JPH08169796A - 単結晶引き上げ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 るつぼ３１、るつぼの支持軸３９、単結晶引
き上げ軸３４、単結晶引き上げ軸３４に取り付けられた
種結晶保持治具１７等を備えた単結晶引き上げ装置にお
いて、種結晶保持治具１７が引き上げ軸固定側部材１７
ａと種結晶固定側部材１７ｂとに分割され、これら両部
材間に、所定値以上のトルクが作用するとすべりを生じ
るすべり機構１７ｄが介装されている単結晶引き上げ装
置。 【効果】 単結晶３６と固体層３８とが固着した場合に
おいて、単結晶引き上げ軸３４とるつぼ支持軸３９との
回転方向あるいは回転数の差により発生する所定値以上
のトルクは、すべり機構１７ｄにより吸収されることと
なり、単結晶引き上げ軸３４や単結晶３６等におけるね
じれの発生が防止される。その結果、装置の破損事故や
単結晶３６の落下事故の発生を未然に防止することがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体材料とし
て使用されるシリコン単結晶を成長させる単結晶引き上
げ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】単結晶を成長させるには種々の方法があ
るが、その一つにチョクラルスキー法（以下、ＣＺ法と
記す）がある。図９は従来のＣＺ法に用いられる単結晶
引き上げ装置を模式的に示した断面図であり、図中３１
はるつぼを示している。

【０００３】このるつぼ３１は、有底円筒形状の石英製
の内層保持容器３１ａと、この内層保持容器３１ａの外
側に嵌合された同じく有底円筒形状の黒鉛製の外層保持
容器３１ｂとから構成されており、るつぼ３１は図中の
矢印方向に所定の速度で回転する支持軸３９に支持され
ている。このるつぼ３１の外側には抵抗加熱式のヒータ
３２が同心円状に配置されており、るつぼ３１内にはこ
のヒータ３２により溶融させた単結晶用原料の溶融液３
３が充填されている。また、るつぼ３１の中心軸上には
引き上げ棒あるいはワイヤー等からなる引き上げ軸３４
が吊設されており、この引き上げ軸３４の先に種結晶保
持治具３７を介して取り付けられた種結晶３５を溶融液
３３の表面に接触させ、引き上げ軸３４を支持軸３９と
同一軸心で同方向または逆方向に所定の速度で回転させ
ながら引き上げることにより、溶融液３３を凝固させて
単結晶３６を成長させている。

【０００４】ところで、半導体の単結晶３６をこの引き
上げ方法で引き上げる場合、単結晶３６の電気抵抗率や
電気伝導型を調整するために、引き上げ前に溶融液３３
中に不純物を添加することが多い。しかし通常のＣＺ法
においては、単結晶３６と溶融液３３との間に生じるい
わゆる偏析現象に起因して、単結晶３６の成長軸方向に
関して均一な電気抵抗率を有する単結晶３６が得られな
いという問題があった。

【０００５】前記偏析現象とは、単結晶３６の凝固の際
に、単結晶３６と溶融液３３との界面における単結晶３
６の不純物濃度と溶融液３３の不純物濃度とが一致しな
いことをいうが、実効偏析係数Ｋｅ（単結晶３６の不純
物濃度／溶融液３３の不純物濃度）は１より小さくなる
場合が多い。この場合、単結晶３６が成長するとともに
前記偏析現象のために溶融液３３の不純物濃度が次第に
高くなるので、単結晶３６の不純物濃度も次第に高くな
り、電気抵抗率が小さくなってくる。従って前記方法で
成長させた単結晶３６には、一部電気抵抗率に関し基準
を満たさないものが製造されてしまい、歩留まりが低く
なる。

【０００６】そこで、上記した偏析現象の発生に起因し
た電気抵抗率の歩留りの低下を防止し、前記電気抵抗率
に関する歩留まりを上げる単結晶引き上げ方法として溶
融層法が開発されている。

