JP2023069805A - 単結晶引き上げ装置用の超伝導磁石装置、および単結晶引き上げ装置における磁場印加方法 - Google Patents

Abstract

【課題】単結晶引き上げ装置の坩堝の融液への溶解を抑制する技術を提供する。【解決手段】単結晶引き上げ装置用の超伝導磁石装置１００は、単結晶引き上げ軸２４まわりに回転可能な坩堝１４を取り囲むように配置され、単結晶引き上げ軸２４に直交する合成磁場１２２を発生させる複数の超伝導コイル１２０を備える。超伝導磁石装置１００は、合成磁場１２２を単結晶引き上げ軸２４まわりの坩堝１４の回転に同調させて回転させるように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、単結晶引き上げ装置用の超伝導磁石装置、および単結晶引き上げ装置における磁場印加方法に関する。

単結晶引き上げ装置において坩堝内の溶融シリコンなど融液の対流制御を目的として融液に磁場を印加するＭＣＺ(Magnetic field applied Czochralski)法が知られている。超伝導磁石装置は、こうした単結晶引き上げ装置の磁場発生源として利用されている。超伝導磁石が発生させる強力な磁場によって、融液中の熱対流を抑制し、それにより、引き上げられる単結晶中の酸素濃度を十分に低減し、または所望の水準に制御することができる。

特開２００８－１６２８２７号公報

本発明者は、単結晶引き上げ装置用の超伝導磁石装置について鋭意研究を重ねた結果、以下の課題を認識するに至った。単結晶の引き上げは一般に、坩堝とそこから引き上げられる単結晶とを引き上げ軸まわりに回転させながら行われる。坩堝は回転する一方、坩堝内の融液は、超伝導磁石装置によって印加された磁場によって、対流すなわち動きが抑制されている。換言すれば、回転する坩堝の内壁は融液に触れながら移動することになる。その結果、坩堝の内壁面の融液への溶解が促進され、坩堝の寿命が短くなることが懸念される。また、坩堝壁に含有されうる酸素またはその他の不純物が融液に溶けると、引き上げられる単結晶に取り込まれ、結晶品質に影響しうる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、単結晶引き上げ装置の坩堝の融液への溶解を抑制する技術を提供することにある。

本発明のある態様によると、単結晶引き上げ装置用の超伝導磁石装置は、単結晶引き上げ軸まわりに回転可能な坩堝を取り囲むように配置され、単結晶引き上げ軸に直交する合成磁場を発生させる複数の超伝導コイルを備える。超伝導磁石装置は、合成磁場を単結晶引き上げ軸まわりの坩堝の回転に同調させて回転させるように構成されている。

本発明のある態様によると、単結晶引き上げ装置における磁場印加方法が提供される。単結晶引き上げ装置は、単結晶引き上げ軸まわりに回転可能な坩堝を有する。本方法は、複数の超伝導コイルを使用して単結晶引き上げ軸に直交する合成磁場を発生させることと、合成磁場を単結晶引き上げ軸まわりの坩堝の回転に同調させて回転させることと、を備える。

本発明によれば、単結晶引き上げ装置の坩堝の融液への溶解を抑制する技術を提供することができる。

実施の形態に係る単結晶引き上げ装置の断面を模式的に示す上面図である。 実施の形態に係る単結晶引き上げ装置の断面を模式的に示す側面図である。 実施の形態に係る超伝導磁石装置の電源系を例示する回路図である。 実施の形態に係り、超伝導コイルに供給される交流電流の波形を例示する波形図である。 図４に示される交流電流が超伝導コイルに供給されるとき超伝導コイルが発生させる合成磁場の回転を示す模式図である。 他の実施の形態に係る単結晶引き上げ装置を示す模式図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、実施の形態に係る単結晶引き上げ装置１０の断面を模式的に示す上面図である。図２は、実施の形態に係る単結晶引き上げ装置１０の断面を模式的に示す側面図である。図１には、図２のＢ－Ｂ断面が示され、図２には、図１のＡ－Ａ断面が示される。

