JP7221484B1

JP7221484B1 - 単結晶引き上げ方法および単結晶引き上げ装置

Info

Publication number: JP7221484B1
Application number: JP2022121306A
Authority: JP
Inventors: 磊 ▲趙▼; ▲梟▼▲龍▼ 白
Original assignee: 四川晶科能源有限公司; 晶科能源股分有限公司
Priority date: 2022-06-01
Filing date: 2022-07-29
Publication date: 2023-02-14
Anticipated expiration: 2042-07-29
Also published as: EP4286569A1; JP2023177194A; US20230392284A1; CN116732604A

Abstract

【課題】本発明は、単結晶引き上げ方法および単結晶引き上げ装置を開示する。【解決手段】方法は、第１段階において、撮像装置で種結晶軸及び熱シールドの下縁の画素画像を取得し、画像処理装置で熱シールドの下縁の画素画像に基づいて、第２方向に沿って延在する基準線を有する基準円をフィッティングし、基準円の円心が基準線にあり、種結晶軸が下降するとき、種結晶軸の画素画像が徐々に基準線に近づくステップと、種結晶軸の画素画像の底辺が基準線と交差するとき、種結晶軸の底面が熱シールドの下縁と面一となるステップとを含む。従来技術よりも、本発明は、熱シールドの下縁位置を標定とし、種結晶軸の底端が熱シールドの下縁と面一となるように撮像装置及び画像処理装置で種結晶軸の位置を位置決めし、次に、種結晶軸を所定の高さだけ下降させ、種結晶軸の正確な下降溶接を実現し、種結晶軸の位置の大きなずれによる溶接異常課題を回避する。【選択図】図１

Description

本発明は、シリコン単結晶製造技術分野に関し、特に、単結晶引き上げ方法および単結晶引き上げ装置に関する。

従来技術の単結晶引き上げプロセス過程において、単結晶炉の炉内で石英坩堝内に入れたシリコン材料の融解が完了すると、シリコン液面が穏やかになる傾向にあり、溶融材料が完了したことを示し、この時に堝位置および熱シールド位置の配置が既に完了した。次に種結晶軸を取り付けた後、予熱溶接工程を開始し、石英坩堝内の液面温度が溶接温度に達すると、手動で種結晶軸を下降して溶接を行い、このような種結晶軸の下降を手動で制御する方法は、効率が低くかつ精度が高くない。

本発明の目的は、従来技術における技術課題を解決し、種結晶軸のヘッド位置と液面との相対位置の精確な特定を実現でき、引き上げプロセス自動化を実現できる単結晶引き上げ方法および単結晶引き上げ装置を提供することにある。

本発明は、単結晶引き上げ方法を提供する。当該単結晶引き上げ方法は、シリコン材料を坩堝に入れて溶融し、溶融されたシリコン材料でシリコン融液を形成するステップと、熱シールドを所定の位置に下降させ、この時に熱シールドの下縁とシリコン融液の液面との間に第１所定距離が形成されるステップと、第１段階において、重錘を用いて種結晶軸を吊り下げて第１方向に沿って徐々に下降させ、撮像装置を用いて種結晶軸および熱シールドの下縁の画素画像を取得し、画像処理装置を用いて熱シールドの下縁の画素画像に基づいて基準円をフィッティングでき、基準円が第２方向に沿って延在する基準線を有し、基準円の円心が基準線にあり、種結晶軸が下降するとき、種結晶軸の画素画像が徐々に基準線に近づくステップと、種結晶軸の画素画像の底辺が基準線と交差するとき、種結晶軸の底面が熱シールドの下縁と面一となり、この時に第２段階に入り、画像処理装置がこの時の種結晶軸の位置を記録し、その後、引き続き種結晶軸を所定の高さだけ下降させ、種結晶軸の底端がシリコン融液内に延在し、溶接を行うステップと、シーディングを行うステップと、ショルダーリングを行うステップと、同径化を行うステップと、仕上を行うステップと、を含む。

以上に記載の単結晶引き上げ方法において、好ましくは、第１段階において、種結晶軸が徐々にシリコン融液の液面から第２所定距離だけ離れる位置まで下降し、シリコン融液の液面温度が徐々に溶接温度に近づくまで加熱されると、この時に種結晶軸を再び熱シールドの下縁と同一平面になるまで下降させることが可能であり、この時に第２段階に入り、シリコン融液の液面温度が溶接温度条件に達すると、種結晶軸を所定の高さだけ下降させ、種結晶軸の底部がシリコン融液内に延在し、溶接を行う。

以上に記載の単結晶引き上げ方法において、好ましくは、第１段階において、種結晶軸を初期位置からシリコン融液の液面から第３所定距離だけ離れる位置まで下降させて第１時間間隔保持し、その後、種結晶軸をシリコン融液の液面から第４所定距離だけ離れる位置まで下降させて第２時間間隔保持し、最後に種結晶軸をシリコン融液の液面から第２所定距離だけ離れる位置まで下降させて第３時間間隔保持する。

