JP4109843B2 - 単結晶引き上げ装置および引き上げ方法 - Google Patents
単結晶引き上げ装置および引き上げ方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は単結晶引き上げ装置および引き上げ方法に係わり、特にレーザ光により形成された検出用スポットを撮像し、その撮像情報の処理方法を引き上げ段階に応じて切り換えて処理し、撮像信号を用いて融液表面の高さを制御する単結晶引き上げ装置および引き上げ方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般にシリコンウェーハに用いられるシリコン単結晶インゴットは多結晶シリコンからチョクラルスキー法（以下、ＣＺ法という。）により製造される。
【０００３】
従来、ＣＺ法によるシリコン単結晶引き上げにおいては、シリコン単結晶の成長に伴って、石英ガラスルツボ内のシリコン融液表面が降下するため、ルツボ軸を駆動して石英ガラスルツボを上昇させ、ヒータに対するシリコン融液表面の相対的な位置を一定に制御して、良質の単結晶を得ている。融液表面を制御するには、この融液表面を測定する必要があり、種々の方法が提案されている。
【０００４】
多くの従来のＣＣＤカメラにより撮像測定する融液表面の制御装置では、融液面の振動の影響を受けるため常に高精度の溶液面の位置を測定することができず、これを改良する制御装置として、特開平５―２３８８７７号公報に記載されるような融液レベル制御装置が提案されている。しかしながら、この公報記載の制御装置は、融液面でのレーザ光の正反射を利用し、レーザ光受光面と融液面の間に光シャッタを設け、融液面振動周期とシャッタリング周期とを同調させることにより、融液面振動による正反射光のバラツキを除去する装置である。この装置の問題点として、融液面振動（揺らぎ）の周期とシャッタリング周期を同調させることにより、散乱するレーザ光の中から水平の融液面に反射したレーザ光を得ようとするものであるが、融液面に発生する振動の周期および大きさは、炉内のガス流量をはじめとする様々なパラメータにより決定されるため、一定周期のシャッタリングにより受光面に安定したレーザ光を得ることは難しい点が挙げられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、融液面振動の周期および振動の大きさが変動しても、計測データのバラツキを除去でき、引き上げの全工程において安定した液面位置計測が可能な単結晶引き上げ装置および引き上げ方法が要望されていた。
【０００６】
本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、融液面振動の周期および振動の大きさが変動しても、計測データのバラツキを除去でき、引き上げの全工程において安定した液面位置計測が可能な単結晶引き上げ装置および引き上げ方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた本願請求項１の発明は、チャンバ内に設けられた石英ガラスルツボと、この石英ガラスルツボに装填された半導体原料を加熱して溶融するヒータと、このヒータにより溶融された半導体原料の融液面の高さを制御する液面位置制御装置を有し、種結晶を半導体原料融液に浸漬し単結晶を引き上げる単結晶引き上げ装置において、前記融液面に向けてスポット状のレーザ光を照射するレーザ照射系と、このレーザ照射系により照射された前記融液面上の前記レーザ光のスポット照射状況を撮像する撮像系と、この撮像系により撮像された画像データをもとに予め設定された基準座標系上で前記レーザ光のスポット座標を計測するスポット座標計測手段と、このスポット座標計測手段による計測データからの前記融液液面位置を演算し、その演算値と予め設定された液面位置の目標値との偏差をもとに単結晶引き上げ条件を制御する制御手段とを備え、前記スポット座標計測手段は、前記融液面の揺らぎに基づく前記レーザ光のスポット座標の計測データの変動が所定の許容範囲内を超えるネック部およびショルダ部の引き上げ工程に用いる第１のスポット座標計測手段と、前記融液面の揺らぎに基づく前記レーザ光のスポット座標の計測データの変動が所定の許容範囲内にある直胴部引き上げ工程に用いる第２のスポット座標計測手段とを備え、前記第１のスポット座標計測手段は、前記スポットを撮像し２値化後画像処理して座標の計測を行うスポット座標計測ステップと、前記スポット計測用ウィンドウ内に測定対象物であるスポットが無くなりエラーとなった場合にエラー直前の計測データを補間出力するエラー処理ステップと、直前の計測データに対するチェック幅より正常データの範囲を求め、現在の計測データがその範囲より外れた場合は前記直前の正常データを補間出力する特異点除去ステップと、加算平均処理により計測データを平均化する区間平均ステップと、設定値より高い周波数変化の計測データを除去し平坦化するローパスフィルタ処理を行うステップを備え、融液面変動が比較的激しい前記ネック部およびショルダ部の引き上げ工程で前記第１のスポット座標計測手段を用いたのち、融液面変動が比較的少ない前記直胴部引き上げ工程以降においては、前記第２のスポット座標計測手段に切り換えて測定が行われることを特徴とする単結晶引き上げ装置であることを要旨としている。
【００１０】
本願請求項２の発明では、前記第２のスポット座標計測手段は、前記第１のスポット座標計測手段から出力される信号に対して、映像画像と過去の画像輝度レベルとを加算平均する処理を行う手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の単結晶引き上げ装置であることを要旨としている。
【００１３】
本願請求項３の発明は、請求項１または２に記載の単結晶引き上げ装置を用いることを特徴とする単結晶引き上げ方法であることを要旨としている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わる単結晶引き上げ装置の実施形態について添付図面を参照して説明する。
【００１５】
図１に示すような実施形態の単結晶引き上げ装置１は、液面位置制御装置２を有し、さらに、水冷された炉体３と、この炉体３内に収納され原料のポリシリコンを溶融し、シリコン融液Ｍにする石英ガラスルツボ４と、この石英ガラスルツボ４を保持する黒鉛ルツボ５と、この黒鉛ルツボ５を囲繞するヒータ６とを有している。また、黒鉛ルツボ５は炉体３を貫通し、ルツボ回転用モータ７に結合されて回転され、かつ液面位置制御装置２により制御されるルツボ軸昇降装置８によって昇降されるルツボ軸９に取り付けられている。
【００１６】
さらに、石英ガラスルツボ４の上方には、石英ガラスルツボ４やシリコン融液Ｍの表面から結晶への輻射熱を遮蔽し、単結晶Ｉｇの引き上げ速度の低下を防ぐ輻射シールド１０が設けられている。この輻射シールド１０には、単結晶Ｉｇが貫通する開口部１０ｈが設けられた円筒形状、例えば逆截頭円錐形状の円錐部１０ｂと、この円錐部１０ｂの下端から同心円状に水平方向、例えば水平内方に延びる水平部１０ｓが設けられている。また、単結晶引き上げ用のシード１２を保持するシードチャック１３が取り付けられた引き上げ用ワイヤ１４が石英ガラスルツボ４の上方に設けられている。さらに、ワイヤ１４は、炉体３外に設けられモータ（図示せず）により付勢され、ワイヤ１４を巻き取ると共に回転させるワイヤ回転装置１５が取り付けられている。
