JP2623465B2 - Single crystal pulling device - Google Patents
Single crystal pulling deviceInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、半導体単結晶をCZ（チョクラルスキー法）
により引上げる際、原料融液に磁界を印加するようにし
た単結晶引上げ装置に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Object of the Invention] (Industrial application field) The present invention relates to a method for converting a semiconductor single crystal into a CZ (Czochralski method).
The present invention relates to a single crystal pulling apparatus in which a magnetic field is applied to a raw material melt when pulling.
（従来の技術） 半導体の単結晶を作る場合に用いられる方法の１つと
して、従来、チョクラルスキー法が知られている。(Prior Art) The Czochralski method has been conventionally known as one of the methods used for producing a semiconductor single crystal.
この方法は、先端に種結晶が取付けられた引上げ棒を
ルツボ内の原料融液中に浸しつつ、これを回転させなが
らゆっくり引上げて前記種結晶を核として単結晶を成長
させることを原理としている。This method is based on the principle that a pulling rod having a seed crystal attached at its tip is immersed in a raw material melt in a crucible, and is slowly pulled while rotating to grow a single crystal with the seed crystal as a nucleus. .
第５図は、このようなチョクラルスキー法を用いた単
結晶引上げ装置の一例を示す断面図である。FIG. 5 is a sectional view showing an example of a single crystal pulling apparatus using such a Czochralski method.
この図に示す装置は、カップ状に形成されるルツボ10
4と、このルツボ104の周囲に配置されるヒータ109と、
このヒータ109や前記ルツボ104を収納するチャンバ103
と、このチャンバ103の外側に配置される２つの常電導
コイル101a,101bと、これら常電導コイル101a,101b間を
繋ぐ磁路形成用の鉄心102とを備えている。The apparatus shown in this figure is a crucible 10 formed in a cup shape.
4, a heater 109 arranged around the crucible 104,
A chamber 103 for accommodating the heater 109 and the crucible 104
And two normal conducting coils 101a and 101b arranged outside the chamber 103, and an iron core 102 for forming a magnetic path connecting between the normal conducting coils 101a and 101b.
そして単結晶生成時には、まずヒータ109によってル
ツボ104が加熱されて、このルツボ104内に入れられた原
料が溶融され、原料融液105が生成される。この後、先
端に種結晶が取付けられた引上げ棒109が前記原料溶液1
05中に浸されつつ、回転されながらゆっくり引上げられ
る。これにより、前記種結晶を核として単結晶110が成
長し、これがある程度成長した時点で単結晶インゴット
として取出される。When a single crystal is formed, first, the crucible 104 is heated by the heater 109, and the raw material put in the crucible 104 is melted, and a raw material melt 105 is generated. Thereafter, a pulling rod 109 having a seed crystal attached to the tip thereof is moved to the raw material solution 1.
While being immersed in 05, it is slowly pulled up while being rotated. As a result, the single crystal 110 grows with the seed crystal as a nucleus, and when the single crystal 110 has grown to some extent, it is taken out as a single crystal ingot.
しかし、この場合、ヒータ109によって加熱された原
料融液105の中や表面においては、第６図に示す如く原
料融液105全体を循環する熱対流Ｐと、原料融液105の表
面が激しく波立つ撹乱状態Ｌとが生じる。However, in this case, the heat convection P circulating through the entire raw material melt 105 and the surface of the raw material melt 105 violently wave as shown in FIG. A standing disturbance state L occurs.
これら熱対流Ｐや、撹乱状態Ｌなどによって、単結晶
110の固液界面層が撹乱状態になると、原料融液105内の
温度変動が激しくなって成長中の単結晶110に、転位ル
ープや、積層欠陥などが生じる。Due to the thermal convection P and the disturbance state L, the single crystal
When the solid-liquid interface layer 110 is in a disturbed state, the temperature in the raw material melt 105 greatly fluctuates, and dislocation loops and stacking faults occur in the growing single crystal 110.
また、大きな熱対流Ｐは、ルツボ104の径方向に対し
て流れるため、この熱対流Ｐによってルツボ104の壁
や、原料融液105の表面から不純物が取込まれて、これ
が原料融液105中に拡散され、単結晶110の純度が低下し
てしまうという問題が生じる。Further, since the large thermal convection P flows in the radial direction of the crucible 104, impurities are taken in from the wall of the crucible 104 and the surface of the raw material melt 105 by the thermal convection P, And the purity of the single crystal 110 is reduced.
