JP2002509853A - 半導体結晶の成長制御用の開ループ方法及びシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 チョクラルスキプロセスにより、ゼロ転位状態で改良された直径及び成長速度の均一性を有するシリコン単結晶を成長させる装置とともに使用される開ループ制御方法である。本発明によれば、るつぼに装填されたシリコンに基づく熱及び質量移動モデルが、１又はそれ以上の参照パラメータの関数として決定される。参照パラメータの値は、参照シリコン結晶の成長から決定される。続いて、出力特性が、所定の引き上げ速度特性とモデル直径特性のために、熱及び質量移動モデルの関数として決定される。形成された出力特性は、メルトと結晶の間の境界で実質的に熱平衡を維持するために、るつぼに与えられる熱エネルギの量を提供するヒータに供給される出力の代表である。最後に、結晶成長装置は、出力特性に従ってヒータによりるつぼに提供される熱エネルギを調整することにより、シリコン単結晶の少なくとも一部の成長中に制御される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 （発明の背景） 本発明は、一般に、結晶成長のためのチャクラルスキプロセスを用いた装置又
は方法を制御する改良された方法及びシステムに関する。特に、本発明は、半導
体単結晶成長プロセスを自動的に制御するための開ループ（open-loop）の方法 及びシステムに関する。更には、本発明は、シリコン単結晶のエンドコーンの成
長を自動制御し、結晶のゼロ転位状態を維持するために使用できる開ループの方
法及びシステムに関する。

【０００２】 半導体電子素子を作製するための多くのプロセスの出発材料である単結晶シリ
コンは、一般に、チョクラルスキプロセスにより準備される。このプロセスでは
、多結晶シリコンがるつぼに装填されて溶かされ、種結晶（シード）が溶融シリ
コンに接触するように入れられ、単結晶がゆっくりした引き上げにより形成され
る。ネックの形成が終わった後、引き上げ速度及び／又はメルト温度を減少させ
ることにより、所望の又は目的の直径に達するまで結晶の直径が広げられ、結晶
のテーパ又はクラウン部分が形成される。概ね一定の直径を有する、結晶の円筒
形の主ボディが、それから、引き上げ速度及びメルト温度を制御し、一方でメル
トレベルの低下を補正して成長される。成長プロセスの終わり近くで、溶融シリ
コンのるつぼが空になる前に、結晶の直径は徐々に減らされて、エンドコーンが
形成されなければならない。直径が十分に小さくなった場合、続いて結晶がメル
トから分離される。

【０００３】 シリコンメルトから結晶が分離されるプロセスは、所定の状態の結晶の品質に
不利な影響を与えうる。もしメルトからの分離が起きる場合に結晶の直径が十分
に減少していなければ、又はもし直径の減少が速過ぎたり、又は不均一であれば
、結晶は熱ショックを受けるであろう。かかる熱ショックは、結晶の主ボディ中
に伝搬する滑り転位をエンドコーンに形成する。

【０００４】 更に、結晶のエンドコーンは、通常捨てられるため、結晶上に成長されたエン
ドコーンの軸方向の長さは最小であることが望まれる。しかしながら、シリコン
メルトからの分離が起こった場合に、結晶への熱ショックを最小にするために、
エンドコーンの長さは十分でなければならない。エンドコーンの成長プロセスは
、それ故に、エンドコーンの消費を最小にする、メルトからの分離時の結晶中の
転位の形成を避ける、及び結晶の受け入れられる熱履歴を維持するという、しば
しば相反する目的を満たすように、注意深く制御しなければならない。

【０００５】 結晶成長プロセスを制御するために、従来から使用されていたプロセスは、熟
練した結晶引き上げオペレータ、又は非常に複雑な閉ループ（closed-loop）制 御理論、又はその双方による、プロセスの正確な制御に依存していた。例えば、
ここに参考として添付した、米国特許5,223,078のマエダらは、種結晶に隣接し た結晶の円錐部分（テーパ）の成長を制御する閉ループ制御方法について述べ、
テーパの成長中に、積極的な測定とプロセス変数の調整を必要としている。マエ
ダの方法では、メルト温度と、成長される結晶のテーパの直径が測定される。こ
の直径の変化速度が計算され、この変化速度は、測定された温度とともに、現在
の目標温度の値、変化速度の値と比較される。目標温度は、続いて、目標温度の
データファイルと目標の直径の変化速度のデータファイルに存在するデータに基
づいて再設定される。続いて、ヒータに供給される電流量が、好ましくはコント
ローラのＰＩＤ動作により制御され、修正された目標温度となるように制御され
る。

【０００６】 また、ここに参考として添付する米国特許4,973,377のカツオカらは、メルト 温度とるつぼの回転速度を制御することにより、テーパの直径を制御する閉ルー
プの方法について述べている。

【０００７】 また、ここに参考として添付する米国特許4,876,438のワタナベらは、ヒータ に供給される電力、及び引き上げ速度を制御することにより、結晶の直径を制御
する装置について述べている。装置は、閉ループフィードバックプロセスで操作
され、ここでは、結晶の直径に関連する２つのプロセス変数が、結晶の成長中に
測定され、適当な制御動作が行なわれて、所望の直径が維持される。

【０００８】 また、ここに参考として添付する米国特許5,288,363のアラキは、テーパ成長 を制御する閉ループの方法について延びている。アラキの方法では、所望の結晶
直径からの結晶直径の偏差が計測される。引き上げ速度は、偏差が最小となるよ
うに調整される。加えて、メルトヒータに供給される出力の量の修正値が、ファ
ジー干渉（fuzzy interference）に基づいて計算される。ヒータ出力が、続いて
、修正値により調整される。

【０００９】 しかしながら、そのようなアプローチは、完全には満足できるものではなかっ
た。第１に、重要なメンテナンスとともに、それらは、高価で複雑なプロセス制
御装置及び技術が必要とした。第２に、それらは、しばしば、正確な操作のため
のオペレータ管理の程度に付加的に依存していた。第３に、それらは、しばしば
、プロセスによる結晶成長のスループットを低減していた。第４に、測定装置に
よる結晶やシリコンメルトの汚染を避けるために、閉ループシステムの一部とし
て、どこでプロセス変数が測定されるかに注意を払わなければならなかった。第
５に、制御のエラーが、結晶引き上げ速度や出力レートの誤った調整を招き、こ
れは、結晶成長の成功に反対の影響を与えていた。

