(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶の引き上げに際して種結晶の下端に形成する絞り部とこれに続く拡径部及びくびれ部とが通過できる開口部を上下両面に有し、側面にＳ字状の溝を備え、昇降手段を有するボックスと、両端をＳ字状の溝に挿通することにより前記ボックス内で水平に支持され、前記溝に沿って転動可能な複数の把持棒とからなる結晶把持治具を備えていることを特徴とする単結晶引き上げ装置。
【請求項２】
ボックスの側面に設けたＳ字状の溝は、単結晶を把持する前に把持棒を待機させる上端と、単結晶を把持する下端とを結ぶ溝で、把持棒が溝内を下降するとき、単結晶の拡径部及びくびれ部に干渉しないような曲線形状を備えた溝であることを特徴とする請求項１記載の単結晶引き上げ装置。
【請求項３】
把持棒を水平に保ち、かつ、軸方向の変位を防止する位置決め手段を把持棒及びボックスに設けたことを特徴とする請求項１記載の単結晶引き上げ装置。
【請求項４】
単結晶の拡径部とくびれ部との間に形成した円錐面に当接して単結晶を把持する放射状の突起を有するカラー、円筒状のカラー、もしくは球状のカラーのいずれかを把持棒の中央部に取着したことを特徴とする請求項１記載の単結晶引き上げ装置。
【請求項５】
ボックスの昇降手段とボックスとを球面で連結したことを特徴とする請求項１記載の単結晶引き上げ装置。
【請求項６】
ＣＺ法による単結晶の製造において、融液に種結晶を浸漬して絞り部を形成した後、結晶把持手段を掛止するための拡径部とこれに続くくびれ部とを形成し、結晶把持治具に設けたＳ字状の溝の上端に保持した複数の把持棒を前記拡径部上側の円錐面に当接させて押し出し、前記溝の下端に移動させた後、結晶把持治具を上昇させることによって、前記把持棒を拡径部とくびれ部との間に形成した円錐面に当接させて単結晶を把持することを特徴とする単結晶の引き上げ方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＺ法による単結晶の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引き上げ装置及び引き上げ方法に関する。
【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、シードホルダ及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及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、単結晶を直径３〜５ｍｍに成長させた絞り部を種結晶の下方に形成し、転位を絞り部の表面に逃がす。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、単結晶の直径及び長さの増大に伴ってその重量が増大し、絞り部の強度が限界に近づいている。この対策として、絞り工程によって無転位化した後、図１１に示すように絞り部２ａと肩部２ｄとの間に拡径部２ｂとこれより小径のくびれ部２ｃとを形成し、くびれ部２ｃに把持具を掛止して単結晶２を把持する工夫がなされている。単結晶重量の大部分を把持具で支えるため、絞り部２ａの破断が防止され、絞り部２ａが破断した場合でも単結晶２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、上下動すること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は、単結晶の重量が大きくなるとクランプアームが開く方向に作動するため、引き上げ中に単結晶が落下する危険性がある。これに対し、特公平７−５１５号公報、特公平７−１０３０００号公報で開示された結晶引上装置では単結晶落下の危険性はないが、シードホルダ、絞り部及びくびれ部を上方から抱え込む構造であるため、把持手段として用いる把持ホルダあるいは把持レバーが長くなる。また、絞り部を形成する際、把持ホルダあるいは把持レバーを種結晶の上方に待機させておく必要があり、これらの点が単結晶引き上げストロークを短くしている。従って、単結晶の軸方向長さが制限されるとともに、把持手段が大がかりなものになっている。
