JPH0377157B2

JPH0377157B2 -

Info

Publication number: JPH0377157B2
Application number: JP60224072A
Authority: JP
Inventors: Toshio Abe; Jukichi Horioka
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1985-10-08
Filing date: 1985-10-08
Publication date: 1991-12-09
Also published as: JPS6283395A

Description

【発明の詳細な説明】「産業上の利用分野」この発明は、例えばシリコン単結晶を成長させ
る際に用いて好適な単結晶引上装置の直径制御方
法に関する。

「従来の技術」第３図は、従来の単結晶製造装置の構成を示す
断面図である。この図において、１は炉体であ
り、この炉体１内のほぼ中央部に石英ルツボ２が
設けられている。この石英ルツボ２は黒鉛サセプ
タ３によつて保持されており、黒鉛サセプタ３の
下端部は下軸４の上端に所定の接合部材によつて
取り付けられている。この場合、下軸４の下端部
にはルツボ回転モータおよびルツボ昇降モータの
駆動力が伝達されるようになつており、これによ
り、ルツボ２は所定方向に回転し得るとともに、
上下方向に昇降自在となつている。６，６は、ル
ツボ２内の溶湯（シリコン多結晶溶湯）７の温度
を制御するヒータであり、ルツボ２の外方に所定
距離隔てて設けられており、このヒータ６と炉体
１との間隙に保温材８が設けられている。

次に、１０は炉体１の上端に接合されている中
空円柱状の上部ケーシングであり、この上部ケー
シングの上端部分に引上ヘツド１１が水平旋回自
在に設けられている。引上ヘツド１１内には、ワ
イア引上機構１２が設けられており、ワイア引上
機構１２からはワイアケーブル１３がルツボ２の
回転中心に向つて延びている。このワイア引上機
構１２には引上モータ１５の駆動力が伝達される
ようになつており、引上モータ１５の回転方向に
よつて、ワイアケーブル１３の引き上げ、また
は、引き下げを行うようになつている。また、引
上ヘツド１１は、ヘツド回転モータ１６の駆動力
が伝達されると矢印Ａ方向に回転するようになつ
ている。

次に、２０はワイアケーブル１３の下端に取り
付けられているシードホルダであり、図示のよう
にシード（単結晶の種）２１を保持するものであ
る。

上記構成において、シード２１を溶湯７に浸漬
させた後に、ヘツド回転モータ１６を駆動し、か
つ、引上モータ１５を引上方向に駆動すると、ワ
イアケーブル１３は矢印Ａ方向に駆動されながら
上方に引き上げられてゆき、このシード２１の下
端部に単結晶シリコン２２が図示のように成長し
てゆく。また、この単結晶成長工程においては、
下軸４が矢印Ａと逆方向に回転され、これによ
り、単結晶シリコン２２と溶湯７とが互いに逆方
向に回転するように構成されている。

さて、引き上げられて行く単結晶シリコン２２
の成長形状は、上端部（以下、トツプという）お
よび下端部（以下、ボトムという）においては
各々目的とする形状に一致させるのが望ましく、
また、直胴部分やシード部分においては目標値に
等しい均一直径とするのが望ましい。そして、成
長形状を決定するのは、引上速度、溶湯温度、単
結晶シリコン２２の相対的回転速度、および溶湯
液面レベルなどであるから、これらのパラメータ
を調整しながら単結晶シリコン２２の直径や形状
が所望の大きさとなるように制御を行う必要があ
る。

この形状制御は、炉体１の上端部分に設けた窓
部１ａからテレビカメラ２５により溶湯７の上面
を撮影し、さらに、テレビカメラ２５の画像デー
タを解析して単結晶シリコン２２と溶湯液面との
境界位置を検出し、この検出結果に基づいて単結
晶シリコン２２の外形が所定形状に沿うように上
記各パラメータを制御している。また、単結晶シ
リコン２２が成長して行くと、ルツボ２内の溶湯
液面が低下するが、溶湯液面の低下は単結晶シリ
コン２２の直径を変化させてしまい成長形状に悪
影響及ぼすので、下軸４を上昇させて液面レベル
を一定に保つようにしている。

「発明が解決しようとする問題点」ところで、単結晶２２の直径は、引上速度が速
いと小さく、引上速度が遅いと大きくなり、ま
た、溶湯表面温度が高いと小さく、溶湯表面温度
が低いと大きくなる。すなわち、単結晶２２の直
径は、引上速度と溶湯引上温度によつてほとんど
決定される。

