JP2005187291A - 単結晶引上げ装置の融液表面位置検出装置及びその単結晶引上げ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 融液表面形状が変化しても、融液の表面位置を正確に測定するとともに、融液の表面位置を常に一定に保持する。
【解決手段】 坩堝１２に貯留された融液１３から引上げられる単結晶２４の直径が直径検出手段２６により検出され、融液１３の表面位置を融液表面位置検出手段２９が一次的に検出する。コントローラは直径検出手段２６の検出した単結晶２４の直径変動に基づいて融液表面形状の影響量を算出するとともに、上記融液表面形状の影響量を加味して融液表面検出手段２９の検出した一次的な融液表面位置を補正することにより二次的な融液表面位置を得る。
【選択図】 図１

Description

本発明は、チョクラルスキー（以下、ＣＺという。）法にて引上げられるシリコン等の単結晶の引上げ装置における融液の表面位置を検出する装置と、この検出装置を備えた単結晶引上げ装置に関するものである。

従来、この種の装置として、融液から引上げられる単結晶の周囲を覆う熱遮蔽部材の一部に基準点が定められ、この基準点と融液表面に対する基準点の反射像とが光強度に応じた信号を発するリニアセンサにて捉えられ、このリニアセンサ上における基準点とその反射像との離隔寸法に基づいて融液の表面位置を求める単結晶成長装置における融液面のレベル測定方法（例えば、特許文献１参照。）が開示されている。
このように構成された単結晶成長装置における融液面のレベル測定方法では、坩堝自体の変形や容積変化の如何に拘らず、融液表面のレベル変化を直接的に把握できるので、これに相応した坩堝の高さ調節を正確かつ迅速に行うことができるようになっている。

また、チャンバ内の基準反射体が融液表面に映った鏡像位置をチャンバ外の光学機器にて検出することにより液面位置測定手段が実際の液面位置を測定し、この液面位置測定手段の出力に基づいてルツボ上昇速度補正値算出手段がルツボ上昇速度の補正値を算出し、ルツボ上昇速度に補正値を加算する補正値加算手段の出力に基づいて液面位置制御手段が昇降駆動手段によりルツボ上昇速度を調整することによりルツボ内の液面位置を制御する単結晶引上げ装置（例えば、特許文献２参照。）が開示されている。
このように構成された単結晶引上げ装置では、液面位置制御手段が、単結晶の引上げに伴い減少する融液体積に基づいてルツボ上昇速度を算出するとともに、昇降駆動手段を制御してルツボ内の液面位置を制御する。一方、液面位置制御手段が補正値加算手段の出力に基づいて昇降駆動手段を制御してルツボ上昇速度を制御するので、たとえ石英ルツボがシリコンの融点付近で軟化して引上げ中に変形することがあっても、ルツボ内の液面位置を高精度に制御できるようになっている。
特公平４−４４２１５号公報（請求項１、明細書第２頁左欄第４１行目〜第４３行目、明細書第３頁右欄第４１行目〜明細書第４頁左欄第３行目） 特開２００１−３４２０９５号公報（請求項１、明細書［００１６］）

融液から引上げられる単結晶と融液との固液界面のメニスカス量（表面張力量）の影響により、即ち引上げ中の単結晶の直径変化により融液の表面形状（位置）が変化することにより、融液表面形状は変化する。
しかし、上記従来の特許文献１に示された単結晶成長装置における融液面のレベル測定方法では、融液表面形状の変化を考慮していないため、融液の表面位置の測定誤差が大きくなって、融液の表面位置を正確に測定できない問題点がある。
また、物理的に融液表面形状が融液表面位置に影響を及ぼすため、融液表面形状の測定は必須であるにも拘らず、上記従来の特許文献２に示された単結晶引上げ装置では、融液表面形状を何ら考慮せずに融液表面位置を制御しているため、融液表面位置を正確に制御できない問題点があった。
本発明の目的は、融液表面形状が変化しても、融液の表面位置を正確に測定できる、単結晶引上げ装置の融液表面位置検出装置を提供することにある。
本発明の別の目的は、融液表面形状が変化しても、融液の表面位置を常に一定に保持できる、単結晶引上げ装置を提供することにある。

