JP4094202B2 - 単結晶引き上げ装置及び単結晶引き上げ方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンなどの単結晶を引き上げるための単結晶引き上げ装置及び単結晶引き上げ方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、種結晶（シード）の下に細いダッシュネック（以下、ネック部）を形成し、次いでネック部の下に直接、大口径及び大重量の単結晶（ボディ部）を形成する方法では、ネック部が単結晶の大重量の荷重に耐えきれずに破断する恐れがある。そこで、これを防止する方法として、ネック部の下に径拡大部を形成し、径拡大部の下に径小部（くびれ部）を形成し、このくびれ部の上の径拡大部を爪状の径拡大部支持部材により支持することにより、単結晶を所定の速度で引き上げながら、荷重をネック部から径拡大部に徐々に移行して、径拡大部支持に完全に移行した後に径拡大部支持のみにより引き上げる方法が提案されている。
【０００３】
この方法を実現する機構としては、例えば特公平７−５１５号公報、特開平７−１７２９８１号公報、特開平１１−９２２７９号公報などに示されるように、チャンバの上に設けられた種結晶引き上げ機構の上にさらに径拡大部引き上げ機構を設け、これらの種結晶引き上げ機構、すなわちネック荷重による引き上げと径拡大部引き上げ機構の各引き上げ速度を同期させる方法が知られている。
【０００４】
図４は、上記特開平１１−９２２７９号公報に示された単結晶引き上げ装置装置の複数の実施の形態の１つを示す側面図である。図４において、引き上げシャフト１の先端には種結晶ホルダ２が取り付けられ、種結晶ホルダ２には種結晶３が取り付けられる。シャフト１は静止部分であり、かつ成長させる単結晶７と石英ルツボ１５を格納する真空室を構成するメカニカルチャンバ１８に対して上下動可能な第１構造体２４に設けられたモータ２８により回転可能に配されている。第１構造体２４は雌ネジが内部に設けられているネジ部２６（ナット部）を有し、このネジ部２６はメカニカルチャンバ１８に取り付けられているモータ２０により回転する雄ネジ付きロッド２２と螺合している。したがって、モータ２０の回転により、第１構造体２４及び、これに取り付けられているモータ２８とシャフト１は石英ルツボ１５に対して上下に移動可能である。すなわち、引き上げシャフト１は第１構造体２４に回動可能に取り付けられ、第１構造体２４に載置されたモータ２８によりシャフト１が回転する構成となっている。第１構造体２４の下方には、シャフト１に固定されて、シャフト１と共に回転する回転基板３４Ａ（第２構造体）が設けられている。この回転基板３４Ａは、第１構造体２４に対して常に上下方向位置は一定である。
【０００５】
回転基板３４Ａにはモータ３０が載置され、ネジ付きロッド３２を回転させる構成となっている。ネジ付きロッド３２は回転基板３４Ａに対して上下方向に移動可能であり、かつ回転可能に保持された支持体シャフト７２に回転可能に保持された雌ネジ部３６に螺合している。したがって、回転基板３４Ａに取り付けられたモータ３０が回転することにより、支持体シャフト７２が回転基板３４Ａ並びに第１構造体２４に対して上下動する。
【０００６】
支持体シャフト７２はメカニカルチャンバ１８の上部にベアリング８２を介して回転可能に取り付けられている回転テーブル８０を介してメカニカルチャンバ１８の内部に伸長していて、その下端には皿状部材である支持体７０が取り付けられている。図４において、回転基板３４Ａにはバランスウエイト９０が、その調整ネジ９２と共に設けられ、また、回転テーブル８０にはシール部材８４、８６、８８が設けられている。また、引き上げシャフト１には緩衝装置６０が設けられている。
【０００７】
図４の従来の装置は次のように動作する。引き上げの準備が完了すると、まず、モータ２０を運転して、第１構造体２４を下降させ、よってシャフト１を図中下方に引き下げて種結晶３を石英るつぼ１５内のＳｉ融液１０の表面に対して浸漬させてなじませる。このとき、支持体７０は先端がＳｉ融液１０に接触しない位置に待機し、また、支持体７０は、引き上げ中の径拡大部１２に接触しないように非支持位置にある。
【０００８】
