DE112022000585T5

DE112022000585T5 - Einkristall-ziehvorrichtung und verfahren zum ziehen von einkristallen

Info

Publication number: DE112022000585T5
Application number: DE112022000585.8T
Authority: DE
Inventors: Kiyotaka Takano; Hiroyuki Kamada
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2021-03-15
Filing date: 2022-01-28
Publication date: 2023-11-02
Also published as: JP2022141151A; US20240141548A1; CN116917556A; TW202248471A; WO2022196127A1; KR20230155456A

Abstract

Die vorliegende Erfindung ist eine Einkristall-Ziehvorrichtung, die einen Ziehofen mit einer zentralen Achse und eine Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung mit Spulen umfasst und ein horizontales Magnetfeld an ein geschmolzenes Halbleiter-Rohmaterial anlegt, wobei die Spulen sattelförmig sind, zwei Paare der Spulen vorgesehen sind, wobei die Spulen jedes Paares einander zugewandt angeordnet sind, zwei Spulenachsen in den beiden Spulenpaaren in derselben horizontalen Ebene enthalten sind, wenn eine magnetische Kraftlinienrichtung auf der zentralen Achse des Ziehofens in der horizontalen Ebene als X-Achse definiert ist und eine Richtung senkrecht zur X-Achse in der horizontalen Ebene als Y-Achse definiert ist, ein Mittelpunktwinkel α zwischen den beiden Spulenachsen, die die X-Achse sandwichartig einschließen, 90 Grad oder weniger beträgt und ein Zwischenspulenwinkel β zwischen benachbarten supraleitenden Spulen, die die Y-Achse sandwichartig einschließen, 20 Grad oder weniger beträgt. Infolgedessen kann die Spulenhöhe reduziert werden, indem die Effizienz der Magnetfelderzeugung erhöht wird, das Zentrum des Magnetfeldes kann in die Nähe der Schmelzoberfläche des Halbleiter-Rohmaterials angehoben werden, und es ist möglich, eine Einkristall-Ziehvorrichtung und ein Einkristall-Ziehverfahren bereitzustellen, die in der Lage sind, einen Einkristall mit einer noch niedrigeren Sauerstoffkonzentration als zuvor zu ziehen, und es kann ein defektfreier Kristall mit einer höheren Geschwindigkeit erhalten werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einkristall-Ziehvorrichtung und ein Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls unter Verwendung derselben.
HINTERGRUNDKUNST
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.
Als ein Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls zur Herstellung eines Einkristalls, der diese Halbleiteranforderungen erfüllt, ist ein Verfahren bekannt (allgemein als Magnetfeld-Czochralski- (MCZ-) Verfahren bezeichnet), bei dem ein Magnetfeld an ein geschmolzenes Halbleiter-Rohmaterial in einem Tiegel angelegt wird, wodurch die in der Schmelze entstehende thermische Konvektion unterdrückt wird, um Halbleiter mit großem Durchmesser und hoher Qualität herzustellen.
Ein Beispiel für eine herkömmliche Einkristall-Ziehvorrichtung, die das CZ-Verfahren anwendet, wird unter Bezugnahme auf 8 beschrieben.
Diese Einkristall-Ziehvorrichtung 100 hat einen Ziehofen 101 mit einer offenen Oberseite, und ein Tiegel 102 ist in den Ziehofen 101 integriert. Innerhalb des Ziehofens 101 ist um den Tiegel 102 herum eine Heizvorrichtung 103 zum Erhitzen und Schmelzen des Halbleiter-Rohmaterials 106 im Tiegel 102 vorgesehen. Außerhalb des Ziehofens 101 ist ein supraleitender Magnet 130 mit einem Paar (zwei) supraleitender Spulen 104 (104a, 104b) vorgesehen, die in einem Kühlmittelbehälter (im Folgenden auch als zylindrischer Kühlmittelbehälter bezeichnet) 105 als zylindrischer Behälter angeordnet sind.
Bei der Herstellung eines Einkristalls wird das Halbleiter-Rohmaterial 106 in den Tiegel 102 gegeben und durch die Heizvorrichtung 103 erhitzt, um das Halbleiter-Rohmaterial 106 zu schmelzen. Ein Impfkristall (nicht dargestellt) sinkt von oberhalb der Mitte des Tiegels 102 in die Schmelze, kommt mit ihr in Kontakt und wird von einem Ziehmechanismus (nicht dargestellt) mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit in eine Ziehrichtung 108 gezogen. Infolgedessen wächst der Kristall in der fest/flüssig-Grenzschicht zu einem Einkristall. Wenn zu diesem Zeitpunkt eine durch die Erwärmung der Heizvorrichtung 103 induzierte Flüssigkeitsbewegung der Schmelze, d. h. thermische Konvektion, auftritt, neigt der zu ziehende Einkristall dazu, Versetzungen aufzuweisen, und die Ausbeute der Einkristallproduktion sinkt.
Daher werden als Gegenmaßnahme die supraleitenden Spulen 104 des supraleitenden Magneten 130 verwendet. Das heißt, das Halbleiter-Rohmaterial 106 ist als geschmolzene Flüssigkeit einer Bewegungsunterdrückungskraft durch die magnetischen Kraftlinien 107 ausgesetzt, die durch die Erregung der supraleitenden Spulen 104 erzeugt werden, und ohne Konvektion im Tiegel 102 bewegt sich das Halbleiter-Rohmaterial 106 langsam nach oben, während der Impfkristall gezogen wird. Er wird gezogen und entsteht als fester Einkristall 109. Ein Ziehmechanismus (nicht abgebildet) ist oberhalb des Ziehofens 101 vorgesehen, um den Einkristall 109 entlang der Mittellinie des Tiegels (der zentralen Achse 110 des Ziehofens 101) zu ziehen.
Als nächstes wird ein Beispiel für den supraleitenden Magneten 130, der in der in 8 dargestellten Einkristall-Ziehvorrichtung 100 verwendet wird, unter Bezugnahme auf 9 beschrieben.
Dieser supraleitende Magnet 130 ist so aufgebaut, dass supraleitende Spulen 104 (104a, 104b) in einem zylindrischen Vakuumbehälter 119 über einen zylindrischen Kühlmittelbehälter untergebracht sind. In diesem supraleitenden Magneten 130 ist ein Paar supraleitender Spulen 104a und 104b untergebracht, die sich durch den zentralen Teil in einem zylindrischen Vakuumbehälter 119 gegenüberliegen. Diese supraleitenden Spulen 104a und 104b in einem Paar sind Magnetfeldspulen vom Helmholtz-Typ, die Magnetfelder in derselben horizontalen Richtung erzeugen, und es wird eine symmetrische Magnetkraftlinie 107 zu einer zentralen Achse 110 des Ziehofen und des zylindrischen Vakuumbehälters 119 erzeugt (die Position dieser zentralen Achse 110 wird als Magnetfeldzentrum bezeichnet).
Der supraleitende Magnet 130 ist, wie in 8 und 9 gezeigt, mit einer Stromleitung 111 zum Einleiten eines Stroms in die beiden supraleitenden Spulen 104a und 104b, einem kleinen Heliumkühler 112 zum Kühlen eines ersten Strahlungsschilds 117 und eines zweiten Strahlungsschilds 118 in einem zylindrischen Vakuumbehälter 119, einem Gasablassrohr 113 zum Ablassen des Heliumgases in dem zylindrischen Kühlmittelbehälter 105 und einer Serviceöffnung 114 mit einer Versorgungsöffnung zum Zuführen von flüssigem Helium versehen. Innerhalb der Bohrung 115 des supraleitenden Magneten 130 (der Innendurchmesser der Bohrung ist durch D dargestellt) ist der in 8 gezeigte Ziehofen 101 angeordnet.
10 zeigt die Magnetfeldverteilung des oben beschriebenen konventionellen supraleitenden Magneten 130.
Wie in 10 gezeigt, ist in dem herkömmlichen supraleitenden Magneten 130 ein Paar supraleitender Spulen 104a und 104b, die einander gegenüberliegen, so angeordnet, dass das Magnetfeld in der Anordnungsrichtung jeder Spule (die X-Richtung in 10) allmählich zu beiden Seiten hin zunimmt, und in einer Richtung (Y-Richtung in 10) senkrecht zur X-Richtung nimmt das Magnetfeld allmählich in vertikaler Richtung ab. Bei einer solchen konventionellen Konfiguration, wie sie in den 9 und 10 dargestellt ist, ist der Magnetfeldgradient innerhalb der Bohrung 115 zu groß, so dass die Unterdrückung der in der Schmelze erzeugten thermischen Konvektion unausgewogen ist und der Magnetfeldwirkungsgrad schlecht ist. Das heißt, wie durch diagonale Linien in 10 angedeutet, da die Gleichmäßigkeit des Magnetfeldes in der Nähe des Magnetfeldzentrums nicht gut ist (d.h. in 10 hat es eine lange und schmale Kreuzform oben und unten und links und rechts), gab es ein Problem, dass die Unterdrückungsgenauigkeit der thermischen Konvektion schlecht war und ein hochwertiger Einkristall nicht gezogen wurde.
Das Patentdokument 1 offenbart eine Technik zur Lösung der oben genannten Probleme. Die im Patentdokument 1 offenbarte Technik wird unter Bezugnahme auf die 11A und 11B beschrieben.