単結晶引き上げ装置１０は、単結晶引き上げ炉１２と、超伝導磁石装置１００とを備える。単結晶引き上げ装置１０は、例えば、シリコン単結晶引き上げ装置である。

単結晶引き上げ炉１２は、図２に示されるように、坩堝１４と、単結晶引き上げ機構１６と、坩堝回転機構１８と、ヒーター２０とを備える。なお、図１では理解の容易のために、単結晶引き上げ炉１２のうち坩堝１４のみを示す。

坩堝１４は、溶融材料（例えば溶融シリコン）を蓄える容器であり、例えば石英で形成される。

単結晶引き上げ機構１６は、坩堝１４内の溶融材料から単結晶２２を単結晶引き上げ軸２４に沿って上方に引き上げる駆動装置であり、単結晶引き上げ炉１２の上方かつ外側に配置される引き上げ駆動源を備える。単結晶引き上げ軸２４は鉛直方向（つまり水平面に垂直な方向）に延びる軸線である。単結晶引き上げ機構１６は、単結晶２２を単結晶引き上げ軸２４まわりに回転させながら単結晶２２を引き上げるように構成される。

坩堝回転機構１８は、坩堝１４を単結晶引き上げ軸２４まわりに回転させる駆動装置であり、単結晶引き上げ炉１２の下方かつ外側に配置される回転駆動源を備える。坩堝回転機構１８は、単結晶引き上げ機構１６による単結晶２２の回転と同期させて（例えば同じ回転方向に同じ回転速度で）坩堝１４を回転させることができる。

ヒーター２０は、単結晶引き上げ炉１２内で坩堝１４の周囲に配置され、坩堝１４を加熱する。ヒーター２０による加熱によって、坩堝１４内の溶融材料は溶融状態に保持される。

また、単結晶引き上げ装置１０には、坩堝回転機構１８（および単結晶引き上げ機構１６）を制御する回転制御装置２６が設けられている。回転制御装置２６は、単結晶引き上げ軸２４まわりの坩堝１４（および単結晶２２）の回転速度を決定し、この回転速度で坩堝１４（および単結晶２２）を回転させるように坩堝回転機構１８（および単結晶引き上げ機構１６）を動作させる。

超伝導磁石装置１００は、クライオスタット１１０と、複数の超伝導コイル１２０と、電源系１３０とを備える。超伝導磁石装置１００は、単結晶引き上げ装置１０の磁場発生源として用いられる。

クライオスタット１１０は、内側に中空部を定める筒型の形状をもつ。この中空部に単結晶引き上げ炉１２が配置され、クライオスタット１１０は、単結晶引き上げ炉１２を囲むようにして単結晶引き上げ軸２４と同軸に設置される。クライオスタット１１０には、超伝導コイル１２０を冷却する例えばギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機などの極低温冷凍機（図示せず）が設置される。また、クライオスタット１１０は、内部空間を真空排気するための真空排気系（図示せず）に接続される。単結晶引き上げ装置１０の動作中、クライオスタット１１０の内部空間には、超伝導コイル１２０を超伝導状態とするのに適する極低温真空環境が提供される。

複数の超伝導コイル１２０は、単結晶引き上げ軸２４まわりに回転可能な坩堝１４を取り囲むように配置され、単結晶引き上げ軸２４に直交する合成磁場１２２を発生させる。詳細は後述するが、超伝導磁石装置１００は、合成磁場１２２を単結晶引き上げ軸２４まわりの坩堝１４の回転に同調させて回転させるように構成されている。合成磁場１２２は、坩堝１４の回転と同方向に回転される。合成磁場１２２の回転速度は、例えば、坩堝１４の回転速度に等しい。

この実施の形態では、三組の超伝導コイル１２０がクライオスタット１１０の内部空間に配置される。各組の超伝導コイル１２０が単結晶引き上げ軸２４を挟んで対向する２つの超伝導コイル１２０からなる。各超伝導コイル１２０は、同径の円形コイルであり、その中心軸は単結晶引き上げ軸２４に直交する径方向に一致し、図１に示されるように、上面視で正六角形状に配置される。各超伝導コイル１２０は、電源系１３０から電流が供給されるとき、径方向外向きまたは径方向内向きに磁場を発生させる。これら超伝導コイル１２０は、個々の超伝導コイル１２０が発生する磁場の重ね合わせにより、単結晶引き上げ軸２４に直交する合成磁場１２２を発生させる。

