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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2025-05-26
(45)【発行日】2025-06-03
(54)【発明の名称】単結晶の製造方法
(51)【国際特許分類】
C30B 29/06 20060101AFI20250527BHJP
C30B 15/20 20060101ALI20250527BHJP
【ＦＩ】
C30B29/06 502G
C30B15/20
【請求項の数】
15
(21)【出願番号】P 2022561308
(86)(22)【出願日】2021-09-22
(86)【国際出願番号】 JP2021034733
(87)【国際公開番号】W WO2022102251
(87)【国際公開日】2022-05-19
【審査請求日】2023-04-21
(31)【優先権主張番号】P 2020186976
(32)【優先日】2020-11-10
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】302006854
【氏名又は名称】株式会社ＳＵＭＣＯ
(74)【代理人】
【識別番号】100115738
【弁理士】
【氏名又は名称】鷲頭 光宏
(74)【代理人】
【識別番号】100121681
【弁理士】
【氏名又は名称】緒方 和文
(72)【発明者】
【氏名】松島 直輝
(72)【発明者】
【氏名】横山 竜介
【審査官】宮崎 園子
(56)【参考文献】
【文献】特開２００７－１８４３８３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－０５１４７５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００１－２０３１０６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６４－０２４０９０（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ３０Ｂ ２９／０６
Ｃ３０Ｂ １５／２０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ルツボ内の融液に横磁場を印加しながら単結晶を引き上げる単結晶の製造方法であって、結晶引き上げ工程中に前記融液の減少に合わせて前記ルツボを上昇させると共に、融液面における磁場の向きと前記ルツボの湾曲した底部の内面における磁場の向きがボディー部育成工程の開始から終了まで一定となるように、前記融液の減少に合わせて磁場分布を制御し、
前記磁場分布の制御は、
前記ルツボの回転軸をＺ軸とし、前記Ｚ軸と直交する前記横磁場の印加方向の中心軸をＹ軸とし、前記Ｚ軸と前記Ｙ軸との交点を原点とし、ＹＺ平面に直交し前記原点を通る軸をＸ軸とするとき、
前記ルツボの湾曲した底部の内面と前記ＹＺ平面との交線上において、当該内面の法線ベクトルと磁場ベクトルとがなす角度θを７５度以上１０５度以下に維持することを特徴とする単結晶の製造方法。
【請求項2】
前記融液面における磁場の向きは、前記融液面と平行である、請求項１に記載の単結晶の製造方法。
【請求項3】
前記原点における磁場の強度を一定に維持しながら、前記ルツボの湾曲した底部の内面の法線ベクトルと磁場ベクトルとの内積の二乗の前記底部における積分値を最小化するように、前記磁場分布を調整する、請求項１又は２に記載の単結晶の製造方法。
【請求項4】
前記底部の中心で当該底部の形状と磁場のＹ方向の２階微分を一致させるように、前記磁場分布を調整する、請求項１又は２に記載の単結晶の製造方法。
【請求項5】
前記ルツボの半径をＲとするとき、前記底部は、前記底部の中心から半径０．７Ｒ以下の範囲である、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の単結晶の製造方法。
【請求項6】
前記ルツボの周囲に複数のコイル素子を設け、各コイル素子の磁場強度を個別に調整することで前記磁場分布を制御する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の単結晶の製造方法。
【請求項7】
前記複数のコイル素子は、コイル軸が一致した複数のコイル素子対を構成している、請求項６に記載の単結晶の製造方法。
【請求項8】
前記複数のコイル素子は、ＸＺ平面を挟んで対称に配置されている、請求項６又は７に記載の単結晶の製造方法。
【請求項9】
前記複数のコイル素子は、ＸＹ平面と平行に配置されている、請求項６乃至８のいずれか一項に記載の単結晶の製造方法。
【請求項10】
前記複数のコイル素子は、第１磁場を発生する第１コイル装置と、前記第１磁場と異なる第２磁場を発生する第２コイル装置とを構成しており、
前記第１磁場の強度と前記第２磁場の強度を個別に調整することで前記磁場分布を制御する、請求項６乃至９のいずれか一項に記載の単結晶の製造方法。
【請求項11】
前記第１磁場は、Ｙ軸のプラス方向の磁場が徐々に弱くなった後、ゼロになり、さらにＹ軸のマイナス方向の磁場が徐々に強くなる磁場変化を有し、前記第２磁場は、Ｙ軸のマイナス方向の磁場が徐々に弱くなった後、ゼロになり、さらにＹ軸のプラス方向の磁場が徐々に強くなる磁場変化を有する、請求項１０に記載の単結晶の製造方法。
【請求項12】
前記ルツボの回転軸をＺ軸とし、前記Ｚ軸と直交する前記横磁場の印加方向の中心軸をＹ軸とし、前記Ｚ軸と前記Ｙ軸との交点を原点とし、ＹＺ平面に直交し前記原点を通る軸をＸ軸とするとき、前記第１コイル装置は、前記ＹＺ平面上に配置され、コイル軸が一致する少なくとも一対のコイル素子を有し、
前記第２コイル装置は、ＸＹ平面と平行に配置され、コイル軸が一致する少なくとも二対のコイル素子を有し、
前記第１コイル装置及び前記第２コイル装置を構成する複数のコイル素子は、ＸＺ平面を挟んで対称に配置されている、請求項１０又は１１に記載の単結晶の製造方法。
【請求項13】
前記第１コイル装置は、前記ＹＺ平面上に配置され、前記Ｚ軸を挟んで対称に配置された第１及び第２コイル素子を有し、前記第２コイル装置は、前記ＸＹ平面上に配置され、前記Ｚ軸を挟んで対称に配置された第３及び第４コイル素子と、前記ＸＹ平面上に配置され、前記Ｚ軸を挟んで対称に配置された第５及び第６コイル素子とを有し、
前記第１乃至第６コイル素子は、前記ＸＺ平面を挟んで対称に配置されている、請求項１２に記載の単結晶の製造方法。
【請求項14】
