(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバ内に設けられた石英ガラスルツボと、この石英ガラスルツボに装填されたポリシリコンを加熱して溶融するヒータとを有し、種結晶を前記ポリシリコンが溶融された融液に浸漬し単結晶を引上げる単結晶引上げ装置において、波長５５０ｎｍ以下のレーザ光を発振し、前記融液表面にスポットを形成するレーザ発振装置と、前記スポットを撮像する撮像装置と、この撮像装置からの融液表面位置画像信号を２値化する２値化回路と、この２値化回路から出力された信号を処理する画像処理装置と、この画像処理装置から出力された信号を入力する制御装置と、この制御装置によりルツボ軸を昇降させて融液表面の高さを制御するルツボ軸昇降装置とを有することを特徴とする単結晶引上げ装置。
【請求項２】
チャンバ内に設けられた石英ガラスルツボと、この石英ガラスルツボに装填されたポリシリコンを加熱して溶融するヒータと、単結晶引上げ領域を囲むように石英ガラスルツボの上方に配置された円筒状体とを有し、種結晶を前記ポリシリコンが溶融された融液に浸漬し単結晶を引上げる単結晶引上げ装置において、単結晶が貫通する開口部を有する円筒形状の円筒部と、この円筒部の下端に連通し、円筒部の下端から同心円状に水平外方もしくは水平内方に延び、かつ前記融液表面との間に間隙を形成するように融液表面と対向して設けられた水平部を有する円筒状体と、波長５５０ｎｍ以下のレーザ光を発振し、前記融液表面にスポットを形成するレーザ発振装置と、前記スポットを撮像する撮像装置と、この撮像装置からの融液表面位置画像信号を２値化する２値化回路と、この２値化回路から出力された信号を処理する画像処理装置と、この画像処理装置から出力された信号を入力する制御装置と、この制御装置によりルツボ軸を昇降させて融液表面の高さを制御するルツボ軸昇降装置とを有することを特徴とする単結晶引上げ装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の単結晶引上げ装置において、上記レーザ発振装置から発振されるレーザ光は、レーザ発振装置と融液表面間に設けられた光透過性物体に照射され、融液表面上に虚像のスポットが形成されることを特徴とする単結晶引上げ装置。
【請求項４】
請求項３に記載の単結晶引上げ装置において、上記光透過性物体は円筒状体の水平部に設けられたことを特徴とする単結晶引上げ装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の単結晶引上げ装置において、上記レーザ光は、グリーンレーザ光またはブルーレーザ光であることを特徴とする単結晶引上げ装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の単結晶引上げ装置において、上記撮像装置、画像処理装置および制御装置は、結晶直径制御時の直径計測用と併用することを特徴とする単結晶引上げ装置。
【請求項７】
チャンバに昇降可能に設けられた石英ガラスルツボに装填された半導体原料を加熱して溶融し、種結晶を原料融液に浸漬して単結晶を引上げる単結晶引上げ方法において、波長５５０ｎｍ以下のレーザ光により原料融液表面上に検出用のスポットを形成し、このスポットを撮像してスポット画像信号を生成し、さらに、画像データとし、この画像データに基づいて石英ガラスルツボを昇降させて、原料融液表面の高さを制御することを特徴とする単結晶引上げ方法。
【請求項８】
請求項７に記載の単結晶引上げ方法において、上記レーザ光をレーザ光の進路に設けられた光透過性物体に照射し、融液表面上に虚像のスポットを形成することを特徴とする単結晶引上げ方法。
【請求項９】
チャンバ内に昇降可能に設けられた石英ガラスルツボにポリシリコンを装填し、加熱して溶融し、単結晶引上げ領域を囲むように石英ガラスルツボの上方に配置された円筒状体の単結晶貫通孔を貫通して種結晶を下降させ、ポリシリコン融液に浸漬し、単結晶を引上げる単結晶引上げ方法において、波長５５０ｎｍ以下のレーザ光を融液表面に投射し、融液表面で反射させて円筒状体の下端に設けられた水平部の下面にスポットを形成し、このスポットを融液表面に写し、この写し出されたスポットを撮像し、この画像信号を２値化し、画像処理を行って液面位置情報として出力し、この情報に基づき石英ガラスルツボおよび融液表面の高さを制御することを特徴とする単結晶引上げ方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は単結晶引上げ装置および引上げ方法に係わり、特にレーザにより形成された検出用スポットを撮像し、撮像信号を用いて融液表面の高さを制御する単結晶引上げ装置および引上げ方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般にシリコンウェーハに用いられるシリコン単結晶インゴットは多結晶シリコンからチョクラルスキー法（以下、ＣＺ法という。）により製造される。
【０００３】
従来、ＣＺ法によるシリコン単結晶引上げにおいては、シリコン単結晶の成長に伴って、石英ガラスルツボ内のシリコン融液表面が降下するため、ルツボ軸を駆動して石英ガラスルツボを上昇させ、ヒータに対するシリコン融液表面の相対的な位置を一定に制御して、良質の単結晶を得ている。融液表面を制御するには、この融液表面を測定する必要があり、種々の方法が提案されている。
【０００４】
特開平６−１１６０８号公報には、融液表面を検出する手段として、炉内部材に機械的な基準マークを設け、融液表面上に生じた基準マークの画像をＣＣＤカメラにより撮像測定する融液表面の制御装置が開示されている。
