JP2004051475A - 単結晶引上げ装置、超電導磁石および単結晶引上げ方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】円筒形の冷却用容器19内に超電導コイル4を内蔵した超電導磁石であって、超電導コイル4を冷却用容器内の平面上に配置するとともに、その配置された各超電導コイルを冷却用容器の軸心を介して対向する向きに設定し、かつ超電導コイルの相互に隣接する1対ずつのもの同士が冷却用容器の内側に向く配設角度θを100゜〜130゜の範囲に設定する。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば単結晶を製造するために使用される単結晶引上げ装置、同装置に適用する超電導磁石および単結晶引上げ方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
シリコンやガリウム砒素などの半導体は単結晶で構成され、小型から大型までのコンピュータのメモリ等に利用されており、記憶装置の大容量化、低コスト化、高品質化が要求されている。
【0003】
従来、これら半導体の要求を満たす単結晶を製造するための単結晶引上げ方法の1つとして、坩堝内に収容されている溶融状態の半導体材料に磁場を印加させ、これにより、溶融液に発生する熱対流を抑止して、大口径かつ高品質の半導体を製造する方法(一般にチョクラルスキー(CZ)法と称している)が知られている(特許文献1〜4参照)。
【0004】
図18により従来のCZ法による単結晶引上げ装置の一例を説明する。この単結晶引上げ装置は、上面が開口した引上げ炉1を備え、この引上げ炉1内に坩堝2を内蔵した構成となっている。そして、引上げ炉1の内側には坩堝2内の半導体材料を加熱溶融するためのヒータ3が坩堝2の周囲に設けられ、引上げ炉1の外側には、1対の超電導コイル4(4a,4b)を円筒形容器としての冷媒容器5に内蔵した超電導磁石30が配置されている。
【0005】
単結晶体の製造に際しては、坩堝2内に半導体材料6を入れてヒータ3により加熱し、半導体材料6を溶融させる。この溶融液中に図示しない種結晶を例えば坩堝2の中央部上方から下降挿入し、図示しない引上げ機により種結晶を所定の速度で引き上げ方向8の方向に引上げていく。これにより、固体・液体境界層に結晶が成長し、単結晶が生成される。この際、ヒータ3の加熱によって誘起される溶融液の流体運動、即ち熱対流が生じると、引上げられる溶融液が乱され、単結晶生成の歩留りが低下する。
【0006】
そこで、この対策として、超電導磁石30の超電導コイル4を使用する。即ち、溶融液の半導体材料6は、超電導コイル4への通電によって発生する磁力線7により動作抑止力を受け、坩堝2内で対流することなく、種結晶の引上げに伴ってゆっくりと上方に向って引上げられ、固体の単結晶体9として製造されるようになる。なお、引上げ炉1の上方には、図示しないが、単結晶体9を坩堝中心線10に沿って引上げるための引上げ機が設けられている。
【0007】
次に、図19により、図18に示した単結晶引上げ装置に使用される超電導磁石30の一例について説明する。この超電導磁石30は、円筒型真空容器19に超電導コイル4(4a,4b)を円筒形の冷媒容器を介して収納した構成とされている。この超電導磁石30においては、真空容器19内の中心部を介して互いに向き合う1対の超電導コイル4a,4bが収納されている。これら1対の超電導コイル4a,4bは横向きの同一方向に沿う磁場を発生しているヘルムホルツ型磁場コイルであり、図18に示したように、真空容器19の中心線10に対して左右対称の磁力線7を発生している(この中心線10の位置を磁場中心と称している)。
【0008】
なお、この超電導磁石30は、2つの超電導コイル4a,4bに電流を導入する電流リード11、円筒冷媒容器5の内部に納められた第1の輻射シールド17および第2の輻射シールド18を冷却するための小型ヘリウム冷凍機12、円筒冷媒容器5内のヘリウムガスを放出するガス放出管13および液体ヘリウムを補給する補給口を有するサービスポート14等を備えている。このような超電導磁石30のボア15内に、図18に示した引上げ炉1が配設される。
