JP4070162B2 - 単結晶保持装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＺ法による半導体単結晶の製造に用いられ、特に大重量の単結晶の引き上げに好適な単結晶保持装置に関する。
【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法では、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て融液とする。そして、シードホルダに取り付けた種結晶を融液に浸漬し、シードホルダおよ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および長さに成長させる。
【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。この転位を除去するため、ダッシュネック法を用いて直径３〜４ｍｍ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、半導体デバイス生産の効率化、歩留り向上等を目的とした単結晶の大径化あるいは軸方向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。そのため、従来の結晶引き上げ方法ではネック部が破断するおそれがあり、安全な単結晶育成ができない。この対策として、単結晶育成中にその荷重をネック部から保持具へ移し換える装置や方法が提案されている。このような装置、方法によれば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】
上記単結晶保持具を用いる各種の単結晶引上装置のうち、特公平５−６５４７７で開示された単結晶成長装置は、単結晶に形成した係合段部を着脱自在に保持する複数のクランプアームを備えている。また、特公平７−１０３０００で開示された結晶引上装置は、単結晶のくびれ部に掛止する爪を有し、ワイヤの巻き取りまたは巻き戻しにより開閉する複数の把持レバーと、把持レバーを閉じたときに下方にスライドして把持レバーの開きを防止するリングとを用いて前記単結晶を保持する構成としている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記単結晶引上装置には、それぞれ次のような問題点がある。
（１）特公平５−６５４７７による単結晶成長装置は、単結晶の重量が増大するとクランプアームが開いて単結晶が落下する危険性がある。
（２）特公平７−１０３０００による単結晶引上装置は、把持レバーの開きを防止するリングの下方へのスライドがその自重のみに依存しているため、スライド機構として不確実であり、リングが把持レバーに引っ掛かってスライドしない可能性がある。また、リングがスライドしたときの衝撃により単結晶を有転位化させる恐れがある。
【０００７】
本発明は上記従来の問題点に着目してなされたもので、単結晶に形成したくびれ部に単結晶保持装置の爪を掛止して単結晶を保持し、単結晶保持装置で単結晶重量の大部分を支えて単結晶を引き上げる過程で、爪の開きを確実に防止することが可能な単結晶保持装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【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の第１は、単結晶にくびれ部を形成し、リンク機構により開閉する保持アームを前記くびれ部に掛止して単結晶を保持しつつ引き上げる単結晶保持装置において、リンク機構のリンクと保持アームとが連結した連結点が、リンクと外筒とが連結した連結点の上方に位置し、かつ、保持アームに設けたストッパがリンクの回動を阻止することにより保持アームの開きを防止することを特徴とする。上記構成によれば、保持アームが開状態から閉状態に移行する際に、リンク機構のリンクと保持アームとが連結した連結点が、リンクと外筒とが連結した連結点の上方に位置し、更にリンクの回動がストッパにより阻止されるため、単結晶の育成進捗に伴ってその重量が増大しても保持アームが開くことはなく、単結晶を確実に保持し続けることができる。
【０００９】
