JPH11278981A - Ｆｚ法半導体単結晶製造の監視方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は結晶形状の影響、更には石英ガス等
の影響の大きいＦＺ法においてもＣＺ法と同様に単結晶
成長時の異常の有無を判定しながら、円滑な製造監視制
御を可能とする半導体単結晶製造の監視方法を提供す
る。 【解決手段】 加熱コイルにより帯域溶融される溶融帯
域直下の単結晶域の温度をスポット域で測定し、単結晶
回転速度に基づく該スポット域温度の時間的変化より晶
劈線の発生状態を監視、特に波長選択フィルタを通した
赤外線センサにより単結晶域の晶劈線の発生状態を監視
しながら半導体単結晶成長の異常の有無を判別すること
を特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、浮遊帯域溶融法
（以下ＦＺ法という）により半導体単結晶を製造する際
の監視方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体単結晶製造方法には引き上げ法
（ＣＺ法）とＦＺ法が存在し、ＦＺ法はＣＺ法に比較し
て高純度の単結晶を得られる点で有利である。

【０００３】次に図３に基づいてＦＺ法によりＳｉ単結
晶の製造する方法を概略的に説明すると、アルゴン雰囲
気若しくは真空雰囲気に保持した金属チャンバー２内に
先端を円錐状に加工した多結晶原料棒３を垂直に保持
し、その下端近傍へ同軸的に、例えば一辺が５ｍｍの角
柱状種結晶棒８の先端を配置し、該多結晶原料棒３の下
端を高周波誘導加熱コイル４により加熱溶融し、この放
射熱により種結晶棒８の上端を溶融またはその近傍まで
加熱し、多結晶原料棒３に溶着した後、さらに種結晶棒
８の上端を徐々に溶融し、熱平衡に達したのち、種結晶
８から単結晶７への結晶成長に入る。

【０００４】結晶成長の初期は直径を例えば２〜３ｍｍ
まで絞り、例えば長さ２０ｍｍ以上までこの状態を継続
したのち、直径の太らせに入る。単結晶棒７の結晶成長
が直径の太らせにはいった時点から目的とする口径（直
径）に到達するまでは、単結晶７は逆円錐形(以下コー
ンという)に成長されるが目的とする口径に到達した後
は、加熱コイル４により多結晶原料棒３を帯域溶融し溶
融帯５を生成しながら単結晶棒７を一定直径へ制御する
工程（以下直胴製造工程と呼ぶ）に入る。以後、多結晶
原料棒３と単結晶棒７は溶融帯５を介して回転しながら
加熱コイル４に対し、軸方向に移動し、多結晶原料棒３
の有効長に到達したら多結晶原料と単結晶部を切り離
し、単結晶インゴットの製造を終了する。

【０００５】かかるＦＺ法による単結晶製造において
は、ＣＣＤカメラ、あるいは、撮像管を用いた監視装置
により、結晶成長制御の自動化が図られている。しかし
ながら、成長中に単結晶が多結晶化する結晶乱れの検出
については作業者の監視に頼るところが大きく、完全自
動化の障害となっている。かかる課題を解決するために
ＣＺ法においては種々の技術が提案されているが、いず
れも本発明のようにＦＺ法に適用するものではない。

【０００６】例えばＣＺ法による結晶成長において、特
開昭５５−１２１９９５号では、赤外線センサを融液面
の斜め上方に設置し、種結晶の周囲の融液面を測定し、
該測定データに基づいて種結晶下端に単結晶が成長し始
めた際に発生するファッションリング（高温の発熱部）
とその周囲に現れる晶劈線に起因する規則的突起を検出
する。即ち前記晶劈線は＜１００＞単結晶の場合はファ
ッションリング円周上に４個、＜１１１＞単結晶の場合
は３個の突起として表れる。そして前記種結晶が一回転
する毎に定間隔に４個若しくは３個の突起が表れるか否
かを確認し、前記種結晶の引上げのタイミングを自動的
に制御するものである。

