JP2836438B2 - 誘導加熱コイル - Google Patents

誘導加熱コイル

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JP2836438B2 JP10609693A JP10609693A JP2836438B2 JP 2836438 B2 JP2836438 B2 JP 2836438B2 JP 10609693 A JP10609693 A JP 10609693A JP 10609693 A JP10609693 A JP 10609693A JP 2836438 B2 JP2836438 B2 JP 2836438B2
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induction heating
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雅規 木村
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Shin Etsu Handotai Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体単結晶成長装置
の加熱装置として用いられる誘導加熱コイルに関する。
さらに詳しくは、FZ法(フロートゾーン法、または浮
遊帯域溶融法)により半導体単結晶中に不純物を均一に
取込ませながら半導体単結晶棒を成長させる装置に用い
られる誘導加熱コイルに関する。
【0002】
【発明の背景技術】FZ法により半導体単結晶棒を成長
させる場合、原料棒の端部に種結晶を接触させ、該接触
部を溶融させて一体化した後、溶融部を種絞りにより無
転位化しつつ該接触部から原料棒の他端に向けて溶融部
を徐々に移動させることにより棒状半導体単結晶を得
る。
【0003】このような半導体単結晶棒を製造するのに
用いられる半導体単結晶成長装置は、原料棒を保持する
上軸と、直径の小さい単結晶半導体からなる種結晶を保
持する下軸と、前記原料棒の下端を加熱溶融するように
配置した加熱装置とを有し、原料棒の一端を加熱装置に
より溶融して前記種結晶に融着した後、原料棒と単結晶
棒を加熱装置に対し相対的に回転させながら軸線方向に
相対移動させる。
【0004】上記のような半導体単結晶成長装置におい
ては、原料棒を狭小域において短時間に芯まで溶融させ
る必要がある。このような要求を満たす加熱装置とし
て、例えば誘導加熱コイルを用いたものは既に公知の技
術となっている。
【0005】このような誘導加熱コイルとしては、例え
ば図6に示すように、中空導体14をリング状に巻回し
て両端部10を空隙2を介して極力接近させてなる誘導
加熱コイル1がある。この誘導加熱コイル1は、外周9
の両端部10付近の2点で一組の電力供給端子7と接続
され、内周8側は断面先細状に形成されている。このよ
うな構成により、誘導加熱コイル1の周方向における電
流回路の対称性が維持され、高周波電流を流すことによ
り磁界15が発生して内周8で囲まれる領域内にほぼ均
一な磁界分布が得られるようになっている(特公昭51
−24964号他、以下「第1従来技術」と言う。)
【0006】しかしながら、この第1従来技術の誘導加
熱コイルでは、空隙2が誘導加熱コイル1の外周の接線
と直交する面上に沿って形成されているので、その部分
で不均一磁界が発生するのを避けれられなかった。この
ような不均一磁界が生じると温度分布も不均一となり、
成長する単結晶棒の品質に大きな影響を与える。
【0007】例えば、該不均一磁界を有したまま原料棒
と誘導加熱コイル1の間で相対回転/移動を行うと、不
均一磁界から発生する局部的な温度差異により、1回転
毎の各成長サイクルにおいて不純物濃度の高い層と低い
層とが成長する単結晶が繰り返し形成される(脈動)。
すなわち、温度が高い部分では不純物濃度が低くなり、
温度が低い部分では不純物濃度が高くなる。このような
脈動を有する単結晶棒をスライスして得た半導体ウエー
ハを用いてデバイスを製造した場合、該脈動部分でミク
ロの抵抗変動が生じ、製品の特性のバラツキ原因とな
る。
【0008】上述した第1従来技術の欠点を補うため、
例えば図7に示すように誘導加熱コイル1の外周側又は
内周側からコイル幅の途中まで半径方向に延びた複数個
の空隙3を軸方向に貫通するように設けたものも考案さ
れている(特開昭52−30705号、以下「第2従来
技術」と言う。)。この第2従来技術の誘導加熱コイル
においては、複数個の空隙3を設けることにより誘導加
熱コイル表面に流れる高周波電流密度を低下させ、加熱
分布の軸対称性を持たせている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかし、第2従来技術
の誘導加熱コイルでは、加熱分布の軸対称性を得ること
ができる反面、そのために誘導加熱コイル表面に流れる
高周波電流密度を低下させているので、本来誘導加熱コ
イルに要求される加熱能力を狭小域に集中させるという
機能が犠牲になっていた。
【0010】このような誘導加熱コイルで結晶を成長さ
せた場合、たとえミクロな不純物濃度の脈動を低減でき
たとしても、加熱能力を狭小域に集中させることができ
ないため、融液の対流が弱くなり、回転軸中心付近で不
