±2mm 单晶线圈 (以下简称“原线圈”)的发展。
其形状为普通平板 “鸭嘴”形。剖面如图 4 所
示。线圈上侧面水平, 下侧面具有一定锥度。线
圈尺寸在原线圈基础上除外径

加大, 其余

(

) 均保持不变, 下侧面锥度 (

Α) 相应

比原线圈有所减小。

图

　平板 “鸭嘴线圈”剖面示意图

该工艺热场主要特点: ①无附加热场; ②

线圈形状简单, 加工容易; ③功率消耗低, 可
在一定程度弥补一些国产炉功率输出的不足;
④线圈形状对称, 成晶全过程不用旋转原料, 特
别适合一些国产设备因上、下轴同心度偏差较

大而不能旋转原料成晶; ⑤成晶速度快 (其他
热场条件下一般 2

15～ 3mm gÙ

m in, 本工艺最高

可达 3

18mm gÙ

m in) ; ⑥工艺稳定, 但产品有时会

有旋涡缺陷。

线圈尺寸的合理是该工艺热场意外成功的

关键, 虽然最初确定尺寸时并未作充分的分析。

该工艺功率消耗低、成晶速度快 (热场熔

透原料能力强) , 均因保持了较小的

。

根据电磁学理论: ①由于“环形效应”, 高频电
流主要集中于刃口部分。内径

较小、刃口厚

度

较小 (高频电流因“尖角效应”在刃口部位

更集中) , 均使中央磁场更强, 同时

较小还

使刃口与熔区藕合距离缩短, 藕合增强。这些
都使原料熔透更容易; ②

较小, 线圈自感阻

抗较小, 同时因磁力线穿过硅材料的总体积较
小, 线圈与硅材料之间的互感 (可将硅中涡流
看作由许多回路组成) 等效阻抗也较小。同样,

较小, 因磁力线形状更扁平, 磁力线穿过硅材

料的体积也较小。这些都使线圈阻抗减小, 功
率消耗降低。

当然, 不能因此认为

的选择越小

越好。若

过小, 线圈总阻抗将大幅降低, 回

路自身发热损耗比例随之增大 (热损耗由冷却
水带走)。其结果, 高频热效率降低, 原料极易
产生 “硅刺”

; 另外, 线圈中心热场过分集中,

而外缘热场更弱, 会使界面更凹向熔体。

若

过小, 由于高频电流过分集中, 刃口将

因冷却困难而发红, 线圈极易打火。这已得到
试验证实。

至于

(

Α) , 根据前面对界面热传递的分

析, 为使界面尽可能平坦, 随单晶生长直径增
大, 线圈下侧面锥度应相应增大, 以使界面外
缘部分热场适当增强。若

过小, 界面过分凹

向熔体。不仅本身不利单晶生长, 而且可能因
此产生 “毛刺”直接造成晶变

[ 2 ]

。试验表明当

≤4mm 时, 单晶均因产生“毛刺”而无一能生

长到头。

线圈外径

的确定最初是依据以往经验

—— 外径只要大于单晶生长直径 20mm 左右

即可满足单晶正常生长——很多资料也持相同
观点。从试用结果看, 最初选择的尺寸基本满
足稳定生产要求, 但偶而会产生“毛刺”(为此,
我们曾增大

, 但功率损耗明显增加, 所试设备

由于没有足够功率输出而无法正常生产)。

我认为, 这种线圈后来最成功的改进是外

径

的不断增大。一开始, 我们试着将

增

大 2mm , 功率消耗并未增加, 结果, 不仅有效
消除了“毛刺”

, 并使单晶直径最大增至 85mm。

此后, 在生产中实际采用的外径逐渐加大, 最
后经常采用的较最初增大 8mm , 工艺参数也未
有明显变化。这表明: 线圈外径增大对功率损
耗并无明显影响, 而且能有效弥补下侧面锥度
较小的不足。这可由电磁学理论解释: 高频电
流主要集中于刃口, 若

保持不变, 增

大

对线圈自感阻抗及磁场磁力线形状影响

并不大 (即互感等效阻抗影响不大) , 对原料熔
透也无影响, 故而功率消耗不会有明显变化。同
样,

增大也受炉体结构和刃口部分的冷却等

限制。

该工艺热场从以下几方面弥补了线圈

较

小对界面的不利影响: ①成晶过程不旋转原料、

半导体技术

1999

年

月第

卷第

期