DE10324674A1

DE10324674A1 - Einkristall-Ziehvorrichtung und -verfahren und Supraleitender Magnet

Info

Publication number: DE10324674A1
Application number: DE10324674A
Authority: DE
Inventors: Tsutomu Shimonosono; Yoshihiro Koguchi; Takashi Sasaki
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-05-31
Filing date: 2003-05-30
Publication date: 2004-01-15
Anticipated expiration: 2023-05-31
Also published as: KR100562260B1; JP2004051475A; US20040107894A1; KR20030094064A; DE10324674B4; US6984264B2

Abstract

Eine Einkristall-Ziehvorrichtung wird gebildet durch einen zylindrischen Ziehofen, einen Tiegel, der in dem Ziehofen angeordnet ist, in welchen Tiegel ein Einkristallmaterial für einen Halbleiter eingebracht ist, einen zylindrischen Vakuumbehälter, der koaxial um den Ziehofen herum angeordnet ist, und einen supraleitenden Magneten, der aus einer Mehrzahl von Paaren von Spulen gebildet ist, die in dem Vakuumbehälter derart angeordnet sind, dass sie ein Magnetfeld erzeugen. Die supraleitenden Spulen sind in der gleichen horizontalen Ebene des zylindrischen Vakuumbehälters angeordnet, und jedes der supraleitenden Spulenpaare weist Spulen auf, die derart eingestellt sind, dass sie sich in Bezug auf eine Zentralachse des zylindrischen Vakuumbehälters gegenüberliegen, so dass eine Spule eines Paars der Spulen und eine Spule eines anderen Paars der Spulen, das benachbart zu dem einen Paar der Spulen ist, in Richtung zum Inneren des zylindrischen Behälters, in einem Bereich von 100 DEG bis 130 DEG einen Einstellungswinkel bilden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Einkristall-Ziehvorrichtung und ein Einkristall-Ziehverfahren, die zur Herstellung eines Einkristalls verwendet werden können, und einen supraleitenden Magneten, der für die Einkristall-Ziehvorrichtung verwendbar ist.
Stand der Technik
Ein Halbleiter, beispielsweise Silizium oder Galliumarsenid, besteht aus einem Einkristall, und wird für eine Speichervorrichtung und dergleichen eines Computers verwendet, welche Speichervorrichtung verschiedene Größen aufweist. Von einer derartigen Speichervorrichtung wird folglich gefordert, dass ihrer Kapazität vergrößert werden kann, die Herstellungskosten werden können, und die Qualität verbessert werden kann.
Um diese Anforderungen zu erfüllen, stellt der Stand der Technik ein Einkristall-Ziehverfahren zur Herstellung eines Einkrtstalls bereit, bei welchem ein Magnetfeld an ein Halbleitermaterial angelegt wird, das in einem geschmolzenen Zustand und einem Tiegel untergebracht ist. Mit dieser Anordnung wird eine Wärmekonvektion unterdrückt, die in der Schmelze erzeugt wird, um einen Halbleiter herzustellen, der einen großen Durchmesser und hohe Qualität aufweist. Dieses Verfahren wird im allgemeinen als Czchoralsk (CZ)-Verfahren bezeichnet.
Ein Beispiel einer Einkristall-Ziehvorrichtung, die das herkömmliche CZ-Verfahren verwendet, wird im folgenden unter Bezugnahme auf 18 beschrieben. Diese Einkristall-Ziehvorrichtung enthält einen Ziehofen 1, der ein offenes oberes Ende in einem installierten (also gezeigten) Zustand aufweist, und in dem ein Tiegel 2 gebildet ist. Im Inneren des Ziehofens 1 ist ein Heizgerät 3 zum Erwärmen und Schmelzen eines Halbleitermaterials in und um den Tiegel 2 herum angeordnet, und außerhalb des Ziehofens 1 ist ein supraleitender Magnet (oder eine Magnetvorrichtung) 30 angeordnet. Ein zylindrischer Behälter 5 für ein Kühlmedium oder ein Kühlmittel (also ein Kühlbehälter 5), ist in dem supraleitenden Magneten 30 angeordnet, der ein Paar von supraleitenden Spulen 4 (4a und 4b) aufweist.
In einem Herstellungsprozess eines Einkristalls wird ein Halbleitermaterial 6 in den Tiegel 2 gegeben und durch das Heizgerät 3 erhitzt, um das Halbleitermaterial 6 zu schmelzen. Ein nicht gezeigter Impfkristall wird nach unten in den Tiegel 2 durch die obere Öffnung eingeführt, und der Impfkristall wird dann in Ziehrichtung 8, wie gezeigt vertikal, durch eine nicht gezeigte Ziehmaschine mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit gezogen. In dieser Weise lässt man einen Kristall an einer Grenzschicht zwischen einer festen Substanz und einer flüssigen Substanz wachsen, um dadurch einen Einkristall zu erzeugen und zu bilden. Wenn die Fluidbewegung der Schmelze (also der geschmolzenen Lösung), die durch die Wärme von dem Heizgerät 3 induziert wird, also durch Wärmekonvektion erzeugt wird, wird die zu ziehende Schmelze gestört und die Ausbeute der Einkristallherstellung verschlechtert.
