JP2022042592A - 単結晶製造装置及び単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｆリング法によるギャップ計測精度を高める。【解決手段】単結晶製造装置１０は、融液１３から単結晶１５を引き上げる単結晶引き上げ部と、カメラ１８の撮影画像を処理する演算部２３と、演算部２３の処理結果に基づいて結晶引き上げ条件を制御する制御部２６とを備える。演算部２４は、カメラ１８の撮影画像に写る遮熱部材の開口の実像と融液面に映り込む遮熱部材１７の開口の鏡像の大きさから遮熱部材の下端と融液面との間の第１ギャップ計測値を算出する第１演算部２４と、カメラ１８の撮影画像に写る単結晶と融液との境界に発生するフュージョンリングから求める結晶中心位置の高さ方向の変化量から遮熱部材１７の下端と融液面との間の第２ギャップ計測値を相対的な算出する第２演算部２５を有する。第２演算部２５は、予め用意したギャップ補正量テーブルを用いて第２ギャップ計測値を補正する。【選択図】図１

Description

本発明は、単結晶製造装置及び単結晶の製造方法に関し、特に、チョクラルスキー法（ＣＺ法）による単結晶の引き上げ工程中に融液面の位置を計測する方法に関する。

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法は、石英ルツボ内に収容されたシリコン融液に種結晶を浸漬し、種結晶及び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、種結晶の下方に大きな直径の単結晶を成長させるものである。ＣＺ法によれば、高品質のシリコン単結晶インゴットを高い歩留まりで製造することが可能である。

ＣＺ法により育成されるシリコン単結晶に含まれる欠陥の種類や分布は、結晶引き上げ速度Ｖと結晶引き上げ方向の結晶内温度勾配Ｇとの比Ｖ／Ｇに依存することが知られている。Ｖ／Ｇが大きい場合には空孔が過剰となり、その凝集体であるボイドが発生する。ボイドは一般的にＣＯＰ（Crystal Originated Particle）と称される結晶欠陥である。一方、Ｖ／Ｇが小さい場合には格子間シリコン原子が過剰となり、その凝集体である転位クラスターが発生する。ＣＯＰや転位クラスターなどのGrown-in欠陥を含まないシリコン単結晶を育成するためには、Ｖ／Ｇの厳密な制御が必要である。

Ｖ／Ｇを制御してＣＯＰや転位クラスターを含まないシリコン単結晶を引き上げたとしても、その結晶品質は必ずしも均質ではなく、熱処理された場合の挙動が異なる複数の領域を含んでいる。例えば、ＣＯＰが発生する領域と転位クラスターが発生する領域の間には、Ｖ／Ｇが大きい方から順に、ＯＳＦ領域、Ｐｖ領域、Ｐｉ領域という３つの領域が存在する。

ＯＳＦ領域とは、as-grown状態（単結晶成長後に何の熱処理も行っていない状態）で板状酸素析出物（ＯＳＦ核）を含んでおり、高温（一般的には１０００℃から１２００℃）で熱酸化した場合にＯＳＦ（Oxidation induced Stacking Fault）が発生する領域である。Ｐｖ領域とは、as-grown状態で酸素析出核を含んでおり、低温及び高温（例えば、８００℃と１０００℃）の２段階の熱処理を施した場合に酸素析出物が発生し易い領域である。Ｐｉ領域とは、as-grown状態で殆ど酸素析出核を含んでおらず、熱処理を施されても酸素析出物が発生し難い領域である。

こうしたＰｖ領域とＰｉ領域とを作り分けた高品位なシリコン単結晶（ＰｖＰｉ結晶）の育成にはＶ／Ｇのさらに精密な制御が必要であり、例えば、Ｖ／Ｇの変動許容幅を±０．５％以内にする必要があることが判明している。

単結晶の引き上げ軸方向のＶ／Ｇは、単結晶の引き上げ速度Ｖに大きく依存する。したがって、引き上げ軸方向のＶ／Ｇの制御は、結晶引き上げ速度Ｖを調整することにより行われる。一方、単結晶の径方向のＶ／Ｇは、単結晶の径方向の温度勾配Ｇに大きく依存する。そのため、単結晶の中心部における温度勾配Ｇと外周部における温度勾配Ｇの差が所定の範囲内に収まるようにチャンバー内に適切な高温領域（ホットゾーン）を構築する必要がある。単結晶の径方向の温度勾配Ｇは、シリコン融液の上方に設けられた遮熱部材によって制御され、これにより固液界面付近に適切なホットゾーンを構築することができる。

上記のように、Ｖ／Ｇの制御は主に結晶引き上げ速度Ｖを調節することにより行われる。また、結晶内温度勾配Ｇは、シリコン融液の上方に設置された遮熱部材の下端から融液面までの距離（ギャップ）の影響を大きく受けることが知られている。Ｖ／Ｇを高精度に制御するためには、遮熱部材との融液面との間隔を一定に保つことが求められる。

一方、ＣＺ法では、単結晶の引き上げが進むにつれてシリコン融液が消費されて液面位置が低下するため、融液面と遮熱部材との距離を一定に保つためには、液面位置の低下に合わせて石英ルツボを上昇させる制御が必要である。そのためには、液面位置を正確に測定する必要がある。

上記のようにギャップを精密に制御するためには、遮熱部材から見たシリコン融液の液面位置の精密な測定が不可欠である。シリコン融液の液面位置の測定方法に関し、例えば特許文献１には、遮熱部材の実像と鏡像との間隔に基づいてシリコン融液の液面位置を設定し、シリコン単結晶が例えば直胴部に移行する段階で、シリコン融液とシリコン単結晶との境界に発生するフュージョンリングの像から得られるシリコン単結晶の中心位置に基づいて、シリコン融液の液面位置を算出する方法が記載されている。

特開２０１２－１２６５８５号公報

上記のように、液面位置の測定方法としては、「鏡像法」と「フュージョンリング法」という２つの方法が知られている。鏡像法は、炉内をカメラで撮影したときの撮影画像に写る遮熱部材の実像と融液面に映り込んだ遮熱部材の鏡像の大きさから液面位置を幾何学的に算出する方法である。また、フュージョンリング法（以下、「Ｆリング法」という）は、炉内をカメラで撮影したときの撮影画像に写る単結晶と融液との境界に発生する略リング状の高輝度領域（フュージョンリング）の中心座標の変化量から液面位置の変化量を算出する方法である。

しかしながら、Ｆリング法はギャップ計測精度が低く、単結晶の育成が進むにつれてギャップ計測誤差が大きくなるという問題がある。このようなギャップ計測誤差はシリコン単結晶の品質保証の問題につながるため、改善が求められている。

したがって、本発明の目的は、Ｆリング法によるギャップ計測精度を高めることが可能な単結晶製造装置及び単結晶の製造方法を提供することにある。

本願発明者は、Ｆリング法のギャップ計測精度が悪くなる原因について鋭意研究を重ねた結果、熱膨張によって遮熱部材の高さ位置が変化していることが原因であることに気が付いた。特に複数の炉内部品を組み上げて構成された炉内構造物の上端部に設置される場合、炉内構造物の熱膨張の影響を受けてその上下方向の位置が変化しやすい。ここで、鏡像法によるギャップ計測では、遮熱部材の実像及び鏡像を直接捉えてそれらの高さ位置を求めるため、遮熱部材の上下方向の移動が反映されたギャップの計測が可能である。しかし、Ｆリング法はあくまで融液面の相対的な高さ位置を求めるものであり、ギャップは鏡像法等の別の方法によって求めたある時点でのギャップ計測値を基準とし、このギャップの基準値に液面位置の相対的な変化量を加えることにより求められるため、熱膨張による遮熱部材の上下方向の移動によってギャップの基準値が変化している場合には、正しいギャップ計測値が得ることができない。すなわち、Ｆリング法のギャップ計測精度は、鏡像法よりも悪くなる。

