JPH10251092A - 単結晶引上装置の上軸昇降機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体単結晶の特に直径精度が高く要求され
る定径部の成長の際に、その引上げ速度を定格の上下許
容範囲内に持つ専用のモータにより引上げることによ
り、定径部の直径制御の精度を高めて、結晶の品質の向
上を図る。 【解決手段】 直径精度が高く要求される定径部の成長
工程で、定径部成長工程での引上げ速度（０．３〜３．
０ｍｍ／ｍｉｎ）が定格の上下１０％の許容範囲内にあ
る定径部成長用モータ（サーボモータ）３１を起動し、
この回転動力を減速機４０、クラッチ４１およびタイミ
ングベルト４８等（伝動機構）を介して巻取りドラム１
８に伝動する。これにより、引上げワイヤを介して半導
体単結晶を０．３〜３．０ｍｍ／ｍｉｎの中速範囲で精
度よく引上げることができる。定径部以外の成長工程で
は、高速回転用モータ３０の回転を、減速機４３、およ
びダブルクラッチ４２等を介して、巻取りドラム１８に
伝動する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ルツボを用いて貯
留された半導体融液より半導体単結晶を引上げる単結晶
引上装置に関し、特に、上軸（引上げワイヤ）に吊下げ
られた種結晶を昇降させるための上軸昇降機構（引上げ
ワイヤ巻上げ機構）に関する。

【０００２】従来、シリコン（Ｓｉ）やガリウムひ素
（ＧａＡｓ）等の半導体単結晶を成長する方法の一つと
して、ＣＺ（チョクラルスキー）法が知られている。こ
のＣＺ法は、大口径、高純度の単結晶が無転位あるいは
格子欠陥の極めて少ない状態で容易に得られること等の
特徴を有するから、様々な半導体結晶の成長に用いられ
る方法である。

【０００３】ＣＺ法の概略について説明すると、図５に
示すように、多結晶シリコン塊（あるいは粒状多結晶シ
リコン）を石英ルツボ（不図示）に充填して、これを融
解してシリコン融液６とする。引上げワイヤ（上軸）７
の下端に種結晶ホルダ８を介して吊下げられた種結晶９
を、前記シリコン融液６中に浸し、種結晶９そのものを
融解した後に引上げを開始する（シーディング）。引上
げを継続させて結晶径を徐々に増大させ、ネック２、コ
ーン３および肩４の形成工程を経て、定径部（メインボ
ディ）５の引上げに移る。

【０００４】ここで、図６も参照して、前記引上げワイ
ヤ７の昇降機構（巻上げ機構）の概略について説明す
る。引上げワイヤ７の上端は巻取りドラム１８に固定さ
れ、この巻取りドラム１８を正回転あるいは逆回転させ
ることにより、引上げワイヤ７を上昇（引上げ）あるい
は下降させることができる。減速機１１を有する低速回
転用モータ（サーボモータ）１０の回転が、クラッチ１
２を介して第１のプーリ１３に伝動されるように構成さ
れ、一方、高速回転用モータ１４の回転は第２のプーリ
１５に伝動される。第１のプーリ１３と第２のプーリ１
５とにはタイミングベルト１６が張設されている。ま
た、第１のプーリ１３の回転はウォーム機構１７を介し
て巻取りドラム１８に伝動される。

