JPH0317084B2 - - Google Patents

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JPH0317084B2
JPH0317084B2 JP58127539A JP12753983A JPH0317084B2 JP H0317084 B2 JPH0317084 B2 JP H0317084B2 JP 58127539 A JP58127539 A JP 58127539A JP 12753983 A JP12753983 A JP 12753983A JP H0317084 B2 JPH0317084 B2 JP H0317084B2
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    • G01F23/284—Electromagnetic waves
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    • G01F23/2921—Light, e.g. infrared or ultraviolet for discrete levels
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は液体レベル検知システム（装置）およ
び方法に関する。特に本発明はチヨクラルスキー
型シリコン結晶成長装置（炉）内の溶融物（メル
ト）レベル（melt level）の検知に特別に有用な
メルトレベル検知装置及び検知方法に関する。
〔従来の技術〕
チヨクラルスキー型結晶成長プロセスを用いて
シリコン結晶成長を成功させるには、ホツトゾー
ン（hot zone）に対して溶融物（メルト）レベ
ルの正確な位置を確定し制御する必要がある。以
前には、このパラメータの制御は、るつぼに装入
される量と外部のるつぼシヤフト位置とを既知の
初期メルトレベルに関連づけるのに必要なパラメ
ータの測定値に基づいた“推測計算（dead
reckoning）”により達成されていた。この初期
メルトレベルを維持するためには、るつぼのカツ
プ引上げ速度（cuplift rate）は、結晶直径、る
つぼ直径および固体からの液体への密度変化を用
いた比率（ratio）（即ち引上げ速度の％）として
計算される。初期メルトレベルの検知は、製造ラ
インにおける結晶成長プロセスの再現性を達成す
るのに不可欠である。
しかし、“推測計算（dead reckoning）”法を
用いた初期位置計算方法では、高温において直面
するように、グラフアイトカツプ（graphite
cup）の形通りになるための石英るつぼの塑性変
形（plastic flow）のために結晶成長プロセスに
対して重大な誤差が導入される可能性がある。更
に、オペレータの計算上のメンタルな影響による
誤りが導入される可能性が常に存在する。
結晶成長プロセス期間中のメルトレベル制御に
は、上述した不確かさのすべてがつきまとつてい
るとともに、そのような制御は結晶直径の変化に
対して常に新たな補正が必要である。更に、計算
された比率における小さな誤差が、今日の大型炉
の典型的な長時間の成長サイクルにおいては累積
誤差を生じさせるという事実が、“推測計算”法
を更に一層受け入れがたいものにしている。典型
的な場合には、メルトレベルを正確に制御できな
いと、その結果として結晶構造の欠陥又は不十分
な直径制御による結晶品質の歩留りの低下をきた
す。その理由は、この後者の場合、直径センサの
性能は一定のメルトレベル（或いは少なくとも既
知のメルトレベル）を維持することに依存してお
り、このレベルは直径検知システム（diameter
sensing system）を補正するために使用できる
からである。実際的な問題として、結晶の直径が
所望する直径より小さいと結晶材料は全部が無駄
になつてしまい、一方結晶直径が所望する直径よ
り大きいと、研磨してその直径を正しい大きさに
まで小さくする必要がある。この後者の場合に
は、材料に無駄が生じるとともに研磨に要する時
間と努力が無駄になる。
