CN108138355B - 单晶制造装置以及熔液面位置的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种单晶制造装置，其特征在于，其具有：测量原料熔液的熔液面位置的至少两个以上不同的熔液面位置测量单元；基于测量的熔液面位置来控制熔液面位置的控制单元；以及判断在熔液面位置测量单元是否发生测量异常的判断单元，通过多个熔液面位置测量单元同时测量熔液面位置，从多个熔液面测量单元中选择一个采用于熔液面位置控制的熔液面位置测量单元，在通过判断单元判断为该选择的熔液面位置测量单元中发生了测量异常的情况下，采用于熔液面位置控制的熔液面位置测量单元切换为别的熔液面位置测量单元。由此，提供一种单晶制造装置以及熔液面位置的控制方法，其即使在熔液面位置的测量中发生了测量异常的情况下，也能够稳定地进行熔液面位置的控制。

Description

单晶制造装置以及熔液面位置的控制方法

技术领域

本发明涉及一种单晶制造装置以及熔液面位置的控制方法。

背景技术

在单晶硅的制造中，稳定地制造所需品质的单晶硅，对防止生产损失而提高产品的成品率非常重要。尤其是，近年来随着半导体器件的高度集成化以及与之相伴的微细化的进展，如何减少单晶硅内的生长缺陷(Grown-in缺陷)并稳定地制造低缺陷的单晶硅成为课题。

已知生长缺陷是由生长界面上的晶体的温度梯度和单晶硅的生长速度决定的，需要高精度地控制生长界面上的晶体的温度梯度。

为了控制生长界面上的晶体的温度梯度，以往是以围绕在熔液面上方所育成的单晶硅周围的方式设置圆筒型的遮蔽辐射热的遮热部件。由此能够增大晶体高温时的晶体温度梯度，高速地获得无缺陷晶体。

如上所述，在设置有遮热部件的所述单晶硅制造装置中，为了正确地控制生长界面上的晶体的温度梯度，需要将熔液面与遮热部件下端的间隔高精度地控制为规定的间隔。

在育成单晶硅时，随着单晶硅的生长，收容在坩埚内的硅熔液减少而熔液面位置持续下降。因此，以往是通过如下方法来控制熔液面位置：按照单晶硅的生长来预测熔液面位置的下降量，并根据预测值针对坩埚保持轴发出上升指令，使坩埚位置上升来防止熔液面位置下降，从而将熔液面位置恒定地保持于规定位置。

然而，随着晶体直径大型化而导致坩埚形状大口径化，熔液面位置则会由于坩埚壁厚的偏差、在操作中发生的坩埚的变形以及膨胀而大幅变化。因此，仅通过上述依据预测值的坩埚位置上升控制，是很难高精度地控制熔液面位置而使其保持于规定位置的。

因此，例如专利文献1、专利文献2所公开的方法，是在腔室外部设置用于从炉外测量熔液面位置的CCD摄像机，并基于从由CCD摄像机获取的影像测量得出的结果，将熔液面位置高精度地控制在一定的位置。

具体而言，专利文献1公开了如下方法：使用CCD摄像机等光学式装置对在位于硅熔液上方的遮热部件下端安装的基准反射体、和在呈镜面状的所述熔液面反射的所述基准反射体进行摄像，根据其影像来测量熔液面位置。

另外，专利文献3中公开了如下方法：对通过采用了相对于晶体以任意角度设置的CCD摄像机的第一直径测量单元所测量的晶体直径、以及通过采用在晶体两端并列设置的两台CCD摄像机的第二直径测量单元所测量的晶体直径进行比较，根据所述第一晶体直径与第二晶体直径的差算出熔液面位置。

作为用于使以这些测量方法获取的熔液面位置处于所希望的位置的控制方法采取如下方法：由所测量的熔液面位置和所希望的熔液面位置算出当前的熔液面位置的偏差，并按照算出的偏差来修正坩埚上升速度，从而将熔液面位置控制在所希望的位置。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利公开2007-290906号公报

