JP2829689B2 - 半導体単結晶製造装置および製造方法 - Google Patents

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および製造方法に係り、特に
引き上げ単結晶の有転位化を自動的に検出する手段を備
えた単結晶製造装置および製造方法に関する。

【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を示し、３１は
ワイヤ巻き上げモータ、３２はワイヤ巻き上げドラムで
ある。３３は前記ワイヤ巻き上げモータ３１、ワイヤ巻
き上げドラム３２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３４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。３５はテレビカメラ、３６は透明石英ガラス製の
窓、３７は種子結晶を保持するシードチャックである。
また、３８は融液面、３９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、４０は黒鉛製断熱材
であり、４１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、４２はるつぼ軸昇降装置であ
る。シリコン単結晶の引き上げに当たり、前記融液面３
８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３５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４３を介して幅計測
ユニット４４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４５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、
４６はモニタテレビである。

【０００３】上記単結晶製造装置において、成長中の単
結晶が無転位であるか有転位であるかの判別は、従来、
オペレータの目視観察に基づいて行われていた。その方
法として、成長中の単結晶外周に現れる稜線の有無をチ
ャンバに設けられた覗き窓を通して目視確認し、前記稜
線が消滅したとき有転位化したと判断していた。そして
有転位化した場合は、単結晶を融液から切り離して成長
を中断させ、有転位化した単結晶は再度溶解する。しか
しながら、このような目視による判別方法は、単結晶製
造工程を自動化する上で大きな障害となっている。そし
て、前記目視判別作業を高精度で自動化することができ
れば、単結晶成長の中断や再溶解、単結晶成長の再開ま
ですべてを自動化することが可能となる。

【０００４】このような問題の解決策として、たとえば
特開昭５８−１９４７９７によるシリコン単結晶の製造
方法が提案されている。この方法は、単結晶の直径を制
御するために設けられた直径偏差検出用の光検出器の出
力に現れる微弱な交流成分が、成長中の単結晶外周に現
れる稜線に対応していることを利用したものである。す
なわち、単結晶の成長方向によって特有の本数の稜線が
単結晶外周に、成長方向に平行に生じるが、これらの稜
線は単結晶の外周面よりごく僅かに凸状となっているた
め、前記光検出器の受光範囲に稜線が入ったとき、光検
出器の出力はごく僅かに増加する。単結晶を一般的な
〈１００〉軸方向に成長させる場合は、４本の稜線が単
結晶外周に等間隔に発生する。このため、単結晶の回転
周期の１／４の周期で微弱な交流成分が発生する。この
交流成分を検出して、その振幅の大きさにより単結晶が
無転位か有転位かを判別しようとするものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】単結晶の外周に現れる
稜線による単結晶の直径変動はごく僅かなものである。
従って、上記特開昭５８−１９４７９７による判定方法
は、直径偏差のみを測定するための直径１〜２ｍｍの極
めて狭い視野の光検出器を使用することによって始めて
可能となる。ところが最近では、単結晶の直径検出に一
次元リニアイメージセンサやテレビカメラを使用し、直
径偏差ではなく直径そのものを測定する例が多くなって
いる。しかも、直径が１５０〜２００ｍｍといった大型
の単結晶が一般的となっている。しかし稜線による直径
変動の大きさは直径の大小にかかわらずほぼ一定であ
る。そのため、直径測定出力に比較して稜線による交流
成分出力は極めて小さくなり、検出不可能になってしま
う。本発明は上記従来の問題点に着目してなされたもの
で、一次元リニアイメージセンサやテレビカメラを使用
した単結晶直径測定装置に改良を加えることにより、単
結晶の直径測定出力とともに稜線に対応する交流成分出
力を確実に検出し、単結晶の有転位化を迅速に判別する
ことができるような半導体単結晶製造装置および製造方
法を提供することを目的としている。

