DE112021006162T5

DE112021006162T5 - Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls und Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls

Info

Publication number: DE112021006162T5
Application number: DE112021006162.3T
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Kamada; Kiyotaka Takano
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2021-01-26
Filing date: 2021-11-22
Publication date: 2023-09-28
Also published as: WO2022163091A1; CN116710602A; KR20230133299A; JP2022114134A; US20240076800A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung ist eine Vorrichtung zum Ziehen von Einkristallen, die Folgendes umfasst: einen Ziehofen mit einer zentralen Achse; und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds, die um den Ziehofen herum vorgesehen ist und Spulen aufweist, um ein horizontales Magnetfeld an geschmolzenes Halbleiter-Rohmaterial anzulegen, um die Konvektion in einem Tiegel zu unterdrücken, in dem Hauptspulen und Nebenspulen vorgesehen sind, wobei als die Hauptspulen zwei Paare von Spulen vorgesehen sind, die einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei zwei Spulenachsen davon in derselben horizontalen Ebene enthalten sind, ein Mittelpunktwinkel α zwischen den beiden Spulenachsen, die die X-Achse, die eine Magnetkraftlinienrichtung auf der zentralen Achse in der horizontalen Ebene ist, einschließen, 100 Grad oder mehr und 120 Grad oder weniger beträgt, als Nebenspulen ein Paar supraleitender Spulen vorgesehen ist, die so angeordnet sind, dass sie einander zugewandt sind, und deren eine Spulenachse mit der X-Achse ausgerichtet ist, und Stromwerte der Hauptspulen und der Nebenspulen unabhängig eingestellt werden können. Auf diese Weise werden eine Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls und ein Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls bereitgestellt, die in der Lage sind, einen Einkristall mit einer niedrigen Sauerstoffkonzentration zu erzeugen und einen defektfreien Einkristall mit einer normalen Sauerstoffkonzentration mit hoher Geschwindigkeit in der gleichen Vorrichtung zu züchten.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls, wie zum Beispiel eines Silizium-Einkristalls, der als Halbleitersubstrat verwendet wird, und insbesondere bezieht sie sich auch auf eine Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls und ein Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls gemäß einer horizontalen Magnetfeldanlegung nach dem Czochralski-Verfahren (HMCZ-Verfahren).
STAND DER TECHNIK
Halbleiter wie Silizium und Galliumarsenid bestehen aus Einkristallen und werden für Speicherbausteine oder ähnliches in kleinen und großen Computern verwendet, und es besteht eine Nachfrage nach kostengünstigen und qualitativ hochwertigen Speicherbausteinen mit großer Kapazität.
Das Czochralski-Verfahren, als ein Hauptverfahren zur Herstellung von Silizium-Einkristallen ist eine Herstellungsmethode, bei der ein Silizium-Rohmaterial in einem Quarztiegel zu einer Schmelze geschmolzen wird, ein Impfkristall mit der Schmelze in Kontakt gebracht wird und ein Einkristall durch Hochziehen und Drehen gewonnen wird. Gegenwärtig ist das magnetfeldangelegte CZ-Verfahren (im Folgenden als „MCZ-Verfahren“ bezeichnet), bei dem die Konvektion durch Anlegen eines Magnetfelds an die Schmelze unterdrückt wird, die Hauptrichtung für die Herstellung von Kristallen mit einem Durchmesser von 300 mm (12 Zoll) oder mehr. Leitfähige Flüssigkeiten wie Siliziumschmelze können durch Anlegen eines Magnetfelds die Konvektion unterdrücken. Durch die Unterdrückung der Konvektion können die Temperaturschwankungen der Schmelze verringert und ein stabiles Kristallwachstum in Bezug auf Betrieb und Qualität erreicht werden.
Hier wird der Mechanismus der Konvektionsunterdrückung des MCZ-Verfahrens beschrieben. Tritt in der Schmelze durch thermische Konvektion oder ähnliches eine vertikale Strömung auf, so wird in horizontaler Richtung senkrecht zum Magnetfeld und zur Konvektion ein elektrisches Feld nach der Flemingschen Rechte-Hand-Regel erzeugt. Wenn aufgrund dieses elektrischen Feldes ein induzierter Strom fließt, entsteht eine Lorentzkraft gemäß der Flemingschen Linke-Hand-Regel. Die Richtung dieser Kraft ist die entgegengesetzte Richtung des zuerst erzeugten Stroms, und die Konvektion wird unterdrückt.
Bei dem HMCZ-Verfahren, bei dem ein horizontales Magnetfeld angelegt wird, fließt jedoch in dem Bereich, in dem die Wandfläche des Quarztiegels und die Magnetkraftlinien parallel sind, kein induzierter Strom, da Quarz ein Isolator ist, und die Konvektion wird nicht unterdrückt. 13 zeigt eine Draufsicht auf die Anordnung eines Paares supraleitender Spulen (Spulen) in einer herkömmlichen Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls 110. Wie in 13 gezeigt, ist es im Falle einer solchen Spulenanordnung, bei der ein Spulenpaar (104a und 104b) einfach innerhalb der Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds 130 angeordnet ist, die sich außerhalb der Vorrichtung zum Ziehen 110 befindet (109 ist die zentrale Achse des Ziehofen), unvermeidlich, dass es einen Bereich gibt, in dem die Wandoberfläche des Tiegels 106 und die Magnetkraftlinien 107 parallel sind, und die Konvektion in diesem Bereich nicht ausreichend unterdrückt wird. In diesem Bereich wird die Oberflächenströmungsgeschwindigkeit von der Tiegelwandoberfläche zum Kristall relativ hoch, und der in der Schmelze des Quarztiegels gelöste Sauerstoff erreicht den Kristall, ohne an der Oberfläche ausreichend verdampft zu werden. Infolgedessen kann die Sauerstoffkonzentration im Kristall nicht wie beabsichtigt gesenkt werden. Dies kann vor allem bei der Herstellung von Einkristallen mit einer niedrigen Sauerstoffkonzentration von 4×10¹⁷ Atomen/cm³ oder weniger zu einem Problem werden.
Als eine Gegenmaßnahme wird beispielsweise bei der in Patentdokument 1 beschriebenen Technik die Richtung der Magnetkraftlinie in der Mittelachse des Ziehofen als X-Achse und die dazu senkrechte Richtung als Y-Achse definiert, wodurch die Form der magnetischen Flussdichteverteilung auf jeder Achse und die relative Intensität an der Tiegelwand festgelegt wird. Auf diese Weise kann die thermische Konvektion effektiver unterdrückt werden, so dass ein Kristall mit einer geringeren Sauerstoffkonzentration erhalten werden kann. Als Mittel zur Verwirklichung einer solchen magnetischen Flussdichteverteilung wird eine Vorrichtung zum Ziehen offenbart, die den Mittelpunktwinkel zwischen den jeweiligen Spulenachsen der beiden Spulenpaare (die Achsen, die durch die Zentren der einander gegenüber angeordneten Spulenpaare verlaufen) definiert.
