TWI383073B - Position measurement device and position measurement method for semiconductor single crystal manufacturing device - Google Patents

Description

半導體單結晶製造裝置之位置量測裝置及位置量測方法

本發明係有關於一種半導體單結晶製造裝置之位置量測裝置及位置量測方法，特別係有關於一種位置量測裝置及位置量測方法，其適用於量測熱遮蔽體及融液的距離及/或融液的液面位準，並控制量測值使成為期望的值以製造半導體單結晶的半導體單結晶製造裝置。

矽單結晶係藉由CZ法(捷可拉斯基法)被拉引成長而被製造。

圖1係顯示矽單結晶製造裝置1的結構例。

在CZ爐2內設置容納將多晶矽的原料溶融以做為融液5的石英坩堝3。

在石英坩堝3內，多晶矽(Si)被加熱並溶融。當融液5的溫度穩定時，拉引機構4開始動作以從融液5拉引矽單結晶10。

在拉引時，石英坩堝3藉由旋轉軸15旋轉。旋轉軸15可在垂直方向上驅動，且可上下移動石英坩堝3以移動至任意的坩堝位置，以可調整融液5的表面5a，也就是，融液5的液面位準H。

又，在融液5的上方，熱遮蔽體8(熱輻射板、氣體整流管)被設置在矽單結晶10的周圍。

熱遮蔽體8將在CZ爐2內從上方被供給之做為載流氣 體的氬氣7導引至融液表面5a的中央，並進一步通過融液表面5a，導引至融液表面5a的周緣部。氬氣7係從融液5蒸發的氣體，且從設置於CZ爐2的下部之排氣口被排出。因此，可使液面上的氣體流速穩定，且可將從融液5蒸發的氧氣保持為穩定的狀態。

又，熱遮蔽體8係將籽晶14及藉由籽晶14成長的矽單結晶10從在石英坩堝3、融液5、加熱器9等的高溫部產生的輻射熱隔離及遮蔽。又，熱遮蔽體8防止在爐內產生的不純物(例如，矽氧化物)等附著在矽單結晶10上而阻礙單結晶的育成。

熱遮蔽體8的下端部的框邊8a及融液表面5a間的距離L(下面稱為「熱遮蔽體．液面間距離」)的大小可利用上升下降旋轉軸15，以變化石英坩堝3的上下方向位置而調整。又，可藉由升降裝置在上下方向上移動熱遮蔽體8而調整距離L。

目前為止已知矽單結晶10的品質係藉由拉引時的融液液面位準H或熱遮蔽體．液面間距離L的大小而變動。亦即，若拉引時的融液液面位準H或熱遮蔽體．液面間距離L的大小變化，則矽單結晶10的軸方向之溫度梯度等的參數變動，從而矽單結晶10的缺陷區域的分佈、氧濃度分佈等變化，且結晶的品質也變化。

因此，為了得到要求的規格之結晶品質，根據該要求的規格，預先決定拉引條件，也就是，對於各拉引位置預先決定融液液面位準H的目標值或對於各拉引位置預先決 定熱遮蔽體．液面間距離L的目標值。接著，在拉引成長時，逐次檢測融液液面位準H的實際的值或熱遮蔽體．液面間距離L的實際的值，將這些檢測值回饋，並進行調整旋轉軸15的上下方向位置等的控制，以使得目標值及檢測值的偏差為零。

因此，為了穩定並得到要求的規格的結晶品質，控制的結果必須使融液液面位準H或熱遮蔽體．液面間距離L準確地與目標值一致，就此係以做為在控制時被檢測的回饋量之融液液面位準H的實際值或熱遮蔽體．液面間距離L的實際值通常係被準確地量測為前提。

圖2係顯示對於每個拉引位置量測融液液面位準H或熱遮蔽體．液面間距離L的實際的值之距離量測裝置的結構例。

圖2的距離量測裝置100係被構成且包含：光射出裝置110，射出雷射光101；光掃瞄裝置120，將從光射出裝置110射出的雷射光101朝著石英坩堝3的徑方向掃瞄；光接收裝置130，接收從光射出裝置110射出且藉由光掃瞄裝置120掃瞄的雷射光101之反射光；及拉引時距離量測裝置140，基於拉引時的固定掃瞄位置、光射出裝置110的雷射光射出位置、及光接收裝置130的光接收位置，根據三角測量的原理，量測熱遮蔽體．液面間距離L及/或融液液面位準H。

光掃瞄裝置120係被構成且包含：反射鏡121，反射從光射出裝置110射出的雷射光101；及步進馬達122，改 變此反射鏡121的光反射面121a的姿態角。

在此，步進馬達122的旋轉軸122a的旋轉角度θ 及雷射光101之坩堝3的徑方向的掃瞄位置係1對1的對應。因此，在本說明書中，雷射光101之坩堝徑方向的掃瞄位置係以θ 表示。

如下所述，在專利文獻1中係揭示量測融液液面位準H的實際值或熱遮蔽體．液面間距離L的實際值之方法。

亦即，首先，驅動步進馬達122，以使光掃瞄位置θ 位於拉引時的位置θ 1。其次，從光射出裝置110射出雷射光101，以照射融液液面5a，並以光接收裝置130接收在融液液面5a反射的雷射光。接著，基於此拉引時的固定掃瞄位置θ 1、光射出裝置110的射出位置、及光接收裝置130的光接收位置，根據三角測量的原理，求出從基準點至融液5的液面5a之距離LS，以量測融液的液面位準H。

亦即，首先，驅動步進馬達122，以使光掃瞄位置θ 位於拉引時的位置θ 1。其次，從光射出裝置110射出雷射光101，以照射至熱遮蔽體8的框邊8a的上表面8b，並以光接收裝置130接收在此框邊上表面8b反射的雷射光。接著，基於此拉引時的固定掃瞄位置θ 2、光射出裝置110的射出位置、及光接收裝置130的光接收位置，根據三角測量的原理，量測從基準點至熱遮蔽體8的框邊8a的上表面8b之距離S。由如此求得之至融液5的液面5a之距離LS及至熱遮蔽體8的框邊8a的上表面8b之距離S及熱遮蔽 體8的框邊8a的厚度t，算出熱遮蔽體．液面間距離L。

又，在專利文獻2中係如下述揭示量測融液液面位準H的實際值或熱遮蔽體．液面間距離L的實際值之方法。

上述拉引時的光掃瞄位置θ 1、θ 2、θ 3、θ 4係由做為基準的光掃瞄位置θ c被決定。做為基準的光掃瞄位置θ c係熱遮蔽體8的框邊8a的邊緣8e。

量測熱遮蔽體8的框邊8a的邊緣8e之光掃瞄位置θ c的位置量測演算法係被揭示於專利文獻2。使用圖4說明該位置量測原理。此位置量測演算法係在例如各批之間、在CZ爐2的分解及清掃時、及在拉引製程之中等進行。

也就是，首先，藉由光掃瞄裝置120使雷射光101在坩堝3的徑方向掃瞄，同時基於逐次的光掃瞄位置、光射出裝置110的射出位置、及光接收裝置130的光接收位置，根據三角測量的原理，在每個預定的間隔△θ 1，逐次量測基準點及反射點的距離。

接著，判斷被量測的距離係從相當於基準點及融液5的距離之大小變化至相當於基準點及熱遮蔽體8的框邊8a的距離之大小。

結果，在量測距離的變化被判斷時，判定為在該變化被判斷的時點之光掃瞄位置θ c，雷射光101係在熱遮蔽體8的框邊8a的邊緣8e被反射。

如此，以雷射光101在熱遮蔽體8的框邊8a的邊緣8e被反射時的光掃瞄位置θ c做為基準，在拉引時雷射光101掃瞄之方向的位置θ 1、θ 2、θ 3、θ 4被決定。

[專利文獻1]特開2000－264779號公報[專利文獻2]WO01/083859

不過，藉由上述以往的位置量測演算法，無法正確地求得熱遮蔽體8的框邊8a的邊緣8e的位置θ c，而具有量測位置變動的問題。使用圖(a)、(b)說明此點。

本發明人檢討的結果，推測無法正確地求得熱遮蔽體8的框邊8a的邊緣8e的位置θ c，且量測位置變動的原因為下面兩個。

亦即，一個原因是當雷射光101掃瞄坩堝的徑方向時，在雷射光的照射點從融液表面5a改變至熱遮蔽體8時，在光接收裝置130的檢測輸出上產生雜訊，故改變的判別，也就是，雷射光101的照射點已來到邊緣8e的判別會有困難。雜訊係由溶融正反射光以外的散射光造成的鬼影(迷光)。

再一個原因是位置量測演算法為了高效率進行位置量測作業，而高速驅動步進馬達以高速進行光掃瞄，同時以較長周期△θ 1的間隔進行距離量測(圖5(a))。因此，在判斷為邊緣位置的時點，雷射光101的照射點通常已經從邊緣8e離開並移動至框邊8a的上表面8b的內部。因此，通常會將邊緣位置誤以為是框邊8a的上表面8b的位置θ b而加以量測。因此，如圖5(b)所示，邊緣位置將在超過邊 緣8e的範圍△θ 內變化。

