JP5562776B2 - 単結晶引上装置及び単結晶引き上げ方法 - Google Patents

Description

本発明は、チョクラルスキー法（以下、「ＣＺ法」という）によって単結晶を育成しながら引き上げる単結晶引上装置及び単結晶引き上げ方法に関する。

シリコン単結晶の育成に関し、ＣＺ法が広く用いられている。この方法は、ルツボ内に収容されたシリコンの溶融液の表面に種結晶を接触させ、ルツボを回転させるとともに、この種結晶を反対方向に回転させながら上方へ引上げることによって、種結晶の下端に単結晶を形成していくものである。

図１０に示すように、従来のＣＺ法を用いた引上げ法は、石英ガラスルツボ５１ａと黒鉛ルツボ５１ｂの二重構造からなるルツボ５１に原料ポリシリコンを装填し、ヒータ５２により加熱してシリコン溶融液Ｍとする。しかる後、引上げ用のワイヤ５０に取り付けられた種結晶Ｐをシリコン溶融液Ｍに接触させてシリコン単結晶Ｃを引上げる。

一般に、引上げ開始に先立ち、シリコン溶融液Ｍの温度が安定した後、種結晶Ｐをシリコン溶融液Ｍに接触させて種結晶Ｐの先端部を溶解するネッキングを行う。ネッキングとは、種結晶Ｐとシリコン溶融液Ｍとの接触で発生するサーマルショックによりシリコン単結晶に生じる転位を除去するための不可欠の工程である。このネッキングにより、図１１に示すようにネック部Ｐ１が形成される。

尚、ネック部Ｐ１の下に形成される単結晶Ｃの無転位化のためには、このネック部Ｐ１は、通常、最小直径が３〜４ｍｍで、その長さが１５ｍｍ程度必要とされている。
また、引上げ開始後の工程としては、ネッキング終了後、直胴部直径にまで結晶を拡径するクラウン工程、肩部Ｃ１の形成後、定径部Ｃ２を育成する直胴工程、直胴工程後の単結晶直径を徐々に小さくするテール工程が行われる。

ところで、近年においては、育成する単結晶の大口径化が進み、引上げる単結晶重量が増加している。このため、引上げ時におけるネック部Ｐ１の破損防止が大きな課題のひとつとなっている。
このような課題に対し特許文献１には、ネック部の強度向上のために、図１２に示すように拡径部Ｐ１ａと縮径部Ｐ１ｂとを交互に形成してこぶ状のネック部Ｐ１とする方法が開示されている。この方法によれば、ネック部Ｐ１の強度が向上し、単に細いネック部Ｐ１を形成するよりもその破断の虞を大幅に低減することができる。

尚、そのような、こぶ状ネック部Ｐ１の形成は、従来、種結晶Ｐの引き上げ速度と、シリコン溶融液Ｍの温度を制御することにより行われるが、シリコン溶融液Ｍの温度変更は応答特性が悪いため、主に種結晶Ｐの引き上げ速度の制御に依存している。
具体的には、ネック部Ｐ１を細くしたい場合は種結晶Ｐの引き上げ速度を上げ、ネック部Ｐ１を太くしたい場合は種結晶Ｐの引き上げ速度を下げる制御が行われている。

特開２００８−１８９５２４号公報

ところで、種結晶Ｐの引き上げ速度が所定速度以下（例えば２．５ｍｍ／ｍｉｎ以下）の場合は、図１３（ａ）に示すようにネック部Ｐ１の下端とシリコン溶融液Ｍとの界面Ｍ１が凹形状となり、引き上げ速度が前記所定速度よりも大きくなると、図１３（ｂ）に示すように界面Ｍ１が凸形状となることが知見されている。
しかしながら、ネック部Ｐ１を細くする縮径部Ｐ１ｂを形成するために、引き上げ速度を上昇させると、図１３（ｂ）に示すように界面Ｍ１が凸形状となり、そのように界面Ｍ１が凸形状になると、転位化が生じ易いという課題があった。

前記課題に対し、本願出願人は、前記界面Ｍ１が凸形状とならないように種結晶Ｐの引き上げ速度の上限を制限しても、ルツボ回転数を低下させれば、細いネック部Ｐ１（縮径部Ｐ１ｂ）を形成可能であることを知見するに至った。
そのため、種結晶Ｐの引上速度を制限し、上限値が制限された際のルツボ回転数を低下させる制御を人的作業により行ってもよいが、経験ある作業者を必要とし、コストが嵩張る上、品質が安定しないという課題があった。

本発明は、前記したような事情の下になされたものであり、チョクラルスキー法によってルツボからシリコン単結晶を引上げる単結晶引上装置において、ネック部に拡径部と縮径部とを交互に形成して、品質の安定した単結晶を引き上げ可能とし、且つ、種結晶から直胴部への転位化を防止することのできる単結晶引上装置及び単結晶引上げ方法を提供することを目的とする。

