DE3528674C2

DE3528674C2 -

Info

Publication number: DE3528674C2
Application number: DE3528674A
Authority: DE
Inventors: Kinya Yokohama Jp Matsutani
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1984-08-10
Filing date: 1985-08-09
Publication date: 1988-12-29
Also published as: GB8519805D0; KR890002065B1; GB2163672A; US4830703A; KR860001905A; JPS6144797A; CN85106561A; DE3528674A1; GB2163672B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Einkristall-Züchtung sowie ein Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung, bei dem das Material in einem Tiegel geschmolzen und mit einem Keimkristall der Einkristall aus der Schmelze gezogen wird, wobei in der Schmelze ein Magnetfeld aufrechterhalten wird.

Beim Züchten eines Einkristalls nach der Czochralski- Methode wird eine in einem Tiegel 12 enthaltene Ein kristall-Materialschmelze 2 mit einer Heizeinrichtung 14 erhitzt, so daß die Schmelze nicht erstarren kann, wie in Fig. 1 gezeigt. In diesem Zustand wird ein Keimkristall 8 in die Schmelze 2 eingetaucht. Wenn der Keimkristall über einen Hebe- und Dreh mechanismus 10 mit einer bestimmten Geschwindigkeit gezogen wird, wird ein Kristall in der Feststoff- Flüssigkeits-Grenzschicht 4 zum Wachsen gebracht, wodurch ein Einkristall 6 gebildet wird.

Die Schmelze 2 wird jeweils in der durch die Pfeile 16 angezeigten Richtung bei Erregung der Heizeinrichtung 14 bewegt. Diese thermische Konvektion tritt auf, wenn eine Auftriebskraft aufgrund thermischer Expansion einer Flüssigkeit im Ungleichgewicht mit deren Viskosität ist. Eine dimensionslose Zahl, die das Gleichgewicht zwischen Auftrieb und Viskosität bezeichnet, ist die Grashof-Zahl

N _GR = g · α · Δ T R³/ν³ (1)

wobei

g = Schwerkraftsbeschleunigung α = der thermische Ausdehnungskoeffizient der Materialschmelze, Δ T = die Temperaturdifferenz in Radialrichtung Tiegels, R = der Radius des Tiegels und ν = der dynamische Viskositätskoeffizient der Materialschmelze.

Wenn die Grashof-Zahl N _GR eine kritische Zahl, die durch die geometrischen Dimensionen und den thermischen Grenzzustand der Schmelze bestimmt ist, überschreitet, entsteht thermische Konvektion in der Schmelze. Allgemein resultiert die thermische Konvektion der Schmelze in einem turbulenten Fluß, wenn N _GR den Wert 10⁵ über steigt. Wenn außerdem N _GR den Wert 10⁹ überschreitet, verursacht die thermische Konvektion eine Aufwallung. Im normalen Betrieb wird ein Einkristallblock mit einem Durchmesser von 7,6 bis 10,2 cm durch Emporziehen eines Keimkristalls gewonnen. In diesem Fall befindet sich die Schmelze jedoch in einem Aufwallungszustand. Aus diesem Grund befinden sich die Oberfläche der Materialschmelze und die Feststoff-Flüssigkeits-Grenz schicht 4 in Wellenbewegung.

Wenn die thermische Konvektion einen Aufwallungs zustand verursacht, vergrößert sich der Temperatur wechsel an der Feststoff-Flüssigkeits-Grenzschicht in der Materialschmelze. Die Dicke der Schicht 4 ändert sich örtlich oder zeitlich, und aus diesem Grund wird der Kristall während des Kristallwachstums mikroskopisch zurückgeschmolzen, wobei in dem Kristall Versetzungsschleifen und Materialstapelfehler ausge bildet werden. Diese Fehler entstehen nicht einheitlich entlang der Längsrichtung des Einkristalls, da sich die Feststoff-Flüssigkeits-Grenzschicht unregelmäßig ändert. Die Schmelze 2 ist bei einer Temperatur von beispielsweise 1500°C in Kontakt mit der Innenober fläche des Tiegels 12, so daß eine Getterverunreinigung von dem Tiegel 12 in die Schmelze 2 abgelöst wird. Die bewegliche Verunreinigung wird durch die thermische Konvektion (mit den Pfeilen 16 bezeichnet) durch die Schmelze verteilt. Da die Verunreinigung in den Materialstapelfehlern gegettert oder aufge fangen wird und so Versetzungsschleifen verursacht, werden verschiedene Fehlertypen und Wachstumsränder in dem Einkristall-Block oder -Körper ausgebildet, wodurch die Qualität des Einkristalls vermindert wird.

Wenn der Einkristall-Block in Scheiben geschnitten wird, um Plättchen für hochintegrierte Schaltkreise (LSI) zu gewinnen, kann ein Plättchen mit einem Fehler nicht verwendet werden und wird folglich weggeworfen, da seine elektrischen Kenndaten verschlechtert sind. Aus diesem Grund ist die Ausbeute an Plättchen gering. Obwohl ein Bedürfnis dafür bestand, den Durchmesser eines Einkristall-Blocks zu vergrößern, wächst die Grashof-Zahl N _GR mit wachsendem Tiegelradius ebenfalls an, wie sich die Gleichung (1) ergibt, und folglich wird die thermische Konvektion der Schmelze 2 ausge prägter, so daß die Qualität des resultierenden Ein kristall-Blocks verschlechtert wird.

Bei einer Einkristall-Züchtungsvorrichtung gemäß Fig. 2A wird ein Gleichstrom-Magnetfeld mit einer Spule 18 an die Schmelze 2 so angelegt, daß der Einkristall unter Wachstumsbedingungen eines thermischen und chemischen Gleichgewichts durch Unterdrückung der thermischen Konvektion gezogen wird. Ein gleichförmiges Magnetfeld wird durch die Spule 18 an die Schmelze 2 in einer mit dem Pfeil 20 angedeuteten Richtung angelegt, wobei die Schmelze elektrisch leitend wird. Wenn die Schmelze 2 durch thermische Konvektion in eine Richtung bewegt wird, welche nicht parallel zur Richtung des Magentfeldes liegt, erhält die Schmelze 2 einen magnetischen Widerstand entsprechend dem Lenz′schen Gesetz. Die thermische Konvektion der Schmelze 2 wird auf diese Weise unter drückt. Allgemein läßt sich der magnetische Viskosi tätskoeffizient ν _E, der den magnetischen Widerstand beim Anlegen eines Magnetfeldes darstellt, durch die nachfolgende Gleichung (2) ausdrücken:

ν _E = (μ HD) ² σ/ρ (2)

wobei

μ = die magnetische Permeablität der Schmelze, H = die Magnetfeldstärke, D = der Tiegeldurchmesser, σ = die elektrische Leitfähigkeit der Schmelze und ρ = die Dichte der Schmelze.