前記第３及び第４コイル素子のコイル軸が前記Ｙ軸となす角度が＋４５度であり、前記第５及び第６コイル素子のコイル軸が前記Ｙ軸となす角度が－４５度である、請求項１３に記載の単結晶の製造方法。
【請求項15】
前記第１及び第２コイル素子を構成するループコイルのループサイズは同一であり、前記第３乃至第６コイル素子を構成するループコイルのループサイズは同一である、請求項１３又は１４に記載の単結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、単結晶の製造方法に関し、特に、融液に水平磁場を印加しながら単結晶を引き上げる磁場印加チョクラルスキー法（Magnetic field applied Czochralski method）による単結晶の製造方法に関する。また、本発明はそのようなＭＣＺ法に用いられる磁場発生装置及び単結晶製造装置に関する。
【背景技術】
【0002】
石英ルツボ内のシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げるＣＺ法の一つとして、シリコン融液に磁場を印加しながらシリコン単結晶を引き上げるいわゆるＭＣＺ法が知られている。ＭＣＺ法によれば、融液対流が抑えられることから、石英ルツボとの反応によりシリコン融液中に溶け込む酸素の量を抑制してシリコン単結晶の酸素濃度を低く抑えることができる。
【0003】
磁場の印加方法として幾つかの方法が知られているが、中でも横磁場（水平磁場）を印加するＨＭＣＺ法の実用化が進んでいる。ＨＭＣＺ法では石英ルツボの側壁と略直交する横磁場を印加するので、ルツボの側壁近傍の融液対流が効果的に抑制されて、ルツボからの酸素の溶け出し量が減少する。一方、融液表面での対流抑制効果が小さく、融液表面からの酸素（シリコン酸化物）の蒸発がそれほど抑制されないため、融液中の酸素濃度が減少しやすい。したがって、低酸素濃度の単結晶が育成されやすいという特徴がある。
【0004】
ＨＭＣＺ法に関し、例えば特許文献１には、単結晶の引き上げ進行に合わせて磁場中心位置を上下方向に移動させて液面に近接又は離間させることにより、単結晶に取り込まれる酸素濃度を低下又は上昇させることが記載されている。また特許文献２には、磁束がルツボの湾曲した底部に沿って進行するように磁場を発生させることが記載されている。
【0005】
特許文献３には、磁力線の方向が９０度ずれており、かつ磁場分布が互いに異なる２種類の磁場を切り替えて発生させることができる磁場発生装置を用いて、低酸素濃度且つ成長縞が抑制された単結晶だけでなく、高酸素濃度の単結晶も引き上げることが可能な単結晶製造装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開２００４－３２３３２３号公報
【文献】特開昭６２－２５６７８７号公報
【文献】特開２０１７－２０６３９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
ＨＭＣＺ法において、融液面付近に印加される水平磁場は、融液面と平行に真っすぐ進行することが好ましい。上記のように、融液面と直交する磁場成分は融液面の融液対流を抑制し、酸素濃度の増加を招くからである。一方、ルツボ底部において磁場は湾曲した底部に沿って曲がりながら進行することが好ましい。ルツボ内壁面と直交する磁場成分が融液対流を抑制することで融液中の酸素の拡散が不十分となり、単結晶中の酸素濃度にムラが発生しやすいからである。したがって、特許文献２に記載のように、ルツボの湾曲した底面に沿って曲がった磁場を発生させることは有効である。
【0008】
しかし、結晶引き上げ工程中は結晶成長に伴う融液の減少に合わせて石英ルツボを上昇させて融液面の高さ位置を一定に維持する必要があり、石英ルツボを上昇させると、磁場分布及び石英ルツボと磁場の位置関係が変化するため、磁場を石英ルツボの湾曲した底面に沿わせることが難しくなる。特許文献１に記載のように、磁場分布がルツボの湾曲した底面に沿うように磁場中心位置を上昇させることも可能であるが、その場合には融液面付近において磁場が水平にならず、融液面付近での融液対流の停滞により単結晶の酸素濃度が増加するという問題がある。
【0009】
シリコン単結晶の結晶成長方向における酸素濃度分布の変動は、シリコンウェーハの酸素濃度の面内分布に影響を与える。図１４に示すように、結晶成長方向に酸素濃度分布の成長縞があるシリコン単結晶からウェーハを切り出すと、ウェーハの酸素濃度の面内分布は不均一になる。
【0010】
したがって、本発明の目的は、単結晶中の酸素濃度の面内分布を均一にすることが可能な単結晶の製造方法を提供することにある。また本発明の目的は、そのような単結晶の製造方法に用いられる磁場発生装置及び単結晶製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0011】
上記課題を解決するため、本発明者らが単結晶中の酸素濃度の変動について調査したところ、結晶成長方向の特定の範囲では酸素濃度の成長縞が小さくなり、またその範囲では結晶直径の変動が非常に小さいことを見出した。さらに調査した結果、酸素濃度の成長縞が小さくなる範囲の単結晶を育成しているときにはルツボ底面付近での磁力線の向きがルツボ底面と平行に近いことが明らかになった。
【0012】
本発明はこのような技術的知見に基づくものであり、本発明による単結晶の製造方法は、ルツボ内の融液に横磁場を印加しながら単結晶を引き上げる単結晶の製造方法であって、結晶引き上げ工程中に前記融液の減少に合わせて前記ルツボを上昇させると共に、融液面における磁場の向きと前記ルツボの湾曲した底部の内面における磁場の向きがボディー部育成工程の開始から終了まで一定となるように、前記融液の減少に合わせて磁場分布を制御することを特徴とする。
【0013】
本発明による単結晶の製造方法は、融液面付近での磁場の向きとルツボの底部付近での磁場の向きをボディー部育成工程の序盤から終盤まで一定に維持するので、単結晶中の酸素濃度に影響を与える融液対流をできるだけ抑えることができ、これにより単結晶の低酸素化のみならず酸素濃度の面内分布の均一化を図ることができる。
【0014】
本発明において、前記融液面における磁場の向きは、前記融液面と平行であることが好ましい。融液面は、融液と引き上げ炉内雰囲気との界面（気液界面）であり、通常は水平面である。これにより、融液面からの酸素の蒸発を活発化させて単結晶の低酸素化を図ることができる。
【0015】
