一种磁控拉单晶超导磁体线圈及超导磁体装置

摘要

本发明公开了一种磁控拉单晶超导磁体线圈及超导磁体装置，磁控拉单晶超导磁体线圈包括两个圆形线圈，两个圆形线圈均为圆环形结构且均倾斜设置，且两个圆形线圈之间交叉设置。本发明实施例在保留马鞍形线圈磁场利用率高、相同磁场强度需求情况下线圈使用量少等优点的基础上，采用圆形线圈降低马鞍形线圈空间圆弧结构的绕线难度，利于提高生产效率。同时圆形线圈在强大的电磁力作用下受力更为合理，缓解了线圈在运行过程中失超的风险。更为重要的是圆形线圈在相同大小的情况下，可以在空间区域内获得更高的磁场均匀性，便于提高磁控拉单晶生产制备的效率。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体生产设备技术领域，特别涉及一种磁控拉单晶超导磁体线圈及超导磁体装置。

背景技术

高纯单晶硅广泛应用于太阳能电池、集成电路、半导体等行业，是光伏发电、电子信息等高新技术产业的关键材料之一，在保障能源、信息、国家安全方面具重要的战略地位。

根据已有的文献调研可知，截止目前，磁控拉单晶用超导磁体领域，由于单晶硅加工制备的区域性及垄断性，导致目前国外研制单位主要为日本的住友(Sumitomo)，东芝(Toshiba)及日本超导技术公司(Jastec)等企业，同时该领域磁体制备技术几乎完全处于保密、封锁状态。国内单晶硅相关研究虽与日本同时起步，但就目前总体而言，生产技术水平仍然相对较低，国内消耗的大部分集成电路及其硅片仍然依赖进口。但经过多年的积累与发展正迎头赶上，近几年也有相关专利进行了保护申请，如CN103106994A、CN110136915A等。然而，以前的磁体大都存在如下问题，如磁体线圈多4个圆形线圈结构甚至更多，结构复杂、磁场利用率不高。特别是4线圈及以上结构由于线圈与线圈之间磁场有相互抵消的问题，导致磁场利用率较低，因此相同磁场需求下超导线的用量较多成本较高。同时，CN210535437U和CN210429450U均采用了如图1和图2所示的马鞍形线圈结构，该结构包括第一马鞍形线圈1和第二马鞍形线圈2，可以很好的避免以上问题，磁体利用率明显提高，产生相同中心磁场B的情况下，超导线的用量不足传统4线圈的1/2，因此相对传统的磁控拉单晶超导磁体生产成本都大大降低。

然而，对于马鞍形线圈也存在一定的缺点，由于磁控拉单晶的磁体直径约为2m，且线圈为马鞍形空间曲面线圈，因此马鞍形线圈的绕制比较困难，耗时较多，这样导致大规模的生产马鞍形磁控拉单晶磁体生产周期及成本都受限于线圈绕制的影响。同时，马鞍形线圈的空间三轴的磁场从中心向外呈现较大的衰减趋势，对于拉单晶需要选定较为均匀的磁场区域，因此马鞍形线圈可用的均匀磁场区域并不是很大，综上如何在保留马鞍形线圈磁场利用率高的基础上，进一步简化线圈绕制的难度，提高磁场均匀区域，成为降低成本提高效率的关键问题。

发明内容

本发明实施例提供了一种磁控拉单晶超导磁体线圈及超导磁体装置，用以解决现有技术中马鞍形线圈存在绕制难度大和磁场均匀度较差的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种磁控拉单晶超导磁体线圈，包括：

两个圆形线圈，两个圆形线圈均为圆环形结构且均倾斜设置，两个圆形线圈之间交叉设置。

在一种可能的实现方式中，两个圆形线圈中的电流方向相反。

在一种可能的实现方式中，两个圆形线圈包括第一圆形线圈和第二圆形线圈，第一圆形线圈的直径大于第二圆形线圈的直径，第二圆形线圈位于第一圆形线圈内部。

在一种可能的实现方式中，两个圆形线圈包括第一圆形线圈和第二圆形线圈，第一圆形线圈和第二圆形线圈的直径相同，第一圆形线圈和第二圆形线圈通过环扣的方式连接在一起。

另一方面，本发明实施例提供了一种超导磁体装置，包括上述的磁控拉单晶超导磁体线圈。

本发明中的一种磁控拉单晶超导磁体线圈及超导磁体装置，具有以下优点：

在保留马鞍形线圈磁场利用率高、相同磁场强度需求情况下线圈使用量少等优点的基础上，采用圆形线圈结构降低马鞍形线圈空间圆弧结构的绕线难度，利于提高生产效率。同时圆形线圈结构在强大的电磁力作用下受力更为合理，缓解了线圈在运行过程中失超的风险，更为重要的是圆形线圈结构在相同大小的情况下，可以在空间区域内获得更高的磁场均匀性，便于提高磁控拉单晶生产制备的效率。综上，本发明在提高磁控拉单晶磁体的批量生产效率，降低生产成本的同时，获得了更为均匀的空间磁场进而有利于获得品质更高的单晶硅。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中马鞍形线圈的结构示意图；

