JP3158342B2 - 単結晶製造装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば所謂「ＣＺ
（チョクラルスキ(Czochralski) ）式単結晶製造装置」
等の半導体デバイス用のウエハとなる半導体単結晶バル
クを製造するための単結晶製造装置、即ち、るつぼ内で
溶融したシリコン等の単結晶を成長させつつ引上げる単
結晶の製造装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体単結晶バルクの製造法の一つとし
て、ＣＺ法が知られている。図２はＣＺ法による単結晶
引上げ炉の構成を示す説明図である。図に示す通り、炉
は、大きく分けて、石英るつぼ(23)を備えた加熱室部分
(21)とその上部のワイヤー巻取り手段(24)を備えた引上
げ室部分(22)とから構成され、両部分は分離バルブ(25)
によって連結されて密閉状態で保持される。

【０００３】加熱室部分(21)はステンレス製の殻体から
なり、上部には引上げ室部分(22)を取巻くように、幾つ
かの監視窓(26)が備わっており、監視窓(26)の一つには
光学システム(27)が設置され、これによって石英るつぼ
(23)内の融液と凝固した結晶との界面が監視される。ま
た、加熱室部分(21)の上部には、Ａｒガスを供給する供
給口(28)が設置され、下部には加熱室部分(21)内のガス
を吸引する吸引口(29)が設置されている。これにより、
Ａｒガス雰囲気で圧力は数〜数十Ｔｏｒｒに減圧され、
融液面から蒸発するＳｉＯ粉等の除去を容易にしてい
る。

【０００４】引上げ室部分(22)は、石英るつぼ(23)の直
上方に設置され、引上げられるシリコン等の単結晶の径
よりも大きな径を備えている。この引上げ室部分(22)の
上部側壁にはＡｒガスを供給する供給口(30)が設置さ
れ、下部には内部のガスを吸引する吸引口(31)が設置さ
れている。これにより、引上げ室部分(22)内もＡｒガス
雰囲気で圧力は数〜数十Ｔｏｒｒに減圧される。

【０００５】加熱室部分(21)の内部には、石英るつぼ(2
3)と黒鉛ヒータ(32)と熱遮蔽筒(33)が設置されている。
石英るつぼ(23)は、加熱室部分(21)の下方から延びた回
転軸(34)によって回動可能に保持される。石英るつぼ(2
3)には原料シリコン等の原料結晶が投入され、これを周
囲から加熱して融解させるために、石英るつぼ(23)の周
囲に黒鉛ヒータ(32)が設置されている。黒鉛製の熱遮蔽
筒(33)が黒鉛ヒータ(32)と石英るつぼ(23)とを覆うよう
に設置されている。これにより、黒鉛ヒータ(32)の熱を
有効に石英るつぼ(23)内の融液に与える。尚、石英るつ
ぼ(23)の回転の制御や黒鉛ヒータ(32)の制御は、加熱室
部分(21)の外部から行なわれる。

【０００６】引上げ室部分(22)の上部には、引上げ室部
分(22)に対して軸心回りに回転するワイヤー巻取り手段
(24)が設けられている。回転の中心は吊下されたワイヤ
(35)と同心である。ワイヤ(35)の先端には種結晶支持具
(36)に種結晶(37)が取付けられている。この種結晶(37)
は、石英るつぼ(23)内のシリコン融液に接触させられ、
種結晶(37)の結晶方向に沿った結晶を凝固させる。

【０００７】このワイヤ巻取り手段(24)は引上げ室部分
(22)に対して自身が周回連動して、ワイヤ先端に凝固し
た単結晶を軸心回りに自転させながら上方にゆっくりと
引上げる。この際、凝固の初期段階では引上げ速度を速
くする等の操作により、凝固結晶の径を小さくして、転
位のない部分（所謂、「種しぼり部」）を作製し、これ
に引続いて結晶の径を大きくするための操作を行なう。
これにより、大直径の無転位結晶が融液表面から引上げ
られることになる。

【０００８】尚、加熱室部分(21)の内部構成は石英るつ
ぼ(23)を除いて高純度の黒鉛製の部材からなる。黒鉛ヒ
ータ(32)は直流電源で使用される。また、石英るつぼ(2
3)の昇降、回転の際に炉内の気密を保持するため、加熱
室部分(21)の底部の軸(34)の貫通部には磁性流体性によ
るシール（図示せず）を用いる。更に、結晶の回転と引
上げに用いられるワイヤ(35)にはステンレスワイヤを用
いる。また、短い応答時間での制御には成長速度を変化
させ、長い応答時間の制御ではヒータへの入力電力を調
節する。更に、引上げ結晶の直径の制御方式にはワイヤ
(25)を介しての成長重量の検出、反射光学方式計測器、
イメージセンサ等による方法がある。

