(57)【要約】【課題】チョクラルスキー法による単結晶引上げにおいて、シリコン融液の液面を熱遮蔽板に対して相対的に近づけながらシリコン単結晶の引上げを行うに際して、シリコン融液の液面と熱遮蔽板下端面との間の液面高さレベルを精度良く把握する。【解決手段】熱遮蔽板１５の下端面に、垂直下方に向けて横断面の寸法が一定の割合で減少する形状をもつテーパ部材１６を設け、シリコン単結晶引上げ時には、テーパ部材１６の少なくとも先端部をシリコン融液２１に着液させた状態で維持し、テーパ部材１６とシリコン融液２１との接触表面部のメニスカス画像を撮像し、撮像した画像を処理して接触表面部におけるテーパ部材１６の直径を割り出し、割り出したテーパ部材１６の直径から、テーパ部材１６の長さ寸法を算出し、算出したテーパ部材１６の長さ寸法から、シリコン融液２１の液面と熱遮蔽板１５下端面との間の液面高さレベルであるギャップを把握する。【選択図】図１
2011032136.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チョクラルスキー法によるシリコン単結晶引上げ装置のシリコン融液の液面と、該液面の上方に位置する熱遮蔽板の下端面との間の距離を測定することで、前記液面の高さレベルを把握するにあたり、
熱遮蔽板の下端面に、垂直下方に向けて横断面の寸法が一定の割合で減少する形状をもつテーパ部材を設け、該テーパ部材は、前記下端面からの長さ寸法と、該長さ寸法の位置での前記横断面の寸法とが線形関係にあり、
シリコン単結晶引上げ時には、前記テーパ部材の少なくとも先端部をシリコン融液に着液させた状態で維持し、前記テーパ部材と前記シリコン融液との接触表面部の画像を撮像し、
撮像した画像を処理して前記接触表面部における前記テーパ部材の横断面寸法を割り出し、
割り出したテーパ部材の横断面寸法から、テーパ部材の長さ寸法を算出し、
算出したテーパ部材の長さ寸法から前記液面の高さレベルを把握することを特徴とするシリコン単結晶引上げ時における液面高さレベル把握方法。
【請求項２】
前記テーパ部材は、円錐台形状を有することを特徴とする請求項１に記載のシリコン単結晶引上げ時における液面高さレベル把握方法。
【請求項３】
前記テーパ部材は、前記下端面からの長さ寸法に対する横断面寸法の減少率が１０〜３０％の範囲である請求項１または２に記載のシリコン単結晶引上げ時における液面高さレベル把握方法。
【請求項４】
前記テーパ部材は、シリコン材料または石英材料により構成されることを特徴とする請求項１、２または３に記載のシリコン単結晶引上げ時における液面高さレベル把握方法。
【請求項５】
前記接触表面部の画像は、シリコン融液に着液したテーパ部材の表面部分がメニスカスによりリング状に発光して得られる画像であり、該画像の処理は、前記メニスカスにより発光して得られた画像を２値化処理することによって行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のシリコン単結晶引上げ時における液面高さレベル把握方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チョクラルスキー法（ＣＺ法）によるシリコン単結晶引上げ装置のシリコン融液の液面と熱遮蔽板の下端面との間の距離を測定することで、液面高さレベルを把握する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体材料のシリコンウェーハに用いるシリコン単結晶の製造方法として、ＣＺ法が広く採用されている。ＣＺ法は、石英坩堝内のシリコン融液に種結晶を浸漬させ、シリコン単結晶を成長させつつ引上げを行う方法である。
【０００３】