以上に記載の単結晶引き上げ方法において、好ましくは、所定の高さは、第１所定距離と種結晶軸の細径の長さとの和に等しい。

以上に記載の単結晶引き上げ方法において、好ましくは、第１方向は、第２方向に垂直である。

以上に記載の単結晶引き上げ方法において、好ましくは、種結晶軸の軸線方向は、熱シールドの軸線方向と重なる。

以上に記載の単結晶引き上げ方法において、好ましくは、第１所定距離は、３０ｍｍ～５０ｍｍである。

以上に記載の単結晶引き上げ方法において、好ましくは、第２所定距離は、３５０ｍｍ～４５０ｍｍである。

本願は、単結晶引き上げ装置をさらに提供する。当該単結晶引き上げ装置は、前記単結晶引き上げ方法を用いて引き上げを行い、炉体内にシリコン融液を収容するための坩堝および坩堝を加熱するための加熱部材が設けられる炉体と、炉体内に設けられ、坩堝の上方に位置する熱シールドと、熱シールドの内部に吊り下げられ、下端に種結晶軸が接続され、種結晶軸がシリコン融液の液面に対して接近するまたは離れるように種結晶軸が第１方向に沿って移動可能である重錘と、熱シールドの上方に設けられ、種結晶軸および熱シールドの下縁の画素画像を取得するための撮像装置と、撮像装置と信号接続され、熱シールドの下縁の画素画像に基づいて基準円をフィッティング可能であり、基準円が第２方向に沿って延在する基準線を有し、基準円の円心が基準線にあり、種結晶軸の画素画像の底辺が基準線と交差するとき、種結晶軸の底面が熱シールドの下縁と面一となる画像処理装置と、を備える。

以上に記載の単結晶引き上げ方法において、好ましくは、撮像装置は、ＣＣＤカメラである。

従来技術と比較して、本発明は、熱シールドの下縁位置を標定とし、種結晶軸の底端が熱シールドの下縁と面一となるように撮像装置および画像処理装置を利用して種結晶軸の位置を位置決めし、次に種結晶軸を所定の高さだけ下降させ、種結晶軸の正確な下降溶接を実現し、種結晶軸の位置の大きなずれによる溶接異常課題を回避する。

本願による引き上げ方法のフローチャートである。本願による実施例一の種結晶軸溶接方法のフローチャートである。本願による実施例一の種結晶軸および熱シールドの下縁の画素画像概略図一である。本願による実施例一の種結晶軸および熱シールドの下縁の画素画像概略図二である。本願による実施例二の撮像装置により撮像される画面の概略図である。本願による実施例三の撮像装置により撮像される画面の概略図である。本願による実施例三のショルダーリング制御スキームのフローチャートである。本願による単結晶引き上げ装置の構成概略図である。

以下に図面を参照して説明する実施例は例示的なものであり、本発明を説明するためのものに過ぎず、本発明を限定するものと解釈されるべきではない。

半導体業界および太陽光発電業界の発展に伴い、シリコン単結晶に対してより大きな市場需要を提供し、現在のチョクラルスキー法でシリコン単結晶を成長させることは、現在、シリコン単結晶を製造する最も広範な適用技術であり、当該方法において、固体シリコン材料ブロックを坩堝２内に入れ、周辺のヒータにより一定の電力を与え、それを加熱して溶融し、その後にヒータの電力を低下させ、一定の過冷却度を制御した後、配向された種結晶軸７を採用して既に溶融されたシリコン融液４と接触し、溶接を行い、溶液の温度と種結晶軸７の速度を調整することにより、種結晶軸７を大きく成長させて所定の長さに達し、その後にシーディング、ショルダーリング、同径化等の操作を行い、同径に達して単結晶を成長させ、坩堝２内のシリコン融液４が少ない場合、歩留まりを向上させるために、同径化終了後、仕上操作を行う。

溶接工程において、従来の溶接技術は、手動制御によって溶接を行うものであり、自動化を実現できず、種結晶軸の位置を特定して種結晶軸を下降させて溶接を行う技術的解決手段もあり、この解決手段はプロセスパラメータを継続的にデバッギングする必要があり、かつ誤差が大きく、生産管理に対してより高い要求を提出し、かつ、パラメータ設定誤差による溶接の事故が発生しやすい。

溶接工程で発生する上記技術課題を解決するために、図１～図４および図８に示すように、本願は、単結晶引き上げ方法を提供し、以下のステップを含む。

シリコン融液４の液面が穏やかになる傾向になるまでシリコン材料を坩堝２に入れて溶融を行い、材料の溶融を完了させる。

シリコン融液４の重力方向の上方には、重力方向に往復移動可能な熱シールド５が設けられており、材料の溶融が完了した後、熱シールド５を所定の位置まで下降させ、この時に熱シールド５の下縁とシリコン融液４の液面との間に第１所定距離が形成される。

上記所定の位置は標定された位置であり、この所定の位置で、熱シールド５の下縁とシリコン融液４の液面との間が標定された第１所定距離を保持し、この第１所定距離を基準値とし、種結晶軸７が熱シールド５の下縁と同一の水平面に到達するとき、種結晶軸７の底端とシリコン融液４の液面との間のピッチが第１所定距離であることを表し、種結晶軸７の初期位置も精確に位置決めされ、後続の種結晶軸７の自動的な下降および溶接に対して、位置決め基準となり、種結晶軸７の下降が多すぎるかまたは少なくすぎることによる溶接異常の不具合を回避することができる。

