專利名稱:單晶生長裝置的制作方法
本發(fā)明涉及一種單晶生長裝置，該裝置的用途是當(dāng)磁場作用于熔化的單晶原料時，從中拉制出單晶。
當(dāng)按照切克勞斯基(Czochralski)生長法來生長單晶時，存放放在坩鍋12中的單晶原料熔體2被加熱器14加熱，以防止該熔體凝固，如圖1所示。在此狀態(tài)下一個粒晶8浸到該熔體(2)中，當(dāng)粒晶由一個按粒晶軸向提升并放置裝置10以預(yù)定的速度拉出時，在固態(tài)-液態(tài)界面層4上就生出了晶體，從而制備出單晶。
在加熱器14的作用下，熔體2按各個箭頭16所指方向進(jìn)行對流傳熱。該熱對流是由于流體的熱膨脹所引起的浮力與粘帶性不平衡而導(dǎo)致的。表示浮力與粘帶力之間平衡的無量綱數(shù)是格拉曉夫(Grashof)數(shù)NGR＝g·a·△T·R
/V
……(1)其中α熔體的熱膨脹系數(shù)。
△△T沿坩鍋徑向的溫度差。
R坩鍋的半徑，熔體的動力貯滯系數(shù)當(dāng)V格拉曉夫(Grashof)數(shù)NGR超過由幾何尺寸及該熔體的熱邊界條件所決定的臨界值時，在熔體中就會發(fā)生熱對流。一般地，當(dāng)NGR超過105時，此對流將引起湍流。當(dāng)格拉曉夫(Grashof)數(shù)NGR超過109時，此對流將引起紊亂，在正常操作時，通過格拉粒晶可得到直徑為3-4英寸的單晶錠。然而，在這種情況下，熔體處于紊亂狀態(tài)。由于這個原因，熔體表面和固-液界面層4會產(chǎn)生波動。
當(dāng)熱對流引起紊亂時，在固態(tài)-液態(tài)界面上的溫度變化將會加劇。而界面層4的厚度將會發(fā)生局部或隨時間的變化，由于這個原因，晶體在生長過程中會發(fā)生微觀上的再溶解，從而在晶體中形成位錯環(huán)和堆垛層錯。這些缺陷是沿著單晶拉制方向不規(guī)則地產(chǎn)生出來的，因?yàn)?液界面層是在不規(guī)則地變化的，在一定溫度(例如1，500℃)熔體2同坩鍋14內(nèi)辟相接觸，從而使雜質(zhì)從坩鍋12溶入溶體2中。這些游離雜質(zhì)由于熱對流而擴(kuò)散到整個溶體中，由于這些雜質(zhì)層，在堆垛層錯中得到吸收或捕獲，從而產(chǎn)生位錯環(huán)，使在單晶錠或臺基中形成了各種缺陷及生長條紋，從而降低了單晶的質(zhì)量。
當(dāng)切割這種單晶錠以制備集成電路(LSl)晶片時，含有缺陷的晶片是無法使用的，因此只能將其除去。因?yàn)橛腥毕莸木奶匦员唤档土?。正是由于這個原因，晶片的產(chǎn)量是比較低的，盡量有增加單晶錠直徑的要求，但當(dāng)坩鍋的半徑增加時，依據(jù)等式(1)，格拉曉夫(Grashof)數(shù)NGR將增加，結(jié)果將使熔體2中的熱對流更為嚴(yán)重，從而使單晶錠的質(zhì)量降低。
在如圖2A所示的單晶生長裝置中，用線圈18把直流磁場加到熔體2上，以便在適當(dāng)?shù)臒岷突瘜W(xué)平衡條件下，通過抑制熱對流來拉取單晶。線圈18產(chǎn)生的均勻磁場按箭頭20所指方向作用于溶體2，溶體成為導(dǎo)電體。當(dāng)溶體2由于熱對流而沿不與磁場方向相平行的方向移動時，按照楞次定律，該溶體將受到阻滯，原料中的熱對流受到了抑制。一般來說，代表由于磁場作用而產(chǎn)生的阻滯的磁滯系數(shù)VE可由下面的方程(2)表示出來VE＝(MHD)2O/P ……(2)
其中 M熔體的磁導(dǎo)率H磁場強(qiáng)度D坩鍋直徑O熔體的電導(dǎo)率P熔體密度由方程(2)可以看出，當(dāng)磁場強(qiáng)度增加時，磁滯系統(tǒng)VE也將增加，而當(dāng)粘滯系數(shù)V增加時格拉曉夫(Grashof)數(shù)NGR將大為減小。當(dāng)磁場強(qiáng)度超過一特定值時，格拉曉夫(Grashof)數(shù)將減至給定的臨界值之下。當(dāng)超過特定值的磁場強(qiáng)度作用于熔體2時，熔體2中的熱對流幾乎停止。因此，雜質(zhì)不會進(jìn)入單晶錠中心堆垛層錯。這樣，也就不會形成位錯環(huán)，其它缺陷及生長條紋。單晶錠沿拉取方向的特性是一致的，從而提高了單晶錠的產(chǎn)量。
