(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバーと、該チャンバーの上に設けられた回転テーブルと、該回転テーブルの上面に立設された重量センサーと、該重量センサーの上に載置されたケーブル巻上げ装置とからなる結晶体の引上げ装置において、前記ケーブル巻上げ装置の巻上げドラムを密封する密閉容器と、前記巻上げドラムから前記チャンバー内へと垂下するケーブルを囲繞し、前記密閉容器内と前記チャンバーとを気密連通する下部弾性シール材と、前記回転テーブルの上面から前記密閉容器の上方に伸長するアームと、前記密閉容器の上面と該アームとの間に設けられ、前記密閉容器内と気密連通する上部弾性シール材とを備えたことを特徴とする結晶体の引上げ装置。
【請求項２】
密閉容器は、その上部に垂直方向で内部気相と接触する上部気相接触面と、その下部に前記垂直方向で内部気相と接触する下部気相接触面とを有し、前記上部気相接触面と前記下部気相接触面との水平投影面の面積が一致することを特徴とする請求項１記載の結晶体の引上げ装置。
【請求項３】
上下部それぞれの気相接触面が、弾性シール材の内径位置またはそれより外側で、密閉容器の内部気相と接触するように形成したことを特徴とする請求項２記載の結晶体の引上げ装置。
【請求項４】
上下部それぞれの弾性シール材の断面であって、ケーブル垂下方向である垂直方向に対して直角な断面の水平投影面の面積が一致するように形成されたことを特徴とする請求項１記載の結晶体の引上げ装置。
【請求項５】
それぞれの弾性シール材の剛性が重量センサーの剛性の１００分の１以下であることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の結晶体の引上げ装置。
【請求項６】
チャンバーと、該チャンバーの上に設けられた回転テーブルと、該回転テーブルの上面に立設された重量センサーと、該重量センサーの上に載置されたワイヤ巻上げ装置とからなる結晶体の引上げ装置において、前記ワイヤ巻上げ装置の少なくとも巻上げドラムを密閉容器により密封し、該密閉容器の底面と前記回転テーブルとの間に下部ベローズを設け、これにより前記密閉容器と前記チャンバーとを連通させ、前記回転テーブルの上面に立設されたアームにより支持された上部ベローズを前記密閉容器の上面に固定し、該上部ベローズ内部を前記密閉容器内部に連通させたことを特徴とする結晶体の引上げ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は、引上げ装置により半導体等の結晶体を融液から引き上げる結晶体の引上げ装置であり、特に大気圧以下の雰囲気下で半導体インゴットを成長させる結晶体の引上げ装置において、引き上げ中の結晶体の直径を算出するために、その結晶体の重量を高精度に測定できる単結晶体の引上げ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＺ法により半導体の単結晶インゴットを引き上げるにあたっては、引き上げ中の結晶体の直径を所定の値に制御するために、その直径を正確に計測しなければならない。必要以上に大きな直径の結晶体を引き上げた場合、所定の値にするために削り落とさなければならなく、損失が多くなるだけである。結晶体の直径を計測する方法としては、画像により計測する方法と、引き上げ中の結晶体の重量の増加分を計測することにより直径を算出する方法とがある。
この内、重量の増加分を計測する方法としては特開平８−２６１９０３号公開公報に示されたものがある。これは、モーターやギアといった索引上げ手段を重量センサーの上に載置して、索引上げ手段全体の重量と結晶体の重量とを重量センサーにより計量することにより結晶体の重量の増加分を計測するものである。
【０００３】
半導体、例えば単結晶シリコンの引上げは、大気圧以下の不活性ガス雰囲気下で行われる。
この不活性ガスを用いるのは、シリコン融液が極めて高活性であり、酸素や窒素と容易に反応してしまうためである。
また、減圧状態にするのは、不活性ガスの体積が減圧膨張することにより、そのシリコン融液表面付近の流速が増大するためである。この流速の増大により、シリコン融液を保持している石英ガラス製ルツボとシリコン融液とが反応して発生するSi0 アモルファスを速やかに除去することができる。Si0 アモルファスを除去する目的は、Si0 アモルファスが気相中で凝集してダストとなり、融液表面上に落下して成長中の結晶に付着することにより、多結晶化してしまうことを防止することにある。