ZITATLISTE
PATENTLITERATUR

Patentdokument 1: Japanisches Patent Nr. 6436031
Patentdokument 2: JP 2019-196289 A
Patentdokument 3: JP 2004-051475 A
Patentdokument 4: JP 2004-189559 A

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHES PROBLEM
Mit der Vorrichtung zum Ziehen, die die in Patentschrift 1 beschriebene magnetische Flussdichteverteilung aufweist, ist es möglich, einen Einkristall mit geringer Sauerstoffkonzentration und unterdrückten Wachstumsstreifen zu züchten. Um eine solche magnetische Flussdichteverteilung zu erreichen, ist es jedoch notwendig, die Spulen so anzuordnen, dass die Magnetkraftlinien gebogen werden, so dass im Vergleich zu einer Spulenanordnung mit weniger Biegung der Magnetkraftlinien die zentrale magnetische Flussdichte in Bezug auf den Spulenstromwert kleiner wird. Daher kann man sagen, dass sie unter dem Gesichtspunkt der magnetischen Flussdichte auf der zentralen Achse (zentrale magnetische Flussdichte) ineffizient ist.
Es ist bekannt, dass ein Einkristall mit defektfreien Bereichen erhalten werden kann, indem das Verhältnis V/G zwischen der Kristallziehgeschwindigkeit V und dem Temperaturgradienten G im Kristall in Richtung der Ziehachse in der Nähe der Kristallwachstumsgrenze auf einen geeigneten Bereich eingestellt wird. Um den Temperaturgradienten (G_ctr) in Richtung der Ziehachse in der Kristallmitte zu erhöhen, ist es effektiv, die zentrale magnetische Flussdichte zu erhöhen. Wenn G_ctr erhöht werden kann, kann die Ziehgeschwindigkeit V zur Gewinnung eines Einkristalls mit defektfreien Bereichen erhöht werden, was eine effizientere Züchtung eines Einkristalls mit defektfreien Bereichen ermöglicht.
Umgekehrt ist unter Bedingungen, bei denen die zentrale magnetische Flussdichte niedrig ist, auch G_ctr klein, und die Wachstumseffizienz defektfreier Kristalle ist geringer. Wenn G_ctr kleiner als ein bestimmter Schwellenwert wird, wird außerdem die latente Wärme (Erstarrungswärme) pro Zeiteinheit, die an der Fest-Flüssig-Grenzfläche aufgrund der reduzierten V erzeugt wird, reduziert, was G_ctr weiter verringert, selbst wenn V reduziert wird, um Leerraumdefekte im Kristallzentrum defektfrei zu machen. Um das Zentrum des Kristalls vollständig defektfrei zu machen, muss also V stark abgesenkt werden. Infolgedessen kann das Gleichgewicht mit dem Temperaturgradienten G_edg in Richtung der Ziehachse am äußeren Umfang des Kristalls nicht aufrechterhalten werden, und ein defektfreier Einkristall kann nicht in der gesamten in-plane-Region erhalten werden.
Das oben beschriebene Phänomen kann unabhängig von der Sauerstoffkonzentration bei der Züchtung von Einkristallen mit defektfreien Bereichen ein Problem darstellen. Insbesondere bei der Züchtung mit einer normalen Sauerstoffkonzentration von 8×10¹⁷ Atomen/cm³ oder mehr, die bei Produkten für Speicher oder dergleichen üblich ist, besteht das Problem, dass die Produktivität geringer ist als bei anderen Spulenanordnungen (oder die Herstellung nicht möglich ist) bei der Technik des Patentdokuments 1. Der Grund dafür ist, dass, wenn die Spezifikation der Sauerstoffkonzentration 8×10¹⁷ Atome/cm³ oder mehr beträgt, es nicht notwendig ist, die Sauerstoffkonzentration aktiv zu senken, indem eine Technik wie Patentdokument 1 verwendet wird, und ein Einkristall mit einer höheren Ziehgeschwindigkeit durch eine Spulenanordnung hergestellt werden kann, dass die zentrale magnetische Flussdichte effektiv erhöht werden kann, wie in 13 gezeigt.
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der obigen Ausführungen gemacht, und es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls und ein Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls bereitzustellen, die in der Lage sind, einen Einkristall mit niedriger Sauerstoffkonzentration herzustellen und einen Einkristall mit normaler Sauerstoffkonzentration in einem defektfreien Bereich mit hoher Geschwindigkeit mit der gleichen Vorrichtung zu züchten.
LÖSUNG DES PROBLEMS
Um das obige Ziel zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls bereit, die Folgendes umfasst: einen Ziehofen, in dem eine Heizungs-Heizvorrichtung und ein Tiegel, der ein geschmolzenes Halbleiter-Rohmaterial enthält, angeordnet sind und der eine zentrale Achse aufweist; und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds, die um den Ziehofen herum vorgesehen ist und supraleitende Spulen aufweist, zum Anlegen eines horizontalen Magnetfeldes an das geschmolzene Halbleiter-Rohmaterial durch Energetisieren der supraleitenden Spulen, um die Konvektion des geschmolzenen Halbleiter-Rohmaterials in dem Tiegel zu unterdrücken,
wobei,
als supraleitende Spulen der Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds Hauptspulen und Nebenspulen vorgesehen sind,
als Hauptspulen zwei Paare von supraleitenden Spulen vorgesehen sind die einander gegenüberliegen,
wenn eine Achse, die durch die Mittelpunkte eines Paars einander gegenüberliegender supraleitender Spulen verläuft, als Spulenachse definiert ist, liegen zwei Spulenachsen der beiden Paare supraleitender Spulen, die die Hauptspulen sind, in derselben horizontalen Ebene,
wenn die Richtung der Magnetkraftlinie auf der zentralen Achse in der horizontalen Ebene als X-Achse definiert ist, sind die Hauptspulen so angeordnet, dass der Mittelpunktwinkel α zwischen den beiden Spulenachsen, die die X-Achse einschlie-ßen, 100 Grad oder mehr und 120 Grad oder weniger beträgt,
als die Nebenspulen ein Paar supraleitender Spulen vorgesehen ist, die einander gegenüberliegend angeordnet sind, und die Nebenspulen so angeordnet sind, dass eine Spulenachse des Paares supraleitender Spulen, die die Nebenspulen sind, mit der X-Achse ausgerichtet ist, und
Stromwerte der Hauptspulen und der Nebenspulen unabhängig voneinander eingestellt werden können.
Wenn die Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds der Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls wie oben beschrieben konfiguriert ist, indem die Stromwerte der Hauptspulen und der Nebenspulen auf geeignete Werte entsprechend der zu erzeugenden (gezogenen) Produktspezifikation eingestellt werden, kann es sich um eine Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls handeln, die eine Einkristallproduktion mit niedriger Sauerstoffkonzentration und eine Hochgeschwindigkeits-Züchtung eines Einkristalls in einem defektfreien Bereich mit einer normalen Sauerstoffkonzentration ermöglicht.
Zu diesem Zeitpunkt können die Hauptspulen und die Nebenspulen eine beliebige Rennbahnform, eine elliptische Form oder eine Sattelform haben, die in dieselbe Richtung wie die äußere Form des Ziehofens gekrümmt ist, und
eine Höhe in vertikaler Richtung kann kürzer sein als eine Breite in horizontaler Richtung.
Mit einer derartigen Spulenform ist es möglich, die horizontale Position der Spulenachse zum Ende (obere Endseite oder untere Endseite) des Gehäuses der Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds hin zu verschieben, verglichen mit dem Fall, dass eine kreisförmige Spule verwendet wird, und der einstellbare Bereich der horizontalen Höhe (Höhenposition) der Spulenachse kann erweitert werden. Dadurch ist es auch möglich, Einkristalle mit einer geringeren Sauerstoffkonzentration herzustellen.
Außerdem können die Hauptspulen eine Sattelform haben, die mit einer grö-ßeren Krümmung gekrümmt ist als eine Form entlang der äußeren Form des Ziehofens, und
das Verhältnis der Krümmung der sattelförmigen Hauptspule zu einer Krümmung der Form entlang der äußeren Form des Ziehofens kann 1,2 oder mehr und 2,0 oder weniger betragen.