前記ルツボの回転軸をＺ軸とし、前記Ｚ軸と直交する前記横磁場の磁場中心軸をＹ軸とし、前記Ｚ軸と前記Ｙ軸との交点を原点とし、ＹＺ平面に直交し前記原点を通る軸をＸ軸とするとき、前記ルツボの湾曲した底部の内面と前記ＹＺ平面との交線上において、当該内面の法線ベクトルと磁場ベクトルとがなす角度θを７５度以上１０５度以下に維持することが好ましい。これにより、ルツボ底部での融液対流を抑制して単結晶中の酸素濃度の面内分布を均一にすることができる。
【0016】
本発明による単結晶の製造方法は、前記原点における磁場の強度を一定に維持しながら、前記ルツボの湾曲した底部の内面の法線ベクトルと磁場ベクトルとの内積の二乗の前記底部における積分値を最小化するように、前記磁場分布を調整することが好ましい。あるいは、前記底部の中心で当該底部の形状と磁場のＹ方向の２階微分を一致させるように、前記磁場分布を調整してもよい。これにより、ルツボ底部付近での磁場の向きを底部の湾曲した内面に沿わせることができる。
【0017】
前記ルツボの半径をＲとするとき、前記底部は、前記底部の中心から半径０．７Ｒ以下の範囲であることが好ましい。通常、磁場分布が歪んでいない横磁場下での単結晶引き上げでは、中心付近の磁場分布はルツボの底面と平行に近いため、底部の設定領域が狭い場合、本発明は自動的に満たされ意味をなさない。底部の設定領域が０．７Ｒよりも広い場合には、側壁部に向かって曲率が大きく変化するルツボのコーナー部において上記条件を満たすことが困難となる。
【0018】
本発明による単結晶の製造方法は、前記ルツボの周囲に複数のコイル素子を設け、各コイル素子の磁場強度を個別に調整することで前記磁場分布を制御することが好ましい。この場合において、前記複数のコイル素子は、コイル軸が一致した複数のコイル素子対を構成していることが好ましい。本発明によれば、融液面における磁場の向きを水平に維持しつつ、ルツボ底部付近での磁場の向きをルツボの高さ位置の変化に合わせて変化させることができる。
【0019】
前記複数のコイル素子は、ＸＺ平面を挟んで対称に配置されていることが好ましく、ＸＹ平面と平行に配置されていることが好ましい。本発明によれば、Ｚ軸から見て対称性が高い磁場分布を実現することができる。
【0020】
前記複数のコイル素子は、第１磁場を発生する第１コイル装置と、前記第１磁場と異なる第２磁場を発生する第２コイル装置とを構成しており、前記第１磁場の強度と前記第２磁場及び強度を個別に調整することで前記磁場分布を制御することが好ましい。これにより、融液面における磁場の向きを水平に維持しつつ、ルツボ底部付近での磁場の向きをルツボの高さ位置の変化に合わせて変化させることができる。
【0021】
前記第１磁場は、Ｙ軸のプラス方向の磁場が徐々に弱くなった後、ゼロになり、さらにＹ軸のマイナス方向の磁場が徐々に強くなる磁場変化を有し、前記第２磁場は、Ｙ軸のマイナス方向の磁場が徐々に弱くなった後、ゼロになり、さらにＹ軸のプラス方向の磁場が徐々に強くなる磁場変化を有することが好ましい。これにより、融液面における磁場の向きを水平に維持しつつ、ルツボ底部付近での磁場の向きをルツボの高さ位置の変化に合わせて変化させることができる。
【0022】
また、本発明による磁場発生装置は、ＭＣＺ法による単結晶の製造に用いられ、ルツボ内の融液に横磁場を印加する磁場発生装置であって、第１磁場を発生する第１コイル装置と、前記第１磁場と異なる第２磁場を発生する第２コイル装置とを備え、前記ルツボの回転軸をＺ軸とし、前記Ｚ軸と直交する前記横磁場の印加方向の中心軸をＹ軸とし、前記Ｚ軸と前記Ｙ軸との交点を原点とし、ＹＺ平面に直交し前記原点を通る軸をＸ軸とするとき、前記第１コイル装置は、前記ＹＺ平面上に配置され、コイル軸が一致する少なくとも一対のコイル素子を有し、前記第２コイル装置は、ＸＹ平面と平行に配置され、コイル軸が一致する少なくとも二対のコイル素子を有し、前記第１コイル装置及び前記第２コイル装置を構成する複数のコイル素子は、ＸＺ平面を挟んで対称に配置されていることを特徴とする。
【0023】
本発明によれば、融液面における磁場の向きを水平に維持しつつ、ルツボ底部付近での磁場の向きをルツボの高さ位置の変化に合わせて変化させることができる。このような磁場分布をボディー部育成工程の序盤から終盤まで一定に維持することにより、単結晶中の酸素濃度に影響を与える融液対流をできるだけ抑えることができ、これにより単結晶の低酸素化のみならず酸素濃度の面内分布の均一化を図ることができる。
【0024】
本発明において、前記第１コイル装置は、前記ＹＺ平面上に配置され、前記Ｚ軸を挟んで対称に配置された第１及び第２コイル素子を有し、前記第２コイル装置は、ＸＹ平面上に配置され、前記Ｚ軸を挟んで対称に配置された第３及び第４コイル素子と、ＸＹ平面上に配置され、前記Ｚ軸を挟んで対称に配置された第５及び第６コイル素子とを有し、前記第１乃至第６コイル素子は、ＸＺ平面を挟んで対称に配置されていることが好ましい。これにより、Ｚ軸から見て対称性が高い磁場分布を実現することができる。
【0025】
前記第３及び第４コイル素子のコイル軸が前記Ｙ軸となす角度が＋４５度であり、前記第５及び第６コイル素子のコイル軸が前記Ｙ軸となす角度が－４５度であることが好ましい。これにより、Ｚ軸から見て対称性が高い磁場分布を実現することができる。
【0026】
前記第１及び第２コイル素子を構成するループコイルのループサイズは同一であり、前記第３乃至第６コイル素子を構成するループコイルのループサイズは同一であることが好ましい。これにより、Ｚ軸から見て対称性が高い磁場分布を実現することができる。
【0027】
さらにまた、本発明による単結晶製造装置は、融液を支持するルツボと、前記融液を加熱するヒーターと、前記融液から単結晶を引き上げる結晶引き上げ機構と、前記ルツボを回転及び昇降駆動するルツボ昇降機構と、前記融液に横磁場を印加する上述した本発明による磁場発生装置と、前記ヒーター、前記結晶引き上げ機構、前記ルツボ昇降機構、及び前記磁場発生装置を制御する制御部とを備えることを特徴とする。
【0028】
本発明による単結晶製造装置は、融液面付近での磁場の向きとルツボの底部付近での磁場の向きをボディー部育成工程中のルツボの高さ位置の変化によらず一定に維持するので、単結晶中の酸素濃度に影響を与える融液対流をできるだけ抑えることができ、これにより単結晶の低酸素化のみならず酸素濃度の面内分布の均一化を図ることができる。
【発明の効果】
【0029】
本発明によれば、単結晶中の酸素濃度の面内分布を均一にすることが可能な単結晶の製造方法、磁場発生装置及び単結晶製造装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0030】
【図4】図４（ａ）～（ｃ）は、本発明の第１の実施の形態による磁場発生装置の構成を示す略斜視図であって、（ａ）は磁場発生装置の全体構成、（ｂ）は第１コイル装置の構成、（ｃ）は第２コイル装置の構成をそれぞれ示している。
