JP3528758B2 - 単結晶引き上げ装置 - Google Patents

単結晶引き上げ装置

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JP3528758B2 JP2000161371A JP2000161371A JP3528758B2 JP 3528758 B2 JP3528758 B2 JP 3528758B2 JP 2000161371 A JP2000161371 A JP 2000161371A JP 2000161371 A JP2000161371 A JP 2000161371A JP 3528758 B2 JP3528758 B2 JP 3528758B2
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啓一 高梨
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建 濱田
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は単結晶引き上げ装置
に関し、より詳細にはチョクラルスキー法(以下、CZ
法と記す)に代表される引き上げ法により、シリコン等
からなる単結晶を引き上げる際に使用される単結晶引き
上げ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】現在、LSI(大規模集積回路)等の回
路素子形成用基板の製造に使用されているシリコン単結
晶の大部分は、CZ法により引き上げられている。図3
は、このCZ法に用いられる従来の単結晶引き上げ装置
を模式的に示した断面図であり、図中21はルツボを示
している。
【0003】このルツボ21は、有底円筒形状をした石
英製ルツボ21aと、この石英製ルツボ21aの外側に
嵌合された、同じく有底円筒形状をした黒鉛製ルツボ2
1bとから構成されており、ルツボ21は、図中の矢印
A方向に所定の速度で回転する支持軸28に支持されて
いる。このルツボ21の外側には、抵抗加熱式のヒータ
22、ヒータ22の外側には保温筒27が同心円状に配
置されており、ルツボ21内には、このヒータ22によ
り溶融させた結晶用原料の溶融液23が充填されるよう
になっている。また、ルツボ21の中心軸上には、引き
上げ棒あるいはワイヤー等からなる引き上げ軸24が吊
設されており、この引き上げ軸24の先に、保持具24
aを介して種結晶35が取り付けられている。また、こ
れら部材は、圧力の制御が可能な水冷式のチャンバ29
内に納められている。
【0004】チャンバ29の高さ方向中間部には窓29
aが形成され、窓29aの斜め上方には、一次元CCD
カメラ11が窓29aを介して引き上げ中の単結晶36
を望める位置に配置されており、この一次元CCDカメ
ラ11は単結晶36の直径測定手段8に接続されてい
る。直径測定手段8はルツボ上昇速度算出部9に接続さ
れており、ルツボ上昇速度算出部9は引き上げられた単
結晶36の直径測定手段8からの入力値と、引き上げ軸
24の引き上げ手段5からの引き上げ長の情報とを取り
込んで、ルツボ21内の減少した融液体積を算出してお
り、この減少した融液体積を元にルツボ21の上昇速度
を算出している。
【0005】上記した単結晶引き上げ装置を用いて単結
晶36を引き上げる方法を、図3及び図4に基づいて説
明する。図4(a)〜(d)は、単結晶を引き上げる各
工程のうちの一部の工程における、種結晶の近傍を模式
的に示した部分拡大正面図である。
【0006】図4には示していないが、まずチャンバ2
9内を減圧した後、不活性ガスを導入してチャンバ29
内を減圧の不活性ガス雰囲気とし、その後ヒータ22に
より結晶用原料を溶融させ、しばらく放置して溶融液2
3中のガスを十分に放出させる。次に、支持軸28と同
一軸心で逆方向に所定の速度で引き上げ軸24を回転さ
せながら、保持具24aに取り付けられた種結晶35を
降下させて溶融液23に着液させ、種結晶35の先端部
を溶融液23に馴染ませた後、単結晶36の引き上げを
開始する(シーディング工程)(図4(a))。
【0007】次に、種結晶35の先端に結晶を成長させ
てゆくが、このとき後述するメインボディ36cの形成
速度よりも早い速度で引き上げ軸24を引き上げ、所定
径になるまで結晶を細く絞り、ネック36aを形成する
(ネッキング工程)(図4(b))。次に、引き上げ軸
24の引き上げ速度(以下、単に引き上げ速度とも記
す)を落してネック36aを所定の径まで成長させ、シ
ョルダー36bを形成する(ショルダー形成工程)(図
4(c))。次に、一定の速度で引き上げ軸24を引き
上げることにより、一定の径、所定長さのメインボディ
36cを形成する(メインボディ形成工程)(図4
