JP3592467B2 - 単結晶引上げ装置用超電導磁石 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばコンピュータのメモリー等に用いられる半導体ウエハーを製造するための単結晶引上げ装置に設置する単結晶引上げ装置用超電導磁石に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンやガリウム砒素などの半導体は、小型から大型までのコンピュータのメモリー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】
これらの要求を満たす単結晶引上げ方法の１つとしてるつぼ内に融解した半導体材料に磁場を印加させることで、その融解液に発生する熱対流を止め、大口径かつ高品質の半導体を製造する方法が知られている。これを一般にチョクラルスキー（ＣＺ）法と称している。
【０００４】
図７により従来のＣＺ法による単結晶引上げ装置の第１の例を説明する。
符号１は引上げ炉で、この引上げ炉１内にるつぼ２が配置され、引上げ炉１内にヒータ３が設けられ、引上げ炉１の外側に超電導磁石として超電導コイル４を内蔵したクライオスタット５が配置されている。
【０００５】
るつぼ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を融解させる。この融解液中に種結晶を挿入し、引上げ機（図示せず）により種結晶を所定の速度で引上げていくと固体−液体境界層に結晶が成長し、単結晶９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解液の流体的運動、即ち熱対流が生じる。
【０００６】
しかし、融解液の半導体材料６はクライオスタット５に内蔵された超電導コイル４の発生する磁力線７によって力が加えられ、るつぼ２内で対流することなく、ゆっくりと引上げ方向８の向きに引上げられて固体の単結晶９として製造される。なお、引上げ炉１の上方には単結晶９をるつぼ中心線１０に沿って引上げるための引上げ機（図示せず）が設けられている。
【０００７】
つぎに、図８および図９により図７における単結晶引上げ装置に使用される超電導磁石の第１および第２の例を説明する。
図８はコ字型（一体形）クライオスタット５ａを使用した第１の超電導磁石の例であり、クライオスタット５ａ内部には互いに向き合って二個一対の超電導コイル４ａ，４ｂが収納されている。
【０００８】
なお、符号１１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、１２はクライオスタット５ａ内部に納められた輻射シールド（図示せず）を冷却するための小型ヘリウム冷凍機、１３はクライオスタット５ａ内のヘリウムガスを放出するガス放出管、１４は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をそれぞれ示している。ボア寸法１５内には、図７に示した引上げ炉１が配設される。
【０００９】
図９は円筒型クライオスタット５ｂを使用した第２の超電導磁石の例であり、第１の例と同様に二個一対の超電導コイル４ａ，４ｂを単一のクライオスタット５ｂ内に収納されている。第１および第２の例ともに引上げ方向８に対して横方向に磁場を印加できるように構成されている。
【００１０】
つぎに図１０により図８および図９に示した超電導磁石の構造を説明する。
図１０は超電導コイル４ａと４ｂの回路と、クライオスタットの内部を縦断面で模式的に示している。すなわち、超電導コイル４ａと４ｂは電気的に直列接続され、その両端は電流リード１１に接続している。電流リード１１から電流を投入することにより超電導コイル４ａ，４ｂには同じ値の電流が流れ、各々が同じ値で同じ向きの磁場を発生する。また、超電導コイル４ａ，４ｂと並列に永久電流スイッチ２０が電流リード１１に接続している。この永久電流スイッチ２０により外部から電流投入を停止した後も永久に超電導コイル４ａ，４ｂに電流が流れ、磁場が発生するように構成されている。
【００１１】
これらの超電導コイル４ａ，４ｂおよび永久電流スイッチ２０は、液体ヘリウム等の冷媒２１中に浸漬している。冷媒２１は冷媒容器１６内に収納されている。冷媒容器１６の外側にはその全体を覆う互いに温度の異なる第１と第２の輻射シールド１７，１８が設けられ、これらの輻射シールド１７，１８は、さらに真空容器１９によって覆われ、内部は真空断熱されている。第１および第２の輻射シールド１７，１８は、小型のヘリウム冷凍機１２で冷却されており、冷媒容器１６内への輻射熱を低減させている。
