JP4253643B2 - 単結晶インゴットの位置決め用治具 - Google Patents

Description

この発明は、単結晶インゴットの位置決めに用いられる位置決め用治具および単結晶インゴットの位置決め加工方法に関する。

近年、シリコン（Ｓｉ）、フェライト、その他の各種単結晶材料が産業界で広く用いられている。この単結晶材料は、一般に、チョコラルスキー引上げ法などの技術を用いて円柱形状の単結晶インゴットとして製造される。この単結晶インゴットは、外周面を研削後、その外周面にオリフラまたはノッチ等の結晶面指標を形成した状態で取り引きされている。

この結晶面指標は、単結晶インゴットの結晶格子面に沿って形成し、その後、半導体製造工程において、単結晶インゴットから切り出されたウエハーに対し半導体パターンを形成する際の位置決め基準として利用される。
したがって、結晶面指標の形成に際しては、単結晶インゴットの結晶格子面を検出するとともに、この結晶格子面を結晶面指標の研削位置へ正確に位置決めすることが必要となる。

そこで、従来は、加工装置にＸ線測定装置を組み込み、加工装置に支持された単結晶インゴットの外周面上にＸ線を照射するとともに、その照射点（測定点）から反射してきたＸ線の強度を検出することにより、単結晶インゴットの結晶格子面を検出するシステムが採用されていた。

さて、従来のこの種の単結晶インゴットの加工システムにおいては、あらかじめ設定した所定位置に結晶面指標の研削位置およびＸ線測定装置による結晶格子面の測定点を配置しているが、その配置調整は作業員の目視により行うか、または砥石に直接結晶板を取り付けてＸ線測定による研削位置の確認をしており、高い位置決め精度は望めなかった。

そこで、従来は結晶面指標を形成した後、該単結晶インゴットを加工システムとは別に設けた専用の検査装置に装着し、結晶格子面に沿って結晶面指標が形成されているか否かを検査する工程（検査工程）が必須となっていた。
しかし、この検査工程は加工システムとは別に設けた専用の検査装置により行っていたので、単結晶インゴットの移送に手間がかかり、作業性が悪いという問題を有していた。

この発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、単結晶インゴットにオリフラまたはノッチ等の結晶面指標を形成する際の位置決めを高精度に行えるようにすることを目的とする。

この発明が適用される単結晶インゴット位置決め装置は、例えば、単結晶インゴットを支持して主軸中心に回転可能なインゴット支持手段と、単結晶インゴットの回転角度を検出する角度検出手段と、単結晶インゴットの外周面に対し所定の研削基準位置を中心に接触して同インゴットの外周面にオリフラまたはノッチ等の結晶面指標を形成する研削手段とを備えた単結晶インゴット加工装置に併設される。

そして、単結晶インゴットの外周面軌道上に設定した所定の測定点にＸ線を照射するとともに、該測定点から反射してきたＸ線の強度を検出することにより、単結晶インゴットの結晶格子面を検出するＸ線測定手段と、単結晶インゴットに形成された結晶面指標を、同インゴットの外周面軌道上に設定した所定の指標確認点において検出する指標確認手段とを備えている。

また、この発明が適用される単結晶インゴット位置決め加工システムは、例えば、上述した単結晶インゴット加工装置と位置決め装置の各機能を備えるべく、次の構成を有している。
（１） 単結晶インゴットを支持して主軸中心に回転可能なインゴット支持手段
（２） 単結晶インゴットの回転角度を検出する角度検出手段
（３） 単結晶インゴットの外周面に対し、所定の研削基準位置を中心に接触して同インゴットの外周面にオリフラまたはノッチ等の結晶面指標を形成する研削手段
（４） 単結晶インゴットの外周面軌道上に設定した所定の測定点にＸ線を照射するとともに、該測定点から反射してきたＸ線の強度を検出することにより、単結晶インゴットの結晶格子面を検出するＸ線測定手段
（５） 単結晶インゴットに形成された結晶面指標を、同インゴットの外周面軌道上に設定した所定の指標確認点において検出する指標確認手段

