JP7151623B2 - 単結晶引き上げ装置の評価システム及び評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、チョクラルスキー法（ＣＺ法）による単結晶の引き上げに用いられる単結晶引き上げ装置の評価システム及び評価方法に関し、特に、実機を用いることなくシミュレーションにより単結晶引き上げ装置を評価するためのシステム及び方法に関するものである。

半導体デバイスの基板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法では、石英ルツボ内のシリコン融液に種結晶を浸漬し、石英ルツボを回転させながら種結晶を徐々に引き上げることにより、種結晶の下端に大きな単結晶を成長させる。ＣＺ法によれば、大口径のシリコン単結晶を高い歩留まりで製造することが可能である。

無欠陥のシリコン単結晶を高い歩留まりで製造するため、最近はコンピュータシミュレーションも利用されている。例えば、特許文献１には、シリコン単結晶中の結晶欠陥のサイズや密度を制御するために、シリコン単結晶の成長中に起こっている現象をシミュレーションによって再現し、その結果から最適な結晶育成条件を求める方法が開示されている。炉内の温度分布を総合伝熱解析プログラムでシミュレーションし、これによって得られた温度分布からGrown-in欠陥のサイズや密度を求め、実結晶育成条件に反映させることにより、シリコン単結晶中の酸素濃度によって異なるGrown-in欠陥の形成をシミュレーションすることができ、シリコン単結晶が所望の欠陥サイズや密度となるような成長条件を求めることができる。

また、特許文献２には、任意の引き上げ条件をシミュレーション解析して得た固液界面の形状からピュアシリコン単結晶の引き上げ条件を予測する方法が開示されている。この方法では、インゴットの引き上げ条件を任意に決めて、シリコン融液の対流又は輻射伝熱のいずれか一方又は双方を考慮した総合熱解析手法を利用し、固液界面の形状、結晶内の軸方向温度勾配及び熱履歴を数値的にシミュレーションすることにより、固液界面形状が所定の条件式を満たすときの引き上げ条件をピュアシリコン単結晶の引上げ条件であると予測することができる。

特開２０１５－３６３５２号公報 特開２００４－１８３２４号公報

結晶品質や製造歩留まりの向上を図るため、最近の単結晶引き上げ装置には水冷体などの炉内部品が追加され、炉内構造は複雑化している。そのような単結晶引き上げ装置にさらなる改良を加える場合、当該装置を用いて高品質な単結晶を育成できるかどうかはもちろんのこと、一連の結晶引き上げ工程を滞りなく実施できるかどうかの判断が難しい場合がある。

例えば、単結引き上げ制御では、単結晶のメニスカスをカメラで撮影し、その撮影画像を解析して結晶直径や液面位置を計測する必要がある。そのため、メニスカスを撮影できない場合には、結晶引き上げ条件を制御することができない。上記のように、単結晶引き上げ装置の炉内構造は複雑であり、多くの炉内部品が存在しているため、カメラはメニスカスのごく一部しか捉えることができない状況である。

このような状況において、炉内構造物の形状や位置を変更した場合、単結晶の成長段階によっては、カメラ視野が炉内構造物に遮られてメニスカスが全く見えなくなるおそれがある。例えば、結晶引き上げ工程の前半にはメニスカスが見えていたが、後半にメニスカスが炉内構造物の裏に隠れて見えなくなる場合、結晶引き上げ工程の途中から急に結晶引き上げ制御ができなくなってしまう。これまで、わずかなカメラ視野でも結晶直径の変化を捉えきれるか否かの評価は、実機を用いて実際に結晶引き上げを行ってみなければ確認することができなかった。

しかしながら、改良された単結晶引き上げ装置の評価において実機を用いる場合、評価のための時間とコストがかかり過ぎるという問題がある。特に最近は炉内部品の調達のための時間とコストが増加しており、改良された炉内部品が不適合だった場合には設計のやり直しが必要であり、さらなる時間とコストが必要である。

したがって、本発明の目的は、単結晶引き上げ装置の結晶引き上げ動作に対する評価を、実機を用いずに行うことが可能な単結晶引き上げ装置の評価システム及び評価方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、チョクラルスキー法による単結晶の引き上げに用いられる単結晶引き上げ装置の評価システムであって、前記単結晶引き上げ装置のＣＺ引き上げ炉の形状データを用いて炉内構造の３Ｄモデル（3-Dimensional Model）を生成する３Ｄモデル生成部と、前記炉内構造の３Ｄモデルに対するレンダリングを行って３Ｄコンピュータグラフィックス（3-Dimensional Computer Graphics）を生成する３ＤＣＧ演算部とを備え、前記３ＤＣＧ演算部は、前記ＣＺ引き上げ炉内を撮影するカメラの視野イメージを再現することを特徴とする。

また本発明は、チョクラルスキー法による単結晶の引き上げに用いられる単結晶引き上げ装置の評価方法であって、前記単結晶引き上げ装置のＣＺ引き上げ炉の形状データを用いて炉内構造の３Ｄモデルを生成する３Ｄモデル生成ステップと、前記炉内構造の３Ｄモデルに対するレンダリングを行って３Ｄコンピュータグラフィックスを生成する３ＤＣＧ演算ステップとを備え、前記３ＤＣＧ演算ステップは、前記ＣＺ引き上げ炉内を撮影するカメラの視野イメージを再現することを特徴とする。

