JPH10273383A - 単結晶引上装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 無転位結晶の目的とする把持位置の断面形状
がどのような形状であっても常に安定な把持状態が得ら
れるような結晶引上装置を提供する。 【解決手段】 ダッシュネック法により無転位化を達成
した後の無転位結晶部分を把持手段で把持し、駆動手段
で引上げながら単結晶を成長させるためのチョクラルス
キー法による単結晶引上装置において、前記把持手段
の、前記結晶を把持する際に該結晶の表面と当接する領
域を占める先端部材は、結晶を把持する時の周辺温度に
おいて可撓性を示す金属層と、この金属層に覆われた耐
熱クッション材とを備えたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はシリコン等の単結晶
成長時の引上げに用いるものであり、特に、大口径半導
体単結晶引上炉用の引上装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体結晶として用いられる例えばシリ
コン結晶の製造方法一つとして、単結晶を引上げること
によって製造する、所謂ＣＺ(Czochralski：チョクラル
スキー) 法がある。これは、不活性ガスチャンバー炉内
のるつぼ中で塊粒状多結晶シリコンを加熱溶融し、この
溶融シリコンに種単結晶を接触させた後、冷却しつつ、
回転させながらゆっくり種結晶を上昇させ、種結晶下で
いったん結晶を細く絞って（種しぼり）成長させること
により転位を結晶側面に交わらせて無転位領域を形成し
（ダッシュネック法）、さらに無転位単結晶を引き上げ
て成長せしめる方法である。

【０００３】単結晶引上げのためには、従来から単結晶
引上げ装置が用いられている。この装置は、主に、種結
晶の固定取り付け部を下端に備えたワイヤーを、その軸
心方向に自転させながら巻き取る構成を持つものであ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】近年、半導体装置の回
路集積量の増大に伴う大型化に応じて、半導体装置製造
の高効率化を図るために、単結晶は大径化の傾向にあ
る。従って、引上げ単結晶も大重量化することになる。
しかし、上記の如き引上げ装置のワイヤによる種結晶部
での引上げでは、耐荷重に限界があり、大重量単結晶を
引き上げることはできない。

【０００５】そこで、種結晶下の単結晶上部に拡径した
後に縮径することによって頭部を形成し、この頭部下の
くびれ部分を係合挟持する複数のキャッチャーアームを
等角度間隔で周状に持つ昇降軸を備えた装置が考えられ
ている。これは、複数のキャッチャーアームが互いに閉
じて挟持することによって単結晶上部のくびれ部が把持
されるものである。

【０００６】このようなキャッチャーアームによるくび
れ部の把持は、通常、以下のような操作で行なわれる。
即ち、キャチャーアームの単結晶頭部に対する相対位置
関係を一定に保ちながら、所定の上昇速度による単結晶
のワイヤ引上げを維持しつつ、キャッチャーアームを、
その先端が予め挟持すべく定められたくびれ部上の接触
位置より下方位置に対向するような相対位置関係におい
て閉じ、閉状態となった後にキャッチャーアームの上昇
速度を単結晶の上昇速度より早めることによってキャッ
チャーアーム先端でくびれ部を前記所定の接触位置でキ
ャッチさせ、係合・挟持状態を得る。

【０００７】しかしながら、このようなキャッチャーア
ームによる単結晶くびれ部の把持は、ほぼ等間隔で隆起
した晶癖線が現出するなどくびれ部の断面形状が単結晶
毎に千差万別であって、各アーム先端の点接触によるも
のとなってしまうため、各キャッチャーアーム先端のく
びれ部分に対する当初の当接状態が不均一である場合が
多い。

【０００８】例えば、くびれ部のキャッチの際、複数の
キャッチャーアームのうちのいくつかが晶癖線の隆起部
にあたった状態で挟持され、他のキャッチャーアームの
先端がくびれ部から浮いた状態になるなど、不安定な挟
持状態ため、くびれ部のキャッチの際やその後の引上げ
操作が進行するなかで、各キャッチャーアームの間でく
びれ部がガタついたり、晶癖線の隆起部上にあったキャ
ッチャーアームの先端位置がこの隆起部から低い平坦部
へずれ落ちることもある。

