JP3758743B2

JP3758743B2 - 半導体単結晶製造装置

Info

Publication number: JP3758743B2
Application number: JP12412296A
Authority: JP
Inventors: 英樹辻; 光徳川畑; 吉信平石; 良山岸
Original assignee: コマツ電子金属株式会社
Priority date: 1996-04-22
Filing date: 1996-04-22
Publication date: 2006-03-22
Anticipated expiration: 2016-04-22
Also published as: JPH09286693A; US5935325A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン等の半導体単結晶を引き上げ成長させながら単結晶の重量を計測する結晶重量計測装置およびそれを用いた半導体単結晶製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
単結晶シリコンの製造方法に、石英るつぼに充填した高純度多結晶シリコンを加熱溶解して融液とし、この融液に種結晶を浸漬し、種結晶に導かれた融液を引き上げて固化、結晶化するチョクラルスキー法（以下ＣＺ法という）がある。図４に、一般的なＣＺ法による半導体単結晶製造装置の概略構成を示す。図４に示す装置では、シードチャック２１を介して種結晶２２を保持する引き上げケーブル１９をケーブル巻き取りドラム５で巻き上げることにより、単結晶シリコンを引き上げる装置である。このような引き上げケーブル１９を用いた半導体単結晶製造装置では、単結晶シリコンの直径を所定の寸法に制御するため、光学式直径制御法が用いられている。光学式直径制御法では、テレビカメラ２３などにより融液面２４と単結晶シリコンとの境界に発生するメニスカスリングを撮影した映像信号を、カメラコントロールユニット２５を介して幅計測ユニット２６で処理することにより、メニスカスリングを横切る単結晶シリコンの直径を算出し、その算出値に基づいて直径制御装置２７で単結晶シリコンの引き上げ速度および融液温度を制御して単結晶シリコンの直径を設定値に近づける。
【０００３】
ＣＺ法におけるもう１つの直径制御方法として重量式直径制御法がある。重量式直径制御法は、ロードセルを用いて計測した成長中の単結晶重量を、直径制御装置で設定したモデル結晶重量と比較し、その偏差の大きさに基づいて単結晶引き上げ速度および融液温度を調節することによって、成長中の単結晶直径がモデル結晶の直径に近似するように制御する方法である。この方法では、引き上げ中の単結晶重量を極めて正確に測定する必要があり、種結晶をフォースバーと呼ばれる棒状部材を介して重量をはかる計測器であるロードセルの荷重印加点に吊り下げることによって単結晶重量を直接計測する特殊な半導体単結晶製造装置が用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
重量式直径制御法は光学式直径制御法に比べて直径制御特性が良好であり、特に直径絶対値の再現性や、結晶成長の終端部において結晶直径を徐々に減少させるテール形成時の制御特性が極めて優れている。しかし、重量式直径制御法を適用する半導体単結晶製造装置では、フォースバーを用いているため、光学式直径制御法を適用し、引き上げケーブルを用いて半導体単結晶の引き上げを行っている一般的な半導体単結晶製造装置に比べると、同じ長さの半導体単結晶を製造する場合、装置の全高が約２倍となる。その結果、半導体単結晶製造装置を設置する工場建屋は大きなものが必要となり、また、半導体単結晶製造装置の価格も引き上げケーブルを用いた光学式直径制御法による半導体単結晶製造装置に比べて高額となる。この問題を解決するため、引き上げケーブルを用いて半導体単結晶の引き上げを行う一般的な半導体単結晶製造装置に対して、重量式直径制御法の適用が求められている。
【０００５】
