WO1999009237A1

WO1999009237A1 - Dispositif et procede servant a obtenir un monocristal

Info

Publication number: WO1999009237A1
Application number: PCT/JP1998/003649
Authority: WO
Inventors: Kouji Kitagawa; Kouji Mizuishi
Original assignee: Shin-Etsu Handotai Co., Ltd.
Priority date: 1997-08-19
Filing date: 1998-08-18
Publication date: 1999-02-25
Also published as: EP1029955A4; US20020005160A1; EP1029955A1; DE69827292D1; EP1029955B1; DE69827292T2; US6458201B2

Description

単結晶製造装置および単結晶製造方法技術分野

本発明は、チヨクラルスキー法によって、半導体、誘電体、磁性体等の各種結晶材料を製造する単結晶製造装置の改良に関する。

明

細

背景技術

従来、半導体シリコン単結晶等の単結晶材料はチヨクラルスキー法（以下、 C Z法という。）によって、棒状単結晶として得る方法が広く用いられている。

この C Z法に用いられる単結晶製造装置は、通常、チャンバ一内に原料融液を収容するルツボを配置し、これを支持する支持軸と、融液から結晶を引き上げる引上機構と、ルツボを回転させる回転機構と、ルツボを上下動させる移動機構を具備すると共に、チャンバ内にヒータ、断熱材等の炉内部材を配置して単結晶の製造が行えるようになっている。結晶成長をこの C Z法によって行う場合、元々原料に含まれていたものの他、その結晶成長用原料が収容されるルツボ、例えば石英ルツボの構成成分（例えば酸素）が、得られる結晶中に混入することが広く知られている。

この結晶中に混入する不純物の量は、引き上げる結晶の回転数、ルツボの回転数、原料融液の温度分布等の影響を受けて変動する。すなわち、結晶回転数は融液中の対流に影響を与え、ルツボの回転数は融液中の酸素濃度自体に影響を与え、原料融液中の温度分布は、融液中の対流に影響を及ぼしている。

また、ルツボ内の融液の深さは、結晶成長に伴って徐々に低下するので、成長結晶の直径制御をする都合上、融液面位置を一定としなければならないと共に、融液とヒータとの相対位置を一定とするためには、結晶の成長に伴ってルツボを上方に移動させる必要がある。従って、従来から C Z法の結晶製造装置は、ルツボ支持軸を回転させると共に、上下移動させる機能を備えているものが多い。中でも、ルツボ支持軸の回転駆動ュニッ卜をルツボ支持軸と共に上下移動させる必要があり、従来の単結晶製造装置では、例えば図 4に示したように、ルツボ回転駆動ュニッ卜 2 6は、ルツボ支持軸 4と共に上下移動するルツボ上下機構 3 0のスライダ 3 1上に設置されていた。

上記のような従来の装置では、融液面に振動が発生する場合があり、融液面に振動が発生した場合には、成長する単結晶が多結晶化したり、著しい場合には、結晶成長の継続が出来なくなるという不利を生ずる。そこでこの振動の発生原因を調査した結果、ルッボ支持軸の振動が主原因であることが判った。そして、ルツボの回転駆動源である電動モー夕の回転に伴って振動が発生し、上下移動機構が振動し、その振動がルツボ支持軸、ルツボを経て融液に伝達されていることが判った。

本発明は、このような問題点に鑑みなされたもので、ルツボ回転駆動ュニッ卜から発生する振動を吸収除去するか、融液に伝達しないようにするか、あるいは減衰させる手段を提供することを目的とする。発明の開示

上記課題を解決するため、本発明の請求項 1に記載した発明は、少なくとも原料融液を収容するルツボを支持する支持軸と、前記融液から結晶を引き上げる引上機構と、前記ルツボを回転させる回転機構と、前記ルツボを上下動させる移動機構とを具備するチヨクラルスキー法による単結晶製造装置において、該ルツボの回転機構を構成するルツボ回転駆動ュニッ卜を、該単結晶製造装置の基礎上に固定して設置することを特徴とする単結晶製造装置である。