従来、改良された単結晶引き上げ装置に対するＣＺ制御システムの適合性の評価には当該単結晶引き上げ装置の実機が用いられていた。この場合、炉体及び炉内部品の設計、炉内部品の発注を順に行い、納入された炉内部品を用いて単結晶引き上げ装置を組み上げてからＣＺ制御システムの開発がスタートするため、単結晶引き上げ装置の実用化までに要する期間が非常に長くなる。しかし、本発明による単結晶引き上げ装置の評価システム及び評価方法は、ＣＺ引き上げ炉内を撮影するカメラの視野イメージをコンピュータグラフィックスにより再現するので、炉内構造の変更が結晶引き上げ制御に与える影響をＣＺ引き上げ炉の実機を用いることなく評価することができる。したがって、炉体や炉内部品を発注する前からＣＺ制御システム開発を開始することができ、単結晶引き上げ装置の実用化までに要する期間とコストを大幅に削減することができる。

本発明において、前記３Ｄモデル生成部は、前記単結晶引き上げ装置によって育成される単結晶及び融液面の形状データをさらに用いて単結晶育成中の炉内構造の３Ｄモデルを生成し、前記３ＤＣＧ演算部は、前記単結晶育成中の炉内構造の３Ｄモデルに対するレンダリングを行って、前記単結晶育成中の前記ＣＺ引き上げ炉内を撮影する前記カメラの視野イメージを再現することが好ましい。これにより、炉内構造を変更しても結晶引き上げの各段階でカメラが単結晶のメニスカスを捉えることができるかどうかを、結晶引き上げ工程を実際に行わずに評価することができる。したがって、炉内構造の変更が直径計測等に与える影響を客観的に評価することができる。

本発明において、前記３ＤＣＧ演算部は、前記単結晶のメニスカスに現れるフュージョンリングと前記融液面に映り込んだ前記炉内構造物の鏡像を再現することが好ましい。これによれば、３ＤＣＧ演算部が生成するカメラの視野イメージを実際のカメラの視野イメージに近づけることができる。したがって、当該視野イメージを用いてＣＺ制御システムの動作を確認することができる。

本発明において、前記３ＤＣＧ演算部から出力される前記カメラの視野イメージは、前記単結晶引き上げ装置のＣＺ制御システムに入力され、前記ＣＺ制御システムは、前記カメラの視野イメージの解析結果に基づいて、前記ＣＺ引き上げ炉を制御するための制御信号を出力することが好ましい。この場合、前記ＣＺ制御システムは、前記カメラの視野イメージの解析結果に基づいて、育成中の単結晶の直径、結晶引き上げ速度、液面位置の少なくとも一つを制御するための前記制御信号を出力することが好ましい。これにより、実機を用いることなく仮想のＣＺ引き上げ炉内の視野イメージを用いてＣＺ制御システムを評価することができる。

本発明による評価システムは、前記ＣＺ制御システムから出力される制御信号を評価する出力評価部をさらに備え、前記出力評価部は、前記制御信号に基づいて、前記ＣＺ引き上げ炉の３Ｄモデル及び前記単結晶及び融液面の３Ｄモデルの少なくとも一方を変更することが好ましい。これにより、ＣＺ引き上げ炉内の変化に追従するＣＺ制御システムの動作を連続的に評価することができる。

前記ＣＺ制御システムは、育成中の単結晶の直径、結晶引き上げ速度及び液面位置の少なくとも一つを制御することが好ましい。本発明によれば、ＣＺ引き上げ炉内を撮影するカメラの視野イメージのコンピュータグラフィックスを用いて、結晶直径、結晶引き上げ速度、液面位置のいずれか対するＣＺ制御システムの制御動作を評価することができる。

前記ＣＺ引き上げ炉は、融液を保持するルツボと、前記ルツボを取り囲むように配置されたヒーターと、前記融液から引き上げられた単結晶を取り囲むように前記ルツボの上方に配置され、前記ヒーターからの輻射熱を遮蔽する熱遮蔽体とを含み、前記３ＤＣＧ演算部は、前記熱遮蔽体の鏡像が映り込んだ前記融液面を再現することが好ましい。

前記ＣＺ引き上げ炉は、前記単結晶の引き上げ経路を取り囲むように前記熱遮蔽体よりも上方に設けられた水冷体をさらに備えることが好ましい。この場合、前記３ＤＣＧ演算部は、前記融液面に映り込んだ前記水冷体の鏡像をさらに再現することが好ましい。ＣＺ引き上げ炉内に水冷体が設けられている場合には、単結晶のメニスカスが水冷体に遮られるため、限られた視野内でＣＺ制御システムが単結晶を制御できるかどうかを評価することは難しい。しかし、本発明によれば、そのような条件下でＣＺ制御システムが正しく動作するかどうかを実機を用いずに評価することができる。

前記３ＤＣＧ演算部は、少なくとも前記ヒーターを光源として設定して前記３Ｄコンピュータグラフィックスを生成することが好ましく、前記ヒーター及び前記熱遮蔽体を光源として設定して前記３Ｄコンピュータグラフィックスを生成することがさらに好ましい。これによれば、３ＤＣＧイメージを実際の炉内イメージに容易に近づけることができる。

