(57)【要約】【課題】ＦＺ法の種絞り工程から結晶径を拡大するコーン部形成工程初期における半導体単結晶の晶出界面の測量方法、測量システム、制御方法、制御システムを提供する。【解決手段】半導体単結晶を製造するＦＺ法の種絞り工程から結晶径を拡大するコーン部２４形成工程初期において加熱コイル２８の内部で晶出される前記半導体単結晶の晶出界面２２の直径を、前記晶出界面２２と異なる高さ位置に配置された第１カメラ１２と、前記第１カメラ１２と同一の高さ位置に配置され前記第１カメラ１２と平行な光軸を有する第２カメラ１４との前記晶出界面２２に対する視差を利用した三角測量演算処理を介して測量する。【選択図】図１
2010076979.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体単結晶を製造するＦＺ法の種絞り工程から結晶径を拡大するコーン部形成工程初期において加熱コイルの内部で晶出される前記半導体単結晶の晶出界面の直径を、
前記晶出界面と異なる高さ位置に配置された第１カメラと、前記第１カメラと同一の高さ位置に配置され前記第１カメラと平行な光軸を有する第２カメラとの前記晶出界面に対する視差を利用した三角測量演算処理を介して測量することを特徴とするＦＺ法半導体結晶製造時の測量方法。
【請求項２】
前記第２カメラは、前記第１カメラを光軸方向を一定に保ったまま前記第２カメラを設けた位置に平行移動したものであることを特徴とする請求項１に記載のＦＺ法半導体単結晶製造時の測量方法。
【請求項３】
前記三角測量演算処理において、前記直径を測量するとともに、前記晶出界面の高さ位置を測量することを特徴とする請求項１または２に記載のＦＺ法半導体結晶製造時の測量方法。
【請求項４】
請求項３に記載のＦＺ法半導体単結晶製造時の半導体結晶の測量方法を用いて、前記晶出界面の直径及び高さ位置を測量するとともに、前記加熱コイルにより溶融加熱された前記半導体結晶の原料となる半導体原料棒の溶融帯のゾーン長を測定し、前記直径及び前記ゾーン長が前記所定時間ごとに予め設計された設計直径及び設計ゾーン長となるように、前記半導体原料棒の移動速度と前記加熱コイルの出力を制御することを特徴とするＦＺ法半導体単結晶製造時の制御方法。
【請求項５】
半導体単結晶を製造するＦＺ法の種絞り工程から結晶径を拡大するコーン部形成工程初期において加熱コイルの内部で晶出される前記半導体単結晶の晶出界面を撮影して第１画像データを出力する前記晶出界面と異なる高さ位置に配置された第１カメラと、
前記第１カメラと同一の高さ位置に配置され、前記第１カメラと平行な光軸を有し、前記晶出界面を撮影して第２画像データを出力する第２カメラと、
前記第１画像データ上、及び前記第２画像データ上の前記晶出界面の左端及び右端を検出し、前記第１カメラと前記第２カメラとの視差を利用した三角測量演算により前記晶出界面の左端と右端との距離を前記晶出界面の直径として測量する測量手段と、
を有することを特徴とするＦＺ法半導体単結晶製造時の測量システム。
【請求項６】
前記第２カメラは、前記第１カメラを光軸方向を一定に保ったまま前記第２カメラを設けた位置に平行移動したものであることを特徴とする請求項５に記載のＦＺ法半導体単結晶製造時の測量システム。
【請求項７】
前記測量手段は、前記直径を測量するとともに、前記晶出界面の高さ位置を測量することを特徴とする請求項５または６に記載のＦＺ法半導体結晶製造時の測量システム。
【請求項８】
請求項７に記載のＦＺ法半導体単結晶製造時の半導体結晶の測量システムにより前記晶出界面の直径及び高さ位置を算出すると同時に、前記加熱コイルにより溶融加熱された前記半導体結晶の原料となる半導体原料棒の溶融帯のゾーン長を計測する計測手段と、
前記直径及び前記ゾーン長が前記所定時間ごとに予め設計された設計直径及び設計ゾーン長となるように、半導体原料棒の移動速度と加熱コイルの出力を制御する制御手段と、
を有することを特徴とするＦＺ法半導体単結晶製造時の制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＦＺ法（フローティングゾーン法、または浮遊帯域溶融法）により半導体単結晶を成長させる方法やシステムに関し、特にＦＺ法による半導体単結晶の製造の自動化における制御精度を向上させる方法やシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＦＺ法により半導体単結晶を製造する場合は、半導体多結晶からなる原料棒の一端部を誘導加熱コイルからなる加熱装置により溶融して、目的結晶方位を有する種結晶に融着した後、種絞りをしつつ無転移化しながら種結晶と一体化し、原料棒を加熱装置に対して相対的に回転させながら軸線方向に相対移動させると同時に、溶融部を融着部から原料棒の他端部に向けて徐々に移動させることにより単結晶化して、棒状の半導体単結晶を得る。
