專利名稱：外加磁場的丘克拉斯基晶體生長系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及丘克拉斯基晶體生長系統，這是制造半導體晶片等所用的晶錠制造系統之一。特別是涉及外加磁場的丘克拉斯基晶體生長系統，其中向熔融的半導體材料施加磁場。
外加磁場的丘克拉斯基晶體生長系統(以下稱為“MCZ”系統)是一種晶體生長系統。在MCZ系統中，向熔融的半導體材料施加磁場，由此控制熔融的半導體材料中的熱對流。從而MCZ系統可以制造具有大直徑的高質晶錠。
圖1展示了傳統的MCZ系統。此MCZ系統包括磁場發生器60和生長爐80。半導體材料在生長爐80中熔化，以便可以從熔融的半導體材料向上提拉晶體。磁場發生器60產生磁場。向生長爐80內的熔融的半導體材料施加磁場。生長爐80包括爐體1，坩堝2，加熱器3，坩堝支撐機構50，和升降機51。坩堝2設置于爐體1，容納半導體材料。加熱器3對坩堝2內的材料加熱，熔化該材料。機構50支撐坩堝2。升降機51設計成從坩堝2內的熔融的半導體材料6提拉晶體。機構5和升降機51相互相對旋轉，從而使晶體和坩堝2相互相對旋轉。磁場發生器60安裝在支架61上，圍繞爐體1。發生器60包含具有內置超導線圈4的低溫恒溫器5。
以下說明如何在圖1所示MCZ系統制造晶錠。
首先，在坩堝2引入半導體材料6。用加熱器3加熱溶化材料6。在坩堝2中的熔融材料6插入籽晶。升降機51以預定速度緩慢地提拉籽晶。隨著籽晶被提拉，在材料的固-液相面緩慢地生長晶體。結果，獲得大塊晶體9。
當加熱器3加熱材料6時，在熔融材料6中發生熱對流。盡管如此，材料6不會在坩堝2中移動，這是因為內置于低溫恒溫體5的超導線圈4產生并向熔融材料6施加磁通量7。隨著利用升降機51在坩堝2的軸向10從坩堝2的提拉，晶體9容易地生長。
磁場發生器60(即超導磁體)可以是圖2所示的60-1型或者圖3所示的60-2型。
圖2所示的磁場發生器(超導磁體)60-1具有U形低溫恒溫體5a。兩個超導線圈4a和4b內置于低溫恒溫體5a，相互對置。磁場發生器60-1具有電流引線11、小型氦致冷器12、排氣管13、和供給口(未示出)。電流引線11向兩個超導線圈4a和4b提供電流。氦致冷器12冷卻設置在低溫恒溫器5a的輻射屏(未示出)。排氣管13從低溫恒溫器5a釋放氦氣。設置供給口用于補充致冷器12中的氦氣。
圖3所示的磁場發生器(超導磁體)60-2具有中空圓筒形低溫恒溫器5b。兩個超導線圈4a和4b內置于低溫恒溫器5b內，如同圖2所示發生器60-1。與磁場發生器60-1一樣，磁場發生器60-2具有電流引線11、小型氦致冷器12、排氣管13、和供給口(未示出)。
兩種磁場發生器60-1和60-2在水平方向產生并施加磁場。換言之，與坩堝2的軸向10垂直地施加磁場。
以下參考圖4更具體地說明發生器60-1(圖2)或發生器60-2(圖3)這兩種磁場發生器60。
圖4是磁場發生器60的剖面示意圖，展示了包含兩個超導線圈4a和4b的低溫恒溫器5。如圖4所示，超導線圈4a和4b串聯連接。線圈4a的自由端和線圈4b的自由端連接于電流引線11。當經過引線11提供相同電流時，線圈4a和4b產生強度相同并在相同方向延伸的磁場。持續電流開關(PCS)20與超導線圈4a和4b并聯，因而也與電流引線11并聯。即使開關20斷開后，經過引線11的電流供給停止，也能在兩個超導線圈4a和4b中保持永久的電流流動。因此線圈4a和4b保持磁場的產生。