【０００９】このようなキャッチ時や、引上げ作業中に
生じる晶癖線の隆起等、くびれ部の断面形状が軸対象で
ないことに起因するガタツキおよびずり落ちによる単結
晶全体へのショックは、単結晶の成長に悪影響を及ぼ
し、良好な大口径単結晶製造が妨げられてしまう。

【００１０】本発明は、上記問題点に鑑み、無転位結晶
の目的とする把持位置の断面形状がどのような形状であ
っても常に安定な把持状態が得られるような単結晶引上
装置の提供を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明に係る単結晶引上装置では、
ダッシュネック法により無転位化を達成した後の無転位
結晶部分を把持して結晶成長を続けるチョクラルスキー
法による単結晶引上装置であって、無転位結晶を把持す
る把持手段と、前記結晶を把持した状態の把持手段を引
上げ方向へ移動させる駆動手段と、を備え、前記把持手
段は、前記結晶を把持する際に該結晶の表面と当接する
領域を占める先端部材を有し、この先端部材は、前記結
晶を把持する時の周辺温度において可撓性を示す金属層
と、この金属層に覆われた耐熱クッション材とを備えた
ものである。

【００１２】また、請求項２に記載の発明に係る単結晶
引上装置では、請求項１に記載の単結晶引上装置におい
て、前記クッション材は、かさ密度が０．１ｇ／ｃｍ³
以上、２．０ｇ／ｃｍ³ 以下の範囲内にある炭素製品で
ある。

【００１３】本発明は、ダッシュネック法により無転位
化を達成した後の無転位結晶を把持手段で把持し、この
結晶把持状態の把持手段を駆動手段で引上げながら単結
晶をを成長させる単結晶引上装置である。なお、ここで
いうダッシュネック法による無転位化とは、ダッシュ(D
ash)による無転位成長法に基づくものであり、種単結晶
を溶融シリコンに接触させた後、種結晶から結晶をいっ
たん細く絞って（種しぼり）成長させることにより転位
を結晶側面に交わらせて無転位領域を形成するものであ
る。

【００１４】さらに、本発明の把持手段は、結晶を把持
する際に結晶表面と当接する領域に、結晶を把持する時
の周辺温度において可撓性を示す金属層と、この金属層
に覆われた耐熱クッション材とを備えた先端部材を有す
るものである。

【００１５】このような本発明の構成においては、把持
手段によって結晶を把持しようとする時点では、先端部
材の金属層は可撓性を持つと同時にこの被覆金属層の内
側には耐熱クッション材が存在している。従って、把持
手段の先端部材が単結晶をキャッチし把持した際には、
この先端部材が結晶に当接してクッション材が金属層を
介してショックを吸収する。また、先端部材は、クッシ
ョン材のもつ弾性と金属層の可撓性により、把持手段の
把持圧によって結晶との接触部でその表面の形状に応じ
た形状に変形して当接面を形成する。

【００１６】従って、先端部材による接触は、対向する
結晶表面がどのような形状をしていてもそれに応じた形
状に変化した当接面による面接触となるため、従来のよ
うなキャッチャーアーム先端による点接触の場合に比べ
て格段に安定した挟持状態となる。

【００１７】さらに、この面接触による把持状態での単
結晶の引上げが進行すると、先端部材の結晶当接部にお
ける周辺温度は、引上げ上昇と共に徐々に低下し、それ
に伴って被覆金属は不撓化して先端部材の当接面形状が
固定化していくため、引上げ重量が増大していっても把
持強度も増大していくので、安定した把持状態のままで
単結晶引上げが良好に遂行される。