【図7】図７（ａ）～（ｃ）は、本発明の第２の実施の形態による磁場発生装置２０の構成を示す略斜視図であって、（ａ）は磁場発生装置の全体構成、（ｂ）は第１コイル装置の構成、（ｃ）は第２コイル装置の構成をそれぞれ示している。
【図8】図８（ａ）～（ｃ）は、本発明の第３の実施の形態による磁場発生装置２０の構成を示す略斜視図であって、（ａ）は磁場発生装置２０の全体構成、（ｂ）は第１コイル装置の構成、（ｃ）は第２コイル装置の構成をそれぞれ示している。
【図9】図９（ａ）～（ｃ）は、本発明の第４の実施の形態による磁場発生装置２０の構成を示す略斜視図であって、（ａ）は磁場発生装置２０の全体構成、（ｂ）は第１コイル装置の構成、（ｃ）は第２コイル装置の構成をそれぞれ示している。
【図11】図１１（ａ）～（ｃ）は、図１０（ａ）及び（ｂ）に示した磁場出力プロファイルを用いて生成した複合磁場の磁力線とルツボ底部の内面とがなす角度を示すグラフであって、（ａ）は融液深さが２００ｍｍ、（ｂ）は融液深さが３００ｍｍ、（ｃ）は融液深さが４００ｍｍの場合をそれぞれ示すものである。
【図13】図１３（ａ）～（ｆ）は、比較例及び実施例によるシリコン単結晶の酸素濃度の評価結果を示すグラフであって、図１３（ａ）～（ｃ）は単一磁場を印加しながら製造した比較例によるシリコン単結晶の酸素濃度の評価結果であり、図１３（ｄ）～（ｆ）は複合磁場を印加しながら製造した実施例によるシリコン単結晶の酸素濃度の評価結果である。
【図14】従来のシリコン単結晶の問題点を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0031】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
【0032】
図１は、本発明の実施の形態による単結晶製造装置の構成を概略的に示す側面断面図である。
【0033】
図１に示すように、単結晶製造装置１は、チャンバー１０と、チャンバー１０内においてシリコン融液２を保持する石英ルツボ１１と、石英ルツボ１１を保持するグラファイト製のサセプタ１２と、サセプタ１２を支持する回転シャフト１３と、回転シャフト１３を回転及び昇降駆動するシャフト駆動機構１４と、サセプタ１２の周囲に配置されたヒーター１５と、ヒーター１５の外側であってチャンバー１０の内面に沿って配置された断熱材１６と、石英ルツボ１１の上方に配置された熱遮蔽体１７と、石英ルツボ１１の上方であって回転シャフト１３と同軸上に配置された単結晶引き上げ用のワイヤー１８と、チャンバー１０の上方に配置されたワイヤー巻き取り機構１９とを備えている。
【0034】
また単結晶製造装置１は、チャンバー１０の外側に配置された磁場発生装置２０と、チャンバー１０内を撮影するＣＣＤカメラ２５と、ＣＣＤカメラ２５で撮影された画像を処理する画像処理部２６と、画像処理部２６の出力に基づいてシャフト駆動機構１４、ヒーター１５及びワイヤー巻き取り機構１９を制御する制御部２７とを備えている。
【0035】
チャンバー１０は、メインチャンバー１０ａと、メインチャンバー１０ａの上部開口に連結された細長い円筒状のプルチャンバー１０ｂとで構成されており、石英ルツボ１１、サセプタ１２、ヒーター１５及び熱遮蔽体１７はメインチャンバー１０ａ内に設けられている。プルチャンバー１０ｂにはチャンバー１０内にアルゴンガス等の不活性ガス（パージガス）を導入するためのガス導入口１０ｃが設けられており、メインチャンバー１０ａの下部には不活性ガスを排出するためのガス排出口１０ｄが設けられている。また、メインチャンバー１０ａの上部には覗き窓１０ｅが設けられており、シリコン単結晶３の育成状況（固液界面）を覗き窓１０ｅから観察可能である。
【0036】
石英ルツボ１１は、円筒状の側壁部と、緩やかに湾曲した底部と、側壁部と底部との間に設けられたコーナー部とを有する石英ガラス製の容器である。サセプタ１２は、加熱によって軟化した石英ルツボ１１の形状を維持するため、石英ルツボ１１の外表面に密着して石英ルツボ１１を包むように保持する。石英ルツボ１１及びサセプタ１２はチャンバー１０内においてシリコン融液を支持する二重構造のルツボを構成している。
【0037】
サセプタ１２は鉛直方向に延びる回転シャフト１３の上端部に固定されている。また回転シャフト１３の下端部はチャンバー１０の底部中央を貫通してチャンバー１０の外側に設けられたシャフト駆動機構１４に接続されている。サセプタ１２、回転シャフト１３及びシャフト駆動機構１４は石英ルツボ１１を回転させながら昇降駆動するルツボ昇降機構を構成している。
【0038】
ヒーター１５は、石英ルツボ１１内に充填されたシリコン原料を溶融して溶融状態を維持するために用いられる。ヒーター１５はカーボン製の抵抗加熱式ヒーターであり、サセプタ１２内の石英ルツボ１１の全周を取り囲むように設けられた略円筒状の部材である。さらにヒーター１５の外側は断熱材１６に取り囲まれており、これによりチャンバー１０内の保温性が高められている。
【0039】
熱遮蔽体１７は、シリコン融液２の温度変動を抑制して固液界面付近に適切なホットゾーンを形成すると共に、ヒーター１５及び石英ルツボ１１からの輻射熱によるシリコン単結晶３の加熱を防止するために設けられている。熱遮蔽体１７は、シリコン単結晶３の引き上げ経路を除いたシリコン融液２の上方の領域を覆うグラファイト製の円筒部材である。
【0040】
熱遮蔽体１７の下端中央にはシリコン単結晶３の直径よりも大きな円形の開口が形成されており、シリコン単結晶３の引き上げ経路が確保されている。図示のように、シリコン単結晶３は開口を通過して上方に引き上げられる。熱遮蔽体１７の開口の直径は石英ルツボ１１の口径よりも小さく、熱遮蔽体１７の下端部は石英ルツボ１１の内側に位置するので、石英ルツボ１１のリム上端を熱遮蔽体１７の下端よりも上方まで上昇させても熱遮蔽体１７が石英ルツボ１１と干渉することはない。
【0041】
シリコン単結晶３の成長と共に石英ルツボ１１内の融液量は減少するが、融液面２ｓと熱遮蔽体１７との間隔（ギャップ）が一定になるように石英ルツボ１１を上昇させることにより、シリコン融液２の温度変動を抑制すると共に、融液面２ｓの近傍（パージガス誘導路）を流れるガスの流速を一定にしてシリコン融液２からのドーパントの蒸発量を制御することができる。したがって、単結晶の引き上げ軸方向の結晶欠陥分布、酸素濃度分布、抵抗率分布等の安定性を向上させることができる。
【0042】
