JPH10273384A - 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
れるような単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、前記結晶を把持する時の周辺温
度付近より低い融点を持つ金属と、該金属を被覆する前
記温度において可撓性を示す金属層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においては、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付近より低い融点を持つ金属
と、該金属を被覆する前記温度において可撓性を示す金
属層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、前記先端部材は、アルミニウムと、これを覆うステ
ンレス層とからなるものである。

【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
の周辺温度付近より低い融点を持つ金属とこの金属を被
覆する前記周辺温度において可撓性を示す金属層とを備
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
材の被覆金属層は可撓性を持つと同時に被覆金属層内の
金属は半融の無定形状態にある。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のようにショックを吸
収すると共に、把持手段の把持圧によって結晶との接触
部は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、その中の金属も凝固化し
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く、一方、
被覆される方の金属は、結晶を把持する時の周辺温度付
近より低い融点をもつもの、即ち、被覆金属内では融点
が近いがそれより若干低い温度となるものであれば良
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、先端部材は７００℃前後に融点を持つアルミニウム
をステンレスで被覆する構成のものが挙げられる。

【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金属が露出
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、先端部材にアルミニウムをステンレスで被覆
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、本実施形態に用いる先端部材の一製
造工程を以下に説明する。図２に示すように、厚さ０．
５〜５ｍｍ，内径１０ｍｍ，長さ５０ｍｍ〜１００ｍｍ
程度の片封じステンレスパイプ５内を用意する（ａ）。
このステンレスパイプ５の厚みは、丁度、後述のくびれ
部キャッチ時の結晶重量の１〜２倍相当の重圧がパイプ
５側面に係った際に、その側面の撓みが対向する側面に
達する程度のパイプ強度となるような厚みに設定する。

【００２５】このステンレスパイプ５の内径とほぼ同じ
直径を持つ長さ３０ｍｍ〜５０ｍｍの棒状のアルミニウ
ム４をステンレスパイプ５内の片封じ側に挿入する
（ｂ）。さらに、ステンレスパイプ５内のアルミニウム
４の後方空間に、この空間を埋めるステンレス棒６を挿
入した後、ステンレスパイプ内の開口端を溶接（溶接部
７）する（ｃ）ことによって先端部材３とする。このよ
うに、アルミニウム４後方にステンレス棒６を挿入した
のは、開口端を溶接する際の加熱の影響をアルミニウム
４に及ぼさないためである。

【００２６】また、この先端部材３は、取り付けられる
べきキャッチャーアーム下端部との係合方法に応じた形
に成形されるものであるが、このステンレス棒６の部分
を特に係合部分として利用できるので、単にステンレス
パイプ５内にアルミニウム４を封入する場合よりも取扱
いが簡便となる。

【００２７】本実施形態では、図１（ａ）および（ｂ）
に示すように、先端部材３を略Ｕ字型に成形し、後述す
るキャッチャーアーム１のアーム下方の側面に取付け穴
１０を設け、キャッチャーアーム１下端部２の挟持状態
におけるくびれ部との接触部側にアルミニウム４挿入領
域を当接させ、溶接部７側（ステンレス棒６領域）を取
付け穴１０に貫通させることによって先端部材３をキャ
ッチャーアーム１に取り付けた。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】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では、内部の７００℃前後に融点を持つ
アルミニウム４が周辺からのステンレスパイプ５を介し
た伝熱によって半融状態となる。

【００３６】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１
５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、前記所定の接触位置でくびれ部１６をキャッ
チすることとなる。

【００３７】このとき、先端部材３のステンレス層（ス
テンレスパイプ５壁）は可撓性を持ち、内部のアルミニ
ウム４は半融状態であるので、くびれ部１５をキャッチ
した瞬間、この先端部材３は荷重作用を受けて撓み、そ
の衝撃を吸収する。その直後、先端部材３のくびれ部１
６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。

【００３８】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のアルミニウム
４は凝固下し、先端部材３のくびれ部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。

【００３９】以上のように、本引上装置によれば、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。

【００４０】なお、上記の実施の形態においては、先端
部材を、ステンレスパイプを用いた棒状のものを略Ｕ字
型に成形したものとしたが、本発明はこれに限定される
ものではなく、用いる金属、取り付け方法におうじて適
宜形状を設計すれば良い。

【００４１】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。

【００４２】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。

【００４３】

【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。

【図２】図１の挟持装置に用いた先端部材の製造工程の
一例を示す説明図であり、（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ製
造工程の一過程を示す模式図である。

【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 ４：アルミニウム ５：ステンレスパイプ ６：ステンレス棒 ７：溶接部 １０：取付け穴 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位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付近
   より低い融点を持つ金属と、該金属を被覆する前記温度
   において可撓性を示す金属層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】 前記先端部材は、アルミニウムと、これ
   を被覆するステンレス層とを備えたことを特徴とする請
   求項１に記載の単結晶引上装置。