JP6519422B2 - 単結晶の製造方法および装置 - 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装置に関し、特に、チャンバー内を撮影するカメラの撮影画像の輝度分布の異常を検査して補正する方法および装置に関するものである。

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のパワー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。

また特許文献２には、一次元イメージセンサを用いて単結晶、融液面およびそれらの間に生ずるフュージョンリングを検知する方法が記載されている。さらに特許文献３には、フュージョンリングの位置を光学センサにて検出し、その検出結果に基づき単結晶の直径を測定する方法において、ルツボ周壁と引き上げられる単結晶との間に遮光板を配置し、ルツボによる光学的影響を排除して直径の測定誤差を低減する方法が記載されている。

特開２００３−１２３９５号公報 特開昭６１−１２２１８８号公報 特公平５−４９６３５号公報

上記のように、単結晶の直径計測では、チャンバーの内部をカメラで撮影し、単結晶と融液との境界部に発生するフュージョンリングの画像から単結晶の直径を算出する。チャンバーの内部の撮影はチャンバーの上部に設けられた覗き窓を通して行われる。

しかしながら、単結晶の引き上げ工程中のチャンバー内にはシリコン融液の蒸発によってＳｉＯガスが発生しており、このＳｉＯガスの影響によって覗き窓のガラス面に曇りが生じ、撮影画像の輝度分布にムラが生じる場合がある。チャンバー内にはパージガスとしてのアルゴンガス（パージガス）が導入され、チャンバー内で発生したＳｉＯガスはアルゴンガスと一緒にチャンバー外に排気されるが、チャンバー内のＳｉＯガスを完全に除去することはできないため、覗き窓のガラス面へのＳｉＯの付着を完全に防止することは難しい。チャンバーの長期間の連続使用により覗き窓のガラス面にＳｉＯが不均一に付着して撮影画像の横軸方向の輝度分布のムラが大きくなると、シリコン単結晶の直径の誤計測につながるおそれがあり、単結晶の直径変動の原因となる。

したがって、本発明の目的は、チャンバー内を撮影するカメラの撮影画像の輝度分布を検査して輝度ムラを補正することが可能な単結晶の製造方法および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に発生するフュージョンリングの画像をカメラで撮影し、前記単結晶の引き上げ軸の延長線よりも左側の領域の少なくとも一つの画素の輝度と前記延長線よりも右側の領域の少なくとも一つの画素の輝度とを比較した結果から撮影画像の輝度分布の異常の有無を判断することを特徴とする。

本発明によれば、単結晶の融液との境界部の画像が左右対称となることに着目して、撮影画像の輝度分布の対称性から輝度分布の異常の有無を判断することができ、撮影画像の輝度分布の異常の有無を容易に検査することができる。したがって、直径変動が少ない単結晶を製造することが可能な単結晶の製造方法を提供することができる。

本発明による単結晶の製造方法は、前記左側の領域内の第１の最大輝度と前記右側の領域内の第２の最大輝度との輝度差が閾値以上である場合に前記撮影画像の輝度分布が異常であると判断することが好ましい。この方法によれば、撮影画像の輝度分布の異常の有無を非常に少ない演算量で正確に検出することができる。

本発明において、前記カメラは、減光率が面内で異なる減光ガラスを通して前記境界部の画像を撮影し、前記撮影画像の輝度分布が異常である場合に、前記輝度差が閾値未満となるように、前記減光ガラスにより前記撮影画像の輝度分布を調整することが好ましい。この場合において、前記減光ガラスは、減光率が一方向に変化する面内分布を有し、前記撮影画像の輝度分布が異常である場合に、前記輝度差が閾値未満となるように前記減光ガラスを前記カメラの光学軸を中心に回転させて、前記撮影画像の輝度分布を調整することが好ましい。この方法によれば、減光ガラスが持つ減光率の面内分布のムラを逆に利用して、撮影画像の輝度分布のムラを低減することができる。

本発明による単結晶の製造方法は、前記撮影画像の輝度分布が正常である場合に当該撮影画像から固液界面における単結晶の直径を求めることが好ましい。この場合、前記撮影画像を二値化処理することにより求められる前記境界部に発生するフュージョンリングのエッジパターンから固液界面における単結晶の直径を求めることが好ましい。この方法によれば、固液界面における単結晶の直径や融液の液面レベルを正確に算出することができる。したがって、直径変動が少なく高品質な単結晶を製造することができる。

