DE112020001801T5

DE112020001801T5 - Einkristall-Zieh-Vorrichtung und Einkristall-Zieh-Verfahren

Info

Publication number: DE112020001801T5
Application number: DE112020001801.6T
Authority: DE
Inventors: Kiyotaka Takano; Wataru Yajima; Kosei Sugawara; Hiroyuki Kamada; Tomohiko Ohta
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2019-05-08
Filing date: 2020-03-19
Publication date: 2022-01-20
Also published as: US20230175166A1; CN113811642A; JP7070500B2; JP2020183334A; KR20220006513A; WO2020225985A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung ist eine Einkristall-Ziehvorrichtung, die Folgendes umfasst: einen Ziehofen, in dem eine Heizung und ein Tiegel angeordnet sind und der eine zentrale Achse aufweist; und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds mit supraleitenden Spulen, wobei die Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds vier der supraleitenden Spulen aufweist, zwei der supraleitenden Spulen in jedem von zwei Bereichen angeordnet sind, die durch einen Querschnitt unterteilt sind, der eine X-Achse einschließt, wobei die X-Achse eine Richtung der Linien der Magnetkraft an der zentralen Achse in der horizontalen Ebene ist, die alle Spulenachsen der vier supraleitenden Spulen einschließt, und die Mittelachse des Ziehofen so einschließt, dass sie eine Liniensymmetrie um den Querschnitt aufweist, die vier supraleitenden Spulen alle so angeordnet sind, dass die Spulenachsen einen Winkel innerhalb eines Bereichs von mehr als -30° und weniger als 30° relativ zu einer Y-Achse aufweisen, die Richtung der Linien der Magnetkraft eine Liniensymmetrie um den Querschnitt aufweist, und in jedem der Bereiche die beiden supraleitenden Spulen Linien der Magnetkraft in entgegengesetzten Richtungen erzeugen. Dies ermöglicht eine Einkristall-Ziehvorrichtung, bei der es nicht notwendig ist, die Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds zu bewegen, wenn die Einkristall-Ziehvorrichtung abgebaut und aufgebaut wird, und die Sauerstoffkonzentration in dem zu züchtenden Einkristall kann reduziert werden, und gleichzeitig können Wachstumsstreifen in dem zu züchtenden Einkristall unterdrückt werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ziehen von Einkristallen und ein Verfahren zum Ziehen von Einkristallen unter Verwendung dieser Vorrichtung.
HINTERGRUNDKUNST
Jeder Halbleiter wie Silizium oder Galliumarsenid besteht aus einem Einkristall und wird für Speicher und dergleichen in kleinen und großen Computern verwendet, und es wurde eine Erhöhung der Kapazität, eine Verringerung der Kosten und eine Verbesserung der Qualität von Speichergeräten gefordert.
Als eines der Einkristall-Ziehverfahren zur Herstellung von Einkristallen, die diesen Anforderungen der Halbleiter entsprechen, ist bisher ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiters mit großem Durchmesser und hoher Qualität bekannt, bei dem ein Magnetfeld an ein in einem Tiegel befindliches geschmolzenes Halbleitermaterial (Schmelze) angelegt und dadurch die in der Schmelze entstehende Wärmekonvektion gehemmt wird (allgemein als magnetisches Czochralski-Verfahren (MCZ) bezeichnet).
Ein Beispiel für eine Einkristall-Ziehvorrichtung, die das herkömmliche CZ-Verfahren anwendet, wird nun unter Bezugnahme auf beschrieben. Eine Einkristall-Ziehvorrichtung 100 in umfasst einen Ziehofen 101 mit einer zu öffnenden/schließenden Oberseite und schließt einen Tiegel 102 in diesem Ziehofen 101 ein. Ferner ist ein Heizelement 103 zum Erhitzen und Schmelzen eines Halbleitermaterials in dem Tiegel 102 um den Tiegel 102 herum in dem Ziehofen 101 vorgesehen, und ein .supraleitender Magnet 130 mit einem Paar (zwei) supraleitender Spulen 104 (104a und 104b), die in einem Kühlmittelbehälter 105 als zylindrischer Behälter (der im Folgenden als zylindrischer Kühlmittelbehälter bezeichnet wird) eingefügt sind, ist an einer Außenseite des Ziehofens 101 angeordnet.
Bei der Herstellung von Einkristallen wird ein Halbleitermaterial 106 in den Tiegel 102 gegeben und durch die Heizung 103 erhitzt, um das Halbleitermaterial 106 zu schmelzen. Ein nicht abgebildeter Impfkristall wird nach unten bewegt und von oben in diese Schmelze eingeführt, z.B. in einen zentralen Bereich des Tiegels 102, und der Impfkristall wird durch einen nicht abgebildeten Ziehmechanismus mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit in eine Ziehrichtung 108 gezogen. Infolgedessen wächst ein Kristall in einer festen und flüssigen Grenzschicht, und es wird ein Einkristall erzeugt. Wenn zu diesem Zeitpunkt eine Fluidbewegung der Schmelze, die durch die Erwärmung des Heizelements 103 induziert wird, d. h. die Wärmekonvektion, erzeugt wird, kann es zu einer Versetzung des zu ziehenden Einkristalls kommen, und die Ausbeute der Einkristallproduktion wird verringert.
Als Gegenmaßnahme werden daher die supraleitenden Spulen 104 des supraleitenden Magneten 130 verwendet. Das heißt, das Halbleitermaterial 106, das die Schmelze ist, erhält eine bewegungsunterdrückende Kraft durch die Linien der Magnetkraft 107, die durch die Erregung der supraleitenden Spulen 104 erzeugt wird, der wachsende Einkristall wird langsam nach oben gezogen, indem der Impfkristall gezogen wird, ohne die Konvektion im Tiegel 102 zu erzeugen, und der Einkristall wird als fester Einkristall 109 hergestellt. Es ist anzumerken, dass der Ziehmechanismus zum Ziehen des Einkristalls 109 entlang einer Tiegelmittelachse 110 oberhalb des Ziehofen 101 vorgesehen ist, obwohl er nicht dargestellt ist.
Als Nächstes wird ein Beispiel des supraleitenden Magneten 130, der in der in dargestellten Einkristall-Ziehvorrichtung 100 verwendet wird, unter Bezugnahme auf beschrieben. Bei diesem supraleitenden Magneten 130 sind die supraleitenden Spulen 104 (104a und 104b) durch den zylindrischen Kühlmittelbehälter hindurch in einem zylindrischen Vakuumbehälter 119 enthalten. In diesem supraleitenden Magneten 130 ist das Paar supraleitender Spulen 104a und 104b untergebracht, die sich durch einen zentralen Teil des Vakuumbehälters 119 gegenüberstehen. Das Paar supraleitender Spulen 104a und 104b sind Magnetspulen vom Helmholtz-Typ, die Magnetfelder parallel zur gleichen Querrichtung erzeugen, und wie in gezeigt, werden die Linien der Magnetkraft 107 bisymmetrisch zur zentralen Achse 110 des Ziehofen 101 und des Vakuumbehälters 119 erzeugt (eine Position dieser zentralen Achse 110 wird als Magnetfeldzentrum bezeichnet).
