JP4684396B2

JP4684396B2 - 単結晶引上げ装置

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Publication number: JP4684396B2
Application number: JP2000220095A
Authority: JP
Inventors: 大輔海老; 寿男林田
Original assignee: Sumco Techxiv Corp
Current assignee: Sumco Techxiv Corp
Priority date: 2000-07-21
Filing date: 2000-07-21
Publication date: 2011-05-18
Anticipated expiration: 2020-07-21
Also published as: JP2002029887A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単結晶を引上げるためのケーブルその他の引き上げ部材を備え、ＣＺ法（チョクラルスキー法）によって原料融液から単結晶を引上げるケーブル式ＣＺ法単結晶引上げ装置及び方法、特に、単結晶引上げの際に発生するケーブル系の共振による単結晶の振れ幅を抑制する機構が付加されたＣＺ法単結晶引上げ装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＺ法単結晶引上げ装置によれば、単結晶を回転させながら原料融液から引上げる。そして、昨今の単結晶ウエハの低コスト化についての厳しい要求に応じるために、なるべく長いインゴットを引上げるということが行われるようになってきている。そして、このようなインゴットの長尺化を実現するために、通常のＣＺ法単結晶引上げ装置では、原料融液の液面を下げたり、或いは、引上げられたインゴットを格納する部分のチャンバ（上段チャンバ）のところを長くしたりするというようなことが行われる。
ところで、ケーブル（ワイヤ）によって単結晶を引上げる形式のケーブル式ＣＺ法単結晶引上げ装置では、この単結晶の回転に伴ってケーブル系の共振が生じる。そして、この共振による単結晶の振れ幅が許容量を越えた場合には結晶の引き上げが安定せず、甚しい場合には結晶の引き上げを行えなくなる。
【０００３】
ここで、ケーブル系を「ケーブル」、「シードチャック及び単結晶」等からなる振り子と考えた場合に、ケーブル系の共振回転数ｎは、ｎ＝（６０／２π）×（ｇ／Ｌ）^1/2で決まる。なお、この式中、ｇはケーブル系の下部に位置するシードチャック及び単結晶の総重量（単位はｇ）を表し、Ｌは振り子の支点から重心までの距離（単位はｃｍ）を表す。共振回転数ｎの単位はｒｐｍ（一分間あたりの回転数））である。
【０００４】
上記の式から明らかなように、ケーブル系の共振回転数はケーブル長によって決まるので、共振回転数に近い結晶回転数では結晶が共振して振れてしまうこととなって、引き上げが安定せず、装置の改造等を行ってワイヤ巻取り機構部の位置を上昇させたような場合には、ケーブル長が長くなったことに応じて新たな共振回転数が設定され、特に共振点よりも低い結晶回転数で結晶を引上げるようにしたときには、それまで可能であった回転数での引き上げが不可能となってしまうというような不都合が生じる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
これに関し、通常のケーブル式ＣＺ法単結晶引上げ装置では、このケーブル系に共振が生じないように（あるいは、共振による振れ幅が許容範囲内に収まるように）、ケーブル長や装置サイズその他の諸条件が予め設定される。
ところが、上述したように、引上げられるインゴットの長尺化を実現するために原料融液液面の引き下げやインゴット格納部分の長尺化が行われたような場合には、ケーブル長が長くなることを伴う場合があり、そうなったときにはケーブル系における共振回転数が低下し、共振が発生しないように（あるいは、共振による振れ幅が許容範囲内に収まるように）設定された他の所定の条件をそのまま踏襲した場合には、ケーブル長が長くなることに伴って変化した共振回転数に応じて、このケーブル系に発生する共振が大きくなってしまう場合がある。
【０００６】