【０００９】このようなＣＺ法による単結晶の引上げ操
作では、監視窓(26)の一つに設置された光学システム(2
7)による融液温度の検出には二色温度計等を、融液面位
置検出にはレーザの干渉計等を用いると共に、ＣＣＤカ
メラで融液及び融液と単結晶との界面を監視している。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、例えば
炉内減圧環境の急変や、炉内における可動部材の機械的
干渉等、稼動中の引上げ炉に異常が生じた場合でも、最
終的には監視窓(26)から覗いたり、ＣＣＤカメラでの監
視による人間の視覚にのみ依存して異常の発生が監視さ
れていたため、極端な場合、異常の発生を見落とした
り、或いは、その発見が遅れる場合が想定される。

【００１１】ところで、現在２０cmφまでの量産が実用
化されている結晶化技術では、３０cmφの単結晶引上げ
が量産化準備中にある。更に４０cmφ以上の単結晶を目
指した大直径の単結晶引上げ炉の技術開発が行なわれつ
つある。このような４０cmφ以上の大直径単結晶を育成
する引上げ炉では、炉内容積の大型化によって視覚に依
存する監視の領域が広範となり、ややもすると、異常の
発生を見落とす危険がある。

【００１２】そこで、本発明は、炉内の異常の発生を、
視覚以外の第２の監視情報により、遠隔から監視するこ
とのできる単結晶製造装置を得ることを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明に係る単結晶製造
装置は、単結晶を育成する引上げ炉の異常の発生を検出
するために、炉体振動を検出して電気信号を出力する振
動検出手段を備えたものである。

【００１４】本発明における振動とは、可聴周波数領域
内の振動だけでなく、可聴周波数領域外の振動をも含
む。従って、振動検出手段は、検出対象となる振動の周
波数に応じて、マイクロホンや超音波センサ等の各種音
響センサをはじめ、圧電素子や半導体素子による振動セ
ンサ等、監視目的とする振動を検知して電気信号に変換
出力することのできるセンサから単独もしくは複数の組
合せで適宜選ばれる。

【００１５】また、振動検出手段の設置場所は、引上げ
炉の異常振動を検出する目的に応じて、引上げ炉の外部
又は内部、引上げ炉殻体の内外壁面等、また、引上げ炉
の炉体の振動が伝わる課題等の構造部材など、任意の箇
所に設置することができるが、好ましくは炉体の外面に
接して設置するものとする。

【００１６】即ち、稼動中の引上げ炉内部は、熱遮蔽筒
の外であっても、数百℃の過酷な条件下にあり、振動検
出手段の防護対策等に問題がある。また、センサを冷却
すると炉内温度分布が局所変化し、結晶生成に悪影響を
与える恐れがある。更に、稼動中の引上げ炉内部は、炉
内圧力が数〜数十Ｔｏｒｒに減圧されているため、振動
が空間を伝わり難い問題がある。このため、振動検出手
段は、引上げ炉の外部で、しかも引上げ炉体に直接又は
間接的に接して取付けられるのがよい。

【００１７】振動検出手段からの電気信号は、引上げ炉
から隔たったオペレータ室等で監視される。最も簡略な
監視方法は、引上げ炉から発せられる可聴周波の音をマ
イクロフォンで検出し、マイクロフォンの出力信号を増
幅器で増幅してオペレータ室内のスピーカを駆動する方
式である。オペレータ室内の監視要員は、視覚による監
視作業を行ないながらであっても、引上げ炉から生じる
振動を音として聴くことができる。通常の稼動中に生じ
る平常音と相違した異常音が知覚された場合、監視要員
は警告を発し、必要とあれば引上げ炉の稼動を緊急停止
する措置等を取ればよい。また、マイクロホンからの出
力信号は、スピーカに供給される以外にも、振動の波形
をオシロスコープ等で表示することにも利用できる。

【００１８】このような振動検出手段からの電気信号
は、人間の聴覚による監視以外にも、増幅器の出力信号
を予め設定された閾値と比較して、自動的に警報を発す
る自動監視警報システムに利用することも可能である。
この場合、警報システムとしては、入力される振動の検
出手段からの電気信号の振幅が予め設定された閾値を超
えてある期間持続した場合に警報信号を発したり、波形
解析装置等に平常時の振動パターンを予め認識・記憶さ
せておき、この平常振動パターンと相違する異常パター
ンの振動が検出された場合に警報信号を発するようにし
てもよい。

