(57)【要約】【課題】ＣＺ法によって半導体の材料となる単結晶を融液から引き上げる工程において、単結晶を引き上げ中の融液の液面位置を測定する方法を提供すること。【解決手段】単結晶を引き上げる工程において、２次元ＣＣＤカメラで測定したフュージョンリングの画像の中に２本の測定ラインを設定して、それぞれの測定ラインとフュージョンリングとの両側の交点を検出し、前記両側の交点間の間隔に基いて単結晶の中心の位置を算出することによって融液の液面位置を測定する。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チョクラルスキー法により引き上げられる単結晶と融液との境界にあるフュージョンリングの画像を計測して前記画像から単結晶の中心の位置を検出し、前記検出結果に基いて融液の液面位置を測定する融液の液面位置測定方法において、フュージョンリングの画像の中に２本の測定ラインを設定して、それぞれの測定ラインとフュージョンリングとの両側の交点を検出し、前記両側の交点間の間隔に基いて単結晶の中心の位置を算出することを特徴とする、融液の液面位置測定方法。
【請求項２】
ネッキング工程における種結晶の中心の位置に基づき、単結晶の直胴部を引き上げ中の単結晶の中心の位置を検出するのに用いる測定ラインを設定することを特徴とする、請求項１記載の融液の液面位置測定方法。
【請求項３】
測定ラインとフュージョンリングとの両側の交点を検出する際に用いるしきい値を、フュージョンリングのピーク輝度の平均値を補正した値を基に画像中において左右独立で動的に設定することを特徴とする、請求項１記載の融液の液面位置測定方法。
【請求項４】
２本の測定ラインの組み合わせを２組以上設定し、それぞれの組み合わせに対応する単結晶の中心の位置の平均値を単結晶の中心の位置とすることを特徴とする、請求項１記載の融液の液面位置測定方法。
【請求項５】
引き上げ中の単結晶の回転数に基づいて画像測定ピッチおよび平均化時間を決定し、平均化時間における単結晶の中心の位置の算出結果を平均化することを特徴とする、請求項１記載の融液の液面位置測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法と記す）によって半導体の材料となる単結晶を融液から引き上げる工程において、単結晶を引き上げ中の融液の液面位置を測定する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体の材料となる単結晶を成長させる方法には種々の方法があるが、その一つとしてＣＺ法がある。図１は、ＣＺ法により単結晶を成長させるのに用いられる単結晶成長装置を模式的に示した断面図である。同図において、ワイヤ５ｃに吊設された種結晶保持具５ｂの先端の種結晶５ａを、ルツボ１内に収容された単結晶の融液２の液面９に接触させ、その後、ルツボ１および巻き上げ装置５ｄを互いに逆方向に回転させながら巻き上げ装置５ｄによりワイヤ５ｃを巻き上げ、融液２を凝固させることによって円柱状の単結晶４を成長させる。
【０００３】
この際、ヒータ３による融液２に対する加熱量を一定にするために、融液２の液面９をヒータ３に対して一定の位置となるようにルツボ１を上昇させている。
従来は、単結晶の引き上げに伴い減少した融液の体積を算出し、減少した融液の体積とルツボの内径に基づいてルツボの上昇量を算出していた。しかし、高温によるルツボの変形に伴うルツボ内径の寸法のバラツキ、ルツボ内径の測定誤差等によって、算出された融液の減少量には誤差が含まれるので、上記の方法で算出したルツボの上昇量には誤差が含まれ、その結果、ヒータに対する融液の液面位置は一定とはならない。ヒータに対する融液の液面位置が一定でない場合には、成長した単結晶の温度履歴が変化し、その結果、結晶欠陥等が発生して良品質の単結晶が製造できなくなる。
【０００４】
このため、単結晶の引き上げ中に融液の液面位置を測定する方法がいくつか提案されている。そのうちの１つは、レーザ光を用いた光三角法である。この方法では、融液の液面に対して所定の角度でレーザ光を入射し、融液の液面で反射したレーザ光を検出装置によって検出する。しかし、融液の液面の揺らぎによって、液面位置の測定値に誤差が生じる。また、成長している単結晶の近傍の液面上でレーザ光が反射する場合には、単結晶による表面張力のために融液の液面が傾いており、この影響によっても液面位置の測定値に誤差が生じる。
