JPH07172980A - 半導体単結晶製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ロードセルを用いた重量式直径制御方法をケ
ーブル方式による結晶引き上げ機構に適用し、直径制御
性能が優秀で、かつ安価な半導体単結晶製造装置を提供
する。 【構成】 第１ガイドプーリ４を軸着するアーム７の一
端をロードセル２の荷重印加部に接続し、アーム７の他
端に設けた支点７ａを中心として前記アーム７が垂直面
内で揺動自在、かつ前記第１ガイドプーリ４の中心とア
ーム７の支点とを結ぶ直線が水平となるようにアーム７
を支持する。また、第１ガイドプーリ４から第２ガイド
プーリ６に向かうワイヤ５が水平となるように第２ガイ
ドプーリ６を配設し、巻き取りドラム９でワイヤ５を巻
き取る。アーム７の支点７ａと第１ガイドプーリ４の回
動中心との距離をＬ、第１ガイドプーリ４の半径をＲ、
単結晶重量をＷ、ロードセル２に作用する荷重をＦとす
ると、Ｆ＝Ｗ×Ｌ／（Ｌ＋Ｒ）となり、単結晶重量を正
確に測定することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、シリコン等の単結晶引
き上げに当たり重量式の直径制御を可能にするため、結
晶引き上げ機構を改良した半導体単結晶製造装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路の基本材料であるシリコ
ン単結晶の製造方法の一つとして、るつぼ内の原料融液
から円柱状の単結晶を引き上げるチョクラルスキー法
（以下ＣＺ法という）が用いられている。ＣＺ法におい
ては、単結晶製造装置のメインチャンバ内に設置したる
つぼに高純度の多結晶シリコンを充填し、前記るつぼの
外周に設けたヒータによって多結晶シリコンを加熱溶解
した上、シードチャックに取り付けた種子結晶を融液に
浸漬し、シードチャックおよびるつぼを同方向または逆
方向に回転しつつシードチャックを引き上げてシリコン
単結晶を成長させる。図１２は、ＣＺ法による従来の一
般的なシリコン単結晶製造装置の概略構成を模式的に示
したもので、９はワイヤ巻き取りドラム、１７は巻き取
りドラム９を駆動するモータ、２４は前記モータ１７、
巻き取りドラム９を設置した真空容器１に回転運動を与
えるモータであり、引き上げワイヤ５の回転を通じて最
終的には種子結晶から成長した単結晶に回転運動を与え
る。２５はテレビカメラ、２６は透明石英ガラス製の
窓、２７は種子結晶を保持するシードチャックである。
また、２８は融液面、２９はるつぼ内の多結晶シリコン
を加熱溶解する黒鉛ヒータ、３０は黒鉛製断熱筒であ
り、３１はるつぼペディスタルを介してるつぼに回転運
動を与えるモータ、３２はるつぼを上下動するモータで
ある。シリコン単結晶の引き上げに当たり、前記融液面
２８とシリコン単結晶との境界に発生するメニスカスリ
ングがテレビカメラ２５によって撮影され、得られた映
像信号はカメラコントロールユニット３３を介して幅計
測ユニット３４に入力され、メニスカスリングを横切る
単結晶の直径が算出される。そして、直径制御装置３５
により種子結晶の引き上げ速度および融液温度を制御し
て、引き上げ単結晶の直径を設定値に近づける。なお、
３６はモニタテレビである。

【０００３】結晶引き上げ機構が上記ケーブル方式の場
合、単結晶の直径制御には一般にテレビカメラ等による
光学式制御方法が用いられているが、前記直径制御方法
には光学式制御方法の他に重量式制御方法がある。重量
式制御方法は、成長中の単結晶重量を測定してモデル結
晶重量と比較し、その偏差の大きさにより炉内温度およ
び結晶引き上げ速度を調節して成長中の単結晶直径がモ
デル結晶の直径に近似するように制御するものである。
この方法では、結晶重量を極めて正確に測定する必要が
あり、フォースバーと呼ばれる棒状部材をロードセルの
荷重印加点に吊り下げ、種子結晶をこのフォースバーの
下端に取り付け、成長中の単結晶の重量が直接ロードセ
ルに加えられるように工夫した特殊な単結晶製造装置を
必要とする。そして、前記特殊な単結晶製造装置は、一
般的には、ケーブル方式で製造する単結晶と同じ長さの
単結晶を製造しようとすると、装置の全高がケーブル方
式の場合の１．５〜２倍となる。そのため、この装置を
設置する工場建屋は大きなものが必要となり、装置価格
もケーブル方式に比べて著しく高額となる。しかし、重
量式直径制御方法は直径制御特性が良好で、特に直径絶
対値の再現性や、テール部すなわち結晶成長の終端部で
結晶直径を徐々に減少させる場合の制御特性が極めて優
れているため、一般的なケーブル方式の単結晶製造装置
において重量式直径制御方法の適用を可能とする改良が
求められている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ケーブル方式による結
晶引き上げ機構の一般的な構造は、特開平４−８９３８
９に記載の図を参考にすることができる。この結晶引き
上げ機構に重量式直径制御方法を適用する場合、図１３
に簡略化して示すように、ガイドプーリ４に加わる結晶
重量をロードセル２によって測定する方法が構造上最も
容易である。しかしながら、ロードセル２には結晶重量
Ｗとこれに等しい巻き取りドラム９のトルクＦとの合計
が作用する。そのため、ロードセルのフルスケールは引
き上げる結晶重量の２倍の能力を必要とするが、この種
の直径制御用ロードセルはフォースバー式単結晶製造装
置用として造られており、製造可能な最大結晶重量とロ
ードセルのフルスケールとは１対１で対応している。従
って、前記最大重量の結晶をケーブル方式による結晶引
き上げ機構で引き上げようとすると、新たに前記ロード
セルの２倍のフルスケールのロードセルを必要とし、多
大のロードセル開発費用が発生するとともに、ロードセ
ル自体も高価なものとなる。

