JP6922527B2

JP6922527B2 - シリコン単結晶の製造装置及び製造方法

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Description

本発明は、シリコン単結晶の製造装置及び製造方法に関し、特に、浮遊帯域溶融法（ＦＺ法）によりシリコン単結晶を製造する際の原料の保持構造に関する。

シリコン単結晶を育成する方法の一つとしてＦＺ（Floating Zone）法が知られている。ＦＺ法では多結晶シリコンからなる原料ロッドの一部を加熱して溶融帯域を作り、溶融帯域を表面張力で支えながら溶融帯域の上方及び下方にそれぞれ位置する原料ロッド及び単結晶を下方に移動させることにより単結晶を徐々に成長させる。ＦＺ法はＣＺ法のようにシリコン融液を支持するための石英ルツボを用いる必要がなく、融液中の酸素濃度が非常に低いことから、格子間酸素濃度が非常に低い高品質なシリコン単結晶を製造することができ、高い絶縁耐圧が要求されるパワー半導体（ディスクリート半導体）の基板材料として好ましく用いられている。

シリコン単結晶を半導体として機能させるためにはｐ型或いはｎ型の不純物のドーピングが必要である。ＦＺ法では溶融帯域にドーパントガスを吹き付けるガスドーピングによってシリコン単結晶への不純物のドーピングが行われている。例えば特許文献１には、単結晶の回転方向を交互に変更するとともに、原料ロッドの回転方向及び／又は回転数を変更することにより、単結晶中に取り込まれるドーパントの面内分布を制御し、単結晶から製造されるウェーハの抵抗率の面内ばらつきを低減する方法が記載されている。

また特許文献２には、単結晶をベース角度で回転させるベース回転と、ベース回転とは逆方向にベース角度よりも小さなカウンター角度で回転させるカウンター回転とを交互に繰り返しながらガスドーピングする際に、固液界面における原料ロッドの直径に応じてベース角度とカウンター角度の組み合わせを定めることにより、単結晶の抵抗率の面内ばらつきを抑え、これにより製造ロット内の単結晶ウェーハの耐圧ばらつきを小さくすることが記載されている。

また特許文献３には、原料結晶棒を保持する上軸と、単結晶棒を保持する下軸と、誘導加熱コイルに高周波電力を供給する電極と、上軸、下軸、及び電極のいずれかが一つ以上の中心軸の傾きあるいは基準位置からの変位を検出する機構と、検出された中心軸の傾きあるいは基準位置からの変位を自動調整する機構と、調整量を演算する演算機構とを備えた半導体単結晶棒の製造装置が記載されている。

特開２０１１−２２５４５１号公報特開２０１５−２２９６１２号公報特開２０１６−５６０３６号公報

最近、ＦＺ法により製造されるシリコンウェーハの抵抗率の面内分布に対する要求は厳しさを増しており、特に、抵抗率の面内ばらつきを例えば±８％以内に収めることが望まれている。そのためには、シリコン単結晶の抵抗率の面内分布のミクロな変動を低減する必要があり、単結晶を安定的に育成するためのさらなる改善が必要である。

したがって、本発明の目的は、シリコン単結晶の抵抗率の面内分布のミクロな変動を抑制することが可能なシリコン単結晶製造装置及び製造方法を提供することにある。

本願発明者らは、ＦＺ法により製造されるシリコン単結晶の抵抗率の面内分布がばらつくメカニズムについて鋭意研究を重ねた結果、原料ロッドのわずかな芯振れが要因の一つとなっていることを見出した。

本発明はこのような技術的知見に基づくものであり、本発明によるシリコン単結晶製造装置は、原料ロッドを支持する上軸と、前記原料ロッドの下方においてシリコン単結晶を支持する下軸と、前記上軸の下端部に前記原料ロッドを取り付けるための取り付け治具とを備え、前記取り付け治具は、前記上軸に取り付けられた際に前記取り付け治具の中心軸を前記上軸の中心軸に一致させる軸合わせ構造を有することを特徴とする。

また、本発明によるシリコン単結晶の製造方法は、原料ロッドの一部を加熱して溶融帯域を形成し、前記溶融帯域の上方及び下方にそれぞれ位置する前記原料ロッド及び単結晶を下方に移動させて前記単結晶を成長させるＦＺ法によるシリコン単結晶の製造方法であって、前記原料ロッドを支持する上軸の下端部に取り付け治具を介して前記原料ロッドを取り付けると共に、前記取り付け治具に設けられた軸合わせ構造によって前記取り付け治具の中心軸を前記上軸の中心軸に一致させることを特徴とする。

本発明によれば、取り付け治具を介して原料ロッドを上軸に取り付けるだけで原料ロッドの中心軸を上軸の中心軸に自己整合させることができ、また上軸に対して原料ロッドを確実に固定することができる。したがって、単結晶育成工程中における原料ロッドの芯振れを抑えることができ、これによりシリコン単結晶の抵抗率の面内分布のミクロな変動を抑制することができる。