當如此量測的邊緣位置θ c係在△θ 的範圍中變化時，以邊緣位置θ c為基準而決定之量測時的固定掃瞄位置θ 1、θ 2、θ 3、θ 4也將變化。

在此，熱遮蔽體8的框邊8a的上表面8b完全不平坦，在各個位置上凹凸不同且高度不同。

因此，對於每一批，當邊緣量測位置變動時，從基準點至熱遮蔽體8的框邊8a的上表面8b之距離S將會變動。

圖6(a)係顯示每一批之量測值S變動的實驗資料。在實驗中，對每一批，量測邊緣位置，且對每一批，改寫以邊緣位置做為基準的光掃瞄位置θ 2、θ 4，固定於此改寫的光掃瞄位置θ 2、θ 4以射出雷射光，並對每一批，量測S值。柱狀圖的橫軸係從S量測值的平均值起的偏差，且平均值為0。縱軸係頻率。如圖6(a)所示，以往，距離S值係在平均值之±3mm的範圍中變動。

如此，當S量測值變動時，熱遮蔽體．液面間距離L的量測值隨之變動，並隨之回饋熱遮蔽體．液面間距離L的實際位置，故難以穩定進行矽單結晶拉引成長時的控制，且拉引成長之矽單結晶10的品質變動，而有無法提供穩定規格的製品之虞。

又，若未正確地求得邊緣位置θ c，則以此邊緣位置θ c做為基準決定雷射光101的照射方向，將難以正確地將雷射光101照射至做為熱遮蔽體8的框邊8a的上表面8b之目標的位置，且難以將雷射光101照射至做為融液表面 5a之目標的位置。從而，上述圖2所示的距離量測變得困難，且圖3所示的距離量測變得困難。特別，在熱遮蔽體8及矽單結晶10的距離小時或熱遮蔽體8的框邊8a的上表面8b在坩堝徑方向上的長度短時，變得更加困難。

如此，需要精度良好且無變動地量測熱遮蔽體8的邊緣位置θ c。另外，在進行位置量測時，因為無法進行控制，為了提高作業效率，需要在短時間內完成位置量測處理。

有鑑於此等情況，本發明係以短時間高作業效率地進行熱遮蔽體8的邊緣位置θ c之位置量測處理，同時可精度良好且無變動地量測邊緣位置θ c做為解決的問題。

第1發明係適用於從被容納於爐內的坩堝之融液拉引成長半導體單結晶以製造半導體單結晶之半導體單結晶製造裝置的位置量測裝置，其特徵係包括：熱遮蔽體，位於融液的上方，被設置在半導體單結晶的周圍，且在下端部包括框邊；光射出裝置，將光射出；光掃瞄裝置，朝著坩堝的徑方向掃瞄從光射出裝置射出的光；光接收裝置，接收從光射出裝置射出且藉由光掃瞄裝置掃瞄的光之反射光；第1距離量測裝置，將光掃瞄，同時基於逐次的光掃瞄位置、光射出裝置的射出位置、及光接收裝置的光接收位置，根據三角測量的原理，在每個預定的第1掃瞄間隔，逐次量測基準點及反射點的距離；第1判斷裝置，判斷藉由第1距離量測裝置量測的距離係從相當於基準點及融液的距離之大小變化至相當於基準點及熱遮蔽體的框邊的距 離之大小，或是從相當於基準點及熱遮蔽體的框邊的距離之大小變化至相當於基準點及融液的距離之大小；第2距離量測裝置，在藉由第1判斷裝置判斷量測距離的變化時，使光掃瞄位置沿著掃瞄方向之反方向返回預定量，從返回的光掃瞄位置起再度掃瞄光，同時基於逐次的光掃瞄位置、光射出裝置的射出位置、及光接收裝置的光接收位置，根據三角測量的原理，在比前述第1掃瞄間隔短的每個第2掃瞄間隔，逐次量測基準點及反射點的距離；第2判斷裝置，判斷藉由第2距離量測裝置量測的距離係從相當於基準點及融液的距離之大小變化至相當於基準點及熱遮蔽體的框邊的距離之大小，或是從相當於基準點及熱遮蔽體的框邊的距離之大小變化至相當於基準點及融液的距離之大小；及邊緣位置判定裝置，在藉由第2判斷裝置判斷量測距離變化時，判定在其變化被判斷之時點的光掃瞄位置，光被熱遮蔽體的框邊的邊緣反射。

第2發明係在第1發明中適用於在拉引半導體單結晶時量測熱遮蔽體及融液的距離及/或融液的液面位準，並控制量測值使成為期望的值以製造半導體單結晶的半導體單結晶製造裝置之位置量測裝置，其特徵係包括拉引時距離量測裝置，在拉引半導體單結晶時，將光掃瞄方向的位置固定於拉引時的位置，基於此拉引時的固定掃瞄位置、光射出裝置的射出位置、及光接收裝置的光接收位置，根據三角測量的原理，量測熱遮蔽體及融液的距離及/或融液的液面位準；且拉引時的固定掃瞄位置係以利用邊緣位置判 定裝置判定光在熱遮蔽體的框邊的邊緣被反射時的光掃瞄位置做為基準而被決定。

第3發明係以在第2發明中拉引時的固定掃瞄位置被決定以追蹤光分別在融液的液面及熱遮蔽體的框邊的側面反射的路徑做為特徵。

第4發明之特徵係在第1發明中，光掃瞄裝置係以包含將從光射出裝置射出的光反射的反射鏡及改變該反射鏡的光反射面的姿態角的致動器被構成，並藉由驅動致動器而改變反射鏡的光反射面的姿態角，以使光掃瞄。

第5發明之特徵係在第1發明或第4發明中，光掃瞄裝置係以步進馬達做為致動器而掃瞄光，且第2距離量測裝置係在步進馬達每轉動1步時，量測基準點及反射點的距離。

第6發明係適用於從被容納於爐內的坩堝之融液拉引成長半導體單結晶以製造半導體單結晶之半導體單結晶製造裝置的位置量測方法，其特徵在於：進行位置量測處理，其包含：第1距離量測步驟，朝著坩堝的徑方向掃瞄光，同時基於逐次的光掃瞄位置、光的射出位置、及光的接收位置，根據三角測量的原理，在每個預定的第1掃瞄間隔，逐次量測基準點及反射點的距離；第1判斷步驟，判斷在第1距離量測步驟中被量測的距離係從相當於基準點及融液的距離之大小變化至相當於基準點及熱遮蔽體的框邊的距離之大小，或是從相當於基準點及熱遮蔽體的框邊的距離之大小變化至相當於基準點及融液的距離之大小；第2 距離量測步驟，在第1判斷步驟中判斷量測距離的變化時，使光掃瞄位置沿著掃瞄方向之反方向返回預定量，從返回的光掃瞄位置起再度掃瞄光，同時基於逐次的光掃瞄位置、光的射出位置、及光的接收位置，根據三角測量的原理，在比前述第1掃瞄間隔短的每個第2掃瞄間隔，逐次量測基準點及反射點的距離；第2判斷步驟，判斷在第2距離量測步驟中被量測的距離係從相當於基準點及融液的距離之大小變化至相當於基準點及熱遮蔽體的框邊的距離之大小，或是從相當於基準點及熱遮蔽體的框邊的距離之大小變化至相當於基準點及融液的距離之大小；及邊緣位置判定步驟，在第2判斷步驟中判斷量測距離變化時，判定在其變化被判斷之時點的光掃瞄位置，光被熱遮蔽體的框邊的邊緣反射。

第7發明係在第6發明中適用於在拉引半導體單結晶時量測熱遮蔽體及融液的距離及/或融液的液面位準，並控制量測值使成為期望的值以製造半導體單結晶的半導體單結晶製造裝置之位置量測方法，更包含：決定在拉引時之光掃瞄的方向的位置之步驟，其係以在邊緣位置判定步驟中判定光在熱遮蔽體的框邊的邊緣被反射時的光掃瞄位置做為基準；及拉引時距離量測步驟，在拉引半導體單結晶時，將光掃瞄的方向的位置固定於此被決定的位置，基於此拉引時的固定掃瞄位置、光射出裝置的射出位置、及光接收裝置的光接收位置，根據三角測量的原理，量測熱遮蔽體及融液的距離及/或融液的液面位準。

第8發明係以在第7發明中拉引時的固定掃瞄位置被決定以追蹤光分別在融液的液面及熱遮蔽體的框邊的側面反射的路徑做為特徵。

一併參閱圖2的結構圖、圖7、圖8所示的位置量測演算法、及圖9(a)、(b)、(c)說明第1發明。

也就是，首先，在第1距離量測裝置142中，藉由光掃瞄裝置120在坩堝3的徑方向上掃瞄雷射光101，並基於逐次的光掃瞄位置、光射出裝置110的射出位置、及光接收裝置130的光接收位置，根據三角測量的原理，在每個預定的第1掃瞄間隔△θ 1，逐次量測基準點及反射點的距離d(圖9(a)；步驟204)。