【0009】
【特許文献1】
特開2000−114028号公報
【0010】
【特許文献2】
特開平10−139599号公報
【0011】
【特許文献3】
特開平11−176630号公報
【0012】
【特許文献4】
特開平11−199367号公報
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
図20は、上述した従来の超電導磁石30の磁場分布を示している。この図20に示すように、従来の超電導磁石30においては、互いに向き合った1対の超電導コイル4a、4bが配置されていることから、各コイル配置方向(X方向)では両側に向って磁場が次第に大きくなり、これと直交する方向(Y方向)では上下方向に向って次第に磁場が小さくなる。このような従来の構成では図20に示すようにボア範囲の磁場勾配が大きすぎるため、溶融液に発生する熱対流抑制が不均衡になっており、かつ磁場効率が悪い。
【0014】
即ち、図20に斜線で示したように、中心磁場近傍付近の領域では、磁場均一性がよくない(上下、左右に細長いクロス状になっている)ため、熱対流の抑制精度が悪く、高品質の単結晶体を引上げることができない。
【0015】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、ボア内部に磁場勾配が少なく、高均一の横磁場を発生させることができる超電導磁石を提供することを目的とする。
【0016】
また、本発明は上記の高均一磁場を発生させる超電導磁石を用いて高品質の単結晶体を歩留りよく引上げることができる単結晶引上げ装置を提供することを目的とする。
【0017】
さらに、本発明は超電導磁石を用いて高品質の単結晶体を歩留りよく引上げることができる単結晶引上げ方法を提供することを目的とする。
【0018】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、請求項1に係る発明では、半導体用単結晶材料を溶融させる坩堝を引上げ炉に内蔵し、前記引上げ炉の外部に配設した超電導コイルへの通電により前記単結晶に磁場を印加して、前記溶融した単結晶材料の前記坩堝内での対流を抑制する単結晶引上げ装置において、前記超電導コイルを4以上とし、前記引上げ炉の周囲に同軸的に設けた筒形容器内の平面上に配置するとともに、その配置された各超電導コイルを前記筒形容器の軸心を介して対向する向きに設定し、かつ前記超電導コイルの相互に隣接する1対ずつのもの同士が前記筒形容器の内側に向く配設角度θを100゜〜130゜の範囲に設定したことを特徴とする単結晶引上げ装置を提供する。
【0019】
請求項2の発明では、前記超電導コイルの対向するもの同士の離間距離lを、前記筒形容器のボア寸法Dに対して1.1〜1.25倍に設定したことを特徴とする請求項1記載の単結晶引上げ装置を提供する。
【0020】
請求項3の発明では、前記超電導コイルのコイル直径dを、前記ボア寸法Dに対して0.35〜0.55倍に設定したことを特徴とする請求項1記載の単結晶引上げ装置を提供する。
【0021】
請求項4の発明では、円筒形の冷却用容器内に超電導コイルを内蔵した超電導磁石であって、前記超電導コイルは、前記冷却用容器内の平面上に配置するとともに、その配置された各超電導コイルを前記冷却用容器の軸心を介して対向する向きに設定し、かつ前記超電導コイルの相互に隣接する1対ずつのもの同士が前記冷却用容器の内側に向く配設角度θを100゜〜130゜の範囲に設定したことを特徴とする超電導磁石を提供する。
【0022】
請求項5の発明では、前記超電導コイルの対向するもの同士の離間距離lを、前記冷却用容器のボア寸法Dに対して1.1〜1.25倍に設定したことを特徴とする請求項4記載の超電導磁石を提供する。
【0023】
請求項6の発明では、前記超電導コイルのコイル直径dを、前記ボア寸法Dに対して0.35〜0.55倍に設定したことを特徴とする請求項4記載の超電導磁石を提供する。
【0024】
請求項7の発明では、前記超電導コイルを4個以上の偶数個で構成したことを特徴とする請求項4記載の超電導磁石を提供する。