Es ist anzumerken, dass dieser supraleitende Magnet 130, wie in den und gezeigt, eine Stromleitung 111, durch die ein Strom in die beiden supraleitenden Spulen 104a und 104b eingeleitet wird, einen kleinen Heliumkühler 112 zum Kühlen eines ersten Strahlungsschildes 117 und eines zweiten Strahlungsschildes 118, die in dem zylindrischen Kühlmittelbehälter 105 enthalten sind, ein Gasablassrohr 113, durch das ein Heliumgas in dem zylindrischen Kühlmittelbehälter 105 abgelassen wird, eine Wartungsöffnung 114 mit einer Nachfüllöffnung, aus der flüssiges Helium nachgefüllt wird, und anderes enthält.
Der in dargestellte Ziehofen 101 ist in einer Bohrung 115 (der Innendurchmesser der Bohrung ist mit D bezeichnet) eines solchen supraleitenden Magneten 130
angeordnet.
zeigt eine Magnetfeldverteilung des oben beschriebenen konventionellen supraleitenden Magneten 130. Wie in dieser gezeigt, nimmt in dem konventionellen supraleitenden Magneten 130 ein Magnetfeld allmählich zu beiden Seiten in jeder Spulenanordnungsrichtung (eine X-Richtung in ) zu, und das Magnetfeld nimmt allmählich zu einer Auf- und Abwärtsrichtung in einer Richtung orthogonal zu der ersteren (eine Y-Richtung in ) ab, da das Paar von supraleitenden Spulen 104a und 104b einander gegenüberliegend angeordnet sind. In einer solchen konventionellen Konfiguration ist die Unterdrückung der Wärmekonvektion, die im geschmolzenen Einkristallmaterial (Schmelze) erzeugt wird, unausgewogen und die Effizienz des Magnetfelds ist schlecht, da der Magnetfeldgradient im Bereich der Bohrung 115 zu groß ist, wie in den und gezeigt. Das heißt, wie durch die schraffierten Linien, die einen Bereich mit der gleichen magnetischen Flussdichte in darstellen, angedeutet, ist die Gleichmäßigkeit des Magnetfeldes in einem Bereich in der Nähe des zentralen Magnetfeldes und seiner Umgebung nicht gut (d.h., eine Kreuzform, die von rechts nach links und von oben nach unten verlängert ist, wird in gebildet), und daher entsteht das Problem, dass der Wärmekonvektionsunterdrückungseffekt gering ist und ein hochwertiger Einkristall nicht gezogen werden kann.
Eine Technik zur Lösung des oben beschriebenen Problems ist in Patentdokument 1 offenbart. Die im Patentdokument 1 offenbarte Technik wird unter Bezugnahme auf beschrieben. zeigt einen A-A-Querschnitt von . Um das in und gezeigte Problem zu lösen, offenbart das Patentdokument 1, dass die Anzahl der supraleitenden Spulen 104 vier oder mehr beträgt (z. B., 104a, 104b, 104c und 104d), diese Spulen auf Ebenen in einem zylindrischen Behälter angeordnet sind, der konzentrisch um einen Ziehofen herum vorgesehen ist, die jeweils angeordneten supraleitenden Spulen auf Richtungen eingestellt sind, in denen sie einander durch eine axiale Mitte des zylindrischen Behälters zugewandt sind, und ein Anordnungswinkel θ (siehe ), bei dem jedes Paar supraleitender Spulen, die zueinander benachbart sind, der Innenseite des zylindrischen Behälters zugewandt ist, auf einen Bereich von 100° bis 130° eingestellt ist (d.h., ein Mittenwinkel α (siehe ) zwischen den Achsen der zueinander benachbarten Spulen mit der X-Achse in der Mitte beträgt 50° bis 80°). Infolgedessen kann in einer Bohrung 105 ein seitliches Magnetfeld erzeugt werden, das einen reduzierten Magnetfeldgradienten und eine ausgezeichnete Gleichmäßigkeit aufweist, eine Magnetfeldverteilung mit einer konzentrischen Form oder einer quadratischen Form kann in einer Ebene erzeugt werden, eine unausgewogene elektromagnetische Kraft kann stark unterdrückt werden, wodurch ein gleichmäßiger Magnetfeldbereich in der Zugrichtung verbessert werden kann, ein Magnetfeld in der seitlichen Magnetfeldrichtung wird im Wesentlichen horizontal, die Herstellung eines hochwertigen Einkristalls kann durch Unterdrückung der unausgeglichenen elektromagnetischen Kraft realisiert werden, und dieses Patentdokument offenbart auch, dass ein hochwertiger Einkristall mit einer guten Ausbeute durch dieses Einkristallziehverfahren gezogen werden kann. Man beachte, dass in „d“ der Durchmesser (Innendurchmesser) der supraleitenden Spulen und „1“ der Abstand zwischen dem Spulenpaar ist.
Mit dieser Methode wird die Verteilung des Magnetfelds, das auf das geschmolzene Einkristallmaterial
einwirkt, gleichmäßig gemacht und eine unausgewogene elektromagnetische Kraft unterdrückt, so dass es möglich ist, die Wärmekonvektion auch bei einer geringeren magnetischen Flussdichte als bei der herkömmlichen Technik mit zwei Spulen zu unterdrücken.
Eine umfassende Wärmeübertragungsanalyse, die auch die dreidimensionale Schmelzekonvektion einbezieht, hat jedoch gezeigt, dass sich die Wärmekonvektion zwischen einem Querschnitt parallel zur X-Achse und einem Querschnitt parallel zur Y-Achse unterscheidet, wenn die Linien der Magnetkraft ein seitliches Magnetfeld bilden, das sich in Richtung der X-Achse erstreckt, selbst bei einer solchen gleichmäßigen Magnetfeldverteilung (siehe Patentschrift 2).
Wenn sich ein leitendes Fluid in einem Magnetfeld bewegt, wird ein induzierter Strom in einer Richtung orthogonal zu den Linien der Magnetkraft und einer Fluidkomponente senkrecht zu den Linien der Magnetkraft erzeugt, aber eine Tiegelwand und eine freie Oberfläche des geschmolzenen Halbleitermaterials werden zu einer isolierenden Wand, wenn ein Quarztiegel mit elektrisch isolierenden Eigenschaften verwendet wird. Daher fließt der induzierte Strom nicht orthogonal zu diesen Elementen. Daher ist die konvektionsunterdrückende Kraft, die durch die elektromagnetische Kraft erzeugt wird, in einem oberen Teil des geschmolzenen Halbleitermaterials schwach. Vergleicht man außerdem den Querschnitt parallel zur X-Achse (den Querschnitt parallel zu den Linien der Magnetkraft) mit dem Querschnitt senkrecht zur X-Achse (dem Querschnitt senkrecht zu den Linien der Magnetkraft), ist die Konvektion im Querschnitt senkrecht zur X-Achse (dem Querschnitt senkrecht zu den Linien der Magnetkraft) stärker.
