TW200806824A - Melt surface position monitoring apparatus in silicon single crystal growth process - Google Patents

Description

200806824 (1) 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於使用柴氏長晶法之矽單晶的育成製程中 的融液液面位置監視裝置，更詳言之，係關於從結晶原料 的熔融至作業結束後融液固化爲止，對應於融液液面位置 ' 的所有變化，能夠將可假想到的緊急情況例如融液與熱遮 蔽板及水冷體之接觸等防患於未然之融液液面位置監視裝 赢 置。 【先前技術】 近年來，大規模積體電路（LSI)等的電路元件形成 用基板所使用的大部分矽單晶，係利用柴氏長晶法（以下 稱爲「CZ」法）予以提拉。 進行使用CZ法之矽單晶的育成時，被投入坩堝內作 爲原料的多晶矽塊，係藉由包圍坩堝而設置的加熱器予以 加熱而熔融。以此方式，當坩堝內形成原料融液時，一邊 使增堝旋轉於一定方向，一邊使保持於i甘渦上的種晶（以 下稱爲「種晶（s e e d )」）下降，且浸漬於坩堝內的融料 融液中。藉由一邊使上述種晶旋轉於預定的方向，一邊使 其上昇’得以在種晶的下方將圓柱狀的砂單晶予以提拉而 育成。 第1圖係表示使用CZ法之矽單晶之育成裝置中的提 拉區域的主要部位構成之圖。第1圖的育成裝置係由具有 :坩堝6、和包圍坩堝6而設置的加熱器7、和抑制給予 -4 - 200806824 (2) 結晶之輻射熱的熱遮蔽板4、和將結晶加以冷卻的水冷體 5，並且，將種晶1浸漬於由加熱器所加熱且形成於坩堝6 內的原料融液3，接著，使種晶上昇以提拉單晶2所構成 〇 、 進行使用CZ法之矽單晶的育成時，其提拉速度與矽 ' 單晶的溫度梯度有密切的關係，可藉由增加溫度梯度以將 提拉速度變快。如第1圖所示，在種晶1的下方被提拉的 $ 單晶2，係在提拉區域中從加熱器7或坩堝6等的高溫部 接收輻射。爲了抑制給予結晶的輻射熱，故設置熱遮蔽板 4，同時也使用組合有採用冷卻結晶之冷媒的水冷體5的 裝置，依此，可使上述之提拉速度的提升效果增加。 這時，必須避免收容於坩堝6的融液3與熱遮蔽板4 及水冷體5接觸的情況。例如當融液3與水冷體5接觸時 ，會導致水蒸氣爆炸等的重大事故，所以必須將融液3與 熱遮蔽板4及水冷體5的間隔控制成一定。 φ 爲了防止此種情況，日本特公平04 — 4421 5號公報中 ，有揭示在覆蓋矽單晶之提拉區域周圍而配設之熱遮蔽構 件的一部分上，製定基準點，將該基準點與基準點相對於 * 融液表面的反射像，透過發出因應光強度之信號的線形感 測器（linear sensor )予以捕抓，並依據該線形感測器上 的基準點與該反射像的相隔尺寸，求得融液表面位置之矽 單晶之育成裝置中的融液面之位準（level )測定方法。 如上所述，坩堝內之融液液面與熱遮蔽構件之間隔的 控制係利用習知的方式來進行。然而，習知之液面位置的 -5- 200806824 (3) 監視及控制係侷限於在種晶的外周面及提拉途中之砂單晶 的外周面、與融液表面之交界部形成融合環（fusion ring )的製程，也就是說，侷限於育成矽單晶之頸部、肩部、 直胴部及尾部（tail)的製程 ^ 亦即，習知的育成裝置在（1 )使作爲原料之多晶矽 ^ 塊熔融的製程；（2 )矽單晶的育成結束後，至坩堝內的 融液充分地固化爲止的製程；（3)在提拉途中的砂單晶 ^ 被發現有缺陷等時，使上述矽單晶再次融解的製程；以及 (4 )藉由一次的原料投入進行兩條以上之矽單晶的育成 時，在任意之矽單晶的育成結束後，到下一次之矽單晶的 育成開始爲止的製程中，沒有進行融液液面位置的監視等 〇 因此，習知的控制方法及控制裝置，在進行上述（1 )〜（4 )的製程之際，因錯誤作動等而導致坩堝上昇時 ，或在進行上述（3 )的製程之際，因浸漬矽單晶而造成 φ 融液液面上昇時，將難以避免融液與熱遮蔽板及水冷體的 接觸。 如上所述，習知之液面位置的監視及控制係侷限於育 * 成矽單晶之頸部、肩部、直胴部及尾部的製程。