【００１０】 この結果、プロセス制御装置、及び操作の必要条件を最適化、単純化するシリ
コン単結晶成長の制御用プロセスが必要とされる。これは、オペレータ管理への
依存度を最小化し、エンドコーンの消費を最小にし、結晶の熱履歴の均一性を改
良し、及び／又は直径制御の妥協なしにプロセス歩留まりを改良するものである
。

【００１１】 （発明の概要） それ故に、以下の目的が、本発明の多くの目的に含まれる。即ち、上述の欠点
を克服する、改良された制御及び操作の方法及びシステムを提供する。チョクラ
ルスキプロセスで操作される、結晶成長装置で使用する方法及びシステムを提供
する。シリコン単結晶の少なくとも一部の成長を、開ループ操作で自動制御する
方法及びシステムを提供する。ヒータにより固体シリコンが装填されたるつぼに
供給される熱エネルギを、システムのための適当な熱移動モデル及び質量移動モ
デルに基づいて、制御する方法及びシステムを提供する。メルトと結晶の間の界
面において、熱流動を循環させることにより、実質的に熱平衡を維持する方法及
びシステムを提供する。結晶成長プロセスにおけるオペレータのかかわりを最小
にし又は排除する方法及びシステムを提供する。結晶のエンドコーンの成長及び
／又は形状を制御する方法及びシステムを提供する。結晶がシリコンメルトから
分離される場合の結晶への熱ショックを最小にする（又は、実質的に除去する）
方法及びシステムを提供する。転位がない所望の直径の結晶の部分を再現性良く
成長するための方法及びシステムを提供する。最小のスループットを維持し、プ
ロセスによる結晶成長の処理時間を減らす方法及びシステムを提供する。効率良
く、経済的に行われる方法、及び効率良く、経済的に実行できるシステムを提供
する。そして、再現性が良く、ラン毎に同等の品質の結晶が製造できる方法を提
供する。

【００１２】 簡単に述べると、本発明の一の具体例は、チョクラルスキプロセスでシリコン
メルトからシリコン単結晶を成長させるための装置と組み合わせて使用する開ル
ープ法である。結晶成長装置は、装填されたシリコンを含むるつぼを有する。ま
た、単結晶が引き上げられるメルトを形成するために、るつぼ中のシリコンを加
熱するヒータを有する。単結晶は、メルトとの間に界面を形成する。本方法では
、るつぼに最初に装填されたシリコンに基づく熱及び質量移動モデルが、最初に
決定される。モデルは、参照シリコン単結晶の成長から決定される１又はそれ以
上の関数である。出力特性（power profile）が、続いて形成される。この出力 特性は、るつぼに所定量の熱エネルギを供給するために、ヒータにより必要とさ
れる出力量の代表である。かかる熱エネルギは、メルトと結晶との間の界面で実
質的に熱平衡を維持するのに十分な量である。出力特性は、熱及び質量移動モデ
ルの関数である。最後に、結晶成長装置は、シリコン単結晶の少なくとも一部の
成長中に、出力特性に従ってヒータに供給される出力を調整することにより、制
御される。

【００１３】 本発明の他の形態は、チョクラルスキプロセスに従って、シリコンメルトから
シリコン単結晶を成長させる装置とともに使用されるシステムでもある。システ
ムは、充填シリコンを含むるつぼと、メルトを形成するために該るつぼに十分な
熱エネルギを提供するためのヒータと、該るつぼ中のメルトから結晶を引き上げ
るための結晶引き上げメカニズムと、出力特性を決定し、出力特性に従って熱を
制御する制御回路とを含む、チョクラルスキ法によりシリコン単結晶を成長させ
る装置を含む。出力特性は、るつぼに所定量の熱エネルギを供給するために、ヒ
ータにより必要とされる出力の量の代表である。かかる熱エネルギは、メルトと
結晶との間の界面で実質的に熱平衡を維持するのに十分な量である。出力特性は
、熱及び質量移動モデルの関数である。熱及び質量移動モデルは、それ自体、参
照のシリコン単結晶の成長から決定される１又はそれ以上の参考パラメータの関
数である。ヒータは制御回路に応答し、出力特性に従ってメルトに熱エネルギを
提供する。

【００１４】 他の目的及び特徴は、以下において一部は明らかにされ、一部は指摘される。
方法とシステムは、特にシリコン及び他の半導体からの、及び一般的には他の材
料からの単結晶の成長に使用することができる。しかしながら、説明の単純化の
ために、本発明は、シリコン単結晶の状況について説明する。

【００１５】 （好ましい具体例の説明） 図１には、本発明に従って、チョクラルスキ法でシリコン単結晶を製造する結
晶成長装置２３とともに用いられるシステム２１が示されている。示された具体
例では、結晶成長装置２３は、抵抗ヒータ２９又は他の加熱手段により囲まれた
溶融されたシリカるつぼ２７を閉じこめる真空チャンバ２５を含む。るつぼ２７
は、多結晶シリコンメルト３１を保持する。メルト３１は、固体の多結晶シリコ
ン（図示せず）をるつぼ２７に加えることにより提供される。ヒータ電源３３は
抵抗ヒータ２９を通して電流を供給し、固体シリコンを溶かしてメルト３１を形
成する。抵抗ヒータ２９は、全体が絶縁体３５により囲まれ、るつぼ２７内に熱
を保持する。一の具体例では、冷却水を送るチャンバ冷却ジャケット（図示せず
）が、真空チャンバ２５を囲んでも良い。

