JP4602561B2 - 育成プロセス中のシリコン結晶に係る径を制御するための方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、一般には電子部品の製造において利用される単結晶半導体に係る育成プロセスの制御の改良に関し、特には、予め決められた速度プロファイルに従って、半導体資源の融液から引き上げられる単結晶シリコンインゴットの径を正確に制御するための方法及び装置に関する。
【０００２】
（背景技術）
単結晶の（monocrystalline）の、あるいは単一性の結晶（single crystal）のシリコンは、半導体電子部品を製造するほとんどのプロセスにおける出発物質である。チョクラルスキ（Czocharalski）の結晶育成プロセスを実施する結晶引き上げ装置が、単結晶シリコンの大部分を製造する。簡潔に記載すると、チョクラルスキのプロセスは特別に設計された炉中に置かれた石英の坩堝中に充填した高純度の多結晶シリコンを融解することを包含する。加熱された坩堝がシリコン充填物を融解すると、結晶揚程機構が、種結晶を下げて融解されたシリコンに接触させる。前記機構は、その前記シリコン融液から育成してくる結晶を引き上げるため、前記種を取り出す。典型的な結晶揚程機構は、ケーブルの一末端から前記種結晶を揚程し、他方の末端がドラムに巻きつけられている。ドラムが回転すると、ドラムが回転する方向次第で、前記種結晶は上方にあるいは下方に移動する。
【０００３】
結晶のネック部の形成後、育成プロセスは、所望の径に到達されるまで引き上げ速度及び／あるいは融液温度を減少させることにより、育成している結晶の径を拡大させる。減少していく融液レベルを埋め合わせる一方で、引き上げ速度、及び融液温度を制御することにより、結晶の主となる胴体部が、ほぼ一定の径（すなわち、一般的には円筒型である）を有するように育成される。前記育成プロセスの終わり近くであるが、坩堝が融解されたシリコンを空にしてしまわないうちに、前記プロセスは、円錐状末端部を形成するよう前記結晶径を徐々に減少させる。典型的には、前記円錐状末端部は、結晶引き上げ速度、及び坩堝に供給される熱を増やしていくことにより形成される。前記径が十分に小さくなったら、結晶は前記融液から分離される。前記育成プロセスの間、坩堝は融液を一方向に回転させ、前記結晶揚程機構は、引き上げケーブル、あるいはシャフトを前記種及び結晶に沿って反対の方向に回転させる。
【０００４】
現在利用されるチョクラルスキの育成プロセスは、広範にわたる種々の適用において有益に単結晶シリコンを育成するには十分であるけれども、更なる改良が今なお所望されている。例えば、結晶インゴットが固化後冷却するにつれて、単結晶シリコン中にいくつかの欠陥が、結晶育成チャンバ内で形成される。そのような欠陥は、１つには空孔及び自己格子として既知である内因性点欠陥の過剰な（即ち、溶解限度以上の濃度）存在によって起こる。シリコンに係るこれら点欠陥の種類と初期濃度が、最終生成物における種類と凝集した欠陥の存在に影響を与え得ることが示唆されている。もし、これら欠陥の濃度が、本システムにおいて臨界過飽和のレベルに達し、点欠陥の移動度が十分に高ければ、反応あるいは凝集といったことが、おこるかもしれない。シリコンにおいて凝集した内因性点欠陥は、複雑な集積回路の製造における物質の生産力に重大な影響を与え得る。
【０００５】
結晶「製法」に特定される、予め決められた速度プロファイル、あるいは目標に従って融液から単結晶シリコンインゴットを正確に引き上げることにより、欠陥の形成を制御するプロセス要求を満たす助けとなる。例えば、このタイプの制御(本明細書中では「固定型種揚程」プロセスと呼ぶ）はインゴット中における内因性点欠陥の数及び濃度を減少させる。加えて、固定型種揚程プロセスは、前記インゴットが固化温度から冷却されるにつれて前記インゴット中の内在性点欠陥の凝集を回避するよう空孔及び自己格子の濃度を制御するのに役立つ。従来法のチョクラルスキのシリコン育成プロセスは、しかしながら育成している結晶の径を制御するために引き上げ速度、あるいは種揚程を変化させる。当業者は、引き上げ速度を増加させると結晶径が減少し、一方引き上げ速度を減少させると径が増加することを認識している。シリコン資源融液の温度を上昇させると、結晶径が減少し、一方前記融液温度の低下させると径が増加することもまた周知である。このような理由から、目標プロファイルに従って引き上げ速度を制御すると、引き上げの間、融液温度が正確に調節されなければ径誤差が生じ得ることになる。
【０００６】
あいにく、融液温度変化の効力の遅延が通常許容されないために、従来法の育成プロセスにおいて結晶径を制御するために前記引き上げ速度を用いることは、一般的には好ましい。言い換えれば、径を制御するために、温度ではなく引き上げ速度を選択することは、応答時間における相違に基づいており、温度変化に対する応答時間は引き上げ速度変化に対する応答時間よりもずっと遅い。例えば、引き上げ速度における段階的な変化は、秒単位での径応答を達成する一方で、加熱電力、あるいは融液温度における段階的な変化は、同等の効果を達成するのに数十分を費やす、ずっと緩慢な応答をするという結果になる。
【０００７】
（課題を解決するための手段）
このような理由から、融液から単結晶のシリコンインゴットを引き上げるのに正確で信頼性のある装置及び方法は、加熱電力のみを用い、径を制御するために典型的に必要とされる引き上げ速度の変動をなくして、シリコン結晶の径を制御することが所望される。
【０００８】
（本発明の概要）
本発明は、固定型種揚程プロセスにおいて結晶径の十分な制御を維持するために電力を調節する方法及び装置を提供することにより、上述の必要性を満たし、従来法の欠点を克服する。本発明に係るいくつかの目的の中には、正確な径制御を提供する方法及び装置の提供；融液温度を変化させることにより結晶径を調節するような方法及び装置の提供；比較的迅速な融液温度変化を提供するような方法及び装置の提供；前記融液の温度応答をモデルとするような方法及び装置の提供；加熱電力の作用として結晶径を変化させるような方法及び装置の提供；現存の結晶引き上げデバイス中に組み込まれてもよいような方法及び装置の提供；及び経済上実施可能で商業上実際的であるような方法及び装置の提供が言及され得る。
【０００９】
簡潔に記載すると、本発明に係る態様を実施する方法は、チョクラルスキのプロセスに従って単結晶インゴットを育成するための装置と組み合わせて使用される。前記装置は、融液から引き上げられる種結晶上にインゴットが育成される半導体融液を含有する、加熱された坩堝を有する。前記方法は、予め決められた速度プロファイルにほぼ従う目標速度で、前記融液から前記インゴットを引き上げることを含む。前記方法はまた、前記融液を加熱するためのヒータに供給される電力における変化に応答した融液の温度における変化を示す温度モデルを定義するステップを含む。目標の融液温度を示す温度設定値の作成において、前記方法は次に、インゴットの目標径と実測径との間の誤差を示す信号を作成し、前記誤差信号に基づいて比例積分微分（ＰＩＤ）制御を行い、そしてその関数として温度設定値を作成するステップを包含する。前記方法は更には、ＰＩＤ制御により作成された温度設定値に係る関数として前記温度モデルからヒータに供給される電力に対して電力設定値を決定し、そして前記電力設定値に従って前記ヒータに供給される電力を調節すること含む。このようにして、融液の温度は、インゴットの径を制御するために変化させる。