Um einen derartigen Defekt oder Nachteil zu eliminieren, wird ein supraleitender Magnet 30 gebildet, der supraleitende Spulen 4 aufweist. Gemäß der Anordnung derartiger supraleitender Spulen 4 wird speziell eine die Bewegung unterdrückende Kraft an das Halbleitermaterial 6 der Schmelze angelegt, durch Magnetlinien 7, die durch Zuführung von Elektrizität an die supraleitenden Spulen 4 erzeugt werden, und durch langsames Hochziehen des Halbleitermaterials 6 gemäß dem Ziehvorgang des Impfkristalls, ohne in dem Tiegel 2 einer Konvektion unterzogen zu werden. Auf diese Weise wird ein sogenanntes Festkörpereinkristall 9 hergestellt. Ferner ist bei diesem Vorgang eine Ziehmaschine zum Ziehen des Eingriffsteils 9 entlang einer Mittellinie 10 des Tiegels 2 über dem Ziehofen 1 gebildet.
Ein Beispiel des supraleitenden Magneten 30, der in der Einkristall-Ziehvorrichtung gemäß 18 verwendet wird, wird im folgenden unter Bezugnahme auf 19 erklärt. Der supraleitende Magnet 30 wird gebildet, indem die supraleitenden Spulen 4 (4a und 4b) in einem zylindrischen Vakuumbehälter 19 durch den zylindrischen Behälter 5 für ein Kühlmittel, Kühlmedium oder Kältemittel aufgenommen sind, welcher zylindrische Behälter 5 im folgenden als Kühlbehälter 5 bezeichnet wird. In dem supraleitenden Magneten 30 ist ein Paar von supraleitenden Spulen 4a und 4b derart angeordnet, dass sie sich in Bezug auf eine zentrale axiale Linie des zylindrischen Vakuumbehälters 19 in einer horizontalen Ebene gegenüberliegen. Das Paar von supraleitenden Spulen 4a und 4b sind Helmholtzspulen, die ein Magnetfeld entlang der gleichen Querrichtung erzeugen. Wie in 18 gezeigt, werden die Magnetlinien 7, die bezüglich der Mittellinie 10 des zylindrischen Vakuumbehälters 19 symmetrisch sind, erzeugt, und diese Position der Mittellinie 10 wird als ein Zentrum des Magnetfeldes bezeichnet.
Der supraleitende Magnet 30 weist ferner eine Stromleitung 11 zur Lieferung eines Stroms an die zwei supraleitenden Spulen 4a und 4b auf, eine kleine Heliumkühlvorrichtung 12 zum Kühlen eines ersten Strahlungsschildes 17 und eines zweiten Strahlungsschildes 18, die in dem Kühlbehälter 5 aufgenommen sind, eine Gasentladeröhre 13 zum Ausleiten eines Heliumgases in dem Kühlbehälter 5, und einen Serviceport 14, der einen Nachfüllanschluss zum Nachfüllen von flüssigem Helium aufweist. Der supraleitende Magnet 30 hat eine Bohrung 15, die eine obere Öffnung aufweist, in der der in 18 gezeigte Ziehofen 1 angeordnet wird.
20 zeigt eine Magnetfeldverteilung des herkömmlichen supraleitenden Magneten 30 der oben beschriebenen Struktur. Wie in 20 gezeigt, ist in dem herkömmlichen supraleitenden Magneten 30 ein Paar von supraleitenden Spulen 4a und 4b derart angeordnet, dass sie sich gegenüberliegen. Das Magnetfeld nimmt folglich größenmäßig in Richtung der Spulen in einer Spulenanordnungsrichtung (X-Richtung) allmählich zu, und das Magnetfeld verringert sich allmählich vertikal in der Größe in einer Richtung (Y-Richtung) senkrecht zu der Spulenanordnungsrichtung. Da, wie in 20 gezeigt, ein Magnetfeldgradient in einem Bohrungsbereich (Öffnungsbereich) übermäßig groß ist, ist eine Wirkung der Unterdrückung der Wärmekonvektion, die in der Schmelze erzeugt wird, unausgeglichen, und folglich wird der Magnetfeldnutzeffekt schlecht.
Wie durch einen schraffierten Bereich in 20 angedeutet, ist spezielle in einer Region nahe dem Zentrum des Magnetfeldes das Magnetfeld nicht gleichförmig (also das Magnetfeld hat eine Form eines Kreuzes, welches horizontal und vertikal dünn und lang ist). Aus diesem Grund wird die Unterdrückungsgenauigkeit der Wärmekonvektion schlecht, und es ist folglich schwierig einen Einkristall zu ziehen, der eine hohe Qualität aufweist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung geht von dem oben genannten Stand der Technik aus, und hat die Aufgabe eine Einkristall-Ziehvorrichtung zu schaffen, sowie ein Verfahren, welches ein Einkristall mit hoher Qualität ziehen kann, bei hoher Ausbeute unter Erzeugung eines gleichförmigen Magnetfeldes.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines supraleitenden Magneten, der ein gleichförmiges Quermagnetfeld mit kleinem Magnetfeldgradienten erzeugen kann, speziell für die Einkristall-Ziehvorrichtung.
