JPS6036391A

JPS6036391A - 単結晶引上装置

Info

Publication number: JPS6036391A
Application number: JP14353983A
Authority: JP
Inventors: Kinya Matsutani; 松谷　欣也; Shunichi Yokota; 俊一横田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1983-08-05
Filing date: 1983-08-05
Publication date: 1985-02-25
Also published as: JPH0361630B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の技術分野〕本発明は例えば牛導体材料として用いるシーリコン単結
晶を製造する単結晶引上装置に係シ、特に単結晶原料融
液に磁場を印加する磁石装置を具備した単結晶引上装置
に関する。

〔発明の技術的背景〕

第１図にＣ２法（チョクラルスキー法）によあるルツボ
２は、ヒータ３により加熱され、単結晶原料は常に融液
状態を保っている。この融液１中に種結晶４を挿入し、
引上駆動機構５によシ種結晶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。

この熱対流８の光年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わす無次元量がグラスホフ数ＮＧｒ
である。

Ｎｏｒ＝ｐ・α・ΔＴ−Ｒ’／シ３ここで、２；重力加速度 α；融液の熱膨張率 ΔＴ；ルツ？半径方向温度差Ｒ；ルツボ半径 ν；融液の動粘性係数一般に、グラスホフ数ＮＯｒが融液１の幾何学的寸法、
熱的境界条件等によって法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、Ｎｏｒ〉１０５
にて融液１の熱対流８は乱流状態となｊｏ、Ｎ、ｒ＞　
１０’では攪乱状態となる。現在性なわれている直径３
〜４インチの単結晶引上げの融液条件においてはＮ。ｒ
〉１０９となり（前記Ｎ。ｒの式による）融液１内は攪
乱状態となシ、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。

このような攪乱状態の熱対流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ｐ
１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シ、成
長した単結晶２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、不規則々固体−液界面境界層６
の変動によシ単結晶引上方向に対して非均−に発生する
。

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
によシ、ルツボ２内面よシ融液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が核となシ単結晶ｚ中に
転位ルーツや欠陥、成長縞等が発生して単結晶７０品質
を劣化させている。このため、このような単結晶７よｐ
　ＬＳ　Ｉ　（Ｌａｒｇｅ　５ｃａｌｅ　Ｉｎｔｅｇｒ
ａｔｉｏｎ；大規模集積回路）のウェハーを製造すると
、欠陥部分を含んだウェハーは電気的特性が劣化してい
るため使用不可能であシ、従って歩留シが悪くなる。

今後、単結晶２は増々大直径化してゆくが、前記のグラ
スホフ数の式からもわかるようにルツが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な
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。

第２図に磁場印加による従来の単結晶引上装置の一例を
示す。第２図においては第１図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、第２図においては
、ルッが２の外周拠、融液１中に単結晶引上方向と垂直
である図示１１方向に一様磁場が印加されるように磁石
１ｏ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にょシ違動する際、磁場印加方向１ノ
と平行でない方向に運動している流体は、レンツの法則
にょシ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ν８７．はν。ｆｆ”（μＨＤ
　）２σ／ρ ここで、μ；融液の透磁率Ｈ；磁場強さＤ；ルツボ直径 α；融液の電気伝導度 ρ；融液の密度となシ磁場強さが増大すると磁気粘性係数ν。、。

が増大し、先に示したダラスボフ数の式中のνが増大す
ることとなジグラスポン数は急激に減少し、ある磁場強
さによってグシスホフ数を臨界値よシ小さくすることが
出来る。これにょシ、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ょシ熱対流が
抑制されるので上記した単結晶ｚ中の不純物含有、転位
ループの発生、欠陥・成長縞の発止がなくなＬ　Ｌ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の品質および歩留シが向上する。

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。

第３図及び第４図は、超電導磁石装置を具備した従来の
単結晶引上装置の一構成例を示すもので第３図は正面方
向から見た構成図、第４図は側面方向から見た構成図で
あシ、第２図と同一部分には同一符号を付してその説明
を省略する。

第３図及び第４図において、融液１に図示１１なる方向
の磁場（以下横磁場と表記する）を印加するだめに、引
上装置チャンバー１２の外部に、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１ノとが一致
する図示位置に設置する。

