JPH08333190A - 単結晶引上装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ルツボの融液部に磁場を印加して単結晶を生
成する単結晶引上装置において、磁界発生部の形状、取
付方法、励磁の方法等を改良し、省電力で安価でかつ漏
れ磁界の小さい単結晶引上装置を得ることを目的とす
る。 【構成】 単結晶引上装置に備わった磁界発生部２００
を単結晶引上部１００のチャンバ１２に固定し、電磁力
をチャンバ１２で支持しする。また、超電導コイル２０
１、２０２および保冷容器１７ａ、１７ｂの形状をチャ
ンバ１２の形状に沿ったものにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は例えば半導体材料とし
て用いるシリコン結晶を製造する単結晶引上装置に関
し、特に結晶引上部の結晶原料融液に磁界を印加する磁
界発生部を具備した単結晶引上装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】図２０は、例えば特公平３−６１６３０
号公報に記載されたＣＺ法(チヨクラルスキー法)による
従来の単結晶引上装置の構成例を示す。単結晶原料融液
１(以下融液とする)が充填してあるルツボ２は、ヒータ
３により加熱され、単結晶原料は常に融液状態に保たれ
ている。この融液１中に種結晶４を挿入し、引上駆動機
構５により種結晶４をある一定速度にて引上げてゆく
と、固体−液界面境界層６にて結晶が成長し、単結晶７
が生成される。この際、ヒータ３の加熱によって誘起さ
れる融液１の流体的運動、即ち熱対流８が発生する。

【０００３】この熱対流８の発生原因は次の様に説明さ
れる。即ち、熱対流８は、一般に流体の熱膨張による浮
力と流体の粘性力との釣合いが破れた時に生ずる。この
浮力と粘性力との釣合い関係を表す無次元量がグラスホ
フ数Ｎ_Grである。

【０００４】Ｎ_Gr＝ｇ・α・△Ｔ・Ｒ³／ν²

【０００５】ここで、ｇ；重力加速度 α；融液の熱膨張率 △Ｔ；ルツボ半径方向温度差 Ｒ；ルツボ半径 ν；融液の動粘性係数

【０００６】一般に、グラスホフ数Ｎ_Grが融液１の幾何
学的寸法、熱的境界条件等によって決定される臨界値を
越えると、融液１内に熱対流８が発生する。通常、Ｎ_Gr
＞１０⁶にて融液１の熱対流８は乱流状態となり、Ｎ_Gr
＞１０⁹では撹乱状態となる。現在行われている直径３
〜４インチの単結晶引上げの融液条件においてはＮ_Gr＞
１０⁹となり(上記Ｎ_Grの式による)融液１内は撹乱状態
となり、融液１の表面すなわち固体−液界面境界層６は
波立った状態となる。

【０００７】このような撹乱状態の熱対流８が存在する
と、融液１内、特に固体−液界面境界層６での温度変動
が激しくなり、固体−液界面境界層６の厚さの位置的及
び時間的変動が激しく、成長中結晶の微視的再溶解が顕
著となり、成長した単結晶７中には転位ループ、積層欠
陥等が発生する。しかもこの欠陥部分は、不規則な固体
−液界面境界層６の変動により単結晶引上方向に対して
非均一に発生する。

【０００８】更に、高温の融液１(例えば１５００℃程
度)が接するルツボ２内面における融液１とルツボ２と
の化学変化により、ルツボ２内面より融液１中に溶解し
ている不純物９がこの熱対流８に搬送され、融液１の内
部全体にわたって分散する。この不純物９が核となり単
結晶７中に転位ループや欠陥、成長縞等が発生して単結
晶７の品質を劣化させている。このため、このような単
結晶７よりＬＳＩ(Ｌarge Ｓcale Ｉntegration；大規
模集積回路)のウエハーを製造すると、欠陥部分を含ん
だウエハーは電気的特性が劣化しているため使用不可能
であり、従って歩留りが悪くなる。

【０００９】今後、単結晶７は増々大直径化してゆく
が、上記のグラスホフ数の式からもわかるようにルツボ
２の直径が増大すればする程、グラスホフ数も増大し、
融液１の熱対流８は一層激しさを増し、単結晶７の品質
も劣化の一途をたどることになる。そこで、熱対流８を
抑制し熱的・化学的に平衡状態に近い成長条件にて単結
晶引上げを行うために、融液１に直流磁場を印加する手
法が提案されている。

【００１０】図２１に磁場印加による従来の単結晶引上
装置の一例を示す。図２１においては図２０と同一部分
には同一符号を付してその説明は省略する。即ち、図２
１においては、ルツボ２の外周に、融液１中に単結晶引
上方向と直交する方向である図示１１方向に一様磁場が
印加されるように磁石１０を配置する。単結晶７の融液
１は一般に電気伝導度σを有する導電体である。このた
め、電気伝導度を有する流体が熱対流８により運動する
際、磁場印加方向１１と平行でない方向に運動している
流体は、レンツの法則により磁気的抵抗力を受ける。こ
のため熱対流８の運動は阻止される。一般に、磁場が印
加された時の磁気抵抗力すなわち磁気粘性係数はν_cfi
は

【００１１】ν_cfi＝（μＨＤ）²σ／ρ

【００１２】ここで、μ；融液の透磁率 Ｈ；磁場強さ Ｄ；ルツボ直径 σ；融液の電気伝導度 ρ；融液の密度

【００１３】となり磁場強さが増大すると磁気粘性係数
ν_cfiが増大し、先に示したグラスホフ数Ｎ_Grの式中の
νが増大することとなりグラスホフ数は急激に減少し、
ある磁場強さによってグラスホフ数を臨界値より小さく
することができる。これにより、融液１の熱対流は完全
に抑制される。このようにして磁場を印加することによ
り熱対流が抑制されるので上記した単結晶７中の不純物
含有、転位ループの発生、欠陥・成長縞の発生がなくな
り、しかも単結晶引上方向に均一な品質の単結晶７が得
られ、単結晶７の品質および歩留りが向上する。