次いで所定時間経過後にモータ２０を先程とは逆回転させて、第１構造体２４を上昇させ、種結晶３を比較的速い速度で上方に引き上げることにより、種結晶３の下に直径が３〜４ｍｍの小径のネック部１１を形成させ、次いで引き上げ速度を比較的遅くしてネック部１１の下に支持用の径拡大部１２を形成した後、引き上げ速度を比較的速くして、径拡大部１２の下にくびれ部を形成させ、次いで結晶本体部分７の形成を開始させる。
【０００９】
次いでモータ３０を回転させて支持体７０が径拡大部１２の下方に位置する高さとする。その後、モータ４０を回転させて、支持体シャフト７２を所定位置まで回転させ、支持体７０が径拡大部１２の真下に位置するようにする。次にモータ３０を更に回転させて支持体７０を上昇させ、引き上げシャフト１の上昇速度より速い速度とする。こうして支持体７０が径拡大部１２の下端を保持すると、モータ３０を停止する。その後は、モータ２０により第１構造体２４と回転基板３４Ａ（第２構造体）が一体となって上昇するので、種結晶３と支持体７０は完全に同一の速度にて上昇することとなる。
【００１０】
図２はネック荷重による引き上げにおけるネックへの荷重Ｗ１と径拡大部支持による径拡大部への荷重Ｗ２の経時変化を示している。なお、結晶重量Ｗは引き上げ時間ｔに略比例して増加する。図２において、時刻ｔ１まではネック荷重による引き上げのみを行い、このためネック荷重による引き上げでの荷重Ｗ１も時間ｔに比例して増加する（Ｗ１＝Ｗ、Ｗ２＝０）。そして、時刻ｔ１から径拡大部支持を開始して時刻ｔ１、ｔ２の間に徐々にネック荷重による引き上げから径拡大部支持への荷重移動を開始すると、この間では時間ｔの経過とともに荷重Ｗ１が減少し、径拡大部支持による荷重Ｗ２が増加する。次いで時刻ｔ２において荷重移動を完了すると、この後は実線で示すようにＷ１＝０、Ｗ２＝Ｗとなる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の装置のように荷重移動を行い、単一の駆動源により種結晶引き上げ機構と、径拡大部引き上げ機構を一体として、各引き上げ速度を同期させて引き上げる場合、荷重移動完了時点ｔ２において爪状部材が荷重により下方に変形することがある。この変形により、図２において破線Ｗ１’、Ｗ２’で示すように上記の荷重増加分が径拡大部支持側に印加されずに種結晶部支持側に印加され（Ｗ１’＞０、Ｗ２’＜Ｗ２）、これにより引き上げ速度が変化したり、引き上げ中の結晶が振動などして不具合が発生するという問題点がある。なお、この不具合は爪状部材が０．１ｍｍ程度変形すると発生する。
【００１２】
なお、この問題点を解決する方法として、例えば特開平１１−９２２７９号公報には上記の荷重増加分を径拡大部引き上げ機構側に移行させるために、種結晶を引き上げる機構側に伸張部材を設ける方法が提案されている。しかしながら、この方法では、その分コストが高価になり、また、その機構を取り付けるために装置設計上大きな制約となるという問題点がある。
【００１３】
本発明は上記従来例の問題点に鑑み、種結晶引き上げ機構と径拡大部引き上げ機構を同期させる構成において、特別な機構を設けることなく荷重をネック荷重による引き上げから径拡大部支持に徐々に移行する際の荷重増加分がネック部に印加されることなく、確実に径拡大部支持部材に印加されるようにすることができる単結晶引き上げ装置及び単結晶引き上げ方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、ネック荷重による引き上げから径拡大部支持に完全に移行して、前記径拡大部支持による荷重が１００％となるべき時点で、径拡大部支持部材の引き上げ速度を相対的に所定の引き上げ速度より速くするようにしたものである。
【００１５】
すなわち本発明によれば、溶融結晶を保持可能なルツボの上方で種結晶を支持する種結晶ホルダを回転させる回転手段と、前記種結晶ホルダを速度制御しつつ引き上げることにより前記種結晶を引き上げる種結晶引き上げ手段と、前記種結晶ホルダと共に回転可能で、かつ前記種結晶ホルダの上下方向の移動に伴って上下方向に移動可能であって、前記種結晶引き上げ手段による引き上げにより前記種結晶の下方に形成される径拡大部の下端を下方から支持する支持手段と、前記支持手段を前記種結晶ホルダに対して上下方向に位置制御し、かつ位置制御中以外のときは、前記種結晶引き上げ手段の動力を伝達することにより前記支持手段を前記種結晶ホルダと一体的に上下動させる結晶保持位置制御手段と、前記支持手段を前記径拡大部の下端を支持しない第１の位置と前記径拡大部の下端を支持する第２の位置との間で移動させる支持手段移動手段とを有する単結晶引き上げ装置において、
