JP3964002B2

JP3964002B2 - 単結晶保持装置及び単結晶保持方法

Info

Publication number: JP3964002B2
Application number: JP15921097A
Authority: JP
Inventors: 昇栄黒坂; 宏稲垣; 茂樹川島; 純輔冨岡
Original assignee: Sumco Techxiv Corp
Current assignee: Sumco Techxiv Corp
Priority date: 1997-06-02
Filing date: 1997-06-02
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2017-06-02
Also published as: TW444070B; US6099642A; JPH10338597A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＺ法による単結晶製造装置に装着され、特に大重量の単結晶の製造に好適な単結晶保持装置及び単結晶保持方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
単結晶シリコンは一般にＣＺ法を用いて製造されている。ＣＺ法は、単結晶製造装置内に設置した石英るつぼに多結晶シリコンを充填し、石英るつぼの周囲に設けたヒータによって前記多結晶シリコンを加熱溶解した上、シードホルダに取り付けた種結晶を融液に浸漬する。そして、シードホルダ及び石英るつぼを互いに同方向または逆方向に回転させながらシードホルダを引き上げて単結晶シリコンを所定の直径及び長さに成長させる方法である。
【０００３】
種結晶には、融液に浸漬したときの熱衝撃で転位が発生する。この転位を単結晶に伝播させないようにするため、ダッシュネック法を用いて直径数ｍｍ程度のネック部を種結晶の下方に形成し、転位をネック部の表面に逃がす。そして、無転位化が確認された後、肩部を形成して単結晶を所定の直径まで拡大させ、次いで直胴部形成に移行する。
【０００４】
近年、単結晶の直径及び長さの増大に伴ってその重量が増大し、ネック部の強度が限界に近づいている。この対策として、ダッシュネック法によって無転位化した後、ネック部と肩部との間に拡径部とこれより小径のくびれ部とを形成し、くびれ部に保持具を掛止して単結晶を保持する種々の工夫がなされている。単結晶重量の大部分を保持具で支えるため、ネック部の破断が防止され、ネック部が破断した場合でも保持具により単結晶の落下を防止することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、たとえば、単結晶保持装置を複数本のワイヤで吊り下げ、これらのワイヤを巻き取りドラムの駆動により巻き上げる方式の場合、各巻き取りドラムの巻き取り量を正確に制御することは困難である。そして、これが原因となって単結晶保持装置が傾き、単結晶重量を均等に負担することができなくなる。また、単結晶保持装置の偏心回転を誘発して前記保持装置の揺れが起こり、育成中の単結晶が有転位化する。更に、単結晶保持装置は単結晶製造装置の上端からワイヤで吊り下げられているため、単結晶保持装置の中心が育成中の単結晶の中心と一致しないことがあり、保持が不確実になるという問題点があった。
【０００６】