所以，就 * 矽單晶之育成製程中的融液液面位置的監視及控制而言， 尙存有不得不解決的問題。 第2圖係模式地表示使用CZ法之矽單晶之育成裝置 中與融液液面位置、坩堝位置及熱遮蔽構件之安裝位置的 關係之圖；該圖（a )係表示種晶沾附的狀態之圖；該圖 -6- 200806824 (4) (b )係表示提拉矽單晶的狀態之圖；該圖（c )係表示增 堝朝上方移動的狀態之圖。如第2圖（a )所示’在融液 液面位置8與熱遮蔽板4保持一定間隔的狀態下’將種晶 1浸漬於融液3，藉由種晶沾附’開始矽單晶2的育成。 ' 隨著矽單晶3之育成的進行，融液液面位置比種晶沾 附時的融液液面位置8更低。如第2圖（b )所示，在融 液液面位置下降的狀態，用來抑制從加熱器（沒有顯示圖 0 )或坩堝6等的高溫部給予結晶的輻射熱而設置之熱遮蔽 板4的功效會減少。因此，係以如第2圖（c )所示那樣 使坩堝從種晶沾附時的坩堝位置9朝上方移動，以將融液 的液面位置8與熱遮蔽板4保持一定的間隔的方式進行控 制。 如上所述，在矽單晶的提拉連續進行的情況下，液面 的移動量是可預測的，所以比較容易管理融液液面位置， 但是，在使用上述第2圖所示之育成裝置的作業中，也假 φ 定因結晶缺陷等的發生而使矽單晶的育成無法順暢地進行 的情形。以下，使用第3圖〜第5圖，說明矽單晶的育成 無法順暢進行的情形。 第3圖係模式地表示在使用CZ法之矽單晶的頸部之 育成階段’確認有結晶缺陷的情形之圖；該圖（a )係表 示確認有結晶缺陷的狀態之圖；該圖（b )係表示將砂單 晶從融液液面切離的狀態之圖；該圖（c)係表示爲了使 矽單晶再次融解而將其浸漬於融液的狀態之圖。 在實際的操作中’育成頸部10時，當確認有結晶缺 200806824 (5) 陷時’係如第3圖（b )所示那樣將育成途中的矽單晶從 融液3的液面切離（以下也稱爲「離液」），然後，將所 提拉的矽單晶浸漬於融液3使之再次融解（以下也稱爲「 著液」）。此時，如第3圖（c )所示，將所提拉的矽單 ' 晶著液時，液面只會上昇與所浸漬之頸部的體積相當的量 w 〇 第4圖係模式地表示在使用CZ法之矽單晶的肩部之 φ 育成階段，確認有結晶缺陷的情形之圖；該圖（a )係表 示確認有結晶缺陷的狀態之圖；該圖（b )係表示將矽單 晶從融液液面切離的狀態之圖；該圖（c )係表示爲了使 矽單晶再次融解而浸漬於融液的狀態之圖。 育成肩部1 1時，在確認有結晶缺陷的情況下，係如 弟4圖（b)所不那樣將育成途中的砂單晶離液，接著， 將所提拉的矽單晶著液以使其再次融解。此時，如第4圖 (c)所不，將所提拉的砂單晶著液時，融液3的液面只 φ 會上昇與所浸漬之肩部的體積相當的量。 第5圖係模式地表示在使用C Z法之矽單晶的直胴部 之育成階段，確認有結晶缺陷的情形之圖；該圖（a )係 表不確認有結晶缺陷的狀態之圖；該圖（b )係表示將:砂 單晶從融液液面切離的狀態之圖；該圖（c )係表示爲使 矽單晶再次融解而浸漬於融液的狀態之圖 育成直胴部1 2時，在確認有結晶缺陷的情況下，係 與育成頸部及肩部的情形同樣地，將育成途中的砂單晶離 液，接著，將所提拉的矽單晶著液使其再次融解。此時， -8 - 200806824 (6) 如第5圖（c )所示，將所提拉的矽單晶著液時，融液3 的液面只會上昇與所浸漬之直胴部的體積相當的量。 如上所述，在育成階段確認有結晶缺陷時，不論育成 的進行狀況爲何，都是進行同樣的操作。但是，將所提拉 " 的矽單晶著液以使其再次融解時，融液3之液面的上昇量 ' 則因頸部10、肩部11及直胴部12而有所不同（第3圖（ e)、第4圖（c)及第5圖（c))。 此外，藉由一次的原料投入以進行兩條以上之矽單晶 的育成時，在矽單晶的育成途中，極難使監視裝置判別是 確認有結晶缺陷時的提拉動作、或者是矽單晶之育成完成 後的提拉動作。 【發明內容】 如上所述，在矽單晶的育成階段再次融解時，融液液 面位置的監視極爲複雜，所以難以統一地控制。這部分係 φ 成爲習知的控制裝置在上述（1 )〜（4 )的製程中沒有進 行融液液面位置的監視等的主要原因。 