝數(shù)少的方式，這樣在保證在熔體區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度的情況下，可以減少線圈的資源消耗，也能降低一定的功耗。非完全對(duì)稱的上下線圈方式，“零磁面”的位置不在軸向上的中間，可以通過(guò)仿真得到。如圖1所示，整個(gè)勾型磁場(chǎng)裝置是筒形，整體可以套在單晶爐爐體外面，并且與爐體外壁有一定間隙，整個(gè)磁場(chǎng)裝置可以通過(guò)四個(gè)螺旋升降機(jī)14懸吊設(shè)于密閉容腔外部的吊裝固定部位進(jìn)行提升和下降，來(lái)調(diào)整磁場(chǎng)和爐體的相對(duì)位置。屏蔽體選用的是高磁導(dǎo)率高的DT4型純鐵材料，由于DT4純鐵材料構(gòu)成的屏蔽體磁阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于空氣磁阻，線圈的磁力線幾乎都會(huì)屏蔽于屏蔽體內(nèi)，而漏到空氣中的磁力線非常微小。這樣能夠提高單晶爐內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，并且避免了磁場(chǎng)對(duì)外界的污染。密閉容腔的冷卻油出口處裝有測(cè)溫儀，并通過(guò)信號(hào)線與裝置的電控開(kāi)關(guān)相連。當(dāng)油溫過(guò)高異常時(shí)，啟動(dòng)警報(bào)，關(guān)閉整個(gè)勾型磁場(chǎng)裝置。屏蔽體外表面安裝有一層水冷套3，保證屏蔽體外表面溫度不超過(guò)預(yù)定值。本實(shí)施例中磁場(chǎng)裝置與KAYEX公司同型號(hào)裝置的功耗對(duì)比如圖4所示，從圖中可以看出，在單晶爐正常工作要求的磁場(chǎng)范圍內(nèi)(500-800G)，本發(fā)明的磁場(chǎng)裝置比國(guó)外同型號(hào)磁場(chǎng)裝置節(jié)能20%以上。以上所述，僅是本發(fā)明的幾種較佳實(shí)施案例而已，并非對(duì)本發(fā)明做任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施案例揭示如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的結(jié)構(gòu)及技術(shù)內(nèi)容做出些許的更動(dòng)或修飾為等同變化的等效實(shí)施案例，但是凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容， 依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施案例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.大直徑單晶爐勾型電磁場(chǎng)裝置，包括用于產(chǎn)生勾型電磁場(chǎng)的直流線圈，其特征在于， 該裝置包括至少兩個(gè)充滿冷卻油的環(huán)狀密閉容腔，且上下疊加呈中空的圓筒狀；每個(gè)密閉容腔均由位于外側(cè)的半包圍式的屏蔽體、位于內(nèi)側(cè)的內(nèi)筒和兩塊厄板以焊接形式相互連接形成，且通過(guò)管路與油泵、油冷卻器共同組成強(qiáng)制油冷卻系統(tǒng)；所述密閉容腔中分別設(shè)置一組以實(shí)心銅管繞制成的直流線圈。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的勾型電磁場(chǎng)裝置，其特征在于，所述直流線圈采用非完全對(duì)稱的平行布置方式；各直流線圈的半徑、徑向匝數(shù)、導(dǎo)線面積等都相同，但位于下方的直流線圈的軸向匝數(shù)要多于位于上方的直流線圈。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述任意一項(xiàng)中的勾型電磁場(chǎng)裝置，其特征在于，所述屏蔽體外周安裝有水冷套。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述任意一項(xiàng)中的勾型電磁場(chǎng)裝置，其特征在于，所述裝置有一用于固定安裝的定位裝置，上下兩個(gè)密閉容腔通過(guò)螺栓聯(lián)接于定位裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述任意一項(xiàng)中的勾型電磁場(chǎng)裝置，其特征在于，所述屏蔽體是 DT4純鐵材料制成的屏蔽體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述任意一項(xiàng)中的勾型電磁場(chǎng)裝置，其特征在于，所述油冷卻器是板式換熱器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述任意一項(xiàng)中的勾型電磁場(chǎng)裝置，其特征在于，所述密閉容腔外部設(shè)置用于吊裝的吊裝固定部位。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述任意一項(xiàng)中的勾型電磁場(chǎng)裝置，其特征在于，所述密閉容腔的冷卻油出口處裝有測(cè)溫儀，并通過(guò)信號(hào)線與裝置的電控開(kāi)關(guān)相連。
全文摘要
本發(fā)明涉及硅單晶材料加工設(shè)備，旨在提供一種大直徑單晶爐勾型電磁場(chǎng)裝置。該裝置包括用于產(chǎn)生勾型電磁場(chǎng)的直流線圈，該裝置包括至少兩個(gè)充滿冷卻油的環(huán)狀密閉容腔，且上下疊加呈中空的圓筒狀；每個(gè)密閉容腔均由位于外側(cè)的半包圍式的屏蔽體、位于內(nèi)側(cè)的內(nèi)筒和兩塊厄板以焊接形式相互連接形成，且通過(guò)管路與油泵、油冷卻器共同組成強(qiáng)制油冷卻系統(tǒng)；密閉容腔中分別設(shè)置一組以實(shí)心銅管繞制成的直流線圈。本發(fā)明由于采用了上下兩個(gè)線圈平行布置方式，產(chǎn)生的磁力線分布為軸對(duì)稱，同時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度連續(xù)可調(diào)，晶棒的軸向徑向均勻性得到保證，單晶氧含量控制效果要好。采用二分式結(jié)構(gòu)使用時(shí)通過(guò)螺栓聯(lián)接起來(lái)，運(yùn)輸、拆卸、安裝和調(diào)試都更簡(jiǎn)單、方便。
文檔編號(hào)C30B15/00GK102154687SQ201110114078
公開(kāi)日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2011年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月4日
發(fā)明者傅林堅(jiān), 葉欣, 曹建偉, 石剛, 邱敏秀 申請(qǐng)人:杭州慧翔電液技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司, 浙江晶盛機(jī)電股份有限公司