JPH04182379A - 単結晶引上げ装置 - 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〕 本発明は単結晶引上げ装置に関し、特に良品質の単結晶
を育成しようとするものである。

〔発明の概要〕

本発明は、単結晶引上げ装置において、結晶原料の固液
界面における粘性を制御するようにしたことにより、−
段と良質な単結晶を有する単結晶製品を引き上げること
ができる。

〔従来の技術〕

単結晶引上げ装置は、原理上、ルツボにおいて抵抗加熱
、又は高周波誘導加熱等の加熱装置によって結晶原料を
融点以上に加熱することにより融解し、この融液に種子
結晶の先端を浸した後回転させながら所定速度で上方に
引き上げて行くことにより種子結晶側に結晶原料から単
結晶を成長させるようになされいる。

ここで種子結晶の先端において融解された結晶原料は種
子結晶によって融液の界面より上方に引き上げられて行
（に従って温度が低下することにより単結晶に固化して
行く。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが従来のこの種の単結晶引上げ装置においては、
実際上引き上げられた単結晶（これを単結晶製品と呼ぶ
）を例えばスライスして半導体ウェハを得る際に、当該
半導体ウェハの大きさを所定の大きさに揃えるために、
ルツボの加熱温度及び種子結晶の引上げ速度を制御する
方法が用いられていた。

ところが実際上ごのような制御をすることにより得られ
る単結晶製品は、結晶組成が不揃いになったり、クラッ
クや気孔を内部に含むような欠陥の多い結晶になり易か
った。

その原因としては、ルツボ内において目的物質が分解せ
ずに調和融解する必要があるにもかかわらずそのような
状態が得られていなかったり、単結晶育成の途中におい
て結晶が成長して行くに従って融液の組成が変化したり
することが原因であると考えられるが、従来の単結晶引
上げ装置においては均一組成の単結晶を育成する観点か
ら単結晶引上げ装置を全体として制御するようにはなさ
れていない点において制御手法が未だ不十分であると考
えられる。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、種子結晶
によって引き上げられて来る結晶原料の粘性を観測ない
し制御できるようにすることにより、−段と良品質の単
結晶を育成できるようにした単結晶引上げ装置を提案し
ようとするものである。

〔課題を解決するための手段〕

かかる課題を解決するため第１の発明においては、加熱
装置１３によって加熱されるルツボ１２において融解さ
せた結晶原料１４に浸した種子結晶１７を引上げ軸２１
により回転させながら引き上げることにより、種子結晶
１７の先端に結晶原料１４を固化させてなる単結晶製品
１８を育成させる単結晶引上げ装置１において、引上げ
軸２１に対して単結晶製品１８の重量を検出する重量検
出素子４１と、固化している単結晶製品１８及び融解し
ている結晶原料１４間に生ずる粘性トルクを検出するト
ルク検出素子４６とを設け、重量検出素子４１及びトル
ク検出素子４６の検出出力Ｓ１及びＳ２に基づいて単結
晶製品１８及び結晶原料１４間の固液界面の状態を観測
できるようにする。

第２の発明は、第１の発明に加えて、重量検出素子４１
及びトルク検出素子４６の検出出力Ｓ１及びＳ２に基づ
いて固液界面における結晶原料１４の粘度を求める演算
手段５３を設け、この演算手段５３の演算結果に基づい
て、結晶原料１４の粘度が所定の値になるように、加熱
装置１３の加熱量を制御するようにする。

〔作用〕

重量検出素子４１及びトルク検出素子４６の検出出力Ｓ
１及びＳ２は育成されている単結晶製品１８の直径と、
単結晶製品１８及び結晶原料１４間に生ずる粘性トルク
とを表わしており、これにより単結晶製品１８及び結晶
原料１４間の固液界面の粘性を観測することができ、か
くして固液界面に異常が生じたときこれを確実に観測し
て対処することができる。