【０００５】
上記の液面の揺らぎによる影響を除去するために、特許文献１の方法では、レーザ光の検出器の前に幅の狭いスリットを設置することにより、液面の揺らぎによる影響を除去している。しかし、この方法では、単結晶による表面張力に起因する融液の液面の傾きの影響は除去できない。融液の液面の傾きによる影響は、単結晶の近傍ほど大きく、このため、液面位置の測定は単結晶から離れた位置で測定する必要があるが、引き上げの条件、単結晶成長装置の構造等によっては単結晶の近傍しか測定できない場合があり、また、引き上げ中に単結晶の直径が変動するために液面の傾きが変化し、液面位置の測定値が変化する。さらに、レーザ光の投光器側と受光器側の両方に炉体窓が必要となるために、炉体の改造も必要となる場合がある。
【０００６】
別の方法としては、融液の液面に写った炉内構造物の鏡像から液面位置を測定する方法がある。この場合にも、上記の液面の傾きの影響が避けられず、引き上げの条件、単結晶成長装置の構造等によっては単結晶の近傍における液面しか測定できない場合がある。また、引き上げ中の単結晶の直径が変動するため、液面の傾きが変化し、その結果、測定値が変動する。
【０００７】
一方、液面の傾きの影響を受けない融液の液面位置の測定方法として、単結晶の中心の位置から液面位置を測定する方法が提案されている。単結晶の中心の位置を検出する方法としては、単結晶と融液との固液界面に発生するフュージョンリングの最大径が得られる位置から検出する方法がある（特許文献２参照）。この方法では、単結晶の直径が減少する際に、測定すべきフュージョンリングの最大径の部分が成長した単結晶に隠れてしまい、このため、単結晶の直径が減少する際には大きな測定誤差が生じる。そのため、フュージョンリングの最大径の部分以外において単結晶の中心の位置を測定する必要がある。その方法としては、２次元画像中のフュージョンリングを楕円形あるいは円形等に、最小２乗法あるいはハフ変換等の近似計算によって算出する方法がある。しかし、近似計算を用いた演算方法の場合、測定精度を向上させるためには多数の測定点が必要となり、その結果、演算量が増え、測定装置の価格も高価になる。
【０００８】
一方、近似計算以外の方法としては、特許文献３に提案されている方法がある。この方法では、画像中の水平方向の輝度分布から検出されるフュージョンリングの中心における垂直方向の輝度分布からフュージョンリングの位置を求め、その垂直方向でのフュージョンリングの位置から水平方向のピーク間距離で求められる単結晶の半径分の距離を補正することによって単結晶の中心の位置を求める。この方法では、単結晶の引き上げ中にフュージョンリングの手前側が全て観察できることが必要であり、引き上げの条件、単結晶成長装置の構造等によっては測定ができない場合がある。
【０００９】
【特許文献１】
特開平５−２９４７８５号公報
【特許文献２】
特開昭６３−２３８４３０号公報
【特許文献３】
特開平２−１０２１８７号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従って、単結晶の引き上げ工程においてフュージョンリングが一部しか観察できない場合においても、単結晶の中心の位置を少ない演算量で算出できるような、融液の液面位置の測定方法が必要となる。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、画像検出手段を用いて検出したフュージョンリングの画像において２本の測定ラインを設定し、それぞれの測定ラインとフュージョンリングとの両側の交点間の間隔から単結晶の中心の位置を算出し、このようにして算出された単結晶の中心の位置に基いて融液の液面位置を測定する方法を提供することを目的としている。
【００１２】
請求項１に係る発明は、チョクラルスキー法により引き上げられる単結晶と融液との境界にあるフュージョンリングの画像を計測して前記画像から単結晶の中心の位置を検出し、前記検出結果に基いて融液の液面位置を測定する融液の液面位置測定方法において、フュージョンリングの画像の中に２本の測定ラインを設定して、それぞれの測定ラインとフュージョンリングとの両側の交点を検出し、前記両側の交点間の間隔に基いて単結晶の中心の位置を算出する工程を含む融液の液面位置測定方法である。単結晶の引き上げ中にフュージョンリングが一部しか観察できない場合においても、従来法と比較して少ない演算量で単結晶の中心の位置が算出でき、その結果、従来法と比較して高精度に融液の液面位置を測定することができる。
