JPH107486A - 磁界印加式単結晶製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 水平方向に磁界を与える方式の磁界印加式単
結晶製造装置において、ルツボに生じる磁界強度の均一
度を改善することを目的とする。 【解決手段】 単結晶原料融液１が充填されたルツボ２
の両側に設けられた一対の主コイル２１ａおよびこれら
の主コイル２１ａより直径が小さく同軸で励磁方向が逆
の一対の副コイル２１ｂにより、より均一度の高い磁界
を供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は例えば半導体材料
として用いるシリコン結晶を製造する単結晶製造装置に
関し、特に結晶引上部の結晶原料融液に磁界を印加する
磁界発生部を具備した磁界印加式単結晶製造装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】図１２は、例えば特公平３−６１６３０
号公報に記載されたＣＺ法(チヨクラルスキー法)による
従来の単結晶製造装置の構成例を示す。単結晶原料融液
１(以下融液とする)が充填してあるルツボ２は、ヒータ
３により加熱され、単結晶原料は常に融液状態に保たれ
ている。この融液１中に種結晶４を挿入し、引上駆動機
構５により種結晶４をある一定速度にて引上げてゆく
と、固体−液界面境界層６にて結晶が成長し、単結晶７
が生成される。この際、ヒータ３の加熱によって誘起さ
れる融液１の流体的運動、即ち熱対流８が発生する。

【０００３】この熱対流８の発生原因は次の様に説明さ
れる。即ち、熱対流８は、一般に流体の熱膨張による浮
力と流体の粘性力との釣合いが破れた時に生ずる。この
浮力と粘性力との釣合い関係を表す無次元量がグラスホ
フ数Ｎ_Grである。

【０００４】Ｎ_Gr＝ｇ・α・△Ｔ・Ｒ³／ν²

【０００５】ここで、ｇ；重力加速度 α；融液の熱膨張率 △Ｔ；ルツボ半径方向温度差 Ｒ；ルツボ半径 ν；融液の動粘性係数

【０００６】一般に、グラスホフ数Ｎ_Grが融液１の幾何
学的寸法、熱的境界条件等によって決定される臨界値を
越えると、融液１内に熱対流８が発生する。通常、Ｎ_Gr
＞１０⁶にて融液１の熱対流８は乱流状態となり、Ｎ_Gr
＞１０⁹では撹乱状態となる。現在行われている直径７.
６２〜１０.１６センチ(３〜４インチ)の単結晶引上げ
の融液条件においてはＮ_Gr＞１０⁹となり(上記Ｎ_Grの式
による)融液１内は撹乱状態となり、融液１の表面すな
わち固体−液界面境界層６は波立った状態となる。

【０００７】このような撹乱状態の熱対流８が存在する
と、融液１内、特に固体−液界面境界層６での温度変動
が激しくなり、固体−液界面境界層６の厚さの位置的及
び時間的変動が激しく、成長中結晶の微視的再溶解が顕
著となり、成長した単結晶７中には転位ループ、積層欠
陥等が発生する。しかもこの欠陥部分は、不規則な固体
−液界面境界層６の変動により単結晶引上方向に対して
非均一に発生する。

【０００８】更に、高温の融液１(例えば１５００℃程
度)が接するルツボ２内面における融液１とルツボ２と
の化学変化により、ルツボ２内面より融液１中に溶解し
ている不純物９がこの熱対流８に搬送され、融液１の内
部全体にわたって分散する。この不純物９が核となり単
結晶７中に転位ループや欠陥、成長縞等が発生して単結
晶７の品質を劣化させている。このため、このような単
結晶７よりＬＳＩ(LargeScale Integration；大規模集
積回路)のウエハーを製造すると、欠陥部分を含んだウ
エハーは電気的特性が劣化しているため使用不可能であ
り、従って歩留りが悪くなる。

【０００９】今後、単結晶７は増々大直径化してゆく
が、上記のグラスホフ数の式からもわかるようにルツボ
２の直径が増大すればする程、グラスホフ数も増大し、
融液１の熱対流８は一層激しさを増し、単結晶７の品質
も劣化の一途をたどることになる。そこで、熱対流８を
抑制し熱的・化学的に平衡状態に近い成長条件にて単結
晶引上げを行うために、融液１に直流磁場を印加する手
法が提案されている。

【００１０】図１３に磁場印加による従来の磁界印加式
単結晶製造装置の一例を示す。図１３においては図１２
と同一部分には同一符号を付してその説明は省略する。
即ち、図１３においては、ルツボ２の外周に、融液１中
に単結晶引上方向と直交する方向である図示１１方向に
一様磁場が印加されるように磁石１０を配置する。単結
晶７の融液１は一般に電気伝導度σを有する導電体であ
る。このため、電気伝導度を有する流体が熱対流８によ
り運動する際、磁場印加方向１１と平行でない方向に運
動している流体は、レンツの法則により磁気的抵抗力を
受ける。このため熱対流８の運動は阻止される。一般
に、磁場が印加された時の磁気抵抗力すなわち磁気粘性
係数はν_cfiは

【００１１】ν_cfi＝（μＨＤ）²σ／ρ

【００１２】ここで、μ；融液の透磁率 Ｈ；磁場強さ Ｄ；ルツボ直径 σ；融液の電気伝導度 ρ；融液の密度

【００１３】となり磁場強さが増大すると磁気粘性係数
ν_cfiが増大し、先に示したグラスホフ数Ｎ_Grの式中の
νが増大することとなりグラスホフ数は急激に減少し、
ある磁場強さによってグラスホフ数を臨界値より小さく
することができる。これにより、融液１の熱対流は完全
に抑制される。このようにして磁場を印加することによ
り熱対流が抑制されるので上記した単結晶７中の不純物
含有、転位ループの発生、欠陥・成長縞の発生がなくな
り、しかも単結晶引上方向に均一な品質の単結晶７が得
られ、単結晶７の品質および歩留りが向上する。