【０００７】図１０は、前記溶融層法に用いられる単結
晶引き上げ装置を模式的に示した断面図である。この溶
融層法の基本的な特徴は、図９と同様に構成されたるつ
ぼ３１内において、単結晶用原料をヒータ３２で溶融さ
せて、上層には溶融液３３を、下層には固体層３８を形
成し、単結晶３６の成長とともに、固体層３８を次第に
溶出させることによって、溶融液３３の不純物濃度を一
定に保つことにある。装置の構成は前記ＣＺ法に用いら
れる装置と同様であり、単結晶３６の引き上げ方法も上
記した過程を除いてはＣＺ法による引き上げ方法とほぼ
同様である。

【０００８】前記溶融層法には、溶融液３３の不純物濃
度を一定に保つ方法として異なる二つの方法、すなわち
溶融層厚一定法及び溶融層厚変化法が提案されている。
この溶融層厚一定法として、不純物を含有しない固体層
３８を単結晶３６の引き上げに伴って溶融させつつ、溶
融液３３の体積を一定に保ち、溶融液３３には不純物を
連続的に添加して溶融液３３の不純物濃度を一定に保つ
方法があり、特公昭３４−８２４２号公報、特公昭６２
−８８０号公報及び実公平３−７４０５号公報等に前記
した方法が開示されており、また固体層３８中に先に不
純物を含有させておき、溶融液３３には不純物を添加せ
ず、不純物を含有した固体層３８を単結晶３６の引き上
げに伴って溶融させつつ溶融液３３の体積を一定に保
ち、溶融液３３の不純物濃度をほぼ一定に保つ方法が、
特公昭６２−８８０号公報及び特開昭６３−２５２９８
９号公報に開示されている。

【０００９】溶融層厚変化法は、意図的に溶融液３３の
体積を変化させることにより、単結晶３６の引き上げ中
に不純物を添加することなく溶融液３３の不純物濃度を
一定に保つ方法であり、特開昭６１−２０５６９１号公
報、特開昭６１−２０５６９２号公報、特開昭６１−２
１５２８５号公報、及び特公平３ー７９３２０号公報に
開示されている。

【００１０】上記した二つの溶融層法において、溶融液
３３の層の厚みの制御は、発熱体としてのヒータ３２の
長さやパワー、るつぼ３１の位置や深さ及びヒータ３２
の外側に周設され、るつぼ３１下部の熱移動を促進する
保温筒４２の形状及び材質を、適切に選択することによ
り行われている。

【００１１】上記したように、溶融層法においては溶融
液３３の不純物濃度をほぼ一定に保つことができるの
で、電気抵抗率に関する歩留まりを改善することができ
るという利点がある。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記溶
融層法における単結晶引き上げ装置においては、るつぼ
３１下部に固体層３８が形成された状況下で単結晶３６
の引き上げが行われるため、るつぼ３１下部の固体層３
８が単結晶３６の引き上げ中に成長し、固体層３８と溶
融液３３との通常の界面より単結晶３６側に向かって固
体層３８が成長し、凸形状の固体層３８が形成される場
合がある。このような固体層３８は、例えばヒータ３２
位置を上げることにより固体層３８を増加させた時な
ど、引き上げ条件が極端に変わる場合などにおいて単結
晶３６と固着した状態になることがあり、単結晶３６と
固体層３８とが固着した状態のまま引き上げを続行する
と、単結晶引き上げ軸３４や種結晶保持治具３７等単結
晶引き上げ装置の破損や、単結晶３６のネック部の破損
による単結晶３６の落下等の事故が発生する危険性があ
るといった課題があった。

【００１３】本発明は上記課題に鑑みなされたものであ
り、単結晶と固体層とが固着した場合において所定値以
上のトルクが発生するのを防止することができ、その結
果、装置の破損事故や単結晶の落下事故等の発生を未然
に防止することができる単結晶引き上げ装置を提供する
ことを目的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係る単結晶引き上げ装置（１）は、るつぼ、
該るつぼの支持軸、単結晶引き上げ軸、該単結晶引き上
げ軸に取り付けられた種結晶保持治具等を備えた単結晶
引き上げ装置において、前記種結晶保持治具が引き上げ
軸固定側部材と種結晶固定側部材とに分割され、これら
両部材間に、所定値以上のトルクが作用するとすべりを
生じるすべり機構が介装されていることを特徴としてい
る。

【００１５】また、上記目的を達成するために本発明に
係る単結晶引き上げ装置（２）は、るつぼ、該るつぼの
支持軸、単結晶引き上げ軸、該単結晶引き上げ軸に取り
付けられた種結晶保持治具等を備えた単結晶引き上げ装
置において、前記るつぼの底部に嵌合する前記支持軸の
先端部が先細形状となっていることを特徴としている。

【００１６】

【作用】本発明に係る単結晶引き上げ装置（１）によれ
ば、種結晶保持治具が引き上げ軸固定側部材と種結晶固
定側部材とに分割され、これら両部材間に、所定値以上
のトルクが作用するとすべりを生じるすべり機構が介装
されているため、単結晶と固体層とが固着した場合にお
いて、単結晶引き上げ軸とるつぼ支持軸との回転方向あ
るいは回転数の違いにより発生する所定値以上のトルク
は、前記すべり機構により吸収されることとなり、前記
種結晶引き上げ軸や単結晶等におけるねじれの発生が防
止される。

【００１７】また、本発明に係る単結晶引き上げ装置
（２）によれば、るつぼの底部に嵌合する支持軸の先端
部が先細形状となっているため、単結晶と固体層とが固
着した場合において、るつぼ底部に固着した固体層と共
に、単結晶引き上げ軸の上昇によりるつぼが少しでも上
昇すると、るつぼとるつぼ支持軸とが分離し、それぞれ
が独立して滑り回転することとなる。このため、単結晶
引き上げ軸とるつぼ支持軸との回転数あるいは回転方向
の違いによる所定値以上のトルクは発生しないこととな
り、前記単結晶引き上げ軸や単結晶等におけるねじれの
発生が防止される。

【００１８】

【実施例及び比較例】以下、本発明に係る単結晶引き上
げ装置の実施例、及び比較例を図面に基づいて説明す
る。なお、ここでは従来例と同一の機能を有する構成部
品には同一の符合を付すこととする。また、図１０に示
した従来の単結晶引き上げ装置を比較例として用いて実
験を行った。

【００１９】図１は、実施例１に係る単結晶引き上げ装
置を示した模式的断面図であり、図中１７は種結晶保持
治具を示している。図２は種結晶保持治具１７の模式的
拡大図であり、種結晶保持治具１７は引き上げ軸固定側
部材１７ａ及び種結晶固定側部材１７ｂを含んで構成さ
れている。種結晶固定側部材１７ｂの下端部には種結晶
固定部１７ｃが形成され、引き上げ軸固定側部材１７ａ
と種結晶固定側部材１７ｂとの間には所定値以上のトル
クが作用するとすべりを生じるすべり機構１７ｄが介装
されている。すべり機構１７ｄはボールベアリング部１
７ｅ、このボールベアリング部１７ｅを支持し、種結晶
固定側部材１７ｂにボルト止めされた支持部材１７ｆ、
及びすべりトルクを調節するために引き上げ軸固定側部
材１７ａに螺合された締め付け部材１７ｇから構成さ
れ、単結晶引き上げ軸３４は円板部材３４ａを介して引
き上げ軸固定側部材１７ａに固定されている。その他の
部分の構成は図１０に示した従来のものと同様であるの
で、ここではその説明を省略する。

【００２０】このように構成された装置を用いて単結晶
３６の引き上げを行った場合、単結晶３６と固体層３８
との固着が発生し、単結晶引き上げ軸３４とるつぼ支持
軸３９との回転方向あるいは回転速度の違いにより引き
上げ軸固定側部材１７ａと種結晶固定側部材１７ｂとの
間に所定値以上のトルクが生じると、すべり機構１７ｄ
が作動することにより、引き上げ軸固定側部材１７ａと
種結晶固定側部材１７ｂの回転方向及び回転速度は互い
に独立することとなる。ここで、所定値以上のトルクと
は、溶融液３３の粘性が単結晶３６に及ぼす回転力をは
るかに超えるものであり、例えば単結晶３６と固体層３
８との固着により生じる回転力等を意味するものとす
る。