超導線圈4a和4b和持續電流開關20浸入致冷劑容器16所容納的致冷劑中。容器16密封于第一輻射屏17中，接著第一輻射屏17密封于第二輻射屏18中。輻射屏17和18保持在不同溫度。兩個輻射屏17和18置于真空容器19中，其內部是絕熱的。氦致冷器12冷卻輻射屏17和18，減少進入致冷劑容器16的輻射熱量。
超導線圈4a和4b是氦姆霍茲線圈，產生如圖2和3所示磁通量7。磁通量7形成在水平方向延伸的磁場，并相對于坩堝2的軸向10對稱(圖1)。
以下將參考圖5說明另一種傳統的MCZ系統。圖5中與圖1和2所示MCZ系統類似或相同的部件用相同的參考標號代表，將不再具體說明。
如圖5所示，磁場發生器60-1具有包括兩個超導線圈4c和4d的低溫恒溫器5，如圖1和2所示的MCZ系統。線圈4c和4d設置成共軸，其公共軸沿向上提拉晶體的方向8延伸。線圈4c和4d產生的磁通量7也在方向8延伸。超導線圈4c和4d是尖點(Cusp)線圈，產生在相反方向延伸的尖點磁場。具有兩個尖點線圈的磁場發生器60-1起尖點(Cusp)磁體作用。
可以用氦姆霍茲線圈代替線圈4c和4d，產生在相同方向延伸的磁場。如果這樣，發生器60-1將起氦姆霍茲磁體作用。通常，氦姆霍茲線圈用于產生水平磁場的磁場發生器，而尖點(Cusp)線圈用于產生垂直磁場的磁場發生器。
如上所述的兩種磁場發生器存在以下缺點。
1.爐體1的尺寸取決于被提拉晶體的尺寸。設置爐體1的膛空間15(圖2)很難改變，這是因為真空容器19容納了磁場發生器60的其它所有部件。因此，使用較大或較小的爐體時，必須制造新的磁場發生器，使其膛空間的尺寸適合于保持新的磁場發生器。
2.為了把是氦姆霍茲磁體的磁場發生器60改變為尖點(Cusp)磁體，串聯連接的線圈4a和4b必須斷開，然后以不同的方式連接。另外，4a和4b必須連接附加的線圈或附加的超導線圈。在這兩種情況下，難以把氦姆霍茲磁體改變為尖點磁體。同樣難以把是尖點磁體的圖5所示磁場發生器60-1改變為氦姆霍茲磁體。
3.圖1所示磁場發生器，通過改變流經線圈4a或4b、或者兩者的電流，不可能調節磁場中心。因此產生水平磁場的發生器，必須以高精度相對于升降機51定位，以便磁場相對于坩堝2的軸向10對稱。
圖5的磁場發生器，當熔融材料6表面降低而升降機51向上提拉晶體9時，不能向下移動磁場中心。靠近熔融材料6表面的磁場不能制造質量均勻的晶錠。
4.設計成產生水平磁場的發生器不能改為產生垂直磁場的發生器。具有例如中空圓筒形低溫恒溫器5b的發生器60-2(圖3)，不僅需要具有線圈4a和4b，而且需要具有產生垂直磁場的更多線圈，以便用于產生垂直磁場。發生器60-2將變大并更加昂貴。
5.兩個如圖2所示U形低溫恒溫器5可以相對邊地布置，兩個爐體1可以相隔間距22，如圖6所示。如果在這種情況，即使低溫恒溫器5之間的距離23降低為零，低溫恒溫器5占用的空間24也不能減少多少。
本發明的目的在于提供具有磁場發生器的MCZ系統，易于改變發生器的膛尺寸，可以用做氦姆霍茲磁體和尖點磁體，產生水平磁場和垂直磁場，能容易地移動兩種磁場的中心，可在小空間安裝。
根據本發明，提供外加磁場的丘克拉斯基晶體生長系統，包括，至少一個容納熔融的半導體材料的生長爐，在預定方向從熔融的半導體材料提拉晶體的提拉裝置，和產生向熔融的半導體材料施加的磁場的磁場發生器，其特征在于，磁場發生器包括多個磁體單元，和把各磁體單元耦合在一起的耦合機構，以使至少一個生長爐位于磁體單元之間。
