TWI413712B - Detection method of single crystal diameter and single crystal pulling device - Google Patents

Description

單結晶直徑的檢測方法及單結晶提拉裝置

本發明是有關於一種用以檢測藉由切克勞斯基法培育而成的單結晶的直徑之方法及一種單結晶提拉裝置。

作為半導體單晶矽的培育方法，已知有切克勞斯基法(Czochralski Method，以下稱為CZ法)。該方法是藉由先將晶種浸泡於融液，然後一邊旋轉一邊慢慢地往上方提拉，來培育單結晶(單晶)。單結晶是以某一口徑為目標來製造。例如最後製品是8英吋(200毫米)的晶圓時，通常是以比該直徑稍大之200至210毫米的尺寸，來製造結晶。隨後，該結晶是藉由磨削外周而成為圓筒狀，並切割成為晶圓狀後，經過去角取面步驟而成為最後目標的晶圓直徑。在單結晶製造中的目標直徑，必須比最後製品的晶圓直徑大。但是，太大時會增加磨削研磨量而不經濟。因而，要求一種單結晶，其直徑比晶圓的直徑大且盡量縮小。

在CZ法中，作為控制直徑的方法，主要有光學式(攝影機方式)及重量方式(測力器方式)此2種。光學式是藉由安裝於爐外的攝影機，並通過石英玻璃來觀測爐內的培育結晶。進行處理攝影機所捕獲的影像，並算出結晶端的位置且將位置座標化來換算直徑。又，光學式有測量結晶的兩端之方法、測量結晶的一端之方法及從圓弧的曲率算出直徑之方法等。

但是，伴隨著結晶的大口徑化，使用攝影機測量結晶的兩端之方法來獲得如第1圖所示之直徑D整體，逐漸變為困難。又，即便能夠獲得整體，亦有解像度變差之問題。又，例如日本特開2004-35352號公報所揭示，亦有在提拉裝置中設置2台攝影機，並使用各自的攝影機來觀察兩端之方法，但是會有因攝影機的相對位置的偏移所引起的誤差之問題。

又，測量結晶的一側之方法，可舉出如第2圖所示之根據距假想中心點的距離R來算出直徑之方法，但是由於攝影機的位置偏移而引起假想點偏移，會產生測定誤差。

又，光學式亦有如第3圖所示，先根據圓弧的曲率算出距中心點的距離R，再算出直徑之方法，但是該方法亦有伴隨著結晶的大口徑化，曲率變小致使測定誤差變大之問題。

如上述，藉由光學式之單結晶直徑的檢測方法，因結晶的大口徑化或檢測用攝影機的偏移，會有產生測定誤差之問題。例如，結晶直徑偏移時，會產生製造出直徑不足的不良品、因直徑太大引起磨削量增加致使產率降低之問題。結晶的成長條件，是一邊在結晶成長方向改變條件一邊達成品質的均勻化，但是由於結晶直徑由目標偏移，坩堝內的矽融液的量會從目標偏移，結果亦會伴隨著引起品質偏移之問題。

另一方面，重量方式通常有例如日本特開平9-175893號公報所揭示，是將稱為測力器之重量計安裝在上軸，來測定成長結晶的重量之方法(測力器方式)。測力器方式，是根據平均單位長度的重量增加量，來算出結晶直徑之方法。該方法不會發生如光學式的誤差，若能夠把握測力器本身的誤差時，能夠測定直徑。但是，由於結晶的高重量化，必須增加測力器的最大容許重量，此時，測定誤差增大，或是因敏感度降低而無法在短時間算出直徑，若在短時間內直徑變大時，必須提高結晶的成長速度來使直徑回復目標值，但是會有無法執行短時間內的控制而製造出凹凸狀的結晶之問題。又，所培育的單結晶是凹凸結晶時，會發生該凹凸部分的品質不均變大、或因凹的部分的直徑不足而製造出不良品之問題。

因此，為了解決前述問題，本發明之目的是提供一種單結晶直徑的檢測方法及單結晶提拉裝置，該單結晶直徑的檢測方法能夠提升大口徑、高重量結晶的直徑測定精確度，並達成產率提升及減少品質不均。

