JP2001505523A - 結晶を製造するために溶融体をモニタする装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は結晶を製造するために溶融体をモニタする装置に関する。坩堝の内容物の表面の少なくとも一部分を撮影するカメラが設けられる。坩堝の内容物の表面の固体状部および液状部に対するカメラの映像を評価するため評価装置が使用される。

Description

【発明の詳細な説明】 結晶を製造するために溶融体をモニタする装置および方法 発明の背景 本発明は特許請求の範囲第１項の序文による装置および第４項の序文による方 法に関する。 ある材料、たとえばシリコンポリ材料が石英坩堝の中で完全に溶融されるとき 、固体状態から液体状態への変化は原則として急激に起こらず徐々に起こる。結 晶を生成する実際の作業において、溶融状態が後続の処置工程を指示することに なるので、溶融状態を正確に知ることまたは確認可能であることが非常に重要で ある。 坩堝の表面状態から溶融状態を正確に推論できる熟練した溶融専門家がいる。 また、高温計をセンサーとして使用して溶融状態を自動的に確認することも知ら れているが、これは長い時定数を含む信頼のできない制御となる。 従来、単結晶の引上げ作業を自動的制御する改善された多くの提案がなされて きた。例えば、溶融体から単結晶を引上げる方法が知られており、この方法にお いては、個々の結晶が引上げられ、その間に多くの条件に基づいた引上げ作業に 影響を与えるデータが記録され且つ他のデータと比較される（ＥＰＯ、５３６、 ４０５Ａ１）。この方法において、例えばレーザビームが坩堝の中に容れた溶融 材料の表面に衝突する。反射されたレーザビームを鑑定することにより溶融表面 の位置を決定することができ、坩堝が測定位置と予定位置との差に基づいて引き 上げられる。しかしながら、この公知の方法においては溶融状態時における信頼 性のある作業監視ができない。 また、溶融体から引上げられるシリコン結晶の直径をテレビジョンカメラの助 けを借りて測定するようにした光学式シリコン結晶成長制御システムまたは方法 も知られている。この方法では溶融体の表面がシリコン結晶の近くに明るく輝い た部分として見えるメニスカス（ｍｅｎｉｓｃｕｓ）を示す（ＥＰ０、７４５、 ８３０、Ａ２）。このシステムにおいては、シリコン結晶の近くの輝いた部分の 一部分のイメージパターンを作るためにカメラが使用されている。つぎに、この イメージパターンの特性が検知される。この可視パターンの特性は、例えば光強 度の勾配となる。その後、輝いた部分のエッジが検知される特性の関数として定 められる。次に、その輝いた部分の定められたエッジを閉じる輪郭が定められ、 最後にその定められた輪郭の直径が決定され、シリコン結晶の直径がその定めら れた輪郭の直径の関数として決定される。この公知のシステムには数個の応用例 において正確さが十分でなく且つ特に外部の影響が十分に考慮されないという欠 点がある。 この欠点を除くために、結晶の第１の領域をイメージする第１のカメラに加え て、結晶の第２の領域をイメージする第２のカメラを設けることがすでに提案さ れており、結晶の直径が両方のカメラのイメージを使用した評価回路において決 定される（未公開特許出願第１９７、３８、４３８．２号）。このようにして、 前記カルチベーション法のあらゆる状態において実際の結晶の直径を正確に記録 することができるが、溶融作業そのものはその提案された装置ではモニタできな い。 それ故に、本発明は単結晶が引上げられる基礎材料の溶融作業をモニタする課 題に基づいている。 前記課題は特許請求の範囲第１項および第４項の特徴により解決される。 本発明により得られる効果は特に、作業時間を短縮でき、溶融体と坩堝との過 熱を回避でき、溶融体のＯ₂含有量を最小にできることである。特殊センサーを 使用することにより、溶融材料の完全溶解前の溶融制御を行うことができる。さ らに、個々の差がバッチごとに確認でき且つ考慮できる。 本発明の実施例を図面に示し、以下詳細に説明する。 図面の簡単な説明 図１は本発明による装置の全体図である。 