【００１０】
本発明に係る別の実施の形態は、チョクラルスキのプロセスに従って単結晶インゴットを育成するための装置と組み合わせて使用される装置に関する。前記装置は、融液から引き上げられる種結晶上にインゴットが育成される半導体融液を含有する、加熱された坩堝を有する。前記装置は、予め決められた速度プロファイルを包含し、その速度プロファイルにほぼ従う目標速度で、前記融液から前記インゴットが引き上げられる。前記装置はまた、インゴットの目標径と実測径との間の誤差に係る関数として温度設定値を作成するＰＩＤ制御を包含する。前記温度設定値は、融液の目標温度を示す。前記温度モデルは、前記融液を加熱するためのヒータに供給される電力における変化に応答した融液の温度における変化を示す。前記温度モデルは、ＰＩＤ制御により作成される温度設定値に係る関数としてヒータに供給される電力に対して電力設定値を決定する。前記装置は更には、融液を加熱するためのヒータ、及びそのヒータに供給される電力を調節するための電力設定値に応答した電力供給を包含する。このようにして前記装置は、インゴットの径を制御するために融液の温度を変化させる。
【００１１】
代替として、本発明は、種々の他の方法及び装置を含んでいてもよい。他の目的及び特徴はある部分は明らかであり、ある部分は以降の本明細書中に指摘されるであろう。
同一の符号は、図面全体を通して同一の部品を示す。
【００１２】
（本発明の実施の形態の詳細な説明）
図１において、装置は、１１で一般的に示されるが、１３で一般的に示されるチョクラルスキの結晶育成装置を用いた利用を示している。結晶育成装置１３に係る構成の詳細は、熟練した当業者には周知である。一般的には、結晶育成装置１３は、坩堝１９を内包する真空チャンバ１５を含んでいる。耐熱ヒーター２１のような加熱手段が、坩堝１９を取り囲んでいる。１つの実施の形態において、断熱材２３が真空チャンバ１５の内壁に裏打ちされ、水が詰められたチャンバ冷却ジャケット（図示されず）がそれを取り囲む。真空ポンプ（図示されず）は、典型的にはアルゴンガスの不活性雰囲気をチャンバ中に送り込んで、真空チャンバ１５内からガスを除去する。
【００１３】
チョクラルスキの単結晶育成プロセスに従って、一定量の多結晶性のシリコン又はポリシリコンが坩堝１９に充填される。加熱電力供給部２７が、前記充填を融解するために抵抗ヒータ２１を通じて電流を提供し、そうして、単結晶３１が引き上げられるシリコン融液２９を形成する。好ましくは、フォトセルやパイロメーターのような温度センサ３３が、前記融液の表面温度を測定できるように使用される。単結晶３１は、引き上げシャフト、あるいはケーブル３７に取り付けられた種結晶３５から始まる。図１に示されるように、単結晶３１及び坩堝１９は、一般的には対称性の共通軸３９を有する。ケーブル３７の一方の末端部は、滑車４１（図２参照）を介してドラム４３（図２参照）に連結され、他方の末端部は、種結晶３５及び種結晶から育成された結晶３１を保持するチャック（図示されず）に連結される。
【００１４】
加熱及び結晶引き上げの双方の間、坩堝駆動ユニット４５は坩堝を回転させる（例えば時計周りの方向に）。坩堝駆動ユニット４５はまた、前記育成プロセスの間、所望されるように坩堝１９を上げたり下げたりする。例えば、坩堝駆動ユニット４５は、基準線４７により示されているレベル、所望の高さで維持するために融液２９が枯渇されるに従って坩堝１９を上げる。結晶駆動ユニット４９は、同様に坩堝駆動ユニット４５が坩堝１９を回転させる方向とは反対の方向にケーブル３７を回転させる。加えて結晶駆動ユニット４９は、前記育成プロセスの間、所望されるように融液レベル４７と相対的に結晶３１を上げたり下げたりする。
【００１５】
１つの実施の形態において、種結晶を下げて坩堝１９により包含される融液２９の融液したシリコンとほとんど接触させるにより、結晶育成装置１３は種結晶３５を予熱する。予熱後、結晶駆動ユニット４９は、種結晶３５を下げてケーブル３７を介して融液レベル４７で融液２９と接触させ続ける。種結晶３５が融解すると、結晶駆動ユニット４９は、融液２９からその種結晶をゆっくりと引き出し、あるいは引き上げる。種結晶３５は、種結晶引き出されるにつれて、融液２９からシリコンを引き出し、シリコン単結晶３１が育成される。結晶駆動ユニット４９は、融液２９から結晶３１を引き上げながら基準速度で結晶３１を回転させる。坩堝駆動ユニット４５は、同様に別の基準速度であるが、通常は結晶３１と相対的に反対方向に坩堝１９を回転させる。
【００１６】
制御ユニット５１は、初期に引き出し、あるいは引き上げ速度、及び結晶３１の下方をネック部を与えるよう電力供給部２７がヒータ２１に提供する電力を制御する。好ましくは、結晶育成装置１３は、種結晶３５が融液２９から引き出されながら、ほぼ一定の径で前記結晶ネック部を育成させる。例えば、制御ユニット５１は、所望の胴体部の径の約５％であるほぼ一定なネック部の径を維持される。従来の制御機構のもとで、制御ユニット５１は、前記ネック部が所望の長さに到達した後、結晶３１が径を所望の結晶胴体の径に到達されるまで円錐状に増加させるよう回転、引き上げ、及び／又は加熱のパラメータを調節する。例えば、制御ユニット５１は、典型的に前記結晶のテーパと呼ばれる外側に向かって張り出していく領域を作るよう引き上げ速度を減少させてる。
【００１７】
いったん所望の結晶径に到達されると、制御ユニット５１は、そのプロセスが終わりに近づくまで装置１１で測定しながらほぼ一定の径を維持するように育成パラメータを制御する。終わりに近づいた時点で、単結晶３１の末端部にテーパ部分を形成するよう径を減少させるために、引き上げ速度及び加熱は通常促進される。その開示全体が参考として本明細書中に組みこまれる、共有に係る米国特許番号5,178,720号が、結晶径の関数としての結晶及び坩堝の回転速度を制御する１つの好ましい方法を開示する。その開示全体が参考として本明細書中に組みこまれる、共有に係る米国特許番号5,882,402号、米国特許番号5,846,4318号、米国特許番号5,665,159号、及び米国特許番号5,653,779号が結晶径を含めたいくつかの結晶育成パラメータの正確で信頼性のある測定法を提供する。これらの特許において、画像プロセッサが、径を決定するために結晶−融液界面の画像を処理する。
【００１８】
当業者は、結晶を引き上げる間、坩堝１９は揚程されるべきであることを認識している。典型的な引き上げの間、坩堝１９の移動が相対的に小距離であるとすると、坩堝を揚程することは、欠陥を減少させるために結晶を引き上げることよりもはるかに重大でないことが容易に分かる。結晶３１を引き上げる間、坩堝１９を揚程するための適切な式は、結晶引き上げ速度×坩堝の断面積（融液レベルで測定された）に対するインゴットの断面積の割合×融液中のシリコン密度に対するインゴット中のシリコン密度であることを包含する。他の坩堝揚程式もまた、本発明の範囲において用いられ得る。
【００１９】
図２は、とりわけ結晶駆動ユニット４９を制御するための制御ユニット５１を実施させる電気回路を示している。結晶駆動ユニット４９の構成の詳細は、熟練の当業者には周知である。一般には、駆動ユニット４９は、ドラム４３に連結されたモータ５３を包含する。破線５５は、モータ５３に係るシャフト５９とドラム４３との間の機械的な連結を示している。この機械的な連結が、シャフト５９とドラム４３との間の直接的な連結から成るものであってもよいけれども、よりよい制御とよりスムーズな操作のための好ましい配置は、シャフト５９とドラム４３との間に一連の減速ギア（図示されず）が位置している。モータ５３はこのように、融液２９中に種結晶３５を下げるために、そして融液２９からインゴット３１を引き上げるために、ドラム４３を介してケーブル３７を緩めたり巻いたり操作可能である。