本發明係有鑑於上述問題而開發者，其目的在於提供 一種對應於矽單晶之育成製程中的融液液面位置的所有變 化’可將融液與熱遮蔽板及水冷體的接觸等防患於未然之 融液液面位置監視裝置。 本案發明人等，在進行使用CZ法之矽單晶的育成時 ，就原料的熔融至矽單晶的育成完成後融液固化爲止的全 部製程中，可將融液與熱遮蔽板及水冷體的接觸等防患於 200806824 (7) 未然之融液液面位置監視裝置進行檢討，而獲得下述（a )〜（e )的發現。 (a )藉由將記憶提拉途中之矽單晶的形狀之手段組 裝於監視裝置，可算出離液狀態之矽單晶的體積，同時可 - 以高精度算出將矽單晶著液以使之再次融解時的融液液面 . 的上昇量。 (b )藉由按每個矽單晶的育成階段區分製程，且選 擇適用於各製程之融液的假定液面位置的算出式，可以高 ® 精度算出以種晶沾附時之融液液面位置爲基準的融液之假 定液面位置。 (c )在將種晶、育成途中之矽單晶及育成完成後之 矽單晶離液的期間，依據所記憶之矽單晶的形狀，選擇假 定液面位置的算出式， 考慮離液狀態下之矽單晶的體積，以導入算出將種晶 或矽單晶再次著液時之假定液面位置的製程（以下，稱爲 0 「移行製程」），藉此，可因應融液液面位置的所有變化 0 (d)藉由將融液之假定液面位置從控制電腦傳送到 * 順序電路，且控制坩堝的上昇，可保持融液液面與熱遮蔽 ' 板及水冷體的間隔。 (e )藉由具備在開始矽單晶的育成時，設定融液液 面的上限警戒位置及上限位置，且在矽單晶的育成途中， 當融液的假定液面位置超過上限警戒位置時發出警報，更 且，當融液的假定液面位置超過上限位置時，將坩堝的上 -10- 200806824 (8) 昇強制地停止的手段，即可確實地防止融液與熱遮蔽板及 水冷體的接觸。 本發明係依據上述的發現而完成者，其要旨爲下列（ 1 )〜（5 )之矽單晶之育成製程中的融液液面位置監視裝 ' 置。 • ( 1 ) 一種矽單晶之育成製程中的融液液面位置監視 裝置，係將使用柴氏長晶法之矽單晶之育成製程中的坩堝 0 內的融液液面位置，以種晶沾附時的融液液面位置作爲基 準位置而予以監視的裝置，其特徵爲：具備：觀測融液液 面位置的手段；和觀測坩堝位置的手段；和 將從融液液面所提拉之矽單晶的形狀予以記憶的手段 ;和從所觀測到之融液液面位置及坩堝位置與上述所記憶 之矽單晶的形狀，算出融液之假定液面位置的手段；和按 每個控制週期將上述融液之假定液面位置傳送到順序電路 (sequence circuit )，藉以控制坩堝之上昇及下降的手段 φ ，並且當上述融液的假定液面位置超過上限位置時，停止 坩堝的上昇。 (2 )如上述（1 )之矽單晶之育成製程中的融液液面 位置監視裝置，其中，當上述融液的假定液面位置超過上 ' 限警戒位置時，發出警報。 (3 )如上述（1)或（2)之矽單晶之育成製程中的 融液液面位置監視裝置，其中，算出上述融液之假定液面 位置的手段，係使用下列之式子（1 )所獲得的相對液面 位置h，作爲真空抽吸製程、原料熔融製程及種晶沾附製 -11 - 200806824 (9) 程中的融液之假定液面位置。 h 1 二 DM …（1 ) ' 然而，Μ :種晶沾附後之上述基準位置起算之相對液 面位置（mm ) DM :種晶沾附後之坩堝的移動量（mm ) φ ( 4 )如上述（1 )或（2 )之矽單晶之育成製程中的 融液液面位置監視裝置，其中，算出上述融液之假定液面 位置的手段，係在頸部育成製程、肩部育成製程、直胴部 育成製程及尾部育成製程與矽單晶的育成完成後，使用下 列之式子（2 )所獲得的相對液面位置h2，作爲矽單晶從 融液切離後的狀態之融液的假定液面位置。 1ΐ2 二 hR+ CM …（2) 然而，h2 :矽單晶從融液切離後的狀態之上述基準位 置起算之相對液面位置（mm ) hR :將矽單晶從融液切離時之上述基準位置起 算之相對液面位置（mm ) CM :將矽單晶從融液切離後之坩堝的移動量 (mm ) (5 )如上述（1 )或（2 )之矽單晶之育成製程中的 融液液面位置監視裝置，其中，算出上述融液之假定液面 -12- 200806824 (10) 位置的手段，係在頸部育成製程、肩部育成製程、直胴部 育成製程及尾部育成製程中，使用下列之式子（3 )所獲 得的相對液面位置h3，作爲將育成途中所提拉的矽單晶浸 漬於融液以使之再次融解時之融液的假定液面位置。 li3 = h2 + 2j 一，

