JP5005747B2 - 単結晶を引き上げるための装置 - Google Patents

Description

本発明は、２つのネック部分の間に拡大した部分を有する単結晶を融液から引き上げるための装置に関する。

コストを減じるために、単結晶の製造は、できるだけ大きな結晶直径及び結晶長さを達成することが望ましい。このことは、チョクラルスキー法による産業スケールにおいて３００ｍｍの公称直径と３００ｋｇ以上の重量とを備えて引き上げられるシリコン単結晶の例から特に明らかである。４５０ｍｍの公称直径を有する単結晶を製造するための対応する方法は既に開発されている。

種結晶が融液に位置決めされると、熱ショックが転位を生ぜしめ、この転位は、単結晶が引き上げられることができる前に排除されなければならない。転位は、最初に引き上げられる比較的細いネック部分によって排除されることが証明されており、その経過において転位は結晶から追い出される。重い単結晶の場合、特に３００ｋｇ以上の重量を有するシリコン単結晶の場合、ネック部分における引張強度は、概して弱すぎて、荷重に耐えることができない。したがって、荷重が決定的になる前にネック部分を弛緩させることが、受け入れられた実用になった。このために、ネック部分は、上部及び下部のネック部分の間に拡大した部分を形成するために、拡大され、再びテーパされる。下部ネック部分は、上部ネック部分よりも太くなるように設計されており、対応して、より大きな引張強度を有している。上部ネック部分を弛緩させるために、拡大した部分の下側に係合する支持装置が使用され、少なくとも部分的に単結晶の重量を支持する。例えば、拡大した部分は、双円錐又は球の形式で成形されることができる。

米国特許出願公開第２００８／００２２９２２号明細書には、開口と、支持リングにおいて互いに向き合って配置されかつ軸線を中心に傾斜させられることができる掴み捕捉部材とを有する支持リングを有する支持装置が記載されている。掴み捕捉部材は、待機位置から保持位置へ傾斜運動を行うことができ、保持位置において、掴み捕捉部材は開口内へ及び拡大した部分の下側へ延びている。支持装置は、掴み捕捉部材が保持位置内へ不可逆的に落下するという欠点を有する。落下する捕捉部材の減衰されない落下は、粒子の発生を促進し、これは、結晶の継続的な単結晶成長を脅かす。さらに、掴み捕捉部材はもはや、転位の発生の後に結晶を戻し溶融させることができるために、待機位置へ戻されることはできない。

米国特許第５８４３２２９号明細書によれば、支持装置は、拡大した部分の下側に可逆的に係合することが可能であるように具体化されることもできる。これは、回転箇所において交差しかつ互いに向かって及び互いから離れるように、液圧式に作動するシリンダによって移動させられる２つのアームを有する掴み装置によって達成される。この実施形態に関する欠点は、アームが、せん断形式で互いを通過し、したがって、成長する単結晶の近傍における高い程度の粒子形成が予想されなければならないということである。さらに、シリンダは同様に作動中に粒子を発生する。しかしながら、単結晶を保護するために、粒子を保持するシールドの使用は、シールドがアームのための導出部を有する必要があるので、不十分である。さらに、導出部は、アームの側方移動を妨害することを回避するために十分な幅を有する必要がある。

米国特許出願公開第２００８／００２２９２２号明細書 米国特許第５８４３２２９号明細書

したがって、本発明の目的は、支持装置を有する、単結晶を引き上げるための装置を提供することであり、支持装置によって、成長する単結晶の近傍における高い程度の粒子形成を予想する必要なく、上部ネック部分を可逆的に弛緩させることが可能である。

この目的は、上部及び下部のネック部分の間に拡大した部分を有する単結晶を融液から引き上げるための装置によって達成され、前記装置には、
引上げケーブルを巻き取るためのケーブルドラムを有する、単結晶を引き上げるための引上げ装置と、
単結晶の重量の上部ネック部分を弛緩させるための支持装置とが設けられており、該支持装置が、開口と掴み捕捉部材とを有する支持リングを有しており、掴み捕捉部材が、互いに向き合っておりかつ軸受の軸線を中心にして回動させられることができるように、支持リングに固定されており、掴み捕捉部材が、待機位置から保持位置への可逆的な回動を行うことができ、保持位置において、掴み捕捉部材は、開口内へ及び拡大した部分の下側へ延びており、
掴み捕捉部材の軸受の軸線の両側において掴み捕捉部材に固定された支持ケーブル及び補助ケーブルを巻き取るためのケーブルドラムが設けられており、
補助ケーブルのケーブル経路を変更するための補助ローラが設けられており、その結果、掴み捕捉部材の回動が生ぜしめられる。