【００１３】
請求項２に係る発明は、請求項１の融液の液面位置測定方法において、ネッキング工程における種結晶の中心の位置に基づき、単結晶の直胴部を引き上げ中の単結晶の中心の位置を検出するのに用いる測定ラインを設定する工程を含む融液の液面位置測定方法である。これにより、単結晶の中心の位置を安定した条件で検出することができる。
【００１４】
請求項３に係る発明は、請求項１の融液の液面位置測定方法において、測定ラインとフュージョンリングとの両側の交点を検出する際に用いるしきい値を、フュージョンリングのピーク輝度の平均値を補正した値を基に画像中において左右独立で動的に設定する工程を含む融液の液面位置測定方法である。これにより、単結晶の引き上げに伴う、単結晶成長装置内における熱的条件の変化によるフュージョンリングの輝度の変化に対応することができる。
【００１５】
請求項４に係る発明は、請求項１の融液の液面位置測定方法において、２本の測定ラインの組み合わせを２組以上設定し、それぞれの組み合わせに対応する単結晶の中心の位置の平均値を単結晶の中心の位置とする工程を含む融液の液面位置測定方法である。これにより、測定誤差によるバラツキを最小限にすることができる。
【００１６】
請求項５に係る発明は、請求項１の融液の液面位置測定方法において、引き上げ中の単結晶の回転数に基づいて画像測定ピッチおよび平均化時間を決定し、平均化時間における単結晶の中心の位置の算出結果を平均化する工程を含む融液の液面位置測定方法である。これにより、引き上げ中における単結晶の回転数の変化にかかわらず、晶癖線の影響に起因する測定誤差を最小限にすることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る単結晶引き上げ装置内の融液の液面位置測定方法に関する実施の形態を、図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１は、実施の形態に係る、融液の液面位置を測定しながら単結晶を引き上げる際に用いられる単結晶成長装置を模式的に示した断面図である。図中１は、回転および上下方向に移動可能なルツボであり、ルツボ１内には、単結晶の原料である融液２が収容されている。ルツボ１の外周側にはヒータ３が配置されている。ヒータ３により融液２が加熱され、単結晶４が回転しながら上方に引き上げられて成長する。７は、フュージョンリングの画像検出手段として用いられる２次元ＣＣＤカメラである。
【００１９】
２次元ＣＣＤカメラ７は、フュージョンリングの画像検出手段だけでなく、引き上げられる単結晶の直径測定手段として用いてもよい。また、フュージョンリングの画像検出手段としては、２次元ＣＣＤカメラ以外に、１次元ＣＣＤカメラを機械的に水平方向に移動させる方法または１次元ＣＣＤカメラの測定角度を変化させてフュージョンリングの画像を走査する方法でもよい。８は演算処理装置で、回転装置６から単結晶の回転数のデータが、また、２次元ＣＣＤカメラ７からフュージョンリングの画像データがそれぞれ入力される。
【００２０】
２次元ＣＣＤカメラ７によって得られた画像データは、単結晶成長装置の斜め上方から観察しているため、画像がひずんでいる。このひずみは、幾何光学から算出される理論式を用いて補正することができる。また、目盛を記入した基準板を用いて事前に補正テーブルを作成することで補正することもできる。この補正テーブルは、画像中において１画素数あたりの距離を示す換算係数を垂直方向と水平方向でそれぞれ求めたものである。
【００２１】
本発明では、図２に示すとおり、フュージョンリング１３を検出してその２次元画像データを得、以下に説明する方法で単結晶の中心１０の位置を算出することによって、融液の液面９の位置を測定する。
【００２２】
図１に示すような構成による単結晶成長装置を用いて融液の液面位置を測定する方法を、図３を用いて説明する。まず、２次元ＣＣＤカメラ７によって得られたフュージョンリング１３の２次元画像データにおいて、２本の測定ライン１１および１２を設定する。このうち、単結晶の中心１０側の測定ライン１１は、単結晶の中心１０付近に設定すると、単結晶４の直径が減少した際にフュージョンリング１３が成長した単結晶４の陰になり、単結晶の中心１０が検出できなくなる。そこで、測定ライン１１は、単結晶の中心１０より表面側、すなわち画像中では下側の位置に設定した。ここで、基準となる単結晶の中心１０の位置は、ネッキング工程において種結晶５ａを引き上げる際に２次元ＣＣＤカメラ７によって撮影した画像中での中心の位置である。一方、他の１本の測定ライン１２は、測定ライン１１に対して表面側、すなわち画像中では下側に設定した。