請求項１に係る発明は、図１及び図３に示すように、坩堝１２に貯留された融液１３から引上げられる単結晶２４の直径を検出する直径検出手段２６と、融液１３の表面位置を一次的に検出する融液表面位置検出手段２９と、直径検出手段２６の検出した単結晶２４の直径変動に基づいて融液表面形状の影響量を算出しこの融液表面形状の影響量を加味して融液表面検出手段２９の検出した一次的な融液表面位置を補正することにより二次的な融液表面位置を得るコントローラとを備えた単結晶引上げ装置の融液表面位置検出装置である。
この請求項１に記載された単結晶引上げ装置の融液表面位置検出装置では、先ず直径検出手段２６が融液１３から引上げられる単結晶２４の直径を検出し、融液表面位置検出手段２９が融液１３の表面位置（鉛直方向の位置：液位）を一次的に検出する。次にコントローラが直径検出手段２６の検出した単結晶２４の直径変動に基づいて融液表面形状の影響量を算出する。更にコントローラが上記融液表面形状の影響量を加味して上記一次的な融液表面位置を補正することにより、二次的な融液表面位置を得る。

図１及び図２に示すように、上記直径検出手段２６が、融液１３から引上げられる単結晶２４外周面と融液１３表面との境界部に形成されたフュージョンリング３０の直径を測定することにより単結晶２４の直径を検出し、上記融液表面位置検出手段２９が、フュージョンリング３０の直径から単結晶２４の中心位置を算出することにより一次的な融液表面位置を検出するように構成することができる。
また図４及び図５に示すように、直径検出手段５８が、融液１３から引上げられる単結晶２４外周面と融液１３表面との境界部に形成されたフュージョンリング３０の直径を測定することにより単結晶２４の直径を検出し、融液表面位置検出手段５９が、単結晶２４外周面を覆う熱遮蔽部材３３の所定部位とこの熱遮蔽部材３３の所定部位が融液１３表面に映って反射する鏡像６０の位置を測定することにより一次的な融液表面位置を検出するように構成してもよい。
また熱遮蔽部材の所定部位に幾何学的特徴を有する基準部材を設けることもできる。
更に図４に示すように、融液１３から引上げられる単結晶２４外周面と熱遮蔽部材３３内周面との間隔が１０〜３０ｍｍであって、融液１３表面と熱遮蔽部材３３下端との間隔が１５〜３０ｍｍであることが好ましい。

請求項６に係る発明は、請求項１ないし５いずれか１項に係る発明であって、更にコントローラが融液表面形状を加味した二次的な融液表面位置Ｈを式（１）を用いて算出するように構成されたことを特徴とする。

上記式（１）において、Ｍが測定された融液表面位置であり、ｋ₁が影響係数であり、ΔＤが単結晶の基準位置からの直径差であり、Ｄ₁が単結晶の基準直径であり、Ｄ₂が単結晶の測定直径であり、ｔ₁及びｔ₂が時刻である。
この請求項６に記載された単結晶引上げ装置の融液表面位置検出装置では、上記式（１）が比較的信頼性の高い影響係数ｋ₁［単結晶の直径差（基準直径と測定直径の差）と融液表面位置との単回帰分析により得られる回帰係数］を用いているため、正確に二次的な融液表面位置Ｈを算出できる。

請求項７に係る発明は、図１に示すように、請求項１ないし６いずれか１項に記載の融液表面位置検出装置の検出した二次的な融液表面位置に基づいて、コントローラが坩堝を昇降する坩堝駆動手段１６を制御するように構成された単結晶引上げ装置である。
この請求項７に記載された単結晶引上げ装置では、上記融液表面位置検出装置の検出した二次的な融液表面位置に基づいて、コントローラが坩堝を昇降する坩堝駆動手段１６を制御するので、融液１３から単結晶２４を引上げている間、常に融液１３表面位置が一定に保たれる。

以上述べたように、本発明によれば、直径検出手段が融液から引上げられる単結晶の直径を検出し、融液表面位置検出手段が融液の表面位置を一次的に検出し、コントローラが直径検出手段の検出した単結晶の直径変動に基づいて融液表面形状の影響量を算出するとともに、上記融液表面形状の影響量を加味して上記一次的な融液表面位置を補正したので、正確な二次的な融液表面位置を得ることができる。この結果、融液から引上げられる単結晶と融液との固液界面のメニスカス量（表面張力量）の影響により、融液表面形状が変化しても、融液の表面位置を正確に測定できる。