Wie beschrieben, ist der Geschwindigkeitsunterschied bei der Konvektion etwas geringer, wenn die vier Spulen
eine gleichmäßige Magnetfeldverteilung bilden, aber es gibt immer noch eine ungleichmäßige Strömungsgeschwindigkeitsverteilung in Umfangsrichtung. Insbesondere da das Strömungsfeld, das die Tiegelwand mit einer Wachstumsgrenzfläche verbindet, im Querschnitt senkrecht zu den Linien der Magnetkraft verbleibt, gelangt insbesondere der aus dem Quarztiegel eluierte Sauerstoff in den Kristall, so dass das Problem besteht, dass die durch das Anlegen eines horizontalen Magnetfelds erzielte Verringerung der Sauerstoffkonzentration eine Grenze hat und der Bedarf an extrem niedrigen Sauerstoffkonzentrationen in Halbleiterkristallen für Leistungsgeräte oder Bildsensoren, die in letzter Zeit stark nachgefragt werden, nur schwer zu decken ist. Des Weiteren kann das Vorhandensein des Flussfeldes, das in der Umfangsrichtung des Tiegels ungleichmäßig ist, Wachstumsstreifen in dem Einkristall verursachen, der gezogen wird, während er rotiert, und eine Widerstands/Sauerstoffkonzentrationsschwankung in einer Kristallrotationsperiode wird beobachtet, wenn der Querschnitt parallel zu einer Wachstumsrichtung ausgewertet wird, und daher gibt es auch ein Problem, dass eine ringförmige Verteilung in einer Waferebene gebildet wird, die in einer Richtung senkrecht zur Wachstumsrichtung geschnitten wird.
In Patentdokument 2 wird zur Lösung dieser Probleme eine Magnetfeldverteilung derart erzeugt, dass eine magnetische Flussdichteverteilung auf einer X-Achse eine nach oben konvexe Verteilung ist, wenn eine Richtung von Magnetkraftlinien auf der zentralen Achse eines Ziehofen in einer horizontalen Ebene, die Spulenachsen der supraleitenden Spulen einschließt, als X-Achse bestimmt wird, und dass eine magnetische Flussdichte auf der X-Achse 80 % oder weniger eines Sollwertes für die magnetische Flussdichte an einer Tiegelwand wird, und dass gleichzeitig eine Verteilung der magnetischen Flussdichte auf einer Y-Achse, die orthogonal zur X-Achse ist und durch die zentrale Achse in der horizontalen Ebene verläuft, eine Verteilung ist, die nach unten konvex ist, und eine magnetische Flussdichte auf der Y-Achse 140 % oder mehr des Sollwertes für die magnetische Flussdichte an der Tiegelwand wird, wenn die magnetische Flussdichte an der zentralen Achse in der horizontalen Ebene als Sollwert für die magnetische Flussdichte bestimmt wird. Darüber hinaus sind in der Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds zwei Paare supraleitender Spulen, die einander gegenüberliegend angeordnet sind, so vorgesehen, dass ihre jeweiligen Spulenachsen in derselben horizontalen Ebene liegen, und ein Mittenwinkel α, bei dem die X-Achse zwischen den Spulenachsen liegt, ist auf 100 Grad oder mehr und 120 Grad oder weniger eingestellt. Auf diese Weise kann die im Patentdokument 2 offenbarte Technologie die folgenden Effekte erzielen. Das heißt, eine Strömungsgeschwindigkeit des geschmolzenen Einkristallmaterials kann sogar in dem Querschnitt senkrecht zur X-Achse reduziert werden, der eine unzureichende Konvektionsunterdrückungskraft aufweist, die durch elektromagnetische Kraft bereitgestellt wird, und eine Strömungsgeschwindigkeit des geschmolzenen Einkristallmaterials in dem Querschnitt parallel zur X-Achse kann mit einer Strömungsgeschwindigkeit des geschmolzenen Einkristallmaterials in dem Querschnitt senkrecht zur X-Achse ausgeglichen werden. Wenn die Fließgeschwindigkeit des geschmolzenen Einkristallmaterials auch im Querschnitt senkrecht zur X-Achse verringert wird, verlängert sich außerdem die Zeit, die der von der Tiegelwand eluierte Sauerstoff benötigt, um den Einkristall zu erreichen, und es ist möglich, die Einkristallziehvorrichtung bereitzustellen, die die Sauerstoffkonzentration, die in den Einkristall aufgenommen wird, durch Erhöhung der Sauerstoffverdampfungsmenge von der freien Oberfläche des geschmolzenen Einkristallmaterials stark verringern kann. Weiterhin wird festgestellt, dass es möglich ist, die Einkristallziehvorrichtung bereitzustellen, die die Wachstumsstreifen in dem zu züchtenden Einkristall unterdrücken kann, indem die Strömungsgeschwindigkeit des geschmolzenen Einkristallmaterials in dem Querschnitt parallel zur X-Achse mit der Strömungsgeschwindigkeit des geschmolzenen Einkristallmaterials in dem Querschnitt senkrecht zur X-Achse ausgeglichen wird.
ZITATLISTE
PATENTLITERATUR

Patentdokument 1: JP 2004-51475 A
Patentdokument 2: JP 2017-57127 A

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHES PROBLEM
Die vorliegenden Erfinder haben jedoch die Magnetfeldverteilung mit verschiedenen Spulenanordnungen analysiert, und als Ergebnis hat sich gezeigt, dass die in Patentschrift 2 offenbarte Magnetfeldverteilung auch mit anderen als den in Patentschrift 2 offenbarten Spulenanordnungen realisiert werden kann. Darüber hinaus werden bei der im Patentdokument 2 offenbarten Spulenanordnung alle supraleitenden Spulen so nahe wie möglich an den Ziehofen 101 (Kammer) herangeführt, um die Effizienz des Magnetfeldes zu erhöhen. Daher wird der Raum zwischen den supraleitenden Spulen 104a und 104b oder 104c und 104d schmaler als die Kammer des Ziehofens 101 und das darin befindliche Graphitelement (siehe ).
Darüber hinaus ist es, wie in gezeigt, notwendig, die Kammer des Ziehofens 101 und das große Graphitelement vorübergehend anzuheben, um den supraleitenden Magneten 130 (Magnet) zu vermeiden, und dann herauszunehmen, selbst wenn ein Ausschnitt 131 in einem zylindrischen Behälter 105 auf beiden Seiten oder einer Seite der supraleitenden Spulen 104a und 104b oder 104c und 104d vorgesehen ist, um die Kammer des Ziehofens 101 anheben und rotieren zu lassen. Daher ist die Arbeitseffizienz schlecht, und da ein schweres Objekt an einen hohen Ort gehoben wird (unter Verwendung eines Arms 150, siehe ), erfordert der Vorgang eine Anstrengung, und es ist auch notwendig, die Sicherheit zu gewährleisten, so dass es beim Abbau und Aufbau notwendig ist, die Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds abzusenken und dann den Vorgang durchzuführen.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die obigen Probleme gemacht, und ein Ziel davon ist es, eine Einkristall-Ziehvorrichtung bereitzustellen, mit der es nicht notwendig ist, die Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds zu bewegen, wenn die Einkristall-Ziehvorrichtung abgebaut und aufgebaut wird, und die Sauerstoffkonzentration in dem zu züchtenden Einkristall reduziert werden kann, und gleichzeitig können Wachstumsstreifen in dem zu züchtenden Einkristall unterdrückt werden. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Einkristall-Ziehverfahren unter Verwendung einer solchen Einkristall-Ziehvorrichtung bereitzustellen.
