[发明专利]永磁场直拉硅单晶的工艺及附属设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种直拉硅单晶的工艺及其附属设备，具体涉及一种采用钕铁硼永磁体，向熔硅体所在空间引入横向磁场的设备。

背景技术

硅是地球上储藏最丰富的材料之一，从19世纪科学家们发现了晶体硅的半导体特性后，它几乎改变了一切，甚至人类的思维。直到上世纪60年代开始，硅材料就取代了原有锗材料。硅材料——因其具有耐高温和抗辐射性能较好，特别适宜制作大功率器件的特性而成为应用最多的一种半导体材料，目前的集成电路半导体器件大多数是用硅材料制造的。

现在，我们的生活中处处可见“硅”的身影和作用，晶体硅太阳能电池是近15年来形成产业化最快的。

单晶硅也称硅单晶，是电子信息材料中最基础性材料，属半导体材料类。单晶硅已渗透到国民经济和国防科技中各个领域，当今全球超过2000亿美元的电子通信半导体市场中95％以上的半导体器件及99％以上的集成电路用硅。在日常生活里，单晶硅可以说无处不在，电视、电脑、冰箱、电话、手表、汽车，处处都离不开单晶硅材料，单晶硅作为科技应用普及材料之一，已经渗透到人们生活中各个角落。人类在征服宇宙的征途上，所取得的每一步进步，都有着单晶硅的身影。航天飞机、宇宙飞船、人造卫星都要以单晶硅作为必不可少的原材料。

熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许硅晶体，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或无定形硅，然后用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅。

单晶硅棒是生产单晶硅片的原材料，随着国内和国际市场对单晶硅片需求量的快速增加，单晶硅棒的市场需求也呈快速增长的趋势。

单晶硅圆片按其直径分为6英寸、8英寸、12英寸(300毫米)及18英寸(450毫米)等。直径越大的圆片，所能刻制的集成电路越多，芯片的成本也就越低。但大尺寸晶片对材料和制备技术的要求也越高。单晶硅按晶体生长方法的不同，分为直拉法(CZ)、区熔法(FZ)和外延法。直拉法、区熔法生长单晶硅棒材，外延法生长单晶硅薄膜。直拉法生长的单晶硅主要用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底、太阳能电池。目前晶体直径可控制在Φ3～12英寸。区熔法单晶主要用于高压大功率可控整流器件，广泛用于大功率输变电、电力机车、整流、变频、机电一体化、节能灯、电视机等系列产品。

由于成本和性能的原因，直拉法(CZ)单晶硅材料应用最广。在IC工业中所用的材料主要是CZ抛光片和外延片。存储器电路通常使用CZ抛光片，因成本较低。逻辑电路一般使用价格较高的外延片，因其在IC制造中有更好的适用性并具有消除Latch-up的能力。

直拉单晶硅产品，主要用于集成电路级以及太阳能电池芯片制造。

区熔单晶硅可以用于二极管级、整流器件级和核探测器件。

中国专利(CN99257515.X)公开了一种等效微重力晶体生长用径向辐射式磁场可调的永磁装置，在炉底座上固装着生长炉，在生长炉外围圆周固装着导柱，导柱内通过轴承架装着丝杠，丝杠上固装着传动轮，传动轮通过传动带与传动机构连接，生长炉外围套装着永磁磁环，固装在磁环上的套环套装在导柱上，套环内装着电磁离合器。

当大直径硅单晶，投料量超过60公斤，晶体直径大于Φ6″时，必须向熔体所在空间引入磁感应强度，用以抑制熔体强烈热对流，保证大直径硅单晶稳定生长。

本发明设计人经过长期实践，发明了一种在永磁场中直拉单晶的设备，采用该设备进行拉制单晶可以抑制熔体热对流，保证了晶体完整性，提高了少子寿命。

发明内容

本发名目的在于克服现有技术的不足，提供了一种永磁场直拉生长大直径单晶的工艺及其附属设备。该附属设备采用了钕铁硼永磁材料构成的“魔圈”结构，即双环状永磁体的结构，向熔体空间引入磁场应用在直拉硅单晶炉上，生长Φ6″～Φ8″硅单晶，采用该设备拉制单晶可以抑制熔体热对流，保证了晶体完整性，提高了少子寿命。

本发明一种永磁场直拉生长大直径单晶的工艺包括向熔体空间引入可变磁感应强度磁场。优选的，所述可变磁场的强度在为0～1500高斯范围内均匀连续可变。

本发明一种永磁场中大直拉硅单晶的附属设备，其特征在于常规的直拉单晶炉1外面套有环状永磁体2。

如图所示，所述环状永磁体2是具有两层和/或两层以上的结构。生产中，通过改变环状永磁体的相对位置，向熔体空间引入不同的磁场强度。

优选的，所述环状永磁体2是具有两层的结构。

所述可变磁场的强度为0～1500高斯连续可调，随着晶体的生长，调节环状永磁体2不同磁体的相对位置，降低磁场强度。