(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＺ法による半導体単結晶の製造方法において、
シード工程からネック工程への移行のための成長結晶の単結晶化判定に際して、撮像手段によって種結晶と融液面部分を撮影し、
予め撮影画像中に設定した距離測定のための水平基準位置線と撮像手段によって撮影した半導体結晶のメニスカスの最下端部との間の距離を画像処理によって算出し、
該距離が予め設定したしきい値以下となったときに単結晶化を示すシーム線の出現として検出することを特徴とする単結晶化自動判別方法。
【請求項２】
ＣＺ法による半導体単結晶の製造方法において、
シード工程からネック工程への移行のための成長結晶の単結晶化判定に際して、撮像手段によって種結晶と融液面部分を撮影し、
予めシーム線が出現した状態における種結晶と融液面部分の画像を比較パターンとして用意しておき、
撮像手段によって撮影した種結晶と融液面部分の撮影画像と前記比較パターンとのパターンマッチングを行なうことによって単結晶化を示すシーム線の出現を検出することを特徴とする単結晶化自動判別方法。
【請求項３】
ＣＺ法による半導体単結晶の製造方法において、
シード工程からネック工程への移行のための成長結晶の単結晶化判定に際して、撮像手段によって種結晶と融液面部分を撮影し、
撮像手段によって撮影した種結晶と融液面部分の撮影画像中における半導体結晶のメニスカス部分の画素数を画像処理によって計数し、
該画素数が所定のしきい値を越えたときに単結晶化を示すシーム線の出現として検出することを特徴とする単結晶化自動判別方法。
【請求項４】
ＣＺ法による半導体単結晶の製造方法において、
シード工程からネック工程への移行のための成長結晶の単結晶化判定に際して、撮像手段によって種結晶と融液面部分を撮影し、
予め撮影画像上に半導体結晶のメニスカス部分を横切る測定ラインを設定しておき、
撮像手段によって撮影した種結晶と融液面部分の撮影画像中のメニスカスの外郭線と前記測定ラインとが交わる交点位置における輝度の変化を測定し、
該輝度変化が所定のしきい値を越えたときに単結晶化を示すシーム線の出現として検出することを特徴とする単結晶化自動判別方法。
【請求項５】
ＣＺ法による半導体単結晶製造装置において、
透視窓を通してるつぼ内の種結晶と融液面部分を撮影する撮像手段と、
予め撮影画像中に設定しておいた距離測定のための水平基準位置線と前記撮像手段によって撮影した撮影画像中の半導体結晶のメニスカスの最下端部との間の距離を画像処理によって算出し、該距離が予め設定したしきい値以下となったときに単結晶化を示すシーム線の出現として検出する単結晶化自動判別装置と、
該単結晶化自動判別装置の判別結果に従って半導体単結晶製造装置の処理工程をシード工程からネック工程へ自動的に移行せしめる制御手段を備えたことを特徴とする半導体単結晶製造装置。
【請求項６】
ＣＺ法による半導体単結晶製造装置において、
透視窓を通してるつぼ内の種結晶と融液面部分を撮影する撮像手段と、
予めシーム線が出現した状態における種結晶と融液面部分の画像を比較パターンとして用意しておき、前記撮像手段によって撮影した種結晶と融液面部分の撮影画像と前記比較パターンとのパターンマッチングを行なうことによって単結晶化を示すシーム線の出現を検出する単結晶化自動判別装置と、
該単結晶化自動判別装置の判別結果に従って半導体単結晶製造装置の処理工程をシード工程からネック工程へ自動的に移行せしめる制御手段を備えたことを特徴とする半導体単結晶製造装置。
【請求項７】
ＣＺ法による半導体単結晶製造装置において、
透視窓を通してるつぼ内の種結晶と融液面部分を撮影する撮像手段と、
該撮像手段によって撮影した種結晶と融液面部分の撮影画像中における半導体結晶のメニスカス部分の画素数を画像処理によって計数し、該画素数が所定のしきい値を越えたときに単結晶化を示すシーム線の出現として検出する単結晶化自動判別装置と、
該単結晶化自動判別装置の判別結果に従って半導体単結晶製造装置の処理工程をシード工程からネック工程へ自動的に移行せしめる制御手段を備えたことを特徴とする半導体単結晶製造装置。
【請求項８】
ＣＺ法による半導体単結晶製造装置において、
透視窓を通してるつぼ内の種結晶と融液面部分を撮影する撮像手段と、
予め撮影画像上に半導体結晶のメニスカス部分を横切る測定ラインを設定しておき、前記撮像手段によって撮影した種結晶と融液面部分の撮影画像中のメニスカスの外郭線と前記測定ラインとが交わる交点位置における輝度の変化を測定し、該輝度変化が所定のしきい値を越えたときに単結晶化を示すシーム線の出現として検出する単結晶化自動判別装置と、
該単結晶化自動判別装置の判別結果に従って半導体単結晶製造装置の処理工程をシード工程からネック工程へ自動的に移行せしめる制御手段を備えたことを特徴とする半導体単結晶製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＺ法（チョクラルスキー法）による半導体単結晶製造法のシード工程における半導体結晶の単結晶化自動判別方法と、この方法を利用して構成した半導体単結晶製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン等の半導体の単結晶製造装置として、ＣＺ法を利用したものが知られている。このＣＺ法は、棒状多結晶シリコンを砕いて石英ガラス製のるつぼ内に入れて溶融し、その融液に核となる種結晶（シード）をワイヤで吊るして浸し、種結晶をゆっくりと回転させながら引き上げていくことにより、種結晶の先端から単結晶を成長させていくものである。
