JP2814035B2

JP2814035B2 - 半導体単結晶の直径制御方法およびその装置

Info

Publication number: JP2814035B2
Application number: JP15140492A
Authority: JP
Inventors: 吉信平石
Original assignee: コマツ電子金属株式会社
Priority date: 1992-05-19
Filing date: 1992-05-19
Publication date: 1998-10-22
Anticipated expiration: 2013-10-22
Also published as: JPH05319979A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、シリコン等の半導体単
結晶の成長時における外形寸法を制御する方法および装
置に係り、特にチョクラルスキー法によって製造する単
結晶の直径を光学的に計測して直径を制御する半導体単
結晶の直径制御方法および制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体単結晶の大規模な工業生産におい
ては、単結晶を成長させつつ引き上げる、いわゆるチョ
クラルスキー法が広く行われている。そして、チョクラ
ルスキー法により結晶を成長させる場合、単結晶と融液
との界面にブライトリングと呼ばれる周囲より高輝度の
部分が出現し、従来はこのブライトリングの大きさを次
のように計測し、成長する単結晶の直径を制御してい
る。

【０００３】すなわち、従来は、図６（Ａ）に示したよ
うに、まず成長している単結晶１０の周囲に現れるブラ
イトリング１２をテレビカメラによって撮像し、撮像し
たブライトリング１２をモニタテレビ１４の画面に映し
出す。そして、モニタ画面上の予め定めた特定の走査線
をサンプリングライン１６として選択し、この走査線
（サンプリングライン）１６の部分において得られた図
６（Ｂ）のようなビデオ信号を、適当な閾値によって図
６（Ｃ）のように２値化する。次に、図６（Ｄ）のよう
に、２値化した信号からサンプリングライン１６と交わ
るブライトリング１２の円弧の幅に相当する信号を作
り、この幅を図６（Ｅ）のようにクロックパルスによっ
て計測して単結晶１０の直径に比例した測定値を得る。
その後、この測定値をＤ／Ａ変換したり、ディジタル値
のままＰＩＤ演算し、単結晶１０の引き上げ速度やヒー
タ温度などのパラメータを制御して単結晶１０の直径を
制御していた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
サンプリングライン１６を特定の走査線に固定してブラ
イトリング１２の円弧幅を計測する方法は、主に次のよ
うな３つの欠点を有している。

【０００５】（１）単結晶１０がテレビカメラの前後方
向に揺れると、単結晶１０の揺れに伴ってブライトリン
グ１２のモニタ画面上の位置が変動し、図７（Ａ）に示
したようにサンプリングライン１６に対するブライトリ
ング１２の位置が変わり、図７（Ｂ）、（Ｃ）のように
直径を制御するためのパルス幅が変化し、あたかも単結
晶１０の直径が変化したような計測情報が制御装置に入
力する。この結果、制御装置は、単結晶の引き上げ速度
や融液の温度を変化させることになり、単結晶１０の直
径が変動したり、品質を低下させる原因となる。このこ
とは、特にワイヤーロープ等を用いて単結晶１０を引き
上げる装置で発生しやすい。

【０００６】（２）融液の液面高さが変化すると、例え
ば図８（Ａ）のように融液の液面１８の高さが実線の位
置から一点鎖線の位置に低下すると、テレビカメラ２０
は固定してあるため、撮像したブライトリング１２上の
サンプリングライン１６の位置がｄだけ変化したと同じ
効果を生じ、図８（Ｂ）に示したようにブライトリング
１２の計測位置がずれ、制御装置は単結晶１０の直径が
変化したように作動する。このため、単結晶１０の直径
の制御精度が悪化し、場合によっては単結晶１０がテー
パ状となって歩留りが著しく悪くなる。

【０００７】（３）通常、液面１８の高さは、石英るつ
ぼの形状のばらつき、黒鉛るつぼの使用に伴う肉減、変
形等のため、引き上げバッチごとに変化し、テレビカメ
ラ２０によって撮像したブライトリング１２の円弧幅の
計測値を実際の結晶直径に変換する定数が引き上げバッ
チごとに異なる。この液面高さのばらつきは、石英るつ
ぼが大型化するのに伴って大きくなっており、近年の大
型の装置では１０〜２０ｍｍに達している。このため、
従来は、図９（Ａ）のようにオペレータが望遠鏡２２に
より成長中の単結晶１０を観察し、図９（Ｂ）のように
望遠鏡２２の照準２４を単結晶１０のエッジに合わせ、
両側のエッジを観察したときの望遠鏡２２の移動量をス
ケール２６によって読み取って実際の単結晶１０の直径
を求め、この直読した直径が設定直径になったときのテ
レビカメラ２０によるブライトリング円弧幅の測定値を
制御基準値としている。ところが、オペレータによる望
遠鏡２２を用いた再現性の高い直径の測定は、熟練を要
し、個人差も大きく、また自動化が困難であって、制御
基準値を定めるのに時間がかかる。

【０００８】ところで、上記の問題点は、図１０（Ａ）
のようにサンプリングライン（走査線）１６をこのサン
プリングラインに平行した結晶中心線２８に近づけるこ
とにより、理論的には軽減することができる。すなわ
ち、単結晶１０が揺れたり、融液の液面が変化して、ブ
ライトリング１２とサンプリングライン１６との相対位
置がｄだけ変化したとすると、図１０（Ｂ）の実線に示
したように、サンプリングライン１６がブライトリング
１２の中心から比較的遠い位置にある場合には、ブライ
トリング１２の計測幅が片側でｂ₁だけ変化し、サンプ
リングライン１６の設定位置が結晶中心線２８に比較的
近い場合には、ブライトリング１２の計測幅がｂ₂だけ
変化し、サンプリングライン１６が中心線２８に近い方
がブライトリングの円弧幅の変化の割合が遙かに小さ
い。

