(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリカガラスルツボを用いたシリコン単結晶引上げの条件設定を支援する装置であって、
ユーザにより入力されたシリカガラスルツボを個別に特定可能なルツボ特定情報を取得するルツボ特定情報取得部と、
前記ルツボ特定情報によって個別に特定されるシリカガラスルツボの三次元形状の測定データを取得する測定データ取得部と、
伝熱計算、流体計算及び構造計算からなる群から選ばれる１種以上の計算が可能な計算エンジンを用いて、前記測定データ通りの三次元形状のシリカガラスルツボを用いてシリコン単結晶の引上げを行った場合の結晶欠陥の発生についてシミュレーションデータを得るシミュレーション部と、
前記シミュレーション部が用いる加熱温度、引上げ速度及び回転数を含む引上条件を設定し、当初の引上条件に基づいて得られた前記シミュレーションデータの結晶欠陥の発生率が所定の水準を超えている場合には、前記結晶欠陥の発生率が所定の水準以下となる改善引上条件を設定する引上条件設定部と、
前記引上げ条件を出力する出力部と、
を備える、
装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、
前記測定データが、前記シリカガラスルツボの三次元形状に関連付けられた特性値のデータを含み、
前記シミュレーション部は、前記測定データ通りの三次元形状及び特性値を有するシリカガラスルツボを用いてシリコン単結晶の引上げを行った場合の結晶欠陥の発生についてシミュレーションデータを得るように構成されている、
装置。
【請求項３】
請求項２に記載の装置において、
前記特性値が、気泡含有率、表面粗さ、赤外吸収スペクトル及びラマンスペクトルから選ばれる１種以上の特性値である、
装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の装置において、
前記測定データが、前記シリカガラスルツボのラウンド部の凹凸のデータを含み、
前記引上条件が、前記ラウンド部近辺での引き上げ速度、加熱温度及び回転数のタイムテーブルを含む、
装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の装置において、
ユーザにより入力された多結晶シリコン原料、引上装置の直径、印加される磁場の強さ、引き上げるシリコン単結晶のサイズ、引き上げるシリコン単結晶の長さ、加熱方式、雰囲気ガスの種類、雰囲気ガスの減圧度、連続引上条件、追加原料チャージ条件及び保管条件からなる群から選ばれる１種以上の追加情報を取得する追加情報取得部をさらに備える、
装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の装置において、
前出力部が、前記測定データをさらに出力するように構成されている、
装置。
【請求項７】
シリカガラスルツボを用いたシリコン単結晶引上げの条件設定を支援する装置であって、
ユーザにより入力されたシリカガラスルツボを個別に特定可能なルツボ特定情報を取得するルツボ特定情報取得部と、
前記ルツボ特定情報によって個別に特定されるシリカガラスルツボの三次元形状の測定データを取得する測定データ取得部と、
前記測定データを出力する出力部と、
を備える、
装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリカガラスルツボを用いたシリコン単結晶引上げの条件設定を支援する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
チョクラルスキー（以下、ＣＺという。）法によりシリカガラスルツボを用いてシリコン単結晶を引上げて製造するために、固体であるシリコン単結晶と液体であるシリコン融液との固液界面形状や、この固液界面近傍の温度分布を、コンピュータによりシミュレーションを行って数値解析を行う方法の開発が精力的に行われている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、メッシュ構造でモデル化したホットゾーンの各部材の物性値をコンピュータに入力し、各部材の表面温度分布をヒータの発熱量及び各部材の輻射率に基づいて求めることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１９０９２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記文献記載の従来技術は、シリカガラスルツボ毎の特性に適した単結晶シリコンの引上条件の設定に用いることが困難であった。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、シリカガラスルツボ毎の特性に適した単結晶シリコンの引上条件の設定を容易にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、シリカガラスルツボを用いたシリコン単結晶引上げの条件設定を支援する装置が提供される。この装置は、ユーザにより入力されたシリカガラスルツボを個別に特定可能なルツボ特定情報を取得するルツボ特定情報取得部と、そのルツボ特定情報によって個別に特定されるシリカガラスルツボの三次元形状の測定データを取得する測定データ取得部と、伝熱計算、流体計算及び構造計算からなる群から選ばれる１種以上の計算が可能な計算エンジンを用いて、その測定データ通りの三次元形状のシリカガラスルツボを用いてシリコン単結晶の引上げを行った場合の結晶欠陥の発生についてシミュレーションデータを得るシミュレーション部と、そのシミュレーション部が用いる加熱温度、引上げ速度及び回転数を含む引上条件を設定し、当初の引上条件に基づいて得られたそのシミュレーションデータの結晶欠陥の発生率が所定の水準を超えている場合には、その結晶欠陥の発生率が所定の水準以下となる改善引上条件を設定する引上条件設定部と、その引上げ条件を出力する出力部と、を備える。
