JP2020522457A - 単結晶の磁場印加引き上げに用いられる磁性体、および単結晶の磁場印加引き上げ方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、複数のコイルを備え、複数のコイルが、直列に接続され、且つ、単結晶炉の外周を囲むように配置され、複数のコイルのうち、対向して配置された２つのコイルが単結晶炉の中心軸を中心として対称に配置され、且つ、各コイルの中心軸が単結晶炉の中心点を通過し、各コイルは、同軸に配置された１次コイルおよび２次コイルを含み、２次コイルは、１次コイルに対して単結晶炉から離れるように配置され、コイルに通電すると、１次コイル内の電流方向と２次コイル内の電流方向とは逆となる単結晶の磁場印加引き上げに用いられる磁性体を開示する。単結晶の磁場印加引き上げ方法を更に開示する。

Description

本開示は、半導体の技術分野に関し、例えば、単結晶の磁場印加引き上げに用いられる磁性体、および単結晶の磁場印加引き上げ方法に関する。

単結晶シリコンは、結晶材料における重要な要素であり、半導体シリコンデバイスを製造する原料であり、大規模集積回路、整流器、パワートランジスタ、ダイオード、および太陽電池パネル等の半導体の技術分野に広く適用されている。

単結晶シリコンの製造方法は、ＣＺ法およびＦＺ法を含む。現在、単結晶シリコンは、通常、ＣＺ法を用いて製造され、ＣＺ法は、単結晶炉を用いて溶融体から棒状の単結晶シリコンを成長させる。ＣＺ法の基本的な特徴として、技術が成熟し、結晶外形および電気的パラメータを制御しやすく、大径の単結晶シリコンの成長に適用する。近年、超大規模集積回路の発展において、単結晶シリコンの寸法および品質に対してより高い要求が求められている。しかし、結晶寸法の増大および溶融体の熱対流の強化に伴い、溶融体中の温度変動および結晶の局所的な溶融が起こり、結晶内の炭素、酸素等の不純物の分布が不均一になり、更に、単結晶シリコンの品質が低下する。

上記問題を解決するために、単結晶の磁場印加引き上げ技術が発展しつつある。ＣＺ法の基に、単結晶炉の外側に強力な磁場を印加し、強力な磁場は、溶融体の熱対流を抑制する能力を有する。単結晶シリコンの引き上げを行なう成長システムに、一定の強度および均一性を有する磁場を印加することにより、シリコン溶融体中の熱対流を効果的に抑制し、溶融シリコン中の不純物の輸送を抑制することができる。適当に分布された磁場は、酸素、ホウ素、アルミニウム等の不純物が石英ルツボから溶融体に入ることを低減し、単結晶シリコンの品質を向上させることができる。

従来のＭＣＺ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ａｐｐｌｉｅｄ ＣＺ）法の磁場発生装置は、一般的に、永久磁性材料および通常の電磁石を用い、該ＭＣＺ法は、永久磁性材料の飽和磁化および通常の電磁石の電力に制限されるため、発生する磁場強度が高くないことが多く、溶融体の熱対流に対する抑制効果は一般的である。超電導磁性体技術の発展に伴い、ますます多くの超電導磁性体は通常の電磁石を取り替え、超電導磁性体はより強力な磁場を発生することができ、溶融体の熱対流に対する抑制効果がより顕著であり、対応する結晶引き上げプロセスに合わせ、より大きな寸法またはより高い品質の単結晶シリコンを製造することができる。

ＭＣＺ法における超電導磁性体が発生する磁場は、カスプ磁場、横磁場、および縦磁場を含む。ここで、縦磁場は、溶融体の熱対流に対する抑制効果は顕著ではなく、カスプ磁場および横磁場に取り替えられた。

磁性体が単結晶炉の外側に配置されているため、単結晶炉との電磁両立の問題を考慮する必要があり、単純コイルが発生する漏洩磁場は一般的に大きく、一般的な電子機器または電源の使用要求、人体への安全要求を満たすことができない。そのため、超電導磁性体は、磁性体の外側にヨークを付加する受動遮蔽方式により漏洩磁場を低減し、これにより、磁性体の重量は急激に増大し、一般的に、ヨークの重量は磁性体全体の５０％以上に達し、製造コストが増加する。