そこで、単結晶の直径制御を行う場合は、始め
に溶湯表面温度を所定の引上速度に応じた値に設
定し、その後において、前記引上速度で単結晶の
引上を行うようにしている。

この場合、引上速度の制御は、引上モータ１５
の回転速度制御を行うことにより、高精度で応答
の速い制御を行うことができる。一方、溶湯表面
温度の制御は、溶湯の対流等の影響により、温度
制御の応答がどうしても遅くなつてしまうという
問題があり、特に溶湯量が多い場合には、溶湯表
面温度が変化するまでに数十分もの時間を要して
しまう。

したがつて、従来の直径制御方法にあつては、
溶湯液面温度の制御応答性が悪いため、単結晶の
製造時間が長くなるとともに、直径制御の精度も
余り高くすることができないという欠点があつ
た。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたも
ので、単結晶製造時間を短縮することができると
ともに、シード部や直胴部の直径を均一とするこ
とができる単結晶引上装置の直径制御方法を提供
することを目的としている。

「問題点を解決するための手段」この発明は上述した問題点を解決するために、
ルツボを回転させるルツボ回転部と、成長中の単
結晶の直径を検出する直径検出部と、前記単結晶
を任意の速度で引き上げる引上部と、この引上部
における引上速度を検出する引上速度検出部とを
有し、前記ルツボ内の多結晶溶湯から前記単結晶
を引上ながら成長させる単結晶引上装置の直径制
御方法において、前記単結晶の検出直径値と目標
直径値との偏差が０となるように引上速度を制御
するとともに、前記制御における単結晶引上速度
の平均値を検出し、この平均値が許容速度範囲を
超えた場合はルツボの回転速度を低下させること
により溶湯表面温度を上昇させ、前記平均値が許
容速度範囲を下回つた場合はルツボの回転速度を
上昇させることにより表面温度を低下させて前記
平均値を許容速度範囲内に入れるようにしてい
る。

「作用」引上速度の許容範囲と引上速度の平均値とを比
較し、引上速度の平均値がこの許容範囲を超えた
時は、上限値以下（許容範囲内）の速度で引上る
と単結晶の直径が大きくなる。すなわち溶湯温度
が低すぎる場合であるから、ルツボ回転速度を減
少させて溶湯温度を上昇させ、前記引上速度の平
均値を許容範囲内に入れる。一方、引上速度の平
均値がこの許容範囲を下回つた時は、下限値以上
（許容範囲内）の速度で引上ると単結晶の直径が
小さくなる。すなわち溶湯温度が高すぎる場合で
あるから、ルツボ回転速度を増加させて溶湯温度
を低下させ、前記引上速度の平均値を許容範囲内
に入れる。

「実施例」以下、図面を参照してこの発明の実施例につい
て説明する。

第１図はこの発明の一実施例を適用した単結晶
引上装置の構成を示す概略構成図であり、前述し
た第３図の各部と対応する部分には同一の符号を
付しその説明を省略する。

第１図において、２９は引上モータ１５の回転
速度を検出する速度検出器であり、その検出信号
S₁は、制御部３０に供給されるようになつてい
る。この場合、信号S₁は、図から明らかなように
単結晶２２の引上速度に対応する。次に、制御部
３０は、装置各部を制御するものであり、CPU
（中央処理装置）、プログラムROM、種々のデー
タが一時記憶されるRAM、および各種インター
フエイスからなつている。そして、制御部３０の
機能は、信号S₁に基づく結晶引上速度の検出、テ
レビカメラ２５の画像信号に基づく成長単結晶の
直径測定、モータ１５，１６の回転制御、ルツボ
昇降モータ３１、下軸回転モータ３２の回転制御
等である。この制御部３０の各種制御は、すべて
ROM内の所定プログラムに従つて行なわれる。
また、図に示す３３は結合機構であり、ルツボ昇
降モータ３１の駆動力が伝達されると下軸４を上
下動させ、下軸回転モータ３２の駆動力が伝達さ
れると下軸４を回転させる。なお、ルツボ昇降モ
ータ３１、下軸回転モータ３２および結合機構３
３は、第３図に示す従来の引上装置にも同様に設
けられている。また、３５はヒータ電源であり、
電極６ａ，６ａを介してヒータ６，６に所定の一
定電力を供給する。