【００１４】一方、上記特性を呈する磁場印加による単
結晶引上装置としては、近時脚光をあびる超電導磁石を
採用したものがある。

【００１５】図２２および図２３は、超電導磁石装置を
具備した従来の単結晶引上装置の一構成例を示すもの
で、図２２は正面方向から見た構成図、図２３は上面方
向から見た構成図であり、図２１と同一部分には同一符
号を付してその説明を省略する。

【００１６】図２２および図２３において、融液１に図
示１１なる方向の磁場(以下横磁場とする)を印加するた
めに、引上装置チャンバ１２の外部に、円筒型の超電導
コイル１３、１４を、コイル中心軸と横磁場方向１１と
が一致する図示位置に設置する。

【００１７】超電導コイル１３は、極低温(例えば４.２
Ｋ)液体ヘリウム１５で満たされた内槽１６に収納さ
れ、超電導状態に保持されている。超電導コイル１３を
極低温状態にしておく保冷容器１７ａ、１７ｂは、内槽
１６と外槽１８およびこれらの中間に設置され外部から
の侵入熱量を低減させる輻射シールド板１９より成って
いる。小型冷凍機５０ａ、５０ｂ、６０ａ、６０ｂは、
それぞれ保冷容器１７ａ、１７ｂに直接取付けられてい
る。

【００１８】小型冷凍機５０ａ、５０ｂは、この小型冷
凍機５０ａ，５０ｂ内を循環している冷凍媒体(例えば
ヘリウム)５１ａ、５１ｂを圧縮する圧縮機ユニット５
２ａ、５２ｂと、これらにより圧縮された冷凍媒体５１
ａ、５１ｂを断熱膨張させ冷却する膨張機５３ａ、５３
ｂ(５３ｂは図示せず)と、輻射シールド温度(例えば８
０Ｋ)まで冷却された冷凍ステージ５４ａ、５４ｂ(５４
ｂは図示せず)と、ヘリウム液化温度(例えば４.２Ｋ)ま
で冷却されたヘリウム再凝縮器５５ａ、５５ｂ(５５ｂ
は図示せず)とより構成されている。

【００１９】小型冷凍機６０ａ、６０ｂは、小型冷凍機
５０ａ、５０ｂと同様な構造を有し、冷凍媒体６１ａ、
６１ｂと、圧縮機ユニット６２ａ、６２ｂと、膨張機６
３ａ、６３ｂ(６３ｂは図示せず)と、輻射シールド温度
を有する冷凍ステージ６４ａ、６４ｂ(６４ｂは図示し
ない)と、極低温(例えば２０Ｋ)に冷却された冷凍ステ
ージ６５ａ、６５ｂ(６５ｂは図示せず)とにより構成さ
れている。

【００２０】超電導コイル１３、１４は、常温中(例え
ば３００Ｋ)に布設されたパワーリード２０により直列
に接続され、電源２１より励磁電流が供給される。パワ
ーリード２０よりの外部侵入熱は、小型冷凍機６０ａ、
６０ｂの冷凍ステージ６４ａ、６４ｂ、６５ａ、６５ｂ
により除去される。コイル励磁に伴い蒸発した内槽１６
内のヘリウムガスは、小型冷凍機５０ａ、５０ｂのヘリ
ウム再凝縮器５５ａ、５５ｂにより再凝縮(液化)され
る。このようにして保冷容器１７ａ、１７ｂ内には、常
に液体ヘリウムが満たされ、超電導コイル１３、１４
は、超電導状態を保持し続けることができる。

【００２１】一般に、単結晶引上装置は、その引上運転
が完了する毎にルツボ２および引上装置チャンバ１２の
内面を清掃する必要がある。超電導磁石装置を具備した
従来の単結晶引上装置では、この清掃を下記のような手
順で実施する。まづ、超電導磁石装置から発生する電磁
力が作用する保冷容器１７ａ、１７ｂを支えるために設
置してある支え棒２２を取り除く。各保冷容器１７ａ、
１７ｂを保持している架台２９ａ、２９ｂの下部に設置
された床固定レール２３上を、水平方向２４に図示２５
なる固定位置まで移動させ、単結晶引上装置本体と超電
導磁石装置とを完全に分離する。この状態にてルツボ２
およびチャンバ１２の清掃を行う。

【００２２】また、例えば、同様に特公平３−６１６３
０号公報に示された図２４、２５に示す従来の単結晶引
上装置はＵ字型の配管で接続されてルツボを取り囲むよ
うな超電導マグネットを備え、ルツボの融液に磁界を印
加している。また、超電導マグネットのコイルは直列に
接続され、１つの電源から電流が供給されるようになっ
ている。また、超電導マグネットは図２５の２４で示さ
れるように、水平方向に移動できるような構造が可能で
ある。

【００２３】また、例えば特公平５−５９８７５号公報
に示された図２６に示す従来の単結晶引上装置では磁束
を通すためのリターンヨークを備えたマグネットが記載
されており、そのマグネットは常電導伝導マグネットで
も超電導マグネットでもかまわないことが記述されてい
る。

【００２４】さらに、特開昭５８−２１７４９３号公報
に示された図２７に示す単結晶引上装置では、ルツボの
融液部のほぼ中心付近に等軸対称かつ放射状のカスプ磁
界を印加することによって育成する結晶の性状が改善で
きることが示されている。

【００２５】また、特開昭６１−２２２９８４号公報に
示された図２８に示す結晶引上装置では、コイル２６に
よってルツボの融液部の表面に等軸対称かつ放射状のカ
スプ磁界を印加することによって育成する結晶の性状を
改善しようとすることが示されている。

【００２６】

【発明が解決しようとする課題】従来の単結晶引上装置
は以上のように構成されているので、次のような問題点
があった。まず、電磁力を支持するための支持部材(図
２３参照)が必要で、その支持部材のための構造が単結
晶引上部の引上装置チャンバをよけるように設置する必
要があり、装置全体の構造が複雑になると共に装置全体
の占有面積が大きくなってしまうという問題点があっ
た。

【００２７】また、単結晶引上部の引上装置チャンバお
よびルツボの清掃、メンテナンスを行うためにマグネッ
トからなる磁界発生部を移動させる必要があり、このた
めに磁界発生部と引上装置チャンバの間に距離を取る必
要があり(図２３参照)、そのため、磁界発生部の必要起
磁力が大きくなり、その結果として、漏れ磁界が大き
い、電源装置や磁界発生部のコイル本体も大きくなって
しまう等の問題点があった。