本発明において、前記取り付け治具は、前記原料ロッドの上端部を保持する原料ロッド保持部材と、前記上軸と軸合わせされた状態で前記上軸の下端部に取り付けられた第１の嵌合部材と、前記原料ロッド保持部材と軸合わせされた状態で前記原料ロッド保持部材の上端部に取り付けられ、前記原料ロッド保持部材を前記第１の嵌合部材に連結する第２の嵌合部材とを含み、前記軸合わせ構造は、前記第１の嵌合部材及び前記第２の嵌合部材の少なくとも一方に形成されたテーパー状の円周面を含むことが好ましい。

これによれば、原料ロッドを上軸に取り付ける際に、上軸側に設けられた第１の嵌合部材及び原料ロッド側に設けられた第２の嵌合部材の少なくとも一方がテーパー形状を有しているので、第２の嵌合部材を第１の嵌合部材に嵌合させるだけで原料ロッド保持部材の中心軸を上軸の中心軸と一致させることができ、また原料ロッド保持部材を確実に固定することができる。したがって、単結晶育成工程中における原料ロッドの芯振れを抑えることができ、これによりシリコン単結晶の抵抗率の面内分布のミクロな変動を抑制することができる。

本発明において、前記第１の嵌合部材は、前記上軸の下端部に嵌合するフランジ形状を有することが好ましい。これによれば、第１の嵌合部材を上軸の下端部に確実に取り付けることができ、上軸に対する第１の嵌合部材のガタつきを抑えることができる。また第１の嵌合部材の主面の向きを上軸の中心軸と正確に一致させることができ、取り付け精度の向上を図ることができる。

本発明において、前記第２の嵌合部材は、前記第１の嵌合部材との嵌合位置から持ち上がり可能な状態で前記第１の嵌合部材に嵌合していることが好ましい。これによれば、第２の嵌合部材の高さ方向の動きに遊びを持たせることができ、第２の嵌合部材が熱膨張しても上部に逃げることができる。また、原料ロッドに意図しない上向きの応力がかかったとしても第２の嵌合部材が持ち上がるだけで上軸にかかる応力を逃がすことができ、上軸の駆動系の損傷を回避することができる。

本発明において、前記軸合わせ構造は、前記第１の嵌合部材に設けられた貫通孔と、前記第２の嵌合部材に設けられたテーパー部とを含み、前記テーパー部は下方に向かって縮径するテーパー状の外周面を有し、前記第２の嵌合部材は前記貫通孔に挿入されており、前記第１の嵌合部材は前記テーパー部の外周面に当接していることが好ましい。この場合において、前記貫通孔は、上端から下方に向かって縮径するテーパー状の内周面を有し、前記第１の嵌合部材の前記テーパー状の内周面は、前記第２の嵌合部材の前記テーパー部の外周面に当接していてもよい。また、前記貫通孔の上側開口はＲ面取りされており、前記第１の嵌合部材の前記テーパー状の内周面は、前記第２の嵌合部材の前記貫通孔の上側開口のＲ面に当接していてもよい。

本発明において、前記軸合わせ構造は、前記第１の嵌合部材に設けられた貫通孔と、前記第２の嵌合部材に設けられたヘッド部とを含み、前記貫通孔は、上端から下方に向かって縮径するテーパー状の内周面を有し、前記第２の嵌合部材は前記貫通孔に挿入されており、前記ヘッド部は前記貫通孔のテーパー状の内周面に当接していることが好ましい。

本発明において、前記軸合わせ構造は、前記第１の嵌合部材に設けられたテーパー部と、前記第２の嵌合部材に設けられた貫通孔とを含み、前記テーパー部は上方に向かって縮径するテーパー状の外周面を有し、前記第１の嵌合部材は前記貫通孔に挿入されており、前記第１の嵌合部材は前記テーパー部の外周面に当接していることが好ましい。この場合において、前記貫通孔は、下端から上方に向かって縮径するテーパー状の内周面を有し、前記第１の嵌合部材の前記テーパー状の内周面は、前記第２の嵌合部材の前記テーパー部の外周面に当接していてもよい。

本発明において、前記軸合わせ構造は、前記第１の嵌合部材に設けられたヘッド部と、前記第２の嵌合部材に設けられた貫通孔とを含み、前記貫通孔は、下端から上方に向かって縮径するテーパー状の内周面を有し、前記第１の嵌合部材は前記貫通孔に挿入されており、前記ヘッド部は前記貫通孔のテーパー状の内周面に当接していることが好ましい。

