WO2010047039A1 - 単結晶直径の検出方法、及びこれを用いた単結晶の製造方法、並びに単結晶製造装置 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a method for detecting the diameter of a single crystal when a single crystal is pulled from a silicon melt contained in a crucible by the Czochralski method (CZ method), a method for producing a single crystal using the same, and
- the present invention relates to a single crystal manufacturing apparatus.
- single crystals by the CZ method have been improved in quality, such as defect-free crystals, and larger in size with a diameter of 300 mm or more.
- the single crystal diameter is too thick than the target due to errors in detection of the single crystal diameter, it will affect the cutting loss during finishing and waste a large amount of raw materials. become.
- a meniscus ring seen at the boundary between the crystal in the furnace and the melt surface is usually photographed using a TV camera fixed to the chamber window. Then, the maximum diameter (diameter) and position of the meniscus ring is measured from this captured image with an image processor, and the diameter value of the single crystal is determined based on the camera mounting angle, the lens used, the distance to the crystal, etc. Is calculated.
- this detection method changes the relative position of the camera and the crystal, such as when the camera is slightly displaced due to the resetting of the chamber after the batch is completed, or when the melt surface position during crystal pulling is different from the expected position. In such a case, an error has occurred in the calculation of the diameter value.
- the melt in the crucible is reduced by the amount of the single crystal, and the melt surface position is lowered. Therefore, the descending amount is calculated, and the crucible is raised by the vertical driving device of the crucible so that the melt surface position becomes the original position.
- the melt surface position may change because the calculated value does not match the actual descent amount.
- FIG. 7 when the melt surface gradually falls, even if the single crystal has the same diameter, the distance from the camera to the crystal is increased, and the captured image becomes smaller. The diameter is detected thinly, and an error occurs.
- the present invention relates to a detection method for improving the detection accuracy of a single crystal diameter, and a method for manufacturing a single crystal, which performs diameter control with high accuracy based on the detection result, and grows the single crystal with high yield and industrial stability. It aims at providing the manufacturing apparatus.
- the present invention is a method for detecting the diameter of a single crystal when pulling up a single crystal from a silicon melt contained in a crucible by the Czochralski method, and at least the single crystal Two units installed at opposite ends of the diameter of the single crystal at the growth point of the single crystal, which is the contact point between the single crystal and the melt surface, separated from each other by the same distance as the target diameter when forming the straight body portion
- the single crystal diameter detection method is characterized in that both ends of the growth point of the single crystal are photographed from outside the furnace using the above camera, and the diameter of the single crystal is detected from the photographed image.
- the diameter of the single crystal can be detected based on the target diameter of the single crystal. Therefore, the diameter of the single crystal can be detected without being affected by the detection error caused by the change in the relative position between the camera and the single crystal, which has occurred in the conventional detection method. Moreover, the detection accuracy of the diameter of a single crystal can be improved, and the yield of a single crystal can be improved.
- the diameter of the single crystal is the horizontal distance between one end of the single crystal growth point and the center of the captured image in the images captured by the two cameras, respectively. It is preferable to detect and sum the detected distances to obtain and detect a deviation amount of the diameter of the single crystal with respect to the target diameter of the single crystal.
- the amount of deviation of the diameter of the single crystal relative to the target diameter of the single crystal is obtained, and the diameter of the single crystal is detected, so that the diameter of the single crystal can be detected based on the target diameter of the single crystal. it can. Therefore, the magnitude relationship between the detected single crystal diameter and the target diameter of the single crystal can be accurately and quickly determined from the deviation amount of the single crystal diameter.
- the diameter of the single crystal can be detected.
- the diameter of the single crystal is detected using one or two cameras for detecting the cone portion diameter, and when forming the straight body portion of the single crystal, the diameter of the straight cylinder is detected.
- the diameter of the single crystal can be detected using the two cameras for detection. In this way, a single crystal with a large aperture can be used by measuring the diameter of the single crystal using different cameras when forming the cone portion and the straight body portion of the single crystal. Can be reliably detected with high accuracy.
- the diameter of the single crystal is detected by at least one of the methods described above, and the single crystal is pulled up and manufactured based on the detection result while controlling the diameter of the single crystal.
- a method for producing a single crystal is provided. As described above, according to the method for detecting a single crystal diameter of the present invention, the diameter of the single crystal can be accurately detected without being affected by the change in the relative position between the camera and the single crystal. In the present invention, since the diameter of the single crystal can be controlled with high accuracy based on the detection result, a single crystal having a stable diameter can be manufactured with a high yield.
- the single crystal production apparatus of the present invention is installed at the opposite ends of the single crystal diameter at the single crystal growth point, separated by the same distance as the target diameter at the time of forming the straight body of the single crystal.
- Two ends of the single crystal growth point are photographed using two cameras, the diameter of the single crystal is detected from the photographed image, and the diameter of the single crystal is controlled based on the detection result. Therefore, the diameter of the single crystal can be detected with reference to the target diameter of the single crystal, and even if the relative position between the camera and the single crystal changes, no error occurs and the single crystal It can be set as the apparatus which can detect a diameter accurately.
- the apparatus can be improved in production yield of the single crystal.
- the diameter of the single crystal is the horizontal distance between one end of the single crystal growth point and the center of the photographed image in the images photographed by the two cameras, respectively. It is preferable to detect and sum the detected distances to obtain and detect a deviation amount of the diameter of the single crystal with respect to the target diameter of the single crystal. Thereby, the diameter of the single crystal can be detected based on the target diameter when the straight body of the single crystal is formed. Therefore, it is possible to provide an apparatus capable of accurately and quickly discriminating the magnitude relationship between the detected single crystal diameter and the target diameter of the single crystal.
- the apparatus which can detect the diameter of a single crystal.
- the two cameras are installed for detecting a diameter of the straight body when forming the straight body portion of the single crystal, and in addition to the camera, the single crystal cone It is preferable that one or two cameras are installed for detecting the cone part diameter at the time of forming the part.