【００２０】
図２中の破線部６１は、ドラム４３中の開口部６５を通じてのシャフト６３上にドラム４３を取り付けることを示している。その開示全体が参考として本明細書中に組みこまれる、共有に係る米国特許番号5,935,328号が、本発明を用いた利用に適切なドラム及びケーブルの配置を示している。
【００２１】
更に図２を参照して、制御ユニット５１は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）７１及びメモリ７３を有するプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）６９を包含する。ＰＬＣ６９は、ライン７９及び８１を介して回転当り５００パルス（ppr）のエンコーダ７７から入力信号を受け取る。エンコーダ７７は、位置信号を生み出すためにシャフト６３に連結される。この場合において、前記位置シグナルは、ドラム４３の回転運動の関数として変化するライン７９及び８１上のパルスから成る。ＰＬＣ６９は、それゆえ、所定の関与する期間にどれだけドラム４３が回転したか正確に決定するのにライン７９及び８１上のパルスをカウントする。エンコーダ７７は、そのエンコーダが、ドラム４３の３６０度回転ごとに１０００の不連続パルスを発する２Ｘモードで操作されるのが好ましい。従って、もしＰＬＣ６９が、ライン７９及び８１上で５,５００パルスをカウントすれば、ドラム４３は、前記パルスが生み出された間に正確に５.５回転したことが分かる。代替として、ギア機構（図示されず）がドラム４３を駆動し、エンコーダ７７が前記ギア機構において回転しているギアの１つに連結され得る。ギヤ比が容易に分かれば、ドラム４３の回転数は、上記で開示された方法と同じ方法で計算され得る。
【００２２】
図示された実施の形態において、ＰＬＣ６９はまた、ライン８７及び８９を介して６０pprのエンコーダ８５に連結される。エンコーダ８５は、モータ５３に係るシャフト５９に連結され、前記シャフトの回転運動に係る関数としてライン８７及び８９上にパルスを提供する。ＰＬＣ６９は、それゆえ所定の関与する期間にどれだけシャフト５９が回転したかを正確に決定するためにライン８７及び８９上のパルスをカウントする。エンコーダ８５は、前記シャフトの３６０度回転ごとに２４０パルスを発する４Ｘモードで操作されるのが好ましい。従って、もしＰＬＣ６９が、ライン８７及び８９上で４８０パルスをカウントすれば、このパルスが生み出される間に、モータ５３に係るシャフト５９は、正確に完全な２回転をしたことが分かる。
【００２３】
ＰＬＣ６９もまた、ドラム４３の大きさ、及びモータ５３のシャフト５９とドラム４３を回転させるシャフト６３とを連結するギア比を考慮して、従来の手段によってプログラムされる。シャフト５９の回転数がライン８７及び８９上のパルスの数から既知であること、シャフト５９をドラム４３に連結するギアレシオが既知であること、そしてドラム４３の直径が既知であることを前提にして、ＰＬＣ６９は、エンコーダ８５から受け取ったパルスの数をリアルタイムでケーブル３７の直線運動を示す計算式に変換するよう従来手段を介して容易にプログラムされる。言い換えると、ライン８７及び８９上のパルスをカウントすることによって、ＰＬＣ６９は容易にケーブル３７の引き上げ速度を演算する。好ましくは、ディスプレイ・モニタ９１が、リアルタイムでこのケーブル速度を表示する。
【００２４】
サーボ増幅器９３は、従来の閉鎖型ループ・フィードバック配列によってライン９５及び９７を介してモータ５３に、ライン１０３及び１０５を介してタコメータ１０１に連結される。タコメータ１０１は、ライン１０３及び１０５上に、モータ５３に係るシャフト５９の回転スピードの関数として電位が変化するアナログ信号を提供する。サーボ増幅器９３は、ライン１０３及び１０５上のアナログ電位信号を受け取る。サーボ増幅器９３はまた、ライン１１１及び１１３を介して回路１０９を調節する設定値からの設定値信号を受け取る。例えば設定値調節回路１０９は、ＤＣ変換器に対するＤＣを含む。ＰＬＣ６９は、以下で更に十分に説明されているように設定値調節回路１０９、及びそれゆえライン１１７及び１１９を介して設定値信号を制御する。このようにして、ＰＬＣ６９は、モータ５３のスピードを制御する。
【００２５】
特には、サーボ増幅器９３は、ライン９５及び９７を介してモータ５３に供給される電流信号を提供することによってライン１１１及び１１３上の設定値信号に応答する。前記電流信号は、前記モータにエネルギーを与え、そのスピードを決定する。サーボ増幅器９３は、その後、その設定値信号に対応するスピードでモータ５３が作動しているかどうかを特定するためにタコメータ１０１から受け取られるアナログ電位信号を利用する。作動していなければ、サーボ増幅器９３は、タコメータ１０１からのアナログ電位信号が、モータ５３が設定値信号によって設定されたスピードで作動していることを示すまで、場合に応じて電流信号を上下に調節する。ここでも、ＰＬＣ６９がライン１１７及び１１９を介して設定値信号を制御しているため、ＰＬＣ６９は、モータ５３のスピードを制御する。
【００２６】
ＰＬＣ６９は、また信号調整回路１２３に連結される。信号調整回路１２３は、タコメータ１０１により提供されるアナログ電位信号を受け取り調整するためにサーボ増幅器９３に接続される。ＰＬＣ６９は、回路１２３から調整されたアナログ電位信号を受け取り、その信号をケーブル３６の引き上げ速度に対応する数値に変換する。ＰＬＣ６９は、ディスプレイ１２５を介してこの数値を表示する。
【００２７】
ケーブル３７に係る実際の引き上げ速度がディスプレイ９１及び１２５上で重複して表示されることが分かるけれども、当業者により認識されるように、ディスプレイ９１は報告された速度をディスプレイ１２５よりもはるかに正確に表示することが可能である。これは、ディスプレイ９１上に報告される速度の基礎を成しているデータの起源が、４Ｘモードで作動している非常に精密で正確なエンコーダ８５だからである。対照的に、ディスプレイ１２５上に報告される速度の基礎を成しているデータは、タコメータ１０１によって提供されるアナログ信号である。そのような信号は、本質的に正確さに乏しく、特に温度変化によって著しく影響を受けやすい。要するに、本発明はディスプレイ１２５がなくても容易に実施可能である。
【００２８】
冷却時間が十分であると仮定すると、育成率、すなわち育成速度ｖと、平均軸温度勾配Ｇとその比率が、臨界値(ｖ/Ｇ)crの一定の許容範囲、Ｔ内にあることを条件として完全なシリコンが提供され得る。この許容値は以下によって定義され得る：

式中Δ(ｖ/Ｇ)は、完全なシリコンが提供され得るｖ/Ｇ値の範囲である。
【００２９】
前記許容値は所定のホットゾーンにより提供される冷却条件に強く依存する。特には、核生成前の冷却時間が増加するにつれてＴは増加する。ホットゾーンの変動に対して選択されたデータは、好ましい許容値としてＴ=０.０５５の値を示唆している。
再表示式：
【数２】

しかしながら、Ｇは一般には制御するのは難しい。もしＧが変化しなければ、完全なシリコン育成を確実にするためのｖにおける最大誤差は、｜Ｔ｜となり得るであろう。しっかりしたプロセスに対してはｖの変動がもっと小さい方が（例えば｜Ｔ｜の１０％）好ましい。
