专利名称：一种用于多晶硅真空区熔提纯的加热线圈的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及多晶硅真空提纯领域，尤其涉及一种用于多晶硅真空区熔 提纯的加热线圏。
背景技术：
区域熔炼，简称区熔，指根据液体混合物在冷凝结晶过程中组分重新分布
(称为偏析)的原理，通过多次熔融和凝固，制备纯度可达99. 999 %的高纯度 的金属、半导体材料和有机化合物的一种提纯方法。区熔的典型方法是将被提 纯的材料制成长度为0. 5 3m或更长些的细棒，通过高频感应加热，使一小段固 体熔融成液态，熔融区液相温度仅比固体材料的熔点高几度，稍加冷却就会析 出固相。熔融区沿轴向緩慢移动，每小时几至十几厘米。随着熔融区向前移动， 杂质也随着移动，最后富集于棒的一端，予以切除。 一次区域熔炼往往不能满 足所要求的纯度，通常须经多次重复操作，或在一次操作中沿细棒的长度依次 形成几个炫融区。
利用杂质的蒸发及分凝效应，对多晶硅进行多次真空区熔提纯是制备低补 偿、高纯度高阻区熔硅材料的必要步骤。由于多晶硅在提纯过程中，多晶各向 结晶速率不一致，结晶潜热的释放极易使大直径多晶硅内部产生裂痕，导致无 法使用，所以目前真空区熔提纯的多晶硅直径一般控制在50士2隱以下。由于 制备高阻硅材料需要对多晶硅进行多次提纯，提纯的稳定性显得尤为重要，即 制备期间如出现多晶边缘长刺、熔区凝固、熔区出现腰带、塌炉等情况都将中 断整个制备过程，腰带生成一般在多晶提纯的放肩阶段，由于加热功率、热场 形状、多晶形状三者不匹配，导致在熔区中心部分形成一圈带状的不熔化固体，俗称"腰带"，因此， 一个稳定的用于真空区熔提纯的热场就显得尤为重要，热 场的核心部分是加热线圈。
传统的用于52mm以下硅单晶生长的加热线圈一般为平板"鸭嘴线圈"，如 图1和图2所示，线圈水冷管位于线圈骨架外围，线圈骨架内圓为一正圆，线 圈下表面为一倾斜表面，在线圏有切口的一端釆用法兰将线圈水冷管固定，目 前，通常直接将这种"鸭嘴线圈"用于多晶硅真空提纯，但由于多晶硅真空提 纯与单晶硅生长工艺特点并不相同，当多晶直径逐渐加大，多晶熔化界面熔硅 流动性变差，多晶熔化边缘因过冷易产生毛刺，当多晶直径大于45mm时，这种 现象尤为明显，很难应用于需要进行多次真空区熔提纯的工艺中，实验证明此 种加热线圈并不适合真空区熔提纯。
可用于多晶硅真空区熔提纯的还有一种丹麦线圈，如图3和图4所示，线 圈上表面刻有一个台阶，线圈下表面有倾斜设计，线圈骨架内圆釆用偏心设计， 即靠近法兰一侧为一矩形加一正半圓，另一侧为正半圆，实验证明这种线圈效 果并不好，单台阶设计虽然在一定程度上降低了多晶熔化边缘长刺的几率，但 由于台阶能量辐射范围有限，易造成局部能量分布不均，局部过冷产生毛刺， 同时采用此种线圏提纯过程中，多晶熔化界面熔硅流动性仍然较差，存在塌炉 隐患。此外，线圈采用的偏心设计，虽然在理论上可以降低腰带产生的几率， 但由于线圏中心不对称程度较大，造成能量分布不均匀性较大，局部能量过低， 对去除腰带的效果并不明显。
实用新型内容
本实用新型解决的技术问题是，提供一种用于多晶硅真空区熔提纯的加热 线圏，为真空区熔提纯提供热场的同时，可以克服真空区熔提纯过程中直径较 大的多晶硅边缘易出现毛刺的缺陷。