またコントローラが融液表面形状を加味した二次的な融液表面位置を式（１）を用いて算出するように構成すれば、上記式（１）が比較的信頼性の高い影響係数を用いているため、正確に二次的な融液表面位置を算出できる。
更にコントローラが上記融液表面位置検出装置の検出した二次的な融液表面位置に基づいて坩堝を昇降する坩堝駆動手段を制御すれば、融液から単結晶を引上げている間、常に融液表面位置が一定に保たれる。この結果、安定した単結晶の引上げ条件を維持できる。

次に本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
＜第１の実施の形態＞
図１及び図２に示すように、シリコン単結晶の引上げ装置１０は、内部を真空可能に構成されたメインチャンバ１１と、このチャンバ１１内の中央に設けられた坩堝１２とを備える。メインチャンバ１１は円筒状の真空容器である。また坩堝１２は、石英により形成されシリコン融液１３が貯留される有底円筒状の内層容器１２ａと、黒鉛により形成され上記内層容器１２ａの外側に嵌合された有底円筒状の外層容器１２ｂとからなる。外層容器１２ｂの底面にはシャフト１４の上端が接続され、このシャフト１４の下端にはシャフトを介して坩堝１２を回転させかつ昇降させる坩堝駆動手段１６が設けられる。更に坩堝１２の外周面は円筒状のヒータ１７により所定の間隔をあけて包囲され、このヒータ１７の外周面は円筒状の保温筒１８により所定の間隔をあけて包囲される。

一方、メインチャンバ１１の上端には、メインチャンバより小径の円筒状のプルチャンバ１９が接続される。このプルチャンバの上端にはシード引上げ手段（図示せず）が設けられ、このシード引上げ手段は下端がメインチャンバ１１内のシリコン融液１３表面に達する引上げ軸２１を回転させかつ昇降させるように構成される。この引上げ軸２１の下端にはシードチャック２３が設けられ、このチャックは種結晶２２を把持するように構成される。この種結晶２２の下端をシリコン融液１３中に浸漬した後、シード引上げ手段により種結晶２２及び坩堝１２をそれぞれ回転させかつ上昇させることにより、種結晶２２の下端からシリコン単結晶２４を引上げて成長させるように構成される。

またシリコン単結晶２４の引上げ中においてシリコン融液１３及びシリコン単結晶２４の境界部である固液界面近傍のシリコン単結晶２４の直径は直径検出手段２６により所定時間毎に検出される。この直径検出手段２６は、シリコン単結晶２４の全体の直径を撮影する２次元ＣＣＤカメラ２７と、この２次元ＣＣＤカメラの撮影した画像を処理する画像処理手段と（図示せず）を有する。ここで、２次元ＣＣＤカメラ２７は、半導体基板上に酸化膜を介して金属膜の電極を並べて作製したコンデンサに、光により生じた信号電荷を蓄積して、外部からの駆動パルスにより一方向に順次転送させ、電気信号である画像信号を得るように構成される。また画像処理手段は、２次元ＣＣＤカメラの撮影した２次元の画像から必要とする位置の走査線を取出し、その走査線の輝度の強さからシリコン単結晶２４の直径を演算するように構成される。

上記２次元ＣＣＤカメラ２７及び画像処理手段はシリコン融液１３の表面位置（鉛直方向の位置：液位）を一次的に検出する融液表面位置検出手段２９としての機能も有する。即ち、２次元ＣＣＤカメラ２７がシリコン融液１３及びシリコン単結晶２４の境界部である固液界面近傍のフュージョンリング３０を撮影し、画像処理手段が２次元ＣＣＤカメラ２７の撮影した画像から必要とする位置の走査線を取出し、その走査線の輝度の強さからフュージョンリング３０の直径を算出し、更にこのフュージョンリング３０の直径からシリコン単結晶２４の中心位置を算出することにより、一次的なシリコン融液１３の表面位置を検出するように構成される。