これらの理由から単結晶シリコンの引き上げは、減圧状態の不活性ガス雰囲気中で行うのが一般的であるが、この場合、上記した重量センサーによる引き上げを行おうとすると、ケーブル巻上装置および重量センサーを全て密閉し、これをチャンバー内と連通した状態にしなくてはならない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ケーブル巻上装置および重量センサーの全てを密閉するためには巨大な密閉容器が必要になるという問題点がある。
また、密閉容器が巨大になるばかりではなく、ケーブル巻上装置を大気圧以下でも正確に作動させるために、モーターやギアの潤滑手段等は非常に特殊なものを使用しなくてはならず、そのため製造コストが非常に高くなるという問題点があった。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、大気圧以下の雰囲気下における結晶体の引き上げを行うにあたり、引上げ装置を大型化することなく簡単な構造を有し、しかも引き上げ中の結晶体の重量を高精度に計測できる引上げ装置を提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このため本発明では、チャンバーと、該チャンバーの上に設けられた回転テーブルと、該回転テーブルの上面に立設された重量センサーと、該重量センサーの上に載置されたケーブル巻上げ装置とからなる結晶体の引上げ装置において、前記ケーブル巻上げ装置の巻上げドラムを密封する密閉容器と、前記巻上げドラムから前記チャンバー内へと垂下するケーブルを囲繞し、前記密閉容器内と前記チャンバーとを気密連通する下部弾性シール材と、前記回転テーブルの上面から前記密閉容器の上方に伸長するアームと、前記密閉容器の上面と該アームとの間に設けられ、前記密閉容器内と気密連通する上部弾性シール材とを備えるようにしたものである。
【０００６】
また、チャンバーと、該チャンバーの上に設けられた回転テーブルと、該回転テーブルの上面に立設された重量センサーと、該重量センサーの上に載置されたワイヤ巻上げ装置とからなる結晶体の引上げ装置において、前記ワイヤ巻上げ装置の少なくとも巻上げドラムを密閉容器により密封し、該密閉容器の底面と前記回転テーブルとの間に下部ベローズを設け、これにより前記密閉容器と前記チャンバーとを連通させ、前記回転テーブルの上面に立設されたアームにより支持された上部ベローズを前記密閉容器の上面に固定し、該上部ベローズ内部を前記密閉容器内部に連通させるようにしたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明は、重量を計測することにより成長する結晶体を監視し、その値により引き上げを制御する結晶体の引上げ装置であって、特に大気圧以下の雰囲気下における半導体インゴットの引き上げをするために、チャンバー内へと垂下するケーブルとそれを巻き取る巻上ドラムのみを密閉し、モーターやギアといったそれ以外の部材及び重量センサーは大気圧下に設置できるようにしたものである。
この密閉は、巻上ドラムを密閉した密閉容器を回転テーブルの上に立設された重量センサーの上に載置し、回転テーブルと密閉容器との間に、ケーブルを囲繞する下部弾性シール材を設けて密閉容器とチャンバー内を気密連通させるようにしたものである。
【０００８】
これにより、本発明の引上げ装置では特殊なモーター等は必要がなく、ケーブルの巻き上げ装置を従来と同様のモーターやギアなどにより構成でき、引上げ装置を大型化することがなく、安価に製造することができる。
【０００９】
また、回転テーブルの上面に、密閉容器の直上に達するアームを立設し、これにより中空状の上部弾性シール材を気密保持し、上部弾性シール材を密閉容器上面の連通孔と気密連通したものである。
したがって、密閉容器の上下にそれぞれ弾性シール材を気密連通して設けることにより、チャンバー内の圧力変化を原因とする重量測定の誤差を解消できる。
【００１０】
この弾性シール材の配置位置の条件について説明する。
上記したように上下部の各弾性シール材により密閉容器に作用する力を互いに打ち消すためには、その力が同等で、しかもその方向が対向していなくてはならない。この条件を密閉容器内部の気相における圧力作用という面から考えるものとする。
まず、密閉容器の内壁であって、その内部気相の圧力を受ける面を気相接触面と定義する。したがって、すべての気相接触面に対する圧力が釣り合っていれば、気相の圧力が変化しても密閉容器から重量センサーに負荷する力は変化しない。
【００１１】
これを、それぞれの関係を示す模式図により説明すると次のようになる。
