JPH01313385A

JPH01313385A - 半導体単結晶の直径制御方法

Info

Publication number: JPH01313385A
Application number: JP14201288A
Authority: JP
Inventors: Hideo Ishizu; 秀雄石津; Mikio Tanabe; 幹雄田辺; Daiya Aoki; 青木　大也
Original assignee: Kokusai Electric Corp
Current assignee: Kokusai Electric Corp
Priority date: 1988-06-09
Filing date: 1988-06-09
Publication date: 1989-12-18
Anticipated expiration: 2010-06-14
Also published as: JPH0755878B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（発明の属する技術分野）本発明は、チョクラルスキー法（ＣＺ法）による半導体
単結晶の育成引上装置における単結晶の直径制御方法に
関するものである。

（従来の技術と問題点）ＣＺ法による半導体単結晶の育成引上装置において、単
結晶の直径を一定にする自動制御方法としては、従来、
引上げられる単結晶の直径を測定検出して引上速度を自
動的に制御する引上速度制御法が用いられていた。

この引上速度制御法は、第１図に示す制御系のブロック
図のように速度制御系Ａと温度制御系Ｂとからなり、次
の制御動作を行うものである。

まず速度制御系Ａはフィードバック制御を行うものであ
り、単結晶を引上げる駆動部３は、直径設定器１で生成
された直径設定値り、と駆動部３によって引上げられる
単結晶の直径を直径計測部５で測定しフィードバックさ
れる直径測定値Ｍ１とを加算器４に入力して得られる偏
差ε１をＰＩＤ演算器２で演算した出力を変換器６で変
換した操作量Ｍ２によって駆動され、引上げられる単結
晶の直径が太くなると引上速度を上げ、細くなると引上
速度を下げて所望の直径になるように引上げ速度変動の
補正が行われる。さらに、この操作ｆｆｉ　Ｍ　ｔすな
わち計算された引上設定速度と目標速度設定器７で生成
した理想値としての引上目標速度Ｓ１とを加算器９に入
力して得られる偏差ε２をＰＩＤ演算器８で演算させ、
その速度差分を変換器１０によって温度補正骨に変換し
た操作量Ｍ３は、速度制御系への出力として温度制御系
Ｂに与えられる。

温度制御系Ｂも速度制御系Ａと同様にフィードバック制
御により加熱源１３の温度を制御するものであり、加熱
源１３は、温度設定器１１によって生成される温度設定
値Ｔ、と速度制御系Ａから与えられる操作量Ｍ、と加熱
源１３によって加熱される炉の温度を温度計測部１６で
測定される温度測定値Ｍ。

とを加算器１４に入力して得られる偏差ε３をＰＩＤ演
算器工２で演算させた出力を変換器１５によって加熱源
１３の電気ヒータに加える電圧の位相を変化させる操作
量Ｍ、に変換して操作される。

以上の制御系におけるＰＩＤ演算器２．８．１２は、比
例動作（Ｐ）と積分動作（りと微分動作（Ｄ）とを同時
に行うための演算器であり、いずれもフィードバック制
御における制御動作で一般に用いられるものである。

例えば、ＰＩＤ演算器２に入力される偏差ε。

は、ε、＝Ｄ、−Ｍ、で示され、この偏差ε、はＰＩＤ
演算器２で次式のように演算されて出力される。

但し、Ｋｐｌは比例利得、Ｔ１１は積分時間、ＴＤＩは
微分時間、Ｍｚ（ｏ）は初期操作量である。

この出力Ｍｚ（ｔ）は、Ｍ２が時間ｔの関数であること
を示している。同様に・して、他のＰＩＤ演算器８．１
２の各出力Ｍ、、Ｍ、も時間の関数として示される。

以上のように速度制御系Ａと温度制御系Ｂとからなる全
体のシステムでは、引上げられる単結晶の直径と加熱ヒ
ータの温度とをそれぞれ実測してからフィードバックさ
れ、制御操作量は時間ｔの関数として演算されるもので
ある。

第３図は、従来の単結晶の引上時間に対する引上速度の
特性例を示し、第４図（ａ）、　（ｂ）は単結晶の引上
部の主要断面図を示す。第４図は、ルツボ４１の中の融
液４２がヒータ４４（加熱源１３）で加熱され単結晶４
３が回転しながら上方に引上げられるときの融液４２が
単結晶４３に変る界面４５の様子を示している。