【００１７】
上記液面位置制御装置２は、炉体３外に配置されており、かつ、コヒーレントな検出光を発振するレーザ照射系としてのレーザ光発振器１６と、撮像系としてのＣＣＤカメラ１７と、このＣＣＤカメラ１７に接続されたＡＤ変換回路１８、単結晶引き上げ装置１用で、モニタ１９ｍ、入力装置１９ｉを有する制御装置１９に接続された画像処理装置２０および上記昇降装置制御器８ｃにより制御されるルツボ軸昇降装置８を有し、図３に示すように垂直面とβの角度を有して設置されたレーザ光発振器１６とαの角度を有して設置されたＣＣＤカメラ１７とは、レーザ光発振器１６から発振され、炉体ショルダ部３ａに設けられた投光用光透過窓２１を経たレーザ光により融液表面に形成されたスポットを炉体ショルダ部３ａに設けられたカメラ用光透過窓２２を経てＣＣＤカメラ１７で撮像できるように光学的に配置されている。
【００１８】
上記ＣＣＤカメラ１７は２通りの働きを有し、前者の働きは、レーザ光発振器１６から発振されるレーザ光により形成されるスポットｐを撮像し、ＡＤ変換回路１８、画像処理装置２０を介して制御装置１９に入力し、この制御部１９は入力に基づき、昇降装置制御器８ｃを介してルツボ軸昇降装置８の昇降速度を修正して、石英ガラスルツボ４の昇降速度を修正し、融液表面の高さを制御するのに用いられる。
【００１９】
また、後者の働きは、ヒータ６から発せられる光により照らされ図２に示すようなネック成長領域ａｎ、直胴部成長領域ａｓ、およびテール部成長領域を撮像し、制御装置１９を介してヒータ制御器６ｃ、モータ制御器７ｃおよびワイヤリール回転装置制御器１５ｃを制御し、引き上げ条件を変更し、成長結晶の直径を制御するのに用いられる。
【００２０】
ＣＣＤカメラ１７に上記２通りの働きをさせるため、ＣＣＤカメラ１７は撮像位置変更機構２３に取り付けられ、この撮像位置変更機構２３は位置変更機構制御器２３ｃを介して制御装置１９に接続され、制御装置１９からの出力により、融液表面Ｓ上の一定範囲の任意位置を撮像できるように、その光軸が垂直面および水平面となす角度を変えられるようになっている。
【００２１】
従って、ＣＣＤカメラ１７は、レーザ光発振器１６から発振されるレーザ光により形成されるスポットｐおよびヒータ６から発せられる光により照らされるネック成長領域、直胴部成長領域、またはテール部領域を撮像させる。なお、本実施形態では、ＣＣＤカメラに２通りの働きを持たせる例で説明したが、後述する２通りの計測方法を実施するためには、ＣＣＤカメラを２個設け、スポットの撮像と、ネック成長領域、直胴部成長領域、またはテール部領域の撮像を別々のＣＣＤカメラで行ってもよい。
【００２２】
なお、レーザ光発振器１６およびＣＣＤカメラ１７は、輻射シールド１０が光学系に支障にならないように、各々の光軸が開口部１０ｈとこの開口部１０ｈを貫通する単結晶Ｉｇ間に形成される空隙を通り、シリコン融液Ｍの表面の外周よりに到達するような位置に配置される。
【００２３】
画像処理装置２０は記憶装置および演算制御装置を有し、スポット座標計測手段、および、第１のスポット座標計測手段と第２のスポット座標計測手段としての制御装置１９および画像処理装置２０により、図２に示すように、予めプログラムされた手順に従って、２通りの計測方法を実行する。
【００２４】
すなわち、第１のスポット座標計測手段を用い、例えば、融液面変動が比較的激しい引き上げ初期工程（図１に１点鎖線で示す単結晶Ｉｇ０の状態および図２（ｂ）に示す状態）において使用される初期計測方法と、第２のスポット座標計測手段を用い、例えば、融液面変動が比較的少ない直胴部工程（図１に実線で示す単結晶Ｉｇの状態および図２（ｃ）に示す状態）以降に使用される安定期測定方法とに切り換えて測定が行われる。
【００２５】
第１のスポット座標計測手段による初期測定方法は、図３に示す次のようなステップにより行われる。
【００２６】
（ＳＴ１） スポット座標計測：スポットをＣＣＤカメラ１７によりを撮像し２値化後、画像処理装置２０によりスポット座標の計測を行う。
（ＳＴ２） エラー処理：計測用ウィンドウ内に測定対象物（スポット）が無くなりエラーとなった場合に、エラー直前の計測データを補間出力する。
（ＳＴ３） 特異点除去：直前の計測データに対するチェック幅より正常データの範囲を求め、現在の計測データがその範囲より外れた場合は、直前の正常データを補間出力する。
（ＳＴ４） 区間平均：加算平均処理により計測データを平均化する。
（ＳＴ５） ＬＰＦ処理：設定値より高い周波数変化の計測データを除去し平坦化する（ローパスフィルタ処理：低い周波数成分のデータのみ本フィルタを通過）。
また、初期測定方法から切り替わって行われる第２のスポット座標計測手段による安定期測定方法は次のようなステップにより行われる。
（ＳＴ６） 画像平均：入力画像と過去の画像輝度レベルの加算平均処理を行う。
（ＳＴ７） スポット座標計測：ウィンドウ内の安定したスポットにより座標計測を行う。
上記初期計測方法あるいは安定期測定方法によりスポット座標計測を行った後、（ＳＴ８）液面位置偏差演算を行い、（ＳＴ９）ルツボ昇降速度制御を行う。
【００２７】
また、レーザ光発振器１６からＣＣＤカメラ１７への光学系上で、輻射シールド１０の水平部１０ｓには、この水平部１０ｓが光を透過させるように、例えば、図３および図４に示すような石英ガラス製で直径２〜４ｍｍ、長さ２０〜３０ｍｍを有し下端が半球形状をなす柱体状の光透過性物体１０ｓ１が設けられている。従って、真空中の光の屈折率が１であるのに対して光透過性物体１０ｓ１を形成する石英ガラスの屈折率は１．４〜１．５であり、光透過性物体１０ｓ１の垂直軸に対してθ１で入射したレーザ光は光透過性物体１０ｓ１でθ２に屈折されるため、レーザ光はθ１を有して光透過性物体１０ｓ１を透過するが、レーザ光の貫通により光透過性物体１０ｓ１の輝度が増し、融液Ｍ上に虚像のスポットｐが形成され、このスポットｐを単結晶Ｉｇと水平部１０ｓ間の間隙を介してＣＣＤカメラ１７により撮像することができる。
【００２８】
上記レーザ光発振器１６は、ヒータ３６によりチャンバ内から発生する光の波長を避けた波長のレーザ光、例えば、波長が５５０ｎｍ以下であるグリーンレーザ光（波長４９０〜５５０ｎｍ）を発振し、出力は３ｍＷである。これによって、チャンバ内ヒータの明るさ（電力状況）に左右されず、スポットｐを確実に撮像することができる。
【００２９】
次に、本発明に係わる単結晶引き上げ装置を用いたシリコン単結晶引き上げ方法を説明する。
【００３０】
引き上げ工程は、制御装置１９の記憶装置に記憶された引き上げ工程プログラムに基づき、引き上げ作業を自動的に行う。
【００３１】
（１）最初にＣＣＤカメラ１７を融液表面検出に用いる場合について説明する。
【００３２】