そこで、このような単結晶引上げ装置では、常電導コ
イル101a,101bと、鉄心102とから構成されるマグネット
111により、静磁界Ｇを発生させてルツボ104内の原料融
液105に均一な磁界（磁束密度の差異が５％以下）を印
加し、第７図（ａ）に示す如く前記原料融液105の熱対
流Ｐや、撹乱状態Ｌを抑制している。Therefore, in such a single crystal pulling apparatus, a magnet composed of normal conducting coils 101a and 101b and an iron core 102 is used.
111, a static magnetic field G is generated to apply a uniform magnetic field (difference in magnetic flux density is 5% or less) to the raw material melt 105 in the crucible 104, and as shown in FIG. Of the heat convection P and the disturbance state L are suppressed.
この場合、この原料融液105の熱対流Ｐや、撹乱状態
Ｌに対する抑止力（制動力Ｆ）は、ローレンツの原理に
基づくものであるから、静磁界Ｇに直交する方向の流れ
に対しては、次式に示す制動力Ｆが働く。In this case, the deterrent force (braking force F) of the raw material melt 105 against the thermal convection P and the disturbed state L is based on the Lorentz principle. The braking force F shown in the following equation acts.
Ｆ＝Ｋ・σ・VR・BZ 2 ……（１） 但し、 K:定数。 F = K · σ · V R · B Z 2 ...... (1) where, K: constant.
σ：原料融液105の電気伝導度。σ: electric conductivity of the raw material melt 105.
VR:磁束と直交する流速成分。V R : Flow velocity component orthogonal to magnetic flux.
BZ:磁束密度。B Z : magnetic flux density.
そして、原料融液105表面の錯乱状態Ｌは、激しい動
きであるから、1000ガウス程度の比較的低い磁束密度で
充分抑えられるものの、ゆっくりとした熱対流Ｐは、数
千ガウス程度の磁束密度を必要とする。Since the confusion state L on the surface of the raw material melt 105 is a violent movement, it can be sufficiently suppressed by a relatively low magnetic flux density of about 1000 gauss, but the slow thermal convection P reduces the magnetic flux density of about several thousand gauss. I need.
このため、この種の単結晶引上げ装置では、常電導コ
イル101a,101bによって熱対流Ｐを抑えることができる
数千ガウス程度の磁束密度を発生させて、上述した不都
合が発生しないようにしている。For this reason, in this type of single crystal pulling apparatus, the normal conducting coils 101a and 101b generate a magnetic flux density of about several thousand gauss that can suppress the thermal convection P, so that the above-described inconvenience does not occur.
（発明が解決しようとする課題） ところで、従来の単結晶引上げ装置においては、熱対
流Ｐを抑える必要性からルツボ104内が数千ガウス程度
の磁束密度となるようにマグネット111によって静磁場
を与えている。(Problems to be Solved by the Invention) In the conventional single crystal pulling apparatus, a static magnetic field is applied by the magnet 111 so that the crucible 104 has a magnetic flux density of about several thousand gauss due to the necessity of suppressing the thermal convection P. ing.
しかしながら、熱対流Ｐを止めるということは、ヒー
タ109によって得られた熱が熱伝導のみでしか中心部に
伝わらなくなるため、ルツボ104の径が大きくなると、
熱の伝達が不充分になり、原料融液105の周辺温度と、
中心温度とが数十度近く、異なってしまうことがある。However, stopping the heat convection P means that the heat obtained by the heater 109 is transmitted to the center only by heat conduction. Therefore, when the diameter of the crucible 104 increases,
Insufficient heat transfer, the temperature around the raw material melt 105,
The temperature may differ from the center temperature by several tens of degrees.
このため、このような単結晶引上げ装置においては、
原料融液105を安定、かつ均一な温度状態にするため
に、引上げ棒108によって単結晶110を回転させて原料融
液105を撹拌している。For this reason, in such a single crystal pulling apparatus,
In order to bring the raw material melt 105 into a stable and uniform temperature state, the single crystal 110 is rotated by the pulling rod 108 to stir the raw material melt 105.
ところが、この場合、第７図（ｂ）に示す如く単結晶
110を回転させることによって生じる撹拌流Ｍは、第７
図（ｂ）の左右部分において静磁界Ｇの方向と直交し、
また第７図（ｂ）の上下部分において前記静磁界Ｇの方
向と並行となるため、静磁界Ｇと直交する部分で、撹拌
流Ｍの回転が阻害されて、径方向に向かう乱流が生じ
る。However, in this case, as shown in FIG.