- the camera is installed according to the use for detecting the diameter of the cone of the single crystal and the diameter of the straight body, and compared with the case where the diameter of the single crystal is measured with one camera regardless of the use.
- a device capable of reliably detecting the diameter of a large-diameter single crystal can be obtained.
- the diameter of a single crystal can be detected with high accuracy. And based on this detection result, it is possible to control the diameter of a single crystal with high precision. Therefore, a single crystal having a stable diameter can be manufactured with a high yield.
- the present invention will be described more specifically.
- the meniscus ring seen at the boundary between the crystal and the melt surface is photographed with a single camera, and the diameter of the single crystal is detected from the image.
- the relative position between the camera and the single crystal was changed due to the position shift and the melt surface position change, resulting in an error in the detection of the single crystal diameter.
- the present inventors have two cameras that are installed at the opposite ends of the diameter of the single crystal at the growth point of the single crystal and facing each other at the same distance as the target diameter when the straight body of the single crystal is formed. Using this method, the diameter of the single crystal can be detected without being affected by the change in the relative position between the camera and the single crystal. An attempt was made to detect the diameter of a single crystal based on the target diameter at the time.
- each camera is placed at the same distance as the target diameter when the straight body of the single crystal is formed, and the camera is connected to the single crystal at the growth point of the single crystal. Were placed opposite to each other at both ends of the diameter. In other words, the two cameras are separated from each other by the target diameter of the single crystal so that the straight line connecting the respective cameras is parallel to both ends of the growth point of the single crystal on the silicon melt surface accommodated in the crucible. It will be installed. Using these cameras, both ends of the growth point of the single crystal were photographed from outside the furnace, and the diameter of the single crystal was detected from the image.
- FIG. 2 is a schematic view of the photographing range and camera image of the camera in the present invention.
- FIG. 3 is a schematic view of a camera image when the installation angle of the camera of the single crystal manufacturing apparatus of the present invention is changed.
- the center line on the images in FIGS. 2 and 3 is considered to be the same distance as both ends of the target diameter. It is done. Therefore, for example, as shown in FIG. 2, the diameter of the single crystal can be detected as target diameter + difference A + difference B. In this case, even if the setting angle of the camera is changed, as shown in FIG. The diameter of the single crystal is the target diameter + difference A + difference B, which is the same as before changing the camera setting angle.
- the diameter of the single crystal can be detected with reference to the target diameter of the single crystal, so the change in the vertical position can be ignored. all right.
- the distance between the two cameras is kept at the reference single crystal target diameter, if both ends of the growth point of the single crystal can be photographed within the photographing range of the camera, it will affect the detection of the single crystal diameter. I knew I wouldn't.
- the subject centered on the camera does not change the screen center position, and only the size of the image changes. Therefore, when the diameter is equal to the target diameter, the detection point exists on the center line of the camera image even if the position of the melt surface changes.
- the magnitude relationship between the detected diameter and the target diameter can be accurately determined, so the diameter of the single crystal can be determined accurately and quickly. It has also been found that it is possible to control and produce single crystals of stable diameter.
- FIG. 1 is a schematic view showing an example of a single crystal production apparatus of the present invention.
- the single crystal manufacturing apparatus 20 includes a hollow cylindrical chamber 1 and a crucible 5 is disposed at the center thereof.
- This crucible has a double structure, and is an inner holding container made of quartz having a bottomed cylindrical shape (hereinafter simply referred to as “quartz crucible 5a”) and a similarly bottomed fitting adapted to hold the outside of the quartz crucible 5a. It is composed of a cylindrical graphite outer holding container (“graphite crucible 5b”).
- crucibles 5 are fixed to the upper end portion of the support shaft 6 so that they can be rotated and moved up and down, and a resistance heating heater 8 is arranged substantially concentrically outside the crucible. Further, a heat insulating material 9 is concentrically arranged around the outside of the heater 8. And the silicon melt 2 which melt
- the central axis of the crucible 5 filled with the silicon melt 2 is a pull-up wire (or pull-up shaft that rotates at a predetermined speed in the reverse direction or the same direction on the same axis as the support shaft 6. And a seed crystal 4 is held at the lower end of the pulling shaft 7. A silicon single crystal 3 is formed on the lower end surface of the seed crystal 4.
- the single crystal manufacturing apparatus 20 includes a camera 11 for photographing a growth point of the single crystal that is a contact point between the single crystal 3 and the melt surface from outside the furnace, and a diameter control device 12 for controlling the diameter of the single crystal 3. It has.
- the diameter control device 12 outputs signals to the support shaft 6 and the pulling shaft 7 or the heater 8 according to the detection result of the diameter of the single crystal using the camera 11, and the crucible position, the crucible rising speed, the seed crystal.
- the diameter of the single crystal is controlled by controlling the position, pulling speed, heater power, etc.
- the single crystal manufacturing apparatus 20 has two cameras that are set to face each other at the same distance as the target diameter when the straight body part of the single crystal 3 is formed, and are opposed to each other at both ends of the single crystal diameter at the single crystal growth point.
- 11 is used to photograph both ends of the growth point of the single crystal, detect the diameter of the single crystal from the captured image, and control the diameter of the single crystal based on the detection result. Therefore, the diameter of the single crystal can be detected with reference to the target diameter of the single crystal 3, and even if the relative position between the camera 11 and the single crystal 3 changes, no error occurs. It can be set as the apparatus which can detect the diameter of a single crystal accurately. In addition, since the single crystal diameter can be accurately controlled based on the detection result of the single crystal diameter, the apparatus can be improved in the production yield of the single crystal.
- the single crystal has a diameter in the horizontal direction between one end of the growth point of the single crystal and the center of the photographed image in each of the images photographed by two cameras as shown in FIG.
- the apparatus which can detect the diameter of a single crystal.
- two cameras are installed as described above for detecting the diameter of the straight body when forming the straight body portion of the single crystal, and in addition to this, the cone portion when forming the single crystal cone portion is provided.
- One or two cameras can be installed for diameter detection.
