JPH11180794A - 単結晶引上げ装置の湯洩れ検知システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 本発明は、単結晶の品質低下等の不具合を招
くことなく、単結晶製造中に融液の湯洩れが生じた場合
に早期に検知出来、既存の設備等を最大限に活用出来る
湯洩れ検知システムの提供を目的とする。 【解決手段】 引上げ中の単結晶６とシリコン融液４が
接触する部分に生じるフュージョンリングをＣＣＤカメ
ラ２０で撮像し、これを画像処理装置２１で処理して湯
洩れを検知する第１検知手段１７を設ける一方、ルツボ
支持軸１０と種結晶５を保持するワイヤ１２との間に、
電源２４から交流または直流電圧を間欠的に印加し、導
電状態の変化を比較器２６で検出して湯洩れを検知する
第２検知手段とを設け、これらを組合わせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばチョクラル
スキー法による単結晶製造時の原料融液洩れの検知技術
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、結晶引上げ装置における原料融液
洩れを検出するため、例えば特開昭６２−２７５０８７
号のような技術が提案されている。この技術は、融液を
収容するルツボと、このルツボを支持する導電性の支持
体と、融液に接する種結晶を保持する導電性の吊持具を
備えた結晶引上げ装置において、支持体と吊持具との間
に常時電圧を負荷し、融液、ルツボを通して支持体と吊
持具との間に流れる電流または抵抗の変化をとらえて、
融液の漏出を検出するようにしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記技術で
は、支持体と吊持具の間に常時電圧を負荷しているた
め、ルツボ中の重金属不純物が電位にそって移動し、こ
れがためにルツボが変形したり、ルツボから不純物が融
液中に溶出して単結晶の品質に悪影響を与える虞れが大
きい等の不具合があった。このような不具合を避けるた
めには引上げ装置を操作しているオペレータが、自ら定
期的に炉内を観察し、目視によってルツボ内の融液量を
判断せざるを得ない状態であるが、このようなオペレー
タに頼るやり方は対処が遅れがちになるという問題があ
る。すなわち、オペレータが気付いた時には既に相当量
の湯洩れが起きており、炉内部材の破損等が生じる上
に、ヒータ電源が落とされていないために、シリコン融
液が水冷チャンバにまで達し、水蒸気爆発等の事故を起
こす危険がある。

【０００４】そこで本発明は、単結晶の品質低下等を招
くことなく、単結晶製造中に融液の湯洩れが生じた場合
は早期に検知することが出来、また既存の設備等を最大
限に活用出来る湯洩れ検知システムの提供を目的とす
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明は、請求項１において、単結晶引上げ装置のルツ
ボ内から融液が湯洩れするのを検知するようにした検知
システムにおいて、引上げられる単結晶と融液が接触す
る部分及びその周辺の融液面を撮像する視覚センサと、
この画像を処理して湯洩れを検知する画像処理装置を設
けた。

【０００６】ここで、単結晶と融液が接触する部分及び
その周辺の融液面には、育成中の単結晶を囲むようにフ
ュージョンリングと呼ばれる輝度の高いリング状の明部
が発生し、単結晶と融液の接触が無くなるとフュージョ
ンリングも無くなるため、視覚センサでこの輝度の高い
フュージョンリングを撮像し、画像処理装置によって判
断する。ここで視覚センサには、ＣＣＤ（電荷結合素
子）、ＭＯＳ（金属酸化膜半導体）等の半導体イメージ
センサ、またはその他のＴＶカメラ等が適用出来る。

【０００７】また請求項２では、前記ルツボを昇降手段
によって上下動自在とし、またこの昇降手段を、視覚セ
ンサから融液面までの距離を一定に制御する制御手段に
よって駆動制御するようにした。このようにルツボを上
下動自在にして結晶が成長される融液面の位置を視覚セ
ンサで検知し易い位置にし、視覚センサから融液面まで
の距離を一定に制御すれば、視覚センサの検知精度が向
上し、画像処理装置における誤判断等が抑制出来る。