僅通過用長度不同的另一個耦合機構替換耦合機構，或者調節耦合機構的長度，即可改變任何相鄰磁體單元之間的膛空間。于是，不需要制造具有尺寸不同的膛空間的許多磁場發生器，來適應尺寸不同的生長爐。
而且，磁體單元不需要相對于生長爐精確地定位，因為可以容易地改變磁場的中心和分布。
此外，由于可以根據熔融的半導體材料的表面高度的變化，調節向熔融材料施加的磁場強度，所以該系統可以制備高質量的晶錠。
本發明的其它目的和優點將在以下說明中給出，部分將可在以下說明中明顯看出，或者通過本發明的實施得以了解。通過權利要求書所特別指出的手段和組合，可以實現和獲得本發明的目的和優點。
與說明書結合并作為其組成部分的附圖，展示了本發明的優選實施例，與上述發明概述一起，以及以下的優選實施例的具體說明，用于解釋本發明的原理圖1是傳統的MCZ系統的垂直剖面圖。
圖2是內置于圖1的MCZ系統的磁場發生器的透視圖。
圖3是內置于圖1的MCZ系統的另一種磁場發生器的透視圖。
圖4是圖2和3所示磁場發生器之一的剖面示意圖。
圖5是另一種傳統的MCZ系統的垂直剖面圖。
圖6是說明內置于傳統MCZ系統的磁場發生器的缺點的示意圖。
圖7是根據本發明第一實施例的MCZ系統的剖面圖。
圖8是內置于圖7所示MCZ系統的磁場發生器的透視圖。
圖9是圖7所示MCZ系統所用的一種耦合機構的示意圖。
圖10是圖7所示MCZ系統所用的另一種耦合機構的示意圖。
圖11是根據本發明第二實施例的MCZ系統的剖面圖。
圖12是內置于圖11所示MCZ系統的磁場發生器的透視圖。
圖13是內置于本發明第三實施例的MCZ系統的兩個相同磁體單元之一的剖面圖。
圖14是內置于本發明第四實施例的MCZ系統的磁體單元的透視圖。
以下參考圖7和8說明根據本發明第一實施例的MCZ系統。
如圖7所示，MCZ系統包括生長爐80和兩個磁體單元70A和70B。在生長爐80中熔化半導體材料6，以便從熔融的半導體材料向上提拉晶體。磁體單元70A和70B用做磁場發生器，產生磁場施加于生長爐80中的熔融材料6。
生長爐80與傳統的MCZ系統所用的相同。包括爐體1、設置在爐體1中的坩堝2、用于對坩堝2中的材料6加熱的加熱器3、支撐坩堝2的坩堝支撐機構50、和從熔融材料6提拉晶體的升降機51。機構50和升降機51相對旋轉，從而使晶體和坩堝2相對旋轉。磁體單元70A和70B安裝在支撐61上。
該MCZ系統的特征在于磁體單元70A和70B。磁體單元70A和70B通過耦合機構90耦合在一起。生長爐80位于第一磁體單元70A和第二磁體單元70B之間。
以下說明如何在圖7所示MCZ系統中制造晶錠。
首先，在坩堝2引入半導體材料6。用加熱器3加熱熔化材料6。在坩堝2中的熔融材料6中插入籽晶。升降機51以預定速度緩慢地提拉籽晶。隨著籽晶被提拉，在材料的固-液相面緩慢地生長晶體。結果，獲得大塊晶體9。
當加熱器3向材料6加熱時，在熔融材料6中發生熱對流。盡管如此，材料6不會在坩堝2中移動，這是因為磁體單元70A和70B產生并向熔融材料6施加磁通量。隨著利用升降機51在坩堝2軸向10從坩堝2的提拉，晶體9容易地生長。
以下具體說明磁體單元70A和70B。
如圖8所示，第一磁體單元70A具有低溫恒溫器25a，第二磁體單元70B具有低溫恒溫器25b。低溫恒溫器25a和25b結構相同。超導線圈26a和26b分別設置在低溫恒溫器25a和25b中。耦合機構90耦合低溫恒溫器25a和25b，以便調節低溫恒溫器25a和25b之間的距離。
耦合機構既可以是圖9所示類型，也可是圖10所示類型。圖9所示機構是長度固定式的。圖10所示機構是長度可變式的。
