JP2002541047A - 半導体結晶成長処理のテーパー成長を制御する方法及びシステム - Google Patents

半導体結晶成長処理のテーパー成長を制御する方法及びシステム

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Abstract

(57)【要約】 テーパーのスロープを基にして半導体単結晶のテーパー部位の成長を制御する方法及びシステムである。結晶駆動ユニットは、テーパーを成長させるための初期速度プロファイルに実質上従うターゲット引き上げ速度にて、溶融物から成長結晶を引き上げる。制御部は、結晶長さの変動に相対する結晶直径の変動の関数として、テーパースロープ計測を計算する。続いて制御部は、テーパースロープ計測とターゲットテーパースロープとの間の差異の関数としてエラー信号を生成し、結晶駆動ユニットに対して該エラー信号の関数として引き上げ速度補正を与える。次に結晶駆動ユニットは、テーパースロープ計測とターゲットテーパースロープとの間の差異を減少させるために引き上げ速度補正に従い引き上げ速度を調整する。ターゲットテーパースロープは、概略、指数関数項と、概略、線形項とを有する関数により、定義される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 発明の背景 本発明は、概略、電子部品の製造で利用する単結晶半導体成長処理の制御の改
良に関し、特に、チョクラルスキー結晶成長処理でのテーパー成長を正確に制御
する閉回路ループ方法及び閉回路ループシステムに関する。
【０００２】 モノクリスタル、即ち単結晶のシリコンは、半導体電子部品を製作する大抵の
処理において、開始部材である。チョクラルスキー処理を利用する結晶引き上げ
機により、単結晶シリコンの大部分が製造される。手短に説明すると、チョクラ
ルスキー処理は、特別に設計された炉の中に設置された水晶るつぼ中にて高純度
ポリクリスタルシリコンの一投入分を溶融する工程を含む。加熱されたるつぼが
シリコン投入量を溶融した後、結晶引き上げ機構が種晶を下げて溶融シリコンと
接触させる。それから該機構は、種晶を引き上げシリコン溶融物から成長結晶を
引き上げる。
【０００３】 結晶ネックを構成した後、典型的な処理では、所望の直径に達するまで引き上
げ速度及び／又は融解温度を下げることにより、成長結晶の直径を大きくする。
減少する溶融物のレベルを埋め合わせつつ引き上げ速度及び融解温度を制御する
ことによって、結晶の本体は略一定の直径となる（即ち、略円柱形となる）よう
に、成長せしめられる。成長処理の終了近くにて、但し、るつぼの溶融シリコン
が空になる前にて、処理において結晶直径は徐々に減少し終了コーンが形成され
る。通常では、結晶引き上げ速度及びるつぼに供給される熱を増加させることに
よって、終了コーンは形成される。直径が十分小さくなると、結晶は溶融物から
分離される。成長処理においては、るつぼは溶融物を一方向に回転し、結晶引き
上げ機構は、種及び結晶と共に引き上げケーブル即ちシャフトを、逆方向に回転
する。
【０００４】 現在利用可能なチョクラルスキー成長処理は、広範な用途において利用される
単結晶シリコンの成長には、満足を与えるものであるが、更なる改良が望まれて
いる。例えば、整合的で再現可能な種晶終了テーパー形状は、最大温度ストレス
の整合的値、初期本体成長での整合的熱伝導、及び直径計測システムの改良信頼
性を維持する助けとなるものである。これらの理由により、テーパーを再現可能
な形状に成長させるテーパー成長制御が、整合的に且つ再現可能なようにテーパ
ーを改良させるために、望まれている。
【０００５】 従来技術のテーパー成長制御は、試行錯誤のチューニングにより溶融物の中へ
の加熱を制御する工程を含むことがしばしばである。別の技術では、加熱は、所
与の温度プロファイル（即ち、テーパー直径に対するターゲット温度）を基にし
た所定の計測温度を制御するというような、制御方法により制御される。米国特