GSxSD2xSM

GLxCD2xCM GLxCD2—GSxSD2 GLxCD2~GSxSD2 (3) 然而，h3 :將矽單晶浸漬於融液時之上述基準位置起 ® 算之相對液面位置（m m ) h2 :矽單晶從融液切離後的狀態之上述基準位 置起算之相對液面位置（mm ) GS :矽的固體比重（2.33x10— 3 ) GL:矽的液體比重（2.5 3x10— 3 ) SM :將矽單晶從融液切離後之種晶的移動量 (mm ) CM :將矽單晶從融液切離後之坩堝的移動量 • r , (mm ) SD :從融液液面被提拉之砂單晶的直徑（mm - ) - CD :融液表面的直徑（mm ) 本發明中，「矽單晶的育成製程」是指，包括真空抽 吸製程、原料熔融製程、種晶沾附製程、頸部育成製程、 肩部育成製程、直胴部育成製程及尾部育成製程之從原料 的熔融至作業完成後融液固化爲止的所有製程。 又’藉由本發明之融液液面位置監視裝置算出之融液 -13- 200806824 (11) 的假定液面位置，係以種晶沾附時的融液液面位置 準（以下稱爲「基準位置」）。因此，「相對液面 是指基準位置起算之相對液面位置。 另一方面，「移動量」是指測定時間內之種晶 * 本身的移動量。例如，「將矽單晶從融液切離後之 • 移動量」是指，將矽單晶從融液切離後，至測定坩 之移動量爲止之坩堝本身的移動量。此時，以將矽 0 融液切離時的坩堝位置作爲基準，將朝上方的移動 + )，將朝下方的移動設爲（一）。 「上限警戒位置」係從基準位置至熱遮蔽板的 間所設定的値，是指可確保安全作業之區域的界限ί 「上限位置」係從熱遮蔽板的下端至水冷體的 間所設定的値，是指必須停止坩堝上升之區域的界 〇 根據本發明之融液液面位置監視裝置，在使用 φ 之矽單晶的育成製程中，可算出因應所有狀況之融 定液面位置，所以可以高精度控制融液與熱遮蔽板 體的間隔。 ' 此外，當融液的假定液面位置超過所設定的上 ' 近熱遮蔽板時會發出警報，再者，與熱遮蔽板接觸 水冷體時，會依據需要而發出警報，同時坩堝的移 制地停止，因此，可將因融液與水冷體的接觸所導 蒸氣爆炸等的重大事故防患於未然。 作爲基 位置」 或坩堝 坩堝的 堝位置 單晶從 設爲（ 下端之 \l m 〇 下端之 限位置 CZ法 液的假 或水冷 限而接 或接近 動會強 致之水 -14 - 200806824 (12) 【實施方式】 如上所述，本發明之矽單晶之育成製程中的融液液面 位置監視裝置的特徵爲，具有：觀測融液液面位置的手段 ，和觀測坩堝位置的手段；和將從融液液面所提拉之矽單 晶的形狀予以記憶的手段；和從所觀測到之融液液面位置 及坩堝位置與所記憶之矽單晶的形狀，算出融液之假定液 面位置的手段；和按每個控制週期將融液的假定液面位置 傳送到順序電路（sequence circuit)，藉以控制i甘渦之上 昇及下降的手段，並且當融液的假定液面位置超過上限位 置時，依需要發出警報，而且停止坩堝的上昇。此外，當 融液的假定液面位置超過上限警戒位置時，則以發出警報 爲佳。 以下，具體地說明本發明之矽單晶之育成製程中的融 液液面位置監視裝置。 融液的液面位置係使用設置於矽單晶之育成裝置的2 次元CCD相機來觀測，且所獲得的資料係被記憶於控制 電腦。又，坩堝位置也與融液液面位置同樣地，可使用2 次元CCD相機來觀測，且所獲得的資料係被記憶於控制 電腦。 此外，不論是在育成途中或是育成完成後，從融液液 面所提拉之矽單晶的形狀，皆可使用2次元CCD相機來 拍攝，且影像處理後的形狀資料被記憶於控制電腦。從移 行製程將矽單晶著液以使之再次融解時，從所記憶的形狀 所算出之矽單晶的體積係成爲融液假定液面位置的算出根 15- 200806824 (13) 據。 就依據融液的假定液面位置，控制坩堝之上昇及下降 的順序電路而言，可適用例如PCL ( Programmable Logic Controller ) 。