JP2939920B2

JP2939920B2 - 半導体単結晶製造装置

Info

Publication number: JP2939920B2
Application number: JP4593493A
Authority: JP
Inventors: 吉信平石
Original assignee: Komatsu Electronic Metals Co Ltd
Current assignee: Sumco Techxiv Corp
Priority date: 1993-02-10
Filing date: 1993-02-10
Publication date: 1999-08-25
Anticipated expiration: 2014-08-25
Also published as: JPH06234593A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、シリコン等の単結晶引
き上げに当たり重量式の直径制御を可能にするため、結
晶引き上げ機構を改良した半導体単結晶製造装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路の基本材料であるシリコ
ン単結晶の製造方法の一つとして、るつぼ内の原料融液
から円柱状の単結晶を引き上げるチョクラルスキー法
（以下ＣＺ法という）が用いられている。ＣＺ法におい
ては、単結晶製造装置のメインチャンバ内に設置したる
つぼに高純度の多結晶シリコンを充填し、前記るつぼの
外周に設けたヒータによって多結晶シリコンを加熱溶解
した上、シードチャックに取り付けた種子結晶を融液に
浸漬し、シードチャックおよびるつぼを同方向または逆
方向に回転しつつシードチャックを引き上げてシリコン
単結晶を成長させる。図９は、ＣＺ法による従来の一般
的なシリコン単結晶製造装置の概略構成を模式的に示し
たもので、９はワイヤ巻き取りドラム、１７は巻き取り
ドラム９を駆動するモータ、２４は前記モータ１７、巻
き取りドラム９を設置した真空容器１に回転運動を与え
るモータであり、引き上げワイヤ５の回転を通じて最終
的には種子結晶から成長した単結晶に回転運動を与え
る。２５はテレビカメラ、２６は透明石英ガラス製の
窓、２７は種子結晶を保持するシードチャックである。
また、２８は融液面、２９はるつぼ内の多結晶シリコン
を加熱溶解する黒鉛ヒータ、３０は黒鉛製断熱筒であ
り、３１はるつぼペディスタルを介してるつぼに回転運
動を与えるモータ、３２はるつぼを上下動するモータで
ある。シリコン単結晶の引き上げに当たり、前記融液面
２８とシリコン単結晶との境界に発生するメニスカスリ
ングがテレビカメラ２５によって撮影され、得られた映
像信号はカメラコントロールユニット３３を介して幅計
測ユニット３４に入力され、メニスカスリングを横切る
単結晶の直径が算出される。そして、直径制御装置３５
により種子結晶の引き上げ速度および融液温度を制御し
て、引き上げ単結晶の直径を設定値に近づける。なお、
３６はモニタテレビである。