其次，在第1判斷裝置143中，以第1距離量測裝置142量測的距離d被判斷為從相當於基準點及融液5的距離da之大小變化至相當於基準點及反射點的距離db之大小(步驟205)。

接著，在藉由第1判斷裝置143判斷量測距離變化時(在步驟205中判斷為YES)，光掃瞄位置θ 沿著掃瞄方向A之反方向B返回預定量ψ(圖9(a)；步驟210)。然後，在第2距離量測裝置144中，從返回的光掃瞄位置θ rs起再度掃瞄雷射光101，同時基於逐次的光掃瞄位置、光射出裝置的射出位置、及光接收裝置的光接收位置，根據三角測量的原理，在每個比第1掃瞄間隔△θ 1短的第2掃瞄間隔△θ 2，逐次量測基準點及反射點的距離d(圖9(b)；步驟211)。

接著，在第2判斷裝置145中，藉由第2距離量測裝置144量測的距離d被判斷為從相當於基準點及融液5的距離da之大小變化至相當於基準點及熱遮蔽體8的框邊8a的距離db之大小(步驟212)。

結果，在判斷量測距離變化時(在步驟212中判斷為YES)，判定在該變化被判斷的時點之光掃瞄位置θ c，雷射光101在熱遮蔽體8的框邊8a的邊緣8e被反射(步驟217)。

根據第1發明，在最初的第1判斷裝置中，在已判斷為邊緣位置的時點，例如，即使在雷射光101的照射點已從邊緣8e離開並移動至框邊8a的上表面8b的內部時，因為光掃瞄位置返回預定量，可再次從邊緣位置之前重新開始距離量測。再次的距離量測係以比最初的距離量測時短的周期△θ 2的間隔進行(圖9(a))。因此，在再次被判斷為邊緣位置的時點，雷射光101的照射點未從邊緣8e離開並移動至框邊8a的上表面8b的內部，且可無誤差地量測邊緣8e的位置。

另外，在每個短的間隔△θ 2進行距離量測的區間係從使光掃瞄位置返回預定量的位置θ rs起至再次檢出邊緣位置的小區間(圖9(b)；限度值(40脈衝))，此外，在每個長的間隔△θ 1進行距離量測並以高速進行處理。因此，可在短時間完成位置量測處理並以高效率進行作業。

如此，根據本第1發明，可在短時間以高作業效率進行熱遮蔽體8的邊緣位置θ c的位置量測處理，並可以良好精度且無變動地量測邊緣位置θ c。

在第2發明中，以判定為雷射光101在熱遮蔽體8的框邊8a的邊緣8e被反射時的光掃瞄位置θ c做為基準，決定在拉引時之雷射光101掃瞄的方向之位置θ 1、θ 2、θ 3、θ 4(步驟221)。

在拉引矽單結晶時，將雷射光101掃瞄的方向之位置固定於拉引時的位置θ 1、θ 2、θ 3、θ 4，基於此拉引時的固定掃瞄位置、光射出裝置的射出位置、及光接收裝置的光接收位置，根據三角測量的原理，量測熱遮蔽體及融液的距離L及/或融液的液面位準H。控制量測值L、H，使其成為期望的值，以製造矽單結晶10。

根據第2發明，對於每一批，因為可無變動且正確地量測邊緣位置θ c，所以將可無變動且正確地量測基準點至熱遮蔽體8的框邊8a的上表面8b之距離S。

因此，基於S量測值，將可正確地量測熱遮蔽體．液面間距離L之實際的位置，且將可穩定進行回饋熱遮蔽體．液面間距離L之實際的位置以實施的矽單結晶拉引成長時之控制，且將可穩定拉引成長的矽單結晶10的品質，並可提供穩定規格的製品。

又，因為正確地求得邊緣位置θ c，以此邊緣位置θ c做為基準，將可正確地決定雷射光101的照射方向，且可使雷射光101正確地照射至做為熱遮蔽體8的框邊8a的上表面8b之目標的位置，同時將可使雷射光101正確地照射至做為融液表面5a之目標的位置。從而，即使在熱遮蔽體8及矽單結晶10的距離小時或熱遮蔽體8的框邊8a的上 表面8b在坩堝徑方向上的長度短時，可使雷射光101正確地照射至做為目標的位置，且可容易地進行上述圖2所示的距離量測。同樣地，可容易地進行圖3所示的距離量測。

在第3發明中，如圖10所示，決定拉引時的固定掃瞄位置θ 5、θ 6以使雷射光101追蹤光分別在融液5的液面5a及熱遮蔽體8的框邊8a的側面8d反射的路徑。

亦即，如圖10所示，首先，驅動步進馬達122，以使光掃瞄位置θ 位於拉引時的位置θ 5。其次，從光射出裝置110射出雷射光101，並照射至熱遮蔽體8的框邊8a的側面8d，使在此框邊側面8d反射的雷射光照射至融液液面5a，且以光接收裝置130接收在融液液面5a反射的雷射光。接著，基於此拉引時的固定掃瞄位置θ 5、光射出裝置110的射出位置、及光接收裝置130的接收位置，根據三角測量的原理，求得從基準點至融液5的液面5a之距離LS，以量測融液液面位準H。

其次，驅動步進馬達122，以使光掃瞄位置θ 位於拉引時的位置θ 6。然後，從光射出裝置110射出雷射光101，並照射至熱遮蔽體8的框邊8a的上表面8b，且以光接收裝置130接收在此框邊上表面8b反射的雷射光。接著，基於此拉引時的固定掃瞄位置θ 6、光射出裝置110的射出位置、及光接收裝置130的接收位置，根據三角測量的原理，量測從基準點至熱遮蔽體8的框邊8a的上表面8b之距離S。由如此求得之至融液5的液面5a之距離LS及至熱遮蔽體8的框邊8a的上表面8b之距離S與熱遮蔽體8的框邊 8a的厚度t，算出熱遮蔽體．液面間距離L。

圖10所示的距離量測方法因為必須將雷射光照射至非常狹小的熱遮蔽體8的框邊8a的側面8d，所以必須正確地決定拉引時的固定掃瞄位置θ 5以提高雷射光10的照射精度。

根據本發明，因為正確地求得邊緣位置θ c，且以此邊緣位置θ c做為基準正確地決定拉引時的固定掃瞄位置θ 5，從而可正確地決定雷射光101的照射方向，以使雷射光101正確地照射至做為熱遮蔽體8的框邊8a的上表面8b之目標的位置。從而，即使是必須將雷射光101照射至非常狹小的熱遮蔽體8的框邊8a的側面8d之圖10所示的距離量測方法，也可將雷射光101正確地照射至做為目標的位置，且可容易地進行上述圖10所示的距離量測。

在第4發明中，如圖4所示，光掃瞄裝置120係以包含將從光射出裝置110射出的雷射光101反射之反射鏡121及改變該反射鏡121的光反射面121a的姿態角之致動器122構成，且藉由驅動致動器122而改變反射鏡121的光反射面121a的姿態角，以使雷射光101掃瞄。

在第5發明中，如圖4所示，光掃瞄裝置120係以步進馬達122做為致動器而掃瞄雷射光101。在第2距離量測裝置144中，步進馬達122每轉動1步，光掃瞄位置移動微小間隔△θ 2，以量測基準點及反射點的距離。

第6發明、第7發明、第8發明係分別與第1發明、第2發明、第3發明之裝置的發明對應之方法的發明。

下面，參閱圖式說明本發明之半導體單結晶製造裝置之位置量測裝置及位置量測方法的實施例。

圖1係從側面觀看之被使用於實施例的矽單結晶製造裝置的結構之一例的圖式。

如圖1所示，實施例的矽單結晶製造裝置1包括做為拉引單結晶用的容器之CZ爐(室)2。

在CZ爐5內設置將多晶矽的原料溶融以做為融液5並將其容納的石英坩堝3。石英坩堝3之外側由石墨坩堝11覆蓋。在石英坩堝3的周圍設置將石英坩堝3內的多晶矽原料加熱溶融的加熱器9。加熱器9被形成為圓筒狀。加熱器9控制其輸出(功率；kW)以調整對融液5的加熱量。例如，檢測融液5的溫度，並以檢測溫度做為回饋量，控制加熱器9的輸出，以使得融液5的溫度成為目標溫度。

在石英坩堝3的上方設置拉引機構4。拉引機構4包含拉引軸4a及拉引軸4a尖端的籽晶夾頭4c。籽晶14由籽晶夾頭4c夾住。

在石英坩堝3內多晶矽(Si)被加熱溶融。當融液5的溫度穩定時，拉引機構4動作以從融液5拉引矽單結晶10(矽單結晶)。亦即，拉引軸4a下降，在拉引軸4a尖端的籽晶夾頭4c上被夾住的籽晶14到達融液5。在使籽晶14附著融液5之後，拉引軸4a上昇。隨著在籽晶夾頭4c上被夾住的籽晶14上昇，矽單結晶10成長。

