JP2635141B2 - 管状結晶体成長装置を制御するための制御システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 発明の分野 本発明は結晶成長装置に関し、より詳しくは、管状結
晶体成長装置を制御するための制御システムに関する。

従来技術 半導体デバイスの製造に用いられるシリコン板は、し
ばしば、例えば九角形等の複数の辺を有する種類の管状
の結晶体の、その平坦な側壁部分から形成される。この
ような結晶体を、エッジ・デファインド・フィルム・フ
ェッド・グロース法（edge−defined,film−fed growth
process:EFG法）によって製造するために、米国特許第
4544528号に記載されている種類の装置がこれまで使用
されてきた。簡単に説明するならば、この種の装置は、
成長させる材料（例えばシリコン）の溶融物を収容する
ためのるつぼと、成長する結晶の形状を制御するための
キャピラリ・ダイ（＝毛管現象（キャピラリ）を利用し
たダイ）と、これらのダイ及び溶融物の温度を制御する
ためのヒータと、結晶の成長に用いられる種結晶を支持
するための種結晶支持アセンブリと、この種結晶支持ア
センブリに連結された、溶融物から管状結晶体を引上げ
るための引上げ機構とを含んで成るものである。

商業的に満足すべきシリコン基板を製造するために
は、しかも管状結晶体の中途分離（detachment）や凝固
固着（freeze−up）によって結晶成長プロセスが早々に
中断されることがないようにするためには、成長下にあ
る結晶体の壁部の厚さが精密に制御されていることが重
要である。米国特許第4544528号に開示されている種類
のキャピラリ・ダイ装置においては、ダイの上端と成長
下にある結晶体の下端との間に形成されているメニスカ
ス（＝表面張力によって形を保っている部分）の寸法及
び形状に応じて、この成長下にある結晶体の壁部の厚さ
が変化することが知られている。壁部厚さとメニスカス
の種々の形状特性との間のこのような関係を利用して、
例えば米国特許第4239583号、同第4267151号、それに同
第4318769号等に開示されているような光学機構を組込
んだ様々なシステムが、結晶成長装置の動作を制御する
ためにこれまでに開発されてきた。これらの光学機構に
基づいたシステムは、メニスカスを観察するための光学
アセンブリを含んでいる。この光学アセンブリを介して
得られたメニスカスの形状に関する情報を利用して、オ
ペレータが結晶成長装置の動作を調節し、それによって
所望の壁部厚さを有する結晶体を製造している。

以上の光学的制御システムを使用することにより充分
な壁部厚さ制御を達成することはできるのであるが、し
かしながら、それらの装置の使用に関する制約が存在し
ている。第１には、オペレータがメニスカスの形状を連
続して監視し続け、その観察したところに基づいて結晶
成長装置の動作を調節しなければならないということが
ある。人為的エラーを回避し、結晶成長速度を高め、ま
た技術者を配置することに伴なうコストを低減するため
には、結晶成長操作の全体を自動化することが望まし
い。第２には、公知の光学的制御システムでは、メニス
カスの全体のうちの、比較的小さな部分しか観察するこ
とができないということがある。この小さな部分の形状
は、必ずしもメニスカス全体の形状を代表しているとは
限らない。

米国特許第4544528号に図示されている種類の公知の
結晶成長装置では、長さが約２メートルを超える結晶体
を成長させることは困難であり、実際的でなかった。こ
の困難は、その一部は、成長下にある管状結晶体にアル
ゴン等の不活性ガスを充填することによりこの管状結晶
体の内部から空気を排除する必要があるということに起
因しており、またその一部は、この結晶体内部の空間に
存在する大きな温度差によってこの空間内部に対流が発
生するという事実に起因している。

更に詳しく説明すると、不活性ガスが、これは典型的
な一例としてはアルゴンであるが、これが成長下にある
結晶体の内部へ注入されることによって、この結晶体の
内部から大気が排除される。不活性ガスは大気より重い
ため、長さが約２メートルを超えるば結晶体の内部にお
いてはこの結晶体内部の不活性ガスの柱が充分に長く、
従って充分に重くなり、そのためこの不活性ガスの柱が
沈み込もうとする傾向を持ち、これにより周囲の空気が
結晶体の上端部を通って、この結晶体の内部に引き込ま
れ得るようになる。

例えば結晶体の上端部にキャップをかぶせる等の、周
囲の空気が結晶体の内部へ侵入することを防止するため
の手段が用いられた場合には、結晶体の内部に発生して
いる対流による有害な影響が著しく増大する。管状結晶
体にキャップがかぶせられた場合には、それらの対流が
この結晶体の内部の圧力の変動を引き起こし、それが結
晶成長装置の動作の制御を困難にする。結局のところ、
壁部厚さが一様で長さが約２メートルを超える結晶体を
成長させることには問題が多いのである。

結晶体を成長させるために必要とされる全時間のうち
のかなりの部分は、成長プロセスに備えて結晶成長装置
の準備を整えるために費やされている。従って、プロセ
ス効率を改善するためには、長さが約２メートルを超え
る結晶体を成長させることが望まれる。

発明の目的並びに要旨 本発明の１つの主要な目的は、管状結晶成長装置の動
作を制御する公知の制御システムに付随する以上の不都
合な点を、克服することにある。

本発明のもう１つの主要な目的は、長さが約２メート
ルを超える管状結晶体を成長させる管状結晶体成長装置
の動作を制御するための、改良された制御システムを提
供することにある。

本発明の更なる目的は、センサによって提供される結
晶体の重量及び長さ、並びに結晶体の内部の圧力に関す
る情報に基づいて管状結晶体成長装置の動作を制御す
る、改良された制御システムを提供することにある。

