JP3598681B2

JP3598681B2 - 単結晶の引上げ方法及び装置

Info

Publication number: JP3598681B2
Application number: JP27541796A
Authority: JP
Inventors: 栄一飯野; 誠飯田; 雅規木村; 正三村岡
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 1996-09-26
Filing date: 1996-09-26
Publication date: 2004-12-08
Anticipated expiration: 2016-09-26
Also published as: DE69700740D1; US5964941A; EP0834607A1; JPH10101473A; EP0834607B1; TW385340B; KR19980024977A; DE69700740T2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばチョクラルスキー法（ＣＺ法）の単結晶引上げ方法及び装置に係り、重量の重い単結晶を機械的に保持し、安全かつ確実に引上げる場合において、特に結晶保持の際の成長結晶直径の変動を減少させ、精度良く成長させるための改良技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、シリコン等の半導体材料の融液を収容したルツボから単結晶を引上げ育成する方法として、本出願人は例えば特願平８−２１２０５５号のような改良技術を提案している。
この技術による単結晶の引上げ方法は、図５に示すように、ワイヤ５１下端の吊り具５２に吊持される種結晶５３を不図示のルツボ内の原料融液に接触させ、吊り具引上げ機構５４によって種結晶５３を引上げることで種結晶５３の下方に単結晶Ｃを成長させるような製造方法において、不図示の昇降機構によって昇降自在な昇降体５６上に保持ケース５７を取付け、この保持ケース５７内にワイヤ５１を巻上げる前記吊り具引上げ機構５４を設けるとともに、保持ケース５７の下方には、シリンダユニット５８、５８の作動によって下端部が開閉自在な吊持具６０、６０を取付け、当初、吊り具５２によって単結晶Ｃを引上げ、単結晶Ｃが成長して重量が重くなった時点で、吊り具５２による引上げから吊持具６０、６０による引上げに移行するようにしている。
【０００３】
すなわち、当初は昇降体５６の位置を固定したまま吊り具５２で吊持する種結晶５３を原料融液に接触させ、吊り具引上げ機構５４によって吊り具５２を引上げると、図５（Ａ）に示すように、種結晶５３の下方に、種絞り５９、凹凸部Ｃｋに引続いて単結晶Ｃが形成される。
【０００４】
そして、図５（Ｂ）に示すように、凹凸部Ｃｋが所定の位置まで上昇すると、（Ｃ）に示すように、吊持具６０、６０が作動して下端部が凹凸部Ｃｋの凹部に非接触状態で近接し、その後、（Ｄ）に示すように、昇降体５６が上昇を開始するとともに、吊り具引上げ機構５４が逆転作動して昇降体５６に対して相対的に単結晶Ｃを降下させ、凹凸部Ｃｋの凸部を吊持具６０、６０上に載せるように接触させる。
【０００５】
この間、図６に示すように、昇降体５６の上昇速度Ｖｂと、昇降体５６に対する吊り具５２の相対速度Ｖａの加算値が一定（それまでの吊り具５２だけでの引上げ時の上昇速度と同じ速度）になるように制御され、また、吊持具６０、６０に対して単結晶Ｃの全荷重のうち所定割合が移行すると、吊り具引上げ機構５４の作動を停止させ、図５（Ｅ）に示すように、吊持具６０、６０だけによる引上げ（昇降体５６の上昇）に移行する。
そしてこのように吊持具６０、６０を結晶の凹凸部Ｃｋに対して横方向からではなく、上下方向から接触させることで、結晶を有転位化させることなく、安全且つ確実に引上げることが出来るというものである。
【０００６】