【０００５】そして、半導体単結晶の成長に先だって、
種結晶９を降ろす際には、クラッチ１２を絶った状態に
し、高速回転用モータ１４により巻取りドラム１８を高
速度で逆回転させ、種結晶９を高速（例えば１６．７〜
１０００ｍｍ／ｍｉｎの範囲）で降ろす。そして、種結
晶９の引上げに際しては、クラッチ１２を接続するとと
もに、低速回転用モータ１０を駆動して巻取りドラム１
８を正回転させる。シーディング工程では種結晶９の直
径を制御するために引上げ速度を一般に０．１〜６．０
ｍｍ／ｍｉｎの低速域で調節する。一方、定径部５の成
長工程では、定径部５の直径を低速回転用モータ１０に
フィードバックしつつ、定径部５の径を所定の値にする
ために、引上げワイヤ７を一般に０．３〜３．０ｍｍ／
ｍｉｎの範囲で引上げる必要がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の上軸昇降機構（引上げワイヤ巻上げ機構）では、半
導体単結晶の定径部を成長させる際に、引上げワイヤを
０．３〜３．０ｍｍ／ｍの速度範囲で精度よく引上げる
必要があるにも係わらず、この範囲は低速回転用モータ
の定格より大きくずれているので、低速回転用モータの
回転制御ひいては定径部の直径制御の精度が低くなり、
結果的に、半導体単結晶の品質の向上の妨げになるとい
う問題点がある。この問題点は、直径精度が高く要求さ
れる定径部の大口径化に伴い、一層顕著になり、その解
消が強く望まれていた。

【０００７】本発明は、上記従来技術の有する問題点に
鑑みてなされたものであり、半導体単結晶の特に直径精
度が高く要求される定径部の成長の際に、半導体単結晶
の品質の向上を図ることができる、単結晶引上装置の上
軸昇降機構を提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明は、単結晶引上装置のルツボ内に貯留された半
導体融液に、種結晶が吊下げられた上軸を降ろすことに
より、前記種結晶を前記半導体融液に浸し、前記上軸を
巻取りドラムに巻取ることにより前記半導体融液上部に
おいて前記種結晶を核として半導体単結晶を成長させる
ための上軸昇降機構において、前記半導体単結晶の定径
部を成長させる際に使用され、かつこの際の前記上軸の
所定の引上げ速度が、定格の上下許容範囲内にあるよう
な定径部成長用モータと、前記定径部成長用モータの回
転動力を前記巻取りドラムに伝動するための伝動機構
と、前記上軸を高速で下降させる際や前記半導体単結晶
の定径部以外の成長時に使用される高速回転用モータ
と、前記上軸の下降時等に前記高速回転用モータの回転
動力を前記巻取りドラムに伝動するための高速伝動機構
と、前記半導体単結晶の前記定径部以外の成長時に、前
記高速回転用モータの回転動力を減速させてこれを前記
巻取りドラムに伝動するための低速伝動機構と、前記高
速回転用モータの回転を、前記高速伝動機構および前記
低速伝動機構のいずれかを介して前記巻取りドラムに伝
動させるためのクラッチ機構と、を備えることを特徴と
するものである。

【０００９】また、前記定径部成長用モータおよび前記
高速回転用モータの一方の回転を、他方に伝動させない
ためのクラッチを備えているものとすることができる。

【００１０】本発明の請求項１の作用としては、半導体
単結晶の成長に先だって、種結晶を降ろす際には、クラ
ッチ機構により高速回転用モータの回転を高速伝動機構
に伝動し、高速回転用モータの回転動力を高速伝動機構
を介して巻取りドラムに伝動し、高速で逆回転させる。
これにより、種結晶を高速で降ろすことができる。そし
て、種結晶の引上げに際しては、クラッチ機構を切替え
て高速モータの回転を低速伝動機構に伝動し、高速モー
タの回動動力を低速伝動機構により減速させて巻取りド
ラムに伝動する。これにより、巻取りドラムは低速で正
回転し、種結晶を低速で引上げることができる。ここ
で、直径精度が高く要求される定径部の成長工程のみで
は、高速回転用モータを停止させるとともに、定径部成
長工程での所定の引上げ速度が定格の上下許容範囲内に
ある定径部成長用モータを起動し、この回転動力を中速
伝動機構を介して巻取りドラムに伝動し、さらに、定径
部の直径を定径部成長用モータにフィードバックしつ
つ、引上げワイヤ７を０．３〜３．０ｍｍ／ｍｉｎの中
速範囲で精度よく引上げる。