【００１９】即ち、本請求項２による発明は、前記振動
検出手段からの電気信号を平常時と異常時で区別できる
パターン認識システムを備えた単結晶製造装置を提供す
る。更に、本請求項３による発明として、振動検出手段
からの電気信号に基づいて警音器や警告灯などにより警
報信号を発する警報手段を更に備えた単結晶製造装置を
提供する。これは人為的な監視ミスを防いで、確実に異
常の発生を報知することができる点で有効である。

【００２０】ところで、引上げ炉体に直接又は間接的に
接して取付けられる振動検出手段としてのセンサは、固
体中を伝わる振動を良好に検出することができる。従っ
て、特に、通常の作業で発生する振動の他に、塑性変
形、亀裂（クラック）の発生と成長及び変体等に伴って
蓄えられた歪みエネルギーが開放されて発生する弾性波
を検出して異常を認識することができる。特に、引上げ
炉体は、引上げ作業中は高い温度と低い圧力との過酷な
条件の下に置かれており、更に、クラックの発生等は水
蒸気爆発に代表される大事故の発生に繋るため、これを
予め検出することは大事故の防止上、有利である。

【００２１】また、請求項４による本発明では、単結晶
を育成する引上げ炉と、引上げ炉の外部で炉体に伝わる
弾性振動波を接触検知するセンサと、該センサの出力信
号を増幅する増幅器とを備えたものが開示される。これ
は前述のように、遠隔地での引上げ炉の監視において、
最も簡略な構成である。前述の通り、センサは、引上げ
炉の外部でしかも引上げ炉体に直接又は間接的に接して
取付けられる。これにより、例えばセンサがマイクロホ
ンであっても、炉体に伝わる弾性振動波を良好に検知す
ることができ、引上げ炉近傍の稼動音等の雑音を排除す
ることができる。

【００２２】更に、請求項５による本発明では、単結晶
を育成する引上げ炉と、引上げ炉の外部で炉体に伝わる
弾性振動波を接触検知するセンサと、センサの出力波形
を観測する波形観測手段とを備えたものが開示される。
これは可聴領域外の周波数の振動であっても、その波形
によって異常振動を検知することができる。また、前述
の通り、出力信号を予め設定された閾値と比較して、自
動的に警報を発する自動監視警報システムに利用するこ
とも可能である。

【００２３】

【発明の実施の形態】図１は本発明の単結晶製造装置の
一実施形態の構成を示す説明図である。図１において、
図２と同一の符号は、同一又は相当する部分を示す。図
１に示す通り、ステンレス製の殻体からなる加熱室部分
(21)の内部には、石英るつぼ(23)と黒鉛ヒータ(32)と熱
遮蔽筒(33)が設置されている。石英るつぼ(23)には原料
シリコンが投入され、これを周囲から加熱して融解させ
るために、石英るつぼ(23)の周囲に黒鉛ヒータ(32)が設
置されている。黒鉛製の熱遮蔽筒(33)が黒鉛ヒータ(32)
と石英るつぼ(23)とを覆うように設置されている。

【００２４】加熱室部分(21)の上部に備わった引上げ室
部分(22)を取巻くように配置された幾つかの監視窓(26)
の一つには、石英るつぼ(23)内の融液と凝固した結晶と
の界面を監視するＣＣＤカメラ（光学システム）(27)が
設置されている。このＣＣＤカメラ(27)と共に、加熱室
部分(21)内部を監視する装置として、マイクロフォン(1
1)が加熱室部分(21)の壁面外部に接して設置されてお
り、圧電センサ(12)が加熱室部分(21)の壁面外部に接し
て設置されている。

【００２５】マイクロフォン(11)はステンレス製の殻体
からなる加熱室部分(21)の外壁に接して設置され、加熱
室部分(21)の外壁を伝わる弾性振動波を検出し、電気信
号に変えて出力する。この出力は増幅器(13)に送られ、
この増幅器(13)で増幅された信号は引上げ炉から隔たっ
たオペレータ室のスピーカ(14)を駆動して音を発する。
オペレータ室内の監視要員は、所定の作業を行ないなが
ら、引上げ炉からの可聴領域内の弾性振動音を聴くこと
ができる。通常の稼動中に生じる平常音と相違した異常
音が知覚された場合、監視要員は警告を発し、必要とあ
れば引上げ炉の稼動を緊急停止する措置等を取ればよ
い。また、マイクロホンからの出力信号は、スピーカに
供給される以外にも、振動の波形をオシロスコープ等で
表示することにも利用できる。

【００２６】圧電センサ(12)は、ステンレス製の殻体か
らなる加熱室部分(21)の外壁に取付けられて、圧電セン
サ(12)から得られた信号は、増幅器(15)で振動及び振幅
を増幅して表示手段としてのオシロスコープ(16)でオペ
レータ室内に表示される。可聴領域外の周波数の振動で
あっても、その振動波形はオシロスコープ(16)で表示さ
れるため、監視要員はこの振動波形によって異常を監視
することができる。