PCL係爲內設有中央演算處理裝置與記憶 元件的控制裝置，是以輸入電路抓取輸入信號，且依據所 設定的條件將輸出電路設成ON/ OFF，藉以自由地控制電 磁閥或馬達等各式各樣的輸出機器之裝置。 本發明之融液液面位置監視裝置，係爲當融液假定液 面位置超過上限位置時，必須停止坩堝的上昇之構成，更 且，在融液假定液面位置超過上限警戒位置時以發出警報 爲佳的實施型態中，期待有萬全的安全對策。上限警戒位 置及上限位置係在種晶沾附製程前，利用手動設定於順序 器(sequencer)。 第6圖係模式地表示本發明之矽單晶之育成製程中的 融液液面位置監視裝置中的融液液面位置及熱遮蔽構件之 安裝位置、與上限警戒位置及上限位置的位置關係之圖。 如第6圖所示，上限警戒位置係浸漬種晶1時之融液 3的液面位置，也就是說，被設定於基準位置至熱遮蔽板 4的下端之間’表示可進行安全作業之液面位置的移動範 圍之上限。又’上限位置係被設定在熱遮蔽板4的下端至 水冷體5的下端之間’表示坩堝的上昇必須停止的區域之 上限，當超過上限位置時，坩堝6的移動會被強制地停止 〇 如上所述’本發明之矽單晶之育成製程中的融液液面 -16- 200806824 (14) 位置監視裝置，係按每個育成階段來區分製程，並選擇融 液之假定液面位置的算出式。 1 ·真空抽吸製程、原料熔融製程及種晶沾附製程 ' 第7圖係模式地表示真空抽吸製程、原料熔融製程及 ' 種晶沾附製程中的融液液面位置的圖；該圖（a )係表示 種晶沾附的狀態之圖；該圖（b )係表示種晶沾附後，坩 渦朝上方移動的狀態之圖。第7圖（a )所示的基準位置 h〇 ( mm )係種晶沾附時的融液液面高度，係成爲相對液面 位置的基準（=0 )。 將種晶沾附後之基準位置起算之相對液面位置設爲 (mm )，將種晶沾附後之液面的基準位置起算之移動量 設爲Ah i ( mm )時，如第7圖所示，獲得下列的式子（4 △ hi= hi — h〇= hi··· ( 4) 又，在將種晶1浸漬於融液3後坩堝6朝上方移動的 情況下，將種晶沾附後之坩堝的移動量設爲DM ( mm )時 ，因爲在真空抽吸製程、原料熔融製程及種晶沾附製程中 ，可以忽視坩堝6內中的融液3的增減，所以獲得下列的 式子（5 )。 △ hi = DM …（5) -17- 200806824 (15) 因此，由上述的式子（4 )及（5 )，獲得下列的式子 h 1 = DM …（1 ) 上述的（1 )式是指使用lu作爲融液的假定液面位置 時，融液的假定液面位置可僅以種晶沾附之j：甘堝的移動量 來管理。 更且，因爲在真空抽吸製程、原料熔融製程及種晶沾 附製程中，可以忽視坩堝內中的融液之增減，所以上述（ 1 )式不僅在矽單晶的育成順暢進行的情況下可適用，在 移行製程的離液及著液時也可適用。 2 ·頸部育成製程、肩部育成製程、直胴部育成製程及尾 部育成製程與矽單晶之育成完成後的離液狀態 第8圖係模式地表示直胴部育成製程中的離液狀態之 圖’該圖（a )係表示矽單晶離液時的狀態之圖，該圖（13 )係表示矽單晶的離液狀態之圖。 將矽單晶從融液切離後的狀態之相對液面位置設爲h2 (mm ) ’將矽單晶從融液切離時的相對液面位置設爲hR (mm ) ’將矽單晶從融液切離後之液面的移動量設爲Ah (mm )時，獲得下列的式子（6 )。 -18- 200806824 (16)

△ Il2 = h2 — hR 然而，h2及hR係爲未顯示 對液面位置。 又，如第8圖（a)及（b ) 離後之坩堝的移動量設爲CM ( ，坩堝內的融液3不會減少， Δ h 2 = CM··· 因此，由上述的式子（6) (2) li2 = hR + CM· 上述的式子（2)不僅在砂 結晶缺陷時的離液狀態可適用， 離液狀態也可適用。 …(6 ) 圖之基準位置h()起算之相 所示，將砂單晶從融液切 mm )時，因爲在離液狀悲 听以獲得下列的式子（7 ) (7 ) 及（7 )，獲得下列的式子 • ( 2 ) 單晶的育成階段中確認有 在矽單晶的育成結束時的 程、直胴部育成製程及尾 2·33χ1(Γ1 2 3 4，將矽的液體比 晶從融液切離後之種晶的 -19- 1 ·頸部育成製程、肩部育成製 2 部育成製程中的著液狀態 3 將矽的固體比重設成GS = 4 重設成GL二2·53χ1(Γ1，將矽單 200806824 (17) 移動量設成SΜ ( mm )，將矽單晶從融液切離 移動量設成CM ( mm ) ’將從融液液面被提拉 直徑設成S〇 ( mm )，以及將融液表面的直徑 mm )時，矽單晶之育成或浸漬所致之液面移丨 可藉由下列的式子（8)來表示。

