JP2007197257A - 単結晶引上装置、及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高重量の単結晶を引上げる工程において、ネック部が破断するような大きな地震が発生しても、ルツボ内への単結晶の落下を防ぎ、装置への破損を回避することのできる単結晶引上装置、及びその制御方法を提供する。
【解決手段】チョクラルスキー法によってルツボ３から単結晶Ｃを引上げる単結晶引上装置１において、下面中央に凹部が形成されることにより下面周縁が最下端となる前記単結晶Ｃを引上げる引上げ手段５と、底面３ａが平らに形成された前記ルツボ３と、前記ルツボ３を昇降させるルツボ昇降手段１１と、所定値以上の振動を検知する振動検知手段１７と、前記引上げ手段５と前記ルツボ昇降手段１１の動作を制御する制御手段８ｂとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、チョクラルスキー法（以下、「ＣＺ法」という）によって単結晶を引上げる単結晶引上装置、及びその制御方法に関する。

シリコン単結晶の育成に関し、ＣＺ法が広く用いられている。この方法は、ルツボ内に収容されたシリコン溶融液の表面に種結晶を接触させ、ルツボを回転させるとともに、この種結晶を反対方向に回転させながら上方へ引上げることによって、種結晶の下端に単結晶を形成していくものである。

図５に示すように、従来のＣＺ法を用いた引上げ法は、先ず、石英ガラスルツボ５１に原料シリコンを装填し、ヒータ５２により加熱してシリコン融液Ｍとする。しかる後、引上げ用のワイヤ５０に取り付けられた種結晶Ｐをシリコン融液Ｍに接触させてシリコン結晶Ｃを引上げる。

一般に、引上げ開始に先立ち、シリコン融液Ｍの温度が安定した後、図６に示すように、種結晶Ｐをシリコン融液Ｍに接触させて種結晶Ｐの先端部を溶解するネッキングを行う。ネッキングとは、種結晶Ｐをシリコン融液Ｍに接触させることで発生するサーマルショックによりシリコン単結晶に生じる転位を除去する不可欠の工程である。このネッキングによりネック部Ｐ１が形成される。また、このネック部Ｐ１は、一般的に、直径が３〜４ｍｍで、その長さが３０〜４０ｍｍ以上必要とされている。
また、引上げ開始後の工程としては、ネッキング終了後、直胴部直径にまで結晶を広げるクラウン部形成工程、製品となる単結晶を育成する直胴部形成工程、直胴部形成工程後の単結晶直径を徐々に小さくし、下面を形成するテール部形成工程が行われる。

尚、このＣＺ法を用いたシリコン単結晶の製造方法については、例えば特許文献１に記載されている。
特開２００５−９７０４９号公報

ところで、ＣＺ法により製造される単結晶は、これまで直径が８インチで、重量が１００ｋｇ前後のものが主流であった。しかし、最近になって更なる大口径化が求められ、１２インチ結晶では、３００ｋｇ以上に達する単結晶の製造が行われるようになってきている。このため、地震等により大きな揺れが発生した場合には、単結晶の重量に、揺れによる外力が加わり、単結晶の重量を支えきれずに単結晶の育成中にネックが破断し、単結晶がルツボに落下する危険性が高くなっていた。
また、単結晶が落下した場合、図５に示すようにルツボ底面が丸い形状になっていると、落下した単結晶が倒立できずに転倒し、ルツボやその周囲の装置が破壊されるだけでなく、融液が漏れて大変危険であった。

本発明は、前記したような事情の下になされたものであり、高重量の単結晶を引上げる工程において、ネック部が破断するような大きな地震が発生しても、ルツボ内への単結晶の落下を防ぎ、装置への破損を回避することのできる単結晶引上装置、及びその制御方法を提供することを目的とする。

