JP4218433B2 - 単結晶棒引上げ用ワイヤの荷重付加装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン単結晶棒を引上げて育成する装置に用いられる単結晶棒引上げ用ワイヤに予め荷重を付加する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、集積回路を作るための材料となる半導体シリコン基板は、チョクラルスキー法によって育成されたシリコン単結晶棒をウェーハに加工したものが広く使われている。このチョクラルスキー法を用いたシリコン単結晶棒の製造方法は、石英るつぼにシリコン多結晶原料を入れ、このるつぼを単結晶棒を育成するための製造装置に収納した後、ルツボの周囲に配設されたヒータにより原料を加熱、融解し、種結晶を融液に浸漬した後に回転させながら静かに融液から引上げることによって種結晶の下方に略円柱状の単結晶棒を成長させるものである。そして、この原料融液から単結晶棒を引上げるための手段としてワイヤを用いる方法が知られている。
【０００３】
ワイヤ方式の引上げ装置に用いられているワイヤは、一般的に耐熱性に優れ、高強度を有するタングステンワイヤやステンレススチールワイヤあるいはモリブデンワイヤ等が使用されている。そしてワイヤは、単結晶棒育成時の回転によって生じる自励振動による単結晶棒の揺れや、応力による塑性変形のためにワイヤの形状が元に戻らなくなるキンク等の問題を解消するために、直径が０．０５ｍｍから０．２ｍｍ程度の細線（以下、素線ともいう。）を複数本撚り合わせた撚り線をさらに撚り合せたものが使用されており、これによって高重量の単結晶棒を引上げるための強度を確保しつつ、可撓性を持たせている。
【０００４】
また、引上げ装置に使用されているワイヤは、単結晶棒の引上げ時には高温部で１０００℃を超える雰囲気に曝され、単結晶棒の成長にともなって増加する荷重や単結晶棒の回転による回転トルクを受けながら、引上げ装置上部に配置された巻き上げ装置により巻き取られる操作が、単結晶棒を引上げる度に繰り返されている。このような操作が繰り返し行なわれることで、磨耗によるワイヤ表面の消耗や応力が加わることによる素線切れなどが起こり、必要とする強度が得られなくなるため定期的にワイヤの交換を行ない、その特性の維持を図っている。
【０００５】
しかし、引上げ用ワイヤは前述したように素線を複数本撚り合わせて構成されているため、荷重に対する伸び、即ち縦弾性係数に関する剛性特性が一定ではなく、時間とともにその剛性特性は変化する不具合がある。即ち、新品ワイヤの使用開始直後は伸びが大きく、その後、使用時間を増すに従って伸びが小さくなる特性がある。ここで、シリコン単結晶棒の重量は、近年の大口径化、大型化により高重量化する一方である。更に品質の面では、半導体デバイスの高集積化により、凝集したグローンイン（Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ）欠陥が結晶内に存在しないことが要求されている。こうした結晶を育成するためには、単結晶棒の引上速度を所望の値に調整し、単結晶棒が冷却される際の温度勾配を所定の値に保つことが必要となる（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−１３９３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このように単結晶棒の引上速度を高精度に制御する必要があるにもかかわらず、単結晶棒の引上げの度にワイヤの剛性特性が変化すると、設計した引上速度で単結晶棒を引上げることができず、得られた単結晶棒の品質が目的とするのものと異なる製品になってしまうという問題がある。
本発明の目的は、交換された単結晶棒引上げ用ワイヤの伸びや塑性変形等の剛性特性の変化を最小限に抑えるように、交換すべき新たなワイヤに予め荷重を付加する単結晶棒引上げ用ワイヤの荷重付加装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、図１に示すように、単結晶棒を引上げるためのワイヤ１１の上端を保持するホルダ１３と、上端が保持されたワイヤ１１の下端にワイヤ１１に引張り応力を加えるための応力付加手段と、引張り応力を加えられたワイヤ１１の一部を加熱するヒータ１７と、ヒータ１７をワイヤ１１に沿ってかつワイヤ１１の全長に渡って上下動させるヒータ昇降手段１８とを備えた単結晶棒引上げ用ワイヤの荷重付加装置である。
この請求項１に係る単結晶棒引上げ用ワイヤの荷重付加装置では、ワイヤ１１の上端をホルダ１３により保持し、単結晶棒引上げ装置に実際に使用される以前に応力付加手段によりそのワイヤ１１に引張荷重を加えることができる。ワイヤ１１に引張荷重を加えるとそのワイヤ１１の撚りの状態が変化してワイヤ１１全体が引き締められ、単結晶棒を引上げる際に必要な所定の縦弾性係数を有するワイヤ１１を得ることができる。
また、ヒータ１７及びヒータ昇降手段１８によりそのワイヤ１１を全長に渡って熱処理することにより、ワイヤ１１に弾力性が出てしなやかさが保たれ、引張り荷重を加えたことに起因するワイヤ１１の素線切れ、捩れ、撚れ等を防止することができる。このように予め引張り荷重が加えられたワイヤ１１は、実際に引上げ機に用いられて単結晶棒を引上げた時の伸び量が軽減され、単結晶棒が実際に引上られる速度のバラツキを最小限にとどめることが可能となる。
