JP4944698B2 - 結晶引上げ設備および重い結晶を製作するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、結晶引上げ設備、特にチョクラルスキー法による結晶引上げ設備であって、結晶昇降・回転装置が設けられており、該結晶昇降・回転装置によって、結晶が、そのネックで懸吊して融液から引き上げられるようになっており、ネックが、細い方の上側の領域と、太い方の下側の領域と、両領域の間に瘤とを有しており、さらに、結晶昇降・回転装置を補填する、結晶のための支持装置が設けられており、該支持装置が、結晶昇降・回転装置と無関係に下降可能なかつ結晶昇降・回転装置と協働して上昇可能な基体を有しており、該基体に少なくとも２つの爪が支承されており、これによって、該爪が、瘤を通過することを可能にする休止位置から、瘤に下方から係合する作業位置に運動可能である形式のものに関する。

さらに、本発明は、特に前述した設備に使用するための支持装置に関する。

さらに、本発明は、結晶引上げ設備内で、結晶のネック領域に設けられた瘤に、結晶のネック領域の負荷軽減のために、支持装置の爪を下方から係合させ、下方からの爪の係合を機械的に生ぜしめて、チョクラルスキー法により重い結晶を製作するための方法に関する。

チョクラルスキー法による結晶の引上げ時には、まず、溶融に起因するかまたは結晶種から伝播する構造欠陥、特に転位を育成結晶のネックからの一種の「逃がし」によって十分に最小限に抑えるかもしくは排除するために、横断面で見て強く縮径されたネックが育成される。その後、コーン状の区分に、かなり大きなほぼ不変の直径を備えた円筒状の区分が続き、最後に再びコーン状の区分が続くように育成が調整される。たとえばウェーハの製作のための出発製品として、最終的には、結晶の円筒状の区分しか重要ではない。ウェーハの経済的な製作を最適化するためには、ますます大きな直径が必要になる。その結果、育成された結晶のより高い重量が生ぜしめられる。この場合、育成技術的な理由から細く保ちたいネックが結晶の重量をもはや受け止めることができないという問題が生ぜしめられる。

したがって、すでに種々異なる支持装置が提案されている。ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１１１９５３号明細書に基づき、ネックが、引上げプロセスの特定の制御によって得られる瘤（こぶ）を備えたシステムが公知である。この場合、瘤の下方のネックは、瘤の上方の区分よりも太く形成される。支持装置はこの瘤に下方から係合し、これによって、荷重の一部を支持装置を介して後続の昇降装置に伝達することができる。支持装置はリング状の基体から成っている。この基体内には、２つの爪もしくはレバーが旋回可能に支承されている。基体内に配置されたハイドロリック的な操作手段によって、瘤を通過することを可能にする休止位置から、瘤に下方から係合する作業位置に爪を運動させることができる。操作には、比較的手間がかかる。各爪に対して、ニューマチック的に操作することができるシリンダと、弾性的な対応支承体とが設けられなければならない。このような操作手段は極めて手間を要し、さらに、故障しやすい。なぜならば、設備の、支持装置が位置する領域が高い温度を有しているからである。

米国特許第５９３８８４３号明細書に基づき、極めて簡単な原理が記載されている。爪は、基体に旋回可能に支承された２つのフォークである。両フォークは、その作業位置を規定するストッパに対して位置している。

結晶のネックに沿った基体の下降時には、まず、フォークが瘤によって側方に押圧され、これによって、基体が瘤を通過することができる。基体が瘤の下方に位置するやいなや、フォークが戻される。基体の上昇時には、フォークが瘤の下面に当て付けられ、この場合、ストッパに支持される。いま、基体の更なる上昇時には、結晶の荷重をここで支持することができる。このアッセンブリは、確かに極めて簡単であるが、基体の下降時にフォークが瘤に沿って滑動し、この瘤に損傷を与え得るという欠点を有している。さらに、摩耗によって、融液と結晶とを汚染し得ると共に転位形成に繋がり得る粒子が生ぜしめられる。さらに、結晶の接触によって、結晶体の、同じく結晶構造欠陥に繋がり得る振動および震動が生ぜしめられ得る。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１１１９５３号明細書 米国特許第５９３８８４３号明細書

本発明の課題は、上述した問題を克服すると同時に可能な限り簡単に形成されていて、したがって、ほとんど故障しにくい、結晶のための支持装置を備えた結晶引上げ設備を提供することである。

