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Title:
CUSP ELECTROMAGNETIC FIELD DEVICE OF LARGE-DIAMETER SINGLE-CRYSTAL FURNACE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2012/149861
Kind Code:
A1
Abstract:
Disclosed is a cusp electromagnetic field device of a large-diameter single-crystal furnace. The device comprises direct current coils (2, 6) for generating a cusp electromagnetic field and at least two annular closed vessels filled with cooling oil. The two annular closed vessels are superposed up and down to form a hollow cylindrical shape. Each closed vessel is formed by welding half-enclosed shields (1, 7) located outside the vessel and an inner cylinder (12) and two baffle plates (11) located inside the vessel to each other. A pipeline, an oil pump, and an oil cooler (13) together form a forcible oil cooling system. A group of direct current coils (2, 6) formed through winding of solid copper pipes are disposed in each closed vessel. Since an upper coil and a lower coil are arranged in parallel, generated magnetic force lines are distributed in an axial symmetry manner, the magnetic field strength is continuously adjustable, axial and radial evenness of a crystal bar is ensured, and the effect of controlling the oxygen content of a single crystal is desirable. In usage, the dichotomous structure is linked through bolts, so that the transport, disassembly, assembly, and debugging are simpler and more convenient.

Inventors:
CAO JIANWEI (CN)
FU LINJIAN (CN)
SHI GANG (CN)
YE XIN (CN)
QIU MINXIU (CN)
Application Number:
PCT/CN2012/073878
Publication Date:
November 08, 2012
Filing Date:
April 12, 2012
Export Citation:
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Assignee:
ZHEJIANG JINGSHENG M & E CO LTD (CN)
CAO JIANWEI (CN)
FU LINJIAN (CN)
SHI GANG (CN)
YE XIN (CN)
QIU MINXIU (CN)
International Classes:
C30B15/00; C30B35/00
Foreign References:
CN102154687A2011-08-17
CN202090094U2011-12-28
CN201106071Y2008-08-27
CN201626999U2010-11-10
CN201400727Y2010-02-10
Other References:
OUYANG, PENGGEN ET AL.: "Design and Implementation of Cusp Magnetic Field of Large Diameter Single Crystal Furnace", MECHANICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY FOR AEROSPACE ENGINEERING, vol. 30, no. 11, November 2011 (2011-11-01), pages 1827 - 1831
OUYANG, PENGGEN: "Design and Research of Cusp Magnetic Field in a Large Diameter Single Crystal Furnace", MASTER'S DEGREE PAPER OF ZHEJIANG UNIVERSITY, 15 July 2011 (2011-07-15), pages 47 - 50
Attorney, Agent or Firm:
SHANGHAI PATENT & TRADEMARK LAW OFFICE, LLC (CN)
上海专利商标事务所有限公司 (CN)
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Claims:
权 利 要 求

1、 大直径单晶炉勾型电磁场装置, 包括用于产生勾型电磁场的直流线圈, 其特征在于, 该装置包括至少两个充满冷却油的环状密闭容腔, 且上下叠加呈 中空的圆筒状; 每个密闭容腔均由位于外侧的半包围式的屏蔽体、 位于内侧的 内筒和两块厄板以悍接形式相互连接形成, 且通过管路与油泵、 油冷却器共同 组成强制油冷却系统; 所述密闭容腔中分别设置一组以实心铜管绕制成的直流 线圈。

2、 根据权利要求 1 所述的勾型电磁场装置, 其特征在于, 所述直流线圈采 用非完全对称的平行布置方式; 各直流线圈的半径、 径向匝数、 导线面积等都 相同, 但位于下方的直流线圈的轴向匝数要多于位于上方的直流线圈。