LÖSUNG DES PROBLEMS
Um dieses Ziel zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung eine Einkristall-Ziehvorrichtung bereit, die Folgendes umfasst:

einen Ziehofen mit einer Heizung und einem Tiegel, in dem ein geschmolzenes Einkristallmaterial angeordnet ist, und der eine zentrale Achse aufweist; und
eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds, die um den Ziehofen herum angeordnet ist und supraleitende Spulen und einen Kryostaten aufweist, der die supraleitenden Spulen enthält,
wobei die Einkristall-Ziehvorrichtung ein horizontales Magnetfeld an das geschmolzene Einkristallmaterial durch Erregung der supraleitenden Spulen anlegt, um die Konvektion des geschmolzenen Einkristallmaterials in dem Tiegel zu unterdrücken,
wobei die Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds vier der supraleitenden Spulen aufweist, wobei alle Spulenachsen der vier supraleitenden Spulen so angeordnet sind, dass sie in einer einzigen horizontalen Ebene enthalten sind,
wenn eine Richtung von Magnetkraftlinien an der zentralen Achse in der horizontalen Ebene als X-Achse bestimmt wird, sind zwei der supraleitenden Spulen in jedem von einem ersten Bereich und einem zweiten Bereich angeordnet, die durch einen Querschnitt geteilt sind, der die X-Achse und die zentrale Achse des Ziehofens umfasst,
die vier supraleitenden Spulen sind so angeordnet, dass sie eine Liniensymmetrie um den Querschnitt aufweisen, die vier supraleitenden Spulen sind alle so angeordnet, dass die Spulenachsen einen Winkel innerhalb eines Bereichs von mehr als -30° und weniger als 30° in der horizontalen Ebene relativ zu einer Y-Achse aufweisen, wobei die Y-Achse senkrecht zur X-Achse steht,
die Richtung der von den vier supraleitenden Spulen erzeugten Magnetkraftlinien eine Liniensymmetrie um den Querschnitt aufweist, und
die beiden supraleitenden Spulen in jedem der ersten und zweiten Bereiche Magnetkraftlinien in entgegengesetzten Richtungen erzeugen.

Eine Einkristallziehvorrichtung mit einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds, die eine solche Anordnung von supraleitenden Spulen aufweist, kann eine Anordnung von supraleitenden Spulen erreichen, die es nicht erfordert, dass die Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds beim Abbau und Aufbau der Einkristallziehvorrichtung bewegt werden muss. Wenn die Einkristall-Ziehvorrichtung eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes mit einer solchen Anordnung von supraleitenden Spulen enthält, kann außerdem die Fließgeschwindigkeit des geschmolzenen Einkristallmaterials sogar in dem Querschnitt senkrecht zur X-Achse reduziert werden, der eine unzureichende Konvektionsunterdrückungskraft aufweist, die durch die elektromagnetische Kraft bereitgestellt wird, und die Fließgeschwindigkeit des geschmolzenen Einkristallmaterials in dem Querschnitt parallel zur X-Achse kann mit der Fließgeschwindigkeit des geschmolzenen Einkristallmaterials in dem Querschnitt senkrecht zur X-Achse ausgeglichen werden. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit des geschmolzenen Einkristallmaterials auch im Querschnitt senkrecht zur X-Achse reduziert wird, verlängert sich die Zeit, die der von der Tiegelwand eluierte Sauerstoff benötigt, um den Einkristall zu erreichen, und es ist möglich, eine Einkristallziehvorrichtung bereitzustellen, die die Sauerstoffkonzentration, die in den Einkristall aufgenommen wird, stark reduzieren kann, indem die Sauerstoffverdampfungsmenge von einer freien Oberfläche des geschmolzenen Einkristallmaterials erhöht wird. Darüber hinaus ist es möglich, die Einkristall-Ziehvorrichtung bereitzustellen, die die Wachstumsstreifen in dem zu züchtenden Einkristall unterdrücken kann, indem die Strömungsgeschwindigkeit des geschmolzenen Einkristallmaterials in dem Querschnitt parallel zur X-Achse mit der Strömungsgeschwindigkeit des geschmolzenen Einkristallmaterials in dem Querschnitt senkrecht zur X-Achse ausgeglichen wird.
In der erfindungsgemäßen Einkristall-Ziehvorrichtung umfasst die Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds als Kryostat vorzugsweise einen U-förmigen Kryostaten, der alle vier supraleitenden Spulen enthält, oder einen Kryostaten, der jeweils zwei der supraleitenden Spulen im ersten und im zweiten Bereich enthält, wobei die beiden Kryostaten eine strukturell gekoppelte Struktur haben.
Mit einer solchen Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes wird ein Raum, in dem sich nichts befindet, auf einer nahen oder fernen Seite der Richtung der Linien der Magnetkraft geschaffen, so dass es möglich wird, Elemente, die den Ziehofen konfigurieren, ohne Anheben und Absenken der Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes zu betreiben, und eine Vorrichtung zum Anheben und Absenken wird ebenfalls unnötig.
Außerdem kann die Höhe der supraleitenden Spulen in vertikaler Richtung größer sein als die Breite der supraleitenden Spulen in vertikaler Richtung von oben gesehen.
Wenn die supraleitenden Spulen der Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds eine solche Form haben, kann die magnetische Flussdichte in der zentralen Achse des Ziehofens in der horizontalen Ebene die die Spulenachsen enthält, erhöht werden, obwohl die Breite der Spulen von oben gesehen schmal ist.
Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ziehen von Einkristallen zur Verfügung, bei dem ein Silizium-Einkristall unter Verwendung einer der oben beschriebenen Einkristall-Ziehvorrichtungen gezogen wird.
Bei einem solchen Einkristallziehverfahren wird die Konzentration des aufgenommenen Sauerstoffs stark reduziert, und es kann ein Siliziumeinkristall mit unterdrückten Wachstumsstreifen gezüchtet werden.
VORTEILHAFTE AUSWIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Die erfindungsgemäße Einkristall-Ziehvorrichtung kann eine Anordnung von supraleitenden Spulen erreichen, die es nicht erfordert, dass die Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds beim Abbau und Aufbau der Einkristall-Ziehvorrichtung bewegt werden muss. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Einkristall-Ziehvorrichtung eine Einkristall-Ziehvorrichtung sein, die die Konzentration von Sauerstoff, der in den Einkristall aufgenommen wird, stark reduzieren kann, und auch Wachstumsstreifen in einem zu züchtenden Einkristall unterdrücken kann. Darüber hinaus wird gemäß dem erfindungsgemäßen Einkristallziehverfahren die Konzentration des aufgenommenen Sauerstoffs stark reduziert, und es kann ein Einkristall mit unterdrückten Wachstumsstreifen gezüchtet werden.