【０００９】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明であって、応力付加手段がワイヤ１１の下端に取付けられてワイヤ１１を吊下げる重り１２である単結晶棒引上げ用ワイヤの荷重付加装置である。
この請求項２に係る単結晶棒引上げ用ワイヤの荷重付加装置では、比較的容易かつ確実にワイヤ１１に引張り応力を加えることができる。
請求項３に係る発明は、請求項１に係る発明であって、応力付加手段が流体シリンダである単結晶棒引上げ用ワイヤの荷重付加装置である。
この請求項３に係る単結晶棒引上げ用ワイヤの荷重付加装置では、ワイヤ１１に加える引張り応力の調整を比較的容易に行うことができる。
請求項４に係る発明は、請求項１ないし３いずれかに係る発明であって、少なくとも荷重付加装置１２とホルダ１３とヒータ１７を収容するチャンバ１９と、チャンバ１９内に不活性ガスを循環させる不活性ガス循環手段２１とを更に備えた単結晶棒引上げ用ワイヤの荷重付加装置である。
この請求項４に記載された単結晶棒引上げ用ワイヤの荷重付加装置では、未使用ワイヤ１１に引張荷重を加える作業を不活性ガス雰囲気で行うことができ、特にアルゴンガス雰囲気下でワイヤ１１に熱を加えながら引張荷重を加えれば、加熱によるワイヤ１１における素線の酸化を抑制することができる。
【００１０】
請求項５に係る発明は、請求項１ないし４いずれかに係る発明であって、ホルダ１３をワイヤ１１の軸心を回転中心として回転させるホルダ回転手段１６を更に備えた単結晶棒引上げ用ワイヤの荷重付加装置である。
この請求項５に記載された単結晶棒引上げ用ワイヤの荷重付加装置では、ワイヤ１１を回転させることにより、ヒータ１７による熱処理のバラツキを減少させることができ、ワイヤ素線切れ、捩れ、撚れ等を有効に防止することができる。
【００１１】
請求項６に係る発明は、請求項１ないし５いずれかに係る発明であって、ホルダ１３がホルダ支持部材１４により支持され、ホルダ支持部材１４は、ベース板１４ａと、ベース板１４ａに垂設された支柱１４ｂと、支柱１４ｂの上端に設けられ端部にホルダ１３が設けられた水平板１４ｃとを有する単結晶棒引上げ用ワイヤの荷重付加装置である。
請求項７に係る発明は、請求項６に係る発明であって、ヒータ昇降手段１８は、支柱１４ｂに沿って設けられたねじ棒１８ａと、ねじ棒に螺合するボールねじ１８ｂと、ボールねじ１８ｂに取付けられ端部にヒータ１７が設けられたヒータ支持部材１８ｃと、ねじ棒１８ａを回転させる電動モータ１８ｄとを有する単結晶棒引上げ用ワイヤの荷重付加装置。
この請求項６及び請求項７に記載された単結晶棒引上げ用ワイヤの荷重付加装置では、ホルダ支持部材１４及びヒータ昇降手段１８の製造が比較的容易になり、比較的安価な荷重付加装置を得ることが可能になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、本発明の荷重付加装置１０は、単結晶棒を引上げるためのワイヤ１１の上端を保持するホルダ１３と、上端が保持されたそのワイヤ１１の下端にワイヤ１１に引張り応力を加えるための応力付加手段とを備える。この実施の形態における応力付加手段はワイヤ吊下げ用重り１２であり、ホルダ１３はホルダ支持部材１４により支持される。ワイヤ１１は図示しない単結晶棒を引上げる装置に用いられるものであり、重り１２はそのワイヤ１１の下端に取付けられるものである。この重り１２は、ワイヤ１１の下端に固定するフック１２ａが設けられた鋼球である。この重り１２は未使用のワイヤ１１を、複数回単結晶棒を引上げたものと同等の縦弾性係数値にするためのものであり、単結晶棒引上げ時にかかる重量、即ち、引上げる単結晶棒の重量以上のものが選定される。例えば、直径が８インチで定径部の長さが１００ｃｍの単結晶棒を引上げるワイヤ１１であれば１２０ｋｇの重り１２を、直径１２インチで定径部の長さが１００ｃｍの単結晶棒を引上げるワイヤ１１であれば、２２０ｋｇ前後の重り１２が用いられる。
【００１３】
ホルダ１３はワイヤ１１の上端を保持するものであり、この実施の形態におけるホルダ１３は、一端に挟持片が形成された一対の挟持部材１３ａ，１３ａの他端を枢支することにより作られ、その一対の挟持部材１３ａ，１３ａの中間にそれらを貫通して設けられたねじ手段１３ｂを有する。このホルダ１３では、ワイヤ１１の上端を一対の挟持部材１３ａ，１３ａの一端により挟持させ、その状態でねじ手段１３ｂにより一対の挟持部材１３ａ，１３ａを固定することによりそのワイヤ１１の上端を挟持するように構成される。
【００１４】
ホルダ支持部材１４は、そのホルダ１３を中空に支持して前述した重り１２によりワイヤ１１を吊下げるためのものであり、ベース板１４ａと、そのベース板１４ａの端部に垂設された支柱１４ｂと、その支柱１４ｂの上端に一端が固定された水平板１４ｃを有する。ベース板１４ａは方形状の鋼材であり、支柱１４ｂはその端部に垂設されたものとその略中央に垂設されたものの２本用いられる。それぞれの支柱１４ｂ，１４ｂは同形同大の円柱鋼材であり、ワイヤ１１より長いものがそれぞれ使用される。水平板１４ｃはそれぞれの支柱１４ｂ，１４ｂの上端に水平状態でねじ止めされ、その端部にホルダ１３が設けられる。このホルダ支持部材１４は、支柱１４ｂがワイヤ１１より長く形成されることにより、ワイヤ１１の長さより高い中空に水平部材１４ｃを支持し、その水平部材１４ｃに設けられたホルダ１３により上端が支持されたワイヤ１１は、下端に設けられた重り１２により鉛直に吊下げられるように構成される。