【００２８】さらに、磁界発生部の磁極の引上装置チャ
ンバ側に面した部分の形状が平面形状であるため、ルツ
ボ内の融液部分での磁界の均一度が悪いという問題点も
あった。そして、磁界発生部の１対のコイルが直列に励
磁されるため、ルツボの中心に対して対称に磁界が印加
され、磁界の形状が固定されてしまうため、結晶育成プ
ロセスでの自由度が制限されてしまうという問題点もあ
った。

【００２９】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、単結晶原料融液に対して磁界を
印加する方式の結晶引上装置に関し、より単純な構造で
でき、従来より少ない起磁力で単結晶原料融液に対して
同じ磁界を発生でき、また漏洩磁界の小さい単結晶引上
装置を提供することを目的とする。

【００３０】

【課題を解決するための手段】上記の目的に鑑み、この
発明の第１の発明は、ルツボに充填された単結晶原料融
液に種結晶を挿入し、この種結晶を引き上げることによ
り単結晶を生成する単結晶引上部と、この単結晶引上部
の両側に設けられたコイルを含み、単結晶原料融液部に
水平方向の磁界を与える磁界発生部と、からなる単結晶
引上装置において、上記磁界発生部のコイルをそれぞれ
上記単結晶引上部に取り付ける支持構造を備えたことを
特徴とする単結晶引上装置にある。

【００３１】この発明の第２の発明は、上記磁界発生部
のコイルが上記単結晶引上部のチャンバの外形形状に沿
わせた形状を有することを特徴とする請求項１に記載の
単結晶引上装置にある。

【００３２】この発明の第３の発明は、上記磁界発生部
が、両側のコイルの間に延びるリターンヨークを含むこ
とを特徴とする請求項１または２に記載の単結晶引上装
置にある。

【００３３】この発明の第４の発明は、上記磁界発生部
のコイルが超電導マグネットからなることを特徴とする
請求項１または２に記載の単結晶引上装置にある。

【００３４】この発明の第５の発明は、上記単結晶引上
部の両側の上記磁界発生部のコイルに別々の励磁電流を
与える第１の励磁手段を備えたことを特徴とする請求項
１ないし４のいずれかに記載の単結晶引上装置にある。

【００３５】この発明の第６の発明は、ルツボに充填さ
れた単結晶原料融液に種結晶を挿入し、この種結晶を引
き上げることにより単結晶を生成する単結晶引上部と、
この単結晶引上部の両側に設けられたコイルを含み、単
結晶原料融液部に水平方向の磁界を与える磁界発生部
と、からなる単結晶引上装置において、上記磁界発生部
のコイルの磁極がそれぞれ上記単結晶引上部のチャンバ
の外形形状に沿わせた形状を有することを特徴とする単
結晶引上装置にある。

【００３６】この発明の第７の発明は、上記磁界発生部
が、上記両側のコイルの間に延びるリターンヨークを含
むことを特徴とする請求項６に記載の単結晶引上装置に
ある。

【００３７】この発明の第８の発明は、上記磁界発生部
のコイルをそれぞれ上記単結晶引上部に取り付ける支持
構造を備えたことを特徴とする請求項６または７に記載
の単結晶引上装置にある。

【００３８】この発明の第９の発明は、上記単結晶引上
部の両側の上記磁界発生部のコイルを上記単結晶引上部
から引き離す方向に移動させる移動機構を備えたことを
特徴とする請求項６に記載の単結晶引上装置にある。

【００３９】この発明の第１０の発明は、ルツボに充填
された単結晶原料融液に種結晶を挿入し、この種結晶を
引き上げることにより単結晶を生成する単結晶引上部
と、この単結晶引上部の両側に設けられたコイルを含
み、水平方向の磁界を与える磁界発生部と、からなる単
結晶引上装置において、上記磁界発生部が、上記単結晶
引上部のチャンバ内に設けられていることを特徴とする
単結晶引上装置にある。

【００４０】この発明の第１１の発明は、ルツボに充填
された単結晶原料融液に種結晶を挿入し、この種結晶を
引き上げることにより単結晶を生成する単結晶引上部
と、上記ルツボの上側と下側の位置にそれぞれ設けられ
た上記種結晶の引上げ方向を巻軸とするコイルを含み、
単結晶原料融液部にカスプ磁界を発生する磁界発生部
と、からなる単結晶引上装置において、上記磁界発生部
が、上記単結晶引上部のチャンバ外壁に固定されている
ことを特徴とする単結晶引上装置にある。

【００４１】この発明の第１２の発明は、上記磁界発生
部が超電導マグネットからなり、上記コイルをまとめて
納める保冷容器を含み、この保冷容器が上記単結晶引上
部のチャンバに固定されていることを特徴とする請求項
１１に記載の単結晶引上装置にある。

【００４２】この発明の第１３の発明は、上記チャンバ
と保冷容器が一体に形成されていることを特徴とする請
求項１２に記載の単結晶引上装置にある。

【００４３】この発明の第１４の発明は、上記保冷容器
のコイルとコイルの間の部分に開口を設け、上記チャン
バの上記開口に当たる部分に融液観察用の透視窓を設け
たことを特徴とする請求項１２または１３に記載の単結
晶引上装置。

【００４４】この発明の第１５の発明は、上記上下のコ
イルに別々の極性の電流を流す第２の励磁手段を備え、
カスプ磁界と種結晶の引上方向の磁界を選択的に発生す
ることを特徴とする請求項１２ないし１４のいずれかに
記載の単結晶引上装置にある。

【００４５】この発明の第１６の発明は、２つの可変直
流電源と１本を共有する３本のリード線で上下のコイル
に別々の値の電流を流し、２つの可変直流電源の一方で
全体の励磁電流を調整し、他方でコイルに流れる励磁電
流の比率を調整する第３の励磁手段を備えたことを特徴
とする請求項１２ないし１４項のいずれかに記載の単結
晶引上装置にある。

【００４６】この発明の第１７の発明は、上記３本のリ
ード線のうち１本の定格電流が他の２本のリード線の定
格電流の約５０％であることを特徴とする請求項１６に
記載の結晶引上装置にある。

