DE102013216378A9 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung eines homogenen magnetischen Feldes zum Ziehen eines Einkristalls - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung eines homogenen magnetischen Feldes zum Ziehen eines Einkristalls Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines homogenen magnetischen Feldes während des Ziehens eines Einkristalls aus einem geschmolzenen Halbleitermaterial (34), bestehend aus: einem, um eine Zentralachse (43) angeordneten Ofen (36) mit einem Heizelement (40) um einen Tiegel (39) in dem sich das Halbleitermaterial (34) befindet, einem Kühlbehälter (37) um den Ofen (36) mit einer inneren und einer äußeren Wand (41, 42), wobei die innere und äußere Wand (41, 42) koaxial zur Zentralachse (43) angeordnet sind; einer ersten Magnetspule (31), die in einer ersten Ebene mit einem Durchmesser größer 40 Zentimeter gewickelt ist; einer zweiten Magnetspule (32) mit einem Durchmesser größer 40 Zentimeter, die in einer zweiten Ebene gewickelt ist, wobei die erste Magnetspule (31) der zweiten (32) gegenüberliegend bezüglich der Zentralachse (43) und innerhalb des Kühlbehälters (37) zwischen der inneren und der äußeren Wand (41, 42) angeordnet ist, wobei die Zentralachse (43) die erste Ebene an einem Punkt (44, 49) schneidet und die Zentralachse (43) die zweite Ebene an dem Punkt (44, 49) schneidet und ein Verfahren zum Erzeugen eines homogenen magnetischen Feldes.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls nach den Merkmalen des ersten Patentanspruches und ein Verfahren zur Erzeugung eines magnetischen Feldes in einer Vorrichtung zum Ziehen des Einkristalls.
  • Integrierte Schaltungen oder Prozessoren werden typischerweise aus sog. “Wafern” aus Halbleitermaterial, wie z.B. Silizium, Germanium, oder Galliumarsenid hergestellt. Diese Wafer werden aus sog. „Ingots“ oder „Boules“, zylindrischen, monokristallinen Säulen des jeweiligen Halbleitermaterials, geschnitten. Eine Methode diese monokristallinen Ingots herzzustellen, ist da sog. Czochralski-Verfahren des Kristallziehens, welches auf dem Drehen eines gerade wachsenden Kristalls, der gerade aus einer „Schmelze“ des Halbleitermaterials herausgezogen wird beruht.
  • Der ausführliche Stand der Technik zur Erzeugung eines homogenen magnetischen Feldes während des Ziehens eines Einkristalls ist in den 1 bis 4 beschrieben. Der in den 1 bis 4 beschriebene Stand der Technik hat Nachteile.
  • Obwohl die Ziehvorrichtung ein uniformeren magnetischen Fluss in einem größeren Bereich erzeugt als die Felder in den 23, ist das magnetische Feld, das durch die Ziehvorrichtung generiert wird immer noch nicht einheitlich genug in der Ebene der Kristallisationsscheibe zwischen dem Ingot und dem geschmolzenen Halbleitermaterial. Die Oberflächen gleicher Flussdichte fallen immer noch scharf von den Spulen zur Mitte hin ab. Die Flusslinien in 4 repräsentieren einen Schnitt durch die xy-Ebene des Magnetfeldes, wobei die Z-Koordinate gleich Null ist. 4 zeigt, dass nur ein kleiner Teil der Oberfläche gleicher Flussdichte des Magnetfeldes parallel zu der Kristallisationsebene liegt, die senkrecht zur Z-Achse steht. Folglich würde das Rotieren des Tiegels voller geschmolzenem Halbleitermaterial in einem Magnetfeld, wie es in 4 dargestellt ist, eher zu einem Homogenisieren der konvektiven Strömungen durch Rühren führen, als durch ein Unterdrücken ihrer Strömung. Das geschmolzene Halbleitermaterial unmittelbar unterhalb der Kristallisationsebene würde gerührt werden, wenn das sich um die Z-Achse rotierende geschmolzene Halbleitermaterial diese magnetischen Flusslinien kreuzt, die nicht parallel zur xy-Ebene liegen.
  • Ausgehend von den Nachteilen des Standes der Technik ist es Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zu entwickeln, das die konvektiven Ströme des geschmolzenen Halbleitermaterials besser unterdrückt, indem es ein stärkeres und einheitlicheres Magnetfeld erzeugt, das paralleler zu der Kristallationsebene zwischen dem geschmolzenen Halbleitermaterial und dem Ingot, der aus der Schmelze gezogen wird, liegt.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls nach den Merkmalen des ersten Patentanspruches und ein Verfahren nach den Merkmalen des Anspruches 10 gelöst.
  • Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder. Die erfindungsgemäße Einkristallziehvorrichtung beinhaltet vertikal gekippte Magnetspulen zwischen den Wänden eines Kühlbehälters. Die innere und äußere Wand des Kühlbehälters sind im Bezug zu einer zentralen Achse koaxial angeordnet. Die innere Wand des Kühlbehälters ist koaxial um einen zylindrischen Tiegel angeordnet, der geschmolzenes Halbleitermaterial enthält, aus dem ein monokristalliner Ingot gezogen wird. Eine erste magnetische Spule ist in einer ersten Ebene gewickelt, eine zweite magnetische Spule ist in einer zweiten Ebene gewickelt. Der Durchmesser der Magnetspule ist größer 40 Zentimeter. Die erste Magnetspule hat einen ersten Mittelpunkt, und die zweite Magnetspule hat einen zweiten Mittelpunkt. Eine Mittellinie läuft durch den ersten Mittelpunkt, die Zentralachse und den zweiten Mittelpunkt. Die erste Ebene und die zweite Ebene schneiden beide die Zentralachse in demselben Punkt. Die erste Ebene schneidet die Zentralachse in einem Winkel zwischen 5 und 15 Grad. In einer Ausführung schneiden die Ebenen die Zentralachse unterhalb des Tiegels. In einer anderen Ausführung schneiden die Ebenen die Zentralachse oberhalb des Tiegels.
  • Die Einkristallziehvorrichtung beinhaltet des Weiteren auch eine dritte und vierte Magnetspule. Die dritte Magnetspule ist bezüglich der Zentralachse gegenüber der vierten Magnetspule und innerhalb der inneren und äußeren Wand des Kühlbehälters eingefügt. Folglich sind die Magnetspulen entgegen dem Uhrzeigersinn, wie folgt um die Zentralachse angeordnet: Erste, Zweite, Dritte und Vierte. Die Ebenen der dritten und vierten Magnetspule schneiden die Zentralachse ebenfalls in dem Punkt unter einem Winkel zwischen 5 und 15 Grad. Die Zentralachse ist die Z-Achse und diese steht senkrecht auf einer xy-Ebene. Die erste Ebene schneidet die xy-Ebene in einer ersten Schnittgeraden, und die dritte Ebene schneidet die xy-Ebene in einer zweiten Schnittgeraden. Die erste Schnittgerade schneidet die zweite Schnittgerade in einem Winkel größer als 135 Grad.
  • In einer weiteren Ausführung beinhaltet eine Einkristall-Ziehvorrichtung einen zylindrischen Tiegel, einen Kühlbehälter und Magnetspulen. Eine innere Wand ist koaxial um den Tiegel angeordnet. Eine erste Magnetspule windet sich in einer ersten Ebene, und eine zweite magnetische Spule windet sich in einer zweiten Ebene. Die erste Magnetspule ist bezüglich der Zentralachse der zweiten gegenüber angeordnet und liegt zwischen der inneren und äußeren Wand des Kühlbehälters. Die erste Ebene schneidet die Zentralachse unter einem ersten Winkel zwischen 5 und 15 Grad. Die zweite Ebene schneidet die Zentralachse unter einem zweiten Winkel der den gleichen Wert besitzt wie der erste. Die erste und zweite Magnetspule haben denselben Durchmesser. Eine obere Oberfläche an geschmolzenem Halbleitermaterial ist in dem Tiegel. Der zylindrische Tiegel ist so angeordnet, dass sich die obere Oberfläche des geschmolzenen Halbleitermaterials zwischen 20% und 30% des Durchmessers der ersten Magnetspule unterhalb des höchsten Punktes der ersten Magnetspule befindet.
  • Die Einkristall-Ziehvorrichtung beinhaltet in Vorteilhafter Weise ebenfalls eine dritte und vierte Magnetspule, die sich bezüglich der Zentralachse gegenüber liegen und innerhalb des Kühlbehälters zwischen der inneren und äußeren Wand. Die dritte magnetische Spule windet sich in einer dritten Ebene, die vierte Magnetspule in einer vierten Ebene. Jeder der Ebenen, die erste, zweite, dritte und vierte schneidet die Zentralachse in demselben Punkt. Eine xy-Ebene, auf der die Zentralachse senkrecht steht schneidet die erste Ebene in einer ersten Schnittgeraden, und die dritte Ebene in einer zweiten Schnittgeraden. Die erste Schnittgerade schneidet die zweite Schnittgerade unter einem Winkel größer als 135 Grad.