【００３０】
図３は、一般には１２７で示されるが、図２に係る装置１１を校正するためのフローチャートを示している。ステップ１３１で始まり、フローチャート１２７は、即座にステップ１３３に進み、そこではオペレータが、名目上０.１mm／minのケーブル速度となるようＰＬＣ６９上で外部制御(図示されず）を調節する。ステップ１３５で、オペレータは、ディスプレイ９１上に報告されるケーブル速度を観察する。もし、報告された速度が０.１mm／minから０.００２mm／min以内（即ち０.１±０.００２mm／min）に入っていなければ、オペレータは、ステップ１３９に進む。オペレータは、ステップ１３９で回路１０９を調節する設定値に対するオフセットパラメータを「微調整」し、その後ステップ１３５に戻る。もし、表示されるケーブル速度がそれでもなお０.１±０.００２mm／minでなければ、オペレータは、ディスプレイ９１上に報告されるケーブル速度が０.１±０.００２mm／minに等しくなるまで回路１０９に対するオフセットパラメータを微調整し続ける。この時点で、オペレータは、ステップ１３５が十分に達成されたことを示すために変数Ｘに対して「１」の値を割り当てるためにステップ１４１に進む。
【００３１】
フローチャート１２７は、ステップ１４３に続き、ここではオペレータが装置１１を名目上３.０mm／minのケーブル速度になるようＰＬＣ６９上の外部制御を調節する。ステップ１４７で、オペレータは再度ディスプレイ９１上に報告されるケーブル速度を観察する。もし報告される速度が３.０±０.００２mm／minに等しくないならば、オペレータは、回路１０９を調節している設定値のゲイン・パラメータを微調整するためにステップ１４９に進む。この場合において、オペレータがステップ１４７に戻る前に変数Ｘは、ステップ１５１でゼロに設定される。ステップ１４７で、今度は３.０±０.００２mm／minのケーブル速度を報告するかどうかを確かめるためにオペレータは、再度ディスプレイ９１を読み取る。もしそうでなければオペレータは、ディスプレイ９１上に報告されるケーブル速度が３.０±０.００２mm／minに等しくなるまでステップ１４９で回路１０９に対するゲイン・パラメータを微調整し続ける。この時点で、オペレータは、ステップ１５５に進む。フロー図１２７は、変数Ｘが１ではなくてゼロになっているためステップ１３３に戻る。このようにしてオペレータは、前記回路を正確に校正し続ける。実際のケーブル速度が結果、名目上の設定±０.００２mm／minに（そして、回路１０９の更なる微調整なしに）等しくなる名目上の設定の０.１と３.０mm／minとの間で、ＰＬＣ６９が切り換え可能となるまで、この校正は継続する。この時点で変数Ｘは１の値のままであり、それゆえオペレータは、校正が十分に終了するステップ１５７に進むことができる。
【００３２】
図４は、１５９で一般に示されるが、単結晶シリコンインゴット３１を引き上げるための例示的な速度プロファイルを示している。結晶「製法」において特定される、予め決められた速度プロファイル又は目標に従って、融液２９から正確に結晶３１を引き上げることにより、欠陥の形成を制御するプロセス要求を満足させる助けとなる。このタイプの「固定型種揚程」制御はインゴット中の内因性点欠陥の数と濃度を減少させる。加えて、固定型種揚程プロセスにより、インゴットが固化温度から冷却するときに結晶３１中の内因性点欠陥の凝集を回避するよう空孔及び自己格子の濃度を制御できる。当業者は、本発明が如何なる適切な速度プロファイルでも実施され得ることを認識するだろう。
【００３３】
速度プロファイル１５９は、引き上げの間、結晶長さの関数として目標引き上げ速度を定義する。本発明に係る好ましい実施の形態により、速度プロファイル１５９に従って結晶３１を引き上げると、ほぼ完全な結晶性の構造で、ほとんど内因性点欠陥を有しないシリコンとなる。そのようなシリコンにおける固化時の内因性点欠陥の濃度は、重大な過飽和のレベルより十分低い、凝集をほとんどおこさせないレベルであろう。インゴットを固化温度から冷却する際のインゴット中の内因性点欠陥の凝集を回避するための空孔及び自己格子の集中のそのような制御は、とても望ましい。その開示全体が参考として本明細書中に組みこまれる、共有に係る米国特許番号5,919,302号は、図４の速度プロファイル、及びほぼ完全な結晶性構造を有するシリコンの製造に関する更なる情報を提供する。
【００３４】
使用時において、図４に係る速度プロファイル１５９が、ＰＬＣ６９に係るメモリ７３中に保存される。プロファイル１５９はまた、本発明の範囲内においてレジスタ中に保存されても、あるいはＣＰＵに係るメモリ回路７１に関連させることも可能である。当業者は、図４に係る速度プロファイル１５９がここでは例示的な目的で示されており、本発明は如何なる適切な速度ファイルでも実施されうることを認識するであろう。
【００３５】
図４に係る速度プロファイル１５９のような速度プロファイルの作業をしている過程において、結晶３１の引き上げ速度が、引き上げの間すべての結晶長さで非常に正確に速度ファイルに従うことが重要であることが発見された。好ましくは、装置１１が、その速度が結晶長さの大部分に対しては約０.００８mm／minあるいはそれ以下の範囲内で速度プロファイル１５９に従うように結晶３１の引き上げ速度を制御する。言い換えると、引き上げ速度は、ほぼ目標速度に等しい。本発明は、結晶３１の引き上げ速度が±０.００８mm／min、±０.００６mm／min、あるいは±０.００４mm／min、あるいは更に±０.００２mm／minの範囲内の精度で速度プロファイルに従うところで実施され得るけれども、最良の結果は、±０.００２mm／min、あるいはもっと良い精度で達成され、そして±０.００２mm／minよりも更に良い精度も本発明の範囲内にあることが理解される。
【００３６】
本発明に係る好ましい実施の形態においてＰＬＣ６９は、設定値調節回路（すなわち図２中の回路１０９）に対する制御信号を提供するために、１２ビットのデジタル／アナログカードを使用する。当業者は、本発明の実施の形態の精度を改善するために本発明の範囲内で変更がなされ得ることを認識するであろう。例えば１２ビットの代わりに１４ビットのカードの使用は、精度を改善する事になるはずである。
【００３７】
図５は、ＰＬＣ６９が、いったんプロファイル１５９がロードされると、その引き上げ全体に渡って、結晶引き上げの速度をプロファイル１５９の±０.００２mm／min内の精度でどのように制御するかを示しているブロック図である。好ましくは、ＰＬＣ６９は、破線１６５の範囲内で機能を果たす。より具体的には、ＰＬＣ６９は、エンコーダ７７の出力から実際の引き上げ速度を演算し、期待されている速度、すなわちメモリ７３中に保存された速度プロファイル１５９により定義される目標速度と比較する。ＰＬＣ６９は、その後期待された結果と実際の結果との間の差異を用いて補正因子１６９を演算する。ＰＬＣ６９は、引き上げがおこっている速度プロファイル１５９に沿ってその値を決定することにより、設定値１７３を演算する。補正因子１６９×設定値１７３を計算することにより、ＰＬＣ６９は、修正設定値１７５を演算する。ＰＬＣ６９は、結晶引き上げの速度を制御するために回路１０９を調節している設定値に対して修正設定値１７５を出力する。上述で説明されるようにこの方法で設定値を調節することにより、結晶引き上げ速度を引き上げ全体に渡ってプロファイル１５９の±０.００２mm／min内に維持する。
