KR20220149755A

KR20220149755A - 단결정 제조 장치 및 단결정의 제조 방법

Info

Publication number: KR20220149755A
Application number: KR1020227035290A
Authority: KR
Inventors: 겐이치 니시오카; 게이이치 다카나시; 겐 하마다; 잇페이 시모자키
Original assignee: 가부시키가이샤 사무코
Priority date: 2020-04-20
Filing date: 2021-01-06
Publication date: 2022-11-08
Also published as: TW202140865A; CN115461500A; JP7435752B2; CN115461500B; DE112021002436T5; WO2021215057A1; JPWO2021215057A1; TWI770661B; US20230220583A1; KR102696535B1

Abstract

(과제) 결정 인상 공정 중에 계측되는 단결정의 직경의 측정 정밀도를 높인다.
(해결 수단) 본 발명에 의한 단결정 제조 장치 (10) 는, 융액 (13) 으로부터 단결정 (15) 을 끌어 올리는 단결정 인상부와, 융액 (13) 과 단결정 (15) 의 경계부에 발생하는 퓨전 링을 촬영하는 카메라 (18) 와, 카메라 (18) 의 촬영 화상을 처리하는 연산부 (24) 를 구비하고 있다. 연산부 (24) 는, 카메라 (24) 의 설치 각도 (θ_c) 및 초점 거리에 기초하여, 카메라 (18) 의 촬영 화상에 찍히는 퓨전 링을 융액의 액면에 상당하는 기준 평면 상에 투영 변환하고, 기준 평면 상의 퓨전 링의 형상으로부터 단결정 (15) 의 직경을 산출한다.

Description

단결정 제조 장치 및 단결정의 제조 방법

본 발명은, 쵸크랄스키법 (이하, CZ 법이라고 한다) 에 의해 단결정을 제조하기 위한 단결정 제조 장치 및 단결정의 제조 방법에 관한 것으로, 특히, 결정 인상 공정 중의 단결정의 직경 계측에 관한 것이다.

반도체 디바이스의 기판 재료가 되는 실리콘 웨이퍼의 상당수는 CZ 법에 의해 제조되고 있다. CZ 법에서는, 석영 도가니 내에서 다결정 실리콘 원료를 가열하여 실리콘 융액을 생성하고, 실리콘 융액의 상방으로부터 종 결정을 강하시켜 실리콘 융액에 침지한 후, 종 결정 및 석영 도가니를 회전시키면서 종 결정을 서서히 상승시킴으로써, 종 결정의 하방에 큰 단결정을 성장시킨다. CZ 법에 의하면 대구경의 실리콘 단결정을 높은 수율로 제조하는 것이 가능하다.

단결정 잉곳은 어느 직경을 목표로 제조된다. 예를 들어 최종 제품이 300 ㎜ 웨이퍼이면, 그 직경보다 조금 큰 305 ∼ 320 ㎜ 의 단결정 잉곳을 육성하는 것이 일반적이다. 그 후, 단결정 잉곳은, 원기둥 형상으로 외주 연삭되고, 웨이퍼 형상으로 슬라이스 된 후, 모따기 공정을 거쳐, 최종적으로 목표 직경의 웨이퍼가 된다. 이와 같이, 단결정 잉곳의 목표 직경은, 최종 제품의 웨이퍼 직경보다 크지 않으면 안되지만, 너무 지나치게 크면 연삭 연마 여유가 증가하여 경제적이지 않게 된다. 따라서, 웨이퍼보다 크고, 또한, 가능한 한 작은 직경의 단결정 잉곳이 요구된다.

CZ 법에서는, 결정 직경이 일정해지도록 결정 인상 조건을 제어하면서 단결정을 끌어 올린다. 단결정의 직경 제어에 관하여, 예를 들어 특허문헌 1 에는, 단결정과 융액의 계면의 화상을 처리함으로써, 성장하는 단결정의 직경을 정확하게 측정하는 방법이 기재되어 있다. 이 방법에서는, 단결정의 직경이 목표의 직경이 되도록, 도가니 회전 속도, 결정 회전 속도, 결정 인상 속도, 도가니 상승 속도, 융액의 온도 (히터 파워) 등을 제어한다.

또 특허문헌 2 는 융액면 위치의 측정에 관한 것으로, 챔버의 외측에 설치된 카메라로 챔버 내의 노 (爐) 내 구조물 및 융액의 액면을 촬영했을 때의 촬영 화상에 찍히는 노 내 구조물의 실상 (實像) 및 거울상 (鏡像) 의 대표 치수를 산출하는 방법이 기재되어 있다. 이 방법에서는, 촬영 화상에 찍히는 노 내 구조물의 실상 및 융액의 액면에 비친 노 내 구조물의 거울상 각각의 에지 패턴을 검출하고, 카메라의 설치 각도 및 초점 거리에 기초하여, 노 내 구조물의 실상 및 거울상 각각의 에지 패턴을 기준 평면 상에 투영 변환하고, 기준 평면 상의 노 내 구조물의 실상 및 거울상 각각의 에지 패턴에 대한 패턴 매칭을 실시했을 때에 매칭율이 최대가 되는 기준 패턴의 형상으로부터 노 내 구조물의 실상 및 거울상 각각의 대표 치수를 산출한다.

일본 특허공보 제4253123호 일본 공개특허공보 2018-90451호

CZ 법에 의한 단결정의 인상 제어에서는, 노 외에 설치한 카메라의 촬영 화상으로부터 단결정의 직경을 계측하고, 직경의 계측값이 직경 프로파일과 일치하도록 단결정의 직경 제어를 실시하기 때문에, 고정밀도의 직경 계측이 요구된다. 종래의 직경 계측 방법은, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 카메라 화상 중에 수평 방향의 직경 계측용 주사선 (SL) 을 설정하고, 이 주사선 (SL) 상의 휘도 분포와 임계값 (TH) (슬라이스 레벨) 의 교점으로부터 퓨전 링 (FR) 의 에지를 검출한다. 다음으로, 주사선 (SL) 과 퓨전 링 (FR) 의 에지와의 2 개의 교점 (p_L, p_R) 간의 폭 (w) 과, 결정 중심 위치 (C₀) 로부터 주사선 (SL) 까지의 거리 (h) 를 사용하여, 퓨전 링의 직경 D = 2(w² ＋ 4h²)^1/2 를 구한다. 이렇게 해서 구해지는 퓨전 링의 직경값 (D) 의 단위는 화소 수 (pixel) 이기 때문에, 직경 (D) 에 직경 환산 계수를 곱셈함으로써, 실제의 단위 (㎜) 로 변환된 결정 직경값이 구해진다.