在拉引時，石英坩堝3係由旋轉軸15旋轉。又，拉引機構4的拉引軸4a係與旋轉軸15反向或同向旋轉。

旋轉軸15可在垂直方向上驅動，且可使石英坩堝3上下移動以移動至任意的坩堝位置，並可調整融液5的表面5a，也就是，融液5的液面位準H。

利用遮斷CZ爐2的內部與外部的空氣，爐2內被維持真空(例如約數十Torr)。也就是，CZ爐2被供給做為惰性氣體的氬氣7，且從CZ爐2的排氣口由幫浦排氣。從而，爐2內被減壓至預定的壓力。

在拉引單結晶的程序(1批)間，在CZ爐2內產生各種蒸發物。因此，將氬氣7供給至CZ爐2並與蒸發物一起排氣至CZ爐2外，以從CZ爐2內清除蒸發物。氬氣7的供給流量係在1批中的每個步驟設定。

隨著拉引矽單結晶10，融液5減少。隨著融液5減少，融液5與石英坩堝3的接觸面積變化，且來自石英坩堝3的氧溶解量變化。此變化會影響拉引的矽單結晶10中的氧濃度分佈。

又，在融液5的上方，在矽單結晶10的周圍設置熱遮蔽體8(熱輻射板、氣體調節筒)。熱遮蔽體8被形成為在中心具有開口8A的圓錐形。在熱遮蔽體8的下端部具有框邊8a。框邊8a具有上表面8b、下表面8c、及側面8d。在此，將框邊8a的上表面8b及側面8d的邊界定義為邊緣8e。

矽單結晶10被容納在熱遮蔽體8的中心的開口8A。 熱遮蔽體8的框邊8a的側面8d與矽單結晶10的側面之距離(以下稱為熱遮蔽體．結晶間距離)為D。

熱遮蔽體8將從上方被供給至CZ爐2內之做為載流氣體的氬氣7導引至融液表面5a的中央，且進一步通過融液表面5a導引至融液表面5a的周緣部。氬氣7係與從融液5蒸發的氣體一起從設置於CZ爐2的下部之排氣口被排出。因此，可穩定液面上的氣體流速，且可使從融液5蒸發的氧氣保持穩定的狀態。

又，熱遮蔽體8係將籽晶14及藉由籽晶14成長的矽單結晶10從在石英坩堝3、融液5、加熱器9等的高溫部產生的輻射熱隔離及遮蔽。又，熱遮蔽體8防止在爐內產生的不純物(例如，矽氧化物)等附著在矽單結晶10上而阻礙單結晶的育成。

熱遮蔽體8的下端部的框邊8a及融液表面5a間的距離L(熱遮蔽體．液面間距離L)的大小可利用上升下降旋轉軸15，以變化石英坩堝3的上下方向位置而調整。又，可藉由升降裝置在上下方向上移動熱遮蔽體8而調整距離L。

目前為止已知矽單結晶10的品質係藉由拉引時的融液液面位準H或熱遮蔽體．液面間距離L的大小而變動。亦即，若拉引時的融液液面位準H或熱遮蔽體．液面間距離L的大小變化，則矽單結晶10的軸方向之溫度梯度等的參數變動，從而矽單結晶10的缺陷區域的分佈、氧濃度分佈等變化，且結晶的品質也變化。

因此，為了得到要求的規格之結晶品質，根據該要求 的規格，預先決定拉引條件，也就是，對於各拉引位置預先決定融液液面位準H的目標值或對於各拉引位置預先決定熱遮蔽體．液面間距離L的目標值。接著，在拉引成長時，逐次檢測融液液面位準H的實際的值或熱遮蔽體．液面間距離L的實際的值，將這些檢測值回饋，並進行調整旋轉軸15的上下方向位置等的控制，以使得目標值及檢測值的偏差為零。

在本實施例中係假定藉由磁場直拉法(MCZ法)拉引矽單結晶10的情況。另外，MCZ法係CZ法的一種形式。

亦即，在MCZ法中係在例如CZ爐2的周圍配置磁鐵30。在本實施例中，磁鐵30被設置以使矽單結晶10及融液5的固液界面的形狀成為上凸的形狀。

藉由將磁鐵配置在CZ爐2的周圍以對石英坩堝3內的融液5施加水平磁場(橫向磁場)。當在融液5上施加水平磁場時，在石英坩堝3內的融液5的對流被抑制，矽單結晶10及融液5間的固液界面的形狀穩定地成為期望的凸形，可穩定並提高冷卻速度CR，且可提高成長速度V。另外，也可施加尖角形磁場以取代水平磁場。

為了穩定並得到要求的規格之結晶品質，控制的結果必須使融液液面位準H或熱遮蔽體．液面間距離L準確地與目標值一致，就此係以做為在控制時被檢測的回饋量之融液液面位準H的實際值或熱遮蔽體．液面間距離L的實際值通常係被準確地量測為前提。

圖2係顯示對於每個拉引位置量測融液液面位準H或 熱遮蔽體．液面間距離L的實際的值之距離量測裝置的結構例。

圖2的距離量測裝置100係被構成且包含：光射出裝置110，射出雷射光101；光掃瞄裝置120，將從光射出裝置110射出的雷射光101朝著石英坩堝3的徑方向掃瞄；光接收裝置130，接收從光射出裝置110射出且藉由光掃瞄裝置120掃瞄的雷射光101之反射光；及控制器140。

光掃瞄裝置120係被構成且包含：反射鏡121，被從光射出裝置110射出的雷射光101照射，且雷射光被反射以從CZ爐2外部經由CZ爐2的窗2w朝向CZ爐2內部；步進馬達122，改變此反射鏡121的光反射面121a的姿態角；及稜鏡123，被在反射鏡121的光反射面121a反射的雷射光照射，且將其反射以朝向CZ爐2的下方。

在此，步進馬達122的旋轉軸122a的旋轉角度θ 及雷射光101之坩堝3的徑方向的掃瞄位置係1對1的對應。因此，在本說明書中，雷射光101之坩堝徑方向的掃瞄位置係以θ 表示。

光接收裝置130係被構成且包含CCD感測器。

控制器140係被構成且包含拉引時距離量測裝置141。

在拉引時距離量測裝置141中係基於拉引時的固定掃瞄位置、光射出裝置110的雷射光射出位置、及光接收裝置130的光接收位置，根據三角測量的原理，量測熱遮蔽體．液面間距離L及/或融液液面位準H。拉引時距離量測裝置141係基於從CCD感測器131輸出的檢測信號等，進 行運算熱遮蔽體．液面間距離L及/或融液液面位準H的處理。

接著，說明量測融液液面位準H的實際值或熱遮蔽體．液面間距離L的實際值之各種距離量測方法。

(第1距離量測方法)

亦即，首先，如圖2所示，驅動步進馬達122，並將光掃瞄位置θ 定位於拉引時的位置θ 2。其次，從光射出裝置110射出雷射光101。雷射光101藉由光掃瞄裝置120朝向融液液面5a照射。在融液液面5a反射的雷射光被光接收裝置130接收。接著，在拉引時距離量測裝置141中係基於此拉引時的固定掃瞄位置θ 1、光射出裝置110的射出位置、及光接收裝置130的接收位置，根據三角測量的原理，量測從基準點至融液5的液面5a之距離LS，以量測融液面位準H。

接著，驅動步進馬達122，以使光掃瞄位置θ位於拉引時的位置θ2。其次，從光射出裝置110射出雷射光101。雷射光101係經由光掃瞄裝置120被朝向熱遮蔽體8的框邊8a的上表面8b照射。在此框邊上表面8b反射的雷射光係以光接收裝置130接收。接著，在拉引時距離量測裝置141中係基於此拉引時的固定掃瞄位置θ2、光射出裝置110的射出位置、及光接收裝置130的光接收位置，根據三角測量的原理，量測從基準點至熱遮蔽體8的框邊8a的上表面8b之距離S。由如此求得之至融液的液面5a之距離LS及至熱遮蔽體8的框邊8a的上表面8b之距離S及熱遮蔽 體8的框邊8a的厚度t，算出熱遮蔽體．液面間距離L。

(第2距離量測方法)

亦即，如圖3所示，首先，驅動步進馬達122，並將光掃瞄位置θ 定位於拉引時的位置θ 3。其次，從光射出裝置110射出雷射光101。雷射光101藉由光掃瞄裝置120朝向融液液面5a照射。在融液液面5a反射的雷射光被照射至熱遮蔽體8的框邊8a的下表面8c，在此框邊下表面8c反射的雷射光再次被照射至融液液面5a，在融液液面5a反射的雷射光被光接收裝置130接收。接著，在拉引時距離量測裝置141中係基於此拉引時的固定掃瞄位置θ 3、光射出裝置110的射出位置、及光接收裝置130的接收位置，根據三角測量的原理，求得從基準點至融液5的液面5a之距離LS，以量測融液液面位準H。

其次，驅動步進馬達122，並將光掃瞄位置θ 定位於拉引時的位置θ 4。接著，從光射出裝置110射出雷射光101。雷射光101藉由光掃瞄裝置120被照射至熱遮蔽體8的框邊8a的上表面8b。在此框邊上表面8b反射的雷射光被光接收裝置130接收。然後，在拉引時距離量測裝置141中係基於此拉引時的固定掃瞄位置θ 4、光射出裝置110的射出位置、及光接收裝置130的接收位置，根據三角測量的原理，量測從基準點至熱遮蔽體8的框邊8a的上表面8b之距離S。由如此求得之至融液5的液面5a之距離LS及至熱遮蔽體8的框邊8a的上表面8b之距離S與熱遮蔽體8的框邊8a的厚度t，算出熱遮蔽體．液面間距離L。

