JPS6217096A - 単結晶引上用磁界印加装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、主にシリコンやガリウムひ素等の半導体単結
晶引上装置で使用される１１弄印加装置に関する。

〔従来技術とその問題点〕

近年、チョクラルスキー法により単結晶を引き上げる際
に、水平方向の静磁界を印加して融液の熱対流を抑える
事により、融液温度を安定させかつルツボ壁からの汚染
を減少させて単結晶の品質向上を計るということが行な
われている。

このための従来の磁界印加装置は、第４図にその断面構
造を示すように、引上装置チャンバ１の水平方向外側に
このチャンバ１をはさんで対向するように設けられた２
つの電磁コイル２ａ、２ｂと、引上装置チャンバ１の外
周を半周して両コイル２ａ、　２ｂの磁路をつなぐ鉄心
３とから成る直流電磁石により構成され、引上装置チャ
ンバ１の内部に置かれたルツボ４内の単結晶原料融液５
に直流水平磁界Ｈを印加するものである。

ところで、融液５に印加する磁界の方向は水平方向が最
良とは限らず単結晶の種類や製造条件等によっては鉛直
方向の方が好ましい場合もあり、このような場合には上
記のような水平磁界型の装置は使用できないため鉛直磁
界型の装置に交換する必要がある。

ところが、上記のように引上装置チャンバ１の外側にコ
イル２ａ、２ｂと鉄心３とを配した従来装置は非常に大
きい重囲を有するため交換を容易に行なえないという問
題がある。

例えば、第３図（ａ）及び＜ｂ）はルツボ４内に２　ｋ
Ｇｓ　、３　ｋＧｓ及び４　ｋＧｓの各磁束密度を発生
させる従来の磁界印加装置における鉄心３およびコイル
２ａ、２ｂの重量をコイル２ａ、２ｂ間距離との関係で
示したものであるが、同図によれば一般によく用いられ
るコイル２ａ、２ｂ間距離が９００ｍで磁束密度が３　
ｋＧｓ〜４　ｋＧｓの装置の場合、鉄心３は２０ｔ〜３
０ｔ、コイル２ａ、２ｂは２ｔ〜３ｔにもなることが分
かる。従って、このように数１０ｔもある装置を交換す
ることは大変な作業となる。

なお、この装置の重量の大部分は鉄心３であるため、鉄
心３を無くし代りにコイル２ａ、２ｂの巻数を約２倍と
すれば同じ磁束密度で約５分の１の重量に軽量化するこ
とができると考えられるが、］イル２ａ、２ｂは冷却の
ために中空導体を使用する等の事情からもともとかなり
寸法の大きいものであるため、巻数を２倍に増加するこ
とはコイル寸法が極めて大きくなって非常に広いスペー
スを要することとなり現実的ではない。

しかも、このような従来の装置は、水平磁界型と鉛直磁
界型の２種類の装置を用意しなければならないという本
質的な欠点を有している。

〔発明の目的〕

本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、水平磁界
も鉛直磁界も１台の装置で発生させることができ従来の
ような装置交換の必要がない単結晶引上用磁界印加装置
を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するため、本発明は単結晶引上装置の外
周に、この引上装置に印加すべき磁界の方向に対して傾
斜させて１又は２以上の第１の電磁コイルを巻き、更に
、前記磁界の方向に対して前記第１の電磁コイルとは反
対方向へ傾斜させて１又は２以上の第２の電磁コイルを
巻いたものである。

〔発明の実施例〕

以下、実施例により本発明を説明する。

第１図は本発明に係る磁界印加装置の一実施例の構成と
作用とを示す斜視図であり、第５図と同一物には同一符
号を付しである。

第１図において、例えば円筒状をなす引上装置チャンバ
１の外周に、水平方向に対し所定角度傾斜して第１の電
磁コイル１２ａが所定ターン数巻かれており、水平方向
に対し第１のコイル１２ａとは反対方向へ同角度だけ傾
斜して第２の電磁コイル１２ｂが同ターン数巻かれてい
る。従って、第１のコイル１２ａと第２のコイル１２ｂ
とはた寸きかけのように交差してチャンバ１の外周に巻
かれていることになり、この両コイル１２ａ。