【００１４】一方、上記特性を呈する磁場印加による単
結晶引上装置としては、近時脚光をあびる超電導磁石を
採用したものがある。

【００１５】図１４および図１５は、超電導磁石装置を
具備した従来の磁界印加式単結晶製造装置の一構成例を
示すもので、図１４は正面方向から見た構成図、図１５
は上面方向から見た構成図であり、図１３と同一部分に
は同一符号を付してその説明を省略する。

【００１６】図１４および図１５において、融液１に図
示１１なる方向の磁場(以下横磁場とする)を印加するた
めに、引上装置チャンバ１２の外部に、平らな円筒型の
超電導コイル１３、１４を、コイル中心軸と横磁場方向
１１とが一致する図示位置に設置する。

【００１７】超電導コイル１３は、極低温(例えば４.２
Ｋ)液体ヘリウム１５で満たされた内槽１６に収納さ
れ、超電導状態に保持されている。超電導コイル１３を
極低温状態にしておく保冷容器１７ａ、１７ｂは、内槽
１６と外槽１８およびこれらの中間に設置され外部から
の侵入熱量を低減させる輻射シールド板１９より成って
いる。小型冷凍機５０ａ、５０ｂ、６０ａ、６０ｂは、
それぞれ保冷容器１７ａ、１７ｂに直接取付けられてい
る。

【００１８】小型冷凍機５０ａ、５０ｂは、この小型冷
凍機５０ａ，５０ｂ内を循環している冷凍媒体(例えば
ヘリウム)５１ａ、５１ｂを圧縮する圧縮機ユニット５
２ａ、５２ｂと、これらにより圧縮された冷凍媒体５１
ａ、５１ｂを断熱膨張させ冷却する膨張機５３ａ、５３
ｂ(５３ｂは図示せず)と、輻射シールド温度(例えば８
０Ｋ)まで冷却された冷凍ステージ５４ａ、５４ｂ(５４
ｂは図示せず)と、ヘリウム液化温度(例えば４.２Ｋ)ま
で冷却されたヘリウム再凝縮器５５ａ、５５ｂ(５５ｂ
は図示せず)とより構成されている。

【００１９】小型冷凍機６０ａ、６０ｂは、小型冷凍機
５０ａ、５０ｂと同様な構造を有し、冷凍媒体６１ａ、
６１ｂと、圧縮機ユニット６２ａ、６２ｂと、膨張機６
３ａ、６３ｂ(６３ｂは図示せず)と、輻射シールド温度
を有する冷凍ステージ６４ａ、６４ｂ(６４ｂは図示し
ない)と、極低温(例えば２０Ｋ)に冷却された冷凍ステ
ージ６５ａ、６５ｂ(６５ｂは図示せず)とにより構成さ
れている。

【００２０】超電導コイル１３、１４は、常温中(例え
ば３００Ｋ)に布設されたパワーリード２０により直列
に接続され、電源２１より励磁電流が供給される。パワ
ーリード２０よりの外部侵入熱は、小型冷凍機６０ａ、
６０ｂの冷凍ステージ６４ａ、６４ｂ、６５ａ、６５ｂ
により除去される。コイル励磁に伴い蒸発した内槽１６
内のヘリウムガスは、小型冷凍機５０ａ、５０ｂのヘリ
ウム再凝縮器５５ａ、５５ｂにより再凝縮(液化)され
る。このようにして保冷容器１７ａ、１７ｂ内には、常
に液体ヘリウムが満たされ、超電導コイル１３、１４
は、超電導状態を保持し続けることができる。

【００２１】一般に、磁界印加式単結晶製造装置は、そ
の引上運転が完了する毎にルツボ２および引上装置チャ
ンバ１２の内面を清掃する必要がある。超電導磁石装置
を具備した従来の単結晶製造装置では、この清掃を下記
のような手順で実施する。まづ、超電導磁石装置から発
生する電磁力が作用する保冷容器１７ａ、１７ｂを支え
るために設置してある支え棒２２を取り除く。各保冷容
器１７ａ、１７ｂを保持している架台２９ａ、２９ｂの
下部に設置された床固定レール２３上を、水平方向２４
に図示２５なる固定位置まで移動させ、単結晶引上装置
本体と超電導磁石装置とを完全に分離する。この状態に
てルツボ２およびチャンバ１２の清掃を行う。

【００２２】また、例えば、同様に特公平３−６１６３
０号公報に示された図１６、１７に示す従来の磁界印加
式単結晶製造装置はＵ字型の配管で接続されてルツボを
取り囲むような超電導マグネットを備え、ルツボの融液
に磁界を印加している。また、超電導マグネットのコイ
ルは直列に接続され、１つの電源から電流が供給される
ようになっている。また、超電導マグネットは図１７の
２４で示されるように、水平方向に移動できるような構
造が可能である。

【００２３】また、例えば特公平５−５９８７５号公報
に示された図１８に示す従来の磁界印加式単結晶製造装
置では磁束を通すためのリターンヨークを備えたマグネ
ットが記載されており、そのマグネットは常電導伝導マ
グネットでも超電導マグネットでもかまわないことが記
述されている。

【００２４】さらに、特開昭５８−２１７４９３号公報
に示された図１９に示す従来の磁界印加式単結晶製造装
置では、ルツボの融液部のほぼ中心付近に等軸対称かつ
放射状のカスプ磁界を印加することによって育成する結
晶の性状が改善できることが示されている。