本発明に係る単結晶保持装置の第２は、上記第１構成の単結晶保持装置が、外筒と、内筒と、内筒の下端に回動自在に取着した複数の保持アームと、外筒の下端と保持アームとを連結する複数のリンクとを有し、外筒または内筒のいずれか一方を上昇または下降させることにより保持アームの下端を開閉し、保持アームの下端が閉じたとき保持アームに設けたストッパがリンク下面に当接して保持アームの開きを阻止することを特徴とする。
上記構成の単結晶保持装置はリンク機構を用いているため、外筒または内筒のいずれか一方を相対的に上昇または下降させるだけで保持アームの下端を閉じて単結晶のくびれ部を保持することができる。また、保持アームの下端が閉じたときストッパがリンク下面に当接してリンクの回動を阻止するので、保持アームの開きが確実に阻止される。
【００１０】
また、本発明に係る単結晶保持装置の第３は、上記第２構成において、
外筒または内筒のいずれか一方を昇降させる手段として、ワイヤ巻取装置、ボールねじによる昇降装置、流体圧アクチュエータのいずれかを用いることを特徴とする。
上記構成によれば、保持アームで単結晶のくびれ部を保持するに当たり、外筒または内筒のいずれか一方を昇降させるために各種の装置のいずれかを任意に選択して使用することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態および実施例】
次に、本発明に係る単結晶保持装置の実施例について図面を参照して説明する。
図１に単結晶保持装置の第１実施例を示す。図示しない単結晶製造装置のプルチャンバ上方に設けられた真空容器１内に、結晶引上ワイヤ巻取装置２と単結晶保持装置１０を昇降させる複数のワイヤ巻取装置１１とが設置されている。結晶引上ワイヤ巻取装置２から垂下する結晶引上ワイヤ３の下端にはシードホルダ４が繋着され、複数のワイヤ巻取装置１１から垂下する保持装置引上ワイヤ１２の下端には単結晶保持装置１０が繋着されている。また、図示しないメインチャンバ内に融液５を貯留するるつぼ６が回転ならびに昇降可能に設置され、るつぼ６の周囲には図示しないヒータ、断熱筒が設置されている。シードホルダ４に装着した種結晶７を融液５に浸漬した後、結晶引き上げワイヤ３を巻き取ることにより単結晶８が育成される。
【００１２】
単結晶保持装置１０は図２に示すように、外筒１３、リンク１４、内筒１５と保持アーム１６とを備えている。外筒１３は上端にフランジ１３ａを有する円筒で、その下端に設けた複数の突出部にリンク１４の一端が回動自在に取着されている。内筒１５は前記保持装置引上ワイヤ１２の下端に繋着された円筒で、その下端に設けた複数の突出部に保持アーム１６の上端が回動自在に取着されている。リンク１４の他端は保持アーム１６に回動自在に取着されている。保持アーム１６には、リンク１４との連結部の下方において外側に突出するストッパ１６ａが設けられ、下端には内側に突出する爪１６ｂが設けられている。また、メインチャンバ内には、単結晶保持装置１０を担持する環状の支持台１７が取着され、この支持台１７に取着されたスラストベアリング１８を介して外筒１３のフランジ１３ａを載置することができるようになっている。
【００１３】
上記構成の単結晶保持装置１０の動作について、図１〜図３を参照して説明する。
結晶引上ワイヤ３のみが巻き戻されてシードホルダ４に装着した種結晶７が融液５に浸漬される。そして、ダッシュネック法によって無転位化した後、ネック部９と単結晶８の肩部８ａとの間に拡径部８ｂとくびれ部８ｃとが形成され、次いで肩部８ａと所定の直径の直胴部８ｄとが育成される。この間、保持装置引上ワイヤ１２は内筒１５を最も下方の位置に釣支した状態で保持し、真空容器１の回転により単結晶保持装置１０を支持台１７上で回転させている。内筒１５が最も低い位置にあるため、図１に示すように保持アーム１６は開いた状態になっている。または、単結晶保持装置１０は、保持アーム１６を閉じた後に、真空容器１と等速の回転をするようにしても良い。この場合は、図１に示す最も低い位置において、内筒１５は回転せず、保持アーム１６を開いている。
【００１４】
