JP2003512282A - 半導体結晶の成長を制御する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 チョクラルスキ結晶引き上げ機と共に利用する制御方法である。該方法は、結晶のテーパー部分を成長させるために第１のターゲット引き上げ速度で溶融物から成長結晶を引き上げるステップと、テーパーの結晶直径を測定するステップとを含む。該方法は、時間に対する結晶直径の変動と第１のターゲット引き上げ速度との関数として、直径のスロープ値を見積もるステップも含む。該方法は更に、見積りされるスロープ値の関数として、テーパーからボディ成長を開始すべき結晶直径値Ｄ_ｉを、予測するステップを含む。測定される結晶直径が予測される結晶直径Ｄ_ｉに達したら、引き上げ速度を第２のターゲット引き上げ速度にまで増加することにより、上記方法は、テーパー成長からボディ成長へ移行するための結晶の成長を制御する。上記方法は、結晶ボディの成長を開始すべきである予め定められた直径を利用するときには、見積りされるスロープ値の関数として、第２のターゲット引き上げ速度も決定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 発明の背景 本発明は、概略、電子部品の製作で利用される単結晶半導体の成長プロセス制
御の改良に関し、特に、テーパー成長からターゲット直径成長への移行のための
チョクラルスキ結晶成長プロセスでの成長を、正確に制御する方法に関する。

【０００２】 モノクリスタルの、即ち単結晶のシリコンは、半導体電子部品を製作するため
の大抵のプロセスでの、開始物質である。チョクラルスキプロセスを採用する結
晶引き上げ機は、単結晶シリコンの大部分を製造する。簡単に言うと、チョクラ
ルスキプロセスは、特別に設計された炉の中に配置された水晶るつぼの中で、高
純度ポリクリスタルシリコンの投与分を溶融する工程を含む。加熱されたるつぼ
がシリコン投与分を溶融した後、結晶リフト機構が種晶を下げて溶融シリコンと
接触させる。該機構はそれから、種晶を引き揚げ溶融シリコンから成長結晶を引
き出す。

【０００３】 結晶ネックの形成後、成長プロセスでは、所望の直径となるまで引き上げ速度
及び／又は溶融温度を減少させて、成長結晶の直径を大きくして円錐形状とする
。結晶のこの部分は、通常、クラウン又はテーパーと呼ばれる。減少する溶融レ
ベルを補う間に、引き上げ速度及び溶融温度を制御することにより、結晶のメイ
ンボディは、略一定の直径と為るように（即ち、略円柱形となるように）成長す
る。成長プロセスの終り近くの、るつぼの溶融シリコンが空になる前に、プロセ
スでは、結晶直径が徐々に減少しエンドコーンを形成する。通常、エンドコーン
は、結晶引き上げ速度とるつぼに供給される熱とを増加させることにより、形成
される。直径が十分小さくなれば、結晶は、溶融物から分離される。成長プロセ
スの間、るつぼは溶融物を一定方向に回転し、結晶引き挙げ機構は、その引き上
げケーブル、即ちシャフトを、種晶及び結晶と共に、逆の方向に回転させる。

【０００４】 現在利用可能なチョクラルスキ成長プロセスは、広範囲の様々な用途で利用さ
れる単結晶シリコンを十分に成長させているが、更なる改良が未だ求められてい
る。例えば、テーパー成長からボディターゲット直径により正確に移行すること
が求められている。

【０００５】 テーパー成長からボディ成長へ移行する従来からの方法には、結晶引き上げ速
度を増加することが含まれる。このようにすると、直径増加率において、ある正
値から殆どゼロに、若しくは僅かな負値に、変動する。従来からの移行の方法で
は、実際上真直ぐな結晶成長では、結晶ターゲット直径に等しい定常状態直径値
に到達しようとする。一般には、この移行は、結晶成長装置の内部の状況に関わ
り無く、固定の、所与のテーパー直径において、生じる。別の方法では、オペレ
ータが移行を開始する時期を決定する。不運なことであるが、結晶成長装置の内
部の温度状況が異なることに加えて、種々のオペレータの経験レベルが異なるこ
とから、異なるテーパー成長率となってしまう。この理由のため、ボディ成長へ
の移行を開始するための従来からの方法では、結晶成長稼動毎に、異なった結果
となってしまうことがしばしばである。ある例では、開始結晶ボディは、小さす
ぎる直径を伴って成長し、別のものでは開始ボディは、大きすぎる直径を伴って
成長してしまう。特に、結晶の所望のターゲット直径に比べて、初期のボディ成
長では、結晶成長において比較的大きい標準偏差となることがしばしばである。
このことから、ボディ成長の残余の間に、制御システムによる補正が求められる
。更に、結晶が初期のボディ成長にて受容できないほど小さいサイズとなってし
まったら、半導体ウエハ製作にて、重要部分が利用不能となる。

