JP3699671B2 - ゾーンプーリングによる単結晶のプーリング法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明の対象は、誘導コイルで発生した融液を少なくとも１つの回転する磁界にさらしかつ硬化させ、かつ融液の硬化の際に生じる単結晶を回転させることにより、ゾーンプーリング（Zonenziehen）により単結晶をプーリングする方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ゾーンプーリングの際に回転する磁界を使用することは、ＤＤ−２６３３１０Ａ１に記載されている。もちろん、この刊行物に提案された方法は拡散縁部層厚さの均一化を目的としているが、本発明は、融液内及び単結晶内でのドーピング物質の極めて均一な分布を達成する課題を解決する。
【０００３】
従来は、ドーピング物質分布の均一化を結晶回転により、誘導コイルの結晶軸に対して相対的な移動により及び誘導コイルの形の変化により達成することが試みられた。これらの手段の欠点は、該手段がしばしば転位率の上昇及びプロセス安定性の低下をもたらすことにある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、前記の従来の技術の欠点を排除することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の対象は、誘導コイルで発生した融液を少なくとも１つの回転する磁界にさらしかつ凝固させ、かつ融液の凝固の際に生じる単結晶を回転させることにより、ゾーンプーリングにより単結晶をプーリングする方法に関し、該方法は単結晶及び磁界を反対方向で回転させることを特徴とする。
【０００６】
【実施例】
次に、図面を参照して本発明の実施例により詳細に説明する。図１は、本発明による方法を実施するために適当である装置を示す。図２〜５は、融液内のシミュレーション計算した流動関係を示し、その際それぞれ融液の断面の２つの対称半分の１つだけが示されている。図６〜８は、本発明による方法の半径方向の抵抗分布、ひいてはドーピング物質の分布に対する作用を明らかにするものである。
【０００７】
図１に示された装置は単結晶４を包含し、該単結晶は融液３を介して多結晶貯蔵棒との１と結合されている。融液は誘導コイル２によって形成される。単結晶が沈降する際に、融液の一部は凝固し、その際単結晶の体積は増大する。同時に、誘導コイルは、貯蔵棒の材料を溶融せしめかつこうして融液も体積を増大させる。本発明によれば、少なくとも１つの多極磁石５、例えば、単結晶の回転方向に対して反対方向に回転する磁界を発生する多極ステータを有する三相電動機が設けられるべきである。図面には、磁界の磁力線６が矢印により示されている。
【０００８】
単結晶内のドーピング物質分布は、融液内の流動関係により及び縁部層拡散により影響を受ける。熱、マランゴニ力及び電磁力により発生される融液内の流れは、特に大きな直径を有する単結晶の場合には、図２に示されている典型的な２渦流構造を有する。多結晶貯蔵棒と接触する中心部の渦流１０内においては、ドーピング物質濃度は外側の渦流２０におけるよりも低い。これらの濃度差が両者の渦流内に存在する限り、半径方向のドーピング物質均一化に関する拡散縁部層厚さの均一化は作用を受けずに残る。
【０００９】
本発明者らは、特許請求した方法で、融液の中心内で下方に向けられた流れを有する典型的な２渦流構造を変化させ、それによりドーピング物質分布の半径方向均一性を明らかに改善することができることを見出した。
【００１０】
２渦流構造は強制的な対流により変化せしめられる。最適であるのは、全融液体積に作用する体積力である。さらに、融液の中心部の流れは上に（貯蔵棒に向かって）向けられるように努力されるべきである。それというのも、さもなければ融液は直接貯蔵棒から下向きに（単結晶に向かって）運ばれるからである。本発明によれば、このことは、ＤＤ−２６３３１０Ａ１に記載された方法とは異なり、単結晶の回転方向に対して反対向きに回転させねばならない、少なくとも１つの回転する磁界の使用により達成される。単結晶を交番回転（回転方向の周期的変換）させる（このことも本発明によれば可能である）場合には、結晶回転方向の定義のための時間的に確認される結晶回転が重要である。磁界と単結晶の反対方向の回転を行わないと、融液中心部における流動方向は下向きに進行する。ドーピング物質の少ない融液は直接単結晶の中心部に導かれかつひいては半径方向のドーピング物質組込みの均一性は明らかに劣化される。さらに、貯蔵棒から直接単結晶に達する未溶融粒子による、そのままでは発生する転位の危険はさらに高められる。
【００１１】
単結晶の回転に対して反対方向で回転する磁界は、融液内で方位方向の体積力を惹起する。本方法の特に好ましい実施態様によれば、この体積力を、融液の中心部で上向きに延びる流れで、融液内で強制された対流により唯一の渦流を発生させるために利用する。融液の中心部において貯蔵棒に向けられた前記流れは、貯蔵棒から由来する、未溶融粒子及びドーピング物質の少ない溶融範囲を直接単結晶に向かって搬送せず、まず融液内に十分に混入せしめる。それにより、粒子は、完全に溶融する十分な時間を得る。２渦流構造の１渦流構造への好ましい変化を達成するために、磁界の磁界強度を既存のプロセス条件に合わせねばならない。最適な磁界強度は、別のプロセスパラメータ、例えば磁界の周波数、単結晶の直径及び回転速度、プーリング速度及び使用される誘導コイルの形に依存する。従って、これはテスト実験により確認すべきである。発明者の実験によれば、該方法は単結晶を好ましくは０．１〜２０ｍＴ、特に好ましくは１〜５ｍＴでプーリングする際に、少なくとも３″（７６．２ｍｍ）の直径を有するシリコンからなる単結晶のプーリングのために好ましく使用されことが判明した。回転する磁界の周波数は、好ましくは１０〜１０００Ｈｚ、特に好ましくは５０〜５００Ｈｚである。