Wie aus Gleichung (2) hervorgeht, steigt der magnetische Viskositätskoeffizient ν _E ebenfalls an, wenn die Magnetfeldstärke ansteigt, dageben wird die Grashof- Zahl N _GR stark vermindert, wenn der dynamische Viskositätskoeffizient ν ansteigt. Wenn die Magnet feldstärke einen bestimmten Wert übersteigt, sinkt die Grashof-Zahl N _GR unter den vorgegebenen kritischen Wert. Wenn ein Magnetfeld mit einer Stärke, die den spezifischen Wert übersteigt, an die Schmelze 2 ange legt wird, wird die thermische Konvektion der Schmelze 2 fast zum Stillstand gebracht. Im Ergebnis wird eine Verunreinigung in den Stapelfehlern des Einkristall- Blocks nicht gegettert oder adsorbiert. Die Versetzungsschleife oder andere Fehler und Wachstums ränder werden entsprechend nicht ausgebildet. Die Qualität des Einkristall-Blocks wird entlang der Zieh richtung einheitlich, wodurch die Ausbeute der Blöcke wächst.

In einer Einkristall-Züchtungsvorrichtung zur Herstellung von Einkristall-Blöcken mit einem Durchmesser von 10,16 cm oder mehr besitzt der Tiegel 12 jedoch einen Durchmesser von 15,24 cm oder mehr, wodurch er sehr groß wird. Außerdem weist dann eine Kammer 21 zur Aufnahme des Tiegels 12 und eine Heizeinrichtung 14 einen inneren Durchmesser von einigen 100 Millimetern auf. Folglich besitzt die Ein kristall-Züchtungsvorrichtung insgesamt eine sehr große Bauform.

Allgemein ist der Durchmesser des Tiegels 12 größer als seine Tiefe. Wenn eine Maximalmenge an Schmelze 2 in dem Tiegel 12 enthalten ist, ist der Radius des Tiegels im wesentlichen genau so groß wie dessen Tiefe. Wenn ein Magnetfeld an die Schmelze im Tiegel 12 angelegt wird, liegt eine Magnetfeldintensitäts verteilung gemäß Fig. 2B vor. Die Temperaturverteilung der Schmelze 2 ist entlang der Richtung der Höhe des Tiegels 12 aufgrund des Durchmesser-Höhenverhältnisses gleichförmig. Die Beziehung zwischen einer Magnetfeldintensität B 1 in der Schicht 4 und einer Magnetfeldintensität B 2 im unteren Abschnitt des Tiegels 12 ist durch die folgende Ungleichung gegeben:

|(B 1 - B 2)/B 1| <5%

wobei das Symbol | | einen Absolutwert bedeutet. Die Verteilung der Gashof-Zahl der Schmelze 2 entsprechend der Magnetfeldverteilung in der Darstellung von Fig. 2B ist kleiner als der kritische Wert N _GC für die Schmelze 2 über den ganzen Tiegel 12 hin, wie in Fig. 2C gezeigt ist. Nach Fig. 2C entsprechen N _G₁ und N _G₂ den Grashof-Zahlen eines Schmelzenabschnitts in der Nähe der Schicht 4 bzw. eines Schmelzenabschnitts in der Nähe des Bodens des Tiegels 12. Aus diesem Grund wird bei der herkömmlichen Kristall-Züchtungsvorrichtung die thermische Konvektion in der gesamten Schmelze 2 im Tiegel 12 gestoppt, und die Schmelze 2 ist völlig ohne Bewegung. In diesem Zustand kann eine Wärmeübertragung durch Konvektion nicht stattfinden. Die Wärme wird von der Heizeinrichtung 14 an die Schmelze 2 im Zentrum des Tiegels 2 abgegeben.

Wenn der Durchmesser eines Einkristall-Blocks so klein ist wie 5,08 bis 7,62 cm, dann kann der innere Durchmesser des Tiegels 12 in der Größenordnung von 6,437 bis 8,047 cm liegen. Aus diesem Grund kann auch dann Wärme von der Heizeinrichtung 14 in genügendem Maße zu der Schicht 4 geleitet werden, wenn die Schmelze durch das Anlegen des Magnet feldes vollkommen still ist. Aus diesem Grund liegt die Temperaturdifferenz zwischen einem Schmelzenab schnitt in der Nähe der Schicht 4 und einem Schmelzen abschnitt in der Nähe des Tiegels 12 normalerweise im Bereich zwischen 10 und 20°C. Wenn jedoch der Durchmesser eines Einkristall-Blocks auf 10,16 cm oder mehr anwächst, muß der Durchmesser des Tiegels 2 15,24 bis 35,56 cm sein, wodurch die Größe des Tiegels stark anwächst. Folglich kann die Wärme von der Heizeinrichtung 14 durch Wärme leitung in der Schmelze 2 allein nicht in genügendem Maße zu der Schicht 4 übertragen werden. Aus diesem Grund entsteht ein großer Temperaturgradient von mehreren 10°C zwischen dem Schmelzenabschnitt der Schicht 4 und dem Schmelzenabschnitt in der Nähe der Innenober fläche des Tiegels 12. Um einen Einkristall 6 in der Schicht 4 jedoch wirksam züchten zu können, muß die Temperatur der Schicht 4 in ausreichendem Maße höher als die der Schmelze sein. Um einen Einkristall-Block mit großem Durchmesser herstellen zu können, wird die Heizleistung der Heizeinrichtung 14 vergrößert, um den Temperaturabfall aufgrund des Temperaturgradients zu kompensieren und die Schicht 4 auf die vorgegebene Temperatur zu bringen. Wenn der Durchmesser des Einkristall-Blocks vergrößert wird und der Temperatur gradient in der Schmelze groß ist, tritt ein Temperatur gradient in der Schicht 4 auf. Der Temperatur gradient in der Schicht 4 verhindert ein gleich förmiges Wachstum des Einkristalls. Wenn die Temperatur differenz zwischen dem Zentrum des Tiegels und dem Schmelzabschnitt in der Nähe der Innenoberfläche des Tiegels ausnehmend groß ist, wirkt eine über mäßige thermische Spannung auf den Tiegel 12, so daß der Tiegel 12 leicht zerspringen kann.

