TW202140865A - 單結晶製造裝置及單結晶的製造方法 - Google Patents

單結晶製造裝置及單結晶的製造方法 Download PDF

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Abstract

提高結晶提拉步驟中測量的單結晶直徑的測量精度。 本發明的單結晶製造裝置10，包括從融液13提拉單結晶15的單結晶提拉部、拍攝融液13與單結晶15的邊界部中發生的融合圈之攝影機18以及處理攝影機18的拍攝影像之演算部24。演算部24，根據攝影機24的設置角度θC 及焦點距離，投影轉換攝影機18的拍攝影像中映現的融合圈至相當於融液面的基準平面上，再根據基準平面上的融合圈形狀算出單結晶15的直徑。

Description

單結晶製造裝置及單結晶的製造方法
本發明，係關於根據Czochralski法 (單晶成長法，以下稱CZ法)製造單結晶的單結晶製造裝置及單結晶的製造方法，特別有關於結晶提拉步驟中的單結晶直徑測量。
作為半導體元件的基板材料的矽晶圓大多以CZ法製造。CZ法，在石英坩堝內加熱多結晶矽原料產生矽融液，從矽融液上方降下種結晶浸漬在矽融液後，旋轉種結晶及石英坩堝的同時，透過緩緩上升種結晶，在種結晶下方生長大的單結晶。根據CZ法，可以以高良率製造大口徑的矽單結晶。
以某直徑為目標製造單結晶錠。例如最終製品是300mm(毫米)晶圓的話，一般生長比其直徑稍微大的305〜320mm單結晶錠。其後，單結晶錠，外周研削成圓柱狀，切割為晶圓狀後，經過去角步驟，最終成為目標直徑的晶圓。這樣，單結晶錠的目標直徑，必須比最終製品的晶圓直徑大，但太過大時研削研磨費增加，變得不經濟。因此，要求比晶圓大且盡量小直徑的單結晶錠。
根據CZ法，為了使結晶直徑為一定，一邊控制結晶提拉條件，一邊提拉單結晶。關於單結晶的直徑控制，例如專利文獻1中記載，透過處理單結晶與融液的界面影像，正確測量生長的單結晶直徑之方法。此方法中，為了使單結晶直徑成為目標直徑，控制坩堝旋轉速度、結晶旋轉速度、結晶提拉速度、坩堝上升速度、融液溫度(加熱器功率)等。
又，專利文獻2記載關於融液面位置的測量，以密室外側設置的攝影機拍攝密室內的爐內構造物及融液的液面時，算出拍攝影像中映現的爐內構造物的實像及鏡像之代表尺寸的方法。此方法中，檢測拍攝影像中映現的爐內構造物實像與融液面中映出的爐內構造物鏡像各自的邊緣圖案，根據攝影機的設置角度及焦點距離，投影轉換爐內構造物的實像及鏡像各自的邊緣圖案在基準平面上，進行對於基準平面上的爐內構造物的實像及鏡像各自的邊緣圖案之圖案匹配時，根據匹配率成為最大的基準圖案形狀，算出爐內構造物的實像及鏡像各自的代表尺寸。 [先行技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利第4253123號公報 [專利文獻2]日本專利公開第2018－90451號公報
[發明所欲解決的課題]
利用CZ法的單結晶提拉控制中，根據爐外設置的攝影機的拍攝影像測量單結晶直徑，為了實行單結晶直徑控制使直徑的測量值與直徑輪廓一致，求出高精度的直徑測量。習知的直徑測量方法，如圖8所示，設定攝影機影像中水平方向的直徑測量用掃描線SL，根據此掃描線SL上的亮度分布與臨界值TH(slice level)的交點檢測融合圈(fusion ring)FR的邊緣。其次，利用掃描線SL與融合圈(fusion ring)FR邊緣的2個交點pL 、pR 間的寬度w以及結晶中心位置CO 到掃描線SL的距離h，求出融合圈的直徑D=(w2 +4h2 )1/2 。因為這樣求出的融合圈直徑D的單位是畫素數(pixel)，透過直徑D乘以直徑換算係數，求出轉換成實際單位(mm)的結晶直徑值。
這樣，因為根據攝影機影像得到的結晶直徑的資訊是畫素(pixel)，必須轉換至實際的直徑單位(mm)。但是，單位轉換中使用的直徑換算係數，因為是根據單結晶提拉步驟中操作者以望遠鏡以目視測量的結晶直徑值作成的直徑換算係數，具有單位轉換的精度很差且直徑算出誤差大的問題。
因此，本發明的目的在於提供可以提高結晶直徑的測量精度之單結晶製造裝置及製造方法。 [用以解決課題的手段]
為了解決上述課題，本發明的單結晶製造裝置，其特徵在於：包括從融液提拉單結晶的單結晶提拉部、拍攝上述融液與上述單結晶的邊界部中發生的融合圈之攝影機以及處理上述攝影機的拍攝影像之演算部，上述演算部，根據上述攝影機的設置角度及焦點距離，投影轉換上述攝影機的拍攝影像中映現的上述融合圈至相當於上述融液的液面之基準平面上，再根據上述基準平面上的上述融合圈形狀算出上述單結晶的直徑。
