JPH03285891A - 結晶引上げ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、結晶引上げ装置に関し、特に、炉内で溶融
した液に種結晶を浸し、回転しながらゆっくりと引き上
げて結晶を成長させる方法に用いる結晶引上げ装置に関
する。

［従来の技術］ 従来、光学素子や通常の半導体素子用のシリコン単結晶
を製造する方法としてＣ２法が知られている。このＣ２
法は、るつぼ内で溶融した液に種結晶を浸し、回転しな
がらゆっくりと引き上げて結晶を成長させる方法で、結
晶の直径は引き上げる速度と加熱温度とによって調節す
る。ここで、通常の半導体素子用の単結晶は構造が比較
的単純なため、それほど引上げ条件を厳しく要求されな
いが、光学素子に用いる単結晶の場合は結晶構造が複雑
なためかなり厳しい引上げ条件が要求される。このよう
なＣＺ法に用いる単結晶引上げ装置として、従来、先端
に回転する軸を備えた接触型のスピンドルを、上下に移
動するテーブルに取付けたものが知られている。このテ
ーブルは、通常の接触型のスライドにより上下するもの
であった。

［発明が解決しようとする課題］ 前述のように、従来の結晶引上げ装置は、先端に回転す
る軸を備えた接触型のスピンドルを上下に移動するテー
ブルに取り付けたものであり、このテーブルは通常の接
触型のスライドにより上下に移動するものであった。す
なわち、従来では、るつぼ内で溶融した液に種結晶を浸
し、回転しながらゆっくりと引き上げて結晶を成長させ
る引上げ動作は、上下に移動するテーブルによって行な
われていた。

しかし、このテーブルには先端に回転軸を備えた接触型
のスピンドルも取付けられており、下方に過大な力が加
わるため、結晶の引上げ動作を行うためには大きな駆動
力が必要であった。このため、従来では、テーブルを上
下に移動するためのモータの発熱量が多くなるという不
都合が生じていた。この結果、モータの消費電力の削減
を図ることは困難であった。また、大きな駆動力がかか
るために、速度のムラのない滑らかな動きをするための
微妙な制御は不可能であった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされ
たもので、小さい駆動力で引上げ部材を上下に駆動する
ことが可能な結晶引上げ装置を提供することを目的とす
る。

［課題を解決するための手段］ この発明における結晶引上げ装置は、引上げ部材を上方
に引上げ、その先端で炉内の原料を付けて結晶を成長さ
せる結晶引上げ装置において、弓上げ部材を昇降させる
ためのテーブルと、テーブルとバランスさせるために昇
降するおもりとを含む。

［作用コ この発明にかかる結晶引上げ装置では、引上げ部材がテ
ーブルにより昇降され、おもりが昇降することによりそ
のテーブルとのバランスが取られるので、そのおもりの
分だけテーブルの下方に加わる力が軽減され、下方に過
大な力が加わることはない。

［発明の実施例コ 第１Ａ図ないし第１Ｃ図は、本発明の一実施例を示した
単結晶引上げ装置の構造図である。第１Ａ図ないし第１
Ｃ図を参照して、単結晶引上げ装置の構成について説明
する。まず、単結晶引上げ装置は、定盤１と、定盤１上
に取り付けられた支柱２と、支柱２に上下に移動可能に
取付けられた粗動テーブル４と、粗動テーブル４に上下
に移動可能に取付けられた微動テーブル１０と、微動テ
ーブル１０に一体的に取付けられたエアスピンドル６と
を含む。

粗動テーブル４は、粗動テーブル４を上下に移動するた
めに取付けられ、支柱２側に取付けられたスライドレー
ル３ａとともにＬＭガイド３を構成するスライド本体３
ｂと、微動テーブル１０の上下の移動のガイドとなるガ
イド部５ａとを含む。

微動テーブル１０は、上記ガイド部５ａとともに微動テ
ーブル用の静圧エアスライド５を構成する可動テーブル
部５ｂと、微動テーブル１０の移動位置を検出するため
のリニアスケール１１とを°含む。

エアスピンドル６は、単結晶の引上げ時に回転を行なう
ための回転軸６ａと、エアスピンドル６の下方向にかか
る力を軽減するためにのバランスウェイト１７にその一
端が取付けられたワイヤ１５の他端を取付けるためのフ
ック６１とを含む。