この課題を解決するために本発明の結晶引上げ設備では、各爪が、旋回軸を中心として旋回可能に基体に支承されており、該基体が、各爪に対して、休止位置を規定するストッパと、作業位置を規定するストッパとを有しており、休止位置において、爪の重心が、ネックから見て旋回軸よりも外側に位置していて、作業位置において、旋回軸よりも内側に位置しているように、ストッパが配置されているようにした。

本発明の結晶引上げ設備の有利な構成では、基体が、ネックを取り囲むリングであり、該リングにおいて、爪が、全周に均一に分配されて配置されている。

本発明の結晶引上げ設備の有利な構成では、爪が、当該設備のハウジングに支承された操作エレメントによって機械的に休止位置から作業位置に移動可能である。

本発明の結晶引上げ設備の有利な構成では、爪の一部が、バーとして形成されており、該バーが、休止位置で半径方向外向きに結晶の縁部を越えて突出しており、バーが、操作エレメントの１つと協働するようになっており、操作エレメントが、当該設備の、結晶の投影された直径の外部に位置する領域に配置されている。

本発明の結晶引上げ設備の有利な構成では、操作エレメントが、ロッドとして形成されており、該ロッドが、結晶に対して、有利には接線方向に延びていて、それぞれ対応配置されたバーの運動路の内部に位置している。

本発明の結晶引上げ設備の有利な構成では、ロッドが、当該結晶引上げ設備のハウジングに旋回可能に保持されていて、爪の操作の目的のために水平な位置に移動可能である。

本発明の結晶引上げ設備の有利な構成では、支持装置が、少なくとも１つの別の昇降・回転装置に連結されている。

本発明の結晶引上げ設備の有利な構成では、当該設備が、両昇降・回転装置の昇降・回転運動を調整することができるかまたは同期化することができる手段を有している。

本発明の結晶引上げ設備の有利な構成では、別の昇降・回転装置が、荷重センサまたはトルクセンサを有している。

前述した課題を解決するために本発明の支持装置では、当該支持装置が、リング状の基体から成っており、該基体の上面に少なくとも２つの爪が配置されており、基体が、各爪に対して、休止位置を規定するストッパと、作業位置を規定するストッパとを有しており、休止位置において、重心が、リング軸線から見て旋回軸よりも外側に位置していて、作業位置において、旋回軸よりも内側に位置しているように、ストッパが配置されており、爪の一部が、バーとして形成されており、該バーが、休止位置で半径方向外向きに突出しているようにした。

前述した課題を解決するために本発明の方法では、下方からの爪の係合を、該爪と、結晶引上げ設備のハウジングに支承された操作エレメントとの間の機械的な接触によって生ぜしめるようにした。

本発明の方法の有利な実施態様によれば、支持装置を、のちに作動が可能である回転位置にもたらし、その後、爪が、操作エレメントによって、結晶の瘤に下方から係合する作業位置に旋回させられるまで、支持装置を回転なしに下降させる。

本発明の方法の有利な実施態様によれば、支持装置を昇降・回転装置によって回転させ、これによって、支持装置の回転速度を結晶の回転速度に合致させる。

本発明の方法の有利な実施態様によれば、結晶のネック領域の負荷軽減の程度を、荷重センサまたはトルクセンサが供給する値と、設定値とに基づき調整する。

本発明の方法の有利な実施態様によれば、結晶の昇降・回転速度を結晶の昇降・回転装置の調整によって設定し、支持装置の昇降・回転装置を、センサによって測定された、昇降・回転速度に対する実際の値に従わせる。

本発明の方法の有利な実施態様によれば、爪を休止位置から作業位置に運動させ、爪の運動を生ぜしめるために、結晶を接触させない。

本発明の方法の有利な実施態様によれば、結晶を、完成後の取出しのために、ネック領域に設けられた瘤の下方でかつ支持装置の下方で切り離し、この場合、爪が、まだ作業位置に位置している。

本発明によれば、各爪は旋回軸を中心として旋回可能に基体に支承されていて、安定した２つの位置、つまり、休止位置と作業位置とをとることができる。こうして、作動を著しく簡単にすることができる。なぜならば、爪を休止位置から、爪の重心が旋回軸の上方に位置する不安定な位置にもたらすために、単に機械的に作用する簡単な手段で十分であるからである。不安定な位置から、爪は自動的に作業位置に傾倒する。この場合、本発明によれば、爪は結晶に対する反作用なしに作動させられる。休止位置から作業位置への爪の運動は、この間に結晶が接触させられる必要なしに生ぜしめられる。したがって、作動過程による結晶成長の妨害が排除されている。