前記３ＤＣＧ演算部は、前記炉内構造の変化又は前記単結晶の成長に伴う前記カメラの視野イメージの変化を３ＤＣＧアニメーションにより再現することが好ましい。これにより、改良された単結晶引き上げ装置による結晶引き上げ動作を分かりやすく再現することができる。

本発明による単結晶引き上げ装置の評価システムは、前記３ＤＣＧ演算部から出力される前記カメラの視野イメージを用いて、前記単結晶の引き上げを制御するＣＺ制御システムの動作を評価することが好ましい。この動作の評価には、ＣＺ制御システムが正常に動作するか否かだけでなく、ＣＺ制御システムが何らかの反応をするか否かという最も単純な評価を含む。この場合において、前記ＣＺ引き上げ炉は、融液を保持するルツボと、前記ルツボを取り囲むように配置されたヒーターと、前記融液から引き上げられた単結晶を取り囲むように前記ルツボの上方に配置され、前記ヒーターからの輻射熱を遮蔽する熱遮蔽体とを含み、前記ＣＺ制御システムは、前記単結晶の直径、前記単結晶の引き上げ速度、及び前記熱遮蔽体の下端と融液面との間の距離のうち、少なくとも一つを制御することが好ましい。これにより、実機を用いることなく仮想のＣＺ引き上げ炉内の視野イメージを用いてＣＺ制御システムが正しく動作するか否かを評価することができる。

本発明によれば、単結晶引き上げ装置の結晶引き上げ動作に対する評価を、実機を用いずに行うことが可能な単結晶引き上げ装置の評価システムを提供することができる。

図１は、ＣＺ法によるシリコン単結晶の引き上げに用いられる単結晶引き上げ装置の構造の一例を示す略断面図である。 図２は、本実施形態によるシリコン単結晶の製造工程を示すフローチャートである。 図３は、シリコン単結晶インゴットの形状を示す側面図である。 図４は、本発明の実施の形態による単結晶引き上げ装置の評価システムの概略図である。 図５は、３Ｄシミュレーター５の構成を概略的に示すブロック図である。 図６は、３Ｄシミュレーター５から出力される３ＤＣＧイメージの一例であって、直胴部育成工程Ｓ１５中のカメラ視野イメージである。

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。

本発明による単結晶引き上げ装置の評価システムの説明に先立ち、まず評価対象となる単結晶引き上げ装置について詳細に説明する。

図１は、ＣＺ法によるシリコン単結晶の引き上げに用いられる単結晶引き上げ装置の構造の一例を示す略断面図である。

図１に示すように、単結晶引き上げ装置１は、実際にシリコン単結晶の引き上げを行うＣＺ引き上げ炉３と、ＣＺ引き上げ炉３を制御するＣＺ制御システム４とを備えている。ＣＺ引き上げ炉３は、水冷式のチャンバー１０と、チャンバー１０内でシリコン融液６を保持する石英ルツボ１１と、石英ルツボ１１を保持する黒鉛ルツボ１２と、黒鉛ルツボ１２を支持する回転シャフト１３と、回転シャフト１３を回転及び昇降駆動するシャフト駆動機構１４と、黒鉛ルツボ１２の周囲に配置されたヒーター１５と、ヒーター１５の外側であってチャンバー１０の内面に沿って配置された断熱材１６と、石英ルツボ１１の上方に配置された熱遮蔽体１７と、石英ルツボ１１の上方であって回転シャフト１３と同軸上に配置された単結晶引き上げ用のワイヤー１８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１１、黒鉛ルツボ１２、ヒーター１５及び熱遮蔽体１７はメインチャンバー１０ａ内に設けられている。プルチャンバー１０ｂにはチャンバー１０内にアルゴンガス等の不活性ガス（パージガス）やドーパントガスを導入するためのガス導入口１０ｃが設けられており、メインチャンバー１０ａの下部にはチャンバー１０内の雰囲気ガスを排出するためのガス排出口１０ｄが設けられている。また、メインチャンバー１０ａの上部には覗き窓１０ｅが設けられており、シリコン単結晶７の育成状況を覗き窓１０ｅから観察可能である。

石英ルツボ１１は、円筒状の側壁部と湾曲した底部とを有する石英ガラス製の容器である。黒鉛ルツボ１２は、加熱によって軟化した石英ルツボ１１の形状を維持するため、石英ルツボ１１の外表面に密着して石英ルツボ１１を包むように保持する。石英ルツボ１１及び黒鉛ルツボ１２はチャンバー１０内においてシリコン融液を支持する二重構造のルツボを構成している。

黒鉛ルツボ１２は回転シャフト１３の上端部に固定されており、回転シャフト１３の下端部はチャンバー１０の底部を貫通してチャンバー１０の外側に設けられたシャフト駆動機構１４に接続されている。黒鉛ルツボ１２、回転シャフト１３及びシャフト駆動機構１４は石英ルツボ１１の回転機構及び昇降機構を構成している。

ヒーター１５は、石英ルツボ１１内に充填されたシリコン原料を融解してシリコン融液６を生成すると共に、シリコン融液６の溶融状態を維持するために用いられる。ヒーター１５はカーボン製の抵抗加熱式ヒーターであり、黒鉛ルツボ１２内の石英ルツボ１１を取り囲むように設けられている。ヒーター１５の外側には断熱材１６がヒーター１５を取り囲むように設けられており、これによりチャンバー１０内の保温性が高められている。