また、本発明による単結晶製造装置は、覗き窓が設けられたチャンバーと、前記チャンバー内において融液を支持するルツボと、前記融液から単結晶を引き上げる引き上げ軸と、前記覗き窓を通して見える前記単結晶と前記融液との境界部に発生するフュージョンリングの画像を撮影するカメラと、前記カメラの撮影画像を処理する画像処理部とを備え、前記画像処理部は、前記単結晶の引き上げ軸の延長線よりも左側の領域の少なくとも一つの画素の輝度と前記延長線よりも右側の領域の少なくとも一つの画素の輝度とを比較した結果から撮影画像の輝度分布の異常の有無を判断することを特徴とする。

本発明によれば、単結晶の融液との境界部の画像が左右対称となることに着目して、撮影画像の輝度分布の対称性から輝度分布の異常の有無を判断することができ、撮影画像の輝度分布の異常の有無を容易に検査することができる。したがって、直径変動が少ない単結晶を製造することが可能な単結晶製造装置を提供することができる。

本発明において、前記画像処理部は、前記左側の領域内の第１の最大輝度と前記右側の領域内の第２の最大輝度との差が閾値以上である場合に前記撮影画像の輝度分布が異常であると判断することが好ましい。この構成によれば、撮影画像の輝度分布の異常の有無を非常に少ない演算量で正確に検出することができる。

本発明による単結晶製造装置は、前記覗き窓の外側に設けられた、減光率が面内で異なる減光ガラスをさらに備え、前記撮影画像の輝度分布が異常である場合に、前記第１の最大輝度と前記第２の最大輝度との差が閾値未満となるように、前記減光ガラスにより前記撮影画像の輝度分布を調整することが好ましい。この場合において、本発明による単結晶製造装置は、減光ガラスを回転させる回転機構を有し、前記減光ガラスを前記カメラの光学軸を中心に回転させて、前記撮影画像の輝度分布を調整することが好ましい。この構成によれば、減光ガラスが持つ減光率の面内分布のムラの特性を逆に利用して、撮影画像の輝度分布のムラを低減することができる。

本発明において、前記画像処理部は、前記撮影画像の輝度分布が正常である場合に当該撮影画像から固液界面における単結晶の直径を求めることが好ましい。この場合において、前記画像処理部は、前記撮影画像を二値化処理することにより求められる前記境界部に発生するフュージョンリングのエッジパターンから固液界面における単結晶の直径を求めることが好ましい。この方法によれば、固液界面における単結晶の直径や融液の液面レベルを正確に算出することができる。したがって、直径変動が少なく高品質な単結晶を製造することができる。

本発明によれば、単結晶の直径や融液の液面レベルの計測に用いられるカメラの撮影画像の輝度分布の異常を検出して補正することが可能な単結晶の製造方法および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カメラで撮影される単結晶と融液との境界部の画像を模式的に示す斜視図である。 フュージョンリングから単結晶の中心の位置を算出する方法を説明するための模式図である。 撮影画像の輝度分布の検査および補正方法を説明するためのフローチャートである。 撮影画像のＸ軸方向の輝度ムラの測定方法を説明するための模式図である。 撮影画像の輝度ムラの補正方法を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。

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２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１０ｃ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１０ｄが設けられている。アルゴンガスはガス吸気口１０ｃ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１０ｄ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１０ｄ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１０ｅが設けられており、ＣＣＤカメラ１９は覗き窓１０ｅの外側に設置されている。ＣＣＤカメラ１９は覗き窓１０ｅ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。

覗き窓１０ｅの外側であってＣＣＤカメラ１９の光学軸１９ｚ上には減光ガラス２４が設けられている。減光ガラス２４はＣＣＤカメラ１９への入射光量を減光する光学部品であり、ガラスの表面に金（Ａｕ）が蒸着された耐熱性が高いものが用いられる。このような減光ガラス２４は、製造上の理由から減光率（光透過率）の面内分布を完全に均一にすることが難しく、減光率の面内分布にはムラがある。多くの場合、減光ガラス２４の減光率の面内偏差は５〜１５％であり、例えば減光ガラス２４の左半分には減光率が相対的に高い領域、右半分には減光率が相対的に低い領域が存在する場合がある。詳細は後述するが、減光ガラス２４の減光率のムラが撮影画像の左右対称な輝度分布に悪影響を与えないようにするため、通常、減光ガラス２４の減光率が最も大きく変化する方向は撮影画像の縦軸と平行に設定される。

本実施形態による減光ガラス２４は円形であり、ＣＣＤカメラ１９の光学軸１９ｚを中心に回転自在に設けられている。減光ガラス２４は手動で回転させることができ、あるいは回転機構２５によって回転駆動される。回転機構２５は制御部２１からの指示に従って動作して減光ガラス２４を回転させる。制御部２１は、画像処理部２０による画像の処理結果に基づいて減光ガラス２４を所定量回転させる。