【０００９】しかし、実際の結晶成長においては、単結
晶１０の直径は絶えず変動する。そして、テレビカメラ
２０は、ブライトリング１２を斜め上方から撮像するよ
うになっており、図１０（Ｃ）のように単結晶１０の直
径が急に小さくなった場合、テレビカメラ２０によって
撮像したブライトリング１２の結晶中心線２８に近い上
端部が単結晶１０の影に隠れることがある。このため、
サンプリングライン１６を中心線２８の近くに設定する
と、サンプリングライン上でのブライトリング１２の円
弧幅を測定できない場合を生じ、円弧幅の計測が不安定
となり、直径制御に大きな影響を与える。

【００１０】このように、ブライトリング１２の円弧幅
の測定値の精度向上と、測定の安定性の向上とは相反し
ている。そして、一般的には、直径の制御を安定して行
えるように測定の安定性を重視し、サンプリングライン
１６を結晶中心線２８から離した位置に設定し、ある程
度ブライトリングの円弧幅の測定精度を犠牲にしてい
る。

【００１１】そこで、これらの問題点を解決する試みが
なされており、例えば特開昭６２−２４１８９０号公報
には、サンプリングラインをテレビ表示面上に表示した
ブライトリングに対して画面の上から下に周期的に移動
させ、ブライトリングの円弧がサンプリングラインと交
わる２点間の距離が最大となる長さを求め、これを単結
晶の直径として直径制御に供する方法が開示してある。

【００１２】この方法は、サンプリングラインの移動周
期を単結晶１０の揺れの周期より充分小さくすることに
より、揺れによる測定値の変動をほとんど無視すること
ができる。すなわち、単結晶の直径は、サンプリングラ
インがサンプリングラインと平行した単結晶の中心軸上
にあるときに計測される値であるため、単結晶が揺れて
も直径を求めるときのサンプリングラインと単結晶との
位置関係が変化しないことによる。

【００１３】しかし、特開昭６２−２４１８９０号公報
に記載の方法は、前記したように単結晶１０の直径が急
に小さくなった場合、図１０（Ｄ）に破線をもって示し
たように、ブライトリング１２のサンプリングライン１
６に平行した中心線２８に近い部分が単結晶１０の下部
に隠れ、撮像したブライトリング１２の円弧最大幅が単
結晶１０の直径と異なったところとなってしまう。この
ため、直径の測定値が実際以上に小さな値となり、また
過渡的に不安定な出力を発生し、直径の制御を不安定に
することが多い。また、特開昭６２−２４１８９０号公
報に記載の具体的な制御は、コンピュータによる画像処
理技術を応用したもので、制御に必要な処理速度を得る
ためには、非常に高価で大型のシステムを必要とし、実
用的でない。

【００１４】本発明は、前記従来技術の欠点を解消する
ためになされたもので、引き上げ中の単結晶の揺れや液
面の変動の影響を小さし、直径の制御精度を向上できる
半導体単結晶の直径制御方法を提供するとともに、その
方法を実施するための半導体単結晶の直径制御装置を提
供することを目的としている。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明に係る半導体単結晶の直径制御方法の第１
は、融液から引き上げつつある単結晶と前記融液との境
界部に生ずるブライトリングの所定位置における円弧幅
を計測して前記単結晶の直径を制御する半導体単結晶の
直径制御方法において、前記ブライトリングの端部か
ら、予め定めた距離を隔てた位置における割線と交わる
位置の前記ブライトリングの円弧幅を計測し、この計測
値を予め定めた基準値と一致させることを特徴としてい
る。

【００１６】また、本発明に係る制御方法の第２は、融
液から引き上げつつある単結晶と前記融液との境界部に
生ずるブライトリングの端部から、予め定めた距離を隔
てた位置における割線と前記ブライトリングとによって
形成される弓形形状の面積を計測し、この計測値を基準
値に一致させることを特徴としている。

【００１７】そして、上記の第１の制御方法を実施する
ための半導体単結晶の直径制御装置は、融液から引き上
げつつある単結晶と前記融液との境界部に生ずるブライ
トリングを撮像する撮像部を備え、撮像したブライトリ
ングの所定位置における円弧幅を計測して前記単結晶の
直径を制御する半導体単結晶の直径制御装置において、
前記撮像部が撮像した前記ブライトリングの予め定めた
端部を検出するリング検出部と、このリング検出部が検
出した前記端部から、予め定めた距離を隔てた位置を通
り、前記ブライトリングを横切る割線を求める計測位置
検出部と、この計測位置検出部が求めた前記割線と交わ
った位置における前記ブライトリングの円弧幅を計測す
るリング幅計測部とを有する構成となっている。

【００１８】リング幅計測部は、割線に平行した複数の
直線と交わった位置におけるブライトリングの各円弧幅
を計測し、その平均値を演算するようにしてもよい。

【００１９】第２の制御方法を実施する半導体単結晶の
直径制御装置は、第１の方法を実施するための前記リン
グ幅計測部に代えて、前記計測位置検出部が求めた前記
割線と前記ブライトリングとが形成する弓形形状の面積
を求める面積計測部を設けた構成となっている。

【００２０】いずれの装置においても、撮像部としてテ
レビカメラを使用でき、割線は走査線であってよい。そ
して、計測位置検出部は走査線を計数して予め定めた距
離を計測するようにすることができる。また、撮像部
は、テレビカメラを上下逆に設置したり、プリズムなど
の光学系によってテレビカメラに上下逆の像が入力する
ようにする等して、上下逆の映像を出力させるように
し、検出するブライトリングの端部を撮像したブライト
リングの上端とすることが望ましい。

