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KR890002065B1 - 단결정 육성장치 및 단결정 육성방법 - Google Patents

단결정 육성장치 및 단결정 육성방법 Download PDF

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KR890002065B1
KR890002065B1 KR1019850005445A KR850005445A KR890002065B1 KR 890002065 B1 KR890002065 B1 KR 890002065B1 KR 1019850005445 A KR1019850005445 A KR 1019850005445A KR 850005445 A KR850005445 A KR 850005445A KR 890002065 B1 KR890002065 B1 KR 890002065B1
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KR
South Korea
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single crystal
raw material
magnetic field
coils
material melt
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Application number
KR1019850005445A
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KR860001905A (ko
Inventor
긴야 마쯔따니
Original Assignee
가부시끼가이샤 도시바
시바쇼우이찌
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Publication date
Application filed by 가부시끼가이샤 도시바, 시바쇼우이찌 filed Critical 가부시끼가이샤 도시바
Publication of KR860001905A publication Critical patent/KR860001905A/ko
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Abstract

내용 없음.

Description

단결정 육성장치 및 단결정 육성방법
제1도는 본 발명의 단결정 육성장치의 제1의 실시예를 표시한 개략구성도.
제2도는 동 시리예의 단결정 육성장치에 의해서 발생하는 자계강도 분포를 표시한 분포도.
제3도는 동 실시예의 단결정 육성장치의 자계와 융액상황을 표시한 모식도.
제4도는 동 실시예의 단결정 육성장치의 동작을 나타내는 도.
제5도는 본 발명의 단결정 육성장치의 제2의 실시예를 표시한 개략 구성도.
제6도는 종래의 단결정 육성장치의 일예를 표시한 개략구성도.
제7도는 동예의 단결정 육성장치의 동작을 설명하기 위한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 원료용액 2 : 도가니
3 : 히이타 4 : 종결정
4 : 인상구동기구 6 : 고체와 액체계면 경계층
7 : 단결정 8 : 열대류
9 : 불순물 10 : 자석
11 : 자장방향 12 : 챔버
13 : 자장분포 14 : 그래스 호프 수분포
15a : 원형코일 15b : 원형코일
16a : 용기 16b : 용기
17 : 가요식 접속부 18 : 외부 전원
21 : 구동부 22 : 상하구동축
23 : 상하 구동축 24 : 코일간격조정 장치
25 : 자석 상하 구동장치 26 : 중앙제어 장치
27 : 레일
본 발명은, 단결정 원료용액에 자장을 인가하는 자석장치를 구비한 단결정 육성장치 및 그의 제어장치에 관한 것이다.
종래의 쵸칼스키법(Czochralski method)(CZ법)에 의한 단결정 육성장치의 일예로서 제6도와 같이 구성된 것이 있다. 즉, 단결정 원료융액 1(이하 원료 융액으로 한다)이 충전되어 있는 도가니 2는 히이타 3에 의하여 가열되어 단결정 원료는 항상 융액상태를 보존하고 있다. 이 용액중에 종결정 4를 삽입하고, 인상구동기구 5에 의하여 종결정 4를 어느 일정속도로 인상해가면, 고체와 액체 계면경계층에 결정이 성장하고, 단결정 7이 생성된다.
이때, 가열수단 예를 들면 히이터 3의 가열에 의해서 유기되는 용액의 액체적 운동, 즉 열대류 8의 발생한다. 이 열대류 8의 발생원인은 다음과 같이 설명한다. 열대류는 일반적으로 유체의 열팽창에 의한 부력과 유체의 점성력과의 균형이 깨졌을 때에 발생한다. 이 부력과 점성력의 균형관계를 나타내는 무차원량은 그래스호프수(Grashof number) NGr이다.
NG=g.α.△T.R3/ν3
여기에서, g:동력가속도, α:원료융액의 열팽창율, △T:도가니 반경방향 온도차, R:도가니 반경, ν:원료융액의 이동점성 계수.
일반적으로, 그래스호프수 NGr이 융액의 가하학적 칫수, 열적 경계조건등에 의하여 결정되는 임계치를 넘으면 융액내에 열대류가 발생한다. 통상, NGr>105로서 융액의 열대류는 난류상태, NGr>105에서는 교란상태로 된다. 현재 이루어지고 있는 직경 3-4인치의 단결정 이상의 원료융액 조건의 경우 NGr>105로 되어(전기 NGr의 식에 의한다)원료 융액내는 교란상태로 되어 원료융액 표면 즉 고체와 액체 계면경계층 6은 파도가 치는 상태가 된다.
