本发明专利技术公开了一种真空气氛下制备直径４０ｍｍ以上的高阻区熔硅单晶的加热线圈及其配套装置，其中，一种多匝线圈装置用于真空提纯，另外一种单匝线圈装置用于真空成晶，两种装置配合使用；多匝线圈装置包括上短路环、多匝加热线圈、下短路环，单匝线圈装置包括单匝平板式加热线圈；本专利针对真空环境及大直径两个技术难点，为两个线圈设计了特别的尺寸规格及外形，并增加了有效的辅助配套部件，结果显示，使用该线圈及其配套装置，可以在真空气氛下对较大直径原料进行连续提纯，并将提纯后原料拉制成大直径高阻硅单晶，其质量达到探测器级标准。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种加热线圈装置，尤其是一种在真空气氛下制备直径大于40mm的 高阻区熔硅单晶的加热线圈装置。
技术介绍
区熔技术是利用多晶锭分区熔化和结晶来生长单晶体的方法，该法在原料头部放置一小块单晶即籽晶，并在籽晶和原料晶锭相连区域建立熔区，移动晶锭或加热器使熔区朝晶锭长度方向不断移动，使整个晶锭的其余部分依次熔化后又结晶，单晶不断长大。这种技术可用于生产纯度高达99. 999%的半导体、金属、合金、无机和有机化合物晶体。 真空区熔技术是利用真空下杂质的蒸发和分凝效应而得到高纯度硅单晶的一种方法，传统的高阻单晶是在真空气氛下提纯、氩气或氢气气氛成晶而得到的，但经国家探测器研制部门多年实践得出结论，只有真空提纯并且真空成晶的高阻硅单晶才能作为高灵敏度探测器的重要组成材料，由此也为高阻硅单晶的制备增加了难度。近年来，随着探测器研制部门对大面积探测器的研究开发，国家对真空高阻硅单晶的直径要求正逐渐增大。由于真空气氛下熔区缺少气氛托浮力、杂质的挥发及返回、无导热媒介等原因，致使真空区熔与传统的气氛区熔相比，炉膛内环境要复杂的多，技术难度也增大。再者，随着所要生长单晶的直径增大，其单位时间内释放结晶潜热量增加，晶体内部散热难度加大，晶体边缘所处的磁场环境改变等原因，再次增加了炉膛内环境的复杂程度，大直径高阻单晶的技术难度又进一步加大了。由此，大直径真空高阻硅单晶的制备技术已成为行业内极难攻破的技术瓶颈之一。 加热线圈的设计是真空区熔技术的关键，它的形状及尺寸是影响长晶系统热传导 及热分布最重要的因素。 专利技术人认为，制备直径大于40mm的真空高阻硅单晶的主要技术难点有两个一是 提纯用的加热线圈必须保证在不拆炉的情况下对多晶硅原料进行连续多次提纯，并且提纯 后的原料要在一定程度上接近目标单晶直径；二是成晶用的加热线圈必须能够保证大直径 单晶的稳定生长。 目前，区熔工艺多采用单匝平板式加热线圈，为了在不拆炉的情况下连续提纯大 直径多晶硅原料而扩大线圈的内径是本领域技术人员不难想到的解决方法，但是应用于真 空气氛中的单匝线圈不能简单的扩大内径，其原因在于经大量实验证明，在真空气氛中单 匝线圈的内径若过大，则熔区易凝固，导致熔区易跨、易流。中国专利ZL 200820136520.5 公开了一种用于多晶硅真空区熔提纯的加热线圈，但是该专利的线圈只能用来提纯，不能 用来成晶，不能得到真空高阻硅单晶产品。因为真空成晶对加热线圈的要求更加严格，所以 至今没有用于制备真空高阻区熔硅单晶产品的加热线圈及其相关配套装置的报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种真空气氛下制备直径40mm以上的高阻区熔硅单晶的加热线圈及其配套装置，其中，一种多匝线圈装置用于真空提纯，另外一种单匝线圈装置 用于真空成晶，两种装置配合使用。 