CN201626999U

CN201626999U - 单晶炉勾形磁场装置

Info

Publication number: CN201626999U
Application number: CN2010201079681U
Authority: CN
Inventors: 焦尚彬; 刘丁; 李琦; 蒋剑; 袁文愈
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xian University of Technology
Priority date: 2010-02-04
Filing date: 2010-02-04
Publication date: 2010-11-10
Anticipated expiration: 2020-02-04

Abstract

本实用新型公开的一种单晶炉勾形磁场装置，包括屏蔽护罩，屏蔽护罩的一侧设置有水路，水路的外部设置有水路护罩，屏蔽护罩的下方设置有升降机构，升降机构的一侧设置有用于驱动升降机构的升降电机，屏蔽护罩内平行设置有上层线圈和下层线圈，上层线圈包括十组单组线圈，下层线圈包括十五组单组线圈，单组线圈采用四根空心方铜管并行绕制成纵向两层、横向十二匝、共二十四匝的圆形线圈，单组线圈包括奇数组线圈和偶数组线圈。本实用新型磁场装置，不仅能产生满足大直径单晶炉生产极大规模集成电路单晶所用的磁感应强度，而且能有效带走线圈产生热量，降低线圈温度，从而减小线圈电阻，降低系统功率；同时连接和安装方便。

Description

单晶炉勾形磁场装置

技术领域

本实用新型属于单晶炉晶体生长设备技术领域，具体涉及一种单晶炉勾形磁场装置。

背景技术

硅晶体生长目前正朝着高纯度，高完整性，高均匀性和大直径方向发展，集成电路特别是极大规模集成电路(60-95nm)对晶体质量有严格的要求。材料中的有害杂质及其不均匀性以及掺杂剂分布的不均匀性是制约单晶质量的主要因素之一，它们会引起材料的光学、电学性能的不均匀性，最终损害半导体器件的光、电学性能。这就要求减少单晶材料的缺陷、杂质含量，提高氧、碳等杂质以及掺杂剂在晶体中分布的均匀性。因此有效控制晶体中的氧和碳的含量，以及改变杂质的径向和轴向的均匀性具有重要的意义。

研究发现，在晶体生长设备中引入磁场能有效地抑制熔体的流动，改变固液交接面的形状，从而减少杂质的含量并改变其在晶体中的分布。纵向式磁场破坏了直拉生长系统原有的横向热对流的对称性，而横向式却又破坏了直拉生长系统原有的轴向热对流的对称性，使单晶棒生长条纹变得严重，因此具有非均匀磁力线分布的勾形磁场结构是解决上述问题的有效方案。

一方面随着晶体生长的大尺寸化，炉体直径加大，磁场线圈距坩埚壁较远，在电流和磁场线圈结构一定的情况下，坩埚内壁磁场强度变小；另一方面，为了能够达到极大规模集成电路(60-95nm)对晶体质量的要求，有效抑制熔体的对流，要求坩埚内壁的磁感应强度应达到1200GS以上。由于单晶炉炉体高度的增加是有限的，磁场线圈纵向层数和横向匝数都不能无限制增加，因此增加电流是一种选择。但电流的增加会产生大量的热量，必须采用空心铜管利用水来带走热量以冷却磁场线圈。对于磁场直径和强度较小的线圈，通常采用一根铜管绕满横向匝数的情况下纵向绕两层以满足进出冷却水嘴都在线圈的最外层的要求，但在磁场直径大和强度高的情况下，由于单根铜管很长且电流较高，采用上述绕制方法会导致线圈产生的热量无法被冷却水带走。因此目前的绕制方法无法满足勾形磁场直径做大和强度提高的要求，更无法满足硅晶体生长向“三高一大”方向发展的要求。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种单晶炉勾形磁场装置，解决了现有的磁场装置采用单根铜管长度过长且电流较高，导致线圈产生的热量无法被水带走的问题。

