JP4039055B2

JP4039055B2 - Single crystal growth method and growth apparatus

Info

Publication number: JP4039055B2
Application number: JP2001388783A
Authority: JP
Inventors: 匡彦水田; 徳次前田; 浩二加藤
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2008-01-30
Anticipated expiration: 2021-12-21
Also published as: JP2003192487A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はチョクラルスキー法（原料融液に磁場を印加する装置を備えた磁場印加チョクラルスキー法を含む。以下、同じ。）によりシリコン単結晶等の単結晶を原料融液から育成する単結晶の育成方法および育成装置に関し、特に、単結晶の直径制御のために、原料融液を加熱する加熱温度パターンの設定を改良した単結晶の育成方法および育成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
単結晶を成長させるには種々の方法があるが、この中で最も代表的な引き上げ方法がチョクラルスキー法である。チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の育成では、周知のとおり、シリコンの原料融液に種結晶を浸漬し、この状態から、引き上げ速度および原料融液の加熱温度を制御しながら種結晶を引き上げることにより、種結晶の下方に円柱形状のシリコン単結晶が育成される。そして、育成されたシリコン単結晶から、半導体デバイスの材料となるシリコンウェーハが採取される。
【０００３】
このようなシリコン単結晶の育成においては、単結晶の直径制御が行われる。この単結晶の直径制御の従来技術としては、単結晶直径の計測値と設定値とのずれを融液温度または引き上げ速度にフィードバックして補償することを特徴とする単結晶自動径制御方法（特開昭５７−１７５７９４）がある。この方法に代表されるように、従来の単結晶の直径制御方法は、引き上げ中の単結晶の直径のずれを原料融液を加熱するヒータ温度または引き上げ速度にフィードバックするダイナミック制御である。また、特開平４−１４９０９２号公報には、コーン部育成制御方法及び装置に関して記述されているが、本技術も、引き上げ中のヒータ温度を操作して直径を制御するダイナミック制御である。
【０００４】
以上のような従来技術において、直径制御としてダイナミック制御に重点が置かれていたのは次の理由による。即ち、単結晶の育成装置には、装置毎に僅かに個体差があるため、その装置毎に加熱特性に差異が生じてしまう。また、たとえ単一の製造装置であっても、製造装置を構成する部品の経時変化や部品の取り替えにより、加熱特性に差異が生じてしまう。このために、予め設定する加熱手段のヒータ温度パターンはひとつの目安にしかならず、直径制御は引き上げ中のダイナミック制御に頼らざるを得なかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した直径制御に関する従来技術の問題点は、単結晶の引き上げ中に実施するダイナミック制御にある。直径のずれを加熱温度にフィードバックして制御する場合は、加熱温度を操作してから単結晶の直径に作用するまでに多大な時間を要するため、所望の直径制御を行うことは困難である。単結晶直径が大口径化した現在では、上記単結晶の直径に作用するまでの時間はさらに延び、その困難さは一層増している。
【０００６】
一方、直径のずれを引き上げ速度にフィードバックする場合は、引き上げ速度を操作してから単結晶の直径に作用するまでの時間は短くなる。しかし、単結晶の品質が高くなるに連れて、引き上げ速度と品質との相関関係が強いことが判明し、許容できる引き上げ速度偏差は非常に狭いことが分かってきた。このため、あまり引き上げ速度を操作することはできない。すなわち、引き上げ速度を操作することにより直径を制御することはできるが、安易に引き上げ速度を操作すると、単結晶の品質不良を生じるという本末転倒の結果を生じることとなる。
【０００７】
このように、単結晶の直径の大口径化および高品質化に伴って、直径のダイナミック制御の問題が顕在化してきた。また、従来から指摘されている問題であるが、外周研削による材料損失の増大を抑制するとともに、直径不良による歩留まり率の悪化を防ぐためには、良好な直径制御が不可欠である。
【０００８】
以上のことから、大口径化および高品質化が一層進むにつれて、引き上げ中のダイナミック制御に依存しない直径制御の重要性が増してきた。
