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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Einkristall-Ziehvorrichtung
und ein Einkristall-Ziehverfahren, die zur Herstellung eines Einkristalls
verwendet werden können,
und einen supraleitenden Magneten, der für die Einkristall-Ziehvorrichtung
verwendbar ist.
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Stand der Technik
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Ein Halbleiter, beispielsweise Silizium
oder Galliumarsenid, besteht aus einem Einkristall, und wird für eine Speichervorrichtung
und dergleichen eines Computers verwendet, welche Speichervorrichtung
verschiedene Größen aufweist.
Von einer derartigen Speichervorrichtung wird folglich gefordert, dass
ihrer Kapazität
vergrößert werden
kann, die Herstellungskosten werden können, und die Qualität verbessert
werden kann.
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Um diese Anforderungen zu erfüllen, stellt der
Stand der Technik ein Einkristall-Ziehverfahren zur Herstellung eines
Einkrtstalls bereit, bei welchem ein Magnetfeld an ein Halbleitermaterial
angelegt wird, das in einem geschmolzenen Zustand und einem Tiegel
untergebracht ist. Mit dieser Anordnung wird eine Wärmekonvektion
unterdrückt,
die in der Schmelze erzeugt wird, um einen Halbleiter herzustellen,
der einen großen
Durchmesser und hohe Qualität
aufweist. Dieses Verfahren wird im allgemeinen als Czchoralsk (CZ)-Verfahren
bezeichnet.
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Ein Beispiel einer Einkristall-Ziehvorrichtung, die
das herkömmliche
CZ-Verfahren verwendet, wird im folgenden unter Bezugnahme auf 18 beschrieben. Diese Einkristall-Ziehvorrichtung enthält einen
Ziehofen 1, der ein offenes oberes Ende in einem installierten
(also gezeigten) Zustand aufweist, und in dem ein Tiegel 2 gebildet
ist. Im Inneren des Ziehofens 1 ist ein Heizgerät 3 zum
Erwärmen
und Schmelzen eines Halbleitermaterials in und um den Tiegel 2 herum
angeordnet, und außerhalb
des Ziehofens 1 ist ein supraleitender Magnet (oder eine
Magnetvorrichtung) 30 angeordnet. Ein zylindrischer Behälter 5 für ein Kühlmedium
oder ein Kühlmittel
(also ein Kühlbehälter 5),
ist in dem supraleitenden Magneten 30 angeordnet, der ein
Paar von supraleitenden Spulen 4 (4a und 4b)
aufweist.
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In einem Herstellungsprozess eines
Einkristalls wird ein Halbleitermaterial 6 in den Tiegel 2 gegeben
und durch das Heizgerät 3 erhitzt,
um das Halbleitermaterial 6 zu schmelzen. Ein nicht gezeigter
Impfkristall wird nach unten in den Tiegel 2 durch die
obere Öffnung
eingeführt,
und der Impfkristall wird dann in Ziehrichtung 8, wie gezeigt
vertikal, durch eine nicht gezeigte Ziehmaschine mit einer vorbestimmten
Geschwindigkeit gezogen. In dieser Weise lässt man einen Kristall an einer
Grenzschicht zwischen einer festen Substanz und einer flüssigen Substanz
wachsen, um dadurch einen Einkristall zu erzeugen und zu bilden.
Wenn die Fluidbewegung der Schmelze (also der geschmolzenen Lösung), die durch
die Wärme
von dem Heizgerät 3 induziert
wird, also durch Wärmekonvektion
erzeugt wird, wird die zu ziehende Schmelze gestört und die Ausbeute der Einkristallherstellung
verschlechtert.
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Um einen derartigen Defekt oder Nachteil
zu eliminieren, wird ein supraleitender Magnet 30 gebildet,
der supraleitende Spulen 4 aufweist. Gemäß der Anordnung
derartiger supraleitender Spulen 4 wird speziell eine die
Bewegung unterdrückende
Kraft an das Halbleitermaterial 6 der Schmelze angelegt, durch
Magnetlinien 7, die durch Zuführung von Elektrizität an die
supraleitenden Spulen 4 erzeugt werden, und durch langsames
Hochziehen des Halbleitermaterials 6 gemäß dem Ziehvorgang
des Impfkristalls, ohne in dem Tiegel 2 einer Konvektion
unterzogen zu werden. Auf diese Weise wird ein sogenanntes Festkörpereinkristall 9 hergestellt.
