(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶原料を保持する単結晶原料保持具と、前記単結晶原料に溶融帯を形成する加熱手段と、種結晶を保持する種結晶保持具と、前記種結晶保持具を回転して前記種結晶を回転する回転軸とを有し、前記単結晶原料の溶融帯に前記種結晶を接触しながら、前記種結晶を回転して溶融帯から結晶成長する単結晶製造装置であって、
前記回転軸の端部と前記種結晶保持具の端部とを球座により結合し、前記回転軸に対する前記種結晶の軸方向を変更する球座構造と、
前記回転軸に対して前記種結晶の軸方向を変更した状態で、前記種結晶保持具を固定する固定手段と
を有することを特徴とする単結晶製造装置。
【請求項２】
請求項１記載の種結晶製造装置において、
前記回転軸と同軸に形成されたチャック機構を更に有し、前記チャック機構を閉じて前記種結晶を先端でつかむことにより、前記種結晶上端の中心が芯ぶれしない位置に、前記種結晶保持具の軸方向を変更する
ことを特徴とする単結晶製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、融液状態の原料から単結晶を成長する単結晶製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＶＬＳＩ（Very large scale integrated circuit）用基板ウェーハ等としてシリコンの単結晶が主に用いられている。このように、半導体材料は単結晶の状態で用いられることが多く、半導体技術の発展には、単結晶製造技術を欠くことはできない。結晶成長には、大別して気相から固相、液相から固相、固相から固相の３種類の成長機構がある。これらの成長機構のうち、液相から固相への成長機構を利用した単結晶製造法として、ＣＺ法（Czochralski method）やＦＺ法（Floating zone method）、ＴＳＦＺ法（Travelling solvent floating zone method）を挙げることができる。これらの方法では、融液状態の原料界面に、種結晶と呼ばれる所定の方位の単結晶を接触し、この種結晶を核として単結晶を成長する。
【０００３】
ＦＺ法、ＴＳＦＺ法に用いられる単結晶成長炉では、上側に設けられた上主軸に結晶原料棒が保持され、下側に設けられた下主軸に種結晶が保持される。上主軸に保持された結晶原料棒には高周波コイルや赤外線集中加熱装置などにより溶融帯が形成される。下主軸に保持された種結晶は、下主軸により回転及び上下移動され、結晶原料棒の溶融帯への接触後、回転しながら徐々に引き下げられ、単結晶が育成される。
【０００４】
従来の単結晶製造装置における種結晶の保持方法について、図１０を用いて説明する。図１０（ａ）は、従来の単結晶製造装置における種結晶ホルダ部の概略図である。
【０００５】
図１０（ａ）に示すように、下主軸１０８上端には種結晶ホルダ１０６が螺合されて固定されている。種結晶ホルダ１０６は、下主軸１０８との接続部となる支持金具１０４と、種結晶１００を保持するホルダ１０２とから構成される。
【０００６】
通常、ホルダ部１０２にはアルミナ等の高耐熱セラミックス、支持金具１０４にはステンレス等の耐熱金属が用いられている。支持金具１０４のホルダ固定部分は円柱形状をしており、そこにホルダ部１０２を押し当て白金線１１０等を巻いて固定する。種結晶１００は略円筒状であり、ホルダ１０２のアルミナ管に押し当て白金線１１０等を巻いて保持する。
【０００７】
結晶育成時には、下主軸１０８を回転し、種結晶ホルダ１０６ごと種結晶１００を回転する。この状態で、下主軸１０８を徐々に引き下げていくことにより、単結晶を成長する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の単結晶製造装置では、種結晶１００は、下主軸１０８の回転軸、すなわち種結晶ホルダ１０６の中心軸に対して結晶軸が完全に一致した状態でセッティングする必要がある。種結晶１００の結晶軸が下主軸１０８の回転軸を完全に一致しない状態で育成を開始すると、種結晶１００が温度の低い部分にはみ出すことによって、結晶が垂直方向でなく、温度が低い外周部に向かって突き出し成長を始めることになる。