単結晶８の育成が進み、くびれ部８ｃが図２に示す高さに到達したときワイヤ巻取装置１１か駆動され、保持装置引上ワイヤ１２が結晶引上ワイヤ３の巻き取り速度より速い速度で巻き取られる。これにより内筒１５及び保持アーム１６が引き上げられ、保持アーム１６の外側に設けられたストッパ１６ａがリンク１４の下面に当接すると、リンク１４の上方への回動が停止し、保持アーム１６は閉じた状態となる。そして、保持装置引上ワイヤ１２の巻き取り速度が結晶引上ワイヤ３の巻き取り速度より速いため、図３に示すように保持アーム１６下端の爪１６ｂは拡径部８ｂの下側円錐面に当接する。保持装置引上ワイヤ１２の巻き取り速度は、爪１６ｂが拡径部８ｂの下側円錐面に当接する前から徐々に結晶引上速度に近づくように減速され、拡径部８ｂの下側円錐面に当接した時点で結晶引上ワイヤ３の巻き取り速度と一致するように制御される。爪１６ｂが拡径部８ｂの下側円錐面に当接した後は、結晶引上ワイヤ３による単結晶引き上げから保持装置引上ワイヤ１２による単結晶引き上げに移行する。
【００１５】
保持アーム１６が開状態から閉状態に移行するとき、リンク１４と保持アーム１６との連結点は、外筒１３とリンク１４が連結した連結点と同じ高さとなる位置を越えて上方に移動する。そして、リンク１４の下方への動きはストッパ１６ａによって阻止されるため、閉状態となった保持アーム１６に単結晶重量が作用しても保持アーム１６が開くことはない。
【００１６】
上記第１実施例において、支持台１７をメインチャンバに固定せず、メインチャンバの上部からワイヤまたはロッドで吊り下げてもよい。
【００１７】
図４に単結晶保持装置の第２実施例を示す。真空容器１内には結晶引上ワイヤ巻取装置２のみが設置され、ボールねじ２１の回転により昇降する支持板２２にベアリング２３を介して単結晶保持装置１０の内筒２４が取着されている。この内筒２４は結晶引上ワイヤ３を包囲するように設けられ、図示しない駆動装置により真空容器１と等速で同一方向に回転する。内筒２４の下端には保持アーム１６が連結されている。第１実施例と同様に、外筒１３は図示しないメインチャンバに取着された環状の支持台１７上にスラストベアリング１８を介して載置されている。
【００１８】
上記構成の単結晶保持装置１０の動作について説明する。
単結晶保持装置１０で単結晶８を保持するまでの間は、内筒２４が最も低い位置にあって保持アーム１６は開いた状態になっている。単結晶８の育成が進み、くびれ部８ｃが図２に示す高さに到達したとき、ボールねじ２１が回転して支持板２２とともに内筒２４が結晶引上速度より速い速度で上昇する。これにより保持アーム１６が引き上げられ、第１実施例の場合と同様に保持アーム１６が閉じた状態となって拡径部８ｂの下側円錐面に当接する。支持板２２及び内筒２４の上昇速度は結晶引上速度と一致するように制御され、結晶引上ワイヤ３による単結晶引き上げから結晶保持装置１０による単結晶引き上げに移行する。
【００１９】
図５に単結晶保持装置の第３実施例を示す。ボールねじ２１の回転によって昇降する支持板２２にベアリング２３を介して単結晶保持装置３０の支持筒３１が取着されている。支持筒３１は図２に示した内筒１５に相当するもので、図示しない駆動装置により真空容器１と等速で同一方向に回転する。支持筒３１の中心に結晶引上ワイヤ３が通り、その周囲に複数の保持アーム３２が取着されている。保持アーム３２は上端を支点として回動可能であり、下端には内側に突出する爪３２ａが形成されている。また、前記支持板２２には複数の空圧シリンダ３３が下向きに取着され、各ピストンロッド３３ａの先端は保持アーム３２を取り巻くように設けられた環状の円板３４をスラストベアリング３７で保持し回転自在に支持している。円板３４の下面には、支持部材３５を介してリンク３６の一端が回動可能に取着され、リンク３６の他端は保持アーム３２に回動可能に取着されている。前記支持部材３５は、図２に示した外筒１３に相当するものである。なお、保持アーム３２にはリンク３６との連結部下方にストッパ３２ｂが突出している。
【００２０】
上記構成の単結晶保持装置３０の動作は次の通りである。
保持アーム３２で単結晶８を保持するまでの間は、空圧シリンダ３３のピストンロッド３３ａが引き込まれた状態で静止し、リンク３６が垂直に近い姿勢を保っているため、保持アーム３２の下端は開いている。この状態で結晶引上ワイヤ３のみが巻き戻されてシードホルダ４が下降し、単結晶８の育成が開始される。この間、保持アーム３２、円板３４、支持部材３５、リンク３６は支持筒３１とともに真空容器１と等速で同一方向に回転している。または、保持アーム３２、円板３４、支持部材３５、リンク３６、支持筒３１は回転させずに待機させておくこともできる。リンク体は回転していない状態で保持アーム３２を閉じた後、真空容器１と等速で同一方向に回転させる。このあとは、図５に示す、円板３４の下のスラストベアリング３７は不要となる。