【０００９】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、引き上げ前に単結晶の直径を決定付ける加熱温度の設定手段を提供することにより、単結晶の品質を維持したうえで直径不良による歩留まり不良を抑制する直径制御を行う単結晶の育成方法および育成装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、第１の発明に係る単結晶の育成方法は、予め加熱温度パターンを設定してチョクラルスキー法により単結晶を育成するに際し、原料融液を加熱する加熱手段の加熱温度が単結晶の直径に及ぼす応答特性から、単結晶の育成過程で変化する加熱温度を一定時間毎に細分化して個々のステップ状変化量に対応する直径変化量を特定し、これらの直径変化量を重ね合わせてできる単結晶の直径と目標直径とを比較し、それらの誤差を解消するように調整することで、加熱温度パターンに対する単結晶直径の経時変化を、少なくとも結晶育成装置毎、あるいは結晶育成装置を構成する部品の履歴毎に予測し、該直径予測値と引き上げ長もしくは引き上げ時間に対して予め設定された直径目標値とが一致するように調整して決定した加熱温度パターンに基づいて原料融液を加熱することを特徴とする。
【００１１】
上記構成により、予め決定された加熱温度パターンに基づいて原料融液を加熱することで、大口径の単結晶でもその直径を正確に制御しながら育成することができるようになる。この単結晶の育成方法は、特に製品の目標直径となる直胴部までの肩部の形状制御に適している。
【００１２】
上記加熱温度パターンは、単結晶の育成過程で変化する加熱温度を一定時間毎に細分化して個々のステップ状変化量に対応する直径変化量を特定し、これらの直径変化量を重ね合わせてできる単結晶の直径と目標直径とを比較し、それらの誤差を解消するように調整することで、決定することが望ましい。
【００１３】
上記構成により、結晶育成装置毎、あるいは結晶育成装置を構成する部品の履歴毎に異なる、加熱温度パターンの直径への影響を吸収することができる。即ち、加熱温度を細分化して、個々の部分で変化した温度（ステップ状変化量）が変化させる単結晶の直径を細かく測定することで、微調整がきくようになる。これにより、個々の部分での直径変化量を重ね合わせてできる単結晶の直径は細かな調整がきき、目標直径との誤差を解消するように細かく調整することで、最良の加熱温度パターンを作製することができる。
【００１４】
第２の発明に係る単結晶の育成装置は、予め加熱温度パターンを設定してチョクラルスキー法により単結晶を育成するに際し、原料融液を、予め設定する加熱温度パターンに基づいて加熱する加熱手段を備えた単結晶の育成装置において、上述の発明に係る単結晶の育成方法に基づいて決定した上記加熱温度パターンにより上記加熱手段を制御する制御手段を備えたことを特徴とする。
【００１５】
上記構成により、細かく調整された最良の加熱温度パターンに基づいて原料融液を加熱することで、大口径の単結晶でもその直径を正確に制御しながら育成することができるようになる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る単結晶の育成方法および育成装置について説明する。
【００１７】
［単結晶の育成方法］
まず、本実施形態に係る単結晶の育成方法について説明する。
【００１８】
本実施形態に係る単結晶の育成方法は、チョクラルスキー法において、上述した従来のダイナミック制御ではなく、予め設定する加熱温度パターンに基づいて加熱制御を行うものである。チョクラルスキー法により単結晶を育成するに際して、原料融液を加熱する加熱手段の加熱温度が単結晶の直径に及ぼす応答特性から、加熱温度パターンに対する単結晶直径の経時変化を予測し、この直径予測値と引き上げ長もしくは引き上げ時間に対して予め設定された直径目標値とが一致するように調整して、加熱手段の加熱温度パターンを決定する。そして、この加熱温度パターンに基づいて加熱制御を行う単結晶の育成方法は、直胴部の直径を一定に保つ制御の場合も有効な方法であるが、特に製品の目標直径となる直胴部までの肩部の形状制御に最適な方法である。
【００１９】
具体的には、チョクラルスキー法により単結晶（半導体単結晶等）を原料融液から育成する際に、引き上げ長もしくは引き上げ時間に対して、所望の直径となるように設定する加熱手段の加熱温度パターンを適正化したうえで、この加熱温度パターンに基づいて単結晶を育成する。
【００２０】
これを実現するために、以下の処理をする。まず、加熱手段の加熱温度が単結晶の直径に及ぼす影響を定式化する。
【００２１】
基本式は、加熱手段の加熱温度のステップ状変化量に対応する直径変化量であり、下記の（１）式で示すことができる。ここで、直径変化量をｄ、加熱手段の温度低下量をΔＴ、比例定数をＫ、時定数をＴ、むだ時間をＬとする。また、添え字のｉは、時間に対して連続的に設定する加熱温度パターンを一定時間毎にステップに分割した場合の、ステップの順番に対応する。
【００２２】
【数１】

この式による典型例を図２のグラフに示す。
【００２３】
設定する加熱温度パターンを一定時間毎に細分化すれば、それぞれのステップ状変化量（細分化した個々の部分での温度差）に対応する直径変化量を算出することが可能である。この概念図を図３および図４に示す。図３は加熱温度パターンを一定時間毎にステップ状に細分化した例である。ここで、加熱温度は、肩部プロセス開始時点での加熱温度を基準温度０℃とした相対温度である。図４は、図３のステップ状に細分化した加熱温度パターンの各ステップ状変化量に対応する直径変化量を示している。例えば、図３の▲１▼に示すΔＴ１に対応する直径変化量は図４の▲１▼ｄ１である。図３の▲２▼ΔＴ２、▲３▼ΔＴ３も同様に、図４の▲２▼ｄ２、▲３▼ｄ３にそれぞれ対応する。図４の各々の直径変化量を重ね合わせることにより、図５に示すように、最終的に単結晶の直径を予測することができる。ここで、単結晶の直径をＤとすると、以下の式（２）が成り立つ。