図３に示すように、密閉容器３ａの上下の対向した位置に下部弾性シール材１１ａと上部弾性シール材１１ｂとを配置し、密閉容器３ａ内からチャンバー（図示せず）内へと垂下するケーブル垂下軸およびその延長軸をＺ軸とすると、下部弾性シール材１１ａと上部弾性シール材１１ｂとはこのＺ軸方向と同一軸で配置されていることになる。
【００１２】
ここでは、説明しやすいように密閉容器３ａを直方体と仮定して、Ｚ軸に対して傾斜することなく配置されているものとする。したがって、その内部気相の圧力変化により密閉容器３ａが重量センサーへ負荷する力はＺ軸に対して直角な気相接触面、すなわち、下部気相接触面１３ａと上部気相接触面１３ｂとの面積の相違に比例する。
【００１３】
結論からいうなれば、内部気相圧力が変化しても下部気相接触面１３ａと上部気相接触面１３ｂとの水平面への投影面積が互いに一致していれば重量センサーへの負荷の変化は生じない。そのためには、相違点となる各弾性シール材の下部中空部分１２ａ、上部中空部分１２ｂのＺ軸に対して直角な断面、水平投影面が同一面積（この説明では同形状）で、これらの投影面がＺ軸で一致していれば、その要件を満たすことになる。
【００１４】
ところで、弾性シール材はその一端を密閉容器とは剛性的連結を有しない支持部材（本発明では「回転テーブル」と「アーム」を示す）と結合することよって、内部気相圧力の影響を受けない気相非接触面（図３「１４ａ、１４ｂ」）を形成する。弾性シール材の種類によっては、その水平面への投影面の面積と実効的な気相非接触面の面積との間に差が生じるものがある。たとえばベローズの場合、実効的な面積はその平均直径により算出されるため、その上下部気相接触面の弾性シール材に対応した気相非接触面との周縁部分は内径の外側に位置することになる。
【００１５】
尚、各弾性シール材の剛性を重量センサーの剛性の１００分の１以下といった低いものを用いることにより、重量センサーによる測定誤差を実用上問題ない大きさにすることができる。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１は本実施例の引上げ装置の構造を示す一部断面部分側面図、図２は本実施例の引上げ装置の精度を示すグラフである。
本実施例の引上げ装置は、重量センサーにより引き上げ中の結晶体の重量を計測し、その直径を算出することにより結晶体の直径を制御するものである。
図１に示すように、この引上げ装置は、チャンバー６と、チャンバー６の上にプーリー６１を介して設けられた回転テーブル５と、回転テーブル５の上面に立設された重量センサー４と、重量センサー４の上に載置されたケーブル巻上げ装置２とから構成されている。
【００１７】
ケーブル巻上げ装置２は、ケーブル２２を引き上げる巻上げドラム２１と、巻上げドラム２１を回転させる駆動モーター２４と、駆動モーター２４の回転を巻上げドラム２１に伝導するギア２３とからなり、巻上げドラム２１は密閉容器３により密封されている。
【００１８】
密閉容器３の底面と回転テーブル５の上面との間には下部弾性シール材としての下部ベローズ１ａが設けられ、密閉容器３の底面のケーブル挿通孔３１と、プーリー６１および回転テーブル５にそれぞれ設けられたケーブル挿通孔（図示せず）と連通しており、ケーブル２２はこれにより囲繞されてチャンバー６内に垂下している。
【００１９】
したがって、密閉容器３内とチャンバー６内とは外気より隔てて気密に連通しており、引上げのために大気圧以下の不活性ガス雰囲気下にある。一方、回転テーブル５、重量センサー４、駆動モーター２４、ギア２３はそれぞれ密閉容器３およびチャンバー６の外にあり、大気圧下に置かれている。
【００２０】
また、回転テーブル５の周縁部には逆Ｌ字状のアーム５１が立設され、そのアーム先端部５１ａは密閉容器３の上方に達し、このアーム先端５１ａと密閉容器３の上面との間には、上部弾性シール材としての上部ベローズ１ｂが設けられ、密閉容器３の気相部と上部ベローズ１ｂの中空部とは連通孔３２により気密連通している。したがって、チャンバー６内における圧力の変化は、下部ベローズ１ａと同様に、この上部ベローズ１ｂにも影響を与える。
【００２１】
尚、下部ベローズ１ａおよび上部ベローズ１ｂには同様のものが使用されているため、上下部ベローズの水平断面の平均面積は互いに同じである。したがって、チャンバー６の圧力変化により密閉容器の上下部気相接触面にかかる力は同等であり、それらの取付位置から後述するように密閉容器に加わる上下方向の力は打ち消し合う。
【００２２】
また、本実施例では上部ベローズ１ｂが設けられた位置が下部ベローズ１ａの直上である。このように設置することにより、チャンバー６内の圧力変化がそれぞれの重量センサー４に不均等に荷重を与えることを防止できる。したがって、それぞれの重量センサー４の測定値のバラツキによる重量測定誤差を最小限におさえることができる。