【００１５】
また、本発明の荷重付加装置１０は、ホルダ１３を回転させるホルダ回転手段１６と、垂設されたワイヤ１１の一部を加熱するヒータ１７と、そのヒータ１７を上下動させるヒータ昇降手段１８とを備える。この実施の形態におけるホルダ回転手段１６は、ホルダ支持部材１４における水平部材１４ｃの端部に設けられた第１電動モータ１６であり、この第１電動モータ１６はその回転軸１６ａを鉛直下向きにして取付けられ、この回転軸１６ａにホルダ１３が取付けられる。そして、この第１電動モータ１６は、回転軸１６ａが回転することによりワイヤ１１の軸心を回転中心としてホルダ１３を回転させるように構成される。
【００１６】
一方、ヒータ１７は鉛直方向に交互にスリットを設けることにより方形波状に形成された板状カーボンであり、図２に示すように、このヒータ１７は保温部材１７ａのワイヤ１１が進入可能に形成された凹部１７ｂの内面に設けられる。この保温部材１７ｂはモリブデン、ニッケル、タングステン、チタン若しくは白金族金属あるいはそれらの合金等の高温に耐える金属から作られる。
【００１７】
図１及び図２に示すように、ヒータ昇降手段１８は、一対の支柱１４ｂ，１４ｂの間にそれらの支柱１４ｂ、１４ｂに沿って設けられたねじ棒１８ａと、このねじ棒１８ａに螺合されたボールねじ１８ｂと、このボールねじ１８ｂに取付けられたヒータ支持部材１８ｃと、ねじ棒１８ａを回転させる第２電動モータ１８ｄとを有する。一対の支柱１４ｂ，１４ｂの下部には水平な取付板１８ｋが架設され、第２電動モータ１８ｄはその回転軸１８ｅが上側鉛直になるようにこの取付板１８ｋに取付けられる。そして第２電動モータ１８ｄの回転軸１８ｅにねじ棒１８ａが同軸に取付けられる。ねじ棒１８ａは支柱１４ｂと平行にその全長に渡って設けられる。ボールねじ１８ｂは、このねじ棒１８ａに遊嵌するナット１８ｆと、ねじ棒１８ａとナット１８ｆとの間に介装された複数の球体１８ｇとから構成される。
【００１８】
このボールねじ１８ｂに取付けられたヒータ支持部材１８ｃには、そのボールねじ１８ｂを挟むように一対の支柱１４ｂ，１４ｂに嵌入されるスライド軸受け１８ｍ，１８ｍが設けられ、このヒータ支持部材１８ｃはこのスライド軸受け１８ｍ，１８ｍにより水平状態で一対の支柱１４ｂ，１４ｂに沿って上下動可能に構成される。ヒータ支持部材１８ｃの端部には保温部材１７ａが取付けられ、ヒータ１７はこの保温部材１７ａを介してヒータ支持部材１８ｃに取付けられる。そして、第２電動モータ１８ｄによりねじ棒１８ａを回転させるとボールねじ１８ｂとともにヒータ支持部材１８ｃが上下動し、このヒータ昇降手段１８はヒータ支持部材１８ｃに設けられたヒータ１７をワイヤ１１に沿ってかつワイヤ１１の全長に渡って上下動可能に構成される。
【００１９】
上述した重り１２、ホルダ１３、ホルダ支持部材１４、ホルダ回転手段１６、ヒータ１７及びヒータ昇降手段１８はチャンバ１９に収容され、このチャンバ１９には、チャンバ１９内に不活性ガスを循環させる不活性ガス循環手段２１が備えられる。不活性ガス循環手段２１は、一端がチャンバ１９の上部周壁に接続され他端が不活性ガスを貯留するタンク（図示せず）に接続された供給パイプ２１ａと、一端がチャンバ１９の下壁に接続され他端が真空ポンプ（図示せず）に接続された排出パイプ２１ｂを備える。供給パイプ２１ａ及び排出パイプ２１ｂにはこれらのパイプ２１ａ，２１ｂを流れる不活性ガスの流量を調整する第１及び第２流量調整弁２１ｃ，２１ｄがそれぞれ設けられる。
【００２０】
このように構成された単結晶棒引上げ用ワイヤの荷重付加装置の動作を説明する。
ワイヤ式引上げ装置には、単結晶棒を引上げるためのワイヤ１１が用いられており、このワイヤ１１は定期的に交換される。交換される新たなワイヤ１１は、引上げる以前に本発明の荷重付加装置１０により所定の荷重が加えられる。即ち、ワイヤ１１の下端に重り１２が取付けられ、その上端はホルダ１３により保持される。重り１２はそのワイヤ１１が引上げようとする単結晶棒により重量が選定され、そのフック１２ａをワイヤ１１の下端に固定させることにより取付けられる。ワイヤ１１の上端は、ホルダ支持部材１４により中空に支持されたホルダ１３に保持される。ホルダ１３は一対の挟持部材１３ａ，１３ａの一端によりワイヤ１１の上端を挟持し、その状態でねじ手段１３ｂにより一対の挟持部材１３ａ，１３ａを固定する。これによりそのワイヤ１１は重り１２により鉛直に吊り下げられる。これによりワイヤ１１には重り１２の重量に等しい引張荷重が加えられる。
【００２１】
次に、ヒータ１７により ワイヤ１１の一部を加熱させるとともに、ヒータ昇降手段１８によりこのヒータ１７をワイヤ１１に沿ってかつワイヤ１１の全長に渡って上下動させ、全長に渡ってそのワイヤ１１に熱処理を施す。この時の熱処理温度は、単結晶棒引上げ時にワイヤ１１が受ける温度とすることが好ましく、例えば６００〜８００℃の加熱温度とするのが良い。また、加熱処理を行う時間は、６００〜８００℃の加熱温度であれば、そのヒータ１７で加熱されるワイヤ１１の一部が少なくとも３０分〜２０時間程度加熱されるようにヒータ１７を昇降させることが好ましい。
【００２２】
