JP6477356B2 - 単結晶の製造方法および製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、チョクラルスキー法（以下、「ＣＺ法」という）による単結晶の製造方法および製造装置に関し、特に、単結晶の引き上げ工程において単結晶の直径や融液の液面レベルを測定する方法に関する。

シリコンウェーハの材料となるシリコン単結晶の多くはＣＺ法により製造されている。ＣＺ法は、石英ルツボ内に収容されたシリコン融液に種結晶を浸漬し、種結晶およびルツボを回転させながら種結晶をゆっくり引き上げることにより、種結晶の下端に大きな直径の単結晶を成長させる方法である。

シリコンウェーハの製造歩留まりを高めるためには、単結晶の直径変動を抑えることが重要である。単結晶の直径を一定に制御する方法として、引き上げ中の単結晶の直径を計測し、計測結果に基づいて直径が一定となるように引き上げ条件を制御する方法が知られている。例えば特許文献１には、単結晶と融液との境界部の画像をカメラで撮影し、この画像から単結晶の直径および中心位置を計測し、この計測結果に基づきヒータおよび引き上げ装置の各動作を制御する方法が記載されている。

また、石英ルツボ内のシリコン融液は引き上げが進むにつれて徐々に減少するので、ヒータによるシリコン融液の加熱量を一定にするためには、シリコン融液の液面の高さがヒータや熱遮蔽構造に対して一定となるように石英ルツボを上昇させる必要がある。ヒータ等から見た融液面の高さが一定でない場合には、成長した単結晶の熱履歴が変化し、結晶欠陥等が発生して良質の単結晶を製造できなくなるからである。このため、単結晶の引き上げ中に融液の液面レベルを光学的に測定し、この液面レベルから石英ルツボの上昇量を算出する方法が提案されている（特許文献２〜５参照）。

例えば、特許文献２では、シリコン単結晶とシリコン融液との境界部に発生するフュージョンリングから単結晶の中心位置を算出し、この単結晶の中心位置から融液の液面レベルを測定する方法が提案されている。この測定方法では、フュージョンリングの撮影画像中の種結晶の着液位置から垂直方向手前に第１および第２の距離だけそれぞれ離間した第１および第２の測定ラインを設定する。そして、第１の測定ラインとフュージョンリングとの２つの交点間の第１の間隔、第２の測定ラインとフュージョンリングとの２つの交点間の第２の間隔、並びに、第１および第２の距離から単結晶の中心位置を算出し、この中心位置に基づいて融液の液面レベルを測定する。この液面レベルの測定方法は、引き上げ工程においてフュージョンリングを一部しか観察できない場合でも単結晶の中心位置を少ない演算量で算出でき、液面レベルを従来よりも高精度に測定することが可能である。

特開２００３−１２３９５号公報 特許第４０８９５００号公報 特許第４２４６５６１号公報 特開２００７−２９０９０６号公報 特開２００９−５７２１６号公報

しかしながら、フュージョンリングから単結晶の中心位置を算出する従来の方法では、シリコン融液の上方に配置された熱遮蔽体などのチャンバー内の構造物の表面にシリコン融液が付着し、この付着物の表面で反射した光の影響を受けてフュージョンリングの輝度分布が変化した場合に、フュージョンリングから単結晶の中心位置を正確に算出することができず、単結晶の直径や液面レベルの測定誤差が大きくなるという問題がある。

したがって、本発明の目的は、チャンバー内の構造物に付着した融液の影響によってフュージョンリングの輝度分布が変化した場合でも単結晶の中心位置を正確に算出でき、これにより単結晶の直径や融液の液面レベルを高精度に制御することが可能な単結晶の製造方法および製造装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明による単結晶の製造方法は、チョクラルスキー法による単結晶の引き上げ工程中に前記単結晶と融液との境界部の画像をカメラで撮影し、前記境界部に発生するフュージョンリングと２回交差し且つ引き上げ軸方向と直交する少なくとも一本の測定ラインを設定し、前記フュージョンリングの前記測定ラインとの交差部分がノイズ光の影響を受けているかどうかを判断し、前記ノイズ光の影響を受けている場合には前記測定ラインの位置をずらし、前記ノイズ光の影響を受けていない場合には前記フュージョンリングのエッジパターンと前記測定ラインとの交点の位置を求めることを特徴とする。

本発明によれば、チャンバー内の構造物に付着した融液の影響によってフュージョンリングの輝度分布が変化した場合でもノイズ光の影響を排除して固液界面における単結晶の中心位置を正確に求めることができる。したがって、シリコン単結晶の引き上げ工程において単結晶の直径およびシリコン融液の液面レベルの正確な測定および制御が可能となり、単結晶の製造歩留まりを高めることができる。

本発明による単結晶の製造方法は、前記画像を二値化処理して前記フュージョンリングのエッジパターンを生成し、前記エッジパターンを最小二乗法で偶関数に近似して前記エッジパターンの近似曲線を生成し、前記測定ライン上における前記エッジパターンと前記近似曲線との偏差が閾値以上である場合に前記フュージョンリングの前記交差部分がノイズ光の影響を受けていると判断することが好ましい。このように、フュージョンリングのエッジパターンとその近似曲線との比較からノイズ光の影響の有無を判断するので、ノイズ光の影響の有無を少ない演算量で正確に判断することができる。