이와 같이, 카메라 화상으로부터 얻어지는 결정 직경의 정보는 화소 (pixel) 이기 때문에, 실제 직경 단위 (㎜) 로의 변환이 필요해진다. 그러나, 단위 변환에 사용되는 직경 환산 계수는, 단결정의 인상 공정 중에 오퍼레이터가 망원경으로 육안으로 계측한 결정 직경값에 기초하여 작성한 것이기 때문에, 단위 변환의 정밀도가 나쁘고, 직경 산출 오차가 크다는 문제가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은, 결정 직경의 측정 정밀도를 높이는 것이 가능한 단결정 제조 장치 및 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 의한 단결정 제조 장치는, 융액으로부터 단결정을 끌어 올리는 단결정 인상부와, 상기 융액과 상기 단결정의 경계부에 발생하는 퓨전 링을 촬영하는 카메라와, 상기 카메라의 촬영 화상을 처리하는 연산부를 구비하고, 상기 연산부는, 상기 카메라의 설치 각도 및 초점 거리에 기초하여, 상기 카메라의 촬영 화상에 찍히는 상기 퓨전 링을 상기 융액의 액면에 상당하는 기준 평면 상에 투영 변환하고, 상기 기준 평면 상의 상기 퓨전 링의 형상으로부터 상기 단결정의 직경을 산출하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 카메라의 촬영 화상으로부터 구한 직경 계측값을 단위 변환하기 위한 직경 환산 계수를 사용하지 않고 단결정의 실제의 직경을 정확하게 구할 수 있다. 따라서, 결정 인상 공정 중에 있어서의 단결정의 직경의 측정 정밀도를 높일 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 연산부는, 상기 촬영 화상의 휘도 분포에 대한 소정의 임계값을 바탕으로 검출된 상기 퓨전 링의 에지 패턴을 상기 기준 평면 상에 투영 변환하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 퓨전 링의 형상을 정확하게 파악할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 임계값은, 상기 촬영 화상 중의 휘도의 피크값에 1 보다 작은 값을 곱하여 얻어지는 값이며, 상기 연산부는, 상기 촬영 화상 중에 상기 퓨전 링과 교차하는 수평 주사선을 설정하고, 상기 수평 주사선 상의 휘도 분포와 상기 임계값의 외측 교점 (촬영 화상의 외주 근방의 1 점) 을 상기 퓨전 링의 에지 패턴으로서 검출하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 연산부는, 상기 기준 평면 상에 투영된 상기 퓨전 링의 에지 패턴과 소정의 직경 계측 라인과의 2 개의 교점간의 거리 및 상기 단결정의 중심 위치로부터 상기 직경 계측 라인까지의 거리로부터 상기 단결정의 직경을 산출하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 퓨전 링의 직경을 기하학적으로 산출할 수 있고, 퓨전 링의 직경으로부터 단결정의 직경을 산출할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 연산부는, 상기 퓨전 링의 에지 패턴을 원 근사하고, 상기 퓨전 링의 근사 원의 직경으로부터 상기 단결정의 직경을 산출하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 퓨전 링의 직경의 측정 정밀도를 높일 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 연산부는, 상기 단결정의 인상 공정 중의 직경으로부터 소정의 보정량을 공제하거나, 혹은 상기 단결정의 인상 공정 중의 직경에 소정의 보정 계수를 곱함으로써, 상기 단결정의 실온하에서의 직경을 산출하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 실온하에서의 단결정의 직경에 기초하여 결정 직경을 제어할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 연산부는, 노 내 구조, 상기 액면의 위치 또는 상기 단결정의 길이의 변화에 따라, 상기 보정량 또는 상기 보정 계수를 변화시키는 것이 바람직하다. 이에 따라, 단결정의 육성 상황의 변화에 맞추어 결정 직경을 정확하게 측정할 수 있다.

또, 본 발명에 의한 단결정의 제조 방법은, CZ 법에 의한 단결정의 제조 방법으로서, 융액과 단결정의 경계부에 발생하는 퓨전 링을 카메라로 촬영하는 스텝과, 상기 카메라의 촬영 화상을 처리하여 상기 단결정의 직경을 산출하는 스텝을 포함하고, 상기 단결정의 직경을 산출하는 스텝은, 상기 카메라의 설치 각도 및 초점 거리에 기초하여, 상기 카메라의 촬영 화상에 찍히는 상기 퓨전 링을 상기 융액의 액면에 상당하는 기준 평면 상에 투영 변환하고, 상기 기준 평면 상의 상기 퓨전 링의 형상으로부터 상기 단결정의 직경을 산출하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 단결정의 직경을 산출하는 스텝은, 상기 촬영 화상의 휘도 분포에 대한 소정의 임계값을 바탕으로 검출된 상기 퓨전 링의 에지 패턴을 상기 기준 평면 상에 투영 변환하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 퓨전 링의 형상을 정확하게 파악할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 임계값은, 상기 촬영 화상 중의 휘도의 피크값에 1 보다 작은 값을 곱하여 얻어지는 값이며, 상기 단결정의 직경을 산출하는 스텝은, 상기 촬영 화상 중에 상기 퓨전 링과 교차하는 수평 주사선을 설정하고, 상기 수평 주사선 상의 휘도 분포와 상기 임계값과의 외측 교점 (촬영 화상의 외주 근방의 1 점) 을 상기 퓨전 링의 에지 패턴으로서 검출하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 단결정의 직경을 산출하는 스텝은, 상기 기준 평면 상에 투영된 상기 퓨전 링의 에지 패턴과 소정의 직경 계측 라인과의 2 개의 교점간의 거리 및 상기 단결정의 중심 위치로부터 상기 직경 계측 라인까지의 거리로부터 상기 단결정의 직경을 산출하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 퓨전 링의 직경을 기하학적으로 산출할 수 있고, 퓨전 링의 직경으로부터 단결정의 직경을 산출할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 단결정의 직경을 산출하는 스텝은, 상기 퓨전 링의 에지 패턴을 원 근사하고, 상기 퓨전 링의 근사 원의 직경으로부터 상기 단결정의 직경을 산출하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 퓨전 링의 직경의 측정 정밀도를 높일 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 단결정의 직경을 산출하는 스텝은, 상기 단결정의 인상 공정 중의 직경으로부터 소정의 보정량을 공제하거나, 혹은 상기 단결정의 인상 공정 중의 직경에 소정의 보정 계수를 곱함으로써, 상기 단결정의 실온하에서의 직경을 산출하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 실온하에서의 단결정의 직경에 기초하여 결정 직경을 제어할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 단결정의 직경을 산출하는 스텝은, 노 내 구조, 상기 액면의 위치 또는 상기 단결정의 길이의 변화에 따라, 상기 보정량 또는 상기 보정 계수를 변화시키는 것이 바람직하다. 이에 따라, 단결정의 육성 상황의 변화에 맞추어 결정 직경을 정확하게 측정할 수 있다.

본 발명에 의하면, 결정 직경의 측정 정밀도를 높이는 것이 가능한 단결정 제조 장치 및 제조 방법을 제공할 수 있다.

도 1 은, 본 발명의 실시형태에 의한 단결정 제조 장치의 구성을 나타내는 개략 단면도이다.
도 2 는, 단결정 제조 장치를 사용한 실리콘 단결정의 제조 방법을 설명하기 위한 플로 차트이다.
도 3 은, 도 2 의 제조 방법에 의해 제조되는 실리콘 단결정 잉곳의 형상을 나타내는 측면도이다.
도 4 는, 카메라 (18) 의 촬영 화상으로서, 고액 계면에 발생하는 퓨전 링을 설명하기 위한 도면이다.
도 5 는, 촬영 화상의 이차원 좌표를 실공간의 좌표에 투영 변환하는 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 6 은, 본 실시형태에 의한 직경 산출 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7 은, 차열 부재 (17) 의 실상 (Ma) 및 거울상 (Mb) 각각의 개구의 반경 (r_f, r_m) 으로부터 갭값 (ΔG) 을 산출하는 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 8 은, 종래의 직경 산출 방법을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해서 상세하게 설명한다. 또한, 이하에 나타내는 실시형태는, 발명의 취지를 보다 잘 이해시키기 위해서 구체적으로 설명하는 것이며, 특별히 지정이 없는 한, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또, 이하의 설명에서 사용하는 도면은, 본 발명의 특징을 알기 쉽게 하기 위해서, 편의상, 주요부가 되는 부분을 확대해서 나타내고 있는 경우가 있으며, 각 구성 요소의 치수 비율 등이 실제와 동일하다고는 할 수 없다.

