一种用于磁控直拉单晶的磁体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磁体结构及磁控直拉单晶的方法。

背景技术：

单晶硅是晶体材料中的重要组成部分，它是制造半导体硅器件的原料，广泛应用于大规模集成电路、整流器、大功率晶体管、二极管及太阳能电池板等半导体制造领域。

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。采用直拉法生产的单晶硅占世界单晶总量的70％以上。直拉法的基本特点是工艺成熟，便于控制晶体外形及电学参数，适用于生长大直径单晶硅。近年来，超大规模集成电路的发展对单晶硅的尺寸及品质有了更高的要求。但是随着晶体尺寸的增大及熔体的热对流增强，会造成熔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，进而使得单晶硅的品质下降。

为了解决上述问题，逐步发展了磁控拉单晶技术。通过在直拉法的基础上，在单晶炉外侧施加强磁场，强磁场具有抑制熔体的热对流的能力。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，能有效地抑制硅熔体中的热对流，及控制熔硅中杂质的输运。适当分布的磁场能减少氧、硼、铝等杂质从石英坩埚进入熔体，进而进入单晶体，从而提升单晶硅品质。

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。

由于磁体配置在单晶炉外侧，需要考虑与单晶生长设备的电磁兼容问题，单纯线圈产生的漏磁场一般都很大，不能满足一般电子器件或电源的使用要求，以及对人体的安全要求。因此，超导磁体往往会在磁体外侧添加铁轭的被动屏蔽方式来减小漏磁场，这样造成磁体的重量急剧增大，一般铁轭的重量往往会达到整个磁体的50％以上，增加了制造成本。

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磁体结构及磁控直拉单晶的方法，能够有效减小漏磁场，同时避免了磁体结构的重量的急剧增加。

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磁体结构，包括：多个串联且周向设置于单晶炉外部的线圈，所述线圈呈两两对应设置，且对应设置的两个线圈以单晶炉的中心对称，每一所述线圈包括同轴设置的主线圈和副线圈，线圈通电时，所述主线圈和所述副线圈内的电流方向相反。

作为优选技术方案，所述副线圈设置于所述主线圈远离所述单晶炉的一侧，且所述主线圈和所述副线圈之间设置有预设距离。

作为优选技术方案，所述线圈的中心轴线垂直于所述单晶炉的中心轴线。

作为优选技术方案，相邻的所述线圈的中心轴线之间设有夹角。

作为优选技术方案，还包括低温容器，所述低温容器设置于所述单晶炉外，所述线圈设置于所述低温容器内。

作为优选技术方案，所述低温容器内填充有低温液体，所述线圈置于所述低温液体内。

作为优选技术方案，所述线圈为超导线圈。

作为优选技术方案，所述线圈的数量为四个，包括两对对应设置的线圈，相邻的线圈的中心轴线呈预设角度。

作为优选技术方案，所述预设角度为50°-70°。

本发明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如下步骤：

在单晶炉外布置上述的磁体结构，并对磁体结构通电；

将单晶炉内设置加热器，加热器对放置有晶块的坩埚进行加热；

通过直拉法得到单晶硅。

本发明的有益效果：

本发明通过将线圈设置为主线圈和副线圈，并向主线圈和副线圈通入相反方向的电流，使得副线圈产生的磁场能够有效地抵消主线圈在外部产生的磁场，通过主动屏蔽的方式减小了磁体结构的漏磁场。此外，本发明通过采用主动屏蔽的形式较少漏磁，降低了磁体结构的重量，节省了磁体结构的制造成本。

附图说明

图1是本发明提供的磁体结构和单晶炉分布的结构示意图；

图2是本发明提供的磁体结构和单晶炉的剖视图；

图3是本发明提供的磁体结构和单晶炉的外部结构示意图；

图4是本发明提供的磁铁结构产生的场强与其他形式产生的场强的对比图。

图中：

10、单晶炉；20、加热器；30、坩埚；

1、线圈；11、主线圈；12、副线圈；

2、低温容器；21、第一引线；22、第二引线；23、泄压阀；25、信号线接口；26、真空阀门；

24、制冷机；241、冷头一级；242、冷头二级。

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磁体结构，如图1所示，该用于磁控直拉单晶的磁体结构包括多个串联且周向设置于单晶炉10外部的线圈1，所述线圈1呈两两对应设置，且对应设置的两个线圈1以单晶炉10的中心对称，每一所述线圈1包括同轴设置的主线圈11和副线圈12，线圈1通电时，所述主线圈11和所述副线圈12内的电流方向相反。

本实施例通过将线圈1设置为主线圈11和副线圈12，并向主线圈11和副线圈12通入相反方向的电流，使得副线圈12产生的磁场能够有效地抵消主线圈11在外部产生的磁场，以通过主动屏蔽的方式减小了磁体结构的漏磁场。此外，本实施例通过采用主动屏蔽的形式较少漏磁，降低了磁体结构的重量，节省了磁体结构的制造成本，避免了现有技术中通常采用在线圈外添加铁磁材料的被动屏蔽方式减小漏磁场，使得磁体结构的重量急剧增加的情况。

