JP3655355B2 - 半導体単結晶製造工程における最適溶融液温度の検知方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、チョクラルスキー法（ＣＺ法）により半導体単結晶を製造する工程において、テレビカメラによる映像からのビデオ信号を処理して半導体溶融液の温度を検知する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、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、坩堝内の原料溶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ー内に設置した坩堝に高純度の多結晶シリコンを充填し、前記坩堝の外周に設けたヒーター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結晶を溶融液に浸漬し、シードチャック及び坩堝を同方向又は逆方向に回転しながら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。
【０００３】
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すものである。３１はワイヤー巻き上げモーター、３２はワイヤー巻き上げドラムである。３３は前記ワイヤー巻き上げモーター３１、ワイヤー巻き上げドラム３２を設置した真空容器に回転運動を与えるモーターであり、ワイヤーケーブル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は溶融液面、３９は坩堝内の多結晶シリコン材料を加熱溶解する黒鉛製ヒーター、４０は黒鉛製断熱材であり、４１は坩堝ペディスタルを介して坩堝に回転運動を与えるモーター、４２は坩堝軸昇降装置である。
【０００４】
シリコン単結晶の引き上げに当たり、前記溶融面３８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を介して輻射計ユニット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及び溶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はテレビモニターである。
【０００５】
上記単結晶製造装置において、単結晶を無転位化するために、種子結晶から、結晶を成長させる際には、まず直径を３〜４ｍｍに制御しながら１００〜１５０ｍｍの長さに育成し、次いで所定の単結晶直径まで拡大育成させる。この無転位化のために直径３〜４ｍｍの状態で結晶を育成させる工程を、ネッキングと称している。
【０００６】
このネッキング工程においては、工程スタート時の温度が適切でないと、ネッキング途中で結晶が急激に細り、溶融液から切り離れたり、又は３〜４ｍｍの直径に維持できず必要以上に太くなり、無転位化が困難になるという問題がある。すなわち、坩堝内の溶融液温度が高い場合には、ネッキング部の結晶直径が急激に減少して、瞬時に溶融液と結晶が分離してしまう。逆に溶融液温度が低い場合には、直径が急激に増大して無転位化が困難になる。
このため、従来からネッキング時の溶融液温度を精度良く測定する方法が種々提案されている。例えば、特開平４−３２５４８８号では種子結晶浸潰前に精度よく溶融液表面温度を制御することによって、ネッキング工程の成功率を上げている。この場合、溶融液面の温度を正確に測定するため、特開平４−２５４４８８号所載のように輻射温度計を溶融液面の垂直直上に配置しなければならず、また、特開平４−３２５４８８所載のように２つの波長の放射エネルギーの比率から液面温度を測定する２色温度計が必要とされる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これら従来の技術によれば、実際にネッキングが行われる溶融液面の位置が溶融液を収納する石英ガラス製の坩堝の中心部であるため、輻射温度計を溶融液面に対して鉛直方向から測定する様にセットすると、種子結晶保持器３７や、種子結晶上下動駆動装置３２、種子結晶を回転させるための駆動装置３３（以上、図６参照）等に干渉するため、中心部から少なくとも１０ｃｍ以上離れた位置を観察しなければならない。
【０００８】
溶融液面の温度は、通常、径方向に大きな温度勾配を持っており、坩堝の回転速度やヒーターとの相対的な位置関係、炉内に導入するアルゴンガスの流量によって、大きくその温度分布が変化することは当該業者には良く知られていることである。従って、中心部から離れた溶融液面の温度が正確に制御できたとしても実際にネッキングが行われる中心部分の温度は炉内の状況により大きく異なる。