【０００３】
図９及び図１０に、半導体原料棒を種結晶に融着（種付け）してから種絞り、コーン部、そして目的直径の単結晶（直胴部）形成に至るまでの工程の一例を示す。
【０００４】
図において、まず、先細り状に形成したシリコン等の半導体原料棒１１０の先端部を誘導加熱コイル１１４により加熱溶融して溶融帯１１１を形成し（図９（ａ））、種結晶１１６と融着する（図９（ｂ））。その後直径約３ｍｍの無転移化を行うための絞り部分１１３を形成する（図９（ｃ））。続いて、半導体原料棒１１０を徐々に下方に移動させながら、直径を徐々に拡大して単結晶化したコーン部１１２の形成を開始する（図１０（ｄ））。そして、コーン部１１２の直径をさらに拡大し（図１０（ｅ））、その最大直径部分が目的直径に達したら、その直径を維持しながらさらに単結晶１２７の成長を続け、目的長さを有する単結晶棒を形成する（図１０（ｆ））。
【０００５】
従来、上記のような種付け、種絞り、さらにコーン部の最大直径が３０ｍｍ程度になるまでの工程については、溶融帯の様子を肉眼で観察しながら、手動で原料棒の移動速度や誘導加熱コイルの加熱出力を調整する手動制御が行われ、コーン部の最大直径が３０ｍｍ程度に達した後のコーン部形成工程及び直胴部成長工程では、カメラ等の監視器による監視をしながら、その画像データに基づいて原料棒の移動速度や誘導加熱コイルの加熱出力を自動制御していた。
【０００６】
コーン部の直径が３０ｍｍ程度になるまでの工程についての自動化がなされていない理由は、コーン部の直径の３０ｍｍに満たない場合では小さな溶融帯が誘導加熱コイルの陰に隠れてしまい、水平方向からの監視ができないためである。したがって、この間の工程は作業者が斜め上方から溶融部を観察し、その形状等から判断して原料棒の移動速度や誘導加熱コイルの加熱出力を手動で調節していた。しかし、斜め上方から溶融部を観察する場合は、水平方向からの観察に比べて位置関係にズレが生じるので、その調節をうまく行うことができるようになるまでには多くの経験を要していた。
【０００７】
このような問題を解決するため、特許文献１、特許文献２においては誘導加熱コイルと視覚的に干渉しない斜め上方もしくは斜め下方の所定の角度からコーン部の直径を検出する構成が開示されている。
【特許文献１】特許第３６０１２８０号公報
【特許文献２】特許第４０１６３６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、ＦＺ法の絞り工程からコーン部形成工程にかけて、半導体単結晶の晶出界面は、徐々に下方へ移動する。この場合、例えば前記晶出界面より斜め下方向にカメラを設置して斜め上にある前記晶出界面を見ると、上述の工程における半導体単結晶はカメラに接近しながら、直径を拡大させている。ここで使用するカメラが１台のとき、直径の計測値の変化が半導体単結晶の接近によるものか、直径の拡大によるものかを判断することはできず、得られた計測値が正確な値であるとは言えない、という問題が生じていた。
【０００９】
そこで、上記問題を解決するため、ＦＺ法の絞り工程からコーン部形成工程において半導体単結晶の晶出界面の直径を正確に算出する直径算出方法、直径算出システム、及びこれを用いた直径制御方法、及び直径制御システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明に係るＦＺ法半導体結晶製造時の測量方法は、第１には、半導体単結晶を製造するＦＺ法の種絞り工程から結晶径を拡大するコーン部形成工程初期において加熱コイルの内部で晶出される前記半導体単結晶の晶出界面の直径を、前記晶出界面と異なる高さ位置に配置された第１カメラと、前記第１カメラと同一の高さ位置に配置され前記第１カメラと平行な光軸を有する第２カメラとの前記晶出界面に対する視差を利用した三角測量演算処理を介して測量することを特徴としている。
【００１１】
第２には、前記第２カメラは、前記第１カメラを光軸方向を一定に保ったまま前記第２カメラを設けた位置に平行移動したものであることを特徴としている。
【００１２】
第３には、前記三角測量演算処理において、前記直径を測量するとともに、前記晶出界面の高さ位置を測量することを特徴とする請求項１または２に記載のＦＺ法半導体結晶製造時の測量方法。
【００１３】
また本発明に係るＦＺ法半導体単結晶製造時の制御方法は、上述のＦＺ法半導体単結晶製造時の半導体結晶の測量方法を用いて、前記晶出界面の直径及び高さ位置を測量するとともに、前記加熱コイルにより溶融加熱された前記半導体結晶の原料となる半導体原料棒の溶融帯のゾーン長を測定し、前記直径及び前記ゾーン長が前記所定時間ごとに予め設計された設計直径及び設計ゾーン長となるように、前記半導体原料棒の移動速度と前記加熱コイルの出力を制御することを特徴としている。
【００１４】
