JP4248671B2 - 単結晶製造装置及び単結晶製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体単結晶の単結晶製造装置及び単結晶製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
単結晶シリコンは、一般にチョクラルスキー法を用いて製造されている。チョクラルスキー法では、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、シードチャックに取り付けた種結晶を融液に浸漬し、シードチャック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チャック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、上記のような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、単結晶を安全に育成することができない。この対策として、ネック部の下方にこぶ状の拡径部を形成し、拡径部下面のくびれ部を保持装置で保持しつつ単結晶を引き上げる単結晶製造装置や単結晶製造方法が提案されている。
【０００５】
図２０に、この保持装置を備えた単結晶製造装置の一例を示す。プルヘッド１内に設置された主ワイヤ巻き取りドラム５から主ワイヤ１０がメインチャンバ３３の中心に垂下し、主ワイヤ１０の下端には種結晶を取着したシードチャック１１が繋着されている。前記プルヘッド１は図示しない駆動装置により水平面内で回転可能である。融液２５を貯留するるつぼ（図示せず）はメインチャンバ３３内に回転ならびに昇降自在に設置され、るつぼの周囲には図示しないヒータ、保温筒が設置されている。
【０００６】
保持装置３４は、プルヘッド１内に設置された３個のサブワイヤ巻き取りドラム６にそれぞれ巻着された３本のサブワイヤ１２で吊り下げられている。これらのサブワイヤ１２の下端は、保持装置３４の構成部品であるリング状の本体３４ａの上面に繋着されている。本体３４ａの下側には垂直面内で上下方向に回動可能な複数個の爪３４ｂが取着されている。これらの爪３４ｂは下方から作用する力により上方に回転するが、回転範囲は本体３４ａにより制限されている。
【０００７】
単結晶の製造時には、シードチャック１１に取り付けた種結晶を融液２５に浸漬した後、シードチャック１１を引き上げてネック部２６を形成し、無転位化後ネック部２６の下方にこぶ状の拡径部２４ａを形成する。前記拡径部２４ａが所定の直径に達した後、引き上げ速度を早めて結晶径の拡大を止め、結晶径を細く絞り込むように引き上げ速度を調整してくびれ部２４ｅを形成する。次に、肩部２４ｃを形成するため引き上げ速度と融液温度とを調整して結晶径が所定の値になるように拡大し、更に一定径を維持しつつ結晶を成長させて直胴部２４ｄを育成する。保持装置３４による単結晶２４の保持以前における結晶育成は主ワイヤ１０によって行われ、直胴部２４ｄが所定の長さに成長するまでの間、保持装置３４は育成中の単結晶２４の上方で待機する。
【０００８】
保持装置３４は、単結晶２４の重量がネック部２６の機械強度限界を迎える前にくびれ部２４ｅの位置に下降して爪３４ｂにより単結晶２４を保持する。保持に当たり、爪３４ｂの先端が拡径部２４ａ上側の円錐面に当接すると爪３４ｂの先端は上方に回転し、拡径部２４ａを通過すると爪３４ｂの先端は自重により下方に回転してもとの姿勢に戻る。爪３４ｂの先端がくびれ部２４ｅの位置に下降したら、サブワイヤ巻き取りドラム６を駆動して保持装置３４を主ワイヤ１０より速い速度で上昇させる。これにより、爪３４ｂの先端が拡径部２４ａ下側の円錐面に当接して単結晶２４を保持する。その後、サブワイヤ１２の上昇速度を主ワイヤ１０の引き上げ速度と同じ速度に保ちつつ単結晶２４を引き上げる。このような保持装置や保持方法によれば、単結晶重量の大部分を保持装置で支えるため、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装置により単結晶の落下を防止することができる。
【０００９】
上記単結晶保持装置に関して特公平７−１０３０００号公報による結晶引上装置は、単結晶をくの字状の把持レバーで支持した上、把持レバーから単結晶が外れないようにするため、上下にスライドするリングを用いている。また、特公平７−５１５号公報による結晶引上装置は、筒状の把持ホルダの下端に設けた回動自在の複数の爪で単結晶を支えるようにしている。
【００１０】
更に、特開平９−１８３６９４号公報によれば、種結晶の下方に存在する拡径部と縮径部とからなる係合段部を一対の吊り治具で挟持するとともに、吊り治具の開きを防止するためフックレバーと係止ピンとからなるロック機構を備えた単結晶保持装置が開示されている。この単結晶保持装置では前記のほかに吊り治具の挟持部に揺動爪を設けて転位発生を防止している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の単結晶製造装置には次のような問題点がある。
図２０において、保持装置３４で単結晶２４を保持した後、単結晶２４の育成が進むにつれてサブワイヤ１２に加えられる引張荷重が徐々に増大する。そして、サブワイヤ１２の伸び量のばらつきやサブワイヤ巻き取りドラム６への巻き取りむら等のために、サブワイヤ巻き取りドラム６と保持装置３４との間における３本のサブワイヤの長さに差異を生じ、保持装置３４が傾いたり保持装置３４の中心軸が水平方向にずれたりする。その結果、単結晶２４が徐々に傾き始め、結晶成長界面における心振れが大きくなって単結晶２４の成長に悪影響を与え、多結晶化を引き起こす。
【００１２】
特公平７−１０３０００号公報で開示された結晶引上装置は、把持レバーによって単結晶を支持した後、複数本のワイヤの伸び量のばらつき等により単結晶の軸心が傾き、生産性を低下させるとともに、把持レバーとリング、種ホルダと可動部材との摩擦による発塵や端部における衝撃発生の危険性がある。更に、リングの自重落下による把持レバーの開き止めが確実に機能しないおそれがあるという問題もある。
【００１３】
また、特公平７−５１５号公報で開示された結晶引上装置は、爪が単結晶の表面をなぞりながらくびれ部に到達する構成であるため、単結晶に振動や衝撃が加えられ、有転位化するおそれがある。
また、特開平９−１８３６９４号公報で開示された単結晶保持装置は、シリンダによる挟持機構を有しているので、大重量の単結晶を安定的に保持するためには挟持力を大きくするように挟持部の長さが上下方向に長くなり、したがって装置高さが高くなり、小型化が困難である。また、前記シリンダをチャンバ上部の保持ケースに取着する際に、チャンバの密閉性を維持して外気から塵埃や不純物ガス等が進入しないような構造にするには複雑な構造となり、コスト高になる。また、単結晶インゴットを吊り治具で挟持する構造となっているので、挟持する際に挟持部に衝撃を与え易く、有転移化する可能性がある。
【００１４】
本発明は上記従来の問題点に着目してなされたもので、チョクラルスキー法による単結晶の製造において、保持装置で保持した大重量の単結晶を傾かせずに、衝撃を与えずに引き上げることができ、かつ小型化が可能な単結晶製造装置及び単結晶製造方法を提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
上記目的を達成するため、本発明に係る単結晶製造装置の第１発明は、回転及び昇降自在な中空シャフトと、中空シャフトに取着した保持レバーピンの回りに回動自在とされ、所定の保持姿勢で単結晶の拡径部下部を下方から保持可能な１個以上の保持レバーと、保持レバーを保持姿勢に移行する前の待機姿勢から保持姿勢に変換させる保持レバー駆動手段とを有する結晶保持機構と、下端に種結晶を取着するシードチャックが繋着され、中空シャフトの軸心に配置され、中空シャフトの昇降とは独立して巻き上げ可能とされると共に、中空シャフトと同期回転する主ワイヤを有する第１引き上げ機構と、結晶保持機構及び第１引き上げ機構を取着した支持板と、支持板を搭載した昇降自在なキャリッジベースと、キャリッジベースを昇降する昇降手段とを備えた構成としている。