【０００８】また請求項３では、前記視覚センサを、単
結晶の直径を制御するための視覚センサと共用するよう
にした。ここで、単結晶の直径を制御するための視覚セ
ンサは、融液と接触する単結晶の結晶成長界面の撮像デ
ータを出力し、この出力信号が直径制御の１つの手段で
ある単結晶引上げ速度の制御因子とされるが、結晶成長
界面はフュージョンリングに近接しており、フュージョ
ンリング位置を基準に単結晶の直径は検出されているた
め、単一の視覚センサで共用することが可能である。ま
たこのような直径制御用の視覚センサは、既存の単結晶
引上げ装置で使用されているため、既存設備の最大活用
が図られる。

【０００９】また請求項４では、ルツボを支持するルツ
ボ支持部材と、種結晶を保持し且つルツボの上部で上下
動可能な単結晶引上げ部材との間に、交流または直流電
圧を間欠的に印加する電圧印加手段と、ルツボ支持部材
と単結晶引上げ部材との間の導電状態の変化を検知する
導電変化検出手段を設けた。

【００１０】ここで、ルツボの材料として一般的に石英
ルツボが使用されており、この石英ルツボは常温では絶
縁体であるが、１０００℃以上の高温になると導電性を
帯びるようになる。このためこの性質を利用して、ルツ
ボ支持部材と単結晶引上げ部材との間に電圧を印加する
と、単結晶が融液に接触していればルツボ支持部材と単
結晶引上げ部材との間が導電状態となり、単結晶が融液
から離れると電流の流れが遮断される。そしてこの導電
状態の変化を検知して湯洩れを判断する。尚、前記特開
昭６２−２７５０８７号の場合は、ルツボ支持部材と単
結晶引上げ部材との間に常時電圧を負荷しているため、
ルツボが変形したり、ルツボから不純物が溶出したりし
て、結晶引上げを続行出来なくなったり、結晶品質の低
下を招く虞れがあるが、本発明では、間欠的に電圧を印
加するため、かかる不具合がない。特に交流電圧を印加
する場合には、ルツボ内の不純物は移動しないので、上
記ルツボが変形したり、ルツボ内から不純物が溶出する
といった問題を完全に解決することが出来る。

【００１１】また請求項５では、前記電圧印加手段を、
融液面初期位置調整システムの電圧印加手段と共用する
ようにした。ここで、融液面初期位置調整システムの目
的は、単結晶の直径を一定に制御するための視覚センサ
と融液面との当初の距離を一定に設定して撮像精度を高
めるためであり、このための電圧印加手段は、融液面を
初期位置に設定するため、種結晶を融液に接触させて導
電状態になる時点を検出して融液面の現在位置を求め、
この現在位置と初期基準位置との補正量を検出するため
に使用される（特公平５−５９８７６号参照）。また融
液面初期位置調整システムの電圧印加手段は、既存の単
結晶引上げ装置で使用されているため、既存設備の最大
活用が図られる。

【００１２】また請求項６では、請求項１乃至請求項３
の湯洩れ検知用の視覚センサと、請求項４又は請求項５
の湯洩れ検知用の電圧印加手段とを組み合わせるように
した。このように両者を組合わせれば、一層正確な検知
が可能となる。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について添付
した図面に基づき説明する。ここで図１は本発明に係る
単結晶引上げ装置の湯洩れ検知システムのシステム構成
図、図２は単結晶引上げ装置の融液面初期位置調整シス
テムのシステム構成図である。

【００１４】本発明に係る単結晶引上げ装置の湯洩れ検
知システム１は、例えばシリコン単結晶をチョクラルス
キー法で製造する際、シリコン融液が洩出するのを早期
に検知して、必要な対処を講じることが出来るようにし
たものであり、その基本的構成は図１に示す通りである
が、本実施形態では図２に示す融液面初期位置調整シス
テム２と組合わせて、有効性を一層高めるようにしてい
る。因みに、図２の融液面初期位置調整システム２は、
本出願人の出願に係る公知の特公平５−５９８７６号の
技術内容であり、このように図１と図２に分けて示した
のは説明を簡単にするためである。

【００１５】単結晶引上げ装置は、図１に示すように、
石英ルツボ３内に収容されるシリコン融液４に、種結晶
５を接触させて単結晶６を育成しつつ引上げることが出
来るようにされ、前記石英ルツボ３は、グラファイトル
ツボ７で保持されるとともに、このグラファイトルツボ
７の周囲には、ポリシリコンを加熱溶融せしめてシリコ
ン融液４とするヒータ８が配設されている。そして前記
グラファイトルツボ７は、ルツボ支持部材であるルツボ
支持軸１０によって支持され、このルツボ支持軸１０は
軸受１１によって軸支されている。