【００２１】

【作用】上記の如く構成した本発明の直径制御方法の第
１は、従来の方法が撮像したブライトリングの円弧幅を
検出するためのサンプリングラインを固定または周期的
に移動させていたのに対し、単結晶との位置関係が一定
であるブライトリングの割線上のブライトリングの円弧
幅を測定し、これを制御対象となる単結晶の直径に比例
した値として基準値と比較する。単結晶と一定の位置関
係にあるサンプリングラインとなる割線は、図１１
（Ａ）に示したように、撮像したブライトリング１２の
一端ｃまたは他端ｅ₁、ｅ₂から予め定めた距離ｈまた
は距離ｉだけ隔てた位置にあるものである。

【００２２】ただし、基準となる他端ｅ₁、ｅ₂は、単
結晶の直径の変化や単結晶の変形、揺れなどにより、単
結晶との相対位置（前記した結晶中心軸との相対位置）
が変化して不安定であるため、距離ｉを一定に保ったと
してもサンプリングライン１６である割線の単結晶に対
する相対位置が不安定となり、安定したブライトリング
１２の円弧幅の計測を困難にする。これに対して端ｃ
は、ブライトリング１２を正面から見る位置にあるた
め、単結晶に対する相対位置が安定しており、距離ｈだ
け隔たった割線（サンプリングライン１６）の単結晶に
対する位置が安定し、サンプリングライン１６とブライ
トリング１２とが交わる円弧幅である点ａ、ｂ間の距離
ｓ₀の計測を安定して行うことができ、単結晶の直径に
比例したブライトリング１２の円弧幅の測定精度の向上
が図れ、直径制御の精度を高めることができる。

【００２３】具体的には、従来のブライトリング１２の
円弧幅を検出する場合と同様に、適当な輝度レベルの閾
値を定めておき、撮像した各画面を走査して図１１
（Ａ）のブライトリング１２の端ｃを通る走査線を求
め、この走査線を距離ｈを測定するための起点とする。
そして、端ｃから走査線の数を計数して距離ｈを計測
し、この位置における走査線をサンプリングライン１６
となるブライトリング１２の割線とする。次に、この割
線（サンプリングライン１６）と交わるブライトリング
１２の円弧幅ｓ₀を計測し、単結晶の直径に比例した円
弧幅ｓ₀を基準値に保つようにする。これにより、種々
の原因で画面上のブライトリング１２が上下に変動した
としても、単結晶に対してほぼ同じ位置のブライトリン
グの円弧幅ｓ₀を測定することが可能となり、直径制御
の精度を向上できる。

【００２４】なお、テレビカメラを上下逆に配置する等
により、撮像したブライトリング１２が図１１（Ｂ）の
ように上下逆になるようにするとよい。このように、上
下逆の映像を得ると、走査線を計数して距離ｈを求める
際に、水平同期パルスを逐次的にカウントし、このカウ
ント値を設定値と比較することにより、所定位置の走査
線を容易に求めることができ、極めて簡単な電子回路に
よって距離ｈの計測ができる。また、図１１（Ｂ）のよ
うに、ブライトリング１２の端ｃから距離ｈにある走査
線（サンプリングライン１６）を起点にして、予め設定
した複数本（例えば５０本）の走査線と交わるブライト
リング１２の円弧幅を計測し、その平均値を求めれば、
ブライトリング１２の円弧幅ｓ₀のさらに安定した測定
が可能となり、単結晶直径の制御精度をより向上でき
る。

【００２５】本発明の第２の制御方法においては、図１
１（Ｃ）に示したように、ブライトリング１２の一端ｃ
から距離ｈの位置の割線（走査線）と、ブライトリング
１２とによって囲まれた弓形形状の面積Ｓ₀を計測し、
基準値に一致させる。この面積Ｓ₀は、単結晶の直径の
変動幅が小さい範囲では直径に比例すると考えられるの
で、面積Ｓ₀を計測することにより単結晶直径を制御す
ることができる。この方法は、単結晶の成長の際に、一
般的に見られる晶癖線や単結晶の真円からの歪み等によ
る計測値にあたえる影響を小さくすることができる。そ
して、面積Ｓ₀の測定は、端ｃとサンプリングライン１
６との間にある走査線のブライトリング１２と交わる長
さを積算することにより、容易に求めることができる。

【００２６】

【実施例】本発明に係る半導体単結晶の直径制御方法お
よび直径制御装置の好ましい実施例を、添付図面に従っ
て詳説する。なお、前記従来技術において説明した部分
に対応する部分ついては、同一の符号を付し、その説明
を省略する。

【００２７】図２は、本発明の半導体単結晶の直径制御
装置の実施例の説明図である。図２において、ステンレ
ス鋼製の真空容器３０の中央部には、黒鉛製のペデスタ
ル３２によって支持した黒鉛るつぼ３４が配置してあ
る。また、黒鉛るつぼ３４は、内部に石英ガラスるつぼ
３６が設けてあって、この石英ガラスるつぼ３６の中
に、単結晶１０の原料となるＳｉ等の半導体多結晶を融
解した融液３８が入っている。

【００２８】石英ガラスるつぼ３６の上方には、ステン
レス鋼製のシャフト４０が配置してある。シャフト４０
は、下端に種結晶４２を保持するチャック４４が装着し
てあり、上端が引上装置４６に接続してあって、引上装
置４６によって矢印４８の如く回転させられるととも
に、単結晶１０の成長に合わせて矢印５０のように引き
上げられる。そして、黒鉛るつぼ３４を支持しているペ
デスタル３２は、矢印５２のように回転してるつぼ３
４、３６をシャフト４０の回転方向と反対方向に回転さ
せ、融液３８に攪拌効果を与えるとともに、融液３８の
液面の低下に合わせて矢印５４のようにるつぼ上昇さ
せ、融液３８の液面をテレビカメラ２０に対して一定位
置に保持するようにしている。

