CN113046833A - 一种半导体晶体生长装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种半导体晶体生长装置。包括：坩埚，用以容纳硅熔体；和水平磁场施加装置，用以产生水平磁场；其中，所述水平磁场施加装置包括位于所述坩埚的相对的两侧的至少两个单线圈超导磁体，每一个所述单线圈超导磁体包括沿着所述水平磁场的方向绕制的线圈，以使所述单线圈超导磁体产生串联的所述水平磁场水平穿过所述坩埚内的硅熔体。根据本发明的半导体晶体生长装置，使单线圈超导磁体中线圈产生的水平磁场串联穿过坩埚内的硅熔体，串联的磁场使得磁场发生装置有较小的磁漏，提升磁场发生装置的电磁转换效率，减小了半导体晶体生长装置的制造和使用成本。同时，采用本发明，线圈绕制简单，也大大降低了半导体晶体生长装置的制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，具体而言涉及一种半导体晶体生长装置。
背景技术
直拉法(Cz)是制备半导体及太阳能用硅单晶的一种重要方法，通过碳素材料组成的热场对放入坩埚的高纯硅料进行加热使之熔化，之后通过将籽晶浸入熔体当中并经过一系列(引晶、放肩、等径、收尾、冷却)工艺过程，最终获得单晶棒。
使用CZ法的半导体单晶硅或太阳能单晶硅的晶体生长中，晶体和熔体的温度分布直接影响晶体的品质和生长速度。在CZ晶体的生长期间，由于熔体存在着热对流，使微量杂质分布不均匀，形成生长条纹。因此，在拉晶过程中，如何抑制熔体的热对流和温度波动，是人们广泛关注的问题。
在磁场发生装置下的晶体生长(MCZ)技术通过对作为导电体的硅熔体施加磁场，使熔体受到与其运动方向相反的洛伦兹力作用，阻碍熔体中的对流，增加熔体中的粘滞性，减少了氧、硼、铝等杂质从石英坩埚进入熔体，进而进入晶体，最终使得生长出来的硅晶体可以具有得到控制的从低到高广范围的氧含量，减少了杂质条纹，因而广泛应用于半导体晶体生长工艺。现有的晶体生长装置中用以产生水平磁场的装置，采用通过线圈形成一个圆桶状的磁体，套设在炉体外部，使在炉体内部的坩埚中形成所需的水平磁场强度。一种典型的圆筒状的磁体，如申请号为JP19960276105的日本专利公开的，其将励磁线圈绕制成马鞍型设置于圆柱型磁体内部。如图1所示，呈圆柱形的桶状磁体100套设在炉体外，其中，桶状磁体100中设置线圈绕制成马鞍型双绕线圈101和102，在对双绕线圈101和102通电的情况下，在桶状磁体100的直径方向上产生磁场。这样的磁体形式下，线圈绕制过程复杂，磁体制作工艺复杂，制造成本高，制作周期长，显著增加了半导体晶体生长装置的制造成本。
为此，有必要提出一种新的半导体晶体生长装置，用以解决现有技术中的问题。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种半导体晶体生长装置，所述装置包括：
坩埚，用以容纳硅熔体；和
水平磁场施加装置，用以产生水平磁场；其中，所述水平磁场施加装置包括位于所述坩埚的相对的两侧的至少两个单线圈超导磁体，每一个所述单线圈超导磁体包括沿着所述水平磁场的方向绕制的线圈，以使所述单线圈超导磁体产生串联的所述水平磁场水平穿过所述坩埚内的硅熔体。
示例性地，所述单线圈超导磁体包括包围所述线圈的壳体，所述壳体设置为磁屏蔽材料。
示例性地，所述壳体设置为磁性材料。
示例性地，包括：
N个沿着同一方向并列设置所述坩埚；和
N+1个沿同一方向并列设置的所述单线圈超导磁体；其中，
相邻两个所述单线圈超导磁体的中间设置有一个所述坩埚，其中N≥2。
示例性地，第1个所述单线圈超导磁体的与第1个所述坩埚相对的另一侧设置有磁场屏蔽装置；
第N+1个所述单线圈超导磁体的与第N个所述坩埚相对的另一侧设置有磁场屏蔽装置。
示例性地，包括3个所述坩埚和4个所述单线圈超导磁体。
示例性地，所述线圈包括超导线圈。
