JP2010241635A - 半導体単結晶製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 装置構成の複雑化を回避するとともに、適切な単結晶生成を可能とする半導体単結晶製造装置を提供すること。
【解決手段】 半導体単結晶の成長速度で移動する低速モードと、半導体単結晶の成長速度を超える速度で移動する高速モードと、を有する種結晶ホルダ５を備えた半導体単結晶製造装置Ａ１であって、種結晶ホルダ５およびルツボ１に対して単一の駆動経路で連結されたサーボモータ７１Ａ，７１Ｂと、サーボモータ７１Ａ，７１Ｂの回転量を検出するロータリーエンコーダ７２Ａ，７２Ｂと、サーボモータ７１Ａ，７１Ｂを制御するサーボアンプ７５Ａ，７５Ｂと、サーボアンプ７５Ａ，７５Ｂに対して、少なくとも上記低速モードにおいて位置制御指令を送るシーケンサ８と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、たとえば太陽電池の材料となる半導体単結晶を生成する半導体単結晶製造装置に関する。

半導体ウエハは、ＬＳＩなどの半導体製品の材料として広く用いられている。また、近年は、太陽電池の材料として、半導体ウエハが用いられている。このような半導体ウエハは、半導体の単結晶インゴットをスライスすることによって製造される。半導体の単結晶インゴットを製造する手法としては、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法）が知られている。ＣＺ法においては、多結晶半導体をルツボ内で溶融させる。ワイヤによって吊り下げられた種結晶ホルダに種結晶を保持させる。そして、この種結晶を溶融した半導体に浸漬させた状態から上記ワイヤを単結晶の成長速度で巻き取ることにより単結晶インゴットが形成される。

図３は、ＣＺ法を用いた従来の半導体単結晶製造装置におけるワイヤ巻取り機構の一例を示している（たとえば、特許文献１）。同図に示されたワイヤ巻取り機構Ｘは、２つのモータ９１Ａ，９１Ｂが、クラッチ９２Ａ，９２Ｂを介して差動ギア９３に連結されている。たとえば、結晶成長に先立って上記種結晶を上記ルツボに向けて下降させるときには、クラッチ９２Ｂを切るとともに、クラッチ９２Ａによってモータ９１Ａと差動ギア９３とを接続する。これにより、上記種結晶は比較的高速で下降する。次いで、種結晶を引き上げることにより結晶成長させるときには、クラッチ９２Ａを切るとともに、クラッチ９２Ｂによってモータ９１Ｂと差動ギア９３とを接続する。差動ギア９３は、モータ９１Ｂが接続された場合、モータ９１Ａが接続された場合よりも巻き取りドラム９４を顕著に遅い速度で回転させる。これにより、上記種結晶は、たとえば１０ｍｍ／ｍｉｎ以下の非常に低い速度で引き上げられる。この引き上げ速度を単結晶の成長速度に合わせることにより、半導体の単結晶インゴットが生成される。

しかしながら、ワイヤ巻取り機構Ｘには、高速用と低速用の２つのモータ９１Ａ，９１Ｂが必要である。また、これらのモータ９１Ａ，９１Ｂの回転量を検出するためのたとえばロータリーエンコーダがそれぞれに必要となる。このため、ワイヤ巻き取り機構Ｘの装置構成が複雑となり、コストを増大させていた。

特開平１０−２５１０９２号公報

本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、装置構成の複雑化を回避するとともに、適切な単結晶生成を可能とする半導体単結晶製造装置を提供することをその課題とする。

本発明によって提供される半導体単結晶製造装置は、半導体単結晶の成長速度で移動する低速モードと、半導体単結晶の成長速度を超える速度で移動する高速モードと、を有する移動部を備えた半導体単結晶製造装置であって、上記移動部に対して単一の駆動経路で連結されたサーボモータと、上記サーボモータの回転量を検出する回転量検出手段と、上記サーボモータを制御するサーボアンプと、上記サーボアンプに対して、少なくとも上記低速モードにおいて位置制御指令を送る制御部と、を備えることを特徴としている。

