專利名稱：單晶爐勾形磁場裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于單晶爐晶體生長設備技術領域，具體涉及一種單晶爐勾形磁場裝置。
背景技術：
硅晶體生長目前正朝著高純度，高完整性，高均勻性和大直徑方向發(fā)展，集成電路 特別是極大規(guī)模集成電路(60-95nm)對晶體質量有嚴格的要求。材料中的有害雜質及其不 均勻性以及摻雜劑分布的不均勻性是制約單晶質量的主要因素之一，它們會引起材料的光 學、電學性能的不均勻性，最終損害半導體器件的光、電學性能。這就要求減少單晶材料的 缺陷、雜質含量，提高氧、碳等雜質以及摻雜劑在晶體中分布的均勻性。因此有效控制晶體 中的氧和碳的含量，以及改變雜質的徑向和軸向的均勻性具有重要的意義。研究發(fā)現(xiàn)，在晶體生長設備中引入磁場能有效地抑制熔體的流動，改變固液交接 面的形狀，從而減少雜質的含量并改變其在晶體中的分布?？v向式磁場破壞了直拉生長系 統(tǒng)原有的橫向熱對流的對稱性，而橫向式卻又破壞了直拉生長系統(tǒng)原有的軸向熱對流的對 稱性，使單晶棒生長條紋變得嚴重，因此具有非均勻磁力線分布的勾形磁場結構是解決上 述問題的有效方案。一方面隨著晶體生長的大尺寸化，爐體直徑加大，磁場線圈距坩堝壁較遠，在電流 和磁場線圈結構一定的情況下，坩堝內壁磁場強度變小；另一方面，為了能夠達到極大規(guī)模 集成電路(60-95nm)對晶體質量的要求，有效抑制熔體的對流，要求坩堝內壁的磁感應強 度應達到1200GS以上。由于單晶爐爐體高度的增加是有限的，磁場線圈縱向層數(shù)和橫向匝 數(shù)都不能無限制增加，因此增加電流是一種選擇。但電流的增加會產生大量的熱量，必須采 用空心銅管利用水來帶走熱量以冷卻磁場線圈。對于磁場直徑和強度較小的線圈，通常采 用一根銅管繞滿橫向匝數(shù)的情況下縱向繞兩層以滿足進出冷卻水嘴都在線圈的最外層的 要求，但在磁場直徑大和強度高的情況下，由于單根銅管很長且電流較高，采用上述繞制方 法會導致線圈產生的熱量無法被冷卻水帶走。因此目前的繞制方法無法滿足勾形磁場直徑 做大和強度提高的要求，更無法滿足硅晶體生長向“三高一大”方向發(fā)展的要求。
發(fā)明內容本實用新型的目的是提供一種單晶爐勾形磁場裝置，解決了現(xiàn)有的磁場裝置采用 單根銅管長度過長且電流較高，導致線圈產生的熱量無法被水帶走的問題。本實用新型所采用的技術方案是，一種單晶爐勾形磁場裝置，包括屏蔽護罩，屏蔽 護罩的一側設置有水路，水路的外部設置有水路護罩，屏蔽護罩的下方設置有升降機構，升 降機構的一側設置有用于驅動升降機構的升降電機，屏蔽護罩內平行設置有上層線圈和下 層線圈，上層線圈包括十組單組線圈，下層線圈包括十五組單組線圈，單組線圈采用四根空 心方銅管并行繞制成縱向兩層、橫向十二匝、共二十四匝的圓形線圈，單組線圈包括奇數(shù)組 線圈和偶數(shù)組線圈。[0007]本實用新型的特點還在于，其中的奇數(shù)組線圈為將四根空心方銅管外纏絕緣黃金帶后在上層沿順時針方向 并行繞三圈，從內圈進入下層并沿順時針方向并行繞三圈。其中的偶數(shù)組線圈為將四根空心方銅管外纏絕緣黃金帶后在上層沿逆時針方向 并行繞三圈，再從內圈進入下層并沿逆時針方向并行繞三圈。本實用新型的有益效果是，(1)線圈采用四并繞方式，增加了冷卻水路數(shù)，顯著降低線圈溫度，降低了線圈電 阻，從而降低了磁場功耗；(2)線圈的銅管采用特制的壁厚為4mm的方銅管，增加了載流面積，減少了線圈電 阻，從而降低系統(tǒng)功耗；(3)線圈的絕緣采用黃金帶降低了絕緣層厚度，從而減少磁場線圈高度，提高了單 位高度磁感應強度效率；(4)單組線圈內部及各組線圈之間的電氣連接結構緊湊方便、減少了線圈外部屏 蔽軟鐵的開口，減少了磁感應強度的泄漏，有利于強度的提高。
圖1是本實用新型磁場裝置的結構示意圖；圖2是本實用新型磁場裝置中單組線圈的奇數(shù)組線圈結構示意圖；圖3是本實用新型磁場裝置中單組線圈的偶數(shù)組線圈結構示意圖；圖4是本實用新型磁場裝置的工作過程示意圖。圖中，1.水路，2.上層線圈，3.水路護罩，4.下層線圈，5.升降機構，6.升降電機， 7.磁場工作位置，8.屏蔽護罩，9.磁場非工作位置。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型進行詳細說明。本實用新型磁場裝置的結構，如圖1所示，包括屏蔽護罩8，屏蔽護罩8的一側設置 有水路1，水路1的外部設置有水路護罩3，屏蔽護罩8內平行設置有上層線圈2和下層線 圈4，上層線圈2和下層線圈4之間為磁場工作位置7，垂直于屏蔽護罩8在屏蔽護罩8的 下方設置有相平行的兩個升降機構5，升降機構5的一側設置有用于驅動升降機構5的升降 電機6，兩個升降機構5之間為磁場非工作位置9。上層線圈2包括十組單組線圈，下層線圈4包括十五組單組線圈，上層線圈2和下 層線圈4上的電流方向相反。單組線圈的結構為，采用四根空心方銅管并行繞制成縱向兩 層橫向十二匝共二十四匝的圓形線圈，保證進出冷卻水水嘴在橫向的最外四匝。同時為保 證單組磁場線圈中四根方銅管在電氣上的串聯(lián)及不同組線圈在電氣上的串聯(lián)，且滿足電流 在線圈中流向一致性的要求，單組線圈中奇數(shù)組線圈按圖2所示結構順時針繞制，將四根 空心方銅管外纏絕緣黃金帶后在上層沿順時針方向并行繞3圈(共12匝)，再從內圈進入 下層并沿順時針方向并行繞3圈(共12匝)，上層的I1Jjj為電流和冷卻水的輸入端， 下層的1°、2°、3°、4°為電流和冷卻水的輸出端；單組線圈中偶數(shù)組線圈按圖3所示結構逆時 針繞制，將四根空心方銅管外纏絕緣黃金帶后在上層沿逆時針方向并行繞3圈(共12匝)，
4再從內圈進入下層并沿逆時針方向并行繞3圈(共12匝)，上層的1°、2°、3°、4°為電流和冷 卻水的輸出端，下層的l1、〗1』1、*為電流和冷卻水的輸入端。如圖4所示，奇數(shù)組線圈電流從I1進，在上層順時針繞3圈，進入下層再順時針繞 3圈，從1°流出；利用銅板將1°和41連接，電流從41進，在上層順時針繞3圈，進入下層再 順時針繞3圈，從4°流出；利用銅板將4°和21連接，電流從21進，在上層順時針繞3圈，進 入下層再順時針繞3圈，從2°流出；利用銅板將2°和31連接，電流從31進，在上層順時針 繞3圈，進入下層再順時針繞3圈，從3°流出。利用兩塊銅板將奇數(shù)組線圈的3°與偶數(shù)組 線圈的21相連。對偶數(shù)組線圈，電流從21進，在下層順時針繞3圈，進入上層再順時針繞3 圈，從2°流出；利用銅板將2°和31連接，電流從31進，在下層順時針繞3圈，進入上層再順 時針繞3圈，從3°流出；利用銅板將3°和I1連接，電流從I1進，在下層順時針繞3圈，進入 上層再順時針繞3圈，從1°流出；利用銅板將1°和41連接，電流從41進，在下層順時針繞3 圈，進入下層再順時針繞3圈，從4°流出。