一方、本発明に係るＦＺ法半導体単結晶製造時の測量システムは、第１には、半導体単結晶を製造するＦＺ法の種絞り工程から結晶径を拡大するコーン部形成工程初期において加熱コイルの内部で晶出される前記半導体単結晶の晶出界面を撮影して第１画像データを出力する前記晶出界面と異なる高さ位置に配置された第１カメラと、前記第１カメラと同一の高さ位置に配置され、前記第１カメラと平行な光軸を有し、前記晶出界面を撮影して第２画像データを出力する第２カメラと、前記第１画像データ上、及び前記第２画像データ上の前記晶出界面の左端及び右端を検出し、前記第１カメラと前記第２カメラとの視差を利用した三角測量演算により前記晶出界面の左端と右端との距離を前記晶出界面の直径として測量する測量手段と、を有することを特徴としている。
【００１５】
第２には、前記第２カメラは、前記第１カメラを光軸方向を一定に保ったまま前記第２カメラを設けた位置に平行移動したものであることを特徴としている。
【００１６】
第３には、前記測量手段は、前記直径を測量するとともに、前記晶出界面の高さ位置を測量することを特徴としている。
また本発明に係るＦＺ法半導体単結晶製造時の制御システムは、上述のＦＺ法半導体単結晶製造時の半導体結晶の測量システムにより前記晶出界面の直径及び高さ位置を算出すると同時に、前記加熱コイルにより溶融加熱された前記半導体結晶の原料となる半導体原料棒の溶融帯のゾーン長を計測する計測手段と、前記直径及び前記ゾーン長が前記所定時間ごとに予め設計された設計直径及び設計ゾーン長となるように、半導体原料棒の移動速度と加熱コイルの出力を制御する制御手段と、を有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係るＦＺ法半導体結晶製造時の測量方法、及び測量システム、ＦＺ法半導体単結晶製造時の制御方法、及び制御システムによれば、ＦＺ法の絞り工程からコーン部形成工程初期において加熱コイル内部に形成される半導体単結晶の晶出界面の直径を斜め方向から画像計測を行う場合においても、水平方向からの画像計測と同様に、精度良く直径を測量することができる。さらに、画像計測による晶出界面の直径の算出過程において、前記晶出界面の高さも算出可能なので半導体原料棒が加熱溶融して形成された溶融帯のゾーン長の加熱コイルの内部に形成された成分の長さも精度よく測量することができる。したがって、上述の工程において精度よく半導体結晶の成長を行う制御を行うことができる。また画像計測に用いられるカメラは１台で行うことも可能なので各カメラの光軸を平行にそろえる必要はなく、また光軸ずれの心配もないので画像計測の信頼性が向上する。
【００１８】
本方式による直径制御システムは、種絞り工程から凝縮ボトム部形成工程に至る全工程において適用できるが、溶融帯が加熱コイルの内部にあって、水平方向からの監視ができない、種絞り工程から晶出結晶直径が３０ｍｍ以下であるコーン部形成工程の初期までの期間において、特に有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００２０】
本実施形態に係るＦＺ法半導体結晶製造時の測量方法は、半導体単結晶を製造するＦＺ法の種絞り工程から結晶径を拡大するコーン部形成工程初期において加熱コイルの内部で晶出される前記半導体単結晶の晶出界面の直径を、前記晶出界面と異なる高さ位置に配置された第１カメラと、前記第１カメラと同一の高さ位置に配置され前記第１カメラと平行な光軸を有する第２カメラとの前記晶出界面に対する視差を利用した三角測量演算処理を介して測量するものであり、これを具現化するＦＺ法半導体結晶製造時の測量システムを図１に示す。図１（ａ）は測量システムの模式図、図１（ｂ）は平面視した場合の光学系を示す模式図である。本実施形態の測量システムが適用されるＦＺ法の工程は上述の従来技術で説明したとおりであるが、ＦＺ法の種絞り工程から結晶径を拡大するコーン部形成工程初期において、シリコン等を材料とする半導体材料は上から半導体原料棒１８、溶融帯２０、晶出界面２２、コーン部２４、絞り部２６が形成され、これは上述の従来技術における図９（ｃ）から図１０（ｄ）までの状態に相当する。
【００２１】
測量システム１０は、第１カメラ１２、第２カメラ１４、測量手段を構成する画像処理部１６ａ、１６ｂ及び演算処理部１６ｃ、とから構成される。第１カメラ１２及び第２カメラ１４は同じ高さ位置であって加熱コイル２８の下端より低い位置で（高い位置でもよい）配置される。より詳細には第１カメラ１２及び第２カメラ１４が加熱コイル２８の内部に形成される晶出界面２２を測量する視界に加熱コイル２８が干渉せず前記晶出界面２２を視認できる位置に配置される。
【００２２】
