JP2020189766A - System and method for evaluating single crystal pulling apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、チョクラルスキー法（ＣＺ法）による単結晶の引き上げに用いられる単結晶引き上げ装置の評価システム及び評価方法に関し、特に、実機を用いることなくシミュレーションにより単結晶引き上げ装置を評価するためのシステム及び方法に関するものである。 The present invention relates to an evaluation system and an evaluation method for a single crystal pulling device used for pulling a single crystal by the Czochralski method (CZ method), and particularly for evaluating the single crystal pulling device by simulation without using an actual machine. It concerns systems and methods.
半導体デバイスの基板材料となるシリコン単結晶の多くはＣＺ法により製造されている。ＣＺ法では、石英ルツボ内のシリコン融液に種結晶を浸漬し、石英ルツボを回転させながら種結晶を徐々に引き上げることにより、種結晶の下端に大きな単結晶を成長させる。ＣＺ法によれば、大口径のシリコン単結晶を高い歩留まりで製造することが可能である。 Most of the silicon single crystals used as substrate materials for semiconductor devices are manufactured by the CZ method. In the CZ method, a seed crystal is immersed in a silicon melt in a quartz crucible, and the seed crystal is gradually pulled up while rotating the quartz crucible to grow a large single crystal at the lower end of the seed crystal. According to the CZ method, it is possible to produce a large-diameter silicon single crystal with a high yield.
無欠陥のシリコン単結晶を高い歩留まりで製造するため、最近はコンピュータシミュレーションも利用されている。例えば、特許文献１には、シリコン単結晶中の結晶欠陥のサイズや密度を制御するために、シリコン単結晶の成長中に起こっている現象をシミュレーションによって再現し、その結果から最適な結晶育成条件を求める方法が開示されている。炉内の温度分布を総合伝熱解析プログラムでシミュレーションし、これによって得られた温度分布からGrown-in欠陥のサイズや密度を求め、実結晶育成条件に反映させることにより、シリコン単結晶中の酸素濃度によって異なるGrown-in欠陥の形成をシミュレーションすることができ、シリコン単結晶が所望の欠陥サイズや密度となるような成長条件を求めることができる。 Recently, computer simulation has also been used to produce defect-free silicon single crystals with a high yield. For example, in Patent Document 1, in order to control the size and density of crystal defects in a silicon single crystal, a phenomenon occurring during the growth of a silicon single crystal is reproduced by simulation, and the optimum crystal growth conditions are obtained from the result. The method of obtaining is disclosed. By simulating the temperature distribution in the furnace with a comprehensive heat transfer analysis program, determining the size and density of Grown-in defects from the temperature distribution obtained by this, and reflecting it in the actual crystal growth conditions, oxygen in the silicon single crystal It is possible to simulate the formation of Grown-in defects that differ depending on the concentration, and it is possible to determine the growth conditions such that the silicon single crystal has a desired defect size and density.
また、特許文献２には、任意の引き上げ条件をシミュレーション解析して得た固液界面の形状からピュアシリコン単結晶の引き上げ条件を予測する方法が開示されている。この方法では、インゴットの引き上げ条件を任意に決めて、シリコン融液の対流又は輻射伝熱のいずれか一方又は双方を考慮した総合熱解析手法を利用し、固液界面の形状、結晶内の軸方向温度勾配及び熱履歴を数値的にシミュレーションすることにより、固液界面形状が所定の条件式を満たすときの引き上げ条件をピュアシリコン単結晶の引上げ条件であると予測することができる。 Further, Patent Document 2 discloses a method of predicting the pulling condition of a pure silicon single crystal from the shape of the solid-liquid interface obtained by performing simulation analysis of an arbitrary pulling condition. In this method, the conditions for pulling up the ingot are arbitrarily determined, and a comprehensive thermal analysis method that considers either convection or radiant heat transfer of the silicon melt is used, and the shape of the solid-liquid interface and the axis in the crystal are used. By numerically simulating the directional temperature gradient and the thermal history, it can be predicted that the pulling condition when the solid-liquid interface shape satisfies a predetermined conditional expression is the pulling condition of the pure silicon single crystal.
結晶品質や製造歩留まりの向上を図るため、最近の単結晶引き上げ装置には水冷体などの炉内部品が追加され、炉内構造は複雑化している。そのような単結晶引き上げ装置にさらなる改良を加える場合、当該装置を用いて高品質な単結晶を育成できるかどうかはもちろんのこと、一連の結晶引き上げ工程を滞りなく実施できるかどうかの判断が難しい場合がある。 In order to improve crystal quality and manufacturing yield, in-core parts such as water-cooled bodies have been added to recent single crystal pulling devices, and the in-core structure has become complicated. When further improving such a single crystal pulling device, it is difficult to judge whether a series of crystal pulling steps can be carried out without delay as well as whether or not a high quality single crystal can be grown using the device. In some cases.
例えば、単結引き上げ制御では、単結晶のメニスカスをカメラで撮影し、その撮影画像を解析して結晶直径や液面位置を計測する必要がある。そのため、メニスカスを撮影できない場合には、結晶引き上げ条件を制御することができない。上記のように、単結晶引き上げ装置の炉内構造は複雑であり、多くの炉内部品が存在しているため、カメラはメニスカスのごく一部しか捉えることができない状況である。 For example, in the single crystal pulling control, it is necessary to photograph the meniscus of a single crystal with a camera and analyze the photographed image to measure the crystal diameter and the liquid level position. Therefore, if the meniscus cannot be photographed, the crystal pulling condition cannot be controlled. As described above, the internal structure of the single crystal pulling device is complicated and many internal parts are present, so that the camera can capture only a small part of the meniscus.
このような状況において、炉内構造物の形状や位置を変更した場合、単結晶の成長段階によっては、カメラ視野が炉内構造物に遮られてメニスカスが全く見えなくなるおそれがある。例えば、結晶引き上げ工程の前半にはメニスカスが見えていたが、後半にメニスカスが炉内構造物の裏に隠れて見えなくなる場合、結晶引き上げ工程の途中から急に結晶引き上げ制御ができなくなってしまう。これまで、わずかなカメラ視野でも結晶直径の変化を捉えきれるか否かの評価は、実機を用いて実際に結晶引き上げを行ってみなければ確認することができなかった。 In such a situation, if the shape or position of the internal structure is changed, the camera field of view may be obstructed by the internal structure and the meniscus may not be visible at all depending on the growth stage of the single crystal. For example, if the meniscus was visible in the first half of the crystal pulling process, but the meniscus is hidden behind the structure in the furnace and disappears in the second half, the crystal pulling control suddenly becomes impossible from the middle of the crystal pulling process. Until now, the evaluation of whether or not the change in crystal diameter could be captured even with a slight camera field of view could not be confirmed without actually pulling up the crystal using an actual machine.
しかしながら、改良された単結晶引き上げ装置の評価において実機を用いる場合、評価のための時間とコストがかかり過ぎるという問題がある。特に最近は炉内部品の調達のための時間とコストが増加しており、改良された炉内部品が不適合だった場合には設計のやり直しが必要であり、さらなる時間とコストが必要である。 However, when an actual machine is used in the evaluation of the improved single crystal pulling device, there is a problem that the time and cost for the evaluation are too long. Especially recently, the time and cost for procuring the in-core parts have increased, and if the improved in-core parts are incompatible, the design needs to be redesigned, which requires more time and cost.
したがって、本発明の目的は、単結晶引き上げ装置の結晶引き上げ動作に対する評価を、実機を用いずに行うことが可能な単結晶引き上げ装置の評価システム及び評価方法を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide an evaluation system and an evaluation method for a single crystal pulling device capable of evaluating a crystal pulling operation of the single crystal pulling device without using an actual machine.
上記課題を解決するため、本発明は、チョクラルスキー法による単結晶の引き上げに用いられる単結晶引き上げ装置の評価システムであって、前記単結晶引き上げ装置のＣＺ引き上げ炉の形状データを用いて炉内構造の３Ｄモデル（3-Dimensional Model）を生成する３Ｄモデル生成部と、前記炉内構造の３Ｄモデルに対するレンダリングを行って３Ｄコンピュータグラフィックス（3-Dimensional Computer Graphics）を生成する３ＤＣＧ演算部とを備え、前記３ＤＣＧ演算部は、前記ＣＺ引き上げ炉内を撮影するカメラの視野イメージを再現することを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention is an evaluation system for a single crystal pulling device used for pulling a single crystal by the Chokralsky method, and uses the shape data of the CZ pulling furnace of the single crystal pulling device to perform a furnace. A 3D model generator that generates a 3D model (3-Dimensional Model) of the internal structure, and a 3DCG calculation unit that generates 3D computer graphics (3-Dimensional Computer Graphics) by rendering the 3D model of the internal structure. The 3DCG calculation unit is characterized in that it reproduces a field image of a camera that photographs the inside of the CZ pulling furnace.