１２ｂの中心位置にルツボ４が置かれるようになってい
る。

このような構成にお−いて、第１図（ａ）に示されるよ
うに、第１及び第２のコイル１２ａ、１２ｂにそれぞれ
同じ大きさの励磁電流■　及び■。

を流すと各コイル１２ａ、１２ｂによりルツボ４内には
同強度の磁界）−１，）−１ｂが発生し、この両磁界Ｈ
、Ｈの合成磁界として水平磁界Ｈｈがｂ 形成される。また、第１図（ｂ）に示されるように、例
えば第２のコイル１２ｂの励磁電流■ｂの　　　　　□
方向を反対方向へ切り換えると磁界Ｈ１の方向が１８０
°反転し、合成磁界として鉛直磁界Ｈが■ 形成される。このように、コイル１２ａ、１２ｂの励磁
電流１．Ｉｂの方向を切換えるだけで水平磁界Ｈｈと鉛
直磁界Ｈ７との切換えを簡単に行なうことができる。ま
た、現在のところ水平と鉛直の磁界しか利用されていな
いが、将来中間的な方向の磁界を利用したい場合が生じ
たとしても、励ｌｉ！１電流１．Ｉ、の大きさの比を変
えるだけで任意の方向の磁界を形成することができるの
で簡単に対応できる。

第２図は従来装置による水平磁界と本実施例による水平
磁界とを示す図である。

同図（ａ）に示される従来装置の場合、鉄心３が無いと
して考えると、ルツボ４の位置（コイル２ａ、２ｂの中
点位置）に形成される水平磁界Ｈは次式で与えられる。

但し、■　：コイル２ａ、２ｂの励磁電流Ｎ　：同　巻
　数 ｒ　：同　半　径 ２ｄ　：コイル２ａ、２ｂ間距離 一方、同図（ｂ）に示される本実施例の場合、コイル１
２ａ、１２ｂのアンペアターン数を上記従来例の場合と
同じにすれば、ルツボ４の位置（コイル１２ａ、１２ｂ
の中心位置）に各コイル１２ａ、１２ｂが形成する磁界
Ｈ，ｌ−１ｂは次式％式％ 但し、Ｒ：コイル１２ａ、１２ｂの半径従って、両磁界
ト１，１」ゎの合成磁界として形成される水平１ａ　！
Ｗ　Ｈｈは次式で与えられる。

Ｈｈ　　＝２　　ト１　　ａ　　　ｓ　ｉ　ｎ　　　θ
２１　　Ｎ５ｉｎ　　θ 但し、θ：水平方向に対するコイル１２ａ。

１２ｂの傾斜角度 ここで、本実施例の外寸法を上記従来例とほぼ同じにす
るためにコイル１２ａ、１２ｂ間の鉛直方向の開きをコ
イル２ａ、２ｂの直径と等しい２ｒとし、水平方向の開
きをコイル２ａ、２ｂ間距殖と等しい２ｄとすると、 Ｒ＝２　（ｒ２　＋ｄ２）　１／２ となるから（２）式は次式のようになる。

実例として、 ２ｒ＝０．６ｍ ２ｄ＝１．　０ｍ の場合について磁界を求めてみると、従来装置による水
平磁界Ｈ及び本実施例による水平磁界Ｈｈは Ｈ＝０．　４５４　　ｌＮ １−１ｉ　＝０．８８　ＩＮ となる。即ち、 となり、両装置共アンペアターン数が同じで外寸法がほ
ぼ同じであれば本実施例の方が２倍近く強い磁界が１９
られることを示している。

また、上記従来装置においてコイル２ａ、２ｂに鉄心を
挿入しチャンバ１の外側へ漏れていた磁束もチャンバ１
内へ導くようにすれば、概略的に言って磁界Ｈの強度を
２倍近くまで、つまり本実施例の磁界Ｈｈの強度近くま
で増加させることができるが、この場合には第３図を参
照して前述したように鉄心３の分だけ装置重量が１０倍
程度増加してしまうことになる。従って、本実施例なら
ば］イルのみで従来の鉄心を挿入した装置と同程度の磁
界強度が得られるので、コイル半径が従来装置よりも大
きいことを考慮しても、装置重量は従来装置よりも数分
の１以下に軽くなる。