本発明によれば、原料ロッドの芯振れによるシリコン単結晶の抵抗率の面内分布のミクロな変動を抑制することが可能なシリコン単結晶製造装置及び製造方法を提供することができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態による単結晶製造装置の構成を概略的に示す断面図である。図２は、原料ロッド１を上軸１１に取り付ける際に用いられる取り付け治具２０の構造を示す略断面図である。図３は、取り付け治具を用いて原料ロッドを上軸に取り付ける工程を説明するための模式図である。図４は、原料ロッド１の振れ幅の測定方法の一例を説明するための略平面断面図である。図５は、原料ロッド１の振れ幅の測定方法の一例を説明するための略側面断面図である。図６は、第２の実施形態による取り付け治具２０の構造であって、第１及び第２の嵌合部材２２，２３の形状を示す略断面図である。図７は、第３の実施形態による取り付け治具２０の構造であって、第１及び第２の嵌合部材２２，２３の形状を示す略断面図である。図８は、第４の実施形態による取り付け治具２０の構造を示す略断面図である。図９は、第５の実施形態による取り付け治具２０の構造を示す略断面図である。図１０は、第６の実施形態による取り付け治具２０の構造を示す略断面図である。図１１（ａ）〜（ｄ）は、原料ロッドの芯振れ幅と単結晶の抵抗率の面内ばらつきとの関係を示すグラフであって、（ａ）及び（ｂ）は比較例、（ｃ）及び（ｄ）は実施例をそれぞれ示している。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態によるシリコン単結晶製造装置の構成を概略的に示す断面図である。

図１に示すように、このシリコン単結晶製造装置１０は、原料ロッド１を支持する上軸１１と、上軸１１を回転及び昇降駆動する上軸駆動機構１２と、原料ロッド１を加熱するための誘導加熱コイル１３（加熱手段）と、シリコン単結晶２を支持する下軸１４と、下軸１４を回転及び昇降駆動する下軸駆動機構１５と、原料ロッド１とシリコン単結晶２との間の溶融帯域３にパージガスを吹き付けるためのパージガス供給ノズル１６と、溶融帯域３を撮影するＣＣＤカメラ１７と、ＣＣＤカメラ１７が撮影した画像データを処理する画像処理部１８と、画像データに基づいて上軸駆動機構１２、下軸駆動機構１５及び誘導加熱コイル１３を制御する制御部１９とを有している。

原料ロッド１は取り付け治具２０を介して上軸１１の下端に吊設されている。上軸駆動機構１２は、制御部１９からの指示に従って上軸１１の降下速度及び回転速度を制御し、これにより原料ロッド１の降下速度と回転速度が制御される。誘導加熱コイル１３は原料ロッド１の周囲を取り囲むループ導体であり、発振器から誘導加熱コイル１３に高周波電流が供給されることで原料ロッド１が誘導加熱されて溶融する。

下軸１４の上端部には種結晶４が取り付けられており、この種結晶４を大きく成長させることによりシリコン単結晶２が製造される。下軸駆動機構１５は、制御部１９からの指示に従って下軸の降下速度及び回転速度を制御し、これによりシリコン単結晶２の降下速度と回転速度を制御する。パージガス供給ノズル１６からはドーパントを含む不活性ガスが供給される。

上軸１１、誘導加熱コイル１３及び下軸１４はチャンバー３０内に設けられており、シリコン単結晶２はチャンバー３０内で育成される。ＣＣＤカメラ１７はチャンバー３０の外側に設置されており、チャンバー３０に設けられた覗き窓を通してチャンバー３０内を撮影することができる。本実施形態において、ＣＣＤカメラ１７は複数台設けられていてもよい。チャンバー３０の壁体は上軸１１及び原料ロッド１の全周を取り囲んでいるが、原料ロッド１を上軸１１に取り付ける際はチャンバー３０の壁体の一部が開かれ、チャンバー３０内が開放状態になるので、上軸１１の下端部に原料ロッド１を取り付けることが可能となる。種結晶４を下軸１４の上端部に取り付ける場合も同様である。

図２は、原料ロッド１を上軸１１に取り付ける際に用いられる取り付け治具２０の構造を示す略断面図である。

図２に示すように、取り付け治具２０は、原料ロッド１の上端部を保持する原料ロッド保持部材２１と、上軸１１の下端部に取り付けられた第１の嵌合部材２２と、原料ロッド保持部材２１の上端部に取り付けられ、原料ロッド保持部材２１を第１の嵌合部材２２に連結させるための第２の嵌合部材２３とで構成されている。原料ロッド１は、直径が一定の直胴部１ａと、直胴部１ａの下端から下方に向かって徐々に縮径する略円錐形状のテーパー部１ｂとを有しており、テーパー部１ｂが下向きの状態で取り付け治具２０に保持されている。

上軸１１の下端部は中空構造であり、第１の嵌合部材２２は補強部材２４を介して上軸１１の下端に固定されている。第１の嵌合部材２２の中心部には貫通孔２２ａが形成されており、また第１の嵌合部材２２はフランジ部２２ｂを有している。第１の嵌合部材２２がフランジ形状を有することにより、上軸１１の下端部に第１の嵌合部材２２を嵌合させることができ、上軸１１に対する第１の嵌合部材２２のガタつきを抑えて確実に取り付けることができる。また第１の嵌合部材２２の主面が上軸１１の中心軸と直交するように正確に取り付けることができ、第１の嵌合部材２２の取り付け精度を向上させることができる。