基体が、結晶のネックを取り囲むリングであり、このリングにおいて、爪が、全周に均一に分配されて配置されていると有利である。最も簡単な事例では、反対の側に位置する２つの爪が設けられていれば十分である。

さらに、本発明は、爪が、結晶引上げ設備内に配置された定置の操作手段によって機械的に休止位置から作業位置に移動可能であることを提案している。

このようなアッセンブリでは、基体自体を操作手段から自由に保持することができ、これによって、基体が簡単に形成されている。外部に位置する操作手段によって、爪を基体の下降の間の瘤の通過時にその休止位置に保持することができ、これによって、瘤と爪との間に接触が生ぜしめられない。基体が瘤を通過した後に初めて、爪が、外部に位置する操作手段によって機械的に休止位置から作業位置にもたらされる。

爪が、外部に位置する操作手段と協働することができるように、爪の一部が、バーとして形成されており、このバーが、休止位置で半径方向外向きに結晶の縁部を越えて突出している。この場合、操作手段は、設備の、結晶の投影された直径の外部に位置する領域に位置していなければならず、これによって、更なる引上げ過程時に結晶を操作手段の間を通して運動させることができる。この操作手段は、有利にはロッドとして形成されたエレメントである。このエレメントは結晶に対して接線方向に延びていて、バーの運動路の内部に位置している。

有利には、ロッドが結晶引上げ設備のハウジングに旋回可能に保持されていてよく、したがって、爪の操作の目的のために水平な位置にもたらされさえすればよい。しかし、操作エレメントは、水平な位置と異なる適切なあらゆる位置をとってもよい。その形状も同じく所定のロッドの形状に限定されていない。プレートが、たとえば同じく適している。操作エレメントは移動可能に支承されていてもよく、これによって、操作エレメントを結晶の引上げ前にハウジングにおける設定された位置にもたらすことができる。この位置は、のちに、結晶の長さひいては結晶の重量を規定する。この結晶に対して爪が作動させられる。この位置は、有利には、結晶がネック領域で過負荷され、そこで引き裂かれそうになる前に、支持装置が結晶重量の一部を受け止めることができることにより選択される。これは、操作エレメントが、より大きな直径を備えた結晶の引上げ時に、より小さな直径を備えた結晶の引上げ時よりも十分に下方で結晶引上げ設備のハウジングに位置決めされる、すなわち、より小さな直径を備えた結晶の引上げ時よりも近くで融液に向かって位置決めされることを意味している。

支持装置は少なくとも１つの別の昇降・回転装置に連結されており、これによって、結晶重量が２つの昇降・回転装置に分配される。重量分配は、支持装置の昇降速度と、支持装置を保持するワイヤの弾性とによって調整される。両昇降・回転装置の回転は同期化されなければならず、これによって、両昇降・回転装置が同一の速度で回転させられる。

さらに、本発明は、請求項１０の特徴部に記載の特徴によって規定された支持装置自体に関する。

結晶荷重を支持装置に引き渡すためには、瘤が操作手段の上方に位置するまで、支持装置が別の昇降・回転装置によって下降させられる。この場合、爪は、まず、その休止位置に位置している。操作手段の通過時には、爪がその作業位置に旋回する。その後、支持装置が別の昇降・回転装置によって再び上昇させられ、これによって、内方旋回させられた爪が、瘤の下側の面に当て付けられ、これによって、結晶の荷重の一部を受け止める。荷重受止めの程度ひいては支持装置の昇降速度は、荷重センサによって供給された値と、荷重設定値とに基づき調整される。支持装置の回転運動は、マスタ・スレーブ方法により結晶昇降・回転装置の回転運動に同期化される。この場合、この結晶昇降・回転装置はマスタ機能をとり、別の昇降・回転装置はスレーブ機能をとる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面につき詳しく説明する。

図１によれば、支持装置は基体１から成っている。この基体１は少なくとも２つ、有利には４つのワイヤ２によって別の昇降・回転装置（図示せず）に懸吊している。この場合、結晶は支持装置と結晶昇降・回転装置とによって回転しながら融液から引き上げられる。

図２から知ることができるように、基体１の外側輪郭は、向かい合って位置する２つの辺に向かって伸長されていて、したがって、たとえば長く伸ばされた八角形の形状を有している。基体の中心には、円形の貫通孔３が位置している。この貫通孔３を通して、結晶５のネック４が案内されている。