本発明は以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＣＺ法単結晶引上げ装置において引き上げられるインゴットの長尺化を実現するためにケーブル長等の装置内の諸条件が変更された場合でも、ケーブル系の共振を抑制し、インゴットの長尺化とインゴット直胴部におけるより高い結晶回転数の設定を同時に実現することができるケーブル式ＣＺ法単結晶引上げ装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的を達成するために、本発明者らが鋭意研究を重ねた結果、結晶の引上げによって振り子系の重心移動の逆進が生じるということを突き止め、かかる事情を全て勘案した上で装置に関する諸条件の設定を行うことによって安定した結晶の引き上げを行うことができるということを見出し、本発明を完成するに至った。
また、本発明者らは、引き上げられるインゴットの長尺化実現のために装置内の諸条件が変更された場合でも共振を抑制し、共振の問題を解決することができる最も有効でかつ簡易な方法として、シードチャックの重量を変更することが妥当であることも見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
より具体的には、本発明は以下のようなものを提供する。
【０００９】
（１）単結晶を引上げるためのケーブルその他の引き上げ部材を備え、ＣＺ法によって原料融液から単結晶を引上げるケーブル式ＣＺ法単結晶引上げ装置の設計方法であって、単結晶の引上げをケーブル系の共振回転数よりも低い結晶回転数で行う場合には、単結晶のショルダー部形成の際の引き上げ部材上の重心移動によってケーブル系の共振回転数が低下することを考慮して、単結晶に発生する共振による結晶の振れ幅が許容される範囲にシードチャックの重量及び／またはシードチャックまでのケーブルの長さを設計することを特徴とするケーブル式ＣＺ法単結晶引上げ装置の設計方法。
【００１０】
（２）単結晶を引上げるためのケーブルその他の引き上げ部材を備え、ＣＺ法によって原料融液から単結晶を引上げるケーブル式ＣＺ法単結晶引上げ装置であって、単結晶のショルダー部形成の際の引き上げ部材上の重心移動の際にケーブル系の共振回転数が低下することに備えて、シードチャックの重量及び／またはシードチャックまでのケーブルの長さが設定されたケーブル式ＣＺ法単結晶引上げ装置。
【００１１】
（３）ケーブル式ＣＺ法によって原料融液から単結晶を引上げる単結晶引上げ方法であって、単結晶のショルダー部形成の際の引き上げ部材上の重心移動の際にケーブル系の共振回転数が低下することを考慮し、少なくとも単結晶直胴部における当該共振による結晶の振れ幅が抑制される範囲に設定された長さの種絞りを行って単結晶を引上げることを特徴とする単結晶引上げ方法。
【００１２】
（４）ケーブル式ＣＺ法単結晶引上げ装置に使用されるシードチャックであって、既存のシードチャックの構成部材が不活性高密度物質製部材で製作されていることを特徴とする共振抑制用のシードチャック。
【００１３】
（５）前記不活性高密度物質はタングステンであることを特徴とする（４）記載の共振抑制用のシードチャック。
【００１４】
（６）ケーブル式ＣＺ法単結晶引上げ装置に使用されるシードチャックの構成部材が不活性高密度物質製部材で製作されていることにより、シリコン単結晶インゴットの直胴部を安定して得る方法。
【００１５】
（７）前記不活性高密度物質はタングステンであることを特徴とする（６）記載の方法。
【００１６】
（８）シリコン単結晶インゴットの直胴部を安定して得るための装置であることを特徴とする（２）記載のケーブル式ＣＺ法単結晶引上げ装置。
【００１７】
（９）シリコン単結晶インゴットの直胴部を安定して得るための装置であって、ケーブル系の共振の抑制のためにシードチャックの構成部材が不活性高密度物質製部材で構成されたものであることを特徴とするケーブル式ＣＺ法単結晶引上げ装置。
【００１８】
（１０）シリコン単結晶インゴットの直胴部を、より高単結晶回転数で安定して得るための装置であることを特徴とする（８）または（９）記載のケーブル式ＣＺ法単結晶引上げ装置。
【００１９】
（１１）長尺インゴット引き上げのために設定が変更された単結晶引上げ装置に対して使用される長尺インゴット引上げ対応用のシードチャックであって、シードチャックの構成部材が不活性高密度物質製部材で製作されていることを特徴とする長尺インゴット引上げ対応用のシードチャック。
【００２０】
（１２）（１１）記載のシードチャックを使用することにより、ダッシュネック法によって形成されるネック部分の短縮及び／または単結晶回転数の高速化を図る方法。
