JPS62105994A - 引上単結晶のボトム形状制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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のボトム形状を制御
する際に用いて好適な単結晶用」二装置の形状制御方法
に関する。

「従来の技術」 第２図は、一般的な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、Ｉ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は黒鉛ザセプタ３によって保持されており
、黒鉛ザセブタ３の下端部は軸４の上端に所定の接合部
材によって取り付けられている。この場合、軸・１の下
端部にはルツボ回転モータ３２およびルツボ昇降モータ
３１の駆動力が伝建機構３３を介して伝建されるように
なっており、これにより、ルツボ２は所定方向に回転し
得るとと乙に、上下方向に昇降自在となっている。６．
６は、ルツボ２内の溶湯（ンリコン多結晶溶湯）７の温
度を制御するヒータであり、ルツボ２の外方に所定比離
隔てて設けられており、このヒータ６と炉体Ｉとの間隙
に保温材８が設：ｔられている。

欠に、ＩＯは炉体１の上端に接合されている中空回柱状
の上部ケーシングであり、この上部ケーシングの上端部
分に引上ヘッドＩＩか水平旋回自在に設けられている。

引上へノド１１内には、ワイア引上機＋ｉＷ　Ｉ　２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の回転中心に向って延びている。こ
のワイア引上機構１２には引上モータ１５の駆動力が伝
達されるようになっており、引上モータ１５の回転方向
によって、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っている。また、引上ヘッドｌ！
は、ヘッド回転モータＩ６の駆動力が伝達されろと矢印
へ方向に回転するようになっている。

次に、２０はワイアケーブル１３の下端に取り付けられ
ているノードボルダであり、図示のようにノード（単結
晶の種）２！を保持するものである。

」二足構成において、シード２Ｉを溶湯７に浸漬さ仕た
後に、ヘッド回転モータ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Ｉ３は
矢印へ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の下てゆく。土た、この単結晶成長工
程においては、軸４が矢印１〜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。

また、第２図において、２９は引上モータＩ５の回転速
度を検出する速度検出器、３０は装置各部を制御する制
御部である。この場合、速度検出器２９の検出信号Ｓ、
（引上速度に対応）およびテレビカメラ２５の映像信号
は、各々制御部３０に供給されるようになっている。そ
して、制御部３０の機能は、信号Ｓ、に基づく結晶中」
二連変の検出、テレビカメラ２５の画像信号に基づく成
長弔結晶の直径測定、ヒータ６の発熱量制御、モータ１
５．１　Ｇの回転制御、およびルツボ回転モータ３２、
ルツボ昇降モータ３１の回転制御等である。

この制御部３０の各種制御は、内蔵Ｉｔ　ＯＭ内の所定
プログラムに従って行なわれる。

さて、引き上げられて行（単結晶シリコン２２の成長形
状は、上端部（以下、ｌ・ツブという）お上び下端部（
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ずろのが望ましい
。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
液面レヘルなどであるから、これらのパラメータを調整
しながら単結晶ノリコン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かある。

この場合ノード部および直胴部の直径制御においては、
炉体１の上端部分に設けた窓部１ａからテレビカメラ２
５により溶／ＩＪ７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の直径か所定の大きさに沿うよう
に上記ふパラメータを制御している。また、単結晶シリ
コン２２か成長して行くと、ルツボ２内の溶湯液面が低
下４゛るか′、溶湯液面の低下は単結晶シリコン２ぼず
ので、輔４を上昇さ什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、ボトムの形状制御は、引−にが終了した直胴
部をイ＋＋を転位の状態に保つために、結晶の直１子を
除々に小さく絞−で行く形状制御を行う。

そして、従来にＦ３けるボトム形状制御は、鵠練作業各
かボトム部を［１視しながら、引ｊ二速度と溶湯ｉ’Ｍ
Ｌ　度とを制御し、これにより、ホトム杉状を制御して
いた。才なわら、弔拮品２２の直径は、引上速度か速い
と小さく、引上速兜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１１Ｍ度が低いと大き
くなるから、これらの偵を制御することによって、ボト
ム形状を手動によって制ｇ１１シていた。