(第3距離量測方法)

如圖10所示，第3距離量測方法係決定拉引時的固定掃瞄位置θ 5、θ 6，以追蹤雷射光101分別在融液5的液面5a及熱遮蔽體8的框邊8a的側面8d反射的路徑。

亦即，如圖10所示，首先，驅動步進馬達122，並將光掃瞄位置θ 定位於拉引時的位置θ 5。其次，從光射出裝置110射出雷射光101。雷射光101藉由光掃瞄裝置120被照射至熱遮蔽體8的框邊8a的側面8d。在此側面8d反射的雷射光被照射至融液液面5a，在融液液面5a反射的雷射光被光接收裝置130接收。接著，在拉引時距離量測裝置141中係基於此拉引時的固定掃瞄位置θ 5、光射出裝置110的射出位置、及光接收裝置130的接收位置，根據三角測量的原理，求得從基準點至融液5的液面5a之距離LS，以量測融液液面位準H。

其次，驅動步進馬達122，並將光掃瞄位置θ 定位於拉引時的位置θ 6。接著，從光射出裝置110射出雷射光101。雷射光101藉由光掃瞄裝置120被照射至熱遮蔽體8的框邊8a的上表面8b。在此框邊上表面8b反射的雷射光被光接收裝置130接收。然後，在拉引時距離量測裝置141中係基於此拉引時的固定掃瞄位置θ 6、光射出裝置110的射出位置、及光接收裝置130的接收位置，根據三角測量的原理，量測從基準點至熱遮蔽體8的框邊8a的上表面8b之距離S。由如此求得之至融液5的液面5a之距離LS及至熱遮蔽體8的框邊8a的上表面8b之距離S與熱遮蔽 體8的框邊8a的厚度t，算出熱遮蔽體．液面間距離L。

雖然在圖10中係追蹤雷射光101以熱遮蔽體8的框邊8a的側面8d、融液5的液面5a的順序反射的路徑，做為第3距離量測方法的其他方法，也可追蹤雷射光101以融液5的液面5a、熱遮蔽體8的框邊8a的側面8d的順序反射的路徑。

上述拉引時的光掃瞄位置θ 1、θ 2、θ 3、θ 4、θ 5、θ 6係由做為基準的光掃瞄位置θ c決定。做為基準的光掃瞄位置θ c係熱遮蔽體8的框邊8a的邊緣8e。

邊緣位置θ 的位置量測係以圖2(圖3、圖10)所示的距離量測裝置100的控制器140進行。

此位置量測處理係在例如各批之間、CZ爐2的拆卸、清掃時、拉引製程的中途等進行。

下面，同時參閱圖7、圖8所示的位置量測演算法、圖9(a)、(b)、(c)，說明以拉引時距離量測裝置100進行的邊緣位置θ 的位置量測處理。

亦即，首先，在第1距離量測裝置142中，藉由光掃瞄裝置120朝著坩堝3的徑方向掃瞄雷射光101，同時基於逐次的光掃瞄位置、光射出裝置110的射出位置、及光接收裝置130的接收位置，根據三角測量的原理，在每個預定的第1掃瞄間隔△θ 1，逐次量測基準點及反射點的距離d(圖9(a)；步驟204)。

其次，在第1判斷裝置143中，判斷在第1距離量測裝置142被量測的距離d係從相當於基準點及融液5的距 離da之大小變化至相當於基準點及熱遮蔽體8的框邊8a的距離db之大小(步驟205)。

接著，在藉由第1判斷裝置143判斷量測距離的變化時(步驟205中判斷為YES)，使光掃瞄位置θ 沿著掃瞄方向A之反方向B返回預定量ψ(圖9(a)；步驟210)。然後，在第2距離量測裝置144中，從返回的光掃瞄位置θ rs起再度掃瞄雷射光101，同時基於逐次的光掃瞄位置、光射出裝置的射出位置、及光接收裝置的光接收位置，根據三角測量的原理，在比前述第1掃瞄間隔△θ 1短的每個第2掃瞄間隔△θ 2，逐次量測基準點及反射點的距離d(圖9(b)；步驟211)。

其次，在第2判斷裝置145中，判斷藉由第2距離量測裝置144量測的距離d係從相當於基準點及融液5的距離da之大小變化至相當於基準點及熱遮蔽體8的框邊8a的距離db之大小(步驟212)。

結果，在量測距離的變化被判斷時(步驟212中判斷為YES)，判定為在該變化被判斷的時點之光掃瞄位置θ c，雷射光101係在熱遮蔽體8的框邊8a的邊緣8e被反射(圖9(c)；步驟217)。

下面，進一步詳細說明。

首先，使雷射光101的掃瞄位置θ 移動並定位於掃瞄開始位置θ s(圖9(c)；步驟201)。

其次，步進馬達122被驅動，雷射光101開始對熱遮蔽體8側方向A的掃瞄(步驟202)。

雷射光101之逐次的掃瞄位置θ 被檢測，並且判斷逐次的掃瞄位置θ 是否係位於將掃瞄開始位置θ s加上最大掃瞄寬度W之最終掃瞄位置θ e的範圍內(圖9(c)；步驟203)。

接著，在每個預定的第1掃瞄間隔△θ 1，逐次量測基準點及反射點的距離d(圖9(a)；步驟204)。

然後，藉由判斷量測距離d是否位於從預先設定的距離db－△d至db＋△d的範圍內，以判斷雷射光掃瞄位置θ 是否到達熱遮蔽體8的邊緣8e附近。距離db－△d~db＋△d係被決定為相當於從基準點至熱遮蔽體8的框邊8a的距離之大小(圖9(c)；步驟205)。

只要步驟203的判斷為YES且步驟205的判斷為NO，也就是，只要被判斷為雷射光掃瞄位置θ 未到達最終掃瞄位置θ e且未到達熱遮蔽體8的邊緣8e附近，則重覆距離量測(步驟204)。距離量測的間隔△θ 1係利用步驟203~步驟204~步驟205的處理之週期時間及步進馬達122的旋轉速度決定。在雷射光掃瞄位置θ 到達熱遮蔽體8的邊緣8e附近的掃瞄區間中，步進馬達122高速旋轉，而以高速進行雷射光101的掃瞄，同時以長的掃瞄間隔△θ 1進行距離量測。因此，處理將以高速進行。

不過，當雷射光掃瞄位置θ 仍被判斷為未到達熱遮蔽體8的邊緣8e附近但到達最終掃瞄位置θ e時(步驟203的判斷為NO)，執行顯示錯誤訊息等的異常顯示，將異常通知操作者(步驟227)，所有的處理結束。

另一方面，當雷射光掃瞄位置θ 判斷為未到達最終掃瞄位置θ e但到達熱遮蔽體8的邊緣8e附近時(步驟205的判斷為YES)，步進馬達122的驅動被暫時停止(步驟206)，並進入確認雷射光掃瞄位置θ 到達熱遮蔽體8的邊緣8e之階段(步驟207、208、209、225、226)。

亦即，距離d的量測被進行n次(例如20次)(步驟207)。

接著，判斷是否滿足下面的條件。

1)在n次量測的各距離d之中，量測距離d有m次(例如20次)以上係在預先設定的距離db－△d至db＋△d的範圍內。

2)n次的各量測距離d中，最大值及最小值的差ε係在容許量測誤差△ε以下(步驟208)。

結果，在上述1)、2)的條件被滿足時(步驟208的判斷為YES)，將該時的雷射光掃瞄位置θ 判斷為「假的邊緣位置」(步驟209)。

不過，在上述1)、2)的條件未被滿足時(步驟208的判斷為NO)，使步進馬達122移動最小步距，也就是移動1步，以重覆實行距離量測(步驟207)、判斷處理(步驟208)。

步進馬達122每次移動最小步距(1步)，計數值i增加＋1(步驟225)。只要計數值i不超過界限值i max(步驟226的判斷為YES)，則重覆實行n次的距離量測(步驟207)、判斷處理(步驟208)。不過，當計數值i超過界限值i max時(步驟226的判斷為NO)，雷射光101仍為照射 融液表面5a或熱遮蔽板8的框邊8a的側面8d的階段，且被認為並非確認雷射光掃瞄位置θ 到達邊緣8a的階段，回到步驟203，並再次以長的掃瞄間隔△θ 1進行距離量測(步驟204)。

在上述步驟209中，在雷射光掃瞄位置θ 被判斷為「假的邊緣位置」的時點，雷射光掃瞄位置θ 超過邊緣8e的實際位置，而到達框邊8a的上表面8b的內部(參閱圖9(a))。如上所述，這是因為在雷射光掃瞄位置θ 到達熱遮蔽體8的邊緣8e為止的掃瞄區間中，步進馬達122被高速旋轉，使雷射光101的掃瞄被高速進行，同時以長的掃瞄間隔△θ 1進行距離量測(步驟204)。因此，在實行被判斷為「邊緣位置」的距離量測之時點，恐怕雷射光掃瞄位置θ 已經通過實際的邊緣位置。