ところで、上記のように本実施例は従来装置に比べ大幅
に軽旦化できるという利点も有するものであるが、それ
でも３　ｋＧｓ　、４　ｋＧｓといった磁束密度を発生
させるためには従来装置と同様にかなり大きいコイル寸
法を要することになる。そこで、実用上はコイル１２ａ
、１２ｂを超電導コイルとすることが望ましい。

つまり、信頼性を保てる範囲内でコイルの銅線に流し得
る電流の大きさは、常電導風冷の場合で３Ａ／７程度、
また常電導水冷の場合でも５〜７Ａ／−程度である。し
かし、超電導の場合には１０、ＯＡ／−程度となるため
同じアンペアターンを得るために常電導よりも２０分の
１程度小さい断面積のコイルで済むことになる。このこ
とは、超電導コイルを極低温に保すためのクライオスタ
ットと呼ばれる特殊容器による寸法増加分（コイル１２
ａ、１２ｂの内外にそれぞれ’ｌ０ｃｍ程度）を加えて
も、はるかにコンパクトなコイル寸法となることを意味
している。

更に、超電導コイルとすることにより励磁に要する電力
消費等のランニングコストを大幅に削減することができ
る。即ち、第３図（Ｃ）は鉄心を有する常電導コイルを
用いた従来装置において、２　ｋＧｓ　、３　ｋＧｓ及
び４　ｋＧｓの各磁束密度を得るためのコイルの励磁に
要する消費電力つまり励磁損を示した図であるが、例え
ばコイル間距離が９００＋＋ｍで３　ｋＧｓの磁束密度
を生じさせた場合励磁損は約１５０に−にも達する。本
実施例ではコイル半径が従来装置より大きい分だけコイ
ルの抵抗が大きくなることから更に励磁損は大きくなる
。

ところが、超電導コイルを用いればコイルの抵抗はほぼ
０となるため励磁損はほとんど無く使用電力としては極
低温を保つための冷凍機のコンブレッザ用の数ｋＨのみ
で足り省エネルギー効果は極めて大きい。

尚、上記実施例においては集中巻のコイルを２個用いて
いるが、その変形例として集中巻コイルを２個以上複数
設けたもの、或いは分布巻コイルとしたものが考えられ
る。実際のコイルの製作に当っては、分布巻とした方が
両コイルが交差する部分での処理が楽になるためより優
れている。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、単結晶引上装置
の外周に第１及び第２の電磁コイルを相互にたすきがけ
状に巻いたことにより、従来２台の装置を用いて形成し
ていた水平磁界と鉛直磁界とを従来装置とさほど変わら
ない外寸法とはるかに軽い重量とを有する１台の装置で
実現することができるようになり、単結晶引上装置の操
作性を大幅に向上させることができるという効果が得ら
れる。

□

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）及び（ｂ）は本発明に係る磁界印加装置の
構成並びに水平磁界及び鉛直磁界を発生させる作用をそ
れぞれ示す斜視図、第２図（ａ）及び（ｂ）は従来の磁
界印加装置により形成される磁界及び本実施例により形
成される磁界をそれぞれ示す断面図、第３図（ａ）、（
ｂ）及び（Ｃ）は従来装置における鉄心重量、コイルｍ
Ｍ１及び励磁損をコイル間距離との関係で磁束密度をパ
ラメータとしてそれぞれ示す図、第４図は従来装置の構
成を示す図である。 １・・・単結晶引上装置チャンバ、１２ａ・・・第１の
電磁コイル、１２ｂ・・・第２の電磁コイル。 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 色　Ｉ　閉 も　２　図 Ｃｏ１１間社に窪 Ｃ０１１間ｉａ汚α Ｃｏｔ　Ｉ間ｆＥ馳 ３３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電磁コイルにより単結晶引上装置に所定方向の磁界
   を印加する装置において、前記引上装置の外周に前記所
   定方向に対し傾斜して巻かれた１又は２以上の第１の電
   磁コイルと、前記引上装置の外周に前記所定方向に対し
   前記第１の電磁コイルとは反対方向へ傾斜して巻かれた
   １又は２以上の第２の電磁コイルとを有することを特徴
   とする単結晶引上用磁界印加装置。 ２、前記第１及び第２の電磁コイルを超電導コイルとし
   たことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の単結晶
   引上用磁界印加装置。