【００２３】
上記の測定ライン１１および１２とフュージョンリング１３との両側の交点、すなわち、Ｃ１，Ｃ１およびＣ２，Ｃ２を検出する。このとき、これらの交点を検出するしきい値は、画像中におけるフュージョンリングのピーク輝度の平均値を補正した値を基に、画像中において左右独立に動的に設定する。画像の左右は、種結晶を引き上げる際の種結晶の位置から決定する。これにより、単結晶の引き上げに伴う、単結晶成長装置内における熱的条件の変化によるフュージョンリングの輝度の変化に対応することができる。
【００２４】
２本の測定ライン１１および１２とフュージョンリングとの両側の交点間の間隔をそれぞれＷ１およびＷ２とする。また、Ｙ方向において、単結晶の中心の位置、測定ライン１１および測定ライン１２の位置をそれぞれＹ、Ｙ１およびＹ２とする。フュージョンリングの半径をＲとすると、数１式および数２式の関係が得られる。
【００２５】
【数１】
Ｒ２＝（Ｗ１／２）２＋（Ｙ−Ｙ１）２
【００２６】
【数２】
Ｒ２＝（Ｗ２／２）２＋（Ｙ−Ｙ２）２
【００２７】
数１式および数２式の関係から、２次元画像中における単結晶の中心１０のＹ方向における位置は、数３式で表される。
【００２８】
【数３】
Ｙ＝｛Ｙ１＋Ｙ２＋（Ｗ１２−Ｗ２２）／４（Ｙ１−Ｙ２）｝／２
【００２９】
従って、図２に示すとおり、単結晶の中心１０のＹ方向における位置Ｙを求めることにより、融液の液面９の位置を測定することができる。
【００３０】
本発明では、上記２本の測定ラインの組み合わせを２組以上設定し、それぞれの組み合わせに対応する単結晶の中心の位置を平均した値を、単結晶の中心の位置とした。この方法により、測定誤差によるバラツキを最小限にすることができた。
【００３１】
本発明に係る融液の液面位置の測定方法では、単結晶の断面形状が真円の場合、測定誤差は非常に小さい。しかし、引き上げ中の単結晶は真円ではなく、引き上げ中の条件によっては単結晶の変形が大きくなり、測定誤差が大きくなることがある。また、単結晶の晶壁線が測定ライン上に現われると、その部分は測定誤差となる。そのため、晶癖線の部分では測定誤差が大きく、晶癖線以外の部分における測定値とは値が異なる。そこで、晶癖線に起因する測定誤差は、測定値を平均化することによってその影響を小さくする必要がある。
【００３２】
（１００）単結晶の場合、晶癖線は９０度間隔で４本現われる。ここで、単結晶の回転数が１５ｒｐｍの場合、晶癖線は１秒間隔で同一の場所に現われる。このため、測定ピッチを１秒に設定すると、全ての測定値において晶癖線に起因する誤差が発生する。多くの場合、ＣＺ炉では、ワイヤによって単結晶が炉体の上部から吊り下げられている。そのため、ワイヤのねじれに起因して、単結晶の引き上げ中に、単結晶の回転角度に誤差が生じる場合がある。
【００３３】
また、単結晶成長装置内における熱的条件によっては、単結晶自身が変形する場合がある。このため、単結晶の回転数と測定ピッチとの関係が適正でなければ、単結晶の直胴部を引き上げ中に、晶癖線の影響のある部分とない部分とが現われ、測定値が変化する。また、単結晶の直胴部を引き上げ中に単結晶の回転数を変化させた場合も、単結晶の回転数が変化する前後で晶癖線の影響が生じる。そのため、引き上げ中の単結晶の回転数に応じて測定値への晶癖線の影響が一定となるように、測定ピッチおよび平均化時間を決定する必要がある。そして、平均化時間内において、晶癖線の影響を平均化するために、単結晶の回転数を測定ピッチ間において適正に設定する必要がある。そのために、測定ピッチ間における単結晶の回転角度を適切に選択する必要がある。
【００３４】
ここで、測定回数をｎ、測定ピッチ間における単結晶の回転角度をθ（度）、単結晶の回転数をｒ（ｒｐｍ）とすると、測定ピッチｐ（秒）および平均化時間ｔ（秒）は、それぞれ、数４式および数５式のとおり算出できる。
【００３５】
【数４】
ｐ＝（６０／ｒ）／（３６０／θ）
【００３６】
【数５】
ｔ＝ｐ×ｎ
【００３７】
