(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
素材を下方に送る素材送り機構と、前記素材の下方側の端部を加熱して素材を溶融させる加熱手段と、前記素材送り機構と同軸線上に配設され溶融した素材を原料として成長した結晶を下方に引き下げる結晶引下げ機構と、を備えた単結晶育成装置を用いて浮遊帯域溶融法にて単結晶を育成する単結晶育成方法であって、
前記加熱手段による加熱にて素材が溶融した溶融部と前記溶融部が結晶化した結晶との固液界面である結晶側固液界面における結晶径を検出する結晶径検出工程と、
前記素材送り機構による素材送り速度を制御する素材送り速度制御工程と、を備え
前記素材送り速度制御工程は、
前記結晶径の単位時間当たりの変化量である結晶径変化率を算出する結晶径変化率算出工程と、
前記結晶径変化率算出工程にて算出された前記結晶径変化率を予め設定された結晶径変化率の設定範囲に対比する結晶径変化率比較工程と、
前記結晶径変化率比較工程における比較結果に応じて前記素材送り機構の素材送り速度を指令する素材送り速度指令工程と、を備え、
前記結晶径変化率の設定範囲は、上限値と下限値とを閾値とする設定範囲であり、
前記素材送り速度指令工程は、
前記結晶径変化率比較工程における結晶径変化率と前記設定範囲との比較により前記結晶径変化率が前記設定範囲の下限値を下回っていた場合には前記素材送り速度を増速させ、
前記結晶径変化率が前記設定範囲の上限値を超えていた場合には前記素材送り速度を維持させる
ことを特徴とする単結晶育成方法。
【請求項２】
請求項１に記載の単結晶育成方法において、
前記結晶径検出工程は、一定時間ごとに前記結晶径を検出し、
前記結晶径変化率算出工程は、一定時間ごとに検出される結晶径のうち直近の所定個数についての平均値と過去の所定個数についての平均値との差を結晶径変化率として算出する
ことを特徴とする単結晶育成方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の単結晶育成方法において、
前記加熱手段による加熱にて素材が溶融した溶融部と前記素材との固液界面である素材側固液界面における素材径を検出する素材径検出工程を備え、
前記素材送り速度制御工程は、
素材送り速度および素材径に基づく素材供給量と結晶引下げ速度および結晶径に基づく結晶化量との差を供給バランスとして算出する供給バランス算出工程と、
予め設定された供給バランスの設定範囲に対して前記供給バランスを対比する供給バランス比較工程と、を備え、
前記供給バランスの設定範囲は、下限値を閾値とする設定範囲であり、
前記素材送り速度指令工程は、
前記供給バランス比較工程における比較結果に応じて前記素材送り機構の素材送り速度を指令し、
前記供給バランス比較工程における供給バランスと前記設定範囲との比較により前記供給バランスが前記設定範囲の下限値を下回っていた場合には前記素材送り速度を増速させ、
前記供給バランスが前記下限値以上である場合には前記素材送り速度を維持させる
ことを特徴とする単結晶育成方法。
【請求項４】
請求項３に記載の単結晶育成方法において、
前記素材送り速度指令工程は、
まず、前記結晶径変化率比較工程における比較結果に基づいて素材送り速度を決定し、
前記結晶径変化率が結晶径変化率の設定範囲内である場合には、さらに、前記供給バランス比較工程における比較結果に基づいて素材送り速度を決定する
ことを特徴とする単結晶育成方法。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の単結晶育成方法において、
前記加熱手段による加熱にて素材が溶融した溶融部と前記素材との固液界面である素材側固液界面における素材径を検出する素材径検出工程と、
前記加熱手段への印加電圧を制御する印加電圧制御工程と、を備え、
前記素材は、先端部から徐々に拡径していくテーパ部と、一定の径を有する直胴部と、を有し、
前記印加電圧制御工程は、
前記加熱手段にて溶融される素材が前記テーパ部である場合には前記印加電圧を前記素材径に比例する値とし、
前記加熱手段にて溶融される素材が前記直胴部である場合には前記印加電圧を前記結晶径に比例する値とし、
前記印加電圧が予め設定された目標電圧に達した場合には前記目標電圧を維持する
ことを特徴とする単結晶育成方法。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載の単結晶育成方法において、
結晶引下げ機構による結晶引下げ速度を制御する結晶引下げ速度制御工程を備え、
結晶径に応じた結晶引下げ速度が予め設定されており、
前記結晶引下げ速度制御工程は、前記結晶径検出工程にて検出された結晶径に基づいて結晶引下げ速度を決定する
ことを特徴とする単結晶育成方法。
【請求項７】
素材を下方に送る素材送り機構と、前記素材の下方側の端部を加熱して素材を溶融させる加熱手段と、前記素材送り機構と同軸線上に配設され溶融した素材を原料として成長した結晶を下方に引き下げる結晶引下げ機構と、を備えた単結晶育成装置において、
前記加熱手段による加熱にて素材が溶融した溶融部と前記溶融部が結晶化した結晶との固液界面である結晶側固液界面における結晶径を検出する結晶径検出手段と、
前記素材送り機構による素材送り速度を制御する素材送り速度制御部と、を備え、
前記素材送り速度制御部は、
前記結晶径の単位時間当たりの変化量である結晶径変化率を算出する結晶径変化率算出部と、
前記結晶径変化率算出部にて算出された前記結晶径変化率を予め設定された結晶径変化率の設定範囲に対比する結晶径変化率比較部と、
前記結晶径変化率比較部における比較結果に応じて前記素材送り機構の素材送り速度を指令する素材送り速度指令部と、を備える
ことを特徴とする単結晶育成装置。
【請求項８】
請求項７に記載の単結晶育成装置において、
前記結晶径検出手段は、
前記加熱手段による加熱にて素材が溶融した溶融部と前記溶融部が結晶化した結晶との固液界面である結晶側固液界面を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段にて撮像された撮像データに基づいて固液界面における結晶径を算出する結晶径算出部と、を備えている
ことを特徴とする単結晶育成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単結晶育成方法および単結晶育成装置に関する。具体的には、浮遊帯域溶融法（ＦＺ法）による単結晶育成において結晶のトップ部を所望の形状に形成する際の自動制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体単結晶を育成する方法として、浮遊帯域溶融法（フローティングゾーン法、ＦＺ法）が知られている。浮遊帯域溶融法によって単結晶を育成する単結晶育成装置１０を図１７に示す。
単結晶育成装置１０は、上軸側に配設され素材６００を所定の速度で下方に供給する素材送り機構１１と、下軸側に配設され晶出した結晶５００を所定の速度で引き下げる結晶引下げ機構１２と、素材６００の先端部を加熱する加熱コイル１３と、を備えている。そして、加熱コイル１３によって素材６００を溶融させながら、素材送り機構１１による素材送り速度と結晶引下げ機構１２による結晶引下げ速度とをそれぞれ所定の速度に制御することにより、所定形状の半導体単結晶５００を製造する。
【０００３】
ここで、半導体単結晶５００の先端部にあたるトップ部５１０の育成にあたっては、種結晶の径から目標の径（直胴部の径）まで滑らかに太っていくように形状を整える必要がある。そのため、加熱コイル１３への印加電圧、素材送り速度および結晶引下げ速度がそれぞれ適切に制御されなければならない。
