(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶製造装置に用いられ、育成中の単結晶のくびれ部を保持して引き上げる単結晶保持装置において、中空円筒形状もしくは中空多角形状の筒とこの筒の任意の複数部位にそれぞれ上端部を固定して垂下させた支持棒とからなる保持治具本体と、前記支持棒の任意の高さに枢着した複数のリンクに連結され、内側に向けて屈曲した爪部を下端に有する保持爪と、この保持爪を前記支持棒に対して相対的に上下動させることにより保持爪を開閉する開閉手段と、この開閉手段とは別に前記保持爪を単結晶のくびれ部に位置決めするために前記筒に連結した昇降手段とによって構成されていることを特徴とする単結晶保持装置。
【請求項２】
単結晶製造装置に用いられ、引き上げ中の単結晶のくびれ部を保持して上方に引き上げる単結晶保持装置において、中空円筒形状もしくは中空多角形状の筒と、この筒の任意の複数部位にそれぞれ上端部を固定して垂下させた支持棒と、この支持棒の任意の高さに一端が回動自在に取着された複数のリンクと、複数のリンクの他端部に回動自在に取着され、かつ、先端が内側に向けて屈曲した爪部を有する保持爪と、この保持爪に連結され、前記支持棒に対して相対的に上下動させるとともにリンクにより保持爪を開閉する開閉手段と、この開閉手段とは別で、かつ、前記筒に連結されて筒を昇降し前記保持爪を単結晶のくびれ部に位置決めする昇降手段とからなることを特徴とする単結晶保持装置。
【請求項３】
保持爪の爪部間隔をそれぞれ所定値に保つとともに、保持爪の開閉を防止するストッパを設けたことを特徴とする請求項１あるいは請求項２記載の単結晶保持装置。
【請求項４】
保持治具本体および保持爪に作用する荷重を検出する重量センサを設けたことを特徴とする請求項２記載の単結晶保持装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＺ法による単結晶製造装置に装着され、特に大重量の単結晶の引き上げに好適な単結晶保持装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
単結晶シリコンは一般にＣＺ法を用いて製造されている。ＣＺ法は、単結晶製造装置内に設置した石英るつぼに多結晶シリコンを充填し、石英るつぼの周囲に設けたヒータによって前記多結晶シリコンを加熱溶解した上、シードホルダに取り付けた種結晶を融液に浸漬する。そして、シードホルダおよび石英るつぼを互いに同方向または逆方向に回転させながらシードホルダを引き上げて単結晶シリコンを所定の直径および長さに成長させる方法である。
【０００３】
種結晶には、融液に浸漬したときの熱衝撃で転位が発生する。この転位を単結晶に伝播させないようにするため、ダッシュネック法を用いて直径数ｍｍ程度のネック部を種結晶の下方に形成し、転位をネック部の表面に逃がす。そして、無転位化が確認された後、肩部を形成して単結晶を所定の直径まで拡大させ、次いで直胴部形成に移行する。
【０００４】
近年、単結晶の直径および長さの増大に伴ってその重量が増大し、ネック部の強度が限界に近づいている。この対策として、ダッシュネック法によって無転位化した後、ネック部と肩部との間に拡径部とこれより小径のくびれ部とを形成し、くびれ部に保持具を掛止して単結晶を保持する種々の工夫がなされている。単結晶重量の大部分を保持具で支えるため、ネック部の破断が防止され、ネック部が破断した場合でも保持具により単結晶の落下を防止することができる。たとえば特公平５−６５４７７号公報で開示された単結晶成長装置は、単結晶に形成したくびれ部に掛止させて前記単結晶を吊り下げる開閉可能なクランプアームを備えている。