이와같은 교란상태의 열대류가 존재하면, 원료융액내, 특허 고체와 액체 계면에서이 온도 변동이 심하게 되어 고체와 액체 계면경계층 두께의 위치적 시간적 변동이 심하여, 성장중결정의 미시적 재용해가 현저하게되어 성장한 단결정중에는 전위 루우프, 적층 결합등이 발생한다. 뿐만 아니라 이 결합부분은 불규칙적인 고체와 액체 계면의 변동에 의하여 단결정 인상 방향에 대해서 비균일적으로 발생한다. 더우기, 고온 원료융액 1(예를들면 1,500℃정도)이 접하는 도가니 2내면에 있어서의 원료융액 1중에용해하는 분순물 9가, 이열대류 8에 의하여 반송되어 원료융액 내부전체에 걸쳐서 분산한다. 이 불순물 9가 핵이 되어 단결정중에 전위 루우프와 결함, 성장무늬등이 발생하여 단결정의 품질을 떨어뜨리고 있다. 때문에, 이와같은 단결정으로부터 집적회로(LSI)의 웨이퍼를 제조할때, 결함부분을 포함한 웨이퍼는 전기적 특성을 떨어뜨리고 있기 때문에 쓸모있는 물건이 못되고 수율이 나빠진다. 금후 단결정은 더욱더 대 직경화해 가는데, 상기의 그래스호프수의 식에서도 알수 있는 바와같이 도가니 직경이 증대하면 증대할수록, 그래스호프수도 증대하여, 원료융액의 열대류는 일층 심하게 증가하여, 단결정의 품질도 악화일로를 걷게된다.
이와같이 사실로 말미암아 종래, 열대류를 억제하여 열적·화학적으로 평행상태에 가까운 성장조건으로 단결정인상을 하기 위하여, 원료융액 1에 직류자장을 인가하는 단결정 생성장치가 제안되고 있다. 제7도는 이 개략규정을 표시한 것으로서 제6도와 동일부분에는 동일부호를 부하고 그 설명을 생략한다. 도가니 2의 외주에 자석 10을 배치하여 원료융액 1중에 화살표 11의 방향(자장인가방향)에 자장을 인가한다. 단결정의 융액은 일반적으로 전지전도도 σ를 갖는 도전대이다. 이것때문에, 전기도도 σ를 갖는 유체가 열대류에 의해서 운동할때 자장인가 방향 11과 평행아닌 방향으로 운동하고 있는 유체는, 렌즈(Lenz)의 법칙에 의해서 자장적 저항력을 받는다. 이것때문에 열대류의 운동은 저지된다. 일반적으로, 자장이 인가된 때의 자기저항력 즉 자기점성 계수 νeff는 νeff=(μHD)2σ/ρ.
여기에서, μ:융액의 투자율, H:자장강도, D:도가니 직경, σ:융액의 전기 전도도, ρ:융액의 밀도로 되어 자장강도가 증대하면 자기점성계수 νeff가 증대하여, 먼저 표시한 그레스호프수의 식중의 ν가 증대하는 것이 되어 그래스호프수는 급격하게 감소하여, 어떤 자장강도에 의해서 그래스호프수를 임계치보다 적게할 수가 있다. 이에 의해서, 융액의 열대류는 완전하게 억제된다. 이와같이 해서 자장을 인가함으로써 열대류가 억제되기 때문에 전기한 단결정 중의 불순물 함유, 전위 루우프의 발생, 결합, 성장무늬의 발생이 없어지고 또한 인상방향으로 균일한 품질의 단결정이 얻어져, 단결정의 품질 및 수율이 향상된다. 그런데, 제7도에 표시한 종래의 자석 10을 구비한 단결정 육성장치에는 다음과 같은 결함이 있다.
육성하는 단결정 사이즈가 4인치이상의 소위 대형 단결정 육성장치로서는, 도가니 2 및 히이터 3을 수납하고 있는 챔버 12가 수맥 mmΦ 이상으로 대형이며, 도가니 2 자신도 6인치 Φ이상으로 대구경이다. 도가니 2의 직경과 깊이와의 관계는, 통상, 직경>깊이로 되어 있으며, 원료융액 1을 최대로 차아지한 경우에도 1/2직경 깊이 정도이다. 이와같은 형상을 한 도가니 2내에 차아지된 원료융액 1에 자장을 인가하면, 제7도의 13인 자장강도 분포로 되어, 도가니 2의 높이방향에 대해서 온도가 거의 동일하게 된다. 통상, 고액계면 경계층 6에서의 자장강도 B1과 2의 하부의 자장강도 B2와의 관계는
Figure kpo00001
>5%로 된다. 따라서, 자장강도분포 13에 대응하는 원료융액 1의 그래스호프수 분포는 제2도에 표시한 14와 같이되어, 원료융액 1의 도처에서 임계그래스호프수 NGc 이하로 된다.
