JP2010076979A - Measurement method and system during manufacturing semiconductor single crystal by fz method, and control method and system during manufacturing semiconductor single crystal by fz method - Google Patents

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利行 佐藤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a measurement method and measurement system for measuring crystallization interface of a semiconductor single crystal in an initial stage of a cone part forming process for enlarging the crystal diameter from a seed necking process of an FZ (Floating Zone) method, and to provide a control method and a control system. <P>SOLUTION: In an initial stage of a cone part 24 forming process for enlarging the crystal diameter from a seed necking process of an FZ method for manufacturing a semiconductor single crystal, the diameter of the crystallization interface 22 of the semiconductor single crystal crystallized at the inside of a heating coil is measured through arithmetic processing of triangulation using the parallax between a first camera 12 arranged at a position having a height different from that of the crystallization interface 22 and a second camera 14 arranged at a position having the same height as that of the first camera 12 and having an optical axis parallel to the first camera 12, with respect to the crystallization interface 22. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、FZ法(フローティングゾーン法、または浮遊帯域溶融法)により半導体単結晶を成長させる方法やシステムに関し、特にFZ法による半導体単結晶の製造の自動化における制御精度を向上させる方法やシステムに関する。   The present invention relates to a method and system for growing a semiconductor single crystal by FZ method (floating zone method or floating zone melting method), and more particularly to a method and system for improving control accuracy in automation of semiconductor single crystal production by FZ method. .

FZ法により半導体単結晶を製造する場合は、半導体多結晶からなる原料棒の一端部を誘導加熱コイルからなる加熱装置により溶融して、目的結晶方位を有する種結晶に融着した後、種絞りをしつつ無転移化しながら種結晶と一体化し、原料棒を加熱装置に対して相対的に回転させながら軸線方向に相対移動させると同時に、溶融部を融着部から原料棒の他端部に向けて徐々に移動させることにより単結晶化して、棒状の半導体単結晶を得る。   When manufacturing a semiconductor single crystal by the FZ method, one end of a raw material rod made of semiconductor polycrystal is melted by a heating device made of an induction heating coil and fused to a seed crystal having a target crystal orientation, and then a seed drawing Integrating with the seed crystal while making no transition, and moving the raw material rod relative to the heating device relative to the axial direction, and at the same time, the melting portion from the fusion portion to the other end of the raw material rod By gradually moving it toward a single crystal, a single semiconductor crystal is obtained.

図9及び図10に、半導体原料棒を種結晶に融着(種付け)してから種絞り、コーン部、そして目的直径の単結晶(直胴部)形成に至るまでの工程の一例を示す。   FIG. 9 and FIG. 10 show an example of processes from fusing (seeding) a semiconductor raw material rod to a seed crystal to forming a single crystal (straight body portion) having a target diameter, a cone portion, and a target diameter.

図において、まず、先細り状に形成したシリコン等の半導体原料棒110の先端部を誘導加熱コイル114により加熱溶融して溶融帯111を形成し(図9(a))、種結晶116と融着する(図9(b))。その後直径約3mmの無転移化を行うための絞り部分113を形成する(図9(c))。続いて、半導体原料棒110を徐々に下方に移動させながら、直径を徐々に拡大して単結晶化したコーン部112の形成を開始する(図10(d))。そして、コーン部112の直径をさらに拡大し(図10(e))、その最大直径部分が目的直径に達したら、その直径を維持しながらさらに単結晶127の成長を続け、目的長さを有する単結晶棒を形成する(図10(f))。   In the figure, first, the tip of a tapered semiconductor raw material rod 110 such as silicon is heated and melted by an induction heating coil 114 to form a melting zone 111 (FIG. 9A), and fused with the seed crystal 116. (FIG. 9B). Thereafter, a narrowed portion 113 having a diameter of about 3 mm for making no transition is formed (FIG. 9C). Subsequently, the semiconductor raw material rod 110 is gradually moved downward, and the formation of the cone portion 112 which is gradually crystallized by increasing the diameter is started (FIG. 10D). Then, the diameter of the cone portion 112 is further enlarged (FIG. 10 (e)), and when the maximum diameter portion reaches the target diameter, the single crystal 127 continues to grow while maintaining the diameter and has the target length. A single crystal rod is formed (FIG. 10 (f)).

従来、上記のような種付け、種絞り、さらにコーン部の最大直径が30mm程度になるまでの工程については、溶融帯の様子を肉眼で観察しながら、手動で原料棒の移動速度や誘導加熱コイルの加熱出力を調整する手動制御が行われ、コーン部の最大直径が30mm程度に達した後のコーン部形成工程及び直胴部成長工程では、カメラ等の監視器による監視をしながら、その画像データに基づいて原料棒の移動速度や誘導加熱コイルの加熱出力を自動制御していた。   Conventionally, with regard to the above-described processes for seeding, seeding, and further until the maximum diameter of the cone portion is about 30 mm, while manually observing the melting zone, the moving speed of the raw material rod and the induction heating coil In the cone forming process and the straight body growing process after the maximum diameter of the cone reaches about 30 mm, the image is being monitored by a monitor such as a camera. The moving speed of the raw material rod and the heating output of the induction heating coil were automatically controlled based on the data.

コーン部の直径が30mm程度になるまでの工程についての自動化がなされていない理由は、コーン部の直径の30mmに満たない場合では小さな溶融帯が誘導加熱コイルの陰に隠れてしまい、水平方向からの監視ができないためである。したがって、この間の工程は作業者が斜め上方から溶融部を観察し、その形状等から判断して原料棒の移動速度や誘導加熱コイルの加熱出力を手動で調節していた。しかし、斜め上方から溶融部を観察する場合は、水平方向からの観察に比べて位置関係にズレが生じるので、その調節をうまく行うことができるようになるまでには多くの経験を要していた。   The reason why the process until the diameter of the cone part is about 30 mm is not automated is that the small melting zone is hidden behind the induction heating coil when the diameter of the cone part is less than 30 mm, and from the horizontal direction. This is because monitoring cannot be performed. Therefore, in this process, an operator observes the melted portion obliquely from above, and manually adjusts the moving speed of the raw material rod and the heating output of the induction heating coil based on the shape and the like. However, when observing the melted part obliquely from above, the positional relationship is shifted compared to the observation from the horizontal direction, so much experience is required before the adjustment can be performed successfully. It was.

このような問題を解決するため、特許文献1、特許文献2においては誘導加熱コイルと視覚的に干渉しない斜め上方もしくは斜め下方の所定の角度からコーン部の直径を検出する構成が開示されている。
特許第3601280号公報 特許第4016363号公報
In order to solve such problems, Patent Documents 1 and 2 disclose a configuration in which the diameter of the cone portion is detected from a predetermined angle obliquely upward or obliquely below that does not visually interfere with the induction heating coil. .
Japanese Patent No. 3601280 Japanese Patent No. 4016363

しかし、FZ法の絞り工程からコーン部形成工程にかけて、半導体単結晶の晶出界面は、徐々に下方へ移動する。この場合、例えば前記晶出界面より斜め下方向にカメラを設置して斜め上にある前記晶出界面を見ると、上述の工程における半導体単結晶はカメラに接近しながら、直径を拡大させている。ここで使用するカメラが1台のとき、直径の計測値の変化が半導体単結晶の接近によるものか、直径の拡大によるものかを判断することはできず、得られた計測値が正確な値であるとは言えない、という問題が生じていた。   However, the crystallization interface of the semiconductor single crystal gradually moves downward from the drawing step of the FZ method to the cone portion forming step. In this case, for example, when the camera is installed obliquely downward from the crystallization interface and the crystallization interface that is obliquely above is viewed, the semiconductor single crystal in the above-described process increases the diameter while approaching the camera. . When only one camera is used here, it cannot be judged whether the change in the measured value of the diameter is due to the approach of the semiconductor single crystal or the expansion of the diameter, and the obtained measured value is an accurate value. There was a problem that it cannot be said.

そこで、上記問題を解決するため、FZ法の絞り工程からコーン部形成工程において半導体単結晶の晶出界面の直径を正確に算出する直径算出方法、直径算出システム、及びこれを用いた直径制御方法、及び直径制御システムを提供することを目的とする。   Therefore, in order to solve the above problem, a diameter calculation method, a diameter calculation system, and a diameter control method using the same that accurately calculate the diameter of the crystallization interface of the semiconductor single crystal from the drawing step of the FZ method to the cone forming step And a diameter control system.

上記目的を達成するため、本発明に係るFZ法半導体結晶製造時の測量方法は、第1には、半導体単結晶を製造するFZ法の種絞り工程から結晶径を拡大するコーン部形成工程初期において加熱コイルの内部で晶出される前記半導体単結晶の晶出界面の直径を、前記晶出界面と異なる高さ位置に配置された第1カメラと、前記第1カメラと同一の高さ位置に配置され前記第1カメラと平行な光軸を有する第2カメラとの前記晶出界面に対する視差を利用した三角測量演算処理を介して測量することを特徴としている。   In order to achieve the above object, a surveying method for manufacturing an FZ method semiconductor crystal according to the present invention is as follows. First, a cone portion forming step is first performed to increase the crystal diameter from the seed drawing step of the FZ method for manufacturing a semiconductor single crystal. The diameter of the crystallization interface of the semiconductor single crystal that is crystallized inside the heating coil is set to the same height position as the first camera and the first camera arranged at a height position different from the crystallization interface. Surveying is performed through triangulation calculation processing using parallax with respect to the crystallization interface between the second camera having an optical axis parallel to the first camera.