許第５２２３０７８号及び米国特許第４９７３３７７号は、その開示内容の全体
がここに一体のものとして統合されるのであるが、従来技術のテーパー成長制御
を示す。
【０００６】 例えば、マエダその他による米国特許第５２２３０７８号は、種晶直後の結晶
の円錐形部分の成長（即ち、テーパー）を制御する方法を示す。この方法は、テ
ーパーの成長の間の処理変数の能動的測定及び調整を要求する。マエダの方法で
は、成長しつつある結晶のテーパーの融解温度及び直径が測定される。直径の変
化率が計算され、計測された温度と共にこの変化率が、所与のターゲット温度及
び変化率値と、対照される。それからターゲット温度は、ターゲット温度データ
ファイル及びターゲット直径変化率データファイルからの現存のデータを基にし
て、再び決定される。よって加熱部に供給される電気量は、正しいターゲット温
度を得るための比例積分微分（ＰＩＤ)制御部により制御される。このようにし
て、マエダその他では、できるだけ短いテーパー長を形成することを試みる。
【０００７】 カツオカその他による米国特許第４９７３３７７号では、るつぼの融解温度及
び回転速度を制御することにより、テーパーの直径を制御する方法を示す。この
方法では、るつぼの回転速度の制御範囲は、テーパー部分の直径が結晶の本体部
分の直径に近づき一定となり本体部分が成長するにつれて、より狭くなる。
【０００８】 しかしながら、これらのアプローチは、十分に満足のいくものではない。米国
特許第５２２３０７８号では、融解温度を制御する第２のフィードバックとして
、放射温度測定を利用することが示されている。この方法は、機械セットアップ
の間のめったに起こらない高温測定妨害、例えば、放射視界経路でのＳｉＯ蓄積
及び装置から装置へのパイロメータゲインでの差異のために、試みられたが失敗
となっている。温度制御のこの同じ方法に加えて、米国特許第４９７３３７７号
は、融解温度を調整するためにるつぼ回転率を調整する方法を示す。るつぼ回転
率を調整することにより、溶融物の放射流速度が変化し、従って制御力学を付加
的に導入でき、直径の制御が潜在的に不定のものになる。更に、るつぼの回転を
加減することで、るつぼ壁での溶融物内の酸素の放散層の厚さが変化するため、
るつぼの回転率を調整すると、結晶の中へ組み込まれる酸素含有量を調整するこ
とにもなる。酸素の量の制御は、概略、顧客の仕様次第であるから、テーパー形
状を制御するため酸素含有量を加減するのは望ましいことではない。逆に言うと
、酸素濃度調整から独立してテーパー形状を制御することが望ましい。更に、こ
れらの特許が示す制御技術は、十分なテーパー成長再現可能性をもたらすことが
できない。
【０００９】 これらの理由により、テーパーを再現可能な形状に成長させ、テーパーの整合
性及び再現可能性を改良する、テーパー成長制御を提供するための、引き上げ速
度の調整と組み合わせた所与の温度プロファイルを含む、テーパー成長を制御す
る方法及びシステムが、求められている。
【００１０】 発明の概要 本発明は、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ことにより
、上記の要求に応え先行技術の欠点を克服するものである。本発明の複数の目的
及び特徴において、成長結晶のテーパー部位を再現可能な形状に合わせて成長さ
せる方法及びシステムの提示、テーパー成長の間に最大熱ストレスの整合値を維
持する方法及びシステムの提示、初期本体成長での整合熱伝達を維持する方法及
びシステムの提示、及び、効果的且つ経済的に実施し得る方法と経済的に実現し
得商業上実際的であるシステムの提示には注目され得る。
【００１１】 手短に説明すると、本発明の形態を実施する方法は、チョクラルスキー処理に
従い半導体単結晶を成長させる装置と共に利用する。上記装置は、溶融物から引
き出される種晶を基に成長する結晶が成長する起点たる半導体溶融物を含む加熱
るつぼを有する。上記方法は、結晶のテーパー部位を成長させるための初期速度
プロファイルに実質上従うターゲット引き上げ速度にて、溶融物から結晶を引き