また図１（ｂ）に示すように第１カメラ１２及び第２カメラ１４は光軸が互いに平行で、第１カメラ１２及び第２カメラ１４との焦点同士の距離ｄが既知であるとする。さらに第１カメラ１２及び第２カメラ１４の水平方向の向きは、第１カメラ１２の光軸と第２カメラ１４の光軸との間に晶出界面２２が入るように向けられている。さらに第１カメラ１２及び第２カメラ１４は、晶出界面２２側に向けられる仰角θ（図１（ａ）、図２（ｂ）参照）も既知であるとし、第１カメラ１２及び第２カメラ１４は同一の焦点距離ｆを有するものとする。第１カメラ１２及び第２カメラ１４の晶出界面２２からの距離は、晶出界面２２の直径より十分大きな寸法を有しているものとする。これにより第１カメラ１２及び第２カメラ１４は同一の晶出界面２２の左端２２ａ及び右端２２ｂを視認可能とみなすことができる。ここで、第１カメラ１２及び第２カメラ１４のそれぞれの撮像面（不図示）は同一平面上に配置されており共通の画像座標Ｓ（図１（ｂ）、図２参照）を形成するものとする。また第１画像データ３０の画像座標Ｓの原点と第１カメラ１２の光軸は一致し、第２画像データ３２の画像座標Ｓの原点と第２カメラ１４の光軸は一致するものとする。
【００２３】
また第１カメラ１２は画像処理部１６ａに接続され、第２カメラ１４は画像処理部１６ｂに接続されている。画像処理部１６ａ、１６ｂは後述の制御部４４（図４参照）に接続されている。また画像処理部１６ａ、１６ｂは演算処理部１６ｃに接続されている。画像処理部１６ａ、１６ｂは後述の制御部４４からの測量命令の信号が入力されるとそれぞれ第１カメラ１２、第２カメラ１４のシャッターを作動させて晶出界面２２を被写体として各カメラの撮像面（不図示）に撮影し、画像処理部１６ａは第１カメラ１２から第１画像データ３０を入力し、画像処理部１６ｂは第２カメラ１４から第２画像データ３２を入力する。
【００２４】
画像処理部１６ａは第１画像データ３０に対して２値化処理等を行い、第１画像データ３０上の晶出界面２２の左端２２ａ及び右端２２ｂを検出し、それぞれの画像座標Ｓ上の左端２２ａ及び右端２２ｂ座標を示す第１座標データ１６ｄを演算処理部１６ｃに出力する。同様に、画像処理部１６ｂは第２画像データ３２に対して２値化処理等を行い、第２画像データ３２上の晶出界面２２の左端２２ａ及び右端２２ｂを検出し、それぞれの画像座標Ｓ上の左端２２ａ及び右端２２ｂ座標を示す第２座標データ１６ｅを演算処理部１６ｃに出力する。演算処理部１６ｃは画像処理部１６ａ、１６ｂから入力された第１座標データ１６ｄ及び第２座標データ１６ｅを基に三角測量演算を行い、晶出界面の直径、及びその高さ位置を算出する。
【００２５】
図２に三角測量演算の概念図を示す。図２（ａ）は平面視した概念図、図２（ｂ）は側面方向から見た概念図である。水平方向をＸ軸とし、Ｘ軸と垂直なＹ軸（鉛直方向から角度θ傾斜している）とする画像座標Ｓ（撮像面）を考える。
【００２６】
図２（ａ）に示すように、第１カメラ１２及び第２カメラ１４は共通の光軸Ｏを有し、第１カメラ１２の焦点ＯＬを原点とし、第２カメラ１４の焦点ＯＲをＯＬよりＸ軸方向にｄ（焦点同士の距離）だけ移動した位置とする。そして、平面座標Ｓと同一の法線を有し、左端２２ａ及び右端２２ｂを包含する平面を形成するターゲット座標Ｔに対して、画像座標Ｓ上の左端２２ａ及び右端２２ｂを射影してターゲット座標Ｔ上の座標を算出することにより晶出界面２２の直径及び高さ位置が演算可能となる。
【００２７】
例えば、ターゲット座標Ｔ上の計測位置Ｐ（晶出界面２２の左端２２ａ）を撮影したとき、第１画像データ３０上の第１左端はＱＬ（ＸＬ、ＹＬ）、第２画像データ３２上の第２左端はＱＲ（ＸＲ、ＹＲ）の座標が与えられる。第１カメラ１２の焦点ＯＬ、第２カメラ１４の焦点ＯＲと計測位置Ｐ（ＸＰ、ＹＰ）を結んだ三角形により、三角測量を行う。ここで第１カメラ１２と第２カメラ１４の焦点距離ｆは同一であるため、ＯＬとＯＲを結ぶ線分と、画像座標Ｓ上のＱＬとＱＲとを結ぶ線分は平行となる。したがって、三角形ＰＯＬＯＲとＰＱＬＱＲとが相似であることを利用してＰ（ＸＰ、ＹＰ）の座標を求めることができる。
【００２８】
三角形の底辺の長さに着目すると、ＯＬＢ：ＸＬＡ＝ＢＯＲ：ＡＸＲである。すなわち、
【数１】
2010076979.tif 000003
の関係が得られる。よって、［数１］から
【数２】
2010076979.tif 000004
が得られる。これが左端２２ａのターゲット座標Ｔ上のＸ軸方向の座標となる。同様に右端２２ｂについてもＸ軸方向の座標を算出し、両者の差分を取ることにより、晶出界面２２の直径が算出されることとなる。
【００２９】
一方、Ｙ座標（鉛直方向から角度θ傾斜している。）は、
【数３】
2010076979.tif 000005
の関係から、
【数４】
2010076979.tif 000006
となる。なお、左端２２ａ及び右端２２ｂは同じ高さなので、いずれの計測位置を用いてＹＰを求めてもよい。
【００３０】