このＣＺ法により成長される単結晶の品質は、成長中の温度に依存することが一般に知られている。結晶の温度に大きな影響を与える因子としては、坩堝内の融液から受ける輻射熱が挙げられ、これを制御するために、ＣＺ法による単結晶引上げ装置においては、通常、成長中の結晶の周りに黒鉛等からなる熱遮蔽板が配置される。
【０００４】
一般に、熱遮蔽板は、下方に向けて径が狭まるテーパ形状を有し、その下端部は、シリコン単結晶の引上げ時において、シリコン融液の液面近傍に位置する。この、熱遮蔽板の下端面とシリコン融液の液面との間の距離である液面高さレベル（以下、ギャップとも呼ぶ）の制御は、引上げられるシリコン単結晶の品質の制御のために非常に重要である。特に、ディスクリート半導体に使用される単結晶では、引上げとともにギャップを徐々に狭め、これによって、抵抗値の均質化を図っている。
【０００５】
しかし、上記のディスクリート製品の場合、ギャップを数ｍｍから十数ｍｍの狭い範囲で制御する必要がある一方、従来、そのようにギャップを精度良く測定することは困難であった。さらに、仮に熱遮蔽板がシリコン融液に接触すると、シリコン融液を汚染し結晶成長を中断させなければならなくなる虞がある。このため、ギャップを精度良く測定する種々の方法が提案されている。
【０００６】
例えば、熱遮蔽板の下端部に基準反射体を設け、この基準反射体およびこの基準反射体がシリコン融液面に反射されて形成される鏡像を、ＣＣＤカメラ等の画像検出手段によって検出し、画像処理により、基準反射体とその鏡像との距離を算出することによって、基準反射体とシリコン融液面との距離を測定する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
また、成長中の単結晶直胴部の長さを常時検出するとともに、例えばＣＣＤカメラ等の画像検出手段を用いて、単結晶とシリコン融液との成長界面に発生するフュージョンリングを検出することによって、単結晶成長中の融液表面位置を検出し、ギャップを測定する方法も開示されている（例えば、引用文献２参照。）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−２９０９０６号公報
【特許文献２】特開２００８−１８９４８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、基準反射体とその鏡像を用いる方法では、液面振動の影響を受け、鏡像が見え難くなる場合がある。また、基準反射体はシリコン融液の液面から十分に離す必要があるため、熱遮蔽板そのものの陰になってしまう場合もある。一方、画像検出手段によりフュージョンリングを検出する方法では、ギャップの変化に対して観察されるフュージョンリングの大きさの変化は急峻ではないため、精度の高いギャップの測定は困難である。また、結晶直径が安定していない場合にも、測定は困難である。
【００１０】
したがって、これらの点に着目してなされた本発明の目的は、ＣＺ法による単結晶引上げにおいて、シリコン融液の液面を熱遮蔽板に対して相対的に近づけながらシリコン単結晶の引上げを行う場合に、シリコン融液の液面と熱遮蔽板の下端面との間の距離（ギャップ）を精度良く測定する液面高さレベル把握方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成する本発明に従う液面高さレベル把握方法は、
チョクラルスキー法によるシリコン単結晶引上げ装置のシリコン融液の液面と、該液面の上方に位置する熱遮蔽板の下端面との間の距離を測定することで、前記液面の高さレベルを把握するにあたり、
熱遮蔽板の下端面に、垂直下方に向けて横断面の寸法が一定の割合で減少する形状をもつテーパ部材を設け、該テーパ部材は、前記下端面からの長さ寸法と、該長さ寸法の位置での前記横断面の寸法とが線形関係にあり、
シリコン単結晶引上げ時には、前記テーパ部材の少なくとも先端部をシリコン融液に着液させた状態で維持し、前記テーパ部材と前記シリコン融液との接触表面部の画像を撮像し、