【0025】
請求項8の発明では、前記超電導コイル形状を前記冷却用容器の軸方向に長いレーストラック型・楕円型もしくは矩形型としたことを特徴とする請求項4記載の超電導磁石を提供する。
【0026】
請求項9の発明では、前記超電導コイルの冷却手段は、冷媒容器内に収容した液体冷媒中への当該コイルの浸漬、もしくは当該コイルと冷凍機の低温部との接続、もしくは当該コイルへの液体冷媒容器の接続、または前記各手段の併設により構成したことを特徴とする請求項4記載の超電導磁石を提供する。
【0027】
請求項10の発明では、前記超電導コイルの外周側に配置される容器の壁を磁性材料を用いて構成したことを特徴とする請求項4記載の超電導磁石を提供する。
【0028】
請求項11の発明では、半導体用単結晶材料を溶融させる坩堝を引上げ炉に内蔵し、前記引上げ炉の外部に配設した超電導コイルへの通電により前記単結晶に磁場を印加して、前記溶融した単結晶材料の前記坩堝内での対流を抑制する単結晶引上げ方法において、前記超電導コイルを4以上とし、前記引上げ炉の周囲に同軸的に設けた筒形容器内の平面上に配置するとともに、その配置された各超電導コイルを前記筒形容器の軸心を介して対向する向きに設定し、かつ前記超電導コイルの相互に隣接する1対ずつのもの同士が前記筒形容器の内側に向く配設角度θを100゜〜130゜の範囲に設定して半導体用単結晶を引上げることを特徴とする単結晶引上げ方法を提供する。
【0029】
請求項12の発明では、前記超電導コイルの対向するもの同士の離間距離lを、前記筒形容器のボア寸法Dに対して1.1〜1.25倍に設定することを特徴とする請求項11記載の単結晶引上げ方法を提供する。
【0030】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図1〜図17を参照して説明する。
【0031】
図1は、超電導磁石30の全体構成を示す斜視図であり、図2は、図1のA−A線断面図である。
【0032】
これらの図に示すように、円筒形の真空容器19内に冷却用容器として円筒形の冷媒容器5が設けられ、この冷媒容器5内に4体の超電導コイル4a,4b,4c,4dが収納されている。なお、真空容器19には電流導入用電流リード11が接続されており、また第1、第2の輻射シールド17,18を冷却する小型ヘリウム冷凍機12、および注入口とヘリウムガス放出口とを有するサービスポート14が設けられている。
【0033】
各超電導コイル4a,4b,4c,4dは円形コイルとして構成されており、冷媒容器5内の平面上の4つの象限にそれぞれ配置され、液体冷媒中に浸漬されている。そして、各超電導コイル4a,4b,4c,4dは、冷媒容器5の軸心を介して対向する方向に沿って1対ずつ互いに向き合う配置とされ、これらの超電導コイル4a,4b,4c,4dが発生する磁場の方向が、後述する引上げ炉の引上げ方向に対して横方向であり、かつこれらの超電導コイル4a,4b,4c,4dの相互に隣接する1対ずつのもの同士が冷媒容器5の内側に向く配設角度(θ)100°〜130°の範囲で任意に設定できるように構成されている。
【0034】
また、超電導コイル4a,4b,4c,4dの互いに対向するもの同士の離間距離lは、真空容器19のボア寸法Dに対して1.1〜1.25倍に設定されるとともに、これらの超電導コイル4a,4b,4c,4dのコイル直径dは、ボア寸法Dに対して0.35〜0.55倍に設定されている。
【0035】
図3は、超電導磁石30を図1のB−B線縦断面図として示すとともに、この超電導磁石30を引上げ炉1の外周側に同軸的に組立てた単結晶引上げ装置を示す図である。なお、この図3に示した単結晶引上げ装置の全体構成は図18に示した従来例の構成と略同様であるから、図18との同一構成部分には同一符号を付して重複する説明は省略するが、本実施形態の単結晶引上げ装置では、半導体材料6を収容する坩堝2の周囲から4体の超電導コイル4a,4b,4c,4dにより磁場が横方向で交差する2方向で与えられる。
【0036】
図4〜図9は、以上の構成により形成される本実施形態の磁場分布例を示し、図10および図11は、本実施形態に対する比較例としての磁場分布の例を示している。
