CN103952752A

CN103952752A - 单晶炉的磁屏蔽体结构

Info

Publication number: CN103952752A
Application number: CN201410134617.2A
Authority: CN
Inventors: 安涛; 高勇
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xian University of Technology
Priority date: 2014-04-03
Filing date: 2014-04-03
Publication date: 2014-07-30

Abstract

单晶炉的磁屏蔽体结构，包括设置在单晶炉炉体外的勾形磁场装置，勾形磁场装置包括套设在单晶炉炉体外的筒状的磁屏蔽体和设置在磁屏蔽体内的两个螺线管线圈，磁屏蔽体的内侧壁上设有第一导磁环。磁屏蔽体的上下端分别设有环形上盖和环形下盖，环形上盖上设有第二导磁环，环形下盖上设有第三导磁环。本发明在磁屏蔽体内壁及上下盖上设置导磁环，可有效减小磁回路的磁阻，提高了磁通量，降低了磁场功耗。

Description

单晶炉的磁屏蔽体结构

技术领域

本发明属于半导体制造设备技术领域，涉及一种单晶炉的磁屏蔽体结构。

背景技术

随着半导体工业的发展，半导体器件生产对单晶的质量提出了更高的要求，特别是进入超大规模集成电路时代以来，对单晶的氧、碳含量、微缺陷以及杂质的均匀性要求更高。在直拉法生长硅、锗等单晶的过程中，由于热场形成的温度梯度，使融溶体产生的热对流是影响单晶质量的重要因素之一。因此，抑制热对流是提高单晶质量重要途径之一。现有技术通常采用给坩埚内熔体引入磁场的方法来模拟空间微重力环境，减小由温度梯度和重力引起的热对流、以及晶转、埚转引起的强迫对流的影响，改善晶体质量。勾形磁场是人们提出的一种较横向、纵向磁场更能有效抑制熔体对流的新磁场。电流型勾形磁场的功耗一般为几十个乃至上百个千瓦难以广泛应用。磁屏蔽体是磁场结构主要部分，其结构形式及参数对磁场产生效率具有很大影响。对磁屏蔽体的结构形式和结构参数进行研究分析具有重要意义。

现有磁屏蔽体为圆筒形，包括上下环形盖。磁屏蔽体是由DT4E型纯铁材料加工成的。由于DT4E型纯铁材料具有良好的导磁性，故其磁阻远远低于空气的磁阻，因此在两个螺线管线圈外部形成一个高导磁率的磁力线通路，线圈外部的磁力线几乎全部通过此通路从各自N极回到S极。这样虽然降低了磁阻减少了外部磁路的损耗，提高线圈内部磁场强度，而且减少了磁场对外部空间的泄露和对外部设备和人体的影响以及环境的污染，但是，由于螺线管线圈与磁屏蔽体上下环形盖之间存在一定距离，螺线管线圈与磁屏蔽体侧壁中心也存在一段距离，此部分空气的磁阻很大，因此使磁场对外部空间产生泄露，增大了外部磁路的损耗，降低了磁场效率，减小了线圈内部磁场强度，增大了磁场功耗。如今所使用的电流型勾形磁场是一种低电压、大电流、大功耗设备，其功耗一般为几十个乃至几百个千瓦，电压型勾形磁场功耗一般为十几个乃至二十个千瓦。电流型和电压型勾形磁场耗能都很大。

发明内容

本发明的目的是提供一种单晶炉的磁屏蔽体结构，可大幅度降低磁场功耗。

本发明的技术方案是，单晶炉的磁屏蔽体结构，包括设置在单晶炉炉体外的勾形磁场装置，勾形磁场装置包括套设在单晶炉炉体外的磁屏蔽体和设置在磁屏蔽体内的两个螺线管线圈，磁屏蔽体的内侧壁上设有第一导磁环。

本发明的特点还在于：

第一导磁环设置在磁屏蔽体上端与下端的中间位置。

第一导磁环的宽度为80－100mm，厚度为100－120mm。

磁屏蔽体的上下端分别设有环形上盖和环形下盖，环形上盖上设有第二导磁环，环形下盖上设有第三导磁环。

第二导磁环设置在环形上盖的内壁的下沿，第三导磁环设置在环形下盖的内壁的上沿。

第二导磁环、第三导磁环的宽度h为6－10mm，厚度s为60－80mm。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明在磁屏蔽体内壁及上下盖上设置导磁环，可有效减小磁回路的磁阻，提高了磁通量，降低了磁场的功耗。

