單晶爐的磁屏蔽體結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】單晶爐的磁屏蔽體結(jié)構(gòu)，包括設(shè)置在單晶爐爐體外的勾形磁場(chǎng)裝置，勾形磁場(chǎng)裝置包括套設(shè)在單晶爐爐體外的筒狀的磁屏蔽體和設(shè)置在磁屏蔽體內(nèi)的兩個(gè)螺線管線圈，磁屏蔽體的內(nèi)側(cè)壁上設(shè)有第一導(dǎo)磁環(huán)。磁屏蔽體的上下端分別設(shè)有環(huán)形上蓋和環(huán)形下蓋，環(huán)形上蓋上設(shè)有第二導(dǎo)磁環(huán)，環(huán)形下蓋上設(shè)有第三導(dǎo)磁環(huán)。本發(fā)明在磁屏蔽體內(nèi)壁及上下蓋上設(shè)置導(dǎo)磁環(huán)，可有效減小磁回路的磁阻，提高了磁通量，降低了磁場(chǎng)功耗。
【專利說明】單晶爐的磁屏蔽體結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體制造設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種單晶爐的磁屏蔽體結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展，半導(dǎo)體器件生產(chǎn)對(duì)單晶的質(zhì)量提出了更高的要求，特別是進(jìn)入超大規(guī)模集成電路時(shí)代以來，對(duì)單晶的氧、碳含量、微缺陷以及雜質(zhì)的均勻性要求更高。在直拉法生長(zhǎng)硅、鍺等單晶的過程中，由于熱場(chǎng)形成的溫度梯度，使融溶體產(chǎn)生的熱對(duì)流是影響單晶質(zhì)量的重要因素之一。因此，抑制熱對(duì)流是提高單晶質(zhì)量重要途徑之一。現(xiàn)有技術(shù)通常采用給坩堝內(nèi)熔體引入磁場(chǎng)的方法來模擬空間微重力環(huán)境，減小由溫度梯度和重力引起的熱對(duì)流、以及晶轉(zhuǎn)、堝轉(zhuǎn)引起的強(qiáng)迫對(duì)流的影響，改善晶體質(zhì)量。勾形磁場(chǎng)是人們提出的一種較橫向、縱向磁場(chǎng)更能有效抑制熔體對(duì)流的新磁場(chǎng)。電流型勾形磁場(chǎng)的功耗一般為幾十個(gè)乃至上百個(gè)千瓦難以廣泛應(yīng)用。磁屏蔽體是磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)主要部分，其結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)對(duì)磁場(chǎng)產(chǎn)生效率具有很大影響。對(duì)磁屏蔽體的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究分析具有重要意義。
[0003]現(xiàn)有磁屏蔽體為圓筒形，包括上下環(huán)形蓋。磁屏蔽體是由DT4E型純鐵材料加工成的。由于DT4E型純鐵材料具有良好的導(dǎo)磁性，故其磁阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于空氣的磁阻，因此在兩個(gè)螺線管線圈外部形成一個(gè)高導(dǎo)磁率的磁力線通路，線圈外部的磁力線幾乎全部通過此通路從各自N極回到S極。這樣 雖然降低了磁阻減少了外部磁路的損耗，提高線圈內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度，而且減少了磁場(chǎng)對(duì)外部空間的泄露和對(duì)外部設(shè)備和人體的影響以及環(huán)境的污染，但是，由于螺線管線圈與磁屏蔽體上下環(huán)形蓋之間存在一定距離，螺線管線圈與磁屏蔽體側(cè)壁中心也存在一段距離，此部分空氣的磁阻很大，因此使磁場(chǎng)對(duì)外部空間產(chǎn)生泄露，增大了外部磁路的損耗，降低了磁場(chǎng)效率，減小了線圈內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度，增大了磁場(chǎng)功耗。如今所使用的電流型勾形磁場(chǎng)是一種低電壓、大電流、大功耗設(shè)備，其功耗一般為幾十個(gè)乃至幾百個(gè)千瓦，電壓型勾形磁場(chǎng)功耗一般為十幾個(gè)乃至二十個(gè)千瓦。電流型和電壓型勾形磁場(chǎng)耗能都很大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種單晶爐的磁屏蔽體結(jié)構(gòu)，可大幅度降低磁場(chǎng)功耗。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是，單晶爐的磁屏蔽體結(jié)構(gòu)，包括設(shè)置在單晶爐爐體外的勾形磁場(chǎng)裝置，勾形磁場(chǎng)裝置包括套設(shè)在單晶爐爐體外的磁屏蔽體和設(shè)置在磁屏蔽體內(nèi)的兩個(gè)螺線管線圈，磁屏蔽體的內(nèi)側(cè)壁上設(shè)有第一導(dǎo)磁環(huán)。