本实用新型所采用的技术方案是，一种单晶炉勾形磁场装置，包括屏蔽护罩，屏蔽护罩的一侧设置有水路，水路的外部设置有水路护罩，屏蔽护罩的下方设置有升降机构，升降机构的一侧设置有用于驱动升降机构的升降电机，屏蔽护罩内平行设置有上层线圈和下层线圈，上层线圈包括十组单组线圈，下层线圈包括十五组单组线圈，单组线圈采用四根空心方铜管并行绕制成纵向两层、横向十二匝、共二十四匝的圆形线圈，单组线圈包括奇数组线圈和偶数组线圈。

本实用新型的特点还在于，

其中的奇数组线圈为将四根空心方铜管外缠绝缘黄金带后在上层沿顺时针方向并行绕三圈，从内圈进入下层并沿顺时针方向并行绕三圈。

其中的偶数组线圈为将四根空心方铜管外缠绝缘黄金带后在上层沿逆时针方向并行绕三圈，再从内圈进入下层并沿逆时针方向并行绕三圈。

本实用新型的有益效果是，

(1)线圈采用四并绕方式，增加了冷却水路数，显著降低线圈温度，降低了线圈电阻，从而降低了磁场功耗；

(2)线圈的铜管采用特制的壁厚为4mm的方铜管，增加了载流面积，减少了线圈电阻，从而降低系统功耗；

(3)线圈的绝缘采用黄金带降低了绝缘层厚度，从而减少磁场线圈高度，提高了单位高度磁感应强度效率；

(4)单组线圈内部及各组线圈之间的电气连接结构紧凑方便、减少了线圈外部屏蔽软铁的开口，减少了磁感应强度的泄漏，有利于强度的提高。

附图说明

图1是本实用新型磁场装置的结构示意图；

图2是本实用新型磁场装置中单组线圈的奇数组线圈结构示意图；

图3是本实用新型磁场装置中单组线圈的偶数组线圈结构示意图；

图4是本实用新型磁场装置的工作过程示意图。

图中，1.水路，2.上层线圈，3.水路护罩，4.下层线圈，5.升降机构，6.升降电机，7.磁场工作位置，8.屏蔽护罩，9.磁场非工作位置。

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。

本实用新型磁场装置的结构，如图1所示，包括屏蔽护罩8，屏蔽护罩8的一侧设置有水路1，水路1的外部设置有水路护罩3，屏蔽护罩8内平行设置有上层线圈2和下层线圈4，上层线圈2和下层线圈4之间为磁场工作位置7，垂直于屏蔽护罩8在屏蔽护罩8的下方设置有相平行的两个升降机构5，升降机构5的一侧设置有用于驱动升降机构5的升降电机6，两个升降机构5之间为磁场非工作位置9。

上层线圈2包括十组单组线圈，下层线圈4包括十五组单组线圈，上层线圈2和下层线圈4上的电流方向相反。单组线圈的结构为，采用四根空心方铜管并行绕制成纵向两层横向十二匝共二十四匝的圆形线圈，保证进出冷却水水嘴在横向的最外四匝。同时为保证单组磁场线圈中四根方铜管在电气上的串联及不同组线圈在电气上的串联，且满足电流在线圈中流向一致性的要求，单组线圈中奇数组线圈按图2所示结构顺时针绕制，将四根空心方铜管外缠绝缘黄金带后在上层沿顺时针方向并行绕3圈(共12匝)，再从内圈进入下层并沿顺时针方向并行绕3圈(共12匝)，上层的1^I、2^I、3^I、4^I为电流和冷却水的输入端，下层的1^O、2^O、3^O、4^O为电流和冷却水的输出端；单组线圈中偶数组线圈按图3所示结构逆时针绕制，将四根空心方铜管外缠绝缘黄金带后在上层沿逆时针方向并行绕3圈(共12匝)，再从内圈进入下层并沿逆时针方向并行绕3圈(共12匝)，上层的1^O、2^O、3^O、4^O为电流和冷却水的输出端，下层的1^I、2^I、3^I、4^I为电流和冷却水的输入端。

