JPH0724307A - 半導体等の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 宇宙空間で製造されるものと同様な優れた特
性を有する半導体等を大量に製造できるようにする。 【構成】 マルチ電極２に三相交流を印加することによ
り電極間にマルチアーク４を発生させ、マルチアーク４
によりマルチ電極２の略中心点に置かれた原料物質３を
溶解せしめる。その後、溶解状態の原料物質３を予め定
められた冷却速度に従って冷却させることにより目的物
質たる半導体、合金、セラミック又はアモルファス等を
製造する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はマルチアークを利用して
優れた特性を有する半導体、合金又はセラミック等を製
造する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】複数の元素が均一に混じった半導体は優
れた電気的・光学的特性を有すると考えられている。し
かし、各元素には固有の比重と融点があるため、原料が
均一に溶解せず、このような理想的な半導体を製造する
ことができない。

【０００３】ただ、アメリカのスペースシャトル・エン
デバーの中で行った宇宙実験では理想的なアモルファス
半導体が製造されたと報告されている。このアモルファ
ス半導体はシリコン・ヒ素・テルルの三元素からなり、
組成を変えた６種類の材料を小さな石英のアンプルに封
入し、これを1300度に加熱して溶融した後に急冷して得
られたもので、無重力状態でこれらの処理が行われたた
め、元素の均一性が確保され、優れた電気的・光学的特
性を有している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、現在の
宇宙技術のレベルであっても、大型の半導体製造装置を
宇宙空間に運ぶことができないから、現実問題としてこ
の種のアモルファス半導体を大量に製造することは不可
能である。

【０００５】本発明は上記した事情の下で創作されたも
のであり、その目的とするところは、宇宙空間で製造さ
れるものと同様な優れた特性を有する半導体等を大量に
製造できる半導体等の製造方法を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体等の製造
方法は、複数の電極が点対象に配置されており、当該電
極に多相交流を印加することにより前記電極間にマルチ
アークを発生させ、マルチアークにより前記複数の電極
の中心点に置かれた原料物質を溶解せしめ、その後、溶
解状態の原料物質を予め定められた冷却速度に従って冷
却させることにより目的物質たる半導体、合金、セラミ
ック又はアモルファスを製造したことを特徴としてい
る。

【０００７】

【作用】複数の電極が点対象に配置されているので、複
数の電極間に発生するマルチアークの中心部には強力な
電磁振動の他に強力な回転電磁界が存在する。複数の電
極の中心点に置かれた原料物質はマルチアークの4000度
以上の高温により瞬時に溶解する。原料物質を構成する
各元素原子はその高温により活発に運動し、回転電磁界
の影響を受けてその運動は更に激しくなる。それ故、各
元素原子に作用する重量の影響が極めて小さくなり、そ
の結果、各元素原子が均一に溶解することになる。つま
りマルチアークの中心部においては無重力状態と同様な
状態と言える。その後、溶解状態の原料物質を予め定め
られた冷却速度に従って冷却させると、各元素原子が均
一に混じった半導体等が得られることになる。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。ま
ず、本案方法で使用するマルチアーク炉について図面を
参照して説明する。図１（ａ）はマルチアーク炉の概略
構成図、図１（ｂ）はマルチ電極の配置を模式化した図
である。

【０００９】図１（ａ）中２はマルチ電極である。マル
チ電極２はここでは３本の炭素棒２１〜２３から構成さ
れている。炭素棒２１〜２３は図１（ｂ）に示すように
点対象に配置されており、その先端部は図１（ａ）に示
すようにマルチアーク炉１の炉内に入り込むようになっ
ている。なお、マルチ電極２の中心部にニュートラル電
極を持たせるようにしても良い。

【００１０】図中５１は三相交流を生成する三相交流電
源である。この三相交流はスイッチ５２、電流制限リア
クトル５３を介してマルチ電極２に印加される。

【００１１】マルチアーク炉１の炉内でもマルチ電極２
に対向する位置には、原料物質３を入れるための容器６
が備えられている。容器６上で原料物質３は炭素棒２１
〜２３の略中心点に置かれる。