【０００８】
この構成によれば、ユーザにより入力されたシリカガラスルツボを個別に特定したうえで、そのシリカガラスルツボの三次元形状の測定データに基づいてシミュレーションを行って、結晶欠陥の発生率が所定の水準以下となる改善引上条件を出力することができる。そのため、ユーザは、シリカガラスルツボ毎の特性に適した単結晶シリコンの引上条件の設定を容易に行うことができる。
【０００９】
また、本発明によれば、別のシリカガラスルツボを用いたシリコン単結晶引上げの条件設定を支援する装置が提供される。この装置は、ユーザにより入力されたシリカガラスルツボを個別に特定可能なルツボ特定情報を取得するルツボ特定情報取得部と、そのルツボ特定情報によって個別に特定されるシリカガラスルツボの三次元形状の測定データを取得する測定データ取得部と、その測定データを出力する出力部と、を備える。
【００１０】
この構成によれば、ユーザにより入力されたシリカガラスルツボを個別に特定したうえで、そのシリカガラスルツボの三次元形状の測定データを出力する。そのため、ユーザは、そのシリカガラスルツボの三次元形状の測定データに基づいて、シリカガラスルツボ毎の特性に適した単結晶シリコンの引上条件の設定を容易に行うことができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、シリカガラスルツボ毎の特性に適した単結晶シリコンの引上条件の設定を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態の装置の動作原理を説明するための概念図である。
【図２】本実施形態の装置を用いて得られたシリカガラスルツボの三次元形状の測定データを用いて、ユーザが単結晶シリコンの引上げプロセスにおける多結晶シリコン原料のチャージおよび熔融を適切におこなうことについて説明するための概念図である。
【図３】本実施形態の装置を用いて得られた引上条件のデータを用いて、ユーザが単結晶シリコンの引上げプロセスにおける加熱温度、引上げ速度及び回転数のフィードバック制御をより緻密におこなうことについて説明するための概念図である。
【図４】本実施形態の装置の全体構成を説明するための機能ブロック図である。
【図５】本実施形態の装置のシミュレーション部、および引上条件設定部の詳しい構成を説明するための機能ブロック図である。
【図６】本実施形態の装置で用いるシリカガラスルツボの測定データのデータ構成について説明するためのデータテーブルである。
【図７】本実施形態の装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図８】本実施形態の装置で用いるシリカガラスルツボの測定データをロボットアームおよび測距部を用いて測定する方法について説明するための測定工程図である。
【図９】図８における測定原理を説明するための概念図である。
【図１０】図８における内部測距部の測定結果を示すグラフである。
【図１１】図８における外部測距部の測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＜シリカガラスルツボの製造条件の設定を支援する装置＞
図１は、本実施形態の装置の動作原理を説明するための概念図である。本実施形態では、まず、電源、カーボン電極、カーボンモールド、減圧機構などを備えるシリカガラスルツボの製造装置を用いて、モールド上に積層したシリカ粉（別名として、石英粉ともいう）を熔融してシリカガラスルツボを製造する。具体的には、回転モールドの内表面に平均粒径３００μｍ程度のシリカ粉を堆積させてシリカ粉層を形成するシリカ粉層形成工程と、モールド側からシリカ粉層を減圧しながら、シリカ粉層をアーク熔融させることによってシリカガラス層を形成するアーク熔融工程によって、シリカガラスルツボを製造する。
【００１４】
このとき、アーク熔融工程の初期にはシリカ粉層を強く減圧することによって気泡を除去して透明層を形成し、その後、減圧を弱くすることによって気泡が残留した気泡含有層を形成することによって、内表面側に透明層を有し、外表面側に気泡含有層を有する二層構造のシリカガラスルツボを形成することができる。
【００１５】
次いで、後述するロボットアームを用いてこのシリカガラスルツボの三次元形状を測定して、シリカガラスルツボの三次元形状の測定データを得る。
【００１６】
その後、ユーザの要求に応じて、このシリカガラスルツボの三次元形状の測定データを提供する。
【００１７】