第１発明の構成によれば、単結晶を保持する保持レバーを剛性の高い中空シャフトに取着し、中空シャフトを取着した支持板をキャリッジベースで昇降するようにしたので、サブワイヤに吊り下げられた従来の保持装置のように荷重の増加に伴うサブワイヤの伸びによる単結晶の傾きや軸心ずれが発生しない。従って、単結晶の心振れが発生しないので、安定した引き上げが可能となる。また、保持レバーにより単結晶の拡径部下部を下方から支持して保持するので、保持する際に振動や衝撃等を加えるおそれがない。保持レバーを待機姿勢と保持姿勢とに回動する機構なので、上下方向の長さも短く構成でき、簡単な構造となり、小型化が容易である。
【００１６】
また、本発明に係る単結晶製造装置の第２発明は、第１引き上げ機構は、主ワイヤに加わる荷重を検出する主ワイヤ用ロードセルを有し、キャリッジベースは、結晶保持機構及び第１引き上げ機構に加わる荷重を検出する合計重量用ロードセルを介して支持板を搭載した構成としている。
第２発明の構成によれば、ネック部に負荷している荷重を主ワイヤ用ロードセルによりモニタしてネック部の破断を防ぎ、合計重量用ロードセルの検出値に基づいて単結晶の直径制御を行うので、拡径部及び定径部の径が正確に制御できる。
【００１７】
また、本発明に係る単結晶製造装置の第３発明は、第１発明において、保持レバー駆動手段は、保持レバーに繋着され、かつ巻き上げ及び巻き戻しが自在なサブワイヤを有し、保持レバーとサブワイヤを、サブワイヤを巻き戻したときは保持レバーの単結晶を保持する保持部と反対側の自重により保持レバーが保持レバーピンの回りに回動して略垂直な待機姿勢となり、サブワイヤを巻き上げたときは保持レバーが略水平な保持姿勢に移行するように接続した構成としている。
第３発明の構成によれば、中空シャフトに回動自在に取着した保持レバーは、自由状態では保持レバーピンをはさんで保持部と反対側の自重により略垂直状態に即ち待機姿勢に保たれるので、単結晶引き上げ初期にネック部の下方に形成した単結晶の拡径部等は中空シャフト内を接触するなどの支障がなく上昇することができる。その後、保持レバーの待機姿勢から保持姿勢への移行は、保持レバーの自重に依存せずサブワイヤの巻き上げによって回動させるので、動作を確実に制御できる。
【００１８】
本発明に係る単結晶製造装置の第４発明は、第１発明において、保持レバー駆動手段は、引き上げ及び押し下げが自在なロッドを有し、ロッドの引き上げ又は押し下げにより保持レバーを保持レバーピンの回りに回動して略垂直な待機姿勢又は略水平な保持姿勢に移行するように、ロッドと保持レバーとの間を連結した構成としている。
第４発明の構成によれば、第１発明の作用及び効果に加えて、ロッドを押し下げる又は引き上げることにより、保持レバーを保持レバーピンの回りに確実に回動させて略垂直な待機姿勢又は略水平な保持姿勢に切換えることができるので、動作を確実に制御できる。したがって、引き上げ初期に保持レバーと単結晶の拡径部等とが接触することなく、保持時は確実に単結晶を保持して引き上げることができる。
【００１９】
本発明に係る単結晶製造装置の第５発明は、第１発明において、保持レバーが保持姿勢に移行したときに保持レバーの停止位置を固定するストッパを中空シャフトに設けた構成としている。
第５発明の構成によれば、保持レバーには単結晶を保持することによる荷重がかかるが、中空シャフトに設けたストッパにより保持レバーの停止位置を固定すると共に、保持レバーにかかる荷重を支持する。これにより、保持レバーは単結晶を振動させずに安定して保持でき、また単結晶の保持位置を精度良く固定するので、高精度の単結晶を製造できる。
【００２０】
また、本発明に係る単結晶製造方法は、チョクラルスキー法による単結晶製造方法において、ダッシュネック法を用いて種結晶中の転位を消失させて単結晶化した後、結晶径を拡大し、更に所定の直径まで縮小させて拡径部を形成し、この所定の直径を維持したまま所定の長さを有する定径部を形成し、定径部が保持レバーと略同一の高さに上昇したとき保持レバーを待機姿勢から保持姿勢に移行し、次に保持レバーを上昇させて単結晶の拡径部の下端部を保持した後、保持レバーを上昇させて単結晶を引き上げる方法としている。
上記方法によれば、無転位化のために形成したネック部の下方に形成された拡径部が引き上げられ、次に拡径部及び縮径部に続く定径部が保持レバーと同等の高さに引き上げられたとき、保持レバーを待機姿勢から保持姿勢に移行させるので、保持レバーの把持部は拡径部に触れることなく定径部の外周を囲むことができる。そして、保持レバーを上昇させることにより保持レバーは拡径部の下端部の円錐面に当接して単結晶を保持する。この後、単結晶の引き上げは保持レバーの上昇により行うので、従来のようにサブワイヤが単結晶の引き上げに関与することがなくなり、したがってサブワイヤの伸び量のばらつき等による単結晶の傾きが発生せず、高品質の単結晶を製造できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る単結晶製造装置の実施形態について図面を参照して説明する。なお、従来技術で説明したものと同一の構成要素については従来技術と同一の符号を付し、その説明を省略する。
図１に示すように、プルヘッド１内には、合計重量用ロードセル２を介して支持板３が設置され、支持板３の上面中央には主ワイヤ用ロードセル４を介して主ワイヤ巻き取りドラム５が設置されている。主ワイヤ巻き取りドラム５の周囲には１〜２個のサブワイヤ巻き取りドラム６及びプーリ７が設置されている。前記支持板３の下面には中空シャフト８が取着され、中空シャフト８の下部には１〜２個の保持レバー９が回動自在に取着されている。前記主ワイヤ巻き取りドラム５から垂下する主ワイヤ１０は中空シャフト８の中心を通り、下端にはシードチャック１１が繋着されている。また、サブワイヤ巻き取りドラム６からプーリ７を介して垂下するサブワイヤ１２の下端は、支持板３と中空シャフト８の段差部とにそれぞれ設けられた切り欠き穴を貫通し、保持レバー９の端部に繋着されている。
【００２２】
プルヘッド１の下端は真空シール１３を介してキャリッジベース１４に回転自在に取り付けられ、キャリッジベース１４は図示しない駆動源によるボールねじ１５の回転により、ガイドシャフト１６に沿って垂直方向に昇降する。また、プルヘッド１にはプーリ１７が取着されていて、キャリッジベース１４に取着された回転用モータ１８によりプルヘッド１が回転する。キャリッジベース１４の下面とアッパチャンバ１９の上端との間はベローズ２０により密閉されている。
【００２３】
図２〜図５に保持レバーの第１実施形態を示す。中空シャフト８の外側に固着したブラケット２１に保持レバーピン２２が取着され、保持レバー９は保持レバーピン２２を支点としてサブワイヤ１２の巻き取り、巻き戻しにより回動する。ただし、サブワイヤ１２を巻き戻したとき保持レバー９が自重により結晶保持部９ａを上にしてほぼ垂直姿勢をとるように、保持レバー９の他端にはウエイト９ｂが取着され、サブワイヤ１２の下端はウエイト９ｂに繋着されている。ブラケット２１の上面には、保持レバー９の回動範囲を９０°に制限するストッパ２３が固着されている。また、中空シャフト８には、図２及び図３に示すように保持レバー９を中空シャフト８内に回動させるための切り欠き窓８ａが設けられている。
【００２４】
保持レバー９の結晶保持部９ａは、図２の側面図である図３や図２の平面図である図４に示すように、左右それぞれ円環を２分割した形状を有し、結晶保持部９ａの内径は図１に示した単結晶２４の拡径部２４ａと肩部２４ｃとの間に形成した定径部２４ｂより十分に大きくて、かつ拡径部２４ａよりも小さい。また、結晶保持部９ａの上側内縁には図５に示すように円弧状の面取りが施されている。
【００２５】