このような構成によれば、上記高速モードおよび低速モードの２つのモードで上記移動部を移動させることが可能であるにもかかわらず、１つの上記サーボモータが単一の駆動経路で上記移動部に連結されている。このため、上記半導体単結晶製造装置の構造が複雑化することを回避可能であり、上記半導体単結晶製造装置のコスト低減を図ることができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記位置制御指令は、１パルスが上記回転量検出手段の最小検出角度分の回転量に相当するパルス信号である。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記１パルスによる上記移動部の移動量が、０．０５μｍ以下である。このような構成によれば、低速モードにおける上記移動部の移動速度は、０．１〜１０ｍｍ／ｍｉｎ程度、さらには１ｍｍ／日程度の極低速が可能である。このような低速は、上記移動部を単結晶の成長速度に合わせて移動させるのに十分であり、たとえば均一な品質の単結晶インゴットを製造するのに適している。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記移動部は、チョクラルスキー法において上記半導体単結晶とともに引き上げられる単結晶保持部、または溶融した半導体材料を貯めるルツボである。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記移動部は、フローティングゾーン法における多結晶保持部、単結晶保持部、または多結晶を加熱する加熱部である。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

本発明の第１実施形態に基づく半導体単結晶製造装置を示す装置構成図である。 本発明の第２実施形態に基づく半導体単結晶製造装置を示す装置構成図である。 従来の半導体単結晶製造装置におけるワイヤ巻き取り機構を示す装置構成図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に基づく半導体単結晶製造装置を示している。本実施形態の半導体単結晶製造装置Ａ１は、ルツボ１、ヒータ２、種結晶ホルダ５、ワイヤ巻き取り機構７Ａ、ロッド昇降機構７Ｂ、およびシーケンサ８を備えている。半導体単結晶製造装置Ａ１は、ＣＺ法によってたとえば太陽電池の製造に用いられる半導体ウエハの材料となる単結晶インゴット３を製造するための装置である。

ルツボ１は、たとえば石英からなり、多結晶シリコンを溶融させた溶融液３１が貯められる。ヒータ２は、ルツボ１を囲むように配置されており、ルツボ１内の多結晶シリコンを溶融させるための熱源である。ルツボ１には、ロッド１１が連結されている。このロッド１１をロッド昇降機構７Ｂによって昇降させることにより、ルツボ１は、昇降自在とされている。ルツボ１の昇降は、溶融液３１の液面位置が不当に上下しないようにルツボ１の上下方向位置を調整するためになされる。

ロッド昇降機構７Ｂは、サーボモータ７１Ｂ、ロータリーエンコーダ７２Ｂ、減速機７３Ｂ、サーボアンプ７５Ｂ、およびボールネジ７６Ｂを備えている。

サーボモータ７１Ｂは、ロッド昇降機構７Ｂの駆動源であり、たとえばＡＣサーボモータである。ロータリーエンコーダ７２Ｂは、サーボモータ７１Ｂの駆動軸後端に取り付けられており、サーボモータ７１Ｂの駆動軸の回転量を検出する。サーボモータ７１Ｂおよびロータリーエンコーダ７２Ｂは、サーボアンプ７５Ｂに接続されている。サーボアンプ７５Ｂは、ロータリーエンコーダ７２Ｂの検出量を受けることにより、サーボモータ７１Ｂの回転量をフィードバック制御する機能を有する。減速機７３Ｂは、サーボモータ７１Ｂの出力軸前端に取り付けられており、サーボモータ７１Ｂの駆動軸の回転数に対して少ない回転数で出力軸が回転するように、多数のギアが組み合わされた構造を有している。減速機７３Ｂの出力軸は、ボールネジ７６Ｂに連結されている。サーボモータ７１Ｂの駆動によりボールネジ７６Ｂが回転すると、ロッド１１が昇降する。

種結晶ホルダ５は、単結晶インゴット３を製造するために用いられる種結晶４を保持するためのものである。種結晶ホルダ５は、ワイヤ６に取り付けられており、ルツボ１に対して上下に移動可能とされている。

