[发明专利]一种磁控直拉单晶超导磁体系统

说明书

本发明公开一种磁控直拉单晶超导磁体系统，包括：超导线圈、冷屏、真空容器、低温制冷机、磁屏蔽外壳、超导电源等；超导线圈是由两个斜螺管线圈交叉绕制而成的二极磁体线圈，为直拉单晶炉提供外加横向磁场。本发明采用低温制冷机传导冷却技术，取代了传统的液氦制冷超导磁体方式，不受液氦、液氮等低温条件的限制。同时，本发明磁控直拉单晶超导磁体系统具有磁场效率高、体积小、重量轻、能耗低、成本低、无液氦维护操作简单的特点。

技术领域

本发明涉及超导磁体技术领域，特别是涉及一种磁控直拉单晶超导磁体系统。

背景技术

硅单晶材料是重要的半导体材料，广泛应用于太阳能器件、大规模集成电路等高技术产业。随着经济产业的快速发展扩大，系统对半导体的生产提出了更高的要求，需要生产出更大直径、更高纯度质量的单晶硅棒材。

CZ直拉法是一种适合大规模生产硅单晶棒材的主流制备技术，为了适应大规模生产高纯度单晶硅产品的需求，通过在炉体外附加磁场技术干预材料形核过程是提高CZ直拉法单晶硅产品纯度的一种有效技术。对于8英寸以下单晶硅片制备设备，一般可采用永磁体或铜线圈导流产生磁场。但是由于磁场强度低、功耗高，永磁体或铜线圈导流产生磁场无法用于12英寸及以上大尺寸晶体生长设备。而超导磁体具有低功耗、高场强、重量轻、体积小等优势特点(功率仅十几千瓦，磁场强度从几千到十几万高斯)，使材料凝固液面更加稳定，材料纯度更高，更能够保证大尺寸晶体生长品质。目前国际上12英寸及以上单晶硅制备全部采用超导磁场直拉单晶技术完成。

CZ直拉法制备单晶硅的外加磁场类型可以分为横向磁场、垂直磁场和勾形磁场，如图1～3所示。垂直磁场结构出现在早期CZ直拉法中，由于垂直磁场对于抑制沿单晶棒的轴向对流及氧含量不均匀方面作用有限，目前已较少使用；横向磁场能够更好地保持生长界面的平整性，勾形磁场对流动和传热具有更好的均匀性，所以横向磁场和勾形磁场在晶体生长领域的作用同样重要，一直在齐头并进地研究和开发。然而，CZ直拉法制备单晶材料的外加磁场技术目前还存在着各自问题：螺线管勾形磁场和螺线管横向磁场的磁场利用效率低，鞍形横向磁场的非对称线圈结构强度低、绕制工艺复杂，这些问题会导致超导磁体设计难度提高、工艺技术复杂、制造成本提高。因此，亟需提出一种新的超导磁体结构实现CZ直拉法制备大尺寸单晶硅的同时，提高磁场利用效率，降低超导磁体成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的磁控直拉单晶超导磁体系统实现CZ直拉法制备大尺寸单晶硅的同时，提高磁场利用效率，降低超导磁体成本。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种磁控直拉单晶超导磁体系统，包括用于保持低温真空环境的真空容器、悬置于所述真空容器内的超导线圈、设置于所述超导线圈外围的冷屏、安装于所述真空容器上的低温制冷机、设置于所述真空容器外的磁屏蔽外壳以及与所述超导线圈电连接的超导电源；所述超导线圈采用无液氦传导冷却方式制冷；所述超导线圈为由两个斜螺管线圈交叉绕制在金属骨架表面上形成的二极磁体线圈，且两个所述斜螺管线圈内的电流方向相反；所述超导线圈为空心结构，且所述超导线圈的孔内形成有一直径大于单晶棒直径的拉晶区，所述拉晶区内能够形成与所述超导线圈的内孔中轴线垂直的横向磁场，与所述横向磁场垂直的另外两个方向的磁场强度均不大于所述横向磁场的强度的1/5。

可选的，所述超导线圈为空心圆柱体，两个所述斜螺管线圈呈180°对称布置在所述超导线圈的内孔中轴线两侧；所述拉晶区为圆柱形拉晶区，且所述拉晶区与所述超导线圈的内孔中轴线同轴设置，所述拉晶区的高度位于两个所述斜螺管线圈的导线交叉区域内。

可选的，所述斜螺管线圈内的每匝线圈形状均为椭圆面，各椭圆面与所述超导线圈的内孔中轴线的夹角均相等，且夹角范围为10°-80°。

可选的，所述横向磁场的磁场强度不均匀度小于25％，磁场强度范围为0-5000高斯。