CN210837338U - 用于磁控直拉单晶的四角型线圈分布超导磁体 - Google Patents
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Abstract
用于磁控直拉单晶的四角型线圈分布超导磁体，包括有超导线圈、线圈承力架、低温恒温器、外部铁厄、电流引线、服务组件及GM制冷机；超导线圈固定于线圈承力架上并按四角型对称分布进行串联；低温恒温器为超导线圈提供极低温的环境实现超导态；外部铁厄用来减小磁体外部漏磁；电流引线为超导线圈从极低温至室温端的电流通道，承载大电流并减少热负载；GM制冷机为超导线圈的冷量来源，通过传导冷却方式对线圈实现降温；具有提高单晶硅的纯度和品质，摆脱液氦资源短缺的困境，大大降低成本和节省资源的特点。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及用于磁控直拉单晶的四角型线圈分布超导磁体。
背景技术
单晶硅也叫硅单晶，是一种比较活泼的非金属元素，具有基本完整的点阵结构的晶体，是晶体材料的重要组成部分，一直处于新能源发展的前沿。单晶硅是一种良好的半导材料，主要用于半导体材料和太阳能光伏产业。单晶硅不同的方向具有不同的性质，纯度要求达到99.9999%，甚至达到99.9999999%以上。用于制造半导体器件、太阳能电池等。用高纯度的多晶硅在单晶炉内拉制而成。
单晶硅按晶体伸长方法的不同，分为直拉法（CZ）、区熔法（FZ）和外延法。由于成本和性能的原因，直拉法单晶硅材料应用最广。但随着晶体尺寸的增大及溶体的热对流增强，会造成溶体中温度波动及晶体局部回融，导致晶体中的碳、氧等杂质分布不均，使得单晶硅品质下降。为了解决上述问题，逐步发展了磁控直拉单晶技术。在直拉单晶硅的生长系统上附加一定强度和均匀度的磁场，能有效地抑制硅溶体中的热对流，及控制熔硅中杂质的运输。适当分布的磁场能减少氧、硼、铝等杂质从石英坩埚进入溶体，从而提升单晶硅的品质。
随着半导体材料技术的发展，对硅片的规格和质量也提出更高的要求，适合微细加工的大直径硅片在市场中的需求比例将日益增大。硅片的主流产品是200mm，逐渐向300mm过渡，制备其所需的背景磁场场强和均匀区也需要不断地扩大，并能够长期稳定地运行。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供用于磁控直拉单晶的四角型线圈分布超导磁体，能够提供高场强、大均匀区的背景磁场，能够有效减小漏场，解决300mm规格的单晶硅制备。该超导磁体能够长期稳定运行，满足直拉单晶工业生产，并减小运行成本。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：用于磁控直拉单晶的四角型线圈分布超导磁体，用于300mm磁控直拉单晶制备，包括从内到外依次设置的线圈承力架2、超导线圈1、低温恒温器3、电流引线5、服务组件7、GM制冷机6、外部铁轭4；其特征在于，所述超导线圈数量为4个，4个超导线圈1按60°呈四角型对称分布在线圈承力架2上，超导线圈1之间依次串联，超导线圈外部设有外部铁轭4；
所述线圈承力架2为六边形结构，超导线圈1固定于线圈承力架2上，线圈承力架与外部铁轭4之间设置顶杆；
所述低温恒温器采用外部设有4台GM制冷机；而且低温恒温器内部设有液氮预冷通道。
所述的4个超导线圈，其分布为：中平面位于同一平面，即XZ平面，关于XY平面和YZ平面对称，超导线圈轴线夹角在X轴方向夹角为60度。
所述的超导线圈采用NbTi低温超导线干式绕制，超导线圈外部浸渍有环氧树脂，提高线圈性能。
超导线圈失超电路采用分段自保护的方式，并联二极管与线圈形成闭合回路。
所述超导磁体设置在单晶炉外侧，用超导电源将磁体励磁至设定磁场，为直拉单晶提供所需背景磁场。
所述的服务组件包括对超导线圈温度、电压的数据监测的温度、电压传感器以及对超导线圈液氮预冷通道，温度、电压传感器分布在超导线圈内部，由信号线从低温恒温器内部引出，从外接航空插头采集信号；液氮预冷通道在低温恒温器内部，在超导线圈的表面分布，低温恒温器外部留有输液接口与内部预冷通道连通。
利用用于磁控直拉单晶的四角型线圈分布超导磁体进行拉晶的方法，包括以下步骤：
步骤1，磁体安装
通过吊装的方式将超导磁体底部与升降装置连接，单晶炉嵌套在超导磁体中心孔内；
