单晶炉低功耗勾形电磁场装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种单晶炉勾形电磁场装置，包括炉腔体和设置在炉腔体内的坩埚，炉腔体外圆周的上端和下端分别缠绕有线圈ａ和线圈ｂ，线圈ａ和线圈ｂ外侧设置有屏蔽体，线圈ａ和线圈ｂ由空心紫铜方管和铜线交替密绕而成，各路线圈是串联在一起的；线圈ａ或线圈ｂ的匝数至少为１８００匝。本实用新型专利技术的有益效果是，在满足磁场强度的前提下，通过增加线圈的总匝数Ｎ，降低线圈电流Ｉ，降低磁场的功耗，可使其功耗减低为几个千瓦，解决了原勾形磁场大功耗问题，为直拉法拉制高品质单晶提供一种实用的低功耗电磁场装置。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于半导体制造
，涉及一种单晶炉低功耗勾形磁场装置。
技术介绍
随着半导体工业的发展，半导体器件生产对单晶的质量提出了更高的要求，特别 是进入超大规模集成电路时代以来，对单晶的氧、碳含量、微缺陷以及杂质的均勻性要求更 高。在直拉法生长硅、锗等单晶的过程中，由于热场形成的温度梯度使融溶体产生的热对流 是影响单晶质量的重要因素之一。因此，抑制热对流是提高单晶质量重要途径之一。在直 拉法生长单晶过程，通常人们使用的磁场分布为水平方向的横向磁场或垂直方向的纵向磁 场来抑制热对流，但是，这两种磁场都是单一方向。它们仅对与自己磁力线垂直方向或成一 定角度的部分热对流起抑制，而与磁力线平行方向的热对流不起任何抑制，即就是热对流 在熔融体内不能完全被抑制。采用这两种磁场拉制的单晶棒仍存在着纵向和径向氧、掺杂 含量不均勻现象。为了克服以上磁场的缺陷人们提出了一种较为先进的非均勻磁场——勾 形磁场(Cusp Magnetic field)。该磁场的磁力线分布是以轴及上下对称兼有径向和纵向 分量的发散型磁场，可有效地抑制热对流、单晶和坩埚相对旋转产生强迫对流，单晶的质量 得到进一步提高。如今所使用的勾形磁场是一种低电压、大电流、大功耗设备，其功耗一般 为几十个乃至几百个千瓦，耗能大是不能广泛应用的致命问题。因此，在满足磁场强度不变 的条件下，大幅度降低功耗具有重要意义。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种单晶炉低功耗勾形电磁场装置，解决现有勾形磁场 是一种低电压、大电流、大功耗的设备，其功耗一般为几十个乃至几百个千瓦，耗能大是不 能广泛应用的问题。本技术采用的技术方案为一种单晶炉勾形电磁场装置，包括炉腔体和设置 在炉腔体内的坩埚，炉腔体外圆周的上端和下端分别缠绕有线圈a和线圈b，线圈a和线圈 b外侧设置有屏蔽体；线圈a和线圈b由空心紫铜方管和铜线交替密绕而成，各路线圈是串 联在一起的；线圈a或线圈b的匝数至少为1800匝。其中，铜线为扁铜线或圆铜线。其中，线圈a或线圈b是螺旋管直流线圈，相邻两路线圈的绕制方向相反。其特征还在于，屏蔽体包括圆筒体和设置在圆筒体上下端的环形端盖，环形端盖 内侧设置有向线圈a或线圈b方向延伸的环形突台。其特征进一步在于，炉腔体内设置有石磨加热器，石磨加热器内设置有石磨套，坩 锅位于石磨套内。其中，线圈a与线圈b的匝数、线圈半径、纵向和轴向层数、导线面积以及线包的绕 制方式相同。其中，屏蔽体采用DT4E型纯铁材料。本技术的有益效果是，在满足磁场强度(确保安匝数IN)的前提下，通过增加 线圈的总匝数N，降低线圈电流I，降低磁场的功耗，可使其功耗减低为几个千瓦，解决了原 勾形磁场大功耗问题，为直拉法拉制高品质单晶提供一种实用的低功耗电磁场装置。附图说明图1是本技术的结构示意图；图2是本技术两个线圈缠绕在炉腔体上的纵截面图；图3是本技术的磁场控制电路工作原理示意图；图4是本技术两个线圈产生磁场的纵向分量和径向分量原理图；图5是采用本技术后，坩锅内液面处磁力线的分布示意图；图6是本技术勾形磁场磁力线分布曲线原理图；图7是本技术径向磁场Br随电流变化示意图；图8是本技术径向磁场Br随匝数的变化示意图；图9是本技术线圈功率随线圈匝数的变化示意图。图中，1.线圈a，2.屏蔽体，3.线圈b，4.炉腔体，5.晶体，6.石磨加热器，7. 石磨套，8.坩锅，9.空心紫铜方管，10.铜线，11圆筒体，12.环形端盖，13.环形突台。具体实施方式以下结合附图和具体实施方式对本技术进行详细说明。