【０００４】
特許文献１においては、加熱コイル１３と固液界面Ｉｆとの距離であるゾーン長Ｌと、素材径Ｐｄと、結晶径Ｓｄと、に応じて上記の印加電圧や各速度（素材送り速度、結晶引下げ速度）を制御することにより、トップ部５１０を所望の形状に形成することが開示されている。
特に、ゾーン長Ｌの増減に応じて加熱コイル１３への印加電圧を制御することが開示されている。ゾーンが長過ぎるとゾーンが切れてしまうという問題が生じ、また、ゾーンが短すぎると急な温度勾配のために結晶が乱れるなどの問題が生じるところ、ゾーン長Ｌを適切な長さに制御することにより、結晶の形状を間接的に制御することができる。そして、素材径Ｐｄ、結晶径Ｓｄおよびゾーン長Ｌの計測にあたっては、加熱コイル１３の近傍にＣＣＤカメラ１４を設置し、このＣＣＤカメラ１４による撮像画像から素材径Ｐｄ、結晶径Ｓｄおよびゾーン長Ｌが求められる。
【０００５】
【特許文献１】特開平９−７７５８８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
たしかに、素材径Ｐｄ、結晶径Ｓｄおよびゾーン長Ｌに基づいた適切な制御が実行されるならば、育成される単結晶の形状を所望の形状に成形することは可能である。
しかしながら、加熱コイル１３は、育成する単結晶の種類に応じて交換が必要であるが、加熱コイル１３の交換を行うとＣＣＤカメラ１４に対する加熱コイル１３の相対位置が変化してしまう。加熱コイル１３と固液界面との距離をゾーン長Ｌとして検出するところ、ＣＣＤカメラ１４と加熱コイル１３との相対位置が変化すると、検出されるゾーン長Ｌに違いが生じてしまう。そのために、加熱コイル１３の交換前後において同じ設定で制御を行っていたのでは、所望の形状の単結晶を得ることができない。また、加熱コイル１３の交換を行うたびにゾーン長Ｌを正確に検出するための調整を行うことも考えられるが、コイル交換のたびに微妙な調整を行うことには時間とコストがかかりすぎるので現実的ではない。
【０００７】
本発明の目的は、コイル交換に関係なく、最適制御ができる単結晶育成方法および単結晶育成装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の単結晶育成方法は、素材を下方に送る素材送り機構と、前記素材の下方側の端部を加熱して素材を溶融させる加熱手段と、前記素材送り機構と同軸線上に配設され溶融した素材を原料として成長した結晶を下方に引き下げる結晶引下げ機構と、を備えた単結晶育成装置を用いて浮遊帯域溶融法にて単結晶を育成する単結晶育成方法であって、前記加熱手段による加熱にて素材が溶融した溶融部と前記溶融部が結晶化した結晶との固液界面である結晶側固液界面における結晶径を検出する結晶径検出工程と、前記素材送り機構による素材送り速度を制御する素材送り速度制御工程と、を備え前記素材送り速度制御工程は、前記結晶径の単位時間当たりの変化量である結晶径変化率を算出する結晶径変化率算出工程と、前記結晶径変化率算出工程にて算出された前記結晶径変化率を予め設定された結晶径変化率の設定範囲に対比する結晶径変化率比較工程と、前記結晶径変化率比較工程における比較結果に応じて前記素材送り機構の素材送り速度を指令する素材送り速度指令工程と、を備え、前記結晶径変化率の設定範囲は、上限値と下限値とを閾値とする設定範囲であり、前記素材送り速度指令工程は、前記結晶径変化率比較工程における結晶径変化率と前記設定範囲との比較により前記結晶径変化率が前記設定範囲の下限値を下回っていた場合には前記素材送り速度を増速させ、前記結晶径変化率が前記設定範囲の上限値を超えていた場合には前記素材送り速度を維持させることを特徴とする。
【０００９】
このような構成において、まず、素材送り機構に素材をセットし、結晶引下げ機構には種結晶をセットする。そして、素材送り機構によって素材を下方に送りながら加熱手段によって素材の下方側端部を溶融させ、溶融した素材を種結晶に付着させる。すると、溶融した素材を原料として種結晶が成長していき、単結晶が育成されていくので、単結晶の育成に応じて結晶引下げ機構によって結晶を下方に引下げていく。
【００１０】
ここで、単結晶を所望の形状に育成することが必要である。特に、単結晶のトップ部においては種結晶の径から目標の径（直胴部の径）まで滑らかに成長させ、さらに、直胴部においては径を一定に保った状態で結晶を成長させなければならない。この点、素材送り速度が速すぎると結晶が太りすぎ、また逆に、素材送りの速度が遅すぎると結晶が細りすぎることになり、素材送りの速度を適切に制御することが単結晶の形状制御にあっては重要である。
【００１１】
本発明の構成では、まず、結晶径検出工程において結晶径が検出される。結晶径検出工程にて検出された結晶径に基づいて結晶径変化率算出工程により結晶径の単位時間あたりの変化量である結晶径変化率が算出される。単結晶を所定形状にするための結晶径変化率の範囲が設定範囲として設定されており、結晶径変化率算出工程にて算出された結晶径変化率が結晶径変化率比較工程において設定範囲と比較される。そして、結晶径変化率比較工程における比較結果に応じて、素材送り速度指令工程により素材送り速度が指令される。例えば、結晶径変化率が設定範囲から外れてしまっている場合には、結晶径変化率が設定範囲内に入るように素材送り速度を増速、減速、あるいは維持する。例えば、結晶径変化率が設定範囲よりも大きい場合には、結晶が予定よりも早く太りすぎているということであるから、素材送り速度を増速させずにそのまま維持するかあるいは減速することが例として挙げられる。または、結晶径変化率が設定範囲よりも小さい場合には、結晶が予定よりも太っていないということであるから、素材送り速度を増速することが例として挙げられる。このように、結晶径変化率が設定範囲に入るように素材送り速度を制御して素材供給量を調整することにより結晶を所望の形状にすることができる。
【００１２】
このような構成によれば、結晶径の変化に基づいて素材送り速度を制御するので、結晶径を正確に検出することにより適切に素材送り速度を制御することができる。
従来は、結晶側の固液界面と加熱手段（例えば加熱コイル）との距離であるゾーン長を計測して、このゾーン長を所定範囲に入れるように素材送り速度をはじめとして各種制御対象の制御を行っていた。しかし、加熱手段は育成する単結晶の種類やサイズによって交換され、加熱手段を交換した場合に加熱手段の取付位置がずれてしまう。例えば、取付孔の遊びにより約１ｍｍ程度の誤差が生じ、さらに、製品個体差や径年変化などによる加熱手段の誤差を含めると、場合によっては約２ｍｍ程度のずれが生じる。このように加熱手段の取付位置が異なってくると、結晶側固液界面と加熱手段との距離であるゾーン長を計測する際に誤差が生じることになる。このように誤差を含んで計測されたゾーン長に基づく制御では単結晶を所望の形状に成長させることは不可能である。また、仮に、ゾーン長を正確に計測するとなれば加熱手段（例えば加熱コイル）を交換するたびに加熱手段の取付誤差分を校正しなければならないという手間が生じる。
【００１３】
この点、本発明においては、結晶径に基づいて素材送り速度を制御するところ、加熱手段の取付誤差と関係なく結晶径は正確に検出できる。そして、このように正確に検出できる結晶径に基づいて結晶径変化率を所定の設定範囲に入るように素材送り速度を制御することにより単結晶を所望の形状に育成することができる。また、加熱手段の交換は結晶径の検出に影響ないので、結晶の種類やサイズに応じて適切な加熱手段を使用することができる。加えて、従来のようにゾーン長を所定長さに制御することで結晶の形状を間接的に制御していたことに比べて、本発明では結晶径の変化率を所定範囲に入れることとするので、結晶の形状を制御するという制御目標を直接的に確実に達成することができる。