為了達成前述目的，本發明是一種單結晶直徑的檢測方法，是用以檢測藉由切克勞斯基法所培育的單結晶的直徑之方法，其特徵在於：使用攝影機與測力器兩者，各自檢測單結晶的直徑，並根據攝影機所檢出的直徑與藉由測力器所算出的直徑之差、及按照上述單結晶的成長速度所預先求得的修正係數α，來修正上述攝影機的檢出直徑，並且將藉由該修正所得到的值作為上述單結晶的直徑。

如此，在藉由切克勞斯基法培育單結晶時，使用攝影機與測力器兩者，各自檢測單結晶的直徑，並根據攝影機所檢出的直徑與藉由測力器所算出的直徑之差、及按照上述單結晶的成長速度所預先求得的修正係數α，來修正上述攝影機的檢出直徑，並且將藉由該修正所得到的值作為上述單結晶的直徑，能夠提升大口徑、高重量結晶的直徑測定精確度，並達成產率提升及減少品質不均。

又，上述修正，較佳是將對上述攝影機所檢出的直徑與藉由測力器所算出的直徑之差，乘上或加上上述修正係數α所得到的值，加進上述攝影機的檢出直徑來進行。

如此，利用將對攝影機所檢出的直徑與藉由測力器所算出的直徑之差，乘上或加上上述修正係數α所得到的值，加進上述攝影機檢出直徑來修正該攝影機所檢出的直徑，能夠提升直徑的絕對值之精確度，且能夠提升大口徑、高重量結晶的直徑之測定精確度，能夠有效果地達到產率的提升及減少品質不均。

又，上述單結晶直徑的檢測方法，較佳是測定上述單結晶的晶身10公分以後的直徑。

如此，藉由本發明的單結晶直徑的檢測方法來測定單結晶的晶身10公分以後的直徑，能夠解決先前的問題之伴隨著晶身變長，所檢出直徑的絕對值精確度降低的情形，能夠有效果地提升大口徑、高重量結晶的直徑之測定精確度，且能夠達到產率的提升及減少品質不均。

又，上述藉由測力器所算出的直徑，是根據上述單結晶的晶身平均區間內的單結晶重量所求得的直徑的平均，且上述平均區間的區域，較佳是10公分以上。

如此，藉由使用測力器，根據單結晶的晶身平均區間內的單結晶重量，算出所求得的直徑平均值，且該平均區間的區域設為10公分以上，使藉由測力器所測得的重量而檢出的直徑之精確度提升，攝影機的檢出直徑的修正精確度提升，能夠有效果地提升大口徑、高重量結晶的直徑之測定精確度，且能夠達到產率的提升及減少品質不均。

又，上述直徑檢測，以在上述單結晶的晶身10公分以後至少進行1次為佳。

如此，藉由依照本發明的單結晶直徑的檢測方法，在單結晶的晶身10公分以後，至少進行1次直徑檢測，能夠進行極高精確度的單結晶直徑檢測，能夠更有效果地提升大口徑、高重量結晶的直徑之測定精確度，且能夠達到產率的提升及減少品質不均。

又，本發明是提供一種單結晶提拉裝置，是用以藉由切克勞斯基法來培育單結晶之單結晶提拉裝置，其特徵在於：至少具備攝影機與測力器兩者，用以檢測提拉單結晶的直徑。

如此，藉由切克勞斯基法來培育單結晶之單結晶提拉裝置，是至少具備用以檢測提拉單結晶的直徑之攝影機與測力器兩者時，能夠活用攝影機及測力器方式的各自優點，並補充互相的缺點，能夠提供可高精確度地檢測單結晶直徑之單結晶提拉裝置。

又，上述單結晶提拉裝置，較佳是在該單結晶提拉裝置中，藉由上述本發明的單結晶直徑的檢測方法來進行單結晶的直徑檢測。

如此，在具備上述攝影機及測力器兩者之單結晶提拉裝置中，藉由上述本發明的單結晶直徑的檢測方法來進行單結晶的直徑檢測，能夠活用攝影機及測力器方式的各自優點，並補充互相的缺點，能夠更有效果地提升大口徑、高重量結晶的直徑之測定精確度，且能夠達到產率的提升及減少品質不均。