このため、炉の中心部分をネッキングの適温に正確に制御することは困難であった。
また、２色温度計は通常の単一波長領域の輻射温度計と比較して、２倍以上高価であり、溶融液面に対して鉛直方向から観察できる様に取付けることも単結晶製造装置の構造上難しい場合が多い。
【０００９】
そこで本発明者らは、種子結晶と溶融液面の接触部に形成されるメニスカスリングと称される部分がネッキングに最適な溶融液温度の場合、高輝度のリング状の部分が２重になることに着目し、この現象を最適な溶融液温度の指標に用いることによりネッキングの安定化を可能にした。
本発明は上記問題点に鑑み、温度測定が不安定な輻射温度計や２色温度計を使用することなく、炉の中心部分のネッキング時の最適溶融液温度を精度良く検知する方法を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このため本発明では、チョクラルスキー法（ＣＺ法）により半導体単結晶を製造する工程において、坩堝内の固液界面をテレビカメラにより観察し、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に相当するビデオ信号を得て、メニスカスリングのそれぞれの位置に対応する水平走査線の１本毎のビデオ信号に形成されるメニスカスリングの輝度に対応するピークの数を計数して、このピークの数が一つのテレビ画面の上端から下端への水平走査線の移動に伴って、４個から３個を経過して２個に減少する過程、又は４個から３個へ、又は３個から２個へ減少する過程が存在することを検出して坩堝内の溶融液の最適温度を検知することを第１の特徴し、前記メニスカスの輝度に対応するピークの数が、一つのテレビ画面の上端から下端への水平走査線の移動に伴って、２個から３個を経過して４個に増大する過程、又は３個から４個へ増大する過程が存在することを検出して坩堝内の溶融液の最適温度を検知することを第２の特徴とするものであり、さらに、その製造装置にメニスカスの輝度に対応するピークの数の検出頻度と、予め設定したしきい値と比較して、しきい値との差を減少させる様に半導体融液の温度を自動的に調節する手段を設けたものである。
【００１１】
【作用】
本発明では、メニスカス部分をテレビカメラにより観察し、その映像において、メニメニスカスの高輝度のリング状部が２重であることを判断すると共に、テレビ画面のメニスカスと交わる水平走査線を構成するビデオ信号の輝度の高さに対応するピークの数が、一画面の走査の進行に伴って特有の変化をすることを検出する。
【００１２】
図２に示すように、種結晶上部から走査を開始した場合、一本の走査線上に現れるピークの数は、０〜２〜４〜３〜２〜１〜０の順に変化する。しかしながら、実際には、種結晶の回転や、溶融液表面温度の局所的な変動により、それぞれのピークの高さは個々に変動するため、必ずしも全ての画面で上述のようなピーク数の変化が検出されるとは限らない。
【００１３】
０〜２、１〜０の変化は、二重リングでなく、一重リングの場合でも生じるので、実際には二重リング独特の変化バターンとして、４〜３〜２の変化の内、４〜３の変化又は３〜２の変化のどちらかを検出することが望ましく且つ容易である。
【００１４】
この変化パターンの検出が一画面において行われた時、一個のパルスを出力する様に回路を構成しておき、且つ安定に画面毎に検出されたならば、通常のテレビカメラを使用した映像システムの場合、毎秒６０回画面を更新しているので、パルス出力の周波数は６０Ｈｚとなる。
【００１５】
この周波数は、上記した様に、二重リングの明瞭さに、おおむね比例していると考えられるので、この周波数をアナログ電圧に変換して、制御コンピューターに入力することにより、最適温度の判断、最適温度の調節を自動で行うことができる。また、この検出動作はネッキングの直径制御に使用されているテレビカメラシステムへの機能追加として、容易且つ安価に行うことができる。
【００１６】
例えば、特開平２−１６４７８９号の図１に記載されているパルスカウンター１２により、走査線１本毎のパルス数をカウントすることができ、このカウンター部分に本発明機能を追加することにより、カウント数の４〜３の変化を検出することができる。
【００１７】
図３に示すように、パルス数検出のためのスレッショールドレベル（しきい値）を直径測定のためのスレッショールドレベル（しきい値）とは別に独立させて設定しておけば、従来の直径測定機能には影響を与えずに、ネッキングの最適温度を検出することが可能である。
【００１８】
【実施例】