【０００７】更に特開平９−１００１９４号では、一次
元ＣＣＤカメラを融液面の斜め上方に設置し、フュージ
ョンリングとカメラ測光ラインの交点の位置を検出しつ
つ、単結晶の晶劈線が前記測光ラインを通過する際にお
ける前記交点位置の変動を考慮しながらＣＺ法におい
て、単結晶外面に生じる晶劈線の部分を含め、結晶全周
に亙って結晶直径を高精度に測定するものである。しか
しながら、かかる発明は結晶直径を測定するもので、結
晶成長の異常の状態を判別制御するものではない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、赤外線
センサを用いたＣＺ引き上げ制御法をＦＺ法成長におけ
る円柱部監視に用いた場合には、加熱コイルが溶融帯を
取り囲み上部ポリシリコンと下部単結晶の間に位置して
いるため、該溶融帯と単結晶境界をポリシリコン側、即
ち前記ＣＺ法のように、斜め上方から観察する場合、加
熱コイルにより視野が遮られてしまうという制限があ
る。一方、単結晶側、即ち斜め下方から観察する場合は
加熱コイルは邪魔にならないが、溶融帯と単結晶の界面
が視野に入らない。さらに、通常のＣＣＤカメラによっ
て真横から観察した場合、斜め上方から観察するＣＺ法
では形状の変化として捉えることが可能であった晶劈線
を的確に捉えるのは容易ではなく、ＣＺ法の種結晶引き
上げ時のような明解なファッションリングも観察されな
い。また、いずれの場合においても、石英製の監視窓を
通して観察するので、石英からの放射による熱ノイズの
影響を受けてしまう。

【０００９】本発明は、かかる従来技術の欠点に鑑み、
カメラ視野の制限や結晶形状の影響、さらには石英製監
視窓からの放射を受けること無く、単結晶育成時の異常
の有無を判定しながら、円滑な製造監視制御を可能とす
る半導体単結晶製造の監視方法を提供することを目的と
する。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
ＦＺ法半導体単結晶製造の監視方法において、加熱コイ
ルにより帯域溶融される溶融帯直下の単結晶域の温度変
化により、該単結晶の晶劈線の発生状態を監視しながら
半導体単結晶成長の異常の有無を判別することを特徴と
する。

【００１１】かかる発明によれば溶融帯直下の単結晶域
の温度変化を真横から観察するものであるために、加熱
コイルに遮られることなく観察が可能であり、測定箇所
が制限されない。また、溶融帯域直下の単結晶域におい
て晶劈線の有無を監視するため、成長異常発生時に運転
の停止などの速やかな対応が可能である。ここで、溶融
帯域直下とは、溶融帯と単結晶の界面から単結晶側へ１
０ｍｍ程度までの領域を指す。それより下になると、全
体的に温度が下がるので晶劈線を検出しにくくなる。

【００１２】更に請求項２記載の発明によれば、溶融帯
域直下の単結晶域の温度変化を波長選択フィルタを通し
た赤外線センサにより把握することを特徴とする。即
ち、図４に示すように石英は波長２．７〜２．９μｍ及
び４．０μｍ以上に吸収帯を持つので、観察領域より放
射される赤外線のうち、この波長領域は石英ガラスに吸
収される。このため、波長選択フィルタ無しで赤外線セ
ンサを使用した場合、石英ガラスからの放射の影響を受
けることになる。従って、前記温度変化を波長選択フィ
ルタを通した赤外線センサにより把握し、より具体的に
は請求項４に記載のように、前記半導体単結晶成長がシ
リコン単結晶である場合においては、溶融帯域直下の単
結晶域の温度測定の測定波長領域が２．７μｍ以下ある
いは２．９〜３．４μｍの赤外線波長領域に設定すれ
ば、石英ガスからの放射の影響を排除して精度よい測定
が可能となる。

【００１３】更に請求項３に記載のように、溶融帯域直
下の単結晶域の温度をスポット域で測定し、単結晶回転
速度に基づく該スポット域温度の時間的変化より晶劈線
の発生状態を監視するようにすることにより自動制御も
可能となる。この場合赤外線センサは、単結晶成長時の
微小領域を高分能赤外線カメラで撮影することにより、
結晶回転数と同期した単結晶成長固有の温度変化を認識
し、単結晶乱れを監視することが可能なものを用いる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示した実施例
を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載され
る構成部品の寸法、形状、その相対配置などは特に特定
的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定
する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。図１は本発
明の実施形態に係る監視装置の概略ブロック図を示す。
１０はＦＺ法による半導体単結晶製造装置を示し、加熱
コイル４により多結晶原料棒３を帯域溶融し溶融帯５を
生成しながら回転する単結晶棒７を一定直径へ制御する
直胴製造工程を示している。そしてかかる直胴製造工程
では、溶融帯５直下の単結晶棒７には＜１１１＞単結晶
の場合は６０°間隔で６本（場合によっては１２０°間
隔で３本）の、又＜１００＞単結晶の場合は９０°間隔
で４本の晶劈線７ｂが形成されている。そしてこの晶劈
線７ｂは、単結晶育成時に特定の方位において過冷却に
より結晶成長速度が異なる部位が発生することにより生
ずるため、その晶劈線７ｂ部分は他の部分に比較して温
度低下が大きい。

