(57)【要約】【課題】シリコン単結晶棒が大口径化しても、単結晶棒の直径変化を素早く捉えることにより、単結晶棒の直径の検出精度を向上する。【解決手段】ヒータ１７により融解されたシリコン融液１３がるつぼ１２に貯留される。コントローラは、上記融液から引上げ中のシリコン単結晶棒２４の直径を検出する直径検出センサ２５の検出出力を、シリコン単結晶棒の引上げ速度及びヒータの温度にフィードバックすることにより、シリコン単結晶棒の直径を設定直径になるように制御する。直径検出センサは、シリコン単結晶棒の全体の直径を光学的に拡大して直径の変化を検出する第１センサ２５ａと、シリコン融液及びシリコン単結晶棒の境界部に発現するヒートリングの明るさの変化としてシリコン単結晶棒の直径の変化を検出する第２センサ２５ｂとを有する。コントローラは第１センサの検出出力を第２センサの検出出力により補正する。【選択図】　図１
2004035352.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒータ（１７）により融解されたシリコン融液（１３）を貯留するるつぼ（１２）と、前記シリコン融液（１３）から引上げられるシリコン単結晶棒（２４）の直径を所定時間毎に検出する直径検出センサ（２５）と、この直径検出センサ（２５）の検出出力を前記シリコン単結晶棒（２４）の引上げ速度及び前記ヒータ（１７）の温度にフィードバックすることにより前記シリコン単結晶棒（２４）の直径を設定直径になるように制御するコントローラとを備えたシリコン単結晶の引上げ装置において、前記直径検出センサ（２５）が、前記シリコン単結晶棒（２４）の全体の直径を光学的に拡大して前記直径の変化を検出する第１センサ（２５ａ）と、前記シリコン融液（１３）及び前記シリコン単結晶棒（２４）の境界部に発現するヒートリング（２６）の明るさの変化として前記シリコン単結晶棒（２４）の直径の変化を検出する第２センサ（２５ｂ）とを有し、
前記コントローラが前記第１センサ（２５ａ）の検出出力を前記第２センサ（２５ｂ）の検出出力により補正するように構成されたことを特徴とするシリコン単結晶の引上げ装置。
【請求項２】
第１センサがＣＣＤカメラであり、第２センサがＣＣＤカメラ又は放射温度計である請求項１記載のシリコン単結晶の引上げ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶棒を引上げるときに、このシリコン単結晶棒の直径変動を検出することにより、その変動を抑制しつつ引上げる装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、シリコン単結晶棒の直径をＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ：電荷結合素子）カメラを用いて検出する方法では、ヒートリング（ブライトリングとも呼ばれる。）を二値化して特定のラインのヒートリング幅を検出したり、或いは二値化したラインに基づき楕円近似等の方法を用いて単結晶棒の直径を検出していた。
【０００３】
通常、シリコン単結晶棒の直径検出に用いられているＣＣＤカメラの画素数は、単結晶棒の直径検出方向である横軸方向で６４０画素である。また直径が２００ｍｍの単結晶の引上げ装置では、ＣＣＤカメラにて捉えられる視野範囲を、２１０〜２５０ｍｍとしているのが一般的であり、このときのＣＣＤカメラの１画素当りの検出精度、即ち限界値は、０．３２８〜０．３９１ｍｍ／画素である。
【０００４】
一方、直径が３００ｍｍと大口径の単結晶棒に対応しようとすると、その視野範囲は、３１０〜３５０ｍｍとなり、ＣＣＤカメラの１画素当りの検出精度、即ち限界値は、０．４８４〜０．５４７ｍｍ／画素となり、肝心の直径検出精度が低下する不具合があった。即ち、単結晶棒が大口径になるに従い、ＣＣＤカメラの素子の分解能の限界が影響して、上記直径を精度良く検出できなくなる問題点があった。
【０００５】
この点を解消するために、ハイビジョン対応のＣＣＤカメラを用いる方法が考えられる。この場合、横軸の画素数を１０２４画素とし、３１０〜３５０ｍｍの範囲を検出しようとすると、ＣＣＤカメラの１画素当りの検出精度、即ち限界値は、０．３０３〜０．３４２ｍｍ／画素となり、また横軸の画素数を１９２０画素とし、３１０〜３５０ｍｍの範囲を検出しようとすると、ＣＣＤカメラの１画素当りの検出精度、即ち限界値は、０．１６１〜０．１８２ｍｍ／画素となり、従来の直径２００ｍｍの単結晶棒の検出レベル以上を確保できる。