上記構成の単結晶製造装置による単結晶引き上げ手順について説明する。従来方法と同じく、主ワイヤ１０を巻き戻して種結晶を融液２５に浸漬し、ネック部２６を形成しつつ結晶を無転位化する。次に、結晶径を所定寸法まで拡大して拡径部２４ａを形成した後、縮径して定径部２４ｂを形成する。定径部２４ｂの軸方向長さが所定寸法に達した後、肩広げ工程を経て直胴部２４ｄを形成する。この間、保持レバー９は融液面上方の所定の高さに静止し、自重で待機姿勢を保っている。
【００２６】
シードチャック１１、ネック部２６、拡径部２４ａ、定径部２４ｂが順次中空シャフト８内に進入し、保持レバー９が回動しても拡径部２４ａに衝突しない高さに単結晶２４が引き上げられた後、サブワイヤ巻き取りドラム６を駆動して各サブワイヤ１２を巻き取り、保持レバー９を保持姿勢にする。２個の保持レバー９はいずれもほぼ水平姿勢となり、ストッパ２３に当接して静止する。ここでサブワイヤ巻き取りドラム６の駆動を停止する。この後、主ワイヤ１０とキャリッジベース１４との間での速度の交換を行う。すなわち、結晶を引き上げている主ワイヤ１０の引き上げ速度を所定勾配で減速させてゼロに、キャリッジベース１４の上昇速度をゼロから主ワイヤ１０が結晶を引き上げていた速度へ所定勾配で上昇させる。この間、両者の速度の下降及び上昇の勾配を等しくすることにより、結晶の成長速度は維持され続け、主ワイヤ１０の巻き上げ速度がゼロになった時点より、結晶の成長は主ワイヤ１０の引き上げ速度からキャリッジベース１４の上昇速度により制御されるようになる。さらに、結晶を保持するために、主ワイヤ１０を速度ゼロから所定勾配で所定速度へ増速して巻き下げて下降させる。これと同時に、主ワイヤ１０に与えた下降速度分をキャリッジベース１４の上昇速度に所定勾配で与えて上昇させると、単結晶２４は所定の引き上げ速度を維持したまま保持レバー９が単結晶２４に対して相対的に上昇し、拡径部２４ａの下側円錐面に当接して単結晶２４を保持する。そのままの速度関係を維持しながら、主ワイヤ用ロードセル４の検出信号を監視し、保持レバー９への荷重移動をモニタする。主ワイヤ１０（ネック部）にかかる荷重が所定の荷重負荷まで減少したら、逆にキャリッジベース１４の上昇速度を所定勾配で減速して元の所定の引き上げ速度に戻し、これと同時にキャリッジベース１４の減速速度分を主ワイヤ１０に与えて巻き下げ速度を同一の所定勾配で減速してゼロにする。これ以降、合計重量用ロードセル２の検出値に基づいてキャリッジベース１４の上昇速度を調整しながら結晶の成長を制御していく。
本実施形態においては単結晶の直径制御は重量式で行い、その制御には、中空シャフト８及び保持レバー９等を有する結晶保持機構と主ワイヤ１０を巻き上げ、巻き下げする第１引き上げ機構との合計重量を検出する合計重量用ロードセル２の検出値を用いる。また、主ワイヤ１０の荷重を検出する主ワイヤ用ロードセル４により単結晶のネック部に負荷する荷重を検出して、ネック部の破断を防止する。なお、本発明における直径制御は合計重量用ロードセル２の検出値を用いて、主ワイヤ用ロードセル４の検出値は単結晶のネック部が負担する重量のモニタ用とした場合を示したが、これに限定されず、光学センサを用いた直径制御でもよい。さらに、磁場印加のＣＺにも適用可能なことは言うまでもない。
【００２７】
図６〜図８に保持レバーの第２実施形態を示す。この実施形態では単結晶は１個の保持レバー９で保持され、従ってプルヘッド内に設置するサブワイヤ巻き取りドラムも１個である。上記第１実施形態の保持レバーと同じく、中空シャフト８の下部に保持レバー９が回動自在に取着され、サブワイヤ１２を巻き戻したとき保持レバー９は自重により結晶保持部９ａを上にしてほぼ垂直姿勢をとる。
【００２８】
保持レバー９の結晶保持部９ａは、図７に示すように円環の一部を切り欠いた形状で、円環の内径は単結晶の定径部２４ｂの直径より十分に大きく、かつ拡径部２４ａよりも小さく、また切り欠き幅Ｗは定径部２４ｂの直径より大きい。前記円環部の上側内縁には、上記第１実施形態の保持レバーと同じく円弧状の面取りが施されている。その他の構造は第１実施形態の保持レバーと同一である。また、結晶保持部９ａの形状を図８のようにしてもよい。
本実施形態によると、１本の保持レバーで単結晶を保持するので、構成が簡単である。
【００２９】
図９〜図１０に保持レバーの第３実施形態を示す。第２実施形態と同じく単結晶は１個の保持レバー９で保持される。中空シャフト８の内部には、保持レバー９を保持姿勢にしたときフォーク部先端の水平面内位置を規制し、かつ、単結晶を保持した保持レバー９を支える２個のＵ形状のストッパ２７が固着されている。その他の構造は第１実施形態の保持レバーと同一である。
上記構成によると、Ｕ形状のストッパ２７により保持レバー９が位置決めされるので、単結晶が振動させることなく安定に、かつ位置精度良く保持され、高精度な単結晶を製造できる。
【００３０】
図１１〜図１３は保持レバーによる単結晶保持に当たって使用する拡径部、定径部の現在位置検出機構の第１実施形態の説明図である。この実施形態はレーザ光を使用するもので、図１１に示すようにメインチャンバに設けた石英窓の外側に発光部２８と受光部２９とを設置し、待機状態にある中空シャフト８の切り欠き窓８ａの上部に所定の幅Ｈを有するレーザ光３０を照射する。このレーザ光は図１２に示すように拡径部、定径部等によってそれらの直径の分だけ遮光され、遮光幅ｄに応じたレベルの遮光検出信号として出力される。また、中空シャフト８はプルヘッドとともに回転しているため、受光部２９の検出信号は図１３に示すように回転速度に応じた周期で間欠的である。そして、拡径部の通過による検出信号高さの変動の後、一定の高さの検出信号が継続すれば定径部が通過していることになり、この状態で一定時間経過したら保持レバーによる単結晶保持を開始するタイミングであることがわかる。なお、前記中空シャフト８の回転による間欠的な検出信号に関しては、信号の取り込み時間を適切に設定して連続信号として処理してもよいし、また低周波フィルタを設けて間欠的な検出信号を平均化した信号に対して所定のしきい値を設定し、レベル値により処理してもよい。
このような検出機構により、チャンバ外部より非接触で単結晶の引き上げ高さの現在位置が検出されるので、単結晶の表面を傷つけずに、かつチャンバ内の雰囲気に影響を与えずに検出でき、また確実に保持レバーにより単結晶を保持できる。さらに、レーザ光により検出するので、検出精度高い。
【００３１】
単結晶の現在位置検出機構の第２実施形態として、スポットレーザ光を用いてもよい。図１４〜図１６は第２実施形態を示す説明図で、上記第１実施形態と同様にメインチャンバの外側に発光部２８と受光部２９とを設置し、待機状態にある中空シャフトの切り欠き窓の上部にスポットレーザ光３１を照射する。このレーザ光の光路は、図１４、図１５に示すように単結晶の軸心からずれた位置、すなわち拡径部２４ａの外周と定径部２４ｂの外周とのほぼ中間点に定める。このようにすると、図１５に示すようにレーザ光の光軸よりも拡径部２４ａが下方にあるＡ位置では受光量が１００％、拡径部２４ａが前記光軸高さと略一致するＢ位置に近づくと光路が遮られて受光量は０％に低下する。そして、拡径部２４ａがＣ位置付近まで上昇すると受光量が再び１００％に回復する。従って、本実施例では、受光量が１００％に回復して所定時間が経過したときに、保持動作を開始しても差し支えない高さに定径部２４ｂが上昇しているものと判断する。これにより、保持レバーによる保持動作開始のタイミングを確実に検出できる。
【００３２】
図１７は保持レバーによる単結晶保持に当たって使用する拡径部、定径部の現在位置検出機構の第３実施形態の説明図である。この実施形態は、メインチャンバの外側に装着したＣＣＤカメラを使用するもので、待機状態にある中空シャフトの切り欠き窓の上部隙間から単結晶の育成状態を観察する。そして図１７に示すように、拡径部２４ａの下側円錐部と定径部２４ｂとの境界がＣＣＤカメラの視野の基準線３２に到達したときに、保持レバーによる単結晶保持を開始するタイミングであると判断する。