上記２次元ＣＣＤカメラ２７の検出出力は画像処理手段の制御入力に接続され、画像処理手段の処理出力はコントローラ（図示せず）の制御入力に接続され、更にコントローラの制御出力はヒータ１７、シード引上げ手段及び坩堝駆動手段１６に接続される。コントローラは、ＣＣＤカメラ２が検出しかつ画像処理手段が処理したシリコン単結晶２４の直径変動に基づいてシリコン融液１３の表面形状の影響量を算出し、このシリコン融液１３の表面形状の影響量を加味してＣＣＤカメラ２７が検出しかつ画像処理手段が処理した一次的なシリコン融液１３の表面位置を補正することにより、二次的なシリコン融液１３の表面位置（鉛直方向の位置：液位）を得るように構成される。具体的には、コントローラはシリコン融液１３の表面形状を加味した二次的なシリコン融液１３の表面位置Ｈを式（１）を用いて算出するように構成される。

上記式（１）において、Ｍは測定されたシリコン融液１３の表面位置であり、ｋ₁は影響係数であり、ΔＤはシリコン単結晶２４の基準位置からの直径差である。Ｄ₁はシリコン単結晶２４の基準直径であり、Ｄ₂はシリコン単結晶２４の測定直径であり、ｔ₁及びｔ₂は時刻である。また上記(ｔ₂−ｔ₁)は５〜３００秒間、好ましくは３０〜６０秒間、更に好ましくは４５秒間に設定される。ここで、(ｔ₂−ｔ₁)を５〜３００秒間の範囲に限定したのは、５秒間未満ではシリコン単結晶２４の直径測定値が信頼性に欠け、３００秒間を越えるとこの間に変化したシリコン融液１３の表面位置により、シリコン単結晶２４の直径測定値が変化したのか或いはシリコン単結晶２４の実際の直径が変化したのか区別できなくなる、即ち測定時間が長すぎて２次元ＣＣＤカメラ２７とシリコン単結晶２４の直径測定部までの距離が変化しているおそれがあり、シリコン単結晶２４の直径測定値が正確であるか否かを保証できないからである。更に影響係数ｋ₁は、固化率が０から０．１まで変化する間に、シリコン単結晶２４の基準直径及び測定直径の差ΔＤと、シリコン融液１３の表面位置Ｍとの単回帰分析により得られる回帰係数である。即ち、影響係数ｋ₁は単回帰分析による最小２乗法により次の式（２）から求められる。なお、固化率とは、最初に坩堝１２に貯留されたシリコン融液１３の初期チャージ重量に対するシリコン単結晶２４の引上げ重量の割合をいう。また式（２）中のＤ₁’は式（３）から求められる。

ここで、上記式（２）において、Ｄ_AV’はＤ₁’の平均値であり、Ｍ_AVはＭの平均値である。なお、影響係数ｋ₁を、固化率が０から０．１まで変化する間（シリコン単結晶２４の肩部を引上げる間）に算出するのは、シリコン単結晶２４の直径変化の大きい間に算出すると、比較的信頼性の高い影響係数が得られるからである。

一方、メインチャンバ１１内にはアルゴンガス等の不活性ガスが流通するように構成される。不活性ガスはプルチャンバ１９の側壁に接続されたガス供給パイプ３１を通ってプルチャンバ１９内に導入され、メインチャンバ１１の下壁に接続されたガス排出パイプ３２を通ってメインチャンバ１１外に排出されるように構成される。またメインチャンバ１１内には、上記不活性ガスを整流するとともに、引上げられたシリコン単結晶２４へのヒータ１７からの熱を遮蔽するために、シリコン単結晶２４の外周面を所定の間隔をあけて包囲する熱遮蔽部材３３が設けられる。この熱遮蔽部材３３は下方に向かうに従って細くなるコーン状に形成されヒータ１７からの輻射熱を遮るコーン部３３ａと、このコーン部３３ａの上縁に連設され外方に略水平方向に張り出すフランジ部３３ｂとを有する。上記フランジ部３３ｂを保温筒１８上にリング板３３ｃを介して載置することにより、コーン部３３ａの下縁がシリコン融液１３表面から所定の距離だけ上方に位置するように熱遮蔽部材３３はメインチャンバ１１内に固定される。