副线圈12设置于主线圈11远离单晶炉10的一侧，且主线圈11和副线圈12之间设置有预设距离。本实施例通过将副线圈12设置于主线圈11的外侧，可以进一步地提高副线圈12抵消主线圈11在外部产生的漏磁场的效果。此外，本实施例对预设距离不作限定，在实际生产的过程中，可以根据需要进行调整，以保证副线圈12能够抵消主线圈11产生的外磁场，从而减少磁体结构的漏磁场。

如图2所示，线圈1的中心轴线垂直于单晶炉10的中心轴线，由于线圈1呈两两相对设置且，相邻的线圈1的中心轴线之间设有夹角，从而使得各个线圈1在单晶炉10内形成横向磁场，从而保证通过单晶炉10可以制造出高品质的晶体。进一步地，主线圈11提供了直拉晶体所需的主磁场，副线圈12为主动屏蔽线圈，并与主线圈11通入相反的电流，在减小漏磁场的同时，与主线圈11共同产生的磁场为直拉单晶提供了横向磁场。

作为优选，线圈1的数量为四个，其中，该四个线圈1包括两对对应设置的线圈1，相邻线圈1的中心轴线呈预设角度，作为优选，预设角度为50°-70°。

需要说明的是，本实施例对该预设角度不作限定，可以根据实际需要进行调整，以保证主线圈11和副线圈12共同作用产生的横向磁场具有一定的强度和均匀度，从而提高单晶炉10内的晶体制造品质。

如图2和图3所示，本实施例提供的磁体结构还包括低温容器2，低温容器2设置于单晶炉10外，线圈1设置于低温容器2内。其中，述低温容器2内填充有低温液体，线圈1置于低温液体，进一步地，低温容器2内设置有真空夹层，低温容器2上还设置有真空阀门26，通过真空阀门26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。作为优选，低温液体为液氦，真空层为液氦杜瓦。需要说明的是，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，低温液体和真空夹层还可以为其他类型，本实施例对此均不作限定。

低温容器2上设有与电源连接的第一引线21和第二引线22，第一引线21连接于主线圈11，第二引线22连接于副线圈12。其中，第一引线21和第二引线22均为二元引线，且第一引线21和第二引线22均包括铜线端及连接于铜线端的超导端，超导端伸入低温液体并与线圈1连接。第一引线21和第二引线22分别与线圈1和电源连接，从而形成闭合回路，由电源为线圈1提供磁场的电流。

此外，低温容器2上还设置泄压阀23，由于线圈1的储能很大，当线圈1在意外情况下失去超导性后，会释放大量的热量，蒸发大量的液氦，造成很大的气压，严重时可导致磁体损坏及人员伤害，此时，通过泄压阀23进行泄压，以保证磁体结构的安全性。

上述主线圈11和副线圈12均为超导线圈，本实施例通过将主线圈11和副线圈12均设置为超导线圈，在超低温环境温度下达到超导状态，能够承载比常规线圈更高的电流，从而产生更高的磁场，从而保证了单晶硅制造时的品质。

上述低温容器2上还设置有制冷机24，制冷机24上设有自上而下依次设置的冷头一级241和冷头二级242，其中，冷头一级241用于冷却第一引线21和第二引线22及防辐射屏(图中未示出)，冷头二级242用于冷凝低温容器2中的低温液体。

上述低温容器2上还设置有信号线接口25，信号线由信号线接口25接入低温容器2内，用于检测线圈1的温度、压降等信号。

如图4所示，表示了无屏蔽、铁磁材料屏蔽及主动屏蔽三种情况下的漏磁场的对比图。其中，横坐标表示的是，测试点到中心磁场的距离。一般情况下下，当位于1.6-1.8m时，要求磁场的强度小于500gs；对人体安全的要求为：径向3m内的磁场强度小于60gs。由图4中，不难看出，当采用本实施例的主动屏蔽方式能够有效地减小漏磁场，并满足人体安全要求。

本实施例还通过了一种磁控直拉单晶的方法，包括如下步骤：

步骤一：在单晶炉10外布置上述的磁体结构，并对磁体结构通电。

其中对磁体结构通电包括对线圈1、制冷机24等进行通电，当对磁体结构内的线圈1进行通电时，主线圈11和副线圈12内通有相反的电流，使得副线圈12产生的磁场能够有效地抵消主线圈11在外部产生的磁场，从而减小了磁体结构的漏磁场。此外，避免了由于现有技术在中通常采用在线圈1外添加铁磁材料的被动屏蔽方式以减小漏磁场，而使得磁体结构的重量急剧增加的情况，同时节省了磁体结构的制造成本。

步骤二：将单晶炉10内设置加热器20，加热器20对放置有晶块的坩埚30进行加热。通过对晶块加热使其成为熔融状态，线圈1提供的横向磁场作用于熔体，熔体在磁场的作用下，具有导电性的熔体在流动时产生涡流，受到洛伦兹力，在洛伦兹力的作用下，熔体的热对流得到抑制，熔体液面处的氧、点缺陷及其他杂质得到抑制。

步骤三：通过直拉法得到单晶硅。其中，由于该线圈1产生的横向磁场在熔体液面到液面下50mm左右的区域具有很高的磁场均匀度(约3‰～1％)，因此在对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，微量杂质分布更加均匀，提升了单晶硅的品质。

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与熔体相接触，单晶炉10旋转，使熔体在籽晶上不断结晶成长，直至达到一定直径的晶体。

注意，以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施方式的限制，上述实施方式和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明的要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。