【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、ＣＺ法で製造する単結晶の重量増加に対応して、絞り部の下方に形成するくびれ部を確実に把持することができ、かつ、単結晶の軸方向長さが制限されることのない把持手段を備えた単結晶引き上げ装置及び引き上げ方法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引き上げ装置は、単結晶の引き上げに際して種結晶の下端に形成する絞り部とこれに続く拡径部及びくびれ部とが通過できる開口部を上下両面に有し、側面にＳ字状の溝を備え、昇降手段を有するボックスと、両端をＳ字状の溝に挿通することにより前記ボックス内で水平に支持され、前記溝に沿って転動可能な複数の把持棒とからなる結晶把持治具を備えていることを特徴とする。
【０００８】
上記把持治具において、ボックスの側面に設けたＳ字状の溝は、単結晶を把持する前に把持棒を待機させる上端と、単結晶を把持する下端とを結ぶ溝で、把持棒が溝内を下降するとき、単結晶の拡径部及びくびれ部に干渉しないような曲線形状を備えた溝であることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る単結晶引き上げ装置の把持治具は、把持棒を水平に保ち、かつ、軸方向の変位を防止する位置決め手段を把持棒及びボックスに設けたことを特徴とする。
【００１０】
更に、本発明に係る単結晶引き上げ装置の把持治具は、単結晶の拡径部とくびれ部との間に形成した円錐面に当接して単結晶を把持する放射状の突起を有するカラー、円筒状のカラー、もしくは球状のカラーのいずれかを把持棒の中央部に取着したことを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る単結晶引き上げ装置の把持治具は、ボックスの昇降手段とボックスとを球面で連結したことを特徴とする。
【００１２】
次に、本発明に係る単結晶の引き上げ方法は、ＣＺ法による単結晶の製造において、融液に種結晶を浸漬して絞り部を形成した後、結晶把持手段を掛止するための拡径部とこれに続くくびれ部とを形成し、結晶把持治具に設けたＳ字状の溝の上端に保持した複数の把持棒を前記拡径部上側の円錐面に当接させて押し出し、前記溝の下端に移動させた後、結晶把持治具を上昇させることによって、前記把持棒を拡径部とくびれ部との間に形成した円錐面に当接させて単結晶を把持することを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態及び実施例】
本発明による単結晶引き上げ装置の構成によれば、結晶把持治具のボックス内に配設された複数の把持棒は、常に水平姿勢を保ちつつＳ字状の溝内を転動することができ、かつ、ボックス内に上昇した拡径部やくびれ部に干渉することなく溝の上端から下端まで円滑に移動可能である。また、把持棒は位置決め手段により軸方向変位の発生が防止されるので、把持棒の中央部に取着したカラーは単結晶の拡径部円錐面に正しく当接する。一方、ボックスの昇降手段とボックスとは球面で連結されているので、結晶把持治具のバランスが取りやすい。
【００１４】
また、本発明による単結晶の引き上げ方法によれば、結晶把持治具を所定位置に静止させ、単結晶の拡径部とこれに続くくびれ部とが形成されるのを待つ。そして、単結晶が引き上げられ、結晶把持治具内に上昇した拡径部の上側円錐面が複数の把持棒に当接すると、これらの把持棒は押し出され、自重によりＳ字状の溝内を転動しつつ下降し、溝の下端に至る。その後、結晶把持治具を僅かに上昇させると、前記把持棒は拡径部とくびれ部との間に形成した円錐面に当接するので、単結晶を複数の把持棒によって把持することができる。