上げるステップを含む。上記方法は、結晶のテーパー部位のスロープを測定する
ステップと、ターゲットテーパースロープを定義するステップも含む。計測テー
パースロープは、結晶のテーパー部位を引き上げる間の結晶長さにおける変動に
相対する結晶直径における変動の関数である。上記方法は、計測テーパースロー
プとターゲットテーパースロープとの間の差異の関数としてエラー信号を生成す
るステップと、計測テーパースロープとターゲットテーパースロープとの間の差
異を減少するために引き上げ速度をエラー信号の関数として調整するステップと
、調整されたターゲット引き上げ速度にて溶融物から結晶を引き上げるステップ
を、更に含む。このようにして、上記方法は、結晶のテーパー部位の計測スロー
プを変動させ結晶成長を制御する。
【００１２】 大まかに説明すると、本発明の別の形態は、チョクラルスキー処理に従い半導
体単結晶を成長させる装置と共に利用するシステムである。上記装置は、結晶駆
動ユニットにより溶融物から引き出される種晶を基に結晶が成長する起点たる半
導体溶融物を含む加熱るつぼを有する。上記システムは、結晶のテーパー部位を
成長させるための初期速度プロファイルを格納し、ターゲットテーパースロープ
を格納するメモリを含む。上記結晶駆動ユニットは、上記速度プロファイルに実
質上従うターゲット引き上げ速度にて、溶融物から結晶を引き上げる。上記シス
テムは、結晶のテーパー部位を引き上げる間の結晶直径と結晶長さを表す情報を
、受け取り且つ応答する制御部も含む。上記制御部は、結晶長さの変動に相対す
る結晶直径の変動の関数として、テーパースロープ計測を計算する。上記制御部
は、又、テーパースロープ計測とターゲットテーパースロープとの間の差異の関
数としてエラー信号を生成し、結晶駆動ユニットに対しエラー信号の関数として
引き上げ速度補正を提供する。上記結晶駆動ユニットは、テーパースロープ計測
とターゲットテーパースロープとの間の差異を減少するため、引き上げ速度補正
に従い引き上げ速度を調整する。このように、上記システムは、テーパースロー
プを基にした結晶テーパー部位の成長を制御する。
【００１３】 一方で、本発明は種々の別の方法及びシステムを含んでもよい。
【００１４】 他の目的及び特徴は、一部明白であり、一部以下にて開示される。
【００１５】 好適な実施の形態の詳細な説明 図１を参照すると、概略符号１３が付されるチョクラルスキー結晶成長装置と
共に利用する、概略符号１１が付されるシステムが示される。結晶成長装置１３
の構成の詳細は、当業者には公知である。概して言うと、結晶成長装置１３はる
つぼ１９を囲い込む真空チャンバ１５を含む。抵抗ヒータ２１のような加熱手段
がるつぼ１９を取り囲む。ある実施形態では、断熱材２３は真空チャンバ１５の
内側壁に沿って並び、水が与えられたチャンバ冷却ジャケット（図示せず。）が
その廻りを囲む。アルゴンガスの不活性大気が中に供給されるにつれ真空ポンプ
（図示せず。）は通常、真空チャンバ１５の内部から気体を除去する。
【００１６】 チョクラルスキー単結晶成長処理によると、若干量のポリクリスタルシリコン
、即ちポリシリコンが、るつぼ１９に投入される。加熱動力供給部２７は抵抗ヒ
ータ２１に電流を供給し投入分を融解し単結晶３１が引き上げられるシリコン溶
融物２９を形成する。公知のように、単結晶３１は引き上げシャフト即ちケーブ
ル３７に装着される種晶３５から始まる。図１に示されるように、単結晶３１及
びるつぼ１９は、概略、共通の対称軸３９を有する。ケーブル３７の一つの端部
はドラム（図示せず。）に接続し、別の端部は、種晶３５及び種晶から成長する
結晶３１を保持するチャンク（図示せず。）に接続する。
【００１７】 加熱及び結晶引き上げの何れの間においても、るつぼ駆動ユニット４３はるつ
ぼ１９を（例えば時計回りに）回転する。るつぼ駆動ユニット４３は、成長処理
の間所望に応じて、るつぼ１９を上げ下げをもする。例えば、るつぼ駆動ユニッ
ト４３は、溶融物２９が消耗するに従い符号４５にて示される溶融物２９のレベ