专利文献2：日本专利公开2010-100452号公报

专利文献3：日本专利公开2013-170097号公报

专利文献4：日本专利公开平成01-24089号公报

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了稳定且高精度地进行这种熔液面位置控制，前提是上述的熔液面位置测量始终正常地进行。然而在实际制造中常会发生如下问题：例如是由于设置在炉外的CCD摄像机等熔液面位置测量装置的故障而无法进行测量、基准反射体等用于测量熔液面位置的炉内结构部件发生破损、附着于炉内结构部件的硅熔液导致熔液面位置的误测等，在制造时发生的各种情况会导致无法稳定地进行测量(以下也称为测量异常)。

若发生这样的测量异常，则无法将熔液面位置控制在规定的位置。其结果是，无法稳定地制造所需品质的单晶硅。

本发明鉴于上述问题而完成，其目的在于，提供一种单晶制造装置以及熔液面位置的控制方法，其即使在熔液面位置的测量中发生测量异常的情况下，也能够检知异常而稳定地进行熔液面位置的控制。

(二)技术方案

为了实现上述目的，根据本发明，提供一种单晶制造装置，其是通过柴可拉斯基法从收容在坩埚内的原料熔液中拉制单晶硅的单晶制造装置，其特征在于，

其具有：测量所述原料熔液的熔液面位置的至少两个以上不同的熔液面位置测量单元；基于测量的所述熔液面位置来控制所述熔液面位置的控制单元；以及判断在所述熔液面位置测量单元是否发生测量异常的判断单元，

通过所述多个熔液面位置测量单元同时测量所述熔液面位置，从所述多个熔液面测量单元中选择一个采用于所述熔液面位置控制的所述熔液面位置测量单元，在通过所述判断单元判断为该选择的熔液面位置测量单元中发生了测量异常的情况下，采用于所述熔液面位置控制的所述熔液面位置测量单元切换为别的所述熔液面位置测量单元。

采用这种方式，当熔液面位置测量中发生了测量异常时，检知该情况而使采用于熔液面位置控制的熔液面位置测量单元切换为别的熔液面位置测量单元，因此装置能够稳定地进行熔液面位置的控制。

此时优选为，所述判断单元根据通过所述熔液面位置测量单元测量的所述熔液面位置的值在单位时间的变化量，来判断是否发生了测量异常。

采用这种方式，能够更可靠地判断在熔液面位置测量单元中是否发生了测量异常。

另外，根据本发明，提供一种熔液面位置的控制方法，其是在通过柴可拉斯基法从收容在坩埚内的原料熔液中拉制单晶硅时，控制所述原料熔液的熔液面位置的方法，其特征在于，

其具有：通过至少两个以上不同的熔液面位置测量单元同时测量所述熔液面位置的工序；从所述多个熔液面测量单元中选择一个采用于所述熔液面位置控制的所述熔液面位置测量单元的工序；判断在该选择的熔液面位置测量单元是否发生测量异常的工序；以及在判断为发生了所述测量异常的情况下，将采用于所述熔液面位置控制的所述熔液面位置测量单元切换为别的熔液面位置测量单元的工序。

采用这种方式，当熔液面位置测量中发生了测量异常时，检知该情况而将采用于熔液面位置控制的熔液面位置测量单元切换为别的熔液面位置测量单元，因此能够稳定地进行熔液面位置的控制。

此时优选为，在判断是否发生了所述测量异常的工序中，根据通过所述熔液面位置测量单元测量的所述熔液面位置的值在单位时间的变化量，来判断是否发生了测量异常。

采用这种方式，能够更可靠地判断在熔液面位置测量单元中是否发生了测量异常。

(三)有益效果

采用本发明的单晶制造装置以及熔液面位置的控制方法，当熔液面位置测量中发生了测量异常时，检知该情况而使采用于熔液面位置控制的熔液面位置测量单元切换为别的熔液面位置测量单元，因此能够稳定地进行熔液面位置的控制。

