CN201106071Y

CN201106071Y - 单晶炉勾形电磁场装置

Info

Publication number: CN201106071Y
Application number: CNU2007200328115U
Authority: CN
Inventors: 安涛; 高勇; 李守智; 李波
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xian University of Technology
Priority date: 2007-09-20
Filing date: 2007-09-20
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2017-09-20

Abstract

本实用新型公开了一种单晶炉勾形电磁场装置，包括在炉腔体外周设置的屏蔽体，屏蔽体的内侧上、下端分别安装有线圈a和线圈b，线圈a与线圈b是螺旋管直流线圈，他们的匝数、线圈半径、纵向和轴向层数、导线面积以及线包的绕制方法完全相同，线包的绕制方法采用多路并行绕制，然后再将各路线圈按同一绕制方向串联在一起。本实用新型与单晶炉配套安装，在直拉法生长晶体过程中，通过调整线圈的电流来改变单晶炉坩埚内的磁场磁力线分布，有效抑制了单晶炉坩埚内的影响晶体质量的各种熔体对流，从而提高了生长晶体的质量。

Description

单晶炉勾形电磁场装置

技术领域

本实用新型装置属于半导体制造技术领域，涉及一种单晶炉勾形电磁场装置。

背景技术

直拉硅单晶向大直径方向发展，投料量急剧增加，大熔体的热对流将会严重影响晶体的质量。晶体生长过程中加入磁场可以有效抑制熔体对流，提高晶体质量。目前，使用的磁场主要是分布为水平方向的横向磁场和垂直方向的纵向磁场来抑制热对流。但是，这两种磁场都是单一方向，它们仅对与自己磁力线垂直方向或成一定角度的部分热对流起抑制，而与磁力线平行方向的热对流不起任何抑制，即热对流在熔融体内不能完全被抑制。因此，采用这两种磁场拉制的单晶棒仍存在着纵向和径向氧以及掺杂含量不均匀的现象。为了克服以上磁场的缺陷，人们提出了一种较为先进的非均匀磁场——勾形磁场(Cusp Magnetic field)。该磁场的磁力线分布是以轴及上下对称兼有径向和纵向分量的发散型磁场，可有效地抑制热对流、单晶和坩埚相对旋转产生强迫对流，单晶的质量得到进一步提高。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种单晶炉勾形电磁场装置，解决现有技术中存在的利用单纯的横向磁场和纵向磁场来抑制热对流，热对流在熔融体内不能完全被抑制的问题。

本实用新型所采用的技术方案是，一种单晶炉勾形电磁场装置，在单晶炉炉腔体内设置有石磨加热器，石磨加热器内设置有石磨套，石磨套内设置有坩锅，其特点是，在单晶炉炉腔体的外周设置有屏蔽体，屏蔽体的内侧上端安装有线圈a，屏蔽体的内侧下端安装有线圈b。

线圈a与线圈b的匝数、线圈半径、纵向和轴向层数、导线面积以及线包的绕制方式相同。

线圈a和线圈b是螺旋管直流线圈。

线圈a和线圈b由空心方紫铜管密绕而成。

屏蔽体选用高磁导率的DT4E型纯铁材料。

本实用新型由于采取了线圈a和线圈b的上下平行的勾形磁场布置方式，因此就会在直拉法生长晶体过程中，有效抑制了单晶炉坩埚内的各种影响晶体质量的熔体对流，明显降低了纵向和径向氧，改善了杂质均匀性，从而显著提高了生长晶体的质量。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的磁场控制电路工作原理示意图；

图3是采用本实用新型后，坩锅内液面出磁力线的分布示意图；

图4是本实用新型利用的勾形磁场磁力线分布曲线原理图；

图5是本实用新型实施例的勾形磁场装置内磁力线分布示意图。

图中，1.线圈a，2.屏蔽体，3.线圈b，4.炉腔体，5.晶体，6.石磨加热器，7.石磨套，8.坩锅，9.熔体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型利用了勾形磁场的原理，提供了一种在晶体生长过程中，可以显著提高晶体质量和改善杂质均匀性的直流电磁场装置，利用磁场对各种对流发挥抑制作用。勾形磁场(Cusp Magnetic field)是一种较为先进的非均匀磁场。该磁场的磁力线分布是以轴及上下对称兼有径向和纵向分量的发散型磁场，可有效地抑制热对流、单晶和坩埚相对旋转产生强迫对流，从而使晶体的品质得到进一步改善。

如图1所示，现有的炉腔体4内设置有石磨加热器6，石磨加热器6内设置有石磨套7，石磨套7内设置有坩锅8。本实用新型是在炉腔体4的外周设置屏蔽体2，屏蔽体2的内侧上端安装有线圈a1，屏蔽体2的内侧下端安装有线圈b3。

