JP7272249B2 - Single crystal growth method and single crystal growth apparatus - Google Patents

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Description

本発明は、チョクラルスキー法により単結晶を育成する単結晶育成方法および単結晶育成装置に関する。 The present invention relates to a single crystal growing method and a single crystal growing apparatus for growing a single crystal by the Czochralski method.

シリコン単結晶などの単結晶の製造方法として、チョクラルスキー法(以下、CZ法という)と呼ばれる方法が知られている。CZ法では、ルツボ内のシリコン融液の液面に種結晶を着液させ、種結晶を上方に引き上げることにより単結晶の製造が行われる。 A method called the Czochralski method (hereinafter referred to as the CZ method) is known as a method for producing single crystals such as silicon single crystals. In the CZ method, a single crystal is produced by placing a seed crystal on the liquid surface of a silicon melt in a crucible and lifting the seed crystal upward.

ところで、単結晶の育成中は、より高品質の単結晶を得るなどの目的で、熱遮蔽体とシリコン融液の液面との間のギャップ、育成されるシリコン単結晶の直径など様々なパラメータの監視が行われている。例えば、特許文献1には、シリコン融液の液面のレベルの異常を検知する装置が記載されている。 By the way, during the growth of the single crystal, various parameters such as the gap between the thermal shield and the liquid surface of the silicon melt, the diameter of the silicon single crystal to be grown, etc. are adjusted for the purpose of obtaining a single crystal of higher quality. is being monitored. For example, Patent Literature 1 describes an apparatus for detecting an abnormality in the liquid surface level of silicon melt.

特開平9-278586号公報JP-A-9-278586

ところで、特許文献1に記載の装置では、シリコン融液の液面のレベルの異常を検知することはできるが、シリコン融液の液面の形態に何らかの異常が生じた場合は、正常な計測ができなくなる。よって、液面に異常が生じた場合に、その異常を検知できるシステムが望まれている。 By the way, although the apparatus described in Patent Document 1 can detect an abnormality in the level of the silicon melt, normal measurement cannot be performed when some abnormality occurs in the shape of the liquid surface of the silicon melt. become unable. Therefore, a system capable of detecting an abnormality in the liquid surface is desired.

本発明は、チョクラルスキー法により単結晶を育成するにあたって、ルツボに収容された原料融液の液面の形態が正常か否かを即座に把握することができる単結晶育成方法および単結晶育成装置を提供することを目的とする。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention provides a single crystal growing method and a single crystal growing method that can immediately determine whether or not the liquid surface of a raw material melt contained in a crucible is normal when growing a single crystal by the Czochralski method. The purpose is to provide an apparatus.

本発明の単結晶育成方法は、チョクラルスキー法により単結晶を育成する単結晶育成方法であって、光源から出射した出射光を、上方からルツボに収容された原料融液の液面に対して照射し、前記原料融液の液面で反射した反射光を受光する照射受光工程と、前記照射受光工程における前記単位時間当たりの受光量に基づいて、前記原料融液の液面の形態が正常か否かを判定する判定工程と、を有することを特徴とする。 The single crystal growth method of the present invention is a single crystal growth method for growing a single crystal by the Czochralski method, in which light emitted from a light source is directed from above toward the liquid surface of a raw material melt contained in a crucible. and receiving the reflected light reflected by the liquid surface of the raw material melt, and based on the amount of light received per unit time in the irradiation and light receiving step, the shape of the liquid surface of the raw material melt is determined. and a determination step of determining whether or not the system is normal.

前記判定工程において、前記単位時間当たりの受光量が低下して、閾値より低くなった場合に、前記原料融液の液面の形態が正常でないと判定することが好ましい。 In the determining step, it is preferable to determine that the liquid surface of the raw material melt is not normal when the amount of light received per unit time decreases and becomes lower than a threshold value.

前記照射受光工程において、前記単結晶の直径が大きくなった場合に、前記単結晶の縁部と前記原料融液との界面に生じるメニスカスを検知するように、前記光源から出射した出射光が前記原料融液の液面に照射される位置を調整する構成としてもよい。
なお、メニスカスとは、単結晶の縁部と原料融液との界面において表面張力により生じる湾曲した液面形態である。
In the irradiation and light receiving step, when the diameter of the single crystal increases, the emitted light emitted from the light source is used to detect a meniscus generated at the interface between the edge of the single crystal and the raw material melt. A configuration may be adopted in which the position where the liquid surface of the raw material melt is irradiated is adjusted.
The meniscus is a curved liquid surface formed by surface tension at the interface between the edge of the single crystal and the raw material melt.

本発明の単結晶育成装置は、チョクラルスキー法により単結晶を育成する単結晶育成装置であって、原料融液が収容されたルツボと、上方から前記原料融液の液面に対して出射光を出射する光源と、前記原料融液の液面で反射した反射光を受光する受光部と、前記受光部における前記単位時間当たりの受光量に基づいて、前記原料融液の液面の形態が正常か否かを判定する判定部と、を有することを特徴とする。 A single crystal growth apparatus of the present invention is a single crystal growth apparatus for growing a single crystal by the Czochralski method. The shape of the liquid surface of the raw material melt is determined based on the light source that emits incident light, the light receiving section that receives the reflected light reflected by the liquid surface of the raw material melt, and the amount of light received by the light receiving section per unit time. and a judgment unit for judging whether or not is normal.

上記単結晶育成装置において、チャンバ外に配置され、上下方向に移動可能であり、前記光源から下方に出射された出射光を反射して窓部を介して前記チャンバ内に導くとともに前記反射光を反射して前記受光部に導く可動ミラーと、前記チャンバ内に配置され、前記可動ミラーによって前記チャンバ内に導かれた前記出射光を前記液面に向けて反射させるともに前記反射光を反射して前記窓部を介して前記チャンバ外に導くプリズムミラーと、を有する構成としてもよい。 In the single crystal growth apparatus described above, the single crystal growth apparatus is arranged outside the chamber, is movable in the vertical direction, reflects light emitted downward from the light source, guides it into the chamber through the window, and directs the reflected light to the chamber. a movable mirror that reflects and guides the light to the light receiving part; and a prism mirror leading out of the chamber through the window.

