CN201713601U - 单晶炉低功耗勾形电磁场装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种单晶炉勾形电磁场装置，包括炉腔体和设置在炉腔体内的坩埚，炉腔体外圆周的上端和下端分别缠绕有线圈a和线圈b，线圈a和线圈b外侧设置有屏蔽体，线圈a和线圈b由空心紫铜方管和铜线交替密绕而成，各路线圈是串联在一起的；线圈a或线圈b的匝数至少为1800匝。本实用新型的有益效果是，在满足磁场强度的前提下，通过增加线圈的总匝数N，降低线圈电流I，降低磁场的功耗，可使其功耗减低为几个千瓦，解决了原勾形磁场大功耗问题，为直拉法拉制高品质单晶提供一种实用的低功耗电磁场装置。

Description

单晶炉低功耗勾形电磁场装置

技术领域

本实用新型属于半导体制造技术领域，涉及一种单晶炉低功耗勾形磁场装置。

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。在直拉法生长单晶过程，通常人们使用的磁场分布为水平方向的横向磁场或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，即就是热对流在熔融体内不能完全被抑制。采用这两种磁场拉制的单晶棒仍存在着纵向和径向氧、掺杂含量不均匀现象。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。如今所使用的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，耗能大是不能广泛应用的致命问题。因此，在满足磁场强度不变的条件下，大幅度降低功耗具有重要意义。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种单晶炉低功耗勾形电磁场装置，解决现有勾形磁场是一种低电压、大电流、大功耗的设备，其功耗一般为几十个乃至几百个千瓦，耗能大是不能广泛应用的问题。

本实用新型采用的技术方案为：一种单晶炉勾形电磁场装置，包括炉腔体和设置在炉腔体内的坩埚，炉腔体外圆周的上端和下端分别缠绕有线圈a和线圈b，线圈a和线圈b外侧设置有屏蔽体；线圈a和线圈b由空心紫铜方管和铜线交替密绕而成，各路线圈是串联在一起的；线圈a或线圈b的匝数至少为1800匝。

其中，铜线为扁铜线或圆铜线。

其中，线圈a或线圈b是螺旋管直流线圈，相邻两路线圈的绕制方向相反。

其特征还在于，屏蔽体包括圆筒体和设置在圆筒体上下端的环形端盖，环形端盖内侧设置有向线圈a或线圈b方向延伸的环形突台。

其特征进一步在于，炉腔体内设置有石磨加热器，石磨加热器内设置有石磨套，坩锅位于石磨套内。

其中，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。

其中，屏蔽体采用DT4E型纯铁材料。

本实用新型的有益效果是，在满足磁场强度（确保安匝数IN）的前提下，通过增加线圈的总匝数N，降低线圈电流I，降低磁场的功耗，可使其功耗减低为几个千瓦，解决了原勾形磁场大功耗问题，为直拉法拉制高品质单晶提供一种实用的低功耗电磁场装置。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型两个线圈缠绕在炉腔体上的纵截面图；

图3是本实用新型的磁场控制电路工作原理示意图；

图4是本实用新型两个线圈产生磁场的纵向分量和径向分量原理图；

图5是采用本实用新型后，坩锅内液面处磁力线的分布示意图；

图6是本实用新型勾形磁场磁力线分布曲线原理图；

图7 是本实用新型径向磁场Br随电流变化示意图；

图8是本实用新型径向磁场Br随匝数的变化示意图；

图9是本实用新型线圈功率随线圈匝数的变化示意图。

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. 空心紫铜方管，10.铜线，11圆筒体，12.环形端盖，13.环形突台。

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。

在晶体5生长过程中，勾形磁场的引入可以对各种对流发挥抑制作用，显著提高晶体5质量和改善杂质均匀性。本实用新型利用了勾形磁场的原理，提供了一种多匝数、低功耗单晶炉勾形磁场装置，解决了大功耗的问题，从而使勾形磁场能够得到更广泛的应用。该磁场可有效地抑制热对流、晶体5和坩埚8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。本实用新型在炉腔体4外圆周的上端和下端分别缠绕有线圈a1和线圈b3，线圈a1和线圈b3外侧设置有屏蔽体4。屏蔽体4包括圆筒体11和设置在圆筒体11上下端的环形端盖12，环形端盖12内侧设置有向线圈a1或线圈b3方向延伸的环形突台13。