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。

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。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４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（縦軸）は引き上げ軸の延長線５と一致しており、Ｘ軸（横軸）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。

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。係数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。

上記のように、撮影画像の輝度分布は引き上げ軸の延長線５を中心に左右対称となる。しかし、引き上げ工程中に融液３から蒸発したＳｉＯが覗き窓１０ｅのガラス面に付着し、ＳｉＯの付着量の増加によって覗き窓１０ｅの光透過率の面内分布が不均一となることにより、覗き窓１０ｅを通して撮影された画像の輝度分布にもムラが生じる。このような輝度ムラは結晶直径の算出誤差の原因となる。例えば、３００ｍｍウェーハ用単結晶の育成において２０％の輝度ムラは約２．０ｍｍの直径計測誤差となる。そこで本実施形態では、以下に示す方法により輝度ムラの影響を排除する。

図４は、撮影画像の輝度分布の検査および補正方法を説明するためのフローチャートである。また図５は、撮影画像のＸ軸方向の輝度ムラの測定方法を説明するための模式図である。

図４に示すように、撮影画像の輝度分布の検査では、まず単結晶の引き上げ工程中のチャンバー１０内をＣＣＤカメラ１９で撮影する（ステップＳ１）。単結晶の引き上げ工程中は直径計測のために単結晶２と融液３との境界部を常に撮影しているので、この撮影画像を輝度分布の検査に利用すればよい。

撮影画像の輝度分布の検査は、単結晶の引き上げ工程中に撮影される画像の一部に対して行ってもよく、すべての画像に対して行ってもよい。輝度分布の検査の処理負荷は軽いので、すべての画像に対して行うことは容易である。

輝度分布の最初の検査は、ボディ部育成工程よりも前に行うことが必要である。ボディ部育成工程を開始する前に直径計測の誤差原因を排除することにより、ボディ部の直径制御の精度を高めることができる。ここで、輝度分布の最初の検査をシード絞り工程中に行う場合には、引き上げ工程中のできるだけ早い段階から直径制御の精度を高めることができる。一方、ショルダー部育成工程中に行う場合には、フュージョンリングの直径がある程度大きくなっているので、輝度ムラを検出しやすいという利点がある。

次に、撮影画像のＸ軸方向の輝度ムラを測定する（ステップＳ２）。輝度ムラの測定では、図５に示すように、撮影画像６中のＹ軸、つまり単結晶２の引き上げ軸の延長線５よりも左側の領域６Ｌ内の最大輝度（第１の最大輝度）と延長線５よりも右側の領域６Ｒ内の最大輝度（第２の最大輝度）とを比較する。その結果、２つの最大輝度の差（輝度差）が閾値以上である場合には、撮影画像６の輝度分布が異常であると判断する（ステップＳ３Ｙ）。

例えば、撮影画像６中の最大輝度（第１および第２の最大輝度のどちらか一方）の５％を閾値とし、輝度差が５％以上である場合には撮影画像のＸ軸方向の輝度ムラが大きく、輝度分布が左右非対称となることから、輝度分布が異常であると判断する。また輝度差が５％未満の場合には輝度ムラが許容範囲内に収まっていることから、輝度分布が正常であると判断する。そして、撮影画像の輝度分布が正常である場合（ステップＳ３Ｎ）には、引き上げ工程をそのまま続ける。

一方、撮影画像の輝度分布が異常である場合には、減光ガラス２４をＣＣＤカメラ１９の光学軸１９ｚを中心に回転させて、輝度差が閾値未満となるように減光ガラス２４の向きを調整する（ステップＳ４）。制御部２１は画像処理部２０の処理結果に従って回転機構２５に制御信号を送り、減光ガラス２４の向きを自動的に調整する。減光ガラス２４の向きを変えることにより、覗き窓１０ｅの光透過率のムラを減光ガラス２４の減光率（光透過率）のムラと相殺させることができ、撮影画像のＸ軸方向の輝度ムラを小さくすることができる。

図６（ａ）〜（ｃ）は、撮影画像の輝度ムラの補正方法を説明する模式図である。

図６（ａ）に示すように、新しいチャンバー１０の使用開始時やクリーニング直後の覗き窓１０ｅのガラス面にＳｉＯの付着はなく、光透過率のムラはない。したがって、覗き窓１０ｅが原因で撮影画像６に輝度ムラが発生することはない。この場合、撮影画像６の輝度ムラの原因は減光ガラス２４の光透過率のムラであるため、撮影画像６から減光ガラス２４の光透過率のムラの影響を排除する。通常、減光ガラス２４の向きは光透過率が最も大きく変化する一方向（矢印参照）が撮影画像の縦軸と平行となるように設定される。

