JP3920859B2 - 単結晶製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、石英るつぼ等に収容された原料融液から種結晶を用いて単結晶インゴットを成長させながらワイヤで引き上げる単結晶製造装置に関する。

半導体ウエーハの製造に使用される高純度の単結晶インゴットは、一般に、石英るつぼのシリコン融液から種結晶を核として成長させつつワイヤで引き上げるチョコラルスキー法（ＣＺ法）で製造され、そのための各種の製造装置（例えば、特許文献１参照）が知られている。このＣＺ法による単結晶製造装置の一例を図５に示す。

図５の装置は、縦長の気密チャンバー１の上端に回転ボックス１０を連接したもので、チャンバー１の下部に石英製るつぼ２が回転及び上下動可能に配置され、るつぼ２の周りにヒーター３が設置される。回転ボックス１０内にはウインチ１１が設置され、ウインチ１１に巻回されたワイヤ１２が回転ボックス１０の底部を貫通してチャンバー１内に吊り下がる。ワイヤ１２は、ステンレス線やタングステン線などの金属素線から成る高耐熱性の撚り線で、チャンバー１内に吊り下がるワイヤ１２の下端部にチャック１３を固定している。回転ボックス１０はチャンバー１上に水平方向に回転可能に連接され、ウインチ１１をワイヤ繰出し方向に正回転させるとワイヤ１２がチャック１３を吊り下げた状態でチャンバー１内を下降し、ウインチ１１を逆回転させるとワイヤ１２がウインチ１１に巻き取られてチャンバー１内をチャック１３と共に上昇する。

図５の単結晶製造装置は以下のように作動する。まずウインチ１１でワイヤ１２を巻き上げ、チャック１３の下端に種結晶を取付ける。チャンバー１内を真空又は不活性ガス雰囲気にし、ヒーター３でるつぼ２内のシリコン単結晶又は多結晶の原料を加熱溶融させる。ウインチ１１を正回転させてワイヤ１２を繰り出し、チャック１３をるつぼ２内のシリコン融液４に向けて下降させる。チャック１３下端の種結晶をシリコン融液４の表面に接触させて種結晶の周りに単結晶を成長させ、ウインチ１１を低速で逆回転させてワイヤ１２でチャック１３を引き上げる。この引き上げでシリコン融液４から所望の直径の単結晶インゴット５が成長しながらワイヤ１２で引き上げられる。単結晶インゴット５が所定の長さに成長し、チャンバー１内の上部まで引き上げられると、ウインチ１１が回転停止して結晶インゴット５の取出作業が行われる。
特開２００３−１７６１９９号公報

上記チャンバー内におけるワイヤは、１６００℃超の高温融液に晒されるだけでなく、引き上げインゴット重量の増大（大径化、長尺化）に伴いその使用条件はますます過酷になっている。さらに、ワイヤは、単結晶インゴットを引き上げながら捩れ、ウインチに屈曲しながら巻き取られる動作を繰り返すために、金属疲労が進行しやすい使用条件下にある。このため、現在の単結晶製造現場においては、ワイヤを早い時期に定期的に新品と交換するようにして、使用時のワイヤ損傷、最悪の場合のワイヤ断線によるトラブル発生を回避するようにしている。

一方で高純度インゴット製造の点では、生産性やコストの面からできるだけ長期に亘りワイヤ交換することなく同一のワイヤを使用することが望まれる。しかし、使用中のワイヤの極一部の素線に損傷や断線が発生したまま継続して使用すると、成長中の結晶に対して異物汚染の原因となることがあり、安定した高純度インゴットの製造が難しくなるだけでなく、最悪の場合はワイヤ断線、引き上げ時のインゴット落下の可能性がある。そのため、ワイヤ交換はワイヤ損傷等の異常が発生する確率の高い時期を経験に基づいて予測して、その予測時期より十分に余裕を見込んで交換時期と設定して、定期的にワイヤ交換するようにしている。