これに加えて重量検出素子４１及びトルク検出素子４６
の検出出力Ｓ１及びＳ２に基づいて単結晶製品１８及び
結晶原料１４間の固液界面における粘度を演算手段５３
によって演算して加熱装置１３の加熱量を制御すること
により固液界面の粘度を所定値に制御することができ、
これにより一段と良質な単結晶を育成させることができ
る。

６一 〔実施例］ 以下図面について、本発明の一実施例を詳述する。

第１図において、１は全体として単結晶引上げ装置を示
し、単結晶引上げ部２と引上げ制御部３とで構成されて
いる。

単結晶引上げ部２はルツボチャンバ１１内に配設された
ルツボ１２を例えば高周波コイルでなる加熱装置１３に
よって加熱することによりルツボ１２内部の結晶原料１
４を融解し、引上げ棒１５の先端のシードホルダ１６に
取付けられた種子結晶１７を結晶原料１４に浸した後引
き上げて行くことにより単結晶製品１８を育成して行く
。

引上げ棒１５は円筒状引上げ軸２１を通って当該引上げ
軸２１の上部に設けられたロードセル２２に連結されて
いる。

ロードセル２２は引上げ軸２１と一体に回転するように
固着されたハウジング２３を有し、引上げ棒１５を順次
重量センサ部２４、トルクセンサ部２５及び連結部材２
６を介してハウジング２３に機械的に連結されている。

引上げ軸２１は昇降板３２に回転自在に保持され、これ
により昇降板３２と一体に上下方向に移動すると共に、
昇降板３２に取付けられた回転駆動モータ３３によって
その出力軸３３Ａに取付けられたプーリ３４、ヘルド３
５、引上げ軸２１に取付げられたプーリ３６を介して回
転駆動される。

この実施例の場合、昇降板３２は上下方向に延長する円
柱状ガイドレール３７によって上下方向に案内されると
共に、引上げ駆動モータ３８の出力軸３８Ａに歯合する
ウオームギヤ３９及び４０によって回転する送りねじ４
１に係合することにより上下方向に送られるようになさ
れている。

ロードセル２２の重量センサ部２４は、引上げ棒１５、
シードホルダ１６及び種子結晶１７と、その先端に育成
される単結晶製品１８の重量に応じて機械的に変形歪み
を生じるような形状を有し、当該変形歪みを例えば電歪
素子でなる重量検出素子４５（第２図）によって電気信
号に変換する。

またＩ・ルクセンザ部２５は引上げ軸２１及びロードセ
ル２２が回転駆動モータ３３によって一方向に回転され
たとき、ハウジング２３及び連結部２６が引上げ軸２１
と一体に回転することにより重量センサ部２４、引上げ
棒１５、シードホルダ１６、種子結晶１７及び単結晶製
品１８に対して連結部材２６から与えられる回転トルク
を伝達しようとするのに対して、固化した単結晶製品１
８と溶解している結晶原料１４との間の固液界面部分に
生じる粘性によって単結晶製品１８に粘性トルクが作用
することにより当該駆動トルクと粘性トルクとの差を例
えば電歪素子でなるトルク検出素子４６（第２図）によ
って電気信号に変換するようになされている。

かくして第２図に示すように、ロードセル２２のトルク
センサ部２５に設けられている重量検出素子４５から得
られる重量検出信号Ｓｌと、トルクセンサ部２５に設け
られている固液界面ｌ・ルク検出素子４６から得られる
トルク検出信号Ｓ２とが、スリップリング４７を介しさ
らに出カケープル４８を介して引上げ制御部３に供給さ
れる。

引上げ制御部３は重量検出信号Ｓ１を増幅回路５１を介
してアナログ／ディジタル変換回路５２においてディジ
タル信号に変換して重量検出ディジタルデータＳ３とし
てマイクロコンピュータ構成の中央処理ユニツ）　（Ｃ
ＰＵ）５３に取り込まれる。

また固液界面トルク検出信号Ｓ２は増幅回路５４を介し
てアナログ／ディジタル変換回路５５においてディジタ
ル信号に変換されて固液界面トルク検出データＳ４とし
てＣＰＵ５３に取り込まれる。