示例性地，所述坩埚设置在炉体内，所述单线圈超导磁体设置在所述炉体相对的两侧从而设置在所述坩埚的相对的两侧。
根据本发明的半导体晶体生长装置，通过在坩埚两侧设置发生水平磁场的单线圈超导磁体，其中，单线圈超导磁体包括沿着水平磁场的方向绕制的线圈，使单线圈超导磁体中线圈产生的水平磁场串联穿过坩埚内的硅熔体，串联的磁场使得磁场发生装置有较小的磁漏，提升磁场发生装置的电磁转换效率，减小了半导体晶体生长装置的制造和使用成本。同时，采用本发明的磁场发生装置，线圈绕制简单，也大大降低了半导体晶体生长装置的制造成本。
附图说明
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。
附图中：
图1为一种半导体晶体生长装置中水平磁场施加装置的结构示意图；
图2为根据本发明的一个实施例的一种半导体晶体生长装置的结构示意图；
图3为根据本发明的一个实施例的一种半导体晶体生长装置中单线圈超导磁体的结构示意图；
图4为根据本发明的一个实施例的一种半导体晶体生长装置中单线圈超导磁体与坩埚的排布结构示意图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的描述，以说明本发明所述的半导体晶体生长装置。显然，本发明的施行并不限于半导体领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
应予以注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施例，而非意图限制根据本发明的示例性实施例。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。
现在，将参照附图更详细地描述根据本发明的示例性实施例。然而，这些示例性实施例可以多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施例。应当理解的是，提供这些实施例是为了使得本发明的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施例的构思充分传达给本领域普通技术人员。在附图中，为了清楚起见，夸大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的元件，因而将省略对它们的描述。
由于现有的半导体晶体生长装置中，水平磁场施加装置的线圈绕制成本高，周期长，显著增加了半导体晶体生长装置的制造成本。本发明提供了一种半导体晶体生长装置，包括：
坩埚，用以容纳硅熔体；和
水平磁场施加装置，用以产生水平磁场；其中，所述水平磁场施加装置包括位于所述坩埚的相对的两侧的至少两个单线圈超导磁体，每一个所述单线圈超导磁体包括沿着所述水平磁场的方向绕制的线圈，以使所述单线圈超导磁体产生串联的所述水平磁场水平穿过所述坩埚内的硅熔体。
下面参看图2、图3和图4对根据本发明的一个实施例的半导体晶体生长装置进行示例性说明。图2为根据本发明的一个实施例的一种半导体晶体生长装置的结构示意图；图3为根据本发明的一个实施例的一种半导体晶体生长装置中单线圈超导磁体的结构示意图；图4为根据本发明的一个实施例的一种半导体晶体生长装置中单线圈超导磁体与坩埚的排布结构示意图。
参看图2，示出了一种半导体晶体生长装置的结构示意图，半导体晶体生长装置包括炉体1，炉体1内设置有坩埚11，坩埚11外侧设置有对其进行加热的加热器12，坩埚11内容纳有硅熔体13，坩埚11由石墨坩埚和套设在石墨坩埚内的石英坩埚构成，石墨坩埚接收加热器的加热使石英坩埚内的多晶硅材料融化形成硅熔体。其中每一石英坩埚用于一个批次半导体生长工艺，而每一石墨坩埚用于多批次半导体生长工艺。