【００４７】

【作用】この発明の第１の発明では、磁界発生部の２つ
のコイルをそれぞれ単結晶引上部のチャンバに取付け
し、電磁力をチャンバで支持するようにした。

【００４８】この発明の第２の発明では、コイルを単結
晶引上部のチャンバに沿わせた形の鞍形とした。

【００４９】この発明の第３の発明では、リターンヨー
ク付の磁界発生部を単結晶引上部のチャンバに取付け
た。

【００５０】この発明の第４の発明では、超電導マグネ
ットからなる磁界発生部を単結晶引上部のチャンバに取
付けした。

【００５１】この発明の第５の発明では、２つのコイル
の励磁電流を変えることが可能な第１の励磁手段を設け
た。

【００５２】この発明の第６の発明では、単結晶引上部
のチャンバ外形に磁界発生部のコイルの磁極の形状を一
致させた。

【００５３】この発明の第７の発明では、リターンヨー
クを設けた磁界発生部において、コイルの磁極形状を単
結晶引上部のチャンバ外形に一致させた。

【００５４】この発明の第８の発明では、単結晶引上部
のチャンバ外形に磁界発生部のコイルの磁極の形状を一
致させたものにおいて、コイルをそれぞれ単結晶引上部
のチャンバに取付けた。

【００５５】この発明の第９の発明では、磁極発生部の
コイルをそれぞれ単結晶引上部から離れる方向に移動可
能とした。

【００５６】この発明の第１０の発明では、単結晶引上
部のチャンバ内に磁極発生部を挿入させた。

【００５７】この発生の第１１の発明では、カスプ磁界
を発生する磁界発生部を単結晶引上部のチャンバに固定
した。

【００５８】この発明の第１２の発明では、超電導マグ
ネットからなる磁界発生部を単結晶引上部のチャンバに
固定した。

【００５９】この発明の第１３の発明では、超電導マグ
ネットからなる磁界発生部を単結晶引上部のチャンバに
一体に設けた。

【００６０】この発明の第１４の発明では、超電導マグ
ネットからなる磁界発生部を単結晶引上部のチャンバに
一体に設けたものにおいて、磁界発生部の保冷容器に開
口を設け、チャンバに透視窓を設けてチャンバ内部を観
察可能とした。

【００６１】この発明の第１５の発明では、カスプ磁界
を発生する磁界発生部の上下のコイルに別々の極性の電
流を流して、カスプ磁界と種結晶の引上方向の磁界を選
択的に発生すことのできる第２の励磁手段を設けた。

【００６２】この発明の第１６の発明では、２つの可変
直流電源と１本を共有する３本のリード線で上下のコイ
ルに別々の値の電流を流す第３の励磁手段を設けた。

【００６３】この発明の第１７の発明では、上記第１６
の発明において、３本のリード線のうち、１本の定格電
流が他の２本のリード線の定格電流の約５０％であるよ
うにした。

【００６４】

【実施例】以下、実施例に従って説明する。なお、従来
の同一もしくは相当する部分は同一符号で示す。 実施例１．図１はこの発明の第１の実施例による単結晶
引上装置の構成を示す上面図である。図１において、１
００は単結晶引上部、２００は超電導マグネット２０
１、２０２からなる磁界発生部である。

【００６５】１２は単結晶引上部１００の最外部となる
チャンバで、ルツボ周囲の雰囲気を保つ作用と、ヒータ
から発生する熱を外部に出さないようにする作用があ
る。チャンバ１２内の構造は基本的に図２０以降に示し
た従来のもの同じである。１３、１４は超電導コイル、
１７ａ、１７ｂは超電導マグネット２０１、２０２の外
槽である保冷容器で、超電導マグネット内部を真空に保
つ作用がある。３０は超電導マグネット２０１、２０２
を単結晶引上部１００のチャンバ１２に取り付ける支持
構造である。

【００６６】超電導コイル１３と超電導コイル１４の間
には、単結晶引上部１００の動作中に磁界を与えること
でお互いに引力が働く。このため、この引力は支持構造
３０を介して、チャンバ１２に伝わり、支持がなされ
る。これにより、図２３で示されるような大きな構造を
必要としない。なお、これは常伝導のコイルの場合にも
適用可能であり、同様の効果を奏する。

【００６７】実施例２．図２はこの発明の第２の実施例
による単結晶引上装置の構成を示す上面図である。図２
において、３１は鞍形の形状をした超電導コイルであ
る。このように、超電導コイル３１の形状および保冷容
器１７ａ、１７ｂの形状すなわちコイルの形状をチャン
バ１２の外形形状に沿わせた形状にすることにより、よ
り小さな起磁力でチャンバ１２の中心にあるルツボ内の
単結晶原料融液に所望の大きさの磁界を発生させること
ができる。なお、これは常伝導のコイルの場合にも適用
可能であり、同様の効果を奏する。

【００６８】実施例３．図３はこの発明の第３の実施例
による単結晶引上装置の構成を示す上面図である。図３
はリターンヨーク４１を含む常電導の磁界発生部２００
を設置した単結晶引上装置を示しており、図において、
３０は単結晶引上部１００のチャンバ１２と両側の磁極
４２をつなぐ支持構造である。チャンバ１２と磁極４２
がこのように固定されているので、支持構造が簡単にで
き、またチャンバ１２内部のメンテナンス時には、磁界
発生部２００とチャンバ１２を一緒に移動すればよい。
また、磁極４２はチャンバ１２外形に隣接して設置する
ことができるので、単結晶原料融液に同じ磁界を印加す
る場合にはより小さな起磁力で済む。

【００６９】実施例４．図４はこの発明の第４の実施例
による単結晶引上装置の構成を示す上面図である。図に
おいて、超電導マグネットからなる磁界発生部２００は
単結晶引上部１００のチャンバ１２と支持構造３０で接
続されており、チャンバ１２内部のメンテナンス時に
は、磁界発生部２００とチャンバ１２を一緒に移動すれ
ばよい。また、超電導コイル１３、１４はチャンバ１２
に隣接して設置することができるので、単結晶原料融液
に同じ磁界を印加する場合にはより小さな起磁力で済
む。さらに、磁界発生部２００が超電導マグネットの場
合、図４に示すリターンヨーク付の常電導のコイルの場
合と比較して軽量であり、チャンバ１２と磁界発生部２
００の移動は比較的容易である。