【0037】
即ち、図4は最も磁場均一性が良好となる本実施形態の最適例を示したものであり、超電導コイル4a,4b,4c,4dの配設角度θを113°とした場合の磁場分布を示している。この図4に斜線で示したように、中心磁場が略菱形でX,Y方向ともに、均一な幅広い範囲を占めている。このような磁場を図3に示したように溶融した半導体材料6に与えた場合には、その溶融液の対流、特に坩堝中心部位での対流抑止効果が極めて高くなり、上方に引上げられる単結晶体9は全体的に均一となり、従来例では単結晶体9の周縁部分に発生していたような欠陥部分が全く見られない。
【0038】
図5〜図9には、順次に、上記の超電導コイル4a,4b,4c,4dの配設角度θを100°、110°、115°、120°、130°とした場合の磁場分布を示している。これらの図示した磁場分布においても、中心磁場が十分に広い領域に亘って均一に配置されている。なお、図5および図6のように配設角度θが小さい範囲では中心磁場がX方向に若干長く現われ、逆に図7〜図9のように配設角度θが大きくなると中心磁場がY方向に若干長く現われるようになる。
【0039】
これに対し、図10に示したように、配設角度θが90°と小さい比較例の場合には、中心磁場のY方向の幅が極端に狭くなり、また図11に示したように、配設角度θが140°と大きい比較例の場合には、中心磁場のX方向の幅が極端に狭くなる。
【0040】
以上のように、本実施形態の超電導磁石30においては、円形のコイル2個1対を互いに向き合わせて2対、同一容器内に配置し、配設角度θを100°〜130°の範囲に設定したことで、ボア内部に同心円状もしくは正方傾斜状の等分布磁場を得ることができる。
【0041】
また、ボア寸法Dに対し、対向するコイル間距離lを1.1〜1.25倍の範囲に設定した場合、およびコイル直径dを0.35〜0.55倍に設定した場合には、図4〜図9に示した磁場分布の傾向がさらに確実となる。したがって、これらの要素を配設角度θとともに加味した設定とすることにより、さらに均一性のよい磁場分布を得ることができる。
【0042】
そして、単結晶引上げを行う場合には、半導体用単結晶材料6を溶融させる坩堝2を引上げ炉1に内蔵しておき、引上げ炉1の外部に配設した超電導コイル4への通電により単結晶に磁場を印加して、溶融した単結晶材料6の坩堝2内での対流を抑制しつつ単結晶を引上げる。すなわち、超電導コイル4を4以上とし、引上げ炉1の周囲に同軸的に設けた筒形容器としての真空容器19内の平面上に配置するとともに、その配置された各超電導コイル4を真空容器19の軸心を介して対向する向きに設定し、かつ超電導コイル4の相互に隣接する1対ずつのもの、すなわち超電導コイル4a,4d同士、および超電導コイル4b,4c同士が真空容器19の内側に向く配設角度θをそれぞれ100゜〜130゜の範囲に設定して半導体用単結晶を引上げる。これにより、高品質の単結晶体を歩留りよく引上げることができる。
【0043】
この単結晶引上げの際には、超電導コイル4の対向するもの同士の離間距離lを、真空容器19のボア寸法Dに対して1.1〜1.25倍に設定することにより、特に高品質の単結晶体を歩留りよく引上げることができる。
【0044】
図12は、円筒冷媒容器5内に収納される超電導コイル4を6個(4a,4b,4c,4d,4e,4f)とした実施形態を示している。この場合の配設角度θ等の設定は図2の場合と同様である。図13は、この場合における磁場分布図である。この図13に示したように、超電導コイル数を増大した場合には、中心磁場がさらに安定した広がりとなる。このように、コイル数を6以上の偶数個に設定することにより、さらに均一性を高めることができる。また、平面上の磁場の窪みを最小限に抑えることができる。
【0045】
図14は、円筒冷媒容器5内に収納された超電導コイル4の形状を単結晶体引上げ方向8と同一方向、即ち縦方向に長いレーストラック型、楕円型または矩形型とし、その超電導コイル4を2個1対として、互いに向き合わせて2対配置し、超電導コイル4が発生する磁場の方向が引上げ炉1の引上げ方向8に対して横方向になるように構成したものである。