【０００５】また、図１３に示した構造では巻き取りド
ラム９の回転精度やトルクの変動が前記Ｆに直接影響す
るため、ロードセルの測定値であるＷ＋Ｆに影響を及ぼ
し、結晶重量測定を不正確にするという問題点も有して
いる。更にこの構造では、シードチャックとガイドプー
リ４との間にある引き上げワイヤの重量が単結晶の引き
上げに伴って減少し、単結晶の重量測定に誤差を与え
る。本発明は上記従来の問題点に着目してなされたもの
で、ロードセルを用いた重量式直径制御方法をケーブル
方式による結晶引き上げ機構に適用し、直径制御性能が
優秀で、かつ安価な半導体単結晶製造装置を提供するこ
とを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の請求項１に係る半導体単結晶製造装置は、
ワイヤ巻き取りドラムと、ワイヤを引き上げる際に前記
ワイヤを巻き取りドラムにガイドするガイドプーリと、
巻き取りドラム駆動手段と、ワイヤを回転させる手段と
を備えた結晶引き上げ機構を用いる半導体単結晶製造装
置において、結晶引き上げ機構に重量式直径制御用ロー
ドセルを取り付け、一端を前記ロードセルの荷重印加部
に接続したアームにガイドプーリを回動自在に軸着し、
アームの他端に設けた支点を中心として前記アームが垂
直面内で揺動自在、かつ前記ガイドプーリの回動中心と
前記アームの支点とを結ぶ直線が水平となるように前記
アームを支持するとともに、前記ガイドプーリから巻き
取りドラムに向かうワイヤが水平となるように前記巻き
取りドラムを設置する構成とし、このような構成におい
て、ガイドプーリと巻き取りドラムとの間に第２ガイド
プーリを設置し、前記ガイドプーリから第２ガイドプー
リに向かうワイヤが水平となるように、第２ガイドプー
リの回動中心を固定することが望ましい。また、アーム
の他端に設けた支点に、金属またはセラミックス製のベ
アリングあるいは上下方向にたわむ板ばねを用いてもよ
く、アームの他端に設けた支点が、金属またはセラミッ
クス製のピボットもしくはナイフエッジであってもよ
い。

【０００７】更に、上記結晶引き上げ機構の構造を簡素
化するため、本発明の請求項６に係る半導体単結晶製造
装置は、ワイヤ巻き取りドラムと、巻き取りドラム駆動
手段と、ワイヤを回転させる手段とを備えた結晶引き上
げ機構を用いる半導体単結晶製造装置において、前記結
晶引き上げ機構に重量式直径制御用ロードセルを取り付
け、回転可能な真空容器の内部に一端を支点として垂直
面内で揺動自在のアームを設け、このアームにワイヤ巻
き取りドラムとその駆動手段とを取着し、前記ワイヤ巻
き取りドラムから鉛直に垂下するワイヤの延長線上にお
いて前記アームとロードセルの荷重印加部とを連結する
とともに、前記ワイヤ巻き取りドラムの回動中心と前記
アームの支点とを結ぶ直線が水平となるように前記アー
ムを支持する構成とし、このような構成において、ワイ
ヤ巻き取りドラムを駆動する動力源にパルスモータを用
いることとし、ワイヤ巻き取りドラムから鉛直に垂下す
るワイヤを真空容器の回転中心軸上に保持するためのセ
ンタガイドプーリまたはセンタガイドブッシュを、アー
ムまたはアームと一体に構成した部材に設置するものと
した。