【０００６】
一方、二光束レンズを備えた近赤外までの感度を有する二次元ＣＣＤ赤外線カメラ装置を用いた単結晶の直径制御方法が開示されている（特開平８−２３９２９３号）。この単結晶の直径制御方法では、シリコン単結晶棒とシリコン融液との境界部に発現するブライトリングを上記二次元ＣＣＤ赤外線カメラ装置を用いて観測し、このブライトリングの輝度温度分布のピーク位置を凝固点として、この凝固点位置上の２カ所の変位ベクトルの軌跡を制御するように構成される。これによりブライトリング近傍のみを観測することが可能であり、１つのＣＣＤ素子上に２カ所の熱画像を結像できるので、効率的に画像処理できる。この結果、ブライトリングの輝度を測定し、画像処理して得られる輝度分布曲線の画像から単結晶ロッドの凝固点位置及び目標直径のピーク位置とＹ軸、Ｙ’軸との交点である曲率半径の変位ベクトルの軌跡を求めることにより、単結晶ロッドの直径を高精度に制御できるようになっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来のハイビジョン対応ＣＣＤカメラは、極めて高価であり、製造コストが増大する不具合があった。
また、上記従来の特開平８−２３９２９３号に示された単結晶の直径制御方法では、二次元ＣＣＤ赤外線カメラ装置を１台しか用いておらず、基準軸であるＹ軸及びＹ’軸のなす角度が大口径になるに従って小さくなるため、検出されるシリコン単結晶の直径の誤差が大きくなって、その精度が低下する問題点があった。
本発明の目的は、シリコン単結晶棒が大口径化しても、第１センサの検出出力を第２センサの検出出力にて補正して、シリコン単結晶棒の直径変化を素早く捉えることにより、単結晶棒の直径の検出精度を向上できる、シリコン単結晶の引上げ装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、図１及び図２に示すように、ヒータ１７により融解されたシリコン融液１３を貯留するるつぼ１２と、シリコン融液１３から引上げられるシリコン単結晶棒２４の直径を所定時間毎に検出する直径検出センサ２５と、この直径検出センサ２５の検出出力をシリコン単結晶棒２４の引上げ速度及びヒータ１７の温度にフィードバックすることによりシリコン単結晶棒２４の直径を設定直径になるように制御するコントローラとを備えたシリコン単結晶の引上げ装置の改良である。
その特徴ある構成は、直径検出センサ２５が、シリコン単結晶棒２４の全体の直径を光学的に拡大して直径の変化を検出する第１センサ２５ａと、シリコン融液１３及びシリコン単結晶棒２４の境界部に発現するヒートリング２６の明るさの変化としてシリコン単結晶棒２４の直径の変化を検出する第２センサ２５ｂとを有し、コントローラが第１センサ２５ａの検出出力を第２センサ２５ｂの検出出力により補正するように構成されたところにある。
【０００９】
この請求項１に記載されたシリコン単結晶の引上げ装置では、第１センサ２５ａによりシリコン単結晶棒２４のヒートリング２６のエッジ部を光学的に拡大して検出し、第２センサ２５ｂによりヒートリング２６を含む拡大画像の光量の変化を検出し、コントローラが第１センサ２５ａの検出出力を第２センサ２５ｂの検出出力により補正して定量化するので、単結晶棒２４が大口径化しても、単結晶棒２４の直径変化を素早く捉えることができ、単結晶棒２４の直径の検出精度を向上できる。
また第１センサがＣＣＤカメラであり、第２センサがＣＣＤカメラ又は放射温度計であることが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１及び図２に示すように、シリコン単結晶の引上げ装置１０は、内部を真空可能に構成されたメインチャンバ１１と、このチャンバ内の中央に設けられたるつぼ１２とを備える。メインチャンバ１１は円筒状の真空容器である。またるつぼ１２は、石英により形成されシリコン融液１３が貯留される有底円筒状の内層容器１２ａと、黒鉛により形成され上記内層容器１２ａの外側に嵌合された有底円筒状の外層容器１２ｂとからなる。外層容器１２ｂの底面にはシャフト１４の上端が接続され、このシャフト１４の下端にはシャフトを介してるつぼ１２を回転させかつ昇降させるるつぼ駆動手段１６が設けられる。更にるつぼ１２の外周面は円筒状のヒータ１７により所定の間隔をあけて包囲され、このヒータ１７の外周面は円筒状の保温筒１８により所定の間隔をあけて包囲される。