第１段階において、重錘６を利用して種結晶軸７を吊り下げて第１方向に沿って徐々に下降させ、本願の実施例では、第１方向を重力方向とし、重錘６の他端には、種結晶軸７に対する昇降動作を駆動するための自動昇降装置が接続される。

熱シールド５の重力方向の上方に撮像装置８が設けられ、撮像装置８が画像処理装置と通信可能に接続され、撮像装置８を利用して種結晶軸７および熱シールド５の下縁の画素画像を取得し、撮像装置８の撮像方向と第１方向との間に所定の角度が形成され、これにより、熱シールド５の下縁の画素画像は標準円ではなく、略楕円であり、かつ撮像装置８の固定点が異なって、その撮像方向に差異が存在するため、収集された画素画像に形成された略楕円構造も異なる。このような撮像装置８の固定点の違いによる画素画像の差異を解消するために、画像処理装置を利用して熱シールド５の下縁の画素画像に基づいて基準円９をフィッティングし、この基準円９が標準円であり、基準円９は第２方向に沿って延在する基準線１０を有し、本願実施例では、第１方向が第２方向に垂直であり、第２方向が種結晶軸７に垂直な方向に設定され、基準円９の円心が基準線１０にあり、種結晶軸７を下降するときに、種結晶軸７の画素画像が基準線１０に徐々に近づく。

種結晶軸７の画素画像の底辺が基準線１０と交差するとき、種結晶軸７の底面が熱シールド５の下縁と面一であることを示し、この時に第２段階に入り、画像処理装置がこの時の種結晶軸７の位置を記録し、その後、指令信号を自動昇降装置に送信し、自動昇降装置を利用して種結晶軸７を所定の高さだけ下降させ続け、この所定の高さがカスタムされた高さであり、種結晶軸７の初期位置が既に特定されているため、所定の高さのパラメータを予め特定すればよく、プロセスパラメータを継続的にデバッギングする必要がなく、種結晶軸７の底端が所定の高さだけ下降した後にシリコン融液４内に延在し、溶接を行い、さらに順にシーディング、ショルダーリング、同径化および仕上作業を行う。

上記実施例は、熱シールド５の下縁位置を標定とし、種結晶軸７の底端が熱シールド５の下縁と面一となるように、撮像装置８および画像処理装置を利用して種結晶軸７の位置を位置決めし、次に種結晶軸７を所定の高さだけ下降させ、種結晶軸７の正確な下降溶接を実現し、種結晶軸７の位置の大きなずれによる溶接異常の不具合を回避する。

本願による実施例では、第１段階において、種結晶軸７は、シリコン融液４の液面から第２所定距離だけ離れる箇所に徐々に下降し、種結晶軸７が徐々に下降する過程は、種結晶軸７が徐々に且つ十分に予熱し、種結晶軸７が早すぎて高温に達して結晶欠陥の生成を引き起こすことを防止するためであり、シリコン融液４の液面温度が溶接温度に徐々に近づくまで加熱される場合、この時に熱シールド５が所定の位置にあり、種結晶軸７を熱シールド５の下縁と面一となるまで再び下降し、この時に種結晶軸７の底部からシリコン融液４の液面表面までの距離が第１所定距離であり、これにより、種結晶軸７に特定の初期位置を定義することができ、後続の種結晶軸７の下降作業を容易にし、種結晶軸７の下降が多すぎるかまたは少なすぎることによる溶接工程の不安定を回避する。この時に第２段階に入り、シリコン融液４の液面温度が溶接温度条件に達すると、種結晶軸７を所定の高さだけ下降させ、種結晶軸７の底部がシリコン融液４内に延在し、溶接を行う。

本願による実施例では、第１段階において、種結晶軸７を初期位置からシリコン融液４の液面から第３所定距離だけ離れる位置まで下降させて第１時間間隔を保持し、その後、種結晶軸７を第４所定距離だけ離れる位置まで下降させて第２時間間隔を保持し、最後に種結晶軸７をシリコン融液４の液面から第２所定距離だけ離れる位置まで下降させて第３時間間隔を保持する。種結晶軸７は３つのステップに分けて液面の上方から第２所定距離だけ離れる位置まで下降することにより、種結晶軸７の昇温が速すぎることによる結晶欠陥を防止する。実行可能な実施形態では、この過程において、種結晶軸７はまず初期位置からシリコン融液４の液面から１３００ｍｍ～１７００ｍｍだけ離れる位置まで下降し、５ｍｉｎ～１０ｍｉｎ維持し、再び５００ｍｍ～９００ｍｍまで下降して５ｍｉｎ～１０ｍｉｎ維持し、さらに３５０ｍｍ～４５０ｍｍまで下降して１０ｍｉｎ～１５ｍｉｎ維持する。当業者であれば分かるように、このプロセス位置および時間を制御システムにおいて調整することができる。種結晶軸７を徐々に予熱しかつ温度調整前の準備作業の時間要求を満たすために、好ましくは、種結晶軸７はまず初期位置からシリコン融液４の液面から１５００ｍｍだけ離れる位置まで下降して１０ｍｉｎ維持し、再び７００ｍｍまで下降して５ｍｉｎ維持し、さらに４００ｍｍまで下降して１０ｍｉｎ維持し、これにより、種結晶軸７が徐々に且つ十分に予熱し、種結晶軸７が早すぎて高温に達して結晶欠陥の生成を引き起こすことを防止する。