熱遮蔽体１７は、シリコン融液６の温度変動を抑制して結晶成長界面近傍に適切なホットゾーンを形成すると共に、ヒーター１５及び石英ルツボ１１からの輻射熱によるシリコン単結晶７の加熱を防止するために設けられている。熱遮蔽体１７は略円筒状の黒鉛製の部材であり、シリコン単結晶７の引き上げ経路を除いたシリコン融液６の上方の領域を覆うように設けられている。

熱遮蔽体１７の下端の開口１７ａの直径はシリコン単結晶７の直径よりも大きく、これによりシリコン単結晶７の引き上げ経路が確保されている。また熱遮蔽体１７の下端部の外径は石英ルツボ１１の口径よりも小さく、熱遮蔽体１７の下端部は石英ルツボ１１の内側に位置するので、石英ルツボ１１のリム上端を熱遮蔽体１７の下端よりも上方まで上昇させても熱遮蔽体１７が石英ルツボ１１と干渉することはない。

シリコン単結晶７の成長と共に石英ルツボ１１内の融液量は減少するが、融液面と熱遮蔽体１７との間のギャップが一定になるように石英ルツボ１１を上昇させることにより、シリコン融液６の温度変動を抑制すると共に、融液面近傍を流れるガスの流速を一定にしてシリコン融液６からのドーパントの蒸発量を制御することができる。したがって、シリコン単結晶７の引き上げ軸方向の結晶欠陥分布、酸素濃度分布、抵抗率分布等の安定性を向上させることができる。

熱遮蔽体１７の上方にはドローチューブ２０が設けられている。ドローチューブ２０は、メインチャンバー１０ａの上部開口から下方に延びる円筒状の水冷体であり、シリコン単結晶７の引き上げ経路を取り囲むように設けられている。ドローチューブ２０を設けることにより、シリコン融液６から引き上げられたシリコン単結晶７を急冷して無欠陥単結晶の歩留まりを高めることができる。

石英ルツボ１１の上方には、シリコン単結晶７の引き上げ軸であるワイヤー１８と、ワイヤー１８を巻き取るワイヤー巻き取り機構１９が設けられている。ワイヤー巻き取り機構１９はワイヤー１８と共にシリコン単結晶７を回転させる機能を有している。ワイヤー巻き取り機構１９はプルチャンバー１０ｂの上方に配置されており、ワイヤー１８はワイヤー巻き取り機構１９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１８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、育成途中のシリコン単結晶７がワイヤー１８に吊設された状態が示されている。シリコン単結晶７の引き上げ時には石英ルツボ１１とシリコン単結晶７とをそれぞれ回転させながらワイヤー１８を徐々に引き上げることによりシリコン単結晶７を成長させる。

メインチャンバー１０ａの内部を観察するための覗き窓１０ｅの外側にはカメラ２２が設けられている。単結晶引き上げ工程中、カメラ２２は覗き窓１０ｅから熱遮蔽体１７の開口を通して見えるシリコン単結晶７とシリコン融液６との境界部の画像を撮影する。カメラ２２はＣＺ制御システム４に接続されており、撮影画像はＣＺ制御システム４に送られる。

ＣＺ制御システム４はＣＺ引き上げ炉３を制御するコンピュータであって、カメラ２２の撮影画像を解析する画像解析部２３と、画像解析結果やＣＺ引き上げ炉３からの出力信号に基づいてＣＺ引き上げ炉３の各部を制御する制御部２４とを有している。画像解析部２３は、撮影画像に写る単結晶の直径を計測する。結晶直径は固液界面近傍における単結晶のメニスカスから幾何学的に算出することができる。また画像解析部２３は、撮影画像に写る融液面の高さ（液面位置）を計測する。液面位置は、熱遮蔽体の下端までの高さ（ギャップ）であり、置撮影画像中の熱遮蔽体の実像の位置及び融液面に映り込んだ熱遮蔽体の鏡像の位置から幾何学的に算出することができる。

結晶直径及び液面位置は、制御部２４において結晶引き上げ条件の制御に用いられる。ワイヤー巻き取り機構１９から出力されるシリコン単結晶７の引き上げ軸方向の変位量は結晶長データとして制御部２４に送られ、結晶直径及び液面位置と共に結晶引き上げ条件の制御に用いられる。制御部２４は、これらの情報に基づいて、ワイヤー巻き取り機構１９による結晶引き上げ速度、シャフト駆動機構１４によるルツボ上昇速度、ヒーター１５のパワー等を制御する。例えば、結晶直径が目標直径の上限値を上回る場合には、直径が小さくなるように結晶引き上げ速度を大きくする。逆に、結晶直径が目標直径の下限値を下回る場合には、直径が大きくなるように結晶引き上げ速度を小さくする。

図２は、本実施形態によるシリコン単結晶の製造工程を示すフローチャートである。また図３は、シリコン単結晶インゴットの形状を示す側面図である。

図２及び図３示すように、本実施形態によるシリコン単結晶７の製造工程は、石英ルツボ１１内のシリコン原料をヒーター１５で加熱することによりシリコン融液６を生成する原料融解工程Ｓ１１と、ワイヤー１８の先端部に取り付けられた種結晶を降下させてシリコン融液６に着液させる着液工程Ｓ１２と、シリコン融液６との接触状態を維持しながら種結晶を徐々に引き上げて単結晶を育成する結晶引き上げ工程（Ｓ１３～Ｓ１６）を有している。