【００２４】
Ｄ(t)＝Σｄi(t) …（２）
直径の予測精度は、予測モデルに依存する。この予測モデルに必要なパラメータは、引き上げ実績をもとに決定する。加熱温度パターンの直径への影響には個体差があり、結晶育成装置毎、あるいは結晶育成装置を構成する部品の履歴毎に異なる。逆に言うと、結晶育成装置毎、あるいは結晶育成装置を構成する部品の履歴毎に同一条件で単結晶を育成させれば、同じ直径の単結晶が繰り返し得られることになる。このため、同一条件毎に予測モデルのパラメータを決定することにより、結晶育成装置毎あるいは結晶育成装置を構成する部品の履歴（経時的な変化）毎に対応させることが可能となる。同一条件データは、結晶育成装置の操業条件、結晶育成装置を構成する部品の使用状況および単結晶の引き上げ実績値を蓄積して作成する。これ以外のデータも必要に応じてデータベースに加える。これにより、結晶育成装置毎、及び結晶育成装置を構成する部品毎に、種々の条件での数値をデータベース化する。そして、このデータベースを基に、結晶育成装置及び結晶育成装置を構成する部品の状態を特定することで、それに対応する加熱温度パターンを瞬時に抽出することが可能になる。
【００２５】
なお、モデルのパラメータは、本実施形態においては先に示したように、各ステップに対応した比例定数、時定数、むだ時間となる。すなわち、ステップ数がＮであれば、３×Ｎがモデルに必要なパラメータ数となる。これらのモデルパラメータは、加熱温度実績と直径実績をもとに、直径予測値が直径実績と一致するように決定する。
【００２６】
次に、加熱温度パターンの決定方法について説明する。この加熱温度パターンに対する直径は、上記予測モデル、即ちすでにモデルパラメータを決定した直径の予測モデルを用いて予測する。そして、予測誤差が所望の設定値以下になるまで、加熱温度パターンの見直しを行い、直径の予測誤差が所望の設定値以下になった場合の加熱温度パターンを、所望の直径パターンを得るために適正化された加熱温度パターンとして決定する。
【００２７】
この加熱温度パターンの決定方法を図１に示すフローチャートをもとに具体的に説明する。まず、加熱温度パターンを設定する（ステップＳ１）。この加熱温度パターンの設定は初回の場合はおおよその値にする。２回目以降は前回の値よりも僅かずつ変えて設定する。次に、設定された加熱温度パターンを予測モデルと参照して直径の予測値を特定する（ステップＳ２）。次に、この直径の予想値の目標値との誤差が所望の設定値以下になっているか否かを判断する（ステップＳ３）。所望の設定値以下になっていない場合は、ステップＳ１及びステップＳ２を繰り返す。所望の設定値以下になった場合は、その加熱温度パターンに決定する（ステップＳ４）。
【００２８】
この決定された加熱手段の加熱温度パターンをデータベース化し、結晶育成装置の制御盤に設定して単結晶の育成を行う。即ち、引き上げ長もしくは引き上げ時間に対応して設定された加熱温度パターンに基づいて単結晶を引き上げる。
【００２９】
これにより、単結晶の品質を維持したうえで、直径制御性の良好な単結晶を引き上げることが可能となる。
【００３０】
大口径の単結晶に対しても良好な直径制御が可能になり、大口径で品質の高い単結晶を育成することができる。この結果、歩留まり率が向上して製造コストの低減を図ることができる。
【００３１】
［単結晶の育成装置］
次に、結晶育成装置を図面に基づいて説明する。図６は本実施形態に係る結晶育成装置の構成図である。
【００３２】
結晶育成装置は、円筒形状の炉本体１１を備えている。炉本体１１内の中央部には石英の坩堝１２が配置されている。石英の坩堝１２内には単結晶用原料を溶融させた原料融液１３が充填されている。坩堝１２の外周には、原料融液１３を加熱するための加熱手段１５が備えられている。
【００３３】
炉本体１１の上方には、炉本体１１より細長い円筒形状のケーシング１１ａが連結されている。ケーシング１１ａ内には、ワイヤ１７が坩堝１２の回転軸１４に対して同心状態で垂下されている。ワイヤ１７の下端部にはシードホルダ１７ａが装着されており、これには種結晶１７ｂが取り付けられる。そして、種結晶１７ｂを石英坩堝１２内の原料融液１３に漬け、この状態から坩堝１２および種結晶１７ｂを回転させながら、種結晶１７ｂを上昇させることにより、その下方にシリコンの単結晶１９が育成される。
【００３４】
種結晶１７ｂの回転および上昇のために、ケーシング１１ａの最上部には、ワイヤ回転装置２０と、ワイヤ昇降装置２１とが設けられている。
【００３５】
ワイヤ回転装置２０は、ワイヤ回転用モータ２３と、駆動プーリ２４と、従動プーリ２５と、ベルト２６とを備えている。駆動プーリ２４はワイヤ回転用モータ２３の回転軸に取り付けられている。従動プーリ２５は、ワイヤ昇降装置２１を介してワイヤ１７に連結されている。ベルト２６は、駆動プーリ２４と従動プーリ２５とに掛け渡されて、ワイヤ回転装置２０とワイヤ昇降装置２１とを連結している。これにより、ワイヤ回転装置２０は、直接的にはワイヤ昇降装置２１を回転させ、このワイヤ昇降装置２１を介して間接的にワイヤ１７を回転させるようになっている。
【００３６】