超電導コイル１３は、極低温（例えは４．２°Ｋ）液体
ヘリウム１５で満された内槽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）成っている。小型冷凍機５０　ａ　、　５０　
ｂ　、６０　ａ　、　６０　ｂは、それぞれ保冷容器１
７ａ、１７ｂに直接取付けられている。

小型冷凍機５０ｍ、５０ｂは、この小型冷凍１’Ａｓｏ
ａ、ｓｏｂ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５２＆、５
２ｂと、これらにより圧縮された冷凍媒体５１ａ、５１
ｂを断熱膨張サセ冷却スル膨張機５３ｍ、５３ｂ（５３
ｂは図示しない）と、輻射シールド温度（例えば８０°
Ｋ）まで冷却された冷凍ステージ５４ａ。

５４ｂ（５４ｂは図示しない）と、ヘリウム液化温度（
例えば４．２°Ｋ）まで冷却されたヘリウム再凝縮器５
５ｈ、５５ｂ（５５ｂは図示しない）とよ多構成されて
いる。

小型冷凍機６０ａ、６０ｂは、小型冷凍機５０ａ、５０
ｂと同様な構造を有し、冷凍媒体５１ｍ、６１ｂと、圧
縮機ユ”ｙトロ２ａ。

６２ｂと、膨張機６３　ａ　＃　６３　ｂ　（６３ｂは
図示しない）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２０°Ｋ）に冷却された冷凍、ｌ！、チー’）６
５ａ　、６５ｂ（６５ｂは図示し々い）とによ）構成さ
れている。

超電導コイル１３．１４は、常流中（例えば３００°Ｋ
）に布設されたパワーリード２ｏにょシ直列に接続され
、電源２１よシ励磁電流が供給される。パワーリード２
０よシの外部侵入熱は、小型冷凍機６θａ、６０ｂの冷
凍ステージ６４ｈ、６４ｂ、６５ａ、６５ｂによ）除去
される。コイル励磁に伴々い蒸発した内槽１６内のヘリ
ウムガスは、小型冷凍機５θａ、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円には、常に液体ヘ
リウムが満され、超電導コイル１３．１４は、超電導状
態を保持し続けることが出来る。

一般に、単結晶引上装置は、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ー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
晶引上装置では、この清掃を下記のような手順で実施す
る。先づ、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ｘ７ｍ、１７ｂを支えるために設置しである
支え棒２２を取シ除く。各保冷容器１７ａ。

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およびチャンバー１２の清掃を行なう
。

〔背景技術の問題点〕

ところで、上記のように構成された従来の単結晶引上装
置には次のような欠点がある。即ち、横磁場を発生させ
るために、円筒型の２個の超電導コイル１３．１４が使
用されておシ、それぞれが保冷容器１７ａ、１７ｂに収
納されている。このため、各保冷容器１７ｍ、１７ｂ毎
に、パワーリード２０を冷却する小型冷凍機６０ａ。

６０ｂ１ヘリウム液化用の小型冷凍機５０ａ。

５０ｂが必要となる。従って、合計４台の小型゛冷凍機
を使用することになシ、システムが複雑となシ製造コス
トが高くなる。

〔発明の目的〕

本発明は、上記事情に基づいてなされたもので、その目
的とするところは、単結晶原料融液に対して横磁場を印
加する超電導磁石を具備し、構成が簡単であって製造コ
ストが安価なる単結晶引上装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明による単結晶引上装置は、単結晶引上装置本体と
、内部が極低温に冷却され且つ上記単結晶引上装置本体
を取囲むように互いに対向しＵ字形に構成された第１．
第２の保冷容器からなる収納容器部及びこの収納容器部
の上記第１、第２の保冷容器夫々に収納されるものであ
って上記単結晶引上装置本体の単結晶引上方向に対して
垂直な磁場を発生する第１．第２の超電導コイル部を少
なくとも装備上てなる超電導磁石装置とから構成される
ことによシ、冷却用媒体としてのヘリウムの蒸発量を低
減し、冷却装置の設置個数を少なくするようにしている
。