【００３３】
上記の各実施形態では保持レバーを待機姿勢から保持姿勢に移行させる手段としてワイヤを用いたが、次に、これに代わる保持レバー駆動手段の例を図１８〜図１９に示す。これらの図において、プルヘッド１内には、合計重量用ロードセル２を介して支持板３が設置され、支持板３の上面中央には主ワイヤ用ロードセル４を介して主ワイヤ巻き取りドラム５が設置されている。また、支持板３の上面には図示しない駆動源によって回転するボールねじ４１とガイドシャフト４２とが立設され、支持板３の上方には前記ボールねじ４１の回転によってガイドシャフト４２に沿って昇降する昇降板４３が設置されている。この昇降板４３の上面には、保持レバー駆動手段であるロッド４４の上端部を支える軸受４５が取着されている。前記軸受４５とキャップ４６とでロッド４４の上端部の軸部４４ａを挟持することにより、軸部４４ａを支点としてロッド４４を回動自在に支持することができる。
【００３４】
支持板３の下面には中空シャフト８が取着され、中空シャフト８の下部には１〜２個の保持レバー９が回動自在に取着されている。昇降板４３と支持板３と中空シャフト８の段差部とにそれぞれ設けられた切り欠き穴を貫通した前記ロッド４４の下端には、保持レバー９の端部が回動自在に軸着されている。
【００３５】
保持レバー９を待機姿勢にするときには、昇降板４３を下限位置に下降させてロッド４４を押し下げることにより、保持レバー９は図１８に示すように垂直に近い姿勢となる。そして、保持レバー９が回動しても拡径部２４ａに衝突しない高さに単結晶２４が引き上げられた後、昇降板４３を上昇させ、ロッド４４を引き上げることにより、図１９に示すように保持レバー９をほぼ水平姿勢にする。保持レバー９の回動範囲を制限するストッパを含めてその他の構造は第１実施形態の単結晶製造装置と同一である。したがって、ロッド４４により確実に保持レバー９の保持動作を開始できる。
尚、本実施形態では、ロッド４４を保持レバーピン２２を中心に保持レバー９の保持部と反対側に直接連結しているが、本発明はこれに限定されず、所定のリンクを介して連結したり、あるいは所定のリンクを介して保持レバー９の保持部に連結してもよい。
【００３６】
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）単結晶を保持レバーで保持した後の単結晶引き上げはキャリッジベースの上昇に依存するようにし、サブワイヤによる引き上げを廃止したので、サブワイヤの伸び量のばらつきや巻き取りドラムへの巻き取りむらによる単結晶軸心の傾きやずれが起こらず、有転位化又は成形ロスが皆無となる。また、結晶引き上げ速度の誤差も微小となる。従って、単結晶の生産性が向上する。
（２）待機姿勢の保持レバーを保持姿勢に変換する手段として保持レバーの自重に依存せず、サブワイヤまたはロッドを用いることにしたので、必要なときに確実に姿勢変換を制御できる。
（３）保持レバーは、単結晶に接触せずに待機姿勢から保持姿勢に移行するので、単結晶に衝撃、振動を与えない。したがって、有転移化してない単結晶を製造できる。
（４）保持レバーを剛性の高い中空シャフトに取着したので、複数本のサブワイヤに保持装置を吊り下げる従来技術よりも安定性が向上する。
（５）本単結晶製造装置は、キャリッジベースとアッパチャンバ上端との間を伸縮自在なベローズによって連結しているので、単結晶の製造時にキャリッジベースを昇降させることにより、主ワイヤと種結晶または育成中の単結晶とによって形成される振り子の共振周波数、すなわちシード軸共振回転数を任意に調節することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の単結晶製造装置の概略構成を示す縦断面図である。
【図２】結晶保持機構の第１例を示す縦断面図である。
【図３】図２に示した結晶保持機構の側面図である。
【図４】図２に示した結晶保持機構の平面図で、保持レバーを保持姿勢にした状態を示す。
【図５】保持レバー先端に設けた結晶保持部の側面図である。
【図６】結晶保持機構の第２例を示す縦断面図である。
【図７】図６に示した結晶保持機構の平面図で、保持レバーを保持姿勢にした状態を示す。
【図８】保持レバーの他の形状を示す平面図である。
【図９】結晶保持機構の第３例を示す縦断面図である。
【図１０】図９に示した結晶保持機構の平面図で、保持レバーを保持姿勢にした状態を示す。
【図１１】単結晶の現在位置検出機構の第１実施形態を示す説明図である。
【図１２】レーザ光の遮断状態を示す説明図である。
【図１３】レーザ光の受光信号の変化を示す説明図である。
【図１４】単結晶の現在位置検出機構の第２実施形態を示す説明図である。
【図１５】スポットレーザ光の観測点に対する単結晶の位置の変化を示す説明図である。
【図１６】スポットレーザ光の受光信号の変化を示す説明図である。
【図１７】ＣＣＤカメラの画像を示す説明図である。
【図１８】第２実施形態の単結晶製造装置の概略構成を示す縦断面図である。
【図１９】図１８に示した単結晶製造装置における保持レバー駆動機構の斜視図である。
【図２０】保持装置を備えた従来の単結晶製造装置の一例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１…プルヘッド、２…合計重量用ロードセル、３…支持板、４…主ワイヤ用ロードセル、５…主ワイヤ巻き取りドラム、８…中空シャフト、８ａ…切り欠き窓、９…保持レバー、９ａ…結晶保持部、９ｂ…ウエイト、１０…主ワイヤ、１２…サブワイヤ、１４…キャリッジベース、１５，４１…ボールねじ、１６，４２…ガイドシャフト、２０…ベローズ、２２…保持レバーピン、２３，２７…ストッパ、２４…単結晶、２４ａ…拡径部、２４ｂ…定径部、２８…発光部、２９…受光部、３０…レーザ光、３１…スポットレーザ光、４３…昇降板、４４…ロッド、４４ａ…軸部、４５…軸受、４６…キャップ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体単結晶の単結晶製造装置及び単結晶製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
単結晶シリコンは、一般にチョクラルスキー法を用いて製造されている。チョクラルスキー法では、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、シードチャックに取り付けた種結晶を融液に浸漬し、シードチャック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チャック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、上記のような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、単結晶を安全に育成することができない。この対策として、ネック部の下方にこぶ状の拡径部を形成し、拡径部下面のくびれ部を保持装置で保持しつつ単結晶を引き上げる単結晶製造装置や単結晶製造方法が提案されている。
【０００５】
図２０に、この保持装置を備えた単結晶製造装置の一例を示す。プルヘッド１内に設置された主ワイヤ巻き取りドラム５から主ワイヤ１０がメインチャンバ３３の中心に垂下し、主ワイヤ１０の下端には種結晶を取着したシードチャック１１が繋着されている。前記プルヘッド１は図示しない駆動装置により水平面内で回転可能である。融液２５を貯留するるつぼ（図示せず）はメインチャンバ３３内に回転ならびに昇降自在に設置され、るつぼの周囲には図示しないヒータ、保温筒が設置されている。
【０００６】
保持装置３４は、プルヘッド１内に設置された３個のサブワイヤ巻き取りドラム６にそれぞれ巻着された３本のサブワイヤ１２で吊り下げられている。これらのサブワイヤ１２の下端は、保持装置３４の構成部品であるリング状の本体３４ａの上面に繋着されている。本体３４ａの下側には垂直面内で上下方向に回動可能な複数個の爪３４ｂが取着されている。これらの爪３４ｂは下方から作用する力により上方に回転するが、回転範囲は本体３４ａにより制限されている。