【０００９】
種結晶１００の中には、直径が変動したり、くびれたり、テーパー状の形状になっているものもある。このような場合、種結晶１００をホルダ１０２のアルミナ管に押し当てただけでは結晶軸を完全に一致することができない。
【００１０】
図１０（ｂ）は、従来の単結晶製造装置での種結晶の保持方法を示す拡大断面図である。従来は、図１０（ｂ）に示すように、ホルダ１０２のアルミナ管と種結晶１００の間に白金線等のスペーサ１１２を挟み込むことにより微調整しながら芯を出す作業が行われてきた。しかし、この作業は非常な手間を要し、熟練度も要求されるため、結晶育成の準備作業の作業効率が悪化する原因となっている。また、前述のように、結晶育成の歩留まりを下げる要因ともなっている。
【００１１】
上述した従来技術の問題点を解決するために、形状が一定でない種結晶を研削加工して一定の形に整形することも考えられるが、研削加工に伴う汚染の問題がある他、劈開性があったり高脆性の結晶の場合には、加工すること自体が困難である。
【００１２】
また、ＸＹステージやゴニオメータ等の調芯機構を主軸部や種結晶ホルダ部に組み込むことができればよいが、結晶育成時は非常に高温となり、焼き付きなどが発生するため、使用することはできない。
【００１３】
本発明の目的は、結晶の育成を開始する前の作業の効率を上げ、種結晶の芯出し精度を上げることで結晶育成の歩留まりを向上する単結晶製造装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、単結晶原料を保持する単結晶原料保持具と、前記単結晶原料に溶融帯を形成する加熱手段と、種結晶を保持する種結晶保持具と、前記種結晶保持具を回転して前記種結晶を回転する回転軸とを有し、前記単結晶原料の溶融帯に前記種結晶を接触しながら、前記種結晶を回転して溶融帯から結晶成長する単結晶製造装置であって、前記回転軸の端部と前記種結晶保持具の端部とを球座により結合し、前記回転軸に対する前記種結晶の軸方向を変更する球座構造と、前記回転軸に対して前記種結晶の軸方向を変更した状態で、前記種結晶保持具を固定する固定手段とを有することを特徴とする単結晶製造装置によって達成される。
【００１５】
上述した種結晶製造装置において、前記回転軸と同軸に形成されたチャック機構を更に有し、前記チャック機構を閉じて前記種結晶を先端でつかむことにより、前記種結晶上端の中心が芯ぶれしない位置に、前記種結晶保持具の軸方向を変更するようにしてもよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による単結晶製造装置の全体構成を図１を用いて説明する。図１は本実施形態による単結晶製造装置の正面図である。
【００１７】
本実施形態の単結晶製造装置はＦＺ法、ＴＳＦＺ法に用いられる赤外線集中加熱炉である。本実施形態の単結晶製造装置では、透明隔壁下部保持部２０及び透明隔壁上部保持部によって、円筒形の透明隔壁１８が垂直に固定されている。透明隔壁１８内部には、透明隔壁上部保持部２４を貫通して上主軸１０が、透明隔壁下部保持部２０を貫通して下主軸１４が配置されている。上主軸１０、下主軸１４ともに上下移動及び回転が可能である。通常結晶成長時には、透明隔壁下部保持部２０の雰囲気ガス入口２２からアルゴンや酸素等の気体が透明隔壁１８内に導入される。雰囲気ガスの排気は、透明隔壁上部保持部２４の雰囲気ガス出口２６から行われる。
【００１８】
透明隔壁１８外部には、赤外線集中加熱装置２８が取り付けられている。赤外線集中加熱装置２８は、その内部に楕円面鏡２９を有している。楕円面鏡２９の一方の焦点３２は、透明隔壁１８内の上主軸１０及び下主軸１４の中心軸上に位置する。
【００１９】
