[发明专利]用于MCZ单晶炉的非对称勾形磁场的三维优化设计方法

说明书

技术领域

本发明属于单晶炉晶体生长技术领域，具体涉及一种用于MCZ单晶炉的非对称勾形磁场的三维优化设计方法。

背景技术

直拉(CZ)法是工业生产单晶硅的重要方法。一方面，随着晶体直径的增大，坩埚直径相应增大，加热功率也随之升高。大石英坩埚要比小石英坩埚承受更高的温度，熔体内的热对流加剧，石英坩埚和熔体硅的反应加剧，产生更多的SiO。而氧的浓度是决定硅片质量的重要因素之一，在晶体生长中过多的氧会引起位错环、氧沉淀等热诱生缺陷。另一方面，超大规模集成电路的发展对晶体质量提出了更严格的要求，如：减少单晶材料的缺陷和杂质含量，提高氧、碳等杂质以及掺杂剂在晶体中分布的均匀性。晶体中氧的浓度及均匀性与熔体的流动状态密切相关，在晶体生长设备中施加磁场是减少大直径单晶硅生长中熔体内强烈对流的有效方法。研究发现，纵向式磁场破坏了直拉生长系统原有的横向热对流的对称性，而横向式磁场却又破坏了直拉生长系统原有的轴向热对流的对称性，使单晶棒生长条纹变得严重，因此具有非均匀磁力线分布的勾形磁场是解决上述问题的有效方案。

一方面随着晶体生长的大尺寸化(直径Φ≥300mm)，导致炉体直径加大，磁场线圈距坩埚壁较远，在电流和磁场线圈结构一定的情况下，坩埚内壁磁场强度变小；另一方面，为了能够达到极大规模集成电路对晶体质量的要求，有效抑制熔体的对流，要求坩埚内壁的磁感应强度的径向分量应达到BrminGs以上，同时坩埚中满足径向分量Br≥BrminGs和轴向分量Bz≤BzmaxGs的区域越宽抑制熔体流动效果越好。增加线圈总匝数或增加流过线圈的电流都能在一定程度上增强磁感应强度。但增加线圈总匝数会受到单晶炉炉体高度的限制，增加线圈电流会导致磁场功耗的快速增加(磁场功耗与线圈总匝数呈一次线性增大关系，磁场功耗与线圈电流平方呈线性增大关系)，带来磁场冷却的困难。因此研究如何优化磁场结构以获得最佳的抑制对流效果、如何优化线圈规格参数以获得最小的磁场功率消耗是非常必要的。

由于单晶炉的加热器、熔体等不会影响磁力线的分布，对勾形磁场建模时通常仅考虑线圈、屏蔽体。同时勾形磁场以单晶炉的轴心为轴对称，目前主要采用有限元二维(2D)建模的方法对其进行优化设计，由于该方法是将平面某一点的磁场强度求出，并推广认为其它与该点处于同一高度且半径相同的点的磁场强度及方向均相同，不考虑磁场冷却水出口处屏蔽体开口对磁力线分布的影响，以简化约束条件。而实际上对于磁场强度较小且上下两组线圈对称的勾形磁场来说，屏蔽体开口对磁力线分布(特别是零高斯面以下熔体内磁力线的分布)的影响较小，二维建模方法是可行的。但对于高强度大直径上下两组线圈非对称(上组线圈匝数少、下组线圈匝数多)的勾形磁场，屏蔽体开口对磁力线分布(特别是零高斯面以下熔体内)的影响较大，开口一边的磁场泄漏比它的对边要大得多，因此该边的磁场强度径向分量Br和轴向分量Bz需要得到进一步的刻画，采用平面二维建模方法无法反映屏蔽体开口对磁力线分布的影响，因此不能判断开口一边的磁场分布是否能满足晶体生长需要。采用有限元三维(3D)建模方法能够对磁场的每个点进行分析，考虑了屏蔽体开口，可以直观分析勾形磁场结构变化对磁力线的分布及磁场强度的影响，使设计的勾形磁场更加符合大尺寸晶体生长的需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于MCZ单晶炉的非对称勾形磁场的三维优化设计方法，考虑冷却水出口引起的屏蔽体开口，使模型能够与实际磁场更接近，从而优化磁场结构以获得高磁感应强度和满足大尺寸晶体生长需要的勾形磁场，同时优化线圈规格参数以降低磁场功率，解决了现有采用平面二维建模方法无法反映屏蔽体开口对磁力线分布的影响，因此不能判断开口一边的磁场分布是否能满足晶体生长需要的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种用于MCZ单晶炉的非对称勾形磁场的三维优化设计方法，包括磁场结构参数优化设计和线圈规格参数优化设计，

磁场结构参数优化设计具体按照以下步骤实施：

步骤1：利用ansys数值分析软件建立磁场三维立体模型；

步骤2：改变步骤1得到的磁场三维立体模型参数，分析磁场磁感应强度随上部线圈和下部线圈之间的间距、线圈横向匝数及屏蔽体厚度变化的关系，根据设定的磁场磁感应强度确定上部线圈和下部线圈之间的间距、线圈横向匝数及屏蔽体厚度；同时在磁场功率一定的条件下，以磁感应强度在固液交接面处径向分量Br≥Brmin、轴向分量Bz≤Bzmax的公共区域最宽为优化目标，确定磁场上部线圈的纵向层数和下部线圈的纵向层数；

线圈规格参数优化设计具体按照以下步骤实施：

步骤1：