【００２５】また、特開昭６１−２２２９８４号公報に
示された図２０に示す従来の磁界印加式単結晶製造装置
では、コイル２６によってルツボの融液部の表面に等軸
対称かつ放射状のカスプ磁界を印加することによって育
成する結晶の性状を改善しようとすることが示されてい
る。

【００２６】

【発明が解決しようとする課題】従来の磁界印加式単結
晶製造装置は以上のように構成されているので、次のよ
うな問題点があった。まず、水平方向に磁界を与える方
式の場合、空心の超電導電磁石ではルツボに生じる磁界
均一度が悪く、磁界印加式単結晶製造装置の開発当初に
実施され、製造条件の十分検討された鉄心付の常電導電
磁石の均一度と大幅に異なり、従って新たな条件検討が
必要になる。従って従来の製造条件を利用するために
は、空心の超電導電磁石においても磁界均一度が従来の
鉄心付の常電導電磁石程度になるような改善が必要であ
った。

【００２７】また、超電導コイルによってカスプ型の磁
界を与える方式の場合、超電導コイルの位置はルツボの
位置で決まり、この超電導コイルは液体ヘリウムで冷却
するためにコイル全体を液体ヘリウム容器の中にいれ、
少なくともコイルの１部を液体ヘリウムに浸けて直接冷
却していたため、必然的にコイル上端から液体ヘリウム
容器さらにはこれを収納する保冷容器等の容器の上端ま
でには距離が一定量必要であるため、ルツボ等を含む単
結晶引上部に比べてこれの周りの上記超電導コイルを含
む磁界発生部のほうが高くなり、結晶製造時の結晶の状
況確認が困難であるという問題点もあった。

【００２８】この発明は上記のような課題を解決するた
めになされたものであり、水平方向に磁界を与える方式
の磁界印加式単結晶製造装置において、ルツボに生じる
磁界強度の均一度を改善することを目的とする。カスプ
磁界を与える方式の磁界印加式単結晶製造装置において
は磁界発生部の超電導コイル上部のスペースを改善し、
製造中の結晶の監視を容易とすることを目的とする。

【００２９】

【課題を解決するための手段】上記の目的に鑑み、この
発明の第１の発明は、ルツボに充填された単結晶原料融
液に種結晶を挿入し、この結晶を引き上げることにより
単結晶を生成する単結晶引上部と、上記単結晶原料融液
部に水平方向の磁界を与えるための磁界発生部と、を備
え、上記磁界発生部が、上記結晶引上部の両側に設けら
れた一対の主コイル、およびこれらの主コイルより直径
が小さく同軸で励磁方向が逆の一対の副コイルを含むこ
とを特徴とする磁界印加式単結晶製造装置にある。

【００３０】この発明の第２の発明は、上記磁界発生部
の主コイルと副コイルがそれぞれ超電導コイルからな
り、上記副コイルの直径が主コイルの直径の０.３倍か
ら０.６倍の範囲で、その起磁力が主コイルの０.３倍か
ら１.０倍の範囲であることを特徴とする請求項１に記
載の磁界印加式単結晶製造装置にある。

【００３１】この発明の第３の発明は、上記主コイルお
よび副コイルが上記ルツボ側に湾曲した鞍型コイルであ
ることを特徴とする請求項１または２に記載の磁界印加
式単結晶製造装置にある。

【００３２】この発明の第４の発明は、上記主コイルだ
けをルツボ側に湾曲した鞍型コイルとしたことを特徴と
する請求項１または２に記載の磁界印加式単結晶製造装
置にある。

【００３３】この発明の第５の発明は、ルツボに充填さ
れた単結晶原料融液に種結晶を挿入し、この結晶を引き
上げることにより単結晶を生成する単結晶引上部と、上
記単結晶原料融液部にカスプ磁界を与える磁界発生部
と、を備え、上記磁界発生部が、上記単結晶原料融液部
にカスプ磁界を与えるために上記単結晶引上部の周囲に
沿って巻回された上下１対の超電導コイル、これらの超
電導コイルをそれぞれに液体冷却材で冷却して収納する
上下の冷却材容器、これらの冷却材容器の間を連結する
冷却材流通用サイフォン配管、およびこれらを収納する
保冷容器、を備えたことを特徴とする磁界印加式単結晶
製造装置にある。

【００３４】この発明の第６の発明は、下側の上記冷却
材容器を上側の冷却材容器に比べて小さくし、主に上側
の冷却材容器に液体冷却材を貯蔵させたことを特徴とす
る請求項５に記載の磁界印加式単結晶製造装置にある。

【００３５】この発明の第７の発明は、ルツボに充填さ
れた単結晶原料融液に種結晶を挿入し、この結晶を引き
上げることにより単結晶を生成する単結晶引上部と、上
記単結晶原料融液部にカスプ磁界を与える磁界発生部
と、を備え、上記磁界発生部が、上記単結晶原料融液部
にカスプ磁界を与えるために上記単結晶引上部の周囲に
沿って巻回された上下１対の超電導コイル、これらの超
電導コイルを冷却する冷却手段、およびこれらを冷却状
態を維持する保冷容器からなり、上記保冷容器が上記単
結晶引上部に対してより低い位置になるように、上記単
結晶原料融液部の位置からその位置が決まる上記超電導
コイルの上側の超電導コイルを上記保冷容器のより上側
に収納するようにしたことを特徴とする磁界印加式単結
晶製造装置にある。

【００３６】この発明の第８の発明は、上記冷却手段
が、液体冷却材を貯蔵すると共に上記超電導コイルを収
納した冷却材容器と、この冷却材容器内に設けられた熱
伝導部材と、からなり、上記液体冷却材の液面が上側と
下側の超電導コイルの間にあり、上側の超電導コイルが
上記冷却材容器内の上端に設けられ、下側の超電導コイ
ルが上記液体冷却材に満たされて冷却され、上側の超電
導コイルが上記熱伝導部材を介して上記液体冷却材によ
り冷却され、上記保冷容器が上記冷却材容器を収納する
ことを特徴とする請求項７に記載の磁界印加式単結晶製
造装置にある。

