(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶に回転と移動とを伝達する引き上げワイヤと、ワイヤ巻き取り機構およびワイヤ巻き取り機構を単結晶引き上げ軸を回転軸として回転させる回転機構とを備えた半導体単結晶製造装置において、単結晶の直径を制御するために単結晶重量を検出する荷重検出器の荷重印加点に前記ワイヤ巻き取り機構を吊り下げる構造としたことを特徴とする半導体単結晶製造装置。
【請求項２】
荷重検出器の垂直方向中心線、ワイヤ巻き取り機構部を回転させる回転軸および単結晶引き上げ軸が一致し、それらの全体の重心点が前記荷重検出器の垂直方向中心線上にあることを特徴とする請求項１の半導体単結晶製造装置。
【請求項３】
請求項２の半導体結晶製造装置において、ワイヤ巻取りドラムの回転軸をも荷重検出器の垂直方向中心線に平行あるいは一致させたことを特徴とする半導体結晶製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、シリコン等の単結晶を重量式直径制御法を用いて引き上げる半導体単結晶製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子の基板には主として高純度のシリコン単結晶が用いられているが、この単結晶シリコンの製造方法の一つにチョクラルスキー法（以下ＣＺ法という）がある。ＣＺ法においては、単結晶製造装置のメインチャンバ内に設置したるつぼに高純度の多結晶シリコンを充填し、前記るつぼの外周に設けたヒータによって多結晶シリコンを加熱溶解した上、シードチャックに取り付けた種子結晶を融液に浸漬し、シードチャックおよびるつぼを同方向または逆方向に回転しつつシードチャックを引き上げてシリコン単結晶を成長させる。
【０００３】
図４は、ＣＺ法による従来の一般的なシリコン単結晶製造装置の概略構成を模式的に示したもので、２１はワイヤ巻き取りドラム、３１はワイヤ巻き取りドラム２１を駆動するモータ、３６はワイヤ巻き取りドラム２１および前記モータ３１を設置した真空容器１を水平方向に回転させるモータであり、引き上げワイヤ４の回転を通じて最終的には種子結晶から成長した単結晶に回転を与える。３７はテレビカメラ、３８は透明石英ガラス製の窓、３９は種子結晶を保持するシードチャックである。また、４０は融液面、４１はるつぼ内の多結晶シリコンを加熱溶解する黒鉛ヒータ、４２は黒鉛製断熱筒であり、４３はるつぼペディスタルを介してるつぼに回転運動を与えるモータ、４４はるつぼを上下に駆動するモータである。シリコン単結晶の引き上げに当たり、前記融液面４０とシリコン単結晶との境界に発生するメニスカスリングがテレビカメラ３７によって撮影され、得られた映像信号はカメラコントロールユニット４５を介して幅計測ユニット４６に入力され、メニスカスリングを横切る単結晶の直径が算出される。そして、直径制御装置４７により種子結晶の引き上げ速度および融液温度を制御して、引き上げ単結晶の直径を設定値に近づける。なお、４８はモニタテレビである。
【０００４】
結晶引き上げ機構が上記ワイヤ方式の場合、単結晶の直径制御には一般にテレビカメラ等による光学式制御方法が用いられているが、前記直径制御方法には光学式制御方法の他に重量式制御方法がある。重量式制御方法は、成長中の単結晶重量を測定してモデル結晶重量と比較し、その偏差の大きさにより炉内温度および結晶引き上げ速度を調節して成長中の単結晶直径がモデル結晶の直径に近似するように制御するものである。この方法では結晶重量を極めて正確に測定する必要があり、フォースバーと呼ばれる棒状部材を荷重検出器の荷重印加点に吊り下げ、種子結晶をこのフォースバーの下端に取り付け、成長中の単結晶の重量が直接荷重検出器に加えられるように工夫した特殊な単結晶製造装置を必要とする。そして、前記特殊な単結晶製造装置は、一般的には、ワイヤ方式で製造する単結晶と同じ長さの単結晶を製造しようとすると、装置の全高がワイヤ方式の場合の１．５〜２倍となる。そのため、この装置を設置する工場建屋は大きなものが必要となり、装置価格もワイヤ方式に比べて著しく高額となる。