本発明による単結晶の製造方法は、引き上げ軸の延長線上に設定された前記画像中の原点から第１および第２の距離だけ離れた第１および第２の測定ラインをそれぞれ設定し、前記第１の測定ラインと前記フュージョンリングとの２つの交点間の第１の間隔を算出し、前記第２の測定ラインと前記フュージョンリングとの２つの交点間の第２の間隔を算出し、前記第１および第２の間隔および前記第１および第２の距離に基づいて、前記引き上げ軸の延長線上に位置する前記フュージョンリングの中心位置を算出することが好ましい。この方法によれば、フュージョンリングの一部しか観察できない場合でも単結晶の中心位置を少ない演算量で正確に求めることができ、これにより単結晶の直径や融液の液面レベルを正確に計測することが可能である。

本発明による単結晶の製造方法は、前記フュージョンリングのエッジパターンと前記測定ラインとの交点の位置および前記フュージョンリングの中心位置から固液界面における前記単結晶の直径を算出し、前記単結晶の直径が目標直径となるように引き上げ条件を制御することが好ましい。これによれば、直径が一定に制御された高品質な単結晶を製造することができる。

本発明による単結晶の製造方法は、前記フュージョンリングのエッジパターンと前記測定ラインとの交点の位置から前記フュージョンリングの中心位置を算出し、前記フュージョンリングの中心位置から前記融液の液面レベルを算出し、前記液面レベルに基づいて前記融液を支持するルツボの上下方向の位置を制御することが好ましい。これによれば、融液の加熱量を一定にすることができ、これにより結晶欠陥が少ない高品質な単結晶を製造することができる。

本発明において、前記ノイズ光は、前記融液の上方に配置された熱遮蔽体に前記融液の一部が付着した付着物の表面で反射した光であることが好ましい。熱遮蔽体には原料融解工程で発生する融液の液跳ねによって融液が付着し、フュージョンリングはこの付着物に起因するノイズ光の影響を受けやすい。しかし、本発明によれば、そのようなノイズ光の影響を受けていないフュージョンリングの幾何学的形状から固液界面における単結晶の中心位置を正確に求めることができる。

また、本発明による単結晶の製造装置は、融液を支持するルツボと、前記融液を加熱するヒータと、前記融液から単結晶を引き上げる引き上げ軸と、前記ルツボの上下方向の位置を制御するルツボ昇降機構と、単結晶と融液との境界部の画像を撮影するカメラと、前記カメラで撮影した画像を処理する画像処理部と、前記ヒータ、前記引き上げ軸および前記ルツボ昇降機構を制御する制御部を備え、前記画像処理部は、前記境界部に発生するフュージョンリングと２回交差し且つ引き上げ軸方向と直交する少なくとも一本の測定ラインを設定し、前記フュージョンリングの前記測定ラインとの交差部分がノイズ光の影響を受けているかどうかを判断し、前記ノイズ光の影響を受けている場合には前記測定ラインの位置をずらし、前記ノイズ光の影響を受けていない場合には前記フュージョンリングのエッジパターンと前記測定ラインとの交点の位置を求めることを特徴とする。

本発明によれば、ノイズ光の影響を受けていないフュージョンリングの幾何学的形状から固液界面における単結晶の中心位置を正確に求めることができる。したがって、シリコン単結晶の引き上げ工程において単結晶の直径およびシリコン融液の液面レベルの正確な測定および制御が可能となり、単結晶の製造歩留まりを高めることができる。

前記画像処理部は、前記フュージョンリングのエッジパターンと前記測定ラインとの交点の位置および前記フュージョンリングの中心位置から固液界面における前記単結晶の直径を算出し、前記制御部は、前記単結晶の直径が目標直径となるように前記ヒータ、前記引き上げ軸又は前記ルツボ昇降機構を制御することが好ましい。これによれば、直径が一定に制御された高品質な単結晶を製造することができる。

本発明において、前記画像処理部は、前記フュージョンリングのエッジパターンと前記測定ラインとの交点の位置から前記フュージョンリングの中心位置を算出すると共に、前記フュージョンリングの中心位置から前記融液の液面レベルを算出し、前記制御部は、前記液面レベルが目標レベルとなうように前記ルツボ昇降機構を制御することが好ましい。これによれば、融液の加熱量を一定にすることができ、これにより結晶欠陥が少ない高品質な単結晶を製造することができる。

本発明において、前記融液の上方に配置された熱遮蔽体をさらに備え、前記ノイズ光は、前記熱遮蔽体に前記融液の一部が付着した付着物の表面で反射した光であることが好ましい。本発明によれば、熱遮蔽体の付着物に起因するノイズ光の影響を受けていないフュージョンリングの幾何学的形状から固液界面における単結晶の中心位置を正確に求めることができる。