単結晶の引き上げ工程で、ネック部に前記単結晶の荷重がかかるネック荷重による引き上げから前記径拡大部支持による引き上げに完全に移行して、前記径拡大部支持による荷重が１００％となるべき時点で、相対的に前記径拡大部支持部材の引き上げ速度を前記ネック荷重による引き上げ速度より速くし、かつ所定の時間が経過した後又は所定の距離だけ引き上げた後、元の所定の引き上げ速度に戻す速度制御手段を、
有することを特徴とする単結晶引き上げ装置が提供される。
【００１６】
また本発明によれば、溶融結晶を保持可能なルツボの上方で種結晶を支持する種結晶ホルダを回転させる回転手段と、前記種結晶ホルダを速度制御しつつ引き上げることにより前記種結晶を引き上げる種結晶引き上げ手段と、前記種結晶ホルダと共に回転可能で、かつ前記種結晶ホルダの上下方向の移動に伴って上下方向に移動可能であって、前記種結晶引き上げ手段による引き上げにより前記種結晶の下方に形成される径拡大部の下端を下方から支持する支持手段と、前記支持手段を前記種結晶ホルダに対して上下方向に位置制御し、かつ位置制御中以外のときは、前記種結晶引き上げ手段の動力を伝達することにより前記支持手段を前記種結晶ホルダと一体的に上下動させる結晶保持位置制御手段と、前記支持手段を前記径拡大部の下端を支持しない第１の位置と前記径拡大部の下端を支持する第２の位置との間で移動させる支持手段移動手段とを有する単結晶引き上げ装置を用いた単結晶引き上げ方法において、
単結晶の引き上げ工程で、ネック部に前記単結晶の荷重がかかるネック荷重による引き上げから前記径拡大部支持による引き上げに完全に移行して、前記径拡大部支持による荷重が１００％となるべき時点で、相対的に前記径拡大部支持部材の引き上げ速度を前記ネック荷重による引き上げ速度より速くするステップと、
所定の時間が経過した後又は所定の距離だけ引き上げた後、元の所定の引き上げ速度に戻すステップとを、
有することを特徴とする単結晶引き上げ方法が提供される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明に係る単結晶引き上げ装置の一実施形態を示す構成図、図２はネック荷重による引き上げの場合の荷重と径拡大部支持による荷重の経時変化を示すグラフである。
【００１８】
図１において、結晶引き上げシャフト（単にシャフトともいう）１の下端にはシードホルダ２が取り付けられ、シードホルダ２にはシード（種結晶）３が取り付けられている。シャフト１はコントローラ１６と昇降用モータＭ１及び不図示の回転用モータにより、シード３が多結晶の融液１０に浸漬するまで下降した後、回転しながら引き上げられる。また、後述する径拡大部支持部材４はコントローラ１６と昇降用モータＭ２及び不図示の回転用モータにより昇降、回転する。なお、図１及び後述する図３では、シードホルダ２を引き上げる構成と、径拡大部支持部材４を引き上げる構成が分離されて示されているが、これらは、従来技術の構成を示す図４と同様に、相互に連関し、基本的に一体となって連動するよう構成されている。
【００１９】
このシャフト１の引き上げ速度ｖ１は、シード３の下に細いネック部１１が形成され、ネック部１１の下に径拡大部１２が形成され、径拡大部１２の下に径小部（くびれ）１３が形成され、径小部１３の下に円筒形のボディ部１４の一部が形成されるように制御され、径に略反比例する。径が一定のボディ部１４の形成中の引き上げ速度ｖ１は、温度などの要件に応じて若干変化するが、ここでは説明を簡略にするために常に一定速度（ｖ１＝ｖ０）として説明する。
【００２０】
ここまでは、シャフト１のみ（ネック部支持のみ）により引き上げられる（図２においてＷ１＝Ｗ、Ｗ２＝０）。この後、径拡大部１２の下のくびれ部１３に対して、径拡大部支持部材４を上昇させ、過渡的にシャフト１と同じ引き上げ速度ｖ２＝ｖ１（及び同じ回転速度）で係合させ、その後、径拡大部支持部材４の引き上げ速度ｖ２をシャフト１の引き上げ速度ｖ１より速くなるよう制御してネック部支持から径拡大部支持に徐々に移行させる（図２においてＷ１＋Ｗ２＝Ｗ）。そして、本発明では、荷重移動を完了してＷ１＝０、Ｗ２＝Ｗとなるべき時刻ｔ２において、径拡大部支持部材４が荷重により変形してもＷ１＝０、Ｗ２＝Ｗとなるように、所定の加速度で又は所定の時間あるいは所定の距離だけ、相対的に径拡大部支持部材４の引き上げ速度ｖ２をシャフト１の引き上げ速度ｖ１より速くし、所定の時間が経過した後又は所定の距離だけ引き上げた後、元の所定速度ｖ０に戻す。