【００１５】
次に、本発明に係る結晶引き上げ装置の実施例について図面を参照して説明する。図１は結晶引き上げ装置の概略構成を示す模式的縦断面図である。同図において、結晶引き上げ装置の上端には引き上げ機構１が設置され、この引き上げ機構１は、単結晶２及び結晶把持治具３０を回転させつつ引き上げる手段を備えている。引き上げ機構１によって昇降する結晶引き上げワイヤ３の下端にはシードホルダ４が釣支され、シードホルダ４に取り付けられた種結晶５を石英るつぼ６内の融液７に浸漬した後、シードホルダ４を回転させつつ引き上げることによって、種結晶５の下端に絞り部２ａ、拡径部２ｂ、くびれ部２ｃとこれに続く肩部２ｄ、直胴部２ｅを順次形成する。結晶把持治具３０は３本の治具引き上げワイヤ８、９、１０によって釣支され、治具引き上げワイヤ８、９、１０は結晶把持治具３０の把持棒３２で単結晶２を把持した後、結晶引き上げワイヤ３に同期して巻き上げられる。なお、図１において治具引き上げワイヤ１０は結晶引き上げワイヤ３と重なり合う位置に設けられ、結晶把持治具３０の把持棒３２は拡径部２ｂとくびれ部２ｃとの間に形成された円錐面に当接して単結晶２を把持している。
【００１６】
図２は結晶把持治具の第１実施例を示す斜視図、図３は結晶把持治具の上面に取着された球座の断面図、図４は把持棒の斜視図である。結晶把持治具３０は、図２に示すように六面体のボックス３１と、２本の把持棒３２、３２とを備えている。ボックス３１はモリブデン等の高融点金属を用いて製作され、その対向する２つの垂直面にはそれぞれＳ字状の溝３１ａ、３１ｂが設けられている。把持棒３２はこれらの溝に両端を支持され、かつ、溝３１ａまたは溝３１ｂに沿って自在に転動することができる。前記溝３１ａ、３１ｂの上下両端には把持棒３２をその位置に安定して保持するためのポケットが設けられている。図２は、把持棒３２が溝３１ａ、３１ｂの上端のポケットに静止した状態を示している。
【００１７】
ボックス３１の上下両面には単結晶の拡径部が容易に通過できる穴３１ｃが設けられている。また、図２及び図３に示すように、治具引き上げワイヤ８、９、１０とボックス３１との連結は、単結晶を把持したとき結晶把持治具３０のバランスを取りやすくするため、ワイヤ８、９、１０の下端に取着した球１１をボックス３１の上面に取着した球座３３が把持する構造としている。なお、ボックス３１の上面に設けた穴３１ｃは、球座３３の取り付けスペースを確保する必要があれば下面に設けた穴より小径としても差し支えない。
【００１８】
把持棒３２の両端には、図２に示すように、ボックス３１の外側面と接触する位置決めカラー３４が取り付けられ、把持棒３２の軸方向の位置ずれを防止している。図２では位置決めカラー３４と接触するボックス３１の外側面がボックス側の位置決め手段を兼ねているが、Ｓ字状の溝３１ａ、３１ｂに沿う位置決めボスをボックス３１の外側面に突出させてもよい。把持棒３２の中央部には、図４（ａ）に示すように、外周に放射状の凸部を備えたカラー３５が嵌着され、このカラー３５が単結晶の拡径部とくびれ部との間に形成された円錐面に当接して単結晶を把持する。ただし、カラー３５の形状はこれに限るものではなく、図４（ｂ）のように円筒状でも、また、図４（ｃ）のように球状でもよい。把持棒３２、位置決めカラー３４及びカラー３５は炭素強化型炭素繊維等からなる。また、カラー３５を嵌着せず、単結晶の拡径部とくびれ部との間に形成された円錐面に直接把持棒３２を当接させるようにしてもよい。
【００１９】