本発明はこのような技術的知見に基づくものであり、本発明による単結晶製造装置は、ルツボ内の融液から単結晶を引き上げる単結晶引き上げ部と、前記単結晶を取り囲むように前記融液の上方に設置された遮熱部材と、前記融液と前記単結晶との境界部を斜め上方から撮影するカメラと、前記カメラの撮影画像を処理する演算部と、前記演算部の処理結果に基づいて結晶引き上げ条件を制御する制御部とを備え、前記演算部は、前記カメラの撮影画像に写る前記遮熱部材の開口の実像と融液面に映り込む前記遮熱部材の開口の鏡像の大きさから前記遮熱部材の下端と前記融液面との間の第１ギャップ計測値を算出する第１演算部と、前記カメラの撮影画像に写る前記単結晶と前記融液との境界に発生するフュージョンリングから求める結晶中心位置の高さ方向の変化量から前記遮熱部材の下端と前記融液面との間の第２ギャップ計測値を相対的に算出する第２演算部を有し、前記第２演算部は、予め用意したギャップ補正量テーブルを用いて前記第２ギャップ計測値を補正することを特徴とする。

本発明によれば、Ｆリング法において熱膨張の影響による遮熱部材の高さ位置の変化を考慮することができ、これにより精密なギャップ制御を実現することができる。

本発明において、前記制御部は、前記第１ギャップ計測値に基づいて結晶引き上げ条件を制御しながら結晶引き上げ工程を開始し、前記単結晶の直胴部育成工程の開始後に前記第１ギャップ計測値に基づくギャップ制御から前記第２ギャップ計測値に基づくギャップ制御に切り換えることが好ましい。本発明によれば、鏡像法によるギャップ制御からＦリング法によるギャップ制御に切り替えた場合でも、ギャップ計測精度の低下を防止することができる。

前記制御部は、前記単結晶の直胴部育成工程の途中で前記第１ギャップ計測値に異常が発生した場合又は前記第１ギャップ計測値の計測ができない場合に、前記第１ギャップ計測値に基づくギャップ制御から前記第２ギャップ計測値に基づくギャップ制御に切り換えることが好ましい。また、前記単結晶の直胴部育成工程の途中で前記第１ギャップ計測値に異常が発生しない場合には、前記第１ギャップ計測値に基づくギャップ制御を継続することが好ましい。このように、本発明によれば、Ｆリング法を鏡像法のバックアップ手段として用いることができ、鏡像法によるギャップ制御からＦリング法によるギャップ制御に切り替えた場合でも、ギャップ計測精度の低下を防止することができる。

前記制御部は、前記第１ギャップ計測値又は補正後の前記第２ギャップ計測値が目標値に近づくように前記ルツボの上昇速度を制御することが好ましい。このように、鏡像法によるギャップ計測値についてはそのまま採用し、Ｆリング法によるギャップ計測値についてはギャップ補正量を加算した上でギャップ制御に採用するので、鏡像法によるギャップ制御からＦリング法によるギャップ制御に切り替えた場合でもギャップ計測精度の低下を防止することができる。

前記演算部は、過去の引き上げバッチで計測した前記第１ギャップ計測値と前記第２ギャップ計測値との差から前記ギャップ補正量テーブルを作成することが好ましく、特に前回の引き上げバッチで計測した前記第１ギャップ計測値と前記第２ギャップ計測値との差から前記ギャップ補正量テーブルを作成することが好ましい。このように、本発明によれば、同じ撮影画像から求めた遮熱部材の位置変化の影響を受けない鏡像法によるギャップ計測値と遮熱部材の位置変化の影響を受けるＦリング法によるギャップ計測値との差から、ギャップ補正量を作成することができる。

前記演算部は、過去の複数の引き上げバッチで計測した前記第１ギャップ計測値と前記第２ギャップ計測値との差の平均値から前記ギャップ補正量テーブルを作成することが好ましい。これにより、引き上げバッチごとの計測ばらつきを平均化して信頼性の高いギャップ補正量を求めることができる。

また、本発明による単結晶の製造方法は、ルツボ内の融液から引き上げられる単結晶を取り囲むように前記融液の上方に設置された遮熱部材の下端と融液面との間のギャップを制御しながら前記単結晶を引き上げるチョクラルスキー法による単結晶の製造方法であって、カメラの撮影画像に写る前記遮熱部材の開口の実像と融液面に映り込む前記遮熱部材の開口の鏡像の大きさから算出した第１ギャップ計測値に基づいて前記ギャップを制御しながら結晶引き上げ工程を開始し、前記結晶引き上げ工程の開始後に、前記カメラの撮影画像に写る前記単結晶と前記融液との境界に発生するフュージョンリングから求める結晶中心位置の高さ方向の変化量から算出した第２ギャップ計測値に基づくギャップ制御に切り換え、前記第２ギャップ計測値に基づくギャップ制御では、予め用意したギャップ補正量テーブルを用いて前記第２ギャップ計測値を補正し、補正後の第２ギャップ計測値が目標値に近づくように結晶引き上げ条件を制御することを特徴とする。

本発明によれば、Ｆリング法において熱膨張の影響による遮熱部材の高さ位置の変化を考慮することができ、これにより精密なギャップ制御を実現することができる。

本発明による単結晶の製造方法は、前記結晶引き上げ工程の途中で前記第１ギャップ計測値に異常が発生した場合又は前記第１ギャップ計測値の計測ができない場合に、前記第１ギャップ計測値に基づくギャップ制御から前記第２ギャップ計測値に基づくギャップ制御に切り換えることが好ましい。また、前記単結晶の直胴部育成工程の途中で前記第１ギャップ計測値に異常が発生しない場合には、前記第１ギャップ計測値に基づくギャップ制御を継続することが好ましい。このように、本発明によれば、Ｆリング法を鏡像法のバックアップ手段として用いることができ、鏡像法によるギャップ制御からＦリング法によるギャップ制御に切り替えた場合でも、ギャップ計測精度の低下を防止することができる。

前記結晶引き上げ工程では、前記第１ギャップ計測値又は補正後の前記第２ギャップ計測値が目標値に近づくように前記ルツボの上昇速度を制御することが好ましい。このように、鏡像法によるギャップ計測値についてはそのまま採用し、Ｆリング法によるギャップ計測値についてはギャップ補正量を加算した上でギャップ制御に採用するので、鏡像法によるギャップ制御からＦリング法によるギャップ制御に切り替えた場合でもギャップ計測精度の低下を防止することができる。

本発明による単結晶の製造方法は、過去の引き上げバッチで計測した前記第１ギャップ計測値と前記第２ギャップ計測値との差から前記ギャップ補正量テーブルを作成することが好ましく、特に前回の引き上げバッチで計測した前記第１ギャップ計測値と前記第２ギャップ計測値との差から前記ギャップ補正量テーブルを作成することが好ましい。このように、本発明によれば、同じ撮影画像から求めた遮熱部材の位置変化の影響を受けない鏡像法によるギャップ計測値と遮熱部材の位置変化の影響を受けるＦリング法によるギャップ計測値との差から、ギャップ補正量を作成することができる。

本発明による単結晶の製造方法は、過去の複数の引き上げバッチで計測した前記第１ギャップ計測値と前記第２ギャップ計測値との差の平均値から前記ギャップ補正量テーブルを作成することが好ましい。これにより、引き上げバッチごとの計測ばらつきを平均化して信頼性の高いギャップ補正量を求めることができる。