附图说明

图1是表示本发明的单晶制造装置的一例的概略图。

图2是表示第一熔液面位置测量单元的一例的概略图。

图3是表示第二熔液面位置测量单元的一例的概略图。

图4是第二熔液面位置测量单元的说明图。

图5是表示本发明的熔液面位置的控制方法的一例的工序图。

图6是表示在判断是否发生了测量异常的工序中判断是否发生了测量异常的处理的一例的流程图。

图7是表示实施例中的坩埚上升速度的图表。

图8是表示比较例中的坩埚上升速度的图表。

具体实施方式

以下将对本发明的实施方式进行说明，但是本发明不限于此。

如上所述，若在熔液面位置测量中发生了测量异常，则无法将熔液面位置控制在规定的位置，其结果是，存在无法稳定地制造所需品质的单晶硅的问题。

因此，本发明人为了解决该问题而反复深入地进行研究。其结果是想到如下方法：用至少两个以上不同的熔液面位置测量单元同时进行原料熔液的熔液面位置测量，当判断为采用于熔液面位置控制的熔液面位置测量单元中发生了测量异常时，使采用于熔液面位置控制的熔液面位置测量单元切换为别的所述熔液面位置测量单元。由此发现：当熔液面位置测量中发生了测量异常时，检知该情况而使采用于熔液面位置控制的熔液面位置测量单元切换为别的熔液面位置测量单元，从而能够稳定地进行熔液面位置的控制。并且，仔细查证了用于实施该方法的最佳方式而完成本发明。

首先，对本发明的单晶制造装置进行说明。如图1所示，本发明的单晶制造装置1构成为包括：腔室2、采用内侧的石英坩埚3以及外侧的石墨坩埚4的双重结构的坩埚5、保持坩埚5的坩埚保持轴6、在坩埚5外周设置的加热器7、在加热器7外周设置的加热器绝热材料8、与坩埚保持轴6同轴地设置的用于保持籽晶9的籽晶夹头10、以及用于提拉籽晶夹头10的拉绳11等。并且，在收容于坩埚5内的原料熔液12的上方，以围绕在育成的单晶硅13周围的方式，设置有遮蔽辐射热的圆筒型的遮热部件14。

此外还具有：测量原料熔液12的熔液面位置的至少两个以上不同的熔液面位置测量单元15、基于测量的熔液面位置来控制熔液面位置的控制单元16、以及判断在熔液面位置测量单元15中是否发生了测量异常的判断单元17。

以下，作为至少两个以上不同的熔液面位置测量单元15，以使用第一熔液面位置测量单元15a和第二熔液面位置测量单元15b两者的情况为例进行说明。但是本发明不限于此，至少两个以上不同的熔液面位置测量单元15例如也可以是三个以上。

具体而言，作为第一、第二熔液面位置测量单元15a、15b，可以使用例如分别如下所示的单元。但是本发明不限于此，至少两个以上不同的熔液面位置测量单元15，其测量方法可以相同也可以彼此不同。如果测量方法彼此不同，则即使其中某个发生了测量异常，也不会互相影响，故而优选，但是，在测量方法相同的情况下，也可以针对CCD摄像机等设备的故障进行备份。

如图2所示，在通过第一熔液面位置测量单元15a进行的熔液面位置测量中，使用安装在遮热部件14下端的由石英材料等制作的基准反射体18。在以该状态进行单晶硅13的制造时，会在呈镜面状的原料熔液12的表面映出基准反射体18的反射像19。

此时利用设置在腔室外部的CCD摄像机20a对基准反射体18以及反射像19进行摄像。并且，通过控制单元16进行该摄像结果的影像处理，根据通过影像处理得到的基准反射体18与反射像19的距离来测量当前的熔液面位置。

如图3所示，在通过第二熔液面位置测量单元15b进行的熔液面位置测量中，使用相对于单晶硅13以任意角度θ配置的CCD摄像机20b和在单晶硅13两端并列配置的CCD摄像机20c、20d。

此时，如图4所示，在熔液面位置相对于(x)向(x’)上升或向(x”)下降的情况下，从由CCD摄像机20b拍摄的影像得到的第一晶体直径值(晶体半径A×2)受到熔液面位置变化的影响，第一晶体直径值如(晶体半径A’×2)、(晶体半径A”×2)那样变化。与此相对，从由两台CCD摄像机20c、20d分别拍摄的影像得到的第二晶体直径(B)，相对于熔液面位置的变化仅有视野的上下移动，该第二晶体直径值(B)没有变化(专利文献3)。