また、特公平７−５１５号公報で開示された結晶引上装置は、上下動可能な把持ホルダの下端に一定の角度で停止する複数の爪を備え、これらの爪を単結晶のくびれ部に掛止させて前記単結晶を吊り下げる構成としている。更に、特公平７−１０３０００号公報で開示された結晶引上装置は、単結晶のくびれ部に掛止する爪を有し、ワイヤの巻き取りまたは巻き戻しにより開閉する複数の把持レバーと、把持レバーの開きを防止するリングとを用いて前記単結晶を吊り下げる構成としている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特公平５−６５４７７号公報で開示された単結晶成長装置では、単結晶の重量が増大したときクランプアームが開いて単結晶が落下する危険性がある。また、特公平７−５１５号公報で開示された結晶引上装置は、単結晶を吊り下げる前に把持爪が単結晶に接触して回動するため、単結晶が揺れて単結晶化率を低下させるおそれがある。そのほか、特公平７−５１５号公報あるいは特公平７−１０３０００号公報で開示された結晶引上装置では、把持爪の昇降ストロークが大きいため、引き上げ可能な結晶長が制限されてしまう。
【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、保持装置により単結晶のネック部と肩部との間に形成したくびれ部を保持する際に単結晶に衝撃や振動を与えず、かつ、保持爪の開きによる単結晶落下を防止することができる単結晶保持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、本発明に係る単結晶保持装置の第１の発明は、種結晶の下端にネック部と、これに続く拡径部と、拡径部より小径のくびれ部とを形成した単結晶を保持する単結晶保持装置において、昇降手段を有する保持治具本体と、前記治具本体にリンクを介して開閉自在に連結され、単結晶のくびれ部を保持するときを除いて単結晶との接触を回避することが可能な複数の保持爪とを備えていることを特徴とする。
上記構成によれば、単結晶のくびれ部を保持する直前まで保持爪が単結晶に接触しないので、育成中の単結晶に無用の振動、衝撃等が加えられず、多結晶化するおそれがない。従って、単結晶の育成を安定して継続することができる。
【０００８】
また、第１の発明を主体とする第２の発明は、保持爪を開いたとき保持爪の爪部は拡径部よりも外側の位置で停止し、保持爪を閉じたとき保持爪の爪部はくびれ部よりも外側の位置で停止することを特徴とする。
上記構成によれば、保持爪を開いた状態のまま単結晶保持装置を下降させれば、単結晶の拡径部に保持爪が干渉することなく所定の位置に達する。また、単結晶のくびれ部を保持するため保持爪を閉じてもくびれ部に衝突しない。従って、育成中の単結晶に振動や衝撃を与えず、スムーズに単結晶を保持することができる。
【０００９】
また、第１の発明を主体とする第３の発明は、単結晶製造装置に用いられ、育成中の単結晶のくびれ部を保持して引き上げる単結晶保持装置において、中空円筒形状もしくは中空多角形状の筒とこの筒の任意の複数部位にそれぞれ上端部を固定して垂下させた支持棒とからなる保持治具本体と、前記支持棒の任意の高さに枢着した複数のリンクに連結され、内側に向けて屈曲した爪部を下端に有する保持爪と、この保持爪を前記支持棒に対して相対的に上下動させることにより保持爪を開閉する開閉手段と、この開閉手段とは別に前記保持爪を単結晶のくびれ部に位置決めするために前記筒に連結した昇降手段とによって構成されていることを特徴とする。
上記構成によれば、単結晶保持装置は、具体的には保持治具本体の中空円筒形状もしくは中空多角形状の筒に垂下させた支持棒に複数のリンクを介して保持爪を連結したもので、支持棒、リンク、保持爪により四節リンク機構が形成される。従って、保持爪開閉手段により保持爪を上下動させれば、複数の保持爪が同時に開閉し、開時には保持爪の下端にある爪部が単結晶の拡径部に干渉せずに拡径部の外側を通過することができ、閉時には爪部でくびれ部を保持することができる。また、保持治具本体の中空円筒形状もしくは中空多角形状の筒に連結した昇降手段により保持治具の位置決めならびに単結晶の引き上げを行うことができる。