Wenn ein Einkristall-Block mit großem Durchmesser mit einer herkömmlichen Einkristall-Züchtungsvorrichtung hergestellt wird, wächst der Temperaturgradient im Zentrum der Schmelze und in der Feststoff-Flüssig keits-Grenzschicht außerordentlich an, was zu Unzu träglichkeiten führt. Deshalb kann ein einheitlicher Einkristall-Block nicht erhalten werden, zum Auf heizen der Schmelze wird eine hohe Heizleistung benötigt und der Tiegel zerspringt leicht.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einkristall- Züchtungsvorrichtung zu schaffen, bei der die Temperatur differenz zwischen einem Schmelzenabschnitt in der Nähe einer Feststoff-Flüssigkeits-Grenzschicht und einem Schmelzenabschnitt in der Nähe der Innenober fläche des Schmelztiegels klein ist, bei der zum Auf heizen der Schmelze keine hohe Leistung erforderlich ist, bei der der Schmelztiegel nicht zerspringt und mit der ein einheitlicher Einkristall-Block hoher Qualität hergestellt werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe, ausgehend von einem Verfahren der einleitend genannten Art, dadurch gelöst, daß das Magnetfeld so ausgelegt wird, daß es einen ersten magnetischen Bereich mit einer Intensität zur Verhinderung einer thermischen Konvektion in einem oberen Abschnitt der Schmelze und einen zweiten magnetischen Bereich mit einer die thermische Konvektion nicht verhindernden Intensität in einem unteren Bereich der Schmelze umfaßt, und daß die Grenze zwischen dem ersten und dem zweiten Magnetfeldbereich nach einer Absenkung der Schmelzenoberfläche nach unten verschoben wird.

Erfindungsgemäß wird die thermische Konvektion in der Nähe der Feststoff-Flüssigkeits-Grenzschicht einge schränkt, so daß der Einkristall unter der Bedingung eines thermischen und chemischen Gleichgewichts gezüchtet wird. Da die thermische Konvektion in dem zweiten magnetischen Bereich unterhalb des ersten magnetischen Bereich vorhanden ist, wird die Schmelze genügend und gleichmäßig umgerührt. Aus diesem Grund ist die Temperaturverteilung in der Schmelze einheitlich. Deshalb wird auch genügend Wärme zu der Feststoff- Flüssigkeits-Grenzschicht geleitet. Die Temperatur differenz zwischen dem Schmelzenabschnitt rund um den Tiegelrand und der Feststoff-Flüssigkeits-Grenzschicht ist gering. Deshalb kann die genügend umgerührte Schmelze zu der Feststoff-Flüssigkeits-Grenzschicht gefördert werden, wobei ein verhältnismäßig gleich förmiger Einkristall erhalten wird.

Da die Temperaturdifferenz zwischen dem Umfangsbereich des Tiegels und seinem Zentrum und damit die Temperatur differenz zwischen der Feststoff-Flüssigkeits-Grenz schicht und dem Schmelzenabschnitt in der Nähe der Innenoberfläche des Tiegels klein ist, kann auch ein Zerspringen des Tiegels aufgrund thermischer Spannung vermieden werden, und es kann ein Einkristall-Block hoher Qualität hergestellt werden.

Wenn die Magnetfeldstärke durch Verringerung des Spulenabstandes absinkt, wird eine superleitende Spule verwendet, um das Magnetfeld im Dauerstrombetrieb zu verändern.

Die Erfindung umfaßt auch eine Vorrichtung zur Durch führung des Verfahrens, mit einem Tiegel für die Schmelze, einer Heizeinrichtung für die Schmelze, einer Zieheinrichtung mit einem Keimkristall und einer Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung mit Spulen, deren Achsen miteinander fluchten, und mit einer Erregungs einrichtung sowie ein Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung.

Eine Vorrichtung dieser Art ist bekannt (IBM Technical Disclosure Bulletin Vol. 26, No. 2, July 1983, 601 bis 603). Bei Benutzung der bekannten Vorrichtung wird entweder ein senkrechtes Magnetfeld oder ein waage rechtes Magnetfeld an die Schmelze über eine Solenoid spule angelegt.

Gemäß der Erfindung ist eine Vorrichtung der genannten Art dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeld-Erzeugungs einrichtung zwei Spulen aufweist und so ausgelegt ist, daß sie einen ersten magnetischen Bereich mit einer Intensität zur Verhinderung einer thermischen Konvektion in einem oberen Abschnitt der Schmelze und einen zweiten magnetischen Bereich mit einer die thermische Konvektion nicht verhindernden Intensität in einem unteren Abschnitt der Schmelze erzeugt, und daß eine Magnetfeldeinstelleinrichtung vorgesehen ist, die die Grenze zwischen dem ersten und dem zweiten magnetischen Bereich entsprechend der Abwärtsverschiebung der Schmelzenoberflächen absenkt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die zwei Spulen derart erregbar, daß in Axialrichtung der beiden Spulen einander entgegengesetzte Magnetflüsse erzeugt werden, um ein magnetisches Feld zwischen den beiden Spulen zu erzeugen, welches isomagnetische Feldverteilungskurven mit kreisförmiger oder elliptischer Form in einer die Spulenachsen einschließenden Ebene aufweist. Bei einer solchen Ausführung schließt das Magnetfeld Komponenten parallel und senk recht zur Ziehrichtung des Einkristalls ein. Aus diesem Grund kann die thermische Konvektion in allen Richtungen durch das Magnetfeld gesteuert werden. Weiterhin kann bei dieser Ausführung ein Magnetfeld, welches von der Fläche zwischen den Spulen zur Außen seite gerichtet ist, durch das mit den Spulen erzeugte Magnetfeld unwirksam gemacht werden. Deshalb ist die Magnetfeldkomponente, die aus der Fläche zwischen den Spulen austritt, klein.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in weiteren Unter ansprüchen unter Schutz gestellt.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbei spielen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Züchtung eines Einkristalls nach der Czochralski-Methode,

Fig. 2A, 2B und 2C eine Schnittansicht sowie Diagramme zur Erläuterung einer herkömmlichen Einkristall-Züchtungsvorrichtung,

Fig. 3 eine Schnittansicht eines Ausführungsbei spiels der erfindungsgemäßen Einkristall- Züchtungsvorrichtung,

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Steuerung für die Vorrichtung gemäß Fig. 3,

Fig. 5 ein Diagramm zur Darstellung der isomagnetischen Feldverteilung des durch die Spulen erzeugten Magnetfeldes,

Fig. 6 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen einem Bereich mit Unterdrückung der thermischen Konvektion, in welchem die thermische Konvektion durch das Magnetfeld unterdrückt ist, und einem Bereich mit ther-Konvektion,

Fig. 7A, 7B, 7C und 7D Schnittanschichten zur Darstellung der Arbeitsweise der Vorrichtung nach Fig. 3,

Fig. 8A und 8B Flußdiagramme zur Erläuterung der Steuerung einer zentralen Prozessoreinheit und

Fig. 9 eine Schnittansicht zur Darstellung einer Einkristall-Züchtungsvorrichtung nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die Fig. 3 zeigt eine Einkristall-Züchtungsvorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, während Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Steuerungs vorrichtung hierfür zeigt. Eine Kammer 46 ist auf einer Basis 30 über einen Tisch 47 mit einer vorge gebene Höhe angeordnet. Ein Tiegel 42 ist in der Kammer 46 angeordnet. Der Tiegel 42 wird von einer Heizeinrichtung 44 umgeben. Eine Schmelze 32 in dem Tiegel 42 wird durch Erregung der Heizvorrichtung 44 erwärmt.