前記した課題を解決するためになされた、本発明に係る単結晶引上装置は、種結晶をルツボ内のシリコン溶融液に接触させ、拡径部と縮径部とが交互に形成されるネック部を育成してチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引き上げる単結晶引上装置であって、 前記育成されるネック部の径を測定するネック径測定手段と、前記ネック径測定手段から得られたネック部の測定値と、記憶手段に予め記憶したネック部径の狙い値との差分に基づき、前記種結晶の補正された第一の引上速度を出力する第一の引上速度補正手段と、前記第一の引上速度の上限を第一の制限値に制限した、第二の引上速度を出力する第二の引上速度補正手段と、少なくとも前記引上速度の上限が前記第一の制限値に制限されている間、前記ルツボの回転数を低下させるルツボ回転数補正手段と、を備え、前記ルツボ回転数補正手段は、予め記憶した種結晶の引上速度の狙い値と、前記第二の引上速度補正手段から出力された第二の引上速度との差分に基づき、前記第一の引上速度の上限が前記第一の制限値に制限される期間を検出し、前記期間において前記差分の大きさに比例して前記ルツボの回転数を低下させる制御を行うことに特徴を有する。

このような構成によれば、ネック部の形成工程において、種結晶の引上速度を制御することにより拡径部と縮径部とが交互に形成され、縮径部の形成時にあっては、引上速度の上限値が制限される一方、ルツボ回転速度（ルツボ回転数）を低下させる制御がなされる。これにより種結晶の引上速度に起因する転位化の危険性を回避することができ、且つ、拡径部と縮径部とからなるネック部の径を狙い値に沿ったものとし、品質の安定した単結晶を育成することができる。

或いは、前記ルツボ回転数補正手段は、前記種結晶の補正された第一の引上速度と、前記第一の制限値よりも小さい値に設定された第二の制限値とを比較し、前記第一の引上速度が前記第二の制限値より大きい場合に、その差分の大きさに比例して前記ルツボの回転数を低下させる制御を行ってもよい。
この構成によれば、補正された第一の引上速度が、第一の制限値よりも小さい値に設定された第二の制限値を越えると、ルツボ回転数の低下制御が開始される。
即ち、引上速度が、第一の制限値に達する前に、ルツボ回転数の低下制御を開始するため、ルツボ回転数を変更した際の、ルツボ回転動作の応答時間の遅れに対応することができる。

或いは、前記ルツボ回転数補正手段は、前記種結晶の補正された第一の引上速度と、前記第一の制限値よりも小さい値に設定された第二の制限値とを比較し、前記第一の引上速度が前記第二の制限値より小さい場合は、記憶手段に予め記憶したルツボ回転数の狙い値を出力し、前記第一の引上速度が前記第二の制限値より大きい場合は、その差分の大きさに比例して前記ルツボの回転数を低下させる制御を行ってもよい。
このような構成により、引上速度が第二の制限値を越えた場合だけでなく、下回る状態に変化した場合にも、迅速にルツボ回転数の値を変化させることができる。

また、前記した課題を解決するためになされた、本発明に係る単結晶引き上げ方法は、種結晶をルツボ内のシリコン溶融液に接触させ、拡径部と縮径部とが交互に形成されるネック部を育成してチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引き上げる単結晶引き上げ方法であって、前記育成されるネック部の径を測定するステップと、前記ネック部の測定値と、記憶手段に予め記憶したネック部径の狙い値との差分に基づき、前記種結晶の補正された第一の引上速度を出力するステップと、前記第一の引上速度の上限を第一の制限値に制限した、第二の引上速度を出力するステップと、少なくとも前記引上速度の上限が前記第一の制限値に制限されている間、前記ルツボの回転数を低下させるステップと、を含み、少なくとも前記引上速度の上限が前記第一の制限値に制限されている間、前記ルツボの回転数を低下させるステップにおいて、予め記憶した種結晶の引上速度の狙い値と、前記第二の引上速度補正手段から出力された第二の引上速度との差分に基づき、前記第一の引上速度の上限が前記第一の制限値に制限される期間を検出し、前記期間において前記差分の大きさに比例して前記ルツボの回転数を低下させる制御を行うことに特徴を有する。

このようなステップを踏むことにより、ネック部の形成工程において、種結晶の引上速度を制御することにより拡径部と縮径部とが交互に形成され、縮径部の形成時にあっては、引上速度の上限値が制限される一方、ルツボ回転速度（ルツボ回転数）を低下させる制御がなされる。これにより種結晶の引上速度に起因する転位化の危険性を回避することができ、且つ、拡径部と縮径部とからなるネック部の径を狙い値に沿ったものとし、品質の安定した単結晶を育成することができる。