【０００３】結晶引き上げ機構が上記ケーブル方式の場
合、単結晶の直径制御には一般にテレビカメラ等による
光学式制御方法が用いられているが、前記直径制御方法
には光学式制御方法の他に重量式制御方法がある。重量
式制御方法は、成長中の単結晶重量を測定してモデル結
晶重量と比較し、その偏差の大きさにより炉内温度およ
び結晶引き上げ速度を調節して成長中の単結晶直径がモ
デル結晶の直径に近似するように制御するものである。
この方法では、結晶重量を極めて正確に測定する必要が
あり、フォースバーと呼ばれる棒状部材をロードセルの
荷重印加点に吊り下げ、種子結晶をこのフォースバーの
下端に取り付け、成長中の単結晶の重量が直接ロードセ
ルに加えられるように工夫した特殊な単結晶製造装置を
必要とする。そして、前記特殊な単結晶製造装置は、一
般的には、ケーブル方式で製造する単結晶と同じ長さの
単結晶を製造しようとすると、装置の全高がケーブル方
式の場合の１．５〜２倍となる。そのため、この装置を
設置する工場建屋は大きなものが必要となり、装置価格
もケーブル方式に比べて著しく高額となる。しかし、重
量式直径制御方法は直径制御特性が良好で、特に直径絶
対値の再現性や、テール部すなわち結晶成長の終端部で
結晶直径を徐々に減少させる場合の制御特性が極めて優
れているため、一般的なケーブル方式の単結晶製造装置
において重量式直径制御方法の適用を可能とする改良が
求められている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ケーブル方式による結
晶引き上げ機構の一般的な構造は、特開平４−８９３８
９に記載の図を参考にすることができる。この結晶引き
上げ機構に重量式直径制御方法を適用する場合、図１０
に簡略化して示すように、ガイドプーリ４に加わる結晶
重量をロードセル２によって測定する方法が構造上最も
容易である。しかしながら、ロードセル２には結晶重量
Ｗとこれに等しい巻き取りドラム９のトルクＦとの合計
が作用する。そのため、ロードセルのフルスケールは引
き上げる結晶重量の２倍の能力を必要とするが、この種
の直径制御用ロードセルはフォースバー式単結晶製造装
置用として造られており、製造可能な最大結晶重量とロ
ードセルのフルスケールとは１対１で対応している。従
って、前記最大重量の結晶をケーブル方式による結晶引
き上げ機構で引き上げようとすると、新たに前記ロード
セルの２倍のフルスケールのロードセルを必要とし、多
大のロードセル開発費用が発生するとともに、ロードセ
ル自体も高価なものとなる。また、図１０に示した構造
では巻き取りドラム９の回転精度やトルクの変動が前記
Ｆに直接影響するため、ロードセルの測定値であるＷ＋
Ｆに影響を及ぼし、結晶重量測定を不正確にするという
問題点も有している。本発明は上記従来の問題点に着目
してなされたもので、ロードセルを用いた重量式直径制
御方法をケーブル方式による結晶引き上げ機構に適用
し、直径制御性能が優秀で、かつ安価な半導体単結晶製
造装置を提供することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係る半導体単結晶製造装置は、ワイヤ巻き
取りドラムと、ワイヤを引き上げる際に前記ワイヤを巻
き取りドラムにガイドするガイドプーリと、巻き取りド
ラム駆動手段と、ワイヤを回転させる手段とを備えた結
晶引き上げ機構を用いる半導体単結晶製造装置におい
て、結晶引き上げ機構に重量式直径制御用ロードセルを
取り付け、一端を前記ロードセルの荷重印加部に接続し
たアームにガイドプーリを回動自在に軸着し、アームの
他端に設けた支点を中心として前記アームが垂直面内で
揺動自在、かつ前記ガイドプーリの回動中心と前記アー
ムの支点とを結ぶ直線が水平となるように前記アームを
支持するとともに、前記ガイドプーリから巻き取りドラ
ムに向かうワイヤが水平となるように前記巻き取りドラ
ムの位置を設定する構成とし、このような構成におい
て、ガイドプーリと巻き取りドラムとの間に第２ガイド
プーリを設置し、前記ガイドプーリから第２ガイドプー
リに向かうワイヤが水平となるように、第２ガイドプー
リの回動中心を固定することが望ましい。また、アーム
の他端に設けた支点に、金属またはセラミックス製のベ
アリングあるいは上下方向にたわむ板ばねを用いてもよ
く、アームの他端に設けた支点が、金属またはセラミッ
クス製のピボットもしくはナイフエッジであってもよ
い。

【０００６】

【作用】上記構成によれば、ガイドプーリを軸着するア
ームの一端をロードセルの荷重印加部に接続し、アーム
の他端に設けた支点を中心として前記アームが垂直面内
で揺動自在、かつ前記ガイドプーリの回動中心と前記ア
ームの支点とを結ぶ直線が水平となるように前記アーム
を支持するとともに、前記ガイドプーリから巻き取りド
ラムに向かうワイヤが水平となるように前記巻き取りド
ラムを配設したので、ロードセルには引き上げ単結晶の
重量のみが作用する。これを図６〜図８を用いて説明す
る。図６は本発明の基本原理を示すため、重量測定系の
みに注目した説明図である。同図において２はロードセ
ル、５は成長中の単結晶を引き上げるワイヤ、９はワイ
ヤを巻き取るドラム、４は前記引き上げワイヤ５を巻き
取りドラム９に導くガイドプーリ、７は支点７ａを中心
として前記ガイドプーリ４に上下動を許容するように設
けられたガイドプーリ保持アーム（以下アームという）
である。そして前記アーム７の上端は、ロードセル２の
荷重印加点に接続されている。また、支点７ａとガイド
プーリ４の回動中心とを結ぶ直線と、ガイドプーリ４か
ら巻き取りドラム９に向かう引き上げワイヤ５は、いず
れも水平に保持されている。ここで、引き上げワイヤ５
にＷｋｇｆの力が加えられたとき、ロードセル２には同
じくＷｋｇｆの力が加えられ、巻き取りドラム９とアー
ム７にはそれぞれ逆方向の水平な力Ｗｋｇｆが加えられ
る。Ｗｋｇｆが単結晶の重量による力ならば、ロードセ
ル２に加えられる力はそれと１対１で対応していること
が分かる。