【００３８】
図６Ａ及び６Ｂは、一般に１７７で示されるが、ＰＬＣ６９に係る操作上でのより詳細を提供するフローチャートを示している。特には、ＰＬＣ６９が図５に係る補正因子１６９をどのように演算するかをフローチャート１７７は図示している。フローチャート１７７は、ステップ１８１で始まり、即座にステップ１８３に進む。ステップ１８３で、ＰＬＣ６９は、「移動される期待距離合計」（Ｅ.Ｓ.Ｄ.Ｔ.）変数が更新された最後の時間から、予め決められた時間間隔（例えば１５秒）が経過されたかどうかをテストする。もし、その１５秒間隔が終了していなかったなら、ＰＬＣ６９は、終了するまでステップ１８３を繰り返す。１５秒終了の後、ＰＬＣ６９はステップ１８５に進む。
【００３９】
ステップ１８５で、結晶３１が、現在のＥ.Ｓ.Ｄ.Ｔ.値への最後に更新以来引き上げられるように期待された増分の距離を足すことにより、ＰＬＣ６９はＥ.Ｓ.Ｄ.Ｔ.を更新する。「設定値プロファイル」は、結晶長さの関数として速度プロファイル１５９から決定される瞬時の期待結晶引き上げ速度であることが注意される。ステップ１８５において同定される「因子」が、その設定に依存して引き上げに関して融液レベル４７を移動したり、あるいは融液レベル４７に関してほぼ一定に結晶３１の引き上げを維持したりするように僅かに調整され得る因子であるもまた、注意される。その開示全体が参考として本明細書中に組みこまれる、１９９８年１０月１４日に出願された、共有に係る出願シリアル番号09/172号が、これらの考慮すべき事柄をより詳しく開示している。ステップ１８５に係る因子は、また融液２９が坩堝１９から枯渇されるような結晶引き上げの終了近くでまた調節されてもよい。融液レベル４７がほぼ一定となるときは前記結晶引き上げのほぼ全体にわたって、ステップ１８５に係る因子が数値「１」を有するが好ましい。最終的には、関連期間が１５秒、すなわち０.２５分であることから、ステップ１８５で０.２５の乗数が使用される。
【００４０】
Ｅ.Ｓ.Ｄ.Ｔ.値が更新されると、ＰＬＣ６９はステップ１８７でタイマーＡをリセットし、補正因子Ａ（Ｆ.Ｃ.Ａ）が更新された最後の時間から別に予め決められた時間間隔（例えば１分間）が経過したかどうかを特定するためにステップ１８９に進む。もし１分の間隔が経過していなければ、そのプロセスは最初に戻り、再度Ｅ.Ｓ.Ｄ.Ｔ.を更新するために１５秒間待つ。１分が最終的に経過すると、ＰＬＣ６９は、ステップ１９１でタイマーＢをゼロにリセットし、その後ステップ１９３に進む。ステップ１９３で、ＰＬＣ６９は、エンコーダ７７がその最後の更新からどのぐらいパルスを作成したかを特定する。ドラム４３の径が分かると、ＰＬＣ６９はこの増分のパルスカウントを上述で説明されるように結晶３１が引き上げられる増分の距離に変換する。この増分の値はステップ１９３を終了するための「実際のデルタ(ｎ)」値に等しい。
【００４１】
ステップ１９７に進んで、ＰＬＣ６９は「実際に移動する合計距離」変数（Ｓ.Ｄ.Ｔ.Ａ.）により示されるような結晶３１が現在までに引き上げられた距離を演算する。ＰＬＣ６９は、直前のステップ１９３において演算された「実際のデルタ(ｎ)」値に古い値を単に加えることによりＳ.Ｄ.Ｔ.Ａ.値を更新する。
【００４２】
図６Ｂを参照して、フロー図１７７は、ステップ１９９に続く。ステップ１９９で、ＰＬＣ６９は、現在のＥ.Ｓ.Ｄ.Ｔ.を現在のＳ.Ｄ.Ｔ.Ａ.で除することにより、第１の補正因子、補正因子Ａ（Ｃ.Ｆ.Ａ.）を演算する。ＰＬＣ６９は、第２の補正因子、補正因子Ｂ（Ｃ.Ｆ.Ｂ.）が更新された最後の時間から、予め決められた時間間隔（例えば１０分間）が経過したかどうかを特定するためにステップ２０１に進む。もし１０分間の間隔が終了していなかったら、前記プロセスは、ステップ１８３に戻り、再度Ｅ.Ｓ.Ｄ.Ｔ.値を更新するために１５秒間待つ。１０分間が最終的に経過したら、ＰＬＣ６９は、現在のＣ.Ｆ.Ａ.から１を差し引き、その後その結果を１０で除し、それに先のＣ.Ｆ.Ｂ.を加えることにより、ステップ２０３でＣ.Ｆ.Ｂ.を更新する。ＰＬＣ６９は、その後ステップ２０５に進み、そこではタイマーＣ、Ｅ.Ｓ.Ｄ.Ｔ.及びＳ.Ｄ.Ｔ.Ａ.をゼロにリセットする。
【００４３】
Ｃ.Ｆ.Ｂ.は、相対的に１に近いのが好ましい。このため、ＰＬＣ６９は、現在のＣ.Ｆ.Ｂ.が０.７５より大きいあるいは等しいかどうか、もしくは１.２５より小さいあるいは等しいかどうかをステップ２０９でテストする。もしＣ.Ｆ.Ｂ.がこの範囲内にあれば、ＰＬＣは、フローチャート１７７の最初に戻る前に図５における補正因子１６９として、ステップ２１１で現在のＣ.Ｆ.Ｂ.を出力する。しかしながら、もしＣ.Ｆ.Ｂ.がこの範囲外であれば、ＰＬＣ６９は現在の値が高すぎるかどうか、あるいは低すぎるかどうかによってステップ２１３でＣ.Ｆ.Ｂ.を設定する。もし現在のＣ.Ｆ.Ｂ.が低すぎれば、ＰＬＣ６９は、補正因子１６９として０.７５を出力するが、もし現在のＣ.Ｆ.Ｂ.が高すぎれば、ＰＬＣ６９は、補正因子１６９として１.２５を出力する。ＰＬＣ６９はその後、フローチャート１７７の最初に戻る。
【００４４】
上述のように、結晶「製法」において特定される、予め決められた速度プロファイル又は目標に従って融液２９から正確に結晶３１を引き上げることにより、欠陥の形成の制御するプロセス要求を満足させる助けとなる。従来のチョクラルスキのシリコン育成プロセスはしかしながら、育成している結晶３１の径を制御するために、引き上げ速度、又は種揚程を変化させ、それにより「固定型種揚程」プロセスにおいて問題が起こる。当業者は、引き上げ速度を増加させることにより結晶径が減少し、一方引き上げ速度を減少させることにより結晶径が増加することを認識している。シリコン起源融液２９の温度を上げることにより結晶径が減少し、一方融液温度を下げることにより結晶径が増加することもまた、周知である。このため、目標プロファイルに従って引き上げ速度を制御すると、前記融液温度が引き上げの間正確に調節されなければ、大きな径誤差又は径の欠陥をきたし得ることになる。
【００４５】
図７は、一般に２１７で示されるが、従来技術に基づく径制御ループを図示している。図７に示されるように、比例微分積分（ＰＩＤ）制御ループ２１９がライン２２１で誤差信号を受け取る。前記誤差信号は、所望の又は目標の結晶径（すなわち、設定値）と、実際の結晶径（すなわちプロセス変量）との間の差異を示す。ＰＩＤループ２１９は、特定の結晶育成製法から得られる期待引き上げ速度を調節するためにライン２２５で引き上げ速度補正を出力する。制御ループ２１７は、結晶径を変化させるよう引き上げ速度を調整するために、ライン２２７で種揚程設定値を出力する。図７において、制御ループ２１７はまた、種揚程設定値が大き過ぎる変化をしないようにするため、リミッタ２２９を包含する。図示されるように図７に係る制御ループ２１７は、インゴット３１の径における変化に影響を与えるよう、種揚程を変化させることが必要とされる。
【００４６】