【００１２】マルチアーク炉１には、図示省略されてい
るが、溶解状態の原料物質３を所定の冷却速度で冷却さ
せるための装置が備えられている。この装置は冷却した
ロールが回転可能である基本構成となっており、溶解状
態の原料物質３をロールの中に注入するとこれを急冷さ
せるようになっている。なお、この装置に限定されず、
例えば、溶融状態の原料物質３に対して窒素ガス等を噴
出させたり、水中でこれを急冷させる方法を採ってもか
まわない。

【００１３】以上のような構成のマルチアーク炉１を用
いて半導体を製造する方法について説明する。まず、原
料物質３を容器６に入れて、三相交流をマルチ電極２に
印加すると、マルチ電極２の電極間にマルチアーク４が
発生する。

【００１４】このマルチアーク４は４０００度以上の高
温となり、その中心部には強力な電磁振動の他に強力な
回転電磁界が存在する。マルチアーク４の高温により原
料物質３は瞬時に溶解する。原料物質４を構成する各元
素（又は原子）もその高温により活発に運動し、回転電
磁界の影響を受けてその運動は更に激しくなる。

【００１５】それ故、原料物質４を構成する各元素（又
は原子）に作用する重量の影響は極めて小さくなり、そ
の結果、各元素（又は原子）が均一に溶融・混合するこ
とになる。なお、均一な溶融・混合を確保するためのマ
ルチアーク４の照射時間は原料物質４の材質や組成によ
って異なる。

【００１６】原料物質４を構成する各元素（又は原子）
が均一に溶融・混合すれば、その後、マルチアークを消
し、上記した溶解状態の原料物質３を急冷させる装置を
作動させる。

【００１７】この装置によって予め定められた冷却時間
で溶解状態の原料物質３が冷却される。すると、元素の
均一性が確保された目的物質たる半導体が得られる。

【００１８】なお、溶融状態の原料物質３の冷却速度は
目的物質たる半導体の種類・特性等によって異なる。ま
た原料物質３が高温にて蒸発し易い素材である場合、マ
ルチアーク炉１の炉内圧力を上昇させて蒸発を防ぐよう
にする。また必要に応じて真空の下で又は還元性雰囲気
の下で原料物質３を溶解させるようにすれば良い。

【００１９】例えば、原料物質３としてシリコン・ヒ素
・テルルの三元素からなる組成物を用い、これを均一に
溶解・混合させて急冷させた場合、上述したスペースシ
ャトル・エンデバーの中での宇宙実験の場合と同じよう
な光学的特性の優れたアモルファス半導体が製造でき
る。原料物質３の組成等を変更すれば、電気的特性をも
向上させることができるであろう。

【００２０】変形例として次の方法が掲げられる。即
ち、静電界の下で溶解状態の原料物質３を冷却させる。
例えば、マルチ電極２に直流電圧を印加させたり、マル
チ電極５の周辺に静電界を発生させ、この状態で溶解状
態の原料物質３を冷却させる。静電界を変えると、これ
に伴って目的物質たる半導体の元素の均一性の状態も変
わるので、上記例とは異なる特性の半導体が製造できる
ことになる。

【００２１】以上のようなアモルファス半導体だけでな
く、原料物質３及び冷却速度を選定すれば、単結晶の半
導体も製造できる。

【００２２】もっとも、単結晶を製造する場合、図２に
示すようなマルチアーク炉を使用することが望ましい。
図２（ａ）はバッジ型単結晶生成装置の概略構成図、図
２（ｂ）はマルチ電極をその前方から見た模式図であ
る。

【００２３】図中５はマルチアーク炉１内に挿入された
マルチ電極であり、ここでは１２電極のものを用いてい
る（図２（ｂ）参照）。これ以外の電極数、例えば、９
電極、１２電極、２４電極のものでもかまわない。

【００２４】図中６１は原料物質３を入れるための黒鉛
ルツボであって、その下面に連結された昇降機構６２に
よって上下方向に移動可能となっている。

【００２５】ここでは原料物質３としてＳｉＯ₂ とＣと
の混合微粉末を用いている。原料物質３をキャリアスガ
スを用いてマルチアーク炉１内に送り込むとともに黒鉛
ルツボ６１に導びく。なお、図中７１、７２はキャリア
ガスの導入経路、排出経路である。