本实用新型采用的技术方案是，所述用于多晶硅真空区熔提纯的加热线圈， 包括线圏骨架和线圈水冷管，线圈水冷管焊接嵌入线圈骨架内，线圏骨架内圓下边沿一端和线圈下表面连接成的斜面与水平面呈第一倾斜角度，该线圈采用 平板单匝结构，在线圏骨架内圆周围的上表面设有第一级台阶和第二级台阶， 第一级台阶所在圆的直径大于第二级台阶所在圓的直径，第二级台阶的底部一 端和线圈骨架内圆边沿连接成的斜面与水平面呈第二倾斜角度。
该线圈进一步包括电极上法兰和电极下法兰，电极上法兰和电极下法兰上 有电极连接孔和水冷管孔，线圈水冷管穿过水冷管孔并分别与电极上法兰和电 极下法兰相焊接，循环冷却水由线圈水冷管进出线圈骨架，在所述线圈骨架上 靠近电极上法兰和电极下法兰的一侧设置一个切口。
作为一种优选的技术方案，所述线圈骨架内圆为偏心式结构，可以由一个 半圆和半个椭圆组成，线圈下表面上设有一个偏心刻槽。
作为另 一种优选的技术方案，所述切口为一个切面互相平行的倾斜切口 。
采用上述技术方案，本实用新型至少具有下列优点
本实用新型所述用于多晶硅真空区熔提纯的加热线圈适合多次真空区熔提 纯，线圈上表面有两级台阶，克服了真空区熔提纯过程中直径较大多晶硅边缘 易出现毛刺的缺陷。内径偏心式设计，大大降低熔区出现腰带的可能性，线圈 上表面倾斜设计，增强了多晶熔化界面熔硅流动性。线圈下表面倾斜设计，有 利于多晶结晶潜热的释放。在线圏骨架上靠近电极上法兰和电极下法兰的一侧 设置一个切面互相平行的倾斜切口，减少了电磁泄漏。
图1为鸭嘴线圈结构示意图； 图2为图1的A-A面剖4见图； 图3为丹麦线圈结构示意图； 图4为图3的A-A面剖视图5为本实用新型第一实施例加热线圈结构示意图； 图6为图5的A-A面剖^L图；图7为图5的B向一见图8为本实用新型第三实施例所述用于多晶硅真空区熔提纯的加热线圈结 构示意图9为图7的A-A面剖视图； 图IO为图7的B向视图11本实用新型第四实施例中加热线圈的切口示意图。
具体实施方式
下结合附图及较佳实施例，对本实用新型提出的所述用于多晶硅真空区熔提纯 的加热线圈详细说明如后。
本实用新型第 一 实施例，所述用于多晶硅真空区熔提纯的加热线圈结构如 图5所示，采用薄饼式平板单匝线圈的基本结构，所述薄饼式单匝结构的厚度 为7-9mm。所述加热线圈包括线圈骨架501、线圈水冷管502、电;fel上法兰503 和电极下法兰504，线圈水冷管502焊接嵌入线圈骨架501内，这种结构可以提 高水冷的效果，同时易于线圏表面的加工，线圈骨架501和线圈水冷管502均 釆用紫铜T2级。如图7所示，电极上法兰503和电极下法兰504上有电极连接 孔701和供线圈水冷管502穿过的水冷管孔702，线圈水冷管502穿过水冷管孔 702并分别与电极上法兰503和电极下法兰504相焊接。循环冷却水由水冷管孔 702进出线圏并对其进行冷却。