このように構成されたシリコン単結晶引上げ装置のシリコン融液１３の表面位置検出装置の動作を図１〜図３に基づいて説明する。
先ず２次元ＣＣＤカメラ２７がシリコン単結晶２４の引上げ中においてシリコン融液１３及びシリコン単結晶２４の固液界面近傍のフュージョンリング３０を撮影し、画像処理手段が上記フュージョンリング３０の画像に基づいてその直径を演算することにより、シリコン単結晶２４の直径を検出する。即ち、ＣＣＤカメラ２７及び画像処理手段は直径検出手段２６として機能する。また画像処理手段がＣＣＤカメラ２７が撮影したフュージョンリング３０の直径からシリコン単結晶２４の中心位置を算出することにより、一次的なシリコン融液１３の表面位置を検出する。即ち、ＣＣＤカメラ２７及び画像処理手段は融液表面位置検出手段２９として機能する。なお、シリコン単結晶２４の中心位置を算出すると、この中心位置の垂直方向への移動とシリコン融液１３表面の位置との間に相関関係があることから、一次的なシリコン融液１３の表面位置を検出できる。

次いでシリコン融液１３からシリコン単結晶２４を引上げ始めてからシリコン単結晶２４の肩部を引上げている間、即ち固化率が０．１になるまでに、コントローラは影響係数ｋ₁を上記式（２）及び式（３）に基づいて算出する。これにより比較的信頼性の高い影響係数ｋ₁を得ることができる。次に所定時間毎に検出した上記一次的なシリコン融液１３の表面位置を平均処理した後、コントローラが上記影響係数ｋ₁を加味した式（１）を用いてシリコン融液１３の表面位置を二次的に算出する。このときコントローラはシリコン融液１３の表面形状を加味した二次的なシコリン融液１３の表面位置を、比較的信頼性の高い影響係数ｋ₁を含む式（１）を用いて算出するため、正確に二次的なシリコン融液１３の表面位置Ｈを算出できる。この結果、シリコン融液１３から引上げられるシリコン単結晶２４とシリコン融液１３との固液界面のメニスカス量（表面張力量）の影響により、シリコン融液１３の表面形状が変化しても、シリコン融液１３の表面位置を正確に測定できる。なお、所定時間毎に検出した一次的なシリコン融液１３の表面位置を平均処理するのは、測定誤差を低減するためである。

更にコントローラは上記二次的に算出したシリコン融液１３の表面位置に基づいて坩堝駆動手段１６を制御するので、シリコン融液１３からシリコン単結晶２４を引上げている間、常にシリコン融液１３の表面位置が一定に保たれる。この結果、安定したシリコン単結晶２４の引上げ条件を維持できる。

＜第２の実施の形態＞
図４及び図５は本発明の第２の実施の形態を示す。図４及び図５において図１及び図２と同一符号は同一部品を示す。
この実施の形態では、直径検出手段が、第１の実施の形態のＣＣＤカメラ及び画像処理手段により構成され、融液表面位置検出手段５９が、上記とは別のＣＣＤカメラ５７及び画像処理手段（図示せず）により構成される。融液表面位置検出手段５９は、シリコン単結晶２４外周面を覆う熱遮蔽部材３３の所定部位と、この熱遮蔽部材３３の所定部位がシリコン融液１３表面に映って反射する鏡像６０の位置とを測定することにより、一次的なシリコン融液１３の表面位置を検出するように構成される。熱遮蔽部材３３の所定部位には幾何学的特徴を有する基準部材（図示せず）を設けることが好ましい。

またシリコン融液１３から引上げられるシリコン単結晶２４外周面と熱遮蔽部材３３内周面との間隔は３０ｍｍ以内であり、好ましくは１０〜３０ｍｍである。シリコン単結晶２４外周面と熱遮蔽部材３３内周面との間隔を３０ｍｍ以内に限定したのは、直径が２００ｍｍないし３００ｍｍであるシリコン単結晶２４をシリコン融液１３から引上げるとき、シリコン融液１３が単結晶引上げに伴う表面張力により盛り上がるけれども、シリコン単結晶２４及びシリコン融液１３の固液界面から上方に３０ｍｍ離れると、上記表面張力によるシリコン融液１３の盛り上がりの影響を受けなくなるからである。なお、上記固液界面から上方に３０ｍｍ離れた位置ではシリコン単結晶２４の外周面の状態を補正する必要はない。一方、シリコン単結晶２４外周面に熱遮蔽部材３３の内周面が近付きすぎると、シリコン単結晶２４の直径が変動したときに熱遮蔽部材３３とシリコン単結晶２４とが接触するおそれがあるため、１０ｍｍ以上とする。