第2には、前記第2カメラは、前記第1カメラを光軸方向を一定に保ったまま前記第2カメラを設けた位置に平行移動したものであることを特徴としている。   Second, the second camera is obtained by translating the first camera to a position where the second camera is provided while keeping the optical axis direction constant.

第3には、前記三角測量演算処理において、前記直径を測量するとともに、前記晶出界面の高さ位置を測量することを特徴とする請求項1または2に記載のFZ法半導体結晶製造時の測量方法。   3rdly, in the said triangulation calculation process, while measuring the said diameter, the height position of the said crystallization interface is measured, The FZ method semiconductor crystal of Claim 1 or 2 characterized by the above-mentioned Surveying method.

また本発明に係るFZ法半導体単結晶製造時の制御方法は、上述のFZ法半導体単結晶製造時の半導体結晶の測量方法を用いて、前記晶出界面の直径及び高さ位置を測量するとともに、前記加熱コイルにより溶融加熱された前記半導体結晶の原料となる半導体原料棒の溶融帯のゾーン長を測定し、前記直径及び前記ゾーン長が前記所定時間ごとに予め設計された設計直径及び設計ゾーン長となるように、前記半導体原料棒の移動速度と前記加熱コイルの出力を制御することを特徴としている。   The FZ method semiconductor single crystal manufacturing control method according to the present invention measures the diameter and height position of the crystallization interface using the above-described semiconductor crystal surveying method during FZ method semiconductor single crystal manufacture. Measuring a zone length of a melting zone of a semiconductor raw material rod that is a raw material of the semiconductor crystal melted and heated by the heating coil, and the diameter and the zone length are designed in advance for each predetermined time. The moving speed of the semiconductor raw material rod and the output of the heating coil are controlled so as to be long.

一方、本発明に係るFZ法半導体単結晶製造時の測量システムは、第1には、半導体単結晶を製造するFZ法の種絞り工程から結晶径を拡大するコーン部形成工程初期において加熱コイルの内部で晶出される前記半導体単結晶の晶出界面を撮影して第1画像データを出力する前記晶出界面と異なる高さ位置に配置された第1カメラと、前記第1カメラと同一の高さ位置に配置され、前記第1カメラと平行な光軸を有し、前記晶出界面を撮影して第2画像データを出力する第2カメラと、前記第1画像データ上、及び前記第2画像データ上の前記晶出界面の左端及び右端を検出し、前記第1カメラと前記第2カメラとの視差を利用した三角測量演算により前記晶出界面の左端と右端との距離を前記晶出界面の直径として測量する測量手段と、を有することを特徴としている。   On the other hand, the surveying system for manufacturing the FZ method semiconductor single crystal according to the present invention firstly includes a heating coil at the initial stage of the cone portion forming process for expanding the crystal diameter from the seed drawing process of the FZ method for manufacturing a semiconductor single crystal. A first camera disposed at a height position different from the crystallization interface for photographing the crystallization interface of the semiconductor single crystal crystallized inside and outputting the first image data, and the same height as the first camera A second camera which is disposed at a position and has an optical axis parallel to the first camera and which captures the crystallization interface and outputs second image data, and on the first image data and the second The left and right ends of the crystallization interface on the image data are detected, and the distance between the left and right ends of the crystallization interface is determined by triangulation calculation using parallax between the first camera and the second camera. Surveying means for measuring as the diameter of the interface; It is characterized in that.

第2には、前記第2カメラは、前記第1カメラを光軸方向を一定に保ったまま前記第2カメラを設けた位置に平行移動したものであることを特徴としている。   Second, the second camera is obtained by translating the first camera to a position where the second camera is provided while keeping the optical axis direction constant.

第3には、前記測量手段は、前記直径を測量するとともに、前記晶出界面の高さ位置を測量することを特徴としている。
また本発明に係るFZ法半導体単結晶製造時の制御システムは、上述のFZ法半導体単結晶製造時の半導体結晶の測量システムにより前記晶出界面の直径及び高さ位置を算出すると同時に、前記加熱コイルにより溶融加熱された前記半導体結晶の原料となる半導体原料棒の溶融帯のゾーン長を計測する計測手段と、前記直径及び前記ゾーン長が前記所定時間ごとに予め設計された設計直径及び設計ゾーン長となるように、半導体原料棒の移動速度と加熱コイルの出力を制御する制御手段と、を有することを特徴としている。
Thirdly, the surveying means measures the diameter and measures the height position of the crystallization interface.
Further, the control system for manufacturing the FZ method semiconductor single crystal according to the present invention calculates the diameter and height position of the crystallization interface by the semiconductor crystal surveying system for manufacturing the FZ method semiconductor single crystal described above, and at the same time, the heating system Measuring means for measuring a zone length of a melting zone of a semiconductor raw material rod which is a raw material of the semiconductor crystal melted and heated by a coil, and a design diameter and a design zone in which the diameter and the zone length are designed in advance for each predetermined time It is characterized by having a control means for controlling the moving speed of the semiconductor material rod and the output of the heating coil so as to be long.

本発明に係るFZ法半導体結晶製造時の測量方法、及び測量システム、FZ法半導体単結晶製造時の制御方法、及び制御システムによれば、FZ法の絞り工程からコーン部形成工程初期において加熱コイル内部に形成される半導体単結晶の晶出界面の直径を斜め方向から画像計測を行う場合においても、水平方向からの画像計測と同様に、精度良く直径を測量することができる。さらに、画像計測による晶出界面の直径の算出過程において、前記晶出界面の高さも算出可能なので半導体原料棒が加熱溶融して形成された溶融帯のゾーン長の加熱コイルの内部に形成された成分の長さも精度よく測量することができる。したがって、上述の工程において精度よく半導体結晶の成長を行う制御を行うことができる。また画像計測に用いられるカメラは1台で行うことも可能なので各カメラの光軸を平行にそろえる必要はなく、また光軸ずれの心配もないので画像計測の信頼性が向上する。   According to the surveying method and surveying system at the time of manufacturing the FZ method semiconductor crystal according to the present invention, the control method and control system at the time of manufacturing the FZ method semiconductor single crystal, the heating coil from the drawing process of the FZ method to the initial stage of forming the cone part Even when image measurement is performed on the diameter of the crystallization interface of the semiconductor single crystal formed inside from an oblique direction, the diameter can be accurately measured as in the case of image measurement from the horizontal direction. Further, in the process of calculating the diameter of the crystallization interface by image measurement, the height of the crystallization interface can also be calculated, so that the semiconductor raw material rod was formed inside the heating coil of the zone length of the melting zone formed by heating and melting. The length of the component can also be accurately measured. Therefore, it is possible to control the semiconductor crystal growth with high accuracy in the above-described steps. Further, since it is possible to use a single camera for image measurement, it is not necessary to align the optical axes of the cameras in parallel, and there is no fear of optical axis deviation, so that the reliability of image measurement is improved.

本方式による直径制御システムは、種絞り工程から凝縮ボトム部形成工程に至る全工程において適用できるが、溶融帯が加熱コイルの内部にあって、水平方向からの監視ができない、種絞り工程から晶出結晶直径が30mm以下であるコーン部形成工程の初期までの期間において、特に有効である。   The diameter control system by this method can be applied in all processes from the seed drawing process to the condensation bottom part forming process, but the melting zone is inside the heating coil and cannot be monitored from the horizontal direction. This is particularly effective during the period up to the initial stage of the cone portion forming step in which the diameter of the crystallization is 30 mm or less.

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to embodiments shown in the drawings. However, the components, types, combinations, shapes, relative arrangements, and the like described in this embodiment are merely illustrative examples and not intended to limit the scope of the present invention only unless otherwise specified. .