第２の嵌合部材２３は、第１の嵌合部材２２の貫通孔２２ａに挿入可能な細長い棒状の部材であり、第２の嵌合部材２３の下端部は貫通孔２２ａの下端よりも下方に突出しており、原料ロッド保持部材２１は第２の嵌合部材２３の下端部に接続されている。

本実施形態において、第２の嵌合部材２３は、ヘッド部２３ａと、ヘッド部２３ａの下方に設けられヘッド部２３ａよりも小さな直径を有するシャフト部２３ｂと、ヘッド部２３ａとシャフト部２３ｂとの間に設けられたテーパー部２３ｃとを有し、テーパー部２３ｃは下方に向かって直径が徐々に縮径するテーパー形状を有している。第２の嵌合部材２３はシャフト部２３ｂとテーパー部２３ｃだけで構成されヘッド部２３ａが省略されたものであってもよく、ヘッド部２３ａとテーパー部２３ｃだけで構成されシャフト部２３ｂが省略されたものであってもよく、テーパー部２３ｃだけで構成されヘッド部２３ａとシャフト部２３ｂが省略されたものであってもよい。

第２の嵌合部材２３のシャフト部２３ｂが貫通孔２２ａに挿入された状態ではテーパー部２３ｃの外周面（テーパー面）が第１の嵌合部材２２の貫通孔２２ａの上端開口の内周エッジに当接し、これにより第２の嵌合部材２３は第１の嵌合部材２２に嵌合している。テーパー部２３ｃの下端側の直径は貫通孔２２ａの直径よりも小さいが、テーパー部２３ｃの上端側の直径は貫通孔２２ａの直径よりも大きいので、第２の嵌合部材２３が貫通孔２２ａを通過して下方に抜け落ちることはなく、第１の嵌合部材２２に嵌合した状態が維持される。またテーパー面に当接しているので、第２の嵌合部材２３を貫通孔２２ａに挿入するだけで第２の嵌合部材２３はテーパー面にガイドされながら降下して両者の中心軸が一致すると共に、両者を全周にわたって密着させることができる。

第２の嵌合部材２３は単に貫通孔２２ａに挿入されているだけであるため、上向きの応力が加わったときに持ち上がり可能である。第２の嵌合部材２３の持ち上がり量は第２の嵌合部材２３の上方を覆う補強部材２４によって制限されてもよい。このように、第２の嵌合部材２３の高さ方向の動きに遊びを持たせているので、第２の嵌合部材２３が熱膨張し、あるいは原料ロッド１に意図しない上向きの応力がかかったとしても第２の嵌合部材２３が持ち上がるだけで上軸駆動機構１２にかかる応力を逃がすことができ、上軸駆動機構１２の故障を回避することができる。

原料ロッド保持部材２１は、上側支持プレート２６と、上側支持プレート２６と略平行に設けられ、連結ネジ２６ｂを介して上側支持プレート２６に連結された下側支持プレート２７と、下側支持プレート２７の下面側に取り付けられた３つの爪部２７ａとを有しており、爪部２７ａは原料ロッド１の上端部の外周面に形成された溝１ｃに係合して原料ロッド１の外周の３点をチャッキングしている。上側支持プレート２６の上面側の中心部には接続部２６ａが設けられており、接続部２６ａは、第１の嵌合部材２２よりも下方に突出する第２の嵌合部材２３の下端部に締結固定されている。

上側支持プレート２６は連結ネジ２６ｂを介して下側支持プレート２７に連結されている。上側支持プレート２６及び連結ネジ２６ｂは、下側支持プレート２７に取り付けられた原料ロッド１の傾きを調整するための傾き調整機構を構成している。上側支持プレート２６に対する下側支持プレート２７の角度は、連結ネジ２６ｂを回転させることで調整することができる。したがって、原料ロッド１の中心軸が斜めに傾いた状態で下側支持プレート２７に取り付けられたとしても、上側支持プレート２６に対する下側支持プレート２７の角度を調節することによって原料ロッド１の中心軸を鉛直にすることが可能である。

取り付け治具２０を用いて原料ロッド１を上軸１１に取り付ける場合、まず図３に示すように、第２の嵌合部材２３を第１の嵌合部材２２の貫通孔２２ａに挿入した状態で第１の嵌合部材２２を上軸１１の下端にねじ止め固定する。またこれと並行して、原料ロッド１の上端部に原料ロッド保持部材２１を取り付ける。その際、原料ロッド保持部材２１に対する原料ロッド１の傾きや位置ずれを予め調整することが好ましい。その後、第２の嵌合部材２３の下端部に原料ロッド保持部材２１の接続部２６ａを接続することにより、原料ロッド１の上軸１１への取り付けが完了する。