【０００６】

【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、ＣＺ法によ
る半導体単結晶製造装置において、るつぼ内の固液界面
を観察するテレビカメラと、前記固液界面に発生するメ
ニスカスリングを横断する水平走査線のビデオ信号を取
り出し、メニスカスリングに対応して前記ビデオ信号に
形成される二つのピークに対応するそれぞれのパルス幅
を測定する手段と、前記パルス幅が引き上げ単結晶の回
転数に比例する特定の周期で変動していることを検出す
る手段と、前記変動幅とあらかじめ設定した値とを比較
する手段と、変動幅が設定値より小さくなったとき警報
を発する手段とを備える構成とし、このような半導体単
結晶製造装置を用いる単結晶製造方法は、固液界面に発
生するメニスカスリングを横断する水平走査線のビデオ
信号を取り出し、あらかじめ設定したスレッショールド
レベルを超える二つのピークの幅に対応するクロックパ
ルスを計数した上、引き上げ単結晶の回転数に比例して
特定の周期で変動する前記パルス幅の変動を電圧として
取り出し、この電圧が判別基準電圧より小さくなったと
き単結晶が有転位化したものと判断して警報を発するこ
ととした。

【０００７】

【作用】上記構成によれば、固液界面を観察するテレビ
カメラを用いて、前記固液界面に発生するメニスカスリ
ングを横断する水平走査線のビデオ信号を取り出し、メ
ニスカスリングによる二つのピークに対応するそれぞれ
のパルス幅を測定し、引き上げ単結晶の回転数に比例す
る特定の周期で変動する前記パルス幅の変動を電圧とし
て取り出し、この電圧が判別基準電圧より小さくなった
とき単結晶が有転位化したものと判断することにしたの
で、メニスカス幅の変動の大小により単結晶の有転位化
を確実、かつ容易に検出することができる。また本発明
は、メニスカス幅の変動そのものを検出することによっ
て稜線の有無を判別する方式であるため、大径の単結晶
を育成する際にも十分に利用することができる。

【０００８】図３は単結晶引き上げ時における直径測定
用テレビカメラのモニタ画面で、１１は単結晶、１２は
直径測定位置を示すライン、１３は稜線である。この図
では、稜線の１本が正面にあり、２本が測定ライン１２
上に、残りの１本は単結晶の裏側にある。また、図４は
図３のＰ部拡大図である。本発明は図４に示すように、
稜線部のメニスカス幅Ｗ1 が稜線部以外のメニスカス幅
Ｗ2 より少なくとも１．５倍以上であることを発見した
ことによりなされたものである。すなわち、測定ライン
１２上で単結晶１１の直径を測定するとともに、メニス
カス幅も測定する。単結晶の回転に伴う前記メニスカス
幅の変動は直径出力の変動に比べて著しく大きく、十分
に検出可能であり、メニスカス幅の変動の大小により単
結晶の有転位化を検出することができる。

【０００９】図５は、上記図３の測定ライン１２上を走
査するビデオ信号波形を模式的に示したもので、２１は
スレッショールドレベル、２２は固液界面のビデオ信号
波形、２３は水平同期パルスである。引き上げ単結晶の
直径を測定する場合には、前記ビデオ信号波形２２の二
つのピークのそれぞれ外側がスレッショールドレベル２
１と交わる部分で波形整形したパルス２４の幅Ｗd を求
める。メニスカス幅については、前記ビデオ信号波形２
２の二つのピークがスレッショールドレベル２１以上に
なったときのおのおのの幅、すなわちパルス２５の（ａ
＋ｂ）を測定する。（ａ＋ｂ）の大きさは稜線部とそれ
以外の部分とでは１．５倍以上異なるので、単結晶の回
転に伴うメニスカス幅の変動は十分に大きく、単結晶回
転周期の１／４の周期で発生するパルスを選択的に増幅
する回路を通し、それを直流電圧に変換することによっ
て、稜線の凸状レベルに対応させることができる。これ
によって、引き上げ中の単結晶が無転位状態にあるか否
かの判別を十分に明確に行うことが可能となる。

【００１０】

【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測定用とし
て備えているテレビカメラを利用し、その出力信号に基
づいて単結晶回転に伴うメニスカス幅の変動量を測定し
ようとするものである。すなわち、図６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４
３の後に、図１に示す信号処理回路を装着する。テレビ
カメラ３５は、たとえば焦点距離５５ｍｍのレンズを備
えたＣＣＤ固体撮像素子を有するもので、このテレビカ
メラ３５の融液面上の視野は水平方向でほぼ２００ｍｍ
であり、鉛直線に対して２５°の角度で融液面を見てい
る。前記テレビカメラ３５による映像の、測定ライン上
のビデオ信号は図５に示す通りであるが、このビデオ信
号の処理方法を図１により説明する。

