JP2829686B2

JP2829686B2 - 半導体単結晶製造装置

Info

Publication number: JP2829686B2
Application number: JP22085892A
Authority: JP
Inventors: 吉信平石
Original assignee: Komatsu Electronic Metals Co Ltd
Current assignee: Sumco Techxiv Corp
Priority date: 1992-07-28
Filing date: 1992-07-28
Publication date: 1998-11-25
Anticipated expiration: 2013-11-25
Also published as: JPH0648888A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、チョクラルスキー法に
よる半導体単結晶製造装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路の基本材料であるシリコ
ン単結晶の製造方法の一つとして、るつぼ内の原料融液
から円柱状の単結晶を引き上げるチョクラルスキー法
（以下ＣＺ法という）が用いられている。ＣＺ法におい
ては、単結晶製造装置のメインチャンバ内に設置したる
つぼに高純度の多結晶シリコンを充填し、前記るつぼの
外周に設けたヒータによって多結晶シリコンを加熱溶解
した上、シードチャックに取り付けた種子結晶を融液に
浸漬し、シードチャックおよびるつぼを同方向または逆
方向に回転しつつシードチャックを引き上げてシリコン
単結晶を成長させる。図６は、ＣＺ法による従来の一般
的なシリコン単結晶製造装置の概略構成図である。同図
において、１１はワイヤ巻き上げモータ、１２はワイヤ
巻き上げドラムである。１３は前記ワイヤ巻き上げモー
タ１１、ワイヤ巻き上げドラム１２を設置した真空容器
に回転運動を与えるモータであり、ワイヤケーブル１４
の回転を通じて最終的には種子結晶から成長した単結晶
に回転運動を与える。１５はテレビカメラ、１６は透明
石英ガラス製の窓、１７は種子結晶を保持するシードチ
ャックである。また、１８は融液面、１９はるつぼ内の
多結晶シリコン材料を加熱溶解する黒鉛製ヒータ、２０
は黒鉛製断熱材であり、２１はるつぼペディスタルを介
してるつぼに回転運動を与えるモータ、２２はるつぼ軸
の昇降装置である。シリコン単結晶の引き上げに当た
り、前記融液面１８とシリコン単結晶との境界に発生す
るメニスカスリングがテレビカメラ１５によって撮影さ
れ、得られた映像信号はカメラコントロールユニット２
３を介して幅計測ユニット２４に入力され、メニスカス
リングを横切る単結晶の直径が算出される。そして、直
径制御装置２５により種子結晶の引き上げ速度および融
液温度を制御して、引き上げ単結晶の直径を設定値に近
づける。なお、２６はモニタテレビである。

【０００３】上記構成の単結晶製造装置において、多結
晶シリコン材料の溶解が完了すると、種子結晶を降下さ
せて融液面１８に接触させる。従来は、オペレータのス
イッチ操作によりワイヤ巻き上げモータ１１を作動さ
せ、融液面１８に対する種子結晶の接触を肉眼で確認し
て前記モータ１１を停止させていた。その場合、万一種
子結晶を下げ過ぎてシードチャック１７を融液内に浸漬
させると、融液を著しく汚染し、高純度の単結晶を得る
ことができなくなるので、種子結晶降下中はオペレータ
がつききりで常時種子結晶の高さを確認している。特
に、近年、単結晶の大径化に伴って単結晶製造装置が著
しく大型化され、種子結晶のストロークも４ｍ近くなっ
ている。単結晶原料の溶解中、種子結晶は一般にストロ
ークの上端に位置しているため、種子結晶の下降開始か
ら融液面に接触するまでに５〜１０分を要し、この間オ
ペレータがつききりで監視しなければならない。また、
この作業により単結晶製造装置の自動操作が一時中断さ
れ、オペレータ待ちが発生するとその分だけサイクルタ
イムが長くなるため、改善が望まれている。

