JPH0534316B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、浮遊帯域溶融法（以下FZ法という）
による半導体単結晶の製造装置に係り、特に高周
波誘導加熱コイルを用いて、原料多結晶を軸方向
に順次帯域溶融しながら単結晶成長を行う半導体
単結晶製造装置に関する。

「従来の技術」 従来より、上軸に棒状原料多結晶を、下軸に直
径の小さい単結晶の種を保持し、高周波誘導加熱
コイルにより多結晶の一端を溶融し前記種結晶に
融着して種付けした後、種絞りにより無転移化し
つつ前記コイルと多結晶を相対的に回転且つ軸線
方向に相対移動させながら前記半導体棒を帯域溶
融させながら棒状半導体単結晶を製造する装置は
公知であり、この種の装置においては、原料多結
晶を挟小域において短時間に芯まで溶融させる必
要から、半導体棒の帯域溶融域に集中して磁界を
付加し得る事が必要であり、一方帯域溶融後の半
導体を不純物のバラツキ等がなく安定して単結晶
に析出−成長させるには前記浮遊帯域と接する単
結晶成長域の始端側を緩やかに放熱させる必要が
あり、かかる要請を満足する為に、従来より単巻
又は複巻状の一の加熱コイルを用いてその内径、
外径、平面及び断面形状等を種々選択して前記帯
域の加熱と単結晶の成長とをバランスよく行うよ
う構成している。

「発明が解決しようとする問題点」 しかしながら製造単結晶の大口径化が進むに連
れ、前記帯域の溶融はより狭域部分に集中して加
熱させる必要があり、又単結晶の成長は芯側と周
縁側の温度変化を避ける為により一層緩やかにバ
ランスよく放熱を行う必要があり、このような二
律背反的な加熱作用を単一の加熱コイルで満足さ
せる事はもはや困難になつてきた。

特に前記大口径単結晶の製造装置においては、
半導体棒の挟小域の帯域溶融が容易な点、及び低
電圧で大電流が得られ放電防止の面から有利な点
等の面より単巻偏平加熱コイルが多く用いられる
ようになつてきたが、このような単巻偏平加熱コ
イルにおいてより効率的な帯域溶融を図る為に一
層の偏平化と内径を小にして磁界集中を図れば図
る程、該浮遊帯域の下側に位置する単結晶始端側
をバランスよく加熱させるのが困難になる。

又、屡々原料多結晶の前記浮遊帯域と接する下
端周辺部で、未溶融部が発生し、一様に溶融せず
に、加熱コイルに接触し、浮遊帯域の形成を不可
能にし、その時点で単結晶の製造を中止せねばな
らない事があつた。

本発明は、かかる従来技術の欠点に鑑み、前記
帯域溶融と単結晶の成長を効率よく且つ抵抗分布
のバラツキを低減しつつ容易に大口径の且つ高品
質の単結晶を製造し得る半導体単結晶製造装置を
提供する事を目的とする。

「問題点を解決する為の手段」 本発明はかかる技術的課題を達成する為に、第
１図Ａ，Ｂ，Ｃに示すように、 高周波誘導電源４０と接続され、同期した高
周波誘導電流が流れるように構成した複数の加
熱コイル１０，２０を有する点、 前記複数の加熱コイルの内、任意に選択され
た第１の加熱コイル１０（以下内側コイル１０
という）を原料多結晶２外径より小なる内径を
有する単巻誘導加熱コイルで形成しつつ、好ま
しくは該原料多結晶２と同心上に位置するよう
に配置した点、 前記複数の加熱コイルの内、任意に選択され
た第２の加熱コイル２０（以下外側コイル２０
という）を前記内側コイル１０内径より大なる
内径、より具体的には単結晶成長域始端側周縁
部４ａ外径とほぼ同等か僅かに大なる内径をも
つて形成しつつ、その内周縁側を前記浮遊帯域
３と接する単結晶成長域４の始端側周縁部４ａ
に対峙せしめた点、 この場合該外側コイル２０は特に単巻加熱コイ
ルのみならず、複巻コイルを用いて形成する事も
出来る。

