JP3622468B2 - 単結晶引上げ装置の湯洩れ検知システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばチョクラルスキー法による単結晶製造時の原料融液洩れの検知技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、結晶引上げ装置における原料融液洩れを検出するため、例えば特開昭６２−２７５０８７号のような技術が提案されている。
この技術は、融液を収容するルツボと、このルツボを支持する導電性の支持体と、融液に接する種結晶を保持する導電性の吊持具を備えた結晶引上げ装置において、支持体と吊持具との間に常時電圧を負荷し、融液、ルツボを通して支持体と吊持具との間に流れる電流または抵抗の変化をとらえて、融液の漏出を検出するようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記技術では、支持体と吊持具の間に常時電圧を負荷しているため、ルツボ中の重金属不純物が電位にそって移動し、これがためにルツボが変形したり、ルツボから不純物が融液中に溶出して単結晶の品質に悪影響を与える虞れが大きい等の不具合があった。
このような不具合を避けるためには引上げ装置を操作しているオペレータが、自ら定期的に炉内を観察し、目視によってルツボ内の融液量を判断せざるを得ない状態であるが、このようなオペレータに頼るやり方は対処が遅れがちになるという問題がある。
すなわち、オペレータが気付いた時には既に相当量の湯洩れが起きており、炉内部材の破損等が生じる上に、ヒータ電源が落とされていないために、シリコン融液が水冷チャンバにまで達し、水蒸気爆発等の事故を起こす危険がある。
【０００４】
そこで本発明は、単結晶の品質低下等を招くことなく、単結晶製造中に融液の湯洩れが生じた場合は早期に検知することが出来、また既存の設備等を最大限に活用出来る湯洩れ検知システムの提供を目的とする。
【０００５】
【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は、単結晶引上げ装置のルツボ内から融液が湯洩れするのを検知するようにした検知システムにおいて、引上げられる単結晶と融液が接触する部分及びその周辺の融液面を撮像する視覚センサと、この画像を処理して湯洩れを検知する画像処理装置を設けた。
【０００６】
ここで、単結晶と融液が接触する部分及びその周辺の融液面には、育成中の単結晶を囲むようにフュージョンリングと呼ばれる輝度の高いリング状の明部が発生し、単結晶と融液の接触が無くなるとフュージョンリングも無くなるため、視覚センサでこの輝度の高いフュージョンリングを撮像し、画像処理装置によって判断する。
ここで視覚センサには、ＣＣＤ（電荷結合素子）、ＭＯＳ（金属酸化膜半導体）等の半導体イメージセンサ、またはその他のＴＶカメラ等が適用出来る。
【０００７】
また、前記ルツボを昇降手段によって上下動自在とし、またこの昇降手段を、視覚センサから融液面までの距離を一定に制御する制御手段によって駆動制御するようにした。
このようにルツボを上下動自在にして結晶が成長される融液面の位置を視覚センサで検知し易い位置にし、視覚センサから融液面までの距離を一定に制御すれば、視覚センサの検知精度が向上し、画像処理装置における誤判断等が抑制出来る。
【０００８】
また、前記視覚センサを、単結晶の直径を制御するための視覚センサと共用するようにした。
ここで、単結晶の直径を制御するための視覚センサは、融液と接触する単結晶の結晶成長界面の撮像データを出力し、この出力信号が直径制御の１つの手段である単結晶引上げ速度の制御因子とされるが、結晶成長界面はフュージョンリングに近接しており、フュージョンリング位置を基準に単結晶の直径は検出されているため、単一の視覚センサで共用することが可能である。