上述した単結晶インゴットの位置決め加工システムによれば、例えば、次の工程をもって単結晶インゴットを高精度に位置決めして、その外周面に結晶面指標を形成することができる。

（ａ） 研削基準位置と指標確認点との間の主軸を中心とする相対角度を検出する指標確認位置検出工程
この指標確認位置検出工程においては、例えば、単結晶インゴットに模して形成したダミーインゴットをインゴット支持手段により主軸中心に回転自在に支持するとともに、該ダミーインゴットの外周面に研削基準位置にて研削手段をもって擬似的に結晶面指標を形成した後、ダミーインゴットを回転させながら、該結晶面指標を指標確認位置で検出する。このときの回転角度を角度検出手段により検出することで、研削基準位置と指標確認点との間の主軸を中心とする相対角度を検出することができる。

（ｂ） 指標確認点と測定点との間の主軸を中心とする相対角度を検出する測定位置検出工程
この測定位置検出工程は、例えば、次のような構成を備えた単結晶インゴット位置決め用治具を、インゴット支持手段に装着することで行うことができる。

すなわち、単結晶インゴット位置決め用治具は、単結晶インゴットに模して外周面の少なくとも一部を形成するとともに、該外周面にオリフラまたはノッチ等の結晶面指標を擬似的に形成した治具本体と、結晶面指標に周方向の位置を合わせ、かつ面内回転可能に治具本体の外周面に取り付けた結晶板とを備えている。

この単結晶インゴット位置決め用治具をインゴット支持手段により主軸中心に回転させながら、該位置決め用治具の結晶面指標を指標確認手段により指標確認点で検出するとともに、そのときの回転角度位置を角度検出手段により検出する。

続いて、単結晶インゴット位置決め用治具上に設けた結晶板の結晶格子面を、Ｘ線測定手段により測定点で検出するとともに、そのときの回転角度位置を角度検出手段により検出する。
これらの回転角度位置に基づき、指標確認点と測定点の間の主軸を中心とする相対角度を検出することができる。

（ｃ） Ｘ線測定手段をもって、インゴット支持手段に支持された単結晶インゴットの外周面軌道上に設定した測定点にＸ線を照射するとともに、該測定点から反射してきたＸ線の強度を検出することにより、単結晶インゴットの結晶格子面を検出する結晶格子面検出工程

（ｄ） 上記結晶格子面検出工程の後、指標確認位置検出工程において検出した相対角度、および測定位置検出工程において検出した相対角度に基づき算出した、研削基準位置と測定点との間の主軸を中心とする相対角度だけ単結晶インゴットを回転することにより、該単結晶インゴットの結晶格子面を研削基準位置に位置決めする位置決め工程

（ｅ） 研削手段をもって、研削基準位置を中心に単結晶インゴットの外周面を研削することにより、同インゴットの外周面に結晶面指標を形成する研削工程

以上の工程により、単結晶インゴットの結晶格子面を高精度に研削基準位置へ位置決めして、オリフラまたはノッチ等の結晶面指標を適正に形成することができる。

また、上記研削工程の後、単結晶インゴットを回転させ、指標確認手段が指標確認点において結晶面指標を検出したときの回転角度と、指標確認位置検出工程により検出した相対角度とを比較する検査工程を実行してもよい。
この検査工程は、上述した単結晶インゴットの位置決め加工システム上で実行できるので、加工後の単結晶インゴットを別に設けた専用の検査装置へ移送する手間を必要とせず、効率的に行うことができる。

しかも、検査工程で結晶面指標と結晶格子面との間のズレを検出したときは、そのズレ量を補正値としてそのまま単結晶インゴットの位置決め加工システムにフィードバックすることができるので、同システムの位置決めに関する補正作業も簡易に行うことができる。

以上説明したように、この発明によれば、単結晶インゴットにオリフラまたはノッチ等の結晶面指標を形成する際の位置決めを効率的かつ高精度に行うことが可能となる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１はこの発明の実施形態に係る単結晶インゴット位置決め加工システムの概要を示す斜視図、図２は同システムに組み込まれる位置決め装置の外観を示す斜視図である。