在炉体1顶部设置有提拉装置14，在提拉装置14的带动下，籽晶从硅熔体液面提拉拉出硅晶棒10，同时环绕硅晶棒10四周设置热屏装置，示例性地，如图1所示，热屏装置包括有导流筒16，导流筒16设置为桶型，其作为热屏装置一方面用以在晶体生长过程中隔离石英坩埚以及坩埚内的硅熔体对晶体表面产生的热辐射，提升晶棒的冷却速度和轴向温度梯度，增加晶体生长数量，另一方面，影响硅熔体表面的热场分布，而避免晶棒的中心和边缘的轴向温度梯度差异过大，保证晶棒与硅熔体液面之间的稳定生长；同时导流筒还用以对从晶体生长炉上部导入的惰性气体进行导流，使之以较大的流速通过硅熔体表面，达到控制晶体内氧含量和杂质含量的效果。在半导体晶体生长过程中，在提拉装置14的带动下，硅晶棒10竖直向上穿过导流筒16。
为了实现硅晶棒的稳定增长，在炉体1底部还设置有驱动坩埚11旋转和上下移动的驱动装置15，驱动装置15驱动坩埚11在拉晶过程中保持旋转是为了减少硅熔体的热的不对称性，使硅晶柱等径生长。
为了阻碍硅熔体的对流，增加硅熔体中的粘滞性，减少氧、硼、铝等杂质从石英坩埚进入熔体，进而进入晶体，最终使得生长出来的硅晶体可以具有得到控制的从低到高宽范围的氧含量，减少杂质条纹，半导体生长装置中还包括设置在炉体外侧的磁场施加装置17，用以对坩埚内的硅熔体施加水平磁场。
根据本发明，磁场施加装置包括至少两个单线圈超导磁体，如图2所示，单线圈超导磁体171和单线圈超导磁体172，单线圈超导磁体171和单线圈超导磁体172设置在炉体相对的两侧，并且其中每一个包括沿着水平磁场方向绕制的线圈，以使单线圈超导磁体171和单线圈超导磁体172产生串联的所述水平磁场而穿过坩埚11内的硅熔体13。
需要理解的是，本实施例将单线圈超导磁体设置在炉体1外侧仅仅是示例性地，本领域技术人员应当理解，单线圈超导磁体设置在炉体内部坩埚两侧也可以实现本发明的技术效果。
通过在坩埚两侧设置发生水平磁场的单线圈超导磁体，其中，单线圈超导磁体包括沿着水平磁场的方向绕制的线圈，使单线圈超导磁体产生的水平磁场串联穿过坩埚内的硅熔体，这样的设置形式显著简化了水平磁场发生装置的结构，从而减少了水平磁场施加装置的制造成本。
参看图3，示出了根据本发明的一个实施例的一种半导体晶体生长装置中单线圈超导磁体的结构示意图。
单线圈超导磁体171包括线圈1711。线圈1711通电后，产生水平磁场。由于在半导体生长装置中在坩埚的两侧均设置有单线圈超导磁体，每一个单线圈超导磁体中的线圈均产生水平磁场，使得沿着水平磁场的方向，相邻单线圈超导磁体中的线圈产生的水平磁场发生串联，最终形成水平穿过坩埚内的硅熔体的磁场。这种串联的磁场使得磁场发生装置有较小的磁漏，提升磁场发生装置的电磁转换效率，减小了半导体晶体生长装置的制造和使用成本。同时，采用本发明的磁场发生装置，线圈绕制简单，也大大降低了半导体晶体生长装置的制造成本。
示例性地，所述线圈设置为超导线圈。超导线圈提升电流转换效率，进一步减少半导体晶体生长装置在进行半导体晶体生长过程中的生产成本。
继续参看图3，示例性地，单线圈超导磁体171还包括壳体172，壳体172包围所述线圈。所述壳体设置为磁屏蔽材料，将壳体设置为磁屏蔽材料是为了屏蔽线圈在水平方向以外产生的磁场，避免线圈对环境造成污染。
示例性地，所述壳体172设置为磁性材料。采用壳体包围线圈，有效减少了线圈在产生水平磁场时在垂直于水平磁场方向的磁漏，防止线圈产生的磁场对周围环境的污染。
示例性地，壳体172采用电工纯铁制作，进一步减少制造成本。
在根据本发明的一个示例中，半导体晶体生长装置包括：
N个沿着同一方向并列设置所述坩埚；和
N+1个沿同一方向并列设置的所述单线圈超导磁体；其中，
相邻两个所述单线圈超导磁体的中间设置有一个所述坩埚，其中N≥2。
下面参看图4对上述半导体生长装置进行示例性介绍。