図１および図２（ａ）に示すように、シリコン単結晶を引き上げるには、ヒータ６を付勢し、ポリシリコンを溶融し、シリコン融液Ｍにする。しかる後、レーザ光発信器１６、ＣＣＤカメラ１７、画像処理装置２０および制御装置１９を有する液面位置制御装置２を用い、シリコン融液Ｍの融液表面Ｓをヒータ６と相対的関係で好ましい高さにする。
【００３３】
図２および図３のスポット形成部分を拡大して示す図４および図５に示すように、予め融液表面Ｓを照射するように配置されているレーザ光発振器１６は、制御装置１９からの指令信号により、グリーンレーザ光を発振しグリーンレーザ光を光透過性物体１０ｓ１の上部に向けて照射する。レーザ光が光透過性物体１０ｓ１の上部に照射されると、石英ガラスの空気と石英ガラス屈折率の違いにより透過性物体１０ｓ１の垂直軸に対してθ１で入射したレーザ光は光透過性物体１０ｓ１でθ２に屈折されるため、レーザ光はθ１を有して光透過性物体１０ｓ１を透過し、レーザ光の貫通により光透過性物体１０ｓ１の輝度が増し、乱反射された光でそのほぼ垂直下方の融液Ｍ上に虚像のスポットｐが形成される。図２（ａ）および図４に示すように、このときの融液表面Ｓの絶対高さを基準高さＺ０とする。
【００３４】
一方、ＣＣＤカメラ１７は、図３および図４に示すように、シリコン融液Ｍのスポットｐ（特にスポットｐの中心座標）に焦点が合わされており、スポットｐ０を撮像し、スポット画像信号として取り込み、２値化し、画像データを生成し、融液表面Ｓの基準高さＺ０の画像データとして制御装置１９の記憶装置に記憶し、さらに、制御装置１９は回転装置制御器１５ｃを介してワイヤ回転装置１５を動作させる。
【００３５】
単結晶引き上げは、ネック部、ショルダ部、そして直胴部と順に行われていくが、この引き上げ工程に従って、融液表面Ｓの高さに変化が生じるので、融液表面Ｓの高さＺの計測を行う。
【００３６】
ネック部、ショルダ部の引き上げ工程のような初期工程（図２（ｂ）の状態）においては、融液面変動が比較的激しいので、図３に示すようなステップに従い、第１のスポット座標計測手段を用いて測定する。
【００３７】
すなわち、図１に示すように、制御装置１９からの指令信号により、レーザ光発振器１６はレーザ光を発振させ、融液表面Ｓに検出用のスポットｐＺを形成する。ＣＣＤカメラ１７は、スポットｐＺを光信号として撮像し、これに応じた電気量のスポット画像信号を生成し、ＡＤ変換回路１８で２値化し、画像処理装置２０にスポット画像信号として取り込んで画像データに生成する（ＳＴ１）。
【００３８】
ＳＴ１のＣＣＤカメラ１７によるスポットの撮像時、計測用ウィンドウ内に測定対象物（スポット）が無くなりエラーとなった場合には、エラー直前の計測データを補間出力する（エラー処理）（ＳＴ２）。
【００３９】
次に、直前の計測データに対するチェック幅より正常データの範囲を求め、現在の計測データがその範囲より外れた場合は、直前の正常データを補間出力する（特異点除去）（ＳＴ３）。
【００４０】
さらに、加算平均処理により計測データを平均化する（区間平均）（ＳＴ４）。
【００４１】
また、設定値より高い周波数変化の計測データを除去し平坦化する（ローパスフィルタ処理：低い周波数成分のデータのみ本フィルタを通過）（ＬＰＦ処理）（ＳＴ５）。
【００４２】
上記のように初期計測方法よりスポット座標計測を行った後、液面位置偏差演算を行う（ＳＴ６）。
【００４３】
【外１】
【００４４】
【外２】
【００４５】
なお、モニタ１９ｍにはスポットｐ０およびｐｚの撮像例を示す。
【００４６】
このような引き上げの初期工程においては、融液面変動が比較的激しいが、第１のスポット座標計測手段は計測速度が優れ、また、スポット座標測定後の電気的フィルタ、データ平均演算等により行うので、融液面の振動によるバラツキを効果的に除去することができる。
【００４７】
引き上げが継続され、融液面変動が比較的少ない直胴部工程（図２（ｃ）に示す状態）になると、制御装置１９により画像処理装置２０を制御し、第１のスポット座標計測手段から第２のスポット座標計測手段に切り換えて測定が行われる。
【００４８】
上記初期測定方法のＳＴ１と同様にして、画像処理装置２０にスポット画像信号として取り込んで画像データに生成する。
【００４９】
この取り込まれた画像データは、図６に示すように、変動が所定の許容範囲内にある入力画像と過去の画像輝度レベルの加算平均処理が行われる（画像平均）（ＳＴ６）。
【００５０】
その後、ウィンドウ内の安定したスポットにより座標計測を行う（スポット座標計測）（ＳＴ７）。
【００５１】
さらに、上記ＳＴ８、ＳＴ９と同様に、第２のスポット座標計測手段によりスポット座標計測を行った後、液面位置偏差演算を行い、ルツボ昇降速度制御を行う。
【００５２】
このような引き上げの安定工程においては、融液面変動が比較的少ないので、第２のスポット座標計測手段により安定した融液面の高さの値を得ることができる。
【００５３】
上記のように、初期工程には第１のスポット座標計測手段を用い、安定工程には第２のスポット座標計測手段を用いるというように工程の進捗により切り換えて測定を行うことにより、融液面振動の周期および振動の大きさが変動しても、計測データのバラツキを除去でき、引き上げの全工程において安定した液面位置計測が可能となる。
【００５４】
（２）次に、ＣＣＤカメラ１７を成長結晶の直径を制御するのに用いる場合について説明する。
【００５５】
図１に示すように、制御装置１９からの指令信号によりワイヤリール回転装置制御器１５ｃを介してワイヤ回転装置１５を駆動させて、ワイヤ１４を降下させ、シード１２をシリコン融液Ｍに浸し、なじませた後、ワイヤ１４を上昇させて引き上げを行い、単結晶Ｉｇのネック部を形成する。このネック部の形成時、図２（ｂ）に示すように、制御装置１９からの指令信号により撮像位置変更機構２３を動作させて、ＣＣＤカメラ１７を回動させ、ネック成長領域ａｎを撮像する。ネック成長領域ａｎの画像信号は上記同様に画像処理され、制御装置１９に入力され、予め記憶されているネック部の直径データと比較され、正常に引き上げが行われているかチェックされる。
【００５６】
さらに、引き上げが継続され、単結晶Ｉｇのショルダ部を形成するが、上記同様にＣＣＤカメラ１７を回動させ、ショルダ部成長領域を撮像し、ショルダ部成長領域の画像信号は上記同様に画像処理され、制御装置１９に入力され、予め記憶されているショルダ部の直径データと比較され、正常に引き上げが行われているかチェックされる。
【００５７】
ショルダ部の引き上げが完了し、直胴部の引き上げが行われると、上述し図２（ｃ）に示すような融液表面Ｓの高さに変化（低下）が生じるので、融液表面Ｓの高さＺの検知を行う。
【００５８】
さらに、引き上げを継続して、図２（ｄ）に示すように、単結晶Ｉｇの直胴部を形成するが、上記同様にＣＣＤカメラ１７を回動させ、直胴部成長領域ａｓを撮像し、直胴部成長領域ａｓの画像信号は上記同様に画像処理され、制御装置１９に入力され、予め記憶されている直胴部の直径データと比較され、正常に引き上げが行われているかチェックされる。さらに、上述した図２（ｃ）に示すような融液表面Ｓの検知と直胴部成長領域ａｓの撮像が繰返し行われ、常に融液表面Ｓの高さＺが基準高さＺ０になるように修正され、所定の直径の単結晶Ｉｇが引き上げられるように引き上げ条件が修正される。さらに、単結晶Ｉｇのテール部が形成されて単結晶引き上げは完了する。