Diese und andere Aufgaben können gemäß der Erfindung gelöst werden, indem gemäß einem Aspekt eine Einkristall-Ziehvorrichtung geschaffen wird, die aufweist:
einen zylindrischen Ziehofen;
einen Tiegel, der in dem Ziehofen angeordnet ist, um ein Einkristallmaterial für einen Halbleiter, das darin eingebracht ist, zu schmelzen;
einen zylindrischen Vakuumbehälter, der koaxial um eine äußere Peripherie des Ziehofens angeordnet ist; und
ein supraleitendes Element, das in dem Vakuumbehälter derart angeordnet ist, dass ein Magnetfeld erzeugt wird, welches an das Einkristallmaterial angelegt wird, um dadurch eine Konvektion des geschmolzenen Einkristallmaterials in dem Tiegel zu unterdrücken;
wobei das supraleitende Element mindestens zwei Paare von supraleitenden Spulen aufweist, die in einer gleichen horizontalen Ebene des zylindrischen Vakuumbehälters angeordnet sind, und jede der gepaarten supraleitenden Spulen Spulen aufweist, die derart gesetzt sind, dass sie sich bezüglich einer Zentralachse des zylindrischen Vakuumbehälters gegenüberliegen, so dass eine Spule eines Paars der Spulen und eine Spule eines anderen Paars der Spulen benachbart zu dem einen Paar der Spulen einen Einstellungswinkel bilden, in Richtung des Inneren des zylindrischen Behälters, in einem Bereich von 100°–130°.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieses Aspekts ist ein Abstand zwischen den gegenüberliegenden supraleitenden Spulen auf das 1,1 bis 1,25fache eines Durchmessers einer Öffnung des zylindrischen Vakuumbehälters eingestellt. Jede dieser supraleitenden Spulen hat einen Durchmesser, der das 0,35 bis 0,55fache des Durchmessers der Öffnung des zylindrischen Vakuumbehälters ist.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird auch ein Einkristall-Ziehverfahren geschaffen, das durchgeführt wird, indem eine Einkristall-Ziehvorrichtung verwendet wird, die einen zylindrischen Ziehofen aufweist, einen Tiegel, der in dem Ziehofen angeordnet ist, einen zylindrischen Vakuumbehälter, der koaxial um den Ziehofen herum angeordnet ist, und ein supraleitendes Element, das in dem Vakuumbehälter angeordnet ist, wobei ein Einkristallmaterial in den Tiegel geschüttet wird, dann erwärmt und geschmolzen wird, ein Impfkristall in den Tiegel von einem oberen Bereich davon eingeführt wird, und das Einkristallmaterial anschließend mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit gezogen wird, während ein Magnetfeld angelegt wird, das von dem supraleitenden Element erzeugt wird, um dadurch eine Konvektion des geschmolzenen Einkristallmaterials in dem Tiegel zu unterdrücken, und wobei das supraleitende Element mindestens zwei Paare von supraleitenden Spulen aufweist, die in einer gleichen horizontalen Ebene des zylindrischen Vakuumbehälters angeordnet sind, und jede der gepaarten supraleitenden Spulen Spulen aufweist, die derart eingestellt sind, dass sie sich bezüglich einer Zentralachse des zylindrischen Vakuumbehälters gegenüberliegen, so dass eine Spule eines Paars der Spulen und eine Spule des anderen Paars der Spulen, das benachbart ist zu dem einen Paar der Spulen, in Richtung des Inneren des zylindrischen Behälters in einem Bereich von 100° bis 130° einen Einstellungswinkel bilden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein supraleitender Magnet geschaffen, mit:
einem zylindrischen Vakuumbehälter; und
einem supraleitenden Element, das in dem zylindrischen Volumenbehälter angeordnet ist, um ein Magnetfeld zu erzeugen,
wobei das supraleitende Element mindestens zwei Paare von supraleitenden Spulen aufweist, die in einer gleichen horizontalen Ebene des zylindrischen Vakuumbehälters angeordnet sind, und jede der gepaarten supraleitenden Spulen Spulen aufweist, die derart eingestellt sind, dass sie sich bezüglich einer Zentralachse des zylindrischen Vakuumbehälters ge genüberliegen, so dass eine Spule eines Paars der Spulen und eine Spule eines anderen Paars der Spulen benachbart zu dem einen Paar der Spulen in Richtung des Inneren des zylindrischen Behälters, in einem Bereich von 100° bis 130° einen Einstellungswinkel bilden.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen gemäß diesem Aspekt ist der Abstand zwischen dem gegenüberliegenden supraleitenden Spulen auf das 1,1 bis 1,25fache eines Durchmessers einer Öffnung des zylindrischen Vakuumbehälters eingestellt. Jede dieser supraleitenden Spulen hat einen Durchmesser, der das 0,35 bis 0,55fache des Durchmessers der Öffnung des zylindrischen Vakuumsbehälters ist.