如图6所示，线圏骨架内圆周围的上表面采用两级台阶结构，包括第一级 台阶601和第二级台阶602，两级台阶的直径均略大于多晶硅的直径，比如，如 果多晶硅的直径是2英寸，即50. 8mm,那么第一级台阶601所在圆的直径为52 ~ 54隱，第二级台阶602所在圓的直径为48~50mm，第一级台阶601和第二级台 阶602的高度均为l~1.5mm。两级台阶的结构将所述用于多晶硅真空区熔提纯 的加热线圈局部产生的电石兹场增强，同时改善多晶外沿内外两侧的熔化界面，消除在真空提纯过程中较大直径尺寸多晶硅外沿易出现的毛刺，直径在45mm ~ 52隱的多晶硅属于较大直径尺寸的多晶硅。线圈上表面为一向下倾斜面603， 即第二级台阶的底部一端和线圈骨架内圆边沿连接成的斜面与水平面呈第二倾 斜角度，第二倾斜角度可以是6 9度，可以使电磁场的能量由内向外不至逐渐 降低，使多晶熔化界面平坦且由外向内倾斜，熔化界面熔硅趋于流向熔区中心， 增加了熔硅的流动性。线圈下表面为一向上倾斜面604，即线圈骨架内圆下边沿 一端和线圏下表面连接成的斜面与水平面呈第 一倾斜角度，第 一倾斜角度可以 是7 10度，可以加大能量辐射面积，降低多晶凝固界面温度梯度，有利于多 晶结晶过程中应力的释放，减少多晶硅内部出现断裂的危险。在线圈骨架501 上靠近电极上法兰和电极下法兰的一侧开设有一个切面互相平行且垂直于水平 面的切口 703,该切口 703位于线圏骨架内圓直径的延长线上。
本实用新型第二实施例，所述用于多晶硅真空区熔提纯的加热线圈的结构 与第 一 实施例大体相同，只是本实施例中采用的第 一级台阶所在圆的直径为 53mm,第二级台阶所在圆的直径为49mm，第一级台阶和第二级台阶的高度均为 lmm。
本实用新型第三实施例，所述用于多晶硅真空区熔提纯的加热线圈结构如 图8所示，所述用于多晶硅真空区熔提纯的加热线圈包括电极上法兰803、电极 下法兰804、线圈骨架801、线圏水冷管802,线圈的结构与第一实施例大体相 同，线圈具有上表面倾斜面903、下表面倾斜面904以及位于上表面的两级台阶 第一级台阶901和第二级台阶902,区别在于，所述线圈骨架内圆采用偏心式结 构，在靠近法兰一侧扩大内圆圆弧，形成偏心805。实际应用中，采用偏心式结 构的线圈骨架内圓可以由一半正圆与靠近法兰一侧的一半椭圓组成，椭圆的短 半轴与正圆的半径相等，椭圆的长半轴的长度与正圓的半径之比可以为1.15: 1。 如图9所示，线圈下表面倾斜面904上设有偏心刻槽905,所述偏心刻槽905是 从线圈骨架内圆下边沿水平向法兰方向刻出4 6mra。偏心式结构可使加热功率、 热场形状、多晶形状三者更加匹配，减少出现腰带的可能性，而且由于采用了
8椭圆偏心，又不至于使电^ 兹场分布过于不对称造成局部能量过低的情况，同时
增加熔区搅拌，改善多晶硅径向电阻率不均匀性。偏心刻槽905可以使熔区下 界面保持平坦稳定。如图10所示，在所述线圈骨架上靠近电极上法兰和电极下 法兰的一侧开设有一个切面互相平行且垂直于水平面的切口 1003，切口 1003位 于椭圆长半轴的延长线上靠近法兰一侧。
本实用新型第四实施例，所述用于多晶硅真空区熔提纯的加热线圈的结构 与第三实施例中的基本一致，只是本实施例如图11所示，在所述线圈骨架上靠 近电极上法兰和电极下法兰的一侧开设有一个切面互相平行的倾斜切口 1103， 倾斜切口 1103位于椭圆长半轴的延长线上靠近法兰一侧，用于减少电磁泄漏。
通过具体实施方式