【００３７】この発明の第９の発明は、上記冷却手段
が、液体冷却材を貯蔵して下側の超電導コイルを収納し
た冷却材容器と、この冷却材容器の温度を上側の超電導
コイルに伝える熱伝導部材と、からなり、上記保冷容器
がこれらを収納することを特徴とする請求項７に記載の
磁界印加式単結晶製造装置にある。

【００３８】この発明の第１０の発明は、上記冷却手段
が、上記上側および下側の超電導コイルの間に設けられ
液体冷却材を貯蔵した冷却材容器と、この冷却材容器の
温度を上側および下側の超電導コイルのそれぞれに伝え
る熱伝導部材と、からなり、上記保冷容器がこれらを収
納することを特徴とする請求項７に記載の磁界印加式単
結晶製造装置にある。

【００３９】この発明の第１１の発明は、上記冷却手段
が、上記超電導コイルを冷却するための冷凍機と、この
冷凍機の温度を上側および下側の超電導コイルのそれぞ
れに伝える熱伝導部材と、からなり、上記保冷容器が上
記上側および下側の超電導コイル並びに上記熱伝導部材
を収納することを特徴とする請求項７に記載の磁界印加
式単結晶製造装置にある。

【００４０】この発明の第１２の発明は、上記上側の超
電導コイルの起磁力を下側の超電導コイルの起磁力の７
０％から３０％の範囲とし、上記カスプ磁界の０点を上
方に移動させたことを特徴とする請求項５ないし１１の
いずれかに記載の磁界印加式単結晶製造装置にある。

【００４１】

【発明の実施の形態】以下、この発明を各実施の形態に
従って説明する。なお、実施の形態１ないし３は単結晶
原料融液に水平方向の磁界を与える単結晶製造装置、実
施の形態４ないし９は単結晶原料融液にカスプ磁界を与
える単結晶製造装置に関するものである。

【００４２】実施の形態１．図１はこの発明の一実施の
形態による磁界印加式単結晶製造装置の構成を示す図で
ある。図において、従来のものと同一もしくは相当する
部分は同一符号で示す。１００は磁界印加式単結晶製造
装置、１は単結晶原料融液、２はルツボ、３はヒータ、
４は種結晶、７は単結晶、８は熱対流、１１は磁場印加
方向、２１ａは超電導主コイル、２１ｂは超電導副コイ
ルである。

【００４３】なお、単結晶原料融液１、ルツボ２、ヒー
タ３、種結晶４、単結晶７からなる部分が単結晶引上部
を構成し、超電導主コイル２１ａ、超電導副コイル２１
ｂが磁界発生部を構成する。また、超電導コイルのため
の冷却材容器や保冷容器の図示は省略されている。

【００４４】次に動作について説明する。単結晶原料融
液１が充填してあるルツボ２はヒータ３により加熱さ
れ、単結晶原料は常に融液状態に保たれている。この融
液１中に種結晶４を挿入し、引上げ駆動機構(図示せず)
によって種結晶４を一定速度にて引上げていくと、単結
晶７が生成される。また、超電導主コイル２１ａおよび
副コイル２１ｂはルツボ２の融液１中に磁場印加方向１
１で示す水平方向の磁場を発生する。

【００４５】ヒータ３の加熱によって誘起される熱対流
８は、超電導主コイル２１ａおよび超電導副コイル２１
ｂによって発生する１１で示される磁界によって生じる
磁気的抵抗力によって大きく抑制される。

【００４６】超電導主コイル２１ａと超電導副コイル２
１とは逆方向に通電され、図２に示すような磁界均一度
の改善効果を示す。図２のデータは主コイルの平均半径
８０.０ｃｍ、両側のコイル間隔１０４ｃｍ、ルツボ中
心磁界０.４Ｔという条件でのものである。またここで
の磁界均一度(ａ)は、

【００４７】ａ＝(ルツボ内での最大磁界−ルツボ内で
の最小磁界)／(ルツボ内での最大磁界＋ルツボ内での最
小磁界)

【００４８】で定義されている。直径が１２.７センチ
(５インチ)程度までの結晶を製造する場合、従来からの
鉄心を使用した常電導の電磁石を使用した場合、図２に
示す磁界均一度(上記ａで定義)は最大で１５％程度であ
った。そこで、大型結晶の製造に使用する空心の超電導
電磁石でも、均一度が少なくとも従来の鉄心方式の常電
導電磁石と同程度が望ましい。そこで、副コイル２１ｂ
の直径を主コイル２１ａの直径の０.３倍から０.６倍の
範囲とし、また副コイル２１ｂの起磁力は主コイル２１
ａの０.３倍から１.０倍の範囲とする。

【００４９】このように、結晶引上部の両側に設けられ
た一対の主コイル２１ａ、およびこれらの主コイル２１
ａより直径が小さくこれらと同軸で励磁方向が逆の一対
の副コイル２１ｂによって単結晶原料融液１内に水平方
向の磁界を発生することで、空心の超電導コイルを使用
して、従来の鉄心を使用した常電導電磁石と同等の磁界
均一度を得ることができる。

【００５０】なお、上記実施の形態では超電導コイルの
場合について説明したが、空心の常電導コイルにおい
て、上述の主コイルおよび副コイルで構成して磁界を発
生しても同等の効果が得られる。但し、その際の主コイ
ルと副コイルの直径および起磁力の比率は上記条件には
当てはまらない。