【００２６】図中６３はマルチアークにより溶解された
原料物質３（種結晶）を黒鉛ルツボ６１から引き上げる
ための引き上げローラである。

【００２７】即ち、マルチ電極５に１２相の交流を印加
すれば、マルチ電極５の電極間にマルチアークが発生
し、黒鉛ルツボ６１上の原料物質３が溶解する。そして
引き上げローラ６３をゆっくりと上昇させると、原料物
質３も引き上げられる。と同時に、昇降機構６２を動作
させることにより、原料物質３の液面を常に一定に保つ
ようにする。そして適当な速度で冷却すると、ＳｉＣの
単結晶が製造される。

【００２８】また図２に示す装置の代わりに図３に示す
ような装置を用いても良い。ここではアーク電極５の中
心部に中空円筒状のニュートラル電極５１を設けてい
る。なお、図中７３は原料物質３をキャリアスガスを用
いて黒鉛ルツボ６１に導びくための配管である。

【００２９】図２や図３に示すような装置を用いると、
マルチ電極５の中心部には、強烈な電磁振動や回転磁界
その他の遠赤外線から超紫外線に至る極めて多くの波動
エネルギー（従来とは全く異なる場のエネルギー）を伴
う超高温領域となり、或る領域が無重力状態となる。特
に、図３に示す装置を用いた場合、ニュートラル電極５
１と各電極との間にもマルチアークが発生することか
ら、更に大きなエネルギーを有する場を作り出すことが
できる。これにより金属とセラメックの境界面（溶融中
に分解する）及び金属やセラミックとカーボンの熱結合
も可能となり、今迄に存在しない半導体等の製造を期待
できる。また空気も質的に異なった酸化還元雰囲気とな
るので、アルゴン等の不活性ガスも省略することも可能
である。

【００３０】以上、主として半導体を製造する例につい
て述べたが、これ以外に金属元素を組み合わせた合金、
セラミック、アモルファス等についても製造可能であっ
て、やはり従来方法では得られない物質や特性が得られ
る（なお、米のもみがらをマルチアークで照射すると、
半導体機能をもったセラミックも製造できる）。

【００３１】例えば、鉄とアルミとの合金について如何
なる成分比のものでも容易に製造可能であり、その合金
の均一性、機械的特性も優れていることが実験で確かめ
られた。アモルファス（ガラス）についても機械強度や
熱的な特性も従来では得られないレベルのものであっ
た。これらのことは目的物質を構成する各元素が均一に
分布していることを明らかにするものである。

【００３２】特に、図２や図３に示す装置を用いると、
アルミニウムと鉄との合金はもちろんのこと、金と鉄と
の合金のように通常の方法では得られない均質な合金を
製造することができる。

【００３３】

【発明の効果】以上、本発明の半導体等の製造方法によ
る場合、各元素原子が均一に混じった半導体等を得るこ
とができ、宇宙空間で製造されるものと同様な優れた特
性を有する半導体等を大量に製造できる。言い換える
と、地上では得られなかったような半導体等を製造する
ことができる。またマルチアーク炉を普及させる上でも
非常に大きなメリットを期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】以下、本発明の実施例を説明するための図であ
って、（ａ）はマルチアーク炉の概略構成図、（ｂ）は
マルチ電極の配置を模式化した図である。

【図２】他の実施例を説明するための図であって、
（ａ）はバッジ型単結晶生成装置の概略構成図、（ｂ）
はマルチ電極をその前方から見た模式図である。

【図３】図２の変形例を説明するための図であって、
（ａ）は図２（ａ）対応する図、（ｂ）は図２（ｂ）に
対応する図である。

【符号の説明】

１ マルチアーク ２ マルチ電極 ３ 原料物質 ４ マルチアーク

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の電極が点対象に配置されており、
   当該電極に多相交流を印加することにより前記電極間に
   マルチアークを発生させ、マルチアークにより前記複数
   の電極の中心点に置かれた原料物質を溶解せしめ、その
   後、溶解状態の原料物質を予め定められた冷却速度に従
   って冷却させることにより目的物質たる半導体、合金、
   セラミック又はアモルファス等を製造したことを特徴と
   する半導体等の製造方法。
2. 【請求項２】 静電界の下で溶解状態の原料物質を冷却
   させるようにしたことを特徴とする請求項１記載の半導
   体等の製造方法。