若是本發明之單結晶直徑的檢測方法及單結晶提拉裝置，能夠提供一種可提升大口徑、高重量結晶的直徑之測定精確度，且能夠達到產率的提升及減少品質不均之單結晶直徑的檢測方法及單結晶提拉裝置。

如前述，先前控制直徑的方法，主要有光學式(攝影機方式)及重量方式(測力器方式)此2種。但是，如上述，光學式時由於結晶的大口徑化或檢測用攝影機的偏移，會有產生測定誤差之問題，重量方式(測力器方式)時由於結晶的高重量化，必須將測力器的最大容許重量增大，此時，測定誤差會變大、或是敏感度降低，而無法在短時間內算出直徑；當在短時間內直徑變大時，無法在短時間內進行控制，提高結晶的成長速度來使直徑恢復目標值(亦即，敏感度低)，會有製造出凹凸狀的結晶之問題。

為了解決上述課題，本發明者首先調查光學式(攝影機方式)及重量方式(測力器方式)的各自特性(優點、缺點)。將結果整理成表，如以下所示(表1)。

從表1，得知攝影機方式(光學式)是適合於控制短時間的單結晶直徑變動，但是所檢出的直徑的絕對值精確度低。另一方面，重量方式(測力器方式)雖然絕對值精確度高，但是在製造高重量結晶時，因為敏感度降低，有難以控制短時間的單結晶直徑變動之缺點。

因此，本發明者重複專心研究之結果，藉由組合攝影機方式(光學式)及重量方式(測力器方式)，完成了能夠活用各自的優點，且能夠互相補充缺點之本發明的單結晶直徑的檢測方法及單結晶提拉裝置，並實現了提升所檢測單結晶直徑的絕對值精確度。

以下，具體地說明本發明的實施形態，但是本發明未限定於這些形態。

第4圖是本發明的單結晶提拉裝置的一個例子之剖面概略圖。該單結晶提拉裝置11，是將在吊線1的下端且由晶種夾頭2所保持的晶種3浸漬於坩堝5內的融液6中，隨後，利用提拉前述晶種來培育單結晶4時，在吊線1的上端設置能夠測定前述單結晶4的重量之測力器(重量計)10，並且在爐外設置能夠通過石英玻璃而觀察爐內之直徑檢測用攝影機9。又，在培育單結晶時，在加熱器7的外側設置絕熱構件8，用以保護槽體(chamber)。

由前述測力器10所測得的單結晶4重量之平均單位長度的增加量，能夠算出單結晶的直徑。又，前述直徑檢測用攝影機9，藉由處理該攝影機所攝得的爐內影像，算出單結晶4的端部位置，並將該位置座標化，能夠檢測單結晶4的直徑。

接著，說明本發明之單結晶直徑的檢測方法。第5圖是本發明之單結晶直徑的檢測方法的流程圖。開始計算單結晶的晶身長度L1時，是藉由測力器測定單結晶的重量Wt1。將單結晶提拉至晶身長度L2，再次藉由測力器測定單結晶的重量Wt2。接著，根據由測力器測定得到的單結晶重量Wt1、Wt2，算出從L1至L2之平均區間內的直徑平均值Dw。此時用以根據測力器測得的重量算出換算直徑Dw之計算式是Dw=2×√((Wt2-Wt1)/(π×(L2-L1)×2.33))，其中2.33是矽單結晶的比重。

另一方面，與測力器的重量測定同時進行，藉由攝影機檢測從L1至L2的直徑數次，並將所得到的直徑累計，來算出累計值T1。又，此時，預先計算累計的次數，並利用將所算出的累計值T1除以累計次數C1，來算出攝影機檢出直徑Do。

接著，進行攝影機檢出直徑的修正。具體上，是求取前述攝影機檢出直徑也就是Do與藉由測力器所算出的直徑Dw之差，並將該差與修正係數α相乘或是相加所得到的值，加進前述攝影機檢出直徑。完成該修正，並控制直徑為藉由該修正所得到的值來進行單結晶的提拉。又，第2次以後的修正，是到達下次的修正演算開始長度時，藉由重複同樣的演算來進行