【０００７】
単結晶の製造時には、シードチャック１１に取り付けた種結晶を融液２５に浸漬した後、シードチャック１１を引き上げてネック部２６を形成し、無転位化後ネック部２６の下方にこぶ状の拡径部２４ａを形成する。前記拡径部２４ａが所定の直径に達した後、引き上げ速度を早めて結晶径の拡大を止め、結晶径を細く絞り込むように引き上げ速度を調整してくびれ部２４ｅを形成する。次に、肩部２４ｃを形成するため引き上げ速度と融液温度とを調整して結晶径が所定の値になるように拡大し、更に一定径を維持しつつ結晶を成長させて直胴部２４ｄを育成する。保持装置３４による単結晶２４の保持以前における結晶育成は主ワイヤ１０によって行われ、直胴部２４ｄが所定の長さに成長するまでの間、保持装置３４は育成中の単結晶２４の上方で待機する。
【０００８】
保持装置３４は、単結晶２４の重量がネック部２６の機械強度限界を迎える前にくびれ部２４ｅの位置に下降して爪３４ｂにより単結晶２４を保持する。保持に当たり、爪３４ｂの先端が拡径部２４ａ上側の円錐面に当接すると爪３４ｂの先端は上方に回転し、拡径部２４ａを通過すると爪３４ｂの先端は自重により下方に回転してもとの姿勢に戻る。爪３４ｂの先端がくびれ部２４ｅの位置に下降したら、サブワイヤ巻き取りドラム６を駆動して保持装置３４を主ワイヤ１０より速い速度で上昇させる。これにより、爪３４ｂの先端が拡径部２４ａ下側の円錐面に当接して単結晶２４を保持する。その後、サブワイヤ１２の上昇速度を主ワイヤ１０の引き上げ速度と同じ速度に保ちつつ単結晶２４を引き上げる。このような保持装置や保持方法によれば、単結晶重量の大部分を保持装置で支えるため、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装置により単結晶の落下を防止することができる。
【０００９】
上記単結晶保持装置に関して特公平７−１０３０００号公報による結晶引上装置は、単結晶をくの字状の把持レバーで支持した上、把持レバーから単結晶が外れないようにするため、上下にスライドするリングを用いている。また、特公平７−５１５号公報による結晶引上装置は、筒状の把持ホルダの下端に設けた回動自在の複数の爪で単結晶を支えるようにしている。
【００１０】
更に、特開平９−１８３６９４号公報によれば、種結晶の下方に存在する拡径部と縮径部とからなる係合段部を一対の吊り治具で挟持するとともに、吊り治具の開きを防止するためフックレバーと係止ピンとからなるロック機構を備えた単結晶保持装置が開示されている。この単結晶保持装置では前記のほかに吊り治具の挟持部に揺動爪を設けて転位発生を防止している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の単結晶製造装置には次のような問題点がある。
図２０において、保持装置３４で単結晶２４を保持した後、単結晶２４の育成が進むにつれてサブワイヤ１２に加えられる引張荷重が徐々に増大する。そして、サブワイヤ１２の伸び量のばらつきやサブワイヤ巻き取りドラム６への巻き取りむら等のために、サブワイヤ巻き取りドラム６と保持装置３４との間における３本のサブワイヤの長さに差異を生じ、保持装置３４が傾いたり保持装置３４の中心軸が水平方向にずれたりする。その結果、単結晶２４が徐々に傾き始め、結晶成長界面における心振れが大きくなって単結晶２４の成長に悪影響を与え、多結晶化を引き起こす。
【００１２】
特公平７−１０３０００号公報で開示された結晶引上装置は、把持レバーによって単結晶を支持した後、複数本のワイヤの伸び量のばらつき等により単結晶の軸心が傾き、生産性を低下させるとともに、把持レバーとリング、種ホルダと可動部材との摩擦による発塵や端部における衝撃発生の危険性がある。更に、リングの自重落下による把持レバーの開き止めが確実に機能しないおそれがあるという問題もある。
【００１３】
また、特公平７−５１５号公報で開示された結晶引上装置は、爪が単結晶の表面をなぞりながらくびれ部に到達する構成であるため、単結晶に振動や衝撃が加えられ、有転位化するおそれがある。
また、特開平９−１８３６９４号公報で開示された単結晶保持装置は、シリンダによる挟持機構を有しているので、大重量の単結晶を安定的に保持するためには挟持力を大きくするように挟持部の長さが上下方向に長くなり、したがって装置高さが高くなり、小型化が困難である。また、前記シリンダをチャンバ上部の保持ケースに取着する際に、チャンバの密閉性を維持して外気から塵埃や不純物ガス等が進入しないような構造にするには複雑な構造となり、コスト高になる。また、単結晶インゴットを吊り治具で挟持する構造となっているので、挟持する際に挟持部に衝撃を与え易く、有転移化する可能性がある。
【００１４】
本発明は上記従来の問題点に着目してなされたもので、チョクラルスキー法による単結晶の製造において、保持装置で保持した大重量の単結晶を傾かせずに、衝撃を与えずに引き上げることができ、かつ小型化が可能な単結晶製造装置及び単結晶製造方法を提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
上記目的を達成するため、本発明に係る単結晶製造装置の第１発明は、回転及び昇降自在な中空シャフトと、中空シャフトに取着した保持レバーピンの回りに回動自在とされ、所定の保持姿勢で単結晶の拡径部下部を下方から保持可能な１個以上の保持レバーと、保持レバーを保持姿勢に移行する前の待機姿勢から保持姿勢に変換させる保持レバー駆動手段とを有する結晶保持機構と、下端に種結晶を取着するシードチャックが繋着され、中空シャフトの軸心に配置され、中空シャフトの昇降とは独立して巻き上げ可能とされると共に、中空シャフトと同期回転する主ワイヤを有する第１引き上げ機構と、結晶保持機構及び第１引き上げ機構を取着した支持板と、支持板を搭載した昇降自在なキャリッジベースと、キャリッジベースを昇降する昇降手段とを備えた構成としている。
第１発明の構成によれば、単結晶を保持する保持レバーを剛性の高い中空シャフトに取着し、中空シャフトを取着した支持板をキャリッジベースで昇降するようにしたので、サブワイヤに吊り下げられた従来の保持装置のように荷重の増加に伴うサブワイヤの伸びによる単結晶の傾きや軸心ずれが発生しない。従って、単結晶の心振れが発生しないので、安定した引き上げが可能となる。また、保持レバーにより単結晶の拡径部下部を下方から支持して保持するので、保持する際に振動や衝撃等を加えるおそれがない。保持レバーを待機姿勢と保持姿勢とに回動する機構なので、上下方向の長さも短く構成でき、簡単な構造となり、小型化が容易である。
【００１６】
また、本発明に係る単結晶製造装置の第２発明は、第１引き上げ機構は、主ワイヤに加わる荷重を検出する主ワイヤ用ロードセルを有し、キャリッジベースは、結晶保持機構及び第１引き上げ機構に加わる荷重を検出する合計重量用ロードセルを介して支持板を搭載した構成としている。
第２発明の構成によれば、ネック部に負荷している荷重を主ワイヤ用ロードセルによりモニタしてネック部の破断を防ぎ、合計重量用ロードセルの検出値に基づいて単結晶の直径制御を行うので、拡径部及び定径部の径が正確に制御できる。
【００１７】
また、本発明に係る単結晶製造装置の第３発明は、第１発明において、保持レバー駆動手段は、保持レバーに繋着され、かつ巻き上げ及び巻き戻しが自在なサブワイヤを有し、保持レバーとサブワイヤを、サブワイヤを巻き戻したときは保持レバーの単結晶を保持する保持部と反対側の自重により保持レバーが保持レバーピンの回りに回動して略垂直な待機姿勢となり、サブワイヤを巻き上げたときは保持レバーが略水平な保持姿勢に移行するように接続した構成としている。