【０００７】荷重によるロードセル作用点の変位は、通
常、フルスケールで２０μｍ以下である。この変位によ
る垂直方向の分力は、アーム７の支点７ａとガイドプー
リ４の回転中心との距離Ｌに依存し、前記Ｌが１００ｍ
ｍの場合には、２０×１０^-3ｍｍ／１００ｍｍ＝２×１０^-4 となり、ロードセルのフルスケールに対してはほとんど
無視できる値となる。フルスケールが１００ｋｇｆのロ
ードセルの場合、前記の値は２０ｇｆ程度である。この
ように、本発明の結晶引き上げ機構を用いることによ
り、フォースバー式の引き上げ機構に用いられている直
径制御用ロードセルと直径制御装置とを、より一般的な
ケーブル方式の単結晶製造装置に適用することが可能と
なる。

【０００８】図６は本発明の基本的な原理を示すもので
あり、実際には図７または図８に示す構成となる。これ
らの図において、アーム７の支点７ａとガイドプーリ４
の回動中心との距離をＬ、ガイドプーリ４の半径をＲ、
単結晶重量をＷ、ロードセル２に作用する荷重をＦとす
ると、図７の場合は、Ｆ1 ＝Ｗ×（Ｌ−Ｒ）／Ｌ図８の場合は、Ｆ2 ＝Ｗ×Ｌ／（Ｌ＋Ｒ）となり、必ずしも単結晶重量とは一致しないが、ガイド
プーリ４の半径Ｒに比較してアーム７の支点７ａとガイ
ドプーリ４の回動中心との距離Ｌが大きければ、ロード
セル２の作用点に働く力Ｆ1 またはＦ2 と単結晶重量Ｗ
との比は１に近づく。

【０００９】

【実施例】以下に、本発明に係る半導体単結晶製造装置
の実施例について、図面を参照して説明する。図１は、
請求項１〜請求項３の半導体単結晶製造装置における結
晶引き上げ機構の部分砕断面図で、真空容器１の上方に
フォースバー式の引き上げ機構に用いられている重量式
直径制御用ロードセル２が取り付けられている。前記ロ
ードセル２の下端にはフォースバー３が螺着され、ロー
ドセル２の荷重印加部を下方に延長している。４は第１
ガイドプーリで、前記ロードセル２の中心を通る鉛直線
上に垂設された引き上げワイヤ５を第２ガイドプーリ６
に導く。この第１ガイドプーリ４を軸着するアーム７の
両端は、前記フォースバー３の下端と、真空容器１の蓋
１ａに固着された部材８とにそれぞれ回動自在に軸着さ
れていて、前記部材８には金属またはセラミックス製の
ベアリングを用いて軸着されている。ここで、前記第１
ガイドプーリ４の回動中心とアーム７の支点７ａとを結
ぶ直線および第１ガイドプーリ４から第２ガイドプーリ
６に向かう引き上げワイヤ５はいずれも水平に保持され
ている。また、第２ガイドプーリ６は前記部材８に軸着
され、前記引き上げワイヤ５は第２ガイドプーリ６を介
して巻き取りドラム９によって巻き取られる。１０は外
周にほぼ半円形の溝を備えたセンタガイドプーリで、前
記ロードセル２の中心を通る鉛直線の両側に対向して配
設され、蓋１ａに固着された部材１１に軸着されてい
る。これにより、引き上げワイヤ５によって伝えられる
結晶重量はロードセル２に印加され、重量測定が行われ
る。なお、１２はロードセルの出力信号を取り出すスリ
ップリング、１３は結晶引き上げ機構全体を回転させる
プーリ、１４は結晶引き上げ機構全体を回転自在に支持
する軸受である。

【００１０】結晶重量をロードセル２に１対１の割合で
作用させるためには、図６に示したようにロードセル２
の荷重印加点を第１ガイドプーリ４の回転中心の直上に
設置しなければならないが、この種のロードセルは結晶
引き上げ機構の回転軸に中心を合わせて設置することを
前提に設計されているため、図１に示すように引き上げ
ワイヤ５によって形成される垂線とロードセル２の中心
軸とが一致する位置にロードセル２を設置した。そのた
め、ロードセルには結晶重量より若干小さい荷重が作用
するが、本実施例では第１ガイドプーリ４の直径を６０
ｍｍ、アーム７の支点７ａと第１ガイドプーリ４の回動
中心との距離を１００ｍｍとしたので、１／１．３倍の
荷重がロードセル２に作用する。前記結晶重量とロード
セル２に作用する荷重との差異は、直径制御装置により
自動的に補正される。また、本実施例ではロードセル２
はフルスケール５０ｋｇのものを使用したので、約６５
ｋｇまでの結晶を引き上げることができる。