ワイヤ巻き取り機構７Ａは、ワイヤ６を巻き取りあるいは巻き戻しすることにより、種結晶ホルダ５をルツボ１に対して上下方向に移動させるための機構である。ワイヤ巻き取り機構７Ａは、サーボモータ７１Ａ、ロータリーエンコーダ７２Ａ、減速機７３Ａ、巻き取りドラム７４Ａ、およびサーボアンプ７５Ａを備えている。

サーボモータ７１Ａは、ワイヤ巻き取り機構７Ａの駆動源であり、たとえばＡＣサーボモータである。ロータリーエンコーダ７２Ａは、サーボモータ７１Ａの駆動軸後端に取り付けられており、サーボモータ７１Ａの駆動軸の回転量を検出する。サーボモータ７１Ａおよびロータリーエンコーダ７２Ａは、サーボアンプ７５Ａに接続されている。サーボアンプ７５Ａは、ロータリーエンコーダ７２Ａの検出量を受けることにより、サーボモータ７１Ａの回転量をフィードバック制御する機能を有する。減速機７３Ａは、サーボモータ７３Ａの出力軸前端に取り付けられており、サーボモータ７１Ａの駆動軸の回転数に対して少ない回転数で出力軸が回転するように、多数のギアが組み合わされた構造を有している。巻き取りドラム７４Ａは、減速機７３の出力軸に取り付けられており、ワイヤ６を巻き取る。

シーケンサ８は、半導体単結晶製造装置Ａ１の動作を駆動制御するものであり、たとえばＣＰＵ、メモリ、インターフェースからなる。シーケンサ８には、位置決めユニット８１が組み込まれている。位置決めユニット８１は、複数軸のサーボモータおよびサーボアンプに対して動作指令を行うことが可能に構成されており、光ケーブル８２Ａ，８２Ｂを介してサーボアンプ７５Ａ，７５Ｂと接続されている。位置決めユニット８１からは、サーボモータ７１Ａ，７１Ｂに対する動作指令信号がサーボアンプ７５Ａ，７５Ｂに対して送られる。

ワイヤ巻き取り機構７Ａによる種結晶ホルダ５の上下動、およびロッド昇降機構７Ｂによるルツボ１の上下動には、高速モードおよび低速モードの２つのモードがあり、シーケンサ８によっていずれかのモードが選択される。高速モードは、たとえば単結晶の成長工程に先立って、種結晶ホルダ５に種結晶４を取り付けるための準備作業や、種結晶４が取り付けられた種結晶ホルダ５を単結晶の成長工程の初期位置に移動させる作業、あるいはルツボ１に多結晶シリコン材料を挿入する作業において選択される。この高速モードにおいては、位置決めユニット８１からサーボアンプ７５Ａ，７５Ｂに対して、速度指令信号または位置指令信号のいずれかが送信される。一方、低速モードは、単結晶の成長工程において選択されるモードであり、種結晶ホルダ５を単結晶インゴット３の成長速度に合わせて上昇させたり、溶融液３１の減少によって溶融液３１の液面が下降してしまうことを防ぐためにルツボ１を上昇させたりする。この低速モードにおいては、位置決めユニット８１からサーボアンプ７５Ａ，７５Ｂに対して、位置指令信号が送信される。これらのモードにおける位置指令信号は、パルス信号の形態として送られる。このパスル信号の１パルスは、ロータリーエンコーダ７２Ａ，７２Ｂの最小検出角度分だけサーボモータ７１Ａ，７１Ｂを回転させることに相当する。