(d))。
【0008】さらに、図4には示していないが、最後に
急激な温度変化により単結晶36に高密度の転位が導入
されないよう、単結晶36の直径を徐々に絞って単結晶
36全体の温度を徐々に降下させ、終端コーンを形成し
た後、単結晶36を溶融液23から切り離す。前記工程
の後冷却して単結晶36の引き上げが完了する。
【0009】単結晶36の引き上げの際には、良質の単
結晶36を得るため、ルツボ昇降用モ−タ10にて支持
軸28を駆動してルツボ21を上昇させ、ヒータ22に
対して融液面が常に一定の位置に保持されるようにルツ
ボ21の位置を制御する必要がある。このルツボ上昇制
御においては一般的に引き上げられた単結晶36の体積
から減少した溶融液23の体積を算出してルツボ21の
上昇量を算出する方法が用いられている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】上記したルツボ上昇制
御は引き上げた単結晶36の体積から減少した溶融液2
3の体積を算出してルツボ21の上昇量を算出するた
め、引き上げた単結晶36の体積を正確に把握する必要
がある。また減少した溶融液23の体積から正確なルツ
ボ上昇量を算出するには正確なルツボ内径が必要とな
る。しかし、実際の引き上げにおいては結晶重量、結晶
直径の測定誤差、引き上げ中の石英製ルツボ21aの軟
化による石英製ルツボ21aの内径の変化、石英製ルツ
ボ21aの製作ばらつきに起因するバッチごとの石英製
ルツボ21aの内径の変化により前記ルツボ上昇制御に
誤差が含まれる。そのため単結晶36の引き上げ中に液
面位置を実際に測定して制御する必要がある。
【0011】上記問題点を解決するための液面位置測定
方法が特開昭63−281022号公報に開示されてい
る。この液面位置測定方法は融液表面に写った輻射スク
リーンの鏡像の位置から液面位置を算出するものであ
る。この方法により結晶引き上げ中の液面位置の測定が
可能である。前記公報開示の方法と同様に、融液表面に
写った輻射スクリーンの鏡像位置をもとに液面位置を制
御する方法が特開平7−277879号公報に開示され
ている。この方法では輻射スクリーンの鏡像位置を一定
にするようにルツボを昇降させ、液面位置が一定になる
ように制御している。
【0012】しかしながらこれらの方法では、輻射スク
リーンの鏡像が写っている融液表面が傾くと、その影響
を受けて実際には液面位置が変化しなくても鏡像位置が
変化して液面位置が誤って認識制御されてしまう。融液
表面を傾けてしまう要因としては結晶径の変動、ルツボ
回転速度の変化がある。そのため、輻射スクリーンの鏡
像位置のみで液面位置を制御すると結晶径の変動、ルツ
ボ回転速度の変化に伴い誤差が発生する。
【0013】特に問題となるのは種結晶から結晶径を目
標直径まで増加させるショルダー形成工程であり、該シ
ョルダー形成工程では融液表面の傾きが結晶径の増加に
従って増加し、ショルダー形成工程において輻射スクリ
ーンの鏡像位置を一定にする液面位置制御を行うと、シ
ョルダー形成工程の前後では実際の液面位置は変化して
しまうこととなる。同様の誤差はメインボディ形成工程
時の結晶径の変動でも発生する。また、輻射スクリーン
の融液表面での鏡像位置のみで液面位置制御を実施する
と、液面位置の測定に異常が発生した場合はルツボ21
の昇降制御が行えなくなるという課題があった。
【0014】本発明は上記課題に鑑みなされたものであ
って、石英製ルツボ容積のバッチごとの変動や石英製ル
ツボの熱変形にかかわらず、融液面を所定の位置に保持
することによって、育成される単結晶に対する不活性ガ
スの流れ、チャンバ内圧力、温度環境を常に一定の状態
に保ち、高品質の単結晶を引き上げることができる単結
晶引き上げ装置を提供することを目的としている。
【0015】
【0016】
【0017】
【課題を解決するための手段及び効果】上記目的を達成
するために、 本発明に係る単結晶引き上げ装置(
は、ルツボの昇降駆動手段と、単結晶の引き上げに伴い
減少する融液体積をもとにルツボ上昇速度を算出して前
記昇降駆動手段を制御してルツボ内の液面位置を制御す
る液面位置制御手段とが装備された単結晶引き上げ装置
において、チャンバ内に配設される基準反射体と、該基
準反射体が融液表面に写った鏡像位置をチャンバ外に配
設された光学機器にて検出することにより実際の液面位
置を測定する液面位置測定手段と、該液面位置測定手段
の出力をもとに前記ルツボ上昇速度の補正値を算出する
ルツボ上昇速度補正値算出手段と、前記ルツボ上昇速度
に前記補正値を加算する補正値加算手段と、該補正値加
算手段からの出力に基づいて前記昇降駆動手段を制御し
てルツボ上昇速度を制御することによりルツボ内の液面
位置を制御する前記液面位置制御手段と、引き上げ中の