撮像した画像を処理して前記接触表面部における前記テーパ部材の横断面寸法を割り出し、
割り出したテーパ部材の横断面寸法から、テーパ部材の長さ寸法を算出し、
算出したテーパ部材の長さ寸法から前記液面の高さレベルを把握することを特徴とするものである。
【００１２】
また、前記テーパ部材は、円錐台形状を有することが好ましく、前記下端面からの長さ寸法に対する横断面寸法の減少率が１０〜３０％の範囲であることが好ましい。
【００１３】
さらに、前記テーパ部材は、シリコン材料または石英材料により構成されることが好ましい。
【００１４】
また、前記接触表面部の画像は、シリコン融液に着液したテーパ部材の表面部分がメニスカスによりリング状に発光して得られる画像であり、該画像の処理は、前記メニスカスにより発光して得られた画像を２値化処理することによって行うことが好適である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、熱遮蔽板の下端面に、垂直下方に向けて横断面の寸法が一定の割合で減少する形状をもつテーパ部材を設け、シリコン単結晶引上げ時には、テーパ部材の少なくとも先端部をシリコン融液に着液させた状態で維持し、テーパ部材とシリコン融液との接触表面部の画像を撮像し、撮像した画像を処理して接触表面部におけるテーパ部材の横断面寸法を割り出し、割り出したテーパ部材の横断面寸法から、テーパ部材の長さ寸法を算出し、算出したテーパ部材の長さ寸法から液面の高さレベルを把握するようにしたので、シリコン融液の液面を熱遮蔽板に対して相対的に近づけながらシリコン単結晶の引上げを行う場合に、シリコン融液の液面と、該液面の上方に位置する熱遮蔽板の下端面との間の距離である液面高さレベルを精度良く測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の液面高さレベル把握方法を実施するのに適した単結晶引上げ装置の概略構成を示す図である。
【図２】図１の熱遮蔽板およびテーパ部材を示すものであって、（ａ）は側面図、（ｂ）は熱遮蔽板とテーパ部材との結合部を中心とする部分を拡大して示す上面図である。
【図３】テーパ部材のシリコン融液との接触表面部の直径からギャップを計算する方法を説明するものであって、（ａ）はテーパ部材の寸法の説明図、（ｂ）は、テーパ部材の熱遮蔽板の下端面からの長さ寸法と、この長さ寸法位置でのテーパ部材の横断面の寸法、すなわち、直径との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
図１は、本発明の測定方法を実施するのに適した単結晶引上げ装置の概略構成を示す図である。この単結晶引上げ装置１０は、肩部に覗き窓１１を有するメインチャンバ１２と、プルチャンバ１３と、坩堝１４と、熱遮蔽板１５と、テーパ部材１６と、単結晶引上げ機構３１と、坩堝昇降機構３２と、カメラ１７と、画像処理部１８と、距離算出部１９と、制御部２０とにより、主として構成される。
【００１９】
メインチャンバ１２は、円筒状の胴部と上方に向けて径の狭まる肩部からなる容器であり、プルチャンバ１３とともに内部を外部雰囲気から密閉する。メインチャンバ１２の内部には、略中央に坩堝１４が配置される。坩堝１４は、例えば石英ガラス材料からなり、有底の略円筒形の形状をしており、単結晶の原料である多結晶シリコンを融解させたシリコン融液２１を貯留する。この坩堝１４の周りには、坩堝１４内を加熱するための円筒状のヒータ２２が、坩堝１４から所定の間隔を開けて配置される。さらに、このヒータ２２の周りには、ヒータ２２の熱がチャンバ外へ移動しないようにするために、所定の間隔を開けて円筒状の断熱体２３が配置される。
【００２０】