前記した課題を解決するために、本発明に係る単結晶引上装置は、チョクラルスキー法によってルツボから単結晶を引上げる単結晶引上装置において、下面中央に凹部が形成されることにより該下面の周縁が最下端となる前記単結晶を引上げる引上げ手段と、底面が平らに形成された前記ルツボと、前記ルツボを昇降させるルツボ昇降手段と、所定値以上の振動を検知する振動検知手段と、前記引上げ手段と前記ルツボ昇降手段の動作を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記振動検知手段が所定値以上の振動を検知すると、前記引上げ手段による単結晶の引上げを停止させ、且つ、前記ルツボ昇降手段によりルツボを上昇させ、前記単結晶の下面周縁を前記ルツボ底面に接触させて、前記ルツボ昇降手段によるルツボの上昇動作を停止することに特徴を有する。
このように構成することにより、下面まで形成した単結晶の引上げ工程中に、地震等の大きな揺れが発生した場合、ルツボ底面に単結晶を載置することができ、単結晶の落下を回避することができる。また、単結晶の下面に凹部が形成されることで下面周縁が最下端とされ、ルツボ底面が平らであるため、単結晶がルツボ底面に載置された際に、単結晶を転倒させずに載置することができる。

また、前記引上げ手段は、単結晶を引上げると共に、前記制御手段の制御によって単結晶を降下させる手段であって、前記制御手段は、前記振動検知手段が所定値以上の振動を検知すると、前記引上げ手段により、単結晶の引上げを停止させ、単結晶の下面周縁とルツボ底面との距離が所定の距離になるまで単結晶を降下させることが望ましい。
このように構成することにより、より迅速に単結晶をルツボ底面に載置することができる。

また、単結晶の引上げ工程において単結晶を回転させる単結晶回転手段と、前記ルツボを回転させるルツボ回転手段とを備え、前記制御手段は、前記振動検出手段が所定値以上の振動を検知すると、前記ルツボ昇降手段がルツボを上昇させる前に、前記単結晶回転手段と前記ルツボ回転手段によりルツボと単結晶の回転動作を停止させることが望ましい。
このように構成することにより、単結晶がルツボ底面に載置された際に、それらの摩擦による単結晶やルツボの回転機構の破損を回避することができる。

前記した課題を解決するために、本発明に係る単結晶引上装置の制御方法は、チョクラルスキー法によって単結晶をルツボから引上げる引上げ手段と、底面が平らに形成された前記ルツボと、前記ルツボを昇降させるルツボ昇降手段と、所定値以上の振動を検知する振動検知手段とを備えた単結晶引上装置の制御方法であって、単結晶の下面を形成する工程において、該下面の周縁が最下端となるよう単結晶の下面中央に凹部を形成するステップと、単結晶の下面を形成後、単結晶をさらに引上げるステップと、前記振動検知手段が所定値以上の振動を検知すると、前記引上げ手段による単結晶の引上げを停止させるステップと、前記ルツボ昇降手段によりルツボを上昇させるステップと、前記単結晶の下面周縁を前記ルツボ底面に接触させた状態で、前記ルツボ昇降手段の動作を停止するステップとを実行することに特徴を有する。
このようなステップを実行することにより、下面まで形成した単結晶の引上げ工程中に、地震等の大きな揺れが発生した場合、ルツボ底面に単結晶を載置することができ、単結晶の落下を回避することができる。また、単結晶の下面中央に凹部が形成されることで、その下面周縁が最下端とされ、ルツボ底面が平らであるため、単結晶がルツボ底面に載置された際に、単結晶を転倒させずに載置することができる。

また、前記振動検知手段が所定値以上の振動を検知すると、前記引上げ手段による単結晶の引上げを停止させるステップの後に、単結晶の下面周縁とルツボ底面との距離が所定の距離になるまで単結晶を降下させるステップを実行することが望ましい。
このようにすることにより、より迅速に単結晶をルツボ底面に載置することができる。

また、単結晶の引上げ工程においては、前記単結晶と前記ルツボとが垂直軸周りに回転され、前記制御手段は、前記振動検出手段が所定値以上の振動を検知すると、前記ルツボ昇降手段によりルツボを上昇させるステップの前に、前記ルツボと単結晶の回転動作を停止させることが望ましい。
このようにすることにより、単結晶がルツボ底面に載置された際に、それらの摩擦による単結晶やルツボの回転機構の破損を回避することができる。

本発明によれば、高重量の単結晶を引上げる工程において、ネック部が破断するような大きな地震が発生しても、ルツボ内への単結晶の落下を防ぎ、装置への破損を回避することのできる単結晶引上装置、及びその制御方法を得ることができる。