The stirring flow M generated by rotating 110 is the seventh flow.
In the left and right portions of FIG.
In addition, since the upper and lower portions in FIG. 7B are parallel to the direction of the static magnetic field G, the rotation of the stirring flow M is hindered in a portion orthogonal to the static magnetic field G, and a turbulent flow in the radial direction occurs. .
そこで、このような乱流を防止するために、静磁界Ｇ
が大きさを小さくすることも考えられるが、このように
すると、上述した理由により径方向に向かうゆっくりと
した熱対流Ｐを抑制することができなくなってしまう。Therefore, in order to prevent such turbulence, the static magnetic field G
It is conceivable to reduce the magnitude of the heat convection P. However, in this case, it becomes impossible to suppress the slow thermal convection P in the radial direction for the above-described reason.
本発明は上記の事情に鑑み、単結晶の生成時に有害と
なる原料融液表面の熱撹乱や、径方向に流れるゆっくり
とした熱対流を抑えることができるとともに、撹拌流の
流れが乱れないようにすることができ、これによって原
料融液の温度分布を安定化させて、良好な単結晶を生成
することができる単結晶引上げ装置を提供することを目
的としている。In view of the above-described circumstances, the present invention can suppress thermal disturbance on the surface of the raw material melt, which is harmful when a single crystal is formed, and slow thermal convection flowing in the radial direction, and the flow of the stirring flow is not disturbed. Accordingly, an object of the present invention is to provide a single crystal pulling apparatus capable of stabilizing the temperature distribution of a raw material melt and producing a good single crystal.
［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記の目的を達成するために、本発明の単結晶引上げ
装置は、単結晶を引上げる単結晶引上げ部と、この単結
晶引上げ部を囲むように同一円周上に配置され、且つ前
記単結晶引上げ部を中心として所定角度毎にＳ極とＮ極
とが交互になるように配置される４つ以上の極を有する
マグネット部とを備えたことを特徴とする。[Constitution of the Invention] (Means for Solving the Problems) In order to achieve the above object, a single crystal pulling apparatus of the present invention surrounds a single crystal pulling section for pulling a single crystal, and surrounds the single crystal pulling section. And a magnet unit having four or more poles arranged so that S poles and N poles are alternately arranged at predetermined angles around the single crystal pulling unit. It is characterized by having.
（作用） 上記の構成において、４つ以上の極を有するマグネッ
ト部によって単結晶引上げ部の中心部からの距離に応じ
て強くなる静磁界を生成し、単結晶引上げ部内にある原
料融液が径方向に流れるのを防止するとともに、原料融
液中心付近での撹拌流が乱れないようにする。(Operation) In the above configuration, the magnet portion having four or more poles generates a static magnetic field that increases in accordance with the distance from the center of the single crystal pulling portion, and the raw material melt in the single crystal pulling portion has a diameter. The flow is prevented from flowing in the direction, and the stirring flow near the center of the raw material melt is not disturbed.
（実施例） 第１図は本発明による単結晶引上げ装置の一実施例を
示す縦断面図である。(Example) FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing one embodiment of a single crystal pulling apparatus according to the present invention.
この図に示す単結晶引上げ装置は、カップ状に形成さ
れるルツボ２と、このルツボ２の周囲に配置されるヒー
タ３と、このヒータ３や前記ルツボ２を収納するチャン
バ４と、このチャンバ４の外側に配置される４つの常電
導コイル5a〜5d（第２図参照）と、これら各常電導コイ
ル5a〜5dの磁路となる鉄心６とを備えている。The single crystal pulling apparatus shown in FIG. 1 includes a crucible 2 formed in a cup shape, a heater 3 disposed around the crucible 2, a chamber 4 for accommodating the heater 3 and the crucible 2, and a chamber 4. And four normal conducting coils 5a to 5d (see FIG. 2) arranged outside the core, and an iron core 6 serving as a magnetic path of each of the normal conducting coils 5a to 5d.
そして、第２図に示す如く前記各常電導コイル5a〜5d
は、前記ルツボ２を中心として同一円周上に90度毎に、
かつＳ極と、Ｎ極とが交互になるように配置され、これ
ら各常電導コイル5a〜5dによって前記ルツボ２に静磁界
G1,G2を印加し得るようになっている。Then, as shown in FIG. 2, each of the normal conducting coils 5a to 5d
Is on the same circumference around the crucible 2 every 90 degrees,
S poles and N poles are arranged alternately, and a static magnetic field is applied to the crucible 2 by these normal conducting coils 5a to 5d.