如图4所示，奇数组线圈电流从1^I进，在上层顺时针绕3圈，进入下层再顺时针绕3圈，从1^O流出；利用铜板将1^O和4^I连接，电流从4^I进，在上层顺时针绕3圈，进入下层再顺时针绕3圈，从4^O流出；利用铜板将4^O和2^I连接，电流从2^I进，在上层顺时针绕3圈，进入下层再顺时针绕3圈，从2^O流出；利用铜板将2^O和3^I连接，电流从3^I进，在上层顺时针绕3圈，进入下层再顺时针绕3圈，从3^O流出。利用两块铜板将奇数组线圈的3^O与偶数组线圈的2^I相连。对偶数组线圈，电流从2^I进，在下层顺时针绕3圈，进入上层再顺时针绕3圈，从2^O流出；利用铜板将2^O和3^I连接，电流从3^I进，在下层顺时针绕3圈，进入上层再顺时针绕3圈，从3^O流出；利用铜板将3^O和1^I连接，电流从1^I进，在下层顺时针绕3圈，进入上层再顺时针绕3圈，从1^O流出；利用铜板将1^O和4^I连接，电流从4^I进，在下层顺时针绕3圈，进入下层再顺时针绕3圈，从4^O流出。再利用两块铜板将偶数组线圈的4^O与奇数组线圈的1^I相连，使电流串联进入下一个奇数组线圈，从而实现了磁场中多组线圈的串联并保持了电流方向的一致性。要改变电流的流向，只需交换图4中电流入和电流出的位置即可。

本实用新型磁场装置采用两组与晶体生长轴平行、电流方向相反的磁场线圈来实现，这种结构产生的磁力线呈“尖角形”对称分布，在勾形磁场的作用下，在晶体生产过程中，由于在固液交接面处单晶棒可在磁场轴向分量为零的状态下生长，使杂质浓度在晶体的径向分布均匀度得到有效的保证；在靠近晶棒下方的硅熔体却处于较低磁场强度的作用，可使该处熔体得到充分的搅拌；其它部分的熔体却处于高磁场强度的作用而使其热对流受到有效抑制。同时由于磁场的作用，还可使硅熔体内的扩散边界得到改变，从而有利于控制硅晶棒的氧含量。

本实用新型磁场装置的工作过程为，给上层线圈2和下层线圈4通相反的电流，上层线圈2和下层线圈4之间产生勾形磁场，给水路1通水，吸收上层线圈2和下层线圈4产生的热量，保证正常工作。升降机构5用来调整磁场纵向位置高度，使磁场零高斯界面尽量靠近硅液面。

本实用新型磁场装置，不仅能产生满足大直径单晶炉生产极大规模集成电路单晶所用的磁感应强度，而且能有效带走线圈产生热量，降低线圈温度，从而减小线圈电阻，降低系统功率；同时连接和安装方便。

Claims

1.一种单晶炉勾形磁场装置，包括屏蔽护罩(8)，屏蔽护罩(8)的一侧设置有水路(1)，水路(1)的外部设置有水路护罩(3)，屏蔽护罩(8)的下方设置有升降机构(5)，升降机构(5)的一侧设置有用于驱动升降机构(5)的升降电机(6)，其特征在于，所述的屏蔽护罩(8)内平行设置有上层线圈(2)和下层线圈(4)，上层线圈(2)包括十组单组线圈，下层线圈(4)包括十五组单组线圈，单组线圈采用四根空心方铜管并行绕制成纵向两层、横向十二匝、共二十四匝的圆形线圈，单组线圈包括奇数组线圈和偶数组线圈。

2.根据权利要求1所述的单晶炉勾形磁场装置，其特征在于，所述的奇数组线圈为将四根空心方铜管外缠绝缘黄金带后在上层沿顺时针方向并行绕三圈，从内圈进入下层并沿顺时针方向并行绕三圈。

3.根据权利要求1所述的单晶炉勾形磁场装置，其特征在于，所述的偶数组线圈为将四根空心方铜管外缠绝缘黄金带后在上层沿逆时针方向并行绕三圈，再从内圈进入下层并沿逆时针方向并行绕三圈。