【００１０】
第４の発明は、単結晶製造装置に用いられ、引き上げ中の単結晶のくびれ部を保持して上方に引き上げる単結晶保持装置において、中空円筒形状もしくは中空多角形状の筒と、この筒の任意の複数部位にそれぞれ上端部を固定して垂下させた支持棒と、この支持棒の任意の高さに一端が回動自在に取着された複数のリンクと、複数のリンクの他端部に回動自在に取着され、かつ、先端が内側に向けて屈曲した爪部を有する保持爪と、この保持爪に連結され、前記支持棒に対して相対的に上下動させるとともにリンクにより保持爪を開閉する開閉手段と、この開閉手段とは別で、かつ、前記筒に連結されて筒を昇降し前記保持爪を単結晶のくびれ部に位置決めする昇降手段とからなることを特徴とする。
上記構成によれば、第３発明と同様に、作動し効果が得られる。
【００１１】
また、第３の発明はあるいは第４の発明を主体とする第５の発明は、保持爪の爪部間隔をそれぞれ所定値に保つとともに、保持爪の開閉を防止するストッパを設けたことを特徴とする。
上記構成によれば、単結晶保持治具を待機位置から単結晶のくびれ部まで下降させる場合には保持爪が拡径部に接触せず、単結晶保持時および保持後は保持爪がくびれ部を確実に保持する。そして、単結晶の育成により単結晶保持装置に加わる荷重が増加しても、保持爪が開いて単結晶が落下することがなく、安定した単結晶の引き上げが可能となる。
【００１２】
また、第１の発明はあるいは第４の発明を主体とする第６の発明は、保持治具本体および保持爪に作用する荷重を検出する重量センサを設けたことを特徴とする。
本発明による単結晶保持装置で単結晶を保持する際に、各保持爪に作用する荷重を重量センサでモニタリングし、各保持爪が同時に単結晶に接触するように保持爪の上昇速度を制御する。前記保持装置で単結晶を保持した後は、各保持爪が常に均等の荷重で単結晶を保持するように保持治具本体および保持爪を昇降制御する。これらの制御は、保持治具本体と保持爪とに重量センサを設けることにより可能となり、単結晶のネック部と単結晶保持装置との荷重配分を所望の状態に調節することもできる。
【００１３】
【発明の実施の形態および実施例】
次に、本発明に係る単結晶保持装置の実施例について図面を参照して説明する。図１は単結晶製造装置に装着した単結晶保持装置の概略構成を示す模式図で、単結晶保持治具が育成中の単結晶を保持している状態を示す。単結晶製造装置の上端にはワイヤ巻き取り機構１が設けられ、ワイヤ巻き取り機構１に結晶引き上げワイヤ２を介してシードホルダ３が吊り下げられている。シードホルダ３に取り付けられた種結晶を石英るつぼ４内の融液５に浸漬した後、ネック部６が形成され、これに続いて単結晶７の拡径部７ａ、くびれ部７ｂ、肩部７ｃ、直胴部７ｄが形成される。
【００１４】
単結晶保持治具１０は単結晶７のくびれ部７ｂを３方向から保持するもので、前記ワイヤ巻き取り機構１から結晶引き上げワイヤ２を囲むように垂れ下がる３本のワイヤ１１および３本のワイヤ１２を介して吊り下げられている。シードホルダ３は、後述する単結晶保持治具１０の中空円筒状の筒１３Ａ内を自在に通過することができる。
【００１５】
