单晶拉制装置以及单晶拉制方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种单晶拉制装置，其具备：拉制炉，其配置有收容熔融的单晶材料的坩埚且具有中心轴；以及磁场产生装置，其设置在拉制炉周围且具有超导线圈，所述单晶拉制装置特征在于，磁场产生装置以如下方式产生磁场分布：在将含有超导线圈的线圈轴的水平面内的中心轴上的磁力线方向作为X轴时，X轴上的磁通密度分布为向上凸的分布，在将水平面内的中心轴上的磁通密度作为磁通密度设定值的情况下，X轴上的磁通密度在坩埚壁中为磁通密度设定值的80％以下，同时在水平面内与X轴正交且通过中心轴的Y轴上的磁通密度分布为向下凸的分布，Y轴上的磁通密度在坩埚壁中为磁通密度设定值的140％以上。由此，可提供一种能够降低生成的单晶中的氧浓度且能够抑制生成的单晶中的生长条纹的单晶拉制装置。

Single crystal drawing device and single crystal drawing method

The invention provides a single crystal drawing device: a drawing furnace with a crucible with a fused single crystal material and a central axis; and a magnetic field generating device arranged around the furnace and having a superconducting coil. The single crystal drawing device is characterized by a magnetic field generating device producing a magnetic field as follows. Distribution: when the direction of the magnetic line of force on the central axis in the horizontal plane of the coils with a superconducting coil is taken as the X axis, the flux density on the X axis is distributed to the upward convex. The flux density on the X axis is the magnetic flux in the crucible wall when the flux density on the central axis in the horizontal plane is set as a magnetic flux density set value. The density is below 80%, and the flux density on the Y axis of the center axis is distributed down in the horizontal plane with the X axis, and the flux density on the Y axis is more than 140% of the magnetic flux density set in the crucible wall. Thus, a single crystal drawing device capable of reducing the oxygen concentration in the generated single crystal and inhibiting the growth stripe in the generated single crystal can be provided.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】单晶拉制装置以及单晶拉制方法
本专利技术涉及一种单晶拉制装置、以及使用其的单晶拉制方法。
技术介绍