【００１５】
このような構成において、結晶径変化率比較工程により結晶径変化率を設定範囲の下限値と比較する。
結晶径変化率が設定範囲の下限値を下回っていた場合には、素材送り速度を増速させる。結晶径変化率が設定範囲の下限値よりも下回っているということは、結晶が予定よりも細っているということなので、素材送り速度を増速させて素材供給量を増加させることにより結晶径変化率を設定範囲内に入れることができる。また、結晶径変化率を設定範囲の上限値と比較して、結晶径変化率が設定範囲の上限値を上回っていた場合には、素材送り速度を増速させずに維持する。結晶径変化率が設定範囲の上限値を上回っているということは、結晶が予定よりも太りすぎているということであり、素材供給量が過多であるので、素材送り速度を増速させることなく素材送り速度を維持する。これにより、結晶の太りを抑制し、結晶径変化率を設定範囲内に入れることができる。
このように結晶径変化率と設定範囲との比較に応じて素材送り速度を調整することにより、結晶を所望の形状に育成することができる。
【００１６】
本発明では、前記結晶径検出工程は、一定時間ごとに前記結晶径を検出し、前記結晶径変化率算出工程は、一定時間ごとに検出される結晶径のうち直近の所定個数についての平均値と過去の所定個数についての平均値との差を結晶径変化率として算出することが好ましい。
【００１７】
このような構成において、結晶径検出工程により結晶径を一定時間ごとに検出する。例えば、２秒間隔で結晶径を検出することが例として挙げられる。結晶径変化率算出工程は、結晶径のデータに基づいて過去の所定個数データの平均値を算出し、さらに、直近の所定個数データの平均値を算出する。
例えば、直近の２０秒における１０個の結晶径データの平均値を算出し、１００秒前から８０秒前までの２０秒間における１０個の結晶径データの平均値を算出することが例として挙げられる。そして、結晶径変化率算出工程において、直近の平均値と過去の平均値との差を算出して結晶径変化率とする。
このような構成によれば、単発のデータではなくて、所定個数の平均値に基づいた結晶径変化率を算出するので、一回一回の結晶径検出工程における結晶径の検出誤差に大きな影響を受けることがなく、制御を安定させることができる。
【００１８】
本発明では、前記加熱手段による加熱にて素材が溶融した溶融部と前記素材との固液界面である素材側固液界面における素材径を検出する素材径検出工程を備え、前記素材送り速度制御工程は、素材送り速度および素材径に基づく素材供給量と結晶引下げ速度および結晶径に基づく結晶化量との差を供給バランスとして算出する供給バランス算出工程と、予め設定された供給バランスの設定範囲に対して前記供給バランスを対比する供給バランス比較工程と、を備え、前記供給バランスの設定範囲は、下限値を閾値とする設定範囲であり、前記素材送り速度指令工程は、前記供給バランス比較工程における比較結果に応じて前記素材送り機構の素材送り速度を指令し、前記供給バランス比較工程における供給バランスと前記設定範囲との比較により前記供給バランスが前記設定範囲の下限値を下回っていた場合には前記素材送り速度を増速させ、前記供給バランスが前記下限値以上である場合には前記素材送り速度を維持させることが好ましい。
【００１９】
このような構成において、素材送り機構により素材が加熱手段に送られ、結晶引下げ機構により結晶が引下げられるところ、素材の供給量と結晶引下げ量との供給バランスを供給バランス算出工程により算出する。すなわち、素材径検出工程により素材径が検出され、結晶径検出工程により結晶径が検出される。そして、供給バランス算出工程は、素材送り機構による素材送り速度と素材径とに基づいて素材供給量を算出し、結晶引下げ機構による結晶引下げ速度と結晶径とに基づいて結晶化量を算出し、素材供給量と結晶化量との差を算出する。例えば、素材送り速度をZｐ、素材径をPｄ、結晶引下げ速度をRｅ、結晶径をSｄとするとき、供給バランスを次の式によって算出する。
【００２０】
【数１】
0004694996.tif 000002
【００２１】
算出された供給バランスは供給バランス比較工程において予め設定された設定範囲に比較される。そして、供給バランス比較工程における比較結果に応じて、素材送り速度指令工程により素材送り速度が指令される。例えば、供給バランスが所定の下限値を下回っている場合には、素材供給量が結晶化量に比べて少なすぎるということであるので、供給バランスが設定範囲に入るように素材送り速度を上昇させる。すると、素材供給量と結晶化量とのバランスを保ちながら単結晶を成長させることができる。
【００２３】
このような構成において、供給バランス比較工程により供給バランスを設定範囲の下限値と比較する。供給バランスが設定範囲の下限値を下回っていた場合には素材供給量が結晶化量に比べて少なすぎるということであるので、供給バランスが設定範囲に入るように素材送り速度を上昇させる。すると、素材供給量と結晶化量とのバランスを保ちながら単結晶を成長させることができる。また、供給バランスが設定範囲の下限値以上である場合には、素材供給量が十分に足りているということであるので、素材送り速度を増速させずに維持する。
このように、供給バランスを設定範囲に入るように素材送り速度を制御することにより、例えば、溶融部が切れてしまうなどの不都合を回避して適切に単結晶の育成を進行することができる。
【００２４】
本発明では、前記素材送り速度指令工程は、まず、前記結晶径変化率比較工程における比較結果に基づいて素材送り速度を決定し、前記結晶径変化率が結晶径変化率の設定範囲内である場合には、さらに、前記供給バランス比較工程における比較結果に基づいて素材送り速度を決定することが好ましい。
【００２５】
このような構成において、素材送り速度は結晶径変化率に基づいた制御と供給バランスに基づいた制御とを受ける。まず、素材送り速度は、結晶径変化率がその設定範囲に入るように調整され、結晶径変化率がその設定範囲に入っている場合に、さらに、供給バランスがその設定範囲に入るように制御される。結晶径変化率が設定範囲から外れてしまうと単結晶の形状が予定からずれてしまうので、結晶径変化率を設定範囲にいれることが優先的に実行される。
ただし、結晶径変化率が設定範囲に入ってはいても、供給バランスが適切でないと結晶が育たないので、さらに供給バランスを設定範囲にいれることにより単結晶の育成を適切に進行することができる。
【００２６】
本発明では、前記加熱手段による加熱にて素材が溶融した溶融部と前記素材との固液界面である素材側固液界面における素材径を検出する素材径検出工程と、前記加熱手段への印加電圧を制御する印加電圧制御工程と、を備え、前記素材は、先端部から徐々に拡径していくテーパ部と、一定の径を有する直胴部と、を有し、前記印加電圧制御工程は、前記加熱手段にて溶融される素材がテーパ部である場合には前記印加電圧を前記素材径に比例する値とし、前記加熱手段にて溶融される素材が直胴部である場合には前記印加電圧を前記結晶径に比例する値とし、前記印加電圧が予め設定された目標電圧に達した場合には前記目標電圧を維持することが好ましい。
【００２７】