Die supraleitende Spule kann eine Form aufweisen, beispielsweise eine Rennbahnstreckenform, eine eliptische Form oder eine rechteckige Form, die in axialer Richtung des Vakuumbehälters verlängert ist.
Der supraleitender Magnet kann ferner einen Kühlbehälter aufweisen, der koaxial in dem zylindrischen Vakuumbehälter angeordnet ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind die supraleitenden Spulen in dem Kühlbehälter angeordnet, in welchem ein flüssiges Kühlmedium eingefüllt ist. Die supraleitenden Spulen können derart angeordnet sein, dass sie mit dem Kühlbehälter in Kontakt sind, oder mit einem Niedertemperaturbereich eines Kältemittels verbunden sind.
Der zylindrische Vakuumbehälter hat einen Wandabschnitt, außerhalb der supraleitenden Spulen, der aus einem magnetischen Material gebildet ist.
Gemäß dem erfindungsgemäßen supraleitenden Magneten kann ein gleichförmiges transversales Magnetfeld, welches einen kleinen Magnetfeldgradienten aufweist, innerhalb des zylindrischen Vakuumbehälters erzeugt werden. Darüber hinaus kann die koaxiale oder quadratische Magnetfeldverteilung in der gleichen horizontalen Ebene erzeugt und folglich eine nicht ausgeglichene elektromagnetische Kraft unterdrückt werden.
Gemäß der erfindungsgemäßen Einkristall-Ziehvorrichtung, die den supraleitenden Magneten mit den oben genannten Eigenschaften verwendet, wird ein gleichförmiger Magnetfeldbereich in einer Ziehrichtung erzeugt, und ein Magnetfeld in Richtung eines transversalen Magnetfeldes ist fast horizontal, und ein qualitativ hochwertiges Einkristall kann durch Unterdrückung einer nicht ausgeglichenen elektromagnetischen Kraft hergestellt werden.
Die Eigenart und weitere charakteristische Merkmale werden durch die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlich.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die beigefügten Figuren zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht, die teilweise schematisch ein Ausführungsbeispiel eines supraleitenden Magneten gemäß der Erfindung zeigt;
2 eine Querschnittsansicht, die den supraleitenden Magneten zeigt, entlang einer Schnittlinie II-II in 1;
3 eine Querschnittsansicht, die eine Einkristall-Ziehvorrichtung zeigt, die den supraleitenden Magneten aufweist, entlang der Schnittlinie III-III in 1; die 4 bis 9 Diagramme von Magnetfeldverteilungen von Fällen mit unterschiedlichen Einstellungswinkeln Θ der supraleitenden Spulen gemäß 2 des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels;
10 und 11 Diagramme von Vergleichsbeispielen für die Ausführungsbeispiele gemäß den 4 bis 9;
12 eine Querschnittsansicht, ähnlich der gemäß 2, die teilweise schematisch ein anderes Ausführungsbeispiel eines supraleitenden Magneten gemäß der Erfindung zeigt; 13 ein Diagramm, das eine Magnetfeldverteilung gemäß dem in 12 gezeigten Ausführungsbeispiel zeigt;
14 eine perspektivische Ansicht, ähnlich der gemäß 1, die teilweise schematisch ein noch anderes Ausführungsbeispiel eines supraleitenden Magneten gemäß der Erfindung zeigt;
15 eine schematische Querschnittsansicht, die ein noch anderes Ausführungsbeispiel eines supraleitenden Magneten gemäß der Erfindung zeigt;
16 eine schematische Querschnittsansicht, die ein noch anderes Ausführungsbeispiel eines supraleitenden Magneten gemäß der Erfindung zeigt;
17 eine perspektivische Ansicht, ähnlich der gemäß 1, die teilweise schematisch ein noch anderes Ausführungsbeispiel eines supraleitenden Magneten gemäß der Erfindung zeigt;
18 eine Querschnittsansicht, die schematisch einen herkömmlichen supraleitenden Magneten zeigt;
19 eine perspektivische Ansicht, ähnlich der gemäß 1, die jedoch eine herkömmliche Einkristall-Ziehvorrichtung zeigt; und
20 ein Diagramm, das eine herkömmliche Magnetfeldverteilung zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die 1 bis 17 beschrieben.
Zuerst wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 der gesamte supraleitende Magnet 30 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung erklärt.