図５は、結晶把持治具の第２実施例を示す斜視図である。この結晶把持治具４０のボックス４１は、上下面が正三角形の頂角部を切り落とした形状からなる不等辺六角柱の箱で、単結晶の拡径部とくびれ部との間に形成された円錐面を３本の把持棒４２、４２、４２で３方向から把持する。ボックス４１の垂直面には１面おきにＳ字状の溝４１ａ、４１ｂが設けられている。把持棒４２はこれらの溝に両端を支持され、かつ、溝４１ａまたは溝４１ｂに沿って自在に転動することができる。図５では３本の把持棒４２、４２、４２がＳ字状の溝４１ａ、４１ｂの下端に静止した状態を示している。ボックス４１の上下両面には単結晶の拡径部が容易に通過できる穴４１ｃが設けられている。また、治具引き上げワイヤ８、９、１０とボックス４１との連結は、図２に示した第１実施例の結晶把持治具と同様に、ボックス４１の上面に取着された３個の球座４３が治具引き上げワイヤ８、９、１０の下端に取着された球をそれぞれ把持する構造となっている。
【００２０】
図６は、図５に示した結晶把持治具４０の部分断面図で、把持棒４２の支持方法を示す。把持棒４２の支持方法は図６（ａ）、図６（ｂ）のいずれでもよい。図６（ａ）は、把持棒４２の位置決め手段としてボックス４１の内部に対向する平行平面をもつ突起部４１ｄ、４１ｄを溝４１ａ及び溝４１ｂの全長にわたって設け、把持棒４２に取り付けた２個の位置決めカラー４４、４４が前記平行平面にそれぞれ接触することにより把持棒４２の軸方向の位置ずれを防止している。また、把持棒４２の中央部には、第１実施例の結晶把持治具と同様にカラー４５が嵌着されている。図６（ｂ）は、ボックス４１の外部に互いに平行な平面をもつ２個の突起部４１ｅ、４１ｅを設け、これらの突起部の平行平面に位置決めカラー４４、４４を接触させて把持棒４２の軸方向の位置ずれを防止している。なお、把持棒４２の中央部に嵌着したカラー４５は円筒状である。
【００２１】
図７は引き上げ機構の概略構成を示す模式的縦断面図である。引き上げ機構１は、結晶巻き取りモータ１２により回転する結晶巻き取りドラム１３と、治具巻き取りモータ１４により回転する３個の治具巻き取りドラム１５、１６、１７と、プーリ１８とを備え、ベルト１９を介して結晶・治具回転モータ２０により水平面内で回転する。結晶引き上げワイヤ３の上端は結晶巻き取りドラム１３に取着され、治具引き上げワイヤ８、９、１０の上端はそれぞれ治具巻き取りドラム１５、１７、１６に取着されている。治具巻き取りドラム１５、１７、１６の上下には治具引き上げワイヤ８、９、１０のたるみを防止するワイヤ押さえ２１、２２が設けられている。
【００２２】
図８は治具巻き取りドラム１５、１６、１７の上面図、図９（ａ）は図８における治具巻き取りドラム１５、１７のＺ視図、図９（ｂ）は図８における治具巻き取りドラム１６のＺ視図である。治具巻き取りドラム１５、１６、１７は治具巻き取りモータ１４の軸心上に直列に配置され、治具引き上げワイヤ８、９、１０はそれぞれプーリ２３、２５、２４を介して結晶把持治具に連結されている。
【００２３】
本実施例では、結晶把持治具を３本の治具引き上げワイヤで釣支し、前記治具引き上げワイヤを巻き取る巻き取りドラムを１個の治具巻き取りモータで駆動する構成としたが、これに限るものではなく、治具巻き取りドラムごとに治具巻き取りモータを設け、各モータを同期駆動させてもよい。
【００２４】
次に、本発明の単結晶引き上げ方法について、図２に示した結晶把持治具３０を備えた単結晶引き上げ装置を使用する場合を例にとり説明する。なお、単結晶引き上げ方法に関しては図５に示した結晶把持治具４０の場合も結晶把持治具３０を使用する場合と同一である。単結晶の引き上げに当たり、図１に示したシードホルダ４に取り付けた種結晶５を融液７に浸漬してなじませた後、引き上げて、絞り部２ａ、拡径部２ｂ、くびくびれ部２ｃ、肩部２ｄを形成する。この間、結晶把持治具３０は、Ｓ字状の溝３１ａ、３１ｂの上端に形成されたポケットに把持棒３２、３２を保持した状態で、シードホルダ４の上方に待機させておく。くびれ部２ｃに続いて単結晶の肩部２ｄが形成され、図１０（ａ）に示すように拡径部２ｂが結晶把持治具３０内を上昇していく。そして、拡径部２ｂが更に上昇すると、あるいは治具巻き取りモータを駆動して結晶把持治具３０を僅かに下降させると、図１０（ｂ）に示すように拡径部２ｂの上側円錐面２ｆに把持棒３２のカラー３５が当接する。
【００２５】