このような構成において、加熱手段の加熱温度は溶融させる素材の量や結晶化量に応じて適切に変化させる。まず、加熱手段によって素材のテーパ部を溶融させる場合には、加熱手段によって溶融させる素材量が素材径によって変化するので、加熱温度は素材径に相関させる。そして、加熱手段によって溶融させる部分が素材径のテーパ部から径が一定の直胴部に移行した場合には、加熱手段によって溶融させる素材の量は結晶化量によって変化するので、加熱温度は結晶径に相関する値とする。このように適切に加熱手段の加熱温度を制御することによって結晶化の原料となる溶融した素材を結晶に供給することができ、適切に単結晶育成を進行することができる。
【００２８】
本発明では、結晶引下げ機構による結晶引下げ速度を制御する結晶引下げ速度制御工程を備え、結晶径に応じた結晶引下げ速度が予め設定されており、前記結晶引下げ速度制御工程は、前記結晶径検出工程にて検出された結晶径に基づいて結晶引下げ速度を決定することが好ましい。
【００２９】
このような構成において、結晶引下げ機構による結晶引下げ速度は予め設定されており、結晶引下げ速度制御工程では、この予め決められた設定速度に従って結晶引下げ速度を制御する。
単結晶を所望の形状に育成したいところ、予め決められた設定速度によって段階的に滑らかに結晶引下げ速度を増速させていくことが、安定して所望形状の結晶を育成する観点からは望ましい。そして、結晶を所定形状に制御するにあたっては、素材送り速度の制御によって対応することができる。
【００３０】
本発明の単結晶育成装置は、素材を下方に送る素材送り機構と、前記素材の下方側の端部を加熱して素材を溶融させる加熱手段と、前記素材送り機構と同軸線上に配設され溶融した素材を原料として成長した結晶を下方に引き下げる結晶引下げ機構と、を備えた単結晶育成装置において、前記加熱手段による加熱にて素材が溶融した溶融部と前記溶融部が結晶化した結晶との固液界面である結晶側固液界面における結晶径を検出する結晶径検出手段と、前記素材送り機構による素材送り速度を制御する素材送り速度制御部と、を備え、前記素材送り速度制御部は、前記結晶径の単位時間当たりの変化量である結晶径変化率を算出する結晶径変化率算出部と、前記結晶径変化率算出部にて算出された前記結晶径変化率を予め設定された結晶径変化率の設定範囲に対比する結晶径変化率比較部と、前記結晶径変化率比較部における比較結果に応じて前記素材送り機構の素材送り速度を指令する素材送り速度指令部と、を備えることを特徴とする。
【００３１】
このような構成によれば、上記発明と同様の作用効果を奏することができる。
すなわち、結晶径に基づいて素材送り速度を制御するので、加熱手段の取付誤差と関係なく結晶径を正確に検出できる。そして、正確に検出できる結晶径に基づいて結晶径変化率を所定の設定範囲に入るように素材送り制御することにより単結晶を所望の形状に育成することができる。
【００３２】
本発明では、前記結晶径検出手段は、前記加熱手段による加熱にて素材が溶融した溶融部と前記溶融部が結晶化した結晶との固液界面である結晶側固液界面を撮像する撮像手段と、前記撮像手段にて撮像された撮像データに基づいて固液界面における結晶径を算出する結晶径算出部と、を備えていることが好ましい。
【００３３】
このような構成において、撮像手段にて結晶側固液界面を撮像し、この撮像データに基づいて結晶径算出部により固液界面における結晶径が算出される。以後、この結晶径に基づいて素材送り速度をはじめとする各種の制御対象の制御が行われる。このような構成によれば、撮像手段によって連続的に撮像データを取得することができるので、微小な時間間隔（例えば２秒間隔）で結晶径をサンプリングすることができる。
【００３４】
なお、素材径を検出する素材径検出手段を設ける場合、素材径検出手段は、溶融部と素材との固液界面を撮像する撮像手段と、撮像データに基づいて素材径を算出する素材径算出部と、を備えて構成されることが例として挙げられる。そして、結晶径検出手段と素材径検出手段とでは一つの撮像手段を共用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明の実施の形態を図示するとともに図中の各要素に付した符号を参照して説明する。
（第１実施形態）
本発明の単結晶育成装置に係る第１実施形態について説明する。
最初に本発明の単結晶育成装置１００によって育成する半導体単結晶５００について説明する。
図１は、単結晶育成装置１００によって育成する半導体単結晶５００の形状を示す図である。
図２は、種結晶５４０と溶融まえの素材６００とをそれぞれ結晶引下げ機構１２０と素材送り機構１１０とにセットした状態を示す図である。
【００３６】
半導体単結晶５００は、図１に示されるように、先端部から徐々に拡径して太っていくトップ部５１０と、目標の径に達したところで略一定の径で成長する直胴部５２０と、直胴部５２０から急激に径が減少し端部が切断されたボトム部５３０と、を有する。素材６００は、図２に示されるように、先端部から徐々に拡径していくテーパ部６１０と、一定の径を有する直胴部６２０と、を有する。
【００３７】
そして、素材６００の先端を加熱コイル１３０の間に差し入れた状態で加熱して溶融状態とし、素材送り機構１１０によって溶融した素材６００を下方に送って種結晶５４０と付着させる。すると、溶融した素材６００を原料として種結晶５４０が成長していき、単結晶５００が育成されていく。素材６００の送り速度と結晶５００の引下げ速度を適切に制御して、図１に示される形状の単結晶５００に育成していく。特に、単結晶５００のトップ部５１０において種結晶５４０の径から目標の径（直胴部５２０の径）まで滑らかに太っていくように形状を整える必要がある。このために、加熱コイル１３０への印加電圧、素材送り速度および結晶引下げ速度がそれぞれ適切に制御されなければならない。
以下、本実施形態の説明においては、単結晶５００のトップ部５１０を形成するための自動制御について説明する。
【００３８】
本発明の単結晶育成装置１００について説明する。
図３は、単結晶育成装置１００の構成を示す図である。
【００３９】
単結晶育成装置１００は、上軸側に配設され素材６００を所定の速度で下方に供給する素材送り機構１１０と、下軸側に配設され晶出した結晶５００を所定の速度で引き下げる結晶引下げ機構１２０と、素材６００の先端部を加熱する加熱コイル（加熱手段）１３０と、素材側と結晶側の固液界面を視野に入れて撮像するＣＣＤカメラ（撮像手段）１４０と、ＣＣＤカメラ１４０からの撮像データに基づいて加熱コイル１３０への印加電圧および素材送り機構１１０と結晶引下げ機構１２０の駆動速度を制御する制御部２００と、を備えている。
【００４０】
素材送り機構１１０と結晶引下げ機構１２０とは同軸上に配設されている。
素材送り機構１１０は、下端側に素材６００を保持する保持部１１１を有し、上から下に向けて素材６００を送り出す。
結晶引下げ機構１２０は、上端側に結晶５００を保持する保持部１２１を有し、上から下に向けて結晶５００を引き下げる。
加熱コイル１３０は、素材送り機構１１０と結晶引下げ機構１２０との間に配設されてその位置が固定されている。
加熱コイル１３０は、素材送り機構１１０によって下方に送られてくる素材６００の先端を環囲した状態で加熱し、素材６００の先端を溶融させる。
【００４１】
ＣＣＤカメラ１４０は、加熱コイル１３０の近傍に配設されている。そして、ＣＣＤカメラ１４０は、加熱コイル１３０によって溶融された溶融部を略中心として、素材６００の先端（下端）から結晶５００の先端（上端）を視野に含む。
【００４２】