【０００５】
しかしながら、この開示の装置において、融液表面の基準マークの画像は、石英ガラスルツボの周囲に配置されたカーボンヒータを光源とした反射により生じるものであり、ヒータの明るさはヒータで消費される電力に依存するが、電力はシリコン融液温度により制御されているため、一定ではなく、このため、電力が低下した場合等の状況によっては、液面に発生した画像が明確でないため、２値化できず、測定が不可能になるおそれがあった。
【０００６】
また、特開昭６４−８３５９５号公報には、カーボンヒータを光源とせず、レーザ光とイメージセンサを用いて検出器と融液表面との距離を測定した後、イメージセンサと融液表面との距離が設定値になるようにルツボ軸を昇降させる結晶直径測定装置が開示されている。
【０００７】
さらに、特開平５−１９４０７９号公報には、カーボンヒータを光源とせず、レーザ光により形成されたスポット直径をＣＣＤカメラにより検出し、目的のスポット直径と比較し、その差が限界値以下になるようにルツボ軸昇降用サーボモータを駆動する融液表面制御装置が開示されている。
【０００８】
しかしながら、これら開示の装置はいずれもレーザ光を用いる装置であるが、高出力のレーザ装置を用いると安全基準が厳しく容易に取り扱えないことなどの問題点がある。このためレーザ光の出力を５ｍＷ以下にすることが望ましく、発明者らは、種々の試みを行った。
【０００９】
さらに、発明者らは、初めに従来技術と同様にシリコン融液にレーザ光を照射し、直接スポットを形成できるレーザ光を検討すべく、図１１に示すような炉内発振光を調べた。その結果、ＣＺ中の本引上げセラミックス炉内発光は、約５００〜７００ｎｍの波長光が大であることが確認された。そこで、始めに、装置として比較的取扱いが簡易で安価に入手できるレッドレーザ光（波長６４０〜７７０ｎｍ）を用いて試験を行ったが、５ｍＷの出力では、適切なスポットが得られなかった。
【００１０】
本発明者らの鋭意検討の結果、単結晶引上げ装置において、融液表面の特定の位置に炉内発振光の波長避けた（波長が異なり重複しない）５５０ｎｍ以下のレーザ光を発振することで、融液表面にスポットが形成されることを見出した。
【００１１】
すなわち、炉内発振光の波長避けた、例えば、グリーンレーザ光のような波長５５０ｎｍ以下のレーザ光により融液表面上に照射することで出力の小さなレーザ光であっても、融液表面にスポットを形成することを見出した。
【００１２】
また、特に、単結晶が貫通する開口部を有する円筒形状（逆截頭円錐形状を含む）の円筒部（円錐部を含む）と、この円筒部の下端に連通し、円筒部の下端から同心円状に水平外方もしくは水平内方に延び、かつ前記融液表面との間に間隙を形成するように融液表面と対向して設けられた水平部を有する円筒状体（例えば、一般に知られる輻射シールド）、好ましくは、光不透過性セラミックス材料からなる円筒状体を用い、上記円筒状体の水平部の略下方の融液表面に対し、波長５５０ｎｍ以下のレーザ光を円筒状体の上方より発振することによって、その近傍融液表面にスポットを形成できることを見出した。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、これらの知見に基づきなされたもので、炉内発振光の波長を避けた波長５５０ｎｍ以下のレーザ光を発振することにより、また、特有の構造を有する円筒状体と波長５５０ｎｍ以下のレーザ光を組合せて用いることにより、融液表面に形成されるスポットの撮像を可能にし、融液表面を確実に検知でき常に最適の液面高さに制御して引上げができて高品質の単結晶の引上が行え、さらに、安全で、かつ取扱いが容易な単結晶引上装置および引上げ方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた本願請求項１の発明は、チャンバ内に設けられた石英ガラスルツボと、この石英ガラスルツボに装填されたポリシリコンを加熱して溶融するヒータとを有し、種結晶を前記ポリシリコンが溶融された融液に浸漬し単結晶を引上げる単結晶引上げ装置において、波長５５０ｎｍ以下のレーザ光を発振し、前記融液表面にスポットを形成するレーザ発振装置と、前記スポットを撮像する撮像装置と、この撮像装置からの融液表面位置画像信号を２値化する２値化回路と、この２値化回路から出力された信号を処理する画像処理装置と、この画像処理装置から出力された信号を入力する制御装置と、この制御装置によりルツボ軸を昇降させて融液表面の高さを制御するルツボ軸昇降装置とを有することを特徴とする単結晶引上げ装置であることを要旨としている。
【００１５】
本願請求項２の発明では、チャンバ内に設けられた石英ガラスルツボと、この石英ガラスルツボに装填されたポリシリコンを加熱して溶融するヒータと、単結晶引上げ領域を囲むように石英ガラスルツボの上方に配置された円筒状体とを有し、種結晶を前記ポリシリコンが溶融された融液に浸漬し単結晶を引上げる単結晶引上げ装置において、単結晶が貫通する開口部を有する円筒形状の円筒部と、この円筒部の下端に連通し、円筒部の下端から同心円状に水平外方もしくは水平内方に延び、かつ前記融液表面との間に間隙を形成するように融液表面と対向して設けられた水平部を有する円筒状体と、波長５５０ｎｍ以下のレーザ光を発振し、前記融液表面にスポットを形成するレーザ発振装置と、前記スポットを撮像する撮像装置と、この撮像装置からの融液表面位置画像信号を２値化する２値化回路と、この２値化回路から出力された信号を処理する画像処理装置と、この画像処理装置から出力された信号を入力する制御装置と、この制御装置によりルツボ軸を昇降させて融液表面の高さを制御するルツボ軸昇降装置とを有することを特徴とする単結晶引上げ装置であることを要旨としている。