本実施形態に係るFZ法半導体結晶製造時の測量方法は、半導体単結晶を製造するFZ法の種絞り工程から結晶径を拡大するコーン部形成工程初期において加熱コイルの内部で晶出される前記半導体単結晶の晶出界面の直径を、前記晶出界面と異なる高さ位置に配置された第1カメラと、前記第1カメラと同一の高さ位置に配置され前記第1カメラと平行な光軸を有する第2カメラとの前記晶出界面に対する視差を利用した三角測量演算処理を介して測量するものであり、これを具現化するFZ法半導体結晶製造時の測量システムを図1に示す。図1(a)は測量システムの模式図、図1(b)は平面視した場合の光学系を示す模式図である。本実施形態の測量システムが適用されるFZ法の工程は上述の従来技術で説明したとおりであるが、FZ法の種絞り工程から結晶径を拡大するコーン部形成工程初期において、シリコン等を材料とする半導体材料は上から半導体原料棒18、溶融帯20、晶出界面22、コーン部24、絞り部26が形成され、これは上述の従来技術における図9(c)から図10(d)までの状態に相当する。   A surveying method for manufacturing an FZ method semiconductor crystal according to the present embodiment is the semiconductor crystallized inside the heating coil in the initial stage of the cone portion forming step for expanding the crystal diameter from the seed drawing step of the FZ method for manufacturing a semiconductor single crystal. A diameter of the crystallization interface of the single crystal is set to a first camera arranged at a height position different from the crystallization interface, and an optical axis arranged at the same height position as the first camera and parallel to the first camera. FIG. 1 shows a surveying system at the time of manufacturing an FZ method semiconductor crystal that implements the surveying using a triangulation calculation process using a parallax with respect to the crystallization interface with a second camera having the above. FIG. 1A is a schematic diagram of a surveying system, and FIG. 1B is a schematic diagram showing an optical system in a plan view. The process of the FZ method to which the surveying system of the present embodiment is applied is as described in the above prior art, but silicon or the like is used as the material at the initial stage of the cone part forming process for expanding the crystal diameter from the seed drawing process of the FZ method. The semiconductor material to be formed includes a semiconductor raw material rod 18, a melting zone 20, a crystallization interface 22, a cone portion 24, and a narrowed portion 26 from above, which are shown in FIGS. 9 (c) to 10 (d) in the above-described prior art. It corresponds to the state up to.

測量システム10は、第1カメラ12、第2カメラ14、測量手段を構成する画像処理部16a、16b及び演算処理部16c、とから構成される。第1カメラ12及び第2カメラ14は同じ高さ位置であって加熱コイル28の下端より低い位置で(高い位置でもよい)配置される。より詳細には第1カメラ12及び第2カメラ14が加熱コイル28の内部に形成される晶出界面22を測量する視界に加熱コイル28が干渉せず前記晶出界面22を視認できる位置に配置される。   The surveying system 10 includes a first camera 12, a second camera 14, and image processing units 16a and 16b and an arithmetic processing unit 16c that constitute surveying means. The first camera 12 and the second camera 14 are arranged at the same height and lower than the lower end of the heating coil 28 (may be higher). More specifically, the first camera 12 and the second camera 14 are arranged at positions where the heating coil 28 does not interfere with the field of view of the crystallization interface 22 formed inside the heating coil 28 and can be visually recognized. Is done.

また図1(b)に示すように第1カメラ12及び第2カメラ14は光軸が互いに平行で、第1カメラ12及び第2カメラ14との焦点同士の距離dが既知であるとする。さらに第1カメラ12及び第2カメラ14の水平方向の向きは、第1カメラ12の光軸と第2カメラ14の光軸との間に晶出界面22が入るように向けられている。さらに第1カメラ12及び第2カメラ14は、晶出界面22側に向けられる仰角θ(図1(a)、図2(b)参照)も既知であるとし、第1カメラ12及び第2カメラ14は同一の焦点距離fを有するものとする。第1カメラ12及び第2カメラ14の晶出界面22からの距離は、晶出界面22の直径より十分大きな寸法を有しているものとする。これにより第1カメラ12及び第2カメラ14は同一の晶出界面22の左端22a及び右端22bを視認可能とみなすことができる。ここで、第1カメラ12及び第2カメラ14のそれぞれの撮像面(不図示)は同一平面上に配置されており共通の画像座標S(図1(b)、図2参照)を形成するものとする。また第1画像データ30の画像座標Sの原点と第1カメラ12の光軸は一致し、第2画像データ32の画像座標Sの原点と第2カメラ14の光軸は一致するものとする。   As shown in FIG. 1B, it is assumed that the optical axes of the first camera 12 and the second camera 14 are parallel to each other, and the distance d between the focal points of the first camera 12 and the second camera 14 is known. Further, the horizontal orientations of the first camera 12 and the second camera 14 are oriented such that the crystallization interface 22 enters between the optical axis of the first camera 12 and the optical axis of the second camera 14. Further, the first camera 12 and the second camera 14 are also known to have an elevation angle θ (see FIGS. 1A and 2B) directed toward the crystallization interface 22 side. 14 have the same focal length f. It is assumed that the distance from the crystallization interface 22 of the first camera 12 and the second camera 14 is sufficiently larger than the diameter of the crystallization interface 22. Thereby, the first camera 12 and the second camera 14 can be regarded as being able to visually recognize the left end 22a and the right end 22b of the same crystallization interface 22. Here, the imaging surfaces (not shown) of the first camera 12 and the second camera 14 are arranged on the same plane and form a common image coordinate S (see FIGS. 1B and 2). And Further, the origin of the image coordinates S of the first image data 30 and the optical axis of the first camera 12 coincide, and the origin of the image coordinates S of the second image data 32 and the optical axis of the second camera 14 coincide.

また第1カメラ12は画像処理部16aに接続され、第2カメラ14は画像処理部16bに接続されている。画像処理部16a、16bは後述の制御部44(図4参照)に接続されている。また画像処理部16a、16bは演算処理部16cに接続されている。画像処理部16a、16bは後述の制御部44からの測量命令の信号が入力されるとそれぞれ第1カメラ12、第2カメラ14のシャッターを作動させて晶出界面22を被写体として各カメラの撮像面(不図示)に撮影し、画像処理部16aは第1カメラ12から第1画像データ30を入力し、画像処理部16bは第2カメラ14から第2画像データ32を入力する。   The first camera 12 is connected to the image processing unit 16a, and the second camera 14 is connected to the image processing unit 16b. The image processing units 16a and 16b are connected to a control unit 44 (see FIG. 4) described later. The image processing units 16a and 16b are connected to the arithmetic processing unit 16c. When the image processing units 16a and 16b receive survey command signals from the control unit 44, which will be described later, the shutters of the first camera 12 and the second camera 14 are actuated, and the crystallization interface 22 is used as the subject to capture images of each camera. The image processing unit 16 a inputs the first image data 30 from the first camera 12, and the image processing unit 16 b inputs the second image data 32 from the second camera 14.

画像処理部16aは第1画像データ30に対して2値化処理等を行い、第1画像データ30上の晶出界面22の左端22a及び右端22bを検出し、それぞれの画像座標S上の左端22a及び右端22b座標を示す第1座標データ16dを演算処理部16cに出力する。同様に、画像処理部16bは第2画像データ32に対して2値化処理等を行い、第2画像データ32上の晶出界面22の左端22a及び右端22bを検出し、それぞれの画像座標S上の左端22a及び右端22b座標を示す第2座標データ16eを演算処理部16cに出力する。演算処理部16cは画像処理部16a、16bから入力された第1座標データ16d及び第2座標データ16eを基に三角測量演算を行い、晶出界面の直径、及びその高さ位置を算出する。   The image processing unit 16a performs binarization processing or the like on the first image data 30, detects the left end 22a and the right end 22b of the crystallization interface 22 on the first image data 30, and the left end on each image coordinate S The first coordinate data 16d indicating the coordinates of 22a and the right end 22b is output to the arithmetic processing unit 16c. Similarly, the image processing unit 16b performs binarization processing or the like on the second image data 32, detects the left end 22a and the right end 22b of the crystallization interface 22 on the second image data 32, and each image coordinate S The second coordinate data 16e indicating the upper left 22a and right end 22b coordinates is output to the arithmetic processing unit 16c. The arithmetic processing unit 16c performs triangulation calculation based on the first coordinate data 16d and the second coordinate data 16e input from the image processing units 16a and 16b, and calculates the diameter of the crystallization interface and its height position.

図2に三角測量演算の概念図を示す。図2(a)は平面視した概念図、図2(b)は側面方向から見た概念図である。水平方向をX軸とし、X軸と垂直なY軸(鉛直方向から角度θ傾斜している)とする画像座標S(撮像面)を考える。   FIG. 2 shows a conceptual diagram of triangulation calculation. FIG. 2A is a conceptual diagram viewed from above, and FIG. 2B is a conceptual diagram viewed from the side surface direction. Consider an image coordinate S (imaging plane) having a horizontal direction as an X axis and a Y axis perpendicular to the X axis (inclined at an angle θ from the vertical direction).

図2(a)に示すように、第1カメラ12及び第2カメラ14は共通の光軸Oを有し、第1カメラ12の焦点Oを原点とし、第2カメラ14の焦点OをOよりX軸方向にd(焦点同士の距離)だけ移動した位置とする。そして、平面座標Sと同一の法線を有し、左端22a及び右端22bを包含する平面を形成するターゲット座標Tに対して、画像座標S上の左端22a及び右端22bを射影してターゲット座標T上の座標を算出することにより晶出界面22の直径及び高さ位置が演算可能となる。 As shown in FIG. 2 (a), the first camera 12 and the second camera 14 has a common optical axis O, and the focal point O L of the first camera 12 as the origin, the focus O R of the second camera 14 O L from the X axis direction d (focal distance between) and only moved position. Then, the left end 22a and the right end 22b on the image coordinate S are projected onto the target coordinate T having the same normal line as the plane coordinate S and forming a plane including the left end 22a and the right end 22b. By calculating the above coordinates, the diameter and height position of the crystallization interface 22 can be calculated.