尚、外側コイル２０内周縁側を単結晶成長域始
端側周縁部４ａに対峙せしめるには、その内径を
単結晶成長域周縁部４ａ外径と略同一か僅かに大
に形成するとともに少なくとも外側コイル２０内
周縁側を始端側周縁部４ａに直接対面配置させる
必要がある。

即ちより具体的には前記外側コイル２０内径
を、単結晶成長域外径より僅かに大に形成して、
始端側周縁部４ａを囲繞する略水平方向若しくは
該始端側周縁部４ａより僅かに上方の浮遊帯域３
側の外周囲上に位置させて直接対面配置させても
よく、 又前記外側コイル２０内径を単結晶成長域外径
とほぼ同径に形成して、前記始端側周縁部４ａの
ほぼ垂直上方の浮遊帯域３側に位置させて直接対
面配置させてもよい。

これにより前記第１のコイルにより原料多結晶
の帯域溶融を行いつつ、第２のコイルの単結晶始
端側周縁部の対峙状態を維持して加熱しながら、
その放熱速度を制御させる事により、該周縁部４
ａ（肩部）に集中して磁界を付加する事が出来、
成長した単結晶を再溶融させる恐れがない。

又、前記内側コイル１０と外側コイル２０は同
心上に配置してもよく、又外側コイル２０を内側
コイル１０に対し半径方向に偏心させて配置して
もよい。

前記内側コイル１０により原料多結晶２の帯
域溶融を行うよう構成した点 外側コイル２０により単結晶成長域４の始端
側周縁部４ａ周囲を加熱しながらその放熱速度
を制御可能に構成した点 を主要構成とする半導体単結晶製造装置を提案す
る。

尚、必要に応じて内側コイル１０、外側コイル
２０の他に第３のコイル（以下予熱コイル３０と
言う）を前記浮遊帯域３と接する原料多結晶２の
径端周縁２ａに対峙せしめてもよく、この場合
は、該予熱コイル３０を内側コイル１０に対する
外側コイル２０の位置関係で、原料多結晶２径端
周縁２ａを予備加熱し、且つその加熱速度を制御
可能に構成するのがよい。

「作用」 かかる技術手段によれば、内側及び外側の夫々
のコイルの役割を分担し、内側コイル１０におい
て原料多結晶２の浮遊帯域３の溶融を行いつつ、
一方外側コイル２０において単結晶成長域４の放
熱速度を制御しながら、単結晶芯側と外周側間の
温度変化を極力抑制し、単結晶成長を行うよう構
成している為に、言い変えれば一方は帯域溶融に
最も適した加熱コイル１０を、又他方は単結晶の
成長制御に最も適した加熱コイル２０を夫々選択
する事が出来るとともに、該夫々のコイル１０，
２０に流れる誘導電流も個別に制御出来る為に、
製造単結晶の大口径化に容易に対応出来且つ品質
も極めて安定化する。

又前記従来技術によれば外側コイル２０により
単結晶成長域４の始端側周縁部４ａを加熱し、該
単結晶成長域４における芯側と外周側間の温度変
化を極力抑制しながら単結晶成長を行う為に、結
果として浮遊帯域３と単結晶成長域４間の成長界
面の弯曲程度が浅くなり、結果として該成長界面
に沿つて形成される不純物分布が平坦に近ずき、
該単結晶成長域４における断面内の抵抗分布が良
好になる。

又前記内側コイル１０は帯域３の速やかな溶融
を図る為に外側コイル２０に比して数段大なる大
電流を流す必要があるが、このような大電流を流
すと前記外側コイル２０との間等で火花放電が生
じ、製造単結晶の品質劣化を生じせしめる場合が
多い。

この為本技術手段においては少なくとも内側コ
イル１０に単巻加熱コイルを用いる事により低電
圧下で大電流を流す事が出来るようにし、これに
よりコイル相互間における火花放電の発生を防止
している。