여기에서, NG1및 NG2는 각각 고체와 액체 계면 경계층 6 및 도가니 2의 저부의 원료융액 1의 그래스호프수에 대응한다. 따라서 도가니 2의 내부의 원료융액 1은 도처에서 그의 열대류가 억제되어, 원료융액 1은 완전하게 정지한 상태로 된다. 이 상태로서는, 대류 열전달에 의한 열의 이동로가 없어져서, 히이터 3으로부터의 원료융액 1로의 열 공급은 열전도만으로 된다. 그런데, 단결정 사이즈가 2-3인치Φ의 비교적 소형인 경우는, 도가니 2도 4-5인치 Φ로서 소형이며, 자장인가에 의한 융액이 완전히 정지하더라도 히이터 3으로부터 공급되는 열은 원료융액 1의 열전도에 의하여 충분히 고체와 액체 계면경계층 6까지 전해지기 때문에, 고체와 액체 계면 경계층 6과 도가니 2의 주변부외의 온도차(통상 10수℃이며)는 거의 발생하지 않는다. 이에 대해서, 단결정 사이즈가 4인치 Φ이상의 대형 단결정 육성장치로서는, 도가니 2의 직경이 6인치Φ-14인치Φ로 대형화하기 때문에 열정도만으로서는 벌써 도가니 2의 중심에 있는 고체와 액체 계면경계층 6까지 충분히 히이타 3의 열이 전달되지 않는다. 이 때문에 고체와 액체 계면경계층 6과 도가니 2의 주변부에서는 큰 온도차(통상수 10℃정도)가 발생해 버린다. 고체와 액체 계면경계층 6에서 유효하게 단결정 7을 육성시키기 위해서는, 그 장소가 원료융액 1의 융액 온도보다 충분히 높은 것이 필요하다. 이 때문에, 히이타 3의 전력을 증대시켜 온도구배에 이겨, 고체와 액체 계면 경계층 6에 소요의 온도를 주지 않으면 않된다. 더우기, 온도구배가 크고, 단결정 싸이즈가 큰 경우는 고체와 액체 계면경계층 6내에서도 상당한 온도구배가 생겨 버린다. 군질의 단결정 7을 육성하기 위해서는 육성 영역에서의 온도 동일성도 요구된다. 따라서 이와같은 온도의 온도구배가 원료융액 1중에 존재한 것은 단결정 육성상 좋다. 또, 도가니 2의 중심과 주변부와의 온도차가 지나치게 크면, 도가니 2에 작용하는 열응력이 과대하게 되어 도가니 2의 깨진 파편이 생기기 쉽다.
그런데, 본 발명은 상기한 종래 장치가 갖는 결점을 제거하기 위하여 이루어진 것으로서, 고체와 액체계면 경계층과 도가니 주변부와의 온도차를 적게할 수 있어, 이로서 고품질의(균일)단결정을 육성할 수가 있는 단결정 육성장치 및 그의 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 제1번째의 발명에서는 용기내의 단결정원료를 가열수단에 의해서 가열하여 원료융액을 만들어 이 원료융액에 종결정을 삽입하여, 이 종결정을 인상구동기구에 의해서 어느 일정속도로 인상해서 고체와 액체게면 경계층에서 단결정이 육성되는 단결정 육성장치에 있어서, 상기 원료융액이 충전되어 있는 도가니를 통해서 서로 대향하는 코일에 의해 발생하는 자계가 서로의 자계를 지워지도록 배치한 자석장치로 되어 적어도 소요기간 상기 고체와 액체 계면계층의 근방의 열대류를 억제하도록 상기 자석장치에 의한 인가자계강도와 자계 분포를 변화하는 코일간격 조절장치로 구성한 것이다. 제2번째의 발명에서는 용기내의 단결정 원료를 가열수단에 의해서 가열하여 원료융액을 만들고, 이 원료융액중에 종결정을 삽입하여, 이 종결정을 인상구동기구에 의하여 어느 일정속도로 인상해서 고체와 액체 계면경계층에서 단결정이 육성됨과 아울러 상기 원료융액이 충전되어 있는 도가니를 통해서 서로 대향해서 코일에 의해서 발생하는 자계가 서로의 자계를 지워버릴 수 있도록 배치한 자석장치를 구비한 단결정 육성장치를 사용해서, 단결정 육성에 수반한 원료융액의 감소와 대응해서, 원료융액 열대류 억제영역의 용적을 일정하게 되도록 상기 자석장치의 자계분포를 제어하고, 상기 융액이 감소하여 열대류를 억제하는 상기 자석장치는 일정의 자계 분포가 되도록 억제하는 단결정 육성방법이다.
이하 본 발명에 관해서 도면을 참조하여 설명한다.
첫째로 제1도에 표시한 단결정 육성장치의 제1의 실시예에 관해서 설명하지만, 제6도 및 제7도와 동일 부분에는 동일부호를 부하고 그의 설명은 생략한다.