石英ルツボ１１の上方には、シリコン単結晶３の引き上げ軸であるワイヤー１８と、ワイヤー１８を巻き取るワイヤー巻き取り機構１９が設けられており、これらは結晶引き上げ機構を構成している。ワイヤー巻き取り機構１９はワイヤー１８と共に単結晶を回転させる機能を有している。ワイヤー巻き取り機構１９はプルチャンバー１０ｂの上方に配置されており、ワイヤー１８はワイヤー巻き取り機構１９からプルチャンバー１０ｂ内を通って下方に延びており、ワイヤー１８の先端部はメインチャンバー１０ａの内部空間まで達している。図１には、育成途中のシリコン単結晶３がワイヤー１８に吊設された状態が示されている。単結晶の引き上げ時には種結晶をシリコン融液２に浸漬し、石英ルツボ１１と種結晶をそれぞれ回転させながらワイヤー１８を徐々に引き上げることにより単結晶を成長させる。
【0043】
磁場発生装置２０は、石英ルツボ１１の周囲に設けられた複数のコイルからなり、シリコン融液２に横磁場（水平磁場）を印加する。石英ルツボ１１の回転軸上（結晶引き上げ軸の延長線上）における横磁場の最大強度は、一般的なＨＭＣＺの磁場強度範囲である０．１５～０．６（Ｔ）であることが好ましい。シリコン融液２に磁場を印加することで磁力線に直交する方向の融液対流を抑制することができる。したがって、石英ルツボ１１からの酸素の溶出を抑えることができ、シリコン単結晶中の酸素濃度を低減することができる。
【0044】
メインチャンバー１０ａの上部には内部を観察するための覗き窓１０ｅが設けられており、ＣＣＤカメラ２５は覗き窓１０ｅの外側に設置されている。単結晶引き上げ工程中、ＣＣＤカメラ２５は覗き窓１０ｅから熱遮蔽体１７の開口１７ａを通して見えるシリコン単結晶３とシリコン融液２との境界部の画像を撮影する。ＣＣＤカメラ２５は画像処理部２６に接続されており、撮影画像は画像処理部２６で処理され、処理結果は制御部２７において結晶引き上げ条件の制御に用いられる。
【0045】
【0046】
図２及び図３示すように、シリコン単結晶３の製造では、石英ルツボ１１内のシリコン原料を加熱してシリコン融液２を生成する（ステップＳ１１）。その後、ワイヤー１８の先端部に取り付けられた種結晶を降下させてシリコン融液２に着液させる（ステップＳ１２）。
【0047】
次に、シリコン融液２との接触状態を維持しながら種結晶を徐々に引き上げて単結晶を育成する単結晶の引き上げ工程を実施する。単結晶の引き上げ工程では、無転位化のために結晶直径が細く絞られたネック部３ａを形成するネッキング工程（ステップＳ１３）と、規定の直径を得るために結晶直径が徐々に増加したショルダー部３ｂを形成するショルダー部育成工程（ステップＳ１４）と、結晶直径が一定に維持されたボディー部３ｃを形成するボディー部育成工程（ステップＳ１５）と、結晶直径が徐々に減少したテール部３ｄを形成するテール部育成工程（ステップＳ１６）が順に実施され、シリコン単結晶３が融液面２ｓから最終的に切り離されることによりテール部育成工程が終了する。以上により、単結晶の上端から下端に向かって順に、ネック部３ａ、ショルダー部３ｂ、ボディー部３ｃ、及びテール部３ｄを有するシリコン単結晶インゴット３が完成する。
【0048】
単結晶の引き上げ工程中は、シリコン単結晶３の直径及びシリコン融液２の液面位置を制御するため、ＣＣＤカメラ２５でシリコン単結晶３とシリコン融液２との境界部の画像を撮影し、撮影画像から固液界面におけるシリコン単結晶３の直径及び融液面２ｓと熱遮蔽体１７との間隔（ギャップ）を算出する。制御部２７は、シリコン単結晶３の直径が目標直径となるようにワイヤー１８の引き上げ速度、ヒーター１５のパワー等の引き上げ条件を制御する。また制御部２７は、融液面２ｓと熱遮蔽体１７との間隔が一定となるように石英ルツボ１１の高さ位置を制御する。
【0049】
次に、磁場発生装置２０の構成について詳細に説明する。
【0050】
図４（ａ）～（ｃ）は、本発明の第１の実施の形態による磁場発生装置２０の構成を示す略斜視図であって、（ａ）は磁場発生装置２０の全体構成、（ｂ）は第１コイル装置２１の構成、（ｃ）は第２コイル装置２２の構成をそれぞれ示している。
【0051】
図４（ａ）に示すように、この磁場発生装置２０は、第１の横磁場を発生する第１コイル装置２１と、第１の横磁場と異なる第２の横磁場を発生する第２コイル装置２２との組み合わせからなる。石英ルツボ１１の回転軸（結晶中心軸）をＺ軸とし、Ｚ軸と融液面との交点を直交座標系の原点とするとき、横磁場の印加方向はＹ軸方向とする。このように、２つのコイル装置を用意し、各々が発生する横磁場の強度を独立に変化させることにより、石英ルツボ１１の上昇に合わせて磁場分布を変化させることができる。
【0052】
図４（ｂ）に示すように、第１コイル装置２１は、ループコイルからなる一対のコイル素子を備えている。詳細には、第１コイル装置２１は、第１コイル素子２１ａと、Ｚ軸を挟んで第１コイル素子２１ａと対向する第２コイル素子２１ｂとを備えている。第１コイル素子２１ａはＹ軸方向のマイナス側、第２コイル素子２１ｂはＹ軸方向のプラス側にそれぞれ配置されている。特に、第１コイル素子２１ａと第２コイル素子２１ｂはＸＺ平面を挟んで対称に配置されている。
【0053】
第１及び第２コイル素子２１ａ，２１ｂのループサイズは同一であり、比較的大きな直径を有している。第１コイル素子２１ａ及び第２コイル素子２１ｂのコイル軸（コイル中心軸）はＹ軸と一致している。そのため、第１コイル装置２１から発生する磁場の中心軸はＹ軸と一致している。
【0054】
第１コイル装置２１の動作では、一対のコイル素子の磁場発生方向を互いに一致させる。すなわち、第１コイル装置２１からＹ軸のプラス方向の磁場を発生させたい場合には、第１及び第２コイル素子２１ａ，２１ｂともに磁場の向きをＹ軸のプラス方向（第１コイル素子２１ａから第２コイル素子２１ｂに向かう方向）に設定する。逆に、Ｙ軸のマイナス方向の磁場を発生させたい場合には、第１及び第２コイル素子２１ａ，２１ｂともに磁場の向きをＹ軸のマイナス方向（第２コイル素子２１ｂから第１コイル素子２１ａに向かう方向）に設定する。
【0055】
図４（ｃ）に示すように、第２コイル装置２２は、ループコイルからなる二対のコイル素子を備えている。詳細には、第２コイル装置２２は、第３コイル素子２２ａと、Ｚ軸を挟んで第３コイル素子２２ａと対向する第４コイル素子２２ｂと、第５コイル素子２２ｃと、Ｚ軸を挟んで第５コイル素子２２ｃと対向する第６コイル素子２２ｄとを備えている。第３コイル素子２２ａ及び第５コイル素子２２ｃはＹ軸方向のマイナス側、第４コイル素子２２ｂ及び第６コイル素子２２ｄはＹ軸方向のプラス側にそれぞれ配置されている。特に、第３及び第５コイル素子２２ａ，２２ｃと第４及び第６コイル素子２２ｂ，２２ｄはＸＺ平面を挟んで対称に配置されている。
【0056】