そして、その測定データ通りの三次元形状のシリカガラスルツボを用いてチョクラルスキー法によるシリコン単結晶の引上げを行った場合の結晶欠陥の発生についてシミュレーションを行って、結晶欠陥の発生率が所定の水準以下となる引上条件を設定する。続いて、その結晶欠陥の発生率が所定の水準以下となる引上条件をユーザに提供する。その結果、ユーザは、シリカガラスルツボ毎の特性に適した単結晶シリコンの引上条件の設定を容易に行うことができる。
【００１８】
図２は、本実施形態の装置を用いて得られたシリカガラスルツボの三次元形状の測定データを用いて、ユーザが単結晶シリコンの引上げプロセスにおける多結晶シリコン原料のチャージおよび熔融を適切におこなうことについて説明するための概念図である。シリコン単結晶の引き上げ時には、図２（ａ）に示すように、ルツボ１１内に多結晶シリコン２１を充填し、この状態でルツボ１１の周囲に配置されたカーボンヒーターで多結晶シリコンを加熱して熔融させて、図２（ｂ）に示すように、シリコン融液２３を得る。
【００１９】
シリコン融液２３の体積は、多結晶シリコン２１の質量によって定まるので、シリコン融液２３の液面２３ａの高さ位置Ｈは、多結晶シリコン２１の質量とルツボ１１の内表面の三次元形状によって決まる。本実施形態によれば、ルツボ１１の内表面の三次元形状の測定データが提供されるので、ルツボ１１の任意の高さ位置までの容積が特定され、従って、シリコン融液２３液面２３ａの高さ位置Ｈが決定される。シリコン融液２３の初期液面の高さ位置Ｈが決定された後は、種結晶の先端を高さ位置Ｈまで下降させてシリコン融液２３に接触させ、その後、ゆっくりと引き上げることによって、シリコン単結晶を製造することができる。
【００２０】
図３は、本実施形態の装置を用いて得られた引上条件のデータを用いて、ユーザが単結晶シリコンの引上げプロセスにおける加熱温度、引上げ速度及び回転数のフィードバック制御をより緻密におこなうことについて説明するための概念図である。シリコン単結晶の引き上げ時には、ルツボ１１内に多結晶シリコンを充填し、この状態でルツボ１の周囲に配置されたカーボンヒーターで多結晶シリコンを加熱して熔融させて、図３（ａ）に示すように、シリコン融液２３を得る。
【００２１】
シリコン融液２３の体積は、多結晶シリコン２１の質量によって定まるので、シリコン融液２３の液面２３ａの初期の高さ位置Ｈ０は、多結晶シリコン２１の質量とルツボ１１の内表面の三次元形状によって決まる。本実施形態によれば、ルツボ１１の内表面の三次元形状の測定データが提供されるので、ルツボ１１の任意の高さ位置までの容積が特定され、従って、シリコン融液２３液面２３ａの初期の高さ位置Ｈ０が決定される。
【００２２】
シリコン融液２３の液面２３ａの初期の高さ位置Ｈ０が決定された後は、図３（ａ）に示すように、種結晶２４の先端を高さ位置Ｈ０まで下降させてシリコン融液２３に接触させ、その後、本実施形態で提供される加熱温度、引上げ速度及び回転数を含む引上条件に従って、ゆっくりと引き上げることによって、シリコン単結晶２５の引き上げを行う。
【００２３】
図３（ｂ）に示すように、シリコン単結晶２５の直胴部（直径が一定の部位）を引き上げているときに、液面２３ａがルツボ１１の側壁部１１ａに位置している場合には、本実施形態で提供される加熱温度、引上げ速度及び回転数を含む引上条件に従って、一定の速度で引き上げると液面２３ａの降下速度Ｖはほぼ一定になるので、引き上げの制御は容易である。
【００２４】
しかし、図１（ｃ）に示すように、液面２３ａがルツボ１１のラウンド部１１ｂに到達すると、液面２３ａの下降に伴ってその面積が急激に縮小するので、液面２３ａの降下速度Ｖが急激に大きくなる。降下速度Ｖは、ラウンド部１１ｂの内表面形状に依存しているが、この内表面形状がルツボ毎に若干異なっているので、降下速度Ｖがどのように変化するのかを事前に把握することは困難であり、引き上げの自動化の妨げになっていた。
【００２５】
本実施形態では、後述する方法によって、ルツボの内表面の三次元形状を正確に測定するので、ラウンド部１１ｂの内表面形状（ラウンド部の凹凸のデータ）が事前に分かり、従って、降下速度Ｖがどのように変化するのかを正確に予測することができるので、その予測に基づいて、シリコン単結晶２５の引き上げ速度等の引き上げ条件を決定してユーザに提供することによって、ラウンド部１１ｂにおいても有転移化を防止し且つ引き上げを自動化することが可能である。
【００２６】
図４は、本実施形態の装置の全体構成を説明するための機能ブロック図である。この製造条件設定支援装置１０００には、ユーザにより入力されたシリカガラスルツボを個別に特定可能なルツボ特定情報を取得するルツボ特定情報取得部１４０が設けられている。このルツボ特定情報取得部１４０は、ユーザがユーザ端末１５２で入力したシリカガラスルツボの型式、製造ロット、シリアルナンバーなどのシリカガラスルツボを個別に特定可能な情報をインターネット１５０および構内ＬＡＮ１１８を介して取得してもよい。
【００２７】
この製造条件設定支援装置１０００には、上記のルツボ特定情報によって個別に特定されるシリカガラスルツボの三次元形状の測定データを取得する測定データ取得部１０２が設けられている。この測定データ取得部１０２は、外部のサーバ１２６に格納されているシリカガラスルツボの三次元形状の測定データを構内ＬＡＮ１１８を介して取得してもよい。
【００２８】