챔버 12의 외주에 예를들면 초전도 원형 코일 15a 및 15b를, 이들 원형코일 15a,15b의 중심축과 단결정 인상기 중심축이 일치하도록 배치한다. 이 경우, 원형코일 15a,15b는 동일한 권회수를 갖고 있는데, 그의 발생하는 자계는 각각 반대방향이 되도록 코일통전 전류의 방향을 역이 되도록 배치한다. 코일 15a 및 15b에 의해서 발생하는 자계는 예를들어서 제2도와 같이 된다.즉, 코일 15a 및 15b의 중심축을 각각 X축, Z축으로 한다면 원점에 있어서의 자장 B0는 영, 기타의 영역에서는 도시의 타원형등 자계강도 분포로 되고, 원점보다 멀어짐에 따라서 그의 자계강도는 증가한다. 다만, 여기에서 정의한 자계강도는 X축 방향 성분자계와 Z축 방향성분 자계와의 합성치이다. X축상의 자계는, B3와 같이 도처에 X축 성분뿐이고, Y축상의 자계는 B4와 같이 도처에 축 성분뿐이다.
기타의 영역에 관해서는, 자계는 X축 및 Z축 성분을 갖고, 또한 Z축에 대해서 축대칭이다. 자계의 크기 방향은, 제2도에 모식적으로 표시한 바와 같이 B5, B6, B7에 됨에 따라서, 그 강도는 증대하고 또한 Z축성분이 증대한다. 혹은, B5, B6, B8로 됨에 따라서 그 강도는 감소하고, 또한 Z축성분이 증대한다. 코일 15a 및 15b는 각각 용기 16a 및 16b에 수납되어, 이들은, 가요식(可撓式)접속부 17에 의해서 연결되어 있다. 코일 15a 및 15b로의 여자전류의 공급은 외부전원 18로부터 이루어진다. 용기 16a 및 16b는 용기 16a, 16b의 원주방향 어느 곳인가에 있는 구동축 부착부 19a, 19b 및 19c을 통해서,구동축 부착부 19a와 동일 갯수의 구동축 20에 의해서 연결되어 있다. 이 구동축 20은 이와 동일 갯수의 구동부 21에 연결하고 있다. 구동축 부착부 19b에는 이와 동일갯수의 상하구동축 22가 부착되어, 상하구동부 23에 연결되어 있다. 여기에서, 구동축 부착부 19a, 19b, 구동축 20 및 구동부 21로 된 기구를, 코일 간격조정장치 24라 칭한다. 그리고 구동축 부착부 19c, 나사축용의 상하구동축 22 및 상하구동부 23으로 된 기구를 자석상하 구동장치 25라 칭한다. 상기의 설명으로, 각 구동부 23은 구동축 20과 1대 1로 대응시켰으나, 물론 각 구동축 20에 대해서 축력 전달기구를 통해서 구동부를 하나로하여 공용해도 좋다. 인상구동기구 5와 중앙제어장치, 26은 제어회로에 연결되어, 단결정 7의 인상속도가 중앙제어장치 26에 입력된다. 외부전원 18로부터 공급되는 여자전류치는 중앙제어장치 26에 의해서 제어된다. 코일 간격조절장치 24의 구동부21, 예를들면 전동기 및 자석상하 구동장치 25의 구동부 23, 예를들면 전동기는 중앙제어장치 26에 의해서 제어된다. 다음으로, 상기와 같이 구성된 본 발명의 제1의 실시예의 단결정 육성장치의 작용에 관해서 설명한다. 코일 15a 및 15b로서 발생하는 제2a도로 표시한 자계강도 분포를 갖는 자계를, 제3도에 표시한 바와같이 도가니 2내의 원료융액 1에 인가한다.