Ferner ist bei diesem Vorgang eine Ziehmaschine zum Ziehen des Eingriffsteils 9 entlang
einer Mittellinie 10 des Tiegels 2 über dem
Ziehofen 1 gebildet.
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Ein Beispiel des supraleitenden Magneten 30,
der in der Einkristall-Ziehvorrichtung gemäß 18 verwendet wird, wird im folgenden
unter Bezugnahme auf 19 erklärt. Der
supraleitende Magnet 30 wird gebildet, indem die supraleitenden
Spulen 4 (4a und 4b) in einem zylindrischen
Vakuumbehälter 19 durch
den zylindrischen Behälter 5 für ein Kühlmittel,
Kühlmedium
oder Kältemittel
aufgenommen sind, welcher zylindrische Behälter 5 im folgenden
als Kühlbehälter 5 bezeichnet
wird. In dem supraleitenden Magneten 30 ist ein Paar von supraleitenden
Spulen 4a und 4b derart angeordnet, dass sie sich
in Bezug auf eine zentrale axiale Linie des zylindrischen Vakuumbehälters 19 in
einer horizontalen Ebene gegenüberliegen.
Das Paar von supraleitenden Spulen 4a und 4b sind
Helmholtzspulen, die ein Magnetfeld entlang der gleichen Querrichtung
erzeugen. Wie in 18 gezeigt,
werden die Magnetlinien 7, die bezüglich der Mittellinie 10 des
zylindrischen Vakuumbehälters 19 symmetrisch
sind, erzeugt, und diese Position der Mittellinie 10 wird
als ein Zentrum des Magnetfeldes bezeichnet.
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Der supraleitende Magnet 30 weist
ferner eine Stromleitung 11 zur Lieferung eines Stroms
an die zwei supraleitenden Spulen 4a und 4b auf,
eine kleine Heliumkühlvorrichtung 12 zum
Kühlen
eines ersten Strahlungsschildes 17 und eines zweiten Strahlungsschildes 18,
die in dem Kühlbehälter 5 aufgenommen
sind, eine Gasentladeröhre 13 zum
Ausleiten eines Heliumgases in dem Kühlbehälter 5, und einen
Serviceport 14, der einen Nachfüllanschluss zum Nachfüllen von
flüssigem
Helium aufweist. Der supraleitende Magnet 30 hat eine Bohrung 15,
die eine obere Öffnung
aufweist, in der der in 18 gezeigte
Ziehofen 1 angeordnet wird.
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20 zeigt
eine Magnetfeldverteilung des herkömmlichen supraleitenden Magneten 30 der oben
beschriebenen Struktur. Wie in 20 gezeigt, ist
in dem herkömmlichen
supraleitenden Magneten 30 ein Paar von supraleitenden
Spulen 4a und 4b derart angeordnet, dass sie sich
gegenüberliegen. Das
Magnetfeld nimmt folglich größenmäßig in Richtung
der Spulen in einer Spulenanordnungsrichtung (X-Richtung) allmählich zu,
und das Magnetfeld verringert sich allmählich vertikal in der Größe in einer Richtung
(Y-Richtung) senkrecht zu der Spulenanordnungsrichtung. Da, wie
in 20 gezeigt, ein Magnetfeldgradient
in einem Bohrungsbereich (Öffnungsbereich) übermäßig groß ist, ist
eine Wirkung der Unterdrückung
der Wärmekonvektion,
die in der Schmelze erzeugt wird, unausgeglichen, und folglich wird
der Magnetfeldnutzeffekt schlecht.
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Wie durch einen schraffierten Bereich
in 20 angedeutet, ist
spezielle in einer Region nahe dem Zentrum des Magnetfeldes das
Magnetfeld nicht gleichförmig
(also das Magnetfeld hat eine Form eines Kreuzes, welches horizontal
und vertikal dünn und
lang ist). Aus diesem Grund wird die Unterdrückungsgenauigkeit der Wärmekonvektion
schlecht, und es ist folglich schwierig einen Einkristall zu ziehen,
der eine hohe Qualität
aufweist.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die Erfindung geht von dem oben genannten Stand
der Technik aus, und hat die Aufgabe eine Einkristall-Ziehvorrichtung
zu schaffen, sowie ein Verfahren, welches ein Einkristall mit hoher
Qualität
ziehen kann, bei hoher Ausbeute unter Erzeugung eines gleichförmigen Magnetfeldes.
