JPS6344718B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 結晶棒をるつぼ無しに帯域溶融する装置は多く
の場合溶融室内に棒の一端を保持する保持体の外
に溶融帯域加熱用の誘導加熱コイルが設けられて
いる。棒保持体と誘導加熱コイルの間の相対運動
によつて溶融帯域が結晶棒に沿つて移動する。誘
導加熱は多重巻の円筒コイルとすることができる
が、単巻コイルとすることも多い。誘導加熱コイ
ルには高周波電源から高周波電流が供給される。

溶融室は高真空としても保護ガスを満たしても
よい。保護ガスとしては水素又はアルゴンが提案
されている。これらの保護ガス中でるつぼを使用
しないフローテイング帯域溶融により良品質の単
結晶棒が作られる。

多重巻コイルの場合には特にそうであるが、単
巻コイルであつてもフローテイング帯域溶融中放
電が起こることがある。この放電は帯域溶融によ
つて作られる結晶棒の品質に悪影響を及ぼす。

放電発生の危険は保護ガスを満たした溶融室又
はコイルに大きな電力が導かれる場合特に大き
い。この発明の目的はこのような放電の発生を阻
止することである。

この発明の対象となる結晶棒無るつぼ帯域溶融
装置は、溶融室内に結晶棒の一端を保持する保持
体と結晶棒を取囲む誘動加熱コイルが設けられて
いるものである。この種の装置は既に西独国特許
第1913181号の発明の対象になつているが、この
装置では誘導加熱コイルの中央巻回部分と結晶棒
とが溶融帯域の移動中等電位に置かれている。こ
の場合誘導加熱コイルの中央巻回部分又は中央巻
回自体と少くとも一方の棒保持体を導電結合して
もよい。又誘導加熱コイルに並列に電気対称化回
路を接続し、その中点タツプを少くとも一方の棒
保持体と導電結合することも可能である。

この公知装置の概要を第１図に示す。１は溶融
室の金属壁の一部であり、この金属壁を貫通する
碍子２を通して棒保持体４の金属軸３が設けられ
ている。碍子２はパツキング５によつて気密封入
されている。軸３と保持体４はその中心軸の回り
に回転すると同時に軸方向に移動することができ
る。保持体４には結晶棒例えばシリコン棒６の一
端が固定される。誘導加熱コイルによつて棒６に
溶融帯域８が作られ、棒６と誘導加熱コイル７の
相対運動によりこの溶融帯域が棒に沿つて移動す
る。溶融室は気密室であり、例えば高純度の水素
又はアルゴンを充填できる。

誘導加熱コイル７にはコンデンサ１５が並列接
続されて一つの振動回路を構成し、高周波電源１
０から同軸導体９を通して電気エネルギーを供給
される。同軸導体９ならびに誘導加熱コイルとコ
ンデンサから成る振動回路は結合コイル１２を通
して高周波電源１０のタンク回路の振動コイル１
１に結合される。

単巻誘導コイルの中央部分１３あるいは円筒誘
導コイルの中央巻回は導線１４によつて溶融室の
壁１に結ばれる。軸３と壁１が接地されているか
ら棒保持体４従つて棒６と誘導加熱コイル７の中
央部分１３とは等電位に置かれる。これによつて
誘導加熱コイル７と結晶棒６の間の電位差は誘導
加熱コイル７の中央部分１３が溶融室壁１と導電
結合されていない場合の電位差の半分となる。こ
の場合直径が１乃至２インチのシリコン棒におい
て放電の発生が認められない。

帯域溶融の開始に当つて種結晶を溶融し、びん
首形の細長部を引き伸ばす際にはコイルと溶融帯
域の間の結合が弱いためコイルに比較的高い電圧
を加える必要がある。例えば偏平コイルとした溶
融コイルの内径が大きい程コイルの切れ間にグロ
ー放電又はアーク放電が起り易い。アルゴンを保
護ガスとするときこの傾向が特に大きい。この放
電は帯域溶融によつて作られた半導体結晶の品質
に悪影響を及ぼす外に高周波コイルと接続線を破
損することがある。

従つて結晶棒の直径が３インチ、４インチ等と
増大するにつれて上記の危険が増大し、新しい方
法が要求されるようになる。

この発明は公知の偏平コイル例えば西独国特許
出願公開第2737342号明細書に記載されているも
のの基本的な設計はそのまま保存してエネルギー
伝達性能と耐電圧特性に関しては全く新しい設計
としなければならないという考えに基くものであ
る。

この発明の対象である公知の偏平コイルの一例
を第２図に示す。このコイルは長円断面の環状内
側巻回部分１７とフランジ形の外側巻回部分１８
から成り、これらの巻回部分は溶接継手において
溶接結合されている。外側巻回部分１８には穴環
形の突起部１６があり、コイルはこの突起部を通
して接地される。コイルの電流導体１９と２０は
内側部分１７に結合され、同時に冷却水導管とし
て使用される。冷却水の流れは矢印２１で示す。
一般に外側巻回部分は銀めつき銅を使用してがん
じように作られ、内側巻回部分は銅管で作られ
る。