线圈a1和线圈b3是螺旋管直流线圈，由空心方紫铜管密绕而成。线圈a1和线圈b3的匝数、线圈半径、纵向和轴向层数、导线面积以及线包的绕制方式相同。线包的绕制方法采用多路并行绕制，然后再将各路线圈通过铜带按同一绕制方向串联在一起，且连接线及连接点满足线圈的额定电流。采用多路并行绕制的目的是为线圈提供多路并联的通水冷却方式。

屏蔽体2由高磁导率的DT4E型纯铁材料加工，是具有一定壁厚的桶型圆柱磁屏蔽体，具有良好导磁性、剩磁少。由于DT4E型纯铁材料构成的屏蔽体壁磁阻远远低于空气的磁阻，因此两个磁场线圈外部的磁力线几乎全部通过高导磁率的屏蔽体壁分别从各自N极回到S极。其目的是降低磁阻减少外部磁路的损耗，提高线圈内部磁场强度；同时，避免了磁场外部空间的磁场对外部设备和人体的影响以及环境的污染。

当给线圈a1和线圈b3通以大小相同、方向相反的直流电流时，螺线管线圈产生磁场。两个线圈生成的磁场径向分量Br的方向相同，轴向分量Bz方向相反，所以勾形磁场装置生成的磁场强度总径向分量为两个径向之和，总轴向分量为两个径向之差。这样在磁屏蔽体内就会分布一个以两个螺线管线圈中心面为对称面上下对称的磁场。磁场的磁力线分布是磁场的轴向分量相互抵消Bz≈0，在这个区域内磁力线为水平，以磁场中心圆面的圆心沿半径方向向外发散。且Br分量沿磁场中心面的半径方向增大，在线圈内壁达到最强，即Br分量最强部分集中在磁场中心面上下附近很窄区域；磁场Bz分量随着远离中心面而增加，在两个螺线管线圈中间均达到最强，Br分量却在减小。使用时勾形磁场装置套在单晶炉的外部，可以根据坩锅的高度上下移动，

如图2所示，本实用新型的线圈a1和线圈b3的供电，是通过双路大功率直流电源把交流AC 380V通过整流滤波后，分为相互独立输出连续可调的两路直流电流，分别供给线圈a1和线圈b3两个磁场线圈，其大小分别为I1、I2。根据电磁场理论可知，当给螺旋管线圈通以直流电流时，螺旋管线圈将在线圈内部和外部产生磁场。由于线圈a1和线圈b3两个磁场线圈的绕制方向完全相同、电流方向相反，根据右手定律可知两个线圈相邻的两个端头均为磁极的N极，另外两个端头均为磁极的S极。在线圈a1和线圈b3两个线圈内部分别产生磁力线方向向上或向下的磁场，线圈外部分别产生磁力线方向向下、向上的磁场。在线圈的内部和外部空间的磁场是由线圈a1和线圈b3产生磁场的矢量B1和B2合成而成的。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，而轴向分量方向相反其轴向分量为两个径向之差。当给两个线圈施加以方向相反、大小相同(I1＝I2)的直流电流时，在线圈a1和线圈b3二个磁场线圈间中心圆面(以线圈轴线与两个磁场线圈中间面交点为圆心的圆形面)各点处的纵向分量BZ1和BZ2大小相同、方向相反，此面各点的纵向分量BZ相互抵消为零，径向分量方向相同其径向分量为Br1和Br2二个径向分量之和。而在线圈中心轴线各点Br分量为零，所以中心圆面圆心处磁场B为零。

如图3所示，这样一来，本实用新型中心面的磁场仅有径向分量方向Br，磁力线平行于中心面，其方向是以中心面圆心为中心以半径方向向外发散的磁场。

如图4所示，在远离中心圆面时(下移)，由于线圈a1和线圈b3产生磁场的矢量分量Br1和Br2、BZ1和BZ2大小不同，各分量为BZ＝BZ2-BZ1，BZ1＜BZ2方向向上，Br＝Br1+Br2方向沿半径方向，磁场为分量BZ和Br矢量和。由于纵向方向上(中心面以上或以下)各处的每一个线圈产生的磁场都不相同，所以在纵向方向形成非均匀性；又因线圈为圆形所形成了一个以线圈轴为对称的磁场；线圈a1和线圈b3二个磁场线圈以中心圆面为上下对称，所形成了一个以中心圆面为上下对称的磁场，故在线圈a1和线圈b3二个磁场线圈内部和两个线圈中间空间内形成一个兼有径向和纵向分量的圆柱非均匀发散型磁场。当给两个线圈施加以方向相反、大小不同(I1＜I2＝直流电流时，在线圈a1和线圈b3二个磁场线圈间中心圆面各点处的纵向分量BZ1＜BZ2方向相反，当线圈a1和线圈b3二个磁场线圈间有一平面纵向分量BZ1＝BZ2大小相同、方向相反，此面各点的纵向分量BZ相互抵消为零。该平面为磁场的“0面”BZ＝0。由于线圈b3的电流增大BZ2增加，从而引起磁场的“0面”BZ＝0而上移将随I2增大远离线圈b3。同理可知磁场的“0面”BZ＝0将线圈a1的电流I1增大上移远离线圈a1。这样一来，磁场的“0面”可通过调整线圈的电流大小进行调整。分别供给线圈a1和线圈b3两个磁场线圈，其大小分别为I1、I2，电流方向相同。两个线圈相邻的两个端头为磁极上为的N极、下为S极。在线圈a1和线圈b3两个线圈内部和外部空间分别产生磁力线向上相同方向的磁场，总磁场为矢量B1和B2的和。从而在线圈a1和线圈b3的内部将形成另外一种纵向磁场。

