CN1153857C - 外加磁场的丘克拉斯基晶体生长系统 - Google Patents

Abstract

一种外加磁场的丘克拉斯基晶体生长系统，具有至少一个容纳熔融的半导体材料的生长炉，在预定方向从熔融的半导体材料提拉晶体的提拉装置，和产生向熔融的半导体材料施加的磁场的磁场发生器。磁场发生器具有多个磁体单元，和把各磁体单元耦合在一起的耦合机构，以使生长炉位于所述磁体单元之间。

Description

外加磁场的丘克拉斯基晶体生长系统

技术领域

本发明涉及丘克拉斯基晶体生长系统，这是制造半导体晶片等所用的晶锭制造系统之一。特别是涉及外加磁场的丘克拉斯基晶体生长系统，其中向熔融的半导体材料施加磁场。

背景技术

外加磁场的丘克拉斯基晶体生长系统(以下称为“MCZ”系统)是一种晶体生长系统。在MCZ系统中，向熔融的半导体材料施加磁场，由此控制熔融的半导体材料中的热对流。从而MCZ系统可以制造具有大直径的高质晶锭。

另外，在日本专利公报特公平3-61630号(同族专利：美国4565671，英国2144338)披露了有关的丘克拉斯基晶体生长系统。

图1展示了传统的MCZ系统。此MCZ系统包括磁场发生器60和生长炉80。半导体材料在生长炉80中熔化，以便可以从熔融的半导体材料向上提拉晶体。磁场发生器60产生磁场。向生长炉80内的熔融的半导体材料施加磁场。生长炉80包括炉体1，坩埚2，加热器3，坩埚支撑机构50，和升降机51。坩埚2设置于炉体1，容纳半导体材料。加热器3对坩埚2内的材料加热，熔化该材料。机构50支撑坩埚2。升降机51设计成从坩埚2内的熔融的半导体材料6提拉晶体。机构50和升降机51相互相对旋转，从而使晶体和坩埚2相互相对旋转。磁场发生器60安装在支架61上，围绕炉体1。发生器60包含具有内置超导线圈4的低温恒温器5。

以下说明如何在图1所示MCZ系统制造晶锭。

首先，在坩埚2引入半导体材料6。用加热器3加热熔化材料6。在坩埚2中的熔融材料6插入籽晶。升降机51以预定速度缓慢地提拉籽晶。随着籽晶被提拉，在材料的固-液相面缓慢地生长晶体。结果，获得大块晶体9。

当加热器3加热材料6时，在熔融材料6中发生热对流。尽管如此，材料6不会在坩埚2中移动，这是因为内置于低温恒温体5的超导线圈4产生并向熔融材料6施加磁通量7。随着利用升降机51在坩埚2的轴向10从坩埚2的提拉，晶体9容易地生长。

磁场发生器60(即超导磁体)可以是图2所示的60-1型或者图3所示的60-2型。

图2所示的磁场发生器(超导磁体)60-1具有U形低温恒温体5a。两个超导线圈4a和4b内置于低温恒温体5a，相互对置。磁场发生器60-1具有电流引线11、小型氦致冷器12、排气管13、和供给口(未示出)。电流引线11向两个超导线圈4a和4b提供电流。氦致冷器12冷却设置在低温恒温器5a的辐射屏(未示出)。排气管13从低温恒温器5a释放氦气。设置供给口用于补充致冷器12中的氦气。

图3所示的磁场发生器(超导磁体)60-2具有中空圆筒形低温恒温器5b。两个超导线圈4a和4b内置于低温恒温器5b内，如同图2所示发生器60-1。与磁场发生器60-1一样，磁场发生器60-2具有电流引线11、小型氦致冷器12、排气管13、和供给口(未示出)。