【００１８】被覆金属としては、結晶を把持する時の周
辺温度において可撓性を示すものであれば良い。

【００１９】たとえば、結晶を把持する時の把持部周辺
温度が８００℃付近であれば、請求項２に記載したよう
に、かさ密度が０．１ｇ／ｃｍ³ 以上、２．０ｇ／ｃｍ
³ 以下の範囲内にある炭素製品、たとえば、炭素繊維や
グラファイト繊維あるいはこれらを基材としたクロス等
をステンレスで被覆する構成のものが挙げられる。かさ
密度が上記範囲より低いと、結晶を確実に把持するのに
柔らか過ぎ、一方上記範囲より高いとクッション材とし
ては硬い。

【００２０】なお、本発明における先端部材の被覆金属
の厚みは、結晶把持の際には可撓性を示すことが必要で
あると共に、その際の荷重作用で破れて中のクッション
材が露出することがないように充分な厚みに設定する必
要がある。

【００２１】また、本発明の把持手段としては、例え
ば、基本的に従来のような複数のキャッチャーアームか
らなる構成が利用できる。各キャッチャーアームの下端
に本発明の先端部材を備えれば良い。この場合、既存の
キャチャーアームの下端部に適当な取付け手段を講じて
先端部材を取り付けることによっても構成することがで
きるので、装置設計は簡便である。もちろん、本発明の
先端部材は着脱可能で交換できる構成としても良い。

【００２２】また、本発明の把持手段による把持位置
は、無転位化達成後に成長する単結晶のいずれの位置で
あったも良いが、例えばキャッチャーアームの配列な
ど、把持手段の設計は把持する単結晶の径に対応して決
定されるため、予め所望の単結晶把持位置とその径を設
定する。もちろん、従来と同様に、無転位化達成後に単
結晶の拡径と縮径によって頭部を形成し、頭部下のくび
れ部を挟持する設計としてもよい。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態の一
例として、先端部材にグラファイト繊維（耐熱クッショ
ン材）をステンレス（金属層）で被覆したものを用い、
且つ把持手段として複数のキャッチャーアームを持つ構
成の単結晶引上装置を図１示す。本実施形態において
は、種結晶下の無転位達成後に単結晶頭部を形成し、頭
部下のくびれ部を把持する場合を例として示す。

【００２４】まず、予め、かさ密度約０．３ｇ／ｍ³ で
厚み３〜１０ｍｍ程度のグラファイトクロス６を用意
し、後述のキャッチャーアーム１下端部２の把持状態に
てくびれ部に対向する領域に当て、この上に厚さ０．５
ｍｍ〜５ｍｍのステンレス層５を、前記かさ密度が維持
される状態で被せ、ステンレス層５の周囲を前記キャッ
チャーアーム下端部２に溶接する。これによって、グラ
ファイトクロス６が後の結晶把持において良好な弾性を
示すように片封じされた状態で先端部材３が固定され
る。

【００２５】本引上装置は、図１に示すように、るつぼ
２０中溶融シリコンに、種結晶１４を接触させた後、ワ
イヤ１１を不図示の巻上装置で引上げながら予め定めら
れた回転速度でワイヤ１１を軸心回りに自転させながら
ゆっくり種結晶１４を上昇させることによって、種結晶
１４下に単結晶を成長せしめるチョクラルスキー法によ
る半導体単結晶引上炉用のものである。本装置は、種結
晶１４の下部に成長する単結晶に拡径部と縮径部とから
なる頭部１５のくびれ部１６を形成させた後、このくび
れ部１６を３つ以上のキャッチャーアーム下端部でラジ
アル方向から挟持して、結晶引上げを進める構成となっ
ている。

【００２６】本引上装置では、上記のごとくそれぞれ下
端部２に先端部材３が取り付けられた３つ以上のキャッ
チャーアーム１がその上端部で、互いに等角度間隔で配
置されるように吊持部（把持手段）１３に開閉可能に枢
支されている。この吊持部１３における各上端部の枢支
部を中心とした回動制御によって、各キャッチャーアー
ム１の開閉が行なわれる。