【００１６】 その下端部で単結晶のシリコンシード３９を保持する結晶引き上げシャフト又
はワイヤ３７が、メルト３１上に配置される。シード３９がメルト３１中に下げ
られた場合、シード３９は溶け始める。続いて、熱平衡の後に、引き上げワイヤ
３７が引き込まれ、メルト３１からシード３９が引き上げられる。シード３９が
引き上げられた場合、実質的に円筒状のシリコン単結晶４１が、シード３９上に
成長し、メルト３１からシリコンが引き上げられる。結晶駆動ユニット４３が、
連続してメルト３１から引き上げワイヤ３７を引き上げ、これにより、従来のチ
ョクラルスキプロセスのように結晶４１が形成される。結晶駆動ユニット４３は
、同じく引き上げワイヤを連続して回転させる。結晶のネック領域が形成された
後、引き上げ速度が減少し、結晶のテーパとして一般に呼ばれる外部に広がった
領域が形成される。所望の直径となった場合に、引き上げ速度と他の成長条件が
制御され、結晶のテーパとエンドコーンとの間に、主ボディのための実質的に連
続した直径を提供する。

【００１７】 るつぼ駆動ユニット４５は、引き上げワイヤ３７がメルト３１から結晶４１を
引き上げる場合の、結晶４１の回転方向と反対の方向に、るつぼ２７を回転させ
る。結晶４１が成長するにつれて、るつぼ駆動ユニット４５は、同様に、真空チ
ャンバ２５中でるつぼ２７を上昇させ、メルト３１の消費を補正する。メルト３
１が枯渇に近づくと、結晶の直径は次第に減少し、結晶４１の円錐状のエンドコ
ーンが形成される。一度、エンドコーンの直径が十分小さく、通常は２ｍｍから
４ｍｍになると、結晶４１の主ボディに転位が広がることなく、メルト３１から
の結晶４１の分離を完了させることができる。結晶４１は、続いて、真空チャン
バ２５から除去され、シリコンウエハを形成するように処理されても良い。

【００１８】 一の具体例では、予め決定された引き上げ速度特性に従ってメルト３１から結
晶４１を引き上げながら、結晶駆動ユニット４３が、予め決定された結晶回転速
度特性に従って、結晶４１を回転させる。るつぼ駆動ユニット４５は、同様に、
通常は、結晶４１の回転方向と反対の方向に、予め決定されたるつぼ回転速度特
性に従って、るつぼ２７を回転させる。一般に、プログラムされたデジタル又は
アナログコンピュータを含むコントロールユニット４７が、他の物の中で、ヒー
タ電源３３、るつぼ駆動ユニット４５、及びるつぼ駆動ユニット４３を制御する
。例えば、コントロールユニット４７は、予め決定された出力特性に従って、ヒ
ータ電源３３から抵抗ヒータ２９に供給される出力を制御してもよい。

【００１９】 以下に述べるように、熱及び質量移動モデルは、指定された引き上げ速度特性
及びモデル直径特性のための、参照結晶の成長から決定された参照パラメータの
関数として、出力特性を導くために用いられても良い。出力特性は、ヒータ２９
に供給される出力の代表であり、メルト３１と結晶４１との間の界面で実質的に
熱平衡を維持するために、るつぼに供給するのに必要な熱エネルギの量である。
コントロールユニット４７は、同様に、結晶駆動ユニット４３とるつぼ駆動ユニ
ット４５とを、従って、結晶とるつぼの回転速度と結晶引き上げ速度とを制御す
る。本発明によれば、コントロールユニット４７は、結晶４１の少なくとも一部
の成長のために、開ループ理論に基づいて、結晶成長装置２３の操作を自動的に
制御する。

【００２０】 正確で信頼性のある制御が、結晶４１の主ボディの後半の半分の成長中、及び
エンドコーンの成長中を含む、結晶成長プロセス中に望まれる。主ボディは、実
質的に一定の直径で成長されることが好ましく、エンドコーンは、一定の傾きで
、実質的に円錐形状に成長されることが好ましい。結晶４１の少なくとも一部の
成長中の、所定の引き上げ速度特性とモデル直径特性のための出力特性に従って
、コントロールユニット４７が結晶成長装置２３を操作した場合に、それらの目
標が達成される。本発明の方法及び装置は、メルト３１からそのエンドコーンを
成長させる、少なくともボディの後半の半分の成長の制御に、又は対応する軸界
面中で、結晶４１の分離部分の成長の制御に効果的に使用できる。好ましくは、
かかる方法及び装置は、結晶４１のエンドコーンの成長の制御に使用される。

【００２１】 引き上げ速度特性及びモデル直径特性は、出力速度特性を使用する結晶成長プ
ロセスのための条件の、目標特性である。引き上げ速度特性及びモデル直径特性
は、独立で、一定にすることも、結晶成長中に変化させることもできる。加えて
、結晶４１の成長中に用いられる結晶及びるつぼの回転速度は、独立であり、実
質的に一定であっても、結晶の所望の部分が成長されるに従って、下方に向かっ
て傾斜をつけても良い。

【００２２】 本発明の好ましい具体例では、出力特性を導き出すのに使用されるが、熱及び
質量移動モデルは、メルト３１と結晶４１の間の界面の状態を分析するのに効果
的であり、また、その界面での熱平衡を決定又は特性を与えるのに効果的である
。代表モデルは、るつぼ２９に、所定の熱エネルギを供給するために、ヒータ２
９により得られる出力の特性の展開を許容する。かかる熱量は、所定の結晶引き
上げ装置、引き上げ速度特性、及び参照パラメータの所定のセットの関数として
のモデル直径特性のために、界面において熱平衡を維持するのに十分である。こ
れらの参照パラメータは、参照シリコン単結晶の成長から得られたプロセス変数
データ（例えば、引き上げ速度、出力速度、結晶直径、結晶回転速度及びるつぼ
回転速度）に基づいて、熱及び質量移動モデルのために計算される。

【００２３】 本発明の熱及び質量移動モデルは、るつぼに含まれたシリコン（即ち、るつぼ
に最初に装填されたシリコン）の全体の質量バランスを用い、式１を導く。

【００２４】

【００２５】 ここで、Ｍ_Rは、るつぼ内に残っているシリコンの質量である。 また、Ｍ_Iはるつぼに最初に入れたシリコンの質量である。 また、Ｍ_Cは、結晶のネック、テーパ及びボディに含まれるシリコンの質量で ある。