本発明は、漏洩磁場を効果的に低減するとともに、磁性体の重量の増加を回避することができる単結晶の磁場印加引き上げに用いられる磁性体、および単結晶の磁場印加引き上げ方法を開示する。

本発明は、複数のコイルを備え、前記複数のコイルが、直列に接続され、且つ、単結晶炉の外周を囲むように配置され、前記複数のコイルのうち、対向して配置された２つのコイルが前記単結晶炉の中心軸を中心として対称に配置され、且つ、各前記コイルの中心軸が前記単結晶炉の中心点を通過し、各前記コイルは、同軸に配置された１次コイルおよび２次コイルを含み、前記２次コイルは、前記１次コイルに対して前記単結晶炉から離れるように配置され、前記コイルに通電すると、前記１次コイル内の電流方向と前記２次コイル内の電流方向とは逆となる単結晶の磁場印加引き上げに用いられる磁性体を提供する。

好ましくは、前記１次コイルと前記２次コイルの間に、所定の距離が設けられている。

好ましくは、各前記コイルの中心軸は、前記単結晶炉の中心軸に直交する。

好ましくは、各前記コイルの中心軸は、前記単結晶炉の中心軸と第１角度をなす。

好ましくは、前記複数のコイルのうち、各２つの隣接する前記コイルの中心軸間の角度は同じである。

好ましくは、前記複数のコイルのうち、各２つの隣接する前記コイルの中心軸の間に、角度が形成され、且つ、隣接する前記角度は異なり、対向する前記角度は同じである。

好ましくは、前記複数のコイルの数は４つであり、前記４つのコイルのうちの２つのコイルが前記単結晶炉の第１側に配置され、前記４つのコイルのうちの他の２つのコイルが前記単結晶炉の第２側に対向して配置される。

好ましくは、前記４つのコイルのうちの前記単結晶炉の第１側にある隣接する２つのコイルの中心軸間の角度、および前記４つのコイルのうちの前記単結晶炉の第２側にある隣接する２つのコイルの中心軸間の角度は、いずれも所定の角度である。

好ましくは、前記所定の角度の範囲は５０°〜７０°である。

好ましくは、前記複数のコイルは超電導コイルである。

好ましくは、前記磁性体は、前記単結晶炉の周辺に配置される低温容器を更に備える。

好ましくは、前記低温容器内に低温液体が充填され、前記複数のコイルが前記低温液体内に置かれている。

好ましくは、前記複数のコイルが順に直列に接続され、そのうち、前記複数のコイルの１次コイルが順に直列に接続され、前記複数のコイルの２次コイルが順に直列に接続され、直列に接続された１次コイルと２次コイルとが直列に接続され、正極および負極の２つのポートを形成する。

好ましくは、前記複数のコイルが順に直列に接続され、そのうち、前記複数のコイルのうちの近接した１次コイルおよび２次コイルが、それぞれ直列に接続されてから、全体として直列に接続され、正極および負極の２つのポートを形成する。

好ましくは、前記低温容器に１対の２元電流リードが設けられ、それぞれ第１電流リードおよび第２電流リードである。

第１電流リードの常温端が電源の正極に接続され、前記第１電流リードの超電導端が、前記複数のコイルが直列に接続された正極ポートに接続される。

第２電流リードの常温端が前記電源の負極に接続され、前記第２電流リードの超電導端が、前記複数のコイルが直列に接続された負極ポートに接続される。

好ましくは、前記第１電流リードの超電導端が、前記複数のコイルが直列に接続された正極ポートに接続されることは、
前記第１電流リードは第１銅線端と、前記第１銅線端に接続される第１超電導端とを含み、前記第１超電導端は前記低温液体内に延在し、前記複数のコイルが直列に接続された正極ポートに接続されることを含む。