第３～第６コイル素子２２ａ～２２ｄのループサイズは同一であり、さらに第１及び第２コイル素子２１ａ，２１ｂのループサイズと同一である。第３及び第４コイル素子２２ａ，２２ｂのコイル軸はＸＹ平面内に存在し、Ｙ軸に対して反時計回りに４５度（＋４５度）傾いている。第５及び第６コイル素子２２ｃ，２２ｄのコイル軸もＸＹ平面内に存在するが、Ｙ軸に対して時計回りに４５度（－４５度）傾いている。したがって、第５及び第６コイル素子２２ｃ，２２ｄのコイル軸は、第３及び第４コイル素子２２ａ，２２ｂのコイル軸と直交している。
【0057】
第２コイル装置２２の動作でも、一対のコイル素子の磁場発生方向を互いに一致させる。すなわち、第２コイル装置２２からＹ軸のプラス方向の磁場を発生させたい場合には、第３及び第４コイル素子２２ａ，２２ｂともに磁場の向きをＹ軸のプラス方向（第３コイル素子２２ａから第４コイル素子２２ｂに向かう方向）にすると共に、第５及び第６コイル素子２２ｃ，２２ｄともに磁場の向きをＹ軸のプラス方向（第５コイル素子２２ｃから第６コイル素子２２ｄに向かう方向）に設定する。これにより、第３～第６コイル素子２２ａ～２２ｄの合成磁場の向きはＹ軸のプラス方向となる。逆に、Ｙ軸のマイナス方向の磁場を発生させたい場合には、第３及び第４コイル素子２２ａ，２２ｂともに磁場の向きをＹ軸のマイナス方向（第４コイル素子２２ｂから第３コイル素子２２ａに向かう方向）に設定すると共に、第５及び第６コイル素子２２ｃ，２２ｄともに磁場の向きをＹ軸のマイナス方向（第６コイル素子２２ｄから第５コイル素子２２ｃに向かう方向）に設定する。これにより、第３～第６コイル素子２２ａ～２２ｄの合成磁場の向きはＹ軸のマイナス方向となる。
【0058】
図５は、第１コイル装置２１及び第２コイル装置２２から発生する磁場強度の変化を示すグラフである。
【0059】
図５に示すように、結晶引き上げ工程の序盤では、第１コイル装置２１からＹ軸のプラス方向を向いた比較的大きな磁場を印加し、第２コイル装置２２からＹ軸のマイナス方向を向いた比較的大きな磁場を印加する。
【0060】
その後、結晶成長が進むにつれて、第１コイル装置２１の磁場（第１磁場）を徐々に弱くし、第２コイル装置２２から発生する磁場（第２磁場）を徐々に強くする。第１コイル装置２１から発生する磁場は、Ｙ軸のプラス方向の磁場が徐々に弱くなってゼロになり、さらに磁場の向きが反転し、Ｙ軸のマイナス方向の磁場が徐々に強くなる磁場変化を有する。第２コイル装置２２から発生する磁場は、Ｙ軸のマイナス方向の磁場が徐々に弱くなってゼロになり、さらに磁場の向きが反転し、Ｙ軸のプラス方向の磁場が徐々に強くなる磁場変化を有する。したがって、結晶引き上げ工程の終盤では、第１コイル装置２１からＹ軸のマイナス方向を向いた比較的大きな磁場を印加し、第２コイル装置２２からＹ軸のプラス方向を向いた比較的大きな磁場を印加する。第１コイル装置２１の磁場プロファイルがゼロになるタイミングと第２コイル装置２２の磁場プロファイルがゼロになるタイミングは一致しない。
【0061】
図６（ａ）～（ｃ）は、石英ルツボ１１内のシリコン融液２に印加される複合磁場のベクトル分布を示す模式図である。なお、図６にはシリコン融液付近の磁場のみを記載し、シリコン融液の周囲に広がる磁場は省略している。また、融液面２ｓから引き上げられたシリコン単結晶３の図示も省略している。
【0062】
図６（ａ）に示す結晶引き上げ工程の序盤では、石英ルツボ１１内のシリコン融液の残量が多く、融液面２ｓはルツボ底部から十分に離れている。なお融液面２ｓとは気液界面のことであり、シリコン融液２と石英ルツボ１１との界面とは区別される。このとき、図５に示した結晶長が短いときの磁場強度プロファイルを適用することにより、ルツボ底部付近に印加される磁場の向きをルツボの底部の湾曲形状にフィットさせることができる。
【0063】
図６（ｂ）に示す結晶引き上げ工程の中盤では、石英ルツボ１１内のシリコン融液が減少し、融液面２ｓが低下してルツボ底部に近づく。図６（ｃ）に示す結晶引き上げ工程の終盤では、融液面２ｓがさらに低下する。しかし、図５に示したように、結晶長（シリコン融液残量）に合わせて第１コイル装置２１及び第２コイル装置２２の磁場強度を変化させることにより、結晶引き上げ工程の序盤から終盤まで、融液面２ｓ付近の磁場を水平に維持しながら、ルツボ底部付近に印加される磁場の向きをルツボの底部の湾曲形状にフィットさせることができる。
【0064】
ルツボ底部付近に印加される磁場の向きがルツボの湾曲した底部に沿っていない場合、ルツボの底部において対流が部分的に抑制され、シリコン融液の大きなロール流の形状が時間的に変動して不安定となる。そのため、ルツボの底部でシリコン融液中に溶け込んだ酸素のシリコン単結晶への届き方も時間変動して酸素濃度の面内分布にばらつきが発生する。
【0065】
しかし、ルツボ底部付近に印加される磁場の向きがルツボの湾曲した底部に沿っている場合、シリコン融液には大きなロール流が安定的に発生し、融液面２ｓから酸素が蒸発しやすくなるので、シリコン単結晶中に取り込まれる酸素の量は減少する。ルツボ底部付近に印加される磁場の向きがルツボの湾曲した底部に沿っている場合、ルツボの底部の対流が抑制されないため、ルツボからシリコン融液への酸素の溶け出し量は多くなる。しかし、シリコン単結晶中の酸素濃度は、融液面からの酸素の蒸発の影響を強く受けるので、シリコン融液中への酸素の溶け込み量が多少増えたとしても、シリコン単結晶中の酸素濃度は上昇しない。
【0066】
図７（ａ）～（ｃ）は、本発明の第２の実施の形態による磁場発生装置２０の構成を示す略斜視図であって、（ａ）は磁場発生装置２０の全体構成、（ｂ）は第１コイル装置２１の構成、（ｃ）は第２コイル装置２２の構成をそれぞれ示している。
【0067】
図７（ａ）～（ｃ）に示すように、この磁場発生装置２０は、第１の実施の形態で示した磁場発生装置よりも第１及び第２コイル装置２１，２２を構成するコイル素子のループサイズが小さい点にある。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。このような構成であっても、第１の実施の形態と同様の効果を奏することができる。
【0068】
図８（ａ）～（ｃ）は、本発明の第３の実施の形態による磁場発生装置２０の構成を示す略斜視図であって、（ａ）は磁場発生装置２０の全体構成、（ｂ）は第１コイル装置２１の構成、（ｃ）は第２コイル装置２２の構成をそれぞれ示している。
【0069】