このとき、不活性ガス循環手段２１により、チャンバ１９にはアルゴン等の不活性ガスが循環させられる。この循環は供給パイプ２１ａ及び排出パイプ２１ｂに設けられた第１及び第２流量調整弁２１ｃ，２１ｄを開放することにより行われ、吊り下げられたワイヤ１１の周囲にこの不活性ガスを流通させる。これにより、高温下でのワイヤ１１の酸化は防止される。ここで、不活性ガスは、特に単結晶棒育成時に流すガスと同じものであることが好ましく、特にアルゴンガスであることが好ましい。
【００２３】
このようにワイヤ１１に荷重を加えると、そのワイヤ１１の撚りの状態が変化してワイヤ１１全体が引き締められ、単結晶棒を引上げる際に必要な所定の縦弾性係数を有するワイヤ１１が得られる。このとき、ヒータ１７及びヒータ昇降手段１８によりそのワイヤ１１を全長に渡って熱処理することにより、ワイヤ１１に弾力性が出てしなやかさが保たれ、引張り荷重を加えたことに起因するワイヤ１１の素線切れ、捩れ、撚れ等を防止することができる。そして、不活性ガス雰囲気中でワイヤ１１に荷重を加えることにより、加熱によるワイヤ１１における素線の酸化を抑制することができる。このように予め引張り荷重が加えられたワイヤ１１は、実際に引上げ機に用いられて単結晶棒を引上げた時の伸び量が軽減され、単結晶棒が実際に引上られる速度のバラツキを最小限にとどめることが可能となる。この結果、本発明の装置により予め荷重が加えられたワイヤ１１を用いて単結晶棒を引き上げると、その引上速度のバラツキを低減することが可能になる。
【００２４】
なお、上述した実施の形態では、応力付加手段がワイヤ吊下げ用重り１２であ留場合を説明したが、図３に示すように、応力付加手段はエアシリンダや油圧シリンダのような流体シリンダ２２であっても良い。図３に示す流体シリンダは油圧シリンダ２２である場合を示す。このシリンダ２２はベース板１４ａに回転台２２ａを介して取付けられ、上側に突出したロッド２２ｂの上端にワイヤ１１の下端が取付けられ、そのロッド２２ｂを没入させることによりワイヤ１１に引張り応力を加えるように構成される。そしてその際に生じるワイヤ１１のねじりを回転台２２ａによりシリンダ２２自体が回転して吸収するように構成される。このように、応力付加手段として流体シリンダを用いると、ワイヤ１１に加える引張り応力の調整を比較的容易に行うことが可能になる。
【００２５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、ワイヤの上端を保持するホルダと、上端が保持されたワイヤの下端にワイヤに引張り応力を加えるための応力付加手段と、そのワイヤの一部を加熱するヒータと、ヒータをワイヤに沿ってかつワイヤの全長に渡って上下動させるヒータ昇降手段とを備えたので、単結晶棒引上げ装置に実際に使用される以前にそのワイヤに引張荷重を加えることができ、単結晶棒を引上げる際に必要な所定の縦弾性係数を有するワイヤを得ることができる。このときワイヤはヒータにより熱処理されるので、引張り荷重を加えたことに起因するワイヤの素線切れ、捩れ、撚れ等を防止することができる。
また、重りとホルダとヒータを収容するチャンバと、チャンバ内に不活性ガスを循環させる不活性ガス循環手段とを更に備えれば、加熱によるワイヤにおける素線の酸化を抑制することができ、ホルダを回転させるホルダ回転手段を更に備えれば、ヒータによるワイヤの熱処理のバラツキを減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の荷重付加装置の構成を示す断面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図。
【図３】本発明の別の荷重付加装置の構成を示す図１に対応する断面図。
【符号の説明】
１０ 荷重付加装置
１１ ワイヤ
１２ 重り（応力付加手段）
１３ ホルダ
１４ ホルダ支持部材
１４ａ ベース板
１４ｂ 支柱
１４ｃ 水平板
１６ 第１電動モータ（ホルダ回転手段）
１７ ヒータ
１８ ヒータ昇降手段
１８ａ ねじ棒
１８ｂ ボールねじ
１８ｃ ヒータ支持部材
１８ｄ 第２電動モータ
１９ チャンバ
２１ 不活性ガス循環手段
２２ 流体シリンダ（応力付加手段）
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン単結晶棒を引上げて育成する装置に用いられる単結晶棒引上げ用ワイヤに予め荷重を付加する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、集積回路を作るための材料となる半導体シリコン基板は、チョクラルスキー法によって育成されたシリコン単結晶棒をウェーハに加工したものが広く使われている。このチョクラルスキー法を用いたシリコン単結晶棒の製造方法は、石英るつぼにシリコン多結晶原料を入れ、このるつぼを単結晶棒を育成するための製造装置に収納した後、ルツボの周囲に配設されたヒータにより原料を加熱、融解し、種結晶を融液に浸漬した後に回転させながら静かに融液から引上げることによって種結晶の下方に略円柱状の単結晶棒を成長させるものである。そして、この原料融液から単結晶棒を引上げるための手段としてワイヤを用いる方法が知られている。
【０００３】
