TWI751726B - 一種半導體晶體生長裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種半導體晶體生長裝置。包括：坩堝，用以容納矽熔體；和水平磁場施加裝置，用以產生水平磁場；其中，所述水平磁場施加裝置包括位於所述坩堝的相對的兩側的至少兩個單線圈超導磁體，每一個所述單線圈超導磁體包括沿著所述水平磁場的方向繞制的線圈，以使所述單線圈超導磁體產生串聯的所述水平磁場水平穿過所述坩堝內的矽熔體。根據本發明的半導體晶體生長裝置，使單線圈超導磁體中線圈產生的水平磁場串聯穿過坩堝內的矽熔體，串聯的磁場使得磁場發生裝置有較小的磁漏，提升磁場發生裝置的電磁轉換效率，減小了半導體晶體生長裝置的製造和使用成本。同時，採用本發明的磁場發生裝置，線圈繞制簡單，也大大降低了半導體晶體生長裝置的製造成本。

Description

一種半導體晶體生長裝置
本發明涉及半導體技術領域，具體而言涉及一種半導體晶體生長裝置。
直拉法（Cz）是製備半導體及太陽能用矽單晶的一種重要方法，通過碳素材料組成的熱場對放入坩堝的高純矽料進行加熱使之熔化，之後通過將籽晶浸入熔體當中並經過一系列（引晶、放肩、等徑、收尾、冷卻）工藝過程，最終獲得單晶棒。
使用CZ法的半導體單晶矽或太陽能單晶矽的晶體生長中，晶體和熔體的溫度分佈直接影響晶體的品質和生長速度。在CZ晶體的生長期間，由於熔體存在著熱對流，使微量雜質分佈不均勻，形成生長條紋。因此，在拉晶過程中，如何抑制熔體的熱對流和溫度波動，是人們廣泛關注的問題。
在磁場發生裝置下的晶體生長（MCZ）技術通過對作為導電體的矽熔體施加磁場，使熔體受到與其運動方向相反的洛倫茲力作用，阻礙熔體中的對流，增加熔體中的粘滯性，減少了氧、硼、鋁等雜質從石英坩堝進入熔體，進而進入晶體，最終使得生長出來的矽晶體可以具有得到控制的從低到高廣範圍的氧含量，減少了雜質條紋，因而廣泛應用於半導體晶體生長工藝。現有的晶體生長裝置中用以產生水平磁場的裝置，採用通過線圈形成一個圓桶狀的磁體，套設在爐體外部，使在爐體內部的坩堝中形成所需的水平磁場強度。一種典型的圓筒狀的磁體，如申請號為JP19960276105的日本專利公開的，其將勵磁線圈繞製成馬鞍型設置於圓柱型磁體內部。如圖1所示，呈圓柱形的桶狀磁體100套設在爐體外，其中，桶狀磁體100中設置線圈繞製成馬鞍型雙繞線圈101和102，在對雙繞線圈101和102通電的情況下，在桶裝磁體100的直徑方向上產生磁場。這樣的磁體形式下，線圈繞制過程複雜，磁體製作工藝複雜，製造成本高，製作週期長，顯著增加了半導體晶體生長裝置的製造成本。
為此，有必要提出一種新的半導體晶體生長裝置，用以解決現有技術中的問題。
在發明內容部分中引入了一系列簡化形式的概念，這將在具體實施方式部分中進一步詳細說明。本發明的發明內容部分並不意味著要試圖限定出所要求保護的技術方案的關鍵特徵和必要技術特徵，更不意味著試圖確定所要求保護的技術方案的保護範圍。
為了解決現有技術中的問題，本發明提供了一種半導體晶體生長裝置，所述裝置包括： 坩堝，用以容納矽熔體；和 水平磁場施加裝置，用以產生水平磁場；其中，所述水平磁場施加裝置包括位於所述坩堝的相對的兩側的至少兩個單線圈超導磁體，每一個所述單線圈超導磁體包括沿著所述水平磁場的方向繞制的線圈，以使所述單線圈超導磁體產生串聯的所述水平磁場水平穿過所述坩堝內的矽熔體。