【００２９】黒鉛るつぼ３４の周囲には、黒鉛製のヒー
タ５６が設けてあり、石英ガラスるつぼ３６中の多結晶
を融解し、融液３８を所定温度に保持するようにしてあ
る。また、ヒータ５６の周囲には、黒鉛製の断熱材５８
が配設してあり、真空容器３０をヒータ５６の熱から保
護するとともに、融液３８の温度変動を小さくするよう
にしてある。

【００３０】一方、真空容器３０の肩部には、のぞき窓
６０が形成してある。そして、のぞき窓６０と対向した
位置には、テレビカメラ２０が固定してあり、単結晶１
０と融液３８との境界部に生ずるブライトリング１２を
撮像できるようにしてある。このテレビカメラ２０は、
実施例の場合、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）を水平方向
に５１０素子、垂直方向に４９２素子配置した、いわゆ
るＣＣＤカメラによって構成してあり、焦点距離が５５
ｍｍのレンズが装着してあって、各ＣＣＤの出力信号が
カメラコントローラ６０に入力するようになっている。
なお、テレビカメラ２０はＣＣＤカメラに限定されない
のは勿論であり、またできるだけ単結晶１０の軸線との
角度が小さくなるように配置することが望ましく、２０
度程度以下にするとよい。

【００３１】カメラコントローラ６０は、テレビカメラ
２０からの信号をビデオ信号に変換し、モニタテレビ１
４と詳細を後述する直径測定回路６２とに出力する。な
お、テレビカメラ２０は上下が逆に配置してあり、モニ
タテレビ１４に映し出された映像の上下が逆となるよう
になっている。すなわち、モニタテレビ１４に映し出さ
れた円弧状のブライトリング１２は、弦側を下にして単
結晶１０の上方に映し出される。これは後述するブライ
トリング１２の円弧幅の計測を容易にするためであっ
て、上下逆の映像がモニタをする上で不便な場合には、
モニタテレビ１４を上下逆に設置すればよく、本質的な
欠点ではない。

【００３２】カメラコントローラ６０からビデオ信号を
受ける直径測定回路６２の出力側には、直径制御装置６
４が接続してある。直径制御装置６４は、直径測定回路
６２の出力信号に基づいて、ヒータ５６の出力を制御す
る温度制御器６６と引上装置４６の駆動を制御する引上
装置制御器６８とに制御信号を出力する。

【００３３】直径測定回路６２は、図１に示したブライ
トリング１２の円弧幅を計測する第１実施例のブライト
リング測定部７０を有している。このブライトリング測
定部７０は、ブライトリング１２の端部を検出するリン
グ検出部８０と、前記したブライトリング１２の端ｃか
ら予め定めた距離ｈを求める計測位置検出部９０と、円
弧状に撮像されたブライトリング１２の円弧幅を求める
リング幅計測部１１０とから構成してある。

【００３４】リング検出部８０は、カメラコントローラ
６０からのビデオ信号（ＶＩＤＥＯ）が入力するバッフ
ァ回路８２、バッファ回路８２の出力側に接続してあ
り、ビデオ信号を２値化するための閾値を設定するスラ
イスレベル設定器８４、このスライスレベル設定器８４
とバッファ回路８２との出力信号が入力し、スライスレ
ベル設定器８４に設定した閾値を超えたビデオ信号が入
力したときにパルスを出力するコンパレータ８６とから
なっている。

【００３５】また、計測位置検出部９０は、カメラコン
トローラ６０から垂直同期信号Ｖ．Ｄが入力するインバ
ータ９２、水平同期信号Ｈ．Ｄが入力するインバータ９
４、インバータ９２の出力がリセット端子に入力し、リ
ング検出部８０のコンパレータ８６の出力信号がセット
端子に入力するフリップフロップ９６、このフリップフ
ロップ９６とインバータ９４との出力信号が入力するＮ
ＡＮＤ回路９８を有している。さらに、計測位置検出部
９０には、走査線を計数するための走査線カウンタ１０
０、ディジタルスイッチ１０２に設定した前記した距離
ｈに相当する走査線数Ｂと走査線カウンタ１００の計数
値Ａとを比較するディジタルコンパレータ１０４、この
ディジタルコンパレータ１０４の出力信号が入力するフ
リップフロップ１０６が設けてある。そして、走査線カ
ウンタ１００には、インバータ９２が出力した垂直同期
信号Ｖ．Ｄがリセット信号として入力するようになって
いる。

【００３６】リング幅計測部１１０には、リング検出部
８０のコンパレータ８６が出力した信号に基づいて所定
の矩形波を生成する波形変換器１１２と、図示しないク
ロック回路が出力するクロック信号（ＣＬＯＣＫ）が入
力するインバータ１１４と、このインバータ１１４と波
形変換器１１２との出力信号が入力するＮＡＮＤ回路１
１６、およびこのＮＡＮＤ回路１１６と計測位置検出部
９０のフリップフロップ１０６の出力信号とが入力する
ＮＡＮＤ回路１１８が設けてある。また、リング幅計測
部１１０には、ＮＡＮＤ回路１１８が出力したパルスを
計数する幅計測用カウンタ１２０、このカウンタ１２０
のリセット端子に接続した遅延回路１２２、幅計測用カ
ウンタ１２０の計数値を一時的に保持するラッチ回路１
２４、ラッチ回路１２４が出力したディジタル値をアナ
ログ値に変換するＤ／Ａ変換器１２６、Ｄ／Ａ変換器１
２６の出力側に接続したフィルタ１２８が設けてある。
そして、幅計測用カウンタ１２０は、遅延回路１２２を
介して入力する垂直同期信号Ｖ．Ｄによってリセットさ
れ、またラッチ回路１２４は垂直同期信号Ｖ．Ｄの入力
により、幅計測用カウンタ１２０が出力した計数値をラ
ッチする。