根据相对于这样的熔液面位置的变化所产生的前述两种晶体直径值的差以及CCD摄像机20b的设置角度θ，通过控制单元16算出晶体制造中的熔液面位置的变化量。通过将该变化量与专利文献4列举的那种单晶硅制造前的熔液面位置测量结果对照分析，能够获得当前的熔液面位置。

采用这种第一、第二熔液面位置测量单元15a、15b，由于熔液面位置的测量方法彼此不同，因此即使其中某个发生了测量异常，也不会互相影响。

在拉制单晶硅时，利用该第一、第二熔液面位置测量单元15a、15b同时测量熔液面位置。并且，从该第一、第二熔液面位置测量单元15a、15b中选择一个采用于熔液面位置控制的熔液面位置测量单元。

关于此时的选择，例如考虑到各熔液面位置测量单元的测量精度、相对于在单晶制造中发生的状况的测量稳定性等，可按照预先在控制单元16中设定的各熔液面位置测量单元的采用优先顺序来决定。

此时，利用控制单元16进行运算而算出使用选择的熔液面位置测量单元得到的熔液面位置的值、与事先设定的熔液面位置设定数据的差。此时得到的差值，是通过测量得到的熔液面位置相对于规定的熔液面位置的偏移量，也就是使熔液面位置达到规定位置所需的熔液面位置修正量。

并且，通过控制单元16进行运算而算出为了修正熔液面位置而针对坩埚保持轴6的速度修正量。当熔液面位置低于规定位置时，加快坩埚位置上升速度，而当熔液面位置高于规定位置时，则使坩埚位置上升速度减缓，以这种方式对所述坩埚位置的上升速度施加速度修正量。这样来进行熔液面位置修正处理，使坩埚位置上升速度与熔液面位置的偏移量相应地变化，从而将熔液面位置保持在规定的位置。

对于采用于熔液面位置控制的熔液面位置测量单元，根据其测量结果数据，由判断单元17逐次判定是否发生了测量异常。由此，能够迅速地检测出测量异常。当判定结果为发生了测量异常时，熔液面位置测量单元切换为别的熔液面位置测量单元。例如，在预先将各熔液面位置测量单元的采用优先顺序设定于控制单元16的情况下，切换为优先顺序排在下一位的熔液面位置测量单元，之后继续进行熔液面位置的控制。此外，如果没有检测出测量异常的发生，则熔液面位置测量单元不进行切换，继续进行当前的熔液面位置控制。

并且优选为，判断单元17根据通过熔液面位置测量单元15测量的熔液面位置的值在单位时间的变化量来判断是否发生了测量异常。采用这种方式，能够更可靠地判断在熔液面位置测量单元15中是否发生了测量异常。

采用这样的本发明的单晶制造装置，当液面位置测量中发生了测量异常时，采用于熔液面位置控制的熔液面位置测量单元会迅速地切换为别的熔液面位置测量单元，因此能够稳定地进行熔液面位置的控制。

接下来，对本发明的熔液面位置的控制方法进行说明。这里，以使用上述图1所示的本发明的单晶制造装置1的情况为例进行说明，但是本发明不限于此。

首先，在坩埚5内收容高纯度多晶硅，用加热器7加热至硅熔点即大约1420℃以上而使其熔融成为原料熔液12。

接着卷下拉绳11，使籽晶夹头10所保持的籽晶9的顶端接触原料熔液12的液面。之后，一边使坩埚保持轴6和拉绳11分别以规定的旋转方向和旋转速度旋转，一边以规定的速度卷起拉绳11来提拉籽晶9，从而在籽晶9下方育成单晶硅13。

此时，用至少两个以上不同的熔液面位置测量单元15(第一、第二熔液面位置测量单元15a、15b)同时测量熔液面位置(图5的SP1)。

然后，从多个熔液面测量单元中选择一个采用于熔液面位置控制的熔液面位置测量单元(图5的SP2)。

关于从多个熔液面测量单元中采用一个时的方法，可以为任意方法，例如考虑到各熔液面位置测量单元的测量精度、相对于在单晶制造中发生的状况的测量稳定性等，而优选预先定义各熔液面位置测量单元的采用优先顺序并据此决定采用哪一个。