さらにまた、本発明による単結晶の製造方法は、融液から引き上げられる単結晶を取り囲むように前記融液の上方に設置された遮熱部材の下端と融液面との間のギャップを計測しながら前記単結晶を引き上げるチョクラルスキー法による単結晶の製造方法であって、炉内をカメラで撮影したときの撮影画像に写る前記遮熱部材の実像と前記融液面に映り込んだ前記遮熱部材の鏡像から液面位置を幾何学的に算出する鏡像法により第１ギャップ計測値を算出し、前記第１ギャップ計測値に基づいてギャップを制御しながら結晶引き上げ工程を開始し、前記炉内を前記カメラで撮影したときの撮影画像に写る前記単結晶と前記融液との境界に発生するフュージョンリングの中心座標の変化量から液面位置の変化量を算出するＦリング法により第２ギャップ計測値を算出し、前記鏡像法による前記第１ギャップ計測値に異常が発生した場合又は前記第１ギャップ計測値の計測ができない場合に、前記第１ギャップ計測値に基づくギャップ制御から前記Ｆリング法による前記第２ギャップ計測値に基づくギャップ制御に切り換え、前記第２ギャップ計測値に基づくギャップ制御では、予め用意したギャップ補正量テーブルを用いて前記第２ギャップ計測値を補正し、補正後の第２ギャップ計測値が目標値に近づくように結晶引き上げ条件を制御することを特徴とする。

本発明によれば、Ｆリング法において熱膨張の影響による遮熱部材の高さ位置の変化を考慮することができ、これにより精密なギャップ制御を実現することができる。

本発明によれば、Ｆリング法によるギャップ計測精度を高めることが可能な単結晶製造装置及び単結晶の製造方法を提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態による単結晶製造装置の構成を示す略断面図である。 図２は、本発明の実施の形態によるシリコン単結晶の製造方法を説明するためのフローチャートである。 図３は、本実施形態によるシリコン単結晶の製造方法により製造されるシリコン単結晶インゴットの形状を示す側面図である。 図４は、結晶引き上げ工程中のギャップ制御方法を説明するためのフローチャートである。 図５は、カメラの撮影画像であって、遮熱部材の実像と鏡像との関係を説明するための図である。 図６（ａ）及び（ｂ）は、撮影画像の二次元座標を実空間の座標に投影変換する方法を説明するための模式図である。 図７は、鏡像法によるギャップの計測方法であって、遮熱部材の実像及び鏡像それぞれの開口の半径からギャップ値を算出する方法を説明するための模式図である。 図８は、カメラの撮影画像であって、固液界面に発生するフュージョンリングを説明するための図である。 図９は、フュージョンリングのエッジ検出方法の説明図である。 図１０（ａ）及び（ｂ）は、ギャップ計測値の補正方法の説明図である。 図１１は、鏡像法によるギャップ計測結果とＦリング法によるギャップ計測結果とを比較して示すグラフであり、横軸は結晶長さ（相対値）、縦軸はギャップ計測値（相対値）である。 図１２は、実施例によるギャップ計測結果を示すグラフである。 図１３は、比較例によるギャップ計測結果を示すグラフである。

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。なお、以下に示す実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

図１は、本発明の実施の形態による単結晶製造装置の構成を示す略断面図である。

図１に示すように、単結晶製造装置１０は、シリコン単結晶を育成するための装置であって、略円筒形のチャンバー１９を備え、チャンバー１９の内部にはシリコン融液１３を貯留する石英ルツボ１１が設置されている。チャンバー１９は、例えば内部に一定の隙間を形成した二重壁構造であればよく、この隙間に冷却水を流すことによって、石英ルツボ１１を加熱した際にチャンバー１９が高温化することを防止する。

こうしたチャンバー１９の内部には、シリコン単結晶の引き上げ開始前から終了後までアルゴンなどの不活性ガスが導入される。チャンバー１９の頂部には、引上駆動装置２２が備えられる。引上駆動装置２２は、シリコン単結晶インゴット１５の成長核となる種結晶１４及びそこから成長するシリコン単結晶インゴット１５を回転させつつ上方に引き上げる。こうした引上駆動装置２２には、シリコン単結晶インゴット１５の引き上げ量に基づいてシリコン単結晶インゴット１５の結晶長情報を送出するセンサ（不図示）が形成されていれば良い。引上駆動装置２２は、制御部２６に接続されており、結晶長情報は制御部２６に送られる。本実施形態において、石英ルツボ１１等のチャンバー１９内の構成要素及び引上駆動装置２２は、単結晶引き上げ部を構成している。

チャンバー１９の内部には、石英ルツボ１１を取り囲むように配置された略円筒形のヒータ１２が備えられる。ヒータ１２は、石英ルツボ１１を加熱する。このヒータ１２の内側に、ルツボ支持体（黒鉛ルツボ）１６及び石英ルツボ１１が収容される。石英ルツボ１１は、全体が石英で一体に形成され、上方が開放面を成す略円筒形の容器である。

石英ルツボ１１には、固形のシリコンを溶融したシリコン融液１３が貯留される。ルツボ支持体１６は、例えば全体が黒鉛で形成され、石英ルツボ１１を包むように密着して支持する。ルツボ支持体１６は、シリコンの溶融時に軟化した石英ルツボ１１の形状を維持し、石英ルツボ１１を支える役割を果たす。

ルツボ支持体１６の下側にはルツボリフト装置２１が備えられる。ルツボリフト装置２１は、ルツボ支持体１６及び石英ルツボ１１を下側から支えるとともに、シリコン単結晶インゴット１５の引き上げに伴って変化するシリコン融液１３の融液面１３ａの液面位置が適切な位置となるように石英ルツボ１１を上下動させる。これにより、シリコン融液１３の融液面１３ａの位置が制御される。ルツボリフト装置２１は、同時に、引き上げ時にルツボ支持体１６及び石英ルツボ１１を所定の回転数で回転可能に支持している。

石英ルツボ１１の上面には、シリコン融液１３の上面、すなわち融液面１３ａを覆うように遮熱部材（遮蔽筒）１７が形成されている。遮熱部材１７は、例えばすり鉢状に形成された断熱板からなり、その下端には略円形の開口１７ａが形成されている。また遮熱部材１７の上端の外側縁部はチャンバー１９の内面側に固定されている。

こうした遮熱部材１７は、引き上げたシリコン単結晶インゴット１５が石英ルツボ１１内のシリコン融液１３から輻射熱を受けて熱履歴が変化し、品質が劣化することを防止する。また、こうした遮熱部材１７は、チャンバー１９の内部に導入された引き上げ雰囲気ガスをシリコン単結晶インゴット１５側からシリコン融液１３側に誘導することによって、シリコン融液１３の融液面１３ａ付近の残留酸素量や、シリコン融液１３から蒸発したシリコン蒸気やＳｉＯなどを制御し、シリコン単結晶インゴット１５が目的の品質になるようにする。このような引き上げ雰囲気ガスの制御は、炉内圧及び遮熱部材１７の下端とシリコン融液１３の融液面１３ａとのギャップを通過する際の流速に依存すると考えられる。シリコン単結晶インゴット１５が目的の品質になるように、遮熱部材１７の下端からシリコン融液１３の融液面１３ａまでの距離（ギャップ値）ΔＧは正確に設定される必要がある。なお、引き上げ雰囲気ガスとしては、アルゴンなどの不活性ガスに、ドーパントガスとして水素、窒素、やそれ以外の所定のガスを含有することができる。

チャンバー１９の外側にはカメラ１８が設置されている。カメラ１８は例えばＣＣＤカメラであり、チャンバー１９に形成された覗き窓を介してチャンバー１９内を撮影する。カメラ１８の設置角度θ_Ｃは、シリコン単結晶インゴット１５の引き上げ軸Ｚに対して所定の角度をなしており、カメラ１８は鉛直方向に対して傾斜した光軸Ｌを有する。言い換えるとカメラ１８の設置角度θ_Ｃとは、鉛直方向に対する光軸Ｌの傾斜角である。カメラ１８は、遮熱部材１７の開口１７ａ及び融液面１３ａを含む石英ルツボ１１の上面領域を斜め上方から撮影する。カメラ１８は、演算部２３に接続されており、カメラ１８の撮影画像は、演算部２３において結晶直径及び液面位置の検出に用いられる。