ルを所望の高さに維持するため、るつぼ１９を持ち上げる。結晶駆動ユニット４
７は、るつぼ駆動ユニット４３がるつぼ１９を回転する方向とは逆の方向に、ケ
ーブル３７を同様に回転する。更に、結晶駆動ユニット４７は、成長処理の間、
溶融物レベル４５に相対して、結晶３１を所望に応じて上げ下げする。
【００１８】 ある実施形態では、結晶成長装置１３は、るつぼ１９に含まれる溶融物２９の
シリコンと殆ど接触するまで種晶３５を引き下げて、種晶３５に予熱を加える。
予熱後、結晶駆動ユニット４７は続いてケーブル３７を介して種晶３５を引き下
げ溶融物レベル４５にて溶融物２９と接触させる。種晶３５が溶融すると、結晶
駆動ユニット４７は種晶３５を溶融物２９からゆっくり引き上げ、即ち引っ張る
。種晶３５は溶融物２９からシリコンを引き出し、引き上げるに連れてシリコン
単結晶３１成長を生成する。結晶駆動ユニット４７が溶融物２９から結晶３１を
引き上げる際には、結晶駆動ユニット４７は結晶３１を指示速度にて回転する。
るつぼ駆動ユニット４３は、別の指示速度にてるつぼ１９を同様に回転するが、
結晶３１に相対して反対方向であるのが通常である。
【００１９】 制御ユニット５１は最初に、引き上げ速度及び、結晶３１の下部にネックを生
じさせるため動力供給部２７がヒータ２１に提供する動力を、制御する。結晶成
長装置１３は、種晶３５が溶融物２９から引き上げられる際に実際上一定の直径
にて結晶ネックを成長させるのが、好ましい。例えば、制御ユニット５１は、所
望の本体直径の約５パーセントの実際上一定のネック直径を、維持する。ネック
が所望の長さに達したら、制御ユニット５１は、回転、引き上げ、及び／又は加
熱に係るパラメータを調整し、所望の結晶本体直径に達するまで結晶３１の直径
を円錐形状に従い増加せしめる。例えば、制御ユニット５１は、引き上げ速度を
減少させ、通常は結晶テーパーと称される外方向フレア領域を形成する。
【００２０】 所望の結晶直径に到達すると、制御ユニット５１は、処理が終了に達するまで
、システム１１により計測される際に相対的に一定の直径を維持するように、成
長パラメータを制御する。その終了点では、引き上げ速度及び加熱は、直径を減
じて単結晶３１の端部にテーパー部位を形成するために、減少されるのが通常で
ある。共通の譲受人に譲渡された米国特許第５１７８７２０号は、その開示内容
の全体がここに一体のものとして統合されるのであるが、結晶直径の関数として
結晶及びるつぼ回転速度を制御する一つの好適な方法を示す。
【００２１】 制御ユニット５１は、溶融レベル４５を含む成長処理の複数のパラメータを決
定すべく、少なくとも１台の２次元カメラ５３と共に、動作するのが好ましい。
カメラ５３は、チャンバ１５のビューポート（図示せず。）の上方に装備され、
縦軸３９と溶融レベル４５との交わりに概ね向けられている。共通の譲受人に譲
渡された米国特許第５８８２４０２号、米国特許第５８４６３１８号、米国特許
第５６６５１５９号、及び米国特許第５６５３７９９号は、その開示内容全体が
ここに一体のものとして統合されるのであるが、結晶直径を含む、多数の結晶成
長パラメータの正確且つ信頼性のある計測を提供する。これらの特許では、画像
処理部がカメラ５３からの結晶溶融物インタフェースの画像を処理し直径を決定
する。
【００２２】 カメラ５３からの信号を処理することに加えて、制御ユニット５１は他のセン
サからの信号を処理する。例えば、フォトセルのような温度センサ５９が、溶融
物表面温度を測定するのに利用されてもよい。
【００２３】 図２は、ブロック図の形式での制御ユニット５１の好適な実施の形態を示す。
制御ユニット５１は、制御において利用される、プログラムを搭載したデジタル
又はアナログコンピュータ６１を含み、とりわけ、カメラ５３や他のセンサから
の処理信号の関数として機能する、るつぼ駆動ユニット４３、単結晶駆動ユニッ
ト４７及び加熱動力供給部４７を含む。図２に示されるように、プログラマブル
・ロジック・コントローラ（ＰＬＣ）６３は、ライン６７（例えば、ＲＳ−２３