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Eine andere Aufgabe der Erfindung
ist die Schaffung eines supraleitenden Magneten, der ein gleichförmiges Quermagnetfeld
mit kleinem Magnetfeldgradienten erzeugen kann, speziell für die Einkristall-Ziehvorrichtung.
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Diese und andere Aufgaben können gemäß der Erfindung
gelöst
werden, indem gemäß einem Aspekt
eine Einkristall-Ziehvorrichtung geschaffen wird, die aufweist:
einen
zylindrischen Ziehofen;
einen Tiegel, der in dem Ziehofen angeordnet
ist, um ein Einkristallmaterial für einen Halbleiter, das darin eingebracht
ist, zu schmelzen;
einen zylindrischen Vakuumbehälter, der
koaxial um eine äußere Peripherie
des Ziehofens angeordnet ist; und
ein supraleitendes Element,
das in dem Vakuumbehälter
derart angeordnet ist, dass ein Magnetfeld erzeugt wird, welches
an das Einkristallmaterial angelegt wird, um dadurch eine Konvektion
des geschmolzenen Einkristallmaterials in dem Tiegel zu unterdrücken;
wobei
das supraleitende Element mindestens zwei Paare von supraleitenden
Spulen aufweist, die in einer gleichen horizontalen Ebene des zylindrischen Vakuumbehälters angeordnet
sind, und jede der gepaarten supraleitenden Spulen Spulen aufweist,
die derart gesetzt sind, dass sie sich bezüglich einer Zentralachse des
zylindrischen Vakuumbehälters
gegenüberliegen,
so dass eine Spule eines Paars der Spulen und eine Spule eines anderen
Paars der Spulen benachbart zu dem einen Paar der Spulen einen Einstellungswinkel
bilden, in Richtung des Inneren des zylindrischen Behälters, in
einem Bereich von 100°–130°.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
dieses Aspekts ist ein Abstand zwischen den gegenüberliegenden
supraleitenden Spulen auf das 1,1 bis 1,25fache eines Durchmessers
einer Öffnung des
zylindrischen Vakuumbehälters
eingestellt. Jede dieser supraleitenden Spulen hat einen Durchmesser,
der das 0,35 bis 0,55fache des Durchmessers der Öffnung des zylindrischen Vakuumbehälters ist.
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Gemäß einem anderen Aspekt der
Erfindung wird auch ein Einkristall-Ziehverfahren geschaffen, das
durchgeführt
wird, indem eine Einkristall-Ziehvorrichtung verwendet wird, die
einen zylindrischen Ziehofen aufweist, einen Tiegel, der in dem
Ziehofen angeordnet ist, einen zylindrischen Vakuumbehälter, der
koaxial um den Ziehofen herum angeordnet ist, und ein supraleitendes
Element, das in dem Vakuumbehälter
angeordnet ist, wobei ein Einkristallmaterial in den Tiegel geschüttet wird,
dann erwärmt
und geschmolzen wird, ein Impfkristall in den Tiegel von einem oberen
Bereich davon eingeführt
wird, und das Einkristallmaterial anschließend mit einer vorbestimmten
Geschwindigkeit gezogen wird, während ein
Magnetfeld angelegt wird, das von dem supraleitenden Element erzeugt
wird, um dadurch eine Konvektion des geschmolzenen Einkristallmaterials
in dem Tiegel zu unterdrücken,
und wobei das supraleitende Element mindestens zwei Paare von supraleitenden
Spulen aufweist, die in einer gleichen horizontalen Ebene des zylindrischen
Vakuumbehälters
angeordnet sind, und jede der gepaarten supraleitenden Spulen Spulen
aufweist, die derart eingestellt sind, dass sie sich bezüglich einer
Zentralachse des zylindrischen Vakuumbehälters gegenüberliegen, so dass eine Spule
eines Paars der Spulen und eine Spule des anderen Paars der Spulen,
das benachbart ist zu dem einen Paar der Spulen, in Richtung des
Inneren des zylindrischen Behälters
in einem Bereich von 100° bis
130° einen
Einstellungswinkel bilden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der
Erfindung wird ein supraleitender Magnet geschaffen, mit:
einem
zylindrischen Vakuumbehälter;
und
einem supraleitenden Element, das in dem zylindrischen
Volumenbehälter
angeordnet ist, um ein Magnetfeld zu erzeugen,
wobei das supraleitende
Element mindestens zwei Paare von supraleitenden Spulen aufweist,
die in einer gleichen horizontalen Ebene des zylindrischen Vakuumbehälters angeordnet
sind, und jede der gepaarten supraleitenden Spulen Spulen aufweist,
die derart eingestellt sind, dass sie sich bezüglich einer Zentralachse des
zylindrischen Vakuumbehälters
ge genüberliegen,
so dass eine Spule eines Paars der Spulen und eine Spule eines anderen
Paars der Spulen benachbart zu dem einen Paar der Spulen in Richtung
des Inneren des zylindrischen Behälters, in einem Bereich von
100° bis
130° einen
Einstellungswinkel bilden.