再利用兩塊銅板將偶數(shù)組線圈的4°與奇數(shù)組線 圈的I1相連，使電流串聯(lián)進入下一個奇數(shù)組線圈，從而實現(xiàn)了磁場中多組線圈的串聯(lián)并保 持了電流方向的一致性。要改變電流的流向，只需交換圖4中電流入和電流出的位置即可。本實用新型磁場裝置采用兩組與晶體生長軸平行、電流方向相反的磁場線圈來實 現(xiàn)，這種結構產生的磁力線呈“尖角形”對稱分布，在勾形磁場的作用下，在晶體生產過程 中，由于在固液交接面處單晶棒可在磁場軸向分量為零的狀態(tài)下生長，使雜質濃度在晶體 的徑向分布均勻度得到有效的保證；在靠近晶棒下方的硅熔體卻處于較低磁場強度的作 用，可使該處熔體得到充分的攪拌；其它部分的熔體卻處于高磁場強度的作用而使其熱對 流受到有效抑制。同時由于磁場的作用，還可使硅熔體內的擴散邊界得到改變，從而有利于 控制硅晶棒的氧含量。本實用新型磁場裝置的工作過程為，給上層線圈2和下層線圈4通相反的電流，上 層線圈2和下層線圈4之間產生勾形磁場，給水路1通水，吸收上層線圈2和下層線圈4產 生的熱量，保證正常工作。升降機構5用來調整磁場縱向位置高度，使磁場零高斯界面盡量 靠近硅液面。本實用新型磁場裝置，不僅能產生滿足大直徑單晶爐生產極大規(guī)模集成電路單晶 所用的磁感應強度，而且能有效帶走線圈產生熱量，降低線圈溫度，從而減小線圈電阻，降 低系統(tǒng)功率；同時連接和安裝方便。
權利要求一種單晶爐勾形磁場裝置，包括屏蔽護罩(8)，屏蔽護罩(8)的一側設置有水路(1)，水路(1)的外部設置有水路護罩(3)，屏蔽護罩(8)的下方設置有升降機構(5)，升降機構(5)的一側設置有用于驅動升降機構(5)的升降電機(6)，其特征在于，所述的屏蔽護罩(8)內平行設置有上層線圈(2)和下層線圈(4)，上層線圈(2)包括十組單組線圈，下層線圈(4)包括十五組單組線圈，單組線圈采用四根空心方銅管并行繞制成縱向兩層、橫向十二匝、共二十四匝的圓形線圈，單組線圈包括奇數(shù)組線圈和偶數(shù)組線圈。
2.根據權利要求1所述的單晶爐勾形磁場裝置，其特征在于，所述的奇數(shù)組線圈為將 四根空心方銅管外纏絕緣黃金帶后在上層沿順時針方向并行繞三圈，從內圈進入下層并沿 順時針方向并行繞三圈。
3.根據權利要求1所述的單晶爐勾形磁場裝置，其特征在于，所述的偶數(shù)組線圈為將 四根空心方銅管外纏絕緣黃金帶后在上層沿逆時針方向并行繞三圈，再從內圈進入下層并 沿逆時針方向并行繞三圈。
專利摘要本實用新型公開的一種單晶爐勾形磁場裝置，包括屏蔽護罩，屏蔽護罩的一側設置有水路，水路的外部設置有水路護罩，屏蔽護罩的下方設置有升降機構，升降機構的一側設置有用于驅動升降機構的升降電機，屏蔽護罩內平行設置有上層線圈和下層線圈，上層線圈包括十組單組線圈，下層線圈包括十五組單組線圈，單組線圈采用四根空心方銅管并行繞制成縱向兩層、橫向十二匝、共二十四匝的圓形線圈，單組線圈包括奇數(shù)組線圈和偶數(shù)組線圈。本實用新型磁場裝置，不僅能產生滿足大直徑單晶爐生產極大規(guī)模集成電路單晶所用的磁感應強度，而且能有效帶走線圈產生熱量，降低線圈溫度，從而減小線圈電阻，降低系統(tǒng)功率；同時連接和安裝方便。
文檔編號C30B15/20GK201626999SQ201020107968
公開日2010年11月10日 申請日期2010年2月4日 優(yōu)先權日2010年2月4日
發(fā)明者劉丁, 李琦, 焦尚彬, 蔣劍, 袁文愈 申請人:西安理工大學