【０００３】
ところで、上記ＣＺ法における単結晶の引き上げ過程を細かく分けると、種結晶を融液に漬けて種結晶の先端から単結晶を成長させるシード工程と、該シード工程に引き続いて単結晶の無転位化を図るために結晶径を細く絞りながら所定の距離引き上げていくネック工程と、該ネック工程に引き続いて製品となる大径の単結晶を安定に成長させていくボディ工程とに分けることができるが、前記シード工程からネック工程への移行に際しては、シード工程において種結晶の先端から単結晶が安定に成長したか否かを正確に見極める必要がある。
【０００４】
従来、このシード工程からネック工程へ移行するためのシリコン結晶の単結晶化の判定は、作業者が透視窓からるつぼ内を覗き、結晶表面に単結晶に特有なシーム線（晶癖線）が現れるのを目視で確認することにより行なっていた。
【０００５】
図１５（ａ）（ｂ）に、このシーム線が現れた場合と現れない場合の画像例を示す。これらの図において、１は種結晶、２は加熱溶融された多結晶シリコンの融液面、３は種結晶１の先端から成長したシリコン結晶のメニスカス、４は結晶表面に現れたシーム線である。従来においては、図１５（ａ）に示すような単結晶化を示すシーム線４が結晶表面に現れたことを目視で確認することにより、シード工程からネック工程へ移行するように手動で制御していた。なお、結晶表面に現れるシーム線の本数は、結晶方位で決まる特有の数となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようにシーム線の出現を目視で確認する従来方法の場合、次のような技術的課題があった。
（１）目視による確認は作業者の負担が極めて大きい。
（２）シード工程からネック工程への移行タイミングの自動化が困難である。
（３）種結晶を融液に漬けてから単結晶が成長してシーム線が現れるまでには時間がかかるため、作業者は一定時間毎に監視を行なう必要がある。
（４）監視のタイミングが合わないと、シーム線が出現しているにもかかわらずそのまま放置することになり、スループットの低下、使用電力量の増大、部材の劣化を招く。
【０００７】
本発明は、上記のような技術的課題を解決するためになされたもので、画像処理によってシーム線の出現を検出することにより、シード工程における半導体結晶の単結晶化を自動判別できるようにした単結晶化自動判別方法と、この方法を利用して構成した半導体単結晶製造装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１記載の単結晶化自動判別方法は、ＣＺ法による半導体単結晶の製造方法において、シード工程からネック工程への移行のための成長結晶の単結晶化判定に際して、撮像手段によって種結晶と融液面部分を撮影し、予め撮影画像中に設定した距離測定のための水平基準位置線と撮像手段によって撮影した半導体結晶のメニスカスの最下端部との間の距離を画像処理によって算出し、該距離が予め設定したしきい値以下となったときに単結晶化を示すシーム線の出現として検出するようにしたものである。
【０００９】
このような構成とした場合、撮影画像中に設定した水平基準位置線と半導体結晶のメニスカスの最下端部との間の距離の変化から単結晶化を示すシーム線の出現を自動的に検出することができ、半導体結晶の単結晶化が達成されたか否かを自動的に判別できる。
【００１０】
本発明の請求項２記載の単結晶化自動判別方法は、ＣＺ法による半導体単結晶の製造方法において、シード工程からネック工程への移行のための成長結晶の単結晶化判定に際して、撮像手段によって種結晶と融液面部分を撮影し、予めシーム線が出現した状態における種結晶と融液面部分の画像を比較パターンとして用意しておき、撮像手段によって撮影した種結晶と融液面部分の撮影画像と前記比較パターンとのパターンマッチングを行なうことによって単結晶化を示すシーム線の出現を検出するようにしたものである。
【００１１】
このような構成とした場合、種結晶と融液面部分の撮影画像と比較パターンとのパターンマッチングによって単結晶化を示すシーム線の出現を自動的に検出することができ、半導体結晶の単結晶化が達成されたか否かを自動的に判別できる。
【００１２】
本発明の請求項３記載の単結晶化自動判別方法は、ＣＺ法による半導体単結晶の製造方法において、シード工程からネック工程への移行のための成長結晶の単結晶化判定に際して、撮像手段によって種結晶と融液面部分を撮影し、撮像手段によって撮影した種結晶と融液面部分の撮影画像中における半導体結晶のメニスカス部分の画素数を画像処理によって計数し、該画素数が所定のしきい値を越えたときに単結晶化を示すシーム線の出現として検出するようにしたものである。
【００１３】
このような構成とした場合、種結晶と融液面部分の撮影画像中における半導体結晶のメニスカス部分の画素数の変化から単結晶化を示すシーム線の出現を自動的に検出することができ、半導体結晶の単結晶化が達成されたか否かを自動的に判別できる。
【００１４】
本発明の請求項４記載の単結晶化自動判別方法は、ＣＺ法による半導体単結晶の製造方法において、シード工程からネック工程への移行のための成長結晶の単結晶化判定に際して、撮像手段によって種結晶と融液面部分を撮影し、予め撮影画像上に半導体結晶のメニスカス部分を横切る測定ラインを設定しておき、撮像手段によって撮影した種結晶と融液面部分の撮影画像中のメニスカスの外郭線と前記測定ラインとが交わる交点位置における輝度の変化を測定し、