或いは、少なくとも前記引上速度の上限が前記第一の制限値に制限されている間、前記ルツボの回転数を低下させるステップにおいて、前記種結晶の補正された第一の引上速度と、前記第一の制限値よりも小さい値に設定された第二の制限値とを比較し、前記第一の引上速度が前記第二の制限値より大きい場合に、その差分の大きさに比例して前記ルツボの回転数を低下させる制御を行ってもよい。
この方法によれば、補正された第一の引上速度が、第一の制限値よりも小さい値に設定された第二の制限値を越えると、ルツボ回転数の低下制御が開始される。
即ち、引上速度が、第一の制限値に達する前に、ルツボ回転数の低下制御を開始するため、ルツボ回転数を変更した際の、ルツボ回転動作の応答時間の遅れに対応することができる。

或いは、少なくとも前記引上速度の上限が前記第一の制限値に制限されている間、前記ルツボの回転数を低下させるステップにおいて、前記種結晶の補正された第一の引上速度と、前記第一の制限値よりも小さい値に設定された第二の制限値とを比較し、前記第一の引上速度が前記第二の制限値より小さい場合は、記憶手段に予め記憶したルツボ回転数の狙い値を出力し、前記第一の引上速度が前記第二の制限値より大きい場合は、その差分の大きさに比例して前記ルツボの回転数を低下させる制御を行ってもよい。
このような方法によれば、引上速度が第二の制限値を越えた場合だけでなく、下回る状態に変化した場合にも、迅速にルツボ回転数の値を変化させることができる。

本発明によれば、チョクラルスキー法によってルツボからシリコン単結晶を引上げる単結晶引上装置において、ネック部に拡径部と縮径部とを交互に形成して、品質の安定した単結晶を引き上げ可能とし、且つ、種結晶から直胴部への転位化を防止することのできる単結晶引上装置及び単結晶引上げ方法を得ることができる。

図１は、本発明に係る単結晶引上装置の全体構成を示すブロック図である。 図２は、図１の単結晶引上装置が具備するネック部形成制御回路の第一の実施形態の構成を示すブロック図である。 図３は、図２のネック部形成制御回路を具備する単結晶引上装置による単結晶引上工程の流れを示すフローである。 図４は、図２のネック部形成制御回路において使用される各信号のタイミング図である。 図５は、図１の単結晶引上装置が具備するネック部形成制御回路の第二の実施形態の構成を示すブロック図である。 図６は、図５のネック部形成制御回路を具備する単結晶引上装置によるネック部形成工程の流れを示すフローである。 図７は、図５のネック部形成制御回路において使用される各信号のタイミング図である。 図８は、図１の単結晶引上装置が具備するネック部形成制御回路の第三の実施形態の構成を示すブロック図である。 図９は、図８のネック部形成制御回路において使用される各信号のタイミング図である。 図１０は、従来の単結晶引上装置の概略構成を示すブロック図である。 図１１は、育成される単結晶の各部を説明するための図１０の一部拡大正面図である。 図１２は、ネック部に拡径部と縮径部とを交互に形成した状態を示す単結晶の一部拡大正面図である。 図１３は、種結晶とシリコン溶融液との界面の状態を説明するための種結晶の一部拡大正面図である。

以下、本発明に係る単結晶引上装置及び単結晶引上方法の第一の実施形態について図面に基づき説明する。図１は本発明に係る単結晶引上装置１の全体構成を示すブロック図である。
この単結晶引上装置１は、円筒形状のメインチャンバ２ａの上にプルチャンバ２ｂを重ねて形成された炉体２と、炉体２内に設けられたルツボ３と、ルツボ３に装填された半導体原料（原料ポリシリコン）Ｍを溶融するヒータ４と、育成される単結晶Ｃを引上げる引上げ機構５とを有している。尚、ルツボ３は、二重構造であり、内側が石英ガラスルツボ、外側が黒鉛ルツボで構成されている。
また、引上げ機構５は、モータ駆動される巻取り機構５ａと、この巻取り機構５ａに巻き上げられる引上げワイヤ５ｂを有し、このワイヤ５ｂの先端に種結晶Ｐが取り付けられている。

また、プルチャンバ２ｂの上部には、炉体２内に所定のガス（例えばＡｒガス）を導入するためのガス導入口１８が設けられ、メインチャンバ２ｂの底部には炉体２内に導入されたガスを排出するガス排出口１９が設けられている。このため、炉体２内には、上方から下方に向けて所定流量のガス流が形成されている。

また、メインチャンバ２ａ内において、ルツボ３の上方且つ近傍には、炉内のガス流を整流するための輻射シールド６が設けられている。この輻射シールド６は、単結晶Ｃの周囲を包囲するよう上部と下部が開口形成され、育成中の単結晶Ｃにヒータ４等からの余計な輻射熱を遮蔽する。尚、輻射シールド６下端と溶融液面との間の距離寸法（ギャップ）は、育成する単結晶の所望の特性に応じて所定の距離を維持するよう制御される。

また、炉体２の外側には、シリコン融液Ｍの液面Ｍ１付近で育成されるネック部Ｐ１の径寸法の検出を行うネック径検出装置１４（ネック径測定手段）が設けられている。
このネック径検出装置１４は、メインチャンバ２ｂの上部に設けられ透光性の耐熱ガラスからなるカメラポート１５と、このカメラポート１５を介して融面上の所定領域を撮像するＣＣＤカメラ１６と、ＣＣＤカメラ１６により撮像された画像信号を演算処理する画像処理装置１７とを有する。