示例性地，所述單線圈超導磁體包括包圍所述線圈的殼體，所述殼體設置為磁屏蔽材料。
示例性地，所述殼體設置為磁性材料。
示例性地，包括： N個沿著同一方向並列設置所述坩堝；和 N+1個沿同一方向並列設置的所述單線圈超導磁體；其中， 相鄰兩個所述單線圈超導磁體的中間設置有一個所述坩堝，其中N≥2。
示例性地，第1個所述單線圈超導磁體的與第1個所述坩堝相對的另一側設置有磁場屏蔽裝置； 第N+1個所述單線圈超導磁體的與第N個所述坩堝相對的另一側設置有磁場屏蔽裝置。
示例性地，包括3個所述坩堝和4個所述單線圈超導磁體。
示例性地，所述線圈包括超導線圈。
示例性地，所述坩堝設置在爐體內，所述單線圈超導磁體設置在所述爐體相對的兩側從而設置在所述坩堝的相對的兩側。
根據本發明的半導體晶體生長裝置，通過在坩堝兩側設置發生水平磁場的單線圈超導磁體，其中，單線圈超導磁體包括沿著水平磁場的方向繞制的線圈，使單線圈超導磁體中線圈產生的水平磁場串聯穿過坩堝內的矽熔體，串聯的磁場使得磁場發生裝置有較小的磁漏，提升磁場發生裝置的電磁轉換效率，減小了半導體晶體生長裝置的製造和使用成本。同時，採用本發明的磁場發生裝置，線圈繞制簡單，也大大降低了半導體晶體生長裝置的製造成本。
在下文的描述中，給出了大量具體的細節以便提供對本發明更為徹底的理解。然而，對於本領域技術人員而言顯而易見的是，本發明可以無需一個或多個這些細節而得以實施。在其他的例子中，為了避免與本發明發生混淆，對於本領域公知的一些技術特徵未進行描述。
為了徹底理解本發明，將在下列的描述中提出詳細的描述，以說明本發明所述的半導體晶體生長裝置。顯然，本發明的施行並不限於半導體領域的技術人員所熟習的特殊細節。本發明的較佳實施例詳細描述如下，然而除了這些詳細描述外，本發明還可以具有其他實施方式。
應予以注意的是，這裡所使用的術語僅是為了描述具體實施例，而非意圖限制根據本發明的示例性實施例。如在這裡所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形式也意圖包括複數形式。此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語“包含”和/或“包括”時，其指明存在所述特徵、整體、步驟、操作、元件和/或組件，但不排除存在或附加一個或多個其他特徵、整體、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組合。
現在，將參照附圖更詳細地描述根據本發明的示例性實施例。然而，這些示例性實施例可以多種不同的形式來實施，並且不應當被解釋為只限於這裡所闡述的實施例。應當理解的是，提供這些實施例是為了使得本發明的公開徹底且完整，並且將這些示例性實施例的構思充分傳達給本領域普通技術人員。在附圖中，為了清楚起見，誇大了層和區域的厚度，並且使用相同的附圖標記表示相同的元件，因而將省略對它們的描述。
由於現有的半導體晶體生長裝置中，水平磁場施加裝置的線圈繞製成本高，週期長，顯著增加了半導體晶體生長裝置的製造成本。本發明提供了一種半導體晶體生長裝置，包括： 坩堝，用以容納矽熔體；和 水平磁場施加裝置，用以產生水平磁場；其中，所述水平磁場施加裝置包括位於所述坩堝的相對的兩側的至少兩個單線圈超導磁體，每一個所述單線圈超導磁體包括沿著所述水平磁場的方向繞制的線圈，以使所述單線圈超導磁體產生串聯的所述水平磁場水平穿過所述坩堝內的矽熔體。