【００１５】従って単結晶棒が定速度で回転している場
合は、＜１１１＞単結晶の場合は６本／周期、又＜１０
０＞単結晶の場合は４本／周期の晶劈線７ｂに対応する
位置で温度急冷が生じる。溶融帯５直下に単結晶棒７の
スポット域を設定すると、単結晶棒７の回転により、単
結晶棒７の軸線と直交する水平周回方向に温度が測定さ
れるため、正常に単結晶が成長している場合、前記周期
で晶劈線７ｂに対応する温度急冷トリガが検知されるこ
ととなる。即ち、前記６０°若しくは９０°周期間隔で
温度急冷トリガが発生したか否かで単結晶成長が正常か
否かを判定出来る。

【００１６】この場合溶融帯域５直下の単結晶棒７には
若干の温度変動があり、また石英ガスからの放射などの
熱ノイズも存在するため、これらの影響を考慮した精度
良い温度検知が出来なければ、前記判定は困難である。
そこで本実施形態では、図４に示すように、石英ガラス
では２．７μｍ以下の波長の透過率が高いことを利用
し、２．０〜２．７μｍの間に透過特性を有するバンド
パスフィルタを使用している。これにより石英ガラスに
よる放射の影響を除去できる。

【００１７】又晶劈線７ｂと異なる位置の温度変動を誤
って検知しその部分を晶劈線７ｂ部と誤判断しないよう
に、図２（Ｂ）に示すように晶劈線７ｂ以外の位置の温
度変動範囲を越え、晶劈線７ｂと対応する温度急冷位置
のみを検知可能な下限検知レベルを設けている。図１及
び図２はかかる点を加味した監視装置の制御ブロック図
である。

【００１８】１１は２．０〜２．７μｍ間に透過帯を有
するバンドパスフィルタ、１２はバンドパスフィルタ１
１透過後の赤外線を撮像する赤外線センサであり、これ
らは一つの赤外線カメラに一体化されている。そして該
赤外線カメラ１２により撮像された映像から、溶融帯域
５直下の単結晶棒７のスポット域７ａを選択し、該スポ
ット域７ａの温度データを時間波形に変換する画像処理
回路２０、及び該スポット域７ａの時間波形を演算処理
して単結晶成長の異常の有無を判定するＣＰＵ３０、及
び該ＣＰＵ３０からの判定信号に基づいてアラーム若し
くは停止指令等を発令する警報部４０等からなる。スポ
ット域７ａは、撮像された映像の全画素から任意に選択
できるが、本実施形態では溶融帯直下約５ｍｍの位置の
一画素を選択している。これは、ほぼ１×１ｍｍの実領
域を観察していることになる。ＦＺ法はＣＺ法に比べて
成長速度が速く、通常２〜３ｍｍ／分であるので、溶融
帯直下約５ｍｍの位置を観察すれば、結晶乱れの発生か
ら２〜３分程度の短時間で異常を検出することができ
る。

【００１９】図２は前記画像処理回路２０とＣＰＵ３０
の内部構成要素を示している。画像処理回路２０は、溶
融帯域５直下の単結晶棒７のスポット域７ａを選択する
スポット領域選択回路２１と、該スポット域７ａの温度
データを時間波形に変換する時間波形変換回路２２から
なる。ＣＰＵ３０は、晶劈線７ｂ以外の位置の温度変動
範囲を越え、晶劈線７ｂと対応する温度急冷位置のみを
検知可能な下限検知レベルを設け、温度データ時間波形
が下限検知レベルを以下になった場合に比較信号を出力
するトリガ発生器３１、単結晶の回転速度パルスを検知
する回転センサ４１からの信号に基づいて晶劈線７ｂ発
生周期に対応する６０°若しくは９０°周期の検知信号
を生成する周期検知センサ３３、周期検知センサ３３か
らの周期検知信号とトリガ発生器３１からの比較信号が
同期して出力される毎に正常運転を継続し、周期検知信
号が出力されたにもかかわらず、トリガ発生器３１より
の比較信号が出力されない場合に異常と判定し、アラー
ム若しくは強制停止を行なう判定器３２よりなる。