本願による実施例では、所定の高さが第１所定距離と種結晶軸７の細径の長さとの和に等しく、この細径の長さは種結晶軸７がシリコン融液４に延在する長さであり、この細径の長さは好ましくは１３０ｍｍ～１４０ｍｍであり、具体的には、細径の長さは１３０ｍｍ、１３２ｍｍ、１３４ｍｍ、１３６ｍｍ、１３８ｍｍ、１４０ｍｍ等であってもよい。種結晶軸７の細径の長さは製造管理において統一的に要求され、かつパラメータにおいて設定することができ、熱シールド５の位置が既に特定されているため、第１所定距離値は固定値であり、種結晶軸７の細径の長さも固定値であり、これにより固定長さも固定されたパラメータであり、制御システムにおいてプロセスパラメータを頻繁にデバッギングする必要があることを回避すると共に、パラメータ設定誤差による溶接の事故発生を減少させることができる。

本願による実施例では、種結晶軸７の軸線方向が熱シールド５の軸線方向と重なり、種結晶軸７と熱シールド５とをセンタリングして設置し、種結晶軸７および熱シールド５の下縁の画素画像において、種結晶軸７の画素画像は重力方向に沿って延在するストライプ構造であり、種結晶軸７の延在方向は基準円９の円心を経過し、これにより、基準線１０が位置する円心領域をテスト領域として定義することができ、テスト領域内に、基準線１０の階調値が変化し、すなわち、種結晶軸７が基準線１０と接触するまで下降したことを表すため、種結晶軸７が熱シールド５と水平な位置まで下降したことを判定することができる。

本願による実施例では、第１所定距離が３０ｍｍ～５０ｍｍ（両端値を含む）であり、具体的には、第１所定距離が３０ｍｍ、３５ｍｍ、４０ｍｍ、４５ｍｍ、５０ｍｍ等であってもよい。実施可能な実施形態として、熱シールド５が最低点に到達すると、所定の位置に到達し、このように熱シールド５を位置決めする必要がなく、熱シールド５のパラメータ設定による溶接欠陥の技術課題を回避し、好ましくは第１所定距離が３０ｍｍであり、当業者であれば分かるように、この第１所定距離の選択値を制御システムにおいて調整し、かつパラメータにおいて設定することができる。

本願による実施例では、第２所定距離が３５０ｍｍ～４５０ｍｍ（両端値を含む）であり、具体的には、第２所定距離が３５０ｍｍ、３７５ｍｍ、４００ｍｍ、４２５ｍｍ、４５０ｍｍ等であってもよい。第２所定距離が大きすぎると好ましくなく、大きすぎると予熱が不十分であり、小さすぎると好ましくなく、小さすぎると予熱が過度であり、いずれも結晶欠陥の生成を引き起こし、好ましくは第２所定距離が４００ｍｍであり、当業者であれば分かるように、この第２所定距離の選択値を制御システムにおいて調整し、かつパラメータにおいて設定することができる。

以下に具体的な実施例により本解決手段を紹介する。

Ｓ１０ステップ：固体多結晶シリコン材料を坩堝２に入れ、固体多結晶シリコン材料が坩堝２内で高温加熱され、固体多結晶シリコン材料が徐々に融解し、固体多結晶シリコン材料が全て溶融して液体状のシリコン融液４になったときに、シリコン融液４の液面が穏やかになる傾向にあり、溶融が完了したと見なす。

Ｓ２０ステップ：材料の溶融が完了した後、種結晶軸７を種結晶チャックに取り付け、種結晶旋回／副室浄化工程により、種結晶軸７が単結晶炉副室で旋回して単結晶路主室に接続され、副室排気を経てアルゴンガスを導入して浄化し、副室の気圧圧力が主室と一致した後、主室と副室の隔離弁を開く。

Ｓ３０ステップ：堝位置を配置し、坩堝２をプロセスに要求される位置に配置し、完了した後に予熱溶接工程を開始し、種結晶軸７を液面から１５００ｍｍ離れる位置まで下降させて５ｍｉｎ維持し、再び７００ｍｍまで下降させて５ｍｉｎ維持し、さらに４００ｍｍまで下降して１０ｍｉｎ維持する。

Ｓ４０ステップ：シリコン融液４の液面温度が予熱溶接工程の電力調整で、徐々に溶接温度に接近し、種結晶軸７を再び下降させ、この時に撮像装置８を利用して種結晶軸７および熱シールド５の下縁の画素画像を取得し、画像処理装置を利用して熱シールド５の下縁の画素画像に基づいて基準円９をフィッティングし、基準円９が第２方向に沿って延在する基準線１０を有し、種結晶軸７が種結晶軸７の画素画像の底辺まで下降して基準線１０と交差し、すなわち、種結晶軸７の底面が熱シールド５の下縁と面一となると、種結晶軸７が下降を停止し、この時に種結晶軸７がシリコン融液４の液面上方から離れる間隔は３０ｍｍである。