図１に示すように、この実施形態に係る単結晶インゴット位置決め加工システムは、一対の支持部材１１，１２（インゴット支持手段）、ノッチ形成砥石１３（研削手段）、周面研削砥石１４、Ｘ線測定ユニット１５（Ｘ線測定手段）、および変位センサ１６（指標確認手段）を備えている。
このうち、一対の支持部材１１，１２、ノッチ形成砥石１３、および周面研削砥石１４は、単結晶インゴット加工装置の構成要素であり、Ｘ線測定ユニット１５、および変位センサ１６は、図２に示す単結晶インゴット位置決め装置の構成要素となっている。

本実施形態に係る単結晶インゴット位置決め加工システムは、単結晶インゴット加工装置と単結晶インゴット位置決め装置との組み合わせをもって構成してある。なお、単結晶インゴット加工装置については、上記構成要素を備えた公知の各種加工装置（円筒研削盤）を適用することができる。また、この実施形態では、結晶面指標としてノッチ２を単結晶インゴット１の外周面に形成する場合の構成を示しているが、結晶面指標としてオリフラを形成する場合も同様に構成することができる。

一対の支持部材１１，１２は、協同して単結晶インゴット１の両端を支持する。一方の支持部材（駆動側支持部材）１１は、回転駆動源１７からの回転駆動力により回転し、他方の支持部材（従動側支持部材）１２は、駆動側支持部材１１に従動して回転する。これら支持部材１１，１２に支持されて、単結晶インゴット１は、主軸Ｏを中心に回転する。

回転駆動源１７の駆動軸にはエンコーダ１８（角度検出手段）が設けてあり、支持部材１１，１２に支持された単結晶インゴット１の回転角度を検出できるようになっている。

ノッチ形成砥石１３は、支持部材１１，１２に支持された単結晶インゴット１の外周面にノッチ２を形成するための工具であり、単結晶インゴット加工装置にあらかじめ設定された研削基準位置を中心にして単結晶インゴット１の外周面に接触し、同インゴット１の軸方向に移動しながらノッチ２を形成していく。

周面研削砥石１４は、支持部材１１，１２により支持された単結晶インゴット１の外周面を研削するための工具である。チョコラルスキー引上げ法などにより製造された無垢の単結晶インゴット１は、まずこの周面研削砥石１４により外周面を研削され、その後、ノッチ形成砥石１３により同インゴット１の外周面にノッチ２が形成される。

Ｘ線測定ユニット１５および変位センサ１６は、既述したように単結晶インゴット位置決め装置２０に装備されている（図２参照）。Ｘ線測定ユニット１５は、Ｘ線源２１及びＸ線検出器２２の他、Ｘ線回折測定に必要とされる各種構成要素からなっている。この測定ユニット１５は、Ｘ線源２１から単結晶インゴット１の外周面に向けてＸ線を照射し、その周面で回折してきたＸ線の強度をＸ線検出器２２で検出することにより、同インゴット１の結晶格子面を検出する機能を有している。

このＸ線測定ユニット１５による測定点ｂ、すなわち単結晶インゴット１の外周面に対するＸ線の照射点は、単結晶インゴット位置決め装置２０を位置決め加工システムに組み込む際、任意に設定される。
この測定点ｂにおいて、単結晶インゴット１の結晶格子面へのＸ線入射角度と、同格子面からの回折角度とが等しくなったとき、Ｘ線検出器２２で検出されるＸ線強度が最大となる。Ｘ線測定ユニット１５は、この最大Ｘ線強度により結晶格子面の方位を検出する。

変位センサ１６は、単結晶インゴット１の外周面形状の変化に基づき、ノッチ２を検出する機能を有している。この変位センサ１６によりノッチ２を検出する指標確認点ｃも、単結晶インゴット位置決め装置２０を位置決め加工システムに組み込む際に設定される。変位センサ１６は、この指標確認点ｃ上にノッチ２が移動してきたとき、検出信号を出力する。