ＣＣＤカメラ１６の光軸は、カメラポート１５を介し、融液面上の所定スポットに向けられており、ＣＣＤカメラ１６は、この所定スポットの画像を撮像し、撮像した画像を画像処理装置１７に出力するようになされている。
また、画像処理装置１７は、ＣＣＤカメラ１６から入力された画像信号を処理し、シリコン融液液面から引上げられる結晶のネック径寸法を検出して、コンピュータ８の演算制御装置８ｂに出力するようになされている。

また、図１に示すように単結晶引上装置１は、シリコン溶融液Ｍの温度を制御するヒータ４の供給電力量を制御するヒータ制御部９と、ルツボ３を回転させるモータ１０と、モータ１０の回転数を制御するモータ制御部１０ａとを備えている。また、ルツボ３の高さを制御する昇降装置１１と、昇降装置１１を制御する昇降装置制御部１１ａと、成長結晶の引上げ速度と回転数を制御するワイヤリール回転装置制御部１２とを備えている。これら各制御部９、１０ａ、１１ａ、１２はコンピュータ８の演算制御装置８ｂに接続されている。

また、コンピュータ８の記憶装置８ａ（記憶手段）には、単結晶育成の各工程を実行させるための単結晶育成プログラムが記憶され、演算制御装置８ｂには、ネック部形成時の種結晶Ｐの引上速度、及びルツボ回転数の値を制御するためのネック部形成制御回路が設けられている。

図２に、演算制御回路８ｂが具備するネック部形成制御回路２０の構成を示す。
図２のネック部形成制御回路２０は、比較器２１を備え、この比較器２１には、例えば記憶装置８ａに予め配列データとして記憶されたネック径の狙い値（Ｄｉａ−Ｔａｇ）と、画像処理装置１７が検出したネック径の測定値（Ｄｉａ）とが入力され、その差分を出力するよう機能する。

また、比較器２１からの出力に基づき、比例制御（Ｐ制御：現在の偏差に基づく補正）、積分制御（Ｉ制御：過去の誤差量に基づく補正）、微分制御（Ｄ制御：差分の傾きから予測して補正）を行い、引上速度の補正値（差分）を出力するＰＩＤ制御回路２２（第一の引上速度補正手段）を備える。尚、ＰＩＤ制御回路２２から出力された補正値は、引上速度の現在値（ＳＬ０）に加算され、補正された第一の引上速度ＳＬ１として出力される。

また、ネック部形成制御回路２０は、第一の引上速度ＳＬ１を上限値（第一の制限値ＳＬ−ｈｉｇｈ１とする）に制限し、最終的に補正された第二の引上速度ＳＬを出力するリミッタ回路２３（第二の引上速度補正手段）を備える。リミッタ回路２３の出力は、種結晶Ｐの引上速度として用いられる。

更に、ネック部形成制御回路２０は、ルツボ回転数補正手段として、比較器２４と、ＣＲ制御回路２５とを備える。
比較器２４には、リミッタ回路２３の出力（第二の引上速度ＳＬ）と、例えば記憶装置８ａに予め配列データとして記憶された引上速度の狙い値（ＳＬ−Ｔａｇ）とが入力され、狙い値ＳＬ−Ｔａｇが引上速度ＳＬより大きい場合に、その差分が出力される。
ＣＲ制御回路２５は、狙い値ＳＬ−Ｔａｇが引上速度ＳＬより大きい場合に、ルツボ回転数を低減するよう制御する。具体的には、比較器２４から差分入力があると、ＰＩＤ制御（比較制御、微分制御、及び積分制御）を行い、差分値に基づきルツボ回転数の補正値（差分）を出力し、その補正値をルツボ回転数の基準値（ＣＲ０）から減算して出力する。ＣＲ制御回路２５からの出力値は、モータ制御部１０ａの制御するルツボ回転数ＣＲとして使用される。

このように構成された単結晶引上装置１においては、前記単結晶育成プログラムが実行され、ネック部形成制御回路２０が作動することによって、次のように単結晶育成が行われる。
先ず、炉体２内には、ガス導入口１８からガス排出口１９に向けて、即ち上方から下方に向かうＡｒガスのガス流が形成され、所定の雰囲気が形成される。

そして、演算制御装置８ｂの指令によりヒータ制御部９を作動させてヒータ４を加熱し、ルツボ３内において原料ポリシリコンＭが溶融される（図３のステップＳ１）。
さらに、演算制御装置８ｂの指令によりモータ制御部１０ａと昇降装置制御部１１ａとが作動し、ルツボ３が所定の高さ位置において所定の回転数（基準値ＣＲ０）で回転動作される。