硅或砷化镓等的半导体由单晶构成，用于从小型到大型的计算机的存储器等，当前需求存储装置大容量化、低成本化以及高品质化。以往，作为用于制造满足这些对半导体需求的单晶的单晶拉制方法的一种，已知如下方法：对收容在坩埚内的熔融状态的半导体材料施加磁场，由此抑止在熔融液中产生的热对流，从而制造大口径且高品质的半导体(一般称为施加磁场柴可拉斯基法(MCZ)法)。使用图10对以往的使用CZ法的单晶拉制装置的一例进行说明。图10的单晶拉制装置100具备上面能够开闭的拉制炉101，该拉制炉101内为内藏有坩埚102的结构。而且，在拉制炉101的内侧，在坩埚102的周围设置有用于加热熔融坩埚102内的半导体材料的加热器103，在拉制炉101的外侧，配置有将一对超导线圈104(104a、104b)内藏于作为圆筒型容器的制冷剂容器(以下称为圆筒型制冷剂容器)105的超导磁体130。在制造单晶时，在坩埚102内加入半导体材料106并用加热器103加热，使半导体材料106熔融。将未图示的晶种从例如坩埚102的中央部上方下降插入该熔融液中，用未图示的拉制机构以规定的速度向拉制方向108的方向拉制晶种。由此，晶体在固体·液体边界层生长，生成单晶。这时，若产生由加热器103的加热所引起的熔融液的流体运动、即热对流，则被拉制的单晶容易发生位错，单晶生成的成品率降低。因此，作为其对策，使用超导磁体130的超导线圈104。即，熔融液的半导体材料106会由于因向超导线圈104通电而产生的磁力线107而受到动作抑止力，不会在坩埚102内对流，生长单晶随着晶种的拉制而被慢慢地向上方拉制，作为固体的单晶109而被制造。此外，虽未图示，在拉制炉101的上方，设置有用于沿着坩埚中心轴110拉制单晶109的拉制机构。接着，通过图11，对图10所示的单晶拉制装置100所使用的超导磁体130的一例进行说明。该超导磁体130设置为在圆筒型真空容器119中通过圆筒形的制冷剂容器收纳超导线圈104(104a、104b)的结构。在该超导磁体130中，收纳有介由真空容器119内的中心部而彼此相向的一对超导线圈104a、104b。该等超导线圈104a、104b是产生沿着横向的同一方向的磁场的亥姆霍兹型磁力线圈，如图10所示，其产生相对于拉制炉101以及真空容器119的中心轴110轴对称的磁力线107(将该中心轴110的位置称为磁场中心)。此外，该超导磁体130如图10、11所示的那样具备：向两个超导线圈104a、104b导入电流的电流引线111；用于冷却被收纳在圆筒型制冷剂容器105内部的第一辐射屏蔽件117及第二辐射屏蔽件118的小型氦制冷机112；放出圆筒型制冷剂容器105内的氦气的气体放出管113、以及具有补给液氮的补给口的服务接口114等。在这样的超导磁体130的孔115内，配设有图10所示的拉制炉101。图12表示上述的以往的超导磁体130的磁场分布。如图11所示，在以往的超导磁体130中，由于配置有彼此相向的一对超导线圈104a、104b，因此磁场在各线圈配置方向(图12的X方向)上朝向两侧逐渐变大，且磁场在与其正交的方向(图12的Y方向)上朝向上下方向逐渐变小。在这样的以往的结构中，如图12所示的那样孔115内的范围的磁场梯度过大，因此对于熔融的单晶材料所产生的热对流的抑制不均衡，且磁场效率差。即，如图12中用斜线表示相同的磁通密度的区域那样，在中心磁场近傍附近的区域中，磁场均匀性不良(即，在图12中呈上下、左右细长的十字状)，因此存在对热对流的抑制效果低，无法拉制高品质的单晶的问题。为了解决上述的问题，在专利文献1中公开了一种方案：如图13中的(a)、图13中的(b)所示，使超导线圈104的数量为四个以上(例如104a、104b、104c、104d这四个)，并且在拉制炉周围同轴地设置的筒形容器内的平面上配置，同时将该配置的各超导线圈设定为介由筒形容器的轴心相对的朝向，且将超导线圈中相邻的一对线圈之间朝向所述筒形容器的内侧的配设角度θ(参照图13中的(b))设定在100度～130度的范围内(即夹着X轴相邻的线圈轴间的中心角度α(参照图13中的(b))为50度～80度)。也公开了：由此，能够在孔115内部产生磁场梯度较少而均匀性良好的横磁场，另外，能够在平面上产生同心圆状或正方形状的磁场分布，并能够大幅抑制不均衡电磁力，另外，其结果为，拉制方向的均匀磁场区域提高，并且横磁场方向的磁场变得大致水平，通过对不均衡电磁力的抑制，能够实现高品质的单晶的制造，进一步地，根据该单晶拉制方法，能够以较高的成品率拉制高品质的单晶体。