結晶径、前記液面位置測定手段により測定された液面位
置、結晶と前記基準反射体との間の距離、及びルツボ回
転速度をもとに、融液表面の傾きの変化による液面位置
の測定異常を判定し、前記ルツボ上昇速度への前記補正
値の加算可否を判定する補正値加算可否判定手段を備
えていることを特徴としている。
【0018】上記単結晶引き上げ装置()によれば、
前記液面位置制御手段により、単結晶の引き上げに伴い
減少する融液体積をもとにルツボ上昇速度を算出して前
記昇降駆動手段を制御してルツボ内の液面位置を制御す
る一方、前記基準反射体と、前記液面位置測定手段と、
前記ルツボ上昇速度補正値算出手段と、前記補正値加算
手段とを備え、前記液面位置制御手段が前記補正値加算
手段からの出力に基づいて前記昇降駆動手段を制御して
ルツボ上昇速度を制御するので、例え石英製ルツボがシ
リコンの融点付近で軟化して引き上げ中に変形すること
があったとしても、ルツボ内の液面位置を高精度に制御
することができる。また、引き上げ中の結晶径、前記液
面位置測定手段により測定された液面位置、結晶と前記
基準反射体との間の距離、及びルツボ回転速度をもと
に、前記補正値加算可否判定手段が前記補正値を前記ル
ツボ上昇速度に加算するべきか否かを判定する。これら
の項目は主に単結晶引き上げ工程における融液表面の傾
きを決定する要因である。引き上げ条件により判定用設
定値を満たさない状態では融液表面の傾きが液面位置測
定に適さない状態であり、その測定結果に融液表面の傾
きの影響が多く含まれていることを示している。その場
合は前記液面位置測定手段から算出された前記補正値を
前記ルツボ上昇速度に加算しない。しかもこのように基
準反射体が融液表面に写った鏡像位置をチャンバ外に配
設された光学機器にて検出することにより実際の液面位
置を測定することに問題がある場合でも、単結晶の引き
上げに伴い減少する融液体積をもとにルツボ上昇速度を
算出して前記昇降駆動手段を制御してルツボ内の液面位
置を制御する制御は実施されるため、前記補正値を前記
ルツボ上昇速度に加算しないことによる液面位置変動へ
の影響は最小限に抑えることができる。
【0019】また、本発明に係る単結晶引き上げ装置
)は、上記単結晶引き上げ装置(1)において、前
記液面位置測定手段により測定された液面位置を平均化
処理する平均化処理手段を備えていることを特徴として
いる。上記単結晶引き上げ装置()によれば、融液表
面の揺らぎの影響を除去することが可能である。前記基
準反射体が融液表面に写った鏡像位置をチャンバ外に配
設された前記光学機器にて検出することにより、実際の
液面位置を測定する際の他の誤差要因としては、前記融
液表面の揺らぎがある。測定中に融液表面が揺らぐと測
定ばらつきを生じる。その融液表面の揺らぎの影響は、
前記液面位置測定手段により測定された液面位置を平均
化処理する前記平均化処理手段の作用により除去可能で
ある。その平均化処理時間は1分〜30分程度の間で設
定することが望ましい。
【0020】また、本発明に係る単結晶引き上げ装置
)は、上記単結晶引き上げ装置(1)又は(2)
おいて、前記液面位置測定手段を構成する前記光学機器
が、結晶直径測定用の光学機器と兼用されていることを
特徴としている。上記単結晶引き上げ装置()によれ
ば、前記液面位置測定手段を構成する前記光学機器と、
結晶直径測定用の光学機器との兼用により単結晶引き上
げ装置の製造コストを低く抑えることができる。
【0021】また、本発明に係る単結晶引き上げ装置
)は、上記単結晶引き上げ装置(1)〜()のい
ずれかにおいて、初期位置からルツボ位置を自動的に昇
降させて前記基準反射体の融液表面上での鏡像位置と液
面位置との関係を求め、その関係を直線近似することに
より、前記基準反射体の融液表面上での鏡像位置を実際
の液面位置に換算する換算式を自動的に算出する自動校
正手段を備えていることを特徴としている。前記基準反
射体の鏡像位置を検出する前記光学機器の設置位置と前
記基準反射体の設置位置とのばらつきも液面位置測定に
関する測定誤差要因となる。これらの設置状況が変化し
なければ事前に幾何学的な配置から算出された換算式を
もとに前記基準反射体の鏡像位置から液面位置を正確に
算出可能であるが、それは実際には困難である。そのた
め実際に設置した状況における前記基準反射体の鏡像位
置と液面位置との換算式が必要となる。上記単結晶引き
上げ装置()によれば、前記換算式の算出作業を自動
化する前記自動校正手段を備えており、この自動校正手
段を用いて結晶引き上げ前に自動的に前記換算式を求め
ておくことが可能となっている。
【0022】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る単結晶引き上
げ装置の実施の形態を図面に基づいて説明する。図1