しかし、ワイヤ交換の間は単結晶製造装置の稼動を停止させねばならず、ワイヤ交換を短期で頻繁に行うと製造装置の稼働率が低下し、生産性が悪くなり、これにより単結晶インゴットの生産コストが上昇する。また、短期でワイヤ交換するようにしても、必ずしも不測のワイヤ断線の危険性がないとは断言できず、安全性を徹底する上で問題があった。

本発明の目的は、ワイヤ交換が常に適正な期間で経済的に実行できる、安全性に優れた単結晶製造装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、縦長のチャンバーの下部に単結晶インゴットの原料融液を収容するるつぼを配置し、前記チャンバーの上端に水平方向に回転可能に回転ボックスを連接し、前記回転ボックス内に下端に種結晶を取付けたワイヤを巻上げ巻下ろすウインチを設置し、前記るつぼ内の原料融液の表面に前記種結晶を接触させて単結晶インゴットを成長させつつ前記ワイヤで引き上げるようにした単結晶製造装置において、前記回転ボックス内に、前記ウインチで巻上げ巻下ろされて鉛直方向に昇降するワイヤに近接配置されてワイヤの異常を検出するセンサを配設し、前記センサの検出信号に基づいて警報信号などを発信する検査監視ユニットを製造装置内外に配備し、前記検査監視ユニットは、前記回転ボックス内に前記センサから出力される検出信号を演算処理してワイヤの異常の度合に応じたレベルの出力信号を得る検査回路部と、前記回転ボックス外に設置され、前記検査回路部の検出信号レベルをメータ表示させ、かつ、所定の基準レベルとの比較結果に基づいて警報信号を発信して警報ブザーや警報ランプを作動させる警報回路部と、前記検査回路部と監視回路部の間に配置された信号送信手段と、を有することを特徴とする。

ここで、センサで検出するワイヤの異常とは、撚り線ワイヤを構成する金属素線の損傷や断線、ワイヤ表面の極端な曲げやへこみ等の形状変化の他、金属疲労など内部的な変化も含み、放置するとワイヤ断線、単結晶インゴットの異物混入の原因となるような欠陥・欠損部分である。センサは、ウインチの巻上げ巻下ろしで昇降する移動中のワイヤ、又は、停止中のウインチに支持された静止状態のワイヤの異常の有無、異常の程度、異常発生の箇所などを検出する非破壊探傷センサであって、具体的にはワイヤの種類に対応させた例えば電磁探傷センサや光学探傷センサである。センサは、単結晶インゴットを引き上げる上昇中の負荷状態にあるワイヤの異常を基本的に検出するが、インゴット引き上げ準備中の下降中或いは静止中の無負荷状態のワイヤの異常を検出することもできる。センサの位置は固定してワイヤを相対移動させることで、ワイヤのほぼ全長が検査される。また、センサのワイヤ異常検出結果に基づいてワイヤ交換の適正な時期を決めることができる。このようにワイヤ交換を経験に基づいて定期的かつ一律に行なうのでなく、ワイヤ毎にセンサの検出結果に基づいた合理的な時期に行なうことで、従来行われていた定期的なワイヤ交換に伴う製造装置の稼働率低下、安全性等の諸問題が解決される。

また、本発明においては、センサの出力信号に基づき警報を発するようにすることができる。例えば、センサの検出信号レベルが予め設定された基準レベルの閾値を超えると警報信号を発信する検査監視ユニットを単結晶製造装置に付設して、センサがワイヤから危険性の高い異常を検出するか否かを検査監視ユニットで常時監視し、センサが危険性の高い異常を検出すると警報ランプや警報ブザーを作動させる。