該輝度変化が所定のしきい値を越えたときに単結晶化を示すシーム線の出現として検出するようにしたものである。
【００１５】
このような構成とした場合、メニスカスの外郭線と測定ラインとが交わる交点位置における輝度の変化から単結晶化を示すシーム線の出現を自動的に検出することができ、半導体結晶の単結晶化が達成されたか否かを自動的に判別できる。
【００１６】
本発明の請求項５記載の半導体単結晶製造装置は、ＣＺ法による半導体単結晶製造装置において、透視窓を通してるつぼ内の種結晶と融液面部分を撮影する撮像手段と、予め撮影画像中に設定しておいた距離測定のための水平基準位置線と前記撮像手段によって撮影した撮影画像中の半導体結晶のメニスカスの最下端部との間の距離を画像処理によって算出し、該距離が予め設定したしきい値以下となったときに単結晶化を示すシーム線の出現として検出する単結晶化自動判別装置と、該単結晶化自動判別装置の判別結果に従って半導体単結晶製造装置の処理工程をシード工程からネック工程へ自動的に移行せしめる制御手段を備えることにより構成したものである。
【００１７】
このような構成とした場合、撮影画像中に設定した水平基準位置線と半導体結晶のメニスカスの最下端部との間の距離の変化から単結晶化を示すシーム線の出現を自動的に検出することができ、半導体結晶の単結晶化が達成されたか否かを自動的に判別してシード工程からネック工程へ移行することができる半導体単結晶製造装置を得ることができる。
【００１８】
本発明の請求項６記載の半導体単結晶製造装置は、ＣＺ法による半導体単結晶製造装置において、透視窓を通してるつぼ内の種結晶と融液面部分を撮影する撮像手段と、予めシーム線が出現した状態における種結晶と融液面部分の画像を比較パターンとして用意しておき、前記撮像手段によって撮影した種結晶と融液面部分の撮影画像と前記比較パターンとのパターンマッチングを行なうことによって単結晶化を示すシーム線の出現を検出する単結晶化自動判別装置と、該単結晶化自動判別装置の判別結果に従って半導体単結晶製造装置の処理工程をシード工程からネック工程へ自動的に移行せしめる制御手段を備えることにより構成したものである。
【００１９】
このような構成とした場合、種結晶と融液面部分の撮影画像と比較パターンとのパターンマッチングによって単結晶化を示すシーム線の出現を自動的に検出することができ、半導体結晶の単結晶化が達成されたか否かを自動的に判別してシード工程からネック工程へ移行することができる半導体単結晶製造装置を得ることができる。
【００２０】
本発明の請求項７記載の半導体単結晶製造装置は、ＣＺ法による半導体単結晶製造装置において、透視窓を通してるつぼ内の種結晶と融液面部分を撮影する撮像手段と、該撮像手段によって撮影した種結晶と融液面部分の撮影画像中における半導体結晶のメニスカス部分の画素数を画像処理によって計数し、該画素数が所定のしきい値を越えたときに単結晶化を示すシーム線の出現として検出する単結晶化自動判別装置と、該単結晶化自動判別装置の判別結果に従って半導体単結晶製造装置の処理工程をシード工程からネック工程へ自動的に移行せしめる制御手段を備えることにより構成したものである。
【００２１】
このような構成とした場合、種結晶と融液面部分の撮影画像中における半導体結晶のメニスカス部分の画素数の変化から単結晶化を示すシーム線の出現を自動的に検出することができ、半導体結晶の単結晶化が達成されたか否かを自動的に判別してシード工程からネック工程へ移行することができる半導体単結晶製造装置を得ることができる。
【００２２】
本発明の請求項８記載の半導体単結晶製造装置は、ＣＺ法による半導体単結晶製造装置において、透視窓を通してるつぼ内の種結晶と融液面部分を撮影する撮像手段と、予め撮影画像上に半導体結晶のメニスカス部分を横切る測定ラインを設定しておき、前記撮像手段によって撮影した種結晶と融液面部分の撮影画像中のメニスカスの外郭線と前記測定ラインとが交わる交点位置における輝度の変化を測定し、該輝度変化が所定のしきい値を越えたときに単結晶化を示すシーム線の出現として検出する単結晶化自動判別装置と、該単結晶化自動判別装置の判別結果に従って半導体単結晶製造装置の処理工程をシード工程からネック工程へ自動的に移行せしめる制御手段を備えることにより構成したものである。
【００２３】
このような構成とした場合、メニスカスの外郭線と測定ラインとが交わる交点位置における輝度の変化から単結晶化を示すシーム線の出現を自動的に検出することができ、半導体結晶の単結晶化が達成されたか否かを自動的に判別してシード工程からネック工程へ移行することができる半導体単結晶製造装置を得ることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［第１の実施の形態］
図１乃至図５に、本発明を適用して構成したシリコン単結晶製造装置の第１の実施の形態を示す。図１はシリコン単結晶製造装置の全体構成図、図２は図１中の単結晶化自動判別装置の回路構成例を示す図、図３は動作説明のためのモニタ画面を示す図、図４は動作説明のための波形図、図５は、モニタ画面の画面下縁からシリコン結晶のメニスカスの最下端部までの距離の変化特性を示す図である。
【００２５】
この第１の実施の形態は、図３に示すように、種結晶１と融液面２部分を撮影したモニタ画面２６上における画面下端縁とシリコン結晶のメニスカス３の最下端部との間の距離Ｌを画像処理によって算出し、この距離Ｌが予め設定したしきい値以下となったときに、単結晶化を示すシーム線４が出現したものとして検出するようにしたものである。なお、この第１の実施の形態では、距離Ｌを測定するための水平基準位置線をモニタ画面２６の画面下端縁に設定したが、この水平基準位置線はメニスカス３よりも下方側であれば、モニタ画面上のどの位置に設定してもよい。