シリコン単結晶２の抵抗率の面内分布がばらつく原因の一つは、原料ロッド１の中心軸が回転軸からずれていることにより、原料ロッド１を回転させた時にその芯振れが大きくなり、これにより原料の溶解量が増減し、単結晶の中央部の抵抗率分布がばらつくからである。「芯振れ」とは、原料ロッド１を支持する上軸１１の中心軸と原料ロッド１の中心軸のズレに伴い、上軸１１を回転した際に原料ロッド１の下端の中心位置が上軸１１の中心軸から水平方向に変動することである。原料ロッド１の芯振れは原料ロッド１を装填する際に決まるが、人手による芯出し調整には限界がある。しかし、第２の嵌合部材２３の外周面をテーパー面にして取り付け治具２０に軸合わせ構造（芯出し機能）を持たせることにより、取り付け治具２０の中心軸を上軸１１の中心軸に一致させることができ、また第２の嵌合部材２３を第１の嵌合部材２２の貫通孔２２ａにしっかりと嵌合させて取り付け治具２０のガタつきを抑えることが可能である。

図４及び図５は、原料ロッド１の振れ幅の測定方法の一例を説明するための図であって、特に、図４は略平面断面図、また図５は略側面断面図である。

図４に示すように、原料ロッド１を回転させたときの振れ幅は、例えば透過型レーザセンサなどの変位測定装置４０を用いて測定することができる。本実施形態による変位測定装置４０は投光部４１と受光部４２とを有し、投光部４１から受光部４２までの光路は例えばＸ軸と平行に設定され、且つ、光路の一部が原料ロッド１に遮られるように設定される。そして原料ロッド１を一回転させたときに投光部４１からの光が原料ロッド１によって遮られる領域（面積）の変化から、原料ロッド１のＸ方向の振れ幅Ｄｘ及びＹ方向の振れ幅Ｄｙをそれぞれ求めることができる。

図５に示すように、原料ロッド１の振れ幅の測定では、原料ロッド１の直胴部１ａの上端部及び下端部の２箇所の振れ幅を測定することが好ましい。これにより、原料ロッド１が短くなった時の振れ幅を測定することができ、原料ロッド１の中心軸の傾きと振れ幅を正確に測定することが可能となる。原料ロッド１の振れ幅の測定精度をさらに高めるため、直胴部１ａの上端部及び下端部を含む３箇所以上の振れ幅を測定しても構わない。上下２箇所の振れ幅の測定では、図示のように２台の変位測定装置４０を同時に用いて測定してもよく、あるいは１台の変位測定装置４０を順に用いて測定してもよい。

変位測定装置４０はＣＣＤカメラであってもよい。上軸１１と共に回転する原料ロッド１の下端の最外周部を撮影し、撮影画像を処理することにより、原料ロッド１の水平方向の振れ幅を求めることが可能である。

原料ロッド１の振れ幅の測定は、原料ロッド１を上軸１１に取り付けた後であって単結晶育成工程を開始する前に行われる。上記のようにチャンバー３０の略円筒状の壁体の一部は取り外し可能であり、開放状態のチャンバー３０内の上軸１１に原料ロッド１が取り付けられた後、変位測定装置４０がチャンバー３０の壁体に直接又はチャンバー３０に取り付けられた炉内構造物に取り付けられる。このように、変位測定装置４０はチャンバー３０等に対して着脱自在であり、原料ロッド１の振れ幅を測定するときだけ設置され、単結晶育成工程中は取り外される。

以上説明したように、本実施形態によるシリコン単結晶製造装置１０は、原料ロッド１が取り付け治具２０を介して上軸１１の下端部に取り付けられる際、取り付け治具２０を構成する第２の嵌合部材２３の外周面がテーパー形状を有するので、第２の嵌合部材２３を第１の嵌合部材２２の貫通孔２２ａに挿入して嵌合させるときに第２の嵌合部材２３の中心軸を貫通孔２２ａの中心軸に一致させることができると共に、第２の嵌合部材２３を第１の嵌合部材２２に対して強固に嵌合させることができ、第１の嵌合部材２２と第２の嵌合部材２３との間のガタつきを抑えることができる。したがって、原料ロッド１を回転させた時の芯振れを抑制することができ、芯振れの影響によるシリコン単結晶の抵抗率の面内分布のミクロな変動を抑制することができる。

図６は、第２の実施形態による取り付け治具２０の構造であって、第１及び第２の嵌合部材２２，２３との形状を示す略断面図である。

図６に示すように、この取り付け治具２０の特徴は、第２の嵌合部材２３側ではなく第１の嵌合部材２２側にテーパー面２２ｃを形成したものである。すなわち、第１の嵌合部材２２の貫通孔２２ａの上端開口のコーナーが面取りされており、貫通孔２２ａの上側は下方に向かって縮径するテーパー形状を有している。貫通孔２２ａの上下方向の全体がテーパー形状となっていてもよく、図示のように上側だけがテーパー形状となっていてもよい。一方、第２の嵌合部材２３側にはテーパー形状は設けられておらず、ヘッド部２３ａとシャフト部２３ｂとで構成されている。ヘッド部２３ａの直径は貫通孔２２ａの最大直径よりも小さく最小直径よりも大きい。またシャフト部２３ｂの直径は貫通孔２２ａの最小直径よりも小さいので、貫通孔２２ａを貫通することができる。