本発明によれば、チャンバー内の構造物に付着した融液の影響によってフュージョンリングの輝度分布が変化した場合でも単結晶の中心位置を正確に算出でき、これにより単結晶の直径や融液の液面レベルを高精度に制御することが可能な単結晶の製造方法および製造装置を提供することができる。

本発明の実施の形態による単結晶製造装置の構成を概略的に示す側面断面図である。 ＣＣＤカメラ１９で撮影される単結晶２と融液３との境界部の画像を模式的に示す斜視図であって、特に単結晶２の中心Ｃ_０の位置と融液３の液面レベルとの関係を示す図である。 フュージョンリングから単結晶の中心Ｃ_０の位置を算出する方法を説明するための模式図である。 フュージョンリングから単結晶の中心位置を算出する方法を説明するためのフローチャートである。 測定ラインＬ_１の位置を変更する例ついて説明するための模式図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態による単結晶製造装置の構成を概略的に示す側面断面図である。

図１に示すように、単結晶製造装置１は、チャンバー１０と、チャンバー１０の内面に沿って配置された断熱材１１と、チャンバー１０内においてシリコン融液３を支持する石英ルツボ１２と、石英ルツボ１２を支持するグラファイト製のサセプタ１３と、サセプタ１３を昇降および回転可能に支持するシャフト１４と、サセプタ１３の周囲に配置されたヒータ１５と、石英ルツボ１２の上方に配置された熱遮蔽体１６と、石英ルツボ１２の上方であってシャフト１４と同軸上に配置された単結晶引き上げワイヤー１７と、チャンバー１０の上方に配置されたワイヤー巻き取り機構１８と、チャンバー１０に設けられた覗き窓１０ｃからチャンバー１０内を撮影するＣＣＤカメラ１９とを備えている。

チャンバー１０は、メインチャンバー１０ａと、メインチャンバー１０ａの上部開口に連結された細長い円筒状のプルチャンバー１０ｂとで構成されており、石英ルツボ１２、サセプタ１３、ヒータ１５および熱遮蔽体１６はメインチャンバー１０ａ内に設けられている。サセプタ１３はチャンバー１０の底部中央を貫通して鉛直方向に設けられたシャフト１４の上端部に固定されており、シャフト１４はシャフト駆動機構２２によって昇降および回転駆動される。

ヒータ１５は、石英ルツボ１２内に充填されたシリコン原料を溶融してシリコン融液３を生成するために用いられる。ヒータ１５はカーボン製の抵抗加熱式ヒータであり、サセプタ１３内の石英ルツボ１２を取り囲むように設けられている。

熱遮蔽体１６は、ヒータ１５および石英ルツボ１２からの輻射熱による単結晶２の加熱を防止すると共に、シリコン融液３の温度変動を抑制するために設けられている。熱遮蔽体１６の材料としてはグラファイトを用いることが好ましい。熱遮蔽体１６は上方から下方に向かって直径が縮小した逆円錐台形状の部材であり、シリコン融液３の上方を覆うと共に、育成中の単結晶２を取り囲むように設けられている。熱遮蔽体１６の下端部は石英ルツボ１２の内側に位置するので、石英ルツボ１２を上昇させても熱遮蔽体１６と干渉することがない。熱遮蔽体１６の中央には単結晶２の直径よりも大きな開口部１６ａが設けられており、単結晶２は開口部１６ａを通って上方に引き上げられる。

熱遮蔽体１６は、シリコン融液３の表面付近におけるガスの流れを整流するガス整流部材としても機能する。単結晶２の成長にあわせて融液量は減少し、石英ルツボ１２に対する液面レベルは低下するが、融液面から熱遮蔽体１６の下端までの距離（ギャップ幅ΔＧ）が一定になるように石英ルツボ１２を上昇させることにより、融液面近傍（パージガス誘導路）を流れるガスの流速を一定にすることができる。したがって、シリコン融液３の温度変動を抑制すると共にシリコン融液３からのドーパントの蒸発量を制御することができ、単結晶の引き上げ軸方向の抵抗率分布の安定性を向上させることができる。

石英ルツボ１２の上方には、単結晶２の引き上げ軸であるワイヤー１７と、ワイヤー１７を巻き取るワイヤー巻き取り機構１８が設けられている。ワイヤー巻き取り機構１８はワイヤー１７と共に単結晶を回転させる機能を有している。ワイヤー巻き取り機構１８はプルチャンバー１０ｂの上方に配置されており、ワイヤー１７はワイヤー巻き取り機構１８からプルチャンバー１０ｂ内を通って下方に延びており、ワイヤー１７の先端部はメインチャンバー１０ａの内部空間まで達している。図１には、育成途中の単結晶２がワイヤー１７に吊設された状態が示されている。単結晶の引き上げ時には種結晶をシリコン融液３に浸漬し、石英ルツボ１２と種結晶をそれぞれ回転させながらワイヤー１７を徐々に引き上げることにより単結晶を成長させる。