全体として、改良されたメルトレベル制御に対
する必要性は益々重要となつてきており、より大
型の長時間のサイクルの炉では、結晶成長プロセ
スの自動化は絶対的に必要なこととなつてきてい
る。この点については、レイチヤードに発行され
た米国特許第3740563号明細書には引上げられた
結晶の直径およびメルトレベルを検知し制御する
ための電気光学的システムおよび方法が開示され
ている。この特許は液体メルト表面で成長する結
晶の周辺部において発生するメニスカス
（meniscus）から細い光ビームを反射するシステ
ムを開示している。そこから反射されたビームは
２軸スポツトロケータ（two−axis spot
locator）により検出される。記載されているこ
のシステムによると、この反射されたビームの接
線方向への動きは主としてメルトレベルの変化に
よるものであり、一方半径方向への動きは主とし
て直径の変化によるものである。小さいメニスカ
ス面積を用いると比較的に振動の少ない反射面を
提供できるが、ここに記載されたシステムは、メ
ルトの自由表面上の振動又は波動のために初期メ
ルトレベルを確定するために使用できない。更
に、このシステムは、完全に丸くない、又はフア
セツト面の出た結晶、又はケーブル又はチエーン
状の引上げ引出し機構を用いるチヨクラルスキー
プロセスに共通にみられるようにわずかに偏心さ
せた方法で回転する結晶と一緒に用いると実際上
いくつかの問題点が存在するであろう。更に、記
載されたようにチヨツピングされた光源および同
期検出器回路を用いると、その結果としては本発
明のきわめて強度の高い、狭帯域通過（narrow
pass）の光学的装置によつて達成されるようなす
ぐれた信号対雑音比は得られない。
ハウス（House）に対して発行された米国特許
第3574650号明細書は、蒸発源の位置を制御する
ための真空蒸着装置を記述している。この特許
は、真空蒸着プロセスにおける蒸気源として用い
られ小さい金属性のメルトから光ビームを反射さ
せるためのレーザの使用を記述している。レーザ
のような直径の小さい単色光源をフイルタととも
に結合して用いると装置の信号対雑音比は改善さ
れるが、この装置はビームの直径が小さいという
点とメルトの振動によつて重大な妨害を受けやす
いという理由で小さな表面張力の安定化されたメ
ルトしか使えないということになる。従つて、こ
の特許に記載されている装置は、小さな安定化さ
れたメルト表面上の入射角および反射角の測定に
関するものであり、大きな不安定なメルト表面上
の波立つている表面を扱うことができるような平
均化する装置（averaging system）ではない。
従つて、上記の特許又はこれまでに紹介したそ
の他の装置ではまた扱われていないメルトレベル
を正確に検知する上でのいくつかの問題点が残さ
れているということが明らかである。第１に、メ
ルト表面から反射される光ビームにはそのメルト
表面から出て反射される強い熱放射（thermal
radiation）が伴つており、それがメルト表面か
らの反射ビームを検出する上で信号対雑音比に重
大な問題を生じさせる点である。第２に、メルト
の表面は平らな鏡に似ておらず、むしろカツプの
回転およびるつぼにおける結晶の不規則的な
（erratic）湿潤の結果生じる乱対流およびその他
の機械的撹乱によるリツプルおよび波によつてか
き乱されるという点である。通常の場合には、の
ぞき窓における最高数インチまでのビーム偏差が
これらの条件下での細いビームには予想しうる。
最後に、メルトレベルのいかなる光学的測定も、
可能性のある光源の変化ならびに炉ののぞき窓上
への酸化物およびドーパントの凝結による炉のの
ぞき窓の透過率の変化と戦わなければならないと
いう点である。
〔発明が解決しようとする課題〕
従つて、本発明の目的は、改良されたメルトレ
ベル検知装置及び検知方法を提供することであ
る。
本発明のもう１つの目的は、チヨクラルスキー
結晶成長プロセスにおいて初期メルトレベルを正
確に測定する改良されたメルトレベル検知装置及
び検知方法を提供することである。
本発明の更にもう１つの目的は、強い熱放射の