例えば、ターゲット座標T上の計測位置P(晶出界面22の左端22a)を撮影したとき、第1画像データ30上の第1左端はQ(X、Y)、第2画像データ32上の第2左端はQ(X、Y)の座標が与えられる。第1カメラ12の焦点O、第2カメラ14の焦点Oと計測位置P(X、Y)を結んだ三角形により、三角測量を行う。ここで第1カメラ12と第2カメラ14の焦点距離fは同一であるため、OとOを結ぶ線分と、画像座標S上のQとQとを結ぶ線分は平行となる。したがって、三角形POとPQとが相似であることを利用してP(X、Y)の座標を求めることができる。 For example, when the measurement position P on the target coordinates T (the left end 22a of the crystallization interface 22) is photographed, the first left end on the first image data 30 is Q L (X L , Y L ), and the second image data 32 the second leftmost top Q R (X R, Y R ) is given coordinates. Focus O L of the first camera 12, the focal point O R and the measuring position P (X P, Y P) of the second camera 14 by connecting it triangle, performs triangulation. Here, since the first camera 12 is the focal length f of the second camera 14 is the same, the line segment connecting O L and O R, a line segment connecting the Q L and Q R of the image coordinates S are parallel Become. Therefore, it is possible to utilize the fact and triangle PO L O R and PQ L Q R is similar determine coordinates of P (X P, Y P) .

三角形の底辺の長さに着目すると、OB:XA=BO:AXである。すなわち、

Figure 2010076979

の関係が得られる。よって、[数1]から
Figure 2010076979

が得られる。これが左端22aのターゲット座標T上のX軸方向の座標となる。同様に右端22bについてもX軸方向の座標を算出し、両者の差分を取ることにより、晶出界面22の直径が算出されることとなる。 Focusing on the length of the base of the triangle, O L B: a AX R: X L A = BO R. That is,
Figure 2010076979

The relationship is obtained. Therefore, from [Equation 1]
Figure 2010076979

Is obtained. This is the coordinate in the X-axis direction on the target coordinate T of the left end 22a. Similarly, the diameter of the crystallization interface 22 is calculated by calculating the coordinate in the X-axis direction for the right end 22b and taking the difference between the two.

一方、Y座標(鉛直方向から角度θ傾斜している。)は、

Figure 2010076979

の関係から、
Figure 2010076979

となる。なお、左端22a及び右端22bは同じ高さなので、いずれの計測位置を用いてYを求めてもよい。 On the other hand, the Y coordinate (tilt angle θ from the vertical direction) is
Figure 2010076979

From the relationship
Figure 2010076979

It becomes. Since left 22a and right edge 22b are the same height, it may be obtained Y P using any measurement position.

ここで、各カメラと、測定対象である晶出界面22の左端22a、及び右端22bとの距離を考える。第1カメラ12及び第2カメラ14は上述のように晶出界面から晶出界面の直径より十分長い距離の位置に配置されているため、第1カメラ12及び第2カメラ14から観測される左端22a及び右端22bは、第1カメラ12及び第2カメラ14に対して製造工程により前後に移動することはないものと考えることができる。さらに、左端22a及び右端22bを結ぶ線分は半導体単結晶(コーン部24)の回転軸24a上を通過し、かつ線分Oと平行と考えることができる(図1(b)参照)。よって、P(X、Y)から線分Oに伸ばした垂線の長さはr(一定)とすることができ、これを既知の値として用いることができる。したがって、図2(b)に示すように、第1カメラ12及び第2カメラ14は仰角θで撮影しているので、晶出界面22の高さhは、

Figure 2010076979

Figure 2010076979

の式に従って算出される。これにより加熱コイルの上端の高さをh1(既知の値)とすると、溶融帯の加熱コイル内部に隠れた部分の下ゾーン長は、h1−hとなる。よって演算処理部16cは晶出界面22の直径を示す直径データ23と、下ゾーン長の長さを示す下ゾーン長データ25aを算出することができる。こうして演算処理部16cを介して測量されたこれらのデータは後述の制御部44に出力される。 Here, the distance between each camera and the left end 22a and the right end 22b of the crystallization interface 22 to be measured is considered. Since the first camera 12 and the second camera 14 are arranged at a position sufficiently longer than the diameter of the crystallization interface from the crystallization interface as described above, the left end observed from the first camera 12 and the second camera 14 It can be considered that 22a and the right end 22b do not move back and forth with respect to the first camera 12 and the second camera 14 by the manufacturing process. Further, the line segment connecting the left end 22a and the right end 22b passes through the rotation axis 24a of the semiconductor single crystal (cone portion 24) and can be considered to be parallel to the line segment O R O L (see FIG. 1B). ). Therefore, the length of the perpendicular extending from P (X P , Y P ) to the line segment O R O L can be r (constant), and this can be used as a known value. Therefore, as shown in FIG. 2B, since the first camera 12 and the second camera 14 are shooting at an elevation angle θ, the height h of the crystallization interface 22 is
Figure 2010076979

Figure 2010076979

It is calculated according to the following formula. Thus, assuming that the height of the upper end of the heating coil is h1 (known value), the lower zone length of the portion hidden inside the heating coil of the melting zone is h1-h. Therefore, the arithmetic processing unit 16c can calculate the diameter data 23 indicating the diameter of the crystallization interface 22 and the lower zone length data 25a indicating the length of the lower zone length. These data thus measured through the arithmetic processing unit 16c are output to the control unit 44 described later.

次に上述のFZ法半導体結晶製造時の測量方法を組み込んだFZ半導体結晶製造時の制御方法、およびこれを具現化した制御システム40のカメラ配置を図3に、制御システム40の構成図を図4に、制御システム40のフロー図を図5にそれぞれ示す。   Next, FIG. 3 shows a control method at the time of manufacturing an FZ semiconductor crystal incorporating the surveying method at the time of manufacturing the FZ method semiconductor crystal, and a camera arrangement of the control system 40 embodying the control method. FIG. 4 and FIG. 5 are flowcharts of the control system 40, respectively.

FZ半導体結晶製造時の制御方法は、上述のFZ法半導体単結晶製造時の半導体結晶の測量方法を用いて、前記晶出界面22の直径及び高さ位置を測量するとともに、前記加熱コイル28により溶融加熱された前記半導体結晶の原料となる半導体原料棒18の溶融帯20のゾーン長を測定し、前記直径及び前記ゾーン長が前記所定時間ごとに予め設計された設計直径及び設計ゾーン長となるように、前記半導体原料棒18の移動速度と前記加熱コイル28の出力を制御することであり、これを具現化する制御システム40は、測量システム10、計測部42、制御手段となる制御部44等から構成される。さらに制御システム40においては、図4に示すように、前記半導体原料棒18を加熱コイル28側に繰り出す速度を制御する上軸モータ46と、誘導加熱を行う加熱コイル28への高周波電流の出力を調整する発振器48と、加熱コイル28の下部で晶出された半導体単結晶(コーン部24、絞り部26)を所定の速度で前記半導体単結晶を引き下げる下軸モータ50を有する。さらに半導体原料棒18を所定の回転速度で回転させる上軸回転モータ47と、前記半導体単結晶を所定の回転速度で回転させる下軸回転モータ51を有する。   The control method at the time of manufacturing the FZ semiconductor crystal is to measure the diameter and the height position of the crystallization interface 22 by using the semiconductor crystal surveying method at the time of manufacturing the FZ method semiconductor single crystal, and also by the heating coil 28. The zone length of the melting zone 20 of the semiconductor raw material rod 18 which is the raw material of the semiconductor crystal melted and heated is measured, and the diameter and the zone length become the designed diameter and designed zone length designed in advance for each predetermined time. As described above, the moving speed of the semiconductor raw material rod 18 and the output of the heating coil 28 are controlled, and the control system 40 embodying the control is a surveying system 10, a measuring unit 42, and a control unit 44 serving as a control means. Etc. Further, in the control system 40, as shown in FIG. 4, the high-frequency current is output to the upper shaft motor 46 that controls the speed at which the semiconductor raw material rod 18 is fed to the heating coil 28 and the heating coil 28 that performs induction heating. An oscillator 48 to be adjusted and a lower shaft motor 50 for pulling down the semiconductor single crystal (cone portion 24, throttle portion 26) crystallized below the heating coil 28 at a predetermined speed. Furthermore, it has an upper shaft rotation motor 47 that rotates the semiconductor raw material rod 18 at a predetermined rotation speed, and a lower shaft rotation motor 51 that rotates the semiconductor single crystal at a predetermined rotation speed.