制御部２００は、ＣＣＤカメラ１４０の撮像データを処理する画像処理部２１０と、撮像データに基づいて素材径および結晶径を算出する径算出部２２０と、加熱コイル１３０への印加電圧を制御する電圧制御部２３０と、結晶引下げ機構１２０の駆動速度を制御する結晶引下げ速度制御部２４０と、素材送り機構１１０の駆動速度を制御する素材送り速度制御部３００と、を備えている。
【００４３】
画像処理部２１０は、ＣＣＤカメラ１４０からの撮像データを取り込んで径算出部２２０に出力する。
径算出部２２０は、撮像データに基づいて固液界面における素材６００の径（直径）を算出する素材径算出部２２１と、撮像データに基づいて固液界面における結晶５００の径（直径）を算出する結晶径算出部２２２と、を備える。
素材径算出部２２１および結晶径算出部２２２は、所定時間間隔（例えば２秒間隔）で素材径および結晶径を算出する。なお、素材径算出部２２１および結晶径算出部２２２において素材径および結晶径を算出する方法は特に限定されるものではないが、例えば、撮像データからエッジ検出を行うことによって実現できる。
【００４４】
ここに、ＣＣＤカメラ１４０と素材径算出部２２１とにて素材径検出手段が構成されており、素材径検出工程が実行される。また、ＣＣＤカメラ１４０と結晶径算出部２２２とにて結晶径検出手段が構成されており、結晶径検出工程が実行される。
【００４５】
電圧制御部２３０は、素材径と結晶径とに基づいて加熱コイル１３０への印加電圧を制御する（加熱温度制御工程）。加熱コイル１３０への印加電圧値が制御されることにより素材６００の溶融量が変化するので、結晶５００に供給される原料の量が変化する。そして、例えば、素材６００のテーパ部６１０の先端のように素材６００の単位長さあたりの体積が小さければ加熱温度は低くてもよく、その一方、直胴部６２０のように長さあたりの体積が大きくなると加熱温度を高くして素材６００を十分に溶融させることになる。
【００４６】
図４は、加熱コイル１３０への印加電圧の一例を示す図である。
電圧制御部２３０は、加熱コイル１３０への印加電圧を２段階に分けて制御する。素材６００は、先端から徐々に拡径していくテーパ部６１０と、径が一定である直胴部６２０と、を有するところ、加熱コイル１３０の間に送られる素材６００がテーパ部６１０であるとき、電圧制御部２３０は、素材径に基づいて決定される電圧値を加熱コイル１３０に印加する。そして、加熱コイル１３０の間に送られる素材６００がテーパ部６１０から直胴部６２０に移行すると、電圧制御部２３０は、次は、素材径ではなく、結晶径に基づいて決定される電圧値を加熱コイル１３０に印加する。印加電圧値が予め設定された目標値に達したところで、この目標値の値をキープする。
【００４７】
すなわち、電圧制御部２３０には素材６００の直胴部６２０の径が定値として予め設定されており、素材径算出部２２１にて算出される素材径が定値以下であるときは、素材径に基づく電圧値を加熱コイル１３０に印加し、素材径が定値を超えたときは、結晶径に基づく電圧値を加熱コイル１３０に印加する。
【００４８】
なお、素材径あるいは結晶径に基づいて電圧値を決定するにあたっては、素材径や結晶径をパラメータとする一次関数の式を予め設定しておき、この式に基づいて電圧値を決定することが例として挙げられる。
電圧制御部２３０による加熱コイル１３０への電圧制御の具体的手順については、後述する。
【００４９】
結晶引下げ速度制御部２４０は、結晶径算出部２２２にて算出された結晶径に基づいて結晶引下げ機構１２０の駆動速度を制御する（結晶引下げ速度制御工程）。結晶引下げ速度制御部２４０には、結晶径と引下げ速度との関係が予め設定されており、結晶径算出部２２２にて算出された結晶径に応じて引下げ速度を決定する。
図５は、結晶引下げ速度の変化の一例を示す図である。
結晶径引下げ速度制御部は、４段階に分けて結晶引下げ速度を段階的に目標速度まで上昇させていく。
すなわち、結晶引下げ速度制御部２４０には、３段階の結晶径の値が設定値として設定されているとともに、各設定値に応じた引下げ速度が設定されている。そして、結晶径が各設定値に達したところで引下げ速度が段階的に上昇される。結晶引下げ速度制御部２４０による結晶引下げ機構１２０を制御する具体的手順については後述する。
【００５０】
素材送り速度制御部３００は、素材６００のテーパ部６１０においては予め設定された設定値に基づいて素材送り機構１１０の駆動速度を制御するとともに、素材径が定値に達した後は、結晶径の変化率と素材６００の供給バランスとに基づいて素材送り機構１１０の駆動速度を制御する（素材送り速度制御工程）。
図６は、素材送り速度制御部３００の構成を示す図である。
素材送り速度制御部３００は、結晶径の変化率に基づいて素材送り機構１１０の駆動速度を判断する結晶径変化率判断部３１０と、素材６００の供給量と結晶化量とのバランスに基づいて素材送り機構１１０の駆動速度を判断する供給バランス判断部３５０と、結晶径変化率判断部３１０および供給バランス判断部３５０による判断に基づいて素材送り機構１１０に駆動速度を指令する素材送り速度指令部３８０と、を備える。
【００５１】
結晶径変化率判断部３１０は、結晶径算出部２２２にて算出された結晶径を一時的に記憶する結晶径記憶部３２０と、一定時間間隔における結晶径の変化に基づいて結晶径変化率を算出する結晶径変化率算出部３３０と、設定された閾値と結晶径変化率とを比較する結晶径変化率比較部３４０と、を備える。
【００５２】
結晶径記憶部３２０は、結晶径算出部２２２にて算出された結晶径の値を順次記憶していく。
ここで、結晶径算出部２２２は２秒後ごとに結晶径を算出するところ、結晶径記憶部３２０は、結晶径の値を１００秒間記憶しておく。
すなわち、結晶径記憶部３２０は最も古い結晶径の値から最新の結晶径の値まで５０個の結晶径データを記憶する。
図７に、結晶径記憶部３２０に記憶する結晶径データの一例を示す。
【００５３】
結晶径変化率算出部３３０は、一定時間間隔の結晶径の変化率を算出する（結晶径変化率算出工程）。単結晶５００を所望の形状に育成するにあたって、トップ部５１０においては先端の種結晶５４０から直胴部５２０に向けて徐々に太らせ、直胴部５２０にあっては一定の径を維持しなければならない。このように単結晶５００を所望の形状に育成するには、結晶５００の太り具合である結晶径の変化率を所定の範囲にして、急激に太りすぎたり、急激に細り過ぎたりしないようにする。ここで、直近の２０秒間における結晶径データの平均値と、８０秒前から１００秒前の２０秒間における結晶径データの平均値と、の差を結晶径変化率とする。すなわち、結晶径変化率算出部３３０は、直近の１０個で結晶径データの平均値を新結晶径平均値として算出し、さらに、８０秒前から１００秒前における１０個の結晶径データの平均値を過去結晶径平均値として算出する。そして、新結晶径平均値と過去結晶径平均値との差を求めて結晶径変化率とする。
【００５４】
結晶径変化率比較部３４０は、結晶径の値に応じて予め設定された結晶径変化率の上限値と下限値とを閾値とする設定範囲に対して結晶径変化率を比較する（結晶径変化率比較工程）。
図８は、結晶径変化率の設定範囲である。
結晶径に相関して結晶径変化率の所定範囲が設定されている。そして、結晶径変化率比較部３４０は、結晶径変化率算出部３３０にて算出された結晶径変化率を設定範囲の上限値および下限値に比較し、比較結果を素材送り速度指令部３８０に出力する。
【００５５】
供給バランス判断部３５０は、素材６００の供給量と結晶化量との差である供給バランスを算出する供給バランス算出部３６０と、設定された閾値と供給バランスとを比較する供給バランス比較部３７０と、を備える。
【００５６】