楕円面鏡２９の他方の焦点３３には、ハロゲンランプ３０が置かれ、楕円面鏡２９の焦点３２に集光し、焦点３２における加熱を行うことが可能である。
【００２０】
上述した赤外線集中加熱炉において、上主軸１０の下端には結晶原料棒１２が保持される。下主軸１４の上端には種結晶ホルダ部１６が固定される。結晶原料棒１２上には、赤外線集中加熱装置２８の加熱部分である焦点３２によって、溶融帯３４が形成される。種結晶３１は、種結晶ホルダ部１６に固定される。種結晶ホルダ部１６に保持された種結晶３１が、下主軸１４によって溶融帯３４に接触後回転しながら引き下げられることにより、単結晶の成長が行われる。単結晶の成長過程は、ＣＣＤカメラ３６によってモニタされる。また、投影スクリーン等を用いて単結晶の成長過程をモニタすることも可能である。
【００２１】
次に、本実施形態における種結晶ホルダ部１６の詳細について、図２を用いてに説明する。図２は本実施形態による種結晶ホルダ部１６の構成について示した概略図である。
【００２２】
本実施形態における種結晶ホルダ部１６は、下端に球部３８が形成された支持棒４０と、上面が球状の凹面構造となっている支持金具基部４２とを有する。支持金具基部４２の球面に支持棒４０の球部３８をはめ込むことにより球座が構成される。支持棒４０は、球部３８の中心を支点にして、支持金具基部４２に対して、その中心軸の角度を自由に変えることができる。また、支持棒４０は、袋ナット４４によって支持金具基部４２に対して締め付けられ固定される。支持金具基部４２は、下部にネジ４６を持つ構造となっている。これにより支持金具基部４２は下主軸１４上端に固定される。
【００２３】
次に、本実施形態による単結晶製造装置の種結晶の芯出し作業について、図２及び図３を用いて説明する。図３は、本実施形態における芯出し作業前と作業後の種結晶の状態について示した概略図である。
【００２４】
まず、図３（ａ）に示すように、支持棒４０に、従来と同様にして白金線５２等によって種結晶ホルダ５０を固定する。種結晶３１も同様に白金線５２等により種結晶ホルダ５０に固定する。このときには従来のようにスペーサ等を用いて芯出し作業を行う必要はない。
【００２５】
続いて、図２に示すように、支持棒４０の球部３８を、支持金具基部４２の上側の球状の凹面構造にはめ込み、袋ナット４４を締めて仮止めする。さらに、支持金具基部４２のネジ４６により、種結晶ホルダ５０を下主軸４８に固定する。その後、種結晶３１の上端の中心の位置を微調整できるように袋ナット４４を少し緩め、球部３８の中心を支点にして、その中心軸の角度を少しずつ変えて種結晶ホルダ５０を固定した下主軸１４又は種結晶ホルダ５０を回転する。これにより、図３（ｂ）に示すように、種結晶３１上端の中心が芯ぶれしない位置に種結晶３１を合わせた後、袋ナット４４を締めて確実に固定する。これで種結晶３１の芯の位置を合わせる。
【００２６】
このように本実施形態によれば、支持金具部に球座を有する種結晶ホルダを用いるため、従来までのようにスペーサで種結晶上端の中心の位置を調整する必要がない。従来までの困難な芯出し作業を行わずにすむため、結晶育成を開始する前段階の作業が効率化される。また、芯出しの精度も上げることができるため、結晶育成の歩留まりを向上することができる。
【００２７】
なお、上記実施形態では、支持金具基部４２を螺合により下主軸１４に固定していたが、図４に示すように、下主軸１４に球座を直接形成してもよい。すなわち、支持棒４０の球部３８を、下主軸１４上端に直接形成した球状の凹面構造にはめ込み、袋ナット４４により固定してもよい。
【００２８】
また、上記実施形態では、種結晶ホルダ５０を支持棒４０に固定しているが、図５に示すように、支持棒と種結晶ホルダを一体部品５４にしてもよい。
【００２９】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による単結晶製造装置の構成について、図６及び図７を用いて説明する。本実施形態は、上述した第１実施形態による単結晶製造装置における種結晶の芯出し作業を、以下に述べる種結晶の芯を出す治具を用いることにより自動化するものである。