【００５９】
なお、単結晶引き上げ速度は毎分数ｍｍであり、結晶の成長速度および融液表面Ｓの低下速度は遅いので、１個のＣＣＤカメラ１７を用いて、単結晶Ｉｇの直径の画像信号の取込みと、融液表面Ｓに形成されるスポットｐの画像信号の取込みとを交互に行い、ヒータ６の温度制御、ワイヤ回転装置１５によるワイヤ巻き取り速度、ルツボ回転用モータ７によりルツボ回転数、ルツボ軸昇降装置８の速度制御等を行っても、直径の修正、融液表面Ｓの高さの修正のタイミングを逸して、単結晶Ｉｇの品質を低下させることはない。
【００６０】
上述した単結晶引き上げ工程において、ＣＣＤカメラは融液表面の高さの制御および成長結晶の直径の制御に用いるので、単結晶引き上げ装置のコストを低減できる。
【００６１】
【発明の効果】
本発明に係わる単結晶引き上げ装置によれば、融液面振動の周期および振動の大きさが変動しても、計測データのバラツキを除去でき、引き上げの全工程において安定した液面位置計測が可能な単結晶引き上げ装置を提供することができる。
【００６２】
また、本発明に係わる単結晶引き上げ方法によれば、融液面振動の周期および振動の大きさが変動しても、計測データのバラツキを除去でき、引き上げの全工程において安定した液面位置計測が可能な単結晶引き上げ方法を提供することができる。
【００６３】
すなわち、融液面の高さを制御する液面位置制御装置を有し、上記融液面に向けてスポット状のレーザ光を照射するレーザ照射系と、このレーザ照射系により照射された上記融液面上の上記レーザ光のスポット照射状況を撮像する撮像系と、この撮像系により撮像された画像データをもとに予め設定された基準座標系上で上記レーザ光のスポット座標を計測するスポット座標計測手段と、このスポット座標計測手段による計測データからの上記融液液面位置を演算し、その演算値と予め設定された液面位置の目標値との偏差をもとに単結晶引き上げ条件を制御する制御手段とを備え、上記スポット座標計測手段は、上記融液面の揺らぎに基づく上記レーザ光のスポット座標の計測データの変動が所定の許容範囲内を超える場合に用いる第１のスポット座標計測手段と、上記融液面の揺らぎに基づく上記レーザ光のスポット座標の計測データの変動が所定の許容範囲内にある場合に用いる第２のスポット座標計測手段とを備えているので、融液面振動の周期および振動の大きさが変動しても、計測データのバラツキを除去でき、引き上げの全工程において安定した液面位置計測が可能となる。
【００６４】
また、第１のスポット座標計測手段は、レーザ光のスポット座標の計測データが融液面の揺らぎで変動したときにその状況に応じてその変動を抑制するように上記計測データとして発生前の計測データを用いる手段を備えているので、融液面変動が比較的激しくとも、計測速度が優れ、融液面の振動によるバラツキを効果的に除去することができる。
【００６５】
また、第１のスポット座標計測手段は、計測データが予め設定された計測範囲を超えてエラーが発生した場合に、そのエラー直前の計測データを用いて補間するエラー処理手段と、上記計測データが予め設定された正常範囲を超えた所定の特異点を示した場合に、その直前の正常範囲内の計測データを用いて補間する特異点除去手段とを備えているので、融液面変動が比較的激しくとも、計測速度が優れ、融液面の振動によるバラツキを効果的に除去することができる。
【００６６】
また、上記第２のスポット座標計測手段は、映像画像と過去の画像輝度レベルとを加算平均する処理を行う手段を備えているので、安定した融液面の高さの値を得ることができる。
【００６７】
また、第１のスポット座標計測手段は、ネック部およびショルダ部の引き上げ工程に用い、第２のスポット座標計測手段は直胴部引き上げ工程に用いるので、融液面振動の周期および振動の大きさが変動しても、計測データのバラツキを除去でき、引き上げの全工程において安定した液面位置計測が可能となる。
【００６８】
また、スポットを撮像する撮像装置は、単結晶成長領域を撮像する撮像装置を兼ねるので、単結晶引き上げ装置のコストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる単結晶引き上げ装置の概念図。
【図２】図２（ａ）〜（ｄ）は、本発明に係わる単結晶引き上げ方法の各工程におけるスポット撮像状態を示す概念図。
【図３】本発明に係わる単結晶引き上げ装置の液面位置制御装置の作用を示す概念図。
【図４】本発明に係わる単結晶引き上げ装置に用いられる液面位置制御装置により液面基準高さからの偏差値を求める方法を示す説明図。
【図５】図３に示すスポット形成部分を拡大し示す概念図。
【図６】本発明に係わる単結晶引き上げ装置に用いられる第２のスポット座標計測手段による測定方法の概念図。
【符号の説明】
１ 単結晶引き上げ装置
２ 液面位置制御装置
３ 炉体
３ａ 炉体ショルダ部
４ 石英ガラスルツボ
５ 黒鉛ルツボ
６ ヒータ
６ｃ ヒータ制御器
７ ルツボ回転用モータ
７ｃ モータ制御器
８ ルツボ軸昇降装置
８ｃ 昇降装置制御器
９ ルツボ軸
１０ 輻射シールド
１０ｂ 円錐部
１０ｈ 開口部
１０ｓ 水平部
１０ｓ１ 光透過性物体
１２ シード
１３ シードチャック
１４ ワイヤ
１５ ワイヤ回転装置
１５ｃ ワイヤリール回転装置制御器
１６ レーザ光発振器
１７ ＣＣＤカメラ
１８ ＡＤ変換回路
１９ 制御装置
１９ｉ 入力装置
１９ｍ モニタ
２０ 画像処理装置
２１ 投光用光透過窓
２２ カメラ用光透過窓
２３ 撮像位置変更機構
２３ｃ 位置変更機構制御器
ａｎ ネック成長領域
ａｓ 直胴部成長領域
Ｉｇ 単結晶
Ｍ シリコン融液
Ｓ 融液表面
ｐ、ｐ０、ｐＺ スポット
【発明の属する技術分野】
本発明は単結晶引き上げ装置および引き上げ方法に係わり、特にレーザ光により形成された検出用スポットを撮像し、その撮像情報の処理方法を引き上げ段階に応じて切り換えて処理し、撮像信号を用いて融液表面の高さを制御する単結晶引き上げ装置および引き上げ方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般にシリコンウェーハに用いられるシリコン単結晶インゴットは多結晶シリコンからチョクラルスキー法（以下、ＣＺ法という。）により製造される。
【０００３】
従来、ＣＺ法によるシリコン単結晶引き上げにおいては、シリコン単結晶の成長に伴って、石英ガラスルツボ内のシリコン融液表面が降下するため、ルツボ軸を駆動して石英ガラスルツボを上昇させ、ヒータに対するシリコン融液表面の相対的な位置を一定に制御して、良質の単結晶を得ている。融液表面を制御するには、この融液表面を測定する必要があり、種々の方法が提案されている。
【０００４】