また、演算制御装置８ｂの指令により、ネック径検出装置１４が作動し、ＣＣＤカメラ１６が融液面上の所定スポット、具体的には結晶引上げスポットの撮像を開始する（図３のステップＳ２）。そして、ＣＣＤカメラ１６により撮像された画像信号は、画像処理装置１７に供給される。

次いで、演算制御装置８ｂの指令により、ワイヤリール回転装置制御部１２が作動し、巻取り機構５ａが作動してワイヤ５ｂが降ろされる。そして、ワイヤ５ｂに取付けられた種結晶Ｐがシリコン溶融液Ｍに接触され、種結晶Ｐの先端部を溶解するネッキングが行われてネック部Ｐ１の形成が開始される（図３のステップＳ３）。

ネック部Ｐ１の形成においては、ネック径検出装置１４により検出されたネック部Ｐ１の径寸法Ｄｉａ（測定値）がネック部形成制御回路２０に入力され、その出力に基づき、引上げ制御が行われる。
具体的には、ＣＣＤカメラ１６により、育成中のネック部Ｐ１が撮像されると、画像処理部１７においてネック径が検出され、その測定値Ｄｉａが演算制御装置８ｂのネック部形成制御回路２０に供給される（図３のステップＳ４）。

ネック部形成制御回路２０では、比較器２１において、ネック部径の狙い値Ｄｉａ−Ｔａｇ（図４（ａ）参照）と測定値Ｄｉａ（図４（ｂ）参照）とが比較され、その差分がＰＩＤ制御回路２２に出力される（図３のステップＳ５）。
ＰＩＤ制御回路２２では、入力された差分値に基づき、ＰＩＤ制御（比例制御、微分制御、及び積分制御）を行い、ネック部径が狙い値Ｄｉａ−Ｔａｇに等しくなるために必要な引上速度の補正値を出力する。出力された補正値は、引上速度の現在値ＳＬ０に対し加算され、補正された第一の引上速度ＳＬ１（図４（ｃ）参照）が出力される（図３のステップＳ６）。

ここで、前記補正された第一の引上速度ＳＬ１に基づき種結晶Ｐの引上制御を行うと、引上速度が所定速度以上（例えば２．５ｍｍ／ｍｉｎ以上）の場合には、図１３（ｂ）に示したように界面Ｍ１が凸形状になり、転位化が生じる虞がある。そのため、引上速度ＳＬ１は、リミッタ回路２３により上限値が第一の制限値ＳＬ−ｈｉｇｈ１に制限され、界面Ｍ１が凸形状とならない範囲の第二の引上速度ＳＬ（図４（ｄ）参照）に変換されて出力される（図３のステップＳ７）。

一方、前記出力された引上速度ＳＬを用い、ルツボ回転数を一定に制御した場合、引上速度ＳＬは引上速度ＳＬ１に対して上限値を制限したものであるから、引上速度ＳＬが上限値の間は、ネック径は狙い値Ｄｉａ−Ｔａｇと大きく異なる虞がある。
そのため、ネック部形成制御回路２０では、比較器２４において、引上速度ＳＬと引上速度の狙い値ＳＬ−Ｔａｇ（図４（ｅ）参照）とを比較し、狙い値ＳＬ−Ｔａｇが引上速度ＳＬよりも大きい場合に、その差分をＣＲ制御回路２５に出力する（図３のステップＳ８）。

ＣＲ制御回路２５に引上速度の差分値が入力されると、ＰＩＤ制御（比例制御、微分制御、及び積分制御）により、ネック部径が狙い値Ｄｉａ−Ｔａｇに等しくなるために必要なルツボ回転数ＣＲの補正値が出力される（図３のステップＳ１０）。尚、この補正値は、差分値に比例した大きさである。
そして、得られたルツボ回転数ＣＲの補正値は、ルツボ回転数の基準値ＣＲ０から減算され、低減補正されたルツボ回転数ＣＲ（図４（ｆ）参照）が出力される。
このように引上速度の狙い値ＳＬ−Ｔａｇが引上速度ＳＬよりも大きい場合、即ち、引上速度ＳＬの上限値が第一の制限値に制限される期間に、ルツボ回転数ＣＲが低下するように制御され、縮径部形成時における種結晶Ｐの引上速度の不足が補われる。

一方、図３のステップＳ８において、狙い値ＳＬ−Ｔａｇが引上速度ＳＬよりも小さい場合には、ルツボ回転数基準値ＣＲ０が維持される（図３のステップＳ９）。
このように、ネック部Ｐ１の形成工程においては、ネック部形成制御回路２０により出力された引上速度ＳＬ及びルツボ回転数ＣＲに基づいて種結晶Ｐの引き上げ制御が行われ、ネック部長さが所定長となるまで拡径部及び縮径部が交互に形成される（図３のステップＳ１２）。