【００１１】
一方、メインチャンバ１１の上端には、メインチャンバより小径の円筒状のプルチャンバ１９が接続される。このプルチャンバの上端にはシード引上げ手段（図示せず）が設けられ、このシード引上げ手段は下端がメインチャンバ１１内のシリコン融液１３表面に達する引上げ軸２１を回転させかつ昇降させるように構成される。この引上げ軸２１の下端にはシードチャック２３が設けられ、このチャックは種結晶２２を把持するように構成される。この種結晶２２の下端をシリコン融液１３中に浸漬した後、シード引上げ手段により種結晶２２及びるつぼ１２をそれぞれ回転させかつ上昇させることにより、種結晶２２の下端からシリコン単結晶棒２４を引上げて成長させるように構成される。
【００１２】
また単結晶棒２４の引上げ中において融液１３及び単結晶棒２４の境界部である固液界面近傍の単結晶棒２４の直径は直径検出センサ２５により所定時間毎に検出される。この直径検出センサ２５は、単結晶棒２４の全体の直径を光学的に拡大して直径の変化を検出する第１センサ２５ａと、上記融液１３及び単結晶棒２４の境界部に発現するヒートリング２６の明るさの変化として単結晶棒２４の直径の変化を検出する第２センサ２５ｂとを有する。上記第１及び第２センサ２５ａ，２５ｂとしては、ＣＣＤカメラがそれぞれ用いられる。なお、第１及び第２センサ２５ａ，２５ｂは、図１及び図２上では単結晶棒２４を中心に１８０度回転した位置に配設しているけれども、実際には単結晶棒２４を中心に９０度回転した位置に配設される。
【００１３】
ここで、ＣＣＤカメラとは、半導体上に酸化膜を介して作製されたコンデンサに、光により生じた信号電荷を蓄積して、外部からの駆動パルスにより一方向に順次転送させ、電気信号である画像信号を得るカメラである。また、放射温度計とは、光学系を用いて物体から放出される赤外線を収束し、これを赤外センサにて電気量に変換した後に、プランクの輻射式に基づく演算処理を行い、温度値に換算して表示する機能を有する測定器である。
【００１４】
第１及び第２センサ２５ａ，２５ｂの各検出出力はコントローラ（図示せず）の制御入力に接続され、コントローラの制御出力はヒータ１７、シード引上げ手段及びるつぼ駆動手段１６に接続される。またコントローラにはメモリが設けられる。このメモリには、引上げられる単結晶棒２４の目標直径と、Ｖ／Ｇが一定になるように単結晶棒２４の全長にわたって設定された設定引上げ速度とがマップとして記憶される。ここで、Ｖは単結晶棒２４の引上げ速度であり、Ｇは単結晶棒２４の引上げ時における固液界面近傍の軸方向の温度勾配である。
【００１５】
コントローラは、第１センサ２５ａの検出出力を第２センサ２５ｂの検出出力により補正し、この補正された第１センサ２５ａのの検出出力に基づいてヒータ１７、シード引上げ手段及びるつぼ駆動手段１６を制御する。即ち、コントローラは、図１及び図２に示すように、上記補正された第１センサ２５ａの検出出力、即ち補正された直径変化の検出出力をヒータ１７、シード引上げ手段及びるつぼ駆動手段１６にフィードバックすることにより、単結晶棒２４の直径が設定直径になるように直径制御を優先するＰＩＤ制御を行うか、或いは単結晶棒２４の引上げ速度が設定引上げ速度になるように引上げ速度制御を優先するＰＩＤ制御を行うように構成される。なお、ＰＩＤ制御とは、フィードバック制御の一方式であり、フィードバック信号として、系の出力に比例した信号と、系の出力を積分した信号と、系の出力を微分した信号とを合せて用いる制御である。
【００１６】
一方、メインチャンバ１１内にはアルゴンガス等の不活性ガスが流通するように構成される。不活性ガスはプルチャンバ１９の側壁に接続されたガス供給パイプ２７を通ってプルチャンバ１９内に導入され、メインチャンバ１１の下壁に接続されたガス排出パイプ２８を通ってメインチャンバ１１外に排出されるように構成される。またメインチャンバ１１内には、図示しないが上記不活性ガスを整流するためにシリコン単結晶棒２４の外周面を所定の間隔をあけて包囲する整流用筒体が設けられる。