ワイヤ昇降装置２１は、ワイヤ昇降用モータ２８と、ボビン２９とを備えて構成されている。ワイヤ昇降用モータ２８は、ボビン２９に歯車で結合されて、ボビン２９を回転させるようになっている。ボビン２９には、ワイヤ１７が巻き付けられている。これにより、ワイヤ昇降用モータ２８が駆動することで、ボビン２９が回転して、ボビン２９に巻きつけられたワイヤ１７が昇降されるようになっている。
【００３７】
これらワイヤ１７、ワイヤ回転装置２０およびワイヤ昇降装置２１を含んで、昇降手段３０が構成されている。
【００３８】
炉本体１１の上部には、観測窓１１ｂが設けられており、観測窓１１ｂを挟んで単結晶１９と対向する側には、直径センサ３１が設置されている。直径センサ３１は画像処理部３２に接続されており、これらを含んで計測・検出手段３３が構成されている。
【００３９】
加熱手段１５とワイヤ昇降用モータ２８とには制御盤４０が接続されている。この制御盤４０は、これら加熱手段１５及びワイヤ昇降用モータ２８を制御して、加熱温度と、単結晶の引き上げ長もしくは引き上げ時間とを、予め設定された値で制御するようになっている。即ち、単結晶の直径および単結晶の品質に強く影響を及ぼす引き上げ速度および加熱手段１５の加熱温度は、単結晶の引き上げ中には、予め制御盤４０に設定されたパターンで制御されるようになっている。
【００４０】
本発明で重要な直径を制御するための加熱温度パターンを決定する方法は、上述した単結晶の育成方法を用いた。単結晶の直径を予測する予測モデルを用いることにより決定した。すなわち、制御盤４０には、ＣＰＵやメモリ等が設けられ、上述した単結晶の育成方法の処理機能が格納されている。具体的には、制御盤４０は、ワイヤ回転用モータ２３及びワイヤ昇降用モータ２８を、設定された値で制御すると共に、加熱手段１５を上記単結晶の育成方法により決定した加熱温度パターンに基づいて制御した。
【００４１】
具体的には、１２０分の加熱温度パターンを１分毎のステップに分割することとし、３６０個のモデルパラメータを決定した。このとき、予測モデルによる直径の予測誤差は標準偏差で０．３２ｍｍであった。
【００４２】
次に、上記方法で決定した加熱温度パターンを結晶育成装置の制御盤４０に設定したうえで単結晶の引き上げを行ったところ、良好な結果が得られた。すなわち、単結晶の品質を維持したうえで直径制御性の良好な単結晶を製造することができた。この一例を図７に示す。
【００４３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明に係る単結晶の育成方法および育成装置によれば、単結晶の品質を維持したうえで、直径制御性の良好な単結晶を引き上げることが可能となる。
【００４４】
特に、大口径の単結晶に対して、良好な直径制御が可能になり、大口径で品質の高い単結晶を育成することができる。この結果、歩留まり率が向上して製造コストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】加熱温度パターンを決定するためのフローチャートである。
【図２】直径変化量のモデル化を示す基本図である。
【図３】加熱温度パターンの細分化例を示すグラフである。
【図４】各加熱温度に対応する各直径変化量を示すグラフである。
【図５】単結晶の直径を予測するグラフである。
【図６】本発明の実施形態に係る単結晶の育成方法に使用される育成装置を示す構成図である。
【図７】単結晶を製造した一例を示すグラフである。
【符号の説明】
１１：炉本体、１１ａ：ケーシング、１１ｂ：観測窓、１２：坩堝、１３：原料融液、１５：加熱手段、１７：ワイヤ、１７ａ：シードホルダ、１７ｂ：種結晶、１９：単結晶、２０：ワイヤ回転装置、２１：ワイヤ昇降装置、２３：ワイヤ回転用モータ、２４：駆動プーリ、２５：従動プーリ、２６：ベルト、２８：ワイヤ昇降用モータ、２９：ボビン、３０：昇降手段、３１：直径センサ、３２：画像処理部、３３：計測・検出手段、４０：制御盤。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention provides a single crystal for growing a single crystal such as a silicon single crystal from a raw material melt by the Czochralski method (including a magnetic field application Czochralski method equipped with a device for applying a magnetic field to the raw material melt. The same shall apply hereinafter). The present invention relates to a crystal growth method and a growth apparatus, and more particularly to a single crystal growth method and a growth apparatus in which the setting of a heating temperature pattern for heating a raw material melt is improved in order to control the diameter of the single crystal.