【００２６】
図１において、１１は石英ガラス製のるつぼ、１２はその周囲に配置された黒鉛製のヒータ、１３はるつぼ回転機構、１４はるつぼ昇降機構である。
【００２７】
るつぼ１１はその周囲は真空容器１５で囲まれており、この真空容器１５の首部上端部にモータや巻き上げドラム等で構成された種結晶昇降機構１６が設置され、この昇降機構１６につながれたステンレス製のワイヤ１７の先端に種結晶１を把持するためのシードチャック１８が取り付けられている。また、種結晶昇降機構１６の下部には種結晶回転機構１９が設けられており、この種結晶回転機構１９によって種結晶昇降機構１６全体を回転させることにより、ワイヤ１７の先端に吊り下げられた種結晶１を回転できるように構成されている。
【００２８】
真空容器１５の肩部には透明な石英ガラス製の透視窓２０が形成されており、この窓部分にＣＣＤカメラ２１等の撮像手段がるつぼ１１内に向けて設置されている。このＣＣＤカメラ２１は、シリコン単結晶の引き上げに当たり、種結晶１と融液面２の部分を斜め上方から撮影することにより、図３に示すような撮影画像を得るものである。
【００２９】
２２はカメラ制御ユニット、２３はＣＣＤカメラ２１の撮影画像を映し出す監視用のテレビモニタ、２４はカメラ制御ユニット２２を介して送られてくるＣＣＤカメラ２１の撮影画像から画像処理によって単結晶化を示すシーム線の出現を検出する単結晶化自動判別装置、２５は単結晶化自動判別装置２４の判別結果に従ってるつぼ回転機構１３、るつぼ昇降機構１４、種結晶昇降機構１６、種結晶回転機構１９等の動作やヒータ１２の温度制御等を総合的に行なうための単結晶引き上げ制御装置である。
【００３０】
上記単結晶化自動判別装置２４は、図２に示すような回路構成になる。
すなわち、図２において、２４１はＣＣＤカメラ２１から送られてくるビデオ信号を所定のしきい値ＶS でパルス化して出力するコンパレータ、２４２は所定パルス幅以下のパルス信号を除去してノイズを除去するパルス幅弁別回路、２４３はビデオ信号中から水平同期信号（Ｈ信号）を抽出するＨ信号抽出回路、２４４はビデオ信号中から垂直同期信号（Ｖ信号）を抽出するＶ信号抽出回路、２４５はＨ信号抽出回路２４３から出力されるＨ信号パルスをカウントするＨ信号パルスカウンタ、２４６は水平走査線の数をカウントすることによりモニタ画面２６（図３参照）の画面下端縁に対応する水平走査線ｌn の位置を検出する水平走査線カウンタ、２４７はＶ信号抽出回路２４４の出力するＶ信号パルスをわずかの時間遅延させる遅延回路、２４８はＯＲ回路である。
【００３１】
また、２４９はＨ信号パルスカウンタ２４５のＨ信号カウント値を読み出して一時保持するカウント値ホールド回路、２５０は検出誤差をなくすためにシリコン結晶の１回転毎のＨ信号カウント値の平均値を算出する平均値算出回路、２５１は平均値算出回路２５０から出力される平均値化されたＨ信号カウント値からモニタ画面２６の画面下端縁とシリコン結晶のメニスカス３の最下端部との間の距離Ｌを算出し、該距離Ｌが予め設定しておいたしきい値Ｌ0 以下となったときに、結晶表面に単結晶化を示すシーム線４が出現したものとして判定する判定回路である。
【００３２】
次に、上記構成になる第１の実施の形態におけるシーム線４の検出動作について説明する。まず、原材料となる棒状多結晶シリコンはブロック状に砕かれてるつぼ１１内に投入され、ヒータ１２で加熱することによって溶融される。また、種結晶１はワイヤ１７先端のシードチャック１８に把持され、るつぼ１１内に吊り下げられる。
【００３３】
この状態でシリコン単結晶の製造が開始されると、種結晶昇降機構１６によってワイヤ１７が下方へ向かって降ろされ、ワイヤ１７の先端に吊り下げられた種結晶１の先端がるつぼ１１内の多結晶シリコンの融液面２に漬けられると共に、種結晶回転機構１９とるつぼ回転機構１３が駆動開始され、種結晶１とるつぼ１１が反対方向または同方向に向かって所定の速度でゆっくりと回転開始される。これによってシード工程が開始される。
【００３４】
ＣＣＤカメラ２１は、透視窓２０を通して前記種結晶１と融液面２部分を撮影しており、そのビデオ信号はカメラ制御ユニット２２に送られ、図３に示すようなモニタ画面２６として監視用のテレビモニタ２３に映し出されると共に、単結晶化自動判別装置２４へと送られる。
【００３５】
上記ＣＣＤカメラ２１から送られてくるビデオ信号の波形例を図４（ａ）に示す。このビデオ信号中、Ｈは水平同期信号（Ｈ信号）、Ｖは１／６０秒毎に現れる垂直同期信号（Ｖ信号）であって、図４（ａ）中の水平走査線ｌ1 〜ｌ3 ，ｌn が図３のモニタ画面２６中の水平走査線ｌ1 〜ｌ3 ，ｌn にそれぞれ対応しているものとする。
【００３６】
図３のモニタ画面２６を参照すれば明らかなように、シリコン結晶のメニスカス３の表面にシーム線４が出現すると、このシーム線４部分が画面の下方へ突出するため、モニタ画面２６の画面下端縁とシリコン結晶のメニスカス３の最下端部との間の距離Ｌがその分だけ小さくなる。従って、この距離Ｌを監視することにより、単結晶化を示すシーム線４が出現したか否かを検出することができる。図２に示した単結晶化自動判別装置２４は、この距離Ｌを画像処理によって求め、その値が所定のしきい値Ｌ0 よりも小さくなったときに単結晶化を示すシーム線４が出現したものとして検出するものである。
【００３７】