好ましくは、前記第２電流リードの超電導端が、前記複数のコイルが直列に接続された負極ポートに接続されることは、
前記第２電流リードは第２銅線端と、前記第２銅線端に接続される第２超電導端とを含み、前記第２超電導端は前記低温液体内に延在し、前記複数のコイルが直列に接続された負極ポートに接続されることを含む。

好ましくは、前記低温容器に冷凍機が配置され、冷凍機に、上から下へ順次配置されたコールドヘッド１段およびコールドヘッド２段が設けられ、
前記コールドヘッド１段は、前記第１電流リードおよび前記第２電流リードを冷却するように構成され、前記コールドヘッド２段は、前記低温容器内の低温液体を凝縮するように構成される。

本発明は、
単結晶炉の外部に、上記磁性体を配置し、前記磁性体に通電することと、
前記単結晶炉内に、インゴットが載置されたルツボを加熱する加熱器を配置することと、
ＣＺ法により、単結晶シリコンを取得することと、を含む、
単結晶の磁場印加引き上げ方法を更に提供する。

本発明は、コイルを１次コイルおよび２次コイルに分け、１次コイルおよび２次コイルにそれぞれ逆方向の電流を流すことにより、２次コイルが発生する磁場は、１次コイルが外部で発生する磁場を効果的に打ち消すことができ、自発遮蔽方式により、磁性体の漏洩磁場を低減する。且つ、磁性体の重量を低減し、磁性体の製造コストを節約する。

本発明の実施例に係る磁性体および単結晶炉の分布の構造模式図である。 本発明の実施例に係る磁性体および単結晶炉の断面図である。 本発明の実施例に係る磁性体および単結晶炉の外部の構造模式図である。 本発明の実施例に係る磁性体が発生する電界強度と、他の形態で発生する電界強度との対比図である。

１０ 単結晶炉
２０ 加熱器
３０ ルツボ
１ コイル
１１ １次コイル
１２ ２次コイル
２ 低温容器
２１ 第１電流リード
２２ 第２電流リード
２３ 逃がしバルブ
２５ 信号線インタフェース
２６ 真空バルブ
２４ 冷凍機
２４１ コールドヘッド１段
２４２ コールドヘッド２段

本実施例は、単結晶の磁場印加引き上げに用いられる磁性体を提供し、図１および図２に示すように、該単結晶の磁場印加引き上げに用いられる磁性体は、複数のコイル１を備え、前記複数のコイル１は、順に直列に接続され、且つ、単結晶炉１０の外周を囲むように配置され、前記複数のコイル１のうち、対向して配置された２つのコイル１は単結晶炉１０の中心軸を中心として対称に配置され、且つ、各コイル１の中心軸が単結晶炉１０の中心点を通過し、各前記コイル１は、同軸に配置された１次コイル１１および２次コイル１２を含み、前記２次コイル１２は、前記１次コイル１１に対して前記単結晶炉１０から離れるように配置され、前記コイル１に通電すると、前記１次コイル１１内の電流方向と前記２次コイル１２内の電流方向とは逆となる。

本実施例は、コイル１を１次コイル１１および２次コイル１２に分け、１次コイル１１および２次コイル１２に逆方向の電流を流すことにより、２次コイル１２が発生する磁場は、１次コイル１１が外部で発生する磁場を効果的に打ち消すことができ、自発遮蔽方式により、磁性体の漏洩磁場を低減し、磁性体の重量を低減し、磁性体の製造コストを節約し、コイルの外部に強磁性材料を付加する受動遮蔽方式を用いる場合の漏洩磁場が小さくなり、磁性体の重量が増加することを回避する。

一実施例において、１次コイル１１と２次コイル１２との間に、所定の距離が設けられている。本実施例は、２次コイル１２を１次コイル１１の外側に配置することにより、２次コイル１２の、１次コイル１１が外部で発生する漏洩磁場を打ち消す効果を向上させることができる。また、本実施例は、所定の距離を限定せず、実際の生産過程において、２次コイル１２が１次コイル１１から発生する外磁場を打ち消すことができ、磁性体の漏洩磁場を減少することを確保するように、必要に応じて製造してもよい。