两种磁场发生器60-1和60-2在水平方向产生并施加磁场。换言之，与坩埚2的轴向10垂直地施加磁场。

以下参考图4更具体地说明发生器60-1(图2)或发生器60-2(图3)这两种磁场发生器60。

图4是磁场发生器60的剖面示意图，展示了包含两个超导线圈4a和4b的低温恒温器5。如图4所示，超导线圈4a和4b串联连接。线圈4a的自由端和线圈4b的自由端连接于电流引线11。当经过引线11提供相同电流时，线圈4a和4b产生强度相同并在相同方向延伸的磁场。持续电流开关(PCS)20与超导线圈4a和4b并联，因而也与电流引线11并联。即使开关20断开后，经过引线11的电流供给停止，也能在两个超导线圈4a和4b中保持永久的电流流动。因此线圈4a和4b保持磁场的产生。

超导线圈4a和4b和持续电流开关20浸入致冷剂容器16所容纳的致冷剂中。容器16密封于第一辐射屏17中，接着第一辐射屏17密封于第二辐射屏18中。辐射屏17和18保持在不同温度。两个辐射屏17和18置于真空容器19中，其内部是绝热的。氦致冷器12冷却辐射屏17和18，减少进入致冷剂容器16的辐射热量。

超导线圈4a和4b是氦姆霍兹线圈，产生如图2和3所示磁通量7。磁通量7形成在水平方向延伸的磁场，并相对于坩埚2的轴向10对称(图1)。

以下将参考图5说明另一种传统的MCZ系统。图5中与图1和2所示MCZ系统类似或相同的部件用相同的参考标号代表，将不再具体说明。

如图5所示，磁场发生器60-1具有包括两个超导线圈4c和4d的低温恒温器5，如图1和2所示的MCZ系统。线圈4c和4d设置成共轴，其公共轴沿向上提拉晶体的方向8延伸。线圈4c和4d产生的磁通量7也在方向8延伸。超导线圈4c和4d是会切(Cusp)线圈，产生在相反方向延伸的会切磁场。具有两个会切线圈的磁场发生器60-1起会切(Cusp)磁体作用。

可以用氦姆霍兹线圈代替线圈4c和4d，产生在相同方向延伸的磁场。如果这样，发生器60-1将起氦姆霍兹磁体作用。通常，氦姆霍兹线圈用于产生水平磁场的磁场发生器，而会切(Cusp)线圈用于产生垂直磁场的磁场发生器。

如上所述的两种磁场发生器存在以下缺点。

1.炉体1的尺寸取决于被提拉晶体的尺寸。设置炉体1的膛空间15(图2)很难改变，这是因为真空容器19容纳了磁场发生器60的其它所有部件。因此，使用较大或较小的炉体时，必须制造新的磁场发生器，使其膛空间的尺寸适合于保持新的磁场发生器。

2.为了把是氦姆霍兹磁体的磁场发生器60改变为会切(Cusp)磁体，串联连接的线圈4a和4b必须断开，然后以不同的方式连接。另外，4a和4b必须连接附加的线圈或附加的超导线圈。在这两种情况下，难以把氦姆霍兹磁体改变为会切磁体。同样难以把是会切磁体的图5所示磁场发生器60-1改变为氦姆霍兹磁体。

3.图1所示磁场发生器，通过改变流经线圈4a或4b、或者两者的电流，不可能调节磁场中心。因此产生水平磁场的发生器，必须以高精度相对于升降机51定位，以便磁场相对于坩埚2的轴向10对称。

图5的磁场发生器，当熔融材料6表面降低而升降机51向上提拉晶体9时，不能向下移动磁场中心。靠近熔融材料6表面的磁场不能制造质量均匀的晶锭。

4.设计成产生水平磁场的发生器不能改为产生垂直磁场的发生器。具有例如中空圆筒形低温恒温器5b的发生器60-2(图3)，不仅需要具有线圈4a和4b，而且需要具有产生垂直磁场的更多线圈，以便用于产生垂直磁场。发生器60-2将变大并更加昂贵。