本実施形態においても、第２の嵌合部材２３を第１の嵌合部材２２の貫通孔２２ａに挿入するだけで第２の嵌合部材２３の中心軸を上軸１１の中心軸に一致させることができ、また第１の嵌合部材２２の貫通孔２２ａ内に挿入された第２の嵌合部材２３のガタつきを抑えることができる。したがって、単結晶育成工程中における原料ロッド１の芯振れを抑えることができ、これによりシリコン単結晶２の抵抗率の面内分布のミクロな変動を抑制することができる。

図７は、第３の実施形態による取り付け治具２０の構造であって、第１及び第２の嵌合部材２２，２３との形状を示す略断面図である。

図７に示すように、この取り付け治具２０の特徴は、第２の嵌合部材２３と第１の嵌合部材２２の両方にテーパー面２２ｃ，２３ｃをそれぞれ形成したものである。すなわち、第２の嵌合部材２３は、ヘッド部２３ａと、ヘッド部２３ａの下方に設けられたシャフト部２３ｂと、ヘッド部２３ａとシャフト部２３ｂとの間に設けられたテーパー部２３ｃとを有している。また第１の嵌合部材２２の貫通孔２２ａの上側開口のコーナーは面取りされており、貫通孔２２ａの上部は下方に向かって縮径するテーパー形状を有している。第２の嵌合部材２３のテーパー面２３ｃの角度は第１の嵌合部材２２の貫通孔２２ａのテーパー面２２ｃの角度とほぼ同じであることが好ましい。

本実施形態においても、第２の嵌合部材２３を第１の嵌合部材２２の貫通孔２２ａに挿入するだけで第２の嵌合部材２３の中心軸を上軸１１の中心軸に一致させることができ、また第１の嵌合部材２２の貫通孔２２ａ内に挿入された第２の嵌合部材２３のガタつきを抑えることができる。したがって、単結晶育成工程中における原料ロッド１の芯振れを抑えることができ、これによりシリコン単結晶の抵抗率の面内分布のミクロな変動を抑制することができる。

図８は、第４の実施形態による取り付け治具２０の構造であって、第１及び第２の嵌合部材２２，２３との形状を示す略断面図である。

図８に示すように、この取り付け治具２０の特徴は、第２の嵌合部材２３にテーパー面２３ｃを形成すると共に、第１の嵌合部材２２の貫通孔２２ａの上側開口のエッジを丸めて曲面（Ｒ面２２ｒ）を形成したものである。すなわち、第２の嵌合部材２３は、ヘッド部２３ａと、ヘッド部２３ａの下方に設けられたシャフト部２３ｂと、ヘッド部２３ａとシャフト部２３ｂとの間に設けられたテーパー部２３ｃとを有している。また第１の嵌合部材２２の貫通孔２２ａの上側開口のコーナーはＲ面取りされている。第２の嵌合部材２３のテーパー面２３ｃは第１の嵌合部材２２の貫通孔２２ａの上端のＲ面２２ｒに当接する適切な角度を有することが好ましい。

図９は、第５の実施形態による取り付け治具２０の構造を示す略断面図である。

図９に示すように、この取り付け治具２０の特徴は、上軸１１の下端部に取り付けられた第１の嵌合部材３２が細長い棒状の部材からなり、原料ロッド保持部材２１の上端部に取り付けられ、原料ロッド保持部材２１を第１の嵌合部材３２に連結する第２の嵌合部材３３が貫通孔３３ａを有する点にある。すなわち、第１の実施の形態とは第１及び第２の嵌合部材が逆になっている。

本実施形態において、第１の嵌合部材３２は、ヘッド部３２ａと、ヘッド部３２ａの上方に設けられヘッド部２３ａよりも小さな直径を有するシャフト部３２ｂと、ヘッド部３２ａとシャフト部３２ｂとの間に設けられたテーパー部３２ｃとを有し、テーパー部３２ｃは上方に向かって直径が徐々に縮径するテーパー形状を有している。第１の嵌合部材３２はシャフト部３２ｂとテーパー部３２ｃだけで構成されヘッド部３２ａが省略されたものであってもよく、ヘッド部３２ａとテーパー部３２ｃだけで構成されシャフト部３２ｂが省略されたものであってもよく、テーパー部３２ｃだけで構成されヘッド部３２ａとシャフト部３２ｂが省略されたものであってもよい。

第１の嵌合部材３２はシャフト部３２ｂが上向きの状態で上軸１１の下端部に設けられた接続部材３１に接続されている。第１の嵌合部材３２のシャフト部３２ｂが貫通孔３３ａに挿入された状態ではテーパー部３２ｃの外周面（テーパー面）が第２の嵌合部材３３の貫通孔３３ａの下端開口の内周エッジに当接し、これにより第１の嵌合部材３２は第２の嵌合部材３３に嵌合している。テーパー部３２ｃの上端側の直径は貫通孔３３ａの直径よりも小さいが、テーパー部３２ｃの下端側の直径は貫通孔３３ａの直径よりも大きいので、第１の嵌合部材３２が貫通孔３３ａを通過して上方に抜け出すことはなく、第２の嵌合部材３３に嵌合した状態が維持される。