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In bevorzugten Ausführungsbeispielen
gemäß diesem
Aspekt ist der Abstand zwischen dem gegenüberliegenden supraleitenden
Spulen auf das 1,1 bis 1,25fache eines Durchmessers einer Öffnung des
zylindrischen Vakuumbehälters
eingestellt. Jede dieser supraleitenden Spulen hat einen Durchmesser,
der das 0,35 bis 0,55fache des Durchmessers der Öffnung des zylindrischen Vakuumsbehälters ist.
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Die supraleitende Spule kann eine
Form aufweisen, beispielsweise eine Rennbahnstreckenform, eine eliptische
Form oder eine rechteckige Form, die in axialer Richtung des Vakuumbehälters verlängert ist.
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Der supraleitender Magnet kann ferner
einen Kühlbehälter aufweisen,
der koaxial in dem zylindrischen Vakuumbehälter angeordnet ist. Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
sind die supraleitenden Spulen in dem Kühlbehälter angeordnet, in welchem ein
flüssiges
Kühlmedium
eingefüllt
ist. Die supraleitenden Spulen können
derart angeordnet sein, dass sie mit dem Kühlbehälter in Kontakt sind, oder
mit einem Niedertemperaturbereich eines Kältemittels verbunden sind.
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Der zylindrische Vakuumbehälter hat
einen Wandabschnitt, außerhalb
der supraleitenden Spulen, der aus einem magnetischen Material gebildet ist.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen supraleitenden
Magneten kann ein gleichförmiges
transversales Magnetfeld, welches einen kleinen Magnetfeldgradienten
aufweist, innerhalb des zylindrischen Vakuumbehälters erzeugt werden. Darüber hinaus
kann die koaxiale oder quadratische Magnetfeldverteilung in der
gleichen horizontalen Ebene erzeugt und folglich eine nicht ausgeglichene
elektromagnetische Kraft unterdrückt
werden.
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Gemäß der erfindungsgemäßen Einkristall-Ziehvorrichtung,
die den supraleitenden Magneten mit den oben genannten Eigenschaften
verwendet, wird ein gleichförmiger
Magnetfeldbereich in einer Ziehrichtung erzeugt, und ein Magnetfeld
in Richtung eines transversalen Magnetfeldes ist fast horizontal,
und ein qualitativ hochwertiges Einkristall kann durch Unterdrückung einer
nicht ausgeglichenen elektromagnetischen Kraft hergestellt werden.
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Die Eigenart und weitere charakteristische Merkmale
werden durch die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme
auf die beigefügten Zeichnungen
deutlich.