在晶体5生长过程中，勾形磁场的引入可以对各种对流发挥抑制作用，显著提高 晶体5质量和改善杂质均勻性。本技术利用了勾形磁场的原理，提供了一种多匝数、低 功耗单晶炉勾形磁场装置，解决了大功耗的问题，从而使勾形磁场能够得到更广泛的应用。 该磁场可有效地抑制热对流、晶体5和坩埚8相对旋转产生强迫对流，从而使晶体的品质得 到进一步改善。如图1所示，现有的炉腔体4内设置有石磨加热器6，石磨加热器6内设置有石磨 套7，石磨套7内设置有坩锅8。本技术在炉腔体4外圆周的上端和下端分别缠绕有线 圈al和线圈b3，线圈al和线圈b3外侧设置有屏蔽体4。屏蔽体4包括圆筒体11和设置 在圆筒体11上下端的环形端盖12，环形端盖12内侧设置有向线圈al或线圈b3方向延伸 的环形突台13。如图2所示，线圈al和线圈b3是螺旋管直流线圈，由空心紫铜方管9和铜线10 交替密绕而成，其相邻两路线圈的绕制方向相反，各路线圈是串联在一起的，线圈的匝数至 少为1800匝。铜线10的截面面积小于空心紫铜方管9的截面面积，铜线10可以采用扁铜 线或圆铜线。空心紫铜方管9和铜线10呈交替密绕在炉腔体4上，相邻两层空心紫铜方 管9线圈之间不管设置几层铜线10线圈都在本技术保护范围之内。例如，线圈的绕制 方法可以为首先依据线圈设计，沿着炉腔体4的外圆周水平方向高度密绕一层顶视为顺 时针扁铜线圈，在扁铜线圈外侧再密绕一层顶视为逆时针的空心紫铜方管9线圈；接着依 次密绕顶视为顺时针扁铜圈、顶视为逆时针扁铜线圈、顶视为顺时针空心紫铜方管9线圈、 顶视为逆时针扁铜线圈、顶视为顺时针扁铜圈……，直到绕制达到设计匝数，最后再将各层 扁铜线圈和空心紫铜方管9线圈串联得到磁场线圈，且连接线及连接点满足线圈的额定电 流。采用空心紫铜方管9和铜线10交替缠绕的原因是因本技术线圈的匝数较多，至少为1800匝，如果全部米用空心紫铜方管9缠绕会导致线圈al或线圈b3体积过大，所以 采用空心紫铜方管9和铜线10交替缠绕在保证线圈匝数的同时减少了线圈al或线圈b3 的体积。每层空心紫铜方管10线圈内通有冷水，每层空心紫铜方管10夹层内的冷水由水 管输入输出，为线圈提供多路并联的通水冷却方式。屏蔽体2是由厚度25-30mm高磁导率的DT4E型纯铁材料加工成的，由于DT4E型 纯铁材料具有良好导磁性、剩磁少，屏蔽体2壁磁阻远远低于空气的磁阻，因此在两个螺线 管线圈外部形成一个高导磁率的磁力线通路，线圈外部的磁力线几乎全部通过此通路从各 自N极回到S极。这样以来不仅降低磁阻减少外部磁路的损耗，大大提高线圈内部磁场强 度，而且消除了磁场对外部空间的泄露，避免了对外部设备和人体的影响以及环境的污染。 在环形端盖12内侧设置环形突台13的目的是可以降低磁阻减少外部磁路的损耗，大大提 高线圈内部磁场强度。如图3所示，根据电磁场理论可知，当给线圈al和线圈b3两个磁场线圈分别施加 相互独立连续可调的直流电流Ip I2时，螺旋管线圈将在线圈内部和外部产生磁场；线圈a 上为S极、下为N极；线圈b上为N极、下为S极。外部磁场的磁力线分别从N极通过高导 磁率的屏蔽体2壁体回到S极。如图4所示，螺线管线圈内部磁场是由上下两个线圈产生 的磁场B1和B2合成而成，它们产生的磁场矢量均可分解为纵向分量Bz和径向分量Br。由 于径向分量方向相同其径向分量为两个径向之和Br=BrJBr2,而轴向分量方向相反其轴向 分量为两个径向之差Bz =BZ1-BZ2。当给两个线圈施加以方向相反大小相同(II = 12)直 流电流时，在线圈内部空间形成一个磁力线剖面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单晶炉勾形电磁场装置，包括炉腔体（４）和设置在炉腔体（４）内的坩埚（８），炉腔体（４）外圆周的上端和下端分别缠绕有线圈ａ（１）和线圈ｂ（３），线圈ａ（１）和线圈ｂ（３）外侧设置有屏蔽体（２），其特征在于：所述线圈ａ（１）和线圈ｂ（３）由空心紫铜方管（９）和铜线（１０）交替密绕而成，各路线圈是串联在一起的；线圈ａ（１）或线圈ｂ（３）的匝数至少为１８００匝。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：安涛，高勇，李扬，李守智，马剑平，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：实用新型
国别省市：87[中国|西安]