Mit einer solchen Struktur ist es möglich, einen Einkristall mit einer geringeren Sauerstoffkonzentration herzustellen als bei der Verwendung einer sattelförmigen Spule, die entlang der äußeren Form des Ziehofen gebogen ist.
Außerdem kann das Gerät zur Erzeugung eines Magnetfeldes eine Hebevorrichtung umfassen, die sich in vertikaler Richtung auf und ab bewegen kann.
Mit einer solchen Struktur ist es möglich, für jeden Zielwert der Sauerstoffkonzentration des herzustellenden Einkristalls eine geeignete Magnetfeldhöhe (Höhenposition der Spulenachse) zu wählen.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls bereit, das das Ziehen eines Halbleiter-Einkristalls unter Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls umfasst.
Mit einem solchen Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls ist es möglich, sowohl Einkristalle mit niedriger Sauerstoffkonzentration als auch Einkristalle mit normaler Sauerstoffkonzentration in defektfreien Bereichen mit hoher Wachstumsgeschwindigkeit in einer einzigen Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls herzustellen.
Zu diesem Zeitpunkt kann der zu ziehende Halbleiter-Einkristall ein Einkristall mit defektfreiem Bereich sein.
Mit der vorliegenden Erfindung können defektfreie Einkristalle (insbesondere solche mit normaler Sauerstoffkonzentration) mit hoher Geschwindigkeit gezüchtet werden.
VORTEILHAFTE EFFEKTE DER ERFINDUNG
Wie oben beschrieben, kann mit der Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls und dem Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls der vorliegenden Erfindung eine einzige Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls sowohl einen Einkristall mit einer niedrigen Sauerstoffkonzentration erzeugen als auch einen Einkristall mit einer normalen Sauerstoffkonzentration in einem defektfreien Bereich mit einer hohen Geschwindigkeit züchten.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist ein schematisches Diagramm eines Beispiels für eine Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel für die Anordnung von drei Spulenpaaren in der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 ist ein Graph, der ein Beispiel für die Beziehung zwischen dem relativen Stromwert (Im) der Hauptspulen/dem relativen Stromwert (Is) der Nebenspulen und der zentralen magnetischen Flussdichte in drei Spulenpaaren zeigt;
4 ist ein Graph, der ein Beispiel für die Verteilung von B⊥ in Umfangsrichtung des Tiegels in Bezug auf Im-Is in drei Spulenpaaren zeigt;
5 ist ein Graph, der ein Beispiel für die Verteilung von B⊥ in der Umfangsrichtung des Tiegels zeigt, wenn die zentrale magnetische Flussdichte auf 1000 G festgelegt ist und das Stromverhältnis zwischen Im und Is in drei Spulenpaaren geändert wird;
6 ist eine Seitenansicht, die ein Beispiel für eine rennbahnförmige Spule zeigt;
7 ist eine Seitenansicht, die ein Beispiel für eine elliptisch geformte Spule zeigt;
8 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel für eine Sattelform zeigt, die in die gleiche Richtung wie die äußere Form des Ziehofens gekrümmt ist;
9 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der B⊥ Verteilung und dem Umfangswinkel zeigt, wenn Im:Is=1:0, wenn die Spulenform sattelförmig ist und die Krümmung der Hauptspulen geändert wird;
10 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel für eine Anordnung von drei Spulenpaaren in Sattelform zeigt (die sich entlang der äußeren Form des Ziehofens krümmen);
11 ist ein Graph, in dem die relativen Werte der Wachstumsraten von Einkristallen mit defektfreien Bereichen in Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 verglichen werden;
12 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel für eine Anordnung von drei Paaren von Spulen mit einer Sattelform zeigt (die Hauptspulen sind mit einer Krümmung gebogen, die größer ist als die äußere Form des Ziehofens, und die Nebenspulen sind entlang der äußeren Form des Ziehofens gebogen);
13 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel für die Anordnung eines Spulenpaares in einer herkömmlichen Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls zeigt;
14 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel für eine Anordnung von zwei Spulenpaaren in einer herkömmlichen Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls zeigt;
15 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für die Beziehung zwischen dem Winkel α zwischen den Spulen und der zentralen magnetischen Flussdichte in zwei Spulenpaaren zeigt;
16 ist ein Graph, der ein Beispiel für die Verteilung von B⊥ in der Umfangsrichtung des Tiegels in einem Spulenpaar zeigt; und
17 ist ein Graph, der ein Beispiel für die Verteilung von B⊥ in der Umfangsrichtung des Tiegels in zwei Spulenpaaren zeigt.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Einzelnen beschrieben, ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Ein Beispiel für die Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls 10 der vorliegenden Erfindung ist in 1 dargestellt. In 2 ist auch die Anordnung der drei Spulenpaare in der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung dargestellt.
Die in 1 dargestellte Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls 10 basiert auf dem MCZ-Verfahren (genauer gesagt dem HMCZ-Verfahren). 1 basiert auf dem MCZ-Verfahren (genauer gesagt, dem HMCZ-Verfahren) und umfasst einen Ziehofen, in dem eine Heizungs-Heizvorrichtung 8 und ein Quarztiegel 6, der ein geschmolzenes Halbleiter-Rohmaterial (im Folgenden als „Schmelze“ bezeichnet) 5 enthält, angeordnet sind und der eine zentrale Drehachse 9 des Tiegels 6 (die auch die zentrale Achse des Ziehofen 1 ist) aufweist, sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds 30 mit supraleitenden Spulen (im Folgenden auch als „Spulen“ bezeichnet), die um den Ziehofen 1 herum angeordnet sind. Durch Energetisieren der supraleitenden Spulen wird ein horizontales Magnetfeld an die Schmelze 5 angelegt, um den Einkristall 3 (zum Beispiel einen Silizium-Einkristall) in die Ziehrichtung zu ziehen, während die Konvektion der Schmelze im Tiegel unterdrückt wird.
Was die Spulen betrifft, so sind, wie in 2 dargestellt, Hauptspulen 4m und Nebenspulen 4s vorgesehen. Für die Hauptspulen 4m sind zwei Spulenpaare vorgesehen, die einander zugewandt sind (ein Paar aus 4a und 4c und ein Paar aus 4b und 4d). Für die Nebenspulen 4s ist ein Paar von Spulen vorgesehen, die einander zugewandt sind (ein Paar von 4e und 4f).
Wenn hier eine Achse, die durch die Mittelpunkte eines Paares einander gegenüberliegender Spulen verläuft, als Spulenachse 12 angenommen wird, sind die Spulen 4a bis 4f so angeordnet, dass zwei Spulenachsen in zwei Spulenpaaren, die die Hauptspulen 4m sind, und eine Spulenachse in einem Spulenpaar, das die Nebenspulen 4s sind, alle in derselben einzelnen horizontalen Ebene 11 liegen.