プルチャンバー１０ｂの上部にはチャンバー１０内にアルゴンガスを導入するためのガス吸気口１０ｄが設けられており、メインチャンバー１０ａの底部にはチャンバー１０内のアルゴンガスを排気するためのガス排気口１０ｅが設けられている。アルゴンガスはガス吸気口１０ｄからチャンバー１０内に導入され、その導入量はバルブにより制御される。また密閉されたチャンバー１０内のアルゴンガスはガス排気口１０ｅからチャンバーの外部へ排気されるので、チャンバー１０内のＳｉＯガスやＣＯガスを回収してチャンバー１０内を清浄に保つことが可能となる。図示していないが、ガス排気口１０ｅには配管を介して真空ポンプが接続されており、真空ポンプでチャンバー１０内のアルゴンガスを吸引しながらバルブでその流量を制御することでチャンバー１０内は一定の減圧状態に保たれている。

メインチャンバー１０ａの上部には内部を観察するための覗き窓１０ｃが設けられており、ＣＣＤカメラ１９は覗き窓１０ｃの外側に設置されている。ＣＣＤカメラ１９は覗き窓１０ｃから熱遮蔽体１６の開口部１６ａを通して見える単結晶２とシリコン融液３との境界部の画像を撮影する。ＣＣＤカメラ１９の撮影画像はグレースケールであることが好ましいが、カラー画像であってもよい。ＣＣＤカメラ１９は画像処理部２０に接続されており、撮影画像は画像処理部２０で処理され、処理結果は制御部２１において引き上げ条件の制御に用いられる。

ＣＣＤカメラ１９によって撮影された画像は、単結晶２の引き上げ軸と交差する単結晶製造装置１の斜め上方から撮影されたものであるため歪んでいる。この歪みは、理論式あるいは補正テーブルを用いて補正することができる。この補正により、引き上げ軸と平行な方向から撮影した場合に得られる歪みのない画像に変換することができる。

シリコン単結晶２の製造では、石英ルツボ１２内に多結晶シリコンなどの原料を充填し、ワイヤー１７の先端部に種結晶を取り付ける。次に石英ルツボ１２内のシリコン原料をヒータ１５で加熱してシリコン融液３を生成する。

原料の融解工程では、シリコン融液の液跳ねによって熱遮蔽体１６などのチャンバー１０内の構造物にシリコンが付着しやすい。シリコン融液の液跳ねは、例えば石英ルツボ１２内に詰め込まれた多量の多結晶シリコンが溶融の途中でバランスを崩して崩落したときに発生するものと考えられる。また、原料の追加供給時にはシリコン融液の液跳ねが多発する。石英ルツボ１２内の原料を融解すると原料の体積が減少してルツボの空き容量が増加することから、原料を追加供給ことにより空き容量を少なくすることができ、これにより一回の引き上げ工程でより長尺な単結晶を引き上げることができる。しかし、既にシリコン融液３が溜められた石英ルツボ１２内に原料を追加投入すると、その衝撃によって生じたシリコン融液３のしぶきが熱遮蔽体１６の下端部に付着する。このようなシリコン融液３の付着は後述するフュージョンリングの輝度分布に影響を与える。

単結晶の引き上げ工程では、まず単結晶を無転位化するためダッシュネック法によるシード絞り（ネッキング）を行う。次に、必要な直径の単結晶を得るために直径が徐々に広がったショルダー部を育成し、単結晶が所望の直径になったところで直径が一定に維持されたボディ部を育成する。ボディ部を所定の長さまで育成した後、無転位の状態で単結晶を融液３から切り離すためにテール絞り（テール部の育成）を行なう。

単結晶の引き上げ工程中は、単結晶２の直径および融液３の液面レベルを制御するため、ＣＣＤカメラ１９で単結晶２と融液３との境界部の画像を撮影し、撮影画像から固液界面における単結晶２の中心位置を算出し、さらにこの単結晶２の中心位置から固液界面における単結晶の直径および融液の液面レベル（ギャップ幅ΔＧ）を算出する。制御部２１は、単結晶２の直径が目標直径となるようにワイヤー１７の引き上げ速度、ヒータ１５のパワー等の引き上げ条件を制御する。また制御部２１は、液面レベルが目標レベル（一定レベル）となるように石英ルツボ１２の上下方向の位置を制御する。

融液の液面レベルには二つの意味があり、一つは石英ルツボ１２内の液面レベルであり、この液面レベルは主に単結晶が成長して融液が消費されることによって徐々に低下する。また石英ルツボ１２が変形してその容積が変化した場合にも変化することがある。もう一つは、ヒータ１５や熱遮蔽体１６などのチャンバー１０内の固定構造物から見た液面レベルであり、これは上述した石英ルツボ１２内の液面レベルの変化に加えて、チャンバー１０内の石英ルツボ１２を上下方向に移動させることによっても変化する。本明細書において「液面レベル」と言うときは、特に断らない限り後者のことを言うものとする。