【００２１】
単結晶８の育成が進み、くびれ部８ｃが爪３２ａの高さに到達すると、空圧シリンダ３３が作動してピストンロッド３３ａが押し出され、円板３４が下降する。これに伴ってリンク３６の一端が押し下げられ、他端が上方に移動してストッパ３２ｂに当接する。これにより保持アーム３２の下端が閉じて、爪３２ａはくびれ部８ｃに近接する。更に、ボールねじ２１の回転により保持アーム３２が結晶引上速度より速い速度で上昇するので、爪３２ａが拡径部８ｂの下側円錐面に当接する。その後、単結晶保持装置３０の上昇速度は結晶引上速度と一致するように制御され、結晶引上ワイヤ３による単結晶引き上げから単結晶保持装置３０による単結晶引き上げに移行する。
【００２２】
上記の各実施例では種結晶の下端に形成するネック部と単結晶の肩部との間に形成したくびれ部を爪で掛止する単結晶保持装置について説明したが、これに限るものではなく、単結晶の直胴部上端に形成した突出部に爪を掛止する構造の単結晶保持装置に対しても本発明を適用することができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、次の効果が得られる。
（１）単結晶保持装置のリンク機構そのものに爪の開きを防止する機構を設けたので、他の駆動装置による独立した開き防止機構が不要となる。また、単結晶の重量が増大しても爪が開いて単結晶が落下する危険性が皆無となる。
（２）本発明の単結晶保持装置は、リンク機構を動かすだけで単結晶のくびれ部に掛止す爪を確実に閉じることができ、しかも単結晶を有転位化させるような衝撃を発生させることがない。従って、大径、大重量の単結晶の生産性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】単結晶保持装置の第１実施例を示す説明図である。
【図２】単結晶保持装置の爪が閉じた状態を示す説明図である。
【図３】単結晶保持装置で単結晶を保持した状態を示す説明図である。
【図４】単結晶保持装置の第２実施例を示す説明図である。
【図５】単結晶保持装置の第３実施例を示す説明図である。
【符号の説明】
３…結晶引上ワイヤ、８…単結晶、８ｂ…拡径部、８ｃ…くびれ部、１０，３０…単結晶保持装置、１１…ワイヤ巻取装置、１２…保持装置引上ワイヤ、１３…外筒、１４，３６…リンク、１５，２４…内筒、１６，３２…保持アーム、１６ａ，３２ｂ…ストッパ、１６ｂ，３２ａ…爪、１７…支持台、２１…ボールねじ、２２…支持板、３１…支持筒、３３…空圧シリンダ、３５…支持部材。

Claims (3)

1. 単結晶(8) にくびれ部(8c)を形成し、リンク機構により開閉する保持アーム(16)を前記くびれ部(8c)に掛止して単結晶(8) を保持しつつ引き上げる単結晶保持装置(10)において、
   リンク機構のリンク(14) と保持アーム (16) とが連結した連結点が、リンク (14) と外筒 (13) とが連結した連結点の上方に位置し、かつ、保持アーム(16)に設けたストッパ(16a) がリンク(14)の回動を阻止することにより保持アーム(16)の開きを防止する
   ことを特徴とする単結晶保持装置。
2. 外筒(13)と、内筒(15)と、内筒(15)の下端に回動自在に取着した複数の保持アーム(16)と、外筒(13)の下端と保持アーム(16)とを連結する複数のリンク(14)とを有し、
   外筒(13)または内筒(15)のいずれか一方を上昇または下降させることにより保持アーム(16)の下端を開閉し、保持アーム(16)の下端が閉じたとき保持アーム(16)に設けたストッパ(16a) がリンク(14)下面に当接して保持アーム(16)の開きを阻止する
   ことを特徴とする請求項１記載の単結晶保持装置。
3. 外筒(13)または内筒(15)のいずれか一方を昇降させる手段として、ワイヤ巻取装置(11)、ボールねじ(21)による昇降装置、流体圧アクチュエータ(33)のいずれかを用いることを特徴とする請求項２記載の単結晶保持装置。

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