[0006]本發(fā)明的特點(diǎn)還在于:
[0007]第一導(dǎo)磁環(huán)設(shè)置在磁屏蔽體上端與下端的中間位置。
[0008]第一導(dǎo)磁環(huán)的寬度為80 — 100mm,厚度為100 — 120mm。
[0009]磁屏蔽體的上下端分別設(shè)有環(huán)形上蓋和環(huán)形下蓋，環(huán)形上蓋上設(shè)有第二導(dǎo)磁環(huán)，環(huán)形下蓋上設(shè)有第三導(dǎo)磁環(huán)。[0010]第二導(dǎo)磁環(huán)設(shè)置在環(huán)形上蓋的內(nèi)壁的下沿，第三導(dǎo)磁環(huán)設(shè)置在環(huán)形下蓋的內(nèi)壁的上沿。
[0011]第二導(dǎo)磁環(huán)、第三導(dǎo)磁環(huán)的寬度h為6 — IOmm,厚度s為60 — 80mm。
[0012]本發(fā)明具有如下有益效果:
[0013]1、本發(fā)明在磁屏蔽體內(nèi)壁及上下蓋上設(shè)置導(dǎo)磁環(huán)，可有效減小磁回路的磁阻，提高了磁通量，降低了磁場(chǎng)的功耗。
[0014]2、本發(fā)明磁屏蔽體結(jié)構(gòu)可用于電流型和電壓性勾形磁場(chǎng)裝置。經(jīng)試驗(yàn)，本發(fā)明磁屏蔽體結(jié)構(gòu)可使電流型和電壓性勾形磁場(chǎng)裝置的功耗相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)降低30-50%。
[0015]3、本發(fā)明磁屏蔽體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，易于實(shí)現(xiàn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明單晶爐的磁屏蔽體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2是本發(fā)明單晶爐的磁屏蔽體結(jié)構(gòu)的磁屏蔽體剖面視圖；
[0018]圖3是本發(fā)明單晶爐的磁屏蔽體結(jié)構(gòu)的單晶爐結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖4是本發(fā)明單晶爐的磁屏蔽體結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)控制電路工作原理示意圖；
[0020]圖5 Ca)是本發(fā)明單晶爐的磁屏蔽體結(jié)構(gòu)的坩鍋內(nèi)液面處磁力線分布圖；
[0021]圖5 (b)是本發(fā)明單晶爐的磁屏蔽體結(jié)構(gòu)的坩鍋內(nèi)z方向液體對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度Bz分布示意圖；
[0022]圖5 (C)是本發(fā)明單晶爐的磁屏蔽體結(jié)構(gòu)的坩鍋內(nèi)r方向液體對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度Br分布示意圖；
[0023]圖6是本發(fā)明單晶爐的磁屏蔽體結(jié)構(gòu)的徑向磁場(chǎng)Br (坩鍋側(cè)壁中心處)隨電流變化示意圖；
[0024]圖中，1.爐體，2.磁屏蔽體，3.螺線管線圈，4.第一導(dǎo)磁環(huán)，5.環(huán)形上蓋，6.環(huán)形下蓋，7.第二導(dǎo)磁環(huán)，8.第三導(dǎo)磁環(huán)，9.坩堝，10.石墨加熱盤，11.熔體，12.石墨套，13.晶體。
【具體實(shí)施方式】:
[0025]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0026]單晶爐的磁屏蔽體結(jié)構(gòu)，如圖1所示，單晶爐的爐體I外設(shè)有勾形磁場(chǎng)裝置，勾形磁場(chǎng)裝置包括套設(shè)在爐體I外的筒狀的磁屏蔽體2，磁屏蔽體2與爐體I之間設(shè)有兩個(gè)螺線管線圈3，這兩個(gè)螺線管線圈3上下設(shè)置，磁屏蔽體2的內(nèi)側(cè)壁上設(shè)有第一導(dǎo)磁環(huán)4，第一導(dǎo)磁環(huán)4設(shè)置在磁屏蔽體2的上端與下端的中間位置處，即兩個(gè)螺線管線圈3之間。參見圖2，磁屏蔽體2的上下端分別設(shè)有環(huán)形上蓋5和環(huán)形下蓋6，環(huán)形上蓋5上設(shè)有第二導(dǎo)磁環(huán)7，環(huán)形下蓋6上設(shè)有第三導(dǎo)磁環(huán)8。第二導(dǎo)磁環(huán)7設(shè)置在環(huán)形上蓋5的內(nèi)壁的下沿，第三導(dǎo)磁環(huán)8設(shè)置在環(huán)形下蓋6的內(nèi)壁的上沿。