【０００８】

【作用】本発明の請求項１に基づく構成によれば、ガイ
ドプーリを軸着するアームの一端をロードセルの荷重印
加部に接続し、アームの他端に設けた支点を中心として
前記アームが垂直面内で揺動自在、かつ前記ガイドプー
リの回動中心と前記アームの支点とを結ぶ直線が水平と
なるように前記アームを支持するとともに、前記ガイド
プーリから巻き取りドラムに向かうワイヤが水平となる
ように前記巻き取りドラムを配設したので、ロードセル
には引き上げ単結晶の重量のみが作用する。これを図８
〜図１０を用いて説明する。図８は請求項１の基本原理
を示すため、重量測定系のみに注目した説明図である。
同図において２はロードセル、５は成長中の単結晶を引
き上げるワイヤ、９はワイヤを巻き取るドラム、４は前
記引き上げワイヤ５を巻き取りドラム９に導くガイドプ
ーリ、７は支点７ａを中心として前記ガイドプーリ４に
上下動を許容するように設けられたガイドプーリ保持ア
ーム（以下アームという）である。そして前記アーム７
の上端は、ロードセル２の荷重印加点に接続されてい
る。また、支点７ａとガイドプーリ４の回動中心とを結
ぶ直線と、ガイドプーリ４から巻き取りドラム９に向か
う引き上げワイヤ５は、いずれも水平に保持されてい
る。ここで、引き上げワイヤ５にＷｋｇｗの力が加えら
れたとき、ロードセル２には同じくＷｋｇｗの力が加え
られ、巻き取りドラム９とアーム７にはそれぞれ逆方向
の水平な力Ｗｋｇｗが加えられる。Ｗｋｇｗが単結晶の
重量による力ならば、ロードセル２に加えられる力はそ
れと１対１で対応していることが分かる。

【０００９】荷重によるロードセル作用点の変位は、通
常、フルスケールで２０μｍ以下である。この変位によ
る垂直方向の分力は、アーム７の支点７ａとガイドプー
リ４の回転中心との距離Ｌに依存し、前記Ｌが１００ｍ
ｍの場合には、 ２０×１０^-3ｍｍ／１００ｍｍ＝２×１０^-4 となり、ロードセルのフルスケールに対してはほとんど
無視できる値となる。フルスケールが１００ｋｇｗのロ
ードセルの場合、前記の値は２０ｇｗ程度である。この
ように、本発明の結晶引き上げ機構を用いることによ
り、フォースバー式の引き上げ機構に用いられている直
径制御用ロードセルと直径制御装置とを、より一般的な
ケーブル方式の単結晶製造装置に適用することが可能と
なる。

【００１０】図８は請求項１の基本的な原理を示すもの
であり、実際には図９または図１０に示す構成となる。
これらの図において、アーム７の支点７ａとガイドプー
リ４の回動中心との距離をＬ、ガイドプーリ４の半径を
Ｒ、単結晶重量をＷ、ロードセル２に作用する荷重をＦ
とすると、図９の場合は、 Ｆ1 ＝Ｗ×（Ｌ−Ｒ）／Ｌ 図１０の場合は、 Ｆ2 ＝Ｗ×Ｌ／（Ｌ＋Ｒ） となり、必ずしも単結晶重量とは一致しないが、ガイド
プーリ４の半径Ｒに比較してアーム７の支点７ａとガイ
ドプーリ４の回動中心との距離Ｌが大きければ、ロード
セル２の作用点に働く力Ｆ1 またはＦ2 と単結晶重量Ｗ
との比は１に近づく。

【００１１】図１１は請求項６の基本原理を示すため、
重量測定系のみに注目した説明図である。同図において
２はロードセル、５は引き上げワイヤ、７はアーム、７
ａは前記アーム７の支点、９は巻き取りドラム、１０は
引き上げワイヤ５の中心位置を規制するセンタガイドプ
ーリであり、５１はアーム７、巻き取りドラム９、セン
タガイドプーリ１０などを含む機構の重心点である。巻
き取りドラム９および巻き取りドラム駆動手段をアーム
７に取り付け、このアーム７を垂直面内で揺動自在とな
るように支点７ａで支持し、アーム７の他端をロードセ
ル２の荷重印加点５２で支持することにより、巻き取り
ドラム９に加わる単結晶の重量をアーム７の他端を下方
に変位させようとする力として計測することができる。
このような構成とすることにより、重量測定系の構造は
極めて単純化される。また、ＷLはロードセル２によっ
て計測される荷重、ＷX は引き上げワイヤ５、シードチ
ャック、単結晶による荷重、ｗは支点７ａおよびロード
セル２によって支持される機構の重心点５１に作用する
重量、Ｌ1 は引き上げワイヤ５から重心点５１までの距
離、Ｌ2 は支点７ａから重心点５１までの距離、ｆはセ
ンタガイドプーリ１０による摩擦力である。