は、実施の形態に係る単結晶引き上げ装置を模式的に示
した断面図であり、図中21は上下方向に移動可能なル
ツボを示している。このルツボ21は、有底円筒形状を
した石英製ルツボ21aと、この石英製ルツボ21aの
外側に嵌合された、同じく有底円筒形状をした黒鉛製ル
ツボ21bとから構成されており、ルツボ21は、図中
の矢印A方向に所定の速度で回転する支持軸28に支持
されている。このルツボ21の外側には、抵抗加熱式の
ヒータ22、ヒータ22の外側には保温筒27が同心円
状に配置されており、ルツボ21内には、このヒータ2
2により溶融させた結晶用原料の溶融液23が充填され
るようになっている。また、ルツボ21の中心軸上に
は、引き上げ棒あるいはワイヤー等からなる引き上げ軸
24が吊設されており、この引き上げ軸24の先に、保
持具24aを介して種結晶35が取り付けられている。
また、これら部材は、圧力の制御が可能な水冷式のチャ
ンバ29内に納められている。
【0023】チャンバ29の高さ方向中間部には窓29
aが形成され、窓29aの斜め上方には、一次元CCD
カメラ11が窓29aを介して引き上げ中の単結晶36
を望める位置に配置されており、この一次元CCDカメ
ラ11は単結晶36の直径測定手段8及び液面位置測定
手段13に接続されている。この一次元CCDカメラ1
1は溶融液23の液面位置の測定とともに単結晶36の
直径測定用としても機能している。液面位置の測定には
一次元CCDカメラ11に代えて2次元CCDカメラを
採用しても差し支えない。また直径測定手段8のための
一次元CCDカメラ11とは別に液面位置の測定専用の
CCDカメラを設置しても差し支えない。
【0024】チャンバ29内におけるルツボ21の上方
には、液面位置を検出するための基準反射体12が配置
されており、この基準反射体12は引き上げられた単結
晶36の熱履歴を調整する輻射スクリ−ンの機能も備え
ている。この基準反射体12は単結晶36の直胴部から
22mm以上離れた位置に設置されている。また、この
基準反射体12を輻射スクリ−ンとは別体とすることも
可能である。
【0025】一次元CCDカメラ11は直径測定手段8
に接続され、直径測定手段8はルツボ上昇速度算出部9
に接続されており、ルツボ上昇速度算出部9は引き上げ
られた単結晶36の直径測定手段8からの入力値と、引
き上げ軸24の引き上げ手段5からの引き上げ長の情報
とを取り込んで、ルツボ21内の減少した融液体積を算
出しており、この減少した融液体積を元にルツボ21の
上昇速度を算出している。
【0026】一次元CCDカメラ11には直径測定手段
8の他に、液面位置測定手段13も接続されており、液
面位置測定手段13は一次元CCDカメラ11の出力を
受けて、溶融液23の融液面23aに写った基準反射体
12の鏡像から液面位置を算出するようになっている。
液面位置測定手段13には平均化処理手段14及び自動
校正手段18が接続されており、平均化処理手段14は
液面位置測定手段13からの出力を受けてこの測定値を
所定の時間において平均化処理を施しており、この所定
の時間としては、1分〜30分程度の間で設定すること
が望ましい。
【0027】自動校正手段18はルツボ21を初期位置
から自動的に昇降させて基準反射体12の融液面23a
上での鏡像位置と液面位置との関係を求め、その関係を
直線近似することにより、基準反射体12の融液面23
a上での鏡像位置を実際の液面位置に換算する換算式を
自動的に算出する手段である。基準反射体12の鏡像位
置を検出する一次元CCDカメラ11の設置位置と基準
反射体12の設置位置のばらつきも液面位置測定におけ
る測定誤差要因となる。これらの設置状況が変化しなけ
れば事前に幾何学的な配置から算出された換算式をもと
に基準反射体12の鏡像位置から液面位置の算出が可能
であるが、それは実際には困難である。そのため実際に
設置した状況における基準反射体12の鏡像位置と液面
位置との換算式を自動校正手段18により求めておく。
本実施の形態においては原料の溶融が完了し、初期の液
面位置が安定した後にルツボ21を昇降させることによ
り実際に液面位置を変化させ、基準反射体12の鏡像位
置と液面位置との関係を直線近似させて自動校正手段1
8により換算式を求めておく。その際のルツボ21の昇
降範囲は初期位置に対して±5mmで設定することが望
ましい。
【0028】平均化処理手段14にはルツボ上昇速度補
正値算出手段15が接続されており、ルツボ上昇速度補
正値算出手段15はルツボ上昇速度算出部9において算
出されたルツボ上昇速度で制御される場合に生ずる液面
位置の制御誤差を補正する補正値を算出するようになっ
ている。その算出方法は結晶引き上げ中に以下で述べる
補正値加算可否判定手段16で加算可能と判断された最