演算部２３は、カメラ１８の撮影画像を処理する第１演算部２４及び第２演算部２５を含む。第１演算部２４は、カメラ１８によって撮影された遮熱部材１７の実像と、シリコン融液１３の融液面１３ａに映し出された遮熱部材１７の鏡像とを含む画像に基づいて、シリコン融液１３の液面位置を算出する。また、第２演算部２５は、カメラ１８によって撮影されたシリコン融液１３とシリコン単結晶インゴット１５との境界部を含む画像に基づいて、シリコン融液１３の液面位置及びシリコン単結晶インゴット１５の直径を算出する。演算部２３は、制御部２６に接続されており、演算部２３の処理結果は制御部２６に送られる。

制御部２６は、引上駆動装置２２のセンサから得られたシリコン単結晶インゴット１５の結晶長データと、第２演算部２５によって算出された結晶直径データに基づいて、石英ルツボ１１の移動量（上昇速度）を制御する。さらに石英ルツボ１１の移動量を制御するため、制御部２６は、第１演算部２４又は第２演算部２５によって算出されたシリコン融液１３の液面位置に基づいて、石英ルツボ１１の位置補正制御を行う。

図２は、本発明の実施の形態によるシリコン単結晶の製造方法を説明するためのフローチャートである。また、図３は、本実施形態によるシリコン単結晶の製造方法により製造されるシリコン単結晶インゴットの形状を示す側面図である。

図２に示すように、シリコン単結晶の製造では、まず石英ルツボ１１に原料の多結晶シリコンを投入し、ヒータ１２によって石英ルツボ１１内の多結晶シリコンを加熱して溶融し、シリコン融液１３を生成する（ステップＳ１１）。

次に、種結晶１４を降下させてシリコン融液１３に着液させる（ステップＳ１２）。その後、シリコン融液１３との接触状態を維持しながら種結晶１４を徐々に引き上げて単結晶を成長させる結晶引き上げ工程（ステップＳ１３～Ｓ１６）を実施する。

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１５ａを形成するネッキング工程Ｓ１３と、結晶直径が徐々に大きくなったショルダー部１５ｂを形成するショルダー部育成工程Ｓ１４と、結晶直径が規定の直径（例えば約３００ｍｍ）に維持された直胴部１５ｃを形成する直胴部育成工程Ｓ１５と、結晶直径が徐々に小さくなったテール部１５ｄを形成するテール部育成工程Ｓ１６が順に実施され、最終的には単結晶が融液面から切り離される。以上により、ネック部１５ａ、ショルダー部１５ｂ、直胴部１５ｃ及びテール部１５ｄを有する図３に示したシリコン単結晶インゴット１５が完成する。

結晶引き上げ工程中は、カメラ１８の撮影画像からシリコン融液１３の融液面１３ａと遮熱部材１７とのギャップ値ΔＧを算出し、これによりシリコン融液１３の液面位置を算出する。そして、このギャップ値ΔＧに基づいて、ルツボの上昇量を制御する。これにより、シリコン単結晶の引き上げ開始から引き上げ終了までの間、シリコン融液１３の減少によらずヒータ１２や遮熱部材１７などの炉内構造物に対する融液面１３ａの位置を一定に保ちあるいは変化させて、これによりシリコン融液１３に対する熱の輻射分布を制御することができる。

また、結晶引き上げ工程中は、カメラ１８の撮影画像から単結晶の直径を算出し、結晶直径が結晶長に対応した所定の直径となるように、結晶引き上げ条件を制御する。ショルダー部育成工程Ｓ１４では結晶直径が徐々に大きくなるように制御し、直胴部育成工程Ｓ１５では結晶直径が一定になるように制御し、テール部育成工程Ｓ１６では結晶直径が徐々に小さくなるように制御する。結晶引き上げ条件の制御対象は、石英ルツボ１１の高さ位置、結晶引き上げ速度、ヒータ出力などである。カメラ１８の撮影画像を用いた結晶引き上げ条件の制御は、結晶引き上げ工程中に行われる。具体的には、図２におけるネッキング工程Ｓ１３の開始からテール部育成工程Ｓ１６の終了までの間に行われる。

図４は、結晶引き上げ工程中のギャップ制御方法を説明するためのフローチャートである。

図４に示すように、結晶引き上げ工程開始時には、鏡像法によるギャップ計測を開始し、このギャップ計測値（第１ギャップ計測値）に基づくギャップ制御を行う（ステップＳ２１、Ｓ２２）。詳細は後述するが、鏡像法は、カメラ１８の撮影画像に写る遮熱部材の実像及び鏡像それぞれの大きさと相対的な位置関係から遮熱部材の下端と融液面との間のギャップを幾何学的に算出する方法である。

続いて、直胴部育成工程の開始とともにＦリング法によるギャップ計測を開始し、鏡像法によるギャップ計測とＦリング法によるギャップ計測を同時に並行して実施する（ステップＳ２３，Ｓ２４）。詳細は後述するが、Ｆリング法は、直胴部育成工程中にカメラの撮影画像に写るフュージョンリングの中心座標を幾何学的に算出し、中心座標の上下方向の変化から液面位置の変化量を算出し、さらにこの液面位置の変化量からギャップを算出する方法である。

直胴部育成工程において鏡像法によるギャップ計測を問題なく継続できる場合（ステップＳ２５Ｎ）、結晶引き上げ工程終了まで鏡像法によるギャップ制御を継続する（ステップＳ２６，Ｓ２７）。このとき、鏡像法によるギャップ制御を行いながら、鏡像法によるギャップ計測値（第１ギャップ計測値）とＦリング法によるギャップ計測値（第２ギャップ計測値）を同時に並行して取得することにより、鏡像法によるギャップ計測値を基準としたＦリング法のギャップ計測誤差を求めることができ、このギャップ計測誤差を次バッチ以降のギャップ補正量テーブル（ギャップ補正量プロファイル）として用いることができる。

鏡像法とＦリング法のギャップ計測誤差からギャップ補正量テーブルを作成する場合、過去の複数の引き上げバッチで計測した鏡像法によるギャップ計測値とＦリング法によるギャップ計測値との差の平均値からギャップ補正量テーブルを作成することが好ましく、３バッチ以上の実績値の平均値を用いることが特に好ましい。これにより、バッチ間の測定ばらつきを考慮したより正確なギャップ補正が可能となる。なお「引き上げバッチ」とは、同一の石英ルツボを用いて単結晶を製造する一連の工程のことである。例えば、同一の石英ルツボを用いて１本の単結晶を製造する場合、引き上げバッチとは１本の単結晶の製造に要した一連の工程を意味する。また同一の石英ルツボを用いて例えば３本の単結晶を製造するマルチプリング法の場合、引き上げバッチとは３本の単結晶の製造に要した一連の工程を意味する。

一方、直胴部育成工程中に鏡像法によるギャップ計測が困難になった場合（ステップＳ２５Ｙ）、鏡像法からＦリング法によるギャップ制御に切り替える（ステップＳ２８）。ここで、鏡像法によるギャップ計測が困難な場合とは、不測のアクシデントによりギャップ計測ができなくなる場合のほか、結晶引き上げ工程の途中で鏡像法によるギャップ計測が必ずできなくなる場合がある。不測のアクシデントによる場合とは、例えば、融液が跳ねて遮熱部材１７の下端部に付着し、カメラ１８の撮影画像に写る遮熱部材１７の開口エッジの輝度分布が異常となり、ギャップ計測誤差が大きくなる場合である。