数４式における測定ピッチｐ（秒）にて測定し、その測定値を数５式の平均化時間ｔ（秒）で平均化することにより、引き上げ中における単結晶の回転数の変化にかかわらず、晶癖線の影響に起因する測定誤差を一定に保つことができる。
【００３８】
【実施例】
以下に、実施の形態に係る融液の液面位置測定方法を実施して液面位置を測定した結果について説明する。
【００３９】
図１に示すような構成による単結晶成長装置を用いて、２次元ＣＣＤカメラ７によってフュージョンリングの２次元画像データを得た。次に、図３に示すとおり、フュージョンリングの２次元画像データにおいて、２本の測定ライン１１および１２を設定した。このうち、単結晶の中心１０側の測定ライン１１は、単結晶の中心１０から表面側、すなわち画像中では下側に約２０ｍｍ離れた位置に設定した。ここで、基準となる単結晶の中心１０の位置は、ネッキング工程において種結晶５ａを引き上げる際に２次元ＣＣＤカメラ７によって撮影した画像中での中心の位置である。一方、他の１本の測定ライン１２は、測定ライン１１よりも表面側、すなわち画像中では下側に約２０ｍｍ離れた位置に設定した。
【００４０】
測定ライン１１および１２とフュージョンリングとの両側の交点を検出するしきい値は、画像中におけるフュージョンリングのピーク輝度の平均値に０．９の係数を乗じて補正した値を基に、画像中において左右独立に動的に設定した。これにより、単結晶の引き上げに伴う、単結晶成長装置内における熱的条件の変化によるフュージョンリングの輝度の変化に対応することができた。
【００４１】
単結晶の中心１０の位置は、数３式を用いて算出した。ここで、２本の測定ライン１１および１２の組み合わせを１ｍｍピッチで２０組設定し、それぞれの組み合わせに対応する単結晶の中心の位置を平均した値を単結晶の中心の位置とした。この方法により、測定誤差によるバラツキを最小限にすることができた。
【００４２】
測定ピッチ間における単結晶の回転角度を６８度、測定回数を９０回と設定した。これにより、単結晶の回転数を５ｒｐｍから２０ｒｐｍの範囲に設定して引き上げた場合に、単結晶の回転数が変化しても、晶癖線の影響に起因する測定誤差を一定に保つことができた。また、平均化時間は約２５秒から２００秒の範囲にあり、少なくとも４分に１回は液面位置が測定できる。単結晶の回転数が低い場合には、測定ピッチ間での単結晶の回転角度を３４度または１７度と変更することで、測定時間を短縮することができる。
【００４３】
この測定ピッチ間での単結晶の回転角度は、（１００）単結晶の場合、晶癖線の間隔（９０度）の公約数および公倍数以外から選択すればよく、本実施例に示す値に限定されるものではない。
【００４４】
図４に、本実施例による融液の液面位置の測定結果を示す。このように、本発明によれば、単結晶を引き上げ中の融液の液面位置を精度よく測定することができ、従って、単結晶を引き上げ中に融液の液面位置を精度よく制御することが可能となった。
【００４５】
【本発明の効果】
本発明により、単結晶の引き上げ中にフュージョンリングが一部しか観察できない場合においても、従来法と比較して少ない演算量で単結晶の中心の位置が算出でき、その結果、従来法と比較して高精度に融液の液面位置を測定することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＣＺ法および本発明の実施の形態に係る単結晶成長装置を模式的に示した断面図である。
【図２】単結晶の中心の位置と融液の液面位置との関係を模式的に示した斜視図である。
【図３】本発明に係るフュージョンリングの２次元画像から測定ラインを設定する方法の実施の形態を概略的に示した図である。
【図４】実施例に係るフュージョンリングから測定ラインを設定する方法により、融液の液面位置を測定した結果である。
【符号の説明】
１  ルツボ
２  融液
３  ヒータ
４  単結晶
５  引き上げ軸
５ａ  種結晶
５ｂ  種結晶保持具
５ｃ  引き上げワイヤ
５ｄ  巻き上げ装置
６  回転装置
７  ２次元ＣＣＤカメラ
８  演算処理装置
９  融液の液面
１０  単結晶の中心
１１，１２  測定ライン
１３  フュージョンリング
Ｃ１，Ｃ２  測定ラインとフュージョンリングとの両側の交点
【図１】
2004331437.tif 000003
【図２】
2004331437.tif 000004
【図３】
2004331437.tif 000005
【図４】
2004331437.tif 000006