しかし、重量式直径制御方法は直径制御特性が良好で、特に直径絶対値の再現性や、テール部すなわち結晶成長の終端部で結晶直径を徐々に減少させる場合の制御特性が極めて優れているため、一般的なワイヤ方式の単結晶製造装置において重量式直径制御方法の適用が求められている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ワイヤ方式による結晶引き上げ機構の一般的な構造は、特開平４−８９３８９に記載の図を参考にすることができる。この結晶引き上げ機構に重量式直径制御方法を適用する場合、図５に簡略化して示すように、単結晶を引き上げる引き上げワイヤ４をガイドプーリ２７を介してワイヤ巻き取りドラム２１で巻き取り、このときガイドプーリ２７に加わる単結晶重量Ｗを荷重検出器２によって測定する方法が構造上最も容易である。しかしながら図５の構成においては、荷重検出器には結晶重量Ｗと結晶重量よりも大きい結晶引上げ力Ｆの合力Ｗ＋Ｆが作用する。このため、引き上げる結晶重量の２倍以上の重量を検出できる荷重検出器が必要となり、新規の大重量対応型の荷重検出器を開発しなければならないため、結晶製造装置の製造コストが増大するという問題点がある。
ところで前記引き上げワイヤ４は柔軟性を得るため、素線を撚り合わせた構造となっているが、その撚り構造のためにワイヤ断面は真円を形成出来ず、軸方向の直径が周期的に変動している。このため図５において、ワイヤの直径変動による結晶重量負荷点の変動や結晶を引き上げる際の巻き取りドラム２１のトルク変動が前記結晶引き上げ力Ｆに直接影響するため、荷重検出器での検出値Ｗ＋Ｆに影響を及ぼし、結晶重量測定を不正確にするという問題を有している。
このように荷重検出器による重量信号に誤差が含まれるため、育成中の単結晶の直径制御が安定せず、高品質の単結晶が得られないという欠点がある。
【０００６】
本発明は上記従来の問題点に着目してなされたもので、荷重検出器を用いた重量式直径制御方法をワイヤ方式による結晶引き上げ機構に適用する場合、直径制御性能を高めるために単結晶重量を正確に計測することができるような半導体単結晶製造装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る半導体単結晶製造装置は、単結晶に回転と移動とを伝達する引き上げワイヤと、ワイヤ巻き取り機構およびワイヤ巻き取り機構を単結晶引き上げ軸を回転軸として回転させる回転機構とを備えた半導体単結晶製造装置において、単結晶の直径を制御するために単結晶重量を検出する荷重検出器の荷重印加点に前記ワイヤ巻き取り機構を回転自在に吊り下げる構造とし、このような構造において、
荷重検出器の垂直方向中心線、ワイヤ巻き取りドラムの回転軸、ワイヤ巻き取り機構の回転軸および単結晶引き上げ軸が一致し、それらの全体の重心点が前記荷重検出器の垂直方向中心線上にあることを特徴としている。
【０００８】
【作用】
素線の撚り合わせからなる引き上げワイヤは、撚りピッチなどによりワイヤ直径が不均一になっている。このため、ガイドプーリを介して巻き取りドラムに引き上げワイヤを巻き取る際、ガイドプーリの回転中心とガイドプーリとの接触点における引き上げワイヤ中心（結晶引き上げ点）との距離が僅かではあるが変動する。ワイヤ巻き取り機構が荷重検出器の荷重印加点以外に支持点を持つ場合、結晶引き上げ点における単結晶重量と、荷重検出器の荷重印加点における印加荷重によるモーメントが荷重検出器の荷重印加点以外の支持点あるいは特定の固定点に関して釣り合った状態での値から、単結晶重量が計測される。このため、結晶引き上げ点の変動は単結晶重量の変動と見做される。従って、ワイヤ巻き取り機構の支持点を荷重検出器の荷重印加点に限定し、ワイヤ巻き取り機構の全重量と単結晶重量が荷重検出器の荷重印加点に荷重の釣り合いとして作用する構造とする。
【０００９】