제3도에 있어서, 동 자계강도 곡선 B10이 꼭 원료융액 1의 임계그래스호프수 NGC에 대응하도록 B10을 선정한다. 예를들면, B10으로서는 1,000-2,000가우스로 한다. 이 값은 원료융액 1의 종류, 초기 치아지량, 도가니 2의 내경등에 의해서 결정된다. 이와같이 하면, 곡선 B10로부터 내부의 영역에서는, 인가자계강도 B가 B<B10로 되어 원료융액 1의 그래스호프수 NG는 NG는 NG>NGC로 되기때문에, 이 영역에서는 원료융액 1의 열대류 8이 발생한다. 한편, 곡선 B10로부터 외부의 영역에서는, 이것과는 반대로, B>B10으로 되어 NG<NGC로 되기때문에 원료융액 1은 열대류 8이 억제되어 완전하게 정지한 상태로 된다. 여기에서, 원료융액 1이 정지하고 있는 영역길이 H1은, 고체와 액체 계면 경계층 6의 두께를 δ, 원료융액 1의 초기높이 H0로 한다면, δ<H1<H0로 되어, 원료융액 1의 종수, 초기 차아지량, 도가니 2의 내경등에 의해서 결정된다. 코일 15a, 15b의 형상, 권회수, 코일간 거리등은 소요의 H1, D, H0, B10등에 적합하도록 자계 계산에 의해서 구할 수가 있다. 곡선 B10로부터 내부영역에서는, 열대류 8이 존재하고 있기때문에 히이터 3으로부터의 열은 이 열대류에 의한 대류열 전달에 의해 유효하게 중심부까지 전열된다. 이로써, 이 영역내는 거의 같은 온도 분포로 된다. 한편, 곡선 B10으로부터 외부영역에서는, 원료융액 1은 완전히 정지하고 있기 때문에 대류 열전달에 의한 열의 이동은 없다. 종래의 원료융액 1의 열대류 8이 이르는 곳에서 억제되는 경우에는 고체와 액체계면 경계층 6으로의 히이터 3으로부터의 열이동은 도가니 2의 주위로부터의 열전도에 의한 것뿐이었으나, 본 발명의 실시예의 경우는 고체와 액체 계면 경계층 6의 바로밑의 길이 H1(H1<<(1/2)D)보다 하부의 동일온도 융액부으로부터의 열전도에 의해서 고체와 액체 계면 경계층 6이 유효하게 가열된다. 따라서, 종래 장치에 비해서 고체와 액체 계면 경계층 6으로의 전열효과가 높아지기때문에, 도가니 2의 주변부와의 온도차가 적어진다. 뿐만아니라 고체와 액체 계면 경계층 6은 정지상태로 되어있기 때문에, 열적 화학적 안정상태로 단결정 7이 육성할 수 있는 것은 종래장치와 같다. 그리고, 단결정 7이 육성되는 고체와 액체 계면 경계층 6의 바로밑에까지 원료융액 1은 열대류 8에 의해서 잘 교반되어 있기 때문에, 균질의 원료융액 1이 육성부로 공급된다. 다음에 본 발명의 단결정 육성장치의 제어방법 즉, 단결정 7의 육성이 진행되어가는 과정에서의 동작을 순서적으로 설명한다.
(1) 초기설정
도가니 2에 원료융액 1을 H0까지 차아지하여 히이터 3으로 이것을 융융상태로 한다. 다음으로 코일간격 조정장치 24에 의해서 초기코일 간격 L0로 설정한다. 코일 15a, 15b의 도가니 2에 대한 상대위치가 제3도에 표시한 바와같이 되도록, 자석상하구동장치 25에 의해서 코일 15a, 15b 및 융기 16a,16b의 초기위치를 설정한다. 코일간격조정장치 24 및 자서상하구동장치 25의 구동은 예를들면 다음과 같다. 구동부 21 혹은 23에 의해서 상하구동축 22가 회전하여, 구동축 부착부 19a, 19b, 19c에 있는 회전운동을 상하운동으로 변환하는 전달기구에 의해서 각 부위가 구동한다. 여기서, 좌우의 구동부 21은 각각 중앙제어장치 26에 의해서 동기가 취해지고 있다.
(2) 일정자장인가 및 자석상하 구동 제어
외부전원 18에 의해서 코일, 15a, 15b를 여자하여, 제3도에 표시한 원료융액 1의 상태로 한다. 이 이후, 코일 15a, 15b에 의해서 발생하는 자계는 일정하게 유지하여 단결정 7을 일정한 인상속도 V(mm/sec)로서 육성시킨다. 단결정 7의 육성에 수반하여 원료융액 1의 양이 감소해진다. 즉, 원료융액 1의 표면이 저하해진다. 이 상태의 단결정 인상상태로 해 놓으면, 제3도에 있어서, H1이란 영역이 없어지며, 고체와 액체계면 경계층 6은 곡선 B10내의 열대류 8의 영역으로 들어가 버린다.
그런데, 제3도에 표시한 초기상태를 단결정 육성이 진행되드라도 유지할 수 있도록, 융액표면 저하량 상당만큼 코일 15a, 15b를 자석상하구동장치 25에 의해서 저하시킨다. 이 동작은, 인상구동기구 5로부터 인상속도 V를 중앙제어장치 26에 입력하여, 이 중앙제어장치 26에 의해서 구동부 23을 제어함으로서 이루어진다. 이와같이해서, 제4도에 표시한 바와같이 단결정 7의 육성에 따라서 고체와 액체 계면 경계층 6부근의 열대류 8의 억제영역은 제4도(1)에 표시한 바와같이 일정융적으로 유지되어, 열대류 8의 영역이 감소해진다. 열대류 영역이 원료융액 2의 종류, 도가니 2의 형상에 의해서 결정되는 제4도(2)에 표시한 H2인 높이로 될때까지 일정자장인가 및 자석상하 구동제어를 계속한다.