考慮此雷射光掃瞄位置θ 的「超過」，在上述步驟209中，在雷射光掃瞄位置θ 被判斷為「假的邊緣位置」的時點，在光掃瞄位置θ 朝著掃瞄方向A的反方向B僅返回預定量ψ之後(參閱圖9(a)；步驟210)，進入詳細檢查在比上述掃瞄間隔△θ 1短的周期△θ 2中雷射光掃瞄位置θ 是否已到達熱遮蔽板8的邊緣8e之階段(步驟211至214)。

亦即，當雷射光掃瞄位置θ 被判斷為「假的邊緣位置」時(步驟209的判斷為YES)，步進馬達122朝著反方向被旋轉驅動僅預定的脈衝數(例如20脈衝)，且光掃瞄位置θ 從現在的掃瞄位置朝向掃瞄方向A的反方向B，也就是朝向從熱遮蔽體8離開的一側之方向B返回僅預定量ψ(參閱 圖9(a)；步驟210)。

接著進行距離d的量測(步驟211)。

接著，藉由判斷量測距離d是否在預先設定的距離db－△d至db＋△d的範圍內，而判斷雷射光掃瞄位置θ 是否已到達熱遮蔽板8的邊緣8e附近。距離db－△d~db＋△d係被決定為相當於從基準點至熱遮蔽體8的框邊8a的距離之大小(步驟212)。

在上述步驟212之判斷為NO時，從返回的掃瞄開始位置θ rs起朝向熱遮蔽體8側的方向A之雷射光101被移動最小步距，也就是步進馬達122被移動1步，且每個間隔△θ 2的距離量測(圖9(b)；步驟211)、判斷處理(步驟212)係以1步被重覆進行。

步進馬達122每次移動最小步距(1步)，計數值i增加＋1(步驟213)。計數值j的界限值j max係從返回的掃瞄開始位置θ rs起被設定至預定的脈衝數(例如40脈衝)(圖9(b))。因此，只要計數值j不超過界限值j max(40脈衝)(步驟214的判斷為YES)，則每個間隔△θ 2的距離量測(步驟211)、判斷處理(步驟212)係以1步被重覆進行。不過，當計數值j超過界限值j max(40脈衝)時(步驟214的判斷為NO)，雷射光101仍為照射融液表面5a或熱遮蔽板8的框邊8a的側面8d的階段，且被認為並非確認雷射光掃瞄位置θ 到達邊緣8a的階段，回到步驟203，並再次以長的掃瞄間隔△θ 1進行距離量測(步驟204)。

另一方面，當判斷雷射光掃瞄位置θ 未到達將返回的 操作開始位置θ re加上相當於上述預定脈衝數(40脈衝)的固定值之掃瞄位置(步驟214的判斷為YES)，但已到達熱遮蔽體8的邊緣8e附近時(步驟212的判斷為YES)，進入確認雷射光掃瞄位置θ 到達熱遮蔽體8的邊緣8e之階段(步驟215、216、217、218、219、220)。

亦即，距離d的量測被重覆進行p次(例如20次)(步驟215)。

接著，判斷是否滿足下面的條件。

3)在p次量測的各距離d之中，量測距離d有q次(例如20次)以上係在預先設定的距離db－△d至db＋△d的範圍內。

4)p次的各量測距離d中，最大值及最小值的差ε係在容許量測誤差△ε以下(步驟216)。

結果，在上述3)、4)的條件被滿足時(步驟216的判斷為YES)，將該時的雷射光掃瞄位置θ 最終地判斷為邊緣位置(步驟217)。

不過，在上述3)、4)的條件未被滿足時(步驟216的判斷為NO)，使步進馬達122移動最小步距，也就是移動1步，而在每個間隔△θ 2以1步進行p次的距離量測(步驟215)、判斷處理(步驟216)。

亦即，步進馬達122每次移動最小步距(1步)，計數值j增加＋1，同時計數值k增加＋1(步驟218)。只要計數值j不超過預定的脈衝數(40脈衝)(步驟219的判斷為YES)，且計數值k不超過界限值k max(步驟220的判斷為 YES)，則在每個間隔△θ 2重覆實行p次的距離量測(步驟215)、判斷處理(步驟216)。不過，當計數值j超過界限值j max(40脈衝)時(步驟219的判斷為NO)，雷射光101仍為照射融液表面5a或熱遮蔽板8的框邊8a的側面8d的階段，且被認為並非確認雷射光掃瞄位置θ 到達邊緣8a的階段，回到步驟203，並再次以長的掃瞄間隔△θ 1進行距離量測(步驟204)。又，即使計數值j不超過界限值j max(40脈衝)(步驟219的判斷為YES)，當計數值k超過界限值k max時(步驟220的判斷為NO)，認為雷射光掃瞄位置θ 仍未到達邊緣8a附近，回到步驟211，在每個間隔△θ 2實行1次的距離量測(步驟211)。

在上述步驟217中，在雷射光掃瞄位置θ 最終被判斷為邊緣位置時，接著，進行改寫上述拉引時的光掃瞄位置θ 1、θ 2、θ 3、θ 4、θ 5、θ 6的處理。

亦即，在步驟217中，從最終被判斷為邊緣位置的光掃瞄位置θ c起朝向B方向，也就是從熱遮蔽體8離開的結晶10的方向B，移動預先設定的掃瞄量，並決定位置為光掃瞄位置θ 1、θ 3、θ 5(步驟211)。

接著，從光射出裝置110射出雷射光101，並量測從基準點至反射點的距離，以求得至融液5的液面5a之距離LS。求得的距離LS被顯示於畫面上(步驟222)。

其次，判斷是否改寫光掃瞄位置θ 1、θ 3、θ 5(步驟223)。

在判斷為改寫光掃瞄位置θ 1、θ 3、θ 5時，光掃瞄 位置θ 1、θ 3、θ 5從前次的值被更新並改寫(步驟224)。

同樣地，在上述步驟217中，當雷射光掃瞄位置θ 最終被判斷為邊緣位置時，從最終被判斷為邊緣位置的光掃瞄位置θ c起朝向A方向，也就是從結晶10起朝向熱遮蔽體8的方向A，移動預先設定的掃瞄量，並決定位置為光掃瞄位置θ 2、θ 4、θ 6(步驟221)。

接著，從光射出裝置110射出雷射光101，並量測從基準點至反射點的距離，以求得至熱遮蔽體8的框邊8a的上表面8b之距離S。求得的距離S被顯示於畫面上(步驟222)。

其次，判斷是否改寫光掃瞄位置θ 2、θ 4、θ 6(步驟223)。

在判斷為改寫光掃瞄位置θ 2、θ 4、θ 6時，光掃瞄位置θ 2、θ 4、θ 6從前次的值被更新並改寫(步驟224)。

如此被改寫的光掃瞄位置θ 1、θ 2、θ 3、θ 4、θ 5、θ 6被使用於下次的距離量測，也就是上述第1距離量測方法、第2距離量測方法、第3距離量測方法的距離量測。亦即，在將光掃瞄位置θ 固定於被改寫的光掃瞄位置θ 1、θ 2、θ 3、θ 4、θ 5、θ 6之後，實行第1距離量測方法、第2距離量測方法、第3距離量測方法的距離量測。

接著，說明本實施例的效果。

根據本實施例，在最初的判斷中，在判斷為邊緣位置的時點，即使在雷射光的照射點已經從邊緣8e向外移動至框邊8a的上表面8b的內部時，因為光掃瞄位置θ 僅返回 預定量，再次，可從邊緣位置的一邊起重新開始距離量測。再次的距離量測係以比最初的距離量測時短的周期△θ 2之間隔進行(圖9(a))。因此，在再次判斷為邊緣位置的時點，雷射光的照射點可不從邊緣8e向外移動至框邊8a的上表面8b的內部，而可無誤差地量測邊緣8e的位置。

圖6(b)係實施例的實驗資料。

圖6(b)係對應於圖6(a)之以前的實驗資料的圖式，其係顯示每批的量測值S的變動之實驗資料。在實驗中，對每一批，量測邊緣位置，並對每一批，改寫以邊緣位置做為基準的光掃瞄位置θ 2、θ 4，將固定於此改寫的光掃瞄位置θ 2、θ 4之雷射光射出，以對每一批量測S值。柱狀圖的橫軸係從S量測值的平均值起的偏差，且平均值為0。縱軸係頻率。比較圖6(b)及圖6(a)可知，在以前，關於S量測值，雖然S值係在平均值之±3mm的範圍中變動，根據本實施例，S量測值的變動係位於平均值之±1.5mm的範圍中，可知S值的變動被非常良好地抑制。

雖然上面係關於S量測值加以說明，以同樣的方式，關於以邊緣位置做為基準進行之其他的距離量測的值，也就是，熱遮蔽體．融液間距離L、融液液面位準H同樣成為變動小且非常高精度者。