Ｓ５０ステップ：制御システムは自動的に加熱電力を調整し、シリコン融液４の液面温度を調節し、シリコン融液４の液面温度が溶接温度に達した後、制御システムは種結晶軸７の位置の下降動作をトリガし、溶接を行い、溶接完了後に温度調整工程に入る。

Ｓ６０ステップ：シリコン融液４の液面温度がプロセスに要求される目標温度に達し、１５ｍｉｎ維持し続ける場合、シーディング工程に入ることができると判定し、シーディング開始後、シリコン単結晶は液体状から固体まで種結晶軸７の結晶原子配列に沿って成長し始め、結晶内部の転位を排除するために、シーディングは結晶直径が６ｍｍに達し、プロセスに要求される長さに達する必要がある。

Ｓ７０ステップ：シーディングの結晶長さが要求に達すると、システムがショルダーリング工程に入り、ショルダーリング過程において、プロセスに要求される直径に達するまで、結晶の直径が徐々に大きくなる。

Ｓ８０ステップ、仕上。

本願のいくつかの実施例では、溶融材料工程において、シリコン材料が完全に溶融して液体状のシリコン融液４となったか否かについて、全溶融検出を行うことにより判断する必要があり、図５および図８に示すように、撮像装置８および画像処理装置を利用して坩堝２内のシリコン材料の全溶融検出を行う。

単結晶引き上げプロセス過程において、単結晶炉内に多結晶シリコン材料を入れ、炉を合わせた後、ヒータをオンにして高温を発生させるとともに、炉体１内に保護ガスとしてＡｒガスを導入して酸素を遮断し、炉体１全体にドライポンプを採用して一定の真空度まで抽出し、高温により生成された揮発物を炉体１外に継続的に排出されることを保証する。この時に固体多結晶シリコン材料が炉体１内の高温により融解し始め、シリコン材料がある程度まで融解すると、材料供給筒で再び材料を供給することができ、生産に要求されるシリコン材料が坩堝２内に供給されるまで、材料供給が停止し、この時に、シリコン材料の融解が完了し、固体多結晶シリコン材料が全て溶融して液体状のシリコン融液４になるまで、ヒータ電力を与え続ける。

この過程において、撮像装置８および画像処理装置を利用してホットフィールド内のシリコン液面の変化および制御システムパラメータ設定を観察して溶融材料が完了したか否かを判定し、撮像装置８により熱シールド５の下縁の画素画像を取得し、熱シールド５の下縁に形成された略楕円形画素画像において、いくつかの異なる領域が存在し、第１領域は、既にシリコン融液４に溶融された部分であり、第２領域は、溶融されていない多結晶シリコン材料ブロック部分であり、第１領域と第２領域の階調値に明らかな差異が存在し、画像処理装置は画素画像において位置が固定された第１測定枠１１を定義し、第１測定枠１１は、データサンプリングを特定する範囲を定義するためのものであり、高さ＊幅の定義範囲は、一般に、９００±１００ｍｍ＊２５０±５０ｍｍであり（この値の設定は、ＣＣＤの解像度の画素座標によって決定され、解像度が高いＣＣＤほど、画素点が増えるので、測定範囲が変わらない場合、測定座標点は実際に応じて調整される必要がある）、具体的には、範囲値は、８００ｍｍ＊２００ｍｍ、８２０ｍｍ＊２１０ｍｍ、８４０ｍｍ＊２２０ｍｍ、８６０ｍｍ＊２３０ｍｍ、８８０ｍｍ＊２４０ｍｍ、９００ｍｍ＊２５０ｍｍ、９２０ｍｍ＊２６０ｍｍ、９４０ｍｍ＊２７０ｍｍ、９６０ｍｍ＊２８０ｍｍ、９８０ｍｍ＊２９０ｍｍ、１０００ｍｍ＊３００ｍｍ等であってもよい。中心座標は、シリコン融液４が熱シールド５の倒れ込み像の影響を受けていない位置に設定され、データサンプリングの範囲を特定するために使用され、固体シリコン材料ブロックが融解完了に近づくとき、シリコン液面表面に最後のシリコン材料ブロックが浮っているので、この時に坩堝２は低回転速度を採用し、かつ、保護気体Ａｒが炉体１の上部から炉体１の下部に流下するので、固体シリコン材料ブロックがシリコン融液４の表面に浮遊して前後に移動し、第１測定枠１１内で階調値の持続的で無秩序な変化をもたらし、シリコン液面が穏やかになる傾向にあると、第１測定枠１１内の画像の平均階調値は一定時間内に変化しなくなるが、この時に平均階調値は、一般的に５０±５画素以内であり、設定可能な時間パラメータは１５分間であり、１０分間、１２分間、１７分間または２０分間であってもよく、この時間範囲内に階調値が５０±５画素範囲にあるため、溶融材料が完了したと考えられ、この判定は、画像処理装置内の視角ソフトウェアに基づいて、第１測定枠１１内の階調値の変化と制御システムで設定された境界条件パラメータ、例えば、階調値の変化差分値の最小値、判定時間、判定条件が達成された後に予熱溶接工程に入る時間を算出することができる。

本願のいくつかの実施例では、予熱溶接工程において、図６および図８に示すように、撮像装置８および画像処理装置を利用して熱シールド５の液口間距離の測定スキームが完成する。