またシリコン融液１３表面と熱遮蔽部材３３下端との間隔は３０ｍｍ以内であり、好ましくは１５〜３０ｍｍである。ここでシリコン融液１３表面と熱遮蔽部材３３下端との間隔を３０ｍｍ以内に限定したのは、３０ｍｍを越えるとＣＣＤカメラからの画像処理によりシリコン融液の表面位置をを求める精度が極端に低下するからである。但し、熱遮蔽部材がシリコン融液表面に近付きすぎると、シリコン融液表面が変動したときに熱遮蔽部材とシリコン融液が接触するおそれがあるため、１５ｍｍ以上とする。上記以外は第１の実施の形態と同一に構成される。

このように構成されたシリコン単結晶引上げ装置のシリコン融液１３の表面位置検出装置では、ＣＣＤカメラ（図示せず）がシリコン単結晶２４の引上げ中においてシリコン融液１３及びシリコン単結晶２４の固液界面近傍のフュージョンリングを撮影し、画像処理手段（図示せず）がフュージョンリングの画像に基づいてその直径を演算することにより、シリコン単結晶２４の直径を所定時間毎に検出する。即ち、上記ＣＣＤカメラ及び画像処理手段は直径検出手段として機能する。また別のＣＣＤカメラ５７が、熱遮蔽部材３３の所定部位とこの熱遮蔽部材３３の所定部位がシリコン融液１３表面に映って反射する鏡像６０の位置とを撮影し、別の画像処理手段（図示せず）がが熱遮蔽部材３３の所定部位とその鏡像６０の位置との距離を演算することにより、一次的なシリコン融液１３の表面位置を検出する。即ち、別のＣＣＤカメラ５７及び別の画像処理手段は融液表面位置検出手段５９として機能する。このため、この実施の形態の装置は第１の実施の形態の装置より処理能力の遅い演算処理システムでも処理できるという点で優れている。上記以外の動作は第１の実施の形態の動作と略同様であるので、繰返しの説明を省略する。
なお、上記実施の形態では、融液としてシリコン融液を挙げ、単結晶としてシリコン単結晶を挙げたが、ＧａＡｓ融液及びＧａＡｓ単結晶，ＩｎＰ融液及びＩｎＰ単結晶，ＺｎＳ融液及びＺｎＳ単結晶、或いはＺｎＳｅ融液及びＺｎＳｅ単結晶でもよい。

次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。
＜実施例１＞
図１に示すように、直径２００ｍｍのシリコン単結晶２４を引上げる引上げ装置１０に、原料となる高純度多結晶シリコン原料１２０ｋｇを黒鉛製の外層容器１２ｂにより保持された石英製の内層容器１２ａに投入した後に、ヒータ１７により上記原料を融解して、内層容器１２ａにシリコン融液１３を貯留した。このシリコン融液１３から直径２００ｍｍのシリコン単結晶２４を引上げ、このシリコン単結晶２４を引上げている間、シリコン単結晶２４の直径を所定時間毎に直径検出手段２６（ＣＣＤカメラ２７及び画像処理手段）により測定した（図６（ａ））。またシリコン単結晶２４を引上げている間、一次的なシリコン融液１３の表面位置を所定時間毎に融液表面位置検出手段２９（上記ＣＣＤカメラ２７及び画像処理手段）により測定した。この測定値に基づいてコントローラが坩堝駆動手段１６を制御したときのシリコン融液１３の表面位置の変化を図６（ｂ）に示した。