圖9所示長度固定式耦合機構包括四個支撐桿27。兩個凸緣91通過機械方式或者冶金方式例如焊接，分別連接于每個支撐桿27的端部。第一凸緣91通過螺栓92固定于第一低溫恒溫器25a。同樣，第二凸緣91通過螺栓92固定于第二低溫恒溫器25b。
圖10所示長度可變式耦合機構包括是螺套的四個長度可變支撐桿93。每個支撐桿93由兩個桿93a和93b和環狀耦合部件93c組成。第一桿93a在一端部具有右旋螺紋94。第二桿93b在一端部具有左旋螺紋95。耦合部件93c在其端部分別具有兩個螺紋孔。桿93a和93b上的螺紋94和95分別旋入耦合部件93c的螺紋孔。桿93a和93b通過冶金方式例如焊接或者機械方式，采用圖9所示的凸緣分別固定于低溫恒溫器25a和25b。
長度固定式耦合機構(圖9)的支撐桿27可用較長或較短的桿替換。低溫恒溫器25a和25b之間的膛空間則可改變為所需尺寸。長度可變式耦合機構(圖10)的支撐桿93，僅通過調節環狀耦合部件93即可伸長或縮短。結果，低溫恒溫器25a和25b之間的膛空間則可改變為所需尺寸。
從圖8可見，電流引線28a和28b分別連接于低溫恒溫器25a和25b。第一低溫恒溫器25a包含小型氦致冷器29a并具有供給口30a。同樣，第二低溫恒溫器25b包含小型氦致冷器29b并具有供給口30b。第一致冷器29a冷卻設置在第一低溫恒溫器25a上的輻射屏(未示出)。經過供給口30a，液氦供給第一低溫恒溫器25a，并排放出氦氣。第二致冷器29b冷卻設置在第二低溫恒溫器25b上的輻射屏(未示出)。經過供給口30b，液氦供給第二低溫恒溫器25b，并排放出氦氣。
如圖7所示，低溫恒溫器25a和25b相對地設置于兩邊，由相同長度的支撐桿27相互隔開。因此，在低溫恒溫器25a和25b之間提供空間。如圖7所示，生長爐80位于此空間。
在圖7和8所示MCZ系統中，可能必須把生長爐80置換為較大的或者較小的。如果這樣，則把耦合機構90的支撐桿27置換為較長的或者較短的，從而增大或者減小低溫恒溫器之間的空間。較大或較小的生長爐可以安裝在尺寸可變的空間。
內置于低溫恒溫器25a和25b的超導線圈26a和26b分別連接于電流引線28a和28b。于是，供給線圈26a和26b的電流，可以由外部電源單元容易地從標準值增大或降低。在此情況下，線圈26a和26b產生的磁場中心移至左側，或者移向提供較小電流的線圈26b。
此外，通過轉換與線圈連接的兩電流引線(引線28a或28b)的極性，可以改變由一個線圈(線圈26a或線圈26b)產生的磁場方向。因此，磁體單元70A和70B的組合可以用做氦姆霍茲磁體和尖點磁體，可以容易地實現從氦姆霍茲磁體向尖點磁體的轉換，反之亦然。
以下參考圖11和12說明根據本發明第二實施例的MCZ系統。圖11和12中與圖7和8所示MCZ系統的類似或相同的部件，用相同的參考標號表示，并將省略具體說明。
第二實施例僅在兩方面與第一實施例不同。首先，兩個磁體單元70A’和70B’共軸地一個位于另一個之上，并與向上提拉晶體9的坩堝2的軸向對齊。第二，磁體單元70A’和70B’通過耦合機構90、更確切地講通過支撐桿27隔開并耦合在一起。除了磁體單元70A’和70B’和耦合機構90之外，其余部件的位置與第一實施例(圖7)相同。
如圖11和12所見，第一磁體單元70A’的低溫恒溫器25a具有通孔32a，第二磁體單元70B’的低溫恒溫器25b具有通孔32b。通孔32a和32b相互共軸并垂直延伸。爐體1直立延伸穿過低溫恒溫器25a和25b的孔32a和32b。分別設置在低溫恒溫器25a和25b的超導線圈26a和26b，產生磁場在向上提拉晶體9的箭頭方向8延伸。