Weiterhin zu den Hauptspulen 4m, wenn die Richtung der Magnetkraftlinie auf der zentralen Achse 9 in der horizontalen Ebene 11 als X-Achse definiert ist, sind die Hauptspulen 4m so angeordnet, dass der Mittelpunktwinkel α zwischen den beiden Spulenachsen der Hauptspulen 4m, die die X-Achse umschließen, 100 Grad oder mehr bis 120 Grad oder weniger beträgt. Indem die Hauptspulen 4m so angeordnet werden, dass der Mittelpunktwinkel α 120 Grad oder weniger beträgt, die benachbarten Hauptspulen 4m (d.h. 4a und 4b, 4c und 4d) nicht miteinander kollidieren und der Winkel α 100 Grad oder mehr beträgt, ist es möglich, im Falle der Züchtung eines Einkristalls mit einer niedrigen Sauerstoffkonzentration die Sauerstoffkonzentration effektiv erheblich zu reduzieren. Andererseits sind die Nebenspulen 4s so angeordnet, dass deren einzelne Spulenachse und die X-Achse aufeinander ausgerichtet sind.
In dem in 2 dargestellten Beispiel ist die Spule 4e zwischen den Spulen 4a und 4d und die Spule 4f zwischen den Spulen 4c und 4b angeordnet.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Kennziffer 7 die Magnetkraftlinie bezeichnet.
Nachfolgend wird die Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls 10 der vorliegenden Erfindung (insbesondere die Spulen) näher beschrieben und mit der Konfiguration einer herkömmlichen Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls verglichen.
14 zeigt zunächst eine Draufsicht, in der zwei Spulenpaare (Paar 204a und 204c, Paar 204b und 204d) in einer herkömmlichen Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls 210 angeordnet sind. Wenn der Mittelpunktwinkel α (209 ist die zentrale Achse) in 14 im Bereich von 100 bis 120 Grad liegt, wie in 14 gezeigt, wird daraus die in Patentdokument 1 offenbarte Spulenanordnung.
15 zeigt den relativen Wert der zentralen magnetischen Flussdichte, wenn α geändert wird, während der Stromwert jeder Spule konstant gehalten wird. Je größer α ist, desto kleiner ist der relative Wert der zentralen magnetischen Flussdichte. Denn je größer α ist, desto größer ist der Winkel (α/2) zwischen jeder Spulenachse und der X-Achse, und desto kleiner ist die X-Komponente der von jeder Spule erzeugten Magnetkraftlinien. Betrachtet man also die zentrale magnetische Flussdichte als Referenz, so kann man die in Patentdokument 1 offenbarte Spulenanordnung nicht als effizient bezeichnen. Infolgedessen wird die Wachstumsrate, um einen Einkristall mit defektfreien Bereichen zu erhalten, niedrig oder es kann in einigen Fällen unmöglich werden, einen Einkristall mit defektfreien Bereichen zu erhalten.
In Anbetracht dieses Punktes wird in der vorliegenden Erfindung, wie in 2 gezeigt und wie oben beschrieben, das Folgende entwickelt: ein weiteres Paar von Spulen (Nebenspulen 4s: Paar von 4e und 4f) wird hinzugefügt, so dass die Spulenachse 12 mit der X-Achse zusammenfällt; und der Stromwert der Nebenspulen 4s unabhängig von den beiden Spulenpaaren vor dem Hinzufügen (Hauptspulen 4m: Paar von 4a und 4c, Paar von 4b und 4d) eingestellt werden kann. Zum Beispiel sind die Hauptspulen 4m und die Nebenspulen 4s getrennt verdrahtet, und durch das Einstellen eines Computers oder dergleichen ist es möglich, so zu konfigurieren, dass sie unabhängig voneinander mit gewünschten Stromwerten energetisiert werden können.
Bei einer solchen Konfiguration kann durch Einstellen des Stromwerts der Nebenspulen auf einen bestimmten hohen Wert die zentrale magnetische Flussdichte verbessert und die Wachstumsrate des defektfreien Einkristalls erhöht werden. Darüber hinaus kann bei der Herstellung von Kristallen mit einer niedrigen Sauerstoffkonzentration durch Einstellen des Stromwerts der Nebenspulen auf Null oder einen niedrigen Wert eine Magnetfeldverteilung ähnlich der in Patentdokument 1 erzeugt werden, und es ist möglich, dass die Herstellung von Kristallen mit einer niedrigen Sauerstoffkonzentration durchgeführt werden kann.
Auf diese Weise kann durch eine Konfiguration, bei der die Stromwerte der Hauptspulen und der Nebenspulen unabhängig voneinander eingestellt werden können, die Konvektionsunterdrückungskraft durch das Magnetfeld feiner gesteuert werden, und es wird möglich, Einkristalle mit unterschiedlichen Qualitäten herzustellen.
Die Steigerung der Wachstumsrate eines defektfreien Einkristalls durch Erhöhung der zentralen magnetischen Flussdichte hat sich in der tatsächlichen Kristallproduktion als effektiv erwiesen, und ihre Wirkung wird wie folgt betrachtet.
Erstens wird bei niedriger zentraler magnetischer Flussdichte die Konvektion durch das Magnetfeld nicht stark unterdrückt, so dass der Strömungsweg in der Schmelze relativ einfach ist, das heißt sie steigt an der Tiegelseitenwand auf, fließt auf der Schmelzenoberfläche zur Mitte und sinkt in der Mitte wieder ab. Wenn die Temperaturverteilung so ist, dass der Tiegelboden eine niedrigere Temperatur hat als die Seitenwand, findet keine natürliche Konvektion vom Boden zur Seitenwand statt. Es wird angenommen, dass der oben beschriebene Strömungsweg nur im oberen Bereich der Seitenwand zirkuliert und sich die Niedertemperaturschmelze am Boden ansammelt. Wenn eine solche Niedertemperaturschmelze direkt unter der Fest-Flüssig-Grenzfläche vorhanden ist, wird der Fest-Flüssig-Grenzfläche nicht ausreichend Wärme zugeführt, so dass die Fest-Flüssig-Grenzfläche dazu neigt, nach unten (zur Schmelzseite) konvex zu sein. Es wird davon ausgegangen, dass der innerkristalline Temperaturgradient G_ctr in Richtung der Ziehachse des Kristallzentrums abgesenkt wird.
Wenn die zentrale magnetische Flussdichte hingegen hoch ist, wird die Konvektion zwar durch das Magnetfeld stark unterdrückt, aber es gibt auch eine erzwungene Konvektion aufgrund der Kristallrotation, so dass sich kein stabiler Strömungsweg bildet und die Konvektion unmittelbar unter der Fest-Flüssig-Grenzfläche als besonders kompliziert angesehen wird. Infolgedessen wird die Schmelze am Boden aufgewühlt, die Temperatur der Schmelze unmittelbar unter der Grenzfläche wird vereinheitlicht, und der Fest-Flüssig-Grenzfläche wird mehr Wärme zugeführt als bei einer niedrigen zentralen magnetischen Flussdichte, so dass G_ctr zunimmt.
Anschließend wird die Beziehung zwischen der Magnetfeldverteilung und der Sauerstoffkonzentration, die ein besonderes Problem bei der Herstellung von Kristallen mit niedriger Sauerstoffkonzentration darstellt, näher beschrieben.
Wie bei dem oben beschriebenen Mechanismus der Konvektionsunterdrückung durch das Magnetfeld wirkt die Kraft, die die thermische Konvektion der Schmelze 5 unterdrückt, nicht in dem Bereich, in dem die Magnetkraftlinien parallel zur Tiegelwand verlaufen. Aus diesem Grund wurde die Komponente der magnetischen Flussdichte in zwei Komponenten zerlegt; die Komponente der magnetischen Flussdichte senkrecht zur Innenwand des Tiegels (im Folgenden als „B⊥“ bezeichnet) und die Komponente der magnetischen Flussdichte parallel zur Innenwand des Tiegels (im Folgenden als „B//“ bezeichnet), wobei nur die Komponente B⊥ zur Unterdrückung der Konvektion beiträgt. Dies wird in Patentdokument 2 ausführlich beschrieben.