また、ネック部Ｐ１が所定長さまで育成されると、演算制御装置８ｂの指令によりヒータ４への供給電力や、引上げ速度（通常、毎分数ミリの速度）などをパラメータとして引上げ条件がさらに調整され、製品部分となる単結晶Ｃの育成が行われる。
即ち、クラウン部の形成工程（図３のステップＳ１３）、直胴工程（図３のステップＳ１４）、テール工程（図２のステップＳ１５）が順に行われ、育成された単結晶Ｃは最後に炉体２内の上部まで引上げられる。

以上のように本発明に係る第一の実施の形態によれば、ネック部Ｐ１の形成工程において、種結晶Ｐの引上速度を制御することにより拡径部と縮径部とが交互に形成され、縮径部の形成時にあっては、引上速度ＳＬの上限値が制限される一方、ルツボ回転速度（ルツボ回転数ＣＲ）を低下させる制御がなされる。
これにより種結晶Ｐの引上速度に起因する転位化の危険性を回避することができ、且つ、拡径部と縮径部とからなるネック部Ｐ１の径を狙い値に沿ったものとし、品質の安定した単結晶を育成することができる。

続いて、本発明に係る単結晶引上装置及び単結晶引上方法の第二の実施形態について説明する。
この第二の実施形態にあっては、前記第一の実施形態に示した構成のうち、ネック部形成制御回路２０の構成が異なり、具体的には、ルツボ回転数ＣＲを出力するための回路構成が異なる。
第二の実施形態におけるネック部形成制御回路の構成を図５に示す。尚、図５において、先に図２を用いて説明した第一の実施形態における構成と同一、若しくは同一と見なしてもよい構成要素については同じ符号で示している。

図５のネック部形成制御回路２０にあっては、比較器２４に対し、補正された第一の引上速度ＳＬ１と、引上速度の第二の制限値（ＳＬ−ｈｉｇｈ２とする）とが入力され、引上速度ＳＬ１が第二の制限値ＳＬ−ｈｉｇｈ２より大きい場合に、その差分が出力される。尚、第二の制限値ＳＬ−ｈｉｇｈ２は、前記第一の制限値ＳＬ−ｈｉｇｈ１よりも低く設定された所定値である。
また、比較器２４から出力された差分値は、ＣＲ制御回路２６に入力される。このＣＲ制御回路２６では、入力された差分値に基づきルツボ回転数ＣＲを制御する。尚、この第二の実施の形態においては、比較器２４とＣＲ制御回路２６とによりルツボ回転数補正手段が構成される。

このように構成されたネック部形成制御回路２０の制御によるネック部Ｐ１の形成工程は、図６のフローに沿って行われる。
即ち、ネック部Ｐ１の形成工程が開始されると（図６のステップＳｔ１）、ＣＣＤカメラ１６により撮像された育成中のネック部Ｐ１の画像に対し、画像処理部１７において形状認識がなされ、ネック部径の測定値Ｄｉａが検出結果として演算制御装置８ｂに送られる（図６のステップＳｔ２）。

演算制御装置８ｂでは、ネック部形成制御回路２０の比較器２１において、ネック部径の狙い値Ｄｉａ−Ｔａｇ（図７（ａ）参照）と測定値Ｄｉａ（図７（ｂ）参照）とが比較され、その差分がＰＩＤ制御回路２２に出力される（図６のステップＳｔ３）。
ＰＩＤ制御回路２２では、ＰＩＤ制御（比較制御、微分制御、及び積分制御）により、ネック部径が狙い値Ｄｉａ−Ｔａｇに等しくなるために必要な引上速度の補正値を出力する。出力された補正値は、引上速度の現在値ＳＬ０に対し加算され、補正された第一の引上速度ＳＬ１（図７（ｃ）参照）が出力される（図６のステップＳｔ４）。

ここで、前記引上速度ＳＬ１の値をそのまま用いて種結晶Ｐの引上制御を行うと、引上速度が速すぎる場合があるため、引上速度ＳＬ１は、リミッタ回路２３により上限値が第一の制限値ＳＬ−ｈｉｇｈ１に制限され、界面Ｍ１が凸形状とならない範囲の速度ＳＬ（図７（ｄ）参照）として出力される（図６のステップＳｔ５）。

また、比較器２４において、前記引上速度ＳＬ１と、第二の制限値ＳＬ−ｈｉｇｈ２とが比較され、その比較結果がＣＲ制御回路２６に入力される（図６のステップＳｔ６）。
ここで、引上速度ＳＬ１が第二の制限値ＳＬ−ｈｉｇｈ２よりも大きい場合（図７（ｅ）参照）、ＣＲ制御回路２６では、ＰＩＤ制御により、差分の大きさに比例して補正値を出力し（図６のステップＳｔ７）、ルツボ回転数の現在値ＣＲ０から補正値を減算することによりルツボ回転数ＣＲを低下させる（図６のステップＳｔ９）。