- a camera is installed for each application for detecting the cone diameter of a single crystal and for detecting the diameter of a straight body, compared with the case of measuring the diameter of a single crystal with a single camera regardless of the application. Therefore, it is possible to install a camera with a narrow measurement field of view. Further, by using a camera with a narrow measurement field of view, measurement accuracy can be improved, and a device capable of reliably detecting the diameter of a large-diameter single crystal can be obtained.
- the diameter of the single crystal is detected as follows.
- images are obtained by photographing both ends of the growth point of the single crystal using two cameras on the left and right.
- the diameter of the single crystal is detected from the image.
- the two cameras on the left and right are located at positions separated by the target diameter, and are further installed on both ends of the growth point of the single crystal. It is something to shoot from. Therefore, the diameter of the single crystal can be detected based on the target diameter of the single crystal. Therefore, the diameter of the single crystal can be detected without being affected by the detection error caused by the change in the relative position between the camera and the single crystal, which has occurred in the conventional detection method. And the yield of single crystals can be improved.
- the diameter of the single crystal can be detected.
- one or two cameras for detecting the cone part diameter are used to detect the diameter of the single crystal, and when forming a single crystal straight cylinder part, The diameter of the single crystal can also be detected using two cameras. In this way, at the time of forming the cone portion and the straight body portion of the single crystal, by measuring the diameter of the single crystal using a different camera, even when measured using a camera with a narrow measurement field of view, The diameter of a single crystal having a large diameter can be detected with high accuracy.
- the diameter of a single crystal can be detected accurately. Based on the detection result, the single crystal is pulled up while controlling the diameter of the single crystal, whereby the diameter is controlled with high accuracy and a single crystal having a stable diameter can be manufactured with a high yield.
- Example 2 A silicon raw material was filled in a crucible using a single crystal manufacturing apparatus as shown in FIG. 1, and the silicon raw material was melted with a heater to obtain a silicon melt. Then, as shown in FIG. 2, the single crystal diameter was detected using two cameras, and a silicon single crystal having a diameter of 203 mm was pulled up and manufactured based on the detection result while controlling the single crystal diameter. Thereafter, the diameter of the produced single crystal was measured outside the furnace.
- FIG. 5 shows the actual diameter of the single crystal and the detection result.