因みに、この技術では、吊り具５２による引上げから、吊持具６０、６０による引上げに移行する際、図６に示すように、吊り具５２の速度Ｖａを緩めるだけでなく、最終的に昇降体５６（吊持具６０）に対して降下（Ｖａがマイナス値）させて単結晶Ｃの荷重を吊持具６０に移行させるようにしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記技術の場合、吊持具６０の速度Ｖｂと吊り具５２の速度Ｖａを変化させて引上げ手段の切換えを行っている間、これと同時に、吊り具５２にかかる単結晶Ｃの荷重を吊持具６０に移行するようにしているため、例えば結晶荷重によって吊持具６０が変形したり、吊持具６０と凹凸部Ｃｋの間に滑りが発生したりするような時、速度Ｖａ、Ｖｂを制御する要素が増えて制御が複雑になり、微調整が難しいという問題がある。
そして、この際速度Ｖａ、Ｖｂの微調整がうまく補正されないと、単結晶の成長速度が変化し、結晶直径が変化する等の不具合を招くことになる。
【０００８】
そこで、このような複雑な制御を行うことなく、もっと簡単な成長速度の制御によって、引上げられる単結晶の直径を精度良く育成出来る技術が望まれていた。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明は、請求項１において、吊り具引上げ機構により、吊り具に吊持される種結晶の下方に単結晶を成長させ、吊り具によって所定の位置まで引上げ、所定の位置から吊り具の引上げ速度を減少させつつ、吊り具を支持する昇降体を上昇させて単結晶の引上げ速度を一定に保持し、最終的に吊り具による引上げに代えて昇降体の上昇による引上げに完全に移行したのちに、前記昇降体に設けられた吊持具、又は少なくともその一部を上下方向に移動させて結晶の所定部に接触させ結晶を保持するようにした。
【００１０】
すなわち、吊り具と吊持具の引上げ手段を切換えるタイミングと、結晶の荷重を吊持具に移行するタイミングをずらして別個に行わせ、同時に制御する制御量を減らして、結晶の荷重を移行する際に生起する各種不具合、例えば吊持具の変形、又は吊持具と結晶保持部の滑り等の誤差を精度良く補正出来るようにする。このため、従来では、吊持具に結晶を接触させる際、昇降体に対して位置固定状態の吊持具に対して結晶側を上下方向に移動させて接触させていたが、本案では、吊持具側、又は吊持具の少なくとも一部を上下方向に移動させて結晶に接触させる。ここで、吊持具の少なくとも一部とは、吊持具のうち例えば結晶に接触する部分である。
【００１１】
また請求項２では、吊持具による接触位置を、意図的又は自然に形成された結晶の凹凸部とした。
そして例えば吊持具を凹凸部のうち凹部に臨ませた後、この吊持具上に凸部部分を載せるように接触させる。
【００１２】
また、吊持具を移動させて結晶の所定部に接触させる際、請求項３のように、吊り具にかかる荷重の１〜５０％を吊持具に移行させることが好ましい。
ここで下限が１％と低いのは、当初は僅かな荷重であっても、単結晶が成長して重量が増えると、ワイヤが僅かに伸びて荷重が自然に吊持具側に移行するためであり、当初からある割合以上の荷重を移行させると、結果的に単結晶の成長速度が一時的に増加し、結晶直径が変動するため好ましくない。そしてこの変動許容の上限は５０％程度であり、変動を最小限に抑えるには、２５％程度以下が望ましい。
【００１３】
また、請求項４では、吊り具引上げ機構を有し、吊り具に吊持される種結晶の下方に単結晶を成長させ、この単結晶を吊り具によって引上げるとともに、引上げ途中で単結晶の一部を吊持具に接触させ、以降の引上げを吊持具に切り替えるようにした単結晶の引上げ装置において、吊り具と吊持具を、昇降機構によって昇降自在な昇降体に設けて、お互いに独立して昇降動可能とし、吊持具の全体又は少なくともその一部を、移動機構によって昇降体に対して上下に相対移動可能とした。
【００１４】
そしてこのような引上げ装置によって、請求項１〜請求項３に示すような引上げ方法で単結晶を引上げることが出来る。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について添付した図面に基づき説明する。
ここで、図１は本発明の単結晶引上げ装置の構成例を示す要部図、図２は本発明の単結晶引上げ方法を説明する作用図、図３は本発明の引上げ方法における引上げ手段移行時の吊り具と吊持具の速度変化を示すグラフ、図４は吊持具の先端部を揺動可能にした別構成例図である。