然而，在用來生產(chǎn)直徑超過4英寸(inches)的單晶生長裝置中，坩鍋12的直徑將超過6英寸，從而使坩鍋要做得很大。另外，用來放置坩鍋12及加熱器14的容器21的內(nèi)部直徑也將達(dá)到數(shù)百毫米。這樣，整個單晶生長裝置的尺寸將非常大。
一般而言，坩鍋12的直徑要比其深度大。當(dāng)坩鍋中裝入最大數(shù)量的溶體時，其半徑基本上與其深度相等。當(dāng)把磁場加于坩鍋12中的熔體時，其磁場強(qiáng)度分布如圖2B所示。由于直徑/高度比，溫度分布沿坩鍋12的高度方向是一致的。在界面層4中的磁場強(qiáng)度B1與坩鍋12下P中的磁場強(qiáng)度B2間的關(guān)系由下面的不等式給出，1(B1-B2)/B11＜5%其中的符號11表示絕對值。相應(yīng)于圖2B所示的磁場分布，在整個坩鍋12中，熔體2的格拉曉夫數(shù)分布小于熔體2的臨界值NGC，如圖2C所示。參見圖2C2NG1和MNG2分別是接近界面層4的熔體P分及接近坩鍋12底P的熔體部分的格拉曉夫數(shù)。由于這個原因在傳統(tǒng)的單晶生長裝置中，在整個坩鍋12中溶體2會停止熱對流，熔體2是完全靜止的。在此狀態(tài)下，將不會發(fā)生通過對流的熱傳導(dǎo)。熱從加熱器18傳導(dǎo)至位于坩鍋12中央的熔體2。
當(dāng)單晶錠的直徑只有2～3英寸時，坩鍋的內(nèi)徑也只需4～5英寸，由于這個原因，即使因?yàn)槭┘恿舜艌龆谷哿贤耆o止，由加熱器14產(chǎn)生的熱量仍能有效地傳至界面層4。因此，按接近界面層4的熔體P分與接近坩鍋12附近的熔體P分的溫差在10℃～20℃之間。然而，當(dāng)單晶錠的直徑達(dá)到或超過4英寸時，坩鍋的直徑需6～14英寸，從而使坩鍋的體積大為增加。因此，來自加熱器14的熱量僅通過熔料中的熱傳導(dǎo)只是不能有效地傳至界面層4的。由此，在界面層4的熔體P分與接近坩鍋內(nèi)表面的熔體P分之間有高達(dá)數(shù)+攝氏度的溫度梯度，為了能有效地在界面層4生成單晶6，界面層的溫度必須充分地高于熔解的溫度。為了制備大直徑的單晶錠，就必須增加加熱器的功率，來補(bǔ)償由于溫度梯度而引起的溫度下降，以使界面層4到預(yù)期的溫度。當(dāng)單晶錠直徑增大而溶體中的溫度又較大時，在界面層4中也會形成溫度梯度，界面層4中的溫度梯度會阻止均勻的單晶生長。若坩鍋中心的溫度與接近坩鍋內(nèi)表面的熔體部分的溫度相差太大時，將會有一對過強(qiáng)的熱應(yīng)力作用于坩堝12，從而使其破裂。
應(yīng)用傳統(tǒng)的單晶生長裝置來制造大直徑單晶錠時，熔體中央與固態(tài)-液態(tài)界面層處的溫度梯度將會過份地增加。從而引起不便，這樣，將無法得到均勻的單晶錠，而加熱熔體也必須有很高的能量，坩鍋容易破裂。
為達(dá)到本發(fā)明的上述目的，提供了一種單晶生長裝置，它包括用來盛放單晶原料熔體的容器;用來加熱容器中的熔體的加熱器;用來把籽晶浸入溶體并從固態(tài)-液態(tài)界面拉制單晶拉制器;形成第一磁場區(qū)域及第二磁場區(qū)域的磁場形成裝置，其中第一磁場區(qū)域具有能阻止上層熔體P分的熱對流的強(qiáng)度，第二磁場區(qū)域中的磁場強(qiáng)度不能阻止下層熔體P分的熱對流;磁場調(diào)節(jié)裝置，用于根據(jù)熔體表面的下移來向下移動第一和第二磁場區(qū)域之間的界面。
根據(jù)此發(fā)明，在上層熔體部分形成第一磁場區(qū)域以防止熱對流在下層熔體部分形成不能阻止熱對流的第二磁場區(qū)域。在固態(tài)-液態(tài)界面層附近，熱對流受到了限制，以便使單晶在熱平衡及化學(xué)平衡的條件下生長，因熱對流是發(fā)生在第一磁場區(qū)域以下的第二磁場區(qū)域內(nèi)，所以熔體受到充分而均勻地?cái)嚢瑁虼?，溶體的溫度分布是均勻的，因此熱量被充散地傳導(dǎo)到固態(tài)-液態(tài)界面，容器(坩鍋)周圍熔體部分的溫度和固-液交界層之間的溫度差很小，所以，能提供給同一液交界面經(jīng)過充分?jǐn)嚢璧娜垠w，從而獲得比較均勻的單晶。
因?yàn)檑徨伒闹苓吪c其中心的溫差很小，故可避免由于熱應(yīng)力引起的坩鍋的破裂。
當(dāng)減小線圈距離從而使磁場強(qiáng)度減小時，用超導(dǎo)線圈改變處于恒定電流狀態(tài)下的磁場。