一実施例において、各コイル１の中心軸は、単結晶炉１０の中心軸に直交する。一実施例において、各コイル１の中心軸は、単結晶炉１０の中心軸と第１角度をなす。複数のコイル１のうち、対向して配置された２つのコイルは単結晶炉１０の中心軸を中心として対称に配置され、且つ、隣接するコイル１の中心軸の間に角度が設けられているため、各コイル１は単結晶炉１０内に横磁場を形成し、単結晶炉１０により高品質の結晶を製造できることを確保する。一実施例において、１次コイル１１は、ＣＺ結晶に必要な主磁場を提供し、２次コイル１２は自発遮蔽コイルで１次コイル１１と逆方向になる電流を流し、漏洩磁場を低減するとともに、１次コイル１１と共に発生する磁場が、単結晶の引き上げを行なうための横磁場を供給する。

一実施例において、コイル１の数は４つであり、そのうち、該４つのコイル１は、対応して配置された２対のコイル１を含み、４つのコイル１のうちの２つのコイル１は、単結晶炉１０の第１側に配置され、４つのコイル１のうちの他の２つのコイル１は、単結晶炉１０の第２側に対向して配置される。前記４つのコイル１のうちの前記単結晶炉１０の第１側にある隣接する２つのコイル１の中心軸間の角度、および前記４つのコイル１のうちの前記単結晶炉１０の第２側にある隣接する２つのコイル１の中心軸間の角度は、いずれも所定の角度であり、一実施例において、所定の角度の範囲は５０°〜７０°である。

本実施例は、該所定の角度を限定せず、１次コイル１１と２次コイル１２とが共に発生する横磁場が一定の強度および均一性を有し、単結晶炉１０内の結晶の製造品質を向上させることを確保するように、実際の必要に応じて調整してもよい。

図２および図３に示すように、本実施例に係る磁性体は、単結晶炉１０の周辺に配置される低温容器２を更に備え、コイル１は低温容器２内に配置される。ここで、前記低温容器２内に低温液体が充填され、コイル１は低温液体に置かれている。一実施例において、低温容器２内に真空中間層が配置され、低温容器２には真空バルブ２６が更に配置され、真空バルブ２６により、低温液体の外部の真空環境が確保でき、断熱の効果を果たし、低温液体はゼロ消費状態にある。一実施例において、低温液体が液体ヘリウムであり、真空層が液体ヘリウムデュアーである。一実施例において、コイルは低温液体によって冷却され、冷凍機で直接冷却する等の形態を用いてもよく、低温液体および真空中間層は他のタイプであってもよく、本実施例はこれについて限定しない。

低温容器２に、電源に接続される第１電流リード２１および第２電流リード２２が設けられる。ここで、第１電流リード２１および第２電流リード２２は、いずれも２元電流リードであり、且つ、第１引電流リード２１および第２電流リード２２は、いずれも銅線端と、銅線端に接続される超電導端とを含み、超電導端は低温液体内に延在してコイル１に接続される。第１電流リード２１および第２電流リード２２は、それぞれコイル１および電源に接続され、閉ループを形成し、電源からコイル１に磁場の電流を供給する。

また、低温容器２に逃がしバルブ２３が更に配置され、コイル１の蓄勢が大きいため、コイル１が意図せずに超電導性を失うと、大量の熱量を放出し、大量の液体ヘリウムを蒸発させ、大きな気圧を発生させ、ひどい場合、磁性体を破損して人に損傷を与える恐れがあり、この時、磁性体の安全性を確保するために、逃がしバルブ２３によって放圧する。

本実施例は、各１次コイル１１および２次コイル１２をいずれも超電導コイルとすることにより、超低温環境温度で超電導状態となり、通常のコイルよりも高い電流を負荷でき、より高い磁場が発生し、単結晶シリコンの製造時の品質を確保する。