シリコン材料の溶融が完了すると、シリコン融液４の液面が穏やかになる傾向にあり、この時に熱シールド５を最低点すなわち所定の位置まで下降させ、同時に堝位置を上昇させ、熱シールド５の下縁からシリコンまでの距離を一定の距離にし、この距離は液口間距離と呼ばれる。

撮像装置８により熱シールド５の下縁の画素画像を取得し、熱シールド５の下縁に形成された略楕円形画素画像において、熱シールド５の下縁の境界にシリコン液面に倒れ込み像が存在し、この倒れ込み像と略楕円形の境界との間に三日月形画像が形成され、画像処理装置は画素画像においてデータサンプリングの範囲を特定するための第２測定枠１２を定義し、この範囲はソフトウェアで設定することができ、一般的にこの第２測定枠１２の高さ＊幅範囲を１４０±１０ｍｍ＊９０±１０ｍｍに設定し（この値の設定は、ＣＣＤ解像度の画素座標によって决定される）、階調差閾値を捕捉して５～２５画素範囲に設定し、具体的には１０画素、１５画素または２０画素であってもよく、設定範囲および境界条件に基づいて、視角ソフトウェアは三日月境界の隣接する２つの円弧線をキャプチャすることができ、円弧線により円弧線のフィッティング円の接線を算出することができ、この２つの接線の垂直間隔は液体口距離測定値である。

実際の操作において、この測定値は、手動または自動校正方法に基づいて校正することができ、校正過程において、システムは坩堝モータの昇降距離に基づいて実際の距離と測定距離との線形関係を特定し、これにより液口間距離の測定値を取得して液口間距離の実際値を標定することができる。

自動校正方法としては、下降してさらに一定値の堝位置を上昇させ、一般的には８～１５ｍｍ（下降距離は堝位置の機械的距離がモータの回転数により変換されてもよい）でこのピッチの変化を判定し、具体的には１０ｍｍ、１２ｍｍ、１４ｍｍであってもよく、これによりフィッティング式が得られ、校正を完了した後に液口間距離の距離が特定される。

本願のいくつかの実施例では、ショルダーリング工程において、ショルダーリングのショルダー形状を自動制御する必要があり、図７および図８に示すように、本実施例は、主にショルダーリング過程のプロセスフローアルゴリズム論理に関する。引き上げ過程において、結晶はシーディングからショルダーリングまでさらに同径に達し、ショルダーリング過程は、単結晶引き上げ過程において結晶直径が小さいから徐々に大きくなる過程であり、本願による実施例では、この過程は単結晶炉装置が制御システムによりショルダーリング引き上げ速度とショルダーリング電力量を制御することによりショルダー形状を制御してショルダーリングを実現する過程であり、制御システムにおいて一セットの基礎的なパラメータを設定し、かつＰＩＤアルゴリズムの制御パラメータを与える。

具体的には、ショルダーリング自動制御のステップは、以下を含む。

ステップ一：ショルダーリング開始。

ステップ二：パラメータテーブルに従って初期引き上げ速度および電力低減値を与える。

ステップ三：制御システムがショルダー直径を測定し、ショルダー長さを算出する。

ステップ四：制御システムが単位時間あたりのショルダー長さの差分値およびショルダー直径の差分値に基づいて角度正接値を算出する。

ステップ五：パラメータテーブルでは、ショルダー長さに基づいて角度正接値を設定し、ＰＩＤアルゴリズムおよびショルダーリングの平均引き上げ速度を採用して実際の引き上げ速度を制御する。

例えば、シーディング段階において、単結晶の平均引き上げ速度が３００ｍｍ／ｈであり、シードの長さが一定の長さに達すると、結晶がショルダーリング段階にジャンプし、この段階でまず初期引き上げ速度を与えてこの引き上げ速度を６０ｍｍ／ｈに設定し、この引き上げ速度下で結晶がショルダー長さで徐々に増加し、制御システムのパラメータテーブルで同時に所定の電力が徐々に低下する。この時に結晶の長さが増加する（Ｙ方向と定義することができる）に連れて、同時に結晶の直径が増加し始め（Ｘ方向と定義することができる）、直径が増加するＸ方向に、引き上げシステムは直径の変化レートを算出することができかつ一定時間の平均成長レート（Ｘ方向）を算出することができ、この時に結晶のＹ方向の上昇速度は結晶引き上げ速度であり、このパラメータシステムは一定時間内の平均引き上げ速度を算出することができる。