又，修正係數α係按照單結晶的成長速度預先求得的數值。測力器重量是在靜止狀態下懸吊結晶時所能夠測定的重量。但是，實際的結晶製造時，由於結晶成長界面形狀或表面張力的存在等，根據測力器所測定重量而得的換算直徑與實際的直徑會產生差異。亦即如第6圖中的箭號所示，成長界面的形狀在相同的製造方法時，結晶成長速度越大，上凸形狀會越大。雖然該誤差能夠藉由先製造實際的結晶並對每座提拉裝置進行測定來求取，但是只要能夠預測該上凸形狀時，從重量而得的換算直徑與實際的直徑之差異，可以預測至某種程度。因此，必須預先對每座提拉裝置，求取成長速度與修正係數的關係，並藉由所求取的修正係數α來進行如上述的修正。

又，如第6圖所示，因為若變更裝置等的製造條件時會使成長界面形狀產生變化，成長速度與修正係數的關係傾向亦會改變，所以每次的製造條件必須求取上述的關係。另一方面，若製造條件未改變時，因為該成長速度與修正係數的關係未改變，在製品製造前，若使該關係清楚明瞭，則不須要再次進行實驗。具體上，作為求取修正係數的方法，是實際上使結晶成長，並製作實際直徑的平均直徑與藉由測力器所算出的直徑之相關圖(例如第11圖)，然後利用劃出相關線便能夠求取此時的提拉速度之修正係數。此時，若至少製造3根單結晶時，便能夠正確地求取修正係數。此時，若將斜率設為1，並進行求取切片的方法時，修正係數是成為本發明中的加法的修正係數；若將切片設為0，並進行求取斜率的方法時，修正係數是成為相乘後的修正係數。以相關係數較強的一方來進行修正是充分的，不必在限定的區間並用加法與乘法兩者。

又，藉由最低限度2種類的提拉速度來求取修正係數，能夠求得例如在第7圖之圖。該第7圖是實際上使結晶成長，並製造如第11圖所示之實際直徑的平均直徑與藉由測力器所算出的直徑之相關圖，然後藉由劃出相關線來求得在此時的提拉速度中的加法修正係數。在某未知數的提拉速度下進行修正時，雖然藉由上述方法重新求取修正係數是確實的，但是即使根據從該方法求得的第7圖所推測的值，亦能夠充分地達成該功能。此時，2種類的提拉速度若是使用條件的最大值(MAX)及最小值(MIN)時，能夠得到更正確的修正。

又，因為前述L1、L2是實際的單結晶長度，例如，採用根據懸吊結晶之吊線1的提拉距離來算出結晶位置的結構之提拉裝置時，亦必須與上述修正同時進行由於吊線1的伸長量而產生的修正。

而且，所製造的單結晶，例如可以是矽單結晶，亦可以是其他的半導體單結晶等，沒有特別限定。

又，藉由本發明中的單結晶直徑的檢測方法所檢出的直徑，以前述單結晶的晶身為10公分以後的直徑為佳。單結晶的晶身為10公分以前的直徑，也能夠只藉由適合短時間的直徑控制之攝影機方式來檢測。但是如前述，隨著晶身變長，只有攝影機方式時因為攝影機的相對位置偏移或結晶的大口徑化，致使絕對值的精確度降低，所以本發明對於檢測晶身為10公分以後的單結晶直徑特別有效。

又，從前述L1至L2之平均區間的區域，以10公分以上為佳。算出直徑修正之區間是越長越佳，這是因為藉由測力器重量所檢出直徑的精確度提高。因此能夠得到更正確的修正。

又，上述的修正，以在前述單結晶的晶身為10公分以後進行至少1次為佳。在晶身為10公分以後，即便只有進行1次，對提升直徑精確度亦能夠得到充分的效果，而隨著結晶成長的進行，藉由重複進行上述修正，能夠進行極高精確度的直徑檢測。

又，在本發明，具備用以檢測提拉單結晶的直徑之攝影機及測力傳感機之單結晶提拉裝置，較佳是進行本發明之單結晶直徑的檢測方法。藉由組合攝影機(光學式)及測力器方式(重量方式)，能夠活用各自的優點，並補充互相的缺點。

以下，舉出本發明的實施例來更具體地說明，但是，本發明未限定於這些實施例。

(實施例1)