また本発明は、チョクラルスキー法による単結晶の引き上げに用いられる単結晶引き上げ装置の評価方法であって、前記単結晶引き上げ装置のＣＺ引き上げ炉の形状データを用いて炉内構造の３Ｄモデルを生成する３Ｄモデル生成ステップと、前記炉内構造の３Ｄモデルに対するレンダリングを行って３Ｄコンピュータグラフィックスを生成する３ＤＣＧ演算ステップとを備え、前記３ＤＣＧ演算ステップは、前記ＣＺ引き上げ炉内を撮影するカメラの視野イメージを再現することを特徴とする。 Further, the present invention is an evaluation method of a single crystal pulling device used for pulling a single crystal by the Czochralski method, and a 3D model of the structure inside the furnace is created by using the shape data of the CZ pulling furnace of the single crystal pulling device. It includes a 3D model generation step to generate and a 3DCG calculation step to generate 3D computer graphics by rendering the 3D model of the internal structure of the furnace, and the 3DCG calculation step is a camera for photographing the inside of the CZ raising furnace. It is characterized by reproducing a visual field image.
従来、改良された単結晶引き上げ装置に対するＣＺ制御システムの適合性の評価には当該単結晶引き上げ装置の実機が用いられていた。この場合、炉体及び炉内部品の設計、炉内部品の発注を順に行い、納入された炉内部品を用いて単結晶引き上げ装置を組み上げてからＣＺ制御システムの開発がスタートするため、単結晶引き上げ装置の実用化までに要する期間が非常に長くなる。しかし、本発明による単結晶引き上げ装置の評価システム及び評価方法は、ＣＺ引き上げ炉内を撮影するカメラの視野イメージをコンピュータグラフィックスにより再現するので、炉内構造の変更が結晶引き上げ制御に与える影響をＣＺ引き上げ炉の実機を用いることなく評価することができる。したがって、炉体や炉内部品を発注する前からＣＺ制御システム開発を開始することができ、単結晶引き上げ装置の実用化までに要する期間とコストを大幅に削減することができる。 Conventionally, the actual machine of the single crystal pulling device has been used to evaluate the suitability of the CZ control system for the improved single crystal pulling device. In this case, the development of the CZ control system starts after designing the furnace body and in-core parts and ordering the in-core parts in order and assembling the single crystal pulling device using the delivered in-core parts. It takes a very long time to put the lifting device into practical use. However, since the evaluation system and evaluation method of the single crystal pulling device according to the present invention reproduce the visual field image of the camera for photographing the inside of the CZ raising furnace by computer graphics, the influence of the change in the structure inside the furnace on the crystal pulling control is affected. It can be evaluated without using the actual machine of the CZ raising furnace. Therefore, it is possible to start the development of the CZ control system before ordering the furnace body and the parts inside the furnace, and it is possible to significantly reduce the period and cost required for the single crystal pulling device to be put into practical use.
本発明において、前記３Ｄモデル生成部は、前記単結晶引き上げ装置によって育成される単結晶及び融液面の形状データをさらに用いて単結晶育成中の炉内構造の３Ｄモデルを生成し、前記３ＤＣＧ演算部は、前記単結晶育成中の炉内構造の３Ｄモデルに対するレンダリングを行って、前記単結晶育成中の前記ＣＺ引き上げ炉内を撮影する前記カメラの視野イメージを再現することが好ましい。これにより、炉内構造を変更しても結晶引き上げの各段階でカメラが単結晶のメニスカスを捉えることができるかどうかを、結晶引き上げ工程を実際に行わずに評価することができる。したがって、炉内構造の変更が直径計測等に与える影響を客観的に評価することができる。 In the present invention, the 3D model generation unit further uses the shape data of the single crystal and the melt surface grown by the single crystal pulling device to generate a 3D model of the structure inside the furnace during single crystal growth, and the 3DCG. It is preferable that the calculation unit renders the 3D model of the structure inside the furnace during the growth of the single crystal to reproduce the field image of the camera that captures the inside of the CZ pulling furnace during the growth of the single crystal. This makes it possible to evaluate whether or not the camera can capture the single crystal meniscus at each stage of crystal pulling even if the structure inside the furnace is changed, without actually performing the crystal pulling process. Therefore, it is possible to objectively evaluate the influence of the change in the furnace structure on the diameter measurement and the like.
本発明において、前記３ＤＣＧ演算部は、前記単結晶のメニスカスに現れるフュージョンリングと前記融液面に映り込んだ前記炉内構造物の鏡像を再現することが好ましい。これによれば、３ＤＣＧ演算部が生成するカメラの視野イメージを実際のカメラの視野イメージに近づけることができる。したがって、当該視野イメージを用いてＣＺ制御システムの動作を確認することができる。 In the present invention, the 3DCG calculation unit preferably reproduces a fusion ring appearing on the meniscus of the single crystal and a mirror image of the structure inside the furnace reflected on the melt surface. According to this, the field of view image of the camera generated by the 3DCG calculation unit can be brought closer to the field of view image of the actual camera. Therefore, the operation of the CZ control system can be confirmed using the field image.
本発明において、前記３ＤＣＧ演算部から出力される前記カメラの視野イメージは、前記単結晶引き上げ装置のＣＺ制御システムに入力され、前記ＣＺ制御システムは、前記カメラの視野イメージの解析結果に基づいて、前記ＣＺ引き上げ炉を制御するための制御信号を出力することが好ましい。この場合、前記ＣＺ制御システムは、前記カメラの視野イメージの解析結果に基づいて、育成中の単結晶の直径、結晶引き上げ速度、液面位置の少なくとも一つを制御するための前記制御信号を出力することが好ましい。これにより、実機を用いることなく仮想のＣＺ引き上げ炉内の視野イメージを用いてＣＺ制御システムを評価することができる。 In the present invention, the field image of the camera output from the 3DCG calculation unit is input to the CZ control system of the single crystal pulling device, and the CZ control system is based on the analysis result of the field image of the camera. It is preferable to output a control signal for controlling the CZ pulling furnace. In this case, the CZ control system outputs the control signal for controlling at least one of the diameter of the growing single crystal, the crystal pulling speed, and the liquid level position based on the analysis result of the field image of the camera. It is preferable to do so. This makes it possible to evaluate the CZ control system using the visual field image in the virtual CZ raising furnace without using the actual machine.
本発明による評価システムは、前記ＣＺ制御システムから出力される制御信号を評価する出力評価部をさらに備え、前記出力評価部は、前記制御信号に基づいて、前記ＣＺ引き上げ炉の３Ｄモデル及び前記単結晶及び融液面の３Ｄモデルの少なくとも一方を変更することが好ましい。これにより、ＣＺ引き上げ炉内の変化に追従するＣＺ制御システムの動作を連続的に評価することができる。 The evaluation system according to the present invention further includes an output evaluation unit that evaluates a control signal output from the CZ control system, and the output evaluation unit includes a 3D model of the CZ raising furnace and the simple unit based on the control signal. It is preferred to modify at least one of the crystal and melt surface 3D models. This makes it possible to continuously evaluate the operation of the CZ control system that follows the changes in the CZ raising furnace.
前記ＣＺ制御システムは、育成中の単結晶の直径、結晶引き上げ速度及び液面位置の少なくとも一つを制御することが好ましい。本発明によれば、ＣＺ引き上げ炉内を撮影するカメラの視野イメージのコンピュータグラフィックスを用いて、結晶直径、結晶引き上げ速度、液面位置のいずれか対するＣＺ制御システムの制御動作を評価することができる。 The CZ control system preferably controls at least one of the diameter of the growing single crystal, the crystal pulling speed, and the liquid level position. According to the present invention, it is possible to evaluate the control operation of the CZ control system with respect to any one of the crystal diameter, the crystal pulling speed, and the liquid level position by using the computer graphics of the field view image of the camera for photographing the inside of the CZ pulling furnace. it can.
前記ＣＺ引き上げ炉は、融液を保持するルツボと、前記ルツボを取り囲むように配置されたヒーターと、前記融液から引き上げられた単結晶を取り囲むように前記ルツボの上方に配置され、前記ヒーターからの輻射熱を遮蔽する熱遮蔽体とを含み、前記３ＤＣＧ演算部は、前記熱遮蔽体の鏡像が映り込んだ前記融液面を再現することが好ましい。 The CZ pulling furnace is arranged above the crucible so as to surround the crucible holding the melt, the heater arranged so as to surround the crucible, and the single crystal pulled from the melt, and from the heater. It is preferable that the 3DCG calculation unit reproduces the melt surface on which a mirror image of the heat shield is reflected, including a heat shield that shields the radiant heat of the above.
前記ＣＺ引き上げ炉は、前記単結晶の引き上げ経路を取り囲むように前記熱遮蔽体よりも上方に設けられた水冷体をさらに備えることが好ましい。この場合、前記３ＤＣＧ演算部は、前記融液面に映り込んだ前記水冷体の鏡像をさらに再現することが好ましい。ＣＺ引き上げ炉内に水冷体が設けられている場合には、単結晶のメニスカスが水冷体に遮られるため、限られた視野内でＣＺ制御システムが単結晶を制御できるかどうかを評価することは難しい。しかし、本発明によれば、そのような条件下でＣＺ制御システムが正しく動作するかどうかを実機を用いずに評価することができる。 It is preferable that the CZ pulling furnace further includes a water-cooled body provided above the heat shield so as to surround the pulling path of the single crystal. In this case, it is preferable that the 3DCG calculation unit further reproduces the mirror image of the water-cooled body reflected on the melt surface. When a water-cooled body is provided in the CZ raising furnace, the meniscus of the single crystal is blocked by the water-cooled body, so it is not possible to evaluate whether the CZ control system can control the single crystal within a limited field of view. difficult. However, according to the present invention, it is possible to evaluate whether or not the CZ control system operates correctly under such conditions without using an actual machine.