また、鏡像法によるギャップ計測が必ずできなくなる場合とは、例えば、シリコン単結晶インゴット１５と遮熱部材１７との間の隙間が非常に狭く、この隙間から遮熱部材１７の鏡像を捉えることができない場合である。このように、鏡像法によるギャップ制御からＦリング法によるギャップ制御に切り替えることで、結晶引き上げ工程の序盤から終盤までギャップ制御を継続することができる。

次に、鏡像法によるギャップの計測方法について説明する。

図５は、カメラ１８の撮影画像であって、遮熱部材１７の実像と鏡像との関係を説明するための図である。

図５に示すように、シリコン融液１３は遮熱部材１７の開口１７ａを通して覗き見ることができ、撮影画像には遮熱部材１７の実像１７ｒが写り込んでいる。また遮熱部材１７の開口１７ａの内側にはシリコン融液１３があり、シリコン融液１３の融液面１３ａは鏡面となるため、融液面１３ａには遮熱部材１７の鏡像１７ｍが映り込んでいる。遮熱部材１７はチャンバー１９内の炉内構造物に固定されているので、遮熱部材１７の実像１７ｒの位置が大きく変化することはないが、上述のように炉内構造物の熱膨張の影響を受けてわずかに変化する。

一方、融液面１３ａに映る遮熱部材１７の鏡像１７ｍは、遮熱部材１７と融液面１３ａとの距離の変動にしたがって明確に変化する。このため、遮熱部材１７の実像１７ｒと融液面１３ａに映った鏡像１７ｍとの間隔Ｄは、結晶成長に伴うシリコン融液１３の消費や石英ルツボ１１の昇降による融液面１３ａの上下動に連動する。融液面１３ａの位置はこの実像１７ｒと鏡像１７ｍとの間隔Ｄの中点にあるため、融液面１３ａを遮熱部材１７の下端に一致させると遮熱部材１７の実像１７ｒと鏡像１７ｍとの間隔はゼロになり、融液面１３ａを徐々に下げていくと遮熱部材１７の下端から融液面１３ａまでの距離（ギャップ値）ΔＧも徐々に広がる。このときのギャップ値ΔＧは、遮熱部材１７の実像１７ｒと鏡像１７ｍとの間隔Ｄの１／２の値（すなわち、Ｄ＝ΔＧ×２）として算出することができ、カメラ１８で撮影した画像の画素サイズおよび画素数を用いて計算することができる。

このような遮熱部材１７の実像１７ｒと鏡像１７ｍとの関係から液面位置を測定するいわゆる鏡像法では、カメラ１８で撮影した画像から遮熱部材１７の実像１７ｒと鏡像１７ｍそれぞれのエッジパターンを検出した上で、それぞれ開口の寸法を算出し、それらの２つの寸法からギャップ値ΔＧ（遮熱部材１７の下端と融液面１３ａとの間隔：図１参照）を算出する。詳細には、遮熱部材１７の実像１７ｒの開口の半径ｒ_ｒに基づいてカメラ１８から実像１７ｒまでの垂直方向の距離（第１の距離）を算出し、遮熱部材１７の鏡像１７ｍの開口の半径ｒ_ｍに基づいてカメラ１８から鏡像１７ｍまでの垂直方向の距離（第２の距離）を算出し、これらの距離の差からギャップ値ΔＧを算出する。これは、カメラ１８から見た遮熱部材１７の鏡像１７ｍの開口の垂直方向の位置は、遮熱部材１７の実像１７ｒの開口よりも２ΔＧ遠くにあるものと見ることができ、遮熱部材１７の実像１７ｒの開口に対する遮熱部材１７の鏡像１７ｍの開口の縮小比はギャップ値ΔＧに比例し、ΔＧが大きくなるほど鏡像１７ｍの開口の寸法は小さくなると考えることができるからである。

しかしチャンバー１９の外側に設置したカメラ１８は融液面１３ａを斜め上方から撮影するので、遮熱部材１７の円形の開口１７ａの見かけ上の形状は真円とならず、撮影画像は歪んでいる。遮熱部材１７の実像１７ｒおよび鏡像１７ｍそれぞれの開口の寸法を正確に算出するためには、画像のひずみ補正が必要である。そこで本実施形態では、カメラ１８で撮影した遮熱部材１７の実像１７ｒおよび鏡像１７ｍそれぞれの開口を基準平面上に投影変換し、真上から見たときの開口１７ａの寸法を求める。

なお、遮熱部材１７の実像１７ｒおよび鏡像１７ｍそれぞれの開口の寸法（代表寸法）としては、開口のエッジパターン（サンプル値）を最小二乗法により円近似して得られた円の半径を用いることができる。このようにして求めた遮熱部材１７の実像１７ｒ及び鏡像１７ｍの寸法を基準にして実像１７ｒと鏡像１７ｍとの間隔Ｄ＝２ΔＧを特定する。

任意の開口形状を有する遮熱部材１７の像の垂直方向の位置は、遮熱部材１７の設計上の開口形状を所定の縮尺率で縮小した基準パターンとマッチングさせることにより算出することができる。すなわち、カメラ１８の設置位置からの距離に応じて縮小率を変化させた遮熱部材１７の開口形状の基準パターンを用意し、遮熱部材１７の像のエッジパターンを基準パターンとマッチングさせたときに残差が最小（マッチング率が最大）となる基準パターンの縮小率に基づいて、カメラ１８の設置位置から遮熱部材１７の像までの距離を実際の距離として算出する。このようにして、カメラ１８の設置位置を基準とした遮熱部材１７の実像および鏡像それぞれの垂直方向の位置を求めることができる。

図６（ａ）及び（ｂ）は、撮影画像の二次元座標を実空間の座標に投影変換する方法を説明するための模式図である。

図６（ａ）に示すように、カメラ１８はチャンバー１９内を斜め上方から撮影しているため、撮影画像中の遮熱部材１７の開口１７ａの形状は歪んでおり、遠近感を持った画像となっている。すなわち、カメラ１８までの距離が近い下側の画像は上側よりも広がっている。したがって、遮熱部材１７の実像および鏡像それぞれの開口の寸法を正確に算出するためには、画像のひずみ補正が必要となる。そこで、カメラ１８の撮像画像の座標を、遮熱部材１７の下端と同じ高さ位置に設定した基準平面上の座標に投影変換してひずみを補正する。

図６（ｂ）は、画像補正を行う際の座標系を示している。この座標系では、基準平面をｘｙ平面としている。またＸＹ座標の原点Ｃ_０は、カメラ１８の撮像デバイス１８ａの中心座標Ｃからカメラ１８のレンズ１８ｂの中心座標Ｆ（０，ｙ_ｆ，ｚ_ｆ）を通るように引いた直線（一点鎖線）と基準平面との交点である。この直線はカメラ１８の光軸である。

また、シリコン単結晶１５の引き上げ方向がｚ軸の正方向であり、撮像デバイス１８ａの中心座標Ｃ（０，ｙ_ｃ，ｚ_ｃ）とレンズ１８ｂの中心座標Ｆ（０，ｙ_ｆ，ｚ_ｆ）はｙｚ平面内にある。図６（ａ）に示した画像中の座標（ｕ，ｖ）は撮像デバイス１８ａの画素で表され，以下の式（１）に示す撮像デバイス１８ａ上の任意の一点Ｐ（ｘ_ｐ，ｙ_ｐ，ｚ_ｐ）に対応している。