多くの従来のＣＣＤカメラにより撮像測定する融液表面の制御装置では、融液面の振動の影響を受けるため常に高精度の溶液面の位置を測定することができず、これを改良する制御装置として、特開平５―２３８８７７号公報に記載されるような融液レベル制御装置が提案されている。しかしながら、この公報記載の制御装置は、融液面でのレーザ光の正反射を利用し、レーザ光受光面と融液面の間に光シャッタを設け、融液面振動周期とシャッタリング周期とを同調させることにより、融液面振動による正反射光のバラツキを除去する装置である。この装置の問題点として、融液面振動（揺らぎ）の周期とシャッタリング周期を同調させることにより、散乱するレーザ光の中から水平の融液面に反射したレーザ光を得ようとするものであるが、融液面に発生する振動の周期および大きさは、炉内のガス流量をはじめとする様々なパラメータにより決定されるため、一定周期のシャッタリングにより受光面に安定したレーザ光を得ることは難しい点が挙げられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、融液面振動の周期および振動の大きさが変動しても、計測データのバラツキを除去でき、引き上げの全工程において安定した液面位置計測が可能な単結晶引き上げ装置および引き上げ方法が要望されていた。
【０００６】
本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、融液面振動の周期および振動の大きさが変動しても、計測データのバラツキを除去でき、引き上げの全工程において安定した液面位置計測が可能な単結晶引き上げ装置および引き上げ方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた本願請求項１の発明は、チャンバ内に設けられた石英ガラスルツボと、この石英ガラスルツボに装填された半導体原料を加熱して溶融するヒータと、このヒータにより溶融された半導体原料の融液面の高さを制御する液面位置制御装置を有し、種結晶を半導体原料融液に浸漬し単結晶を引き上げる単結晶引き上げ装置において、前記融液面に向けてスポット状のレーザ光を照射するレーザ照射系と、このレーザ照射系により照射された前記融液面上の前記レーザ光のスポット照射状況を撮像する撮像系と、この撮像系により撮像された画像データをもとに予め設定された基準座標系上で前記レーザ光のスポット座標を計測するスポット座標計測手段と、このスポット座標計測手段による計測データからの前記融液液面位置を演算し、その演算値と予め設定された液面位置の目標値との偏差をもとに単結晶引き上げ条件を制御する制御手段とを備え、前記スポット座標計測手段は、前記融液面の揺らぎに基づく前記レーザ光のスポット座標の計測データの変動が所定の許容範囲内を超えるネック部およびショルダ部の引き上げ工程に用いる第１のスポット座標計測手段と、前記融液面の揺らぎに基づく前記レーザ光のスポット座標の計測データの変動が所定の許容範囲内にある直胴部引き上げ工程に用いる第２のスポット座標計測手段とを備え、前記第１のスポット座標計測手段は、前記スポットを撮像し２値化後画像処理して座標の計測を行うスポット座標計測ステップと、前記スポット計測用ウィンドウ内に測定対象物であるスポットが無くなりエラーとなった場合にエラー直前の計測データを補間出力するエラー処理ステップと、直前の計測データに対するチェック幅より正常データの範囲を求め、現在の計測データがその範囲より外れた場合は前記直前の正常データを補間出力する特異点除去ステップと、加算平均処理により計測データを平均化する区間平均ステップと、設定値より高い周波数変化の計測データを除去し平坦化するローパスフィルタ処理を行うステップを備え、融液面変動が比較的激しい前記ネック部およびショルダ部の引き上げ工程で前記第１のスポット座標計測手段を用いたのち、融液面変動が比較的少ない前記直胴部引き上げ工程以降においては、前記第２のスポット座標計測手段に切り換えて測定が行われることを特徴とする単結晶引き上げ装置であることを要旨としている。
【００１０】
本願請求項２の発明では、前記第２のスポット座標計測手段は、前記第１のスポット座標計測手段から出力される信号に対して、映像画像と過去の画像輝度レベルとを加算平均する処理を行う手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の単結晶引き上げ装置であることを要旨としている。
【００１３】
本願請求項３の発明は、請求項１または２に記載の単結晶引き上げ装置を用いることを特徴とする単結晶引き上げ方法であることを要旨としている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わる単結晶引き上げ装置の実施形態について添付図面を参照して説明する。
【００１５】
図１に示すような実施形態の単結晶引き上げ装置１は、液面位置制御装置２を有し、さらに、水冷された炉体３と、この炉体３内に収納され原料のポリシリコンを溶融し、シリコン融液Ｍにする石英ガラスルツボ４と、この石英ガラスルツボ４を保持する黒鉛ルツボ５と、この黒鉛ルツボ５を囲繞するヒータ６とを有している。また、黒鉛ルツボ５は炉体３を貫通し、ルツボ回転用モータ７に結合されて回転され、かつ液面位置制御装置２により制御されるルツボ軸昇降装置８によって昇降されるルツボ軸９に取り付けられている。
【００１６】
さらに、石英ガラスルツボ４の上方には、石英ガラスルツボ４やシリコン融液Ｍの表面から結晶への輻射熱を遮蔽し、単結晶Ｉｇの引き上げ速度の低下を防ぐ輻射シールド１０が設けられている。この輻射シールド１０には、単結晶Ｉｇが貫通する開口部１０ｈが設けられた円筒形状、例えば逆截頭円錐形状の円錐部１０ｂと、この円錐部１０ｂの下端から同心円状に水平方向、例えば水平内方に延びる水平部１０ｓが設けられている。また、単結晶引き上げ用のシード１２を保持するシードチャック１３が取り付けられた引き上げ用ワイヤ１４が石英ガラスルツボ４の上方に設けられている。さらに、ワイヤ１４は、炉体３外に設けられモータ（図示せず）により付勢され、ワイヤ１４を巻き取ると共に回転させるワイヤ回転装置１５が取り付けられている。
【００１７】
上記液面位置制御装置２は、炉体３外に配置されており、かつ、コヒーレントな検出光を発振するレーザ照射系としてのレーザ光発振器１６と、撮像系としてのＣＣＤカメラ１７と、このＣＣＤカメラ１７に接続されたＡＤ変換回路１８、単結晶引き上げ装置１用で、モニタ１９ｍ、入力装置１９ｉを有する制御装置１９に接続された画像処理装置２０および上記昇降装置制御器８ｃにより制御されるルツボ軸昇降装置８を有し、図３に示すように垂直面とβの角度を有して設置されたレーザ光発振器１６とαの角度を有して設置されたＣＣＤカメラ１７とは、レーザ光発振器１６から発振され、炉体ショルダ部３ａに設けられた投光用光透過窓２１を経たレーザ光により融液表面に形成されたスポットを炉体ショルダ部３ａに設けられたカメラ用光透過窓２２を経てＣＣＤカメラ１７で撮像できるように光学的に配置されている。
【００１８】
上記ＣＣＤカメラ１７は２通りの働きを有し、前者の働きは、レーザ光発振器１６から発振されるレーザ光により形成されるスポットｐを撮像し、ＡＤ変換回路１８、画像処理装置２０を介して制御装置１９に入力し、この制御部１９は入力に基づき、昇降装置制御器８ｃを介してルツボ軸昇降装置８の昇降速度を修正して、石英ガラスルツボ４の昇降速度を修正し、融液表面の高さを制御するのに用いられる。