本発明の更にもう１つの目的は、結晶体成長装置を制
御して壁部厚さが実質的に一様な結晶体を製造する方法
を提供することにある。

本発明の以上の目的並びにその他の目的は、公知の管
状結晶体成長装置であって該装置の種結晶ホルダが周囲
の空気の結晶体の内部への侵入を実質的に阻止するよう
に構成されている管状結晶体成長装置と共に用いるのに
適するようにした制御システムによって達成される。本
システムの一好適実施例は、管状シリコン結晶体の内部
の圧力を測定するための圧力センサと、該管状シリコン
結晶体と該管状結晶体が支持されている種結晶ホルダ・
アセンブリとの合計重量を測定するための重量センサ
と、該管状結晶体の長さを測定するための長さセンサ
と、前記圧力センサ並びに前記重量センサと接続された
前記管状結晶体の真正の重量を算出するための真正重量
回路と、前記長さセンサ並びに前記真正重量回路と接続
されたコントローラとを含んで成る。該コントローラ
は、長さセンサ並びに真正重量回路によって提供される
情報を利用して、結晶成長のるつぼヒータの動作を制御
する。このるつぼヒータの出力を精密に制御することに
よって、（１）成長下にあるシリコン結晶体が確実に略
々均一な壁部厚さを持つようになり、また、（２）この
結晶体が確実に６メートルないしそれ以上の長さに成長
することが可能なように、結晶成長装置の動作が制御さ
れる。

図面の簡単な説明 本発明の特質並びに目的のより良い理解のために、以
下の詳細な説明を添付図面と共に参照されたい。尚、添
付図面において、 第１図は、本発明の好適実施例の、一部断面図とした
模式的な説明図、 第２図は、本発明の圧力センサ及び重量センサの出力
を結晶体の真正重量と関連させて、一定時間に亙ってグ
ラフで表わしたチャート、 第３図は、本発明の好適実施例に用いられている真正
重量回路の回路図、 第４図は、結晶成長装置の動作の制御に際して本発明
の制御システムが実行する種々の動作を図示した、ソフ
トウェア・フロー・ダイアグラムである。

発明の詳細な説明 第１図に関し、本発明は、半導体材料の管状の結晶体
22を成長させる装置20の動作を制御するための制御シス
テムから成っている。詳細には図示されていないが、装
置20は、米国特許第4544528号、同第4239583号、同第42
67151号、並びに同第4318769号に記載され図示されてい
る種類の炉を含んで成るものと理解されたい。更に詳し
く説明すると、装置20は、結晶化される半導体材料の溶
融物を収容するためのるつぼ24と、溶融物を過熱するた
めのヒータ26と、結晶体22を形成するための所望の形状
のキャピラリ・ダイ28とを含んでいる。このキャピラリ
・ダイは種々の形状とすることができるが、米国特許第
4544528号の第１図に図示されている形状であることが
望ましく、ただしそれは、円形ないし九角形または八角
形等の所定の多角形の結晶体を成長させるような形状と
されている。一対の固定された並行レール29と、これら
のレールの上に摺動自在に載置されたフレーム30とが、
結晶体22を溶融物から引上げるために備えられている。
開口32（図面参照）がフレーム30に設けられており、取
付板34がこの開口の近傍においてこのフレームに止着さ
れている。この分野においては公知となっている種類の
引上げ機構35が、るつぼ24の上方の、このるつぼ24から
軸方向に離隔した所定の位置に支持されており、この引
上げ機構はフレーム30を略々一定の速度でレール29に沿
ってるつぼ24から引上げるために、このフレーム30に連
結されている。フレーム30には種結晶ホルダ36が連結さ
れている。この種結晶ホルダ36は種結晶39（第１図）に
機械的に連結されており、この種結晶39から結晶体22が
成長する。

本発明の制御システムと同システムが制御する装置と
の間の関連を理解するためには、装置20についての以上
の簡単な説明で充分である。この装置20の一具体例につ
いての更に詳細な説明は、Stormont等に対して付与され
た前述の米国特許第4544528号を参照されたい。同米国
特許はここに言及されたことにより本開示に包含され
る。

本発明の制御システムの好適実施例は、重量センサ10
0、長さセンサ101、圧力センサ102、真正重量回路104、
及びコントローラ105を含んで成る。この好適実施例に
おいては、種結晶ホルダ36は、結晶体の上端部を気体圧
力的に遮断することによって、結晶体の内部からこの結
晶体の上端部を通って漏出可能な流体の量を制限するよ
うに構成されている。種結晶ホルダ36は、管状結晶体22
の軸に対して垂直に延びる表面37と、結晶体22の内部を
この種結晶ホルダ36の外部に対し流体的に接続している
連通路38とを含んでいる。

重量センサ100は取付板34に固設されており、また、
軸方向に伸長自在なロッド106を介して種結晶ホルダ36
に連結されている。このロッド106はフレーム30に形成
された開口32を貫通して延伸している。重量センサ100
は結晶体22及び種結晶ホルダ36の重量を測定し、この重
量には種結晶39の重量も含まれる。重量センサ100の出
力は、ライン108によって真正重量回路104へ伝達されて
いる。この重量センサ100は一般的なストレイン・ゲー
ジ型の荷重セルである。