【００３７】上記の如く構成した実施例の作用は、次の
とおりである。テレビカメラ２０は前記したように上下
が逆に固定してあり、真空容器３０内の単結晶１０と融
液３８との境界部を撮像し、画像信号をカメラコントロ
ーラ６０に送出する。カメラコントローラ６０は、テレ
ビカメラ２０が出力した信号をビデオ信号に変換し、モ
ニタテレビ１４と直径測定回路６２とに出力する。そし
て、モニタテレビ１４には、図に示したように上下が逆
になった画像が映し出される。

【００３８】一方、直径測定回路６２は、ブライトリン
グ測定部７０にカメラコントローラ６０の出力信号が入
力してくる。すなわち、ブライトリング測定部７０のリ
ング検出部８０に設けたバッファ回路８２には、カメラ
コントローラ６０の出力したビデオ信号が入力してく
る。そして、バッファ回路８２は、カメラコントローラ
６０からのビデオ信号をスライスレベル設定器８４とコ
ンパレータ８６とに入力する。

【００３９】スライスレベル設定器８４には、ビデオ信
号を２値化してブライトリング１２を検出するための閾
値、例えばビデオ信号の平均値と最大値との間の任意の
値を設定できるようになっており、その閾値をコンパレ
ータ８６に出力する。また、コンパレータ８６は、バッ
ファ回路８２からのビデオ信号とスライスレベル設定器
８４が出力した閾値とを比較し、ビデオ信号が閾値を超
えると、ブライトリング１２の検出信号として“Ｈ”を
リング幅計測部１１０の波形変換器１１２と計測位置検
出部９０のフリップフロップ９６とに送出する。すなわ
ち、コンパレータ８６は、順次入力してくる走査線の１
つが図１１（Ｂ）に示したブライトリング１２の一端ｃ
を通り、その走査線部分のビデオ信号に閾値を超えた部
分が存在すると、ブライトリング１２を検出したことを
示すパルスを出力する。さらに、コンパレータ８６は、
順次入力する走査線がブライトリング１２と交差する
と、その走査線部分のビデオ信号のうち、閾値を超えて
いる部分に相当した幅のパルス信号を出力する。

【００４０】計測位置検出部９０のフリップフロップ９
６は、インバータ９２から入力してくる垂直同期信号
Ｖ．Ｄによってリセットされるようになっており、リン
グ検出部８０のコンパレータ８６が出力したブライトリ
ング１２の一端ｃを検出した信号によりセットされ、垂
直同期信号Ｖ．Ｄが入力するまで図示したような連続し
た“Ｈ”をＮＡＮＤ回路９８に出力する。このＮＡＮＤ
回路９８には、さらにインバータ９４を介して水平同期
信号Ｈ．Ｄが入力してくる。このため、ＮＡＮＤ回路９
８は、インバータ９２が反転して“Ｈ”にした水平同期
信号Ｈ．Ｄが入力する毎に“Ｌ”を走査線カウンタ１０
０に出力する。

【００４１】走査線カウンタ１００は、ＮＡＮＤ回路９
８から入力してくる“Ｌ”、すなわち水平同期信号Ｈ．
Ｄに基づいて走査線の数Ａを計数し、計数値Ａをディジ
タルコンパレータ１０４に送る。ディジタルコンパレー
タ１０４には、走査線カウンタ１００の出力信号ととも
に、ディジタルスイッチ１０２の出力信号が入力するよ
うになっている。このディジタルスイッチ１０２には、
図１１（Ｂ）に示した距離ｈに等しい走査線の数Ｂが設
定してある。

【００４２】ディジタルコンパレータ１０４は、走査線
カウンタ１００の計数値Ａがディジタルスイッチ１０２
に設定した数Ｂに等しくなると、フリップフロップ１０
６にセット信号を出力してフリップフロップ１０６に
“Ｈ”を出力させ、走査線カウンタ１００の計数値Ａが
ディジタルスイッチ１０２の設定値Ｂを超えると、フリ
ップフロップ１０６にリセット信号を出力してフリップ
フロップ１０６に“Ｌ”を出力させる。すなわち、フリ
ップフロップ１０６は、走査線カウンタ１００が距離ｈ
に等しい数の走査線を計数してＡ＝Ｂになるとリング幅
計測部１１０のＮＡＮＤ回路１１８に出力する信号が
“Ｈ”となり、走査線カウンタ１００が次の走査線を計
数してＡ＞Ｂになると出力信号が“Ｌ”となり、図１１
（Ｂ）のサンプリングライン１６に等しい走査線のとき
だけ“Ｈ”を出力する。そして、走査線カウンタ１００
は、リセット端子にインバータ９２が出力する垂直同期
信号Ｖ．Ｄが入力するようになっており、１／２フレー
ム（１／２画面）毎にリセットされる。