GSxSD2xSM GL x CD2—GS x SD2 GLxCD2-GSxSD2 又，上述的式子（2)是表示矽單晶從融 狀態的基準位置起算之相對液面位置，所以將 提拉的矽單晶浸漬於融液以使之再次融解時的 算之相對液面位置h3 ( mm )可藉由上述的式= 8 )、下列的式子（3 )來表示。

h3 = h2 + E|一―GSxSD2xSM 丨—GLxCD2xCM I

\ GLxCD2—GSxSD2 GLxCD2—GSxSD2 J 從移行製程使矽單晶再次融解時，就融液 位置而言，藉由使用上述的式子（3)，不管 單晶的育成階段爲何，均可以高精度算出融液 位置。 本發明之砂單晶的育成製程中的融液液面 置，係以難以利用習知之控制方法及控制裝置 控制的製程作爲對象，所以提案有上述的式3 而，在矽單晶之育成的中途階段，沒有確認結 石夕單晶的育成順暢地進行時，使用組合有上矣 後之坩堝的 之矽單晶的 設成CD ( 肋量Δ1ι3係 • · · (8) 液切離後的 育成途中所 基準位置起 己（2)及（ • · · (3) 的假定液面 所提拉之矽 的假定液面 位置監視裝 進行監視及 匕（3 )。然 晶缺陷，且 &式子（1 )

GLxCD2xCM Δ h a = Σ -20- 200806824 (18) 及式子（8 )的下列式子（9)，可算出融液的假定液面位 置 h3，。 h

GSxSD2xSM

GLxCD2xCM GL x CD2 - GS x SD2 GL x CD2 一 GS x SD2 • · · (9) 如上所述，本發明之矽單晶之育成製程中的融液液面 位置監視裝置，係藉由按每個製程選擇融液之假定液面位 置的算出式，故可算出因應所有狀況之融液的假定液面位 置。依此方式，可以高精度控制融液與熱遮蔽板或水冷體 的間隔。 〔實施例〕 使用本發明之矽單晶之育成製程中的融液液面位置監 視裝置’依據流程圖說明實施使用CZ法之矽單晶之育成 時的液面位置監視裝置的動作。 第9圖係表示本發明之矽單晶之育成製程中的融液液 面位置監視裝置的動作之流程圖。第9圖中，各製程的分 岔係爲，將作業順暢完成的情形表記爲YE S，將位錯等結 晶缺陷產生的情形表記爲NO。 以下的說明中，「END製程」是指將使用於矽的熔融 之加熱器的電源設成OFF後，監視液面位置兩個小時，並 結束液面位置監視動作的製程。「RED Y製程」係與上述 的移行製程同義，意味不論是矽單晶的育成階段或育成完 成後，將種晶或矽單晶離液的期間，依據所記憶之矽單晶 的形狀’選擇假定液面位置的算出式，且考慮離液狀態下 -21 - 200806824 (19) 之砂單晶的體積，算出將種晶或矽單晶再次著液時之假定 液面位置的製程。 又’ 「VAC製程」是指真空抽吸製程，r MELT製程 」是指原料熔融製程，「DIP製程」是指種晶沾附製程。 更且’ 「NECK〜TAIL製程」是指頸部育成製程、肩部育 • 成製程、直胴部育成製程及尾部育成製程。 當矽單晶的育成製程開始時，係依VAC製程、MELT 馨 製彳壬及DIP製程的順序進行作業（stepi) 。此時，融液 的假定液面位置可使用式子（1)來算出。 在DIP製程中確認有缺陷時，移行到REDY製程，將 種晶從融液的液面切離（step5 )。進行移行及再次種晶沾 附時之融液的假定液面位置可使用式子（1 )來算出。在 該階段中，因爲矽單晶的提拉尙未開始進行，所以坩堝位 置在熔融完成時點後並沒有變化，式子（1 )的値通常會 成爲〇。因此，當坩堝因錯誤作動等而移動時，係以使式 Φ 子（1 )成爲0的方式利用順序電路來控制。 