【００３０】
図６は、本実施形態の単結晶製造装置の赤外線集中加熱炉５８本体に、芯出し装置６０を固定した状態を示す断面図である。芯出し装置６０は、チャック機構部６１と取り付け部６３とから構成される。芯出し装置６０は、赤外線集中加熱装置２８及び透明隔壁１８を取り外した赤外線集中加熱炉５８に、透明隔壁保持部６２を利用して直接固定される。球座を有する種結晶ホルダ具１６の周囲ををチャック機構部６１のチャック６４が囲む。ここで、チャック機構部６１の中心軸と、下主軸１４の中心軸とは一致するようになっている。
【００３１】
次に、図７を用いて、チャック機構部６１の構成の詳細について説明する。図７は、芯出し装置６０のチャック機構部６１の上面図及び断面図である。図７（ａ）の上面図に示すように、下主軸１４の中心軸を中心にチャック６４が周囲に配置される。これらのチャック６４の上には、調芯用袋ナット６８が被せられている。図７（ｂ）の断面図に示すように、取り付け部６１上に、チャック支持体６２が固定され、チャック支持体６２には、バネ６６を介してチャック６４が取り付けられている。チャック６４は外側部がテーパー状になっている。チャック６４は、バネ６６により上側に押されている。これにより、チャック６４の外側テーパー部は、チャック６４の上から被さっている調芯用袋ナット６８の内面の傾斜に押しつけられている。調芯用袋ナット６８は、取り付け部６３に対して下方に締まる。
【００３２】
続いて、芯出し装置６０のチャック機構部６１の動作について、図７を用いて説明する。
【００３３】
上述したように、チャック６４の外側テーパー部は、バネ６６により調芯用袋ナット６８の内面の傾斜に押しつけられている。したがって、チャック６４上部に被さっている調芯用袋ナット６８を締めていくと、チャック６４は、調芯用袋ナット６８によって下方に押さえられ、チャック機構６１の中心軸、すなわち、下主軸１４の中心軸を中心として徐々に閉じていく。調芯用袋ナット６８を緩めると、チャック６４は、バネ６６により上方に押されているため、チャック機構６１の中心軸、すなわち、下主軸１４の中心軸を中心に開いていく。本実施形態による芯出し作業は、このようなチャック機構を利用する。
【００３４】
次に、このチャック機構６１を有する芯出し装置６０を用いた芯出し作業の手順を説明する。
【００３５】
まず、球座を有する種結晶ホルダ部１６に種結晶３１を仮止めし、種結晶ホルダ部１６を下主軸１４に固定する。このとき、球座の動作は自由な状態にしておく。次に、下主軸１４を上下させて、種結晶３１に対して芯出し装置６０のチャック６４が当たるように調整する。これにより、チャック６４による芯出しが可能となる。
【００３６】
この状態で、調芯用ナット６８を締めると、チャック６８は、チャック機構６１の中心軸、すなわち、下主軸１４の中心軸を中心にして閉じられていく。種結晶ホルダ部１６は球座により自由に動くので、調芯用ナット６８を締めていくことにより、種結晶３１の中心位置を自動的に下主軸１４の中心軸に合わせることができる。そして、最終的にはチャック６４により種結晶３１が所望の中心位置に固定される。この状態で種結晶ホルダ部１６の袋ナット４４を締めつけ、球座の角度を固定する。このようにして、芯出し装置６０による種結晶３１の芯出し作業を終了する。
【００３７】
上述した芯出し装置６０は、取り付け・取り外しを行っても種結晶３１の位置がずれることがない。したがって、芯出し作業終了後、透明隔壁下部保持部２０から芯出し装置６０を一旦取り外し、上主軸１０に結晶原料棒１２を取り付けた後、透明隔壁１８及び赤外線集中加熱装置２８を再び取り付け、単結晶の育成過程を迅速に開始することができる。
【００３８】
このように本実施形態においては、チャック機構を有する芯出し装置を用いて、種結晶の芯出し作業を自動的に行い、芯出し精度に個人差のない一定な芯出し作業が可能となる。
【００３９】