Figurenliste

ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel der erfindungsgemäßen Einkristall-Ziehvorrichtung zeigt, und (a) ist eine schematische Querschnittsansicht der Einkristall-Ziehvorrichtung und (b) ist eine schematische Ansicht, die eine Anordnung von supraleitenden Spulen in einer Supraleitfähigkeits-Erzeugungsvorrichtung zeigt (eine Ansicht von oben).
ist eine schematische Ansicht, die Beispiele für die Spulenanordnung in der erfindungsgemäßen Einkristall-Ziehvorrichtung zeigt (Ansicht von oben).
ist eine schematische Ansicht, die Beispiele von Kryostaten zeigt, die in eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes in der erfindungsgemäßen Einkristall-Ziehvorrichtung eingebaut sind.
ist eine schematische Ansicht, die eine Form von supraleitenden Spulen zeigt, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
In ist (a) eine schematische Ansicht, die ein Ergebnis der Magnetfeldanalyse durch Simulation in Beispiel 1 zeigt, und (b) eine schematische Ansicht, die eine Anordnung von supraleitenden Spulen in Beispiel 1 zeigt.
ist ein Diagramm, das die Ergebnisse der 3D-Schmelzekonvektionsanalyse unter Berücksichtigung der Magnetfeldverteilung durch Simulation in Beispiel 1 zeigt, und (a) zeigt einen Geschwindigkeitsvektor einer Schmelze in einem Querschnitt senkrecht zum Magnetfeld, (b) zeigt eine Sauerstoffkonzentration der Schmelze in dem Querschnitt senkrecht zum Magnetfeld, (c) zeigt einen Geschwindigkeitsvektor der Schmelze in einem Querschnitt parallel zum Magnetfeld, und (d) zeigt eine Sauerstoffkonzentration der Schmelze in dem Querschnitt parallel zum Magnetfeld.
zeigt (a) ein Diagramm, das ein Ergebnis der Magnetfeldanalyse durch Simulation in Vergleichsbeispiel 1 darstellt, und (b) ein Diagramm, das die Anordnung der supraleitenden Spulen in Vergleichsbeispiel 1 zeigt.
ist ein Diagramm, das die Ergebnisse der 3D-Schmelzekonvektionsanalyse unter Berücksichtigung der Magnetfeldverteilung durch Simulation in Vergleichsbeispiel 1 zeigt, und (a) zeigt einen Geschwindigkeitsvektor einer Schmelze in einem Querschnitt senkrecht zum Magnetfeld, (b) zeigt eine Sauerstoffkonzentration der Schmelze in dem Querschnitt senkrecht zum Magnetfeld, (c) zeigt einen Geschwindigkeitsvektor der Schmelze in einem Querschnitt parallel zum Magnetfeld, und (d) zeigt eine Sauerstoffkonzentration der Schmelze in dem Querschnitt parallel zum Magnetfeld.
zeigt (a) ein Diagramm, das ein Ergebnis der Magnetfeldanalyse durch Simulation in Vergleichsbeispiel 2 zeigt, und (b) ein Diagramm, das eine Anordnung von supraleitenden Spulen in Vergleichsbeispiel 2 zeigt.
ist ein Diagramm, das die Ergebnisse der 3D-Schmelzekonvektionsanalyse unter Berücksichtigung der Magnetfeldverteilung durch Simulation in Vergleichsbeispiel 2 zeigt, und (a) zeigt einen Geschwindigkeitsvektor einer Schmelze in einem Querschnitt senkrecht zum Magnetfeld, (b) zeigt eine Sauerstoffkonzentration der Schmelze in dem Querschnitt senkrecht zum Magnetfeld, (c) zeigt einen Geschwindigkeitsvektor der Schmelze in einem Querschnitt parallel zum Magnetfeld, und (d) zeigt eine Sauerstoffkonzentration der Schmelze in dem Querschnitt parallel zum Magnetfeld.
ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel für eine herkömmliche Einkristall-Ziehvorrichtung zeigt.
ist eine schematische perspektivische Ansicht, die ein Beispiel für einen supraleitenden Magneten in einer herkömmlichen Einkristall-Ziehvorrichtung zeigt.
ist ein Diagramm, das eine konventionelle magnetische Flussdichteverteilung zeigt.
zeigt eine schematische perspektivische Ansicht und eine schematische transversale Querschnittsansicht eines supraleitenden Magneten aus Patentdokument 1.
zeigt schematische transversale Querschnittansichten von supraleitenden Magneten des Patentdokuments 2, und (a) zeigt ein Gehäuse mit einem zylindrischen Behälter, und (b) zeigt ein Gehäuse mit einem Ausschnitt in einem Teil eines zylindrischen Behälters.
ist eine schematische Ansicht, die ein Verfahren zum Anheben und Drehen eines Ziehofens (Kammer) in einem Fall zeigt, in dem ein supraleitender Magnet des Patentdokuments 2 verwendet wird.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung als Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben, wobei die vorliegende Erfindung jedoch nicht darauf beschränkt ist.
Zunächst wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einkristall-Ziehvorrichtung unter Bezugnahme auf beschrieben. Die Einkristall-Ziehvorrichtung 21 in umfasst einen Ziehofen 11, in dem ein Heizer 13 und ein Tiegel 12, der ein geschmolzenes Einkristallmaterial (im Folgenden auch einfach als „Schmelze“ bezeichnet) 16 enthält, angeordnet sind und der eine zentrale Achse 20 aufweist, und eine Magnetfelderzeugungsvorrichtung 30, die um den Ziehofen 11 herum vorgesehen ist und supraleitende Spulen und einen Kryostaten aufweist, der die supraleitenden Spulen enthält, und die Einkristall-Ziehvorrichtung 21 so konfiguriert ist, dass sie ein horizontales Magnetfeld an die Schmelze 16 durch Erregung der supraleitenden Spulen anlegt, um die Konvektion der Schmelze 16 in dem Tiegel 12 zu unterdrücken, und in der Zwischenzeit einen Einkristall 19 in einer Ziehrichtung 18 zieht.
Darüber hinaus verfügt die Magnetfelderzeugungsvorrichtung 30 über supraleitende Spulen, die wie in gezeigt angeordnet sind. Wie in gezeigt, hat die Magnetfelderzeugungsvorrichtung 30 vier supraleitende Spulen. Außerdem sind die Spulenachsen aller vier supraleitenden Spulen 14a, 14b, 14c und 14d so angeordnet, dass sie in einer einzigen horizontalen Ebene liegen (die in gezeigte horizontale Ebene 22 umfasst die Spulenachsen). Wenn eine Richtung der Linien 17 der Magnetkraft an der zentralen Achse 20 in der horizontalen Ebene 22 als X-Achse bestimmt wird, sind des Weiteren zwei der supraleitenden Spulen jeweils in einem ersten Bereich und einem zweiten Bereich angeordnet, die durch einen Querschnitt unterteilt sind, der die X-Achse und die zentrale Achse 20 des Ziehofens umfasst. In sind die supraleitenden Spulen 14a und die supraleitenden Spulen 14d im ersten Bereich angeordnet, wenn die linke Seite der X-Achse auf der Seite als der erste Bereich und die rechte Seite der X-Achse als der zweite Bereich bestimmt ist.
Die supraleitenden Spulen 14b und die supraleitenden Spulen 14c sind im zweiten Bereich angeordnet. Darüber hinaus sind bei der vorliegenden Erfindung die vier supraleitenden Spulen 14a, 14b, 14c und 14d so angeordnet, dass sie eine Liniensymmetrie über den Querschnitt aufweisen, wie in gezeigt. Außerdem sind die vier supraleitenden Spulen 14a, 14b, 14c und 14d alle so angeordnet, dass die Spulenachsen einen Winkel innerhalb eines Bereichs von mehr als -30° und weniger als 30° in der horizontalen Ebene 22 relativ zu einer Y-Achse aufweisen, wobei die Y-Achse senkrecht zur X-Achse steht. zeigt einen Zustand, in dem die beiden supraleitenden Spulen, die jeweils in dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich angeordnet sind, so angeordnet sind, dass sie parallel zur X-Achse plaziert sind. Darüber hinaus ist in der vorliegenden Erfindung, die Richtung der Linien der Magnetkraft, die durch die vier supraleitenden Spulen 14a, 14b, 14c und 14d erzeugt werden, haben lineare Symmetrie über den Querschnitt, wie in gezeigt. Darüber hinaus erzeugen in der vorliegenden Erfindung die beiden supraleitenden Spulen Linien der Magnetkraft in entgegengesetzten Richtungen in jeweils dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich.