さて前述のように、従来の直径制御法では、引上単結晶
の直径を実測してフィードバック制御しているため、第
３図に示すように、目標速度ｖ０に対して実際の引上げ
速度Ｖ、は短い時間変化に対して修正動作ができるが、
例えば通常の引上げに要する２０時間に及ぶ長い時間変
化に対しては速度の修正動作が追随できず破線■、のよ
うな“うねり”を生ずる。この“うねり”は、直径を一
定にしようと速度制御するときの加熱のゆるい動きによ
って生ずると考えられる。

引上速度にこの“うねり”が生ずると、引上速度ｖ、が
目標速度ｖ０より速い場合、第４図（ａ）に示すように
単結晶４３と融液４２の界面４５が上に凸状になり、遅
い場合は（ｂ）に示すように凹状になる。

この界面の状態は単結晶の物理的性質に大きな影響があ
り、界面の凹凸の変化があるとウェハにしたとき、−枚
のウェハ内の物理的特性が一様でなくなりベレットにし
た時のバラツキが大きく単結晶としての品質を低下させ
る原因になる。

一方、引上装置では、単結晶４３の引上げが進むにつれ
て融液４２が減少した分るつぼ４１を上へ移動させ融液
表面の水平位置を一定に保つような構造になっている。

単結晶の直径を一定にし、引上単結晶からの放熱量と融
液の潜熱の差を一定に保ち、かつ、界面４５が凸状、凹
状にならないように水平に保つためには、引上げが終わ
りに近づくにつれてるつぼ４１が上へ移動して固定ヒー
タ４４とるつぼ４１の間隔が太き（なるので、ヒータ４
４の加熱量を増加し、引上げ速度を遅くする必要がある
。しかし、フィードバックすなわち実測検出してから制
御する方法を主体として直径を一定にしようとする従来
の制御系では、第３図に示すように“うねり”として示
される平均速度■、は引上げが終わりに近づくにつれて
目標速度ｖ０より速くなり、また加熱量を増やしきれな
いため、界面４５が異常に凸状となって結晶の引上終端
部に大きな熱履歴を生じ所望の物理的性質が得られない
ばかりでなく、引上単結晶が引上の途中でちぎれる恐れ
もあった。以上のような現象のため均一な物理的特性を
もつ単結晶を再現性よく得られることができないという
欠点があった。その上、温度制御系Ｂは作業者が育成中
の単結晶を観察しながら温度設定器１１を手動で操作し
ているため、一つの単結晶を引上げるために２０時間に
も及ぶ長時間に亘って熟練した作業者を必要としていた
。

（発明の目的）本発明の目的は、時間ｔの関数としてのフィードバック
速度制御系を主とした従来の直径制御による上述の欠点
を解決するために、引上げ単結晶の長さまたは重量の関
数としての温度変化パターンを予め求め、その温度変化
パターンに従って温度制御系を動作させるフィードフォ
ワード制御系（予測制御系）を付加することによって、
均一な直径でしかも良品質の再現性のある安定な直径制
御を行う半導体単結晶の直径制御方法を提供することに
ある。

（発明の構成）本発明による半導体単結晶の直径制御方法は、ＣＺ法に
よる半導体単結晶引上装置で所望の長さまたは所望の重
量の半導体単結晶を育成し引上げる場合の直径制御方法
において、該直径制御方法は前記半導体単結晶の引上げ
駆動部の引上速度を制御する速度制御系と前記半導体単
結晶の融液の加熱温度を制御する温度制御系とからなり
、該温度制御系には温度設定器の出力を制御するプログ
ラム制御器を備え、該プログラム制御器に引上げられる
前記半導体単結晶の長さの変化または重量の変化に対応
して実測された所望の温度変化パターンを前記所望の長
さ又は前記所望の重量を複数分割した区分毎に折線近似
した温度変化パターンとして予め入力設定し、前記引上げ駆動部に設けられた前記引上げられる半導体
単結晶の引上げ長さまたは重量を検出する検出器の出力
を前記プログラム制御器に入力することによって前記加
熱温度の変化を前記折線近似した温度変化パターンに従
って制御することを特徴とするものである。