第３発明の構成によれば、中空シャフトに回動自在に取着した保持レバーは、自由状態では保持レバーピンをはさんで保持部と反対側の自重により略垂直状態に即ち待機姿勢に保たれるので、単結晶引き上げ初期にネック部の下方に形成した単結晶の拡径部等は中空シャフト内を接触するなどの支障がなく上昇することができる。その後、保持レバーの待機姿勢から保持姿勢への移行は、保持レバーの自重に依存せずサブワイヤの巻き上げによって回動させるので、動作を確実に制御できる。
【００１８】
本発明に係る単結晶製造装置の第４発明は、第１発明において、保持レバー駆動手段は、引き上げ及び押し下げが自在なロッドを有し、ロッドの引き上げ又は押し下げにより保持レバーを保持レバーピンの回りに回動して略垂直な待機姿勢又は略水平な保持姿勢に移行するように、ロッドと保持レバーとの間を連結した構成としている。
第４発明の構成によれば、第１発明の作用及び効果に加えて、ロッドを押し下げる又は引き上げることにより、保持レバーを保持レバーピンの回りに確実に回動させて略垂直な待機姿勢又は略水平な保持姿勢に切換えることができるので、動作を確実に制御できる。したがって、引き上げ初期に保持レバーと単結晶の拡径部等とが接触することなく、保持時は確実に単結晶を保持して引き上げることができる。
【００１９】
本発明に係る単結晶製造装置の第５発明は、第１発明において、保持レバーが保持姿勢に移行したときに保持レバーの停止位置を固定するストッパを中空シャフトに設けた構成としている。
第５発明の構成によれば、保持レバーには単結晶を保持することによる荷重がかかるが、中空シャフトに設けたストッパにより保持レバーの停止位置を固定すると共に、保持レバーにかかる荷重を支持する。これにより、保持レバーは単結晶を振動させずに安定して保持でき、また単結晶の保持位置を精度良く固定するので、高精度の単結晶を製造できる。
【００２０】
また、本発明に係る単結晶製造方法は、チョクラルスキー法による単結晶製造方法において、ダッシュネック法を用いて種結晶中の転位を消失させて単結晶化した後、結晶径を拡大し、更に所定の直径まで縮小させて拡径部を形成し、この所定の直径を維持したまま所定の長さを有する定径部を形成し、定径部が保持レバーと略同一の高さに上昇したとき保持レバーを待機姿勢から保持姿勢に移行し、次に保持レバーを上昇させて単結晶の拡径部の下端部を保持した後、保持レバーを上昇させて単結晶を引き上げる方法としている。
上記方法によれば、無転位化のために形成したネック部の下方に形成された拡径部が引き上げられ、次に拡径部及び縮径部に続く定径部が保持レバーと同等の高さに引き上げられたとき、保持レバーを待機姿勢から保持姿勢に移行させるので、保持レバーの把持部は拡径部に触れることなく定径部の外周を囲むことができる。そして、保持レバーを上昇させることにより保持レバーは拡径部の下端部の円錐面に当接して単結晶を保持する。この後、単結晶の引き上げは保持レバーの上昇により行うので、従来のようにサブワイヤが単結晶の引き上げに関与することがなくなり、したがってサブワイヤの伸び量のばらつき等による単結晶の傾きが発生せず、高品質の単結晶を製造できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る単結晶製造装置の実施形態について図面を参照して説明する。なお、従来技術で説明したものと同一の構成要素については従来技術と同一の符号を付し、その説明を省略する。
図１に示すように、プルヘッド１内には、合計重量用ロードセル２を介して支持板３が設置され、支持板３の上面中央には主ワイヤ用ロードセル４を介して主ワイヤ巻き取りドラム５が設置されている。主ワイヤ巻き取りドラム５の周囲には１〜２個のサブワイヤ巻き取りドラム６及びプーリ７が設置されている。前記支持板３の下面には中空シャフト８が取着され、中空シャフト８の下部には１〜２個の保持レバー９が回動自在に取着されている。前記主ワイヤ巻き取りドラム５から垂下する主ワイヤ１０は中空シャフト８の中心を通り、下端にはシードチャック１１が繋着されている。また、サブワイヤ巻き取りドラム６からプーリ７を介して垂下するサブワイヤ１２の下端は、支持板３と中空シャフト８の段差部とにそれぞれ設けられた切り欠き穴を貫通し、保持レバー９の端部に繋着されている。
【００２２】
プルヘッド１の下端は真空シール１３を介してキャリッジベース１４に回転自在に取り付けられ、キャリッジベース１４は図示しない駆動源によるボールねじ１５の回転により、ガイドシャフト１６に沿って垂直方向に昇降する。また、プルヘッド１にはプーリ１７が取着されていて、キャリッジベース１４に取着された回転用モータ１８によりプルヘッド１が回転する。キャリッジベース１４の下面とアッパチャンバ１９の上端との間はベローズ２０により密閉されている。
【００２３】
図２〜図５に保持レバーの第１実施形態を示す。中空シャフト８の外側に固着したブラケット２１に保持レバーピン２２が取着され、保持レバー９は保持レバーピン２２を支点としてサブワイヤ１２の巻き取り、巻き戻しにより回動する。ただし、サブワイヤ１２を巻き戻したとき保持レバー９が自重により結晶保持部９ａを上にしてほぼ垂直姿勢をとるように、保持レバー９の他端にはウエイト９ｂが取着され、サブワイヤ１２の下端はウエイト９ｂに繋着されている。ブラケット２１の上面には、保持レバー９の回動範囲を９０°に制限するストッパ２３が固着されている。また、中空シャフト８には、図２及び図３に示すように保持レバー９を中空シャフト８内に回動させるための切り欠き窓８ａが設けられている。
【００２４】
保持レバー９の結晶保持部９ａは、図２の側面図である図３や図２の平面図である図４に示すように、左右それぞれ円環を２分割した形状を有し、結晶保持部９ａの内径は図１に示した単結晶２４の拡径部２４ａと肩部２４ｃとの間に形成した定径部２４ｂより十分に大きくて、かつ拡径部２４ａよりも小さい。また、結晶保持部９ａの上側内縁には図５に示すように円弧状の面取りが施されている。
【００２５】
上記構成の単結晶製造装置による単結晶引き上げ手順について説明する。従来方法と同じく、主ワイヤ１０を巻き戻して種結晶を融液２５に浸漬し、ネック部２６を形成しつつ結晶を無転位化する。次に、結晶径を所定寸法まで拡大して拡径部２４ａを形成した後、縮径して定径部２４ｂを形成する。定径部２４ｂの軸方向長さが所定寸法に達した後、肩広げ工程を経て直胴部２４ｄを形成する。この間、保持レバー９は融液面上方の所定の高さに静止し、自重で待機姿勢を保っている。
【００２６】
シードチャック１１、ネック部２６、拡径部２４ａ、定径部２４ｂが順次中空シャフト８内に進入し、保持レバー９が回動しても拡径部２４ａに衝突しない高さに単結晶２４が引き上げられた後、サブワイヤ巻き取りドラム６を駆動して各サブワイヤ１２を巻き取り、保持レバー９を保持姿勢にする。２個の保持レバー９はいずれもほぼ水平姿勢となり、ストッパ２３に当接して静止する。ここでサブワイヤ巻き取りドラム６の駆動を停止する。この後、主ワイヤ１０とキャリッジベース１４との間での速度の交換を行う。すなわち、結晶を引き上げている主ワイヤ１０の引き上げ速度を所定勾配で減速させてゼロに、キャリッジベース１４の上昇速度をゼロから主ワイヤ１０が結晶を引き上げていた速度へ所定勾配で上昇させる。この間、両者の速度の下降及び上昇の勾配を等しくすることにより、結晶の成長速度は維持され続け、主ワイヤ１０の巻き上げ速度がゼロになった時点より、結晶の成長は主ワイヤ１０の引き上げ速度からキャリッジベース１４の上昇速度により制御されるようになる。さらに、結晶を保持するために、主ワイヤ１０を速度ゼロから所定勾配で所定速度へ増速して巻き下げて下降させる。これと同時に、主ワイヤ１０に与えた下降速度分をキャリッジベース１４の上昇速度に所定勾配で与えて上昇させると、単結晶２４は所定の引き上げ速度を維持したまま保持レバー９が単結晶２４に対して相対的に上昇し、拡径部２４ａの下側円錐面に当接して単結晶２４を保持する。そのままの速度関係を維持しながら、主ワイヤ用ロードセル４の検出信号を監視し、保持レバー９への荷重移動をモニタする。主ワイヤ１０（ネック部）にかかる荷重が所定の荷重負荷まで減少したら、逆にキャリッジベース１４の上昇速度を所定勾配で減速して元の所定の引き上げ速度に戻し、これと同時にキャリッジベース１４の減速速度分を主ワイヤ１０に与えて巻き下げ速度を同一の所定勾配で減速してゼロにする。これ以降、合計重量用ロードセル２の検出値に基づいてキャリッジベース１４の上昇速度を調整しながら結晶の成長を制御していく。