なお、上記実施形態では、芯出し装置６０は、透明隔壁保持部６２を利用して赤外線集中加熱炉５８に固定しているが、図８に示すように、芯出し装置６０のチャック機構部６１下部に取り付けられた装着部７０に、下主軸１４を差込み、ネジ７２により下主軸１４に芯出し装置６０を固定してもよい。
【００４０】
この場合も、芯出し装置６０のチャック機構部６１の中心軸と下主軸１４の中心軸とは一致している。また、種結晶３１に対するチャック機構部６１の高さは、下主軸１４に対する芯出し装置６０の取り付け位置で調整する。その後の種結晶３１の芯出し作業の手順は、上記実施形態とほぼ同様に行うことができる。
【００４１】
まず、球座を有する種結晶ホルダ具１６に種結晶３１を仮止めし、種結晶ホルダ具１６を下主軸１４に固定する。このとき、球座の動作は自由な状態にしておく。次に、ネジ７２を緩めて芯出し装置６０の取り付け位置を上下し、種結晶３１に対する芯出し装置６０のチャック６４のあたる部分を調整する。これにより、チャック６４の位置により芯出しの位置決めが可能である。チャック６４により位置決めされたところで、ネジ７２を締めて芯出し装置６０を確実に下主軸１４に固定する。
【００４２】
続いて、調芯用ナット６８を締めると、チャック６８は、下主軸１４の中心軸、すなわち結晶育成時の回転軸を中心にして閉じられていく。種結晶ホルダ部１６の球座により、調芯用ナット６８を締めていくことにより、種結晶３１を中心位置に位置合わせすることができる。最終的には、チャック６４で種結晶３１が芯の位置に固定される。この状態で種結晶ホルダ部１６の袋ナット４４を締めつけ、球座の角度を固定する。これで、芯出し装置６０を下主軸１４に固定した場合の種結晶３１の芯出し作業が終了する。
【００４３】
芯出し終了後、ネジ７２を緩めて芯出し装置６０を下主軸１４から取り外し、上主軸１０に結晶原料棒１２を取り付けた後、透明隔壁１８及び赤外線加熱装置２８を取り付け、単結晶の育成を開始する。
【００４４】
また、赤外線集中加熱炉５８に芯出し装置６０を固定して使用するだけでなく、図９に示すように、芯出し装置６０を単独で用いてもよい。この場合、独立した土台７４にネジ７６によって軸７６が固定されている。ネジ７８を緩めることにより、軸７６は垂直方向に上下することができる。軸７６上端には、種結晶ホルダ部１６を、支持金具基部４２のネジ４６により取り付ける。軸７６の中心軸を中心に、土台７４上部には、上記実施形態と同様のチャック機構部６１が構成されている。
【００４５】
上述の芯出し装置６０を単独で用いた場合の芯出し作業について簡潔に説明する。まず、球座を有する種結晶ホルダ具１６に種結晶３１を仮止めし、種結晶ホルダ具１６を支持金具基部４２のネジ４６で、軸７６に固定する。このとき、球座の動作は自由な状態にしておく。次に、ネジ７８を緩め、軸７６を上下させ、種結晶３１に対するチャック６４のあたる部分を調整する。これにより、チャック６４の位置で芯が出る。ここでネジ７８を締め、軸７６の位置をを固定する。以後の芯出し作業は、上記実施形態と同様に調芯用袋ナット６８を締めることにより行われる。
【００４６】
芯出し装置６０を単独で用いて種結晶３１の芯を出した後は、調芯用袋ナット６８を緩め、種結晶ホルダ具１６を支持金具基部４２ごと軸７６から取り外し、赤外線集中加熱炉５８の下主軸１４の上端に支持金具基部４２のネジ４６で固定する。この時固定した種結晶３１は、下主軸１４の中心軸に対しても芯が出た状態にあるので、そのまま単結晶を成長する作業過程にうつることができる。
【００４７】
［変形実施形態］
本発明の上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、溶融帯の形成に赤外線集中加熱装置を用いているが、赤外線集中加熱装置に限定されるものではなく、原料結晶棒の周囲に加熱コイルをとり巻き、これに高周波電流を導き、コイルでつくられる高周波の磁束に誘導される渦電流によって加熱し溶融帯を形成してもよい。あるいは、結晶棒周囲に電気伝導体で加熱体を形成し、この加熱体に直流及び交流電流を流して加熱し溶融帯を形成してもよい。あるいは、電子ビームで結晶原料棒を直接部分的に加熱して溶融帯を形成してもよい。