(3) 자석위치일정 자계강도 감소
상기의 H2인 영역의 넓이는, 열대류 8이 유효하게 존재할 수 있는 최소 영역 넓이이다. 따라서, 본 발명의 효과를 남기기 위해서는 최저한 H2는 남기지 않으면 안된다. 그런데, 이 이후는 자석위치를 고정하고, 이 영역을 남긴다. 단결정 7의 육성이 진전되면, 제4도(3)(4)에 표시한 바와같이 이번에는 열대류 억제영역이 감소해진다. 일반적으로, 열대류 억제영역에 존재하는 융액량과 인가자계 강도는, 비례하는데 있어서, 과도의 자계를 인가하면 고체와 액체 계면 경계층 6에서의 원료융액 1의 열적, 화학적인 정성이 허물어진다는 것을 알고 있다. 그리하여, 열대류 억제영역 감소에 맞는 분말원료융액 1에 인가하는 자계강도를 저감시킨다. 이 자계강도 저감방법으로서 다음의 수법을 쓴다. 코일 15a, 15b의 여자전류를 일정하게 한 채로, 코일 간격 L을 좁히면 이에 대응해서 발생자계 강도가 감소해진다. 이와같은 숫법을 쓰는 것은 예를들어서, 코일 15a, 15b가 초전도코일인 경우, 이 초전도코일을 4.2K의 극저온으로 유지하기 위하여 용기 16a, 16b 내에는 액체 헤륨이 가득채워져 있으나, 이 액체 헤륨의 증발량을 저감시키기 위하여 코일 15a, 15b와 외부전원 18간과의 전류 리이드를 코일 15a, 15b를 여자후에 제거하여 외부로부터의 침입열을 없애고, 코일측에 부착한 영구전류 스위치로서 초전도 코일을 영구전류 모드로서 운전하는 방법이 잘 취해지고 있다. 영구전류 모드로서 운전중의 초전도 코일의 자계강도를 바꾸기에는 한번 떼어낸 전류 리이드를 다시 부착시켜, 영구전류 모오드를 해제하여 여자전류치를 바꾸지 않으면 안되는 번잡성이 있는 외에, 상온의 잔류 리이드를 극저온의 액체 헤륨중에 삽입하기 위하여 다량의 액체 헤륨이 증발해버린다는 결점이 있다.
그래서, 상기와 같이 여자전류는 일정하게 즉, 영구전류 상태로 자계강도를 바꾸는 방법은 초전도코일의 경우는 유효한 방법이 된다. 물론, 코일 15a, 15b는 동 코일의 경우는, 외부전원 18로부터의 여자전류를 낮춰서 자기강도를 낮추면 되고, 코일 15a, 15b가 초전도 코일의 경우에도, 영구전류 모드로 사용하고 있지 않으면, 동일하게 여자전류를 낮추게 된다.
코일 15a, 15b 간격의 제어는, 인상속도에 대응해서 원료융액 1잔량이 일시적으로 결정되기 때문에, 이 원료융액 1의 량에 적합한 자계강도가 발생하도록, 코일 간격 조정장치 24로서 코일간격을 조정한다. 이들의 지령은 중앙제어장치 26으로부터 행해진다.
그리고, 코일 15a, 15b가 영구전류 모드로 운전되는 초전도코일의 경우, 영구전류 스위치를 통해서 접속된 코일 15a와 코일 15b는 액체 헤륨중에서 접속되어 있지 않으면 안된다. 즉, 제1도에 표시한 바와같이 코일 15a, 15b가 수납되어 있는 용기 16a, 16b는 가요식 접속부 17에서 연결되어 이 가요식 접속부 17의 내부는 액체 헤륨이 가득차 코일 15a와 코일 15b를 결합한 전류 리이드를 통하고 있다. 코일간격을 조정한때는, 그에 상응하여 이 가요식 접속부 17이 신축한다.
(4) 육성완료
제4도(3)에 표시한 바와같이 원료융액 1잔량이 H3-δ(고체와 액체 계면 경계층)로 된 곳에서, 육성완료를 하기의 두방식의 어느것인가의 하나로서 행한다. 1) 높이 H3가 충분히 적고, 잔존 원료융액 1이 적으며, 이이상 단결정 7을 육성할 수 없을때는, 잔존 원료융액 1로서 단결정 인곳드(jngot)의 테일(tail)부를 형성시켜, 단결정 7의 형성부를 냉각시켜 육성완료로 한다. 2) 잔존 원료융액 1에 의해서 또 단결정 7의 육성이 될때는, 잔존 원료융액 1을 모두 제3도의 B10보다 외부영역으로 한다. 즉, 전영역에 있어서 열대류 8을 억제한 상태로 남은 육성을 한다. 이 경우에는 원료융액 1의 잔량이 충분히 적게되어 있기 때문에 온도구배가 초기 차아지때문에 타이트하지 않기 때문에 완전히 열대류를 억제한 상태라도 고품질의 단결정 7이 육성된다.