前記３ＤＣＧ演算部は、少なくとも前記ヒーターを光源として設定して前記３Ｄコンピュータグラフィックスを生成することが好ましく、前記ヒーター及び前記熱遮蔽体を光源として設定して前記３Ｄコンピュータグラフィックスを生成することがさらに好ましい。これによれば、３ＤＣＧイメージを実際の炉内イメージに容易に近づけることができる。 The 3DCG calculation unit preferably sets at least the heater as a light source to generate the 3D computer graphics, and may set the heater and the heat shield as a light source to generate the 3D computer graphics. More preferred. According to this, the 3DCG image can be easily brought close to the actual in-core image.
前記３ＤＣＧ演算部は、前記炉内構造の変化又は前記単結晶の成長に伴う前記カメラの視野イメージの変化を３ＤＣＧアニメーションにより再現することが好ましい。これにより、改良された単結晶引き上げ装置による結晶引き上げ動作を分かりやすく再現することができる。 It is preferable that the 3DCG calculation unit reproduces the change in the internal structure of the furnace or the change in the visual field image of the camera due to the growth of the single crystal by 3DCG animation. As a result, the crystal pulling operation by the improved single crystal pulling device can be reproduced in an easy-to-understand manner.
本発明による単結晶引き上げ装置の評価システムは、前記３ＤＣＧ演算部から出力される前記カメラの視野イメージを用いて、前記単結晶の引き上げを制御するＣＺ制御システムの動作を評価することが好ましい。この動作の評価には、ＣＺ制御システムが正常に動作するか否かだけでなく、ＣＺ制御システムが何らかの反応をするか否かという最も単純な評価を含む。この場合において、前記ＣＺ引き上げ炉は、融液を保持するルツボと、前記ルツボを取り囲むように配置されたヒーターと、前記融液から引き上げられた単結晶を取り囲むように前記ルツボの上方に配置され、前記ヒーターからの輻射熱を遮蔽する熱遮蔽体とを含み、前記ＣＺ制御システムは、前記単結晶の直径、前記単結晶の引き上げ速度、及び前記熱遮蔽体の下端と融液面との間の距離のうち、少なくとも一つを制御することが好ましい。これにより、実機を用いることなく仮想のＣＺ引き上げ炉内の視野イメージを用いてＣＺ制御システムが正しく動作するか否かを評価することができる。 The evaluation system for the single crystal pulling device according to the present invention preferably evaluates the operation of the CZ control system that controls the pulling of the single crystal by using the field image of the camera output from the 3DCG calculation unit. The evaluation of this operation includes not only whether or not the CZ control system operates normally, but also whether or not the CZ control system reacts in some way, which is the simplest evaluation. In this case, the CZ pulling furnace is arranged above the crucible so as to surround the crucible holding the melt, the heater arranged so as to surround the crucible, and the single crystal pulled from the melt. The CZ control system includes a heat shield that shields radiant heat from the heater, the diameter of the single crystal, the pulling speed of the single crystal, and between the lower end of the heat shield and the melting surface. It is preferable to control at least one of the distances. This makes it possible to evaluate whether or not the CZ control system operates correctly using the visual field image in the virtual CZ raising furnace without using the actual machine.
本発明によれば、単結晶引き上げ装置の結晶引き上げ動作に対する評価を、実機を用いずに行うことが可能な単結晶引き上げ装置の評価システムを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an evaluation system for a single crystal pulling device capable of evaluating the crystal pulling operation of the single crystal pulling device without using an actual machine.
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
本発明による単結晶引き上げ装置の評価システムの説明に先立ち、まず評価対象となる単結晶引き上げ装置について詳細に説明する。 Prior to the description of the evaluation system for the single crystal pulling device according to the present invention, first, the single crystal pulling device to be evaluated will be described in detail.
図１は、ＣＺ法によるシリコン単結晶の引き上げに用いられる単結晶引き上げ装置の構造の一例を示す略断面図である。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the structure of a single crystal pulling device used for pulling a silicon single crystal by the CZ method.
図１に示すように、単結晶引き上げ装置１は、実際にシリコン単結晶の引き上げを行うＣＺ引き上げ炉３と、ＣＺ引き上げ炉３を制御するＣＺ制御システム４とを備えている。ＣＺ引き上げ炉３は、水冷式のチャンバー１０と、チャンバー１０内でシリコン融液６を保持する石英ルツボ１１と、石英ルツボ１１を保持する黒鉛ルツボ１２と、黒鉛ルツボ１２を支持する回転シャフト１３と、回転シャフト１３を回転及び昇降駆動するシャフト駆動機構１４と、黒鉛ルツボ１２の周囲に配置されたヒーター１５と、ヒーター１５の外側であってチャンバー１０の内面に沿って配置された断熱材１６と、石英ルツボ１１の上方に配置された熱遮蔽体１７と、石英ルツボ１１の上方であって回転シャフト１３と同軸上に配置された単結晶引き上げ用のワイヤー１８と、チャンバー１０の上方に配置されたワイヤー巻き取り機構１９とを備えている。 As shown in FIG. 1, the single crystal pulling device 1 includes a CZ pulling furnace 3 that actually pulls a silicon single crystal and a CZ control system 4 that controls the CZ pulling furnace 3. The CZ pulling furnace 3 includes a water-cooled chamber 10, a quartz crucible 11 that holds the silicon melt 6 in the chamber 10, a graphite crucible 12 that holds the quartz crucible 11, and a rotating shaft 13 that supports the graphite crucible 12. , A shaft drive mechanism 14 for rotating and raising and lowering the rotary shaft 13, a heater 15 arranged around the graphite crucible 12, and a heat insulating material 16 arranged outside the heater 15 and along the inner surface of the chamber 10. , A heat shield 17 arranged above the quartz crucible 11, a wire 18 for pulling a single crystal above the quartz crucible 11 and coaxially arranged with the rotating shaft 13, and above the chamber 10. It is equipped with a wire winding mechanism 19.
チャンバー１０は、メインチャンバー１０ａと、メインチャンバー１０ａの上部開口に連結された細長い円筒状のプルチャンバー１０ｂとで構成されており、石英ルツボ１１、黒鉛ルツボ１２、ヒーター１５及び熱遮蔽体１７はメインチャンバー１０ａ内に設けられている。プルチャンバー１０ｂにはチャンバー１０内にアルゴンガス等の不活性ガス（パージガス）やドーパントガスを導入するためのガス導入口１０ｃが設けられており、メインチャンバー１０ａの下部にはチャンバー１０内の雰囲気ガスを排出するためのガス排出口１０ｄが設けられている。また、メインチャンバー１０ａの上部には覗き窓１０ｅが設けられており、シリコン単結晶７の育成状況を覗き窓１０ｅから観察可能である。 The chamber 10 is composed of a main chamber 10a and an elongated cylindrical pull chamber 10b connected to the upper opening of the main chamber 10a, and the quartz crucible 11, the graphite crucible 12, the heater 15 and the heat shield 17 are the main chambers 10. It is provided in the chamber 10a. The pull chamber 10b is provided with a gas introduction port 10c for introducing an inert gas (purge gas) such as argon gas or a dopant gas into the chamber 10, and an atmospheric gas in the chamber 10 is provided below the main chamber 10a. A gas discharge port 10d for discharging the gas is provided. Further, a viewing window 10e is provided above the main chamber 10a, and the growing state of the silicon single crystal 7 can be observed from the viewing window 10e.
石英ルツボ１１は、円筒状の側壁部と湾曲した底部とを有する石英ガラス製の容器である。黒鉛ルツボ１２は、加熱によって軟化した石英ルツボ１１の形状を維持するため、石英ルツボ１１の外表面に密着して石英ルツボ１１を包むように保持する。石英ルツボ１１及び黒鉛ルツボ１２はチャンバー１０内においてシリコン融液を支持する二重構造のルツボを構成している。 The quartz crucible 11 is a quartz glass container having a cylindrical side wall portion and a curved bottom portion. In order to maintain the shape of the quartz crucible 11 softened by heating, the graphite crucible 12 is held in close contact with the outer surface of the quartz crucible 11 so as to wrap the quartz crucible 11. The quartz crucible 11 and the graphite crucible 12 form a double-structured crucible that supports the silicon melt in the chamber 10.
黒鉛ルツボ１２は回転シャフト１３の上端部に固定されており、回転シャフト１３の下端部はチャンバー１０の底部を貫通してチャンバー１０の外側に設けられたシャフト駆動機構１４に接続されている。黒鉛ルツボ１２、回転シャフト１３及びシャフト駆動機構１４は石英ルツボ１１の回転機構及び昇降機構を構成している。 The graphite crucible 12 is fixed to the upper end of the rotary shaft 13, and the lower end of the rotary shaft 13 penetrates the bottom of the chamber 10 and is connected to a shaft drive mechanism 14 provided outside the chamber 10. The graphite crucible 12, the rotating shaft 13, and the shaft drive mechanism 14 constitute a rotating mechanism and an elevating mechanism of the quartz crucible 11.
