(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を製造する方法において、シリコン単結晶ロッドと溶融液との境界部に発現するブライトリング及び該ブライトリング上方でかつ近傍の単結晶ロッド表面を、近赤外までの感度を有する二次元ＣＣＤ赤外線カメラを用いて観測し、ブライトリング及び該単結晶ロッド表面の放射輝度分布を求め、該放射輝度分布から求められるブライトリングの最高放射輝度と予め輝度−温度変換式から求められるシリコン単結晶の凝固点温度に対応する輝度との差を外乱光反射成分として求め、該単結晶ロッド表面の放射輝度から該外乱反射成分を差し引き、該単結晶ロッド表面の修正放射輝度を得、次いで該修正放射輝度を輝度−温度変換式から温度に変換することを特徴とする単結晶表面の温度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体用シリコンなどの単結晶をチョクラルスキー法（ＣＺ法という。）により製造する際の単結晶表面の温度測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＣ、ＬＳＩなどの製造に用いるシリコンなどの単結晶は、通常ＣＺ法により製造されている。ＣＺ法は、図６に示すように高純度の石英坩堝２の中にシリコン多結晶を入れ、回転軸７により石英坩堝２を回転させながら外部からヒータにより加熱溶融し、このシリコン多結晶の溶融液９中に引き上げワイヤー６の先端部に支持されたシリコン多結晶（種結晶）を浸漬して、次いで引き上げワイヤー６をゆっくりと引き上げながら徐冷し、シリコンの多結晶を単結晶１０に転化することによりシリコン単結晶を製造するものである。
【０００３】
この場合、引き上げ時のシリコン単結晶表面温度を正確に求めることは、生産ロスを防止して製品歩留まりを高めるうえで極めて重要であり、信頼性の高い温度測定方法が求められている。
【０００４】
従来、かかる測定方法としてはヒーター温度、溶融液内温度、溶融液と結晶との界面温度から結晶中の温度勾配を測定する方法（特開昭５９−２２７７９７号公報）が提案されている。また、歩留まりを向上させるために結晶の直径、振れ幅、溶融液面の高さ及び振動等を検知する手段としてＣＣＤカメラ等が用いられている（特開昭６３−１０００９７号公報、特開昭６３−１７０２９６号公報、特開平２−１０２１８７号公報及び特開平４−１２２３３号公報）。
しかしながら、図６に示すようにＣＺ炉内で成長中の単結晶表面温度をＣＣＤカメラ３を用いて測定しようとしても、該単結晶表面の放射像と側面ヒーターからの放射の高輝度反射像等が重畳しているため複雑な補正が必要となるとともに正確な温度を求めることはできなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、ＣＺ炉内で成長中の単結晶表面温度を簡易な方法で正確に求めることのできる方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
かかる実情において、本発明者は鋭意検討を行った結果、意外にも単結晶表面部、すなわちブライトリング上方でかつ近傍の高放射率部とブライトリングの輝度温度分布の最高輝度部が外乱の反射光量を同一量受けていることを見い出し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を製造する方法において、シリコン単結晶ロッドと溶融液との境界部に発現するブライトリング及び該ブライトリング上方でかつ近傍の単結晶ロッド表面を、近赤外までの感度を有する二次元ＣＣＤ赤外線カメラを用いて観測し、ブライトリング及び該単結晶ロッド表面の放射輝度分布を求め、該放射輝度分布から求められるブライトリングの最高放射輝度と予め輝度−温度変換式から求められるシリコン単結晶の凝固点温度に対応する輝度との差を外乱光反射成分として求め、該単結晶ロッド表面の放射輝度から該外乱反射成分を差し引き、該単結晶ロッド表面の修正放射輝度を得、次いで該修正放射輝度を輝度−温度変換式から温度に変換することを特徴とする単結晶表面の温度測定方法を提供するものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図１〜図５を参照しながら説明する。図１及び図２はブライトリングとその観測範囲を示した模式図である。図３はＣＣＤカメラにより観測されるブライトリング近傍の輝度温度分布曲線を示し、横軸はＹ軸方向に沿う位置を、縦軸は放射輝度の強さを示す。ＣＣＤカメラの映像をパソコンに取り込み画像処理を行う場合の座標設定は通常画面の左から右へＸ軸（正）、画面上から下へＹ軸（正）にとるため、窓部の方がブライトリングよりもＹ軸上原点に近い位置となる。図４は単結晶の窓部の放射輝度とブライトリングの最高放射輝度の関係を示す図である。図５は単結晶窓部の温度分布を示す図である。図中、窓部とブライトリングの境界付近はヒーター等からの反射の影響が大きく窓部温度分布を計測する方法では正確な温度測定は行えないため、一部が破断した表示となる。図１に示すように観測するブライトリング１３は、チョクラルスキー法により単結晶を製造する際、単結晶ロッド１１と側面ヒーターからの熱反射像が重畳して形成されるものであり、単結晶ロッド１１と溶融液１２との界面部に発現するものである。
