JPS6124791B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はるつぼを用いないで結晶材料を熔融す
るのに用いる誘導加熱コイル及びその形成方法に
関し、更に具体的には、大形、高純度の半導体材
料結晶のフロート・ゾーン熔融に好適な誘導加熱
コイル及びその形成方法に関するものである。

フロート・ゾーン熔融においては、材料を取囲
むRF（ラジオ周波）誘導コイルのごとき定常加
熱手段を通過させてロツドを縦方向に移動させる
ことにより、多結晶ロツドの長さ方向に熔融ゾー
ンが移動せしめられる。この熔融ゾーンは支承さ
れることなく、表面張力と電磁力のみにより配置
せしめられる。ゾーンがるつぼの壁面との接触と
いつた支承手段を何ら有しないので、ゾーンの寸
法、形状は極めてクリテイカルとなる。ゾーンが
過大になれば、電磁力と表面張力は大量の熔融材
料を閉じ込めておくことができなくなつて、熔融
材料は重力の作用でこぼれてしまう。これとは反
対に、熔融ゾーンが過小であれば、材料の中心部
は完全には熔融されず、結晶の品質は低下しよ
う。熔融ゾーンのクリテイカルな形状は、ロツド
中に誘導される電流分布、従つて第１原因的には
ゾーン形成用の誘導コイルの形状、設計によつて
制御される。単巻及び複巻を含めて広範囲のコイ
ルが試行されてきた。複巻のものは平行多巻ない
しはらせん形状となされよう。コイルは円筒導管
に形成されようし、あるいはパンケーキ形状に切
削加工されよう。これら種々の形状はすべて、ロ
ツドの全断面に必要な加熱を供給すると共に熔融
部を安定化させる電流分布を与えるように設計さ
れる。上述した種々のコイルの設計は、十分に満
足すべきものではなく、特に大径の結晶について
は満足すべきものでなかつた。例えば、慣用のコ
イルは２個の導管の並行巻で形成されていた。一
方のターンは他方のターンより小さくかつ他方タ
ーンの上部に位置していた。この同心コイル構造
は、熔融部を維持し、安定化するのを助け、材料
の全断面が熔融するのを確実にした。しかしなが
ら、円筒導管で構成されるコイルを正確に整形す
るのは困難であり、所望の形状からゆがみ易く、
コイルが新しく且つコイル材料が柔い場合は特に
ゆがみ易かつた。従つて、電流は勿論コイルのタ
ーンに限定される関係上、電流の分布に不連続な
ステツプが生じ、このため、電流は熔融ゾーンの
上部から下部にかけて滑らかに分布できなくな
る。

平坦なパンケーキ形コイルは固形原料片から切
削加工することができるので、堅固な構造とする
ことができる。このようなコイルはまた、導管形
コイルに比べて丈夫かつ頑強であるから、不慮の
変形を生じにくい。しかし、パンケーキ形コイル
は、コイルの全面を電流が流れるため、設計上の
柔軟性に欠けている。

従つて、結晶材料のフロート・ゾーン熔融用の
先行技術のコイルに固有の問題を解決すべき、改
良されたRF誘導コイルが要求されていた。

本発明の第１の目的は、容易且つ再現性良く製
造できるRF誘導コイル及びその形成方法を提供
することにある。RFコイル内の電流分布は、精
製されるべき材料のロツド中に誘導される電流分
布、従つて温度分布を変化させるために、調整可
能とされる。コイル内の電流調整は、コイルの上
面及び下面において独立になされ得る。

本発明のフロート・ゾーン誘導コイルは、固体
導電材料の片から、平坦な“パンケーキ”コイル
の形に削切加工される。導管を納めるための浅い
溝がコイルに形成され、この導管は上記の溝内に
はんだ付けないし溶接されてコイルの冷却に供せ
られる。コイル内の電流分布は、コイル表面に形
成したスロツトにより決定される。上記のスロツ
トは、電流の向きを変えてスロツトを有しないコ
イル面に電流を限定せしめる。上面と下面の各々
に固有のスロツトを配置することによつて、コイ
ルの上面と下面における電流分布は独立に調整可
能とされる。特定のスロツト配置がなされた後で
もコイル表面に溝を開設してこの溝に固体導体片
を挿入することにより、スロツトの配置は更に変
更可能とされる。上記固体導体片は、スロツトの
作用を置き換え、従つて相殺することができる。
他の変形例によれば、固体導体片はコイル表面に
熔接その他により装着され、その下側のスロツト
の作用を相殺するかもしくはコイルの特定の箇所
の通電能力を高めるようになされる。

本発明は、本明細書全体を通じて、“スロツ
ト”の用語を使用しているが、これは、鋸又は同
様の工具によつて誘導加熱コイルの表面につくら
れたスロツトを示すように使用されている。