ヒーター１５は、石英ルツボ１１内に充填されたシリコン原料を融解してシリコン融液６を生成すると共に、シリコン融液６の溶融状態を維持するために用いられる。ヒーター１５はカーボン製の抵抗加熱式ヒーターであり、黒鉛ルツボ１２内の石英ルツボ１１を取り囲むように設けられている。ヒーター１５の外側には断熱材１６がヒーター１５を取り囲むように設けられており、これによりチャンバー１０内の保温性が高められている。 The heater 15 is used to melt the silicon raw material filled in the quartz crucible 11 to generate the silicon melt 6 and to maintain the molten state of the silicon melt 6. The heater 15 is a carbon resistance heating type heater, and is provided so as to surround the quartz crucible 11 in the graphite crucible 12. A heat insulating material 16 is provided on the outside of the heater 15 so as to surround the heater 15, thereby enhancing the heat retention in the chamber 10.
熱遮蔽体１７は、シリコン融液６の温度変動を抑制して結晶成長界面近傍に適切なホットゾーンを形成すると共に、ヒーター１５及び石英ルツボ１１からの輻射熱によるシリコン単結晶７の加熱を防止するために設けられている。熱遮蔽体１７は略円筒状の黒鉛製の部材であり、シリコン単結晶７の引き上げ経路を除いたシリコン融液６の上方の領域を覆うように設けられている。 The heat shield 17 suppresses the temperature fluctuation of the silicon melt 6 to form an appropriate hot zone in the vicinity of the crystal growth interface, and prevents the silicon single crystal 7 from being heated by the radiant heat from the heater 15 and the quartz crucible 11. It is provided for the purpose. The heat shield 17 is a member made of graphite having a substantially cylindrical shape, and is provided so as to cover the region above the silicon melt 6 excluding the pulling path of the silicon single crystal 7.
熱遮蔽体１７の下端の開口１７ａの直径はシリコン単結晶７の直径よりも大きく、これによりシリコン単結晶７の引き上げ経路が確保されている。また熱遮蔽体１７の下端部の外径は石英ルツボ１１の口径よりも小さく、熱遮蔽体１７の下端部は石英ルツボ１１の内側に位置するので、石英ルツボ１１のリム上端を熱遮蔽体１７の下端よりも上方まで上昇させても熱遮蔽体１７が石英ルツボ１１と干渉することはない。 The diameter of the opening 17a at the lower end of the heat shield 17 is larger than the diameter of the silicon single crystal 7, whereby the pulling path of the silicon single crystal 7 is secured. Further, since the outer diameter of the lower end of the heat shield 17 is smaller than the diameter of the quartz crucible 11 and the lower end of the heat shield 17 is located inside the quartz crucible 11, the upper end of the rim of the quartz crucible 11 is the heat shield 17. The heat shield 17 does not interfere with the quartz crucible 11 even if it is raised above the lower end of the quartz crucible.
シリコン単結晶７の成長と共に石英ルツボ１１内の融液量は減少するが、融液面と熱遮蔽体１７との間のギャップが一定になるように石英ルツボ１１を上昇させることにより、シリコン融液６の温度変動を抑制すると共に、融液面近傍を流れるガスの流速を一定にしてシリコン融液６からのドーパントの蒸発量を制御することができる。したがって、シリコン単結晶７の引き上げ軸方向の結晶欠陥分布、酸素濃度分布、抵抗率分布等の安定性を向上させることができる。 Although the amount of melt in the quartz crucible 11 decreases with the growth of the silicon single crystal 7, the silicon melt is made by raising the quartz crucible 11 so that the gap between the melt surface and the heat shield 17 becomes constant. It is possible to suppress the temperature fluctuation of the liquid 6 and control the evaporation amount of the dopant from the silicon melt 6 by keeping the flow velocity of the gas flowing near the melting surface constant. Therefore, it is possible to improve the stability of the crystal defect distribution, the oxygen concentration distribution, the resistivity distribution, etc. in the pull-up axial direction of the silicon single crystal 7.
熱遮蔽体１７の上方にはドローチューブ２０が設けられている。ドローチューブ２０は、メインチャンバー１０ａの上部開口から下方に延びる円筒状の水冷体であり、シリコン単結晶７の引き上げ経路を取り囲むように設けられている。ドローチューブ２０を設けることにより、シリコン融液６から引き上げられたシリコン単結晶７を急冷して無欠陥単結晶の歩留まりを高めることができる。 A draw tube 20 is provided above the heat shield 17. The draw tube 20 is a cylindrical water-cooled body extending downward from the upper opening of the main chamber 10a, and is provided so as to surround the pulling path of the silicon single crystal 7. By providing the draw tube 20, the silicon single crystal 7 pulled up from the silicon melt 6 can be rapidly cooled to increase the yield of the defect-free single crystal.
石英ルツボ１１の上方には、シリコン単結晶７の引き上げ軸であるワイヤー１８と、ワイヤー１８を巻き取るワイヤー巻き取り機構１９が設けられている。ワイヤー巻き取り機構１９はワイヤー１８と共にシリコン単結晶７を回転させる機能を有している。ワイヤー巻き取り機構１９はプルチャンバー１０ｂの上方に配置されており、ワイヤー１８はワイヤー巻き取り機構１９からプルチャンバー１０ｂ内を通って下方に延びており、ワイヤー１８の先端部はメインチャンバー１０ａの内部空間まで達している。図１には、育成途中のシリコン単結晶７がワイヤー１８に吊設された状態が示されている。シリコン単結晶７の引き上げ時には石英ルツボ１１とシリコン単結晶７とをそれぞれ回転させながらワイヤー１８を徐々に引き上げることによりシリコン単結晶７を成長させる。 Above the quartz crucible 11, a wire 18 which is a pulling shaft of the silicon single crystal 7 and a wire winding mechanism 19 for winding the wire 18 are provided. The wire winding mechanism 19 has a function of rotating the silicon single crystal 7 together with the wire 18. The wire winding mechanism 19 is arranged above the pull chamber 10b, the wire 18 extends downward from the wire winding mechanism 19 through the inside of the pull chamber 10b, and the tip of the wire 18 is inside the main chamber 10a. It has reached the space. FIG. 1 shows a state in which the silicon single crystal 7 being grown is suspended from the wire 18. When pulling up the silicon single crystal 7, the silicon single crystal 7 is grown by gradually pulling up the wire 18 while rotating the quartz crucible 11 and the silicon single crystal 7, respectively.
メインチャンバー１０ａの内部を観察するための覗き窓１０ｅの外側にはカメラ２２が設けられている。単結晶引き上げ工程中、カメラ２２は覗き窓１０ｅから熱遮蔽体１７の開口を通して見えるシリコン単結晶７とシリコン融液６との境界部の画像を撮影する。カメラ２２はＣＺ制御システム４に接続されており、撮影画像はＣＺ制御システム４に送られる。 A camera 22 is provided on the outside of the viewing window 10e for observing the inside of the main chamber 10a. During the single crystal pulling process, the camera 22 takes an image of the boundary between the silicon single crystal 7 and the silicon melt 6 which can be seen through the opening of the heat shield 17 through the viewing window 10e. The camera 22 is connected to the CZ control system 4, and the captured image is sent to the CZ control system 4.
ＣＺ制御システム４はＣＺ引き上げ炉３を制御するコンピュータであって、カメラ２２の撮影画像を解析する画像解析部２３と、画像解析結果やＣＺ引き上げ炉３からの出力信号に基づいてＣＺ引き上げ炉３の各部を制御する制御部２４とを有している。画像解析部２３は、撮影画像に写る単結晶の直径を計測する。結晶直径は固液界面近傍における単結晶のメニスカスから幾何学的に算出することができる。また画像解析部２３は、撮影画像に写る融液面の高さ（液面位置）を計測する。液面位置は、熱遮蔽体の下端までの高さ（ギャップ）であり、置撮影画像中の熱遮蔽体の実像の位置及び融液面に映り込んだ熱遮蔽体の鏡像の位置から幾何学的に算出することができる。 The CZ control system 4 is a computer that controls the CZ raising furnace 3, and is based on an image analysis unit 23 that analyzes the captured image of the camera 22 and an image analysis result and an output signal from the CZ pulling furnace 3. It has a control unit 24 that controls each unit of the above. The image analysis unit 23 measures the diameter of the single crystal appearing in the captured image. The crystal diameter can be geometrically calculated from the single crystal meniscus near the solid-liquid interface. Further, the image analysis unit 23 measures the height (liquid level position) of the melt surface reflected in the captured image. The liquid level position is the height (gap) to the lower end of the heat shield, and is geometric from the position of the real image of the heat shield in the stationary image and the position of the mirror image of the heat shield reflected on the melt surface. Can be calculated.