この製造条件設定支援装置１０００には、伝熱計算、流体計算及び構造計算からなる群から選ばれる１種以上の計算が可能な計算エンジンを用いて、上記の測定データ通りの三次元形状のシリカガラスルツボを用いてシリコン単結晶の引上げを行った場合の結晶欠陥の発生についてシミュレーションデータを得るシミュレーション部１１２が設けられている。
【００２９】
この製造条件設定支援装置１０００には、上記のシミュレーション部１１２が用いる加熱温度、引上げ速度及び回転数を含む引上条件を設定し、当初の引上条件に基づいて得られたシミュレーションデータの結晶欠陥の発生率が所定の水準を超えている場合には、結晶欠陥の発生率が所定の水準以下となる改善引上条件を設定する引上条件設定部１１４が設けられている。
【００３０】
この製造条件設定支援装置１０００には、上記の引上げ条件を出力する出力部１１６が設けられている。この出力部１１６は、シリカガラスルツボの三次元形状の測定データ又はシリコン単結晶の引上条件を構内ＬＡＮ１１８およびインターネット１５０を介してユーザ端末１５２に出力することができる。
【００３１】
図５は、本実施形態の装置のシミュレーション部、および引上条件設定部の詳しい構成を説明するための機能ブロック図である。この図に示すように、上記のシミュレーション部１１２には、伝熱計算エンジン２０４、流体計算エンジン２０６、構造計算エンジン２０８などを格納する計算エンジン記憶部２１０が設けられている。そして、このシミュレーション部１１２には、これらの伝熱計算エンジン２０４、流体計算エンジン２０６、構造計算エンジン２０８を計算エンジン記憶部２１０から読み込んで、応力解析および熱流体解析などの数値解析を行う解析部２０２も設けられている。
【００３２】
このシミュレーション部１１２には、伝熱計算、流体計算及び構造計算からなる群から選ばれる１種以上の計算が可能な計算エンジンを用いて、測定データ通りの三次元形状のシリカガラスルツボを用いてシリコン単結晶の引上げを行った場合の結晶欠陥の発生について予測する結晶欠陥予測部１０６が設けられている。この結晶欠陥予測部１０６には、伝熱計算、流体計算及び構造計算からなる群から選ばれる１種以上の計算が可能な計算エンジンを用いて、測定データ通りの三次元形状のシリカガラスルツボを用いてシリコン単結晶の引上げを行った場合の結晶構造のシミュレーションを行う結晶構造計算部４０２が設けられている。また、このシミュレーション部１１２には、結晶欠陥の発生率が超えてはいけない所定の水準（閾値）を記憶している閾値記憶部４０４が設けられている。
【００３３】
一方、引上条件設定部１１４には、シミュレーション部１１２が用いる加熱温度、引上げ速度及び回転数を含む引上条件をデフォルトの引上条件に設定するデフォルト引上条件設定部３１０が設けられている。このデフォルト引上条件設定部３１０は、デフォルト記憶部３１２からそのシリカガラスルツボの型式の場合に一般的に用いられるデフォルト引上条件を読み出す。また、引上条件設定部１１４には、当初の引上条件に基づいて得られたシミュレーションデータの結晶欠陥の発生率が閾値記憶部４０４に格納されている所定の水準（閾値）を超えている場合には、結晶欠陥の発生率が所定の水準以下となる改善引上条件を設定する改善引上条件設定部３０８が設けられている。この改善引上条件設定部３０８には、シミュレーション部１１２が用いる加熱温度、引上げ速度及び回転数を含む引上条件をそれぞれ設定する加熱温度設定部３０２、引上速度設定部３０４、回転数設定部３０６が設けられている。この改善引上条件設定部３０８は、デフォルト引上条件では結晶欠陥の発生率が所定の水準を超える場合には、そのシリカガラスルツボの三次元形状の個別の測定データおよび後述の追加情報を考慮に入れた上で、結晶欠陥の発生率が所定の水準以下となる改善引上条件を設定する。
【００３４】
ここで、図４に戻ると、この製造条件設定支援装置１０００には、ユーザにより入力された多結晶シリコン原料、引上装置の直径（又は引上装置のメーカー名、シリーズ名など）、印加される磁場の強さ（磁場の有無の入力を含む）、引き上げるシリコン単結晶のサイズ、引き上げるシリコン単結晶の長さ、加熱方式（高周波誘導、カーボンヒータなど）、雰囲気ガスの種類（アルゴン、窒素、水素ガスなど）、雰囲気ガスの減圧度、連続引上条件、追加原料チャージ条件及び保管条件（天候条件、保管期間など）からなる群から選ばれる１種以上の追加情報を取得する追加情報取得部１０４がさらに設けられている。なお、天候条件は、保管中のルツボに湿度・温度が効いてくる（クラックが広がる）ために重要な情報である。この追加情報取得部１０４は、ユーザがユーザ端末１５２で入力したこれらの追加情報をインターネット１５０および構内ＬＡＮ１１８を介して取得してもよい。
【００３５】
これらの追加情報を考慮に入れてシミュレーション部１１２がシリコン単結晶の引上げを行った場合の結晶欠陥の発生について予測する場合には、シミュレーションの精度がさらに向上する。そのために、引上条件設定部１１４がさらに適切な引上条件を設定することができる。その結果、ユーザは、シリカガラスルツボ毎の特性に適した単結晶シリコンの引上条件の設定をさらに容易に行うことができる。
【００３６】
