單晶爐爐室不同位置的磁導(dǎo)率的研究

王　巍　孫　明　沈興潮　周建燦　倪軍夫　俞安洲　沈建國

（浙江晶盛機(jī)電股份有限公司，上虞312300）

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單晶爐爐室不同位置的磁導(dǎo)率的研究

王巍孫明沈興潮周建燦倪軍夫俞安洲沈建國

（浙江晶盛機(jī)電股份有限公司，上虞312300）

摘要：本文通過導(dǎo)磁率測量儀，測得不銹鋼爐室內(nèi)外壁和爐蓋內(nèi)外壁的磁導(dǎo)率，發(fā)現(xiàn)爐蓋磁導(dǎo)率比爐體要高，外壁磁導(dǎo)率比內(nèi)壁要高，并且在焊接處的磁導(dǎo)率要遠(yuǎn)高于未焊接處的磁導(dǎo)率。通過對爐體各處磁導(dǎo)率的測量，可以得到爐體對磁場分布的影響，為外加磁場的設(shè)計研究提供保證。

關(guān)鍵詞：單晶爐磁場磁導(dǎo)率焊接

引言

單晶硅（Silicon）也稱硅單晶，是電子信息材料和光伏行業(yè)中的最基礎(chǔ)性材料，屬于半導(dǎo)體材料類。硅單晶已經(jīng)滲透到國民經(jīng)濟(jì)與國防科技中各個領(lǐng)域，現(xiàn)當(dāng)今全球超過2000億美元的電子通信半導(dǎo)體市場中大約95%以上的半導(dǎo)體器件及99%以上的集成電路用硅［1］。當(dāng)代直拉單晶硅正在向著高純度、高完整性、高均勻性（三高）和大直徑（一大）發(fā)展［2］。

單晶硅是電子信息材料和光伏行業(yè)中的最基礎(chǔ)性材料，而直拉法單晶爐是生產(chǎn)硅單晶的關(guān)鍵技術(shù)裝備。單晶爐是一種電阻加熱式半導(dǎo)體材料冶煉爐，是在惰性氣體保護(hù)下，采用石墨電阻加熱的方法，將多品硅熔化，用軟軸直接法生長無位錯單晶硅的專用設(shè)備［3］，整個過程都是在單晶爐爐室中進(jìn)行的。單晶爐包括機(jī)架、坩堝驅(qū)動裝置、主爐室、隔離閥、副爐室、籽晶提升機(jī)構(gòu)、液壓驅(qū)動裝置、真空系統(tǒng)、氬氣系統(tǒng)及水冷系統(tǒng)等組成。單晶爐通過使用磁場控制氧的濃度來改善硅單晶質(zhì)量，處于磁場內(nèi)的爐體的磁導(dǎo)率情況會對整個磁場分布有一定影響，從而影響到了整個晶棒質(zhì)量。單晶爐爐室采用304L不銹鋼材料，奧氏體不銹鋼在常溫下一般具有單一的奧氏體組織，是非磁性的。但在鑄造狀態(tài)下，由于成分偏析及合金含量不同，在奧氏體基體上還會產(chǎn)生其他相，如奧氏體（γ相）的同素異位體（鐵素體）等。由于鐵素體和奧氏體基體之間的化學(xué)成分、力學(xué)性能以及熱穩(wěn)定性等方面的差異，在某些場合下鐵素體的出現(xiàn)會對奧氏體不銹鋼的性能帶來不利影響［4, 5］。因此，單晶爐爐室上的磁導(dǎo)率也會發(fā)生相應(yīng)的變化，測試爐室磁導(dǎo)率有助于分析爐室對外加磁場分布的干擾問題。

在實(shí)驗研究中，通過導(dǎo)磁率測量儀，分別測量爐室內(nèi)外以及爐蓋內(nèi)外壁的磁導(dǎo)率，得到其變化規(guī)律。此外，焊接會導(dǎo)致不銹鋼晶相組織的變化，因此實(shí)驗過程中還測量了爐室和爐蓋在焊接處的磁導(dǎo)率，與未經(jīng)過焊接處進(jìn)行對比，得到焊接對單晶爐爐室磁導(dǎo)率的影響結(jié)果。通過磁導(dǎo)率的測量，為分析爐體本身對外加磁場的干擾問題提供了進(jìn)一步的幫助，通過控制爐體材料及焊接情況，減小外加磁場的干擾。

1 實(shí)驗測量方法

在實(shí)驗過程中，采用導(dǎo)磁率測量儀，主要包括探頭及檢測器，其中探頭上附有自帶的調(diào)節(jié)器，如圖1所示。測量步驟如下：1、連接電源線和數(shù)據(jù)線，打開開關(guān)，預(yù)熱20分鐘；2、打開測量探頭外殼，利用探頭上自帶調(diào)節(jié)器調(diào)零，使儀器指示在±0.01之間，最好直接顯示為0；3、將探頭垂直于標(biāo)準(zhǔn)樣塊中間位置，若顯示值為1+0.200，則為標(biāo)準(zhǔn)值不要再細(xì)調(diào)，若顯示不是標(biāo)準(zhǔn)值1+0.200，則需用附帶起子進(jìn)行細(xì)調(diào)零，直至顯示標(biāo)準(zhǔn)值1+0.200；4、調(diào)零結(jié)束后，對需檢測的零件部位用測量探頭垂直接觸，記錄測量數(shù)據(jù)μ=1+顯示數(shù)據(jù)。