如果单纯的使用多匝或单匝线圈，则分别存在成晶率低和无法实现大直径原料的 连续提纯两个问题，简单的将二者结合也不能制得大直径的高阻单晶，只有使多匝线圈和 单匝线圈按照一定的形状结构和尺寸相互配合，才能发挥两者的优势，因此，加热线圈的形 状及尺寸规格也是真空技术的关键。本专利针对真空环境及大直径两个技术难点，为两个 线圈设计了特别的尺寸规格及外形，并增加了有效的辅助配套部件从而在大直径高阻硅单 晶的制备工艺上获得重要突破。本专利技术的技术方案为一种真空气氛下制备高阻区熔硅单晶的加热线圈装置，包括配合使用的多晶硅真空区熔提纯加热线圈装置和硅单晶真空成晶加热线圈装置； 所述多晶硅真空区熔提纯加热线圈装置从上到下依次包括上短路环、多匝加热线圈、下短路环。 其中，上短路环、多匝加热线圈、下短路环相互平行且都垂直于走晶方向，三者按照从上到下的顺序分别固连在电极筒上，并且上、下短路环的外径略大； 作为优选方式所述的上短路环距离加热线圈7mm-14mm，下短路环距离加热线圈8mm-15mm。 作为优选方式所述的多匝加热线圈的匝数为3-5匝。 作为优选方式所述的多匝加热线圈的匝间距为lmm-5mm。 作为优选方式所述的多匝加热线圈的内径为35mm-42mm。 由于采用了多匝线圈的设计，可将截面不规则的原料整形，并实现不拆炉情况下、 将较大直径多晶硅原料进行连续多次提纯。 经实验结果证明，多匝加热线圈的化渣效果远好于单匝线圈，即使原料表面不够 平整光滑、开方机破开未滚磨的扇形原料也可以顺利提纯并将其整形为圆柱体，为后续的 成晶工序做好准备，也避免了原料的严重浪费。另外，其可在提纯大直径多晶原料时直接将 原料升至起始位置进行多次提纯，不用拆炉、装炉，避免了装、拆炉过程给原料带来的无法 避免的沾污，保证了多晶原料的高纯度。 本专利设计的上下短路环极其工作距离，可以使加热线圈的磁场受到压縮而变 窄，从而使加热线圈磁力线集中，熔区变的窄小，进而防止熔区倒塌，有利于原料在提纯过 程中顺利行走； 多匝加热线圈的匝间距为lmm-5mm，这样设定的依据是如果匝间距过小匝间容易放电打火，对原料造成污染，间距过大则磁场纵向宽度大，熔硅溢流。 多匝线圈的匝数为3-5匝，这样设定的原因是匝数少的线圈若内径大则磁场强度太弱，无法产生熔区，匝数过多则线圈损耗功率较大，有效功率减小，3-5匝的设计既可保证线圈内径足够大，又能增加磁场强度，保证提纯效果； 采用四探针电阻率测试仪测试电阻率的方式来表征通过本多匝线圈提纯后的多 晶原料后发现，提纯后电阻率可升至10000 Q cm-20000Q cm，较提纯前的原料的电阻率 1000Q cm有大幅提高，其电阻率的提升说明原料内的杂质含量大幅减少，有较好的区熔 提纯的效果。 所述硅单晶成晶加热线圈装置包括一个固连在电极筒上的单匝平板式加热线圈， 其中，单匝平板式加热线圈上表面有向线圈内部凹陷的台阶，线圈的厚度由外径 向内径逐渐减小，线圈下表面有5-20°的倾角，线圈外径的侧圆周表面沿周向均布有铅垂 方向的刻线槽，线圈的内径处设有贯通上下表面的十字开口 。 作为优选方式所述单匪平板式加热线圈的内径为25mm-30mm，外径80mm-140mm。 