【００４８】
また、上記実施形態では、上主軸に結晶原料棒、下主軸に種結晶が固定された配置になっているが、これらの配置関係は上下逆であってもよい。この場合、種結晶を回転しながら引き上げることにより、単結晶を成長する。
【００４９】
また、上記実施形態では、ＦＺ法・ＴＳＦＺ法による単結晶成長であったが、融液状態の単結晶原料に種結晶を接触し、種結晶を回転しながら結晶成長を行う他のＣＺ法のような方法でもよい。すなわち、球座を有する種結晶ホルダ及びその芯出し装置を利用して、ＣＺ法における結晶成長時の回転軸に対して種結晶の芯出しを行ってもよい。
【００５０】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、支持金具部に球座を有する種結晶ホルダを用いるため、従来までのようにスペーサで種結晶上端の中心の位置を調整する必要がなくなる。したがって、結晶の育成を開始する前の作業の効率及び種結晶の芯出し精度を上げることができる。さらに、支持金具部に球座を有する種結晶ホルダとチャック機構を有する芯出し装置とを組み合わせることにより、芯出し精度に個人差のない自動的な芯出し作業が可能となり、結晶育成の歩留まりを向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による単結晶製造装置の正面図である。
【図２】本発明の第１実施形態による単結晶製造装置における種結晶結晶ホルダ部の概略図である。
【図３】本発明の第１実施形態における芯出し作業前と作業後の種結晶の状態について示す概略図である。
【図４】本発明の第１実施形態の変形例による下主軸に球座を構成した場合の概略図である。
【図５】本発明の第１実施形態の変形例による支持棒と種結晶ホルダが一体となった部品を示す概略図である。
【図６】本発明の第２実施形態による透明隔壁保持部を利用して芯出し装置を固定した状態を示す断面図である。
【図７】本発明の第２実施形態による芯出し装置の詳細を示す図である。
【図８】本発明の第２実施形態の変形例による芯出し装置を下主軸に直接固定した状態を示す断面図である。
【図９】本発明の第２実施形態の変形例による芯出し装置を単独で用いた状態を示す断面図である。
【図１０】従来の単結晶製造装置における単結晶ホルダ部を示す図である。
【符号の説明】
１０…上主軸
１２…種結晶原料棒
１４…下主軸
１６…種結晶ホルダ部
１８…透明隔壁
２０…透明隔壁下部保持部
２２…雰囲気ガス入口
２４…透明隔壁上部保持部
２６…雰囲気ガス出口
２８…赤外線集中加熱装置
２９…楕円面鏡
３０…ハロゲンランプ
３１…種結晶
３２…焦点
３３…焦点
３４…溶融帯
３６…ＣＣＤカメラ
３８…球部
４０…支持棒
４２…支持金具基部
４４…袋ナット
４６…ネジ
５０…種結晶ホルダ
５２…白金線
５４…支持棒―種結晶ホルダ一体部品
５８…赤外線集中加熱炉
６０…芯出し装置
６１…チャック機構部
６２…チャック支持体
６３…取り付け部
６４…チャック
６６…バネ
６８…調芯用袋ナット
７０…装着部
７２…ネジ
７４…土台
７６…軸
７８…ネジ
１００…種結晶
１０２…ホルダ
１０４…支持金具
１０６…種結晶ホルダ
１０８…下主軸
１１０…白金線
１１２…スペーサ
【図１】
0004386551.tif 000002
【図２】
0004386551.tif 000003
【図３】
0004386551.tif 000004
【図４】
0004386551.tif 000005
【図５】
0004386551.tif 000006
【図６】
0004386551.tif 000007
【図７】
0004386551.tif 000008
【図８】
0004386551.tif 000009
【図９】
0004386551.tif 000010
【図１０】
0004386551.tif 000011