ある場合にすぐれた信号対雑音比を与える改良さ
れたメルトレベル検知装置及び検知方法を提供す
ることである。
本発明の更にもう１つの目的は、カツプの回転
又はその他の原因による乱対流及び機械的振動に
よる表面波及びさざ波がある場合にメルトレベル
を正確に測定する改良されたメルトレベル検知装
置及び検知方法を提供することである。
本発明の更にもう１つの目的は、酸化物及びド
ーパントの凝結又は光源の変化による炉のぞき窓
の部分的障害にも拘らずメルトレベルの正確な検
知を可能にする改良されたメルトレベル検知装置
及び検知方法を提供することである。
〔課題を解決するための手段〕
上記の諸目的は、本発明において以下のように
達成されている。即ち液体表面レベルの変化を検
出する検知装置及び検知方法において狭いビーム
幅の本質的に単色光の照明源を具備し、入射ビー
ムを斜めの角度で液体表面の方向に向け、それに
よりまたそこからの反射ビームを与える本発明に
おいて達成される。ビーム拡大器（expander）
が照明源と液体表面との間に置かれており、入射
ビームのビーム幅を液体表面上で出会う乱れの波
長よりも実質的に広いビーム幅に拡げる。集光レ
ンズは液体表面からの反射光の一部を横切るよう
に取り付けられていて、その反射光の一部をさえ
ぎり、その一部の焦点を中心に集束させる。ビー
ム検出器はその中心に配置され、中心の相対的位
置の対応する変化を検出することによつて液体表
面レベルの変化の表示を与える。狭帯域通過干渉
フイルタは、集光レンズの前で反射ビームをさえ
ぎるのに使用され、単色光の照明源の周波数だけ
を通過させて、チヨクラルスキー結晶成長装置内
のメルトから出る熱放射の殆んど全部を除去する
ことができる。
〔実施例〕
第１図を参照すると、従来のチヨクラルスキー
結晶成長装置１２とともに組み合わせて用いるた
めの本発明のメルトレベル検知装置１０が図示さ
れている。チヨクラルスキープロセスでは、結晶
１８はグラフアイトカツプ１４によつて支持され
グラフアイトヒータ１５によつて加熱される石英
るつぼ１６内に含まれるメルトから制御可能な状
態で引き出される。メルトレベルはグラフアイト
ヒータ１５に対してグラフアイトカツプ１４およ
び石英るつぼ１６の位置を垂直方向に調節するこ
とによつて維持される。
図示されているように、メルト表面２０は、浸
漬（dip in）およびシヨルダリング
（shouldering）前に特に激しい熱対流、結晶１８
と石英るつぼ１６とが互に反対方向に回る回転、
不規則的な（erratic）結晶湿潤、その他の力に
よる多数の表面上の乱れを含む。このようにし
て、表面の乱れ２２のためにメルトレベル表面２
０はそれがなければ鏡のような表面であるのに対
して偏位したものとなる。
図示した実施例においては、レーザ２４は本発
明のメルトレベル検知装置１０とともに用いるた
めの本質的に単色光の照明源を提供する。レーザ
２４は非常に狭いビーム幅の非常に強力な単色光
の照明源を提供する。使用した2.0mWヘリウム
ネオン（He−Ne）レーザにより、ビーム直径が
約0.5mmのレーザビーム２６が得られる。次にレ
ーザビーム２６はレーザ拡大器２８を通つて進む
が、この拡大器はレーザビーム２６の直径を拡大
し、入射ビーム３０のビームの直径をメルトレベ
ル表面２０の表面上の乱れ２２の波長に対比して
実質的に大きくする役目をする。典型的な場合に
は32倍のビーム拡大器で十分である。入射ビーム
３０がチヨクラルスキー結晶成長装置１２ののぞ
き窓３２を通つて進むとメルトレベル表面２０に
よる入射ビーム３０の反射によつて結果的に反射
光ビーム３８が生じる。第３図に更に図示されて
いるように、入射および反射光ビーム３０および
３８のそれぞれの縦軸３４および３６は、仮想上
の垂直基準線３５に対して角度θを作る。
メルトレベル表面２０の表面上の乱れ２２のた
めに、反射光ビーム３８は縦軸３６の周りに断面
が一般的に円錐形の反射ビームエネルギーを作
る。反射光ビーム３８はのぞき窓４０を通ること
ができ、そこでフイルタ４２に入射する。フイル
タ４２は、レーザ２４の出力周波数において現わ
れる単色光の照明光のみを通過させる狭帯域幅の