[0002]
[Prior art]
There are various methods for growing a single crystal, and the most typical pulling method is the Czochralski method. In the growth of a silicon single crystal by the Czochralski method, as is well known, a seed crystal is immersed in a silicon raw material melt, and from this state, the seed crystal is pulled up while controlling the pulling speed and the heating temperature of the raw material melt. Thus, a cylindrical silicon single crystal is grown below the seed crystal. And the silicon wafer used as the material of a semiconductor device is extract | collected from the grown silicon single crystal.
[0003]
In growing such a silicon single crystal, the diameter of the single crystal is controlled. As a conventional technique for controlling the diameter of a single crystal, a single crystal automatic diameter control method (special feature) is characterized in that a deviation between a measured value and a set value of a single crystal diameter is compensated by feeding back to a melt temperature or a pulling speed. Kaisho 57-175794). As represented by this method, the conventional method for controlling the diameter of a single crystal is dynamic control in which a deviation in diameter of the single crystal being pulled is fed back to a heater temperature or a pulling speed for heating the raw material melt. Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-149092 describes a cone portion growth control method and apparatus, but this technology is also dynamic control in which the diameter is controlled by operating the heater temperature during pulling.
[0004]
In the conventional technology as described above, the dynamic control is emphasized as the diameter control for the following reason. That is, since there is a slight individual difference for each single crystal growth apparatus, a difference in heating characteristics occurs for each apparatus. Moreover, even if it is a single manufacturing apparatus, a difference will arise in a heating characteristic by the time-dependent change of the components which comprise a manufacturing apparatus, or replacement | exchange of parts. For this reason, the heater temperature pattern of the heating means set in advance is only one standard, and the diameter control has to rely on dynamic control during pulling.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The problem of the prior art related to the diameter control described above lies in the dynamic control performed during the pulling of the single crystal. When controlling the deviation of the diameter by feeding back to the heating temperature, it takes a long time to operate on the diameter of the single crystal after the manipulation of the heating temperature, so that it is difficult to perform the desired diameter control. At the present time when the diameter of the single crystal is increased, the time until the single crystal diameter acts on the diameter of the single crystal is further increased, and the difficulty is further increased.
[0006]
On the other hand, when the deviation in diameter is fed back to the pulling speed, the time from when the pulling speed is manipulated until it affects the diameter of the single crystal is shortened. However, as the quality of the single crystal becomes higher, it has been found that the correlation between the pulling speed and the quality is strong, and it has been found that the allowable pulling speed deviation is very narrow. For this reason, the pulling speed cannot be manipulated much. That is, the diameter can be controlled by manipulating the pulling speed, but if the pulling speed is easily manipulated, the result of the end-to-end fall that results in poor quality of the single crystal will occur.
[0007]
As described above, the problem of dynamic control of the diameter has become apparent as the diameter of the single crystal is increased and the quality is improved. In addition, as a problem that has been pointed out in the past, good diameter control is indispensable in order to suppress an increase in material loss due to peripheral grinding and to prevent a yield rate from deteriorating due to a diameter defect.
[0008]
From the above, as the diameter and quality are further increased, the importance of diameter control that does not depend on dynamic control during pulling has increased.
[0009]
The present invention has been made in view of such problems, and by providing a heating temperature setting means for determining the diameter of the single crystal before pulling, the yield defect due to the diameter defect while maintaining the quality of the single crystal. An object of the present invention is to provide a growth method and a growth apparatus for a single crystal that performs diameter control to suppress the above-described phenomenon.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the method for growing a single crystal according to the first invention is a heating means for heating a raw material melt when a heating crystal pattern is set in advance and a single crystal is grown by the Czochralski method. From the response characteristics that the heating temperature has on the diameter of the single crystal, the heating temperature that changes during the growth process of the single crystal is subdivided at regular intervals, and the amount of diameter change corresponding to each step change is specified. By comparing the target diameter with the diameter of the single crystal formed by superimposing the amount of change, and adjusting so as to eliminate those errors, the change over time in the single crystal diameter with respect to the heating temperature pattern is at least for each crystal growth device, Alternatively, it is predicted for each history of parts constituting the crystal growing apparatus, and adjusted so that the predicted diameter value and the target diameter set in advance with respect to the pulling length or pulling time are matched. Characterized by heating the raw material melt based on the heating temperature pattern was boss.