Ein zylindrischer Behälter 5 für ein Kühlmittel, Kühlmedium oder Kältemittel ist als Kühlbehälter in einem zylindrischem Vakuumbehälter 19 angeordnet, der im folgenden als Kühlbehälter 5 bezeichnet sein kann. Vier supraleitende Spulen 4a, 4b, 4c und 4d sind in dem Kühlbehälter 5 untergebracht, und eine Stromleitung 11 zur Lieferung eines Stroms ist mit dem Vakuumbehälter 19 verbunden. Eine kleine Heliumkühlvorrichtung 12 zum Kühlen eines ersten und zweiten Strahlungsschildes 17 und 18, ein Serviceport 14, der eine Füllanschluss aufweist und eine Heliumgasausgabeöffnung sind ebenfalls an dem Vakuumbehälter 19 angeordnet, beispielsweise in einem Zustand, wie in 1 gezeigt.
In dem beschriebenen und gezeigten Ausführungsbeispiel sind die supraleitenden Spulen 4a, 4b, 4c und 4d als kreisrunde Spulen ausgebildet, die in den vier Quadranten in einer horizontalen Ebene des zylindrischen Vakuumbehälters 19, also des Kühlbehälters 5 jeweils angeordnet sind, und die in ein flüssiges Kühlmittel eingetaucht sind. Die Erfindung kann ferner einen Fall umfassen, bei dem die supraleitenden Spulen mindestens zwei Paare von supraleitenden Spulen aufweisen, die in einer gleichen horizontalen Ebene des zylindrischen Vaku- umbehälters angeordnet sind, und jedes der supraleitenden Spulenpaare Spulen aufweist, die derart gesetzt sind, dass sie sich bezüglich einer Zentralachse des zylindrischen Vakuumbehälters gegenüberliegen. Die Richtung eines Magnetfeldes, das durch die supraleitenden Spulen 4a, 4b, 4c und 4d erzeugt wird, ist quer in Bezug zur Ziehrichtung eines Ziehofens 1 (wie später beschrieben). In dieser Anordnung bilden eine Spule eines Paars der Spulen und eine Spule eines anderes Paars der Spulen, das benachbart zu dem einem Paar der Spulen ist, in Richtung des Inneren des zylindrischen Behälters, in einem Bereich von 100° bis 130° einen Einstellungswinkel.
Ein Abstand L zwischen gegenüberliegenden Spulen der supraleitenden Spulen 4a, 4b, 4c und 4d ist auf das 1,1 bis 1,25fache eines Öffnungsdurchmessers D des zylindrischen Vakuumbehälters 19 eingestellt, und ein Spulendurchmesser d jeder der supraleitenden Spulen 4a, 4b, 4c und 4d ist eingestellt, um das 0,35 bis 0,55fachen des Öffnungsdurchmessers D zu sein.
3 zeigt eine Einkristall-Ziehvorrichtung, die den supraleitenden Magneten 30 aufweist, der koaxial auf der Umfangsseite des Ziehofens 1 gebildet ist. Der Aufbau der Einkristall-Ziehvorrichtung, wie in 3 gezeigt, ist bezüglich des Gesamtaufbaus im wesentlichen der gleiche, wie der Aufbau der herkömmlichen Einkristall-Ziehvorrichtung, wie in 18 gezeigt. Entsprechend sind gleiche Bezugsziffern den Elementen oder Bauteilen gegeben, die denen in den 1 und 2 Gezeigten entsprechen, und eine erneute Beschreibung von diesen erfolgt nicht. In der Einkristall-Ziehvorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel werden jedoch durch die vier supraleitenden Spulen 4a, 4b, 4c und 4d Magnetfelder von der Umfangsfläche eines Tiegels 2 aus, der ein Halbleitermaterial 6 aufnimmt, in zwei Richtungen erzeugt, die sich transversal kreuzen.
Die 4 bis 9 zeigen Magnetfeldverteilungen gemäß diesem Ausführungsbeispiel, die durch den oben genannten Aufbau erzeugt werden, und die 10 und 11 zeigen Magnetfeldverteilungen, die dagegen als Vergleichsbeispiele für dieses Ausführungsbeispiel dienen.
4 zeigt speziell ein optimales Beispiel gemäß diesem Ausführungsbeispiel, bei dem ein Magnetfeld am bevorzugtesten ist, mit den Einstellungswinkeln Θ der supraleitenden Spulen 4a, 4b, 4c und 4d, die auf 113° gesetzt sind. Wie durch den schraffierten Bereich in 4 angedeutet, ist ein Zentrum des Magnetfeldes fast diamantförmig und belegt einen gleichförmigen breiten Bereich sowohl in X- als auch in Y-Richtung. Wenn das Magnetfeld an das geschmolzene Halbleitermaterial 6, wie in 3 gezeigt, angelegt wird, wird die Konvektion der Schmelze, besonders die Konvektion an einem Zentralbereich des Tiegels wirkungsvoll unterdrückt, und ein Einkristall 9, der nach oben gezogen wird, wird als Ganzes gleichförmig. Defekte, die in dem Umfangsbereich des Eingriffsteils 9 gemäß dem herkömmlichen Aufbau auftreten, können in dem Eingriffsteil 9 gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung nicht festgestellt werden.