〔発明の実施例〕

以下本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第５図及び第６図は本発明による単結晶引上装置の一実
施例を示すもので、第５図は正面方向から見た構成図、
第６図は上面方向から見た構成図であシ、第３図及び第
４図と同一部分には同一符号を付してその説明は省略す
る。第５図及び第７図において、超電導コイル１３゜１
４を収納している内槽１６、輻射シールド１９、保冷容
器１７ａ、１７ｂを図示の如く、引上装置チャンバー１
２を取囲むようにＵ字形に連結する。超電導コイル１３
．１４を直列に接続するパワーリードは、超電導線２６
を用い、献体ヘリウムが満された内槽１６中を渡らせる
。

電源２１と超電導コイル１３とを接続するノ９ワーリー
ド２０を冷却する小型冷凍機６０ａと、内槽１６内で蒸
発したヘリウムガスを再凝縮（液化）する小型冷凍機５
０ａとを保冷容器１７ａに血付けする。

次に上記のように構成した本実施例の単結晶引上装置の
動作・作用を説明する。即ち、従来では常温中に布設さ
れていた超電導コイル１３゜１４の渡シケーブルが、本
実施例では液体ヘリウム中に浸漬された超電導線２６と
して構成されているので、常温部よシの熱侵入が大幅に
低減され、この結果、従来の２コイル分離形に比べて、
内；Ｒｉｊ　１５内のヘリウム蒸発量が低減される。こ
のため、ヘリウム液化用の小型冷凍機は１台で済む。ま
た、常温部と接続されるノ？ワーリードが、電源２１か
ら超電導コイル１３への間の１組となるので、パワーリ
ード冷却用の小型冷凍板も１台で済む。上記によれば、
少数の冷凍機で冷却系が構成されるので、従来と比較し
て２／３程度の製造コストとなる。

また第３図及び第４図に示す従来例では、超電導コイル
１３．１４を直列に接続している・ぐワーリード２０が
、常温中に布設されているので、仮シに水入電流スイッ
チを超電導コイル１３．１４側に設置し、超電導コイル
１３゜１４から電源２１間へのノｅワーリード２０を着
脱機構によシ取シ除き、永久電流モードにて運転をして
も、超電導コイル１３から超電導コイル１４間を渡って
いるパワーリード２０は取シ除けない。従って、ジーー
ル発熱が生じ永久電流モードの運転は不可能となってい
た。

これに対し本実施例では、超電導コイル１３゜１４間の
渡シケーブルが、超電導状態となっているので、永久電
流スイッチを取付け、ノ（ワーリード着脱機構によシ、
電源２１から超電導コイル１３間へのパワーリード２０
を取シ除くことによシ、永久電流モードによる運転が可
能となる。

更に第３図及び第４図に示す従来例では、電磁力の作用
に対して保冷容器１７ａ、１７ｂを支えるために、超電
導コイル１３．１４の励磁時には保冷容器１７ａ、１７
ｂに支え棒２２を取付け、ルツｙｔｐ　２の清掃時は取
除かねばならぬので、これらの作業が繁雑となっていた
。

これに対し本実施例では超電導コイル１３゜１４は、Ｕ
字形に構成された保冷容器１７ａ。

１７ｂに収納されているので、コイルを励磁した時に生
ずる電磁力は、このＵ字形に構成された保冷容器１７−
　ａ　、　Ｊ　７　ｂによって支えられる。

従って、従来使用していた電磁力の支え棒は必要ないの
で、超電導磁石装置の移動操作が容易に行々うことがで
きる。従ってルツボ２および引上装置チャンバー１２の
内面の清掃時は、床に固定されたレール２３上を図示２
４なる水平方向へ超電導磁石装置を移動させ、これによ
シ超電導磁石装置は単結晶引上装置本体と完全に分離出
来るので清掃が容易となる。

更に、上記完全分離出来る上にＵ字形に構成された保冷
容器１７ａｍ１７ｂで電磁力を支え装置を移動して固定
位置２５に固定した状態で単結晶引上装置のルツボ２お
よび引上装置チャンバー１２の内面の清掃が可能である
。このように永久電流モードのまま単結晶引上運転およ
びｆｐ！掃が出来る。保冷容器１７ｇ、１７ｂがＵ字形
の構成をなしているので、既設の単結晶引上装置本体の
構成を何ら改造することなく、本実施例における超電導
磁石装置を取付りることか出来る。

には同一符号を付してその説明を省略する。即ち、Ｕ字
形に構成された保冷容器１７　ａ　、　１７ｂの接続部
に可撓接手２７および可＠接手２７の長さ固定装置２８
を取付ける。他の構成は第４図に示した実施例と同一で
ある。