【０００４】種子結晶の降下を自動化する方法はすでに
いくつか提案されているが、特開平３−２４７５８７で
は、交流電源を用いてワイヤケーブルおよび種子結晶と
融液との間に交流電圧を印加し、そこに流れる交流電流
を交流電流計により測定した上、遅延装置および平滑処
理装置を介して演算装置で前記測定値の変化率を計算
し、その計算結果から種子結晶と融液との接触を検出し
ている。また、特開昭５５−６２８９４は、種子結晶か
ら成長しつつある単結晶の重量を測定することによって
単結晶の直径制御を行う重量式直径制御装置を備えた半
導体単結晶製造装置に適用される方法で、種子結晶が融
液面に接触したときに生じる張力によって種子結晶側の
見かけ状重量が増加する現象を利用して、接触を検出し
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】特開平３−２４７５８
７は、種子結晶に交流電圧を印加するために、炉体を構
成している金属製のチャンバに対して種子結晶およびワ
イヤケーブルを絶縁しなければならない。具体的には図
５に示したワイヤ巻き上げドラム２を絶縁するため、そ
の取り付け部あるいは巻き上げドラム自体を絶縁体で構
成する必要がある。このことは単結晶製造装置の機種の
複雑化を招き、故障の原因にもなる。また、種子結晶と
融液との間に流れる電流は融液とるつぼとの接触面積に
比例するため、チャージ量によって変化する。更に、石
英ガラスるつぼは高温でも電気抵抗が大きいため、微小
な電流変化を検出しなければならない。特開平３−２４
７５８７が複雑な信号処理操作によって電流の変化率を
求めているのも、チャージ量の変化に伴う電流値の変動
除去とノイズ対策とを施して、種子結晶と融液面との接
触を検出しようとするためである。

【０００６】また特開昭５５−６２８９４は、重量の検
出に使用するロードセルの測定範囲が小さければ、細い
種子結晶が僅かに融液中に浸漬された場合のロードセル
出力信号の変化を検出することができる。しかし、現在
の単結晶製造装置のように１００〜１５０ｋｇフルスケ
ールのロードセルを使用している場合には、前記のよう
な僅かな重量変化による微小な出力変動を確実に検出す
ることは極めて困難である。具体的には、１００ｋｇフ
ルスケールにおいて１０ｖｏｌｔ出力するロードセルと
ロードセルアンプとを備えた単結晶製造装置において、
直径１０ｍｍのシリコン棒が融液内に１ｍｍ進入したと
きの出力電圧変化は、１．８×１０^-5ｖｏｌｔである。
これを、通常０．５×１０^-3ｖｏｌｔのノイズ電圧と区
別して確実に検出することはほとんど不可能である。本
発明は上記従来の問題点に着目し、種子結晶の融液面へ
の降下ならびに融液に対して適正な深さで浸漬させる作
業を自動化することができる半導体単結晶製造装置を提
供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係る半導体単結晶製造装置は、チョクラル
スキー法による半導体単結晶製造装置において、固液界
面を観察するテレビカメラを設け、スレッショールドレ
ベルを前記テレビカメラによる融液面のビデオ信号レベ
ルより低く設定し、画面を構成する各走査線ごとにビデ
オ信号レベルが前記スレッショールドレベル以下に下が
った時にパルスを発生させ、このパルスの各画面ごとの
計数結果に基づいて、前記固液界面に接近する物体の下
降量を検知する手段を備える構成とし、このような構成
において、スレッショールドレベル以下のビデオ信号に
基づいて発生するパルス数が設定値に達したとき、種子
結晶の下降速度を下げる手段を有するものとし、更に、
種子結晶の下降中に、発生パルス数の増加停止を検出す
ることによって種子結晶と融液との接触を検知し、種子
結晶の下降を停止させる手段を備えるものとした。

【０００８】

【作用】上記構成によれば、固液界面を観察するテレビ
カメラを設け、融液面の輝度より種子結晶の輝度の方が
低い点を利用して、融液面のビデオ信号レベルより低い
所にスレッショールドレベルを設定した。そして、前記
スレッショールドレベル以下のビデオ信号に基づいて発
生するパルス数が設定値に達したとき、種子結晶の下降
速度を下げる手段を設けたので、種子結晶が融液面に近
接すると種子結晶の下降速度は自動的に減速される。ま
た、種子結晶の先端が融液内に浸漬されると、浸漬部分
は融液面のビデオ信号レベルによりスレッショールドレ
ベル以下にならないため、発生パルス数の増加が停止す
る。従って、種子結晶の下降中に発生パルス数の増加停
止を検出したとき、種子結晶の下降を停止させる手段を
備えることにより、種子結晶が融液に接触した時点で種
子結晶の下降を停止させることができる。