Die 5 bis 9 zeigen Magnetfeldverteilungen, die erhalten werden, wenn die Einstellungswinkel Θ der supraleitenden Spulen 4a, 4b, 4c und 4d im wesentlichen auf 100°, 110°, 115°, 120° und 130° eingestellt sind. In den gezeigten Magnetfeldverteilungen ist ferner das zentrale Magnetfeld gleichförmig über einen ausreichenden großen Bereich angeordnet. In den Bereichen, in denen die Einstellungswinkel Θ klein sind, wie in den 5 und 6 gezeigt, erscheinen die Zentralmagnetfelder in X-Richtung leicht verlängert. Wie in den 7 bis 9 gezeigt, wenn die Einstellungswinkel Θ zunehmen, erscheinen dagegen die Zentralmagnetfelder in Y-Richtung leicht verlängert.
Wie in 10 gezeigt, wird dagegen in dem Vergleichsbeispiel, bei dem der Einstellungswinkel Θ klein ist, also 90°, die Breite des Zentralmagnetfeldes extrem klein. Wie in 11 gezeigt, wird außerdem in dem Vergleichsbeispiel, bei dem der Einstellungswinkel Θ groß ist, also 140°, die Breite des Zentralmagnetfeldes in X-Richtung extrem klein.
In dem supraleitenden Magneten 30 gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen sind zwei Paare von kreisrunden Spulen in dem gleichen Behälter angeordnet, so dass die Paare der Spulen sich einander gegenüberliegen, und die Einstellungswinkel sind innerhalb des Bereichs von 100° bis 130° eingestellt. In dieser Weise kann ein koaxiales gleichförmiges Magnetfeld oder ein tetragonal geneigtes gleichförmiges Magnetfeld innerhalb der Bohrung des Behälters erhalten werden.
Wenn der Abstand L zwischen den gegenüberliegenden gepaarten Spulen (beispielsweise 4a, 4c) innerhalb des Bereichs von Längen des 1,1 bis 1,25fachen des Öffnungsdurchmessers D (Bohrungsdurchmessers) eingestellt ist, und der Spulendurchmesser d auf das 0,35 bis 0,55fache des Öffnungsdurchmessers D (Bohrungsdurchmessers) eingestellt ist, sind Tendenzen der Magnetfeldverteilungen, wie in den 4 bis 9 gezeigt, ferner sicher und bemerkenswert. Wenn diese Elemente (Spulen) unter Berücksichtigung der Einstellungswinkel Θ gesetzt werden, wird eine Magnetfeldverteilung erhalten, die eine größere Gleichmäßigkeit aufweist.
12 zeigt ein anderes Beispiel des Ausführungsbeispiels, bei dem sechs supraleitende Spulen 4 (4a, 4b, 4c, 4d, 4e und 4f) in dem zylindrischen Kühlbehälter 5 untergebracht sind. Die Einstellungswinkel Θ sind genauso eingestellt, wie gemäß 2. 13 zeigt ein Diagramm, das eine Magnetfeldverteilung zeigt, die in diesem Fall erhalten wird. Wie in 13 gezeigt, wenn die Anzahl der supraleitenden Spulen vergrößert wird, ist das Zentralmagnetfeld ausgeglichener verteilt. Wenn die Anzahl von Spulen auf eine gerade Anzahl von 6, 8 oder mehr eingestellt wird, kann in dieser Weise die Gleichförmigkeit weiter verbessert werden. Darüber hinaus wird eine Reduzierung des Magnetfeldes in einer Ebene auf den minimalen Pegel unterdrückt.
14 zeigt einen Aufbau, bei dem die supraleitende Spule 4, die in dem zylindrischen Kühlbehälter 5 untergebracht ist, eine rennstreckenähnliche Form, eine elliptische oder eine rechteckige Form aufweist, die in der gleichen Richtung verlängert ist, die gleich der Einkristall-Ziehrichtung 8 ist, also in Längsrichtung, wobei zwei Paare von supraleitenden Spulen 4 derart angeordnet sind, dass die Paare der supraleitenden Spule 4 sich in Bezug auf die Zentralachse des Vakuumbehälters (Kühlbehälters) gegenüberliegen, und die Richtung des Magnetfeldes, das durch die supraleitenden Spulen 4 erzeugt wird, kreuzt quer die Ziehrichtung 8 des Ziehofens 1.
Gemäß dem oben beschriebenen Aufbau, wie in 14 gezeigt, ist die Abmessung des Halbleitermaterials 6 in die Richtung der Tiefe in dem Tiegel 2 größer, als die Abmessung des Halbleitermaterials 6, die erhalten wird, wenn kreisrunde supraleitende Spulen verwendet werden, so dass die Gleichförmigkeit in Längsrichtung des Magnetfeldbereichs verbessert werden kann, und folglich die Gleichförmigkeit des Magnetfeldes weiter verbessert wird.
15 zeigt einen Längsschnitt, der ein anderes Ausführungsbeispiel des supraleitenden Magneten 3 gemäß der Erfindung zeigt. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem oben genannten Ausführungsbeispiel im Aufbau, wobei in dem Aufbau gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Serviceport 14, der einen Kühlmittelnachfüllanschluss aufweist, wie in 1 gezeigt, fehlt. Die anderen Anordnungen sind gleich denen gemäß 1 bis 3.
