JP2000086386A - 単結晶育成装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 単結晶５０の育成途中から単結晶５０の上端
部をチャック機構５０により把持して引上げる場合に、
チャック機構３５による原料融液４０の汚染を防止す
る。 【解決手段】 チャック機構３５の昇降及び回転を、引
上げ軸３７′の昇降及び回転から独立して制御可能とす
る。単結晶５０の上端部をプルチャンバ２０内の最下部
で把持するにあたり、その把持までは、チャック機構３
５をプルチャンバ２０内の最上部に待機させる。把持の
際には、チャック機構３５を待機位置から把持位置へ下
降させる。下降時のチャック機構３５の回転数を共振が
発生しない回転数に選択する。下降後はチャック機構３
５を引上げ軸３７′と同期して回転させながら上昇させ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＣＺ法による引上
げで単結晶を育成する単結晶育成装置、及びその育成装
置を用いた単結晶育成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの製造に使用されるシリ
コンウエーハの素材としては、ＣＺ法により育成された
シリコン単結晶が多用されている。ＣＺ法によるシリコ
ン単結晶の育成では、周知の通り、引上げ軸の下端に保
持された種結晶を、石英坩堝内に形成されたシリコン融
液に漬け、この状態から引上げ軸を回転させながら上昇
させることにより、種結晶の下方にシリコン単結晶を育
成する。

【０００３】ここで種結晶は、シリコン単結晶からなる
直径が１０数ｍｍ程度の細い棒体であり、上部が種ホル
ダーに連結され、下部がシリコン融液に浸漬される。こ
のような種結晶を高温のシリコン融液に浸漬すると、熱
衝撃により転位が導入されるため、種結晶をシリコン融
液に浸漬した後に種結晶の直径を絞り、しばらくの間こ
の状態を維持して結晶の無転位化を図る所謂種絞りが実
施される。種絞り部の直径は無転位化の点から５ｍｍ以
下が必要とされ、３ｍｍ以下が望ましいとされている。

【０００４】一方、ＣＺ法によって育成されるシリコン
単結晶は、これまでは直径が８インチで重量が１００ｋ
ｇ前後のものが主流であった。しかし、最近になって単
結晶の更なる大径化が進み、直径が１２インチのシリコ
ン単結晶の育成も始まっている。単結晶の直径が大きく
なると、当然その重量も増え、直径が１２インチの場合
で重量は２００ｋｇに達する。そして、この重量は種結
晶の特に種絞り部に集中するが、シリコンの破壊強度は
２０ｋｇ／ｍｍ² 程度であるため、２００ｋｇのシリコ
ン単結晶を確実に保持するためには少なく見積もっても
５ｍｍを超える直径が種絞り部に必要になる。従って、
単結晶保持の点からは、１２インチ単結晶の引上げが不
可能ということなる。

【０００５】この矛盾を解消して１２インチ単結晶の育
成を可能にする、とりわけ有効な技術として、特公平５
−６５４７７号公報等に記載されている、種結晶に依存
しない引上げ技術がある。これは、単結晶の上端部にク
ビレ部を形成し、このクビレ部をチャック機構により別
途把持して単結晶を引上げるものである。チャック機構
としては、クビレ部を周囲からクランプする複数の爪部
材がある。複数の爪部材は種結晶、即ち種ホルダー及び
引上げ軸と同期して回転しながら上昇することにより単
結晶の引上げを行う。

【０００６】この引上げ技術は、チャック機構が単結晶
の荷重を負担して、種絞り部に付加される荷重を取り除
くので、１２インチを超える単結晶の育成も可能にする
が、特公平５−６５４７７号公報等に記載された初期の
技術では、チャック機構は種ホルダーと一体になってい
る。この構造によると、チャック機構による引上げ時
に、チャック機構は種ホルダーと完全に同期して回転及
び上昇を行う。しかし、種結晶を原料融液に浸漬すると
きやその前後においては、チャック機構が原料融液に接
近し、１０００℃を超える高温の雰囲気に晒されるた
め、そのチャック機構によって原料融液が金属汚染され
る問題がある。また、その汚染防止のために、モリブデ
ン材やモリブデンメッキをチャック機構に用いても、１
０００℃を超える高温の雰囲気中では摺動部が焼き付い
て、把持動作を行うことができなくなる問題もある。