本発明は上記従来の問題点に着目してなされたもので、単結晶を保持する際、及び保持後に単結晶保持装置が揺動したり傾斜したりすることがなく、かつ、単結晶保持装置の中心を育成中の単結晶の中心に一致させることが容易な構造を有する単結晶保持装置及び単結晶保持方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る単結晶保持装置は、結晶引き上げワイヤに加えられた荷重を検出する引き上げワイヤ用ロードセルと、結晶引き上げワイヤに加えられた荷重と単結晶保持具に加えられた荷重との合計荷重を検出する合計荷重用ロードセルとを備え、単結晶保持具が結晶引き上げワイヤに同期して回転し、前記結晶引き上げワイヤと単結晶保持具とを同時に昇降させる手段と結晶引き上げワイヤのみを昇降させる手段とを有することを特徴とする。
上記構成によれば、ネック部に加えられる荷重は引き上げワイヤ用ロードセルがモニタリングし、単結晶保持具に加えられる荷重は合計荷重用ロードセルの検出値と引き上げワイヤ用ロードセルの検出値との差によりモニタリングすることができる。そして、単結晶保持具は結晶引き上げワイヤに同期して回転及び昇降可能としたので、単結晶保持具で単結晶を保持する際に、結晶引き上げワイヤと単結晶保持具との回転速度差による摩擦や上昇速度差による衝撃が発生しない。また、単結晶保持具により単結晶を保持した後の実質的な引き上げ速度は、結晶引き上げワイヤのみによる引き上げ速度と同一である。
【０００８】
また、本発明に係る単結晶保持装置は、結晶引き上げワイヤに加えられた荷重及び前記荷重と単結晶保持具に加えられた荷重との合計荷重をモニタリングする制御装置を備えていることを特徴とする。
単結晶の引き上げ時、結晶引き上げワイヤすなわちネック部で負担すべき単結晶重量と単結晶保持具が負担すべき単結晶重量については、ロードセルの検出値に基づく制御装置の指令により所定の値で配分される。
【０００９】
本発明に係る単結晶保持装置は、具体的には、単結晶の上端に形成したくびれ部を保持する単結晶保持装置であって、結晶引き上げワイヤ巻き取り機構の下端に取着され、中心に結晶引き上げワイヤを通す穴を備えたシャフトと、前記シャフトを結晶引き上げワイヤ巻き取り機構とともに昇降させるキャリッジと、前記シャフトの下端に取着した単結晶保持具とを有し、単結晶保持具は中心に単結晶引き上げワイヤを通す穴を備え、この穴の周囲に複数のくり抜き溝を有するとともに、単結晶を保持する保持棒を前記複数のくり抜き溝内に上下動自在に配設したことを特徴とする。
上記構成によれば、単結晶保持具をシャフトを介して結晶引き上げワイヤ巻き取り機構に取着して一体構成とし、キャリッジにより昇降させるようにしたので、ワイヤに釣支された単結晶保持具のように揺動あるいは傾斜することがなく、かつ、結晶引き上げワイヤに対して単結晶保持具の中心が移動しない。また、単結晶は、単結晶保持具に設けたくり抜き溝内の保持棒によりくびれ部を保持される。
【００１０】
単結晶保持装置の保持具において、前記保持棒は両端が太く、中央部が細くくびれた鼓型であることを特徴とする。
保持棒の形状を鼓型とすると、単結晶のくびれ部を形成する円錐面に対して保持棒１本ごとに２箇所で接触する。従って、１点接触の場合に比べて保持状態が安定するとともに、接触点に発生する応力が低下する。
【００１１】
更に、単結晶保持装置の保持具及び保持棒は、モリブデン等の高融点金属または炭素繊維強化型炭素からなることを特徴とする。
単結晶保持装置の保持具は融液面の近傍まで下降するが、上記構成により破損、変形、劣化のおそれがなく、所定の重量を負担することができる。
【００１２】
上記構成の単結晶保持装置を用いる場合、本発明に係る単結晶の保持方法は、結晶引き上げワイヤ巻き取り機構及び単結晶保持具を装着したキャリッジの昇降速度と結晶引き上げワイヤの巻き取り速度とを調整し、相対的に単結晶保持具を単結晶のくびれ部に近づけた上、単結晶を保持させることを特徴とする。