5.两个如图2所示U形低温恒温器5可以相对边地布置，两个炉体1可以相隔间距22，如图6所示。如果在这种情况，即使低温恒温器5之间的距离23降低为零，低温恒温器5占用的空间24也不能减少多少。

发明内容

本发明的目的在于提供具有磁场发生器的MCZ系统，易于改变发生器的膛尺寸，可以用做氦拇霍兹磁体和会切磁体，产生水平磁场和垂直磁场，能容易地移动两种磁场的中心，可在小空间安装。

根据本发明，提供外加磁场的丘克拉斯基晶体生长系统，包括，至少一个容纳熔融的半导体材料的生长炉，在预定方向从熔融的半导体材料提拉晶体的提拉装置，和产生向熔融的半导体材料施加的磁场的磁场发生器，其特征在于，磁场发生器包括多个磁体单元，和把各磁体单元耦合在一起的耦合机构，以使至少一个生长炉位于磁体单元之间。

仅通过用长度不同的另一个耦合机构替换耦合机构，或者调节耦合机构的长度，即可改变任何相邻磁体单元之间的膛空间。于是，不需要制造具有尺寸不同的膛空间的许多磁场发生器，来适应尺寸不同的生长炉。

而且，磁体单元不需要相对于生长炉精确地定位，因为可以容易地改变磁场的中心和分布。

此外，由于可以根据熔融的半导体材料的表面高度的变化，调节向熔融材料施加的磁场强度，所以该系统可以制备高质量的晶锭。

本发明的其它目的和优点将在以下说明中给出，部分将可在以下说明中明显看出，或者通过本发明的实施得以了解。通过权利要求书所特别指出的手段和组合，可以实现和获得本发明的目的和优点。

与说明书结合并作为其组成部分的附图，展示了本发明的优选实施例，与上述发明概述一起，以及以下的优选实施例的具体说明，用于解释本发明的原理。

附图说明

图1是传统的MCZ系统的垂直剖面图。

图2是内置于图1的MCZ系统的磁场发生器的透视图。

图3是内置于图1的MCZ系统的另一种磁场发生器的透视图。

图4是图2和3所示磁场发生器之一的剖面示意图。

图5是另一种传统的MCZ系统的垂直剖面图。

图6是说明内置于传统MCZ系统的磁场发生器的缺点的示意图。

图7是根据本发明第一实施例的MCZ系统的剖面图。

图8是内置于图7所示MCZ系统的磁场发生器的透视图。

图9是图7所示MCZ系统所用的一种耦合机构的示意图。

图10是图7所示MCZ系统所用的另一种耦合机构的示意图。

图11是根据本发明第二实施例的MCZ系统的剖面图。

图12是内置于图11所示MCZ系统的磁场发生器的透视图。

图13是内置于本发明第三实施例的MCZ系统的两个相同磁体单元之一的剖面图。

图14是内置于本发明第四实施例的MCZ系统的磁体单元的透视图。

具体实施方式

以下参考图7和8说明根据本发明第一实施例的MCZ系统。

如图7所示，MCZ系统包括生长炉80和两个磁体单元70A和70B。在生长炉80中熔化半导体材料6，以便从熔融的半导体材料向上提拉晶体。磁体单元70A和70B用做磁场发生器，产生磁场施加于生长炉80中的熔融材料6。

生长炉80与传统的MCZ系统所用的相同。包括：炉体1、设置在炉体1中的坩埚2、用于对坩埚2中的材料6加热的加热器3、支撑坩埚2的坩埚支撑机构50、和从熔融材料6提拉晶体的升降机51。机构50和升降机51相对旋转，从而使晶体和坩埚2相对旋转。磁体单元70A和70B安装在支撑61上。