初の時点での液面位置の測定値を初期位置とし、その後
はその初期位置からずれた液面位置を算出してルツボ上
昇速度の補正値を算出する。
【0029】ルツボ上昇速度補正値算出手段15には液
面位置の測定異常を判定する補正値加算可否判定手段1
6が接続されており、この補正値加算可否判定手段16
における判定基準としては結晶径の上下限値が単結晶3
6のメインボディ36cねらい直径±2mm、液面位置
の上下限値が液面位置初期値から±5mm、単結晶36
と基準反射体12との間の距離の下限値が22mm、ル
ツボ21の回転速度の上下限値が単結晶36のメインボ
ディ36c引き上げ開始時におけるルツボ21の回転速
度の±10rpmの範囲である。これらの条件を満たさ
ない場合には、ルツボ上昇速度算出部9において計算さ
れたルツボ21の上昇速度にルツボ上昇速度補正値算出
手段15において算出された補正値を補正値加算手段1
7において加算させない。
【0030】本実施の形態における設定においては単結
晶36のショルダー36bの引き上げ時には、上記の結
晶径の上下限値が単結晶36のメインボディ36cねら
い直径±2mmの条件を満たさないため、液面位置制御
はルツボ上昇速度算出部9において算出されたルツボ上
昇速度に基づいて行われることとなる。しかし単結晶3
6のショルダー36bはその体積が非常に小さく、それ
による液面位置の制御誤差を非常に小さい範囲に納める
ことができる。
【0031】上記構成により、実施の形態に係る単結晶
引き上げ装置においては、単結晶36の引き上げ中にお
ける液面位置の制御に、単結晶36の引き上げに伴う溶
融液23の減少量に基づいたルツボ上昇速度と、基準反
射体12の融液面23aでの鏡像位置から測定された液
面位置の測定結果に基づいたルツボ上昇速度補正値算出
手段15からの出力の2系統を有することとなる。
【0032】実施の形態に係る単結晶引き上げ装置にお
いては、一系統として、単結晶36の結晶径の測定値と
単結晶36の引き上げ速度とからルツボ21の上昇速度
を算出して液面位置を制御している。そのルツボ上昇速
度の算出は下記の数(1)式に基づいて行われる。 Vf=(Dsi 2 Ps / Dcur 2 PL)×( Vsi− Vcur )+ Vcur …(1) Vf :ルツボ上昇速度 Ps :シリコン固体比重 PL :シリコン融液比重 Dsi :結晶直径 Dcur:石英製ルツボ内径 Vsi :結晶引き上げ速度 Vcur:前回のルツボの上昇速度 このように、このルツボ上昇速度算出には石英製ルツボ
21aの内径の正確な値が必要である。しかし石英製ル
ツボ21aはシリコンの融点付近では軟化し、引き上げ
中に変形することがある。そこで実施の形態に係る単結
晶引き上げ装置においては、チャンバ29内に設置した
基準反射体12の融液面23aでの鏡像位置から液面位
置を測定し、溶融液23の減少量から算出したルツボ上
昇速度による液面位置制御の制御誤差を算出する。そし
てその制御誤差の算出からルツボ21の上昇速度の補正
値を算出し、前記ルツボ上昇速度に加算することにより
液面位置をより高精度に制御する。そのルツボ上昇速度
補正値の算出を下記の数(2)式に基づいて行う。 V (mm/min) = Vf (mm/min) + Vadj(mm/min) …(2) Vadj = ΣΔVadj(i) ΔVadj(i) = P ×{ Hi(mm) - Hi-1(mm)}+I×{ Hi(mm) - H0(mm)} + D ×{ Hi(mm) - 2Hi-1(mm) + Hi-2(mm)} V :液面位置変動補正後のルツボ上昇速度 Vadj:ルツボ上昇速度補正値 Vf :ルツボ上昇速度 H0 :基準液面位置 Hi :i回目の液面位置測定値 P,I,D :制御定数 PS :シリコン固体比重 PL :シリコン融液比重 しかしここで基準反射体12の融液面23aでの鏡像位
置から液面位置測定に誤差が含まれる場合がある。測定
誤差の主原因は融液面23aの傾きにある。測定中に融
液面23aの傾きが変化すると融液面23aに写り込ん
だ基準反射体12の鏡像位置が変化し、液面位置の測定
に誤差を生じる。その融液面23aの傾きは2つの要因
により変化する。
【0033】第一の要因は引き上げ中の単結晶36によ
る表面張力である。結晶引き上げ中はその表面張力によ
り融液面23aは持ち上げられて傾く。その傾きは単結
晶36近傍の融液面23aほど大きく、単結晶36から
離れると小さくなる。そのため、結晶引き上げ中の基準
反射体12の鏡像位置は、結晶径が大きくなるほど融液
面23aの傾きの影響を大きく受けることとなる。ただ
し、同一融液面23a上での融液面23aの傾きは単結
晶36と基準反射体12との距離が一定であれば変化し
ない。そのため結晶引き上げ中の融液面23aの傾き変