11A ist eine perspektivische Ansicht, und 11B zeigt einen Querschnitt entlang der Linie A-A von 11A. In Patentdokument 1 wird zur Lösung des obigen Problems, wie in 11A und 11B gezeigt, offenbart, dass die Anzahl der supraleitenden Spulen 104 auf 4 oder mehr (z.B. 4 von 104a, 104b, 104c, 104d) festgelegt ist und die Zentren der supraleitenden Spulen 104 auf einer Ebene innerhalb eines zylindrischen Vakuumbehälters 119 angeordnet sind, der koaxial um den Ziehofen herum vorgesehen ist. Und jede der so angeordneten supraleitenden Spulen 104 ist so angeordnet, dass sie einander durch die axiale Mitte des zylindrischen Vakuumbehälters 119 zugewandt sind, wobei der Anordnungswinkel θ (siehe 11B), bei dem benachbarte Paare supraleitender Spulen der Innenseite des zylindrischen Vakuumbehälters 119 zugewandt sind, in einem Bereich von 100° bis 130° eingestellt ist (d.h. der Mittelpunktwinkel α (siehe 11B) zwischen benachbarten Spulenachsen, die die X-Achse einschließen, ist auf 50° bis 80° eingestellt).
Als Ergebnis kann ein horizontales Magnetfeld mit einem kleinen Magnetfeldgradienten und guter Gleichmäßigkeit innerhalb der Bohrung 115 erzeugt werden, und eine konzentrische oder quadratische Magnetfeldverteilung kann in einer Ebene erzeugt werden, und die unausgewogene elektromagnetische Kraft kann stark unterdrückt werden. Infolgedessen wird auch offenbart, dass der gleichmäßige Magnetfeldbereich in der Ziehrichtung verbessert werden kann, das Magnetfeld in der horizontalen Magnetfeldrichtung nahezu horizontal wird, die unausgewogene elektromagnetische Kraft unterdrückt werden kann, es daher möglich ist, einen hochwertigen Einkristall zu erzeugen, und der hochwertige Einkristall mit einer hohen Ausbeute gemäß dem Kristallziehverfahren gezogen werden kann. Man beachte, dass das Bezugszeichen d in 11B der Durchmesser (Innendurchmesser) einer supraleitenden Spule und das Bezugszeichen I der Abstand zwischen einem Paar von Spulen ist.
Bei diesem Verfahren wird die auf das geschmolzene Halbleiter-Rohmaterial einwirkende Magnetfeldverteilung gleichmäßig gestaltet und die unausgewogene elektromagnetische Kraft unterdrückt, so dass im Vergleich zur herkömmlichen Technologie mit zwei Spulen die thermische Konvektion auch bei einer geringeren magnetischen Flussdichte unterdrückt wird.
Doch selbst bei einer solchen gleichmäßigen Magnetfeldverteilung gibt es in einem horizontalen Magnetfeld, in dem die magnetischen Kraftlinien in Richtung der X-Achse ausgerichtet sind, einen Unterschied in der Wärmekonvektion zwischen dem Querschnitt parallel zur X-Achse und dem Querschnitt parallel zur Y-Achse. Dies wurde durch eine umfassende Wärmeübergangsanalyse einschließlich dreidimensionaler Schmelzkonvektion geklärt (siehe Patentschrift 2).
Wenn sich eine leitende Flüssigkeit in einem Magnetfeld bewegt, wird ein induzierter Strom in der Richtung senkrecht zur magnetischen Kraftlinie und der Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur magnetischen Kraftlinie erzeugt. Bei Verwendung eines Quarztiegels mit elektrischer Isolationseigenschaft fließt der induzierte Strom nicht in der dazu senkrechten Richtung, da die Tiegelwand und die freie Oberfläche des Halbleiter-Rohmaterials als isolierende Wand dienen. Aus diesem Grund ist die Konvektionsunterdrückungskraft aufgrund der elektromagnetischen Kraft im oberen Teil des geschmolzenen Halbleiter-Rohmaterials schwach, und im Vergleich des Querschnitts parallel zur X-Achse (Querschnitt parallel zur magnetischen Kraftlinie) und des Querschnitts senkrecht zur X-Achse (Querschnitt senkrecht zur magnetischen Kraftlinie) hat der Querschnitt senkrecht zur X-Achse (der Querschnitt senkrecht zur magnetischen Kraftlinie) eine stärkere Konvektion.
Auf diese Weise wird der Geschwindigkeitsunterschied der Konvektion etwas verringert, wenn die Magnetfeldverteilung durch die vier Spulen gleichmäßig gemacht wird, aber die Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit ist immer noch ungleichmäßig in der Umfangsrichtung. Da das Strömungsfeld, das die Tiegelwand und die Wachstumsgrenzfläche verbindet, im Querschnitt senkrecht zu den magnetischen Kraftlinien verbleibt, erreicht der aus dem Quarztiegel eluierte Sauerstoff den Kristall, und die Wirkung der Verringerung der Sauerstoffkonzentration durch die Anwendung des Magnetfelds ist begrenzt. Es ist schwierig, die Anforderungen an eine extrem niedrige Sauerstoffkonzentration zu erfüllen, wie z. B. bei Halbleiterkristallen für Leistungsgeräte und Bildsensoren, die in letzter Zeit sehr gefragt sind. Darüber hinaus verursacht das Vorhandensein eines ungleichmäßigen Flussfeldes in Umfangsrichtung Wachstumsstreifen in einem Kristall, der beim Drehen des Kristalls gezogen wird. Schwankungen des Widerstandes und der Sauerstoffkonzentration aufgrund der Frequenz der Kristallrotation werden bei der Auswertung eines Querschnitts parallel zur Wachstumsrichtung beobachtet, was zu einer ringförmigen Verteilung innerhalb der senkrecht zur Wachstumsrichtung geschnittenen Waferebene führt.
Um dieses Problem zu lösen, offenbart das Patentdokument 2 eine Einkristall-Ziehvorrichtung, wie sie in 12A und 12B dargestellt ist. 12A ist eine schematische Darstellung der Vorrichtung, und 12B zeigt einen Querschnitt, der ein Beispiel für einen supraleitenden Magneten zeigt.
Die Magnetfeldverteilung wird so erzeugt, dass in einer horizontalen Ebene 120, die zwei Spulenachsen 121 enthält, die durch die Zentren der Paare supraleitender Spulen 104 (104a und 104c, 104b und 104d) verlaufen, wenn die Richtung der Magnetkraftlinie 107 auf der zentralen Achse 110 des Ziehofen als X-Achse definiert ist, die magnetische Flussdichteverteilung auf der X-Achse eine nach oben konvexe Verteilung ist, und wenn die magnetische Flussdichte auf der zentralen Achse 110 in der horizontalen Ebene 120 als der Einstellwert für die magnetische Flussdichte festgelegt ist, die magnetische Flussdichte auf der X-Achse an der Tiegelwand 80 % oder weniger des Einstellwertes für die magnetische Flussdichte beträgt, und auch die Verteilung der magnetischen Flussdichte auf der Y-Achse senkrecht zur X-Achse und durch die zentrale Achse 110 in der horizontalen Ebene 120 eine nach unten konvexe Verteilung ist, und die magnetische Flussdichte auf der Y-Achse an der Tiegelwand 140 % oder mehr des Einstellwertes für die magnetische Flussdichte beträgt. In der Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung sind zwei Paare supraleitender Spulen 104 (104a und 104c, 104b und 104d), bei denen die supraleitenden Spulen jedes Paares einander zugewandt sind, so vorgesehen, dass die Spulenachsen 121 in derselben horizontalen Ebene 120 enthalten sind und ein Mittelpunktwinkel α zwischen den beiden Spulenachsen 121, die die X-Achse einschließen, auf 100 Grad oder mehr und 120 Grad oder weniger eingestellt ist.
Infolgedessen kann die in Patentdokument 2 offenbarte Technik die folgenden Effekte erzielen. Das heißt, selbst in dem Querschnitt senkrecht zur X-Achse, in dem die auf elektromagnetischer Kraft basierende Konvektionsunterdrückungskraft unzureichend ist, kann die Strömungsgeschwindigkeit des geschmolzenen Halbleiter-Rohmaterials reduziert werden, und es ist möglich, die Strömungsgeschwindigkeit in dem Querschnitt parallel zur X-Achse des geschmolzenen Halbleiter-Rohmaterials und die Strömungsgeschwindigkeit in dem Querschnitt senkrecht zur X-Achse des geschmolzenen Halbleiter-Rohmaterials auszugleichen.
Außerdem wird im Querschnitt senkrecht zur X-Achse durch Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit des geschmolzenen Halbleiter-Rohmaterials die Zeit, die der von der Tiegelwand eluierte Sauerstoff benötigt, um den Einkristall zu erreichen, länger, und durch Erhöhung der Menge des von der freien Oberfläche des geschmolzenen Halbleiter-Rohmaterials verdampften Sauerstoffs ist es möglich, eine Einkristall-Ziehvorrichtung bereitzustellen, die die Konzentration des in den Einkristall aufgenommenen Sauerstoffs stark verringern kann. Darüber hinaus kann eine Einkristall-Ziehvorrichtung, die Wachstumsstreifen im wachsenden Einkristall unterdrücken kann, durch Ausgleichen der Strömungsgeschwindigkeit in einem Querschnitt parallel zur X-Achse des geschmolzenen Halbleiter-Rohmaterials und der Strömungsgeschwindigkeit in einem Querschnitt senkrecht zur X-Achse des geschmolzenen Halbleiter-Rohmaterials bereitgestellt werden.
ZITATLISTE
PATENTLITERATUR

Patentdokument 1: JP 2004-51475 A
Patentdokument 2: JP 2017-57127 A
Patentdokument 3: JP H10-291892 A
Patentdokument 4: JP 2003-63891 A

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHES PROBLEM
Als Ergebnis der Analyse der Magnetfeldverteilung in verschiedenen Spulenanordnungen durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung wurde jedoch deutlich, dass die Magnetfeldverteilung, die den gleichen Effekt wie in Patentdokument 2 erzeugt, mit einer anderen Spulenanordnung als der in Patentdokument 2 beschriebenen realisiert werden kann.