3、 根据权利要求 1或 2所述任意一项中的勾型电磁场装置, 其特征在于, 所述屏蔽体外周安装有水冷套。

4、 根据权利要求 1或 2所述任意一项中的勾型电磁场装置, 其特征在于, 所述装置有一用于固定安装的定位装置, 上下两个密闭容腔通过螺栓联接于定 位装置。

5、 根据权利要求 1或 2所述任意一项中的勾型电磁场装置, 其特征在于, 所述屏蔽体是 DT4纯铁材料制成的屏蔽体。

6、 根据权利要求 1或 2所述任意一项中的勾型电磁场装置, 其特征在于, 所述油冷却器是板式换热器。

7、 根据权利要求 1或 2所述任意一项中的勾型电磁场装置, 其特征在于, 所述密闭容腔外部设置用于吊装的吊装固定部位。

8、 根据权利要求 1或 2所述任意一项中的勾型电磁场装置, 其特征在于, 所述密闭容腔的冷却油出口处装有测温仪, 并通过信号线与装置的电控开关相 连。

Description:
大直径单晶炉勾型电磁场装置 技术领域

本发明涉及硅单晶材料加工设备, 具体涉及一种大直径单晶炉配套的勾型电 磁场装置。 背景技术

硅单晶材料是最重要的半导体材料, 是信息社会的物质基础。 受集成电路快 速发展的促使和利润因素的剌激,硅单晶材料 的科学研究必将向着高纯度、高完整 性、高均匀性和大直径的方向发展。而在直拉 法生产单晶中, 由于温度梯度、重力、 坩埚晶棒自转等,坩埚内熔体存在着复杂的对 流,在大直径单晶炉中这种对流更加 剧烈。这些热对流将导致结晶时单晶棒在轴向 和径向的不均匀, 导致单晶棒电阻率 不均匀甚至出现缺陷, 同时也会造成单晶棒氧含量高, 满足不了要求。在晶体生长 过程中加入磁场可以有效的抑制热对流。 目前,在大直径单晶炉中使用的是一种较 先进的非均匀磁场——勾型磁场 (CUSP 磁场) 。 该磁场磁力线分布为轴对称, 晶 棒的轴向径向均匀性得到保证;在拉晶面上纵 磁场基本为零,不会影响氧的蒸发; 在坩埚壁上磁场基本与之垂直,可以减少坩埚 的溶解;在其他大部分区域有着较强 的轴向和径向磁场,能够有效的抑制热对流。 相比传统的不加磁场或者加单一横向、 纵向磁场的单晶炉相比,这种单晶在氧含量、 均匀性和完整性等性能上都得到了很 大的提高。

目前的大直径单晶炉中使用的勾型磁场, 通常都是采用空心螺线管, 铜管中 间必须要有足够的空心来保证线圈的冷却。这 种方式的缺陷是: 空心铜管必须符合 一个最小尺寸, 因此在实际安装尺寸的限制下,采用空心螺线 管方式线圈匝数会受 到限制, 因为磁场强度是与线圈匝数和通过线圈电流的 积成正比,而为了保证磁场 强度足够大, 则必然要提高线圈的通电电流 I, 这样就必然增加线圈的功耗。

同时, 现有技术中整体式屏蔽体, 由于线圈和屏蔽体之间间隙比较小, 上下 两个线圈一起装配麻烦, 不易于装配和维护。而且整体式屏蔽体总质量 大, 对吊车 要求高。因此将两个线圈的屏蔽体分成双体将 有利于装配和吊装,可降低厂房吊车 要求, 更加适应于普通安装厂房。 并且对于日常维护和检修, 双体式的磁屏蔽体非 常有利于单独拆卸和检修。 发明内容

本发明要解决的技术问题是, 克服现有技术中的不足, 提供一种大直径单晶 炉勾型电磁场装置, 以提高单晶的品质, 并降低磁场的功耗。

为解决技术问题, 本发明所采用的技术方案是:

提供一种大直径单晶炉勾型电磁场装置, 包括用于产生勾型电磁场的直流线 圈,该装置包括至少两个充满冷却油的环状密 闭容腔,且上下叠加呈中空的圆筒状; 每个密闭容腔均由位于外侧的半包围式的屏蔽 体、位于内侧的内筒和两块厄板以悍 接形式相互连接形成, 且通过管路与油泵、 油冷却器共同组成强制油冷却系统; 所 述密闭容腔中分别设置一组以实心铜管绕制成 的直流线圈。

作为一种改进, 所述直流线圈采用非完全对称的平行布置方式 ; 各直流线圈 的半径、径向匝数、 导线面积等都相同, 但位于下方的直流线圈的轴向匝数要多于 位于上方的直流线圈。

作为一种改进, 所述屏蔽体外周安装有水冷套。

作为一种改进, 所述装置有一用于固定安装的定位装置, 上下两个密闭容腔 通过螺栓联接于定位装置。

作为一种改进, 所述屏蔽体是 DT4纯铁材料制成的屏蔽体。

作为一种改进, 所述油冷却器是板式换热器。

作为一种改进, 所述密闭容腔外部设置用于吊装的吊装固定部 位。

作为一种改进, 所述密闭容腔的冷却油出口处装有测温仪, 并通过信号线与 装置的电控开关相连。

本发明的有益效果在于:

1、 由于采用了上下两个线圈平行布置方式, 产生的磁力线分布为轴对称, 同 时磁场强度连续可调, 晶棒的轴向径向均匀性得到保证;在拉晶面上 纵向磁场基本 为零,不会影响 SiO的蒸发;在坩埚壁上磁场基本与之垂直,可 以减少坩埚的溶解; 在其他大部分区域有着较强的轴向和径向磁场 , 能够有效的抑制热对流。相对于传 统不施加磁场或加横向或者纵向磁场的单晶, 施加勾型磁场的单晶氧含量控制效果 要好。 2、 采用二分式结构, 使用时通过螺栓联接起来, 运输、 拆卸、 安装和调试都 更简单、 方便。