長さセンサ101は、固定されているるつぼ24に対す
る、フレーム30の相対的な変位量を測定するために備え
られている。長さセンサ101は固定物に取付けられ、好
ましくはるつぼ24の上方に位置している引上げ機構35に
取付けられる。長さセンサ101は一般的なドラム／ケー
ブル型長さ測定トランスデューサから成っている。引上
げ機構35がフレーム30をレール29に沿って引上げるとケ
ーブル103がドラムの周囲に巻取られる。ドラム上に巻
取られたケーブルの量は結晶体の長さに対応しており、
このケーブル巻取り量がドラムの内部に収容されている
ポテンショメータによって測定される。長さセンサ101
のこのポテンショメータの出力は、ライン109によって
コントローラ105へ伝達される。

圧力センサ102は、種結晶ホルダ36の表面37へ上向き
に作用する結晶体22の内部の圧力を測定するために備え
られている。圧力センサ102は連通路38と流体的に接続
されており、従って管路116を介して結晶体22の内部と
流体的に接続されている。圧力センサ102は取付板34に
載置しても良く、また、その他の適当な構成部品に載置
しても良い。圧力センサ102の出力は、ライン118によっ
て真正重量回路104へ伝達されている。この圧力センサ1
02は容量型のセンサである。

次に第１図ないし第３図に関し、真正重量回路104
は、成長下にある結晶体22の真正の重量を表わす信号
を、結晶成長プロセスの間、任意に選択された間隔で連
続的に発生するために備えられている。手短に述べるな
らば、真正重量回路104は重量センサ100の出力と圧力セ
ンサ102の出力とを組合わせることによって、成長下に
あるシリコン結晶体22、種結晶ホルダ36、及び種結晶39
の真正の重量を表わす信号を発生する。次に、この真正
重量信号からオフセット電圧信号が差引かれ、それによ
って成長下にある結晶体22のみの真正の重量を表わす信
号が発生される。

即ち、重量センサ100によって、成長下にある結晶体2
2の真正の重量を直接的に測定することは不可能なので
あり、その原因は、結晶体内部に発生する、種結晶ホル
ダの表面37へ上向きに作用する圧力による力にある。表
面37へ作用しているこの力が増大すると、成長下にある
結晶体22は地球の引力に抗して持ち上げられ、そのため
結晶体22の重量を表わす重量センサ100の出力信号は減
少し、これは、第２図の折線132の中の下方へ尖ってい
る部分によって示されている。同様に、表面37へ作用し
ているこの力が減少すると、重量センサ100は結晶体22
の重量の増加を検出し、これは、第２図の折線132の中
の上方へ尖っている部分によって示されている。重量セ
ンサ100のこれらの出力信号の変動はコントローラ105に
よって発生される制御情報の正確度を低下させる。圧力
センサ102によって測定されている結晶体22の内部の圧
力変動は、重量センサ100によって行なわれている重量
測定に対して、丁度裏返しの関係をもって変動してい
る。後に更に詳細に説明するように、これらの圧力信号
と重量信号とを合算することによって、第２図の線133
によって示されるように結晶体22の真正の重量を確定す
ることができる。真正重量回路104は、重量を表わすこ
の真正の表示を発生させるために備えられているのであ
る。

既に述べたように、種結晶ホルダ36と種結晶39とが結
晶体22の端部を実質的に完全に閉塞するようにこの種結
晶ホルダ36を構成することによって、結晶体の内部の圧
力変動は、前述の米国特許第4544528号に開示されてい
る装置を用いて成長させた種類の非密閉型の結晶体の内
部に発生する圧力変動と比較して、著しくその変動の大
きさが増大される。斯かる圧力変動の結果として発生す
る重量測定上の誤差が、圧力センサ102並びに真正重量
回路104を用いる理由となっているのである。

第３図に示されている真正重量回路104の詳細な構成
について説明すると、重量センサ100の出力はライン108
を介して増幅器134に接続されている。増幅器134はライ
ン136を介して重量キャリブレーション・ポテンショメ
ータ138に接続されている。このポテンショメータは加
算増幅器146の負入力端子に接続されている。抵抗器148
の一方の端子がライン152を介して増幅器146の正入力端
子に接続されており、この抵抗器148の他方の端子は接
地されている。抵抗器150の一方の端子が同じくライン1
52を介して増幅器146の正入力端子に接続されている。
この抵抗器150の他方の端子は、後に説明するように、
真正重量回路104のもう一方の部分に接続されている。
増幅器146の出力はライン156を介してフィルタ158に接
続されており、このフィルタの出力はライン160を介し
てコントローラ105へ供給されている。増幅器146の出力
ライン156と負入力端子との間には、一般的な加算増幅
器を構成するように、抵抗器162が接続されている。

以上の素子134〜164は、重量センサ100の出力信号を
整える、信号コンディショニングを実行しており、これ
はこの分野においては公知のことである。重量キャリブ
レーション・ポテンショメータ138が用いられているの
は、真正重量回路104の出力にキャリブレーションを施
すことによって重量センサ100の感度の変動に対処する
ためである。

圧力センサ102の出力はライン118を介して増幅器170
へ供給されている。増幅器170はライン172を介して圧力
キャリブレーション・ポテンショメータ174に接続され
ており、このポテンショメータは加算増幅器182の負入
力端子に接続されている。増幅器182の正入力端子は接
地されている。オフセット電圧源192が、抵抗器186を介
して加算増幅器182の負入力端子に接続されている。オ
フセット電圧源192は一般的なポテンショメータ193と適
当な電位195とから成っている。抵抗器194が、抵抗器15
0を介して、抵抗器186を増幅器146の正入力端子に、一
般的な加算増幅器を構成するように接続している。オフ
セット電圧源192の出力信号の極性は、以下に更に詳細
に説明するように、このオフセット電圧信号が増幅器18
2並びにこれに付随する抵抗器186、194及び150を介して
重量センサ100の出力信号に加算されたときに、この重
量センサの信号の大きさが減少するように定められてい
る。ライン200上の増幅器182の出力は、ライン202を介
して抵抗器150の一方の端子に接続されている。既に述
べたように、この抵抗器150の他方の端子はライン152を
介して増幅器146の正入力端子に接続されている。