與第一實施例的磁體單元70A和70B相同，磁體單元70A’和70B’的組合可用做氦姆霍茲磁體和尖點磁體。磁場中心無論是否位于坩堝2中的熔融材料6的表面33均影響晶體9的生長。盡管如此，仍可僅通過向超導線圈26a和26b施加不同電流來使磁場中心移動跟隨表面33。
以下參考附圖13說明根據本發明的第三實施例的MC7系統。
第三實施例與第一實施例(圖7和8)相同，只是不設置提供液氦或者排放氦氣的供給孔。第三實施例具有兩個磁體單元70A”和70B”，其中超導線圈26a和26b由小型氦致冷器29a和29b冷卻，從而保持在超導狀態。第三實施例無致冷劑容器。超導線圈26a和26b分別設置在低溫恒溫器25a”和25b”。
磁體單元70A”和70B”結構相同，以下僅參考圖13說明第一磁體單元70A”。如圖13所示，由設置在低溫恒溫器25b”的真空容器19中的輻射屏17密封線圈26a。電流引線28a安裝在低溫恒溫器25b”。通過引線28a向超導線圈26a提供電流。氦致冷器29a具有兩級冷卻29a1和29a2。第一冷卻級29a1冷卻超導線圈26a，而第二冷卻級29a2冷卻輻射屏17。
兩個磁體單元70A”和70B”是直接冷卻的超導磁體。亦即，單元70A”由致冷器29a直接冷卻，單元70B”由致冷器29b直接冷卻。如此冷卻，無需向低溫恒溫器25”或低溫恒溫器25b”引入致冷劑如液氦，即可使磁體單元70A”和70B”保持超導狀態。由于補充致冷器中的致冷劑和從其中排放用過的致冷劑的成本，可以降低第三實施例的運行成本。
以下參考圖14說明根據本發明第四實施例的MCZ系統。
如圖14所示，此MCZ系統具有三個磁體單元70A、70B和70C。磁體單元70A、70B和70C分別具有低溫恒溫器25a、25b和25c。低溫恒溫器25a、25b和25c相對設置，并由八個支撐桿27相互耦合。盡管圖14中未示出，第四實施例具有與圖7所示爐80相同的兩個生長爐。第一生長爐位于第一低溫恒溫器25a和第二低溫恒溫器25b之間的空間34。第二生長爐位于第二低溫恒溫器25b和第三低溫恒溫器25c之間的空間。
圖6所示傳統的MCZ系統具有兩個低溫恒溫器5，總共需要四個超導線圈。相反，本發明第四實施例僅有三個超導線圈，分別設置在低溫恒溫器25a、25b和25c中。顯然，每個包含一個超導線圈的三個低溫恒溫器25a、25b和25c所占據的空間24，小于每個包含兩個超導線圈的兩個低溫恒溫器5所占據的空間24。此外，具有三個超導線圈的第四實施例的制造成本，可以低于具有四個超導線圈的傳統MCZ系統(圖6)。
圖14所示第四實施例包括三個低溫恒溫器和兩個生長爐。如果采用一個以上的生長爐，增加一個低溫恒溫器就足夠了。此外，第四實施例僅需要N+1個超導線圈，其中N是所用生長爐的數量，相反圖6所示傳統的MCZ系統需要多至N×2個超導線圈。如果兩種MCZ系統具有各具有10個生長爐，則第四實施例(圖14)具有9個超導線圈，少于傳統的MCZ系統(圖6)。
第四實施例可以具有圖13所示類型的直接冷卻超導線圈。此時，第四實施例簡化得足以批量制造，因而可以低成本生產。
如上所見，根據本發明的MCZ系統具有以下優點。
由于磁體單元之間的空間可根據待設置于該空間的生長爐的尺寸容易地改變，磁場發生器不必制成具有與生長爐適合的膛空間。而且，磁體單元不必相對于生長爐精確定位。這是因為易于改變磁場中心和分布。而且，MCZ系統可以制備高質量晶錠，這是因為可以根據熔融材料的表面高度的變化，調節向熔融材料施加的磁場強度。