  • Ein Verfahren zum Herstellen eines monokristallinen Ingots nutzt vertikal verkippte Magnetspulen. Ein Einkristall aus Halbleitermaterial wird aus einem zylindrischen Tiegel mit geschmolzenem Halbleitermaterial gezogen. Eine erste magnetische Spule ist bezüglich einer der Zentralachse gegenüber einer zweiten Magnetspule innerhalb der koaxialen Innen- und Außenwand eines Kühlbehälters angeordnet. Die erste Magnetspule hat einen ersten Mittelpunkt, die zweite Magnetspule hat einen zweiten Mittelpunkt. Eine Mittelgerade verläuft durch den ersten Mittelpunkt, schneidet die Zentralachse und dann den zweiten Mittelpunkt. Die innere Wand des Kühlbehälters ist koaxial um einen zylindrischen Tiegel angeordnet. Während der monokristalline Ingot gezogen wird, wird ein Magnetfeld in dem geschmolzenen Halbleitermaterial auf eine Art erzeugt, dass es die konvektiven Ströme in dem Halbleitermaterial unterdrückt. Das Magnetfeld wird durch die Nutzung einer ersten und zweiten Magnetspule erzeugt. Die erste Magnetspule ist in einer ersten Ebene gewickelt, die zweite Magnetspule in einer zweiten Ebene. Die erste Ebene schneidet die Zentralachse in einem Winkel zwischen 5 und 15 Grad.
  • Die erste und zweite Spule haben den gleichen Durchmesser. Eine optimale Feldlinie verläuft durch einen ersten Punkt in der ersten Ebene, der sich in einem Bereich unterhalb des höchsten Punktes der Spule befindet, wobei der Abstand zu dem Bereich 20% bis 30% des Spulendurchmessers der ersten Spule beträgt. Des Weiteren verläuft die optimale Feldlinie durch einen zweiten Punkt in der zweiten Ebene, der in einem Abstand von 20% bis 30% des Spulendurchmessers der zweiten Spule unterhalb des höchsten Punktes der zweiten Spule. Der zylindrische Tiegel wird auf einer Höhe gehalten, so dass die optimale Feldlinie stets etwa durch die ober Oberfläche des geschmolzenen Halbleitermaterials verläuft.
  • In einer weiteren Ausführung beinhaltet eine Einkristall-Ziehvorrichtung einen Tiegel, einen Kühlbehälter und Mittel zur Erzeugung eines magnetischen Feldes. Der ist so beschaffen, dass er geschmolzenes Halbleitermaterial enthalten kann. Der Kühlbehälter ist koaxial zum Tiegel angeordnet. Die Mittel erzeugen ein magnetisches Feld, das mindestens 0,03 Tesla an einem Punkt entlang der Zentralachse des Kühlbehälters beträgt. Das Magnetfeld ist um die Zentralachse zentriert und ist oberhalb und unterhalb in keiner xy-Ebene symmetrisch auf der die Zentralachse senkrecht steht.
  • Im Folgenden werden der Stand der Technik und die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und 23 Figuren beschrieben. Die Figuren zeigen:
  • 1 zeigt einen Stand der Technik mit einer Schnittansicht einer Einkristall-Ziehvorrichtung, die das modifizierte Czochralski-verfahren nutzt, um einen monokristallinen Ingot zu ziehen.
  • 2 zeigt ein X-förmiges Magnetfeld nach dem Stand der Technik, das zwischen den zwei parallelen Spulen aus 1 erzeugt wird.
  • 3 zeigt eine dreidimensionale perspektivische Ansicht einer Oberfläche von gleichem magnetischem Fluss eines Magnetfeldes, das aus zwei im rechten Winkel zueinander stehenden parallelen Spulenpaaren entsteht.
  • 4 zeigt den Stand der Technik in einer Schnittansicht (von oben nach unten) des magnetischen Feldes, das durch eine andere Einkristall-Ziehvorrichtung erzeugt wird, die zwei zueinander parallele Helmholtz-Spulenpaare aufweist, die nicht senkrecht zueinander stehen.
  • 5 zeigt eine seitliche Schnittansicht einer Einkristall-Ziehvorrichtung, die verkippte Magnetspulen verwendet, durch die das Magnetfeld eher parallel zu der Kristallisationsfläche zwischen dem geschmolzenen Halbleitermaterial und dem Ingot der aus der Schmelze gezogen wird.
  • 6 zeigt ein Schnittbild (von oben nach unten) der Ziehvorrichtung aus 5 mit perspektivischen Ansichten der gekippten Magnetspulen.
  • 7 zeigt einen seitlichen Schnitt durch die Ziehvorrichtung aus 5, die die verkippten Spulen nach oben geöffnet zeigt.
  • 8 zeigt einen seitlichen Schnitt durch die Ziehvorrichtung aus 5, die die verkippten Spulen nach unten geöffnet zeigt.
  • 9 zeigt eine Darstellung der zwischen den Spulen verlaufenden magnetischen Feldlinien der Ziehvorrichtung aus 5, wobei die Spulen nach oben geöffnet in einem Winkel von 10 Grad zur vertikalen Achse gekippt sind.
  • 10 zeigt eine perspektivische Ansicht einer dreidimensionalen Oberfläche gleicher magnetischer Flussdichte, die durch eine optimale Feldlinie einer Ziehvorrichtung wie in 5 verläuft.
  • 11 zeigt eine Darstellung der magnetischen Feldlinien, wie sie zwischen zwei zueinander parallelen Magnetspulen, einer Helmholtz-Konfiguration, verlaufen.
  • 12 zeigt ein Diagramm, das die magnetische Flussdichte in einem Querschnitt durch das magnetische Feld der Magnetspulen aus Figur darstellt.
  • 13 zeigt ein Diagramm, das die Unterschiede in der magnetischen Feldstärke in einem Querschnitt zwischen den parallelen Magnetspulen aus 11 und den gekippten Magnetspulen aus 9 vergleicht.
  • 14 zeigt die perspektivische Ansicht eines Querschnittes der Einkristall-Ziehvorrichtung aus 7 mit einer nach oben gewölbten Kristallisationsebene.
  • 15 zeigt eine dreidimensionale Oberfläche gleicher magnetischer Flussdichte, die einen niedrigen Kamm ausbildet und zwischen den beiden nach unten geöffneten gekippten Magnetspulen aus 8 verläuft.
  • 16 zeigt die Ansicht eines Querschnittes (von oben nach unten) einer Einkristall-Ziehvorrichtung mit vier gekippten Spulen, die nach oben geöffnet sind.
  • 17 zeigt die perspektivische Ansicht einer dreidimensionalen Oberfläche gleicher magnetischer Flussdichte, die eine flache Senkung ausbildet und zwischen den vier gekippten Spulen aus 16 verläuft.
  • 18 zeigt die Ansicht eines Querschnittes (von oben nach unten) einer Einkristall-Ziehvorrichtung mit vier gekippten Spulen, die nach unten geöffnet sind.
  • 19 zeigt die perspektivische Ansicht einer dreidimensionalen Oberfläche gleicher magnetischer Flussdichte, die einen kleinen Buckel ausbildet und zwischen den vier gekippten Spulen aus 18 verläuft.
  • 20 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Kühlbehälters, wobei die flache Senkung der Oberfläche aus 17 zwischen den vier Magnetspulen aus 16, die nach oben geöffnet gekippt sind, platziert.
  • 21 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Kühlbehälters, wobei der kleine Buckel der Oberfläche aus 19 zwischen den vier Magnetspulen aus 18, die nach unten geöffnet gekippt sind, platziert.
  • 22 zeigt die perspektivische Darstellung von vier Magnetspulen einer Einkristall-Ziehvorrichtung, die nach oben hin geöffnet um 5 Grad gekippt sind und wobei benachbarte Magnetspulen einen Winkel von 140 Grad zueinander haben.
  • 23 zeigt eine perspektivische Ansicht (von oben nach unten) der vier Magnetspulen aus 22, die zeigt wie die Magnetspulen bei 140 Grad zueinander angewinkelt sind.
  • 1 illustriert einen Apparat zum Ziehen eines einkristallinen Ingots (Kristallzuchtanlage 10) nach einem modifizierten Czochralski-Verfahren, welches Stand der Technik ist. Der Ingot wird in einem Ofen 11 hergestellt, der einen Tiegel 12, der von einer Heizung 13 umgeben ist, enthält. Ein hochreines Halbleitermaterial 14 wird in dem Tiegel 12, der typischerweise aus Quarz hergestellt wird, aufgeschmolzen. Ein Impfkristall wird an einem Stab aufgehängt und in das geschmolzene Halbleitermaterial 14 getaucht. Während das Halbleitermaterial um den Impfkristall herum kristallisiert wird der Stab langsam nach oben gezogen und um eine vertikale Achse 15 gedreht. Der Tiegel 12 wird um dieselbe vertikale Achse 15 gedreht, aber in entgegengesetzter Richtung. Ein zylindrischer monokristalliner Ingot 16 wird so aus der Schmelze gezogen.