- the diameter is the length direction of the straight body portion. It turns out that it became a taper-like crystal gradually becoming thicker. Further, the actual single crystal diameter had an error of 2 mm or more. This is considered to be caused by a measurement error due to a change in the melt surface position.
- the diameter of the single crystal can be detected almost in agreement with the actual diameter from the beginning to the end of the straight body of the single crystal, and the diameter of the single crystal is stable with accuracy within 1 mm from the desired diameter.
- the single crystal diameter detection error is 2 mm or more, and it can be seen that a crystal having a desired diameter cannot be obtained.
- the diameter of the single crystal can be detected with high accuracy.
- the diameter of the single crystal is accurately detected, and the single crystal is pulled up while controlling the diameter of the single crystal based on the detection result. Therefore, the diameter of the single crystal can be controlled with high accuracy. As a result, a single crystal can be manufactured with a high yield.
Abstract
本発明は、チョクラルスキー法により、ルツボ内に収容したシリコン融液から単結晶を引き上げる際に、単結晶の直径を検出する方法であって、少なくとも、前記単結晶の直胴部形成時における目標直径と同じ距離だけ離れ、前記単結晶と融液面との接点である単結晶の成長点における前記単結晶の直径の両端に、それぞれ正対して設置した２台のカメラを用いて、前記単結晶の成長点の両端をそれぞれ炉外から撮影し、該撮影した画像から前記単結晶の直径を検出することを特徴とする単結晶直径の検出方法である。これによって、単結晶直径の検出精度を向上させる検出方法、及びその検出結果に基づいて精度良く直径制御を行い、単結晶を歩留まり良く、工業的に安定して育成する単結晶の製造方法及びその製造装置が提供される。
Description
本発明は、チョクラルスキー法（ＣＺ法）により、ルツボ内に収容したシリコン融液から単結晶を引き上げる際に、単結晶の直径を検出する方法及びこれを用いた単結晶の製造方法、並びに単結晶製造装置に関するものである。
近年のＣＺ法による単結晶は無欠陥結晶など高品質化、直径３００ｍｍ以上の大型化が進んできている。特に、大直径の単結晶の製造においては、単結晶直径の検出の誤差により、単結晶直径が目標よりも太すぎると、仕上げ加工時の切削ロスとして影響し、原料を大量に無駄にすることになる。
従来の単結晶直径の検出方法では、通常、チャンバー窓に固定されたＴＶカメラを用いて、炉内の結晶と融液面との境界に見られるメニスカスリングを撮影している。そして、この撮影した映像から画像処理装置でメニスカスリングの最大径（直径）や位置を測定し、カメラの取付け角度、使用しているレンズ、結晶までの距離などを基に、単結晶の直径値を算出している。
しかし、この検出方法は、バッチ終了後のチャンバーの再セットによるカメラのわずかな位置ずれ、結晶引上中の融液面位置が予想位置と違った場合など、カメラと結晶の相対位置が変化するような場合には、直径値の算出に誤差が発生していた。
例えば、単結晶引上中はルツボ内の融液は単結晶となった分だけ減少し、融液面位置は降下する。そのため、降下量を計算してルツボの上下方向の駆動装置により、融液面位置を元の位置となるようにルツボを上昇させている。しかし、計算値が実際の降下量と合わずに融液面位置が変化することがある。そして、図７のように、融液面が徐々に降下する場合には、単結晶は同一直径であってもカメラから結晶までの距離が遠くなり、撮影される像が小さくなり、その結果、直径は細く検出されて誤差が生じてしまう。
また、このように融液面位置によって単結晶直径の検出誤差が発生すると、製造された単結晶の直径にバラツキが生じていた。すなわち、融液面の位置が所望位置になければ、育成結晶の直径が引上げ中に変化して、下太りや下細りとなってしまう。下太りしている結晶と下細りしている結晶とでは、結晶長さに対する熱環境が異なり、品質のバラツキにつながっていた。そこで、結晶の直径を安定させるために初期融液面位置を求める方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。
しかし、この方法によっても、単結晶の直径のバラツキを解消することは困難であり、設定直径として、バラツキを見込んだ太い設定になっている。そして、これによって歩留まりを低下させる問題が生じていた。
本発明は、単結晶直径の検出精度を向上させる検出方法、及びその検出結果に基づいて精度良く直径制御を行い、単結晶を歩留まり良く、工業的に安定して育成する単結晶の製造方法及びその製造装置を提供することを目的としている。
上記課題を解決するため、本発明は、チョクラルスキー法により、ルツボ内に収容したシリコン融液から単結晶を引き上げる際に、単結晶の直径を検出する方法であって、少なくとも、前記単結晶の直胴部形成時における目標直径と同じ距離だけ離れ、前記単結晶と融液面との接点である単結晶の成長点における前記単結晶の直径の両端に、それぞれ正対して設置した２台のカメラを用いて、前記単結晶の成長点の両端をそれぞれ炉外から撮影し、該撮影した画像から前記単結晶の直径を検出することを特徴とする単結晶直径の検出方法を提供する。
このように、単結晶の直胴部形成時における目標直径と同じ距離だけ離れ、単結晶の成長点における単結晶の直径の両端に、それぞれ正対して設置した２台のカメラを用いて、単結晶の成長点の両端をそれぞれ炉外から撮影し、撮影した画像から単結晶の直径を検出することで、単結晶の目標直径を基準にして、単結晶の直径を検出することができる。そのため、従来の検出方法で生じていたカメラと単結晶との相対位置の変化に伴う検出誤差の影響を受けずに、単結晶の直径を検出することができる。また、単結晶の直径の検出精度を向上することができ、単結晶の歩留まりを向上することができる。