16 zeigt die Verteilung B⊥ in Umfangsrichtung des Tiegels, wenn die zentrale magnetische Flussdichte 1000 G in 13 beträgt, und 17 zeigt die Verteilung B⊥ in Umfangsrichtung des Tiegels, wenn der Mittelpunktwinkel α zwischen den Spulenachsen 120° beträgt und die zentrale magnetische Flussdichte 1000 G ist in 14. θ auf der horizontalen Achse ist der Winkel, der durch das Liniensegment gebildet wird, das die Punkte auf dem inneren Umfang des Tiegels und die Mittelachsen 109 oder 209 mit der X-Achse verbindet, wie in 13 und 14 gezeigt.
B⊥ ist an den Positionen θ=90 und 270° in den beiden Spulenanordnungen von 13 und 14 gleich Null, man kann sehen, dass die Konvektionsunterdrückungskraft nicht wirkt. Das liegt daran, dass die Spulenanordnung symmetrisch um die Y-Achse ist, so dass die Y-Komponente an einem Punkt auf der Y-Achse immer Null wird. Solange die Spulen symmetrisch zur Y-Achse sind, können sie in keiner Anordnung vermieden werden. In 14 (17) ist der Anstieg von Null jedoch steiler als in 13 (16). Da der Bereich der Werte in der Nähe von Null sehr schmal ist, kann man sagen, dass die Konvektion im Wesentlichen ausreichend unterdrückt wird. Man kann also sagen, dass die Spulenanordnung von 14 geeignet ist, die Konvektion in der gesamten Schmelze zu unterdrücken.
Betrachtet wird nun im Detail die Magnetfeldverteilung in der Spulenanordnung der vorliegenden Erfindung (2). In der folgenden Beschreibung werden die Ergebnisse für den Fall gezeigt, dass die Hauptspulen und Nebenspulen die gleiche Form haben und α=120° ist, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt.
3 zeigt die Beziehung zwischen dem relativen Stromwert (Im) der Hauptspulen, dem relativen Stromwert (Is) der Nebenspulen und der zentralen magnetischen Flussdichte B_ctr. Was den relativen Stromwert betrifft, so wird der Stromwert, bei dem die zentrale magnetische Flussdichte 1000 G erreicht, wenn nur die vier Hauptspulen bestromt werden, auf 1 gesetzt. Die Ergebnisse der Änderung der Stromwerte der Hauptspulen und der Nebenspulen in den Bereichen 0, 0,5 und 1 sind dargestellt.
Wie aus 3 ersichtlich ist, trägt die Größe der zentralen magnetischen Flussdichte, die von den Hauptspulen und den Nebenspulen erzeugt wird, jeweils unabhängig voneinander bei, und die gesamte zentrale magnetische Flussdichte kann durch Summierung der zentralen magnetischen Flussdichten erhalten werden, die sich aus den Stromwerten der Hauptspulen und beziehungsweise der Nebenspulen ergeben. Man beachte, dass die zentrale magnetische Flussdichte 1000 G beträgt, wenn (Im, Is) = (0, 1) ist und ein Stromwert von 1 nur durch die Nebenspulen fließt. Dies ist da der Winkel zwischen den Hauptspulen und der X-Achse 60° beträgt und der Winkel zwischen den Nebenspulen und der X-Achse 0° beträgt, die Summe der magnetischen Flussdichten der vier Hauptspulen (4×B×cos(60°)) und die Summe der beiden Nebenspulen (2×B×cos(0°)) gleich sind.
4 zeigt die Berechnungsergebnisse der Verteilung von B⊥ in einem Bereich von 90° bis 270°, wenn Im auf 1 festgelegt ist und Is variiert wird.
Die Verteilung von B⊥, wenn Is 0 oder 0,25 ist, ähnelt der Verteilung der zweipaarigen Spulen (17), und unter diesen Bedingungen können Kristalle mit geringer Sauerstoffkonzentration produziert werden. Wenn Is von hier aus weiter erhöht wird, nimmt B⊥ um θ=180° zu, und die Verteilung von B⊥ wird gleichmäßiger. Mit einer solchen B⊥ Verteilung wird die Konvektion der gesamten Schmelze ausreichend unterdrückt, so dass sie auf den ersten Blick günstiger für die Herstellung von Kristallen mit niedriger Sauerstoffkonzentration zu sein scheint.
Bei der tatsächlichen Herstellung von Kristallen wurde jedoch festgestellt, dass zum Beispiel unter Bedingungen wie (Im, Is) = (1, 1) die Sauerstoffkonzentration nicht immer abnahm, sondern in einigen Fällen sogar anstieg. Dies liegt daran, dass die Konvektion an der Tiegelwand im Allgemeinen unterdrückt wird, so dass die Schmelze, die mit der Tiegelwand in Berührung kommt, weniger wahrscheinlich mit der Tiegelrotation mitrotiert, und die relative Geschwindigkeit zwischen Tiegel und Schmelze steigt, um die Auflösung des Sauerstoffs in der Schmelze zu beschleunigen. Es ist auch denkbar, dass der Wärmetransport durch die Unterdrückung der Konvektion verringert wird und die Temperatur der Tiegelwandoberfläche gegenüber dem Kristall ansteigt, wodurch die Auflösung des Tiegels gefördert wird. Die Unterdrückung der Konvektion hat auch den Effekt der Sauerstoffsenkung (= Verlängerung der Verdampfungszeit des Sauerstoffs) durch Verringerung der Oberflächengeschwindigkeit der Schmelze. Es wird jedoch vermutet, dass unter den oben genannten Bedingungen der Effekt der Förderung der Sauerstoffauflösung stärker wirkt, was zu einer Erhöhung der Sauerstoffkonzentration führt.
Andererseits zeigt 5 die B⊥ Verteilung, wenn die zentrale magnetische Flussdichte auf 1000 G festgelegt ist und das Stromverhältnis zwischen Im und Is geändert wird. Im und Is sind in der Abbildung nicht die relativen Stromwerte selbst, sondern das Verhältnis der Stromwerte, z. B. wenn Im:Is=1:1, ist der tatsächliche relative Stromwert (Im, Is)=(0,5, 0,5).
Als Ergebnis der Kristallproduktion unter diesen Bedingungen wurde festgestellt, dass Bedingungen wie Im:Is = 1:1, bei denen das aktuelle Verhältnis von Is groß ist, die Sauerstoffkonzentration im Vergleich zu Im:Is = 1:0 erhöht. Dies liegt wahrscheinlich daran, dass der Anstieg von B⊥ ab θ=90° sanft wird, so dass die Konvektion nicht ausreichend unterdrückt wird und die Schmelze mit unzureichender Sauerstoffverdampfung den Kristall erreicht.
Wie oben beschrieben, wurde festgestellt, dass eine übermäßige Erhöhung des Stroms Is der Nebenspulen zu einem Anstieg der Sauerstoffkonzentration führt, sowohl in dem Fall, in dem der Stromwert Im der Hauptspulen festgelegt ist, als auch in dem Fall, in dem die zentrale magnetische Flussdichte festgelegt ist. Um selektiv verschiedene Kristallspezifikationen einschließlich Kristallen mit niedriger Sauerstoffkonzentration herzustellen, ist es daher notwendig, Is variabel zu gestalten und die Stromwerte von Im und Is je nach Spezifikation unabhängig voneinander zu steuern.