Wie oben beschrieben, müssen bei der vorliegenden Erfindung die vier supraleitenden Spulen 14a, 14b, 14c und 14d alle so angeordnet werden, dass die Spulenachsen in der horizontalen Ebene 22 relativ zur Y-Achse einen Winkel in einem Bereich von mehr als -30° und weniger als 30° aufweisen, wobei die Y-Achse senkrecht zur X-Achse steht. zeigt ein Beispiel für eine Spulenanordnung (Ansicht von oben) in der erfindungsgemäßen Einkristall-Ziehvorrichtung. zeigt einen Fall, in dem die Spulenachsen in der horizontalen Ebene 22 relativ zur Y-Achse 0° betragen. In diesem Fall liegen die vier supraleitenden Spulen 14a, 14b, 14c und 14d parallel zur X-Achse, und die Spulenachsen sind parallel zur Y-Achse.
zeigt einen Fall, in dem die Spulenachsen 25° in der horizontalen Ebene 22 relativ zur Y-Achse sind. In ähnlicher Weise zeigt einen Fall, in dem die Spulenachsen -25° in der horizontalen Ebene 22 relativ zur Y-Achse liegen. Wenn sich die Spulenachsen und die Y-Achse auf der von der X-Achse abgewandten Seite der supraleitenden Spulen schneiden, wird der Winkel als negativer Winkel definiert, wie in gezeigt.
Wenn die Spulenachsen so angeordnet sind, dass sie einen Winkel innerhalb eines Bereichs von mehr als -30° und weniger als 30° relativ zur Y-Achse aufweisen, kann eine vorbestimmte Magnetfeldverteilung erzeugt werden. Mit einer solchen Magnetfeldverteilung, die durch die Anordnung der supraleitenden Spulen der vorliegenden Erfindung gebildet wird, kann eine Fließgeschwindigkeit des geschmolzenen Einkristallmaterials sogar in dem Querschnitt senkrecht zur X-Achse, der konventionell eine unzureichende Konvektionsunterdrückungskraft aufweist, die durch elektromagnetische Kraft bereitgestellt wird, reduziert werden, und eine Fließgeschwindigkeit des geschmolzenen Einkristallmaterials in dem Querschnitt parallel zur X-Achse kann mit einer Fließgeschwindigkeit des geschmolzenen Einkristallmaterials in dem Querschnitt senkrecht zur X-Achse ausgeglichen werden. Wenn die Fließgeschwindigkeit des geschmolzenen Einkristallmaterials sogar im Querschnitt senkrecht zur X-Achse reduziert wird, verlängert sich außerdem die Zeit, die der von der Tiegelwand eluierte Sauerstoff benötigt, um den Einkristall zu erreichen, und es ist möglich, eine Einkristallziehvorrichtung bereitzustellen, die die Sauerstoffkonzentration, die in den Einkristall aufgenommen wird, stark reduzieren kann, indem die Sauerstoffverdampfungsmenge von einer freien Oberfläche des geschmolzenen Einkristallmaterials erhöht wird. Darüber hinaus ist es möglich, die Einkristall-Ziehvorrichtung bereitzustellen, die die Wachstumsstreifen in dem zu züchtenden Einkristall unterdrücken kann, indem die Strömungsgeschwindigkeit des geschmolzenen Einkristallmaterials in dem Querschnitt parallel zur X-Achse mit der Strömungsgeschwindigkeit des geschmolzenen Einkristallmaterials in dem Querschnitt senkrecht zur X-Achse ausgeglichen wird.
Wenn die Spulenachsen so angeordnet sind, dass sie einen Winkel innerhalb eines Bereichs von mehr als -30° und weniger als 30° relativ zur Y-Achse aufweisen, ist es außerdem möglich, eine Anordnung von supraleitenden Spulen zu erreichen, die es nicht erfordert, dass die Magnetfelderzeugungsvorrichtung beim Abbau und Aufbau der Einkristallziehvorrichtung bewegt werden muss. Wenn die Spulenachsen so angeordnet sind, dass sie einen Winkel im Bereich von -30° oder weniger oder 30° oder mehr relativ zur Y-Achse aufweisen, wird die Breite des Kryostats, der die supraleitenden Spulen enthält, groß, oder der Abstand zwischen den supraleitenden Spulen wird kurz, und es besteht das Problem, dass die Vorrichtung zur Erzeugung des Magnetfelds wie zuvor angehoben und abgesenkt werden muss, um das Graphitbauteil abzubauen und aufzubauen.
Der Winkel der Spulenachsen beträgt besonders bevorzugt -5° oder weniger gegenüber der Y-Achse. Bei einem solchen Winkel kann die magnetische Flussdichte an der zentralen Achse auch dann beibehalten werden, wenn die Anzahl der Windungen des supraleitenden Drahtes oder der Stromwert reduziert wird, so dass die auf die Spulen ausgeübte Kraft reduziert werden kann und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds erreicht werden kann, die nicht leicht zu quenchen ist.
Darüber hinaus kann die Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds als Kryostat zur Erzeugung des supraleitenden Zustands einen U-förmigen Kryostaten 31 umfassen, der alle vier supraleitenden Spulen 14a, 14b, 14c und 14d enthält, wie in gezeigt. Alternativ kann die Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds einen Kryostaten umfassen, der jeweils zwei der supraleitenden Spulen im ersten Bereich und im zweiten Bereich enthält, wobei die beiden Kryostaten eine strukturell gekoppelte Struktur aufweisen. Ein Beispiel für einen Kryostaten dieser Ausführungsform ist in dargestellt. In dieser Ausführungsform sind zwei supraleitende Spulen 14a und 14d in einem ersten Kryostaten 32 in dem ersten Bereich und zwei supraleitende Spulen 14b und 14c in einem zweiten Kryostaten 33 in dem zweiten Bereich untergebracht. Außerdem sind der erste Kryostat 32 und der zweite Kryostat 33 mit einem Strukturelement 34 strukturell gekoppelt.
Mit einer solchen Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes wird ein Raum geschaffen, in dem sich nichts befindet, und zwar in der Nähe oder in der Ferne der Richtung der Linien der Magnetkraft, so dass es möglich wird, eine Kammer des Ziehofens 11 zu drehen oder ein Graphitbauteil abzubauen und aufzubauen, ohne die Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes anzuheben und abzusenken, und eine Vorrichtung zum Anheben und Absenken wird ebenfalls unnötig.
Man beachte, dass bei den supraleitenden Spulen, die in der erfindungsgemäßen Einkristall-Ziehvorrichtung verwendet werden, die Höhe der supraleitenden Spulen in vertikaler Richtung größer sein kann als die Breite der supraleitenden Spulen von oben in vertikaler Richtung gesehen. und (b) zeigen solche supraleitenden Spulen. zeigt einen Querschnitt durch die supraleitenden Spulen. zeigt seitlich gedreht, und die Höhe der supraleitenden Spulen ist durch H dargestellt. Die Richtung von H ist die Auf- und Abwärtsrichtung der vertikalen Richtung. In ist R der Krümmungsradius eines gekrümmten Abschnitts (Kreisbogen) der supraleitenden Spulen. Wenn die supraleitenden Spulen der Magnetfelderzeugungsvorrichtung eine solche Form haben, kann die magnetische Flussdichte in der zentralen Achse des Ziehofens in der horizontalen Ebene einschließlich der Spulenachsen erhöht werden, auch wenn die Breite der Spulen von oben gesehen schmal ist.