また、熱遮蔽板１５は、単結晶引上げの際に、単結晶２４が坩堝１４内の融液から受ける輻射熱を抑制するために単結晶２４の周りに設けられるものであり、下方に向けて径が狭まるテーパ形状を有する。この熱遮蔽板１５は、上端部の周縁を断熱体２３によって支持され、メインチャンバ１２内の坩堝１４の上方に固定配置される。熱遮蔽板１５の下端面は、シリコン単結晶２４の引上げ時において、シリコン融液液面から数ｍｍ〜十数ｍｍの距離に位置する。
【００２１】
さらに、熱遮蔽板１５の下端面には、好適にはシリコン材料よりなるテーパ部材１６が結合される。図２は、図１の熱遮蔽板１５およびテーパ部材１６を示すものであって、（ａ）は側面図、（ｂ）は熱遮蔽板１５とテーパ部材１６との結合部を中心とする部分を拡大して示す上面図である。図２に示すように、テーパ部材１６は、下方に向けて横断面の寸法が一定の割合、例えば、長さ寸法に対して１０〜３０％の割合で減少する円錐台状の形状を有し、上端部を熱遮蔽板１５の下端部に設けられた下方に向けて横断面の寸法の狭まるテーパ状の孔に嵌め込まれて支持される。また、シリコン単結晶引上げ時には、テーパ部材１６の下部がシリコン融液２１に着液する。その際、テーパ部材１６の高温のシリコン融液２１の液面下に位置する部分は、シリコン融液２１内に融解する。しかし、テーパ部材１６は、シリコン融液２１と同じシリコン材料で構成されるため、このことは、引上げられる単結晶２４の品質にほとんど影響を与えない。なお、テーパ部材１６は、シリコン材料と同様に、シリコン融液２１に融解しても単結晶２４の品質にほとんど影響を与えない石英材料により構成しても良い。
【００２２】
また、メインチャンバ１２の肩部に設けられた覗き窓１１の外側には、カメラ１７が、テーパ部材１６とシリコン融液２１との接触表面部を撮像可能に配置される。図１においては、覗き窓１１とテーパ部材１６およびシリコン融液２１の接触表面部との間には、引上げ中の単結晶２４の直胴部が位置しているが、実際の装置構成においては、単結晶２４を避けて覗き窓１１から接触表面部を直視できる位置（例えば、図１において単結晶２４の背面側）にテーパ部材１６を配置する。
【００２３】
一方、プルチャンバ１３は、メインチャンバ１２の肩部上端に内部が連通するように接続された、メインチャンバ１２より小径の円筒状の容器である。プルチャンバ１３は、上述のように、メインチャンバ１２とともに、内部を外部雰囲気から密閉する。また、プルチャンバ１３の側壁には、不活性ガスを供給するための図示しない導入口が設けられ、メインチャンバ１２の底部には、チャンバ内の不純物を不活性ガスとともに排出するための図示しない排出口が設けられ、排出口は図示しない排気用パイプを介して図示しない真空ポンプに接続される。これによって、単結晶引上げ時には、メインチャンバ１２およびプルチャンバ１３内を低圧の不活性ガス雰囲気にすることができる。
【００２４】
単結晶引き上げ機構３１は、引上げ駆動部２５、引上げワイヤ２６、シードホルダ２７を含んで構成されている。引き上げ駆動部２５は、プルチャンバ１３の上部に設けられ、速度を制御しつつ引上げワイヤ２６をプルチャンバ１３の中心軸周りに回転させながら上昇または下降させることができる。また、引上げワイヤ２６は、引上げ駆動部２５から、プルチャンバ１３の中心軸に沿って垂直下方向に延び、下端部には種結晶２８を取り付けるためのシードホルダ２７が接続されている。
【００２５】
坩堝昇降機構３２は、シャフト３０と坩堝駆動装置２９とを含んで構成される。シャフト３０の上端は、坩堝１４の底部の中央に接続され坩堝１４を下側から支持する。さらに、シャフト３０はメインチャンバ１２の底部を垂直に貫通し、メインチャンバ１２の下部に設けられた坩堝駆動装置２９に結合している。これによって、坩堝駆動装置２９は、シャフト３０を介して坩堝１４を中心軸周りに所定の速度で回転させるとともに、上下に昇降させることができる。
【００２６】