根據本發明，不使用用以單位轉換根據攝影機的拍攝影像求出的直徑測量值之直徑換算係數而可以正確求出單結晶的實際直徑。因此，可以提高結晶提拉步驟中單結晶的直徑測量精度。
本發明中，上述演算部，最好投影轉換根據對上述拍攝影像的亮度分布之既定臨界值檢測的上述融合圈的邊緣圖案至上述基準平面上。藉此，可以正確掌握融合圈形狀。
本發明中，上述臨界值，係上述拍攝影像中的亮度峰值乘以比1小的值而得到的值，上述演算部，最好在上述拍攝影像中設定與上述融合圈交叉的水平掃描線，檢測上述水平掃描線上的亮度分布與上述臨界值的外側交點(拍攝影像靠近外周的一點)作為上述融合圈的邊緣圖案。
本發明中，上述演算部，最好根據上述基準平面上投影的上述融合圈的邊緣圖案與既定直徑測量線的2個交點間的距離及上述單結晶中心位置到上述直徑測量線的距離，算出上述單結晶的直徑。藉此，可以幾何學算出融合圈的直徑，並可以根據融合圈的直徑算出單結晶的直徑。
本發明中，上述演算部，最好圓近似上述融合圈的邊緣圖案，根據上述融合圈的近似圓直徑算出單結晶的直徑。藉此，可以提高融合圈的直徑測量精度。
本發明中，上述演算部，最好透過從上述單結晶的提拉步驟中的直徑減去既定補正量，或者上述單結晶的提拉步驟中的直徑乘以既定補正係數，算出上述單結晶在室溫下的直徑。藉此，可以根據室溫下的單結晶直徑控制結晶直徑。
本發明中，上述演算部，最好根據爐內構造、上述液面的位置或上述單結晶的長度變化，改變上述補正量或上述補正係數。藉此，配合單結晶的生長狀況的變化，可以正確測量結晶直徑。
又，本發明的單結晶製造方法，係利用CZ法的單結晶製造方法，其特徵在於包含以攝影機拍攝融液與單結晶的邊界部發生的融合圈之步驟以及處理上述攝影機的拍攝影像算出上述單結晶的直徑之步驟，算出上述單結晶的直徑之步驟，根據上述攝影機的設置角度及焦點距離，投影轉換上述攝影機的拍攝影像中映現的上述融合圈至相當於上述融液的液面之基準平面上，再根據上述基準平面上的上述融合圈形狀算出上述單結晶的直徑。
根據本發明，不使用用以單位轉換根據攝影機的拍攝影像求出的直徑測量值之直徑換算係數而可以求出單結晶的實際直徑。因此，可以提高結晶提拉步驟中單結晶的直徑測量精度。
本發明中，算出上述單結晶的直徑之步驟，最好投影轉換根據對上述拍攝影像的亮度分布之既定臨界值檢測的上述融合圈的邊緣圖案至上述基準平面上。藉此，可以正確掌握融合圈形狀。
本發明中，上述臨界值，係上述拍攝影像中的亮度峰值乘以比1小的值而得到的值，算出上述單結晶的直徑之步驟，最好在上述拍攝影像中設定與上述融合圈交叉的水平掃描線，檢測上述水平掃描線上的亮度分布與上述臨界值的外側交點(拍攝影像靠近外周的一點)作為上述融合圈的邊緣圖案。
本發明中，算出上述單結晶的直徑之步驟，最好根據上述基準平面上投影的上述融合圈的邊緣圖案與既定直徑測量線的2個交點間的距離以及上述單結晶中心位置到上述直徑測量線的距離，算出上述單結晶的直徑。藉此，可以幾何學算出融合圈的直徑，並可以根據融合圈的直徑算出單結晶的直徑。
本發明中，算出上述單結晶的直徑之步驟，最好圓近似上述融合圈的邊緣圖案，根據上述融合圈的近似圓直徑算出單結晶的直徑。藉此，可以提高融合圈的直徑測量精度。
本發明中，算出上述單結晶的直徑之步驟，最好透過從上述單結晶的提拉步驟中的直徑減去既定補正量，或者上述單結晶的提拉步驟中的直徑乘以既定補正係數，算出上述單結晶在室溫下的直徑。藉此，可以根據室溫下的單結晶直徑控制結晶直徑。
本發明中，算出上述單結晶的直徑之步驟，最好根據爐內構造、上述液面的位置或上述單結晶的長度變化，改變上述補正量或上述補正係數。藉此，配合單結晶的生長狀況的變化，可以正確測量結晶直徑。 [發明效果]
根據本發明，可以提供可提高結晶直徑的測量精度之單結晶製造裝置及製造方法。
以下，一邊參照附加圖面，一邊詳細說明本發明較佳的實施形態。又，以下所示的實施形態，係為了更充分理解發明的主旨而具體說明。只要不特別指定，就不限定本發明。又，以下的說明中使用的圖面，為了容易了解本發明特徵，有時為了方便放大主要部分的部分，各構成要素的尺寸比例不一定與實際相同。
圖1係顯示本發明的實施形態的單結晶製造裝置構成的略剖面圖。
