JPS6283394A - 単結晶引上装置の直径制御方法 - 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、例えばン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は炉体てあり、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によって保持されており、
黒鉛サセプタ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、紬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もに、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の外方に所定圧離隔てて設けられており、このヒータ
６と炉体■との間隙に保ｌ晶材８が設けられている。

次に、ＩＯは炉体ｌの上端に接合されている中空円柱状
の上部ケーシングてあり、この上部ケーシングの上端部
分に引上ヘッドＩＩが水平旋回自在に設けられている。

引上ヘッド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の引き北げ、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１１は、ヘッ
ド回転モータ１６の駆動力が伝達されると矢印六方向に
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
ているソートホルダであり、図示のようにノート（単結
晶の種）２１を保持するものである。

上記構成において、ノート２１を溶湯７に浸漬させた後
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
印六方向に駆動されながら」一方に引き上げられてゆき
、このノート２１の下端部に単結晶ノリコン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、軸４か矢印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、トップという）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
、単結晶ノリコン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ｌ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ノ
リコン２２と溶湯液面との境界１ケ置を検出し、この検
出結果に基づいて単結晶ノリコン２２の外形が所定形状
にｌＯ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か、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
ヤので、軸４を上昇させて液面レヘルを一定に保つよう
にしている。

「発明か解決しようとする問題点ｊ ところで、予納晶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
によってほとんど決定される。そこで、従来は始めに溶
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
していた。

この場合、引−に速度の制御は、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
行うことができろ。一方、溶で易表面温度の制御は、ヒ
ータ６への供給電力を制御することにより行っているの
で、例えば、ヒータ６が劣化したり、ヒータ６に対する
溶湯液面位置の違いかあったりすると、同じ電力を供給
しても同一の発熱量が得られない場合があり、この結果
、溶湯液面温度を常に一定に保つのが錐しいという問題
がある。また、溶湯の対流等の影響により、温度制御の
応答がどうしてら遅くなってしまうため、液面温度が安
定するまで時間がかかってしまうという問題もある。

したがって、従来の直径制御方法にあっては、溶湯液面
温度の安定度が低いと、シード部や直胴部を均一な直径
とすることが極めて難しくなるという欠点があった。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、シ
ード部や直胴部の直径を均一とすることができろ弔結晶
引上装置における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、成長中の
単結晶の直径を検出する直径検出部と、面記単結晶を任
意の速度で引き上げる引上部とを有する単結晶引上装置
の直径制御方法において、溶湯表面温度が設定値に一致
している場合に前記単結晶の直径が目標値に一致するよ
うな引上速度を予め基準引上速度として設定し、実際の
引上工程にあっては成長中の面記単結晶の直径と面記目
標値との偏差がＯとなるように前記基準引上速度を補正
しながら所定の区間に渡って試し引きを行い、かつ、こ
の試し引きの間における前記引上速度の平均値を求める
とともに、以後の引上動作においては前記偏差を０とす
るように面記平均引上速度を補正しながら引上を行うよ
うにしている。

「作用　」 まず、試し引き処理によって、現時点の溶湯表面温度に
適した引上速度、すなわち、平均引上速度が決定され、
次に、溶湯引上温度の変化に対応して面記平均引上速度
を補正しながら引上が行なわれる。

「実施例」 以下、図面を参照してこの発明の実；血例について説明
する。

第１図はこの発明の一実施例を通用したｑｔ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図の谷
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１５Ｄ回転速度を検
出する速度検出器であり、その検出信号Ｓｌは、制御部
３０に供給されるようになっている。この場合、信号Ｓ
１は、図から明らかなよ・”）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
しのであり、ＣＩ）Ｕ（中央処理装置）、プログラムＲ
ＯＭ　、種々のデータが一時記憶されるＲ　Ａ　Ｍ、お
よび各種インターフェイスからなっている。そして、制
御部３０の機能は、信号Ｓ１に基づく結晶引上連間の検
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、ヒータ６の発熱量制御、モータ１５゜１６の
回転制御、図示せぬルツボ回転モータ、ルツボ昇降モー
タ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って行なわれる。