【００１２】
異なる周波数及び時間的に可変の振幅を有する２つの回転する磁界を同時に使用することにより、融液の混合及びドーピング物質の半径方向の均一化をなお一層、しかも融液内での１渦流構造又は２渦流構造の存在には無関係に、改良することができる。異なる周波数を有する磁界は、融液内に種々異なる侵入深さを有し、それに従って種々異なる融液領域に作用する。
【００１３】
本発明の好ましい実施態様に基づく回転する磁界を使用することにより発生せしめられた一つだけの渦流が融液内に存在する場合には、両者の磁界の１つの磁界強度及び／又は周波数を渦流構造内の流動関係にさらに影響を与えかつドーピング物質分布を一層精確に調整することができる。
【００１４】
２渦流構造が融液内に存在する場合には、異なる周波数及び／又は異なる振幅を有する２つの回転する磁界を融液に、融液の内部部分が融液の外側部分に対して反対方向に回転するように、印加することができる。振幅及び／又は周波数の時間的変更により、速度磁界の変換点を時間的に変化させ、それに伴い融液の混合を半径方向で調節することができる。それにより両者の渦流の間のドーピング物質濃度内の差が調整される。
【００１５】
【実施例】
回転する磁界の融液内の流れ及びドーピング物質分布を表すために、シミュレーション計算を実施した。まず、溶融ゾーンの形を計算した。引き続き、融液内の流れ及び凝固前面でのドーピング物質分布を時間に依存して計算した。シミュレーションの際に、有限要素法（Finite-Elemente-Methode）を適用した。計算には、周辺条件として４″（１０１．６ｍｍ）の結晶直径、５ｒｐｍの結晶回転及び５０Ｈｚの回転磁界の周波数を基礎とした。磁界の回転方向は結晶回転の対して反対方向であると仮定した。計算の結果は、図２〜８に示されている。図２〜５には、メリジオナル（ｒ，ｚ）面における流れの流れ関数が示されている。流れ関数の線は、流れ方向に対して平行でありかつ２つの線の間を同じ質量流が貫流する。矢印は流れの方向を示す。図２には回転する磁界を有しない流れが示されている。中央部の渦流１０と外側の渦流２０を有する２渦流構造が認識される。図３においては、磁界の誘導は１ｍＴでありかつ流れへの影響は小さい。図４においては、磁界の誘導は２ｍＴでありかつ融液の中心部に向けられた外側の流れへは大きくなっている。図５においては、磁界の誘導は３．５ｍＴでありかつ１渦流構造が発生している。
【００１６】
図６〜８は、種々の時間瞬間に対する凝固前面での無次元の（規格化された）抵抗分布を示す。該抵抗は、ドーピング物質濃度に対して反比例する。図６においては磁界の誘導は０ｍＴであり、図７においては該誘導の値は１ｍＴであり、かつ図８においては３ｍＴである。図６〜８は、半径方向の抵抗分布は回転する磁界の磁界強度が増大するに伴い均一になることを証明する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による方法を実施するために適当な装置の略示断面図である。
【図２】回転磁界を有しない場合の、融液内のシミュレーション計算で計算した流動関係を示すグラフである。
【図３】磁界の誘導が１ｍＴ及び流れに対する影響が小さい場合の、融液内のシミュレーション計算で計算した流動関係を示すグラフである。
【図４】磁界の誘導が２ｍＴでありかつ融液の中心部に向けれた外側の渦流が大きい場合の、融液内のシミュレーション計算で計算した流動関係を示すグラフである。
【図５】磁界の誘導が３．５ｍＴであり１渦流構造が発生した場合の、融液内のシミュレーション計算で計算した流動関係を示すグラフである。
【図６】本発明による方法の半径方向の抵抗分布、ひいてはドーピング物質の分布に対する作用を示す、磁界の誘導が０ｍＴである場合のグラフである。
【図７】磁界の誘導が１ｍＴである場合の、図６に相応するグラフである。
【図８】磁界の誘導が３ｍＴである場合の、図６に相応するグラフである。
【符号の説明】
１ 多結晶貯蔵棒、 ２ 誘導コイル、 ３ 融液、 ４ 単結晶、 ５ 多極磁石、 ６ 磁力線、 １０ 中央部の渦流、 ２０ 外側の渦流

Claims (7)

1. 誘導コイルで発生した融液を少なくとも１つの回転する磁界にさらしかつ凝固させ、かつ融液の凝固の際に生じる単結晶を回転させることにより、ゾーンプーリングにより単結晶をプーリングする方法において、単結晶と磁界を反対方向で回転させ、磁界の周波数が１０〜１０００Ｈｚの範囲内にあることを特徴とする、ゾーンプーリングによる単結晶のプーリング法。
2. 単結晶を少なくとも３″（７６．２ｍｍ）の直径でプーリングすることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 磁界の磁界強度が０．１〜２０ｍＴの範囲内にあることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 融液をもう１つの回転する磁界にさらすことを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 磁界を、融液の内部領域が融液の外側の領域に対して反対方向に回転するよう融液に印加し、その際外側の領域と内側の領域の間に融液の混合ゾーンが生じることを特徴とする請求項４記載の方法。
6. 混合ゾーンを磁界の振幅及び／又は周波数の変化により半径方向に移動させることを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 混合ゾーンの半径方向位置を時間的に変更させることを特徴とする請求項５記載の方法。

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