【００１２】
一対の超電導コイル４ａ，４ｂは同じ横向き磁場を発生しているヘルムホルツ型コイルであり、図７に示するつぼ中心線１０を中心に左右対称の磁力線７が出ている。この左右対称の中心点を磁場中心と称している。
【００１３】
つぎに図１１により従来の単結晶引上げ装置の第２の例を説明する。
なお、図１１中、図７および図８と同一部分には同一符号を付して重複する部分の説明は省略する。第２の例は第１の例と同様にクライオスタットに収納された上下一対の超電導コイル４ｃ，４ｄは引上げ方向８と同軸上に配置されており発生する磁力線７も引上げ方向と一致している。
【００１４】
図１１に示す第２の例においては、一対の超電導コイル４ｃ，４ｄが互いに相対する磁場を発生するカスプ型の例であるが、互いの超電導コイルが同じ向きの磁場を発生するヘルムホルツ型とすることもある。横磁場についてはヘルムホルツ型、縦磁場についてはカスプ型がよく用いられている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
このように構成された従来の超電導磁石の課題はつぎの通りである。
（１） 引上げる単結晶９の大きさに合わせて引上げ炉１の大きさも変わるが、従来の超電導磁石では全体が単一の真空容器１９に納められた一体形のため、引上げ炉１を配置する空間であるボア寸法１５を変えることが困難である。したがって、引上げ炉１の寸法が変わると、それに合ったボア寸法１５を有する磁石を新たに製作する必要がある。
【００１６】
（２） 冷媒容器１６内で二個の超電導コイル４ａ，４ｂが電気的に接続されているため、ヘルムホルツ型として製作された磁石をカスプ型とするには分解して電気的接続を変えるか、または新たに磁石を製作する必要があり、いずれにしても容易に変えることはできない。また、カスプ型をヘルムホルツ型に変えることも同様に困難である。
【００１７】
（３） 電気的に接続された二個の超電導コイル４ａ，４ｂの少なくとも一方の通電値を変えて、前記磁場中心を変えることができなかった。よって、横磁場タイプにおいては磁石と引上げ機の据付精度が充分でないとるつぼ中心線１０に対して対称の磁場を発生させることはできない。
【００１８】
また、縦磁場タイプにおいて、特にカスプ型は、結晶引上げによる溶解半導体材料の液面低下に対して磁場中心を下げることはできない。よって、液面近傍の磁場は、液晶引上げにより変化して均一な品質の単結晶を製造することはできない。
【００１９】
（４） 横磁場用として構成された磁場を縦磁場にすることは困難である。例えば円筒形磁石においては、あらかじめ横磁場用コイルと縦磁場用コイルを内蔵させておく必要があり、磁石が大型になったり価格が高くなるなどの欠点がある。
【００２０】
（５） 図１２に示すように一体形クライオスタット５を超電導磁石を使用して引上げ炉１を二台並列設置したい場合には設置ピッチ２２で設置するが、設置スペース２４を最小にするためには磁石間隔２３を零にする以外になく、これ以上設置スペース２４を小さくすることはできない。
【００２１】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ボア寸法を容易に変えることができ、ヘルムホルツ型とカスプ型のいずれかを容易に選択でき、かつ磁場中心を容易に変えることができ、また横磁場と縦磁場を容易に変更でき、さらに、設置スペースを小さくできる単結晶引上げ装置用超電導磁石を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、半導体用単結晶材料をるつぼ内で融解させ、前記るつぼを内蔵した引上げ炉の外部に超電導磁石を配設し、この超電導磁石による磁場を印加して前記融解した半導体用単結晶材料から単結晶を引上げる単結晶引上げ装置用超電導磁石において、前記超電導磁石は相互に向き合い液体冷媒中に浸漬した二個の超電導コイルをそれぞれ別々のクライオスタットに内蔵し、前記それぞれの超電導コイルが発生する磁場の方向が前記引上げ炉の引上げ方向に対して横方向であり、かつ前記それぞれのクライオスタットにサポートを機械的または冶金的に接続してその間の設置スペースを調整自在に支持してなることを特徴とする。
【００２３】