上記単結晶育成装置において、前記出射光は、前記単結晶の直径が大きくなった場合に、前記単結晶の縁部と前記原料融液との界面に生じるメニスカスを検知するように、前記可動ミラーの位置調整がされている構成としてもよい。 In the above single crystal growth apparatus, the emitted light is directed to the movable mirror so as to detect a meniscus generated at the interface between the edge of the single crystal and the raw material melt when the diameter of the single crystal increases. It is also possible to adopt a configuration in which the positions of are adjusted.

本発明によれば、受光量に基づいて原料融液の液面の形態が正常か否かを判定することによって、原料融液の液面の状態を即座に把握することができる。 According to the present invention, it is possible to immediately grasp the state of the liquid surface of the raw material melt by determining whether or not the shape of the liquid surface of the raw material melt is normal based on the amount of light received.

本発明の実施形態の引き上げ装置の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the pulling-up apparatus of embodiment of this invention. 本発明の実施形態の液面形態判定装置を図1とは異なる方向から見た概略図である。1. It is the schematic which looked at the liquid surface form determination apparatus of embodiment of this invention from the direction different from FIG. 可動ミラーの上下移動について説明する図である。It is a figure explaining the up-and-down movement of a movable mirror. シリコン単結晶とレーザ光との位置関係を説明する概略図である。It is a schematic diagram explaining the positional relationship between a silicon single crystal and a laser beam. シリコン単結晶の径の拡大により、レーザ光とメニスカスとが干渉した様子を説明する概略図である。FIG. 4 is a schematic diagram for explaining how a laser beam and a meniscus interfere with each other due to an increase in the diameter of a silicon single crystal; 本発明の実施形態の単結晶育成方法のフローチャートである。1 is a flow chart of a single crystal growth method according to an embodiment of the present invention; シリコン単結晶の直径と、受光頻度との関係を示すグラフである。4 is a graph showing the relationship between the diameter of a silicon single crystal and the frequency of light reception;

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
〔引き上げ装置〕
図1は、本発明の実施形態に係る引き上げ装置1の概略断面図である。図2は、引き上げ装置1に設けられている液面形態判定装置12を図1とは異なる方向から見た概略図である。図中には、構造の理解の容易化のため、互いに直交するX軸、Y軸およびZ軸を示す(他の図においても同様とする。)。X軸およびY軸は水平方向に対応し、Z軸は鉛直方向に対応する。
なお、図1は、液面形態判定装置12のレーザ光Lの軌跡を側方(Y軸に沿う方向)から見た図であり、図2は、レーザ光Lの軌跡を正面(X軸に沿う方向)から見た図である。また、図1においては、可動ミラー16とプリズムミラー17によりレーザ光Lが案内されているが、図2では、可動ミラー16とプリズムミラー17は省略している。
Preferred embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.
[Lifting device]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a lifting device 1 according to an embodiment of the invention. FIG. 2 is a schematic view of the liquid level determination device 12 provided in the lifting device 1, viewed from a direction different from that of FIG. In order to facilitate understanding of the structure, the drawing shows X, Y and Z axes that are orthogonal to each other (the same applies to other drawings). The X and Y axes correspond to the horizontal direction and the Z axis corresponds to the vertical direction.
1 is a view of the trajectory of the laser beam L of the liquid surface configuration determination device 12 viewed from the side (in the direction along the Y axis), and FIG. It is a diagram viewed from the direction along the line). 1, the laser beam L is guided by the movable mirror 16 and the prism mirror 17, but the movable mirror 16 and the prism mirror 17 are omitted in FIG.

引き上げ装置1は、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶Sを引き上げ、育成を行う装置である。図1に示されるように、引き上げ装置1は、外郭を構成するチャンバ2と、チャンバ2の中心部に配置されるルツボ3と、ヒーター4と、液面形態判定装置12と、を備えている。 A pulling apparatus 1 is an apparatus for pulling and growing a silicon single crystal S by the Czochralski method. As shown in FIG. 1, the pulling device 1 includes a chamber 2 forming an outer shell, a crucible 3 arranged in the center of the chamber 2, a heater 4, and a liquid surface shape determining device 12. .

ルツボ3は、鉛直方向上方から見て円形をなし、シリコン融液M(原料融液)が貯留される容器である。ルツボ3は、内側の石英ルツボ3Aと、外側の黒鉛ルツボ3Bとから構成される二重構造である。ルツボ3は、回転および昇降が可能でZ軸に沿って延びる支持軸5の上端部に固定されている。 The crucible 3 has a circular shape when viewed from above in the vertical direction, and is a container in which the silicon melt M (raw material melt) is stored. The crucible 3 has a double structure composed of an inner quartz crucible 3A and an outer graphite crucible 3B. The crucible 3 is fixed to the upper end of a support shaft 5 that can rotate and move up and down and extends along the Z axis.

ヒーター4は、ルツボ3内のシリコン融液Mを加熱する加熱装置である。ヒーター4は、円筒形状をなし、ルツボ3の外側においてルツボ3の中心軸Aと同軸状に配置されている。ヒーター4は、抵抗加熱式の所謂カーボンヒーターである。ヒーター4の外側には、チャンバ2の内面に沿って断熱材6が設けられている。 The heater 4 is a heating device that heats the silicon melt M in the crucible 3 . The heater 4 has a cylindrical shape and is arranged coaxially with the central axis A of the crucible 3 outside the crucible 3 . The heater 4 is a resistance heating type so-called carbon heater. A heat insulator 6 is provided outside the heater 4 along the inner surface of the chamber 2 .