又本発明の好ましい実施例においては、前記外
側コイル２０を内側コイル１０に対し半径方向に
偏心さて配置する事により浮遊帯域３から溶解面
に至る距離を長く採る事が出来、これにより単結
晶折出時における抵抗分布のバラツキを低減と抵
抗分布の改善を図る事が出来る。［第１図Ｂ参照］ 又本発明の好ましい実施例においては、前記外
側コイル２０を単巻加熱コイルで形成しつつ、そ
の内径を、単結晶成長域４の始端側周縁部４ａ外
径と同一か僅かに大に設定する事により、該周縁
部に集中磁界を付加する事が出来、本発明の効果
を一層促進し得る。

更に、本発明の好ましい実施例においては、前
記夫々の加熱コイル１０，２０を同一の高周波電
源４０と接続させた為に、同期した高周波誘導電
流が夫々のコイル１０，２０に流れる事となり、
該コイル同士を例え近接配置してもコイル相互間
での磁界の乱れが生じる恐れはない、この場合に
おいて内側コイル１０のインピーダンスを外側コ
イル２０のインピーダンスより小に設定する事に
より、内側コイル１０側に多くの誘導電流を流す
事が出来本発明の効果を一層促進し得る。

本発明において前記コイル１０，２０を直列に
接続することも可能であるが、この場合にはコイ
ル間或いは、半導体単結晶３或いは原料多結晶棒
２との間の電位差が大きくなり好ましくない。

又、このコイル１０，２０は二個に限定され
ず、３又は４個用いる事も可能である、例えば前
記内側及び外側コイル２０に加えて、前記内側コ
イル１０内径より大なる内径を有し、その内周縁
側に形成される磁界により前記溶融状態にある帯
域３と接する原料多結晶２の終端側周縁部２ａを
加熱可能な第３の単巻誘導加熱コイルを設け［第
１図Ｃ参照］、該原料多結晶２の予熱を行う事に
より、内側コイル１０での帯域溶融を速やかに且
つ安定的に行い得るとともに、原料多結晶２の前
記周縁部２ａより残存未溶融部分がツララ状に垂
下するいわゆる「鼻出」現象をも防止出来る。

「実施例」 以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を
例示的に詳しく説明する。ただしこの実施例に記
載されている構成部品の寸法、材質、形状、その
相対配置など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。

第２図乃至第５図は本発明の実施例に係る半導
体単結晶製造装置に使用される、複数の加熱コイ
ルからなる加熱機構を示し、第２図は平面図、第
３図は底面図、第４図は第２図のＡ−A′線断面
図、第５図は製造状態における半導体棒との位置
関係を示す第２図のＢ−B′線断面図である。

本加熱機構は、原料多結晶２の帯域溶融を行う
第１の単巻偏平加熱コイル（以下内側コイル１０
という）と、該内側コイル１０と同心状に且つほ
ぼ同一平面上に沿つてその外周囲を囲繞する如く
周回して配置された第２の単巻偏平加熱コイル
（以下外側コイル２０という）とを有し、これら
のコイルはいずれも外壁面より平行に外方に延設
する各２本の給電管１１，２１を介して支持体４
１に一体的に連結され、前記両コイル１０，２０
間の間隔保持を行つている。

次にこれらの各種部材の構成について説明す
る。

前記支持体４１は前記コイル１０，２０及び給
電管１１，２１と同様な銅、銀又はこれらを含む
導体で形成され、前記給電管１１，２１を固着し
た反対側の壁面に、前記給電管１１，２１と連通
する開口（図示せず）を設け、該開口に冷却液導
入管４２（第１図Ａ参照）を連接し、該導入管４
２に導入された冷却液が前記支持体４１により分
岐されて各給電管１１，２１側に導出させるよう
構成するとともに、前記導入管４２の基端側に高
周波電源４０を接続し、該高周波電源４０より、
冷却液導入管４２−支持体４１−給電管１１，２
１を介して前記内側及び外側コイル２０に、夫々
同一周波数の高周波電流を流すように構成してい
る。