純物のよどみが生ずる。その結果、成長界面の中心部に
おける不純物の境界拡散層の厚さは周辺部より厚くな
り、結晶中心部の不純物濃度が周辺部より高くなる。こ
のため、単結晶の直径方向のマクロな不純物濃度分布が
逆に悪化するという問題を生じる。
【0011】さらに、内周部から半径方向に形成した空
隙3の長さが長すぎたり個数が多すぎる場合には、溶融
帯狭小域に対する加熱能力が著しく損われるため、溶融
帯の固化が生じて引上げ操業そのものが不可能になる。
【0012】そこで本発明は、加熱能力を狭小域に集中
させるという機能を損うことなく加熱分布を均一にする
ことができ、これを用いた半導体単結晶成長装置により
不純物の脈動がない半導体単結晶棒を成長させることが
できる誘導加熱コイルを提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】従来の誘導加熱コイルの
改良技術は誘導加熱コイルの外表面にのみ視点を置いて
いたが、本発明では誘導加熱コイルの内部に着目して上
記問題点を解決したものである。
【0014】すなわち本発明は、浮遊帯域溶融法に用い
られ、空隙を介して輪環状に形成した中空導体からなる
誘導加熱コイルにおいて、前記誘導加熱コイルの中空部
に該誘導加熱コイルの上面と下面とを電気的に接続する
導体板を設けたことを特徴とする誘導加熱コイルを提供
するものである。
【0015】前記導体板は、前記誘導加熱コイルの中空
部の内周近傍且つ前記空隙近傍に設けるのが望ましい。
また、前記誘導加熱コイルの上面と接続された前記導体
板の一端は、前記誘導加熱コイルの下面と接続された他
端よりも前記空隙から周方向に遠い位置にあるのが望ま
しい。さらに、前記誘導加熱コイルの上面上及び/又は
下面上において前記導体板の端部と接する領域にスリッ
トを設けても良い。
【0016】
【作用】本発明の作用原理を以下に説明する。誘導加熱
コイルを備えた半導体単結晶成長装置を用いて半導体単
結晶棒を成長させる場合、成長する単結晶に取込まれる
不純物の濃度分布は溶融部の温度分布によって決定され
る。この温度分布は、誘導加熱コイルの加熱分布に依存
し、この加熱分布は、誘導加熱コイル下面又は上面に流
れる高周波電流密度により制御することができる。
【0017】従来の誘導加熱コイルの内周8に沿う加熱
分布は、空隙2付近で加熱能力が低下する。これは、こ
の付近では高周波電流が流れにくいことを示している。
この原因については、任意の形状の導体上の任意の2点
間に電圧を印加した場合を考えると容易に理解できる。
すなわち、最も大きい電流密度は最も短い電流経路(最
大電界強度)に沿って得られる。
【0018】つまり、図5に示すように、電力供給端子
7から供給された電流は、空隙2の近傍においては内周
8に沿って流れずに、破線20で示した最短経路を流れ
る。これは、端部10に沿った経路は遠回りとなるから
である。このために空隙2付近の内周8部の電流密度は
低くなり、加熱能力が低下する。
【0019】そこで本発明は、中空導体からなる誘導加
熱コイルの内部で、下面と上面とを導体板で電気的に接
続したものである。例えば、導体板の下端を誘導加熱コ
イル下面の空隙2に近い位置に接続し、導体板の上端を
誘導加熱コイル上面の空隙2から周方向に遠い位置に接
続すると、特に誘導加熱コイル下面の空隙近傍の電流密
度を高くすることができる。これは、周に沿う方向で
は、空隙2から遠い位置ほど電位が低くなるからであ
る。
【0020】前記原理は、いわゆる表皮効果を持つ高周
波電流についても十分適用できる。ところが、高周波電
流は導体の表面に沿って流れるので、中空導体の内部に
設けた導体板を流れない可能性がある。しかし、このよ
うな高周波電流についても、導体板を誘導加熱コイル内
部で誘導加熱コイルの如何なる部分にも接触させないよ
うにすれば該導体板の4つの側面を廻り込みながら高周
波電流が流れる。
【0021】特に、誘導加熱コイルの上面及び下面にお
いて、前記導体板の一端を誘導加熱コイル上面の空隙2
から遠い側に接続し、前記導体板の他端部を誘導加熱コ
イル下面の空隙2に近い側に接続し、前記導体板の端部
と接する領域にスリットを設けることにより、図2
(b)に示すように、空隙2側から誘導加熱コイル下面
に沿って流れてきた高周波電流は導体板の表面を廻り込
みながら流れて誘導加熱コイル上面に達するので、本発
明の効果がより高まる。
【0022】
【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の好適な実
施例を例示的に説明する。但し、この実施例に記載され
ている構成部品の寸法、材質、形状、その相対位置等は
特に特定的な記載がない限りはこの発明の範囲をそれの
みに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【0023】図1には本実施例の誘導加熱コイルが示さ
れており、その基本構成は図6に示した第1従来技術の
誘導加熱コイルと同じである。すなわち、中空導体14
をリング状に巻回して両端部10を空隙2を介して極力
接近させてなり、外周9の両端部10付近の2点で一組
の電力供給端子7と接続され、内周8側は断面先細状に
形成されている。
【0024】本実施例の誘導加熱コイルにおいては、銅
製の中空導体14の空隙2の近傍で且つ内周8の近傍に