G 1 and G 2 can be applied.
この場合、各静磁界G1,G2は、ルツボ２の中心部分に
おいて、互いに反発するので、これらの各静磁界G1,G2
によってルツボ２には、第３図に示す如く中心部で弱
く、かつ、この中心部からの距離に応じて強くなる同心
円状の磁場が発生する。 次に、第４図を参照しながら
この実施例の動作を説明する。In this case, since the respective static magnetic fields G 1 and G 2 repel each other at the center of the crucible 2, the respective static magnetic fields G 1 and G 2
As a result, a concentric magnetic field is generated in the crucible 2 in the crucible 2 as shown in FIG. 3, which is weak at the center and increases with the distance from the center. Next, the operation of this embodiment will be described with reference to FIG.
まず、前記各常電導コイル5a〜5dをオンさせて静磁界
G1,G2を発生させながらヒータ３によってルツボ２を加
熱して、このルツボ２内に入れられた原料を溶融する。
これによって、原料融液７が生成される。First, each of the normal conducting coils 5a to 5d is turned on to set a static magnetic field.
The crucible 2 is heated by the heater 3 while generating G 1 and G 2, and the raw material put in the crucible 2 is melted.
Thereby, the raw material melt 7 is generated.
この後、先端に種結晶が取付けられた引上げ棒８を前
記原料融液５内に浸しつつ、これを回転されながらゆっ
くり引上げて前記種結晶を核として単結晶９を成長させ
る。Thereafter, while pulling rod 8 having a seed crystal attached to the tip thereof is immersed in raw material melt 5, it is slowly pulled while being rotated to grow single crystal 9 with the seed crystal as a nucleus.
このとき、前記各常電導コイル5a〜5dによってルツボ
２の径方向に静磁界G1,G2が形成されているので、原料
融液７の径方向に対する熱対流に対して、前記（１）式
で示される制動力Ｆが働き、対流が抑制される。At this time, since the static magnetic fields G 1 and G 2 are formed in the radial direction of the crucible 2 by the normal conducting coils 5 a to 5 d, the heat convection in the radial direction of the raw material melt 7 with respect to (1) The braking force F shown by the formula acts to suppress convection.
また、このとき、前記各静磁界G1,G2によってルツボ
２の中心から離れるにしたがって強くなるように磁場が
形成されているので、単結晶９を回転させることによっ
て生じる撹拌流Ｍに対しては、ルツボ２の中心から離れ
るにしたがって、大きな制動力Ｆが働く。しかしこの場
合、ルツボ２の中心部分においては、制動力Ｆがほとん
ど働かない。At this time, since the magnetic field is formed by the static magnetic fields G 1 and G 2 so as to become stronger as the distance from the center of the crucible 2 increases, the stirring flow M generated by rotating the single crystal 9 is generated. As the distance from the center of the crucible 2 increases, a large braking force F acts. However, in this case, the braking force F hardly acts on the central portion of the crucible 2.
これによって、ルツボ２内にある原料融液７の中心部
分においては、単結晶９の回転に起因して同心円状の撹
拌流Ｍが生じ、この撹拌流Ｍによって原料融液７の温度
勾配を前記単結晶９の芯を中心として同心円状にするこ
とができる。As a result, in the central portion of the raw material melt 7 in the crucible 2, a concentric stirring flow M is generated due to the rotation of the single crystal 9, and the temperature gradient of the raw material melt 7 is reduced by the stirring flow M. It can be made concentric with the center of the single crystal 9 as a center.
このようにこの実施例においては、ルツボ２の中心部
からの距離に応じて強くなるように静磁界G1,G2を生成
したので、単結晶９を回転させたとき、第４図の特性曲
線P1に示す如く、ルツボ２の周縁部分での撹拌流Ｍの速
度を極めて小さくすることができる。As described above, in this embodiment, since the static magnetic fields G 1 and G 2 are generated so as to increase according to the distance from the center of the crucible 2, when the single crystal 9 is rotated, the characteristics shown in FIG. as shown by the curve P 1, it is possible to extremely reduce the speed of the agitation flow M at the peripheral portion of the crucible 2.