以下、図１により、本発明に係る半導体単結晶成長装置の好ましい実施例を詳述する。
本実施例では、２次元ＣＣＤカメラを使用し、焦点距離２００ｍｍのレンズを使用して種結晶の固液界面付近の影像及びそのビデオ信号を得ている。
ビデオ信号は、スレッショールドレベル設定回路１とコンパレーター２によりスレッショールドレベル以上の輝度を示した波形について、波形成形されたパルスを得て、パルス幅弁別回路３により所定のパルス幅以上のパルスだけ通過される。これによって２次元ＣＣＤセンサーのビット不良によるノイズを防ぐことができる。
【００１９】
水平同期パルスによりリセットされるカウンター４は、走査線１本毎のパルスをカウントする。カウンター４の出力は、走査終了時にデジタルコンパレーター５により、別に設定したデジタルスイッチ６のコード（ｎ＝４）と比較され、その後、わずかに遅延された水平同期パルスによりリセットされる。この時、カウンター４のカウント数が４であれば、コンパレーター５のＡ＝Ｂの出力は「Ｈレベル」となり、フィリップフロップ７は、これを入力して「Ｈレベルを出力する状態」に遷移する。
【００２０】
すなわち、１画面の中で、１本の走査線上にスレッショールドレベル以上の輝度を示すピークが４個以上あった時に、その画面の走査が終了するまで、フィリップフロップ７は「Ｈレベル」を維持する。
【００２１】
一旦、カウンター４で、４個のパルスをカウントした後に、同じ画面中で３個のパルスをカウントすると、同様にコンパレーター８のＡ＝Ｂの出力が「Ｈレベル」となり、この出力はゲート回路１０に入力されるが、すでに４個のパルスが検出されている場合にはゲート回路１０の入力１２が「Ｈレベル」になっているため、その出力も「Ｈレベル」になり、フィリップフロップ回路１１の出力も「Ｈレベル」となる。
【００２２】
一画面の走査終了時に、それぞれのフィリップフロップ回路１１は、垂直同期パルスＶＤからわずかに遅延されたパルスＶＤＤによりリセットされるが、フィリップフロップ回路１１の出力が「Ｈレベル」の時、ＶＤと同期した同一のパルス幅のパルスがゲート回路１３から出力される。
ゲート回路１３の出力は、Ｆ−Ｖコンバーター１４に入力され、パルス周波数に比例したアナログ電圧に変換される。
従って、１画面の中で１本の走査線に現れる輝度のピークが４個から３個に減少する過程が存在することを確実に検出することが可能となる。
【００２３】
以上、上述した方法を拡張して４〜３〜２とパルス数が変化したときのみ、単発パルスを発生させることも容易であるが、４〜３と３〜２の検出確率の積になるため、単発パルスの発生頻度は小さくなる。
【００２４】
尚、テレビカメラを上下逆にして、テレビ画面の操作順にカウントされるパルス数が２〜３〜４と変化することを確認して、最適温度の指標とすることも基本的には図１の装置構成で可能である。
また、Ｆ−Ｖコンバーターを使用せずに、積分回路により、パルス数に略比例したアナログ電圧を出力することも容易である。
【００２５】
本実施例は、回路を構成する部品に、ＴＴＬと呼ばれる最も規模の小さいＩＣを１０数個使用することで実現可能であり、機能追加を極めて安価に行うことができる。
【００２６】
絞り直径制御に必要な直径測定は、別に設定されたスレッショールドレベルにより波形成形されたパルスのパルス幅を測定することにより従来通り行われる。これらの詳細については本出願人が既に出願している特開平２−１６４７８９号公報に記述されている。
【００２７】
以上の検出出力は、制御用コンピューターに入力され、ネッキングに適当な温度であるか否かを判断すと共に、不適当な場合には温度補正を行うことが可能である。また、本発明装置により、ネッキングを自動的に開始した後は、同時に得られる直径測定出力により、ネッキングの自動直径制御を行うことができる。
【００２８】
図６に示したシリコン単結晶製造装置の中で、４４で示される幅計測ユニットを本発明構成の装置（図１参照）に置き換えて、実際のネッキングを行った。
シリコン多結晶素材は６０Ｋｇ使用した。シリコン溶融液を保持する石英ルツボの直径は約４６０ｍｍのものを使用した。
【００２９】
本実施例では、図１に示す構成中、Ｆ−Ｖコンバーターを用いて６０Ｈｚのパルス周波数で電圧を１０Ｖｏｌｔ出力するように調整した回路を用いたところ、メニスカスが完全に２重リング状に見えた時、４．５Ｖｏｌｔ〜６．５Ｖｏｌｔ付近の変動する電圧が得られた。この変動は、溶融液の対流による局部的な温度変動により、メニスカスの形状が変化し、輝度ピーク高さが変動して個々のピークの検出が不安定になったためと考えられる。
これらの変動は数秒周期のため、１分間程度の平均化により実用上問題ない程度に小さくできる。