結晶直径及び液面位置は、制御部２４において結晶引き上げ条件の制御に用いられる。ワイヤー巻き取り機構１９から出力されるシリコン単結晶７の引き上げ軸方向の変位量は結晶長データとして制御部２４に送られ、結晶直径及び液面位置と共に結晶引き上げ条件の制御に用いられる。制御部２４は、これらの情報に基づいて、ワイヤー巻き取り機構１９による結晶引き上げ速度、シャフト駆動機構１４によるルツボ上昇速度、ヒーター１５のパワー等を制御する。例えば、結晶直径が目標直径の上限値を上回る場合には、直径が小さくなるように結晶引き上げ速度を大きくする。逆に、結晶直径が目標直径の下限値を下回る場合には、直径が大きくなるように結晶引き上げ速度を小さくする。 The crystal diameter and the liquid level position are used in the control unit 24 to control the crystal pulling condition. The displacement amount of the silicon single crystal 7 output from the wire winding mechanism 19 in the pulling axial direction is sent to the control unit 24 as crystal length data, and is used for controlling the crystal pulling conditions together with the crystal diameter and the liquid level position. Based on this information, the control unit 24 controls the crystal pulling speed by the wire winding mechanism 19, the crucible rising speed by the shaft drive mechanism 14, the power of the heater 15, and the like. For example, when the crystal diameter exceeds the upper limit of the target diameter, the crystal pulling speed is increased so that the diameter becomes smaller. On the contrary, when the crystal diameter is less than the lower limit of the target diameter, the crystal pulling speed is reduced so that the diameter becomes larger.
図２は、本実施形態によるシリコン単結晶の製造工程を示すフローチャートである。また図３は、シリコン単結晶インゴットの形状を示す側面図である。 FIG. 2 is a flowchart showing a manufacturing process of a silicon single crystal according to the present embodiment. Further, FIG. 3 is a side view showing the shape of the silicon single crystal ingot.
図２及び図３示すように、本実施形態によるシリコン単結晶７の製造工程は、石英ルツボ１１内のシリコン原料をヒーター１５で加熱することによりシリコン融液６を生成する原料融解工程Ｓ１１と、ワイヤー１８の先端部に取り付けられた種結晶を降下させてシリコン融液６に着液させる着液工程Ｓ１２と、シリコン融液６との接触状態を維持しながら種結晶を徐々に引き上げて単結晶を育成する結晶引き上げ工程（Ｓ１３〜Ｓ１６）を有している。 As shown in FIGS. 2 and 3, the manufacturing process of the silicon single crystal 7 according to the present embodiment includes a raw material melting step S11 for producing a silicon melt 6 by heating the silicon raw material in the quartz ruts 11 with a heater 15. The seed crystal attached to the tip of the wire 18 is lowered to land on the silicon melt 6, and the seed crystal is gradually pulled up to be a single crystal while maintaining the contact state with the silicon melt 6. It has a crystal pulling step (S13 to S16) for growing.
結晶引き上げ工程では、無転位化のために結晶直径が細く絞られたネック部７ａを形成するネッキング工程Ｓ１３と、結晶成長と共に結晶直径が徐々に増加した肩部７ｂを形成する肩部育成工程Ｓ１４と、結晶直径が一定に維持された直胴部７ｃを形成する直胴部育成工程Ｓ１５と、結晶成長と共に結晶直径が徐々に減少したテール部７ｄを形成するテール部育成工程Ｓ１６とが順に実施される。 In the crystal pulling step, a necking step S13 for forming a neck portion 7a whose crystal diameter is narrowed to eliminate dislocations and a shoulder growing step S14 for forming a shoulder portion 7b whose crystal diameter gradually increases as the crystal grows. The straight body part growing step S15 for forming the straight body part 7c in which the crystal diameter is kept constant, and the tail part growing step S16 for forming the tail part 7d whose crystal diameter gradually decreases with crystal growth are carried out in order. Will be done.
その後、シリコン単結晶７を融液面から切り離して冷却する冷却工程Ｓ１７が実施される。以上により、図３に示すように、ネック部７ａ、肩部７ｂ、直胴部７ｃ及びテール部７ｄを有するシリコン単結晶インゴット７が完成する。 After that, a cooling step S17 is performed in which the silicon single crystal 7 is separated from the melt surface and cooled. As shown in FIG. 3, the silicon single crystal ingot 7 having the neck portion 7a, the shoulder portion 7b, the straight body portion 7c, and the tail portion 7d is completed.
上記のように、結晶引き上げ工程ではシリコン単結晶７のメニスカスやシリコン融液６の液面に映る熱遮蔽体１７の鏡像を見ながら結晶引き上げ条件を制御する必要がある。しかし単結晶引き上げ装置１の炉内には、熱遮蔽体１７、ドローチューブ２０等、様々な炉内部品が存在しており、炉内構造が非常に複雑であるため、覗き窓１０ｅから単結晶のメニスカスや融液面を捉えることが難しくなってきている。カメラ２２で撮影できるメニスカスや融液面は全体のごく一部であり、メニスカスや融液面の大部分は炉内部品の裏に隠れて見ることができない。結晶直径や液面位置によってはメニスカスが全く見えない場合もある。メニスカスが見えなければ結晶直径や液面位置を計測することができず、単結晶の引き上げ制御が不可能となる。 As described above, in the crystal pulling step, it is necessary to control the crystal pulling condition while observing the mirror image of the heat shield 17 reflected on the meniscus of the silicon single crystal 7 and the liquid surface of the silicon melt 6. However, various in-core parts such as a heat shield 17 and a draw tube 20 exist in the furnace of the single crystal pulling device 1, and the structure inside the furnace is very complicated. Therefore, a single crystal is formed through the viewing window 10e. It is becoming difficult to capture the meniscus and melt surface of the fire. The meniscus and the melt surface that can be photographed by the camera 22 are only a small part of the whole, and most of the meniscus and the melt surface are hidden behind the parts in the furnace and cannot be seen. Depending on the crystal diameter and liquid level position, the meniscus may not be visible at all. If the meniscus is not visible, the crystal diameter and liquid level position cannot be measured, making it impossible to control the pulling of the single crystal.
このような単結晶引き上げ装置１の炉内を設計変更する場合、メニスカスに現れるフュージョンリングや融液面に映り込んだ炉内構造物の鏡像をカメラで捉えることができるかどうかは設計の段階ではよく分からないため、従来はＣＺ引き上げ炉３の実機を用いて結晶引き上げ工程を行ってＣＺ制御システム４の評価を行っていた。 When the design of the inside of the single crystal pulling device 1 is changed, it is at the design stage whether or not the mirror image of the fusion ring appearing on the meniscus and the structure inside the furnace reflected on the melt surface can be captured by the camera. Since it is not clear, conventionally, the CZ control system 4 was evaluated by performing the crystal pulling process using the actual machine of the CZ pulling furnace 3.
しかしながら、ＣＺ引き上げ炉３の実機を用いてＣＺ制御システム４の評価を行う場合には、炉体設計→炉内構造物の設計→発注→納入後、ＣＺ制御システム４の開発がスタートするため、単結晶引き上げ装置の実用化までに要する期間が非常に長くなる。 However, when the CZ control system 4 is evaluated using the actual machine of the CZ raising furnace 3, the development of the CZ control system 4 starts after the furnace body design → the design of the internal structure → the ordering → delivery. The time required for the single crystal pulling device to be put into practical use becomes very long.
そこで、本発明による単結晶引き上げ装置の評価システムは、ＣＺ引き上げ炉３の実機を用いることなく、コンピュータ内に仮想のＣＺ引き上げ炉３の３Ｄモデルを生成し、カメラ視野イメージを３Ｄモデルに基づいたコンピュータグラフィックス（ＣＧ）により再現して単結晶の引き上げが実際に可能かどうか、すなわち実際の結晶引き上げに対する適合性を評価するものである。以下、本発明による単結晶引き上げ装置の評価システムについて詳細に説明する。 Therefore, the evaluation system of the single crystal pulling apparatus according to the present invention generates a virtual 3D model of the CZ pulling furnace 3 in the computer without using the actual machine of the CZ pulling furnace 3, and the camera field image is based on the 3D model. It is to evaluate whether it is actually possible to pull up a single crystal by reproducing it by computer graphics (CG), that is, to evaluate the suitability for the actual pulling up of a crystal. Hereinafter, the evaluation system for the single crystal pulling device according to the present invention will be described in detail.
図４は、本発明の実施の形態による単結晶引き上げ装置の評価システムの概略図である。 FIG. 4 is a schematic view of an evaluation system for a single crystal pulling device according to an embodiment of the present invention.
図４に示すように、この単結晶引き上げ装置の評価システム２は、実機の代わりにＣＺ引き上げ炉３を仮想空間内に再現し、単結晶引き上げ装置１のカメラ２２から見た炉内の視野イメージを生成する３Ｄシミュレーター５（コンピュータ）と、３Ｄシミュレーター５に接続されたＣＺ制御システム４とを備えている。上記のように、ＣＺ制御システム４は実機の制御にも使用されるシステム（コンピュータ及びプログラム）であって、カメラ２２の撮影画像を解析して結晶直径や液面位置を算出する画像解析部２３と、結晶直径及び液面位置の測定結果に基づいてＣＺ引き上げ炉３を制御する制御部２４とを有している。単結晶引き上げ装置１の炉内構造を改良した場合、ＣＺ制御システム４内の画像解析プログラムや引き上げ制御プログラムも変更する必要があるが、本実施形態による評価システム２を用いれば、それらのプログラムが正しく動作するかどうかを、実機を用いて実際に結晶引き上げ工程を行うことなくチェックすることが可能である。 As shown in FIG. 4, the evaluation system 2 of the single crystal pulling device reproduces the CZ pulling furnace 3 in the virtual space instead of the actual machine, and the visual field image in the furnace seen from the camera 22 of the single crystal pulling device 1. A 3D simulator 5 (computer) for generating a 3D simulator 5 and a CZ control system 4 connected to the 3D simulator 5 are provided. As described above, the CZ control system 4 is a system (computer and program) that is also used to control the actual machine, and is an image analysis unit 23 that analyzes the captured image of the camera 22 and calculates the crystal diameter and the liquid level position. It also has a control unit 24 that controls the CZ pulling furnace 3 based on the measurement results of the crystal diameter and the liquid level position. When the internal structure of the single crystal pulling device 1 is improved, it is necessary to change the image analysis program and the pulling control program in the CZ control system 4, but if the evaluation system 2 according to the present embodiment is used, those programs can be used. It is possible to check whether or not it operates correctly using an actual machine without actually performing the crystal pulling process.