【００１７】
このように構成されたシリコン単結晶の引上げ装置の動作を図１〜図４に基づいて説明する。
先ずコントローラは、図３に示すように、第１センサの検出した画像信号を二値化し、ヒートリングの両端のエッジ部間の距離Ｄ１を算出する。次いで上記画像の中心点の座標を（Ｘ１，Ｙ１）とする。このときＸ１の変動より揺れ成分ΔＸ１を算出するとともに、上記二値化のしきい値をＳ１とする。更にコントローラは、図４に示すように、第２センサの検出した画像信号を画像を、上記しきい値Ｓ１を用いて二値化する。このときのヒートリングの幅Ｄ２を算出するとともに、ヒートリング幅Ｄ２が一定になるように二値化のしきい値を決定し、そのしきい値をＳ２とする。なお、図４において、Ｘ座標におけるカメラの基準点（カメラの視野における端部）からヒートリング２６の外側縁までの距離をＸ２とする。
【００１８】
一方、単結晶棒２４の実測直径Ｄを算出する式を式▲１▼のように定義する。
Ｄ＝Ｄ１＋ｆ１（Ｓ２−Ｓ１）×Ｄ２＋（ΔＸ２−ΔＸ１）　……▲１▼
ここで、式▲１▼において、ｆ１はしきい値Ｓ１，Ｓ２の偏差、即ちエネルギ量の偏差を考慮した直径補正関数であり、ΔＸ２は直径変動幅を計算するための第２センサにより検出されたＸ２の変動量である。
【００１９】
上記式▲１▼を用いて単結晶棒２４の実測直径Ｄを算出すると、単結晶棒２４の大口径化に伴うＣＣＤカメラによる分解能の減少を補うことができるので、単結晶２４が大口径化しても、単結晶棒２４の直径変化を素早く捉えることができ、単結晶棒２４の直径の検出精度を向上できる。これは、第１センサ２５ａにより単結晶棒２４のヒートリング２６のエッジ部を光学的に拡大して検出し、第２センサ２５ｂによりヒートリング２６を含む拡大画像の光量（放射温度）の変化を検出し、コントローラが第１センサ２５ａの検出出力を第２センサ２５ｂの検出出力により補正して定量化するためである。
【００２０】
なお、第２センサとして、ＣＣＤカメラではなく、放射温度計を用いてもよい。この場合、先ず第２センサのターゲット（中心）を単結晶棒のヒートリングのエッジ部に合わせて、その温度を検出する。次に直径検出開始時の温度をＡ℃とし、引上げ中のエッジ部の温度をＢ℃とすると、実測直径Ｄを次の式▲２▼のように補正する。
Ｄ＝Ｄ１＋ｆ２（Ｂ−Ａ）　　……▲２▼
ここで、式▲２▼において、Ｄ１は第１センサにより検出されたヒートリングの両端のエッジ部間の距離であり、ｆ２は温度変化を考慮した直径補正関数である。
【００２１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、シリコン融液から引上げられるシリコン単結晶棒の直径を直径検出センサが所定時間毎に検出し、この直径検出センサの第１センサにより単結晶棒のヒートリングのエッジ部を光学的に拡大して検出し、第２センサによりヒートリングを含む拡大画像の光量の変化を検出し、更にコントローラが第１センサの検出出力を第２センサの検出出力により補正して定量化する。この結果、単結晶棒の大口径化しても、単結晶棒の直径変化を素早く捉えることができ、単結晶棒の直径の検出精度を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施形態のシリコン単結晶の引上げ装置を示す縦断面図。
【図２】その引上げ装置によりシリコン単結晶棒を引上げている状態を示す要部斜視図。
【図３】第１センサにより検出されたヒートリングの画像を二次元的に示した模式図。
【図４】第２センサにより検出されたヒートリングの画像を二次元的に示した模式図。
【符号の説明】
１０　シリコン単結晶の引上げ装置
１２　るつぼ
１３　シリコン融液
１７　ヒータ
２４　シリコン単結晶棒
２５　直径検出センサ
２５ａ　第１センサ
２５ｂ　第２センサ
２６　ヒートリング
【図１】
2004035352.tif 000003
【図２】
2004035352.tif 000004
【図３】
2004035352.tif 000005
【図４】
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