【００７０】実施例５．図５はこの発明の第５の実施例
による単結晶引上装置の構成を示す上面図である。図５
において、３２は第１の励磁手段を構成する可変直流電
源、１３、１４は超電導コイルである。左右の超電導コ
イル１３、１４はそれぞれ別の可変直流電源３２で励磁
可能なようになっており、励磁電流を調整することによ
って例えば１１に示すような磁界の方向が得られる。単
結晶引上方向の面についても同様な分布となる。これに
より、ルツボ形状やヒータ強度の不均一差による結晶の
成長不良を磁界の不均一で補償するプロセスが可能とな
る。これは常電導のコイルのものにも適用可能であり、
同様な効果を奏する。

【００７１】実施例６．図６はこの発明の第６の実施例
による単結晶引上装置の構成を示す上面図である。図に
示されているように磁界発生部２００の磁極４２はそれ
ぞれ、単結晶引上部１００のチャンバ１２の外形形状に
合わせた形状にされている。これにより、磁極４２とチ
ャンバ１２の間のギャップを小さくできることにより、
従来の装置と比較して、より小さい起磁力でチャンバ１
２内のルツボ部分(図示せず)で所望の磁界を得ることが
でき、さらにルツボ部分での磁界均一性も改善される。

【００７２】実施例７．図７はこの発明の第７の実施例
による単結晶引上装置の構成を示す上面図である。この
実施例では、リターンヨーク４１を有する磁界発生部２
００において上記実施例６と同様の発明を実施したもの
であり、同様に、従来の装置と比較して、より小さい起
磁力でチャンバ１２内のルツボ部分(図示せず)で所望の
磁界を得ることができ、さらにルツボ部分での磁界均一
性も改善される。

【００７３】実施例８．図８はこの発明の第８の実施例
による単結晶引上装置の構成を示す上面図である。図に
おいて、３０は単結晶引上部１００のチャンバ１２と両
側の磁極４２をつなぐ支持構造である。チャンバ１２と
磁極４２がこのように固定されているので、チャンバ１
２内部のメンテナンス時には、磁界発生部２００とチャ
ンバ１２を一緒に移動すればよい。これにより上記実施
例６および７と同様に、より小さい起磁力でチャンバ１
２内のルツボ部分(図示せず)で所望の磁界を得ることが
でき、さらにルツボ部分での磁界均一性も改善されると
共に、磁界発生部２００が単結晶引上部１００のチャン
バ１２に固定されているため、チャンバ１２と一緒に磁
界発生部２００を取り除くことができ、単結晶引上部１
００のチャンバ１２内のメンテナンスがより容易に行う
ことができる。

【００７４】実施例９．図９はこの発明の第９の実施例
による単結晶引上装置の構成を示す上面図である。この
実施例では、磁極４２を単結晶引上部１００のチャンバ
１２の外形形状に合わせた形状にした装置において、２
３ａで示す磁界発生部２００の移動用の移動用レールを
設けた。これにより磁界発生部２００は、励磁を行わな
いときには単結晶引上部１００から離れる方向にそれぞ
れ両側に移動可能であり、単結晶引上部１００のチャン
バ１２内のメンテナンスがより容易に行うことができ
る。なお、移動用レール２３ａが移動機構を構成する。

【００７５】実施例１０．図１０はこの発明の第１０の
実施例による単結晶引上装置の構成を示す透視正面図で
ある。図１０において磁界発生部２００はヒータ３の外
側で単結晶引上部１００のチャンバ１２の内側に設置さ
れる。なお、磁界発生部２００はヒータ３からの熱に対
してコイル１０を断熱するための、冷却水等で冷却され
る冷却機能付外槽１８ａが必要である。これにより単結
晶原料融液１とコイル１０との距離が従来の単結晶引上
装置と比較して短いため、より小さい起磁力で所望の磁
界が得られる。

【００７６】以上は水平方向の磁界を発生する単結晶引
上装置の実施例について説明したが、以下にカスプ磁界
等を発生する、ルツボの上側と下側の位置にそれぞれ設
けられた種結晶の引上げ方向を巻軸とするコイルを備え
た単結晶引上装置の実施例について説明する。

【００７７】実施例１１．図１１はこの発明の第１１の
実施例による単結晶引上装置の構成を示す透視正面図で
ある。図１１において、磁界発生部２００は単結晶引上
部１００のチャンバ１２に直接取付けられている。ま
た、磁界発生部２００は、チャンバ１２の外壁のルツボ
２の上側と下側の位置にそれぞれ設けられた、種結晶４
の引上げ方向を巻軸とする２つのコイル１０からなる。
結晶成長を行う場合は、これらのコイル１０に通電し
て、１１で示すようなカスプ磁界をルツボ２内の単結晶
材料融液１に作用させる。この実施例では、チャンバ１
２内の装置のメンテナンスを行う場合、チャンバ１２と
一緒に磁界発生部２００を取除くことができるので、単
結晶引上装置のメンテナンスを容易に行うことができ
る。

【００７８】実施例１２．図１２はこの発明の第１２の
実施例による単結晶引上装置の構成を示す透視正面図で
ある。この実施例では、カスプ磁界を発生する磁界発生
部２００が超電導マグネットからなり、超電導コイル１
３、１４はチャンバ１２の周囲一周に渡って延びる保冷
容器１７内に一緒に納められている。さらにこの磁界発
生部２００は固定金具３４によってチャンバ１２に固定
されている。このため、チャンバ１２と磁界発生部２０
０との間の隙間を大きくとる必要なく、メインテナンス
が容易であると共に磁界発生部を小型にできる。

【００７９】実施例１３．図１３はこの発明の第１３の
実施例による単結晶引上装置の構成を示す透視正面図で
ある。この実施例では、磁界発生部２００の保冷容器１
７の内壁と単結晶引上部１００のチャンバ１２の外壁を
共有するように、すなわちチャンバ１２と保冷容器１７
を一体に形成した。これにより磁界発生部２００の内径
が実施例１２のものよりさらに小さく設計することがで
きる。