供給バランス算出部３６０は、素材径Ｐｄ、素材送り速度Ｚｐ、結晶径Ｓｄおよび結晶引下げ速度Ｒｅに基づいて供給バランスを算出する（供給バランス算出工程）。
供給バランスは、素材６００の供給量（〜Ｐｄ２×Ｚｐ）と結晶化量（〜Ｓｄ２×Ｒｅ）と関係で求められ、次の式によって表される。
【００５７】
【数２】
0004694996.tif 000003
【００５８】
供給バランス比較部３７０は、結晶径の値に応じて予め設定された供給バランスの下限値を閾値とする設定範囲に対して供給バランスを比較する（供給バランス比較工程）。
図９は、供給バランスの設定範囲である。そして、供給バランス比較部３７０は、供給バランス算出部３６０にて算出された供給バランスを設定範囲に比較し、比較結果を素材送り速度指令部３８０に出力する。
【００５９】
素材送り速度指令部３８０は、素材６００のテーパ部においては予め設定された設定値に基づいて素材送り機構１１０の駆動速度を制御するとともに、素材径が定値に達した後は、結晶径変化率比較部３４０および供給バランス比較部３７０における比較結果に基づいて素材送り機構１１０の駆動速度を制御する（素材送り速度指令工程）。
素材送り速度指令部３８０は、加熱コイル１３０の間に送られる素材６００がテーパ部６１０であるときは、素材送り速度を予め決められた値にキープする。
そして、素材径が定値を超えて加熱コイル１３０の間に送られる素材６００が直胴部６２０となったとき、素材送り速度指令部３８０は、結晶径変化率比較部３４０および供給バランス比較部３７０における比較結果に基づいて素材送り機構１１０の駆動速度を制御する。
【００６０】
このとき、素材送り速度指令部３８０は、まず、結晶径変化率比較部３４０における比較結果に基づいて素材送り機構１１０の駆動速度を制御する。
図１０は、結晶径変化率と設定範囲との関係の一例を示す図である。
素材送り速度指令部３８０は、結晶径変化率比較部３４０における比較結果により、結晶径変化率が設定範囲の下限値を下回っている場合には（図１０中の符号３４４）、素材送り速度を上昇させる。
ここで、結晶径変化率が設定範囲の下限値を下回っているということは、結晶５００が所望の通りに太っておらず細りすぎであるということなので、素材送り速度を上昇させて素材６００の供給量を増加させて結晶５００を太らせる。
【００６１】
また、素材送り速度指令部３８０は、結晶径変化率比較部３４０における比較結果により、結晶径変化率が設定範囲の上限値を超えている場合には（図１０中の符号３４５）、素材送り速度を上昇させずにキープする。
ここで、結晶径変化率が設定範囲の上限値を超えているということは、結晶５００が予定よりも太りすぎであるということなので、素材６００の供給量を増加させないでしばらくは素材送り速度をキープする。
【００６２】
そして、素材送り速度指令部３８０は、結晶径変化率が設定範囲のなかに入っている場合、次に、供給バランス比較部３７０における比較結果に基づいて素材送り機構１１０の駆動速度を制御する。
図１１は、供給バランスと設定範囲との関係の一例を示す図である。
素材送り速度指令部３８０は、供給バランス比較部３７０における比較結果により、供給バランスが下限値よりも高い場合には、素材送り速度をキープする。供給バランスが下限値よりも高いということは、素材６００の供給量が結晶化量に対して足りているということなので、素材送り速度をキープする。その一方、供給バランスが下限値を下回っている場合には（図１１中の符号３７２）、素材送り速度を上昇させる。供給バランスが下限値を下回っているということは、素材６００の供給量が結晶化量に対して不足しているということなので、素材送り速度を上昇させる。
ここで、図１２は、上記のような制御を行った場合における素材送り速度の変化の一例を示す図である。
【００６３】
このような構成を備える第１実施形態の動作（単結晶育成方法）について説明する。
単結晶育成装置１００によって単結晶５００を育成するにあたっては、育成する結晶５００の種類やサイズに合わせて加熱コイル１３０を交換し、さらに、加熱コイル１３０の近傍にＣＣＤカメラ１４０をセットする。
そして、結晶引下げ機構１２０の保持部１２１に種結晶５４０をセットし、素材送り機構１１０の保持部１１１に素材６００をセットする（図２参照）。
この状態で単結晶５００の育成を開始する。
まず、素材送り速度制御部３００と結晶引下げ速度制御部２４０による素材送りおよび結晶引下げの速度を所定の駆動速度に設定する。
また、電圧制御部２３０による加熱コイル１３０への電圧印加を所定の印加電圧に設定する。
この状態で素材の溶融および結晶の育成を例えば手動で開始し、ＣＣＤカメラ１４０による素材径および結晶径の撮像が可能となったところで制御部２００による自動制御を開始する。例えば、結晶長が４０ｍｍに達したあたりから制御部２００による自動制御を開始する。
【００６４】
また、ＣＣＤカメラ１４０による撮像が開始され、撮像データは画像処理部２１０から径算出部２２０に送られる。撮像データに基づいて所定時間（２秒）ごとに素材径算出部２２１および結晶径算出部２２２により素材径Ｐｄおよび結晶径Ｓｄが算出される。算出された素材径Ｐｄおよび結晶径Ｓｄは、電圧制御部２３０、結晶引下げ速度制御部２４０および素材送り速度制御部３００に出力される。そして、電圧制御部２３０による加熱コイル１３０への印加電圧の制御、結晶引下げ速度制御部２４０による結晶引下げ機構１２０の駆動速度制御および素材送り速度制御部３００による素材送り機構１１０の駆動速度制御がそれぞれ実行される。
以下、図１３〜図１５を参照して各制御動作について説明する。
【００６５】
まず、電圧制御部２３０による加熱コイル１３０への印加電圧制御について説明する。
図１３は、電圧制御部２３０による加熱コイル１３０への印加電圧制御の手順を示すフローチャートである。
なお、図４は、加熱コイル１３０への印加電圧の一例を示す図である。
加熱コイル１３０の電圧制御にあたっては、まず、ＳＴ１００において、素材径算出部２２１にて算出された素材径を読み込む。そして、ＳＴ１０１において、算出された素材径を電圧制御部２３０に設定された定値に比較する。
なお、前述の通り、この定値は、素材６００の直胴部６２０の直径である。
素材径の値が定値に達していない場合には（ＳＴ１０１：ＮＯ）、素材径に基づく電圧値を加熱コイル１３０に印加する。すなわち、ＳＴ１０２において素材径に所定係数を乗算して電圧値を算出し、ＳＴ１０３において加熱コイル１３０に電圧を印加する。素材径は２秒ごとに算出されるので、ＳＴ１００に戻って素材径が定値に達するまでＳＴ１００からＳＴ１０３を繰り返す。
【００６６】
ＳＴ１０１において、素材径の値が定値に達している場合には（ＳＴ１０１：ＹＥＳ）、結晶径に基づいて印加電圧値の制御を行い、印加電圧値を目標値まで上昇させていく。すなわち、素材送り機構１１０による素材送りによって加熱コイル１３０の間に送られる素材６００がテーパ部６１０から直胴部６２０に移って素材径が定値に達したところで（ＳＴ１０１：ＹＥＳ）、ＳＴ１１０において、結晶径算出部２２２により算出された結晶径を読み込む。そして、ＳＴ１１１において、結晶径に所定係数を乗算して電圧値を算出し、ＳＴ１１２において加熱コイル１３０に電圧を印加する。
【００６７】
なお、育成する単結晶５００のトップ部５１０において結晶径は次第に太っていくように制御されるので、結晶径に対して正の相関を有する加熱コイル１３０の電圧を制御すると、印加電圧値は次第に上昇する。次第に上昇していく電圧値を予め設定された目標値に対比し（ＳＴ１１３）、電圧値が目標値に達していない場合には（ＳＴ１１３：ＮＯ）、ＳＴ１１０からＳＴ１１３を繰り返して結晶径に基づく電圧値を加熱コイル１３０に印加する。