【０００６】 これらの理由から、テーパー成長からターゲット直径成長へ自動的に移行する
シリコン結晶成長を制御する、正確かつ高信頼性の装置及び方法が、求められて
いる。

【０００７】 発明の概要 本発明は、チョクラルスキプロセスに従い溶融物から引き上げられる結晶イン
ゴットにおいて、テーパー成長からターゲット直径成長へ自動的に移行する方法
を提示することにより、上記の要求を満たし先行技術の欠点を克服する。本発明
の幾つかの目的として、ボディ移行に対してより正確なテーパーを可能にする方
法の提示、再現可能な結果を与える方法の提示、結晶間にて初期直径標準偏差を
有意に低くする方法の提示、真直ぐな結晶成長への移行を開始する直径を予測す
る方法の提示、現存の結晶引き上げ装置の制御部に組み入れられ得る方法の提示
、及び、効率的且つ経済的に実施され得る方法の提示が、銘記される。

【０００８】 簡潔に述べると、本発明を実施する制御方法は、チョクラルスキプロセスに従
いモノクリスタル半導体結晶を成長させるための、結晶引き上げ機とともに利用
するためのものである。引き上げ機は、結晶が成長する半導体溶融物を含む加熱
るつぼを有する。結晶は、溶融物から引き上げられる種晶上に成長する。上記方
法は、第１のターゲット引き上げ速度で溶融物から成長結晶を引き上げるステッ
プを含む。上記第１のターゲット引き上げ速度は、結晶のテーパー部分を成長さ
せるための最初の速度プロファイルに実質上従う。テーパー部分では、結晶が略
増加する直径を有する。上記方法は、テーパーの結晶直径を測定するステップと
、直径のスロープを見積もるステップも含む。上記の見積もられるスロープは、
時間に対する結晶直径変動と、第１のターゲット引き上げ速度との、関数である
。上記方法は更に、見積りされるスロープの関数として、肩部形成を開始する結
晶直径測定値Ｄ_ｉを予測するステップを含む。肩部形成後には、結晶のボディは
、予測される肩部形成開始直径測定値Ｄ_ｉより大きい事実上一様な直径を有する
。測定される結晶直径が、予測される結晶直径測定値Ｄ_ｉに達したら、引き上げ
速度を第２のターゲット引き上げ速度にまでインクリメント値ｋにより増加する
ことにより、上記方法は、テーパー成長からボディ成長へより正確に移行するた
めの測定バイアスを加えた、結晶の自然な反応を利用する。

【０００９】 本発明の別の実施形態は、チョクラルスキプロセスに従いモノクリスタル半導
体結晶を成長させるための、結晶引き上げ機とともに利用するための制御方法に
係る。引き上げ機は、結晶が成長する半導体溶融物を含む加熱るつぼを有する。
結晶は、溶融物から引き上げられる種晶上に成長する。上記方法は、第１のター
ゲット引き上げ速度で溶融物から成長結晶を引き上げるステップを含む。上記第
１のターゲット引き上げ速度は、結晶のテーパー部分を成長させるための最初の
速度プロファイルに実質上従う。テーパー部分では、結晶が略増加する直径を有
する。上記方法は、テーパーの結晶直径を測定するステップと、直径のスロープ
を見積もるステップも含む。上記の見積もられるスロープは、時間に対する結晶
直径変動と、第１のターゲット引き上げ速度との、関数である。上記方法は更に
、テーパーから結晶のボディ部分への移行を開始する結晶直径測定値Ｄ_ｉを予め
定めるステップを含む。結晶のボディは、予め定められる直径測定値Ｄ_ｉより大
きい事実上一様な直径を有する。上記方法は、見積りされるスロープ値と一つ又
は複数の熱ゾーンパラメータの関数として、ボディ成長への正確な移行に呼応す
る引き上げ速度のインクリメントを決定するステップも、含む。測定される結晶
直径が、予め定められる結晶直径測定値Ｄ_ｉに達したら、引き上げ速度を第２の
ターゲット引き上げ速度にまで増加することにより、上記方法は、テーパー成長
からボディ成長へより正確に移行するための測定バイアスを加えた、結晶の自然
な反応を利用する。

【００１０】 一方で、本発明は、様々の他の方法及びシステムを含み得る。

【００１１】 他の目的及び特性は、一部明白であり、一部以下に示される。

【００１２】 好適な実施の形態の詳細な説明 まず図１を参照すると、概略符号１３で示されるチョクラルスキ結晶成長装置
と共に、概略符号１１で示される制御装置が、利用のため示される。結晶成長装
置、即ち引き上げ機１３の構成の詳細は、当業者には公知である。一般に、結晶
引き上げ機１３は、るつぼ１９を囲むバキュームチャンバ１５を含む。抵抗加熱
機２１のような加熱装置は、るつぼ１９を囲む。ある実施形態では、断熱版２３
は、バキュームチャンバ１５の内側壁に沿って並び、水を与えられたチャンバ冷
却ジャケット（図示せず。）がその周りを囲む。バキュームポンプ（図示せず。
）は、通常、不活性ガスのアルゴンがバキュームチャンバ１５の中に入れられる
際に、バキュームチャンバ１５内から気体を除去する。