도 1 은, 본 발명의 실시형태에 의한 단결정 제조 장치의 구성을 나타내는 개략 단면도이다.

도 1 에 나타내는 바와 같이, 단결정 제조 장치 (10) 는, 실리콘 단결정을 육성하기 위한 장치로서, 대략 원통형의 챔버 (19) 를 구비하고, 챔버 (19) 의 내부에는 실리콘 융액 (13) 을 저류하는 석영 도가니 (11) 가 설치되어 있다. 챔버 (19) 는, 예를 들어 내부에 일정한 간극을 형성한 이중벽 구조이면 되며, 이 간극에 냉각수를 흘림으로써, 석영 도가니 (11) 를 가열했을 때에 챔버 (19) 가 고온화 하는 것을 방지한다.

이러한 챔버 (19) 의 내부에는, 실리콘 단결정의 인상 개시 전부터 종료 후까지 아르곤 등의 불활성 가스가 도입된다. 챔버 (19) 의 정부 (頂部) 에는, 인상 구동 장치 (22) 가 구비된다. 인상 구동 장치 (22) 는, 실리콘 단결정 잉곳 (15) 의 성장핵이 되는 종 결정 (14) 및 그곳으로부터 성장하는 실리콘 단결정 잉곳 (15) 을 회전시키면서 상방으로 끌어 올린다. 이러한 인상 구동 장치 (22) 에는, 실리콘 단결정 잉곳 (15) 의 인상량에 기초하여 실리콘 단결정 잉곳 (15) 의 결정 길이 정보를 송출하는 센서 (도시하지 않음) 가 형성되어 있으면 좋다. 인상 구동 장치 (22) 는, 제어부 (26) 에 접속되어 있고, 결정 길이 정보는 제어부 (26) 에 보내진다. 본 실시형태에 있어서, 석영 도가니 (11) 등의 챔버 (19) 내의 구성 요소 및 인상 구동 장치 (22) 는, 단결정 인상부를 구성하고 있다.

챔버 (19) 의 내부에는, 석영 도가니 (11) 를 둘러싸도록 배치된 대략 원통형의 히터 (12) 가 구비된다. 히터 (12) 는, 석영 도가니 (11) 를 가열한다. 이 히터 (12) 의 내측에, 도가니 지지체 (흑연 도가니) (16) 및 석영 도가니 (11) 가 수용된다. 석영 도가니 (11) 는, 전체가 석영으로 일체로 형성되고, 상방이 개방면을 이루는 대략 원통형의 용기이다.

석영 도가니 (11) 에는, 고형의 실리콘을 용융한 실리콘 융액 (13) 이 저류된다. 도가니 지지체 (16) 는, 예를 들어 전체가 흑연으로 형성되고, 석영 도가니 (11) 를 감싸도록 밀착되어 지지한다. 도가니 지지체 (16) 는, 실리콘의 용융 시에 연화한 석영 도가니 (11) 의 형상을 유지하고, 석영 도가니 (11) 를 지지하는 역할을 한다.

도가니 지지체 (16) 의 하측에는 도가니 리프트 장치 (21) 가 구비된다. 도가니 리프트 장치 (21) 는, 도가니 지지체 (16) 및 석영 도가니 (11) 를 하측으로부터 지지함과 함께, 실리콘 단결정 잉곳 (15) 의 인상에 수반하여 변화하는 실리콘 융액 (13) 의 융액면 (13a) 의 액면 위치가 적절한 위치가 되도록 석영 도가니 (11) 를 상하동시킨다. 이에 따라, 실리콘 융액 (13) 의 융액면 (13a) 의 위치가 제어된다. 도가니 리프트 장치 (21) 는, 동시에, 인상 시에 도가니 지지체 (16) 및 석영 도가니 (11) 를 소정의 회전수로 회전 가능하게 지지하고 있다.

석영 도가니 (11) 의 상면에는, 실리콘 융액 (13) 의 상면, 즉 융액면 (13a) 을 덮도록 차열 부재 (차폐 통) (17) 가 형성되어 있다. 차열 부재 (17) 는, 예를 들어 유발상으로 형성된 단열 판으로 이루어지고, 그 하단에는 대략 원형의 개구 (17a) 가 형성되어 있다. 또 차열 부재 (17) 의 상단의 외측 가장자리부는 챔버 (19) 의 내면 측에 고정되어 있다.

이러한 차열 부재 (17) 는, 끌어 올린 실리콘 단결정 잉곳 (15) 이 석영 도가니 (11) 내의 실리콘 융액 (13) 으로부터 복사열을 받아 열 이력이 변화하고, 품질이 열화하는 것을 방지한다. 또, 이러한 차열 부재 (17) 는, 챔버 (19) 의 내부에 도입된 인상 분위기 가스를 실리콘 단결정 잉곳 (15) 측으로부터 실리콘 융액 (13) 측으로 유도함으로써, 실리콘 융액 (13) 의 융액면 (13a) 부근의 잔류 산소량이나, 실리콘 융액 (13) 으로부터 증발한 실리콘 증기나 SiO 등을 제어하여, 실리콘 단결정 잉곳 (15) 이 목적으로 하는 품질이 되도록 한다. 이와 같은 인상 분위기 가스의 제어는, 노 내압 및 차열 부재 (17) 의 하단과 실리콘 융액 (13) 의 융액면 (13a) 의 갭을 통과할 때의 유속에 의존하는 것으로 생각된다. 실리콘 단결정 잉곳 (15) 이 목적으로 하는 품질이 되도록, 차열 부재 (17) 의 하단으로부터 실리콘 융액 (13) 의 융액면 (13a) 까지의 거리 (갭값) (ΔG) 는 정확하게 설정될 필요가 있다. 또한, 인상 분위기 가스로는, 아르곤 등의 불활성 가스에, 도펀트 가스로서 수소, 질소나 그 이외의 소정의 가스를 함유할 수 있다.

챔버 (19) 의 외측에는 카메라 (18) 가 설치되어 있다. 카메라 (18) 는 예를 들어 CCD 카메라이며, 챔버 (19) 에 형성된 관측창을 통해서 챔버 (19) 내를 촬영한다. 카메라 (18) 의 설치 각도 (θ_c) 는, 실리콘 단결정 잉곳 (15) 의 인상축 (Z) 에 대하여 소정의 각도를 이루고 있으며, 카메라 (18) 는 연직 방향에 대하여 경사진 광축 (L) 을 갖는다. 바꾸어 말하면 카메라 (18) 의 설치 각도 (θ_c) 란, 연직 방향에 대한 광축 (L) 의 경사각이다. 카메라 (18) 는, 차열 부재 (17) 의 개구 (17a) 및 융액면 (13a) 을 포함하는 석영 도가니 (11) 의 상면 영역을 비스듬한 상방으로부터 촬영한다. 카메라 (18) 는, 연산부 (24) 에 접속되어 있고, 카메라 (18) 의 촬영 화상은, 연산부 (24) 에 있어서 결정 직경 및 액면 위치의 검출에 사용된다.