把持棒３２のカラー３５が拡径部２ｂの上側円錐面２ｆに当接すると、カラー３５に上向きの力と外側に向かう水平方向の力が作用するため、把持棒３２はＳ字状の溝３１ａ、３１ｂの上端に形成されたポケットから押し出される。そして、自重により前記溝内を転動しながら下降し、図１０（ｃ）に示すように拡径部２ｂやくびれ部２ｃに干渉することなく溝３１ａ、３１ｂの下端に到達する。ここで治具巻き取りモータを駆動し、結晶把持治具３０を僅かに上昇させると、図１０（ｄ）に示すように把持棒３２のカラー３５が拡径部２ｂの下側円錐面２ｇに当接し、把持棒３２に下向きの力と外側に向かう水平方向の力が作用する。これにより、把持棒３２はＳ字状の溝３１ａ、３１ｂの下端に形成されたポケットに押し込められ、同時に単結晶の重量を支えることになる。把持棒３２は、単結晶の重量のうち絞り部２ａで保持しうる重量を除いた分を保持する。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ＣＺ法により単結晶を育成する際に種結晶の絞り部下端に形成する拡径部及びくびれ部を収容できる程度の容積をもつ結晶把持治具を単結晶製造装置内に吊り下げ、この結晶把持治具内に設けた複数の把持棒で前記くびれ部を把持する構成としたので、本把持治具は従来技術による単結晶把持機構に比べて著しく容積が小さい。特に垂直方向の長さが短いため、育成する単結晶の軸方向長さが本把持治具によって制限されることがない。また、把持構造そのものに特別な駆動手段を用いず、極めて簡素な構造でありながら単結晶を確実に把持することができ、引き上げ過程で単結晶を落下させるおそれがない。更に、結晶把持治具の操作が極めて簡単である。これらの点から、本発明の単結晶引き上げ装置及び引き上げ方法は、単結晶の直径及び長さの増大に十分に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】結晶引き上げ装置の概略構成を示す模式的縦断面図である。
【図２】結晶把持治具の第１実施例を示す斜視図である。
【図３】結晶把持治具の上端の部分断面図である。
【図４】把持棒の斜視図であり、（ａ）は外周に放射状の凸部を備えたカラー、（ｂ）は円筒形状のカラー、（ｃ）は球形状のカラーを嵌着した図である。
【図５】結晶把持治具の第２実施例を示す斜視図である。
【図６】図５に示した結晶把持治具の部分断面図で、（ａ）は内側に突起部を設けた場合、（ｂ）は外側に突起部を設けた場合を示す。
【図７】引き上げ機構の概略構成を示す模式的縦断面図である。
【図８】治具巻き取りドラムの上面図である。
【図９】図８における治具巻き取りドラムのＺ視図で、（ａ）は両端に設置された治具巻き取りドラムを示し、（ｂ）は中央に設置された治具巻き取りドラムを示す。
【図１０】結晶把持治具の作動を説明する模式図で、（ａ）は待機状態、（ｂ）は把持棒に単結晶が当接した状態、（ｃ）は把持棒が下降した状態、（ｄ）は把持棒で単結晶を把持した状態を示す。
【図１１】絞り部と肩部との間に把持具を掛止するくびれ部を形成した単結晶の部分模式図である。
【符号の説明】
１  引き上げ機構
２  単結晶
２ａ  絞り部
２ｂ  拡径部
２ｃ  くびれ部
２ｆ  上側円錐面
３  結晶引き上げワイヤ
５  種結晶
７  融液
８，９，１０  治具引き上げワイヤ
１１  球
１２  結晶巻き取りモータ
１３  結晶巻き取りドラム
１４  治具巻き取りモータ
１５，１６，１７  治具巻き取りドラム
３０，４０  結晶把持治具
３１，４１  ボックス
３１ａ，３１ｂ，４１ａ，４１ｂ  Ｓ字状の溝
３１ｃ，４１ｃ  穴
３２，４２  把持棒
３３，４３  球座
３４，４４  位置決めカラー
３５，４５  カラー
４１ｄ，４１ｅ  突起部
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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