すなわち、ＣＣＤカメラ２１から送られてきたビデオ信号は、図２の単結晶化自動判別装置２４のコンパレータ２４１、Ｈ信号抽出回路２４３、Ｖ信号抽出回路２４４に入力される。コンパレータ２４１は、図４（ａ）に示すように所定のしきい値ＶS で信号レベルを判定し、図４（ｂ）に示すようにしきい値ＶS 以上の信号部分を１、しきい値ＶS 以下の信号部分を０に変換して出力する。
【００３８】
コンパレータ２４１の出力パルスはパルス幅弁別回路２４２に送られ、所定パルス幅以下のパルス信号をノイズとして除去した後、ＯＲ回路２４８を介してＨ信号パルスカウンタ２４５のリセット端子Ｒに送られ、Ｈ信号パルスカウンタ２４５をリセットするように作用する。
【００３９】
一方、Ｈ信号抽出回路２４３は、ビデオ信号中のＨ信号（図４（ａ）参照）を抽出してＨ信号パルスを発生し、Ｈ信号パルスカウンタ２４５と水平走査線カウンタ２４６のカウント端子Ｃに送る。Ｈ信号パルスカウンタ２４５は、このＨ信号パルスをその到来の度にカウントする。一方、水平走査線カウンタ２４６は、Ｈ信号パルスをカウントしていき、そのカウント値が予め設定したモニタ画面２６の画面下端縁に対応する走査線ｌn の走査線番号Ｎと一致したときに出力パルスを発生する。
【００４０】
上記動作から明らかなように、図３のモニタ画面２６において画面上端位置からシーム線４と交わる水平走査線ｌ3 の位置までは、コンパレータ２４１からは図４（ｂ）のようにして常にパルスが出力されるので、Ｈ信号パルスカウンタ２４５はこのパルスによってリセットされ続け、水平走査線ｌ3 の位置に達するまではそのカウント値は常に０となっている。
【００４１】
そして、走査位置が水平走査線ｌ3 の位置を過ぎると、水平走査線は多結晶シリコンの融液面２の部分を横切るだけであるから、コンパレータ２４１からは図４（ｂ）に示すようにパルスが出力されなくなる。これによって、Ｈ信号パルスカウンタ２４５にはリセットがかからなくなり、Ｈ信号パルスカウンタ２４５は水平走査線ｌ3 以降のＨ信号パルスを順次カウントしていく。
【００４２】
一方、水平走査線カウンタ２４６は、Ｈ信号抽出回路２４３から出力されるＨ信号パルスをカウントし、ビデオ信号の水平走査線の数を順次カウントしており、そのカウント値が予め設定しておいたモニタ画面２６の下端位置に対応する水平走査線ｌn の走査線番号Ｎに一致すると出力パルスを発生する。これによって、Ｈ信号パルスカウンタ２４５のカウント動作が停止される。
【００４３】
従って、前記水平走査線カウンタ２４６の出力パルスによってカウント動作を停止された時点におけるＨ信号パルスカウンタ２４５のカウント値は、図３のモニタ画面２６中の水平走査線ｌ3 位置から画面下端縁に相当する水平走査線ｌn までの間に含まれる水平走査線の総本数を示している。そして、ＣＣＤカメラ２１から送られてくるビデオ信号は、１フィールド１／６０秒、１フレーム１／３０秒のテレビ信号であるから、前記Ｈ信号パルスカウンタ２４５のカウント値は、図３のモニタ画面２６における水平走査線ｌ3 から画面下端縁までの距離Ｌを間接的に表していることになる。
【００４４】
１画面についての水平走査が終わり、ビデオ信号中に図４（ａ）に示すように垂直同期をとるためのＶ信号が送られてくると、Ｖ信号抽出回路２４４がこれを抽出し、Ｖ信号パルスを出力する。カウント値ホールド回路２４９は、このＶ信号パルスによってＨ信号パルスカウンタ２４５の前記カウント値を読み出し、一時格納保持する。さらに、Ｖ信号パルスは遅延回路２４７でわずかの時間遅延された後、オア回路２４８を介してＨ信号パルスカウンタ２４５のリセット端子Ｒに送られ、Ｈ信号パルスカウンタ２４５をリセットしてそのカウント値を０に戻す。
【００４５】
Ｈ信号パルスカウンタ２４５は、ＣＣＤカメラ２１から送られてくるビデオ信号の１画面毎に上記動作を繰り返し、その都度、モニタ画面２６の画面下端縁からシリコン結晶のメニスカス３の最下端部までの距離Ｌを水平走査線の本数として出力する。
【００４６】
ところで、ワイヤ１７に吊り下げられた種結晶１は、種結晶回転機構１９によって所定の回転速度でゆっくりと回転されている。このため、図３のモニタ画面２６中のシーム線４の位置も種結晶１の回転に従ってゆっくりと回転している。従って、シーム線４の回転位置に従ってモニタ画面２６の画面下端縁からシーム線４までの距離Ｌもそれにつれて変化し、脈動する。そこで、このような回転に伴う誤検出を防止するために、平均値算出回路２５０において種結晶１の１回転当たりの平均値を算出し、この平均値を測定距離Ｌとして後段の距離判定回路２５１に送る。
【００４７】
距離判定回路２５１は、平均値算出回路２５０から送られてくる測定距離Ｌを与える水平走査線の数と、予め設定しておいた規定距離Ｌ0 を与える水平走査線の数とを比較し、例えば図５に示すように、測定された距離Ｌがしきい値距離Ｌ0 よりも小さくなったｔ1 時点で単結晶化を示すシーム線４が出現したものと判断し、シーム線の検出出力を発生する。そして、この検出出力は、図１の単結晶引き上げ制御装置２５に送られる。
【００４８】
単結晶引き上げ制御装置２５は、前記シーム線の検出出力を受信すると、るつぼ回転機構１３、るつぼ昇降機構１４、種結晶昇降機構１６、種結晶回転機構１９の動作を制御し、シーズ工程からネック工程へと自動的に処理を移行する。
【００４９】
以上説明したように、第１の実施の形態の場合、モニタ画面２６の画面下端縁とシリコン結晶のメニスカス３の最下端部との間の距離Ｌを画像処理によって算出し、この距離Ｌが規定距離Ｌ0 よりも小さくなったときにシーム線４が出現したものと判断して検出出力を発生する。このため、シリコン結晶が単結晶化したか否かを自動的に検出することができ、この検出結果を用いてシリコン単結晶製造装置を制御することにより、シード工程からネック工程への移行を自動化することができる。
