单晶炉炉室不同位置的磁导率的研究

王　巍　孙　明　沈兴潮　周建灿　倪军夫　俞安洲　沈建国

（浙江晶盛机电股份有限公司，上虞312300）



单晶炉炉室不同位置的磁导率的研究

王巍孙明沈兴潮周建灿倪军夫俞安洲沈建国

（浙江晶盛机电股份有限公司，上虞312300）

摘要：本文通过导磁率测量仪，测得不锈钢炉室内外壁和炉盖内外壁的磁导率，发现炉盖磁导率比炉体要高，外壁磁导率比内壁要高，并且在焊接处的磁导率要远高于未焊接处的磁导率。通过对炉体各处磁导率的测量，可以得到炉体对磁场分布的影响，为外加磁场的设计研究提供保证。

关键词：单晶炉磁场磁导率焊接

引言

单晶硅（Silicon）也称硅单晶，是电子信息材料和光伏行业中的最基础性材料，属于半导体材料类。硅单晶已经渗透到国民经济与国防科技中各个领域，现当今全球超过2000亿美元的电子通信半导体市场中大约95%以上的半导体器件及99%以上的集成电路用硅［1］。当代直拉单晶硅正在向着高纯度、高完整性、高均匀性（三高）和大直径（一大）发展［2］。

单晶硅是电子信息材料和光伏行业中的最基础性材料，而直拉法单晶炉是生产硅单晶的关键技术装备。单晶炉是一种电阻加热式半导体材料冶炼炉，是在惰性气体保护下，采用石墨电阻加热的方法，将多品硅熔化，用软轴直接法生长无位错单晶硅的专用设备［3］，整个过程都是在单晶炉炉室中进行的。单晶炉包括机架、坩埚驱动装置、主炉室、隔离阀、副炉室、籽晶提升机构、液压驱动装置、真空系统、氩气系统及水冷系统等组成。单晶炉通过使用磁场控制氧的浓度来改善硅单晶质量，处于磁场内的炉体的磁导率情况会对整个磁场分布有一定影响，从而影响到了整个晶棒质量。单晶炉炉室采用304L不锈钢材料，奥氏体不锈钢在常温下一般具有单一的奥氏体组织，是非磁性的。但在铸造状态下，由于成分偏析及合金含量不同，在奥氏体基体上还会产生其他相，如奥氏体（γ相）的同素异位体（铁素体）等。由于铁素体和奥氏体基体之间的化学成分、力学性能以及热稳定性等方面的差异，在某些场合下铁素体的出现会对奥氏体不锈钢的性能带来不利影响［4, 5］。因此，单晶炉炉室上的磁导率也会发生相应的变化，测试炉室磁导率有助于分析炉室对外加磁场分布的干扰问题。

在实验研究中，通过导磁率测量仪，分别测量炉室内外以及炉盖内外壁的磁导率，得到其变化规律。此外，焊接会导致不锈钢晶相组织的变化，因此实验过程中还测量了炉室和炉盖在焊接处的磁导率，与未经过焊接处进行对比，得到焊接对单晶炉炉室磁导率的影响结果。通过磁导率的测量，为分析炉体本身对外加磁场的干扰问题提供了进一步的帮助，通过控制炉体材料及焊接情况，减小外加磁场的干扰。

1 实验测量方法

在实验过程中，采用导磁率测量仪，主要包括探头及检测器，其中探头上附有自带的调节器，如图1所示。测量步骤如下：1、连接电源线和数据线，打开开关，预热20分钟；2、打开测量探头外壳，利用探头上自带调节器调零，使仪器指示在±0.01之间，最好直接显示为0；3、将探头垂直于标准样块中间位置，若显示值为1+0.200，则为标准值不要再细调，若显示不是标准值1+0.200，则需用附带起子进行细调零，直至显示标准值1+0.200；4、调零结束后，对需检测的零件部位用测量探头垂直接触，记录测量数据μ=1+显示数据。

图1 实验所采用的磁率测量仪

在实验研究过程中，测试的单晶炉炉室及炉盖材料为304L的不锈钢材料，在炉室法兰以下250mm处的内外两侧和炉盖法兰以上250mm处内外两侧的8个均布点分别作了测试，每次测试4次，来获取稳定结果，测量炉室外壁的磁导率如图2所示。

图2 测量炉室外壁磁导率

2 实验结果及分析

当测量炉室外壁时，在上法兰以下250mm处环向8个位置进行测量，如图3所示。每个位置测试4次，得到测量结果如表1所示。可以发现在G处测得的磁导率要比其他几处测得的结果要高，接近1.090，其余基本保持在1.020以内。