【００１６】
本願請求項３の発明では、請求項１または２に記載の単結晶引上げ装置において、上記レーザ発振装置から発振されるレーザ光は、レーザ発振装置と融液表面間に設けられた光透過性物体に照射され、融液表面上に虚像のスポットが形成されることを特徴とする単結晶引上げ装置であることを要旨としている。
【００１７】
本願請求項４の発明では、請求項３に記載の単結晶引上げ装置において、上記光透過性物体は円筒状体の水平部に設けられたことを特徴とする単結晶引上げ装置であることを要旨としている。
【００１８】
本願請求項５の発明では、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の単結晶引上げ装置において、上記レーザ光は、グリーンレーザ光またはブルーレーザ光であることを特徴とする単結晶引上げ装置であることを要旨としている。
【００１９】
本願請求項６の発明では、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の単結晶引上げ装置において、上記撮像装置、画像処理装置および制御装置は、結晶直径制御時の直径計測用と併用することを特徴とする単結晶引上げ装置であることを要旨としている。
【００２０】
本願請求項７の発明は、チャンバに昇降可能に設けられた石英ガラスルツボに装填された半導体原料を加熱して溶融し、種結晶を原料融液に浸漬して単結晶を引上げる単結晶引上げ方法において、波長５５０ｎｍ以下のレーザ光により原料融液表面上に検出用のスポットを形成し、このスポットを撮像してスポット画像信号を生成し、さらに、画像データとし、この画像データに基づいて石英ガラスルツボを昇降させて、原料融液表面の高さを制御することを特徴とする単結晶引上げ方法であることを要旨としている。
【００２１】
本願請求項８の発明では、請求項７に記載の単結晶引上げ方法において、上記レーザ光をレーザ光の進路に設けられた光透過性物体に照射し、融液表面上に虚像のスポットを形成することを特徴とする単結晶引上げ方法であることを要旨としている。
【００２２】
本願請求項９の発明では、チャンバ内に昇降可能設けられた石英ガラスルツボにポリシリコンを装填し、加熱して溶融し、単結晶引上げ領域を囲むように石英ガラスルツボの上方に配置された円筒状体の単結晶貫通孔を貫通して種結晶を下降させ、ポリシリコン融液に浸漬し、単結晶を引上げる単結晶引上げ方法において、波長５５０ｎｍ以下のレーザ光を融液表面に投射し、融液表面で反射させて円筒状体の下端に設けられた水平部の下面にスポットを形成し、このスポットを融液表面に写し、この写し出されたスポットを撮像し、この画像信号を２値化し、画像処理を行って液面位置情報として出力し、この情報に基づき石英ガラスルツボおよび融液表面の高さを制御することを特徴とする単結晶引上げ方法であることを要旨としている。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わる単結晶引上げ装置の第１の実施形態について添付図面に基づき説明する。
【００２４】
図１に示すような第１の実施形態の単結晶引上装置１は、液面位置制御装置２を有し、さらに、水冷された炉体３と、この炉体３内に収納され原料のポリシリコンを溶融し、シリコン融液Ｍにする石英ガラスルツボ４と、この石英ガラスルツボ４を保持する黒鉛ルツボ５と、この黒鉛ルツボ５を囲繞するヒータ６とを有している。また、黒鉛ルツボ５は炉体３を貫通し、ルツボ回転用モータ７に結合されて回転され、かつ液面位置制御装置２により制御されるルツボ軸昇降装置８によって昇降されるルツボ軸９に取り付けられている。
【００２５】
さらに、石英ガラスルツボ４の上方には、石英ガラスルツボ４やシリコン融液Ｍの表面から結晶への輻射熱を遮蔽し、単結晶Ｉｇの引上げ速度の低下を防ぐ円筒状体１０が設けられている。この円筒状体１０には、単結晶Ｉｇが貫通する開口部１０ｈが設けられた円筒形状、例えば逆截頭円錐形状の円錐部１０ｂと、この円錐部１０ｂの下端から同心円状に水平方向、例えば水平内方に延びる水平部１０ｓが設けられている。また、単結晶引上げ用のシード１２を保持するシードチャック１３が取り付けられた引上げ用ワイヤ１４が石英ガラスルツボ４の上方に設けられている。さらに、ワイヤ１４は、炉体３外に設けられモータ（図示せず）により付勢され、ワイヤ１４を巻き取ると共に回転させるワイヤ回転装置１５が取り付けられている。
【００２６】
上記液面位置制御装置２は、炉体３外に配置されており、かつ、コヒーレントな検出光を発振するレーザ光発振器１６と、撮像装置、例えば、ＣＣＤカメラ１７と、このＣＣＤカメラ１７に接続された２値化回路１８、単結晶引上げ装置１用で、モニタ１９ｍ、入力装置１９ｉを有する制御装置１９に接続された画像処理装置２０および上記昇降装置制御器８ｃにより制御されるルツボ軸昇降装置８を有し、図５に示すように垂直面とβの角度を有して設置されたレーザ光発振器１６とαの角度を有して設置されたＣＣＤカメラ１７とは、レーザ光発振器１６から発振され、炉体ショルダ部３ａに設けられた投光用光透過窓２１を経たレーザ光が融液表面Ｓで反射され、炉体ショルダ部３ａに設けられたカメラ用光透過窓２２を経てＣＣＤカメラ１７に達するように光学的に配置されている。なお、レーザ光発振器１６およびＣＣＤカメラ１７は、円筒状体１０が光学系に支障にならないように、各々の光軸が開口部１０ｈとこの開口部１０ｈを貫通する単結晶Ｉｇ間に形成される空隙を通り、シリコン融液Ｍの表面の外周よりに到達するような位置に配置される。
【００２７】
本第１の実施形態において、画像処理手段は２値化回路１８と画像処理装置２０とで構成され、ルツボ昇降手段はルツボ軸昇降装置８と昇降装置制御器８ｃとで構成される。