연산부 (24) 는, 카메라 (18) 에 의해 촬영된 차열 부재 (17) 의 실상과, 실리콘 융액 (13) 의 융액면 (13a) 에 비추어진 차열 부재 (17) 의 거울상을 포함하는 화상에 기초하여, 실리콘 융액 (13) 의 액면 위치를 산출한다. 또, 연산부 (24) 는, 카메라 (18) 에 의해 촬영된 실리콘 융액 (13) 과 실리콘 단결정 잉곳 (15) 의 경계부를 포함하는 화상에 기초하여, 실리콘 단결정 잉곳의 직경을 산출한다. 연산부 (24) 는, 제어부 (26) 에 접속되어 있고, 연산부 (24) 에 의해 연산 결과는 제어부 (26) 에 보내진다.

제어부 (26) 는, 인상 구동 장치 (22) 의 센서로부터 얻어진 실리콘 단결정 잉곳 (15) 의 결정 길이 데이터와, 연산부 (24) 에 의해 산출된 결정 직경 데이터에 기초하여, 석영 도가니 (11) 의 이동량 (상승량) 을 제어한다. 또한 석영 도가니 (11) 의 이동량을 제어하기 위해서, 제어부 (26) 는, 연산부 (24) 에 의해 산출된 실리콘 융액 (13) 의 액면 위치에 기초하여, 석영 도가니 (11) 의 위치 보정 제어를 실시한다.

도 2 는, 단결정 제조 장치 (10) 를 사용한 실리콘 단결정의 제조 방법을 설명하기 위한 플로 차트이다. 또, 도 3 은, 도 2 의 제조 방법에 의해 제조되는 실리콘 단결정 잉곳의 형상을 나타내는 측면도이다.

도 2 에 나타내는 바와 같이, 실리콘 단결정의 제조에서는, 먼저 석영 도가니 (11) 에 원료인 다결정 실리콘을 투입하고, 히터 (12) 에 의해 석영 도가니 (11) 내의 다결정 실리콘을 가열하여 용융하고, 실리콘 융액 (13) 을 생성한다 (스텝 S11).

다음으로, 종 결정 (14) 을 강하시켜 실리콘 융액 (13) 에 착액시킨다 (스텝 S12). 그 후, 실리콘 융액 (13) 과의 접촉 상태를 유지하면서 종 결정 (14) 을 서서히 끌어 올려 단결정을 성장시키는 결정 인상 공정 (스텝 S13 ∼ S16) 을 실시한다.

결정 인상 공정에서는, 무전위화 (無轉位化) 를 위해서 결정 직경이 가늘게 좁혀진 네크부 (15a) 를 형성하는 네킹 공정 (S13) 과, 결정 직경이 서서히 커진 숄더부 (15b) 를 형성하는 숄더부 육성 공정 (S14) 과, 결정 직경이 규정의 직경 (예를 들어 약 300 ㎜) 으로 유지된 직동부 (直胴部) (15c) 를 형성하는 직동부 육성 공정 (S15) 과, 결정 직경이 서서히 작아진 테일부 (15d) 를 형성하는 테일부 육성 공정 (S16) 이 차례로 실시되고, 최종적으로는 단결정이 융액면으로부터 분리된다. 이상에 의해, 네크부 (15a), 숄더부 (15b), 직동부 (15c) 및 테일부 (15d) 를 갖는 도 3 에 나타낸 실리콘 단결정 잉곳 (15) 이 완성된다.

결정 인상 공정 중에는, 카메라 (18) 의 촬영 화상으로부터 실리콘 융액 (13) 의 융액면 (13a) 과 차열 부재 (17) 의 갭값 (ΔG) 을 산출하고, 이에 따라 실리콘 융액 (13) 의 액면 위치를 산출한다. 그리고, 이 갭값 (ΔG) 에 기초하여, 도가니의 상승량을 제어한다. 이에 따라, 실리콘 단결정의 인상 개시부터 인상 종료까지의 사이, 실리콘 융액 (13) 의 감소에 상관없이 히터 (12) 나 차열 부재 (17) 등의 노 내 구조물에 대한 융액면 (13a) 의 위치를 일정하게 유지하거나 혹은 변화시켜, 이에 따라 실리콘 융액 (13) 에 대한 열의 복사 분포를 제어할 수 있다.

또, 결정 인상 공정 중에는, 카메라 (18) 의 촬영 화상으로부터 단결정의 직경을 산출하고, 결정 직경이 결정 길이에 대응한 소정의 직경이 되도록, 결정 인상 조건을 제어한다. 숄더부 육성 공정 (S14) 에서는 결정 직경이 서서히 커지도록 제어하고, 직동부 육성 공정 (S15) 에서는 결정 직경이 일정해지도록 제어하고, 테일부 육성 공정 (S16) 에서는 결정 직경이 서서히 작아지도록 제어한다. 결정 인상 조건의 제어 대상은, 석영 도가니 (11) 의 높이 위치, 결정 인상 속도, 히터 출력 등이다. 카메라 (18) 의 촬영 화상을 사용한 인상 조건의 제어는, 결정 인상 공정 중에 실시된다. 구체적으로는, 도 2 에 있어서의 네킹 공정 (S13) 의 개시부터 테일부 육성 공정 (S16) 의 종료까지의 사이에 실시된다.

다음으로, 카메라 (18) 의 촬영 화상으로부터 결정 직경을 산출하는 방법에 대해서 상세하게 설명한다.

도 4 는, 카메라 (18) 의 촬영 화상으로서, 고액 계면에 발생하는 퓨전 링을 설명하기 위한 도면이다.

도 4 에 나타내는 바와 같이, 실리콘 융액 (13) 은 차열 부재 (17) 의 개구 (17a) 를 통해서 들여다 볼 수 있으며, 촬영 화상에는 차열 부재 (17) 의 일부가 찍혀 있다. 또 차열 부재 (17) 의 개구 (17a) 의 내측에는 실리콘 단결정 (15) 이 있고, 또한 차열 부재 (17) 와 실리콘 단결정 (15) 의 사이의 약간의 간극으로부터 실리콘 융액 (13) 을 들여다 볼 수 있다. 또한, 실리콘 단결정 (15) 과 실리콘 융액 (13) 의 경계부에는 퓨전 링 (FR) 이 발생되어 있다. 퓨전 링 (FR) 은, 히터 (12) 등으로부터의 복사 광이 고액 계면의 메니스커스로 반사됨으로써 발생하는 링 형상의 고휘도 영역이다. 촬영 화상 중, 차열 부재 (17) 는 챔버 (19) 에 고정되어 있으므로 그 위치는 변화하지 않지만, 퓨전 링 (FR) 의 위치나 크기는 결정 직경이나 액면 위치의 변화에 따라 변화한다. 액면 위치가 일정한 경우, 결정 직경이 커질수록 퓨전 링 (FR) 도 커진다. 또 결정 직경이 일정한 경우, 액면 위치가 저하될수록 결정 직경은 작아진다. 이와 같이, 퓨전 링 (FR) 으로부터 고액 계면 근방에 있어서의 단결정의 윤곽을 파악할 수 있으므로, 단결정의 직경을 산출할 수 있다.