ＣＣＤカメラ１９は、単結晶２と融液３との境界部を斜め上方から撮影するため、境界部に発生するフュージョンリングの全体を撮影することはできない。そのため、フュージョンリングの一部から単結晶２の中心位置を特定し、単結晶２の直径および融液３の液面レベルを算出しなければならない。

図２は、ＣＣＤカメラ１９で撮影される単結晶２と融液３との境界部の画像を模式的に示す斜視図であって、特に単結晶２の中心Ｃ_０の位置と融液３の液面レベルとの関係を示す図である。

図２に示すように、画像処理部２０は、単結晶２と融液３との境界部に発生するフュージョンリング４からその中心位置、つまり固液界面における単結晶２の中心Ｃ_０の位置を算出し、この中心Ｃ_０の位置から固液界面における単結晶２の直径および融液３の液面レベルを算出する。固液界面における単結晶２の中心Ｃ_０の位置は、単結晶２の引き上げ軸の延長線５と融液面との交点である。ＣＣＤカメラ１９や熱遮蔽体１６が設計上の決められた位置に決められた角度で正確に設置されていれば、撮影画像中のフュージョンリング４の位置から単結晶２の中心Ｃ_０の位置を幾何光学的に算出し、さらに単結晶２の直径や液面レベルを算出することが可能である。

フュージョンリング４はメニスカスで反射した光によって形成されるリング状の高輝度領域であり、メニスカスは表面張力によって単結晶２との境界部に形成される融液３の屈曲面である。フュージョンリング４は単結晶２の全周に発生するが、ある一方向からフュージョンリング４を見るとき、単結晶２の裏側のフュージョンリング４を見ることはできない。また熱遮蔽体１６の開口部１６ａと単結晶２との間の隙間からフュージョンリング４を見るとき、単結晶２の直径が大きい場合には、視認方向の最も手前側（図中下側）に位置するフュージョンリング４の一部も熱遮蔽体１６の裏側に隠れてしまうため見ることができない。したがって、フュージョンリング４の視認できる部分は、視認方向から見て手前左側の一部４Ｌと手前右側の一部４Ｒだけである。本発明は、このようにフュージョンリング４の一部しか観察できない場合でも単結晶２の直径や融液３の液面レベルを算出することが可能である。

図３は、フュージョンリングから単結晶の中心Ｃ_０の位置を算出する方法を説明するための模式図である。

図３に示すように、単結晶の中心Ｃ_０の位置の算出では、ＣＣＤカメラ１９で撮影した二次元画像中に２本の測定ラインＬ_１，Ｌ_２を設定する。２本の測定ラインＬ_１，Ｌ_２は、フュージョンリング４と２回交差し且つ単結晶の中心Ｃ_０を通過する引き上げ軸の延長線５と直交する直線である。なお撮影画像のＹ軸は引き上げ軸の延長線５と一致しており、Ｘ軸は引き上げ軸の延長線５と直交する方向に設定されている。なお、図３に示すフュージョンリング４は単結晶の外周と一致する理想的な形状とする。

測定ラインＬ_１（第１の測定ライン）は単結晶の中心Ｃ_０よりも単結晶の外周側であって、撮影画像の下側に設定される。また測定ラインＬ_２（第２の測定ライン）は、測定ラインＬ_１よりもさらに単結晶の外周側（撮影画像のさらに下側）に設定される。撮影画像のＸＹ座標の原点Ｏ（０，０）に対する単結晶の中心Ｃ_０の座標を（０、Ｙ_０）とするとき、中心Ｃ_０から測定ラインＬ_１までの距離（第１の距離）は（Ｙ_１−Ｙ_０）となり、測定ラインＬ_２までの距離（第２の距離）は（Ｙ_２−Ｙ_０）となる。

測定ラインＬ_１は測定ラインＬ_２よりも単結晶の中心寄りに設定されるが、中心Ｃ_０に近すぎると単結晶の直径が減少したときにフュージョンリング４が単結晶の陰に隠れてしまい、中心Ｃ_０の位置を検出できなくなる。そのため、測定ラインＬ_１は中心位置Ｃ_０からある程度離れた位置に設定することが好ましい。なお、測定ラインＬ_１，Ｌ_２の初期設定時には単結晶の中心Ｃ_０の位置が不明であるので、種結晶の着液位置を単結晶の仮の中心位置Ｃ_０とする。

次に、測定ラインＬ_１とフュージョンリング４との２つの交点Ｄ_１、Ｄ_１'および測定ラインＬ_２とフュージョンリング４との２つの交点Ｄ_２，Ｄ_２'を検出する。フュージョンリング４と第１の測定ラインＬ_１との一方の交点Ｄ_１の座標を（Ｘ_１，Ｙ_１）とし、他方の交点Ｄ_１'の座標を（Ｘ_１'，Ｙ_１）とし、フュージョンリング４と第２の測定ラインＬ_２との一方の交点Ｄ_２の座標を（Ｘ_２，Ｙ_２）とし、他方の交点Ｄ_２'の座標を（Ｘ_２'，Ｙ_２）とする。