図４はこの実施形態に係る単結晶インゴット位置決め加工システムにおける研削基準位置ａ、測定点ｂ、指標確認点ｃの位置関係を示している。
研削基準位置ａに対して、指標確認点ｃは回転角度φの位置に設定してある。また、指標確認点ｃに対して、測定点ｂは回転角度ψの位置に設定してある。

図３は指標確認点ｃと測定点ｂとの間の回転角度ψを検出するために用いられる位置決め用治具を示す斜視図、図５は同治具の側面図である。
同図に示す位置決め用治具３０は、単結晶インゴット１に模して形成した治具本体３１と、この治具本体３１に取り付けた結晶板３２とを備えている。

治具本体３１の外周面には、軸方向に延在するノッチ３３が擬似的に形成してある。また、治具本体３１の外周面には一部に切欠き面３１ａが形成してあり、この切欠き面３１ａ上に結晶板３２が取り付けてある。この結晶板３２は、位置決め用治具３０の中心軸Ｏを通る径方向の軸Ｐを中心に面内回転自在となっている。

ここで、ノッチ３３の中心と結晶板３２の中心とは周方向の位置を合わせてある。また、結晶板３２の回転軸Ｐはノッチ３３の中心を通る法線と同一の方向に位置決めしてある（図５参照）。なお、ノッチ３３の中心と結晶板３２の中心とは、任意の角度に位置を合わせてもよい。

治具本体３１は、アルミ合金等の金属材料で形成してある。結晶板３２は、シリコン（Ｓｉ）等の単結晶材料で形成してあり、結晶格子面の方位に合わせて好ましくは結晶格子面と平行に）表面が形成してある。結晶板３２は、位置決め用治具３０を支持部材１１，１２に装着して回転させたとき、測定点ａを通過する位置に取り付けてある。

次に、上述の位置決め加工システムを用いた単結晶インゴットの位置決め加工方法を説明する。図６〜図８はこの実施形態に係る単結晶インゴットの位置決め加工方法を説明するための図である。

この単結晶インゴットの位置決め加工方法は、指標確認位置検出工程（図６）、測定位置検出工程（図７）、結晶格子面検出工程（図８（ａ））、位置決め工程、研削工程（図８（ｂ））、および検査工程（図８（ｃ））の各工程からなる。

まず、研削基準位置ａと指標確認点ｃとの間の主軸Ｏを中心とする相対角度φ（図４参照）を検出するために、指標確認位置検出工程を実施する。
この指標確認位置検出工程においては、図６に示すように、単結晶インゴットに模して、アルミ合金等の金属材料で形成したダミーインゴット４０を、支持部材１１，１２により支持する。
そして、ダミーインゴット４０の外周面に、研削基準位置ａにてノッチ研削砥石１３をもって擬似的にノッチ４１を形成する。エンコーダ１８は、この位置を原点に設定しておく。

次いで、ダミーインゴット４０を主軸Ｏを中心に回転させながら、外周面に形成したノッチ４１を指標確認位置ｃにて変位センサ１６により検出するとともに、この検出時点の回転角度をエンコーダ１８により検出する。この回転角度が、研削基準位置ａと指標確認点ｃとの間の主軸Ｏを中心とする相対角度φである。
次に、指標確認点ｃと測定点ｂとの間の主軸Ｏを中心とする相対角度ψ（図４参照）を検出するために、測定位置検出工程を実施する。

この測定位置検出工程では、図３に示した位置決め用治具３０を、支持部材１１，１２で支持する。そして、位置決め用治具３０を回転させながら、該位置決め用治具３０のノッチ３３を変位センサ１６により指標確認点ｃで検出するとともに、そのときの回転角度位置をエンコーダ１８の原点に設定する（図７（ａ）参照）。

続いて、位置決め用治具３０を回転し、Ｘ線測定ユニット１５のＸ線検出器２２が最大Ｘ線強度を検出したときの回転角度を、エンコーダ１８により検出する（図７（ｂ））。
結晶板３２の表面が結晶格子面と平行に切り出してある場合には、Ｘ線検出器２２が最大Ｘ線強度を検出したとき、結晶板３２の中心が測定点ｂ上に位置しており、結晶板３２の表面に対してＸ線の入射角と回折角とが等しくなっている。