  • Das weitere Heizen des Halbleitermaterials im bereits geschmolzenen Zustand erzeugt konvektive Strömungen 17 in dem Tiegel 12. Diese Konvektionsströme bedingen, dass verschiedene Bereiche des geschmolzenen Halbleitermaterials unterhalb der Kristallisationsscheibe verschiedene Temperaturen haben.
  • Die Tatsache, dass das geschmolzene Halbleitermaterial bei verschiedenen Temperaturen mit verschiedenen Raten kristallisiert, resultiert in Defekten in der Kristallstruktur des Halbleiters. Zum Beispiel kann ein großer Temperaturgradient in der Kristallisationsscheibe 18 sowohl Fehlstellen, als auch den Einbau von Zwischengitteratomen in der Gitterstruktur hervorrufen, was eine niedrige Qualität des Wafers bedeutet.
  • Durch die Kontrolle der Drehgeschwindigkeit des Tiegels, sowie der Geschwindigkeiten bei denen der Ingot in die entgegengesetzte Richtung rotiert und aus der Schmelze gezogen wird, kann der Temperaturgradient über die gesamte Kristallisationsscheibe 18 homogenisiert werden. Durch die Homogenisierung des Temperaturgradienten und durch die Rate der Kristallisation wird das Profil der Kristallisationsgrenzschicht zwischen dem geschmolzenen Halbleitermaterial 14 und dem monokristallinen Ingot als glatte Oberfläche erhalten, und die Kristallgitterstruktur ist einheitlicher und frei von Defekten. Eine Folge des Rotierens des monokristallinen Ingots ist die zylindrische Form, die der Ingot 16 annimmt. Der Ingot 16 wird dann mit einer Diamantsäge zu Wafern zugeschnitten und poliert um sie zu einem Ausgangsmaterial für integrierte Schaltkreise aufzubereiten.
  • Die Defekte in dem Einkristall können weiter reduziert werden, indem man die Konvektionsströmungen in der Schmelze durch magnetische Felder unterdrückt. 1 zeigt einen Kühlbehälter 19 mit einer doppelzylindrischen Struktur, der zwei Magnetspulen zwischen der inneren und äußeren Zylinderwand beinhaltet. Eine erste Magnetspule 20 ist gegenüber einer zweiten Magnetspule 21 mit Bezug auf die vertikale Achse 15 angeordnet. Die Ebenen der beiden Magneten 2021 sind zueinander parallel und zu der vertikalen Achse 15. Zusätzlich zu den Rotationen des Tiegels 12 und des Ingots 15, die den Temperaturgradienten des geschmolzenen Halbleitermaterials homogenisieren, unterdrücken die durch die Spulen 2021 erzeugten magnetischen Felder die Bewegungen der konvektiven Strömungen und homogenisieren den Temperaturgradienten des geschmolzenen Halbleitermaterials 14 in der Nähe der Kristallisationsscheibe 18 weiter.
  • 2 zeigt die magnetischen Feldlinien 22 des durch die Spulen 2021 generierten Magnetfeldes. Jede Feldlinie repräsentiert den Ort in der Schnittfläche zwischen den Magnetspulen 2021, die dieselbe magnetische Flussdichte aufweisen. 2 zeigt, dass es dabei ein X-förmiges Schnittbild 23 des magnetischen Feldes innerhalb des Tiegels 12 gibt. Die Magnetspulen 2021 homogenisieren die konvektiven Strömungen hauptsächlich eher durch eine Art Rührbewegung, als durch das Unterdrücken der Strömung. Das stationäre X-förmige Feld 23 kreuzt die Konvektionsströme 17 in dem rotierenden Tiegel 12 und durchmischt diese.
  • 3 zeigt nach dem Stand der Technik eine dreidimensionale perspektivische Ansicht einer Oberfläche mit gleicher magnetischer Flussdichte eines einheitlicheren magnetischen Feldes 24, das durch die Nutzung von vier anstatt von zwei magnetischen Spulen erzeugt wird. Jedes Paar der sich gegenüberliegenden Spulen ist ein Helmholtz-Spulen-Paar, das parallel zueinander orientiert ist. 3 zeigt, dass nur ein kleiner Teil der Oberfläche gleicher magnetischer Flussdichte 24 nahezu parallel zur Kristallationsebene liegt, die senkrecht zur Z-Achse steht. Folglich würde das Rotieren des Tiegels voller geschmolzenem Halbleitermaterial in einem Magnetfeld 24, wie es in 3 dargestellt ist, die konvektive Strömung eher durch ein Rühren homogenisieren als durch ein Unterdrücken der Strömung. Das geschmolzene Halbleitermaterial unmittelbar unterhalb der Kristallisationsebene würde umgehend gerührt werden, sobald das Halbleitermaterial, das um die Z-Achse rotiert, die Magnetfeldlinien kreuzt, die nicht parallel zur xy-Ebene liegen.
  • 4 zeigt eine weitere Einkristall-Ziehvorrichtung 25 wie sie in Patent US6984264 offenbart ist. Die Ziehvorrichtung 25 hat vier planare magentische Spulen 2629, die ein noch einheitlicheres magnetisches Feld erzeugen, als das in 3. Jedes Paar sich gegenüber liegender Spulen 2627 und 2829 sind ebenfalls Helmholtz-Spulenpaare, die zueinander parallel orientiert sind. Aber durch das Positionieren der sich gegenüberliegenden Spulenpaare zueinander in einem Winkel, der nicht senkrecht ist, generiert die Ziehvorrichtung ein ausgeglicheneres und sich gradueller veränderndes Magnetfeld als das Feld in 3 oder wie das in dem Schnittbild aus 2. Das ist der Fall, wenn der Winkel zwischen den Magneten 26 und 28 und zwischen den Magneten 27 und 29 113° beträgt.
  • Aber obwohl die Ziehvorrichtung 25 ein uniformeren magnetischen Fluss in einem größeren Bereich erzeugt als die Felder in den 23, ist das magnetische Feld, das durch die Ziehvorrichtung 25 generiert wird immer noch nicht einheitlich genug in der Ebene der Kristallisationsscheibe 18 zwischen dem Ingot 16 und dem geschmolzenen Halbleitermaterial 14. Die Oberflächen gleicher Flussdichte fallen immer noch scharf von den Spulen zur Mitte hin ab. Die Flusslinien in 4 repräsentieren einen Schnitt durch die xy-Ebene des Magnetfeldes, wobei die Z-Koordinate gleich Null ist. 4 zeigt, dass nur ein kleiner Teil der Oberfläche gleicher Flussdichte des Magnetfeldes parallel zu der Kristallisationsebene liegt, die senkrecht zur Z-Achse steht. Folglich würde das Rotieren des Tiegels voller geschmolzenem Halbleitermaterial in einem Magnetfeld, wie es in 4 dargestellt ist, eher zu einem Homogenisieren der konvektiven Strömungen durch Rühren führen, als durch ein Unterdrücken ihrer Strömung. Das geschmolzene Halbleitermaterial 14 unmittelbar unterhalb der Kristallisationsebene würde gerührt werden, wenn das sich um die Z-Achse rotierende geschmolzene Halbleitermaterial 14 diese magnetischen Flusslinien kreuzt, die nicht parallel zur xy-Ebene liegen.
  • Im Folgenden soll an Hand der 5 bis 23 im Detail auf einige Ausführungen der Erfindung eingegangen werden.
  • 5 zeigt einen seitlichen Querschnitt einer Einkristall-Ziehvorrichtung 30 mit gekippten Magnetspulen 3132, die ein Magnetfeld erzeugen, das nahezu parallel zu der Kristallisationsoberfläche 33 zwischen dem geschmolzenen Halbleitermaterial 34 und dem Ingot 35, der aus der Schmelze gezogen wird, verläuft. (Die Spulen 3132 sind perspektivisch illustriert und nicht als Schnitte). Die Ziehvorrichtung 30 beinhaltet einen Ofen 36, der von einem Kühlbehälter 37 umgeben ist. Der Ofen 36 hat eine verschließbare obere Öffnung zu einer inneren zylindrischen Aushöhlung 38. Ein zylindrischer Tiegel 39 ist von einem elektrischen Heizelement 40 umgeben und sitzt zentriert in der zylindrischen Aushöhlung des Ofens 38. Der Tiegel 39 sitzt auf einem Schaft, der rotiert werden kann. Während des Betriebs wird ein Halbleitermaterial 34 in dem Tiegel 39 aufgeschmolzen. Ein Einkristall kann zum Bespiel aus Halbleitermaterialien 34 wie Silizium, Germanium, oder Galliumarsenid hergestellt werden. Der Tiegel 39 kann aus Quarz, Wolfram, oder Platin hergestellt sein, die alle einen höheren Schmelzpunkt als Silizium aufweisen. Die innere zylindrische Aushöhlung 38 kann versiegelt und mit einer Schutzgasatmosphäre (Inertes Gas) aus beispielsweise Helium oder Argon befüllt werden, um Verunreinigungen und Störungen des Kristallgitters des Einkristalls, durch den Einbau von beispielsweise Sauerstoffatomen, zu verhindern. Alternativ kann in der Aushöhlung 38 auch ein partielles Vakuum erzeugt werden, das Werte bis zu Zehntel Torr erreicht.