【００１１】図１において、１はビデオ信号をスレッシ
ョールドレベルによって２値化する回路であり、この部
分は従来の直径測定回路にも使用されているので、それ
を使用することも可能である。前記回路１の出力は、図
５のパルス２５に整形され、ゲート回路２に加えられ
る。ゲート回路２は、パルス２５のａおよびｂのパルス
幅に比例する数のクロックパルスを通過させる。これを
カウンタ３で計数する。カウンタ３は、すべての走査線
について計数を行い、各走査の終了後にリセットする
が、測定ラインに相当する走査線の計数を行ったときだ
けゲート回路４により水平同期パルスと同期してラッチ
回路５に計数値が記憶される。このラッチ回路５に記憶
されたデータは、一画面の走査が終了したとき次のラッ
チ回路６に垂直同期パルスに同期して記憶される。ラッ
チ回路６に記憶されたデータは、Ｄ／Ａコンバータ７に
よりアナログ電圧として出力される。

【００１２】メニスカスの幅はビデオ信号の垂直同期パ
ルスに同期して１／６０秒ごとに測定され、アナログ電
圧として出力される。この出力はフィルタ８に入力さ
れ、出力を更新する際の瞬間的なノイズや電圧の急激な
変化を減少させる。その後、前記出力は電圧判別回路９
に入力され、ピーク電圧レベルが計測される。そしてこ
の電圧が、有転位化したか否かを判定するためにあらか
じめ設定した判別基準電圧より低下したとき、警報指令
回路１０を介して警報を発する。また、前記警報指令回
路１０の出力信号を図６の直径制御装置４５にも入力す
ることによってワイヤ巻き上げモータ３１の回転速度を
増加させ、単結晶を融液から切り離すようにしてもよ
い。

【００１３】本実施例で使用したＣＣＤカメラの水平方
向画素数は７６８であるため、１クロックパルスが１画
素に対応するとして、メニスカス部分が水平方向視野の
１０％を超えることがないため、カウンタ３は７ビット
以下で十分である。本実施例では８ビットのカウンタお
よびラッチ回路を使用したが、下位の６ビットを、８ビ
ットＤ／Ａコンバータの上位６ビットに入力することに
よって、水平方向の８．３％の視野をＤ／Ａコンバータ
のフルスケールとして測定することができる。この場
合、Ｄ／Ａコンバータの出力分解能は１／６４である
が、テレビ画面の垂直同期信号に同期して、メニスカス
幅の変動速度よりはるかに早い６０回／秒で測定され
る。また、測定部の輝度が単結晶の回転や融液面のゆら
ぎにより絶えずランダムに変動しているため、Ｄ／Ａコ
ンバータ出力の後にフィルタ８を設けて平滑化すること
により、出力分解能によるステップ的な変動のない波形
が得られる。

【００１４】図２は上記波形を模式的に示した図であ
る。本実施例では、〈１００〉軸方向に成長する直径１
３０ｍｍのシリコン単結晶の育成時に測定を行った。こ
のとき測定ラインは図３に示すように、単結晶の回転軸
が融液面と交わる点を横切る位置に設定した。このた
め、図２の波形上のピーク間隔時間ｔ_i は単結晶回転周
期の１／４となる。本実施例では単結晶の回転速度は２
０ｒｐｍであったので、ｔ_i は０．７５秒となった。ま
たＤ／Ａコンバータは、フルスケール電圧が１０Ｖのも
のを使用したが、本実施例では単結晶特有の成長稜によ
るピーク電圧はほぼ５Ｖであり、ベース電圧は２〜３Ｖ
であった。単結晶が有転位化すると前記成長稜が消滅す
るため電圧のピークも消滅し、２〜２．５Ｖのほぼ安定
した出力を発生した。本発明による方法は感度が高いた
め、特に単結晶回転数に比例して通過周波数を連続的に
変化させる同期検出器等を使用しなくてもよく、電圧判
別回路９だけで単結晶の有転位化を検出することができ
る。