2、本发明磁屏蔽体结构可用于电流型和电压性勾形磁场装置。经试验，本发明磁屏蔽体结构可使电流型和电压性勾形磁场装置的功耗相对于现有技术降低30-50%。

3、本发明磁屏蔽体结构简单，成本低，易于实现。

附图说明

图1是本发明单晶炉的磁屏蔽体结构示意图；

图2是本发明单晶炉的磁屏蔽体结构的磁屏蔽体剖面视图；

图3是本发明单晶炉的磁屏蔽体结构的单晶炉结构示意图；

图4是本发明单晶炉的磁屏蔽体结构的磁场控制电路工作原理示意图；

图5（a）是本发明单晶炉的磁屏蔽体结构的坩锅内液面处磁力线分布图；

图5（b）是本发明单晶炉的磁屏蔽体结构的坩锅内z方向液体对应的磁场强度B_Z分布示意图；

图5（c）是本发明单晶炉的磁屏蔽体结构的坩锅内r方向液体对应的磁场强度Br分布示意图；

图6是本发明单晶炉的磁屏蔽体结构的径向磁场Br（坩锅侧壁中心处）随电流变化示意图；

图中，1.炉体，2.磁屏蔽体，3.螺线管线圈，4.第一导磁环，5.环形上盖，6.环形下盖，7.第二导磁环，8.第三导磁环，9.坩埚，10.石墨加热盘，11.熔体，12.石墨套，13.晶体。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

单晶炉的磁屏蔽体结构，如图1所示，单晶炉的炉体1外设有勾形磁场装置，勾形磁场装置包括套设在炉体1外的筒状的磁屏蔽体2，磁屏蔽体2与炉体1之间设有两个螺线管线圈3，这两个螺线管线圈3上下设置，磁屏蔽体2的内侧壁上设有第一导磁环4，第一导磁环4设置在磁屏蔽体2的上端与下端的中间位置处，即两个螺线管线圈3之间。参见图2，磁屏蔽体2的上下端分别设有环形上盖5和环形下盖6，环形上盖5上设有第二导磁环7，环形下盖6上设有第三导磁环8。第二导磁环7设置在环形上盖5的内壁的下沿，第三导磁环8设置在环形下盖6的内壁的上沿。

两个螺线管线圈3完全相同。

磁屏蔽体2的侧壁具有水、电连接开口。

如图2所示，h为第二导磁环7、第三导磁环8的宽度，s为第二导磁环7、第三导磁环8的厚度，w为第二导磁环7、第三导磁环8与螺线管线圈3之间的距离，L为第一导磁环4的宽度，H为第一导磁环4的厚度，d为磁屏蔽体2厚度。磁屏蔽体2为壁厚d是25-30mm的圆筒体，第一导磁环的宽度L为80－100mm，厚度H为100－120mm；第二导磁环、第三导磁环的宽度h为6－10mm，厚度s为60－80mm。

如图3所示，单晶炉的炉体1内设有坩埚9，坩埚9内为熔体11和晶体13，坩埚9外设有石墨套12和石墨加热器10；

如图4所示，根据电磁场理论可知，当给上下两个螺线管线圈3分别施加相互独立连续可调的直流电流I₁、I₂时，螺线管线圈3将在线圈内部和外部产生磁场（上面的螺线管线圈上为S极、下为N极；下面的螺线管线圈上为N极、下为S极）。外部磁场的磁力线分别从N极通过高导磁率的磁屏蔽体2壁体回到S极。螺线管线圈3内部磁场是由上下两个线圈产生的磁场B合成而成。它们产生的磁场矢量均可分解为纵向分量Bz和径向分量Br。由于径向分量方向相同，其径向分量为两个径向之和Br=Br₁+Br₃，而轴向分量方向相反，其轴向分量为两个径向之差Bz＝Bza-Bzb。当给两个螺线管线圈3施加以方向相反大小相同（I₁＝I₂）直流电流时，在线圈内部空间形成一个磁力线剖面分布如图5（a）所示的圆柱形磁场，图5（b）为本发明单晶炉的磁屏蔽体结构的坩锅内z方向液体对应的磁场强度B_Z分布示意图；图5（c）为本发明单晶炉的磁屏蔽体结构的坩锅内r方向液体对应的磁场强度Br分布示意图；r表示坩埚半径，z表示坩埚纵向距离，以坩埚中心为原点o。磁场的磁力线分布是以两个螺线管线圈3中心面（以线圈轴线与两个磁场线圈中间面交点为圆心的圆形面）为对称面上下对称，同时又以线圈的中心轴线为圆柱形对称。在磁场的对称面及上下附近区域内，磁场的轴向分量相互抵消Bz≈0，在这个区域内磁力线几乎为水平，以磁场中心圆面的圆心沿半径外发散。Br分量最强部分集中在线圈内壁中心对称面上下附近很窄区域；磁场Bz分量随着远离中心面而增加，在两个螺线管线圈3中间均达到最强，Br分量却在减小。从而在螺线管线圈3内部空间形成一个具有径向和纵向分量的圆柱形非均匀磁场。其磁场分布如图5（a）所示，磁场Bz分量随z方向以及磁场Br分量随r方向变化如图5（b）、图5（c）所示。