線圈可設(shè)置在同一軸上，并對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)募?，以使沿其軸線的磁通量方向彼此相對。磁場在線圈之間產(chǎn)生的，其等磁場曲線成園形或橢園形。這個磁場包括平行和垂直于單晶拉出方向的分量。因此，沿所有方向的熱對流都可由磁場來控制。
如果用產(chǎn)生沿相反方向作用的磁場的線圈對作磁場形成器，從線圈之間的區(qū)域指向區(qū)域外部的磁場能被該線圈所產(chǎn)生的磁場所抵消，因此，使線圈之間的區(qū)域內(nèi)泄漏出去的磁場分量是很小的。
根據(jù)本發(fā)明，由于固態(tài)-液態(tài)界面層和容器(坩鍋)內(nèi)表面附近的溶體部分之間的溫差很小，因此能夠生產(chǎn)出高質(zhì)量的單晶液。
圖1是顯示根據(jù)Ezochralski生長法的單晶拉制器的剖面圖;
圖2A、2B和2C分別是用于說明傳統(tǒng)的單晶生長裝置的剖面圖和曲線圖;
圖3是顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案的單晶生長裝置的剖面圖;
圖4是圖3所示裝置的控制裝置的方框圖;
圖5是表示由線圈產(chǎn)生的磁場的等磁分布的曲線圖;
圖6表示了熱對流限制區(qū)域和熱對流區(qū)域之間的關(guān)系，在熱對流限制區(qū)域中熱對流受到了磁場的限制;
圖7A、7B、7C和7D是用于說明圖3中所示裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)的剖面圖;
圖8是用于說明CPV控制方式的流程框圖;
圖9是根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施方案的單晶生長裝置的剖面圖;
圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方案的單晶生長裝置，圖4顯示了此裝置的控制裝置的方框圖，容器46通過具有預(yù)定高度的平臺47。被置于基座30之上。在容器46內(nèi)放有坩鍋42。坩鍋42周圍有加熱器44。在坩鍋42中，熔體32在加熱器44的作用下得到加熱。
驅(qū)動軸66由相應(yīng)的支撐器68置于基座30上圍繞容器46的多個位置上，并使之垂直和可放置。每一根軸16都帶有旋入相應(yīng)可移動部件58上的螺桿。軸16本身與馬達(dá)70相對應(yīng)。在與馬達(dá)70轉(zhuǎn)動時，部件58能夠垂直移動。驅(qū)動軸62受到垂直支撐，并分別相對于支撐板進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。每根軸62都帶有插入相應(yīng)的可移動支撐部件56的螺桿。馬達(dá)64分別與驅(qū)動軸62相偶合。在馬達(dá)64移動時，可移動部件垂直地進(jìn)行移動。馬達(dá)64，軸62和部件56組成了線圈距離調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)61，而馬達(dá)70，軸66和部件58組成了線圈位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)65。
環(huán)形罩50被安裝在所有的部件56之上，這些部件56與排列在容器46周圍的軸62相連。超導(dǎo)線圈48被放置在罩50之內(nèi)，使其軸線與坩鍋42的軸線一致。環(huán)形罩54也被固定在部件58之上，超導(dǎo)線圈52被放置在罩54之內(nèi)，使其軸線與坩鍋42的軸線一致。罩50和54通過波紋狀連接部件60相連。線圈48和52通過部件60相連，當(dāng)罩50和54間的距離變化時，此部件60能夠伸長或收縮。罩50和54，以及部件60充滿了液氦，線圈48和52浸泡在溫度為4.2°K的液氦中。電流在線圈48和52中相對其軸逆向流動。
作為單晶材料的熔體32放在坩鍋42內(nèi)，拉晶器40位于容器46之上，支撐桿39固定在拉晶器40上，支撐桿39的下端插入容器46中，這樣，可以通過拉晶器40使支撐桿39垂直移動。籽晶38放置在支撐桿39下端。在拉晶器40使籽晶38浸入熔體32內(nèi)以后，拉動籽晶，則單晶開始在固態(tài)-液態(tài)界面層34處生長，從而生產(chǎn)出單晶塊36。