【００２１】
この「ネック部分の短縮」には、ネック部分がゼロの場合、即ち種結晶にホウ素が所定の濃度で添加される等のことによってダッシュネック法を採用する必要が無くなり、ネック部分が全く存在しなくなるような場合も含む。
【００２２】
ここで、「不活性高密度物質」というのは、ＣＺ炉内の雰囲気下で化学反応を起こさず、かつ、モリブデンを超える高密度を有する物質のことを意味する。不活性高密度物質は、単体であっても化合物であってもよく、好適なものとしては、タングステン単体やタングステン化合物を挙げることができる。
【００２３】
また、（４）及び（５）における不活性高密度物質製部材への転換、（７）における不活性高密度物質製部材での構成は、シードチャックの一部であってもよい。また、かかる転換もしくは構成は、ケーブル系の共振回転数に影響を与えるほどの重量の変化をシードチャックに付与したような場合に、本発明の範囲に含まれる。
【００２４】
なお、上記（８）において「長尺インゴット引き上げのために設定が変更された」というのは、例えば、ケーブル系におけるケーブル長（より具体的に言い換えれば、ケーブル巻取り装置端から原料融液着液時の種結晶までの距離）の初期設定が変更されたような場合を意味する。
【００２５】
ここで、本発明に係る単結晶引上げ装置においては、シードチャックがタングステン製部材やタングステン化合物部材等の不活性高密度物質製部材を含むことによって、当該シードチャックの重量の増大が生じる。
【００２６】
一方、上段チャンバの長さを長くすると、ケーブルも長くなり、ケーブル系の共振回転数が小さくなるが、これは、少なくともインゴットの直胴部については、シードチャックの重量が増大することによって補償される。そして、上段チャンバの長さが長く設定されていることにより、本装置によって安定して得られた長い直胴部を備える単結晶を収容することができる。即ち、本装置によれば、上段チャンバの長さを長くしてケーブルが長くなることに伴って共振が増大しやすくなった分については、シードチャックが重くされることによって防止された状態で単結晶の安定した引き上げを行うことができると共に、上段チャンバの長さが長く設定されていることにより、本装置によって安定して得られた長い直胴部を備える単結晶を収容することができることとなるのである（上記（８））。
【００２７】
そしてこれは、ネック部分が短縮され、その分だけケーブルが長く設定された場合も同様であり、ケーブルが長くなることに伴って共振が増大しやすくなった分については、シードチャックが重くされることによって防止された状態で単結晶の安定した引き上げを行うことができ、ネック部分が短縮された分だけ長いインゴットを得ることができるようになる（上記（９））。
【００２８】
なお、本発明に従えば、不活性高密度物質製部材を含むことによって増大したシードチャックの重量に応じて、引上げられたシリコン単結晶インゴットを格納する上段チャンバの長さが長く設定される場合もある。
【００２９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明を説明するための図であり、単結晶引上げ装置におけるケーブル系を「ケーブル」と「シードチャック及び単結晶」とからなる振り子系モデルとして表した図である。また、図２は、単結晶の引上げを行う際の重心の移動を説明するための図である。
【００３０】
図１に示されるように、単結晶引上げ装置におけるケーブル系１０は、ケーブル巻取りドラム１１と、このケーブル巻取りドラム１１で巻き上げられるケーブル(タングステン製のワイヤ)１３と、ケーブル１３の末端に取り付けられたシードチャック１４と、このシードチャック１４から伸びるネック（種絞り部分）１５と、このネック１５を使って原料融液１６から引き上げられる単結晶１７と、からなる。なお、上記のネック（種絞り部分）１５については、シードチャック１４で把持されたシード(種結晶)が種絞りされることによって形成される（ダッシュネック法）。
【００３１】
このような単結晶引上げ装置のケーブル系１０は、図１に示されるように、ケーブル巻取りドラム１１の部分を支点として揺れる振り子と想定することができる。そして、ケーブル系の共振回転数ｎを定める式「ｎ＝（６０／２π）×（ｇ／Ｌ）^1/2」のＬは、ケーブル巻取りドラム１１のケーブル巻出しのところからケーブル系の重心のところまでの距離ということになる。