Antriebswellen 66 werden senkrecht und drehbar von entsprechenden Trägern 68 auf der Basis 30 an mehreren Stellen rund um die Kammer 46 getragen. Jede Welle 66 enthält eine Gewindestange, welche in ein ent sprechendes bewegliches Element 58 eingeschraubt ist. Die Wellen 66 selbst mit entsprechenden Motoren 70 gekoppelt. Bei Drehung der Motoren 70 werden die Elemente 58 jeweils senkrecht bewegt. Antriebswellen 62 sind weiterhin senkrecht so getragen, daß sie gegenüber den Elementen 58 jeweils verdrehbar sind. Jede Welle 62 enthält eine Gewindestange, welche in ein entsprechendes bewegliches Element 56 einge schraubt ist. Motoren 64 sind jeweils mit den Antriebswellen 62 gekoppelt. Die beweglichen Elemente 56 werden bei Drehung der Motoren 64 senkrecht bewegt. Die Motoren 64, die Wellen 62 und die Elemente 56 bilden einen Spulenabstands-Einstellmechanismus 61, während die Motoren 70, die Wellen 66 und die Elemente 58 einen Spulenpositions-Einstellmechanismus bilden.

Ein ringförmiges Gehäuse 50 ist auf allen Elementen 56 befestigt, welche mit den rund um die Kammer 46 angeordneten Wellen 62 im Eingriff sind. Eine supra leitende Spule 48 ist in dem Gehäuse 50 so unterge bracht, daß ihre Achse mit der Achse des Tiegels 42 fluchtet. Ein ringförmiges Gehäuse 54 ist außerdem auf den Elementen 58 befestigt. Eine supraleitende Spule 52 ist in dem Gehäuse 54 derart untergebracht, daß ihre Achse mit der des Tiegels 42 fluchtet. Die Gehäuse 50 und 54 sind über ein balgförmiges Ver bindungselement 60 gekoppelt. Die Spulen 48 und 52 sind durch das Element 60 verbunden, welches ausge dehnt und zusammengezogen werden kann, wenn der Abstand zwischen den Gehäusen 50 und 54 verändert wird. Die Gehäuse 50 und 54 und das Element 60 sind mit flüssigem Helium gefüllt. Die Spulen 48 und 52 sind in flüssiges Helium eingetaucht, und zwar bei einer Temperatur des flüssigen Heliums von 4,2 K. Entgegen gesetzte Ströme bezüglich der Achsen fließen in den Spulen 48 und 52.

Die Schmelze 32 ist als Einkristall-Material in dem Tiegel 42 enthalten. Eine Ziehvorrichtung 40 ist ober halb der Kammer 46 angeordnet. Eine Trägerstange 39 ist an der Ziehvorrichtung 40 befestigt. Das untere Ende des Trägers 39 ist in der Kammer 46 eingesteckt, so daß die Stange 39 durch die Ziehvorrichtung 40 vertikal bewegt wird. Ein Keimkristall 38 ist an dem unteren Ende der Stange 39 befestigt. Nachdem der Keimkristall 38 durch die Ziehvorrichtung 40 in die Schmelze 32 eingetaucht wurde, wird der Keimkristall 38 gezogen, und der Einkristall wird in der Feststoff- Flüssigkeits-Zwischenschicht 34 gezüchtet, wobei ein Einkristall-Block 36 gewonnen wird.

Die Drehgeschwindigkeit des Motors 64 wird durch einen Motordrehzahlfühler 72 (siehe Fig. 4) abgefüllt, dessen Fühlersignal einer Spulenabstandsrechenschaltung 74 zugeführt wird. Der Spulenabstand wird durch die Schaltung 74 berechnet, und dessen Ausgangssignal wird einer zentralen Recheneinheit (CPU) 76 zugeführt. Ähnlich wird die Drehzahl des Motors 70 durch einen Motordrehzahlfühler 78 abgefühlt, und ein Fühlersignal wird einer Spulenpositionsrechenschaltung 80 zugeführt. Die Spulenposition wird durch die Schaltung 80 berechnet, und deren Ausgangssignal wird einer Magnetfeldverteilungs-Rechenschaltung 82 zugeführt.

Die Motoren 64 und 70 sind jeweils mit Treiber schaltungen 84 und 86 verbunden. Die Treiberschaltungen 84 und 86 sind mit der zentralen Recheneinheit (CPU) 76 verbunden. Die zentrale Recheneinheit 76 gibt Steuersignale an die Treiberschaltungen 84 und 86, welche dann die Motoren 64 und 70 entsprechend ansteuern. Die Schaltung 82 gibt an die Magnetstromein stellschaltung 88 ein Signal, welches einem vor gegebenen, an die Schmelze 32 in dem Tiegel 42 anzu legenden Magnetfeld entspricht. Die Schaltung 88 berechnet einen Spulenerregungstrom entsprechend dem Magnetfeldsignal auf der Basis des von der Schaltung 82 zugeführten Signals, und das Ausgangssignal von der Schaltung 88 wird einer Erregerstrom-Wobbelschaltung zugeführt. Die Schaltung 90 verändert die Erregungsströme an den Spulen 48 und 52 innerhalb vorge gebener Werte, und das Ausgangssignal der Schaltung 90 wird den Spulen 48 und 52 angelegt.

Ein Operationssignal von der Ziehvorrichtung 40 wird einer Ziehgeschwindigkeits-Rechenschaltung 92 zuge führt. Die Ziehgeschwindigkeit des Einkristalls wird durch die Schaltung 92 berechnet, und das Ausgangs signal von der Schaltung 92 wird einer Schmelzenober flächenpositions-Rechenschaltung 94 zugeführt. Die Schmelzenoberflächenposition wird entsprechend der Ziehgeschwindigkeit des Einkristalls berechnet. Das Schmelzenoberflächenpositionssignal wird von der Schaltung 94 der zentralen Recheneinheit 76 zugeführt.