ワイヤ方式の引上げ装置に用いられているワイヤは、一般的に耐熱性に優れ、高強度を有するタングステンワイヤやステンレススチールワイヤあるいはモリブデンワイヤ等が使用されている。そしてワイヤは、単結晶棒育成時の回転によって生じる自励振動による単結晶棒の揺れや、応力による塑性変形のためにワイヤの形状が元に戻らなくなるキンク等の問題を解消するために、直径が０．０５ｍｍから０．２ｍｍ程度の細線（以下、素線ともいう。）を複数本撚り合わせた撚り線をさらに撚り合せたものが使用されており、これによって高重量の単結晶棒を引上げるための強度を確保しつつ、可撓性を持たせている。
【０００４】
また、引上げ装置に使用されているワイヤは、単結晶棒の引上げ時には高温部で１０００℃を超える雰囲気に曝され、単結晶棒の成長にともなって増加する荷重や単結晶棒の回転による回転トルクを受けながら、引上げ装置上部に配置された巻き上げ装置により巻き取られる操作が、単結晶棒を引上げる度に繰り返されている。このような操作が繰り返し行なわれることで、磨耗によるワイヤ表面の消耗や応力が加わることによる素線切れなどが起こり、必要とする強度が得られなくなるため定期的にワイヤの交換を行ない、その特性の維持を図っている。
【０００５】
しかし、引上げ用ワイヤは前述したように素線を複数本撚り合わせて構成されているため、荷重に対する伸び、即ち縦弾性係数に関する剛性特性が一定ではなく、時間とともにその剛性特性は変化する不具合がある。即ち、新品ワイヤの使用開始直後は伸びが大きく、その後、使用時間を増すに従って伸びが小さくなる特性がある。ここで、シリコン単結晶棒の重量は、近年の大口径化、大型化により高重量化する一方である。更に品質の面では、半導体デバイスの高集積化により、凝集したグローンイン（Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ）欠陥が結晶内に存在しないことが要求されている。こうした結晶を育成するためには、単結晶棒の引上速度を所望の値に調整し、単結晶棒が冷却される際の温度勾配を所定の値に保つことが必要となる（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−１３９３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このように単結晶棒の引上速度を高精度に制御する必要があるにもかかわらず、単結晶棒の引上げの度にワイヤの剛性特性が変化すると、設計した引上速度で単結晶棒を引上げることができず、得られた単結晶棒の品質が目的とするのものと異なる製品になってしまうという問題がある。
本発明の目的は、交換された単結晶棒引上げ用ワイヤの伸びや塑性変形等の剛性特性の変化を最小限に抑えるように、交換すべき新たなワイヤに予め荷重を付加する単結晶棒引上げ用ワイヤの荷重付加装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、図１に示すように、単結晶棒を引上げるためのワイヤ１１の上端を保持するホルダ１３と、上端が保持されたワイヤ１１の下端にワイヤ１１に引張り応力を加えるための応力付加手段と、引張り応力を加えられたワイヤ１１の一部を加熱するヒータ１７と、ヒータ１７をワイヤ１１に沿ってかつワイヤ１１の全長に渡って上下動させるヒータ昇降手段１８とを備えた単結晶棒引上げ用ワイヤの荷重付加装置である。
この請求項１に係る単結晶棒引上げ用ワイヤの荷重付加装置では、ワイヤ１１の上端をホルダ１３により保持し、単結晶棒引上げ装置に実際に使用される以前に応力付加手段によりそのワイヤ１１に引張荷重を加えることができる。ワイヤ１１に引張荷重を加えるとそのワイヤ１１の撚りの状態が変化してワイヤ１１全体が引き締められ、単結晶棒を引上げる際に必要な所定の縦弾性係数を有するワイヤ１１を得ることができる。
また、ヒータ１７及びヒータ昇降手段１８によりそのワイヤ１１を全長に渡って熱処理することにより、ワイヤ１１に弾力性が出てしなやかさが保たれ、引張り荷重を加えたことに起因するワイヤ１１の素線切れ、捩れ、撚れ等を防止することができる。このように予め引張り荷重が加えられたワイヤ１１は、実際に引上げ機に用いられて単結晶棒を引上げた時の伸び量が軽減され、単結晶棒が実際に引上られる速度のバラツキを最小限にとどめることが可能となる。
【０００９】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明であって、応力付加手段がワイヤ１１の下端に取付けられてワイヤ１１を吊下げる重り１２である単結晶棒引上げ用ワイヤの荷重付加装置である。
この請求項２に係る単結晶棒引上げ用ワイヤの荷重付加装置では、比較的容易かつ確実にワイヤ１１に引張り応力を加えることができる。
請求項３に係る発明は、請求項１に係る発明であって、応力付加手段が流体シリンダである単結晶棒引上げ用ワイヤの荷重付加装置である。
この請求項３に係る単結晶棒引上げ用ワイヤの荷重付加装置では、ワイヤ１１に加える引張り応力の調整を比較的容易に行うことができる。
請求項４に係る発明は、請求項１ないし３いずれかに係る発明であって、少なくとも荷重付加装置１２とホルダ１３とヒータ１７を収容するチャンバ１９と、チャンバ１９内に不活性ガスを循環させる不活性ガス循環手段２１とを更に備えた単結晶棒引上げ用ワイヤの荷重付加装置である。
この請求項４に記載された単結晶棒引上げ用ワイヤの荷重付加装置では、未使用ワイヤ１１に引張荷重を加える作業を不活性ガス雰囲気で行うことができ、特にアルゴンガス雰囲気下でワイヤ１１に熱を加えながら引張荷重を加えれば、加熱によるワイヤ１１における素線の酸化を抑制することができる。