次に、この実施例における直径制御方法につい
て、第２図に示すフローチヤートを参照し、ま
た、シード部の引上における直径一定制御を例に
とつて説明する。

まず、制御部３０は、シード２１をいつたん溶
湯７に浸漬すると、引上モータ１５の回転方向を
反転し、これにより、シード部の引上工程に入
り、第２図に示すフローチヤートが起動される
（ステツプSP１）。この場合の引上速度の初期値
は、制御部３０内に予め設定される基準引上速度
によつて行なわれる。基準引上速度とは、溶湯表
面温度が目標値に一致しているときにおいて、シ
ード２１の直径が目標直径に一致するような引上
速度であり、経験や実験等によつて予め決定され
る。

次に、制御部３０はステツプSP２に移り、シ
ード２１の目標直径から現時点において検出され
ている検出直径を減算し、この減算値より得られ
る偏差データを所定の記憶エリアに記憶し、ステ
ツプSP３に移る。このステツプSP３は、引上速
度を決定する処理であり、ステツプSP２におい
て求められた偏差データに対し、PID（比例、積
分、微分）演算を行い、この演算によつて得られ
た値に、前記基準引上速度を加算（代数和）し、
この加算結果を出力引上速度とする。そして、こ
の出力引上速度に対応する回転速度信号を、モー
タ１５に供給する。この結果、シード２１は、ス
テツプSP３において算出された出力引上速度で
引き上げられて行く。この場合、ステツプSP２
にける検出直径が目標直径に一致していれば、偏
差データは０となるからステツプSP３において
算出される出力引上速度は基準引上速度に一致す
るが、外乱や前述したような溶湯表面温度の制御
誤差がある場合には、ステツプSP２における偏
差データが０にならず、この結果、ステツプSP
３における出力引上速度は、基準引上速度に対し
偏差に対応する補正をしたデータとなる。すなわ
ち、ステツプSP３において算出される出力引上
速度は、現時点の溶湯表面温度に対し、シード２
１の直径を目標直径に一致させる引上速度とな
る。

次に、ステツプSP４は引上長の累計を算出す
る処理であり、信号S₁に基づいて算出される検出
引上速度に処理時間Δtを乗じ、この乗算値にそ
れまでの引上長を加えて新たな引上長とする演算
を行う。このステツプSP４におけるΔtは、現時
点においては、ステツプSP１〜ステツプSP３の
処理に要した時間であるが、後述するステツプ
SP１０の分岐により再びステツプSP４を実行し
た際は、処理がステツプSP４を出てから再び戻
るまでの一巡に要した時間である。そして、ステ
ツプSP５に移ると、ステツプSP４で求めた引上
長を現在までの処理時間の総計で除算し、平均引
上速度を求める。

次に、ステツプSP６に移ると、平均引上速度
が上限値（この実施例の場合は、基準値に対し
105％）を超えたかどうかが判定され、超えてい
ればステツプSP７に移る。この場合、平均引上
速度が上限値を超えるということは、上限値以下
（許容範囲内）の速度で引き上げるとシード２１
の直径が大きくなつてしまうという場合であり、
すなわち、溶湯温度が低すぎる場合である。そし
て、ステツプSP７では、現時点の下軸回転速度
から規定値を減算して新たな下軸回転速度とし、
算出した回転速度に対応する速度指令値を下軸回
転モータ３２に供給する。この結果、ルツボ２の
回転速度が規定値分だけ低くなり、この速度減少
に対応して溶湯表面温度が上昇する。この場合の
下軸回転速度（ルツボ回転速度）による温度制御
の応答は、僅か数分であり、ヒータ電力を制御す
ることによつて行う温度制御の場合（数十分）に
比べて著しく速い応答となる。

一方、ステツプSP６の判定において、平均引
上速度が上限値以下である場合にはステツプSP
８に移り、平均引上速度が下限値（この実施例の
場合は、基準値に対し95％）を下回つたかどうか
が判定され、下回つていればステツプSP９へ移
る。この場合、平均引上速度が下限値を下回つて
いるということは、下限値以上（許容範囲内）の
引上速度で引き上げを行うと、シード２１の直径
が細くなつてしまうということであり、すなわ
ち、溶湯表面温度が高すぎる場合である。そし
て、ステツプSP９に移ると、現時点の下軸回転
速度に規定値を加算し、この加算結果を新たな下
軸回転速度とし、算出した回転速度に対応する速
度指令値を下軸回転モータ３２に供給する。この
結果、ルツボ２の回転速度が規定値分だけ高くな
り、この速度増加に対応して溶湯表面温度が低下
する。