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KURZBESCHREIBUNG
DER FIGUREN
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Die beigefügten Figuren zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht, die teilweise schematisch ein Ausführungsbeispiel
eines supraleitenden Magneten gemäß der Erfindung zeigt;
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2 eine
Querschnittsansicht, die den supraleitenden Magneten zeigt, entlang
einer Schnittlinie II-II in 1;
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3 eine
Querschnittsansicht, die eine Einkristall-Ziehvorrichtung zeigt,
die den supraleitenden Magneten aufweist, entlang der Schnittlinie
III-III in 1; die 4 bis 9 Diagramme von Magnetfeldverteilungen
von Fällen
mit unterschiedlichen Einstellungswinkeln Θ der supraleitenden Spulen
gemäß 2 des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels;
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10 und 11 Diagramme von Vergleichsbeispielen
für die
Ausführungsbeispiele
gemäß den 4 bis 9;
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12 eine
Querschnittsansicht, ähnlich
der gemäß 2, die teilweise schematisch ein anderes Ausführungsbeispiel
eines supraleitenden Magneten gemäß der Erfindung zeigt; 13 ein Diagramm, das eine
Magnetfeldverteilung gemäß dem in 12 gezeigten Ausführungsbeispiel
zeigt;
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14 eine
perspektivische Ansicht, ähnlich der
gemäß 1, die teilweise schematisch
ein noch anderes Ausführungsbeispiel
eines supraleitenden Magneten gemäß der Erfindung zeigt;
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15 eine
schematische Querschnittsansicht, die ein noch anderes Ausführungsbeispiel
eines supraleitenden Magneten gemäß der Erfindung zeigt;
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16 eine
schematische Querschnittsansicht, die ein noch anderes Ausführungsbeispiel
eines supraleitenden Magneten gemäß der Erfindung zeigt;
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17 eine
perspektivische Ansicht, ähnlich der
gemäß 1, die teilweise schematisch
ein noch anderes Ausführungsbeispiel
eines supraleitenden Magneten gemäß der Erfindung zeigt;
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18 eine
Querschnittsansicht, die schematisch einen herkömmlichen supraleitenden Magneten
zeigt;
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19 eine
perspektivische Ansicht, ähnlich der
gemäß 1, die jedoch eine herkömmliche
Einkristall-Ziehvorrichtung zeigt; und
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20 ein
Diagramm, das eine herkömmliche
Magnetfeldverteilung zeigt.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
wird im folgenden unter Bezugnahme auf die 1 bis 17 beschrieben.
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Zuerst wird unter Bezugnahme auf
die 1 und 2 der gesamte supraleitende
Magnet 30 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung erklärt.
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Ein zylindrischer Behälter 5 für ein Kühlmittel,
Kühlmedium
oder Kältemittel
ist als Kühlbehälter in
einem zylindrischem Vakuumbehälter 19 angeordnet,
der im folgenden als Kühlbehälter 5 bezeichnet sein
kann. Vier supraleitende Spulen 4a, 4b, 4c und 4d sind
in dem Kühlbehälter 5 untergebracht,
und eine Stromleitung 11 zur Lieferung eines Stroms ist mit
dem Vakuumbehälter 19 verbunden.
Eine kleine Heliumkühlvorrichtung 12 zum
Kühlen
eines ersten und zweiten Strahlungsschildes 17 und 18,
ein Serviceport 14, der eine Füllanschluss aufweist und eine Heliumgasausgabeöffnung sind
ebenfalls an dem Vakuumbehälter 19 angeordnet,
beispielsweise in einem Zustand, wie in 1 gezeigt.
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In dem beschriebenen und gezeigten
Ausführungsbeispiel
sind die supraleitenden Spulen 4a, 4b, 4c und 4d als
kreisrunde Spulen ausgebildet, die in den vier Quadranten in einer
horizontalen Ebene des zylindrischen Vakuumbehälters 19, also des Kühlbehälters 5 jeweils
angeordnet sind, und die in ein flüssiges Kühlmittel eingetaucht sind.
Die Erfindung kann ferner einen Fall umfassen, bei dem die supraleitenden
Spulen mindestens zwei Paare von supraleitenden Spulen aufweisen,
die in einer gleichen horizontalen Ebene des zylindrischen Vaku- umbehälters angeordnet
sind, und jedes der supraleitenden Spulenpaare Spulen aufweist,
die derart gesetzt sind, dass sie sich bezüglich einer Zentralachse des
zylindrischen Vakuumbehälters
gegenüberliegen.
Die Richtung eines Magnetfeldes, das durch die supraleitenden Spulen 4a, 4b, 4c und 4d erzeugt wird,
ist quer in Bezug zur Ziehrichtung eines Ziehofens 1 (wie
später
beschrieben). In dieser Anordnung bilden eine Spule eines Paars
der Spulen und eine Spule eines anderes Paars der Spulen, das benachbart
zu dem einem Paar der Spulen ist, in Richtung des Inneren des zylindrischen
Behälters,
in einem Bereich von 100° bis
130° einen
Einstellungswinkel.