このように、電動モータと変減速機から成るルツボ回転駆動ュニッ卜を単結晶製造装置の基礎上に固定して設置すれば、ルツボ回転駆動ュニツトを構成する電動モータから発生する振動は、固定端である剛体基礎に吸収され減衰して、ルツボ支持軸、ルツボを経て融液面まで伝達されることは殆どなくなる。従って、成長する単結晶ィンゴットを有転位化させる等の原因である融液面の振動を殆ど除去することができる。この場合、単結晶製造装置の基礎とは、単結晶製造装置を支えるためのフレーム、コンクリ一卜基礎、工場建屋の基礎等のことを意味しており、ルツボ回転駆動ュニッ卜により振動させられることなく固定できるものであればよく、その文言により拘泥されるものではない。

本発明の請求項 2に記載した発明は、少なくとも原料融液を収容するルツボを支持する支持軸と、前記融液から結晶を引き上げる引上機構と、前記ルツボを回転させる回転機構と、前記ルツボを上下動させる移動機構とを具備するチヨクラルスキー法による単結晶製造装置において、該ルツボの回転機構を、ルツボ支持軸とルツボ回転駆動ュニッ卜との動力伝達にボールスプラインを用い、ルツボ回転駆動ユニットを、該単結晶製造装置の基礎上に固定して設置することを特徴とする単結晶製造装置である。

このように、該ルツボの回転機構を、電動モータと変減速機とから成るルツボ回転駆動ュニッ卜を単結晶製造装置の基礎上に固定して設置し、ルツボ支持軸とルツボ回転駆動ュニッ卜との動力伝達にボールスブラインを用いれば、ボールスプラインの受ける振動は、前記基礎に吸収されて残った減衰した振動のみとなり、ボールスプラインの持つ上下動と同時に回転を伝達する機能には何らの影響を与えることもなく、融液面に振動を生じることは殆どなくなり、安全かつ効率的に単結晶を製造することができる。

そして、本発明の請求項 3に記載した発明は、前記ルツボ支持軸とボ一ルスプライン軸間及びボ一ルスブラインのスリーブとルツボ回転駆動ュニッ卜の出力軸間の各回転伝達手段を、ゴム状弾性ベルトープーリまたはゴム状弾性夕ィミングベルトータイミングプ一リとした。

このように、軸間の回転伝達手段の材質にゴム状弾性体を使用すれば、ルツボ回転駆動ュニッ卜が発生する振動をゴム状弾性変形により減衰させて吸収し、融液面にまで振動を伝達することも殆どなくなり、従つて、成長中の結晶の有転位化をもたらす原因等にはならないで、安全かつ効率的に単結晶を製造することができる。

本発明の請求項 4に記載した発明は、少なくとも原料融液を収容するルツボを支持するルツボ支持軸と、前記ルツボを回転させる回転機構と、前記ルツボを上下動させる移動機構を具備するチヨクラルスキー法による単結晶製造装置において、前記ルツボを支持するルツボ支持軸上端の軸に垂直な方向への振動が 1 0 0 w m以下であることを特徴とする単結晶製造装置である。

このように、チヨクラルスキー法による単結晶製造装置において、ルッボを支持するルツボ支持軸上端の軸に垂直な方向への振動が 1 0 0 w m以下であれば、原料融液全体に直接作用するルツボ支持軸の振動が小さいため、成長する単結晶の有転位化等の原因である原料融液表面の振動を殆ど除去することができる。

なお、本発明で振動が、例えば 1 0 0 m以下とは、その振動により揺動する範囲が 1 0 0 m以下という意味であり、振動の振幅（揺動範囲の半分）が 1 0 0 ju mという意味ではない。

この場合、請求項 5に記載したように、移動機構はルツボ支持軸とともに上下するスライダを具備し、該スライダのルツボ支持軸に垂直な方向への振動が 2 0 0 m以下であることが好ましい。