【０００７】これらの問題を解決するものとして、チャ
ック機構を種ホルダーに対して独立に昇降させる技術が
ある。特開平９−２２７２８２号公報に記載されたこの
技術では、引上げ軸を昇降させるモータから独立したモ
ータによりチャック機構が昇降駆動される。これによれ
ば、原料融液の近傍までチャック機構を下降させる必要
がなくなり、単結晶の引上げ途中でその上端部を把持で
き、その把持までは、チャック機構を低温域に待機させ
ておくことができる。これにより、チャック機構は原料
融液から離れた低温域に一応保持され、チャック機構の
過熱と原料融液の汚染が抑制される。単結晶の上端部を
把持するとき及びそれ以降は、チャック機構が引上げ軸
と同期して上昇するため、チャック機構による引上げに
支障は生じない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
９−２２７２８２号公報に記載された従来技術でも、チ
ャック機構の過熱と原料融液の汚染は十分には抑制され
ないことが判明した。その理由は、チャック機構を把持
位置より上方に待機させると、把持位置への下降途中に
共振が生じ、有転位化が多発するため、チャック機構を
比較的低い把持位置に待機させなければならないからで
ある。チャック機構の下降過程で共振が発生する理由は
以下の通りである。

【０００９】特開平９−２２７２８２号公報に記載され
た従来技術では、チャック機構を昇降させる機構が、引
上げ軸を回転させる機構と一体化されている。この一体
化により、チャック機構は常に引上げ軸と同期して回転
することになる。この引上げ軸とチャック機構の同期回
転動作は、単結晶を把持するときやその後の引上げでは
必要不可欠なものではあるが、一方ではチャック機構が
把持位置へ下降するときに、そのチャック機構を水平方
向に振動させる原因になる。

【００１０】即ち、チャック機構はその昇降のために複
数本のワイヤにより吊り下げられており、そのワイヤを
下方へ送り出すことにより把持位置へ下降するが、その
機構が引上げ軸の回転機構と一体化されていることによ
り、この下降中もチャック機構は引上げ軸と同じ回転速
度で定速回転を行う。このとき、吊り下げワイヤの有効
長をＬ、重力加速度をｇとすると、数式１が成立する。

【００１１】

【数１】共振回転数＝（１／２π）・（ｇ／Ｌ）^1/2 ・
６０ｒｐｍ

【００１２】チャック機構の下降中、吊り下げワイヤの
有効長Ｌは連続的に増加する。数式１は、チャック機構
の下降中の回転数が、引上げ軸の回転数に支配される一
定速度であれば、吊り下げワイヤの有効長Ｌが特定長に
なったときに、共振が生じることを表す。これは、チャ
ック機構が把持位置へ下降する途中に共振が起こり、そ
のチャック機構が水平方向に大きく振れ始めることを意
味する。一旦この振れが発生すると、チャック機構が引
上げ軸と同期して回転していても、単結晶の把持時には
その単結晶に水平方向の大きな外力が加わり、単結晶の
有転位化や結晶落下事故を生じる原因になる。

【００１３】このように、特開平９−２２７２８２号公
報に記載された従来技術では、把持位置より上方にチャ
ック機構を待機させた場合は、待機位置から把持位置へ
下降する途中に共振が発生し、有転位化が多発するの
で、チャック機構を把持位置に待機させる必要があり、
その結果として、原料融液の汚染やチャック機構の熱劣
化が十分に抑制されないのである。

【００１４】なお、把持位置を上げれば、待機位置も上
がるが、把持位置を上げた場合は、把持までに種絞り部
が破断し、単結晶が落下するおそれがある。このため、
把持位置は引上げ長に対する比率で言えば約５０％以下
に制限される。このような低位置では、チャック機構が
原料融液から離れているとは言え、その距離はそれほど
大きくはなく、しかも待機時間が長いために、原料融液
の汚染やチャック機構の熱劣化が避けられない。

【００１５】本発明の目的は、原料融液の汚染やチャッ
ク機構の熱劣化を低位に抑制でき、しかも、共振による
有転位化を防止できる単結晶育成装置及び方法を提供す
ることにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の単結晶育成装置は、引上げ軸の下端に種結
晶を保持し、坩堝内の原料融液に種結晶を浸漬した状態
から引上げ軸を回転させながら上昇させることにより、
種結晶の下方に単結晶を育成する第１の引上げ手段と、
育成結晶の上端部を把持するチャック機構を引上げ軸と
同期して回転させながら上昇させることにより育成結晶
を引上げる第２の引上げ手段とを具備し、第２の引上げ
手段は、チャック機構の回転及び昇降を前記引上げ軸に
対して独立に制御できる構成としたものである。