圖1 實(shí)驗所采用的磁率測量儀

在實(shí)驗研究過程中，測試的單晶爐爐室及爐蓋材料為304L的不銹鋼材料，在爐室法蘭以下250mm處的內(nèi)外兩側(cè)和爐蓋法蘭以上250mm處內(nèi)外兩側(cè)的8個均布點(diǎn)分別作了測試，每次測試4次，來獲取穩(wěn)定結(jié)果，測量爐室外壁的磁導(dǎo)率如圖2所示。

圖2 測量爐室外壁磁導(dǎo)率

2 實(shí)驗結(jié)果及分析

當(dāng)測量爐室外壁時，在上法蘭以下250mm處環(huán)向8個位置進(jìn)行測量，如圖3所示。每個位置測試4次，得到測量結(jié)果如表1所示?？梢园l(fā)現(xiàn)在G處測得的磁導(dǎo)率要比其他幾處測得的結(jié)果要高，接近1.090，其余基本保持在1.020以內(nèi)。

圖3 爐室外壁磁導(dǎo)率測量位置示意圖

表1 爐室外壁磁導(dǎo)率的測量結(jié)果

當(dāng)測量爐室內(nèi)壁時，在上法蘭以下250mm處環(huán)向8個位置進(jìn)行測量，如圖4所示。每個位置測試4次，得到測量結(jié)果如表2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)在F和H處測得的磁導(dǎo)率要比其他幾處測得的結(jié)果要高，接近1.022，其余基本保持在1.010左右，比爐室外壁要低。

圖4 爐室內(nèi)壁磁導(dǎo)率測量位置示意圖

表2 爐室內(nèi)壁磁導(dǎo)率的測量結(jié)果

當(dāng)測量爐蓋外壁時，在上法蘭以上130mm處環(huán)向8個位置進(jìn)行測量，如圖5所示。每個位置測試4次，得到測量結(jié)果如表3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)在F處得到的磁導(dǎo)率比其余幾處要高，超過1.55，其余都在1.2以內(nèi)。

圖5 爐蓋外壁磁導(dǎo)率測量位置示意圖

表3 爐蓋外壁磁導(dǎo)率的測量結(jié)果

當(dāng)測量爐蓋內(nèi)壁時，在上法蘭以上130mm處環(huán)向8個位置進(jìn)行測量，如圖6所示。每個位置測試4次，得到測量結(jié)果如表4所示?？梢园l(fā)現(xiàn)在8處得到的磁導(dǎo)率在1.03和1.05之間浮動。

圖6 爐蓋內(nèi)壁磁導(dǎo)率測量位置示意圖

表4 爐蓋內(nèi)壁磁導(dǎo)率的測量結(jié)果

為了對比爐室內(nèi)外、爐蓋內(nèi)外的結(jié)果，8處地方取平均值，可以得到結(jié)果如表5所示。通過對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，爐室內(nèi)的磁導(dǎo)率最低，爐蓋外的磁導(dǎo)率最高，并且外表面的磁導(dǎo)率要比內(nèi)表面的高，爐蓋的磁導(dǎo)率比爐體的要高，這有可能與其測量的表面及材料變化有一定關(guān)系。

表5 爐室內(nèi)外、爐蓋內(nèi)外的結(jié)果對比

為了測量爐室和爐蓋焊接處的磁導(dǎo)率，主爐室焊接接縫處取4處，爐筒焊接接縫處取4處，如圖7所示。由于C、D兩處焊接處空間較小，不易測得磁導(dǎo)率，因此只在A、B、E、F、G、H六處測量磁導(dǎo)率，每個位置測試4次，得到測量結(jié)果如表5所示。焊接處的磁導(dǎo)率普遍較高，在1.2到1.7之間，可見焊接處的磁性相對而言較強(qiáng)，與采用的308焊絲焊接的磁導(dǎo)率差不多。這是由于奧氏體不銹鋼經(jīng)過焊接后，其焊縫組織為奧氏體+鐵素體雙相組織，當(dāng)焊縫中鐵素體組織含量增加時，其磁性將隨之提高。

圖7 爐室和爐蓋焊接處的磁導(dǎo)率位置示意圖

3 結(jié)論

通過對有單晶爐爐室和爐蓋磁導(dǎo)率檢測，發(fā)現(xiàn)爐室和爐蓋的材料較穩(wěn)定，磁導(dǎo)率基本在1.01左右，最高也在1.2以內(nèi)，比較接近無磁性。通過對其焊接接縫處磁導(dǎo)率檢測，發(fā)現(xiàn)其焊縫處磁導(dǎo)率并不穩(wěn)定，最高達(dá)到1.63，與焊接使用的308焊絲焊接接縫處的磁導(dǎo)率相當(dāng)，這是由于焊接高溫導(dǎo)致不銹鋼晶相組織發(fā)生變化，導(dǎo)致爐室局部磁導(dǎo)率升高。通過磁導(dǎo)率測量結(jié)果的對比，發(fā)現(xiàn)單晶爐外加磁場的安裝需要盡量避開焊接縫位置，以免較高的磁導(dǎo)率干擾了外加磁場的分布，減小磁場對拉晶穩(wěn)定性的促進(jìn)作用。

表5 爐室和爐蓋焊接處的磁導(dǎo)率測量結(jié)果

參考文獻(xiàn)

［1］侯曉寧.單晶爐液位檢測研究［D］.西安理工大學(xué)，2011.

［2］徐岳生.直拉硅單晶生長的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2004，33（2）：52-58.

［3］謝于柳，蔣超.硅單晶爐副室清爐機(jī)構(gòu)設(shè)計［J］.機(jī)械工程師，2008，（12）：153.

［4］韋世鶴，韋民，董明禹.免固化處理精鑄高性能奧氏體不銹鋼研究［J］.特種鑄造及有色合金，2000（2）：1-3.

［5］王正樵，吳幼林.不銹鋼［M］.北京：化學(xué)工業(yè)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