JPH0416436B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明はCZ法（チヨクラルスキー法）によ
り単結晶をルツボから引上げる際に、その直径を
制御する方法に関し、なかでも特に円柱状の製品
部を引上げた後のテール絞り工程において、テー
ル部を精度よく直径制御する方法に関する。

〔従来の技術〕

IC、LSI等の製造に使用されるシリコン等の単
結晶の製造方法として、CZ法がよく知られてい
る。この方法は、第５図の模式図に示すように、
回転するルツボ２に収容したシリコン等の結晶融
液４を、ワイヤ８によりルツボ２に対して回転さ
せながら引上げ凝固させて、柱状の単結晶１１を
製造するものである。製造された単結晶は円柱状
のインゴツトに仕上げられるが、その際の歩留り
を上げるため、引上げ中の単結晶１１は各部分で
同じ直径にすることが要求される。

従来から、この単結晶１１の直径を制御する方
法の一つとして、第５図に併示するように、単結
晶１１の成長部（結晶融液４との境界部）に環状
に生じるフユージヨンリング２０の直径を光学的
手段１２で測定し、その値から単結晶１１の直径
を推定し、推定された直径が目標値に一致するよ
う、結晶融液４の温度や単結晶１１の引上げ速度
を調整する方法が採られている。

この場合、光学的手段１２（例えばITV、
CCDカメラ等）は、付帯設備との関係や、ルツ
ボ２の底面近くまで覗き込まなければならない関
係上、斜め上方からフユージヨンリングを測光す
るように設置され、鉛直線に対する光軸の角度θ
は大略30°程度となつている。

一方、単結晶１１の引上げを終了するにあたつ
ては、熱歪による有位転化を防ぐ意味から、第６
図ａ〜ｃに示すように、結晶径を漸次減少させて
行く、テール絞りと呼ばれる工程が必要とされる
が、このテール絞り工程においては、光学的手段
１２から見て、テール部１９が製品部１８の陰に
なり、フユージヨンリングの測光が不可能とな
る。このため、テール絞りの際の直径制御につい
ては、フイードバツク制御が行えないので、普通
は作業者が目視で結晶径を監視しながら操作を行
つたり、プログラムによるフイードフオアード制
御を行つたりしている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、上述したテール絞り工程において
は、ルツボ２内の結晶融液４の使用効率を高める
意味から、テール絞りが終了した時点でルツボ２
を空にすることが求められる。また、テール部１
９に過大な体積を持たせることも回避されなけれ
ばならない。したがつて、テール部材１９に対し
ては厳密な直径制御が必要となる。

第７図は、前述の目視操作でテール部を直径制
御したときのテール部形状を示したものである。
結晶径を変えるには、融液温度か引上げ速度を変
化させればよいが、引上げ速度は製品品質に大き
な影響を与えるので、目視操作の場合は融液温度
を変えることにより結晶径を調整する。その場
合、融液温度を高くすれば結晶径が小さくなる
が、時間が経過すると温度と直径の間で平衡状態
を生じそれ以下に結晶が細ることはない。したが
つて、更に結晶径を小さくしようとするなら、再
度、融液温度を上昇させることが必要となる。こ
のようなことから、テール部１９は図示のように
階段状に仕上がる。この形状自体は特に問題とい
うわけではないが、その作業は極めて複雑で、高
度の熟練を要し、非能率的である。

これに対し、プログラムによるフイードフオア
ード制御は能率的ではあるが、残融液量、ルツボ
位置等の条件が変わつた場合、全く対処できない
問題があり、更に外乱によつてテール部１９の形
状が大きく変わるという問題もある。第８図イ，
ロはテール部１９の形状変化の様子を示したもの
で、イはテール部１９が短過ぎる場合、ロは長過
ぎる場合である。テール部１９が短過ぎる場合
は、引上げ終了後もルツボ２内に結晶融液４が残
り、原料の使用効率が低下する。逆に長過ぎる場
合は、テール部１９に過剰な材料が付与され、短
過ぎる場合と同様に原料の使用効率が低下するの
みならず、引上げ終了までにルツボ２内の結晶融
液４が消費され、テール部１９の下端がルツボ２
の底に接着し、その取外しの際にクラツクが製品
部１８に入る危険が生じる。このような問題は、
前述した目視操作においてミスを犯した場合にも
当然起こり得るものである。