またこのような直径制御用の視覚センサは、既存の単結晶引上げ装置で使用されているため、既存設備の最大活用が図られる。
【０００９】
また、ルツボを支持するルツボ支持部材と、種結晶を保持し且つルツボの上部で上下動可能な単結晶引上げ部材との間に、交流または直流電圧を間欠的に印加する電圧印加手段と、ルツボ支持部材と単結晶引上げ部材との間の導電状態の変化を検知する導電変化検出手段を設けた。
【００１０】
ここで、ルツボの材料として一般的に石英ルツボが使用されており、この石英ルツボは常温では絶縁体であるが、１０００℃以上の高温になると導電性を帯びるようになる。このためこの性質を利用して、ルツボ支持部材と単結晶引上げ部材との間に電圧を印加すると、単結晶が融液に接触していればルツボ支持部材と単結晶引上げ部材との間が導電状態となり、単結晶が融液から離れると電流の流れが遮断される。そしてこの導電状態の変化を検知して湯洩れを判断する。
尚、前記特開昭６２−２７５０８７号の場合は、ルツボ支持部材と単結晶引上げ部材との間に常時電圧を負荷しているため、ルツボが変形したり、ルツボから不純物が溶出したりして、結晶引上げを続行出来なくなったり、結晶品質の低下を招く虞れがあるが、本発明では、間欠的に電圧を印加するため、かかる不具合がない。
特に交流電圧を印加する場合には、ルツボ内の不純物は移動しないので、上記ルツボが変形したり、ルツボ内から不純物が溶出するといった問題を完全に解決することが出来る。
【００１１】
また、前記電圧印加手段を、融液面初期位置調整システムの電圧印加手段と共用するようにした。
ここで、融液面初期位置調整システムの目的は、単結晶の直径を一定に制御するための視覚センサと融液面との当初の距離を一定に設定して撮像精度を高めるためであり、このための電圧印加手段は、融液面を初期位置に設定するため、種結晶を融液に接触させて導電状態になる時点を検出して融液面の現在位置を求め、この現在位置と初期基準位置との補正量を検出するために使用される（特公平５−５９８７６号参照）。
また融液面初期位置調整システムの電圧印加手段は、既存の単結晶引上げ装置で使用されているため、既存設備の最大活用が図られる。
【００１２】
また、前記の湯洩れ検知用の視覚センサと、前記の湯洩れ検知用の電圧印加手段とを組み合わせるようにした。
このように両者を組合わせれば、一層正確な検知が可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について添付した図面に基づき説明する。
ここで図１は本発明に係る単結晶引上げ装置の湯洩れ検知システムのシステム構成図、図２は単結晶引上げ装置の融液面初期位置調整システムのシステム構成図である。
【００１４】
本発明に係る単結晶引上げ装置の湯洩れ検知システム１は、例えばシリコン単結晶をチョクラルスキー法で製造する際、シリコン融液が洩出するのを早期に検知して、必要な対処を講じることが出来るようにしたものであり、その基本的構成は図１に示す通りであるが、本実施形態では図２に示す融液面初期位置調整システム２と組合わせて、有効性を一層高めるようにしている。
因みに、図２の融液面初期位置調整システム２は、本出願人の出願に係る公知の特公平５−５９８７６号の技術内容であり、このように図１と図２に分けて示したのは説明を簡単にするためである。
【００１５】
単結晶引上げ装置は、図１に示すように、石英ルツボ３内に収容されるシリコン融液４に、種結晶５を接触させて単結晶６を育成しつつ引上げることが出来るようにされ、前記石英ルツボ３は、グラファイトルツボ７で保持されるとともに、このグラファイトルツボ７の周囲には、ポリシリコンを加熱溶融せしめてシリコン融液４とするヒータ８が配設されている。