また、本発明の検出方法では、前記単結晶の直径は、前記２台のカメラでそれぞれ撮影した画像における前記単結晶の成長点の一端と前記撮影した画像の中心との水平方向の距離をそれぞれ検出し、該検出した距離を合計して、前記単結晶の目標直径に対する前記単結晶の直径のずれ量を求めて検出することが好ましい。
このように、単結晶の目標直径に対する単結晶の直径のずれ量を求めて、単結晶の直径を検出することで、単結晶の目標直径を基準にして、単結晶の直径を検出することができる。そのため、単結晶の直径のずれ量から、検出した単結晶直径と単結晶の目標直径との大小関係が正確かつ迅速に判別することができる。また、画像における水平方向の距離から、単結晶の直径のずれ量を求めることで、カメラと単結晶との相対位置の鉛直方向の変化に伴う検出誤差の影響を受けることがなく、高精度に単結晶の直径を検出することができる。
このように、単結晶の目標直径に対する単結晶の直径のずれ量を求めて、単結晶の直径を検出することで、単結晶の目標直径を基準にして、単結晶の直径を検出することができる。そのため、単結晶の直径のずれ量から、検出した単結晶直径と単結晶の目標直径との大小関係が正確かつ迅速に判別することができる。また、画像における水平方向の距離から、単結晶の直径のずれ量を求めることで、カメラと単結晶との相対位置の鉛直方向の変化に伴う検出誤差の影響を受けることがなく、高精度に単結晶の直径を検出することができる。
また、前記単結晶のコーン部形成時には、コーン部直径検出用の１台または２台のカメラを用いて、前記単結晶の直径を検出し、前記単結晶の直胴部形成時には、直胴直径検出用の前記２台のカメラを用いて、前記単結晶の直径の検出を行うことができる。
このように、単結晶のコーン部形成時と直胴部形成時において、異なるカメラを用いて単結晶の直径を測定することで、測定視野の狭いカメラを用いることができ、大口径の単結晶の直径を確実に精度良く検出することができる。
このように、単結晶のコーン部形成時と直胴部形成時において、異なるカメラを用いて単結晶の直径を測定することで、測定視野の狭いカメラを用いることができ、大口径の単結晶の直径を確実に精度良く検出することができる。
また、少なくとも、上記のいずれかに記載の方法により単結晶の直径を検出し、該検出結果に基づいて、前記単結晶の直径を制御しつつ、単結晶を引き上げて製造することを特徴とする単結晶の製造方法を提供する。
前述のように、本発明の単結晶直径の検出方法によれば、単結晶の直径をカメラと単結晶との相対位置の変化の影響を受けることがなく、精度良く検出することができる。そして、本発明では、この検出結果に基づいて、高精度に単結晶の直径を制御することができるため、直径の安定した単結晶を歩留まり良く製造することができる。
前述のように、本発明の単結晶直径の検出方法によれば、単結晶の直径をカメラと単結晶との相対位置の変化の影響を受けることがなく、精度良く検出することができる。そして、本発明では、この検出結果に基づいて、高精度に単結晶の直径を制御することができるため、直径の安定した単結晶を歩留まり良く製造することができる。
さらに、本発明は、チョクラルスキー法により、ルツボ内に収容したシリコン融液から単結晶を引き上げてシリコン単結晶を製造する単結晶製造装置であって、少なくとも、前記シリコン融液を収容するルツボと、前記単結晶と融液面との接点である単結晶の成長点を炉外から撮影するカメラと、前記単結晶の直径を制御する直径制御装置とを備え、前記カメラが前記単結晶の直胴部形成時における目標直径と同じ距離だけ離れ、前記単結晶の成長点における前記単結晶の直径の両端に、それぞれ正対して２台設置されたものであり、該２台のカメラを用いて、前記単結晶の成長点の両端を撮影した画像から、前記単結晶の直径を検出し、該検出結果に基づいて、前記直径制御装置によって前記単結晶の直径を制御するものであることを特徴とする単結晶製造装置を提供する。
このように、本発明の単結晶製造装置は、単結晶の直胴部形成時における目標直径と同じ距離だけ離れ、単結晶の成長点における単結晶の直径の両端に、それぞれ正対して設置された２台のカメラを用いて、単結晶の成長点の両端を撮影し、撮影した画像から単結晶の直径を検出し、この検出結果に基づいて、単結晶の直径を制御するものである。そのため、単結晶の目標直径を基準にして、単結晶の直径を検出することができ、カメラと単結晶との相対位置が変化した場合であっても、誤差が生じることがなく、単結晶の直径を精度良く検出することができる装置とすることができる。また、単結晶直径の検出結果に基づき、精度良く単結晶直径を制御することができるため、単結晶の製造歩留まりが向上した装置とすることができる。
また、本発明の製造装置では、前記単結晶の直径は、前記２台のカメラでそれぞれ撮影した画像における前記単結晶の成長点の一端と前記撮影した画像の中心との水平方向の距離をそれぞれ検出し、該検出した距離を合計して、前記単結晶の目標直径に対する前記単結晶の直径のずれ量を求めて検出するものであることが好ましい。
これにより、単結晶の直胴部形成時における目標直径を基準にして、単結晶の直径を検出することができる。そのため、検出した単結晶直径と単結晶の目標直径との大小関係が正確かつ迅速に判別可能な装置とすることができる。また、画像における水平方向の距離から、単結晶の直径のずれ量を求めることで、カメラと単結晶との相対位置の鉛直方向の変化に伴う検出誤差の影響を受けることがなく、高精度に単結晶の直径を検出することができる装置とすることができる。
これにより、単結晶の直胴部形成時における目標直径を基準にして、単結晶の直径を検出することができる。そのため、検出した単結晶直径と単結晶の目標直径との大小関係が正確かつ迅速に判別可能な装置とすることができる。また、画像における水平方向の距離から、単結晶の直径のずれ量を求めることで、カメラと単結晶との相対位置の鉛直方向の変化に伴う検出誤差の影響を受けることがなく、高精度に単結晶の直径を検出することができる装置とすることができる。
また、本発明の製造装置では、前記２台のカメラは、前記単結晶の直胴部形成時の直胴直径検出用に設置されたものであり、該カメラの他に、前記単結晶のコーン部形成時のコーン部直径検出用に１台または２台のカメラが設置されたものであることが好ましい。
このように、単結晶のコーン部直径検出用と直胴直径検出用として、用途別にカメラが設置されていることで、用途に関係なく１台のカメラで単結晶の直径を測定する場合と比較して、測定視野の狭いカメラを設置することが可能である。また、測定視野の狭いカメラを用いることができることで、大口径の単結晶の直径を確実に精度良く検出することができる装置とすることができる。
このように、単結晶のコーン部直径検出用と直胴直径検出用として、用途別にカメラが設置されていることで、用途に関係なく１台のカメラで単結晶の直径を測定する場合と比較して、測定視野の狭いカメラを設置することが可能である。また、測定視野の狭いカメラを用いることができることで、大口径の単結晶の直径を確実に精度良く検出することができる装置とすることができる。