【００６８】
ＳＴ１１３において、印加電圧値が目標値に達した場合には（ＳＴ１１３：ＹＥＳ）、目標電圧値をキープして加熱コイル１３０に目標電圧値を印加する。
終了条件（ＳＴ１２１）を満たすまで目標電圧値の印加を継続し、終了条件を満たしたところで終了する。なお、終了条件としては、育成する単結晶５００の長さが設計値に達した場合とすることが例として挙げられる。
【００６９】
次に、結晶引下げ速度制御部２４０による結晶引下げ速度の制御について説明する。
図１４は、結晶引下げ速度制御部２４０による結晶引下げ速度制御の手順を示すフローチャートである。
なお、図５は、結晶引下げ速度の変化の一例を示す図である。
結晶引下げ速度の制御にあたっては、まず、ＳＴ２００において、結晶径算出部２２２にて算出された結晶径を読み込む。
結晶引下げ速度は、結晶径の変化に応じて４段階で上昇するように制御されるところ、結晶引下げ速度制御部２４０には、３段階の結晶径の設定値（第１設定値〜第３設定値）と結晶径に応じた引下げ速度（第１速度〜目標速度）とが予め設定されている。尚、結晶引下げ速度は、例として４段階で上昇するように設定したに過ぎず、速度設定は製造条件に応じて自由に段数設定をすることができる。
読み込んだ結晶径を第１設定値に対比して（ＳＴ２０１）、結晶径が第１設定値に達していない場合には（ＳＴ２０１：ＮＯ）、第１速度で結晶引下げを実行する（ＳＴ２０２）。
【００７０】
結晶径が第１設定値に達するまでＳＴ２００からＳＴ２０２を繰り返し、結晶径が第１設定値に達した場合には（ＳＴ２０１：ＹＥＳ）、結晶引下げ速度を一段階上昇させて第２速度で結晶引下げ実行する（ＳＴ２１１）。そして、結晶径が第２設定値に達するまで結晶径算出部２２２にて算出される結晶径を読み込みながら（ＳＴ２１２）、第２速度にて結晶引下げを実行する（ＳＴ２１０〜ＳＴ２１２）。
結晶径が第２設定値に達した場合（ＳＴ２１０：ＹＥＳ）、結晶引下げ速度を一段階上昇させて第３速度で結晶引下げを実行する。そして、結晶径が第３設定値に達するまで結晶径算出部２２２にて算出される結晶径を読み込みながら（ＳＴ２２２）、第３速度にて結晶引下げを実行する（ＳＴ２２０〜ＳＴ２２２）。
結晶径が第３設定値に達した場合（ＳＴ２２０：ＹＥＳ）、結晶引下げ速度を一段階上昇させて目標速度で結晶引下げを実行する（ＳＴ２３０）。
ここで、第３設定値は結晶径の目標値よりもわずかに小さい値に設定する。なお、結晶径の目標値とは、育成する単結晶５００の直胴部５２０の径である。
終了条件を満たすまで、目標速度で結晶引下げを実行し、終了条件を満たしたところで終了する。
終了条件としては、育成する単結晶５００の長さが設計値に達した場合とすることが例として挙げられる。
【００７１】
次に、素材送り速度制御部３００による素材送り速度の制御について説明する。
図１５は、素材送り速度制御部３００による素材送り速度制御の手順を示すフローチャートである。
なお、図１２は、素材送り速度の変化の一例を示す図である。
素材送り速度の制御にあたっては、まず、加熱コイル１３０の間に送られる素材６００がテーパ部６１０であるとき、素材送り速度は予め設定された設定値でキープされる。
すなわち、素材径算出部２２１にて算出される素材径を読み込んで（ＳＴ３００）、素材径が定値以下であって素材６００のテーパ部６１０である場合（ＳＴ３０１：ＮＯ）、素材送り速度は設定値でキープされる。素材径が定値に達して素材６００が直胴部６２０となったとき（ＳＴ３０１：ＹＥＳ）、以後、素材送り速度は結晶径変化率および供給バランスに基づいて制御される。
ＳＴ３１０において、結晶径変化率算出部３３０にて結晶径変化率を算出する（結晶径変化率算出工程）。
【００７２】
ここで、前述の通り、結晶径変化率は、一定の時間間隔における結晶径の変化であり、結晶径記憶部３２０に記憶された結晶径に基づいて算出される。ＳＴ３１１において、算出された結晶径変化率を結晶径変化率比較部３４０において設定範囲（図８）に対比する（結晶径変化率比較工程）。そして、まず、ＳＴ３１２において結晶径変化率を設定範囲の上限と対比して、結晶径変化率が上限を超えている場合には（ＳＴ３１２：ＮＯ、図１０の符号３４５を参照）、素材送り速度を上昇させずにキープする（素材送り速度指令工程）。ＳＴ３１２において、結晶径変化率が設定範囲の上限以下である場合には（ＳＴ３１２：ＹＥＳ）、ＳＴ３１４において結晶径変化率を設定範囲の下限値と比較する。
ＳＴ３１４において、結晶径変化率が設定範囲の下限値を下回っている場合には（ＳＴ３１４：ＮＯ、図１０の符号３４４参照）、素材送り速度を上昇させる（素材送り速度指令工程）。
【００７３】
ＳＴ３１４において、結晶径変化率が設定範囲の下限値以上である場合（ＳＴ３１４：ＹＥＳ）、すなわち、結晶径変化率が設定範囲内である場合には（ＳＴ３１２、ＳＴ３１４：ＹＥＳ）、
供給バランスに基づいて素材送り速度が制御されるところ、供給バランス算出部３６０にて供給バランスを算出する（ＳＴ３２０、供給バランス算出工程）。
なお、供給バランスは、前述の通り、素材６００の供給量（〜Ｐｄ２×Ｚｐ）と結晶化量（〜Ｓｄ２×Ｒｅ）と関係で求められる値である。
算出された供給バランスを供給バランス比較部３７０において設定範囲の下限値に比較する（ＳＴ３２１、供給バランス比較工程）。
供給バランスが下限値を下回っている場合には（ＳＴ３２２：ＮＯ）、素材送り速度を上昇させる（素材送り速度指令工程）。
これに対し、供給バランスが下限値以上であって設定範囲内に入っている場合には（ＳＴ３２２：ＹＥＳ）、素材送り速度をキープする（素材送り速度指令工程）。
【００７４】
このように結晶径変化率と供給バランスに基づく素材送り速度の制御を実行し（ＳＴ３１０〜ＳＴ３３０）、終了条件を満たしたところ（ＳＴ３４０）で制御を終了する。
終了条件としては、育成する単結晶５００の長さが設計値に達した場合とすることが例として挙げられる。
【００７５】
このように、結晶径変化率と供給バランスを設定範囲におさめるように素材送り速度を制御することにより、図１６に示されるように、表面が微小に波打ちながらも単結晶５００が所望の形状に育成される。
【００７６】
このような第１実施形態によれば次の効果を奏することができる。
（１）結晶径および素材径の変化に基づいて素材送り速度をはじめとして、結晶引下げ速度、加熱コイル１３０への印加電圧を制御するので、結晶径および素材径を正確に検出することにより最適に単結晶育成の自動制御を実行することができる。正確に検出できる結晶径および素材径に基づいて自動制御を実行することにより、安定して単結晶５００を所望の形状に育成することができる。
【００７７】
（２）従来のようにゾーン長を所定長さに制御することで結晶５００の形状を間接的に制御していたことに比べて、本実施形態では素材送り速度を制御して結晶径の変化率を所定範囲に入れることとするので、結晶５００の形状を制御するという制御目標を直接的に確実に達成することができる。
【００７８】
（３）結晶径および素材径に基づいて自動制御を実行するところ、制御性能に加熱コイル１３０の取付誤差は関係ない。加熱コイル１３０の交換は結晶径および素材径の検出に影響しないので、結晶５００の種類やサイズに応じて適切な加熱コイル１３０に交換することができる。
【００７９】
（４）結晶径変化率算出部３３０において、直近の平均値と過去の平均値との差を算出して結晶径変化率とする。単発のデータではなくて、所定個数の平均値に基づいた結晶径変化率を算出するので、一回一回における結晶径の検出誤差に大きな影響を受けることがなく、制御を安定させることができる。