馬達(dá)64的控速由馬達(dá)速度檢測器72〔見圖4〕測定，其檢測信號被加到線圈距離計(jì)算電路74上，由電路74計(jì)算出線圈距離，并輸出信號對CPU76。類似地，馬達(dá)70的轉(zhuǎn)速由馬達(dá)速度檢測器78測定，其信號被送到線圈位置計(jì)算電路80，電路80算出線圈位置，并把它的輸出傳送到磁場分布計(jì)算電路82。
馬達(dá)64和70分別與驅(qū)動器84和86連接。驅(qū)動器84和86與CPU76相連。CPU分別向驅(qū)動器84和86發(fā)出控制信號，驅(qū)動器84和86隨后驅(qū)動馬達(dá)64和70。電路82向磁場電路調(diào)整電路88發(fā)出信號，此信號相應(yīng)于加到坩鍋42中的熔體32上的預(yù)定磁場。依照電路82發(fā)出的信號。電路88計(jì)算和磁場信號相對應(yīng)的線圈激勵電流，并向激勵電流掃描電路90傳送電路88的輸出。電路90輸出信號到線圈48和52，并且把線圈48和52上的激勵電流保持預(yù)定值范圍之內(nèi)。
由拉晶器40發(fā)出的操作信號波送到拉晶速度計(jì)算電路52，此電路92算出單晶的拉制速度電路92的輸被送到溶體表面位置計(jì)算電路94，按照單晶的拉晶速度來計(jì)算出熔體表面位置。熔體表面位置信號從電路94被輸?shù)紺PV76。
按照上述方案，當(dāng)線圈48和50受到激勵時，在線圈48和52之間的熔體32中，形成了一個磁場，該磁場在線圈的軸平面內(nèi)具有如圖5所示的等磁場分布。當(dāng)電流按圖5所示的磁場方向流過線圈48和52時，線圈48和52所產(chǎn)生的磁場的方向如箭頭100所示。在線圈48和52之間顯示了磁力線方向B0到B7。如圖5所示，磁場強(qiáng)度度相等的位置形成橢圓狀。當(dāng)線圈48和52的軸向被定為Z，并且通過線圈48和52中心并與Z軸垂直的方向被定為X方向時，在X軸與Z軸的交點(diǎn)(即原點(diǎn))處的磁場強(qiáng)度為零。
磁通量方向與X和Z軸一致，等磁場分布如圖5的X-Z平面上的呈橢園曲線分布所示。若把通過X和Z軸的交點(diǎn)(即原點(diǎn))并垂直于X和Z軸的直線定為Y軸，則在X-Y平面上的等磁場分布曲線為同心園。應(yīng)當(dāng)注意的是，同心線圈排列和激勵電流值，圖5的等磁場分布可以是圓形的。在此情況下，如圖6所示，適當(dāng)?shù)卮_定線圈的距離和流過線圈的激勵電流，使界面層34下部附近的等磁場強(qiáng)度曲線B10與方程(1)的臨界格拉曉夫數(shù)NGR相對應(yīng)。磁場強(qiáng)度B10在1000到2000高斯范圍之內(nèi)，并根據(jù)熔體32的類形，熔體32的填充量和坩鍋42的內(nèi)徑而確定。當(dāng)把這樣的磁場加于熔體32之上時，在曲線B10下的區(qū)域103中的磁場強(qiáng)度小于曲線B10所指示的值。因此，熔料32的格拉曉夫數(shù)NG將大于臨界格拉曉夫數(shù)NGR，從而產(chǎn)生熱對流102。
然而，在由曲線B10表示的區(qū)域之上的區(qū)域104中，磁場強(qiáng)度大于B10所指示的值，因此，熔體32的格拉曉夫數(shù)NG小于臨界格拉曉夫數(shù)NG。結(jié)果，熱對流受到了阻止，從而使熔體32保持靜止。區(qū)域104的厚度H1在下列范圍之內(nèi)δ＜H1＜H0其中，δ是界面層34的厚度，H0是熔體32的初始高度。高度H1是根據(jù)熔體32的類形，其填充量和坩鍋的內(nèi)徑而確定的。換言之，線圈48和52的型狀，安培匝數(shù)和線圈距離是由磁場分布計(jì)算來確定的，以便把參數(shù)H1、D1、H0和B1。確定在預(yù)定值。