因此，可穩定回饋熱遮蔽體．融液間距離L或融液液面位準H的實際位置而實行的矽單結晶拉引成長時的控制，使得拉引成長的矽單結晶10的品質穩定，而可提供穩定規格的製品。

又，因為正確求得邊緣位置θ c，故將可以此邊緣位置θ c做為基準正確地決定雷射光101的照射方向，以正確地將雷射光101照射至做為熱遮蔽體8的框邊8a的上表面8b之目標的位置，且可將雷射光101照射至做為融液表面5a之目標的位置。從而，即使在熱遮蔽體8及矽單結晶10的距離小時或者熱遮蔽體8的框邊8a的上表面8b在坩堝徑方向上的長度短時，仍可正確地將雷射光101照射至做為目標的位置，以容易地進行上述圖2所示之第1距離量測方法的量測。同樣地，可容易地進行圖3所示之第2距離量測方法的量測。

特別地，圖10所示之第3距離量測方法係決定拉引時的固定掃瞄位置θ 5、θ 6以使雷射光101追蹤分別在融液5的液面5a、熱遮蔽體8的框邊8a的側面8d反射的路徑，因為必須使雷射光101照射至非常狹小的熱遮蔽體8的框邊8a的側面8d，所以有必要正確地決定拉引時的固定掃瞄位置θ 5，以提高雷射光10的照射精度。根據本實施例，此點係因為邊緣位置θ c被正確地求得，以此邊緣位置θ c做為基準以正確地決定拉引時的固定掃瞄位置θ 5，從而，將可正確地決定雷射光101的照射方向，以使雷射光101正確地照射至做為熱遮蔽體8的框邊8a的上表面8b之目標的位置。因此，即使是必須將雷射光101照射至非常狹小的熱遮蔽體8的框邊8a的側面8d之圖10所示的第3距離量測方法，也可將雷射光101正確地照射至做為目標的位置，且可容易地進行上述圖10所示之第3距離量測方法 的量測。

此外，根據本實施例，每個短的間隔△θ 2進行距離量測的區間係從返回預定量ψ(20脈衝)的掃瞄開始位置θ rs起至到達預定量(40脈衝)為止的小區間，此外原則上係在每個長的間隔△θ 1進行距離量測並且高速進行處理。因此，位置量測處理整體被高速實施，且可在短時間內完成，以可高效率進行位置量測作業。

對於上述實施例，在不改變本發明的要旨的範圍中，可改變、取消各處理。

首先，在上述實施例中，雖然使雷射光101在從矽單結晶10側朝向熱遮蔽體8的方向A上掃瞄，以判斷量測距離d是否從相當於基準點與融液5的距離da之大小變化至相當於基準點與熱遮蔽體8的框邊8a的距離db之大小(步驟205、步驟208、步驟212、步驟216的各判斷處理)，不過，也可使雷射光101在從熱遮蔽體8朝向矽單結晶10的方向B上掃瞄，並進行同樣的判斷。

亦即，使雷射光101在從熱遮蔽體8朝向矽單結晶10的方向B上掃瞄，也可在步驟205、步驟208、步驟212、步驟216的各判斷處理中，判斷量測距離d是否從相當於基準點與熱遮蔽體8的框邊8a的距離db之大小變化至相當於基準點與融液5的距離da之大小。此時，在步驟210中，實行使光掃瞄位置θ 沿著掃瞄方向B的反方向A返回預定量ψ的處理，並進入詳細檢查在比掃瞄間隔△θ １短的周期△θ 2中雷射光掃瞄位置θ 是否已到達熱遮蔽板8 的邊緣8e之階段(步驟211至214)。

又，在上述實施例中，在詳細檢查雷射光掃瞄位置θ 是否已到達熱遮蔽板8的邊緣8e之階段(步驟211至214)中，步進馬達122每次移動最小步距(1步)，進行距離d的量測，並判斷在比掃瞄間隔△θ 1短的周期△θ 2中雷射光掃瞄位置θ 是否已到達熱遮蔽板8的邊緣8e。不過，在步進馬達122每次移動最小步距(1步)時實行距離量測、判斷處理係前者的一例，若可用比△θ 1短的間隔實行距離量測、判斷處理，則也可在步進馬達122每2步以上的間隔實行距離量測、判斷處理。

又，在上述實施例中，經過是否已到達熱遮蔽體8的邊緣8e附近的判斷處理(步驟205)，進入確認雷射光掃瞄位置θ 到達熱遮蔽體8的邊緣8e之階段(步驟207、208、209、225、226)，結果，若雷射光掃瞄位置θ 被判斷為「假的邊緣位置」(步驟209的判斷為YES)，則沿著掃瞄方向A的反方向B將掃瞄位置θ 返回預定量ψ(步驟210)。不過，此時，省略確認雷射光掃瞄位置θ 到達熱遮蔽體8的邊緣8e之階段(步驟207、208、209、225、226)的處理，且是否已到達熱遮蔽體8的邊緣8e附近的判斷處理(步驟205)的結果，若被判斷為已到達熱遮蔽體8的邊緣8e附近(步驟205的判斷為YES)，也可在該時點以此做為「假的邊緣位置」，並且移動至沿著掃瞄方向A的反方向B返回預定量ψ的處理(步驟210)。

又，在上述實施例中，經過使光掃瞄位置θ 沿著掃瞄 方向A的反方向B返回預定量ψ的處理(步驟210)，進入詳細檢查在比掃瞄間隔△θ 1短的周期△θ 2中雷射光掃瞄位置θ 是否已到達熱遮蔽板8的邊緣8e之階段(步驟211至214)，結果，若判斷為雷射光掃瞄位置θ 已到達熱遮蔽體8的邊緣8e(步驟212的判斷為YES)，則進入確認雷射光掃瞄位置θ 到達熱遮蔽體8的邊緣8e之階段(步驟215、216、217、218、219、220)，以最終地實施邊緣位置的判定(步驟217)。不過，此時，省略確認雷射光掃瞄位置θ 到達熱遮蔽體8的邊緣8e之階段(步驟215、216、217、218、219、220)的處理，經過使光掃瞄位置θ 沿著掃瞄方向A的反方向B返回預定量ψ的處理(步驟210)，進入詳細檢查在比掃瞄間隔△θ 1短的周期△θ 2中雷射光掃瞄位置θ 是否已到達熱遮蔽板8的邊緣8e之階段(步驟211至214)，結果，若判斷為雷射光掃瞄位置θ 已到達熱遮蔽體8的邊緣8e(步驟212的判斷為YES)，則可將該時點的掃瞄位置θ 判定為最終的邊緣位置(步驟217)。

又，省略步驟211至214的處理，經過使光掃瞄位置θ 沿著掃瞄方向A的反方向B返回預定量ψ的處理(步驟210)，進入確認雷射光掃瞄位置θ 到達熱遮蔽體8的邊緣8e之階段(步驟215~)，而可判定最終的邊緣位置(步驟217)。此時，步驟219的處理被省略。

簡言之，本發明係在第1掃瞄間隔△θ 1中進行距離量測，同時進行第1判斷處理，在可判斷為邊緣位置的量測距離d被判斷為變化時，此次使光掃瞄位置θ 沿著掃瞄 方向A之反方向B(或者沿著掃瞄方向B之反方向A)返回預定量ψ，從返回的光掃瞄位置θ rs起再度掃瞄雷射光101，並以比第1掃瞄間隔△θ 1短的第2掃瞄間隔△θ 2進行距離量測，同時進行第2判斷處理，結果，在判斷出可判斷為邊緣位置的量測距離d變化時，若最後可判定在該變化被判斷之時點的光掃瞄位置θ c，雷射光101被熱遮蔽體8的框邊8a的邊緣8e反射，則也可適用於在該發明之範圍內的任何形式的演算法。

又，在實施例中係假定量測邊緣位置θ c，並以邊緣位置θ c做為基準，以決定用以進行距離量測的掃瞄位置θ 1~θ 6的情況。不過，這僅係一個例子，也可以邊緣θ c做為基準，進行其他的量測。例如，沿著從邊緣位置θ c至矽單結晶10側的方向B掃瞄雷射光101，在雷射光101的光接收輸出變化的時點，判斷為到達矽單結晶10，而可量測從邊緣8e至矽單結晶10的距離，也就是，熱遮蔽體．矽單結晶間的距離D。根據本實施例，因為可精度極佳地量測邊緣位置θ c，故可非常正確地求得以邊緣位置θ c做為基準加以量測的遮蔽體．矽單結晶間的距離D。

另外，雖然在實施例中假定製造矽單結晶以做為半導體單結晶的情況加以說明，本發明以同樣的方式也可適用於製造砷化鎵等的化合物半導體的情況。又，雖然在實施例中假定藉由磁場直拉法(MCZ法)拉引矽單結晶10的情況加以說明，本發明當然也可適用於不施加磁場而拉引矽單結晶10的情況。