ルツボ3の上方には、支持軸5と同軸上に引き上げ軸7が配置されている。引き上げ軸7は、ワイヤなどによって形成されている。引き上げ軸7は、軸回りに時計回りまたは反時計回りに所定の速度で回転する。引き上げ軸7の下端には種結晶SCが取り付けられている。引き上げ軸7は、種結晶SC(シリコン単結晶S)を、鉛直方向上方から見て時計回りまたは反時計回りに回転させる。 A pull-up shaft 7 is arranged coaxially with the support shaft 5 above the crucible 3 . The pull-up shaft 7 is made of wire or the like. The pull-up shaft 7 rotates around the shaft clockwise or counterclockwise at a predetermined speed. A seed crystal SC is attached to the lower end of the pulling shaft 7 . The pulling shaft 7 rotates the seed crystal SC (silicon single crystal S) clockwise or counterclockwise when viewed from above in the vertical direction.

チャンバ2内には、熱遮蔽体8が配置されている。熱遮蔽体8は、略円錐筒状をなし、ルツボ3内のシリコン融液Mの上方で育成中のシリコン単結晶Sを囲む。
熱遮蔽体8は、育成中のシリコン単結晶Sに対して、ルツボ3内のシリコン融液Mやヒーター4やルツボ3の側壁からの高温の輻射熱を遮断する。熱遮蔽体8は、結晶成長界面である固液界面の近傍に対しては、外部への熱の拡散を抑制し、単結晶中心部および単結晶外周部の引き上げ軸方向の温度勾配を制御する役割を担う。
A thermal shield 8 is arranged in the chamber 2 . The heat shield 8 has a substantially conical tubular shape and surrounds the silicon single crystal S being grown above the silicon melt M in the crucible 3 .
The heat shield 8 blocks high-temperature radiant heat from the silicon melt M in the crucible 3, the heater 4, and the side wall of the crucible 3 to the silicon single crystal S being grown. The heat shield 8 suppresses the diffusion of heat to the outside in the vicinity of the solid-liquid interface, which is the crystal growth interface, and controls the temperature gradient in the direction of the pulling axis at the central part of the single crystal and the outer peripheral part of the single crystal. play a role.

チャンバ2の上部には、ガス導入口10が設けられている。ガス導入口10は、アルゴンガスなどの不活性ガスGをチャンバ2内に導入する。チャンバ2の下部には、排気口11が設けられている。排気口11は、図示しない真空ポンプの駆動により、チャンバ2内の気体を吸引して排出する。ガス導入口10からチャンバ2内に導入された不活性ガスGは、育成中のシリコン単結晶Sと熱遮蔽体8との間を下降する。次いで、不活性ガスGは、熱遮蔽体8の下端とシリコン融液Mの液面との隙間を経た後、熱遮蔽体8の外側、さらにルツボ3の外側に向けて流れる。その後、不活性ガスGは、ルツボ3の外側を下降し、排気口11から排出される。 A gas introduction port 10 is provided in the upper portion of the chamber 2 . A gas inlet 10 introduces an inert gas G such as argon gas into the chamber 2 . An exhaust port 11 is provided at the bottom of the chamber 2 . The exhaust port 11 sucks and discharges the gas in the chamber 2 by driving a vacuum pump (not shown). The inert gas G introduced into the chamber 2 through the gas inlet 10 descends between the silicon single crystal S being grown and the thermal shield 8 . Next, the inert gas G passes through the gap between the lower end of the heat shield 8 and the liquid surface of the silicon melt M, and then flows outside the heat shield 8 and further outside the crucible 3 . After that, the inert gas G descends outside the crucible 3 and is discharged from the exhaust port 11 .

〔液面形態判定装置〕
液面形態判定装置12は、シリコン融液Mの液面MAの形態を判定する装置である。具体的には、液面形態判定装置12は、液面MAに波のように起伏が生じている形態など、液面MAの形態が正常ではない形態となったことを判定することができる装置である。
本発明の液面形態判定装置12は、光源から出射した出射光を液面MAで反射させ、受光装置で反射光を受光できるか否かを判定材料として液面MAの形態が正常か否かを判定する。
ここで、シリコン融液Mの液面MAの形態が正常でないとは、単結晶の育成に何らかの異常があり、正常に単結晶の育成が行われた場合には認められない液面MAの形態となっていることを言う。例えば、液面MAに波のような起伏が生じている形態が挙げられる。また、他の正常でない例としては、単結晶の育成に何らかの異常があり、正常に単結晶の育成が行われた場合には認められない、液面MAが湾曲した形態あるいは液面MAが傾斜した形態といった形態が挙げられる。また、単結晶の育成に何らかの異常がある具体的な例としては、装置の不具合により結晶直径の設定値を逸脱して結晶直径が大きくなること、ルツボ回転数の設定値を逸脱してルツボが回転すること、軸振れしてルツボが回転することが挙げられる。また、ヒューマンエラーにより作業者が設定した結晶直径の設定値や、ルツボ回転数の設定値が正しくない場合も挙げられ、さらに自然災害により単結晶の育成に支障が生じた場合、例えば、地震によりルツボ内融液が大きく揺れる場合も挙げられる。
[Liquid level determination device]
The liquid surface configuration determination device 12 is a device that determines the configuration of the liquid surface MA of the silicon melt M. As shown in FIG. Specifically, the liquid surface configuration determination device 12 is a device capable of determining that the configuration of the liquid surface MA is not normal, such as a configuration in which the liquid surface MA is undulating like waves. is.
The liquid surface form determination device 12 of the present invention reflects the light emitted from the light source on the liquid surface MA, and determines whether or not the form of the liquid surface MA is normal based on whether or not the reflected light can be received by the light receiving device. judge.
Here, the state that the shape of the liquid surface MA of the silicon melt M is not normal means that there is some abnormality in the growth of the single crystal, and the shape of the liquid surface MA that is not observed when the single crystal is normally grown. say that For example, there is a form in which undulations such as waves are generated on the liquid surface MA. In addition, as another abnormal example, there is some abnormality in the growth of the single crystal, and the liquid surface MA is curved or the liquid surface MA is inclined, which is not observed when the single crystal is grown normally. A form such as a form in which the In addition, as a specific example of some kind of abnormality in the growth of a single crystal, the crystal diameter deviates from the set value due to equipment failure and the crystal diameter increases, and the crucible rotation speed deviates from the set value and the crucible rotates. The crucible may be rotated due to axial runout. In addition, there are cases where the setting value of the crystal diameter or the setting value of the crucible rotation speed set by the operator is incorrect due to human error. A case in which the melt in the crucible shakes greatly may also be mentioned.