ワイヤ巻き取り機構７Ａおよびロッド昇降機構７Ｂの具体的な構成、および２つのモードにおける移動速度の一例を以下に述べる。サーボモータ７１Ａ，７１Ｂおよび減速機７３Ａ，７３Ｂとしては、三菱電機製：型番ＨＦ−ＭＰ０５３Ｂを用いる。ロータリーエンコーダ７２Ａ，７２Ｂは、１回転当たりの分解能が２６２，１４４パルスである。サーボアンプ７５Ａ，７５Ｂとしては、三菱電機製：型番ＳＡＶ−ＡＭＰ１、位置決めユニット８１としては、三菱電機製：ＱＤ７５ＭＨ４を用いる。このような構成によれば、上記位置指令信号の１パルスによって、種結晶ホルダ５またはルツボ１が０．０１μｍ移動する。単結晶インゴット３を適切に製造するには、この１パルスあたりの移動距離が０．０５μｍ以下であることが望ましい。低速モードにおける速度は、０．１〜１０ｍｍ／ｍｉｎ程度が実現可能であり、さらに１ｍｍ／日程度の極低速移動も可能である。高速モードにおける速度は、１ｍ／ｍｉｎ程度である。すなわち、低速モードと高速モードとにおける速度比率は、１：１０，０００を大きく超える。

なお、ルツボ１と単結晶インゴット３（種結晶ホルダ５）とは、単結晶の成長工程において、図示しない回転駆動機構によって回転させられる。好ましくは、ルツボ１と単結晶インゴット３（種結晶ホルダ５）は、互いの回転方向が反対とされる。

次に、半導体単結晶製造装置Ａ１の作用について説明する。

本実施形態によれば、上述した高速モードおよび低速モードの２つのモードで種結晶ホルダ５およびルツボ１を移動させることが可能であるにもかかわらず、ワイヤ巻き取り機構７Ａおよびロッド昇降機構７Ｂは、サーボモータ７１Ａ，７１Ｂが単一の駆動経路で巻き取りドラム７４Ａおよびボールネジ７６Ｂに連結されている。すなわち、図３に示された従来技術による例と異なり、駆動源としてサーボモータ７１Ａ，７１Ｂおよびロータリーエンコーダ７２Ａ，７２Ｂを１つずつ有するのみである。このため、ワイヤ巻き取り機構７Ａおよびロッド昇降機構７Ｂの構造が複雑化することを回避可能であり、ワイヤ巻き取り機構７Ａおよびロッド昇降機構７Ｂ、ひいては半導体単結晶製造装置Ａ１のコスト低減を図ることができる。

低速モードにおける種結晶ホルダ５およびルツボ１の移動速度は、０．１〜１０ｍｍ／ｍｉｎ程度、さらには１ｍｍ／日程度の極低速が可能である。このような低速の移動速度は、均一な品質の単結晶インゴット３を製造するのに適している。種結晶ホルダ５およびルツボ１の移動速度を０．０５μｍ／パルス以下とすることは、たとえば比較的大径の単結晶インゴット３を製造するのに好適である。

種結晶ホルダ５を上下動させる機構としては、ワイヤ６の巻き取りに限定されず、たとえば種結晶ホルダ５に連結されたロッドを、ロッド昇降機構７Ｂに類似の機構によって上下動させる構成であってもよい。

図２は、本発明の第２実施形態に基づく半導体単結晶製造装置を示している。なお、本図において、上記実施形態と同一または類似の要素には、上記実施形態と同一の符号を付している。本実施形態の半導体単結晶製造装置Ａ２は、フォローティングゾーン法（以下、ＦＺ法）を用いてシリコン単結晶インゴットを製造する点が、上述した実施形態と異なっている。

半導体単結晶製造装置Ａ２においては、ヒータ２は、扁平なドーナツ状とされている。このヒータ２の上方に、多結晶シリコンホルダ５１に保持された多結晶シリコン３２が配置される。多結晶シリコン３２のうちヒータ２に囲まれた部分は熱せられて溶解する。そして、ヒータ２を下方に超える過程において単結晶として成長し、単結晶インゴット３が製造される。

多結晶シリコンホルダ５１には、ロッド１２が連結されている。また、単結晶インゴット３には、ロッド１３が連結されている。ロッド１２およびロッド１３は、それぞれロッド昇降機構７Ｃ，７Ｄによって独立して上下動自在とされている。ロッド昇降機構７Ｃ，７Ｄは、それぞれサーボモータ７１Ｃ，７１Ｄ、ロータリーエンコータ７２Ｃ，７２Ｄ、減速機７３Ｃ，７３Ｄ、サーボアンプ７５Ｃ，７５Ｄ、およびボールネジ７６Ｃ，７６Ｄを備えており、上述したロッド昇降機構７Ｂに類似の構成とされている。