如圖1所示，單結晶製造裝置10，係用以生長矽單結晶的裝置，包括略圓筒形的密室19，密室19內部設置積存矽融液13的石英坩堝11。密室19，例如只要內部形成一定間隙的雙層壁構造即可，透過此間隙中流過冷卻水，加熱石英坩堝11之際防止密室19高溫化。
這樣的密室19內部中，矽單結晶提拉開始前到結束後導入氬氣等非活性氣體。密室19的頂部，包括提拉驅動裝置22。提拉驅動裝置22，旋轉矽單結晶錠15的成長核心之種結晶14以及從那兒生長的矽單結晶錠15的同時，往上方提拉。這樣的提拉驅動裝置22中，只要形成根據矽單結晶錠15的提拉量送出矽單結晶錠15的結晶長資訊的感應器(未圖示)即可。提拉驅動裝置22連接至控制部26，傳送結晶長資訊至控制部26。本實施形態中，石英坩堝11等的密室19內的構成要素及提拉驅動裝置22，構成單結晶提拉部。
密室19的內部，包括圍繞石英坩堝11配置的略圓筒形加熱器12。加熱器12，加熱石英坩堝11。此加熱器12內側，容納坩堝支撐體(黑鉛坩堝)16及石英坩堝11。石英坩堝11，係全體以石英一體形成，上方形成開放面的略圓筒形容器。
石英坩堝11中，積存溶融固體矽的矽融液13。坩堝支撐體16，例如全體以黑鉛形成，包圍石英坩堝11密合支撐。坩堝支撐體16，維持矽溶融時軟化的石英坩堝11形狀，達到支撐石英坩堝11的作用。
坩堝支撐體16的下側包括坩堝升起裝置21。坩堝升起裝置21，從下側支撐坩堝支撐體16及石英坩堝11的同時，為了使隨著矽單結晶錠15的提拉變化的矽融液13的融液面13a的液面位置在適當位置，上下移動石英坩堝11。藉此，控制矽融液13的融液面13a的位置。坩堝升起裝置21，同時在提拉時可以以既定旋轉數旋轉支撐坩堝支撐體16及石英坩堝11。
石英坩堝11上面，形成遮熱構件(遮蔽筒)17以覆蓋矽融液13上面即融液面13a。遮熱構件17，例如以形成缽形的斷熱板構成，其下端形成略圓形開口17a。還有遮熱構件17的上端外側緣部固定至密室19的內面側。
這樣的遮熱構件17，防止提拉的矽單結晶錠15從石英坩堝11內的矽融液13受到輻射熱而熱履歷改變品質惡化。又，這樣的遮熱構件17，透過將導入密室19內部的提拉空氣氣體從矽單結晶錠15側誘導至矽融液13側，控制矽融液13的融液面13a附近的殘留氧氣量、從矽融液13蒸發的矽蒸氣、SiO等，使矽單結晶錠15成為目標品質。這樣的提拉空氣氣體的控制，考慮依存於通過爐內壓及遮熱構件17下端與矽融液13的融液面13a的間隙之際的流速。為了使矽單結晶錠15成為目標品質，必須正確設定遮熱構件17下端到矽融液13的融液面13a的距離(間隙值)ΔG。又，作為提拉空氣氣體，氬氣等非活性氣體中，可以含有氫氣、氮氣或除此以外的既定氣體作為摻雜氣體。
密室19外側設置攝影機18。攝影機18例如是CCD攝影機，經由密室19中形成的窺視窗拍攝密室19內。攝影機18的設置角度θC ，對矽單結晶錠15的提拉軸Z形成既定角度，攝影機18具有對鉛直方向傾斜的光軸L。換言之，所謂的攝影機18的設置角度θC ，係對鉛直方向的光軸L的傾斜角。攝影機18，從斜上方拍攝包含遮熱構件17的開口17a以及融液面13a的石英坩堝11的上面區域。攝影機18，連接至演算部24，攝影機18的拍攝影像在演算部24中用於結晶直徑及液面位置的檢測。
演算部24，根據包含攝影機18拍攝的遮熱構件17實像以及矽融液13的融液面13a中映出的遮熱構件17鏡像之影像，算出矽融液13的液面位置。又，演算部24，根據包含攝影機18拍攝的矽融液13與矽單結晶錠15的邊界部之影像，算出矽單結晶錠直徑。演算部24連接至控制部26，由演算部24傳送演算結果至控制部26。
控制部26，根據從提拉驅動裝置22的感應器得到的矽單結晶錠15的結晶長資料以及演算部24算出的結晶直徑資料，控制石英坩堝11的移動量(上升量)。還有，為了控制石英坩堝11的移動量，控制部26根據演算部24算出的矽融液13的液面位置，進行石英坩堝11的位置補正控制。
圖2係用以說明使用單結晶製造裝置10的矽單結晶的製造方法流程圖。又，圖3係顯示根據圖2的製造方法製造的矽單結晶錠的形狀側面圖。
如圖2所示，矽單結晶的製造中，首先對石英坩堝11投入原料的多結晶矽，利用加熱器12加熱石英坩堝11內的多結晶矽並溶融，產生矽融液13(步驟S11)。
其次，降下種結晶14，到達矽融液13(步驟S12)。之後，實施結晶提拉步驟(步驟S13〜S16)，一邊維持與矽融液13的接觸狀態，一邊緩緩提拉種結晶14生長單結晶。