  • Die Magnetspulen 3132 sind supraleitend und müssen bei sehr niedrigen Temperaturen betrieben werden. Die Spulen können gekühlt werden, indem sie entweder in einer Flüssigkeit eingelassen sind (Badkühlung), oder durch einen Kryokühler konduktiv leitungsgekühlt werden. Der Kühlbehälter 37 hat eine doppelzylindrische Struktur mit einer Innenwand 41 und einer Außenwand 42. In einer Ausführung stellt der Kühlbehälter 37 eine Badkühlung zur Verfügung. Der Kühlbehälter 37 ist auf Ober- und Unterseite geschlossen und mit einem Kühlmittel befüllt, wie z.B. flüssigem Helium oder Stickstoff. Alle Komponenten Außenwand 42, Innenwand 41, Ofen 36, Heizelement 40 und zylindrischer Tiegel 39 sind koaxial um eine Zentralachse 43 zentriert. Folglich ist die Innenwand 39 des Kühlbehälters 37 koaxial um den zylindrischen Tiegel 39 angeordnet. Die Innenwand 41 ist von der Außenwand des Ofens 36 mittels eines Kälteschildes (nicht in 5 dargestellt) geschützt. In einigen Ausführungen hat der Kühlbehälter 38 mehrere Kammern. Zum Beispiel ist eine innere Kammer durch die Innenwand 41 und die Außenwand 42 eingeschlossen und nochmals auf allen Seiten durch eine Vakuumkammer umgeben, wie z.B. einen Kryostaten. Während die innere Kammer mit flüssigem Helium gefüllt sein kann, isoliert der äußere Kryostat die innere Kammer und ermöglicht so dem Helium in der flüssigen Phase zu bleiben. Die innere Kammer ist von der Außenwand des Kryostaten durch mehrere Kälte- und/ oder Strahlungsschilder getrennt, die abfallende mittlere Temperaturen halten. Die äußere Kammer ist in 5 nicht dargestellt. In einer anderen Ausführung ist der Kühlbehälter 37 nicht mit einem Kühlmittel befüllt, sondern an einen Kryokühler, der das System über eine konduktiven Prozess kühlt, angeschlossen. Ein „Kaltfinger“ des Kryokühler reicht in den Kühlbehälter und kühlt dort die Magnetspulen 3132.
  • In der Ausführung aus 5 hat sowohl die erste Magnetspule 31, als auch die zweite Magnetspule 32, eine zirkulare Form. In anderen Ausführungen haben die Magnetspulen 3132 eine elliptische, rechteckige, oder „Racetrack“-Form. In der Ausführung aus 5 sind die Magnetspulen planar und nicht an die Rundungen der Innenwand 41 angeschmiegt. Ein einzelner Draht (Strand) aus dem die Spulen bestehen, kann verschiedene Querschnitte, wie z.B. rund, rechteckig, oder wie ein flaches Band haben. Mehrere Strands können zu einem Kabel verwickelt sein, aus dem die Spule hergestellt wird, oder es wird nur ein einzelner supraleitender Strand verwendet. Die supraleitenden Drähte können aus verschiedenen Materialien bestehen, wie z.B. metallischen Legierungen, oder Kompositen (Niob-Titan(NbTi), Niob-Zinn(Nb3Sn), Niob-Aluminium (Nb3Al)), anderen Metalle enthaltende Materialien (Magnesium-Diborid(MgB2)), Keramiken (Bismuth-Strontium-Kalzium-Kupferoxid (BiSCCO), Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid (YBCO), andere auf Seltenen Erden basierende Keramiken (ReBCO)). Diese supraleitenden Drähte können als Lagen oder Matrix von Strands oder Filamenten in dem Querschnitt des Kabels, aus dem sich die Spule aufbaut, eingebettet sein. Mindestens eines der anderen Materialien in den Lagen oder der Matrix ist dabei metallisch, beispielsweise Kupfer, Silber, Edelstahl oder andere metallische Legierungen. Zum Beispiel kann ein einzelner Draht einen Kupferkern haben, um den herum in einer radialen Matrix supraleitende Drähte oder Filamente angeordnet sind, die wiederum in einer Kupfer- oder Silberhülle eingefasst sind. Der gesamte Ofen 36, einschließlich des Tiegels 39, kann bezüglich des Kühlbehälters 37 gehoben und abgesenkt werden, so dass die obere Oberfläche des geschmolzenen Halbleitermaterials 34 auf einem bestimmten angestrebten Niveau bezüglich der Magnetspulen 3132 gehalten werden kann.
  • 6 zeigt einen Querschnitt (von oben nach unten) einer Ziehvorrichtung 30 aus 6 durch die Ebene A-A aus 5. 6 zeigt des Weiteren auch eine perspektivische Ansicht der ersten Magnetspule 31 unterhalb der Ebne A-A, wie auch eine vollständige perspektivische Ansicht der zweiten Magnetspule 32. Eine gestrichelte Linie zeigt den Ort des monokristallinen Ingots 35 oberhalb der Ebene A-A, 6, zeigt, dass die erste magnetische Spule 31 bezüglich der Zentralachse 43 gegenüber der zweiten Magnetspule 32 angeordnet ist. Silizium-Wafer, die in der Halbleiterindustrie eingesetzt werden, haben derzeit einen Durchmesser von 300mm (etwa 12 Inches). Die Größe der Silizium-Wafer ist mit der Zeit stetig gewachsen, um eine höhere Ausbeute zu erzielen und die Kosten zu reduzieren. Je größer der Durchmesser, desto weniger Fläche am Außenradius des Wafers wird verschwendet, weil sie nicht benutzt werden kann, da nicht genügend Platz ist, um einen rechteckigen Chip zu gewinnen. Derzeit werden Fabriken für Wafer entwickelt, die einen Durchmesser von 450 mm (etwa 18 Inches) haben. Folglich muss ein zylindrischer Tiegel 39 einen Durchmesser haben, der größer ist als der des Ingots 35, von dem die Wafer geschnitten werden. Folglich müssen die Magnetspulen 3132 mindestens 40 Zentimeter voneinander entfernt sein. Und um ein Magnetfeld zwischen den Spulen 3132 zu erzeugen, das im Bereich des Inhalts de Tiegels 39 stark ausreichend ist, sollten die Magnetspulen 3132 mindestens einen Durchmesser von 40 Zentimetern haben. Der Durchmesser der Magnetspulen 3132 ist derselbe. Die Magnetspulen sind typischerweise in Serie geschaltet, aber sie können auch einzeln, oder in Gruppen bestromt werden.
  • 7 zeigt einen seitlichen Querschnitt einer Einkristall-Ziehvorrichtung 30, in dem man wie die Magnetspulen 3132 in einer ersten Ausführung gekippt sind. Beide Magnetspulen 3132 sind innerhalb des Kühlbehälters 37 zwischen Innenwand 41 und Außenwand 42 angeordnet. Die erste magnetische Spule 31 windet sich in einer ersten Ebene, die die Zentralachse 43 unter einem ersten Winkel α1 schneidet. Der erste Winkel α1 liegt in einem Intervall zwischen 5 Grad und 15 Grad. Die erste Ebene schneidet die Zentralachse 43 an einem Punkt 44 unterhalb des zylindrischen Tiegels 39. Die zweite Magnetspule 32 ist symmetrisch zu der ersten Spule 31 auf der gegenüberliegenden Seite bezüglich der Zentralachse 43 positioniert. Die zweite Magnetspule 32 windet sich in einer zweiten Ebene, die die Zentral Achse 43 unter einem Winkel α2 schneidet. Der zweite Winkel α2 ist gleich dem ersten Winkel α1, folglich liegt der zweite Winkel α2 ebenfalls in einem Bereich zwischen 5 Grad und 15 Grad. Die zweite Ebene schneidet die Zentralachse ebenfalls in dem Punkt 44 unterhalb des zylindrischen Tiegels 39.