【００１２】単結晶成長中は、荷重ＷX による巻き取り
ドラム９の回転力がアーム７上に設置したモータなどの
ドラム回転駆動機構により釣り合っているため、前記ア
ーム７は巻き取りドラム９を含めて一体と考えることが
できる。従って、アーム７の支点７ａからＬ1 ＋Ｌ2 の
距離にある荷重印加点５２に働く荷重ＷL は、 ＷL ＝ＷX ＋ｗ×Ｌ2 ／（Ｌ1 ＋Ｌ2 ） で表される。このようにＷL には係数が掛からないの
で、単結晶の成長に伴う重量変化は１対１でロードセル
により検出可能となる。

【００１３】センタガイドプーリ１０の回転に伴う摩擦
力ｆは巻き取りドラム９のトルク変動となるが、巻き取
りドラム９の駆動手段をアーム７上に設置したので、前
記摩擦力ｆはアーム７と巻き取りドラム９との間でのみ
働くことになり、重量測定には影響を与えない。巻き取
りドラム９の回動中心とアーム７の支点７ａとを結ぶ直
線が水平であれば、巻き取りドラム９から繰り出され、
シードチャックに至る引き上げワイヤ５と一致する鉛直
線上にあるロードセル荷重印加点５２にアーム７を介し
て加えられる荷重の変化量は、引き上げワイヤ５に釣支
された単結晶の重量の変化分に１対１で対応する。アー
ム７の支点７ａと巻き取りドラム９の回動中心とを結ぶ
直線が水平から外れると、前記直線に平行な方向の分力
がアーム７に働き、ＷX とＷL の変化分が１対１で対応
しなくなる。しかし、ロードセルの荷重印加点５２の変
位は通常２０μｍ以下のため、ほとんど問題とならな
い。また、支点７ａと巻き取りドラム９の回動中心とを
結ぶ直線が水平から外れても、ＷX とＷL の変化分につ
いては比例関係が保たれるため、比例係数をあらかじめ
決定しておけば、あえて水平からずらせた状態で使用す
ることも不可能ではない。

【００１４】

【実施例】以下に、本発明に係る半導体単結晶製造装置
の実施例について、図面を参照して説明する。図１は、
請求項１〜請求項３の半導体単結晶製造装置における結
晶引き上げ機構の部分砕断面図で、真空容器１の上方に
フォースバー式の引き上げ機構に用いられている重量式
直径制御用ロードセル２が取り付けられている。前記ロ
ードセル２の下端にはフォースバー３が螺着され、ロー
ドセル２の荷重印加部を下方に延長している。４は第１
ガイドプーリで、前記ロードセル２の中心を通る鉛直線
上に垂設された引き上げワイヤ５を第２ガイドプーリ６
に導く。この第１ガイドプーリ４を軸着するアーム７の
両端は、前記フォースバー３の下端と、真空容器１の蓋
１ａに固着された部材８とにそれぞれ回動自在に軸着さ
れていて、前記部材８には金属またはセラミックス製の
ベアリングを用いて軸着されている。ここで、前記第１
ガイドプーリ４の回動中心とアーム７の支点７ａとを結
ぶ直線および第１ガイドプーリ４から第２ガイドプーリ
６に向かう引き上げワイヤ５はいずれも水平に保持され
ている。また、第２ガイドプーリ６は前記部材８に軸着
され、前記引き上げワイヤ５は第２ガイドプーリ６を介
して巻き取りドラム９によって巻き取られる。１０は外
周にほぼ半円形の溝を備えたセンタガイドプーリで、前
記ロードセル２の中心を通る鉛直線の両側に対向して配
設され、蓋１ａに固着された部材１１に軸着されてい
る。これにより、引き上げワイヤ５によって伝えられる
結晶重量はロードセル２に印加され、重量測定が行われ
る。なお、１２はロードセルの出力信号を取り出すスリ
ップリング、１３は結晶引き上げ機構全体を回転させる
プーリ、１４は結晶引き上げ機構全体を回転自在に支持
する軸受である。

【００１５】結晶重量をロードセル２に１対１の割合で
作用させるためには、図８に示したようにロードセル２
の荷重印加点を第１ガイドプーリ４の回転中心の直上に
設置しなければならないが、この種のロードセルは結晶
引き上げ機構の回転軸に中心を合わせて設置することを
前提に設計されているため、図１に示すように引き上げ
ワイヤ５によって形成される垂線とロードセル２の中心
軸とが一致する位置にロードセル２を設置した。そのた
め、ロードセルには結晶重量より若干小さい荷重が作用
するが、本実施例では第１ガイドプーリ４の直径を６０
ｍｍ、アーム７の支点７ａと第１ガイドプーリ４の回動
中心との距離を１００ｍｍとしたので、１／１．３倍の
荷重がロードセル２に作用する。前記結晶重量とロード
セル２に作用する荷重との差異は、直径制御装置により
自動的に補正される。また、本実施例ではロードセル２
はフルスケール５０ｋｇのものを使用したので、約６５
ｋｇまでの結晶を引き上げることができる。