上記低温容器２に冷凍機２４が更に配置され、冷凍機２４に、上から下へ順次配置されたコールドヘッド１段２４１およびコールドヘッド２段２４２が設けられ、ここで、コールドヘッド１段２４１は、第１電流リード２１、第２電流リード２２、および輻射防止パネル（図示せず）を冷却するように配置され、コールドヘッド２段２４２は、低温容器２内の低温液体を凝縮するように配置される。

上記低温容器２に信号線インタフェース２５が更に配置され、信号線は、信号線インタフェース２５を介して低温容器２内にアクセスし、コイル１の温度、電圧降下等の信号を検出するために使用される。

図４に示すように、シールド無し、強磁性材料シールド、および自発遮蔽という３つの場合における漏洩磁場の対比図を示す。ここで、横軸は、試験点から中心磁場までの距離を表す。一般的には、１．６メートル〜１．８メートルに位置する場合、磁場の強度が５００ガウス（ＧＳ）よりも小さいことが要求される。人体安全に対する要求は、径方向３メートル内の磁場強度が６０ガウス（ＧＳ）よりも小さいことである。図４に示すように、本実施例の自発遮蔽方式を用いることにより、漏洩磁場を効果的に低減するとともに、人体安全の要求を満たすことができる。

本実施例は、以下のステップを含む単結晶の磁場印加引き上げ方法を更に提供する。

ステップ１において、単結晶炉１０の外部に、上記磁性体を配置し、磁性体に通電する。

ここで、磁性体に通電することは、コイル１および冷凍機２４等に通電することを含む。磁性体内のコイル１に通電すると、１次コイル１１内および２次コイル１２内に逆方向の電流が流れ、２次コイル１２が発生する磁場は、１次コイル１１が外部で発生する磁場を効果的に打ち消すことができ、磁性体の漏洩磁場が小さくなる。また、コイル１の外部に強磁性材料を付加する受動遮蔽方式を用いることにより、漏洩磁場が小さくなり、磁性体の重量が増加することを回避するとともに、磁性体の製造コストを節約する。

ステップ２において、単結晶炉１０内に、インゴットが載置されたルツボ３０を加熱する加熱器２０を配置する。インゴットを加熱することにより溶融状態になるようにし、コイル１による横磁場が溶融体に作用し、磁場の作用で、導電性を有する溶融体は、流れる際に渦電流を生じ、ローレンツ力を受ける。ローレンツ力の作用で、溶融体の熱対流が抑制され、溶融体の液面における酸素、点欠陥、および他の不純物が抑制される。

ステップ３において、ＣＺ法により、単結晶シリコンを取得する。ここで、該コイル１が発生する横磁場は、溶融体の液面から液面下５０ミリメートル（ｍｍ）程度までの領域で高い磁場均一性（約３‰〜１％）を有するため、溶融体の熱対流の抑制に対して一致性を有し、製造された単結晶シリコンは高い純度を有し、微量な不純物の分布は更に均一となり、単結晶シリコンの品質を向上させる。

ここで、ＣＺ法とは、溶融体を溶融状態に加熱した後に、化学方法でエッチングされた１つの種結晶を降下させて溶融体に接触させ、単結晶炉１０を回転させ、溶融体を一定の直径の結晶となるまで種結晶で結晶し続けて成長させることである。

Claims (15)