【００４３】一方、リング幅計測部１１０の波形変換器
１１２は、１本の走査線部がブライトリング１２と２ヵ
所において交わり、コンパレータ８６が２つのパルス
（“Ｈ”）を出力すると、１つ目のパルスの立ち上がり
において“Ｈ”となり、２つ目のパルスの立ち下がりに
おいて“Ｌ”となる。すなわち、波形変換器１１２は、
図１１（Ｂ）に示した任意の走査線と交わるブライトリ
ング１２の円弧幅の長さに対応した幅のパルスをＮＡＮ
Ｄ回路１１６に出力する。なお、波形変換器１１２は、
走査線がブライトリング１２と１ヵ所でしか交わらず、
コンパレータ８６が１つのパルスしか出力しないときに
は、水平同期信号Ｈ．Ｄなどによりリセットされるよう
になっている。

【００４４】ＮＡＮＤ回路１１６には、波形変換器１１
２の出力とともに、インバータ１１４を介してクロック
信号を入力する。従って、ＮＡＮＤ回路９８は、波形変
換器１１２の出力が“Ｈ”であって、インバータ１１４
の出力信号が“Ｈ”のときに“Ｌ”をＮＡＮＤ回路１１
８に出力し、インバータ１１４の出力信号が“Ｌ”のと
きに“Ｈ”をＮＡＮＤ回路１１８に出力する。このた
め、ＮＡＮＤ回路１１８は、ブライトリング１２の一端
ｃから距離ｈだけ隔てた走査線（サンプリングライン１
６）について、この走査線のブライトリング１２の円弧
幅の両端と交わる長さに対応した数の“Ｌ”信号を幅計
測用カウンタ１２０に出力する。

【００４５】すなわち、ＮＡＮＤ回路１１８は、走査線
カウンタ１００がサンプリングライン１６となる走査線
を計数したときにだけフリップフロップ１０６から
“Ｈ”を受け、フリップフロップ１０６が“Ｈ”を出力
している間にＮＡＮＤ回路１１６が“Ｈ”を出力する
と、ＮＡＮＤ回路１１６から“Ｈ”が入力してくる毎
に、幅計測用カウンタ１２０に“Ｌ”を出力し、サンプ
リングライン１６のブライトリング１２の円弧幅の両端
間の長さｓ₀に対応した数の“Ｌ”を幅計測用カウンタ
１２０に送る。

【００４６】幅計測用カウンタ１２０は、ＮＡＮＤ回路
１１８が出力した“Ｌ”の数を計数し、単結晶１０の直
径に比例するブライトリング１２の円弧幅ｓ₀に対応し
た計数値をラッチ回路１２４に送出する。そして、ラッ
チ回路１２４は、垂直同期信号Ｖ．Ｄが入力すると、幅
計測用カウンタ１２０の出力した計数値をラッチし、幅
計測用カウンタ１２０が計数値を出力するまで保持す
る。このラッチ回路１２４が保持しているブライトリン
グ１２の円弧幅に対応した計数値は、Ｄ／Ａ変換器１２
６によってアナログ値に変換され、フィルタ１２８を介
して直径制御装置６４に出力される。なお、幅計測用カ
ウンタ１２０は、遅延回路１２２を介して所定時間遅れ
て入力してきた垂直同期信号Ｖ．Ｄによってリセットさ
れる。幅計測用カウンタ１２０に入力する垂直同期信号
Ｖ．Ｄの遅延時間は、ラッチ回路１２４による計数値の
ラッチ動作時間を考慮して定められる。

【００４７】直径制御装置６４は、直径測定回路６２の
リング幅計測部１１０が出力したアナログ値を予め定め
た基準値と比較して両者の偏差を求め、この偏差に基づ
いて所定の制御規則に従いって測定した円弧幅ｓ₀が基
準値となるような融液３８の補正温度を求めて温度制御
器６６に出力するとともに、引上装置４６の結晶引上速
度を算出して引上装置制御器６８に送出する。そして、
温度制御器６６は、直径制御装置６４が出力した制御信
号に基づいてヒータ５６の温度を制御し、融液３８の温
度を補正する。また、引上装置制御器６８は、直径制御
装置６４の指示に従って引上装置４６の結晶引上速度を
制御する。

【００４８】図３は、上記の測定方法によるブライトリ
ング１２の円弧幅ｓ₀と直径との関係を、ブライトリン
グ１２を真円と見なして計算により確認した結果を示し
たものである。テレビカメラ２０は、一般にブライトリ
ング１２の斜め上方に設置してあるため、撮像したブラ
イトリング１２は真円とならず、上下にやや潰れた楕円
に見えるはずである。しかし、ブライトリング１２の端
ｃからの距離ｈをブライトリング１２の半径の１／２以
上に設定すると、撮像したブライトリング１２は実用
上、真円と考えてよい。

【００４９】計算例では、ｈ＝４５ｍｍとｈ＝６０ｍｍ
との２通りについて求めてある。いずれの場合も単結晶
１０の直径の制御範囲では、測定値と実直径との非直線
性は１％以下であった。そして、図１に示したブライト
リング測定部７０の出力信号を従来の単結晶直径制御装
置に入力し、直径６インチの単結晶１０の引き上げを行
った。その結果、直径測定器の感度を従来の方法の場合
と同一になるように出力電圧を調整して行ったにもかか
わらず、単結晶１０の揺れや変形による影響を小さくで
きるため、直径制御を安定に行うことができ、特に引き
上げ速度の変動を従来の方法の７０％以下にすることが
できた。また、直径精度は、従来のようにオペレータに
よる望遠鏡を用いたキャリブレーションを行わなかった
場合であっても、設定直径の±１％以下であった。従っ
て、ブライトリング１２を真円としても、実用上の問題
をほとんど生じない。

【００５０】このように、実施例においては、ブライト
リング１２の一端ｃから距離ｈにある走査線（割線）を
サンプリングライン１６とし、このサンプリングライン
１６上のブライトリング１２の円弧幅ｓ₀を求め、この
ｓ₀に基づいて単結晶１０の直径を制御するようにして
いるため、測定の安定性が確保できるばかりでなく、単
結晶１０に対するサンプリングライン１６の相対位置が
安定し、円弧幅ｓ₀の計測精度が高まり、単結晶直径の
制御精度を向上することができる。