本発明によれば、引き上げワイヤとワイヤ巻き取り機構とを荷重検出器の荷重印加点に回転自在に吊り下げたので、荷重検出器には育成中の単結晶重量とワイヤ巻き取り機構の重量とが作用する。単結晶の成長や引き上げワイヤの撚りなどによって生じる結晶引き上げ点の変化によりワイヤ巻き取り機構の重心は移動するが、ワイヤ巻き取り機構は荷重検出器の荷重印加点に吊り下げられているので、この結合部を中心として結合部とワイヤ巻き取り機構の重心とを結ぶ直線が重力方向に一致するように機構中心が移動する。その結果、荷重検出器には単結晶重量を含むワイヤ巻き取り機構重量が荷重検出器の荷重印加点にモーメントの釣り合いとして作用するのでなく、荷重の釣り合いとして作用するため、正確なワイヤ巻き取り機構の重量すなわち単結晶重量を計測することができる。
さらに、ワイヤ巻き上げ用モータを含めた全てのワイヤ巻き取り機構を荷重検出器に吊り下げているので、機構内で生じるモータトルクの変動、ワイヤの摩擦の影響を受けにくい。
【００１０】
また、育成中の単結晶の回転によるワイヤ巻き取り機構への遠心力の影響を除去するために、荷重検出器の垂直方向中心線、ワイヤ巻き取りドラムの回転軸、ワイヤ巻き取り機構の回転軸および単結晶引き上げ軸を一致させ、それらの全体の重心点がいずれも前記荷重検出器の垂直方向中心線上にあるように構成したので、単結晶引き上げ時のワイヤ巻き取りに伴うワイヤ巻き取り機構の重心移動は引き上げワイヤの直径変動分だけである。従って、単結晶引き上げ中に必要なワイヤ巻き取り機構の回転による単結晶引き上げ軸の偏心は十分に小さく、安定した単結晶の引き上げと重量測定が可能となる。
【００１１】
【実施例】
以下に、本発明に係る半導体単結晶製造装置の実施例について、図面を参照して説明する。図１は半導体単結晶製造装置における結晶引き上げ機構の部分砕断面図で、真空容器１の上方にはフォースバー式の結晶引き上げ機構に用いられている重量式直径制御用荷重検出器２が取り付けられている。前記荷重検出器２の下端にはフォースバー３が螺着され、荷重検出器２の荷重印加部を下方に延長している。フォースバー３は、前記真空容器１に収容されたワイヤ巻き取り機構２０と引き上げワイヤ４とを結合部材５を介して吊り下げている。
【００１２】
２１はワイヤ巻き取りドラム、２２はスプライン軸、２３はネジ軸、２４は第３ガイドプーリで、これらはフレーム２５内に収容されている。ワイヤ巻き取り機構２０は、前記ワイヤ巻き取りドラム２１の回転軸が荷重検出器の垂直方向中心線６に一致するように調整して取り付けられている。フレーム２５の下面に取着されたアーム２６には第１ガイドプーリ２７、第２ガイドプーリ２８が軸着されている。第１ガイドプーリ２７は、引き上げワイヤ４が前記垂直方向中心線６上に垂設されるように調整され、引き上げワイヤ４を第１ガイドプーリ２７から第２ガイドプーリ２８に導く。第２ガイドプーリ２８を経て垂直に上昇する引き上げワイヤ４は、ワイヤ巻き取りドラム２１の接線上に回転中心を有する第３ガイドプーリ２４を経てワイヤ巻き取りドラム２１に巻き取られる。２９はバランスウエイトで、荷重検出器の垂直方向中心線６に、ワイヤ巻き取りドラム２１の回転軸と、単結晶引き上げ軸が一致するようにワイヤ巻き取り機構２０の姿勢を調整している。これにより、引き上げワイヤ４によって伝えられる単結晶重量は直接荷重検出器２に印加され、重量測定が行われる。なお、７は荷重検出器用スリップリングで、荷重検出器２に対する電力供給と信号出力とを行う。８は荷重検出器の垂直方向中心線６の位置が真空容器１の回転軸と一致するように調整するアジャスタ、９は真空容器１を回転させるためのプーリである。巻き取りドラム２１を回転させるモータの電力は真空容器１の内壁よりワイヤ巻き取り機構２０上のモータへ延長されたケーブル６０を介して１０のスリップリングおよびブラシにより供給される。なお、真空容器１とワイヤ巻き取り機構２０は完全に同期して回転するため、相対的には静止状態にあるのでケーブル６０には張力は作用せずワイヤ巻き取り機構２０にも影響を与えない。１１は結晶引き上げ機構全体を回転自在に支持する軸受ユニットで、炉内を減圧状態にして操業する場合は軸受部分をオイルシールまたは磁性流体シールを用いて封止する。
【００１３】