しかしながら、手動による１１を来の方法にあっては、
ボトム形状か一定ｔ！′１’、また、熟練を必要とした
り、八ｒ）的なミスによる形状の変形等の問題があった
。

−の　介　１旧　ｔｌ　　　　１・　、ノド　１ｊ・　
“Ｉ［（１リ　ｊこ　之　グ１　て　戸ζ　＼　メ”Ｌ
　　Ｌ＝ｔ）ので、ホトノ・形状制御を人手を要せずに
完全自動化し、かつ、ボトム形状を目標形状に高ＦＬＹ
度に一致さＵ゛ろことかできる単結晶引上装置のボトム
形状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、成長中の
単結晶の直径を検出する直径検出部と、前記単結晶を引
き上げる引上部と、この引上部の引上速度を検出する引
上速度検出部とを有する単結晶引上装置の直径制御方法
において、直胴部の引上工程では前記単結晶の直径と所
定の目標値との偏差かＯとなるように前記引上部の引上
速度を制御し、かつ、ボトム部の引上工程ではこの工程
に入る直前の引上速度の平均値を基礎データとし、この
基礎データに対して所定の演算を施してボトム工程にお
ける引上速度および溶湯温度を求めるようにしている。

「作用　」 ボトム工程における引上速度および溶湯温度が、ボトム
工程に至る直前の引上速度に基づいて算出されるから、
現時・！叉の単結晶引上状況に適合化したポトムエｆ゛
１１が自動的に行なわれる。

「実推例」 以下、図面を参照してこの発明の実施例について説明ず
ろ。

第１図はこの発明の一実施例を適用したボトム形状制御
方法を示すフローチャートである。なお、この実施例に
おいて用られる単結晶引上装置の構成は、前述した第２
図に示す引上装置と同様である。

まず、制御部３０は、ノード２１をいっ１こん溶湯７に
浸漬すると、引上モータＩ５の回転方向を反転し、これ
により、ノード部の引上工程に入り、以下、シード部、
トップ部、直胴部の引上を順次行ってゆく。ここで、第
１図に示す処理のうちステップ５ＰＩＯ〜ステツプＳ　
Ｉ）　＋　５の処理は、直胴部の直径制御処理であり、
このうちステップ５ＰＩＯは従来から行なわれている処
理、ステップＳ　Ｐ　１１〜ステツプ５ＰＩ５はこの実
施例において特に行っている処理である。以下にこれら
の処理について説明する。

まず、ステップ５ＰＩＯの処理は、直胴部の直径を目標
値に一致させる処理である。この処理は、テレヒカメラ
２５の画像信号の解析によって得られろ直胴部の直径値
が目標値に一致するように、引上速度および溶湯２の表
面温度等を制御する。

この場合の引上速度制御は、例えば、検出された直径と
目標値との偏差を検出し、この偏差をＯと１′ろような
引上速度をＰＩＤ（比例・積分・微分）演算等によって
求め、新たに求めた引上速度によって引上を行う。また
、溶湯表面温度の制御においては、ヒータ供給電力やル
ツボ回転速度を制御することにより、その温度を一定と
するような制御を行う。したがって、ステップＳ　Ｉ）
　Ｉ　Ｏの処理によって直胴部の直径は一定に制御され
ろが、引上速度は、その時の条件に応じて変動する。

次に、ステップ５ＰＩＩ−ＳＰＩ５の処理について説明
ケる。

ステップ５ＰＩＩは、直胴部の引上時間か規定時間ＴＩ
に達したかどうかを判定する処理であり、規定時間に建
していればステップＳ　Ｉ）　Ｉ　２へＦ多り、達して
いなければステップＳＩ’　！・１へ序ろ。この場合の
規定時間′ｒＩは、数ｍｍ程度の引上部に材芯して数分
単位で設定されている。

そして、引上時間が規定時間に達していない場合は、ス
テップＳＰＩ＋からステップＳ　Ｉ’　１．１へ移り、
ここで、引上速度を累計する処理を１１うつこの引上速
度累計処理は、現時点の引上速度を２め用、會したレジ
スタＳＵＭに入れるとと乙に、以後このステップＳＰ＋
４を実行するｆＴｊに、現時点引上速度をレジスタＳＵ
Ｍに加算してゆ（処理である。このステップ５Ｐ１４の
処理か終了すると、ステップ５Ｐ１５に移り、平均化用
のカウンタＣ０ＵＮＴの内容を１インクリメントする。