다음에, 본 발명의 단결정 육성장치의 제2의 실시예에 관해서 제5도를 참조하여 설명하지만, 제1도에서 표시한 실시예와 동일 부분에는 동일부호를 부해서 그 설명을 생략한다. 제1도의 원형코일 15a, 15b를 제5도에 표시한 바와같이 챔버 12에 서로 대치해서 배치한다. 즉, 양 코일 15a, 15b의 중심축 Z는 단결정 7의 인상방향과 수직으로 된다. 이때, 코일 15a, 15b에 의해서 발생하는 자계분포는 제2도로 되고, 제2도에 표시한 X축이 단결정 7의 인상축과 동일하게 된다. 이 작융은, 제3도, 제4도에 표시한 경우와 동일하게 된다. 그리고, 코일간격 조정장치 24로 코일 15a, 15b로 구동시킬때, 코일 15a, 15b의 융기에 부착된 자석상하구동장치 25는 레일 27에 의해서 수평방향으로 구동 가능하게 되어 있다.
여기에, 제5도에 있어서 코일 15a와 15b의 권회수를 다르게 한다. 이 권회수를 달리하는 방법으로서는, 각 코일 15a, 15b로의 통전 전류치를 동일하게 해놓고, 각 코일 15a, 15b의 권수를 바꾼다. 혹은, 각 코일 15a, 15b로써의 외부전원 18을 개별로해서, 코일 15a, 15b로의 통전 전류치로 바꿈으로써, 권회수를 틀리게 한다. 후자인 경우는, 각 코일 15a, 15b로의 여자전류치 제어에 의한 권회수 값을 가변제어하는 것이 가능하다.
이와같이 해서, 각 코일 15a, 15b의 권회수를 틀리게한 경우의 이들 코일 15a, 15b에 의하여 발생한 자계분포는, 제2도에 있어서, X축이 도중 상방 혹은 하방으로 변위한 꼴이 된다. 예를들면, 코일 15a의 권회수를 한쪽이 코일 15b의 권회수보다 클때에는, X축이 하방 즉, 코일 15b 축에 변위하여, 타원형등 자계분포도 2에 대응해서 코일 15b축으로 빗나간다. 이 빗나간 것의 정도는 양코일 15a, 15b의 권회수의 상이 비율에도 비례한다. 즉, 상이비율이 커지면 커질수록 X축은 코일 15b축에 변위한다. 코일 15a의 권회수가 15b의 그것보다 적을때는, 꼭 상기와 역이 된다.
이와 같이 권회수를 바꿀 경우, 자계분포에 관해서는, X축의 변위를 별도로 하면 기타는 제2도와 동일하게 되기 때문에, 코일 15a, 15b를 사용했을때의 작융은 제3도 및 제4도에 설명한 내용과 동일하게 된다. 다만, 이 경우는 코일 15a, 15b의 권회수를 가변제어함으로써, 도가니 2의 위치에 대한 자계분포강도를 가변하게 할 수 있기때문에, 제1도에 표시한 실시예의 자석상하 구동제어 및 코일간격 조정제어를 권회수 가변제어로 바꾸어 놓을 수가 있다. 즉, 제4도에 있어서, (1)로부터 (2)의 동작시에 제1도의 실시예에서는, 자석을 하강시킴으로서 이것을 실현시켰으나, 제2의 실시예에서는 자석을 고정시킨채 각 코일 15a, 15b의 권회수를 가변시킴으로써 동일한 동작이 가능하게 된다. 그리고 제4도의 (2)로부터 (3)으로의 동작때도 또한 같다. 이와같이해서, 제2의 실시예의 경우는 코일간격 조정장치 24 및 자석 상하구동장치 25가 없어도 제1도 실시예와 동일한 효과를 발생할 수 있다는 잇점이 있다.
이상 전술한 본 발명의 단결정 육성장치의 제1 혹은 제2의 실시예에 의하면, 다음과 같은 효과가 얻어진다.
(1) 고액계면 경계층 6의 근방은 열대류 8이 억제되어, 열적, 화학적 평행상태에 가까운 성장조건이 채워짐과 동시에, 이보다 하부의 영역에서는, 열대류 8에 의해서 원료융액 1이 잘 교반되어 원료융액 1이 균질화되고, 또한 온도가 일정하게 유지된다. 이 때문에, 고체와 액체 계면 경계층 6으로부터의 열전도 효과가 높아져서 도가니 2의 주변과 고체와 액체계면 경계층 6과의 온도차가 적어질뿐만 아니라, 충분히 교반된 원료융액이 1이 고체와 액체계면 경계층 6에 공급되기 때문에, 균질의 단결정 7이 육성된다.