[0011]
With the above configuration, by heating the raw material melt based on a predetermined heating temperature pattern, a large-diameter single crystal can be grown while accurately controlling its diameter. This method of growing a single crystal is particularly suitable for shape control of a shoulder portion up to a straight body portion that becomes a target diameter of a product.
[0012]
The heating temperature pattern can be obtained by subdividing the heating temperature that changes during the growth process of the single crystal at regular intervals to identify the diameter change amount corresponding to each step change amount, and superimposing these diameter change amounts. It is desirable to determine by comparing the diameter of the single crystal with the target diameter and adjusting so as to eliminate these errors.
[0013]
With the above configuration, it is possible to absorb the influence on the diameter of the heating temperature pattern, which is different for each crystal growth apparatus or for each history of parts constituting the crystal growth apparatus. That is, fine adjustment can be achieved by finely measuring the diameter of the single crystal at which the heating temperature is subdivided and the temperature (step change) changed at each portion changes. As a result, the diameter of the single crystal that can be created by superimposing the diameter variation in each part can be finely adjusted, and the best heating temperature pattern can be created by making fine adjustments to eliminate the error from the target diameter. can do.
[0014]
The single crystal growth apparatus according to the second aspect of the invention heats the raw material melt based on a preset heating temperature pattern when a heating temperature pattern is set in advance and a single crystal is grown by the Czochralski method. The apparatus for growing a single crystal provided with means includes a control means for controlling the heating means based on the heating temperature pattern determined based on the method for growing a single crystal according to the invention described above.
[0015]
With the above configuration, by heating the raw material melt based on the finely adjusted best heating temperature pattern, even a single crystal having a large diameter can be grown while accurately controlling its diameter.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a method and an apparatus for growing a single crystal according to the present invention will be described.
[0017]
[Single crystal growth method]
First, a method for growing a single crystal according to this embodiment will be described.
[0018]
In the Czochralski method, the method for growing a single crystal according to the present embodiment performs heating control based on a preset heating temperature pattern instead of the conventional dynamic control described above. When growing a single crystal by the Czochralski method, the time-dependent change of the single crystal diameter with respect to the heating temperature pattern is predicted from the response characteristics that the heating temperature of the heating means for heating the raw material melt has on the single crystal diameter. Adjustment is made so that the predicted value and the diameter target value set in advance with respect to the pulling length or pulling time are matched, and the heating temperature pattern of the heating means is determined. The method for growing a single crystal that performs heating control based on this heating temperature pattern is also an effective method for controlling the diameter of the straight body portion to be constant, but the straight body portion that is the target diameter of the product in particular. This is the most suitable method for controlling the shape of the shoulder.
[0019]
Specifically, when a single crystal (semiconductor single crystal, etc.) is grown from a raw material melt by the Czochralski method, heating by heating means that is set to a desired diameter with respect to the pulling length or pulling time After optimizing the temperature pattern, a single crystal is grown based on the heating temperature pattern.
[0020]
In order to realize this, the following processing is performed. First, the influence of the heating temperature of the heating means on the diameter of the single crystal is formulated.
[0021]
The basic formula is a diameter change amount corresponding to the step change amount of the heating temperature of the heating means, and can be expressed by the following equation (1). Here, d is the amount of change in diameter, ΔT is the temperature drop of the heating means, K is the proportionality constant, T is the time constant, and L is the dead time. The subscript i corresponds to the order of steps when a heating temperature pattern set continuously with respect to time is divided into steps at regular intervals.
[0022]
[Expression 1]

A typical example of this equation is shown in the graph of FIG.
[0023]
If the heating temperature pattern to be set is subdivided every predetermined time, it is possible to calculate the diameter change amount corresponding to each step-like change amount (temperature difference in each subdivided portion). This conceptual diagram is shown in FIG. 3 and FIG. FIG. 3 shows an example in which the heating temperature pattern is subdivided into steps at regular intervals. Here, the heating temperature is a relative temperature in which the heating temperature at the start of the shoulder process is set to a reference temperature of 0 ° C. FIG. 4 shows a diameter change amount corresponding to each step change amount of the heating temperature pattern subdivided into the step shapes of FIG. For example, the diameter change amount corresponding to ΔT1 shown in (1) in FIG. 3 is (1) d1 in FIG. Similarly, (2) ΔT2 and (3) ΔT3 in FIG. 3 respectively correspond to (2) d2 and (3) d3 in FIG. By superimposing the respective diameter change amounts in FIG. 4, the diameter of the single crystal can be finally predicted as shown in FIG. Here, when the diameter of the single crystal is D, the following formula (2) is established.