結晶提拉步驟中，依序實施：縮頸步驟13，為了無錯位化形成絞細結晶直徑的頸部15a；肩部生長步驟S14，形成結晶直徑緩緩變大的肩部15b；直筒部生長步驟S15，形成結晶直徑維持在規定的直徑(例如約300mm)的直筒部15c；以及尾部生長步驟S16，形成結晶緩緩變小的尾部15d；最後單結晶從融液面分離。根據上述，完成具有頸部15a、肩部15b、直筒部15c以及尾部15d的圖3所示的矽單結晶錠15。
結晶提拉步驟中，根據攝影機18的拍攝影像算出矽融液13的融液面13a與遮熱構件17的間隙值ΔG，藉此算出矽融液13的液面位置。於是，根據此間隙值ΔG，控制坩堝的上升量。藉此，矽單結晶從提拉開始到提拉結束之間，不管矽融液13的減少，保持一定或改變對於加熱器12、遮熱構件17等爐內構造物的融液面13a位置，藉此可以控制對矽融液13的熱輻射分布。
又，結晶提拉步驟中，根據攝影機18的拍攝影像算出單結晶的直徑，控制結晶提拉條件，使結晶直徑成為對應結晶長的既定直徑。肩部生長步驟S14中，控制結晶直徑緩緩變大，直筒部生長步驟S15中，控制使結晶直徑成為一定，尾部生長步驟S16中，控制使結晶直徑緩緩變小。結晶提拉條件的控制對象，係石英坩堝11的高度位置、結晶提拉速度、加熱器輸出等。利用攝影機18的拍攝影像之提拉條件的控制，在結晶提拉步驟中實行。具體地，從圖2中的縮頸步驟13的開始到尾部生長步驟S16結束之間實行。
其次，詳細說明關於根據攝影機18的拍攝影像算出結晶直徑的方法。
圖4，係攝影機18的拍攝影像，用以說明固液界面中發生的融合圈圖。
如圖4所示，矽融液13可以通過遮熱構件17的開口17a窺視，拍攝影像中映入遮熱構件17的一部分。又，遮熱構件17的開口17a內側有矽單結晶錠15，還可以從遮熱構件17與矽單結晶錠15之間的微小間隙窺視矽融液13。還有，矽單結晶錠15與矽融液13的邊界部發生融合圈FR。融合圈FR，係透過以固液界面的凹凸透鏡(meniscus)反射來自加熱器12等的輻射光發生的環狀高亮度區域。拍攝影像中，遮熱構件17因為固定至密室19，其位置不改變，但融合圈FR的位置或大小根據結晶直徑、液面位置的變化而改變。液面位置是一定的情況下，結晶直徑越大，融合圈FR也變得越大。又，結晶直徑是一定的情況下，液面位置越下降，結晶直徑變得越小。這樣，因為可以根據融合圈FR捕捉固液界面附近的單結晶輪廓，可以算出單結晶的直徑。
矽融液13的融液面13a中映入遮熱構件17的鏡像Mb。遮熱構件17的鏡像Mb，根據遮熱構件17到融液面13a的距離而改變。因此，遮熱構件17的實像Ma與融液面13a中映出的鏡像Mb的間隔，連動隨著結晶成長的矽融液13消耗、石英坩堝11升降引起的融液面13a上下移動，但融液面13a的位置在此實像Ma與鏡像Mb之間的中間點。因此，例如，使融液面13a與遮熱構件17下端一致時，遮熱構件17的實像Ma與鏡像Mb的間隔成為零，緩緩降下融液面13a時，遮熱構件17下端到融液面13a的距離(間隙值)ΔG也緩緩擴大。此時的間隙值ΔG，可以算出作為遮熱構件17的實像Ma與鏡像Mb的1/2間隔D之值(即，D=ΔG×2)。這樣，融液面13a的液面位置，可以求出作為離遮熱構件17下端的距離。
根據融合圈FR測量單結晶的直徑的情況下，從攝影機18拍攝的影像檢測出融合圈FR的邊緣圖案，並根據融合圈FR的邊緣圖案算出結晶直徑。融合圈FR的直徑值，可以根據以最小平方法近似得到的近似圓求出其邊緣圖案(樣品值)。透過再補正這樣求出的融合圈FR直徑，可以算出常溫下的單結晶直徑。
測量結晶直徑的情況下，融合圈FR穩定的檢測是必要的。作為從影像資料中檢測出既定影像位置的手法，一般是根據其影像的亮度值設定臨界值進行二值化處理的手法。但是根據二值化處理實行融合圈FR的邊緣檢測的情況下，由於隨著爐內溫度變化的亮度變化，檢測位置有偏離的可能性。
為了排除此影響，不是一般的二值化手法，最好是求出拍攝影像中的亮度峰值(融合圈FR的峰值亮度)，根據透過將此峰值亮度乘以比1小的值決定的臨界值(切割等級)檢測融合圈FR的邊緣。即，融合圈FR的邊緣圖案(輪廓線)檢測中，透過根據影像中的融合圈FR亮度改變臨界值(切割等級)，縮小亮度變化的影響引起的測量誤差，穩定融合圈FR的正確尺寸並檢測，可以明確指定。具體地，與圖8相同，設定與融合圈FR交叉的水平掃描線SL，檢測此水平掃描線SL上的亮度分布與臨界值(相當於圖8中的TH)的外側交點(拍攝影像靠近外周的一點)作為融合圈FR的邊緣。