ここで、各カメラと、測定対象である晶出界面２２の左端２２ａ、及び右端２２ｂとの距離を考える。第１カメラ１２及び第２カメラ１４は上述のように晶出界面から晶出界面の直径より十分長い距離の位置に配置されているため、第１カメラ１２及び第２カメラ１４から観測される左端２２ａ及び右端２２ｂは、第１カメラ１２及び第２カメラ１４に対して製造工程により前後に移動することはないものと考えることができる。さらに、左端２２ａ及び右端２２ｂを結ぶ線分は半導体単結晶（コーン部２４）の回転軸２４ａ上を通過し、かつ線分ＯＲＯＬと平行と考えることができる（図１（ｂ）参照）。よって、Ｐ（ＸＰ、ＹＰ）から線分ＯＲＯＬに伸ばした垂線の長さはｒ（一定）とすることができ、これを既知の値として用いることができる。したがって、図２（ｂ）に示すように、第１カメラ１２及び第２カメラ１４は仰角θで撮影しているので、晶出界面２２の高さｈは、
【数５】
2010076979.tif 000007
2010076979.tif 000008
の式に従って算出される。これにより加熱コイルの上端の高さをｈ１（既知の値）とすると、溶融帯の加熱コイル内部に隠れた部分の下ゾーン長は、ｈ１−ｈとなる。よって演算処理部１６ｃは晶出界面２２の直径を示す直径データ２３と、下ゾーン長の長さを示す下ゾーン長データ２５ａを算出することができる。こうして演算処理部１６ｃを介して測量されたこれらのデータは後述の制御部４４に出力される。
【００３１】
次に上述のＦＺ法半導体結晶製造時の測量方法を組み込んだＦＺ半導体結晶製造時の制御方法、およびこれを具現化した制御システム４０のカメラ配置を図３に、制御システム４０の構成図を図４に、制御システム４０のフロー図を図５にそれぞれ示す。
【００３２】
ＦＺ半導体結晶製造時の制御方法は、上述のＦＺ法半導体単結晶製造時の半導体結晶の測量方法を用いて、前記晶出界面２２の直径及び高さ位置を測量するとともに、前記加熱コイル２８により溶融加熱された前記半導体結晶の原料となる半導体原料棒１８の溶融帯２０のゾーン長を測定し、前記直径及び前記ゾーン長が前記所定時間ごとに予め設計された設計直径及び設計ゾーン長となるように、前記半導体原料棒１８の移動速度と前記加熱コイル２８の出力を制御することであり、これを具現化する制御システム４０は、測量システム１０、計測部４２、制御手段となる制御部４４等から構成される。さらに制御システム４０においては、図４に示すように、前記半導体原料棒１８を加熱コイル２８側に繰り出す速度を制御する上軸モータ４６と、誘導加熱を行う加熱コイル２８への高周波電流の出力を調整する発振器４８と、加熱コイル２８の下部で晶出された半導体単結晶（コーン部２４、絞り部２６）を所定の速度で前記半導体単結晶を引き下げる下軸モータ５０を有する。さらに半導体原料棒１８を所定の回転速度で回転させる上軸回転モータ４７と、前記半導体単結晶を所定の回転速度で回転させる下軸回転モータ５１を有する。
【００３３】
計測部４２は第３カメラ４２ａ、画像処理部４２ｂ、演算処理部４２ｄとから構成されている。第３カメラ４２ａは図３に示すように、加熱コイル２８の上端より高い位置において水平方向に配置される。画像処理部４２ｂは制御部４４及び第３カメラ４２ａに接続され、画像処理部４２ｂは制御部からの測量命令の信号が入力されると第３カメラ４２ａのシャッターを作動させ、溶融帯２０の加熱コイル２８より上部に露出した部分を撮影し、撮影した画像を第３画像データ４２ｃとして画像処理部４２ｂに出力させる。画像処理部４２ｂは第３画像データ４２ｃ上の溶融帯２０の上端、すなわち半導体原料棒１８の溶出界面１８ａを２値化処理等により検出してその座標を第３座標データ４２ｅとして演算処理部４２ｄに出力する。
【００３４】
ここで、第３カメラ４２ａと加熱コイル２８との位置関係は既知であるとする。また第３カメラ４２ａの半導体原料棒１８からの距離は半導体原料棒１８の直径より十分大きい寸法を有するものとする。さらに第３カメラ４２ａと半導体原料棒１８の回転中心軸との距離は一定であるので、溶融帯２０の加熱コイル２８の上部に露出した部分の高さは第３カメラ４２ａが出力する第３画像データ４２ｃの垂直方向の成分のみを算出対象とすればよいことになる。
【００３５】
演算処理部４２ｄは第３画像データ上の溶出界面１８ａの高さ方向の座標と、上述の位置関係を考慮した数式により演算して溶融帯２０の加熱コイル２８より上部に露出した部分の上ゾーン長を算出し、測量された上ゾーン長データ２５ｂとして制御部４４に出力する。なお、演算処理部４２ｄは上述同様の手法で溶出界面１８ａの直径も測量して制御部４４に出力することができる。
【００３６】
このように第３カメラ４２ａを介して溶融帯２０の加熱コイル２８から上方に露出した部分の上ゾーン長を測量し、上述の第１カメラ１２及び第２カメラ１４を介して溶融帯２０の加熱コイル２８内部に形成された部分の下ゾーン長が測量できるので、ＦＺ法の絞り工程からコーン部形成工程初期においても上ゾーン長と下ゾーン長とを足し合わせた溶融帯２０のゾーン長を結果的に測量することができる。
【００３７】