1. 複数のコイル（１）を備え、前記複数のコイル（１）が、直列に接続され、且つ、単結晶炉（１０）の外周を囲むように配置され、前記複数のコイル（１）のうち、対向して配置された２つのコイル（１）が前記単結晶炉（１０）の中心軸を中心として対称に配置され、且つ、各前記コイル（１）の中心軸が前記単結晶炉（１０）の中心点を通過し、各前記コイル（１）は、同軸に配置された１次コイル（１１）および２次コイル（１２）を含み、前記２次コイル（１２）は、前記１次コイル（１１）に対して前記単結晶炉（１０）から離れるように配置され、
   前記コイル（１）に通電すると、前記１次コイル（１１）内の電流方向と前記２次コイル（１２）内の電流方向とは逆となる、
   単結晶の磁場印加引き上げに用いられる磁性体。
2. 前記１次コイル（１１）と前記２次コイル（１２）との間に、所定の距離が設けられている、
   請求項１に記載の磁性体。
3. 各前記コイル（１）の中心軸は、前記単結晶炉（１０）の中心軸に直交する、
   請求項１または２に記載の磁性体。
4. 各前記コイル（１）の中心軸は、前記単結晶炉（１０）の中心軸と第１角度をなす、
   請求項１または２に記載の磁性体。
5. 前記複数のコイル（１）のうち、各２つの隣接する前記コイル（１）の中心軸間の角度は同じである、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の磁性体。
6. 前記複数のコイル（１）のうち、各２つの隣接する前記コイル（１）の中心軸の間に、角度が形成され、且つ、隣接する前記角度は異なり、対向する前記角度は同じである、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の磁性体。
7. 前記複数のコイル（１）の数は４つであり、前記４つのコイル（１）のうちの２つのコイル（１）が前記単結晶炉（１０）の第１側に配置され、前記４つのコイル（１）のうちの他の２つのコイル（１）が前記単結晶炉（１０）の第２側に対向して配置される、
   請求項６に記載の磁性体。
8. 前記４つのコイル（１）のうちの前記単結晶炉（１０）の第１側にある隣接する２つのコイル（１）の中心軸間の角度、および前記４つのコイル（１）のうちの前記単結晶炉（１０）の第２側にある隣接する２つのコイル（１）の中心軸間の角度は、いずれも所定の角度であり、
   前記所定の角度の範囲は５０°〜７０°である、
   請求項７に記載の磁性体。
9. 前記複数のコイル（１）は超電導コイルである、
   請求項１から８のいずれか１項に記載の磁性体。
10. 前記単結晶炉（１０）の周辺に配置される低温容器（２）を更に備える、
    請求項１から９のいずれか１項に記載の磁性体。
11. 前記低温容器（２）内に低温液体が充填され、前記複数のコイル（１）が前記低温液体内に置かれている、
    請求項１０に記載の磁性体。
12. 第１電流リード（２１）の常温端が電源の正極に接続され、前記第１電流リード（２１）の超電導端が前記コイルの正極ポートに接続されることと、
    第２電流リード（２２）の常温端が前記電源の負極に接続され、前記第２電流リード（２２）の超電導端が前記コイルの負極ポートに接続されることと、を更に含む、
    請求項１０または１１に記載の磁性体。
13. 前記第１電流リード（２１）の超電導端が前記コイルの正極ポートに接続されることは、
    前記第１電流リード（２１）は第１銅線端と、前記第１銅線端に接続される第１超電導端とを含み、前記第１超電導端は前記低温液体内に延在して前記コイルの正極ポートに接続されることを含み、
    前記第２電流リード（２２）の超電導端が前記コイルの負極ポートに接続されることは、
    前記第２電流リード（２２）は第２銅線端と、前記第２銅線端に接続される第２超電導端とを含み、前記第２超電導端は前記低温液体内に延在して前記コイルの負極ポートに接続されることを含む、
    請求項１２に記載の磁性体。
14. 前記低温容器（２）に冷凍機（２４）が配置され、冷凍機（２４）に、上から下へ順次配置されたコールドヘッド１段（２４１）およびコールドヘッド２段（２４２）が設けられ、
    前記コールドヘッド１段（２４１）は、前記第１電流リード（２１）および前記第２電流リード（２２）を冷却するように構成され、
    前記コールドヘッド２段（２４２）は、前記低温容器（２）内の低温液体を凝縮するように構成される、
    請求項１２または１３に記載の磁性体。
15. 単結晶炉（１０）の外部に、請求項１から１４のいずれか１項に記載の磁性体を配置し、前記磁性体に通電することと、
    前記単結晶炉（１０）内に、インゴットが載置されたルツボ（３０）を加熱する加熱器（２０）を配置することと、
    ＣＺ法により、単結晶シリコンを取得することと、を含む、
    単結晶の磁場印加引き上げ方法。