以下では説明の便宜上、各組の超伝導コイル１２０を区別する場合に、第１組の超伝導コイル１２０ａ、第２組の超伝導コイル１２０ｂ、第３組の超伝導コイル１２０ｃと呼ぶことがある。図１に示されるように、第２組の超伝導コイル１２０ｂは、単結晶引き上げ軸２４まわりの周方向に反時計回りに第１組の超伝導コイル１２０ａに隣接して配置される。同様に、第３組の超伝導コイル１２０ｃは、単結晶引き上げ軸２４まわりの周方向に反時計回りに第２組の超伝導コイル１２０ｂに隣接して配置される。さらに、第１組の超伝導コイル１２０ａは、単結晶引き上げ軸２４まわりの周方向に反時計回りに第３組の超伝導コイル１２０ｃに隣接して配置される。

図３は、実施の形態に係る超伝導磁石装置１００の電源系１３０を例示する回路図である。電源系１３０は、クライオスタット１１０の外部に配置され、超伝導コイル１２０を励磁する励磁電源１３２を備える。この励磁電源１３２は、坩堝１４の回転速度に同調する周波数で三組の超伝導コイル１２０に三相交流電流を供給する三相交流電源である。各組の超伝導コイル１２０が励磁電源１３２の対応する相に接続される。

励磁電源１３２は、商用電源などの外部電源１４０から供給されるＲ相、Ｓ相、Ｔ相の三相の交流を整流して直流（脈流）に変換するコンバータ１３４と、コンバータ１３４で変換された直流を平滑して波形を整える平滑回路１３６と、平滑回路１３６で平滑された直流をＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相の交流に変換するインバータ１３８とを備える。第１組の超伝導コイル１２０ａにＵ相の交流電流が供給され、第２組の超伝導コイル１２０ｂにＶ相の交流電流が供給され、第３組の超伝導コイル１２０ｃにＷ相の交流電流が供給される。このような励磁電源１３２には、公知の構成を適宜採用できるので、その具体的構成についてここでは詳述しない。

励磁電源１３２は、インバータ１３８を制御するコントローラ１４２を備える。コントローラ１４２は、単結晶引き上げ装置１０の回転制御装置２６から坩堝１４の回転速度を示す回転速度信号Ｓ１を受信するように、回転制御装置２６と通信可能に接続されている。コントローラ１４２は、回転速度信号Ｓ１を受け、この信号に基づいて、三組の超伝導コイル１２０に供給する三相交流電流の周波数を坩堝１４の回転速度に同調するように決定する。コントローラ１４２は、決定された周波数の三相交流電流が生成され超伝導コイル１２０に供給されるようにインバータ１３８を制御する。

また、コントローラ１４２は、回転制御装置２６から坩堝１４の回転のオンオフを示すオンオフ信号Ｓ２を受信してもよく、このオンオフ信号Ｓ２に従って励磁電源１３２から超伝導コイル１２０に交流電流を供給してもよい。すなわち、坩堝回転機構１８が坩堝１４を回転させているとき、コントローラ１４２は、励磁電源１３２から超伝導コイル１２０に交流電流を供給するようにインバータ１３８を動作させてもよい。坩堝回転機構１８の動作が停止され、坩堝１４が回転していないとき、コントローラ１４２は、励磁電源１３２から超伝導コイル１２０への交流電流の供給を遮断するようにインバータ１３８を動作させてもよい。

図４は、実施の形態に係り、超伝導コイル１２０に供給される交流電流の波形を例示する波形図である。上述のように、超伝導コイル１２０には励磁電源１３２から三相交流電流が供給される。より具体的には、第１組の超伝導コイル１２０ａにＵ相の交流電流が供給され、第２組の超伝導コイル１２０ｂにＶ相の交流電流が供給され、第３組の超伝導コイル１２０ｃにＷ相の交流電流が供給される。図４では、Ｕ相の電流がゼロとなる瞬間を位相０度および１８０度としている。Ｖ相はＵ相と１２０度の位相差をもつので、位相１２０度および３００度で電流がゼロとなる。同様に、Ｗ相はＶ相と１２０度の位相差をもつので、位相６０度および２４０度で電流がゼロとなる。