熱對流102發(fā)生在曲線B10的內(nèi)部，來自加熱器44的熱量可以充分地傳導(dǎo)到熔體的中央，從而在此區(qū)域獲得基本上均勻的溫度分布。相反，在曲線B10以外的區(qū)域，熔體32是完全靜止的，因此，不可能發(fā)生熱交換。在傳統(tǒng)的單晶生長裝置中，當(dāng)熔體32的熱對流受到完全限制時，熱量僅能通過從坩鍋周圍的熱交換由加熱器44傳導(dǎo)到膜層34。然而，按照這個實(shí)施方案，由緊換在界面層34下面的，具有均勻的溫度并且深度在H1以下的熔體32有效地加熱了界面層34。(其中H1≤D/2;見圖6)。與傳統(tǒng)裝置不同，在本發(fā)明中，加熱界面層34的熱傳導(dǎo)效果得到了改善。減小了坩鍋中間和周圍的溫差。另外，由于層34是靜止的，從而能夠制備有熱和化學(xué)穩(wěn)定性的單晶塊。由于在層34下的某一深度，熱對流充分地?cái)噭恿巳垠w32，因此，能夠把均勻的熔體32供給到單晶生長部分。
下面參考圖8的CPU76控制方式流程圖，來說明上述單晶生長裝置的操作。
(1)初始調(diào)整向坩鍋42填充熔體32至指定高度H0，然后，用加熱器44加熱熔體32。坩鍋尺寸數(shù)據(jù)，熔體填充量數(shù)據(jù)，熔體物理性質(zhì)數(shù)據(jù)，單晶塊的直徑數(shù)據(jù)，勵磁線圈參數(shù)和單晶提拉速度數(shù)據(jù)由CPU 76通過輸入裝置77取出。如圖6所示，確定線圈距離，線圈位置和線圈電流，使層34下面形成相應(yīng)于臨界格拉曉夫數(shù)NGR的曲線B10。調(diào)整線圈的初始距離L0，線圈的位置和初始激勵電流I0，以滿足磁場分布的條件，以便得到如圖6所示的磁場分布。線圈的距離和位置分別由機(jī)構(gòu)62和65調(diào)節(jié)。CPU 76還計(jì)算有效地發(fā)生熱對流的區(qū)域103的最小高度H2(圖7B)，并計(jì)算在熱對流下單晶有效地進(jìn)行生長的溶體32的高度H3(圖7C)。
(2)施加恒定磁場和線圈降落的控制，在開始拉單晶時，把籽晶38浸泡在熔體32中以生長單晶。生長出的單晶以恒定拉晶速度V cm/ser)由拉晶器40拉出，以制備單晶塊36。預(yù)先確定好加到線圈48和52的電流，和線圈48和52的距離使得在線圈48和52之間形成如圖6所示的磁場分布。
拉晶速度由電路92計(jì)算，而熔化表面位置由線路94計(jì)算。這些數(shù)據(jù)都是由CPU 76獲得的，在CPU 76的控制下，使熔化表面液位的下降與線圈下降適當(dāng)相符合。CPU 76向驅(qū)動器86提供信號，然后，驅(qū)動器86驅(qū)動馬達(dá)70以預(yù)定的速度移動線圈48和52。當(dāng)熔體表面液位下降時，區(qū)域104的厚度H1保持基本不變。線圈位置由電路80計(jì)算。并被傳送到電路82，電路82計(jì)算區(qū)區(qū)域100的高度H。
(3)恒定線圈位置和磁場強(qiáng)度下降的控制如圖7B所示，當(dāng)H與H2(即熱對流有效發(fā)生的高度)相重合時，CPU 76停止線圈48和52的動作，而驅(qū)動器84驅(qū)動馬達(dá)64以減小線圈距離。結(jié)果降低了熔體上的磁場強(qiáng)度。當(dāng)狀態(tài)從圖7B轉(zhuǎn)變?yōu)閳D7C時，單晶開始生長，而區(qū)域104開始減小。一般來說，區(qū)域104內(nèi)的熔體量與磁場強(qiáng)度成正比。另外，當(dāng)施加過量的磁場時，在層34中的熔體32的熱和化學(xué)穩(wěn)定性勢必將受到擾亂，由于這一原因，如加到熔體32上的磁場強(qiáng)度伴隨著對流限制區(qū)域的減小而降低。按照最有效的方法，當(dāng)在線圈48和52中的激勵電流保持不變時，減小線圈的距離時L。
當(dāng)線圈距離L減小，而流過線圈48和52的激勵電流保持不變時，磁場強(qiáng)度相當(dāng)?shù)亟档?。采用上述是基于下列原因。舉例來說，當(dāng)線圈48和52分別包括導(dǎo)線圈時，必須用液氦充滿罩50和54，以使線圈48和52保持在4.2K的極低溫中。為了減少液氦的蒸發(fā)量，在線圈48和50受到激勵后，把線圈48和52間由電路88和90組成的部分電源87之間的電流引起移去，因而消除了外部加熱。由安裝在線圈上的恒流開并使超導(dǎo)線圈工作在恒定電路狀態(tài)。在改變勵磁電流以改變超導(dǎo)線圈的磁場強(qiáng)度時，必須把電源引線重新接到線圈上，以消除恒流狀態(tài)，導(dǎo)致了麻煩的操作。此外，當(dāng)把處于室溫的電源引線插入極低溫的液氦中時，將會蒸發(fā)大量的液氦。