【００２７】この吊持部１３は、ワイヤ１１を同軸状に
内包しており、ワイヤ１１の種結晶１４引上げに機械的
に干渉することなく不図示の駆動装置（駆動手段）によ
って軸方向に移動されるものである。この吊持部１３の
駆動装置による軸方向移動に伴って、各キャッチャーア
ーム１が一斉に結晶引上げ方向に移動される。

【００２８】以上の如き構成をもつ引上装置の、大口径
半導体単結晶引上炉における単結晶引上げ動作を以下に
示す。まず、初期配置として、各キャッチャーアーム１
を開状態にした吊持部１３を駆動装置によって上軸方向
に位置させておく。この初期配置において、巻上装置を
制御して、るつぼ２０中の溶融シリコン（溶融液回転速
度０．１〜１５ｒｐｍ）に、ワイヤ１１下端のカーボン
製シードチャック１２に保持された種結晶１４を接触さ
せる。

【００２９】その後、所定の回転速度約１０ｒｐｍで引
上げワイヤ１１を軸心方向に自転させつつ、同時に巻上
装置を制御して種結晶１４が所定の上昇速度約３．０ｍ
ｍ／ｍｉｎで上昇するようにワイヤ１１を引上げる。こ
の上昇によって種結晶１４下端に直径約５ｍｍ程度の無
転位単結晶を成長せしめる。

【００３０】次いで、巻上装置を制御して上昇速度を約
０．５ｍｍ／ｍｉｎと低下させることによって単結晶直
径を増大させる。直径が約５０ｍｍ程度にまで増大した
後、上昇速度を約１．０ｍｍ／ｍｉｎとし、単結晶を縮
径させる。以上の操作によって単結晶頭部１５が形成さ
れる。単結晶が直径約３０ｍｍまで減少した後、さらに
巻上装置を制御して上昇速度を約０．５ｍｍ／ｍｉｎと
低下させて単結晶直径を増大させる。この拡径が進む
と、頭部１５下にくびれ部１６が形成される。実際に
は、このような単結晶直径の制御は、例えば光反射方式
等を利用して経時的に単結晶の直径を計測し、そのデー
タに基づいて各駆動装置相互の駆動を制御することによ
って上昇及び回転速度の調整を行なうプログラム、所
謂、自動直径制御システムを用いてコンピュータ等によ
って行なわれる。

【００３１】くびれ部１６が形成された後、上記直径制
御システムによって所定の上昇速度を維持させながら単
結晶引上げが継続するように各駆動系を制御しつつ、吊
持部１３を駆動させて各キャッチャーアーム１を閉状態
へ移行させる。このとき、各キャッチャーアーム１の単
結晶に対する相対位置は、閉状態なった際のキャッチャ
ーアーム下端部２（及び先端部材３）の単結晶に対向す
る位置が、くびれ部分１６の各キャッチャーアーム下端
部２によって挟持されるべく定められた接触位置よりも
下方位置とする。従って、各キャッチャーアーム下端部
２の先端部材３どうしの相対間隔はくびれ部１６の前記
所定の接触位置における直径に相当し、対向するくびれ
部１６表面に対して僅かな間隙を持つ。

【００３２】この閉状態となった時点でのキャッチャー
アーム下端部２の周辺温度は８００℃付近である。従っ
て、先端部材３において、ステンレス層５は可撓性を示
し、７００℃程度の内部においてグラファイトクロス６
は耐熱クッション材として弾性をもつ。

【００３３】次に、駆動装置による吊持部１３の上軸方
向の移動速度を早めて、閉状態にある各キャッチャーア
ーム１の上軸方向へのるつぼ２０内液面に対する移動速
度を単結晶頭部１５のるつぼ２０内液面に対する上昇速
度より早める。この速度制御によって、閉状態の各キャ
ッチャーアーム下端部２の先端部材３は単結晶頭部１５
に対して上方向に相対移動し、前記くびれ部１６の予め
定められた接触位置に接触する。即ち、各先端部材３か
らみると単結晶頭部１５が落下するように下方へ相対移
動し、前記所定接触位置でくびれ部１６をキャッチする
こととなる。