結晶引き上げ工程では、無転位化のために結晶直径が細く絞られたネック部７ａを形成するネッキング工程Ｓ１３と、結晶成長と共に結晶直径が徐々に増加した肩部７ｂを形成する肩部育成工程Ｓ１４と、結晶直径が一定に維持された直胴部７ｃを形成する直胴部育成工程Ｓ１５と、結晶成長と共に結晶直径が徐々に減少したテール部７ｄを形成するテール部育成工程Ｓ１６とが順に実施される。

その後、シリコン単結晶７を融液面から切り離して冷却する冷却工程Ｓ１７が実施される。以上により、図３に示すように、ネック部７ａ、肩部７ｂ、直胴部７ｃ及びテール部７ｄを有するシリコン単結晶インゴット７が完成する。

上記のように、結晶引き上げ工程ではシリコン単結晶７のメニスカスやシリコン融液６の液面に映る熱遮蔽体１７の鏡像を見ながら結晶引き上げ条件を制御する必要がある。しかし単結晶引き上げ装置１の炉内には、熱遮蔽体１７、ドローチューブ２０等、様々な炉内部品が存在しており、炉内構造が非常に複雑であるため、覗き窓１０ｅから単結晶のメニスカスや融液面を捉えることが難しくなってきている。カメラ２２で撮影できるメニスカスや融液面は全体のごく一部であり、メニスカスや融液面の大部分は炉内部品の裏に隠れて見ることができない。結晶直径や液面位置によってはメニスカスが全く見えない場合もある。メニスカスが見えなければ結晶直径や液面位置を計測することができず、単結晶の引き上げ制御が不可能となる。

このような単結晶引き上げ装置１の炉内を設計変更する場合、メニスカスに現れるフュージョンリングや融液面に映り込んだ炉内構造物の鏡像をカメラで捉えることができるかどうかは設計の段階ではよく分からないため、従来はＣＺ引き上げ炉３の実機を用いて結晶引き上げ工程を行ってＣＺ制御システム４の評価を行っていた。

しかしながら、ＣＺ引き上げ炉３の実機を用いてＣＺ制御システム４の評価を行う場合には、炉体設計→炉内構造物の設計→発注→納入後、ＣＺ制御システム４の開発がスタートするため、単結晶引き上げ装置の実用化までに要する期間が非常に長くなる。

そこで、本発明による単結晶引き上げ装置の評価システムは、ＣＺ引き上げ炉３の実機を用いることなく、コンピュータ内に仮想のＣＺ引き上げ炉３の３Ｄモデルを生成し、カメラ視野イメージを３Ｄモデルに基づいたコンピュータグラフィックス（ＣＧ）により再現して単結晶の引き上げが実際に可能かどうか、すなわち実際の結晶引き上げに対する適合性を評価するものである。以下、本発明による単結晶引き上げ装置の評価システムについて詳細に説明する。

図４は、本発明の実施の形態による単結晶引き上げ装置の評価システムの概略図である。

図４に示すように、この単結晶引き上げ装置の評価システム２は、実機の代わりにＣＺ引き上げ炉３を仮想空間内に再現し、単結晶引き上げ装置１のカメラ２２から見た炉内の視野イメージを生成する３Ｄシミュレーター５（コンピュータ）と、３Ｄシミュレーター５に接続されたＣＺ制御システム４とを備えている。上記のように、ＣＺ制御システム４は実機の制御にも使用されるシステム（コンピュータ及びプログラム）であって、カメラ２２の撮影画像を解析して結晶直径や液面位置を算出する画像解析部２３と、結晶直径及び液面位置の測定結果に基づいてＣＺ引き上げ炉３を制御する制御部２４とを有している。単結晶引き上げ装置１の炉内構造を改良した場合、ＣＺ制御システム４内の画像解析プログラムや引き上げ制御プログラムも変更する必要があるが、本実施形態による評価システム２を用いれば、それらのプログラムが正しく動作するかどうかを、実機を用いて実際に結晶引き上げ工程を行うことなくチェックすることが可能である。

図５は、３Ｄシミュレーター５の構成を概略的に示すブロック図である。

図５に示すように、３Ｄシミュレーター５は、単結晶引き上げ装置１のＣＺ引き上げ炉３の形状データ等を用いて炉内構造の３Ｄモデルを生成する３Ｄモデル生成部３１と、炉内構造の３Ｄモデルに対するレンダリングを行って３Ｄコンピュータグラフィックスを生成する３ＤＣＧ演算部３２と、ＣＺ制御システム４から出力される制御信号を評価する出力評価部３３と、ＣＺ引き上げ炉３の形状データ等を保有するデータベース３４とを備えている。

３Ｄモデル生成部３１は、データベース３４から提供される構造データ３４ａ、結晶データ３４ｂ及び液面データ３４ｃに基づいて３Ｄモデルを生成する。構造データ３４ａは、炉内構造をコンピュータ内に構築するための形状データ（ＣＡＤデータ）であり、単結晶引き上げ装置１の炉体、炉内構造物、炉内部品等の形状データを含む。３Ｄモデルは現実の部材と同様の座標を有し、各部材はソリッドデータとして構成されている。また結晶データ３４ｂは、炉内で成長するシリコン単結晶の形状をコンピュータ内に構築するための形状データ（ＣＡＤデータ）である。単結晶の形状は結晶長に応じて変化し、単結晶の肩部及び直胴部の形状を含む。また液面データ３４ｃは残液のモデルデータであり、結晶データ３４ｂと同様に結晶長に応じて変化する。このように、３Ｄモデル生成部３１は、構造データ３４ａに基づいて炉内構造の３Ｄモデルを生成することができ、結晶データ３４ｂ及び液面データ３４ｃに基づいて単結晶及び融液面の３Ｄモデルを生成することができる。