電圧源192から得られるオフセット信号は圧力センサ1
02の出力信号と組合わされ、この組合わされた合成信号
が増幅器182によって増幅される。増幅器182の出力信号
は、加算増幅器146において重量センサ100の出力信号と
合算される。重量キャリブレーション・ポテンショメー
タ138と圧力キャリブレーション・ポテンショメータ174
とを調節することによって重量センサ100の出力信号と
圧力センサ102の出力信号との夫々のスケーリングが行
なわれ、それにより、ライン172の上の圧力信号が、ラ
イン136の上の重量信号のうちの、種結晶ホルダ36の表
面37へ作用している圧力により生じた部分と、いかなる
時点においても大きさが等しく向きが逆となるようにさ
れる。一例を挙げれば、ある選択された測定期間におい
て、増幅器134及びポテンショメータ138によってスケー
リングされた重量センサ100の出力信号が＋1.5ボルトで
あり、また、増幅器170と182、及びそれらに付随する抵
抗器によってスケーリングされた圧力センサ102の出力
信号が、−0.5ボルトであったとする。重量センサ100の
出力と圧力センサ102の出力とを、増幅器146において合
算することによって、それらの出力信号の和、即ち＋1.
0ボルトが得られ、この電圧が、この選択された測定期
間における結晶体22、種結晶39、及び種結晶ホルダ36の
真正重量を表わすものとなっている。

オフセット電圧源192の出力信号は、増幅器182によっ
て増幅されることによって付加的な一定値信号となり、
この一定信号は、増幅器146に供給されるとこの増幅器1
46の出力を種結晶39及び種結晶ホルダ36の重量に相当す
る量だけ低下させる。その結果、増幅器146の出力信号
は、結晶体22の真正重量を表わすことになる。

ライン156上の真正重量信号は最後にフィルタ回路158
によって処理され、それにより、重量センサ100の内部
で発生する機械的な変動並びに電気的なノイズによって
生じる、望ましくない成分が減衰される。次のこの信号
はライン160を介してコントローラ105へ伝達される。

コントローラ105は結晶成長装置20の動作を制御する
ために備えられている。本発明の好適実施例において
は、引上げ機構35は、結晶体22をるつぼ24から一定の速
度で引上げるように運転される。従って、この装置20の
動作の制御を、るつぼヒータ26の出力の調節のみによっ
て行なうことができる。コントローラ105は、このるつ
ぼヒータ26の調節を行なうために用いられる温度制御信
号を提供する。コントローラ105は、例えば工業用プロ
セス・デジタル・コンピュータ等をはじめとする種々の
形態のうちの、いずれかのものとすることができる。

次に第１図及び第４図に関し、コントローラ105は同
コントローラへ供給される入力信号情報を用いて、マシ
ン制御ソフトウェア・プログラムに従って、るつぼヒー
タ26の動作を制御する。第４図に図示されているソフト
ウェア・フロー・ダイアグラムは、このソフトウェア・
プログラムによって実行される動作のロジック上の概要
を示している。ソフトウェア・プログラムの１行毎のコ
ーディングについては、図示もせず、また本明細書中で
説明することもしないが、それは、そのようなコーディ
ングは当業者の技術範囲に充分に包含されるものと考え
られるからである。

このフロー・ダイアグラムの中の最初のステップで
は、本発明の制御システムが操作されて装置20の動作の
制御を開始し、これはステップ200で示されている。次
に、ステップ204に示されているように、コントローラ1
05が結晶体22の現在長さを読取る。長さトランスデュー
サ101が、ライン109を介してこの現在長さ情報をコント
ローラ105へ供給する。次にステップ206において、この
現在長さ情報が次回のサイクルに備えて格納される。こ
の後、ステップ208に示されているように、コントロー
ラ105が結晶体の現在重量を読取る。この現在重量情報
は真正重量回路104によって発生され、ライン160を介し
てコントローラ105へ供給される。次にステップ210にお
いて、この現在重量情報が次回のサイクルに備えて格納
される。

この後、ステップ212に示されているように、測定間
隔Ｘに亙る結晶体22の長さの変化が算出される。この差
分の算出は、現在長さデータと前回の測定サイクルで得
られた長さデータとを用いて実行される。現在長さデー
タは長さトランスデューサ101から直接に供給され、ま
た、前回サイクルの長さデータはステップ214に示され
ているように、ステップ206で格納されたデータを利用
して読取りが行なわれる。明らかに、このフロー・ダイ
アグラムの反復動作の第１回が行なわれている間は、発
生される長さ差分情報は無意味なものであり、その理由
は、前回サイクルの長さデータがその時点では未だ発生
されていないからである。測定間隔Ｘは、約30秒から３
分までの間の値とすることが望ましい。この測定間隔Ｘ
は一定の設定値としてコントローラ105の内部に格納し
ておくこともでき、また、この間隔を制御変数として結
晶成長操作の開始時に入力するようにすることもでき
る。