請求項１に対応する超電導磁石は、クライオスタットが一体形でなく、二個の超電導コイルが別々のクライオスタットに内蔵されている分割タイプなので、クライオスタット間のスペースすなわちボア寸法を容易に変えることができる。
【００２４】
請求項２に係る発明は、前記磁場の方向が引上げ方向に対して横方向に構成した超電導磁石を前記引上げ方向と同じ向きの磁場を発生する磁石としてなることを特徴とする。
【００２５】
請求項２に対応する超電導磁石は、分割したクライオスタットを使用することで、引上げ方向に対し横磁場を発生するように配置した各々のクライオスタットを引上げ方向と同方向に配置することが容易になり、縦磁場を発生させることが容易に可能となる。
【００２６】
請求項３に係る発明は前記超電導コイルの電流値をそれぞれ異なる値に設定し、それぞれ別々の磁場強度を発生させるように構成したことを特徴とする。
請求項３に対応する超電導磁石は、各々の分割されたクライオスタットが各々の電流リードを有することで二個の超電導コイルに別々の電流値を流すことができ、磁場中心を移動させることができる。
【００２７】
請求項４に係る発明は、前記超電導コイルが発生する磁場の方向をそれぞれ同じ方向または相対する方向に任意調整し得るように設定してなることを特徴とする。
【００２８】
請求項４に対応する超電導磁石は、分割されたクライオスタットが別々の電流リードを有し、プラスとマイナスの極性を変えるだけで二個の超電導コイルが同じ向きの磁場または相対する磁場を発生することができる。
【００２９】
請求項５に係る発明は、前記超電導コイルに冷凍機が具備する低温部を接続してなることを特徴とする。
請求項５に対応する超電導磁石は、小型ヘリウム冷凍機が具備する低温部を熱的に超電導コイルと接続することで超電導状態を作れるので、冷媒やそれを収納する容器が不要となる。
【００３０】
請求項６に係る発明は、前記別々のクライオスタットを磁気回路上に直列に少なくとも二個配列してなることを特徴とする。
請求項６に対応する超電導磁石は、分割された複数個の磁石を並べることによって、従来では例えば２台の引上げ炉に対して４個の超電導コイルを必要としたが、本発明では３個で良いことになる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
図１および図２により本発明に係る単結晶引上げ装置の第１の実施の形態を説明する。
図１は本実施の形態に係る超電導磁石の斜視図を示しており、符号２５ａ，２５ｂで示す一対のクライオスタットはそれぞれ全く同様の構造となっている。これらのクライオスタット２５ａ，２５ｂ内には超電導コイル２６ａ，２６ｂが収納されている。一対のクライオスタット２５ａ，２５ｂ間は間隔を調整できるようにこれらのクライオスタット２５ａ，２５ｂをサポート２７に機械的または冶金的に接続している。
【００３２】
一対のクライオスタット２５ａ，２５ｂには独自の電流導入用電流リード２８ａ，２８ｂが接続されており、また輻射シールドを冷却する小型ヘリウム冷凍機２９ａ，２９ｂおよび液体ヘリウム注入口とヘリウムガス放出口を有するサービスポート３０ａ，３０ｂを備えている。
【００３３】
一対のクライオスタット２５ａ，２５ｂ間は、同じ長さの４本のサポート２７によって間隔３１を保っており、この間隔３１内に図２に示すように引上げ炉１が設置される。また、一対のクライオスタット２５ａ，２５ｂは中央部に貫通孔３２ａ，３２ｂを有しており、超電導コイル２６ａ，２６ｂは単結晶９の引上げ方向８に対して横磁場を発生できるように構成されている。
【００３４】
図２は図１のＡ−Ａ矢視方向から見た図であり、引上げ炉１およびその内部は図７の構成と同様であるので、図２中、図７と同一部分には同一符号を付して重複する部分の説明は省略する。
【００３５】
つぎに第１の実施の形態の作用効果を説明する。
図１に示した超電導磁石においてはより大きな、または小さな引上げ炉１を一対のクライオスタット２５ａ，２５ｂの間に設置する必要が発生した場合にはサポート２７の長さを調整することで間隔３１を引上げ炉１の外径に合わせて広げたり縮めたり調節できる。サポート２７は長さの異なるものと交換するかまたはターンバックルのように長さを自身で調整できることで間隔３１を調節することができる。
【００３６】
また、二個の超電導コイル２６ａ，２６ｂはそれぞれ別々の電流リード２８ａ，２８ｂを有しているので、例えば左側の超電導コイル２６ｂの電流を小さくするか、右側の超電導コイル２６ａの電流を大きくすることが図示していない外部電源で容易にでき、二個の超電導コイル２６ａ，２６ｂの磁場中心はこの場合、電流値の小さい左側へ寄る。