该MCZ系统的特征在于磁体单元70A和70B。磁体单元70A和70B通过耦合机构90耦合在一起。生长炉80位于第一磁体单元70A和第二磁体单元70B之间。

以下说明如何在图7所示MCZ系统中制造晶锭。

首先，在坩埚2引入半导体材料6。用加热器3加热熔化材料6。在坩埚2中的熔融材料6中插入籽晶。升降机51以预定速度缓慢地提拉籽晶。随着籽晶被提拉，在材料的固-液相面缓慢地生长晶体。结果，获得大块晶体9。

当加热器3向材料6加热时，在熔融材料6中发生热对流。尽管如此，材料6不会在坩埚2中移动，这是因为磁体单元70A和70B产生并向熔融材料6施加磁通量。随着利用升降机51在坩埚2轴向10从坩埚2的提拉，晶体9容易地生长。

以下具体说明磁体单元70A和70B。

如图8所示，第一磁体单元70A具有低温恒温器25a，第二磁体单元70B具有低温恒温器25b。低温恒温器25a和25b结构相同。超导线圈26a和26b分别设置在低温恒温器25a和25b中。耦合机构90耦合低温恒温器25a和25b，以便调节低温恒温器25a和25b之间的距离。

耦合机构既可以是图9所示类型，也可是图10所示类型。图9所示机构是长度固定式的。图10所示机构是长度可变式的。

图9所示长度固定式耦合机构包括四个支撑杆27。两个凸缘91通过机械方式或者冶金方式例如焊接，分别连接于每个支撑杆27的端部。第一凸缘91通过螺栓92固定于第一低温恒温器25a。同样，第二凸缘91通过螺栓92固定于第二低温恒温器25b。

图10所示长度可变式耦合机构包括具有螺套的四个长度可变支撑杆93。每个支撑杆93由两个杆93a和93b和环状耦合部件93c组成。第一杆93a在一端部具有右旋螺纹94。第二杆93b在一端部具有左旋螺纹95。耦合部件93c在其端部分别具有两个螺纹孔。杆93a和93b上的螺纹94和95分别旋入耦合部件93c的螺纹孔。杆93a和93b通过冶金方式例如焊接或者机械方式，采用图9所示的凸缘分别固定于低温恒温器25a和25b。

长度固定式耦合机构(图9)的支撑杆27可用较长或较短的杆替换。低温恒温器25a和25b之间的膛空间则可改变为所需尺寸。长度可变式耦合机构(图10)的支撑杆93，仅通过调节环状耦合部件93即可伸长或缩短。结果，低温恒温器25a和25b之间的膛空间则可改变为所需尺寸。

从图8可见，电流引线28a和28b分别连接于低温恒温器25a和25b。第一低温恒温器25a包含小型氦致冷器29a并具有供给口30a。同样，第二低温恒温器25b包含小型氦致冷器29b并具有供给口30b。第一致冷器29a冷却设置在第一低温恒温器25a上的辐射屏(未示出)。经过供给口30a，液氦供给第一低温恒温器25a，并排放出氦气。第二致冷器29b冷却设置在第二低温恒温器25b上的辐射屏(未示出)。经过供给口30b，液氦供给第二低温恒温器25b，并排放出氦气。

如图7所示，低温恒温器25a和25b相对地设置于两边，由相同长度的支撑杆27相互隔开。因此，在低温恒温器25a和25b之间提供空间。如图7所示，生长炉80位于此空间。

在图7和8所示MCZ系统中，可能必须把生长炉80置换为较大的或者较小的。如果这样，则把耦合机构90的支撑杆27置换为较长的或者较短的，从而增大或者减小低温恒温器之间的空间。较大或较小的生长炉可以安装在尺寸可变的空间。

内置于低温恒温器25a和25b的超导线圈26a和26b分别连接于电流引线28a和28b。于是，供给线圈26a和26b的电流，可以由外部电源单元容易地从标准值增大或降低。在此情况下，线圈26a和26b产生的磁场中心移至左侧，或者移向提供较小电流的线圈26b。