步骤2，磁体抽空
用高真空分子泵组对磁体低温恒温器内部进行抽真空，使真空度达到10-4Pa级；
步骤3，液氮预冷
通过服务组件向线圈液氮通道输送液氮，使线圈温度从300K降至77K，然后对液氮腔进行抽空密封；
步骤4，制冷机传导冷却
通过4台GM制冷机对线圈持续降温，指导线圈温度至4.2K；
步骤5，顶杆预紧
从外部对线圈承力架至外部铁轭之间的顶杆进行预紧；
步骤6，磁体励磁拉晶
用外部电源通过电流引线对超导磁体励磁，达到300mm单晶硅指定背景磁场，开始拉晶。
本发明的有益效果是：
本发明为用于磁控直拉单晶的四角型线圈分布超导磁体，本发明的超导磁体采用无液氦制冷机传导冷却的方式降温，通过电源励磁在中心孔内产生特定的背景磁场用于300mm单晶硅制备。超导磁体设置在单晶炉外侧，用超导电源将磁体励磁至设定磁场，能够产生大范围的均匀磁场，为300mm直拉单晶提供所需背景磁场。其无液氦传导冷却的特性，能够摆脱液氦资源稀缺的瓶颈，大大减少能源成本，并长期稳定运行。本发明的效果具体如下：
由于采用了六边形结构发线圈承力架，承力架与外部铁轭之间设置顶杆，能够承受巨大的电磁力，减小线圈变形，防止线圈失超；由于采用了低温恒温器，低温恒温器用于实现超导线圈能够在极低温环境下长期稳定运行；由于采用了外部铁轭，可以减少磁体外部漏场，使超导磁体便于与升降设备和单晶炉配合使用；由于采用的电流引线，用来将大电流从室温端流通至极低温的线圈内，其具有载流能力大，热负载小的特点；由于采用了服务组件，服务组件包含对超导线圈温度、电压的数据监测模块，以及对超导线圈液氮预冷通道，从而大大降低超导线圈降温冷却时间，节约成本；由于采用了GM制冷机，超导磁体用4台制冷机进行传导冷却降温，无液氦冷却，可以降低运行成本。
本发明采用无液氦冷却，能够摆脱液氦资源稀缺的问题，大大节约运行成本。低温恒温器内部设置有线圈液氮预冷通道，能够有效缩短传导冷却时间，增加降温效率。
本发明通过特有的超导线圈分布方式，能够为300mm大尺寸单晶硅制备提供大范围、高均匀度的稳定磁场，从而提高单晶硅的纯度和品质；并且本发明采用制冷机传导冷却的方式对超导线圈进行降温，摆脱了液氦资源短缺的困境，大大降低成本，节省资源。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明超导线圈及铁厄分布图。
图中：1.超导线圈，2.线圈承力架，3.低温恒温器，4.外部铁轭，5.电流引线，6.GM制冷机，7.服务组件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。
参见图1，用于磁控直拉单晶的四角型线圈分布超导磁体，用于300mm磁控直拉单晶制备，包括有从内到外依次设置的线圈承力架2、超导线圈1、低温恒温器3、电流引线5、服务组件7、GM制冷机6、外部铁轭4；所述超导线圈数量为4个，4个超导线圈1按60°呈四角型对称分布在线圈承力架2上，超导线圈1之间依次串联，超导线圈外部设有外部铁轭4，用于减小外侧漏磁；
超导线圈与外部铁轭的独特分布，以及无液氦传导冷却加液氮预冷通道的低温恒温器结构；
超导线圈及外部铁轭决定超导磁体的磁场分布，如附图2所示。线圈数量为4个，按60°呈四角型对称分布，线圈间互相串联；铁轭分布在线圈外侧，用来减少外部漏场，使超导磁体与升降装置、单晶炉等配合；
所述的4个超导线圈，其分布为（如图2所示）：中平面位于同一平面，即XZ平面，关于XY平面和YZ平面对称，超导线圈轴线夹角在X轴方向夹角为60度。
所述线圈承力架2为六边形结构，超导线圈1固定于线圈承力架2上，线圈承力架与外部铁轭4之间设置顶杆，线圈承力架2其作用是约束线圈，承受巨大的电磁力，减小线圈变形，防止线圈失超；由于线圈的特殊分布，4个线圈间会产生巨大的电磁力，所以在承力架外侧周向分布着顶杆与外部铁轭固定，保证承力架在承受电磁力时具有足够的力学强度。
低温恒温器用于实现超导线圈能够在极低温环境下长期稳定运行，内部包含有辐射屏、多层绝热及线圈支撑杆等；
电流引线具有载流能力大，热负载小的特点，能够将大电流从室温端输送至极低温的线圈内，保证其温度不发生变化；
由GM制冷机进行传导冷却降温，实现超导线圈在极低温环境下运行；而且低温恒温器内部设有液氮预冷通道，前期通过液氮预冷超导线圈1，缩短整体降温时间。