制御部４４は測量システム１０に接続され、制御部４４が所定時間ごとに測量システム１０に測量命令の信号を出力すると、測量システム１０から算出された晶出界面２２の直径データ２３と下ゾーン長データ２５ａが所定時間ごとに入力される。また制御部４４は計測部４２にも接続され、制御部４４が所定時間ごとに計測部４２に測量命令の信号を出力すると、計測部４２から算出された上ゾーン長データ２５ｂが所定時間ごとに入力される。制御部４４において、上ゾーン長データ２５ａ及び下ゾーン長データ２５ｂが足し合わされ、溶融帯２０のゾーン長データ２５が得られる。ここで、所定時間の間隔は、ＦＺ法の種絞り工程から結晶径を拡大するコーン部形成工程初期までの時間を相当数で等分した間隔をいう。
【００３８】
また制御部４４に配設された記憶媒体（不図示）には、所定時間ごとの晶出界面２２の設計直径データ、及び設計ゾーン長データが格納されており、制御部４４は所定時間ごとに前記所定時間ごとの設計直径データ及び設計ゾーン長データを読み出すことができ、上述の直径データ２３とゾーン長データ２５との差分を算出する。
【００３９】
制御部４４は、ＰＩＤ演算器４６ａを介して上軸モータ４６に接続され、入力された直径データ２３の値と設計直径データの値との差分を差動増幅させＰＩＤ演算器４６ａを介して上軸モータ４６の半導体原料棒１８の繰り出し速度を制御することができる。ここで直径データ２３の値が設計直径データの値より大きい（小さい）場合には、制御部４４は上軸モータ４６の駆動速度を下げる（上げる）指令を上軸モータ４６に出力し、半導体原料棒１８の加熱コイル２８側への繰り出し速度を減少（増大）させる制御を行う。なお、制御部４４はＰＩＤ演算器を４７ａを介して上軸回転モータ４７に接続され、本実施形態において制御部４４は上軸回転モータ４７に一定の電流を出力して上軸回転モータ４７の回転数を一定に保ち半導体原料棒１７の回転速度を一定に保っている。
【００４０】
そして制御部４４は、ＰＩＤ演算器５０ａを介して下軸モータ５０に接続され、本実施形態において制御部４４は下軸モータ５０に一定の電流を出力して下軸モータ５０の駆動速度を一定に保ち半導体単結晶の引き下げ速度を一定に保っている。さらに制御部４４はＰＩＤ演算器５１ａを介して下軸回転モータ５１に接続され、本実施形態において制御部４４は下軸回転モータ５１に一定の電流を出力して下軸回転モータ５１の回転速度を一定に保ち半導体単結晶の回転速度を一定に保っている。
【００４１】
また制御部４４は、加熱コイル２８の出力を調整する発振器４８にＰＩＤ演算器４８ａを介して接続され、入力されたゾーン長データ２５と設計ゾーン長データとの差分を差動増幅させＰＩＤ演算器４８ａを介して発振器４８の加熱出力制御をすることができる。ここでゾーン長データの値が設計ゾーン長データの値より小さい（大きい）場合には、制御部４４はゾーン長が長く（短く）なるように発振器４８の高周波電流を増大（減少）させる指令を発振器４８に出力し、加熱コイル２８の加熱出力を増大（減少）させる制御を行う。
【００４２】
ここで、晶出界面２２の直径の制御と溶融帯２０のゾーン長の制御は互いに影響しあう。そこで、前記直径の制御と前記ゾーン長の制御を交互に繰り返し行って（前記直径の制御を最初に行う）、所定時刻における設計直径と設計ゾーン長を近づけるように制御部４４からの上軸モータ４６及び発振器４８への出力を自己無撞着的に一定の範囲に収束させる制御を行う。
【００４３】
ＦＺ法による半導体単結晶の製造は、外気と遮断された高温のチャンバー内で行われる。したがって本実施形態に係る測量システム１０及び制御システム４０においては、第１カメラ１２及び第２カメラ１４が溶けないように、チャンバー外に設ける必要がある。図６に、チャンバー外に設けられた第１カメラ１２、第２カメラ１４、及びこれらを保持するカメラプレート５６を示す。
【００４４】
チャンバー外壁（不図示）には、透明な覗き窓５２と、覗き窓５２を保持しつつ外気を封止するフランジ５４が設けられて、外部から内部を視認することができる。カメラプレート５６は、フランジ５４に固定される中継プレート５８、中継プレート５８に固定されるＬ字プレート６０、第１カメラ１２及び第２カメラ１４を搭載しＬ字プレート６０に保持されるカメラ取り付けプレート６２から構成される。いずれの部材もステンレス等一定の剛性を有するものであれば、どのような材料でもよく、さらに各部材を組み立てた場合にもカメラプレート５６全体として剛性が確保されることが好適である。さらに温度変化による寸法の変化を抑制するため熱膨張係数の小さいセラミックを用いることも好適である。
【００４５】
中継プレート５８には、ネジ（不図示）を通し、フランジ５４に形成されたネジ孔５４ａに対応して形成された貫通孔５８ａが形成されている。よってネジ（不図示）を貫通孔５８ａに挿通し、ネジ（不図示）を前記ネジ孔５４ａにネジ止めすることによって中継プレート５８はフランジ５４に固定される。