下面參看圖2、圖3和圖4對根據本發明的一個實施例的半導體晶體生長裝置進行示例性說明。圖2為根據本發明的一個實施例的一種半導體晶體生長裝置的結構示意圖；圖3為根據本發明的一個實施例的一種半導體晶體生長裝置中單線圈超導磁體的結構示意圖；圖4為根據本發明的一個實施例的一種半導體晶體生長裝置中單線圈超導磁體與坩堝的排布結構示意圖。
參看圖2，示出了一種半導體晶體生長裝置的結構示意圖，半導體晶體生長裝置包括爐體1，爐體1內設置有坩堝11，坩堝11外側設置有對其進行加熱的加熱器12，坩堝11內容納有矽熔體13，坩堝11由石墨坩堝和套設在石墨坩堝內的石英坩堝構成，石墨坩堝接收加熱器的加熱使石英坩堝內的多晶矽材料融化形成矽熔體。其中每一石英坩堝用於一個批次半導體生長工藝，而每一石墨坩堝用於多批次半導體生長工藝。
在爐體1頂部設置有提拉裝置14，在提拉裝置14的帶動下，籽晶從矽熔體液面提拉拉出矽晶棒10，同時環繞矽晶棒10四周設置熱屏裝置，示例性地，如圖1所示，熱屏裝置包括有導流筒16，導流筒16設置為桶型，其作為熱屏裝置一方面用以在晶體生長過程中隔離石英坩堝以及坩堝內的矽熔體對晶體表面產生的熱輻射，提升晶棒的冷卻速度和軸向溫度梯度，增加晶體生長數量，另一方面，影響矽熔體表面的熱場分佈，而避免晶棒的中心和邊緣的軸向溫度梯度差異過大，保證晶棒與矽熔體液面之間的穩定生長；同時導流筒還用以對從晶體生長爐上部導入的惰性氣體進行導流，使之以較大的流速通過矽熔體表面，達到控制晶體內氧含量和雜質含量的效果。在半導體晶體生長過程中，在提拉裝置14的帶動下，矽晶棒10豎直向上穿過導流筒16。
為了實現矽晶棒的穩定增長，在爐體1底部還設置有驅動坩堝11旋轉和上下移動的驅動裝置15，驅動裝置15驅動坩堝11在拉晶過程中保持旋轉是為了減少矽熔體的熱的不對稱性，使矽晶柱等徑生長。
為了阻礙矽熔體的對流，增加矽熔體中的粘滯性，減少氧、硼、鋁等雜質從石英坩堝進入熔體，進而進入晶體，最終使得生長出來的矽晶體可以具有得到控制的從低到高寬範圍的氧含量，減少雜質條紋，半導體生長裝置中還包括設置在爐體外側的磁場施加裝置17，用以對坩堝內的矽熔體施加水平磁場。
根據本發明，磁場施加裝置包括至少兩個單線圈超導磁體，如圖2所示，單線圈超導磁體171和單線圈超導磁體172，單線圈超導磁體171和單線圈超導磁體172設置在爐體相對的兩側，並且其中每一個包括沿著水平磁場方向繞制的線圈，以使單線圈超導磁體171和單線圈超導磁體172產生串聯的所述水平磁場而穿過坩堝11內的矽熔體13。
需要理解的是，本實施例將單線圈超導磁體設置在爐體1外側僅僅是示例性地，本領域技術人員應當理解，單線圈超導磁體設置在爐體內部坩堝兩側也可以實現本發明的技術效果。
通過在坩堝兩側設置發生水平磁場的單線圈超導磁體，其中，單線圈超導磁體包括沿著水平磁場的方向繞制的線圈，使單線圈超導磁體產生的水平磁場串聯穿過坩堝內的矽熔體，這樣的設置形式顯著簡化了水平磁場發生裝置的結構，從而減少了水平磁場施加裝置的製造成本。
參看圖3，示出了根據本發明的一個實施例的一種半導體晶體生長裝置中單線圈超導磁體的結構示意圖。