Darüber hinaus kann ein Siliziumeinkristall mit Hilfe der erfindungsgemäßen Einkristallziehvorrichtung gezogen werden. Bei einem solchen Einkristallziehverfahren wird die Konzentration des aufgenommenen Sauerstoffs stark reduziert, und es kann ein Siliziumeinkristall mit unterdrückten Wachstumsstreifen gezüchtet werden.
BEISPIEL
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Beispielen und Vergleichsbeispielen näher beschrieben. Diese Beispiele sind jedoch lediglich als Beispiele dargestellt und sollten nicht als einschränkend verstanden werden.
(Beispiel 1)
Mit Hilfe einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes wurden eine Magnetfeldanalyse und eine 3D-Schmelzkonvektionsanalyse durchgeführt, dann wurde ein Silizium-Einkristall mit Hilfe dieser Vorrichtung gezogen. Die Magnetfelderzeugungsvorrichtung hatte zwei Paare von (vier) Spulen mit einem Radius von 250 mm in oberen und unteren Kreisbögen und einer Höhe von 1000 mm, und wenn die Richtung der Linien der Magnetkraft auf der zentralen Achse in einer horizontalen Ebene einschließlich der Spulenachsen der zwei Paare von (vier) supraleitenden Spulen als X-Achse bestimmt wurde, wurde ein Paar von zwei supraleitenden Spulen jeweils parallel zur X-Achse auf jeweils der linken und der rechten Seite (erster Bereich und zweiter Bereich) des Querschnitts, der die X-Achse und die zentrale Achse des Ziehofens einschließt, plaziert und angeordnet, um eine Liniensymmetrie um den Querschnitt aufzuweisen.
ist das Ergebnis einer Magnetfeldanalyse mit ANSYS-Maxwell 3D, und wurde erhalten durch Einstellen der Stromstärke x Anzahl der Windungen der Spulen so eingestellt wurden, dass die magnetische Flussdichte auf der zentralen Achse 1000 Gauß (0,1 Tesla) beträgt, und Durchführen der Analyse und anschließend Anzeigen der Verteilung der magnetischen Flussdichte. Es ist zu beachten, dass eine schematische Ansicht ist, die die Anordnung der vier supraleitenden Spulen 14a, 14b, 14c und 14d in diesem Fall zeigt.
Die magnetische Flussdichte des Raums, der die Kristall- und Schmelzregionen einschließt, wurde aus den Ergebnissen der oben beschriebenen Magnetfeldanalyse extrahiert, und die 3D-Schmelzkonvektionsanalyse wurde unter Berücksichtigung der Magnetfeldverteilung durchgeführt. und (c) zeigen den Geschwindigkeitsvektor in der Schmelze, der aus den Ergebnissen der Analyse erhalten wurde ( ist ein Querschnitt senkrecht zum Magnetfeld, und ist ein Querschnitt parallel zum Magnetfeld). und (d) zeigen die Sauerstoffkonzentrationsverteilung in der Schmelze ( ist ein Querschnitt senkrecht zum Magnetfeld und ist ein Querschnitt parallel zum Magnetfeld).
In diesem Fall wurden die Berechnungen unter folgenden Bedingungen durchgeführt: eine Ladungsmenge von 400 kg, ein 32-Zoll-Tiegel (1 Zoll entspricht 25,4 mm), ein Siliziumkristall mit einem Durchmesser von 306 mm, eine Kristallrotation von 9 U/min, eine Tiegelrotation von 0,4 U/min und eine Ziehgeschwindigkeit von 0,4 mm/min.
Im Magnetfeld von Beispiel 1 war die konvektionsunterdrückende Kraft im Querschnitt senkrecht zu den Magnetkraftlinien ebenfalls stark wie im unten beschriebenen Vergleichsbeispiel 2, und ein vergleichsweise aktiver Fluss wurde nur unterhalb des Kristallendes beobachtet. Darüber hinaus war die Sauerstoffkonzentration in der Schmelze gering.
Mit dieser Spulenanordnung (siehe ) ist es nicht erforderlich, die Vorrichtung zur Erzeugung des Magnetfelds vor dem Abbauen und Aufbauen der Graphitkomponente anzuheben und abzusenken. Darüber hinaus wurde ein Kristall mit einer extrem niedrigen Sauerstoffkonzentration von unter 5 ppma-JEIDA auf der gesamten Waferoberfläche und einer ausgezeichneten Verteilung in der Ebene erfolgreich hergestellt.
(Vergleichsbeispiel 1)
Mit einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds, die aus einem Paar (zwei) Spulen mit einem Außendurchmesser von 1100 mm besteht, die bisymmetrisch um die zentrale Achse einer Ziehmaschine angeordnet sind, wurden eine Magnetfeldanalyse und eine 3D-Schmelzkonvektionsanalyse durchgeführt, und anschließend wurde ein Siliziumeinkristall mit dieser Vorrichtung gezogen.
ist das Ergebnis einer Magnetfeldanalyse mit ANSYS-Maxwell 3D, und wurde erhalten durch Anpassen der Stromstärke x Anzahl der Windungen der Spulen so eingestellt wurden, dass die magnetische Flussdichte auf der zentralen Achse 1000 Gauß (0,1 Tesla) beträgt, und Durchführen der Analyse und anschließend Anzeigen der Verteilung der magnetischen Flussdichte. ist eine schematische Ansicht, die die Anordnung der beiden supraleitenden Spulen 104a und 104b in diesem Fall zeigt.
Die magnetische Flussdichte des Raums, der die Kristall- und Schmelzregionen einschließt, wurde aus den Ergebnissen der Magnetfeldanalyse extrahiert, und die 3D-Schmelzkonvektionsanalyse wurde unter Berücksichtigung der Magnetfeldverteilung durchgeführt. (a) und (c) von zeigen den Geschwindigkeitsvektor in der Schmelze, der aus den Ergebnissen der Analyse erhalten wurde ( ist ein Querschnitt senkrecht zum Magnetfeld, und ist ein Querschnitt parallel zum Magnetfeld). Gleichzeitig zeigen (b) und (d) von die Sauerstoffkonzentrationsverteilung in der Schmelze ( ist ein Querschnitt senkrecht zum Magnetfeld und ist ein Querschnitt parallel zum Magnetfeld). Im Magnetfeld von Vergleichsbeispiel 1 war die konvektionsunterdrückende Kraft im Querschnitt senkrecht zu den Magnetfeldlinien schwach, und es entstand eine aktive Wirbelströmung. Darüber hinaus war die Sauerstoffkonzentration in der Schmelze hoch.
Wie in Beispiel 1 wurden auch in diesem Fall die Berechnungen unter folgenden Bedingungen durchgeführt: eine Ladungsmenge von 400 kg, ein 32-Zoll-Tiegel (1 Zoll entspricht 25,4 mm), ein Siliziumkristall mit einem Durchmesser von 306 mm, eine Kristallrotation von 9 U/min, eine Tiegelrotation von 0,4 U/min und eine Ziehgeschwindigkeit von 0,4 mm/min.