さて、前記内側コイル１０は、半径方向に沿う
スリツト空隙１２を介してリング状に形成した断
面略楔状の中空偏平体から形成され、該スリツト
空隙１２を介して対峙している両端部外周壁上に
夫々給電管（以下内側給電管という）１１を連接
し、該内側給電管１１を半径方向に沿つて外側コ
イル２０外周近傍まで延伸させるとともにその先
側を水平面上に沿つて八の字状に拡開させた後そ
の終端を支持体４１に取付ける。

そして前記内側コイル１０の形状について第５
図に基ずいて説明するに、該コイル内径１０ａは
原料多結晶２直径より小に設定するとともに、下
面側の水平状態を維持して内径側に向け断面先細
状に形成しつつその内部の空洞部１３内に給電管
１１より導入された冷却液が循環可能に構成す
る。

又該内側コイル１０は、リング状の鍔部１５を
コイル外周面上縁部に水平に囲繞連接してみかけ
状の外周径を大にするとともに、外周面下縁端を
面取りし、後記外側コイル２０内径の小径化を可
能にする。

この様に外側コイル２０の内径を小径化するこ
とによつて、外側コイルの単結晶成長域４の始端
周辺部４ａの加熱を効果的に行うことが出来る。

この結果前記内側コイル１０は内径側に向け断
面先細状に而も前記鍔部１５により周面方向に幅
広に形成する事が出来る為に偏平化し、これによ
りコイル１０内径側の加熱せんとする浮遊帯域３
への磁界集中性と、該帯域３における単位時間当
たりの溶融速度が増し、原料多結晶２を大口径化
した場合においても浮遊帯域３の溶融を安定且つ
すみやかに行う事が出来る。

尚、前記内側コイル１０のスリツト空隙１２は
必ずしも第４図Ａに示すように垂直に形成する必
要はなく、該４図Ｂに示すように周方向に斜めに
傾斜させて形成する事も出来、これによりスリツ
ト空隙１２周辺で発生する不均一磁界を低減する
事が可能となる。

又一方外側コイル２０は、内側コイル１０外周
囲を囲繞する如く周回させた、断面楔状のリング
体で形成され、その周方向両端部を内側給電管１
１周面に近接して配置する。そして前記コイル両
端部の外壁面上には、前記内側給電管１１との外
側に沿つて平行に八の字状に延伸させた外側給電
管２１を設け、そのその終端を前記支持体４１に
嵌設する。

そして該外側コイル２０は第５図に示すよう
に、その内径を浮遊帯域３と隣接する単結晶成長
域４の始端側周縁部４ａ外径と同一か僅かに大に
設定するとともに、内径側に向け断面先細状に形
成しつつ下面側を内側コイル１０下面と同一水平
面上に位置せしめ、その外周側に冷却液導入用の
貫通孔２２を穿孔周回させ、該貫通孔２２内に給
電管２１より導入された冷却液が循環可能に形成
する。尚本外側コイル２０の外周径は特に限定さ
れないが内径側への磁界集中を図る為に幅広に形
成し偏平化を図る必要がある。

又前記外側コイル２０は、中心側に位置する内
側コイル１０と同一平面上に配置したが故に、該
内側コイル１０外壁より延設する内側給電管１１
が障害となつて周方向両端部の空隙を接近させる
事が出来ず、この為該空隙部分２３に磁界の乱れ
が生じ易い。

そこで本実施例においては前記両端側の底側周
面上に夫々、外径側に向け傾斜させた弧状遮閉板
２４を貼着し、該遮閉板により前記空隙部分２３
を電磁的に遮閉し、単結晶成長域４の始端側周縁
部４ａに付加される磁界の乱れを防止している。

この結果、前記外側コイル２０の内縁側を単結
晶成長域４の始端側周縁部４ａに対峙させて配置
し得ると共に、該コイル２０下部周面側には外径
側に傾斜させた遮閉板２４が貼着している為に、
結果的に該コイル２０が一層単結晶始端側周縁部
４ａに接近した事となり、該周縁部４ａとコイル
２０間の電磁的結合の強化と、該コイル２０下部
の電磁界の均一化が可能となる。