このように、スライダの振動を 2 0 0 i m以下とすることにより、ルッボ支持軸の振動を 1 0 0 m以下とすることができ、成長する単結晶の有転位化等の原因である原料融液表面の振動を殆ど除去することができる。

また、この場合、請求項 6に記載したように、回転機構の動力であるルツボ回転駆動ュニッ卜で発生する振動が 5 0 m以下であることが好ましい。

このように、ルツボ回転駆動ュニッ卜で発生する振動を 5 0 以下とすることにより、ルツボ移動機構による振動の増幅を排除し、成長する単結晶の有転位化等の原因である原料融液表面の振動を殆ど除去することができる。

そして、請求項 7に記載したように、請求項 1ないし請求項 6のいずれか 1項に記載した単結晶製造装置を用いて単結晶を製造すれば、原料融液の振動が殆どないので、単結晶を有転位化等させることなく、安定して単結晶を製造することができる。

そして、本発明の請求項 8に記載した発明は、原料融液を収容したルッボをルツボ支持軸で支持し、該ルツボを回転および上下動させて、チョクラルスキー法により単結晶を製造する単結晶製造方法において、前記ルツボ支持軸上端の軸に垂直な方向への振動を 1 0◦ m以下にして単結晶を製造することを特徴とする単結晶製造方法である。

このように、ルツボ支持軸上端の軸に垂直な方向への振動を 1 O O m以下にして単結晶を製造するようにすれば、原料融液の振動に起因した単結晶の有転位化等を防ぐことができ、単結晶の生産効率を向上させることができる。

すなわち本発明によれば、従来のルツボ回転機構では、ルツボ支持軸の振動が融液面に伝達されて、成長する単結晶の有転位化等の原因を生じていたが、ルツボ支持軸の振動を抑えるために、例えばルツボ回転駆動ュニッ卜を単結晶製造装置の基礎に固定し、回転をボールスプラインとタイミングベルトで伝達するようにしたことにより、振動は吸収され、減衰し、融液面で振動が発生することは殆どなくなり、成長結晶の有転位化の発生原因の消滅により安全かつ効率的に単結晶を製造することができる。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の単結晶製造装置の一例を示す説明図である。

図 2 Aおよび図 2 Bは、本発明のルツボ回転機構に使用されるボールスプラインの一例を示す説明図である。図 2 Aは、ボールスプラインの正面と部分断面図であり、図 2 Bは、ボールスプラインの A — B線での断面図である。

図 3は、本発明のルツボ回転機構の一例を示す説明図である。

図 4は、従来のルツボ回転機構の一例を示す説明図である。

図 5は、ルツボ回転駆動ュニッ卜で発生する振動の様子の一例を示した図である。

図 6は、図 5に示したルツボ回転駆動ュニッ卜をスライダに搭載して測定したスライダの振動値を示した図である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の実施の形態について詳述するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

本発明者らは、単結晶製造時の融液面に発生する振動が、主にルツボ支持軸の振動によるものであることを見出した。

原料融液表面に振動を発生させる原因としては、ルツボ支持軸の振動の他に、結晶成長中に炉内に流す不活性ガスの流れ、成長する結晶の回転、非定常な融液内の温度勾配、結晶およびルツボの回転による非定常な融液の対流等がある。これらの原因が複合して作用し、結晶成長中の原料融液表面が振動することになるが、中でもルツボ支持軸の振動は、原料融液を収容するルツボを伝達して、原料融液全体に直接作用するため影響が大きい。

そこで、本発明者らが、ルツボ支持軸の振動と原料融液表面の振動との関係について調査を行ったところ、ルツボ軸上端の軸に垂直な方向への振動を 1 0 0 ja m以下とすることにより、成長する単結晶の有転位化等の原因である原料融液表面の振動を殆ど除去することができることが判った。