【００１６】一方、前記種結晶５は、単結晶引上げ部材
であるワイヤ１２の下端部の種ホルダ１３によって保持
されており、前記ワイヤ１２の上端部は、モータ１４の
駆動によって回転自在なドラム１５に巻き付けられ、ド
ラム１５の回転によって上下動自在にされている。

【００１７】そしてドラム１５を支持するベース１６と
種結晶５の間、及び前記グラファイトルツボ７と軸受１
１の間は電気的導通が図られている。

【００１８】このような単結晶引上げ装置において、本
湯洩れ検知システム１は、主として湯洩れを視覚センサ
で検知する第１検知手段１７と、電気的導通で検知する
第２検知手段１８を備えている。

【００１９】すなわち、第１検知手段１７は、単結晶６
とシリコン融液４が接触する部分及びその周辺（結晶成
長界面近傍）のシリコン融液面４Ｈに生じるリング状の
輝度の高いフュージョンリングを撮像するＣＣＤカメラ
２０と、この画像を処理する画像処理装置２１を備え、
フュージョンリングが消えた時は、湯洩れ検知用コント
ローラ２２を通じて異常と判断して警報器２７から警報
を発するとともに、ヒータ用電源２３を自動的にオフに
するようにしている。尚、このＣＣＤカメラ２０は、後
述する融液面初期位置調整システム２の直径制御用のＣ
ＣＤカメラ３４と同様な構成により、シリコン融液面４
Ｈとの間隔を一定に保持し得るようにして、両システム
を共用するようにしても良い。

【００２０】また、第２検知手段１８は、一方側の出力
端子が前記ベース１６に接続され、また他方側の出力端
子が抵抗器２５を介して前記軸受１１に接続される電圧
印加手段としての直流または交流の電源２４と、この電
源２４から供給される基準電圧Ｖ0 、及び種結晶５をシ
リコン融液４に接触させた際に抵抗器２５の端子に生じ
る電圧Ｖを比較する導電変化検出手段（電位差変化検出
手段）としての比較器２６を備えている。ここで、石英
ルツボ３は常温では絶縁体であるが、１０００℃以上の
高温になると導電性を帯びるようになるため、シリコン
融液（１４２０℃以上）４に種結晶５を接触させると、
ベース１６と軸受１１間が導通状態となる。

【００２１】また、前記比較器２６に供給される基準電
圧Ｖ0 は、発生電圧Ｖより小さい値に設定され、Ｖ0 ＜
Ｖとされている。すなわち、各種条件を変えて、単結晶
６とシリコン融液４が接触している時の発生電圧Ｖを多
数実測し、接触中は常にＶ0 ＜Ｖが成立するような基準
電圧Ｖ0を求め、この基準電圧Ｖ0 を基準にして導電変
化（電位差の変化）を検出するようにしている。

【００２２】そしてこの比較器２６の出力信号を湯洩れ
検知用コントローラ２２に送り、湯洩れが生じてＶ0 ＞
Ｖとなった場合は、比較器２６の出力信号が切換って湯
洩れ検知用コントローラ２２、警報器２７を通じて警報
を発するとともに、ヒータ用電源２３を自動的にオフに
するようにしている。

【００２３】また電源２４から電圧を印加する際、本発
明では間欠的に行うことで、石英ルツボ３の変形防止、
及び石英ルツボ３からの不純物の溶出等を防止してい
る。因みに、実施形態では２０Ｖの交流を１０秒間隔で
５００msec印加するようにしている。

【００２４】以上のような湯洩れ検知システム１におい
て、石英ルツボ３に穴があいたり破損等によってシリコ
ン融液４が漏出すると、第１検知手段１７ではＣＣＤカ
メラ２０の撮像によってフュージョンリングの消失が検
知されて湯洩れの対処がなされ、また第２検知手段１８
では比較器２６の出力信号の切換りによって湯洩れの対
処がなされる。勿論、これら第１、第２検知手段１７、
１８はいずれか一方側だけでも良いが、両者を併用する
ことで、一層確実な湯洩れ検知が可能である。