図５は、３Ｄシミュレーター５の構成を概略的に示すブロック図である。 FIG. 5 is a block diagram schematically showing the configuration of the 3D simulator 5.
図５に示すように、３Ｄシミュレーター５は、単結晶引き上げ装置１のＣＺ引き上げ炉３の形状データ等を用いて炉内構造の３Ｄモデルを生成する３Ｄモデル生成部３１と、炉内構造の３Ｄモデルに対するレンダリングを行って３Ｄコンピュータグラフィックスを生成する３ＤＣＧ演算部３２と、ＣＺ制御システム４から出力される制御信号を評価する出力評価部３３と、ＣＺ引き上げ炉３の形状データ等を保有するデータベース３４とを備えている。 As shown in FIG. 5, the 3D simulator 5 includes a 3D model generation unit 31 that generates a 3D model of the furnace structure using the shape data of the CZ pulling furnace 3 of the single crystal pulling device 1, and a 3D of the furnace structure. A database that holds the 3DCG calculation unit 32 that renders the model and generates 3D computer graphics, the output evaluation unit 33 that evaluates the control signal output from the CZ control system 4, and the shape data of the CZ pulling furnace 3. It is equipped with 34.
３Ｄモデル生成部３１は、データベース３４から提供される構造データ３４ａ、結晶データ３４ｂ及び液面データ３４ｃに基づいて３Ｄモデルを生成する。構造データ３４ａは、炉内構造をコンピュータ内に構築するための形状データ（ＣＡＤデータ）であり、単結晶引き上げ装置１の炉体、炉内構造物、炉内部品等の形状データを含む。３Ｄモデルは現実の部材と同様の座標を有し、各部材はソリッドデータとして構成されている。また結晶データ３４ｂは、炉内で成長するシリコン単結晶の形状をコンピュータ内に構築するための形状データ（ＣＡＤデータ）である。単結晶の形状は結晶長に応じて変化し、単結晶の肩部及び直胴部の形状を含む。また液面データ３４ｃは残液のモデルデータであり、結晶データ３４ｂと同様に結晶長に応じて変化する。このように、３Ｄモデル生成部３１は、構造データ３４ａに基づいて炉内構造の３Ｄモデルを生成することができ、結晶データ３４ｂ及び液面データ３４ｃに基づいて単結晶及び融液面の３Ｄモデルを生成することができる。 The 3D model generation unit 31 generates a 3D model based on the structural data 34a, the crystal data 34b, and the liquid level data 34c provided from the database 34. The structure data 34a is shape data (CAD data) for constructing the structure inside the furnace, and includes shape data of the furnace body, the structure inside the furnace, the parts inside the furnace, and the like of the single crystal pulling device 1. The 3D model has the same coordinates as the actual members, and each member is configured as solid data. Further, the crystal data 34b is shape data (CAD data) for constructing the shape of the silicon single crystal growing in the furnace in the computer. The shape of the single crystal changes according to the crystal length, and includes the shape of the shoulder and the straight body of the single crystal. Further, the liquid level data 34c is model data of the residual liquid, and changes according to the crystal length like the crystal data 34b. In this way, the 3D model generation unit 31 can generate a 3D model of the in-furnace structure based on the structural data 34a, and a 3D model of the single crystal and the melt surface based on the crystal data 34b and the liquid level data 34c. Can be generated.
単結晶引き上げ装置１の形状データとしては、設計段階の形状データの他、既存の単結晶引き上げ装置の形状データを用いることもできる。すなわち、本実施形態による評価システム２は、既存の単結晶引き上げ装置の形状データを用いて、既存の単結晶引き上げ装置を対象とした制御システムの評価をする場合にも適用することができる。 As the shape data of the single crystal pulling device 1, in addition to the shape data at the design stage, the shape data of the existing single crystal pulling device can also be used. That is, the evaluation system 2 according to the present embodiment can also be applied to the case of evaluating the control system for the existing single crystal pulling device by using the shape data of the existing single crystal pulling device.
３ＤＣＧ演算部３２は、炉内構造の３Ｄモデルに光源データ３４ｄ及び材質データ３４ｅを加えて炉内構造の３ＤＣＧを生成する。レンダリングとは、設定光源からの光の反射、吸収、拡散、透過、放出の計算を行い、対象とする３Ｄモデルの表面における質感、模様等の状態を画像化することである。光源データ３４ｄは、ヒーター１５を光源として設定する。また、材質データ３４ｅは、炉内構造物の表面状態を数値で表現したものであり、色、光沢、粗さ、透過、反射等のパラメータを含む。３ＤＣＧ演算部３２は、現実の光の作用に近い技法で演算処理を行う。すなわち、光源から放射された光子が仮想空間の炉モデル内に放射され、炉内部品の表面で跳ね返りながら光の減衰がなくなるまで光の跡を残すように繰り返し演算処理を行う。こうして、３ＤＣＧ演算部３２は、シリコン単結晶７のメニスカスに現れるフュージョンリングと融液面に映り込んだ炉内構造物の鏡像を再現する。 The 3DCG calculation unit 32 adds the light source data 34d and the material data 34e to the 3D model of the furnace structure to generate the 3DCG of the furnace structure. Rendering is to calculate the reflection, absorption, diffusion, transmission, and emission of light from the set light source, and to image the state of texture, pattern, etc. on the surface of the target 3D model. The light source data 34d sets the heater 15 as a light source. Further, the material data 34e is a numerical representation of the surface state of the structure inside the furnace, and includes parameters such as color, gloss, roughness, transmission, and reflection. The 3DCG calculation unit 32 performs calculation processing by a technique close to the action of actual light. That is, the photons radiated from the light source are radiated into the furnace model in the virtual space, and the arithmetic processing is repeated so as to leave a trace of light until the light is not attenuated while bouncing on the surface of the parts in the furnace. In this way, the 3DCG calculation unit 32 reproduces the fusion ring appearing in the meniscus of the silicon single crystal 7 and the mirror image of the structure inside the furnace reflected on the melt surface.
３ＤＣＧの生成では、ヒーター１５と共に熱遮蔽体１７を光源として設定してもよい。現実にはヒーター１５のみが光源となるが、ヒーター１５のみならず熱遮蔽体１７が自己照明となるように３ＤＣＧシミュレーション条件を設定した場合には、３ＤＣＧイメージを実際の炉内イメージに容易に近づけることができる。 In the generation of 3DCG, the heat shield 17 may be set as a light source together with the heater 15. In reality, only the heater 15 is the light source, but when the 3DCG simulation conditions are set so that not only the heater 15 but also the heat shield 17 is self-illuminating, the 3DCG image can be easily brought closer to the actual in-core image. be able to.
こうして、３Ｄシミュレーター５からは、チャンバー１０に設けられた覗き窓１０ｅから炉内を覗き込んだときに見えるカメラ視野の３ＤＣＧイメージが出力される。３Ｄシミュレーター５が出力した疑似的なカメラ視野イメージは、ＣＺ制御システム４に送られる。ＣＺ制御システム４の画像解析部２３は、実際にカメラ２２が撮影した画像と同様に３ＤＣＧイメージの処理を行って、結晶直径や液面位置を計測する。結晶直径や液面位置のデータは制御部２４に送られ、所定の制御プログラムに従って制御信号を出力する。制御信号は、結晶引き上げ速度、ルツボ上昇速度及びヒーターパワーの少なくとも一つを制御するための信号である。図１で示したように、制御信号は、単結晶引き上げ装置１のワイヤー巻き取り機構１９、シャフト駆動機構１４、ヒーター１５等に送られるが、ここでは出力評価部３３に送られ、制御信号の内容や発生タイミングなどが評価される。 In this way, the 3D simulator 5 outputs a 3DCG image of the camera field of view that can be seen when looking into the furnace through the viewing window 10e provided in the chamber 10. The pseudo camera field image output by the 3D simulator 5 is sent to the CZ control system 4. The image analysis unit 23 of the CZ control system 4 processes the 3DCG image in the same manner as the image actually taken by the camera 22, and measures the crystal diameter and the liquid level position. The data of the crystal diameter and the liquid level position are sent to the control unit 24, and a control signal is output according to a predetermined control program. The control signal is a signal for controlling at least one of the crystal pulling speed, the crucible rising speed and the heater power. As shown in FIG. 1, the control signal is sent to the wire winding mechanism 19, the shaft drive mechanism 14, the heater 15, and the like of the single crystal pulling device 1, but here, it is sent to the output evaluation unit 33, and the control signal is transmitted. The content and timing of occurrence are evaluated.
