JPH09235179A - 単結晶引上げ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＣＺ法による単結晶Ｂの引上げにおいて、単
結晶Ｂの落下を防止する。その落下防止に伴う引上げへ
の悪影響を回避する。 【解決手段】 プルチャンバー１３の最上部に設けた重
量測定器２１により単結晶Ｂの重量を測定する。プルチ
ャンバー１３の周方向複数箇所にエアシリンダ２２を設
ける。単結晶Ｂの重量測定値が減少したときにエアシリ
ンダ２２を作動させて単結晶Ｂをクランプする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はＣＺ法による単結晶
の育成に使用される単結晶引上げ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体ディバイスの製造に使用されるシ
リコンウェーハの素材としては、ＣＺ法により育成され
たシリコン単結晶が多用されている。ＣＺ法によるシリ
コン単結晶の育成では、周知の通り、引上げ軸の下端に
種結晶を装着し、石英坩堝内に生成されたシリコン融液
にこの種結晶を浸け、この状態から種結晶を回転させな
がら引上げることにより、種結晶の下方にシリコン単結
晶を育成する。

【０００３】ここで種結晶は、直径が１０数ｍｍ程度の
シリコン単結晶からなる細かい棒体であり、上端部がシ
ードチャックに連結され、下端部がシリコン融液に浸漬
される。種結晶をシリコン融液に浸漬すると、熱衝撃に
より転位が導入されるため、種結晶をシリコン融液に浸
漬した後に種結晶の直径を絞り、しばらくの間この状態
を維持して結晶の無転位化を図るいわゆる種絞りが実施
される。種絞り部の直径は無転位化の観点から５ｍｍ以
下が必要とされ、３ｍｍ以下が望ましいとされている。

【０００４】ところで、ＣＺ法により育成されるシリコ
ン単結晶は、これまでは直径が８インチで重量が１００
ｋｇ前後のものが主流であった。しかし、最近になって
更なる大径化が求められ、直径が１２インチ以上のシリ
コン単結晶の育成も企画されている。単結晶の直径が大
きくなると、当然その重量も増え、直径が１２インチの
場合で重量は２００ｋｇに達する。

【０００５】育成中の単結晶の重量は種結晶の特に種絞
り部に集中し、結晶重量が増大すると種絞り部にかかる
荷重も増大するが、シリコンの破壊強度は２０ｋｇ／ｍ
ｍ²程度であり、２００ｋｇのシリコン単結晶を確実に
保持するためには、少なく見積もっても５ｍｍを超える
直径が種絞り部に必要となる。ところが、５ｍｍを超え
る直径では種結晶を無転位化することが不可能である。
従って、現状の技術では２００ｋｇに達する単結晶の育
成は不可能である。

【０００６】このような問題を解決するために、特公平
５−６５４７７号公報等には単結晶のトップ部にクビレ
を形成し、そのクビレ部を複数の爪により周囲からクラ
ンプして、単結晶を引き上げる種結晶に依存しない引上
げ技術が示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】単結晶に形成したクビ
レ部を直接クランプする技術は、クランプ爪が不用意に
開かない限り、２００ｋｇを超える単結晶も確実に引上
げ、その落下を防止することができる。しかし、現状の
育成技術では、結晶引上げ軸に対して対称的なクビレ部
を形成することが困難である。そのため、クビレ部をク
ランプして単結晶の育成を行った場合には、単結晶が芯
円性を損ない、有転位化や直径制御精度の低下という問
題が生じる。また単結晶が引上げ軸方向においてくねっ
た形状になり、後工程の外周部切削による切削代の増大
も大きな問題となる。

【０００８】本発明の目的は、２００ｋｇを超える単結
晶についてもその落下を確実に防止し、且つその防止に
伴う引上げへの悪影響を可及的に回避することができる
単結晶引上げ装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の単結晶引上げ装
置は、ＣＺ法により原料融液から単結晶を引上げる引上
げ装置本体と、単結晶の落下開始を検知する手段と、単
結晶の引上げ路周囲に配設され単結晶の落下開始が検知
されると同時に作動して、単結晶を外周側からクランプ
する手段とを具備する。

【００１０】本発明の単結晶引上げ装置においては、単
結晶の落下が始まったときに単結晶がクランプされるの
で、その落下が防止される。単結晶をクランプする手段
は、単結晶の落下開始が検知されたときにのみ作動し、
それ以外のときは作動しないので、引上げに影響を及ぼ
さない。

【００１１】単結晶の落下開始を検知する手段として
は、例えば単結晶の重量を測定し、その重量の急激な減
少を検知するもの、又は引上げワイヤの張力を測定し、
その張力の急激な減少を検知するものなどを用いること
ができる。

【００１２】単結晶をクランプする手段としては、応答
性のよいエアシリンダー、電磁式プッシャなどを用いる
ことができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図示
例に基づいて説明する。図１は本発明を実施した単結晶
引上げ装置の１例についてその構造を示す模式図、図２
は図１のＡ−Ａ線矢視図、図３は引上げ開始からの単結
晶の重量変化を示すグラフである。

【００１４】本引上げ装置は、図１に示すように、シリ
コンの原料融液Ａからシリコンの単結晶Ｂを引上げる引
上げ装置本体１０と、単結晶Ｂの落下を防止するため引
上げ装置本体１０に付設された落下防止機構２０とを具
備する。

【００１５】引上げ装置本体１０は、従来の引上げ装置
と基本的に同じであって、メインチャンバー１１の中に
坩堝１２を設置する一方、メインチャンバー１１の上に
プルチャンバー１３を重ねた基本構造を有する。

【００１６】単結晶Ｂの引上げでは、チャンバー内を所
定の減圧雰囲気に維持して、坩堝１２内に原料融液Ｂを
生成する。プルチャンバー１３の最上部に設けた旋回式
のワイヤ巻取り機１４からプルチャンバー１３内を通っ
てメインチャンバー１１内にワイヤ１５を垂下させ、ワ
イヤ下端のシードチャック１６に装着された種結晶Ｃを
坩堝１２内の原料融液Ａに漬け、この状態からワイヤ１
５をワイヤ巻取り機１４により回転させながら巻取るこ
とにより、原料融液Ａから単結晶Ｂを引上げプルチャン
バー１３内に引込む。

【００１７】単結晶Ｂの落下を防止する落下防止機構２
０は、ワイヤ巻取り機１４内に組み込まれた結晶重量測
定器２１と、プルチャンバー１３の下部に周方向に間隔
をあけて取付けられた複数のエアシリンダ２２と、複数
のエアシリンダ２２の動作を同期制御する制御器２３と
を具備する。

【００１８】結晶重量測定器２１は、ワイヤ１５にかか
る荷重をロードセル２１ａにより連続的に検出し、その
検出値から単結晶Ａの重量を引上げ開始からその終了ま
で測定するようになっている。そして、この単結晶Ａの
重量測定値Ｗは制御器２３に入力される。

【００１９】複数のエアシリンダ２２は、図２に示され
るように、プルチャンバー１３の中心回りにピストンロ
ッド２２ａをプルチャンバー１３の中心に向けて対称配
置されている。ピストンロッド２２ａの先端にはヘッド
２２ｂが取り付けられており、そのヘッド２２ｂの先端
面は結晶Ｂの外周面に対応する湾曲面になっている。

【００２０】各エアシリンダ２２は、通常はピストンロ
ッド２２ａを後退させた状態にあり、制御器２３から動
作指令信号を受けたときにピストンロッド２２ａを前進
させる。複数のヘッド２２ｂの先端面が形成する円の直
径は、ピストンロッド２２ａが後退した状態で単結晶Ｂ
の直径より大であり、ピストンロッド２２ａが前進した
状態では単結晶Ｂの直径より小となる。

【００２１】次に、落下防止機構２０の動作について説
明する。

【００２２】重量測定器２１によって得られる単結晶Ｂ
の重量測定値は、図３に示されるように、単結晶Ｂの引
上げの進行に伴って増大し、単結晶Ｂが原料融液Ａから
離れた後は一定（製品重量値Ｗ₁ ）に維持される。原料
融液Ａから離れた後の単結晶Ｂは、冷却の促進等を目的
として上昇と停止を繰り返す間欠的な引上げにより、プ
ルチャンバー１３内に引込まれる。間欠的な引上げでは
加速度が単結晶Ｂに加わるため、荷重が集中する種結晶
Ｃから種絞り部かけての小径部が破壊され易い。そのた
め、単結晶Ｂの落下は離液後の間欠引上げで発生するの
が一般的である。

【００２３】制御器２３は単結晶Ｂの重量測定値Ｗが製
品重量Ｗ₁ に達した時点ｔ₁ 、すなわち間欠引上げの開
始から、製品重量値Ｗ₁ より小さいしきい値Ｗ₂ と重量
測定値Ｗとを比較する。単結晶Ｂの間欠引上げ中に小径
部が破壊され、引上げ系から単結晶Ｂが離れると、重量
測定値Ｗが急激に減少する。制御器２３は重量測定値Ｗ
がしきい値Ｗ₂ を下回った時点ｔ₂ で、複数のエアシリ
ンダ２２に動作指令信号を送る。

【００２４】これにより、単結晶Ｂは若干降下するもの
の、複数のエアシリンダ２２の各ヘッド２２ｂによって
外周側からクランプされ、その降下が停止する。小径部
の破壊時期や破壊からクランプまでの応答時間によって
は、単結晶Ｂの下端が坩堝１２内の残りの原料融液Ａに
浸漬する可能性があるが、通常はこの浸漬もなく、坩堝
１２へ単結晶Ｂの落下衝突事故が確実に防止される。

【００２５】単結晶Ｂの重量測定値Ｗを微小単位時間毎
に前回の重量測定値Ｗと比較すれば、離液後だけでなく
離液前も単結晶Ｂの落下開始を検知でき、引上げの全期
間を通してその落下を防止できる。

【００２６】落下防止機構２０のモデルを作製し、直径
が８インチ、重量が１００ｋｇの単結晶を用いて、単結
晶の保持実験を繰り返し行った結果、単結晶は平均で１
００ｍｍ降下したが、結晶品質に悪影響を及ぼすことな
く、その降下を停止させることができた。

【００２７】エアシリンダ２２は図示例では４個として
いるが、３個以上で単結晶Ｂを確実に保持することがで
き、ヘッドの大きさによっては２個でもその保持が可能
である。

【００２８】エアシリンダ２２に代えて電磁式のプッシ
ャ等を使用することができるが、これらのクランプ手段
としては応答速度および動作速度の速いものが、単結晶
Ｂの降下距離を小さくする観点から望ましい。同じ観点
から、クランプヘッドから単結晶Ｂの外周面までの距離
は可能な限り小さくすることが望まれる。

【００２９】クランプ圧は、単結晶Ｂのスリップを防ぐ
観点から、単結晶Ｂの形状や品質に悪影響を及ぼさない
範囲内で大きくするのが望ましい。同じ観点から、クラ
ンプヘッドの内面に、単結晶Ｂの外周面に喰い込む突起
を設けるのも有効である。

【００３０】クランプヘッドの材質については、そのヘ
ッドが単結晶Ｂの表面に衝突したときの衝撃を吸収する
ために、剛性を確保できる範囲内で軟らかいものの方が
望ましいと言える。そのような材質は単結晶Ｂのスリッ
プを抑えるのにも有効である。ただし、高温の単結晶Ｂ
との接触に耐えられる耐熱性を確保すること、および単
結晶Ｂの汚染を抑えることは重要である。同じ観点か
ら、カーボンフェルトのようなものを衝撃吸収材および
スリップ防止材としてヘッドの内面に装着するのも有効
である。

【００３１】

【発明の効果】以上に説明した通り、本発明の単結晶引
上げ装置は、単結晶の落下開始を検知したときに、引上
げ路周囲に設けた複数のクランプ手段によりその落下を
阻止するので、単結晶の落下事故を確実に防止すること
ができる。しかも、単結晶の落下時にのみ単結晶をクラ
ンプするので、その落下防止による引上げへの悪影響を
完全に回避することができる。従って、大径単結晶の引
上げ技術の確立に大きな効果を発揮する。更にクランプ
圧の調整も可能であるので、この点からも落下事故の防
止効果が大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施した単結晶引上げ装置の１例につ
いてその構造を示す模式図である。

【図２】図１のＡ−Ａ線矢視図である。

【図３】引上げ開始からの単結晶の重量変化を示すグラ
フである。

【符号の説明】

Ａ 原料融液 Ｂ 単結晶 Ｃ 種結晶 １０ 引上げ装置本体 ２０ 落下防止機構 ２１ 結晶重量測定器 ２２ エアシリンダ ２３ 制御器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＣＺ法により原料融液から単結晶を引上
   げる引上げ装置本体と、単結晶の落下開始を検知する手
   段と、単結晶の引上げ路周囲に配設され単結晶の落下開
   始が検知されると同時に作動して、単結晶を外周側から
   クランプする手段とを具備することを特徴とする単結晶
   引上げ装置。