２ケーブル）を介してコンピュータ６１と通信し、ライン７１（例えばＲＳ−４
８５ケーブル）を介して一つ又は複数の処理入力／出力モジュール６９と通信す
る。本発明によると、コンピュータ６１は、結晶成長装置１３のオペレータが、
特定の結晶を成長させるために必要なパラメータのセットを入力するオペレータ
インタフェースを提供する。
【００２４】 処理入力／出力モジュール６９は、成長処理を制御するための、結晶成長装置
１３に出入りする経路を提供する。例としては、ＰＬＣ６３は、温度センサ５９
からの融解温度に関する情報を受信し、融解温度を制御し従って成長処理を制御
するために、処理入力／出力モジュール６９を介して加熱動力供給部２７へ制御
信号を出力する。
【００２５】 同様に、ＰＬＣ６３は、結晶駆動ユニット４７の中のドラムの回転動作の関数
として変動するパルスを、生成するエンコーダ７５からの入力信号を受信する。
ＰＬＣ６３は、従来からの手段により、エンコーダ７５から受信される多数のパ
ルスをケーブル３７の実時間での線形動作を標章する数値に変換するように、容
易にプログラムされる。換言すれば、ＰＬＣ６３は、ケーブル３７の速度、従っ
て結晶３１の引き上げ速度を計算する。結晶駆動ユニット４７は、引き上げケー
ブル３７を上下にリールするドラムを駆動するモータ（図示せず。）を含むのが
、好ましい。ある実施形態では、サーボ増幅部（図示せず。）及びモータスピー
ドタコメータ（図示せず。）が、従来技術の閉回路フィードバック構成にて、モ
ータと通信する。ＰＬＣ６３は、エンコーダ７５が供給する信号の関数としてモ
ータの速度を調整するために、セットポイント信号を結晶駆動ユニット４７のサ
ーボ増幅部に提供することが好ましい。
【００２６】 図２を更に参照すると、カメラ５３は、ライン７７（例えばＲＳ−１７０ビデ
オケーブル）を介しるつぼ１９の内部の画像を、縁検出及び直径計測の計算を行
なうビジョンシステム７９に、伝達する。続いて、ビジョンシステム７９はライ
ン８３を介しＰＬＣ６３と通信する。一つの実施形態では、ＰＬＣ６３は、ジー
メンス社（Ｓｉｅｍｅｎｓ）の製造するＭｏｄｅｌ ＴＩ ５７５ ＰＬＣ、若
しくはテキサスインスツルメンツ社（Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）の
製造するＭｏｄｅｌ ５４５ ＰＬＣであり、ライン８３は、（例えばＶＭＥバ
ックプレーンインタフェースのような）通信インタフェースを表す。ＰＬＣ６３
を具現化する特定の制御部に依存するが、例えば、通信インタフェース８３は、
（例えば、ＲＳ−４２２シリアル双方向ＰＬＣポートを利用するＭｏｄｅｌ ２
５７１ Ｐｒｏｇｒａｍ Ｐｏｒｔ Ｅｘｐａｎｄｅｒ Ｍｏｄｕｌｅのような
）付加的通信ボードを含むカスタムＶＭＥラックであればよい。ビジョンシステ
ム７９と関連して示されているが、結晶直径計測は他の方法でも決定され得るこ
とが理解され得る。例えば、ブライトリングの幅を計測する方法を含む結晶直径
計測を提供する幾つかの技術が知られている。ブライトリングは、結晶３１の固
体−液体インタフェースにて形成される、メニスカス内のるつぼ壁の反射の特徴
である。従来技術のブライトリング及びメニスカスセンサは、光学パイロメータ
、フォトセル、フォトセルを備える回転ミラー、フォトセルを備える光源、ライ
ンスキャンカメラ、及び２次元アレイカメラを利用する。
【００２７】 図３は、溶融及び種晶３５の浸し作業に続く、結晶成長処理の比較的初期フェ
ーズを示す。結晶ネック８５の形成後、典型的な処理では、所望の直径に達する
まで引き上げ速度及び／又は融解温度を下げることで、成長結晶３１の直径を大
きくする。直径を増加するこの部位は、テーパー若しくはクラウン８７と称され
る。テーパー８７が所望の直径にまで増大すると、結晶３１は概略符号９１によ
り示される肩部を形成し、そして本体がそれに続く（図３には示されず。）。溶
融物２９が消耗するにつれ、結晶直径は徐々に減少し、概略結晶３１の円錐形端
部コーンを形成する。端部コーンの直径が十分に（例えば、２ｍｍから４ｍｍに