【００３７】
さらに、二個の超電導コイル２６ａ，２６ｂのうち、片方の電流リード２８ａまたは２８ｂの端子（プラス，マイナス）の接続を変えるだけで片方の超電導コイル２８ａまたは２８ｂの磁場向きを変えることができ、結果としてヘルムホルツ型をカスプ型に、またはその逆に容易に変えることができる。
【００３８】
つぎに図３により本発明に係る単結晶引上げ装置用超電導磁石の第２の実施の形態を説明する。
なお、図３中図１および図２と同一部分には同一符号を付して重複する部分の説明は省略する。
【００３９】
本実施の形態が第１の実施の形態と異なる点は一対のクライオスタット２５ａ，２５ｂを上下に配置し単結晶９の引上げ方向８と同軸にサポート２７を介して設置したことにあり、その他の部分は図２に示した例をそのまま全て縦向きに構成している。
【００４０】
すなわち、引上げ炉１はクライオスタット２５ａ，２５ｂに設けた貫通孔３２ａ，３２ｂの内側に配置され、超電導コイル２６ａ，２６ｂは縦方向に磁場を発生できるようになっており、その他の構成は第１の実施の形態と同様である。
【００４１】
本実施の形態は第１の実施の形態と同様にヘルムホルツ型またはカスプ型磁場の選択が容易にできる。また、磁場中心を互いの超電導コイル２６ａ，２６ｂの電流値を変えるだけで、るつぼ２内の半導体用単結晶材料を融解した融解液面３３の移動に沿って磁場中心を移動できる。
【００４２】
つぎに図４および図５により本発明に係る単結晶引上げ装置用超電導磁石の第３の実施の形態を説明する。
図４は本実施の形態の斜視図を示し、図５は図４におけるクライオスタット２５ａを拡大して断面図で示している。
【００４３】
本実施の形態が第１の実施の形態と異なる点は図１に示した冷媒補給口のあるサービスポート３０ａまたは３０ｂを削除したことであり、その他は全て図１と同様の構成となっている。
【００４４】
本実施の形態においては、冷媒とそれを収納する冷媒容器を有しておらず、また、超電導コイル２６ａ（２６ｂ）は小型ヘリウム冷凍機２９ａによって冷却されている。超電導コイル２６ａ（２６ｂ）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。電流リード２８ａは超電導コイル２６ａに電流を供給する。
【００４５】
本実施の形態によれば、超電導コイル２６ａ（２６ｂ）は冷凍機２９ａ（２９ｂ）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媒を必要とせず、かつ冷媒補給に要するコストを削減することができる。
【００４６】
つぎに図６により本発明に係る単結晶引上げ装置用超電導磁石の第４の実施の形態を説明する。
本実施の形態は図６に示したようにクライオスタット２５ａ，２５ｂ，２５ｃを３個並配列してそれぞれサポート２７により支持したことにある。これにより本実施の形態では第１と第２のクライオスタット２５ａと２５ｂとの間隔３４、第２と第３のクライオスタット２５ｂと２５ｃとの間隔３４内にそれぞれ図２に示した引上げ炉１が設置される。
【００４７】
図１２に示す従来例では設置スペース２４内のクライオスタット５に内蔵された超電導コイル数は合計４個必要である。これに対して、図６に示す実施の形態では超電導コイル数は合計３個でよく、したがって設置スペース２４は小さくでき、かつ、超電導コイル数が少ない分低コストの超電導コイルを供給できる。
【００４８】
図６に示す本実施の形態では３個のクライオスタット２５ａ〜２５ｃに２台の引上げ炉を設置する例を示したが、引上げ炉を３台以上設置する場合についても同様にクライオスタットを１個ずつ増加すればよいことになる。また、従来例では引上げ炉の設置台数Ｎに対しＮ×２の超電導コイル数が必要だったが本実施の形態によればＮ＋１の超電導コイル数で良いことになる。つまり、引上げ炉を１０台設置した場合には結果として９個の超電導コイル数が削減できる。
【００４９】
さらに、図１および図６に示した各々のクライオスタットを全く同様の構成とすることにより、大量生産が可能となり、低コストの超電導磁石を供給することができる。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば以下に述べる効果がある。
（１） 引上げ炉の大きさに合わせて容易にボア寸法を変えることができるため、引上げ炉のサイズ毎に超電導磁石を新たに製作する必要はない。