Um den Wirkungsgrad des Magnetfelds in der oben genannten Spulenanordnung zu erhöhen, muss der Durchmesser der Spulen so weit wie möglich vergrößert werden, und dementsprechend muss auch die Höhe des Behälters, der die Spulen enthält, erhöht werden. Im Falle einer Magnetvorrichtung (auch bekannt als Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung oder supraleitender Magnet) in einem zylindrischen Behälter ist es notwendig, diese nach Beendigung des Kristallziehens zu demontieren und einzustellen, und zu diesem Zeitpunkt ist es notwendig, die Magnetvorrichtung abzusenken und anzuheben. Daher muss die Magnetvorrichtung auf einer Hebevorrichtung installiert werden.
Darüber hinaus ist die Effizienz der Magnetfelderzeugung des in Patentdokument 2 beschriebenen Magneten geringer als die Spulenanordnung von Patentdokument 1, die als Vergleichsbeispiel von Patentdokument 2 aufgeführt ist, so dass auch das Problem besteht, dass die magnetische Flussdichte im Zentrum klein wird. Um einen defektfreien Bereichskristall durch das CZ-Verfahren zu ziehen, ist es zwar notwendig, dass der Temperaturgradient in der vertikalen Richtung über die gesamte Kristallwachstumsgrenzfläche (im Folgenden einfach als Wachstumsgrenzfläche bezeichnet) annähernd gleich ist, aber es erfordert eine Wachstumsgrenzfläche mit einer nach oben konvexen Form in einem CZ-Kristall, in dem der Umfangsbereich des Kristalls dazu neigt, gekühlt zu werden. Wenn jedoch die magnetische Flussdichte in der Mitte klein ist, wird die Temperaturgrenzschicht direkt unter dem rotierenden Kristall dick, so dass der Wärmezufluss aus der Schmelze reduziert wird, und es besteht das Problem, dass die Wachstumsgrenzfläche nur schwer nach oben konvex sein kann.
Was die in Patentdokument 3 beschriebene Positionsbeziehung zwischen dem Magneten und dem geschmolzenen Rohmaterial betrifft, so ist bekannt, dass die Sauerstoffkonzentration im Kristall abnimmt, wenn die Höhe des Magnetfeldzentrums des horizontalen Magnetfeldes in die Nähe der Schmelzoberfläche des geschmolzenen Rohmaterials angehoben wird, und dass die Sauerstoffkonzentration zunimmt, wenn sie in eine tiefere Position in der Schmelze abgesenkt wird. Die obere Grenzposition der Magnetvorrichtung wird durch den Hub der Hebevorrichtung und die Überschneidung mit der Seite des Ziehofens bestimmt. Im Allgemeinen ist die Kammer des Ziehofens über einen Arm mit einem Hydraulikzylinder an der Außenseite der Magnetvorrichtung verbunden, so dass diese auf und ab bewegt und gedreht werden kann. 13 zeigt ein Beispiel für eine Hebevorrichtung 122 für den Ziehofen und eine Hebevorrichtung 123 für die supraleitenden Magnete. Diese bestimmt somit die obere Endposition der Magnetanordnung. Mit zunehmender Gesamthöhe der Magnetvorrichtung kann die Position des Zentrums des Magnetfeldes, das in Höhenrichtung in der Mitte der Spule liegt, nicht angehoben werden, was bei der Gewinnung von Kristallen mit geringer Sauerstoffkonzentration nachteilig ist.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die oben genannten Probleme gemacht. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einkristall-Ziehvorrichtung und ein Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls bereitzustellen, die es ermöglichen, die Spulenhöhe zu reduzieren, indem die Effizienz der Magnetfelderzeugung erhöht wird, und das Zentrum des Magnetfelds in die Nähe der Schmelzoberfläche des Halbleiter-Rohmaterials anzuheben, um einen Einkristall mit einer niedrigeren Sauerstoffkonzentration als zuvor zu erhalten, und die es ermöglichen, die Wachstumsgrenzfläche nach oben konvex zu machen, indem sie es ermöglichen, mit einer höheren magnetischen Flussdichte als zuvor anzuregen, und es ermöglichen, einen defektfreien Kristall mit einer höheren Geschwindigkeit zu ziehen.
LÖSUNG DES PROBLEMS
Um das obige Ziel zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung eine Einkristall-Ziehvorrichtung zur Verfügung, die Folgendes umfasst: einen Ziehofen, in dem eine Heizvorrichtung und ein Tiegel, der ein geschmolzenes Halbleiter-Rohmaterial enthält, angeordnet sind und eine zentrale Achse aufweist; und eine Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung, die um den Ziehofen herum vorgesehen ist und supraleitende Spulen aufweist, um ein horizontales Magnetfeld an das geschmolzene Halbleiter-Rohmaterial anzulegen, indem die supraleitenden Spulen erregt werden, um die Konvektion des geschmolzenen Halbleiter-Rohmaterials im Tiegel zu unterdrücken,
wobei die supraleitenden Spulen der Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung sattelförmig sind und entlang einer äußeren Form des Ziehofens gekrümmt sind, und zwei Paare der sattelförmigen supraleitenden Spulen um den Ziehofen herum angeordnet sind, wobei die sattelförmigen supraleitenden Spulen jedes Paares einander zugewandt angeordnet sind,
wenn eine Achse, die durch die Mittelpunkte eines Paares einander gegenüberliegender supraleitender Spulen verläuft, als Spulenachse definiert ist,
die beiden Spulenachsen der beiden supraleitenden Spulenpaare in derselben horizontalen Ebene liegen, und
wenn eine magnetische Kraftlinienrichtung auf der zentralen Achse des Ziehofens in der horizontalen Ebene als X-Achse definiert ist und eine Richtung senkrecht zur X-Achse in der horizontalen Ebene als Y-Achse definiert ist, ein Mittelpunktwinkel α zwischen den beiden Spulenachsen, die die X-Achse sandwichartig einschließen, 90 Grad oder weniger beträgt und ein Zwischenspulenwinkel β zwischen benachbarten supraleitenden Spulen, die die Y-Achse sandwichartig einschließen, 20 Grad oder weniger beträgt.
Durch die Einstellung des Mittelpunktwinkels α, der die X-Achse zwischen den beiden Spulenachsen einschließt, auf 90 Grad oder weniger und des Spulen-Zwischenwinkels β, der die Y-Achse zwischen den benachbarten supraleitenden Spulen einschließt, auf 20 Grad oder weniger, wird eine konvektionsunterdrückende Kraft in der Nähe des Querschnitts senkrecht zur X-Achse erzeugt, und es kann verhindert werden, dass die magnetische Flussdichte senkrecht zum Tiegel in dem Winkelbereich in Umfangsrichtung, der der Mittelposition der Spule entspricht, zu hoch wird. Die Diffusionsgrenzschicht in der Nähe der Tiegelwand an dem Abschnitt wird nicht dünn, und das Schmelzen des Tiegels (Quarztiegels) wird weiter unterdrückt. Das heißt, durch die Unterdrückung der Konvektion kann die Zeit, die der von der Tiegelwand eluierte Sauerstoff benötigt, um den Einkristall zu erreichen, verlängert werden, und die Menge des von der freien Oberfläche des geschmolzenen Halbleiter-Rohmaterials verdampften Sauerstoffs kann erhöht werden. Da die Elution von Sauerstoff durch Unterdrückung der Schmelze aus dem Tiegel unterdrückt werden kann, lässt sich die Konzentration des in den Einkristall aufgenommenen Sauerstoffs erheblich verringern, so dass Einkristalle mit extrem niedrigen Sauerstoffkonzentrationen gezogen werden können.
Da der Mittelpunktwinkel α und der Winkel β zwischen den Spulen innerhalb der oben genannten Bereiche liegen, kann die Gesamtlänge der Spulen größer sein als bei den supraleitenden Spulen des Patentdokuments 2, so dass die magnetische Flussdichte der zentralen Achse im Vergleich zu Patentdokument 2 erhöht werden kann. Wenn die magnetische Flussdichte in der Nähe der Wachstumsgrenzfläche zunimmt, wird die Temperaturgrenzschicht direkt unter dem rotierenden Einkristall dünn, so dass die Wärme von der Schmelze zum Einkristall fließt und die Wachstumsgrenzfläche dadurch nach oben konvex wird. Wenn der Einkristall in diesem Zustand von der Seitenfläche aus gekühlt wird, kann er mit einem gleichmäßig großen Temperaturgradienten in der Ebene gezogen werden, so dass der defektfreie Kristall mit höherer Geschwindigkeit gezogen werden kann.
Wenn der Winkel β zwischen den Spulen größer als 20 Grad ist, wird die Komponente der magnetischen Kraftlinie senkrecht zum Tiegel in der Nähe des Querschnitts senkrecht zur magnetischen Kraftlinie (X-Achse) klein, so dass die konvektionsunterdrückende Kraft in diesem Bereich nicht erreicht werden kann. Wenn der Mittelpunktwinkel α größer als 90 Grad ist, wird die Gesamtlänge der supraleitenden Spulen aufgrund der Positionsbeziehung zu den benachbarten Spulen (ein weiteres Spulenpaar) verkürzt, die Effizienz der Magnetfelderzeugung wird reduziert und ein Effekt zur Erhöhung der magnetischen Flussdichte auf der Mittelachse kann nicht mehr erzielt werden.
Da der Mittelpunktwinkel α und der Zwischenspulenwinkel β innerhalb der oben genannten Bereiche liegen, können außerdem die Strömungsgeschwindigkeit im Querschnitt parallel zur X-Achse des geschmolzenen Halbleiter-Rohmaterials und die Strömungsgeschwindigkeit im Querschnitt senkrecht zur X-Achse des geschmolzenen Halbleiter-Rohmaterials ausgeglichen werden. Als Ergebnis kann eine Einkristall-Ziehvorrichtung erhalten werden, die in der Lage ist, Wachstumsstreifen in einem zu züchtenden Einkristall zu unterdrücken.