図1および図2に示されるように、液面形態判定装置12は、出射受光ユニット13と、可動ミラー16と、プリズムミラー17と、制御装置20と、表示装置23と、を有する。図2において液面MAへのレーザ光Lの入射角度θ1および反射角度θ2は、大きくして示しており、実際には角度θ1,θ2は5°以下の小さな角度である。すなわち、レーザ光Lは、液面MAに対して上方から垂直あるいは略垂直に照射される。 As shown in FIGS. 1 and 2, the liquid surface configuration determination device 12 has an emission/reception unit 13, a movable mirror 16, a prism mirror 17, a control device 20, and a display device . In FIG. 2, the incident angle .theta.1 and the reflection angle .theta.2 of the laser beam L on the liquid surface MA are shown enlarged, and actually the angles .theta.1 and .theta.2 are small angles of 5 degrees or less. In other words, the laser beam L is applied vertically or substantially vertically from above to the liquid surface MA.

出射受光ユニット13は、チャンバ2外に配置され、レーザ光Lを出射および受光するユニットである。出射受光ユニット13は、レーザ光L1(出射光)を出射する出射装置14と、レーザ光L2(反射光)を受光する受光装置15(受光部)と、を有する。
受光装置15は、入射してきたレーザ光L2を集光するレンズ18と、集光したレーザ光L2を検出するセンサ19と、を有する。
The emitting/receiving unit 13 is arranged outside the chamber 2 and is a unit that emits and receives the laser light L. As shown in FIG. The emission/reception unit 13 has an emission device 14 that emits the laser light L1 (emission light) and a light reception device 15 (light reception section) that receives the laser light L2 (reflection light).
The light receiving device 15 has a lens 18 that collects the incident laser beam L2 and a sensor 19 that detects the collected laser beam L2.

出射装置14は、例えば、光源として波長が400nm~550nmのレーザ光源を用いた装置である。このように、炉内から発生する黄色、赤色、近赤外波長のゴースト光の波長とは大きく異なるレーザ光源を用いることによって、ゴースト光の影響を受けにくくすることができる。出射装置14は、連続光のみならず、パルス状のレーザ光を出射することができる。 The emission device 14 is, for example, a device using a laser light source with a wavelength of 400 nm to 550 nm as a light source. In this way, by using a laser light source whose wavelengths are significantly different from those of yellow, red, and near-infrared ghost light emitted from the furnace, it is possible to reduce the influence of ghost light. The emission device 14 can emit not only continuous light but also pulsed laser light.

受光装置15のセンサ19として、CCDセンサなどの撮像素子を使用した場合、相対受光感度を向上させることができる。
レーザ光源の代替として、キセノン、水銀、ハロゲンなどの一般的な光源あるいはナトリウム線などの単一波長光源を用いることもできる。
When an imaging element such as a CCD sensor is used as the sensor 19 of the light receiving device 15, the relative light receiving sensitivity can be improved.
As an alternative to the laser light source, a general light source such as xenon, mercury or halogen or a single wavelength light source such as sodium line can be used.

可動ミラー16とプリズムミラー17は、出射装置14から出射されたレーザ光L1を液面MAに導くとともに、液面MAで反射したレーザ光L2を受光装置15に導くミラーである。
可動ミラー16は、チャンバ2外に配置されており、回動および昇降が可能なミラーである。
可動ミラー16を反射面16Bに沿って水平方向に延びる軸16Aを中心に回動させる(図1の矢印R)ことによって、レーザ光Lの光路の角度を変更することができる。
The movable mirror 16 and the prism mirror 17 are mirrors that guide the laser beam L1 emitted from the emitting device 14 to the liquid surface MA and guide the laser beam L2 reflected by the liquid surface MA to the light receiving device 15 .
The movable mirror 16 is arranged outside the chamber 2 and is a mirror that can rotate and move up and down.
The angle of the optical path of the laser light L can be changed by rotating the movable mirror 16 about the axis 16A extending horizontally along the reflecting surface 16B (arrow R in FIG. 1).

図3は、可動ミラー16の昇降(上下方向の移動)について説明する図である。図3に示されるように、可動ミラー16を上方に移動(図3の矢印U)させることによって、レーザ光Lの光路をシリコン単結晶Sの径方向外側に移動させることができる(移動前の光路を実線で、移動後の光路を二点鎖線で示す。)。
なお、本実施形態の可動ミラー16は、回動および昇降が可能な構成となっているが、光路を調整できればこれに限ることはなく、その他の機構を用いてもよい。また、光路を移動させる必要がなければ、固定のミラーを採用してもよい。
3A and 3B are diagrams for explaining the elevation (vertical movement) of the movable mirror 16. FIG. As shown in FIG. 3, by moving the movable mirror 16 upward (arrow U in FIG. 3), the optical path of the laser beam L can be moved outward in the radial direction of the silicon single crystal S (before movement). The optical path is indicated by a solid line, and the optical path after movement is indicated by a two-dot chain line.).
Although the movable mirror 16 of this embodiment is configured to be able to rotate and move up and down, other mechanisms may be used as long as the optical path can be adjusted. Also, if there is no need to move the optical path, a fixed mirror may be employed.

プリズムミラー17は、チャンバ2内に配置され、窓部2Aから入射されたレーザ光L1を液面MAに向けて反射させるとともに、液面MAから反射したレーザ光L2を窓部2Aを介して炉外に導くミラーである。 The prism mirror 17 is arranged in the chamber 2, reflects the laser beam L1 incident from the window portion 2A toward the liquid surface MA, and reflects the laser beam L2 reflected from the liquid surface MA to the furnace through the window portion 2A. It is a mirror leading outside.

