JPH10273385A - 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製袋と、この金属製袋内に内包
された前記単結晶より融点の高い複数の粒状物質とを備
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単結晶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、例えば径１６イン
チ以上と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
れ部の挟持は、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、晶癖線の隆起等の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
っても常に安定な挟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製
袋と、この金属製袋内に内包された前記単結晶より融点
の高い複数の粒状物質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、前記単結晶がＳｉであるとき、前記粒状物質はＳｉ
Ｃであり、前記金属製袋はステンレス製であるものであ
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
周辺温度において可撓性を示す金属製袋と、この金属製
袋内に内包された前記単結晶より融点の高い複数の粒状
物質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
材の金属製袋は可撓性を持ち、一方袋に内包されている
複数の粒状物質は周辺温度に影響なく、袋内において相
互に独立した流動性を持っている。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、荷重作用は、金属袋を介して当
接側の粒状物質からその隣接する周囲の粒状物質へ順次
伝達・拡散される。

【００１６】この荷重作用の伝達・拡散に従って、各粒
状物質は周縁方向へ移動するが、結晶表面と把持手段と
の間での把持圧と袋の周縁方向からの規制に対して粒状
物質全体の反作用がつりあった時点で移動が停止する。
このとき、先端部材の結晶との接触部は、その結晶表面
形状に応じた形状に変形した当接面が形成される。

【００１７】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
て格段に安定した把持状態となり、単結晶引上げが良好
に遂行される。

【００１８】なお、単結晶引上げが進行するに従って引
上げ重量は増大していくが、それに従って先端部材のつ
ぶれが進行し過ぎないように、荷重作用がある重圧以
上、例えば単結晶把持の際の単結晶重量の２倍程度相当
以降では、それ以上先端部材に変形が生じないような強
度となるように、金属袋の厚みおよび粒状物質の粒径、
粒子の充填量などの設計を適宜選択する。

【００１９】先端部材の金属製袋としては、結晶を把持
する時の周辺温度において可撓性を示す金属からなるも
のであれば良く、一方、袋内に内包される粒状物質とし
ては、単結晶より高い融点、即ちくびれ部の挟持開始時
の周辺温度付近では影響を受けず溶融しないものであれ
ば良い。

【００２０】たとえば、単結晶としてＳｉを引き上げる
際に、結晶を把持する時の周辺温度が８００℃付近であ
れば、先端部材は、請求項２に記載したように、ステン
レス製袋にＳｉより融点の高いＳｉＣ製の粒状物質を多
数内包させてなるものが挙げられる。

【００２１】なお、本発明における先端部材の被覆金属
の厚みは、結晶を把持する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物質が
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。

【００２２】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。先端部材のキャッチ
ャーアーム下端部への取り付けは、金属製袋を下端部に
溶接固定しても、また何等かの取り付け手段を用いて脱
着可能で交換できる構成としても良い。

【００２３】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。

【００２４】

【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、ステンレス袋にＳｉＣ粒子を充
填して封止したものを用い、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
に示す。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。

【００２５】まず、予め、厚さ０．５ｍｍ〜５ｍｍ，容
積１ｍｌ〜２０ｍｌ程度で、ネジ蓋６の螺合によって袋
が密封され得る粒子注入口５を持つステンレス袋４をス
テンレスパイプ等を利用して成形しておく。

【００２６】このステンレス袋４を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部
位に、一部領域を溶接することによって固定した後、注
入口５から粒径数μｍ〜数ｍｍのＳｉＣ粒子７を充填
し、ネジ蓋６で密閉する。以上の操作によって先端部材
３のキャッチャーアーム１下端部２への取り付けが完了
したものとする。

【００２７】もちろん、先端部材３の取り付けは、本実
施形態のように、キャッチャーアーム１下端部２にステ
ンレス袋４を溶接・固定するものに限らず、適当な取り
付け手段を用いて着脱可能な構成としても良い。また、
粒子７充填後のステンレス袋４の密封は、上記ネジ式に
限らず、端結晶の挟持引上げ作業中にわたって粒子７が
ステンレス袋４からこぼれ出ない方法であれば、どのよ
うな密封方法でも良い。

【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、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
ており、キャッチャーアーム１には、上記のごとくそれ
ぞれ下端部２にステンレス袋４内にＳｉＣ粒子７が充填
されてなる先端部材３が取り付けられいる。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製品直径（４００ｍｍ）まで増
大させる。この拡径が進むと、頭部１５下にくびれ部１
６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】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。

【００３６】このとき、先端部材３のステンレス袋４の
くびれ部１６側は可撓性を持ち、くびれ部１６をキャッ
チした瞬間、荷重作用を受けて撓みながら、この荷重作
用をステンレス袋７内のくびれ部１６側に位置するＳｉ
Ｃ粒子７へ伝達する。さらにステンレス袋７側のＳｉＣ
粒子７に伝達された荷重作用は、それに隣接する周囲の
ＳｉＣ粒子７へと順次伝達・拡散される。

【００３７】この荷重作用の伝達・拡散に従って、各Ｓ
ｉＣ粒子７は周縁方向へ移動するが、くびれ部１６とア
ーム下端部２との間での挟持圧とステンレス袋４の周縁
方向からの規制に対して粒子７全体の反作用がつりあっ
た時点で移動が停止する。このとき、先端部材３のくび
れ部１６との接触部には、くびれ部表面形状に応じた形
状に変形した当接面が形成される。

【００３８】このようなキャッチャーアーム下端部２の
先端部材３の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
しつつ、結晶引上げ作業を進める。

【００３９】以上のように、本実施形態の単結晶引上装
置によれば、くびれ部１６をキャッチした際に先端部材
３へ係る衝撃は、ＳｉＣ粒子７への荷重作用の伝達・拡
散によって吸収されると共に、接触部がくびれ部１６の
表面形状に応じた面形状に変形し、面接触による挟持状
態が得られるので、くびれ部１６がどのような断面形状
をしたものであっても、大口径半導体単結晶引上げにお
いて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、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。

【００４１】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。

【００４２】

【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 ４：ステンレス袋 ５：粒子注入口 ６：ネジ蓋 ７：ＳｉＣ粒子 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製袋と、この金属製袋内に内包さ
   れた前記単結晶より融点の高い複数の粒状物質とを備え
   たことを特徴とする単結晶引上装置。
2. 【請求項２】 前記単結晶がＳｉであるとき、前記粒状
   物質はＳｉＣであり、前記金属製袋はステンレス製であ
   ることを特徴とする請求項１に記載の単結晶引上装置。