計測部42は第3カメラ42a、画像処理部42b、演算処理部42dとから構成されている。第3カメラ42aは図3に示すように、加熱コイル28の上端より高い位置において水平方向に配置される。画像処理部42bは制御部44及び第3カメラ42aに接続され、画像処理部42bは制御部からの測量命令の信号が入力されると第3カメラ42aのシャッターを作動させ、溶融帯20の加熱コイル28より上部に露出した部分を撮影し、撮影した画像を第3画像データ42cとして画像処理部42bに出力させる。画像処理部42bは第3画像データ42c上の溶融帯20の上端、すなわち半導体原料棒18の溶出界面18aを2値化処理等により検出してその座標を第3座標データ42eとして演算処理部42dに出力する。   The measurement unit 42 includes a third camera 42a, an image processing unit 42b, and an arithmetic processing unit 42d. As shown in FIG. 3, the third camera 42 a is disposed in the horizontal direction at a position higher than the upper end of the heating coil 28. The image processing unit 42b is connected to the control unit 44 and the third camera 42a, and the image processing unit 42b operates the shutter of the third camera 42a when the survey command signal is input from the control unit, and heats the melting zone 20 A portion exposed above the coil 28 is photographed, and the photographed image is output to the image processing unit 42b as the third image data 42c. The image processing unit 42b detects the upper end of the molten zone 20 on the third image data 42c, that is, the elution interface 18a of the semiconductor raw material rod 18 by binarization processing or the like, and uses the coordinates as third coordinate data 42e to calculate the processing unit 42d. Output to.

ここで、第3カメラ42aと加熱コイル28との位置関係は既知であるとする。また第3カメラ42aの半導体原料棒18からの距離は半導体原料棒18の直径より十分大きい寸法を有するものとする。さらに第3カメラ42aと半導体原料棒18の回転中心軸との距離は一定であるので、溶融帯20の加熱コイル28の上部に露出した部分の高さは第3カメラ42aが出力する第3画像データ42cの垂直方向の成分のみを算出対象とすればよいことになる。   Here, it is assumed that the positional relationship between the third camera 42a and the heating coil 28 is known. The distance from the semiconductor material rod 18 of the third camera 42a is assumed to be sufficiently larger than the diameter of the semiconductor material rod 18. Further, since the distance between the third camera 42a and the rotation center axis of the semiconductor raw material rod 18 is constant, the height of the portion of the molten zone 20 exposed at the top of the heating coil 28 is the third image output by the third camera 42a. Only the vertical component of the data 42c needs to be calculated.

演算処理部42dは第3画像データ上の溶出界面18aの高さ方向の座標と、上述の位置関係を考慮した数式により演算して溶融帯20の加熱コイル28より上部に露出した部分の上ゾーン長を算出し、測量された上ゾーン長データ25bとして制御部44に出力する。なお、演算処理部42dは上述同様の手法で溶出界面18aの直径も測量して制御部44に出力することができる。   The calculation processing unit 42d calculates the upper zone of the portion exposed above the heating coil 28 of the melting zone 20 by calculating with the coordinate in the height direction of the elution interface 18a on the third image data and the above-described mathematical expression. The length is calculated and output to the control unit 44 as the measured upper zone length data 25b. Note that the arithmetic processing unit 42d can also measure the diameter of the elution interface 18a and output it to the control unit 44 in the same manner as described above.

このように第3カメラ42aを介して溶融帯20の加熱コイル28から上方に露出した部分の上ゾーン長を測量し、上述の第1カメラ12及び第2カメラ14を介して溶融帯20の加熱コイル28内部に形成された部分の下ゾーン長が測量できるので、FZ法の絞り工程からコーン部形成工程初期においても上ゾーン長と下ゾーン長とを足し合わせた溶融帯20のゾーン長を結果的に測量することができる。   Thus, the upper zone length of the portion exposed upward from the heating coil 28 of the melting zone 20 is measured via the third camera 42a, and the melting zone 20 is heated via the first camera 12 and the second camera 14 described above. Since the lower zone length of the portion formed inside the coil 28 can be measured, the zone length of the molten zone 20 is obtained by adding the upper zone length and the lower zone length from the FZ method drawing process to the initial cone forming process. Can be surveyed.

制御部44は測量システム10に接続され、制御部44が所定時間ごとに測量システム10に測量命令の信号を出力すると、測量システム10から算出された晶出界面22の直径データ23と下ゾーン長データ25aが所定時間ごとに入力される。また制御部44は計測部42にも接続され、制御部44が所定時間ごとに計測部42に測量命令の信号を出力すると、計測部42から算出された上ゾーン長データ25bが所定時間ごとに入力される。制御部44において、上ゾーン長データ25a及び下ゾーン長データ25bが足し合わされ、溶融帯20のゾーン長データ25が得られる。ここで、所定時間の間隔は、FZ法の種絞り工程から結晶径を拡大するコーン部形成工程初期までの時間を相当数で等分した間隔をいう。   The control unit 44 is connected to the surveying system 10, and when the control unit 44 outputs a survey command signal to the surveying system 10 every predetermined time, the diameter data 23 of the crystallization interface 22 calculated from the surveying system 10 and the lower zone length Data 25a is input every predetermined time. The control unit 44 is also connected to the measurement unit 42. When the control unit 44 outputs a survey command signal to the measurement unit 42 at predetermined time intervals, the upper zone length data 25b calculated from the measurement unit 42 is output at predetermined time intervals. Entered. In the control unit 44, the upper zone length data 25a and the lower zone length data 25b are added to obtain the zone length data 25 of the molten zone 20. Here, the predetermined time interval refers to an interval obtained by equally dividing the time from the seed drawing step of the FZ method to the initial stage of the cone portion forming step for expanding the crystal diameter by a considerable number.

また制御部44に配設された記憶媒体(不図示)には、所定時間ごとの晶出界面22の設計直径データ、及び設計ゾーン長データが格納されており、制御部44は所定時間ごとに前記所定時間ごとの設計直径データ及び設計ゾーン長データを読み出すことができ、上述の直径データ23とゾーン長データ25との差分を算出する。   In addition, the storage medium (not shown) disposed in the control unit 44 stores design diameter data of the crystallization interface 22 and design zone length data for each predetermined time. The design diameter data and the design zone length data for each predetermined time can be read, and the difference between the diameter data 23 and the zone length data 25 is calculated.

制御部44は、PID演算器46aを介して上軸モータ46に接続され、入力された直径データ23の値と設計直径データの値との差分を差動増幅させPID演算器46aを介して上軸モータ46の半導体原料棒18の繰り出し速度を制御することができる。ここで直径データ23の値が設計直径データの値より大きい(小さい)場合には、制御部44は上軸モータ46の駆動速度を下げる(上げる)指令を上軸モータ46に出力し、半導体原料棒18の加熱コイル28側への繰り出し速度を減少(増大)させる制御を行う。なお、制御部44はPID演算器を47aを介して上軸回転モータ47に接続され、本実施形態において制御部44は上軸回転モータ47に一定の電流を出力して上軸回転モータ47の回転数を一定に保ち半導体原料棒17の回転速度を一定に保っている。   The control unit 44 is connected to the upper shaft motor 46 via the PID calculator 46a, and differentially amplifies the difference between the value of the input diameter data 23 and the value of the design diameter data, and the upper part via the PID calculator 46a. The feeding speed of the semiconductor material rod 18 of the shaft motor 46 can be controlled. Here, when the value of the diameter data 23 is larger (smaller) than the value of the design diameter data, the control unit 44 outputs a command to lower (increase) the driving speed of the upper shaft motor 46 to the upper shaft motor 46, and the semiconductor material Control is performed to decrease (increase) the feeding speed of the rod 18 toward the heating coil 28. The control unit 44 is connected to the upper shaft rotation motor 47 through a PID calculator 47a. In this embodiment, the control unit 44 outputs a constant current to the upper shaft rotation motor 47 to The rotation speed is kept constant, and the rotation speed of the semiconductor material rod 17 is kept constant.

そして制御部44は、PID演算器50aを介して下軸モータ50に接続され、本実施形態において制御部44は下軸モータ50に一定の電流を出力して下軸モータ50の駆動速度を一定に保ち半導体単結晶の引き下げ速度を一定に保っている。さらに制御部44はPID演算器51aを介して下軸回転モータ51に接続され、本実施形態において制御部44は下軸回転モータ51に一定の電流を出力して下軸回転モータ51の回転速度を一定に保ち半導体単結晶の回転速度を一定に保っている。   The control unit 44 is connected to the lower shaft motor 50 via the PID computing unit 50a. In the present embodiment, the control unit 44 outputs a constant current to the lower shaft motor 50 to keep the driving speed of the lower shaft motor 50 constant. The pulling rate of the semiconductor single crystal is kept constant. Further, the control unit 44 is connected to the lower shaft rotation motor 51 via the PID computing unit 51a. In this embodiment, the control unit 44 outputs a constant current to the lower shaft rotation motor 51 to rotate the rotation speed of the lower shaft rotation motor 51. Is kept constant, and the rotation speed of the semiconductor single crystal is kept constant.

また制御部44は、加熱コイル28の出力を調整する発振器48にPID演算器48aを介して接続され、入力されたゾーン長データ25と設計ゾーン長データとの差分を差動増幅させPID演算器48aを介して発振器48の加熱出力制御をすることができる。ここでゾーン長データの値が設計ゾーン長データの値より小さい(大きい)場合には、制御部44はゾーン長が長く(短く)なるように発振器48の高周波電流を増大(減少)させる指令を発振器48に出力し、加熱コイル28の加熱出力を増大(減少)させる制御を行う。   The control unit 44 is connected to an oscillator 48 that adjusts the output of the heating coil 28 via a PID calculator 48a, and differentially amplifies the difference between the input zone length data 25 and the design zone length data, thereby causing a PID calculator. The heating output of the oscillator 48 can be controlled via 48a. Here, when the value of the zone length data is smaller (larger) than the value of the design zone length data, the control unit 44 issues a command to increase (decrease) the high-frequency current of the oscillator 48 so that the zone length becomes longer (shorter). Output to the oscillator 48 and control to increase (decrease) the heating output of the heating coil 28 is performed.