【0046】
このような構成とした場合には、坩堝2内の半導体材料6の深さ方向の寸法が真円の場合に比して大となるので、磁場領域の縦方向の均一性を高めることができる。したがって、前記各手段との組合せにより、さらに磁場均一性が向上する。
【0047】
図15は、本発明に係る超電導磁石30の異なる実施形態を示す縦断面図である。この実施形態が上述した実施形態と異なる点は、図1に示した冷凍機補給口のあるサービスポート14を削除したことである。その他の構成については、図1のものと同様の構成となっている。
【0048】
この図15に示した実施形態においては、冷媒と冷媒を収納する冷媒容器を有しておらず、また、超電導コイル4は小型ヘリウム冷凍機12によって冷却されている。また、超電導コイル4は輻射シールド17で覆われており、これらは真空容器19内に収納されている。そして、電流リード11は超電導コイル4に電流を供給するようになっている。
【0049】
このような実施形態によれば、超電導コイル4が冷凍機12によって冷却され、超電導状態を保持することができるので、液体ヘリウムなどの冷却媒体を必要とせず、かつ冷媒補給に要するコストを削減することができる。
【0050】
また、図16は、小型冷媒容器22と超電導コイル4とを接続した構成のものであり、その他については、図15と略同様の構成となっている。
【0051】
この図16に示した実施形態においては、超電導コイル4が小型ヘリウム冷凍機12および小型冷媒容器22によって冷却されている。なお、小型冷媒容器22には、注液口23から冷媒を注液する。
【0052】
このような図16の実施形態によれば、小型ヘリウム冷凍機12が停止した場合でも、小型冷媒容器22内部に冷媒が存在しているため、超電導コイル4は超電導状態を保つことができる。
【0053】
図17は、図1に示した真空容器19の外周壁19a、上下壁19b,19c等のいずれかまたは全体を鉄系金属等の磁性体によって構成したものである。その他は、図1に示したものと同様の構成となっている。
【0054】
このような図17に示した構成によれば、真空容器19が磁性体であるため、超電導コイル4より発生する磁場を真空容器自体の磁性体によって吸収することができる。したがって、外周囲への漏れ磁場を緩和することができ、例えば周辺に計器類が存在する場合等においても安全な運用を行うことができる。
【0055】
【発明の効果】
本発明の超電導磁石によれば、ボア内部に磁場勾配の少ない均一性のよい横磁場を発生することができ、また、平面上に同心円状もしくは正方形状の磁場分布を発生することができ、不均衡電磁力を大幅に抑制することができる。また、本発明の単結晶引上げ装置によれば、引上げ方向の均一磁場領域が向上するとともに、横磁場方向の磁場がほぼ水平になり、不均衡電磁力の抑制により、高品質の単結晶の製造が実現できる。さらに、本発明の単結晶引上げ方法によれば、高品質の単結晶体を歩留りよく引上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る超電導磁石の実施形態を一部概略的に示す傾斜図。
【図2】図1のA−A線断面図。
【図3】図1のB−B線断面図であり単結晶引上げ装置全体を示す図。
【図4】本発明の実施形態における磁場分布を示す図。
【図5】本発明の実施形態における磁場分布を示す図。
【図6】本発明の実施形態における磁場分布を示す図。
【図7】本発明の実施形態における磁場分布を示す図。
【図8】本発明の実施形態における磁場分布を示す図。
【図9】本発明の実施形態における磁場分布を示す図。
【図10】前記実施形態に対する比較例を示す図。
【図11】前記実施形態に対する比較例を示す図。
【図12】本発明に係る超電導磁石の他の実施形態を一部概略的に示す傾斜図。
【図13】図12に示した実施形態における磁場分布を示す図。
【図14】本発明に係る超電導磁石の他の実施形態を一部概略的に示す傾斜図。
【図15】本発明に係る超電導磁石の他の実施形態を一部概略的に示す傾斜図。
【図16】本発明に係る超電導磁石の他の実施形態を一部概略的に示す傾斜図。
【図17】本発明に係る超電導磁石の他の実施形態を一部概略的に示す縦断面図。