图2为现有技术中马鞍形线圈的磁场示意图；

图3为本发明实施例提供的圆形线圈和现有技术中马鞍形线圈的立体结构比较示意图；

图4为本发明实施例提供的圆形线圈和现有技术中马鞍形线圈的侧面结构比较示意图；

图5为图4中圆形线圈和马鞍形线圈沿A-A方向的切面示意图；

图6为本发明实施例提供的圆形线圈和现有技术中马鞍形线圈的归一化磁场强度比较示意图。

附图标记说明：1-第一马鞍形线圈，2-第二马鞍形线圈，3-第一圆形线圈，4-第二圆形线圈。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图3-5为本发明实施例提供的一种磁控拉单晶超导磁体线圈的结构示意图。本发明实施例提供了一种磁控拉单晶超导磁体线圈，包括：

两个圆形线圈，两个圆形线圈均为圆环形结构且均倾斜设置，两个圆形线圈之间交叉设置。

示例性地，两个圆形线圈在上下圆弧端近似等效，不但保留了现有的马鞍形线圈相较于传统螺线管线圈制作的磁控拉单晶磁体磁场利用率高、相同磁场强度B用线少、漏磁场低等优势。而且，本发明采用的圆形线圈整体与现有的马鞍形线圈所占空间大小相当，所占的空间大小相对传统的螺线管线圈更小。但是，本发明中采用的圆形线圈和现有的马鞍形线圈在空间磁场分布均匀性上又存在着一定的区别，如图4所示，相同大小的圆形线圈在X、Y、Z轴方向上可以获得更好的磁场均匀性，从而可以提高磁控拉单晶对磁场的利用率。

进一步地，本发明实施例采用的圆形线圈在受力上更为合理，因此在线圈通电励磁时缓解了由于强大电磁力导致的线圈应力、应变大，而引起线圈失超问题，进而使得圆形线圈制作的磁控拉单晶磁体运行更为稳定、可靠。而且，本发明实施例采用的圆形线圈方便安装固定，相关的支撑结构件更方便加工与生产，最终成本更为低廉。

而且，本发明实施例采用圆形线圈空间交叉的形式，相比于同等大小的马鞍形线圈，可以在更大的空间区域内获得较高的磁场均匀性，如图4所示，从而提高了磁控拉单晶磁场的利用率。因为高纯单晶的生长对磁场的均匀性有较高的要求，因此以前在单晶拉制时只能选取均匀的磁场区域进行利用，通过图4可以看出圆形线圈所产生的磁场均匀性更好，从而可利用的空间范围更大，在单晶制备时必然生产效率更高。进一步地，由于本发明实施例采用的圆形线圈可以在更大的区域内获得更好的磁场均匀性，因此也意味着在单晶生产在磁场区域要求一定的情况下，圆形线圈可以做得更小，从而又利用缩减诸如超导线材、支撑结构等的用量，从而进一步缩减生产成本。

图6为本发明实施例采用的圆形线圈和现有的马鞍形线圈的归一化磁场强度对比，从图6也可以看出，本发明实施例采用的圆形线圈在Y方向，即水平方向上的磁场强度比马鞍形线圈的磁场强度更高。

在一种可能的实施例中，两个圆形线圈中的电流方向相反。

示例性地，两个圆形线圈交叉设置后存在两个交叉点，两个圆形线圈在交叉点附近的电流方向相反。正是由于电流方向相反，使两个圆形线圈在交叉点的磁场进行磁场抵消，因此由于马鞍形线圈在该区域没有线圈结构等效，从而采用本发明实施例的圆形线圈获得了与马鞍形线圈相似的水平方向的磁场。

在一种可能的实施例中，两个圆形线圈包括第一圆形线圈3和第二圆形线圈4，第一圆形线圈3的直径大于第二圆形线圈4的直径，第二圆形线圈4位于第一圆形线圈3内部。

示例性地，第一圆形线圈3的内径可以与第二圆形线圈4的外径相等，同时第一圆形线圈3和第二圆形线圈4外部需要设置绝缘层，以确保线圈内部以及外部的绝缘效果。采用不同直径的第一圆形线圈3和第二圆形线圈4，可以使第一圆形线圈3的内侧面和第二圆形线圈4的外侧面接触，且接触的位置即为交叉点。两个交叉点的连线可以均通过第一圆形线圈3和第二圆形线圈4的圆心。

在一种可能的实施例中，两个圆形线圈包括第一圆形线圈3和第二圆形线圈4，第一圆形线圈3和第二圆形线圈4的直径相同，第一圆形线圈3和第二圆形线圈4通过环扣的方式连接在一起。

示例性地，采用相同直径的第一圆形线圈3和第二圆形线圈4，可以使第一圆形线圈3一侧的内侧面和第二圆形线圈4一侧的外侧面接触，而第一圆形线圈3另一侧的外侧面和第二圆形线圈4另一侧的内侧面接触，且接触的位置即为交叉点。两个交叉点的连线可以均通过第一圆形线圈3和第二圆形线圈4的圆心。

本发明实施例还提供了一种超导磁体装置，包括上述的磁控拉单晶超导磁体线圈。

示例性地，除上述磁控拉单晶超导磁体线圈以外，超导磁体装置还包括杜瓦、冷屏等组件，磁控拉单晶超导磁体线圈与其他组件的连接方式、其他组件的结构均为现有技术，本发明实施例不再进行详细描述。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。