因為密室19外側設置的攝影機18從斜上方拍攝融液面13a，融合圈FR在外觀上的形狀不成為正圓而變形。為了正確算出融合圈FR直徑，需要影像的變形補正。於是，本實施形態中，投影轉換攝影機18拍攝的融合圈FR的邊緣圖案至基準平面上，求出從正上方看時的融合圈FR直徑。又，基準平面是矽融液的液面(水平面)，如上述可以根據遮熱構件17的實像Ma與鏡像Mb求出。
圖5，係用以說明投影轉換拍攝影像的二次元座標至實空間的座標之方法模式圖。
如圖5左側的圖所示，因為攝影機18從斜上方拍攝密室19內，拍攝影像中的融合圈形狀變形，成為具有遠近感的影像。即，離攝影機18的距離近的下側影像比上側更擴大。因此，為了正確算出融合圈的尺寸，必須補正影像的變形。於是，投影轉換攝影機18的拍攝影像座標至設定為與融液面13a相同高度位置的基準平面上的座標，補正變形。
圖5右側的圖，顯示實行影像補正之際的座標系。此座標系中，以基準平面作為xy平面。還有XY座標的原點CO ，係從攝影機18的成像裝置18a的中心位置C通過攝影機18的透鏡18b中心位置F(0,  yf , zf )拉的直線(虛線)與基準平面的交點。此直線是攝影機18的光軸。
又，矽單結晶錠15的提拉方向，是鉛直軸的z軸正方向，成像裝置18a的中心位置C(0,  yc , zc )與透鏡18b中心位置F(0,  yf , zf )在yz平面內。圖5左側的圖所示影像中的座標(u, v)以成像裝置18a的畫素表示，對應以下的式(1)所示的成像裝置18a上的任意一點P(xp , yp , zp )。
[數1]
Figure 02_image001
在此，αu 與αv 是成像裝置18a在橫方向與縱方向的畫素尺寸，yc 與 zc 是成像裝置18a在中心位置C的y座標與 z座標。又，如圖5右側的圖所示，θC 是攝影機18的光軸與z軸形成的角度，攝影機18的設置角度。
還有，成像裝置18a的中心位置C(0,  yc , zc )，利用攝影機18的透鏡18b的中心位置F(0,  yf , zf )及透鏡的焦點距離fl ，以以下的式(2)表示。
[數2]
Figure 02_image003
在此，詳細說明關於式(2)，假設基準平面上的座標原點CO 到成像裝置18a的中心位置C(0,  yc , zc )的距離為Lc 時，yc , zc 分別為以下的式(3)。
[數3]
Figure 02_image005
假設座標原點CO 到攝影機18的透鏡18b的中心位置F的距離為a，透鏡18b的中心位置F到成像裝置18a的中心位置C的距離為b時，座標原點CO 到成像裝置18a的中心位置C的距離Lc 為以下的式(4)。
[數4]
Figure 02_image007
又，根據透鏡的成像公式，焦點距離fl 係利用距離a, b如以下的式(5) 所示。
[數5]
Figure 02_image009
根據式(4)及式(5)消去距離b，以距離a與焦點距離fl 表現Lc 時，成為以下式(6)。
[數6]
Figure 02_image011
座標原點CO 到攝影機18的透鏡18b的中心位置F的距離a值，利用攝影機18的透鏡18b的中心位置F(0,  yf , zf ) ，可以如以下式(7) 所示。
[數7]
Figure 02_image013
因此，上述式(2)，係根據式(3)、式(6)及式(7)求出。
考慮透鏡18b為針孔時，成像裝置18a上的任意一點P(xp , xp , xp )，通過F(0, yf , zf )投影在基準平面上，此投影點P(X, Y, 0)，可以以以下的式(8)表示。
[數8]
Figure 02_image015
透過使用式(1)、式(2)及式(8)，可以求出基準平面上投影的融合圈的座標。
透鏡18b的中心位置F(0,  yf , zf ) 到成像裝置18a的中心位置C(0,  yc , zc )的距離b是已知的情況下，透鏡18b在中心位置F的座標yf 、zf ，利用距離b及成像裝置18a在中心位置C的座標yc 、zc ，可以如以下式(9)所示。
[數9]
Figure 02_image017
這樣，透鏡18b的中心位置F(主點)到成像裝置18a的中心位置C的距離b(背距(back distance))是已知的情況下，可以使用背距值表示投影點P’(X, Y, 0)。
其次，說明關於融合圈半徑的算出方法。只要使用最小平方法作為根據投影在基準平面上的融合圈座標算出其中心位置的座標(xo , yo )以及半徑r的方法即可。融合圈是圓形，其影像滿足以下的式(10)所示的圓方程式。