そして前記グラファイトルツボ７は、ルツボ支持部材であるルツボ支持軸１０によって支持され、このルツボ支持軸１０は軸受１１によって軸支されている。
【００１６】
一方、前記種結晶５は、単結晶引上げ部材であるワイヤ１２の下端部の種ホルダ１３によって保持されており、前記ワイヤ１２の上端部は、モータ１４の駆動によって回転自在なドラム１５に巻き付けられ、ドラム１５の回転によって上下動自在にされている。
【００１７】
そしてドラム１５を支持するベース１６と種結晶５の間、及び前記グラファイトルツボ７と軸受１１の間は電気的導通が図られている。
【００１８】
このような単結晶引上げ装置において、本湯洩れ検知システム１は、主として湯洩れを視覚センサで検知する第１検知手段１７と、電気的導通で検知する第２検知手段１８を備えている。
【００１９】
すなわち、第１検知手段１７は、単結晶６とシリコン融液４が接触する部分及びその周辺（結晶成長界面近傍）のシリコン融液面４Ｈに生じるリング状の輝度の高いフュージョンリングを撮像するＣＣＤカメラ２０と、この画像を処理する画像処理装置２１を備え、フュージョンリングが消えた時は、湯洩れ検知用コントローラ２２を通じて異常と判断して警報器２７から警報を発するとともに、ヒータ用電源２３を自動的にオフにするようにしている。
尚、このＣＣＤカメラ２０は、後述する融液面初期位置調整システム２の直径制御用のＣＣＤカメラ３４と同様な構成により、シリコン融液面４Ｈとの間隔を一定に保持し得るようにして、両システムを共用するようにしても良い。
【００２０】
また、第２検知手段１８は、一方側の出力端子が前記ベース１６に接続され、また他方側の出力端子が抵抗器２５を介して前記軸受１１に接続される電圧印加手段としての直流または交流の電源２４と、この電源２４から供給される基準電圧Ｖ０ 、及び種結晶５をシリコン融液４に接触させた際に抵抗器２５の端子に生じる電圧Ｖを比較する導電変化検出手段（電位差変化検出手段）としての比較器２６を備えている。
ここで、石英ルツボ３は常温では絶縁体であるが、１０００℃以上の高温になると導電性を帯びるようになるため、シリコン融液（１４２０℃以上）４に種結晶５を接触させると、ベース１６と軸受１１間が導通状態となる。
【００２１】
また、前記比較器２６に供給される基準電圧Ｖ０ は、発生電圧Ｖより小さい値に設定され、Ｖ０ ＜Ｖとされている。
すなわち、各種条件を変えて、単結晶６とシリコン融液４が接触している時の発生電圧Ｖを多数実測し、接触中は常にＶ０ ＜Ｖが成立するような基準電圧Ｖ０ を求め、この基準電圧Ｖ０ を基準にして導電変化（電位差の変化）を検出するようにしている。
【００２２】
そしてこの比較器２６の出力信号を湯洩れ検知用コントローラ２２に送り、湯洩れが生じてＶ０ ＞Ｖとなった場合は、比較器２６の出力信号が切換って湯洩れ検知用コントローラ２２、警報器２７を通じて警報を発するとともに、ヒータ用電源２３を自動的にオフにするようにしている。
【００２３】
また電源２４から電圧を印加する際、本発明では間欠的に行うことで、石英ルツボ３の変形防止、及び石英ルツボ３からの不純物の溶出等を防止している。
因みに、実施形態では２０Ｖの交流を１０秒間隔で５００ｍｓｅｃ印加するようにしている。
【００２４】
以上のような湯洩れ検知システム１において、石英ルツボ３に穴があいたり破損等によってシリコン融液４が漏出すると、第１検知手段１７ではＣＣＤカメラ２０の撮像によってフュージョンリングの消失が検知されて湯洩れの対処がなされ、また第２検知手段１８では比較器２６の出力信号の切換りによって湯洩れの対処がなされる。
勿論、これら第１、第２検知手段１７、１８はいずれか一方側だけでも良いが、両者を併用することで、一層確実な湯洩れ検知が可能である。
【００２５】
次に、融液面初期位置調整システム２の概要について、図２に基づき説明する。