また予め定めた影響係数ｋ₁（０．３：ｋ₁を算出できなかった場合の最小の補正を実施するためのデフォルト値）を式（１）に代入することによりシリコン融液１３の表面形状の影響量を算出し、この影響量を加味して上記一次的な融液表面位置を補正することにより二次的なシリコン融液１３の表面位置を算出し、この算出値に基づいてコントローラが坩堝駆動手段１６を制御したときのシリコン融液１３の表面位置の変化を図６（ｃ）に示した。更に固化率０．０４〜０．０９の間で影響係数ｋ₁（０．３５：算出値）を算出し、この影響係数ｋ₁を式（１）に代入することによりシリコン融液１３の表面形状の影響量を算出し、この影響量を加味して上記一次的な融液表面位置を補正することにより二次的なシリコン融液１３の表面位置を算出し、この算出値に基づいてコントローラが坩堝駆動手段１６を制御したときのシリコン融液１３の表面位置の変化を図６（ｄ）に示した。

シリコン融液１３の表面形状の影響量を加味しない図６（ｂ）ではシリコン融液１３の表面位置は±０．５ｍｍの範囲で変動したのに対し、シリコン融液１３の表面形状の影響量（影響係数ｋ₁＝０．３：デフォルト値）を加味した図６（ｃ）ではシリコン融液１３の表面位置のばらつきは上記範囲の約５０％の範囲になり、シリコン融液１３の表面形状の影響量（影響係数ｋ₁＝０．６５：算出値）を加味した図６（ｄ）ではシリコン融液１３の表面位置のばらつきは上記範囲の約２０％の範囲になった。これにより、シリコン融液１３の表面形状の影響量を加味して一次的な融液表面位置を補正すれば、シリコン融液１３の表面形状変化を有効に補正できることが分かった。

＜実施例２＞
図１に示すように、直径３００ｍｍのシリコン単結晶２４を引上げる引上げ装置１０に、原料となる高純度多結晶シリコン原料２５０ｋｇを黒鉛製の外層容器１２ｂにより保持された石英製の内層容器１２ａに投入した後に、ヒータ１７により上記原料を融解して、内層容器１２ａにシリコン融液１３を貯留した。このシリコン融液１３から直径３０４ｍｍのシリコン単結晶２４を引上げ、このシリコン単結晶２４を引上げている間、シリコン単結晶２４の直径を所定時間毎に直径検出手段２６（ＣＣＤカメラ２７及び画像処理手段）により測定した（図７（ａ））。またシリコン単結晶２４を引上げている間、一次的なシリコン融液１３の表面位置を所定時間毎に融液表面位置検出手段２９（上記ＣＣＤカメラ２７及び画像処理手段）により測定した。この測定値に基づいてコントローラが坩堝駆動手段１６を制御したときのシリコン融液１３の表面位置の変化を図７（ｂ）に示した。

また予め定めた影響係数ｋ₁（０．３：ｋ₁を算出できなかった場合の最小の補正を実施するためのデフォルト値）を式（１）に代入することによりシリコン融液１３の表面形状の影響量を算出し、この影響量を加味して上記一次的な融液表面位置を補正することにより二次的なシリコン融液１３の表面位置を算出し、この算出値に基づいてコントローラが坩堝駆動手段１６を制御したときのシリコン融液１３の表面位置の変化を図７（ｃ）に示した。更に固化率０．０４〜０．０７の間で影響係数ｋ₁（０．１４：算出値）を算出し、この影響係数ｋ₁を式（１）に代入することによりシリコン融液１３の表面形状の影響量を算出し、この影響量を加味して上記一次的な融液表面位置を補正することにより二次的なシリコン融液１３の表面位置を算出し、この算出値に基づいてコントローラが坩堝駆動手段１６を制御したときのシリコン融液１３の表面位置の変化を図７（ｄ）に示した。

シリコン融液１３の表面形状の影響量を加味しない図７（ｂ）ではシリコン融液１３の表面位置は±１．０ｍｍの範囲で変動したのに対し、シリコン融液１３の表面形状の影響量（影響係数ｋ₁＝０．３：デフォルト値）を加味した図７（ｃ）ではシリコン融液１３の表面位置のばらつきは上記範囲の約９０％の範囲になり、シリコン融液１３の表面形状の影響量（影響係数ｋ₁＝０．１４：算出値）を加味した図７（ｄ）ではシリコン融液１３の表面位置のばらつきは上記範囲の約３０％の範囲になった。これにより、シリコン融液１３の表面形状の影響量を加味して一次的な融液表面位置を補正すれば、シリコン融液１３の表面形状変化を有効に補正できることが分かった。