こうして、３Ｄシミュレーター５から出力される３ＤＣＧイメージは、ＣＺ制御システム４によって処理され、ＣＺ制御システム４から出力される制御信号は３Ｄシミュレーター５にフィードバックされる。そのため、３ＤＣＧ演算部３２は、炉内構造の変化又は単結晶の成長に伴うカメラの視野イメージの変化を３ＤＣＧアニメーションにより再現することも可能である。 In this way, the 3DCG image output from the 3D simulator 5 is processed by the CZ control system 4, and the control signal output from the CZ control system 4 is fed back to the 3D simulator 5. Therefore, the 3DCG calculation unit 32 can also reproduce the change in the visual field image of the camera due to the change in the structure inside the furnace or the growth of the single crystal by the 3DCG animation.
図６は、３Ｄシミュレーター５から出力される３ＤＣＧイメージの一例であって、直胴部育成工程Ｓ１５中のカメラ視野イメージである。 FIG. 6 is an example of a 3DCG image output from the 3D simulator 5, and is a camera field of view image during the straight body portion growing step S15.
図６に示すように、カメラ視野イメージ中の輝度の違いから、カメラ視野イメージの中央部にはシリコン単結晶の直胴部７ｃがあり、直胴部７ｃの周囲にはシリコン融液６があることが分かる。さらに、シリコン融液６とシリコン単結晶の直胴部７ｃとの境界部であるメニスカス７ｅにはフュージョンリングと呼ばれる高輝度領域が発生しており、実際のカメラ視野イメージが忠実に再現されていることが分かる。そして、３Ｄシミュレーター５が生成するこのような３ＤＣＧイメージをＣＺ制御システム４に入力することにより、ＣＺ制御システム４が正しく動作するか否かを評価することができる。 As shown in FIG. 6, due to the difference in brightness in the camera field image, there is a silicon single crystal straight body 7c in the center of the camera field image, and a silicon melt 6 is around the straight body 7c. You can see that. Further, a high-intensity region called a fusion ring is generated in the meniscus 7e, which is the boundary between the silicon melt 6 and the straight body portion 7c of the silicon single crystal, and the actual camera field image is faithfully reproduced. You can see that. Then, by inputting such a 3DCG image generated by the 3D simulator 5 into the CZ control system 4, it is possible to evaluate whether or not the CZ control system 4 operates correctly.
チャンバー１０内に熱遮蔽体１７、ドローチューブ２０などの複数の炉内構造物があり、カメラ視野イメージにはそれらの複数の炉内構造物が映り込む。融液面に複数の炉内構造物が映り込んでいる場合、融液面上のどの鏡像部分がどの炉内構造物に対応するかを判断することが難しい場合がある。しかし、カメラ視野イメージを３ＤＣＧで再現する場合には、特定の炉内構造物を取り除いた状態のカメラ視野イメージを簡単に再現することができ、融液面上の鏡像部分と炉内構造物との対応関係を容易に把握することができる。 There are a plurality of furnace structures such as a heat shield 17 and a draw tube 20 in the chamber 10, and the plurality of furnace structures are reflected in the camera field image. When a plurality of furnace structures are reflected on the melt surface, it may be difficult to determine which mirror image portion on the melt surface corresponds to which furnace structure. However, when the camera field image is reproduced by 3DCG, the camera field image with the specific furnace structure removed can be easily reproduced, and the mirror image portion on the melt surface and the furnace structure The correspondence between the two can be easily grasped.
以上説明したように、本実施形態による単結晶引き上げ装置の評価方法は、単結晶引き上げ装置のＣＺ引き上げ炉３の内部を撮影するカメラの視野イメージを３Ｄコンピュータグラフィックスにより再現するので、改良されたＣＺ引き上げ炉３に適合するＣＺ制御システム４の開発において現実のＣＺ引き上げ炉３を必要としない。そのため、改良された炉体や炉内構造物を発注する前からＣＺ制御システム４の開発を開始することができ、改良された単結晶引き上げ装置の実用化までに要する期間を大幅に短縮することができる。 As described above, the evaluation method of the single crystal pulling device according to the present embodiment has been improved because the visual field image of the camera for photographing the inside of the CZ pulling furnace 3 of the single crystal pulling device is reproduced by 3D computer graphics. The development of the CZ control system 4 compatible with the CZ raising furnace 3 does not require the actual CZ raising furnace 3. Therefore, the development of the CZ control system 4 can be started before ordering the improved furnace body and the structure inside the furnace, and the time required for the improved single crystal pulling device to be put into practical use can be significantly shortened. Can be done.
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention, and these are also the present invention. It goes without saying that it is included in the range.
例えば、上記実施形態においては、３Ｄシミュレーター５がＣＺ制御システム４に接続された構成を例に挙げたが、３Ｄシミュレーター５を単独で使用することも可能である。すなわち、３Ｄシミュレーター５が生成したカメラ視野イメージを用いて、ユーザーが炉内構造の良否を評価することも可能である。 For example, in the above embodiment, the configuration in which the 3D simulator 5 is connected to the CZ control system 4 is given as an example, but the 3D simulator 5 can also be used alone. That is, it is also possible for the user to evaluate the quality of the internal structure of the furnace by using the camera field view image generated by the 3D simulator 5.
（実施例１：熱遮蔽体の評価）
ＣＺ引き上げ炉３内の熱遮蔽体１７がカメラ視野イメージに与える影響を評価した。熱遮蔽体１７の下端部をある厚さに設定してシリコン単結晶７の直胴部育成工程中のカメラ視野イメージを再現したところ、シリコン単結晶７のメニスカスを視認することができた。しかし、熱遮蔽体１７の下端部を徐々に厚くしたところ、メニスカスを捉えることができなくなった。これにより、メニスカスを視認可能な熱遮蔽体１７の下端部の最大厚さを特定することができた。さらに、熱遮蔽体１７の形状を変更したところ、熱遮蔽体１７の下端部の厚さが厚くてもメニスカスを視認できることが分かった。
(Example 1: Evaluation of heat shield)
The effect of the heat shield 17 in the CZ raising furnace 3 on the camera field image was evaluated. When the lower end of the heat shield 17 was set to a certain thickness and the image of the camera field of view during the process of growing the straight body of the silicon single crystal 7 was reproduced, the meniscus of the silicon single crystal 7 could be visually recognized. However, when the lower end of the heat shield 17 was gradually thickened, the meniscus could not be caught. As a result, it was possible to specify the maximum thickness of the lower end portion of the heat shield 17 in which the meniscus can be visually recognized. Further, when the shape of the heat shield 17 was changed, it was found that the meniscus could be visually recognized even if the lower end portion of the heat shield 17 was thick.
メニスカスを捉えることができる熱遮蔽体１７の形状において、シリコン単結晶７の直径及び熱遮蔽体１７の開口径を広げたところ、メニスカスを捉えることができなくなった。そこで熱遮蔽体７の形状を変更したところ、メニスカスを視認できるようになり、結晶直径の変化に対応できることが分かった。 In the shape of the heat shield 17 capable of catching the meniscus, when the diameter of the silicon single crystal 7 and the opening diameter of the heat shield 17 were widened, the meniscus could not be caught. Therefore, when the shape of the heat shield 7 was changed, it became possible to visually recognize the meniscus, and it was found that the change in crystal diameter could be accommodated.
（実施例２：ドローチューブの評価）
ＣＺ引き上げ炉３内のドローチューブ２０がカメラ視野イメージに与える影響を評価した。ドローチューブ２０をある長さに設定してシリコン単結晶７の直胴部育成工程中のカメラ視野イメージを再現したところ、融液面を視認することはできたが、シリコン単結晶７のメニスカスを視認することができなかった。ドローチューブ２０の長さを徐々に短くしながらカメラ視野イメージを確認したところ、メニスカスを視認することができるようになり、これによりメニスカスを視認可能なドローチューブ２０の長さを特定することができた。
(Example 2: Evaluation of draw tube)
The effect of the draw tube 20 in the CZ raising furnace 3 on the camera field image was evaluated. When the draw tube 20 was set to a certain length and the camera field image during the process of growing the straight body of the silicon single crystal 7 was reproduced, the melt surface could be visually recognized, but the meniscus of the silicon single crystal 7 was observed. I couldn't see it. When the camera field of view image was confirmed while gradually shortening the length of the draw tube 20, the meniscus could be visually recognized, and thereby the length of the draw tube 20 in which the meniscus could be visually recognized could be specified. It was.
（実施例３：ギャップ棒の評価）
熱遮蔽体１７の下端に取り付けたギャップ棒がカメラ視野イメージに与える影響を評価した。ギャップ棒は、熱遮蔽体の下端から融液面までの距離（ギャップ）を測定するために設けられるシリコン棒である。融液面をゆっくり上昇させてギャップ棒の先端が融液面と接触したことをカメラ視野イメージから確認できたとき、ギャップがギャップ棒の長さと一致したものと判断することができる。
(Example 3: Evaluation of gap bar)
The effect of the gap bar attached to the lower end of the heat shield 17 on the camera field image was evaluated. The gap rod is a silicon rod provided for measuring the distance (gap) from the lower end of the heat shield to the melt surface. When it can be confirmed from the camera field image that the tip of the gap rod has come into contact with the melt surface by slowly raising the melt surface, it can be determined that the gap coincides with the length of the gap rod.