【００１１】請求項２に記載の発明では、クラッチを絶
つことにより、定径部成長用モータおよび高速回転用モ
ータの一方の回転が他方に伝動されないので、一方のモ
ータによる他方のモータのロータの引きずり回転が起こ
らない。

【００１２】

【発明の実施の形態】次に、本発明の一実施形態につい
て図面を参照して説明する。図１は本発明に係わる単結
晶引上装置の概略斜視図、図２の本発明の上軸昇降機構
の第１実施形態の模式図である。

【００１３】先ず、図１に示すように、単結晶引上装置
のチャンバ（気密容器）２０内には、グラファイトサセ
プタ２２に支持された石英ルツボ２１が収容されてお
り、この石英ルツボ２１はシリコン融液（半導体融液）
６を貯留するものである。石英ルツボ２１の周囲にほぼ
円柱状のグラファイトヒータ２３が設けられており、さ
らにその外側には熱遮蔽板２４が設けられている。光学
系２５は、結晶成長時にシリコン単結晶（半導体単結
晶）１のシリコン融液６の液面部の径を測定し、この測
定値に基づいて後述する引上げワイヤ７の引上げ速度を
制御する。

【００１４】チャンバ２０の上部には大径筒体２６が接
続されており、この大径筒体２６の上部には、後述する
上軸昇降機構（引上げワイヤ巻上げ機構）２８を上端部
に備えた小径筒体２７が接続されている。この上軸昇降
機構２８については、ケーシング３２内に案内ドラム２
９および巻取りドラム１８が設けられ、巻取りドラム１
８は後述する定径部成長用モータ（サーボモータ）３１
および高速回転用モータ（サーボモータ）３０のいずれ
か一方により駆動され、これにより、引上げワイヤ７が
上昇あるいは下降されるようになっている。上軸として
の引上げワイヤ７の下端には種結晶ホルダ８を介して種
結晶９が吊下げられている。符号３３は、上軸昇降機構
２８全体を、小径筒体２７の軸線を回転軸線として回転
させるための公知の回転機構を示している。

【００１５】次に、図２を参照して、上記上軸昇降機構
２８の構造ついて詳細に説明する。定径部成長用モータ
３１は減速機４０を介してクラッチ４１の入力側に連結
され、このクラッチ４１の出力側にはプーリ４４が連結
されており、定径型部成長用モータ３１の回転力は減速
機４０により減速され、さらにクラッチ４１を介してプ
ーリ４４に伝動されるようになっている。このプーリ４
４と他のプーリ４５とにはタイミングベルト４８が張設
され、プーリ４５の回転はウォーム機構１７を介して巻
取りドラム１８に伝動される。このように、定径型部成
長用モータ３１の回転動力により巻取りドラム１８を回
転させることができ、定径部成長用モータ３１は、シリ
コン単結晶１の引上げ時で定径部５（図５参照）の成形
時に使用される。ここで、シリコン単結晶１の定径部５
（図５参照）の所定の引上げ速度（０．３〜３．０ｍｍ
／ｍｉｎ）は、前記定径部成長用モータ３１の定格の上
下１０％の範囲（定格の許容範囲）内にある。定径部成
長用モータ３１の定格の上下１０％の範囲内から、定径
部５（図５参照）の所定の引上げ速度（０．３〜３．０
ｍｍ／ｍｉｎ）がずれている場合には、定径部成長用モ
ータ３１の回転制御ひいては定径部５の直径制御の精度
が低くなり、結果的に、シリコン単結晶１の品質の向上
の妨げになる。なお、上記クラッチ４１、プーリ４４、
タイミングベルト４８およびプーリ４５により定径部成
長用モータ３１の回転を巻取りドラム１８に伝動するた
めの伝動機構が構成されている。