化による液面位置の測定誤差は、結晶径の変動と引き上
げ中の結晶位置の変化の影響を受けることとなる。
【0034】融液面23aの傾きを変化させる第二の要
因としては、ルツボ21の回転に伴い生じる遠心力の影
響がある。ルツボ21が回転すると内部の溶融液23も
一緒に回転するため、その遠心力で溶融液23は外周部
に押しやられるため、融液面23aは傾くこととなる。
この傾きは主に溶融液23の回転速度で決まるため、引
き上げ中にルツボ21の回転速度が変化すると融液面2
3aの傾きが変化し、基準反射体12の鏡像位置も変化
することとなる。
【0035】そこで実施の形態における装置のルツボ2
1の上昇速度の補正値加算可否判定手段16において
は、融液面23aの傾きの変化による測定誤差が許容値
以下となるように融液面23aの傾きを変化させる要因
である結晶径の上下限設定値、液面位置の上下限値、単
結晶36と基準反射体12との間の距離の下限設定値、
ルツボ21の回転速度の上下限設定値をもとに補正値の
加算の可否を判定する。
【0036】また、液面位置の測定に関する他の誤差要
因としては融液面23aの揺らぎがある。測定中に融液
面23aが揺らぐと測定にばらつきを生じる。その融液
面23aの揺らぎの影響は液面位置の測定値を平均化処
理する平均化処理手段14の働きにより除去可能であ
る。その平均化処理時間は1分〜30分程度の間で設定
することが妥当である。
【0037】また、基準反射体12の鏡像位置を検出す
る一次元CCDカメラ11の設置位置と基準反射体12
の設置位置とのばらつきも液面位置測定への測定誤差要
因となる。これらの設置状況が変化しなければ、事前に
幾何学的な配置から算出された換算式をもとに基準反射
体12の鏡像位置から液面位置の算出が画一的に可能で
あるが、実際には困難である。そのため、一次元CCD
カメラ11と基準反射体12とを実際に設置した状況に
おける基準反射体12の鏡像位置と液面位置との換算式
が必要となる。その換算式はルツボ21を上下に昇降さ
せ、液面位置を変化させることにより求めることができ
る。本実施の形態に係る単結晶の引き上げ装置では前記
換算式の算出作業を自動化する自動校正手段18を備え
ており、自動校正手段18を用いて単結晶36の引き上
げ前に自動的に前記換算式を求めておくことが可能とな
っている。
【0038】基準反射体12は融液面23aの上方にあ
って、融液面23aに近接する構造物であるので、溶融
液23を汚染せず、高温にも耐えられる素材で構成する
必要がある。この基準反射体12の構成材料としては、
例えばカ−ボンを挙げることができる。また単結晶36
との距離が、単結晶36と基準反射体12との間の距離
の下限設定値以上の距離で確保できるのであれば、単結
晶36の熱履歴を制御するための輻射スクリ−ンを基準
反射体12として用いることも可能である。
【0039】また基準反射体12の鏡像位置を測定する
光学機器としては通常の2次元CCDカメラ、1次元C
CDカメラ等を使用することができる。ここで結晶引き
上げ中に結晶直径を一次元CCDカメラ11にて測定し
ている場合で、その測定視野内に基準反射体12を設置
した場合には、単結晶36と基準反射体12との間の距
離の下限設定値以上の距離を確保できるのであれば、結
晶直径測定用の一次元CCDカメラ11を液面位置測定
用として使用することも可能である。
【0040】次に実施の形態に係る単結晶引き上げ装置
の液面位置制御手段20が行う動作を図2に示したフロ
−チャ−トに基づいて説明する。まず、ステップS1に
おいて、原料の溶融が完了したか否かを判断する。ステ
ップS1において、原料の溶融が完了していないと判断
すると、原料の溶融を待ち、他方、原料の溶融が完了し
たと判断すると、ステップS2に進んでルツボ21を初
期位置から±5mmの範囲内で昇降させる。次にステッ
プS3に進んでルツボ21の昇降に伴い変化する基準反
射体12の鏡像位置の変化から鏡像位置と液面位置との
換算式を求める。
【0041】換算式が求まると単結晶36の引き上げを
開始する(ステップS4)。引き上げの開始に伴い、引
き上げ軸24の引き上げ速度及び結晶径の測定値を取り
込み(ステップS5)、これらの値に基づいてルツボ2
1の上昇速度を上記数(1)式から算出する(ステップ
S6)。次に、チャンバ29内に設置した基準反射体1
2の融液面23aでの鏡像位置から液面位置を算出し
(ステップS7)、この液面位置の算出値に平均化処理
を施し(ステップS8)、平均化処理を施した測定値か
らルツボ21の上昇速度の補正値を上記数(2)式に基
づいて算出する(ステップS9)。
【0042】次にステップS10に進んで、ステップS
9において算出した補正値の前記ルツボ21の上昇速度
への加算の可否を判断する。この判断は上記した結晶径