図２は単結晶保持装置の下端に吊り下げられた単結晶保持治具の斜視図で、保持姿勢の状態を示す。単結晶保持治具１０は、３本のワイヤ１１に吊り下げられた保持治具本体１３と、リンク１４、１５と、３本のワイヤ１２にそれぞれ１個ずつ吊り下げられた保持爪１６と、開き止め１７とによって構成されている。保持治具本体１３は、中空円筒形状で構成された筒１３Ａと、この筒１３Ａの下面に１２０°ピッチで垂直に３本の支持棒１３Ｂとを固着した形状で構成され、各支持棒１３Ｂの下端には外側に向かって水平に突出するストッパ１３ａが設けられている。この保持治具本体１３の筒１３Ａは、本実施例では中空円筒形状で構成しているが、中空の多角形状の筒で構成しても良い。前記ストッパ１３ａは、保持姿勢としたとき保持爪１６下端の爪部位置を規制する。各支持棒には上下のリンク１４、１５を介して保持爪１６が連結され、保持治具本体１３の支持棒と上下のリンク１４、１５と保持爪１６とによって四節リンク機構を構成している。また、保持治具本体１３の筒１３Ａの外周面には開き止め１７が回動自在に取着され、上側のリンク１４の上面には前記開き止め１７の自由端を掛止するくぼみ１４ａが設けられている。開き止め１７の自由端は、保持治具本体１３に対して保持爪１６が所定の位置まで下降したとき、くぼみ１４ａに掛止され、保持爪１６の動きを抑止する。単結晶保持治具１０はモリブデン、タングステン等の耐熱金属からなる。なお、保持爪１６は３個に限定されるものではなく、４個または２個としてもよい。
【００１６】
図３はワイヤ巻き取り機構の説明図、図４はワイヤ巻き取り機構の上面図である。ワイヤ巻き取り機構１は、結晶引き上げワイヤ２の巻き取りドラム２１および図示しないモータを中央に設置し、その周囲に保持治具本体を昇降させるワイヤ１１の巻き取りドラム２２および図示しないモータ３組と、保持爪を昇降させるワイヤ１２の巻き取りドラム２３および図示しないモータ３組とを等ピッチに配設したもので、各巻き取りドラム２１、２２、２３はそれぞれ重量センサ２４、２５、２６の上に載置されている。ワイヤ巻き取り機構１にはプーリ２７が取着され、結晶回転用モータ２８およびベルト２９により回転する。
【００１７】
次に、単結晶保持装置の動作について図５〜図８を参照して説明する。なお、図を見やすくするため、図５〜図８では保持爪を２個とし、治具本体および保持爪を釣支するワイヤを各２本として表示する。単結晶の育成が直胴工程まで進み、単結晶重量が所定の値に達するまでの間、単結晶保持治具１０は図５に示すように育成中の単結晶７の上方で待機する。このとき、くぼみ１４ａをもつ上側のリンク１４および下側のリンク１５はほぼ水平に維持され、開き止め１７の自由端は保持爪１６の上部内側に当接している。この状態で単結晶保持治具１０は“開”となり、保持爪１６の下端の間隔は最大となる。前記間隔は単結晶７の拡径部７ａの直径より十分に大きく、開き止め１７により保持爪１６の動きが抑止されているため、単結晶保持治具１０が下降したとき保持爪１６が拡径部７ａに接触することはない。
【００１８】
単結晶７の育成が進んでその重量が所定の値に達すると、単結晶７の重量を検出する重量センサから制御装置に検出信号が入力される。制御装置は前記検出信号に基づいて単結晶保持治具１０を釣支するワイヤの巻き取りドラムを駆動し、保持治具本体１３を釣支するワイヤ１１と保持爪１６を釣支するワイヤ１２とが同時に等速度で巻き戻される。これにより、単結晶保持治具１０は図６に示すように“開”のまま所定の位置まで下降する。保持爪１６の先端は拡径部７ａに接触することなく拡径部７ａのやや下方まで下降する。その後、前記ワイヤ１１、１２は結晶引き上げワイヤ２と等速で巻き上げられ、単結晶７と単結晶保持治具１０との相対位置は一定に維持される。
【００１９】
次いで、保持爪１６の巻き取りドラムが駆動して保持爪１６を釣支するワイヤ１２が同時に等速度で巻き戻される。これにより、図７に示すように保持爪１６のみが下降し、保持爪１６が保持治具本体１３下端のストッパ１３ａに当接すると下降が停止する。このとき、保持爪１６の先端の高さはくびれ部７ｂの高さとほぼ一致する。また、保持爪１６の下降に伴って開き止め１７の自由端は上側のリンク１４の上面をすべってくぼみ１４ａ（図５参照）に落ち込むため、保持爪１６の開きが抑止される。この状態で単結晶保持治具１０は“閉”となり、保持爪１６の下端の間隔は最小となる。前記間隔は単結晶７のくびれ部７ｂの直径より大きく、ストッパ１３ａの先端が保持爪１６に当接しているため、保持爪１６の先端がくびれ部７ｂに衝突することはない。