また、支柱２には、粗動テーブル４を回転によって上下
に移動させるボールネジ８が連結されたＡＣサーボモー
タ９が取付けられており、また粗動テーブル４およびエ
アスピンドル６にかかる下方向の力を軽減するためのバ
ランスウェイト１６゜１７に連結されたワイヤ１５のガ
イドとなるプーリ軸受部１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１４
ａ、１４ｂ、１４ｃが取付けられている。さらに、支柱
２には、粗動テーブル４の上下の位置確認を行なうため
のリニアスケール１２が取付けられている。

エアスピンドル６の回転軸６ａ、の先端は、軸受端より
約４００ｍｍ突出しており、この突出した回転軸６ａの
先端には白金棒７が取付けられている。白金棒７の下方
には炉３０が設置されている。

また、微動テーブル１０には、微動テーブル１０と粗動
テーブル４との位置ずれを防止するためのストッパ機構
が設けられている。すなわち、このストッパ機構は、微
動テーブル１ｏに取付けられた支持部材３１と支持部材
３１に取付けられたシリンダ３２と、後述するシリンダ
３２のピストン軸に取付けられたストッパ部とから構成
されている。

次に第１Ａ図ないし第１ｃ図を参照して、単結晶引上げ
装置の動作について説明する。まず、粗動テーブル４は
ストロークの上限位置にあり、微動テーブル１０はスト
ロークの下限位置にある。

制御装置（図示せず）からの指令によりＡＣサーボモー
タ９が駆動される。これにより粗動テーブル４は作業位
置まで下降する。この状態では、エアスピンドル６の回
転軸６ａの先端に取付けられた白金棒７の先端は炉３０
中に浸された状態になっている。この状態で、エアスピ
ンドル６を回転数設定範囲２〜３００　ｒ　ｐｍの中か
ら設定された回転数で正転または逆転させる。この回転
と同時に、微動テーブル１０を上昇させる。所定の時間
この運転を行ない単結晶の引上げ作業が終了した後、エ
アスピンドル６を停止する。その後粗動テーブルを上昇
させる。ここで、粗動テーブル４の送り速度は最大でた
とえば１５０ｍｍ／ｍ　ｉ　ｎであり、エアスピンドル
６の先端に取付けられた白金棒７を炉３０に接近または
後退させる際にこの送り速度を使用する。粗動テーブル
４の駆動はボールネジ８とＡＣサーボモータ９とを用い
てセミクローズトループで制御する、すなわち、粗動テ
ーブル４の移動距離に相当する指令値（パルス数）とＡ
Ｃサーボモータに取付けられたエンコーダの回転角を比
較して、その差をフィードバック制御することにより粗
動テーブル４の移動距離を制御する。なお、粗動テーブ
ル４の移動距離の確認は、リニアスケール１２によって
行なう。

微動テーブル１０の送り速度は、最大でたとえば３．３
３ｍｍ／ｍｉｎである。微動テーブル１０は、エアスピ
ンドル６の先端に取付けられた白金棒７によって単結晶
が成長される際の引上げ動作を行うものであり、不純物
の混入や結晶欠陥の原因となる対流の発生を抑制するた
め引上げ時の振動を極力防止する必要がある。本実施例
では、これに対応して、静圧エアスライドを使用すると
ともに、その駆動を後述するボイスコイル型のりニアモ
ータを用いて行ない、さらに１／１００μｍのリニアス
ケール１１を用いることによりクローズトループ制御を
行なっている。すなわち、微動テーブル１０の移動量を
リニアスケール１１により計測し、その計測結果と移動
させようとする値（指令値）との差を取り、その差が零
となるように駆動系に駆動指示を与えることにより微動
テーブル１０の駆動を制御している。本実施例ではこの
ように制御することにより、単結晶の引上げ時の速度む
らを低減することができ、この結果、対流の原因となる
振動をも極力防止することができる。

微動テーブル１０に取付けられているエアスピンドル６
は、単結晶を引上げる際に回転数設定範囲２〜３００ｒ
ｐｍの中で設定された回転数で正転または逆転を一定サ
イクルで繰返しながら回転される。ここで、白金棒７に
単結晶を良好な状態で成長させるためには、回転による
振動を極力防止する必要がある。本実施例ではこれに対
応して、回転性能のよい静圧エアスピンドルを採用して
いるため、回転による振動を有効に防止することができ
良好な状態で単結晶を成長させることができる。

第２図は、第１Ａ図に示した単結晶引上げ装置の粗動テ
ーブルの構成を説明するための側面図である。前述のよ
うに粗動テーブル４には、支柱２側に取付けられたスラ
イドレール３ａとともにＬＭガイド３を構成するスライ
ド本体３ｂと、微動テーブル１０（第１Ａ図参照）の静
圧エアスライドのガイドとなるガイド部５ａとが取付け
られている。そして、粗動テーブル４の下方に加わる力
を軽減するために、バランスウェイト１６が設けられて
おり、バランスウェイト１６と粗動テーブル４とはプー
リ軸受部１３ａ、１３ｂ、１４ａ。