【００２８】
また、必要に応じて、円筒状体１０に光学系用の透光孔を穿設して、各光軸がこの透光孔を通過するようにしてもよい。
【００２９】
上記レーザ発振器１６は、ヒータ６により炉内から発生する光の波長を避けた波長のレーザ光、例えば、波長が６００ｎｍ以下であるグリーンレーザ光（波長４９０〜５５０ｎｍ）を発振し、出力は５ｍＷ以下、例えば３ｍＷである。
【００３０】
上記のように６００ｎｍ以下の波長のレーザ光を用いる理由は、発明者らが得た次のような知見に基づいている。
【００３１】
すなわち、一般的な単結晶引上げ工程において、工程中の各段階で、ヒータにより炉内から発せられる光の波長分布―強度は、図１１に示すように、６２３ｎｍ近傍にピークを有しており、出力５ｍＷ程度のレーザ発振装置から発振されるグリーンレーザ光の波長および強度とは、炉内から発せられる光の波長を避けることができ、レーザ光発振器の出力が小さくとも、炉内から発せられる光による影響を受けず、レーザ光により融液表面に形成されたスポットをＣＣＤカメラにより、確実に撮像することができるからである。ブルーレーザ光（波長４３０〜４９０ｎｍ）についても、炉内から発せられる光による影響を受けることがないので、グリーンレーザ光と同様の方法で使用が可能である。
【００３２】
上記ＣＣＤカメラ１７は２通りの働きを有し、前者の働きは、レーザ光発振器１６から発振されるレーザ光により形成されるスポットｐを撮像し、２値化回路１８、画像処理装置２０を介して制御装置１９に入力し、この制御部１９は入力に基づき、昇降装置制御器８ｃを介してルツボ軸昇降装置８の昇降速度を修正して、石英ガラスルツボ４の昇降速度を修正し、融液表面の高さを制御するのに用いられる。
【００３３】
また、後者の働きは、ヒータ５から発せられる光により照らされるネック成長領域、直胴部成長領域、およびテール部成長領域を撮像し、制御装置１９を介してヒータ制御器６ｃ、モータ制御器７ｃおよびワイヤリール回転装置制御器１５ｃを制御し、引上げ条件を変更し、成長結晶の直径を制御するのに用いられる。
【００３４】
ＣＣＤカメラ１７に上記２通りの働きをさせるため、ＣＣＤカメラ１７は撮像位置変更機構２３に取付けられ、この撮像位置変更機構２３は位置変更機構制御器２３ｃを介して制御装置１９に接続され、制御装置１９からの出力により、融液表面Ｓ上の一定範囲の任意位置を撮像できるように、その光軸が垂直面および水平面となす角度を変えられるようになっている。
【００３５】
また、上記ＣＣＤカメラ１７に２通りの働きを持たせ、レーザ光発振器１６から発振されるレーザ光により形成されるスポットｐおよびヒータ６から発せられる光により照らされるネック成長領域、直胴部成長領域、またはテール部領域を撮像させるようにしたが、ＣＣＤカメラを２個設け、スポットの撮像と、ネック成長領域、直胴部成長領域、またはテール部領域の撮像を別々のＣＣＤカメラで行ってもよい。
【００３６】
なお、上記実施形態においては、円筒形状の円筒部を逆截頭円錐形状の円錐部として説明したが、上記円筒部とは、これのみならず、例えば、側壁が垂直に延びた円筒形状も上位概念として包含するものである。
【００３７】
次に本発明に係わる単結晶引上装置１を用いたシリコン単結晶引上げ方法を説明する。
【００３８】
図１に示すように、シリコン単結晶を引上げるには、原料ポリシリコンを石英ガラスルツボ４に入れ、シード１２をシードチャック１３に取り付け、炉体３を密閉状態にし、制御装置１９によりヒータ制御器６ｃを制御して、ヒータ６を付勢し、ポリシリコンを溶融し、シリコン融液Ｍにする。
【００３９】
しかる後、円筒状体１０に設けられた所定の融液表面検出装置（図示せず）を用い、シリコン融液Ｍの融液表面Ｓをヒータ６と相対的関係で好ましい高さにする。図２ないし図４に示すように、このときの融液表面Ｓの絶対高さを基準高さＺ０とする。
【００４０】
以後の引上げ工程は、制御装置１９の記憶装置に記憶された引上げ工程プログラムに基づき、引上げ作業を自動的に行う。
【００４１】
予め融液表面Ｓを照射するように配置されているレーザ光発振器１６は、制御装置１９からの指令信号により、グリーンレーザ光（波長４９０〜５５０ｎｍ）を発振し、図２および図３のスポット形成部分を拡大して示す図４および図５に示すように、グリーンレーザ光を融液表面Ｓに照射し、融液表面Ｓで反射させて、円筒状体１０に設けられた水平部１０ｓの下面にスポットを形成し、さらに、このスポットを融液表面Ｓにスポットｐ０として形成する。
【００４２】
一方、ＣＣＤカメラ１７は、図５に示すように、垂直面とαの角度をなし、シリコン融液Ｍのスポットｐ（特にスポットｐの中心座標）に焦点が合わされており、図１および図２（ａ）に示すように、スポットｐ０を撮像し、画像信号として取込み、２値化し、画像処理し、融液表面Ｓの基準高さＺ０の情報として制御装置１９の記憶装置に記憶し、回転装置制御器１５ｃを介してワイヤ回転装置１５を動作させる。なお、図２中に記載される円筒状体１０は、円錐部は図示せず、水平部１０ｓのみを図示して説明する。
【００４３】
さらに、図１に示すように、制御装置１９からの指令信号によりワイヤリール回転装置制御器１５ｃを介してワイヤ回転装置１５を駆動させて、ワイヤ１４を降下させ、シード１２をシリコン融液Ｍに浸し、なじませた後、ワイヤ１４を上昇させて引上げを行い、単結晶Ｉｇのネック部を形成する。このネック部の形成時、図２（ｂ）に示すように、制御装置１９からの指令信号により撮像位置変更機構２３を動作させて、ＣＣＤカメラ１７を回動させ、ネック成長領域ａｎを撮像する。ネック成長領域ａｎの画像信号は上記同様に画像処理され、制御装置１９に入力され、予め記憶されているネック部の直径データと比較され、正常に引上げが行われているかチェックされる。