液面形態判定装置12は、出射装置14から出射されたレーザ光L1が可動ミラー16およびプリズムミラー17で反射して液面MAに照射された後、反射光がプリズムミラー17および可動ミラー16で反射して受光装置15のセンサ19に受光されるように構成されている。
具体的には、液面形態判定装置12の各構成要素は、シリコン融液Mの液面MAが略平面である場合に、出射装置14から出射されたレーザ光Lが受光装置15で受光されるように位置調整されている。液面形態判定装置12の各構成要素がこのように調整されている場合、シリコン融液Mの液面MAが、略平面状でない場合は、レーザ光Lの反射光の方向が変化して受光装置15はレーザ光Lを受光しない。略平面状でない形態は、例えば、波のように起伏が生じている形態や、シリコン単結晶Sの縁部と液面MAとの界面に形成されるメニスカスMeが生じている形態を含む。
In the liquid surface form determination device 12, the laser light L1 emitted from the emission device 14 is reflected by the movable mirror 16 and the prism mirror 17, and the liquid surface MA is irradiated with the reflected light. It is configured to be reflected and received by the sensor 19 of the light receiving device 15 .
Specifically, each component of the liquid surface configuration determining device 12 receives the laser light L emitted from the emitting device 14 by the light receiving device 15 when the liquid surface MA of the silicon melt M is substantially flat. are positioned so that When each component of the liquid surface configuration determination device 12 is adjusted in this way, when the liquid surface MA of the silicon melt M is not substantially planar, the direction of the reflected light of the laser light L changes and the light is received. The device 15 does not receive the laser light L. The non-substantially planar shape includes, for example, a wave-like undulating shape and a meniscus Me formed at the interface between the edge of the silicon single crystal S and the liquid surface MA.

なお、メニスカスMeとは、シリコン単結晶Sの縁部とシリコン融液Mとの界面において表面張力により生じる湾曲した液面形態である。
また、シリコン融液Mの液面MAの傾斜が通常の傾斜でない場合、例えば、シリコン融液Mの液面MAが水平面であることが通常であり正常である場合に、液面MAが傾斜面になった場合もレーザ光Lの反射光の方向が変化して受光装置15はレーザ光Lを受光しない。
The meniscus Me is a curved liquid surface formed by surface tension at the interface between the edge of the silicon single crystal S and the silicon melt M. As shown in FIG.
Further, when the inclination of the liquid surface MA of the silicon melt M is not a normal inclination, for example, when the liquid surface MA of the silicon melt M is normal and normal, the liquid surface MA is an inclined surface. , the direction of the reflected light of the laser light L is changed and the light receiving device 15 does not receive the laser light L. FIG.

図1に示されるように、制御装置20は、出射装置14、可動ミラー16などを制御する装置制御部21と、判定部22とを有する。
装置制御部21は、単位時間当たり所定回数(例えば、1000パルス/秒)のパルス状のレーザ光Lを出射させるよう、出射装置14を制御する機能を有する。
判定部22は、受光装置15と電気的に接続されており、例えば、単位時間当たりに受光装置15がレーザ光L(反射光)を受光する受光量を監視する機能を有する。
上記は、パルス状のレーザ光Lを用いた場合であるが、連続光のレーザ光Lを用いても構わない。また、連続光のレーザ光Lを用いる場合に、出射装置14あるいは受光装置15に高速で開閉するシャッター(例えば、1000回の開閉/秒)を設置して、受光装置15で受光されるレーザ光Lを、見かけ上、パルス状にしても構わない。
As shown in FIG. 1 , the control device 20 has a device control section 21 that controls the emission device 14 , the movable mirror 16 and the like, and a determination section 22 .
The device control unit 21 has a function of controlling the emission device 14 so as to emit pulsed laser light L a predetermined number of times per unit time (for example, 1000 pulses/second).
The determination unit 22 is electrically connected to the light receiving device 15, and has a function of monitoring the amount of laser light L (reflected light) received by the light receiving device 15 per unit time, for example.
The above is the case of using the pulsed laser beam L, but the continuous laser beam L may be used. Further, when using continuous laser light L, a shutter that opens and closes at high speed (for example, 1000 times/sec) is installed in the emitting device 14 or the light receiving device 15, and the laser light received by the light receiving device 15 is L may appear to be pulsed.

判定部22は、監視されるレーザ光Lの単位時間当たりの受光量の低下に基づいてシリコン融液Mの液面MAの形態が正常か否かを判定する機能を有する。判定部22は、受光量が設定された閾値(例えば、レーザ光の出射量の20%)より低くなった場合に、シリコン融液Mの液面MAの形態が正常でないと判定し、表示装置23に、例えば、「受光量低下」などの文字情報を表示させて、作業者に警報を発する。
なお、受光量の閾値は、レーザ光の出射量を基準にして設定され、必ずレーザ光の出射量よりも小さな値に設定されるが、受光装置15が受光する光の中にはノイズも含まれるため、閾値をレーザ光の出射量の0%とすることは好ましくない。
The judging section 22 has a function of judging whether or not the form of the liquid surface MA of the silicon melt M is normal based on the decrease in the amount of light received per unit time of the laser beam L monitored. When the amount of received light is lower than a set threshold value (for example, 20% of the amount of emitted laser light), the determination unit 22 determines that the shape of the liquid surface MA of the silicon melt M is not normal. 23, for example, character information such as "receiving amount decreased" is displayed to warn the operator.
Note that the threshold for the amount of received light is set based on the amount of emitted laser light, and is always set to a value smaller than the emitted amount of laser light. However, the light received by the light receiving device 15 includes noise. Therefore, it is not preferable to set the threshold to 0% of the emitted amount of laser light.

一方、パルス状のレーザ光L、あるいは、見かけ上のパルス状のレーザ光Lを用いる場合、受光したレーザ光Lの単位時間当たりの受光頻度(パルスのカウント数)を受光量としても構わない。
例えば、出射頻度が1000パルス/秒のパルス状のレーザ光Lを用いた場合、受光頻度が200回/秒より低くなった場合に「受光量低下」と表示するように設定することができる。
On the other hand, when a pulsed laser beam L or an apparent pulsed laser beam L is used, the frequency of light reception (pulse count) per unit time of the received laser beam L may be used as the amount of received light.
For example, when a pulsed laser beam L with an emission frequency of 1000 pulses/second is used, it can be set to display "receiving amount decreased" when the light receiving frequency is lower than 200 times/second.