Mit der oben beschriebenen Anordnung wird bei Erregung der Spulen 48 und 52 ein Magnetfeld in der Schmelze 32 zwischen den Spulen 48 und 52 ausgebildet, welches eine isomagnetische Feldverteilung in einer die Achsen der Spulen einschließenden Ebene gemäß der Darstellung in Fig. 5 aufweist. Wenn durch die Spulen 48 und 52 entsprechend den Erregungsrichtungen gemäß Fig. 5 Ströme fließen, werden durch die Spulen 48 und 52 in den durch die Pfeile 100 angezeigten Richtungen Magnetfelder erzeugt. Die magnetischen Flußrichtungen B₀ und B₃-B₉ sind zwischen den Spulen 48 und 52 dargestellt. Die Positionen mit jeweils gleicher magnetischer Feld stärke sind als Ellipsen gezeichnet, wie in Fig. 5 zu sehen ist. Wenn die Axialrichtung der Spulen 48 und 52 als Z-Achse definiert wird, und eine Richtung durch die jeweilige Mitte der Spulen 48 und 52 und senkrecht zur Z-Achse als X-Achse definiert wird, dann ist die Magnetfeldstärke B₀ im Schnittpunkt (d. h. im Ursprung) zwischen der X- und der Z-Achse gleich Null.

Die magnetischen Flußrichtungen sind auf der X- und der Z-Achse ausgerichtet, und die isomagnetische Feld verteilung ist als elliptische Kurvenverteilung auf der X-Z-Ebene der Fig. 5 dargestellt. Wenn die Richtung durch den Schnittpunkt (d. h., den Ursprung) der X- und der Z-Achse sowie senkrecht zu der X- und der Z-Achse als Y-Achse definiert wird, dann ist die isomagnetische Feldverteilung eine kreisförmige Kurven verteilung auf der X-Y-Ebene, wobei diese Kreise konzentrisch sind. Es sei noch erwähnt, daß die isomagnetische Feldverteilung von Fig. 5 entsprechend unterschiedlichen Spulenanordnungen und Erregerstrom werten kreisförmig sein kann. In diesem Fall sind der Spulenabstand und die Erregerströme an den Spulen ent sprechend Fig. 6 festgelegt, so daß die isomagnetische Feldstärkenkurve B₁₀ in der Nähe des unteren Abschnitts der Schicht 34 der kritischen Grashof-Zahl N _GR von Gleichung (1) entspricht. Die Stärke B₁₀ fällt in einen Bereich von 0,1-0,2 T und ist ent sprechend dem Typus der Schmelze 32, der Chargenmenge der Schmelze 32 und dem inneren Durchmesser des Tiegels 42 festgelegt. Wenn eine derartige Magnetfeldver teilung an die Schmelze 32 angelegt wird, ist die Magnetfeldstärke in einem Bereich 103 unterhalb der Kurve B₁₀ kleiner als die, welche mit der Kurve B₁₀ bezeichnet ist. Deshalb ist die Grashof-Zahl N _GR der Schmelze 32 größer als die kritische Grashof-Zahl N _GR, wodurch eine thermische Konvektion 102 verursacht wird.

In einem Bereich 104 oderhalb des mit der Kurve B₁₀ bezeichneten Bereiches ist die Magnetfeldstärke jedoch größer als die mit der Kurve B₁₀ angegebene, so daß die Grashof-Zahl N _GR der Schmelze 32 kleiner als die kritische Grashof-Zahl N _GR, ist. Im Ergebnis wird eine thermische Konvektion verhindert, und die Schmelze 32 wird ruhig gehalten. Die Dicke H₁ des Bereiches 104 fällt in den folgenden Bereich:

σ < H₁ < H₀

wobei σ die Dicke der Schicht 34 und H₀ die Anfangs höhe der Schmelze 32 darstellen. Die Höhe H₁ ist durch die Art der Schmelze 32, deren Chargenmenge und den Innendurchmesser des Tiegels bestimmt. Anders gesagt, die Gestalt der Spulen 48 und 52, die Amperewindungen und der Spulenabstand werden durch die Magnetfeldver teilungsberechnung so festgelegt, daß die Parameter H₁, D, H₀ und B₁₀ auf vorbestimmte Weise festgelegt werden.

Die thermische Konvektion 102 tritt in dem durch die Kurve B₁₀ festgelegten Innenbereich auf. Wärme von der Heizeinrichtung 44 kann in ausreichendem Maße zum Zentrum der Schmelze geleitet werden und dadurch eine im wesentlichen gleichförmige Temperaturverteilung in diesem Bereich erzielen. Dagegen ist die Schmelze 32 in dem Bereich außerhalb der Kurve B₁₀ vollkommen unbewegt, so daß keine konvektive Übertragung stattfindet. Wenn die thermische Konvektion der Schmelze 32 in der herkömmlichen Einkristall-Züchtigungsvorrichtung vollständig unterdrückt wird, wird Wärme von der Heiz einrichtung 44 zu der Schicht 34 allein durch Wärme leitung vom Umfangsbereich des Tiegels 42 geführt. Entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird jedoch die Schicht 34 durch einen Schmelzen bereich mit einheitlicher Temperatur, der unterhalb der Tiefe H₁ (H₁«D/2, siehe Fig. 6) unmittelbar unter der Schicht 34 liegt, wirksam aufgeheizt. Im Unterschied zu der herkömmlichen Vorrichtung kann bei der vorliegenden Erfindung der Wärmeleitungseffekt zur Aufheizung der Schicht 34 verbessert werden, und die Temperaturdifferenz zwischen dem Zentrum des Tiegels und dessen Umfangsabschnitt kann vermindert werden. Weiterhin ist die Schicht 34 statisch, so daß ein thermisch und chemisch stabiler Einkristall-Block 36 geschaffen werden kann, da die Schmelze 32 genügend durch thermische Konvektion bis zu einer Tiefe unter halb der Schicht 34 umgerührt wurde, um so die ein heitliche Schmelze 32 zum Einkristall-Züchtungsab schnitt hinzuführen.

Die Arbeitsweise der Einkristall-Züchtungsvorrichtung mit der oben beschriebenen Anordnung wird nun anhand des Flußdiagramms der Steurung durch die zentrale Prozessoreinheit 76 von Fig. 8 beschrieben.

1) Anfangseinstellung

Die Schmelze 32 wird in den Tiegel 42 bis zu einer Höhe H₀ eingefüllt und dann durch die Heizeinrichtung 44 aufgeheizt. Die Dimensionsdaten des Tiegels, die Daten für die Chargenmenge der Schmelze, die Daten für die physikalischen Eigenschaften der Schmelze, die Daten für den Durchmesser des Einkristall-Blocks, die Parameter für die Erregerspulen und die Daten für die Zuggeschwindigkeit des Einkristalls werden durch die zentrale Prozessoreinheit 76 durch eine Eingabe vorrichtung 77 eingeholt. Wie in Fig. 6 dargestellt, werden der Spulenabstand, die Spulenposition und die Spulenströme so festgelegt, daß die Kurve B₁₀, die der kritischen Grashof-Zahl N _GR, entspricht, unterhalb der Schicht 34 ausgebildet wird. Ein anfänglicher Spulenabstand L₀, eine Spulenposition und ein anfäng licher Erregerstrom I₀ werden so festgelegt, daß die magnetischen Verteilungsbedingungen die Verteilung gemäß Fig. 6 erreichen. Der Spulenabstand und die Spulenposition werden durch die Mechanismen 61 bzw. 65 eingestellt. Die zentrale Prozessoreinheit 76 berechnet auch die minimale Höhe H₂ (Fig. 7B) des Bereiches 103, in welchem eine thermische Konvektion wirksam auftritt, und die Höhe H₃ (Fig. 7C) der Schmelze 32, bei welcher ein Einkristall unter Anwesenheit einer thermischen Konvektion wirksam gezüchtet wird.