超導線圈對可產生水平磁場和垂直磁場。此外，超導線圈對可構成氦姆霍茲磁體和尖點磁體。
如上所述，磁體單元由氦致冷器直接冷卻，不必補充磁體單元中的致冷劑，但需要從其中排放用過的致冷劑。因此可降低MCZ系統的運行成本。因同樣的理由， MCZ系統整體結構更為簡化，可以更容易地批量制造，因此可以低成本生產。
此外，根據本發明的MCZ系統可減小適應生長爐的空間。
對于本領域的技術人員來說容易了解其他優點和變化。因此，從較寬方面而言的本發明并不限于以上所展示和說明的特定和代表性實施例。因此，在不脫離權利要求書及其等同物所限定的本發明一般概念的精髓或范圍的條件下，可以做出許多改進。
權利要求
1.一種外加磁場的丘克拉斯基晶體生長系統，包括，至少一個容納熔融的半導體材料的生長爐，在預定方向從熔融的半導體材料提拉晶體的提拉裝置，和產生向熔融的半導體材料施加的磁場的磁場發生器，其中，所述磁場發生器包括多個磁體單元，和把所述各磁體單元耦合在一起的耦合機構，以使所述至少一個生長爐位于磁體單元之間。
2.根據權利要求1的系統，其中每個所述磁體單元包括產生垂直于所述預定方向延伸的磁場的裝置。
3.根據權利要求1的系統，其中每個所述磁體單元包括產生在所述預定方向延伸的磁場的裝置。
4.根據權利要求1的系統，其中所述耦合機構包括長度固定的支撐桿。
5.根據權利要求1的系統，其中所述耦合機構包括長度可變的支撐桿。
6.根據權利要求1的系統，其中每個所述磁體單元具有電流供給裝置，提供不同值的電流。
7.根據權利要求1的系統，其中所述磁體單元具有產生在相同方向延伸的磁場的裝置，并形成氦姆霍茲磁場。
8.根據權利要求1的系統，其中所述磁體單元具有產生在相反方向延伸的磁場的裝置，并形成尖點磁場。
9.根據權利要求1的系統，其中每個所述磁體單元是直接冷卻超導磁體，包括真空容器、分別設置在真空容器中的超導線圈，分別直接冷卻超導線圈的致冷器、從而把超導線圈設置在超導狀態。
10.根據權利要求9的系統，其中每個所述磁體單元還包括分別設置在所述真空容器(25a、25b)的輻射屏，并由所述致冷器(29a、29b)冷卻。
11.根據權利要求1的系統，其中所述耦合機構包括串聯連接所述磁體單元的裝置。
12.根據權利要求1的系統，其中每個所述磁體單元是直接冷卻超導磁體，包括由致冷劑冷卻的超導線圈，從而設置在超導狀態。
13.根據權利要求1的系統，其中所述至少一個生長爐包括爐體，設置在爐體中的坩堝、用于容納半導體材料，對坩堝中的半導體材料加熱的加熱器，和用于生長和提拉晶體的機構。
14.根據權利要求13的系統，其中所述生長和提拉晶體的機構包括使晶體和所述坩堝相對旋轉的裝置。
15.根據權利要求1的系統，其中至少一個所述磁體單元具有通孔，所述至少一個生長爐設置于其中。
全文摘要
一種外加磁場的丘克拉斯基晶體生長系統,具有至少一個容納熔融的半導體材料的生長爐,在預定方向從熔融的半導體材料提拉晶體的提拉裝置,和產生向熔融的半導體材料施加的磁場的磁場發生器。磁場發生器具有多個磁體單元,和把各磁體單元耦合在一起的耦合機構,以使生長爐位于所述磁體單元之間。
文檔編號C30B30/00GK1192489SQ9712638
公開日1998年9月9日 申請日期1997年11月14日 優先權日1996年11月14日
發明者佐佐木高士, 小口義廣 申請人:株式會社東芝