【００５０】
なお、一旦単結晶化が達成された後においても上記監視を続け、例えば図５中のｔ2 時点で示すように、モニタ画面２６の画面下端縁とシーム線４との距離Ｌが規定距離Ｌ0 よりも長くなった場合には単結晶化が崩れたとして警報を発するように構成することが望ましい。
【００５１】
［第２の実施の形態］
図６に、第２の実施の形態のための単結晶化自動判別装置２４の第２の構成例を示す。なお、シリコン単結晶製造装置の全体的な構成は図１と同じであるので、図示は省略する。
【００５２】
この第２の実施の形態は、図７に示すように、予め、単結晶化を示すシーム線が出現した状態の種結晶１と融液面２部分の撮影画像を比較パターンＰとして用意しておき、この比較パターンＰと、ＣＣＤカメラ２１で撮影した種結晶１と融液面２部分の撮影画像とをパターンマッチングすることにより、単結晶化を示すシーム線４が出現したか否かを検出するようにしたものである。
【００５３】
図６において、２６１はＣＣＤカメラ２１で撮影された撮影画像を２値画像に変換する２値化回路、２６２は２値画像に変換された１フレーム分の撮影画像を格納記憶するフレーム画像記憶部、２６３はシーム線出現の判定基準となる図７に示すような比較パターンＰを予め格納した比較パターン記憶部、２６４はフレーム画像記憶部２６２に格納された撮影画像と比較パターン記憶部２６３に格納された比較パターンＰとのパターンマッチングを行ない、両者のパターンが一致したときにシーム線の出現として検出するパターンマッチング部である。
【００５４】
次に、図６の単結晶化自動判別装置２４の動作を説明する。
ＣＣＤカメラ２１で撮影されたビデオ信号は２値化回路２６１で２値画像に変換され、フレーム画像記憶部２６２に送られる。フレーム画像記憶部２６２は、この２値画像に変換された図８に示すような種結晶１と融液面２部分の１フレーム分の画像を格納記憶する。
【００５５】
フレーム画像記憶部２６２に格納された２値画像からなる撮影画像は、パターンマッチング部２６４に送られ、予め用意されている図７に示すような比較パターンＰとパターンマッチングされる。そして、両者のパターンが一致した場合にシリコン結晶にシーム線４が出現したものと判定し、シーム線４の検出出力を発生して図１の単結晶引き上げ制御装置２５に送る。
【００５６】
単結晶引き上げ制御装置２５は、前記シーム線の検出出力を受信すると、るつぼ回転機構１３、るつぼ昇降機構１４、種結晶昇降機構１６、種結晶回転機構１９を動作を制御し、シーズ工程からネック工程へと自動的に処理を移行する。
【００５７】
以上説明したように、第２の実施の形態の場合、撮影画像と比較パターンとのパターンマッチングによってシーム線４の出現を検出する。このため、シリコン結晶が単結晶化したか否かを自動的に検出することができ、この検出結果を用いてシリコン単結晶製造装置を制御することにより、シード工程からネック工程への移行を自動化することができる。
【００５８】
なお、図６の例では、説明を簡単にするために、撮影画像を２値画像に変換する場合を例示したが、２値化回路２６１に代えて多値化回路を用い、撮影画像を３値またはそれ以上の多値画像に変換してもよいものである。多値画像に変換した場合には、パターンマッチングに時間がかかるが、検出精度はその分向上する。
【００５９】
また、この第２の実施の形態の場合も、一旦単結晶化が達成された後においても上記監視を続け、パターンマッチングの結果が一致しなくなった場合には単結晶化が崩れたとして警報を発するように構成することが望ましい。
【００６０】
［第３の実施の形態］
図９に、第３の実施の形態のための単結晶化自動判別装置２４の第３の構成例を示す。なお、シリコン単結晶製造装置の全体的な構成は図１と同じであるので、図示は省略する。
【００６１】
この第３の実施の形態は、図１０に示すように、種結晶１と融液面２部分を撮影したモニタ画面２６において、ハッチングを施して示したシリコン結晶のメニスカス３とシーム線４部分の全画素数を数え、その画素数が所定のしきい値を越えた時にシーム線４の出現として検出するようにしたものである。
【００６２】
図９において、２７１はビデオ信号を多値画像に変換する多値化回路、２７２は多値画像を画像解析して種結晶１、融液面２、メニスカス３及びシーム線４の各部分に領域分離する画像領域分離部、２７３は分離されたメニスカス３部分とシーム線４部分の画素数を計数する画素数計数部、２７４は計数された画素数を予め設定したしきい値と比較することによりシーム線４の出現を検出する画素数比較部である。
【００６３】
次に、図９の単結晶化自動判別装置２４の動作を説明する。
ＣＣＤカメラ２１で撮影されたビデオ信号は多値化回路２７１で多値画像に変換され、画像領域分離部２７２に送られる。画像領域分離部２７２は、送られてきた多値画像を輝度差や色差等の諸特性を用いて画像解析し、種結晶１、融液面２、メニスカス３及びシーム線４の各部分に領域分離する。この領域分離結果は画素数計数部２７３に送られる。画素数計数部２７３は、領域分離結果を利用して、図１０中にハッチングをして示したメニスカス３とシーム線４部分に含まれる画素数を計数し、画素数比較部２７４に送る。
【００６４】