【００５１】実施の形態２．図３はこの発明の別の実施
の形態による磁界印加式単結晶製造装置の構成を示す図
である。この実施の形態では、実施の形態１の主コイル
および副コイルをルツボ側に湾曲した鞍型コイルとし
た。図において、従来および上記実施の形態のものと同
一もしくは相当する部分は同一符号で示す。１１０は磁
界印加式単結晶製造装置、２１ａａは鞍型の超電導主コ
イル、２１ｂａは鞍型の超電導副コイルである。

【００５２】超電導副コイル２１ｂａは超電導主コイル
２１ａａと逆方向に励磁され、これらによりルツボ２の
部分に実施の形態１と同様に均一度の高い磁界が得られ
る。また、実施の形態１のようにコイルが平らなコイル
である場合と比較して、ルツボ側に湾曲した鞍型のコイ
ルの場合にはルツボ２の部分により近いため、平らなコ
イルにおいけると同一の磁界を得るのに少ない起磁力で
よく、かつ漏洩磁界が小さいというメリットがある。

【００５３】実施の形態３．図４はこの発明のさらに別
の実施の形態による磁界印加式単結晶製造装置の構成を
示す図である。この実施の形態の磁界印加式単結晶製造
装置１２０では、主コイルだけを鞍型コイルとした。

【００５４】上記実施の形態２では主コイルと副コイル
を共に鞍型コイルとしたが、副コイルは発生磁気モーメ
ントが小さいため、漏洩磁界に与える効果が小さい。そ
こでこの実施の形態では、副コイルは通常の平らな円筒
形の超伝導副コイル２１ｂとし、主コイルだけを鞍型の
超電導主コイル２２ａａとした。これにより、副コイル
に製造費用のかかる鞍型コイルを使用しないため、コス
ト削減が行える。

【００５５】実施の形態４．図５はこの発明のさらに別
の実施の形態による磁界印加式単結晶製造装置の構成を
示す図である。従来のものと同一もしくは相当する部分
は同一符号で示す。図５において、１３０は磁界印加式
単結晶製造装置、１５は液体冷却材である液体ヘリウ
ム、２２ａ、２２ｂは軸対称かつ放射状のカスプ磁界を
発生する上下２段の超電導コイル、３１ａ、３１ｂは超
電導コイル２２ａ、２２ｂをそれぞれに収納すると共に
これを冷却するための液体ヘリウム１５を貯蔵する冷却
材容器であるヘリウム容器、３２ａ、３２ｂは上側のヘ
リウム容器３１ａと下側のヘリウム容器３１ｂを連結す
るヘリウム流通用サイフォン配管、１７は保冷容器であ
るこれらを真空状態に保つ真空容器である。

【００５６】なお、単結晶原料融液１、ルツボ２、ヒー
タ３、種結晶４、単結晶７からなる部分が単結晶引上部
を構成し、超電導コイル２２ａ、２２ｂ、ヘリウム容器
３１ａ、３１ｂ、ヘリウム流通用サイフォン配管３２
ａ、３２ｂ、液体ヘリウム１５および真空容器１７が磁
界発生部を構成する。

【００５７】上側のヘリウム容器３１ａは液体ヘリウム
１５の供給部分(図示せず)に接続されており、液体ヘリ
ウム１５は主として上側のヘリウム容器３１ａに貯蔵さ
れる。液体ヘリウム１５は正常状態ではその上面(液面)
は上側の超電導コイル２２ａより上にあって、超電導コ
イル２２ａおよび２２ｂを冷却する。

【００５８】従来のようにヘリウム容器を一つとした場
合は、上側の超電導コイル２２ａと下側の超電導コイル
２２ｂとの間の液体ヘリウムは余分な部分となるが、こ
の実施の形態このような構成とすることにより、ヘリウ
ム容器を一つとした場合に比べて液体ヘリウムの貯蔵量
を減らすことができ、ひいては軽量化、低コスト化が可
能になる。また、図示のように上側のヘリウム容器３１
ａに対して下側のヘリウム容器３１ｂを小さくすること
により、液体ヘリウムをより減らすことができる。

【００５９】実施の形態５．図６はこの発明のさらに別
の実施の形態による磁界印加式単結晶製造装置の構成を
示す図である。以下の各実施の形態は、単結晶引上部で
の単結晶のできぐわいをより観察し易いように、磁界発
生部の保冷容器が単結晶引上部に対してより低い位置に
なるように、単結晶原料融液部の位置からその位置が決
まる超電導コイルの上側の超電導コイルを保冷容器のよ
り上側に収納するようにしたものに関するものである。

【００６０】図６において、１４０は磁界印加式単結晶
製造装置、３１は超電導コイル２２ａ、２２ｂを共に収
納すると共にこれを冷却するための液体ヘリウム１５を
貯蔵する冷却材容器であるヘリウム容器、４１は熱伝導
部材である。

【００６１】なお、単結晶原料融液１、ルツボ２、ヒー
タ３、種結晶４、単結晶７からなる部分が単結晶引上部
を構成し、超電導コイル２２ａ、２２ｂ、ヘリウム容器
３１、液体ヘリウム１５および真空容器１７が磁界発生
部を構成し、特にヘリウム容器３１および液体ヘリウム
１５が冷却手段を構成する。

【００６２】ヘリウム容器３１内において、超電導コイ
ル２２ａ、２２ｂはそれぞれヘリウム容器３１内の上端
と下端に設けられ、液体ヘリウム１５の液面はこれらの
超電導コイル２２ａ、２２ｂの間にある。そして、下側
の超電導コイル２２ｂは液体ヘリウム１５に浸かってい
るので直接冷却され、上側の超電導コイル２２ａは熱伝
導部材４１を介して液体ヘリウム１５の寒冷により冷却
される。