【００４６】
Ｌ字プレート６０はＬ字を形成する水平部材６０ａが中継プレート５８の水平部分に搭載され垂直部材６０ｂがカメラ取り付けプレート６２を保持している。水平部材６０ａの長手方向に第１長穴（不図示）が形成され、中継プレート５８の前記長穴（不図示）に対応した位置には第１ネジ穴（不図示）が形成されている。そして第１ネジ穴（不図示）と第１長穴（不図示）を連通して両者をネジ止めする第１ネジ（不図示）が設けられている。これによりＬ字プレート６０は第１ネジ（不図示）を緩めることにより、中継プレート５８に対して水平方向にスライド可能となり、ネジ止めすることにより所定位置において中継プレート５８に固定される。
【００４７】
カメラ取り付けプレート６２のＬ字プレート６０と当接する垂直部材６２ｂには同様に第２長穴（不図示）が形成され、Ｌ字プレート６０の垂直部材６０ｂの前記第２長穴（不図示）に対応する部分には第２ネジ穴（不図示）が形成され、第２ネジ穴（不図示）と第２長穴（不図示）を連通して両者をネジ止めする第２ネジ（不図示）が設けられている。これによりカメラ取り付けプレートは、第２ネジ（不図示）を緩めることにより、Ｌ字プレート６０に対して垂直方向にスライド可能となり、ネジ止めすることによりカメラ取り付けプレート６２をＬ字プレート６０の所定位置においてＬ字プレート６０に固定される。カメラ取り付けプレート６２の水平部材６２ａの上には第１カメラ１２及び第２カメラ１４が一定の間隔（焦点同士の間隔がｄ）をもち、かつ同一の光軸方向に向けて搭載されている。また、例えばカメラ取り付けプレート６２は一つの第２ネジ（不図示）で固定される場合は、垂直部材６２ｂのＬ字プレート６０の垂直部材６０ｂに対する取り付け角度を変えることにより、第１カメラ１２及び第２カメラ１４のチャンバー内にある加熱コイル側への仰角を調整することができる。
【００４８】
また本実施形態において、第１カメラ１２と第２カメラ１４とを、同じカメラを用いても実現可能である。図７にカメラを一台で行う場合の変形例を示す。また図８に図７の変形例を適用した制御システム９０、及びこれを構成する測量システム８０の概要図を示す。図８に示すように、制御システム９０は基本的には上述の制御システム４０と類似するが、これを構成する測量システム８０は、第４カメラ６４、ステッピングモータ６６、スライドステージ６８、ＰＬＣ制御部７０、モータコントローラ７２、画像処理部７４、演算処理部７６とから構成される。
【００４９】
図７に示すように、第４カメラ６４は１パルスごとに所定の回転角度で回転するステッピングモータ６６を回転軸であるボールネジ６８ｃに取り付け、ヘリコイド式にボールネジ６８ｃに対する位置をスライドできるスライドステージ６８上に搭載される。上述のカメラ取り付けプレート６２にこの変形例を適用する場合は、カメラ取り付けプレート６２の水平部材６２ａ上にスライドステージ６８を搭載すればよい。
【００５０】
ＰＬＣ制御部７０は、画像処理部７４と制御部４４との間に介装される一方、モータコントローラ７２にも接続される。ＰＬＣ制御部７０は制御部４４から測量命令の信号を受けると、スライドステージ６８が第１位置６８ａまたは第２位置６８ｂのいずれかの位置にいる場合に画像処理部７４に撮影命令の信号を出力するとともに、モータコントローラ７２にスライドステージ６８の第１位置６８ａを示すアドレスデータ６９ａまたは第１位置６８ａから距離ｄ離れた位置にある第２位置６８ｂを示すアドレスデータ６９ｂをモータコントローラ７２に出力する。
【００５１】
モータコントローラ７２は、ステッピングモータ６６上のアドレスを管理し、現在のアドレスデータ６９ｃとＰＬＣ制御部７０から入力される第１位置６８ａを示すアドレスデータ６９ａ、または第２位置６８ｂを示すアドレスデータ６９ｂとの差分に相当するステップ数のパルスをステッピングモータ６６のドライバに出力するとともに、１パルスごとに現在のアドレスデータ６９ｃを更新できるものとする。なお、モータコントローラ７２は起動時にキャリブレーションを行い、ステッピングモータ６６を回転させ、スライドステージ６８を第１位置６８ａに搬送するものとする。
【００５２】
ＰＬＣ制御部７０は、画像処理部７４に撮影命令の信号を出力し、画像処理部７４は、まず第１位置６８ａにある第４カメラ６４から上述同様に第１画像データ６４ａを取得する。その後、ＰＬＣ制御部７０は間隔ｄ離れた位置にある第２位置６８ｂのアドレスデータ６９ｂをモータコントローラ７２に出力し、モータコントローラ７２が、現在のアドレスデータ６９ｃとアドレスデータ６９ｂとの差分をとり、その差分に応じたステップ数のパルスをステッピングモータ７２のドライバ（不図示）に送りステッピングモータ７２を回転させ、第４カメラ６４を第１位置６８ａからｄだけ離れた第２位置６８ｂにまで搬送する。ＰＬＣ制御部７０はモータコントローラ７２が示すステッピングモータ６６上の現在のアドレスデータ６９ｃを読み込み、そのアドレスの値が第２位置６８ｂを示すアドレスデータ６９ｂと一致した場合には、画像処理部７４に再び撮影命令の信号を出力し、画像処理部７４は第４カメラ６４から第２画像データ６４ｂを取得する。