In diesem Ausführungsbeispiel, wie in 15 gezeigt, sind ein Kühlmittel (Kältemittel oder Kühlmedium) und ein Kühlbehälter zur Aufnahme des Kühlmittels nicht angeordnet, und die supraleitenden Spulen 4 werden durch eine kleine Heliumkühlvorrichtung 12 gekühlt. Die supraleitenden Spulen 4 sind mit einem Strahlungsschild 17 bedeckt, welches in dem Vakuumbehälter 19 untergebracht ist. Die Stromleitung 11 ist ausgelegt, um einen Strom an die supraleitenden Spulen 4 zu liefern.
Mit einem derartigen Aufbau werden die supraleitenden Spulen 4 durch die Kühlvorrichtung 12 gekühlt, wodurch des möglich wird, einen supraleitenden Zustand zu halten. Entsprechend ist es nicht notwendig, das Kühlmedium, beispielsweise flüssiges Helium zu verwenden, wodurch folglich Kosten reduziert und eingespart werden, die für das Nachfüllen des Kühlmediums notwendig sind.
16 zeigt ein weiteres Beispiel des supraleitenden Magneten 30, der einen Aufbau aufweist, bei dem ein kleiner Kühlbehälter 22 derart angeordnet ist, dass er mit den supraleitenden Spulen 4 in Verbindung steht. Die anderen Anordnungen in 16 sind gleich denen in 15.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß 16 werden die supraleitenden Spulen 4 durch die kleine Heliumkühlvorrichtung 12 und den kleinen Kühlbehälter 22 gekühlt. Das Kühlmittel wird über einen Einlass 23 in den kleinen Kühlbehälter 22 geschüttet.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel nach 16 bleibt das Kühlmedium in dem kleinen Kühlbehälter 22, selbst in einem Fall, bei dem die kleine Heliumkühlvorrichtung 12 den Betrieb einstellt, so dass die supraleitenden Spulen 4 ihren supraleitenden Zustand halten können.
17 zeigt ein noch weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, mit einem Aufbau, bei dem die Umfangswand 19a und/oder die oberen und unteren Wände 19b und 19c des zylindrischen Vakuumbehälters 19, gemäß dem in 1 gezeigten Aufbau, aus einem magnetischen Material gebildet sind, beispielsweise aus einem auf Eisen basierenden Material oder dergleichen. Die anderen Anordnungen in 17 sind gleich denen in 1.
Da der Vakuumbehälter 19 aus dem magnetischen Material gebildet ist, kann gemäß diesem Ausführungsbeispiel nach 17 ein Magnetfeld, das von den supraleitenden Spulen 4 erzeugt wird, durch das magnetische Material des Vakuumbehälters selbst absorbiert werden. Folglich kann ein Magnetfeld nach außen zum Umfang abgeschwächt werden. Selbst in einem Fall, bei dem Instrumente und Klemmen oder dergleichen am Umfangsbereich des supraleitenden Magneten angeordnet sind, kann ein sicherer Betrieb erfolgen.
Gemäß dem supraleitenden Magneten und der Einkristrall-Ziehvorrichtung, die einen derartigen supraleitenden Magneten verwendet, kann ein transversales Magnetfeld, das einen verbesserten gleichförmigen kleinen Magnetfeldgradienten aufweist, in dem zylindrischen Vakuumbehälter erzeugt werden. Darüber hinaus kann die koaxiale oder quadratische Magnetfeldverteilung auf der gleichen horizontalen Ebene des Vakuumbehälters erzeugt werden, und eine nicht ausgeglichene elektromagnetische Kraft kann erheblich reduziert werden. Das Einkristallmaterial kann entsprechend in ausgeglichener Weise gezogen werden.
Es sei erwähnt, dass die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, und viele andere Änderungen und Modifikationen durchgeführt werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen.

Claims

Einkristall-Ziehvorrichtung, mit einem zylindrischen Ziehofen; einem Tiegel, der in dem Ziehofen angeordnet ist, um ein darin eingebrachtes Einkristallmaterial für einen Halbleiter zu schmelzen; einem zylindrischen Vakuumbehälter, der koaxial um einen äußeren Umfang des Ziehofens herum angeordnet ist; und einem supraleitenden Element, das in dem Vakuumbehälter angeordnet ist, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das an das Einkristallmaterial angelegt wird, um dadurch eine Konvektion des geschmolzenen Einkristallmaterials in dem Tiegel zu unterdrücken, wobei das supraleitende Element mindestens zwei Paare von supraleitenden Spulen aufweist, die in einer gleichen horizontalen Ebene des zylindrischen Vakuumbehälters angeordnet sind, und jedes der supraleitenden Spulenpaare Spulen aufweist, die derart eingestellt sind, dass sie sich in Bezug auf eine Zentralachse des zylindrischen Vakuumsbehälters gegenüberliegen, so dass eine Spule von einem Paar der Spulen und eine Spule von einem anderen Paar der Spulen, das benachbart zu dem zuerst genannten einen Paar der Spulen ist, in Richtung zum Inneren des zylindrischen Behälters in einem Bereich von 100° bis 130° einen Einstellungswinkel bilden.