【００８０】実施例１４．図１４はこの発明の第１４の
実施例による単結晶引上装置の構成を示す透視正面図で
ある。図において、３６は磁界発生部２００の保冷容器
１７の超電導コイル１３と１４の間に設けられた開口
で、単結晶引上部１００のチャンバ１２のこの開口３６
に当たる部分に設けられた透視窓３７を通じて、チャン
バ１２内部を観察することができる。

【００８１】実施例１５．図１５はこの発明の第１５の
実施例による単結晶引上装置の超電導コイルと電源との
接続を示す図である。図１５の(ａ)および(ｂ)におい
て、超電導コイル１３、１４は同一方向に巻回されてい
る。そして図１５の(ａ)では、極性が反対になるように
可変直流電源３２が接続されており、図１５の(ｂ)では
同一極性になるように可変直流電源３２が接続されてい
る。これにより、図１５の(ａ)の結線においては、カス
プ磁界を得ることができ、図１５の(ｂ)のごとき結線で
は引上方向の磁界を発生させることができる。このた
め、このような構造で、プロセスの自由度を広くとるこ
とができる。なお、可変直流電源３２および結線３５が
第２の励磁手段を構成する。

【００８２】実施例１６．図１６はこの発明の第１６の
実施例による単結晶引上装置の構成を示す透視正面図で
ある。図において、３５ａは超電導コイル１３、１４と
室温部分の端子３８を結ぶリード線である。リード線３
５ａは低温コイルと接続されているため、極力熱侵入が
小さくなるように設計されている。すなわち１本のリー
ド線３５ａは２つの超伝導コイル１３、１４で共有され
ている。また、図１７は可変直流電源３２ａ、３２ｂと
の接続を示す図で、可変直流電源３２ｂは全体の励磁電
流を調整し、可変直流電源３２ａは２つの超電導コイル
１３、１４に流れる励磁電流の比率を調整する。これに
より、カスプ磁界の上下の強度分布を調整し、それによ
って結晶成長プロセスの最適化を図ることが可能であ
る。そして、超電導マグネットの部分への熱侵入量が２
５％低減できる。なお、可変直流電源３２ａ、３２ｂお
よびリード線３５ａが第３の励磁手段を構成する。

【００８３】実施例１７．図１８はこの発明の第１７の
実施例による単結晶引上装置の超電導コイルと可変直流
電源との接続を示す図である。この実施例では実施例１
６の実施例において、特にリード線の内、中間のリード
線３５ｂは、リード線３５ａと比して約５０％の通電容
量(定格電流)を持たせる。この結果、図１９に示すよう
に片側の超電導コイルを１００％励磁しているとき、も
う一方の超伝導コイルは最少５０％まで小さい値で励磁
できる。図１９において、Ａはコイル最大励磁電流、Ｂ
は一方のコイルを最大励磁電流で励磁した時の他方のコ
イルの最小励磁電流を示す。このことより結晶成長プロ
セスの制御範囲がひろがり、かつ実施例１６と比較し
て、約８３％まで、リード線から超電導コイルへの侵入
熱量を低減できる。

【００８４】なお、この発明はこれらの上記実施例に限
定されるものではなく、またこれらの実施例の可能な組
み合わせも含む。

【００８５】

【発明の効果】以上のように、この発明の第１の発明で
は、ルツボに充填された単結晶原料融液に種結晶を挿入
し、この種結晶を引き上げることにより単結晶を生成す
る単結晶引上部と、この単結晶引上部の両側に設けられ
たコイルを含み、単結晶原料融液部に水平方向の磁界を
与える磁界発生部と、からなる単結晶引上装置におい
て、磁界発生部のコイルをそれぞれ単結晶引上部に取り
付ける支持構造を設けたので、従来に比べて小さい起磁
力で単結晶原料融液に同じ磁界を発生でき、省電力にな
り、さらに構造が簡略化された安価な単結晶引上装置を
提供できる等の効果が得られる。

【００８６】またこの発明の第２の発明では、磁界発生
部のコイルを単結晶引上部のチャンバの外形形状に沿わ
せた形状にしたので、軽量で、従来に比べて小さい起磁
力で単結晶原料融液に同じ磁界を発生でき、省電力にな
るとともに漏れ磁界が減少した単結晶引上装置を提供で
きる等の効果が得られる。

【００８７】またこの発明の第３の発明では、磁界発生
部が両側のコイルの間に延びるリターンヨークを含むも
のにおいて、第１または第２の発明を実施したので、軽
量で、従来に比べて小さい起磁力で単結晶原料融液に同
じ磁界を発生でき、省電力になるとともに漏れ磁界が減
少し、さらに構造が簡略化された安価な単結晶引上装置
を提供できる等の効果が得られる。

【００８８】またこの発明の第４の発明では、上記第１
または第２の発明において、磁界発生部のコイルを超電
導マグネットとしたので、軽量で、従来に比べて小さい
起磁力で単結晶原料融液に同じ磁界を発生でき、省電力
になるとともに漏れ磁界が減少し、さらに構造が簡略化
され、さらに超電導マグネットが安価にできる単結晶引
上装置を提供できる等の効果が得られる。

【００８９】またこの発明の第５の発明では、単結晶引
上部の両側の磁界発生部のコイルに別々の励磁電流を与
える第１の励磁手段を備えたことにより、ルツボ形状や
ヒータ強度の不均一差による結晶の成長不良を磁界の不
均一で補償でき、結晶製造上のプロセスの自由度を広く
とることができる単結晶引上装置を提供できる等の効果
が得られる。

【００９０】またこの発明の第６の発明では、磁界発生
部のコイルの磁極をそれぞれ単結晶引上部のチャンバの
外形形状に沿わせた形状にしたので、従来に比べて小さ
い起磁力で単結晶原料融液に同じ磁界を発生でき、省電
力になるとともに漏れ磁界が減少し、また磁界均一性も
改善された単結晶引上装置を提供できる等の効果が得ら
れる。