図６は、本実施形態の装置で用いるシリカガラスルツボの測定データのデータ構成について説明するためのデータテーブルである。この図に示すように、ルツボ測定データ取得部１０２は、後述する測定装置１２８からこの図に示すようなデータ構造を有する測定データを構内ＬＡＮ１１８を介してダイレクトに取得することができる。この測定データでは、それぞれの位置Ａ、位置Ｂ、位置Ｃ、位置Ｄ、位置Ｅごとに、内側ＸＹＺ座標、外側ＸＹＺ座標、気泡含有率、ＦＴ−ＩＲスペクトル、ラマンスペクトル、表面粗さなどのデータがテーブル形式で記録されている。
【００３７】
図７は、本実施形態の装置の動作を説明するためのフローチャートである。最初に、この製造条件設定支援装置１０００の電力がオンになり一連の動作が開始される。すると、まず、ルツボ特定情報取得部１０４が、ユーザがユーザ端末１５２で入力したシリカガラスルツボの型式、製造ロット、シリアルナンバーなどのシリカガラスルツボを個別に特定可能な情報をインターネット１５０および構内ＬＡＮ１１８を介して取得する（Ｓ１０２）。すると、測定データ取得部１０２が、外部のサーバ１２６に格納されているシリカガラスルツボの三次元形状の測定データを構内ＬＡＮ１１８を介して取得する（Ｓ１０４）。
【００３８】
一方、追加情報取得部１０４が、ユーザがユーザ端末１５２で入力した結晶シリコン原料、引上装置の直径、印加される磁場の強さ、引き上げるシリコン単結晶のサイズ、引き上げるシリコン単結晶の長さ、加熱方式、雰囲気ガスの種類、雰囲気ガスの減圧度、連続引上条件、追加原料チャージ条件及び保管条件などの追加情報を取得するをインターネット１５０および構内ＬＡＮ１１８を介して取得する（Ｓ１０６）。
【００３９】
その後、シミュレーション部１１２が、伝熱計算、流体計算及び構造計算からなる群から選ばれる１種以上の計算が可能な計算エンジンを用いて、上記の測定データ通りの三次元形状のシリカガラスルツボを用いてシリコン単結晶の引上げを行った場合の結晶欠陥の発生についてシミュレーションデータを得る（Ｓ１０８）。
【００４０】
そして、引上条件設定部１１４が、上記のシミュレーション部１１２が用いる加熱温度、引上げ速度及び回転数を含む引上条件を設定し、当初の引上条件に基づいて得られたシミュレーションデータの結晶欠陥の発生率が所定の水準を超えているかどうか判定する（Ｓ１１０）。その結果、引上条件設定部１１４は、結晶欠陥の発生率が所定の水準を超えている場合には、結晶欠陥の発生率が所定の水準以下となる改善引上条件を設定する（Ｓ１１２）。一方、引上条件設定部１１４は、結晶欠陥の発生率が所定の水準以下の場合には、その引上条件をそのまま用いる。
【００４１】
そして、出力部１１６が、シリカガラスルツボの三次元形状の測定データ又はシリコン単結晶の引上条件を構内ＬＡＮ１１８およびインターネット１５０を介してユーザ端末１５２に出力する（Ｓ１１４）。こうして一連の動作が終了する。
【００４２】
＜シリカガラスルツボの三次元形状測定装置＞
以下、図８〜図１１を用いて、上記の実施形態で用いるシリカガラスルツボの三次元形状の測定データを取得するためのシリカガラスルツボの三次元形状測定方法を説明する。
【００４３】
＜シリカガラスルツボ＞
図８は、本実施形態の装置で用いるシリカガラスルツボの測定データをロボットアームおよび測距部を用いて測定する方法について説明するための測定工程図である。測定対象であるシリカガラスルツボ１１は、内表面側に透明層１３と、外表面側に気泡含有層１５を有するものであり、開口部が下向きになるように回転可能な回転台９上に載置されている。シリカガラスルツボ１１は、曲率が比較的大きいラウンド部１１ｂと、上面に開口した縁部を有する円筒状の側壁部１１ａと、直線または曲率が比較的小さい曲線からなるすり鉢状の底部１１ｃを有する。本実施形態において、ラウンド部とは、側壁部１１ａと底部１１ｃを連接する部分で、ラウンド部の曲線の接線がシリカガラスルツボの側壁部１１ａと重なる点から、底部１１ｃと共通接線を有する点までの部分のことを意味する。言い換えると、シリカガラスルツボ１１の側壁部１１ａが曲がり始める点が側壁部１１ａとラウンド部１１ｂの境界である。さらに、ルツボの底の曲率が一定の部分が底部１１ｃであり、ルツボの底の中心からの距離が増したときに曲率が変化し始める点が底部１１ｃとラウンド部１１ｂとの境界である。
【００４４】
＜内部ロボットアーム、内部測距部＞
ルツボ１１に覆われる位置に設けられた基台１上には、内部ロボットアーム５が設置されている。内部ロボットアーム５は、複数のアーム５ａと、これらのアーム５ａを回転可能に支持する複数のジョイント５ｂと、本体部５ｃを備える。本体部５ｃには図示しない外部端子が設けられており、外部とのデータ交換が可能になっている。内部ロボットアーム５の先端にはルツボ１１の内表面形状の測定を行う内部測距部１７が設けられている。内部測距部１７は、ルツボ１１の内表面に対してレーザー光を照射し、内表面からの反射光を検出することによって内部測距部１７からルツボ１１の内表面までの距離を測定する。本体部５ｃ内には、ジョイント５ｂ及び内部測距部１７の制御を行う制御部が設けられている。制御部は、本体部５ｃ設けられたプログラム又は外部入力信号に基づいてジョイント５ｂを回転させてアーム５を動かすことによって、内部測距部１７を任意の三次元位置に移動させる。具体的には、内部測距部１７をルツボ内表面に沿って非接触で移動させる。従って、制御部には、ルツボ内表面の大まかな形状データを与え、そのデータに従って、内部測距部１７の位置を移動させる。より具体的には、例えば、図８（ａ）に示すようなルツボ１１の開口部近傍に近い位置から測定を開始し、図８（ｂ）に示すように、ルツボ１１の底部１１ｃに向かって内部測距部１７を移動させ、移動経路上の複数の測定点において測定を行う。測定間隔は、例えば、１〜５ｍｍであり、例えば２ｍｍである。測定は、予め内部測距部１７内に記憶されたタイミングで行うか、又は外部トリガに従って行う。測定結果は、内部測距部１７内の記憶部に格納されて、測定終了後にまとめて本体部５ｃに送られるか、又は測定の度に、逐次本体部５ｃに送られるようにする。内部測距部１７は、本体部５ｃとは別に設けられた制御部によって制御するように構成してもよい。