基体１の上面には、向かい合って２つの切欠き６が位置している。両切欠き６内には、それぞれ１つの爪７が旋回軸８を中心として旋回可能に支承されている。各爪７の上面から、バー９が突出している。

１つの爪７は、安定した２つの位置をとることができる。一方の位置は、図１で左側に示した作業位置である。この作業位置では、爪７の下面が切欠き６の上面に載置している。この場合、爪７は貫通孔３内に突入していて、したがって、結晶５のネック４に設けられた瘤（こぶ）１０に下方から係合することができる。

休止位置では、爪７が外向きに旋回させられている。この場合、爪７の上面が切欠き６の縁部に支持されているかもしくはバー９が基体１の上面に支持されている。図１および図２の右側には、この休止位置が示してある。この休止位置では、爪７の重心が旋回軸８よりも外側に位置している。

爪７の自由端部は貫通孔３の外部に位置しており、これによって、瘤１０を貫通孔３を通して案内することができる。

休止位置では、爪７の重心が旋回軸８よりも僅かに外側に位置しており、これによって、爪７の僅かな傾倒が、この爪７を休止位置と作業位置との間の不安定な位置にもたらす。この不安定な位置から、爪７は重力によって、左側に図示した作業位置に旋回する。不安定な中間位置は、図１ａの右側に示してある。爪７の重心は旋回軸８の丁度真上に位置している。旋回運動は、バー９が、結晶引上げ設備のハウジング内に定置に配置されたロッド１１に接触させられ、これにより、基体１の更なる下降時にバー９ひいては爪７が不安定な位置（図１ａ参照）に傾倒することによって生ぜしめられる。この不安定な位置から、爪７は自動的に作業位置に落下する。

ロッド１１は結晶引上げ設備のハウジングに傾倒可能に支承されている。ロッド１１はそのアクティブな操作位置で水平にハウジング内に延びている。しかし、この場合、ロッド１１は、結晶によって通走される領域から所定の間隔を保っている。

したがって、爪７に設けられたバー９は、ロッド１１に交差するために、相応に長く形成されていなければならない。

結晶５はネック４の上方で慣用の昇降・回転装置に懸吊している。この昇降・回転装置は、引上げワイヤ装置または引上げシャフトを備えた装置であってよい。

結晶の回転と支持装置の回転とは同期化され、これによって、爪７が瘤１０に下方から係合した場合には、両昇降・回転装置が同じ回転速度を有している。この場合、調整は、マスタ・スレーブ法により行われる。この場合、結晶の昇降・回転装置に対する調整がマスタとして機能する。

両昇降・回転装置の間の適切な荷重分配を生ぜしめるためには、少なくとも一方の昇降・回転装置、有利には支持装置に用いられる昇降・回転装置に荷重センサまたはトルクセンサが設けられる。

結晶の完成後、この結晶が、有利にはネック領域に設けられた瘤の下方でかつ支持装置の下方で切り離される。この場合、爪はまだ作業位置に位置している。

結晶引上げ設備の別のエレメントは図示していない。なぜならば、これらのエレメントは当業者に十分に周知の構造であるからである。

爪を有する支持装置の側面図である。 爪の別の位置を備えた支持装置の別の側面図である。 図１に示した支持装置の平面図である。

符号の説明

１ 基体、 ２ ワイヤ、 ３ 貫通孔、 ４ ネック、 ５ 結晶、 ６ 切欠き、 ７ 爪、 ８ 旋回軸、 ９ バー、 １０ 瘤、 １１ ロッド

Claims (16)