１４ｂを介してワイヤ１５によって連結されている。粗
動テーブル４の上下の移動は、ＡＣサーボモータ９を駆
動することによって行なわれる。

第３Ａ図および第３Ｂ図は、第２図に示した粗動テーブ
ルの上下の移動に使用するＬＭガイドの詳細を示した構
造図である。第３Ａ図および第３Ｂ図を参照して、前述
したように、ＬＭガイド３は、固定的に設置され、移動
の際のガイドとなるスライドレール３ａと、実際に上下
に移動するスライド本体３ｂとを含む。スライドレール
３ａとスライド本体３ｂとの間にはボール３ｃが介在さ
れており、スライド本体３ｂのスライド動作に伴ってボ
ール３ｃが回転する。

第４図は第１Ａ図に示した単結晶引上げ装置の微動テー
ブルに使用する静圧エアスライドの詳細を示した構造図
である。第４図を参照して、静圧エアスライドは、粗動
テーブル４に取付けられ、スライド時のガイドとなるガ
イド部５ａと、微動テーブル１０側に取付けられた上下
に移動する可動テーブル部５ｂとからなり、可動テーブ
ル部５ｂには、さらに、軸受給気孔５ｃが設けられてい
る。この軸受給気孔５ｃに空気を供給することにより、
非接触状態で、移動が可能となり速度むらを極力防止す
ることができる。

第５Ａ図および第５Ｂ図は、第１Ａ図に示した単結晶引
上げ装置の微動テーブルを上下に移動させるためのボイ
スコイル型のりニアモータの詳細を示した構造図である
。第５Ａ図および第５Ｂ図を参照して、ボイスコイル型
のりニアモータ２０は、コイル部２１と、ボビン２２と
、センターヨーク２３と、外側ヨーク２４とから構成さ
れている。リニアモータ２０の駆動は、コイル部２１に
通電することにより、上下方向の移動が可能となる。こ
のリニアモータ２０の外側ヨーク２４は、粗動テーブル
４に取付けられ（第１Ｂ図参照）、リニアモータ２０の
可動部は、微動テーブル１０に取付けられている。なお
、リニアモータ２０は推力が小さいものを使用している
が、微動テーブルは垂直に取付けられているので、下方
向にかかる力を軽減する必要がある。本実施例では、こ
の対策としてバランスウェイト１７（第１Ｃ図参照）を
設けている。このバランスウェイト１７は、微動テーブ
ル１０の重量に相当するものを吊下げ、そのバランスの
微調整はバランスウェイト１７側にウェイトを追加する
ことにより行なう。

第６図は、第１図に示したエアスピンドルの詳細を示し
た断面構造図である。第６図を参照して、エアスピンド
ル６は、回転軸６ａとステータ６ｂとからなる。ステー
タ６ｂは、バランスウェイト１７（第１Ｃ図参照）をワ
イヤ１５を介して連結するためのフック６１と、回転軸
６ａを回転させるためのモータ６２と、外部から空気を
供給するための給気孔６３，６４．６５と、スラスト軸
受を構成するスラスト軸受給気孔６６．６７と、ラジア
ル軸受給気孔６８．６９．７０．７１とを含む。このよ
うな構成によるエアスピンドルでは、回転軸６ａは非接
触状態で回転されることとなり回転による振動が極力防
止される。この結果、単結晶の引上げ時に発生する対流
を低減することができ品質特性の優れた単結晶を成長さ
せることができる。

第７図は第１Ｃ図に示したストッパ機構の詳細を示した
構造図である。第７図を参照して、ストッパ機構は、微
動テーブル１０上に取付けられた支持部材３１と、支持
部材３１に取付けられたシリンダ３２と、シリンダ３２
のピストン軸３２ａの先端に取付けられた樹脂からなる
ストッパ部３３とを含む。シリンダ３２は、ソレノイド
バルブ（図示せず）によって駆動され、その動作の条件
としては、あらかじめ制御系にソレノイドバルブの動作
条件を設定しておく。ストッパ機構の働く条件としては
、たとえば、粗動テーブル４が上下に移動している場合
や制御系から異常信号が発生した場合、非常停止ボタン
が押された場合などが考えられる。このストッパ機構を
設けることにより、粗動テーブル４が早い速度で移動し
た場合に、リニアモータ２０（第５Ａ図および第５Ｂ図
参照）の推力が粗動テーブル４の移動によって生じる力
に負けて粗動テーブル４と微動テーブル１０との間で位
置ずれが起こる不都合を防止することができる。また、
運転中に異常が発生し、制御系から異常信号が出て微動
テーブル１０および粗動テーブル４の制御をＯＦＦさせ
る場合でも、移動による慢性力で粗動テーブル４と微動
テーブル１０との間に位置ずれが起こることを防止する
ことができる。さらに、オペレータが非常停止ボタンを
押した場合にも上記と同様の効果が得られる。