検査監視ユニットは、ウインチ近傍のセンサに電気的に接続されてワイヤ異常の検出動作を行なう。検査監視ユニットは、センサから出力される検出信号を演算処理してワイヤの異常の度合に応じたレベルの出力信号を得る検査回路部と、この検査回路部の検出信号レベルをメータ表示させ、かつ、所定の基準レベルとの比較結果に基づいて警報信号を発信して警報ブザーや警報ランプを作動させる警報回路部を有する構成とすることができる。検査回路部は、単結晶製造装置の装置内部のウインチとセンサの近傍に設置でき、警報回路部は単結晶製造装置外に設置することができる。このような検査回路部と警報回路部の間の信号伝送方式は、無線方式の他にスリップリング等を用いた有線方式も可能である。警報回路部による警報ブザーや警報ランプの作動で、ワイヤが交換すべき時期にきたことが分かる。従って、ワイヤ交換を常に適正な時期に行うことが可能となり、必要以上に短期でワイヤ交換する不具合が解消される。また、警報が発せられる前のワイヤは、素線断線などの異常がなく、異常があってもワイヤ断線を引き起こす虞の全くない低レベルのものであるので、常に安全が保障される。

また、本発明においては、センサに、ウインチ近傍のワイヤの鉛直部分に近接配置された送信コイル及び受信コイルを備えた電磁探傷センサを適用することができる。この電磁探傷センサは渦流探傷センサ又は漏洩磁束探傷センサで、ワイヤに対して連続的に送信コイル（励磁コイル）で発生させた磁束を作用させ、この磁束で生じるワイヤでの渦流電流又は漏洩磁束の変化を受信コイル（検出コイル）で検出する。この電磁探傷センサに対してワイヤを軸方向に相対移動させることで、ワイヤのほぼ全長が連続して非接触で非破壊検査される。

本発明によれば、単結晶製造装置の稼動時や稼動停止時にワイヤの異常の有無や程度がセンサで検出でき、このセンサの検出結果に基づいてワイヤの合理的交換時期を決定できるから、ワイヤを常に安全な状況下で使用できる安全性に優れた単結晶製造装置が提供できる。また、同一のワイヤを可及的長期に亘り安全に使用可能であるから、単結晶製造装置の稼働率改善、生産性向上および単結晶インゴットの生産コストの低減が図れる効果がある。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図４を参照して説明する。なお、この実施の形態は、図５の単結晶製造装置に適用したもので、図５と同一又は相当部分には同一符号を付して説明の重複を避ける。

図１に示すように、本発明装置は、回転ボックス１０内にウインチ１１で巻上げ巻下ろされるワイヤ１２の異常（ワイヤ素線の断線や曲げ、へこみ、損傷などによる形状変化や金属疲労などの内部変化）を検出するセンサ２０を配設し、センサ２０の検出信号に基づいて警報信号などを発信する検査監視ユニット３０を製造装置内外に配備する。ワイヤ１２は、例えばステンレス線又はタングステン線の素線を撚った撚り線である。センサ２０は、回転ボックス１０内の所定の位置に設置された渦流探傷センサで、鉛直方向に昇降するワイヤ１２に接近させて配置される。以下、必要に応じてセンサ２０を渦流探傷センサ２０と称する。検査監視ユニット３０は、例えば図４に示すように回転ボックス１０内に渦流探傷センサ２０（又は漏洩磁束探傷センサ）と共に設置される検査回路部３０ａと、回転ボックス１０外に設置される監視回路部３０ｂと、検査回路部３０ａと監視回路部３０ｂの間に配置された信号送信手段３０ｃを有する。

渦流探傷センサ２０の構造例と動作原理図を図２と図３に示す。図２の渦流探傷センサ２０は、昇降するワイヤ１２を非接触で非破壊検査するもので、ワイヤ１２が非接触で上下に貫通する筒状のボビン２１と、ボビン２１の内周の上部と下部に装着された２つの送信コイル２２、２３と、ボビン２１の内周の中間部に装着された受信コイル２４を有する。なお、図示される送信コイル２２、２３は貫通コイル構造であるが、半割コイル又はＵ字型コイル構造でもよい。