）小さくなれば、断層が結晶３１本体にまで広がることなく、溶融物２９からの
結晶３１の分離が完成され得る。結晶３１は真空チャンバ１５から分離され、ウ
エファに加工処理される。それから結晶３１は、真空チャンバ１５から取り外さ
れ、ウエファに加工処理される。減少する溶融物のレベルを埋め合わせる一方で
、引き上げ速度及び融解温度を制御することにより、結晶３１本体が略一定の直
径を備え結晶シリコンの略円柱形本体（即ち、インゴット）を構成するように、
結晶３１本体は成長する。そのように成長した結晶本体は略円柱形となるが、通
常、完全に一様な直径とはならない、ということが理解されるべきである。さら
に、結晶３１の直径は、結晶成長の様々なフェーズ（即ち、種晶３５、ネック８
７、本体及び端部コーン）で変動する。
【００２８】 テーパー８７が成長するにつれ、直径の情報及び上方鉛直距離に関する情報が
、ＰＬＣ６３に与えられる。直径の変動及び長さの変動を利用して、角度θは次
の式により計算され得る。 θ＝ｔａｎ−１（２ΔＬ／ΔＤ） ここで、ΔＬは、長さの変動であり、ΔＤは直径の変動である。
【００２９】 ここで図４を参照すると、計算された角度を基にした制御は不安定になりがち
であるが、比率の逆数（即ち、２ΔＬ／ΔＤの代わりのΔＤ／２ΔＬ）が用いら
れると、制御はより滑らかとなる。更に、直径計測変動ではΔＤはゼロとなり得
、計算上不確定な状況となる。本発明によると、ＰＬＣ６３は、ターゲットスロ
ープそのもの若しくはその近傍の計測テーパースロープを維持する制御ルーチン
を実行する。所与の直径でのターゲットスロープは、図４に示されるスロープ関
数から計算される。この関数は、指数関数項と線形項とを含み、以下の式で表さ
れる。 θ（Ｄ）＝（θｉ−ｂ）ｅ−Ｄ／λ＋ｍＤ＋ｂ ここで、θ＝テーパースロープ角、Ｄ＝テーパー直径、λ＝指数関数項の崩壊定
数、であり、ｍとｂとは線形項の傾きと切片である。曲線上の３点、即ち、（Ｄ ｉ ，θｉ）、（Ｄｍｉｎ，θｍｉｎ）及び（Ｄｆ，θｆ）と、λとを与えれば、
ｍ及びｂが求められ完全な方程式とすることができる。キムその他によるＪ．Ｅ
ｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．：ＳＯＬＩＤ−ＳＴＡＴＥ ＳＣＩＥＮＣＥ
ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ，１１５６−６０ページ（１９８３年５月）の“
大直径チョクラルスキーシリコン結晶のコンピュータシミュレーション及び制御
成長”に示されるように、テーパー形状は、指数関数形状を備える引き上げ率で
のステップ変化に反応するので、スロープ関数の指数関数項が望まれる。テーパ
ー８７を能動的に制御する間に引き上げ速度に調整することにより、指数関数形
状により自然に適合させるべきである。図４では、点（Ｄｉ，θｉ）から（Ｄｍ ｉｎ ，θｍｉｎ）までの曲線の部位が主として指数関数部であり、（Ｄｍｉｎ，
θｍｉｎ）から（Ｄｆ，θｆ）までの曲線の部位が主として線形部である。
【００３０】 ある従来技術の成長処理では、結晶リフトユニット４７は、所与の速度プロフ
ァイルに従って溶融物２９から単結晶３１のテーパー部位を引き上げる。この速
度プロファイルは、結晶“レシピ”内にて条件指定されており、“固着された”
若しくは“固定された”種晶リフトと称されることがしばしばである。対照的に
、従来技術のチョクラルスキーシリコン成長処理は、成長結晶３１の本体の直径
を制御する種晶リフト即ち引き上げ速度は通常変動する。引き上げ速度を減少さ
せると直径が増加する一方で引き上げ速度を増加させると結晶直径が減少する、
ということは当業者には認識されているところである。融解温度を減少させると
直径が増加する一方でシリコンソースの温度を増加させると結晶直径が減少する
、ということも公知である。
【００３１】 本発明の好適な実施形態では、所与の温度プロファイルを含むが、結晶３１の
テーパー８７が成長する間引き上げ速度の調整に備える、というのが望ましい。