本実施形態の液面形態判定装置12は、シリコン単結晶Sの縁部とシリコン融液Mとの界面に生じるメニスカスMeを検出するように構成されている。具体的には、液面形態判定装置12は、シリコン単結晶Sの直径が、作業者によって設定された設定値より大きくなった場合に、メニスカスMeを検知するように、出射装置14から出射したレーザ光Lがシリコン融液Mの液面MAに照射される位置が調整されている。
すなわち、本実施形態の液面形態判定装置12は、レーザ光Lが湾曲したメニスカスMeに照射されることにより、レーザ光Lの受光量が低下するのを利用して、シリコン単結晶Sの直径を監視する。
The liquid surface configuration determination device 12 of this embodiment is configured to detect the meniscus Me generated at the interface between the edge of the silicon single crystal S and the silicon melt M. As shown in FIG. Specifically, when the diameter of the silicon single crystal S becomes larger than the set value set by the operator, the liquid surface configuration determination device 12 emits from the emission device 14 so as to detect the meniscus Me. The position at which the liquid surface MA of the silicon melt M is irradiated with the laser light L is adjusted.
That is, the liquid surface shape determining apparatus 12 of the present embodiment utilizes the decrease in the amount of received laser light L due to the irradiation of the curved meniscus Me with the laser light L, so that the diameter of the silicon single crystal S to monitor.

図4に示されるように、作業者は、所望の直径とされたシリコン単結晶Sの径方向外側であって、所望の直径とされたシリコン単結晶Sの外周面との距離が、例えば10mmの位置にレーザ光Lが照射されるように可動ミラー16を調整する。
本実施形態の引き上げ装置1は、シリコン単結晶Sの直径が300mm(半径150mm)となるように調整されている。これに対応して、液面形態判定装置12を、レーザ光Lがシリコン単結晶Sの中心軸Aから160mm離れた液面MA上で反射するように位置調整する。シリコン単結晶Sの直径は、300mmに限らず、適宜設定を変更することができる。
As shown in FIG. 4, the operator sets the distance between the silicon single crystal S having the desired diameter in the radial direction and the outer peripheral surface of the silicon single crystal S having the desired diameter by, for example, 10 mm. The movable mirror 16 is adjusted so that the laser beam L is irradiated at the position of .
The pulling apparatus 1 of this embodiment is adjusted so that the diameter of the silicon single crystal S is 300 mm (radius 150 mm). Correspondingly, the position of the liquid surface configuration determination device 12 is adjusted so that the laser light L is reflected on the liquid surface MA 160 mm away from the central axis A of the silicon single crystal S. The diameter of the silicon single crystal S is not limited to 300 mm, and can be appropriately changed.

このように、引き上げ装置1および液面形態判定装置12を設定すると、図4に示されるように、シリコン単結晶Sの直径が正しく300mmであると、出射装置14から出射されたレーザ光Lは、略平面状の液面MAで反射し、受光装置15によって受光される。すなわち、レーザ光Lは、メニスカスMeの影響を受けることなく、平面状の液面MAで反射する。メニスカスMeの径方向の幅は、5mmとする。 When the pulling device 1 and the liquid level determination device 12 are set in this way, as shown in FIG. , is reflected by the substantially planar liquid surface MA, and is received by the light receiving device 15 . That is, the laser beam L is reflected by the planar liquid surface MA without being affected by the meniscus Me. The radial width of the meniscus Me is 5 mm.

一方で、何らかの原因で引き上げ中にシリコン単結晶Sの直径が変動し、310mmより大きくなる(シリコン単結晶Sの直径が10mm大きくなる)と、図5に示されるように、シリコン単結晶Sの縁部とシリコン融液Mとの界面に生じるメニスカスMeが径方向外側に移動し、レーザ光LはメニスカスMeと干渉する。
これにより、レーザ光Lは通常とは異なる方向に反射し、受光装置15によって受光されなくなり、判定部22によって監視されるレーザ光Lの受光量が低下する。
On the other hand, if the diameter of the silicon single crystal S fluctuates for some reason during the pulling and becomes larger than 310 mm (the diameter of the silicon single crystal S increases by 10 mm), the diameter of the silicon single crystal S increases as shown in FIG. The meniscus Me generated at the interface between the edge and the silicon melt M moves radially outward, and the laser light L interferes with the meniscus Me.
As a result, the laser beam L is reflected in a direction different from the normal direction, and is not received by the light receiving device 15, so that the amount of received laser beam L monitored by the determination unit 22 is reduced.

次に、具体的なシリコン単結晶Sの育成方法について説明する。
CZ法によるシリコン単結晶Sの引き上げは、ルツボ3内に投入されたシリコンを加熱して融液状態とし、シリコン融液Mに種結晶SCを着床させ、引き上げ軸7により種結晶SCを上方に引き上げることにより行われる。
Next, a specific method for growing the silicon single crystal S will be described.
The pulling of the silicon single crystal S by the CZ method involves heating the silicon charged into the crucible 3 to a molten state, implanting the seed crystal SC in the silicon melt M, and lifting the seed crystal SC upward by the pulling shaft 7 . This is done by raising the

図6に示すように、本実施形態の単結晶育成方法は、レーザ光Lを照射および受光する照射受光工程S1と、液面MAの形態を判定する判定工程S2と、表示工程S3と、を有する。 As shown in FIG. 6, the single crystal growth method of the present embodiment includes an irradiation/receiving step S1 for irradiating and receiving a laser beam L, a determination step S2 for determining the form of the liquid surface MA, and a display step S3. have.