【００３２】
ここで、この「ケーブル系の重心」というものは、単結晶の引上げに伴って移動していく。即ち、図２に示されるように、ケーブル系の重心Ｐは、ネック１５が形成された状態（図２（ａ）の状態）ではシードチャック１４上にあるが、単結晶１７の肩の部分１７ａが形成されると、単結晶１７の重量の増加に伴って下方に移動して行く（図２（ｂ）の状態）。そして、単結晶１７が引上げられている状態では、シードチャック１４よりも単結晶１７のほうが重く、ケーブル系の重量の殆どは単結晶１７のほうにあるという状態となるため、ケーブル系の重心Ｐは単結晶１７上に存在するようになる。
【００３３】
このように、単結晶の引上げに伴い、単結晶１７の肩の部分１７ａが形成される際に、ケーブル系の重心Ｐが下方に移動するため、シード(種結晶)から計測した結晶長に対するケーブル系の共振回転数ｎの変化を調べた場合には、ケーブル系の共振回転数ｎの変化は単調増加にはならず、図３に示されるような３次曲線を描くようになる（なお、図３中、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）で図示されているものに対応するところには、同一の（ａ）（ｂ）（ｃ）を付してある）。即ち、単結晶の引上げの際には、単結晶１７の肩の部分１７ａの形成に至るまでには共振回転数ｎは単調に増加をして行くが、肩の部分１７ａの形成の際に重心Ｐが下方に移動することに伴って減少に転じ、極小部分αを形成して再び増加に転じるのである。
【００３４】
ここで、回転させながら単結晶１７を成長させるにあたって、単結晶１７の回転速度ｍ₀に対して、単結晶引上げ装置のケーブル長その他のものが設定されるが、本発明者らの研究によれば、従来の仮説によれば図３中の(ハ)のような単調増加の変化が想定されていたのに対し、図３中の（イ）及び（ロ）のように、単結晶の引き上げに伴って共振回転数が低下し、極小部分αを形成して再び上昇に転じるということが分かったのである。
そして更に言えば、図３中の（イ）は従来からのモリブデン製のシードチャックを使用した場合の共振回転数の変化を示したものであり、（ロ）はこれをタングステン製のシードチャックを使用した場合の共振回転数の変化を示したものであるが、この図から明らかなように、タングステン製のシードチャックを使用した場合には、極小部分αの部分の共振回転数が上がり、当該極小部分αの部分の共振回転数が単結晶１７の回転速度ｍ₀から遠ざかることによる共振抑制効果が得られる。
【００３５】
ここで、（イ）と（ロ）では、極小部分αのところで、少なくともｎ＝０．５程度は開くように（即ち、極小部分αのところにおいて共振回転数ｎが１以上開くように）設定され、このような設定は、シードチャックの重量、シードチャックまでのケーブルの長さ、種絞りの部分の長さの調整を、それぞれ単独或いは組み合せて行うようにすることによって、実現することができる。そしてその中でも、モリブデン製の現行のシードチャック１４の構成部材をタングステン製のものに転換するのが最も簡易かつ効果的である。例えば、現行のシードチャック１４の構成部材の５０％程度をタングステン製のものに転換することによって、上記（イ）から（ロ）への変換（極小部分αのところにおいてｎが１以上アップするように設定すること）を実現することができる。現行のシードチャック１４の構成部材のタングステン製のものへの転換は、好ましくは５０％以上、より好ましくは６０％以上、更に好ましくは７０％以上、一層好ましくは８０％以上、より一層好ましくは９０％以上行うのが好ましい。
なお、共振による単結晶１７の振れ幅を抑制するための上記のような調整は、基本的には単結晶１７の直胴部の形成の際に行われるものであり、そこに入る前の工程（即ち、単結晶１７の肩の部分１７ａの形成以前の工程）では、組まれた装置によって定まる共振回転数を避けるように単結晶１７の回転数を設定することができる。言い換えれば、例えば上記のようにタングステン製のシードチャックに転換することは、少なくとも単結晶１７の直胴部の部分で所望の回転数を確保したいがために行うものである。
【００３６】