単結晶引き上げ装置１の形状データとしては、設計段階の形状データの他、既存の単結晶引き上げ装置の形状データを用いることもできる。すなわち、本実施形態による評価システム２は、既存の単結晶引き上げ装置の形状データを用いて、既存の単結晶引き上げ装置を対象とした制御システムの評価をする場合にも適用することができる。

３ＤＣＧ演算部３２は、炉内構造の３Ｄモデルに光源データ３４ｄ及び材質データ３４ｅを加えて炉内構造の３ＤＣＧを生成する。レンダリングとは、設定光源からの光の反射、吸収、拡散、透過、放出の計算を行い、対象とする３Ｄモデルの表面における質感、模様等の状態を画像化することである。光源データ３４ｄは、ヒーター１５を光源として設定する。また、材質データ３４ｅは、炉内構造物の表面状態を数値で表現したものであり、色、光沢、粗さ、透過、反射等のパラメータを含む。３ＤＣＧ演算部３２は、現実の光の作用に近い技法で演算処理を行う。すなわち、光源から放射された光子が仮想空間の炉モデル内に放射され、炉内部品の表面で跳ね返りながら光の減衰がなくなるまで光の跡を残すように繰り返し演算処理を行う。こうして、３ＤＣＧ演算部３２は、シリコン単結晶７のメニスカスに現れるフュージョンリングと融液面に映り込んだ炉内構造物の鏡像を再現する。

３ＤＣＧの生成では、ヒーター１５と共に熱遮蔽体１７を光源として設定してもよい。現実にはヒーター１５のみが光源となるが、ヒーター１５のみならず熱遮蔽体１７が自己照明となるように３ＤＣＧシミュレーション条件を設定した場合には、３ＤＣＧイメージを実際の炉内イメージに容易に近づけることができる。

こうして、３Ｄシミュレーター５からは、チャンバー１０に設けられた覗き窓１０ｅから炉内を覗き込んだときに見えるカメラ視野の３ＤＣＧイメージが出力される。３Ｄシミュレーター５が出力した疑似的なカメラ視野イメージは、ＣＺ制御システム４に送られる。ＣＺ制御システム４の画像解析部２３は、実際にカメラ２２が撮影した画像と同様に３ＤＣＧイメージの処理を行って、結晶直径や液面位置を計測する。結晶直径や液面位置のデータは制御部２４に送られ、所定の制御プログラムに従って制御信号を出力する。制御信号は、結晶引き上げ速度、ルツボ上昇速度及びヒーターパワーの少なくとも一つを制御するための信号である。図１で示したように、制御信号は、単結晶引き上げ装置１のワイヤー巻き取り機構１９、シャフト駆動機構１４、ヒーター１５等に送られるが、ここでは出力評価部３３に送られ、制御信号の内容や発生タイミングなどが評価される。

こうして、３Ｄシミュレーター５から出力される３ＤＣＧイメージは、ＣＺ制御システム４によって処理され、ＣＺ制御システム４から出力される制御信号は３Ｄシミュレーター５にフィードバックされる。そのため、３ＤＣＧ演算部３２は、炉内構造の変化又は単結晶の成長に伴うカメラの視野イメージの変化を３ＤＣＧアニメーションにより再現することも可能である。

図６は、３Ｄシミュレーター５から出力される３ＤＣＧイメージの一例であって、直胴部育成工程Ｓ１５中のカメラ視野イメージである。

図６に示すように、カメラ視野イメージ中の輝度の違いから、カメラ視野イメージの中央部にはシリコン単結晶の直胴部７ｃがあり、直胴部７ｃの周囲にはシリコン融液６があることが分かる。さらに、シリコン融液６とシリコン単結晶の直胴部７ｃとの境界部であるメニスカス７ｅにはフュージョンリングと呼ばれる高輝度領域が発生しており、実際のカメラ視野イメージが忠実に再現されていることが分かる。そして、３Ｄシミュレーター５が生成するこのような３ＤＣＧイメージをＣＺ制御システム４に入力することにより、ＣＺ制御システム４が正しく動作するか否かを評価することができる。

チャンバー１０内に熱遮蔽体１７、ドローチューブ２０などの複数の炉内構造物があり、カメラ視野イメージにはそれらの複数の炉内構造物が映り込む。融液面に複数の炉内構造物が映り込んでいる場合、融液面上のどの鏡像部分がどの炉内構造物に対応するかを判断することが難しい場合がある。しかし、カメラ視野イメージを３ＤＣＧで再現する場合には、特定の炉内構造物を取り除いた状態のカメラ視野イメージを簡単に再現することができ、融液面上の鏡像部分と炉内構造物との対応関係を容易に把握することができる。