12 des Patentdokuments 3 zeigt beispielhaft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds, in der drei Spulenpaare angeordnet sind. Diese Spulenanordnung ähnelt der vorliegenden Erfindung, aber in dem Dokument wird nicht erwähnt, dass der Stromwert der Spulen unabhängig gesteuert werden kann, und das Ziel der Erfindung ist es, eine gleichmäßige magnetische Flussdichteverteilung zu erzeugen. Alle Stromwerte der einzelnen Spulen werden daher als gleich angesehen. Daher können in dieser Konfiguration, wie oben beschrieben, keine Kristalle mit einer niedrigen Sauerstoffkonzentration hergestellt werden, und daher besteht ein technischer Unterschied zu der vorliegenden Erfindung.
Im Übrigen, obwohl die Form der Hauptspulen 4m und der Nebenspulen 4s in der vorliegenden Erfindung nicht besonders begrenzt ist, können sie beispielsweise kreisförmige Spulen sein, die häufig verwendet werden.
Alternativ kann es sich um eine Rennbahnform, eine elliptische Form oder eine Sattelform handeln, die in der gleichen Richtung wie die äußere Form des Ziehofens gekrümmt ist, und die Höhe in vertikaler Richtung kann kürzer sein als die Breite in horizontaler Richtung. Die und zeigen Beispiele für Seitenansichten der oben beschriebenen Rennbahnform und elliptischen Form. Ferner zeigt 8 ein Beispiel für eine perspektivische Ansicht der Sattelform.
Als Ergebnis kann die horizontale Position der Spulenachse im Vergleich zur Verwendung einer kreisförmigen Spule zum Ende des Gehäuses der Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds hin ausgerichtet werden. Mit anderen Worten, die Höhe der Spulenform ist geringer als die einer kreisförmigen Spule, so dass es einfacher ist, sich zur Kantenseite (obere Endseite oder untere Endseite) des Gehäuses zu bewegen, so dass die horizontale Position der Spulenachse höher oder niedriger eingestellt werden kann. Wie in Patentdokument 4 gezeigt, ist es möglich, die Sauerstoffkonzentration durch Änderung der horizontalen Position der Spulenachse zu steuern. Insbesondere bei der Herstellung von Kristallen mit niedriger Sauerstoffkonzentration ist es von Vorteil, wenn die horizontale Position der Spulenachse hoch eingestellt ist.
Als eine spezifischere Form der sattelförmigen Hauptspule beträgt beispielsweise das Verhältnis der Krümmung der sattelförmigen Hauptspule zur Krümmung der Form entlang der äußeren Form des Ziehofen (Krümmungsverhältnis) 1,2 oder mehr und 2,0 oder weniger. Das heißt, wenn die Krümmung der Form entlang der äußeren Form des Ziehofens 1 ist, hat die Mitte der Dicke der Spule eine Krümmung von 1,2 oder mehr und 2,0 oder weniger. Mit einer solchen Sattelform ist es möglich, einen Einkristall mit einer geringeren Sauerstoffkonzentration herzustellen.
9 zeigt die Verteilung von B⊥ in Abhängigkeit vom Umfangswinkel, wenn Im:Is=1:0 (d.h. wenn nur vier Hauptspulen energetisiert werden), die Spulenform sattelförmig ist und die Krümmung der Hauptspulen verändert wird. Erhöht man das Krümmungsverhältnis ausgehend von der Form entlang der äußeren Form des Ziehofens als Referenz, so stellt man fest, dass B⊥ in der Nähe von 125° und 235°, die der Nähe des mittleren Bereichs jeder Spule entsprechen, entspannt ist. Mit der Magnetfeldverteilung der vorliegenden Erfindung ist der Unterschied in der Konvektionsunterdrückungskraft zwischen dem Querschnitt parallel zur X-Achse und dem Querschnitt senkrecht zur X-Achse kleiner als der des herkömmlichen horizontalen Magnetfeldes. Da jedoch die Komponente der magnetischen Flussdichte senkrecht zum Tiegel in dem Winkelbereich (Winkelbereich in der Nähe der Spulenachse in den Hauptspulen), der 4 Bereiche in einem gesamten Umfang umfasst, besonders stark ist, wird die Sauerstoffdiffusionsgrenzschicht in der Nähe der Tiegelwand dünn, so dass sich der Sauerstoff im Vergleich zu anderen Winkelbereichen leichter aus dem Quarztiegel lösen kann. Da die magnetische Flussdichte in der Nähe der Spule umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zur Spule ist, kann die magnetische Flussdichte in diesen Winkelbereichen durch eine stärkere Krümmung der Spule verringert werden. Der geeignete Bereich für das Krümmungsverhältnis ist vorzugsweise 1,2 oder mehr, um die magnetische Flussdichte in dem Winkelbereich nahe der Spulenachse zu verringern, und 2,0 oder weniger ist vorzuziehen, um zu verhindern, dass die äußere Form des Gehäuses, das die Spule enthält, zu groß wird und dass die mittlere magnetische Feldstärke abnimmt und eine Abnahme der maximalen magnetischen Feldstärke verursacht.
Wie in 1 weiterhin dargestellt, kann die Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds 30 mit einer Hebevorrichtung 31 versehen werden, die sich in vertikaler Richtung auf und ab bewegen kann. Beispielsweise wird die Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds 30 vorzugsweise auf der Hebevorrichtung 31 installiert. Wenn beispielsweise die Spulenform nicht kreisförmig ist und die horizontale Höhe der Spulenachse wie oben beschrieben hoch ist, eignet sie sich zur Herstellung von Kristallen mit einer niedrigen Sauerstoffkonzentration, aber es wird schwierig, die Sauerstoffkonzentration zu erhöhen. Wenn die Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds durch eine Hebevorrichtung auf und ab bewegt werden kann, kann die optimale horizontale Höhe der Spulenachse entsprechend der angestrebten Sauerstoffkonzentration ausgewählt und der Bereich der kompatiblen Spezifikationen erweitert werden.
Als nächstes wird eine Ausführungsform des Verfahrens zum Ziehen eines Einkristalls gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Das Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls der vorliegenden Erfindung verwendet die in 1 dargestellte und oben beschriebene Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls, um einen Halbleiter-Einkristall wie einen Silizium-Einkristall zu ziehen.
Im Einzelnen wird ein Halbleiter-Einkristall wie folgt gezogen. Zunächst wird in der Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls 10 ein Halbleiter-Rohmaterial in den Quarz-Tiegel 6 gegeben und durch die Heizungs-Heizvorrichtung 8 erhitzt, um das Halbleiter-Rohmaterial zu schmelzen. Anschließend wird durch Energetisierung der supraleitenden Spulen 4a bis 4f ein von der Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds 30 erzeugtes horizontales Magnetfeld an die Schmelze 5 angelegt, um die Konvektion der Schmelze 5 im Quarztiegel 6 zu unterdrücken.
