DE69710273T2 - Erzeugung eines Magnetfeldes - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft die Erzeugung von Magnetfeldern.
• Die vorliegende Erfindung hat sich als eine Folge einer Anforderung auf dem Gebiet der Kristallzüchtung ergeben, aber die Anwendung der Erfindung ist nicht auf ein solches Gebiet beschränkt. Große Einkristalle aus Halbleitermaterial werden mittels einer Vorrichtung gezüchtet, welche üblicherweise eine Schmelzpfanne beinhaltet, die koaxial mit einem Heizelement montiert ist. Die Schmelzpfanne enthält eine geschmolzene Masse des Halbleitermaterials. Die Schmelzpfanne kann in Bezug auf die Heizelemente angehoben oder abgesenkt werden, und elektrische Energie für die Heizelemente wird unter Rechnersteuerung oder anderweitig zugeführt, um ein gewünschtes Temperaturprofil zu erzielen. Um eine einkristalline Struktur zu züchten, wird ein Kristallkeim des Halbleitermaterials in Kontakt mit der Oberfläche des geschmolzenen Materials gebracht, und danach wird der Kristallkeim in Bezug auf das geschmolzene Material angehoben, um den Einkristall zu erzeugen. Während dieses Prozesses ist es wichtig, daß innerhalb des Volumens des Heizelementes ein präzise gesteuerter Temperaturgradient erzielt wird, um ein erfolgreiches Kristallwachstum zu erreichen. Auch andere Faktoren müssen kritisch gesteuert werden, z. B. die Ziehrate des Kristallkeims, aber diese werden für den Fachmann offensichtlich sein und sind für ein Verständnis vorliegender Erfindung nicht wesentlich.
• Es ist außerdem erkannt worden, daß die Anwendung von Magnetfeldern auf das geschmolzene Material eine günstige Auswirkung auf das Kristallwachstum haben kann. Es ist außerdem festgestellt worden, daß, wenn auf das geschmolzene Material Magnetfelder angelegt werden, das Magnetfeld an der Grenzfläche des gerade gezüchteten Kristalls zu dem Schmelzmaterial Null oder nahezu Null sein sollte. Eine bekannte Möglichkeit dieser Forderung zu genügen besteht darin, eine Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung zu verwenden, welche zwei horizontal angeordnete Spulen umfaßt, die koaxial übereinander montiert sind und derartig gewunden sind, daß sie in entgegengesetzten Richtungen erregt werden, so daß sie an einem Punkt auf der Achse mittig zwischen den Spulen ein Magnetfeld von im wesentlichen Null erzeugen. Im Betrieb wird dann der Nullpunkt so angeordnet, daß er mit der Grenzfläche des Kristalls und der Schmelze zusammenfällt. Dies wird üblicherweise erzielt, indem die Schmelzpfanne, welche die Schmelze enthält, angehoben oder abgesenkt wird. Die Spulen sind außerdem üblicherweise in einem Stahlgehäuse aufgenommen, welches sowohl als eine mechanische Halterung für die Spulen als auch als eine magnetische Abschirmung wirkt.
• Um die Leistungsaufnahme zu reduzieren, ist es als vorteilhaft bekannt, die Spulen axial zu trennen, um einen Luftspalt zwischen diesen bereitzustellen.
• Das Dokument JP-63-248793A offenbart eine Vorrichtung zur Züchtung von Einkristallen, welche zwei axial beabstandete Spulen umfaßt, die so zu erregen sind, daß die jeweiligen Magnetfelder am Punkt zwischen den beiden Spulen voneinander ausgelöscht werden.
• In der vorliegenden Erfindung schlagen wir vor, in dem Bereich zwischen den axial beabstandeten Spulen ein Material anzuordnen, welches im Vergleich zu dem Luftspalt eine verstärkende Wirkung auf die durch die Spulenanordnung erzeugte Magnetfeldstärke hat, und das durch eine gegebene Eingangsleistung erzeugte Magnetfeld zu erhöhen.
• Somit wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung zum Erzeugen eines magnetischen Feldes zur Verfügung gestellt, welche eine erste und eine zweite axial beabstandete Spule umfaßt, welche so angeordnet sind, daß sie bei Erregung ein magnetisches Feld erzeugen, welches an einer axialen Position mittig zwischen den Spulen gleich Null oder im wesentlichen gleich Null ist, wobei der ringförmige Zwischenraum zwischen den Spulen, ein Material enthält, welches die von den Spulen erzeugte Feldstärke erhöht, wobei die radiale Feldstärke erhöht wird, während der Nullpunkt erhalten bleibt.
