一种用于磁控直拉单晶的线圈结构及磁控直拉单晶的方法与流程

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种用于磁控直拉单晶的线圈结构及磁控直拉单晶的方法。

背景技术：

随着半导体微电子器件和大规模集成电路等器件制造技术的迅速发展，对半导体材料单晶硅的制备要求越来越高。单晶硅中的有害杂质及其不均匀性是制约单晶质量的主要因素之一，因此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为制备单晶硅的重要指标。

单晶硅的制法分为直拉法和悬浮区熔法。目前绝大部分单晶硅都是采用直拉法来制备，其使用单晶炉从熔体中生长出棒状单晶硅。在直拉法生长晶体过程中，熔体的热对流使杂质产生宏观及微观不均匀性，从而影响晶体的物理和化学性质。因此，抑制熔体对流是提高单晶质量重要途径之一。

为了解决上述问题，逐步发展了磁控拉单晶技术。在直拉法的基础上，通过在单晶炉外侧施加强磁场，对熔体的热对流进行抑制，降低晶体的杂质含量，提高纵向和径向杂质分布均匀性，得到高品质的单晶体。

传统的磁控直拉法的磁场产生装置一般使用永磁材料及常规电磁铁，该磁控直拉方法由于受限于永磁材料的饱和磁化强度及常规电磁铁的功率，使得产生的磁场强度往往不高，对熔体的热对流抑制效果较为普通。随着超导磁体技术的发展，越来越多的超导磁体替代了传统的常规电磁铁，其可以产生更强的磁场，对熔体的热对流抑制效果更为明显，然后配合相应的拉晶工艺，可以制备出更大尺寸或更高品质的单晶硅。

磁控直拉法中的超导磁体产生的磁场一般分为勾形磁场、横向磁场、纵向磁场。其中纵向磁场对熔体对流的抑制效果不是很明显，已经被勾形磁场和横向磁场所替代。

由于纵向、横向磁场的磁力线方向都是单一方向，它们仅对与磁力线垂直的部分对流起抑制作用，而对与磁力线平行的对流起不到抑制作用，影响了杂质含量与均匀性。

为了进一步提高单晶的品质，人们提出一种较为先进的勾形磁场，该磁场是磁力线分布以轴上下对称，同时包含径向和纵向分量的发散型磁场，可有效地抑制热对流、单晶体和坩埚相对旋转产生的强迫对流，从而使晶体硅的品质得到进一步改善。

由于传统的勾形磁场的线圈功率或线圈之间的巨大斥力，其磁场强度与采用横向磁场的磁场强度相比要低很多(只有横向磁场的20％～50％)。但是，横向磁场破坏了直拉生长系统原有横向热对流的对称性，引起了严重的径向分凝，单晶棒出现生长条纹。但由于勾形磁场位型的磁体产生磁场较低，其制备的晶体硅的品质往往与采用横向磁场的磁体相近。目前市场上两种磁场位型的磁体的市场占有率是相差不多的。因此提高勾形磁体的磁场，是有效提高晶体硅品质的一种方法。一般的，要求勾形磁体在坩埚侧壁熔体液面处的磁场强度为2000-4000gs，随着单晶硅尺寸的增大，对磁场强度的要求增大，使得传统的勾形磁体重量和成本急剧增大。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种用于磁控直拉单晶的线圈结构及磁控直拉单晶的方法，能够达到单晶生产制造的磁场强度要求，同时能够降低传统的产生勾形磁场的磁体的重量和成本。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于磁控直拉单晶的线圈结构，包括上下同轴设置的第一线圈和第二线圈，所述第一线圈和所述第二线圈正中间设置有辅助线圈，所述辅助线圈与所述第一线圈同轴设置；