【００６３】このように構成することにより従来のよう
に上側の超電導コイル２２ａの上方に空間を設ける必要
がなくり、上下方向の位置が単結晶引上部の単端結原料
融液１の上下方向位置で決まる超電導コイルの上側の超
電導コイル２２ａを、ヘリウム容器３１の上端に設ける
ことができるので、ヘリウム容器３１および真空容器１
７を従来に比べて相対的に下側に下げることができる。

【００６４】結晶の製造にあたっては結晶の製造状況を
監視するために、ルツボ２の上側から融液１の表面や単
結晶７の外観を常に観察する必要があるが、このように
真空容器１７を下げることができる、すなわち高さが低
いと、監視が非常に容易になる。

【００６５】実施の形態６．図７はこの発明のさらに別
の実施の形態による磁界印加式単結晶製造装置の構成を
示す図である。図７の磁界印加式単結晶製造装置１５０
では、下側の超電導コイル２２ｂのみを液体ヘリウム１
５を貯蔵したヘリウム容器３１ｃに収納して直接液体ヘ
リウム１５で冷却し、上側の超電導コイル２２ａは熱伝
導部材４１ａを介して液体ヘリウム１５の寒冷で冷却す
るようにしている。そしてこれらは保冷容器である真空
容器１７内に収納されている。

【００６６】このように構成することにより、上側の超
電導コイル２２ａにはヘリウム容器が不要となり、その
分、さらに真空容器１７を下側に下げることができ、単
結晶７の製造状況の監視がより容易になる。

【００６７】実施の形態７．図８はこの発明のさらに別
の実施の形態による磁界印加式単結晶製造装置の構成を
示す図である。図８の磁界印加式単結晶製造装置１６０
では、上側の超電導コイル２２ａと下側の超電導コイル
２２ｂの間に液体ヘリウム１５を貯蔵したヘリウム容器
３１ｄが設けられ、上下の超電導コイル２２ａ、２２ｂ
は熱伝導部材４１ｂを介してそれぞれ液体ヘリウム１５
の寒冷で冷却される。そしてこれらは保冷容器である真
空容器１７内に収納されている。なお３３は超電導コイ
ルの巻枠である。

【００６８】このように構成することにより、上記実施
の形態の効果に加えてさらに、ヘリウム容器３１ｄ等の
レイアウトの自由度が向上する。

【００６９】実施の形態８．図９はこの発明のさらに別
の実施の形態による磁界印加式単結晶製造装置の構成を
示す図である。上記実施の形態７では液体ヘリウムによ
りコイルを冷却していたが、図９の磁界印加式単結晶製
造装置１７０では、真空容器１７の外側に設けられた小
型冷凍機３５によって冷却するようにした。この場合、
小型冷凍機３５の冷却ステージ３５ａから超電導コイル
２２ａ、２２ｂの冷却のための熱伝導部材４１ｃに熱伝
導を行うための熱伝導部材４１ｄを設けている。

【００７０】このように構成することにより、液体ヘリ
ウムの注入が不要になり、また超電導コイル２２ａ、２
２ｂのレイアウトの自由度がさらに向上する。

【００７１】実施の形態９．図１０はこの発明のさらに
別の実施の形態による磁界印加式単結晶製造装置の構成
を示す図である。上記実施の形態４ないし８では上下の
超電導コイルの起磁力は等しいものとして説明を行った
が、図９に示す磁界印加式単結晶製造装置１８０のよう
に上下の超電導コイル２２ａ、２２ｂのうち、上側のコ
イル２２ａの起磁力を下側のコイル２２ｂの起磁力の３
０％から７０％の範囲で小さくすることにより、カスプ
磁界の特徴である磁界の０点(磁界中心)が図１１に示す
ように上方に移動する。なおここで、上側コイルと下側
コイルの間隔はコイル平均半径に等しいとした。

【００７２】図２０に示す従来技術の説明からもわかる
ように、磁界０の点は単結晶原料融液１の表面付近に位
置させるのが通常である。このためこの実施の形態によ
れば、上側のコイル２２ａの上端をより単結晶原料融液
１の液面に近い位置に下げることができるので、真空容
器１７をさらに下方に下げることができ、これにより単
結晶引上部のルツボ２の上側から融液１の表面や単結晶
７の外観を製造装置の上部からさらに容易に監視でき
る。

【００７３】なお、この実施の形態は上記実施の形態４
ないし８にそれぞれに適用可能である。

【００７４】

【発明の効果】以上のようにこの発明の第１の発明で
は、水平方向の磁界を与える磁界印加式単結晶製造装置
において、主コイルおよび副コイルの２対のコイルによ
り磁界を発生するようにしたので、単結晶引上部のルツ
ボ領域での磁界均一度が改善され、品質の高い大型径の
単結晶を製造可能な磁界印加式単結晶製造装置を提供で
きる等の効果が得られる。

【００７５】この発明の第２の発明では、第１の発明に
おいて主コイルおよび副コイルの直径の比および起磁力
の比を、磁界均一度が従来の鉄心付き常電導電磁石の均
一度と同等になるように設定したので、従来の製造条
件、引上げ条件を流用可能な磁界印加式単結晶製造装置
を提供できる等の効果が得られる。

【００７６】この発明の第３の発明では、第１および第
２の発明の主コイルおよび副コイルを鞍型コイルで構成
したので、外部漏洩磁界が少なく、より小さな起磁力で
所望の磁界を発生可能な製造効率がよくかつ磁界の外部
への影響の少ない磁界印加式単結晶製造装置を提供でき
る等の効果が得られる。

【００７７】この発明の第４の発明では、第３の発明に
おいて、外側の主コイルのみを鞍型コイルで構成したの
で、効率が良くかつ低コストの磁界印加式単結晶製造装
置を提供できる等の効果が得られる。