【００１６】
本発明の単結晶の引上げ装置は、例えば半導体材料であるシリコン結晶を成長させるいわゆるチョクラルスキー法（ＣＺ法）のような単結晶引上げ装置において、特に重量の重い単結晶を安全かつ正確に、しかも精度良く成長させることの出来る装置として構成されている。そこで、まず図１に基づいて本発明の引上げ装置の概要について説明する。
【００１７】
引上げ装置１は、不図示のルツボを収容する不図示の下部チャンバと、この下部チャンバの上部に取付けられる伸縮自在なベローズチャンバ２と、このベローズチャンバ２の上部に取付けられる昇降体３を備えており、この昇降体３の上部には、筒状の軸受部３ａによって回転自在に支持される保持ケース４が設けられている。
【００１８】
そして昇降体３は、昇降機構２３によって上下動自在にされ、この昇降機構２３は、例えば不図示の駆動源によって垂直軸回りに回転するボールネジ２４と、このボールネジ２４に螺合する昇降体３の螺合部３ｒと、昇降体３の昇降動をガイドするガイドバー２５を備え、ボールネジ２４を回転させることでベローズチャンバ２を伸縮させながら昇降体３を昇降動させるようにしている。
【００１９】
また、前記保持ケース４の上部には、吊り具引上げ機構５と荷重測定機構６が設けられ、吊り具引上げ機構５は、先端に吊り具７を取付けたワイヤ８を巻上げる巻上げプーリ１０と、ガイドプーリ１１を備えている。そして吊り具７の先端部には、種結晶９が保持されている。
【００２０】
また、荷重測定機構６は、ガイドプーリ１１を支持するアーム１２と、このアーム１２の基端側を枢支する支持部材１３と、アーム１２の先端側を載置せしめるロードセル１４を備え、吊り具引上げ機構５で成長した単結晶Ｃを引上げる際、ガイドプーリ１１、アーム１２を介してロードセル１４にかかる荷重を測定することで、単結晶Ｃの荷重を測定するようにしている。
【００２１】
また、保持ケース４の中間部には、吊持具駆動機構１５が設けられている。
この吊持具駆動機構１５は、保持ケース４に取付けられる一対の開閉シリンダユニット１６、１６と、この開閉シリンダユニット１６、１６のシリンダロッド先端に連結される一対の吊持具１７、１７を備えており、この吊持具１７、１７は、中間部がピン１８で枢支されるハサミ構造とされている。すなわち、開閉シリンダユニット１６、１６の作動によって、吊持具１７、１７下端の結晶保持部１７ａ、１７ａが開閉する。
【００２２】
また、この吊持具１７、１７は、移動機構２０によって上下方向に所定ストローク移動可能とされている。すなわち、この移動機構２０は、例えば不図示の駆動源によって回転自在なピニオン２１と、このピニオン２１に噛合し上下方向に延出するラック筒２２を備え、このラック筒２２に前記吊持具１７、１７の支点を枢支するピン１８が支持されている。
一方、前記開閉シリンダユニット１６、１６の基端側は、保持ケース４に対してピン２６で枢支され、先端側（吊持具１７との連結側）が上下に揺動可能に取付けられている。
このため、ピニオン２１が作動するとラック筒２２が上下動し、これに連れて吊持具１７、１７も上下動する。
【００２３】
次に、以上のような引上げ装置による単結晶の引上げ方法について、図２に基づき説明する。
まず、吊り具７に保持される種結晶９をルツボの原料融液の表面に接触させ、吊り具引上げ機構５によってワイヤ８を所定速度で引上げる。そして、種結晶９の下方に種絞り１９、凹凸部Ｃｋに連なる単結晶Ｃを成長させる。この時、凹凸部Ｃｋは、引上げ速度又は原料融液温度等を制御して意図的に形成しても良く、又は自然に形成されるものでも良い。また凹凸部Ｃｋの形状、位置はこのようなものに限定されるものではなく、吊持具１７、１７によって保持出来るものであれば原則としてどのような形状、位置の凹凸部であっても構わない。
又この時、図２（Ａ）に示すように、昇降体３の位置を固定し、また吊持具１７、１７の結晶保持部１７ａ、１７ａを開いている。
【００２４】
次いで、図２（Ｂ）に示すように、単結晶Ｃの凹凸部Ｃｋが、吊持具１７、１７の結晶保持部１７ａ、１７ａで掴める位置まで引上げられると、昇降体３が上昇を開始し、吊り具引上げ機構５による吊り具７の引上げ速度が緩められる。