【００４５】
ルツボの開口部から底部１１ｃまでの測定が終わると、回転台９を少し回転させ、同様の測定行う。この測定は、底部１１ｃから開口部に向かって行ってもよい。回転台９の回転角は、精度と測定時間との考慮して決定されるが、例えば、２〜１０度である。回転角が大きすぎると測定精度が十分でなく、小さすぎると測定時間が掛かりすぎる。回転台９の回転は、内蔵プログラム又は外部入力信号に基づいて制御される。回転台９の回転角は、ロータリーエンコーダ等によって検出可能である。回転台９の回転は、内部測距部１７及び後述する外部測距部１９の移動と連動してすることが好ましく、これによって、内部測距部１７及び外部測距部１９の三次元座標の算出が容易になる。
【００４６】
後述するが、内部測距部１７は、内部測距部１７から内表面までの距離（内表面距離）、及び内部測距部１７から透明層１３と気泡含有層１５の界面までの距離（界面距離）の両方を測定することができる。ジョイント５ｂの角度はジョイント５ｂに設けられたロータリーエンコーダ等によって既知であるので、各測定点での内部測距部１７の位置の三次元座標及び方向が既知になるので、内表面距離及び界面距離が求まれば、内表面での三次元座標、及び界面での三次元座標が既知となる。そして、ルツボ１１の開口部から底部１１ｃまでの測定が、ルツボ１１の全周に渡って行われるので、ルツボ１１の内表面の三次元形状、及び界面の三次元形状が既知になる。また、内表面と界面の間の距離が既知になるので、透明層１３の厚さも既知になり、透明層の厚さの三次元分布が求められる。
離が既知になるので、透明層１３の厚さも既知になり、透明層の厚さの三次元分布が求められる。
【００４７】
＜外部ロボットアーム、外部測距部＞
ルツボ１１の外部に設けられた基台３上には、外部ロボットアーム７が設置されている。外部ロボットアーム７は、複数のアーム７ａと、これらのアームを回転可能に支持する複数のジョイント７ｂと、本体部７ｃを備える。本体部７ｃには図示しない外部端子が設けられており、外部とのデータ交換が可能になっている。外部ロボットアーム７の先端にはルツボ１１の外表面形状の測定を行う外部測距部１９が設けられている。外部測距部１９は、ルツボ１１の外表面に対してレーザー光を照射し、外表面からの反射光を検出することによって外部測距部１９からルツボ１１の外表面までの距離を測定する。本体部７ｃ内には、ジョイント７ｂ及び外部測距部１９の制御を行う制御部が設けられている。制御部は、本体部７ｃ設けられたプログラム又は外部入力信号に基づいてジョイント７ｂを回転させてアーム７を動かすことによって、外部測距部１９を任意の三次元位置に移動させる。具体的には、外部測距部１９をルツボ外表面に沿って非接触で移動させる。従って、制御部には、ルツボ外表面の大まかな形状データを与え、そのデータに従って、外部測距部１９の位置を移動させる。より具体的には、例えば、図８（ａ）に示すようなルツボ１１の開口部近傍に近い位置から測定を開始し、図８（ｂ）に示すように、ルツボ１１の底部１１ｃに向かって外部測距部１９を移動させ、移動経路上の複数の測定点において測定を行う。測定間隔は、例えば、１〜５ｍｍであり、例えば２ｍｍである。測定は、予め外部測距部１９内に記憶されたタイミングで行うか、又は外部トリガに従って行う。測定結果は、外部測距分１９内の記憶部に格納されて、測定終了後にまとめて本体部７ｃに送られるか、又は測定の度に、逐次本体部７ｃに送られるようにする。外部測距部１９は、本体部７ｃとは別に設けられた制御部によって制御するように構成してもよい。
【００４８】
内部測距部１７と外部測距部１９は、同期させて移動させてもよいが、内表面形状の測定と外表面形状の測定は独立して行われるので、必ずしも同期させる必要はない。
【００４９】
外部測距部１９は、外部測距部１９から外表面までの距離（外表面距離）を測定することができる。ジョイント７ｂの角度はジョイント７ｂに設けられたロータリーエンコーダ等によって既知であるので、外部測距部１９の位置の三次元座標及び方向が既知になるので、外表面距離が求まれば、外表面での三次元座標が既知となる。そして、ルツボ１１の開口部から底部１１ｃまでの測定が、ルツボ１１の全周に渡って行われるので、ルツボ１１の外表面の三次元形状が既知になる。以上より、ルツボの内表面及び外表面の三次元形状が既知になるので、ルツボの壁厚の三次元分布が求められる。
【００５０】
＜距離測定の詳細＞
次に、図９を用いて、内部測距部１７及び外部測距部１９による距離測定の詳細を説明する。