單線圈超導磁體171包括線圈1711。線圈1711通電後，產生水平磁場。由於在半導體生長裝置中在坩堝的兩側均設置有單線圈超導磁體，每一個單線圈超導磁體中的線圈均產生水平磁場，使得沿著水平磁場的方向，相鄰單線圈超導磁體中的線圈產生的水平磁場發生串聯，最終形成水平穿過坩堝內的矽熔體的磁場。這種串聯的磁場使得磁場發生裝置有較小的磁漏，提升磁場發生裝置的電磁轉換效率，減小了半導體晶體生長裝置的製造和使用成本。同時，採用本發明的磁場發生裝置，線圈繞制簡單，也大大降低了半導體晶體生長裝置的製造成本。
示例性地，所述線圈設置為超導線圈。超導線圈提升電流轉換效率，進一步減少半導體晶體生長裝置在進行半導體晶體生長過程中的生產成本。
繼續參看圖3，示例性地，單線圈超導磁體171還包括殼體1712，殼體1712包圍所述線圈。所述殼體設置為磁屏蔽材料，將殼體設置為磁屏蔽材料是為了屏蔽線圈在水平方向以外產生的磁場，避免線圈對環境造成污染。
示例性地，所述殼體1712設置為磁性材料。採用殼體包圍線圈，有效減少了線圈在產生水平磁場時在垂直于水平磁場方向的磁漏，防止線圈產生的磁場對周圍環境的污染。
示例性地，殼體1712採用電工純鐵製作，進一步減少製造成本。
在根據本發明的一個示例中，半導體晶體生長裝置包括： N個沿著同一方向並列設置所述坩堝；和 N+1個沿同一方向並列設置的所述單線圈超導磁體；其中， 相鄰兩個所述單線圈超導磁體的中間設置有一個所述坩堝，其中N≥2。
下面參看圖4對上述半導體生長裝置進行示例性介紹。
如圖4所示，半導體晶體生長裝置包括3個沿著同一方向並列設置的坩堝，坩堝111、坩堝112和坩堝113。半導體晶體生長裝置還包括4個沿著同一方向並且設置的單線圈超導磁體，單線圈超導磁體171、單線圈超導磁體172、單線圈超導磁體173和單線圈超導磁體174。相鄰兩個單線圈超導磁體的中間設置有一個坩堝。單線圈超導磁體171和單線圈超導磁體172之間設置有坩堝111，單線圈超導磁體172和單線圈超導磁體173之間設置有坩堝112，單線圈超導磁體173和單線圈超導磁體174之間設置有坩堝113。通過上述設置形式，單線圈超導磁體171、單線圈超導磁體172、單線圈超導磁體173和單線圈超導磁體174產生的磁場順次串聯形成穿過坩堝111、坩堝112和坩堝113的水平磁場，由於相鄰單線圈超導磁體之間的磁場疊加，顯著提升磁場的利用率。同時，由於在垂直於磁場方向上，單線圈超導磁體的磁漏顯著減小。
需要理解的是，在圖4中示出的實施例中，將單線圈超導磁體設置在坩堝兩側僅僅是示例性地，本領域技術人員應當理解，在每個坩堝分別設置在各自的爐體內的情況下，將單線圈超導磁體設置在容納有坩堝的爐體的兩側也是設置在坩堝的兩側，也能夠實現本發明的技術效果。
同時，應當理解的是，圖4中僅僅示出有3個坩堝和4個單線圈超導磁體的形式，本領與技術人員應當理解，本發明適合任何數量（N個）的坩堝，只要在每個坩堝兩側設置單線圈超導磁體，均能實現本發明的技術效果。
示例性地，第1個所述單線圈超導磁體的與第1個所述坩堝相對的另一側設置有磁場屏蔽裝置；第N+1個所述單線圈超導磁體的與第N個所述坩堝相對的另一側設置有磁場屏蔽裝置。
如圖4所示，在單線圈超導磁體171的與坩堝111相對的另一側設置磁場屏蔽裝置，在單線圈超導磁體174與坩堝113相對的另一側設置磁場屏蔽裝置，從而避免單線圈超導磁體形成的水平磁場對周圍環境造成污染。