本発明による装置は、単結晶の上部ネック部分を可逆的に弛緩させることを可能にする。掴み捕捉部材は、単結晶の近傍における潜在的な粒子発生源であるとも考えられるが、掴み捕捉部材は、転位イベントをまれにしか生ぜしめないように、制御された注意深い形式で調整されることができる。保持位置において、掴み捕捉部材は、確実な荷重伝達が保証されるように、機械的に安定した形式で固定されている。

本発明によれば、２つ又は３つ以上の掴み捕捉部材のグループは、支持リングに回動可能に取り付けられており、かつそれぞれ、回動のための軸線の両側において、２つのケーブル（支持ケーブル及び補助ケーブル）において懸吊されており、これにより、掴み捕捉部材の制御された可逆的な回動が、関連した支持ケーブルに関して垂直に移動する個々の補助ケーブルの結果、生じる。さらに、折り込まれた保持位置における掴み捕捉部材を備えた種ホルダに関する、支持ケーブル及び補助ケーブルの同期した垂直移動は、制御された荷重伝達を提供する。本発明の好適な実施形態において、２つの掴み捕捉部材は、２つのケーブルドラムの合計に巻き付けられた、２つの支持ケーブル及び２つの補助ケーブルによって移動させられ、ケーブルドラムは、それらの部分のために、共通の駆動軸において延びている。その結果、全てのケーブル、ひいては支持装置全体の同期した垂直移動を達成するために、１つの駆動モータしか必要ない。支持ケーブルに関する補助ケーブルの垂直移動を行うために、少なくとも補助ケーブルが、それぞれ、ケーブルドラムから外れた後、１つの案内ローラを介して案内されており、２つの補助ローラは、制御された形式で、駆動装置によって補助ケーブルのケーブル経路内に移動させられ、その結果、補助ローラのケーブル経路は、長くされる。

本発明の特に好適な実施形態において、引上げケーブルを巻き取るためのケーブルドラム及びそれらの駆動装置、支持ケーブル及び補助ケーブルを巻き取るためのケーブルドラム及びそれらの駆動装置、及び補助ローラ及びそれらの駆動装置は、引上げケーブルの軸線を中心にして回動させられることができる共通の水平なプラットフォームに固定されている。この配列は、種ホルダ及び支持装置の回転のために１つの駆動モータしか必要なく、回転運動を同期させるという問題が生じないことを意味する。

以下に本発明を図面を参照しながらより詳細に説明する。

シリコン単結晶を製造するための好適な構成における本発明による装置を示す図である。 待機位置における掴み捕捉部材を備えた支持リングを示す図である。 保持位置における掴み捕捉部材を備えた支持リングを示す図である。 掴み捕捉部材が保持位置にある状態における引上げ装置及び支持装置のエレメントを示す図である。 掴み捕捉部材が待機位置にある状態における引上げ装置及び支持装置のエレメントを示す図である。