【００４４】
さらに、引上げが継続され、単結晶Ｉｇのショルダ部を形成するが、上記同様にＣＣＤカメラ１７を回動させ、ショルダ部成長領域を撮像し、ショルダ部成長領域の画像信号は上記同様に画像処理され、制御装置１９に入力され、予め記憶されているショルダ部の直径データと比較され、正常に引上げが行われているかチェックされる。
【００４５】
ショルダ部の引上げが行われると、融液表面Ｓの高さに変化（低下）が生じるので、融液表面Ｓの高さＺの検知を行う。
【００４６】
例えば、図２（ｃ）、図３および図４に示すように、制御装置１９からの指令信号により、レーザ光発振器１６はグリーンレーザ光を発振させ、融液表面ＳにスポットｐＺを形成する。一方、融液表面Ｓの基準高さＺ０を撮像したと同一の状態に戻されたＣＣＤカメラ１７は、スポットｐＺを撮像し、画像信号として取込み、２値化し、画像処理し、融液表面Ｓの基準高さＺの画像情報として制御装置１９の記憶装置に記憶する。
【００４７】
【外１】
0004209082.tif 000002
【００４８】
【外２】
0004209082.tif 000003
【００４９】
なお、モニタ１９ｍにはスポットｐ０およびｐｚの撮像例を示す。
【００５０】
このようにして、引上げを継続して、さらに、図２（ｄ）に示すように、単結晶Ｉｇの直胴部を形成するが、上記同様にＣＣＤカメラ１７を回動させ、直胴部成長領域ａｓを撮像し、直胴部成長領域ａｓの画像信号は上記同様に画像処理され、制御装置１９に入力され、予め記憶されている直胴部の直径データと比較され、正常に引上げが行われているかチェックされる。さらに、融液表面Ｓの検知と直胴部成長領域ａｓの撮像が繰返し行われ、常に融液表面Ｓの高さＺが基準高さＺ０になるように修正され、所定の直径の単結晶Ｉｇが引上げられるように引上げ条件が修正される。さらに、単結晶Ｉｇのテイル部が形成されて単結晶引上げは完了する。
【００５１】
なお、単結晶引上げ速度は毎分数ｍｍであり、結晶の成長速度および融液表面Ｓの低下速度は遅いので、１個のＣＣＤカメラ１７を用いて、単結晶Ｉｇの直径の画像信号の取込みと融液表面Ｓに形成されるスポットｐの画像信号の取込みを交互に行い、ヒータ６の温度制御、ワイヤ回転装置１５によるワイヤ巻き取り速度、ルツボ回転用モータ７によりルツボ回転数、ルツボ軸昇降装置８の速度制御等を行なっても、直径の修正、融液表面Ｓの高さの修正のタイミングを逸して、単結晶Ｉｇの品質を低下させることはない。
【００５２】
上述した単結晶引上げ工程において、レーザ光発振器１６から発振されるグリーンレーザ光（波長４９０〜５５０ｎｍ）の波長は、単結晶引上げ工程中の各段階でのヒータ６の明るさ（ヒータ出力）と関係なく、ヒータ６により炉内から発せられる光の波長を避けており（波長が異なり重複せず）、レーザ光発振器１６の出力が５Ｗ以下と小さくとも、炉内から発せられる光による影響を受けず、グリーンレーザ光により融液表面Ｓに形成されたスポットｐをＣＣＤカメラ１７により、確実に撮像することができる。特にスポットｐの中心座標を撮像するので、レーザ光発振器１６の出力が低出力であっても、確実に撮像することができ、融液表面Ｓを確実に検知でき、常に最適の液面高さで引上げができて高品質の単結晶の引上が行える。
【００５３】
また、レーザ光発振器１６の出力は５ｍＷ以下と低出力であり、小型であるので、安全で、かつ取扱いが容易である。
【００５４】
次に本発明に係わる単結晶引上げ装置の第２の実施形態について説明する。
【００５５】
本第２の実施形態は、第１の実施形態が波長５５０ｎｍ以下のレーザ光を融液表面に投射し、融液表面で反射させて円筒状体の下端に設けられた水平部の下面にスポットを形成し、このスポットを融液表面に写し、この写し出されたスポットを撮像するのに替えて、同波長である５５０ｎｍ以下のレーザ光を、単結晶の貫通する開口部を有する円筒形状の円筒部の下端から同心円状に水平外方もしくは水平内方に延びた円筒状体の水平部に、その厚さ方向に貫通するように配置された光透過性物体に投射し、光透過性物体により乱反射された光で、そのほぼ垂直下方の融液面にスポットを形成し、これを撮像する単結晶引上げ装置である。
【００５６】
例えば、図６に示すような第２の実施形態の単結晶引上げ装置３１は、液面位置制御装置３２を有し、さらに、水冷されたチャンバ３３と、このチャンバ３３内に収納され半導体原料であるポリシリコンを溶融し、シリコン融液Ｍにする石英ガラスルツボ３４と、この石英ガラスルツボ３４を保持する黒鉛ルツボ３５と、この黒鉛ルツボ３５を囲繞するヒータ３６とを有している。また、黒鉛ルツボ３５はチャンバ３３を貫通し、ルツボ回転用モータ３７に結合されて回転され、かつ液面位置制御装置３２により制御されるルツボ軸昇降装置３８によって昇降されるルツボ軸３９に取り付けられている。
【００５７】
さらに、石英ガラスルツボ３４の上方には、石英ガラスルツボ３４やシリコン融液Ｍの表面から結晶への輻射熱を遮蔽し、単結晶Ｉｇの引上げ速度の低下を防ぐ円筒状体４０が設けられている。この円筒状体４０には、単結晶Ｉｇが貫通する開口部４０ｈが設けられた円筒形状、例えば逆截頭円錐形状の円錐部４０ｂと、この円錐部４０ｂの下端から同心円状に水平方向、例えば水平内方に延びる水平部４０ｓが設けられている。また、単結晶引上げ用の種結晶４２を保持する種結晶チャック４３が取り付けられた引上げ用ワイヤ４４が石英ガラスルツボ３４の上方に設けられている。さらに、ワイヤ４４は、チャンバ３３外に設けられモータにより付勢され、ワイヤ４４を巻き取ると共に回転させるワイヤ回転装置４５が取り付けられている。