【００１３】 チョクラルスキ単結晶成長プロセスに従うと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。ヒータ動力供給部２７は、抵抗ヒー
タ２１に電流を加え投入分を溶融し、単結晶３１が引き上げられるシリコン溶融
物２９を作成する。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に取り付けられる種晶３５から開始する。図１に示すように、単結晶３１と
るつぼ１９は、概略、共通の対称軸３９を有する。加熱及び結晶引き上げの間に
、るつぼ駆動ユニット４３はるつぼ１９を（例えば、時計回りの方向に）回転す
る。るつぼ駆動ユニット４３は、成長プロセスの間、るつぼ１９を所望の如く上
げ下げもする。例えば、溶融物２９が枯渇するにつれ符号４５で示されるレベル
を維持するため、所望の高さまで、るつぼ駆動ユニット４３はるつぼ１９を上げ
る。結晶駆動ユニット４７は同様にケーブル３７を回転させ、従って結晶３１を
、るつぼ駆動ユニット４３がるつぼ１９を回転する方向と逆の方向に、回転させ
る。更に、結晶駆動ユニット４７は、成長プロセスの間、溶融レベル４５に対し
て結晶を所望の如く上げ下げする。るつぼ駆動ユニット４３と結晶駆動ユニット
４７の構成の詳細は、当業者には十分公知である。

【００１４】 ある実施形態では、結晶引き上げ機１３は最初に、るつぼ１９に含まれる溶融
物の溶融シリコンに略接触するまで種晶３５を下げて、種晶３５に予熱を加える
。予熱後、結晶駆動ユニット４７は、ケーブル３７によって種晶３５を下げ続け
溶融レベル４５にて溶融物２９と接触させ続ける。種晶３５が溶融すれば、結晶
駆動ユニット４７はゆっくりと種晶３５を溶融物２９から引き、即ち引き上げる
。種晶３５は溶融物２９からシリコンを引き出し、引くにつれシリコン単結晶３
１成長を生成する。結晶駆動ユニット４７は、結晶３１を溶融物２９から引き上
げる際には、結晶３１を所定速度で回転する。るつぼ駆動ユニット４３は、るつ
ぼ１９を別の所定速度で同様に回転するが、結晶３１とは逆方向である。

【００１５】 制御ユニット５１は、結晶３１のネックダウンを生じるために、初期にて、引
き、即ち引き上げ速度と、動力供給部２７がヒータ２１に供給する動力とを、制
御する。種晶３５が溶融物２９から引かれるにつれて、結晶引き上げ機１３は実
質上一定の直径で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、所望のボディ直径の約５パーセントの事実上一定のネック直径を維持
する。従来からの制御スキームでは、ネックが所望の長さに達すれば、制御ユニ
ット５１は、回転、引き上げ及び／又は加熱パラメータを調整し、結晶３１の直
径をコーン形状となるように増加させ、そして所望の結晶ボディ直径に到らせる
。例えば、制御ユニット５１は、初期の速度プロファイルに従って引き上げ速度
を減少し、通常結晶テーパーと呼ばれる、外へ広がる領域を形成する。本出願と
共に譲渡され、１９９９年４月７日に出願された出願第０９／２８７９１６号は
、その全開示内容が本明細書に参照の上一体のものとされるが、チョクラルスキ
結晶成長プロセスでのテーパ成長を正確に制御する閉回路の方法及びシステムを
開示する。

【００１６】 後で詳しく説明するように、直径スロープの変化率の見積を利用して、制御ユ
ニット５１はテーパーのスロープを計算する（つまり、平均種晶引き揚げ速度か
ら、直径成長速度が計算され得る。）。これらの計算を基にして、制御ユニット
５１は、テーパー成長からボディ成長への移行を開始する所望の結晶直径を予測
する。制御ユニット５１は、それから成長パラメータを制御し、プロセスが終了
に近づくまで、装置１１により計測される相対的一定直径を維持する。ここに到
り、引き上げ速度及び加熱は、直径を減らしてエンドコーン、即ち単結晶３１の
端のテーパー部分を生成するため、通常増やされる。エンドコーンの直径が十分
小さく（例えば、２ｍｍから４ｍｍ）なると、結晶３１のメインボディに断層が
広がることなく、溶融物２９から結晶３１の分離がなされ得る。それから結晶３
１は、バキュームチャンバ１５から除去され、ウエファのプロセスに移る。本出
願と共に譲渡された米国特許第５１７８７２０号は、その全開示内容が本明細書
に参照の上一体のものとされるが、結晶直径の関数として結晶及びるつぼの速度
を制御する、好適な方法を開示する。