図５は、概略符号９３により示される制御ループのブロック図であり、図４に示
されるテーパースローププロファイルθ（Ｄ）に従う結晶成長処理の制御を示す
。上述のように、ＰＬＣ６３は、その長さに加えて成長結晶３１の直径に係る情
報を受け取る。この実施形態では、ビジョンシステム７９及びケーブルエンコー
ダ７５は、結晶直径及び長さの情報を夫々提供する。この情報を基にして、ＰＬ
Ｃ６３は、計測テーパースロープθを直径及び長さ変動の関数（即ち、θ＝ｔａ
ｎ−１（２ΔＬ／ΔＤ））として計算する。計算された角度を基にする制御は不
安定でありがちなため、制御ループ９３は、測定されたスロープの逆数を、特定
位置のテーパー８７のスロープに対応する処理変数として利用する。
【００３２】 図５に示されるように、比例積分微分（ＰＩＤ)制御ループは、ライン９７に
てエラー信号を受け取る。エラー信号は、所望の即ちターゲットのテーパースロ
ープ（即ち、セットポイント）の逆数と、実際のテーパースロープ（即ち、処理
変数）の逆数との、差異を表す。この例では、成長テーパー８７のスロープが測
定され、図４の関数から導出される所与のセットポイントと比較される。スロー
プＰＩＤループ９５は、引き上げ速度を調整するためにライン９９に引き上げ速
度補正を出力するが、該補正は特定の結晶成長レシピから得られる。従って、引
き上げ速度がテーパー８７をこの関数に適合させ更に計測テーパースロープをタ
ーゲットスロープに近く保つべく、引き上げ速度は調整される。
【００３３】 上述を鑑みると、本発明の複数の目的が達成され更なる利点も得られる。
【００３４】 本発明の範囲から乖離することなく上記構成おいび方法にて種々の変更が可能
であるから、上述の記述に含まれ又は添付の図面に示される全ての事柄は、例示
として解釈されるものであり、限定的な意味で解釈されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の好適な実施形態に係る、結晶成長装置及び該結晶成長装
置を制御するシステムの図である。
【図２】 図１のシステムの制御ユニットのブロック図である。
【図３】 図１の結晶成長装置の中に含まれる溶融物から引き上げられる半
導体結晶のテーパー成長の側断面図である。
【図４】 結晶直径の関数としてテーパースロープを示す、典型的テーパー
スローププロファイルθ（Ｄ）である。
【図５】 図４のテーパースローププロファイルθ（Ｄ）に係る、結晶成長
処理の制御を示すブロック図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロバート・アール・ワイアンド・ザ・サー ド アメリカ合衆国63376ミズーリ州セント・ ピーターズ、ポスト・オフィス・ボックス ８、パール・ドライブ501番、エムイーエ ムシー・エレクトロニック・マテリアル ズ・インコーポレイテッド Ｆターム(参考） 4G077 AA02 BA04 CF02 CF10 EA10 EH04 EH09 HA12 PF55

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 チョクラルスキー処理に従い半導体単結晶を成長させる結晶
    成長装置と共に利用する制御方法において、 上記結晶成長装置は、結晶が成長する起点たる半導体溶融物を含む加熱るつぼ
    を有し、 上記結晶は、溶融物から引き出される種晶を基に成長し、 上記方法は、 結晶のテーパー部位を成長させるための初期速度プロファイルに実質上従うタ
    ーゲット引き上げ速度にて、溶融物から成長結晶を引き上げるステップと、 結晶のテーパー部位を引き上げる間の結晶長さにおける変動に相対する結晶直
    径における変動の関数である、結晶のテーパー部位のスロープを測定するステッ
    プと、 ターゲットテーパースロープを定義するステップと、 計測テーパースロープとターゲットテーパースロープとの間の差異の関数とし
    てエラー信号を生成するステップと、 計測テーパースロープとターゲットテーパースロープとの間の差異を減少する