即，图14～图18表示图13的超导线圈104a、104b、104c、104d的配设角度θ分别为100度、110度、115度、120度、130度(即，线圈轴间的中心角度α分别为80度、70度、65度、60度、50度)时的磁场分布，在图14～图18所示的磁场分布中，中心磁场均匀地配置在足够大的区域内。另一方面，如图19所示，在配设角度θ为90度(线圈轴间的中心角度α为90度)而较小的情况下，中心磁场的Y方向的宽度变得极端狭窄，如图20所示，在配设角度θ为140度(线圈轴间的中心角度α为40度)而较大的情况下，中心磁场的X方向的宽度变得极端狭窄。因此，在图13的超导磁体130中，通过将配设角度θ设定在100度～130度的范围内，能够在孔115内部获得同心圆状或正方倾斜状的等分布磁场。现有技术文献专利文献专利文献1：日本专利公开2004-051475号公报
技术实现思路
(一)要解决的技术问题然而，本专利技术人研究的结果为，通过进行包含三维的熔液对流的综合传热分析，明确了：即使是在如图14～图18所示那样为均匀的磁场分布的情况下，在中心轴110的磁力线朝向X轴方向的横磁场中，热对流在与X轴平行的截面内和与X轴垂直的截面内存在不同。图8是对以图10、11所示的使用两个线圈的以往技术进行单晶拉制的状态进行分析的结果，图中左侧表示与中心轴110的磁力线方向(即X轴)平行的截面内的流速分布，而右侧表示与X轴垂直的截面(即与Y轴平行的截面)内的流速分布。通过这样对熔融的半导体材料施加磁场来抑制对流，特别是在熔融的半导体材料的下半部分中基本上没有流动，但在上半部分还残留有流场。在导电性流体在磁场中流动的情况下，会在与磁力线以及垂直于磁力线的速度成分正交的方向上产生感应电流，但在使用具有电绝缘性的石英坩埚的情况下，坩埚壁和熔融的半导体材料的自由表面成为绝缘壁，因此不会流过与其正交的方向的感应电流。因此，在熔融的半导体材料的上部，电磁力所产生的对流抑制力变弱，另外，若比较图8的左侧(与X轴平行的截面内)和右侧(与X轴垂直的截面内)，则可知对流在与X轴垂直的截面内(与磁力线垂直的截面内)要比在与X轴平行的截面内(与磁力线平行的截面内)更强。另一方面，图9示出了对以图13所示的由四个线圈形成均匀的磁场分布的专利文献1所公开的技术(其中，线圈轴间的中心角度α为60°)进行单晶拉制的状态进行分析的结果，该图9相较于图8，左侧(与X轴平行的截面内)和右侧(与X轴垂直的截面内)的流速本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单晶拉制装置，其具备：拉制炉，其配置有收容加热器及熔融的单晶材料的坩埚且具有中心轴；以及磁场产生装置，其设置在所述拉制炉周围且具有超导线圈，该单晶拉制装置通过向所述超导线圈的通电而对所述熔融的单晶材料施加水平磁场，抑制所述熔融的单晶材料在所述坩埚内的对流，所述单晶拉制装置的特征在于，所述磁场产生装置以如下方式产生磁场分布：在将含有所述超导线圈的线圈轴的水平面内的所述中心轴上的磁力线方向作为X轴时，所述X轴上的磁通密度分布为向上凸的分布，在将所述水平面内的所述中心轴上的磁通密度作为磁通密度设定值的情况下，所述X轴上的磁通密度在坩埚壁中为所述磁通密度设定值的80％以下，同时在所述水平面内与所述X轴正交且通过所述中心轴的Y轴上的磁通密度分布为向下凸的分布，所述Y轴上的磁通密度在坩埚壁中为所述磁通密度设定值的140％以上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.09.18 JP 2015-1856541.一种单晶拉制装置，其具备：拉制炉，其配置有收容加热器及熔融的单晶材料的坩埚且具有中心轴；以及磁场产生装置，其设置在所述拉制炉周围且具有超导线圈，该单晶拉制装置通过向所述超导线圈的通电而对所述熔融的单晶材料施加水平磁场，抑制所述熔融的单晶材料在所述坩埚内的对流，所述单晶拉制装置的特征在于，所述磁场产生装置以如下方式产生磁场分布：在将含有所述超导线圈的线圈轴的水平面内的所述中心轴上的磁力线方向作为X轴时，所述X轴上的磁通密度分布为向上凸的分布，在将所述水平面内的所述中...

【专利技术属性】
技术研发人员：高野清隆，
申请(专利权)人：信越半导体株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP