[發(fā)明專利]一種磁控直拉單晶超導(dǎo)磁體系統(tǒng)

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• 申請日: 2020-03-13
• 公開（公告）號: CN111243821A
• 公開（公告）日: 2020-06-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 程軍勝;王秋良;戴銀明;王磊;王耀輝;劉輝;孫金水;陳順中;王暉;孫萬碩
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院電工研究所
• 主分類號: H01F6/06
• 分類號: H01F6/06;H01F6/04;C30B15/00;C30B29/06
• 代理公司: 北京高沃律師事務(wù)所 11569
• 代理人: 張德才

本發(fā)明公開一種磁控直拉單晶超導(dǎo)磁體系統(tǒng)，包括：超導(dǎo)線圈、冷屏、真空容器、低溫制冷機(jī)、磁屏蔽外殼、超導(dǎo)電源等；超導(dǎo)線圈是由兩個斜螺管線圈交叉繞制而成的二極磁體線圈，為直拉單晶爐提供外加橫向磁場。本發(fā)明采用低溫制冷機(jī)傳導(dǎo)冷卻技術(shù)，取代了傳統(tǒng)的液氦制冷超導(dǎo)磁體方式，不受液氦、液氮等低溫條件的限制。同時，本發(fā)明磁控直拉單晶超導(dǎo)磁體系統(tǒng)具有磁場效率高、體積小、重量輕、能耗低、成本低、無液氦維護(hù)操作簡單的特點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及超導(dǎo)磁體技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種磁控直拉單晶超導(dǎo)磁體系統(tǒng)。

背景技術(shù)

硅單晶材料是重要的半導(dǎo)體材料，廣泛應(yīng)用于太陽能器件、大規(guī)模集成電路等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。隨著經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展擴(kuò)大，系統(tǒng)對半導(dǎo)體的生產(chǎn)提出了更高的要求，需要生產(chǎn)出更大直徑、更高純度質(zhì)量的單晶硅棒材。

CZ直拉法是一種適合大規(guī)模生產(chǎn)硅單晶棒材的主流制備技術(shù)，為了適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)高純度單晶硅產(chǎn)品的需求，通過在爐體外附加磁場技術(shù)干預(yù)材料形核過程是提高CZ直拉法單晶硅產(chǎn)品純度的一種有效技術(shù)。對于8英寸以下單晶硅片制備設(shè)備，一般可采用永磁體或銅線圈導(dǎo)流產(chǎn)生磁場。但是由于磁場強(qiáng)度低、功耗高，永磁體或銅線圈導(dǎo)流產(chǎn)生磁場無法用于12英寸及以上大尺寸晶體生長設(shè)備。而超導(dǎo)磁體具有低功耗、高場強(qiáng)、重量輕、體積小等優(yōu)勢特點(diǎn)(功率僅十幾千瓦，磁場強(qiáng)度從幾千到十幾萬高斯)，使材料凝固液面更加穩(wěn)定，材料純度更高，更能夠保證大尺寸晶體生長品質(zhì)。目前國際上12英寸及以上單晶硅制備全部采用超導(dǎo)磁場直拉單晶技術(shù)完成。

CZ直拉法制備單晶硅的外加磁場類型可以分為橫向磁場、垂直磁場和勾形磁場，如圖1～3所示。垂直磁場結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在早期CZ直拉法中，由于垂直磁場對于抑制沿單晶棒的軸向?qū)α骷把鹾坎痪鶆蚍矫孀饔糜邢蓿壳耙演^少使用；橫向磁場能夠更好地保持生長界面的平整性，勾形磁場對流動和傳熱具有更好的均勻性，所以橫向磁場和勾形磁場在晶體生長領(lǐng)域的作用同樣重要，一直在齊頭并進(jìn)地研究和開發(fā)。然而，CZ直拉法制備單晶材料的外加磁場技術(shù)目前還存在著各自問題：螺線管勾形磁場和螺線管橫向磁場的磁場利用效率低，鞍形橫向磁場的非對稱線圈結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低、繞制工藝復(fù)雜，這些問題會導(dǎo)致超導(dǎo)磁體設(shè)計難度提高、工藝技術(shù)復(fù)雜、制造成本提高。因此，亟需提出一種新的超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)CZ直拉法制備大尺寸單晶硅的同時，提高磁場利用效率，降低超導(dǎo)磁體成本。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種新的磁控直拉單晶超導(dǎo)磁體系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)CZ直拉法制備大尺寸單晶硅的同時，提高磁場利用效率，降低超導(dǎo)磁體成本。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

本發(fā)明提供一種磁控直拉單晶超導(dǎo)磁體系統(tǒng)，包括用于保持低溫真空環(huán)境的真空容器、懸置于所述真空容器內(nèi)的超導(dǎo)線圈、設(shè)置于所述超導(dǎo)線圈外圍的冷屏、安裝于所述真空容器上的低溫制冷機(jī)、設(shè)置于所述真空容器外的磁屏蔽外殼以及與所述超導(dǎo)線圈電連接的超導(dǎo)電源；所述超導(dǎo)線圈采用無液氦傳導(dǎo)冷卻方式制冷；所述超導(dǎo)線圈為由兩個斜螺管線圈交叉繞制在金屬骨架表面上形成的二極磁體線圈，且兩個所述斜螺管線圈內(nèi)的電流方向相反；所述超導(dǎo)線圈為空心結(jié)構(gòu)，且所述超導(dǎo)線圈的孔內(nèi)形成有一直徑大于單晶棒直徑的拉晶區(qū)，所述拉晶區(qū)內(nèi)能夠形成與所述超導(dǎo)線圈的內(nèi)孔中軸線垂直的橫向磁場，與所述橫向磁場垂直的另外兩個方向的磁場強(qiáng)度均不大于所述橫向磁場的強(qiáng)度的1/5。

可選的，所述超導(dǎo)線圈為空心圓柱體，兩個所述斜螺管線圈呈180°對稱布置在所述超導(dǎo)線圈的內(nèi)孔中軸線兩側(cè)；所述拉晶區(qū)為圓柱形拉晶區(qū)，且所述拉晶區(qū)與所述超導(dǎo)線圈的內(nèi)孔中軸線同軸設(shè)置，所述拉晶區(qū)的高度位于兩個所述斜螺管線圈的導(dǎo)線交叉區(qū)域內(nèi)。

可選的，所述斜螺管線圈內(nèi)的每匝線圈形狀均為橢圓面，各橢圓面與所述超導(dǎo)線圈的內(nèi)孔中軸線的夾角均相等，且夾角范圍為10°-80°。

可選的，所述橫向磁場的磁場強(qiáng)度不均勻度小于25％，磁場強(qiáng)度范圍為0-5000高斯。