以上説明したように、本実施形態による単結晶引き上げ装置の評価方法は、単結晶引き上げ装置のＣＺ引き上げ炉３の内部を撮影するカメラの視野イメージを３Ｄコンピュータグラフィックスにより再現するので、改良されたＣＺ引き上げ炉３に適合するＣＺ制御システム４の開発において現実のＣＺ引き上げ炉３を必要としない。そのため、改良された炉体や炉内構造物を発注する前からＣＺ制御システム４の開発を開始することができ、改良された単結晶引き上げ装置の実用化までに要する期間を大幅に短縮することができる。

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、３Ｄシミュレーター５がＣＺ制御システム４に接続された構成を例に挙げたが、３Ｄシミュレーター５を単独で使用することも可能である。すなわち、３Ｄシミュレーター５が生成したカメラ視野イメージを用いて、ユーザーが炉内構造の良否を評価することも可能である。

（実施例１：熱遮蔽体の評価）
ＣＺ引き上げ炉３内の熱遮蔽体１７がカメラ視野イメージに与える影響を評価した。熱遮蔽体１７の下端部をある厚さに設定してシリコン単結晶７の直胴部育成工程中のカメラ視野イメージを再現したところ、シリコン単結晶７のメニスカスを視認することができた。しかし、熱遮蔽体１７の下端部を徐々に厚くしたところ、メニスカスを捉えることができなくなった。これにより、メニスカスを視認可能な熱遮蔽体１７の下端部の最大厚さを特定することができた。さらに、熱遮蔽体１７の形状を変更したところ、熱遮蔽体１７の下端部の厚さが厚くてもメニスカスを視認できることが分かった。

メニスカスを捉えることができる熱遮蔽体１７の形状において、シリコン単結晶７の直径及び熱遮蔽体１７の開口径を広げたところ、メニスカスを捉えることができなくなった。そこで熱遮蔽体７の形状を変更したところ、メニスカスを視認できるようになり、結晶直径の変化に対応できることが分かった。

（実施例２：ドローチューブの評価）
ＣＺ引き上げ炉３内のドローチューブ２０がカメラ視野イメージに与える影響を評価した。ドローチューブ２０をある長さに設定してシリコン単結晶７の直胴部育成工程中のカメラ視野イメージを再現したところ、融液面を視認することはできたが、シリコン単結晶７のメニスカスを視認することができなかった。ドローチューブ２０の長さを徐々に短くしながらカメラ視野イメージを確認したところ、メニスカスを視認することができるようになり、これによりメニスカスを視認可能なドローチューブ２０の長さを特定することができた。

（実施例３：ギャップ棒の評価）
熱遮蔽体１７の下端に取り付けたギャップ棒がカメラ視野イメージに与える影響を評価した。ギャップ棒は、熱遮蔽体の下端から融液面までの距離（ギャップ）を測定するために設けられるシリコン棒である。融液面をゆっくり上昇させてギャップ棒の先端が融液面と接触したことをカメラ視野イメージから確認できたとき、ギャップがギャップ棒の長さと一致したものと判断することができる。

ギャップ棒をある長さに設定してカメラ視野イメージを再現したところ、ギャップ棒の先端を視認することができなかった。そこでギャップ棒を徐々に長くしたところ、ギャップ棒の先端を視認できるようになり、ギャップ棒の望ましい長さを特定することができた。またギャップ棒の設置位置を変更することによりギャップ棒の先端の視認性をさらに改善することできた。

１ 単結晶引き上げ装置
２ 単結晶引き上げ装置の評価システム
３ ＣＺ引き上げ炉
４ ＣＺ制御システム
５ ３Ｄシミュレーター
６ シリコン融液
７ シリコン単結晶（インゴット）
７ａ ネック部
７ｂ 肩部
７ｃ 直胴部
７ｄ テール部
７ｅ メニスカス
１０ チャンバー
１０ａ メインチャンバー
１０ｂ プルチャンバー
１０ｃ ガス導入口
１０ｄ ガス排出口
１０ｅ 覗き窓
１１ 石英ルツボ
１２ 黒鉛ルツボ
１３ 回転シャフト
１４ シャフト駆動機構
１５ ヒーター
１６ 断熱材
１７ 熱遮蔽体
１７ａ 熱遮蔽体の開口
１８ ワイヤー
１９ ワイヤー巻き取り機構
２０ ドローチューブ
２２ カメラ
２３ 画像解析部
２４ 制御部
３１ ３Ｄモデル生成部
３２ ３ＤＣＧ演算部
３３ 出力評価部
３４ データベース
３４ａ 構造データ
３４ｂ 結晶データ
３４ｃ 液面データ
３４ｄ 光源データ
３４ｅ 材質データ
Ｓ１１ 原料融解工程
Ｓ１２ 着液工程
Ｓ１３ ネッキング工程
Ｓ１４ 肩部育成工程
Ｓ１５ 直胴部育成工程
Ｓ１６ テール部育成工程
Ｓ１７ 冷却工程

Claims (14)