【００１６】高速回転用モータ３０の出力軸にはプーリ
５１が連結され、このプーリ５１には減速機４３の入力
側が連結されている。この減速機４３の出力側はプーリ
４７に連結されている。一方、前記プーリ５１と後述す
るダブルクラッチ（クラッチ機構）４２の一方の入力側
プーリ４２ａとにはタイミングベルト５２が張設されて
いる。このダブルクラッチ４２の他方の入力側プーリ４
２ｂと、前記減速機４３の出力側のプーリ４７とにはタ
イミングベルト４９が張設されている。ダブルクラッチ
４２の出力側軸４６は前記プーリ４５に連結されてい
る。ダブルクラッチ（ユニット）４２は、２つの入力側
プーリ４２ａ，４２ｂのいずれか一方の回転を出力側軸
４６に伝動するように構成された公知のものであり、一
例として、三木プーリ株式会社製の型式１２１−１０を
用いた。

【００１７】ダブルクラッチ４２の一方のプーリ４２ａ
（減速機４３の入力側）が出力側軸４６に連結されてい
る場合には、高速回転用モータ３０の回転は、プーリ５
１、タイミングベルト５２、ダブルクラッチ４２、プー
リ４５およびウォーム機構１７等を介して巻取りドラム
１８に伝動され、巻取りドラム１８を高速で逆回転させ
ることができる。結果的に、種結晶９を高速で下降させ
ることができる。一方、シリコン単結晶１の定径部５以
外（肩、ボトム等）の成形時には、ダブルクラッチ４２
の他方のプーリ４２ｂ（減速機４３の出力側）を出力側
軸４６に連結することにより、高速回転用モータ３０の
回転は、プーリ５１、減速機４３、プーリ４７、タイミ
ングベルト４９、ダブルクラッチ４２、プーリ４５およ
びウォーム機構１７等を介して巻取りドラム１８に伝動
され、巻取りドラム１８を低速で正回転させることがで
きる。

【００１８】上記説明から明らかなように、プーリ５
１、タイミングベルト５２、およびプーリ４５等によ
り、高速伝動機構が構成され、減速機４３、プーリ４７
およびタイミングベルト４９、およびプーリ４５等によ
り低速伝動機構が構成されている。

【００１９】次に、本実施形態の単結晶引上装置の特に
上軸昇降機構の動作を重点的に説明する。ＣＺ（チョク
ラルスキー）法によるシリコン単結晶の成長において基
本的なステップは、多結晶シリコン原料の融解、シーデ
ィング（seeding）、単結晶引上げ成長である。

【００２０】多結晶シリコン塊を石英ルツボ２１に充填
し、不活性ガス（Ａｒ）中で１４１５℃（シリコンの融
点）以上に熱して融解し、シリコン融液６とする。多結
晶シリコン塊の代わりに粒状多結晶シリコンを用いれ
ば、より短時間に充填、融解ができる。

【００２１】種結晶９を高速（１６．７〜１０００ｍｍ
／ｍｉｎ）で降ろしてシリコン融液６中に浸す。この動
作を行うには、定径部成長用モータ３１が停止し、クラ
ッチ４１が絶たれた状態で、高速回転用モータ３０を起
動するとともに、ダブルクラッチ４２の一方の入力側プ
ーリ４２ａを出力側軸４６に連結する。これにより、高
速回転用モータ３０の回転は、プーリ５１、タイミング
ベルト５２、ダブルクラッチ４２、プーリ４５、および
ウォーム機構１７等を介して巻取りドラム１８に伝動さ
れ、この巻取りドラム１８は高速で逆回転する。なお、
このとき、クラッチ４１は切れているので、プーリ４５
の回転は定径部成長用モータ３１には伝動されず、定径
部成長用モータ３１のロータの引きずり回転は起きな
い。