• Das Material kann Stahl sein. Alternativ kann das Material Stahl mit einer Schicht aus einem in radialer Richtung magnetisierten Material sein. Dieses andere Material kann Neodym-Eisen-Bor umfassen.
• Die Erfindung wird nun, lediglich beispielshalber, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigt:
• Fig. 1 eine perspektivische Schnittansicht einer Magnetfeld- Erzeugungsvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung;
• Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Kristallzüchtungsvorrichtung, welche die Magnetfeld- Erzeugungsvorrichtung aus Fig. 1 verwendet;
• Fig. 3 ein schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Steuerung der Leistungszufuhr für die Spulen aus Fig. 1; und
• Fig. 4 eine Ansicht, welche das durch die Magnetfeld- Erzeugungsvorrichtung aus Fig. 2 erzeugte Magnetfeldprofil zeigt.
• Die gezeigte Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung umfaßt eine erste Kupferspule 10, welche in axialem Abstand oberhalb einer zweiten Kupferspule 11 angeordnet ist. Die beiden Spulen werden in einer Stahlabschirmung 12 gehalten. Der ringförmige Zwischenraum 14 zwischen den Spulen 10 und 11 ist mit einem Material gefüllt, welches die Feldstärke des erzeugten Magnetfeldes erhöht, wenn Strom durch die Spulen 10 und 11 geleitet wird. Dieses Material kann Stahl sein, oder es kann Stahl mit einer Schicht aus einem permanent magnetisierten Material wie etwa Neodym-Eisen-Bor sein. Dieses Material wird in radialer Richtung magnetisiert sein.
• Im Betrieb wird ein Erregungsstrom in entgegengesetzten Richtungen durch die Spulen 10 und 11 geleitet, so daß das durch die Spulen erzeugte Magnetfeld auf der Achse der Spulenstruktur an einem im wesentlichen mittigen Punkt zwischen den Spulen eine axiale Komponente von Null aufweist. Es ist zu beachten, daß im Falle einer Kristallzüchtung die in der Figur gezeigte Spulenstruktur eine Schmelzpfanne umgeben wird, welche, innerhalb der Spulenstruktur und relativ zu dieser axial nach oben oder nach unten bewegt werden kann. Die Schmelzpfanne wird derartig angeordnet sein, daß die Grenzfläche zwischen dem gerade gezüchteten Kristall und dem geschmolzenen Schmelzmaterial am Nullpunkt des Magnetfeldes liegt, welches durch die in der Figur gezeigte Vorrichtung erzeugt wird.
• Das Vorsehen des das Magnetfeld verstärkenden Materials zwischen den Spulen 10 und 11 erhöht die radiale Feldstärke der Magnetfeld-Erzeugungsstruktur deutlich, und zwar ohne jede Erhöhung der den Spulen zugeführten Leistung. Der Grad dieser Erhöhung ist in der beigefügten Tabelle dargestellt, welche das gemessene Magnetfeld an verschiedenen Positionen zeigt. Die vierte Spalte zeigt das Magnetfeld, wenn zwischen den beiden Spulen lediglich ein Luftspalt vorhanden ist, die fünfte Spalte zeigt das Magnetfeld, wenn dieser Spalt mit Stahl gefüllt ist, und die sechste Spalte zeigt das Magnetfeld, wenn der Spalt mit Stahl mit einer Schicht aus Neodym-Eisen-Bor gefüllt ist. Tabelle - Magnetfeld [Gauß] in der Öffnung des Magneten [Innenradius R]
• Fig. 2 zeigt schematisch eine Anwendung einer Magnetfeld- Erzeugungsvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung. Diese Figur zeigt eine Vorrichtung, die als eine Czochralski- Kristallzüchtungsvorrichtung bekannt ist, welche zur Züchtung von Kristallen, typischerweise von Siliciumkristallen, verwendet wird. Die Vorrichtung umfaßt eine Schmelzpfanne 20, welche geschmolzenes Material wie etwa Silicium 21 enthält und welche derartig montiert ist, daß sie um eine vertikale Achse gedreht werden kann und außerdem so, daß sie nach oben oder nach unten bewegt werden kann. Eine Heizeinrichtung 22 umgibt die Schmelzpfanne 20 und kann so gesteuert werden, daß sie einen vorgegebenen Temperaturgradienten in der Schmelzpfanne erzeugt. Diese Elemente sind in einem Gehäuse 24 angeordnet, um welches herum eine Magnetfeld- Erzeugungsvorrichtung 25 der unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebenen Art angeordnet ist.