【００２６】 はエンドコーンに含まれるシリコンの質量である。

【００２７】 ここで、ρはシリコンの密度、Ｖ_Pは引き上げ瞬間速度、φは界面における結 晶の直径、ｔは瞬間時間、ｔ₀は結晶成長が始まった時、ｄｔは時間差である。

【００２８】 モデルは、続いて、プロセスで使用されるシリコンの全体の熱バランスを用い
て式３を導く。

【００２９】 Ｈ_I＋Ｈ_F＝Ｈ_L （３）

【００３０】 ここで、Ｈ_Iは結晶成長中に、るつぼ中のシリコン、及び結晶のネック部、テ ーパ部、ボディ部、及びエンドコーンに供給された熱である。これは、ヒータ２
９によりシステム２１に供給された熱として表され、出力特性に対応するもので
ある。

【００３１】 Ｈ_Fは、式４で表すことができるシリコンの融解熱である。

【００３２】 Ｈ_F＝ｈ_fＶ_p（πφ²／４） （４）

【００３３】 ここで、ｈ_fは融解のための比熱である。 また、Ｖ_pは瞬間引き上げ速度である。 また、φは界面における結晶の直径である。 また、Ｈ_Lは、成長プロセス中における、るつぼ中のシリコン、及び結晶のネ ック、テーパ、ボディ、及びエンドコーンからの熱損失である。

【００３４】 主に対流や放射を通した熱損失である、システムの熱損失Ｈ_Lは、実質的な正 確さを伴って、式５で近似できることが、経験的に発見されている。

【００３５】

【００３６】 ここで、ｋは経験的に得られた定数である。

【００３７】 式４及び式５を、式３に挿入することにより、式６が導かれる。

【００３８】

【００３９】 結果の式６を単純化して、式７が導かれる。

【００４０】

【００４１】 係数ａ、ｂ、ｃ、ｄ及びｅは、経験的に得られた参照パラメータである。 また、Ｌは、結晶の瞬間の長さである。 また、φは、結晶の瞬間の直径である。

【００４２】 本発明のこの具体例によれば、コントロールユニット４７のプログラムされた
デジタル又はアナログコンピュータが、他の物の中で、結晶駆動ユニット４３と
ヒータ電源３３とを、熱及び質量移動モデルの関数として制御する。コントロー
ルユニット４７は、結晶成長プロセスオートメーションのプログラムに用いられ
、オペレータ・インターフェースを提供する。かかるオペレータ・インターフェ
ースは、結晶成長装置２３のオペレータが、所望の参照パラメータ、引き上げ速
度、モデル直径特性、及び他のプロセス情報を、成長する所定の結晶のために入
力することを可能にする。一例として、オペレータは所望の参照パラメータ、引
き上げ速度特性及び直径特性を、コントロールユニット４７に入力する。コント
ロールユニット４７は、続いて、メモリに蓄積された参照パラメータ、引き上げ
速度特性及びモデル直径特性に従って、プログラムを実行する。それらのプログ
ラムは、抵抗ヒータ２９に供給される出力に代表される出力特性（又は熱勾配）
を決定し、結晶４１の成長中に、結晶４１とメルト３１との間の界面において、
実質的に熱平衡を維持する。本質的には、コントロールユニット４７は、所定の
引き上げ速度特性及びモデル直径特性のための参照パラメータの関数として、熱
及び質量移動モデルを用いたアルゴリズムを行い、結晶成長プロセスのための出
力特性を決定する。制御信号が、続いて、コントロールユニット４７からヒータ
出力３３に出力され、ヒータ２９に提供される出力（及び、これによりメルトに
供給される熱エネルギ）が制御され、メルト界面での熱平衡が実質的に維持され
、これにより成長プロセスが制御される。

【００４３】 熱移動モデルの参照パラメータは、参照シリコン単結晶の成長中に、又は成長
に続いて測定されるプロセスの変数データ（例えば、引き上げ速度、ヒータに供
給される出力及び直径）から決定される。例えば、参照パラメータは、参照結晶
の成長から集められた、測定されたプロセス変数データに基づいた標準回帰分析
技術を用いたモデルのために、得ることができる。回帰分析計算はマニュアルで
もできるが、マイクロソフト・エクセル ５．０ 回帰分析ツールパックのよう
な回帰分析ソフトウエアプログラムが用いられる。回帰分析を用いて導かれた回
帰分析パラメータは、熱及び質量移動モデルに帰する。かかるモデルは、結晶の
主ボディの後半の半分の成長、及びそのエンドコーンの成長中において、より正
確であり、このため、システムのモデリングに更に効果的である。

【００４４】 参照結晶の直径は、産業界で良く知られたさまざまな技術による結晶成長プロ
セスの後に測定することができる。例えば、エンドコーンの写真又は映像と、参
照結晶のエンドコーンの直径の少なくとも一の物理的測定とが、映像解析法を用
いて参照結晶の直径特性の見積もりを提供する。画像分析ソフトウエアは、購入
することができ（例えば、Matlab Image Toolbox software）、画像分析の処理 に使用できる。代わりに、特に円筒状のボディの成長中に、参照結晶の直径は、
産業界で良く知られたさまざまな技術により、成長プロセス中の、リアルタイム
な方法で測定することもできる。参照結晶の成長中の、結晶引き上げ速度及びヒ
ータ出力は、同様に、さまざまな従来の技術により測定できる。参照パラメータ
は、同様の結晶引き上げ装置を用いた１の参照結晶の成長からの、引き上げ速度
、直径、及びヒータ出力データを用いて適当に決定できる。しかしながら、それ
らの参照パラメータは、同じ結晶引き上げ装置の、２又はそれ以上の成長からの
測定データを用いることにより、更に正確にすることができる。しかしながら、
この方法で決定された参照パラメータの値は、一般に、最初の参照結晶の成長か
らのデータを用いて決定した参照パラメータから、約５％もばらついていない。