此外，通过转换与线圈连接的两电流引线(引线28a或28b)的极性，可以改变由一个线圈(线圈26a或线圈26b)产生的磁场方向。因此，磁体单元70A和70B的组合可以用做氦姆霍兹磁体和会切磁体，可以容易地实现从氦姆霍兹磁体向会切磁体的转换，反之亦然。

以下参考图11和12说明根据本发明第二实施例的MCZ系统。图11和12中与图7和8所示MCZ系统的类似或相同的部件，用相同的参考标号表示，并将省略具体说明。

第二实施例仅在两方面与第一实施例不同。首先，两个磁体单元70A’和70B’共轴地一个位于另一个之上，并与向上提拉晶体9的坩埚2的轴向对齐。第二，磁体单元70A’和70B’通过耦合机构90、更确切地讲通过支撑杆27隔开并耦合在一起。除了磁体单元70A’和70B’和耦合机构90之外，其余部件的位置与第一实施例(图7)相同。

如图11和12所见，第一磁体单元70A’的低温恒温器25a具有通孔32a，第二磁体单元70B’的低温恒温器25b具有通孔32b。通孔32a和32b相互共轴并垂直延伸。炉体1直立延伸穿过低温恒温器25a和25b的孔32a和32b。分别设置在低温恒温器25a和25b的超导线圈26a和26b，产生磁场在向上提拉晶体9的箭头方向8延伸。

与第一实施例的磁体单元70A和70B相同，磁体单元70A’和70B’的组合可用做氦姆霍兹磁体和会切磁体。磁场中心无论是否位于坩埚2中的熔融材料6的表面33均影响晶体9的生长。尽管如此，仍可仅通过向超导线圈26a和26b施加不同电流来使磁场中心移动跟随表面33。

以下参考附图13说明根据本发明的第三实施例的MCZ系统。

第三实施例与第一实施例(图7和8)相同，只是不设置提供液氦或者排放氦气的供给孔。第三实施例具有两个磁体单元70A”和70B”，其中超导线圈26a和26b由小型氦致冷器29a和29b冷却，从而保持在超导状态。第三实施例无致冷剂容器。超导线圈26a和26b分别设置在低温恒温器25a”和25b”。

磁体单元70A”和70B”结构相同，以下仅参考图13说明第一磁体单元70A”。如图13所示，由设置在低温恒温器25b”的真空容器19中的辐射屏17密封线圈26a。电流引线28a安装在低温恒温器25b”。通过引线28a向超导线圈26a提供电流。氦致冷器29a具有两级冷却29a1和29a2。第一冷却级29a1冷却超导线圈26a，而第二冷却级29a2冷却辐射屏17。

两个磁体单元70A”和70B”是直接冷却的超导磁体。亦即，单元70A”由致冷器29a直接冷却，单元7013”由致冷器29b直接冷却。如此冷却，无需向低温恒温器25”或低温恒温器25b”引入致冷剂如液氦，即可使磁体单元70A”和70B”保持超导状态。由于补充致冷器中的致冷剂和从其中排放用过的致冷剂的成本，可以降低第三实施例的运行成本。

以下参考图14说明根据本发明第四实施例的MCZ系统。

如图14所示，此MCZ系统具有三个磁体单元70A、70B和70C。磁体单元70A、70B和70C分别具有低温恒温器25a、25b和25c。低温恒温器25a、25b和25c相对设置，并由八个支撑杆27相互耦合。尽管图14中未示出，第四实施例具有与图7所示炉80相同的两个生长炉。第一生长炉位于第一低温恒温器25a和第二低温恒温器25b之间的空间34。第二生长炉位于第二低温恒温器25b和第三低温恒温器25c之间的空间。