如图4所示，在单晶生长过程中，对坩埚空间施加一个勾形磁场的磁力线分布时，并且将两个线圈之间中心面上下仅有径向分量B_r区域的磁场作用于熔体表面附近具有最大流速的热对流时，由于径向磁场分量B_r完全垂直于坩埚内壁自下而上的流体方向，流体极大地受到强磁场分量B_r的阻尼后流体的运动将大大减弱。由于该涡流是熔体内部最主要对流被抑制，使坩埚内熔体上部的对流基本被抑制。与此同时，在熔体中存在的强迫对流、附加对流的流动方向与径向磁场分量B_r垂直，同样阻尼后流体的运动将被减弱，因此坩埚内熔体上部的对流几乎被完全抑制。此外由于坩埚下部施加了由磁场形成的磁力线方向为纵向的磁场，熔体同样会受到强磁场B_z的阻尼，流体的运动将被减弱。这样，单晶生长过程中的几种对流都会被抑制，晶体的质量相应会有明显的提高。

如图5所示，本实用新型在使用时，线圈a1与线圈b3分别加载方向相反的电流，产生如图5所示的磁场，使得坩锅8中的熔体9不受各种晶体熔体对流的影响，进行晶体5的生长，得到高质量的晶体5。

本实用新型在直拉法生长晶体过程中，通过调整线圈的电流来改变单晶炉坩埚内的磁场磁力线分布，有效抑制了单晶炉坩埚内的各种影响晶体质量的熔体对流，从而显著提高了晶体质量和改善杂质均匀性。

将本实用新型装置与集水器、分水器、磁场纵向调节及连接机构、冷却供水系统、多路水温循环检测和显示报警系统、双路大功率直流电源以及其它附件构成完整的直拉法生长晶体系统，进行高质量的晶体生长。

本实用新型还具有以下几个主要的优点：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，加宽纯径向分量B_r区域；尽可能的减小液面附近区域内的B_Z分量，减少对毛细对流的阻尼作用，提高SiO的蒸发来降低熔体表面氧的浓度。通过调整磁场线圈中心面与坩埚溶液自由面的距离，改变液面处B_Z的强度达到控制热毛细对流，进而达到控制晶体中氧的浓度；加入了控制电路，使磁场可调，可根据单晶生长的需要随时调整磁场强度；优化了磁屏蔽体的结构参数，在相同电源功率下，最大限度的降低了外部磁路的损耗从而提高了磁场强度，同时减小了电磁辐射污染；优化了螺线管线圈的绕线方式，线圈绕制的纵横向层数比值可以在同等电流，匝数情况下产生最高磁场强度。

Claims

1、一种单晶炉勾形电磁场装置，炉腔体(4)内设置有石磨加热器(6)，石磨加热器(6)内设置有石磨套(7)，石磨套(7)内设置有坩锅(8)，其特征在于：在单晶炉炉腔体(4)的外周设置有屏蔽体(2)，屏蔽体(2)的内侧上端安装有线圈a(1)，屏蔽体(2)的内侧下端安装有线圈b(3)。

2、如权利要求1所述的单晶炉勾形电磁场装置，其特征在于：所述的线圈a(1)与线圈b(3)的匝数、线圈半径、纵向和轴向层数、导线面积以及线包的绕制方式相同。

3、如权利要求1所述的单晶炉勾形电磁场装置，其特征在于：所述的线圈a(1)和线圈b(3)是螺旋管直流线圈。

4、如权利要求1所述的单晶炉勾形电磁场装置，其特征在于：所述的线圈a(1)和线圈b(3)由空心方紫铜管密绕而成。

5、如权利要求1所述的单晶炉勾形电磁场装置，其特征在于：所述的屏蔽体(2)选用高磁导率的DT4E型纯铁材料。