結晶板３２の中心は、既述したようにノッチ３３の中心と周方向の位置を合わせてあるので、結晶板３２の中心が測定点ｂ上に位置したとき、ノッチ３３の延長線上に測定点ｂが位置することになる。
したがって、このときの回転角度は、指標確認点ｃと測定点ｂとの間の主軸Ｏを中心とする相対角度ψ＝０となる。

一方、結晶板３２の表面に対し結晶格子面が傾いている場合は、Ｘ線検出器２２が最大Ｘ線強度を検出したときの回転角度（α）と、さらに結晶板３２を回転軸Ｐ周りに１８０゜回転させた姿勢において、Ｘ線検出器２２が最大Ｘ線強度を検出したときの回転角度（β）とを検出する。そして、これら回転角度の平均値（（α＋β）／２）が、指標確認点ｃと測定点ｂとの間の主軸Ｏを中心とする相対角度ψとなる。

以上の工程により、研削基準位置ａと指標確認点ｃとの間の主軸Ｏを中心とする相対角度φと、指標確認点ｃと測定点ｂとの間の主軸Ｏを中心とする相対角度ψとを検出した後、支持部材１１，１２に単結晶インゴット１を装着し、周面研削砥石１４により外周面を研削する。

続いて、単結晶インゴット１の結晶格子面を検出するための結晶格子面検出工程を行う。
この結晶格子面検出工程では、単結晶インゴット１を回転ながら、Ｘ線測定ユニット１５のＸ線検出器２２が最大Ｘ線強度を検出したときの回転角度位置を、エンコーダ１８により検出する（図８（ａ））。このとき、測定点ｂにおいて、単結晶インゴット１の結晶格子面１ａに対するＸ線の入射角と回折角とが一致している。

次に、指標確認位置検出工程において検出した相対角度φ、および測定位置検出工程において検出した相対角度ψに基づき、研削基準位置ａと測定点ｂとの間の主軸Ｏを中心とする相対角度（φ−ψ）を求め、この相対角度（φ−ψ）だけ単結晶インゴット１を回転する（位置決め工程）。この工程により、単結晶インゴット１の結晶格子面１ａを研削基準位置ａに位置決めすることができる。

その後、ノッチ研削砥石１３をもって、研削基準位置ａを中心に単結晶インゴット１の外周面を研削することにより、同インゴット１の外周面にノッチ２を形成する（研削工程：図８（ｂ））。
以上の工程により、単結晶インゴット１の結晶格子面１ａを高精度に研削基準位置ａに位置決めすることができ、その結果、ノッチ２を結晶格子面１ａに合わせて適正に形成することができる。

この実施形態では、研削工程の後、ノッチ２の形成位置が適正に結晶格子面１ａと合致しているが否かを検査するために、検査工程を実行している（図８（ｃ）参照）。
検査工程では、単結晶インゴット１を回転させながら、変位センサ１６がノッチ２を検出するまでの回転角度をエンコーダ１８で検出する。ノッチ２の形成位置が適正に結晶格子面１ａと合致しているときは、検出した回転角度が既述した相対角度φと一致する。

一方、検出した回転角度と既述した相対角度φとの間にズレがあった場合は、そのズレ角度分が、ノッチ２の形成位置と結晶格子面１ａとの間のズレ量である。そこで、この場合は検出したズレ角度を補正値として位置決め加工システムにフィードバックしておく。さらに、単結晶インゴット１の周面を研削した後、結晶格子面検出工程、位置決め工程、および研削工程を実行して、改めて適正位置にノッチ２を形成することもできる。
これらの検査工程、およびノッチの再形成は、単結晶インゴット１を支持部材１１，１２に装着したまま行えるため、作業能率が高い。