【００５８】
上記液面位置制御装置３２は、チャンバ３３外に配置されており、かつ、コヒーレントな検出光を発振するレーザ光発振器４６と、ＣＣＤカメラ４７と、このＣＣＤカメラ４７に接続された２値化回路４８、単結晶引上げ装置３１用で、モニタ４９ｍ、入力装置４９ｉを有し液面位置算出装置を兼ねる制御装置４９と、この制御装置４９に接続された画像処理装置５０および上記昇降装置制御器３８ｃにより制御されるルツボ軸昇降装置３８とを有し、図１０に示すように垂直面にある角度を有して設置されたレーザ光発振器４６との角度αを有して設置されたＣＣＤカメラ４７とは、レーザ光発振器４６から発振され、チャンバショルダ部３３ａに設けられた投光用光透過窓５１を経たレーザ光が融液表面Ｓで反射され、チャンバショルダ部３３ａに設けられたカメラ用光透過窓５２を経てＣＣＤカメラ４７に達するように光学的に配置されている。
【００５９】
本第２の実施形態において、画像処理手段は２値化回路４８と画像処理装置５０とで構成され、ルツボ昇降手段はルツボ軸昇降装置３８と昇降装置制御器３８ｃとで構成される。
【００６０】
図７に示すように、画像処理装置５０はＣＣＤカメラ４７、２値化回路４８を介して送られてきた２値化情報をエラー処理し、特異点を除去し、さらに、区間平均し、ローパスフィルタ回路５０ｃでＬＰＦ処理し、制御装置４９で液面位置偏差演算を行い、上記昇降装置制御器８ｃを介してルツボ軸昇降装置８を制御するようになっている。
【００６１】
また、レーザ光発振器４６からＣＣＤカメラ４７への光学系上で、円筒状体４０の水平部４０ｓには、この水平部４０ｓが光を透過させるように、例えば、図８に示すような石英ガラス製で直径２〜４ｍｍ、長さ２０〜３０ｍｍを有し下端が半球形状をなす柱体状の光透過性物体４０ｓ１が設けられている。従って、真空中の光の屈折率が１であるのに対して光透過性物体４０ｓ１を形成する石英ガラスの屈折率は１．４〜１．５であり、光透過性物体４０ｓ１の垂直軸に対してθ１で入射したレーザ光は光透過性物体４０ｓ１でθ２に屈折されるため、レーザ光はθ１を有して光透過性物体４０ｓ１を透過するが、レーザ光の貫通により光透過性物体４０ｓ１の輝度が増し、融液Ｍ上に虚像のスポットｐが形成され、このスポットｐを単結晶Ｉｇと水平部４０ｓ間の間隙を介してＣＣＤカメラ４７により撮像することができる。
【００６２】
上記レーザ発振器４６は、ヒータ３６によりチャンバ内から発生する光の波長を避けた波長のレーザ光、例えば、波長が５５０ｎｍ以下であるグリーンレーザ光（波長４９０〜５５０ｎｍ）を発振し、出力は３ｍＷである。
【００６３】
上記ＣＣＤカメラ４７は上述した第１の実施形態と同様に２通りの働きを有し、前者の働きは、レーザ光発振器４６から発振されるレーザ光により形成されるスポットｐを撮像し、２値化回路４８、画像処理装置５０を介して制御装置４９に入力し、この制御部４９は入力に基づき、昇降装置制御器３８ｃを介してルツボ軸昇降装置３８の昇降速度を修正して、石英ガラスルツボ３４の昇降速度を修正し、融液表面Ｓの高さを制御するのに用いられる。
【００６４】
また、後者の働きは、ヒータ３５から発せられる光により照らされ、比較的ＣＣＤカメラで撮像し易いネック成長領域、直胴部成長領域、およびテール部成長領域を撮像し、制御装置４９を介してヒータ制御器３６ｃ、モータ制御器３７ｃおよびワイヤリール回転装置制御器４５ｃを制御し、引上げ条件を変更し、成長結晶の直径を制御するのに用いられる。
【００６５】
ＣＣＤカメラ４７に上記２通りの働きをするように、融液表面Ｓ上の一定範囲の任意位置を撮像できるように、その光軸が垂直面および水平面となす角度を変えられるようになっている。また、ＣＣＤカメラを２個設け、スポットの撮像と単結晶の成長領域の撮像を行ってもよい。
【００６６】
なお、図９に示すように、水平部４０ｓの光学系上に上述したような光透過性物体４０ｓ１を２個設けてもよい。この構造では単結晶と水平部４０ｓ（開口部内周縁）間の間隙をより小さくするような装置設計を行うことができる。
【００６７】
さらに、第２の実施形態の単結晶引上げ装置を用いたシリコン単結晶引上げ方法を説明する。
【００６８】
図６に示すように、シリコン単結晶を引上げるには、ヒータ３６を付勢し、ポリシリコンを溶融し、シリコン融液Ｍにする。
【００６９】
しかる後、円筒状体４０に設けられた所定の融液表面検出装置（図示せず）を用い、シリコン融液Ｍの融液表面Ｓをヒータ３６と相対的関係で好ましい高さにする。図７ないし図１０に示すように、このときの融液表面Ｓの絶対高さを基準高さＺ０とする。
【００７０】
以後の引上げ工程は、制御装置４９の記憶装置に記憶された引上げ工程プログラムに基づき、引上げ作業を自動的に行う。
【００７１】
予め透過性物体４０ｓ１を照射するように配置されているレーザ光発振器４６は、制御装置４９からの指令信号により、グリーンレーザ光（波長４９０〜５５０ｎｍ）を発振し、図６および図７のスポット形成部分を拡大して示す図８に示すように、グリーンレーザ光を光透過性物体４０ｓ１の上部に向けて照射する。グリーンレーザ光が光透過性物体４０ｓ１の上部に照射されると、石英ガラスの空気と石英ガラス屈折率の違いにより透過性物体４０ｓ１の垂直軸に対してθ１で入射したレーザ光は光透過性物体４０ｓ１でθ２に屈折されるため、レーザ光はθ１を有して光透過性物体４０ｓ１を透過し、レーザ光の貫通により光透過性物体４０ｓ１の輝度が増し、乱反射された光でそのほぼ垂直下方の融液Ｍ上に虚像のスポットｐが形成される。
【００７２】