これに加えて、本発明者らの最近の研究によれ
ば、テール部１９の長さが製品部１８の品質に影
響を与えることが明らかとなつた。すなわち、詳
しい理由は定かではないが、テール部１９の長さ
が長いほど、製品部１８に生じる品質欠陥がテー
ル部１９に吸収され、製品部１８の品質が向上す
るのである。しかしながら、単純にテール部１９
を長くしたのでは、前述したように、原料の使用
効率が低下するとともに、テール部１９がルツボ
２の底に接着する危険が増す。そこで例えばルツ
ボ２内の融液残量を考慮しつつ、結晶径を出来る
だけ細くしながらテール部１９を長くするといつ
た、極めて高度な直径制御が必要となる。

本発明はテール部形状の重要性に鑑み、その直
径をフイードバツク制御により高精度に自動制御
する単結晶テール部の直径制御方法を提供するこ
とを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の単結晶テール部の直径制御方法は、第
１図に示すように、CZ法により円柱状に引上げ
る単結晶の成長部に生じるフユージヨンリングを
光学的手段１２にて斜め上方より測光し、その測
光データに基づいて単結晶の直径を制御する方法
において、 前記光学的手段１２を引上げ軸（O′）と直交
する方向へ移動自在となし、 円柱状の製品部１８を引上げたあとテール絞り
を行う際に、テール部１９のフユージヨンリング
を測光し続けるべく、まず、前記光学的手段１２
の光軸（Ｏ）を引上げ軸（Ｏ）から離れる方向へ
平行移動させ（Ｘ）、次いで、テール部１９の絞
りに伴うフユージヨンリングの縮径に応じて前記
光学的手段１２の光軸（Ｏ）を元の位置へ向けて
平行移動させ（Ｙ）、 この間、円弧状に観測されるフユージヨンリン
グの弦の長さβを前記光学的手段１２の測光デー
タから求め、求めた弦の長さβと前記光学適手段
の移動距離γとからテール部１９の直径αを下式
により算出し、 α＝√²＋（２・）² 算出されるテール部１９の直径αが予め決めた
テール部１９の直径減少パターンに追随するよう
に単結晶の引上げ速度を調節して、テール部１９
の直径をフイードバツク制御により自動制御する
ことを特徴とする。

〔作用〕

テール絞りの進行に伴つて、製品部１８が上昇
するので、光学的手段１２の光軸（Ｏ）を元の位
置へ向けて平行移動させても、フユージヨンリン
グが製品部１８の陰にならずに観測される。光学
的手段１２の平行移動では、対象（フユージヨン
リング）までの距離が不変であるので、結晶径の
算出が比較的容易であり、移動機構も簡易とな
る。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を説明する。

第２図において、１はチヤンバーで、内部が
Ar等の不活性ガス雰囲気に保持される。チヤン
バー１内にはルツボ２がセツトされ、その周囲を
ヒータ３が取り囲んでルツボ２内の結晶融液４を
所定温度に管理する。５はルツボ回転用モータ、
６は同昇降用モータ、７は輻射温度計である。

チヤンバー１内には又、上方より引上げ用のワ
イヤ８が垂下され、その回転用モータ９および引
上げ用モータ１０がチヤンバー１外に備わり、両
モータの駆動により単結晶１１がルツボ２に対し
て逆回転しながら結晶融液４より引上げられる。

光学的手段としてのCCDカメラ１２は、チヤ
ンバー１外よりその窓１′を通してフユージヨン
リングを監視できるよう、チヤンバー１の斜め上
方にあつて、かつ引上げ軸と直交する方向へモー
タ１３により移動できるように構成されている。

CCDカメラ１２の出力は、処理装置１４に入
力されて単結晶１１の直径が算出され、これと目
標直径設定装置１５からの出力とが比較装置１６
に入力され、両入力の差を演算装置１７に入力し
て両入力の差が０となる単結晶１１引上げ速度を
計算して単結晶１１の引上げ用モータ１０に指令
する。

第３図イ〜ハにａ〜ｄで段階的に示した図面
は、第２図装置によるテール部の直径制御の手順
を具体的に例示したもので、イは側面図、ロはカ
メラ位置から見た単結晶とそのフユージヨンリン
グの形状を表す斜視図、ハはカメラの出力波形図
である。また、ａはテール絞り開始時点、ｂはテ
ール絞り工程の50％終了時点、ｃは同じく75％終
了時点、ｄは同じく99％終了時点をそれぞれ表し
ている。

テール絞り開始まで、すなわち製品部１８の引
上げ終了まではカメラでＡ線上を監視し、輝度の
増大個所よりフユージヨンリング２０の直径を直
接とらえ、この直径が目標直径になるよう単結晶
１１の引上げ速度を調節する。