【００４５】 かかる方法及び装置は、多くの条件のプロセス状態に概ね有効である。例えば
、エンドコーンの成長中において、引き上げ速度の範囲が、約０．０５ｍｍ／分
から約２．５ｍｍ／分であり、結晶回転速度の範囲が、約５回転／分から約２５
回転／分であり、るつぼ回転速度の範囲が、約１回転／分から約１５回転／分で
あり、出力の範囲が、約９０ｋＷから約３００ｋＷである操作に、かかるプロセ
スが使用される。これらの範囲は、フェロフルイディックス（Ferrofluidics） により製造されたモデルナンバーＣＺ１５０結晶引き上げ装置にとって一般的で
ある。

【００４６】 引き上げ速度の範囲が、約０．２ｍｍ／分から約２．５ｍｍ／分であり、結晶
回転速度の範囲が、約６回転／分から約２０回転／分であり、るつぼ回転速度の
範囲が、約６回転／分から約１５回転／分であり、出力の範囲が、約１６０ｋＷ
から約２２０ｋＷであることが好ましい。結晶の主ボディの一部の成長に、この
プロセスが使用される場合にも、実質的に、同じ引き上げ速度、ヒータ出力、る
つぼ回転速度、及び結晶回転速度が使用される。好ましい引き上げ速度と出力速
度は、エンドコーンの成長に使用される速度よりも遅く、好ましい結晶回転速度
は、エンドコーンの成長に使用される速度より速い。

【００４７】 かかるプロセスは、同様に、いずれの直径を有する結晶にも、好ましくは少な
くとも１５０ｍｍ、更に好ましくは少なくとも２００ｍｍの直径を有する結晶に
も適用できる。かかるプロセスは、また、シリコン以外の半導体材料から準備さ
れる結晶の成長にも効果的である。

【００４８】 加えて、参照結晶の成長は、新しいプロセスの結晶４１の成長中の、対応する
引き上げ速度、直径、ヒータ出力、結晶回転速度及びるつぼ回転速度特性（一定
又は一定でない特性）から、約１５％以上はばらつかない、測定された引き上げ
速度、直径、ヒータ出力、結晶回転速度及びるつぼ回転速度特性となるように制
御されるのが好ましい。ばらつきは、約１０％以下であることが好ましく、特に
、約５％以下であることが好ましい。

【００４９】 更に、結晶の主ボディの上に成長されたエンドコーンの軸方向の長さは、約４
５０ｍｍを超えないことが好ましい。加えて、又は代わりに、結晶の主ボディの
上に成長されたエンドコーンの重量は、主ボディの軸方向の長さに相当する重量
の、約４０％以下であることが好ましく、更に、約３５％以下であることが好ま
しい。例えば、２００ｍｍの軸方向の長さを有するエンドコーンの重量は、同じ
結晶の２００ｍｍの長さの主ボディの重量の約４０％以下であることが好ましい
。

【００５０】 図２を参照すると、システム２１は、結晶成長装置２３の開ループ制御を提供
するフローダイアグラムに従った一の具体例で操作する。ステップ６１の最初に
おいて、結晶引き上げ速度、ヒータ２９に供給される出力、及び結晶直径のデー
タが、参照結晶の成長ランから得られる。ステップ６２では、参照結晶の成長か
ら集められた結晶引き上げ速度、ヒータ２９に供給される出力、及び結晶直径の
データを用いた回帰分析が行なわれ、用いられる熱及び質量移動モデルのための
参照パラメータが形成される。ステップ６３では、結晶成長装置２３を制御する
ための参照パラメータが、メモリに蓄積される。ステップ６４では、結晶４１の
成長のための引き上げ速度特性とモデル直径特性が（結晶回転速度やるつぼ回転
速度のような他の所望のプロセス制御情報とともに）、メモリに蓄積される。ス
テップ６５では、コントロールユニット４７が、メモリに蓄積された情報に基づ
いてプログラムを実行し、結晶４１の成長中に、結晶４１とメルト３１の界面で
、実質的に熱平衡を維持するために、抵抗ヒータ２９に供給される出力を代表す
る出力特性を決定する。本質的には、コントロールユニット４７が、参照パラメ
ータの関数として熱及び質量移動モデルを用いたアルゴリズムを行い、特定の引
き上げ速度特性及びモデル直径特性に基づいて、結晶成長プロセスのための出力
特性を決定する。ステップ６６では、出力特性がメモリに蓄積される。ステップ
６７では、コントロールユニット４７が、この出力特性を用いて、ヒータ出力電
源３３を調整することにより出力を操作し、従って、所望の熱平衡を達成するた
めに、抵抗ヒータ２９によりメルト３１に供給された熱エネルギが操作される。
ステップ６８では、コントロールユニット４７が、出力特性に従って、出力をヒ
ータ２９に供給するためにヒータ出力電源３３を操作し、及び引き上げ速度特性
に従って駆動ユニット４３を操作し、結晶４１の成長が行なわれる。

【００５１】 一旦、ステップ６８が終了すれば、結晶成長プロセスは完了する。ステップ６
４から６８を再度行うことにより、メモリにすでに蓄積された参照パラメータを
用いて、付加的な結晶成長を行うことができる。任意に、追加のステップ６９、
７０及び７１に導かれ、使用される参照パラメータを更に正確にする。ステップ
６９では、結晶引き上げ速度、ヒータ２９に供給される出力及び結晶直径データ
が、ステップ６８の結晶成長ランから測定され集められる。ステップ７０では、
回帰分析が、ステップ６９のデータを用いて行なわれ、初期の結晶成長のために
収集された対応データのいくらか又は全てが、熱及び質量移動モデルのための訂
正された参照パラメータを形成するようになる。ステップ７１では、結晶成長装
置２３を制御するための訂正された参照パラメータが、メモリに蓄積され、ステ
ップ６４から６８が、訂正されたパラメータを用いて繰り返される。