【００１７】 制御ユニット５１は、少なくとも１台の２次元カメラ５３と協働して動作し、
結晶直径を含む成長プロセスに係る複数のパラメータを決定するのが、好ましい
。カメラ５３は、チャンバ１５のビューポイント（図示せず。）上に装備され、
縦軸３９と溶融レベル４５との略交点を指している。カメラ５３からの信号を処
理するだけでなく、制御ユニット５１は、他のセンサからの信号も処理する。例
えば、放射高温計のような、温度センサ５９が、溶融物表面温度を測定するのに
利用され得る。

【００１８】 図２は、ブロック図に書かれた、好適な実施形態の制御ユニット５１である。
制御ユニット５１は、制御において利用するプログラム搭載デジタル又はアナロ
グコンピュータ６１、なかんずく、るつぼ駆動ユニット４３、信号結晶駆動ユニ
ット４７、及びカメラや他のセンサからの処理信号の関数であるヒータ加熱供給
部２７を、含む。図２に示されるように、プログラム搭載可能ロジック制御部（
ＰＬＣ）６３は、ライン６７（例えば、ＲＳ−２３２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−４８５ケーブル）を介して一
つ又は複数のプロセス入力／出力モジュール６９と通信する。本発明においては
、コンピュータ６１は、結晶成長装置のオペレータが特定の成長結晶のための所
望パラメータのセットを入力しうる、オペレータインタフェースを備える。

【００１９】 プロセス入力／出力モジュール６９は、成長プロセスを制御するための、結晶
引き上げ機への及び結晶引き上げ機からの、経路を備える。例として、ＰＬＣ６
３は、温度センサ５９から溶融温度に関する情報を受信し、プロセス入力／出力
モジュール６９を介してヒータ動力供給部２７に、溶融温度従って成長プロセス
を制御するための制御信号を出力する。

【００２０】 更に図２を参照すると、カメラ５３は、ライン７７（例えば、ＲＳ−１７０ビ
デオケーブル）を介してるつぼ１９の内部のビデオ映像を、端部の検出と直径の
計測との計算をするビジョンシステム７９に、通信する。次に、ビジョンシステ
ム７９はライン８３を介してＰＬＣ６３と通信する。ひとつの好適な実施形態で
は、ＰＬＣ６３は、ジーメンズ（Ｓｉｅｍｅｎｓ）により作成されるＭＯＤＥＬ
ＴＩ ５７５ ＰＬＣ、又はテキサスインスツルメンツ（Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓ
ｔｒｕｍｅｎｔｓ）により製作されるＭｏｄｅｌ ５４５ＰＬＣであり、ライン
８３は通信インタフェース（例えば、ＶＭＥバックプレーンインタフェース）を
表す。ＰＬＣ６３を表す特定のコントローラ次第であるが、通信インタフェース
８３は、例えば、付加的な通信ボード（例えば、ＲＳ−４２２シリアル双方向Ｐ
ＬＣポートを利用するＭｏｄｅｌ ２５７１ Ｐｒｏｇｒａｍ Ｐｏｒｔ Ｅｘ
ｐａｎｄｅｒ Ｍｏｄｕｌｅ）を含むカスタムＶＭＥラックであればよい。

【００２１】 図３は、種晶３５を溶融し浸した後の、結晶成長プロセスの比較的初期のフェ
ーズを示す。結晶ネック８５の形成後、通常のプロセスでは、引き上げ速度及び
／又は溶融温度を下げて成長結晶３１の直径を広げ、所望の直径に到らせる。増
加する直径のこの部位は、テーパー、又はクラウン８７と呼ばれる。テーパー８
７が所望の直径まで増加すると、結晶３１は、概略符号９１が付される肩部を形
成し、その後メインボディ（図３では図示せず。）となる。結晶駆動ユニット４
７が溶融物２９から結晶３１を引き上げると、液体メニスカス９５が、結晶３１
と溶融物２９との間の界面に形成される。液体メニスカス９５は、溶融物２９の
表面９７上に形成される。公知のように、メニスカス９５上のるつぼ１９の反射
像は、結晶３１に接するブライトリングとして、しばしば立ち現れる。実際の成
長結晶ボディは略円柱形であるが、通常、全体に一様な直径ではないことは、理
解されるところである。この理由のため、結晶３１の直径は、軸３９に沿っての
異なる軸上の位置では、僅かに変動しうる。更に、結晶成長の異なるフェーズ（
即ち、種晶、ネック、テーパー、ボディ、及びエンドコーン）にて変動する。ビ
ジョンシステム７９に関連して記述したが、結晶直径測定は多数の方法により決
定され得ることも理解されるべきである。例えば、ブライトリングの幅を測定す
ることを主張する方法を含む、結晶直径測定の技術もあり得る。ブライトリング
は、結晶３１の固体―液体界面にて形成されるメニスコスの中のるつぼ壁の反射
像の特性である。従来からのブライトリング及びメニスコスセンサは、光学高温
計、光電池、光電池を備える回転ミラ、光電池を備える光源、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。本出願と共に譲渡された米国特許
第５６６５１５９号及び第５６５３７９９号は、その全開示内容が本明細書に参
照の上一体のものとされるが、単結晶シリコンの成長プロセスを制御する際に利
用される、正確且つ信頼性高く結晶直径を測定する、システム及び方法を夫々記
述する。好ましいことに、これらの特許のシステム及び方法は、カメラにより生
成される結晶溶融界面の画像を処理することにより、成長結晶の直径を正確に決
定する。