第１図は、先行技術のコイル１０の典型的な一
例を図示するものである。コイル１０は２個の同
心コイル、すなわち小径の上部コイル１２と大径
の下部コイル１４から構成される。これらのコイ
ル１２，１４は銅導管その他適宜な導電材料で形
成できよう。２個のコイルは、電気的に並列にな
るように接合１６で互いに接合される。コイルの
共通部１７，１９は、いずれもRF電力源及び水
冷装置に接続される。コイルが熔融結晶材料のす
ぐ近くに存在する関係上、コイルの中空導管を通
過する水流によりコイルを冷却状態に保つ。２個
のコイルは、材料の全断面を熔融するために充分
なエネルギーが結晶材料に結合することを保証す
る。小径のコイル１２は熔融部の中心部と誘導的
に結合し、一方、大径のコイル１４は熔融部の外
部に結合して好適な形状の凝固界面を形成する。
２個のコイル１２，１４は同時に作用して熔融部
を安定化するが、単一巻回だけでは、成長しつつ
ある結晶が制御不可能な方向にスパイラル・オフ
（spiral off）する傾向がある。

第２図を参照すれば、本発明の一実施例のラジ
オ周波（RF）誘導コイル１８の断面が図示され
ている。コイル１８はフロート・ゾーン精製中の
シリコン・ロツドと共に図示されている。特定の
寸法のシリコン・ロツドをフロート・ゾーン精製
する場合について、一実施例を説明しよう。約50
−80ミリメータの直径の多結晶原料棒状ロツド２
０が、るつぼを用いない（crucible free）精製プ
ロセスにより、約75−115ミリメータの直径の単
結晶ロツド２２に変換される。これは本発明を説
明するためのほんの一例にすぎないことに留意さ
れたい。当業者であれば、他の材料又は寸法のゾ
ーン精製についても本発明の精神の範囲内で適宜
変形可能であることを理解し得よう。シリコン材
料の熔融ゾーン２４は、小径に絞られてコイル１
８の中心部を通過する。熔融ゾーンは誘導コイル
によつてロツド内に誘導された電流により加熱さ
れる。コイルは、例えば外縁部の厚みが約10―15
ミリメータで、中心が十分の数ミリメータとなる
ようにテーパーがつけられたもので有り得よう。

第３図は誘導コイル１８の上面図である。コイ
ル１８は銅、銀その他の導電材料の棒から機械加
工し得よう。例えば、コイル１８の外径は約90―
140ミリメータであり、開口は円形、長円形その
他の形状であり、内径は約20―35ミリメータとな
し得よう。コイルが実質的に結晶材料を取巻く１
巻を形成するように、トロイド形状のコイル１８
中に空隙２６が設けられる。コイルの冷却用とし
て、図中に破線で示す溝２８がコイルの表面に形
成されて、この溝内に端部３０と３２を有する導
管２９が押込まれる。導管は、例えば５ミリメー
タ径の銅製の導管である。この導管はスロツト２
８内に銀はんだ付ないし溶接され、コイル１８の
表面は滑らかに研削される。使用に際しては、銅
導管の端部３０，３２は供水源及びRF電源に接
続されるが、これはいずれも図示されていない。
コイル表面の大電流によつてコイル１８が熔断し
ないようにするため、水冷が必要である。

RF電源からコイル１８に電流が流込む。コイ
ルの表面に多数のスロツト３４を選択的に形成す
ることにより、コイル中の電流分布を制御するこ
とができる。電流分布を制御することによつて、
電界パターン、従つてシリコン・ロツド中に誘導
される電流分布を制御することができる。フロー
ト・ゾーン熔融に重要なラジオ周波数（約２―
5MHz）においては、銅中のスキン・デプス
（skin depth）は0.05ミリメータ以下であり、従
つて実質的に全ての電流がコイルの表面を流れ
る。従つて、幅が約１ミリメータで深さが１―２
ミリメータのスロツト３４は局所的な電気インピ
ーダンスを実効的に増大させる。電流分布を好適
に制御する上で、20〜50本の放射状スロツト３４
をコイル上面に設けることが有効であつた。これ
らスロツトはコイルの周方向に等間隔で配置する
か、特定の分布を得る目的で非対称的に配置され
る。棒状原料ロツド２０の中心部を加熱し、且つ
熔融部を安定化するため、コイル１８の上面のス
ロツト３４は、コイルの外周附近とコイルの縁部
にわたつて位置し、且つコイルの内周部分には位
置しないようになされよう。このスロツトの配置
は、電流をコイルの中心部に集中させ、コイルの
外周部の電流を比較的小さな値とする。スロツト
３４は、例えばコイルの中心から約80ミリメータ
の位置からコイルの外縁にわたつて形成される。