ＣＰＵ５３は、重量検出データＳ３と、入力装置５６か
らオペレータによって入力される回転速度データ（引上
げ軸２１０回転速度を表す）とに基づいて、単結晶製品
１８の重量増加率と当該単結晶製品１８の回転速度とに
基づいて単結晶製品１８の直径を演算し、当該直径演算
結果と予め入力されている目標直径データとの偏差分を
ＰＩＤ演算することにより直径制御データＳ５を直径制
御信号出力回路５７に送出する。

直径制御信号出力回路５７は直径制御データＳ５に基づ
いて、当該基準直径からの偏差をなくすような第１の加
熱制御信号Ｓ６、回転制御信号Ｓ７及び引上げ制御信号
Ｓ８を送出する。

ここで第１の加熱制御信号Ｓ６は合成回路５８を通じて
合成加熱制御信号３１１として加熱制御回路５９に供給
され、かくして加熱装置１３の発熱量を加熱制御回路５
９から送出される加熱駆動出力Ｓ１２によって制御する
。

また回転制御信号Ｓ７は回転駆動回路６０に供給され、
これにより回転駆動モータ３３の回転速度、従って単結
晶製品１８の回転速度を回転駆動回路６０の回転駆動出
力Ｓ１３によって制御する。

さらに引上げ制御信号Ｓ８は引上げ駆動回路６０に供給
され、これにより引上げ駆動モータ３８の回転数、従っ
て種子結晶１８の引上げ速度を引上げ駆動回路６１の引
上げ駆動出力Ｓ１４によって制御する。

かくして単結晶製品１８の直径が基準直径より大きくな
ったときには、単結晶製品１８の回転速度を速めると共
に当該単結晶製品１８の引上げ速度を速めると同時に加
熱装置１３による加熱量を大きくすることにより、単結
晶製品１８の直径を細くする。

これに対して単結晶製品１８が基準直径より細（なった
場合には、単結晶製品１８の回転速度を速くすると共に
引上げ速度を遅くすると同時に加熱装置１３の加熱量を
低下させることにより、単結晶製品１８の直径を太らせ
るように制御する。

このような単結晶製品１８の直径の制御に加えてＣＰＵ
５３は固液界面トルク検出データＳ４に基づいて原料融
液の粘性を観測する。

すなわちＣＰＵ５３は上述したように重量検出データＳ
３及び入力装置５６から入力される回転速度基準値に基
づいて演算した単結晶製品１８の直径と、単結晶製品１
８の回転速度及び固液界面トルク検出データとに基づい
て結晶原料１４の融液の粘度を算出する。

ＣＰＵ５３は当該結晶原料１４の融液粘度の算出結果出
力Ｓ２０を観測出力装置６２に送出し、これによりオペ
レータが観測し得るような表示させる。この実施例の場
合観測出力装置６２は陰極線管表示装置及びプリンタを
有し、融液粘度の算出結果を陰極線管表示装置に管面表
示すると共に、必要に応じたタイミングでプリンタにプ
リントアウトできるようになされている。

かくしてオペレータは陰極線管表示装置の表示面上に時
々刻々表示される融液粘度を目視することにより現在ル
ツボチャンバ１１において引上げ処理されている結晶原
料１４の粘度の変化を確認することができ、従ってオペ
レータは粘度に異常が発生したか否かを観測して異常が
発生したとき必要に応じて単結晶製品の品質を劣化させ
ないような処理をなし得る。

これに加えて、ＣＰＵ５３は、当該結晶原料１４の融液
粘度の算出結果を、予め入力装置５６から入力された目
標値と比較してその偏差分に基づいてＰＩＤ演算して粘
度制御データＳ２１を求め、この粘度制御データＳ２１
を粘度制御信号出力回路６３に与える。

ここで粘度制御信号出力回路６３は、当該粘度制御デー
タＳ２１に基づいて第２の加熱制御信号Ｓ２２を発生し
、これを合成回路５８において第１の加熱制御信号Ｓ６
に加算して合成加熱制御信号Ｓｌｌを得るようにする。