の上下限値がメインボディ36cの目標直径の±2mm
の範囲、液面位置の上下限値が初期液面位置から±5m
mの範囲、単結晶36と基準反射体12との間の距離の
下限値が22mm、ルツボ回転速度の上下限値がメイン
ボディ36c形成時初期のルツボ回転速度の±10rp
mの範囲であるか否かに基づいて行う。ステップS10
において、補正値の前記ルツボ21の上昇速度への加算
可と判断すると、ステップS11に進んで補正値の加算
を実行した後、この補正された値に基づいてルツボ21
の上昇速度を制御する(ステップS12)。他方、ステ
ップS10において補正値の前記ルツボ21の上昇速度
への加算否と判断すると、ステップS11をとばしてス
テップS12に進み、ステップS6において算出された
値に基づいてルツボ21の上昇速度を制御する。
【0043】上記した実施の形態に係る単結晶引き上げ
装置によれば、液面位置制御手段20により、単結晶3
6の引き上げに伴い減少する融液体積をもとにルツボ上
昇速度を算出してルツボ昇降用モ−タ10を制御してル
ツボ21内の液面位置を制御することができ、さらに、
基準反射体12と、液面位置測定手段13と、ルツボ上
昇速度補正値算出手段15と、補正値加算手段17とを
備え、液面位置制御手段20が補正値加算手段17から
の出力に基づいてルツボ昇降用モ−タ10を制御してル
ツボ上昇速度を制御するので、例え石英製ルツボ21a
がシリコンの融点付近で軟化して引き上げ中に変形する
ことがあったとしても、石英製ルツボ21a内の液面位
置をより高精度に制御することができる。
【0044】また上記実施の形態に係る単結晶引き上げ
装置によれば、引き上げ中の単結晶36の結晶径、液面
位置測定手段13により測定された液面位置、単結晶3
6と基準反射体12との間の距離、及びルツボ回転速度
をもとに、補正値加算可否判定手段16が前記補正値を
前記ルツボ上昇速度に加算することが妥当か否かを判定
する。これらの項目は主に単結晶引き上げ装置にて融液
面23aの傾きを決定する要因である。従って引き上げ
条件により判定用設定値を満たさない状態では融液面2
3aの傾きが液面位置測定に適さない状態であり、その
測定結果に融液面23aの傾きの影響が多く含まれてい
ることを示している。その場合は液面位置測定手段13
から算出された前記補正値を前記ルツボ上昇速度に加算
しない。しかもこのように基準反射体12が融液面23
aに写った鏡像位置をチャンバ29外に配設された一次
元CCDカメラ11にて検出することにより、実際の液
面位置を測定することに問題がある場合でも、単結晶3
6の引き上げに伴い減少する融液体積をもとにルツボ上
昇速度を算出してルツボ昇降用モ−タ10を制御してル
ツボ21内の液面位置を制御する制御は実施されるた
め、液面位置変動への影響を最小限に抑えることができ
る。
【0045】また上記実施の形態に係る単結晶引き上げ
装置によれば、融液面23aの揺らぎの影響を除去する
ことが可能である。基準反射体12が融液面23aに写
った鏡像位置をチャンバ29外に配設された一次元CC
Dカメラ11にて検出することにより、実際の液面位置
を測定する液面位置測定の際の他の誤差要因としては、
融液面23aの揺らぎがある。測定中に融液面23aが
揺らぐと測定値にばらつきを生じる。その融液面23a
の揺らぎの影響を、液面位置測定手段13により測定さ
れた液面位置を平均化処理する平均化処理手段14の作
用により除去している。
【0046】また上記実施の形態に係る単結晶引き上げ
装置によれば、液面位置測定手段13を構成する一次元
CCDカメラ11と、結晶直径測定用の一次元CCDカ
メラ11との兼用により単結晶引き上げ装置の製造コス
トを低く抑えることができている。また上記実施の形態
に係る単結晶引き上げ装置によれば、実際に設置した状
況における基準反射体12の鏡像位置と液面位置との換
算式の算出作業を自動化する自動校正手段18を備えて
おり、この自動校正手段18を用いて結晶引き上げ前に
自動的に前記換算式を求めることが可能となっている。
【0047】
【実施例】以下、本発明の実施例に係る単結晶引き上げ
装置を使用して実際に液面位置制御を実施した例を説明
する。 実施例に係る単結晶引き上げ装置 図1に示した装置 ルツボ21の内径: 22インチ 単結晶原料の重量: 100kg 単結晶36の平均径: 8インチ 基準反射体12と単結晶36のメインボディ36cとの
距離:22mm以上 平均化処理手段14における平均化処理時間:10分間 補正値加算可否判定手段16における判定基準 :結晶径の上下限値がメインボディ36cの目標直径の
±2mmの範囲 :液面位置の上下限値が初期液面位置から±5mmの範
囲、 :単結晶36と基準反射体12との間の距離の下限値が
22mm、 :ルツボ回転速度の上下限値がメインボディ36c形成