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Ein Abstand L zwischen gegenüberliegenden
Spulen der supraleitenden Spulen 4a, 4b, 4c und 4d ist
auf das 1,1 bis 1,25fache eines Öffnungsdurchmessers
D des zylindrischen Vakuumbehälters 19 eingestellt,
und ein Spulendurchmesser d jeder der supraleitenden Spulen 4a, 4b, 4c und 4d ist
eingestellt, um das 0,35 bis 0,55fachen des Öffnungsdurchmessers D zu sein.
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3 zeigt
eine Einkristall-Ziehvorrichtung, die den supraleitenden Magneten 30 aufweist,
der koaxial auf der Umfangsseite des Ziehofens 1 gebildet
ist. Der Aufbau der Einkristall-Ziehvorrichtung, wie
in 3 gezeigt, ist bezüglich des
Gesamtaufbaus im wesentlichen der gleiche, wie der Aufbau der herkömmlichen
Einkristall-Ziehvorrichtung, wie in 18 gezeigt.
Entsprechend sind gleiche Bezugsziffern den Elementen oder Bauteilen
gegeben, die denen in den 1 und 2 Gezeigten entsprechen, und
eine erneute Beschreibung von diesen erfolgt nicht. In der Einkristall-Ziehvorrichtung
gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
werden jedoch durch die vier supraleitenden Spulen 4a, 4b, 4c und 4d Magnetfelder
von der Umfangsfläche
eines Tiegels 2 aus, der ein Halbleitermaterial 6 aufnimmt,
in zwei Richtungen erzeugt, die sich transversal kreuzen.
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Die 4 bis 9 zeigen Magnetfeldverteilungen
gemäß diesem
Ausführungsbeispiel,
die durch den oben genannten Aufbau erzeugt werden, und die 10 und 11 zeigen Magnetfeldverteilungen, die dagegen
als Vergleichsbeispiele für
dieses Ausführungsbeispiel
dienen.
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4 zeigt
speziell ein optimales Beispiel gemäß diesem Ausführungsbeispiel,
bei dem ein Magnetfeld am bevorzugtesten ist, mit den Einstellungswinkeln Θ der supraleitenden
Spulen 4a, 4b, 4c und 4d, die
auf 113° gesetzt
sind. Wie durch den schraffierten Bereich in 4 angedeutet, ist ein Zentrum des Magnetfeldes
fast diamantförmig
und belegt einen gleichförmigen
breiten Bereich sowohl in X- als auch in Y-Richtung. Wenn das Magnetfeld
an das geschmolzene Halbleitermaterial 6, wie in 3 gezeigt, angelegt wird,
wird die Konvektion der Schmelze, besonders die Konvektion an einem
Zentralbereich des Tiegels wirkungsvoll unterdrückt, und ein Einkristall 9,
der nach oben gezogen wird, wird als Ganzes gleichförmig. Defekte,
die in dem Umfangsbereich des Eingriffsteils 9 gemäß dem herkömmlichen
Aufbau auftreten, können
in dem Eingriffsteil 9 gemäß diesem Ausführungsbeispiel
der Erfindung nicht festgestellt werden.
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Die 5 bis 9 zeigen Magnetfeldverteilungen,
die erhalten werden, wenn die Einstellungswinkel Θ der supraleitenden
Spulen 4a, 4b, 4c und 4d im wesentlichen
auf 100°,
110°, 115°, 120° und 130° eingestellt
sind. In den gezeigten Magnetfeldverteilungen ist ferner das zentrale
Magnetfeld gleichförmig über einen
ausreichenden großen
Bereich angeordnet. In den Bereichen, in denen die Einstellungswinkel Θ klein sind,
wie in den 5 und 6 gezeigt, erscheinen die
Zentralmagnetfelder in X-Richtung leicht verlängert. Wie in den 7 bis 9 gezeigt, wenn die Einstellungswinkel Θ zunehmen,
erscheinen dagegen die Zentralmagnetfelder in Y-Richtung leicht verlängert.