실리콘 융액 (13) 의 융액면 (13a) 에는 차열 부재 (17) 의 거울상 (Mb) 이 비쳐 있다. 차열 부재 (17) 의 거울상 (Mb) 은, 차열 부재 (17) 로부터 융액면 (13a) 까지의 거리에 따라 변화한다. 이 때문에, 차열 부재 (17) 의 실상 (Ma) 과 융액면 (13a) 에 비친 거울상 (Mb) 의 간격은, 결정 성장에 수반하는 실리콘 융액 (13) 의 소비나 석영 도가니 (11) 의 승강에 의한 융액면 (13a) 의 상하동에 연동하지만, 융액면 (13a) 의 위치는 이 실상 (Ma) 과 거울상 (Mb) 사이의 중간점에 있다. 따라서, 예를 들어, 융액면 (13a) 을 차열 부재 (17) 의 하단에 일치시키면 차열 부재 (17) 의 실상 (Ma) 과 거울상 (Mb) 의 간격은 제로가 되고, 융액면 (13a) 을 서서히 낮춰 가면 차열 부재 (17) 의 하단으로부터 융액면 (13a) 까지의 거리 (갭값) (ΔG) 도 서서히 넓어진다. 이 때의 갭값 (ΔG) 은, 차열 부재 (17) 의 실상 (Ma) 과 거울상 (Mb) 의 간격 (D) 의 1/2 의 값 (즉, D = ΔG × 2) 으로서 산출할 수 있다. 이와 같이, 실리콘 융액 (13) 의 액면 위치는, 차열 부재 (17) 의 하단으로부터의 거리로서 구할 수 있다.

퓨전 링 (FR) 으로부터 단결정의 직경을 측정하는 경우, 카메라 (18) 로 촬영한 화상으로부터 퓨전 링 (FR) 의 에지 패턴을 검출하고, 퓨전 링 (FR) 의 에지 패턴으로부터 결정 직경을 산출한다. 퓨전 링 (FR) 의 직경값은, 그 에지 패턴 (샘플값) 을 최소 제곱법에 의해 근사하여 얻어지는 근사 원으로부터 구할 수 있다. 이와 같이 하여 구한 퓨전 링 (FR) 의 직경을 더욱 보정함으로써, 상온하에서의 단결정의 직경을 산출할 수 있다.

결정 직경을 측정하는 경우에는 퓨전 링 (FR) 의 안정된 검출이 필수가 된다. 화상 데이터 중에서 소정 이미지의 위치를 검출하는 수법으로는, 그 이미지의 휘도값을 바탕으로 임계값을 설정하여 2 치화 처리하는 수법이 일반적이다. 그러나 퓨전 링 (FR) 의 에지 검출을 2 치화 처리에 의해 실시했을 경우, 노 내 온도의 변화에 수반하는 휘도 변화에 의해 검출 위치가 어긋날 가능성이 있다.

이 영향을 배제하기 위해서, 일반적인 2 치화 수법이 아니라, 촬영 화상 중의 휘도의 피크값 (퓨전 링 (FR) 의 피크 휘도) 을 구하고, 이 피크 휘도에 1 보다 작은 값을 곱함으로써 결정한 임계값 (슬라이스 레벨) 으로부터 퓨전 링 (FR) 의 에지를 검출하는 것이 바람직하다. 즉, 퓨전 링 (FR) 의 에지 패턴 (윤곽선) 의 검출에 있어서는, 화상에서의 퓨전 링 (FR) 의 휘도에 따라 임계값 (슬라이스 레벨) 을 변경함으로써, 휘도 변화의 영향에 의한 측정 오차를 작게 하여, 퓨전 링 (FR) 의 정확한 치수를 안정적으로 검출하고, 특정하는 것이 가능해진다. 구체적으로는, 도 8 과 마찬가지로 퓨전 링 (FR) 과 교차하는 수평 주사선 (SL) 을 설정하고, 이 수평 주사선 (SL) 상의 휘도 분포와 임계값 (도 8 중의 TH 에 상당) 의 외측 교점 (촬영 화상의 외주 근방의 1 점) 을 퓨전 링 (FR) 의 에지로서 검출한다.

챔버 (19) 의 외측에 설치한 카메라 (18) 는 융액면 (13a) 을 비스듬한 상방으로부터 촬영하므로, 퓨전 링 (FR) 의 외관상의 형상은 진원으로 되지 않고 일그러져 있다. 퓨전 링 (FR) 의 직경을 정확하게 산출하기 위해서는, 화상의 왜곡 보정이 필요하다. 그래서 본 실시형태에서는, 카메라 (18) 로 촬영한 퓨전 링 (FR) 의 에지 패턴을 기준 평면 상에 투영 변환하고, 바로 위에서 보았을 때의 퓨전 링 (FR) 의 직경을 구한다. 또한, 기준 평면은 실리콘 융액 (13) 의 액면 (수평면) 이며, 상기와 같이 차열 부재 (17) 의 실상 (Ma) 과 거울상 (Mb) 으로부터 구할 수 있다.

도 5 는, 촬영 화상의 이차원 좌표를 실공간의 좌표에 투영 변환하는 방법을 설명하기 위한 모식도이다.

도 5 의 좌측 도에 나타내는 바와 같이, 카메라 (18) 는 챔버 (19) 내를 비스듬한 상방으로부터 촬영하고 있기 때문에, 촬영 화상 중의 퓨전 링의 형상은 일그러져 있어, 원근감을 가진 화상으로 되어 있다. 즉, 카메라 (18) 까지의 거리가 가까운 하측의 화상은 상측보다 넓어져 있다. 따라서, 퓨전 링의 치수를 정확하게 산출하기 위해서는, 화상의 왜곡 보정이 필요해진다. 그래서, 카메라 (18) 의 촬상 화상의 좌표를, 융액면 (13a) 과 동일한 높이 위치로 설정한 기준 평면 상의 좌표에 투영 변환하여 왜곡을 보정한다.

도 5 의 우측 도는, 화상 보정을 실시할 때의 좌표계를 나타내고 있다. 이 좌표계에서는, 기준 평면을 xy 평면으로 하고 있다. 또 XY 좌표의 원점 (C₀) 은, 카메라 (18) 의 촬상 디바이스 (18a) 의 중심 위치 (C) (0, y_c, z_c) 로부터 카메라 (18) 의 렌즈 (18b) 의 중심 위치 (F) (0, y_f, z_f) 를 통과하도록 그은 직선 (일점 쇄선) 과 기준 평면의 교점이다. 이 직선은 카메라 (18) 의 광축이다.