安定な制御を容易にするために、本願実施例は、１０分間の平均直径成長レートおよび１０分間の平均引き上げ速度で演算および制御を行い、ショルダー角度の正接関数はＴａｎＡ＝Ｖ_{平均直径レート}（ｍｍ／ｍｉｎ）／Ｖ_{平均引き上げ速度}（ｍｍ／ｍｉｎ）と表すことができ、ショルダーリング過程において異なるショルダー長さに一定角度値を設定し、この角度の対応値は正接関数で表すことができ、すなわち、ＴａｎＡであり、ショルダーリングのショルダー形状を制御するために、理論的に最適なショルダー形状はショルダー高さに基づいてショルダーリングを初期、中期、および後期の３つの段階に分けることができ、ショルダーリング初期はＴａｎＡ＝０．４８～０．１範囲を設定することができ、ショルダーリング中期はＴａｎＡ＝０．９～１．９であり、ショルダーリング後期はＴａｎＡ＝１．８～２．３であり、ショルダー長さでＴａｎＡのパラメータテーブルを与えることができ、安定な制御およびＰＬＣシステムの容易な制御のために、実際に制御されたこのパラメータＴａｎＡ’値をＶ_{１０分間平均直径レート}／Ｖ_{１０分間平均引き上げ速度}の値に設定する。ショルダーリングを開始した後にこの値を算出することができ、システムは１分間～５分間後に制御を開始するように設定することができる。そのためＴａｎＡ’－ＴａｎＡ表で差分値を取得し、ＰＬＣ制御はこの差分値に基づいて、ＰＩＤ制御モデルで制御することができ（例えば、式１はＰＩＤ算出式である）、ここで、Ａ_ｔは設定引き上げ速度であり、Ａ_０は実際の平均引き上げ速度である。Ｐ、Ｉ、Ｄはショルダー長さの所定値に基づいて制御することができる。

また、結晶成長時に単位時間当たりに引き出された単結晶の体積は、電力低減値に正比例するので、ショルダーリングプロセスの需要を満たすために、システムパラメータ設定時に一定の電力低減幅を設定することができる。

ショルダーリング過程は、引き上げ速度を設定してショルダーリング過程の結晶成長を制御し、式においてδＢ＝ＴａｎＡ’－ＴａｎＡであり、表１に示すように、標準ショルダーリングパラメータが２０ｍｉｎである時にＴａｎＡ＝０．６７０４に設定し、この時に実際にＴａｎＡ’＝０．７（仮定）が算出され、δＢ＝０．０２９６が得られ、この時にδＢ／δｔの値を同時に収集し、１０ｓの実際のδＢの値に設定することができ、この値が０．０１であると仮定し、プログラムが

を算出するように設定し、この値をＴ＝３０ｍｉｎに設定することができ、１０ｓごとに１つの値を取りかつ積算し、この算出値が０．０５であると仮定する。実際の制御テストでショルダーリング過程において積分の作用を小さくすることができ、この積分部分の引き上げ速度制御への影響を低減することができるため、算出結果に基づいてＩの設定値を小さくすることができる。

Ａ_０＝９０ｍｍ／ｈとすると、この時に引き上げ速度をＡｔ＝９０＋０．０２９６＊Ｐ＋０．０５＊Ｉ＋０．０１＊Ｄに設定し、実際のテストにおいてショルダーリングの実際の制御状態に応じて、Ｐ、Ｉ、Ｄ値を設定することで、ショルダーリング過程の制御を実現する。

以上の実施例に基づき、本願は、前記単結晶引き上げ方法を用いて引き上げを行う単結晶引き上げ装置をさらに提供する。図３、図４および図８に示すように、単結晶引き上げ装置は、炉体１、熱シールド５、重錘６、撮像装置８及び画像処理装置を備える。

炉体１には、内部にシリコン融液４を収容するための坩堝２および坩堝２を加熱するための加熱部材３が設けられている。実行可能な実施形態では、坩堝２は、シリコン材料、例えば多結晶シリコンを収容するための石英坩堝およびＣＣ坩堝を含む。シリコン材料はその中でシリコン融液として加熱され、ＣＣ坩堝は石英坩堝の外側に包まれ、加熱過程において石英坩堝に支持を提供するために用いられ、ヒータは黒鉛坩堝の外側に設けられ、坩堝２の底部に支持ロッドが設けられ、支持ロッドが坩堝２およびシリコン材料を支持するために用いられ、坩堝２に回転または昇降の動力を与えることができる。

熱シールド５は、炉体１内に設けられ、坩堝２の上方に位置し、下向きに延在したシリコン単結晶成長領域を取り囲む逆円錐形スクリーン状物を有し、ヒータおよび高温シリコン融液４の成長したシリコン単結晶インゴットへの直接熱放射を遮断し、シリコン単結晶インゴットの温度を低下させることができ、また熱シールドはさらに下向きに吹く保護ガスを集中して成長界面の近傍に直接噴射させ、シリコン単結晶インゴットの放熱をさらに強化することができる。

重錘６は、コードを介して熱シールド５の内部に吊り下げられ、重錘６の下端に種結晶軸７が接続され、シリコン融液４の液面に接近するかまたはシリコン融液４の液面から離れるように種結晶軸７が第１方向に沿って移動可能であり、単結晶成長プロセスにおいて、種結晶軸７が溶接、シーディング、ショルダーリング、ショルダーリング回転、同径化等の過程を経てシリコン単結晶インゴットとして成長する。

撮像装置８について、撮像装置８は熱シールド５の上方に設けられ、種結晶軸７および熱シールド５の下縁の画素画像を取得するためのものであり、１つの実行可能な実施形態では、撮像装置８がＣＣＤカメラである。

画像処理装置は、撮像装置８と信号接続され、画像処理装置は、熱シールド５の下縁の画素画像に基づいて基準円９をフィッティングし、基準円９が第２方向に沿って延在する基準線１０を有し、基準円９の円心が基準線１０にあり、種結晶軸７の画素画像の底辺が基準線１０と交差するとき、種結晶軸７の底面が熱シールド５の下縁と面一となる。