【００２１】
なお、相対的に径拡大部支持部材４の引き上げ速度ｖ２をシャフト１の引き上げ速度ｖ１より速くする方法の一例として、シャフト１は一定の引き上げ速度に維持（ｖ１＝ｖ０）したままで、径拡大部支持部材４の引き上げ速度ｖ２を速くする（ｖ２＞ｖ０）方法がある。すなわち、所定の加速度で又は所定の時間あるいは所定の距離だけ、径拡大部支持部材４の引き上げ速度を通常時の所定の引き上げ速度より速くするのである。なお、図１中に点線で示すように、シード３がシードホルダ２の上方向にのみ移動自在になるよう構成することは好ましい態様である。また、他の例として図３に示すように、シードホルダ２ａをシャフト１の代わりに結晶引き上げワイヤ（単にワイヤともいう）１ａにより支持することもできる。この場合、Ｗ１＝０、Ｗ２＝Ｗとなるべき時刻ｔ２において、ワイヤ１ａの引き上げ速度ｖ１を０にするとともに、所定の加速度で又は所定の時間あるいは所定の距離だけ、径拡大部支持部材４の引き上げ速度ｖ２を所定速度ｖ０より速くし、一定時間が経過すると元の所定速度ｖ０に戻す。すなわち、所定の減速度で又は所定の時間あるいは所定の距離だけ、ネック荷重による引き上げ速度を減速するか、前記ネック荷重による引き上げを停止する
【００２２】
また、Ｗ１＝０、Ｗ２＝Ｗとなるべき時刻ｔ２を検出する方法としては、シャフト１（又はワイヤ１ａ）側と径拡大部支持部材４側の両方又は一方に重量センサを設ける。なお、重量センサをシャフト１（又はワイヤ１ａ）側のみに設ける場合にはＷ１＝０を検出すればよい。また、径拡大部支持部材４の引き上げ速度ｖ２を所定速度ｖ０より速くする所定の加速度又は所定の時間あるいは所定の距離は、例えば荷重移行完了時点ｔ２における荷重Ｗ２毎にあらかじめ求めておき、径拡大部支持部材４側に設けられた重量センサによりこれを検出して決定することができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ネック荷重による引き上げから径拡大部支持に完全に移行して、径拡大部支持による荷重が１００％となるべき時点で径拡大部支持部材の引き上げ速度を相対的に、所定の引き上げ速度より速くするようにしたので、特別な機構を設けることなく荷重をネック部支持から径拡大部支持に徐々に移行する際の荷重増加分がネック部に印加されることなく、確実に径拡大部支持部材に印加されるようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る単結晶引き上げ装置の一実施形態を示す構成図である。
【図２】ネック荷重による引き上げによる荷重と径拡大部支持による荷重の経時変化を示すグラフである。
【図３】図１の単結晶引き上げ装置の変形例を示す構成図である。
【図４】従来の単結晶引き上げ装置の一例を示す側面図である。
【符号の説明】
１ 結晶引き上げシャフト
１ａ 結晶引き上げワイヤ
２、２ａ シードホルダ
３ シード（種結晶）
４ 径拡大部支持部材
１０ 融液
１１ ネック部
１２ 径拡大部
１３ くびれ部
１４ ボディ部
１６ コントローラ
Ｍ１，Ｍ２ モータ

Claims (10)

1. 溶融結晶を保持可能なルツボの上方で種結晶を支持する種結晶ホルダを回転させる回転手段と、前記種結晶ホルダを速度制御しつつ引き上げることにより前記種結晶を引き上げる種結晶引き上げ手段と、前記種結晶ホルダと共に回転可能で、かつ前記種結晶ホルダの上下方向の移動に伴って上下方向に移動可能であって、前記種結晶引き上げ手段による引き上げにより前記種結晶の下方に形成される径拡大部の下端を下方から支持する支持手段と、前記支持手段を前記種結晶ホルダに対して上下方向に位置制御し、かつ位置制御中以外のときは、前記種結晶引き上げ手段の動力を伝達することにより前記支持手段を前記種結晶ホルダと一体的に上下動させる結晶保持位置制御手段と、前記支持手段を前記径拡大部の下端を支持しない第１の位置と前記径拡大部の下端を支持する第２の位置との間で移動させる支持手段移動手段とを有する単結晶引き上げ装置において、