以下、本発明に係わる単結晶引上装置、及びその制御方法の実施形態について図面に基づき説明する。図１は本発明に係る単結晶引上装置１の構成を模式的に示すブロック図である。
この単結晶引上装置１は、メインチャンバ２ａの上にプルチャンバ２ｂを重ねて形成された炉体２と、この炉体２内に設けられた石英ガラスルツボ３と、この石英ガラスルツボ３に装填された半導体原料（原料シリコン）Ｍを溶融するヒータ４と、育成される単結晶Ｃを回転させながら引上げる引上げ機構５（引上げ手段、単結晶回転手段）とを有している。引上げ機構５は、モータ駆動される巻取り機構５ａと、この巻取り機構５ａに巻き上げられる引上げワイヤ５ｂを有し、このワイヤ５ｂの先端に種結晶Ｐが取り付けられている。尚、石英ガラスルツボ３は、図１に示すように、その底面３ａが平らに形成されている。

また、炉体２の近傍には、炉体２の振動を検知するための振動センサ器１７（振動検知手段）が設けられている。この振動センサ器１７は、例えば縦方向の揺れと横方向の揺れの震度を夫々識別して検知可能な地震計により構成され、炉体２における所定値以上の縦揺れ（例えば震度１以上）を検知すると、制御手段としてのコンピュータ８の演算制御装置８ｂに通知するようになされている。

また、図１に示す単結晶引上装置１は、シリコン融液Ｍの温度を制御するヒータ４の供給電力量を制御するヒータ制御部９と、石英ガラスルツボ３を回転させるモータ１０（ルツボ回転手段）と、モータ１０の回転数を制御するモータ制御部１０ａとを備えている。さらには、石英ガラスルツボ３の高さを制御する昇降装置１１（ルツボ昇降手段）と、昇降装置１１を制御する昇降装置制御部１１ａと、成長結晶の引上げ速度と回転数を制御するワイヤリール回転装置制御部１２とを備えている。これら各制御部９、１０ａ、１１ａ、１２はコンピュータ８の演算制御装置８ｂに接続されている。

次に、このように構成された単結晶引上装置１における単結晶引上げの制御方法について、図２のフロー及び図３の工程図に基づき説明する。
最初に石英ガラスルツボ３に原料シリコンＭを装填し、以下コンピュータ８の記憶装置８ａに記憶されたプログラムに基づき、順次引上げ工程が処理される。

先ず、演算制御装置８ｂの指令によりヒータ制御部９を作動させてヒータ４を加熱し、石英ガラスルツボ３の原料シリコンＭが溶融される（図２のステップＳ１）。
さらに、演算制御装置８ｂの指令によりモータ制御部１０ａと、昇降装置制御部１１ａと、ワイヤリール回転装置制御部１２とが作動し、石英ガラスルツボ３が回転すると共に、巻取り機構５ａが作動してワイヤ５ｂが降ろされる。そして、ワイヤ５ｂに取付けられた種結晶Ｐがシリコン融液Ｍに接触され、種結晶Ｐの先端部を溶解するネッキングが行われてネック部Ｐ１が形成される（図２のステップＳ２）。

しかる後、演算制御装置８ｂの指令によりヒータ４への供給電力や、単結晶引上げ速度（通常、毎分数ミリの速度）などをパラメータとして引上げ条件が調整され、クラウン部形成工程と、直胴部形成工程と、テール部形成工程とが順に行われる。

このうち単結晶Ｃの直胴部形成工程においては、概ね引上げ速度０．５ｍｍ／ｍｉｎ以上、結晶回転５ｒｐｍ以上、ルツボ回転２０ｒｐｍ以下により、図３（ａ）に示すように、単結晶Ｃの下面（固液界面）の中央に凹部Ｃ２が形成される。ただし、各条件は結晶径や酸素濃度及び径方向の酸素濃度分布を調整するため、最適な組み合わせが選択される。このように、単結晶Ｃの下面周縁が単結晶Ｃの最下端となるように結晶下面Ｃ１が形成される（図２のステップＳ３）。尚、このような固液界面形状とすることにより、結晶欠陥が減少し、単結晶化率が向上することが一般に知見されている。

そして、引上げ工程中において振動センサ器１７が所定値以上（例えばネック部が破損する危険性が生じる震度１以上）の縦方向の振動を検知すると（図２のステップＳ４）、振動センサ器１７はコンピュータ８の演算制御装置８ｂ（制御手段）に通知する。