以上是對根據本發明的半導體晶體生長裝置的示例性介紹，根據本發明的半導體晶體生長裝置，通過在坩堝兩側設置發生水平磁場的單線圈超導磁體，其中，單線圈超導磁體包括沿著水平磁場的方向繞制的線圈，使單線圈超導磁體產生的水平磁場串聯穿過坩堝內的矽熔體，串聯的磁場使得磁場發生裝置有較小的磁漏，提升磁場發生裝置的電磁轉換效率，減小了半導體晶體生長裝置的製造和使用成本。同時，採用本發明的磁場發生裝置，線圈繞制簡單，也大大降低了半導體晶體生長裝置的製造成本。
本發明已經利用上述實施例進行了說明，但應當理解的是，上述實施例只是用於舉例和說明的目的，而非意在將本發明限制於所描述的實施例範圍內。此外本領域技術人員可以理解的是，本發明並不局限於上述實施例，根據本發明的教導還可以做出更多種的變型和修改，這些變型和修改均落在本發明所要求保護的範圍以內。本發明的保護範圍由附屬的申請專利範圍及其等效範圍所界定。
1:爐體 10:矽晶棒 11:坩堝 12:加熱器 13:矽熔體 14:提拉裝置 15:驅動裝置 16:導流筒 17:磁場施加裝置 111、112、113:坩堝 171、172、173、174:單線圈超導磁體 1711:線圈 1712:殼體
本發明的下列附圖在此作為本發明的一部分用於理解本發明。附圖中示出了本發明的實施例及其描述，用來解釋本發明的原理。 附圖中：
圖1為一種半導體晶體生長裝置中水平磁場施加裝置的結構示意圖；
圖2為根據本發明的一個實施例的一種半導體晶體生長裝置的結構示意圖；
圖3為根據本發明的一個實施例的一種半導體晶體生長裝置中單線圈超導磁體的結構示意圖；
圖4為根據本發明的一個實施例的一種半導體晶體生長裝置中單線圈超導磁體與坩堝的排布結構示意圖。
171:單線圈超導磁體
1711:線圈
1712:殼體

Claims (7)

  1. 一種半導體晶體生長裝置，包括：N個沿著同一方向並列設置的坩堝，用以容納矽熔體；和水平磁場施加裝置，用以產生水平磁場；其中，所述水平磁場施加裝置包括N+1個沿同一方向並列設置的所述單線圈超導磁體，相鄰兩個所述單線圈超導磁體的中間設置有一個所述坩堝，每一個所述單線圈超導磁體包括沿著所述水平磁場的方向繞制的線圈，以使所述單線圈超導磁體產生串聯的所述水平磁場水平穿過所述坩堝內的矽熔體；其中，N
    Figure 109134339-A0305-02-0014-1
    2。
  2. 根據請求項1所述的半導體晶體生長裝置，其中所述單線圈超導磁體包括包圍所述線圈的殼體，所述殼體設置為磁屏蔽材料。
  3. 根據請求項2所述的半導體晶體生長裝置，其中所述殼體設置為磁性材料。
  4. 根據請求項1所述的半導體晶體生長裝置，其中第1個所述單線圈超導磁體的與第1個所述坩堝相對的另一側設置有磁場屏蔽裝置；第N+1個所述單線圈超導磁體的與第N個所述坩堝相對的另一側設置有磁場屏蔽裝置。
  5. 根據請求項1所述的半導體晶體生長裝置，其中包括3個所述坩堝和4個所述單線圈超導磁體。
  6. 根據請求項1所述的半導體晶體生長裝置，其中所述線圈包括超導線圈。
  7. 根據請求項1所述的半導體晶體生長裝置，其中所述坩堝設置在爐體內，所述單線圈超導磁體設置在所述爐體相對的兩側從而設置在所述坩堝的相對的兩側。
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