【００５１】
（２） 磁場中心および磁場分布を容易に変えることができるので、引上げ炉と超電導磁石の位置精度を正確にする必要がなく、かつ融解液面の位置変化に応じた磁場強度制御が可能となるので高品質な単結晶を製造することができる。
【００５２】
（３） 横磁場および縦磁場の選択が一対の超電導磁石で可能となる。
（４） ヘルムホルツ型またはカスプ型の選択を一対の超電導コイルで行うことができる。
【００５３】
（５） 冷媒を必要としないので、冷媒補給の手間や冷媒費用を削減できる。
（６） 引上げ炉の設置スペースを小さくできる。
（７） 大量生産が可能となり、低コストの超電導磁石が供給可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る単結晶引上げ装置用超電導磁石の第１の実施の形態を一部概略的に示す斜視図。
【図２】図１におけるＡ−Ａ矢視方向から見た単結晶引上げ装置を示す縦断面図。
【図３】本発明に係る単結晶引上げ装置用超電導磁石の第２の実施の形態を一部概略的に示す縦断面図。
【図４】本発明に係る単結晶引上げ装置用超電導磁石の第３の実施の形態を一部概略的に示す斜視図。
【図５】図４におけるクライオスタットを一部概略的に示す縦断面図。
【図６】本発明に係る単結晶引上げ装置用超電導磁石の第４の実施の形態を一部概略的に示す斜視図。
【図７】従来の単結晶引上げ装置の第１の例を示す縦断面図。
【図８】図７における超電導電磁石の第１の例を示す斜視図。
【図９】図７における超電導電磁石の第２の例を示す斜視図。
【図１０】図８および図９における超電導電磁石を模式的に示す縦断面図。
【図１１】従来の単結晶引上げ装置の第２の例を示す縦断面図。
【図１２】従来の超電導磁石の設置課題を説明するための例を示す平面図。
【符号の説明】
１…引上げ炉、２…るつぼ、３…ヒータ、４…超電導コイル、５…クライオスタット、５ａ…コ字型クライオスタット、５ｂ…円筒型クライオスタット、６…半導体用材料、７…磁力線、８…引上げ方向、９…単結晶、１０…るつぼ中心線、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…ボア寸法、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、２０…永久電流スイッチ、２１…冷媒、２２…設置ピッチ、２３…磁石間隔、２４…設置スペース、２５ａ，２５ｂ…クライオスタット、２６ａ，２６ｂ…超電導コイル、２７…サポート、２８ａ，２８ｂ…電流リード、２９ａ，２９ｂ…小型ヘリウム冷凍機、３０ａ，３０ｂ…サービスポート、３１…間隔、３２ａ，３２ｂ…貫通孔、３３…融解液面、３４…間隔。

Claims (6)

1. 半導体用単結晶材料をるつぼ内で融解させ、前記るつぼを内蔵した引上げ炉の外部に超電導磁石を配設し、この超電導磁石による磁場を印加して前記融解した単結晶材料から単結晶を引上げる単結晶引上げ装置用超電導磁石において、前記超電導磁石は相互に向き合い液体冷媒中に浸漬した二個の超電導コイルをそれぞれ別々のクライオスタットに内蔵し、前記それぞれの超電導コイルが発生する磁場の方向が前記引上げ炉の引上げ方向に対して横方向であり、かつ前記それぞれのクライオスタットにサポートを機械的または冶金的に接続してその間の設置スペースを調整自在に支持してなることを特徴とする単結晶引上げ装置用超電導磁石。
2. 前記磁場の方向が引上げ方向に対して横方向に構成した超電導磁石を前記引上げ方向と同じ向きの磁場を発生する磁石としてなる請求項１記載の単結晶引上げ装置用超電導磁石。
3. 前記超電導コイルの電流値をそれぞれ異なる値に設定し、それぞれ別々の磁場強度を発生させるように構成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用超電導磁石。
4. 前記超電導コイルが発生する磁場の方向をそれぞれ同じ方向または相対する方向に任意調整し得るように設定してなることを特徴とする請求項１記載の単結晶引上げ装置用超電導磁石。
5. 前記超電導コイルに冷凍機が具備する低温部を接続してなることを特徴とする請求項１記載の単結晶引上げ装置用超電導磁石。
6. 前記別々のクライオスタットを磁気回路上に直列に少なくとも二個配列してなることを特徴とする請求項１記載の単結晶引上げ装置用超電導磁石。

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