画素数比較部２７４は、送られてきた画素数と予め設定したしきい値とを比較し、送られてきた画素数がしきい値よりも大きい場合にシーム線４が出現したものと判定し、シーム線の検出出力を発生する。すなわち、図１０において、シーム線４が出現した場合には、ハッチングした部分の面積はシーム線４が出現して外方へ突出している分だけその面積が大きくなり、画素数がその分だけ多くなる。従って、シーム線４が出現している場合と出現していない場合の画素数の変化は、例えば図１１に示すようなものとなり、シーム線なしの点線Ｃと、シーム線ありの実線Ｄとの中間位置当たりに前記画素数比較部２７４のしきい値を設定しておけば、シーム線４の出現を画素数の変化から検出することができる。
【００６５】
画素数比較部２７４から出力されるシーム線の検出出力は、図１の単結晶引き上げ制御装置２５に送られる。そして、単結晶引き上げ制御装置２５は、シーム線の検出出力を受信すると、るつぼ回転機構１３、るつぼ昇降機構１４、種結晶昇降機構１６、種結晶回転機構１９を動作を制御し、シーズ工程からネック工程へと自動的に処理を移行する。
【００６６】
以上説明したように、第３の実施の形態の場合、撮影画像の画素数の変化からシーム線４の出現を検出する。このため、シリコン結晶が単結晶化したか否かを自動的に検出することができ、この検出結果を用いてシリコン単結晶製造装置を制御することにより、シード工程からネック工程への移行を自動化することができる。
【００６７】
なお、この第３の実施の形態の場合も、一旦単結晶化が達成された後においても上記監視を続け、画素数がしきい値以下となった場合には、単結晶化が崩れたとして警報を発するように構成することが望ましい。
【００６８】
［第４の実施の形態］
図１２に、第３の実施の形態に用いられる単結晶化自動判別装置２４の第４の構成例を示す。なお、シリコン単結晶製造装置の全体的な構成は図１と同じであるので、図示は省略する。
【００６９】
この第４の実施の形態は、図１３に示すように、予め撮影画像上にシリコン結晶のメニスカス３部分を横切る測定ラインＥを設定しておき、この測定ラインＥとメニスカス３の外郭線とが交わる交点Ｐ位置における輝度の変化を測定し、その変化からシーム線４の出現を検出するようにしたものである。
【００７０】
すなわち、回転する単結晶について、測定ラインＥとメニスカス３の外郭線とが交わる交点Ｐ位置における輝度の変化を測定すると、単結晶化を示すシーム線４が出現した場合には、図１４に示すように、シーム線４が測光ラインＥと交差する度にピーク輝度Ｂmax が発生する。従って、このピーク輝度Ｂmax を検出することにより、単結晶化を示すシーム線４の出現を検出することができる。
【００７１】
図１２において、２８１は測定ラインＥとメニスカス３の外郭線とが交わる交点Ｐ位置における輝度を測定する輝度測定回路、２８２はピーク輝度Ｂmax を検出するピーク輝度検出回路、２８３はピーク輝度Ｂmax とベース輝度Ｂとの輝度差ΔＢを算出する輝度差算出回路、２８４は輝度差ΔＢが所定のしきい値を越えたときに単結晶化を示すシーム線４の出現として検出する輝度差判定回路である。
【００７２】
次に、図１２の単結晶化自動判別装置２４の動作を説明する。
ＣＣＤカメラ２１で撮影されたビデオ信号は交点位置輝度測定回路２８１に送られ、図１４に示すような交点Ｐにおける輝度が測定される。ピーク輝度検出回路２８２は、この測定輝度中からピーク輝度Ｂmax を検出し、輝度差算出回路２８３に送る。
【００７３】
輝度差算出回路２８３は、ピーク輝度Ｂmax とベース輝度Ｂとの輝度差ΔＢを算出し、輝度差判定回路２８４に送る。輝度差判定回路２８４は、輝度差ΔＢが所定のしきい値と比較し、しきい値を越えた場合に単結晶化を示すシーム線４が出現したものと判定し、シーム線の検出出力を発生する。この検出出力は、図１の単結晶引き上げ制御装置２５に送られる。
【００７４】
そして、図１の単結晶引き上げ制御装置２５は、前記シーム線の検出出力を受信すると、るつぼ回転機構１３、るつぼ昇降機構１４、種結晶昇降機構１６、種結晶回転機構１９を動作を制御し、シーズ工程からネック工程へと自動的に処理を移行する。
【００７５】
以上説明したように、第４の実施の形態の場合、測定ラインとメニスカスの外郭線とが交わる交点位置における輝度の変化からシーム線の出現を検出する。このため、シリコン結晶が単結晶化したか否かを自動的に検出することができ、この検出結果を用いてシリコン単結晶製造装置を制御することにより、シード工程からネック工程への移行を自動化することができる。
【００７６】
なお、この第４の実施の形態の場合も、一旦単結晶化が達成された後においても上記監視を続け、輝度差がしきい値以下になった場合には、単結晶化が崩れたとして警報を発するように構成することが望ましい。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１記載の発明によるときは、撮影画像中に設定した水平基準位置線と半導体結晶のメニスカスの最下端部との間の距離の変化から単結晶化を示すシーム線の出現を検出することができるので、従来のように作業者がシーム線の発生を目視で確認する必要がなくなり、作業者の負担を軽減することができる。また、シード工程からネック工程への移行タイミングの自動化を図ることができると共に、目視による確認の場合のように監視タイミングが合わないためにシーム線の出現の確認が遅れ、スループットの低下、使用電力量の増大、部材の劣化を招くというようなこともなくすことができる。
【００７８】
本発明の請求項２記載の発明によるときは、種結晶と融液面部分の撮影画像と比較パターンとのパターンマッチングによって単結晶化を示すシーム線の出現を検出することができるので、前記請求項１記載の発明と同様な効果を奏することができる。