【００２２】 本発明の好適な実施形態では、ＰＬＣ６３は、テーパ８７のスロープを計算す
るように、種晶リフト速度及びテーパ直径のデータを処理する。この情報は、結
晶成長速度を生成する。更に、ＰＬＣ６３は、テーパースロープの変動率を計算
する。これらの計算から、好ましいことにＰＬＣ６３は、直径及び直径スロープ
計算の現在値、更に引き上げ機１３の中の現状を基にして、テーパー成長からボ
ディ成長への移行が望まれる結晶直径を予測する。このことにより、テーパー８
７から結晶３１のボディへの再現可能でより正確な移行が得られ、初期の直径の
標準偏差を有意に下げられる。

【００２３】 この実施形態では、ＰＬＣ６３はルーチンを実行し、最小制御変動を要求しつ
つ最適肩部ロールを計算する。肩部初期式を導出するにあたり、直径スロープは
遅延モデルを加えた公知の１次システムに相応すると、まず仮定する。遅延項を
まず無視し、ラプラス変換プロセスモデルの状態空間表現が生成され得る。 定数変動（ＶＯＣ）により、シーティチェン（Ｃ．Ｔ．Ｃｈｅｎ），ＬＩＮＥＡ
Ｒ ＳＹＳＴＥＭ ＴＨＥＯＲＹ ＡＮＤ ＤＥＳＩＧＮ １−２７７（Ｏｘｆ
ｏｒｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ）（１９８４）による公式、 が、一連の展開により、ラプラス逆変換（ｅ^Ａｔ＝Ｌ^−１｛（ｓＩ−Ａ）^−１｝
）、又は他の方法がなされる。上式において、 である。開ループ予測肩部ロールに対して、所望のターゲット直径Ｄ_ｔにてゼロ
スロープとなるように、引き上げ速度Ｖ_ｐを一定値即ちｋでインクリメントする
のが望ましい。ループが閉じても、肩部形成の間Ｖ_ｐに対して設定値が計算され
るのが、望ましい。

【００２４】 クラウン成長の間、肩部初期直径Ｄ_ｉは、スロープＤ_ｉを解釈して、周期的に
計測される。望まれる最終的なスロープがゼロならば、ＶＯＣ公式は以下の関係
を導く。 ところで、 であるから、この関係式は、２つの公式を導く。即ち、 及び、 である。 Ｔ＝−τｌｎ（Ｚ）と仮定するなら、第１の公式は、整理してＺを消去すると、
以下のようになる。 Ｔのこの値を上記第２の式に代入すると、テーパ成長からボディ成長への移行を
開始する見積り直径が導かれる。換言すると、制御ユニット５１は、結晶３１の
直径がＤ_ｉに達したら引き上げ速度設定値を所与の値ｋに増やすのが好ましい。
ところで、Ｄ_ｉは以下のように定義される。 ここで、ｋは、所望の肩部ロールに達するための、引き上げ速度の増加量を表し
、τは処理時間定数（分）であり、Ｇ_ｐはＤＣプロセスゲイン（ｍｍ直径／分）
（ｍｍ／分引き上げ速度変化）である。

【００２５】 本発明の好適な実施形態によれば、ＰＬＣ６３は、所与の引き上げ速度値ｋに
呼応して肩部ロールを開始する見積り直径Ｄ_ｉを計算する。ＰＬＣ６３は、所与
の肩部移行開始直径を基にして、種晶リフト設定値を選択するため所望の値ｋを
、同様に計算し得る、ということが理解されるべきである。いずれにせよ、本発
明は、制御ユニット５１により実行される制御スキームに対する最小限の変動に
より最適肩部ロールを設定する。

