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CN110136915A - 一种超导磁体和磁控直拉单晶设备 - Google Patents

一种超导磁体和磁控直拉单晶设备 Download PDF

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CN110136915A CN201910498579.1A CN201910498579A CN110136915A CN 110136915 A CN110136915 A CN 110136915A CN 201910498579 A CN201910498579 A CN 201910498579A CN 110136915 A CN110136915 A CN 110136915A
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傅林坚
刘黎明
门玉娟
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Abstract

本发明实施例提供了一种超导磁体和一种磁控直拉单晶设备。该超导磁体，包括超导开关、超导线圈、线圈骨架和低温恒温器，所述超导线圈固定于所述线圈骨架上，多个所述超导线圈相互串联。所述超导开关与所述超导线圈并联，并固定于所述线圈骨架上。所述线圈骨架置于所述低温恒温器中，所述低温恒温器带有制冷机。通过设置所述超导开关断开和闭合，实现了各超导线圈和超导开关之间电流的闭合导通，以便撤走励磁电源。本发明解决了现有磁控直拉单晶设备中超导磁体消耗电力成本和使用成本过大、生产单晶硅品质不佳、操作安全性低的问题。

Description

一种超导磁体和磁控直拉单晶设备
技术领域
本发明实施例涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种超导磁体和磁控直拉单晶设备。
背景技术
单晶硅是晶体材料中的重要组成部分，广泛应用于大规模集成电路、整流器、大功率晶体管、二极管、太阳能电池板等半导体制造领域。单晶硅的生产方法一般为直拉法，直拉单晶的工艺步骤为引晶，缩颈，放肩，等径生长，收尾，出炉。而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，对单晶硅的品质和尺寸要求越来越高，对半导体材料单晶硅的制备要求更为严格，在此背景下，磁控直拉单晶磁体成为生产单晶硅的主流。
磁控直拉单晶技术为：在常规的直拉单晶方法的基础上，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不均匀性，得到高品质的单晶体。随着超导技术的发展，人们发现超导磁体能够产生数倍于常规电磁铁或永磁体的磁场，可以明显降低熔体热对流对单晶品质的影响，因此越来越多的磁控直拉单晶设备配置了磁控直拉单晶超导磁体。
现有技术中，用于磁控直拉单晶的超导磁体常为四线圈结构，一般采用的材料是NbTi(铌钛)超导线，也会采用MgB2(二硼化镁)制作超导磁体，包括低温容器和制冷机。采用MgB2制作超导磁体，解决了磁控直拉单晶用常导磁体系统复杂、功耗巨大、制冷成本高昂的问题。现有的用于磁控直拉单晶的超导磁体在使用时均需要励磁电源持续供电，以维持磁场的稳定存在。
但由于用于大规模集成电路的硅单晶锭一般尺寸直径300mm，长约2m，其等径生长时间往往需要持续数天到一周时间，在这期间需要磁场的持续稳定，就需要励磁电源的持续供电支持，耗费了大量的电力成本，一台设备需要长时间占用一台励磁电源，也增大了使用成本。此外，励磁电源的纹波会造成磁场波动，不利于磁场的稳定性，进而影响了生产的单晶硅的品质。再者，励磁电源与电缆需要时刻与超导磁体连接，不利于单晶硅生产的空间布置和操作安全。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种超导磁体和磁控直拉单晶设备，以解决常规磁控直拉单晶超导磁体用电和使用成本高昂、磁场不够稳定而影响单晶品质、电源占用空间等问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种超导磁体，用于磁控直拉单晶制备过程，所述超导磁体：包括超导开关、超导线圈、线圈骨架和低温恒温器；其中：