2) Steuerung zum Anlegen eines konstanten Magnetfeldes und zur Spulenabsenkung

Zu Beginn des Einkristall-Ziehens wird der Keimkristall 38 in die Schmelze 32 eingetaucht, um den Einkristall zu züchten. Der gezüchtete Kristall wird durch die Ziehvorrichtung 40 mit einer konstanten Ziehge schwindigkeit V (cm/sec) gezogen, um einen Einkristall- Block 36 zu bilden. Der an die Spule 48 und 52 ange legte Strom und deren Abstand sind vorbestimmt, so daß die Magnetfeldverteilung gemäß Fig. 6 zwischen den Spulen 48 und 52 ausgebildet wird.

Die Ziehgeschwindigkeit wird durch die Schaltung 92 berechnet, und die Schmelzenoberflächenposition wird durch die Schaltung 94 berechnet. Diese Daten werden der zentralen Prozessoreinheit 76 zugeführt, unter deren Steuerung der abnehmende Pegel der Schmelzen oberfläche mit der Absenkungsgeschwindigkeit der Spule abgestimmt wird. Die zentrale Prozessoreinheit 76 gibt an die Treiberschaltung 86 ein Signal, und die Treiberschaltung 86 steuert den Motor 70 so, daß die Spulen 48 und 52 mit der vorgegebenen Geschwindigkeit bewegt werden. Der Schmelzenoberflächenpegel senkt sich, während die Dicke H₁ des Bereiches 104 im wesentlichen unverändert bleibt. Die Spulenposition wird durch die Schaltung 80 berechnet und der Schaltung 82 mitgeteilt. Die Schaltung 82 berechnet die Höhe H des Bereiches 100.

3) Steuerung für konstante Spulenposition und Verminderung der Magnetfeldstärke

Wie in Fig. 7B gezeigt, stoppt die zentrale Prozessor einheit 76 und Spulen 48 und 52, wenn H mit H₂ über einstimmt (d. h. bei einer Höhe, bei der thermische Konvektion wirksam auftritt), und die Treiberschaltung 84 steuert den Motor 64 so, daß der Spulenabstand ver mindert wird. Im Ergebnis wird die an die Schmelze angelegte Magnetfeldstärke vermindert. Wenn der Zustand von Fig. 7B in den der Fig. 7C verändert ist, schreitet die Züchtung des Einkristalls fort, und der Bereich 104 wird verringert. Allgemein ist die Menge der im Bereich 104 vorhandenen Schmelze proportional zu der Magnetfeldstärke. Wenn zudem ein außerordentlich starkes Magnetfeld angelegt wird, wird die thermische und chemische Stabilität der Schmelze 32 in der Schicht 34 in verstärktem Maße gestört. Aus diesem Grund sollte die Stärke des an die Schmelze 32 angelegten Magnetfeldes entsprechend einer Verminderung in der Region mit Unterdrückung der thermischen Konvektion verringert werden. Nach der wirksamsten Methode wird der Spulenabstand L vermindert, während der durch die Spulen 48 und 52 fließende Erregerstrom unverändert gehalten wird.

Wenn der Spulenabstand L vermindert wird, während der in den Spulen 48 und 52 fließenden Erregerstrom unver ändert gehalten wird, wird die Magnetfeldstärke ent sprechend verringert. Die oben genannte Technik wird aus dem folgenden Grund angewendet. Wenn beispiels weise die Spulen 48 und 52 jeweils supraleitende Spulen enthalten, wird flüssiges Helium in die Gehäuse 50 und 54 eingefüllt, um die Spulen 48 und 52 auf der extrem niedrigen Temperatur von 4,2°K zu halten. Um das Ausmaß der Verdampfung von flüssigem Helium zu vermindern, werden die Stromleitungen zwischen den Spulen 48 und 52 und der externen Stromversorgung 87, bestehend aus den Schaltungen 88 und 90, nach Erregung der Spulen 48 und 52 entfernt, wodurch externe Wärme zufuhr ausgeschaltet wird. Die supraleitenden Spulen werden Dauerstrombetrieb durch einen an der Spulen seite angebrachten Dauerstromschalter betrieben. Wenn die Magnetfeldstärke der supraleitenden Spulen durch eine Änderung des Erregerstroms verändert werden soll, müssen die Leitungen wieder an den Spulen angebracht werden, um den Dauerstrombetrieb aufzuheben, was eine lästige Operation erfordert. Außerdem wird eine große Menge an flüssgiem Helium verdampft, wenn die unter Raumtemperatur stehenden Stromzuführung in das flüssige Helium mit extrem niedriger Temperatur ein geführt werden.

Nach der wirksamsten Methode wird die Magnetfeldstärke verändert, während der Erregerstrom unverändert gehalten wird, d. h. im Dauerstrombetrieb. Wenn jedoch die Spulen 48 und 52 Kupferspulen sind, wird der Erreger strom von der Stromversorgung 87 verringert, um die Magnetfeldstärke zu vermindern. Selbst wenn die Spulen 48 und 52 jeweils supraleitende Spulen umfassen, kann der Erregerstrom auf die gleiche Weise, wie oben beschrieben, vermindert werden, wenn sie nicht im Dauer strombetrieb betrieben werden. Die verbleibende Menge der Schmelze 32 wird allein durch die Ziehgeschwindigkeit bestimmt. Deshalb wird der Spulenabstand durch den Mechanismus 61 eingestellt, um eine Magnetfeld stärke zu erzeugen, welche für die verbleibende Menge der Schmelze 32 geeignet ist. Diese Steuerung wird unter der Kontrolle der zentralen Prozessoreinheit 76 durchgeführt.

Wenn die Spulen 48 und 52 supraleitende Spulen umfassen, die im Dauerstrombetrieb betrieben werden, müssen die Spulen 48 und 52, die durch den Dauerstrom schalter verbunden sind, in dem flüssigen Helium verbunden werden. Wie in Fig. 3 gezeigt, sind die Gehäuse 50 und 54 zur Aufnahme der Spulen 48 und 52 durch das flexible Verbindungselement 60 verbunden.