【００５３】
画像処理部７４は第１画像データ６４ａ、第２画像データ６４ｂが入力されるごとに２値化処理して晶出界面２２の左端２２ａ及び右端２２ｂをそれぞれ検出し、上述同様に第１座標データ７４ａ、第２座標データ７４ｂを演算処理部７６に出力する。
【００５４】
演算処理部７６は第１座標データ７４ａ、第２座標データ７４ｂが入力されると、上述の演算処理部１６ｃと同様の演算を行い、晶出界面２２の直径データ２３、及び下ゾーン長データ２５ａを制御部４４に出力する。
【００５５】
次の所定時間後に各画像データを取得する際には、第４カメラ６４は第２位置にいるため上述同様の方法を用いて、まず第２画像データ６４ｂを取得し、その後第１データを取得できるように制御すればよい。
【００５６】
以上述べたように本実施形態によれば、ＦＺ法の絞り工程からコーン部形成工程初期において加熱コイル２８内部に形成される半導体単結晶の晶出界面２２の直径を斜め方向から画像計測を行う場合においても、水平方向からの画像計測と同様に、精度良く直径を測量することができる。さらに、画像計測による晶出界面２２の直径の算出過程において、前記晶出界面２２の高さも算出可能なので半導体原料棒１８が加熱溶融して形成された溶融帯２０のゾーン長の加熱コイル２０の内部に形成された成分の長さも精度よく測量することができる。したがって、上述の工程において精度よく半導体結晶の成長を行う制御を行うことができる。また画像計測に用いられるカメラは１台で行うことも可能なので各カメラの光軸を平行にそろえる必要はなく、また光軸ずれの心配もないので画像計測の信頼性が向上する。
【００５７】
本実施形態においては、ＦＺ法の絞り工程からコーン部形成工程初期に着目して述べてきたが、第１カメラ１２及び第２カメラ１４はともに、晶出界面２２が加熱コイル２８より下に形成されても撮影が可能なので、上述のコーン部形成工程初期以降の工程においても適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
簡易な構成でＦＺ法の絞り工程からコーン部形成工程にかけて出現する半導体結晶の晶出界面の直径の制御を容易に行える、ＦＺ法半導体結晶製造時の測量方法、測量システム、前記測量方法を組みこんだＦＺ法半導体結晶製造時の制御方法、制御システムとして利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本実施形態に係る測量システムのカメラ配置を示す模式図である。
【図２】本実施形態に係る測量システムの三角測量の概念図である。
【図３】本実施形態に係る制御システムのカメラ配置を示す模式図である。
【図４】本実施形態に係る制御システムのブロック図である。
【図５】本実施形態に係る制御システムのフロー図である。
【図６】本実施形態に係る測量システムを構成するカメラをカメラプレートに搭載した模式図である。
【図７】本実施形態に係る測量システムの変形例を示す模式図である。
【図８】本実施形態に係る制御システムの変形例にブロック図である。
【図９】従来技術に係るＦＺ法半導体単結晶の製造工程を示す模式図である。
【図１０】従来技術に係るＦＺ法半導体単結晶の製造工程を示す模式図である。
【符号の説明】
【００６０】
１０………測量システム、１２………第１カメラ、１４………第２カメラ、１６ａ………画像処理部、１６ｂ………画像処理部、１６ｃ………演算処理部、１８………半導体原料棒、２０………溶融帯、２２………晶出界面、２４………コーン部、２６………絞り部、２８………加熱コイル、３０………第１画像データ、３２………第２画像データ、４０………制御システム、４２………計測部、４４………制御部、４６………上軸モータ、４７………上軸回転モータ、４８………発振器、５０………下軸モータ、５１………下軸回転モータ、５２………覗き窓、５４………フランジ、５６………カメラプレート、５８………中継プレート、６０………Ｌ字プレート、６２カメラ取り付けプレート、６４………カメラ、６６………ステッピングモータ、６８………スライドステージ、７０………ＰＬＣ制御部、７２………モータコントローラ、７４………画像処理部、７６………演算処理部、８０………測量システム、９０………制御システム、１１０………半導体原料棒、１１１………溶融帯、１１２………コーン部、１１３………絞り部分、１１４………誘導加熱コイル、１１６………種結晶、１２７………単結晶。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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