【００１１】第２ガイドプーリ６は、巻き取りドラム９
のトラバース精度が重量測定精度に影響を与えないよう
にするために設けられている。この第２ガイドプーリ６
の効果について、図２により説明する。図２はガイドプ
ーリや巻き取りドラムを引き上げワイヤに沿って展開し
た説明図である。巻き取りドラム９は、スプライン軸１
５に挿嵌されたスプラインナット１６に取り付けられて
いて、真空容器の外部に設けられたモータ１７（図１参
照）、ウォーム１８、ウォームホイール１９によって駆
動される。前記巻き取りドラム９と一体に構成され、巻
き取りドラム９の一端から突出する中空のボスの外周に
は、引き上げワイヤ５の直径より僅かに大きいピッチの
ネジ２０が切られ、このネジ２０はメネジを切った板２
１に螺合している。前記板２１、スプライン軸１５の軸
受は、いずれも真空容器１の蓋１ａ（図１参照）に固着
したブラケットに固定されている。

【００１２】単結晶の引き上げに際し、巻き取りドラム
９は回転しながらスプライン軸１５上をトラバースする
が、板２１のネジのガタや引き上げワイヤ５の撚り戻り
等により、図２に鎖線で示したように引き上げワイヤ５
が左右に振られることがある。その場合、第２ガイドプ
ーリ６がなく、重量測定用の第１ガイドプーリ４から直
接巻き取りドラム９に引き上げワイヤ５が掛けられてい
ると、トルク変動によって重量測定に誤差を生じる。ま
た、第２ガイドプーリ６の軸６ａにロータリエンコーダ
２２を取り付けることにより、引き上げワイヤ５の巻き
取り長さを正確に測定することが可能となる。従来はス
プライン軸１５の回転を、ポテンショメータまたはロー
タリエンコーダによって測定していたが、これは間接的
な測定であるとともに、引き上げワイヤ５が巻き取りド
ラム９に螺旋状に巻き取られるため、正確な測定が困難
であった。

【００１３】本実施例では、使用した引き上げワイヤ５
の直径が１．９ｍｍであるため、プーリに引き上げワイ
ヤを巻き付けた状態でワイヤ中心部の形成する径が６
３．６９ｍｍとなるように第２ガイドプーリ６を加工し
た。このプーリの１回転は２００ｍｍのワイヤ移動距離
に相当するため、ロータリエンコーダ２２には２０００
パルス／１回転のものを用い、０．１ｍｍの分解能の測
定を可能にした。また本実施例では、引き上げワイヤ５
をロードセル中心線上に保持する手段としてセンタガイ
ドプーリ１０を用いているが、従来この種の装置ではテ
フロン製のブッシュを用いることが多い。しかし、引き
上げワイヤとブッシュとの摩擦が重量測定精度に影響を
与えることを考慮し、テフロン製のプーリをステンレス
鋼の軸に挿嵌し、軽く回転する状態に保持したセンタガ
イドプーリを用いた。なお、引き上げワイヤ５の中心を
結晶引き上げ機構の回転中心に合致させるため、前記セ
ンタガイドプーリ１０の位置を調整することが必要であ
る。また、スリップリング１２の位置からＡｒガスを導
入して真空容器１内をパージすることができる。

【００１４】以上のような構成による結晶引き上げ機構
をケーブル方式による従来の単結晶製造装置に取り付
け、フォースバー式単結晶製造装置に使用していた重量
式直径制御装置と組み合わせて単結晶を製造した。その
結果、従来のフォースバー式単結晶製造装置と同等の精
度の直径制御が可能となった。たとえば、直胴部直径の
平均値のバッチ間ばらつきは、光学式の場合バッチごと
にオペレータが補正を行っていても１．５〜２ｍｍであ
る。これに対し本発明による重量式の場合は、オペレー
タが補正を行わずに１．０ｍｍ以下に抑えることができ
る。また、光学式では困難な肩部、テール部の直径制御
を容易に行うことができる。