Da es sich bei den supraleitenden Spulen um sattelförmige Spulen statt um herkömmliche kreisförmige Spulen handelt, kann außerdem die Umfangslänge der Spulen vergrößert werden, so dass selbst bei gleichem Stromwert ein Magnetfeld mit einer höheren magnetischen Flussdichte erzeugt werden kann. Das heißt, die Effizienz der Magnetfelderzeugung kann verbessert werden.
Da durch die Sattelform die Gesamthöhe der Spule kleiner ist als bei einer kreisförmigen Spule, kann die Position der Spulenmitte in der Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung erhöht werden. Daher kann, wenn die Hebevorrichtung bis zur oberen Grenze angehoben wird, das Zentrum des Magnetfeldes auf eine höhere Position in Bezug auf die Schmelze eingestellt werden, und es wird möglich, einen Einkristall mit einer Sauerstoffkonzentration zu erhalten, die sogar niedriger ist als die einer herkömmlichen Einkristall-Ziehvorrichtung, wie sie beispielsweise in Patentdokument 2 offenbart ist.
Zu diesem Zeitpunkt kann die Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung eine Hebevorrichtung umfassen, die sich in vertikaler Richtung auf und ab bewegen kann.
Daher kann der Bediener die heiße Zone im Ofen leicht ausbauen und reinigen, indem er die Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung zum Zeitpunkt des Ausbaus und der Einstellung nach Beendigung des Vorgangs absenkt. Auch beim Ziehen eines Einkristalls ist es möglich, die Höhenposition der Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung leichter einzustellen, so dass die Sauerstoffkonzentration im Einkristall einen gewünschten Wert erreicht.
Außerdem kann die vertikale Breite der sattelförmigen supraleitenden Spulen kürzer als die horizontale Breite sein.
Mit einer solchen Struktur kann die Gesamthöhe der Spulen zuverlässiger reduziert werden, die mittlere Höhenposition der Spulen kann angehoben werden, das Magnetfeldzentrum kann an einer höheren Position eingestellt werden, und die Einkristalle mit niedriger Sauerstoffkonzentration können leichter erhalten werden.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls bereit, das das Ziehen eines Halbleiter-Einkristalls unter Verwendung der Einkristall-Ziehvorrichtung umfasst.
Mit einem solchen Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls ist es möglich, einen Halbleiter-Einkristall zu züchten, in dem die Konzentration des aufgenommenen Sauerstoffs stark reduziert ist und Wachstumsstreifen unterdrückt werden. Auch ist es möglich, einen Einkristall im gewünschten Defektbereich zu ziehen. Insbesondere können Kristalle in defektfreien Bereichen mit höherer Geschwindigkeit gezogen werden.
Zu diesem Zeitpunkt, wenn der Halbleiter-Einkristall gezogen wird, kann eine Höhenposition der Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung entsprechend einem Zielwert der im Halbleiter-Einkristall enthaltenen Sauerstoffkonzentration eingestellt werden.
Auf diese Weise ist es möglich, die Sauerstoffkonzentration genau zu steuern und einen Halbleiter-Einkristall mit einer niedrigen Sauerstoffkonzentration zuverlässiger zu züchten.
Wenn der Halbleiter-Einkristall gezogen wird, kann die magnetische Feldstärke entsprechend einem Zieldefektbereich des Halbleiter-Einkristalls eingestellt werden.
Auf diese Weise wird beispielsweise durch die oben beschriebene Erhöhung der Magnetfeldstärke (oder magnetischen Flussdichte) der zentralen Achse die Wachstumsgrenzfläche nach oben konvex, und durch die Abkühlung von der Kristallseitenfläche aus kann ein gleichmäßiger Temperaturgradient innerhalb der Ebene erzielt werden, und der defektfreie Bereichskristall kann mit einer höheren Geschwindigkeit gezogen werden. Umgekehrt kann durch Verringerung der Magnetfeldstärke (oder der magnetischen Flussdichte) der zentralen Achse der Temperaturgradient insbesondere im zentralen Teil des Kristalls verringert werden, und ein Einkristall mit vielen Leerstellen kann gezogen werden. Auf diese Weise kann ein Einkristall entsprechend der Zieldefektregion gezüchtet werden.
VORTEILHAFTE AUSWIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Wie oben beschrieben, kann die Einkristall-Ziehvorrichtung der vorliegenden Erfindung eine Einkristall-Ziehvorrichtung sein, durch die die Sauerstoffkonzentration, die in den Einkristall aufgenommen wird, stark reduziert werden kann, und Wachstumsstreifen in dem zu züchtenden Einkristall können unterdrückt werden. Darüber hinaus kann es sich um eine Einkristall-Ziehvorrichtung handeln, die in der Lage ist, einen Einkristall in einem gewünschten Defektbereich (insbesondere einen Kristall in einem defektfreien Bereich) mit einer höheren Geschwindigkeit als zuvor zu ziehen.
Ferner ist es nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Ziehen von Einkristallen möglich, einen Halbleiter-Einkristall zu züchten, bei dem die Konzentration des aufgenommenen Sauerstoffs stark reduziert ist und Wachstumsstreifen unterdrückt werden. Ferner ist es möglich, die Defektregion durch Einstellen der magnetischen Feldstärke (magnetische Flussdichte) der zentralen Achse auf eine gewünschte Region einzustellen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels für eine Einkristall-Ziehvorrichtung der vorliegenden Erfindung;
2A ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel für die Form der supraleitenden Spulen der vorliegenden Erfindung zeigt;
2B ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel für die Anordnung der supraleitenden Spulen der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 ist ein Analysediagramm, das die Verteilung der magnetischen Flussdichte in Beispiel 1 zeigt;
4 ist ein Analysediagramm, das Geschwindigkeitsvektoren und Sauerstoffkonzentrationsverteilungen in der Schmelze aus Beispiel 1 zeigt;
5 ist ein Analysediagramm, das Geschwindigkeitsvektoren und Sauerstoffkonzentrationsverteilungen in der Schmelze in Beispiel 2 zeigt;
6 ist ein Analysediagramm, das die Verteilung der magnetischen Flussdichte im Vergleichsbeispiel 1 zeigt;
7 ist ein Analysediagramm, das Geschwindigkeitsvektoren und Sauerstoffkonzentrationsverteilungen in der Schmelze aus Vergleichsbeispiel 1 zeigt;
8 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels für eine herkömmliche Einkristall-Ziehvorrichtung;
9 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels für einen herkömmlichen supraleitenden Magneten;
10 ist ein erklärendes Diagramm, das ein Beispiel für die Magnetfeldverteilung eines herkömmlichen supraleitenden Magneten zeigt;
11A ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel für einen anderen herkömmlichen supraleitenden Magneten zeigt;
11B ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel für einen anderen herkömmlichen supraleitenden Magneten zeigt;
12A ist eine schematische Darstellung eines Beispiels für eine andere herkömmliche Einkristall-Ziehvorrichtung;
12B ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel für einen anderen herkömmlichen supraleitenden Magneten zeigt;
13 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels für eine Hebevorrichtung für einen Ziehofen und eine Hebevorrichtung für einen supraleitenden Magneten;
14 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der magnetischen Flussdichtekomponente (B⊥) orthogonal zur Innenwand des Tiegels und dem Umfangswinkel zeigt;
15 ist ein Analysediagramm, das die Verteilung der magnetischen Flussdichte in Vergleichsbeispiel 2 zeigt;
16 ist ein Analysediagramm, das Geschwindigkeitsvektoren und Sauerstoffkonzentrationsverteilungen in der Schmelze von Vergleichsbeispiel 2 zeigt; und
17 ist ein Analysediagramm, das Geschwindigkeitsvektoren und Sauerstoffkonzentrationsverteilungen in der Schmelze aus Vergleichsbeispiel 3 zeigt.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Wenn sich eine leitende Flüssigkeit in einem Magnetfeld bewegt, wird ein induzierter Strom in der Richtung senkrecht zur magnetischen Kraftlinie und der Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur magnetischen Kraftlinie erzeugt. Bei Verwendung eines Quarztiegels mit elektrischer Isolationseigenschaft fließt der induzierte Strom in der dazu senkrechten Richtung nicht, da die Tiegelwand und die freie Oberfläche des geschmolzenen Halbleiter-Rohmaterials als isolierende Wand dienen. Aus diesem Grund wird die konvektionsunterdrückende Kraft in der Nähe des Querschnitts senkrecht zur X-Achse zwischen den geschmolzenen Halbleiter-Rohmaterialien unzureichend.
Wenn jedoch zwei Paare supraleitender Spulen, bei denen die Spulen jedes Paares einander zugewandt sind, um den Ziehofen herum angeordnet sind und eine Achse, die durch die Mittelpunkte eines Paares einander zugewandter supraleitender Spulen verläuft, als Spulenachse definiert ist, die beiden Spulenachsen der beiden Paare supraleitender Spulen in derselben horizontalen Ebene liegen, der Mittelpunktwinkel α zwischen den beiden Spulenachsen, der die X-Achse (die Richtung der Magnetkraftlinie in der Mittelachse des Ziehofens in der horizontalen Ebene) einschließt, 90 Grad oder weniger beträgt, und der Winkel β zwischen den Spulen, der die Y-Achse (die Richtung senkrecht zur X-Achse in der horizontalen Ebene) zwischen den benachbarten supraleitenden Spulen einschließt, beträgt 20 Grad oder weniger, selbst in einem Querschnitt senkrecht zur X-Achse, wo die elektromagnetische Kraft nicht ausreicht, um die Konvektion zu unterdrücken, kann die Strömungsgeschwindigkeit des geschmolzenen Halbleiter-Rohmaterials verringert werden, und es ist möglich, die Strömungsgeschwindigkeit im Querschnitt parallel zur X-Achse des geschmolzenen Halbleiter-Rohmaterials und die Strömungsgeschwindigkeit im Querschnitt senkrecht zur X-Achse des geschmolzenen Halbleiter-Rohmaterials auszugleichen. Infolgedessen kann, wie oben beschrieben, die Konzentration des in den Einkristall aufgenommenen Sauerstoffs stark reduziert werden, und Wachstumsstreifen im gewachsenen Einkristall können unterdrückt werden. Darüber hinaus kann zum Beispiel die Gesamtlänge der Spulen weiter ausgedehnt werden als bei den supraleitenden Spulen des Patentdokuments 2, und die magnetische Flussdichte der zentralen Achse kann weiter erhöht werden. Infolgedessen kann insbesondere die Wachstumsgrenzfläche nach oben konvex werden und ein defektfreier Bereichskristall kann mit höherer Geschwindigkeit gezogen werden.