図９に示すように、内部測距部１７は、ルツボ１１の内表面側（透明層１３側）に配置され、外部測距部１９は、ルツボ１１の外表面側（気泡含有層１５側）に配置される。内部測距部１７は、出射部１７ａ及び検出部１７ｂを備える。外部測距部１９は、出射部１９ａ及び検出部１９ｂを備える。また、内部測距部１７及び外部測距部１９は、図示しない制御部及び外部端子を備える。出射部１７ａ及び１９ａは、レーザー光を出射するものであり、例えば、半導体レーザーを備えるものである。出射されるレーザー光の波長は、特に限定されないが、例えば、波長６００〜７００ｎｍの赤色レーザー光である。検出部１７ｂ及び１９ｂは、例えばＣＣＤで構成され、光が当たった位置に基づいて三角測量法の原理に基づいてターゲットまでの距離が決定される。
【００５１】
内部測距部１７の出射部１７ａから出射されたレーザー光は、一部が内表面（透明層１３の表面）で反射し、一部が透明層１３と気泡含有層１５の界面で反射し、これらの反射光（内表面反射光、界面反射光）が検出部１７ｂに当たって検出される。図８から明らかなように、内表面反射光と界面反射光は、検出部１７ｂの異なる位置に当たっており、この位置の違いによって、内部測距部１７から内表面までの距離（内表面距離）及び界面までの距離（界面距離）がそれぞれ決定される。好適な入射角θは、内表面の状態、透明層１３の厚さ、気泡含有層１５の状態等によって、変化しうるが例えば３０〜６０度である。
【００５２】
図１０は、市販のレーザー変位計を用いて測定された実際の測定結果を示す。図１０に示すように、２つのピークが観察されており、Near側のピークが内表面反射光によるピークであり、Far側のピークが界面反射光によるピークに対応する。このように、透明層１３と気泡含有層１５の界面からの反射光によるピークもクリアに検出されている。従来は、このような方法で界面の特定がなされたことがなく、この結果は非常に斬新である。
【００５３】
内部測距部１７から内表面までの距離が遠すぎる場合や、内表面又は界面が局所的に傾いている場合には、２つのピークが観測されない場合がある。その場合には、内部測距部１７を内表面に近づけたり、内部測距部１７を傾けてレーザー光の出射方向を変化させて、２つのピークが観測される位置及び角度を探索することが好ましい。また、２つのピークが同時に観測されなくても、ある位置及び角度において内表面反射光によるピークを観測し、別の位置及び角度において界面反射光によるピークを観測するようにしてもよい。また、内部測距部１７が内表面に接触することを避けるために、最大近接位置を設定しておいて、ピークが観測されない場合でも、その位置よりも内表面に近づけないようにすることが好ましい。
【００５４】
また、透明層１３中に独立した気泡が存在する場合、この気泡からの反射光を内部測距部１７が検出してしまい、透明層１３と気泡含有層１５の界面を適切に検出できない場合がある。従って、ある測定点Ａで測定された界面の位置が前後の測定点で測定された界面の位置から大きく（所定の基準値を超えて）ずれている場合には、測定点Ａでのデータを除外してもよい。また、その場合、測定点Ａからわずかにずれた位置で再度測定を行って、得られたデータを採用してもよい。
【００５５】
また、外部測距部１９の出射部１９ａから出射されたレーザー光は、外表面（気泡含有層１５）の表面で反射し、その反射光（外表面反射光）が検出部１９ｂに当たって検出され、検出部１９ｂ上での検出位置に基づいて外部測距部１９と外表面の間の距離が決定される。図１１は、市販のレーザー変位計を用いて測定された実際の測定結果を示す。図１１に示すように、１つのピークのみが観察される。ピークが観測されない場合には、外部測距部１９を内表面に近づけたり、外部測距部１９を傾けてレーザー光の出射方向を変化させて、ピークが観測される位置及び角度を探索することが好ましい。
【００５６】
本発明者らは、ルツボの性能向上や品質管理を容易にするには、ルツボの内表面の三次元形状や透明層の厚さの三次元分布のデータを取得することが必須であると考えたが、ルツボが透明体であるので、光学的に三次元形状を測定することは困難であった。ルツボ内表面に光を照射して画像を取得し、その画像を解析する方法も試してみたが、この方法では、画像の解析に非常に長い時間がかかるため、ルツボの内表面全体の三次元形状の測定には到底使えるものではなかった。
【００５７】
このような状況において、本発明者らは、ルツボの内表面に対して斜め方向からレーザー光を照射したところ、ルツボ内表面からの反射光（内表面反射光）に加えて、透明層と気泡含有層の界面からの反射光（界面反射光）も検出が可能であることを見出した。透明層と気泡含有層の界面は、気泡含有率が急激に変化する面であるが、空気とガラスの界面のような明確な界面ではないため、透明層と気泡含有層の界面からの反射光が検出可能であることは驚くべき発見であった。そして、上記の実施形態のシリカガラスルツボを用いたシリコン単結晶引上げの条件設定を支援する装置は、このようなシリカガラスルツボの三次元形状測定装置の開発があって初めて可能になったものである。
【００５８】
＜シリカガラスルツボの三次元形状に関連付けられた特性値＞
上記の測定データは、上記のシリカガラスルツボの三次元形状に関連付けられた特性値のデータを含んでいてもよい。この特性値としては、例えば、気泡含有率、表面粗さ、赤外吸収スペクトルおよびラマンスペクトルから選ばれる１種以上の特性値を好適に用いることができる。