ケーブル方式の結晶引き上げ機構を用いる半導体単結晶製造装置で簡易的に単結晶重量を計測する場合、図５に簡略化して示すように、ケーブル巻き取りドラム３１の前にガイドプーリ３２を設け、ガイドプーリ３２に加わる半導体単結晶３３の荷重をロードセル３４により計測する構造が用いられている。しかし、この構造では、重量式直径制御法で必要とされる正確な単結晶重量を計測することが困難である。その理由は、柔軟性をもたせるために引き上げケーブル３５が素線を撚り合わせた構造となっており、この為、引き上げケーブル３５の直径は一定ではなく、図５に示す構造で単結晶重量を計測する場合、ガイドプーリ３２の中心点と、引き上げケーブル３５の断面の中心点すなわち単結晶重量が作用する点との距離はガイドプーリ３２の半径方向に変化する。この変化のため、ガイドプーリ３２上での荷重点が変化し、ガイドプーリ３２に作用する力の釣り合い点がロードセル３４の荷重印加からずれ、単結晶重量の正確な計測が困難となる。この現象は引き上げケーブル３５の直径変動に起因しているため、ロードセル３４で計測される単結晶重量は、実際の単結晶重量が変化しなくても引き上げケーブル３５の撚りピッチと引き上げケーブル３５の巻き取り速度からなる周期で変動する。このようにロードセルによる重量信号に誤差が含まれるため、育成単結晶の直径制御が安定せず、高品質の単結晶が得られないという欠点がある。
【０００６】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的は引き上げケーブルにより単結晶を引き上げる構造をもち、重量式直径制御方式を適用して高精度の直径制御を可能とするとともに、安価な半導体単結晶製造装置を得ることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、第１発明の結晶重量計測装置は、結晶を引き上げる引き上げケーブルと、引き上げケーブルを巻き取るケーブル巻き取り機構と、前記ケーブル巻き取り機構を結晶の中心軸上で回転させる回転機構とを備えた結晶重量計測装置において、前記ケーブル巻き取り機構はロードセルを介して支持される構造を持ち、前記ケーブル巻き取り機構および前記ロードセルがプルチャンバに取着されシールされた真空容器内に設置される構成とした。
【０００８】
第２発明の結晶重量計測装置は、結晶を引き上げる引上げケーブルと、引上げケーブルを巻き取るケーブル巻き取りドラムをするケーブル巻き取り機構と、ケーブル巻取り機構を結晶の中心軸上で回転させる回転機構とを備えた結晶重量計測装置において、ケーブル巻き取りドラムは回転しつつ移動することを特徴としている。
【０００９】
第３発明の結晶重量計測装置は、第２発明において、ケーブル巻き取りドラムの移動方向と反対の方向に移動する質量移動機構を設け、ケーブル巻き取りドラムの回転に同期して前記質量移動機構を駆動することを特徴としている。
【００１０】
第４発明の結晶重量計測装置は、第３発明において、ケーブル巻き取りドラムの移動ピッチに対して質量移動機構の移動ピッチを大きくしたことを特徴としている。
また、第５発明の結晶製造装置は、第１−４発明の結晶重量計測装置を用いたことを特徴としている。
【００１１】
【発明の実施の形態および実施例】
本発明は、ケーブル方式による従来の半導体単結晶製造装置にロードセルを用いた重量式直径制御装置を組み込むことによって育成単結晶の直径を高精度に制御可能とするものである。上記構成によれば、単結晶を引き上げるためのケーブル巻き取り機構をすべてロードセル上に設置したので、単結晶引き上げの際に生じる荷重はすべてロードセルに作用する。このため、単結晶の重量増加は時間とともに増加する荷重として正確に計測され、高精度の重量式直径制御が可能となる。
【００１２】
また、ケーブル巻き取り機構を駆動する手段として１台のステッピングモータを用い、モータアンプ上でステッピングモータのステップ角分割数を切り換える構成としたので、低速巻き取りが要求される単結晶引き上げ時にはステップ角を電気的に小さくし、安定、かつ精度よくステッピングモータを回転させる。その他の場合には半導体単結晶製造装置の操作性を向上させるため、ステップ角を電気的に大きくし、低速時と同一発振周波数でステッピングモータを高速で回転させる。これにより、１台のステッピングモータで引き上げ速度を広範囲に制御することが可能となる。
【００１３】
半導体単結晶を引き上げる際、巻き取りドラム上で引き上げケーブルが重なり合って巻き取られることを防止するため、巻き取りドラムは回転しつつ軸方向に移動する。このため、巻き取りドラムの移動に伴って、ロードセルには巻き取りドラムの重量と重心点移動量との積に相当する偏荷重が作用する。そこで、巻き取りドラムの回転に同期して巻き取りドラムの移動方向と反対の方向に移動する質量を備えた質量移動機構を設置し、前記偏荷重モーメントを打ち消すモーメントを発生させれば、巻き取りドラムの移動によるロードセル上に設置された機構の重心点の変化発生を防ぐことができる。これにより、ロードセルによる単結晶重量の増加をより高精度で計測することが可能となる。