    ため、引き上げ速度をエラー信号の関数として調整するステップと、 調整されたターゲット引き上げ速度にて溶融物から結晶を引き上げ、結晶のテ
    ーパー部位の計測スロープを変動し結晶成長を制御するステップとを含む、 方法。
  2. 【請求項２】 エラー信号を基に比例積分微分（ＰＩＤ）制御を実施するス
    テップと、 その関数として引き上げ速度補正を生成するステップとを更に含み、 引き上げ速度を調整するステップが、引き上げ速度補正に従って引き上げ速度
    を調整するステップを含む、 請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 ＰＩＤ制御の処理変数を計測テーパースロープの逆関数とし
    て定義するステップと、 ＰＩＤ制御のセットポイントをターゲットテーパースロープの逆関数として定
    義するステップとを更に含み、 エラー信号を生成するステップが、処理変数とセットポイントとの差異の関数
    としてエラー信号を生成するステップを含む、 請求項２に記載の方法。
  4. 【請求項４】 結晶直径及び結晶長さを計測するステップと、 それらの関数として計測テーパースロープを定義するステップとを更に含む、
    請求項１に記載の方法。
  5. 【請求項５】 計測テーパースロープが、 θ＝ｔａｎ−１（２ΔＬ／ΔＤ） の式で定義され、ここで、θは計測テーパースロープであり、ΔＬは結晶長さの
    変動であり、ΔＤは結晶直径の変動である、 請求項１に記載の方法。
  6. 【請求項６】 ターゲットテーパースロープが、概略、指数関数項と、概略
    、線形項とを有する関数により定義される、請求項１に記載の方法。
  7. 【請求項７】 ターゲットテーパースロープ関数が、 θ（Ｄ）＝（θｉ−ｂ）ｅ−Ｄ／λ＋ｍＤ＋ｂ の式で定義され、ここで、θｉは初期テーパースロープ角度であり、Ｄはテーパ
    ー直径であり、λは関数の指数関数項の崩壊定数であり、ｍとｂとは関数の線形
    項のそれぞれ傾きと切片である、 請求項６に記載の方法。
  8. 【請求項８】 所与の溶融物加熱動力プロファイルに従ってるつぼを加熱す
    るステップを、更に含む、請求項１に記載の方法。
  9. 【請求項９】 所与の引き上げ速度ターゲットプロファイルからの引き上げ
    速度のエラーに応じて、溶融物加熱動力を調整するステップを更に含む、請求項
    ８の方法。
  10. 【請求項１０】 チョクラルスキー処理に従って半導体単結晶を成長させる
    結晶成長装置と共に利用する制御システムにおいて、 上記結晶成長装置は、結晶が成長する起点たる半導体溶融物を含む加熱るつぼ
    を有し、 上記結晶は、結晶駆動ユニットにより溶融物から引き出される種晶を基に成長
    し、 上記システムは、 上記結晶駆動ユニットが、結晶のテーパー部位を成長させるための初期速度プ
    ロファイルに実質上従うターゲット引き上げ速度にて、溶融物から成長結晶を引
    き上げる、その速度プロファイルを格納し、更にターゲットテーパースロープを
    格納するメモリと、 結晶のテーパー部位を引き上げる間の結晶直径と結晶長さを表す情報を、受け
    取り且つ応答する制御部とを含み、 上記制御部は、 結晶長さの変動に相対する結晶直径の変動の関数として、テーパースロープ計
    測を計算し、 テーパースロープ計測とターゲットテーパースロープとの間の差異の関数とし
    てエラー信号を生成し、 結晶駆動ユニットに対しエラー信号の関数として引き上げ速度補正を提供し、 上記結晶駆動ユニットは、テーパースロープ計測とターゲットテーパースロー
    プとの間の差異を減少するため、引き上げ速度補正に従い引き上げ速度を調整し
    、テーパースロープを基に結晶のテーパー部位の成長を制御する、 制御システム。
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