【００５１】すなわち、実施例においては、ブライトリ
ング１２の円弧幅を安定して検出することができるとこ
ろから、単結晶１０の直径制御が安定して行え、引き上
げ速度の変動が小さくなって単結晶１０の品質が安定す
る。また、実施例は、ブライトリング１２の円弧幅の測
定精度が向上するため、間接的に単結晶１０の直径測定
精度が向上し、直径指定径からはずれることに起因する
不良が減少し、製造コストを低減することができる。

【００５２】さらに、実施例は、従来のようにバッチ毎
にオペレータによる望遠鏡を用いた直径測定のキャリブ
レーションを行う必要がなく、キャリブレーション作業
を省略できてオペレータの負担を軽減することができ
る。しかも、テレビカメラ２０は上下逆の画像信号を出
力するため、水平同期信号Ｈ．Ｄを逐次計数して距離ｈ
を求めることができ、ブライトリング測定部７０の回路
構成を極めて簡素にするとができる。

【００５３】なお、前記実施例においては、距離ｈを計
測するために走査線の数を計数し、円弧幅ｓ₀を求める
ためにパルス数を計数した場合について説明したが、こ
れらは画素数を計数して求めてもよい。また、前記実施
例においては、ラッチ回路１２４が出力したディジタル
値をアナログ値に変換する場合について説明したが、デ
ィジタル値のまま直径制御装置６４に入力してもよい。
さらに、前記実施例においては、テレビカメラ２０を上
下逆に設置して上下逆の映像を得るようにした場合を説
明したが、プリズムや鏡等の光学系により上下逆の像が
テレビカメラ２０に入るようにしてもよい。

【００５４】そして、前記実施例においては、サンプリ
ングライン１６上のブライトリング１２の円弧幅を計測
した場合について説明したが、ブライトリング測定部７
０のカウンタを追加して、図１１（Ｂ）に示したように
複数の走査線によって切断されたブライトリング１２の
円弧幅を測定し、その平均値を求めるようにしてもよ
い。このように平均値を求めると、より安定したブライ
トリング１２の円弧幅の測定が可能となり、単結晶１０
の直径をより高精度に制御することができる。

【００５５】図４は、第２実施例に係るブライトリング
測定部の回路図である。本実施例のブライトリング測定
部１３０は、図１に示した第１実施例のブライトリング
測定部７０に代えて直径測定回路６２に設けられるもの
で、ブライトリング１２とサンプリングライン１６とに
よって形成した弓形形状の面積を求めるようになってい
る。また、第２実施例ののブライトリング測定部１３０
は、第１実施例のブライトリング測定部７０とほとんど
同じであり、ブライトリング測定部１３０の測定範囲検
出部１３２がブライトリング測定部７０の計測位置検出
部９０とわずかに異なり、第２実施例のリング検出部８
０と面積測定部１３４とは、第１実施例のリング検出部
８０とリング幅計測部１１０と同じに構成してある。そ
して、第２実施例の測定範囲検出部１３２と第１実施例
の計測位置検出部９０とでは、フリップフロップ１０６
の入力信号が相違するだけである。ただし、リング幅計
測部１１０の幅計測用カウンタ１２０に相当する面積測
定部１３４のカウンタ１３６は、面積測定用として使用
される。

【００５６】この第２実施例のブライトリング測定部１
３０においては、測定範囲検出部１３２のフリップフロ
ップ１０６のセット端子にリング検出部８０のコンパレ
ータ８６からの出力信号が入力するようになっており、
ディジタルコンパレータ１０４の出力信号は、フリップ
フロップ１０６のリセット端子にのみ入力するようにな
っている。

【００５７】このように構成した第２実施例において
は、リング検出部８０のコンパレータ８６の出力パルス
がフリップフロップ９６、１０６に入力し、これらのフ
リップフロップ９６、１０６の出力信号が“Ｈ”とな
る。そして、走査線カウンタ１００は、前記実施例と同
様に、ブライトリング１２の端ｃを通る走査線以降の走
査線の数を水平同期信号Ｈ．Ｄに基づいて計数し、計数
値Ａをディジタルコンパレータ１０４に送る。ディジタ
ルコンパレータ１０４は、走査線カウンタ１００の計数
値Ａをディジタルスイッチ１０２の設定値Ｂと比較し、
Ａ＝Ｂのときにフリップフロップ１０６のリセット端子
にリセット信号を入力する。

【００５８】このため、フリップフロップ１０６は、ブ
ライトリング１２の一端ｃが検出されてから、距離ｈだ
け離れた走査線（サンプリングライン１６）が検出され
るまでの間、ＮＡＮＤ回路１１８に“Ｈ”を出力し、サ
ンプリングライン１６が検出されると“Ｌ”を出力す
る。従って、ＮＡＮＤ回路１１８は、フリップフロップ
１１８が“Ｈ”を出力してから“Ｌ”出力するまでの、
ＮＡＮＤ回路１１６の出力パルスに同期して、各走査線
のブライトリング１２の円弧幅に相当する長さｓに対応
したパルスを面積測定用カウンタ１３６に入力する。面
積測定用カウンタ１３６は、ＮＡＮＤ回路１１８が出力
したパルスを計数してブライトリング１２が形成する弓
形形状の面積に対応したパルス数を求め、ラッチ回路１
２４に出力する。以下、第１実施例と同様にしてラッチ
回路１２４の出力信号が直径制御装置６４に入力され、
単結晶１０の直径制御に供される。