1. チョクラルスキー法による単結晶の引き上げに用いられる単結晶引き上げ装置の評価システムであって、
   前記単結晶引き上げ装置のＣＺ引き上げ炉の形状データを用いて炉内構造の３Ｄモデルを生成する３Ｄモデル生成部と、
   前記炉内構造の３Ｄモデルに対するレンダリングを行って３Ｄコンピュータグラフィックスを生成する３ＤＣＧ演算部とを備え、
   前記３ＤＣＧ演算部は、前記ＣＺ引き上げ炉内を撮影するカメラの視野イメージを再現し、
   当該カメラの視野イメージを用いて当該単結晶引き上げ装置が正しく動作するか否かを評価することを特徴とする単結晶引き上げ装置の評価システム。
2. 前記３Ｄモデル生成部は、前記単結晶引き上げ装置によって育成される単結晶及び融液面の形状データをさらに用いて単結晶育成中の炉内構造の３Ｄモデルを生成し、
   前記３ＤＣＧ演算部は、前記単結晶育成中の炉内構造の３Ｄモデルに対するレンダリングを行って、前記単結晶育成中の前記ＣＺ引き上げ炉内を撮影する前記カメラの視野イメージを再現する、請求項１に記載の単結晶引き上げ装置の評価システム。
3. 前記３ＤＣＧ演算部は、前記単結晶のメニスカスに現れるフュージョンリングと前記融液面に映り込んだ前記炉内構造物の鏡像を再現する、請求項２に記載の単結晶引き上げ装置の評価システム。
4. 前記３ＤＣＧ演算部から出力される前記カメラの視野イメージは、前記単結晶引き上げ装置のＣＺ制御システムに入力され、
   前記ＣＺ制御システムは、前記カメラの視野イメージの解析結果に基づいて、前記ＣＺ引き上げ炉を制御するための制御信号を出力する、請求項２又は３に記載の単結晶引き上げ装置の評価システム。
5. 前記ＣＺ制御システムは、育成中の単結晶の直径、結晶引き上げ速度及び液面位置の少なくとも一つを制御する、請求項４に記載の単結晶引き上げ装置の評価システム。
6. 前記ＣＺ制御システムから出力される制御信号を評価する出力評価部をさらに備え、
   前記出力評価部は、前記制御信号に基づいて、前記ＣＺ引き上げ炉の３Ｄモデル及び前記単結晶及び融液面の３Ｄモデルの少なくとも一方を変更する、請求項４又は５に記載の単結晶引き上げ装置の評価システム。
7. 前記ＣＺ引き上げ炉は、
   融液を保持するルツボと、
   前記ルツボを取り囲むように配置されたヒーターと、
   前記融液から引き上げられた単結晶を取り囲むように前記ルツボの上方に配置され、前記ヒーターからの輻射熱を遮蔽する熱遮蔽体とを含み、
   前記３ＤＣＧ演算部は、前記熱遮蔽体の鏡像が映り込んだ前記融液面を再現する、請求項４乃至６のいずれか一項に記載の単結晶引き上げ装置の評価システム。
8. 前記ＣＺ引き上げ炉は、前記単結晶の引き上げ経路を取り囲むように前記熱遮蔽体よりも上方に設けられた水冷体をさらに含み、
   前記３ＤＣＧ演算部は、前記融液面に映り込んだ前記水冷体の鏡像をさらに再現する、請求項７に記載の単結晶引き上げ装置の評価システム。
9. 前記３ＤＣＧ演算部は、少なくとも前記ヒーターを光源として設定して前記３Ｄコンピュータグラフィックスを生成する、請求項７又は８のいずれか一項に記載の単結晶引き上げ装置の評価システム。
10. 前記３ＤＣＧ演算部は、前記熱遮蔽体を光源としてさらに設定して前記３Ｄコンピュータグラフィックスを生成する、請求項９に記載の単結晶引き上げ装置の評価システム。
11. 前記３ＤＣＧ演算部は、前記炉内構造の変化又は前記単結晶の成長に伴う前記カメラの視野イメージの変化を３ＤＣＧアニメーションにより再現する、請求項２乃至１０のいずれか一項に記載の単結晶引き上げ装置の評価システム。
12. 前記３ＤＣＧ演算部から出力される前記カメラの視野イメージを用いて、前記単結晶の引き上げを制御するＣＺ制御システムの動作を評価する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の単結晶引き上げ装置の評価システム。
13. 前記ＣＺ引き上げ炉は、
    融液を保持するルツボと、
    前記ルツボを取り囲むように配置されたヒーターと、
    前記融液から引き上げられた単結晶を取り囲むように前記ルツボの上方に配置され、前記ヒーターからの輻射熱を遮蔽する熱遮蔽体とを含み、
    前記ＣＺ制御システムは、前記単結晶の直径、前記単結晶の引き上げ速度、及び前記熱遮蔽体の下端と融液面との間の距離のうち、少なくとも一つを制御する、請求項１２に記載の単結晶引き上げ装置の評価システム。
14. チョクラルスキー法による単結晶の引き上げに用いられる単結晶引き上げ装置の評価方法であって、
    前記単結晶引き上げ装置のＣＺ引き上げ炉の形状データを用いて炉内構造の３Ｄモデルを生成する３Ｄモデル生成ステップと、
    前記炉内構造の３Ｄモデルに対するレンダリングを行って３Ｄコンピュータグラフィックスを生成する３ＤＣＧ演算ステップとを備え、
    前記３ＤＣＧ演算ステップは、前記ＣＺ引き上げ炉内を撮影するカメラの視野イメージを再現し、
    当該カメラの視野イメージを用いて当該単結晶引き上げ装置が正しく動作するか否かを評価することを特徴とする単結晶引き上げ装置の評価方法。

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