ギャップ棒をある長さに設定してカメラ視野イメージを再現したところ、ギャップ棒の先端を視認することができなかった。そこでギャップ棒を徐々に長くしたところ、ギャップ棒の先端を視認できるようになり、ギャップ棒の望ましい長さを特定することができた。またギャップ棒の設置位置を変更することによりギャップ棒の先端の視認性をさらに改善することできた。 When the gap rod was set to a certain length and the camera field image was reproduced, the tip of the gap rod could not be visually recognized. Therefore, when the gap rod was gradually lengthened, the tip of the gap rod became visible, and the desired length of the gap rod could be specified. In addition, the visibility of the tip of the gap rod could be further improved by changing the installation position of the gap rod.
１ 単結晶引き上げ装置
２ 単結晶引き上げ装置の評価システム
３ ＣＺ引き上げ炉
４ ＣＺ制御システム
５ ３Ｄシミュレーター
６ シリコン融液
７ シリコン単結晶（インゴット）
７ａ ネック部
７ｂ 肩部
７ｃ 直胴部
７ｄ テール部
７ｅ メニスカス
１０ チャンバー
１０ａ メインチャンバー
１０ｂ プルチャンバー
１０ｃ ガス導入口
１０ｄ ガス排出口
１０ｅ 覗き窓
１１ 石英ルツボ
１２ 黒鉛ルツボ
１３ 回転シャフト
１４ シャフト駆動機構
１５ ヒーター
１６ 断熱材
１７ 熱遮蔽体
１７ａ 熱遮蔽体の開口
１８ ワイヤー
１９ ワイヤー巻き取り機構
２０ ドローチューブ
２２ カメラ
２３ 画像解析部
２４ 制御部
３１ ３Ｄモデル生成部
３２ ３ＤＣＧ演算部
３３ 出力評価部
３４ データベース
３４ａ 構造データ
３４ｂ 結晶データ
３４ｃ 液面データ
３４ｄ 光源データ
３４ｅ 材質データ
Ｓ１１ 原料融解工程
Ｓ１２ 着液工程
Ｓ１３ ネッキング工程
Ｓ１４ 肩部育成工程
Ｓ１５ 直胴部育成工程
Ｓ１６ テール部育成工程
Ｓ１７ 冷却工程
1 Single crystal pulling device 2 Evaluation system for single crystal pulling device 3 CZ pulling furnace 4 CZ control system 5 3D simulator 6 Silicon melt 7 Silicon single crystal (ingot)
7a Neck 7b Shoulder 7c Straight body 7d Tail 7e Meniscus 10 Chamber 10a Main chamber 10b Pull chamber 10c Gas inlet 10d Gas outlet 10e Peephole 11 Quartz rut 12 Graphite rut 13 Rotating shaft 14 Shaft drive mechanism 15 Heater 16 Insulation 17 Thermal shield 17a Opening of thermal shield 18 Wire 19 Wire winding mechanism 20 Draw tube 22 Camera 23 Image analysis unit 24 Control unit 31 3D model generation unit 32 3DCG calculation unit 33 Output evaluation unit 34 Database 34a Structural data 34b Crystal data 34c Liquid level data 34d Light source data 34e Material data S11 Raw material melting process S12 Liquid landing process S13 Necking process S14 Shoulder part growing process S15 Straight body part growing process S16 Tail part growing process S17 Cooling step
Claims (14)
前記単結晶引き上げ装置のＣＺ引き上げ炉の形状データを用いて炉内構造の３Ｄモデルを生成する３Ｄモデル生成部と、
前記炉内構造の３Ｄモデルに対するレンダリングを行って３Ｄコンピュータグラフィックスを生成する３ＤＣＧ演算部とを備え、
前記３ＤＣＧ演算部は、前記ＣＺ引き上げ炉内を撮影するカメラの視野イメージを再現することを特徴とする単結晶引き上げ装置の評価システム。 It is an evaluation system of a single crystal pulling device used for pulling a single crystal by the Czochralski method.
A 3D model generator that generates a 3D model of the internal structure using the shape data of the CZ pulling furnace of the single crystal pulling device, and
It is provided with a 3DCG calculation unit that renders the 3D model of the in-core structure and generates 3D computer graphics.
The 3DCG calculation unit is an evaluation system for a single crystal pulling device, characterized in that it reproduces a field image of a camera that photographs the inside of the CZ pulling furnace.
前記３ＤＣＧ演算部は、前記単結晶育成中の炉内構造の３Ｄモデルに対するレンダリングを行って、前記単結晶育成中の前記ＣＺ引き上げ炉内を撮影する前記カメラの視野イメージを再現する、請求項１に記載の単結晶引き上げ装置の評価システム。 The 3D model generation unit further uses the shape data of the single crystal and the melt surface grown by the single crystal pulling device to generate a 3D model of the structure inside the furnace during single crystal growth.
The 3DCG calculation unit renders a 3D model of the structure inside the furnace during single crystal growth to reproduce a field image of the camera for photographing the inside of the CZ pulling furnace during single crystal growth. Evaluation system of the single crystal pulling device described in.
前記ＣＺ制御システムは、前記カメラの視野イメージの解析結果に基づいて、前記ＣＺ引き上げ炉を制御するための制御信号を出力する、請求項２又は３に記載の単結晶引き上げ装置の評価システム。 The field image of the camera output from the 3DCG calculation unit is input to the CZ control system of the single crystal pulling device.
The evaluation system for a single crystal pulling device according to claim 2 or 3, wherein the CZ control system outputs a control signal for controlling the CZ pulling furnace based on the analysis result of the field image of the camera.
前記出力評価部は、前記制御信号に基づいて、前記ＣＺ引き上げ炉の３Ｄモデル及び前記単結晶及び融液面の３Ｄモデルの少なくとも一方を変更する、請求項４又は５に記載の単結晶引き上げ装置の評価システム。 An output evaluation unit for evaluating a control signal output from the CZ control system is further provided.
The single crystal pulling apparatus according to claim 4 or 5, wherein the output evaluation unit changes at least one of the 3D model of the CZ pulling furnace and the 3D model of the single crystal and the melt surface based on the control signal. Rating system.
融液を保持するルツボと、
前記ルツボを取り囲むように配置されたヒーターと、
前記融液から引き上げられた単結晶を取り囲むように前記ルツボの上方に配置され、前記ヒーターからの輻射熱を遮蔽する熱遮蔽体とを含み、
前記３ＤＣＧ演算部は、前記熱遮蔽体の鏡像が映り込んだ前記融液面を再現する、請求項４乃至６のいずれか一項に記載の単結晶引き上げ装置の評価システム。 The CZ pulling furnace
A crucible that holds the melt and
A heater arranged so as to surround the crucible,
Includes a heat shield that is placed above the crucible and shields radiant heat from the heater so as to surround the single crystal pulled from the melt.
The evaluation system for a single crystal pulling device according to any one of claims 4 to 6, wherein the 3DCG calculation unit reproduces the melt surface on which a mirror image of the heat shield is reflected.
前記３ＤＣＧ演算部は、前記融液面に映り込んだ前記水冷体の鏡像をさらに再現する、請求項７に記載の単結晶引き上げ装置の評価システム。 The CZ pulling furnace further includes a water-cooled body provided above the heat shield so as to surround the pulling path of the single crystal.
The evaluation system for a single crystal pulling device according to claim 7, wherein the 3DCG calculation unit further reproduces a mirror image of the water-cooled body reflected on the melt surface.
融液を保持するルツボと、
前記ルツボを取り囲むように配置されたヒーターと、
前記融液から引き上げられた単結晶を取り囲むように前記ルツボの上方に配置され、前記ヒーターからの輻射熱を遮蔽する熱遮蔽体とを含み、
前記ＣＺ制御システムは、前記単結晶の直径、前記単結晶の引き上げ速度、及び前記熱遮蔽体の下端と融液面との間の距離のうち、少なくとも一つを制御する、請求項１２に記載の単結晶引き上げ装置の評価システム。 The CZ pulling furnace
A crucible that holds the melt and
A heater arranged so as to surround the crucible,
Includes a heat shield that is placed above the crucible and shields radiant heat from the heater so as to surround the single crystal pulled from the melt.
12. The CZ control system controls at least one of the diameter of the single crystal, the pulling speed of the single crystal, and the distance between the lower end of the heat shield and the melt surface. Evaluation system for single crystal pulling equipment.
前記単結晶引き上げ装置のＣＺ引き上げ炉の形状データを用いて炉内構造の３Ｄモデルを生成する３Ｄモデル生成ステップと、
前記炉内構造の３Ｄモデルに対するレンダリングを行って３Ｄコンピュータグラフィックスを生成する３ＤＣＧ演算ステップとを備え、
前記３ＤＣＧ演算ステップは、前記ＣＺ引き上げ炉内を撮影するカメラの視野イメージを再現することを特徴とする単結晶引き上げ装置の評価方法。 It is an evaluation method of a single crystal pulling device used for pulling a single crystal by the Czochralski method.
A 3D model generation step of generating a 3D model of the internal structure using the shape data of the CZ pulling furnace of the single crystal pulling device, and
It includes a 3DCG arithmetic step that renders the 3D model of the furnace structure to generate 3D computer graphics.
The 3DCG calculation step is an evaluation method of a single crystal pulling device, characterized in that the field image of a camera for photographing the inside of the CZ pulling furnace is reproduced.
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