次に、ステップ216に示されているように、測定間隔
Ｘに亙る結晶体22の重量の変化が算出される。この差分
の算出は、現在重量データと前回の測定サイクルで得ら
れた重量データとを用いて実行される。現在重量データ
は真正重量回路104から直接に供給され、また、前回サ
イクルの重量データはステップ218に示されているよう
に、ステップ210で格納されたデータを利用して読取り
が行なわれる。ステップ212の場合と同様に、反復動作
の第１回が行なわれている間に発生される重量差分情報
は無意味なものである。ステップ216で用いられる測定
間隔Ｘはステップ212で用いられる測定間隔Ｘと同一で
あり、即ち、Ｘは約30秒から３分までの間の値とするこ
とが望ましい。

続いてステップ220において、定数Ｋにステップ216で
算出された結晶体の重量の変化分が乗じられ、更にこの
積がステップ212で算出された結晶体22の長さの変化分
で除されることによって、この結晶体22の実際の壁部厚
さが算出される。当業者には理解される如く、このＫ
は、成長させる結晶体の所望の壁部厚さと、長さセンサ
100及び真正重量回路104の出力信号の大きさとに基づい
て選択される、壁部厚さ変換定数である。

次に、ステップ222に示されているように、所望の壁
部厚さ情報がメモリから読取られる。この後、ステップ
224において、ステップ220で算出された実際の壁部厚さ
がステップ222で読取られた所望の壁部厚さと比較さ
れ、実際の壁部厚さが所望の壁部厚さより大きいかまた
はそれと等しいか、否かの判定が行なわれる。実際の壁
部厚さが所望の壁部厚さより大きいかまたはそれと等し
い場合には、フロー・ダイアグラムはステップ226へ進
み、そこでコントローラ105が温度上昇信号を発生し、
この信号がライン230を介してるつぼヒータ26へ供給さ
れる。この温度上昇信号を受取ったならば、るつぼヒー
タ26は溶融物の温度を上昇させるように動作し、これに
よって結晶体22の壁部厚さが減少されることになる。実
際の壁部厚さが所望の壁部厚さより大きくなく、またそ
れと等しくもない場合には、フロー・ダイアグラムはス
テップ228へ進み、そこではコントローラが温度低下信
号を発生し、この信号がライン230を介してるつぼヒー
タ26へ供給される。この温度低下信号を受取ったなら
ば、るつぼヒータ26は溶融物の温度が低下可能なように
動作し、これによって結晶体22の壁部厚さが増大される
ことになる。実際には、結晶体22の壁部厚さはこの結晶
体の長さが増加するにつれて減少する傾向にあるため、
ダイ28の温度は、典型的な例としては、この結晶体が長
く成長するにつれて、るつぼヒータ26の出力が低減され
るために低下される。

コントローラ105によって供給される信号の性質、そ
れに、このコントローラから供給された信号をるつぼヒ
ータ26がどのように処理してダイ及び溶融物の温度を調
節するのかという方法、それらは本発明にとっては重要
なことではない。しかしながら、例えばるつぼヒータ26
は、出力が段階的に調節自在な段階的ヒータとすること
ができる。そのようにすることにより、コントローラ10
5から正の信号を受取ったときにはヒータ26の熱出力が
ある量Ｙだけ増加し、また、コントローラ105から負の
信号を受取ったときにはヒータ26の熱出力が量Ｙだけ減
少することになる。一般的な温度コントローラ234を、
第１図に示すようにるつぼヒータ26と出力ライン230′
との間に接続することは、任意である。コントローラ10
5からライン230′を介し、そして温度コントローラ234
から出力される出力信号に基づいて、この温度コントロ
ーラ234がるつぼヒータ26への電力入力を変化させ、こ
れにより、壁部厚さが略々一様な結晶体22が確実に成長
するようにしている。

第４図中、最後のステップ232においては、現在長さ
及び現在重量の値の次回の読取りの前に、次回測定サイ
クルの遅延が行なわれる。ステップ204〜228は、典型的
な一例としては測定間隔の中に存在する時間より短い時
間で実行されるため、長さ及び重量の値の次回の読取り
の前に測定間隔の中の残りの時間が経過し得るように、
ステップ232が設けられているのである。

この遅延の終了時に、以上に説明したソフトウェア・
フロー・プログラムの諸ステップが、ステップ204から
反復される。

本発明は、公知の結晶成長装置の動作を、公知の制御
システムを用いた場合に典型的に得られる正確度と比較
して、より正確に制御するのに適している。公知の結晶
成長装置の動作を正確に制御することにより、幾つかの
重要な利点が得られている。第１には、成長下にある結
晶体22がダイから中途分離したり、ダイに凝固固着して
しまう頻度が減少されている。第２には、管状結晶体の
壁部厚さが、より正確に制御される。第３には、本発明
によって制御され、且つ、成長下にある結晶体の上端部
が気体圧力的に実質的に密閉されるように改変されてい
る公知の結晶成長装置を使用して、長さが６メートルな
いしはそれ以上の結晶体22を、比較的一定の壁部厚さで
成長させることができる。長尺の、例えば長さが６メー
トルの結晶体から製造されるシリコン板の材料コスト
は、公知の結晶成長装置を用いて成長させた比較的短尺
の結晶体から製造されるシリコン板と比較して著しくコ
ストが低く、それは、凝固固着並びに中途分離に起因す
る損失が回避できることと、更には、成長させた結晶体
の長さに対する、相対的な装置始動時所要時間の長さが
減少することに依るものである。

本発明は先に言及した米国特許第4544528号に開示さ
れている種類のEFG法結晶成長炉装置の動作を制御する
ように構成されているが、しかしながら、本発明を、中
空の結晶体を成長させるための他の種類の炉装置の動作
の制御に適合させることも可能であることを、理解され
たい。