按照最有效的方法，當(dāng)磁場強(qiáng)度改變時，勵磁電流保持不變即處于恒流狀態(tài)時，然而當(dāng)線圈48和52為銅質(zhì)線圈時，由電源87提供的勵磁電流得到減小，從而降低了磁場強(qiáng)度。即便是線圈48和52分別是由超導(dǎo)線圈構(gòu)成，如果它們并不工作在恒定電流狀態(tài)，也能以相同于上面描述的方式來減小激勵電流。也剩余下來的熔體32由栓晶速度來唯一地確定。因此，為了適合于剩余熔體32的磁場強(qiáng)度，線圈距離由機(jī)構(gòu)61來調(diào)節(jié)，這個控制是由CPU 76來執(zhí)行。
當(dāng)線圈48和52是由工作在恒定電流狀態(tài)的超導(dǎo)線圈構(gòu)成的，通過恒定電流開關(guān)相連的線圈48和52必須連接在液氦中。如圖3所示，容納線圈48和52的容器50和54通過可撓曲連接部件60相連，可撓曲連接部件60充滿了液氮。連接線圈48和52的電流導(dǎo)線穿過可撓曲連接部件60。當(dāng)調(diào)節(jié)線圈距離時，可撓曲連接部件60相應(yīng)地伸長或收縮。
(4)線圈位置和磁場恒定控制如圖7C所示，當(dāng)剩余熔體32是HS-δ時，生長按下列二方法中的一個來完成(1)因?yàn)楦叨菻3很低，剩余下的熔體量小到單晶不能再進(jìn)一步生長，所以當(dāng)單晶錠36冷卻后，由余下的熔體形成了單晶錠的尾部。
(2)當(dāng)由余下的熔體可續(xù)連單晶生長時，供給線圈48和52的電流以稍微增加加到熔體上的磁場當(dāng)在整個區(qū)域內(nèi)稍微增加熱對流都受到限制時，余下的熔體也能生長成單晶。這時，熔體剩余量很小，溫度梯度也很小，當(dāng)熱對流完全受到限制時，足能生長出高質(zhì)量的單晶錠。
下面參照圖9描述按本發(fā)明單晶生長裝置的第二實(shí)施方案。圖9中與圖3相同的部分用相互的符號表示，這里不在對其作詳細(xì)的描述。一對線圈110和112被放置在小室46內(nèi)，用來代替圖3中的線圈48和52。因此，線圈110和112的中心軸Z是水平的。線圈110和112的中心軸垂直于單晶錠36的拉晶方向。在此情況下，線圈110和112的磁場分布同圖5中所示的相同。圖5中的Z軸和線圈的軸線相一致，圖5中的X軸和單晶的拉晶方向相一致。磁場的特性與圖6和圖7所示的相同。為了使用線圈的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)120來減小線圈距離，其上帶有線圈110和112的容器114和116的磁體垂直驅(qū)動機(jī)構(gòu)122能沿導(dǎo)軌124水平地移動。
1、下面描述本發(fā)明的第三個實(shí)施方案。
對線圈的安培匝數(shù)進(jìn)行改變以向下移動熱對流限制區(qū)域和熱對流區(qū)域的界面，參照圖3，對線圈48和52的安培匝數(shù)進(jìn)行了改變，此時，線圈48和52的軸線是垂直安置的。
為了獲得不同安培匝數(shù)的線圈48和52，使線圈48的匝數(shù)不同于線圈52的匝數(shù)，而不改變通過線圈48和52的電流。作為另一種方法，線圈48和52也可以獲獨(dú)立的外部電源87相連，以改變流過線圈48和52的電流。在后一方法中，可通過控制流過線圈48和52的激勵電流來實(shí)現(xiàn)對安培匝數(shù)的可變控制。
當(dāng)線圈48和52的安培匝數(shù)彼此不同時，線圈48和52提供一個磁場分布，在圖5中其X軸或是向上或是向下移動。當(dāng)線圈48的安培匝數(shù)大于線圈52的安培匝數(shù)時，X軸向下移動，即向線圈52的安培匝數(shù)時，X軸向下移動，即向線圈52移動，橢園形等磁力線磁場分布也同樣向下移動，其位移是比于線圈48和52的安培匝數(shù)差。當(dāng)差值增加時，X軸向線圈52移動。然而，當(dāng)線圈48的安培匝數(shù)小于線圈52的安培匝數(shù)時，就會產(chǎn)生相反的效應(yīng)。
