[发明专利]一种真空气氛下制备高阻区熔硅单晶的加热线圈装置

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明人认为：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。

发明内容

本发明的目的在于：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。

本发明的技术方案为：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1mm-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。