【００１９】
また、後者の働きは、ヒータ６から発せられる光により照らされ図２に示すようなネック成長領域ａｎ、直胴部成長領域ａｓ、およびテール部成長領域を撮像し、制御装置１９を介してヒータ制御器６ｃ、モータ制御器７ｃおよびワイヤリール回転装置制御器１５ｃを制御し、引き上げ条件を変更し、成長結晶の直径を制御するのに用いられる。
【００２０】
ＣＣＤカメラ１７に上記２通りの働きをさせるため、ＣＣＤカメラ１７は撮像位置変更機構２３に取り付けられ、この撮像位置変更機構２３は位置変更機構制御器２３ｃを介して制御装置１９に接続され、制御装置１９からの出力により、融液表面Ｓ上の一定範囲の任意位置を撮像できるように、その光軸が垂直面および水平面となす角度を変えられるようになっている。
【００２１】
従って、ＣＣＤカメラ１７は、レーザ光発振器１６から発振されるレーザ光により形成されるスポットｐおよびヒータ６から発せられる光により照らされるネック成長領域、直胴部成長領域、またはテール部領域を撮像させる。なお、本実施形態では、ＣＣＤカメラに２通りの働きを持たせる例で説明したが、後述する２通りの計測方法を実施するためには、ＣＣＤカメラを２個設け、スポットの撮像と、ネック成長領域、直胴部成長領域、またはテール部領域の撮像を別々のＣＣＤカメラで行ってもよい。
【００２２】
なお、レーザ光発振器１６およびＣＣＤカメラ１７は、輻射シールド１０が光学系に支障にならないように、各々の光軸が開口部１０ｈとこの開口部１０ｈを貫通する単結晶Ｉｇ間に形成される空隙を通り、シリコン融液Ｍの表面の外周よりに到達するような位置に配置される。
【００２３】
画像処理装置２０は記憶装置および演算制御装置を有し、スポット座標計測手段、および、第１のスポット座標計測手段と第２のスポット座標計測手段としての制御装置１９および画像処理装置２０により、図２に示すように、予めプログラムされた手順に従って、２通りの計測方法を実行する。
【００２４】
すなわち、第１のスポット座標計測手段を用い、例えば、融液面変動が比較的激しい引き上げ初期工程（図１に１点鎖線で示す単結晶Ｉｇ０の状態および図２（ｂ）に示す状態）において使用される初期計測方法と、第２のスポット座標計測手段を用い、例えば、融液面変動が比較的少ない直胴部工程（図１に実線で示す単結晶Ｉｇの状態および図２（ｃ）に示す状態）以降に使用される安定期測定方法とに切り換えて測定が行われる。
【００２５】
第１のスポット座標計測手段による初期測定方法は、図３に示す次のようなステップにより行われる。
【００２６】
（ＳＴ１） スポット座標計測：スポットをＣＣＤカメラ１７によりを撮像し２値化後、画像処理装置２０によりスポット座標の計測を行う。
（ＳＴ２） エラー処理：計測用ウィンドウ内に測定対象物（スポット）が無くなりエラーとなった場合に、エラー直前の計測データを補間出力する。
（ＳＴ３） 特異点除去：直前の計測データに対するチェック幅より正常データの範囲を求め、現在の計測データがその範囲より外れた場合は、直前の正常データを補間出力する。
（ＳＴ４） 区間平均：加算平均処理により計測データを平均化する。
（ＳＴ５） ＬＰＦ処理：設定値より高い周波数変化の計測データを除去し平坦化する（ローパスフィルタ処理：低い周波数成分のデータのみ本フィルタを通過）。
また、初期測定方法から切り替わって行われる第２のスポット座標計測手段による安定期測定方法は次のようなステップにより行われる。
（ＳＴ６） 画像平均：入力画像と過去の画像輝度レベルの加算平均処理を行う。
（ＳＴ７） スポット座標計測：ウィンドウ内の安定したスポットにより座標計測を行う。
上記初期計測方法あるいは安定期測定方法によりスポット座標計測を行った後、（ＳＴ８）液面位置偏差演算を行い、（ＳＴ９）ルツボ昇降速度制御を行う。
【００２７】
また、レーザ光発振器１６からＣＣＤカメラ１７への光学系上で、輻射シールド１０の水平部１０ｓには、この水平部１０ｓが光を透過させるように、例えば、図３および図４に示すような石英ガラス製で直径２〜４ｍｍ、長さ２０〜３０ｍｍを有し下端が半球形状をなす柱体状の光透過性物体１０ｓ１が設けられている。従って、真空中の光の屈折率が１であるのに対して光透過性物体１０ｓ１を形成する石英ガラスの屈折率は１．４〜１．５であり、光透過性物体１０ｓ１の垂直軸に対してθ１で入射したレーザ光は光透過性物体１０ｓ１でθ２に屈折されるため、レーザ光はθ１を有して光透過性物体１０ｓ１を透過するが、レーザ光の貫通により光透過性物体１０ｓ１の輝度が増し、融液Ｍ上に虚像のスポットｐが形成され、このスポットｐを単結晶Ｉｇと水平部１０ｓ間の間隙を介してＣＣＤカメラ１７により撮像することができる。
【００２８】
上記レーザ光発振器１６は、ヒータ３６によりチャンバ内から発生する光の波長を避けた波長のレーザ光、例えば、波長が５５０ｎｍ以下であるグリーンレーザ光（波長４９０〜５５０ｎｍ）を発振し、出力は３ｍＷである。これによって、チャンバ内ヒータの明るさ（電力状況）に左右されず、スポットｐを確実に撮像することができる。
【００２９】
次に、本発明に係わる単結晶引き上げ装置を用いたシリコン単結晶引き上げ方法を説明する。
【００３０】
引き上げ工程は、制御装置１９の記憶装置に記憶された引き上げ工程プログラムに基づき、引き上げ作業を自動的に行う。
【００３１】
（１）最初にＣＣＤカメラ１７を融液表面検出に用いる場合について説明する。
【００３２】
図１および図２（ａ）に示すように、シリコン単結晶を引き上げるには、ヒータ６を付勢し、ポリシリコンを溶融し、シリコン融液Ｍにする。しかる後、レーザ光発信器１６、ＣＣＤカメラ１７、画像処理装置２０および制御装置１９を有する液面位置制御装置２を用い、シリコン融液Ｍの融液表面Ｓをヒータ６と相対的関係で好ましい高さにする。
【００３３】
図２および図３のスポット形成部分を拡大して示す図４および図５に示すように、予め融液表面Ｓを照射するように配置されているレーザ光発振器１６は、制御装置１９からの指令信号により、グリーンレーザ光を発振しグリーンレーザ光を光透過性物体１０ｓ１の上部に向けて照射する。レーザ光が光透過性物体１０ｓ１の上部に照射されると、石英ガラスの空気と石英ガラス屈折率の違いにより透過性物体１０ｓ１の垂直軸に対してθ１で入射したレーザ光は光透過性物体１０ｓ１でθ２に屈折されるため、レーザ光はθ１を有して光透過性物体１０ｓ１を透過し、レーザ光の貫通により光透過性物体１０ｓ１の輝度が増し、乱反射された光でそのほぼ垂直下方の融液Ｍ上に虚像のスポットｐが形成される。図２（ａ）および図４に示すように、このときの融液表面Ｓの絶対高さを基準高さＺ０とする。
【００３４】
一方、ＣＣＤカメラ１７は、図３および図４に示すように、シリコン融液Ｍのスポットｐ（特にスポットｐの中心座標）に焦点が合わされており、スポットｐ０を撮像し、スポット画像信号として取り込み、２値化し、画像データを生成し、融液表面Ｓの基準高さＺ０の画像データとして制御装置１９の記憶装置に記憶し、さらに、制御装置１９は回転装置制御器１５ｃを介してワイヤ回転装置１５を動作させる。