如图2所示，线圈a1和线圈b3是螺旋管直流线圈，由空心紫铜方管9和铜线10交替密绕而成，其相邻两路线圈的绕制方向相反，各路线圈是串联在一起的，线圈的匝数至少为1800匝。铜线10的截面面积小于空心紫铜方管9的截面面积，铜线10可以采用扁铜线或圆铜线。空心紫铜方管9和铜线10呈交替密绕在炉腔体4上，相邻两层空心紫铜方管9线圈之间不管设置几层铜线10线圈都在本实用新型保护范围之内。例如，线圈的绕制方法可以为：首先依据线圈设计，沿着炉腔体4的外圆周水平方向高度密绕一层顶视为顺时针扁铜线圈，在扁铜线圈外侧再密绕一层顶视为逆时针的空心紫铜方管9线圈；接着依次密绕顶视为顺时针扁铜圈、顶视为逆时针扁铜线圈、顶视为顺时针空心紫铜方管9线圈、顶视为逆时针扁铜线圈、顶视为顺时针扁铜圈……，直到绕制达到设计匝数，最后再将各层扁铜线圈和空心紫铜方管9线圈串联得到磁场线圈，且连接线及连接点满足线圈的额定电流。采用空心紫铜方管9和铜线10交替缠绕的原因是：因本实用新型线圈的匝数较多，至少为1800匝，如果全部采用空心紫铜方管9缠绕会导致线圈a1或线圈b3体积过大，所以采用空心紫铜方管9和铜线10交替缠绕在保证线圈匝数的同时减少了线圈a1或线圈b3的体积。每层空心紫铜方管10线圈内通有冷水，每层空心紫铜方管10夹层内的冷水由水管输入输出，为线圈提供多路并联的通水冷却方式。

屏蔽体2是由厚度25-30mm高磁导率的DT4E型纯铁材料加工成的，由于DT4E型纯铁材料具有良好导磁性、剩磁少，屏蔽体2壁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。这样以来不仅降低磁阻减少外部磁路的损耗，大大提高线圈内部磁场强度，而且消除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。在环形端盖12内侧设置环形突台13的目的是可以降低磁阻减少外部磁路的损耗，大大提高线圈内部磁场强度。

如图3所示，根据电磁场理论可知，当给线圈a1和线圈b3两个磁场线圈分别施加相互独立连续可调的直流电流I₁、I₂时，螺旋管线圈将在线圈内部和外部产生磁场；线圈a上为S极、下为N极；线圈b上为N极、下为S极。外部磁场的磁力线分别从N极通过高导磁率的屏蔽体2壁体回到S极。如图4所示，螺线管线圈内部磁场是由上下两个线圈产生的磁场B₁和B₂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+Br₂，而轴向分量方向相反其轴向分量为两个径向之差Bz＝Bz₁-Bz₂。当给两个线圈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和图6所示的磁场，两个线圈产生磁场的磁力线分布是以两个螺线管线圈中心面（以线圈中轴线与两个磁场线圈中间面交点为圆心的圆形面）为对称面上下对称的，且磁力线的形状是以线圈中轴线为中轴线的圆柱形。在磁场的对称面及上下附近区域内，由于Bz₁＝Bz₂大小相同、方向相反，磁场的轴向分量相互抵消，在磁场的对称面处Bz≈0，在这个区域内磁力线几乎为水平，磁场B以对称面的圆心沿半径向外发散。Br分量最强部分集中在磁场对称面上下附近很窄区域，随着远离磁场对称面而减小，而磁场Bz分量随着远离磁场对称面而增加，在螺线管线圈内中部达到最强。从而在螺线管线圈内部和两个线圈中间空间形成一个具有径向和纵向分量的圆柱形非均匀发散型磁场。

目前，现有的勾形电磁场装置均都采用电流型，其耗散功率为几十乃至百个千瓦，耗能过大是不能广泛应用的主要原因。在满足其磁场强度要求的前提下，大幅度降低功耗尤为重要。为此，本实用新型采取多匝数、低功耗单晶炉勾形磁场装置，解决了功耗的问题。