本発明は、るつぼの加熱率を変化させることによって
壁部厚さを制御する（引上げ速度は実質的に一定に保た
れる）という好適な構成とされているが、しかしなが
ら、本発明を、加熱率は一定に保ち、引上げ速度を変化
させて壁部厚さを制御するように構成することも、可能
である。また、これとも別に、加熱率と引上げ速度との
双方を変化させて壁部厚さが略々一様な結晶体を製造す
るようにすることも可能である。

以上に説明した装置に対しては、本発明の範囲から逸
脱することなく変更を加えることが可能であることか
ら、以上の記載に含まれている、ないしは添付図面に示
されているあらゆる事項は、具体例を示すためのものと
して理解されるべきであり、限定的な意味を持つものと
して理解されるべきではないということは、当然であ
る。

Claims (19)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】溶融物を収容するためのるつぼと、 前記るつぼを加熱するための加熱手段と、 前記溶融物から管状結晶体を成長させるための成長手段
   を含む手段とを備え、 前記成長手段が、 （１）その上に前記結晶体が成長する種結晶を支持する
   ための種結晶ホルダ手段と、（２）前記管状結晶体と前
   記種結晶ホルダ手段とを前記るつぼから引上げるための
   引上げ手段とを備えている、管状結晶体成長装置の動作
   を制御するための制御装置であって、該装置は、 成長下にある前記管状結晶体の長さを表わす出力信号を
   発生する、長さセンサ手段と、 成長下にある前記管状結晶体、前記種結晶、及び前記種
   結晶ホルダ手段の重量を表わす出力信号を発生する、重
   量センサ手段と、 前記結晶体の内部の圧力を表わす出力信号を発生する、
   圧力センサ手段と、 前記長さセンサ手段、前記重量センサ手段、前記圧力セ
   ンサ手段、並びに前記加熱手段に接続され、前記長さセ
   ンサ手段の出力信号、前記重量センサ手段の出力信号、
   及び前記圧力センサ手段の出力信号に応答して前記管状
   結晶体成長装置の動作を制御することにより、成長下に
   ある前記管状結晶体が確実に、略々一様な壁部厚さを持
   つようにする、コントローラ手段と、 を更に備える装置。
2. 【請求項２】前記コントローラ手段が前記加熱手段の動
   作を制御することを特徴とする、請求項１記載の装置。
3. 【請求項３】前記コントローラ手段が、前記管状結晶体
   の真正の重量を算出しそして前記管状結晶体の真の重量
   を表す補正出力信号を生成する算出手段を含み、更に、
   該コントローラ手段が、前記長さセンサ手段の出力信号
   と前記算出手段の出力信号とに応答して前記るつぼ加熱
   手段の動作を制御することを特徴とする、請求項２記載
   の装置。
4. 【請求項４】前記算出手段が、 前記重量センサ手段の出力信号と前記圧力センサ手段の
   出力信号とを組合わせることによって、前記管状結晶体
   及び前記種結晶ホルダ手段の真正の重量を表わす合成信
   号を発生する手段と、 前記種結晶ホルダ手段の真正の重量を表わすオフセット
   出力信号を発生する手段と、 前記合成信号と前記オフセット出力信号とを組合わせる
   ことによって、前記管状結晶体の真正の重量を表わす修
   正出力信号を発生する手段と、 から成ることを特徴とする、請求項３記載の装置。
5. 【請求項５】前記コントローラ手段が、前記管状結晶体
   の実際の壁部厚さを任意に選択された測定間隔で算出す
   る手段から成ることを特徴とする、請求項２記載の装
   置。
6. 【請求項６】前記コントローラが、 所望の壁部厚さ値を提供する手段と、 前記所望の壁部厚さ値を実際の壁部厚さと比較して、
   （１）前記所望の壁部厚さ値が前記実際の壁部厚さより
   小さいときには前記加熱手段へ第１信号を送出し、又
   （２）前記所望の壁部厚さ値が前記実際の壁部厚さより
   大きいかまたはそれと等しいときには前記加熱手段へ第
   ２信号を送出する、手段と、 から成ることを特徴とする、請求項５記載の装置。
7. 【請求項７】前記種結晶ホルダ手段が、前記上端部を通
   して前記管状結晶体の内側から漏出可能な流体の量を制
   限するように前記管状結晶体の上端部を実質的に閉塞す
   るように構成されており、且つ、前記圧力センサ手段
   が、前記種結晶ホルダ手段に対し上向きに作用している
   前記管状結晶体の内部の圧力による力を、測定するよう
   に構成されている、ことを特徴とする請求項１記載の装
   置。
8. 【請求項８】前記コントローラ手段が、前記管状結晶体
   が６メートルないしそれ以上の長さに成長できるよう
   に、前記るつぼ加熱手段の動作を制御することを特徴と
   する、請求項１記載の装置。
9. 【請求項９】更に、前記引上げ手段が、前記管状結晶
   体、前記種結晶、及び前記種結晶ホルダ手段を、略一様
   な速度で前記溶融物から引上げることを特徴とする、請
   求項１記載の装置。
10. 【請求項１０】管状結晶体を成長させるための装置であ
    って、 溶融物を収容するためのるつぼと、 前記るつぼを加熱するための加熱手段と、 前記溶融物から前記管状結晶体を成長するための成長手
    段であって、（１）前記溶融物と連絡するるつぼにおい
    て、前記管状結晶体の形状を制御する形成手段と、
    （２）前記結晶体が成長する種結晶を支持すると共に、