なお、この発明は上述した実施形態に限定されるものではない。
例えば、結晶面指標としてオリフラを単結晶インゴット１の外周面に形成する場合は、図９に示すような角度センサ５０（指標確認手段）を指標確認点ｃに配設した構成としてもよい。

同図に示す角度センサ５０は、支軸５１と一体に回動自在な揺動アーム５２の両端に測定子５３，５３を取り付けた構成となっている。支軸５１には揺動アーム５２の回動角度を検出するエンコーダ５４が装着してある。
エンコーダ５４は、指標確認点ｃにおいて測定子５３，５３がオリフラ３に接触するときの揺動アーム５２の回動角度を基準角度に設定しておく。
このように構成すれば、エンコーダ５４で揺動アーム５２の回動角度を監視し、基準角度を検出することにより、指標確認点ｃ上にオリフラ３が置かれたことを認識することができ、さらに回転角度の補正も行うことができる。

この発明の実施形態に係る単結晶インゴット位置決め加工システムの概要を示す斜視図である。 同システムに組み込まれる位置決め装置の外観を示す斜視図である。 この発明の実施形態で用いられる位置決め用治具を示す斜視図である。 この実施形態に係る単結晶インゴット位置決め加工システムにおける研削基準位置、測定点、および指標確認点の位置関係を示す図である。 図３に示した位置決め用治具の側面図である。 この発明の実施形態に係る単結晶インゴットの位置決め加工方法を説明するための図である。 この発明の実施形態に係る単結晶インゴットの位置決め加工方法を説明するための、図６に続く図である。 この発明の実施形態に係る単結晶インゴットの位置決め加工方法を説明するための、図７に続く図である。 この発明を構成する指標確認手段の変形例を示す図である。

符号の説明

１：単結晶インゴット ２：ノッチ
１１：支持部材 １３：ノッチ研削砥石
１５：Ｘ線測定ユニット １６：変位センサ
１８：エンコーダ
２０：単結晶インゴット位置決め装置
２１：Ｘ線源 ２２：Ｘ線検出器
３０：位置決め用治具 ３１：治具本体
３２：結晶板 ３３：ノッチ
４０：ダミーインゴット ４１：ノッチ
５０：角度センサ

Claims (2)

1. 単結晶材料を円筒状に形成してなる単結晶インゴットを周面研削が可能なように主軸中心に回転自在に支持するとともに、当該単結晶インゴットの回転角度をエンコーダによって検出し、且つ当該単結晶インゴットの結晶格子面をＸ線回折測定により測定するための測定点と、当該単結晶インゴットに形成した結晶面指標を検出するための指標確認点とを、あらかじめ当該単結晶インゴットの外周面軌道上に設定してある単結晶インゴットの位置決め装置に対して、前記単結晶インゴットの位置決め時に、治具本体が当該単結晶インゴットの代わりに主軸中心に回転自在に支持される単結晶インゴットの位置決め用治具であって、
   前記単結晶インゴットに模して外周面の少なくとも一部を円筒状に形成するとともに、該外周面に軸方向に延在するオリフラまたはノッチ等の結晶面指標を擬似的に形成した治具本体を備え、
   当該治具本体の外周面には、前記単結晶インゴットの位置決め装置に支持された主軸から径方向に延びる軸を中心に面内回転可能となった結晶板が取り付けられ、当該結晶板の中心は前記軸方向に延在する結晶面指標の中心に対して周方向の位置を合わせてあり、且つ当該結晶板の面内回転軸は前記結晶面指標の中心を通る法線と同一の方向に位置決めしてあり、
   さらに、前記治具本体は、前記結晶面指標が前記指標確認点で検出されたときの回転角度位置と、前記結晶板の結晶格子面が前記測定点で検出されたときの回転角度位置とに基づき、前記指標確認点と前記測定点の間の前記主軸を中心とする相対角度が検出されることを特徴とする位置決め用治具。
2. 主軸から径方向に延びる軸を中心に面内回転可能となった結晶板の取り付け位置は、前記治具本体の外周面の一部に形成された切欠き面上であることを特徴とする請求項１の位置決め用治具。

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