誘導コイル１８の底面図が第４図に図示されて
いる。コイルの下面における電流分布は、上面に
おけると同様に、コイル１８の表面のスロツト３
６によつて形成される。コイルの下面のスロツト
３６は、コイルの上面のスロツト３４と同一であ
る必要はない。すなわち、コイルの上面と下面に
おける電流分布は独立に調整し得る。上述した特
別の一例においては、30―40個の放射状スロツト
を等間隔で、コイル中心から約20ミリメータの位
置とコイル中心から約40ミリメータの位置の間に
形成すると好都合であつた。従つて、電流はコイ
ル１８の下面の内側及び外側部分に限定され、中
央部分では排除又は減少せしめられる。

第５図は本発明の他の実施例の誘導コイル１８
を図示するもので、特定の電流分布を形成するた
めのスロツト３４を上面に形成したものである。
しかしながら、電流分布を変えるために、スロツ
トに加えて付加的な手法が用いられている。すな
わち、スロツトはコイルの特定の箇所の表面イン
ピーダンスを増加させるために用いられ、上記他
の手法によれば、電流密度を局部的に増加させる
ため、コイルの表面に固体導体条片（strip）３
８が溶接されてインピーダンスが低下せしめられ
る。コイルの表面及びそのスロツト中に溶接され
た銅その他の導体材料の固体条片３８にスロツト
が形成され得よう。条片３８はコイル表面と同一
平面になされるか、所望の効果に応じて表面に突
出させるか或いはくぼませるかすることができ
る。スロツト３４の正しい位置を実験的に決める
場合に、条片３８を用いることが有用である。例
えば、スロツトが径の外側に位置し過ぎたとき
は、外側の不要なスロツトを削り取つてここに条
片３８を挿入することにより、コイル表面を実質
的にスロツトの無い状態に復元することができ
る。しかしながら、最も重要なことは、所望の電
流分布を形成する上で、条片３８が付加的な柔軟
性を提供し得る点にある。コイル１８の上面に、
約50―60ミリメータの内径と約80―85ミリメータ
の外径を有するコイルと同心的な条片３８を、コ
イル１８の元の表面上約２ミリメータの高さにわ
たるように挿入することが特に好適であつた。こ
のような条片３８は、ゾーン熔融処理に適応可能
な原料棒状ロツドの径についての極めて大きな融
通性を許容する。条片３８がコイル上面のスロツ
ト３４と関連して図示されてきた。他の情況のも
とでは、このような条片をいずれか又は双方の面
に使用することが望ましい。この条片はスロツト
と組合わせて、又は単独に使用できよう。

【図面の簡単な説明】

第１図は先行技術の誘導加熱コイルの一形式の
斜視図、第２図は本発明の誘導加熱コイルの断面
図、第３図、第４図は第１図の誘導加熱コイルの
上面図、底面図、第５図は本発明の他の実施例の
斜視図である。 １０…先行技術のコイル、１２…上部コイル、
１４…下部コイル、１６…接合、１７，１９…共
通端部、１８…誘導コイル、２０…多結晶原料棒
状ロツド、２２…単結晶ロツド、２４…熔融ゾー
ン、２６…空隙、２８…溝、２９…導管、３０，
３２…導管の端部、３４，３６…スロツト、３８
…条片。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 結晶材料のフロート・ゾーン熔融軸のまわり
   配向され、その軸の方向に離隔して離れた第１、
   第２主表面を有する誘導加熱コイルを形成する方
   法において、 前記コイルの主表面を変更し、 前記第２主表面と交差する軸方向の深さに延長
   していない第１組のスロツトを前記第１主表面に
   設け、 前記第１主表面と交差する軸方向の深さに延長
   していない第２組のスロツトを前記第２主表面に
   設けることによつて、前記主表面の電流分布を変
   更することを特徴とする誘導加熱コイルの形成方
   法。 ２ 実質的に結晶材料を取巻く電気的導電性材料
   の水冷単一ターンから成り、上面、下面及び側面
   を有する結晶材料のフロート・ゾーン熔融用の平
   坦なパンケーキ形の誘導加熱コイルであつて、上
   面及び下面に複数のスロツト３４，３６を具え、
   前記スロツト３４，３６は放射状に延長し、コイ
   ルの上面及び下面において電流分布が独立に制御
   されることを特徴とする誘導加熱コイル。 ３ コイルの上面のスロツト３４は、その外側周
   辺に隣接して配置され、コイル１８の底面のスロ
   ツト３６は、中央に形成され、電気的に導電性材
   料の同心条片３８は、コイルの上面上に突出して
   固着されることを特徴とする前記特許請求の範囲
   第２項記載の誘導加熱コイル。