このように、微動テーブル１０にエアシリンダ３２によ
るストッパ機構を設けたことにより、粗動テーブル４と
微動テーブル１０との位置ずれを有効に防止することが
でき、微動テーブル１０に関していえば、微動テーブル
１０の駆動用のりニアモータ２０に異常な力が加わるこ
とも防止することができる。

以上説明したように、本実施例における単結晶引上げ装
置は、上下に移動する動作部を粗動テーブル４と微動テ
ーブル１０とに分けて構成し、微動テーブル１０には、
非接触で高分解能のリニアスケール１１およびリニアモ
ータ２０ならびに静圧エアスライド５ａ、５ｂを使用す
ることにより、微動テーブル１０の移動は、非接触に保
たれる。

また、クローズトループ制御により微動テーブル１０の
駆動を制御することにより超低速でかつ速度むらのない
単結晶の引上げを実現することができる。

また、粗動テーブル４と微動テーブル１０のそれぞれに
対してバランスウェイト１６．１７を採用することによ
り、単結晶の引上げ時にリニアモータに対し下方に過大
な力が加わることがなくモータの発熱量も少なくなる。

この結果、消費電力の削減を図ることができる。

さらに、微動テーブル１０にはエアスピンドル６を取付
けて回転軸６ａに連結した単結晶引上げげ用の白金棒７
を回転させる構造としたため、回転軸６ａの回転は非接
触で行なわれて振動が低減されるので、結晶引上げ中に
起こる対流を極力防止することができ、品質特性の優れ
た単結晶を成長させることができる。また、引上げ速度
はりニアモータ２０により、引上げ時の回転数はエアス
ピンドル６により容易に制御できるので、種々の引上げ
条件の制御が容易に行なえる。

［発明の効果コ 以上のように、この発明によれば、引上げ部材をテーブ
ルにより昇降させ、おもりを昇降してテーブルとバラン
スさせることにより、そのおもりの分だけテーブルの下
方に加わる力が軽減されて下方に過大な力が加わること
がないので、小さい駆動力で引上げ部材を上下に駆動す
ることができる。この結果、引上げ部材の駆動を行うモ
ータの発熱量も少なくなり、消費電力の削減を図ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１八図ないし第１Ｃ図は本発明の一実施例を示した単
結晶引上げ装置の構造図、第２図は第１Ａ図に示した単
結晶引上げ装置の粗動テーブルの構成を説明するための
側面図、第３Ａ図および第３Ｂ図は第２図に示した粗動
テーブルの上下の移動に使用するＬＭガイドの詳細を示
した構造図、第４図は第１Ａ図に示した単結晶引上げ装
置の微動テーブルに使用する静圧エアスライドの詳細を
示した構造図、第５Ａ図および第５Ｂ図は第１Ａ図に示
した単結晶引上げ装置の微動テーブルを上下に移動させ
るためのりニアモータの詳細を示した構造図、第６図は
第１Ａ図に示したエアスピンドルの詳細を示した断面構
造図、第７図は第１Ｃ図に示したストッパ機構の詳細を
示した構造図である。 図において、３ａはスライドレール、３ｂはスライド本
体、４は粗動テーブル、５ａはガイド部、５ｂは可動テ
ーブル部、６はエアスピンドル、６ａは回転軸、７は白
金棒、８はボールネジ、９はＡＣサーボモータ、１０は
微動テーブル、１１はリニアスケール、１５はワイヤ、
１６はバランスウェイト、１７はバランスウェイト、２
０はリニアモータ、３０は炉、３２はシリンダ、３２ａ
はピストン軸、３３はストッパ部である。 なお、各図中、同一符号は同一または相当部分を示す。 第１Ａ図 第斗図 区 派 区 派 第６図 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　引上げ部材を上方に引上げ、その先端で炉内の原料を
   付けて結晶を成長させる結晶引上げ装置において、 前記引上げ部材を昇降させるためのテーブルと、前記テ
   ーブルとバランスさせるために昇降するおもりとを含む
   、結晶引上げ装置。