本実施形態においては単結晶の直径制御は重量式で行い、その制御には、中空シャフト８及び保持レバー９等を有する結晶保持機構と主ワイヤ１０を巻き上げ、巻き下げする第１引き上げ機構との合計重量を検出する合計重量用ロードセル２の検出値を用いる。また、主ワイヤ１０の荷重を検出する主ワイヤ用ロードセル４により単結晶のネック部に負荷する荷重を検出して、ネック部の破断を防止する。なお、本発明における直径制御は合計重量用ロードセル２の検出値を用いて、主ワイヤ用ロードセル４の検出値は単結晶のネック部が負担する重量のモニタ用とした場合を示したが、これに限定されず、光学センサを用いた直径制御でもよい。さらに、磁場印加のＣＺにも適用可能なことは言うまでもない。
【００２７】
図６〜図８に保持レバーの第２実施形態を示す。この実施形態では単結晶は１個の保持レバー９で保持され、従ってプルヘッド内に設置するサブワイヤ巻き取りドラムも１個である。上記第１実施形態の保持レバーと同じく、中空シャフト８の下部に保持レバー９が回動自在に取着され、サブワイヤ１２を巻き戻したとき保持レバー９は自重により結晶保持部９ａを上にしてほぼ垂直姿勢をとる。
【００２８】
保持レバー９の結晶保持部９ａは、図７に示すように円環の一部を切り欠いた形状で、円環の内径は単結晶の定径部２４ｂの直径より十分に大きく、かつ拡径部２４ａよりも小さく、また切り欠き幅Ｗは定径部２４ｂの直径より大きい。前記円環部の上側内縁には、上記第１実施形態の保持レバーと同じく円弧状の面取りが施されている。その他の構造は第１実施形態の保持レバーと同一である。また、結晶保持部９ａの形状を図８のようにしてもよい。
本実施形態によると、１本の保持レバーで単結晶を保持するので、構成が簡単である。
【００２９】
図９〜図１０に保持レバーの第３実施形態を示す。第２実施形態と同じく単結晶は１個の保持レバー９で保持される。中空シャフト８の内部には、保持レバー９を保持姿勢にしたときフォーク部先端の水平面内位置を規制し、かつ、単結晶を保持した保持レバー９を支える２個のＵ形状のストッパ２７が固着されている。その他の構造は第１実施形態の保持レバーと同一である。
上記構成によると、Ｕ形状のストッパ２７により保持レバー９が位置決めされるので、単結晶が振動させることなく安定に、かつ位置精度良く保持され、高精度な単結晶を製造できる。
【００３０】
図１１〜図１３は保持レバーによる単結晶保持に当たって使用する拡径部、定径部の現在位置検出機構の第１実施形態の説明図である。この実施形態はレーザ光を使用するもので、図１１に示すようにメインチャンバに設けた石英窓の外側に発光部２８と受光部２９とを設置し、待機状態にある中空シャフト８の切り欠き窓８ａの上部に所定の幅Ｈを有するレーザ光３０を照射する。このレーザ光は図１２に示すように拡径部、定径部等によってそれらの直径の分だけ遮光され、遮光幅ｄに応じたレベルの遮光検出信号として出力される。また、中空シャフト８はプルヘッドとともに回転しているため、受光部２９の検出信号は図１３に示すように回転速度に応じた周期で間欠的である。そして、拡径部の通過による検出信号高さの変動の後、一定の高さの検出信号が継続すれば定径部が通過していることになり、この状態で一定時間経過したら保持レバーによる単結晶保持を開始するタイミングであることがわかる。なお、前記中空シャフト８の回転による間欠的な検出信号に関しては、信号の取り込み時間を適切に設定して連続信号として処理してもよいし、また低周波フィルタを設けて間欠的な検出信号を平均化した信号に対して所定のしきい値を設定し、レベル値により処理してもよい。
このような検出機構により、チャンバ外部より非接触で単結晶の引き上げ高さの現在位置が検出されるので、単結晶の表面を傷つけずに、かつチャンバ内の雰囲気に影響を与えずに検出でき、また確実に保持レバーにより単結晶を保持できる。さらに、レーザ光により検出するので、検出精度高い。
【００３１】
単結晶の現在位置検出機構の第２実施形態として、スポットレーザ光を用いてもよい。図１４〜図１６は第２実施形態を示す説明図で、上記第１実施形態と同様にメインチャンバの外側に発光部２８と受光部２９とを設置し、待機状態にある中空シャフトの切り欠き窓の上部にスポットレーザ光３１を照射する。このレーザ光の光路は、図１４、図１５に示すように単結晶の軸心からずれた位置、すなわち拡径部２４ａの外周と定径部２４ｂの外周とのほぼ中間点に定める。このようにすると、図１５に示すようにレーザ光の光軸よりも拡径部２４ａが下方にあるＡ位置では受光量が１００％、拡径部２４ａが前記光軸高さと略一致するＢ位置に近づくと光路が遮られて受光量は０％に低下する。そして、拡径部２４ａがＣ位置付近まで上昇すると受光量が再び１００％に回復する。従って、本実施例では、受光量が１００％に回復して所定時間が経過したときに、保持動作を開始しても差し支えない高さに定径部２４ｂが上昇しているものと判断する。これにより、保持レバーによる保持動作開始のタイミングを確実に検出できる。
【００３２】
図１７は保持レバーによる単結晶保持に当たって使用する拡径部、定径部の現在位置検出機構の第３実施形態の説明図である。この実施形態は、メインチャンバの外側に装着したＣＣＤカメラを使用するもので、待機状態にある中空シャフトの切り欠き窓の上部隙間から単結晶の育成状態を観察する。そして図１７に示すように、拡径部２４ａの下側円錐部と定径部２４ｂとの境界がＣＣＤカメラの視野の基準線３２に到達したときに、保持レバーによる単結晶保持を開始するタイミングであると判断する。
【００３３】
上記の各実施形態では保持レバーを待機姿勢から保持姿勢に移行させる手段としてワイヤを用いたが、次に、これに代わる保持レバー駆動手段の例を図１８〜図１９に示す。これらの図において、プルヘッド１内には、合計重量用ロードセル２を介して支持板３が設置され、支持板３の上面中央には主ワイヤ用ロードセル４を介して主ワイヤ巻き取りドラム５が設置されている。また、支持板３の上面には図示しない駆動源によって回転するボールねじ４１とガイドシャフト４２とが立設され、支持板３の上方には前記ボールねじ４１の回転によってガイドシャフト４２に沿って昇降する昇降板４３が設置されている。この昇降板４３の上面には、保持レバー駆動手段であるロッド４４の上端部を支える軸受４５が取着されている。前記軸受４５とキャップ４６とでロッド４４の上端部の軸部４４ａを挟持することにより、軸部４４ａを支点としてロッド４４を回動自在に支持することができる。
【００３４】
支持板３の下面には中空シャフト８が取着され、中空シャフト８の下部には１〜２個の保持レバー９が回動自在に取着されている。昇降板４３と支持板３と中空シャフト８の段差部とにそれぞれ設けられた切り欠き穴を貫通した前記ロッド４４の下端には、保持レバー９の端部が回動自在に軸着されている。
【００３５】
保持レバー９を待機姿勢にするときには、昇降板４３を下限位置に下降させてロッド４４を押し下げることにより、保持レバー９は図１８に示すように垂直に近い姿勢となる。そして、保持レバー９が回動しても拡径部２４ａに衝突しない高さに単結晶２４が引き上げられた後、昇降板４３を上昇させ、ロッド４４を引き上げることにより、図１９に示すように保持レバー９をほぼ水平姿勢にする。保持レバー９の回動範囲を制限するストッパを含めてその他の構造は第１実施形態の単結晶製造装置と同一である。したがって、ロッド４４により確実に保持レバー９の保持動作を開始できる。
尚、本実施形態では、ロッド４４を保持レバーピン２２を中心に保持レバー９の保持部と反対側に直接連結しているが、本発明はこれに限定されず、所定のリンクを介して連結したり、あるいは所定のリンクを介して保持レバー９の保持部に連結してもよい。