図８は、一般に２３３で示されるが、結晶育成装置１３に対する従来のカスケード式の温度制御を示している。径を制御するためにコントローラが引き上げ速度を変化させる運動型種揚程アプリケーションにおいて、設定値は通常目標の種揚程であり、プロセス変量は通常実際の種揚程である。図８で示されるように初期のＰＩＤ制御ループ２３５は、ライン２３７で前記結晶径設定値と結晶径プロセス変量との間の差異を示す誤差信号を受け取る。ＰＩＤループ２３５は、ライン２４１で温度設定値を出力する。次に、第２のＰＩＤ制御ループ２４３がライン２４５で誤差信号を受け取る。ライン２４５での誤差信号は、温度設定値と実際の温度（すなわちプロセス変量）との間の差異を示している。この場合においてはしかしながら、第２のＰＩＤ制御ループ２４３が、結晶育成装置１３の断熱梱包付近のパイロメータ又は熱電対（図示されず）からのヒータ温度フィードバックを受ける。言い換えると、従来の結晶引き上げは、シリコン融液２９の実際温度を検討しないことがほとんどであるため、制御２３３に誤差がもたらされる。ＰＩＤループ２４３は、結晶径を変化させるためにライン２４９でヒータ電力供給設定値を出力する。制御ループ２３３に係るカスケード式機構の利点は、ＰＩＤ２４３を含む第２のループにより、電力が典型的に最終の安定状態値にオーバーシュートするようにヒータ温度設定値を変化させるよう比較的迅速に応答可能となることである。このヒータ電力と温度における比較的迅速な変化は、本システムの応答全体を改善する。しかしながら、主な遅滞が融液の量にあるため、径が電力変化に応答することが必ずしも改善することにはならない。その上、実際においてパイロメータのウィンドゥはしばしば埃っぽくなったり、遮られたり、あるいは熱電対が断熱包囲の様々な部分を測定したりする。この結果、運転ごとに、あるいは引き上げごとに有意なゲインやオフセット変動ということになり得る。結果として、予め決められた温度プロファイルは結晶の質と処理量の両方に変動を引き起こす。更には、径制御は、遅い応答スピードと加熱温度に対する融液表面における変動との関係のために、一般的には従来の制御ループ２３３では、受け入れ難い。
【００４７】
図９は、一般に２５１で示されているが、更なる従来の電力制御ループを図示している。この場合において、ループ２５１に係る制御機構は、制御ループ２３３に係るカスケード式の機構よりも幾分遅いが、ヒータ温度に対してＰＩＤ２３５のような第２のＰＩＤループを必要としない。ＰＩＤ制御ループ２５３は、ライン２５７で誤差信号を受け取る。前記誤差信号は、結晶径設定値とプロセス変量との間の差異を示している。ＰＩＤループ２５１は、径を制御するよう融液温度を調節するためにライン２５９でヒータ電力供給設定値を出力する。制御ループ２５１においてヒータ電力は、運転ごとに、より低い程度ではあるが引き上げごとに非常な再現性がある。図７及び８に係る制御機構と比較すると、制御ループ２５１は、改善された結晶の質及び処理能力を実現し、パイロメータ及び熱電対の測定の失敗による運転の失敗を削減する。電力制御ループ２５１は、しかしながらこの機構が径制御を受け入れられないぐらい遅い応答時間がかかる。当業者は、ＰＩＤゲイン、プラス本プロセスの動力が制御ループ（すなわち、引き上げ速度補正、温度設定値、あるいは電力供給設定値）に係る出力を決定すると認識している。
【００４８】
図１０を参照して、一般に２６１で示されるが、電力制御ループが、固定型種揚程プロセスにおける結晶径を制御するために本発明に係る態様を実施する。ＰＩＤ制御ループ２６５は、ライン２６７で結晶径設定値と結晶径プロセス変量との間の差異を示す誤差信号を受け取る。これに対してＰＩＤループ２６５は、ライン２６９で温度設定値を出力する。本発明によれば、制御ループ２６１は、温度設定値を受け取り、結晶径における所望の変化を有効にするためライン２７５でヒータ電力設定値を出力する温度モデル２７３を包含する。本発明に係る好ましい実施の形態において、温度モデル２７３は、ヒータ電力とシリコン融液２９の表面に係る温度との間の関係を評価する。温度モデル２７３は、径勾配、すなわち径変化の速度に係るモデルを提供するのに用いられ得ることが考慮されている。一般に、融液表面温度に係るパイロメータの測定は、温度モデルを作り出すためのデータを提供する。前記融液温度を制御することにより結晶径を制御することは一般的には引き上げ速度を制御することほどしっかりしたものではないけれども、制御ループ２６１は、有利なことに、より迅速で正確な径制御を有する固定型種揚程プロセスに係る利益を実現する。
【００４９】
ヒータ電力の融液表面温度に対する関係に係る単純化されたモデルは、不動作時間、ゲイン、及び一時遅れを含む。図１１は、図８又は９で示される例ような従来の制御プロセスに対する例示的な温度応答を図示している。図１１において、時間ｔ＝１で始まる単一ステップ出力２７７は、指数関数：
ｆ(ｔ)=１−exp(-(ｔ-ｔ_ｄ)/τ)
により概算されて出力２７９となる。図１１に係る例において、出力２７９はｔ_ｄ＝５分の不動作時間に続き、τ＝３０分の時間定数を有する１次遅れから成る。前記不動作時間、又は遅延期間の間、入力２７７に対して応答はない。出力２７９の遅延は最終値（例えば最終温度)に対して指数的な変化をもたらし、応答のスピードはその時間定数τにより決定される。
【００５０】
図１２は、図１０で示される制御ループ２６１に対する例示的な温度応答を図示している。「電力ギャップ」は融液温度で比較的大きな変化を達成するのに有益である。予め決められた振幅及び持続時間を有する電力のパルスの形態での入力２８１、及びその後に続く定常状態電力変化が、そのような電力ギャップを実現する。時間ｔ＝１で始まる入力２８１は、指数関数：
ｆ(ｔ)=ｋ*（１−exp(-(ｔ-ｔ_ｄ)/τ)）
により概算されて出力２８３となる。上述のように、出力２８３は、その間応答のない不動作時間（ｔ_ｄ＝５分）の後に従う。出力２８３は、またτ＝３０分の時間定数を有する１次遅れを有する。乗数ｋは、定常状態電力変化の関数としてパルスの振幅を定義する。前記定常状態応答（例えば単一）に等しい応答を達成するために、前記パルスが次式で定義される持続時間にわたって適用される：
ｔ=-τ* ln(１-１/ｋ)
出力２８３は入力２８１に対して不動作時間が完了するまで応答いので、不動作時間は含まれないことに注意しなければならない。それは単に遅延されただけである。例として、τ＝３０分及びｋ＝１０であれば、パルス持続時間は３.１６分となる。それゆえ、前記不動作時間に続く３.１６分で、温度は所望のレベルに達し定常状態電力値によりそのレベルで維持されることが期待される。図１２に係る温度モデルにより、有利なことに結晶径を上手く制御できるようになり、その制御においては、電力変化がそのプロセス不動作時間と概略等しい間隔でなされ得る。
【００５１】
図１１及び１２は、ステップ応答とパルス応答との比較を提供する。図１２においては、しかしながら出力２８３が入力２８１の電力パルスにより比較的迅速に（前記の指数関数に従って）起り、所望の大きさに達するよう図１１の出力１７９にかかる僅かな時間で所望の大きさに達する。育成しているインゴット３１の径及びその変化の速度は、電力パルスの大きさと定常状態電力変化を決定する。
【００５２】