【００１６】第２ガイドプーリ６は、巻き取りドラム９
のトラバース精度が重量測定精度に影響を与えないよう
にするために設けられている。この第２ガイドプーリ６
の効果について、図２により説明する。図２はガイドプ
ーリや巻き取りドラムを引き上げワイヤに沿って展開し
た説明図である。巻き取りドラム９は、スプライン軸１
５に挿嵌されたスプラインナット１６に取り付けられて
いて、真空容器の外部に設けられたモータ１７（図１参
照）、ウォーム１８、ウォームホイール１９によって駆
動される。前記巻き取りドラム９と一体に構成され、巻
き取りドラム９の一端から突出する中空のボスの外周に
は、引き上げワイヤ５の直径より僅かに大きいピッチの
ネジ２０が切られ、このネジ２０はメネジを切った板２
１に螺合している。前記板２１、スプライン軸１５の軸
受は、いずれも真空容器１の蓋１ａ（図１参照）に固着
したブラケットに固定されている。

【００１７】単結晶の引き上げに際し、巻き取りドラム
９は回転しながらスプライン軸１５上をトラバースする
が、板２１のネジのガタや引き上げワイヤ５の撚り戻り
等により、図２に鎖線で示したように引き上げワイヤ５
が左右に振られることがある。その場合、第２ガイドプ
ーリ６がなく、重量測定用の第１ガイドプーリ４から直
接巻き取りドラム９に引き上げワイヤ５が掛けられてい
ると、トルク変動によって重量測定に誤差を生じる。ま
た、第２ガイドプーリ６の軸６ａにロータリエンコーダ
２２を取り付けることにより、引き上げワイヤ５の巻き
取り長さを正確に測定することが可能となる。従来はス
プライン軸１５の回転を、ポテンショメータまたはロー
タリエンコーダによって測定していたが、これは間接的
な測定であるとともに、引き上げワイヤ５が巻き取りド
ラム９に螺旋状に巻き取られるため、正確な測定が困難
であった。

【００１８】本実施例では、使用した引き上げワイヤ５
の直径が１．９ｍｍであるため、プーリに引き上げワイ
ヤを巻き付けた状態でワイヤ中心部の形成する径が６
３．６９ｍｍとなるように第２ガイドプーリ６を加工し
た。このプーリの１回転は２００ｍｍのワイヤ移動距離
に相当するため、ロータリエンコーダ２２には２０００
パルス／１回転のものを用い、０．１ｍｍの分解能の測
定を可能にした。また本実施例では、引き上げワイヤ５
をロードセル中心線上に保持する手段としてセンタガイ
ドプーリ１０を用いているが、従来この種の装置ではテ
フロン製のブッシュを用いることが多い。しかし、引き
上げワイヤとブッシュとの摩擦が重量測定精度に影響を
与えることを考慮し、テフロン製のプーリをステンレス
鋼の軸に挿嵌し、軽く回転する状態に保持したセンタガ
イドプーリを用いた。なお、引き上げワイヤ５の中心を
結晶引き上げ機構の回転中心に合致させるため、前記セ
ンタガイドプーリ１０の位置を調整することが必要であ
る。また、スリップリング１２の位置からＡｒガスを導
入して真空容器１内をパージすることができる。

【００１９】以上のような構成による結晶引き上げ機構
をケーブル方式による従来の単結晶製造装置に取り付
け、フォースバー式単結晶製造装置に使用していた重量
式直径制御装置と組み合わせて単結晶を製造した。その
結果、従来のフォースバー式単結晶製造装置と同等の精
度の直径制御が可能となった。たとえば、直胴部直径の
平均値のバッチ間ばらつきは、光学式直径制御の場合バ
ッチごとにオペレータが補正を行っていても１．５〜２
ｍｍであったが、本発明による重量式直径制御の場合
は、オペレータが補正を行わずに１．０ｍｍ以下に抑え
ることができる。また、光学式直径制御では困難な肩
部、テール部の連続的な直径制御を容易に行うことがで
きる。

【００２０】図３は、請求項４の半導体単結晶製造装置
における重量測定系の構成を示す説明図である。ここで
は説明の重複を避けるため、図１と同一部分については
同一符号を付け、詳細説明を省略する。請求項３の実施
例では、第１ガイドプーリ４を軸着するアーム７の支点
に金属またはセラミックス製のベアリングを用いたが、
図３に示すようにアーム７の支点の位置を変更し、この
支点に引張応力が加わるようにしてもよい。そして、前
記支点に上下方向にたわむ板ばね７ｂを用いることによ
り、構造を簡易化することができる。

【００２１】図４および図５は請求項５の半導体単結晶
製造装置における重量測定系の構成を示す説明図であ
る。アーム７の支点をピボット７ｃまたはナイフエッジ
とし、アーム７はスプリング２３により部材８側に付勢
される。