この場合、カウンタＣ０ＵＮＴの内容は、初期状態にお
いてはクリアされている。そして、ステップ５Ｐ１５の
処理が終了すると、ステシブＳＰ＋６に序り、ボトム形
状制御の工程に入ったかどうか、１゛なイつち、直１１
１１１部の引−］二処理か終了つったかどうかが判定さ
れろ。このステップＳ　Ｐ　ｌ　６におけろ判定は、例
えば、操作者によってボトム制御開始のボタンが押され
たか、あるいは、直胴部の引上長の累計値が予め設定さ
れている目標値に達したかどうかを判定することによっ
て行なわれる。そして、ステップ５ＰＩ６でｒＮＯｊと
判定されると、再びステップ５ＰＩＯへ戻り、以後は、
ステップ５Ｐ１１でｒＹ　Ｅ　Ｓ　Ｊと判定されるまで
、すなわち、引上時間が規定長に達するまで、ステップ
５ＰＩＯ→ＳＰ＋１→ＳＰ＋４→５ＰＩ５→５Ｐ１６→
５ＰＩＯなるループ０．１を循環する。したがって、こ
のループａ１を抜は出した時点におけるレジスタＳＵＭ
の内容は、規定時間ＴＩにおける引上時間の総和となり
、また、カウンタＣ０ＵＮＴのカウント内容は、ステッ
プ５Ｐ１５の実行回数、すなわち、加算回数に対応する
。

次に、ステップ５ＰＩＩでｒＹ　Ｅ　Ｓ　Ｊと判定され
てステップ５ｐｉ２へ移ると、レジスタＳＵＭ内の累計
値をカウンタＣ０ＵＮＴのカウント値で除算し、これに
より、規定時間ＴＩ内における引上時間の平均値を求め
、この平均引上速度をレジスタＡＶＥ＄ＳＥに格納する
。また、ステップ５ＰＩ２においてはレジスタＳ［ＪＭ
とカウンタＣ０ＵＮ′ｒの内容をクリアずろとと乙に、
引上時間を計時するタイマらクリアする。次に、ステッ
プ５Ｐ１３に移ると、レジスタＡＶＥＳＳＥ内の平均速
度データをシフトレジスタに格納する。この場合、シフ
トレジスタは数ＩＯ〜１００ｇ程度のレジスタからなり
、ステップ５ＰＩ３においてデータ格納かある毎に、順
次データをシフトして行くととしに、終端のレジスタに
格納されているデータは次のデータ格納タイミングにお
いて破棄するように構成されている。

ステップ５ＰＩ３の処理が終わると、ステップ５ＰＩ６
へ移り、ボトム工程に入ったかどうかが判定され、入っ
ていなければ再びステップ５ＰＩＯを介してステップ５
ＰＩＩに至る。この際のステップ５ＰＩＩの判定は、ス
テップＳＰ＋２の処理によってタイマがクリアされてい
るためｒＮＯＪとなり、この結果、再びループ（Ｉを循
環する処理が開始される。

上述したことから判るように、ボトム工程に入る而にお
いては、規定時間ＴＩ毎に平均引上速度か算出され、か
つ、この平均引上速度が順次シフトレジスタに格納され
て行く。

次に、ボトム工程か開始されろと、ステップ５ＰＩ６に
おけろ判定がｒＹＥｓＪとなってステップＳＰ＋７にｆ
多り、ノットレジスタ内の全データをレジスタ数で除算
して規定時間Ｔ２における平均用」二時間を算出する。

この場合の規定時間Ｔ２は、上述したことから明らかな
ように規定時間ＴＩＸレジスタ数となるから、はぼ１時
間〜数時間の値となる。ずなイつち、ステップ５ＰＩ７
の処理は、ボトム処理に至る直前の規定時間Ｔ２（引上
部ではｇｅｍ〜１０ｃｍ程度に対応）内における平均引
上速度を求める処理となる。

次いで、ステップＳＰ＋８に移ると、ステップＳＰ＋７
で求めた平均引上速度を基準データとし、この基塾デー
タに対して所定の演算を施して、ボトム部における引上
速度を算出する。例えば、ステップ５Ｐ１７での算出結
果、すなわち、ボトム工院に入る直前の平均引上速度の
７０％をボトム引上速度とするように設定したとすると
、直前の引上速度がＩｎｎ／ｍｉｎのときは、０．７ｍ
ｍ／ｍｉｎとし、また、１．２ｍｍ／ｍｉｎのときは、
０．８４ｍｍ／ｍｉｎとするンＬ社算を行う。