ルツボ支持軸の振動を 1 0 0 m以下にするには、例えば、ルツボ支持軸とともに上下するルツボ移動機構のスライダのルツボ支持軸に垂直な方向への振動を 2 0 0 w m以下とすればよい。ルツボを回転、上下動させる装置の多くはルツボ軸とともに上下するスライダを具備するが、ルツボ回転駆動ュニッ卜からスライダに伝達された振動は、ルツボ支持軸を伝達する間に吸収され減衰し、スライダの振動の半分程度がルツボ支持軸上部まで伝達される。すなわち、スライダの振動を 2 0 0 μ m以下とすることにより、ルツボ支持軸の振動を 1 0 0 ix m以下とすることができ、原料融液表面の振動を殆ど除去することができる。

さらに本発明者らは、単結晶製造時の融液面に発生する振動が、主にルツボ回転用駆動ュニッ卜から発生する振動に起因していることを突き止めた。例えば、図 4に示すように、ルツボ回転駆動ユニット 2 6をスライタ 3 1 に搭載した場合、ルツボ回転駆動ュニッ卜 2 6で発生した振動は、通常は、スライダ 3 1 に吸収され減衰して、ルツボ支持軸 4、ルッボ 2を経て融液面まで伝達されることは少ない。

ところ力ルツボ移動機構 3 0は、スライダ 3 1 に荷重（ルツボ 2、融液 3の重量）を受けながら上下させる必要があることから、図 4に示すように、ルツボ支持軸 4、スライダ 3 1、ボールネジ 3 2および固定軸により構成され、上下動用のボールネジ 3 2 とともに数本の固定軸によりスライダ 3 1を上下動可能なように支持し、固定軸及びボールネジ 3 2は上部及び下部で固定されている。

このため、ルツボ回転駆動ュニッ卜 2 6で発生する振動が大きい場合には、振動が減衰されず、またスライダがある特定の位置にある時は、ルツボ回転駆動ュニッ卜 2 6で発生した振動が大幅に増幅される場合がある。

図 5は、ルツボ回転駆動ュニッ卜で発生する振動の様子の一例を示したものである。このルツボ回転駆動ユニットをスライダに搭載して、 5 力所のスライダ位置で測定したスライダの振動値を図 6に示した。 hは下限位置からスライダまでの距離、 Lは全ストロークを表す。この図 6 から、必ずしもルツボ回転駆動ユニット自体の振動値が大きい時に、スライタの振動が大きくなるわけではなく、ある特定の回転域で振動が大幅に増幅されていることが判る。

そこで、発明者らが、ルツボ回転駆動ユニットのモーターと減速機の組み合わせを変更して、ルツボ回転駆動ュニッ卜で発生する振動が 5 0 U m以下となるようにしたルツボ回転駆動ュニッ卜をスライダに搭載して、同様の測定を行ったところ、図 6にみられるような顕著な振動の増幅はみられなかった。

すなわち、ルツボ回転駆動ユニットで発生する振動を 5 0 w m以下とすることにより、ルツボ移動機構による振動の増幅を排除し、原料融液表面の振動を殆ど除去することができる。

さらに、本発明者らは、このルツボ回転駆動ユニットの振動を吸収除去する力融液面に伝達しないようにする力、あるいは低減化する手段を、鋭意検討した結果、これにはルツボ回転駆動ユニットを単結晶製造装置の剛体基礎上に固定設置すれば有効であることを見出し、本発明を完成させたものである。

先ず、本発明が適用される単結晶製造装置のルツボ回転機構の一例について、添付した図面に基づき説明する。

本発明のルツボ回転機構は、例えば半導体材料であるシリコン結晶を育成するいわゆるチヨクラルスキー法（C Z法）のような単結晶製造装置において、融液面の振動発生を抑制して、成長結晶を有転位化させることなく製造するのに好適な機構であり、まず図 1に基づいて単結晶製造装置の基本構成の概要について説明する。