[0027] 兩個(gè)螺線管線圈3完全相同。
[0028]磁屏蔽體2的側(cè)壁具有水、電連接開口。
[0029]如圖2所示，h為第二導(dǎo)磁環(huán)7、第三導(dǎo)磁環(huán)8的寬度，s為第二導(dǎo)磁環(huán)7、第三導(dǎo)磁環(huán)8的厚度，w為第二導(dǎo)磁環(huán)7、第三導(dǎo)磁環(huán)8與螺線管線圈3之間的距離，L為第一導(dǎo)磁環(huán)4的寬度，H為第一導(dǎo)磁環(huán)4的厚度，d為磁屏蔽體2厚度。磁屏蔽體2為壁厚d是25-30_的圓筒體，第一導(dǎo)磁環(huán)的寬度L為80 — 100mm,厚度H為100 — 120mm ;第二導(dǎo)磁環(huán)、第三導(dǎo)磁環(huán)的寬度h為6 — IOmm,厚度s為60 — 80_。
[0030]如圖3所示，單晶爐的爐體I內(nèi)設(shè)有坩堝9，坩堝9內(nèi)為熔體11和晶體13，坩堝9外設(shè)有石墨套12和石墨加熱器10 ；
[0031]如圖4所示，根據(jù)電磁場(chǎng)理論可知，當(dāng)給上下兩個(gè)螺線管線圈3分別施加相互獨(dú)立連續(xù)可調(diào)的直流電流Ip I2時(shí)，螺線管線圈3將在線圈內(nèi)部和外部產(chǎn)生磁場(chǎng)(上面的螺線管線圈上為S極、下為N極；下面的螺線管線圈上為N極、下為S極)。外部磁場(chǎng)的磁力線分別從N極通過高導(dǎo)磁率的磁屏蔽體2壁體回到S極。螺線管線圈3內(nèi)部磁場(chǎng)是由上下兩個(gè)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)B合成而成。它們產(chǎn)生的磁場(chǎng)矢量均可分解為縱向分量Bz和徑向分量Br。由于徑向分量方向相同，其徑向分量為兩個(gè)徑向之和Br=BrJBr3,而軸向分量方向相反,其軸向分量為兩個(gè)徑向之差Bz = Bza-Bzb。當(dāng)給兩個(gè)螺線管線圈3施加以方向相反大小相同(I1 = I2)直流電流時(shí)，在線圈內(nèi)部空間形成一個(gè)磁力線剖面分布如圖5 (a)所示的圓柱形磁場(chǎng)，圖5 (b)為本發(fā)明單晶爐的磁屏蔽體結(jié)構(gòu)的坩鍋內(nèi)z方向液體對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度Bz分布示意圖；圖5 (c)為本發(fā)明單晶爐的磁屏蔽體結(jié)構(gòu)的坩鍋內(nèi)r方向液體對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度Br分布示意圖；r表示坩堝半徑，z表示坩堝縱向距離，以坩堝中心為原點(diǎn)O。磁場(chǎng)的磁力線分布是以兩個(gè)螺線管線圈3中心面(以線圈軸線與兩個(gè)磁場(chǎng)線圈中間面交點(diǎn)為圓心的圓形面)為對(duì)稱面上下對(duì)稱，同時(shí)又以線圈的中心軸線為圓柱形對(duì)稱。在磁場(chǎng)的對(duì)稱面及上下附近區(qū)域內(nèi)，磁場(chǎng)的軸向分量相互抵消Bz ^ 0，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)磁力線幾乎為水平，以磁場(chǎng)中心圓面的圓心沿半徑外發(fā)散。Br分量最強(qiáng)部分集中在線圈內(nèi)壁中心對(duì)稱面上下附近很窄區(qū)域；磁場(chǎng)Bz分量隨著遠(yuǎn)離中心面而增加，在兩個(gè)螺線管線圈3中間均達(dá)到最強(qiáng)，Br分量卻在減小。從而在螺線管線圈3內(nèi)部空間形成一個(gè)具有徑向和縱向分量的圓柱形非均勻磁場(chǎng)。其磁場(chǎng)分布如圖5 (a)所不,磁場(chǎng)Bz分量隨z方向以及磁場(chǎng)Br分量隨r方向變化如圖5 (b)、圖5 (c)所示。
[0032]本發(fā)明在單晶爐的磁屏蔽體中設(shè)置導(dǎo)磁環(huán)，大大降低了螺線管線圈外部磁路磁阻，消除了磁場(chǎng)對(duì)外部空間的泄露，減少了外部磁路的損耗，提高了磁場(chǎng)效率，增大了線圈內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度，降低了磁場(chǎng)功耗。在晶體生長(zhǎng)過程中，可以對(duì)各種對(duì)流發(fā)揮抑制作用，顯著提高晶體質(zhì)量和改善雜質(zhì)均勻性。
[0033]安裝時(shí)，先將兩個(gè)完全相同的螺線管線圈以同軸方式分別安裝于磁屏蔽體內(nèi)，然后將環(huán)形上蓋和環(huán)形下蓋分別安裝于上下端，最后將磁屏蔽體沿軸向套于單晶爐的爐體。