Das Verbindungselement 60 ist mit dem flüssigen Helium gefüllt. Die Stromzuführungen erstrecken sich durch das Element 60, um die Spulen 48 und 52 zu verbinden. Wenn der Spulenabstand eingestellt wird, wird das flexible Element 60 entsprechend gestreckt oder zusammengezogen.

4) Konstante Steuerung für Spulenposition und Magnetfeld

Wie in Fig. 7C gezeigt, wird die Züchtung entsprechend einer der folgenden zwei Methoden vollendet, wenn die verbleibende Menge der Schmelze 32 H₃ - ist.

[1] Wenn die Höhe H ausreichend niedrig ist und die verbleibende Menge an Schmelze klein genug, um ein weiteres Wachstum des Einkristalls unmöglich zu machen, wird ein Schwanz des Einkristalls mit der verbleibenden Schmelze geformt, während der Einkristall- Block 36 gekühlt wird.
[2] Wenn das Einkristall-Wachstum durch die verbleibende Schmelze noch fortgeführt werden kann, wird der an die Spulen 48 und 52 angelegte Strom leicht erhöht, um das an die Schmelze angelegte Magnetfeld leicht zu verstärken. Der Einkristall kann mit der verbleibenden Schmelze weitergezüchtet werden, während die thermische Konvektion über den gesamten Bereich unterdrückt wird. In diesem Fall ist die verbleibende Menge an Schmelze genügend klein, und der Temperatur gradient ist klein genug, um einen Einkristall-Block von hoher Qualität zu erzeugen, während der thermische Konvektion vollständig unterdrückt wird.

Eine Einkristall-Züchtungsvorrichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der Fig. 9 beschrieben. In Fig. 9 bezeichnen die gleichen Bezugszeichen gleiche Teile wie in Fig. 3, und hierbei wird auf eine detaillierte Beschreibung dieser Teile verzichtet. Zwei Spulen 110 und 112 sind anstelle der Spulen 48 und 52 von Fig. 3 in einer Kamer 46 so angeordnet, daß die Mittelachsen Z der Spulen 110 und 112 horizontal liegen. Die Mittelachsen Z der Spulen 110 und 112 sind senkrecht zu der Ziehrichtung des Einkristall-Blocks 36. In diesem Fall ist die Magnetfeldverteilung der Spulen 110 und 112 die gleiche wie in Fig. 5. Die Z-Achse von Fig. 5 stimmt mit der Spulenachse überein, und die X-Achse von Fig. 5 stimmt mit der Ziehrichtung des Einkristalls überein. Das Magnetfeldverhalten ist das gleiche wie das in den Fig. 6 und 7 gezeigte. Um mit einem Spulen abstandseinstellmechanismus 120 den Spulenabstand zu verringern, können vertikale Magnetantriebsmechanismen 122, auf denen die Gehäuse 114 und 116 der Spulen 110 und 112 angebracht sind, entlang einer Schiene 124 geführt werden.

Eine dritte Ausführungsform der Erfindung wird nun beschrieben. Die Amperewindungen der Spulen werden hierbei verändert, um die Grenze zwischen dem Bereich mit unterdrückter thermischer Konvektion und dem Bereich mit thermischer Konvektion nach unten zu verschieben. Bei der Darstellung in Fig. 3 werden die Amperewindungen der Spulen 48 und 52, deren Achsen vertikal liegen, verändert.

Um unterschiedliche Amperewindungen der Spulen 48 und 52 zu erhalten, werden die Amperewindungen der Spule 48 unterschiedlich von denen der Spule 52 festgelegt, ohne daß die in den Spulen 48 und 52 fließenden Ströme verändert werden. Ersatzweise können auch separate externe Stromquellen 87 mit den Spulen 48 und 52 verbunden werden, um die durch die Spulen 48 und 52 fließenden Ströme zu verändern. Bei der letzteren Methode kann eine veränderbare Steuerung der Ampere windung durch Steuerung der in den Spulen 48 und 52 fließenden Erregerströme vorgenommen werden.

Wenn die Amperewindungen der Spulen 48 und 52 vonein ander verschieden sind, ergeben die Spulen 48 und 52 eine Magnetfeldverteilung, deren X-Achse gegenüber Fig. 5 nach oben oder nach unten verschoben ist. Wenn die Amperewindung der Spule 48 größer als die der Spule 52 ist, wird die X-Achse nach unten verschoben, d. h., zur Spule 52 hin, und mit ihr auch die elliptische isomagnetische Feldverteilung, wobei ihre Verschiebung proportional der Differenz zwischen den Amperewindungen der Spulen 48 und 52 ist. Wenn der Unterschied vergrößert wird, wird die X-Achse zur Spule 52 hin verschoben. Wenn jedoch die Amperewindung der Spule 48 kleiner ist als die der Spule 52, wird der entgegengesetzte Effekt erreicht.

Wenn die Amperewindungen voneinander in der oben beschriebenen Weise abweichen, sind andere Eigenschaften mit Ausnahme der Verschiebung der X-Achse genau so wie in Fig. 5 gezeigt. Das Verhalten der Spulen 48 und 52 ist das gleiche wie das mit bezug auf die Fig. 6 und 7 beschriebene. In diesem Fall, wenn die Amperewindung der Spulen 48 und 52 verändert werden, kann auch die Magnetfeldstärke an der Position des Tiegels 42 verändert werden. Die Mechanismen 65 und 61, wie in Fig. 5 dargestellt, können mit der veränderlichen Steuerung der Amperewindungen ersetzt werden. Wenn der Zustand von Fig. 7A in den Zustand von Fig. 7B verändert wird, werden die Magnete nach unten in dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 bewegt. In diesem Ausführungsbeispiel werden jedoch die Ampere windungen der Spulen 48 und 52 verändert, während die Magnetpositionen unverändert bleiben. Die Arbeitsweise zur Veränderung des Zustands von Fig. 7B in den von Fig. 7C kann also auf die gleiche Weise wie oben beschrieben vorgenommen werden. Bei diesem Beispiel kann der gleiche Effekt wie in Fig. 3 ohne die Mechanismen 61 und 65 erreicht werden.

Bei dem ersten Beispiel (Fig. 3 und 4) wird die Magnet feldstärke durch eine Abwärtsverschiebung der Spulen und eine Verringerung des Spulenabstandes eingestellt. Nach dem dritten Ausführungsbeispiel (Fig. 9) kann jedoch die Magnetfeldstärke durch Änderung der Windungszahlen (Amperewindungen) der Spulen eingestellt werden.

Die Magnetfeldstärke kann jedoch auch dadurch verändert werden, daß über den Mechanismus 65 die Spulen position nach unten verschoben wird oder daß durch den Mechanismus 61 der Spulenabstand eingestellt wird, wodurch die Aufgabe der vorliegenden Erfindung erreicht wird. Außerdem kann durch Einstellung der Erregerströme, die den Spulen 48 und 52 durch die Schaltungen 88 und 90 zugeführt werden, die Grenze zwischen den Bereichen 103 und 104 nach unten in der gleichen Weise verstellt werden, wie in dem Fall, in welchem die Amperewindungen der Spulen sich voneinander unter scheiden, wodurch ebenfalls die beschriebene Aufgabe der Erfindung gelöst wird.