好ましくは、ＰＬＣ６９は、ソフトウェアに（図１２に係る温度応答により展開されるような）温度モデル２７３の実施を実行させる。径制御ループ２６１は、パルスに自動的に作成させるようにする温度設定値を作成するためにＰＩＤ２６５を介して制御アクションを提供する。この設定値は、ヒータ電力に対してスケールされた次元のない温度単位（例えば１０＃'ｓ/ｋＷ）として表現される。例えば、もしＰＩＤ制御器２６５がモデル２７３に５＃'ｓの変更を送れば、３.１６分の間の５ｋＷのパルス（すなわち１０*５＃'ｓ*１ｋＷ/１０＃'ｓ）が生じ、その後０.５ｋＷの定常状態電力変化につながる。因子ｋ（ｋ＝１０）は（前記電力をオーバーシュートさせる電力の原因となる図８に係るカスケード式の制御機構２３３と同様に）が、前記因子ｋ及びパルス持続時間はヒータ温度におけるよりもむしろ温度における所望のステップ変化を達するよう演算される。径の変化の率（すなわち勾配）は、この融液表面変化に迅速に応答する。不連続時間の影響を低減させるために、ＰＩＤサンプル速度は、この例示において５分である不連続時間の速度とほぼ等しい値に設定される。これにより制御器のアクションは以下に続くサイクルにより効果的になる。ＰＩＤループ２６５によりおこる繰り返しの補正アクションは、前記モデルにおける不正確さを補う。これによりカスケード式の制御２３３に比べて径誤差に対する応答時間を大幅に改善させ、加えてパイロメータ及び熱電対のようなヒータ温度測定要素によって起る変化と不信頼性が削減される。
【００５３】
例として、結晶育成装置１３は、本発明を実施するのに適切な制御システムハードウェア設定を実現するFerrofluidics CZ-150 Crystal Pullerである。制御ユニット５１のＰＬＣ６９により実効されるプログラムは、好ましくは温度制御演算において温度モデル２７３を包含する。上述のように、温度モデル２７３は、所望の融液温度変化を達成するよう電力パルスを計算する。前記モデル関数は、融液２９を融解し、安定化させるために引き上げモードが電力制御を提供しているときに初期化される。概して、このモードの間では、ヒータ電力の直接的な制御が望ましい。電力制御の間、温度設定値及びプロセス変量は、中点領域（例えば１０００ユニット）に設定され、一方、ヒータ電力は操作される。温度モードが選択された後、温度設定値は１０００ユニットに初期化され、そして操作され得る。その温度設定値は、その後ヒータ電力を計算するのに用いられ、そのヒータ電力は電力制御モードにおいて選択された最終値に初期化されている。
【００５４】
電力制御ループ２６１が融液温度を制御するのに使用されているとき、ＰＬＣ６９は、規則的な間隔（例えば６秒、あるいは０.１分ごと）でモデル演算を行う。ＰＬＣ６９が演算を行うたびに、シフト・レジスタは、現在の温度設定値を保存する。ソフト・レジスタはプログラム化された持続時間の終わりで電力パルスを終了する。本発明によれば、ＰＬＣ６９は、電力出力を演算するために以下の式を実行する：

式中：
Ｐ_１は現在の電力；
Ｐ_０は温度制御モードの始まりでの初期電力；
Ｇは温度単位からｋＷ（例えば１０＃'ｓ/ｋＷ）への変換；
ｋはパルス振幅；
Ｔ_ｎは時間ｔ＝ｎでの温度設定値；そして、
Ｔ_{ｎ - ｍ}はｍがサンプル中のパルス持続時間である時間ｔ＝ｎ-ｍでの温度設定値（例えばサンプルにつき０.１分での３２サンプル）である。
【００５５】
本発明に係る好ましい実施の形態において、運動型及び固定型の種揚程制御手順の組み合わせにより頑強な結晶制御が実現される。上述のように径制御ループ２１７はライン２２５でＰＩＤループ２１９により出力された引き上げ速度補正で、期待引き上げ速度を合計する。結晶インゴット３１の初期の育成の間、比例及び積分の運動が、種揚程を変化させることによる効果的な径制御のために調整される。微分の運動は径誤差が径誤差の蓄積により引き起こされる種揚程値により完全に削減されてしまうことを確かめるために利用されない。図７に係る運動型種揚程機構の目的は、種揚程あるいは引き上げ速度を調節することにより結晶３１の肩部分にしばしばおこる比較的大きな径の乱れを制御することである。同時に、融液温度は、また初期の径誤差を減少させるために迅速なＰＩＤ調整を通じて調節されてもよい。例えば結晶インゴット３１の最初の５０ｍｍが育成した後、融液２９の温度及び結晶径は、比較的安定に制御されるよう期待される。この時点で、制御は好ましくは運動型種揚程フェーズから固定型種揚程フェーズに推移する。電力制御ループ２６１に係るＰＩＤループ２６５は、種揚程を調節することによっては補正されない径誤差に対する補正を実現する。種揚程ループ２１７におけるＰＩＤゲインをゼロに再変換し、電力制御ループ２６１におけるＰＩＤゲインはインゴット育成に係る残留分に適切な値を設定する。
【００５６】
図１３は、本発明に係る好ましい実施の形態による運動型及び固定型の引き上げ速度を用いた径動向を図示している。この例示的なグラフにおいて、第１の曲線２８７は、インゴットの長さにわたる結晶径を示し、第２の曲線２８９は、対応する引き上げ速度を示している。上述のようにこの例示は、最良の結果を達成するよう運動型及び固定型の引き上げ速度の組み合わせを利用している。
【００５７】
本発明に係る好ましい実施の形態によれば、結晶体育成に対してインパルスで、電力のみの径制御は、完全なシリコン育成プロセスに利益をもたらす。すなわち、本発明は、径制御を調整することにより安定した径制御の組み合わせで固定型種揚程制御を実現する。そのような制御戦略は、育成の結晶体段階のみならず結晶ネック部、頂部、初期胴体、及び最後の末端円錐部段階において、径制御の改善を実現する。有利なことに、本発明は、モデル化の誤差が「インパルス」中に存在するとき、より厳格なフィードバックを提供する機能を果たすよう、インパルス、すなわち電力パルスの後にＰＩＤ制御を提供する。
【００５８】
本発明に係る固定型種揚程プロセスはまた運転中、ランプ型電力パルスの大きさ及び／あるいはランプ型パルス幅という結果となるランプ型プロセス・パラメータ評価の利用をまた含んでいてもよい。育成の異なる段階の間、電力パルスに係るパラメータを変化させることにより、本発明は制御全体を改善することが必要とされるプロセスに釣り合うより良い制御を実現する。
【００５９】
実用的には、装置１１（及び結晶育成装置１３）を構築するのに使用される構成要素は、かなり狭い公差で作成されることが重要である。以下に示す部品リストは、本発明の使用に適切な例示の構成要素のリストを提供する：
ＰＬＣ６９：Siemens TI575型
設定値調節器１０９：Ferrofluifics 部品番号207683
サーボ増幅器９３：Advanced Motion Controls--ＡＭＣ10A8型
タコメータ及びサーボモータ５３：Max--00 Motomatic II--部品番号284-001-109
エンコーダ８５：Accu-Coder--部品番号775A-01-0060-PU
エンコーダ７７：Ferrofluidics--部品番号080010
滑車４１：Ferrofluidics--図番号206886A
ドラム４３：Ferrofluidics--図番号206075D
ケーブル３７：タングステンケーブル、10インチ径
【００６０】
上述から、本発明に係るいくつかの目的が果たされ、他の有利な結果が達成されることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 結晶育成装置を制御するための、本発明に記載の結晶育成装置及び装置の図である。
【図２】 プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）を有する制御ユニットを包含する図１に係る装置のブロック図である。
【図３】 図１に係る装置を校正するための制御ユニットの操作を示しているフロー図である。
【図４】 図１に係る装置を用いて内因性点欠陥の数と濃度を減少させて結晶インゴットを引くための速度プロファイルである。
【図５】 修飾設置値を演算するために操作される図１に係る装置のブロック図である。