1. チョクラルスキー法による結晶引上げ設備であって、結晶昇降・回転装置が設けられており、該結晶昇降・回転装置によって、結晶が、そのネックで懸吊して融液から引き上げられるようになっており、ネックが、細い方の上側の領域と、太い方の下側の領域と、両領域の間に瘤とを有しており、さらに、結晶昇降・回転装置を補填する、結晶のための支持装置が設けられており、該支持装置が、結晶昇降・回転装置と無関係に下降可能なかつ結晶昇降・回転装置と協働して上昇可能な基体を有しており、該基体に少なくとも２つの爪が支承されており、これによって、該爪が、瘤を通過することを可能にする休止位置から、瘤に下方から係合する作業位置に運動可能である形式のものにおいて、各爪（７）が、旋回軸（８）を中心として旋回可能に基体（１）に支承されており、該基体（１）が、各爪（７）に対して、休止位置を規定するストッパと、作業位置を規定するストッパとを有しており、休止位置において、爪（７）の重心が、ネック（４）から見て旋回軸（８）よりも外側に位置していて、作業位置において、旋回軸（８）よりも内側に位置しているように、ストッパが配置されており、爪（７）が、前記結晶引上げ設備のハウジングに支承された操作エレメントによって機械的に休止位置から作業位置に移動可能であることを特徴とする、チョクラルスキー法による結晶引上げ設備。
2. 基体（１）が、ネック（４）を取り囲むリングであり、該リングにおいて、爪（７）が、全周に均一に分配されて配置されている、請求項１記載の結晶引上げ設備。
3. 爪（７）の一部が、バー（９）として形成されており、該バー（９）が、休止位置で半径方向外向きに結晶（５）の縁部を越えて突出しており、バー（９）が、操作エレメントの１つと協働するようになっており、操作エレメントが、当該設備の、結晶（５）の投影された直径の外部に位置する領域に配置されている、請求項１記載の結晶引上げ設備。
4. 操作エレメントが、ロッド（１１）として形成されており、該ロッド（１１）が、結晶（５）に対して接線方向に延びていて、それぞれ対応配置されたバー（９）の運動路の内部に位置している、請求項１または３記載の結晶引上げ設備。
5. ロッド（１１）が、当該結晶引上げ設備のハウジングに旋回可能に保持されていて、爪（７）の操作の目的のために水平な位置に移動可能である、請求項４記載の結晶引上げ設備。
6. 支持装置が、少なくとも１つの別の昇降・回転装置に連結されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の結晶引上げ設備。
7. 当該設備が、両昇降・回転装置の昇降・回転運動を調整することができるかまたは同期化することができる手段を有している、請求項６記載の結晶引上げ設備。
8. 別の昇降・回転装置が、荷重センサまたはトルクセンサを有している、請求項７記載の結晶引上げ設備。
9. 請求項１から８までのいずれか１項記載の結晶引上げ設備に使用するための支持装置において、当該支持装置が、リング状の基体（１）から成っており、該基体（１）の上面に少なくとも２つの爪（７）が配置されており、基体（１）が、各爪（７）に対して、休止位置を規定するストッパと、作業位置を規定するストッパとを有しており、休止位置において、重心が、リング軸線から見て旋回軸（８）よりも外側に位置していて、作業位置において、旋回軸（８）よりも内側に位置しているように、ストッパが配置されており、爪（７）の一部が、バー（９）として形成されており、該バー（９）が、休止位置で半径方向外向きに突出していることを特徴とする、支持装置。
10. 結晶引上げ設備内で、結晶のネック領域に設けられた瘤に、結晶のネック領域の負荷軽減のために、支持装置の爪を下方から係合させ、下方からの爪の係合を機械的に生ぜしめて、チョクラルスキー法により重い結晶を製作するための方法において、下方からの爪の係合を、該爪と、結晶引上げ設備のハウジングに支承された操作エレメントとの間の機械的な接触によって生ぜしめることを特徴とする、重い結晶を製作するための方法。
11. 支持装置を、のちに作動が可能である回転位置にもたらし、その後、爪が、操作エレメントによって、結晶の瘤に下方から係合する作業位置に旋回させられるまで、支持装置を回転なしに下降させる、請求項１０記載の方法。
12. 支持装置を昇降・回転装置によって回転させ、これによって、支持装置の回転速度を結晶の回転速度に合致させる、請求項１０または１１記載の方法。
13. 結晶のネック領域の負荷軽減の程度を、トルクセンサが供給する値と、設定値とに基づき調整する、請求項１０から１２までのいずれか１項記載の方法。
14. 結晶の昇降・回転速度を結晶の昇降・回転装置の調整によって設定し、支持装置の昇降・回転装置を、前記トルクセンサによって測定された、昇降・回転速度に対する実際の値に従わせる、請求項１３記載の方法。
15. 爪を休止位置から作業位置に運動させ、爪の運動を生ぜしめるために、結晶を接触させない、請求項１０から１４までのいずれか１項記載の方法。
16. 結晶を、完成後の取出しのために、ネック領域に設けられた瘤の下方でかつ支持装置の下方で切り離し、この場合、爪が、まだ作業位置に位置している、請求項１１から１５までのいずれか１項記載の方法。

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