区熔硅芯炉中五孔感应加热线圈的分析与优化设计

摘要

单晶硅作为微电子工业的基础材料，在集成电路和功率半导体器件的制造中得到广泛的应用，是当今信息社会的基石。随着电子行业的不断发展，对单晶硅提出了“低成本、高纯度”的要求。近年来出现了一种基于五孔感应加热线圈的区熔硅芯炉既可以满足“高纯度”的要求，也可以满足“低成本”的要求，但其所拉制的五根单晶硅棒尺寸各不相同，且呈椭圆柱状，从而导致利用率低。而硅芯炉中的感应线圈直接决定了所拉制的五根单晶硅棒的质量，因此本文主要研究五孔感应加热线圈，并对其进行优化，使其能够拉制出利用率更高的同尺寸圆柱形硅棒。
　　通过研究五孔感应加热线圈拉制单晶的原理可知，五孔感应加热线圈的磁场直接决定了所拉制单晶硅棒的尺寸和形状。因此，本文从电磁场的基本理论出发，建立了五孔线圈的电磁场模型，计算并推导出该线圈所产生磁感应强度的表达式，分析了磁导率、电阻率、槽路长度等因素对磁场分布和大小的影响。最后根据焦耳定律以及热对流和热辐射原理对硅芯炉内温度场进行了数值分析，并推导出硅芯炉内温度场数学模型的表达式。
　　本文采用ANSYS仿真软件对硅芯炉进行建模、加载和求解，对比分析了不同槽路长度时，五孔线圈和多晶硅母料表面的涡流场、磁场和温度场的大小和分布，仿真结果表明：d=29mm的五孔线圈既可以增加磁场的均匀度，又能够保证加热的均匀性。最后搭建了串联谐振感应加热电源平台进行实验验证，考虑实验室现有条件无法直接测量磁场的大小，本文设计了两种感应线圈，通过测量五孔线圈的五个孔上方感生电动势的大小，从而间接计算出五个孔处的磁场大小，实验结果证明了理论分析和仿真结果的正确性。

目录

声明

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.3 感应加热原理与特点

1.4 课题来源及主要研究内容

2 五孔线圈的数值分析

2.1 五孔线圈拉制单晶低质量的原因分析

2.2 电磁场基本理论

2.3 五孔线圈电磁场模型的建立

2.4 五孔线圈磁场分析

2.5 槽路长度对磁场的影响

2.6 温度场的数值分析

2.7 本章小结

3.1 有限元介绍

3.2 基于ANSYS的硅芯炉仿真实现流程

3.3 电磁场仿真结果的对比分析

3.4 温度场仿真结果的对比分析

3.5 本章小结

4 感应加热电源的设计

4.1 感应加热电源总体结构

4.2 主电路参数设计

4.3 本章小结

5 实验结果与分析

5.1 感应线圈的设计

5.2 电路输出波形

5.3 传统线圈感生电动势波形分析

5.4 改进线圈感生电动势波形分析

5.5 本章小结

6 全文总结与展望

致谢

参考文献

在校期间所发表论文