通电时，所述第一线圈和所述第二线圈中的电流反向。

作为优选技术方案，所述辅助线圈包括多个的子线圈，所述子线圈(31)的数量为偶数，所述子线圈依次串联。

作为优选技术方案，多个所述子线圈沿所述辅助线圈的中心轴线环形均匀设置。

作为优选技术方案，多个所述子线圈间隔设置。

作为优选技术方案，所述子线圈为圆形结构，且多个子线圈的圆心位于同一圆周上，所述圆周的圆心位于所述第一线圈的中心轴线上。

作为优选技术方案，所述子线圈的中心轴线垂直于所述辅助线圈的中心轴线。

作为优选技术方案，所述子线圈为弧形结构，且多个所述子线圈的圆心重合并位于所述第一线圈的中心轴线上。

作为优选技术方案，所述弧形结构包括两个竖边和两个弧形边，两个所述竖边和分别连接两个所述弧形边的两端，所述弧形边的圆心位于所述第一线圈的中心轴线上。

作为优选技术方案，所述第一线圈、所述第二线圈及所述辅助线圈均由超导材料制作而成。

本发明还提供了一种磁控直拉单晶的方法，包括以下步骤：

将上述的线圈结构布置于单晶炉外，并对线圈结构通电；

将单晶炉内设置加热器，并将容纳有熔体的坩埚至于加热器内进行加热，使得坩埚内的晶块熔融为熔体，所述熔体的液面位于所述辅助线圈的中心平面；

通过直拉法得到单晶硅。

本发明的有益效果：

本发明通过将第一线圈和第二线圈同轴设置且通入反向电流，以形成勾形磁场，同时，在第一线圈和第二线圈之间增设辅助线圈，在一对同轴反向线圈的基础上，使辅助线圈产生的磁场与一对反向线圈产生的磁场相互叠加，从而增强了磁场的强度，提高了单晶硅的品质。此外，通过设置辅助线圈调节和优化磁场，能够调节磁场的均匀度，从而对单晶炉内的熔体热对流的抑制具有一致性，使制得的单晶硅具有很高的纯度，以及单晶硅内的杂质分布更加均匀；即使在原有磁场强度不变的情况下，可通过降低超导线圈的用量，减小线圈之间的排斥力，进而减轻磁体的重量，节省制造成本。

附图说明

图1是实施例一提供的用于磁控直拉单晶的线圈结构的结构示意图；

图2是实施例一提供的用于磁控直拉单晶的线圈结构与单晶炉的剖视图；

图3是实施例一提供的用于磁控直拉单晶的线圈结构外设铁磁的示意图；

图4是实施例二提供的用于磁控直拉单晶的线圈结构的结构示意图。

图中：

10、单晶炉；20、坩埚；

1、第一线圈；2、第二线圈；3、辅助线圈；31、子线圈。

4、低温容器；5、铁屏。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本实施例提供了一种用于磁控直拉单晶的线圈结构，如图1所示，该线圈结构包括上下同轴设置的第一线圈1和第二线圈2，第一线圈1和第二线圈2正中位置设置有辅助线圈3，辅助线圈3与第一线圈1同轴设置，且辅助线圈3与第一线圈1的距离等于辅助线圈3与第二线圈2的距离；通电时，第一线圈1和第二线圈2中的电流方向相反。

本实施例通过将第一线圈1和第二线圈2同轴设置且通入反向电流，以形成包含径向和纵向磁场分量的勾形磁场，同时，在第一线圈1和第二线圈2之间增设辅助线圈3，在一对同轴反向线圈的基础上，使辅助线圈3产生的磁场与一对反向线圈产生的磁场相互叠加，从而增强了磁场的强度。此外，通过调整辅助线圈3的结构及电流，能够调节磁场的均匀度，从而对单晶炉10内的熔体热对流的抑制具有一致性，从而使制得的单晶硅具有很高的纯度，使单晶硅内的杂质分布更加均匀，提高了单晶硅的品质。

上述辅助线圈3与第一线圈1的距离等于辅助线圈3与第二线圈2的距离，以增加在第一线圈1和第二线圈2形成的轴向零磁面处的磁场强度，从而提高单晶硅的品质。

进一步地，辅助线圈3分别与第一线圈1和第二线圈2等间隔设置。

辅助线圈3包括不少于两个子线圈31，子线圈31依次串联，且所述子线圈31间隔设置。需要说明的是，本实施例对子线圈31的数量不作限定，可以根据实际的生产需要进行调整，以调节磁场的均匀度，从而对单晶炉10内的熔体热对流的抑制具有一致性，使制得的单晶硅具有很高的纯度，单晶硅内的杂质分布更加均匀，提高了单晶硅的品质。此外，多个所述子线圈31沿所述辅助线圈3的中心轴线环形均匀设置，以进一步地保证磁场的均匀性。需要说明的是，子线圈31内的电流可与第一线圈1的电流大小和方向相同，也可以与第二线圈2内的电流大小和方向相同，本实施例对此不作限定。