一方、カメラ１７は、ＣＣＤ等の撮像素子を有し、テーパ部材１６とシリコン融液２１との接触表面部に形成されるメニスカスの２次元画像を撮像することができる。また、画像処理部１８は、カメラ１７と接続されており、カメラ１７により撮像した画像を受け取り、２値化処理を行うことによって、メニスカスの直径、すなわち、テーパ部材１６のシリコン融液との接触表面部の直径を検出することができる。
【００２７】
また、距離算出部１９は、画像処理部１８と接続されており、画像処理部１８からテーパ部材１６のシリコン融液２１との接触表面部の直径のデータを受け取り、この直径のデータ値に基づいて、ギャップを算出することができる。図３は、テーパ部材１６のシリコン融液２１との接触表面部の直径からギャップを計算する方法を説明するものであって、図３（ａ）はテーパ部材の寸法の説明図、図３（ｂ）は、テーパ部材１６の熱遮蔽板１５の下端面からの長さ寸法、すなわちギャップと、この長さ寸法位置でのテーパ部材１６の横断面の寸法、すなわち、直径との関係を示すグラフである。図３（ａ）に示すように、テーパ部材１６の熱遮蔽板１５の下端面位置における直径をＡ（例えば、Ａは１０ｍｍ）とし、これと反対側の下側底面の直径をＡ／２とし、高さをＸ（例えば、Ｘは３０ｍｍ）とした場合、テーパ部材１６のシリコン融液２１との接触表面部の直径と、テーパ部材１６の熱遮蔽板１５の下端面からの長さ寸法、すなわちギャップとは、図３（ｂ）のグラフで示される線形関係を有する。距離算出部１９は、この関係に基づいて、ギャップを算出する。
【００２８】
次に、制御部２０は、距離算出部１９、坩堝駆動装置２９および引上げ駆動装置２８とそれぞれ接続され、距離算出部１９からはギャップの値を受け取り、また、坩堝駆動装置２９および引上げ駆動装置２８を制御し、あるいは、ギャップの値を図示しないモニタに表示させることができる。
【００２９】
以上のような構成によって、単結晶引上装置１０では、坩堝１４内に多結晶シリコンやドーパントを入れ、不活性ガス雰囲気中で、ヒータ２２により加熱し融解させシリコン融液２１を生成する。このシリコン融液２１に、シードホルダ２７に取り付けられた種結晶２８を接触させた後に、引上ワイヤ２６を介して引上げ駆動部２５によりゆっくり引上げることによって、種結晶２８と同じ結晶配列を有する単結晶２４を成長させ、所望の直径を有する単結晶を生成させる。
【００３０】
ここで、例えば、ディスクリート半導体向けの場合、単結晶引上げの進行とともにギャップを徐々に狭める制御を行う。具体的には、制御部２０が坩堝駆動装置２９を制御して、坩堝の位置を徐々に上昇させる。ここで、坩堝１４の位置上昇は、単結晶２４の引上げによる坩堝１４内のシリコン融液２１の減少による液面の低下を上回る速度とする。このため、テーパ部材１６は、単結晶引上げの開始後、一度シリコン融液２１と接触した後は、着液した状態を維持したままテーパ部材１６に対するシリコン融液２１との接触表面部の高さ位置が上昇する。このテーパ部材１６とシリコン融液２１の液面との接触表面部には、表面張力により、高輝度のリング状のメニスカスが形成される。
【００３１】
一方、カメラ１７は、所定の時間間隔、例えば１分毎に、テーパ部材１６とシリコン融液２１との接触表面部を２次元静止画像として撮像する。撮像した２次元画像は、順次画像処理部１８に渡され、所定の輝度値を閾値に設定して、２値化処理を行うことによって、リング状のメニスカスを抽出する。さらに、画像処理部１８は、このメニスカスの直径を検出することによって、テーパ部材１６のシリコン融液２１との接触表面部の直径を割り出す。さらに、距離算出部１９は、検出されたテーパ部材１６の上記接触表面部の直径から、図３（ｂ）のグラフの関係に基づいて、テーパ部材１６の長さ寸法を算出してギャップの大きさを把握し、制御部２０に出力する。
【００３２】