誘導加熱コイルの上面4と下面5とを電気的に接続する
銅製の導体板6が設けられている。この導体板6は、図
2(a)に示すように、誘導加熱コイルの下面5に接続
される端部は空隙2に近く、誘導加熱コイルの上面4に
接続される端部は空隙2から周方向に遠くなるように傾
斜して設けてある。
【0025】次に、誘導加熱コイルの下面の加熱分布を
測定する方法について説明する。この測定では、図3に
示したような加熱分布測定具を用いて行う。この加熱分
布測定具11はステンレス等からなる回転対称形で上面
16が山形の被加熱体12を有し、誘導加熱コイル1と
同軸且つ近接対峙する下方位置に配置される。この被加
熱体12には複数個の熱電対13が埋込み配置され、そ
の先端部17は被加熱体12の上面16で同一線上に等
間隔で溶接されている。
【0026】図4は、上記の加熱分布測定具11を用い
て本実施例及び第2従来技術の誘導加熱コイル1下面の
内周8に沿った加熱分布をコイルの中心から20mmの
位置で測定した結果を示す。この場合、空隙2の位置を
0°とし、内周8に沿って左回りを負の角度、右回りを
正の角度と規定している。
【0027】図4中、白丸は本実施例の誘導加熱コイル
の場合を示し、黒丸は第2従来技術の誘導加熱コイルの
場合を示す。第2従来技術の誘導加熱コイルでは、誘導
加熱コイルの内周8に沿う加熱分布は0°の位置すなわ
ち空隙2付近で加熱能力が低下していることが分る。こ
れは、内周8の空隙2付近では電流が流れにくいことを
示している。一方、本実施例の誘導加熱コイルではその
ような加熱能力の低下がほとんど見られず、加熱分布が
均一であることが分る。
【0028】上記実施例の誘導加熱コイルは比較的周波
数の低い場合に特に有効であるが、使用周波数が高く表
皮効果の大きい高周波電流を流す場合には、図2(b)
に示すように、導体板6の各端部と接続する誘導加熱コ
イル上面4及び下面5にスリット18及び19をそれぞ
れ設けるとよい。この場合、スリット18及び19を設
けたことにより、誘導加熱コイル上面4と下面5との間
には導体板6の表面を介して連続的な表面が形成される
ので、高周波電流は導体板6の表面を廻り込みながら流
れ、電流密度の改善が図れる。
【0029】また、中空導体14の内部にコイル冷却用
の冷却水を流す場合、水冷パイプは前記導体板6を避け
て前記誘導加熱コイルの最外周に沿って取付けられるこ
とになるが、中空導体14の構成材として熱伝導率の良
い材質のものを選択することにより、誘導加熱コイル全
体を効率良く冷却できることが可能である。
【0030】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、加
熱能力を狭小域に集中させるという機能を損うことなく
均一な加熱分布が得られ、これを用いた単結晶成長装置
により不純物の脈動がない半導体単結晶棒を成長させる
ことができる誘導加熱コイルを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の誘導加熱コイルの一実施例を示す斜視
図である。
【図2】図1に示した誘導加熱コイルの部分断面図であ
る。
【図3】加熱分布測定具の構成を示す概略断面図であ
る。
【図4】本実施例及び従来技術の誘導加熱コイルにおけ
る加熱分布の温度測定値を示すグラフである。
【図5】従来の誘導加熱コイルにおける高周波電流の流
路を示す説明図である。
【図6】第1従来技術の誘導加熱コイルの斜視図であ
る。
【図7】第2従来技術の誘導加熱コイルの斜視図であ
る。
【符合の説明】
1 誘導加熱コイル 2 空隙 3 空隙 4 誘導加熱コイル上面 5 誘導加熱コイル下面 6 導体板 7 電力供給端子 8 内周 9 外周 10 誘導加熱コイル端部 11 加熱分布測定具 12 被加熱体 13 熱電対 14 中空導体 15 磁界 16 被加熱体上面 17 熱電対端部 18 スリット 19 スリット 20 電流経路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H05B 6/30 - 6/32 H05B 6/36

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 浮遊帯域溶融法に用いられ、空隙を介し
    て輪環状に形成した中空導体からなる誘導加熱コイルに
    おいて、前記誘導加熱コイルの中空部に該誘導加熱コイ
    ルの上面と下面とを電気的に接続する導体板を設けたこ
    とを特徴とする誘導加熱コイル。
  2. 【請求項2】 前記導体板を前記誘導加熱コイルの中空
    部の内周近傍且つ前記空隙近傍に設けた請求項1に記載
    の誘導加熱コイル。
  3. 【請求項3】 前記誘導加熱コイルの上面と接続された
    前記導体板の一端は、前記誘導加熱コイルの下面と接続
    された他端よりも前記空隙から周方向に遠い位置にある
    請求項1又は請求項2に記載の誘導加熱コイル。
  4. 【請求項4】 前記誘導加熱コイルの上面上及び/又は
    下面上において前記導体板の端部と接する領域にスリッ
    トを設けてなる請求項1ないし請求項3のいずれかに記
    載の誘導加熱コイル。
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