ここで、晶出界面22の直径の制御と溶融帯20のゾーン長の制御は互いに影響しあう。そこで、前記直径の制御と前記ゾーン長の制御を交互に繰り返し行って(前記直径の制御を最初に行う)、所定時刻における設計直径と設計ゾーン長を近づけるように制御部44からの上軸モータ46及び発振器48への出力を自己無撞着的に一定の範囲に収束させる制御を行う。   Here, the control of the diameter of the crystallization interface 22 and the control of the zone length of the melting zone 20 affect each other. Therefore, the control of the upper shaft motor from the control unit 44 is performed so that the control of the diameter and the control of the zone length are alternately repeated (the control of the diameter is performed first) to bring the design diameter and the design zone length at a predetermined time closer. 46 and control to converge the output to the oscillator 48 within a certain range in a self-consistent manner.

FZ法による半導体単結晶の製造は、外気と遮断された高温のチャンバー内で行われる。したがって本実施形態に係る測量システム10及び制御システム40においては、第1カメラ12及び第2カメラ14が溶けないように、チャンバー外に設ける必要がある。図6に、チャンバー外に設けられた第1カメラ12、第2カメラ14、及びこれらを保持するカメラプレート56を示す。   The production of a semiconductor single crystal by the FZ method is performed in a high-temperature chamber that is shielded from the outside air. Therefore, in the surveying system 10 and the control system 40 according to the present embodiment, it is necessary to provide outside the chamber so that the first camera 12 and the second camera 14 do not melt. FIG. 6 shows the first camera 12 and the second camera 14 provided outside the chamber, and the camera plate 56 for holding them.

チャンバー外壁(不図示)には、透明な覗き窓52と、覗き窓52を保持しつつ外気を封止するフランジ54が設けられて、外部から内部を視認することができる。カメラプレート56は、フランジ54に固定される中継プレート58、中継プレート58に固定されるL字プレート60、第1カメラ12及び第2カメラ14を搭載しL字プレート60に保持されるカメラ取り付けプレート62から構成される。いずれの部材もステンレス等一定の剛性を有するものであれば、どのような材料でもよく、さらに各部材を組み立てた場合にもカメラプレート56全体として剛性が確保されることが好適である。さらに温度変化による寸法の変化を抑制するため熱膨張係数の小さいセラミックを用いることも好適である。   The outer wall (not shown) of the chamber is provided with a transparent viewing window 52 and a flange 54 that seals outside air while holding the viewing window 52 so that the inside can be viewed from the outside. The camera plate 56 is a relay plate 58 fixed to the flange 54, an L-shaped plate 60 fixed to the relay plate 58, and a camera mounting plate mounted with the first camera 12 and the second camera 14 and held by the L-shaped plate 60. 62. Any member may be used as long as it has a certain rigidity, such as stainless steel, and it is preferable that the entire camera plate 56 has sufficient rigidity even when the members are assembled. Further, it is also preferable to use a ceramic having a small thermal expansion coefficient in order to suppress a change in dimensions due to a temperature change.

中継プレート58には、ネジ(不図示)を通し、フランジ54に形成されたネジ孔54aに対応して形成された貫通孔58aが形成されている。よってネジ(不図示)を貫通孔58aに挿通し、ネジ(不図示)を前記ネジ孔54aにネジ止めすることによって中継プレート58はフランジ54に固定される。   The relay plate 58 is formed with a through hole 58a formed through the screw 54 (not shown) so as to correspond to the screw hole 54a formed in the flange 54. Therefore, the relay plate 58 is fixed to the flange 54 by inserting a screw (not shown) into the through hole 58a and screwing the screw (not shown) into the screw hole 54a.

L字プレート60はL字を形成する水平部材60aが中継プレート58の水平部分に搭載され垂直部材60bがカメラ取り付けプレート62を保持している。水平部材60aの長手方向に第1長穴(不図示)が形成され、中継プレート58の前記長穴(不図示)に対応した位置には第1ネジ穴(不図示)が形成されている。そして第1ネジ穴(不図示)と第1長穴(不図示)を連通して両者をネジ止めする第1ネジ(不図示)が設けられている。これによりL字プレート60は第1ネジ(不図示)を緩めることにより、中継プレート58に対して水平方向にスライド可能となり、ネジ止めすることにより所定位置において中継プレート58に固定される。   In the L-shaped plate 60, a horizontal member 60 a forming an L-shape is mounted on the horizontal portion of the relay plate 58, and a vertical member 60 b holds the camera mounting plate 62. A first elongated hole (not shown) is formed in the longitudinal direction of the horizontal member 60a, and a first screw hole (not shown) is formed at a position corresponding to the elongated hole (not shown) of the relay plate 58. And the 1st screw hole (not shown) and the 1st long hole (not shown) are connected and the 1st screw (not shown) which screws both together is provided. Thereby, the L-shaped plate 60 can be slid in the horizontal direction with respect to the relay plate 58 by loosening the first screw (not shown), and is fixed to the relay plate 58 at a predetermined position by screwing.

カメラ取り付けプレート62のL字プレート60と当接する垂直部材62bには同様に第2長穴(不図示)が形成され、L字プレート60の垂直部材60bの前記第2長穴(不図示)に対応する部分には第2ネジ穴(不図示)が形成され、第2ネジ穴(不図示)と第2長穴(不図示)を連通して両者をネジ止めする第2ネジ(不図示)が設けられている。これによりカメラ取り付けプレートは、第2ネジ(不図示)を緩めることにより、L字プレート60に対して垂直方向にスライド可能となり、ネジ止めすることによりカメラ取り付けプレート62をL字プレート60の所定位置においてL字プレート60に固定される。カメラ取り付けプレート62の水平部材62aの上には第1カメラ12及び第2カメラ14が一定の間隔(焦点同士の間隔がd)をもち、かつ同一の光軸方向に向けて搭載されている。また、例えばカメラ取り付けプレート62は一つの第2ネジ(不図示)で固定される場合は、垂直部材62bのL字プレート60の垂直部材60bに対する取り付け角度を変えることにより、第1カメラ12及び第2カメラ14のチャンバー内にある加熱コイル側への仰角を調整することができる。   Similarly, a second elongated hole (not shown) is formed in the vertical member 62b that contacts the L-shaped plate 60 of the camera mounting plate 62, and the second elongated hole (not illustrated) of the vertical member 60b of the L-shaped plate 60 is formed. A second screw hole (not shown) is formed in the corresponding portion, and a second screw (not shown) that connects the second screw hole (not shown) and the second elongated hole (not shown) to screw them together. Is provided. Thereby, the camera mounting plate can be slid in the vertical direction with respect to the L-shaped plate 60 by loosening the second screw (not shown), and the camera mounting plate 62 is fixed to the predetermined position of the L-shaped plate 60 by screwing. In FIG. On the horizontal member 62a of the camera mounting plate 62, the first camera 12 and the second camera 14 are mounted with a constant distance (the distance between the focal points is d) and directed in the same optical axis direction. Further, for example, when the camera mounting plate 62 is fixed by one second screw (not shown), the first camera 12 and the first camera 12 are changed by changing the mounting angle of the vertical member 62b to the vertical member 60b of the L-shaped plate 60. 2 The elevation angle toward the heating coil in the chamber of the camera 14 can be adjusted.

また本実施形態において、第1カメラ12と第2カメラ14とを、同じカメラを用いても実現可能である。図7にカメラを一台で行う場合の変形例を示す。また図8に図7の変形例を適用した制御システム90、及びこれを構成する測量システム80の概要図を示す。図8に示すように、制御システム90は基本的には上述の制御システム40と類似するが、これを構成する測量システム80は、第4カメラ64、ステッピングモータ66、スライドステージ68、PLC制御部70、モータコントローラ72、画像処理部74、演算処理部76とから構成される。   In the present embodiment, the first camera 12 and the second camera 14 can be realized by using the same camera. FIG. 7 shows a modification in the case where a single camera is used. FIG. 8 shows a schematic diagram of a control system 90 to which the modification of FIG. 7 is applied and a surveying system 80 constituting the control system 90. As shown in FIG. 8, the control system 90 is basically similar to the control system 40 described above, but the surveying system 80 constituting the control system 90 includes a fourth camera 64, a stepping motor 66, a slide stage 68, and a PLC control unit. 70, a motor controller 72, an image processing unit 74, and an arithmetic processing unit 76.

図7に示すように、第4カメラ64は1パルスごとに所定の回転角度で回転するステッピングモータ66を回転軸であるボールネジ68cに取り付け、ヘリコイド式にボールネジ68cに対する位置をスライドできるスライドステージ68上に搭載される。上述のカメラ取り付けプレート62にこの変形例を適用する場合は、カメラ取り付けプレート62の水平部材62a上にスライドステージ68を搭載すればよい。   As shown in FIG. 7, the fourth camera 64 has a stepping motor 66 that rotates at a predetermined rotation angle for each pulse attached to a ball screw 68c that is a rotating shaft, and a helicoid type on a slide stage 68 that can slide the position relative to the ball screw 68c. Mounted on. When this modification is applied to the camera mounting plate 62 described above, the slide stage 68 may be mounted on the horizontal member 62 a of the camera mounting plate 62.