このような構成とすれば、単結晶引上装置チャンバー１
２の外径寸法に合せて可撓接手２７の長さを調節し、長
さ固定装置２８によシ可撓接手２７長さを固定すること
が出来、よって、あらゆる種類の既設あるいは新設の単
結晶引上装置本体に超電導磁石装置が取付は可能となる
。

他の動作及び作用については第５図及び第６図に示す実
施例と同様であるので説明は省略する。

この他に本発明はその要旨を逸脱しない範■で種々変形
して実施可能である。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によれば、単結晶引上装置本体
と、内部が極低温に冷却され且つ上記単結晶引上装置本
体を取囲むように互いに対向しＵ字形に構成された第１
．第２の保冷容器からなる収納容器部及びこの収納容器
部の上記第１．第２の保冷容器夫々に収納されるもので
あって上記単結晶引上装置本体の単結晶引上方向に対し
て垂直な磁場を発生する第１．第２の超電導コイル部を
少なくとも装備してなる超電導磁石装置とから構成した
ので、冷却用媒体としてのヘリウムの蒸発量は大幅に低
減し、冷却装置の設置個数も大幅に減少することが可能
となシ、もって構成が簡単であって製造コストを大幅に
低減することが可能な単結晶引上装置が提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の単結晶引上装置の一例を示す構成図、第
２図は磁場印加する単結晶引上装置の原理を説明するた
めの構成図、第３図及び第４図は超電導磁石装置を具備
した従来の単結晶引上装置の一例を示すもので第３図は
正面方向から見た構成図、第４図は上面方向から見た構
成図、第５図及び第６図は本発明による単結晶引上装置
の一実施例を示すもので第５図は正面方向から見た構成
図、第６図は上面方向から見た構成図、第７図は本発明
による単結晶引上装置の他の実施例を示す構成図である
。１・・・融液、２・・・ルツが、３・・・ヒータ、４・
・・種結晶、５・・・引上駆動機構、６・・・固体−液
界面、７・・・単結晶、８・・・熱対流、９・・・不純
物、１０・・・磁石、１１・・・磁場方向、１２・・・
引上装置チャンバー、１３．１４・・・超電導コイル、
１５・・・液体ヘリウム、１６・・・内槽、１７ａ、１
７ｂ・・・保冷容器、１８・・・外槽、１９・・・輻射
シールド板、２０・・・パワーリード、２１山電源、２
２・・・支え棒、２３・・・レール、２４・・・水平方
向、２５・・・固定位置、２６・・・超電導線、２７・
・・可撓接手、２８・・・長さ固定装置、２９　ａ　＋
　２９ｂ・・・架台、５０ａ、５θｂ　、　６０　ａ　
、　６０　ｂ−小型冷凍機、５１　ａ　、　５　ｌ　ｂ
　、　６１　ａ　、　６　ｌ　ｂ　−冷凍媒体、５２　
ａ　、　５２　ｂ　、　６２　ａ　、　６２　ｂ　−圧
縮機ユニット、５３ａ、５３ｂ、６３ａ、６３ｂ−・−
膨張機、５４ｍ、５４ｂｚ６４ａ、６４ｂ、６５ｍ。６５ｂ・・・冷凍ステージ、５５ａ、５５ｂ・・・ヘリ
ウム再凝縮器。出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦第１図第２図第３図６′！第５図第７図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ルツボに充填された単結晶原料融液に種結晶を挿
入しこの種結晶を引上げることにより単結晶を生成する
単結晶引上装置本体と、内部が極低温に冷却され且つ上
記単結晶引上装置本体を取囲むように互いに対向しＵ字
形に構成された第１．第２の保冷容器からなる収納容器
部及びこの収納容器部の上記第１．第２の保冷容器夫々
に収納されるものであって上記単結晶の引上方向に対し
て垂直な磁場を発生する第１゜第２の超電導コイル部を
少なくとも装備してなる超電導磁石装置とからなる単結
晶引上装置。
（２）超電導磁石装置の収納容器部は、第１゜第２の保
冷容器を、互いに可撓接手によシ接続してなる特許請求
の範囲第（１）項記載の単結晶引上装置。