ここで、この特性曲線P1と、ルツボ２に静磁界を印加
しないときの特性曲線P3と、従来のマグネットによりル
ツボ２に静磁界を印加したときの特性曲線P2とを比較す
れば、明らかなように、本発明による単結晶引上げ装置
においては、ルツボ２の周縁部分での撹拌流Ｍの速度を
極めて小さくすることができ、これによってルツボ２内
にある原料融液７が径方向に流れるのを完全に防止する
ことができる。Here, if this characteristic curve P 1 is compared with a characteristic curve P 3 when no static magnetic field is applied to the crucible 2 and a characteristic curve P 2 when a static magnetic field is applied to the crucible 2 with a conventional magnet, As is apparent, in the single crystal pulling apparatus according to the present invention, the speed of the stirring flow M at the peripheral portion of the crucible 2 can be made extremely small, whereby the raw material melt 7 in the crucible 2 is radially displaced. Flowing can be completely prevented.
なお、上述した実施例においては、常電導コイル5a〜
5dによって静磁界G1,G2を生成しているが、超電導コイ
ルによって、これらの静磁界G1,G2を生成するようにし
ても良い。In the embodiment described above, the normal conducting coils 5a to 5a
While generating a static magnetic field G 1, G 2 by 5d, the superconducting coil may be generating these static magnetic field G 1, G 2.
また、上述した実施例においては、４つの常電導コイ
ル5a〜5dによって静磁界を生成しているが、常電導コイ
ルの数をもっと多くして、更に多極化しても良い。Further, in the above-described embodiment, the static magnetic field is generated by the four normal conducting coils 5a to 5d, but the number of the normal conducting coils may be increased to further increase the number of poles.
［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、単結晶の生成時
に有害となる原料融液表面の熱撹乱や、径方向に流れる
ゆっくりとした熱対流を抑えることができるとともに、
撹拌流の流れが乱れないようにすることができ、これに
よって原料融液の温度分布を安定化させて、良好な単結
晶を生成することができる。[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, it is possible to suppress thermal disturbance on the surface of the raw material melt, which is harmful when a single crystal is generated, and slow thermal convection flowing in the radial direction,
The flow of the stirring flow can be prevented from being disturbed, whereby the temperature distribution of the raw material melt can be stabilized, and a good single crystal can be produced.
第１図は本発明による単結晶引上げ装置の一実施例を示
す縦断面図、第２図は第１図に示す単結晶引上げ装置の
コイル配置例を示す模式図、第３図は同実施例の磁界強
度例を示す図、第４図は同実施例の効果を説明するため
の模式図、第５図は従来からある単結晶引上げ装置の一
例を示す縦断面図、第６図は第５図に示す単結晶引上げ
装置の熱対流と表面撹乱状態とを示す模式図、第７図は
第５図に示す単結晶引上げ装置の静磁界効果を説明する
ための模式図である。 ２……単結晶引上げ部（ルツボ） 5a〜5d……マグネット部（常電導コイル） ９……単結晶FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an embodiment of a single crystal pulling apparatus according to the present invention, FIG. 2 is a schematic view showing an example of coil arrangement of the single crystal pulling apparatus shown in FIG. 1, and FIG. FIG. 4 is a schematic view for explaining the effect of the embodiment, FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing an example of a conventional single crystal pulling apparatus, and FIG. FIG. 7 is a schematic diagram showing thermal convection and a surface disturbance state of the single crystal pulling apparatus shown in FIG. 7, and FIG. 7 is a schematic view for explaining a static magnetic field effect of the single crystal pulling apparatus shown in FIG. 2 Single crystal pulling part (crucible) 5a to 5d Magnet part (normal conducting coil) 9 Single crystal
Claims (1)
れ、且つ前記単結晶引上げ部を中心として所定角度毎に
Ｓ極とＮ極とが交互になるように配置される４つ以上の
極を有するマグネット部と を備えたことを特徴とする単結晶引上げ装置。1. A single crystal pulling portion for pulling a single crystal, and an S pole and an N pole arranged on the same circumference so as to surround the single crystal pulling portion and at a predetermined angle around the single crystal pulling portion. A magnet part having four or more poles arranged so that the poles are alternately arranged.
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|---|---|---|---|
| JP63075393A JP2623465B2 (en) | 1988-03-29 | 1988-03-29 | Single crystal pulling device |
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| JP63075393A JP2623465B2 (en) | 1988-03-29 | 1988-03-29 | Single crystal pulling device |
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| JPH01246192A JPH01246192A (en) | 1989-10-02 |
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