光学フイルタを構成する。ここでレーザ２４を構
成するHe−Neレーザの波長は約638.8nmである
ので、フイルタ４２は、典型的な場合には11nm
の半分の帯域幅を有する638nmの整合装置
（matching 638nm unit）として構成配置され
る。
フイルタ４２を通過する反射光ビーム３８のそ
の部分はそこでレンズ４４に入射する。レンズ４
４は、そこへ入射する反射光ビーム３８のその部
分を中心４６に集束する。中心４６は、レンズ４
４及びスプリツトダイオード検出器４８用の個装
密閉体（一体成型容器）（unitary housing）によ
つて決定されるように、スプリツトダイオード検
出器４８の両半分上に一般に等しく照射されるよ
うに作られている。フイルタ４２もまたこの一体
成型容器に取付けられるのが好都合である。レン
ズ４４、フイルタ４２及びスプリツトダイオード
検出器４８の組合せは、垂直基準線３５に対して
角度θでチヨクラルスキー結晶成長装置１２にス
ライドできるように固定されている。次にレンズ
４４およびスプリツトダイオード検出器４８の組
合せはメルトレベル表面２０に対して垂直に自由
に動けるようになつているので取り付けられた指
示器５０は較正された目盛スケール（calibrated
scale）５２上にメルトレベルを設定するのに用
いることができる。更に、レンズ４４及びスプリ
ツトダイオード検出器４８の組合せは、予め設定
されたメルトレベルのいかなる変化も検知するこ
とができ、制御出力を与えて石英るつぼ１６のレ
ベル及び自動化された装置の他のプロセスパラメ
ータの制御を調節することができる。
更に第２図を参照すると、本発明のスプリツト
ダイオード検出器４８が図示されている。図示し
た実施例では、スプリツトダイオード検出器４８
は、フオトダイオード５４及び５６を２等分する
軸に沿つてのみ中心４６が検知されるようにフオ
トダイオード５４及び５６を接続させた４つのセ
グメントからなるフオトダイオード（four−
segment photodiode）を具える。スプリツトダ
イオード検出器４８は、ユナイテツドデイテクタ
テクノロジー社（United Detector
Technology）のPINスポツト（Spot）／8D検出
器を用いて実装するのが便利である。抵抗６２及
びコンデンサ６６を含む長い時定数のRC回路網
は、出力線５８と共通線７０との間でフオトダイ
オード５４に対して並列に構成されている。同様
に、抵抗６４及びコンデンサ６８を含む整合RC
回路網は、出力線６０と共通線７０との間でフオ
トダイオード５６に並列に構成されている。
スプリツトダイオード検出器４８は、また石英
るつぼ１６の回転において起こりうる変化によつ
てメルトの形状変化による横方向への装置のアラ
イメント（整合余裕）を検知し補正するのにも有
用である。石英るつぼ１６の回転の増大又は減少
はメルトレベル表面２０の放物面形状を変化さ
せ、しかも反射光ビーム３８を横方向へシフトさ
せる。これは計画的なプロセス変数であり、その
場合には反射光ビーム３８を横方向へ追跡できる
ことが必要又は望ましいことが判るであろう。
第３図を参照すると、入射ビーム３０の縦軸３
４が、位置L1及びL2におけるメルトレベル表面
２０に対する反射光ビーム３８の縦軸３６に関連
して図示されている。縦軸３４及び３６は垂直基
準線３５に対して角度θを作る。位置L1からL2
へのメルトレベル表面２０の低下（ΔL）による
縦軸３４の構成部分は“Ｘ”で示されている。こ
のΔLによる縦軸３６間の距離はΔYで示されて
いる。これに対応して、フオトダイオード５４及
び５６の中間に中心４６を置くためにスプリツト
ダイオード検出器４８を移動させなければならな
い距離ΔZが図示されている。これらの種々のパ
ラメータは下記のように関係づけられる。
角θの余弦は下記の式によつて与えられる： cosθ＝ΔL／Ｘ Ｘを解くと、 Ｘ＝ΔL／cosθ 更に、 sin2θ＝ΔY／Ｘ ΔYを解くと、 ΔY＝Xsin2θ ＝ΔLsin2θ／cosθ ＝ΔL（2sinθ） 従つて、例えばθ＝22.5゜とすると、 ΔY＝0.76ΔL 従つて下記のようになる： ΔZ＝2ΔL 従つて、図示した実施例においては、レーザ２