所述超导线圈的数量为一组或多组，固定于所述线圈骨架上，多个所述超导线圈相互串联；
所述超导开关的数量为至少一个，与所述超导线圈并联，用于在所述超导线圈经过励磁电源励磁到设定磁场时闭合，以连通各所述超导线圈形成闭合回路；
所述超导开关固定于所述线圈骨架的设定低磁场区域；
所述线圈骨架放置于所述低温恒温器中，所述低温恒温器带有制冷机，用于制造满足设定低温条件的环境，以令所述超导线圈和所述超导开关处于超导状态。
优选地，所述超导磁体还包括抱箍，所述抱箍用于固定所述超导线圈与所述线圈骨架。
优选地，所述低温恒温器的结构为液氦浸泡结构，所述超导开关为加热式超导开关。
优选地，所述超导开关包括：无感线圈、加热器、开关骨架和接线柱，所述无感线圈采用无感绕制方式绕制在所述开关骨架上，所述无感线圈的进线和出线与所述接线柱相连接，所述超导线圈连接于所述接线柱，所述加热器与所述无感线圈紧贴设置，并用玻璃丝布缠绕固定，所述加热器的进线和出线从所述超导磁体中引出来，并连接于外接加热电源模块，用于控制超导开关的断开和闭合。
优选地，使用环氧树脂填充所述超导开关在绕制时产生的缝隙。
优选地，所述开关骨架采用金属材料，其内表面贴敷一层绝缘材料。
优选地，所述低温恒温器的结构也可为无液氦直接冷却结构；所述超导开关为加热式超导开关或机械式超导开关。
优选地，所述超导磁体还包括：失超保护模块，与所述超导开关并联，用于在所述超导线圈失超或所述超导开关失超时，限制所述超导开关两端的电压，并作为磁场能量释放通路。
优选地，所述失超保护模块包括反向并联的一组二极管。
第二方面，本发明实施例还提供了一种磁控直拉单晶设备，包括单晶炉和超导磁体，其中，所述磁控直拉单晶设备采用本发明第一方面实施例所提供的超导磁体，所述超导磁体设置在所述单晶炉的外侧，用于经过励磁电源励磁到设定磁场时，闭合所述超导开关，使所述超导线圈形成磁控直拉单晶所需的磁场。
本发明实施例提供的超导磁体和磁控直拉单晶设备，通过控制超导开关的断开和闭合，可令电流在超导开关和各超导线圈之间形成闭合回路，以撤走励磁电源，实现了在运用磁控直拉技术制备单晶时不需要励磁电源的持续供应，进而节省了电力成本和使用成本，防止了励磁电源纹波影响单晶品质，有利于单晶生产的空间布置和操作安全。
附图说明
图1为本发明实施例一中的超导磁体结构示意图；
图2为本发明实施例二中的超导开关结构平面示意图；
图3为本发明实施例三中的磁控直拉单晶设备的轴侧示意图。
图中，1、超导线圈；2、线圈骨架；3、超导开关；4、失超保护模块；5、低温恒温器；6、制冷机；7、无感线圈；8、开关骨架；9、加热器；10、接线柱；11、单晶炉；12、单晶。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的一种超导磁体的结构示意图。如图1所示，该超导磁体用于磁控直拉单晶制备过程，具体包括超导开关3、超导线圈1、线圈骨架2和低温恒温器5，其中：超导线圈1的数量为一组或多组，固定于线圈骨架2上，多个超导线圈1相互串联。超导开关3的数量为至少一个，与超导线圈1并联，用于在超导线圈1经过励磁电源励磁到设定磁场时闭合，以连通各超导线圈1形成闭合回路。超导开关3固定于线圈骨架1的设定低磁场区域。线圈骨架2放置于低温恒温器5中，低温恒温器5带有制冷机6，用于制造满足设定低温条件的环境，以令超导线圈1和超导开关3处于超导状态。
优选地，线圈骨架2为中空圆柱结构，表面设有圆形突起结构，以令超导线圈1绕制在线圈骨架2上。
上述方案中设定低磁场区域可以为：对所采用的超导线圈1产生的磁场进行计算以确定的最低磁场区域，或用高斯计测量以确定的最低磁场区域。只要能够使超导线圈1产生的磁场，不对超导开关3的稳定运行产生影响即可。