當(dāng)安培匝數(shù)按如上所述的方式相互有所不同時，除X軸和移動以外的其他性質(zhì)與圖5中所示的相同。線圈48和52的特征與參照圖6和圖7所描述的相同，象在此種情況下，當(dāng)線圈48和52的安培匝數(shù)變化時，機(jī)在坩鍋42處的磁場強(qiáng)度也發(fā)生變化。如圖3所示，機(jī)構(gòu)65和61能由安培匝數(shù)可變控制來替代。當(dāng)狀態(tài)從圖7A所示的狀態(tài)變到圖7B所示的狀態(tài)時，在圖3所示的實(shí)施方案中磁體向下移動。然而，在這個實(shí)施方案中，線圈7B所示狀態(tài)變化到圖7C所示變化的而磁體位置保持不變。從圖7B所示狀態(tài)變化到圖7C所示狀態(tài)的操作也可用與上相同的方式來進(jìn)行。在這個實(shí)施方案中，不用機(jī)構(gòu)61和65，就能獲得與圖3中相同的效果。
在第一實(shí)施方案中(圖3和圖4)，借助向下移動線圈和減小線圈距離來調(diào)節(jié)磁場強(qiáng)度。然而，按第三種實(shí)施方案，(圖9)，能借助于改變線圈的匝數(shù)(安培匝數(shù))來調(diào)節(jié)磁場強(qiáng)度。
也可以通過借助機(jī)構(gòu)65向下移動線圈位置，或通過借助機(jī)構(gòu)61來調(diào)節(jié)線圈距離，來改變磁場強(qiáng)度，從而達(dá)到本發(fā)明的目的。此外，借助調(diào)節(jié)由電路88和90供給線圈48和52的激勵電流。也能象在安培匝數(shù)相互不相同的情況時一樣地區(qū)域103與104之間的界面，從而也達(dá)到本發(fā)明預(yù)定的目的。
權(quán)利要求
1.單晶生長裝置，包括盛放單晶材料熔體的容器；用于加熱上述容器內(nèi)的熔體的加熱裝置；單晶拉制器、用于把籽晶的浸入熔體和拉制在熔體的固態(tài)一液態(tài)界面層中生長的單晶。用于在熔體中形成磁場的磁場形成裝置其特征在于磁場形成裝置在熔體的上部形成第一磁場區(qū)域，并在熔體的下部形成第二磁場區(qū)域，第一磁場區(qū)域具有能阻止熱對流的磁場強(qiáng)度，第二磁場區(qū)域具有不阻止熱對流的磁場強(qiáng)度；磁場調(diào)節(jié)裝置，用于使磁場的兩個區(qū)域之間的界面隨熔體表面下移而下移。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1的裝置，其特征在于在所述的磁場形成裝置中即包括一對共軸線圈，還包括激勵裝置，該激勵裝置對上述線圈對進(jìn)行激勵，以便沿著所述線圈的軸線方向產(chǎn)生出對向的磁通量，從而達(dá)到在所述線圈之間施加磁場的目的;在包括上述線圈軸線的平面內(nèi)磁場具有園形或橢園形的等艘場分布曲線。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2的裝置，其特征在于所述的磁場調(diào)節(jié)裝置包含線圈下降驅(qū)動機(jī)構(gòu)，此機(jī)構(gòu)被用于向下移動所述線圈，從而也把第一和第二磁場區(qū)域的邊界向下移動到最小高度H2，在這個高度H2，可在熔體中發(fā)生充分的發(fā)生，這就是熔體的表面位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3的裝置，其特征在于所述磁場調(diào)節(jié)裝置包含用于調(diào)節(jié)線圈距離的線圈距離調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可減小線圈距離，以減小加至熔體上的磁場強(qiáng)度，直到熔體液面在第一與第二磁場區(qū)域界面降低到高度H2以后降低到適當(dāng)高度H3，高度H3是所提供的第一磁場區(qū)域能有效地生長單晶時最低高度。
5.根據(jù)權(quán)利要求
4的裝置，其特征在于所述磁場調(diào)節(jié)裝置使線圈位置和線圈距離保持恒定，以便在熔體液面降到高度H3之后，把一個給定的磁場強(qiáng)度加到熔體上。
6.根據(jù)權(quán)利要求