【００５２】 操作において、システム２１は、結晶成長装置２３を用いたシリコン単結晶の
成長を自動制御するための、開ループ制御システムを提供する。有利なことに、
システムは、閉ループプロセスコントロール理論、又は高価なオペレータの必要
性なしに、ゼロ転位状態で、改良された直径と成長速度の均一性を有するシリコ
ン単結晶を提供する。特定の引き上げ速度特性及び直径特性を与え、結晶４１と
メルト３１との間の界面で、熱平衡を維持するのに必要な熱エネルギを決定する
ために、熱及び質量移動モデルを用いることができる。この熱及び質量移動モデ
ルに基づいて、コントロールユニット４７が、ヒータ２９に必要とされる出力に
対応する出力特性を形成することができ、界面で熱平衡を維持するのに十分な熱
エネルギの量をるつぼ２７に供給する。コントロールユニット４７は、続いて、
ヒータ出力電源３３を制御し、出力特性に従って、出力を抵抗ヒータ２９に提供
し、従ってメルト３１に供給される熱エネルギを制御して、界面で熱平衡を維持
する。

【００５３】 また、他の具体例では、結晶成長装置が、熱特性に従って制御される。熱特性
は、るつぼ２７に供給される熱エネルギ（又は熱フラックス）の量の代表であり
、かかる熱量は、メルト３１と結晶４１との間の界面で熱平衡を維持するのに十
分な熱量である。熱特性は、使用された熱及び質量移動モデルの関数である。こ
の熱及び質量移動モデルは、例えば、上述の記載で詳細に論じたモデルでもかま
わない。加えて、モデルは、上述の参照シリコン単結晶の成長から決定された、
１又はそれ以上参照パラメータの関数である。この具体例では加熱手段が、コン
トロールユニット４７により制御され、結晶成長ラン中に、予め決定された熱特
性に従って、るつぼ２７に熱を提供する。加熱手段がヒータ２９の場合、熱特性
に、上述の出力特性が用いられ又は置きかえられてもよい。加熱手段がヒータ２
９の場合の熱特性に代えて出力特性を用いることは、単に、るつぼ２７に供給さ
れる熱エネルギを制御するより便利な方法である。

【００５４】 ここで述べた発明は、特にここで述べた熱及び質量移動モデルに限定されるも
のではない。もし、システム２１又はシステム２１の所望の位置での熱平衡の適
当な近似が提供できるのであれば、他の熱及び質量移動モデルを使用することも
可能である。参照結晶の成長中に測定され、回帰分析計算で使用されたプロセス
変数は、使用された熱及び質量移動モデルに依存するであろう。これらのプロセ
ス変数は、必要となされないが、結晶回転速度及びるつぼ回転速度とともに、結
晶引き上げ速度、ヒータ出力及び結晶直径を含むことができる。

【００５５】 以下で述べる例のように、本発明は、結晶のエンドコーンの成長のための開ル
ーププロセスを提供する。他の長所としては、プロセスが、増加した結晶スルー
プットにために使用でき、引き上げ速度が一定であるために、制御装置と結晶引
き上げ装置のオペレータに対する要求を低減でき、そして結晶の熱履歴の均一性
を改良することができる。

【００５６】 例 １ 特定の高温ゾーンデザインを有する結晶引き上げ装置で成長された参照結晶の
プロセス変数の測定 シリコン単結晶（公称直径１５８ｍｍ、公称長さ１５７５ｍｍ）が、フェロフ
ルイディクスのモデルナンバーＣＺ１５０の結晶引き上げ装置を用いて、１００
ｋｇの多結晶シリコンチャージを含む直径２２インチのるつぼから引き上げられ
た。結晶ボディの成長中の結晶引き上げ速度は、約０．４０ｍｍ／分から約１．
５０ｍｍ／分の間に維持される。結晶ボディの成長中に、結晶及びるつぼの回転
速度は、約１０ｒｐｍと約１８ｒｐｍの間、及び約１ｒｐｍと約１０ｒｐｍの間
に維持された。結晶ボディの成長中に、ヒータに供給される出力は、約１５０ｋ
Ｗと約２００ｋＷの間に維持された。引き上げ速度、ヒータ出力、結晶回転速度
及びるつぼ回転速度は、従来の方法で連続して測定され、このデータが結晶成長
プロセス中に集められる。

【００５７】 インゴットの長さが約１５７５ｍｍに達した場合、エンドコーンの成長が開始
された。エンドコーンの成長中、結晶成長速度は、約０．５０ｍｍ／分と約２．
５ｍｍ／分との間に維持され、結晶とるつぼの回転速度は、約１５ｒｐｍと約５
．８ｒｐｍにそれぞれ維持され、ヒータへの出力は、約１６０ｋＷと約２２０ｋ
Ｗとの間に維持された。エンドコーンは、連続して成長され、エンドコーンの長
さが１７０ｍｍに到達した時に、シリコンメルトから分離された。引き上げ速度
、ヒータに供給される出力、結晶回転速度及びるつぼ回転速度は、結晶成長中に
連続して測定された。図３から図６は、エンドコーンの成長中に測定された、結
晶引き上げ速度の増加特性、ヒータ出力の増加特性、結晶回転速度特性、及びる
つぼ回転速度特性をそれぞれ示す。結果としてのエンドコーンの像が、図７（ａ
）に示される。エンドコーンの直径特性は、図７（ａ）の像の画像解析を用いて
決定された。この直径特性を、図８に示す。

【００５８】 例 ２ 結晶引き上げ装置のための出力特性の決定 マイクロソフト・エクセル ５．０ 回帰分析ツールボックスが、本発明の先
で先に述べた熱及び質量移動モデルの式を解くために使用された。

【００５９】

【００６０】 例１のプロセスに従った参照結晶の成長から、測定された引き上げ速度、ヒー
タに供給される出力及び結晶直径に基づいて、参照パラメータａ、ｂ、ｃ、ｄ及
びｅの値が求められた。計算された参照パラメータの値は以下のとおりである。 ａ＝２１１．１ ｂ＝−４．７９１×１０^-6 ｃ＝３．８８６×１０^-4 ｄ＝７．１１８×１０^-4 ｅ＝０．１３８８ これらの参照パラメータ、図３の引き上げ速度の増加特性、図８に示されるモ
デル直径特性に基づいて、式（７）が解かれて、図４のヒータ出力の増加特性が
形成される。