DIP製程結束時，前進到NECK〜TAIL製程繼續作業 (step2 )。在NECK〜TAIL製程（step2)，當砂單晶的 育成順暢地進行時，融液的假定液面位置可使用式子（4 ' )來算出。當矽單晶的育成完成後，結束作業時’進入 END製程（step3) 。END製程係在切斷加熱器的電源後 ，經過兩小時後結束。 在END製程中，融液的假定液面位置係使用式子（2 )算出。END製程係監視坩堝內之融液的固化之製程’坦 -22- 200806824 (20) 堝位置與離液時的液面位置基本上沒有變化，所以式子（ 2 )的値通常與離液時的液面位置相等。因此，當式子（2 )與離液時的液面位置不相等時，係爲因錯誤作動等而導 致坩堝上昇的情形。這時，可利用順序電路來控制坩堝的 上昇下降，以使式子（2)的値成爲〇。 此外，在NECK〜TAIL製程中，矽單晶的育成順暢地 進行，在矽單晶的育成完成後，繼續作業時，進入RED Y 製程（step4) 在REDY製程中，也就是說，從矽單晶離液後至新的 DIP製程開始爲止，融液的假定液面位置係使用式子（2 )算出。 另一方面，在NECK〜TAIL製程中，當育成中的矽單 晶確認有缺陷時，則進入REDY製程（step6 )。在從 NECK〜TAIL製程移行到的REDY製程中，離液時，融液 的假定液面位置係使用式子（2 )算出（steP8 )。又，著 液時，融液的假定液面位置係使用式子（3)算出（step 7 )° 此時，監視裝置的設定方式爲，計算以移行前之最後 種晶位置爲基準之種晶的移動量、與以移行前之最後坩堝 位置爲基準之坩堝的移動量的差，當其差爲正時，判斷爲 離液狀態，反之，爲負時判斷爲著液狀態。更且，在離液· 狀態下，記憶育成中所提拉之矽單晶的形狀，且計算其體 積，而成爲使用式子（3 )之融液的假定液面位置的算出 根據。 -23- 200806824 (21) 將育成中所提拉的矽單晶予以著液，當再次融解完成 後，進入DIP製程（stepl )。 如上所述，藉由融液液面位置監視裝置之確實的位置 管理，可安全地實施矽單晶的育成製程。 • 如以上的說明，根據本發明之融液液面位置監視裝置 ’在使用CZ法之矽單晶的育成製程中，可算出因應所有 狀況之融液的假定液面位置，所以可以高精度來控制融液 0 與熱遮蔽板或水冷體的間隔。 此外，當融液的假定液面位置超過所設定的上限而接 近熱遮蔽板時會發出警報，再者，與熱遮蔽板接觸或接近 水冷體時，會依需要發出警報，同時坩堝的移動強制地停 止，因此，可將因融液與水冷體接觸所致之水蒸氣爆發等 的重大事故防患爲未然。 依此，可進行使用CZ法之矽單晶之育成裝置的安全 操作之融液液面位置監視裝置得以廣泛地適用。 【圖式簡單說明】 第1圖係表示使用CZ法之矽單晶之育成裝置中的提 ' 拉區域的主要部位構成之圖。 ' 第2A-C圖係模式地表示使用CZ法之矽單晶之育成 裝置中與融液液面位置、坩堝位置及熱遮蔽構件之安裝位 置的關係之圖；該圖（a )係表示種晶沾附的狀態之圖； 該圖（b)係表示提拉矽單晶的狀態之圖；該圖（c)係表 示坩堝朝上方移動的狀態之圖。 -24- 200806824 (22) 第3 A-C圖係模式地表示在使用CZ法之矽單晶的頸 部之育成階段，確認有結晶缺陷的情形之圖；該圖（a ) 係表示確認有結晶缺陷的狀態之圖；該圖（b )係表示將 矽單晶從融液液面切離的狀態之圖；該圖（c )係表示爲 • 使矽單晶再次融解而浸漬於融液的狀態之圖。 ' 第4A_C圖係模式地表示在使用CZ法之矽單晶的肩 部之育成階段’確認有結晶缺陷的情形之圖；該圖（a ) φ 係表示確認有結晶缺陷的狀態之圖；該圖（b )係表示將 矽單晶從融液液面切離的狀態之圖；該圖（c )係表示爲 使矽單晶再次融解而浸漬於融液的狀態之圖 第5 A-C圖係模式地表示在使用CZ法之矽單晶的直 胴部之育成階段’確認有結晶缺陷的情形之圖·，該圖（a )係表示確認有結晶缺陷的狀態之圖；該圖（b )係表示 將矽單晶從融液液面切離的狀態之圖；該圖（c )係表示 爲使矽單晶再次融解而浸漬於融液的狀態之圖 φ 第6圖係模式地表示本發明之矽單晶之育成製程中的 融液液面位置監視裝置中之融液液面位置及熱遮蔽構件的 安裝位置、與上限警戒位置及上限位置的位置關係之圖。 