    前記上端部を通して前記管状結晶体の内側から漏出可能
    な流体の量を制限するように前記管状結晶体の上端部を
    実質的に閉塞する種結晶ホルダ手段と、（３）前記管状
    結晶体、前記種結晶、及び前記種結晶ホルダ手段を前記
    形成手段から引上げるための引上げ手段と、を含む前記
    結晶体の成長手段と、 成長下にある前記管状結晶体の長さを表わす出力信号を
    送出する、前記形成手段に接続された長さ測定手段と、 前記種結晶ホルダ手段に対し上向きに作用している成長
    下にある前記管状結晶体の内部の圧力を表わす出力信号
    を送出する、前記形成手段に接続された圧力測定手段
    と、 成長下にある前記管状結晶体の重量を表わす出力信号を
    送出する、前記形成手段に接続された重量測定手段と、 前記長さ測定手段、前記圧力測定手段、前記重量測定手
    段、並びに前記加熱手段に接続され、前記長さ測定手段
    の出力信号、前記圧力測定手段の出力信号、及び前記重
    量測定手段の出力信号に基づいて前記加熱手段の動作を
    制御することにより、前記管状結晶体が確実に、略一様
    な壁部厚さを持つようにする、コントローラ手段と、 とを備える装置。
11. 【請求項１１】更に、前記コントローラ手段が、前記結
    晶体の形成が行なわれている間に任意の測定間隔で、該
    管状結晶体の実際の壁部厚さを算出する手段を、含んで
    いることを特徴とする、請求項10記載の装置。
12. 【請求項１２】溶融物を収容するためのるつぼと、 前記るつぼを加熱するための加熱手段と、 前記溶融物から管状結晶体を成長させるための成長手段
    を含み、 前記成長手段が、 （１）前記溶融物と連絡する前記るつぼにおいて、前記
    管状結晶体の形状を制御するための形成手段と、（２）
    その上に前記結晶体が成長する種結晶を支持するための
    種結晶ホルダ手段と、（３）前記管状結晶体、前記種結
    晶、及び前記種結晶ホルダ手段を前記形成手段から引上
    げるための引上げ手段とを備えている、型の装置を用い
    て、略々一様な壁部厚さを有する管状結晶体を成長させ
    る方法であって、 前記装置を操作して、前記形成手段によって支持された
    前記管状結晶体の、前記溶融物からの成長を開始し、 成長下の前記管状結晶体の現在長さを測定して、測定時
    間間隔Ｘに亙る前記管状結晶体の長さの変化分を表わす
    長さ値の変化を出力し、 前記管状結晶体の現在重量を測定して、前記測定時間間
    隔Ｘに亙る前記管状結晶体の重量の変化分を表わす重量
    値の変化を出力し、 前記長さ値の変化、前記重量値の変化、及び壁部厚さ変
    換定数Ｋを用いて、前記管状結晶体の実際の壁部厚さを
    表わす壁部厚さ値を算出して出力し、 前記実際の壁部厚さ値を所望の壁部厚さ値と比較し、 前記実際の壁部厚さ値が前記所望の壁部厚さ値より大き
    い場合には前記加熱手段の温度を上昇させ、又、 前記実際の壁部厚さが前記所望の壁部厚さ値より小さい
    場合には前記加熱手段の温度を低下させる、 ことを含む、管状結晶体を成長する方法。
13. 【請求項１３】溶融物を収容するためのるつぼと、 前記るつぼを加熱するための加熱手段と、 前記溶融物から中空結晶体を成長させるための成長手段
    を備え、前記成長手段が、（１）前記溶融物と連絡する
    前記るつぼにおいて、中空結晶体の前記成長の形状を制
    御する形成手段、（２）前記中空結晶体が成長する種結
    晶を支持するための種結晶ホルダ手段と、（３）前記中
    空結晶体、前記種結晶、及び前記種結晶ホルダ手段を前
    記形成手段から選択された速度で引上げるための引上げ
    手段とを備えており、 前記種結晶ホルダ手段が、前記上端部を通して前記中空
    結晶体の内側から漏出可能な流体の量を制限するように
    前記中空結晶体の上端部を実質的に閉塞するように構成
    されている、中空結晶体成長装置の動作を制御するため
    の制御装置であって、 成長下にある前記中空結晶体の長さを表わす出力信号を
    発生する、長さセンサ手段と、 前記中空結晶体、前記種結晶、及び前記種結晶ホルダ手
    段の重量を表わす出力信号を発生する、重量センサ手段
    と、 前記種結晶ホルダ手段へ上向きに作用している前記中空
    結晶体の内部の圧力による力を表わす出力信号を発生す
    る、圧力センサ手段と、 前記長さセンサ手段、前記重量センサ手段、前記圧力セ
    ンサ手段、並びに前記加熱手段に接続され、前記長さセ
    ンサ手段の出力信号、前記重量センサ手段の出力信号、
    及び前記圧力センサ手段の出力信号に応答して前記加熱
    手段の動作を制御することにより、成長下ある前記中空
    結晶体が確実に、略々一様な壁部厚さを持つようにす
    る、コントローラ手段とを備え、 前記コントローラ手段が、 前記重量センサ手段の出力信号と前記圧力センサ手段の
    出力信号とに応動して前記中空結晶体、前記種結晶、及
    び前記種結晶ホルダの真正の重量を表わす合成信号を発
    生する算出手段と、 前記種結晶及び前記種結晶ホルダ手段の真正の重量を表
    わすオフセット出力信号を出力する手段と、 前記合成信号と前記オフセット出力信号とを組合わせる
    ことによって、前記中空結晶体の真正の重量を表わす修