【００１５】図１に示した信号処理回路を組み込んだ単
結晶製造装置を用いて１００回の単結晶育成を行った
が、このうちの９回は有転位化した。このとき信号処理
回路は９回とも有転位化直後に警報を発し、オペレータ
が有転位化を確認して育成を打ち切った。このように１
００％の確率で単結晶の有転位化を検出することができ
るので、育成の打ち切りと、有転位化した単結晶の再溶
解、再育成を含めた自動化を、高い信頼性で容易に実施
することができる。

【００１６】本実施例では、メニスカス幅測定ラインを
単結晶の直径測定ライン上に共通に設定したが、これに
限るものではなく、直径測定ラインの手前（図３におい
て測定ライン１２の下方）に設定することも可能であ
る。その場合、メニスカス幅の変動幅は本実施例に比べ
てやや小さくなるが、メニスカス幅測定ラインを適当な
位置に設定することによって変動の周波数を単結晶回転
数の８倍にすることができ、変動波形も正弦波に近づく
ため、無転位状態にあるか否かの判別が困難になること
はない。

【００１７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、固
液界面を観察するテレビカメラを用いて、前記固液界面
に発生するメニスカスリングを横断する水平走査線のビ
デオ信号を取り出し、メニスカスリングによる二つのピ
ークに対応するそれぞれのパルス幅を測定し、引き上げ
単結晶の回転数に比例する特定の周期のパルス幅変動量
が設定値より小さくなったとき単結晶が有転位化したも
のと判断するシステムを構成したので、単結晶の有転位
化を確実、かつ容易に検出することができる。この装置
はテレビカメラを用いた直径測定装置によって単結晶の
直径を自動制御している単結晶製造装置に容易に取り付
けることができ、従来オペレータの目視観察に基づいて
判断していた単結晶の有転位化を自動的に検出すること
が可能となるので、有転位化を発見するために必要とさ
れていたオペレータの観察業務が不要となるとともに、
単結晶成長の中断や再溶解、単結晶成長の再開まですべ
てを自動化することができる。また本発明は、メニスカ
ス幅の変動そのものを検出することによって稜線の有無
を判別する方式であるため、大径の単結晶を育成する際
にも十分に利用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】メニスカス幅を測定するための信号処理回路の
ブロック図である。

【図２】図１におけるモニタ出力波形を模式的に示す図
である。

【図３】単結晶の直径測定用テレビカメラによる映像の
模式図である。

【図４】図３のＰ部拡大図である。

【図５】直径測定ライン上の走査線を形成するビデオ信
号波形の説明図である。

【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を示す図である。

【符号の説明】

１ ２値化回路 ２，４ ゲート回路 ３ カウンタ ５，６ ラッチ回路 ７ Ｄ／Ａコンバータ ９ 電圧判別回路 １０ 警報指令回路 １３ 稜線 ２１ スレッショールドレベル ２２ ビデオ信号波形 ２４，２５ パルス ３５ テレビカメラ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【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、るつぼ内の固液界面を観察するテレ
   ビカメラと、前記固液界面に発生するメニスカスリング
   を横断する水平走査線のビデオ信号を取り出し、メニス
   カスリングに対応して前記ビデオ信号に形成される二つ
   のピークに対応するそれぞれのパルス幅を測定する手段
   と、前記パルス幅が引き上げ単結晶の回転数に比例する
   特定の周期で変動していることを検出する手段と、前記
   変動幅とあらかじめ設定した値とを比較する手段と、変
   動幅が設定値より小さくなったとき警報を発する手段と
   を備えていることを特徴とする半導体単結晶製造装置。
2. 【請求項２】 固液界面に発生するメニスカスリングを
   横断する水平走査線のビデオ信号を取り出し、あらかじ
   め設定したスレッショールドレベルを超える二つのピー
   クの幅に対応するクロックパルスを計数した上、引き上
   げ単結晶の回転数に比例して特定の周期で変動する前記
   パルス幅の変動を電圧として取り出し、この電圧が判別
   基準電圧より小さくなったとき単結晶が有転位化したも
   のと判断して警報を発することを特徴とする半導体単結
   晶製造方法。