【００６１】 例 ３ 結晶引き上げ装置のために決定された出力特性を用いたエンドコーンの成長 シリコン単結晶（公称直径１５８ｍｍ、公称長さ１５７５ｍｍ）が、例１で使
用されたフェロフルイディクスのモデルナンバーＣＺ１５０の結晶引き上げ装置
を用いて、１００ｋｇの多結晶シリコンチャージを含む直径２２インチのるつぼ
から引き上げられた。結晶ボディの成長中の結晶引き上げ速度は、約０．４０ｍ
ｍ／分から約１．５０ｍｍ／分の間に維持された。結晶ボディとエンドコーンの
成長中に、結晶及びるつぼの回転速度は、約１０ｒｐｍと約１８ｒｐｍの間、及
び約１ｒｐｍと約１０ｒｐｍの間にそれぞれ維持された。結晶ボディの成長中に
、ヒータに供給される出力は、約１５０ｋＷと約２００ｋＷの間に維持された。

【００６２】 インゴットの長さが約１５７５ｍｍに達した場合、エンドコーンの成長が開始
された。結晶エンドコーンの成長中、ヒータに供給される出力は、（図４に示さ
れたヒータ出力の増加特性とともに）例２で計算されたヒータ出力特性に従って
制御された。また、引き上げ速度は、図３に示された引き上げ速度の増加特性に
従って制御された。エンドコーンは連続して成長され、エンドコーンの長さが約
１７０ｍｍに到達した時に、シリコンメルトから分離された。図３から図６は、
エンドコーンの成長中における、結晶引き上げ速度の増加特性、ヒータ出力の増
加特性、結晶回転速度特性、及びるつぼ回転速度特性をそれぞれ示す。結果とし
てのエンドコーンの像が、図７（ｂ）に示される。エンドコーンの直径特性は、
図７（ｂ）の像の画像解析を用いて決定された。この直径特性を、図８に示す。

【００６３】 本発明の特定の例、及びその応用について述べたが、これらは、本発明を網羅
的又は限定的に表したものではないことを意図する。これらの例示及び説明は、
本発明の当業者に、その原理及びその実用的応用を知らせることを意図し、当業
者は、多くの態様で、特別な使用の要求に最も適するように、本発明を付加し、
適用することができる。

【００６４】 上述の観点から、本発明の多くの目的が達成され、他の有用な結果が達成され
ることが理解されるであろう。

【００６５】 本発明の範囲から外れることなく、上記構成及びプロセスの中でさまざまな変
形が可能であり、上記記載に含まれ又は図面を参照して示された全ての内容は、
例示として解釈され、これに限定すべきでないことを意図する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の好ましい具体例にかかる結晶成長装置及び該結晶成長装
置の制御システムを示す。

【図２】 図１の結晶成長装置の操作のための一の具体例のフローダイアグ
ラムを示す。

【図３】 引き上げ速度を増加特性を示すグラフである。（i）例１の参照 結晶のエンドコーンの成長の場合である。（ii）例３の結晶のエンドコーンの成
長の場合である。

【図４】 ヒータ出力の増加特性を示すグラフである。（i）例１の参照結 晶のエンドコーンの成長の場合である。（ii）例３の結晶のエンドコーンの成長
の場合である。

【図５】 結晶回転速度の増加特性を示すグラフである。（i）例１の参照 結晶のエンドコーンの成長の場合である。（ii）例３の結晶のエンドコーンの成
長の場合である。

【図６】 るつぼ回転速度の増加特性を示すグラフである。（i）例１の参 照結晶のエンドコーンの成長の場合である。（ii）例３の結晶のエンドコーンの
成長の場合である。

【図７】 （ａ）例１の参照結晶のエンドコーン成長の像である。（ｂ）例
３の結晶のエンドコーンの成長の像である。

【図８】 図７（ａ）（ｂ）の像から決定した直径特性を示すグラフである
。（i）例１の参照結晶のエンドコーンの成長の場合である。（ii）例３の結晶 のエンドコーンの成長の場合である。図８には、また、例２で計算された出力特
性に基づいて決定されたモデル直径特性を示す。 なお、対応する引用番号は、全ての図を通じて対応する部分を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スティーブン・エル・キンベル アメリカ合衆国63301ミズーリ州セント・ チャールズ、ブルックウッド・ドライブ 3515番 Ｆターム(参考） 4G077 AA02 BA04 CF10 EH04 EH09 HA12