【００２０】
その後、保持治具本体１３を釣支するワイヤ１１と保持爪１６を釣支するワイヤ１２とを同時に等速度で巻き上げると、単結晶保持治具１０が上昇し、保持爪１６の先端がくびれ部７ｂの上側円錐面に当接して単結晶７を保持する。この場合、単結晶保持治具１０の上昇速度は単結晶７の引き上げ速度を僅かに上回るように制御され、各保持爪１６に加えられる荷重を検出する重量センサの検出値に基づいて各保持爪の単結晶７への接触の有無の確認と負荷の均等化の制御が行われる。そして、各保持爪１６の負荷が均等になった後、単結晶保持治具１０の上昇速度を単結晶７の引き上げ速度と同一に制御する。
【００２１】
単結晶保持治具１０で単結晶７を保持した後、ネック部は所定の荷重を負担し、残りの単結晶重量は単結晶保持治具１０が負担する。単結晶保持治具１０が単結晶の全重量を負担することは容易であるが、一部をネック部に負担させることにより単結晶保持治具１０の負担能力を増加させることができる。単結晶保持治具１０が負担している重量は保持治具本体１３に加えられる荷重を検出する重量センサにより検出され、保持爪１６に加えられる荷重を検出する重量センサは各保持爪の荷重の均一化制御に用いられる。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、次の効果を発揮する。
（１）単結晶保持治具を待機位置から保持位置に下降させるときおよび保持爪を閉じて保持姿勢にしたときのいずれの場合も保持爪が単結晶に接触せず、単結晶を保持する場合は各保持爪に加わる荷重を重量センサで検出して荷重が均等になるようにワイヤ巻き取り量を調節するため、育成中の単結晶に振動あるいは衝撃を与えずに保持することができ、多結晶化を防止することができる。
（２）単結晶保持治具に保持爪の開きを防止する手段を設けたので、保持後の単結晶重量の増加にかかわらず保持治具から単結晶が落下しない。
（３）単結晶保持治具の垂直方向長さが短いので、育成する単結晶の軸方向長さを制限しない。
（４）上記各項により、大径かつ軸方向長さの長い単結晶の製造において品質および生産性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】単結晶製造装置に装着した単結晶保持装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】単結晶保持治具の斜視図である。
【図３】ワイヤ巻き取り機構の説明図である。
【図４】ワイヤ巻き取り機構の上面図である。
【図５】単結晶保持治具が育成中の単結晶の上方で待機している状態を示す模式図である。
【図６】単結晶保持治具が所定の位置に下降した状態を示す模式図である。
【図７】単結晶保持治具を保持姿勢にした状態を示す模式図である。
【図８】単結晶保持治具で単結晶を保持した状態を示す模式図である。
【符号の説明】
１…ワイヤ巻き取り機構、２…結晶引き上げワイヤ、６…ネック部、７…単結晶、７ａ…拡径部、７ｂ…くびれ部、１０…単結晶保持治具、１１，１２…ワイヤ、１３…保持治具本体、１３ａ…ストッパ、１４，１５…リンク、１６…保持爪、１７…開き止め、２１，２２，２３…巻き取りドラム、２４，２５，２６…重量センサ。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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