本発明第１実施形態のシリコン融液の表面位置検出装置を含むシリコン単結晶引上げ装置を示す縦断面図である。 その引上げ装置によりシリコン単結晶を引上げている状態を示す要部斜視図である。 シリコン融液の表面位置を検出して昇降手段を制御する動作を示すフローチャートである。 本発明第２実施形態のシリコン融液の表面位置検出装置を含むシリコン単結晶引上げ装置を示す縦断面図である。 その引上げ装置によりシリコン単結晶を引上げている状態を示す要部斜視図である。 実施例１を示す固化率の変化に対するシリコン単結晶の直径の変化及びシリコン融液表面位置の変化を示す図である。 実施例２を示す固化率の変化に対するシリコン単結晶の直径の変化及びシリコン融液表面位置の変化を示す図である。

符号の説明

１０ シリコン単結晶の引上げ装置
１２ 坩堝
１３ シリコン融液
１６ 坩堝駆動手段
２４ シリコン単結晶
２６ 直径検出手段
２９，５９ 融液表面位置検出手段
３０ フュージョンリング
３３ 熱遮蔽部材
６０ 鏡像

Claims (7)

1. 坩堝(12)に貯留された融液(13)から引上げられる単結晶(24)の直径を検出する直径検出手段(26)と、
   前記融液(13)の表面位置を一次的に検出する融液表面位置検出手段(29,59,79)と、
   前記直径検出手段(26)の検出した前記単結晶(24)の直径変動に基づいて前記融液表面形状の影響量を算出しこの融液表面形状の影響量を加味して前記融液表面検出手段(29,59,79)の検出した一次的な融液表面位置を補正することにより二次的な融液表面位置を得るコントローラと
   を備えた単結晶引上げ装置の融液表面位置検出装置。
2. 直径検出手段(26)が、融液(13)から引上げられる単結晶(24)外周面と前記融液(13)表面との境界部に形成されたフュージョンリング(30)の直径を測定することにより前記単結晶(24)の直径を検出し、
   融液表面位置検出手段(29)が、前記フュージョンリング(30)の直径から前記単結晶(24)の中心位置を算出することにより一次的な融液表面位置を検出するように構成された請求項１記載の単結晶引上げ装置の融液表面位置検出装置。
3. 直径検出手段が、融液(13)から引上げられる単結晶(24)外周面と前記融液(13)表面との境界部に形成されたフュージョンリングの直径を測定することにより前記単結晶(24)の直径を検出し、
   融液表面位置検出手段(59)が、前記単結晶(24)外周面を覆う熱遮蔽部材(33)の所定部位とこの熱遮蔽部材(33)の所定部位が前記融液(13)表面に映って反射する鏡像(60)の位置を測定することにより一次的な融液表面位置を検出するように構成された請求項１記載の単結晶引上げ装置の融液表面位置検出装置。
4. 熱遮蔽部材の所定部位に幾何学的特徴を有する基準部材が設けられた請求項３記載の単結晶引上げ装置の融液表面位置検出装置。
5. 融液(13)から引上げられる単結晶(24)外周面と熱遮蔽部材(33)内周面との間隔が１０〜３０ｍｍであって、前記融液(13)表面と前記熱遮蔽部材(33)下端との間隔が１５〜３０ｍｍである請求項４記載の単結晶引上げ装置の融液表面位置検出装置。
6. コントローラが融液表面形状を加味した二次的な融液表面位置Ｈを式（１）を用いて算出するように構成された請求項１ないし５いずれか１項に記載の単結晶引上げ装置の融液表面位置検出装置。
   

   

   上記式（１）において、Ｍが測定された融液表面位置であり、ｋ₁が影響係数であり、ΔＤが単結晶の基準位置からの直径差であり、Ｄ₁が単結晶の基準直径であり、Ｄ₂が単結晶の測定直径であり、ｔ₁及びｔ₂が時刻である。
7. 請求項１ないし６いずれか１項に記載の融液表面位置検出装置の検出した二次的な融液表面位置に基づいて、コントローラが坩堝を昇降する坩堝駆動手段(16)を制御するように構成された単結晶引上げ装置。

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