次に、この実施例における直径制御方法について、第２
図に示すフローチャートを参照し、また、シード部の引
上を例にとって説明する。

まず、制御部３０は、シード２Ｉをい−）たん溶ｌＱ　
７に浸漬すると、引−Ｌ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
すフローチャートが起動される（ステップ５ＰＩ）。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って行なわれる。基準引上速度
とは、溶湯表面温度か目標値に一致しているときにおい
て、ノード２１の直径か目標直径に一致するような引上
速度であり、経験や実験等によって予め決定される。

次に、制御部３０はステップ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、ステップＳＰ３に移る。このステ
ップＳＰ３は、引上速度を決定する処理であり、ステッ
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、この演算によって得
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２１応する回転速度信号を、モータ１５に供給
する。この結果、ノート２Ｉは、ステップＳＰ３におい
て算出された出力引上速度で引き」−げられて行く。こ
の場合、ステップ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となるからステップＳＰ
３において算出される出力引上速度は基め引り速度に一
致するが、外乱や前述したような溶１易表面温ｌｆの制
御誤差がある場合には、ステップＳ［）２にお（上る偏
差データか０にならず、この結果、ステップＳＰ３にお
ける出力引上速度は、基準引上速度に対し偏差にχ・１
応するｈｌｉ正をしたデータとなる。すなイつも、ステ
ップＳ　Ｐ　３において算出されろ出力引上速度は、現
時点の溶湯表面温度に対し、ノード２１の直径を目標直
径に一致させる引上速度となる。

次に、ステップＳＰ４は引上長の累計を算出する処理で
あり、信号Ｓ、に基づいて算出される検出引上速度にス
テップＳＰ２〜ステップＳＰ６から成るループ１１の循
環時間Δ１．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。このステップＳ
Ｐ４における引上長の初期値は、ステップ５ＰＩ（引上
開始時）からステップＳＰ４に至るまでの処理時間に、
検出用と速度を乗じた値が設定される。そして、ステッ
プＳＰ５に移ると、ステップ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
、次いで、ステップＳＰ６に移って引上長か規定長に達
したか否かが判定され、達していなければループＱ、を
循環する。ずなわち、ループρ、の処理は、偏差を０と
するような引上速度で規定長に達するまで引上を行い、
この時の平均引上速度を求める処理である。この場合、
ステップＳＰ６における規定長は、平均引上速度を求め
るｒこめに充分な長さに予め設定される。

次に、ステップＳＰ６の判定がｒＹ　Ｅ　Ｓ　」となる
と、ループｇ１を抜は出し、ステップＳＰ７，８，９゜
ＩＯからなるループρ、に入る。このループＩ２２にお
けるステップＳＰ７の処理はループＱ、におけるステッ
プＳＰ２の処理と同じ処理であり、また、ステップＳＰ
８、ステップＳＰ９、ステップ５ＰＩＯは各々ループρ
１におけるステップＳＰ３、ステップＳＰ４、ステップ
ＳＰ６とほぼ同様な処理である。ただし、ステップＳＰ
８では基準引上速度に代えてステップＳ　Ｆ　５で求め
た平均引上速度が用いられ、ステップＳＰ９ではΔ１．
に代えてループＱ、の循環時間であるΔＬ、が用いられ
、また、ステップ５ＰＩＯでは規定長に代えてシード２
Ｉの目標長が用いられている。

ループ（！２の実行において、溶湯液面温度がループａ
ｌを出た時のまま変化しない場合は、上述したことから
明らかなように、平均引上速度での引上に上って、シー
ド２１の直径は目標直径に一致することが判る。すなわ
ち、この場合は、ステップＳＰ７における偏差が０とな
り、ステップＳＰ８において算出される出力引上速度が
、平均引上速度に一致する。したかつて、この状態が継
続すると、以後は平均引上速度のまま引き上げが行なわ
れろ。