Wenn sattelförmige Spulen als supraleitende Spulen verwendet werden, kann die Effizienz der Magnetfelderzeugung verbessert werden, und die Gesamthöhe der Spulen kann geringer sein als bei kreisförmigen Spulen. Die mittlere Höhenposition der Spulen kann angehoben werden, die Position des Magnetfeldzentrums kann höher eingestellt werden, und es kann ein Einkristall mit einer viel niedrigeren Sauerstoffkonzentration erhalten werden.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben diese Dinge gefunden und die vorliegende Erfindung vollendet.
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, doch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt.
1 zeigt ein Beispiel für die Einkristall-Ziehvorrichtung der vorliegenden Erfindung.
Die Einkristall-Ziehvorrichtung 11 in 1 basiert auf dem CZ-Verfahren und ist mit einem Ziehofen 1 mit einer zentralen Achse 10, in dem eine Heizvorrichtung 3 und ein Quarztiegel 2, der geschmolzenes Halbleiter-Rohmaterial (im Folgenden auch als Schmelze bezeichnet) 6 enthält, angeordnet sind, und einem supraleitenden Magneten (Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung 30) ausgestattet, der um den Ziehofen 1 herum angeordnet ist und supraleitende Spulen aufweist. Die Vorrichtung 11 ist so konfiguriert, dass der Einkristall 9 in der Ziehrichtung 8 gezogen wird, während die Konvektion der Schmelze 6 im Tiegel 2 unterdrückt wird, indem die Spannung an die supraleitenden Spulen angelegt wird, um ein horizontales Magnetfeld anzulegen.
Im Folgenden werden die Form und die Anordnung der supraleitenden Spulen in der Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung 30 unter Bezugnahme auf die 2A und 2B im Detail beschrieben. 2A ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel für die Form der supraleitenden Spulen zeigt, und 2B ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel für ihre Anordnung zeigt.
Es gibt insgesamt vier supraleitende Spulen (auch einfach als Spulen bezeichnet) 4 (4a-4d), von denen jede eine Sattelform hat, die entlang der äußeren Form des zylindrischen Ziehofens 1 gekrümmt ist. Um den Ziehofen 1 herum sind zwei Sätze von Spulenpaaren angeordnet, wobei die Spulen einander zugewandt sind. In diesem Fall handelt es sich um die Kombinationen 4a und 4c sowie 4b und 4d.
Da die Spulen 4 sattelförmig statt wie üblich kreisförmig sind, kann die Umfangslänge der Spulen vergrößert, ein Magnetfeld mit höherer magnetischer Flussdichte erzeugt und ein hoher Wirkungsgrad der Magnetfelderzeugung erzielt werden.
Da die Gesamthöhe der Spulen kleiner sein kann als bei kreisförmigen Spulen, kann die Position der Spulenmitte auf eine höhere Position als bei kreisförmigen Spulen angehoben werden. Das heißt, das Zentrum des Magnetfeldes kann höher als die Schmelze 6 positioniert werden, und es kann ein Einkristall 9 mit einer geringeren Sauerstoffkonzentration erzeugt werden.
Es ist zu beachten, dass die vertikale Breite der Spulen 4 kürzer sein kann als ihre horizontale Breite. In diesem Fall kann die Gesamthöhe der Spulen zuverlässiger reduziert werden, und der Einkristall 9 mit niedriger Sauerstoffkonzentration kann leichter gewonnen werden.
Wenn eine Achse, die durch die Mittelpunkte der einander zugewandten Spulenpaare 4 verläuft, als Spulenachse definiert ist, liegen die beiden Spulenachsen 13 und 14 der beiden Spulenpaare 4 (Paar 4a und 4c und Paar 4b und 4d) in derselben horizontalen Ebene 12 (siehe 1). Wenn die Richtung der Magnetkraftlinien 7 auf der zentralen Achse 10 des Ziehofens 1 in der horizontalen Ebene 12 als X-Achse definiert ist, beträgt ein Winkel zwischen den beiden Spulenachsen 13 und 14, der die X-Achse einschließt (Mittelpunktwinkel α), 90 Grad oder weniger.
Außerdem ist zwischen benachbarten Spulen ein Winkel (Zwischenspulenwinkel β), der die Y-Achse (die Richtung senkrecht zur X-Achse in der horizontalen Ebene 12) schneidet, 20 Grad oder weniger. Zwischen verschiedenen Paaren von Spulen, im Fall von 2A und 2B, ist der Winkel zwischen dem seitlichen Ende der Spule 4a und dem seitlichen Ende der Spule 4d und der Winkel zwischen dem seitlichen Ende der Spule 4c und dem seitlichen Ende der Spule 4b der Zwischenspulenwinkel β.
Der mögliche Bereich des Zwischenspulenwinkels β beträgt 0 bis 20 Grad. Wenn der Zwischenspulenwinkel β den Mindestwert von 0 Grad hat, beträgt der mögliche Wert des Mittelpunktwinkels α 90 Grad, der Höchstwert. Wenn der Zwischenspulenwinkel β den Maximalwert von 20 Grad hat, beträgt der mögliche Bereich für den Mittelpunktwinkel α 80 bis 90 Grad.
Was die sattelförmigen Spulen 4 betrifft, so wird im Folgenden die Wirkung beschrieben, wenn der Mittelpunktwinkel α und der Winkel β zwischen den Spulen innerhalb der oben genannten Bereiche liegen.
Erstens ist, wie oben beschrieben, die konvektionsunterdrückende Kraft in der Nähe des Querschnitts senkrecht zur X-Achse im geschmolzenen Halbleiter-Rohmaterial nicht ausreichend. Da der Mittelpunktwinkel 90 Grad oder weniger und der Zwischenspulenwinkel β 20 Grad oder weniger beträgt, ist es möglich, eine Konvektionsunterdrückungskraft in der Nähe des Querschnitts senkrecht zur X-Achse zu erzeugen. Da außerdem verhindert werden kann, dass die magnetische Flussdichte senkrecht zum Tiegel in dem Umfangswinkelbereich, der der Mittelposition der Spulen in der Draufsicht entspricht, zu hoch ist, kann die Ausdünnung der Diffusionsgrenzschicht in der Nähe der Tiegelwand an dem Abschnitt eliminiert werden, und das Schmelzen des Quarztiegels wird weiter unterdrückt. Dadurch ist es möglich, einen Einkristall mit einer deutlich reduzierten Sauerstoffkonzentration zu erhalten.
Die Unterdrückung des Schmelzens aus dem Quarztiegel wird hier anhand eines Beispiels näher beschrieben.
14 ist eine Darstellung der magnetischen Flussdichtekomponente B⊥ senkrecht zur Tiegelwand eines 800 mm (32 Zoll) großen Tiegels in Abhängigkeit vom Umfangswinkel, wenn die X-Achse 90 Grad beträgt. In diesem Fall ist der Umfangswinkel ein Winkel gegen den Uhrzeigersinn θ in Bezug auf die Y-Achse (0 Grad) zwischen den Spulen 4a und 4d, wie in 2B gezeigt. Vier Arten von Mustern (zwei kreisförmige Spulenmuster und zwei sattelförmige Spulenmuster) sind aufgezeichnet. Das Muster der kreisförmigen Spulen in 14 entspricht den im Patentdokument 2 beschriebenen Spulen. In der horizontalen Ebene, die die Spulenachse einschließt, wenn die magnetische Kraftlinienrichtung auf der zentralen Achse der Zugvorrichtung als X-Achse definiert ist, werden zwei Spulenpaare vorbereitet, bei denen die Spulen jedes Paares einander gegenüberliegend angeordnet sind und eine Breite von 900 mm haben, und die Spulenachsen der beiden Spulenpaare sind in derselben horizontalen Ebene vorgesehen, und die Mittelpunktwinkel α, die die X-Achse einschließen, werden in einem zylindrischen Behälter auf 120 Grad und 60 Grad eingestellt. In der kreisförmigen Spule mit α =60 Grad ist B⊥ in der Nähe von 0 Grad klein, was dem Querschnitt senkrecht zur magnetischen Kraftlinie (X-Achse) entspricht, während sie in der kreisförmigen Spule mit α=120 Grad in der Nähe von 0 Grad sehr stark und in der Nähe von 90 Grad eher schwach ist. Daher kann man sehen, dass eine starke konvektionsunterdrückende Kraft auch in der Nähe des Querschnitts senkrecht zu den magnetischen Kraftlinien (X-Achse) erreicht werden kann.
Andererseits ist auch bei sattelförmigen Spulen, wenn α=120 Grad und β=6 Grad, B⊥ in der Nähe von 0 Grad groß ist und B⊥ in der Nähe von 90 Grad abnimmt, zu erkennen, dass die Verteilung ähnlich ist.