単結晶インゴット３の製造工程においては、ロッド昇降機構７Ｄによってロッド１３すなわち単結晶インゴット３を単結晶の成長速度に合わせて下降させる。これとともに、多結晶シリコンホルダ５１すなわち多結晶シリコン３２を下降させる。単結晶インゴット３の下降速度と多結晶シリコン３２の下降速度とに適宜速度差をもたせることにより単結晶インゴット３の太さを調節することができる。

なお、多結晶シリコン３２（多結晶シリコンホルダ５１）と単結晶インゴット３とは、単結晶の成長工程において、図示しない回転駆動機構によって回転させられる。好ましくは、多結晶シリコン３２（多結晶シリコンホルダ５１）と単結晶インゴット３とは、互いの回転方向が反対とされる。

このような構成によれば、ヒータ２に対して多結晶シリコン３２を単結晶の成長速度に合わせて移動させることが可能であり、ＦＺ法を用いた単結晶インゴット３の製造を適切に行うことができる。その一方で、半導体単結晶製造装置Ａ２の複雑化を回避し、コスト低減を図ることができる。なお、本実施形態と異なり、ロッド昇降機構７Ｃ，７Ｄと同様の機構を用いて、ヒータ２を移動させる構成であってもよい。

本発明に係る半導体単結晶製造装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る半導体単結晶製造装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

Ａ１，Ａ２ 半導体単結晶製造装置
１ ルツボ
１１，１２，１３ ロッド
２ ヒータ
３ 単結晶インゴット
３１ 溶融液
３２ 多結晶シリコン
４ 種結晶
５ 種結晶ホルダ（単結晶保持部）
５１ 多結晶シリコンホルダ
６ ワイヤ
７Ａ ワイヤ巻取り機構
７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ ロッド昇降機構
７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃ，７１Ｄ サーボモータ
７２Ａ，７２Ｂ，７２Ｃ，７２Ｄ ロータリーエンコーダ（回転量検出手段）
７３Ａ，７３Ｂ，７３Ｃ，７３Ｄ 減速機
７４Ａ 巻き取りドラム
７５Ａ，７５Ｂ，７５Ｃ，７５Ｄ サーボアンプ
７６Ｂ，７６Ｃ，７６Ｄ ボールネジ
８ シーケンサ（制御部）
８１ 位置決めユニット
８２Ａ，８２Ｂ，８２Ｃ，８２Ｄ 光ケーブル

Claims (5)

1. 半導体単結晶の成長速度で移動する低速モードと、半導体単結晶の成長速度を超える速度で移動する高速モードと、を有する移動部を備えた半導体単結晶製造装置であって、
   上記移動部に対して単一の駆動経路で連結されたサーボモータと、
   上記サーボモータの回転量を検出する回転量検出手段と、
   上記サーボモータを制御するサーボアンプと、
   上記サーボアンプに対して、少なくとも上記低速モードにおいて位置制御指令を送る制御部と、
   を備えることを特徴とする、半導体単結晶製造装置。
2. 上記位置制御指令は、１パルスが上記回転量検出手段の最小検出角度分の回転量に相当するパルス信号である、請求項１に記載の半導体単結晶製造装置。
3. 上記１パルスによる上記移動部の移動量が、０．０５μｍ以下である、請求項２に記載の半導体単結晶製造装置。
4. 上記移動部は、チョクラルスキー法において上記半導体単結晶とともに引き上げられる単結晶保持部、または溶融した半導体材料を貯めるルツボである、請求項１ないし３のいずれかに記載の半導体単結晶製造装置。
5. 上記移動部は、フローティングゾーン法における多結晶保持部、単結晶保持部、または多結晶を加熱する加熱部である、請求項１ないし３のいずれかに記載の半導体単結晶製造装置。

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