【００２２】図６は請求項６〜請求項８の半導体単結晶
製造装置における結晶引き上げ機構の部分砕断面図、図
７は図６のＡ−Ａ線に沿うアームの断面図である。真空
容器１の上方にフォースバー式の引き上げ機構に用いら
れている重量式直径制御用ロードセル２が取り付けられ
ている。前記ロードセル２の下端にはフォースバー３が
螺着され、ロードセル２の荷重印加部を下方に延長して
いる。アーム７の一端は、真空容器１の蓋１ａに固着さ
れた部材８に回動自在に軸着され、アーム７と一体に構
成された部材７ｄの上端に前記フォースバー３の下端が
連結されている。これによりフォースバー３は、アーム
７に加わる重量をアーム７の支点７ａとともに支持す
る。前記アーム７の支点７ａには、アーム７の揺動に対
する摩擦を小さくするため、金属またはセラミックス製
のベアリングもしくはピボット、あるいはナイフエッジ
等の軸受か、上下方向にたわむ板ばねを使用することが
望ましい。また、アーム７の他端には巻き取りドラム９
が軸着され、引き上げワイヤ５は、ロードセル２および
フォースバー３の中心を通る鉛直線上に垂設されるとと
もに、真空容器１の回転軸にも一致している。前記アー
ム７の支点７ａと巻き取りドラム９の回動中心とは同一
水平面内に設置されている。なお、巻き取りドラム９の
外周には引き上げワイヤ５を所定のピッチで巻き取るこ
とができるように、螺旋状の溝が設けられている。

【００２３】アーム７には、巻き取りドラム９の回転駆
動手段および軸方向への移動手段も取着されている。巻
き取りドラム回転駆動手段は、パルスモータ４１のトル
クをカップリング４２、アーム７の側面に取着された軸
受４３、ウォーム１８、ウォームホィール１９を介して
スプライン軸１５に伝達し、前記スプライン軸１５に挿
嵌されたスプラインナット１６と、スプラインナット１
６に固定された巻き取りドラム９とを回転させる。巻き
取りドラム９の軸方向移動手段は、巻き取りドラム９の
内面に設けたメネジが前記アーム７に取着したネジ軸４
４に螺合して回転するとにより、巻き取りドラム９を軸
方向に移動させ、引き上げワイヤ５が重なり合って巻き
取られることを防止する。巻き取りドラム９の外周に設
けた螺旋状の溝のピッチとネジ軸４４のネジのピッチと
が正確に一致していれば、巻き取りドラム９から垂下す
る引き上げワイヤ５の位置を常に結晶引き上げ機構の回
転中心軸上に保持することができる。

【００２４】アーム７と一体に構成された部材７ｄの下
端には、図１および図１１に示したセンタガイドプーリ
１０に代えてテフロン製のセンタガイドブッシュ４５が
取着されている。引き上げワイヤ５が前記ブッシュ４５
に挿通されることにより、引き上げワイヤ５の中心位置
が規制されるとともに、引き上げワイヤ５に適度の摩擦
力を与え、引き上げワイヤ５に加わる荷重が減少したと
き引き上げワイヤ５がたわんで巻き取りドラム９から外
れることを防止している。前記ブッシュ４５は、アーム
７と一体に構成された部材７ｄに取着されているので、
センタガイドブッシュ４５と引き上げワイヤ５との摩擦
力は重量計測に影響を与えない。１２はロードセル用ス
リップリングで、ロードセル２の電源供給と信号出力と
を行う。１３は真空容器１を回転させるためのプーリ、
１４は結晶引き上げ機構全体を回転自在に支持する軸受
で、炉内を減圧状態にして操業する場合は前記軸受部分
にオイルシールまたは磁気流体シールを用いる。また、
スリップリングおよびブラシ４６はパルスモータ４１に
駆動電流を供給するためのものである。ただし、図１で
は前記スリップリングおよびブラシ４６の記載を省略し
ている。

【００２５】本実施例では、引き上げワイヤ５の垂下位
置と巻き取りドラム９との位置関係が図１１と異なって
いるが、図６の方が真空容器１の回転中心に対して形状
および重量のバランスを取りやすい。欠点としては、ロ
ードセル２に掛かるアーム７の重量が若干大きくなる
が、巻き取りドラム９の重量をできるだけ小さく設計す
ることにより、実用的な問題は生じない。そして、アー
ム７および巻き取りドラム９とその駆動手段の重量が成
長終了時における単結晶の重量に比べて十分に小さけれ
ば、ロードセル２で測定可能な最大重量と製造可能な最
大単結晶重量とはほぼ１対１で対応する。

【００２６】本実施例では、ロードセル２に５０ｋｇフ
ルスケールのものを使用し、巻き取りドラム９の直径を
１２０ｍｍとした。シードチャックのストロークを最大
４ｍとしたので、巻き取りドラム９はフルストロークで
１１回転する必要がある。巻き取りドラム９には引き上
げワイヤ５を巻き付けるため螺旋状の溝を設けるが、ワ
イヤ線径を１．２ｍｍとして前記溝のピッチを２．０ｍ
ｍとした。このため、ネジ軸４４のネジもピッチ２．０
ｍｍとした。巻き取りドラム９に巻き付けられる引き上
げワイヤ５の巻き幅は２２ｍｍとなるため、巻き取りド
ラム９の軸方向長さは短くすることができ、本実施例で
は４０ｍｍとした。巻き取りドラム９の材質はステンレ
ス鋼としたが、ネジ軸４４と入れ子構造になっているこ
と、ネジ軸４４を外径８０ｍｍのテフロン製としたこ
と、巻き取りドラム９を肉抜きしたことなどにより重量
を軽減し、前記巻き取りドラム９やその駆動手段を含ん
だアーム重量を６ｋｇ以下に抑えた。これにより、単結
晶成長を行っていないときにロードセルに掛かる重量は
５ｋｇ以下となり、ロードセルの零点を１０％移動する
ことによって５０ｋｇまでの結晶重量を測定することが
可能となった。

【００２７】本実施例では、巻き取りドラム９の駆動に
真空中で使用できるパルスモータを用いた。この種のモ
ータは極低回転速度で使用できるため、減速機を使用す
る必要がなく、変速範囲も極めて大きいため、早送りや
遅送りの切り換えのためのクラッチなどを必要としな
い。また、電気的に１回転当たりの分割数を２００倍程
度に上げられるため、振動の大きさも実用上問題ない。
本実施例でウォームギヤを用いた理由は、万一モータに
電流を供給することができなくなった場合の逆回転を防
ぐことと、小型軽量のモータを使用するため、減速によ
ってワイヤ巻き上げトルクを増大させることにある。本
実施例で使用したモータのトルクは２．０ｋｇｃｍ、ウ
ォームギヤの減速比は１／５０、ウォームホイールのピ
ッチ円直径は１００ｍｍであり、理論上８３ｋｇの重量
を巻き上げることができる。また、モータ重量は３５０
ｇである。

【００２８】単結晶成長時の引き上げ速度が１．０ｍｍ
／分の場合は、パルスモータの１回転当たりの分割数を
２００倍に上げ、８８パルス／秒で駆動した。早送り時
には１０００ｍｍ／分の送り速度となるようにするた
め、電気的分割は行わず、４４０パルス／秒で駆動し
た。移動距離の測定は、パルスモータのドライバに加え
るパルスをカウンタによって計測して行った。

【００２９】図６、図７に基づいて説明した結晶引き上
げ機構をケーブル方式による従来の単結晶製造装置に取
り付け、フォースバー式単結晶製造装置に使用していた
重量式直径制御装置と組み合わせて単結晶を製造した。
その結果、図１および図２に基づいて説明した結晶引き
上げ機構を用いた場合と同等の結果が得られた。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように本発明の第１によれ
ば、ガイドプーリを軸着するアームの一端をロードセル
の荷重印加部に接続し、アームの他端に設けた支点を中
心として前記アームが垂直面内で揺動自在、かつ前記ガ
イドプーリの回動中心と前記アームの支点とを結ぶ直線
が水平となるように前記アームを支持するとともに、前
記ガイドプーリから巻き取りドラムに向かうワイヤが水
平となるように巻き取りドラムを設置したので、ロード
セルに引き上げ単結晶重量のみが作用する。このよう
に、従来、フォースバー式の単結晶製造装置に適用され
ていたロードセルと重量式直径制御装置を、フォースバ
ー式に比べて著しく製作費の安価なケーブル方式の単結
晶製造装置に使用可能としたので、直径制御性能が格段
に優れ、しかも安価に製作することができる単結晶製造
装置の実現が可能となる。

【００３１】また、本発明の第２によれば、一端に巻き
取りドラムを軸着したアームに巻き取りドラム駆動手段
も取着し、前記アームの他端に設けた支点を中心として
前記アームが垂直面内で揺動自在、かつ前記巻き取りド
ラムの回動中心と前記アームの支点とを結ぶ直線が水平
となるように前記アームを支持したので、巻き取りドラ
ムから垂下した引き上げワイヤの直上でロードセルの荷
重印加点がアーム重量を支持することにより、引き上げ
単結晶の成長に伴う重量変化分を１対１で対応してロー
ドセルに加えることができる。この重量式直径制御装置
は、上記本発明の第１による直径制御装置に比べて構造
が簡素化され、小型かつ軽量であるとともに、メインテ
ナンスも容易であるという利点を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１〜請求項３の半導体単結晶製造装置に
おける結晶引き上げ機構の部分砕断面図である。