尚、図２では、ヒータ８等の一部について図示を省略している。
この融液初期位置調整システム２は、前記湯洩れ検知システム１の電源２４、抵抗器２５、比較器２６等の構成と同様に構成される電源３０、抵抗器３１、比較器３２の他、前記ルツボ支持軸１０を上下動させるためのモータ３３と、単結晶の直径を制御するためのＣＣＤカメラ３４と、種結晶５の基準位置を光学的に検出する基準位置検出器３５を備えており、基準位置検出器３５とシリコン融液面４Ｈとの距離Ｈを一定に調整することで、ＣＣＤカメラ３４とシリコン融液面４Ｈとの初期間隔Ｌを一定にセット出来るようにしている。
【００２６】
すなわち、ルツボ支持軸１０移動用のモータ３３の近傍には、ルツボ支持軸１０の下限位置を検出する下限位置検出器３６と、ルツボ支持軸１０の上下方向の移動量に比例してパルスを出力するパルスジェネレータ３７が設けられる一方、前記ワイヤ１２が巻き付けられるドラム１５の回転軸には、ドラム１５の正・逆方向の回転量に比例してパルスを発生するパルスジェネレータ３８と、このパルスをカウントするカウンタ４０が設けられており、このカウンタ４０の出力と前記ルツボ支持軸１０側のパルスジェネレータ３７の出力は、コントローラ４１に送られて処理されるようになっている。
【００２７】
このような構成の融液面初期位置調整システム２において、最初に種結晶５を接触させて単結晶を育成させる時のシリコン融液面４ＨとＣＣＤカメラ３４との初期間隔Ｌを一定に調整するため、まず種結晶５を下降させる途中で基準位置検出器３５により種結晶５の通過時点を検出し、この時点から種結晶５がシリコン融液面４Ｈに接触する時点（ベース１６と軸受１１間が導通状態になることで検知可能）までの距離をパルスジェネレータ３８のパルスで検出する。
そしてこの距離Ｈから、ＣＣＤカメラ３４とシリコン融液面４Ｈの間隔Ｌを基準値に設定するための補正量を求める。
【００２８】
そしてこの補正は、ルツボ支持軸１０をモータ３３で上下動させることで行い、また補正量のコントールはパルスジェネレータ３７で行う。
尚、以上のような調整により、シリコン融液面４Ｈの初期位置を所望の位置に調整するが、単結晶引上げ中は、例えば結晶直径、引上げ速度等から計算で求められる移動速度でルツボ支持軸１０を移動させ、ＣＣＤカメラ３４とシリコン融液面４Ｈの間隔Ｌを一定に保つよう図る。
因みに、このような融液面初期位置調整システム２は、従来の設備に既に適用されているものである。
【００２９】
ところで、以上のような融液面初期位置調整システム２と前記湯洩れ検知システム１を組合わせる場合、電圧印加手段としての電源３０、２４等とか、ＣＣＤカメラ３４、２０とか、コントローラ４１、２２等を共用することによって、既存の設備を最大限に活用した構成が簡素に出来る。
但し、電源３０、２４等を共用する場合は、シリコン融液面４Ｈの初期位置を調整する時だけは、間欠的な電圧の印加でなく、継続的に電圧を印加しておくよう制御する必要があるが、この時間は短時間であるため特に問題はないし、前述のように交流電圧を用いれば問題はない。
【００３０】
尚、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
例えば融液はシリコン融液以外の場合でも適用出来、また単結晶引上げ部材はシャフト等のワイヤ方式以外でも良い。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように本発明は、単結晶引上げ装置のルツボ内から融液が湯洩れするのを検知するため、引上げられる単結晶と融液が接触する部分及びその周辺の融液面を撮像する視覚センサと、この画像を処理して湯洩れを検知する画像処理装置を設けたため、フュージョンリング等を利用して迅速に湯洩れを検知することが出来る。