【００２２】このように、種結晶９をシリコン融液６に
浸した後に、種結晶９そのものを融解した後に引上げを
開始する（シーディング）。これは、ＣＺ結晶成長プロ
セスの中で最も微細な技巧を要するステップである。結
晶成長の全プロセス中、装置内に反応物質として生成さ
れたＳｉＯやＣＯを外部へ排気するため不活性ガス（Ａ
ｒ）が上方から下方へ流される。ネッキング（neckin
g）の後、結晶径を徐々に増大させ、コーン３、肩４
（図５参照）を形成し、定径部（メインボディ）５の引
上げに移る。引上げ成長にしたがい減少するシリコン融
液６面の高さ（つまり融液の深さ）を考慮の上、引上げ
速度と融液温度を制御して結晶成長速度を最適化する。
残存融液量が減少するにしたがい、露出する石英ルツボ
２１の壁面が増大し輻射熱が大きくなるので、固液界面
の温度は上昇する。したがって、一般に、シリコン単結
晶１の終端部に近づくにつれて、定径を得るために引上
げ速度を小さくする必要がある。

【００２３】ここで、単結晶引上げ時の動作について、
図４も参照して詳述する。シーディング（図４中の領域
Ａ参照）の際に、種結晶９を低速（一般に、０．１〜
６．０ｍｍ／ｍｉｎの範囲内にある）で引上げる際に
は、ダブルクラッチ４２の他方の入力側プーリ４２ｂを
出力側軸４６に連結することにより、高速回転用モータ
３０の回転は、減速機４３、プーリ４７，タイミングベ
ルト４９、ダブルクラッチ４２、プーリ４５およびウォ
ーム機構１７等を介して巻取りドラム１８に伝動され、
この巻取りドラム１８は低速で正回転する。なお、種結
晶９の引上げ速度が、０．１〜６．０ｍｍ／ｍｉｎのよ
うに大きなばらつきがあるのは、種結晶９の径を所定値
にするために、光学系２５の測定値に応じて高速回転用
モータ３０をフィードバック制御するためである。

【００２４】そして、ネック２、コーン３、肩４の成長
時すなわち引上げ初期時（図４中の領域Ｂ参照）の際に
も、継続して高速回転用モータ３０により種結晶９を低
速で引上げる。

【００２５】定径部５の成長時（図４の領域Ｃ参照）の
際には、高速回転用モータ３０を停止させる一方、定径
部成長用モータ３１を起動するとともに、クラッチ４１
を入れる。これにより、定径部成長工程での引上げ速度
を定格の上下許容範囲内に持つ定径部成長用モータ３１
の回転動力を、減速機４０、クラッチ４１、プーリ４
４、タイミングベルト４８、プーリ４５、およびウォー
ム機構１７等を介して巻取りドラム１８に伝動し、引上
げワイヤ７を０．３〜３．０ｍｍ／ｍｉｎの中速範囲で
精度よく引上げることができる。このように、シリコン
単結晶１の特に直径精度が高く要求される定径部５の成
長の際に、それ専用の定径部成長用モータ３１によりシ
リコン単結晶１を引上げることにより、定径部５の直径
制御の精度を高めて、シリコン単結晶１の品質の向上を
図ることができる。

【００２６】最後に、シリコン単結晶１のボトム部の成
長時（図４の領域Ｄ参照）には、高速回転用モータ３０
を使用して引上げワイヤ７を引上げる。すなわち、定径
部成長用モータ３１を停止させるとともに、クラッチ４
１を絶つ。さらに、高速回転用モータ３０を起動し、シ
リコン単結晶１を低速で引上げる。なお、何等かの異常
時に、高速回転用モータ３０を手動操作して、引上げワ
イヤ７を高速で昇降させることができる。

【００２７】図３は本発明に係わる単結晶引上装置の上
軸昇降機構の第２実施形態の構成図である。ダブルクラ
ッチ４２の出力側軸４６とプーリ４５との間にクラッチ
５３が設けられている点で、第１実施形態と相違する。
本例においては、定径部５の成長時（図４の領域Ｃ参
照）にのみクラッチ５３を絶つことにより、プーリ４５
の回転は、高速回転用モータ３０に伝動されず、高速回
転用モータ３１のロータの引きずり回転は起こらない。