【００１４】
更に、上記質量移動機構の移動ピッチをケーブル巻き取りドラムの移動ピッチより大きくすれば、ケーブル巻き取りドラムの移動によって生じる偏荷重を打ち消す機構に要求される質量を軽減することができる。
【００１５】
次に、本発明に係る半導体単結晶製造装置の実施例について図面を参照して説明する。図１は、半導体単結晶製造装置におけるケーブル巻き取り機構の駆動系を示す斜視図、図２はケーブル巻き取り機構の上面図、図３は図２のＡ−Ａ断面図である。これらの図において、ケーブル巻き取り機構は、大別すると真空対応仕様のステッピングモータ１、減速機２，３，４、ケーブル巻き取りドラム５からなり、いずれもプレート６上に設置されている。プレート６は、図３に示す真空容器７の底板７ａ上にロードセル８を介して設置されている。ロードセル８は底板７ａ上に１２０°ピッチで３個配設され、ケーブル巻き取り機構およびプレート６による荷重を分担して検出する。
【００１６】
ドラム軸９の外周には、ケーブル巻き取りドラム５に設けられたケーブル巻き取り溝のピッチと同一ピッチのおねじが設けられ、このおねじはドラム支持部１０の内面に設けられためねじに螺合している。また、図２に示すように、ドラム軸９と平行に設けられたボールねじ１１と表示しないスプラインによって移動自在の錘１２が装着されている。前記ボールねじ１１は、ドラム軸９の端部に取着された同期用主歯車１３と噛み合う同期用受歯車１４により回転する。図１、図２ではボールねじ１１をドラム軸９の横に設けているが、ボールねじ１１をドラム軸９の下方に設置してもよい。なお、図１に示した減速機２，３，４はギヤボックス１５に収納されている。
【００１７】
真空容器７の下方には、真空容器７を回転させるためのプーリ１６、スリップリング１７、磁気シール１８が設けられ、磁気シール１８の下面は図示しないプルチャンバに取着されている。また、図示しないベルトによりプーリ１６を駆動して真空容器７を回転させると、引き上げケーブル１９を介して図示しない単結晶が回転する。
【００１８】
半導体単結晶製造装置の外部に設けられた重量式直径制御装置２０から出力される指令信号は、スリップリング１７を経由して真空容器７内に設置されたステッピングモータ１を駆動する。ステッピングモータ１は減速機２，３，４を介してケーブル巻き取りドラム５を回転させる。ケーブル巻き取りドラム５は、回転とともにドラム支持部１０に設けためねじに沿って移動するので、ケーブル巻き上げ点は常に一定の位置を維持する。
【００１９】
ケーブル巻き取り機構はロードセル８上に設置されているため、ケーブル巻き取り機構の重量はロードセル８の初期値として既知の値となり、単結晶の成長による重量変化はロードセル８の時間による重量変化として正確に計測することが可能である。そして、ロードセル８により正確に計測された重量信号はスリップリング１７を介して重量式直径制御装置２０に入力され、重量式直径制御装置２０は単結晶重量の変化量に基づいてケーブル巻き取り速度および融液温度を修正するための指令信号を出力する。
【００２０】
ロードセル８上にケーブル巻き取り機構を設置した構造となっているため、ロードセル８の重量計測スパンをより広く確保するためには、ケーブル巻き取り機構を軽量化する必要がある。また、ケーブル巻き取り機構は、通常の単結晶引き上げ速度である０〜５ｍｍ／分の引き上げ速度を実現するとともに、単結晶を取り出す場合等における操作性を向上させるため、６００ｍｍ／分程度の高速巻き上げも要求される。このため、通常は２台のモータとクラッチを用いた減速機構とからなるケーブル巻き取り機構となっている。本実施例では、軽量なケーブル巻き取り機構で、必要な巻き上げ速度を実現するため、１台のステッピングモータを用いた１系統の減速機構を設けた。そして、幅広い巻き上げ速度範囲を１つの制御システムで実現するため、高速巻き取り時には通常のステッピングモータのステップ角分割数で駆動し、通常の結晶育成に必要な低速巻き取り時にはステッピングモータのステップ角分割数を多くするマイクロステップ方式を用い、使用する速度域によってステップ角分割数を切り換え、同一発振周波数範囲でモータの高速および低速回転を実現している。