【００３５】
単結晶引き上げは、ネック部、ショルダ部、そして直胴部と順に行われていくが、この引き上げ工程に従って、融液表面Ｓの高さに変化が生じるので、融液表面Ｓの高さＺの計測を行う。
【００３６】
ネック部、ショルダ部の引き上げ工程のような初期工程（図２（ｂ）の状態）においては、融液面変動が比較的激しいので、図３に示すようなステップに従い、第１のスポット座標計測手段を用いて測定する。
【００３７】
すなわち、図１に示すように、制御装置１９からの指令信号により、レーザ光発振器１６はレーザ光を発振させ、融液表面Ｓに検出用のスポットｐＺを形成する。ＣＣＤカメラ１７は、スポットｐＺを光信号として撮像し、これに応じた電気量のスポット画像信号を生成し、ＡＤ変換回路１８で２値化し、画像処理装置２０にスポット画像信号として取り込んで画像データに生成する（ＳＴ１）。
【００３８】
ＳＴ１のＣＣＤカメラ１７によるスポットの撮像時、計測用ウィンドウ内に測定対象物（スポット）が無くなりエラーとなった場合には、エラー直前の計測データを補間出力する（エラー処理）（ＳＴ２）。
【００３９】
次に、直前の計測データに対するチェック幅より正常データの範囲を求め、現在の計測データがその範囲より外れた場合は、直前の正常データを補間出力する（特異点除去）（ＳＴ３）。
【００４０】
さらに、加算平均処理により計測データを平均化する（区間平均）（ＳＴ４）。
【００４１】
また、設定値より高い周波数変化の計測データを除去し平坦化する（ローパスフィルタ処理：低い周波数成分のデータのみ本フィルタを通過）（ＬＰＦ処理）（ＳＴ５）。
【００４２】
上記のように初期計測方法よりスポット座標計測を行った後、液面位置偏差演算を行う（ＳＴ６）。
【００４３】
【外１】
【外２】
なお、モニタ１９ｍにはスポットｐ０およびｐｚの撮像例を示す。
【００４６】
このような引き上げの初期工程においては、融液面変動が比較的激しいが、第１のスポット座標計測手段は計測速度が優れ、また、スポット座標測定後の電気的フィルタ、データ平均演算等により行うので、融液面の振動によるバラツキを効果的に除去することができる。
【００４７】
引き上げが継続され、融液面変動が比較的少ない直胴部工程（図２（ｃ）に示す状態）になると、制御装置１９により画像処理装置２０を制御し、第１のスポット座標計測手段から第２のスポット座標計測手段に切り換えて測定が行われる。
【００４８】
上記初期測定方法のＳＴ１と同様にして、画像処理装置２０にスポット画像信号として取り込んで画像データに生成する。
【００４９】
この取り込まれた画像データは、図６に示すように、変動が所定の許容範囲内にある入力画像と過去の画像輝度レベルの加算平均処理が行われる（画像平均）（ＳＴ６）。
【００５０】
その後、ウィンドウ内の安定したスポットにより座標計測を行う（スポット座標計測）（ＳＴ７）。
【００５１】
さらに、上記ＳＴ８、ＳＴ９と同様に、第２のスポット座標計測手段によりスポット座標計測を行った後、液面位置偏差演算を行い、ルツボ昇降速度制御を行う。
【００５２】
このような引き上げの安定工程においては、融液面変動が比較的少ないので、第２のスポット座標計測手段により安定した融液面の高さの値を得ることができる。
【００５３】
上記のように、初期工程には第１のスポット座標計測手段を用い、安定工程には第２のスポット座標計測手段を用いるというように工程の進捗により切り換えて測定を行うことにより、融液面振動の周期および振動の大きさが変動しても、計測データのバラツキを除去でき、引き上げの全工程において安定した液面位置計測が可能となる。
【００５４】
（２）次に、ＣＣＤカメラ１７を成長結晶の直径を制御するのに用いる場合について説明する。
【００５５】
図１に示すように、制御装置１９からの指令信号によりワイヤリール回転装置制御器１５ｃを介してワイヤ回転装置１５を駆動させて、ワイヤ１４を降下させ、シード１２をシリコン融液Ｍに浸し、なじませた後、ワイヤ１４を上昇させて引き上げを行い、単結晶Ｉｇのネック部を形成する。このネック部の形成時、図２（ｂ）に示すように、制御装置１９からの指令信号により撮像位置変更機構２３を動作させて、ＣＣＤカメラ１７を回動させ、ネック成長領域ａｎを撮像する。ネック成長領域ａｎの画像信号は上記同様に画像処理され、制御装置１９に入力され、予め記憶されているネック部の直径データと比較され、正常に引き上げが行われているかチェックされる。
【００５６】
さらに、引き上げが継続され、単結晶Ｉｇのショルダ部を形成するが、上記同様にＣＣＤカメラ１７を回動させ、ショルダ部成長領域を撮像し、ショルダ部成長領域の画像信号は上記同様に画像処理され、制御装置１９に入力され、予め記憶されているショルダ部の直径データと比較され、正常に引き上げが行われているかチェックされる。
【００５７】
ショルダ部の引き上げが完了し、直胴部の引き上げが行われると、上述し図２（ｃ）に示すような融液表面Ｓの高さに変化（低下）が生じるので、融液表面Ｓの高さＺの検知を行う。
【００５８】
さらに、引き上げを継続して、図２（ｄ）に示すように、単結晶Ｉｇの直胴部を形成するが、上記同様にＣＣＤカメラ１７を回動させ、直胴部成長領域ａｓを撮像し、直胴部成長領域ａｓの画像信号は上記同様に画像処理され、制御装置１９に入力され、予め記憶されている直胴部の直径データと比較され、正常に引き上げが行われているかチェックされる。さらに、上述した図２（ｃ）に示すような融液表面Ｓの検知と直胴部成長領域ａｓの撮像が繰返し行われ、常に融液表面Ｓの高さＺが基準高さＺ０になるように修正され、所定の直径の単結晶Ｉｇが引き上げられるように引き上げ条件が修正される。さらに、単結晶Ｉｇのテール部が形成されて単結晶引き上げは完了する。
【００５９】
なお、単結晶引き上げ速度は毎分数ｍｍであり、結晶の成長速度および融液表面Ｓの低下速度は遅いので、１個のＣＣＤカメラ１７を用いて、単結晶Ｉｇの直径の画像信号の取込みと、融液表面Ｓに形成されるスポットｐの画像信号の取込みとを交互に行い、ヒータ６の温度制御、ワイヤ回転装置１５によるワイヤ巻き取り速度、ルツボ回転用モータ７によりルツボ回転数、ルツボ軸昇降装置８の速度制御等を行っても、直径の修正、融液表面Ｓの高さの修正のタイミングを逸して、単結晶Ｉｇの品質を低下させることはない。
【００６０】
上述した単結晶引き上げ工程において、ＣＣＤカメラは融液表面の高さの制御および成長結晶の直径の制御に用いるので、単結晶引き上げ装置のコストを低減できる。
【００６１】
【発明の効果】
本発明に係わる単結晶引き上げ装置によれば、融液面振動の周期および振動の大きさが変動しても、計測データのバラツキを除去でき、引き上げの全工程において安定した液面位置計測が可能な単結晶引き上げ装置を提供することができる。
【００６２】
また、本発明に係わる単結晶引き上げ方法によれば、融液面振動の周期および振動の大きさが変動しても、計測データのバラツキを除去でき、引き上げの全工程において安定した液面位置計測が可能な単結晶引き上げ方法を提供することができる。
【００６３】