【００７８】この発明の第５の発明では、カスプ磁界を
与える方式の磁界印加式単結晶製造装置において、カス
プ磁界を発生する上下１対の超電導コイルをそれぞれ液
体冷却材を貯蔵した上下の冷却材容器に収納し、これら
の冷却材容器の間を冷却材流通用サイフォン配管で連結
するようにしたので、貯蔵する冷却材を減らすことがで
き、低コイル化が可能な磁界印加式単結晶製造装置を提
供できる等の効果が得られる。

【００７９】この発明の第６の発明では、第５の発明に
おいて、下側の冷却材容器を小さくして冷却材を主に上
側の冷却材容器で貯蔵するようにしたので、さらに貯蔵
する冷却材を減らすことができる磁界印加式単結晶製造
装置を提供できる等の効果が得られる。

【００８０】この発明の第７の発明では、カスプ磁界を
与える方式の磁界印加式単結晶製造装置において、単結
晶を生成する単結晶引上部に対して、カスプ磁界を与え
る磁界発生部が低くなるように構成したので、結晶製造
中の単結晶の監視が容易な磁界印加式単結晶製造装置を
提供できる等の効果が得られる。

【００８１】この発明の第８の発明では、第７の発明に
おいて特に、カスプ磁界を発生する上下１対の超電導コ
イルの上側の超電導コイルを冷却材容器の上端に設けら
れるようにしたので、単結晶引上部に対して磁界発生部
が低くなるように構成でき、結晶製造中の単結晶の監視
が容易な磁界印加式単結晶製造装置を提供できる等の効
果が得られる。

【００８２】この発明の第９の発明では、第７の発明に
おいて特に、カスプ磁界を発生する上下１対の超電導コ
イルの下側のコイルだけを収納する冷却材容器を設け、
上側のコイルは熱伝導部材を介して冷却するようにした
ので、上側のコイルに対する冷却材容器が不要となり、
これにより単結晶引上部に対して磁界発生部が低くなる
ように構成でき、結晶製造中の単結晶の監視が容易な磁
界印加式単結晶製造装置を提供できる等の効果が得られ
る。

【００８３】この発明の第１０の発明は、第７の発明に
おいて特に、カスプ磁界を発生する上下１対の超電導コ
イルの間に冷却材容器を設け、熱伝導部材を介して上下
の超電導コイルを冷却するようにしたので、上記効果に
加えてさらに超電導コイル等のレイアウトの自由度が向
上した磁界印加式単結晶製造装置を提供できる等の効果
が得られる。

【００８４】この発明の第１１の発明は、第７の発明に
おいて特に、カスプ磁界を発生する上下１対の超電導コ
イルを保冷容器に収納し、この保冷容器の外部に設けら
れた小型冷凍機により熱伝導部材を介して超電導コイル
を冷却するようにしたので、上記効果に加えてさらに超
電導コイル等のレイアウトの自由度が向上し、さらに液
体ヘリウムの注入が不要な、便利な磁界印加式単結晶製
造装置を提供できる等の効果が得られる。

【００８５】この発明の第１２の発明では、上記第５な
いし１１の発明において、上側の超電導コイルの起磁力
を下側の超電導コイルの起磁力の７０％から３０％の範
囲とし、カスプ磁界の０点を上方に移動させるようにし
たので、さらに単結晶引上部に対して磁界発生部が低く
なるように構成でき、結晶製造中の単結晶の監視が容易
な磁界印加式単結晶製造装置を提供できる等の効果が得
られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１による磁界印加式単
結晶製造装置の構成を示す図である。

【図２】 実施の形態１の副コイルによる磁界均一度改
善の効果を説明するための図である。

【図３】 この発明の実施の形態２による磁界印加式単
結晶製造装置の構成を示す図である。

【図４】 この発明の実施の形態３による磁界印加式単
結晶製造装置の構成を示す図である。

【図５】 この発明の実施の形態４による磁界印加式単
結晶製造装置の構成を示す図である。

【図６】 この発明の実施の形態５による磁界印加式単
結晶製造装置の構成を示す図である。

【図７】 この発明の実施の形態６による磁界印加式単
結晶製造装置の構成を示す図である。

【図８】 この発明の実施の形態７による磁界印加式単
結晶製造装置の構成を示す図である。

【図９】 この発明の実施の形態８による磁界印加式単
結晶製造装置の構成を示す図である。

【図１０】 この発明の実施の形態９による磁界印加式
単結晶製造装置の構成を示す図である。

【図１１】 実施の形態９の磁界中心の上方へのずれを
説明するための図である。

【図１２】 従来の単結晶製造装置の一例を示す構成図
である。

【図１３】 磁場印加による従来の単結晶製造装置の一
例を示す構成図である。

【図１４】 超電導マグネットを備えた従来の単結晶製
造装置の一例を示す正面図である。

【図１５】 図１４の単結晶製造装置の上面図である。

【図１６】 超電導マグネットを備えた従来の単結晶製
造装置の別の例を示す正面図である。

【図１７】 図１６の単結晶製造装置の上面図である。

【図１８】 従来の単結晶製造装置の別の例を示す正面
図である。

【図１９】 カスプ磁界を与えた単結晶製造装置のルツ
ボとルツボ内の融液の状態の一例を示す図である。

【図２０】 カスプ磁界を与えた単結晶製造装置のルツ
ボとルツボ内の融液の状態の別の例を示す図である。

【符号の説明】

１ 単結晶原料融液、２ ルツボ、３ ヒータ、４ 種
結晶、７ 単結晶、１５ 液体ヘリウム、１７ 真空容
器、２１ａ 超電導主コイル、２１ｂ 超電導副コイ
ル、２１ａａ 鞍型の超電導主コイル、２１ｂａ 鞍型
の超電導副コイル、２２ａ，２２ｂ 超電導コイル、３
１，３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ ヘリウム容器、
３２ａ，３２ｂ ヘリウム流通用サイフォン配管、３３
巻枠、３５ 小型冷凍機、３５ａ 冷却ステージ、４
１，４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ 熱伝導部材、１
００〜１８０ 磁界印加式単結晶製造装置。