优选地，在线圈骨架2位于设定低磁场区域处设一突起结构，用于固定超导开关3。超导开关3位于设定低磁场区域可减小其载流性能的下降，使超导开关3能够安全平稳的运行。
优选地，低温恒温器5为一圆环体容器，圆环体内部为中空，从外到内有三层结构，外层为常温真空容器，材质一般为不锈钢，用以维持系统真空状态；中间层为防辐射屏，材质一般为铝或铜，温度在50K以下，用以遮挡辐射热；最内层为液氦温区，容纳液氦。线圈骨架2设于低温恒温器5的液氦温区，液氦浸没超导开关3，部分浸没超导线圈1。低温恒温器5包括制冷机6，制冷机6连接冷头，制冷机6设于于真空容器外，冷头延伸至液氦温区并保持容器的密封性，用以制造超低温环境，优选降温至5K以下，以令超导线圈1和超导开关3处于超导状态。
由于线圈之间存在较大的电磁力，超导线圈1与线圈骨架2之间需要采取加强措施，优选是本发明实施例还包括抱箍，用于固定超导线圈1与线圈骨架2，以防止电磁力较大而导致超导线圈1失超或损坏。
进一步地，本实施例中超导磁体还包括：失超保护模块4，与超导开关3并联，用于在意外情况导致超导线圈1或超导开关3失超时，限制超导开关3两端的电压，并作为磁场能量释放通路，防止大电压击穿或大电流发热烧毁超导线圈1以及超导开关3。
具体地，该失超保护模块4包括反向并联的一组二极管。
该超导磁体的工作过程如下：
对超导磁体进行抽真空后，打开制冷机6，当温度达到5K以下时，通过励磁电源对超导线圈1励磁，可使超导磁体产生稳定的强磁场，此时超导开关3设置为断开；当励磁到所需磁场时，闭合超导开关3，令超导开关3和各超导线圈1之间形成闭合回路，以撤走励磁电源。
本实施例提供的用于磁控直拉单晶制备过程的超导磁体相比较于现有技术来说，可在工作过程中撤走励磁电源，节省了电力成本和使用成本。
实施例二
图2为本发明实施例二中的超导开关结构平面示意图，在实施例一的基础上，优选地，低温恒温器5的结构为液氦浸泡结构，超导开关3可以选择为加热式超导开关。
则如图2所示，加热式超导开关具体包括：无感线圈7、加热器9、开关骨架8和接线柱10。
无感线圈7采用无感绕制方式绕制在所述开关骨架8上，无感线圈7的进线和出线与接线柱10相连接，超导线圈1连接于接线柱10，加热器9与无感线圈7紧贴设置，并用玻璃丝布缠绕固定，加热器9的进线和出线从超导磁体中引出来，并连接于外接加热电源模块，用于控制超导开关1的断开和闭合。
优选地，开关骨架8是采用G10材料或铝合金、铜合金等金属材料制成的两端带有法兰的圆筒，其内表面贴敷一层绝缘材料，一端的法兰外侧设有接线柱10。
优选地，无感线圈7一般采用铜镍超导线或高温超导带材，并采用无感绕制方式绕制在开关骨架8上。
优选地，加热器9与无感线圈7紧贴设置，并用玻璃丝布缠绕固定，以保证超导开关3受热均匀。
优选地，使用环氧树脂填充超导开关3在绕制时产生的缝隙，以增加超导开关3的热传导性能，减小其闭合、断开切换时间，并提高超导开关3的结构强度，增加其载流能力和稳定性。
或者，低温恒温器5的结构也可为无液氦直接冷却结构；超导开关3为加热式超导开关或机械式超导开关。
在制备单晶时，超导开关3一直处于超低温环境，当需要断开超导开关3时，则打开加热器电源，令超导开关3温度高于临界温度，即可使超导开关3处于失超断开状态；当需要闭合超导开关时，则断开加热器电源，当超导开关3温度将至临界温度下，即可恢复超导闭合状态，因此实现了超导开关3的断开和闭合。
本实施例提供的超导开关3在工作时载流性能好，稳定性高，受热均匀且热传导性能好。运用到本发明任意实施例所提供的超导磁体中，可以实现超导开关3和各超导线圈1之间形成闭合回路，以便撤走励磁电源，减少超导磁体的用电成本和使用成本。
实施例三
图3为本发明实施例三中的磁控直拉单晶设备的轴侧示意图。如图3所示，本发明实施例三提供了一种磁控直拉单晶设备，包括单晶炉11和本发明任意实施例所提供的超导磁体。超导磁体设置在单晶炉11的外侧，用于经过励磁电源励磁到设定磁场时，闭合超导开关3，使超导线圈1形成磁控直拉单晶所需的磁场，以便撤走励磁电源。