一方、引上速度ＳＬ１が第二の制限値ＳＬ−ｈｉｇｈ２よりも小さい場合（図７（ｅ）参照）、ＣＲ制御回路２６では、ルツボ回転数ＣＲを基準値に維持させる制御を行う（図６のステップＳｔ８）。
即ち、図７（ｆ）に示すように、引上速度ＳＬ１が第二の制限値ＳＬ−ｈｉｇｈ２よりも高い場合に、ルツボ回転数ＣＲが低下するように制御され、それにより、種結晶Ｐの引上速度ＳＬの不足が補われる（図６のステップＳｔ９）。
また、このような引上速度ＳＬとルツボ回転数ＣＲの制御は、ネック部Ｐ１が所定の長さとなるまで行われる（図６のステップＳｔ１０）。

以上のように本発明に係る第二の実施の形態によれば、補正された第一の引上速度ＳＬ１が、第一の制限値ＳＬ−ｈｉｇｈ１よりも小さい値に設定された第二の制限値ＳＬ−ｈｉｇｈ２を越えると、ルツボ回転数ＣＲの低下制御が開始される。
即ち、引上速度ＳＬが、第一の制限値ＳＬ−ｈｉｇｈ１に達する前に、ルツボ回転数ＣＲの低下制御を開始するため、ルツボ回転数の設定変更の際、実際のルツボ回転動作における回転数の切り換えを遅延することなく（素早く）行うことができる。

続いて、本発明に係る単結晶引上装置及び単結晶引上方法の第三の実施形態について説明する。
この第三の実施形態にあっては、前記した第二の実施形態におけるネック部形成制御回路２０の構成において、図８に示すようにＣＲ制御回路２６に代えて、ＣＲ制御回路２７が設けられ、そこに、例えば記憶装置８ａに予め配列データとして記憶されたルツボ回転数の狙い値ＣＲ−Ｔａｇ（図９（ｆ）参照）が更に入力される。

このように構成されたネック部形成制御回路２０にあっては、ＣＲ制御回路２７において、引上速度ＳＬ１が第二の制限値ＳＬ−ｈｉｇｈ２よりも小さい場合（図９（ｅ）参照）、前記ルツボ回転数の狙い値ＣＲ−Ｔａｇ（図９（ｆ）参照）がルツボ回転数ＣＲとして出力される（図６のステップＳｔ８での動作に相当）。

このような制御を行うことによって、引上速度ＳＬ０が第二の制限値ＳＬ−ｈｉｇｈ２を越えた場合だけでなく、下回る状態に変化した場合にも、迅速にルツボ回転数ＣＲの値を変化させることができる。

１ 単結晶引上装置
３ ルツボ
１４ ネック径検出装置（ネック径測定手段）
２１ 比較器（第一の引上速度補正手段）
２２ ＰＩＤ制御回路（第一の引上速度補正手段）
２３ リミッタ回路（第二の引上速度補正手段）
２４ 比較器（ルツボ回転数補正手段）
２５ ＣＲ制御回路（ルツボ回転数補正手段）
Ｃ 単結晶
Ｍ シリコン溶融液
Ｐ 種結晶
Ｐ１ ネック部

Claims (6)