使用第4圖的單結晶提拉裝置，依照第5圖所示之流程，進行修正攝影機檢出直徑，並藉由修正所得到的值，控制直徑來進行製造單結晶。在進行製造單結晶之前，預先求取在實際使用之單結晶提拉裝置中的成長速度與修正係數的關係(第7圖)。使計算開始時的晶身長度L1為5公分，晶身長度L2為15公分，並檢測5公分-15公分之間的攝影機檢出直徑Do、及根據其間的重量變化量所算出的直徑Dw。15公分以後，是將對攝影機檢出直徑與根據測力器算出的直徑之差(Do-Dw)，加上相對於實際的提拉速度0.4毫米/分鐘之修正係數-l.5而成的值，將此值加進攝影機檢出直徑來進行修正攝影機檢出直徑，並將單結晶的直徑控制成藉由修正所得到的值，來製造單結晶。結晶製造後的直徑，是在晶身40公分的部分進行測定，來評價直徑的偏差(標準偏差σ)。

(實施例2)

使用與實施例1同樣的單結晶提拉裝置，除了使計算開始時的晶身長度L1為5公分，晶身長度L2為25公分，並使要算出修正之平均區間為20公分以外，利用與實施例1同樣的方法，將加上相對於實際的提拉速度0.4毫米/分鐘之修正係數-1.5而成的值，加進攝影機檢出直徑，來進行修正攝影機檢出直徑，並將單結晶的直徑控制成藉由修正所得到的值，來製造單結晶。結晶製造後的直徑，是與實施例1同樣地在晶身40公分的部分進行測定，來評價直徑的偏差(標準偏差σ)。

(比較例)

第4圖的單結晶提拉裝置之中，除了未具備測力器10以外，在完全相同構成之單結晶提拉裝置中，使用攝影機來觀察結晶的端部位置，利用距假想中心點的距離來檢出直徑之先前方法，進行製造結晶。結晶製造後的直徑，是與實施例1、2同樣地在晶身40公分的部分進行測定，來評價直徑的偏差(標準偏差σ)。

又，在上述的實施例1、2及比較例的全部，坩堝尺寸是32英吋(800毫米)，所填充的矽原料為300公斤，製造的單結晶為12英吋(308毫米)。

表2是實施例1、2及比較例1之評價，是整理在單結晶晶身40公分時的直徑偏差(標準偏差σ)而成。直徑偏差(標準偏差σ)，相對於在比較例為1.2毫米，在實施例1(L2-L1=10公分)為0.7毫米，在實施例2(L2-L1=20公分)為0.6毫米。

第8圖是將在實施例1、2及比較例所評價之在單結晶晶身40公分時的直徑偏差(標準偏差σ)標繪而成之圖。又，第9圖是在實施例1、2及比較例所評價之在單結晶晶身40公分時的直徑偏差(標準偏差σ)之直條圖。從第8圖、9圖，得知算出直徑修正之區間(L1~L2)越長，越能提升直徑精確度。

(實施例3)

使用與實施例1同樣的單結晶提拉裝置，並使要算出修正之平均區間(L2-L1)為5公分、10公分、15公分、20公分，且各自藉由與實施例1同樣的方法，控制單結晶的直徑來製造單結晶，並且調查在晶身為40公分時之測力器的直徑算出誤差。具結果，實際的測力器的重複測定重量的誤差，即使平均區間(L2-L1)為5公分~20公分之任一者，均是100克，此時，在10公分以上的區域中的直徑換算誤差，大約為1毫米以下。

第10圖是表示在實施例3中的要算出修正的平均區間(L2-L1)與測力器的直徑算出誤差的關係之圖。根據第10圖，使平均區間(L2-L1)為10公分及為20公分，未觀察到有太大的差異。這可以認為雖然算出修正的平均區間是越長，越能提升藉由測力器所檢出的直徑之精確度，但是另一方面，因為修正的時序延遲的，而難以發揮本發明的效果的緣故。

因此，使用精確度良好的測力器並在短區間進行修正是最有效的，在全部的實施例中使用測力器之情形，即便使要算出修正的平均區間設定成比10公分區間長，亦無法期待有大幅度的效果，得知在10公分的區間中之平均，能夠得到充分的效果。但是，若能夠更提升測力器的精確度時，該具有效果的區間能夠更為縮短。