【００３４】このとき、先端部材３はステンレス層５は
荷重作用を受けて撓み、内部のグラファイトクロス６が
その衝撃を吸収する。その直後、先端部材３のくびれ部
１６との接触部は、把持圧によってくびれ部１６表面の
形状に応じた形に変形し、面接触となって落ち着いて、
安定な把持状態が得られる。

【００３５】このような面接触による安定した把持状態
が得られた時点で、所定の回転および上昇速度での引上
げが継続するように駆動装置を吊持部１３の上軸方向の
移動を制御し、結晶引上げ作業を進める。引上げ作業が
進むに従って、単結晶の引上げ重量は増大していくが、
同時に各キャッチャーアーム１も上昇して下端部２周辺
の温度も低下していくため、先端部材３のステンレス層
５も不撓化下し、くびれ部１６表面に応じた接触面形状
も固定化して先端部材３の接触面における把持強度も増
大していく。

【００３６】以上のように、本実施形態による単結晶引
上装置によれば、どのような形状のくびれ部であって
も、キャッチの際に先端部材３がキャッチの衝撃を吸収
すると共に、接触部がくびれ部の表面形状に応じた接触
面形状となるだけでなく、単結晶の把持引上げが進行す
るに従ってこの面接触による把持もより強力となるた
め、大口径半導体単結晶引上げにおいても、常に安定し
た把持状態による良好な引上げ作業を遂行することがで
きる。

【００３７】なお、上記の実施の形態においては、耐熱
クッション材としてグラファイトクロス使用したが、本
発明はこれに限定されるものではなく、単結晶を把持す
る時の周辺温度においてクッション性を示すものであれ
ば広く利用可能であることは言うまでもない。

【００３８】また、本発明の把持手段は、上記実施形態
に示したように、キャッチャーアームからなる構成に限
定されるものではなく、機械的に単結晶を把んで引き上
げることができる機構であると共に、結晶との当接領域
に先端部材を備えることが可能なものであれば広く使用
可能である。

【００３９】さらに、上記実施形態においては、種結晶
下の無転位化直後に単結晶頭部を形成し、この頭部下の
くびれ部を把持位置としたが、本発明は、これに限ら
ず、さらに単結晶の拡径化が進んだ時点で挟持を行なっ
ても良い。

【００４０】

【発明の効果】本発明は以上説明したとおり、大口径単
結晶引上げにおいても、無転位結晶の目的とする把持位
置の形状に応じて常に安定した把持状態が得られ、良好
な結晶引上げ作業を遂行することができるという効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態による挟持装置を示す説
明図であり、（ａ）は装置の概略構成図、（ｂ）は
（ａ）におけるキャッチャーアーム下端部付近の部分拡
大図である。

【符号の説明】

１：キャッチャーアーム ２：（キャッチャーアーム）下端部 ３：先端部材 ５：ステンレス層 ６：グラファイトクロス １１：ワイヤ １２：シードチャック １４：種結晶 １５：単結晶頭部 １６：くびれ部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ダッシュネック法により無転位化を達成
   した後の無転位結晶部分を把持して結晶成長を続けるチ
   ョクラルスキー法による単結晶引上装置であって、 無転位結晶を把持する把持手段と、 前記結晶を把持した状態の把持手段を引上げ方向へ移動
   させる駆動手段と、を備え、 前記把持手段は、前記結晶を把持する際に該結晶の表面
   と当接する領域を占める先端部材を有し、 この先端部材は、前記結晶を把持する時の周辺温度にお
   いて可撓性を示す金属層と、この金属層に覆われた耐熱
   クッション材とを備えたことを特徴とする単結晶引上装
   置。
2. 【請求項２】 前記クッション材は、かさ密度が０．１
   ｇ／ｃｍ³ 以上、２．０ｇ／ｃｍ³ 以下の範囲内にある
   炭素製品であることを特徴とする請求項１に記載の単結
   晶引上装置。