ここで、α_ｕとα_ｖは撮像デバイス１８ａの横方向と縦方向の画素サイズであり、ｙ_ｃとｚ_ｃは撮像デバイス１８ａの中心座標Ｃのｙ座標とｚ座標である。また図６（ｂ）に示すように、θ_ｃは、カメラ１８の光軸がｚ軸となす角度であって、カメラ１８の設置角度である。

撮像デバイス１８ａの中心座標Ｃ（０，ｙ_ｃ，ｚ_ｃ）は、カメラ１８のレンズ１８ｂの中心座標Ｆ（０，ｙ_ｆ，ｚ_ｆ）およびレンズの焦点距離ｆ_ｌを用いて、以下の式（２）で表される。

レンズ１８ｂをピンホールと考えるとき、撮像デバイス１８ａ上の任意の一点Ｐ（Ｘ_ｐ，ｙ_ｐ，ｚ_ｐ）はＦ（０，ｙ_ｆ，ｚ_ｆ）を通して基準平面上に投影され、投影後の座標Ｐ'（Ｘ，Ｙ，０）は以下の式（３）で表すことができる。

式（１）、式（２）および式（３）を用いることにより、基準平面上に投影された遮熱部材１７の円形の開口１７ａの実像及び鏡像の座標を求めることができる。そして基準平面上に投影された遮熱部材１７の円形の開口１７ａのエッジ位置の座標から、円形の開口の中心座標を求めることができる。

次に、遮熱部材１７の開口１７ａの半径の算出方法について説明する。基準平面上に投影された遮熱部材１７の円形の開口１７ａの実像及び鏡像の座標から開口１７ａの中心座標（ｘ_０、ｙ_０）および半径ｒを算出する方法としては最小二乗法を用いればよい。遮熱部材１７の開口１７ａは円形であり、開口１７ａの像は以下の式（４）に示す円の方程式を満たす。

ここで式（１０）中の（ｘ_０，ｙ_０）およびｒの算出には最小二乗法を用いる。最小二乗法での演算を簡易に行うために以下の式（５）に示す変形を行う。

この式（５）中の変数ａ，ｂ，ｃを最小二乗法で求めることとなる。それは式（５）と測定された点との差の二乗和が最小なる条件を得ることとなり、これを以下の式（６）に示す偏微分方程式を解くことにより得られる。

そして、この式（６）の解は以下の式（７）に示す連立方程式により算出可能である。

このように最小二乗法を用いることにより、基準平面上に投影された遮熱部材１７の実像１７ｒおよび鏡像１７ｍそれぞれの開口の半径ｒ_ｆ、ｒ_ｍを算出することができる。

図７は、鏡像法によるギャップの計測方法であって、遮熱部材１７の実像１７ｒ及び鏡像１７ｍそれぞれの開口の半径ｒ_ｒ，ｒ_ｍからギャップ値ΔＧを算出する方法を説明するための模式図である。

図７に示すように、遮熱部材１７が水平に設置されている場合、遮熱部材１７の鏡像の本来の中心座標Ｐ_ｍ（Ｘ_ｍｃ，Ｙ_ｍｃ，Ｚ_ｇａｐ）は、融液面１３ａを挟んで遮熱部材１７の実像１７ｒの中心座標Ｐ_ｒ（Ｘ_ｈｃ，Ｙ_ｈｃ，０）と反対側に存在し、その２点を結ぶ直線Ｌ_Ｚは遮熱部材１７の実像の中心座標Ｐ_ｒ（Ｘ_ｈｃ，Ｙ_ｈｃ，０）を通り鉛直軸であるＺ軸と平行な直線となる。

一方、基準平面上での遮熱部材１７の鏡像１７ｍの中心座標Ｐ_ｍ'（Ｘ_ｍｃ，Ｙ_ｍｃ，０）は、遮熱部材１７の鏡像の本来の中心座標Ｐ_ｍ（Ｘ_ｍｃ，Ｙ_ｍｃ，Ｚ_ｇａｐ）が基準平面上に投影された座標となるため、遮熱部材１７の鏡像の本来の中心座標Ｐ_ｍ（Ｘ_ｈｃ，Ｙ_ｈｃ，Ｚ_ｇａｐ）は、基準平面上での遮熱部材１７の鏡像の中心座標Ｐ_ｍ'（Ｘ_ｍｃ，Ｙ_ｍｃ，０）とレンズの中心座標Ｆ（Ｘ_ｆ，Ｙ_ｆ，Ｚ_ｆ）を通る直線上にある。

したがって、撮像デバイスのレンズの中心座標Ｆ（Ｘ_ｆ，Ｙ_ｆ，Ｚ_ｆ）から遮熱部材１７の実像１７ｒの開口の中心座標Ｐ_ｒ（Ｘ_ｈｃ，Ｙ_ｈｃ，０）までの距離をＬ_ｒとし、撮像デバイスのレンズの中心座標Ｆ（Ｘ_ｆ，Ｙ_ｆ，Ｚ_ｆ）から遮熱部材１７の鏡像１７ｍの開口の中心座標Ｐ_ｍ（Ｘ_ｍｃ，Ｙ_ｍｃ，Ｚ_ｇａｐ）までの距離をＬ_ｍとするとき、距離Ｌ_ｒ，Ｌ_ｍは次の式（８）で表すことができる。

この式（８）を変形することにより、ギャップ値ΔＧは以下の式（９）ように表すことができる。

このように、ギャップ値ΔＧを算出するためには、距離Ｌ_ｆ，Ｌ_ｍを求めればよいことが分かる。

融液面１３ａに映った遮熱部材１７の鏡像は実際の遮熱部材１７よりも２ΔＧだけ遠くにあると考えることができ、そのため遮熱部材１７の鏡像１７ｍの開口は、実像１７ｒの開口よりも小さく見える。さらに、結晶引き上げ中の炉内温度環境下では、熱膨張により遮熱部材１７の開口の寸法は常温下での寸法よりも大きくなることが分かっている。そこで、熱膨張を考慮した開口の半径（理論値）をｒ_{ａｃｔｕａｌ}、遮熱部材１７の実像の開口の半径測定値をｒ_ｒ、遮熱部材１７の鏡像の開口の半径測定値をｒ_ｍとすると、距離Ｌ_ｒ，Ｌ_ｍは次の式（１０）により算出可能である。なお、Ｌｃは撮像デバイスのレンズの中心座標Ｆ（Ｘ_ｆ，Ｙ_ｆ，Ｚ_ｆ）から基準平面上の座標原点Ｃ_０までの距離である。

上記の式（９）、（１０）から、ギャップ値ΔＧは以下の式（１１）のように算出可能である。

このように、ギャップ値ΔＧは、遮熱部材１７の実像の半径ｒ_ｒ及び鏡像の半径ｒ_ｍから求めることができる。

次に、Ｆリング法によるギャップの計測方法について説明する。

図８は、カメラ１８の撮影画像であって、固液界面に発生するフュージョンリングを説明するための図である。また図９は、フュージョンリングのエッジ検出方法の説明図である。

図８に示すように、撮影画像には遮熱部材１７の一部が写り込んでいる。また遮熱部材１７の開口１７ａの内側にはシリコン単結晶１５が存在している。シリコン融液１３は遮熱部材１７の開口１７ａを通して覗き見ることができるが、開口１７ａにはシリコン単結晶１５が存在しているため、遮熱部材１７とシリコン単結晶１５との間のわずかな隙間からシリコン融液１３を覗き見ることができるだけである。シリコン融液１３の融液面１３ａには遮熱部材１７の鏡像１７ｍが映り込んでいるが、見ることができる部分はごく一部であり、結晶引上条件によっては鏡像１７ｍを特定できない場合もある。遮熱部材１７の鏡像１７ｍは、遮熱部材１７から融液面１３ａまでの距離に応じて変化する。