【００２７】ところで、圧電センサ(12)は、この殻体中
を伝わる振動を良好に検出することができる。従って、
通常の稼動中に生じる平常振動や殻対中を伝わるモータ
等の駆動部の振動波の他に、塑性変形、亀裂（クラッ
ク）の発生と成長及び変体等に伴って蓄えられた歪みエ
ネルギーが開放されて発生する弾性波や、殻対中を伝わ
るモータ等の駆動部の異常時の異常振動波を検出して異
常を認識することができる。

【００２８】従って、この増幅器(15)で増幅された信号
をオシロスコープ(16)上又はオシロスコープの手前で、
塑性変形、亀裂（クラック）の発生と成長及び変体等に
伴って蓄えられた歪みエネルギーが開放されて発生する
振動パターンと、予め認識記憶させておいた平常振動パ
ターンとを比較して平常振動パターンと相違する異常パ
ターンの振動が検出された場合に警報信号を発する自動
監視警報システム(17)を備える。これによって、異常な
振動パターンが生じた場合に、警告信号を発して、作業
者に知らせるようにする。

【００２９】尚、自動監視警報システム(17)は、増幅器
の出力信号を予め設定された閾値と比較して、自動的に
警報を発するシステムであればよく、警報システムとし
ては、入力される振動の検出手段からの電気信号の振幅
が予め設定された閾値を超えてある期間持続した場合に
警報信号を発するものでもよい。

【００３０】以上のように、単結晶引上げ炉に係る重大
災害をもたらすような異常音もしくは、微小歪みを検出
可能なマイクロフォンもしくは、圧電式のセンサを装備
し、尚且、遠隔操作をする場所にこれらの検出器を配置
することで、人間の視覚のみならず、聴覚による事故の
検出、更に検出器にリミット設定することで、警報装置
を自動的に作動させて、水蒸気爆発に代表される重大災
害を未然に防ぐことが可能となる。

【００３１】従来法はあくまでも人間の視覚による事故
検出であるのに対して、本発明では、視覚・聴覚のほか
に、電気信号として警報装置との連動を可能にするもの
であり、その優位性は明白である。

【００３２】

【発明の効果】本発明は以上説明したとおり、故障，異
常による重大事故を未然に防ぐために、視覚による監視
以外で、遠隔から監視することのできるＣＺシリコン単
結晶製造装置を得るという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の単結晶製造装置の一実施形態の構成を
示す説明図である。

【図２】ＣＺ法を行なう結晶引上げ炉の構成を示す説明
図である。

【符号の説明】

(11)…マイクロフォン、 (12)…圧電センサ、 (13)…増幅器、 (14)…スピーカ、 (15)…増幅器、 (16)…オシロスコープ、 (17)…自動監視警報システム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 町田 倫久 東京都千代田区丸の内１−４−２ 株式 会社スーパーシリコン研究所内 (72)発明者 白石 裕 東京都千代田区丸の内１−４−２ 株式 会社スーパーシリコン研究所内 (72)発明者 松原 順一 東京都千代田区丸の内１−４−２ 株式 会社スーパーシリコン研究所内 (72)発明者 飯田 哲広 東京都千代田区丸の内１−４−２ 株式 会社スーパーシリコン研究所内 (72)発明者 高瀬 伸光 東京都千代田区丸の内１−４−２ 株式 会社スーパーシリコン研究所内 (56)参考文献 特開 平３−228894（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−279177（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−11593（ＪＰ，Ａ) 特公 昭53−45193（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C30B 1/00 - 35/00

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 単結晶を育成する引上げ炉と、 引上げ炉の異常の発生を検出するために、炉体振動を検
   出して電気信号を出力する振動検出手段と、を備えたこ
   とを特徴とする単結晶製造装置。
2. 【請求項２】 前記振動検出手段からの電気信号を平常
   時と異常時で区別できるパターン認識システムを備えた
   ことを特徴とする請求項１に記載の単結晶製造装置。
3. 【請求項３】 前記振動検出手段からの電気信号に基づ
   いて警報を発する警報手段を更に備えたことを特徴とす
   る請求項１に記載の単結晶製造装置。
4. 【請求項４】 単結晶を育成する引上げ炉と、 引上げ炉の外部で炉体に伝わる弾性振動波を接触検知す
   るセンサと、 該センサの出力信号を増幅する増幅器とを備えたことを
   特徴とする単結晶製造装置。
5. 【請求項５】 単結晶を育成する引上げ炉と、 引上げ炉の外部で炉体に伝わる弾性振動波を接触検知す
   るセンサと、 センサの出力波形を観測する波形観測手段とを備えたこ
   とを特徴とする単結晶製造装置。