一方、ＣＣＤカメラ４７は、図７および図１０に示すように、シリコン融液Ｍのスポットｐ（特にスポットｐの中心座標）に焦点が合わされており、スポットｐ０を撮像し、スポット画像信号として取込み、２値化し、画像データを生成し、融液表面Ｓの基準高さＺ０の画像データとして制御装置４９の記憶装置に記憶し、さらに、制御装置４９は回転装置制御器４５ｃを介してワイヤ回転装置４５を動作させる。
【００７３】
単結晶引上げは、ネック部、ショルダ部、そして直胴部と順に引上げられていくが、この引上げ工程に従って、融液表面Ｓの高さに変化が生じるので、融液表面Ｓの高さＺの検知を行う。
【００７４】
例えば、直胴部引上げ工程における融液表面Ｓの高さＺの検知方法を例にとって説明する。
【００７５】
図６に示すように、制御装置４９からの指令信号により、レーザ光発振器４６はグリーンレーザ光を発振させ、融液表面Ｓに検出用のスポットｐＺを形成する。ＣＣＤカメラ４７は、スポットｐＺを光信号として撮像し、これに応じた電気量のスポット画像信号を生成し、２値化回路４８で２値化し、画像処理装置５０にスポット画像信号として取込んで画像データに生成し、融液表面Ｓの基準高さＺの画像データとして制御装置４９の記憶装置に記憶する。
【００７６】
【外３】
0004209082.tif 000004
【００７７】
【外４】
0004209082.tif 000005
【００７８】
なお、モニタ４９ｍにはスポットｐ０およびｐｚの撮像例を示す。
【００７９】
このようにして、引上げを継続するが、適宜、単結晶Ｉｇの直胴部を形成するが、ＣＣＤカメラ４７を回動させ、直胴部成長領域を撮像し、直胴部成長領域の画像信号は上記同様に画像処理され、制御装置４９に入力され、予め記憶されている直胴部の直径データと比較され、正常に引上げが行われているかチェックされる。さらに、融液表面Ｓの検知と直胴部成長領域の撮像が繰返し行われ、常に融液表面Ｓの高さＺが基準高さＺ０になるように修正され、所定の直径の単結晶Ｉｇが引上げられるように引上げ条件が修正される。さらに、単結晶Ｉｇのテール部が形成されて単結晶引上げは完了する。
【００８０】
上述した単結晶引上げ工程において、レーザ光発振器４６から発振されるグリーンレーザ光（波長４９０〜５５０ｎｍ）の波長は、単結晶引上げ工程中の各段階でのヒータ３６の明るさ（ヒータ出力）と関係なく、ヒータ３６によりチャンバ内から発せられる光の波長を避けており（波長が異なり重複せず）、レーザ光発振器４６の出力が５Ｗ以下と小さくとも、チャンバ内から発せられる光による影響を受けず、グリーンレーザ光により融液表面Ｓに形成された虚像のスポットＰをＣＣＤカメラ４７により、確実に撮像することができる。
【００８１】
上記のような単結晶引上げにおいて、一般的に、引上げ前のスタビライズ工程は、石英ガラスルツボ３４の回転による遠心力や、チャンバ３３外から磁界をかけるＭＣＺ法などの場合の磁場の影響で融液表面がすり鉢形状（中央凹形）になり、これとは逆に、単結晶引上げ（ボディ形成工程）時には、表面張力と考えられる現象により融液表面が山形状（中央凸形）になる。このため、スポットはスタビライズ工程で設定した位置よりも単結晶から離れた（石英ガラスルツボに近づいた）位置に形成されるようになり、ＣＣＤカメラの角度の大幅な調整なしには、スポットを確実に撮像できない場合がある。
【００８２】
また、水平部の底面と融液表面間の間隙を２０ｍｍ以下に狭くする場合には、スポットと単結晶の距離が２０ｍｍ以下になるような位置にスポットを形成する必要があるが、単結晶近傍ではより融液表面の山形状の勾配が急になるため、スポットの融液表面での反射角度が変わり、スポットを確実に撮像できないことがある。
【００８３】
これに対して、本第２の実施形態のように光透過性物体を用いれば、レーザ光を光透過性物体の上部に照射して、融液表面上に光透過性物体の虚像を形成するため、融液表面に多少の角度（傾き）変化があってもＣＣＤカメラを調整する必要がほとんどなく、微調整で対応可能となる。従って、円筒状体４０の水平部４０ｓと融液表面との間隙が狭くなった場合でも、スタビライズ工程で設定したスポットをボディ形成工程でも維持することが可能であり、スポットを確実に撮像できる。
【００８４】
また、スポットｐの中心座標を撮像するので、レーザ光発振器４６の出力が低出力であっても、確実に撮像することができ、融液表面を確実に検知でき、常に最適の液面高さで引上げができて高品質の単結晶の引上げが行える。
【００８５】
【実施例】
試験目的と方法：図１に示すような本発明に係わる単結晶引上装置を用い、８インチシリコン単結晶を引上げ、直胴部引上げ工程中に炉内から発せられる光と出力３ｍＷのレーザ発振装置から発振されるグリーンレーザ光の波長分布と強度について調べる。
【００８６】
試験結果：図１１に示すように、グリーンレーザ光は、出力３ｍＷにもかかわらず、炉内から発せられる光の範囲外にピークが見られ、また、ＣＣＤカメラによってもスポットを確実に撮像することができた。
【００８７】
【発明の効果】
本発明に係わる単結晶引上げ装置および引上げ方法によれば、チャンバ内ヒータの明るさ（電力状況）に左右されず検出用のスポットを原料融液表面に形成し、このスポットを確実に撮像することができて、単結晶引上げの全工程において精度の高い液面位置制御ができ、高品質の単結晶の引上が行え、安全で、かつ取扱いが容易な単結晶引上装置および引上げ方法を提供することができる。
【００８８】
すなわち、波長５５０ｎｍ以下のレーザ光を発振し、融液表面にスポットを形成するレーザ発振装置と、スポットを撮像する撮像装置と、この撮像装置からの融液表面位置画像信号を２値化し、画像処理装置を介して入力される制御装置と、この制御装置によりルツボ軸を昇降させて融液表面の高さを制御するルツボ軸昇降装置とを有するので、レーザ光は出力が小さくとも、チャンバ内から発せられる光による影響を受けず、レーザ光が低出力であってもレーザ光により融液表面に形成されたスポットを確実に撮像することができる。さらに、レーザ光発振器の出力は低出力でもよく、小型となり、安全で、取扱いが容易である。