【００１７】また、本発明の単結晶育成方法は、上記単
結晶育成装置を用いて単結晶を育成する方法であって、
チャック機構によって育成結晶の上端部を把持するまで
は、チャック機構を把持位置より上方に待機させ、チャ
ック機構によって育成結晶の上端部を把持する際には、
非回転又は共振を生じない回転数でチャック機構を把持
位置まで降下させ、下降後は、チャック機構を引上げ軸
と同期して回転させながら上昇させるものである。

【００１８】本発明の単結晶育成装置及び方法では、チ
ャック機構の回転及び昇降が引上げ軸の回転及び昇降に
対してそれぞれ独立に制御されるので、引上げ軸の回転
に依存せずにチャック機構の回転速度を設定することが
可能となる。このため、把持位置より上方にチャック機
構を待機させても、チャック機構が把持位置へ下降する
ときの回転数として、数式１を満足しないもの（０を含
む）を選択でき、下降時の共振を防止できる。その結
果、把持位置より上方にチャック機構を待機させること
が可能になる。

【００１９】チャック機構の待機位置は、原料融液から
離れているほど好ましく、具体的には、育成結晶を引き
込むプルチャンバ内の上部が好ましい。雰囲気温度で言
えば５００℃以下の場所が好ましい。

【００２０】ちなみに、チャック機構による結晶把持位
置は、引上げ長の４０〜５０％が好ましく、具体的には
プルチャンバ内の下部あたりが好ましい。結晶把持が早
いとチャック機構が原料融液に接近し、遅いと種絞り部
の破断を生じる危険性がある。雰囲気温度で言えば３０
０〜５００℃の場所が好ましい。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図１は本発明の単結晶育成装置の実
施形態を示す装置構成図である。

【００２２】本実施形態の単結晶育成装置は、メインチ
ャンバ１０と、その上に連結された小径のプルチャンバ
２０と、プルチャンバ２０の上端部に取り付けられた回
転引上げ機構３０とを備えている。

【００２３】メインチャンバ１０内には坩堝１１が設置
されている。坩堝１１は内側の石英坩堝を外側の黒鉛坩
堝で保持する２重構造である。石英坩堝内には、その外
側に配置されたヒータによりシリコンの原料融液４０が
形成され、その原料融液４０からシリコンの単結晶５０
が引上げられる。ヒータの更に外側には、断熱材がメイ
ンチャンバ１０の内面に沿って配置されている。

【００２４】回転引き上げ機構３０は、種結晶５１を用
いて単結晶５０の初期引上げを行う第１の引上げ手段
と、その単結晶５０を途中から引上げる第２の引上げ手
段とを備えている。具体的には、プルチャンバ２０の最
上部に第１回転ドラム３１が同心状に取り付けられ、第
１ドラム３１内には、第１ドラム３１より小径の第２回
転ドラム３２が同心状に配設されている。

【００２５】第１回転ドラム３１は、プルチャンバ２０
の上方に配置された大径部３１ａと、その下方に連結さ
れてプルチャンバ２０内に挿入された小径部３１ｂとか
らなり、プルチャンバ２０には回転自在に取り付けられ
ている。プルチャンバ２０の上部外面には速度制御が可
能な第１モータ３３が取り付けられている。第１モータ
３３は、チェーン３３′を介して第１回転ドラム３１を
周方向に回転駆動する。

【００２６】大径部３１ａ内には、複数本のワイヤ３
４′，３４′を同期して巻き取り且つ送り出す複数の第
１ウインチ３４，３４が設けられている。複数本のワイ
ヤ３４′，３４′は小径部３１ｂ内を通ってプルチャン
バ２０内の中心線回りに対称的に垂下しており、その下
端部にはチャック機構３５が結合されている。チャック
機構３５は、単結晶５０の上端部に形成されるクビレ部
５２を把持できる公知の構造で、例えばプルチャンバ２
０の中心線周囲に対称的に配置された複数の可動爪３
５′，３５′により構成され、遠隔から開閉操作され
る。

【００２７】第２回転ドラム３２は、第１回転ドラム３
１の大径部３１ａ内に配設された大径部２１ａと、その
下方に連結されて第１回転ドラム３１の小径部３１ｂ内
に挿入された小径部３２ｂとからなる。第１回転ドラム
３１の大径部３１ａ内には第２モータ３６が設けられて
いる。第２モータ３６は、チェーン３６′を介して第２
回転ドラム３２を第１回転ドラム３１内で周方向に回転
駆動する。