또, 실리콘 단결정 (15) 의 인상 방향이, 연직축인 z 축의 정 (正) 방향이며, 촬상 디바이스 (18a) 의 중심 위치 (C) (0, y_c, z_c) 와 렌즈 (18b) 의 중심 위치 (F) (0, y_f, z_f) 는 yz 평면 내에 있다. 도 5 의 좌측 도에 나타낸 화상 중의 좌표 (u, v) 는 촬상 디바이스 (18a) 의 화소로 나타내어지고, 이하의 식 (1) 에 나타내는 촬상 디바이스 (18a) 상의 임의의 1 점 (P) (x_p, y_p, z_p) 에 대응하고 있다.

여기서, α_u 와 α_v 는 촬상 디바이스 (18a) 의 가로 방향과 세로 방향의 화소 사이즈이며, y_c 와 z_c 는 촬상 디바이스 (18a) 의 중심 위치 (C) 의 y 좌표와 z 좌표이다. 또 도 5 의 우측 도에 나타내는 바와 같이, θ_c 는, 카메라 (18) 의 광축이 z 축과 이루는 각도로서, 카메라 (18) 의 설치 각도이다.

또한, 촬상 디바이스 (18a) 의 중심 위치 (C) (0, y_c, z_c) 는, 카메라 (18) 의 렌즈 (18b) 의 중심 위치 (F) (0, y_f, z_f) 및 렌즈의 초점 거리 (f_l) 를 사용하여, 이하의 식 (2) 로 나타내어진다.

여기서, 식 (2) 에 대해서 상세하게 설명하면, 기준 평면 상의 좌표 원점 (C₀) 으로부터 촬상 디바이스 (18a) 의 중심 위치 (C) (0, y_c, z_c) 까지의 거리를 L_c 로 할 때, y_c, z_c 는 각각 다음의 식 (3) 과 같이 된다.

좌표 원점 (C₀) 으로부터 카메라 (18) 의 렌즈 (18b) 의 중심 위치 (F) 까지의 거리를 a 로 하고, 렌즈 (18b) 의 중심 위치 (F) 로부터 촬상 디바이스 (18a) 의 중심 위치 (C) 까지의 거리를 b 로 할 때, 좌표 원점 (C₀) 으로부터 촬상 디바이스 (18a) 의 중심 위치 (C) 까지의 거리 (L_c) 는 다음의 식 (4) 와 같이 된다.

또 렌즈의 결상 공식으로부터, 초점 거리 (f_l) 는 거리 a, b 를 사용하여 다음의 식 (5) 와 같이 나타내어진다.

식 (4) 및 식 (5) 로부터 거리 b 를 소거하고, L_c 를 거리 (a) 와 초점 거리 (f_l) 로 표현하면 다음의 식 (6) 과 같이 된다.

좌표 원점 (C₀) 으로부터 카메라 (18) 의 렌즈 (18b) 의 중심 위치 (F) 까지의 거리 (a) 의 값은, 카메라 (18) 의 렌즈 (18b) 의 중심 위치 (F) (0, y_f, z_f) 를 사용하여 다음의 식 (7) 과 같이 나타낼 수 있다.

따라서, 상기 식 (2) 는, 식 (3), 식 (6) 및 식 (7) 로부터 구해진다.

렌즈 (18b) 를 핀홀이라고 생각할 때, 촬상 디바이스 (18a) 상의 임의의 1 점 (P) (x_p, x_p, x_p) 은, F (0, y_f, z_f) 를 통과하여 기준 평면 상에 투영되고, 이 투영점 (P') (X, Y, 0) 은, 이하의 식 (8) 로 나타낼 수 있다.

식 (1), 식 (2) 및 식 (8) 을 사용함으로써, 기준 평면 상에 투영된 퓨전 링의 좌표를 구할 수 있다.

렌즈 (18b) 의 중심 위치 (F) (0, y_f, z_f) 로부터 촬상 디바이스 (18a) 의 중심 위치 (C) (0, y_c, z_c) 까지의 거리 (b) 가 이미 알려진 경우, 렌즈 (18b) 의 중심 위치 (F) 의 좌표 (y_f, z_f) 는, 거리 (b) 및 촬상 디바이스 (18a) 의 중심 위치 (C) 의 좌표 (y_c, z_c) 를 사용하여 다음의 식 (9) 와 같이 나타낼 수 있다.

이와 같이, 렌즈 (18b) 의 중심 위치 (F) (주점 (主點)) 로부터 촬상 디바이스 (18a) 의 중심 위치 (C) 까지의 거리 (b) (백 디스턴스) 가 이미 알려진 경우에는, 백 디스턴스의 값을 사용하여 투영점 (P') (X, Y, 0) 을 나타낼 수 있다.

다음으로, 퓨전 링의 반경 산출 방법에 대해서 설명한다. 기준 평면에 투영된 퓨전 링의 좌표로부터 그 중심 위치의 좌표 (x₀, y₀) 및 반경 (r) 을 산출하는 방법으로는 최소 제곱법을 이용하면 된다. 퓨전 링은 원형이며, 그 이미지는 이하의 식 (10) 에 나타내는 원의 방정식을 만족한다.

여기서 식 (10) 중의 (x₀, y₀) 및 r 의 산출에는 최소 제곱법을 사용한다. 최소 제곱법에 의한 연산을 간이하게 실시하기 위해서 이하의 식 (11) 에 나타내는 변형을 실시한다.

이 식 (11) 중의 변수 a, b, c 를 최소 제곱법으로 구하게 된다. 그것은 식 (11) 과 측정된 점과의 차의 제곱 합이 최소인 조건을 얻게 되고, 이것을 이하의 식 (12) 에 나타내는 편미분 방정식을 풀음으로써 얻어진다.

그리고, 이 식 (12) 의 해 (解) 는 이하의 식 (13) 에 나타내는 연립 방정식에 의해 산출 가능하다.

이와 같이 최소 제곱법을 사용함으로써, 기준 평면에 투영된 퓨전 링의 근사 원을 산출할 수 있다.

그 후, 퓨전 링의 근사 원으로부터 그 직경을 산출한다. 이 때의 직경의 산출 방법은, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 기준 평면 (PL₀) 상에 투영된 퓨전 링 (FR) (근사 원) 상의 2 점과 교차하는 직경 계측 라인 (SL₀) 을 설정하고, 퓨전 링 (FR) 과 직경 계측 라인의 2 개의 교점 (p_L0, p_R0) 간의 폭 (w₀) 및 결정 중심 위치 (C₀) 로부터 직경 계측 라인 (SL₀) 까지의 거리 (h) 를 사용하여, 퓨전 링 (FR) 의 직경 D = (w² ＋ 4h²)^1/2 를 구한다. 이렇게 하여 기하학적 계산에 의해 구해진 퓨전 링의 직경 (D) 의 정보는 화소 (pixel) 가 아니고 밀리미터 (㎜) 이기 때문에, 단위 변환은 불필요하다.

결정 인상 공정 중의 실리콘 단결정은 고온하에서 열팽창하고 있기 때문에, 그 직경은 챔버 (19) 로부터 꺼내져 냉각되었을 때의 직경보다 커져 있다. 이와 같은 열팽창한 결정 직경에 기초하여 실리콘 단결정의 직경 제어를 실시한 경우에는, 실온하에서의 결정 직경이 목표의 직경이 되도록 제어하는 것이 어렵다.