送信コイル２２、２３に交流発信器２５から２０００ＫＨｚ程度の正弦波励磁電流を流すと、図３の鎖線で示すようにボビン２１内に軸方向に磁束が発生し、この磁束域をワイヤ１２が通過することでワイヤ１２に渦電流が発生する。この渦電流はワイヤ１２に異常があると、その異常に応じて変化する。この渦電流変化を受信コイル２４がインピーダンス変化、或いは、誘導電圧変化として検出して検査監視ユニット３０の検査回路部３０ａに出力する。検査回路部３０ａは受信コイル２４からのインピーダンス変化、又は誘導電圧変化の検出信号ｓからノイズ成分を除去し、増幅して信号送信手段３０ｃに送信する。信号送信手段３０ｃは、例えば回転ボックス１０に設置した送信アンテナと監視回路部３０ｂに設置した受信アンテナを備えた無線伝送手段、又は、回転ボックス１０に設置したスリップリングと、このスリップリングに電気的に接触する触子を備えた有線伝送手段で構成できる。

監視回路部３０ｂは、上記受信アンテナで受信された検出信号ｓからワイヤ異常の度合をアナログ又はデジタル表示するの表示器３１と、検出信号ｓを記憶してワイヤ管理等に使用されるメモリ回路３２と、検出信号ｓの信号レベルと所定の閾値の比較結果に基づいて適宜に警報信号ｔを出力する異常判定回路３３を備える。異常判定回路３３の出力側に警報ランプ３４と、警報ブザー３５の各ドライブ（図示せず）が接続される。

次に、上記実施例の形態の動作を説明する。

図１に示すように、ウインチ１１を逆回転（右回転）させて単結晶インゴット５を吊り下げたワイヤ１２を所定高さ位置に固定配置した渦流探傷センサ２０を貫通させて上昇させる。これにより渦流探傷センサ２０でワイヤ１２の異常検出が連続して行われる。この間、渦流探傷センサ２０からの検出信号ｓが検査監視ユニット３０の検査回路部３０ａに送信され、監視回路部３０ｂの表示器３１にワイヤ異常の有無と異常度合が数値化されてアナログ又はデジタルで表示される。この表示を作業員が視認することで、現在使用されているワイヤ１２が異常のあるワイヤか、異常のあるワイヤの場合はどのレベル、数、種類の異常が発生しているかが判断される。これらワイヤの異常が、放置しても問題とならないほど小さなレベルの異常である場合は、この小レベルの異常に対する検出信号ｓが異常判定回路３３に設定された閾値を超えないようにして警報信号を発しないようにすることができる。なお、後の分析用として検出信号ｓはメモリー回路３２に保存される。また、ワイヤの異常が、ワイヤ断線等の事故を引き起こす要因となり得る大レベルの異常の場合は、この大レベルの異常に対する検出信号ｓが異常判定回路３３の閾値を超えて、異常判定回路３３から警報信号ｔが出力され、警報ランプ３４が点滅し、警報ブザー３５が鳴り、周囲の作業員に報知される。

この大レベルの異常は、例えば図３に示すワイヤ１２を構成する多数本の素線１２’の１本又は数本の断線である。撚り線のワイヤ１２の断線は、１本又は数本の素線１２’の断線を放置することにより発生する確率が高く、このような素線１２’の断線は、ワイヤ１２を流れる渦電流の大きな変化となって現れることから、１本の素線１２’の断線であっても、この断線異常が渦流探傷センサ２０で高精度に検出される。

図１において、単結晶インゴット５の引き上げが終了するまで渦流探傷センサ２０によるワイヤ異常検出が継続して行われ、チャック１３が渦流探傷センサ２０の高さ位置まで上昇したところで引き上げを終了させて、ワイヤ１２のウインチ１１から吊り下がり鉛直となる部分の全長を非破壊検査する。この検査工程で検査監視ユニット３０が一度も警報を発しない場合は、ワイヤ１２にまったく異常がないか、あるいは異常が有ってもまだ十分に使用できるワイヤであると判定されて、同じワイヤ１２が次の単結晶製造に継続して使用される。また、上記検査工程で検査監視ユニット３０が警報を発すると、ワイヤ１２に大レベルの異常が有り、これを放置してワイヤ１２を更に何度も使用するとワイヤ断線の危険性が増すと判定される。この場合は、１回の検査工程が終了した後、ワイヤ１２を新品と交換する時期が経験に基づいて決定される。

なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明に係る単結晶製造装置の概要を示す側面図である。 図１装置におけるセンサの概要を示す拡大断面図である。 図２のセンサの動作原理図である。 図１装置における検査監視ユニットのブロック図である。 従来の単結晶製造装置の概要を示す側面図である。

符号の説明

１ チャンバー
２ るつぼ
３ ヒーター
４ 原料融液
５ 単結晶インゴット
１０ 回転ボックス
１１ ウインチ
１２ ワイヤ
１３ チャック
２０ センサ、渦流探傷センサ
２１ ボビン
２２、２３ 送信コイル
２４ 受信コイル
２５ 交流発信器
３０ 検査監視ユニット
３０ａ 検査回路部
３０ｂ 監視回路部
３０ｃ 信号送信手段
３１ 表示器
３２ メモリー回路
３３ 異常判定回路
３４ 警報ランプ
３５ 警報ブザー
ｓ 検出信号
ｔ 警報信号

Claims (3)

1. 縦長のチャンバーの下部に単結晶インゴットの原料融液を収容するるつぼを配置し、前記チャンバーの上端に水平方向に回転可能に回転ボックスを連接し、前記回転ボックス内に下端に種結晶を取付けたワイヤを巻上げ巻下ろすウインチを設置し、前記るつぼ内の原料融液の表面に前記種結晶を接触させて単結晶インゴットを成長させつつ前記ワイヤで引き上げるようにした単結晶製造装置において、
   前記回転ボックス内に、前記ウインチで巻上げ巻下ろされて鉛直方向に昇降するワイヤに近接配置されてワイヤの異常を検出するセンサを配設し、前記センサの検出信号に基づいて警報信号を発信する検査監視ユニットを製造装置内外に配備し、
   前記検査監視ユニットは、前記回転ボックス内に前記センサから出力される検出信号を演算処理してワイヤの異常の度合に応じたレベルの出力信号を得る検査回路部と、前記回転ボックス外に設置され、前記検査回路部の検出信号レベルと所定の基準レベルとの比較結果に基づいて警報信号を発信して警報ブザーや警報ランプを作動させる警報回路部と、前記検査回路部と監視回路部の間に配置された信号送信手段と、を有することを特徴とする単結晶製造装置。
2. 縦長のチャンバーの下部に単結晶インゴットの原料融液を収容するるつぼを配置し、前 記チャンバーの上端に水平方向に回転可能に回転ボックスを連接し、前記回転ボックス内 に下端に種結晶を取付けたワイヤを巻上げ巻下ろすウインチを設置し、前記るつぼ内の原 料融液の表面に前記種結晶を接触させて単結晶インゴットを成長させつつ前記ワイヤで引 き上げるようにした単結晶製造装置において、
   前記回転ボックス内に、前記ウインチで巻上げ巻下ろされて鉛直方向に昇降するワイヤ に近接配置されてワイヤの異常を検出するセンサを配設し、前記センサの検出信号に基づ いて警報信号を発信する検査監視ユニットを製造装置内外に配備し、
   前記検査監視ユニットは、前記回転ボックス内に前記センサから出力される検出信号を 演算処理してワイヤの異常の度合に応じたレベルの出力信号を得る検査回路部と、前記回 転ボックス外に設置され、前記検査回路部の検出信号レベルをメータ表示させ、かつ、所 定の基準レベルとの比較結果に基づいて警報信号を発信して警報ブザーや警報ランプを作 動させる警報回路部と、前記検査回路部と監視回路部の間に配置された信号送信手段と、 を有することを特徴とする単結晶製造装置。
3. 前記信号送信手段は、前記回転ボックスに設置した送信アンテナと前記監視回路部に設置した受信アンテナを備えた無線伝送手段であることを特徴とする請求項１又は２記載の単結晶製造装置。

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