シリコン単結晶１５とシリコン融液１３との境界部にはフュージョンリングＦＲが発生している。フュージョンリングＦＲは、ヒータ１２等からの輻射光が固液界面のメニスカスで反射することにより発生するリング状の高輝度領域である。フュージョンリングＦＲの位置や大きさは結晶直径や液面位置の変化によって変化する。液面位置が一定である場合、結晶直径が大きくなるほどフュージョンリングＦＲも大きくなる。また結晶直径が一定である場合、液面位置が低下するほど結晶直径は小さくなる。このように、フュージョンリングＦＲから固液界面における単結晶の輪郭を捉えることができるので、単結晶の直径を算出することができる。

フュージョンリングＦＲから結晶中心位置及び結晶直径を測定する場合、カメラ１８で撮影した画像からフュージョンリングＦＲのエッジパターンを検出し、フュージョンリングＦＲのエッジパターンから単結晶の中心座標及び直径を算出する。フュージョンリングＦＲの中心座標及び直径は、そのエッジパターン（サンプル値）を最小二乗法により近似して得られる近似円から求めることができる。このようにして求めたフュージョンリングＦＲの直径をさらに補正することにより、常温下での単結晶の直径を算出することができる。

フュージョンリングＦＲの直径が一定である場合、撮影画像中のフュージョンリングＦＲの中心座標の上下方向の変化は融液面の上下方向（高さ方向）の変化を意味する。したがって、フュージョンリングＦＲの中心座標の位置の変化量から融液面の相対的な位置を求めることが可能である。

液面位置及び結晶直径を測定する場合はフュージョンリングＦＲの安定した検出が必須となる。画像データ中から所定の像の位置を検出する手法としては、その像の輝度値をもとに閾値を設定して二値化処理する手法が一般的である。しかしフュージョンリングＦＲのエッジ検出を二値化処理により行った場合、炉内温度の変化に伴う輝度変化により検出位置がずれる可能性がある。

この影響を排除するため、一般的な二値化手法ではなく、撮影画像中の輝度のピーク値（フュージョンリングＦＲのピーク輝度）を求め、このピーク輝度に１よりも小さい値を乗ずることにより決定した閾値（スライスレベル）からフュージョンリングＦＲのエッジを検出することが好ましい。すなわち、フュージョンリングＦＲのエッジパターン（輪郭線）の検出においては、画像でのフュージョンリングＦＲの輝度に応じて閾値（スライスレベル）を変更することにより、輝度変化の影響による測定誤差を小さくして、フュージョンリングＦＲの正確な寸法を安定して検出し、特定することが可能となる。具体的には、図９に示すようにフュージョンリングＦＲと交差する水平走査線ＳＬを設定し、この水平走査線ＳＬ上の輝度分布と閾値（図９中のＴＨに相当）との外側交点（撮影画像の外周寄りの一点）をフュージョンリングＦＲのエッジとして検出する。

チャンバー１９の外側に設置したカメラ１８は融液面１３ａを斜め上方から撮影するので、フュージョンリングＦＲの見かけ上の形状は真円とならず歪んでいる。フュージョンリングＦＲの直径を正確に算出するためには、画像の歪み補正が必要である。そこで本実施形態では、カメラ１８で撮影したフュージョンリングＦＲのエッジパターンを基準平面上に投影変換し、真上から見たときのフュージョンリングＦＲの直径を求める。

図１０（ａ）及び（ｂ）は、ギャップ計測値の補正方法の説明図である。図示のように、Ｆリング法は液面位置の相対的な変化量ΔＧｓを求める方法であるため、遮熱部材１７の下端と融液面１３ａとのギャップΔＧｆをＦリング法で求めるためには、Ｆリング法により求めた液面位置の相対的な変化量ΔＧｓにギャップ基準値ΔＧ０を加算する必要がある。

しかし、ギャップ基準値ΔＧ０はある時点における遮熱部材１７の下端と融液面１３ａまでの距離であり、熱膨張によって遮熱部材１７の下端の位置が上昇したとしてもその上昇量が加味されていない。そこで本実施形態においては、Ｆリング法によるギャップ計測値ΔＧｆにギャップ補正量ΔＧｃを加算する。Ｆリング法によるギャップ計測値ΔＧｆ、ギャップ補正量テーブルから読み出したギャップ補正量ΔＧｃ、Ｆリング法により求めた液面位置の相対的な変化量ΔＧｓ、計測基準時における遮熱部材１７の下端から融液面１３ａまでの距離（ギャップ基準値）をΔＧ０とするとき、補正後（オフセット処理後）のギャップ計測値ΔＧｆＮは以下の式（１２）のようになる。

このように、Ｆリング法によるギャップ計測値ΔＧｆにギャップ補正量ΔＧｃを加えることにより、熱膨張による遮熱部材１７の位置の変化を加味したギャップ値の算出が可能となる。

以上説明したように、本実施形態による単結晶の製造方法は、Ｆリング法により計測した液面位置の変化量からギャップ計測値を算出し、予め用意したギャップ補正量テーブルを用いて当該ギャップ計測値を補正し、補正後のギャップ計測値が目標値に近づくように結晶引き上げ条件を制御するので、熱膨張による遮熱部材の高さ位置の変化を考慮したギャップの計測が可能となり、単結晶の品質保証の信頼性を高めることができる。また、本実施形態による単結晶の製造方法は、カメラの撮影画像から鏡像法によるギャップ計測値とＦリング法によるギャップ計測値の両方を同時に算出し、鏡像法によるギャップ計測値とＦリング法によるギャップ計測値との差から結晶長さに対応するギャップ補正量テーブルを求めるので、Ｆリング法において熱膨張による遮熱部材の高さ位置の変化を考慮したギャップ計測が可能となる。

また本実施形態による単結晶の製造方法は、結晶引き上げ工程の開始時に鏡像法によるギャップ計測結果に基づくギャップ制御を開始し、続いて単結晶の直胴部育成工程中にＦリング法によるギャップ計測を開始し、前記Ｆリング法によるギャップ計測開始後に前記鏡像法によるギャップ計測が困難になったとき、前記鏡像法によるギャップ計測結果に基づくギャップ制御から前記Ｆリング法によるギャップ計測結果に基づくギャップ制御に切り替えるので、結晶引き上げ工程開始から終了まで確実に且つ高い精度でギャップ制御を実施することができ、ギャップ計測精度の低下を防止することができる。

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。

例えば、上記実施形態においてはシリコン単結晶の製造方法を説明したが、本発明はシリコン単結晶の製造方法に限定されるものではなく、ＣＺ法により製造される種々の単結晶の製造方法を対象とすることができる。

直胴部育成工程中に鏡像法によるギャップ制御と並行してＦリング法によるギャップ計測を行った。その結果、図１１に示すように、Ｆリング法によるギャップ計測値は鏡像法のギャップ計測値よりも大きくなる傾向が見られた。ギャップ目標値プロファイルと比較したところ、Ｆリング法は鏡像法よりもギャップを正しく制御できているように見えたが、Ｆリング法は液面位置を制御しているだけであるため、実際にはギャップを正しく制御できていないことが明らかとなった。

＜実施例＞
鏡像法によるギャップ制御を行っている途中で意図的にＦリング法による液面位置制御に切り換えた。ギャップ制御の切り換え位置は直胴部の始端から９００ｍｍの位置とした。ギャップ制御方法を鏡像法からＦリング法に切り替えた後も鏡像法によるギャップ計測は継続した。

Ｆリング法によるギャップ制御では、補正量テーブルを用いてギャップ計測値を補正し、補正後のキャップ計測値に基づいてギャップ制御を行った。補正量テーブルは、上記のように鏡像法によるギャップ制御と並行してＦリング法によるギャップ計測を行った際に得られた鏡像法によるギャップ計測値とＦリング法によるギャップ計測値との差であり、特に直近の３バッチ分の実績値の平均値を用いた。