又，本發明未限定於上述實施形態。上述實施形態是例示性，凡是具有與本發明之申請專利範圍所記載之技術思想實質上相同構成，且達成相同作用效果之物，無論何者，都包含在本發明的技術範圍內。

例如，在上述中，是將對攝影機檢出直徑與藉由測力器所算出的直徑之差，加上相對於實際的提拉速度之修正係數而成的值，加進攝影機檢出直徑中，來進行修正攝影機檢出直徑，但是，該修正即使是將對攝影機檢出直徑與藉由測力器所算出的直徑之差，乘上前述修正係數α而得到的值，加進攝影機檢出直徑中來進行，亦能夠提升所檢測出來的單結晶的直徑精確度，而能夠得到同樣的效果。

1．．．吊線

2．．．晶種夾頭

3．．．晶種

4．．．單結晶

5．．．坩堝

6．．．融液

7．．．加熱器

8．．．絕熱構件

9．．．攝影機

10．．．測力器

11．．．單結晶提拉裝置

第1圖是表示利用先前的光學式攝影機來測量結晶的兩端的方法之圖。

第2圖是表示利用先前的光學式攝影機來測量結晶的一端的方法之圖。

第3圖是表示利用依照先前的光學式，根據圓弧的曲率來算出直徑的方法之圖。

第4圖是表示本發明的單結晶提拉裝置的一個例子之剖面概略圖。

第5圖是表示本發明之單結晶直徑的檢測方法的流程圖。

第6圖是結晶成長界面形狀的一個例子。

第7圖是表示在實施例中所使用的單結晶提拉裝置中的成長速度與修正係數的關係之圖。

第8圖是表示在實施例1、2及比較例中所評價之在單結晶晶身40公分時的直徑偏差(標準偏差σ)之圖。

第9圖是表示在實施例1、2及比較例中所評價之在單結晶晶身40公分時的直徑偏差(標準偏差σ)之直條圖。

第10圖是表示在實施例3中，要算出修正的平均區間(L2-L1)與測力器的直徑算出誤差的關係之圖。

第11圖是表示實際直徑的平均直徑與藉由測力器所算出的直徑之相關圖的一個例子之圖。

1．．．吊線

2．．．晶種夾頭

3．．．晶種

4．．．單結晶

5．．．坩堝

6．．．融液

7．．．加熱器

8．．．絕熱構件

9．．．攝影機

10．．．測力器

11．．．單結晶提拉裝置

Claims (7)

1. 一種單結晶直徑的檢測方法，是用以檢測藉由切克勞斯基法所培育的單結晶的直徑之方法，其特徵在於：經由測力器及與該測力器同時使用之攝影機，各自檢測單結晶的直徑，並根據攝影機所檢出的直徑與藉由測力器所算出的直徑之差、及按照上述單結晶的成長速度所預先求得的修正係數α，來修正上述攝影機的檢出直徑，並且將藉由該修正所得到的值作為上述單結晶的直徑。
2. 如申請專利範圍第1項所述之單結晶直徑的檢測方法，其中上述修正，是將對上述攝影機所檢出的直徑與藉由測力器所算出的直徑之差，乘上或是加上上述修正係數α所得到的值，加進上述攝影機的檢出直徑來進行。
3. 如申請專利範圍第1項所述之單結晶直徑的檢測方法，其中上述單結晶直徑的檢測方法，是測定上述單結晶的晶身10公分以後的直徑。
4. 如申請專利範圍第2項所述之單結晶直徑的檢測方法，其中上述單結晶直徑的檢測方法，是測定上述單結晶的晶身10公分以後的直徑。
5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述之單結晶直徑的檢測方法，其中上述藉由測力器所算出的直徑，是根據 上述單結晶的晶身的平均區間內的單結晶重量所求得的直徑的平均，且上述平均區間的區域為10公分以上。
6. 一種單結晶直徑的檢測方法，是在上述單結晶的晶身10公分以後，至少進行1次如申請專利範圍第1至4項中任一項之直徑檢測。
7. 一種單結晶直徑的檢測方法，是在上述單結晶的晶身10公分以後，至少進行1次如申請專利範圍第5項之直徑檢測。