【００９１】またこの発明の第７の発明では、磁界発生
部が、両側のコイルの間に延びるリターンヨークを含む
ものおいて第６の発明を実施したので、同様に従来に比
べて小さい起磁力で単結晶原料融液に同じ磁界を発生で
き、省電力になるとともに漏れ磁界が減少し、また磁界
均一性も改善された単結晶引上装置を提供できる等の効
果が得られる。

【００９２】またこの発明の第８の発明では、磁界発生
部のコイルをそれぞれ単結晶引上部に取り付ける支持構
造を設けたので、さらに構造が簡略化された単結晶引上
装置を提供できる等の効果が得られる。

【００９３】またこの発明の第９の発明では、単結晶引
上部の両側の磁界発生部のコイルを単結晶引上部から引
き離す方向に移動させる移動機構を設けたので、単結晶
引上部のチャンバ内のメインテナンスが容易な単結晶引
上装置を提供できる等の効果が得られる。

【００９４】またこの発明の第１０の発明では、磁界発
生部を、単結晶引上部のチャンバ内に設けるようにした
ので、従来に比べて小さい起磁力で単結晶原料融液に同
じ磁界を発生でき、省電力になるとともに漏れ磁界が減
少し、さらに構造が簡略化された単結晶引上装置を提供
できる等の効果が得られる。

【００９５】またこの発明の第１１の発明では、ルツボ
に充填された単結晶原料融液に種結晶を挿入し、この種
結晶を引き上げることにより単結晶を生成する単結晶引
上部と、ルツボの上側と下側の位置にそれぞれ設けられ
た種結晶の引上げ方向を巻軸とするコイルを含み、単結
晶原料融液部にカスプ磁界を発生する磁界発生部と、か
らなる単結晶引上装置において、磁界発生部を、単結晶
引上部のチャンバ外壁に固定するようにしたので、従来
に比べて小さい起磁力で単結晶原料融液に同じ磁界を発
生でき、省電力になるとともに漏れ磁界が減少し、さら
にメインテナンスが容易な単結晶引上装置を提供できる
等の効果が得られる。

【００９６】またこの発明の第１２の発明では、磁界発
生部が超電導マグネットからなり、コイルをまとめて納
める保冷容器を含み、この保冷容器を単結晶引上部のチ
ャンバに固定するようにしたので、磁界発生部が超電導
マグネットで構成される装置において、従来に比べて小
さい起磁力で単結晶原料融液に同じ磁界を発生でき、省
電力になるとともに漏れ磁界が減少し、さらにメインテ
ナンスが容易な単結晶引上装置を提供できる等の効果が
得られる。

【００９７】またこの発明の第１３の発明では、第１２
の発明においてさらにチャンバと保冷容器を一体に形成
したので、さらに装置の小形化がなされた単結晶引上装
置を提供できる等の効果が得られる。

【００９８】またこの発明の第１４の発明では、保冷容
器のコイルとコイルの間の部分に開口を設け、さらにチ
ャンバの開口に当たる部分に融液観察用の透視窓を設け
たので、チャンバ内の観察が可能な単結晶引上装置を提
供できる等の効果が得られる。

【００９９】またこの発明の第１５の発明では、上下の
コイルに別々の極性の電流を流す第２の励磁手段を設け
たので、カスプ磁界と種結晶の引上方向の磁界を選択的
に発生でき、これにより結晶製造上のプロセスの自由度
を広げた単結晶引上装置を提供できる等の効果が得られ
る。

【０１００】またこの発明の第１６の発明では、２つの
可変直流電源と１本を共有する３本のリード線で上下の
コイルに別々の値の電流を流し、２つの可変直流電源の
一方で全体の励磁電流を調整し、他方でコイルに流れる
励磁電流の比率を調整する第３の励磁手段を設けたの
で、結晶製造上のプロセスの自由度を広げると共に超電
導コイル部分への熱侵入量が２５％低減できる単結晶引
上装置を提供できる等の効果が得られる。

【０１０１】またこの発明の第１７の発明では、３本の
リード線のうち１本の定格電流が他の２本のリード線の
定格電流の約５０％であるようにしたので、超電導マグ
ネットに侵入する熱を小さくでき、プロセスの自由度を
損なわない範囲で超電導マグネットの維持費をさらに低
減することのできる単結晶引上装置を提供できる等の効
果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施例１による単結晶引上装置の
構成を示す上面図である。