的说明，可对本实用新型为达成预定目的所采取的技术 手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之 用，并非用来对本实用新型加以限制。
权利要求1、一种用于多晶硅真空区熔提纯的加热线圈，包括线圈骨架和线圈水冷管，线圈水冷管焊接嵌入线圈骨架内，所述线圈骨架内圆下边沿一端和线圈下表面连接成的斜面与水平面呈第一倾斜角度，其特征在于，所述线圈采用平板单匝结构，在线圈骨架内圆周围的上表面设有第一级台阶和第二级台阶，第一级台阶所在圆的直径大于第二台阶所在圆的直径，第二级台阶的底部一端和线圈骨架内圆边沿连接成的斜面与水平面呈第二倾斜角度。
2、 根据权利要求1所述的加热线圈，其特征在于，该线圈进一步包括电极上法兰和电极下法兰，电极上法兰和电极下法兰上有电极连接孔和水冷管孔， 线圈水冷管穿过水冷管孔并分别与电极上法和电极下法兰相焊接，循环冷却水 由线圈水冷管进出线圏骨架，在所述线圈骨架上靠近电极上法兰和电极下法兰 的一侧开设有一个切口。
3、 根据权利要求1或2所述的加热线圏，其特征在于，所述线圈骨架和线 圈水冷管均采用紫铜T2级材料制成。
4、 根据权利要求3所述的加热线圈，其特征在于，所述薄饼式单臣结构的 厚度为7 ~ 9mm。
5、 根据权利要求4所述的加热线圈，其特征在于，所述第一倾斜角度为7 ~ 10度。
6、 根据权利要求5所述的加热线圈，其特征在于，所述第二倾斜角度为6 ~9度。
7、 根据权利要求6所述的加热线圈，其特征在于，第一级台阶所在圆的直 径为52 54mm，第二级台阶所在圓的直径为48 ~ 50mm，第一级台阶和第二级台 阶的高度均为1-1. 5隱。
8、 根据权利要求6所述的加热线圈，其特征在于，第一级台阶所在圆的直 径为"隱，第二级台阶所在圆的直径为49mm，第一级台阶和第二级台阶的高度均为lmm。
9、 根据权利要求7所述的加热线圈，其特征在于，线圏骨架内圓为偏心式 结构，由一半正圆与一半椭圆组成，椭圆的短半轴与正圆的半径相等，椭圓的 长半轴的长度与正圆的半径之比为1. 15: 1，线圈下表面上设有一个偏心刻槽， 所述偏心刻槽是从线圈骨架内圆下边沿水平向法兰方向刻出4 ~ 6mm。
10、 根据权利要求9所述的加热线圈，其特征在于，所述切口为一个切面 互相平行的倾斜切口 ，并位于椭圓长半轴的延长线上靠近法兰一侧。
专利摘要本实用新型公开了一种用于多晶硅真空区熔提纯的加热线圈，包括线圈骨架、线圈水冷管、其特征在于，在线圈骨架内圆周围的上表面设有两级台阶，第二级台阶的底部一端和线圈骨架内圆边沿连接成的斜面与水平面呈第二倾斜角度，所述线圈骨架内圆为偏心式结构，线圈下表面上设有一个偏心刻槽。本实用新型所述加热线圈克服了真空区熔提纯过程中直径较大多晶硅边缘易出现毛刺的缺陷。内径偏心式结构，大大降低熔区出现腰带的可能性，线圈上表面倾斜设计，增强了多晶熔化界面熔硅流动性。在线圈骨架上靠近电极上法兰和电极下法兰的一侧设置一个切面互相平行的倾斜切口，减少了电磁泄漏。
文档编号H05B6/36GK201267022SQ200820136520
公开日2009年7月1日 申请日期2008年9月11日 优先权日2008年9月11日
发明者庞炳远, 张殿朝, 索开南, 萍 闫 申请人:中国电子科技集团公司第四十六研究所