[0034]采用本發(fā)明單晶爐的磁屏蔽體結(jié)構(gòu)，對(duì)6、8吋單晶爐進(jìn)行改進(jìn)。在線圈匝數(shù)N=96匝、導(dǎo)線面積為11 X 11mm2，冷卻水面積7X7mm2，電流I為350A時(shí)，與改進(jìn)前相比，坩堝壁處橫向磁場(chǎng)強(qiáng)度最大值從303.08GS增加到385.01GS，增大了 52GS，提高了 27.0%。在坩堝側(cè)壁處橫向磁場(chǎng)強(qiáng)度均為491.26GS的情況下，與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)相比，功耗從40.93KW減小到26.2IKff,降低了 14.5KW,降低了 36.0%，兩個(gè)螺線管線圈總功耗降低了約30KW。其幾乎降低了一個(gè)線圈的功耗。這說明，本發(fā)明單晶爐的磁屏蔽體結(jié)構(gòu)可減小線圈外部磁阻，減小磁損耗，從而達(dá)到了增大磁場(chǎng)強(qiáng)度。在磁場(chǎng)強(qiáng)度一定下可大大降低磁場(chǎng)裝置的功耗。 [0035]本發(fā)明在磁屏蔽體的內(nèi)壁和上下蓋增設(shè)導(dǎo)磁環(huán)，大大降低了螺線管線圈外部磁路磁阻，最大可能性的增大了坩鍋內(nèi)壁處的最強(qiáng)區(qū)域的徑向分量4，加寬了純徑向分量&區(qū)域，減小了液面附近區(qū)域內(nèi)的Bz分量，減少了對(duì)毛細(xì)對(duì)流的阻尼作用，提高了 SiO的蒸發(fā)，降低了熔體表面的 氧濃度，減少了外部磁路的損耗，提高了磁場(chǎng)效率，增大了線圈內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度，降低了磁場(chǎng)功耗，減少了磁場(chǎng)對(duì)外部空間的泄露，避免了對(duì)外部設(shè)備和人體的影響以及環(huán)境的污染。
【權(quán)利要求】
1.單晶爐的磁屏蔽體結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括設(shè)置在單晶爐爐體(1)外的勾形磁場(chǎng)裝置，所述勾形磁場(chǎng)裝置包括套設(shè)在爐體(1)外的磁屏蔽體(2 )和設(shè)置在磁屏蔽體(2 )內(nèi)的兩個(gè)螺線管線圈(3)，所述磁屏蔽體(2)的內(nèi)側(cè)壁上設(shè)有第一導(dǎo)磁環(huán)(4)。
2.如權(quán)利要求1所述的單晶爐的磁屏蔽體結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述第一導(dǎo)磁環(huán)(4)設(shè)置在磁屏蔽體(2)上端與下端的中間位置。
3.如權(quán)利要求2所述的單晶爐的磁屏蔽體結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述第一導(dǎo)磁環(huán)(4)的寬度為 80 - 100mm，厚度為 100 — 120mm。
4.如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的單晶爐的磁屏蔽體結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述磁屏蔽體(2)的上下端分別設(shè)有環(huán)形上蓋(5)和環(huán)形下蓋(6)，所述環(huán)形上蓋(5)上設(shè)有第二導(dǎo)磁環(huán)(7),所述環(huán)形下蓋(6)上設(shè)有第三導(dǎo)磁環(huán)(8)。
5.如權(quán)利要求4所述的單晶爐的磁屏蔽體結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述第二導(dǎo)磁環(huán)(7)設(shè)置在環(huán)形上蓋(5)的內(nèi)壁的下沿，所述第三導(dǎo)磁環(huán)(8)設(shè)置在環(huán)形下蓋(6)的內(nèi)壁的上沿。
6.如權(quán)利要求5所述的單晶爐的磁屏蔽體結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述第二導(dǎo)磁環(huán)(7)、第三導(dǎo)磁環(huán)(8)的寬度h為6 — IOmm,厚度s為60 — 80_。
【文檔編號(hào)】C30B15/00GK103952752SQ201410134617
【公開日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年4月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月3日
【發(fā)明者】安濤, 高勇 申請(qǐng)人:西安理工大學(xué)