すなわち、融液面の高さを制御する液面位置制御装置を有し、上記融液面に向けてスポット状のレーザ光を照射するレーザ照射系と、このレーザ照射系により照射された上記融液面上の上記レーザ光のスポット照射状況を撮像する撮像系と、この撮像系により撮像された画像データをもとに予め設定された基準座標系上で上記レーザ光のスポット座標を計測するスポット座標計測手段と、このスポット座標計測手段による計測データからの上記融液液面位置を演算し、その演算値と予め設定された液面位置の目標値との偏差をもとに単結晶引き上げ条件を制御する制御手段とを備え、上記スポット座標計測手段は、上記融液面の揺らぎに基づく上記レーザ光のスポット座標の計測データの変動が所定の許容範囲内を超える場合に用いる第１のスポット座標計測手段と、上記融液面の揺らぎに基づく上記レーザ光のスポット座標の計測データの変動が所定の許容範囲内にある場合に用いる第２のスポット座標計測手段とを備えているので、融液面振動の周期および振動の大きさが変動しても、計測データのバラツキを除去でき、引き上げの全工程において安定した液面位置計測が可能となる。
【００６４】
また、第１のスポット座標計測手段は、レーザ光のスポット座標の計測データが融液面の揺らぎで変動したときにその状況に応じてその変動を抑制するように上記計測データとして発生前の計測データを用いる手段を備えているので、融液面変動が比較的激しくとも、計測速度が優れ、融液面の振動によるバラツキを効果的に除去することができる。
【００６５】
また、第１のスポット座標計測手段は、計測データが予め設定された計測範囲を超えてエラーが発生した場合に、そのエラー直前の計測データを用いて補間するエラー処理手段と、上記計測データが予め設定された正常範囲を超えた所定の特異点を示した場合に、その直前の正常範囲内の計測データを用いて補間する特異点除去手段とを備えているので、融液面変動が比較的激しくとも、計測速度が優れ、融液面の振動によるバラツキを効果的に除去することができる。
【００６６】
また、上記第２のスポット座標計測手段は、映像画像と過去の画像輝度レベルとを加算平均する処理を行う手段を備えているので、安定した融液面の高さの値を得ることができる。
【００６７】
また、第１のスポット座標計測手段は、ネック部およびショルダ部の引き上げ工程に用い、第２のスポット座標計測手段は直胴部引き上げ工程に用いるので、融液面振動の周期および振動の大きさが変動しても、計測データのバラツキを除去でき、引き上げの全工程において安定した液面位置計測が可能となる。
【００６８】
また、スポットを撮像する撮像装置は、単結晶成長領域を撮像する撮像装置を兼ねるので、単結晶引き上げ装置のコストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる単結晶引き上げ装置の概念図。
【図２】図２（ａ）〜（ｄ）は、本発明に係わる単結晶引き上げ方法の各工程におけるスポット撮像状態を示す概念図。
【図３】本発明に係わる単結晶引き上げ装置の液面位置制御装置の作用を示す概念図。
【図４】本発明に係わる単結晶引き上げ装置に用いられる液面位置制御装置により液面基準高さからの偏差値を求める方法を示す説明図。
【図５】図３に示すスポット形成部分を拡大し示す概念図。
【図６】本発明に係わる単結晶引き上げ装置に用いられる第２のスポット座標計測手段による測定方法の概念図。
【符号の説明】
１ 単結晶引き上げ装置
２ 液面位置制御装置
３ 炉体
３ａ 炉体ショルダ部
４ 石英ガラスルツボ
５ 黒鉛ルツボ
６ ヒータ
６ｃ ヒータ制御器
７ ルツボ回転用モータ
７ｃ モータ制御器
８ ルツボ軸昇降装置
８ｃ 昇降装置制御器
９ ルツボ軸
１０ 輻射シールド
１０ｂ 円錐部
１０ｈ 開口部
１０ｓ 水平部
１０ｓ１ 光透過性物体
１２ シード
１３ シードチャック
１４ ワイヤ
１５ ワイヤ回転装置
１５ｃ ワイヤリール回転装置制御器
１６ レーザ光発振器
１７ ＣＣＤカメラ
１８ ＡＤ変換回路
１９ 制御装置
１９ｉ 入力装置
１９ｍ モニタ
２０ 画像処理装置
２１ 投光用光透過窓
２２ カメラ用光透過窓
２３ 撮像位置変更機構
２３ｃ 位置変更機構制御器
ａｎ ネック成長領域
ａｓ 直胴部成長領域
Ｉｇ 単結晶
Ｍ シリコン融液
Ｓ 融液表面
ｐ、ｐ０、ｐＺ スポット
Claims (3)
- チャンバ内に設けられた石英ガラスルツボと、この石英ガラスルツボに装填された半導体原料を加熱して溶融するヒータと、このヒータにより溶融された半導体原料の融液面の高さを制御する液面位置制御装置を有し、種結晶を半導体原料融液に浸漬し単結晶を引き上げる単結晶引き上げ装置において、前記融液面に向けてスポット状のレーザ光を照射するレーザ照射系と、このレーザ照射系により照射された前記融液面上の前記レーザ光のスポット照射状況を撮像する撮像系と、この撮像系により撮像された画像データをもとに予め設定された基準座標系上で前記レーザ光のスポット座標を計測するスポット座標計測手段と、このスポット座標計測手段による計測データからの前記融液液面位置を演算し、その演算値と予め設定された液面位置の目標値との偏差をもとに単結晶引き上げ条件を制御する制御手段とを備え、
前記スポット座標計測手段は、前記融液面の揺らぎに基づく前記レーザ光のスポット座標の計測データの変動が所定の許容範囲内を超えるネック部およびショルダ部の引き上げ工程に用いる第１のスポット座標計測手段と、前記融液面の揺らぎに基づく前記レーザ光のスポット座標の計測データの変動が所定の許容範囲内にある直胴部引き上げ工程に用いる第２のスポット座標計測手段とを備え、
前記第１のスポット座標計測手段は、前記スポットを撮像し２値化後画像処理して座標の計測を行うスポット座標計測ステップと、前記スポット計測用ウィンドウ内に測定対象物であるスポットが無くなりエラーとなった場合にエラー直前の計測データを補間出力するエラー処理ステップと、直前の計測データに対するチェック幅より正常データの範囲を求め、現在の計測データがその範囲より外れた場合は前記直前の正常データを補間出力する特異点除去ステップと、加算平均処理により計測データを平均化する区間平均ステップと、設定値より高い周波数変化の計測データを除去し平坦化するローパスフィルタ処理を行うステップを備え、
融液面変動が比較的激しい前記ネック部およびショルダ部の引き上げ工程で前記第１のスポット座標計測手段を用いたのち、融液面変動が比較的少ない前記直胴部引き上げ工程以降においては、前記第２のスポット座標計測手段に切り換えて測定が行われることを特徴とする単結晶引き上げ装置。 - 前記第２のスポット座標計測手段は、前記第１のスポット座標計測手段から出力される信号に対して、映像画像と過去の画像輝度レベルとを加算平均する処理を行う手段を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の単結晶引き上げ装置。
- 請求項１または２に記載の単結晶引き上げ装置を用いることを特徴とする単結晶引き上げ方法。
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