Wie oben beschrieben, sind in der Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds 30, wie in 2 dargestellt, zwei Paare supraleitender Spulen 4a bis 4d so angeordnet, dass sie einander gegenüberliegen, so dass die jeweiligen Spulenachsen 12 in derselben horizontalen Ebene enthalten sind. Dann werden die Hauptspulen 4m (4a bis 4d) so angeordnet, dass der Mittelpunktwinkel α zwischen den Spulenachsen, die die X-Achse einschließen, 100° oder mehr und 120° oder weniger beträgt. Außerdem ist ein Paar supraleitender Spulen (4e und 4f) als Nebenspulen 4s so angeordnet, dass die Spulenachse des Paares mit der X-Achse ausgerichtet ist. Obwohl die Spulenform in 2 kreisförmig ist, kann es sich um die in 8 und 10 gezeigte Sattelform (Draufsicht, die ein Beispiel für eine Anordnung von drei Spulenpaaren zeigt), eine Form wie die in 7 gezeigte elliptische Form oder eine in 6 gezeigte Rennbahnform handeln. Alternativ kann die Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds 30 auf der Hebevorrichtung 31 so platziert werden, dass es in vertikaler Richtung bewegt werden kann. Da die horizontale Höhe der Spulenachse durch Änderung der Spulenform oder durch Verwendung einer Hebevorrichtung wie oben beschrieben eingestellt werden kann, kann der Bereich der erzeugbaren Sauerstoffkonzentration weiter ausgeweitet werden.
Die Stromwerte der Hauptspulen und der Nebenspulen sowie die horizontale Höhe der Spulenachse der Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds können je nach angestrebter Sauerstoffkonzentration und eingewachsenem Defektbereich des herzustellenden Einkristalls geändert werden. Wenn beispielsweise ein Kristall mit niedriger Sauerstoffkonzentration mit einer Sauerstoffkonzentration von 4×10¹⁷ Atomen/cm³ (alter ASTM) oder weniger gezogen wird, kann er hergestellt werden, wenn das Stromverhältnis Is/Im der Nebenspulen zu den Hauptspulen ein kleines Verhältnis von etwa 0 bis 0,25 ist. Zu diesem Zeitpunkt wird es einfacher, die Sauerstoffkonzentration zu senken, indem die horizontale Höhe der Spulenachse so hoch wie möglich gewählt wird, um sich dem Nahbereich der Schmelzoberfläche zu nähern.
Bei der Herstellung eines defektfreien Einkristalls mit niedriger Sauerstoffkonzentration wird zum Beispiel das Stromverhältnis der Nebenspulen zu einem gewissen Grad hoch eingestellt (z.B. Is/Im=0,5), oder die zentrale magnetische Flussdichte wird erhöht, während das Stromverhältnis bei 0 bis 0,25 gehalten wird. Dadurch kann die Wachstumsrate im Vergleich zu der herkömmlichen Technologie erhöht werden. Im Vergleich zu dem Fall, in dem die Defektregion nicht spezifiziert ist, wird jedoch die untere Grenze der Sauerstoffkonzentration, die erzeugt werden kann, durch die Änderung der Bedingungen leicht erhöht.
Andererseits wird beim Ziehen eines Kristalls mit einer Sauerstoffkonzentration von 8×10¹⁷ Atomen/cm³ oder mehr als Einkristall mit defektfreiem Bereich beispielsweise das Verhältnis der Nebenspulen so erhöht, dass das Stromverhältnis Is/Im der Nebenspulen 0,5 oder mehr beträgt und die zentrale magnetische Flussdichte beispielsweise auf 2000 G oder mehr erhöht wird. Dadurch ist es möglich, den Kristall unter der Bedingung einer hohen Wachstumsrate für einen defektfreien Einkristall herzustellen. Indem man die horizontale Höhe der Spulenachse von der Schmelzoberfläche weg nach unten verlagert, wird es einfacher, einen Kristall mit einer höheren Sauerstoffkonzentration zu erzeugen.
Wie oben beschrieben, wird nach der Einstellung des Spulenstroms und der Magnetfeldhöhe, die für die angestrebte Sauerstoffkonzentration und den eingewachsenen Defektbereich des herzustellenden Einkristalls geeignet sind, als Nächstes zum Beispiel der Impfkristall 2 von oberhalb des zentralen Teils des Quarztiegels 6 abgesenkt und vorsichtig eingeführt und mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit in Zugrichtung gezogen, während der Impfkristall 2 durch einen Ziehmechanismus (nicht gezeigt) gedreht wird. Als Ergebnis wächst ein Einkristall in der fest/flüssig Grenzschicht und ein Halbleiter-Einkristall 3 wird produziert.
Mit einem solchen Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls ist es möglich, Einkristalle ohne Defekte mit einer hohen Ziehgeschwindigkeit zu erzeugen und Einkristalle mit verschiedenen Sauerstoffkonzentrationen, einschließlich niedriger Sauerstoffkonzentrationen, mit einem einzigen Gerät zu produzieren.
BEISPIEL
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf Beispiele und Vergleichsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher beschrieben, doch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese beschränkt.
(Beispiel 1)
In der in 1 gezeigten Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls 10 ist die Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds 30 so konfiguriert, dass drei Paare kreisförmiger Spulen die in 2 gezeigte Struktur haben (als Hauptspulen Paare von 4a und 4c und 4b und 4d, als Nebenspulen ein Paar von 4e und 4f), und ein Mittelpunktwinkel α zwischen den Spulenachsen, die die X-Achse einschließen, beträgt 120°. Unter Verwendung einer solchen Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls wurde ein Siliziumeinkristall unter den folgenden Bedingungen gezogen. Die angestrebte Sauerstoffkonzentration betrug zu diesem Zeitpunkt 9×10¹⁷ Atome/cm³.

Verwendeter Tiegel: Durchmesser 800 mm
Ladungsmenge an Halbleiterrohstoffen: 400 kg
Zu züchtender Einkristall: Durchmesser 306 mm
Zentrale magnetische Flussdichte: 2000 G
Spulenstromverhältnis (Haupt : Neben): 1:1
Einkristall-Drehzahl: 11 U/min
Drehgeschwindigkeit des Tiegels: 0,5 U/min
Horizontale Höhe der Spulenachse: 200 mm unter der Schmelzoberfläche

Bei dem auf diese Weise gezüchteten Halbleiter-Einkristall wurde die Wachstumsrate des defektfreien Bereichs des Einkristalls ermittelt. Die sich daraus ergebenden relativen Werte sind in 11 dargestellt.
(Vergleichsbeispiel 1)
Mit Ausnahme der Verwendung einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds mit zwei Paaren kreisförmiger Spulen (ein Paar 204a und 204c und ein Paar 204b und 204d) und mit einem Mittelpunktwinkel α von 120° zwischen den Spulenachsen, die die in 14 gezeigte X-Achse überlagern, wurde ein Silizium-Einkristall unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 gezogen, wobei eine Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls mit der gleichen Konfiguration wie in Beispiel 1 verwendet wurde. In Bezug auf diese Bedingung sind die Spulen in Vergleichsbeispiel 1 zwei Paare, wie oben beschrieben, und es gibt keine Unterscheidung zwischen Hauptspulen und Nebenspulen, und die zentrale magnetische Flussdichte durch die beiden Paare ist 2000 G wie in Beispiel 1.
11 zeigt die relativen Werte der Wachstumsrate des gezüchteten Silizium-einkristalls, um einen defektfreien Einkristall zu erhalten.
Beim Vergleich der Ergebnisse von Beispiel 1 mit der Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls der vorliegenden Erfindung und Vergleichsbeispiel 1 mit der herkömmlichen Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls, wie in 11 gezeigt, war die Wachstumsrate eines Einkristalls mit defektfreiem Bereich in Vergleichsbeispiel 1 um 5,4 % niedriger als die in Beispiel 1. Wie oben beschrieben, stellt sich heraus, dass die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung einen Einkristall defektfreier Region mit einem normalen Grad der Sauerstoffkonzentration bei einer höheren Geschwindigkeit ziehen kann, als wenn die herkömmliche Vorrichtung mit nur zwei Paaren von Spulen in 14 dargestellt ist, verwendet wird und die Produktivität verbessert werden kann.