[數10]
Figure 02_image019
在此，式(10)中的(xo , yo )以及r的算出中使用最小平方法。為了簡易實行利用最小平方法的演算，實行以下式(11)所示的變形。
[數11]
Figure 02_image021
以最小平方法將求出此式(11)中的變數a、b、 c。那將會得到式(11)與測量點間的差的平方和成為最小的條件，這透過解開以下式(12)所示的偏微分方程式得到。
[數12]
Figure 02_image023
於是，此式(12)的解可根據以下的式(13)所示的聯立方程式算出。
[數13]
Figure 02_image025
這樣透過使用最小平方法，可以算出基準平面上投影的融合圈的近似圓。
之後，根據融合圈的近似圓算出其直徑。此時的直徑算出方法，如圖6所示，設定與基準平面PLO 上投影的融合圈FR(近似圓)上的2點交叉的直徑測量線SLO ，利用融合圈FR與直徑測量線的2個交點pLO 、pRO 間的寬度wo及結晶中心位置CO 到直徑測量線SLO 的距離h，求出融合圈FR的直徑D=(w2 +4h2 )1/2 。因為這樣根據幾何學計算求出的融合圈直徑D的資訊不是畫素(pixel)而是毫米(mm)，不用單位轉換。
因為結晶提拉步驟中的矽單結晶在高溫下熱膨脹，其直徑比從密室19取出冷卻時的直徑大。根據這樣的熱膨脹的結晶直徑實行矽單結晶的直徑控制的情況下，控制使室溫下的結晶直徑成為目標直徑很難。
因此，結晶提拉步驟中矽單結晶的直徑控制，轉換攝影機18的拍攝影像中映現的矽單結晶在高溫下的直徑成為室溫下的直徑，根據此室溫下的結晶直徑控制結晶提拉速度等的結晶生長條件。這樣，根據室溫時的結晶直徑控制結晶提拉條件的理由，是室溫時的結晶直徑管理很重要。即，高溫下與目標直徑相同，即使提拉回到室溫時也比目標直徑小的情況下，因為恐怕不能製品化，實行直徑控制使室溫時的結晶直徑成為目標直徑。
矽單結晶在室溫下的直徑，透過從根據融合圈求出的單結晶在高溫下的直徑減去既定補正量，可以求出。或者，矽單結晶在室溫下的直徑，透過根據融合圈求出的單結晶在高溫下的直徑乘以既定補正係數求出也可以。此時的補正量或補正係數，因為依爐內構造而不同，每單結晶提拉裝置個別設定。又，隨著結晶生長爐內構造改變的情況下，配合結晶生長改變補正量或補正係數也可以。還有，結晶直徑的補正量或補正係數，配合矽融液的液面位置變化而改變也可以，或是根據單結晶提拉長度設定也可以。因此，例如，結晶提拉步驟前半使用某補正量補正結晶直徑，結晶提拉步驟後半使用其它補正量補正結晶直徑也可以。藉此，可以更正確推斷常溫下的結晶直徑。
透過從攝影機的結晶直徑的測量結果減去既定補正量，求出室溫下的結晶直徑的情況下，上述補正量，根據對同一結晶得到之攝影機在提拉步驟中的結晶直徑測量結果與室溫下的實際測量的結晶直徑測量結果，預先算出。又，透過攝影機的結晶直徑測量結果乘以既定補正係數，求出室溫下的結晶直徑的情況下，上述補正係數，根據對同一結晶得到之攝影機在提拉步驟中的結晶直徑測量結果與室溫下的實際測量的結晶直徑測量結果，預先算出。上述任一方法中，根據結晶提拉步驟中的熱膨脹，考慮單結晶往長邊方向延伸的部分，算出在結晶長邊方向一致的直徑測量位置中的補正量或補正係數。
其次，說明關於投影轉換融合圈之際成為基準平面的矽融液的液面位置的算出方法。
圖7，係用以說明根據遮熱構件17的實像Ma及鏡像Mb各自的開口半徑rf 、rm 算出間隙值ΔG的方法模式圖。
如圖7所示，遮熱構件17水平設置的情況下，遮熱構件17的鏡像中心座標，本來存在於與夾住融液面13a的遮熱構件17的實像中心座標(Xhc , Yhc , 0)的相反側，連結其2點的直線通過遮熱構件17的實像中心座標(Xhc , Yhc , 0)，成為與鉛直軸的Z軸平行的直線。
另一方面，基準平面上的遮熱構件17的鏡像中心座標(Xmc , Ymc , 0)，因為成為遮熱構件17的實像中心座標(Xmc , Ymc , Zgap )投影在基準平面上的座標，實像的中心座標(Xhc , Yhc , Zgap )，將在通過基準平面上的遮熱構件17的鏡像中心座標(Xmc , Ymc , 0)與透鏡18b的中心位置F(Xf , Yf , Zf )的直線上。因此，想算出的間隙ΔG為Zgap 一半的值，可以由以下所示的式(14)算出。
[數14]
Figure 02_image027