振動センサ器１７からの通知を受けた演算制御装置８ｂは、ワイヤリール回転装置制御部１２を制御することにより、単結晶Ｃの引上げと回転を停止させる。また、それと同時に、モータ制御部１０ａを制御することにより、ルツボ３の回転を停止させる（図２のステップＳ５）。

次いで、演算制御装置８ｂは、図３（ｂ）に示すように、ワイヤリール回転装置制御部１２を制御して巻取り機構５ａにより単結晶Ｃを降下させ、同時に昇降装置制御部１１ａを制御してルツボ３を上昇させる（図２のステップＳ６）。尚、このとき単結晶Ｃとルツボ３は回転が停止された状態である。

演算制御装置８ｂは、ステップＳ６の状態において、巻取り機構５ａにおけるワイヤ巻取り長と昇降装置１１によるルツボ３の上昇高さに基づいて、ルツボ３底面と単結晶Ｃの下面周縁との相対距離を演算により算出する。そして、算出された相対距離が所定の距離、例えば１０ｍｍ未満になると、ワイヤリール回転装置制御部１２を制御して単結晶Ｃの降下を停止し、昇降装置制御部１１ａを制御してルツボ３の上昇速度を微速度にする（図２のステップＳ８）。

次いで、ルツボ３の底面と単結晶Ｃの下面周縁が接触し、引上げ機構５に設けられた図示しない加重計測手段により単結晶Ｃによる荷重が計測される。尚、この荷重計測手段は、ワイヤ５ｂに取り付けられ、ワイヤの張力から荷重を求めるようになされている。そして、単結晶Ｃがルツボ３底面に完全に載置され、計測された値が単結晶重量の１０％未満の値になると（図２のステップＳ９）、演算制御装置８ｂは、ルツボ３の上昇動作を停止させる（図２のステップＳ１０）。尚、このルツボ上昇動作停止の判断基準が、単結晶重量の１０％未満の計測値である理由は、単結晶とルツボの接触時の単結晶重量実測値に基づくものである。

前記したように、ルツボ３底面は平らに形成され、単結晶Ｃのテール部Ｃ１においては、下面中央に凹部Ｃ２が形成されることで下面周縁が最下端となっているため、ルツボ３底面に単結晶Ｃが転倒することなく載置される（図３（ｃ）参照）。

また、単結晶Ｃがルツボ３底面に接触して載置される際、単結晶Ｃとルツボ３の回転は停止しているため、それらの回転力によって単結晶Ｃやルツボ３の回転機構が破損することを回避することができる。また、それらの接触の際、ルツボ３の上昇動作が微速になされているため、接触の衝撃を小さくすることができる。

また、引上げ中に結晶が落下するような振動が発生しない場合（図２のステップＳ４）、所定直胴長となるまで直胴部が形成され（図２のステップＳ１１、Ｓ３）、テール部が形成されて、単結晶Ｃは融液Ｍから引上げ機構５によりプルチャンバ２ｂに沿って完全に引上げられる（図２のステップＳ１２）。
尚、この時テール工程で地震が起こった場合は、図４に示すようにテール形状が凸型をしているため、単結晶Ｃとルツボ３の衝突時にルツボ３が破損する可能性があるが、テール工程が終了した後はシリコン融液Ｍの残量が少ない為大きな被害にはならない。

以上のように本発明に係る実施の形態によれば、単結晶の引上げ工程中に、地震等の大きな揺れが発生した場合、ルツボ３底面に単結晶Ｃを載置することができ、単結晶Ｃの落下を回避することができる。また、単結晶Ｃの下面中央に凹部Ｃ２が形成されることで下面周縁が最下端とされ、ルツボ３底面が平らであるため、単結晶Ｃがルツボ３底面に載置された際に、単結晶Ｃを転倒させずに載置することができる。
したがって、単結晶Ｃの落下や転倒による装置の破損やルツボ破損による融液漏れの危険性を回避することができる。

本発明は、チョクラルスキー法によって単結晶を引上げる単結晶引上装置に関するものであり、半導体製造業界等において好適に用いられる。

図１は、本発明に係る単結晶引上装置の構成を模式的に示すブロック図である。 図２は、図１の単結晶引上装置の制御動作の流れを示すフロー図である。 図３は、図１の単結晶引上装置における単結晶及びルツボの昇降動作の制御を説明するための図である。 図４は、図１の単結晶引上装置における通常時のテール部の形成を説明するための図である。 図５は、従来のＣＺ法を用いた引上げ法を説明するための図である。 図６は、従来のＣＺ法を用いた引上げ法においてネック部の形成を説明するための図である。