また、ステップＳＰ＋８においては、ステップ５ＰＩ７
において算出した平均引上速度を溶湯温度のフィードバ
ック情報として用いてボトム部引上工程における溶、易
温度の設定を行う。これは、溶湯温度の変動に引上速度
が対応することをトリ用する処理であり、対応する理由
は以下の通りである。すなわち、直胴部の引上処理（ス
テップ５ＰｌＯ〜Ｓ　Ｐ　ｌ　５　）は、溶湯温度が設
定値より低い場合は直径増加を抑制するために引上速度
を、ヒ昇させ、また、溶湯温度が設定値より高い場合の
直径減少を抑制するために引上速度を遅くする処理とな
るから、溶湯温度の変動は引上速度の変動に反映されろ
こととなる。そして、ステップ５ＰＩ８ではステップＳ
　＋）　１７で算出した平均引上速度から平均溶湯温度
を解析し、この解析結果を基ｄΔとして、ボトム部用」
−処理における溶湯温度を算出して設定する。

次（こ、ステップＳＰ　＋　９＋こｆ多ると、ポ゛トム
シーケンスが開始される。この場合のボトムンーケンス
は、予め記憶されているプログラムに従い、ボトムの引
上部に応じて引上速度、溶湯温度等を変化させて行く処
理である。ただし、ステップ５ＰＩ９における引上速度
および溶湯温度の初期値はステップ５ＰＩ８において算
出された値が設定されろ。このステップＳＰ＋８におけ
る引上速度制御の一例を示すと、例えば、ボトム部の引
上が距ＩＬＩに達するまでは、ステップ５ＰＩ８で設定
した引上速度で引き上げ、距離Ｌ２（Ｌｌ＜ｔ、２）に
達するまでは、上記用」二速度の８０％の速度で引上げ
、さらに、距離Ｌ３（Ｌ２＜Ｌ３）に達するまでは、そ
れまでの引上速度の７０％で引上あげるというように、
引上速度初期値を順次所定の割合で引き下げる制御を行
う。また、溶１１Ｊ　？ｍ度の制御ら上記速度制御と同
様に行なわれる。

このように、ボトム部引上処理における引上速度お、に
び溶湯温度が、ボトム工程に至る直１１りの引上速度に
応して設定されろと、現時点の？ｌｉ結晶中上状況に最
乙適しｆこボトム引上処理と１−ることつくできろとと
らに、直胴部引上処理からボトム部引上処理への移行を
極めて短時間に、かつ、スムーズに行うことができる。

したかって、ポ゛トム１下引上処理の自動化を良好に行
うことができる。

一方、この場合において、ボトム部シーケンスの引上速
度初期値および溶湯温度初期値を各々固定の値にしてお
くと、ボトム引上処理に入った時点における引上条件が
想定した条件と異なっていた場合には、ボトム形状が予
期した通りにならなくなる不都合が発生する。また、こ
の不都合を回避するために、想定した引上条件一致さ仕
る中間的な処理をボトム部の処理の前に１：ｒうとする
と、条件を合わせるために無駄な時間を反してしまう問
題が発生する。特に、溶湯温度は設定値に一致させるた
めに多くの時間（１〜２時間）を要してしまうため、作
業効率の点で極めて不利となる。

「発明の効果」 以上説明したように、この発明によれば、直胴部の引上
工程では単結晶の直径検出値と所定の目標値との偏差が
Ｏとなるように引上部の引上速度を制御し、かつ、ボト
ム部の引上工程ではこの工作に入る直前の引上速度の平
均値を基礎データとし、この基礎データに対して所定の
演算を施してボトム工程におけろ引上速度および溶湯温
度を求めろようにしたので、ボトム制御の自動化を良好
に達成することができる１１１点が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例における制御方法を示すフ
ローヂャート、第２図は一般的な弔結晶引上装置の構成
を示す概略構成図である。 ２・・・・・・ルツボ、４・・・・・・軸、ＩＯ・・・
・・上部ケーシング、１３・・・・ワイヤケーブル、１
５・・・・・引上モータ（引上部）、２０・・・・・・
ワイヤケーブル、２Ｉ・・・・・ンード、２２・・・・
・・単結晶ンリコン、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、引上速度
検出部）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 成長中の単結晶の直径を検出する直径検出部と、前記単
   結晶を引き上げる引上部と、この引上部の引上速度を検
   出する引上速度検出部とを有する単結晶引上装置の直径
   制御方法において、直胴部の引上工程では前記単結晶の
   直径と所定の目標値との偏差が０となるように前記引上
   部の引上速度を制御し、かつ、ボトム部の引上工程では
   この工程に入る直前の引上速度の平均値を基礎データと
   し、この基礎データに対して所定の演算を施してボトム
   工程における引上速度および溶湯温度を求めることを特
   徴とする単結晶引上装置のボトム形状制御方法。