• Im Betrieb wird die Schmelzpfanne gedreht und ein Kristallkeim wird in Kontakt mit der Oberfläche des geschmolzenen Materials 21 gebracht, und danach wird der Kristallkeim in Bezug auf das geschmolzene Material angehoben, um einen Einkristall 28 zu erzeugen. Während dieses Vorgangs ist es wichtig, daß in dem Wachstumsbereich ein präzise gesteuerter Temperaturgradient erzielt wird, und dies wird durch das Heizelement erreicht. Die Art und Weise, in welcher auf diesem Weg Kristalle gezüchtet werden, wird Fachleuten bekannt sein, und weitere Details dieses Züchtungsvorgangs werden hier als unnötig erachtet.
• Es ist außerdem wichtig, daß in dem Wachstumsbereich ein gewünschtes Magnetfeldprofil vorherrscht, und eine Magnetfeld-Erzeugungsstruktur 25 der unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebenen Art hat sich zum Erzielen eines solchen Profils als besonders wirksam erwiesen.
• Fig. 3 veranschaulicht schematisch, wie die Spulen 10 und 11 gesteuert werden, um das gewünschte Profil zu erzielen. Die Steuerung beinhaltet eine Leistungsversorgung 30, welche der oberen Spule einen elektrischen Strom in einer der Richtungen liefern kann, und eine Leistungsversorgung 31, welche der unteren Spule einen elektrischen Strom in einer der Richtungen liefern kann. Eine Steuerung 33 wird verwendet, um den Ausgangsstrom und die Ausgangsspannung der Leistungsversorgung 30, 31 derartig zu steuern, daß die Spulen 10, 11 so erregt werden, daß sie das gewünschte Magnetfeldprofil erzeugen. Die Steuerung 33 kann rechnergestützt sein.
• Fig. 3 zeigt für jede Spule eine separate Leistungsversorgung. Es kann möglich sein, die Spulen 10, 11 elektrisch in Reihe anzuordnen, in welchem Falle nur eine Leistungsversorgung notwendig wäre. In diesem Fall werden die obere und die untere Spule mit entgegengesetzter Polung gewickelt.
• Vorstehend ist erklärt worden, daß ein spezieller Vorteil vorliegender Erfindung darin besteht, daß die vorliegende Struktur für eine gegebene Eingangsleistung eine höhere Feldstärke erzielen kann, und dies hat den Vorteil, daß es ermöglicht, widerstandsbehaftete Leistungserzeuger in Situationen zu verwenden, wo es zuvor möglicherweise notwendig war, supraleitende Anordnungen zu verwenden. Dies führt zu geringeren Anfangskosten, einfacherer Konstruktion und einem zuverlässigeren Betrieb.
• Das durch die Spulen 11 und 12 aus Fig. 2 erzeugte Magnetfeldprofil ist in Fig. 4 dargestellt. Diese zeigt die Magnetfeldlinien 40 in einer Hälfte der Vorrichtung, und die Magnetfeldlinien in der anderen Hälfte stellen ein Spiegelbild dar. Die Linie 41 ist die Symmetrieachse der Vorrichtung. Es ist zu sehen, daß die Spulenanordnung an der Grenzfläche des gerade gezüchteten Kristalls zu dem Schmelzmaterial ein axiales Feld von Null oder nahezu Null erzeugt. Außerdem erzeugt sie in einem radial weiter außen liegenden Teil der Vorrichtung im Bereich des zwischen den Spulen angeordneten Materials 14 ein starkes radiales Magnetfeld. Die Feldlinien in Fig. 4 zeigen die durch Verwendung des Materials 14 bewirkte Verstärkung des Feldes.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Erzeugen eines magnetischen Feldes, umfassend zumindest eine erste und zumindest eine zweite, axial getrennte Spule, die so angeordnet sind, daß sie bei Erregung ein magnetisches Feld erzeugen, bei welchem das axiale Feld gleich null oder das axiale Feld im wesentlichen gleich null an einer axialen Position mittig zwischen den Spulen ist,

dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Zwischenraum zwischen den Spulen ein Material enthält, welche die von den Spulen erzeugte Feldstärke erhöht, wobei dabei die radiale Feldstärke erhöht wird, während der Nullpunkt erhalten bleibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Material Stahl ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Material aus Stahl mit einer Schicht aus einem in radialer Richtung magnetisierten Material besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei welcher das andere Material eine Neodym-Eisen-Bor-Legierung, -Verbindung und/oder -Gemisch umfaßt.

5. . Kristallzüchtungsvorrichtung, welche eine Vorrichtung zum Erzeugen eines magnetischen Feldes nach einem der Ansprüche von 1 bis 4 umfaßt.