以下図面によって本発明の詳細な説明する。

第２図は、本発明の実施例を示す直径制御系のブロック
図を示す。速度制御系Ａは第１図の従来の方法とほぼ同
じであるが、駆動部３によって引上げられる単結晶の長
さ２を例えばロークリエンコーダで検出するか、または
重ＩＷを例えばロードセル（歪ゲージ）などで検出する
検出器１９を設け、その検出器１９の出力Ｍ６を、温度
制御系Ｂに付加した温度変化プログラム制御器１７に入
力し、そのプログラム制御器１７の出力Ｔ２と温度設定
器１１の出力ＴＩとを加算器１８で加算し、その出力Ｔ
１゜を加算器１４に入力した構成を有している。

第５図は、第２図の制御系の実施例による引上単結晶の
長さｌまたは重１ｗに対する直径ｄ、引上速度Ｖ、加熱
源の温度Ｔのそれぞれ所望の特性例を示す。図において
、所望の長さ１０または重量Ｗ０の単結晶を引上げる場
合、直径ｄを一定にし、かつ均一な品質を得るための本
実施例による引上速度Ｖと加熱温度Ｔを示し、従来の時
間りを関数とする速度制御系を主とした直径制御方法で
は、前述のように引上後半で引上速度がＶ”のように速
くなり、加熱温度がＴ゛のように・追随できないことを
示している。

本発明では、実験で求めた長さ！の変化に対する理想的
な加熱温度変化Ｔの２点鎖線で示す曲線を、所望の長さ
！。をｊ！１ｊ２ｔ、−・・−１，、、のように複数分
割して折線近似を行い、分割区間毎に単位長さ当たりの
温度勾配Ｒ，，Ｒ，，・−Ｒ，を求めて温度変化パター
ンとしてプログラム制御器１７に予め入力設定する０本
実施例では５分割の例を示しである。

プログラム制御が開始されると、第２図の検出器１９で
逐一検出される長さ！の検出５１Ｍ、＝　ｆ　。

がプログラム制御器１７に入力され、検出長さβ８がど
の区分に相当するかによって予め設定された温度変化パ
ターンの分割区間毎の単位長さ当りの温度変化分（温度
勾配）Ｔ２がプログラム制御器１７から出力されて加算
器１８に加えられ、温度設定器１１の出力Ｔ１と加算さ
れてＴ、＋となり加算器１４に入力される。加算器１４
でこのＴＩ’と温度制御系Ａからの出力Ｍ、と温度測定
値Ｍ、とを加算した偏差ε、゛をＰＩＤ演算器１２で演
算させ、その出力を変換器１５によって変換された操作
量Ｍ　４　’で加熱源１３が操作される。

温度変化バクーンは、重量Ｗを関数として設定する場合
は、検出器１９では重量を検出することはいうまでもな
い。

このような本発明の主要部分であるプログラム制御器１
７の動作フローチャートを第６図に示す。

図において■〜［相］は各ステップの番号であり、「距
離」は「引上開始点からの単結晶の長さ」を示す。プロ
グラム制御器１７の動作開始（ステップ■）により制御
開始時の距離２．が入力される（ステップ■）。引上開
始点からプログラム制御を行うときは２．−０であるが
、引上途中からプログラム制御を始める時は、その時点
の距離ｆｆｉ、を示す。ステップ■では、引上単結晶の
全長１０を５区分に分割した例を示しである。Ｎはカウ
ンタの計数値であり、制御開始時は常にＯにリセットさ
れ、区分数をカウントする。ステップ■では予め入力設
定しである実測によって求めた温度変化パターンを折線
近似した区分を示す距Ｒｕｔ、ｚ□。

・・・・ｌｓを読み出し、ステップ■で、開始時入力さ
れた距離１１と設定距離！−１＋ｊｌ！！＋・・・・ｌ
、が順次比較され、開始時の距離１５が設定距離２．よ
り小さいときはステップ■に進み、設定距離２１を超え
て引上途中から制御を開始するときはステップ■で１カ
ウント（１区分）ずつ進められ、ステップ■に戻って繰
り返しステップ■で判断され該当区分になったときステ
ップ■に進む。

ステップ■では第２図の検出器１９から逐−例えばＯ，
ｌａｍ毎に繰り返し入力される現在距離の測定値Ｍ６＝
ｌＸが入力され、ステップ■で設定距離２、．２．、・
・・・ｌ、と順次比較され、現在距＃Ｉ！８が小さいと
き次のステップ■で、例えば単位長さ１■に対する温度
変化分すなわち温度勾配ＲＩＩＲ２゜・・・・Ｒ３のい
ずれかのうち現在区分に対応する温度勾配を読み出し次
のステップ［相］で該当区分の温度変化分子ｔが計算さ
れる。すなわち、温度変化分子２は次式で示される。