PLC制御部70は、画像処理部74と制御部44との間に介装される一方、モータコントローラ72にも接続される。PLC制御部70は制御部44から測量命令の信号を受けると、スライドステージ68が第1位置68aまたは第2位置68bのいずれかの位置にいる場合に画像処理部74に撮影命令の信号を出力するとともに、モータコントローラ72にスライドステージ68の第1位置68aを示すアドレスデータ69aまたは第1位置68aから距離d離れた位置にある第2位置68bを示すアドレスデータ69bをモータコントローラ72に出力する。   The PLC control unit 70 is interposed between the image processing unit 74 and the control unit 44 and is also connected to the motor controller 72. When receiving a survey command signal from the control unit 44, the PLC control unit 70 outputs a shooting command signal to the image processing unit 74 when the slide stage 68 is in either the first position 68a or the second position 68b. At the same time, the address data 69a indicating the first position 68a of the slide stage 68 or the address data 69b indicating the second position 68b at a distance d from the first position 68a is output to the motor controller 72 to the motor controller 72.

モータコントローラ72は、ステッピングモータ66上のアドレスを管理し、現在のアドレスデータ69cとPLC制御部70から入力される第1位置68aを示すアドレスデータ69a、または第2位置68bを示すアドレスデータ69bとの差分に相当するステップ数のパルスをステッピングモータ66のドライバに出力するとともに、1パルスごとに現在のアドレスデータ69cを更新できるものとする。なお、モータコントローラ72は起動時にキャリブレーションを行い、ステッピングモータ66を回転させ、スライドステージ68を第1位置68aに搬送するものとする。   The motor controller 72 manages the address on the stepping motor 66, and the present address data 69c and the address data 69a indicating the first position 68a input from the PLC control unit 70, or the address data 69b indicating the second position 68b, It is assumed that a pulse having the number of steps corresponding to the difference between the current address data 69c can be updated for each pulse and output to the driver of the stepping motor 66. Note that the motor controller 72 performs calibration at the time of activation, rotates the stepping motor 66, and conveys the slide stage 68 to the first position 68a.

PLC制御部70は、画像処理部74に撮影命令の信号を出力し、画像処理部74は、まず第1位置68aにある第4カメラ64から上述同様に第1画像データ64aを取得する。その後、PLC制御部70は間隔d離れた位置にある第2位置68bのアドレスデータ69bをモータコントローラ72に出力し、モータコントローラ72が、現在のアドレスデータ69cとアドレスデータ69bとの差分をとり、その差分に応じたステップ数のパルスをステッピングモータ72のドライバ(不図示)に送りステッピングモータ72を回転させ、第4カメラ64を第1位置68aからdだけ離れた第2位置68bにまで搬送する。PLC制御部70はモータコントローラ72が示すステッピングモータ66上の現在のアドレスデータ69cを読み込み、そのアドレスの値が第2位置68bを示すアドレスデータ69bと一致した場合には、画像処理部74に再び撮影命令の信号を出力し、画像処理部74は第4カメラ64から第2画像データ64bを取得する。   The PLC control unit 70 outputs a shooting command signal to the image processing unit 74, and the image processing unit 74 first acquires the first image data 64a from the fourth camera 64 at the first position 68a as described above. Thereafter, the PLC control unit 70 outputs the address data 69b of the second position 68b located at a distance d apart to the motor controller 72, and the motor controller 72 takes the difference between the current address data 69c and the address data 69b, A pulse having the number of steps corresponding to the difference is sent to a driver (not shown) of the stepping motor 72, the stepping motor 72 is rotated, and the fourth camera 64 is conveyed to a second position 68b that is separated from the first position 68a by d. . The PLC control unit 70 reads the current address data 69c on the stepping motor 66 indicated by the motor controller 72. If the address value matches the address data 69b indicating the second position 68b, the PLC control unit 70 again returns to the image processing unit 74. The image processing unit 74 obtains the second image data 64 b from the fourth camera 64 by outputting a shooting command signal.

画像処理部74は第1画像データ64a、第2画像データ64bが入力されるごとに2値化処理して晶出界面22の左端22a及び右端22bをそれぞれ検出し、上述同様に第1座標データ74a、第2座標データ74bを演算処理部76に出力する。   The image processing unit 74 binarizes each time the first image data 64a and the second image data 64b are input to detect the left end 22a and the right end 22b of the crystallization interface 22, respectively, and the first coordinate data as described above. 74 a and the second coordinate data 74 b are output to the arithmetic processing unit 76.

演算処理部76は第1座標データ74a、第2座標データ74bが入力されると、上述の演算処理部16cと同様の演算を行い、晶出界面22の直径データ23、及び下ゾーン長データ25aを制御部44に出力する。   When the first coordinate data 74a and the second coordinate data 74b are input, the calculation processing unit 76 performs the same calculation as the calculation processing unit 16c described above, and the diameter data 23 of the crystallization interface 22 and the lower zone length data 25a. Is output to the control unit 44.

次の所定時間後に各画像データを取得する際には、第4カメラ64は第2位置にいるため上述同様の方法を用いて、まず第2画像データ64bを取得し、その後第1データを取得できるように制御すればよい。   When acquiring each image data after the next predetermined time, since the fourth camera 64 is in the second position, the second image data 64b is acquired first using the same method as described above, and then the first data is acquired. It is only necessary to control so as to be able to.

以上述べたように本実施形態によれば、FZ法の絞り工程からコーン部形成工程初期において加熱コイル28内部に形成される半導体単結晶の晶出界面22の直径を斜め方向から画像計測を行う場合においても、水平方向からの画像計測と同様に、精度良く直径を測量することができる。さらに、画像計測による晶出界面22の直径の算出過程において、前記晶出界面22の高さも算出可能なので半導体原料棒18が加熱溶融して形成された溶融帯20のゾーン長の加熱コイル20の内部に形成された成分の長さも精度よく測量することができる。したがって、上述の工程において精度よく半導体結晶の成長を行う制御を行うことができる。また画像計測に用いられるカメラは1台で行うことも可能なので各カメラの光軸を平行にそろえる必要はなく、また光軸ずれの心配もないので画像計測の信頼性が向上する。   As described above, according to the present embodiment, the diameter of the crystallization interface 22 of the semiconductor single crystal formed in the heating coil 28 is measured from an oblique direction from the drawing process of the FZ method to the initial stage of the cone part forming process. Even in this case, the diameter can be measured with high accuracy in the same manner as the image measurement from the horizontal direction. Furthermore, in the process of calculating the diameter of the crystallization interface 22 by image measurement, the height of the crystallization interface 22 can also be calculated, so that the heating coil 20 having a zone length of the melting zone 20 formed by heating and melting the semiconductor raw material rod 18 is obtained. The length of the component formed inside can also be accurately measured. Therefore, it is possible to control the semiconductor crystal growth with high accuracy in the above-described steps. Further, since it is possible to use a single camera for image measurement, it is not necessary to align the optical axes of the cameras in parallel, and there is no fear of optical axis deviation, so that the reliability of image measurement is improved.

本実施形態においては、FZ法の絞り工程からコーン部形成工程初期に着目して述べてきたが、第1カメラ12及び第2カメラ14はともに、晶出界面22が加熱コイル28より下に形成されても撮影が可能なので、上述のコーン部形成工程初期以降の工程においても適用できる。   In the present embodiment, the description has been made focusing on the FZ method from the drawing process to the initial stage of the cone portion forming process, but in both the first camera 12 and the second camera 14, the crystallization interface 22 is formed below the heating coil 28. However, since it is possible to take a picture, the present invention can also be applied to the process after the initial stage of the cone part forming process.

簡易な構成でFZ法の絞り工程からコーン部形成工程にかけて出現する半導体結晶の晶出界面の直径の制御を容易に行える、FZ法半導体結晶製造時の測量方法、測量システム、前記測量方法を組みこんだFZ法半導体結晶製造時の制御方法、制御システムとして利用できる。   Combining the surveying method, surveying system, and the above surveying method when manufacturing the FZ method semiconductor crystal, which can easily control the diameter of the crystallization interface of the semiconductor crystal that appears from the FZ method squeezing process to the cone part forming process with a simple configuration. It can be used as a control method and a control system when manufacturing the FZ method semiconductor crystal.

