[發明專利]一種用于直拉單晶爐熱場的組合加熱器

有效

• 申請號: 201310585963.8
• 申請日: 2013-11-19
• 公開（公告）號: CN104762655A
• 公開（公告）日: 2015-07-08
• 發明（設計）人: 方峰;王學鋒;高朝陽;曾澤紅;鄧德輝;鄭沉
• 申請（專利權）人: 有研新材料股份有限公司;有研半導體材料有限公司
• 主分類號: C30B15/14
• 分類號: C30B15/14
• 代理公司: 北京北新智誠知識產權代理有限公司 11100
• 代理人: 劉秀青;熊國裕

技術領域

本發明涉及一種用于直拉單晶爐熱場的組合加熱器，是一種直拉單晶爐用的熱場系統。

背景技術

半導體硅材料和光伏行業的迅速發展，大直徑的硅單晶己成為生產的主導方向。生長大直徑單晶需要配備大的熱系統，使用大口徑的石英坩堝，保持晶體直徑與坩堝直徑的比值大致為1/3；為了提高單晶生產效率，增加原料的裝料量以獲得更長的晶棒，提高晶體生長的效率。

但保持晶體生長的高效率與維持晶體的低氧含量是矛盾的。石英坩堝直徑的增大、每爐熔化的多晶硅原料重量增加、硅熔體的體積變大，熔體的熱對流也明顯增強。通過增加熱場系統的保溫，采用帶導流筒的封閉式熱場結構(Closed?Hotzone)，可以減小熔體內部的溫度梯度，減緩熔體的熱對流，可將氧含量控制在5E+17～11E+17原子/厘米。單晶頭部氧含量高于尾部，縱向氧分布的嚴重不均勻，使得硅單晶的利用率和成品率都較低。

最有效的措施是對熔體施加強度為幾百～幾千高斯的磁場，在磁場中硅熔體的對流運動將受到羅倫茲力的作用，熔體的熱對流運動受到抑制，相當于增加了硅熔體的動態粘度，減少了氧向生長界面輸送，得到低氧含量的單晶。

外加磁場裝置包括橫向磁場(HMCZ)、縱向磁場(VMCZ)及GUSP磁場(LPMCZ)。外加磁場增加了設備投資；使用磁場裝置時，除了晶體生長消耗的電能外還將消耗額外的電能來維持磁場的運行。維持磁場消耗的電能大約為晶體生長消耗電能的30～50％，增大了電能消耗。

現代單晶爐內熱系統通常使用石墨材料，加熱器即單晶爐熱場的發熱體是熱系統的核心部件。加熱器一般采用外形呈圓筒狀的結構，如圖1所示為現有的加熱器的結構示意圖，具有呈180°對稱的兩個支撐柱(圖1D)或呈90°對稱的四個支撐柱(圖1B)。加熱器切割成對稱的2～32個發熱瓣以控制電流方向，通過串聯和/或并聯形成電路回路(如圖1A、圖1C)。每一個發熱瓣都有數百至數千安培的電流通過，在發熱瓣的周圍將產生磁場。但由于任意相鄰兩個發熱瓣所通過的電流方向相反，其形成的磁場相互抵消，所以加熱器內部的磁場強度等于零。

利用三相加熱產生旋轉磁場是一種常見的方法，即將加熱器設計“△型結構”，如圖2所示為現有的三相式加熱器結構示意圖，其中，加熱器具有呈120°對稱的三個支撐柱Ia、Ib、Ic，分別與電源的三相連接。在三相電流通過這種加熱器時，就能在加熱器內形成旋轉磁場。坩堝處于加熱內，硅熔體受到旋轉磁場的感應而形成環形液流以抑制熔體的對流。硅熔體旋轉的方向與三相電流的連接有關，改變其中一相的電流方向，硅熔體旋轉方向也將被改變。在提高加熱器負載電流以及加強旋轉磁場強度時，石墨材料良好的導電性(低電阻率特性)受到制約，加熱器的厚度將被限制在1.0～10.0mm內，僅適合小功率(≤10kw)輸出。

專利文獻CN201120503128公開了一種用于直拉單晶爐熱場的加熱器，利用螺旋管狀結構的環形加熱器在提供焦耳熱效應同時，其腔體內形成磁場抑制硅熔體的對流運動。但這種螺旋管狀結構產生縱向磁場(VMCZ)，在滿足發熱要求的功率條件下，電流的大小被功率要求確定，對應產生的磁場強度也被確定。

發明內容

本發明的目的在于提供一種用于直拉單晶爐熱場的組合加熱器，通電后在滿足焦耳定律提供熱效應的同時，在加熱器腔體內部空間形成磁場，抑制硅熔體的對流運動。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種用于直拉單晶爐熱場的組合加熱器，該加熱器為由兩個螺旋管狀的環形發熱部件組合而成的雙螺旋管狀結構，所述兩個環形發熱部件分別連接相互獨立的電源。

通電后兩個環形發熱部件中電流的方向可以是同向的，也可以是彼此相反的。當通電后電流的方向同向時，在兩個環形加熱部件腔體內部形成縱向磁場，抑制硅熔體的對流運動。當通電后電流的方向相反時，腔體內部形成兩個磁力線相對的磁場，疊加后形成的勾形磁場(Cusp)對腔體內部熔體的流動有更佳的抑制效果。

所述兩個環形發熱部件的內徑相同，其中一個環形發熱部件位于另一環形發熱部件的上方。

所述兩個環形發熱部件之間為電氣絕緣。

所述環形發熱部件具有三個連接柱，其中兩個連接柱位于該環形發熱部件沿軸線方向的一端，第三個連接柱位于該環形發熱部件沿軸線方向的另一端。

本發明的優點在于：

本發明用于直拉單晶爐熱場的組合加熱器由兩個螺旋管狀的環形加熱部件組合而成，兩個環形加熱部件分別與單晶爐的兩個獨立電源連接，每個螺旋管狀結構的環形加熱部件的電流大小和方向都是可以獨立控制的。