減光ガラス２４の向きは、減光ガラス２４を一周回転させながら撮影画像６のＸ軸方向の輝度分布をチェックして、撮影画像６の輝度ムラが最小になる減光ガラス２４の向きを見つけ出すことにより設定することがでる。すなわち、減光ガラス２４の好ましい向きを手探りで変えてみて一番良い結果が得られたところに設定する。これにより減光ガラス２４の光透過率のムラの影響を排除することができる。減光ガラス２４の減光率のムラの向きがＹ軸方向に設定されている場合、撮影画像６のＸ軸方向の輝度ムラは発生しないので、直径計測の誤差を小さくすることができる。

図６（ｂ）に示すように、単結晶の引き上げ工程が何度も行われて覗き窓１０ｅのガラス面へのＳｉＯの付着量が増加すると、覗き窓１０ｅのガラス面の光透過率が徐々に低下し、光透過率の面内分布にムラが発生する。覗き窓１０ｅ中の右向きの矢印は光透過率が低下する向きを示しており、左から右に向かって光透過率が小さくなることを示している。覗き窓１０ｅのガラス面にこのような光透過率のムラが発生することにより、撮影画像のＸ軸方向にも輝度ムラが発生する。

覗き窓１０ｅに起因する撮影画像６の輝度ムラを低減するため、図６（ｃ）に示すように、減光ガラス２４の向きを調整する。この例では、減光ガラス２４を反時計回りに９０度回転させたことにより、覗き窓１０ｅの光透過率のムラが減光ガラス２４の光透過率のムラと相殺されて撮影画像６の輝度分布が均一になった状態が示されている。減光ガラス２４の向きの調整方法は、上述のように減光ガラス２４を一周回転させたときの撮影画像６のＸ方向の輝度ムラの最小値を見つけてもよく、あるいは減光ガラス２４をどのくらい回転させれば良いかが分かっている場合には減光ガラス２４を所定の角度だけ回転させてもよい。

上記の補正により異常であったものを正常に補正できた場合、あるいは、撮影画像６の輝度分布が正常であった場合には、当該撮影画像から単結晶の直径を求める（ステップＳ５）。この場合、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から固液界面における単結晶２の中心位置を算出し、この中心位置の座標とフュージョンリング上の任意の点（測定ラインとの交点）の座標とを用いて固液界面における単結晶２の直径を算出することができる。さらに、撮影画像中の単結晶２の中心位置から融液の液面レベルを算出することができる。

以上説明したように、本実施形態によるシリコン単結晶の製造方法は、チャンバーの覗き窓１０ｅからフュージョンリングを撮影し、単結晶２の引き上げ軸の延長線５と一致する撮影画像６のＹ軸よりも左側の領域内の最大輝度と右側の領域内の最大輝度とを比較したときの輝度差が閾値以上である場合に輝度分布の異常と判断するので、覗き窓１０ｅのガラス面の曇りによる輝度ムラを少ない演算量で容易に検出することができる。また本実施形態では減光ガラス２４の減光率の面内分布のムラを利用して、撮影画像６の輝度分布が異常である場合に前記輝度差が閾値未満となるように減光ガラス２４の向きを調整するので、撮影画像６の輝度ムラを補正することができ、単結晶２の直径の計測精度を高めることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上記実施形態においては、単結晶２の引き上げ軸の延長線５よりも左側の領域６Ｌの最大輝度の一画素と、延長線５よりも右側の領域６Ｒの最大輝度の一画素とを比較した結果から輝度分布の異常を判断しているが、本発明はこのような方法に限定されず、引き上げ軸の延長線５よりも左側の領域６Ｌの少なくとも一つの画素と、延長線５よりも右側の領域６Ｒの少なくとも一つの画素とを比較した結果から撮影画像６の輝度分布の異常の有無を判断すればよい。

また、上記実施形態においては、輝度差が閾値未満となるように減光ガラスを回転させて撮影画像の輝度分布を調整しているが、例えば減光ガラスを一方向にスライドさせて輝度分布を調整することも可能である。