この状態のままテール絞り工程を迎えると、テ
ール部１９が製品部１８の陰になり、フユージヨ
ンリング２０がカメラ１２の視野範囲から消える
ので、テール絞り開始時点でフユージヨンリング
２０を測光できる位置までカメラ１２を外方へ平
行移動する。変更されたカメラ１２の狙い位置を
Ｂ線で表している。この位置において、フユージ
ヨンリング２０を測光した場合、フユージヨンリ
ング２０が円弧として観測され、輝度の増大箇所
から、その弦の長さが測定されるので、カメラ１
２の移動距離をγとして、次式によりテール部１
９の直径を計算することになる。

α＝√²＋（２・）² α：結晶径 β：測定した弦の長さ γ：カメラの水平移動距離（結晶中心から弦まで
の距離） このようにしてテール部１９の直径を求めなが
ら、その直径が目標どおり漸減するよう、単結晶
１１の引上げ速度を調節する。

テール絞りが進み、フユージヨンリング２０が
小さくなると、Ｂ線上からフユージヨンリング２
０が消えるので、ｃに示すようにカメラ１２の狙
い位置をＡ線とＢ線との間のＣ線上に戻し、更に
テール絞りが進んだ段階においては、ｄに示すよ
うにカメラ１２の狙い位置をＡ線上まで戻す。

以上のようにして、テール絞り工程の全期間に
わたつてフユージヨンリングの直径が実測でき、
この実測値に基づいてテール部をフイードバツク
制御により直径管理することにより、任意の形状
のテール部１９が精度よく成形できる。

上述の手順で直径６インチのシリコン単結晶を
直径制御したところ、製品部１８においては±
0.5mm、テール部１９においては±１mmに寸法誤
差を抑えることができた。第４図は本発明の方法
により得た単結晶テール部の形状を例示したもの
である。

この実施例ではカメラの狙い位置をＡ、Ｂ、Ｃ
の３段階に変えているが、この段数は得ようとす
るテール部形状、カメラの光軸の引上げ軸に対す
る角度、必要とする精度等に基づいて適宜変更さ
れるものである。

〔発明の効果〕

本発明の直径制御方法は、テール部の直径をフ
イードバツク制御により、高精度に自動制御する
ことにより、以下の効果を奏する。

作業者の監視業務が不要となつて製造能率が
上るのみならず、必要なテール部形状を正確に
実現でき、これにより引上げ後にルツボに残存
する融液を可及的に少なくするとともに、テー
ル部の不必要な肥大を抑え、原料の使用効率を
大幅に高める。

テール部を必要形状に仕上げ得ることから、
製品部の欠陥をテール部に吸収させることも可
能となり、製品品質面でも大きな効果が得られ
る。

テール絞り工程が安定化することから、工程
所要時間のばらつきを減少させ、炉の稼動スケ
ジユールを安定化させる。

光学的手段の増設や他の計測手段（例えば結
晶の重量計等）の設置を必要とせず、全体とし
て低コストで簡単に実施できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本原理図、第２図は本発明
の実施例に係る装置構成図、第３図イ〜ハは同実
施例における直径制御手順を段階的に示した説明
図、第４図は同実施例で得たテール部形状の説明
図、第５図はCZ法と同法における直径制御の一
般的な方法を示す説明図、第６図ａ〜ｃはテール
絞り工程の説明図、第７図は従来の目視操作で得
たテール部形状の説明図、第８図イ，ロは従来の
プログラム制御で得たテール部形状の説明図であ
る。 １：チヤンバー、２：ルツボ、３：ヒータ、
８：ワイヤ、１０：引上げ用モータ、１１：単結
晶、１２：光学的手段（CCDカメラ）、１８：製
品部、１９：テール部、２０：フユージヨンリン
グ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ CZ法により円柱状に引上げる単結晶の成長
   部に生じるフユージヨンリングを光学的手段にて
   斜め上方より測光し、その測光データに基づいて
   単結晶の直径を制御する方法において、 前記光学的手段を引上げ軸と直交する方向へ移
   動自在となし、 円柱状の製品部を引上げたあとテール絞りを行
   う際に、テール部のフユージヨンリングを測光し
   続けるべく、まず、前記光学的手段の光軸を引上
   げ軸から離れる方向へ平行移動させ、次いで、テ
   ール部の絞りに伴うフユージヨンリングの縮径に
   応じて前記光学的手段の光軸を元の位置へ向けて
   平行移動させ、 この間、円弧状に観測されるフユージヨンリン
   グの弦の長さβを前記光学的手段の測光データか
   ら求め、求めた弦の長さβと前記光学的手段の移
   動距離γとからテール部の直径αを下式により算
   出し、 α＝√²＋（２・）² 算出されるテール部の直径αが予め決めたテー
   ル部の直径減少パターンに追随するように単結晶
   の引上げ速度を調節して、テール部の直径をフイ
   ードバツク制御により自動制御することを特徴と
   する単結晶テール部の直径制御方法。