  • Das geschmolzene Halbleitermaterial 34 hat eine obere Oberfläche 45, die sich innerhalb des Tiegels 39 in dem Maße absenkt, in dem Halbleitermaterial aus dem Tiegel durch und auf den Ingot 35 abgezogen wird. In der ersten Ausführung, die in 7 dargestellt ist, wird die Höhe des Ofens 36 (oder zumindest des Tiegels 39) so angepasst, dass die obere Oberfläche der Schmelze 45 in einem Distanzbereich von 30%–30% des Durchmessers der Magnetspule unterhalb der oberen Spitze der Spule verbleibt. 7 zeigt eine optimale Feldlinie 46, die durch beide Spulen 3132 in Punkten verläuft, die in einem Abstand von 25% des Spulendurchmessers unterhalb des höchsten Punktes der Spule liegen. Folglich wird der zylindrische Tiegel 39 auf einer Höhe gehalten, so dass die optimale Feldlinie 46 näherungsweise durch die obere Oberfläche 45 des geschmolzenen Halbleitermaterials 34 verläuft. Eine mittlere Linie 47 verläuft durch den Mittelpunkt der ersten Spule 31, durch die Zentralachse 43 und durch den Mittelpunkt der zweiten Spule 32. Die optimale Feldlinie 46 verläuft parallel zu der mittleren Linie 47.
  • 8 zeigt einen seitlichen Querschnitt der Ziehvorrichtung 30 in der die gekippten Spulen 3132 in einer zweiten Ausführung dargestellt sind. Wiederum ist die erste Magnetspule 31 symmetrisch zu der bezüglich der Zentralachse 43 auf der gegenüberliegenden Seite gelegenen zweiten Magnetspule 32. Ähnlich der ersten Ausführung schneidet die erste Ebene der ersten Magnetspule 31, wie die zweite Ebene 48 der zweiten Magnetspule 32 beide die Zentralachse 43 in demselben Punkt 49. Und der Winkel unter dem beide, die erste und zweite Ebene, die Zentralachse 43 schneiden, ist derselbe und fällt in einen Bereich zwischen 5 Grad und 15 Grad. Wie auch immer liegt der Punkt 49, an dem die erste und zweite Ebene die Zentralachse 43 schneiden, oberhalb des zylindrischen Tiegels 39. Folglich sind die Magnetspulen 3132 in der in 7 gezeigten ersten Ausführung nach oben geöffnet gekippt, wogegen in der in 8 gezeigten zweiten Ausführung die Magnetspulen 3132 nach unten geöffnet gekippt sind.
  • In der in 8 gezeigten zweiten Ausführung wird die Position des Tiegels 39 in der Höhe so eingestellt, dass die obere Oberfläche 45 des geschmolzenen Halbleitermaterials 34 sich stets in einem Abstand von 20% bis 30% des Spulendurchmessers von dem untersten Punkt der Spulen 3132 befindet. In 8 befindet sich die optimale Feldlinie 46, die durch beide Spulen 3132 oberhalb von deren unterstem Punkt verläuft, in einem Abstand von 25% des Spulendurchmessers. Folglich wird der zylindrische Tiegel 39 auf einer Höhe gehalten, so dass die optimale Feldlinie 46 näherungsweise durch die obere Oberfläche 45 des geschmolzenen Halbleitermaterials 34 verläuft.
  • 9 zeigt den Verlauf der Feldlinien zwischen der ersten Magnetspule 31 und der zweiten Magnetspule 32, die beide an der Oberseite offen gekippt sind, wobei der Winkel der Kippung 10 Grad zur Vertikalen beträgt. In 9 ist die Z-Achse die Zentralachse 43, um die die Spulen 3132 symmetrisch positioniert sind. Folglich beträgt der Winkel unter dem die erste Ebene von Spule 31 und die zweite Ebene von Spule 32 die Z-Achse schneiden 10 Grad. Jede der Spulen hat einen Durchmesser von 400 Millimetern, gemessen vom Zentrum der Drähte auf den gegenüberliegenden Seiten der Windung. Die Zentren der Magneten 3132 haben einen Abstand von 400 Millimetern zueinander. Jede Spule erzeugt eine maximale magnetische Flussdichte von etwas einem Tesla. Die Dimensionen der Ziehvorrichtung mit den gekippten Spulen 3132, die in 9 dargestellt sind, haben die kleinste Skalierung, die kommerziell möglich wäre, um Silizium, Ingots herzustellen. Die meisten kommerziellen Ausführungen würden Spulen mit einem Durchmesser größer einem Meter aufweisen, die eine große magnetische Flussdichte von etwa sechs Tesla erzeugen würde, die auf den Leiter der Spulen wirkt. Die Ziehvorrichtung 30 beinhaltet Mittel, um das Magnetfeld außerhalb des Kühlbehälters 38 zu dämpfen. Eine abschirmende Schicht aus ferromagnetischem Material, wie z.B. Eisen, wird auf allen Seiten des Kühlbehälters 38 angebracht, ausgenommen der Innenwand 41, die auf den Tiegel 39 gerichtet ist. Die abschirmende Schicht kann auf der inneren oder äu0eren Oberfläche der Außenwand 42 angebracht sein.
  • Die Linien in 9, die die magnetische Flussdichte repräsentieren, deuten darauf hin, dass der magnetische Fluss mit steigendem Abstand von den Spulen rapide abfällt. So zeigt zum Beispiel die gestrichelte magnetische Feldlinie 50, die nahe der xyz-Koordinaten (0, 100, 100) verläuft, eine magnetische Flussdichte von etwa 0,051 Tesla an. Und die gestrichelte magnetische Feldlinie 51, die nahe der xyz-Koordinaten (0, 0, 100) verläuft, zeigt eine magnetische Flussdichte von 0,038 Tesla an. Wenn die Spulen gekippt sind, formen die Magnetfeldlinien einen tieferen Trog zwischen den Spulen auf der Unterseite. Aber der Gradient des Magnetfeldes auf der oberen Seite, an der die Spulen nach oben geöffnet gekippt sind, ist abgeflacht. Folglich wird eine relativ große Feldstärke von 0,038 Tesla bei einem relativ flachen Verlauf der Magnetfeldlinie erhalten, 100 Millimeter oberhalb des Zentrumspunktes um den die magnetischen Spulen zentriert sind. Die konvektiven Strömungen des geschmolzenen Halbleitermaterials 34 können so besser unterdrückt werden, im Gegensatz zu einer Rührbewegung, durch den Einsatz eines flacheren, aber immer noch starkem Magnetfeld an der oberen Oberfläche 45, wo das geschmolzene Halbleitermaterial 34 an die Unterkante des monokristallinen Ingots 35 kristallisiert. Obwohl der Gradient des Magnetfeldes zwischen den Spulen 3132 mit größeren Z-Koordinaten flacher wird, wird die Magnetfeldstärke oberhalb der oberen Enden der Spulen in einem Maße geschwächt, das eine Unterdrückung der konvektiven Ströme drastisch verringert wird. Folglich sind die gekippten Magnetspulen 3132 Mittel, um ein um die Zentralachse zentriertes Magnetfeld zu erzeugen, das ober- unterhalb jeder xy-Ebene, auf der die Zentralachse senkrecht steht, nicht symmetrisch ist, aber dennoch ein relativ starkes Magnetfeld (zum Beispiel mindestens 0.03 Tesla, bei einer magnetischen Flussdicht von etwa einem Tesla auf dem Leiter) an einem Punkt entlang der Zentralachse erzeugt, an dem die Feldlinien einen relativ flachen Verlauf aufweisen. Für einen Kippwinkel α zwischen fünf und fünfzehn Grad, wird der optimale Kompromiss zwischen dem Erhalten einer großen Feldstärke und dem Erreichen eines flacheren Feldgradienten erreicht, indem die obere Oberfläche 45 des geschmolzenen Halbleitermaterials 34 unterhalb des höchsten Punktes der Spulen 3132 positioniert wird, in einem Abstand zu diesem, der zwischen 20% und 30% des Spulendurchmessers beträgt. Folglich wird der optimale Kompromiss zwischen dem Erhalten einer großen Feldstärke und dem Erreichen eines flacheren Feldgradienten für einen Kippwinkel von 10 Grad erreicht, indem die obere Oberfläche 45 des geschmolzenen Halbleitermaterials 34 in einem Abstand von etwa 25% des Spulendurchmessers unterhalb des höchsten Punktes der Spulen 3132 positioniert wird. Für den Spulendurchmesser von 400 Millimetern in 9 wird die optimale Feldlinie 46 100 Millimeter unterhalb des oberen Endes der 400 Millimeter großen Spulen platziert, die nahe dem unteren Ende der gestrichelten Magnetfeldlinie 51 verläuft.