図１による装置は、真空ボイラ１を有しており、この真空ボイラ１の内部において、黒鉛加熱抵抗器２が、石英ガラスるつぼ４においてシリコン融液３を生ぜしめる。シリコン単結晶５は、引上げケーブル６を用いてこのシリコン融液３から引き上げられ、引上げケーブル６は、ケーブルドラム７が持上げモータ９によって回転させられた場合、ケーブルドラム７に巻き取られる。ケーブルドラム７及び持上げモータ９は、ケーブルロータリヘッドと呼ばれるユニットに配置されており、回転モータ１０によって回転させられることができ、これにより、引上げケーブル６及び単結晶５も、それ自体の軸線を中心にして連続的に回転する。約３００ｋｇ以上の重量を備えた重い単結晶が引き上げられる場合、種子提供の後にショック転位を排除することが必要とされる細いシリコンネック部分１１の支持能力は、もはや十分ではなく、これにより、荷重支持は、結晶の重量のために要求される。この理由から、細いネック部分１１の引上げの後、双円錐１３の引上げが行われ、そのあと、対応してより高い支持能力を有する太いネック部分１２、次いでより特定の意味における単結晶が引き上げられ、この単結晶は、初期円錐、一定の直径を備えた部分及び末端円錐に分割されている。引上げ過程の間、単結晶を支持し、細いネック部分１１を機械的に弛緩させるために、支持装置が使用され、この支持装置において、２つの掴み捕捉部材が環状のボディに回動可能に取り付けられており、この環状のボディは以下では支持リングと呼ばれる。支持リング１６及び掴み捕捉部材は図２及び図３に詳細に示されている。掴み捕捉部材は、待機位置において符号１７によって、保持位置において符号１８によって示されている。掴み捕捉部材の内向きの端部は、掴み捕捉部材１８が保持位置にある時には単結晶５の双円錐１３と接触させられることができるように具体化されている。掴み捕捉部材の回動は、制御された、可逆的な形式で行われ、各掴み捕捉部材は、２つのケーブル（支持ケーブル１４及び補助ケーブル１５）に取り付けられており、また、ケーブル適用箇所は、軸受の軸線の両側において、掴み捕捉部材に配置されている。掴み捕捉部材の回動は、ケーブル１４，１５の相対的な垂直移動によって開始される。支持装置が無負荷状態にある時に、支持ケーブル１４に対する移動によって掴み捕捉部材を外方又は内方へ回動させるために、補助ケーブル１５が使用されることができる。

支持リング１６には、掴み捕捉部材のためのストッパが設けられており、該ストッパは、保持位置に達した時に掴み捕捉部材１８の継続した回動を阻止する。掴み捕捉部材１８が保持位置を占めると、掴み捕捉部材の内向きの端部が単結晶５の双円錐１３と接触するまでケーブル１４，１５の同期した上方移動が開始される。ケーブル１４，１５がさらに僅かに上方移動すると、前記ケーブルの弾性により、双円錐１３に支持力が加えられ、前記力は、細いネック部分１１を弛緩させる。この状態において、支持ケーブル１４が実質的に支持ケーブルとして働き、この支持ケーブルに、単結晶の重量が部分的に、支持リング１６におけるストッパと、掴み捕捉部材の軸受とによって受け渡される。

引上げケーブル６を巻き取るためのケーブルドラム７と、このケーブルドラム７の行程駆動装置９と、支持ケーブル１４及び補助ケーブル１５を巻き取るためのケーブルドラム２１と、このケーブルドラム２１の行程駆動装置８とは、共通の水平なプラットフォーム１９に取り付けられている（図４）。プラットフォーム１９は、回転駆動装置１０によって、引上げケーブル６の軸線を中心にして回転させられる。したがって、駆動装置８及び９は、引上げケーブル６の垂直移動と、支持装置のケーブル１４，１５の同期した垂直移動とを、互いに独立して駆動することが可能である。細いネック部分１１の弛緩は、掴み捕捉部材１８が単結晶５の双円錐１３と接触した後に、制御された形式で開始されるようになっているので、ケーブルドラム７，２１の上方に案内ローラ２４，２５を挿入することが可能であり、この案内ローラ上に、ケーブル６，１４，１５が延びており、案内ローラの軸受はそれぞれロードセルに結合されており、これにより、個々のケーブルの重量による負荷に関する電子信号が、いかなる時にも入手できる。全てのケーブル６，１４，１５がそれぞれ案内ローラ２４，２５に対して垂直に延びていることを保証するために、ケーブルドラムが、横方向に移動させられることができるように、また、適切であるならば、ケーブルが巻き取られたり巻き出される時に調整されることができるように、駆動軸２２，２３に取り付けられていると有利である。

掴み捕捉部材を回動させるために、ケーブル１４，１５の相対的な回動は、それぞれ１つの別個の駆動装置と、１つの別個のケーブルドラムと、各支持ケーブル１４及び各補助ケーブル１５のための案内ローラとによって達せられることができる。しかしながら、同じ掴み捕捉部材に取り付けられた１対のケーブル１４，１５のために、それぞれ１つの共通のケーブルドラム２１を使用することは特に有利である。このことは、関連したケーブルドラム２１が回転しながら、２つのケーブル１４，１５の完全に同期した垂直移動を保証する。掴み捕捉部材を回動させるための相対移動は、小さな補助ローラ２７が補助ケーブル１５のケーブル経路に導入されこれにより前記ケーブル経路を長くすることによって開始される（図５）。双円錐１３と接触した完全に内方へ回動した掴み捕捉部材１８を備えた負荷された支持システムの場合、小さな補助ローラ２７は、補助ケーブル１５のケーブル経路から完全に除去され、ひいては、支持装置の支持力を決定するための重量測定も妨害しない（図４）。