【図２】 この発明の実施例２による単結晶引上装置の
構成を示す上面図である。

【図３】 この発明の実施例３による単結晶引上装置の
構成を示す上面図である。

【図４】 この発明の実施例４による単結晶引上装置の
構成を示す上面図である。

【図５】 この発明の実施例５による単結晶引上装置の
構成を示す上面図である。

【図６】 この発明の実施例６による単結晶引上装置の
構成を示す上面図である。

【図７】 この発明の実施例７による単結晶引上装置の
構成を示す上面図である。

【図８】 この発明の実施例８による単結晶引上装置の
構成を示す上面図である。

【図９】 この発明の実施例９による単結晶引上装置の
構成を示す上面図である。

【図１０】 この発明の実施例１０による単結晶引上装
置の構成を示す透視正面図である。

【図１１】 この発明の実施例１１による単結晶引上装
置の構成を示す透視正面図である。

【図１２】 この発明の実施例１２による単結晶引上装
置の構成を示す透視正面図である。

【図１３】 この発明の実施例１３による単結晶引上装
置の構成を示す透視正面図である。

【図１４】 この発明の実施例１４による単結晶引上装
置の構成を示す透視正面図である。

【図１５】 この発明の実施例１５による単結晶引上装
置の超電導コイルと電源との接続を示す図である。

【図１６】 この発明の実施例１６による単結晶引上装
置の構成を示す透視正面図である。

【図１７】 図１６の単結晶引上装置の超電導コイルと
電源との接続を示す図である。

【図１８】 この発明の実施例１７による単結晶引上装
置の超電導コイルと電源との接続を示す図である。

【図１９】 この発明の実施例１７の単結晶の励磁電流
の可能範囲を示す図である。

【図２０】 従来の単結晶引上装置の一例を示す構成図
である。

【図２１】 図２１の単結晶引上装置の原理を説明する
構成図である。

【図２２】 超電導マグネットを備えた従来の単結晶引
上装置の一例を示す正面図である。

【図２３】 図２２の単結晶引上装置の上面図である。

【図２４】 超電導マグネットを備えた従来の単結晶引
上装置の別の例を示す正面図である。

【図２５】 図２４の単結晶引上装置の上面図である。

【図２６】 従来の単結晶引上装置の別の例を示す正面
図である。

【図２７】 カスプ磁界を与えた単結晶引上装置のルツ
ボとルツボ内の融液の状態の一例を示す図である。

【図２８】 カスプ磁界を与えた単結晶引上装置のルツ
ボとルツボ内の融液の状態の別の例を示す図である。

【符号の説明】

１ 単結晶原料融液、２ ルツボ、３ ヒータ、４ 種
結晶、７ 単結晶、１０ コイル、１２ チャンバ、１
３、１４、３１ 超電導コイル、１７、１７ａ、１７ｂ
保冷容器、１８ａ 冷却機能付外槽、３０ 支持構
造、３２、３２ａ、３２ｂ 可変直流電源、３４ 固定
金具、３６ 開口、３７ 透視窓、４１リターンヨー
ク、４２ 磁極、１００ 単結晶引上部、２００ 磁界
発生部、２０１、２０２ 超電導マグネット。

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ルツボに充填された単結晶原料融液に種
   結晶を挿入し、この種結晶を引き上げることにより単結
   晶を生成する単結晶引上部と、この単結晶引上部の両側
   に設けられたコイルを含み、単結晶原料融液部に水平方
   向の磁界を与える磁界発生部と、からなる単結晶引上装
   置において、上記磁界発生部のコイルをそれぞれ上記単
   結晶引上部に取り付ける支持構造を備えたことを特徴と
   する単結晶引上装置。
2. 【請求項２】 上記磁界発生部のコイルが上記単結晶引
   上部のチャンバの外形形状に沿わせた形状を有すること
   を特徴とする請求項１に記載の単結晶引上装置。
3. 【請求項３】 上記磁界発生部が、両側のコイルの間に
   延びるリターンヨークを含むことを特徴とする請求項１
   または２に記載の単結晶引上装置。
4. 【請求項４】 上記磁界発生部のコイルが超電導マグネ
   ットからなることを特徴とする請求項１または２に記載
   の単結晶引上装置。
5. 【請求項５】 上記単結晶引上部の両側の上記磁界発生
   部のコイルに別々の励磁電流を与える第１の励磁手段を
   備えたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに
   記載の単結晶引上装置。
6. 【請求項６】 ルツボに充填された単結晶原料融液に種
   結晶を挿入し、この種結晶を引き上げることにより単結
   晶を生成する単結晶引上部と、この単結晶引上部の両側
   に設けられたコイルを含み、単結晶原料融液部に水平方
   向の磁界を与える磁界発生部と、からなる単結晶引上装
   置において、上記磁界発生部のコイルの磁極がそれぞれ
   上記単結晶引上部のチャンバの外形形状に沿わせた形状
   を有することを特徴とする単結晶引上装置。
7. 【請求項７】 上記磁界発生部が、上記両側のコイルの
   間に延びるリターンヨークを含むことを特徴とする請求
   項６に記載の単結晶引上装置。
8. 【請求項８】 上記磁界発生部のコイルをそれぞれ上記
   単結晶引上部に取り付ける支持構造を備えたことを特徴
   とする請求項６または７に記載の単結晶引上装置。
9. 【請求項９】 上記単結晶引上部の両側の上記磁界発生
   部のコイルを上記単結晶引上部から引き離す方向に移動
   させる移動機構を備えたことを特徴とする請求項６に記
   載の単結晶引上装置。
10. 【請求項１０】 ルツボに充填された単結晶原料融液に
    種結晶を挿入し、この種結晶を引き上げることにより単
    結晶を生成する単結晶引上部と、この単結晶引上部の両
    側に設けられたコイルを含み、水平方向の磁界を与える
    磁界発生部と、からなる単結晶引上装置において、上記
    磁界発生部が、上記単結晶引上部のチャンバ内に設けら
    れていることを特徴とする単結晶引上装置。
11. 【請求項１１】 ルツボに充填された単結晶原料融液に
    種結晶を挿入し、この種結晶を引き上げることにより単
    結晶を生成する単結晶引上部と、上記ルツボの上側と下
    側の位置にそれぞれ設けられた上記種結晶の引上げ方向
    を巻軸とするコイルを含み、単結晶原料融液部にカスプ
    磁界を発生する磁界発生部と、からなる単結晶引上装置
    において、上記磁界発生部が、上記単結晶引上部のチャ
    ンバ外壁に固定されていることを特徴とする単結晶引上
    装置。
12. 【請求項１２】 上記磁界発生部が超電導マグネットか
    らなり、上記コイルをまとめて納める保冷容器を含み、
    この保冷容器が上記単結晶引上部のチャンバに固定され
    ていることを特徴とする請求項１１に記載の単結晶引上
    装置。
13. 【請求項１３】 上記チャンバと保冷容器が一体に形成
    されていることを特徴とする請求項１２に記載の単結晶
    引上装置。
14. 【請求項１４】 上記保冷容器のコイルとコイルの間の
    部分に開口を設け、上記チャンバの上記開口に当たる部
    分に融液観察用の透視窓を設けたことを特徴とする請求
    項１２または１３に記載の単結晶引上装置。
15. 【請求項１５】 上記上下のコイルに別々の極性の電流
    を流す第２の励磁手段を備え、カスプ磁界と種結晶の引
    上方向の磁界を選択的に発生することを特徴とする請求
    項１２ないし１４のいずれかに記載の単結晶引上装置。
16. 【請求項１６】 ２つの可変直流電源と１本を共有する
    ３本のリード線で上下のコイルに別々の値の電流を流
    し、２つの可変直流電源の一方で全体の励磁電流を調整
    し、他方でコイルに流れる励磁電流の比率を調整する第
    ３の励磁手段を備えたことを特徴とする請求項１２ない
    し１４項のいずれかに記載の単結晶引上装置。
17. 【請求項１７】 上記３本のリード線のうち１本の定格
    電流が他の２本のリード線の定格電流の約５０％である
    ことを特徴とする請求項１６に記載の単結晶引上装置。