【００２８】第２回転ドラム３２の大径部３２ａ内に
は、引上げ軸としてのワイヤ３７′を巻き取り且つ送り
出す第２ウインチ３７が設けられている。ワイヤ３７′
は小径部３２ｂ，３１ｂ内を通ってプルチャンバ２０内
の中心位置に垂下しており、その下端部には、種結晶５
１を保持する種ホルダー３８が結合されている。

【００２９】第２回転ドラム３２、第２モータ３６、第
２ウインチ３７及び種ホルダー３８は、種結晶５１を用
いて単結晶５０の初期引上げを行う第１の引上げ手段に
属し、第１回転ドラム３１、第１モータ３３、第１ウイ
ンチ３４及びチャック機構３５は、単結晶５０を途中か
ら引上げる第２の引上げ手段に属する。この第２の引上
げ手段は、第１の引上げ手段から独立したウインチ及び
モータを備えているため、種ホルダー３８（引上げ軸）
の昇降及び回転から独立して、チャック機構３５の昇降
及び回転を行うことができる。

【００３０】次に、上記単結晶育成装置を使用して単結
晶５０を育成する具体的方法を、本発明の単結晶育成方
法の実施形態として説明する。

【００３１】メインチャンバ１０内及びプルチャンバ２
０内を真空排気し、所定の減圧雰囲気に保持する。坩堝
１１内に原料融液４０を形成する。このとき、チャック
機構３５及び種ホルダー３８はプルチャンバ２０内の最
上部で待機している。また、種ホルダー３８には種結晶
５１が保持されている。

【００３２】坩堝１１内に原料融液４０が形成される
と、第２ウインチ３７を作動させてワイヤ３７′を下方
に送り出し、種ホルダー３８及び種結晶５１を下降させ
る。種結晶５１を原料融液４０に漬けた後、第２ウイン
チ３７を逆方向に作動させ、単結晶５０の引上げを開始
する。このとき、第２モータ３６を作動させてワイヤ３
７′、種ホルダー３８及び種結晶５１を所定速度で回転
させる。また、坩堝１１を逆方向に回転させる。

【００３３】引上げ開始時に種結晶５１の上昇速度等を
制御して種絞りを行う。種絞りを終え、増径に移行した
後、再び縮径を行い、増径に戻すことにより、単結晶５
０の上端部にクビレ部５２を形成する。

【００３４】単結晶５０の引上げが進み、その上端部が
１０００℃以下の低温域、例えばプルチャンバ２０の下
端部内に達すると、第１ウインチ３４を作動させてチャ
ック機構３５を上方の退避位置から単結晶５０の上端部
と同じレベルまで下降させる。このとき、第１モータ３
３を作動させてチャック機構３５を引上げ中の種ホルダ
ー３８と同方向に回転させるか、第１モータ３３を作動
させずにチャック機構３５を下降させる。チャック機構
３５を回転させるときは、その回転数として数式１を満
足しないものを選択する。これにより、チャック機構３
５が下降するときの共振が防止される。チャック機構３
５を回転させないときも下降中の共振が防止される。

【００３５】チャック機構３５が単結晶５０の上端部と
同じレベルまで下降すると、第１ウインチ３４を逆方向
に作動させて、チャック機構３５を種結晶５１と同期し
て上昇させる。また、第１モータ３３の作動により、チ
ャック機構３５を種結晶５１と同期して回転させる。そ
して、チャック機構３５により、単結晶５０の上端部に
形成されたクビレ部５２を把持し、チャック機構３５に
よる単結晶５０の引上げを開始する。

【００３６】これにより、単結晶５０が大重量の場合
も、種絞り部の破断による単結晶５０の落下が防止さ
れ、所定長の引上げが可能となる。また、チャック機構
３５は把持まではプルチャンバ２０内の最上部で待機
し、把持のときもプルチャンバ２０内の最下部までしか
下降しないので、チャック機構３５による原料融液４０
の汚染及びチャック機構３５の過熱による動作不良等が
効果的に抑制される。更に、チャック機構３５を把持位
置より上方に待機させるにもかかわらず、把持位置まで
下降するときの共振も前述した通り確実に防止されるの
で、その共振による有転位化が防止される。