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Wie in 10 gezeigt,
wird dagegen in dem Vergleichsbeispiel, bei dem der Einstellungswinkel Θ klein ist,
also 90°,
die Breite des Zentralmagnetfeldes extrem klein. Wie in 11 gezeigt, wird außerdem in
dem Vergleichsbeispiel, bei dem der Einstellungswinkel Θ groß ist, also
140°, die
Breite des Zentralmagnetfeldes in X-Richtung extrem klein.
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In dem supraleitenden Magneten 30 gemäß den beschriebenen
Ausführungsbeispielen
sind zwei Paare von kreisrunden Spulen in dem gleichen Behälter angeordnet,
so dass die Paare der Spulen sich einander gegenüberliegen, und die Einstellungswinkel
sind innerhalb des Bereichs von 100° bis 130° eingestellt. In dieser Weise
kann ein koaxiales gleichförmiges
Magnetfeld oder ein tetragonal geneigtes gleichförmiges Magnetfeld innerhalb
der Bohrung des Behälters
erhalten werden.
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Wenn der Abstand L zwischen den gegenüberliegenden
gepaarten Spulen (beispielsweise 4a, 4c) innerhalb
des Bereichs von Längen
des 1,1 bis 1,25fachen des Öffnungsdurchmessers
D (Bohrungsdurchmessers) eingestellt ist, und der Spulendurchmesser
d auf das 0,35 bis 0,55fache des Öffnungsdurchmessers D (Bohrungsdurchmessers)
eingestellt ist, sind Tendenzen der Magnetfeldverteilungen, wie
in den 4 bis 9 gezeigt, ferner sicher
und bemerkenswert. Wenn diese Elemente (Spulen) unter Berücksichtigung
der Einstellungswinkel Θ gesetzt
werden, wird eine Magnetfeldverteilung erhalten, die eine größere Gleichmäßigkeit
aufweist.
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12 zeigt
ein anderes Beispiel des Ausführungsbeispiels,
bei dem sechs supraleitende Spulen 4 (4a, 4b, 4c, 4d, 4e und 4f)
in dem zylindrischen Kühlbehälter 5 untergebracht
sind. Die Einstellungswinkel Θ sind
genauso eingestellt, wie gemäß 2. 13 zeigt ein Diagramm, das eine Magnetfeldverteilung
zeigt, die in diesem Fall erhalten wird. Wie in 13 gezeigt, wenn die Anzahl der supraleitenden Spulen
vergrößert wird,
ist das Zentralmagnetfeld ausgeglichener verteilt. Wenn die Anzahl
von Spulen auf eine gerade Anzahl von 6, 8 oder mehr eingestellt wird,
kann in dieser Weise die Gleichförmigkeit
weiter verbessert werden. Darüber
hinaus wird eine Reduzierung des Magnetfeldes in einer Ebene auf
den minimalen Pegel unterdrückt.
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14 zeigt
einen Aufbau, bei dem die supraleitende Spule 4, die in
dem zylindrischen Kühlbehälter 5 untergebracht
ist, eine rennstreckenähnliche Form,
eine elliptische oder eine rechteckige Form aufweist, die in der
gleichen Richtung verlängert
ist, die gleich der Einkristall-Ziehrichtung 8 ist, also
in Längsrichtung,
wobei zwei Paare von supraleitenden Spulen 4 derart angeordnet
sind, dass die Paare der supraleitenden Spule 4 sich in
Bezug auf die Zentralachse des Vakuumbehälters (Kühlbehälters) gegenüberliegen,
und die Richtung des Magnetfeldes, das durch die supraleitenden
Spulen 4 erzeugt wird, kreuzt quer die Ziehrichtung 8 des
Ziehofens 1.
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Gemäß dem oben beschriebenen Aufbau, wie
in 14 gezeigt, ist die
Abmessung des Halbleitermaterials 6 in die Richtung der
Tiefe in dem Tiegel 2 größer, als die Abmessung des
Halbleitermaterials 6, die erhalten wird, wenn kreisrunde
supraleitende Spulen verwendet werden, so dass die Gleichförmigkeit
in Längsrichtung
des Magnetfeldbereichs verbessert werden kann, und folglich die
Gleichförmigkeit
des Magnetfeldes weiter verbessert wird.