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコン単結晶成長装置とともに使用する開ループ制御方法
   であって、該結晶成長装置が、装填されたシリコンを含むるつぼと、該るつぼ中
   の該シリコンを溶かすヒータとを有して、該単結晶がそこから引き上げられるメ
   ルトを形成し、該単結晶が該メルトと界面を形成する方法であって、該方法が、 該るつぼに装填されたシリコンの量に基づいて、該メルトと該結晶との間の該
   界面で熱平衡に近づけるために、熱及び質量移動モデルを決定する工程であって
   、該モデルが、参照シリコン単結晶の成長から得られたプロセス変数データから
   決定された１又はそれ以上の参照パラメータの関数である工程と、 該メルトと該結晶との該界面で、実質的に熱平衡を維持するのに十分な熱エネ
   ルギの量を該るつぼに供給するために、該ヒータによって得られる出力の量を代
   表する出力特性を形成する工程であって、該出力特性が、時間に対する熱及び質
   量移動モデルの関数である工程と、 該出力特性に従って該ヒータに供給される該出力を調整することにより、該シ
   リコン単結晶の少なくとも一部の成長中に、該結晶成長装置を制御する工程とを
   含む方法。
2. 【請求項２】 上記方法に従った上記単結晶シリコンの一部の成長が、自動
   的に制御される請求項１の方法。
3. 【請求項３】 更に、メモリから上記参照パラメータを引き出す工程を含む
   請求項１の方法。
4. 【請求項４】 更に、チョクラルスキ法により上記参照シリコン単結晶を成
   長する工程と、 該参照シリコン単結晶の成長から、１又はそれ以上のプロセス変数を測定する
   工程と、 該測定されたプロセス変数の関数として、上記参照パラメータを決定する工程
   とを含む請求項１の方法。
5. 【請求項５】 上記測定されたプロセス変数が、結晶引き上げ速度、上記ヒ
   ータに供給される出力、及び結晶直径からなる組の１又はそれ以上の要素を含む
   請求項４の方法。
6. 【請求項６】 上記参照シリコン単結晶のエンドコーンのための結晶直径特
   性が、画像解析で決定される請求項４の方法。
7. 【請求項７】 上記熱及び質量移動モデルが、以下の式、 を含み、ここで、 Ｈ_Iは、上記ヒータにより上記るつぼに供給される上記熱エネルギであり、 ａ、ｂ、ｃ、ｄ及びｅは、独立した上記参照パラメータであり、 Ｖ_Pは、上記結晶の引き上げ瞬間速度であり、 Ｌは、上記結晶の瞬間長さであり、 φは、上記界面での上記結晶の上記直径であり、 ｔは、上記瞬間時間であり、 ｔ₀は、上記結晶成長が始まる時であり、 ｄｔは、時間差を表し、 更に、上記出力特性が、時間に対するＨ_Iの関数である請求項１の方法。
8. 【請求項８】 係数ａ、ｂ、ｃ、ｄ及びｅが、上記参照パラメータを含み、
   上記参照シリコン単結晶の一部の成長から測定された１又はそれ以上のプロセス
   変数に基づき、回帰分析により決定された請求項７の方法。
9. 【請求項９】 上記プロセス変数が、結晶引き上げ速度、上記ヒータに供給
   される出力、及び結晶直径からなる組の１又はそれ以上の要素を含む請求項８の
   方法。
10. 【請求項１０】 上記参照シリコン単結晶の少なくとも一部のための結晶直
    径特性が、画像解析により決定される請求項７の方法。
11. 【請求項１１】 上記参照シリコン単結晶が、第１結晶回転速度特性と、第
    １るつぼ回転速度特性に従って成長され、 上記シリコン単結晶が、上記出力特性、第２結晶回転速度特性、及び第２るつ
    ぼ回転速度特性に従って成長され、 該第１結晶回転速度特性が、対応する第２結晶回転速度特性から、約１５％よ
    り少なくばらつき、 該第１るつぼ回転速度特性が、対応する第２るつぼ回転速度特性から、約１５
    ％より少なくばらつく請求項１の方法。
12. 【請求項１２】 上記単結晶シリコンの少なくとも一部の成長中に、引き上
    げ速度特性に従って、上記メルトから上記結晶が引き上げられる上記速度を調整
    することにより、上記結晶装置を制御する工程を含む請求項１の方法。
13. 【請求項１３】 上記結晶成長装置が、上記シリコン単結晶の上記主ボディ
    の上のエンドコーンの成長中に、上記出力特性に従って上記ヒータに供給される
    該出力を調整することにより制御される請求項１の方法。
14. 【請求項１４】 上記結晶上に成長された上記エンドコーンが、約４５０ｍ
    ｍより小さい軸方向の長さを有する請求項１３の方法。
15. 【請求項１５】 上記結晶の上記主ボディ上に成長された上記エンドコーン
    の重量が、該主ボディの同等の軸方向の長さの重量の、約４０％より小さい請求
    項１３の方法。
16. 【請求項１６】 上記結晶が、約２００ｍｍより大きい平均直径を有する請
    求項１の方法。
17. 【請求項１７】 チョクラルスキ法で半導体結晶を成長する装置であって、 半導体が装填されたるつぼと、 該半導体を溶かしてメルトを形成するヒータと、 該るつぼ中の該メルトから該半導体結晶を引き上げる結晶引き上げメカニズム
    と、 時間に対する熱及び質量移動モデルの関数として、出力特性を決定する制御回
    路であって、該熱及び質量移動モデルは、該るつぼに装填された半導体の量に基
    づいて、該メルトと該結晶との間の界面で、熱平衡に近づく該制御回路とを含み
    、 該熱及び質量移動モデルが、１又はそれ以上の参照パラメータの関数であり、 該出力特性が、該メルトと該結晶との該界面で、熱平衡を実質的に維持するの
    に十分な量の熱エネルギを、該るつぼに供給する該ヒータにより必要とされる出
    力の量の代表であり、 該ヒータが、該出力特性に従って、熱エネルギを該メルトに供給する該制御回
    路に応答する装置。
18. 【請求項１８】 上記参照パラメータが、参照半導体結晶の成長から測定さ
    れた１又はそれ以上のプロセス変数の関数として決定される請求項１７の装置。
19. 【請求項１９】 上記半導体が、シリコンである請求項１７の装置。
20. 【請求項２０】 シリコン単結晶成長装置とともに使用する開ループ制御方
    法であって、該結晶成長装置が、装填されたシリコンを含むるつぼと、該るつぼ
    中の該シリコンを溶かすヒータとを有して、該単結晶がそこから引き上げられる
    メルトを形成し、該単結晶が該メルトと界面を形成する方法であって、該方法が
    、 該るつぼに装填されたシリコンの量に基づいて、該メルトと該結晶との間の該
    界面で熱平衡に近づけるために、熱及び質量移動モデルを決定する工程であって
    、該モデルが、参照シリコン単結晶の成長から得られたプロセス変数データから
    決定された１又はそれ以上の参照パラメータの関数である工程と、 該メルトと該結晶との該界面で、実質的に熱平衡を維持するために該るつぼに
    供給される十分な熱エネルギの量を代表する熱特性を形成する工程であって、該
    熱特性が、時間に対する熱及び質量移動モデルの関数である工程と、 該熱特性に従って該るつぼに供給される該熱を調整することにより、該シリコ
    ン単結晶の少なくとも一部の成長中に、該結晶成長装置を制御する工程と、 引き上げ速度特性に従って、該メルトから該結晶が引き上げられる該速度を調
    整することにより、該シリコン単結晶の少なくとも一部の成長中に、該結晶成長
    装置を制御する工程とを含む方法。