(Beispiel 2)
Unter Verwendung der Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes aus Beispiel 1 wurde ein Silizium-Einkristall unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 gezogen, mit Ausnahme der unten dargestellten Bedingungen.

Zentrale magnetische Flussdichte: 1000 G
Spulenstromverhältnis (Haupt : Neben): 1:0,25
Drehgeschwindigkeit des Tiegels: 0,03 U/min
Horizontale Höhe der Spulenachse: 120 mm unter der Schmelzoberfläche

Wenn die Sauerstoffkonzentration des gewachsenen Silizium-Einkristalls untersucht wurde, betrug sie 3,2 bis 3,9×10¹⁷ Atome/cm³.
(Beispiel 3)
Ein Silizium-Einkristall wurde unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 2 gezogen, mit der Ausnahme, dass das Verhältnis des Spulenstroms (Haupt: Neben) 1:1 betrug.
Wenn die Sauerstoffkonzentration des gewachsenen Silizium-Einkristalls untersucht wurde, betrug sie 4,0 bis 4,9×10¹⁷ Atome/cm³.
Vergleicht man Beispiel 2 und Beispiel 3, so konnte in Beispiel 2 ein Silizium-Einkristall mit einer geringeren Sauerstoffkonzentration als in Beispiel 3 erhalten werden. Nur durch die unabhängige Einstellung der Stromwerte der Hauptspulen und der Nebenspulen, um das Verhältnis von ihnen angemessen einzustellen, ist es möglich, nicht nur den Einkristall mit einem leicht niedrigen Grad der Sauerstoffkonzentration wie in Beispiel 3 zu erhalten, sondern auch die Einkristalle mit noch niedrigeren Sauerstoffkonzentrationen von weniger als 4,0×10¹⁷ Atome/cm³ wie in Beispiel 2. Wie oben beschrieben, kann die Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls und das Verfahren zum Ziehen der vorliegenden Erfindung problemlos Einkristalle mit verschiedenen Sauerstoffkonzentrationen ziehen.
(Beispiel 4)
Eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds mit drei Paaren sattelförmiger Spulen und einem Mittelpunktwinkel α von 120° zwischen den Spulenachsen, die die in 10 gezeigte X-Achse einschließen, wurde verwendet, und die horizontale Höhe der Spulenachse wurde auf die gleiche Höhe wie die Schmelzoberfläche eingestellt.
Wenn die Sauerstoffkonzentration des gezüchteten Silizium-Einkristalls untersucht wurde, betrug sie 2,5 bis 3,2×10¹⁷ Atome/cm³. Ein Silizium-Einkristall mit einer noch geringeren Sauerstoffkonzentration als in Beispiel 2 wurde durch die Verwendung sattelförmiger Spulen und die Erhöhung der horizontalen Höhe der Spulenachse erhalten.
(Beispiel 5)
12 zeigt ein Beispiel für die Anordnung von drei Spulenpaaren mit einer sattelförmigen Spulenform. Genauer gesagt handelt es sich um einen Modus, bei dem die Hauptspulen mit einer Krümmung gekrümmt sind, die größer ist als die äußere Form des Ziehofens (Krümmungsverhältnis 1,8), und die Nebenspulen entlang der äußeren Form des Ziehofens gekrümmt sind. Eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes mit drei Paaren sattelförmiger Spulen, wie in 12 dargestellt, wurde verwendet, und ein Silizium-Einkristall wurde unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 4 gezogen, mit Ausnahme der oben beschriebenen Bedingungen.
Wenn die Sauerstoffkonzentration des gezüchteten Silizium-Einkristalls untersucht wurde, wurde festgestellt, dass sie 2,2 bis 3,0×10¹⁷ Atome/cm³ betrug. Ein Silizium-Einkristall mit einer noch geringeren Sauerstoffkonzentration als in Beispiel 4 wurde durch die Verwendung von sattelförmigen Spulen mit einer starken Krümmung und einer erhöhten horizontalen Höhe der Spulenachse erhalten.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben genannten Ausführungsformen beschränkt. Die oben beschriebenen Ausführungsformen sind nur Beispiele, und alle Beispiele, die im Wesentlichen die gleiche Konfiguration haben und die gleichen Funktionen und Wirkungen wie die in dem technischen Konzept in den Ansprüchen der vorliegenden Erfindung offenbart zeigen, sind in dem technischen Umfang der vorliegenden Erfindung enthalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 6436031 [0006]
JP 2019196289 A [0006]
JP 2004051475 A [0006]
JP 2004189559 A [0006]

Claims

Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls, umfassend: einen Ziehofen, in dem eine Heizungs-Heizvorrichtung und ein Tiegel, der ein geschmolzenes Halbleiter-Rohmaterial enthält, angeordnet sind und der eine zentrale Achse aufweist; und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds, die um den Ziehofen herum vorgesehen ist und supraleitende Spulen aufweist, zum Anlegen eines horizontalen Magnetfeldes an das geschmolzene Halbleiter-Rohmaterial durch Energetisieren der supraleitenden Spulen, um die Konvektion des geschmolzenen Halbleiter-Rohmaterials in dem Tiegel zu unterdrücken, wobei, als supraleitende Spulen der Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds Hauptspulen und Nebenspulen vorgesehen sind, als Hauptspulen zwei Paare von supraleitenden Spulen vorgesehen sind die einander gegenüberliegen, wenn eine Achse, die durch die Mittelpunkte eines Paars einander gegenüberliegender supraleitender Spulen verläuft, als Spulenachse definiert ist, liegen zwei Spulenachsen der beiden Paare supraleitender Spulen, die die Hauptspulen sind, in derselben horizontalen Ebene, wenn die Richtung der Magnetkraftlinie auf der zentralen Achse in der horizontalen Ebene als X-Achse definiert ist, sind die Hauptspulen so angeordnet, dass der Mittelpunktwinkel α zwischen den beiden Spulenachsen, die die X-Achse einschlie-ßen, 100 Grad oder mehr und 120 Grad oder weniger beträgt, als die Nebenspulen ein Paar supraleitender Spulen vorgesehen ist, die einander gegenüberliegend angeordnet sind, und die Nebenspulen so angeordnet sind, dass eine Spulenachse des Paares supraleitender Spulen, die die Nebenspulen sind, mit der X-Achse ausgerichtet ist, und Stromwerte der Hauptspulen und der Nebenspulen unabhängig voneinander eingestellt werden können.
Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls nach Anspruch 1, wobei die Hauptspulen und die Nebenspulen eine Rennbahnform, eine elliptische Form oder eine Sattelform, die in der gleichen Richtung wie die äußere Form des Ziehofens gekrümmt ist, aufweisen, und eine Höhe in einer vertikalen Richtung kürzer ist als eine Breite in horizontaler Richtung.
Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Hauptspulen eine Sattelform haben, die mit einer größeren Krümmung gekrümmt ist als eine Form entlang der äußeren Form des Ziehofens, und das Verhältnis der Krümmung der sattelförmigen Hauptspulen zu einer Krümmung der Form entlang der äußeren Form des Ziehofens 1,2 oder mehr und 2,0 oder weniger beträgt.
Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds eine Hebevorrichtung umfasst, die sich in vertikaler Richtung auf und ab bewegen kann.
Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls, wobei ein Halbleiter-Einkristall unter Verwendung der Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4 gezogen wird.
Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls nach Anspruch 5, wobei der zu ziehende Halbleiter-Einkristall ein Einkristall mit defektfreiem Bereich ist.