其中，子线圈31为圆形结构，且多个子线圈31的圆心位于同一圆周上，圆周的圆心位于第一线圈1的中心轴线上，子线圈31的轴线垂直于辅助线圈3的轴线。

第一线圈1、第二线圈2及辅助线圈3均由超导材料制作而成，本实施例通过将第一线圈1、第二线圈2及辅助线圈3均设置为超导线圈，在低温环境下能够达到超导状态，能够承载比常规线圈更高的电流，产生更高的磁场，从而保证了单晶硅制造时的品质。

如图2所示，第一线圈1、第二线圈2及辅助线圈3均套设于单晶炉10外。

具体地，如图2和图3所示，线圈结构还包括低温容器4，低温容器4设置于单晶炉10外，第一线圈1、第二线圈2及辅助线圈3均设置于低温容器4内。其中，低温容器4内填充有低温液体，线圈置于低温液体内，进一步地，低温容器4内设置有真空夹层，低温容器4上还设置真空阀门(图中未示出)，在线圈通电后，通过真空阀门可以保证低温液体外部的真空环境，从而起到隔热的效果，使低温液体处于零消耗状态。其中，低温液体为液氦，真空层为液氦杜瓦。需要说明的是，本实施例中的冷却液和真空夹层还可以为其他类型，线圈结构由低温液体冷却，也可以采用制冷机直接冷却等形式，本实施例对此均不作限定。

此外，本实施例提供的线圈结构还可包括铁屏5，其中，铁屏5包覆于低温容器4的外部，减小漏磁场对单晶炉10设备的影响，满足人体安全的磁场要求，同时进一步增加熔体液面处的磁场强度，提升单晶硅的品质。

本实施例还提供了一种磁控直拉单晶的方法，该磁控直拉单晶的方法包括以下步骤：

步骤一：将上述线圈结构设置于单晶炉10外，并对线圈结构通电。其中对磁体结构通电包括对第一线圈1、第二线圈2及辅助线圈3进行通电，当对磁铁结构内的线圈进行通电时，第一线圈1和第二线圈2内通有方向相反的电流，辅助线圈3中的各个子线圈31内的电流可与第一线圈1的电流大小相同，也可以与第一线圈1的电流大小不相同。

步骤二：单晶炉10内设置加热器，并将放置有晶块的坩埚20置于加热器内进行加热，使得坩埚20内的晶块熔融为熔体，熔体的液面位于辅助线圈3的中心平面。通过对晶块加热使其成为熔融状态，并形成熔体。第一线圈1、第二线圈2及辅助线圈3提供的勾形磁场作用于熔体，熔体在均匀磁场的作用下，对单晶炉10内的熔体热对流的抑制具有一致性，使制得的单晶硅具有很高的纯度，单晶硅内的杂质分布更加均匀，从而提高了单晶硅的品质。

步骤三：通过直拉法得到单晶硅。直拉单晶用的超导磁体的磁场要求为在坩埚20侧壁熔体液面处的磁场强度为2000～5000gs，磁场强度越高，对熔体的热对流抑制效果更高，制备的单晶硅品质更好。在强磁场的作用下，可有效地抑制热对流、单晶体和坩埚20相对旋转产生的强迫对流，从而使晶体硅的品质得到进一步改善。

其中，直拉法指的是，将熔体加热至熔融状态后，将一个用化学方法刻蚀的籽晶降下来并旋转籽晶，使籽晶与熔体相接触，熔体在籽晶上不断结晶成长，直至达到一定直径的硅晶体。

实施例二

本实施例提供了一种用于磁控直拉单晶的线圈结构，具体地，提供了子线圈31的另外一种形式，如图4所示，本实施例提供的子线圈31弧形结构，且多个子线圈31的圆心重合并位于第一线圈1的中心轴线上。

其中，弧形结构包括两个竖边和两个弧形边，两个竖边分别连接弧形边的两端，弧形边的圆心位于第一线圈1的中心轴线上。

作为优选，本实施例中的子线圈31的数量为两个，两个弧形结构的子线圈31形成有两个开口的圆形结构。需要说明的是，子线圈31的数量还可以为四个或六个，本实施例对子线圈31的数量不作限定，可根据实际需要进行调整。

需要说明的是，在其他实施例中子线圈31还可以为螺线管状或椭圆形等，且线圈的数量可以根据单晶硅制作时对磁场强度的要求进行调整，对此不作限定。

本实施例中的其他结构与实施例一中的其他结构相同，在此不再一一赘述。