制御部２０は、距離算出部１９で算出されたギャップの値が、予め記憶された単結晶引き上げの進行に応じた望ましいギャップの大きさの値となるように、坩堝駆動装置を制御して、坩堝２０の上昇を制御する。さらに、検出されたギャップが、所定の下限値、例えば６ｍｍ以下となった場合は、熱遮蔽板１５とシリコン融液２１とが接触する虞があるものとして、坩堝１４の上昇を減速または停止させる。
【００３３】
本発明によれば、熱遮蔽板１５の下端面に、垂直下方に向けて横断面の寸法が一定の割合で減少する形状をもつテーパ部材１６を設け、シリコン単結晶引上げ時には、テーパ部材１６の少なくとも先端部をシリコン融液２１に着液させた状態で維持し、テーパ部材１６とシリコン融液２１との接触表面部に形成されるメニスカス画像を撮像し、撮像した画像を処理して接触表面部におけるテーパ部材１６の直径を割り出し、割り出したテーパ部材１６の直径から、テーパ部材１６の長さ寸法を算出し、算出したテーパ部材１６の長さ寸法から、シリコン融液２１の液面と熱遮蔽板１５下端面との間の液面高さレベルであるギャップを把握するようにしたので、ギャップを精度良く把握することができる。したがって、制御部２０の制御により、熱遮蔽板１５がシリコン融液２１に接触することを防止して、単結晶の収率を向上させることができる。
【００３４】
また、テーパ部材１６を円錐台形状としたので、テーパ部材１６の中心軸周りの角度が異なって配置されても、カメラ１７から観察される直径の大きさは同一となるので、装置の構成や調整が容易である。
【００３５】
さらに、テーパ部材は、熱遮蔽板１５の下端面からの長さ寸法に対する横断面寸法の減少率を１０〜３０％の範囲としたので、熱遮蔽版１５の陰になることなく、覗き窓１１からカメラ１７によりテーパ部材１６とシリコン融液２１との接触表面部を観察することができる。
【００３６】
また、シリコン材料または石英材料により構成されるテーパ部材１６を用いたので、テーパ部材１６の一部がシリコン融液２１と接触し、シリコン融液２１内に溶け出しても不純物とはならず、引上げられる単結晶の品質に影響を与えない。
【００３７】
さらに、高輝度のメニスカス画像を２値化処理してテーパ部材１６とシリコン融液２１との接触表面部の直径を検出するようにしたので、さらに精度の高い測定が可能になる。
【００３８】
なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。たとえば、テーパ部材１６の形状は円錐台としたが、これに限られず、円錐、角錐、角錐台等であっても良い。また、カメラ１７は例えば１分毎にテーパ部材１６とシリコン融液２１との接触表面部を撮像するものとしたが、これに限られず、動画撮像のフレームレートによりリアルタイムでの撮像を行い、リアルタイムに接触表面部の直径の大きさを割り出すことも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明によれば、シリコン単結晶引上げにおけるシリコン融液の液面と熱遮蔽板下端部との間の液面高さレベルを精度良く測定することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１０    単結晶引上装置
１１    覗き窓
１２    メインチャンバ
１３    プルチャンバ
１４    坩堝
１５    熱遮蔽板
１６    テーパ部材
１７    カメラ
１８    画像処理部
１９    距離算出部
２０    制御部
２１    シリコン融液
２２    ヒータ
２３    断熱体
２４    単結晶
２５    引上げ駆動部
２６    引上ワイヤ
２７    シードホルダ
２８    種結晶
２９    坩堝駆動装置
３０    シャフト
３１    単結晶引上げ機構
３２    坩堝昇降機構
【図１】
2011032136.tif 000003
【図２】
2011032136.tif 000004
【図３】
2011032136.tif 000005