半導体棒を環状に取囲む巻回が中空体であるか
又は冷却液通流孔を備えている偏平誘導加熱コイ
ルに対して、この発明は一次巻線として作用する
巻回を少くとも部分的に二次巻線として作用する
巻回によつて取囲み、二次巻線は帯域溶融する半
導体棒に向つた内側においてコイル面内に置かれ
たエネルギー集中体と導電的に結合し、このエネ
ルギー集中体には中心部に半導体棒を通す円形の
孔を設けることを提案する。

この発明による誘導加熱コイルに対しては、中
央接地端子を持つ一次巻線と二次巻線の双方を中
空円筒として構成し、二次巻線が一次巻線を同心
的に取囲み、一次巻線と二次巻線の間の空間に耐
熱絶縁材料を詰めるのが効果的である。

この発明の一つの実施例ではエネルギー集中体
が中空体となつているかあるいは冷却液を流す通
孔を備えている。更にエネルギー集中体を半導体
棒を取囲む一つの環で構成し、この環と加熱コイ
ルの二次巻線の間の電気的・機械的結合を冷却水
の通流に適した管によつて形成しても良い。いず
れの場合にもエネルギー集中体は加熱コイルの二
次巻線とろう付け等によつて固く結合する。

耐電圧性を高めるため単巻加熱コイルのエネル
ギー集中体をセグメントに分割することは既に提
案されているが（特開昭58−82491号公報参照）、
この方法はこの発明による加熱コイルに対しても
有効である。エネルギー集中体は２個、３個、４
個又は６個のセグメントに分割し、各セグメント
の中央部分に電圧接続端子を設けるのが有利であ
る。

この発明の基本的な考え方は、加熱コイルを一
つの一次巻線と一つの完成された二次回路として
分割することである。この構造により交流磁場は
全部保持されエネルギー集中体を通して半導体棒
に導かれるが、コイルの電場はエネルギー集中体
のセグメント分割に応じて分割され弱められる。

この発明の特に有利な実施例では、二次巻線と
エネルギー集中体が一つの構成ユニツトを形成し
ている。そのためには各セグメントの厚さを内か
ら外に向つて例えば円錐状に増大させ、その外側
面に一次巻線に適合する切込みを入れる。エネル
ギー集中体のセグメントと一次巻線の間の間隔が
約１乃至２mmのとき、セグメントの切込みの深さ
を約20mmとしてセグメントの外側の厚さは約10乃
至30mmとする。

一次巻線の外径が80乃至200mmでエネルギー集
中体のセグメントが作る半導体棒さし込み用の円
形孔の直径が20乃至40mmであるとき、中心に向つ
て薄くなつているセグメントの内側面の曲率半径
を0.5乃至２mmとすることが可能である。

この発明の一つの実施例に使用されているよう
に一次巻線用の切込みを備えたエネルギー集中体
がその自由縁端にエネルギー集中体と電気的に結
ばれた金属被覆層を備えているときは、一次巻線
はエネルギー集中体のみぞに入れられ、このみぞ
の外縁は金属で閉鎖される。これによつて一次巻
線とエネルギー集中体が固く結合され、加熱装置
の効率が著しく改善される。セグメントの切込み
とそれにさし込まれた一次巻線の間の間隙には耐
熱性の絶縁物を詰める。耐熱性絶縁物としてはセ
ラミツク、シリコーンゴム、シリコーン樹脂又は
ポリビスマレインイミドが使用される。

エネルギー集中体は銅、銀めつきした銅又は銀
で作るのが良い。

この発明の実施例を示した第３図乃至第１０図
についてこの発明を更に詳細に説明する。

第３図に示した加熱コイルの核心となつている
のは一次巻線として作用する単巻偏平コイル３１
であり、その終端部３２と３３に例えば1000Vの
高周波電圧が加えられる。コイル３１には冷却用
として冷却液特に水が矢印３４，３５で示すよう
に貫流する。コイルの巻回自体は直径約20mmの銀
めつき銅管で作られている。

巻回３１には耐電圧性を高めるため中央部に接
地端子３６が設けられている。更に二次巻線とし
て作用する巻回３７が少くとも部分的に巻回３１
を包んでいる。図示の実施例ではこの二次巻線３
７は銅、銀めつきした銅又は銀の管であり、正規
の機能の遂行に必要な僅かの部分を除いて一次巻
線３１の全体を同心的に包んでいる。

両巻回３１と３７の間の間隙３０は耐熱性の絶
縁物３８で埋められている。この絶縁物としては
特にセラミツク、シリコーンゴム、シリコーン樹
脂又はポリビスマレインイミドが適している。溶
融処理する半導体棒に向つた内側にはコイル面内
にあつて中心に円形孔４３を持つエネルギー集中
体が設けられている。この実施例ではエネルギー
集中体が四つのセグメント３９，４０，４１およ
び４２に分割される。各セグメントは最も簡単な
場合銅の中空体とするか、あるいはセグメント４
０に示すように通孔４４を設けて水導管２９を介
して冷却導管系に接続する。エネルギー集中体３
９，４０，４１，４２は例えばはんだ付け等によ
り二次巻線３７に固く結合する。