【００５９】図５は、第２実施例の面積を測定する方法
の弓形形状面積と直径との関係を、ブライトリング１２
を真円として計算により確認した結果を示したものであ
る。この場合も、ｈ＝４５ｍｍとｈ＝６０ｍｍとの２通
りについて計算してあり、前記第１実施例の場合と同様
の結果が得られる。そして、第２実施例によって単結晶
１０の引き上げを行ったところ、単結晶１０が変形して
真円からずれた場合であっても引き上げ速度の変動が小
さく、従来方法に比較して引き上げ速度の変動を５０％
程度にすることができた。また、直径精度は、第１実施
例と同程度であって、ブライトリング１２を真円として
も問題をほとんど生じない。

【００６０】第２実施例のように、ブライトリング１２
が形成する弓形形状の面積を計測して単結晶直径を制御
すると、単結晶１０の変形に対しても安定して弓形形状
面積の測定を行うことができ、単結晶１０の直径制御を
安定して行え、また第１実施例と同様の効果を得ること
ができる。

【００６１】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、撮像したブライトリングの一端から予め定めた距離
を隔てた位置のブライトリングの円弧幅を計測すること
により、単結晶の直径制御精度を向上することができ
る。

【００６２】また、ブライトリングによって形成された
弓形形状の面積を求めて単結晶の直径を制御すると、単
結晶が変形した場合にも安定した直径に比例する値を得
ることができ、精度の高い直径制御を行うことができ
る。

【００６３】そして、ブライトリングを上下逆に撮像す
ると、走査線によってサンプリングラインを求めたり、
ブライトリングが形成する弓形形状の面積を求める場合
に、走査線を逐次的に計数して計測することが可能とな
り、これらの測定回路を極めて簡単に構成することがで
き、装置のコストを低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係るブライトリングの円
弧幅を計測するブライトリング測定部の回路図である。

【図２】本発明の実施例に係る半導体単結晶の直径制御
装置の説明図である。

【図３】第１実施例による測定の性能を確認する計算結
果を示す図である。

【図４】本発明の第２実施例に係るブライトリングの弓
形形状面積を求めるブライトリング測定部の回路図であ
る。

【図５】第２実施例による測定の性能を確認する計算結
果を示す図である。

【図６】従来の単結晶の直径制御方法におけるブライト
リングの円弧幅の計測方法の説明図である。

【図７】従来の直径制御方法における単結晶の揺れの影
響の説明図である。

【図８】従来の直径制御方法における融液の液面の変動
による影響の説明図である。

【図９】従来の直径制御方法におけるキャリブレーショ
ンの説明図である。

【図１０】従来の直径制御方法における制御精度を改善
する方法とその欠点の説明図である。

【図１１】本発明における直径制御方法の原理説明図で
ある。

【符号の説明】

７０、１３０ブライトリング測定部８０リング検出部９０計測位置検出部９６、１０６フリップフロップ１００走査線カウンタ１０４ディジタルコンパレータ１１０リング幅計測部１１２波形変換器１２０幅計測用カウンタ１３２測定範囲検出部１３４面積測定部１３６面積測定用カウンタ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】融液から引き上げつつある単結晶と前記
融液との境界部に生ずるブライトリングの所定位置にお
ける円弧幅を計測して前記単結晶の直径を制御する半導
体単結晶の直径制御方法において、前記ブライトリング
の端部から、予め定めた距離を隔てた位置における割線
と交わる位置の前記ブライトリングの円弧幅を計測し、
この計測値を予め定めた基準値と一致させることを特徴
とする半導体単結晶の直径制御方法。
【請求項２】融液から引き上げつつある単結晶と前記
融液との境界部に生ずるブライトリングの端部から、予
め定めた距離を隔てた位置における割線と前記ブライト
リングとによって形成される弓形形状の面積を計測し、
この計測値を基準値に一致させることを特徴とする半導
体単結晶の直径制御方法。
【請求項３】融液から引き上げつつある単結晶と前記
融液との境界部に生ずるブライトリングを撮像する撮像
部を備え、撮像したブライトリングの所定位置における
円弧幅を計測して前記単結晶の直径を制御する半導体単
結晶の直径制御装置において、前記撮像部が撮像した前
記ブライトリングの予め定めた端部を検出するリング検
出部と、このリング検出部が検出した前記端部から、予
め定めた距離を隔てた位置を通り、前記ブライトリング
を横切る割線を求める計測位置検出部と、この計測位置
検出部が求めた前記割線と交わった位置における前記ブ
ライトリングの円弧幅を計測するリング幅計測部とを有
することを特徴とする半導体単結晶の直径制御装置。
【請求項４】前記リング幅計測部は、前記割線に平行
した複数の直線と交わる位置の前記ブライトリングの円
弧幅を計測し、その平均値を演算することを特徴とする
請求項３に記載の半導体単結晶の直径制御装置。
【請求項５】請求項３に記載の半導体単結晶の直径制
御装置において、前記リング幅計測部に代えて、前記計
測位置検出部が求めた前記割線と前記ブライトリングと
が形成する弓形形状の面積を求める面積計測部を設けた
ことを特徴とする半導体単結晶の直径制御装置。
【請求項６】前記撮像部はテレビカメラであり、前記
割線は走査線であって、前記計測位置検出部は走査線を
計数して前記予め定めた距離を計測することを特徴とす
る請求項３ないし５のいずれか１に記載の半導体単結晶
の直径制御装置。
【請求項７】前記撮像部は上下逆の映像信号を出力
し、前記ブライトリングの端部は、撮像されたブライト
リングの上端であることを特徴とする請求項３ないし６
のいずれか１に記載の半導体単結晶の直径制御装置。