【００８９】
また、単結晶が貫通する開口部を有する円筒形状の円筒部と、この円筒部の下端に連通し、円筒部の下端から同心円状に水平外方もしくは水平内方に延び、かつ融液表面との間に間隙を形成するように融液表面と対向して設けられた水平部を有する円筒状体を具備するので、レーザ光を融液表面に照射し、融液表面で反射させて、水平部の下面にスポットを形成し、さらに、このスポットを融液表面にスポットとして形成し、レーザ光が低出力であっても、チャンバ内から発せられる光による影響を受けず、融液表面に形成されたスポットを確実に撮像することができる。
【００９０】
また、レーザ発振装置から発振されるレーザ光は、レーザ発振装置と融液表面間に設けられた光透過性物体に照射され、融液表面上に虚像のスポットが形成されるので、融液表面に多少の角度（傾き）変化があってもスポットを容易かつ確実に撮像することができる。
【００９１】
また、光透過性物体は円筒状体の水平部に設けられているので、円筒状体の水平部と融液表面との間隙が狭くなった場合でも、スタビライザ工程で設定したスポットをボディ形成工程でも維持することが可能であり、スポットを確実に撮像できる。
【００９２】
また、レーザ光は、グリーンレーザ光またはブルーレーザ光であるので、レーザ光が低出力であってもレーザ光により融液表面に形成されたスポットをより確実に撮像することができる。
【００９３】
撮像装置、画像処理装置および制御装置は、結晶直径制御時の直径計測用と併用するので、安価な単結晶引上げ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる単結晶引上げ装置の第１の実施形態の概念図。
【図２】図２（ａ）〜（ｄ）は、本発明に係わる単結晶引上げ方法の第１の実施形態の各工程におけるＣＣＤカメラによるスポット撮像状態を示す概念図。
【図３】本発明に係わる単結晶引上げ装置の第１の実施形態における液面位置制御装置の作用を示す概念図。
【図４】図３に示すスポット形成部分を拡大し示す概念図。
【図５】本発明に係わる単結晶引上げ装置の第１の実施形態におけるＣＣＤカメラにより液面基準高さからの偏差値を求める方法を示す説明図。
【図６】本発明に係わる単結晶引上げ装置の第２の実施形態の概念図。
【図７】本発明に係わる単結晶引上げ装置の第２の実施形態における液面位置制御装置の作用を示す概念図。
【図８】図７に示し、光透過物体を用いたスポット形成部分を拡大して示す概念図。
【図９】図８に相当する部分の光透過物体の使用変形例を拡大して示す概念図。
【図１０】本発明に係わる単結晶引上げ装置の第２の実施形態におけるＣＣＤカメラにより液面基準高さからの偏差値を求める方法を示す説明図。
【図１１】本発明に係わる単結晶引上げ装置に用いられるレーザ光および引上げ装置内で発せられる光とを同時に示す波長分布―強度曲線図。
【符号の説明】
１  単結晶引上装置
２  液面位置制御装置
３  炉体
３ａ  炉体ショルダ部
４  石英ガラスルツボ
５  黒鉛ルツボ
６  ヒータ
６ｃ  ヒータ制御器
７  ルツボ回転用モータ
７ｃ  モータ制御器
８  ルツボ軸昇降装置
８ｃ  昇降装置制御器
９  ルツボ軸
１０  円筒状体
１０ｂ  円錐部
１０ｈ  開口部
１０ｓ  水平部
１２  シード
１３  シードチャック
１４  ワイヤ
１５  ワイヤ回転装置
１５ｃ  ワイヤリール回転装置制御器
１６  レーザ光発振器
１７  ＣＣＤカメラ
１８  ２値化回路
１９  制御装置
１９ｉ  入力装置
１９ｍ  モニタ
２０  画像処理装置
２１  投光用光透過窓
２２  カメラ用光透過窓
２３  撮像位置変更機構
２３ｃ  位置変更機構制御器
３１  単結晶引上げ装置
３２  液面位置制御装置
３３  チャンバ
３３ａ  チャンバショルダ部
３４  石英ガラスルツボ
３５  黒鉛ルツボ
３６  ヒータ
３６ｃ  ヒータ制御器
３７  ルツボ回転用モータ
３７ｃ  モータ制御器
３８  ルツボ軸昇降装置
３８ｃ  昇降装置制御器
３９  ルツボ軸
４０  円筒状体
４０ｂ  円錐部
４０ｈ  開口部
４０ｓ  水平部
４０ｓ１  光透過性物体
４０ｓ２  光透過孔
４２  種結晶
４３  種結晶チャック
４４  ワイヤ
４５  ワイヤ回転装置
４５ｃ  ワイヤリール回転装置制御器
４６  レーザ光発振器
４７  スポット撮像装置（ＣＣＤカメラ）
４８  ２値化回路
４９  制御装置
４９ｉ  入力装置
４９ｍ  モニタ
５０  画像処理装置
５１  投光用光透過窓
５２  カメラ用光透過窓
Ｉｇ  単結晶
Ｍ  シリコン融液
Ｓ  融液表面
ｐ、ｐ０、ｐＺ  スポット
ａｎ  ネック成長領域
ａｓ  直胴部成長領域
【図１】
0004209082.tif 000006
【図２】
0004209082.tif 000007
【図３】
0004209082.tif 000008
【図４】
0004209082.tif 000009
【図５】
0004209082.tif 000010
【図６】
0004209082.tif 000011
【図７】
0004209082.tif 000012
【図８】
0004209082.tif 000013
【図９】
0004209082.tif 000014
【図１０】
0004209082.tif 000015
【図１１】
0004209082.tif 000016