   単結晶の引き上げ工程で、ネック部に前記単結晶の荷重がかかるネック荷重による引き上げから前記径拡大部支持による引き上げに完全に移行して、前記径拡大部支持による荷重が１００％となるべき時点で、相対的に前記径拡大部支持部材の引き上げ速度を前記ネック荷重による引き上げ速度より速くし、かつ所定の時間が経過した後又は所定の距離だけ引き上げた後、元の所定の引き上げ速度に戻す速度制御手段を、
   有することを特徴とする単結晶引き上げ装置。
2. 前記速度制御手段は、所定の加速度で又は所定の時間あるいは所定の距離だけ、前記径拡大部支持部材の引き上げ速度を前記所定の引き上げ速度より速くすることを特徴とする請求項１記載の単結晶引き上げ装置。
3. 前記速度制御手段は、所定の減速度で又は所定の時間あるいは所定の距離だけ、前記ネック荷重による引き上げ速度を減速するか、前記ネック荷重による引き上げを停止することを特徴とする請求項１記載の単結晶引き上げ装置。
4. 前記ネック荷重による引き上げでの前記ネックへかかる前記単結晶の荷重を検出する手段を備え、前記速度制御手段は、前記荷重が「０」となった時点を前記径拡大部支持による荷重が１００％となるべき時点と判断することを特徴とする請求項１又は２記載の単結晶引き上げ装置。
5. 溶融結晶を保持可能なルツボの上方で種結晶を支持する種結晶ホルダを回転させる回転手段と、前記種結晶ホルダを速度制御しつつ引き上げることにより前記種結晶を引き上げる種結晶引き上げ手段と、前記種結晶ホルダと共に回転可能で、かつ前記種結晶ホルダの上下方向の移動に伴って上下方向に移動可能であって、前記種結晶引き上げ手段による引き上げにより前記種結晶の下方に形成される径拡大部の下端を下方から支持する支持手段と、前記支持手段を前記種結晶ホルダに対して上下方向に位置制御し、かつ位置制御中以外のときは、前記種結晶引き上げ手段の動力を伝達することにより前記支持手段を前記種結晶ホルダと一体的に上下動させる結晶保持位置制御手段と、前記支持手段を前記径拡大部の下端を支持しない第１の位置と前記径拡大部の下端を支持する第２の位置との間で移動させる支持手段移動手段とを有する単結晶引き上げ装置を用いた単結晶引き上げ方法において、
   単結晶の引き上げ工程で、ネック部に前記単結晶の荷重がかかるネック荷重による引き上げから前記径拡大部支持による引き上げに完全に移行して、前記径拡大部支持による荷重が１００％となるべき時点で、相対的に前記径拡大部支持部材の引き上げ速度を前記ネック荷重による引き上げ速度より速くするステップと、
   所定の時間が経過した後又は所定の距離だけ引き上げた後、元の所定の引き上げ速度に戻すステップとを、
   有することを特徴とする単結晶引き上げ方法。
6. 前記相対的に前記径拡大部支持部材の引き上げ速度を前記ネック荷重による引き上げ速度より速くするステップは、所定の加速度で又は所定の時間あるいは所定の距離だけ、前記径拡大部支持部材の引き上げ速度を所定の引き上げ速度より速くするかあるいは、所定の減速度で又は所定の時間あるいは所定の距離だけ、前記ネック荷重による引き上げ速度を減速するか、前記ネック荷重による引き上げを停止することを特徴とする請求項５記載の単結晶引き上げ方法。
7. 前記所定の距離をあらかじめ決定しておき、前記径拡大部支持部材の位置をモニタリングすることにより前記径拡大部支持部材の引き上げのフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項６記載の単結晶引き上げ方法。
8. 前記径拡大部支持部材の移動速度と移動時間のみを制御することを特徴とする請求項６記載の単結晶引き上げ方法。
9. 前記ネック荷重による引き上げでの前記単結晶の荷重を検出するステップと、
   前記荷重が「０」となった時点を前記径拡大部支持による荷重が１００％となるべき時点と判断するステップとを、
   有することを特徴とする請求項５記載の単結晶引き上げ方法。
10. 前記相対的に前記径拡大部支持部材の引き上げ速度を前記ネック荷重による引き上げ速度より速くするステップと、前記元の所定の引き上げ速度に戻すステップとを、複数回繰り返すことを特徴とする請求項５記載の単結晶引き上げ方法。

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