【００２６】 上記方程式の利用により、テーパー成長からボディ成長への移行が改善される
ことになるが、本発明は、肩部ロールにおける２つの更なるファクタ、即ち、肩
部形成の間のブライトリングの成長と、直径応答に関連する純粋な時間遅延とを
も、説明する。ＰＬＣ６３は、結晶３１周囲のブライトリングを説明する先験的
な概算を利用するのが好ましい。ブライトリングの形成に関連する直径バイアス
ＤＢは、ＤＢ＝ｍａｘ（０，α_０＋α_１ｔａｎθ＋α_２ｔａｎ^２θ）により、概
算される。ここで、θは、鉛直軸に対するクラウン成長の角度である（図３参照
）。まず、鉛直方向ボディ成長に対してＤＢ＝α_０であることに着目すると、Δ
ＤＢ＝ＤＢ_{ｔａｐｅｒ}−ＤＢ_ｂｏｄｙ＝ｍａｘ（−α_０，α_１ｔａｎθ＋α_２ｔ
ａｎ^２θ）である。ここで、ΔＤＢは、クラウンがボディ直径と比較してボディ
直径よりも小さく見える量である。 上記の関係式を代入すると、直径スロープの関数として、ブライトリングの幅の
変動を補償するのに利用する以下の概算式が導かれる。

【００２７】 アペンディックスＡは、ブライトリングの直径バイアスを決定するのに利用す
る、本発明の好適な実施形態に係るブライトリングモデリングの記述を示す。ア
ペンディックスＡでは、多項式が、ブライトリングを計算するために利用される
。アペンデックスＢは、アペンデックスＡの計算を実行する「Ｍａｔｌａｂ（登
録商標）」ソフトウエアを利用する例示のプログラムを示す。制御ユニット５１
は、２次式でブライトリングを概算しうるために、ｔａｎθを計算するための数
値検索を実施するプログラムを実行するのが、好ましい。他のソフトウエア（例
えば、「Ｍａｔｈｃａｄ（登録商標）」又は「Ｌｏｔｕｓ（登録商標）」）がこ
の機能を実行するのに利用され得ることが理解される。

【００２８】 ＰＬＣ６３は、更に、時間遅延概算により純粋な時間遅延を説明することで、
移行を開始するための見積り直径を改善する。このことにより、より正確なプロ
セスモデルが与えられる。一般には、時間遅延は、制御変更の後、出力での変更
が検出され得る前に要求される時間量を表す。特に、時間遅延は、引き上げ速度
設定値の変更が為されたあとその変更が効果を示すまで、同じ速度でクラウンが
成長を継続する時間を示す。 上式のようなモデルでは、パラメータｔ_ｄは純粋な時間遅延であり、ブライトリ
ング直径スロープ測定での変更は、引き上げ速度の変更後、ｔ_ｄまでは生じない
。この場合、結晶３１の直径は時間遅延の間 により成長するので、従って肩部開始ポイントは、より正確な最終直径のためこ
の量だけ減少されるべきとなる。

【００２９】 上記の各々の要素を合わせると、ｋにより示される肩部形成の間の引き上げ速
度の所望の増加量、Ｄ_ｉにより示される直径の現下の測定値、及びＤ_ｉにより示
される直径スロープの現下の見積り値が与えられて、最適肩部ロール開始のため
の最終式が得られる。

【００３０】 クラウン／肩部データがＧ_ｐ、τ及びｔ_ｄの値を生成するのに利用されるとき
は、より正確なプロセス応答測定を設定するためにブライトリング関数が先ず測
定直径データから引かれるべきである、ということが銘記される。更に、ブライ
トリングは、反射メニスカス上のるつぼ１９の輝度壁の反射像で、熱ゾーンの構
成、溶融レベルなどにより変動するのであるから、そのような変動に対して一様
と成るようモデル化されるべきである。

【００３１】 ここで図４を参照すると、３００ｍｍ結晶成長プロセスの約２０の事前稼動か
ら得られたデータセットが、プロセス力学値を見積もるための肩部領域の成長に
係るデータを示す。データは、肩部成長（即ち、テーパーからボディへの移行）
の間引き上げに応答する直径スロープを示す。ここで、データは、応答特性を定
義するために、即ち、τ＝９．５ｍｍ、Ｇ_ｐ＝−５．３及びｔ_ｄ＝４分という、
最小平均二乗エラーパラメータ値を決定するために、利用される。

【００３２】 見積り直径スロープ は、公知の最良の線形見積りを利用して生成されることが企図される。一つの実
施形態では、本発明は、直径計測の時系列を利用して時間を基にした見積りを生
成するため、テーパー直径のための２次直径成長モデルを利用する。直系概算式
は、多項式であり、スロープは概算値の微分係数を取ることによって計算可能で
ある。

【００３３】 ＰＬＣ６３のインプリメントに続いて、本発明に係る肩部予測方法は、以下の
変数を、直径が肩部形成を開始するのに十分大きいか否かを決定する決定式に、
組み込む。１）クラウン成長の最終段階の間の直径スロープ統計的見積り。２）
（能動的なクラウンスロープ制御が利用されているならば、）フィルタされた引
き上げ速度値。３）肩部形成種晶リフト（一定処方値）。４）（所与の熱ゾーン
のための）直径スロープの関数としてのメニスカス直径調整値。５）現下の直径
計測値。６）見積りプロセス力学値（時間遅延、時間定数、及びゲイン）。