1. 種結晶をルツボ内のシリコン溶融液に接触させ、拡径部と縮径部とが交互に形成されるネック部を育成してチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引き上げる単結晶引上装置であって、
   前記育成されるネック部の径を測定するネック径測定手段と、
   前記ネック径測定手段から得られたネック部の測定値と、記憶手段に予め記憶したネック部径の狙い値との差分に基づき、前記種結晶の補正された第一の引上速度を出力する第一の引上速度補正手段と、
   前記第一の引上速度の上限を第一の制限値に制限した、第二の引上速度を出力する第二の引上速度補正手段と、
   少なくとも前記引上速度の上限が前記第一の制限値に制限されている間、前記ルツボの回転数を低下させるルツボ回転数補正手段と、を備え、
   前記ルツボ回転数補正手段は、
   予め記憶した種結晶の引上速度の狙い値と、前記第二の引上速度補正手段から出力された第二の引上速度との差分に基づき、前記第一の引上速度の上限が前記第一の制限値に制限される期間を検出し、前記期間において前記差分の大きさに比例して前記ルツボの回転数を低下させる制御を行うことを特徴とする単結晶引上装置。
2. 種結晶をルツボ内のシリコン溶融液に接触させ、拡径部と縮径部とが交互に形成されるネック部を育成してチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引き上げる単結晶引上装置であって、
   前記育成されるネック部の径を測定するネック径測定手段と、
   前記ネック径測定手段から得られたネック部の測定値と、記憶手段に予め記憶したネック部径の狙い値との差分に基づき、前記種結晶の補正された第一の引上速度を出力する第一の引上速度補正手段と、
   前記第一の引上速度の上限を第一の制限値に制限した、第二の引上速度を出力する第二の引上速度補正手段と、
   少なくとも前記引上速度の上限が前記第一の制限値に制限されている間、前記ルツボの回転数を低下させるルツボ回転数補正手段と、を備え、
   前記ルツボ回転数補正手段は、
   前記種結晶の補正された第一の引上速度と、前記第一の制限値よりも小さい値に設定された第二の制限値とを比較し、前記第一の引上速度が前記第二の制限値より大きい場合に、その差分の大きさに比例して前記ルツボの回転数を低下させる制御を行うことを特徴とする単結晶引上装置。
3. 種結晶をルツボ内のシリコン溶融液に接触させ、拡径部と縮径部とが交互に形成されるネック部を育成してチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引き上げる単結晶引上装置であって、
   前記育成されるネック部の径を測定するネック径測定手段と、
   前記ネック径測定手段から得られたネック部の測定値と、記憶手段に予め記憶したネック部径の狙い値との差分に基づき、前記種結晶の補正された第一の引上速度を出力する第一の引上速度補正手段と、
   前記第一の引上速度の上限を第一の制限値に制限した、第二の引上速度を出力する第二の引上速度補正手段と、
   少なくとも前記引上速度の上限が前記第一の制限値に制限されている間、前記ルツボの回転数を低下させるルツボ回転数補正手段と、を備え、
   前記ルツボ回転数補正手段は、
   前記種結晶の補正された第一の引上速度と、前記第一の制限値よりも小さい値に設定された第二の制限値とを比較し、
   前記第一の引上速度が前記第二の制限値より小さい場合は、記憶手段に予め記憶したルツボ回転数の狙い値を出力し、
   前記第一の引上速度が前記第二の制限値より大きい場合は、その差分の大きさに比例して前記ルツボの回転数を低下させる制御を行うことを特徴とする単結晶引上装置。
4. 種結晶をルツボ内のシリコン溶融液に接触させ、拡径部と縮径部とが交互に形成されるネック部を育成してチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引き上げる単結晶引き上げ方法であって、
   前記育成されるネック部の径を測定するステップと、
   前記ネック部の測定値と、記憶手段に予め記憶したネック部径の狙い値との差分に基づき、前記種結晶の補正された第一の引上速度を出力するステップと、
   前記第一の引上速度の上限を第一の制限値に制限した、第二の引上速度を出力するステップと、
   少なくとも前記引上速度の上限が前記第一の制限値に制限されている間、前記ルツボの回転数を低下させるステップと、を含み、
   少なくとも前記引上速度の上限が前記第一の制限値に制限されている間、前記ルツボの回転数を低下させるステップにおいて、
   予め記憶した種結晶の引上速度の狙い値と、前記第二の引上速度補正手段から出力された第二の引上速度との差分に基づき、前記第一の引上速度の上限が前記第一の制限値に制限される期間を検出し、
   前記期間において前記差分の大きさに比例して前記ルツボの回転数を低下させる制御を行うことを特徴とする単結晶引き上げ方法。
5. 種結晶をルツボ内のシリコン溶融液に接触させ、拡径部と縮径部とが交互に形成されるネック部を育成してチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引き上げる単結晶引き上げ方法であって、
   前記育成されるネック部の径を測定するステップと、
   前記ネック部の測定値と、記憶手段に予め記憶したネック部径の狙い値との差分に基づき、前記種結晶の補正された第一の引上速度を出力するステップと、
   前記第一の引上速度の上限を第一の制限値に制限した、第二の引上速度を出力するステップと、
   少なくとも前記引上速度の上限が前記第一の制限値に制限されている間、前記ルツボの回転数を低下させるステップと、を含み、
   少なくとも前記引上速度の上限が前記第一の制限値に制限されている間、前記ルツボの回転数を低下させるステップにおいて、
   前記種結晶の補正された第一の引上速度と、前記第一の制限値よりも小さい値に設定された第二の制限値とを比較し、
   前記第一の引上速度が前記第二の制限値より大きい場合に、その差分の大きさに比例して前記ルツボの回転数を低下させる制御を行うことを特徴とする単結晶引き上げ方法。
6. 種結晶をルツボ内のシリコン溶融液に接触させ、拡径部と縮径部とが交互に形成されるネック部を育成してチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引き上げる単結晶引き上げ方法であって、
   前記育成されるネック部の径を測定するステップと、
   前記ネック部の測定値と、記憶手段に予め記憶したネック部径の狙い値との差分に基づき、前記種結晶の補正された第一の引上速度を出力するステップと、
   前記第一の引上速度の上限を第一の制限値に制限した、第二の引上速度を出力するステップと、
   少なくとも前記引上速度の上限が前記第一の制限値に制限されている間、前記ルツボの回転数を低下させるステップと、を含み、
   少なくとも前記引上速度の上限が前記第一の制限値に制限されている間、前記ルツボの回転数を低下させるステップにおいて、
   前記種結晶の補正された第一の引上速度と、前記第一の制限値よりも小さい値に設定された第二の制限値とを比較し、
   前記第一の引上速度が前記第二の制限値より小さい場合は、記憶手段に予め記憶したルツボ回転数の狙い値を出力し、
   前記第一の引上速度が前記第二の制限値より大きい場合は、その差分の大きさに比例して前記ルツボの回転数を低下させる制御を行うことを特徴とする単結晶引き上げ方法。

Images