そして、測定ラインＬ_１上の２つの交点Ｄ_１，Ｄ_１'間の間隔（第１の間隔）をＷ_１＝Ｘ_１'−Ｘ_１とし、測定ラインＬ_２上の２つの交点Ｄ_２，Ｄ_２'間の間隔（第２の間隔）をＷ_２＝Ｘ_２'−Ｘ_２とし、フュージョンリング４の半径をＲとするとき、（１）式および（２）式が得られる。

（Ｒ／２）^２＝（Ｗ_１／２）^２＋（Ｙ_１−Ｙ_０）^２ ・・・（１）

（Ｒ／２）^２＝（Ｗ_２／２）^２＋（Ｙ_２−Ｙ_０）^２ ・・・（２）

そして（１）式および（２）式から、単結晶の中心位置Ｃ_０のＹ座標Ｙ_０は（３）式のようになる。

Ｙ_０＝｛（Ｗ_１ ^２−Ｗ_２ ^２）／４（Ｙ_１−Ｙ_２）＋（Ｙ_１＋Ｙ_２）｝／２ ・・・（３）

したがって、撮影画像中の単結晶２の中心Ｃ_０の位置の座標（０，Ｙ_０）を求めることができる。こうして得られた単結晶２の中心Ｃ_０の位置を用いて、単結晶の直径Ｒおよび融液３の液面レベルを求めることができる。上記のように、融液３の液面レベルとは、ヒータ１５や熱遮蔽体１６などのチャンバー１０内の構造物に対する位置であり、これは石英ルツボ１２内の融液の液面レベルの変化に加えて、石英ルツボ１２を上下方向に移動させることによっても変化する。

フュージョンリング４と測定ラインＬ_１，Ｌ_２との交点の検出では、フュージョンリング４の輝度の閾値を用いて撮影画像を二値化処理し、この撮影画像からフュージョンリング４のエッジパターンを検出し、このエッジパターンと測定ラインとの交点をフュージョンリング４の交点とする。フュージョンリングは一定の幅を有する帯状の高輝度領域であるため、交点を正確に求めるためにはフュージョンリング４をラインパターンとする必要があるからである。

フュージョンリング４の輝度の閾値は、撮影画像中の最大輝度に所定の係数（例えば０．８）を乗じた値である。閾値はフュージョンリングを正しく特定できる適切な値とする必要があり、引き上げ条件に応じて０．６〜０．９５の範囲内で適宜変更してもよい。撮影画像中の最大輝度は、一つの画素が単独で最大輝度を持つものを対象としてもよく、ノイズの影響を抑えるため、最大輝度またはこれに近い輝度を持つ画素が複数個連続するものを対象としてもよい。

通常、ヒータ１５の輻射光や石英ルツボ１２の内壁面で反射した光は、単結晶と融液との境界部に形成されるメニスカスに直接入射する。しかし、例えばシリコン融液の液跳ねによって熱遮蔽体１６にシリコンが付着すると、ヒータ１５の輻射光や石英ルツボ１２の内壁面で反射した光がシリコン付着物の表面で反射してメニスカスに入射する場合がある。このような付着物に起因するノイズ光がメニスカスに入射すると、本来のフュージョンリングの位置よりも外側（融液側）に高輝度な領域が現れ、フュージョンリングの輝度分布が変化する。グラファイト製の熱遮蔽体１６は黒色で光をほとんど反射しないのに対し、シリコンは金属色で光沢を有し、光をよく反射するため、熱遮蔽体１６に付着したシリコンの表面で反射した光がメニスカスに入射した場合には、フュージョンリングの一部にノイズ光が含まれることになる。このようなノイズ光が映り込んだフュージョンリングのエッジパターンから単結晶２の中心位置を求めると、その測定誤差が大きくなる。そこで本実施形態では、以下に示す方法により融液付着に起因するノイズ光の影響を排除する。

図４は、フュージョンリングから単結晶の中心位置を算出する方法を説明するためのフローチャートである。

図４に示すように、単結晶の中心位置の算出では、まず単結晶と融液との境界部の画像をＣＣＤカメラ１９で撮影し（ステップＳ１）、撮影画像中に測定ラインＬ_１，Ｌ_２を設定する（ステップＳ２）。

次に、撮影画像を二値化処理してフュージョンリング４のエッジパターンＥを検出する（ステップＳ３）。図２に示したように、フュージョンリング４は帯状の高輝度領域であり、そのエッジパターンは、高輝度領域の最も外側（融液側）の画素が連続するラインパターン（エッジライン）となる。

次に、最小二乗法を用いてフュージョンリング４のエッジパターンを２次関数に近似してエッジパターンの近似曲線を生成する（ステップＳ４）。フュージョンリング４が熱遮蔽体１６に付着したシリコンの表面で反射したノイズ光の影響を受けている場合、フュージョンリング４のエッジパターンを構成する高輝度画素は融液側に大きく偏って現れる。このように融液側に大きく逸脱したエッジパターンの影響を排除するためには、偏差が大きいほど重み付けが小さくなる非線形な最小二乗法を用いることが好ましい。