【００８０】
（５）供給バランス算出部３６０によって供給バランスを算出するとともに、供給バランス比較部３７０における比較結果に応じて供給バランスが設定範囲に入るように素材送り速度を制御するので、素材供給量と結晶化量とのバランスを保ちながら単結晶５００を成長させることができる。例えば、溶融部が切れてしまうなどの不都合を回避して適切に単結晶５００の育成を進行することができる。
【００８１】
（６）素材送り速度は結晶径変化率に基づいた制御と供給バランスに基づいた制御とを受けるところ、結晶径変化率を設定範囲にいれることを優先的に実行するので、単結晶５００の形状を所定形状に制御することができる。さらに、結晶径変化率が設定範囲に入ってはいても、供給バランスが適切でないと結晶５００が育たないところ、供給バランスを設定範囲にいれることにより単結晶５００の育成を適切に進行することができる。
【００８２】
（７）加熱コイル１３０への印加電圧を素材径または結晶径に応じて適切に制御するので、結晶化の原料となる溶融した素材６００を適切に結晶５００に供給することができ、単結晶育成を安定に進行させることができる。
【００８３】
（８）結晶引下げ機構１２０による結晶引下げ速度は予め設定されており、予め決められた設定速度によって段階的に滑らかに結晶引下げ速度を増速させていくので、安定して所望形状の結晶５００を育成することができる。そして、結晶を所定形状に制御するにあたっては、素材送り速度の制御によって対応することができる。
【００８４】
次に、実験例１、２について図１８〜図２１を参照して説明する。
実験例１、２においては、加熱コイルの位置が異なっている。
ずなわち、図１８、図１９に示す実験例１においては加熱コイルの位置が７６．９８ｍｍであり、図２０、図２１に示す実験例２においては加熱コイルの位置が７４．８０ｍｍである。
なお、加熱コイル１３０の位置は、ＣＣＤカメラ１４０による撮像画面において、撮像領域の上端から加熱コイル１３０の上面までの距離で表されている。
【００８５】
ここで、実験例１および実験例２において、結晶長が１００ｍｍ程度までは、素材のテーパ部を原料にして結晶が成長するので、素材送り速度は予め決められた設定値である。
また、結晶径は１３０ｍｍに達すると、単結晶のトップ部の形成は終了して、引き続き単結晶の直胴部において結晶径が一定に制御される。
図１８〜図２０では、結晶のトップ部形成のデータを抜き出して示す。
【００８６】
図１８においては、加熱コイルの位置を７６．９８ｃｍとして単結晶を育成した場合に、横軸に結晶長をとって、縦軸に結晶径と結晶径変化率との変化を示している。結晶の変形は、結晶径変化率の変動によって読み取ることができるところ、結晶長１００ｍｍから２００ｍｍの範囲においては結晶径変化率が安定しており、結晶が一定の割合で安定して拡径しつつトップ部を形成していることがわかる。そして、図１９には、結晶径変化率と素材送り速度の変化を示すところ、結晶径変化率を安定に保ちながら素材送り速度が徐々に増速されていることがわかる。
【００８７】
次に、図２０においては、加熱コイルの位置を７４．８ｃｍとして単結晶を育成した場合に、結晶径と結晶径変化率との変化を示している。
加熱コイルの位置は実験例１とは異なっているが、実験例２においても結晶長１００ｍｍから２００ｍｍの範囲においては結晶径変化率が安定しており、結晶が一定の割合で安定して拡径しつつトップ部を形成していることがわかる。同様に、図２１に示されるように、結晶径変化率を安定に保ちながら素材送り速度が徐々に増速されていることが分かる。
以上のように、実験例１および実験例２からわかるように、本発明の単結晶育成方法、単結晶育成装置によれば、加熱コイルの位置に関わらず、結晶径変化率を安定させて、単結晶を所望の形状に育成することができる。
【００８８】
なお、本発明は前述の実施形態に限定されず、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
加熱手段としては加熱コイルとしたが、素材を加熱して溶融させるものであれば限定されないのはもちろんである。
素材径および結晶径を検出する手段としては、ＣＣＤカメラとその撮像データ処理手段とによって構成する例を示したが、径を検出する手段は特に限定されるものではない。
供給バランスを求める式として式２を示したが、素材の供給量と結晶化量とのバランスを表す値であれば特に限定されない。また、供給バランスの設定範囲も適宜設定すればよい。
結晶径変化率が設定範囲の上限値を超えていた場合に素材送り速度をキープするとしたが、例えば、素材送り速度を減速させてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明は、浮遊帯域溶融法による単結晶育成に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】単結晶育成装置によって育成する半導体単結晶の形状を示す図。
【図２】種結晶と溶融まえの素材とをそれぞれ結晶引下げ機構と素材送り機構とにセットした状態を示す図。
【図３】単結晶育成装置の構成を示す図。
【図４】加熱コイルへの印加電圧の一例を示す図。
【図５】結晶引下げ速度の変化の一例を示す図。
【図６】素材送り速度制御部の構成を示す図。
【図７】結晶径記憶部に記憶する結晶径データの一例を示す図。
【図８】結晶径変化率の設定範囲を示す図。
【図９】供給バランスの設定範囲を示す図。
【図１０】結晶径変化率と設定範囲との関係の一例を示す図。
【図１１】供給バランスと設定範囲との関係の一例を示す図。
【図１２】素材送り速度の一例を示す図。
【図１３】電圧制御部による加熱コイルへの印加電圧制御の手順を示すフローチャート。
【図１４】結晶引下げ速度制御部による結晶引下げ速度制御の手順を示すフローチャート。
【図１５】素材送り速度制御部による素材送り速度制御の手順を示すフローチャート。
【図１６】単結晶の表面を拡大して示す図。
【図１７】従来の単結晶育成装置を示す図。
【図１８】実験例１において、結晶径と結晶径変化率との変化を示す図。
【図１９】実験例１において、結晶径変化率と素材送り速度の変化を示す図。
【図２０】実験例２において、結晶径と結晶径変化率との変化を示す図。
【図２１】実験例２において、結晶径変化率と素材送り速度の変化を示す図。
【符号の説明】
【００９１】
１０…単結晶育成装置、１１…素材送り機構、１２…結晶引下げ機構、１３…加熱コイル、１４…ＣＣＤカメラ、１００…単結晶育成装置、１１０…素材送り機構、１１１…保持部、１２０…結晶引下げ機構、１２１…保持部、１３０…加熱コイル、１４０…ＣＣＤカメラ、２００…制御部、２１０…画像処理部、２２０…径算出部、２２１…素材径算出部、２２２…結晶径算出部、２３０…電圧制御部、２４０…結晶引下げ速度制御部、３００…素材送り速度制御部、３１０…結晶径変化率判断部、３２０…結晶径記憶部、３３０…結晶径変化率算出部、３４０…結晶径変化率比較部、３５０…供給バランス判断部、３６０…供給バランス算出部、３７０…供給バランス比較部、３８０…素材送り速度指令部、５００…結晶、５１０…トップ部、５２０…直胴部、５３０…ボトム部、５４０…種結晶、６００…素材、６１０…テーパ部、６２０…直胴部。
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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