【００２８】

【発明の効果】本発明は、以上説明したとおりに構成さ
れているので、以下に記載するような効果を奏する。請
求項１に記載の発明は、半導体単結晶の特に直径精度が
高く要求される定径部の成長の際に、その引上げ速度を
定格の上下許容範囲内に持つ専用の定径部成長用モータ
により引上げることにより、定径部の直径制御の精度を
高めて、半導体単結晶の品質の向上を図ることができ
る。請求項２に記載の発明は、上記効果の他、定径部成
長用モータおよび高速回転用モータの一方の回転が他方
に伝動されないので、一方のモータによる他方のモータ
のロータの引きずり回転が起こらない。結果的に、双方
のモータに不要な負荷がかからず、寿命が延びる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係わる単結晶引上装置の概略斜視図
である。

【図２】 本発明の上軸昇降機構（引上げワイヤ巻上げ
機構）の第１実施形態の模式図である。

【図３】 本発明の上軸昇降機構の第２実施形態の模式
図である。

【図４】 単結晶引上げ時における時間と引上げ速度と
の関係を示すグラフである。

【図５】 図１に示したシリコン単結晶の上部の拡大図
である。

【図６】 従来の上軸昇降機構の模式図である。

【符号の説明】

１ シリコン単結晶（半導体単結晶） ２ ネック ３ コーン ４ 肩 ５ 定径部（メインボディ） ６ シリコン融液（半導体融液） ７ 引上げワイヤ（上軸） ８ 種結晶ホルダ（チャック） ９ 種結晶 １７ ウォーム機構 １８ 巻取りドラム ２０ チャンバ ２１ 石英ルツボ ２２ グラファイトサセプタ ２３ グラファイトヒータ ２４ 熱遮蔽板 ２５ 光学系 ２６ 大径筒体 ２７ 小径筒体 ２８ 上軸昇降機構（引上げワイヤ巻上げ機構） ２９ ガイドドラム ３０ 高速回転用モータ（サーボモータ） ３１ 定径部成長用モータ（サーボモータ） ３２ ケーシング ３３ 回転機構 ４０，４３ 減速機 ４１，５３ クラッチ ４２ ダブルクラッチ ４２ａ，４２ｂ 入力側プーリ ４４，４５，４７，５１ プーリ ４６ 出力側軸 ４８，４９，５２ タイミングベルト

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 樋口 朗 兵庫県朝来郡生野町口銀谷字猪野々985番 地１ 三菱マテリアル株式会社生野製作所 内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 単結晶引上装置のルツボ内に貯留された
   半導体融液に、種結晶が吊下げられた上軸を降ろすこと
   により、前記種結晶を前記半導体融液に浸し、前記上軸
   を巻取りドラムに巻取ることにより前記半導体融液上部
   において前記種結晶を核として半導体単結晶を成長させ
   るための上軸昇降機構において、 前記半導体単結晶の定径部を成長させる際に使用され、
   かつこの際の前記上軸の所定の引上げ速度が、定格の上
   下許容範囲内にあるような定径部成長用モータと、 前記定径部成長用モータの回転動力を前記巻取りドラム
   に伝動するための伝動機構と、 前記上軸を高速で下降させる際や前記半導体単結晶の定
   径部以外の成長時に使用される高速回転用モータと、 前記上軸の下降時等に前記高速回転用モータの回転動力
   を前記巻取りドラムに伝動するための高速伝動機構と、 前記半導体単結晶の前記定径部以外の成長時に、前記高
   速回転用モータの回転動力を減速させてこれを前記巻取
   りドラムに伝動するための低速伝動機構と、 前記高速回転用モータの回転を、前記高速伝動機構およ
   び前記低速伝動機構のいずれかを介して前記巻取りドラ
   ムに伝動させるためのクラッチ機構と、を備えることを
   特徴とする単結晶引上装置の上軸昇降機構。
2. 【請求項２】 前記定径部成長用モータおよび前記高速
   回転用モータの一方の回転を、他方に伝動させないため
   のクラッチを備えている請求項１に記載の単結晶引上装
   置の上軸昇降機構。