Andererseits verschiebt sich bei den sattelförmigen Spulen mit α =90 Grad und β=20 Grad, die ein Beispiel für die vorliegende Erfindung sind, der Spitzenwert, der bei etwa 35 Grad in den sattelförmigen Spulen mit α=120 Grad zu sehen ist, auf etwa 45 Grad, und der Maximalwert wird ebenfalls kleiner. Im Vergleich zur kreisförmigen Spule mit α=60 Grad ist B⊥ in der Nähe von 0 Grad jedoch immer noch stark, und B⊥ nimmt in der Nähe von 90 Grad entsprechend der X-Achse zu. Es zeigt sich also, dass die konvektionsunterdrückende Kraft nicht nur in der Nähe des Querschnitts senkrecht zur magnetischen Kraftlinie (X-Achse), sondern auch in der gesamten Umfangsrichtung wirkt. Da das extrem große B⊥ verschwindet, wird die Diffusionsgrenzschicht in der Nähe der Tiegelwand in diesem Bereich nicht dünn, und das Schmelzen des Quarztiegels wird weiter unterdrückt.
Außerdem ist es möglich, die Strömungsgeschwindigkeit im Querschnitt parallel zur X-Achse und die Strömungsgeschwindigkeit im Querschnitt senkrecht zur X-Achse der Schmelze 6 zu bilanzieren. Die Schlierenbildung im Einkristall 9 kann durch die Realisierung des Gleichgewichts unterdrückt werden.
Darüber hinaus kann z.B. die Gesamtlänge der Spulen 4 weiter ausgedehnt werden als die Spulen des Patentdokuments 2, und insbesondere kann die magnetische Flussdichte an der Mittelachse 10 weiter erhöht werden, und die Wachstumsgrenzfläche des zu züchtenden Einkristalls 9 kann nach oben hin konvex gestaltet werden. Dies ermöglicht ein schnelles Ziehen von Kristallen aus defektfreien Bereichen.
Hier offenbart zum Beispiel das Patentdokument 4 einen Elektromagneten, bei dem mehrere sattelförmige Spulen um einen Tiegel herum angeordnet sind. Das von dem Elektromagneten erzeugte Magnetfeld ist ein rotierendes Magnetfeld, das mit der Drehung des Tiegels in der Richtung senkrecht zur Achse synchronisiert ist, um den Einkristall zu ziehen. Daher unterscheidet es sich völlig von dem statischen Magnetfeld der vorliegenden Erfindung. In Patentdokument 4 heißt es, dass durch die Steuerung der Erregungs- und Entmagnetisierungszeiten einer Vielzahl von Spulen ein rotierendes Magnetfeld synchron mit der Drehung des Tiegels erzeugt wird, wodurch eine Antriebskraft in Umfangsrichtung auf die Schmelze ausgeübt wird und die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Tiegel und der Schmelze auf Null gesetzt wird, und Kristalle, die keine Verunreinigungen enthalten, durch Verringerung der Auflösung aus dem Tiegel erhalten werden können. Aber auch wenn es sich bei der Einkristall-Ziehvorrichtung 11 der vorliegenden Erfindung nicht um eine Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung handelt, die eine komplizierte Steuerung wie im Patentdokument 4 erfordert, wird das Schmelzen aus dem Tiegel wie oben beschrieben reduziert, um Kristalle mit extrem niedriger Sauerstoffkonzentration zu erzeugen. Außerdem ist es möglich, einen gewünschten defektbehafteten Einkristall, z.B. einen defektfreien Einkristall mit einem Sauerstoffgehalt von etwa 10 ppma-JEIDA, mit einer höheren Geschwindigkeit zu ziehen.
Außerdem verfügt die Einkristall-Ziehvorrichtung 11 über eine Hebevorrichtung 22 für den Ziehofen 1, die es ermöglicht, den Ziehofen 1 in vertikaler Richtung auf und ab zu bewegen und zu drehen.
Ferner ist eine Hebevorrichtung 23 für die Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung 30 vorgesehen, und die auf der Hebevorrichtung 23 installierte Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung 30 kann vertikal auf und ab bewegt werden (Auf- und Abwärtsbewegung). Dadurch kann die heiße Zone im Ziehofen 1 nach Beendigung des Vorgangs leicht demontiert und gereinigt werden, und die Sauerstoffkonzentration des zu züchtenden Einkristalls 9 kann durch Einstellen der Höhe der Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung 30 leicht angepasst werden.
Als nächstes wird das Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls der vorliegenden Erfindung unter Verwendung der Einkristall-Ziehvorrichtung 11 der vorliegenden Erfindung, wie oben beschrieben, beschrieben. Hier wird ein Verfahren zum Ziehen eines Silizium-Einkristalls, der ein Halbleiter-Einkristall ist, beschrieben.
Zunächst wird in der Einkristall-Ziehvorrichtung 11 ein Halbleiter-Rohmaterial (polykristallines Silizium) in den Tiegel 2 gegeben und durch die Heizvorrichtung 3 erhitzt, um das Halbleiter-Rohmaterial zu schmelzen (Schmelze 6).
Anschließend wird durch Erregung der supraleitenden Spulen 4 ein von der Magnetfelderzeugungsvorrichtung 30 erzeugtes horizontales Magnetfeld an die Schmelze 6 angelegt, um die Konvektion der Schmelze 6 innerhalb des Tiegels 2 zu unterdrücken.
Als nächstes wird ein Impfkristall (nicht dargestellt) zum Kontakt mit der Schmelze 6 abgesenkt, z. B. von oberhalb des zentralen Teils des Tiegels 2, und der Impfkristall wird durch einen Zugmechanismus (nicht dargestellt) mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit in einer Zugrichtung 8 nach oben gezogen, während er rotiert. Infolgedessen wächst ein Kristall in der fest/flüssig-Grenzschicht, und ein Halbleiter-Einkristall (Silizium-Einkristall) 9 wird erzeugt.
Mit einem solchen Einkristall-Ziehverfahren ist es möglich, einen Halbleiter-Einkristall zu züchten, in dem die Konzentration des aufgenommenen Sauerstoffs stark reduziert ist und Wachstumsstreifen unterdrückt sind. Die Sauerstoffkonzentration in dem zu ziehenden Einkristall ist nicht besonders begrenzt, aber insbesondere ist es möglich, einen Einkristall mit 5 ppma-JEIDA oder weniger, vorzugsweise 3 ppma-JEIDA oder weniger, und weiter 1 ppma-JEIDA oder weniger herzustellen.
Beim Ziehen dieses Halbleiter-Einkristalls kann die Höhenposition der Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung 30 mit Hilfe der Hebevorrichtung 23 entsprechend dem Zielwert der im Halbleiter-Einkristall enthaltenen Sauerstoffkonzentration eingestellt werden.
Insbesondere wird die Beziehung zwischen der Höhenposition der Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung 30 und der Sauerstoffkonzentration im Einkristall 9 im Voraus durch Experimente oder ähnliches ermittelt, und die Höhenposition der Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung 30 wird so eingestellt, dass sie vor Beginn des Ziehens die gewünschte Höhenposition einnimmt. Während des Ziehens des Einkristalls 9 kann die Sauerstoffkonzentration im Einkristall durch andere Parameter gesteuert werden, ohne die Höhe des Magnetfelds zu verändern. Typische Parameter sind die Drehung des Tiegels, die Position des Heizelements und dergleichen.
Darüber hinaus ist eine Feinsteuerung der Sauerstoffkonzentration möglich, indem die Höhenposition der Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung 30 während des Ziehens eines Einkristalls 9 gesteuert wird.
Ferner kann durch Anpassung der magnetischen Feldstärke (magnetische Flussdichte) der Defektbereich des zu züchtenden Einkristalls an den Zieldefektbereich angepasst werden. Da, wie oben beschrieben, die Gesamtlänge der Spulen länger sein kann als die Spulen des Patentdokuments 2, kann zum Beispiel die magnetische Flussdichte in der zentralen Achse erhöht werden, und als Ergebnis kann der defektfreie Bereich Kristall mit einer höheren Geschwindigkeit gezogen werden. Umgekehrt, wenn die zentrale magnetische Flussdichte gesenkt wird, wird der Temperaturgradient insbesondere im zentralen Teil kleiner, so dass ein vakanzreicher Einkristall erhalten werden kann.
BEISPIEL
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf Beispiele und Vergleichsbeispiele der vorliegenden Erfindung ausführlicher beschrieben, doch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese beschränkt.
(Beispiel 1)
Ein Einkristall wurde mit der in den 1, 2A und 2B dargestellten Einkristall-Ziehvorrichtung 11 der vorliegenden Erfindung gezogen.
Die Magnetfeldanalyse und die 3D-Schmelzkonvektionsanalyse wurden für eine Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung durchgeführt. In der Vorrichtung wurden vier sattelförmige supraleitende Spulen mit einer vertikalen Breite von 620 mm und einer horizontalen Breite (Länge des äußersten Umfangs entlang der Kurve) von 1262 mm (1381 mm) entlang eines Kreises mit einem Radius von 900 mm, der auf der zentralen Achse des Ziehofen zentriert war, in einer horizontalen Ebene angeordnet (zwei Spulenpaare, wobei sich die Spulen gegenseitig zugewandt waren), und wenn die magnetische Kraftlinienrichtung auf der Zentralachse als X-Achse definiert wurde, betrug der Mittelpunktwinkel α zwischen den beiden Spulenachsen, die die X-Achse einschließen, 90 Grad und der Winkel β zwischen den Spulen, der die Y-Achse einschließt und senkrecht zur X-Achse verläuft, 20 Grad. Dann wurde ein Silizium-Einkristall mit der Vorrichtung gezogen.
Die Berechnungsbedingungen für die Analyse waren eine Ladungsmenge von 400 kg, ein 32-Zoll-Tiegel (800 mm), ein Silizium-Einkristall 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.
3 zeigt die Ergebnisse der Magnetfeldanalyse mit ANSYS-Maxwell 3D, und die Verteilung der magnetischen Flussdichte wird angezeigt, nachdem die Analyse durchgeführt wurde, indem der Spulenstrom und die Anzahl der Windungen so angepasst wurden, dass die magnetische Flussdichte auf der Mittelachse 1000 Gauss beträgt.