符号の説明

１ 単結晶引上装置
２ 炉体
２ａ メインチャンバ
２ｂ プルチャンバ
３ 石英ガラスルツボ
３ａ ルツボ底面
４ ヒータ
５ 引上げ機構（引上げ手段、単結晶回転手段）
８ コンピュータ
８ａ 記憶装置
８ｂ 演算記憶装置（制御手段）
１０ モータ（ルツボ回転手段）
１１ 昇降装置（ルツボ昇降手段）
１７ 振動センサ器（振動検知手段）
Ｃ 単結晶
Ｃ１ 単結晶下面
Ｃ２ 凹部
Ｍ 原料シリコン、シリコン融液
Ｐ 種結晶
Ｐ１ ネック部

Claims (6)

1. チョクラルスキー法によってルツボから単結晶を引上げる単結晶引上装置において、
   下面中央に凹部が形成されることにより該下面の周縁が最下端となる前記単結晶を引上げる引上げ手段と、底面が平らに形成された前記ルツボと、前記ルツボを昇降させるルツボ昇降手段と、所定値以上の振動を検知する振動検知手段と、前記引上げ手段と前記ルツボ昇降手段の動作を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記振動検知手段が所定値以上の振動を検知すると、前記引上げ手段による単結晶の引上げを停止させ、且つ、前記ルツボ昇降手段によりルツボを上昇させ、前記単結晶の下面周縁を前記ルツボ底面に接触させて、前記ルツボ昇降手段によるルツボの上昇動作を停止することを特徴とする単結晶引上装置。
2. 前記引上げ手段は、単結晶を引上げると共に、前記制御手段の制御によって単結晶を降下させる手段であって、
   前記制御手段は、前記振動検知手段が所定値以上の振動を検知すると、前記引上げ手段により、単結晶の引上げを停止させ、単結晶の下面中央とルツボ底面との距離が所定の距離になるまで単結晶を降下させることを特徴とする請求項１に記載された単結晶引上装置。
3. 単結晶の引上げ工程において単結晶を回転させる単結晶回転手段と、前記ルツボを回転させるルツボ回転手段とを備え、
   前記制御手段は、前記振動検出手段が所定値以上の振動を検知すると、前記ルツボ昇降手段がルツボを上昇させる前に、前記単結晶回転手段と前記ルツボ回転手段によりルツボと単結晶の回転動作を停止させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された単結晶引上装置。
4. チョクラルスキー法によって単結晶をルツボから引上げる引上げ手段と、底面が平らに形成された前記ルツボと、前記ルツボを昇降させるルツボ昇降手段と、所定値以上の振動を検知する振動検知手段とを備えた単結晶引上装置の制御方法であって、
   単結晶の下面を形成する工程において、該下面の周縁が最下端となるよう単結晶の下面中央に凹部を形成するステップと、
   単結晶の下面を形成後、単結晶をさらに引上げるステップと、
   前記振動検知手段が所定値以上の振動を検知すると、
   前記引上げ手段による単結晶の引上げを停止させるステップと、
   前記ルツボ昇降手段によりルツボを上昇させるステップと、
   前記単結晶の下面周縁を前記ルツボ底面に接触させた状態で、前記ルツボ昇降手段の動作を停止するステップとを実行することを特徴とする単結晶引上装置の制御方法。
5. 前記振動検知手段が所定値以上の振動を検知すると、
   前記引上げ手段による単結晶の引上げを停止させるステップの後に、単結晶の下面周縁とルツボ底面との距離が所定の距離になるまで単結晶を降下させるステップを実行することを特徴とする請求項４に記載された単結晶引上装置の制御方法。
6. 単結晶の引上げ工程においては、前記単結晶と前記ルツボとが垂直軸周りに回転され、
   前記制御手段は、前記振動検出手段が所定値以上の振動を検知すると、
   前記ルツボ昇降手段によりルツボを上昇させるステップの前に、前記ルツボと単結晶の回転動作を停止させることを特徴とする請求項４または請求項５に記載された単結晶引上装置の制御方法。

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