1‧‧‧矽單結晶製造裝置

2‧‧‧CZ爐

3‧‧‧石英坩堝

4‧‧‧拉引機構

4a‧‧‧拉引軸

4c‧‧‧籽晶夾頭

5‧‧‧融液

5a‧‧‧融液表面

7‧‧‧氬氣

8‧‧‧熱遮蔽體

8a‧‧‧框邊

8A‧‧‧開口

8b‧‧‧上表面

8c‧‧‧下表面

8d‧‧‧側面

8e‧‧‧邊緣

9‧‧‧加熱器

10‧‧‧矽單結晶

11‧‧‧石墨坩堝

15‧‧‧旋轉軸

30‧‧‧磁鐵

100‧‧‧距離量測裝置

101‧‧‧射出雷射光

110‧‧‧光射出裝置

120‧‧‧光掃瞄裝置

121‧‧‧反射鏡

121a‧‧‧光反射面

122‧‧‧步進馬達

122a‧‧‧旋轉軸

123‧‧‧稜鏡

130‧‧‧光接收裝置

140‧‧‧距離量測裝置

141‧‧‧拉引時距離量測裝置

142‧‧‧第1距離量測裝置

143‧‧‧第1判斷裝置

144‧‧‧第2距離量測裝置

145‧‧‧第2判斷裝置

201~227‧‧‧步驟

A、B‧‧‧掃瞄方向

D‧‧‧遮蔽體．矽單結晶間的距離

da、db、LS、S、△d‧‧‧距離

H‧‧‧融液液面位準

L‧‧‧熱遮蔽體．液面間距離

t‧‧‧厚度

W‧‧‧最大掃瞄寬度

△θ‧‧‧掃瞄間隔

△θ 1‧‧‧第1掃瞄間隔

△θ 2‧‧‧第2掃瞄間隔

θ‧‧‧雷射光掃瞄位置

θ 1、θ 2、θ 3、θ 4、θ 5、θ 6‧‧‧光掃瞄位置

θ b‧‧‧位置

θ c‧‧‧邊緣位置

θ e‧‧‧最終掃瞄位置

θ rs‧‧‧返回的光掃瞄位置

θ s‧‧‧掃瞄開始位置

圖1係顯示矽單結晶製造裝置的結構例的圖式。

圖2係顯示根據第1距離量測方法之距離量測裝置的結構例的圖式。

圖3係顯示根據第2距離量測方法之距離量測裝置的結構例的圖式。

圖4係說明以前的位置量測原理的圖式。

圖5(a)、(b)係說明以前的位置量測演算法的圖式。

圖6(a)、(b)係分別顯示先前技術及本實施例的距離量測值的柱狀圖。

圖7係實施例的位置量測演算法。

圖8係實施例的位置量測演算法。

圖9(a)、(b)、(c)係說明圖7、圖8的處理內容的圖式。

圖10係顯示根據第3距離量測方法之距離量測裝置的結構例的圖式。

Claims (8)

1. 一種半導體單結晶製造裝置之位置量測裝置，適用於從被容納於爐內的坩堝之融液拉引成長半導體單結晶以製造半導體單結晶，其特徵在於包括：熱遮蔽體，位於融液的上方，被設置在半導體單結晶的周圍，且在下端部包括框邊；光射出裝置，將光射出；光掃瞄裝置，朝著坩堝的徑方向掃瞄從光射出裝置射出的光；光接收裝置，接收從光射出裝置射出且藉由光掃瞄裝置掃瞄的光之反射光；第1距離量測裝置，將光掃瞄，同時基於逐次的光掃瞄位置、光射出裝置的射出位置、及光接收裝置的光接收位置，根據三角測量的原理，在每個預定的第1掃瞄間隔，逐次量測基準點及反射點的距離；第1判斷裝置，判斷藉由第1距離量測裝置量測的距離係從相當於基準點及融液的距離之大小變化至相當於基準點及熱遮蔽體的框邊的距離之大小，或是從相當於基準點及熱遮蔽體的框邊的距離之大小變化至相當於基準點及融液的距離之大小；第2距離量測裝置，在藉由第1判斷裝置判斷量測距離的變化時，使光掃瞄位置沿著掃瞄方向之反方向返回預定量，從返回的光掃瞄位置起再度掃瞄光，同時基於逐次 的光掃瞄位置、光射出裝置的射出位置、及光接收裝置的光接收位置，根據三角測量的原理，在比前述第1掃瞄間隔短的每個第2掃瞄間隔，逐次量測基準點及反射點的距離；第2判斷裝置，判斷藉由第2距離量測裝置量測的距離係從相當於基準點及融液的距離之大小變化至相當於基準點及熱遮蔽體的框邊的距離之大小，或是從相當於基準點及熱遮蔽體的框邊的距離之大小變化至相當於基準點及融液的距離之大小；及邊緣位置判定裝置，在藉由第2判斷裝置判斷量測距離變化時，判定在其變化被判斷之時點的光掃瞄位置，光被熱遮蔽體的框邊的邊緣反射。
2. 如申請專利範圍第1項所述的半導體單結晶製造裝置之位置量測裝置，其中適用於在拉引半導體單結晶時量測熱遮蔽體及融液的距離及/或融液的液面位準，並控制量測值使成為期望的值以製造半導體單結晶的半導體單結晶製造裝置之位置量測裝置，包括拉引時距離量測裝置，在拉引半導體單結晶時，將光掃瞄方向的位置固定於拉引時的位置，基於此拉引時的固定掃瞄位置、光射出裝置的射出位置、及光接收裝置的光接收位置，根據三角測量的原理，量測熱遮蔽體及融液的距離及/或融液的液面位準；拉引時的固定掃瞄位置係以利用邊緣位置判定裝置判定光在熱遮蔽體的框邊的邊緣被反射時的光掃瞄位置做為基準而被決定。
3. 如申請專利範圍第2項所述的半導體單結晶製造裝置之位置量測裝置，其中拉引時的固定掃瞄位置被決定以追蹤光分別在融液的液面及熱遮蔽體的框邊的側面反射的路徑。
4. 如申請專利範圍第1項所述的半導體單結晶製造裝置之位置量測裝置，其中光掃瞄裝置係以包含將從光射出裝置射出的光反射的反射鏡及改變該反射鏡的光反射面的姿態角的致動器被構成，藉由驅動致動器而改變反射鏡的光反射面的姿態角，以使光掃瞄。
5. 如申請專利範圍第1或4項所述的半導體單結晶製造裝置之位置量測裝置，其中光掃瞄裝置係以步進馬達做為致動器而掃瞄光，且第2距離量測裝置係在步進馬達每轉動1步時，量測基準點及反射點的距離。
6. 一種半導體單結晶製造裝置之位置量測方法，適用於從被容納於爐內的坩堝之融液拉引成長半導體單結晶以製造半導體單結晶，其特徵在於：進行位置量測處理，其包含：第1距離量測步驟，朝著坩堝的徑方向掃瞄光，同時基於逐次的光掃瞄位置、光的射出位置、及光的接收位置，根據三角測量的原理，在每個預定的第1掃瞄間隔，逐次量測基準點及反射點的距離；第1判斷步驟，判斷在第1距離量測步驟中被量測的 距離係從相當於基準點及融液的距離之大小變化至相當於基準點及熱遮蔽體的框邊的距離之大小，或是從相當於基準點及熱遮蔽體的框邊的距離之大小變化至相當於基準點及融液的距離之大小；第2距離量測步驟，在第1判斷步驟中判斷量測距離的變化時，使光掃瞄位置沿著掃瞄方向之反方向返回預定量，從返回的光掃瞄位置起再度掃瞄光，同時基於逐次的光掃瞄位置、光的射出位置、及光的接收位置，根據三角測量的原理，在比前述第1掃瞄間隔短的每個第2掃瞄間隔，逐次量測基準點及反射點的距離；第2判斷步驟，判斷在第2距離量測步驟中被量測的距離係從相當於基準點及融液的距離之大小變化至相當於基準點及熱遮蔽體的框邊的距離之大小，或是從相當於基準點及熱遮蔽體的框邊的距離之大小變化至相當於基準點及融液的距離之大小；及邊緣位置判定步驟，在第2判斷步驟中判斷量測距離變化時，判定在其變化被判斷之時點的光掃瞄位置，光被熱遮蔽體的框邊的邊緣反射。
7. 如申請專利範圍第6項所述的半導體單結晶製造裝置之位置量測方法，其中適用於在拉引半導體單結晶時量測熱遮蔽體及融液的距離及/或融液的液面位準，並控制量測值使成為期望的值以製造半導體單結晶的半導體單結晶製造裝置之位置量測方法，更包含：決定在拉引時之光掃瞄的方向的位置之步驟，其係以 在邊緣位置判定步驟中判定光在熱遮蔽體的框邊的邊緣被反射時的光掃瞄位置做為基準；及拉引時距離量測步驟，在拉引半導體單結晶時，將光掃瞄的方向的位置固定於此被決定的位置，基於此拉引時的固定掃瞄位置、光射出裝置的射出位置、及光接收裝置的光接收位置，根據三角測量的原理，量測熱遮蔽體及融液的距離及/或融液的液面位準。
8. 如申請專利範圍第7項所述的半導體單結晶製造裝置之位置量測方法，其中拉引時的固定掃瞄位置被決定以追蹤光分別在融液的液面及熱遮蔽體的框邊的側面反射的路徑。