[0024]
D (t) = Σdi (t) (2)
The accuracy of diameter prediction depends on the prediction model. The parameters necessary for this prediction model are determined based on the actual results of the increase. There is an individual difference in the influence of the heating temperature pattern on the diameter, and it is different for each crystal growing apparatus or for each history of parts constituting the crystal growing apparatus. In other words, if a single crystal is grown under the same conditions for each crystal growth apparatus or for each history of parts constituting the crystal growth apparatus, single crystals having the same diameter can be repeatedly obtained. For this reason, by determining the parameters of the prediction model for each identical condition, it is possible to correspond to each crystal growth apparatus or each history (change over time) of the parts constituting the crystal growth apparatus. The same condition data is created by accumulating the operating conditions of the crystal growing apparatus, the usage status of the parts constituting the crystal growing apparatus, and the actual pulling value of the single crystal. Add other data to the database as needed. As a result, the numerical values under various conditions are stored in a database for each crystal growing apparatus and for each component constituting the crystal growing apparatus. And it becomes possible to extract the heating temperature pattern corresponding to it instantly by specifying the state of the parts which constitute crystal growth device and crystal growth device based on this database.
[0025]
In the present embodiment, the model parameters are a proportional constant, a time constant, and a dead time corresponding to each step, as described above. That is, if the number of steps is N, 3 × N is the number of parameters required for the model. These model parameters are determined based on the actual heating temperature and actual diameter so that the predicted diameter matches the actual diameter.
[0026]
Next, a method for determining the heating temperature pattern will be described. The diameter for this heating temperature pattern is predicted using the prediction model, that is, the diameter prediction model for which the model parameters have already been determined. Then, the heating temperature pattern is reviewed until the prediction error becomes a desired set value or less, and the heating temperature pattern when the diameter prediction error becomes the desired set value or less is obtained to obtain the desired diameter pattern. Determined as an optimized heating temperature pattern.
[0027]
The method for determining the heating temperature pattern will be specifically described based on the flowchart shown in FIG. First, a heating temperature pattern is set (step S1). The heating temperature pattern is set to an approximate value for the first time. For the second and subsequent times, set slightly different from the previous value. Next, the predicted value of the diameter is specified with reference to the set heating temperature pattern as a prediction model (step S2). Next, it is determined whether or not an error between the predicted value of the diameter and the target value is equal to or less than a desired set value (step S3). If it is not less than the desired set value, step S1 and step S2 are repeated. When the temperature is lower than the desired set value, the heating temperature pattern is determined (step S4).
[0028]
The determined heating temperature pattern of the heating means is made into a database and set on the control panel of the crystal growing apparatus to grow a single crystal. That is, the single crystal is pulled based on the heating temperature pattern set corresponding to the pulling length or pulling time.
[0029]
This makes it possible to pull up a single crystal with good diameter controllability while maintaining the quality of the single crystal.
[0030]
Good diameter control is possible even for large-diameter single crystals, and high-quality single crystals with large diameters can be grown. As a result, the yield rate can be improved and the manufacturing cost can be reduced.
[0031]
[Single crystal growth equipment]
Next, the crystal growth apparatus will be described with reference to the drawings. FIG. 6 is a configuration diagram of the crystal growth apparatus according to the present embodiment.
[0032]
The crystal growing apparatus includes a cylindrical furnace body 11. A quartz crucible 12 is disposed in the center of the furnace body 11. A quartz crucible 12 is filled with a raw material melt 13 obtained by melting a single crystal raw material. On the outer periphery of the crucible 12, a heating means 15 for heating the raw material melt 13 is provided.
[0033]
A cylindrical casing 11 a that is longer than the furnace body 11 is connected to the upper part of the furnace body 11. A wire 17 is suspended in the casing 11 a in a concentric state with respect to the rotating shaft 14 of the crucible 12. A seed holder 17a is attached to the lower end of the wire 17, and a seed crystal 17b is attached to the seed holder 17a. Then, the seed crystal 17b is immersed in the raw material melt 13 in the quartz crucible 12, and from this state, the seed crystal 17b is raised while rotating the crucible 12 and the seed crystal 17b. Be nurtured.
[0034]
In order to rotate and raise the seed crystal 17b, a wire rotating device 20 and a wire lifting device 21 are provided at the top of the casing 11a.
[0035]
The wire rotating device 20 includes a wire rotating motor 23, a driving pulley 24, a driven pulley 25, and a belt 26. The drive pulley 24 is attached to the rotation shaft of the wire rotation motor 23. The driven pulley 25 is connected to the wire 17 via the wire lifting device 21. The belt 26 is stretched around the drive pulley 24 and the driven pulley 25 to connect the wire rotating device 20 and the wire lifting device 21. Thus, the wire rotating device 20 directly rotates the wire lifting device 21 and indirectly rotates the wire 17 via the wire lifting device 21.