本発明の単結晶保持装置は結晶引き上げワイヤ巻き取り機構と一体に構成されているため、単結晶保持具の昇降に伴って前記ワイヤ巻き取り機構も昇降する。上記方法によれば、キャリッジの昇降速度と結晶引き上げワイヤの巻き取り速度とを調整することにしたので、単結晶の直胴部育成時に結晶引き上げワイヤの巻き取り速度を一定に維持したまま、単結晶保持具で単結晶のくびれ部を保持することができる。
【００１３】
単結晶の保持に際し、キャリッジ及び結晶引き上げワイヤの速度調整方法として、結晶引き上げワイヤの巻き取り速度をＶ_S/Lとするとき、単結晶保持具を単結晶に掛止するために下降させる場合は、結晶引き上げワイヤの巻き取り速度をＶ_S/L＋α、キャリッジの下降速度をαとし、単結晶保持具を単結晶に掛止する場合は、結晶引き上げワイヤの巻き取り速度をＶ_S/L−α、キャリッジの上昇速度をαとすることを特徴とする。
上記内容の速度調整により、単結晶の引き上げ速度を一定に維持したまま単結晶保持具を単結晶の所望の位置に近づけ、くびれ部に掛止し、更に単結晶保持具を上昇させることができる。
【００１４】
また、本発明に係る単結晶の保持方法は、単結晶保持装置で単結晶を保持した後、単結晶の引き上げをキャリッジの上昇のみで制御するとともに、ネック部の負担重量をモニタリングしつつこの重量がネック部破断重量以下となるように結晶引き上げワイヤの巻き取り量を制御することを特徴とする。
上記構成によれば、単結晶保持装置で単結晶を保持した後、キャリッジの上昇により単結晶保持具と結晶引き上げワイヤ巻き取り機構が同時に上昇するので、結晶引き上げワイヤの巻き取りを原則として停止し、キャリッジの上昇のみで単結晶を引き上げればよい。そして、結晶引き上げワイヤの巻き取り量を制御することにより、単結晶の育成に伴う重量増加によるネック部の破断が防止される。
【００１５】
【発明の実施の形態及び実施例】
次に、本発明に係る単結晶保持装置及び単結晶の保持方法の実施例について図面を参照して説明する。図１は単結晶保持装置の概略構成を示す模式的断面図である。ＣＺ法による単結晶製造装置の上部にはガイドシャフト１に沿ってボールネジにより昇降するキャリッジ２が設置され、キャリッジ２の中心にシャフト３が回転自在に装着されている。シャフト３の上端に設けられたフランジ３ａは、結晶引き上げワイヤ巻き取り機構１１のプーリ１２の下面に取着されている。キャリッジ２の上面には、単結晶製造装置の結晶引き上げワイヤに加えられた荷重と単結晶保持装置に加えられた荷重との合計荷重を検出する合計荷重用ロードセル４が設置され、前記フランジ３ａはスラスト軸受３ｂを介して合計荷重用ロードセル４に載置されている。また、シャフト３の下端には単結晶保持具５が取着されている。単結晶保持具５は内部にくり抜き溝５ａを備えた円筒で、前記くり抜き溝５ａ内に上下動自在の保持棒６が収容されている。単結晶保持具５の詳細については後述する。
【００１６】
結晶引き上げワイヤ巻き取り機構１１は、引き上げワイヤ用ロードセル７の上に載置されたワイヤ巻き取りドラム１３と図示しないモータとを備え、結晶引き上げワイヤ巻き取り機構１１、シャフト３、単結晶保持具５は結晶回転用モータ１４により一体で回転する。ワイヤ巻き取りドラム１３に巻き付けられた結晶引き上げワイヤ１５は、前記シャフト３及び単結晶保持具５の中心に設けられた穴を通って垂れ下がり、その下端には種結晶を取り付けたシードホルダ１６が釣支されている。
【００１７】
引き上げワイヤ用ロードセル７及び合計荷重用ロードセル４の検出信号は単結晶製造装置の外部に設置された図示しない制御装置に伝達され、制御装置はこれらの信号に基づいてワイヤ巻き取りドラム１３及びガイドシャフト１を正逆いずれかの方向に回転させる指令信号を出力する。
【００１８】