【００３４】 実験データからの統計値では、最初のボディ直径は、設定値より−６ｍｍ低い
値から設定値より＋４．５ｍｍ高い値までであり、５．６３ｍｍの標準偏差であ
ることを示す。本発明に係る肩部ロール予測ソフトウエアを利用すると、８個の
肩部にて１．２の標本標準偏差となる。このことは、変位において概算で４．５
倍減少することを示す。好ましいことに、そのような改良された結果は、「チュ
ーニングファクタ」が要求されること無しに得られる。即ち、肩部のトリガポイ
ントは、リアルタイムのプロセスデータと事前の計算のみを、基にしている。

【００３５】 以上見てきたように、本発明の複数の目的が達成され他の有益な結果も得られ
ることが、明白である。

【００３６】 本発明の範囲から乖離することなく、上記の構成及び方法において種々の変更
を為すことが可能であるから、上記記述に含まれ若しくは添付の図面に示される
事象の全ては例示として解釈されるものであり限定的な意味に解釈されるもので
はないことが、意図されている。

【００３７】 アペンディックス Ａ ここで図５を参照すると、結晶駆動ユニット４７が溶融物から結晶を引き上げ
る際、液体メニスカス９５が、結晶３１と溶融物２９との間の界面に形成される
。液体メニスカス９５は、溶融物２９の表面９７上に形成される。公知のように
、メニスカス９５上のるつぼの反射像が、結晶３１周囲のブライトリングとして
しばしば立ち現れる。この図では、 であり、かつ、 である。整理すると次式となる。

【００３８】 ディ・ティ・ジェイ・ハーレ（Ｄ．Ｔ．Ｊ．Ｈｕｒｌｅ）による「チョクラルス
キ成長におけるメニスカスの形状の分析的表現（Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｒｅｐ
ｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｈａｐｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｍｅｎｉ
ｓｃｕｓ ｉｎ Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ Ｇｒｏｗｔｈ）（６３ ＪＯＵＲＮ
ＡＬ ＯＦ ＣＲＹＳＴＡＬ ＧＲＯＷＴＨ １３−１７（１９８３））は、メ
ニスカスの形状を示すための概算分析的関係と、３位相境界での接触角及び結晶
半径への依存性とを、記述する。参照文献により提示される分離微分方程式 、及び、関係式 を利用することにより、メニスカスバイアスＥ_Ｄは計算され得る。即ち、以下の
ようである。 熱ゾーンからの、次元を伴うこれらパラメータの公表値を利用することで、２次
関数を、直径スロープに対する直径エラーに、適合できる。

【表１】 例えば、表１に示される値を利用すると、図６の円形データポイントが得られる
。そこでは以下のハーレ（Ｈｕｒｌｅ）の解を利用する。 ここで、 は、メニスカス高さを表し、 はシリコンを表す。

【００３９】 図６では、角度θは、テーパー８７の直径スロープを示す（例えば、鉛直方向
の成長ならθ＝０である）。図に示されるように、データポイントは、多項式関
数に、この場合には２次式に適合し得、クラウンスロープθの項でブライトリン
グ幅ＤＢを決めている。この特定の溶融レベル及びプロセスパラメータに対し、
２次見積り式は「ＤＢ＝−２．９９７（ｔａｎθ）^２−２．５４３ｔａｎθ＋５
．８４」と与えられる。

【００４０】 ［アペンディックスＢ］

【図面の簡単な説明】

【図１】 結晶引き上げ機を制御する本発明に係る結晶引き上げ機及び装置
を示す、部分概略ブロック図である。

【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の結晶引き上げ機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、概略断片図である。

【図４】 直径スロープモデルフィッテングを示す具体例データのグラフで
ある。

【図５】 図１の結晶引き上げ機の中に含まれる溶融物から引き上げられる
半導体結晶のブライトリングの、概略断片図である。

【図６】 直径スロープの正接値に対する直径バイアスを示す、具体例デー
タのグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── 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63376ミズーリ州セント・ ピーターズ、メール・ゾーン・エムゼット 33、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 (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、メール・ゾーン・エムゼット 33、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 CF10 EH04 EH09 HA12 PF04 PF09 PF13