単結晶製造装置 1は、その中心にシリコン融液 3を収容する石英ルツボ 2を設け、ヒータ 7で加熱する。このルツボ 2はルツボ支持軸 4によつて回転することができると共に、ルツボ支持軸 4を支持するスライダ 3 1によって上下移動することができる。一方、チャンバ一 9の上部にある単結晶引上回転機構 6からワイヤの下端に付けた種結晶 5をルツボ 2内の原料シリコン融液 3に接触させて回転させながら成長単結晶 8を引き上げることができるように構成されている。

以上のような単結晶製造装置 1において、本発明のルツボ回転機構 2 0は、図 1 (図 3に部分詳細図を示す。）に示したように、ルツボ回転駆動ュニッ卜 2 6を、単結晶製造装置の基礎 1 0に直接固定して設置している。そしてルツボ回転駆動ユニット 2 6の出力軸の回転を、ボールスプライン 2 1 のスプライン軸 2 2に伝え、スリ一ブを介してルツボ支持軸 4に伝達している。

一方、ルツボの上下移動機構 3 ◦はその一例として、図 1 (図 3に部分詳細図を示す。）に示したように、基礎 1 0に固定されたルツボ移動駆動ュニッ卜 3 3の出力軸の回転をボールスクリュ 3 2を介して、スライダ 3 1の上下運動に変換し、スライダ 3 1 に直結したルツボ支持軸 4 とルツボ 2を上下動させている。このルツボ移動機構 3 0の駆動ュニッ卜 3 3から発生する振動は、この機構を構成する部品のいずれもが直接ルツボ 2あるいはルツボ支持軸 4とは直結していないし、基礎 1 0に固定設置しているので融液面に振動を伝達することは殆どない。

従来のルツボ回転機構は、図 4に示したように、ルツボ回転駆動ュニッ卜 2 6をルツボ移動機構 3 0のスライダ 3 1 に直結させ、ルツボ支持軸 4を回転させていたので、該ユニット 2 6から発生する振動は直接ルッボ支持軸 4に伝わり、融液面を振動させる原因となっていた。

本発明では、ルツボ回転駆動ユニット 2 6は、電動モータと減速機および変速機から成り、最終出力軸の回転をボールスプライン 2 1のスプライン軸 2 2 —スリーブ 2 3を経てルツボ支持軸 4に伝達している。ルッボ融液面の振動発生の主たる原因は、回転動力源である電動モータから発生する振動であり、この振動を抑える第一段階の手段としてルツボ回転駆動ュニッ卜 2 6を、単結晶製造装置の基礎に直接固定されている例えばべ一スフレーム 1 0に取付けて固定し、特に低周波振動をベースフレーム 1 0を介して工場建屋等に吸収させるようにした。

本発明のルツボ回転機構 2 0は、前記ボールスプライン 2 1を使用したことにより、ルツボ回転駆動ユニット 2 6の回転をスライダ 3 1の上下移動に追従して円滑にルッボ支持軸 4に伝達している。

ボールスプラインの受ける振動は、前記基礎に吸収されて残った減衰した振動のみとなり、ボールスプラインの持つ上下動と同時に回転を伝達する機能には何らの影響を与えることもなく、融液面に振動を生じることは殆どなくなり、安全かつ効率的に単結晶を製造することができるここでボールスプライン 2 1は、主として図 2に示したようなラジアル形ボールスプラインを使用すればよく、スプライン軸 2 2とスリ一ブ 2 3の両方に半円状の溝を軸方向に設け、その中に多数の鋼球 2 4を入れ、軸 2 2 とスリーブ 2 3の間でトルク伝達を可能にし、かつ軸方向の移動を極めて軽快にしたものである。図 2の例では、スリーブ 2 3にリターンホール 2 5を持っている力リターンホールの代わりに球保持器を備えたものでもよい。