  • 10 ist eine perspektivische Ansicht einer dreidimensionalen Oberfläche 52 gleicher magnetischer Flussdichte, die durch die optimale Feldlinie 46 zwischen erster Magnetspule 31 und zweiter Magnetspule 32 verläuft. Durch das Kippen der Spulen 3132 werden die Linien, die die magnetische Flussdichte repräsentieren abgeflacht, wobei die Spulen an dem oberen Ende geöffnet gekippt sind und so über der optimalen Feldlinie 46 einen flachen Sattel 52 formen. Verglichen mit dem tieferen Trog, den zwei parallele Spulen formen, unterdrückt der flache Sattel 52 die konvektiven Ströme besser, weil das Magnetfeld eher und mehr parallel zu der Kristallisationsfläche zwischen dem geschmolzenen Halbleitermaterial 34 und dem Ingot 35 ist. 10 illustriert ebenfalls die räumlichen Grenzen des Kryostaten oder Kühlbehälters 37. Wegen der limitierten Breite zwischen Innenwand und 41 und Außenwand 42 ist es führ Spulen mit großem Durchmesser eventuell nicht möglich in einem ausreichenden Maße gekippt zu werden, um die optimale Flachheit und Stärke des Magnetfeldes zu erreichen. Folglich können die Abmessungen des Kühlbehälters 37 bedingen, dass die Magnetspulen 3132 weniger als das Optimum gekippt werden.
  • 11 zeigt den Verlauf der magnetischen Feldlinien zwischen zwei parallelen Magnetspulen 5354 in einer Helmholtzkonfiguration. Wie bei den Spulen 3132 hat jede der Spulen 5354 ebenfalls einen Durchmesser von 400 Millimetern, und die Zentren der Spulen 5354 sind ebenfalls 400 Millimeter voneinander entfernt. Jede der Spulen 5354 erzeugt eine maximale magnetische Flussdicht von etwa einem Tesla. In 11 zeigt die gestrichelte Magnetfeldlinie 55, die nahe der xyz-Koordinate (0, 100, 100) verläuft eine magnetische Flussdichte von 0,0587 Tesla. Und die gestrichelte Magnetfeldlinie 56, die nahe der xyz-Koordinate (0, 0, 100) verläuft eine magnetische Flussdichte von 0,0418 Tesla. Verglichen mit dem flacheren Sattel zwischen den Spulen 3132 weist die Feldlinie 56 in 11, die grob dieselbe Magnetfeldstärke wie Feldlinie 51 in 9 hat, einen tiefer ausgebildeten Trog und ein weniger abgeflachtes Magnetfeld zwischen den Spulen 5354 auf. Folglich verläuft die Oberfläche des Magnetfeldes zwischen den Spulen 5354, das etwa dieselbe magnetische Flussdichte wie die Oberfläche 52 in 10 aufweist, nicht so flach wie diese.
  • 12 ist ein Diagramm der magnetischen Flussdichte eines Querschnittes 57 des Magnetfeldes der zwei parallelen Magnetspulen 5354 in 11, wobei die Y-Koordinate vom –100,0 Millimeter bis +100,0 Millimeter läuft, die X-Koordinate 0,0 beträgt und die Z-Koordinate 100 Millimeter. Die Kurve 58 zeigt, dass die magnetische Flussdichte des Querschnittes 57 von 0.0418 Tesla am Boden des Trogs bei den Koordinaten (0, 0, 100) bis zu einer magnetischen Flussdichte von 0,0587 Tesla an der Kante des Trogs bei den Koordinaten (0, 100, 100) variiert. Folglich variiert das magnetische Feld um 0.0169 Tesla über den Querschnitt 57.
  • 13 ist ein Diagramm, das die Variation der Magnetfeldstärke über dem Querschnitt 57 zwischen den parallelen Spulen 5354 aus 11 mit der Variation der Feldstärke über dem Querschnitt 57 der gekippten Spulen 3132 aus 9 vergleicht. Kurve 59 repräsentiert die magnetische Flussdichte über den Querschnitt 57 des Magnetfeldes der gekippten Spulen 3132, wobei die Y-Koordinate vom –100,0 Millimeter bis +100,0 Millimeter läuft, die X-Koordinate 0,0 beträgt und die Z-Koordinate 100 Millimeter. Die Kurve 59 zeigt, dass die magnetische Flussdichte von 0.0389 Tesla am Boden des Trogs bei den Koordinaten (0, 0, 100) bis zu einer magnetischen Flussdichte von 0,0518 Tesla an der Kante des Trogs bei den Koordinaten (0, 100, 100) variiert. Folglich variiert das magnetische Feld um 0.0169 Tesla über den Querschnitt 57. Folglich variiert das magnetische Feld zwischen den gekippten Spulen 3132 nur über 0,0129 Tesla über den Querschnitt 57, verglichen mit einer Variation um 0,0169 Tesla zwischen den parallelen Spulen 5354 für Feldlinien mit der nahezu selben Feldstärke. Die Feldstärke über dem Querschnitt 57 variiert nur etwa um 33% für die gekippten Spulen 3132, während die Feldstärke über den Querschnitt 57 über 40% bei den parallelen Spulen 5354 variiert.
  • 14 ist eine perspektivische Ansicht eines Schnittes einer Einkristall-Ziehvorrichtung 30 der ersten Ausführung in 7. 14 zeigt, dass die Kristallisationsoberfläche 33 nicht planar, sondern etwas nach oben gebogen ist. In einem Einkristall-Ziehverfahren wird zuerst ein kleiner Impfkristall, der an einem Stab befestigt ist, in die Schmelze eingetaucht. Der Wärmeübertrag der Schmelze auf den Impfkristall reduziert die Temperatur des geschmolzenen Halbleitermaterials 34, das in Kontakt mit dem Impfkristall kommt, soweit, dass diese leicht unterhalb des Schmelzpunktes des jeweiligen Halbleitermateriales 34 liegt. Das geschmolzene Halbleitermaterial 34 „friert“ so an dem Ende des Impfkristalls an. Während der Impfkristall langsam aus dem geschmolzenen Halbleitermaterial 34 nach oben gezogen wird, bildet sich das angefrorene Material zu einer kristallographischen Fortsetzung des Kristallgitters des Impfkristalls aus. Folglich ist die Geschwindigkeit und Art der Kristallisation primär von der Temperatur abhängig. Die Kristallisationsoberfläche 33 biegt sich nach oben, weil die die Atome des Halbleitermaterials dazu tendieren zuerst an den kühleren Kanten des Ingots 35 kristallisieren. Die Form des Magnetfeldes, das die konvektiven Strömungen in dem geschmolzenen Halbleitermaterial 34 unterdrücken soll, kann so erzeugt werden, dass es eher der Biegung der Kristallisationsebene 33 entspricht, indem man das optimale Feld, das die zweite Ausführung aus 8 erzeugt, genau unterhalb der Kristallisationsebene 33 positioniert. Während die erste Ausführung aus 7 ein Magnetfeld mit einem flachen Sattel 52 ausbildet, erzeugt die zweite Ausführung aus 8 die Form eines niedrigen Kammes im Magnetfeld. 15 stellt eine dreidimensionale Oberfläche 60 gleichen magnetischen Flusses dar, die durch die optimale Feldlinie 46 zwischen der ersten Magnetspule 31 und der zweiten Magnetspule 32 verläuft. Durch das Kippen der Spulen 3132, so dass sie nach unten geöffnet sind, werden die Linien, die die gleiche magnetische Flussdichte repräsentieren, so abgeflacht, dass sie einen flachen Kamm 60 über der optimalen Feldlinie 46 formen. Der flache Kamm 60 zwischen den gekippten Spulen 3132 unterdrückt die konvektiven Ströme besser, weil das magnetische Feld besser die Form der Kristallisationsoberfläche 33 zwischen dem geschmolzenen Halbleitermaterial 34 und dem Ingot 35 nachahmt und den Atomen erlaubt entlang der Kristallisationsoberfläche 33 mit gleichen Rate zu kristallisieren. 14 beinhaltet eine einzelne Darstellung der magnetischen Feldoberfläche 60 aus 15, um darzustellen, wie die Oberfläche 60 entlang der Biegung der Kristallisationsoberfläche 33 ausrichtet. Im Betrieb wird der Tiegel 39 so in seiner Höhe nach Oben und Unten angepasst, dass die optimale magnetische Feldoberfläche 60 genau unterhalb der Kristallisationsoberfläche 33 des geschmolzenen Halbleitermaterials 34 liegt.
  • 16 ist ein Querschnitt (von oben nach unten) einer weiteren Ziehvorrichtung 61 mit vier gekippten Magnetspulen 6265. Dabei sind die Spulen 6265 in einer kompletten perspektivischen Ansicht dargestellt. Jede der Spulen 6265 hat eine zirkulare Form. Magnetspule 62 ist bezüglich der Zentralachse 43 gegenüber von Magnetspule 63 angeordnet, und Magnetspule 64 ist bezüglich der Zentralachse 43 gegenüber der Magnetspule 65 angeordnet. Die Durchmesser der Spulen 6265 sind gleich und weisen vorzugsweise einen Durchmesser größer 40 Zentimeter auf. Die Ebenen der jeweiligen Spule 6265 schneiden die Zentralachse 43 in demselben Punkt unterhalb des zylindrischen Tiegels 39. Folglich schneiden die Ebenen der Spulen 6265 die Zentralachse 43 unter demselben Winkel, der in einem Bereich zwischen 5 Grad und 15 Grad liegt.