【００２５】次に、融液面初期位置調整システム２の概
要について、図２に基づき説明する。尚、図２では、ヒ
ータ８等の一部について図示を省略している。この融液
初期位置調整システム２は、前記湯洩れ検知システム１
の電源２４、抵抗器２５、比較器２６等の構成と同様に
構成される電源３０、抵抗器３１、比較器３２の他、前
記ルツボ支持軸１０を上下動させるためのモータ３３
と、単結晶の直径を制御するためのＣＣＤカメラ３４
と、種結晶５の基準位置を光学的に検出する基準位置検
出器３５を備えており、基準位置検出器３５とシリコン
融液面４Ｈとの距離Ｈを一定に調整することで、ＣＣＤ
カメラ３４とシリコン融液面４Ｈとの初期間隔Ｌを一定
にセット出来るようにしている。

【００２６】すなわち、ルツボ支持軸１０移動用のモー
タ３３の近傍には、ルツボ支持軸１０の下限位置を検出
する下限位置検出器３６と、ルツボ支持軸１０の上下方
向の移動量に比例してパルスを出力するパルスジェネレ
ータ３７が設けられる一方、前記ワイヤ１２が巻き付け
られるドラム１５の回転軸には、ドラム１５の正・逆方
向の回転量に比例してパルスを発生するパルスジェネレ
ータ３８と、このパルスをカウントするカウンタ４０が
設けられており、このカウンタ４０の出力と前記ルツボ
支持軸１０側のパルスジェネレータ３７の出力は、コン
トローラ４１に送られて処理されるようになっている。

【００２７】このような構成の融液面初期位置調整シス
テム２において、最初に種結晶５を接触させて単結晶を
育成させる時のシリコン融液面４ＨとＣＣＤカメラ３４
との初期間隔Ｌを一定に調整するため、まず種結晶５を
下降させる途中で基準位置検出器３５により種結晶５の
通過時点を検出し、この時点から種結晶５がシリコン融
液面４Ｈに接触する時点（ベース１６と軸受１１間が導
通状態になることで検知可能）までの距離をパルスジェ
ネレータ３８のパルスで検出する。そしてこの距離Ｈか
ら、ＣＣＤカメラ３４とシリコン融液面４Ｈの間隔Ｌを
基準値に設定するための補正量を求める。

【００２８】そしてこの補正は、ルツボ支持軸１０をモ
ータ３３で上下動させることで行い、また補正量のコン
トールはパルスジェネレータ３７で行う。尚、以上のよ
うな調整により、シリコン融液面４Ｈの初期位置を所望
の位置に調整するが、単結晶引上げ中は、例えば結晶直
径、引上げ速度等から計算で求められる移動速度でルツ
ボ支持軸１０を移動させ、ＣＣＤカメラ３４とシリコン
融液面４Ｈの間隔Ｌを一定に保つよう図る。因みに、こ
のような融液面初期位置調整システム２は、従来の設備
に既に適用されているものである。

【００２９】ところで、以上のような融液面初期位置調
整システム２と前記湯洩れ検知システム１を組合わせる
場合、電圧印加手段としての電源３０、２４等とか、Ｃ
ＣＤカメラ３４、２０とか、コントローラ４１、２２等
を共用することによって、既存の設備を最大限に活用し
た構成が簡素に出来る。但し、電源３０、２４等を共用
する場合は、シリコン融液面４Ｈの初期位置を調整する
時だけは、間欠的な電圧の印加でなく、継続的に電圧を
印加しておくよう制御する必要があるが、この時間は短
時間であるため特に問題はないし、前述のように交流電
圧を用いれば問題はない。

【００３０】尚、本発明は、上記実施形態に限定される
ものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の
特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一
な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかな
るものであっても本発明の技術的範囲に包含される。例
えば融液はシリコン融液以外の場合でも適用出来、また
単結晶引上げ部材はシャフト等のワイヤ方式以外でも良
い。

【００３１】

【発明の効果】以上のように本発明は、請求項１のよう
に、単結晶引上げ装置のルツボ内から融液が湯洩れする
のを検知するため、引上げられる単結晶と融液が接触す
る部分及びその周辺の融液面を撮像する視覚センサと、
この画像を処理して湯洩れを検知する画像処理装置を設
けたため、フュージョンリング等を利用して迅速に湯洩
れを検知することが出来る。また請求項２のように、ル
ツボを昇降手段によって上下動自在にするとともに、制
御手段によって視覚センサから融液面までの距離を一定
に制御すれば、視覚センサの検知精度が向上し、画像処
理装置における誤判断等が抑制出来る。そして請求項３
のように、この視覚センサを単結晶の直径を制御するた
めの視覚センサと共用すれば、既存設備の最大活用が図
られる。