そして、さらにこのボールスプライン 2 1の回転動力伝達、上下移動を円滑に行わせ、ルツボ回転駆動ュニッ卜 2 6の出力軸から発生する振動を抑えるために、ルツボ回転駆動ユニット 2 6の出力軸、ボールスプライン軸 2 2、ルツボ支持軸 4の 3本の軸間の回転伝達をゴム状弾性べル卜（平ベルト、 Vベルト）一プーリの組合せとし、さらに好ましくはゴム状弾性タイミングベル卜 2 7 —夕イミングブーリの組合せとした。このようにすれば、ベル卜、タイミングベルト等は、ゴム状弾性体を主成分として構成されているので、弾性変形により応力を緩和し、ルツボ回転駆動ュニッ卜 2 6から発生する振動を吸収あるいは減衰させ、ボ一ルスプライン 2 1 に対しても振動負荷を軽減し、最終的にはルツボ 2 の融液面に振動を伝えることは殆どない。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

例えば、上記実施形態では、ルツボ回転駆動ユニットを単結晶製造装置の基礎上に固定する場合を中心に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ルツボ支持軸上端の振動が 1 0 0 m以下となる装置であれば、本発明の技術的範囲に含まれる。

また、上記では C Z法について説明してきたが、本発明のルツボの融液面の振動防止用のルツボ回転機構が、いわゆる M C Z法（磁界下引上げ法）にも適用できることは言うまでもない。

Claims

請求の範囲

1 . 少なくとも原料融液を収容するルツボを支持する支持軸と、前記融液から結晶を引き上げる引上機構と、前記ルツボを回転させる回転機構と、前記ルツボを上下動させる移動機構とを具備するチヨクラルスキー法による単結晶製造装置において、該ルッボの回転機構を構成するルツボ回転駆動ュニッ卜を、該単結晶製造装置の基礎上に固定して設置することを特徴とする単結晶製造装置。

2 . 少なくとも原料融液を収容するルツボを支持する支持軸と、前記融液から結晶を引き上げる引上機構と、前記ルツボを回転させる回転機構と、前記ルツボを上下動させる移動機構とを具備するチヨクラルスキー法による単結晶製造装置において、該ルツボの回転機構を、ルツボ支持軸とルツボ回転駆動ュニッ卜との動力伝達にボールスプラインを用い、ルツボ回転駆動ュニッ卜を、該単結晶製造装置の基礎上に固定して設置することを特徴とする単結晶製造装置。

3 . 前記ルツボ支持軸とボールスプライン軸間及びボールスプラインのスリーブとルツボ回転駆動ュニッ卜の出力軸間の各回転伝達手段を、ゴム状弾性ベルト一ブーリまたはゴム状弾性タイミングベル卜一タイミングブーリとすることを特徴とする請求項 2に記載した単結晶製造装置。

4 . 少なくとも原料融液を収容するルツボを支持するルツボ支持軸と、前記ルツボを回転させる回転機構と、前記ルツボを上下動させる移動機構を具備するチヨクラルスキー法による単結晶製造装置において、前記ルツボを支持するルツボ支持軸上端の軸に垂直な方向への振動が 1 0 0 i m以下であることを特徴とする単結晶製造装置。

5 . 前記移動機構はルツボ支持軸とともに上下するスライダを具備し、該スライダのルツボ支持軸に垂直な方向への振動が 2 0 0 w m以下であることを特徴とする請求項 4に記載した単結晶製造装置。

6 . 前記回転機構の動力であるルツボ回転駆動ュニッ卜で発生する振動が 5 0 w m以下であることを特徴とする請求項 4または請求項 5に記載した単結晶製造装置。

7 . 請求項 1ないし請求項 6のいずれか 1項に記載した単結晶製造装置を用いて単結晶を製造することを特徴とする単結晶製造方法。

8 . 原料融液を収容したルツボをルツボ支持軸で支持し、該ルツボを回転および上下動させて、チヨクラルスキー法により単結晶を製造する単結晶製造方法において、前記ルツボ支持軸上端の軸に垂直な方向への振動を 1 0 0 以下にして単結晶を製造することを特徴とする単結晶製造方法。