一方、外乱等かあって溶湯液面の温度がループＱ１を出
た時点から変化した場合は、平均引上速度で引き上げを
行っても、ノード２１の直径は目標直径に一致しなくな
るから、ステップＳＰ７における偏差は０とならない。

この結果、ステップＳＰ８において算出されろ出力引上
速度は、平均引上速度を上記偏差のＰＩＤ演算値によっ
て補正した値となる。

このように、ループＱ２における処理は、ループ（！１
で求めた平均引上速度を基学として引き上げを（テい、
さらに、外乱等によるノード２Ｉの直径変化かある場合
には、目標直径値に対する偏差に基づいて上記平均引上
速度を補正するようにしている。

以上のように、この実施例においては、まず、ループρ
ｌ（試し引き）の処理によって、現時点の溶湯表面温度
に適した引上速度、すなわち、平均引上速度を決定し、
次に、ループＱ、において溶湯引上温度の変化に対応し
て前記平均引上速度を補正し、この補正後の引上速度に
よって引上が行なわれろようになっている。言い替えれ
ば、引上速度制御の中心値となる平均引上速度をループ
Ｑ、で求め、以後は、平均引上速度を微調整しながら単
結晶を引上でゆき、溶湯液面温度の揺らぎに対しても最
適な引上速度を設置するようにしている。

なお、上記実施例におけるステップＳＰ３、ステシブＳ
Ｐ８においては、各々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。

また、上述した実施例においては、ステップＳＰ６にお
いて規定長と引上長とを比較したが、この判定に代えて
、引上開始からの経過時間を所定の規定時間と比較して
ループＣ，（試し引き）から抜けるように構成してもよ
い。

「発明の効果Ｊ 以上説明したように、この発明によれば、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を有する単結晶引上装置の直
径制御方法において、溶湯液面温度が設定値に一致して
いる場合に前記単結晶の直径が目標値に一致するような
引上速度を予め基準引上速度として設定し、実際の引上
工程にあっては成長中の前記単結晶の直径と前記目標値
との偏差が０となるように前記基準引上速度を補正しな
がら所定の区間に渡って試し引きを行い、かつ、この試
し引きの間における前記引上速度の平均値を求めるとと
もに、以後の引上動作においては前記偏差をＯとするよ
うに前記平均引上速度を補正しながら引上動作を行うよ
うにしたので、溶湯液面温度の安定度が低かったり、外
乱等によって溶湯液面温度が変動するような場合であっ
ても、単結晶の直径を目標値に一致させるような引上速
度が素早く選択され、これにより、シード部や直胴部の
直径を目標値に等しい均一な値とすることができる。

【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
法を示すフローヂャート、第３図は一般的な単結晶引上
装置の機械的構成を示す断面図である。 ２・・・・・・ルツボ、４・・・・・軸、１０　・・・
・上部ケーシング、１３・・・・・・ワイヤケーブル、
１５・・・・引上モータ（引上部）、２０・・・・・・
ノードホルダ、２１・・・・ノード、２２・・・・・・
単結晶シリコン、２５・・・・・・テレビカメラ（直径
検出部）、２つ・・・・速度検出器（引上部）、３０・
・・・・制御部（直径検出部：引上部）。

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
   結晶を任意の速度で引き上げる引上部とを有する単結晶
   引上装置の直径制御方法において、溶湯表面温度が設定
   値に一致している場合に前記単結晶の直径が目標値に一
   致するような引上速度を予め基準引上速度として設定し
   、実際の引上工程にあっては成長中の前記単結晶の直径
   と前記目標値との偏差が０となるように前記基準引上速
   度を補正しながら所定の区間に渡って試し引きを行い、
   かつ、この試し引きの間における前記引上速度の平均値
   を求めるとともに、以後の引上動作においては前記偏差
   を０とするように前記平均引上速度を補正しながら引上
   動作を行うことを特徴とする単結晶引上装置の直径制御
   方法。