【００２０】次にかかる実施形態に基づく作用を説明す
る。本実施形態では、先ず溶融帯５直下約５ｍｍの単結
晶棒７ａ付近の温度変動を、バンドパスフィルタを介し
て２．０〜２．７μｍの赤外線のみ赤外線センサ１２に
取込む。そして該赤外線センサ１２により撮像された映
像は、スポット領域選択回路２１により、溶融帯域５直
下約５ｍｍの単結晶棒７のスポット域７ａを選択した
後、時間波形回路２２により該スポット域７ａの温度デ
ータを時間波形に変換する。

【００２１】次にＣＰＵ３０内のトリガ発生器３１によ
り、前記温度データ時間波形が下限検知レベルを以下に
なった場合に比較信号を判定器３２に出力する。一方、
回転センサ４１より検知した単結晶の回転速度パルスを
周期検知器（カウンタ）により検知し、晶劈線７ｂ発生
周期に対応する６０°（＜１１１＞単結晶の場合）若し
くは９０°（＜１００＞単結晶の場合）周期毎に検知信
号を判定器３２に出力する。

【００２２】判定器３２では、周期検知センサ３３から
の周期検知信号とトリガ発生器３１からの比較信号が同
期して出力される場合に正常運転と判定し、正常運転を
継続する。一方、周期検知信号が出力されたにもかかわ
らず、トリガ発生器３１よりの比較信号が出力されない
場合には異常と判定し、アラーム若しくは強制停止を行
なう。

【００２３】

【発明の効果】以上記載のごとく本発明によれば、ＦＺ
法においても、カメラ視野の制限や、結晶形状の影響、
更には石英ガラスからの放射の影響を抑えＣＺ法と同様
に単結晶成長時の異常の有無を判定しながら、円滑な製
造監視制御を可能とする。一方、ＦＺ法の単結晶製造の
完全自動化における大きな問題の一つとして、操業中の
単結晶乱れがあった。従来では作業者の直視に依存して
いたため、他の作業等により乱れに気付かずに成長を続
けた場合、特にＦＺ法では、大きな歩留まり低下原因と
なっていた。本発明では、この操業中の単結晶乱れを晶
劈線７ｂ発生の有無で自動的に検出することにより、作
業者の負担軽減と作業効率化、単結晶製造の自動化、及
び歩留まり向上を図ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の実施形態に係る監視装置の概略
ブロック図を示す。

【図２】図１の画像処理回路とＣＰＵの内部構成を示す
回路ブロック図を示す。

【図３】ＦＺ法によりＳｉ単結晶の製造する装置の概略
説明図を示す。

【図４】本実施形態のＦＺ装置における石英製の監視窓
の赤外線透過特性の実例データを示す。

【符号の説明】

３ 多結晶原料棒 ４ 誘導加熱コイル ５ 溶融帯 ６ 固液界面 ７ 単結晶棒 ７ａ スポット域 ７ｂ 晶劈線 ８ 種単結晶 １１ バンドパスフィルタ １２ 赤外線センサ ２０ 画像処理回路 ２１ スポット領域選択回路 ２２ 時間波形変換回路 ３０ ＣＰＵ ３１ トリガ発生器 ３２ 判定器 ３３ 周期検知センサ ４０ 警報部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 浮遊帯域溶融法（以下ＦＺ法という）半
   導体単結晶製造の監視方法において、 加熱コイルにより帯域溶融される溶融帯域直下の単結晶
   域の温度変化により、該単結晶域の晶劈線の発生状態を
   監視しながら半導体単結晶成長の異常の有無を判別する
   ことを特徴とするＦＺ法半導体単結晶製造の監視方法。
2. 【請求項２】 溶融帯域直下の単結晶域の温度変化を波
   長選択フィルタを通した赤外線センサにより把握するこ
   とを特徴とする請求項１記載のＦＺ法半導体単結晶製造
   の監視方法。
3. 【請求項３】 溶融帯域直下の単結晶域の温度をスポッ
   ト域で測定し、単結晶回転速度に基づく該スポット域温
   度の時間的変化より晶劈線の発生状態を監視することを
   特徴とする請求項１または２記載のＦＺ法半導体単結晶
   製造の監視方法。
4. 【請求項４】 前記半導体単結晶成長がシリコン単結晶
   である場合において、溶融帯域直下の単結晶域の温度測
   定の測定波長域が２．７μｍ以下または２．９〜３．４
   μｍの赤外線波長域であることを特徴とする請求項１な
   いし３記載のＦＺ法半導体単結晶製造の監視方法。