【００１０】
請求項５に係る発明は、請求項１ないし４いずれかに係る発明であって、ホルダ１３をワイヤ１１の軸心を回転中心として回転させるホルダ回転手段１６を更に備えた単結晶棒引上げ用ワイヤの荷重付加装置である。
この請求項５に記載された単結晶棒引上げ用ワイヤの荷重付加装置では、ワイヤ１１を回転させることにより、ヒータ１７による熱処理のバラツキを減少させることができ、ワイヤ素線切れ、捩れ、撚れ等を有効に防止することができる。
【００１１】
請求項６に係る発明は、請求項１ないし５いずれかに係る発明であって、ホルダ１３がホルダ支持部材１４により支持され、ホルダ支持部材１４は、ベース板１４ａと、ベース板１４ａに垂設された支柱１４ｂと、支柱１４ｂの上端に設けられ端部にホルダ１３が設けられた水平板１４ｃとを有する単結晶棒引上げ用ワイヤの荷重付加装置である。
請求項７に係る発明は、請求項６に係る発明であって、ヒータ昇降手段１８は、支柱１４ｂに沿って設けられたねじ棒１８ａと、ねじ棒に螺合するボールねじ１８ｂと、ボールねじ１８ｂに取付けられ端部にヒータ１７が設けられたヒータ支持部材１８ｃと、ねじ棒１８ａを回転させる電動モータ１８ｄとを有する単結晶棒引上げ用ワイヤの荷重付加装置。
この請求項６及び請求項７に記載された単結晶棒引上げ用ワイヤの荷重付加装置では、ホルダ支持部材１４及びヒータ昇降手段１８の製造が比較的容易になり、比較的安価な荷重付加装置を得ることが可能になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、本発明の荷重付加装置１０は、単結晶棒を引上げるためのワイヤ１１の上端を保持するホルダ１３と、上端が保持されたそのワイヤ１１の下端にワイヤ１１に引張り応力を加えるための応力付加手段とを備える。この実施の形態における応力付加手段はワイヤ吊下げ用重り１２であり、ホルダ１３はホルダ支持部材１４により支持される。ワイヤ１１は図示しない単結晶棒を引上げる装置に用いられるものであり、重り１２はそのワイヤ１１の下端に取付けられるものである。この重り１２は、ワイヤ１１の下端に固定するフック１２ａが設けられた鋼球である。この重り１２は未使用のワイヤ１１を、複数回単結晶棒を引上げたものと同等の縦弾性係数値にするためのものであり、単結晶棒引上げ時にかかる重量、即ち、引上げる単結晶棒の重量以上のものが選定される。例えば、直径が８インチで定径部の長さが１００ｃｍの単結晶棒を引上げるワイヤ１１であれば１２０ｋｇの重り１２を、直径１２インチで定径部の長さが１００ｃｍの単結晶棒を引上げるワイヤ１１であれば、２２０ｋｇ前後の重り１２が用いられる。
【００１３】
ホルダ１３はワイヤ１１の上端を保持するものであり、この実施の形態におけるホルダ１３は、一端に挟持片が形成された一対の挟持部材１３ａ，１３ａの他端を枢支することにより作られ、その一対の挟持部材１３ａ，１３ａの中間にそれらを貫通して設けられたねじ手段１３ｂを有する。このホルダ１３では、ワイヤ１１の上端を一対の挟持部材１３ａ，１３ａの一端により挟持させ、その状態でねじ手段１３ｂにより一対の挟持部材１３ａ，１３ａを固定することによりそのワイヤ１１の上端を挟持するように構成される。
【００１４】
ホルダ支持部材１４は、そのホルダ１３を中空に支持して前述した重り１２によりワイヤ１１を吊下げるためのものであり、ベース板１４ａと、そのベース板１４ａの端部に垂設された支柱１４ｂと、その支柱１４ｂの上端に一端が固定された水平板１４ｃを有する。ベース板１４ａは方形状の鋼材であり、支柱１４ｂはその端部に垂設されたものとその略中央に垂設されたものの２本用いられる。それぞれの支柱１４ｂ，１４ｂは同形同大の円柱鋼材であり、ワイヤ１１より長いものがそれぞれ使用される。水平板１４ｃはそれぞれの支柱１４ｂ，１４ｂの上端に水平状態でねじ止めされ、その端部にホルダ１３が設けられる。このホルダ支持部材１４は、支柱１４ｂがワイヤ１１より長く形成されることにより、ワイヤ１１の長さより高い中空に水平部材１４ｃを支持し、その水平部材１４ｃに設けられたホルダ１３により上端が支持されたワイヤ１１は、下端に設けられた重り１２により鉛直に吊下げられるように構成される。
【００１５】
また、本発明の荷重付加装置１０は、ホルダ１３を回転させるホルダ回転手段１６と、垂設されたワイヤ１１の一部を加熱するヒータ１７と、そのヒータ１７を上下動させるヒータ昇降手段１８とを備える。この実施の形態におけるホルダ回転手段１６は、ホルダ支持部材１４における水平部材１４ｃの端部に設けられた第１電動モータ１６であり、この第１電動モータ１６はその回転軸１６ａを鉛直下向きにして取付けられ、この回転軸１６ａにホルダ１３が取付けられる。そして、この第１電動モータ１６は、回転軸１６ａが回転することによりワイヤ１１の軸心を回転中心としてホルダ１３を回転させるように構成される。
【００１６】
一方、ヒータ１７は鉛直方向に交互にスリットを設けることにより方形波状に形成された板状カーボンであり、図２に示すように、このヒータ１７は保温部材１７ａのワイヤ１１が進入可能に形成された凹部１７ｂの内面に設けられる。この保温部材１７ｂはモリブデン、ニッケル、タングステン、チタン若しくは白金族金属あるいはそれらの合金等の高温に耐える金属から作られる。