如图4所示，半导体晶体生长装置包括3个沿着同一方向并列设置的坩埚，坩埚111、坩埚112和坩埚113。半导体晶体生长装置还包括4个沿着同一方向并且设置的单线圈超导磁体，单线圈超导磁体171、单线圈超导磁体172、单线圈超导磁体173和单线圈超导磁体174。相邻两个单线圈超导磁体的中间设置有一个坩埚。单线圈超导磁体171和单线圈超导磁体172之间设置有坩埚111，单线圈超导磁体172和单线圈超导磁体173之间设置有坩埚112，单线圈超导磁体173和单线圈超导磁体174之间设置有坩埚113。通过上述设置形式，单线圈超导磁体171、单线圈超导磁体172、单线圈超导磁体173和单线圈超导磁体174产生的磁场顺次串联形成穿过坩埚111、坩埚112和坩埚113的水平磁场，由于相邻单线圈超导磁体之间的磁场叠加，显著提升磁场的利用率。同时，由于在垂直于磁场方向上，单线圈超导磁体的磁漏显著减小。
需要理解的是，在图4中示出的实施例中，将单线圈超导磁体设置在坩埚两侧仅仅是示例性地，本领域技术人员应当理解，在每个坩埚分别设置在各自的炉体内的情况下，将单线圈超导磁体设置在容纳有坩埚的炉体的两侧也是设置在坩埚的两侧，也能够实现本发明的技术效果。
同时，应当理解的是，图4中仅仅示出有3个坩埚和4个单线圈超导磁体的形式，本领与技术人员应当理解，本发明适合任何数量(N个)的坩埚，只要在每个坩埚两侧设置单线圈超导磁体，均能实现本发明的技术效果。
示例性地，第1个所述单线圈超导磁体的与第1个所述坩埚相对的另一侧设置有磁场屏蔽装置；第N+1个所述单线圈超导磁体的与第N个所述坩埚相对的另一侧设置有磁场屏蔽装置。
如图4所示，在单线圈超导磁体171的与坩埚111相对的另一侧设置磁场屏蔽装置，在单线圈超导磁体174与坩埚113相对的另一侧设置磁场屏蔽装置，从而避免单线圈超导磁体形成的水平磁场对周围环境造成污染。
以上是对根据本发明的半导体晶体生长装置的示例性介绍，根据本发明的半导体晶体生长装置，通过在坩埚两侧设置发生水平磁场的单线圈超导磁体，其中，单线圈超导磁体包括沿着水平磁场的方向绕制的线圈，使单线圈超导磁体产生的水平磁场串联穿过坩埚内的硅熔体，串联的磁场使得磁场发生装置有较小的磁漏，提升磁场发生装置的电磁转换效率，减小了半导体晶体生长装置的制造和使用成本。同时，采用本发明的磁场发生装置，线圈绕制简单，也大大降低了半导体晶体生长装置的制造成本。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。
Claims (8)
1.一种半导体晶体生长装置，其特征在于，包括：
坩埚，用以容纳硅熔体；和
水平磁场施加装置，用以产生水平磁场；其中，所述水平磁场施加装置包括位于所述坩埚的相对的两侧的至少两个单线圈超导磁体，每一个所述单线圈超导磁体包括沿着所述水平磁场的方向绕制的线圈，以使所述单线圈超导磁体产生串联的所述水平磁场水平穿过所述坩埚内的硅熔体。
2.根据权利要求1所述的半导体晶体生长装置，其特征在于，所述单线圈超导磁体包括包围所述线圈的壳体，所述壳体设置为磁屏蔽材料。
3.根据权利要求2所述的半导体晶体生长装置，其特征在于，所述壳体设置为磁性材料。
4.根据权利要求1所述的半导体晶体生长装置，其特征在于，包括：
N个沿着同一方向并列设置所述坩埚；和
N+1个沿同一方向并列设置的所述单线圈超导磁体；其中，
相邻两个所述单线圈超导磁体的中间设置有一个所述坩埚，其中N≥2。
5.根据权利要求4所述的半导体晶体生长装置，其特征在于，
第1个所述单线圈超导磁体的与第1个所述坩埚相对的另一侧设置有磁场屏蔽装置；
第N+1个所述单线圈超导磁体的与第N个所述坩埚相对的另一侧设置有磁场屏蔽装置。
6.根据权利要求4所述的半导体晶体生长装置，其特征在于，包括3个所述坩埚和4个所述单线圈超导磁体。
7.根据权利要求1所述的半导体晶体生长装置，其特征在于，所述线圈包括超导线圈。
8.根据权利要求1所述的半导体晶体生长装置，其特征在于，所述坩埚设置在炉体内，所述单线圈超导磁体设置在所述炉体相对的两侧从而设置在所述坩埚的相对的两侧。
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