【０００８】
本発明の方法では、近赤外までの感度を有する二次元ＣＣＤ赤外線カメラを用いて上記ブライトリング１３を観測する。これは、外乱光である黒鉛ヒーターなどの反射光の影響をできるだけ排除するためである。また、近赤外までの波長帯域としては、特に制限されないが、７００〜１１００ｎｍとするのが好ましい。
【０００９】
さらに、本発明は上記二次元ＣＣＤカメラを用いるため、ブライトリングの観測範囲１６において、図１に示すように二次元で輝度を観測することができる。観測方向としては、特に制限されないが、矢印方向（Ｙ軸方向）に観測することが好ましい。観測範囲１６の一部を拡大したものを図２に、また、観測結果で得られたＹ軸方向の輝度温度の分布曲線を図３に示した。図３のブライトリングの輝度温度分布の最高放射輝度１４は単結晶の凝固点と一致する。
図１及び図３から、単結晶の表面温度、すなわちブライトリングの上方でかつ近傍に位置し、外乱光が極めて少ない高放射率部１５（図１中、一点鎖線で示された部分であり、以下説明の便宜上「窓部」という）とブライトリング部１３は、後者が高い放射輝度勾配を示すことから、図３中の鉛直方向に描いた一点鎖線を境界として明確に区別できることがわかる。
【００１０】
次に、本発明において、窓部１５の温度分布は次の手順で求めることができる。まず、ブライトリング部における外乱光による反射成分を求める。すなわち、図３において、上記の如く、ブライトリング部の最高放射輝度１４が単結晶の凝固点と一致するが、この凝固点温度は文献より明らかであるので（Ｓｉ単結晶の凝固点は１４２０℃）、輝度−温度変換式によりこの凝固点に対応する輝度を求めておく。次いで、ブライトリング部の最高放射輝度１４とこの凝固点に対応する輝度を比較し、その差を外乱光による反射成分として求めておく。
【００１１】
次に、ブライトリング内の最高放射輝度と窓部の放射輝度の関係を求めたところ図４の破線で示されるように、その関係は比例関係にあることからブライトリングの部分と窓部では同量の外乱光を受け反射していることがわかる。従って、ブライトリングの温度変換より求められた反射光成分量が窓部にも加わっているとし、その成分を差し引いた輝度より温度変換を行うことにより、窓部の正確な温度が求められる。窓部全体についてこの計算を行えば、温度分布が求められＹ軸に沿った温度勾配も計算できる。
【００１２】
ここで外乱光の反射成分とは、外乱光放射が単結晶に反射してカメラに入射する成分をいう。
【００１３】
【実施例】
実施例１
ＣＺ炉内で成長中のシリコン単結晶の表面温度を下記仕様のＣＣＤカメラを用いて測定した。ブライトリングから窓部に至る放射輝度分布の結果は、前記図３のとおりであった。Ｓｉ単結晶の凝固点温度を輝度−温度変換式から輝度に変換し、これと点１４の最高放射輝度の差を外乱光による反射成分１７として求めた。次に窓部の放射輝度分布Ｂ（Ｚ）から縦軸の下方へ外乱光反射成分量を平行移動し、修正された輝度分布Ｂ′（Ｚ）を求めた。このＢ′（Ｚ）を輝度−温度変換式を用いて、図５に示す窓部の温度分布を求めた。
【００１４】
（ＣＣＤカメラの仕様）
検出素子：Ｓｉ−ＣＣＤ（５００×４００画素）
視野：１ｍで５ｃｍ中（拡大倍率変更可能）
対物レンズ外径：４０ｍｍ
測定波長：０．９〜１．１μｍ
温度範囲：１２００〜１５００℃
精度：０．５℃／ｃｍ
分解能：１．０℃
【００１５】
【発明の効果】
本発明方法によれば、ＣＺ炉内で成長中の単結晶表面温度を簡易な方法で直接的に正確に求めることができるため精密な制御が可能となり、品質向上が図れる。また、該ＣＣＤカメラは固定した状態で結晶の温度分布を測定できるため移動機構等の設置が不要であるとともに、非接触式であるため結晶ロッドや結晶溶融液を汚染しない。さらにまた、１台のＣＣＤカメラで温度監視用と直径制御用の２種類の測定が行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明におけるブライトリングとその観測範囲を示した模式図である。
【図２】図１の一部を拡大して示したブライトリングの観測範囲を示した模式図である。
【図３】本発明のＣＣＤカメラにより観測される輝度温度の分布曲線を示す図である。
【図４】単結晶の窓部の放射輝度とブライトリングの最高放射輝度の関係を示す図である。
【図５】単結晶窓部の温度分布を示す図である。
【図６】単結晶の引き上げ装置とＣＣＤカメラを示す図である。
【符号の説明】
１    ＣＺ炉
２    石英坩堝
３    ＣＣＤカメラ
４    パソコン
９    シリコン単結晶の溶融液
１０  単結晶
１１  単結晶ロッド
１２  溶融液
１３  ブライトリング
１４  ブライトリングの最高放射輝度部（凝固点）
１５  窓部（ブライトリング上部の高放射率部）
１６  観測範囲
【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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