図８（ａ）～（ｃ）に示すように、この磁場発生装置２０は、図７（ａ）～（ｃ）に示した第１及び第２コイル装置２１，２２におけるコイル素子２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄを上下二段のコイル素子対２１ａｐ，２１ｂｐ，２２ａｐ，２２ｂｐ，２２ｃｐ，２２ｄｐに置き換えたものである。すなわち、第１コイル装置２１はループコイルからなる二対のコイル素子を備えており、第２コイル装置２２はループコイルからなる四対のコイル素子を備えている。
【0070】
図８（ｂ）に示すように、第１コイル装置２１は、第１コイル素子対２１ａｐ（２１ａ１，２１ａ２）と、Ｚ軸を挟んで第１コイル素子対２１ａｐと対向する第２コイル素子対２１ｂｐ（２１ｂ１，２１ｂ２）とを備えている。第１コイル素子対２１ａｐ（２１ａ１，２１ａ２）はＹ軸方向のマイナス側、第２コイル素子対２１ｂｐ（２１ｂ１，２１ｂ２）はＹ軸方向のプラス側にそれぞれ配置されている。
【0071】
第１コイル素子対２１ａｐの上段コイル部２１ａ１は、ＸＹ平面を挟んで第１コイル素子対２１ａｐの下段コイル部２１ａ２と対称な位置関係を有しており、第２コイル素子対２１ｂｐの上段コイル部２１ｂ１は、ＸＹ平面を挟んで第２コイル素子対２１ｂｐの下段コイル部２１ｂ２と対称な位置関係を有している。上段コイル部２１ａ１と上段コイル部２１ｂ１はコイル軸が一致する一対のコイル素子を構成しており、下段コイル部２１ａ２と下段コイル部２１ｂ２もコイル軸が一致する一対のコイル素子を構成している。
【0072】
図８（ｃ）に示すように、第２コイル装置２２は、第３コイル素子対２２ａｐ（２２ａ１，２２ａ２）と、Ｚ軸を挟んで第３コイル素子対２２ａｐと対向する第４コイル素子対２２ｂｐ（２２ｂ１，２２ｂ２）と、第５コイル素子対２２ｃｐ（２２ｃ１，２２ｃ２）と、Ｚ軸を挟んで第５コイル素子対２２ｃｐと対向する第６コイル素子対２２ｄｐ（２２ｄ１，２２ｄ２）とを備えている。第３コイル素子対２２ａｐ及び第５コイル素子対２２ｃｐはＹ軸方向のマイナス側、第４コイル素子対２２ｂｐ及び第６コイル素子対２２ｄｐはＹ軸方向のプラス側にそれぞれ配置されている。
【0073】
第３コイル素子対２２ａｐの上段コイル部２２ａ１は、ＸＹ平面を挟んで第３コイル素子対２２ａｐの下段コイル部２２ａ２と対称な位置関係を有しており、第４コイル素子対２２ｂｐの上段コイル部２２ｂ１は、ＸＹ平面を挟んで第４コイル素子対２２ｂｐの下段コイル部２２ｂ２と対称な位置関係を有している。上段コイル部２２ａ１と上段コイル部２２ｂ１はコイル軸が一致する一対のコイル素子を構成しており、下段コイル部２２ａ２と下段コイル部２２ｂ２もコイル軸が一致する一対のコイル素子を構成している。
【0074】
第５コイル素子対２２ｃｐの上段コイル部２２ｃ１は、ＸＹ平面を挟んで第５コイル素子対２２ｃｐの下段コイル部２２ｃ２と対称な位置関係を有しており、第６コイル素子対２２ｄｐの上段コイル部２２ｄ１は、ＸＹ平面を挟んで第６コイル素子対２２ｄｐの下段コイル部２２ｄ２と対称な位置関係を有している。上段コイル部２２ｃ１と上段コイル部２２ｄ１はコイル軸が一致する一対のコイル素子を構成しており、下段コイル部２２ｃ２と下段コイル部２２ｄ２もコイル軸が一致する一対のコイル素子を構成している。
【0075】
以上の構成を有する第３の実施の形態による磁場発生装置２０も、第１の実施の形態と同様の効果を奏することができる。
【0076】
図９（ａ）～（ｃ）は、本発明の第４の実施の形態による磁場発生装置２０の構成を示す略斜視図であって、（ａ）は磁場発生装置２０の全体構成、（ｂ）は第１コイル装置２１の構成、（ｃ）は第２コイル装置２２の構成をそれぞれ示している。
【0077】
図９（ａ）～（ｃ）に示すように、この磁場発生装置２０は、第１コイル装置２１がループコイルからなる二対のコイル素子（コイル素子２１ａ１，２１ａ２，２１ｂ１，２１ｂ２）を備えており、第２コイル装置２２がループコイルからなる二対のコイル素子（コイル素子２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ）を備えている点にある。すなわち、第１コイル装置２１については図８と同様の構成とし、第２コイル装置２２については図７と同様の構成を採用したものである。本実施形態においても、他の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【0078】
石英ルツボの底部の湾曲形状に平行な磁場は、数式を用いて求めることができる。
【0079】
例えば、石英ルツボの内底面Ｚ＝Ｃ（Ｙ）の法線ベクトルｎと磁場ベクトルの内積の二乗のＹ＝０からＹ＝Ｙmaxまでの積分値を最小化するように磁場発生装置２０の出力を調整する。つまり、以下の(１)式を、原点の磁場強度を特定の値に固定しながら最小化する。
【0080】
【数1】
【0081】
ここでＢ１は第１コイル装置２１が単独でつくる磁場ベクトルであり、Ｂ２は第２コイル装置２２が単独でつくる磁場ベクトルである。
【0082】
磁場分布はルツボ中心軸付近では水平に近づくため、ルツボ底部の中心付近ではルツボ底部の形状と磁場分布はある程度平行に近い。それに対して、ルツボ底部の外周付近では磁場分布とルツボ形状が平行から離れる傾向がある。よって、(１)式の被積分関数はＹが大きいところで大きくなるため、（１）式の最小化にはＹの大きいところで被積分関数を小さくする、つまりルツボ形状と磁力線を平行に近づける必要がある。
【0083】
Ｙmaxはルツボ半径Ｒの７０％以下が望ましい（０≦Ｙmax≦０．７Ｒ）。Ｙmaxが小さすぎればルツボ外周部での平行が満たされない。Ｙmaxが大きすぎれば、外周に合わせるためルツボ底部の中心部と外周部の間の部分で平行が悪くなり、また、ルツボ側壁面に向かって急変するルツボ形状が（１）式に大きく影響する。
【0084】
（１）式のバリエーションとしてＢではなくＢの方向ベクトルを用いて評価する方法も考えられる。
【0085】
すなわち、ルツボ底中心でルツボ底形状と磁力線のＹ方向の２階微分を一致させる。具体的には以下の（２）式を満たすように磁場発生装置２０の出力を調整する。
【0086】
【数2】
【0087】
ここでＢ１，Ｙ及びＢ１，Ｚはそれぞれ第１コイル装置２１が単独で作る磁場ベクトルＢ１のＹ方向成分及びＺ方向成分であり、Ｂ２，ＹおよびＢ２，Ｚはそれぞれ第２コイル装置２２が単独で作る磁場ベクトルＢ２のＹ方向成分及びＺ方向成分である。
【0088】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【0089】
例えば、上記実施形態においてはシリコン単結晶の製造方法を例に挙げたが、本発明はシリコン単結晶の製造方法に限定されず、ＨＭＣＺ法を採用する種々の単結晶の製造方法に適用可能である。
【実施例】
【0090】
図９に示した磁場発生装置２０を用いてＨＭＣＺ法によるシリコン単結晶の育成を行った。上記のように、この磁場発生装置２０は、垂直面内に配置された４つのコイル素子２１ａ１，２１ａ２，２１ｂ１，２１ｂ２からなる第１コイル装置２１と、水平面内に配置された４つのコイル素子２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄからなる第２コイル装置２２とで構成されたものである。
【0091】
直交座標の原点（結晶中心軸（Ｚ軸）と磁場中心軸（Ｙ軸）との交点）での磁場強度は３０００Ｇとした。石英ルツボの直径は８１３ｍｍ、石英ルツボの湾曲した底部の曲率半径は８１３ｍｍであった。
【0092】
電磁場解析ソフトを用いて第１及び第２コイル装置が作る磁場を計算した。融液面における磁場ベクトルはＹ軸と平行にした。またＹＺ平面内で石英ルツボの底部の内面の法線と磁場ベクトルとがなす角度を計算し、融液深さ（液面からルツボ底までの距離）に対する磁場出力を、上記（２）式を用いて計算した。その結果を図１０（ａ）及び（ｂ）のグラフに示す。なお、図１０（ａ）及び（ｂ）のグラフでは、第１及び第２コイル装置の各々が単独で結晶－融液面中心で磁場強度を作るのに必要な出力を１としている。
【0093】
図１０（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１コイル装置の出力（第１磁場）は、最初はＹ軸のプラス方向に大きな磁場強度を有するが、結晶成長が進み融液量が減少するにつれてＹ軸のプラス方向の磁場強度が徐々に低下して途中でゼロとなり、さらにＹ軸のマイナス方向の磁場強度が徐々に増加する。逆に、第２コイル装置の出力（第２磁場）は、最初はＹ軸のマイナス方向に大きな磁場強度を有するが、結晶成長が進み融液量が減少するにつれてＹ軸のマイナス方向の磁場強度が徐々に低下して途中でゼロとなり、さらにプラス方向の磁場強度が徐々に増加する。
【0094】
図１１（ａ）～（ｃ）は、図１０（ａ）及び（ｂ）に示した磁場出力プロファイルを用いて生成した複合磁場の磁力線がルツボ底部の内面となす角度θを、第１及び第２コイル装置がそれぞれ単独で動作したときに発生する磁場と比較しながらに示すグラフである。
【0095】
図１１（ｃ）に示すように、融液深さが４００ｍｍの場合において、複合磁場を印加したときのルツボ底部の内面に対する磁場角度は約９０度～９５度となった。また図１１（ｂ）に示すように、融液深さが３００ｍｍの場合においても、磁場角度は約９０度～９５度となった。図１１（ａ）に示すように、融液深さが２００ｍｍの場合には、磁場角度がほぼ９０度となり、非常に良好な結果となった。
【0096】
図１２は、複合磁場を印加しながら製造した実施例によるシリコン単結晶の結晶成長方向の酸素濃度分布を示すグラフである。図示のグラフから明らかなように、結晶成長方向の酸素濃度は１０×１０１７～１１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の範囲内で非常に安定した結果となった。
【0097】
図１３（ａ）～（ｆ）は、比較例及び実施例によるシリコン単結晶の酸素濃度の評価結果を示すグラフである。特に、図１３（ａ）～（ｃ）は、単一磁場（従来磁場）を印加しながら製造した比較例によるシリコン単結晶の酸素濃度の評価結果であって、結晶長が５００ｍｍ、１１００ｍｍ、１７００ｍｍの位置での酸素濃度の面内分布（径方向分布）を示すグラフである。また、図１３（ｄ）～（ｆ）は、複合磁場を印加しながら製造した実施例によるシリコン単結晶の酸素濃度の評価結果であって、結晶長が５００ｍｍ、１１００ｍｍ、１７００ｍｍの位置での酸素濃度の面内分布（径方向分布）を示すグラフである。
【0098】
図１３（ａ）～（ｃ）に示すように、比較例によるシリコン単結晶の酸素濃度分布はばらつきが大きかった。一方、図１３（ｄ）～（ｆ）に示すように、実施例によるシリコン単結晶の酸素濃度分布はばらつきが小さくなった。
【符号の説明】
【0099】
１ 単結晶製造装置
２ シリコン融液
３ シリコン単結晶（インゴット）
３ａ ネック部
３ｂ ショルダー部
３ｃ ボディー部
３ｄ テール部
１０ チャンバー
１０ａ メインチャンバー
１０ｂ プルチャンバー
１０ｃ ガス導入口
１０ｄ ガス排出口
１０ｅ 覗き窓
１１ 石英ルツボ
１２ サセプタ
１３ 回転シャフト
１４ シャフト駆動機構
１５ ヒーター
１６ 断熱材
１７ 熱遮蔽体
１８ ワイヤー
１９ ワイヤー巻き取り機構
２０ 磁場発生装置
２１ａ 第１コイル素子
２１ａ１ 上段コイル部
２１ａ２ 下段コイル部
２１ａｐ 第１コイル素子対
２１ｂ 第２コイル素子
２１ｂ１ 上段コイル部
２１ｂ２ 下段コイル部
２１ｂｐ 第２コイル素子対
２２ａ 第３コイル素子
２２ａ１ 上段コイル部
２２ａ２ 下段コイル部
２２ａｐ 第３コイル素子対
２２ｂ 第４コイル素子
２２ｂ１ 上段コイル部
２２ｂ２ 下段コイル部
２２ｂｐ 第４コイル素子対
２２ｃ 第５コイル素子
２２ｃ１ 上段コイル部
２２ｃ２ 下段コイル部
２２ｃｐ 第５コイル素子対
２２ｄ 第６コイル素子
２２ｄ１ 上段コイル部
２２ｄ２ 下段コイル部
２２ｄｐ 第６コイル素子対
２５ ＣＣＤカメラ
２６ 画像処理部
２７ 制御部
２ シリコン融液
３ シリコン単結晶（インゴット）
３ａ ネック部
３ｂ ショルダー部
３ｃ ボディー部
３ｄ テール部
１０ チャンバー
１０ａ メインチャンバー
１０ｂ プルチャンバー
１０ｃ ガス導入口
１０ｄ ガス排出口
１０ｅ 覗き窓
１１ 石英ルツボ
１２ サセプタ
１３ 回転シャフト
１４ シャフト駆動機構
１５ ヒーター
１６ 断熱材
１７ 熱遮蔽体
１８ ワイヤー
１９ ワイヤー巻き取り機構
２０ 磁場発生装置
２１ａ 第１コイル素子
２１ａ１ 上段コイル部
２１ａ２ 下段コイル部
２１ａｐ 第１コイル素子対
２１ｂ 第２コイル素子
２１ｂ１ 上段コイル部
２１ｂ２ 下段コイル部
２１ｂｐ 第２コイル素子対
２２ａ 第３コイル素子
２２ａ１ 上段コイル部
２２ａ２ 下段コイル部
２２ａｐ 第３コイル素子対
２２ｂ 第４コイル素子
２２ｂ１ 上段コイル部
２２ｂ２ 下段コイル部
２２ｂｐ 第４コイル素子対
２２ｃ 第５コイル素子
２２ｃ１ 上段コイル部
２２ｃ２ 下段コイル部
２２ｃｐ 第５コイル素子対
２２ｄ 第６コイル素子
２２ｄ１ 上段コイル部
２２ｄ２ 下段コイル部
２２ｄｐ 第６コイル素子対
２５ ＣＣＤカメラ
２６ 画像処理部
２７ 制御部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