作为优选方式所述单匝平板式加热线圈内径处板的厚度为l-5mm，外径处板的 厚度为5mm-20mm。 上述平板线圈内外径处板厚相差悬殊的设计，使高频电流的尖角效应得以增强。 线圈内径薄外径厚的形状形成了刃形结构，高频电流聚集在线圈刃形内径处，因此磁场强 度增加，磁托浮力也增加。而合理的设计内径大小有利于将磁场集中在小范围圆形区域内， 强度增加，也使原料与线圈之间的耦合距离减小，有效功率增加，并且磁场穿透力增强，熔 区不易凝固。 线圈上表面向线圈内部凹陷的台阶用以改善磁场分布，减小径向磁场强度衰减， 增加热辐射，从而有利于大直径原料的熔化及熔硅向内集中。 线圈下表面有5-20°度的倾角，可以优化磁场分布，避免结晶前沿的局部回熔及 毛剌的产生，有利于成晶。 线圈外径的侧圆周表面沿周向均布有铅垂方向的刻线槽，这样设计的益处是线 圈内的磁场是沿着从内径到外径逐步衰减的，随着单晶直径的增大，晶体边缘处的磁场强 度逐渐减小，当衰减到一定程度时，则由磁场产生的感应热无法维持晶体径向合理的温度 分布，因此发生晶变，而刻槽的设计可以将一部分电荷分配到线圈外径处，弥补磁场衰减， 从而本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种真空气氛下制备高阻区熔硅单晶的加热线圈装置，其特征在于：包括配合使用的多晶硅真空区熔提纯加热线圈装置和硅单晶真空成晶加热线圈装置； 所述多晶硅真空提纯加热线圈装置从上到下依次包括上短路环、多匝加热线圈、下短路环； 其中，上短路环、多匝加热线圈、下短路环相互平行且都垂直于走晶方向，三者按照从上到下的顺序固连在电极筒上，并且上、下短路环的直径比多匝加热线圈的外径略大； 所述硅单晶真空成晶加热线圈装置包括一个固连在电极筒上的单匝平板式加热线圈； 其中，单匝平板式加热线圈上表面有向线圈内部凹陷的台阶，线圈的厚度由外径处向内径处逐渐减小，线圈下表面有５－２０°的倾角，线圈外径的侧圆周表面沿周向均布有铅垂方向的刻线槽，线圈的内径处有贯通上下表面的十字开口。
【技术特征摘要】
一种真空气氛下制备高阻区熔硅单晶的加热线圈装置，其特征在于包括配合使用的多晶硅真空区熔提纯加热线圈装置和硅单晶真空成晶加热线圈装置；所述多晶硅真空提纯加热线圈装置从上到下依次包括上短路环、多匝加热线圈、下短路环；其中，上短路环、多匝加热线圈、下短路环相互平行且都垂直于走晶方向，三者按照从上到下的顺序固连在电极筒上，并且上、下短路环的直径比多匝加热线圈的外径略大；所述硅单晶真空成晶加热线圈装置包括一个固连在电极筒上的单匝平板式加热线圈；其中，单匝平板式加热线圈上表面有向线圈内部凹陷的台阶，线圈的厚度由外径处向内径处逐渐减小，线圈下表面有5-20°的倾角，线圈外径的侧圆周表面沿周向均布有铅垂方向的刻线槽，线圈的内径处有贯通上下表面的十字开口。2. 根据权利要求1所述的加热线圈装置，其特征在于所述的上短路环距离多匝加热 线圈7mm-14mm，下短路环距离多匪加热线圈8mm-15mm。3. 根据权利要求1所述的加热线圈装置，其特征在于所...
【专利技术属性】
技术研发人员：蒋娜，邓良平，程宇，朱铭，谢江帆，
申请(专利权)人：峨嵋半导体材料研究所，
类型：发明
国别省市：51[中国|四川]
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