3的裝置，其特征在于所述磁場調(diào)節(jié)裝置使線圈位置和線圈距離保持恒定，以便在第一與第二磁場區(qū)域的界面降到高度H2之后，把一給定的磁場加到熔體上，此時在熔體中僅出現(xiàn)第一磁場區(qū)域。
7.根據(jù)權(quán)利要求
2的裝置，其特征在于所述磁場調(diào)節(jié)裝置包含改變線圈距離的線圈距離調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，隨熔體表面位置的下移，該線圈距離調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)減小線圈距離，以使第一與第二磁場區(qū)域間的界面移至高度H2。
8.根據(jù)權(quán)利要求
7的裝置，其特征在于所述磁場調(diào)節(jié)裝置使線圈位置和線圈距離保持恒定，以便在第一與第二磁場區(qū)域間的界面下降到高度H2以后，一個給定的磁場加到熔體上，在這種磁場下熔體中僅出現(xiàn)第一磁場區(qū)域。
9.根據(jù)權(quán)利要求
2的裝置，其特征在于所述磁場調(diào)節(jié)裝置包括改變流過所述線圈的激勵電流的激勵電流調(diào)節(jié)裝置，對所述磁場調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)置，以便交替地改變所述線圈的激勵電流，以便隨熔體表面位置的下移而把第一與第二磁場區(qū)域的界面降至高度H2，高度H2被定義為在熔體中能有效地發(fā)生熱對流的最小高度。
10.根據(jù)權(quán)利要求
9的裝置，其特征在于所述磁場調(diào)節(jié)裝置使線圈位置和線圈距離保持恒定，以便在第一與第二磁場區(qū)域的界面下降到高度H2以后，把一給定的磁場加到熔體上，在這個磁場下熔體中僅出現(xiàn)第一磁場區(qū)域。
11.根據(jù)權(quán)利要求
10的裝置，其特征在于所述磁場形成裝置的所述線圈進(jìn)行了適當(dāng)?shù)脑O(shè)置，以使其垂直地伸延，對所述磁場調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行了適當(dāng)?shù)脑O(shè)置，以便隨熔體表面位置和下移，增加上線圈的激勵電流并減小流過下線圈的激勵電流，從而向下移動第一與第二磁場區(qū)域的界面。
12.根據(jù)權(quán)利要求
2的裝置，其特征在于所述磁場調(diào)節(jié)裝置包括改變上述線圈匝數(shù)的匝數(shù)調(diào)節(jié)裝置，所述線圈之一的匝數(shù)不同于所述線圈的另一個的匝數(shù)，政從而隨熔體表面位置的下移而使第一與第二磁場區(qū)域的界面移至高度H2，高度H2被定義在熔體的內(nèi)部能有效地發(fā)生熱對流的最小高度。
13.根據(jù)權(quán)利要求
2的裝置，其特征在于所述線圈包括超導(dǎo)線圈，并且所述磁場形成設(shè)備包括一些外罩，這些外罩不僅用于容納上述線圈，而且用用密封其內(nèi)的制冷劑。
14.根據(jù)權(quán)利要求
2的裝置，其特征在于所述線圈進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)置，以便使其軸線垂直地伸延。
15.根據(jù)權(quán)利要求
2的裝置，其特征在于所述線圈進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)置，以使其軸線水平地伸延。
專利摘要
一對圍繞盛放熔體的坩堝的線圈。當(dāng)線圈受到激勵從而使其磁力線沿軸向彼此相對時，就形成了具有橢圓形等磁場分布的磁場。當(dāng)適當(dāng)選擇了激勵磁電流時，就形成了限制上部熔體熱對流的磁場，同時熔體的下部則發(fā)生熱對流。當(dāng)熔體液面由于拉制單晶而降低時，對磁場進(jìn)行控制，以使熱對流限制區(qū)和熱對流區(qū)之間的邊界得到相應(yīng)的降低。
文檔編號C30B15/22GK85106561SQ85106561
公開日1987年3月25日 申請日期1985年8月31日
發(fā)明者松谷欣也 申請人:株式會社東芝導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan