JP2022101775A - 誘導加熱コイル及びこれを用いた単結晶製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流路内での冷却水の流れの偏りを抑制してコイルの振動現象及び酸化膜の付着によるコイル導体の劣化を防止する。【解決手段】誘導加熱コイル２０は、円環状のコイル本体２１と、コイル本体２１の中央に設けられた開口部２２から外周端に向かって延在するスリット２３と、コイル本体２１の内部に形成された円環状の冷却水の流路２５と、スリット２３を挟んで互いに近接するコイル本体２１の周方向の一端及び他端にそれぞれ設けられた流路２５の入口２５Ａ及び出口２５Ｂと、流路２５の途中に設けられ、流路２５の外周側の冷却水の流れを内周側に誘導する少なくとも一つの整流部材２６とを備える。【選択図】図３

Description

本発明は、ＦＺ法（Floating Zone法）による単結晶の製造に用いられる誘導加熱コイル及びこれを用いた単結晶製造装置に関するものである。

シリコン単結晶の製造方法としてＦＺ法が知られている。ＦＺ法は、多結晶シリコンからなる原料ロッドの一部を加熱して溶融帯を生成し、溶融帯の上方及び下方にそれぞれ位置する原料ロッド及び種結晶を徐々に降下させることにより、種結晶の上方に大きな単結晶を成長させる方法である。ＦＺ法ではＣＺ法（Czochralski法）のように石英ルツボを使用しないため、酸素濃度が低い単結晶を製造することができる。

ＦＺ法において多結晶シリコン原料の加熱には誘導加熱方式が用いられる。誘導加熱コイルに高周波電流を流したときに発生する磁界をシリコン原料に印加したとき、シリコン原料中には電磁誘導によって渦電流が流れ、渦電流によるジュール熱が発生する。誘導加熱方式ではこのジュール熱を利用してシリコン原料を加熱する。

ＦＺ法で使用する誘導加熱コイルは、溶融シリコンからの熱輻射を受けて温度が上昇して溶損するおそれがあるため、冷却が必要である。誘導加熱コイルの水冷構造に関し、例えば特許文献１には、冷却水を流通させる冷却水流路を内部に備えた誘導加熱コイルが記載されている。また、誘導加熱コイルの冷却効率を改善するため、冷却水流路内に洗浄液を流通させて冷却水流路の内部表面の酸化膜を除去することが記載されている。

特許文献２には、誘導加熱コイルを冷却する冷却水が流通し、冷却水による酸化を防止する被膜が形成された冷却水路を内部に備えた誘導加熱コイルが記載されている。

特開２０１３－１１７２５４号公報 特開２０１２－１０１９８０号公報

上述した水冷式の誘導加熱コイルにおいて、コイル全体の冷却効率を高めるためには、冷却水の流路の幅を広くすることが好ましい。しかし、流路の幅を広くすると、流路内で冷却水の流れに偏りが生じ、冷却水の澱みが発生した部分の水温が上昇して沸騰する。誘導加熱コイル内で冷却水が沸騰するとコイルが振動し、コイルの外表面に付着したパーティクルが振動を受けて移動して結晶成長界面に落下するおそれがある。結晶成長界面に落下したパーティクルは単結晶の有転位化の原因となる。また、冷却水の澱みによるコイルの部分的な温度上昇はコイルの熱変形の原因となり、またコイルの温度上昇によって流路の内表面に酸化膜が形成されてコイルが劣化する。

したがって、本発明の目的は、流路内での冷却水の流れの偏りを抑制してコイルの振動現象及び酸化膜の付着によるコイル導体の劣化を防止することが可能な誘導加熱コイル及びこれを用いた単結晶製造装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明による誘導加熱コイルは、円環状のコイル本体と、前記コイル本体の中央開口部から前記コイル本体の外周端に向かって延びるスリットと、前記コイル本体の内部に形成された円環状の冷却水の流路と、前記スリットを挟んで互いに近接する前記コイル本体の周方向の一端及び他端にそれぞれ設けられた前記流路の入口及び出口と、前記流路の途中に設けられ、前記流路の外周側の冷却水の流れを内周側に誘導する少なくとも一つの整流部材とを備えることを特徴とする

本発明によれば、冷却水の流路内に整流部材を設置することで冷却水の流れが流路内の外周側に偏ることを防止することができ、これにより流路内の冷却水の澱みを解消することができる。したがって、流路内の温度上昇を抑制して冷却水の沸騰によるコイルの振動を抑制し、これによりパーティクルの落下による単結晶の有転位化を防止することができる。さらに、冷却水の澱みによるコイルの部分的な温度上昇で発生する熱歪みや流路内の酸化膜の付着も低減できる。

本発明において、前記入口から前記出口に向かう方向を順方向とした前記流路の周方向における前記整流部材の形成位置は、前記スリットの位置を基準として１６０°以降の領域内に設定されていることが好ましい。冷却水の流れの偏りは１６０度以降の領域で大きくなる傾向が見られる。そのため、整流部材を１６０度以降の領域に設けることにより、流路内の冷却水の澱みを解消することができる。

本発明において、前記整流部材は、前記スリットの位置を基準として１８０°の位置に設けられていることが好ましい。これにより、冷却水の流れが流路内の外周側に偏る現象を抑制する効果を高めることができる。

本発明において、前記整流部材は、前記スリットの位置を基準として１８０°の位置に設けられた第１整流部材と、前記スリットの位置を基準として２７０°の位置に設けられた第２整流部材を含むことが好ましい。これにより、冷却水の流れの偏りを抑制する効果を高めることができる。

前記整流部材は前記コイル本体と一体的に形成されていることが好ましい。これにより、整流部材を容易に形成することができ、また整流部材を有する誘導加熱コイルの低コスト化を図ることができる。

また、本発明による単結晶製造装置は、原料ロッドを回転可能及び昇降可能に支持する上軸と、前記上軸の下方に配置され、種結晶を回転可能及び昇降可能に支持する下軸と、前記原料ロッドを加熱する上述した本発明による誘導加熱コイルとを備えることを特徴とする。

本発明によれば、冷却水の流路内に整流部材を設置することで冷却水の流れが流路内の外周側に偏ることを防止することができ、これにより流路内の冷却水の澱みを解消することができる。したがって、流路内の温度上昇を抑制して冷却水の沸騰によるコイルの振動を抑制し、これによりパーティクルの落下による単結晶の有転位化を防止することができる。さらに、冷却水の澱みによるコイルの部分的な温度上昇で発生する熱歪みや流路内の酸化膜の付着も低減できる。

本発明によれば、流路内での冷却水の流れの偏りを抑制してコイルの振動現象及び酸化膜の付着によるコイル導体の劣化を防止することが可能な誘導加熱コイル及びこれを用いた単結晶製造装置を提供することができる。

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示す模式図である。 図２は、本発明の第１の実施の形態による誘導加熱コイルの構成を示す略斜視図である。 図３は、図２に示した誘導加熱コイルの内部構造を示す略平面断面図である。 図４は、図２及び図３に示した誘導加熱コイルの略側面断面図であって、図４（ａ）は図３のＸ－Ｘ'線に沿った側面断面図、図４（ｂ）は図３のＹ－Ｙ'線に沿った略側面断面図である。 図５は、図３に示した誘導加熱コイルの変形例を示す略平面断面図である。 図６は、本発明の第２の実施の形態による誘導加熱コイルの内部構造を示す略平面断面図である。 図７は、図６に示した誘導加熱コイルの略側面断面図であって、図７（ａ）は図６のＸ－Ｘ'線に沿った側面断面図、図７（ｂ）は図６のＹ－Ｙ'線に沿った略側面断面図である。 図８は、本発明の第３の実施の形態による誘導加熱コイルの内部構造を示す略断面図であって、図８（ａ）は略平面断面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＹ－Ｙ'線に沿った略側面断面図である。 図９は、従来の誘導加熱コイルの内部構造を示す略平面断面図である。

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。

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示す模式図である。

図１に示すように、この単結晶製造装置１は、ＦＺ法によりシリコン単結晶を育成するための装置であって、原料ロッド２、種結晶３及び種結晶３上に成長するシリコン単結晶４が収容される反応炉１０と、原料ロッド２を回転可能及び昇降可能に支持する上軸１１と、種結晶３及びシリコン単結晶４を回転可能及び昇降可能に支持する下軸１２と、原料ロッド２の下端部を加熱する誘導加熱コイル２０と、結晶成長が進んで大型化したシリコン単結晶４のテーパー部４ａに当接してその重量を支える単結晶重量保持具１４と、原料ロッド２とシリコン単結晶４との間の溶融帯５（シリコン融液）にドープガスを供給するガスドープ装置１５とを備えている。

原料ロッド２はモノシラン等のシリコン原料を精製して得られた高純度多結晶シリコンからなり、原料ロッド２の上端部は原料保持具１６を介して上軸１１の下端部に取り付けられている。種結晶３の下端部は種結晶保持具１７を介して下軸１２の上端部に取り付けられている。上軸１１及び下軸１２は、図示しない駆動機構によってそれぞれ回転及び昇降駆動される。

誘導加熱コイル２０は、原料ロッド２又は溶融帯５を取り囲む略１ターンの高周波コイルであり、図示しない高周波発振器に接続されている。誘導加熱コイル２０は主に銅又は銀からなることが好ましい。誘導加熱コイル２０に高周波電流を流すことにより、原料ロッド２の一部は誘導加熱されて溶融帯５が生成される。こうして生成された溶融帯５に種結晶３を融着させた後、原料ロッド２及びシリコン単結晶４を回転させながら下降させることにより、溶融帯５からシリコン単結晶４を成長させることができる。

図２は、本発明の第１の実施の形態による誘導加熱コイル２０の構成を示す略斜視図である。また図３は、図２に示した誘導加熱コイル２０の内部構造を示す略平面断面図である。図４は、図２及び図３に示した誘導加熱コイル２０の略側面断面図であって、図４（ａ）は図３のＸ－Ｘ'線に沿った側面断面図、図４（ｂ）は図３のＹ－Ｙ'線に沿った略側面断面図である。

図２～図４に示すように、誘導加熱コイル２０は、略扁平円環状のコイル導体からなるコイル本体２１と、コイル本体２１の中央に設けられた開口部２２と、開口部２２から外周端まで半径方向に延在するスリット２３と、スリット２３を挟んで互いに近接するコイル本体２１の周方向の一端及び他端にそれぞれ設けられた一対の端子電極２４Ａ，２４Ｂとを備えている。スリット２３は周方向に近接する一対の端子電極２４Ａ，２４Ｂの間に配置されており、一対の端子電極２４Ａ，２４Ｂの接続位置を周方向に分断している。コイル本体２１は一対の端子電極２４Ａ，２４Ｂを介して高周波発振器に接続されている。通常、コイル本体２１の外径は原料ロッド２及びシリコン単結晶４の直径（直胴部４ｂの直径）よりも大きく、コイル本体２１の内径（開口部２２の直径）は原料ロッド２及びシリコン単結晶４の直径よりも小さい。

図３及び図４に示すように、誘導加熱コイル２０は水冷構造を有しており、コイル本体２１の内部には円環状の冷却水の流路２５が設けられている。流路２５の入口２５Ａは、スリット２３によって分断されたコイル本体２１の周方向の一端側に設けられた一方の端子電極２４Ａの下面に設けられており、流路２５の出口２５Ｂは、コイル本体２１の周方向の他端側に設けられた他方の端子電極２４Ｂの下面に設けられている。図３に示すように、入口２５Ａから流路２５内に送り込まれた冷却水は、矢印で示すように環状の流路２５を通ってコイル本体２１の開口部２２の周りを時計回りで周回して出口２５Ｂから排出される。

誘導加熱コイル２０の冷却効果を高めるため、流路２５の幅Ｗ０は、コイル本体２１の機械的強度及び電気的特性を確保できる限りにおいてできるだけ広いことが好ましい。このように流路２５の幅Ｗ０を広くすると、流路２５の入口２５Ａ付近では幅方向全体に均等な流れが発生するが、出口２５Ｂ側に近づくにつれて冷却水の流れの偏りが徐々に大きくなり、流路２５の後半では冷却水の流れが外周側で強くなり、内周側で弱くなる。そのため、流路２５の内周側では冷却水の澱みが大きくなり、冷却水の沸騰によるコイルの振動や流路内の酸化膜の付着の問題がある。

このような冷却水の流れの偏りを防止するため、本実施形態では流路２５の途中に整流部材２６を設けている。整流部材２６は、流路２５の外周面から内周方向に突出する部材であり、コイル本体２１と一体的に構成されている。整流部材２６は流路２５の外周側での冷却水の流れを内周側へ誘導する役割を果たす。整流部材２６の幅Ｗ１は流路２５の幅Ｗ０の０．２倍以上０．８倍以下であることが好ましく、０．３倍以上０．６倍以下であることが特に好ましい。

本実施形態において、流路２５の途中に設けた整流部材２６の個数は一つであって、コイル中心を挟んでスリット２３とは反対側の位置に設けられている。すなわち、コイル本体２１の中心位置から見てスリット２３がある方向を０°（基準方位）とし、入口２５Ａから出口２５Ｂに向かって冷却水が流れる時計回りの方向を順方向とするとき、整流部材２６はその方位角が１８０°の位置に設けられている。整流部材２６の形成位置は冷却水の流れの偏りを抑制できる限りにおいて特に限定されず、１６０°以降の領域に設けられていればよく、１６０°から２００°までの範囲内に設けられていることが好ましい。冷却水の流れの偏りは、１６０°以降の領域で大きくなる傾向があるからである。

図９に示すように、流路２５内に整流部材２６がまったく設けられていない場合、冷却水の流れは流路２５を進むにつれて徐々に変化し、流路２５の後半では冷却水の流れが外周側で強くなり、内周側で非常に弱くなり、内周側で冷却水の澱みが大きくなる。冷却水の澱みが大きくなると冷却水が沸騰し、誘導加熱コイル２０の振動が大きくなる。この振動は、誘導加熱コイル２０に付着したパーティクルを落下させる原因となる。誘導加熱コイル２０から落下して溶融帯５に取り込まれたパーティクルは単結晶の有転位化の原因となる。またコイル本体２１の部分的な温度上昇により熱歪みや酸化膜２５ｘの付着によるコイル導体の劣化の問題もある。

しかし、図３及び図４に示すように流路２５の途中に整流部材２６を設けた場合には、外周側に偏って流れる冷却水を内周側に誘導することができるので、冷却水の流れの偏りを防止することができる。したがって、冷却水の沸騰によるコイルの振動を防止することができ、コイル本体２１の上面に付着したパーティクルがコイル本体２１から落下して溶融シリコンに取り込まれることによる単結晶の有転位化を防止することができる。また、コイルの熱変形及び流路２５の内表面の熱酸化によるコイルの劣化を防止することができる。

図５は、図３に示した誘導加熱コイル２０の変形例を示す略平面断面図である。

図５に示すように、冷却水はコイル本体２１内の流路２５を反時計回りに流れてもよい。この場合、流路２５の入口２５Ａは、スリット２３の右側に位置する他方の端子電極２４Ｂに設けられ、流路２５の出口２５Ｂはスリット２３の左側に位置する一方の端子電極２４Ａに設けられる。このように、入口２５Ａから出口２５Ｂに向かって冷却水が流れる方向（順方向）が反時計回りとなる場合、スリット２３の位置を基準とした整流部材２６の周方向の位置も反時計回りの方位角として定義される。すなわち、コイル本体２１の中心位置から見てスリット２３がある方向を０°（基準方位）とし、入口２５Ａから出口２５Ｂに向かって冷却水が流れる反時計回りの方向を順方向とするとき、整流部材２６の形成位置は１６０°以降の領域に設けられていればよく、１６０°から２００°までの範囲内に設けられていることが好ましい。

図６は、本発明の第２の実施の形態による誘導加熱コイル２０の内部構造を示す略平面断面図である。また図７は、図６に示した誘導加熱コイル２０の略側面断面図であって、図７（ａ）は図６のＸ－Ｘ'線に沿った側面断面図、図７（ｂ）は図６のＹ－Ｙ'線に沿った略側面断面図である。

図６及び図７に示すように、本実施形態による誘導加熱コイル２０の特徴は、コイル本体２１内の冷却水の流路２５内に二つの整流部材２６Ａ，２６Ｂが設けられている点にある。第１整流部材２６Ａは、第１の実施の形態と同様に１８０°の位置に設けられており、第２整流部材２６Ｂは、第１整流部材２６Ａと流路２５の出口２５Ｂ（或いはスリット２３の位置）との中間位置である２７０°の位置に設けられている。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

上記のように、第１整流部材２６Ａの設置位置は１８０°の位置に限定されず、１６０°以降の領域に設けられていればよく、１６０°から２００°までの範囲内に設けられていることが好ましい。また第２整流部材２６Ｂの設置位置は第１整流部材２６Ａと流路２５の出口２５Ｂ（或いはスリット２３の位置）との中間位置に限定されず、当該中間位置から少し離れた位置に設けられていてもよい。

本実施形態において、第１整流部材２６Ａと第２整流部材２６Ｂの形状および大きさは同じであるが、第２整流部材２６Ｂの形状及び／又は大きさを第１整流部材２６Ａと異ならせてもよい。

このように、本実施形態においては、流路２５内に二つの整流部材２６Ａ，２６Ｂを設けているので、冷却水の整流効果を高めることができる。したがって、冷却水の沸騰によるコイルの振動及び流路２５の内表面の熱酸化によるコイルの劣化を防止することができる。

図８は、本発明の第３の実施の形態による誘導加熱コイル２０の内部構造を示す略断面図であって、図８（ａ）は略平面断面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＹ－Ｙ'線に沿った略側面断面図である。

図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態による誘導加熱コイル２０の特徴は、整流部材２６が複数の小さな突起部で構成されている点にある。複数の突起部は、流路２５の外周側領域を完全に遮断しないので、冷却水は流路２５の外周側領域にも流れるが、整流部材２６が冷却水の流れに対する抵抗となるので、外周側での冷却水の強い流れを抑えることができ、また冷却水の流れを内周側に誘導することができる。

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。

例えば、上記実施形態においては流路２５内に一つ又は二つの整流部材を用いているが、本発明において整流部材の個数は特に限定されず、三つ以上であってもよい。

１ 単結晶製造装置
２ 原料ロッド
３ 種結晶
４ シリコン単結晶
４ａ シリコン単結晶のテーパー部
４ｂ シリコン単結晶の直胴部
５ 溶融帯
１０ 反応炉
１１ 上軸
１２ 下軸
１４ 単結晶重量保持具
１５ ガスドープ装置
１６ 原料保持具
１７ 種結晶保持具
２０ 誘導加熱コイル
２１ コイル本体
２２ 開口部
２３ スリット
２４ スリット
２４Ａ 端子電極
２４Ｂ 端子電極
２５ 流路
２５Ａ 流路の入口
２５Ｂ 流路の出口
２６，２６Ａ，２６Ｂ 整流部材

Claims (6)

1. ＦＺ法による単結晶の製造に用いられる誘導加熱コイルであって、
   円環状のコイル本体と、
   前記コイル本体の中央に設けられた開口部から前記コイル本体の外周端に向かって延在するスリットと、
   前記コイル本体の内部に形成された円環状の冷却水の流路と、
   前記スリットを挟んで互いに近接する前記コイル本体の周方向の一端及び他端にそれぞれ設けられた前記流路の入口及び出口と、
   前記流路の途中に設けられ、前記流路の外周側の冷却水の流れを内周側に誘導する少なくとも一つの整流部材とを備えることを特徴とする誘導加熱コイル。
2. 前記入口から前記出口に向かう方向を順方向とした前記流路の周方向における前記整流部材の形成位置は、前記スリットの位置を基準として１６０°以降の領域内に設定されている、請求項１に記載の誘導加熱コイル。
3. 前記整流部材は、前記スリットの位置を基準として１８０°の位置に設けられている、請求項２に記載の誘導加熱コイル。
4. 前記整流部材は、前記スリットの位置を基準として１８０°の位置に設けられた第１整流部材と、前記スリットの位置を基準として２７０°の位置に設けられた第２整流部材を含む、請求項２に記載の誘導加熱コイル。
5. 前記整流部材は前記コイル本体と一体的に形成されている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の誘導加熱コイル。
6. ＦＺ法による単結晶の製造に用いられる単結晶製造装置であって、
   原料ロッドを回転可能及び昇降可能に支持する上軸と、
   前記上軸の下方に配置され、種結晶を回転可能及び昇降可能に支持する下軸と、
   前記原料ロッドを加熱する請求項１乃至５のいずれか一項に記載の誘導加熱コイルとを備えることを特徴とする単結晶製造装置。

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