この時、昇降体３（吊持具１７）の上昇速度をＶｂとし、昇降体３に対する吊り具７の相対上昇速度をＶａとした場合、両者の関係は、図３に示すように、昇降体３（吊持具１７）が上昇し始めた時点（ｘ点）から、Ｖａ＋Ｖｂが一定になるように制御され、吊り具７の減速分に応じた速度だけ昇降体３（吊持具１７）が増速される。
【００２５】
そして図３のｙ点で吊り具７の引上げ速度Ｖａがゼロとなり、吊持具１７（昇降体３）の上昇速度Ｖｂが所定の引上げ速度に達して、これ以降、吊持具１７だけによる引上げに移行する。
【００２６】
こうして、引上げ手段が切換えられると、図２（Ｃ）に示すように、開閉シリンダユニット１６、１６が作動し、吊持具１７、１７の結晶保持部１７ａ、１７ａが閉じられる。この時、結晶保持部１７ａ、１７ａを凹凸部Ｃｋに接触させても良いが、本実施形態では、結晶保持部１７ａ、１７ａを凹凸部Ｃｋの凹部に非接触状態で近接させるようにしている。これは、直接接触させることによって、単結晶Ｃに横方向の力が加わり、成長結晶に振動を生じさせたり、有転位化してしまう等の不具合を生じさせないためである。
【００２７】
そして吊持具１７、１７が閉じられると、図２（Ｄ）に示すように、移動機構２０のピニオン２１を作動させ、ラック筒２２によって吊持具１７、１７を僅かに上昇させる。
すると、結晶保持部１７ａ、１７ａの上部が凹凸部Ｃｋの凸部に接触し、それまで吊り具７にかかっていた単結晶Ｃの荷重が吊持具１７、１７に移行し始め、ロードセル１４の値が減少してくる。
【００２８】
吊持具１７、１７に所定割合の荷重が移行されると、移動機構２０による吊持具１７、１７の上昇を停止させる。
この吊持具１７、１７に移行される荷重は、当初のロードセル１４の値の１〜５０％の範囲とし、好ましくは２５％以下である。この際、移行荷重を大きくしすぎると結晶の成長速度が一時的に大きくなりすぎて結晶の直径変動を招き好ましくない。
そして、荷重の移行が終えると、以後、吊持具１７、１７による引上げが続行される（図２（Ｅ））。
【００２９】
【実施例】
次に本発明の実施例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１、比較例）
図２に示すような本発明の引上げ方法と、図５に示すような従来の引上げ方法とによって、直径１５０ｍｍφ、全重量５０ｋｇの単結晶Ｃを成長させるにあたり、結晶重量が約３０ｋｇの位置で引上げ手段を吊り具から吊持具に切換えた。この引上げ手段切換え時に吊持具に移行する結晶の荷重割合は５０％とした。
【００３０】
この結果、単結晶Ｃの外形を較べると、結晶荷重を移行した部分で両者とも結晶直径の変動が認められたが、従来の場合は直径変動が−２．０ｍｍであったのに対して、本案の場合は−１．０ｍｍと変動幅が小さかった。
【００３１】
（実施例２）
図２に示すような本発明の引上げ方法において、直径１５０ｍｍφ、全重量５０ｋｇの単結晶Ｃを成長させるにあたり、結晶重量が約３０ｋｇの位置で引上げ手段を吊り具７から吊持具１７、１７に切換えるとともに、吊持具１７、１７に対する移行荷重を変化させて直径変動を測定した。
【００３２】
この結果、移行荷重が０％の場合は直径変動が０．０ｍｍ、移行荷重が１％の場合は直径変動が０．０ｍｍ、移行荷重が２５％の場合は直径変動が−０．３ｍｍ、移行荷重が５０％の場合は直径変動が−１．０ｍｍ、移行荷重が６０％の場合は直径変動が−２．１ｍｍであり、移行荷重を増加させるに連れて変動が大きくなり、特に５０％以上になると実用上問題になるまで変動幅が大きくなることが確認された。因みに、移行荷重０％は、吊持具が結晶に接触しているか否かが確認出来ず、実用的でない。
【００３３】
ところで、本発明の吊持具１７、１７の結晶保持部１７ａ、１７ａは、図４に示すように、部分的に移動可能にしても良い。
すなわちこの構成例では、吊持具１７、１７の先端に結晶保持部１７ａ、１７ａの中間部をピン２７、２７で枢着し、この結晶保持部１７ａ、１７ａの一端側を、ピニオン・ラック機構によって上下動可能な移動部材２８で押圧し、てこ式に結晶保持部１７ａ、１７ａを揺動させ結晶保持側端部を上下動させる。