図４は、本発明の実施の一態様としてのケーブル式ＣＺ法単結晶引上げ装置の全体構成を示すブロック図である。この図４に示されるように、この実施形態に係るＣＺ法単結晶引上げ装置は、装置の外殻を構成するチャンバ２１が、それぞれ分離可能な状態で、上段チャンバ２１Ｘと、中段チャンバ２１Ｙと、下段チャンバ２１Ｚと、からなり、上段チャンバ２１Ｘ及び中段チャンバ２１Ｙは、モータ２３の駆動力によって旋回軸Ｑを中心に旋回する。そして、上段チャンバ２１Ｘ、中段チャンバ２１Ｙ、及び下段チャンバ２１Ｚは、単結晶１７の引き上げを行う際には、上段チャンバ２１Ｘ及び中段チャンバ２１Ｙがそれぞれ所定の位置にまで移動し、下段チャンバ２１Ｚの上には中段チャンバ２１Ｙ、そして更に中段チャンバ２１Ｙの上には上段チャンバ２１Ｘが載置固定され、全体としてチャンバ２１を構成することになる。
【００３７】
ここで、上段チャンバ２１Ｘには引き上げ後の単結晶が収容される。本装置によれば、上段チャンバ２１Ｘの長さを長くしてケーブル１３が長くなることに伴って共振が増大した分については、例えばシードチャック１４が重くされることによって防止された状態で単結晶１７の安定した引き上げを行うことができる。そして、これと共に、上段チャンバ２１Ｘの長さが長く設定されていることにより、本装置によって安定して得られた長い直胴部を備える単結晶を収容することができることとなる。
【００３８】
【発明の効果】
以上のような本発明によれば、簡易な構成・機構によってケーブル式ＣＺ法単結晶引上げ装置のケーブル系の共振を防止することができ、単結晶の安定した引き上げを実現することができる。また、本装置によれば、長い直胴部を備える単結晶インゴットが安定して得られることになる。
【００３９】
また、反射的効果として、ケーブル式ＣＺ法単結晶引上げ装置において、結晶引き上げの際の結晶回転数を上げることもできるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を説明するための図であり、単結晶引上げ装置におけるケーブル系を「ケーブル」と「シードチャック及び単結晶」とからなる振り子系モデルとして表した図である。
【図２】図２は、単結晶の引上げを行う際の重心の移動を説明するための図である。
【図３】単結晶引き上げの際、シード(種結晶)から計測した結晶長に対するケーブル系の共振回転数ｎの変化を示す図である。
【図４】本発明の実施の一態様としてのケーブル式ＣＺ法単結晶引上げ装置の全体構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０ケーブル系
１１ケーブル巻取りドラム
１３ケーブル(タングステン製のワイヤ)
１４シードチャック
１５ネック（種絞り部分）
１６原料融液
１７単結晶
Ｐケーブル系の重心
１７ａ単結晶１７の肩の部分
ｍ₀ 単結晶１７の回転速度
２１チャンバ
２１Ｘ上段チャンバ
２１Ｙ中段チャンバ
２１Ｚ下段チャンバ
２３モータ
Ｑ旋回軸

Claims

単結晶を引上げるためのケーブルその他の引き上げ部材を備え、ＣＺ法によって原料融液から単結晶を引上げるケーブル式ＣＺ法単結晶引上げ装置の設計方法であって、
ケーブル系の共振回転数は、単結晶の引上げの過程において、単結晶のショルダー部の形成に至るまで単調に増加し、単結晶のショルダー部の形成の際に極大部分を形成して減少に転じ、単結晶の直胴部の形成の際に極小部分を形成して再び増加することに基づいて、前記極小部分での共振周波数が種絞り開始時の共振周波数よりも１ｒｐｍ以上大きくなるように、シードチャックの重量を設計することを特徴とするケーブル式ＣＺ法単結晶引上げ装置の設計方法。
単結晶を引上げるためのケーブルその他の引き上げ部材を備え、ＣＺ法によって原料融液から単結晶を引上げるケーブル式ＣＺ法単結晶引上げ装置であって、
ケーブル系の共振回転数は、単結晶の引上げの過程において、単結晶のショルダー部の形成に至るまで単調に増加し、単結晶のショルダー部の形成の際に極大部分を形成して減少に転じ、単結晶の直胴部の形成の際に極小部分を形成して再び増加することに基づいて、前記極小部分での共振周波数が種絞り開始時の共振周波数よりも１ｒｐｍ以上大きくなるように、シードチャックの重量が設定されたケーブル式ＣＺ法単結晶引上げ装置。
前記シードチャックの構成部材が不活性高密度物質製部材で製作されていることを特徴とする請求項１に記載のケーブル式ＣＺ法単結晶引上げ装置の設計方法。
前記不活性高密度物質はタングステンであることを特徴とする請求項３記載のケーブル式ＣＺ法単結晶引上げ装置の設計方法。
前記シードチャックの構成部材が不活性高密度物質製部材で製作されていることを特徴とする請求項２に記載のケーブル式ＣＺ法単結晶引上げ装置。
前記不活性高密度物質はタングステンであることを特徴とする請求項５記載のケーブル式ＣＺ法単結晶引上げ装置。