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 チョクラルスキプロセスに従いモノクリスタル半導体結晶を
   成長させるための、結晶引き上げ機とともに利用する制御方法であって、 上記引き上げ機は、結晶が成長する半導体溶融物を含む加熱るつぼを有し、上
   記結晶は、溶融物から引き上げられる種晶上に成長する、制御方法において、 第１のターゲット引き上げ速度で溶融物から成長結晶を引き上げるステップで
   あって、上記第１のターゲット引き上げ速度が、結晶のテーパー部分を成長させ
   るための最初の速度プロファイルに実質上従い、上記の結晶のテーパー部分が略
   増加する直径を有する、ステップと、 成長のテーパー部分の間、結晶直径を測定するステップと、 結晶直径のスロープを見積もるステップであって、上記の見積もられるスロー
   プが、成長のテーパー部分の間の時間に対する結晶直径変動と、第１のターゲッ
   ト引き上げ速度との、関数である、ステップと、 結晶のテーパー部分から結晶のボディ部分を成長させる肩部形成を開始する結
   晶直径測定値を予測するステップであって、上記の肩部形成開始直径測定値Ｄ_ｉ が、見積りされるスロープの関数であり、上記の結晶のボディ部分が、予測され
   る直径測定値Ｄ_ｉより大きい事実上一様な直径を有する、ステップと、 測定される結晶直径が、結晶のテーパー部分から結晶のボディ部分への移行を
   制御するための肩部形成開始直径測定値Ｄ_ｉに達したら、引き上げ速度を第２の
   ターゲット引き上げ速度にまで増加するステップであって、上記の第２のターゲ
   ット引き上げ速度は結晶のボディ部分の最初の成長に一致する、ステップと を含むことを特徴とする、制御方法。
2. 【請求項２】 第２のターゲット引き上げ速度が、事実上一定、且つ所与の
   速度である、請求項１に記載の制御方法。
3. 【請求項３】 肩部形成開始直径測定値Ｄ_ｉを予測するステップが、 という式に従ってＤ_ｉを計算するステップを含み、 上式にて、Ｄ_ｔは結晶のボディ部分の最終ターゲット直径であり、Ｄ_ｉは結晶
   直径の見積りされるスロープであり、ｋは肩部形成のための引き上げ速度での計
   画上のインクリメントであり、τはプロセス時間定数であり、Ｇ_ｐはＤＣプロセ
   スゲインである、 請求項１に記載の制御方法。
4. 【請求項４】 肩部形成開始直径測定値Ｄ_ｉを予測するステップが、 という式に従ってＤ_ｉを計算するステップを含み、 上式にて、Ｄ_ｔは結晶のボディ部分の最終ターゲット直径であり、Ｄ_ｉは結晶
   直径の見積りされるスロープであり、ｋは肩部形成のための引き上げ速度での計
   画上のインクリメントであり、τはプロセス時間定数であり、Ｇ_ｐはＤＣプロセ
   スゲインであり、ΔＤＢは直径バイアス概算値であり、Ｄ_ｉｔ_ｄは時間遅延の間
   に生じる付加的な直径成長の概算値である、 請求項１に記載の制御方法。
5. 【請求項５】 という式に従って直径バイアス概算値を定義するステップを更に含み、 上式にて、Ｄ_ｉは結晶直径の見積りされるスロープであり、Ｖ_ｐは引き上げ速
   度であり、α_０、α_１、α_２はブライトリングを概算する数学モデルから決定さ
   れる定数である、 請求項４に記載の制御方法。
6. 【請求項６】 ブライトリングを、結晶のテーパー部分のスロープの関数で
   ある多項式として、モデル化するステップと、 直径バイアス概算値を、上記多項式によりモデル化されたブライトリングの幅
   の関数として、定義するステップと を更に含む請求項４に記載の制御方法。
7. 【請求項７】 肩部形成直径測定値Ｄ_ｉを予測するステップが、 ・結晶のテーパー部分の成長の間の直径スロープの統計見積値と、 ・所望の引き上げ速度のインクリメント値と、 ・事実上一定の肩部形成引き上げ速度と、 ・直径スロープの関数としてのメニスカスブライトリング幅調整値と、 ・現下の直径測定値と、 ・見積りされるプロセス力学値と からなる変数のうちの、一つ又は複数のものの関数として、Ｄ_ｉを計算するステ
   ップを含む、請求項１に記載の制御方法。
8. 【請求項８】 直径スロープを見積もるステップが、遅延を加えた１次シス
   テムとして、直径スロープをモデル化するステップを含む、 請求項１に記載の制御方法。
9. 【請求項９】 直径スロープを見積もるステップが、 直径測定値の時系列を含むデータを基にして、結晶の成長の多項式モデルを生
   成するステップと、該データの最善の線形見積りを実施するステップとを含む、
   請求項１に記載の制御方法。
10. 【請求項１０】 結晶引き上げ機及び熱ゾーン構成の事前の複数回の稼動か
    ら、直径測定値を記録するステップと、結晶引き上げ機に呼応する応答特性のセ
    ットを決定するステップとを、更に含み、 直径スロープを見積もるステップが、その応答特性の関数として、見積もられ
    る直径スロープを定義するステップを含む、 請求項１に記載の制御方法。