エネルギー集中体を複数のセグメントに分割す
ることにより加熱コイルの耐電圧性を著しく高め
ることができる。地電位に置かれる半導体棒に対
して二次巻線の電圧が例えば1000Vであるとする
と、各セグメントの電圧は分割数で割つた値に下
り、４セグメントに分割されているときは250V
になる。各セグメントの中点接地が行なわれてい
ると、各セグメントの接地された溶融体に対する
電圧は更に半減する。溶融体とセグメント終端部
（これはセグメント４０の場合端部４５と４６で
ある）の間の実効電圧は更に係数２だけ低くな
る。

加熱コイルの外径が80乃至200mmのとき半導体
棒を通す円形中心孔の直径を20乃至40mmとするの
が良いことは実際に確められた。

この発明による構造を更に明確にするため第３
図のＡ―Ａ線に沿う断面を第４図に、Ｂ―Ｂ線に
沿う断面を第５図に示す。これらの図面で使用さ
れている符号は第３図のものに対応する。エネル
ギー集中体に対する冷却水は矢印４８と４９で示
したように流れる。一次巻線として作用する管３
１の内室５０も冷却水が貫流する。

技術的に優れた構成は第６図に示すようにセグ
メント３９乃至４２に内側から外側に向つて例え
ば円錐状に増大する厚さを持たせ、外側面に切込
みを入れてこの切込みに一次巻線３１をはめ込む
ことである。一次巻線の周囲の間隙は耐熱性のシ
リコーンゴム３８で埋める。セグメントの冷却は
水を流す孔４４による。

セグメントの外側の厚さが約20mmであり内側面
の曲率半径が１mmであると、孔４４があつても巻
線３１を入れるセグメントの切込みの深さを20mm
とすることができる。

二次巻線を完結させるため一次巻線３１の外側
に例えば銅で作られた閉鎖部５１を設ける。これ
によつて第７図に示すように二次巻線とエネルギ
ー集中体が一つの構成ユニツトを形成する。エネ
ルギー集中体のセグメント３９，４０，４１，４
２に作られた一次巻線収容用の切込みの外側の開
放端にはエネルギー集中体と電気的に結ばれた金
属被覆がセグメント数に応じて分割された銅帯５
１の形で設けられている。

機械工作上簡単な実施例を第８図に示す。第９
図は第８図のＡ―Ａ線に沿う断面図、第１０図は
そのＢ―Ｂ線に沿う断面図である。これらの図面
で対応部分は同じ符号で示されている。この実施
例ではエネルギー集中体が溶融対象の半導体棒を
取囲む環から成り、４個のセグメントに分割され
ている。これらのセグメント５２，５３，５４お
よび５５は中心に半導体棒を通す貫通孔４３を形
成している。二次巻線５７の４個の部分と集中体
の４個の部分との間の電気的ならびに機械的の結
合は冷却水の貫流に適した管による。４個のセグ
メントに対して４本の銀めつき銅管５６，５７，
５８および５９が使用される。これらの管で囲ま
れた空間例えば管５８の空間６０は開放して置く
ことができるが、例えば金属テープでふさいでお
いてもよい。

大きな直径の半導体結晶棒を帯域溶融するため
にはこの発明の一つの実施例として誘導加熱コイ
ルを分解可能の構造とし、分離個所は巻回とセグ
メントを横切るようにし、組立てに際してはねじ
と冷却管用のパツキングによつて互に結合するよ
うにする。

【図面の簡単な説明】

第１図は公知の結晶棒帯域溶融装置の一部を示
し、第２図は帯域溶融に使用される偏平コイルの
一例を示す。第３図はこの発明の第一の実施例の
平面図、第４図と第５図はその一部分の断面図で
あり、第６図はこの発明の実施例で使用されるエ
ネルギー集中体の断面図、第７図はエネルギー集
中体と加熱コイルの二次巻線が組合わされた構成
ユニツトの見取り図、第８図はこの発明の第二の
実施例の平面図、第９図と第１０図はその一部分
の断面図である。第３図において３１：一次巻線
としての偏平コイル、３７：二次巻線としての巻
回、３９乃至４２：エネルギー集中体を構成する
セグメント。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 半導体棒を環状に取巻く巻回が少なくとも一
   つの冷却液通流孔を持ち、一次巻線として作用す
   る巻回が二次巻線として作用する巻回によつて少
   なくとも部分的に包囲され、溶融対象の半導体棒
   に向かつた側にコイル面内にあつて中心に半導体
   棒を通す円形孔を持つエネルギー集中体が設けら
   れ、このエネルギー集中体が少なくとも二つのセ
   グメントに分割され、エネルギー集中体の各セグ
   メントが二次巻線と電気的に結合され、一次巻線
   が中点接地されていることを特徴とする半導体棒
   の無るつぼ帯域溶融用の偏平誘導コイル。