【００１７】
図１及び図２に示すように、ヒータ昇降手段１８は、一対の支柱１４ｂ，１４ｂの間にそれらの支柱１４ｂ、１４ｂに沿って設けられたねじ棒１８ａと、このねじ棒１８ａに螺合されたボールねじ１８ｂと、このボールねじ１８ｂに取付けられたヒータ支持部材１８ｃと、ねじ棒１８ａを回転させる第２電動モータ１８ｄとを有する。一対の支柱１４ｂ，１４ｂの下部には水平な取付板１８ｋが架設され、第２電動モータ１８ｄはその回転軸１８ｅが上側鉛直になるようにこの取付板１８ｋに取付けられる。そして第２電動モータ１８ｄの回転軸１８ｅにねじ棒１８ａが同軸に取付けられる。ねじ棒１８ａは支柱１４ｂと平行にその全長に渡って設けられる。ボールねじ１８ｂは、このねじ棒１８ａに遊嵌するナット１８ｆと、ねじ棒１８ａとナット１８ｆとの間に介装された複数の球体１８ｇとから構成される。
【００１８】
このボールねじ１８ｂに取付けられたヒータ支持部材１８ｃには、そのボールねじ１８ｂを挟むように一対の支柱１４ｂ，１４ｂに嵌入されるスライド軸受け１８ｍ，１８ｍが設けられ、このヒータ支持部材１８ｃはこのスライド軸受け１８ｍ，１８ｍにより水平状態で一対の支柱１４ｂ，１４ｂに沿って上下動可能に構成される。ヒータ支持部材１８ｃの端部には保温部材１７ａが取付けられ、ヒータ１７はこの保温部材１７ａを介してヒータ支持部材１８ｃに取付けられる。そして、第２電動モータ１８ｄによりねじ棒１８ａを回転させるとボールねじ１８ｂとともにヒータ支持部材１８ｃが上下動し、このヒータ昇降手段１８はヒータ支持部材１８ｃに設けられたヒータ１７をワイヤ１１に沿ってかつワイヤ１１の全長に渡って上下動可能に構成される。
【００１９】
上述した重り１２、ホルダ１３、ホルダ支持部材１４、ホルダ回転手段１６、ヒータ１７及びヒータ昇降手段１８はチャンバ１９に収容され、このチャンバ１９には、チャンバ１９内に不活性ガスを循環させる不活性ガス循環手段２１が備えられる。不活性ガス循環手段２１は、一端がチャンバ１９の上部周壁に接続され他端が不活性ガスを貯留するタンク（図示せず）に接続された供給パイプ２１ａと、一端がチャンバ１９の下壁に接続され他端が真空ポンプ（図示せず）に接続された排出パイプ２１ｂを備える。供給パイプ２１ａ及び排出パイプ２１ｂにはこれらのパイプ２１ａ，２１ｂを流れる不活性ガスの流量を調整する第１及び第２流量調整弁２１ｃ，２１ｄがそれぞれ設けられる。
【００２０】
このように構成された単結晶棒引上げ用ワイヤの荷重付加装置の動作を説明する。
ワイヤ式引上げ装置には、単結晶棒を引上げるためのワイヤ１１が用いられており、このワイヤ１１は定期的に交換される。交換される新たなワイヤ１１は、引上げる以前に本発明の荷重付加装置１０により所定の荷重が加えられる。即ち、ワイヤ１１の下端に重り１２が取付けられ、その上端はホルダ１３により保持される。重り１２はそのワイヤ１１が引上げようとする単結晶棒により重量が選定され、そのフック１２ａをワイヤ１１の下端に固定させることにより取付けられる。ワイヤ１１の上端は、ホルダ支持部材１４により中空に支持されたホルダ１３に保持される。ホルダ１３は一対の挟持部材１３ａ，１３ａの一端によりワイヤ１１の上端を挟持し、その状態でねじ手段１３ｂにより一対の挟持部材１３ａ，１３ａを固定する。これによりそのワイヤ１１は重り１２により鉛直に吊り下げられる。これによりワイヤ１１には重り１２の重量に等しい引張荷重が加えられる。
【００２１】
次に、ヒータ１７により ワイヤ１１の一部を加熱させるとともに、ヒータ昇降手段１８によりこのヒータ１７をワイヤ１１に沿ってかつワイヤ１１の全長に渡って上下動させ、全長に渡ってそのワイヤ１１に熱処理を施す。この時の熱処理温度は、単結晶棒引上げ時にワイヤ１１が受ける温度とすることが好ましく、例えば６００〜８００℃の加熱温度とするのが良い。また、加熱処理を行う時間は、６００〜８００℃の加熱温度であれば、そのヒータ１７で加熱されるワイヤ１１の一部が少なくとも３０分〜２０時間程度加熱されるようにヒータ１７を昇降させることが好ましい。
【００２２】
このとき、不活性ガス循環手段２１により、チャンバ１９にはアルゴン等の不活性ガスが循環させられる。この循環は供給パイプ２１ａ及び排出パイプ２１ｂに設けられた第１及び第２流量調整弁２１ｃ，２１ｄを開放することにより行われ、吊り下げられたワイヤ１１の周囲にこの不活性ガスを流通させる。これにより、高温下でのワイヤ１１の酸化は防止される。ここで、不活性ガスは、特に単結晶棒育成時に流すガスと同じものであることが好ましく、特にアルゴンガスであることが好ましい。
【００２３】
このようにワイヤ１１に荷重を加えると、そのワイヤ１１の撚りの状態が変化してワイヤ１１全体が引き締められ、単結晶棒を引上げる際に必要な所定の縦弾性係数を有するワイヤ１１が得られる。このとき、ヒータ１７及びヒータ昇降手段１８によりそのワイヤ１１を全長に渡って熱処理することにより、ワイヤ１１に弾力性が出てしなやかさが保たれ、引張り荷重を加えたことに起因するワイヤ１１の素線切れ、捩れ、撚れ等を防止することができる。そして、不活性ガス雰囲気中でワイヤ１１に荷重を加えることにより、加熱によるワイヤ１１における素線の酸化を抑制することができる。このように予め引張り荷重が加えられたワイヤ１１は、実際に引上げ機に用いられて単結晶棒を引上げた時の伸び量が軽減され、単結晶棒が実際に引上られる速度のバラツキを最小限にとどめることが可能となる。この結果、本発明の装置により予め荷重が加えられたワイヤ１１を用いて単結晶棒を引き上げると、その引上速度のバラツキを低減することが可能になる。