所述的超导线圈采用NbTi低温超导线干式绕制，超导线圈外部浸渍有环氧树脂，提高线圈性能。超导线圈进行环氧竖直固化浸渍，提高线圈整体力学性能。
所述的服务组件包括对超导线圈温度、电压的数据监测的温度、电压传感器以及对超导线圈液氮预冷通道，温度、电压传感器分布在超导线圈内部，由信号线从低温恒温器内部引出，从外接航空插头采集信号；液氮预冷通道在低温恒温器内部，在超导线圈的表面分布，低温恒温器外部留有输液接口与内部预冷通道连通。
本发明的工作原理是：
低温恒温器为超导线圈提供极低温的环境实现超导态；外部铁轭用来减小磁体外部漏磁；电流引线为超导线圈从极低温至室温端的电流通道，承载大电流并减少热负载；服务组件包含超导线圈内部的温度、电压监测信号线，以及超导线圈的液氮预冷通道；4个GM制冷机为超导线圈的冷量来源，通过传导冷却方式对线圈实现降温。
利用用于磁控直拉单晶的四角型线圈分布超导磁体进行拉晶的方法，包括以下步骤：
步骤1，磁体安装
通过吊装的方式将超导磁体底部与升降装置连接，单晶炉嵌套在超导磁体中心孔内；
步骤2，磁体抽空
用高真空分子泵组与低温恒温器的真空阀接口相连，对磁体低温恒温器内部进行抽真空，使真空度达到10-4Pa级，从而减小热对流影响，减小外部室温对内部超导线圈极低温态的热负载；
步骤3，液氮预冷
通过服务组件液氮输液口向线圈液氮通道输送液氮，使线圈温度从300K降至77K，缩短单纯传导冷却所需要的时间。然后对液氮腔进行抽空密封，减小热对流对超导线圈的影响；
步骤4，制冷机传导冷却
通过4台GM制冷机对线圈进行传导冷却降温，冷量由制冷机冷头通过低温恒温器内部特有的导冷结构，传递至超导线圈，直至线圈温度至4.2K；
步骤5，顶杆预紧
预紧外部铁轭的顶块，其与线圈承力架相连，用来保证减小线圈承力架的变形，避免因变形或线圈位移过大而引起超导线圈失超；
步骤6，磁体励磁拉晶
用恒流超导电源对超导线圈励磁，设定一定的励磁速度（A/s），电流通过二元电流引线输送至超导线圈使其通电，产生磁场，当电流达到设定值时则保持稳定不变，磁体产生的磁场也达到稳定的场强和均匀度，在此背景磁场下采用直拉法（CZ）进行300mm单晶硅制备，能有效地抑制硅溶体中的热对流，及控制熔硅中杂质的运输，减少氧、硼、铝等杂质从石英坩埚进入溶体，从而提升单晶硅的品质。
Claims (6)
1.用于磁控直拉单晶的四角型线圈分布超导磁体，用于300mm磁控直拉单晶制备，包括从内到外依次设置的线圈承力架（2）、超导线圈（1）、低温恒温器（3）、电流引线（5）、服务组件（7）、GM制冷机（6）、外部铁轭（4）；其特征在于，所述超导线圈数量为4个，4个超导线圈（1）按60°呈四角型对称分布在线圈承力架（2）上，超导线圈（1）之间依次串联，超导线圈外部设有外部铁轭（4）；
所述线圈承力架（2）为六边形结构，超导线圈（1）固定于线圈承力架（2）上，线圈承力架与外部铁轭（4）之间设置顶杆；
所述低温恒温器采用外部设有4台GM制冷机；而且低温恒温器内部设有液氮预冷通道。
2.根据权利要求1所述的用于磁控直拉单晶的四角型线圈分布超导磁体，其特征在于，所述的4个超导线圈，其分布为：中平面位于同一平面，即XZ平面，关于XY平面和YZ平面对称，超导线圈轴线夹角在X轴方向夹角为60度。
3.根据权利要求1所述的用于磁控直拉单晶的四角型线圈分布超导磁体，其特征在于，所述的超导线圈采用NbTi低温超导线干式绕制，超导线圈外部浸渍有环氧树脂，提高线圈性能。
4.根据权利要求1所述的用于磁控直拉单晶的四角型线圈分布超导磁体，其特征在于，超导线圈失超电路采用分段自保护的方式，并联二极管与线圈形成闭合回路。
5.根据权利要求1所述的用于磁控直拉单晶的四角型线圈分布超导磁体，其特征在于，所述超导磁体设置在单晶炉外侧，用超导电源将磁体励磁至设定磁场，为直拉单晶提供所需背景磁场。
6.根据权利要求1所述的用于磁控直拉单晶的四角型线圈分布超导磁体，其特征在于，所述的服务组件包括对超导线圈温度、电压的数据监测的温度、电压传感器以及对超导线圈液氮预冷通道，温度、电压传感器分布在超导线圈内部，由信号线从低温恒温器内部引出，从外接航空插头采集信号；液氮预冷通道在低温恒温器内部，在超导线圈的表面分布，低温恒温器外部留有输液接口与内部预冷通道连通。
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