  • 16 zeigt eine erste mittlere Linie 66 verläuft durch die Mitte von Magnetspule 62, durch die Zentralachse 43 und die Mitte der Magnetspule 63. Zusätzlich verläuft eine zweite mittlere Linie 67 durch die Mitte der Magnetspule 64, durch die Zentralachse 43 und durch die Mitte der Magnetspule 65. Folglich schneidet die erste mittlere Linie 66 die zweite mittlere Linie 67 auf der Zentralachse 43. Eine erste optimale Feldlinie (nicht dargestellt) verläuft durch beide Spulen 6263 an Punkten, die unterhalb des höchsten Punktes der Spulen in einem Abstand von 25% des Spulendurchmessers liegen. Zusätzlich verläuft eine zweite optimale Feldlinie (nicht dargestellt) durch beide Spulen 6465 an Punkten, die unterhalb des höchsten Punktes der Spulen in einem Abstand von 25% des Spulendurchmessers liegen. Die erste und zweite optimale Feldlinie schneiden sich also ebenfalls auf Zentralachse 43. Die Form des Magnetfeldes dessen niedrigster Punkt auf den Schnittpunkt der ersten und zweiten optimalen Feldlinie fällt, ist nicht ein flacher Sattel 52, der sich zwischen den beiden gekippten Spulen aus 10 ausbildet, sondern eher eine flache Ausbuchtung.
  • 17 ist eine Ansicht einer dreidimensionalen Oberfläche 68 gleicher magnetischer Flussdichte zwischen den vier gekippten Spulen 6265, deren niedrigster Punkt auf dem Schnittpunkt der ersten und zweiten optimalen Feldlinie liegt. Das Magnetfeld auf Oberfläche 68 ist flacher und homogener als der flache Sattel 52 aus 10, weil die Ausbuchtung auf der Oberfläche 68 eher nahezu radial symmetrisch um die Zentralachse 43 verläuft. Wenn das geschmolzene Halbleitermaterial 34 im Tiegel 39 um die Zentralachse 43 rotiert, ist es wahrscheinlicher, dass das Magnetfeld der Oberfläche 68 die konvektiven Strömungen unterdrückt, als diese lediglich nur umzurühren.
  • 18 zeigt einen Querschnitt (von oben nach unten) einer weiteren Ausführung einer Einkristall-Ziehvorrichtung 61 mit den vier gekippten Spulen 6265. Wie in der ersten Ausführung in 16 ist Magnetspule 62 bezüglich der Zentralachse 43 gegenüber der Magnetspule 63 angeordnet, und Magnet spule 64 ist bezüglich der Zentralachse 43 gegenüber der Magnetspule 65 angeordnet. Wiederum schneidet eine erste mittlere Linie 66 eine zweite mittlere Linie 67 auf der Zentralachse 43. Anders als in der ersten Ausführung, schneiden die Ebenen der Spulen 6265 die Zentralachse 43 alle in demselben Punkt oberhalb des zylindrischen Tiegels 39. Eine erste optimale Feldlinie (nicht dargestellt) verläuft durch beide Spulen 6263 an Punkten, die oberhalb des tiefsten Punktes der Spulen in einem Abstand von 25% des Spulendurchmessers liegen. Zusätzlich verläuft eine zweite optimale Feldlinie (nicht dargestellt) durch beide Spulen 6465 an Punkten, die oberhalb des tiefsten Punktes der Spulen in einem Abstand von 25% des Spulendurchmessers liegen. Die erste und zweite optimale Feldlinie schneiden sich also ebenfalls auf Zentralachse 43. Die Form des Magnetfeldes dessen höchster Punkt auf den Schnittpunkt der ersten und zweiten optimalen Feldlinie fällt, ist nicht ein niedriger Kamm 60, der sich zwischen den beiden gekippten Spulen aus 15 ausbildet, sondern eher eine kleine Auswölbung.
  • 19 ist eine perspektivische Ansicht einer dreidimensionalen Oberfläche 69 gleicher magnetischer Flussdichte zwischen den vier gekippten Spulen 6265, deren höchster Punkt auf dem Schnittpunkt der ersten und zweiten optimalen Feldlinie liegt. Das Magnetfeld auf Oberfläche 69 ist flacher und homogener als der flache Kamm 60 aus 15, weil die Auswölbung 69 auf der Oberfläche 68 eher nahe zu radial symmetrisch um die Zentralachse 43 verläuft. Wenn das geschmolzene Halbleitermaterial 34 im Tiegel 39 um die Zentralachse 43 rotiert, ist es wahrscheinlicher, dass das Magnetfeld der Oberfläche 68 die konvektiven Strömungen unterdrückt, als diese lediglich nur umzurühren. Die Magnetfeldoberfläche 69 zeigt einen höheren Grad an Rotationssymmetrie bezüglich der Rotationsachse des geschmolzenen Halbleitermaterials 34, als der niedrige Kamm 60.
  • 20 ist eine perspektivische Darstellung des Kühlbehälters 37, die die Ausbuchtung auf der Magnetfeldoberfläche 68 bezüglich der vier Magnetspulen 6265 illustriert. Die flache Ausbuchtung in der Oberfläche 68 wird durch die erste Ausführung der Ziehvorrichtung 61 in 16 erzeugt, in welcher die Spulen nach 6265 nach oben geöffnet verkippt sind.
  • 21 ist ein perspektivisches Diagramm des Kühlbehälters 37, das die kleine Auswölbung Magnetfeldoberfläche 69 im Bezug auf die vier gekippten Magnetspulen 6265 illustriert. Die flache Auswölbung auf Oberfläche 69 zwischen den gekippten Spulen 6265 unterdrückt die konvektiven Strömungen besser, weil das Magnetfeld die gebogene Form der Kristallisationsoberfläche 33 besser annähert, die zwischen geschmolzenen Halbleiter Material 34 und dem Ingot 35 liegt. Im Betrieb wird der Tiegel 39 so in der Höhe verfahren, dass die Oberfläche des magnetischen Feldes 69 genau unterhalb der Kristallisationsfläche 33 des geschmolzenen Halbleitermaterials 34 liegt.
  • 22 zeigt ein perspektivisches Diagramm von vier Magnetspulen 7073 einer weiteren Ausführung einer Einkristall-Ziehvorrichtung 74. Die Spulen sind ebenfalls in einem Kühlbehälter 37 platziert, der nicht in 22 dargestellt ist. Die Ziehvorrichtung 74 ist in der Größenordnung einer kommerziellen Anwendung. Jede der Spulen hat einen Durchmesser von 1300 Millimetern, und die Mittelpunkte von sich gegenüberliegenden Spulen 7071 und 7273 sind je 2400 Millimeter voneinander entfernt. Die Spulen generieren ein Magnetfeld von sechs Tesla auf dem Leiter. Die Magnetspulen 7073 sind nach oben hin geöffnet verkippt, um eine flacheren Feldverlauf an der Kristallisationsfläche 33 zu erzeugen. Jeder Spule ist um 5 Grad verkippt bezüglich einer vertikalen Achse, die durch den tiefsten Punkt der Spule verläuft. Folglich schneidet die Ebene jeder Spule die Zentralachse 43 unter einem Winkel von 5 Grad. Die gegenüberliegenden Spulen 70 und 71 schauen sich allerdings nicht direkt an. Beispielsweise verläuft eine Linie, die die Zentralachse 43 schneidet und die senkrecht auf der Schnittlinie der Ebene der ersten Magnetspule 70 und der xy-Ebene steht, nicht durch den Mittelpunkt der Spule 70. Die sich gegenüberliegenden Die sich gegenüberliegenden Spulen 72 und 73 stehen sich ebenfalls nicht direkt parallel gegenüber.
  • 22 zeigt eine Magnetfeldoberfläche 75 von gleicher magnetischer Flussdichte. Optimale Feldlinien verlaufen durch beide sich gegenüberliegenden Spulenpaare 7071 und 7273 an Punkten, die in einem Abstand von etwa 30 Prozent des Spulendurchmessers unterhalb des höchsten Punktes der Spule liegen. Folglich schneiden die optimalen Feldlinien die Zentralachse 43 an einer Z-Koordinate von 260 Millimetern. (1300 mm × 70% – 1300 mm/2 = 260 mm) 22 zeigt eine Magnetfeldoberfläche 75 mit einer flachen Absenkung, die um die XYZ-Koordinaten (0, 0, 260) zentriert liegt. Die magnetische Flussdichte an allen Punkten der Magnetfeldoberfläche 75 beträgt etwa 0,36 Tesla, was ein relativ hoher Magnetfeldwert bei der gleichzeitigen Flachheit der Magnetfeldoberfläche 75 ist.