図５は、図４に示される交流電流が超伝導コイル１２０に供給されるとき超伝導コイル１２０が発生させる合成磁場１２２の回転を示す模式図である。まず、位相０度では、図４に示されるように、Ｕ相の電流がゼロとなり、Ｖ相とＷ相の電流は互いに逆向きで大きさが等しい。このとき、第１組の超伝導コイル１２０ａは磁場を発生させず、第２組の超伝導コイル１２０ｂと第３組の超伝導コイル１２０ｃがそれぞれ、図５で各コイル内に矢印で示すように磁場を発生させる。その結果として、位相０度で超伝導コイル１２０が発生させる合成磁場１２２は、図５において下向きとなっている。

位相６０度では、図４を参照すると、Ｗ相の電流がゼロとなり、Ｕ相とＶ相の電流は互いに逆向きで大きさが等しい。第３組の超伝導コイル１２０ｃは磁場を発生させず、第１組の超伝導コイル１２０ａと第２組の超伝導コイル１２０ｂがそれぞれ、図５で各コイル内に矢印で示すように磁場を発生させる。その結果として、位相６０度で超伝導コイル１２０が発生させる合成磁場１２２は、位相０度での合成磁場１２２を単結晶引き上げ軸２４まわりに時計回りに６０度回転させたものとなる。

同様にして、位相１２０度では、Ｖ相の電流がゼロとなり、Ｕ相とＷ相の電流は互いに逆向きで大きさが等しい。第２組の超伝導コイル１２０ｂは磁場を発生させず、第１組の超伝導コイル１２０ａと第３組の超伝導コイル１２０ｃがそれぞれ、図５で各コイル内に矢印で示すように磁場を発生させる。その結果として、位相１２０度で超伝導コイル１２０が発生させる合成磁場１２２は、位相６０度での合成磁場１２２を単結晶引き上げ軸２４まわりに時計回りに６０度回転させたものとなる。

さらに同様にして、位相１８０度で超伝導コイル１２０が発生させる合成磁場１２２は、位相１２０度での合成磁場１２２を単結晶引き上げ軸２４まわりに時計回りに６０度回転させたものとなり、位相０度での合成磁場１２２と逆向き（図５において上向き）となる。位相２４０度では、合成磁場１２２は位相１８０度に対して単結晶引き上げ軸２４まわりに時計回りに６０度回転し、さらに、位相３００度では、合成磁場１２２は位相２４０度に対して単結晶引き上げ軸２４まわりに時計回りに６０度回転したものとなる。このようにして、三組の超伝導コイル１２０に三相交流電流を供給することにより、合成磁場１２２を単結晶引き上げ軸２４まわりに回転させることができる。

したがって、実施の形態によると、超伝導コイル１２０が発生させる合成磁場１２２を、坩堝１４（および単結晶２２）の回転と同調させて回転させることができる。回転する坩堝１４から見て常に同じ方向から合成磁場１２２が働く。これにより、坩堝１４の内壁と坩堝１４内の溶融材料との相対的な動きが抑制され、その結果、坩堝内壁の溶融材料への溶解も抑えられる。これは、坩堝１４の長寿命化に役立つ。また、坩堝壁に含有されうる酸素またはその他の不純物が溶融材料に溶けて、こうした不純物が単結晶２２に取り込まれることも抑えられ、結晶品質の向上につながる。

なお、複数の超伝導コイル１２０は、複数の高温超伝導コイルであってもよい。高温超伝導コイルは、高温超伝導線材で形成された超伝導コイルである。高温超伝導線材は、例えば２５Ｋ以上、または例えば液体窒素温度（７７Ｋ）以上の超伝導転移温度をもつ超伝導体で形成される。一般に、超伝導コイル１２０に交流電流が供給されるとき、交流損失が生じ、これは超伝導コイル１２０に発熱をもたらす。高温超伝導コイルを用いることにより、この発熱による超伝導コイル１２０のクエンチのリスクを低減することができる。