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15 zeigt
einen Längsschnitt,
der ein anderes Ausführungsbeispiel
des supraleitenden Magneten 3 gemäß der Erfindung zeigt. Dieses
Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich von dem oben genannten Ausführungsbeispiel im Aufbau, wobei
in dem Aufbau gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
der Serviceport 14, der einen Kühlmittelnachfüllanschluss
aufweist, wie in 1 gezeigt,
fehlt. Die anderen Anordnungen sind gleich denen gemäß 1 bis 3.
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In diesem Ausführungsbeispiel, wie in 15 gezeigt, sind ein Kühlmittel
(Kältemittel
oder Kühlmedium)
und ein Kühlbehälter zur
Aufnahme des Kühlmittels
nicht angeordnet, und die supraleitenden Spulen 4 werden
durch eine kleine Heliumkühlvorrichtung 12 gekühlt. Die
supraleitenden Spulen 4 sind mit einem Strahlungsschild 17 bedeckt, welches
in dem Vakuumbehälter 19 untergebracht ist.
Die Stromleitung 11 ist ausgelegt, um einen Strom an die
supraleitenden Spulen 4 zu liefern.
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Mit einem derartigen Aufbau werden
die supraleitenden Spulen 4 durch die Kühlvorrichtung 12 gekühlt, wodurch
des möglich
wird, einen supraleitenden Zustand zu halten. Entsprechend ist es
nicht notwendig, das Kühlmedium,
beispielsweise flüssiges
Helium zu verwenden, wodurch folglich Kosten reduziert und eingespart
werden, die für
das Nachfüllen
des Kühlmediums
notwendig sind.
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16 zeigt
ein weiteres Beispiel des supraleitenden Magneten 30, der
einen Aufbau aufweist, bei dem ein kleiner Kühlbehälter 22 derart angeordnet
ist, dass er mit den supraleitenden Spulen 4 in Verbindung
steht. Die anderen Anordnungen in 16 sind
gleich denen in 15.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß 16 werden die supraleitenden
Spulen 4 durch die kleine Heliumkühlvorrichtung 12 und
den kleinen Kühlbehälter 22 gekühlt. Das
Kühlmittel
wird über
einen Einlass 23 in den kleinen Kühlbehälter 22 geschüttet.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel
nach 16 bleibt das Kühlmedium
in dem kleinen Kühlbehälter 22,
selbst in einem Fall, bei dem die kleine Heliumkühlvorrichtung 12 den
Betrieb einstellt, so dass die supraleitenden Spulen 4 ihren
supraleitenden Zustand halten können.
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17 zeigt
ein noch weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung, mit einem Aufbau, bei dem die Umfangswand 19a und/oder
die oberen und unteren Wände 19b und 19c des
zylindrischen Vakuumbehälters 19,
gemäß dem in 1 gezeigten Aufbau, aus einem
magnetischen Material gebildet sind, beispielsweise aus einem auf
Eisen basierenden Material oder dergleichen. Die anderen Anordnungen
in 17 sind gleich denen
in 1.
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Da der Vakuumbehälter 19 aus dem magnetischen
Material gebildet ist, kann gemäß diesem Ausführungsbeispiel
nach 17 ein Magnetfeld, das
von den supraleitenden Spulen 4 erzeugt wird, durch das
magnetische Material des Vakuumbehälters selbst absorbiert werden.
Folglich kann ein Magnetfeld nach außen zum Umfang abgeschwächt werden.
Selbst in einem Fall, bei dem Instrumente und Klemmen oder dergleichen
am Umfangsbereich des supraleitenden Magneten angeordnet sind, kann
ein sicherer Betrieb erfolgen.
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Gemäß dem supraleitenden Magneten
und der Einkristrall-Ziehvorrichtung, die einen derartigen supraleitenden
Magneten verwendet, kann ein transversales Magnetfeld, das einen
verbesserten gleichförmigen
kleinen Magnetfeldgradienten aufweist, in dem zylindrischen Vakuumbehälter erzeugt
werden. Darüber
hinaus kann die koaxiale oder quadratische Magnetfeldverteilung
auf der gleichen horizontalen Ebene des Vakuumbehälters erzeugt
werden, und eine nicht ausgeglichene elektromagnetische Kraft kann
erheblich reduziert werden. Das Einkristallmaterial kann entsprechend
in ausgeglichener Weise gezogen werden.
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Es sei erwähnt, dass die Erfindung nicht
auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt ist,
und viele andere Änderungen
und Modifikationen durchgeführt
werden können,
ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen.