JPH10273380A - 単結晶成長装置及び単結晶成長方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 減圧されたチャンバ内において大径、大重量
の単結晶の落下を防止して確実にかつ安全に引き上げ
る。 【解決手段】 種結晶２４ａが石英るつぼ１４内のＳｉ
融液に浸漬した後、引き上げることにより種結晶２４ａ
の下に小径のネック部１ａを形成させ、次いでネック部
１ａの下に玉状のくびれ１ｂを形成させる。このとき、
単結晶支え２３の先端２３ａは、引き上げ中のくびれ１
ｂに接触しないように開いている。くびれ１ｂの下の第
２のネック部１ｃが単結晶支え２３の先端２３ａの待機
位置まで上昇すると、上部チャンバ１２の回転を開始さ
せるとともに回転シャフト２２を時計回り方向に回転さ
せて単結晶支え２３の先端２３ａを閉じてくびれ１ｂの
下を把持させるとともに、回転ボールネジシャフト２１
を回転させることにより単結晶支え２３をワイヤ３と同
一速度で上昇させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、引上げＣＺ（Czoc
hralski）法によりＳｉ（シリコン）の無転位の単結晶
を製造するための単結晶成長装置及び単結晶成長方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、引上げＣＺ法による単結晶製造
装置では、高耐圧気密チャンバ内を１０torr程度に減圧
して新鮮なＡｒ（アルゴン）ガスを流すとともに、チャ
ンバ内の下方に設けられた石英るつぼ内の多結晶を加熱
して溶融し、この融液の表面に種結晶を上から浸漬し、
種結晶と石英るつぼを回転、上下移動させながら種結晶
を引き上げることにより、種結晶の下に上端が突出した
円錐形の上部コーン部と、円筒形のボディー部と下端が
突出した円錐形の下部コーン部より成る単結晶（いわゆ
るインゴット）を成長させるように構成されている。

【０００３】また、この成長方法として、種結晶を融液
の表面に浸漬した時の熱衝撃により種結晶に発生する転
位を除去（無転位化）するために、種結晶を融液の表面
に浸漬した後、引上げ速度を比較的速くすることにより
種結晶より小径の例えば直径が３〜４ｍｍのネック部を
形成した後に、上記の上部コーン部の引上げを開始する
ダッシュ(Dash)法が知られている。

【０００４】さらに、この小径のネック部を介しては、
大径、大重量（１５０〜２００ｋｇ以上）の単結晶を引
き上げることができないので、例えば特公平５−６５４
７７号公報に示されるようにDash法により小径のネック
部を形成した後、引上げ速度を比較的遅くして大径を形
成し、次いで引上げ速度を比較的速くして小径を形成す
ることにより「球状のくびれ」を形成し、このくびれを
把持具で把持することにより大径、高重量の単結晶を引
き上げる方法が提案されている。また、くびれを把持す
る従来の装置としては、上記公報の他に、例えば特公平
７−１０３０００号公報、特公平７−５１５号公報に示
されているものがある。

【０００５】また、他の従来例としては、例えば特開平
５−２７０９７４号公報、特開平７−１７２９８１号公
報に示されるように上記「くびれ」を形成しないでボデ
ィー部をそのまま把持する方法や、特開昭６３−２５２
９９１号公報、特開平５−２７０９７５号公報に示すよ
うに上記「球状のくびれ」の代わりに、上部コーン部と
ボディー部の間にボディー部より径が大きい「環状のく
びれ」を形成し、この「環状のくびれ」を把持する方法
が提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来の把持装置ではいずれも、真空ポンプにより
１０torr程度に減圧されたチャンバ内において、大径、
大重量（例えばボディー部の直径が４００ｍｍ、重量が
４００ｋｇ）の単結晶を吊り下げる把持具と駆動源の伝
達機構が現実的ではなく、実際的でないという問題点が
ある。なお、もし単結晶と把持具の係止が外れて単結晶
が落下すると、転位が発生して単結晶が商品とならない
ばかりか、石英るつぼが破損して最悪の場合には石英る
つぼを回転、上下移動させるためのるつぼ軸の内部の冷
却水と、高温の融液が反応して水蒸気爆発が発生するこ
ともあり得る。

【０００７】本発明は上記従来の問題点に鑑み、減圧さ
れたチャンバ内において大径、大重量の単結晶の落下を
防止して確実にかつ安全に引き上げることができる単結
晶棒の落下防止の機能を有する単結晶成長装置及び単結
晶成長方法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、チャンバを下部チャンバと、回転可能な上
部チャンバに分割するとともに上部チャンバ内に上下方
向に移動可能な単結晶把持機構を配置し、種結晶の下に
単結晶のネック部を形成してネック部の下に単結晶のく
びれを形成するまでは種結晶を支持して引き上げ、その
後は上部チャンバ内の単結晶把持機構によりくびれを支
持して引き上げるよう構成したものである。

【０００９】すなわち本発明によれば、内部に石英るつ
ぼが配置される下部チャンバと、前記下部チャンバの上
に回転可能に配置された上部チャンバと、前記上部チャ
ンバの上において前記下部チャンバに対して回転可能に
配置されて種結晶を上下方向に昇降させる種結晶昇降機
構と、前記上部チャンバ内で上下方向に移動可能に配置
された単結晶把持機構とを有し、前記種結晶昇降機構
は、種結晶を前記石英るつぼ内の融液に浸漬して引き上
げることにより種結晶の下に単結晶のネック部を形成
し、次いで前記ネック部の下に単結晶のくびれを形成す
るために用いられ、前記単結晶把持機構は、前記単結晶
のくびれが形成された後に前記くびれを下方から把持し
て上昇することにより単結晶を引き上げるために用いら
れるよう構成された単結晶成長装置が提供される。

【００１０】また本発明によれば、内部に石英るつぼが
配置される下部チャンバと、前記下部チャンバの上に回
転可能に配置された上部チャンバと、前記上部チャンバ
の上において前記下部チャンバに対して回転可能に配置
されて種結晶を上下方向に昇降させる種結晶昇降機構
と、前記上部チャンバ内で上下方向に移動可能に配置さ
れた単結晶把持機構とを有する単結晶成長装置を用いた
単結晶成長方法であって、前記種結晶昇降機構により種
結晶を前記石英るつぼ内の融液に浸漬してなじませるス
テップと、前記種結晶昇降機構により前記種結晶を引き
上げることにより前記種結晶の下に単結晶のネック部を
形成するステップと、次いで前記ネック部の下に単結晶
のくびれを形成するステップと、前記単結晶把持機構に
より前記単結晶のくびれを下から把持するステップと、
前記種結晶昇降機構と前記単結晶把持機構により前記種
結晶と前記単結晶のくびれを引き上げて単結晶を成長さ
せるステップとを、有する単結晶成長方法が提供され
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図１は本発明に係る単結晶成長装
置の一実施形態の構成を概略的に示す側面図、図２は図
１の上部チャンバの構成を概略的に示す平面図、図３は
図１、図２の単結晶把持装置を示す斜視図、図４は図３
の単結晶把持装置の動作を示す説明図である。

【００１２】図１において、フレーム１０内には下部チ
ャンバ１１と上部チャンバ１２が配置され、また、フレ
ーム１０の上にドラム部１３が配置されている。これら
のチャンバ１０〜１２とドラム部１３は高耐圧の真空容
器で構成され、また、Ａｒガスが上部チャンバ１２内に
引き込まれて下部チャンバ１１から排出されるように構
成されている。下部チャンバ１１はフレーム１０内の下
方に固定され、下部チャンバ１１内には単結晶１を引き
上げるための石英るつぼ１４と、石英るつぼ１４内の多
結晶１５を溶融させるためのヒータ１６などが配置され
ている。石英るつぼ１４は回転可能に、かつ上下方向に
移動可能に支持されている。

【００１３】上部チャンバ１２は水冷ジャケット方式で
構成され、また、下部チャンバ１１の上において回転可
能なようにボールベアリング１７ａと真空シール１８ａ
を介して支持されている。上部チャンバ１２はまた、フ
レーム１０に対して回転可能なようにボールベアリング
１７ｂを介して支持されている。図２に示すように上部
チャンバ１２は、ベルト１９、プーリ２０Ａ、２０Ｂを
介して上部チャンバ回転モータＭに連結され、モータＭ
が回転すると上部チャンバ１２が回転する。

【００１４】さらに、ドラム部１３はフレーム１０に対
して回転可能なようにボールベアリング１７ｃを介して
支持され、また、ドラム部１３と上部チャンバ１２の間
には真空シール１８ｂが設けられている。ドラム部１３
内には単結晶引き上げ用のワイヤ３を巻き取るための巻
取りドラム４と図示省略のワイヤ巻取りモータが配置さ
れ、また、ドラム部１３は図示省略のドラム回転モータ
により回転する。ワイヤ３、巻取りドラム４、ワイヤ巻
取りモータは種結晶昇降機構を構成している。なお、ワ
イヤ３などの代わりにシャフトと、シャフト上下機構と
シャフト回転機構を設けて単結晶１を引き上げるように
してもよい。

【００１５】そして、上部チャンバ１２内には、図２〜
図４に詳しく示すように４組の回転ボールネジシャフト
２１と、側面断面が三角形の回転シャフト２２が上下方
向に延びるように、かつ図示省略のモータにより同期し
て回転可能に設けられている。また、単結晶支え２３の
先端２３ａは単結晶１を把持可能なように細い形状で形
成され、単結晶支え２３には回転シャフト２２が係合す
るように長手状の開口２３ｂが形成されている。この長
手状の開口２３ｂと、これに貫通して係合している回転
シャフト２２は単結晶支え２３を回動させるカム機構を
構成している。この単結晶支え２３は図３に示すよう
に、回転ボールネジシャフト２１の矢印Ｒ２方向の回転
により矢印Ｕで示す上方へ昇るように、上下方向に移動
可能にかつ、回転シャフト２２の矢印Ｒ１で示す方向の
回転により先端２３ａが矢印Ｒ３で示す方向に回動する
というように、開閉可能に支持されている。回転ボール
ネジシャフト２１、回転シャフト２２、図示省略のモー
タ、単結晶支え２３は単結晶把持機構を構成している。

【００１６】なお、上記上部チャンバ回転モータＭ、ド
ラム回転モータ、ワイヤ巻取りモータ、回転ボールネジ
シャフト回転モータには制御装置２５から後述する制御
信号が供給されている。制御装置２５には、石英るつぼ
１４の温度情報、成長中の単結晶棒１の直径情報が図示
省略の温度センサやＣＣＤカメラなどから与えられてい
る。

【００１７】このような構成において、単結晶１を製造
する場合、先ず、チャンバ１０〜１２とドラム部１３内
を減圧してＡｒガスを流すとともに、石英るつぼ１４内
の多結晶１５をヒータ１６により加熱して溶融させる。
また、ワイヤ３の先端に取り付けられた種結晶ホルダ２
４に種結晶２４ａを取り付け、次いで種結晶２４ａが石
英るつぼ１４内のＳｉ融液に浸漬するように、ワイヤ巻
取りドラム４を回転させてワイヤ３を下降させる。この
とき、図４（ａ）に示すように回転シャフト２２を反時
計回り方向に回転させて、単結晶支え２３の先端２３ａ
をくびれ１ｂ（後述）の径Ｄ１より大きく開き、また、
単結晶支え２３は下方の位置に待機している。

【００１８】次いで、種結晶２４ａが石英るつぼ１４内
のＳｉ融液に浸漬した後、所定時間経過後に種結晶２４
ａを比較的速い速度で引き上げることにより種結晶２４
ａの下に直径が３〜４ｍｍの小径のネック部１ａを形成
させ、次いで引き上げ速度を比較的遅くして大径Ｄ１を
形成した後に、引き上げ速度を比較的速くすることによ
りネック部１ａの下に玉状のくびれ１ｂを形成させる。
ここで、図４（ａ）に示すように単結晶支え２３の先端
２３ａは、引き上げ中のくびれ１ｂに接触しないように
開いた状態であり、すなわち、先端２３ａはくびれ１ｂ
の下方から外れた第１の位置にある。また、この引き上
げ中は、ドラム部１３すなわち種結晶２４ａと石英るつ
ぼ１４は回転しており、さらに石英るつぼ１４はＳｉ融
液の表面の高さが一定になるように上昇している。

【００１９】くびれ１ｂを形成すると、製造が完了した
単結晶１の重量（例えば４００ｋｇ）に耐えることがで
きるように、小径のネック部１ａより大径であって、く
びれ１ｂの径Ｄ２より小さい径Ｄ２の第２のネック部１
ｃをくびれ１ｂの下に形成し、次いで引き上げ速度を徐
々に遅くすることにより上部コーン１ｄを形成し、次い
で一定の速度で引き上げることにより円筒形のボディー
部１ｅを形成する。ここまでの引き上げ工程では、単結
晶１は小径のネック部１ａのみを介して支持され、その
限度は１００ｋｇ以下である。

【００２０】次いで、ワイヤ３によるボディー部１ｅの
引き上げ中において、ネック部１ａが破断する前にくび
れ１ｂの下を単結晶支え２３により支持するために、く
びれ１ｂの下の第２のネック部１ｃが単結晶支え２３の
先端２３ａの待機位置まで上昇すると、上部チャンバ１
２の回転を開始させるとともに、図４（ｂ）に示すよう
に回転シャフト２２を時計回り方向に回転させて単結晶
支え２３の先端２３ａを閉じて、すなわち、先端２３ａ
はくびれ１ｂの下方の第２の位置にあり、くびれ１ｂの
下を把持させ、さらに、回転ボールネジシャフト２１を
回転させることにより単結晶支え２３をワイヤ３と同一
速度で上昇させる。かかる同期運転を行うためには、巻
取りドラム４を駆動するモータと回転ボールネジシャフ
ト２１を回転させるモータとの間で同期がとられるよ
う、所定の同期用制御信号をコンピュータを含む制御装
置２５から与える。

【００２１】かかる同期運転時に、４本の回転ボールネ
ジシャフト２１はドラム部１３と同期して単結晶の軸の
周囲を回転しているので、単結晶１は転位しない。すな
わち、上部チャンバ１２を回転させるモータＭはドラム
部１３を回転させるモータと同期回転するよう前述の制
御装置２５から制御される。以下、ボディー部１ｅの引
き上げ中には単結晶１を単結晶支え２３（及びワイヤ
３）により支持して引き上げる。このように、単結晶支
え２３及びその先端２３ａは単結晶１の引上げ方向に対
して実質的に垂直な面内で回動可能であり、先端２３ａ
がくびれ１ｂの下方にある閉じた位置にあるとき、上記
カム機構で強力に支持され、よってくびれ１ｂを落下さ
せることなく、しっかりと保持することができる。

【００２２】図５は図１の変形例を示し、上部チャンバ
１２は上部チャンバ本体１２ａと冷却部１２ｂにより分
離されている。上部チャンバ本体１２ａは図１に示す上
部チャンバ１２と同様に、下部チャンバ１１の上におい
て回転可能なようにボールベアリング１７ａと真空シー
ル１８ａを介して支持されるとともに、フレーム１０に
対して回転可能なようにボールベアリング１７ｂを介し
て支持され、また、図６に示すようにベルト１９、プー
リ２０Ａ、２０Ｂを介して上部チャンバ回転モータＭに
連結されてモータＭが回転すると回転する。

【００２３】これに対し、冷却部１２ｂは上部チャンバ
本体１２ａの回りにあって、支持部材２６にてフレーム
１０に固定され、冷却部１２ｂと上部チャンバ本体１２
ａとの間には真空シール１８ｃが設けられている。この
ような構成によれば、上部チャンバ１２を構成する冷却
部１２ｂは回転せず、上部チャンバ本体１２ａのみが回
転するので、回転時の荷重を減少させて回転むらを防止
することができ、ひいては転位を防止することができ
る。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、チ
ャンバを下部チャンバと、回転可能な上部チャンバに分
割するとともに上部チャンバ内に上下方向に移動可能な
単結晶把持機構を配置し、種結晶の下に単結晶のネック
部を形成してネック部の下に単結晶のくびれを形成する
までは種結晶を支持して引き上げ、その後は上部チャン
バ内の単結晶把持機構によりくびれを支持して引き上げ
るようにしたので、減圧されたチャンバ内において大
径、大重量の単結晶の落下を防止して確実にかつ安全に
引き上げることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る単結晶成長装置の一実施形態の構
成を概略的に示す側面図である。

【図２】図１の上部チャンバの構成を概略的に示す平面
図である。

【図３】図１、図２の単結晶把持装置を示す斜視図であ
る。

【図４】図３の単結晶把持装置の動作を示す説明図であ
る。

【図５】図１の単結晶成長装置の変形例を示す側面図で
ある。

【図６】図５の上部チャンバの構成を概略的に示す平面
図である。

【符号の説明】

１ 単結晶 １ａ ネック部 １ｂ くびれ １ｃ ネック部 ３ ワイヤ ４ 巻取りドラム（ワイヤ、図示省略のモータと共に種
結晶昇降機構を構成する） １０ フレーム １１ 下部チャンバ １２ 上部チャンバ １２ａ 上部チャンバ本体 １２ｂ 冷却部 １３ ドラム部 ２０ａ、２０ｂ プーリ ２１ ボールネジシャフト ２２ 回転シャフト（長手状の開口と共にカム機構を構
成する） ２３ 単結晶支え（回転ボールネジシャフト、回転シャ
フト、図示省略のモータと共に単結晶把持機構を構成す
る） ２３ｂ 開口 ２４ 種結晶ホルダ ２５ 制御装置（各モータと共に引上げ速度を同期させ
る手段及び単結晶の軸を中心に同期回転させる手段を構
成する） Ｍ 上部チャンバ回転モータ

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内部に石英るつぼが配置される下部チャ
   ンバと、 前記下部チャンバの上に回転可能に配置された上部チャ
   ンバと、 前記上部チャンバの上において前記下部チャンバに対し
   て回転可能に配置されて種結晶を上下方向に昇降させる
   種結晶昇降機構と、 前記上部チャンバ内で上下方向に移動可能に配置された
   単結晶把持機構とを有し、 前記種結晶昇降機構は、種結晶を前記石英るつぼ内の融
   液に浸漬して引き上げることにより種結晶の下に単結晶
   のネック部を形成し、次いで前記ネック部の下に単結晶
   のくびれを形成するために用いられ、前記単結晶把持機
   構は、前記単結晶のくびれが形成された後に前記くびれ
   を下方から把持して上昇することにより単結晶を引き上
   げるために用いられるよう構成された単結晶成長装置。
2. 【請求項２】 前記単結晶把持機構は前記くびれの下方
   から外れた第１の位置と前記くびれの下方の第２の位置
   との間で移動可能な部材を有する請求項２記載の単結晶
   成長装置。
3. 【請求項３】 前記移動可能な部材は前記単結晶の引上
   げ方向に対して実質的に垂直な面内で回動可能である請
   求項１又は２記載の単結晶成長装置。
4. 【請求項４】 前記単結晶把持機構は前記くびれを囲む
   よう配された複数の前記移動可能な部材を有している請
   求項２又は３記載の単結晶成長装置。
5. 【請求項５】 前記単結晶把持機構は前記移動可能な部
   材を回動させるカム機構を有する請求項２乃至４のいず
   れか１つに記載の単結晶成長装置。
6. 【請求項６】 前記種結晶昇降機構と前記単結晶把持機
   構によるそれぞれの引上げ速度を同期させる手段を更に
   有する請求項１乃至５のいずれか１つに記載の単結晶成
   長装置。
7. 【請求項７】 前記種結晶昇降機構と前記単結晶把持機
   構を前記単結晶の軸を中心に同期回転させる手段を更に
   有する請求項１乃至６のいずれか１つに記載の単結晶成
   長装置。
8. 【請求項８】 前記上部チャンバは、 内部に前記単結晶把持機構が配置される上部チャンバ本
   体と、 前記下部チャンバに対して固定的に配され、前記上部チ
   ャンバ本体の周りに配置されて前記上部チャンバ本体を
   冷却する冷却部とを有している請求項１乃至７のいずれ
   か１つに記載の単結晶成長装置。
9. 【請求項９】 内部に石英るつぼが配置される下部チャ
   ンバと、前記下部チャンバの上に回転可能に配置された
   上部チャンバと、前記上部チャンバの上において前記下
   部チャンバに対して回転可能に配置されて種結晶を上下
   方向に昇降させる種結晶昇降機構と、前記上部チャンバ
   内で上下方向に移動可能に配置された単結晶把持機構と
   を有する単結晶成長装置を用いた単結晶成長方法であっ
   て、 前記種結晶昇降機構により種結晶を前記石英るつぼ内の
   融液に浸漬してなじませるステップと、 前記種結晶昇降機構により前記種結晶を引き上げること
   により前記種結晶の下に単結晶のネック部を形成するス
   テップと、 次いで前記ネック部の下に単結晶のくびれを形成するス
   テップと、 前記単結晶把持機構により前記単結晶のくびれを下から
   把持するステップと、 前記種結晶昇降機構と前記単結晶把持機構により前記種
   結晶と前記単結晶のくびれを引き上げて単結晶を成長さ
   せるステップとを、 有する単結晶成長方法。
10. 【請求項１０】 前記種結晶昇降機構と前記単結晶把持
    機構によるそれぞれの引上げ速度を同期させるステップ
    を更に有する請求項９記載の単結晶成長方法。
11. 【請求項１１】 前記種結晶昇降機構と前記単結晶把持
    機構を前記単結晶の軸を中心に同期回転させるステップ
    を更に有する請求項９又は１０記載の単結晶成長方法。