【図６Ａ】 補正因子を演算するための図２に係るＰＬＣの操作を示しているフロー図である。
【図６Ｂ】 補正因子を演算するための図２に係るＰＬＣの操作を示しているフロー図である。
【図７】 従来技術による結晶育成プロセスの制御を示しているブロック図である。
【図８】 従来技術による結晶育成プロセスの制御を示しているブロック図である。
【図９】 従来技術による結晶育成プロセスの制御を示しているブロック図である。
【図１０】 本発明に係る好ましい実施の形態による結晶育成プロセスの制御を示しているブロック図である。
【図１１】 図７〜９に係る制御に対する例示的な温度応答モデルである。
【図１２】 図１０に係る制御に対する例示的な温度応答モデルである。
【図１３】 図１に係る装置による運動型及び固定固定型引き上げ速度制御に対する径動向を示している例示的なグラフである。
【符号の説明】
１１…装置、１３…チョクラルスキの結晶育成装置、１５…真空チャンバ、１９…坩堝、２１…耐熱ヒータ、２３…断熱材、２７…加熱電力供給部、２９…シリコン融液、３１…単結晶、３３…温度センサ、３５…種結晶、３７…ケーブル、３９…共通軸、４１…滑車、４３…ドラム、４５…坩堝駆動ユニット、４７…融液レベル、４９…結晶駆動ユニット、５１…制御ユニット、５３…モータ、５５…破線、５９…シャフト、６１…破線、６３…シャフト、６５…開口部、６９…プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）、７１…中央演算処理装置（ＣＰＵ）、７３…メモリ、７７…エンコーダ、７９、８１…ライン、８５…エンコーダ、８７、８９…ライン、９１…ディスプレイ、９３…サーボ増幅器、９５、９７…ライン、１０１…タコメータ、１０３、１０５、１０９…回路、１１１、１１３、１１７、１１９…ライン、１２３…信号調整回路、１２５…ディスプレイ、１２７…フローチャート、１５９…速度プロファイル、１６５…破線、１６９…補正因子、１７３…設定値、１７５…修正設定値、１７７…フローチャート、２１７…径制御ループ、２１９…比例微分積分（ＰＩＤ）制御ループ、２２１、２２５、２２７…ライン、２２９…リミッタ、２３３…カスケード式温度制御、２３５…ＰＩＤ制御ループ、２３７、２４１…ライン、２４３…ＰＩＤ制御ループ、２４５、２４９…ライン、２５１…電力制御ループ、２５３、２５７、２５９…ライン、２６１…電力制御ループ、２６５…ＰＩＤ制御ループ、２６７、２６９…ライン、２７３…温度モデル、２７５…ライン、２７７、２８１…入力、２７９、２８３…出力。

Claims (10)

1. チョクラルスキのプロセスに従って単結晶シリコンインゴットを育成するために結晶育成装置を組み合わせて使用する方法であって、前記結晶育成装置が、前記インゴットを育成させる半導体融液を含有する加熱された坩堝を有し、前記インゴットが、前記融液から引き上げられる種結晶上に育成され、前記方法が：
   前記融液を加熱するためのヒーターに供給される電力の変動に応答する前記融液の温度の変動を示す温度モデルを定義し；
   予め決められた速度プロファイルにほぼ従う目標速度で前記融液からインゴットを引き上げ；
   前記インゴットの目標径と前記インゴットの実測径との間の誤差を示す信号を作成し；
   前記誤差信号に基づいて比例微分積分（ＰＩＤ）制御を実施し、その関数として温度設定値を作成し、前記温度設定値が前記融液の目標温度を示しており；
   前記ＰＩＤ制御により作成された温度設定値の関数として温度モデルからヒーターに供給される電力に対する電力設定値を決定し；そして、
   前記インゴットの径を制御するために、前記電力設定値に従って前記ヒータに供給される電力を調節し、これによって前記融液の温度を変化させる
   ステップからなる方法。
2. 前記電力を調節するステップが、ヒータに電力のパルスを加えることを含み、前記電力パルスが、予め決められた持続時間と直接温度設定値に対応する定常状態値よりも大きな振幅を有する、請求項１に係る方法。
3. 前記電力設定値を決定するステップが、以下に示す式により電力出力を演算し：
   

   

   式中、Ｐ_１は現在の電力、Ｐ_０は初期電力、Ｇは温度単位からｋＷへの変換、ｋは前記電力パルスの振幅、Ｔ_ｎは、時間ｔ＝ｎでの温度設定値、Ｔ_ｎ−ｍは、時間ｔ＝ｎ−ｍでの温度設定値、及びｍは前記電力パルスの持続時間を示している、請求項２に係る方法。
4. 前記温度モデルから前記電力設定値を決定するステップが、温度モデルに対する入力を定義することを包含し、前記温度モデルに対する入力がパルス部分とそれに続く定常状態部分を包含している、請求項１に係る方法。
5. 前記温度モデルに対する入力に係るパルス部分が、温度設定値に直接対応する定常状態値よりも大きな振幅を有する、請求項４に係る方法。
6. 前記温度モデルに対する入力に係るパルス部分が、以下の式で示される持続時間を有し：
   ｔ＝−τ*ｌｎ(１−１/ｋ)
   式中、τは前記温度モデルを定義する指数関数に係る時間定数であり、ｋは前記温度モデルに対する入力のパルス部分の振幅を示す、請求項４に係る方法。
7. 前記温度モデルを定義するステップが、遅延期間、ゲイン、及び１次遅れの関数応答を定義することを包含する、請求項１に係る方法。
8. 前記温度モデルを定義するステップが、次式のような時間に関する指数関数により１次遅れ関数応答を定義することを包含し：
   【数１】
   ｆ(ｔ)＝ｋ*(１−exp(−(ｔ-ｔ_ｄ)/τ))
   式中、ｔ_ｄは、１次遅れ関数応答に先行しておこる遅延期間であり、τは、前記関数の時間定数であり、そしてｋは、前記温度モデルに対する電力入力に係る振幅を示す、請求項７に係る方法。
9. 前記インゴットの径を制御するためにインゴットが融液から引き上げられる速さを変化させるステップを更に含み、前記引き上げ速度を変化させるステップがインゴットの第１の部分の育成の間おこり、そして前記予め決められた速度プロファイルにほぼ従う目標速度でインゴットを引き上げるステップがインゴットの第２部分に係る育成の間おこる、請求項１に係る方法。
10. チョクラルスキのプロセスにより単結晶シリコンインゴットを育成するために結晶育成装置を組み合わせて使用する装置であって、前記結晶育成装置が、前記インゴットを育成させる半導体融液を含有する加熱された坩堝を有し、前記インゴットが、前記融液から引き上げられる種結晶上に育成され、前記装置が：
    予め決められた速度プロファイルであって、前記インゴットが前記速度プロファイルにほぼ従う目標速度で前記融液から引き上げられる速度プロファイルと；
    前記インゴットの目標径と前記インゴットの実測径との間の誤差の関数としての温度設定値を作成する比例微分積分（ＰＩＤ）制御であって、前記温度設定値が融液の目標温度を示しているＰＩＤ制御と；
    前記融液を加熱するためのヒータに供給される電力の変動に応答する前記融液の温度の変動を示す温度モデルであって、前記温度モデルが、前記ＰＩＤ制御により作成される温度設定値の関数として前記ヒーターに供給される電力に対する電力設定値を決定するモデルと；
    前記融液を加熱するためのヒーターと；そして、
    前記インゴットの径を制御するよう前記融液の温度を変化させることにより前記ヒーターに提供される電力を調節するための電力設定値に応答した電力供給と、
    からなる装置。

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