그 때문에, 결정 인상 공정 중의 실리콘 단결정의 직경 제어에서는, 카메라 (18) 의 촬영 화상에 찍히는 실리콘 단결정의 고온하에서의 직경을 실온하에서의 직경으로 변환하고, 이 실온하에서의 결정 직경에 기초하여 결정 인상 속도 등의 결정 성장 조건을 제어한다. 이와 같이, 실온일 때의 결정 직경에 기초하여 결정 인상 조건을 제어하는 이유는, 실온일 때의 결정 직경의 관리가 중요하기 때문이다. 즉, 고온하에서 목표 직경대로 끌어 올려도 실온으로 되돌렸을 때에 목표 직경보다 작아져 있는 경우에는 제품화 할 수 없을 우려가 있기 때문에, 실온일 때의 결정 직경이 목표의 직경이 되도록 직경 제어를 실시하고 있다.

실리콘 단결정의 실온하에서의 직경은, 퓨전 링으로부터 구한 단결정의 고온하에서의 직경으로부터 소정의 보정량을 공제함으로써 구할 수 있다. 혹은, 실리콘 단결정의 실온하에서의 직경은, 퓨전 링으로부터 구한 단결정의 고온하에서의 직경에 소정의 보정 계수를 곱함으로써 구해도 된다. 이 때의 보정량 또는 보정 계수는, 노 내 구조에 따라 상이하기 때문에, 단결정 인상 장치마다 개별적으로 설정된다. 또 결정 성장에 수반하여 노 내 구조가 변화하는 경우에는, 결정 성장에 맞추어 보정량 또는 보정 계수를 변화시켜도 된다. 또한, 결정 직경의 보정량 또는 보정 계수는, 실리콘 융액의 액면 위치의 변화에 맞추어 변화시켜도 되고, 혹은 단결정의 인상 길이에 따라 설정해도 된다. 따라서, 예를 들어 결정 인상 공정의 전반에서는 어떤 보정량을 사용하여 결정 직경을 보정하고, 결정 인상 공정의 후반에서는 다른 보정량을 사용하여 결정 직경을 보정해도 된다. 이와 같이 함으로써, 상온하에서의 결정 직경을 보다 정확하게 추정할 수 있다.

카메라에 의한 결정 직경의 계측 결과로부터 소정의 보정량을 공제함으로써 실온하에서의 결정 직경을 구하는 경우, 상기 보정량은, 동일한 결정에 대하여 얻어진, 카메라에 의한 인상 공정 중의 결정 직경의 계측 결과와 실온하에서 실측한 결정 직경의 계측 결과를 바탕으로 미리 산출된다. 또, 카메라에 의한 결정 직경의 계측 결과에 소정의 보정 계수를 곱함으로써 실온하에서의 결정 직경을 구하는 경우, 상기 보정 계수는, 동일한 결정에 대하여 얻어진, 카메라에 의한 인상 공정 중의 결정 직경의 계측 결과와 실온하에서 실측한 결정 직경의 계측 결과를 바탕으로 미리 산출된다. 상기한 어느 방법에 있어서도, 결정 인상 공정 중의 열팽창에 의해 길이 방향으로 단결정이 신장하고 있는 분을 고려하여, 결정 길이 방향에서 일치하는 직경 계측 위치에 있어서의 보정량 혹은 보정 계수가 산출된다.

다음으로, 퓨전 링을 투영 변환할 때의 기준 평면이 되는 실리콘 융액의 액면 위치의 산출 방법에 대해서 설명한다.

도 7 은, 차열 부재 (17) 의 실상 (Ma) 및 거울상 (Mb) 각각의 개구의 반경 (r_f, r_m) 으로부터 갭값 (ΔG) 을 산출하는 방법을 설명하기 위한 모식도이다.

도 7 에 나타내는 바와 같이, 차열 부재 (17) 가 수평으로 설치되어 있는 경우, 차열 부재 (17) 의 거울상의 중심 좌표는 본래, 융액면 (13a) 을 사이에 두고 차열 부재 (17) 의 실상의 중심 좌표 (X_hc, Y_hc, 0) 와 반대측에 존재하고, 그 2 점을 잇는 직선은 차열 부재 (17) 의 실상의 중심 좌표 (X_hc, Y_hc, 0) 를 통과하여 연직축인 Z 축과 평행한 직선이 된다.

한편, 기준 평면 상에서의 차열 부재 (17) 의 거울상의 중심 좌표 (X_mc, Y_mc, 0) 는, 차열 부재 (17) 의 거울상의 중심 좌표 (X_mc, Y_mc, Z_gap) 가 기준 평면 상에 투영된 좌표가 되기 때문에, 거울상의 중심 좌표 (X_hc, Y_hc, Z_gap) 는, 기준 평면 상에서의 차열 부재 (17) 의 거울상의 중심 좌표 (X_mc, Y_mc, 0) 와 렌즈 (18b) 의 중심 위치 (F) (X_f, Y_f, Z_f) 를 통과하는 직선 상에 있게 된다. 그 때문에, 산출하고자 하는 갭 (ΔG) 은 Z_gap 의 절반 값이 되고, 이하에 나타내는 식 (14) 로부터 산출할 수 있다.

촬상 디바이스의 렌즈 (18b) 의 중심 위치 (F) 로부터 차열 부재 (17) 의 실상의 개구의 중심까지의 거리 L_f 로 하고, 촬상 디바이스의 렌즈 (18b) 의 중심 위치 (F) 로부터 차열 부재 (17) 의 거울상의 개구의 중심까지의 거리 L_m 으로 할 때, 거리 L_f, L_m 은 식 (15) 와 같이 된다.

그리고 이들 거리 (L_f, L_m) 로부터, 갭값 (ΔG) 은 식 (16) 과 같이 나타낼 수 있다.

이와 같이, 갭값 (ΔG) 을 산출하기 위해서는, 거리 L_f, L_m 을 구하면 되는 것을 알 수 있다.

융액면 (13a) 에 비친 차열 부재 (17) 의 거울상은 실제의 차열 부재 (17) 보다 2ΔG 만큼 멀리 있다고 생각할 수 있고, 그 때문에 차열 부재 (17) 의 거울상의 반경 (r_m) 은 실상의 반경 (r_f) 보다 작게 보인다. 또한, 결정 인상 중의 노 내 온도 환경하에서는, 열팽창에 의해 차열 부재 (17) 의 개구의 치수는 상온하에서의 치수보다 커져 있는 것을 알 수 있다. 그래서, 열팽창을 고려한 개구의 반경 (이론값) 을 r_actual, 차열 부재 (17) 의 실상의 개구의 반경 측정값을 r_f, 차열 부재 (17) 의 거울상의 개구의 반경 측정값을 r_m 으로 하면, 거리 L_f, L_m 은 다음의 식 (17) 에 의해 산출 가능하다.

상기 (16), (17) 식으로부터, 갭값 (ΔG) 은 이하의 식 (18) 과 같이 산출 가능하다.