以上説明したように、本発明の単結晶直径の検出方法によれば、単結晶の直径を精度良く検出することができる。そして、この検出結果に基づいて、高精度に単結晶の直径を制御することが可能である。そのため、直径が安定した単結晶を歩留まり良く製造することができる。
以下、本発明についてより具体的に説明する。
前述のように、従来は、１台のカメラで結晶と融液面との境界に見られるメニスカスリングを撮影して、その画像から単結晶の直径を検出していたが、この方法では、カメラの位置ずれや融液面位置の変化により、カメラと単結晶との相対位置が変化して、単結晶直径の検出に誤差が生じていた。
前述のように、従来は、１台のカメラで結晶と融液面との境界に見られるメニスカスリングを撮影して、その画像から単結晶の直径を検出していたが、この方法では、カメラの位置ずれや融液面位置の変化により、カメラと単結晶との相対位置が変化して、単結晶直径の検出に誤差が生じていた。
そこで、本発明者らは、単結晶の直胴部形成時における目標直径と同じ距離だけ離れ、単結晶の成長点における単結晶の直径の両端に、それぞれ正対して設置した２台のカメラを用いて、単結晶の直径を検出することで、カメラと単結晶との相対位置の変化による影響を受けずに単結晶の直径を検出することができることに想到し、単結晶の直胴部形成時における目標直径を基準にして、単結晶の直径を検出することを試みた。
具体的には、カメラを２台使用して、それぞれのカメラを単結晶の直胴部形成時における目標直径と同じ距離を離して設置し、さらに、そのカメラを単結晶の成長点における単結晶の直径の両端に、それぞれ正対して設置した。すなわち、２台のカメラは単結晶の目標直径分だけ離れた位置に、それぞれのカメラを結ぶ直線とルツボ内に収容したシリコン融液面における単結晶の成長点の両端とが平行となるように設置されたことになる。そして、これらのカメラを用いて、単結晶の成長点の両端をそれぞれ炉外から撮影し、その画像から単結晶の直径を検出した。
その結果、検出した単結晶の直径は、実際の単結晶の直径に一致することがわかった。
続いて、同一直径の単結晶を用いて、カメラの設置角度を変更して、単結晶の直径を検出したところ、実際の単結晶の直径と一致することがわかった。
ここで、図２は本発明におけるカメラの撮影範囲およびカメラ画像の概略図である。また、図３は本発明の単結晶製造装置のカメラの設置角度を変更した場合におけるカメラ画像の概略図である。
続いて、同一直径の単結晶を用いて、カメラの設置角度を変更して、単結晶の直径を検出したところ、実際の単結晶の直径と一致することがわかった。
ここで、図２は本発明におけるカメラの撮影範囲およびカメラ画像の概略図である。また、図３は本発明の単結晶製造装置のカメラの設置角度を変更した場合におけるカメラ画像の概略図である。
このとき、２台のカメラを目標直径と同じ距離だけ離れた位置に設置しているため、図２および図３の画像上の中心線は、目標直径の両端と同じ距離だけ離れていると考えられる。そこで、例えば、図２に示すように、単結晶の直径が目標直径＋差分Ａ＋差分Ｂと検出することができ、この場合にカメラの設定角度を変更しても、図３に示すように、単結晶の直径は目標直径＋差分Ａ＋差分Ｂとなり、カメラの設定角度を変更する前と同じになる。
このことより、画像における水平方向の距離を検出することで、単結晶の目標直径を基準として、単結晶の直径を検出することができるため、鉛直方向の位置の変化は無視することができることがわかった。
また、２台のカメラの距離が基準となる単結晶の目標直径に保たれていることで、カメラの撮影範囲内に単結晶の成長点の両端が撮影できれば、単結晶直径の検出には影響しないこともわかった。
また、２台のカメラの距離が基準となる単結晶の目標直径に保たれていることで、カメラの撮影範囲内に単結晶の成長点の両端が撮影できれば、単結晶直径の検出には影響しないこともわかった。
さらに、２台のカメラで撮影された画像の中心線上に単結晶の成長点の両端が存在する場合、すなわち、単結晶の直径が目標直径と一致している場合について、融液面を降下させ、カメラと単結晶との相対位置を変更して、単結晶の直径を検出した。このときのカメラで撮影した画像の概略図を図４に示す。
カメラと単結晶との相対位置を変更したことで、図４に示すように、単結晶は小さく見えるが、単結晶の成長点の両端は、常に画像の中心線上に存在することがわかった。そのため、カメラと単結晶との相対位置の変化の影響を受けることなく、単結晶直径を検出することができることがわかった。すなわち、被写体とカメラの相対位置の変化で、カメラから被写体の距離が変化する場合、カメラに写る被写体は、画面中心位置は変化せず、像の大きさのみが変化する。したがって、直径が目標直径通りの場合、融液面の位置が変化しても、検出点はカメラの画像の中心線上に存在することになる。
カメラと単結晶との相対位置を変更したことで、図４に示すように、単結晶は小さく見えるが、単結晶の成長点の両端は、常に画像の中心線上に存在することがわかった。そのため、カメラと単結晶との相対位置の変化の影響を受けることなく、単結晶直径を検出することができることがわかった。すなわち、被写体とカメラの相対位置の変化で、カメラから被写体の距離が変化する場合、カメラに写る被写体は、画面中心位置は変化せず、像の大きさのみが変化する。したがって、直径が目標直径通りの場合、融液面の位置が変化しても、検出点はカメラの画像の中心線上に存在することになる。
このように、単結晶の目標直径を基準として、単結晶の直径を検出することで、検出した直径と目標直径との大小関係が正確に判別できるため、精度良くかつ迅速に単結晶の直径を制御して、安定した直径の単結晶を製造することができることもわかった。
本発明は、上記の発見に基づいて完成されたものであり、以下、本発明について図面を参照しながらさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
図１は本発明の単結晶の製造装置の一例を示す概略図である。
図１は本発明の単結晶の製造装置の一例を示す概略図である。
この単結晶製造装置２０は、中空円筒状のチャンバー１を具備し、その中心部にルツボ５が配設されている。このルツボは二重構造であり、有底円筒状をなす石英製の内側保持容器（以下、単に「石英ルツボ５ａ」という）と、その石英ルツボ５ａの外側を保持すべく適合された同じく有底円筒状の黒鉛製の外側保持容器（「黒鉛ルツボ５ｂ」）とから構成されている。
これらのルツボ５は、回転および昇降が可能になるように支持軸６の上端部に固定されていて、ルツボの外側には抵抗加熱式ヒーター８が概ね同心円状に配設されている。さらに、ヒーター８の外側周辺には断熱材９が同心円状に配設されている。そして、ヒーター８により、シリコン原料を溶融したシリコン融液２がルツボ内に収容されている。