【００３０】
この後、温度を故意に下げて２重リングが消滅した時には０．１Ｖｏｌｔ以下の出力電圧を示した。ネッキングの開始時のＦ−Ｖコンバーター出力電圧とヒーター温度との関係が図４のように得られた。
また、Ｆ−Ｖコンバーター出力とヒーター温度との関係を図５に示した。ヒーター温度は、Ｆ−Ｖコンバーター出力の最適値（図４において最もネッキング成功率が高い時の電圧）を与える温度を０℃として、その温度からの偏差を示している。
【００３１】
図５より初期のヒーター温度設定が、最適値の上下１５℃以内にあればヒーター温度を制御することによってＦ−Ｖコンバーター出力を最適出力に制御できることが判る。
【００３２】
本実施例では、Ｆ−Ｖコンバーター出力とその設定値（最適値）との偏差を積分してヒーター温度設定値にフィードバックする、通称カスケード制御と呼ばれる方法により、ネッキングに最適な温度に自動制御した。
【００３３】
もし、初期設定温度が最適値より１５℃以上高い場合には、種結晶の先端が完全に溶解して溶融液面から切り離れてしまう。
また、初期設定温度が最適値より１５℃以上低い場合には、種結晶から溶融液面に広がって成長してしまう。
いずれの場合も、テレビカメラによる直径測定を並行して行っていれば、直径測定値の急激な減少又は増大として検出され、それによって自動的に作業者に警報を発することができる。
しかしながら、通常はヒーター温度の初期設定温度を前バッチの結晶育成時の最適温度を得られた値に設定しておけば、最適値のほぼ上下７℃以内に制御することは容易である。その後、前述のカスケード制御により最適温度に自動的に制御すれば良い。
【００３４】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成したので、温度測定が不安定な輻射温度計や２色温度計を使用することなく、炉の中心部分のネッキング時の最適溶融液温度を精度良く検知することができる。その結果、ネッキング工程の成功率を大幅に増大させ、失敗によるやり直しや作業者の温度調整にかかる時間を削減して、単結晶の生産性を向上させ製造コストを削減できるという優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るビデオ信号処理回路を示すブロック図である。
【図２】最適温度時のメニスカスのテレビ映像とビデオ信号の波形の関係を示す説明図である。
【図３】パルス数検出及び直径測定のためのスレッショールドレベル（しきい値）の設定を示す説明図である。
【図４】ネッキング成功率とＦ−Ｖコンバーター出力電圧の関係を示すグラフである。
【図５】Ｆ−Ｖコンバーター出力とヒーター設定温度の関係を示すグラフである。
【図６】一般的なシリコン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 コンパレーター
３ パルス幅弁別回路
４ カウンター
５ デジタルコンパレーター
６ デジタルスイッチ
７ フィリップフロップ回路
８ デジタルコンパレーター
９ デジタルスイッチ
１０ ゲート回路
１１ フィリップフロップ回路
１２ ゲート信号
１３ ゲート回路
１４ Ｆ−Ｖコンバーター

Claims (3)

1. チョクラルスキー法（ＣＺ法）により半導体単結晶を製造する工程において、坩堝内の固液界面をテレビカメラにより観察し、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に相当するビデオ信号を得て、メニスカスリングのそれぞれの位置に対応する水平走査線の１本毎のビデオ信号に形成されるメニスカスの輝度に対応するピークの数を計数して、このピークの数が一つのテレビ画面の上端から下端への水平走査線の移動に伴って、４個から３個を経過して２個に減少する過程、又は４個から３個へ、又は３個から２個へ減少する過程が存在することを検出して坩堝内の溶融液の最適温度を検知することを特徴とする最適溶融液温度の検知方法。
2. 前記メニスカスの輝度に対応するピークの数が、一つのテレビ画面の上端から下端への水平走査線の移動に伴って、２個から３個を経過して４個に増大する過程、又は３個から４個へ増大する過程が存在することを検出して坩堝内の溶融液の最適温度を検知することを特徴とする請求項１記載の溶融液温度の検知方法。
3. メニスカスの輝度に対応するピークの数の検出頻度と、予め設定したしきい値と比較して、しきい値との差を減少させる様に半導体融液の温度を自動的に調節する手段を有することを特徴とする半導体単結晶の製造装置。

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