假設成像裝置的透鏡18b中心位置F到遮熱構件17的實像開口中心的距離Lf ，成像裝置的透鏡18b中心位置F到遮熱構件17的鏡像開口中心的距離Lm 時，距離Lf 、Lm 成為式(15)。
[數15]
Figure 02_image029
於是根據這些距離Lf 、Lm ，間隙值ΔG可以如式(16)所示。
[數16]
Figure 02_image031
這樣，明白為了算出間隙值ΔG，只要求出距離Lf 、Lm 即可。
可以考慮融液面13a中映出的遮熱構件17的鏡像只比實際的遮熱構件17遠2ΔG，因此遮熱構件17的鏡像半徑rm 顯得比實像半徑rf 小。還有，結晶提拉中的爐內溫度環境下，明白由於熱膨遮熱構件17的開口尺寸比常溫下的尺寸大。於是，假設考慮熱膨脹的開口半徑(理論值)為ractual 、熱膨遮熱構件17的實像開口半徑測量值為rf 、遮熱構件17的鏡像開口半徑測量值為rm 時，距離Lf 、Lm 根據以下的式(17)可以算出。
[數17]
Figure 02_image033
根據上述式(16)、(17)，間隙值ΔG可以如以下的式(18)算出。
[數18]
Figure 02_image035
這樣，間隙值ΔG，可以根據遮熱構件17的實像及鏡像各自的開口半徑測量值rf 、rm 求出。
如以上說明，本實施形態的矽單結晶的製造方法，包含以攝影機拍攝矽融液與矽單結晶的邊界部發生的融合圈之拍攝步驟以及處理攝影機的拍攝影像算出矽單結晶的直徑之結晶直徑算出步驟，結晶直徑算出步驟，因為根據攝影機的設置角度θC 及焦點距離fl ，投影轉換攝影機的拍攝影像中映現的融合圈至相當於融液的液面位置之基準平面上，根據上述基準平面上的上述融合圈形狀算出上述單結晶的直徑，不使用用以單位轉換根據攝影機的拍攝影像求出的直徑測量值之直徑轉換係數，而可以正確求出單結晶的實際直徑。因此，結晶提拉步驟中可以正確測量結晶直徑再控制，藉此，可以提高矽單結晶的製造良率。
以上，說明關於本發明的較佳實施形態，但本發明，不限於上述實施形態，在不脫離本發明的主旨的範圍內，可以作各種變更，當然這些也包括在本發明的範圍內。
例如，上述實施形態中舉出矽單結晶的製造為例，但本發明不限於此，可以應用於根據CZ 法生長的各種單結晶製造。
10:單結晶製造裝置 11:石英坩堝 12:加熱器 13:矽融液 13a:矽融液的液面 14:種結晶 15:矽單結晶(錠) 15a:頸部 15b:肩部 15c:直筒部 15d:尾部 16:坩堝支撐體(黑鉛坩堝) 17:遮熱構件(遮蔽筒) 17a:遮熱構件的開口 18:攝影機 18a:成像裝置 18b:透鏡 19:密室 21:坩堝升起裝置 22:提拉驅動裝置 24:演算部 26:控制部
[圖1]係顯示本發明的實施形態的單結晶製造裝置構成的略剖面圖； [圖2]係用以說明使用單結晶製造裝置的矽單結晶的製造方法流程圖； [圖3]係顯示根據圖2的製造方法製造的矽單結晶錠的形狀側面圖； [圖4]係攝影機18的拍攝影像，用以說明固液界面中發生的融合圈圖； [圖5]係用以說明投影轉換拍攝影像的二次元座標至實空間的座標之方法模式圖； [圖6]係用以說明本實施形態的直徑算出方法圖； [圖7]係用以說明根據遮熱構件17的實像Ma及鏡像Mb各自的開口半徑rf 、rm 算出間隙值ΔG的方法模式圖；以及 [圖8]係用以說明習知的直徑算出方法圖。
10:單結晶製造裝置
11:石英坩堝
12:加熱器
13:矽融液
13a:矽融液的液面
14:種結晶
15:矽單結晶(錠)
16:坩堝支撐體(黑鉛坩堝)
17:遮熱構件
17a:遮熱構件的開口
18:攝影機
19:密室
21:坩堝升起裝置
22:提拉驅動裝置
24:演算部
26:控制部
△G:間隙值
L:光軸
Z:提拉軸

Claims (20)

  1. 一種單結晶製造裝置，其特徵在於： 包括： 單結晶提拉部，從融液提拉單結晶； 攝影機，拍攝上述融液與上述單結晶的邊界部中發生的融合圈；以及 演算部，處理上述攝影機的拍攝影像； 其中，上述演算部，根據上述攝影機的設置角度及焦點距離，投影轉換上述攝影機的拍攝影像中映現的上述融合圈至相當於上述融液的液面之基準平面上，再根據上述基準平面上的上述融合圈形狀算出上述單結晶的直徑。
  2. 如請求項1之單結晶製造裝置，其中， 上述演算部，投影轉換根據對上述拍攝影像的亮度分布之既定臨界值檢測的上述融合圈的邊緣圖案至上述基準平面上。