キャリッジ２の下面と単結晶製造装置のゲートチャンバ１７の上面とは伸縮自在のベローズ８で接続され、ゲートチャンバ１７の下面にはトップチャンバ１８及び図示しないメインチャンバが接続されている。また、メインチャンバに設置された石英るつぼ内の融液から引き上げられる単結晶１９は、ネック部２０に続いて拡径部１９ａと、拡径部１９ａより小径のくびれ部１９ｂとを形成した後、所定の直径に育成される。
【００１９】
図２は単結晶保持具の内部に設けられたくり抜き溝の形状を示す斜視図、図３はくり抜き溝の上面図である。単結晶保持具５は、中心に結晶引き上げワイヤ１５を通す穴５ｂを備え、図１に示したシャフト３に結合するためのフランジ５ｃが上端に設けられている。前記穴５ｂの直径は単結晶の拡径部が容易に通過できる大きさで、穴５ｂの両側には上部の幅が広く下部の幅が狭い楔形のくり抜き溝５ａが対向する位置に設けられ、これらのくり抜き溝５ａの内側面の一部分が穴５ｂに開口している。くり抜き溝５ａの底面は単結晶保持具５の下面よりも上方にあり、単結晶保持具５の下面には穴５ｂのみが開口している。また、くり抜き溝５ａの内部には両端が太く、中央部がくびれた鼓形の保持棒６が１本ずつ収納されている。前記保持具５及び保持棒６はモリブデン等の高融点金属または炭素繊維強化型炭素を用いて製作されている。
【００２０】
以下、本発明の単結晶保持装置を用いる場合の単結晶保持方法について、図１及び図４〜図１０を参照して説明する。単結晶の拡径部及びくびれ部が形成された後、単結晶重量が所定の値に達するまでの間、単結晶保持具５は図１に示すように育成中の単結晶１９の上方で待機する。このとき、保持棒６はいうまでもなくくり抜き溝５ａの底部に静止している。また、単結晶１９の重量は引き上げワイヤ用ロードセル７の検出信号に基づいて制御装置がモニタリングしている。なお、単結晶１９の成長速度すなわち結晶引き上げワイヤ１５の巻き取り速度はＶ_S/Lに保たれている。
【００２１】
単結晶１９の育成が進み、その重量が所定の値に達すると、制御装置の指令信号によりキャリッジ２が速度αで下降する。これに伴って結晶引き上げワイヤ巻き取り機構１１も下降するため、結晶引き上げワイヤ１５の巻き取り速度をＶ_S/L＋αに増速し、単結晶１９の成長速度をＶ_S/Lに維持する。キャリッジ２とともに単結晶保持具５も下降し、図４に示すように保持棒６が単結晶１９の拡径部１９ａ上側の円錐面に接触する。保持棒６は前記円錐面によって外側方向及び上方向に押され、くり抜き溝５ａの斜面５ｄに沿って上昇する。
【００２２】
単結晶保持具５の下降に伴って拡径部の外周とくり抜き溝５ａの斜面５ｄとの隙間が増大する。この隙間が保持棒６の中央部付近の直径より大きくなると、拡径部上側の円錐面に押されてくり抜き溝５ａ内を上昇していた保持棒６が、図５に示すように前記隙間を通過し、図６に示すようにくり抜き溝５ｃの底部に落下する。
【００２３】
その後、制御装置の指令信号によりキャリッジの下降が停止し、続いて制御装置の指令信号によりキャリッジが上昇する。このときのキャリッジ上昇速度をαとすると、結晶引き上げワイヤの巻き取り速度はＶ_S/L−αに減速される。キャリッジとともに単結晶保持具５が上昇し、図７に示すように単結晶１９の拡径部１９ａ下側の円錐面に当接した保持棒６は、前記円錐面によって外側方向及び下方向に押され、くり抜き溝５ａの底部に押し付けられる。この状態になって単結晶保持具５による単結晶１９の保持が完了する。以上説明したように、単結晶の保持に際して単結晶保持具を昇降させるためキャリッジを昇降させるが、これに対応して結晶引き上げワイヤの巻き取り速度を制御するので、キャリッジの昇降にかかわらず、単結晶の実質引き上げ速度をキャリッジ停止時と同一に保つことができる。
【００２４】