Einkristall-Ziehvorrichtung nach Anspruch 1, bei der ein Abstand zwischen den gegenüberliegenden supraleitenden Spulen auf das 1,1 bis 1,25fache eines Durchmessers einer Öffnung des zylindrischen Vakuumbehälters eingestellt ist.
Einkristall-Ziehvorrichtung nach Anspruch 1, bei der jede der supraleitenden Spulen einen Durchmesser aufweist, der das 0,35 bis 0,55fache des Durchmessers der Öffnung des zylindrischen Vakuumbehälters ist.
Einkristall-Ziehverfahren, das durchgeführt wird, indem eine Einkristall-Ziehvorrichtung verwendet wird, die einen zylindrischen Ziehofen, einen Tiegel, der in dem Ziehofen angeordnet ist, einen zylindrischen Vakuumbehälter, der um eine äußere Umfangs fläche des Ziehofens herum koaxial angeordnet ist, und ein supraleitendes Element, das in dem Vakuumbehälter angeordnet ist, aufweist, wobei ein Einkristallmaterial in den Tiegel geschüttet, dann erwärmt und geschmolzen wird, ein Impfkristall in den Tiegel von seinem oberen Bereich eingeführt und das Einkristallmaterial anschließend mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit nach oben gezogen wird, während ein Magnetfeld angelegt wird, das von dem supraleitenden Element erzeugt wird, um dadurch eine Konvektion des geschmolzenen Einkristallmaterials in dem Tiegel zu unterdrücken, und wobei das supraleitende Element mindestens zwei Paare von supraleitenden Spulen aufweist, die in einer gleichen horizontalen Ebene des zylindrischen Vakuumbehälters angeordnet sind, und jedes der supraleitenden Spulenpaare Spulen aufweist, die derart eingestellt sind, dass sie sich in Bezug auf eine Zentralachse des zylindrischen Vakuumbehälters gegenüberliegen, so dass eine Spule eines Paars der Spule und eine Spule eines anderes Paars der Spulen, das benachbart zu dem zuerst genannten einem Paar von Spulen ist, in Richtung zum Inneren des zylindrischen Behälters, in einem Bereich von 100° bis 130° einen Einstellungswinkel bilden.
Supraleitender Magnet, mit einem zylindrischen Vakuumbehälter; und einem supraleitenden Element, das in dem Zylindrischen angeordnet ist, um ein Magnetfeld zu erzeugen, wobei das supraleitende Element mindestens zwei Paare von supraleitenden Spulen aufweist, die in einer gleichen horizontalen Ebene des zylindrischen Vakuumbehälters angeordnet sind, und jedes der supraleitenden Spulenpaare Spulen aufweist, die eingestellt sind, um in Bezug auf eine Zentralachse des zylindrischen Vakuumbehälters sich gegenüberzuliegen, so dass eine Spule von einem Paar der Spulen und eine Spule von einem anderen Paar der Spulen, das benachbart zu dem zuerst genannten Paar von Spulen ist, in Richtung zum Inneren des zylindrischen Behälters, in einem Bereich von 100° bis 130° einen Einstellungswinkel bilden.
Supraleitender Magnet nach Anspruch 5, bei dem ein Abstand zwischen den gegenüberliegenden supraleitenden Spulen auf das 1,1 bis 1,25fache eines Durchmessers einer Öffnung des zylindrischen Vakuumbehälters eingestellt ist.
Supraleitender Magnet nach Anspruch 5, bei dem jede der supraleitenden Spulen einen Durchmesser aufweist, der das 0,35 bis 0,55fache des Durchmessers der Öffnung des zylindrischen Vakuumbehälters ist.
Supraleitender Magnet nach Anspruch 5, bei dem die supraleitende Spule eine Rennstreckenform, elliptischen Form oder rechteckigen Form aufweist, die in Axialrichtung des Vakuumbehälters verlängert ist.
Supraleitender Magnet nach Anspruch 5, ferner mit einem Kühlbehälter, der koaxial in dem zylindrischem Vakuumbehälter angeordnet ist.
Supraleitender Magnet nach Anspruch 9, bei dem die supraleitenden Spulen in dem Kühlbehälter angeordnet sind, in dem ein flüssiges Kühlmittel eingefüllt ist.
Supraleitender Magnet nach Anspruch 9, bei dem die supraleitenden Spulen in Kontakt mit dem Kühlbehälter sind.
Supraleitender Magnet nach Anspruch 5, bei dem die supraleitenden Spulen mit einem Niedertemperaturbereich einer Kältevorrichtung verbunden sind.
Supraleitender Magnet nach Anspruch 5, bei dem der zylindrische Vakuumbehälter einen Wandabschnitt aufweist, außerhalb der supraleitenden Spulen, der aus einem magnetischem Material gebildet ist.