次に、測定ラインＬ_１，Ｌ_２と交差するフュージョンリング４のエッジパターンとその近似曲線とを比較して両者の偏差を求め（ステップＳ５）、偏差が閾値以上となる場合（ステップＳ６Ｙ）には、当該測定ライン上のエッジパターンがノイズ光の影響を受けているものと判断して測定ラインの位置を変更する（ステップＳ７）。

図５は、測定ラインの位置を変更について説明するための模式図である。

図５に示すように、測定ラインＬ_１とフュージョンリング４のエッジパターンＥとの交点をＰ_１とし、測定ラインＬ_１とフュージョンリング４のエッジパターンＥの近似曲線Ｆ（破線）との交点をＰ_２とするとき、Ｐ_１とＰ_２との差が所定画素数以上である場合には、フュージョンリング４と測定ラインＬ_１との交差部分がノイズ光の影響を受けていると判断する。そして最初に設定された測定ラインＬ_１のＹ軸方向の位置を下方に一定距離（所定画素数）ずらしてノイズ光の影響の有無を再び判断し、ノイズ光の影響を受けていない部分が見つかるまで測定ラインの位置の変更を繰り返し行う。図５は、測定ラインＬ_１を２回目変更した例を示している。測定ラインＬ_２の位置を変更する場合もこれと同様に行えばよい。

次に、図３で説明したように、ノイズ光の影響を受けていないフュージョンリング４のエッジパターンＥと測定ラインＬ_１，Ｌ_２との４つの交点（Ｄ_１，Ｄ_１'，Ｄ_２，Ｄ_２'）を求め（ステップＳ８）、さらに４つの交点の位置からフュージョンリング４の中心位置を算出する（ステップＳ９）。こうして得られた単結晶２の中心位置は非常に正確であり、この単結晶２の中心位置から単結晶２の直径およびシリコン融液３の液面レベルを算出することで、単結晶２の直径およびシリコン融液３の液面レベルを正確に制御することができる。

以上説明したように、本実施形態による単結晶の製造方法は、フュージョンリング４と測定ラインＬ_１またはＬ_２との交点がノイズ光の影響を受けている場合には当該測定ラインの位置をずらすので、ＣＺ法によるシリコン単結晶の引き上げにおいて単結晶の直径およびシリコン融液の液面レベルの正確な測定および制御が可能となり、単結晶の製造歩留まりを高めることができる。

本発明は以上の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能であり、それらも本発明の範囲に包含されるものであることは言うまでもない。

例えば、上記実施形態においては、撮影画像中に２本の測定ラインＬ_１，Ｌ_２を設定し、これらの測定ラインとフュージョンリングとの４つの交点から単結晶の中心位置を算出し、単結晶の中心位置から液面レベルを求めているが、液面レベルを他の方法で正確に計測して一定に制御する場合には、撮影画像中に１本の測定ラインを設定して単結晶の直径だけを計測するようにしてもよい。あるいは、液面レベルだけを計測対象としてもよい。

また、上記実施形態においては、フュージョンリングのエッジラインの近似曲線を得るための偶関数として２次関数を用いたが、本発明は２次関数以外の他の偶関数を用いてもかまわない。また上記実施形態ではシリコン単結晶の製造方法および装置を例に挙げたが、シリコン以外の他の単結晶の製造に適用されてもよい。

また、上記実施形態においてはＣＣＤカメラを用いて二次元画像を撮影しているが、ラインカメラを用いて一次元画像を取得し、一次元画像に基づいて直径および液面計測を行ってもよい。この場合、ラインカメラの位置をスライドさせることで実質的に２次元画像を用いる場合と同等の画像処理を行うことができる。

１ 単結晶製造装置
２ シリコン単結晶
３ シリコン融液
４ フュージョンリング
４Ｌ フュージョンリングの左側の一部
４Ｒ フュージョンリングの右側の一部
５ 引き上げ軸の延長線
１０ チャンバー
１０ａ メインチャンバー
１０ｂ プルチャンバー
１０ｃ 覗き窓
１０ｄ ガス吸気口
１０ｅ ガス排気口
１１ 断熱材
１２ 石英ルツボ
１３ サセプタ
１４ シャフト
１５ ヒータ
１６ 熱遮蔽体
１６ａ 熱遮蔽体の開口部
１７ ワイヤー
１８ ワイヤー巻き取り機構
１９ ＣＣＤカメラ
２０ 画像処理部
２１ 制御部
２２ シャフト駆動機構
Ｃ_０ 固液界面における単結晶の中心位置（フュージョンリングの中心位置）
Ｄ_１，Ｄ_１ 測定ラインＬ_１とフュージョンリングのエッジパターンとの交点
Ｄ_２，Ｄ_２ 測定ラインＬ_２とフュージョンリングのエッジパターンとの交点
Ｅ エッジパターン
Ｆ 近似曲線
Ｌ_１，Ｌ_２ 測定ライン

Claims (8)