第7A-B圖係模式地表示真空抽吸製程、原料熔融製 _ 程及種晶沾附製程中的融液液面位置的圖；該圖（a )係 表示種晶沾附的狀態之圖；該圖（b )係表示種晶沾附後 ，坩堝朝上方移動的狀態之圖。 第8A-B圖係模式地表示直胴部育成製程中的離液狀 態之圖；該圖（a)係表示矽單晶離液時的狀態之圖；該 -25- 200806824 (23) 圖（b)係表示矽單晶的離液狀態之圖。 第9圖係表示本發明之矽單晶之育成製程中的融液液 面位置監視裝置的動作之流程圖。 ' 【主要元件符號說明】 * 1 ： 種晶 2 : 矽單晶 ⑩ 3: 4 ： 5 ： 融液 熱遮蔽板 水冷體 6 二 坩堝 7 ： 8 ： 加熱器 融液液面位置 9 ： 坩堝位置 10 :頸部 • 12 :肩部 :直胴部 -26-

Claims (1)

1. 200806824 (1) 十、申請專利範園 I 一種矽單晶之育成製程中的融液液面位置監視裝 置’係將使用柴氏長晶法之矽單晶之育成製程中的坩堝內 的融液液面位置，以種晶沾附時的融液液面位置作爲基準 : 位置而予以監視的裝置，其特徵爲： • 具備： 觀測融液液面位置的手段；和 Φ 觀測坩堝位置的手段；和 將從融液液面所提拉之矽單晶的形狀予以記憶的手段 :和 從所觀測到之融液液面位置及坩堝位置與上述所記憶 之矽單晶的形狀，算出融液之假定液面位置的手段；和 按每個控制週期將上述融液之假定液面位置傳送到順 序電路（sequencecircuit)，藉以控制坦塒之上昇及下降 的手段， φ 並且當上述融液的假定液面位置超過上限位置時，停 止坩堝的上昇。 2.如申請專利範圍第1項之矽單晶之育成製程中的 融液液面位置監視裝置，其中，當上述融液的假定液面位 ' 置超過上限警戒位置時，發出警報。 3 ·如申請專利範圍第1或2項之矽單晶之育成製程 中的融液液面位置監視裝置，其中，算出上述融液之假定 液面位置的手段，係使用下列之式子（1 )所獲得的相對 液面位置hi，作爲真空抽吸製程、原料熔融製程及種晶沾 -27- 200806824 (2) 附製程中的融液之假定液面位置， h 1 = D Μ …（1 ) 然而，iM :種晶沾附後之上述基準位置起算之相對液 •面位置（mm ) DM :種晶沾附後之坩堝的移動量（mm )。 ^ 4·如申請專利範圍第丨或2項之矽單晶之育成製程 中的融液液面位置監視裝置，其中，算出上述融液之假定 液面位置的手段，係在頸部育成製程、肩部育成製程、直 胴部育成製程及尾部育成製程與矽單晶的育成完成後，使 用下列之式子（2 )所獲得的相對液面位置h2，作爲矽單 晶從融液切離後的狀態之融液的假定液面位置， h2 = hR + CM··· (2) 然而，h2 :矽單晶從融液切離後的狀態之上述基準位 置起算之相對液面位置（mm ) hR :將矽單晶從融液切離時之上述基準位置起 ' 算之相對液面位置（mm) CM :將矽單晶從融液切離後之坩渦的移動量 (mm ) 。 5 ·如申請專利範圍第1或2項之矽單晶之育成製程 中的融液液面位置監視裝置，其中，算出上述融液之假定 -28- 200806824 (3) 液面位置的手段，係在頸部育成製程、肩部育成製程、直 胴部育成製程及尾部育成製程中，使用下列之式子（3) 所獲得的相對液面位置h3，作爲將育成途中所提拉的矽單 晶浸漬於融液以使之再次融解時之融液的假定液面位置， h GSxSD2xSM GLxCD2xCM GLxCD2-GSxSD2 GLxCD2-GSxSD2 (3) 然而，h3 :將矽單晶浸漬於融液時之上述基準位置起 算之相對液面位置（mm ) h2 :矽單晶從融液切離後的狀態之上述基準位 置起算之相對液面位置（mm) GS :矽的固體比重（2.33乂10_3) GL:矽的液體比重（2·53χ1(Γ3) SM :將矽單晶從融液切離後之種晶的移動量 (mm ) CM :將矽單晶從融液切離後之坩堝的移動量 (mm ) SD :從融液液面被提拉之矽單晶的直徑（mm CD :融液表面的直徑（mm ) -29-