図２ａは溶融材料を容れる坩堝の平面図である。 図２ｂは坩堝上の水平線に沿う輝度分布のグラフ図示である。 図３は坩堝の表面に向けたカメラの測定窓の拡大図である。 図４は溶融体の中の固状成分または液状成分を識別する方法のフローチャート である。 好適な実施例の詳細な説明 図１は初期段階における溶融材料の状態を確認することを可能ならしめる装置 を示す。この装置は溶融体中の液状となった領域は、まだ固体状である領域や溶 融体から固体化した領域よりも可視光線の放射が少ないという光学原理に基づい ている。前記輝度理論の代わりに、または輝度理論に加えて、溶融材料が輝度ば かりでなく色調および（または）色飽和において非溶融材料と異なっている限り 、色調の理論および（または）色飽和の原理を使用することもできる。 溶融体の輝度を識別するため、カメラ２例えばＣＣＤビデオカメラが設けられ る。このカメラは溶融体３が入った坩堝７の上方に対角線状に配置されている。 このカメラ２を用いて溶融体３の表面４、または少なくとも表面４の一部分を観 察する。 坩堝７はモータ９を使用し軸５および歯車６により、たとえば上から下へ移動 できる。また、坩堝を回転させることもできる。坩堝７は上部１２、中央部１３ および下部１４からなるハウジングの中に配置されている。下部１４に２個のガ ス出口２５、２６が設けられている。坩堝７の周りには電気式加熱装置１６が配 置され、この電気式加熱装置１６に加熱電流源１７から電気エネルギーが供給さ れる。モータ１９で駆動されるねじ棒１８により、図示されていない部分が溶融 体３に近づけられる。上部１２に属しガス入口２４を有する円筒状ユニットまた はパイプ２３の中にねじ棒１８が収容されている。 カメラ２の出力信号がイメージ評価ユニット３７に送られ、このイメージ評価 ユニット３７は制御ユニット３８とデータを交換する。この制御ユニット３８は たとえばキーボードのようなオペレーティングユニット３９により影響される。 制御ユニット３８は坩堝７の軸５および歯車６を制御することができ、かつ加熱 電流源１７を制御することができる。 図２ａは坩堝７を上から見た図である。坩堝７の中に液状材料５０、たとえば 液体シリコンが容れられ、その中に固化した材料からなる数個の島５１〜５４が 存在する。固化した材料は液状材料よりも可視光線をより良く反射するので、液 状溶融体５０は固化した島５１〜５４より少量の輝度となる。その結果、島５１ 〜５４は周囲の液状材料５０より一層輝いた外観を有する。 参照番号５５はカメラ２の視角に対応する測定窓を示す。すなわち、カメラ２ は測定窓５５により形成される坩堝７の領域を記録する。参照番号５６は後で意 味を説明する測定線を示す。 図２ｂにおいて、坩堝内の材料の輝度がｘ座標系で示されている。固体状の島 ５１〜５４が存在するポイントは液状溶融体が存在するポイントより大なる輝度 Ｂ₁〜Ｂ₄を示している。 もし、測定線５６が通る島５２、５３のみを考慮するとすれば、図２ｂにおい て輝度Ｂ₁、Ｂ₃は脱落することになる。 図３もまた溶融体５０および島５１〜５４が存在する測定窓５５を拡大図示し ている。格子を形成するように多数の水平測定線６０〜６９および垂直測定線７ ０〜８６が測定窓に重ねて示されている。これらの測定線６０〜６９および７０ 〜８６はＣＣＤカメラ２の走査線およびコラムである。ＣＣＤカメラ２により記 録される測定窓は走査線およびコラムに基づいて走査され、図３に示される走査 線およびコラムは時間一複合態様でアクセスされる。 この種の走査方法によると、固体状と液状のシリコンの間の輝度の変遷が記録 され、島５２についてはポイントＰ₁〜Ｐ₉で記入される。これらの輝度の変遷を 識別することにより、シリコン溶融体の表面の集合状態を正確に決めることがで きる。 もし個々のポイントＰ₁〜Ｐ₉がわかれば、島５２の表面積を計算することがで きる。その他の島５１、５３、５４の表面積も同様に計算することができる。次 に、これにより固体状表面に対する液状表面の比率を決定できるようになる。こ れらの比率について種々の数値を作ることができ、ここまで到達すれば一定の手 順段階の完了となる。