【００３７】

【実施例】８インチのシリコン単結晶を１０００ｍｍ育
成する場合に上記単結晶育成方法を実施して、その単結
晶を把持するまでチャック機構をプルチャンバ内の最上
部（雰囲気温度約１００℃）に待機させ、そこから把持
位置まで数式１を満足しない回転数（２ｒｐｍ）で下降
させた。ちなみに、このときの引上げ軸（種ホルダー）
の回転数は１５ｒｐｍである。また、把持位置はプルチ
ャンバ内の最下部（雰囲気温度約５００℃）であり、引
上げ長に対する比率では５０％である。

【００３８】育成結晶のボトム部から切り出したウエー
ハ中の重金属汚染の指標となるライフタイムを測定し
た。その測定結果を図２に本発明例として示す。また、
単結晶育成での有転位化率を調査した結果を図３に本発
明例として示す。

【００３９】参考例として、チャック機構を用いずに単
結晶の育成を行った。そのときの結果を図２及び図３に
示す。

【００４０】比較例１として、チャック機構を、把持位
置であるプルチャンバ内の最下端部に待機させた。待機
時間は原料溶解から単結晶を把持するまでの約２０時間
であった。そのときの結果を図２及び図３に示す。

【００４１】比較例２として、チャック機構を結晶把持
までプルチャンバ内の最上部に待機させ、把持の際にチ
ャック機構を把持位置まで引上げ軸（種結晶）と同期回
転させながら下降させた。そのときの結果を図２及び図
３に示す。

【００４２】図２及び図３から分かるように、チャック
機構をプルチャンバ内の最上部に待機させ、そこから把
持位置まで数式１を満足しない回転速度で下降させる本
発明例では、チャック機構を使用するにもかかわらず、
原料融液の重金属汚染及び有転位化はチャック機構を使
用しない場合と同程度に抑制されている。

【００４３】しかしながら、チャック機構をプルチャン
バの最下部内に待機位置させた比較例１では、チャック
機構を使用したことによる有転位化は殆ど発生していな
いが、チャック機構を使用したことによる原料融液の重
金属汚染は明確に認められた。一方、チャック機構を把
持位置まで引上げ軸（種結晶）と同期回転させながら下
降させた比較例２では、チャック機構を使用したことに
よる原料融液の重金属汚染は殆ど発生していないが、下
降時の共振による有転位化が多発した。

【００４４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の単結晶育成装置及び方法は、単結晶の上端部を把持す
るチャック機構の回転及び昇降を引上げ軸の回転及び昇
降に対してそれぞれ独立に制御することにより、共振に
よる有転位化を防止できるので、把持位置より上方にチ
ャック機構を待機させることが可能となる。その結果、
チャック機構を使用したことによる原料融液の重金属汚
染やチャック機構自体の熱劣化等を効果的に抑制でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の単結晶育成装置の実施形態を示す装置
構成図である。

【図２】本発明による効果を、ウエーハのライフタイム
により示す図表である。

【図３】本発明による効果を、有転位化率により示す図
表である。

【符号の説明】

１０ メインチャンバ １１ 坩堝 ２０ プルチャンバ ３０ 回転引上げ機構 ３１ 第１回転ドラム ３２ 第２回転ドラム ３３ 第１モータ ３４ 第１ウインチ ３４′ ワイヤ ３５ チャック機構 ３６ 第２モータ ３７ 第２ウインチ ３７′ ワイヤ（引上げ軸） ３８ 種ホルダー ４０ 原料融液 ５０ 単結晶 ５１ 種結晶 ５２ クビレ部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 引上げ軸の下端に種結晶を保持し、坩堝
   内の原料融液に種結晶を浸漬した状態から引上げ軸を回
   転させながら上昇させることにより、種結晶の下方に単
   結晶を育成する第１の引上げ手段と、 育成結晶の上端部を把持するチャック機構を引上げ軸と
   同期して回転させながら上昇させることにより育成結晶
   を引上げる第２の引上げ手段とを具備し、 第２の引上げ手段は、チャック機構の回転及び昇降を前
   記引上げ軸に対して独立に制御できることを特徴とする
   単結晶育成装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の単結晶育成装置を用い
   て単結晶を育成する方法であって、チャック機構によっ
   て育成結晶の上端部を把持するまでは、チャック機構を
   把持位置より上方に待機させ、チャック機構によって育
   成結晶の上端部を把持する際には、非回転又は共振を生
   じない回転数でチャック機構を待機位置から把持位置ま
   で下降させ、下降後は、チャック機構を引上げ軸と同期
   して回転させながら上昇させることを特徴とする単結晶
   育成方法。