图3 炉室外壁磁导率测量位置示意图

表1 炉室外壁磁导率的测量结果

当测量炉室内壁时，在上法兰以下250mm处环向8个位置进行测量，如图4所示。每个位置测试4次，得到测量结果如表2所示。可以发现在F和H处测得的磁导率要比其他几处测得的结果要高，接近1.022，其余基本保持在1.010左右，比炉室外壁要低。

图4 炉室内壁磁导率测量位置示意图

表2 炉室内壁磁导率的测量结果

当测量炉盖外壁时，在上法兰以上130mm处环向8个位置进行测量，如图5所示。每个位置测试4次，得到测量结果如表3所示。可以发现在F处得到的磁导率比其余几处要高，超过1.55，其余都在1.2以内。

图5 炉盖外壁磁导率测量位置示意图

表3 炉盖外壁磁导率的测量结果

当测量炉盖内壁时，在上法兰以上130mm处环向8个位置进行测量，如图6所示。每个位置测试4次，得到测量结果如表4所示。可以发现在8处得到的磁导率在1.03和1.05之间浮动。

图6 炉盖内壁磁导率测量位置示意图

表4 炉盖内壁磁导率的测量结果

为了对比炉室内外、炉盖内外的结果，8处地方取平均值，可以得到结果如表5所示。通过对比结果发现，炉室内的磁导率最低，炉盖外的磁导率最高，并且外表面的磁导率要比内表面的高，炉盖的磁导率比炉体的要高，这有可能与其测量的表面及材料变化有一定关系。

表5 炉室内外、炉盖内外的结果对比

为了测量炉室和炉盖焊接处的磁导率，主炉室焊接接缝处取4处，炉筒焊接接缝处取4处，如图7所示。由于C、D两处焊接处空间较小，不易测得磁导率，因此只在A、B、E、F、G、H六处测量磁导率，每个位置测试4次，得到测量结果如表5所示。焊接处的磁导率普遍较高，在1.2到1.7之间，可见焊接处的磁性相对而言较强，与采用的308焊丝焊接的磁导率差不多。这是由于奥氏体不锈钢经过焊接后，其焊缝组织为奥氏体+铁素体双相组织，当焊缝中铁素体组织含量增加时，其磁性将随之提高。

图7 炉室和炉盖焊接处的磁导率位置示意图

3 结论

通过对有单晶炉炉室和炉盖磁导率检测，发现炉室和炉盖的材料较稳定，磁导率基本在1.01左右，最高也在1.2以内，比较接近无磁性。通过对其焊接接缝处磁导率检测，发现其焊缝处磁导率并不稳定，最高达到1.63，与焊接使用的308焊丝焊接接缝处的磁导率相当，这是由于焊接高温导致不锈钢晶相组织发生变化，导致炉室局部磁导率升高。通过磁导率测量结果的对比，发现单晶炉外加磁场的安装需要尽量避开焊接缝位置，以免较高的磁导率干扰了外加磁场的分布，减小磁场对拉晶稳定性的促进作用。

表5 炉室和炉盖焊接处的磁导率测量结果

参考文献

［1］侯晓宁.单晶炉液位检测研究［D］.西安理工大学，2011.

［2］徐岳生.直拉硅单晶生长的现状与发展［J］.河北工业大学学报，2004，33（2）：52-58.

［3］谢于柳，蒋超.硅单晶炉副室清炉机构设计［J］.机械工程师，2008，（12）：153.

［4］韦世鹤，韦民，董明禹.免固化处理精铸高性能奥氏体不锈钢研究［J］.特种铸造及有色合金，2000（2）：1-3.

［5］王正樵，吴幼林.不锈钢［M］.北京：化学工业出版社，1991.

Research on Magnetic Permeability in Different Positions of the CZ-Silicon Crystal Furnace

WANG Wei,SUN Ming,SHEN Xingchao,ZHOU Jiancan,NI Junfu, Yu anzhou,SHEN Jianguo
（Zhejiang Jingsheng Mechanical & Electrical Co.,Ltd.,Shangyu 312300）

Abstract:The measurement of the crystal furnace's magnetic permeability is useful to the analysis of interference problem of outside magnetic field. According to instrument of magnetic permeability, it is found that the magnetic permeability outside the furnace is bigger than that inside the furnace and the magnetic permeability of furnace cover is bigger than the furnace's. Moreover, welding leads to higher magnetic permeability. The research on the magnetic permeability of CZ-Silicon crystal furnace is helpful to analyze and solve the interference problem of magnetic field while applying to the CZ-Silicon crystal furnace.

Key words:CZ-Silicon crystal furnace, magnetic field, magnetic permeability, welding