【０００９】

【実施例】以下に本発明に係る半導体単結晶製造装置の
実施例について、図面を参照して説明する。本発明は、
通常の半導体単結晶製造装置が単結晶の直径制御用とし
て備えているテレビカメラを利用し、その出力信号に基
づいて種子結晶と融液面との接触を検出するものであ
る。すなわち、図５に示した従来の半導体単結晶製造装
置のカメラコントロールユニット１３の後に、図１に示
す信号処理回路が装着されている。テレビカメラは焦点
距離１３５ｍｍのレンズを備えたＣＣＤ固体撮像素子を
有するものである。このテレビカメラの融液面上におけ
る視野は、ほぼ４０ｍｍ×３０ｍｍであり、鉛直線に対
して２０°の角度で融液面を見ている。

【００１０】図１の信号処理回路は、５００カウントで
Ｄ／Ａコンバータ出力がフルスケール１０ｖｏｌｔを発
生するように調整されている。このカメラシステムは、
２：１インターレースであり、６０回／秒でほぼ２５０
本の走査線を測定し、各走査線で発生するパルス数の合
計をＤ／Ａコンバータに計数値を出力する。前記スレッ
ショールドレベルは、設定回路１により、平均値レベル
より僅かに低く設定することができる。また、種子結晶
の融液面との接触を確実に検知するため、種子結晶が視
野に入って１０カウントしたときに、種子結晶の下降速
度を低速に切り換えることとし、そのための変化量判別
回路２を備えている。前記変化量判別回路２の出力を、
図６に示した従来の半導体単結晶製造装置を制御するシ
ーケンスコントローラに入力してワイヤ巻き上げモータ
１１の回転を制御することにより、前記種子結晶の下降
速度切り換えが行われ、下降速度は６００ｍｍ／分から
５ｍｍ／分に低下する。種子結晶の下降速度が低速に切
り換えられた後、Ｄ／Ａコンバータ出力は直径制御用コ
ンピュータに入力され接触の判別が行われる。

【００１１】図２は、融液面と種子結晶との接触点付近
を撮影しているテレビカメラによるモニタ上の画面を示
し、３は種子結晶棒の画像である。この画面において、
特徴的な走査線Ａ，Ｂ，Ｃのビデオ信号を図３に
（ａ），（ｂ），（ｃ）として示す。走査線Ａでは種子
結晶棒の輝度が低いため、図３（ａ）に示すように種子
結晶棒の画像３の部分でビデオ信号レベルが４のように
落ち込んでいる。５は水平同期パルスである。走査線Ｂ
では、石英ガラス窓に付着したシリコン片等のごみによ
り暗点６を生じており、ビデオ信号レベルの落ち込む箇
所は図３（ｂ）に示すように、前記画像３による落ち込
み部４および暗点６による落ち込み部７の２箇所になっ
ている。また走査線Ｃでは種子結晶棒の画像が写ってい
ないため、図３（ｃ）に示すようにビデオ信号レベルの
落ち込みは生じていない。これらの現象から図４に示す
ように、融液面のビデオ信号レベルＭより僅かに下方に
スレッショールドレベルＬを設定し、Ｌ以下のレベルに
なったときにパルス８を発生させる。一画面におけるこ
のパルス数の合計によって、そのとき種子結晶棒がテレ
ビカメラの視野にどの程度進入しているかを推定するこ
とができる。この場合、水平同期パルス５を計数しない
ように、各走査線内で計数できる領域をウインドウパル
ス９により制限する。