以上は、図面に示された実施例に基づいて本発明の構造、特徴および作用効果を詳細に説明した。上述したのは、本発明の好ましい実施例に過ぎない。本発明は、図面に示されたもので実施範囲を限定するものではない。本発明の思想に基づいて行われた変更、または均等変化に修正された均等実施例は、依然として明細書および図示に含まれた精神を超えない場合、いずれも本発明の保護範囲内に含まれるべきである。

１炉体、２坩堝、３加熱部材、４シリコン融液、５熱シールド、６重錘、７種結晶軸、８撮像装置、９基準円、１０基準線、１１第１測定枠、１２第２測定枠。

Claims

シリコン材料を坩堝に入れて溶融し、溶融されたシリコン材料でシリコン融液を形成するステップと、
熱シールドを所定の位置に下降させ、この時に前記熱シールドの下縁と前記シリコン融液の液面との間に第１所定距離が形成されるステップと、
第１段階において、重錘を用いて種結晶軸を吊り下げて第１方向に沿って徐々に下降させ、撮像装置を用いて前記種結晶軸および前記熱シールドの下縁の画素画像を取得し、画像処理装置を用いて前記熱シールドの下縁の画素画像に基づいて基準円をフィッティングし、前記基準円が第２方向に沿って延在する基準線を有し、前記基準円の円心が前記基準線にあり、前記種結晶軸が下降するとき、前記種結晶軸の画素画像が徐々に前記基準線に近づくステップと、
前記種結晶軸の画素画像の底辺が前記基準線と交差するとき、前記種結晶軸の底面が前記熱シールドの下縁と面一となり、この時に第２段階に入り、画像処理装置がこの時の前記種結晶軸の位置を記録し、その後、引き続き前記種結晶軸を所定の高さだけ下降させ、前記種結晶軸の底端が前記シリコン融液内に延在し、溶接を行うステップと、
シーディングを行うステップと、
ショルダーリングを行うステップと、
同径化を行うステップと、
仕上を行うステップと、を含む、ことを特徴とする単結晶引き上げ方法。
前記第１段階において、前記種結晶軸が前記シリコン融液の液面から第２所定距離だけ離れる位置まで徐々に下降し、前記シリコン融液の液面温度が徐々に溶接温度に近づくまで加熱されると、この時に前記種結晶軸を再び前記熱シールドの下縁と面一となるまで下降させることが可能であり、この時に前記第２段階に入り、前記シリコン融液の液面温度が溶接温度条件に達すると、前記種結晶軸を所定の高さだけ下降させ、前記種結晶軸の底部が前記シリコン融液内に延在し、溶接を行う、ことを特徴とする請求項１に記載の単結晶引き上げ方法。
前記第１段階において、前記種結晶軸を初期位置から前記シリコン融液の液面から第３所定距離だけ離れる位置まで下降させて第１時間間隔保持し、その後、前記種結晶軸を前記シリコン融液の液面から第４所定距離だけ離れる位置まで下降させて第２時間間隔保持し、最後に前記種結晶軸を前記シリコン融液の液面から第２所定距離だけ離れる位置まで下降させて第３時間間隔保持する、ことを特徴とする請求項１に記載の単結晶引き上げ方法。
前記所定の高さは、前記第１所定距離と前記種結晶軸の細径の長さとの和に等しい、ことを特徴とする請求項１に記載の単結晶引き上げ方法。
前記第１方向は、前記第２方向に垂直である、ことを特徴とする請求項１に記載の単結晶引き上げ方法。
前記種結晶軸の軸線方向は、前記熱シールドの軸線方向と重なる、ことを特徴とする請求項１に記載の単結晶引き上げ方法。
前記第１所定距離は、３０ｍｍ～５０ｍｍである、ことを特徴とする請求項１に記載の単結晶引き上げ方法。
前記第２所定距離は、３５０ｍｍ～４５０ｍｍである、ことを特徴とする請求項２に記載の単結晶引き上げ方法。
単結晶引き上げ装置であって、
請求項１～８のいずれか一項に記載の単結晶引き上げ方法を用いて引き上げを行い、
シリコン融液を収容するための坩堝および前記坩堝を加熱するための加熱部材が内部に設けられる炉体と、
前記炉体内に設けられ、前記坩堝の上方に位置する熱シールドと、
前記熱シールドの内部に吊り下げられ、下端に種結晶軸が接続され、前記種結晶軸が前記シリコン融液の液面に対して接近するまたは離れるように前記種結晶軸が第１方向に沿って移動可能である重錘と、
前記熱シールドの上方に設けられ、種結晶軸および前記熱シールドの下縁の画素画像を取得するための撮像装置と、
前記撮像装置と信号接続され、前記熱シールドの下縁の画素画像に基づいて基準円をフィッティング可能であり、前記基準円が第２方向に沿って延在する基準線を有し、前記基準円の円心が前記基準線にあり、前記種結晶軸の画素画像の底辺が前記基準線と交差するとき、前記種結晶軸の底面が前記熱シールドの下縁と面一となる画像処理装置と、を備える、ことを特徴とする単結晶引き上げ装置。
前記撮像装置は、ＣＣＤカメラである、ことを特徴とする請求項９に記載の単結晶引き上げ装置。