Claims

1. Verfahren zur Einkristall-Züchtung, bei dem das Material in einem Tiegel (42) geschmolzen (32) und mit einem Keimkristall (38) der Einkristall (36) aus der Schmelze gezogen wird, wobei in der Schmelze ein Magnetfeld aufrechterhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld so ausgelegt wird, daß es einen ersten magnetischen Bereich (104) mit einer Intensität zur Verhinderung einer thermischen Konvektion in einem oberen Abschnitt (104) der Schmelze und einen zweiten magnetischen Bereich mit einer die thermische Konvektion nicht verhindernden Intensität in einem unteren Bereich (103) der Schmelze umfaßt, und daß die Grenze zwischen dem ersten und dem zweiten Magnet feldbereich nach einer Absenkung der Schmelzober fläche (32) nach unten verschoben wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Tiegel (42) für die Schmelze, einer Heizeinrichtung (44) für die Schmelze, einer Zieheinrichtung (40) mit einem Keimkristall (38) und einer Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung mit Spulen, deren Achsen miteinander fluchten, und mit einer Erregungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung zwei Spulen (48, 52) aufweist und so ausgelegt ist, daß sie einen ersten magnetischen Bereich mit einer Intensität zur Verhinderung einer thermischen Konvektion in einem oberen Abschnitt (104) der Schmelze und einen zweiten magnetischen Bereich mit einer die thermische Konvektion nicht verhindernden Intensität in einem unteren Abschnitt (103) der Schmelze erzeugt, und daß eine Magnetfeldeinstelleinrichtung (61, 65, 87) die Grenze (B₁₀) zwischen dem ersten und dem zweiten magnetischen Bereich entsprechend einer Abwärts verschiebung der Schmelzoberfläche absenkt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Spulen (48, 52) derart erregbar sind, daß in Axialrichtung (Z) der beiden Spulen einander entgegen gesetzte Magnetflüsse erzeugt werden, um ein magnetisches Feld zwischen den beiden Spulen zu erzeugen, welches isomagnetische Feldverteilungskurven mit kreisförmiger oder elliptischer Form in einer die Spulenachsen einschließenden Ebene aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldeinstelleinrichtung einen Spulenabsenk- Antriebsmechanismus (65) aufweist.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldeinstelleinrichtung einen Spulenabstands- Einstellmechanismus (61) aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldeinstelleinrichtung eine Erregerstrom- Änderungseinrichtung (87) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldeinstelleinrichtung eine Windungszahl- Änderungseinrichtung aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen supraleitende Spulen (48, 52) sind und daß die Magnetfelderzeugungseinrichtung Gehäuse (50, 54) aufweist, die jeweils die Spulen aufnehmen und ein Kühlmittel dicht einschließen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen derart angeordnet sind, daß ihre Achsen (Z) sich vertikal erstrecken.

10. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen derart angeordnet sind, daß ihre Achsen (Z) sich horizontal erstreckt.

11. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenabsenk-Antriebsmechanismus (65) derart ein gestellt wird, daß die Grenze (B₁₀) zwischen den beiden Magnetfeldbereichen bis zu einer minimalen Höhe H₂ abgesenkt wird, wobei die minimale Höhe H₂ als die Höhe definiert ist, bei der noch eine thermische Konvektion in der Schmelze (32) wirksam auftreten kann.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldeinstelleinrichtung die Spulenposition und den Spulenabstand derart konstant hält, daß an die Schmelze (32) ein vorgegebenes Magnetfeld angelegt wird, wobei lediglich der erste Magnetfeldbereich in der Schmelze erscheint, nachdem die Grenze zwischen dem ersten und dem zweiten Magnetfeldbereich auf die minimale Höhe H₂ abgesunken ist.

13. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß, nachdem die Grenze zwischen dem ersten und dem zweiten Magnetfeldbereich auf die minimale Höhe H₂ verringert wurde, der Spulenabstand durch den Spulenabstands-Ein stellmechanismus (61) verringert wird, wobei die Stärke des an die Schmelze (32) angelegten Magnetfeldes so weit verringert wird, bis sich der Schmelzenpegel auf eine geeignete Höhe H₃ einstellt, wobei die Höhe H₃ als die minimale Höhe definiert ist, bei der der erste Magnetfeldbereich bei einem wirksamen Wachstum des Ein kristalls noch vorhanden ist.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldeinstellvorrichtung (61, 65, 87) die Spulenposition und den Spulenabstand konstant hält, wodurch eine vorgegebene Magnetfeldstärke an die Schmelze (32) angelegt wird, nachdem der Schmelzen pegel auf die Höhe H₃ abgesunken ist.

15. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenabstand derart eingestellt wird, daß die Grenze zwischen dem ersten und dem zweiten Magnet feldbereich auf die minimale Höhe H₂ nach einer Absenkung der Schmelzenoberflächenposition verschoben wird.

16. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerströme der Spulen wahlweise derart verändert werden, daß die Grenze zwischen dem ersten und dem zweiten Magnetfeldbereich auf die minimale Höhe H₂ nach einer Absenkung der Schmelze vermindert wird.

17. Verfahren nach den Ansprüchen 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldeinstelleinrichtung (61, 65, 87) die Spulenposition und den Spulenabstand derart konstant hält, daß an die Schmelze (32) ein vorgegebenes Magnet feld angelegt wird, wobei lediglich der erste Magnet feldbereich in der Schmelze erscheint, nachdem die Grenze zwischen dem ersten und dem zweiten Magnetfeldbereich auf die minimale Höhe H₂ abgesenkt ist.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (48, 52) der Magnetfelderzeugungseinrichtung so angeordnet sind, daß ihre Achsen sich senkrecht erstrecken und daß die Magnetfeldeinstelleinrichtung so ausgelegt ist, daß sie nach einer Abwärtsbewegung der Schmelzoberflächenposition den durch die obere Spule fließenden Erregerstrom erhöht und den durch die untere Spule fließenden Erregerstrom vermindert, wodurch die Grenze zwischen dem ersten und dem zweiten Magnetfeld bereich nach unten verschoben wird.

19. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungszahl der einen der beiden Spulen so einge stellt wird, daß sie sich von der der anderen Spule unterscheidet, wodurch die Grenze (B₁₀) zwischen dem ersten und dem zweiten Magnetfeldbereich auf die minimale Höhe H₂ nach einer Absenkung der Schmelzoberflächen position abgesenkt wird.