【００３４】
そしてこの場合は、結晶を保持する際、結晶保持部１７ａ、１７ａの長さが短いため、長さの長い吊持具１７、１７全体を開閉することに較べて変形等が少なくなり、正確に所望の位置に配置することが出来、しかも成長結晶を正確に保持出来るため保持した時の滑り等を少なく出来るという利点がある。
【００３５】
尚、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように本発明は、吊り具と吊持具によって単結晶の引上げを行う際、吊り具と吊持具の引上げ手段を切換えるタイミングと、結晶の荷重を吊持具に移行するタイミングをずらして別個に行わせ、同時に制御する制御量を減らすようにしたため、例えば荷重移行時の吊持具の変形、又は吊持具と結晶保持部の滑り等の誤差を精度良く補正出来、直径変動の少ない単結晶を成長させることが出来る。
また、吊持具を移動させて結晶の所定部に接触させる際、吊り具にかかる荷重の１〜５０％を吊持具に移行させれば、直径変動を小さく抑えることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の単結晶引上げ装置の構成例を示す要部図である。
【図２】（Ａ）〜（Ｅ）は、本発明の単結晶引上げ方法を説明する作用図である。
【図３】本発明の引上げ方法における引上げ手段移行時の吊り具と吊持具の速度変化を示すグラフであり、Ｖｂは吊持具の速度、Ｖａは吊持具に対する吊り具の相対速度である。
【図４】吊持具の先端部を揺動可能にした別構成例図である。
【図５】（Ａ）〜（Ｅ）は、従来の単結晶引上げ方法を説明する作用図である。
【図６】従来の引上げ手段移行時の吊り具と吊持具の速度変化を示すグラフであり、Ｖｂは吊持具の速度、Ｖａは吊持具に対する吊り具の相対速度である。
【符号の説明】
１…引上げ装置、２…ベローズチャンバ、
３…昇降体、３ａ…軸受部、
３ｒ…螺合部、４…保持ケース、
５…吊り具引上げ機構、６…荷重測定機構、
７…吊り具、８…ワイヤ、
９…種結晶、１０…巻上げプーリ、
１１…ガイドプーリ、１２…アーム、
１３…支持部材、１４…ロードセル、
１５…吊持具駆動機構、１６…開閉シリンダユニット、
１７…吊持具、１７ａ…結晶保持部、
１８…ピン、１９…種絞り、
２０…移動機構、２１…ピニオン、
２２…ラック筒、２３…昇降機構、
２４…ボールネジ、２５…ガイドバー、
２６…ピン、２７…ピン、
２８…移動部材、５１…ワイヤ、
５２…吊り具、５３…種結晶、
５４…吊り具引上げ機構、５６…昇降体、
５７…保持ケース、５８…シリンダユニット、
５９…種絞り、６０…吊持具、
Ｃ…単結晶、Ｃｋ…凹凸部。

Claims

吊り具引上げ機構により、吊り具に吊持される種結晶の下方に単結晶を成長させ、吊り具によって所定の位置まで引上げる工程と、所定の位置から吊り具の引上げ速度を減少させつつ、吊り具を支持する昇降体を上昇させて単結晶の引上げ速度を一定に保持する工程と、最終的に吊り具による引上げを停止して昇降体の上昇による引上げに移行する工程と、前記昇降体に設けられた吊持具、又は少なくともその一部を上下方向に移動させて結晶の所定部に接触させる工程からなることを特徴とする単結晶の引上げ方法。
請求項１に記載の単結晶の引上げ方法において、前記吊持具による接触位置は、意図的又は自然に形成された結晶の凹凸部であることを特徴とする単結晶の引上げ方法。
請求項１又は請求項２に記載の単結晶の引上げ方法において、前記吊持具が移動して結晶の所定部に接触する際、吊り具にかかる荷重の１〜５０％を吊持具に移行せしめることを特徴とする単結晶の引上げ方法。
吊り具引上げ機構を有し、吊り具に吊持される種結晶の下方に単結晶を成長させ、この単結晶を吊り具によって引上げるとともに、引上げ途中で単結晶の一部を吊持具に接触させ、以降の引上げを吊持具に切り替えるようにした単結晶の引上げ装置であって、前記吊り具と吊持具は、昇降機構によって昇降自在な昇降体に設けられ、お互いに独立して昇降動可能とされるとともに、前記吊持具の全体又は少なくともその一部は、移動機構によって前記昇降体に対して上下に相対移動可能とされることを特徴とする単結晶の引上げ装置。