[0036]
The wire elevating device 21 includes a wire elevating motor 28 and a bobbin 29. The wire lifting / lowering motor 28 is coupled to the bobbin 29 with a gear so as to rotate the bobbin 29. A wire 17 is wound around the bobbin 29. Thus, when the wire lifting / lowering motor 28 is driven, the bobbin 29 rotates, and the wire 17 wound around the bobbin 29 is lifted / lowered.
[0037]
The lifting means 30 includes the wire 17, the wire rotating device 20, and the wire lifting / lowering device 21.
[0038]
An observation window 11b is provided in the upper part of the furnace body 11, and a diameter sensor 31 is installed on the side facing the single crystal 19 with the observation window 11b interposed therebetween. The diameter sensor 31 is connected to the image processing unit 32, and the measurement / detection means 33 is configured by including them.
[0039]
A control panel 40 is connected to the heating means 15 and the wire lifting / lowering motor 28. The control panel 40 controls the heating means 15 and the wire lifting / lowering motor 28 to control the heating temperature and the pulling length or pulling time of the single crystal with preset values. That is, the pulling speed and the heating temperature of the heating means 15 that strongly affect the diameter of the single crystal and the quality of the single crystal are controlled by a pattern set in advance on the control panel 40 during the pulling of the single crystal. It has become.
[0040]
As the method for determining the heating temperature pattern for controlling the diameter important in the present invention, the above-described method for growing a single crystal was used. It was determined by using a predictive model to predict the diameter of the single crystal. That is, the control panel 40 is provided with a CPU, a memory, and the like, and stores the processing functions of the single crystal growth method described above. Specifically, the control panel 40 controls the wire rotating motor 23 and the wire lifting / lowering motor 28 with the set values, and the heating means 15 is based on the heating temperature pattern determined by the single crystal growth method. And controlled.
[0041]
Specifically, the heating temperature pattern for 120 minutes was divided into steps every minute, and 360 model parameters were determined. At this time, the prediction error of the diameter by the prediction model was 0.32 mm in standard deviation.
[0042]
Next, when the heating temperature pattern determined by the above method was set on the control panel 40 of the crystal growth apparatus and the single crystal was pulled up, good results were obtained. That is, it was possible to produce a single crystal with good diameter controllability while maintaining the quality of the single crystal. An example of this is shown in FIG.
[0043]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the method and apparatus for growing a single crystal according to the present invention, it is possible to pull up a single crystal with good diameter controllability while maintaining the quality of the single crystal.
[0044]
In particular, good diameter control is possible for a large-diameter single crystal, and a high-quality single crystal with a large diameter can be grown. As a result, the yield rate can be improved and the manufacturing cost can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a flowchart for determining a heating temperature pattern.
FIG. 2 is a basic diagram illustrating modeling of a diameter change amount.
FIG. 3 is a graph showing an example of subdivision of a heating temperature pattern.
FIG. 4 is a graph showing each diameter change amount corresponding to each heating temperature.
FIG. 5 is a graph for predicting the diameter of a single crystal.
FIG. 6 is a configuration diagram showing a growth apparatus used in the method for growing a single crystal according to the embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing an example of producing a single crystal.
[Explanation of symbols]
11: furnace body, 11a: casing, 11b: observation window, 12: crucible, 13: raw material melt, 15: heating means, 17: wire, 17a: seed holder, 17b: seed crystal, 19: single crystal, 20: Wire rotating device, 21: Wire lifting device, 23: Wire rotating motor, 24: Drive pulley, 25: Driven pulley, 26: Belt, 28: Wire lifting motor, 29: Bobbin, 30: Lifting means, 31: Diameter Sensor, 32: Image processing unit, 33: Measuring / detecting means, 40: Control panel.

Claims

When a single crystal is grown by the Czochralski method with a heating temperature pattern set in advance, the heating temperature of the heating means for heating the raw material melt changes in response to the single crystal diameter , depending on the response characteristics of the single crystal. The heating temperature is subdivided at regular intervals to identify the diameter variation corresponding to each step variation, and the diameter of the single crystal formed by superimposing these diameter variations is compared with the target diameter. By adjusting so as to eliminate the error, the time-dependent change of the single crystal diameter with respect to the heating temperature pattern is predicted at least for each crystal growth apparatus or for each history of parts constituting the crystal growth apparatus, and the estimated diameter value is increased. Heating the raw material melt based on a heating temperature pattern determined by adjusting the length or the pulling time so as to match a preset diameter target value Method for growing a single crystal.

Upon advance the heating temperature pattern is set for growing a single crystal by the Czochralski method, the raw material melt, the growing device of a single crystal having a heating means for heating based on the heating temperature pattern preset claim growth apparatus of the single crystal, characterized in that it comprises a control means for controlling the heating means by the heating temperature pattern determined based on the method of growing 1 Symbol placement of a single crystal.