図２は図１のＡ−Ａ線に沿うワイヤ巻き取りドラム周辺の断面図、図３は真空容器の内部を下側から見た平面図である。ワイヤ巻き取りドラム２１は、スプライン軸２２に挿嵌されたスプラインナット３０に取り付けられ、内周はネジ軸２３に螺合している。前記スプライン軸２２の両端はフレーム２５に挿嵌された軸受に支持され、ネジ軸２３の下端はフレーム２５に固定されている。フレーム２５の下方に設けられたモータ３１の動力は、カップリング３２、ベルト３３、ウォーム３４、ウォームホイール３５を介して前記スプライン軸２２に伝達され、ワイヤ巻き取りドラム２１を回転させる。
【００１４】
ワイヤ巻き取りドラム２１の外周には、引き上げワイヤ４を所定のピッチＰで巻き取ることができるように螺施状の溝が設けられていて、単結晶引き上げの間一定方向に回転し、引き上げワイヤ４を巻き取る。このとき、ワイヤ巻き取りドラム２１の内面に設けた前記ワイヤ巻き取りドラム２１外周の溝ピッチＰと同じピッチのメネジがネジ軸２３のオネジに螺合して回転することにより、ワイヤ巻き取りドラム２１を軸方向に移動させ、引き上げワイヤ４が重なり合って巻き取られることを防止する。また、ワイヤ巻き取りドラム２１から第３ガイドプーリ２４へ向かう引き上げワイヤ４の位置を一定に保持する。
【００１５】
ワイヤ巻き取り機構２０を上下反転してフォースバー３に釣支させてもよい。その場合は、荷重検出器の垂直方向中心線６、ワイヤ巻き取りドラム２１の回転軸、単結晶引き上げ軸を一致させるため、引き上げワイヤ４は中空のスプライン軸２２の軸芯を通すことになる。
【００１６】
以上のような構成による結晶引き上げ機構をワイヤ方式による従来の単結晶製造装置に取り付け、フォースバー式単結晶製造装置に使用していた重量式直径制御装置と組み合わせて単結晶を製造した。その結果、従来のフォースバー式単結晶製造装置と同等の精度の直径制御が可能となった。また、光学式直径制御では困難な肩部、テール部の連続的な直径制御を容易に行うことができた。
【００１７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ワイヤ方式の半導体単結晶製造装置において、引き上げワイヤを含むワイヤ巻き取り機構全体を荷重検出器の荷重印加点に吊り下げ、荷重検出器の垂直方向中心線、ワイヤ巻き取りドラムの回転軸、ワイヤ巻き取り機構の回転軸および単結晶引き上げ軸を一致させたので、単結晶引き上げ中のワイヤ巻き取り機構の回転による影響は無視することができ、荷重検出器には単結晶重量を含むワイヤ巻き取り機構の重量が荷重の釣り合いとして作用するため、単結晶重量を正確に計測することができる。このように、従来、フォースバー式の単結晶製造装置に適用されていた荷重検出器と重量式直径制御装置とを、フォースバー式の単結晶製造装置に比べて著しく製作費の安価なワイヤ方式の単結晶製造装置に適用可能としたので、直径制御性が格段に優れ、しかも安価な単結晶製造装置の実現が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体単結晶製造装置における結晶引き上げ機構の部分砕断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿うワイヤ巻き取りドラム周辺の断面図である。
【図３】真空容器の内部を下側から見た平面図である。
【図４】光学式直径制御方法を用いた従来のシリコン単結晶製造装置の概略構成を模式的に示す説明図である。
【図５】従来のワイヤ方式の結晶引き上げ機構に荷重検出器を取り付けた状態を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
１  真空容器                        ２０  ワイヤ巻き取り機構
２  荷重検出器                      ２１  ワイヤ巻き取りドラム
３  フォースバー                    ２４  第３ガイドプーリ
４  引き上げワイヤ                  ２７  第１ガイドプーリ
６  荷重検出器の垂直方向中心線      ２８  第２ガイドプーリ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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