単結晶のくびれ部を単結晶保持具によって保持した後、単結晶の重量Ｗc は結晶引き上げワイヤと単結晶保持具とに分配される。結晶引き上げワイヤの負荷重量をＷw 、単結晶保持具の負荷重量をＷsup とすると、Ｗc ＝Ｗw ＋Ｗsup となるので、Ｗc を結晶の成長制御に用いる。
【００２５】
図８は、単結晶保持具の待機、下降、上昇及び単結晶保持、保持後の各ステップにおけるキャリッジ速度、結晶引き上げワイヤ速度及び実質的な単結晶引き上げ速度を示すグラフである。単結晶保持具を待機させているときキャリッジの速度は０で、単結晶を保持するため保持具を下降させ、ついで上昇させるときの速度はαである。ただし、下降時と上昇時とでは向きが異なる。また、結晶引き上げワイヤの速度はキャリッジの下降または上昇速度に対応してαだけ増加または減少する。これらの制御の結果、実質的な単結晶引き上げ速度は一定値を維持することになる。
【００２６】
単結晶保持具で単結晶を保持し、単結晶重量を結晶引き上げワイヤと単結晶保持具とに分配すると、ワイヤ巻き取りドラムの回転は原則として停止する。そして、結晶引き上げワイヤ巻き取り機構と単結晶保持具とを装着したキャリッジが上昇を続け、単結晶の育成を継続する。結晶引き上げワイヤ巻き取り機構はキャリッジとともに上昇するので、結晶引き上げワイヤのたるみは生じない。ただし、単結晶の成長に比例してネック部にかかる荷重が増加するため、この荷重を所定の範囲内に制御してネック部の破断を防止する必要がある。そこで、図８に示すように単結晶保持後においても結晶引き上げワイヤの巻き取りまたは巻き戻しを行ってネック部にかかる荷重を調整する。前記荷重の調整は、ロードセルの検出値に基づいて制御装置が発する指令信号により実施される。なお、単結晶の重量を単結晶保持装置のみで負担してもよい。
【００２７】
キャリッジを下降または上昇させる場合、図９に実線で示すように速度０からαまで段階的に増速させてもよく、点線で示すように速度０からαまで直線的に増速させてもよい。その場合、結晶引き上げワイヤ速度は前記キャリッジの速度変化に対応させるものとする。
【００２８】
図１０は、図８に示した各ステップにおけるネック部荷重、単結晶保持具荷重及び単結晶重量の変化を表すグラフである。単結晶の育成に伴って単結晶重量は漸増し、ネック部荷重は単結晶保持具で単結晶を保持するまでの間は漸増するが、保持後はその一部が減少した後、一定値を維持する。単結晶保持具の荷重は保持直後から漸増する。
【００２９】
本実施例では、ネック部と単結晶の肩部との間に形成したくびれ部を保持する単結晶保持装置及び保持方法について説明したが、本発明は単結晶の直胴部上端に形成したくびれ部を保持する場合にも適用可能である。また、保持棒として、くびれのない棒を使用することもできる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、下記の効果が得られる。
（１）単結晶保持装置を結晶引き上げワイヤ巻き取り機構に固定し、前記保持装置の軸心と結晶引き上げワイヤの軸心とが一致する構造にしたので、単結晶保持具の軸心が単結晶の軸心に機械的に一致することになり、単結晶を高精度に保持する単結晶保持装置とすることができる。
（２）単結晶保持装置が従来の技術で述べたワイヤ釣支によるものでなく、剛構造であるため、単結晶保持具の揺動や傾斜が起こらず、従って保持時又は保持後に単結晶が有転位化するおそれがない。
（３）ネック部に加えられる荷重と単結晶保持具に加えられる荷重とをロードセルの検出値に基づいて調整し、ネック部荷重を許容範囲内に制御するようにしたので、ネック部の破断が確実に防止される。また、ネック部荷重を許容範囲内で任意に設定することができるので、単結晶保持具の許容荷重を考慮しつつ両者の荷重配分を設定することにより、引き上げ可能な単結晶重量を増加することが可能である。