４は2.0mW He−Neレーザの出力として0.5mmビ
ーム直径を与える。32倍のビーム拡大器２８を用
いると、入射ビーム３０は約16mmのビーム直径を
有する。このビーム直径は表面上の乱れ２２の波
長に比べて大きいメルトレベル表面２０上の面積
を照射するのに役立つ。これは反射光ビーム３８
を与え、このビームは実際上大きな面積上の反射
を平均化する。
縦軸３６に沿つて中心４６に当たる反射光ビー
ム３８の中心軌跡（centroid）はスプリツトダイ
オード検出器４８にそつて位置決めされる。レン
ズ４４はすべてのそのようなレンズに固有な“コ
マ（COMA）収差”と呼ばれる光学的収差によ
り一般的に平行光線をさえぎるが、中心４６の位
置は実際上は縦軸３６内のレンズ４４の位置に応
答して動く。次にレンズ４４は発生する円錐形反
射光ビーム３８をスプリツトダイオード検出器５
８の狭い間隔で配置されたフオトダイオード５４
及び５６上に集束するので、フオトダイオード５
４及び５６上の変動するエネルギー分布は長い時
定数のRC回路網によつて別々に平均化される。
この差の信号出力はスプリツトダイオード検出器
４８が何時反射光ビーム３８の中心軌跡上にくる
かを知るためのゼロ（null）検出器として用いら
れる。スプリツトダイオード検出器４８の合成出
力は、回転が止つた時のメルトの静穏化によつて
起きる光レベルの大きな変化に対してシステムが
感度を示さないようにさせるのに用いられるとい
う点にも注目すべきである。これはダイオード出
力の合計と差の両方を検知し、システムの補正さ
れた出力として合計に対するその差の比率を用い
ることによつて行われる。ゼロモード（null
mode）においてスプリツトダイオード検出器４
８を用いることによつて、光源の変化又はのぞき
窓への酸化物及びドーパントの凝結により信号の
強度が変化するという問題は更に一層極めて小さ
い問題となる。
従つて、上述した如く、チヨクラルスキー結晶
成長プロセスにおける初期メルトレベルを正確に
決定し及び成長プロセス期間中を通じてのメルト
レベルの値を正確に行なう改良されたメルトレベ
ル検知装置及び検知方法が提供された。更に、本
発明は、そのようなプロセスにおいて発生する強
い熱放射の存在にも拘わらず、すぐれた信号対雑
音比を有するメルトレベル検知装置及び検知方法
が提供された。更に、本発明のメルトレベル検知
装置及び検知方法は、乱対流及びカツプ回転又は
その他の原因による機械的振動による表面の波や
さざ波があつてもメルトレベルを正確に測定する
ものである。最後に、本発明によつて、酸化物及
びドーパントの凝結又は光源の変化による炉のぞ
き窓の部分的障害があつてもメルトレベルを正確
に測定するメルトレベル検知装置及び検知方法が
提供された。
メルトレベル検知装置１０は、グラフアイトカ
ツプ１４の引上げ駆動装置の制御ループを閉じる
ことによつて一定のメルトレベルに固定しそれを
維持するために用いることもでき、又はその装置
は零から離れて動作することによつて、又はスプ
リツトダイオード検出器４８の取付け台に駆動装
置をつけてスプリツトダイオード検出器４８を新
たな位置に動かすことをモニターすることによつ
て、変化するメルトレベルをプログラムするのに
用いることもできることを理解すべきである。
本発明の原理を特定の装置とともに上記に説明
したが、この説明は例を挙げるためにのみ行つた
ものであつて本発明の範囲を限定するものとして
行つたものではないことは明らかに理解されるは
ずである。
【図面の簡単な説明】
第１図は、チヨクラルスキー結晶成長装置に使
用するための本発明によるメルトレベル検知装置
の簡略化した断面図である。第２図は、第１図に
図示した本発明の実施例とともに用いるためのス
プリツト（split）ダイオード（ダイオード分割）
検出器及びその関連回路の概略図である。第３図
は、第１図及び第２図のスプリツトダイオード検
出器によつて測定したメルトレベルにおける変化
（ΔL）と反射ビームの中心との関係を示す本発明