超伝導コイル１２０を冷却するクライオスタット１１０の冷却能力（具体的には、クライオスタット１１０に設けられる極低温冷凍機の冷凍能力）が十分に大きい場合には、超伝導コイル１２０として低温超伝導コイルが使用されてもよい。

上述の実施の形態では、超伝導コイル１２０に供給される多相交流電流の例として三相交流電流を挙げているが、本発明はこれに限られない。多相交流電流は、二相交流電流、または四相以上の多相交流電流であってもよい。この場合、多相交流電源は、単結晶引き上げ軸まわりの坩堝の回転速度に同調する周波数で多相交流電流を供給するように構成されてもよく、複数の超伝導コイルは、各組が単結晶引き上げ軸を挟んで対向する２つの超伝導コイルからなる複数の組の超伝導コイルを含み、各組の超伝導コイルが多相交流電源の対応する相に接続されてもよい。

図６は、他の実施の形態に係る単結晶引き上げ装置１０を示す模式図である。上述の実施の形態では、超伝導コイル１２０の合成磁場１２２が電気的に回転されているが、以下に述べるように、超伝導コイル１２０を機械的に回転させることによって合成磁場１２２が回転されてもよい。

そこで、超伝導磁石装置１００は、単結晶引き上げ軸２４まわりの坩堝１４の回転速度で複数の超伝導コイル１２０を単結晶引き上げ軸２４まわりに回転させる回転機構１５０を備える。回転機構１５０を駆動させることにより、合成磁場１２２を単結晶引き上げ軸２４まわりの坩堝１４の回転に同調させて回転させることができる。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。

実施の形態に係る単結晶引き上げ装置１０は、シリコン以外の半導体材料またはその他の材料の単結晶を生成するための単結晶引き上げ装置であってもよい。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１０ 単結晶引き上げ装置、 １４ 坩堝、 ２２ 単結晶、 ２４ 単結晶引き上げ軸、 １００ 超伝導磁石装置、 １２０ 超伝導コイル、 １２２ 合成磁場、 １５０ 回転機構。

Claims (7)

1. 単結晶引き上げ装置用の超伝導磁石装置であって、
   単結晶引き上げ軸まわりに回転可能な坩堝を取り囲むように配置され、前記単結晶引き上げ軸に直交する合成磁場を発生させる複数の超伝導コイルを備え、
   前記合成磁場を前記単結晶引き上げ軸まわりの前記坩堝の回転に同調させて回転させるように構成されていることを特徴とする超伝導磁石装置。
2. 前記合成磁場は、前記坩堝の回転と同方向に回転されることを特徴とする請求項１に記載の超伝導磁石装置。
3. 前記単結晶引き上げ軸まわりの前記坩堝の回転速度に同調する周波数で多相交流電流を供給する多相交流電源をさらに備え、
   前記複数の超伝導コイルは、各組が前記単結晶引き上げ軸を挟んで対向する２つの超伝導コイルからなる複数の組の超伝導コイルを含み、各組の超伝導コイルが前記多相交流電源の対応する相に接続されることを特徴とする請求項１または２に記載の超伝導磁石装置。
4. 前記多相交流電源は、三相交流電源であり、前記複数の組の超伝導コイルは、三組の超伝導コイルであることを特徴とする請求項３に記載の超伝導磁石装置。
5. 前記複数の超伝導コイルは、複数の高温超伝導コイルであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の超伝導磁石装置。
6. 前記単結晶引き上げ軸まわりの前記坩堝の回転速度で前記複数の超伝導コイルを前記単結晶引き上げ軸まわりに回転させる回転機構をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の超伝導磁石装置。
7. 単結晶引き上げ装置における磁場印加方法であって、前記単結晶引き上げ装置は、単結晶引き上げ軸まわりに回転可能な坩堝を有し、前記方法は、
   複数の超伝導コイルを使用して前記単結晶引き上げ軸に直交する合成磁場を発生させることと、
   前記合成磁場を前記単結晶引き上げ軸まわりの坩堝の回転に同調させて回転させることと、を備えることを特徴とする方法。

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