第１の嵌合部材３２は単に第２の嵌合部材３３の貫通孔３３ａに挿入されているだけであるため、第２の嵌合部材３３は上向きの応力が加わったときに持ち上がり可能である。このように、第２の嵌合部材３３の高さ方向の動きに遊びを持たせているので、第２の嵌合部材３３が熱膨張し、あるいは原料ロッド１に意図しない上向きの応力がかかったとしても第２の嵌合部材３３が持ち上がるだけで上軸駆動機構１２にかかる応力を逃がすことができ、上軸駆動機構１２の損傷を回避することができる。

本実施形態においては、原料ロッド１が取り付け治具２０を介して上軸１１の下端部に取り付けられる際、取り付け治具２０を構成する第１の嵌合部材３２の外周面がテーパー形状を有するので、第１の嵌合部材３２を第２の嵌合部材３３の貫通孔３３ａに挿入して嵌合させるときに第１の嵌合部材３２の中心軸を貫通孔３３ａの中心軸に一致させることができると共に、第１の嵌合部材３２を第２の嵌合部材３３に対して強固に嵌合させることができ、第１の嵌合部材３２と第２の嵌合部材３３との間のガタつきを抑えることができる。したがって、原料ロッド１を回転させた時の芯振れを抑制することができ、芯振れの影響によるシリコン単結晶の抵抗率の面内分布のミクロな変動を抑制することができる。

図１０は、第６の実施形態による取り付け治具２０の構造を示す略断面図である。

図１０に示すように、この取り付け治具２０は図６の変形例であって、第２の嵌合部材３３の貫通孔３３ａの内周面をテーパー面３３ｃとしたものである。また、第１の嵌合部材３２は、ヘッド部３２ａと、ヘッド部３２ａの上方に設けられヘッド部２３ａよりも小さな直径を有するシャフト部３２ｂとを有するが、テーパー部は設けられていない。このように、本実施形態の構成も第４の実施形態と同様の効果を奏することができる。さらに、図７に示した第３の実施形態と同様に、第１の嵌合部材３２と第２の嵌合部材３３の両方にテーパー面を設けることも可能である。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上記実施形態において、取り付け治具２０は、原料ロッド保持部材２１と、第１の嵌合部材２２（又は３２）と、第２の嵌合部材２３（又は３３）とで構成されているが、本発明はこのような構成に限定されるものではなく、種々の構成を取ることができる。

第２の嵌合部材２３としてテーパー形状を有しない従来構造のものを用いてＦＺ法によるシリコン単結晶の育成を行ったところ、図１１（ａ）に示すように原料ロッド１の芯振れは大きく、最大で約１ｍｍとなった。その後、結晶長が９００〜９５０ｍｍの範囲の直胴部をスライスしてシリコンウェーハを作製し、ウェーハの径方向の抵抗率プロファイルを求めたところ、図１１（ｂ）に示すように、抵抗率の面内ばらつきは非常に大きくなり、±８％の公差内に収まらないウェーハサンプルもあった。

第２の嵌合部材２３としてテーパー形状を有するものを用いてＦＺ法によるシリコン単結晶の育成を行ったところ、図１１（ｃ）に示すように原料ロッド１の芯振れは小さく、最大で約０．３ｍｍ前後となった。その後、結晶長が５００〜５５０ｍｍの範囲の直胴部をスライスしてシリコンウェーハを作製し、ウェーハの径方向の抵抗率プロファイルを求めたところ、図１１（ｄ）に示すように、抵抗率の面内ばらつきは小さくなり、すべてのウェーハサンプルの抵抗率が±８％の公差内に収まっていた。

１原料ロッド
１ａ原料ロッドの直胴部
１ｂ原料ロッドのテーパー部
１ｃ原料ロッドの溝
２シリコン単結晶
３溶融帯域
４種結晶
１０シリコン単結晶製造装置
１１上軸
１２上軸駆動機構
１３誘導加熱コイル（加熱手段）
１４下軸
１５下軸駆動機構
１６パージガス供給ノズル
１７ＣＣＤカメラ
１８画像処理部
１９制御部
２０取り付け治具
２１原料ロッド保持部材
２２第１の嵌合部材
２２ａ第１の嵌合部材の貫通孔
２２ｂ第１の嵌合部材のフランジ部
２２ｃテーパー面
２２ｒＲ面（曲面）
２３第２の嵌合部材
２３ａ第２の嵌合部材のヘッド部
２３ｂ第２の嵌合部材のシャフト部
２３ｃ第２の嵌合部材のテーパー部（テーパー面）
２４補強部材
２６上側支持プレート
２６ａ接続部
２６ｂ連結ネジ
２７下側支持プレート
２７ａ爪部
３０チャンバー
３１接続部材
３２嵌合部材
３２ａヘッド部
３２ｂシャフト部
３２ｃテーパー部
３３嵌合部材
３３ａ貫通孔
３３ｃテーパー面
４０変位測定装置
４１投光部
４２受光部
ＤｘＸ軸方向の振れ幅
ＤｙＹ軸方向の振れ幅