【００１５】図３は、請求項４の半導体単結晶製造装置
における重量測定系の構成を示す説明図である。ここで
は説明の重複を避けるため、図１と同一部分については
同一符号を付け、詳細説明を省略する。請求項３の実施
例では、第１ガイドプーリ４を軸着するアーム７の支点
に金属またはセラミックス製のベアリングを用いたが、
図３に示すようにアーム７の支点の位置を変更し、この
支点に引張応力が加わるようにしてもよい。そして、前
記支点に上下方向にたわむ板ばね７ｂを用いることによ
り、構造を簡易化することができる。

【００１６】図４および図５は請求項５の半導体単結晶
製造装置における重量測定系の構成を示す説明図であ
る。アーム７の支点をピボット７ｃまたはナイフエッジ
とし、アーム７はスプリング２３により部材８側に付勢
される。

【００１７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ガ
イドプーリを軸着するアームの一端をロードセルの荷重
印加部に接続し、アームの他端に設けた支点を中心とし
て前記アームが垂直面内で揺動自在、かつ前記ガイドプ
ーリの回動中心と前記アームの支点とを結ぶ直線が水平
となるように前記アームを支持するとともに、前記ガイ
ドプーリから巻き取りドラムに向かうワイヤが水平とな
るように巻き取りドラムを設置したので、ロードセルに
引き上げ単結晶重量のみが作用する。このように、従来
フォースバー式の単結晶製造装置に適用されていたロー
ドセルと重量式直径制御装置を、フォースバー式に比べ
て著しく製作費の安価なケーブル方式の単結晶製造装置
に使用可能としたので、直径制御性能が格段に優れ、し
かも安価に製作することができる単結晶製造装置の実現
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１〜請求項３の半導体単結晶製造装置に
おける結晶引き上げ機構の部分砕断面図である。

【図２】図１におけるガイドプーリや巻き取りドラムを
引き上げワイヤに沿って展開した説明図である。

【図３】請求項４の半導体単結晶製造装置における重量
測定系の構成を示す説明図である。

【図４】請求項５の半導体単結晶製造装置における重量
測定系の構成を示す側面図である。

【図５】図４の平面図である。

【図６】本発明の基本原理を示すため、重量測定系のみ
に注目した説明図である。

【図７】本発明による重量測定系の構成の一例を示す説
明図である。

【図８】本発明による重量測定系の構成の他の例を示す
説明図である。

【図９】従来の光学式直径制御方法を用いたシリコン単
結晶製造装置の概略構成を模式的に示す説明図である。

【図１０】従来のケーブル方式の結晶引き上げ機構にロ
ードセルを取り付けた状態を模式的に示す説明図であ
る。

【符号の説明】

２ロードセル３フォースバー４第１ガイドプーリ５引き上げワイヤ６第２ガイドプーリ７アーム７ａ支点７ｂ板ばね７ｃピボット９巻き取りドラム１７，２４，３１，３２モータ１８ウォーム１９ウォームホイール

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ワイヤ巻き取りドラムと、ワイヤを引き
上げる際に前記ワイヤを巻き取りドラムにガイドするガ
イドプーリと、巻き取りドラム駆動手段と、ワイヤを回
転させる手段とを備えた結晶引き上げ機構を用いる半導
体単結晶製造装置において、結晶引き上げ機構に重量式
直径制御用ロードセルを取り付け、一端を前記ロードセ
ルの荷重印加部に接続したアームにガイドプーリを回動
自在に軸着し、アームの他端に設けた支点を中心として
前記アームが垂直面内で揺動自在、かつ前記ガイドプー
リの回動中心と前記アームの支点とを結ぶ直線が水平と
なるように前記アームを支持するとともに、前記ガイド
プーリから巻き取りドラムに向かうワイヤが水平となる
ように前記巻き取りドラムを設置したことを特徴とする
半導体単結晶製造装置。
【請求項２】ガイドプーリと巻き取りドラムとの間に
第２ガイドプーリを設置し、前記ガイドプーリから第２
ガイドプーリに向かうワイヤが水平となるように、第２
ガイドプーリの回動中心を固定したことを特徴とする請
求項１の半導体単結晶製造装置。
【請求項３】アームの他端に設けた支点に、金属また
はセラミックス製のベアリングを用いたことを特徴とす
る請求項１または請求項２の半導体単結晶製造装置。
【請求項４】アームの他端に設けた支点に、上下方向
にたわむ板ばねを用いたことを特徴とする請求項１また
は請求項２の半導体単結晶製造装置。
【請求項５】アームの他端に設けた支点が、金属また
はセラミックス製のピボットもしくはナイフエッジであ
ることを特徴とする請求項１または請求項２の半導体単
結晶製造装置。