かくしてＣＰＵ５３は固液界面トルク制御データＳ４に
基づいて、硬化した単結晶製品１８と、融解している結
晶原料１４との界面における粘性トルクが変化したとき
これを結晶原料１４の粘度が変化したものと判断し、結
晶原料１４の粘度が大きくなったとき加熱装置１３の発
熱量を増大させるような第２の加熱制御信号Ｓ２２を発
生させ、これに対して結晶原料１４の粘度が小さくなっ
たときこれに応じて加熱装置１３の発熱量を減少させる
ような第２の加熱制御信号Ｓ２２を発生させる。

その結果ＣＰＵ５３は結晶原料１４が所定の基準値から
変化したとき当該変化を打ち消すように加熱装置１３の
加熱量をフィードバック制御する。

以上の構成によれば、ＣＰＵ５３は単結晶製品１８の直
径の制御に加えて、結晶原料１４の粘度を所定の基準値
になるように制御できる。

その結果硬化している単結晶製品１８と、融解している
結晶原料１４との間の固液界面における粘性を一段と安
定化できることにより、単結晶製品１８に結晶上組成が
不均一になったり、クラックや気孔が入ったりするおそ
れを有効に軽減できる。

因にある種の原料（ＬＩＮＢＯ，など）は、融点付近で
粘性に急激な変化を生じさせるような特性をもっており
、この急激な変化はクラスタリングと呼ばれ、当該クラ
スタ密度を制御すれば良質な単結晶育成条件を保持でき
ると考えられる。

この点において上述の構成によれば、結晶原料１４の固
液界面における粘性を有効に制御できることにより、こ
れに応じてクラスタ密度を細かく制御し得、かくして単
結晶製品１８として一段と良質な単結晶を育成できる。

〔発明の効果〕

上述のように本発明によれば、結晶原料の固液界面の粘
性を観測ないし制御するようにしたことにより、−段と
良質な単結晶でなる単結晶製品を引き上げることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による単結晶引上げ装置の一実施例を示
ず路線的系統図、第２図はその引上げ制御部の詳細構成
を示すブロック図である。 １・・・・・・単結晶引上げ装置、２・・・・・・単結
晶引上げ部、３・・・・・・引上げ制御部、１２・・・
・・・ルツボ、１３・・・・・・加熱装置、１４・・・
・・・結晶原料、１５・・・・・・引上げ棒、１７・・
・・・・種子結晶、１８・・・・・・単結晶製品、２４
・・・・・・重量センサ部、２５・・・・・・トルクセ
ンサ部、３３・・・・・・回転駆動モータ、３８・・・
・・・引上げ駆動モータ、５３・・・・・・ＣＰＵ、５
８・・・・・・合成回路、５９・・・・・・加熱制御回
路、６３・・・・・・粘度制御信号出力回路。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）加熱装置によつて加熱されるルツボにおいて融解
   させた結晶原料に浸した種子結晶を引上げ軸により回転
   させながら引き上げることにより、上記種子結晶の先端
   に上記結晶原料を固化させてなる単結晶製品を育成させ
   る単結晶引上げ装置において、 上記引上げ軸に対して、上記単結晶製品の重量を検出す
   る重量検出素子と、固化している上記単結晶製品及び融
   解している上記結晶原料間に生ずる粘性トルクを検出す
   るトルク検出素子とを設け、上記重量検出素子及び上記
   トルク検出素子の検出出力に基づいて上記単結晶製品及
   び上記結晶原料間の固液界面の状態を観測できるように
   したことを特徴とする単結晶引上げ装置。
2. （２）上記重量検出素子及び上記トルク検出素子の検出
   出力に基づいて上記固液界面における上記結晶原料の粘
   度を求める演算手段を設け、 上記演算手段の演算結果に基づいて、上記結晶原料の粘
   度が所定の値になるように、上記加熱装置の加熱量を制
   御することを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
   単結晶引上げ装置。