  3. 如請求項2之單結晶製造裝置，其中， 上述臨界值，係上述拍攝影像中的亮度峰值乘以比1小的值而得到的值； 上述演算部，在上述拍攝影像中設定與上述融合圈交叉的水平掃描線，檢測上述水平掃描線上的亮度分布與上述臨界值的外側交點作為上述融合圈的邊緣圖案。
  4. 如請求項2之單結晶製造裝置，其中， 上述演算部，根據上述基準平面上投影的上述融合圈的邊緣圖案與既定直徑測量線的2個交點間的距離及上述單結晶中心位置到上述直徑測量線的距離，算出上述單結晶的直徑。
  5. 如請求項3之單結晶製造裝置，其中， 上述演算部，根據上述基準平面上投影的上述融合圈的邊緣圖案與既定直徑測量線的2個交點間的距離及上述單結晶中心位置到上述直徑測量線的距離，算出上述單結晶的直徑。
  6. 如請求項2～5中任一項之單結晶製造裝置，其中， 上述演算部，圓近似上述融合圈的邊緣圖案，根據上述融合圈的近似圓直徑算出單結晶的直徑。
  7. 如請求項1～5中任一項之單結晶製造裝置，其中， 上述演算部，透過從上述單結晶的提拉步驟中的直徑減去既定補正量，或者上述單結晶的提拉步驟中的直徑乘以既定補正係數，算出上述單結晶在室溫下的直徑。
  8. 如請求項6之單結晶製造裝置，其中， 上述演算部，透過從上述單結晶的提拉步驟中的直徑減去既定補正量，或者上述單結晶的提拉步驟中的直徑乘以既定補正係數，算出上述單結晶在室溫下的直徑。
  9. 如請求項7之單結晶製造裝置，其中， 上述演算部，根據爐內構造、上述液面的位置或上述單結晶的長度變化，改變上述補正量或上述補正係數。
  10. 如請求項8之單結晶製造裝置，其中， 上述演算部，根據爐內構造、上述液面的位置或上述單結晶的長度變化，改變上述補正量或上述補正係數。
  11. 一種單結晶製造方法，係利用CZ法的單結晶製造方法，其特徵在於： 包括： 以攝影機拍攝融液與單結晶的邊界部發生的融合圈之步驟；以及 處理上述攝影機的拍攝影像算出上述單結晶的直徑之步驟； 其中，算出上述單結晶的直徑之步驟， 根據上述攝影機的設置角度及焦點距離，投影轉換上述攝影機的拍攝影像中映現的上述融合圈至相當於上述融液的液面之基準平面上，再根據上述基準平面上的上述融合圈形狀算出上述單結晶的直徑。
  12. 如請求項11之單結晶製造方法，其中， 算出上述單結晶的直徑之步驟，投影轉換根據對上述拍攝影像的亮度分布之既定臨界值檢測的上述融合圈的邊緣圖案至上述基準平面上。
  13. 如請求項12之單結晶製造方法，其中， 上述臨界值，係上述拍攝影像中的亮度峰值乘以比1小的值而得到的值； 算出上述單結晶的直徑之步驟，在上述拍攝影像中設定與上述融合圈交叉的水平掃描線，檢測上述水平掃描線上的亮度分布與上述臨界值的外側交點作為上述融合圈的邊緣圖案。
  14. 如請求項12之單結晶製造方法，其中， 算出上述單結晶的直徑之步驟，根據上述基準平面上投影的上述融合圈的邊緣圖案與既定直徑測量線的2個交點間的距離及上述單結晶中心位置到上述直徑測量線的距離，算出上述單結晶的直徑。
  15. 如請求項13之單結晶製造方法，其中， 算出上述單結晶的直徑之步驟，根據上述基準平面上投影的上述融合圈的邊緣圖案與既定直徑測量線的2個交點間的距離及上述單結晶中心位置到上述直徑測量線的距離，算出上述單結晶的直徑。
  16. 如請求項12～15中任一項之單結晶製造方法，其中， 算出上述單結晶的直徑之步驟，圓近似上述融合圈的邊緣圖案，根據上述融合圈的近似圓直徑算出單結晶的直徑。
  17. 如請求項11～15中任一項之單結晶製造方法，其中， 算出上述單結晶的直徑之步驟，透過從上述單結晶的提拉步驟中的直徑減去既定補正量，或者上述單結晶的提拉步驟中的直徑乘以既定補正係數，算出上述單結晶在室溫下的直徑。
  18. 如請求項16之單結晶製造方法，其中， 算出上述單結晶的直徑之步驟，透過從上述單結晶的提拉步驟中的直徑減去既定補正量，或者上述單結晶的提拉步驟中的直徑乘以既定補正係數，算出上述單結晶在室溫下的直徑。
  19. 如請求項17之單結晶製造方法，其中， 算出上述單結晶的直徑之步驟，根據爐內構造、上述液面的位置或上述單結晶的長度變化，改變上述補正量或上述補正係數。
  20. 如請求項18之單結晶製造方法，其中， 算出上述單結晶的直徑之步驟，根據爐內構造、上述液面的位置或上述單結晶的長度變化，改變上述補正量或上述補正係數。
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