本実施形態に係る測量システムのカメラ配置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the camera arrangement | positioning of the surveying system which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る測量システムの三角測量の概念図である。It is a conceptual diagram of the triangulation of the survey system which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る制御システムのカメラ配置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the camera arrangement | positioning of the control system which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る制御システムのブロック図である。It is a block diagram of the control system concerning this embodiment. 本実施形態に係る制御システムのフロー図である。It is a flowchart of the control system which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る測量システムを構成するカメラをカメラプレートに搭載した模式図である。It is the schematic diagram which mounted the camera which comprises the surveying system which concerns on this embodiment on the camera plate. 本実施形態に係る測量システムの変形例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the modification of the surveying system which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る制御システムの変形例にブロック図である。It is a block diagram in the modification of the control system which concerns on this embodiment. 従来技術に係るFZ法半導体単結晶の製造工程を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the manufacturing process of the FZ method semiconductor single crystal which concerns on a prior art. 従来技術に係るFZ法半導体単結晶の製造工程を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the manufacturing process of the FZ method semiconductor single crystal which concerns on a prior art.

符号の説明Explanation of symbols

10………測量システム、12………第1カメラ、14………第2カメラ、16a………画像処理部、16b………画像処理部、16c………演算処理部、18………半導体原料棒、20………溶融帯、22………晶出界面、24………コーン部、26………絞り部、28………加熱コイル、30………第1画像データ、32………第2画像データ、40………制御システム、42………計測部、44………制御部、46………上軸モータ、47………上軸回転モータ、48………発振器、50………下軸モータ、51………下軸回転モータ、52………覗き窓、54………フランジ、56………カメラプレート、58………中継プレート、60………L字プレート、62カメラ取り付けプレート、64………カメラ、66………ステッピングモータ、68………スライドステージ、70………PLC制御部、72………モータコントローラ、74………画像処理部、76………演算処理部、80………測量システム、90………制御システム、110………半導体原料棒、111………溶融帯、112………コーン部、113………絞り部分、114………誘導加熱コイル、116………種結晶、127………単結晶。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ......... Surveying system, 12 ......... First camera, 14 ......... Second camera, 16a ......... Image processing unit, 16b ......... Image processing unit, 16c ......... Calculation processing unit, 18 ... ... Semiconductor raw material rod, 20 ......... Melting zone, 22 ......... Crystal interface, 24 ......... Cone part, 26 ......... Throttle part, 28 ...... Heating coil, 30 ......... First image data, 32... Second image data 40... Control system 42... Measurement unit 44 44 Control unit 46 Upper shaft motor 47 Upper shaft rotation motor 48 ... Oscillator, 50 ......... Lower shaft motor, 51 ......... Lower shaft rotation motor, 52 ......... Peeping window, 54 ...... Flange, 56 ...... Camera plate, 58 ...... Relay plate, 60 ... … L-shaped plate, 62 camera mounting plate, 64 ……… Camera, 66 ……… Steppin Motor, 68 ......... Slide stage, 70 ... PLC control unit, 72 ......... Motor controller, 74 ......... Image processing unit, 76 ......... Calculation processing unit, 80 ...... Surveying system, 90 ... ... Control system, 110 ... Semiconductor rod, 111 ... Melting zone, 112 ... Cone, 113 ... Squeezed part, 114 ... Induction heating coil, 116 ... Seed crystal, 127 ... ...... Single crystal.

Claims (8)

半導体単結晶を製造するFZ法の種絞り工程から結晶径を拡大するコーン部形成工程初期において加熱コイルの内部で晶出される前記半導体単結晶の晶出界面の直径を、
前記晶出界面と異なる高さ位置に配置された第1カメラと、前記第1カメラと同一の高さ位置に配置され前記第1カメラと平行な光軸を有する第2カメラとの前記晶出界面に対する視差を利用した三角測量演算処理を介して測量することを特徴とするFZ法半導体結晶製造時の測量方法。
The diameter of the crystallization interface of the semiconductor single crystal that is crystallized inside the heating coil in the initial stage of the cone forming step for expanding the crystal diameter from the seed drawing step of the FZ method for manufacturing a semiconductor single crystal,
The crystallization of a first camera arranged at a height position different from the crystallization interface and a second camera arranged at the same height position as the first camera and having an optical axis parallel to the first camera. A surveying method at the time of manufacturing an FZ method semiconductor crystal, wherein the surveying is performed through a triangulation calculation process using parallax with respect to an interface.
前記第2カメラは、前記第1カメラを光軸方向を一定に保ったまま前記第2カメラを設けた位置に平行移動したものであることを特徴とする請求項1に記載のFZ法半導体単結晶製造時の測量方法。   2. The FZ method semiconductor device according to claim 1, wherein the second camera is obtained by translating the first camera to a position where the second camera is provided while maintaining a constant optical axis direction. 3. Survey method at the time of crystal production. 前記三角測量演算処理において、前記直径を測量するとともに、前記晶出界面の高さ位置を測量することを特徴とする請求項1または2に記載のFZ法半導体結晶製造時の測量方法。   3. The surveying method for manufacturing an FZ method semiconductor crystal according to claim 1, wherein, in the triangulation calculation processing, the diameter is measured and the height position of the crystallization interface is measured. 請求項3に記載のFZ法半導体単結晶製造時の半導体結晶の測量方法を用いて、前記晶出界面の直径及び高さ位置を測量するとともに、前記加熱コイルにより溶融加熱された前記半導体結晶の原料となる半導体原料棒の溶融帯のゾーン長を測定し、前記直径及び前記ゾーン長が前記所定時間ごとに予め設計された設計直径及び設計ゾーン長となるように、前記半導体原料棒の移動速度と前記加熱コイルの出力を制御することを特徴とするFZ法半導体単結晶製造時の制御方法。   Using the semiconductor crystal surveying method during the manufacture of the FZ method semiconductor single crystal according to claim 3, the diameter and height position of the crystallization interface are measured, and the semiconductor crystal melted and heated by the heating coil is measured. The zone length of the melting zone of the semiconductor raw material rod as a raw material is measured, and the moving speed of the semiconductor raw material rod is such that the diameter and the zone length become a designed diameter and a designed zone length designed in advance for each predetermined time. And an output of the heating coil, and a control method at the time of manufacturing an FZ method semiconductor single crystal. 半導体単結晶を製造するFZ法の種絞り工程から結晶径を拡大するコーン部形成工程初期において加熱コイルの内部で晶出される前記半導体単結晶の晶出界面を撮影して第1画像データを出力する前記晶出界面と異なる高さ位置に配置された第1カメラと、
前記第1カメラと同一の高さ位置に配置され、前記第1カメラと平行な光軸を有し、前記晶出界面を撮影して第2画像データを出力する第2カメラと、
前記第1画像データ上、及び前記第2画像データ上の前記晶出界面の左端及び右端を検出し、前記第1カメラと前記第2カメラとの視差を利用した三角測量演算により前記晶出界面の左端と右端との距離を前記晶出界面の直径として測量する測量手段と、
を有することを特徴とするFZ法半導体単結晶製造時の測量システム。
First image data is output by photographing the crystallization interface of the semiconductor single crystal that is crystallized inside the heating coil in the initial stage of the cone forming process for expanding the crystal diameter from the seed drawing process of the FZ method for manufacturing a semiconductor single crystal. A first camera disposed at a different height from the crystallization interface;
A second camera disposed at the same height as the first camera, having an optical axis parallel to the first camera, photographing the crystallization interface and outputting second image data;
The left and right ends of the crystallization interface on the first image data and the second image data are detected, and the crystallization interface is obtained by triangulation calculation using parallax between the first camera and the second camera. Surveying means for measuring the distance between the left end and the right end of the crystallizing interface as a diameter of the crystallization interface;
A surveying system for manufacturing an FZ method semiconductor single crystal.
前記第2カメラは、前記第1カメラを光軸方向を一定に保ったまま前記第2カメラを設けた位置に平行移動したものであることを特徴とする請求項5に記載のFZ法半導体単結晶製造時の測量システム。   6. The FZ method semiconductor device according to claim 5, wherein the second camera is obtained by translating the first camera to a position where the second camera is provided while keeping the optical axis direction constant. Surveying system when manufacturing crystals. 前記測量手段は、前記直径を測量するとともに、前記晶出界面の高さ位置を測量することを特徴とする請求項5または6に記載のFZ法半導体結晶製造時の測量システム。   The surveying system according to claim 5 or 6, wherein the surveying unit measures the diameter and surveys the height position of the crystallization interface. 請求項7に記載のFZ法半導体単結晶製造時の半導体結晶の測量システムにより前記晶出界面の直径及び高さ位置を算出すると同時に、前記加熱コイルにより溶融加熱された前記半導体結晶の原料となる半導体原料棒の溶融帯のゾーン長を計測する計測手段と、
前記直径及び前記ゾーン長が前記所定時間ごとに予め設計された設計直径及び設計ゾーン長となるように、半導体原料棒の移動速度と加熱コイルの出力を制御する制御手段と、
を有することを特徴とするFZ法半導体単結晶製造時の制御システム。
The diameter and height position of the crystallization interface are calculated by the semiconductor crystal surveying system at the time of manufacturing the FZ method semiconductor single crystal according to claim 7, and at the same time, the semiconductor crystal is melted and heated by the heating coil. Measuring means for measuring the zone length of the melting zone of the semiconductor raw material rod;
Control means for controlling the movement speed of the semiconductor raw material rod and the output of the heating coil so that the diameter and the zone length become the designed diameter and the designed zone length designed in advance for each predetermined time;
A control system for manufacturing an FZ method semiconductor single crystal.
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