    正出力信号を発生する手段と、 前記修正出力信号と前記長さセンサ手段の出力信号とに
    応答して前記中空結晶体の実際の壁部厚さを表わす実際
    壁部厚さ信号を選択された時間間隔において発生する手
    段と、 所望の壁部厚さ値を表わす基準信号を提供する手段と、 前記基準壁部厚さ信号を前記実際壁部厚さ信号と比較
    し、（１）前記所望の壁部厚さ値が前記実際の壁部厚さ
    より小さいときには前記加熱手段へ第１制御信号を出力
    し、（２）前記所望の壁部厚さ値が前記実際の壁部厚さ
    より大きいときには前記加熱手段へ第２制御信号を出力
    する手段とを備える、中空結晶体成長装置の動作を制御
    するための制御装置。
14. 【請求項１４】前記形成手段は、前記るつぼと関連する
    キャピラリ・ダイを含み、前記引上げ手段は前記成長下
    にある管状結晶体を前記ダイから引上げる、ことを特徴
    とする請求項10に記載の装置。
15. 【請求項１５】前記形成手段は、前記管状結晶体が成長
    される多角形の横断面の形成要素を含み、さらに前記装
    置は、前記管状結晶体が前記形成要素の多角形の横断面
    に対応する多角形の横断面を持つように動作される、こ
    とを特徴とする請求項12に記載の方法。
16. 【請求項１６】前記成長下の管状結晶体の内部の現圧力
    を測定し、そして前記測定時間間隔Ｘを亙る前記成長下
    の管状結晶体の内部の圧力における変化を表す圧力値に
    おける変化を与え、そして 前記算出する段階は、長さ値における前記変化、重量値
    における前記変化、圧力値における前記変化および前記
    壁部厚さ変数定数Ｋを用いて前記実際の壁部厚さ値を与
    える段階を含む、 ことを特徴とする請求項12に記載の方法。
17. 【請求項１７】前記算出する段階は、前記重量値におけ
    る変化と前記圧力値における変化を用いて前記管状結晶
    体の真の重量を表す真の重量を計算する段階をさらに含
    む、ことを特徴とする請求項16に記載の方法。
18. 【請求項１８】溶融物を収容するためのるつぼと、 前記るつぼを加熱するための加熱手段と、 前記溶融物から管状結晶体を成長させるための成長手段
    を含み、 前記成長手段が、 （１）前記溶融物と連絡する前記るつぼにおいて、前記
    管状結晶体の形状を制御するための形成手段と、（２）
    その上に前記管状結晶体が成長する種結晶を支持するた
    めの種結晶ホルダ手段と、（３）前記成長下の管状結晶
    体を前記形成手段から引上げるための引上げ手段とを備
    えている、型の装置を用いて、略々一様な壁部厚さを有
    する管状結晶体を成長させる方法であって、 前記装置を操作して、前記形成手段によって支持された
    前記管状結晶体の、前記溶融物からの成長を開始し、 成長下の前記管状結晶体の現在長さを測定して、測定時
    間間隔Ｘに亙る前記管状結晶体の長さの変化を表わす情
    報を含む長さ信号の変化を出力し、 前記成長下の管状結晶体の現在重量を測定して、前記測
    定時間間隔Ｘに亙る前記成長下の管状結晶体の重量の変
    化を表わす情報を含む重量信号の変化を出力し、 前記長さ信号の変化、前記重量信号の変化、及び壁部厚
    さ変数定数Ｋを用いて、前記成長下の管状結晶体の実際
    の壁部厚さを表わす情報を含む重量信号の変化を計算し
    て出力し、 所望の壁部厚さを表す情報を含む所望の壁部厚さ信号を
    出力して、該所望の壁部厚さ信号と前記実際の壁部厚さ
    信号とを比較し、 前記実際の壁部信号における前記情報により表される前
    記実際の壁部厚さが前記所望の壁部厚さ信号における情
    報により表される前記所望の壁部厚さより大きい場合に
    は前記加熱手段の温度を上昇させ、そして、 前記実際の壁部信号における前記情報により表される前
    記実際の壁部厚さが前記所望の壁部厚さ信号における情
    報により表される前記所望の壁部厚さより小さい場合に
    は前記加熱手段の温度を下降させる、 各段階を含む、管状結晶体を成長する方法。
19. 【請求項１９】管状結晶体を成長させるための装置であ
    って、 溶融物を収容するためのるつぼと、 前記るつぼを加熱するための加熱手段と、 前記溶融物から前記管状結晶体を成長するための成長手
    段であって、（１）前記管状結晶体が成長する種結晶を
    支持する種結晶ホルダ手段と、（２）前記管状結晶体及
    び前記種結晶ホルダ手段を前記るつぼから引上げるため
    の引上げ手段と、を含み、 成長下にある前記管状結晶体の長さを表わす出力信号を
    発生する長さセンサ手段と、 成長下にある前記管状結晶体、前記種結晶および前記種
    結晶ホルダ手段の重量を表わす出力信号を発生する重量
    センサ手段と、 成長下にある前記管状結晶体の内部の圧力を表す出力信
    号を発生する圧力センサ手段と、 前記長さセンサ手段、前記重量センサ手段、前記圧力セ
    ンサ手段、並びに前記加熱手段に接続され、前記長さセ
    ンサ手段の出力信号、前記重量センサ手段の出力信号、
    及び前記圧力センサ手段の出力信号に応答して前記装置
    の動作を制御することにより、前記成長下の管状結晶体
    が確実に、略一様な壁部厚さを持つように制御する、コ
    ントローラ手段と、 とを備える管状結晶体を成長させるための装置。