における入射ビーム及び反射ビームの縦軸方向の
幾何学配置図である。 １０……メルトレベル検知装置、１２……チヨ
クラルスキー結晶成長装置、１４……グラフアイ
トカツプ、１５……加熱ヒータ、１６……石英る
つぼ、１８……結晶、２０……メルトレベル表
面、２２……表面上の乱れ、２４……レーザ、２
６……レーザビーム、２８……ビーム拡大器、３
０……入射ビーム、３２，４０……のぞき窓、３
４，３６……縦軸、３５……垂直基準線、３８…
…反射光ビーム、４２……フイルタ、４４……レ
ンズ、４６……中心、４８……スプリツトダイオ
ード検出器、５０……指示器、５２……目盛スケ
ール、５４，５６……フオトダイオード、５８，
６０……出力線、６２，６４……抵抗、６６，６
８……コンデンサ、７０……共通線。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 光ビームを液体表面の方向に向け、そこから
    反射したビームを与えるよう指向された狭幅の、
    実質的に単色の光ビーム源と、 光源（照明源）と液体表面との間に位置し、光
    ビームが液体表面に到達する前にその幅を拡大す
    るビーム幅拡大器と、 液体表面からの反射した光ビームの一部を遮断
    し、中心へ反射光ビームの遮断された部分を集束
    する集光レンズと、及び、 中心の近くに位置し、中心の位置の変化を検出
    することによつて不安定な液体表面の平均レベル
    の変化を示す反射した光ビーム検出器と、 から成る不安定な液体表面の平均レベルの変化を
    検出するメルトレベル検知装置。 ２ 実質的に単色の光ビームに対応する波長の光
    信号を透過して伝搬する一方、他の波長を少なく
    とも部分的に遮断する、反射ビームに挿入された
    光学フイルタを更に含む特許請求の範囲第１項記
    載のメルトレベル検知装置。 ３ メルトの表面に向い、そこから反射ビームを
    発生させる狭幅の実質的に単色の光ビームと、 光源（照明源）とメルトの表面との間に位置
    し、光ビームがメルトの表面に到達する前に、そ
    の幅を拡大するビーム幅拡大器と、 反射した光ビームの一部を遮断し、中心にそれ
    を集束させる集光レンズと、 中心近くに位置し、中心の位置の変化を検出す
    ることによつて、メルトの表面のレベルの変化を
    示す反射した光ビーム検出器と、及び、 メルトの表面と検出器との間の反射ビームに挿
    入され、実質的に単色の光ビームに対応する波長
    の光信号を透過して伝搬する一方、他の波長を少
    なくとも部分的に遮断する、反射ビームに挿入さ
    れた光学フイルタと からなる振動しているメルトの表面のレベルの変
    化を検出する手段を具備する、チヨクラルスキー
    結晶成長装置におけるメルトレベル検知装置。 ４ 光ビーム拡大器が、メルトの表面の光ビーム
    によつて起こる重大な振動妨害の波長より大きい
    メルトの表面上の幅を有する拡大された光ビーム
    を提供する、特許請求の範囲第３項記載のメルト
    レベル検知装置。 ５ 反射ビームを発生させるメルトの表面に向つ
    た狭幅の実質的に単色の光ビームを備え、 ビームがメルトの表面に到達し、そこから反射
    される前にビーム幅を拡大する工程と、 メルトの表面から反射した光ビームの一部を遮
    断する工程と、 中心へ反射した光ビームの遮断された部分を集
    束する工程と、 中心の位置の変化を検出し、メルトの表面のレ
    ベルの変化の指示をそこから発生させる工程とか
    らなる、チヨクラルスキー結晶成長装置における
    メルトレベル検知方法。 ６ 反射ビームの一部を遮断する工程が、単色の
    光ビームの波長以外の波長を少なくとも部分的に
    取り除くために遮断された部分をフイルタする工
    程を含む、特許請求の範囲第４項記載のチヨクラ
    ルスキー結晶成長装置におけるメルトレベル検知
    方法。
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