判断在选择的熔液面位置测量单元中是否发生了测量异常(图5的SP3)。

关于在熔液面位置控制中所选择的熔液面位置单元是否发生测量异常，优选是根据其测量结果数据来逐次判定是否发生了测量异常。例如优选为，根据通过熔液面位置测量单元测量的所述熔液面位置的值在单位时间的变化量，来判断是否发生了测量异常。采用这种方式，能够迅速且更可靠地判断熔液面位置测量单元中是否发生了测量异常。

具体而言，在SP3中例如能够按照图6所示的流程图来进行判定处理，即判断熔液面位置测量单元中是否发生了测量异常。

如图6所示，以预先设定的单位时间按恒定周期进行判定处理。关于该单位时间的设定，优选是在相对于单晶制造所需的时间尽量短的时间即大约1分钟以内进行设定，从而能够在发生测量异常后立即进行基于判定处理的测量异常检测以及切换处理。

在判定处理中，算出在马上就将要实施判定处理之前得到的熔液面位置测量结果(以下也称为本次值)、与在一个周期前的判定处理实施时保存的上次的熔液面位置测量结果(以下也称为上次值)的差。算出的差是在晶体制造工序中经过上述设定的单位时间的期间熔液面位置变化的量(以下也称为熔液面位置变化量)。

当该熔液面位置变化量超过考虑到熔液面位置的测量、控制正常进行时的测量结果数据而预先设定的判定阈值即正常的熔液面位置变化量的范围时，则能够判断为发生了测量异常。

并且，当判断为发生了测量异常时，将采用于熔液面位置控制的熔液面位置测量单元切换为别的熔液面位置测量单元(图5的SP4)。

如上所述，在预先定义了熔液面位置测量单元的采用顺序的情况下，只要这样判断为发生了测量异常，就可以将采用于熔液面位置控制的熔液面位置测量单元切换为优先顺序排在下一位的单元。然后，使用切换的熔液面位置测量单元继续进行熔液面位置的控制。此外，在未检测出测量异常发生的情况下，则不进行熔液面位置测量单元的切换，而是继续进行当前的熔液面位置控制。

这样，采用本发明的熔液面位置的控制方法，当在熔液面位置的测量中发生了测量异常时，能够迅速地检知该情况而将采用于熔液面位置控制的熔液面位置测量单元切换为别的熔液面位置测量单元，因此能够稳定地进行熔液面位置的控制。

实施例

以下将示出本发明的实施例、比较例来对本发明进行更具体的说明，但是本发明不限于此。

(实施例)

使用如图1所示的本发明的单晶制造装置，按照如图5所示的本发明的熔液面位置的控制方法，进行熔液面位置控制来进行单晶硅的制造。

作为测量晶体生长工序时的熔液面位置的熔液面位置测量单元15，在单晶制造装置1中分别设置了测量方法不同的两种测量单元，即第一、第二熔液面位置测量单元15a、15b。在熔液面位置的控制中设定为优先采用第一熔液面位置测量单元15a的测量结果。

第一熔液面位置测量单元15a采用如下方法：如图2所示那样使用CCD摄像机20a等光学式装置对安装在遮热部件14下端的基准反射体18、和在镜面状的熔液面反射的基准反射体18的反射像19进行摄像，并根据该影像来测量熔液面位置。另外，第二熔液面位置测量单元15b采用如下方法：对通过采用如图3、4所示那样相对于单晶硅13以45°设置的CCD摄像机20b的第一直径测量单元所测量的晶体直径、与通过采用在单晶硅13两端平行设置的两台CCD摄像机20c、20d的第二直径测量单元所测量的晶体直径进行比较，并根据其差值算出熔液面位置。