【００５９】
これらの気泡含有率、表面粗さ、赤外吸収スペクトルおよびラマンスペクトルから選ばれる１種以上の特性値を考慮に入れてシミュレーション部１１２がシリコン単結晶の引上げを行った場合の結晶欠陥の発生について予測する場合には、シミュレーションの精度がさらに向上する。そのために、引上条件設定部１１４がさらに適切な引上条件を設定することができる。その結果、ユーザは、シリカガラスルツボ毎の特性に適した単結晶シリコンの引上条件の設定をさらに容易に行うことができる。
【００６０】
＜ルツボの気泡分布の三次元分布の決定方法＞
ルツボの内表面の三次元形状が求まった後は、この三次元形状上の複数の測定点において、各測定点に対応した位置のルツボの壁での気泡分布を測定することによって、気泡分布の三次元分布を決定する。各測定点でのルツボの壁での気泡分布の測定方法は、非接触式であれば特に限定されないが、焦点が合った面からの情報を選択的に取得することができる共焦点顕微鏡を用いれば気泡の位置が明確に分かるクリアな画像が取得できるので、高精度な測定が可能である。また、焦点位置をずらしながら各焦点位置の面において画像を取得して合成することによって気泡の三次元配置が分かり、各気泡のサイズが分かるので、気泡分布を求めることができる。焦点位置を移動させる方法としては、（１）ルツボを移動させたり、（２）プローブを移動させたり、（３）プローブの対物レンズを移動させたりする方法がある。
【００６１】
測定点の配置は、特に限定されないが、例えば、ルツボの開口部から底部に向かう方向には５〜２０ｍｍ間隔で配置し、円周方向には例えば１０〜６０度間隔である。具体的な測定は、例えば、共焦点顕微鏡用プローブを内部ロボットアーム５の先端に取り付け、内部測距部１７と同様の方法で、非接触で内表面に沿って移動させる。内部測距部１７を移動させる際には、内表面の大雑把な三次元形状が分かっているだけで内表面の正確な三次元形状は分かっていなかったので、その大雑把な三次元形状に基づいて内部測距部１７を移動させていたが、気泡分布の測定時には、内表面の正確な三次元形状が分かっているので、共焦点顕微鏡用プローブを移動させる際に、内表面とプローブとの距離を高精度に制御することが可能である。
【００６２】
共焦点顕微鏡用プローブをルツボの開口部から底部まで移動させ、その移動経路上の複数点で気泡分布を測定した後は、回転台９を回転させて、ルツボ１１の別の部位の気泡分布の測定を行う。このような方法でルツボの内表面全体に渡って気泡分布を測定することができ、その測定結果により、ルツボの気泡分布の三次元分布を決定することができる。
【００６３】
＜ルツボの内表面の表面粗さの三次元分布の決定方法＞
ルツボの内表面の三次元形状が求まった後は、この三次元形状上の複数の測定点において内表面の表面粗さを測定することによって、その三次元分布を決定する。各測定点での表面粗さの測定方法は、非接触式であれば特に限定されないが、焦点が合った面からの情報を選択的に取得することができる共焦点顕微鏡を用いれば、高精度な測定が可能である。また、共焦点顕微鏡を用いれば、表面の詳細な三次元構造の情報を取得することができるので、この情報を用いて表面粗さを求めることができる。表面粗さには、中心線平均粗さＲａ、最大高さＲｍａｘ、十点平均高さＲｚがあり、これらの何れを採用してもよく、表面の粗さを反映する別のパラメータを採用してもよい。なお、測定点の配置および具体的な測定方法は、上記のルツボの気泡分布の三次元分布の決定方法の場合と同様である。
【００６４】
＜ルツボの内表面の赤外吸収スペクトルの三次元分布の決定方法＞
ルツボの内表面の三次元形状が求まった後は、この三次元形状上の複数の測定点において内表面の赤外吸収スペクトルを測定することによって、その三次元分布を決定する。各測定点での赤外吸収スペクトルの測定方法は、非接触式であれば特に限定されないが、内表面に向けて赤外線を照射してその反射光を検出し、照射光のスペクトルと反射光のスペクトルの差分を求めることによって測定することができる。なお、測定点の配置および具体的な測定方法は、上記のルツボの気泡分布の三次元分布の決定方法の場合と同様である。なお、測定点の配置および具体的な測定方法は、上記のルツボの気泡分布の三次元分布の決定方法の場合と同様である。
【００６５】
＜ルツボの内表面のラマンスペクトルの三次元分布の決定方法＞
ルツボの内表面の三次元形状が求まった後は、この三次元形状上の複数の測定点において内表面のラマンスペクトルを測定することによって、その三次元分布を決定する。各測定点でのラマンスペクトルの測定方法は、非接触式であれば特に限定されないが、内表面に向けてレーザー光を照射してそのラマン散乱光を検出することによって測定することができる。なお、測定点の配置および具体的な測定方法は、上記のルツボの気泡分布の三次元分布の決定方法の場合と同様である。
【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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【図１１】
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