【００２３】
さらに、本実施例に弾性シール材に使用されている各ベローズとしては、ステンレス製の溶接ベローズなどが好適である。その剛性は上記したように重量センサーの剛性の１００分の１以下であることが望ましく、このようなベローズではその剛性がたとえば１２０g/mmであり、重量センサーの剛性の 1.6×10-5倍となる。
【００２４】
つぎに、本実施例の引上げ装置の作動について説明する。
図１に示すように、重量センサー４はケーブル巻上げ装置２およびこれに巻回されたケーブル２２の全重量がかかるように設けられている。ケーブル巻上げ装置２とケーブル２２の全重量は予め分かっているため、引上げにおいて計測される重量からこれらの全重量を減ずることにより結晶体の重量が算出される。
【００２５】
下部ベローズ１ａは、それ自体が重量センサー４による重量測定に影響を与えないように、チャンバー６と密閉容器３とを気密に連通している。しかしながら、チャンバー６内または密閉容器３内の気相に圧力変化があった場合、下部ベローズ１ａに対応した気相非接触面（図３参照）により、重量センサー４の計測値に誤差を生じる。そこで、この誤差を打ち消す手段として設けられたのが上部ベローズ１ｂである。
【００２６】
この上部ベローズ１ｂは、上記したように下部ベローズ１ａと略同形状のものが使われているため、圧力変化により密閉容器３の内部気相に影響する力は下部ベローズ１ａと同等である。また、回転テーブル５に立設されたアーム５１により支持されているため、その基準は重量センサー４と同じ回転テーブル５上にあり、気相圧力の変化により密閉容器３に作用する力の方向は、下部ベローズ１ａと反対方向である。したがって、圧力変化により同時に作用して、上下方向の力が互いに打ち消すことになり、圧力変化により発生する力は重量センサー４に及ばないことになる。すなわち、圧力変化は結晶体の重量測定値に影響しないわけである。
尚、この力の打ち消しをより確実にするためには、上下の各ベローズが同一鉛直線上で且つ同軸であるように配置されることが望ましい。本実施例においては、ケーブル２２の垂下方向であるＺ軸まわりに同心円で配置されている。
【００２７】
ここで、本発明の引上げ装置による引上げの精度を示す。
本引上げ装置の精度を検証するために、ケーブルに一定重量を印加し、１mm／分の速度でこのケーブルを巻き上げ、その巻き上げ中においてチャンバー内圧力を１０Torrから３０Torrに増加させて、その重量センサーの表示の変化をグラフに表している。すなわち、図２に示すようにチャンバー内圧力を変動させた場合における重量センサーからの出力電圧の変動は最高で0.2 mVであり、この数値はわずか３ｇにしか相当せず、この３ｇという値は１５０Ｋｇ程度のシリコンインゴットを引き上げる上では略無視できる数値である。
【００２８】
尚、上記実施例では各弾性シール材としてベローズを使用していたが、これに限られるものではなく、たとえばＯリング等をシール材として使用したシリンダーやダイヤフラムといった前記Ｚ軸方向に弾性を有するシール材であれば良い。
【００２９】
【発明の効果】
本発明では以上のように構成したので、大気圧以下の雰囲気下において結晶体を引き上げるにあたり、ケーブル巻上装置のモーターやギアの潤滑手段などについて大気圧下で正確に作動する安価なものを使用でき、これによりケーブル巻上装置を巨大にする必要もなく、また製造コストを抑えることができるという優れた効果がある。
また、上下弾性シール材の作用により巻上げ装置の重量を正確に計測でき、これにより、精度の高い引上げの制御を行うことができるという優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る引上げ装置の構造を示す一部断面部分側面図である。
【図２】本実施例の引上げ装置の精度を示すグラフである。
【図３】本発明の密閉容器と上下部弾性シール材の配置位置を示す模式図である。
【符号の説明】
１ａ‥‥下部ベローズ
１ｂ‥‥上部ベローズ
２‥‥‥ケーブル巻上げ装置
２１‥‥巻上げドラム
２２‥‥ケーブル
２３‥‥ギア
２４‥‥駆動モーター
３‥‥‥密閉容器
３１‥‥ケーブル挿通孔
３２‥‥連通孔
３３‥‥オイルシール
４‥‥‥重量センサー
５‥‥‥回転テーブル
５１‥‥アーム
５１ａ‥アーム先端部
６‥‥‥チャンバー
６１‥‥プーリー
【図１】
0004056603.tif 000002
【図２】
0004056603.tif 000003
【図３】
0004056603.tif 000004