【００１２】実際には、炉内を観察する窓ガラスにはシ
リコンのはねやごみ等が付着しているため、図２に示し
た暗点６が画像上に観察される。これらの暗点６もパル
スの計数対象となるが、この計数値は時間的にほとんど
変化しないため、種子結晶棒を融液に接触させるときの
計数値は、図５に示すように時間的に変化する。計数値
ｎ₁は前記暗点によるもので、Ｔ₁は種子結晶棒がテレ
ビカメラの視野に入った時点である。Ｔ₁からＴ₂にか
けては、種子結晶棒が徐々に融液面に接近しているとこ
ろであり、パルス計数値がｎ₁からｎ₂に増加してい
る。Ｔ₂は種子結晶棒の先端が融液に浸漬された時点で
ある。このとき種子結晶棒が融液内を下降していても、
パルス計数値はｎ₂のままで上昇しない。前記計数値が
ｎ₂になった時点を検出することにより、種子結晶棒と
融液との接触を検知することが可能となる。図５のＴ₂
点（パルス計数値の増加停止点）を検出すると、種子結
晶棒の下降を止めて次の工程に移行する指令をシーケン
スコントローラに与える。また、本実施例では、種結晶
の浸漬まで自動で行ったが、前記変化量判別回路の出力
により、融液表面から所定の距離だけ上方の位置で種結
晶の降下を停止して、しかるのちオペレータのスイッチ
操作または、シーケンサーの命令により、再度、所定の
距離だけ降下させて、浸漬することも可能である。この
場合には、浸漬の判別は必要なく、ほぼ同様な工数低減
の効果を得ることができる。

【００１３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、従
来から引き上げ単結晶の直径制御に使用しているテレビ
カメラを利用し、簡単な機能部品を付加した上、融液面
に対する種子結晶の接近および融液面と種子結晶との接
触を、ビデオ信号レベルによって発生するパルス数を計
数することによって検出し、種子結晶下降速度の低減お
よび停止制御を行うことにしたので、種子結晶の融液面
への接近ならびに接触を確実、かつ容易に、しかも低価
格の設備費用で検出することができる。従来の技術で
は、微小な電圧や電流の変化を検出して融液面に対する
種子結晶の接触を検知する方法であるため、ノイズによ
る誤動作や検知もれ等が発生するおそれがあるが、本発
明による方法では、前記のような検出の不確実さを完全
に除去することができるので、この作業の完全自動化が
可能となり、工数も低減される。また、誤動作による作
業の中断や、シードチャックの融液内進入による融液汚
染事故を確実に防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例による信号処理回路のブロック図であ
る。

【図２】本実施例によるモニタテレビ画面の説明図であ
る。

【図３】図２の画面における各走査線によるビデオ信号
波形の説明図で、（ａ）はテレビカメラの視野内にある
種子結晶棒を検出した状態、（ｂ）は種子結晶棒ととも
に石英ガラス窓に付着したごみを検出した状態、（ｃ）
は走査線の位置に種子結晶棒が進入していない状態をそ
れぞれ示す。

【図４】図３に基づくビデオ信号処理方法の説明図であ
る。

【図５】ビデオ信号処理装置の出力の時間的変化を示す
説明図である。

【図６】テレビカメラによる単結晶直径検出手段を備え
た従来の単結晶製造装置の概略構成図である。

【符号の説明】

１スレッショールドレベル設定回路２変化量判別回路８パルス１５テレビカメラ１８融液面

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】チョクラルスキー法による半導体単結晶
製造装置において、融液素面を観察するテレビカメラを
設け、スレッショールドレベルを前記テレビカメラによ
る融液面のビデオ信号レベルより低く設定し、前記スレ
ッショールドレベル以下のビデオ信号に対してパルスを
発生させ、このパルスの計数結果に基づいて、テレビカ
メラの視野内で前記融液表面に接近する物体の下降量を
検知する手段を備えたことを特徴とする半導体単結晶製
造装置。
【請求項２】スレッショールドレベル以下のビデオ信
号に基づいて発生するパルス数が設定値に達したとき、
種子結晶の下降速度を下げる又は、下降を停止する手段
を有することを特徴とする請求項１の半導体単結晶製造
装置。
【請求項３】種子結晶の下降中に、発生パルス数の増
加停止を検出することによって種子結晶と融液との接触
を検知し、種子結晶の下降を停止させる手段を備えたこ
とを特徴とする請求項１の半導体単結晶製造装置。