また上記実施形態においてシリコン単結晶を製造する場合を例に挙げたが、本発明はシリコン以外の単結晶の製造にも適用可能である。

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手前左側の一部
４Ｒ フュージョンリングの手前右側の一部
５ 引き上げ軸の延長線
６ 撮影画像
６Ｌ 撮影画像の左側領域
６Ｒ 撮影画像の右側領域
１０' チャンバー
１０ａ メインチャンバー
１０ｂ プルチャンバー
１０ｃ ガス吸気口
１０ｄ ガス排気口
１０ｅ 覗き窓
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 開口部
１７ ワイヤー
１８ ワイヤー巻き取り機構
１９ ＣＣＤカメラ
１９ｚ ＣＣＤカメラの光学軸
２０ 画像処理部
２１ 制御部
２２ シャフト駆動機構
２４ 減光ガラス
２５ 回転機構
Ｃ_０ 単結晶の中心位置
Ｄ_１，Ｄ_１' フュージョンリングと測定ラインとの交点
Ｄ_２，Ｄ_２' フュージョンリングと測定ラインとの交点
Ｌ_１，Ｌ_２ 測定ライン
Ｏ 撮影画像の原点
Ｒ 固液界面における単結晶の直径
ΔＧ ギャップ幅

Claims (12)

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に発生するフュージョンリングの画像をカメラで撮影し、
   前記単結晶の引き上げ軸の延長線よりも左側の領域の少なくとも一つの画素の輝度と前記延長線よりも右側の領域の少なくとも一つの画素の輝度とを比較した結果から撮影画像の輝度分布の異常の有無を判断することを特徴とする単結晶の製造方法。
2. 前記左側の領域内の第１の最大輝度と前記右側の領域内の第２の最大輝度との輝度差が閾値以上である場合に前記撮影画像の輝度分布が異常であると判断する、請求項１に記載の単結晶の製造方法。
3. 前記カメラは、減光率が面内で異なる減光ガラスを通して前記境界部の画像を撮影し、
   前記撮影画像の輝度分布が異常である場合に、前記輝度差が閾値未満となるように、前記減光ガラスにより前記撮影画像の輝度分布を調整する、請求項２に記載の単結晶の製造方法。
4. 前記減光ガラスは、減光率が一方向に変化する面内分布を有し、
   前記撮影画像の輝度分布が異常である場合に、前記輝度差が閾値未満となるように前記減光ガラスを前記カメラの光学軸を中心に回転させて、前記撮影画像の輝度分布を調整する、請求項３に記載の単結晶の製造方法。
5. 前記撮影画像の輝度分布が正常である場合に当該撮影画像から固液界面における単結晶の直径を求める、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の単結晶の製造方法。
6. 前記撮影画像を二値化処理することにより求められる前記フュージョンリングのエッジパターンから固液界面における単結晶の直径を求める、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の単結晶の製造方法。
7. 覗き窓が設けられたチャンバーと、
   前記チャンバー内において融液を支持するルツボと、
   前記融液から単結晶を引き上げる引き上げ軸と、
   前記覗き窓を通して見える前記単結晶と前記融液との境界部に発生するフュージョンリングの画像を撮影するカメラと、
   前記カメラの撮影画像を処理する画像処理部とを備え、
   前記画像処理部は、
   前記単結晶の引き上げ軸の延長線よりも左側の領域の少なくとも一つの画素の輝度と前記延長線よりも右側の領域の少なくとも一つの画素の輝度とを比較した結果から撮影画像の輝度分布の異常の有無を判断することを特徴とする単結晶製造装置。
8. 前記画像処理部は、前記左側の領域内の第１の最大輝度と前記右側の領域内の第２の最大輝度との差が閾値以上である場合に前記撮影画像の輝度分布が異常であると判断する、請求項７に記載の単結晶製造装置。
9. 前記覗き窓の外側に設けられた、減光率が面内で異なる減光ガラスをさらに備え、
   前記撮影画像の輝度分布が異常である場合に、前記第１の最大輝度と前記第２の最大輝度との差が閾値未満となるように、前記減光ガラスにより前記撮影画像の輝度分布を調整する、請求項８に記載の単結晶製造装置。
10. 前記減光ガラスを回転させる回転機構を有し、前記減光ガラスを前記カメラの光学軸を中心に回転させて、前記撮影画像の輝度分布を調整する、請求項９に記載の単結晶製造装置
11. 前記画像処理部は、前記撮影画像の輝度分布が正常である場合に当該撮影画像から固液界面における単結晶の直径を求める、請求項７ないし１０のいずれか一項に記載の単結晶製造装置。
12. 前記画像処理部は、前記撮影画像を二値化処理することにより求められる前記フュージョンリングのエッジパターンから固液界面における単結晶の直径を求める、請求項７ないし１１のいずれか一項に記載の単結晶製造装置。

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