本实施例提供的磁控直拉单晶设备，在制备单晶时，对磁体抽真空后打开制冷机6开关，令超导磁体冷却至超低温温度，优选为5K以下，令超导线圈1和超导开关3冷却至超导状态。打开加热器电源，电流通过加热器9而产生的焦耳热对超导开关3加热，当超导开关3温度高于临界温度时失去超导状态，处于断开模式。当需要加磁场时，打开励磁电源，对超导线圈1励磁。当磁场强度达到所需磁场强度时，优选地，磁场强度为3000Gs，关闭加热器电源，令超导开关3温度下降至临界温度以下，超导开关3恢复至超导状态，处于闭合导通模式，此时电流在超导开关3和超导线圈1中形成闭合回路，而不从励磁电源中通过，即可撤走励磁电源，此时超导磁体中仍可保持持续恒定的磁场，在单晶炉中继续完成单晶12的制备。
如本实施例结构的磁控直拉单晶设备与现有技术相比，可以令励磁电源非持续供应，节省了电力和使用成本。此外，减少了励磁电源纹波对磁场的影响，增加了磁场稳定性，提升了单晶品质，同时减小了磁控直拉单晶设备的空间布置，增加了单晶生产操作的安全性。
上述仅为本发明的优选实施例，是为了帮助理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述。凡是根据上述描述做出各种可能的等同替换或改变，均被认为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超导磁体，用于磁控直拉单晶制备过程，其特征在于，所述超导磁体包括：超导开关、超导线圈、线圈骨架和低温恒温器；其中：
所述超导线圈的数量为一组或多组，固定于所述线圈骨架上，多个所述超导线圈相互串联；
所述超导开关的数量为至少一个，与所述超导线圈并联，用于在所述超导线圈经过励磁电源励磁到设定磁场时闭合，以连通各所述超导线圈形成闭合回路；
所述超导开关固定于所述线圈骨架的设定低磁场区域；
所述线圈骨架放置于所述低温恒温器中，所述低温恒温器带有制冷机，用于制造满足设定低温条件的环境，以令所述超导线圈和所述超导开关处于超导状态。
2.根据权利要求1所述的超导磁体，其特征在于：还包括抱箍，所述抱箍用于固定所述超导线圈与所述线圈骨架。
3.根据权利要求1所述的超导磁体，其特征在于：所述低温恒温器的结构为液氦浸泡结构，所述超导开关为加热式超导开关。
4.根据权利要求3所述的超导磁体，其特征在于：所述超导开关包括：无感线圈、加热器、开关骨架和接线柱；
所述无感线圈采用无感绕制方式绕制在所述开关骨架上；
所述无感线圈的进线和出线与所述接线柱相连接；
所述超导线圈连接于所述接线柱；
所述加热器与所述无感线圈紧贴设置，并用玻璃丝布缠绕固定；
所述加热器的进线和出线从所述超导磁体中引出来，并连接于外接加热电源模块，用于控制所述超导开关的断开和闭合。
5.根据权利要求4所述的超导磁体，其特征在于：使用环氧树脂填充所述超导开关在绕制时产生的缝隙。
6.根据权利要求4所述的超导磁体，其特征在于：所述开关骨架采用金属材料，其内表面贴敷一层绝缘材料。
7.根据权利要求1所述的超导磁体，其特征在于：所述低温恒温器的结构可为无液氦直接冷却结构；所述超导开关为加热式超导开关或机械式超导开关。
8.根据权利要求1-7任一所述的超导磁体，其特征在于：还包括：失超保护模块，与所述超导开关并联，用于在所述超导线圈失超或所述超导开关失超时，限制所述超导开关两端的电压，并作为磁场能量释放通路。
9.根据权利要求8所述的超导磁体，其特征在于：所述失超保护模块包括反向并联的一组二极管。
10.一种磁控直拉单晶设备，包括单晶炉和超导磁体，其特征在于：所述超导磁体为权利要求1-9任一所述的超导磁体，所述超导磁体设置在所述单晶炉的外侧，用于经过励磁电源励磁到设定磁场时，闭合所述超导开关，使所述超导线圈形成磁控直拉单晶所需的磁场。
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