図１２は、実施例によるギャップ計測結果を示すグラフである。結晶長さ９００ｍｍ以前は鏡像法によるギャップ制御、結晶長さ９００ｍｍ以降はＦリング法によるギャップ制御であるが、図１２に示すギャップ計測値はすべて鏡像法による計測値である。図１２から明らかなように、ギャップ計測値は結晶長さ９００ｍｍ前後で急激に変化せず、Ｆリング法でもギャップを正しく計測することができた。
＜比較例＞

補正量テーブルを用いてギャップ計測値を補正しなかった点以外は実施例と同様に鏡像法からＦリング法へのギャップ制御の切り換えを行った。

図１３は、比較例によるギャップ計測結果を示すグラフである。図１３から明らかなように、熱膨張の影響による遮熱部材の下端の位置の上昇によって、結晶長さ９００ｍｍ以降にギャップ計測値は増加する傾向が見られた。

１０ 単結晶製造装置
１１ 石英ルツボ
１２ ヒータ
１３ シリコン融液
１３ａ 融液面
１４ 種結晶
１５ シリコン単結晶（インゴット）
１５ａ ネック部
１５ｂ ショルダー部
１５ｃ 直胴部
１５ｄ テール部
１６ ルツボ支持体（黒鉛ルツボ）
１６ ルツボ支持体
１７ 遮熱部材（遮蔽筒）
１７ａ 開口
１７ｍ 遮熱部材の鏡像
１７ｒ 遮熱部材の実像
１８ カメラ
１８ａ 撮像デバイス
１８ｂ レンズ
１９ チャンバー
２１ ルツボリフト装置
２２ 引上駆動装置
２３ 演算部
２４ 第１演算部
２５ 第２演算部
２６ 制御部

Claims (12)

1. ルツボ内の融液から単結晶を引き上げる単結晶引き上げ部と、
   前記単結晶を取り囲むように前記融液の上方に設置された遮熱部材と、
   前記融液と前記単結晶との境界部を斜め上方から撮影するカメラと、
   前記カメラの撮影画像を処理する演算部と、
   前記演算部の処理結果に基づいて結晶引き上げ条件を制御する制御部とを備え、
   前記演算部は、
   前記カメラの撮影画像に写る前記遮熱部材の開口の実像と融液面に映り込む前記遮熱部材の開口の鏡像の大きさから前記遮熱部材の下端と前記融液面との間の第１ギャップ計測値を算出する第１演算部と、
   前記カメラの撮影画像に写る前記単結晶と前記融液との境界に発生するフュージョンリングから求める結晶中心位置の高さ方向の変化量から前記遮熱部材の下端と前記融液面との間の第２ギャップ計測値を相対的に算出する第２演算部を有し、
   前記第２演算部は、予め用意したギャップ補正量テーブルを用いて前記第２ギャップ計測値を補正することを特徴とする単結晶製造装置。
2. 前記制御部は、前記第１ギャップ計測値に基づいて結晶引き上げ条件を制御しながら結晶引き上げ工程を開始し、前記単結晶の直胴部育成工程の開始後に前記第１ギャップ計測値に基づくギャップ制御から前記第２ギャップ計測値に基づくギャップ制御に切り換える、請求項１に記載の単結晶製造装置。
3. 前記制御部は、前記直胴部育成工程の途中で前記第１ギャップ計測値に異常が発生した場合又は前記第１ギャップ計測値の計測ができない場合に前記第１ギャップ計測値に基づくギャップ制御から前記第２ギャップ計測値に基づくギャップ制御に切り換える、請求項２に記載の単結晶製造装置。
4. 前記制御部は、前記第１ギャップ計測値又は補正後の前記第２ギャップ計測値が目標値に近づくように前記ルツボの上昇速度を制御する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の単結晶製造装置。
5. 前記演算部は、過去の引き上げバッチで計測した前記第１ギャップ計測値と前記第２ギャップ計測値との差から前記ギャップ補正量テーブルを作成する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の単結晶製造装置。
6. 前記演算部は、過去の複数の引き上げバッチで計測した前記第１ギャップ計測値と前記第２ギャップ計測値との差の平均値から前記ギャップ補正量テーブルを作成する、請求項５に記載の単結晶製造装置。
7. ルツボ内の融液から引き上げられる単結晶を取り囲むように前記融液の上方に設置された遮熱部材の下端と融液面との間のギャップを制御しながら前記単結晶を引き上げるチョクラルスキー法による単結晶の製造方法であって、
   カメラの撮影画像に写る前記遮熱部材の開口の実像と融液面に映り込む前記遮熱部材の開口の鏡像の大きさから算出した第１ギャップ計測値に基づいて前記ギャップを制御しながら結晶引き上げ工程を開始し、
   前記結晶引き上げ工程の開始後に、前記カメラの撮影画像に写る前記単結晶と前記融液との境界に発生するフュージョンリングから求める結晶中心位置の高さ方向の変化量から算出した第２ギャップ計測値に基づくギャップ制御に切り換え、
   前記第２ギャップ計測値に基づくギャップ制御では、予め用意したギャップ補正量テーブルを用いて前記第２ギャップ計測値を補正し、補正後の第２ギャップ計測値が目標値に近づくように結晶引き上げ条件を制御することを特徴とする単結晶の製造方法。
8. 前記結晶引き上げ工程の途中で前記第１ギャップ計測値に異常が発生した場合又は前記第１ギャップ計測値の計測ができない場合に、前記第１ギャップ計測値に基づくギャップ制御から前記第２ギャップ計測値に基づくギャップ制御に切り換える、請求項７に記載の単結晶の製造方法。
9. 前記結晶引き上げ工程では、前記第１ギャップ計測値又は補正後の前記第２ギャップ計測値が目標値に近づくように前記ルツボの上昇速度を制御する、請求項７又は８に記載の単結晶の製造方法。
10. 過去の引き上げバッチで計測した前記第１ギャップ計測値と前記第２ギャップ計測値との差から前記ギャップ補正量テーブルを作成する、請求項７乃至９のいずれか一項に記載の単結晶の製造方法。
11. 過去の複数の引き上げバッチで計測した前記第１ギャップ計測値と前記第２ギャップ計測値との差の平均値から前記ギャップ補正量テーブルを作成する、請求項１０に記載の単結晶の製造方法。
12. 融液から引き上げられる単結晶を取り囲むように前記融液の上方に設置された遮熱部材の下端と融液面との間のギャップを計測しながら前記単結晶を引き上げるチョクラルスキー法による単結晶の製造方法であって、
    炉内をカメラで撮影したときの撮影画像に写る前記遮熱部材の実像と前記融液面に映り込んだ前記遮熱部材の鏡像から液面位置を幾何学的に算出する鏡像法により第１ギャップ計測値を算出し、
    前記第１ギャップ計測値に基づいてギャップを制御しながら結晶引き上げ工程を開始し、
    前記炉内を前記カメラで撮影したときの撮影画像に写る前記単結晶と前記融液との境界に発生するフュージョンリングの中心座標の変化量から液面位置の変化量を算出するＦリング法により第２ギャップ計測値を算出し、
    前記鏡像法による前記第１ギャップ計測値に異常が発生した場合又は前記第１ギャップ計測値の計測ができない場合に、前記第１ギャップ計測値に基づくギャップ制御から前記Ｆリング法による前記第２ギャップ計測値に基づくギャップ制御に切り換え、
    前記第２ギャップ計測値に基づくギャップ制御では、予め用意したギャップ補正量テーブルを用いて前記第２ギャップ計測値を補正し、補正後の第２ギャップ計測値が目標値に近づくように結晶引き上げ条件を制御することを特徴とする単結晶の製造方法。

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