しかし、遮閉板２４の厚さや長さを適宜調節す
る事により、部分的に電磁界を強化し、例えば内
側コイル１０を偏芯した場合に、単結晶始端側周
縁部４ａの円周上の電磁界の不均一化を相殺する
事が出来る。

以上の様に遮閉板２４は有効に活用出来、単結
晶の育成中の乱れを防止したり、又結晶品質の向
上に役立ち得る。

尚、前記外側コイル２０はその外内径及び形状
を任意に選択して、内側コイル１０との電流比が
１：10になるように、そのインピーダンス値を設
定するのがよい。

かかる実施例によれば、前記した本発明の効果
が円滑に達成し得るとともに、内側コイル１０と
外側コイル２０を同一平面上に配置した為に、製
造単結晶の大口径化に対応させて浮遊帯域３をよ
り一層挟小化する事が出来る。

「発明の効果」 以上記載の如く本発明によれば、内側及び外側
の夫々のコイルの役割を分担し、内側コイルにお
いては原料多結晶の浮遊帯域の溶融を行い、一方
外側コイルにおいて単結晶成長域の放熱速度を制
御し、更に予熱コイルを付加することにより原料
多結晶棒の予熱を制御しながら単結晶成長を行う
よう構成した為に、前記帯域溶融の効率加熱と抵
抗分布のバラツキを低減しつつ安定的に単結晶の
成長を行い得る為に、大口径の且つ高品質の単結
晶の製造が可能となる、等の種々の著効を有す。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａ，Ｂ，Ｃはいずれも本発明の基本構成
を示す概略図である。第２図乃至第５図は本発明
の実施例に係る半導体単結晶製造装置に使用され
る、複数の加熱コイルからなる加熱機構を示し、
第２図は平面図、第３図は底面図、第４図Ａ，Ｂ
は第２図のＡ−A′線断面図、第５図は製造状態
における半導体棒との位置関係を示す第２図のＢ
−B′線断面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 外周囲に囲繞された加熱コイルを用いて、原
   料多結晶を軸方向に順次帯域溶融しながら単結晶
   成長を行う半導体単結晶製造装置において、 前記原料多結晶外径より小なる内径を有する第
   １の単巻誘導加熱コイルと、該第１のコイル内径
   より大なる内径を有し少なくともその内縁側を単
   結晶成長域の始端側周縁部に対峙せしめた第２の
   誘導加熱コイルとを含み、 前記第１のコイルにより原料多結晶の帯域溶融
   を行いつつ、第２のコイルの単結晶始端側周縁部
   の対峙状態を維持して加熱しながら、その放熱速
   度を制御可能に構成した事を特徴とする半導体単
   結晶製造装置。 ２ 前記第１のコイルと第２のコイルが同心上に
   位置決め保持されている特許請求の範囲第１項記
   載の半導体単結晶製造装置。 ３ 前記第２のコイルが第１のコイルに対し半径
   方向に偏心させて位置決め保持されている特許請
   求の範囲第１項記載の半導体単結晶製造装置。 ４ 前記第２のコイルを単巻加熱コイルで形成し
   つつ、その内径を、単結晶成長域の始端側周縁部
   外径と同一か僅かに大に設定した特許請求の範囲
   第１項記載の半導体単結晶製造装置。 ５ 前記夫々の加熱コイルが同一の高周波電源と
   接続している特許請求の範囲第１項記載の半導体
   単結晶製造装置。 ６ 第１のコイルのインピーダンスを、第２のコ
   イルのインピーダンスより小に設定した特許請求
   の範囲第１項記載の半導体単結晶製造装置。 ７ 前記第１及び第２のコイルに加えて、前記第
   １のコイル内径より大なる内径を有し、その内周
   縁側を前記浮遊帯域と接する原料多結晶終端側周
   縁部に対峙せしめた第３の誘導加熱コイルを設け
   た特許請求の範囲第１項記載の半導体単結晶製造
   装置。