Claims

原料ロッドを支持する上軸と、
前記原料ロッドの下方においてシリコン単結晶を支持する下軸と、
前記上軸の下端部に前記原料ロッドを取り付けるための取り付け治具とを備え、
前記取り付け治具は、
前記原料ロッドの上端部を保持する原料ロッド保持部材と、
前記上軸と軸合わせされた状態で前記上軸の下端部に取り付けられた第１の嵌合部材と、
前記原料ロッド保持部材と軸合わせされた状態で前記原料ロッド保持部材の上端部に取り付けられ、前記原料ロッド保持部材を前記第１の嵌合部材に連結する第２の嵌合部材とを含み、
前記取り付け治具は、前記上軸に取り付けられた際に前記取り付け治具の中心軸を前記上軸の中心軸に一致させる軸合わせ構造を有し、
前記軸合わせ構造は、前記第１の嵌合部材及び前記第２の嵌合部材の少なくとも一方に形成されたテーパー状の円周面を含むことを特徴とするシリコン単結晶製造装置。
前記第１の嵌合部材は、前記上軸の下端部に嵌合するフランジ形状を有する、請求項１に記載のシリコン単結晶製造装置。
前記第２の嵌合部材は、前記第１の嵌合部材との嵌合位置から持ち上がり可能な状態で前記第１の嵌合部材に嵌合している、請求項１又は２に記載のシリコン単結晶製造装置。
前記軸合わせ構造は、
前記第１の嵌合部材に設けられた貫通孔と、
前記第２の嵌合部材に設けられたテーパー部とを含み、
前記テーパー部は下方に向かって縮径するテーパー状の外周面を有し、
前記第２の嵌合部材は前記貫通孔に挿入されており、
前記第１の嵌合部材は前記テーパー部の外周面に当接している、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のシリコン単結晶製造装置。
前記貫通孔は、上端から下方に向かって縮径するテーパー状の内周面を有し、
前記第１の嵌合部材の前記テーパー状の内周面は、前記第２の嵌合部材の前記テーパー部の外周面に当接している、請求項４に記載のシリコン単結晶製造装置。
前記軸合わせ構造は、
前記第１の嵌合部材に設けられた貫通孔と、
前記第２の嵌合部材に設けられたヘッド部とを含み、
前記貫通孔は、上端から下方に向かって縮径するテーパー状の内周面を有し、
前記第２の嵌合部材は前記貫通孔に挿入されており、
前記ヘッド部は前記貫通孔のテーパー状の内周面に当接している、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のシリコン単結晶製造装置。
前記軸合わせ構造は、
前記第１の嵌合部材に設けられたテーパー部と、
前記第２の嵌合部材に設けられた貫通孔とを含み、
前記テーパー部は上方に向かって縮径するテーパー状の外周面を有し、
前記第１の嵌合部材は前記貫通孔に挿入されており、前記第１の嵌合部材は前記テーパー部の外周面に当接している、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のシリコン単結晶製造装置。
前記貫通孔は、
下端から上方に向かって縮径するテーパー状の内周面を有し、
前記第１の嵌合部材の前記テーパー状の内周面は、前記第２の嵌合部材の前記テーパー部の外周面に当接している、請求項７に記載のシリコン単結晶製造装置。
前記貫通孔の上側開口はＲ面取りされており、
前記第１の嵌合部材の前記テーパー状の内周面は、前記第２の嵌合部材の前記貫通孔の上側開口のＲ面に当接している、請求項７に記載のシリコン単結晶製造装置。
前記軸合わせ構造は、
前記第１の嵌合部材に設けられたヘッド部と、
前記第２の嵌合部材に設けられた貫通孔とを含み、
前記貫通孔は、下端から上方に向かって縮径するテーパー状の内周面を有し、
前記第１の嵌合部材は前記貫通孔に挿入されており、
前記ヘッド部は前記貫通孔のテーパー状の内周面に当接している、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のシリコン単結晶製造装置。
原料ロッドの一部を加熱して溶融帯域を形成し、前記溶融帯域の上方及び下方にそれぞれ位置する前記原料ロッド及びシリコン単結晶を下方に移動させて前記シリコン単結晶を成長させるＦＺ法によるシリコン単結晶の製造方法であって、
請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の取り付け治具を用意し、前記原料ロッドを支持する上軸の下端部に前記取り付け治具を介して前記原料ロッドを取り付けると共に、前記取り付け治具に設けられた前記軸合わせ構造によって前記取り付け治具の中心軸を前記上軸の中心軸に一致させることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。