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ルツボに充填された単結晶原料融液に種
   結晶を挿入し、この結晶を引き上げることにより単結晶
   を生成する単結晶引上部と、 上記単結晶原料融液部に水平方向の磁界を与えるための
   磁界発生部と、 を備え、 上記磁界発生部が、上記結晶引上部の両側に設けられた
   一対の主コイル、およびこれらの主コイルより直径が小
   さく同軸で励磁方向が逆の一対の副コイルを含むことを
   特徴とする磁界印加式単結晶製造装置。
2. 【請求項２】 上記磁界発生部の主コイルと副コイルが
   それぞれ超電導コイルからなり、上記副コイルの直径が
   主コイルの直径の０.３倍から０.６倍の範囲で、その起
   磁力が主コイルの０.３倍から１.０倍の範囲であること
   を特徴とする請求項１に記載の磁界印加式単結晶製造装
   置。
3. 【請求項３】 上記主コイルおよび副コイルが上記ルツ
   ボ側に湾曲した鞍型コイルであることを特徴とする請求
   項１または２に記載の磁界印加式単結晶製造装置。
4. 【請求項４】 上記主コイルだけをルツボ側に湾曲した
   鞍型コイルとしたことを特徴とする請求項１または２に
   記載の磁界印加式単結晶製造装置。
5. 【請求項５】 ルツボに充填された単結晶原料融液に種
   結晶を挿入し、この結晶を引き上げることにより単結晶
   を生成する単結晶引上部と、 上記単結晶原料融液部にカスプ磁界を与える磁界発生部
   と、 を備え、 上記磁界発生部が、上記単結晶原料融液部にカスプ磁界
   を与えるために上記単結晶引上部の周囲に沿って巻回さ
   れた上下１対の超電導コイル、これらの超電導コイルを
   それぞれに液体冷却材で冷却して収納する上下の冷却材
   容器、これらの冷却材容器の間を連結する冷却材流通用
   サイフォン配管、およびこれらを収納する保冷容器、 を備えたことを特徴とする磁界印加式単結晶製造装置。
6. 【請求項６】 下側の上記冷却材容器を上側の冷却材容
   器に比べて小さくし、主に上側の冷却材容器に液体冷却
   材を貯蔵させたことを特徴とする請求項５に記載の磁界
   印加式単結晶製造装置。
7. 【請求項７】 ルツボに充填された単結晶原料融液に種
   結晶を挿入し、この結晶を引き上げることにより単結晶
   を生成する単結晶引上部と、 上記単結晶原料融液部にカスプ磁界を与える磁界発生部
   と、 を備え、 上記磁界発生部が、上記単結晶原料融液部にカスプ磁界
   を与えるために上記単結晶引上部の周囲に沿って巻回さ
   れた上下１対の超電導コイル、これらの超電導コイルを
   冷却する冷却手段、およびこれらを冷却状態を維持する
   保冷容器からなり、上記保冷容器が上記単結晶引上部に
   対してより低い位置になるように、上記単結晶原料融液
   部の位置からその位置が決まる上記超電導コイルの上側
   の超電導コイルを上記保冷容器のより上側に収納するよ
   うにしたことを特徴とする磁界印加式単結晶製造装置。
8. 【請求項８】 上記冷却手段が、液体冷却材を貯蔵する
   と共に上記超電導コイルを収納した冷却材容器と、この
   冷却材容器内に設けられた熱伝導部材と、からなり、上
   記液体冷却材の液面が上側と下側の超電導コイルの間に
   あり、上側の超電導コイルが上記冷却材容器内の上端に
   設けられ、下側の超電導コイルが上記液体冷却材に満た
   されて冷却され、上側の超電導コイルが上記熱伝導部材
   を介して上記液体冷却材により冷却され、上記保冷容器
   が上記冷却材容器を収納することを特徴とする請求項７
   に記載の磁界印加式単結晶製造装置。
9. 【請求項９】 上記冷却手段が、液体冷却材を貯蔵して
   下側の超電導コイルを収納した冷却材容器と、この冷却
   材容器の温度を上側の超電導コイルに伝える熱伝導部材
   と、からなり、上記保冷容器がこれらを収納することを
   特徴とする請求項７に記載の磁界印加式単結晶製造装
   置。
10. 【請求項１０】 上記冷却手段が、上記上側および下側
    の超電導コイルの間に設けられ液体冷却材を貯蔵した冷
    却材容器と、この冷却材容器の温度を上側および下側の
    超電導コイルのそれぞれに伝える熱伝導部材と、からな
    り、上記保冷容器がこれらを収納することを特徴とする
    請求項７に記載の磁界印加式単結晶製造装置。
11. 【請求項１１】 上記冷却手段が、上記超電導コイルを
    冷却するための冷凍機と、この冷凍機の温度を上側およ
    び下側の超電導コイルのそれぞれに伝える熱伝導部材
    と、からなり、上記保冷容器が上記上側および下側の超
    電導コイル並びに上記熱伝導部材を収納することを特徴
    とする請求項７に記載の磁界印加式単結晶製造装置。
12. 【請求項１２】 上記上側の超電導コイルの起磁力を下
    側の超電導コイルの起磁力の７０％から３０％の範囲と
    し、上記カスプ磁界の０点を上方に移動させたことを特
    徴とする請求項５ないし１１のいずれかに記載の磁界印
    加式単結晶製造装置。