Aus den Ergebnissen der obigen Magnetfeldanalyse wurde die magnetische Flussdichte des Raums, der den Kristall und den Schmelzbereich enthält, extrahiert und eine 3D-Schmelzkonvektionsanalyse unter Berücksichtigung der Magnetfeldverteilung mit CGSim 3D Flow durchgeführt. Die mittlere Höhenposition der Spulen (auch als Höhenposition der Spulenachse bezeichnet) wurde wie im später beschriebenen Vergleichsbeispiel 3 auf die Oberfläche der Schmelze eingestellt. Die linke Seite von 4 zeigt die resultierenden Geschwindigkeitsvektoren in der Schmelze und die rechte Seite die Sauerstoffkonzentrationsverteilungen in der Schmelze. ⊥B zeigt den Querschnitt senkrecht zu den Magnetkraftlinien und //B zeigt den Querschnitt parallel zu den Magnetkraftlinien.
Auch im Magnetfeld von Beispiel 1, wie im später beschriebenen Vergleichsbeispiel 3, ist die Konvektionsunterdrückungskraft selbst im Querschnitt senkrecht zu den magnetischen Kraftlinien stark, und eine relativ aktive Strömung ist nur unter dem Rand des Kristalls zu erkennen, und die Sauerstoffkonzentration in der Schmelze ist gering.
Selbst mit einer solchen Spulenform und -anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung war es möglich, einen Kristall mit einer extrem niedrigen Sauerstoffkonzentration von weniger als 1 ppma-JEIDA über die gesamte Waferoberfläche zu erhalten, der eine ausgezeichnete Verteilung in der Ebene aufweist.
(Beispiel 2)
Die sattelförmigen Spulen aus Beispiel 1 hatten eine größere Spulenlänge und einen höheren Wirkungsgrad bei der Magnetfelderzeugung, so dass eine Anregung von bis zu 4000 Gauss in der Mittelachse möglich war. Aus diesem Grund wurde in Beispiel 2 die magnetische Flussdichte in der Mittelachse auf 4000 Gauss eingestellt, die Höhenposition der Spulenachse auf die Schmelzoberfläche gesetzt, eine 3D-Schmelzenkonvektionsanalyse durchgeführt und ein Einkristall mit der Vorrichtung gezogen.
5 zeigt die Geschwindigkeitsvektoren in der Schmelze und die Sauerstoffkonzentrationsverteilungen in der Schmelze, die durch numerische Analyse erhalten wurden. Es ist zu erkennen, dass, obwohl die Sauerstoffkonzentration in der Schmelze höher ist als in Beispiel 1 (3-5 ppma-JEIDA in der Nähe der Wachstumsgrenzfläche), die Wachstumsgrenzfläche eine große nach oben konvexe Form hat. Da der Temperaturgradient G in vertikaler Richtung innerhalb der Ebene annähernd gleich ist, ist es bei einer solchen Form der Wachstumsgrenzfläche möglich, den defektfreien Bereich kristallin zu ziehen.
(Vergleichsbeispiel 1)
Ein Einkristall wurde mit Hilfe einer Einkristall-Ziehvorrichtung mit einem herkömmlichen supraleitenden Magneten (Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung) gezogen (siehe 12A und 12B).
Eine Magnetfeldanalyse und eine 3D-Schmelzkonvektionsanalyse wurden für eine Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung durchgeführt. In der Vorrichtung wurden in der horizontalen Ebene, die die Spulenachse einschließt, wenn die magnetische Kraftlinienrichtung in der Mittelachse der Ziehvorrichtung als X-Achse definiert wurde, zwei Paare kreisförmiger Spulen, wobei die Spulen jedes Paares einander gegenüberliegend mit einem Durchmesser von 900 mm angeordnet waren, so angeordnet, dass die jeweiligen Spulenachsen in derselben horizontalen Ebene eingeschlossen waren, ein Mittelpunktwinkel α zwischen den Spulenachsen, der die X-Achse sandwichartig einschließt, 120 Grad betrug und die Vorrichtung in einem zylindrischen Vakuumbehälter platziert war. Dann wurde ein Silizium-Einkristall gezogen.
Die Berechnungsbedingungen für die Analyse waren eine Ladungsmenge von 400 kg, ein 32-Zoll-Tiegel (800 mm), ein Silizium-Einkristall 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.
6 zeigt die Ergebnisse der Magnetfeldanalyse mit ANSYS-Maxwell 3D, und die Verteilung der magnetischen Flussdichte wird angezeigt, nachdem die Analyse durchgeführt wurde, indem der Spulenstrom und die Anzahl der Windungen so angepasst wurden, dass die magnetische Flussdichte auf der Mittelachse 1000 Gauss beträgt.
Aus den Ergebnissen der oben beschriebenen Magnetfeldanalyse wurde die magnetische Flussdichte des Raums, der den Kristall und den Schmelzbereich enthält, extrahiert, und es wurde eine 3D-Schmelzkonvektionsanalyse unter Berücksichtigung der Magnetfeldverteilung durchgeführt. Die Höhenposition der Spulenachse wurde auf eine Position 140 mm unterhalb der Schmelzoberfläche festgelegt, was der oberen Grenzposition in Vergleichsbeispiel 1 entspricht. 7 zeigt die aus den Ergebnissen gewonnenen Geschwindigkeitsvektoren in der Schmelze und rechts die Sauerstoffkonzentrationsverteilungen in der Schmelze.
Im Magnetfeld des Vergleichsbeispiels 1 ist die Konvektionsunterdrückungskraft auch im Querschnitt senkrecht zu den magnetischen Kraftlinien stark, und eine relativ aktive Strömung ist nur unter dem Rand des Kristalls zu sehen, und die Sauerstoffkonzentration in der Schmelze ist gering.
Mit dieser Spulenanordnung ist es möglich, einen Kristall mit einer extrem niedrigen Sauerstoffkonzentration von etwa 3 bis 5 ppma-JEIDA auf der gesamten Waferoberfläche und einer hervorragenden Verteilung in der Ebene zu erhalten, aber es ist notwendig, den Spulendurchmesser zu vergrößern, um die Effizienz der Magnetfelderzeugung zu erhöhen. Würde man versuchen, die mittlere Höhe der Spule zu erhöhen, um die Sauerstoffkonzentration weiter zu senken, so würde dies wahrscheinlich die Zugvorrichtung stören. Daher ist es in der Vorrichtung aus Vergleichsbeispiel 1 schwierig, die Sauerstoffkonzentration weiter zu senken.
(Vergleichsbeispiel 2)
Die Magnetfeldanalyse und die 3D-Schmelzkonvektionsanalyse wurden für eine Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung durchgeführt. In der Vorrichtung wurden vier sattelförmige supraleitende Spulen mit einer vertikalen Breite von 620 mm und einer horizontalen Breite (Länge des äußersten Umfangs entlang der Kurve) von 855 mm (887 mm) entlang eines Kreises mit einem Radius von 900 mm, der auf der Mittelachse des Ziehofen zentriert war, in einer horizontalen Ebene angeordnet (zwei Spulenpaare, wobei die Spulen jedes Paares einander zugewandt waren), und wenn die magnetische Kraftlinienrichtung auf der Mittelachse als X-Achse definiert wurde, betrug der Mittelpunktwinkel α zwischen den beiden Spulenachsen, die die X-Achse einschließen, 120 Grad und der Winkel β zwischen den Spulen, der die Y-Achse einschließt und senkrecht zur X-Achse verläuft, 6 Grad. Dann wurde der Silizium-Einkristall mit dem Gerät gezogen.
15 zeigt die Ergebnisse der Magnetfeldanalyse mit ANSYS-Maxwell 3D, und die Verteilung der magnetischen Flussdichte wird angezeigt, nachdem die Analyse durchgeführt wurde, indem der Spulenstrom und die Anzahl der Windungen so angepasst wurden, dass die magnetische Flussdichte auf der Mittelachse 1000 Gauss beträgt.
Aus den Ergebnissen der oben beschriebenen Magnetfeldanalyse wurde die magnetische Flussdichte des Raums, der den Kristall und den Schmelzbereich enthält, extrahiert, und es wurde eine 3D-Schmelzkonvektionsanalyse unter Berücksichtigung der Magnetfeldverteilung durchgeführt. Die mittlere Höhenposition der Spule wurde wie in Vergleichsbeispiel 1 auf 140 mm unterhalb der Schmelzoberfläche eingestellt. Die linke Seite von 16 zeigt die aus den Ergebnissen gewonnenen Geschwindigkeitsvektoren in der Schmelze, die rechte Seite die Sauerstoffkonzentrationsverteilungen in der Schmelze.
Auch im Magnetfeld von Vergleichsbeispiel 2 ist die Konvektionsunterdrückungskraft wie in Vergleichsbeispiel 1 selbst im Querschnitt senkrecht zu den magnetischen Kraftlinien stark, und eine relativ aktive Strömung ist nur unter dem Rand des Kristalls zu erkennen, und die Sauerstoffkonzentration in der Schmelze ist gering.
Selbst mit einer solchen Spulenform und -anordnung ist es möglich, einen Kristall mit einer extrem niedrigen Sauerstoffkonzentration von etwa 3 bis 5 ppma-JEIDA auf der gesamten Waferoberfläche und einer hervorragenden Verteilung in der Ebene zu erhalten.
Da die vertikale Breite der Spule kleiner ist als bei Vergleichsbeispiel 1, besteht außerdem die Möglichkeit, die mittlere Höhenposition der Spulen zu erhöhen, um die Sauerstoffkonzentration weiter zu verringern. Dies wird später als Vergleichsbeispiel 3 beschrieben.