また、ルツボを昇降手段によって上下動自在にするとともに、制御手段によって視覚センサから融液面までの距離を一定に制御すれば、視覚センサの検知精度が向上し、画像処理装置における誤判断等が抑制出来る。
そして、この視覚センサを単結晶の直径を制御するための視覚センサと共用すれば、既存設備の最大活用が図られる。
【００３２】
また、ルツボ支持部材と単結晶引上げ部材との間に、交流または直流電圧を間欠的に印加する電圧印加手段を設け、ルツボ支持部材と単結晶引上げ部材との間の導電状態の変化を導電変化検出手段で検出して湯洩れを検知することも可能であり、この場合には、きわめて迅速に湯洩れを検知できるとともに、ルツボが変形したり、不純物が溶出して結晶品質の低下を招くようなこともない。
この際、融液面初期位置調整システムの電圧印加手段と共用すれば、既存設備の最大活用が図られる。
そして、湯洩れ検知用の視覚センサと、湯洩れ検知用の電圧印加手段を組み合わせれば、一層正確な検知が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る単結晶引上げ装置の湯洩れ検知システムのシステム構成図である。
【図２】単結晶引上げ装置の融液面初期位置調整システムのシステム構成図である。
【符号の説明】
１…湯洩れ検知システム、 ２…融液面初期位置調整システム、
３…石英ルツボ、 ４…シリコン融液、
４Ｈ…シリコン融液面、 ５…種結晶、
６…単結晶、 ７…グラファイトルツボ、
８…ヒータ、 １０…ルツボ支持軸、
１１…軸受、 １２…ワイヤ、
１３…種ホルダ、 １４…モータ、
１５…ドラム、 １６…ベース、
１７…第１検知手段 １８…第２検知手段、
２０…ＣＣＤカメラ、 ２１…画像処理装置、
２２…湯洩れ検知用コントローラ、 ２３…ヒータ用電源、
２４…電源、 ２５…抵抗器、
２６…比較器、 ２７…警報器、
３０…電源、 ３１…抵抗器、
３２…比較器、 ３３…モータ、
３４…ＣＣＤカメラ、 ３５…基準位置検出器、
３６…下限位置検出器、 ３７…パルスジェネレータ、
３８…パルスジェネレータ、 ４０…カウンタ、
４１…コントローラ。

Claims (5)

1. 単結晶引上げ装置のルツボ内から融液が湯洩れするのを検知するようにした検知システムであって、引上げられる単結晶と融液が接触する部分及びその周辺の融液面を撮像する視覚センサと、この画像を処理して湯洩れを検知する画像処理装置を備え、前記ルツボは昇降手段によって上下動自在とされ、またこの昇降手段は、前記視覚センサから融液面までの距離を一定に制御する制御手段によって駆動制御されることを特徴とする単結晶引上げ装置の湯洩れ検知システム。
2. 請求項１に記載の湯洩れ検知システムにおいて、前記視覚センサは、単結晶の直径を制御するための視覚センサと共用されることを特徴とする融液の湯洩れ検知システム。
3. 単結晶引上げ装置のルツボ内から融液が湯洩れするのを検知するようにした検知システムであって、前記ルツボを支持するルツボ支持部材と、種結晶を保持し且つ前記ルツボの上部で上下動可能な単結晶引上げ部材との間に、交流または直流電圧を間欠的に印加する電圧印加手段と、前記ルツボ支持部材と単結晶引上げ部材との間の導電状態の変化を検知する導電変化検出手段を備えたことを特徴とする単結晶引上げ装置の湯洩れ検知システム。
4. 請求項３に記載の湯洩れ検知システムにおいて、前記電圧印加手段は、融液面初期位置調整システムの電圧印加手段と共用されることを特徴とする融液の湯洩れ検知システム。
5. 請求項１又は請求項２に記載の湯洩れ検知用の視覚センサと、請求項３又は請求項４に記載の湯洩れ検知用の電圧印加手段とが組み合わされることを特徴とする単結晶引上げ装置の湯洩れ検知システム。

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