【００７９】
本発明の請求項３記載の発明によるときは、種結晶と融液面部分の撮影画像中における半導体結晶のメニスカス部分の画素数の変化から単結晶化を示すシーム線の出現を検出することができるので、前記請求項１記載の発明と同様な効果を奏することができる。
【００８０】
本発明の請求項４記載の発明によるときは、半導体結晶のメニスカスの外郭線と測定ラインとが交わる交点位置における輝度の変化から単結晶化を示すシーム線の出現を検出することができるので、前記請求項１記載の発明と同様な効果を奏することができる。
【００８１】
本発明の請求項５記載の発明によるときは、撮影画像中に設定した水平基準位置線と半導体結晶のメニスカスの最下端部との間の距離の変化から単結晶化を示すシーム線の出現を検出し、シード工程からネック工程への移行を自動化できる単結晶製造装置を得ることができる。このため、従来のように作業者がシーム線の出現を目視で確認する必要がなくなり、シード工程からネック工程への移行タイミングの自動化を図ることができると共に、目視による確認の場合のように監視タイミングが合わないためにシーム線の出現の確認が遅れてスループットの低下、使用電力量の増大、部材の劣化を招くというようなこともなくすことができ、高品質で生産性に優れた半導体単結晶製造装置を提供することができる。
【００８２】
本発明の請求項６記載の発明によるときは、種結晶と融液面部分の撮影画像と比較パターンとのパターンマッチングによって単結晶化を示すシーム線の出現を検出し、シード工程からネック工程への移行を自動化できる単結晶製造装置を得ることができる。このため、前記請求項５記載の発明と同様の効果を奏することができる。
【００８３】
本発明の請求項７記載の発明によるときは、種結晶と融液面部分の撮影画像中における半導体結晶のメニスカス部分の画素数の変化から単結晶化を示すシーム線の出現を検出し、シード工程からネック工程への移行を自動化できる半導体単結晶製造装置を得ることができる。このため、前記請求項５記載の発明と同様の効果を奏することができる。
【００８４】
本発明の請求項８記載の発明によるときは、半導体結晶のメニスカスの外郭線と測定ラインとが交わる交点位置における輝度の変化から単結晶化を示すシーム線の出現を検出し、シード工程からネック工程への移行を自動化できる半導体単結晶製造装置を得ることができる。このため、前記請求項５記載の発明と同様の効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明を適用して構成したシリコン単結晶製造装置の第１の実施の形態を示す全体構成図である。
【図２】図２は、図１中の単結晶化自動判別装置の回路構成例を示す図である。
【図３】図３は、第１の実施の形態の動作説明のためのモニタ画面を示す図である。
【図４】図４は、図２の単結晶化自動判別装置の動作説明のための波形図である。
【図５】図５は、モニタ画面の画面下端縁からシリコン結晶のメニスカスの最下端部までの距離の変化特性を示す図である。
【図６】図６は、第２の実施の形態で用いられる単結晶化自動判別装置の回路構成例を示す図である。
【図７】図７は、比較パターンの例を示す図である。
【図８】図８は、第２の実施の形態の動作説明のためのモニタ画面を示す図である。
【図９】図９は、第３の実施の形態で用いられる単結晶化自動判別装置の回路構成例を示す図である。
【図１０】図１０は、第２の実施の形態の動作説明のためのモニタ画面を示す図である。
【図１１】図１１は、シリコン結晶のメニスカス部分の画素数の変化特性を示す図である。
【図１２】図１２は、第４の実施の形態で用いられる単結晶化自動判別装置の回路構成例を示す図である。
【図１３】図１３は、第４の実施の形態の動作説明のためのモニタ画面を示す図である。
【図１４】図１４は、半導体結晶と融液面の界面が測定ラインと交わる交点位置における輝度の変化状態の例を示す図である。
【図１５】図１５は、種結晶と融液面部分の撮影画像例を示すもので、（ａ）はシーム線が出現してる場合の撮影画像の例を示す図、（ｂ）はシーム線が出現していない場合の撮影画像の例を示す図である。
【符号の説明】
１    種結晶
２    融液面
３    メニスカス
４    シーム線
１１  るつぼ
１６  種結晶昇降機構
１７  ワイヤ
１８  シードチャック
１９  種結晶回転機構
２０  透視窓
２１  ＣＣＤカメラ（撮像手段）
２２  カメラ制御ユニット
２３  テレビモニタ
２４  単結晶化自動判別装置
２５  単結晶引き上げ制御装置（制御手段）
【図１】
0003642691.tif 000002
【図２】
0003642691.tif 000003
【図３】
0003642691.tif 000004
【図４】
0003642691.tif 000005
【図５】
0003642691.tif 000006
【図６】
0003642691.tif 000007
【図７】
0003642691.tif 000008
【図８】
0003642691.tif 000009
【図９】
0003642691.tif 000010
【図１０】
0003642691.tif 000011
【図１１】
0003642691.tif 000012
【図１２】
0003642691.tif 000013
【図１３】
0003642691.tif 000014
【図１４】
0003642691.tif 000015
【図１５】
0003642691.tif 000016