シリコン融液２を充填したルツボ５の中心軸には、支持軸６と同一軸上で逆方向または同方向に所定の速度で回転する引上ワイヤー（または引上シャフト、以下両者を合わせて「引上軸７」という）が配設され、引上軸７の下端には種結晶４が保持されている。そして、種結晶４の下端面にはシリコン単結晶３が形成される。
さらに、単結晶製造装置２０は、単結晶３と融液面との接点である単結晶の成長点を炉外から撮影するカメラ１１と、単結晶３の直径を制御する直径制御装置１２とを具備する。
この直径制御装置１２は、カメラ１１を用いた単結晶の直径の検出結果に応じて、支持軸６および引上軸７あるいはヒーター８に信号を出力して、ルツボ位置、ルツボ上昇速度、種結晶位置、引上速度、あるいはヒーターパワー等を制御することで、単結晶の直径を制御する。
単結晶製造装置２０は、単結晶３の直胴部形成時における目標直径と同じ距離だけ離れ、単結晶の成長点における単結晶の直径の両端に、それぞれ正対して設置された２台のカメラ１１を用いて、単結晶の成長点の両端を撮影し、撮影した画像から単結晶の直径を検出し、この検出結果に基づいて、単結晶の直径を制御するものである。そのため、単結晶３の目標直径を基準にして、単結晶の直径を検出することができ、カメラ１１と単結晶３との相対位置が変化した場合であっても、誤差が生じることがなく、単結晶の直径を精度良く検出することができる装置とすることができる。また、単結晶直径の検出結果に基づき、精度良く単結晶直径を制御することができるため、単結晶の製造歩留まりを向上した装置とすることができる。
この場合、上記製造装置は、単結晶の直径は、図２に示すように、２台のカメラで撮影したそれぞれの画像において、単結晶の成長点の一端と撮影した画像の中心との水平方向の距離（図２中の差分Ａ、Ｂ）をそれぞれ検出し、その距離を合計して、単結晶の目標直径に対する単結晶の直径のずれ量を求めて検出するものであることが好ましい。
これにより、図２に示すように、単結晶の直胴部形成時における目標直径を基準にして、単結晶の直径＝目標直径＋差分Ａ＋差分Ｂとして、検出することができる。そのため、検出した単結晶直径と単結晶の目標直径との大小関係が正確かつ迅速に判別可能な装置とすることができる。また、画像における水平方向の距離から、単結晶の直径のずれ量を求めることで、カメラと単結晶との相対位置の鉛直方向の変化に伴う検出誤差の影響を受けることがなく、高精度に単結晶の直径を検出することができる装置とすることができる。
これにより、図２に示すように、単結晶の直胴部形成時における目標直径を基準にして、単結晶の直径＝目標直径＋差分Ａ＋差分Ｂとして、検出することができる。そのため、検出した単結晶直径と単結晶の目標直径との大小関係が正確かつ迅速に判別可能な装置とすることができる。また、画像における水平方向の距離から、単結晶の直径のずれ量を求めることで、カメラと単結晶との相対位置の鉛直方向の変化に伴う検出誤差の影響を受けることがなく、高精度に単結晶の直径を検出することができる装置とすることができる。
また、上記製造装置では、単結晶の直胴部形成時の直胴直径検出用に上記のように２台のカメラを設置し、さらに、これとは別に単結晶のコーン部形成時のコーン部直径検出用に１台または２台のカメラを設置することもできる。
このように、単結晶のコーン部直径検出用と直胴直径検出用として、用途別にカメラが設置されることで、用途に関係なく１台のカメラで単結晶の直径を測定する場合と比較して、測定視野の狭いカメラを設置することが可能である。また、測定視野の狭いカメラを用いることで、測定精度を向上させることができ、大口径の単結晶の直径を確実に精度良く検出することができる装置とすることができる。
このように、単結晶のコーン部直径検出用と直胴直径検出用として、用途別にカメラが設置されることで、用途に関係なく１台のカメラで単結晶の直径を測定する場合と比較して、測定視野の狭いカメラを設置することが可能である。また、測定視野の狭いカメラを用いることで、測定精度を向上させることができ、大口径の単結晶の直径を確実に精度良く検出することができる装置とすることができる。
本発明では、例えばこのような単結晶の製造装置を用いて、ＣＺ法によりルツボ内の融液からシリコン単結晶を引上げる際に、次のように、単結晶の直径を検出する。
まず、図２に示すように、左右の２台のカメラを用いて、単結晶の成長点の両端をそれぞれ撮影して画像を得る。次に、その画像から、単結晶の直径を検出する。
このとき、図２に示すように、左右の２台のカメラは、目標直径分だけ離れた位置にあり、さらに単結晶の成長点の両端にそれぞれ正対して設置したものを用いて、炉外から撮影するものである。そのため、単結晶の目標直径を基準にして、単結晶の直径を検出することができる。従って、従来の検出方法で生じていたカメラと単結晶との相対位置の変化に伴う検出誤差の影響を受けることがなく、単結晶の直径を検出することができ、単結晶の直径の検出精度が向上して、また、単結晶の歩留まりを向上させることができる。
このとき、図２に示すように、左右の２台のカメラは、目標直径分だけ離れた位置にあり、さらに単結晶の成長点の両端にそれぞれ正対して設置したものを用いて、炉外から撮影するものである。そのため、単結晶の目標直径を基準にして、単結晶の直径を検出することができる。従って、従来の検出方法で生じていたカメラと単結晶との相対位置の変化に伴う検出誤差の影響を受けることがなく、単結晶の直径を検出することができ、単結晶の直径の検出精度が向上して、また、単結晶の歩留まりを向上させることができる。
また、このとき、単結晶の直径は、図２に示すように、２台のカメラで撮影したそれぞれの画像において、単結晶の成長点の一端と撮影した画像の中心との水平方向の距離（図２中の差分Ａ、Ｂ）をそれぞれ検出し、その距離を合計して、単結晶の目標直径に対する単結晶の直径のずれ量を求めて検出することが好ましい。
これにより、図２に示すように、単結晶の直胴部形成時における目標直径を基準にして、単結晶の直径＝目標直径＋差分Ａ＋差分Ｂとして、検出することができる。そのため、検出した単結晶直径と単結晶の目標直径との大小関係を正確かつ迅速に判別することができる。また、画像における水平方向の距離から、単結晶の直径のずれ量を求めることで、カメラと単結晶との相対位置の鉛直方向の変化に伴う検出誤差の影響を受けることがなく、高精度に単結晶の直径を検出することができる。
これにより、図２に示すように、単結晶の直胴部形成時における目標直径を基準にして、単結晶の直径＝目標直径＋差分Ａ＋差分Ｂとして、検出することができる。そのため、検出した単結晶直径と単結晶の目標直径との大小関係を正確かつ迅速に判別することができる。また、画像における水平方向の距離から、単結晶の直径のずれ量を求めることで、カメラと単結晶との相対位置の鉛直方向の変化に伴う検出誤差の影響を受けることがなく、高精度に単結晶の直径を検出することができる。
また、単結晶のコーン部形成時には、コーン部直径検出用の１台または２台のカメラを用いて、単結晶の直径を検出し、単結晶の直胴部形成時には、直胴直径検出用の２台のカメラを用いて、単結晶の直径の検出を行うこともできる。