照射受光工程S1は、出射装置14から出射したレーザ光Lをミラー16,17を介してシリコン融液Mの液面MAに対して単位時間当たりに所定回数照射するとともに、液面MAで反射した反射光を受光する工程である。
判定工程S2は、照射受光工程S1における単位時間当たりの受光量に基づいて、シリコン融液Mの形態を判定する工程である。
表示工程S3では、判定部22は、受光量が設定された閾値より低くなった場合に、表示装置23に「受光量低下」と表示する。本実施形態の液面形態判定装置12は、シリコン単結晶Sの縁部とシリコン融液Mとの界面に生じるメニスカスMeを検出するように構成されているため、作業者は、シリコン単結晶Sの直径が所望の直径よりも大きくなっていることを把握することができる。
In the irradiation and light receiving step S1, the laser beam L emitted from the emitting device 14 is irradiated to the liquid surface MA of the silicon melt M through the mirrors 16 and 17 a predetermined number of times per unit time, and the laser beam L is reflected by the liquid surface MA. This is the step of receiving reflected light.
The determining step S2 is a step of determining the form of the silicon melt M based on the amount of light received per unit time in the irradiation/receiving step S1.
In the display step S3, the determination unit 22 displays "decrease in the amount of received light" on the display device 23 when the amount of received light becomes lower than the set threshold value. Since the liquid surface configuration determination device 12 of the present embodiment is configured to detect the meniscus Me generated at the interface between the edge of the silicon single crystal S and the silicon melt M, the operator can detect the silicon single crystal S is larger than the desired diameter.

図7は、図示しない光学式の直径測定装置によって測定されたシリコン単結晶Sの直径と、レーザ光Lの受光頻度(受光量)との関係を示すグラフである。図7において、横軸は、シリコン単結晶Sの直径の設定値(例えば、310mm)に対する相対値であり、縦軸は受光装置15の受光回数である。レーザ光Lは、1000パルス/秒のパルス状であり、受光回数は、5秒間に受光装置15がレーザ光Lを受光した回数である。従って、5秒間の出射回数は、5000パルスである。 FIG. 7 is a graph showing the relationship between the diameter of the silicon single crystal S measured by an optical diameter measuring device (not shown) and the frequency of receiving the laser beam L (the amount of received light). In FIG. 7, the horizontal axis represents the relative value of the diameter of the silicon single crystal S (for example, 310 mm), and the vertical axis represents the number of times the light receiving device 15 receives light. The laser light L has a pulse shape of 1000 pulses/second, and the number of times of light reception is the number of times the light receiving device 15 receives the laser light L in 5 seconds. Therefore, the number of times of emission for 5 seconds is 5000 pulses.

図7からわかるように、シリコン単結晶Sの直径が設定値(310mm)よりも小さい場合は、受光頻度が高く、設定値の前後で受光回数が1000回以下となり、受光頻度が20%以下となっていることがわかる。この結果から、液面形態判定装置12を用いてシリコン単結晶Sの直径が所定の値を超えたことを判定することができることがわかる。 As can be seen from FIG. 7, when the diameter of the silicon single crystal S is smaller than the set value (310 mm), the frequency of light reception is high, the frequency of light reception is 1000 times or less before and after the set value, and the frequency of light reception is 20% or less. I know it's happening. From this result, it can be seen that it is possible to determine that the diameter of the silicon single crystal S has exceeded a predetermined value using the liquid level determination device 12 .

上記実施形態によれば、液面形態判定装置12を用いて、シリコン融液Mの液面MAが略平面状ではない形態となったことを判定することによって、シリコン単結晶Sの直径が所定の値を超えたことを判定することができる。
また、受光量を判定材料とすることによって、シリコン単結晶Sの直径の増加を即座に把握することができる。
According to the above-described embodiment, by using the liquid level determination device 12 to determine that the liquid surface MA of the silicon melt M is not substantially planar, the diameter of the silicon single crystal S is determined to be a predetermined value. It can be determined that the value of
Further, by using the amount of light received as a criterion for determination, an increase in the diameter of the silicon single crystal S can be immediately grasped.

また、レーザ光Lをチャンバ2内に導くミラーとして昇降可能な可動ミラー16とプリズムミラー17を採用したことによって、レーザ光Lの光路の径方向の位置を自在に調整することができる。これにより、様々直径のシリコン単結晶Sに対応した液面形態判定装置12とすることができる。 Further, by adopting the vertically movable mirror 16 and the prism mirror 17 as mirrors for guiding the laser light L into the chamber 2, the radial position of the optical path of the laser light L can be freely adjusted. As a result, the liquid surface configuration determination device 12 can be adapted to handle silicon single crystals S having various diameters.

〔別の実施形態〕
上記実施形態では、液面形態判定装置12を用いて、シリコン単結晶Sの直径を監視しているが、これに限ることはない。例えば、液面形態判定装置12を用いて、ルツボ3の回転に伴う液面MAの揺らぎを監視する構成としてもよい。
このような構成によれば、ルツボ3の回転不良などを即座に把握することができる。
[Another embodiment]
In the above embodiment, the diameter of the silicon single crystal S is monitored using the liquid level determination device 12, but the invention is not limited to this. For example, the liquid surface form determination device 12 may be used to monitor the fluctuation of the liquid surface MA due to the rotation of the crucible 3 .
According to such a configuration, it is possible to immediately grasp the rotation failure of the crucible 3 or the like.

なお、本発明は上記実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の改良ならびに設計の変更などが可能である。
例えば、上記実施形態では、引き上げ装置1を用いてシリコン単結晶Sを製造したが、これに限ることはない。例えば、ルツボにゲルマニウム融液を収容してゲルマニウム単結晶を製造してもよい。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various improvements and design changes are possible without departing from the scope of the present invention.
For example, in the above embodiment, the silicon single crystal S was manufactured using the pulling apparatus 1, but the present invention is not limited to this. For example, a germanium single crystal may be produced by placing a germanium melt in a crucible.