【００３２】また請求項４のように、ルツボ支持部材と
単結晶引上げ部材との間に、交流または直流電圧を間欠
的に印加する電圧印加手段を設け、ルツボ支持部材と単
結晶引上げ部材との間の導電状態の変化を導電変化検出
手段で検出して湯洩れを検知することも可能であり、こ
の場合には、きわめて迅速に湯洩れを検知できるととも
に、ルツボが変形したり、不純物が溶出して結晶品質の
低下を招くようなこともない。この際、請求項５のよう
に、融液面初期位置調整システムの電圧印加手段と共用
すれば、既存設備の最大活用が図られる。そして請求項
６のように、湯洩れ検知用の視覚センサと、湯洩れ検知
用の電圧印加手段を組み合わせれば、一層正確な検知が
可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る単結晶引上げ装置の湯洩れ検知シ
ステムのシステム構成図である。

【図２】単結晶引上げ装置の融液面初期位置調整システ
ムのシステム構成図である。

【符号の説明】

１…湯洩れ検知システム、 ２…融液面初期
位置調整システム、３…石英ルツボ、
４…シリコン融液、４Ｈ…シリコン融液面、
５…種結晶、６…単結晶、
７…グラファイトルツボ、８…ヒータ、
１０…ルツボ支持軸、１１…軸受、
１２…ワイヤ、１３…種ホル
ダ、 １４…モータ、１５…ドラ
ム、 １６…ベース、１７…第１
検知手段 １８…第２検知手段、２０
…ＣＣＤカメラ、 ２１…画像処理装
置、２２…湯洩れ検知用コントローラ、 ２３…ヒー
タ用電源、２４…電源、 ２５
…抵抗器、２６…比較器、 ２７
…警報器、３０…電源、 ３１
…抵抗器、３２…比較器、 ３３
…モータ、３４…ＣＣＤカメラ、 ３５
…基準位置検出器、３６…下限位置検出器、
３７…パルスジェネレータ、３８…パルスジェネレ
ータ、 ４０…カウンタ、４１…コントロー
ラ。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 単結晶引上げ装置のルツボ内から融液が
   湯洩れするのを検知するようにした検知システムであっ
   て、引上げられる単結晶と融液が接触する部分及びその
   周辺の融液面を撮像する視覚センサと、この画像を処理
   して湯洩れを検知する画像処理装置を備えたことを特徴
   とする単結晶引上げ装置の湯洩れ検知システム。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の湯洩れ検知システムに
   おいて、前記ルツボは昇降手段によって上下動自在とさ
   れ、またこの昇降手段は、前記視覚センサから融液面ま
   での距離を一定に制御する制御手段によって駆動制御さ
   れることを特徴とする単結晶引上げ装置の湯洩れ検知シ
   ステム。
3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２に記載の湯洩れ検
   知システムにおいて、前記視覚センサは、単結晶の直径
   を制御するための視覚センサと共用されることを特徴と
   する融液の湯洩れ検知システム。
4. 【請求項４】 単結晶引上げ装置のルツボ内から融液が
   湯洩れするのを検知するようにした検知システムであっ
   て、前記ルツボを支持するルツボ支持部材と、種結晶を
   保持し且つ前記ルツボの上部で上下動可能な単結晶引上
   げ部材との間に、交流または直流電圧を間欠的に印加す
   る電圧印加手段と、前記ルツボ支持部材と単結晶引上げ
   部材との間の導電状態の変化を検知する導電変化検出手
   段を備えたことを特徴とする単結晶引上げ装置の湯洩れ
   検知システム。
5. 【請求項５】 請求項４に記載の湯洩れ検知システムに
   おいて、前記電圧印加手段は、融液面初期位置調整シス
   テムの電圧印加手段と共用されることを特徴とする融液
   の湯洩れ検知システム。
6. 【請求項６】 請求項１乃至請求項３に記載の湯洩れ検
   知用の視覚センサと、請求項４又は請求項５に記載の湯
   洩れ検知用の電圧印加手段とが組み合わされることを特
   徴とする単結晶引上げ装置の湯洩れ検知システム。