1. チョクラルスキー法による単結晶の引き上げ工程中に前記単結晶と融液との境界部の画像をカメラで撮影し、
   前記境界部に発生するフュージョンリングと２回交差し且つ引き上げ軸方向と直交する、引き上げ軸の延長線上に設定された前記画像中の原点から第１および第２の距離だけ離れた第１および第２の測定ラインをそれぞれ設定し、
   前記フュージョンリングの前記第１および第２の測定ラインとの交差部分がノイズ光の影響を受けているかどうかを判断し、前記ノイズ光の影響を受けている場合には前記測定ラインの位置をずらし、
   前記ノイズ光の影響を受けていない場合には前記フュージョンリングのエッジパターンと前記測定第１および第２のラインとの交点の位置を求め、
   前記第１の測定ラインと前記フュージョンリングとの２つの交点間の第１の間隔を算出し、
   前記第２の測定ラインと前記フュージョンリングとの２つの交点間の第２の間隔を算出し、
   前記第１および第２の間隔および前記第１および第２の距離に基づいて、前記引き上げ軸の延長線上に位置する前記フュージョンリングの中心位置を算出することを特徴とする単結晶の製造方法。
2. 前記画像を二値化処理して前記フュージョンリングのエッジパターンを生成し、
   前記エッジパターンを最小二乗法で偶関数に近似して前記エッジパターンの近似曲線を生成し、
   前記測定ライン上における前記エッジパターンと前記近似曲線との偏差が閾値以上である場合に前記フュージョンリングの前記交差部分がノイズ光の影響を受けていると判断する、請求項１に記載の単結晶の製造方法。
3. 前記フュージョンリングのエッジパターンと前記第１および第２の測定ラインとの交点の位置および前記フュージョンリングの中心位置から固液界面における前記単結晶の直径を算出し、前記単結晶の直径が目標直径となるように引き上げ条件を制御する、請求項１または２に記載の単結晶の製造方法。
4. 前記フュージョンリングのエッジパターンと前記第１および第２の測定ラインとの交点の位置から前記フュージョンリングの中心位置を算出し、前記フュージョンリングの中心位置から前記融液の液面レベルを算出し、前記液面レベルに基づいて前記融液を支持するルツボの上下方向の位置を制御する、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の単結晶の製造方法。
5. 融液を支持するルツボと、
   前記融液を加熱するヒータと、
   前記融液から単結晶を引き上げる引き上げ軸と、
   前記ルツボの上下方向の位置を制御するルツボ昇降機構と、
   単結晶と融液との境界部の画像を撮影するカメラと、
   前記カメラで撮影した画像を処理する画像処理部と、
   前記ヒータ、前記引き上げ軸および前記ルツボ昇降機構を制御する制御部を備え、
   前記画像処理部は、
   前記境界部に発生するフュージョンリングと２回交差し且つ引き上げ軸方向と直交する、引き上げ軸の延長線上に設定された前記画像中の原点から第１および第２の距離だけ離れた第１および第２の測定ラインをそれぞれ設定し、
   前記フュージョンリングの前記第１および第２の測定ラインとの交差部分がノイズ光の影響を受けているかどうかを判断し、前記ノイズ光の影響を受けている場合には前記測定ラインの位置をずらし、
   前記ノイズ光の影響を受けていない場合には前記フュージョンリングのエッジパターンと前記測定第１および第２のラインとの交点の位置を求め、
   前記第１の測定ラインと前記フュージョンリングとの２つの交点間の第１の間隔を算出し、
   前記第２の測定ラインと前記フュージョンリングとの２つの交点間の第２の間隔を算出し、
   前記第１および第２の間隔および前記第１および第２の距離に基づいて、前記引き上げ軸の延長線上に位置する前記フュージョンリングの中心位置を算出することを特徴とする単結晶製造装置。
6. 前記画像処理部は、
   前記画像を二値化処理して前記フュージョンリングのエッジパターンを生成し、
   前記エッジパターンを最小二乗法で偶関数に近似して前記エッジパターンの近似曲線を生成し、
   前記測定ライン上における前記エッジパターンと前記近似曲線との偏差が閾値以上である場合に前記フュージョンリングの前記交差部分がノイズ光の影響を受けていると判断する、請求項５に記載の単結晶製造装置。
7. 前記画像処理部は、前記フュージョンリングのエッジパターンと前記第１および第２の測定ラインとの交点の位置および前記フュージョンリングの中心位置から固液界面における前記単結晶の直径を算出し、
   前記制御部は、前記単結晶の直径が目標直径となるように前記ヒータ、前記引き上げ軸または前記ルツボ昇降機構を制御する、請求項５または６に記載の単結晶製造装置。
8. 前記画像処理部は、前記フュージョンリングのエッジパターンと前記第１および第２の測定ラインとの交点の位置から前記フュージョンリングの中心位置を算出すると共に、前記フュージョンリングの中心位置から前記融液の液面レベルを算出し、
   前記制御部は、前記液面レベルが目標レベルとなうように前記ルツボ昇降機構を制御する、請求項５ないし７のいずれか一項に記載の単結晶製造装置。

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