이와 같이, 갭값 (ΔG) 은, 차열 부재 (17) 의 실상 및 거울상 각각의 개구의 반경 측정값 (r_f, r_m) 으로부터 구할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 의한 실리콘 단결정의 제조 방법은, 실리콘 융액과 실리콘 단결정의 경계부에 발생하는 퓨전 링을 카메라로 촬영하는 촬영 스텝과, 카메라의 촬영 화상을 처리하여 실리콘 단결정의 직경을 산출하는 결정 직경 산출 스텝을 포함하고, 결정 직경 산출 스텝은, 카메라의 설치 각도 (θ_c) 및 초점 거리 (f_l) 에 기초하여, 카메라의 촬영 화상에 찍히는 퓨전 링을 융액의 액면 위치에 상당하는 기준 평면 상에 투영 변환하고, 상기 기준 평면 상의 상기 퓨전 링의 형상으로부터 상기 단결정의 직경을 산출하므로, 카메라의 촬영 화상으로부터 구한 직경 계측값을 단위 변환하기 위한 직경 환산 계수를 사용하지 않고 단결정의 실제의 직경을 정확하게 구할 수 있다. 따라서, 결정 인상 공정에 있어서 결정 직경을 정확하게 측정하여 제어할 수 있고, 이에 따라 실리콘 단결정의 제조 수율을 높일 수 있다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해서 설명했지만, 본 발명은, 상기의 실시형태에 한정되지 않고, 본 발명의 주지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지 변경이 가능하고, 그것들도 본 발명의 범위 내에 포함되는 것인 것은 말할 필요도 없다.

예를 들어, 상기 실시형태에서는 실리콘 단결정의 제조를 예로 들었지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, CZ 법에 의해 육성되는 여러 가지의 단결정의 제조에 적용할 수 있다.

10 : 단결정 제조 장치
11 : 석영 도가니
12 : 히터
13 : 실리콘 융액
13a : 실리콘 융액의 액면
14 : 종 결정
15 : 실리콘 단결정 (잉곳)
15a : 네크부
15b : 숄더부
15c : 직동부
15d : 테일부
16 : 도가니 지지체 (흑연 도가니)
17 : 차열 부재 (차폐 통)
17a : 차열 부재의 개구
18 : 카메라
18a : 촬상 디바이스
18b : 렌즈
19 : 챔버
21 : 도가니 리프트 장치
22 : 인상 구동 장치
24 : 연산부
26 : 제어부

Claims

융액으로부터 단결정을 끌어 올리는 단결정 인상부와,
상기 융액과 상기 단결정의 경계부에 발생하는 퓨전 링을 촬영하는 카메라와,
상기 카메라의 촬영 화상을 처리하는 연산부를 구비하고,
상기 연산부는, 상기 카메라의 설치 각도 및 초점 거리에 기초하여, 상기 카메라의 촬영 화상에 찍히는 상기 퓨전 링을 상기 융액의 액면에 상당하는 기준 평면 상에 투영 변환하고, 상기 기준 평면 상의 상기 퓨전 링의 형상으로부터 상기 단결정의 직경을 산출하는 것을 특징으로 하는 단결정 제조 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 연산부는, 상기 촬영 화상의 휘도 분포에 대한 소정의 임계값을 바탕으로 검출된 상기 퓨전 링의 에지 패턴을 상기 기준 평면 상에 투영 변환하는, 단결정 제조 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 임계값은, 상기 촬영 화상 중의 휘도의 피크값에 1 보다 작은 값을 곱하여 얻어지는 값이며,
상기 연산부는, 상기 촬영 화상 중에 상기 퓨전 링과 교차하는 수평 주사선을 설정하고, 상기 수평 주사선 상의 휘도 분포와 상기 임계값과의 외측 교점을 상기 퓨전 링의 에지 패턴으로서 검출하는, 단결정 제조 장치.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 연산부는, 상기 기준 평면 상에 투영된 상기 퓨전 링의 에지 패턴과 소정의 직경 계측 라인의 2 개의 교점간의 거리 및 상기 단결정의 중심 위치로부터 상기 직경 계측 라인까지의 거리로부터 상기 단결정의 직경을 산출하는, 단결정 제조 장치.
제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연산부는, 상기 퓨전 링의 에지 패턴을 원 근사하고, 상기 퓨전 링의 근사 원의 직경으로부터 상기 단결정의 직경을 산출하는, 단결정 제조 장치.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연산부는, 상기 단결정의 인상 공정 중의 직경으로부터 소정의 보정량을 공제하거나, 혹은 상기 단결정의 인상 공정 중의 직경에 소정의 보정 계수를 곱함으로써, 상기 단결정의 실온하에서의 직경을 산출하는, 단결정 제조 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 연산부는, 노 (爐) 내 구조, 상기 액면의 위치 또는 상기 단결정의 길이의 변화에 따라, 상기 보정량 또는 상기 보정 계수를 변화시키는, 단결정 제조 장치.
CZ 법에 의한 단결정의 제조 방법으로서,
융액과 단결정의 경계부에 발생하는 퓨전 링을 카메라로 촬영하는 스텝과,
상기 카메라의 촬영 화상을 처리하여 상기 단결정의 직경을 산출하는 스텝을 포함하고,
상기 단결정의 직경을 산출하는 스텝은,
상기 카메라의 설치 각도 및 초점 거리에 기초하여, 상기 카메라의 촬영 화상에 찍히는 상기 퓨전 링을 상기 융액의 액면에 상당하는 기준 평면 상에 투영 변환하고, 상기 기준 평면 상의 상기 퓨전 링의 형상으로부터 상기 단결정의 직경을 산출하는 것을 특징으로 하는 단결정의 제조 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 단결정의 직경을 산출하는 스텝은, 상기 촬영 화상의 휘도 분포에 대한 소정의 임계값을 바탕으로 검출된 상기 퓨전 링의 에지 패턴을 상기 기준 평면 상에 투영 변환하는, 단결정의 제조 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 임계값은, 상기 촬영 화상 중의 휘도의 피크값에 1 보다 작은 값을 곱하여 얻어지는 값이며,
상기 단결정의 직경을 산출하는 스텝은, 상기 촬영 화상 중에 상기 퓨전 링과 교차하는 수평 주사선을 설정하고, 상기 수평 주사선 상의 휘도 분포와 상기 임계값과의 외측 교점을 상기 퓨전 링의 에지 패턴으로서 검출하는, 단결정의 제조 방법.
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
상기 단결정의 직경을 산출하는 스텝은, 상기 기준 평면 상에 투영된 상기 퓨전 링의 에지 패턴과 소정의 직경 계측 라인의 2 개의 교점간의 거리 및 상기 단결정의 중심 위치로부터 상기 직경 계측 라인까지의 거리로부터 상기 단결정의 직경을 산출하는, 단결정의 제조 방법.
제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단결정의 직경을 산출하는 스텝은, 상기 퓨전 링의 에지 패턴을 원 근사하고, 상기 퓨전 링의 근사 원의 직경으로부터 상기 단결정의 직경을 산출하는, 단결정의 제조 방법.
제 8 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단결정의 직경을 산출하는 스텝은, 상기 단결정의 인상 공정 중의 직경으로부터 소정의 보정량을 공제하거나, 혹은 상기 단결정의 인상 공정 중의 직경에 소정의 보정 계수를 곱함으로써, 상기 단결정의 실온하에서의 직경을 산출하는, 단결정의 제조 방법.
제 13 항에 있어서,
상기 단결정의 직경을 산출하는 스텝은, 노 내 구조, 상기 액면의 위치 또는 상기 단결정의 길이의 변화에 따라, 상기 보정량 또는 상기 보정 계수를 변화시키는, 단결정의 제조 방법.