【００２１】以下に、上記装置を用いて単結晶長が１１
００ｍｍの単結晶を引き上げた結果を図３に基づいて説
明する。引き上げ条件を下記の表１に示す。

【００２２】

【表１】

【００２３】引き上げ方法としては、ヒータ３２を８５
ｋｗに設定し、いったん原料を全融させた後、ヒータ３
２を７５ｋｗに調整し、るつぼ３１下部に固体層３８を
成長させた。その後、種結晶３５の下端を溶融液３３の
表面に浸漬し、坩堝３１及び単結晶引き上げ軸３４を、
坩堝３１の回転数／単結晶引き上げ軸３４の回転数＝１
０ｒｐｍ／１０ｒｐｍとしてそれぞれ逆方向に回転させ
つつ、単結晶３６を引き上げた。

【００２４】そして、単結晶３６と固体層３８とを固着
させるため、ヒータ３２の出力を低下させて固体層３８
の量を増加させ、ヒータ３２の出力を低下させた分、単
結晶３６直径のバランスをとるために単結晶３６の引き
上げ速度を１ｍｍ／ｍｉｎから１．５ｍｍ／ｍｉｎに上
げた。

【００２５】図３は、単結晶３６と固体層３８との固着
発生前後を通じて測定された、単結晶引き上げ軸３４へ
の指令回転数と、引き上げ軸固定側部材１７ａ直上で実
測された実測回転数との相対差を示したグラフであり、
図中、実線Ａは実施例１に係る単結晶引き上げ装置を用
いて測定したグラフを、破線Ｂは比較例に係る単結晶引
き上げ装置を用いて測定したグラフをそれぞれ示してい
る。なお、図中、点線Ｃは、固着発生時点を示すもので
ある。

【００２６】図３から明らかなように、比較例に係る単
結晶引き上げ装置においては単結晶３６と固体層３８と
の固着発生直後において前記指令回転数と実測回転数と
の相対差が２０ｒｐｍにまで急増し、この結果、単結晶
保持治具３７及び単結晶引き上げ軸３４に所定値以上の
トルクが作用し、単結晶引き上げ軸３４が破断した。一
方実施例に係る単結晶引き上げ装置においては単結晶３
６と固体層３８との固着発生後も前記指令回転数と実測
回転数との相対差は０ｒｐｍであり、この結果、引き上
げ軸固定側部材１７ａと種結晶固定側部材１７ｂとの間
及び単結晶引き上げ軸３４に所定値以上のトルクが作用
することがないので、単結晶引き上げ軸３４の破断は生
じなかった。

【００２７】上記したように、実施例１に係る単結晶引
き上げ装置においては、種結晶保持治具１７が引き上げ
軸固定側部材１７ａと種結晶固定側部材１７ｂとに分割
され、これら両部材間に、所定値以上のトルクが作用す
るとすべりを生じるすべり機構１７ｄが介装されている
ため、単結晶３６と固体層３８とが固着した場合におい
て、単結晶引き上げ軸３４とるつぼ支持軸３９との回転
方向あるいは回転数の差により発生する所定値以上のト
ルクは、すべり機構１７ｄにおいて吸収され、引き上げ
軸固定側部材１７ａと種結晶固定側部材１７ｂとがそれ
ぞれ独立して回転することとなり、種結晶保持治具１７
等のねじれが防止される。その結果、装置の破損事故や
単結晶３６の落下事故の発生を未然に防止することがで
きる。

【００２８】図４は、実施例２に係る単結晶引き上げ装
置を示した模式的断面図であり、図中５９はるつぼ支持
軸を示している。図５は従来例におけるるつぼ支持軸３
９の上端部近傍、図６は実施例２におけるるつぼ支持軸
５９の上端部近傍の模式的拡大断面を示しており、るつ
ぼ支持軸５９は、先端部５９ａが図に示すように先細形
状となっている。その他の部分の構成は図１０に示した
従来のものと同様であるので、ここではその説明を省略
する。

【００２９】このように構成された装置を用いて単結晶
３６の引き上げを行った場合、単結晶３６と固体層３８
との固着が発生し、単結晶引き上げ軸３４の上昇によ
り、固着した固体層３８と共にるつぼ５１が少しでも上
昇すると、るつぼ５１とるつぼ支持軸５９とが分離し、
それぞれが独立して滑り回転をすることとなり、単結晶
引き上げ軸３４の回転数、換言すればるつぼ５１の回転
数と、るつぼ支持軸５９の回転数の相対差による所定値
以上のトルクは発生しないこととなる。

【００３０】以下に、上記装置を用いて単結晶長が１１
００ｍｍの単結晶を引き上げた結果を図７に基づいて説
明する。引き上げ条件は上記の表１に示した通りであ
り、固体層３８の形成方法及び単結晶３６の引き上げ方
法は、前記実施例１の場合と同様に行った。

【００３１】図７は、単結晶３６と固体層３８との固着
発生前後を通じて測定された、るつぼ３１、５１の回転
数と、るつぼ支持軸３９、５９の回転数との相対差を示
したグラフであり、図中、実線Ａは実施例２に係る単結
晶引き上げ装置を用いて測定したグラフを、破線Ｂは比
較例に係る単結晶引き上げ装置を用いて測定したグラフ
をそれぞれ示している。なお、図中、点線Ｃは、固着発
生時点を示すものである。

【００３２】図７から明らかなように、比較例に係る単
結晶引き上げ装置においては単結晶３６と固体層３８と
の固着発生後もるつぼ３１とるつぼ支持軸３９とが摩擦
力により固定され、前記るつぼ３１とるつぼ支持軸３９
との回転数の相対差は０ｒｐｍのままであった。これに
より単結晶引き上げ軸３４及び単結晶３６に所定値以上
のトルクが作用し、結果として単結晶引き上げ軸３４の
破断を生じ、単結晶３６の落下を生じた。一方実施例２
に係る単結晶引き上げ装置においては単結晶３６と固体
層３８との固着発生後にるつぼ５１とるつぼ支持軸５９
との回転数の相対差は０ｒｐｍから２０ｒｐｍに変化
し、その後は２０ｒｐｍの一定の回転数差を保持してそ
れぞれが独立して回転した。これは、単結晶３６と固体
層３８との固着発生時にるつぼ５１とるつぼ支持軸５９
とが分離し、それぞれが独立して回転し始めたことを示
している。この結果、単結晶引き上げ軸３４に所定値以
上のトルクが作用することがないので、単結晶引き上げ
軸３４の破断は生じなかった。

【００３３】上記したように、実施例２に係る単結晶引
き上げ装置においては、るつぼ５１の底部に嵌合する支
持軸５９の先端部が先細形状となっているため、単結晶
３６と固体層３８とが固着した場合において、単結晶引
き上げ軸３４の上昇により、固着した固体層３８と共に
るつぼ５１が少しでも上昇すると、るつぼ５１とるつぼ
支持軸５９とが分離し、それぞれが独立して滑り回転す
ることとなり、単結晶引き上げ軸３４の回転数、換言す
ればるつぼ５１の回転数と、るつぼ支持軸５９の回転方
向あるいは回転数との違いによる所定値以上のトルクは
発生しないこととなり、種結晶保持治具３７等のねじれ
が防止される。その結果、装置の破損事故や単結晶３６
の落下事故の発生を未然に防止することができる。

【００３４】なお、上記実施例２に係る単結晶引き上げ
装置にあっては、るつぼ支持軸１９の先端部の形状を図
６に示すような円錐形状としたが、何らこれに限定され
るものではなく、先細形状であれば、図８に示す実施例
３のように半球形状であってもよい。また、上記実施例
においては、シリコン単結晶を成長させる場合について
述べているが、何らこれに限定されるものではなく、さ
らに別の実施例ではシリコン以外の単結晶の引き上げに
も適用可能である。

【００３５】

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係る単結晶
引き上げ装置（１）においては、種結晶保持治具が引き
上げ軸固定側部材と種結晶固定側部材とに分割され、こ
れら両部材間に、所定値以上のトルクが作用するとすべ
りを生じるすべり機構が介装されているため、単結晶と
固体層とが固着した場合において、単結晶引き上げ軸と
るつぼ支持軸との回転方向あるいは回転数の差により発
生する所定値以上のトルクは、すべり機構により吸収さ
れることとなり、前記単結晶引き上げ軸や単結晶等にお
けるねじれの発生が防止される。その結果、装置の破損
事故や単結晶の落下事故の発生を未然に防止することが
できる。

【００３６】また、本発明に係る単結晶引き上げ装置
（２）においては、るつぼの底部に嵌合する支持軸の先
端部が先細形状となっているため、単結晶と固体層とが
固着した場合において、固着した固体層と共に、単結晶
引き上げ軸の上昇によりるつぼが少しでも上昇すると、
るつぼとるつぼ支持軸とが分離し、それぞれが独立して
滑り回転することとなる。このため、単結晶引き上げ軸
とるつぼ支持軸との回転数あるいは回転方向の違いによ
る所定値以上のトルクは発生しないこととなり、前記単
結晶引き上げ軸や単結晶等におけるねじれの発生が防止
される。その結果、装置の破損事故や単結晶の落下事故
の発生を未然に防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る単結晶引き上げ装置を示
した模式的断面図である。

【図２】実施例に係る単結晶引き上げ装置の単結晶保持
治具を示した模式的拡大断面図である。

【図３】単結晶と固体層との固着発生前後を通じて測定
された、単結晶引き上げ軸への指令回転数と、引き上げ
軸固定側部材及び単結晶保持治具上で実測された実測回
転数との差を示したグラフである。

【図４】別の実施例に係る単結晶引き上げ装置を示した
模式的拡大図である。

【図５】従来例に係る単結晶引き上げ装置の要部を示し
た模式的拡大断面図である。

【図６】実施例に係る単結晶引き上げ装置の要部を示し
た模式的拡大断面図である。

【図７】単結晶と固体層との固着発生前後を通じて測定
された、るつぼの回転数と、るつぼ支持軸の回転数との
差を示したグラフである。

【図８】さらに別の実施例に係る単結晶引き上げ装置の
要部を示す模式的拡大断面図である。

【図９】従来のＣＺ法に用いられる単結晶引き上げ装置
を模式的に示した断面図である。

【図１０】従来の溶融層法に用いられる単結晶引き上げ
装置を模式的に示した断面図である。

【符号の説明】

１７、３７ 種結晶保持治具 １７ａ 引き上げ軸固定側部材 １７ｂ 種結晶固定側部材 ３１、５１、８１ るつぼ ３４ 単結晶引き上げ軸 ３９、５９、８９ るつぼの支持軸

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 るつぼ、該るつぼの支持軸、単結晶引き
   上げ軸、該単結晶引き上げ軸に取り付けられた種結晶保
   持治具等を備えた単結晶引き上げ装置において、前記種
   結晶保持治具が引き上げ軸固定側部材と種結晶固定側部
   材とに分割され、これら両部材間に、所定値以上のトル
   クが作用するとすべりを生じるすべり機構が介装されて
   いることを特徴とする単結晶引き上げ装置。
2. 【請求項２】 るつぼ、該るつぼの支持軸、単結晶引き
   上げ軸、該単結晶引き上げ軸に取り付けられた種結晶保
   持治具等を備えた単結晶引き上げ装置において、前記る
   つぼの底部に嵌合する前記支持軸の先端部が先細形状と
   なっていることを特徴とする単結晶引き上げ装置。