(2) 도가니 2의 중심과 주변부와의 온도차가 적기 때문에, 열응력에 의한 도가니 2의 파손이 회피된다.
(3) 코일 15a, 15b 간격을 조정함으로써 발생자계 강도를 가변으로 할 수 있기 때문에, 초전도 자석의 경우, 영구전류 모드로도 자계를 가변으로 할 수 있다.
(4) 원료융액 1로 인가될 자계는, 축 대층이며 인상축에 대해서 수평수직 양성분을 포함하고 있다. 이때문에, 모든 방향의 열대류를 억제할 수가 있다.
(5) 대향한 코일 15a, 15b가 서로 반대방향의 자계를 발생시키기 때문에, 코일 15a, 15b의 융기 16a, 16b의 부로의 누설자계는 상대하는 코일에 의해서 발생한 자계에 의해서 상쇄되기 때문에, 누설자계는 적어진다.
이상 설명한 바의 본 발명의 의하면, 고체와 액체 계면 경계층과 도가니 주변부와의 온도차를 적게할 수 있기 때문에, 고품질의 단결정을 육성할 수 있는 단결정 육성장치 및 그의 제어방법을 제공할 수 있다.

Claims (8)

  1. 용기(16a,16b)내의 단결정원료를 가열수단(3)에 의해서 가열하여 원료융액(1)을 만들어, 이 원료융액중에 종결정(4)을 삽입하여, 이 종결정을 인산(引上)구동기구(5)에 의해서 어느 일정속도로 인상해서 고체와 액체 계면 경계층(6)에 단결정이 육성되는 단결정 육성장치에 있어서, 상기 원료융액이 충전되어 있는 도가니(2)를 통해서 서로 대향하는 코일(15a,15b)에 의해서 발생하는 자계가 서로의 자계를 상쇄하도록 배치한 자석장치로 되고, 적어도 소정기간 상기 고체와 액체 계면 경계층(6) 근방의 열대류(8)를 억제하도록 상기 자석장치에 의한 인가자계강도 및 자계분포를 변화하는 것을 특징으로 하는 단결정 육성장치.
  2. 서로 대향 코일(15a,15b)은 초전도코일로 하는 것을 특징으로 하는 특허청구의 범위 제(1)항 기재의 단결정 육성장치.
  3. 서로 대향하는 코일(15a,15b)의 축을 단결정 인상방향에 대해서 수직으로 한 것을 특징으로 하는 특허청구의 범위 제(1)항 기재의 단결정 육성장치.
  4. 서로 대향하는 코일(15a,15b)의 축을 단결정 인상방향에 대해서 평행으로 한 것을 특징으로 하는 특허청구의 범위 제(1)항 기재의 단결정 육성장치.
  5. 서로 대향하는 코일(15a,15b)의 각 권회수를 다르게 한 것을 특징으로 하는 특허청구의 범위 제(1)항 기재의 단결정 육성장치.
  6. 상하 구동장치(25) 혹은 코일간격 조정장치(24)에 의해서 전기자석장치에 의한 인가자계 강도 혹은 자계분포를 가변제어하는 것을 특징으로 하는 특허청구의 범위 제(1)항 기재의 단결정 육성장치.
  7. 서로 대향하는 코일(15a,15b)의 통전전류를 제어함으로써 전기자석장치에 의한 인가자계강도 혹은 자계분포를 가변 제어하는 것을 특징으로 하는 특허청구의 범위 제(1)항 기재의 단결정 육성장치.
  8. 용기내의 단결정원료를 가열수단에 의해서 가열하여 원료융액을 만들어, 이 원료융액중에 종결정을 삽입하여, 이 종결정을 인산구동기구에 의해서 어느 일정속도로 인상해서 고체와 액체 계면 경계층에서 단결정이 육성됨과 동시에, 상기 원료융액이 충전되어 있는 도가니를 통해서 서로 대향하는 코일에 의해서 발생하는 자계가 서로의 자계를 상쇄하도록 배치한 자석장치를 구비한 단결정 육성장치를 사용해서, 단결정 육성에 따른 원료융액의 감소에 대응해서, 원료융액 열대류 억제영역의 융적이 일정하게 되도록 상기 자석장치의 자계분포를 제어하고, 상기 융액이 감소하여 열대류 효과가 존재할 수 있는 최소융액 용적으로 될때까지 이의 제어를 계속하고, 그 이후는 상기 원료융액 전역의 열대류를 억제하는 상기 자석장치가 일정한 자계분포로 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 단결정 육성방법.
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