【００３６】
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）単結晶を保持レバーで保持した後の単結晶引き上げはキャリッジベースの上昇に依存するようにし、サブワイヤによる引き上げを廃止したので、サブワイヤの伸び量のばらつきや巻き取りドラムへの巻き取りむらによる単結晶軸心の傾きやずれが起こらず、有転位化又は成形ロスが皆無となる。また、結晶引き上げ速度の誤差も微小となる。従って、単結晶の生産性が向上する。
（２）待機姿勢の保持レバーを保持姿勢に変換する手段として保持レバーの自重に依存せず、サブワイヤまたはロッドを用いることにしたので、必要なときに確実に姿勢変換を制御できる。
（３）保持レバーは、単結晶に接触せずに待機姿勢から保持姿勢に移行するので、単結晶に衝撃、振動を与えない。したがって、有転移化してない単結晶を製造できる。
（４）保持レバーを剛性の高い中空シャフトに取着したので、複数本のサブワイヤに保持装置を吊り下げる従来技術よりも安定性が向上する。
（５）本単結晶製造装置は、キャリッジベースとアッパチャンバ上端との間を伸縮自在なベローズによって連結しているので、単結晶の製造時にキャリッジベースを昇降させることにより、主ワイヤと種結晶または育成中の単結晶とによって形成される振り子の共振周波数、すなわちシード軸共振回転数を任意に調節することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の単結晶製造装置の概略構成を示す縦断面図である。
【図２】結晶保持機構の第１例を示す縦断面図である。
【図３】図２に示した結晶保持機構の側面図である。
【図４】図２に示した結晶保持機構の平面図で、保持レバーを保持姿勢にした状態を示す。
【図５】保持レバー先端に設けた結晶保持部の側面図である。
【図６】結晶保持機構の第２例を示す縦断面図である。
【図７】図６に示した結晶保持機構の平面図で、保持レバーを保持姿勢にした状態を示す。
【図８】保持レバーの他の形状を示す平面図である。
【図９】結晶保持機構の第３例を示す縦断面図である。
【図１０】図９に示した結晶保持機構の平面図で、保持レバーを保持姿勢にした状態を示す。
【図１１】単結晶の現在位置検出機構の第１実施形態を示す説明図である。
【図１２】レーザ光の遮断状態を示す説明図である。
【図１３】レーザ光の受光信号の変化を示す説明図である。
【図１４】単結晶の現在位置検出機構の第２実施形態を示す説明図である。
【図１５】スポットレーザ光の観測点に対する単結晶の位置の変化を示す説明図である。
【図１６】スポットレーザ光の受光信号の変化を示す説明図である。
【図１７】ＣＣＤカメラの画像を示す説明図である。
【図１８】第２実施形態の単結晶製造装置の概略構成を示す縦断面図である。
【図１９】図１８に示した単結晶製造装置における保持レバー駆動機構の斜視図である。
【図２０】保持装置を備えた従来の単結晶製造装置の一例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１…プルヘッド、２…合計重量用ロードセル、３…支持板、４…主ワイヤ用ロードセル、５…主ワイヤ巻き取りドラム、８…中空シャフト、８ａ…切り欠き窓、９…保持レバー、９ａ…結晶保持部、９ｂ…ウエイト、１０…主ワイヤ、１２…サブワイヤ、１４…キャリッジベース、１５，４１…ボールねじ、１６，４２…ガイドシャフト、２０…ベローズ、２２…保持レバーピン、２３，２７…ストッパ、２４…単結晶、２４ａ…拡径部、２４ｂ…定径部、２８…発光部、２９…受光部、３０…レーザ光、３１…スポットレーザ光、４３…昇降板、４４…ロッド、４４ａ…軸部、４５…軸受、４６…キャップ。
Claims (4)
- 回転及び昇降自在な中空シャフト(8) と、中空シャフト(8)に取着した保持レバーピン(22)の回りに回動自在とされ、所定の保持姿勢で単結晶の拡径部下部を下方から保持可能な１個以上の保持レバー(9) と、保持レバー(9) を保持姿勢に移行する前の待機姿勢から保持姿勢に変換させる保持レバー駆動手段とを有する結晶保持機構と、下端に種結晶を取着するシードチャックが繋着され、中空シャフト(8) の軸心に配置され、中空シャフト(8) の昇降とは独立して巻き上げ可能とされると共に、中空シャフト(8) と同期回転する主ワイヤ(10)を有する第１引き上げ機構と、結晶保持機構及び第１引き上げ機構を取着した支持板(3) と、支持板(3)を搭載した昇降自在なキャリッジベース(14)と、キャリッジベース(14)を昇降する昇降手段とを備えた単結晶製造装置において、
保持レバー駆動手段は、保持レバー(9) に繋着され、かつ巻き上げ及び巻き戻しが自在なサブワイヤ(12)を有し、保持レバー(9) とサブワイヤ(12)を、サブワイヤ(12)を巻き戻したときは保持レバー(9) の単結晶を保持する保持部と反対側の自重により保持レバー(9) が保持レバーピン(22)の回りに回動して略垂直な待機姿勢となり、サブワイヤ(12)を巻き上げたときは保持レバー(9) が略水平な保持姿勢に移行するように接続したことを特徴とする単結晶製造装置。 - 回転及び昇降自在な中空シャフト(8) と、中空シャフト(8)に取着した保持レバーピン(22)の回りに回動自在とされ、所定の保持姿勢で単結晶の拡径部下部を下方から保持可能な１個以上の保持レバー(9) と、保持レバー(9) を保持姿勢に移行する前の待機姿勢から保持姿勢に変換させる保持レバー駆動手段とを有する結晶保持機構と、下端に種結晶を取着するシードチャックが繋着され、中空シャフト(8) の軸心に配置され、中空シャフト(8) の昇降とは独立して巻き上げ可能とされると共に、中空シャフト(8) と同期回転する主ワイヤ(10)を有する第１引き上げ機構と、結晶保持機構及び第１引き上げ機構を取着した支持板(3) と、支持板(3)を搭載した昇降自在なキャリッジベース(14)と、キャリッジベース(14)を昇降する昇降手段とを備えた単結晶製造装置において、
保持レバー駆動手段は、引き上げ及び押し下げが自在なロッド(44)を有し、ロッド(44)の引き上げ又は押し下げにより保持レバー(9) を保持レバーピン(22)の回りに回動して略垂直な待機姿勢又は略水平な保持姿勢に移行するように、ロッド(44)と保持レバー(9) との間を連結したことを特徴とする単結晶製造装置。 - 回転及び昇降自在な中空シャフト(8) と、中空シャフト(8)に取着した保持レバーピン(22)の回りに回動自在とされ、所定の保持姿勢で単結晶の拡径部下部を下方から保持可能な１個以上の保持レバー(9) と、保持レバー(9) を保持姿勢に移行する前の待機姿勢から保持姿勢に変換させる保持レバー駆動手段とを有する結晶保持機構と、下端に種結晶を取着するシードチャックが繋着され、中空シャフト(8) の軸心に配置され、中空シャフト(8) の昇降とは独立して巻き上げ可能とされると共に、中空シャフト(8) と同期回転する主ワイヤ(10)を有する第１引き上げ機構と、結晶保持機構及び第１引き上げ機構を取着した支持板(3) と、支持板(3)を搭載した昇降自在なキャリッジベース(14)と、キャリッジベース(14)を昇降する昇降手段とを備えた単結晶製造装置において、
保持レバー(9) が保持姿勢に移行したときに保持レバー(9)の停止位置を固定するストッパ(23,27) を中空シャフト(8) に設けたことを特徴とする単結晶製造装置。 - 第１引き上げ機構は、主ワイヤ(10)に加わる荷重を検出する主ワイヤ用ロードセル(4) を有し、キャリッジベース(14)は、結晶保持機構及び第１引き上げ機構に加わる荷重を検出する合計重量用ロードセル(2) を介して支持板(3)を搭載したことを特徴とする請求項１〜３の何れか１つに記載の単結晶製造装置。
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