時初期のルツボ回転速度の±10rpmの範囲 原料の溶融が完了し、初期液面位置が設定された後にル
ツボ21を昇降させることにより実際に液面位置を変化
させ、基準反射体12の鏡像位置と液面位置との関係を
直線近似することにより、自動校正手段18により、換
算式を求めた。その際のルツボ21の昇降範囲は初期位
置に対して±5mmの範囲で設定した。
【0048】また、本実施例の設定においては、ショル
ダー36bの引き上げ時には上記結晶径の上下限値の条
件を満たさないため、液面位置制御はルツボ上昇速度算
出部9からの出力に基づいて行われた。しかしショルダ
ー36bはその体積が非常に小さく、それによる液面位
置の制御誤差は非常に小さいものであった。本実施例に
おいては、単結晶36の引き上げ中の液面位置を初期液
面位置に対して±1mmの範囲内で制御可能なことを確
認することができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る単結晶引き上げ装置
の概略を示す断面図である。
【図2】実施の形態に係る単結晶引き上げ装置における
液面位置制御手段の動作を示すフロ−チャ−トである。
【図3】従来の単結晶引き上げ装置の概略を示す断面図
である。
【図4】(a)〜(d)は、単結晶を引き上げる各工程
のうちの一部の工程における、種結晶の近傍を模式的に
示した部分拡大正面図である。
【符号の説明】
10 ルツボ昇降用モ−タ 11 一次元CCDカメラ 12 基準反射体 13 液面位置測定手段 14 平均化処理手段 15 ルツボ上昇速度補正値算出手段 16 補正値加算可否判定手段 17 補正値加算手段 18 自動校正手段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 濱田 建 佐賀県杵島郡江北町大字上小田2201番地 住友金属工業株式会社シチックス事業 本部内 (56)参考文献 特開 昭64−69591(JP,A) 特開 平4−328425(JP,A) 特開 平7−277879(JP,A) 特開 平5−238877(JP,A) 特開 昭63−274687(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C30B 1/00 - 35/00 H01L 21/208

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ルツボの昇降駆動手段と、単結晶の引き
    上げに伴い減少する融液体積をもとにルツボ上昇速度を
    算出して前記昇降駆動手段を制御してルツボ内の液面位
    置を制御する液面位置制御手段とが装備された単結晶引
    き上げ装置において、 チャンバ内に配設される基準反射体と、 該基準反射体が融液表面に写った鏡像位置をチャンバ外
    に配設された光学機器にて検出することにより実際の液
    面位置を測定する液面位置測定手段と、 該液面位置測定手段の出力をもとに前記ルツボ上昇速度
    の補正値を算出するルツボ上昇速度補正値算出手段と、 前記ルツボ上昇速度に前記補正値を加算する補正値加算
    手段と、 該補正値加算手段からの出力に基づいて前記昇降駆動手
    段を制御してルツボ上昇速度を制御することによりルツ
    ボ内の液面位置を制御する前記液面位置制御手段と、 引き上げ中の結晶径、前記液面位置測定手段により測定
    された液面位置、結晶と前記基準反射体との間の距離、
    及びルツボ回転速度をもとに、融液表面の傾きの変化に
    よる液面位置の測定異常を判定し、前記ルツボ上昇速度
    への前記補正値の加算可否を判定する補正値加算可否判
    定手段を備えていることを特徴とする単結晶引き上げ
    装置。
  2. 【請求項2】 前記液面位置測定手段により測定された
    液面位置を平均化処理する平均化処理手段を備えている
    ことを特徴とする請求項1記載の単結晶引き上げ装置。
  3. 【請求項3】 前記液面位置測定手段を構成する前記光
    学機器が、結晶直径測定用の光学機器と兼用されている
    ことを特徴とする請求項1又は請求項2記載の単結晶引
    き上げ装置。
  4. 【請求項4】 初期位置からルツボ位置を自動的に昇降
    させて前記基準反射体の融液表面上での鏡像位置と液面
    位置との関係を求め、その関係を直線近似することによ
    り前記基準反射体の融液表面上での鏡像位置を実際の液
    面位置に換算する換算式を自動的に算出する自動校正手
    段を備えていることを特徴とする請求項1〜のいずれ
    かの項に記載の単結晶引き上げ装置。
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