全てのケーブルドラム２１のために共通の駆動軸２３を使用することも特に有利であり、これは、全てのケーブル１４，１５及び掴み捕捉部材の完全に同期した垂直方向走行が単一の駆動装置８を使用して行われることができることを意味する。第２の駆動軸２２は、ケーブルドラム７の独立した駆動装置９と共に、引上げケーブル６を巻き取るために働く。したがって、荷重を引上げケーブル６から支持装置の支持ケーブル１４に引き渡す全体的な過程は、案内ローラ２４，２５の重量計測からの重量信号を考慮して駆動軸２２，２３のための駆動装置８及び９を制御することによって制御されることができる。第３の駆動軸２６は、支持装置が無負荷状態にある場合に、補助ケーブル１５のケーブル経路内への小さな補助ローラ２７の移動を開始するために、比較的弱い、単純な駆動装置を使用してよい（図５）。これにより、補助ケーブル１５は、支持ケーブル１４に対して所定の距離だけ上方へ移動させられ、これは、掴み捕捉部材を外方へ回動させる。掴み装置１７のこの待機位置において、支持装置は、全てのケーブル１４，１５の同期した上方移動によって休止位置へ移動させられることができる。

１ 真空ボイラ、 ２ 黒鉛加熱抵抗器、 ３ シリコン融液、 ４ 石英ガラスるつぼ、 ５ シリコン単結晶、 ６ 引上げケーブル、 ７ ケーブルドラム、 ９ 持上げモータ、 １０ 回転モータ、 １１ 細いネック部分、 １２ 太いネック部分、 １３ 双円錐、 １４ 支持ケーブル、 １５ 補助ケーブル、 １６ 支持リング、 １７，１８ 掴み捕捉部材、 １９ プラットフォーム、 ２１ ケーブルドラム、 ２２，２３ 駆動軸、 ２４，２５ 案内ローラ、 ２７ 小さな補助ローラ

Claims (5)

1. 上部ネック部分と下部ネック部分との間の拡大部分を有する単結晶を融液から引き上げるための装置において、該装置に、
   単結晶を引き上げるための引上げ装置が設けられており、該引上げ装置が、引上げケーブルを巻き取るためのケーブルドラムを有しており、
   単結晶の重量の上部ネック部分を弛緩させるための支持装置が設けられており、該支持装置に、
   開口及び掴み捕捉部材を有する支持リングが設けられており、前記掴み捕捉部材が、互いに向き合いかつ軸受の軸線を中心にして回動させられることができるように、支持リングに取り付けられており、掴み捕捉部材が、待機位置から保持位置への可逆的な回動を行うことができ、前記保持位置において、掴み捕捉部材が開口内へ及び拡大部分の下側へ延びており、
   掴み捕捉部材の軸受の軸線の両側において掴み捕捉部材に取り付けられた支持ケーブル及び補助ケーブルを巻き取るためのケーブルドラムが設けられており、
   補助ケーブルのケーブル経路を変更させるための補助ローラが設けられており、その結果、掴み捕捉部材の回動が生ぜしめられるようになっていることを特徴とする、単結晶を融液から引き上げるための装置。
2. 引上げケーブルの軸線を中心にして回転するプラットフォームが設けられており、該プラットフォームに、引上げケーブルを巻き取るためのケーブルドラムと、支持ケーブル及び補助ケーブルを巻き取るためのケーブルドラムと、補助ローラとが取り付けられている、請求項１記載の装置。
3. 同じ掴み捕捉部材に取り付けられた支持ケーブル及び補助ケーブルを巻き取るための共通のケーブルドラムが設けられている、請求項１又は２記載の装置。
4. 支持ケーブル及び補助ケーブルを巻き取るためのケーブルドラムの共通の駆動装置が設けられている、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. 請求項１から４までのいずれか１項記載の装置を使用する、単結晶を引き上げるための方法。

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