  • 23 ist eine perspektivische Ansicht (von oben nach unten) der magnetischen Spulen 7073 der Ziehvorrichtung 74. 23 illustriert die sich gegenüberliegenden Spulen 70 und 71, sowie die sich ebenfalls gegenüberliegenden Spulen 72 und 73 sich nicht direkt anschauen. Nichtsdestotrotz schneidet eine mittlere Linie 47, die durch die Mittelpunkte der sich gegenüberliegenden Spulen 70 und 71 verläuft, auch die Zentralachse 43. Genauso schneidet eine mittlere Linie, die durch die Mittelpunkte der sich gegenüberliegenden Spulen 72 und 73 verläuft, auch die Zentralachse 43. Die Schnittgerade der Ebene von Spule 70 mit der xy-Ebene schneidet die Schnittgerade, die die Ebene von Spule 72 mit der xy-Ebene bildet, unter einem Winkel von etwa 140 Grad. Auf ähnliche Weise schneidet die Schnittgerade der Ebene von Spule 71 mit der xy-Ebene die Schnittgerade, die die Ebene von der benachbarten vierten Spule 73 mit der xy-Ebene bildet, unter einem Winkel von etwa 140 Grad, wie in 23 dargestellt. Jede der Spulen 7073 ist nach oben geöffnet um 5 Grad bezüglich einer vertikalen Achse, die durch den niedrigsten Punkt der Spule verläuft, gekippt. Die Spulenebene einer jeden der vier Spulen 7073 schneidet die Zentralachse 43 in demselben Punkt und unter einem Winkel von 5 Grad. Obwohl einige bestimmte spezifische Ausführungen im vorhergehenden Teil zum besseren Verständnis ausführlich erläutert wurden, sind die Ideen dieses Patentdokumentes grundsätzlich vielfach anwendbar und somit nicht auf die oben ausgeführten Beispiele beschränkt. Demzufolge können verschiedene Modifikationen, Adaptionen und Kombinationen verschiedener Eigenschaften der oben beschriebenen Ausführungen umgesetzt werden ohne die Reichweite der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen dargelegt ist, zu verlassen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 6984264 [0045]

Claims (11)

  1. Vorrichtung zum Erzeugen eines homogenen magnetischen Feldes zum Ziehen eines Einkristalls aus einem geschmolzenen Halbleitermaterial (34), bestehend aus: einem um eine Zentralachse (43) angeordneten Ofen (36) mit einem Heizelement (40) um einen Tiegel (39) in dem sich das Halbleitermaterial (34) befindet, einem Kühlbehälter (37) um den Ofen (36) mit einer inneren und einer äußeren Wand (41, 42), wobei die innere und äußere Wand (41, 42) koaxial zur Zentralachse (43) angeordnet sind; einer ersten Magnetspule (31), die in einer ersten Ebene mit einem Durchmesser größer 40 Zentimeter gewickelt ist; einer zweiten Magnetspule (32) mit einem Durchmesser größer 40 Zentimeter, die in einer zweiten Ebene gewickelt ist, wobei die erste Magnetspule (31) der zweiten (32) gegenüberliegend bezüglich der Zentralachse (43) und innerhalb des Kühlbehälters (37) zwischen der inneren und der äußeren Wand (41, 42) angeordnet ist, wobei die Zentralachse (43) die erste Ebene an einem Punkt (44, 49) schneidet und die Zentralachse (43) die zweite Ebene an dem Punkt (44, 49) schneidet.
  2. Die Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – eine dritte und eine vierte Magnetspule (64, 65), die in einer dritten und einer vierten Ebene gewickelt sind; – wobei die dritte Magnetspule (64) der vierten (65) gegenüberliegend bezüglich der Zentralachse (43) und innerhalb des Kühlbehälters (37) zwischen der inneren und der äußeren Wand (41, 42) angeordnet sind und – die Zentralachse (43) die dritte und die vierte Ebene an einem Punkt schneidet.
  3. Die Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine xy-Ebene senkrecht zur Zentralachse (43) steht, wobei die erste Ebene die xy-Ebene in einer ersten Schnittgeraden schneidet, und die dritte Ebene die xy-Ebene in einer zweiten Schnittgeraden schneidet, wobei die erste Schnittgerade zur zweiten Schnittgeraden einen Winkel größer 135 aufweist.
  4. Die Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Magnetspule (31) einen ersten Mittelpunkt hat, die zweite Magnetspule (32) einen zweiten Mittelpunkt, die dritte Magnetspule (64) einen dritten Mittelpunkt und die vierte Magnetspule (65) einen vierten Mittelpunkt, wobei eine erste mittlere Linie durch den ersten Mittelpunkt die Zentralachse (43) und den zweiten Mittelpunkt verläuft, und eine zweite mittlere Linie durch den dritten Mittelpunkt die Zentralachse (43) und den vierten Mittelpunkt verläuft und wobei die erste mittlere Linie die zweite mittlere Linie auf der Zentralachse (43) schneidet.
  5. Die Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine xy-Ebene durch den ersten Mittelpunkt, zweiten Mittelpunkt, dritten Mittelpunkt und vierten Mittelpunkt verläuft, wobei die erste Ebene die xy-Ebene in einer ersten Schnittgeraden schneidet, wobei die dritte Ebene die xy-Ebene in einer zweiten Schnittgeraden schneidet, wobei sich die erste Schnittgeraden mit der zweiten Schnittgeraden unter einem Winkel größer als 135 Grad schneidet.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine erste Magnetspule (31), die in einer ersten Ebene geschwungen ist; und eine zweite Magnetspule (32), die in einer zweiten Ebene geschwungen ist, wobei die erste Magnetspule (31) der zweiten (32) gegenüberliegend bezüglich der Zentralachse (43) und innerhalb des Kühlbehälters (37) zwischen der inneren und der äußeren Wand (41, 42) angeordnet ist, wobei die erste Ebene die Zentralachse (43) unter einem ersten Winkel zwischen 5 Grad und 15 Grad schneidet.
  7. Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine obere Oberfläche (45) von geschmolzenem Halbleitermaterial (43) im zylindrischen Tiegel (39) vorhanden ist und der zylindrische Tiegel (39) so angeordnet ist, dass die obere Oberfläche (45) des geschmolzenen Halbleitermaterials (43) sich in einem Abstand von etwa 20% und 30% des Durchmessers der Magnetspule (31, 32, 64, 65) unterhalb deren höchsten Punkt befindet.
  8. Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Magnetspule (64), die in einer dritten Ebene gewickelt ist; eine vierte Magnetspule (65), die in einer vierten Ebene gewickelt ist, wobei die dritte Magnetspule (64) der vierten (65) gegenüberliegend bezüglich der Zentralachse (43) und innerhalb des Kühlbehälters (37) zwischen der inneren und der äußeren Wand (41, 42) angeordnet ist, wobei die Zentralachse (43) sowohl durch die erste Ebene, die zweite Ebene, die dritte Ebene und die vierte Ebene in demselben Punkt geschnitten wird.
  9. Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine xy-Ebene senkrecht zur Zentralachse steht, wobei die erste Ebene die xy-Ebene in einer ersten Schnittgeraden schneidet, und die dritte Ebene die xy-Ebene in einer zweiten Schnittgeraden schneidet, wobei die erste Schnittgerade zur zweiten Schnittgeraden in einem Winkel größer 135 angeordnet ist.
  10. Verfahren zum Erzeugen eines homogenen, magnetischen Feldes zum Ziehen eines Halbleiter-Einkristalls aus einem zylindrischen Tiegel (39) mit geschmolzenem Halbleitermaterial, in einer Vorrichtung nach den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein magnetisches Feld im geschmolzenen Halbleitermaterial erzeugt wird, so dass konvektive Strömungen in dem geschmolzenen Halbleitermaterial unterdrückt werden, wobei das Magnetfeld durch eine erste Magnetspule (31), die in einer ersten Ebene gewickelt ist und durch eine zweite Magnetspule (32), die in einer zweiten Ebene gewickelt ist, erzeugt wird, wobei die erste Magnetspule (31) der zweiten Magnetspule (32) bezüglich der Zentralachse (43) gegenüberliegend im Kühlbehälter (37) zwischen innerer und äußerer Wand (41, 42) angeordnet ist, wobei die erste Ebene die Zentralachse (43) unter einem Winkel von 5 Grad bis 15 Grad schneidet.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Magnetspule (31) einen Durchmesser hat, der dem der zweiten Magnetspule (32) gleicht, wobei eine optimale Feldlinie durch einen ersten Punkt in der ersten Ebene verläuft, der in einem Abstand von 20% bis 30% des Spulendurchmessers unterhalb des höchsten Punktes der ersten Magnetspule (31) liegt, verläuft, und wobei die optimale Feldlinie durch einen zweiten Punkt in der zweiten Ebene verläuft, der in einem Abstand von 20% bis 30% des Spulendurchmessers unterhalb des höchsten Punktes der zweiten Magnetspule (32) liegt, verläuft, wobei der zylindrischen Tiegel (39) so auf einer Höhe zu halten ist, dass die optimale Feldlinie stets etwa durch die obere Oberfläche des geschmolzenen Halbleitermaterials (43) verläuft.
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