また、ステツプSP６およびステツプSP８の双
方において「NO」と判定された場合は、平均引
上速度が上限値と下限値の間、すなわち、許容範
囲内にあるということであり、溶湯引上温度が適
正な範囲にある場合である。したがつて、この場
合には、下軸回転速度は現在速度を維持したまま
とする。

次に、ステツプSP７またはステツプSP９の処
理を終了した場合、あるいは、ステツプSP６、
ステツプSP８における判定がいづれも「NO」で
あつた場合は、ステツプSP１０に移り、引上長
が目標長に達したか否かが算出され、達していな
ければ、ステツプSP２へ戻つて再び上述した処
理をくり返し、達していればステツプSP１１へ
移つて直径制御の処理を終了する。すなわち、シ
ード２１の長さが目標長に達するまでは、上述し
た処理を継続する。

なお、上述した動作説明は、シード２１の直径
制御の場合を例にとつたが、直胴部の直径制御も
全く同様に行うことができる。

また、上記実施例におけるステツプSP３では
PID制御を行うようにしたが、これは、PID制御
に限定する必要はなく、他の任意の制御を用いて
もよい。

「発明の効果」以上説明したように、この発明によれば、ルツ
ボを回転させるルツボ回転部と、成長中の単結晶
の直径を検出する直径検出部と、前記単結晶を任
意の速度で引き上げる引上部と、この引上部にお
ける引上速度を検出する引上速度検出部とを有
し、前記ルツボ内の多結晶溶湯から前記単結晶を
引上ながら成長させる単結晶引上装置の直径制御
方法において、前記単結晶の検出直径値と目標直
径値との偏差が０となるように引上速度を制御す
るとともに、前記制御における単結晶引上速度の
平均値を検出し、この平均値が許容速度範囲を超
えた場合はルツボの回転速度を低下させることに
より溶湯表面温度を上昇させ、前記平均値が許容
速度範囲を下回つた場合はルツボの回転速度を上
昇させることにより表面温度を低下させて前記平
均値を許容速度範囲内に入れるようにしたので、
従来のヒータ電力による温度制御より極めて高速
に、溶湯表面温度を前記平均引上速度に適した温
度に制御でき、単結晶の製造時間を短縮すること
が可能である。また、所定の直径の単結晶を得る
ために引上速度の制御のみで行う場合とは異な
り、過度に速いあるいは遅い引上速度で引き上げ
る必要が生じないため、常に安定した状態で単結
晶の引上げ行う事ができ、単結晶のシード部や直
胴部の直径を精度良く制御できると共に特性の安
定した単結晶を製造することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を適用した単結晶
引上装置の構成を示す概略構成図、第２図はこの
実施例の制御方法を示すフローチヤート、第３図
は従来の単結晶引上装置の機械的構成を示す断面
図である。２……ルツボ、４……下軸、１０……上部ケー
シング、１３……ワイアケーブル、１５……引上
モータ（引上部）、２０……シードホルダ、２１
……シード、２２……単結晶シリコン、２５……
テレビカメラ（直径検出部）、２９……速度検出
器（引上速度検出部）、３０……制御部（直径検
出部：引上部：引上速度検出部）、３２……下軸
回転モータ（ルツボ回転部）、３３……結合機構
（ルツボ回転部）。

Claims

【特許請求の範囲】

１ルツボを回転させるルツボ回転部と、成長中
の単結晶の直径を検出する直径検出部と、前記単
結晶を任意の速度で引き上げる引上部と、この引
上部における引上速度を検出する引上速度検出部
とを有し、前記ルツボ内の多結晶溶湯から前記単
結晶を引上ながら成長させる単結晶引上装置の直
径制御方法において、前記単結晶の検出直径値と
目標直径値との偏差が０となるように引上速度を
制御するとともに、前記制御における単結晶引上
速度の平均値を検出し、この平均値が許容速度範
囲を超えた場合はルツボの回転速度を低下させる
ことにより溶湯表面温度を上昇させ、前記平均値
が許容速度範囲を下回つた場合はルツボの回転速
度を上昇させることにより表面温度を低下させて
前記平均値を許容速度範囲内に入れるようにした
ことを特徴とする単結晶引上装置の直径制御方
法。