【００２１】
ロードセル８上で変化するものは単結晶の重量であり、移動するものはケーブル巻き取りドラム５である。そこで、ケーブル巻き取りドラム５の移動に伴い、ケーブル巻き取りドラム５の移動方向と反対の方向に移動する錘１２をケーブル巻き取りドラム５の偏荷重に相当する質量移動機構として設置した。これにより、ケーブル巻き取りドラム５の移動によるロードセル８上の荷重点の変化を打ち消すことができ、ロードセル８による単結晶重量の増加をより高精度に計測することが可能となる。
【００２２】
しかしながら、ロードセル８上にはケーブル巻き取り機構が設置されているため、ロードセル８の計測可能範囲、すなわち計測可能な単結晶の重量はケーブル巻き取り機構の重量によって制限される。このため、ケーブル巻き取り機構の軽量化が必要である。そこで、ケーブル巻き取りドラム５の重量とケーブル巻き取りドラム５の移動による偏荷重を防ぐ質量移動機構において、ケーブル巻き取りドラム５の重量の１／２の重量をもつ錘１２をケーブル巻き取りドラム５の移動量の２倍移動させる構造とし、ロードセル８に作用する荷重を軽減している。
【００２３】
以上のような構成による単結晶引き上げ機構をケーブル方式による従来の半導体単結晶製造装置に取り付け、フォースバー式半導体単結晶製造装置に使用していた重量式直径制御装置と組み合わせて単結晶シリコンを製造した。その結果、従来のフォースバー式半導体単結晶製造装置と同等の精度の直径制御が可能となった。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ケーブル方式の半導体単結晶製造装置において、引き上げケーブルを含むケーブル巻き取り機構全体をロードセル上に設置したので、ロードセルには単結晶重量とともに既知であるケーブル巻き取り機構の重量が作用し、正確な単結晶重量が計測できる。このように、従来、フォースバー式の半導体単結晶製造装置に適用されていたロードセルと重量式直径制御装置とを、フォースバー式に比べて著しく製作費の安価なケーブル方式の半導体単結晶製造装置に使用可能としたので、直径制御性が格段に優れ、しかも安価に製作することができる半導体単結晶製造装置の実現が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体単結晶製造装置におけるケーブル巻き取り機構の駆動系を示す斜視図である。
【図２】ケーブル巻き取り機構の上面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】光学式直径制御方法を用いた従来の半導体単結晶製造装置の概略構成を模式的に示す説明図である。
【図５】従来のケーブル方式の結晶引き上げ機構にロードセルを取り付けた状態を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
１ステッピングモータ
２，３，４減速機
５，３１ケーブル巻き取りドラム
７真空容器
８，３４ロードセル
９ドラム軸
１０ドラム支持部
１１ボールねじ
１２錘
１３同期用主歯車
１４同期用受歯車
１７スリップリング
１９，３５引き上げケーブル
２０重量式直径制御装置

Claims

結晶を引き上げる引き上げケーブルと、引き上げケーブルを巻き取るケーブル巻き取り機構と、前記ケーブル巻き取り機構を結晶の中心軸上で回転させる回転機構とを備えた結晶重量計測装置において、前記ケーブル巻き取り機構はロードセルを介して支持される構造を持ち、前記ケーブル巻き取り機構および前記ロードセルがプルチャンバに取着されシールされた真空容器内に設置されることを特徴とする結晶重量計測装置。
結晶を引き上げる引き上げケーブルと、引き上げケーブルを巻き取るケーブル巻き取りドラムを有するケーブル巻き取り機構と、ケーブル巻き取り機構を結晶の中心軸上で回転させる回転機構とを備えた結晶重量計測装置において、ケーブル巻き取りドラムは回転しつつ移動することを特徴とする結晶重量計測装置。
ケーブル巻き取りドラムの移動方向と反対の方向に移動する質量移動機構を設け、ケーブル巻き取りドラムの移動に同期して前記質量移動機構を駆動することを特徴とする請求項２記載の結晶重量計測装置。
ケーブル巻き取りドラムの移動ピッチに対して質量移動機構の移動ピッチを大きくしたことを特徴とする請求項３記載の結晶重量計測装置。
請求項１乃至４記載の結晶重量計測装置を用いた結晶製造装置。