このように、単結晶のコーン部形成時と直胴部形成時において、異なるカメラを用いて単結晶の直径を測定することで、測定視野の狭いカメラを用いて測定した場合であっても、大口径の単結晶の直径を精度良く検出することができる。
このように、単結晶のコーン部形成時と直胴部形成時において、異なるカメラを用いて単結晶の直径を測定することで、測定視野の狭いカメラを用いて測定した場合であっても、大口径の単結晶の直径を精度良く検出することができる。
そして、このように単結晶の直径を検出することで、単結晶の直径を精度良く検出することができる。そして、この検出結果に基づいて、単結晶の直径を制御しつつ、単結晶を引き上げることで、高精度に直径が制御され、安定した直径の単結晶を歩留まり良く製造することができる。
次に本発明の実施例、比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例）
図１に示すような単結晶製造装置を用いて、ルツボ内にシリコン原料を充填し、そのシリコン原料をヒーターで溶解して、シリコン融液とした。そして、図２に示すように２台のカメラを使用して単結晶直径を検出し、その検出結果に基づいて、単結晶直径を制御しつつ、直径２０３ｍｍのシリコン単結晶を引上げて製造した。その後、製造した単結晶の直径を炉外に出して実際に測定した。ここで、図５に単結晶の実直径と検出結果を示す。
（実施例）
図１に示すような単結晶製造装置を用いて、ルツボ内にシリコン原料を充填し、そのシリコン原料をヒーターで溶解して、シリコン融液とした。そして、図２に示すように２台のカメラを使用して単結晶直径を検出し、その検出結果に基づいて、単結晶直径を制御しつつ、直径２０３ｍｍのシリコン単結晶を引上げて製造した。その後、製造した単結晶の直径を炉外に出して実際に測定した。ここで、図５に単結晶の実直径と検出結果を示す。
図５より、単結晶の引上げ時における単結晶直径の検出結果と実際の単結晶直径とは、ほぼ同じになり、また、単結晶直径も１ｍｍ以内の精度で安定して制御することができたことがわかる。
（比較例）
実施例の単結晶の引上げ時において、直径制御用の２台のカメラとは別に従来の単結晶直径の検出方法のように１台のカメラを使用して、結晶と融液面との境界に見られるメニスカスリングを撮影し、その画像から単結晶の直径を検出した。ここで、図６に単結晶の実直径と検出結果を示す。
実施例の単結晶の引上げ時において、直径制御用の２台のカメラとは別に従来の単結晶直径の検出方法のように１台のカメラを使用して、結晶と融液面との境界に見られるメニスカスリングを撮影し、その画像から単結晶の直径を検出した。ここで、図６に単結晶の実直径と検出結果を示す。
図６より、単結晶直径の検出結果は、引き上げが進むほど細く検出しているため、仮にこの検出結果に基づいて、単結晶直径を制御した場合には、直径が直胴部の長さ方向で徐々に太くなる、テーパー状の結晶になっていたことがわかる。また、実際の単結晶直径とは、２ｍｍ以上の誤差があった。これは融液面位置の変化による測定誤差が原因と考えられる。
以上より、実施例では、単結晶の直胴部の始めから終わりまで、ほぼ実直径と一致して単結晶の直径を検出することができ、所望直径に対し１ｍｍ以内の精度で安定した直径の結晶を得ることができたが、比較例では、単結晶直径の検出誤差が２ｍｍ以上あり、所望直径の結晶を得ることができないことがわかる。
このように、本発明の単結晶直径の検出方法によれば、単結晶の直径を精度良く検出することができる。そして、本発明の単結晶の製造方法及び単結晶製造装置によれば、精度良く単結晶の直径を検出し、その検出結果に基づいて、単結晶の直径を制御しつつ、単結晶を引き上げることができるため、高精度に単結晶の直径を制御することができる。その結果、単結晶を歩留まり良く製造することができる。
尚、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
Claims (7)
- チョクラルスキー法により、ルツボ内に収容したシリコン融液から単結晶を引き上げる際に、単結晶の直径を検出する方法であって、少なくとも、前記単結晶の直胴部形成時における目標直径と同じ距離だけ離れ、前記単結晶と融液面との接点である単結晶の成長点における前記単結晶の直径の両端に、それぞれ正対して設置した２台のカメラを用いて、前記単結晶の成長点の両端をそれぞれ炉外から撮影し、該撮影した画像から前記単結晶の直径を検出することを特徴とする単結晶直径の検出方法。
- 前記単結晶の直径は、前記２台のカメラでそれぞれ撮影した画像における前記単結晶の成長点の一端と前記撮影した画像の中心との水平方向の距離をそれぞれ検出し、該検出した距離を合計して、前記単結晶の目標直径に対する前記単結晶の直径のずれ量を求めて検出することを特徴とする請求項１に記載の単結晶直径の検出方法。
- 前記単結晶のコーン部形成時には、コーン部直径検出用の１台または２台のカメラを用いて、前記単結晶の直径を検出し、前記単結晶の直胴部形成時には、直胴直径検出用の前記２台のカメラを用いて、前記単結晶の直径の検出を行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の単結晶直径の検出方法。
- 少なくとも、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の方法により単結晶の直径を検出し、該検出結果に基づいて、前記単結晶の直径を制御しつつ、単結晶を引き上げて製造することを特徴とする単結晶の製造方法。
- チョクラルスキー法により、ルツボ内に収容したシリコン融液から単結晶を引き上げてシリコン単結晶を製造する単結晶製造装置であって、少なくとも、前記シリコン融液を収容するルツボと、前記単結晶と融液面との接点である単結晶の成長点を炉外から撮影するカメラと、前記単結晶の直径を制御する直径制御装置とを備え、前記カメラが前記単結晶の直胴部形成時における目標直径と同じ距離だけ離れ、前記単結晶の成長点における前記単結晶の直径の両端に、それぞれ正対して２台設置されたものであり、該２台のカメラを用いて、前記単結晶の成長点の両端を撮影した画像から、前記単結晶の直径を検出し、該検出結果に基づいて、前記直径制御装置によって前記単結晶の直径を制御するものであることを特徴とする単結晶製造装置。
- 前記単結晶の直径は、前記２台のカメラでそれぞれ撮影した画像における前記単結晶の成長点の一端と前記撮影した画像の中心との水平方向の距離をそれぞれ検出し、該検出した距離を合計して、前記単結晶の目標直径に対する前記単結晶の直径のずれ量を求めて検出するものであることを特徴とする請求項５に記載の単結晶製造装置。
- 前記２台のカメラは、前記単結晶の直胴部形成時の直胴直径検出用に設置されたものであり、該カメラの他に、前記単結晶のコーン部形成時のコーン部直径検出用に１台または２台のカメラが設置されたものであることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の単結晶製造装置。
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