并且，在直径为812mm的坩埚5内收容360kg多晶硅，并利用加热器7进行加热使该多晶硅熔化成为硅熔液(原料熔液12)。制造的单晶硅13的直径为300mm。

此时每经过一分钟进行对熔液面位置测量异常的判断，并且是以熔液面位置变化量1mm为判定阈值进行判断。另外，对于晶体生长工序中的熔液面位置修正处理设定为，使在直体部生长50mm长度期间进行的修正，在晶体的直体部长度从50mm到100mm以及从100mm到150mm的期间合计为两次。此时的坩埚上升速度为0.1mm/min，并根据熔液面位置的测量结果使坩埚速度修正量为-0.01mm/min。

并且，在进行了熔液面位置修正处理的状态下，在第一次修正结束后，故意地使第一熔液面位置测量单元中发生测量异常，观察测量异常发生前后的坩埚上升速度的变化，并表示在图7中。

(比较例)

用以往的方法进行了单晶硅的制造。即，熔液面位置测量单元仅有一个，未进行如实施例那样的熔液面位置测量单元中测量异常的发生的有无的判断。而且，与实施例同样地，故意地使测量异常发生。观察比较例中的测量异常发生前后的坩埚上升速度的变化，并表示在图8中。

其结果是，在比较例中，如图8所示，在故意地使测量异常发生的第二次修正处理中，将由于测量异常而对实际的熔液面位置测量的较低的结果适用于修正处理，在应加上-0.01mm/min的修正量时，进行了+0.015mm/min程度的坩埚上升速度修正。

另一方面，可知：在实施例中如图7所示，在第一熔液面位置测量单元中发生测量异常的第二次修正处理中，由于切换为使用第二熔液面位置测量单元的测量结果的熔液面位置控制处理，因此稳定地施加了-0.01mm/min的修正，未受到测量异常发生的影响而进行了熔液面位置修正处理。

如上所述，关于熔液面位置的控制方法，通过使用本发明，能够不受在熔液面位置测量时发生的测量异常的影响，而稳定地控制熔液面位置。由此，就能够稳定而高效地获得含有无缺陷区域的高品质的单晶硅。

此外，本发明并不限于上述实施方式。上述实施方式仅为例示，任意具有实质上与本发明的权利要求书所记载的技术性思想相同的结构，并起到同样的作用效果的方式，均包含在本发明的技术范围内。

Claims (4)

1.一种单晶制造装置，其是通过柴可拉斯基法从收容在坩埚内的原料熔液中拉制单晶硅的单晶制造装置，其特征在于，

其具有：测量所述原料熔液的熔液面位置的两个以上不同的熔液面位置测量单元；基于测量的所述熔液面位置来控制所述熔液面位置的控制单元；以及判断在所述熔液面位置测量单元是否发生测量异常的判断单元，

通过所述两个以上的熔液面位置测量单元同时测量所述熔液面位置，从所述两个以上的熔液面位置测量单元中选择一个采用于所述熔液面位置控制的所述熔液面位置测量单元，在通过所述判断单元判断为该选择的熔液面位置测量单元中发生了测量异常的情况下，采用于所述熔液面位置控制的所述熔液面位置测量单元切换为别的所述熔液面位置测量单元。

2.根据权利要求1所述的单晶制造装置，其特征在于，所述判断单元根据通过所述熔液面位置测量单元测量的所述熔液面位置的值在单位时间的变化量，来判断是否发生了测量异常。

3.一种熔液面位置的控制方法，其是在通过柴可拉斯基法从收容在坩埚内的原料熔液中拉制单晶硅时，控制所述原料熔液的熔液面位置的方法，其特征在于，

其具有：通过两个以上不同的熔液面位置测量单元同时测量所述熔液面位置的工序；从所述两个以上的熔液面位置测量单元中选择一个采用于所述熔液面位置控制的所述熔液面位置测量单元的工序；判断在该选择的熔液面位置测量单元是否发生测量异常的工序；以及在判断为发生了所述测量异常的情况下，将采用于所述熔液面位置控制的所述熔液面位置测量单元切换为别的熔液面位置测量单元的工序。

4.根据权利要求3所述的熔液面位置的控制方法，其特征在于，

在判断是否发生了所述测量异常的工序中，

根据通过所述熔液面位置测量单元测量的所述熔液面位置的值在单位时间的变化量，来判断是否发生了测量异常。

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