(Vergleichsbeispiel 3)
Durch die Verwendung der sattelförmigen Spulen des Vergleichsbeispiels 2 konnte die Spulenhöhe (vertikale Breite der Spule) im Vergleich zu Vergleichsbeispiel 1 (Gesamthöhe der Spule: 900 mm) um 280 mm reduziert werden. Daher wurde in Vergleichsbeispiel 3 nach Durchführung einer 3D-Schmelzekonvektionsanalyse durch Einstellung der Höhenposition der Spulenachse zur Schmelzoberfläche der Silizium-einkristall mit dieser Vorrichtung gezogen.
17 zeigt die Geschwindigkeitsvektoren in der Schmelze und die durch numerische Analyse erhaltenen Sauerstoffkonzentrationsverteilungen in der Schmelze. Es ist zu erkennen, dass die Sauerstoffkonzentration in der Schmelze niedriger ist als im Vergleichsbeispiel 2.
Mit dieser Spulenanordnung kann die mittlere Höhenposition der Spule an der Schmelzoberfläche eingestellt werden, so dass eine extrem niedrige Sauerstoffkonzentration von weniger als 1 ppma-JEIDA auf der gesamten Waferoberfläche mit hervorragender Verteilung in der Ebene erreicht werden kann.
Wie in den Vergleichsbeispielen 2 und 3 gezeigt, ist es jedoch bei der Spulenanordnung, bei der der Mittelpunktwinkel α größer als 90 Grad ist, schwierig, die magnetische Flussdichte im Zentrum zu erhöhen, da die Spulenlänge verkürzt wird, die Anordnung so beschaffen ist, dass sich die Magnetfeldlinien gegenseitig absto-ßen, und daher die Effizienz der Magnetfelderzeugung gering ist. Die Obergrenze der magnetischen Flussdichte wird bestimmt, indem sichergestellt wird, dass die auf die Spulen ausgeübte Kraft in einem Bereich liegt, der vom Strukturmaterial getragen werden kann, und indem ein Spielraum vorgesehen wird, damit das empirische Magnetfeld im Inneren der Spulen nicht die Sättigungsmagnetflussdichte des supraleitenden Drahtes erreicht. Die Obergrenze dieser Spulen lag bei etwa 2000 Gauss in der Mitte. Bei dieser magnetischen Flussdichte ist die Temperaturgrenzschicht direkt unter dem rotierenden Kristall nicht ausreichend dünn, so dass es schwierig ist, die Kristallwachstumsgrenze nach oben konvex zu machen. Mit anderen Worten, es ist nicht wie die Ziehvorrichtung der vorliegenden Erfindung, die nicht nur zum Ziehen von Einkristallen mit niedriger Sauerstoffkonzentration, sondern auch zum Ziehen von Kristallen mit defektfreien Bereichen geeignet ist.
(Vergleichsbeispiel 4)
Die Magnetfeldanalyse und die 3D-Schmelzkonvektionsanalyse wurden für eine Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung durchgeführt. In der Vorrichtung wurden vier sattelförmige supraleitende Spulen mit einer vertikalen Breite von 620 mm und einer horizontalen Breite (Länge des äußersten Umfangs entlang der Kurve) von 942 mm (986 mm) entlang eines Kreises mit einem Radius von 900 mm, der auf der zentralen Achse des Ziehofen zentriert war, in einer horizontalen Ebene angeordnet (zwei Spulenpaare, wobei die Spulen jedes Paares einander zugewandt waren), und der Mittelpunktwinkel α betrug 90 Grad, und ein Winkel zwischen den Spulen β betrug 30 Grad. Dann wurde der Silizium-Einkristall mit der Vorrichtung gezogen.
Wie in Vergleichsbeispiel 3 konnte die mittlere Höhenposition der Spule auf die Schmelzoberfläche eingestellt werden, aber die Sauerstoffkonzentration betrug etwa 2-3 ppma-JEIDA über die gesamte Waferoberfläche, was höher war als in Vergleichsbeispiel 3. Es wird davon ausgegangen, dass der Winkel β zwischen den Spulen größer als 20 Grad wird und die magnetische Kraftkomponente orthogonal zum Tiegel in der Nähe des Querschnitts senkrecht zur X-Achse klein wird und die Unterdrückung der Konvektion dort schwach wird, so dass die Sauerstoffkonzentration steigt.
Außerdem wird bei einer Spulenanordnung, bei der der Winkel β zwischen den Spulen größer als 20 Grad ist, die Spulenlänge kurz und die magnetischen Kraftlinien stoßen sich gegenseitig ab, so dass die Effizienz der Magnetfelderzeugung gering wird. Daher wird es schwierig, die magnetische Flussdichte in der Mitte zu erhöhen. Die Obergrenze der magnetischen Flussdichte wird festgelegt, indem sichergestellt wird, dass die auf die Spulen ausgeübte Kraft innerhalb eines Bereichs liegt, der vom Strukturmaterial getragen werden kann, und indem eine Marge vorgesehen wird, damit das empirische Magnetfeld innerhalb der Spulen nicht die Sättigungsmagnetflussdichte des supraleitenden Drahtes erreicht. Die Obergrenze dieser Spulen lag bei etwa 3000 Gauss in der Mitte, da das empirische Magnetfeld im Inneren der Spule tendenziell hoch ist. Bei dieser magnetischen Flussdichte ist die Temperaturgrenzschicht direkt unter dem rotierenden Kristall noch nicht ausreichend dünn, so dass die Wachstumsgrenzfläche eine kleine Konvexität nach oben aufweist, was den Nachteil hat, dass es schwierig ist, defektfreie Kristalle zu ziehen, die notwendig sind, um den Temperaturgradienten in der gesamten Wachstumsgrenzfläche bei hoher Geschwindigkeit gleichmäßig zu gestalten. Mit anderen Worten, es ist nicht wie die Ziehvorrichtung der vorliegenden Erfindung, die nicht nur für das Ziehen von Einkristallen mit niedriger Sauerstoffkonzentration geeignet ist, sondern auch für das Ziehen von Kristallen mit defektfreien Bereichen.
(Beispiel 3)
Die Magnetfeldanalyse und die 3D-Schmelzkonvektionsanalyse wurden in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 durchgeführt, mit der Ausnahme, dass vier supraleitende Spulen mit einer vertikalen Breite von 620 mm und einer horizontalen Breite (die Länge des äußersten Umfangs entlang der Kurve) von 1185 mm (1282 mm) in der gleichen horizontalen Ebene angeordnet wurden (zwei Spulenpaare, wobei die Spulen jedes Paares einander zugewandt waren), und der Mittelpunktwinkel α 86 Grad und der Winkel zwischen den Spulen β 16 Grad betrug. Dann wurde mit dieser Vorrichtung ein Silizium-Einkristall gezogen.
Mit dieser Spulenform und -anordnung der vorliegenden Erfindung konnte ein extrem niedriger Sauerstoffkonzentrationskristall von weniger als 1 ppma-JEIDA in der gesamten Waferoberfläche mit ausgezeichneter Verteilung in der Ebene erzielt werden.
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 zeigen die gleichen Funktionen und Wirkungen wie die in dem technischen Konzept in den Ansprüchen der vorliegenden Erfindung offenbart sind in den technischen Umfang der vorliegenden Erfindung enthalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2004051475 A [0023]
JP 2017057127 A [0023]
JP H10291892 A [0023]
JP 2003063891 A [0023]

Claims

Einkristall-Ziehvorrichtung, umfassend: einen Ziehofen, in dem eine heizende Heizvorrichtung und ein Tiegel, der ein geschmolzenes Halbleiter-Rohmaterial enthält, angeordnet sind und der eine zentrale Achse aufweist; und eine Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung, die um den Ziehofen herum vorgesehen ist und supraleitende Spulen aufweist, um ein horizontales Magnetfeld an das geschmolzene Halbleiter-Rohmaterial anzulegen, indem die supraleitenden Spulen erregt werden, um die Konvektion des geschmolzenen Halbleiter-Rohmaterials in dem Tiegel zu unterdrücken, wobei die supraleitenden Spulen der Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung sattelförmig sind und entlang einer äußeren Form des Ziehofens gekrümmt sind, und zwei Paare der sattelförmigen supraleitenden Spulen um den Ziehofen herum angeordnet sind, wobei die sattelförmigen supraleitenden Spulen jedes Paares einander zugewandt angeordnet sind, wenn eine Achse, die durch die Mittelpunkte eines Paares einander gegenüberliegender supraleitender Spulen verläuft, als Spulenachse definiert ist, wobei die beiden Spulenachsen der beiden supraleitenden Spulenpaare in derselben horizontalen Ebene liegen, und wenn eine magnetische Kraftlinienrichtung auf der zentralen Achse des Ziehofens in der horizontalen Ebene als X-Achse definiert ist und eine Richtung senkrecht zur X-Achse in der horizontalen Ebene als Y-Achse definiert ist, ein Mittelpunktwinkel α zwischen den beiden Spulenachsen, die die X-Achse sandwichartig einschließen, 90 Grad oder weniger beträgt und ein Zwischenspulenwinkel β zwischen benachbarten supraleitenden Spulen, die die Y-Achse sandwichartig einschließen, 20 Grad oder weniger beträgt.
Einkristall-Ziehvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung eine Hebevorrichtung umfasst, die sich in vertikaler Richtung auf und ab bewegen kann.
Einkristall-Ziehvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die sattelförmigen supraleitenden Spulen eine vertikale Breite aufweisen, die kürzer ist als eine horizontale Breite.
Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls, bei dem ein Halbleiter-Einkristall unter Verwendung der Einkristall-Ziehvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 gezogen wird.
Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls nach Anspruch 4, wobei beim Ziehen des Halbleiter-Einkristalls eine Höhenposition der Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung entsprechend einem Zielwert der in dem Halbleiter-Einkristall enthaltenen Sauerstoffkonzentration eingestellt wird.
Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls nach Anspruch 4 oder 5, wobei beim Ziehen des Halbleiter-Einkristalls eine Magnetfeldstärke entsprechend einem Zieldefektbereich des Halbleiter-Einkristalls eingestellt wird.