（４）結晶引き上げワイヤ及び単結晶保持具を同一のモータで回転させるので、両者の回転速度が正確に一致する。従って、単結晶を単結晶保持具で保持する際に、回転速度の微妙な相違によって生じる単結晶と単結晶保持具との摩擦が起こり得ず、円滑かつ安全に保持することができる。
（５）結晶引き上げワイヤと単結晶保持具とを併用した単結晶引き上げにおいて、結晶引き上げワイヤのみによる単結晶引き上げ時と同様に、単結晶の育成速度を所望の値に制御しつつ単結晶を保持することが可能のため、従来から行われている高精度の結晶育成技術を容易に適用することができる。
（６）単結晶のくびれ部に接触する芯棒を鼓形とし、２点で接触させるようにしたので、保持時の応力集中が緩和され、単結晶の欠けや亀裂発生を回避することができる。
（７）上記各項の効果により、大重量の単結晶を能率よく製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】単結晶保持装置の概略構成を示す模式的断面図である。
【図２】単結晶保持具の内部に設けられたくり抜き溝の形状を示す斜視図である。
【図３】くり抜き溝の上面図である。
【図４】単結晶保持具が下降し、保持棒が単結晶に接触した状態を示す模式図である。
【図５】保持棒が単結晶とくり抜き溝との隙間を通過する状態を示す模式図である。
【図６】保持棒がくり抜き溝の底部に落下した状態を示す模式図である。
【図７】単結晶保持具を上昇させて単結晶を保持した状態を示す模式図である。
【図８】単結晶保持具の待機、下降、上昇及び単結晶保持、保持後の各ステップにおけるキャリッジ速度、結晶引き上げワイヤ速度及び実質的な単結晶引き上げ速度を示すグラフである。
【図９】キャリッジの下降及び上昇時の速度に関して、図８と異なる方法を示すグラフである。
【図１０】図８に示した各ステップにおけるネック部荷重、単結晶保持具荷重及び単結晶重量の変化を表すグラフである。
【符号の説明】
２…キャリッジ、３…シャフト、４…合計荷重用ロードセル、５…単結晶保持具、５ａ…くり抜き溝、６…保持棒、７…引き上げワイヤ用ロードセル、１１…結晶引き上げワイヤ巻き取り機構、１５…結晶引き上げワイヤ、１９…単結晶、１９ａ…拡径部、１９ｂ…くびれ部、２０…ネック部。

Claims

結晶引き上げワイヤに加えられた荷重を検出する引き上げワイヤ用ロードセルと、結晶引き上げワイヤに加えられた荷重と単結晶保持具に加えられた荷重との合計荷重を検出する合計荷重用ロードセルとを備え、単結晶保持具が結晶引き上げワイヤに同期して回転し、前記結晶引き上げワイヤと単結晶保持具とを同時に昇降させる手段と結晶引き上げワイヤのみを昇降させる手段とを有することを特徴とする単結晶保持装置。
結晶引き上げワイヤに加えられた荷重及び前記荷重と単結晶保持具に加えられた荷重との合計荷重をモニタリングする制御装置を備えていることを特徴とする請求項１記載の単結晶保持装置。
単結晶の上端に形成したくびれ部を保持する単結晶保持装置であって、結晶引き上げワイヤ巻き取り機構の下端に取着され、中心に結晶引き上げワイヤを通す穴を備えたシャフトと、前記シャフトを結晶引き上げワイヤ巻き取り機構とともに昇降させるキャリッジと、前記シャフトの下端に取着した単結晶保持具とを有し、単結晶保持具は中心に単結晶引き上げワイヤを通す穴を備え、この穴の周囲に複数のくり抜き溝を有するとともに、単結晶を保持する保持棒を前記複数のくり抜き溝内に上下動自在に配設したことを特徴とする請求項１記載の単結晶保持装置。
前記保持棒は両端が太く、中央部が細くくびれた鼓型であることを特徴とする請求項３記載の単結晶保持装置。
単結晶保持装置の保持具及び保持棒は、モリブデンまたは炭素繊維強化型炭素からなることを特徴とする請求項３記載の単結晶保持装置。