【００２４】
なお、上述した実施の形態では、応力付加手段がワイヤ吊下げ用重り１２であ留場合を説明したが、図３に示すように、応力付加手段はエアシリンダや油圧シリンダのような流体シリンダ２２であっても良い。図３に示す流体シリンダは油圧シリンダ２２である場合を示す。このシリンダ２２はベース板１４ａに回転台２２ａを介して取付けられ、上側に突出したロッド２２ｂの上端にワイヤ１１の下端が取付けられ、そのロッド２２ｂを没入させることによりワイヤ１１に引張り応力を加えるように構成される。そしてその際に生じるワイヤ１１のねじりを回転台２２ａによりシリンダ２２自体が回転して吸収するように構成される。このように、応力付加手段として流体シリンダを用いると、ワイヤ１１に加える引張り応力の調整を比較的容易に行うことが可能になる。
【００２５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、ワイヤの上端を保持するホルダと、上端が保持されたワイヤの下端にワイヤに引張り応力を加えるための応力付加手段と、そのワイヤの一部を加熱するヒータと、ヒータをワイヤに沿ってかつワイヤの全長に渡って上下動させるヒータ昇降手段とを備えたので、単結晶棒引上げ装置に実際に使用される以前にそのワイヤに引張荷重を加えることができ、単結晶棒を引上げる際に必要な所定の縦弾性係数を有するワイヤを得ることができる。このときワイヤはヒータにより熱処理されるので、引張り荷重を加えたことに起因するワイヤの素線切れ、捩れ、撚れ等を防止することができる。
また、重りとホルダとヒータを収容するチャンバと、チャンバ内に不活性ガスを循環させる不活性ガス循環手段とを更に備えれば、加熱によるワイヤにおける素線の酸化を抑制することができ、ホルダを回転させるホルダ回転手段を更に備えれば、ヒータによるワイヤの熱処理のバラツキを減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の荷重付加装置の構成を示す断面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図。
【図３】本発明の別の荷重付加装置の構成を示す図１に対応する断面図。
【符号の説明】
１０ 荷重付加装置
１１ ワイヤ
１２ 重り（応力付加手段）
１３ ホルダ
１４ ホルダ支持部材
１４ａ ベース板
１４ｂ 支柱
１４ｃ 水平板
１６ 第１電動モータ（ホルダ回転手段）
１７ ヒータ
１８ ヒータ昇降手段
１８ａ ねじ棒
１８ｂ ボールねじ
１８ｃ ヒータ支持部材
１８ｄ 第２電動モータ
１９ チャンバ
２１ 不活性ガス循環手段
２２ 流体シリンダ（応力付加手段）
Claims (7)
- 単結晶棒を引上げるためのワイヤ(11)の上端を保持するホルダ(13)と、
上端が保持された前記ワイヤ(11)の下端に前記ワイヤ(11)に引張り応力を加えるための応力付加手段と、
引張り応力を加えられた前記ワイヤ(11)の一部を加熱するヒータ(17)と、
前記ヒータ(17)を前記ワイヤ(11)に沿ってかつ前記ワイヤ(11)の全長に渡って上下動させるヒータ昇降手段(18)と
を備えた単結晶棒引上げ用ワイヤの荷重付加装置。 - 応力付加手段がワイヤ(11)の下端に取付けられて前記ワイヤ(11)を吊下げる重り(12)である請求項１記載の単結晶棒引上げ用ワイヤの荷重付加装置。
- 応力付加手段が流体シリンダである請求項１記載の単結晶棒引上げ用ワイヤの荷重付加装置。
- 少なくとも応力付加手段(12)とホルダ(13)とヒータ(17)を収容するチャンバ(19)と、前記チャンバ(19)内に不活性ガスを循環させる不活性ガス循環手段(21)とを更に備えた請求項１ないし３いずれか記載の単結晶棒引上げ用ワイヤの荷重付加装置。
- ホルダ(13)をワイヤ(11)の軸心を回転中心として回転させるホルダ回転手段(16)を更に備えた請求項１ないし４いずれか記載の単結晶棒引上げ用ワイヤの荷重付加装置。
- ホルダ(13)がホルダ支持部材(14)により支持され、前記ホルダ支持部材(14)は、ベース板(14a)と、前記ベース板(14a)に垂設された支柱(14b)と、前記支柱(14b)の上端に設けられ端部にホルダ(13)が設けられた水平板(14c)とを有する請求項１ないし５いずれか記載の単結晶棒引上げ用ワイヤの荷重付加装置。
- ヒータ昇降手段(18)は、支柱(14b)に沿って設けられたねじ棒(18a)と、前記ねじ棒(18a)に螺合するボールねじ(18b)と、前記ボールねじ(18b)に取付けられ端部にヒータ(17)が設けられたヒータ支持部材(18c)と、前記ねじ棒(18a)を回転させる電動モータ(18d)とを有する請求項６記載の単結晶棒引上げ用ワイヤの荷重付加装置。
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- 2003-06-13 JP JP2003168844A patent/JP4218433B2/ja not_active Expired - Lifetime
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