特に興味深いことは、溶融体の固体状表面部分の消滅であ り、この状態は溶融体の完成を示している。固体の消滅は自然現象により模擬 することもできるので、坩堝が回転を続ける一定の待ち時間が観察される。この 待ち時間が終了した後にのみ、表面の固体状部分が実際に消滅したと仮定され、 次に適当な手順段階が開始される。 図４はフローチャートの形式にした本発明の工程の流れを示す。ブロック１０ ０で示す開始後にＣＣＤカメラ２により再生される溶融体の表面はブロック１０ １で示されるように、記憶装置（図示せず）の中にデジタル形式のイメージとし て読取られる（ブロック１０１参照）。このようにして読取られたイメージは線 およびコラムで走査され（ブロック１０２参照）、かつ輝度についてモニタされ る。線およびコラムの近接点の間の輝度の差が予定の限界値を越えるときは、変 遷ポイントの局所座標（いわゆるエッジ）が識別され、記憶される（ブロック１ ０３参照）。 このようにして、島５２のポイントＰ₁〜Ｐ₉を位置決めすることができる。適 当な補間法により、これらのポイントＰ₁〜Ｐ₉を結ぶ線を描いて、島５２の輪郭 を作ることができる。これから島５２の表面積を計算することができる。 もし島５１〜５４の数が増加すると、識別エッジの数も増加する。このように して、識別エッジの数で溶融体の表面上の溶融状態を測定できる。もし、エッジ の数について特別な溶融値が出るならば（ブロック１０４参照）、予定の溶融体 中の固体状成分の様子が識別され、任意の処理工程を開始する時点に達する。こ れはブロック１０５に示される。この種の処理工程としては、たとえば、加熱装 置１６における加熱減少や坩堝の回転速度の増大である。全ての処理工程が実施 されると作業が終了する（ブロック１０６参照）。 エッジの限界値はたとえばオペレーティングユニット３９からの入力である。 このようにして、本発明は処理工程の初期においても、結晶製造の各工程をモ ニターして影響させることが可能となる。もし、固体状の半導体の塊が坩堝の壁 に引っかかった状態で残留しているか、または溶融体の中を漂流している塊が溶 融体の上方の装置に触れてこれを損傷させる恐れがあるときは、たとえば加熱出 力およびまたは坩堝の回転速度を適当に修正して溶融作業を加速させることがで きる。 もし本発明による方法で、次の工程の導入まで、固体状成分／液状成分の比率 ＝０、待ち時間１〜５分が導入されることが確立されるとすれば、上述したよう に非溶融部分が溶融体の中になお残留している場合には、破壊的影響がこの溶融 体の完全液化を模擬することができる。この待ち時間によりすべての材料が実際 に溶け、結晶の引上げ作業を開始できることが確実になる。待ち時間の長さは坩 堝の回転速度により変わる。坩堝の回転速度を増大すれば、非溶融の塊が溶融域 に一層速く移動されるので、待ち時間は短縮される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０１Ｎ 21/47 Ｇ０１Ｎ 21/47 Ｄ (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＪＰ，ＫＲ，Ｕ Ｓ (72)発明者 ブリュス ディーター ドイツ Ｄ―63486 ブルッフケーベル キンツィッヒハイマー ヴェーク ９ (72)発明者 カルコウスキー クラウス ドイツ Ｄ―63584 グリュンダウ シラ ーシュトラーセ 10ｂ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．坩堝（７）の内容物の表面の少なくとも一部分を映像化するカメラ（２）が 設けられ、該坩堝（７）の内容物の表面の固体状部および液状部に対する前記カ メラの映像を評価する評価装置（３７）が設けられたことを特徴とする結晶を製 造するために溶融体をモニタする装置。 ２．前記坩堝（７）が軸線の周りを回転できることを特徴とする請求項１に記載 の結晶を製造するために溶融体をモニタする装置。 ３．前記坩堝（７）が加熱装置（１６）により囲繞されていることを特徴とする 請求項１に記載の結晶を製造するために溶融体をモニタする装置。 ４．（ａ）坩堝（７）の内容物の表面の少なくとも一部分がカメラ（２）により 映像化される工程と、（ｂ）カメラ（２）により作られた映像が坩堝（７）の内 容物の表面の固状体部および液状部に対し評価される工程とを包含することを特 徴とする結晶の製造に使用する溶融体をモニタする方法。 ５．（ａ）前記表面の映像化された部分が情報記憶装置に記憶される工程と、（ ｂ）前記情報記憶装置が線対線およびまたはコラムにより走査され且つすべての 走査ポイントの輝度が記録される工程と、（ｃ）線およびまたはコラム上の近接 ポイントの輝度が比較される工程と、（ｄ）２つの近接ポイント間の輝度の予定 差が確認されるとき前記２つの近接ポイントの中の少なくとも１つの座標が記憶 される工程と、（ｅ）予定の輝度差を有する予定数の近接ポイントが得られたと き作業段階を開始する工程と、を包含することを特徴とする請求項４に記載の結 晶の製造に使用する溶融体をモニタする方法。 ６．（ａ）前記表面の映像化された部分が情報記憶装置に記憶される工程と、（ ｂ）前記情報記憶装置が線およびまたはコラムにより走査され且つすべての走査 ポイントの彩度が記録される工程と、（ｃ）近接領域の色相（または彩度）が比 較される工程と、（ｄ）２つの近接ポイント間の彩度の予定差が確認されるとき 前記２つの域の中の少なくとも１つの座標が記憶される工程と、（ｅ）所定の彩 度差を有する所定数の近接域が得られたとき作業段階を開始する工程と、を包 含することを特徴とする請求項４に記載の結晶の製造に使用する溶融体をモニタ する方法。 ７．開始した作業段階が前記坩堝（７）の加熱出力の修正であることを特徴とす る請求項５または請求項６に記載の結晶の製造に使用する溶融体をモニタする方 法。 ８．開始した作業段階が前記坩堝（７）の位置の変更であることを特徴とする請 求項５または請求項６に記載の結晶の製造に使用する溶融体をモニタする方法。 ９．開始した作業段階が前記坩堝（７）の回転速度の変更であることを特徴とす る請求項５または請求項６に記載の結晶の製造に使用する溶融体をモニタする方 法。 １０．開始した作業段階がガス流量またはガス圧力の調節であることを特徴とす る請求項５または請求項６に記載の結晶の製造に使用する溶融体をモニタする方 法。 １１．前記カメラ（２）がビデオカメラであることを特徴とする請求項１に記載 の結晶を製造するために溶融体をモニタする装置。 １２．坩堝（７）の内容物が半導体材料からなることを特徴とする請求項１に記 載の結晶を製造するために溶融体をモニタする装置。 １３．前記カメラ（２）の軸線が坩堝（７）の軸線に対してなす角度αが ０＜α＜９０° であることを特徴とする請求項１に記載の結晶を製造するたやに溶融体をモニタ する装置。 １４．前記カメラ（２）により作られた映像が角度αで生ずる映像誤差の量に修 正されることを特徴とする請求項１３に記載の結晶を製造するために溶融体をモ ニタする装置。 １５．コントラスト差を表すポイントが決定され且つ坩堝の中で溶解していない 部分がこれらの領域から計算されることを特徴とする請求項５に記載の結晶の製 造に使用する溶融体をモニタする方法。 １６．非溶融材料に対する溶融材料の比率が確認され且つ一定の比率が或る作業 段階と関係づけられることを特徴とする請求項４に記載の結晶の製造に使用する 溶融体をモニタする方法。 １７．非溶融材料に対する信号の中止により結晶を引上げる作業を含む工程を誘 導することを特徴とする請求項１６に記載の結晶の製造に使用する溶融体をモニ タする方法。 １８．固体材料の部分がゼロになったとき任意の時間作業工程の中断が観察され 、これにより確認ずみのゼロ値が偶然に発生されないことを特徴とする請求項４ に記載の結晶の製造に使用する溶融体をモニタする方法。 １９．任意の時間いわゆる待ち時間が１〜５分であることを特徴とする請求項１ ８に記載の結晶の製造に使用する溶融体をモニタする方法。 ２０．待ち時間が坩堝の回転速度（１〜１０ｒｐｍ）により変化することを特徴 とする請求項１９に記載の結晶の製造に使用する溶融体をモニタする方法。