Ｔｚ＝（Ａ、−Ｉｌ、）ＸＲＮ但し、（１）ＲＮ＝Ｒ，、Ｒ，、、、・・Ｒ３で、現在
距ｆｉｆｆｉ、が該当する区分の値を示す。

（２）ｆｆｉ、は１回前に測定された現在距離を示す。

ステップ［相］で算出された温度変化分子２をステップ
■で出力するとともにステップ＠で現在距離ｌｘを前回
測定距離！、におきかえてステップ■へ戻す。このサイ
クルは同−区分内で次の設定距離に至るまで繰り返され
、次の設定距離に到達したらステップ■からステップ■
に進んでカウンタが１カウント（１区分）進められステ
ップ■に戻される。

このようにして、最終区分が過ぎるとステップ■からス
テップ■で終了となる。

第５図の温度変化パターンおよび第６図の動作フローチ
ャートでは５区分に分割した実施例を示したが、区分数
は任意に定められることができることは勿論であり、通
常はｌＯ区分程度で行われる。

また、第６図の「距離」は「重量」におきかえられるこ
とも勿論である。

このようにして、本発明の課題である直径が一定でかつ
弔結晶全体が均一な物理的性質を有するような制御を行
うことができる。

通常の単結晶の長さ！。は、直径５吋（インチ）の場合
約１ｍ、直径６吋の場合約７００〜８００ｍで、検出器
１９では、引上げ長さｌは約０．１ｍｍ単位で、また引
上げ重ＩＷは約１０ｇ単位で計測される。

引上げ長さによる制御をするか、引上重量による制御を
するかは、引上げる単結晶の目標とする物理的性質によ
っていずれか適するほうが選ばれる。

このように、時間の関数ではなく育成長さ及び育成重量
の関数とした温度変化パターンによって予測制御（フィ
ードフォワード）をすることにより再現性の良い安定な
直径制御を実現することができる。

（発明の効果）以上詳細に説明したように、本発明による予測制御を加
味した直径制御方法によって、従来のように直径を一定
にできても単結晶の物理的性質が均一にならないという
欠点が解決され、−本のインゴットから品質のよいウェ
ハと、さらに品質のよい半導体ペレットの歩留り向上に
著しい効果があり、同一の規格の単結晶インゴットを多
数生産する場合の品質の再現性が得られ、しかも熟練し
た作業者を長時間配置する必要がなくなったことは産業
上の大きな効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の直径制御系のブロック図、第２図は本発
明による直径制御系のブロック図、第３図は従来の時間
に対する引上速度の特性例図、第４図は従来の単結晶引
上装置の部分断面図、第５図は本発明による長さ（重量
）に対する直径、引上速度、加熱温度の特性例図、第６
図は本発明によるプログラム制御器の動作フローチャー
トである。１・・・直径設定器、　２．８．１２・・・ＰＩＤ演算
器、３・・・引上駆動部、　４．９．１４．１８・・・
加算器、５・・・直径計測部、　６．１０．１５・・・
変換器、７・・・速度設定器、　１１・・・温度設定器
、１３・・・加熱源、　１６・・・温度計測部、　１７
・・・プログラム制御器、　１９・・・検出器、　４１
・・・るつぼ、４２・・・融液、　４３・・・単結晶、
　４４・・・ヒータ、４５・・・界面。

Claims

【特許請求の範囲】　ＣＺ法による半導体単結晶引上装置で所望の長さまた
は所望の重量の半導体単結晶を育成し引上げる場合の直
径制御方法において、該直径制御方法は前記半導体単結
晶の引上げ駆動部の引上速度を制御する速度制御系と前
記半導体単結晶の融液の加熱温度を制御する温度制御系
とからなり、該温度制御系には温度設定器の出力を制御
するプログラム制御器を備え、該プログラム制御器に引
上げられる前記半導体単結晶の長さの変化または重量の
変化に対応して実測された所望の温度変化パターンを前
記所望の長さまたは前記所望の重量を複数分割した区分
毎に折線近似した温度変化パターンとして予め入力設定
し、前記引上げ駆動部に設けられた前記引上げられる半導体
単結晶の引上げ長さまたは重量を検出する検出器の出力
を前記プログラム制御器に入力することによって前記加
熱温度の変化を前記折線近似した温度変化パターンに従
って制御することを特徴とする半導体単結晶の直径制御
方法。