【図18】従来の超電導磁石を概略的に示す傾斜図。
【図19】従来の単結晶引上げ装置を示す縦断面図。
【図20】従来例における磁場分布を示す図。
【符号の説明】
1 引上げ炉
2 坩堝
3 ヒータ
4 超電導コイル
5 円筒型冷媒容器
6 半導体材料
7 磁力線
8 引上げ方向
9 単結晶
10 坩堝中心線
11 電流リード
12 小型ヘリウム冷凍機
13 ガス放出管
14 サービスポート
15 ボア
16 冷媒容器
17 第1の輻射シールド
18 第2の輻射シールド
19 真空容器
22 小型冷媒容器
23 注液口
30 超電導磁石
d コイル直径
D ボア寸法
l コイル間距離
Claims (12)
- 半導体用単結晶材料を溶融させる坩堝を引上げ炉に内蔵し、前記引上げ炉の外部に配設した超電導コイルへの通電により前記単結晶に磁場を印加して、前記溶融した単結晶材料の前記坩堝内での対流を抑制する単結晶引上げ装置において、前記超電導コイルを4以上とし、前記引上げ炉の周囲に同軸的に設けた筒形容器内の平面上に配置するとともに、その配置された各超電導コイルを前記筒形容器の軸心を介して対向する向きに設定し、かつ前記超電導コイルの相互に隣接する1対ずつのもの同士が前記筒形容器の内側に向く配設角度θを100゜〜130゜の範囲に設定したことを特徴とする単結晶引上げ装置。
- 前記超電導コイルの対向するもの同士の離間距離lを、前記筒形容器のボア寸法Dに対して1.1〜1.25倍に設定したことを特徴とする請求項1記載の単結晶引上げ装置。
- 前記超電導コイルのコイル直径dを、前記ボア寸法Dに対して0.35〜0.55倍に設定したことを特徴とする請求項1記載の単結晶引上げ装置。
- 円筒形の冷却用容器内に超電導コイルを内蔵した超電導磁石であって、前記超電導コイルは、前記冷却用容器内の平面上に配置するとともに、その配置された各超電導コイルを前記冷却用容器の軸心を介して対向する向きに設定し、かつ前記超電導コイルの相互に隣接する1対ずつのもの同士が前記冷却用容器の内側に向く配設角度θを100゜〜130゜の範囲に設定したことを特徴とする超電導磁石。
- 前記超電導コイルの対向するもの同士の離間距離lを、前記冷却用容器のボア寸法Dに対して1.1〜1.25倍に設定したことを特徴とする請求項4記載の超電導磁石。
- 前記超電導コイルのコイル直径dを、前記ボア寸法Dに対して0.35〜0.55倍に設定したことを特徴とする請求項4記載の超電導磁石。
- 前記超電導コイルを4個以上の偶数個で構成したことを特徴とする請求項4記載の超電導磁石。
- 前記超電導コイル形状を前記冷却用容器の軸方向に長いレーストラック型・楕円型もしくは矩形型としたことを特徴とする請求項4記載の超電導磁石。
- 前記超電導コイルの冷却手段は、冷媒容器内に収容した液体冷媒中への当該コイルの浸漬、もしくは当該コイルと冷凍機の低温部との接続、もしくは当該コイルへの液体冷媒容器の接続、または前記各手段の併設により構成したことを特徴とする請求項4記載の超電導磁石。
- 前記超電導コイルの外周側に配置される容器の壁を磁性材料を用いて構成したことを特徴とする請求項4記載の超電導磁石。
- 半導体用単結晶材料を溶融させる坩堝を引上げ炉に内蔵し、前記引上げ炉の外部に配設した超電導コイルへの通電により前記単結晶に磁場を印加して、前記溶融した単結晶材料の前記坩堝内での対流を抑制する単結晶引上げ方法において、前記超電導コイルを4以上とし、前記引上げ炉の周囲に同軸的に設けた筒形容器内の平面上に配置するとともに、その配置された各超電導コイルを前記筒形容器の軸心を介して対向する向きに設定し、かつ前記超電導コイルの相互に隣接する1対ずつのもの同士が前記筒形容器の内側に向く配設角度θを100゜〜130゜の範囲に設定して半導体用単結晶を引上げることを特徴とする単結晶引上げ方法。
- 前記超電導コイルの対向するもの同士の離間距離lを、前記筒形容器のボア寸法Dに対して1.1〜1.25倍に設定することを特徴とする請求項11記載の単結晶引上げ方法。
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