本发明在单晶炉的磁屏蔽体中设置导磁环，大大降低了螺线管线圈外部磁路磁阻，消除了磁场对外部空间的泄露，减少了外部磁路的损耗，提高了磁场效率，增大了线圈内部磁场强度，降低了磁场功耗。在晶体生长过程中，可以对各种对流发挥抑制作用，显著提高晶体质量和改善杂质均匀性。

安装时，先将两个完全相同的螺线管线圈以同轴方式分别安装于磁屏蔽体内，然后将环形上盖和环形下盖分别安装于上下端，最后将磁屏蔽体沿轴向套于单晶炉的炉体。

采用本发明单晶炉的磁屏蔽体结构，对6、8吋单晶炉进行改进。在线圈匝数N=96匝、导线面积为11×11mm²，冷却水面积7×7mm²，电流I为350A时，与改进前相比，坩埚壁处横向磁场强度最大值从303.08GS增加到385.01GS，增大了52GS，提高了27.0%。在坩埚侧壁处横向磁场强度均为491.26GS的情况下，与现有结构相比，功耗从40.93KW减小到26.21KW，降低了14.5KW，降低了36.0%，两个螺线管线圈总功耗降低了约30KW。其几乎降低了一个线圈的功耗。这说明，本发明单晶炉的磁屏蔽体结构可减小线圈外部磁阻，减小磁损耗，从而达到了增大磁场强度。在磁场强度一定下可大大降低磁场装置的功耗。

本发明在磁屏蔽体的内壁和上下盖增设导磁环，大大降低了螺线管线圈外部磁路磁阻，最大可能性的增大了坩锅内壁处的最强区域的径向分量B_r，加宽了纯径向分量B_r区域，减小了液面附近区域内的B_Z分量，减少了对毛细对流的阻尼作用，提高了SiO的蒸发，降低了熔体表面的氧浓度，减少了外部磁路的损耗，提高了磁场效率，增大了线圈内部磁场强度，降低了磁场功耗，减少了磁场对外部空间的泄露，避免了对外部设备和人体的影响以及环境的污染。

Claims

1.单晶炉的磁屏蔽体结构，其特征在于：包括设置在单晶炉炉体（1）外的勾形磁场装置，所述勾形磁场装置包括套设在炉体（1）外的磁屏蔽体（2）和设置在磁屏蔽体（2）内的两个螺线管线圈（3），所述磁屏蔽体（2）的内侧壁上设有第一导磁环（4）。

2.如权利要求1所述的单晶炉的磁屏蔽体结构，其特征在于：所述第一导磁环（4）设置在磁屏蔽体（2）上端与下端的中间位置。

3.如权利要求2所述的单晶炉的磁屏蔽体结构，其特征在于：所述第一导磁环（4）的宽度为80－100mm，厚度为100－120mm。

4.如权利要求1-3任一项所述的单晶炉的磁屏蔽体结构，其特征在于：所述磁屏蔽体（2）的上下端分别设有环形上盖（5）和环形下盖（6），所述环形上盖（5）上设有第二导磁环（7），所述环形下盖（6）上设有第三导磁环（8）。

5.如权利要求4所述的单晶炉的磁屏蔽体结构，其特征在于：所述第二导磁环（7）设置在环形上盖（5）的内壁的下沿，所述第三导磁环（8）设置在环形下盖（6）的内壁的上沿。

6.如权利要求5所述的单晶炉的磁屏蔽体结构，其特征在于：所述第二导磁环（7）、第三导磁环（8）的宽度h为6－10mm，厚度s为60－80mm。