【図２】図１におけるガイドプーリや巻き取りドラムを
引き上げワイヤに沿って展開した説明図である。

【図３】請求項４の半導体単結晶製造装置における重量
測定系の構成を示す説明図である。

【図４】請求項５の半導体単結晶製造装置における重量
測定系の構成を示す側面図である。

【図５】図４の平面図である。

【図６】請求項６〜請求項８の半導体単結晶製造装置に
おける結晶引き上げ機構の部分砕断面図である。

【図７】図６のＡ−Ａ線に沿うアームの断面図である。

【図８】請求項１の基本原理を示すため、重量測定系の
みに注目した説明図である。

【図９】請求項１による重量測定系の構成の一例を示す
説明図である。

【図１０】請求項１による重量測定系の構成の他の例を
示す説明図である。

【図１１】請求項６の基本原理を示すため、重量測定系
のみに注目した説明図である。

【図１２】従来の光学式直径制御方法を用いたシリコン
単結晶製造装置の概略構成を模式的に示す説明図であ
る。

【図１３】従来のケーブル方式の結晶引き上げ機構にロ
ードセルを取り付けた状態を模式的に示す説明図であ
る。

【符号の説明】

１ 真空容器 ２ ロードセル ３ フォースバー ４ 第１ガイドプーリ ５ 引き上げワイヤ ６ 第２ガイドプーリ ７ アーム ７ａ 支点 ７ｂ 板ばね ７ｃ ピボット ７ｄ，８，１１部材 ９ 巻き取りドラム １０ センタガイドプーリ １７，２４，３１，３２ モータ １８ ウォーム １９ ウォームホイール ４１ パルスモータ ４５ センタガイドブッシュ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川畑 光徳 神奈川県平塚市四之宮2612 コマツ電子金 属株式会社内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ワイヤ巻き取りドラムと、ワイヤを引き
   上げる際に前記ワイヤを巻き取りドラムにガイドするガ
   イドプーリと、巻き取りドラム駆動手段と、ワイヤを回
   転させる手段とを備えた結晶引き上げ機構を用いる半導
   体単結晶製造装置において、結晶引き上げ機構に重量式
   直径制御用ロードセルを取り付け、一端を前記ロードセ
   ルの荷重印加部に接続したアームにガイドプーリを回動
   自在に軸着し、アームの他端に設けた支点を中心として
   前記アームが垂直面内で揺動自在、かつ前記ガイドプー
   リの回動中心と前記アームの支点とを結ぶ直線が水平と
   なるように前記アームを支持するとともに、前記ガイド
   プーリから巻き取りドラムに向かうワイヤが水平となる
   ように前記巻き取りドラムを設置したことを特徴とする
   半導体単結晶製造装置。
2. 【請求項２】 ガイドプーリと巻き取りドラムとの間に
   第２ガイドプーリを設置し、前記ガイドプーリから第２
   ガイドプーリに向かうワイヤが水平となるように、第２
   ガイドプーリの回動中心を固定したことを特徴とする請
   求項１の半導体単結晶製造装置。
3. 【請求項３】 アームの他端に設けた支点に、金属また
   はセラミックス製のベアリングを用いたことを特徴とす
   る請求項１または請求項２の半導体単結晶製造装置。
4. 【請求項４】 アームの他端に設けた支点に、上下方向
   にたわむ板ばねを用いたことを特徴とする請求項１また
   は請求項２の半導体単結晶製造装置。
5. 【請求項５】 アームの他端に設けた支点が、金属また
   はセラミックス製のピボットもしくはナイフエッジであ
   ることを特徴とする請求項１または請求項２の半導体単
   結晶製造装置。
6. 【請求項６】 ワイヤ巻き取りドラムと、巻き取りドラ
   ム駆動手段と、ワイヤを回転させる手段とを備えた結晶
   引き上げ機構を用いる半導体単結晶製造装置において、
   前記結晶引き上げ機構に重量式直径制御用ロードセルを
   取り付け、回転可能な真空容器の内部に一端を支点とし
   て垂直面内で揺動自在のアームを設け、このアームにワ
   イヤ巻き取りドラムとその駆動手段とを取着し、前記ワ
   イヤ巻き取りドラムから鉛直に垂下するワイヤの延長線
   上において前記アームとロードセルの荷重印加部とを連
   結するとともに、前記ワイヤ巻き取りドラムの回動中心
   と前記アームの支点とを結ぶ直線が水平となるように前
   記アームを支持したことを特徴とする半導体単結晶製造
   装置。
7. 【請求項７】 ワイヤ巻き取りドラムを駆動する動力源
   にパルスモータを用いることを特徴とする請求項６の半
   導体単結晶製造装置。
8. 【請求項８】 ワイヤ巻き取りドラムから鉛直に垂下す
   るワイヤを真空容器の回転中心軸上に保持するためのセ
   ンタガイドプーリまたはセンタガイドブッシュを、アー
   ムまたはアームと一体に構成した部材に設置したことを
   特徴とする請求項６の半導体単結晶製造装置。