根据电学理论可得到功耗公式：

式中，ρ为导线电阻率，r为线圈等效半径（近似认为所有匝的半径相同），N为线圈匝数，S为导线截面积，I为线圈电流。当单晶炉炉体尺寸确定后，r即确定且是一个常量，因此，2πr

可看为常数并令其为K。

从上式可以看出线圈的功耗P与安匝数(IN)、导线面积S成正比，或与线圈匝数N、导线电流密度（I/S）成正比。从上面得出的结论可知:当拉晶要求最大的磁场强度B和单晶炉的炉体直径确定后K为常数、最大的安匝数也就确定可视为常量。由此可见，要降低功率就得通过减小电流I或增大截面积S来降低导线的电流密度。

如图7和图8所示，电流I、线圈匝数N与磁场强度B成线性正比关系。图9为功率P随线圈匝数N的变化。当拉晶要求最大的磁场强度B一定时，即最大安匝数(IN)为常数，如果通过减小电流I来降低导线的电流密度降低功率，就必须增加线圈匝数N确保安匝数(IN)不变，确保原设定的目标，否则无法得到能够完全抑制熔体热对流的磁场强度B。因此，在降低电流I的同时，可通过提高线圈匝数N，使其磁场强度B不发生变化。

本实用新型是电压型勾型磁场，利用本实用新型对6、8英寸单晶炉磁场进行实际测试：该装置参数为电压V_max=300～450V、线圈匝数N=1800～2500匝、导线面积为8～10cm²、电流I为30～45A，功耗P为10~15KW，而现有的电流型勾型磁场电流为500～600A，本实用新型产生的功耗是现有电流型勾型磁场功率（40~50 KW）的1/5～1/4。虽然牺牲了一定的重量和一定的体积，通过增加线圈a1与线圈b3的匝数，在保证磁场强度B不变的前提下，可使其电流I降低，从而使本实用新型勾形磁场的功耗大为降低。

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装置系统。线圈的各路连接均采用串联方式连接在一起的，冷却装置通过空心紫铜方管9的夹层采用多路并联的方式连接。本实用新型在直拉法生长晶体过程中，给线圈a1与线圈b3分别加载方向相反的电流，产生磁场，并通过调整线圈的电流来改变单晶炉坩埚8内的磁场磁力线分布，使得坩锅中的熔体不受各种晶体熔体对流的影响，进行晶体的生长，得到高质量的晶体。

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8内壁处的最强区域的径向分量Br，加宽纯径向分量Br区域；尽可能的减小液面附近区域内的Bz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8溶液自由面的距离，改变液面处Bz的强度达到控制热毛细对流，进而达到控制晶体5中氧的浓度；加入了控制电路，使磁场可调，可根据单晶5生长的需要随时调整磁场强度；另外，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；采用多路间隔并行绕制空心紫铜方管9线圈层为线圈提供多路并联的通水冷却方式；解决了现有电流型勾型电磁场功率大难以广泛使用的问题，将勾型磁场的功率减少了70%从而使其实用。

Claims (7)

1.一种单晶炉勾形电磁场装置，包括炉腔体（4）和设置在炉腔体（4）内的坩埚（8），炉腔体（4）外圆周的上端和下端分别缠绕有线圈a（1）和线圈b（3），线圈a（1）和线圈b（3）外侧设置有屏蔽体（2），其特征在于：所述线圈a（1）和线圈b（3）由空心紫铜方管（9）和铜线（10）交替密绕而成，各路线圈是串联在一起的；线圈a（1）或线圈b（3）的匝数至少为1800匝。

2.根据权利要求1所述的单晶炉勾形电磁场装置，其特征在于：所述的铜线（10）为扁铜线或圆铜线。

3. 根据权利要求1所述的单晶炉勾形电磁场装置，其特征在于：线圈a（1）或线圈b（3）是螺旋管直流线圈，相邻两路线圈的绕制方向相反。

4. 根据权利要求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）包括圆筒体（11）和设置在圆筒体（11）上下端的环形端盖（12），环形端盖（12）内侧设置有向线圈a（1）或线圈b（3）方向延伸的环形突台（13）。

5. 根据权利要求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），坩锅（8）位于石磨套（7）内。

6. 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。

7. 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）采用DT4E型纯铁材料。

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