Bei dieser Spulenanordnung (siehe ) ist es nicht erforderlich, die Vorrichtung zur Erzeugung des Magnetfelds vor dem Abbau und dem Aufbau des Graphitbauteils anzuheben und abzusenken. Es war jedoch nicht möglich, einen Kristall mit einer extrem niedrigen Sauerstoffkonzentration von unter 5 ppma-JEIDA auf der gesamten Waferoberfläche und einer hervorragenden Verteilung in der Ebene zu erhalten.
(Vergleichsbeispiel 2)
Mit Hilfe einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes wurden eine Magnetfeldanalyse und eine 3D-Schmelzkonvektionsanalyse durchgeführt und anschließend ein Silizium-Einkristall mit Hilfe dieser Vorrichtung gezogen. Die Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds hatte, wenn die Richtung der Linien der Magnetkraft in der horizontalen Ebene, die die Spulenachsen an der zentralen Achse der Ziehmaschine einschließt, als X-Achse bestimmt wurde, Paare von Spulen mit einem Durchmesser von 900 mm, die so angeordnet waren, dass sie einander gegenüberstanden, um zwei Paare von (vier) Spulen zu bilden, so dass die Spulenachsen in derselben horizontalen Ebene lagen. Darüber hinaus wurden die Spulen in einem zylindrischen Behälter angeordnet, wobei der Winkel α zwischen den Spulenachsen und der X-Achse 120 Grad betrug.
ist das Ergebnis einer Magnetfeldanalyse mit ANSYS-Maxwell 3D, und wurde erhalten durch Einstellen der Stromstärke x Anzahl der Windungen der Spulen so, dass die magnetische Flussdichte auf der zentralen Achse 1000 Gauß (0,1 Tesla) betrug, und Durchführen der Analyse und anschließend Anzeigen der Verteilung der magnetischen Flussdichte. Es ist zu beachten, dass eine schematische Ansicht ist, die die Anordnung der vier supraleitenden Spulen 104a, 104b, 104c und 104d in diesem Fall zeigt.
Die magnetische Flussdichte des Raums, der die Kristall- und Schmelzregionen einschließt, wurde aus den Ergebnissen der Magnetfeldanalyse extrahiert, und die 3D-Konvektionsanalyse der Schmelze wurde unter Berücksichtigung der Magnetfeldverteilung durchgeführt. und (c) zeigen den Geschwindigkeitsvektor in der Schmelze, der aus den Ergebnissen der Analyse gewonnen wurde ( ist ein Querschnitt senkrecht zum Magnetfeld und ist ein Querschnitt parallel zum Magnetfeld). und (d) zeigen die Sauerstoffkonzentrationsverteilung in der Schmelze ( ist ein Querschnitt senkrecht zum Magnetfeld und ist ein Querschnitt parallel zum Magnetfeld).
Im Magnetfeld von Vergleichsbeispiel 2 war die konvektionsunterdrückende Kraft auch im Querschnitt senkrecht zu den Magnetkraftlinien stark, und ein vergleichsweise aktiver Fluss wurde nur unterhalb des Kristallendes beobachtet. Darüber hinaus war die Sauerstoffkonzentration in der Schmelze gering.
Wie in Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 wurden die Berechnungen in diesem Fall unter folgenden Bedingungen durchgeführt: eine Ladungsmenge von 400 kg; ein 32-Zoll-Tiegel (1 Zoll entspricht 25,4 mm); ein Siliziumkristall mit einem Durchmesser von 306 mm; eine Kristallrotation von 9 U/min; eine Tiegelrotation von 0,4 U/min; und eine Ziehgeschwindigkeit von 0,4 mm/min.
Mit dieser Spulenanordnung (siehe ) ist es möglich, einen Kristall mit einer extrem niedrigen Sauerstoffkonzentration von unter 5 ppma-JEIDA auf der gesamten Oberfläche und einer hervorragenden Verteilung in der Ebene zu erhalten. Es ist jedoch erforderlich, die Vorrichtung zur Erzeugung des Magnetfeldes vor dem Abbau und dem Aufbau des Graphitbauteils anzuheben und abzusenken.
Es ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Die Ausführungsformen sind nur Beispiele, und alle Beispiele, die im Wesentlichen die gleichen Merkmale aufweisen und die gleichen Funktionen und Wirkungen zeigen wie die in dem technischen Konzept, das in den Ansprüchen der vorliegenden Erfindung offenbart ist, sind in den technischen Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung einbezogen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2004051475 A [0015]
JP 2017057127 A [0015]

Claims

Einkristall-Ziehvorrichtung, umfassend: einen Ziehofen mit einer Heizung und einem Tiegel, in dem ein geschmolzenes Einkristallmaterial angeordnet ist, und der eine zentrale Achse aufweist; und eine Magnetfelderzeugungsvorrichtung, die um den Ziehofen herum angeordnet ist und supraleitende Spulen und einen Kryostaten aufweist, der die supraleitenden Spulen enthält, wobei die Einkristall-Ziehvorrichtung ein horizontales Magnetfeld an das geschmolzene Einkristallmaterial durch Erregung der supraleitenden Spulen anlegt, um die Konvektion des geschmolzenen Einkristallmaterials in dem Tiegel zu unterdrücken, wobei die Magnetfelderzeugungsvorrichtung vier der supraleitenden Spulen aufweist, wobei alle Spulenachsen der vier supraleitenden Spulen so angeordnet sind, dass sie in einer einzigen horizontalen Ebene enthalten sind, wenn eine Richtung von Magnetkraftlinien an der zentralen Achse in der horizontalen Ebene als X-Achse bestimmt wird, sind zwei der supraleitenden Spulen in jedem von einem ersten Bereich und einem zweiten Bereich angeordnet, die durch einen Querschnitt geteilt sind, der die X-Achse und die zentrale Achse des Ziehofens umfasst, die vier supraleitenden Spulen sind so angeordnet, dass sie eine Liniensymmetrie um den Querschnitt aufweisen, die vier supraleitenden Spulen sind alle so angeordnet, dass die Spulenachsen einen Winkel innerhalb eines Bereichs von mehr als -30° und weniger als 30° in der horizontalen Ebene relativ zu einer Y-Achse aufweisen, wobei die Y-Achse senkrecht zur X-Achse steht, die Richtung der von den vier supraleitenden Spulen erzeugten Magnetkraftlinien eine Liniensymmetrie um den Querschnitt aufweist, und die beiden supraleitenden Spulen in jedem der ersten und zweiten Bereiche Magnetkraftlinien in entgegengesetzten Richtungen erzeugen.
Einkristall-Ziehvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds als Kryostat Folgendes umfasst: einen U-förmigen Kryostaten, der alle vier supraleitenden Spulen enthält, oder einen Kryostaten, der jeweils zwei der supraleitenden Spulen im ersten Bereich und im zweiten Bereich enthält, wobei die beiden Kryostaten eine strukturell gekoppelte Struktur haben.
Einkristall-Ziehvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Höhe der supraleitenden Spulen in vertikaler Richtung größer ist als die Breite der supraleitenden Spulen von oben in vertikaler Richtung gesehen.
Einkristallziehverfahren, bei dem ein Siliciumeinkristall unter Verwendung der Einkristallziehvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3 gezogen wird.