3、 直流线圈采用强制对流冷却方式, 传热好、 温升低、 结构简单; 相比一般 采用的空心螺线管, 通水冷却的方式, 这种方式简单可靠, 少了复杂的水路分布, 实心铜管绕制工艺也简单很多。

4、直流线圈采用非完全对称形式, 下线圈匝数多, 节省材料; 可对线圈直径、 线圈间距、线圈轴向径向匝数等进行优化, 磁场装置在产生同样磁场强度下, 与同 类产品相比功耗减少 20%以上。 附图说明

图 1为本发明专利的安装外形的俯视图;

图 2为本发明专利的剖面结构示意图;

图 3为本发明专利的冷却系统示意图;

图 4为本发明专利与现有的同类磁场的功耗比较 。

图中的附图标记为:

上线圈屏蔽体 1、 直流线圈 2、 水冷套 3、 螺栓 5、 直流线圈 6、 下线圈屏蔽体 7、 呼吸器 8、冷却水接口 9、磁场强度传感器 10、厄板 11、 内筒 12、油冷却器 13、 螺旋升降机 14、 电气连接盒 15。 具体实施方式

下面结合附图, 对本发明的具体实施方式加以表述。

本实施例中的大直径单晶炉勾型电磁场装置包 括两个充满冷却油的环状 密闭容腔, 环状密闭容腔上下叠加呈中空的圆筒状; 每个密闭容腔均由位于外 侧的半包围式的屏蔽体 (上线圈屏蔽体 1或下线圈屏蔽体 7 ) 、 位于内侧的内 筒 12和两块厄板 1 1以悍接形式相互连接形成, 且通过管路与油泵、 油冷却器 13共同组成强制油冷却系统, 屏蔽体外周安装有水冷套 3。 本实施例中的油冷 却器 13 是板式换热器。 该装置有一用于固定安装的定位装置, 上下两个密闭 容腔通过螺栓 5联接于定位装置。

两个密闭容腔中分别设置一组以实心紫铜管绕 制成的直流线圈 6, 每匝铜 管轴向和径向之间都留有一定间隙, 以利于冷却油冷却。 每匝线圈都通过悍接 在内筒 12 上的绝缘板固定住, 减少可能因外干扰而引起的高频振动。 而这种 实心铜管绕制而成的线圈就能很好的解决这个 问题, 相比于国内外同类产品, 功耗减少 20%以上。

直流线圈 2、 6通以大小相同、 方向相反的直流电流。 上下两组线圈采用 的是非完全对称、 平行布置的方式。 它们的绕制方式、 线圈半径、 径向匝数、 导线面积等都相同, 不同的是线圈的轴向匝数, 直流线圈 6匝数比直流线圈 2 匝数多。 在晶体生长的过程中, 晶体生长的表面在 "零磁面" 附近, 这样晶体 生长表面上面的磁场都没起到作用。 为了节省线圈的资源消耗和功耗, 采用的 是下线圈匝数多, 上线圈匝数少的方式, 这样在保证在熔体区域磁场强度的情 况下, 可以减少线圈的资源消耗, 也能降低一定的功耗。 非完全对称的上下线 圈方式, "零磁面" 的位置不在轴向上的中间, 可以通过仿真得到。

如图 1所示, 整个勾型磁场装置是筒形, 整体可以套在单晶炉炉体外面, 并且与炉体外壁有一定间隙, 整个磁场装置可以通过四个螺旋升降机 14 悬吊 设于密闭容腔外部的吊装固定部位进行提升和 下降, 来调整磁场和炉体的相对 位置。

屏蔽体选用的是高磁导率高的 DT4型纯铁材料, 由于 DT4纯铁材料构成的 屏蔽体磁阻远远低于空气磁阻, 线圈的磁力线几乎都会屏蔽于屏蔽体内, 而漏 到空气中的磁力线非常微小。 这样能够提高单晶炉内的磁场强度, 并且避免了 磁场对外界的污染。

密闭容腔的冷却油出口处装有测温仪, 并通过信号线与装置的电控开关相 连。 当油温过高异常时, 启动警报, 关闭整个勾型磁场装置。 屏蔽体外表面安 装有一层水冷套 3, 保证屏蔽体外表面温度不超过预定值。

本实施例中磁场装置与 KAYEX公司同型号装置的功耗对比如图 4所示, 从 图中可以看出, 在单晶炉正常工作要求的磁场范围内 (500-800G ) , 本发明的 磁场装置比国外同型号磁场装置节能 20%以上。

以上所述, 仅是本发明的几种较佳实施案例而已, 并非对本发明做任何形 式上的限制, 虽然本发明已以较佳实施案例揭示如上, 然而并非用以限定本发 明, 任何熟悉本专业的技术人员, 在不脱离本发明技术方案范围内, 当可利用 上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或 修饰为等同变化的等效实施案 例, 但是凡是未脱离本发明技术方案的内容, 依据本发明的技术实质对以上实 施案例所作的任何简单修改、等同变化与修饰 ,均仍属本发明技术方案范围内。