1…引き上げ装置、2…チャンバ、3…ルツボ、4…ヒーター、5…支持軸、6…断熱材、7…引き上げ軸、8…熱遮蔽体、10…ガス導入口、11…排気口、12…液面形態判定装置、13…出射受光ユニット、14…出射装置(光源)、15…受光装置、16…可動ミラー、17…プリズムミラー、18…レンズ、19…センサ、20…制御装置、21…装置制御部、22…監視部、23…表示装置、A…中心軸、L…レーザ光、M…シリコン融液、MA…液面、Me…メニスカス、S…シリコン単結晶、SC…種結晶。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Lifting device, 2... Chamber, 3... Crucible, 4... Heater, 5... Support shaft, 6... Heat insulating material, 7... Lifting shaft, 8... Thermal shield, 10... Gas inlet, 11... Exhaust port, 12 Liquid surface configuration determination device 13 Output/receiving unit 14 Output device (light source) 15 Light receiving device 16 Movable mirror 17 Prism mirror 18 Lens 19 Sensor 20 Control device 21 Device control unit 22 Monitoring unit 23 Display device A Central axis L Laser beam M Silicon melt MA Liquid surface Me Meniscus S Silicon single crystal SC Seed crystal .

Claims (8)

チョクラルスキー法により単結晶を育成する単結晶育成方法であって、
光源から出射したレーザ光を、上方からルツボに収容された原料融液の液面に対して照射し、前記原料融液の液面で反射したレーザ光をパルス状に受光する照射受光工程と、
前記照射受光工程における単位時間当たりの前記レーザ光の受光量に基づいて、前記原料融液の液面の形態が正常か否かを判定する判定工程と、を有することを特徴とする単結晶育成方法。
A single crystal growing method for growing a single crystal by the Czochralski method,
an irradiation/receiving step of irradiating a laser beam emitted from a light source from above onto the liquid surface of the raw material melt contained in the crucible, and receiving the laser beam reflected by the liquid surface of the raw material melt in a pulsed form ;
a determination step of determining whether or not the surface of the raw material melt is normal based on the amount of the laser light received per unit time in the irradiation and light receiving step. Single crystal growth method.
前記受光量は、前記パルス状に受光したレーザ光の単位時間当たりの受光頻度であることを特徴とする請求項1に記載の単結晶育成方法。2. The method of growing a single crystal according to claim 1, wherein the amount of light received is the frequency of light received per unit time of the pulsed laser light. 前記判定工程において、前記単位時間当たりの前記レーザ光の受光量が閾値より低くなった場合に、前記原料融液の液面の形態が正常でないと判定することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の単結晶育成方法。 2. In the determining step, it is determined that the liquid surface of the raw material melt is not normal when the amount of received laser light per unit time is lower than a threshold value. Item 3. The method for growing a single crystal according to item 2 . 前記照射受光工程において、前記単結晶の直径が大きくなった場合に、前記単結晶の縁部と前記原料融液との界面に生じるメニスカスを検知するように、前記光源から出射したレーザ光が前記原料融液の液面に照射される位置を調整することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の単結晶育成方法。 In the irradiation and light receiving step, when the diameter of the single crystal increases, the laser light emitted from the light source is used to detect a meniscus generated at the interface between the edge of the single crystal and the raw material melt. 4. The method for growing a single crystal according to any one of claims 1 to 3, wherein the position of irradiation on the liquid surface of the raw material melt is adjusted. チョクラルスキー法により単結晶を育成する単結晶育成装置であって、
原料融液が収容されたルツボと、
上方から前記原料融液の液面に対してレーザ光を出射する光源と、
前記原料融液の液面で反射したレーザ光をパルス状に受光する受光部と、
前記受光部における単位時間当たりの前記レーザ光の受光量に基づいて、前記原料融液の液面の形態が正常か否かを判定する判定部と、を有することを特徴とする単結晶育成装置。
A single crystal growth apparatus for growing a single crystal by the Czochralski method,
a crucible containing the raw material melt;
a light source that emits a laser beam from above toward the liquid surface of the raw material melt;
a light-receiving unit that receives a pulsed laser beam reflected by the surface of the raw material melt;
a determination unit that determines whether or not the liquid surface of the raw material melt is normal based on the amount of the laser light received by the light receiving unit per unit time. Crystal growing device.
前記受光部で受光されるパルス状のレーザ光は、前記光源からパルス状に出射されたレーザ光、または、前記光源から出射された連続光のレーザ光をシャッターでパルス状にしたレーザ光であることを特徴とする請求項5に記載の単結晶育成装置。The pulsed laser light received by the light-receiving unit is pulsed laser light emitted from the light source, or pulsed continuous laser light emitted from the light source by a shutter. The single crystal growth apparatus according to claim 5, characterized in that: チャンバ外に配置され、上下方向に移動可能であり、前記光源から下方に出射されたレーザ光を反射して窓部を介して前記チャンバ内に導くとともに前記レーザ光を反射して前記受光部に導く可動ミラーと、
前記チャンバ内に配置され、前記可動ミラーによって前記チャンバ内に導かれた前記レーザ光を前記液面に向けて反射させるともに前記レーザ光を反射して前記窓部を介して前記チャンバ外に導くプリズムミラーと、を有する請求項5または請求項6に記載の単結晶育成装置。
The laser light emitted downward from the light source is reflected and guided into the chamber through a window portion, and the laser light is reflected to the light receiving portion. A movable mirror that guides,
a prism arranged in the chamber for reflecting the laser light guided into the chamber by the movable mirror toward the liquid surface, reflecting the laser light, and guiding the laser light out of the chamber through the window; 7. The single crystal growth apparatus according to claim 5, further comprising a mirror.
前記レーザ光は、前記単結晶の直径が大きくなった場合に、前記単結晶の縁部と前記原料融液との界面に生じるメニスカスを検知するように、前記可動ミラーの位置調整がされていることを特徴とする請求項に記載の単結晶育成装置。 The position of the movable mirror is adjusted so that the laser beam detects a meniscus generated at the interface between the edge of the single crystal and the raw material melt when the diameter of the single crystal increases. The single crystal growth apparatus according to claim 7 , characterized in that:
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