图6所示传统的MCZ系统具有两个低温恒温器5，总共需要四个超导线圈。相反，本发明第四实施例仅有三个超导线圈，分别设置在低温恒温器25a、25b和25c中。显然，每个包含一个超导线圈的三个低温恒温器25a、25b和25c所占据的空间24，小于每个包含两个超导线圈的两个低温恒温器5所占据的空间24。此外，具有三个超导线圈的第四实施例的制造成本，可以低于具有四个超导线圈的传统MCZ系统(图6)。

图14所示第四实施例包括三个低温恒温器和两个生长炉。如果采用一个以上的生长炉，增加一个低温恒温器就足够了。此外，第四实施例仅需要N+1个超导线圈，其中N是所用生长炉的数量，相反图6所示传统的MCZ系统需要多至N×2个超导线圈。如果两种MCZ系统各具有10个生长炉，则第四实施例(图14)具有9个超导线圈，少于传统的MCZ系统(图6)。

第四实施例可以具有图13所示类型的直接冷却超导线圈。此时，第四实施例简化得足以批量制造，因而可以低成本生产。

如上所见，根据本发明的MCZ系统具有以下优点。

由于磁体单元之间的空间可根据待设置于该空间的生长炉的尺寸容易地改变，磁场发生器不必制成具有与生长炉适合的膛空间。而且，磁体单元不必相对于生长炉精确定位。这是因为易于改变磁场中心和分布。而且，MCZ系统可以制备高质量晶锭，这是因为可以根据熔融材料的表面高度的变化，调节向熔融材料施加的磁场强度。

超导线圈对可产生水平磁场和垂直磁场。此外，超导线圈对可构成氦姆霍兹磁体和会切磁体。

如上所述，磁体单元由氦致冷器直接冷却，不必补充磁体单元中的致冷剂，但需要从其中排放用过的致冷剂。因此可降低MCZ系统的运行成本。因同样的理由，MCZ系统整体结构更为简化，可以更容易地批量制造，因此可以低成本生产。

此外，根据本发明的MCZ系统可减小适应生长炉的空间。

对于本领域的技术人员来说容易了解其他优点和变化。因此，从较宽方面而言的本发明并不限于以上所展示和说明的特定和代表性实施例。因此，在不脱离权利要求书及其等同物所限定的本发明一般概念的精髓或范围的条件下，可以做出许多改进。

Claims (7)

1.一种外加磁场的丘克拉斯基晶体提拉法生长设备，包括：

至少一个容纳熔融的半导体材料的生长炉，

在预定方向从熔融的半导体材料提拉晶体的提拉装置，

多个磁体单元，用于产生磁场，所述磁场施加到熔融的半导体材料上，和

把所述各磁体单元耦合在一起的耦合机构，以使所述至少一个生长炉位于磁体单元之间；

每个所述磁体单元沿预定方向延伸并且构成会切磁场，施加到熔融的半导体材料上；并且每个所述磁体单元是直接冷却的超导磁体，并且包括：

真空容器，

分别设置在低温恒温器的真空容器中的超导线圈；

安装在低温恒温器上，用于直接冷却超导线圈，从而将超导线圈设定在超导状态的致冷器。

2.根据权利要求1的设备，其中所述耦合机构包括长度固定的支撑杆。

3.根据权利要求1的设备，其中所述耦合机构包括长度可变的支撑杆。

4.根据权利要求1的设备，其中每个所述磁体单元还包括辐射屏，所述辐射屏设置在超导线圈和低温恒温器之间，用于密封超导线圈，并由所述致冷器(29a、29b)冷却。

5.根据权利要求1的设备，其中所述至少一个生长炉包括炉体，设置在炉体中的坩埚、用于容纳半导体材料，对坩埚中的半导体材料加热的加热器，和用于生长和提拉晶体的机构。

6.根据权利要求5的设备，其中所述生长和提拉晶体的机构包括使晶体和所述坩埚相对旋转的装置。

7.根据权利要求1的设备，其中至少一个所述磁体单元具有通孔，所述通孔彼此共轴，并且所述至少一个生长炉向上直立，延伸穿过所述低温恒温器的通孔。

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