(57)【要約】【課題】制御に必要な溶融帯域の幾何学量を簡易な構成によって容易に計測することができる浮遊帯域溶融法による単結晶製造装置を提供すること。【解決手段】単結晶製造装置は、誘導加熱コイル１６の上側外周縁Ｐ１を含む第１水平面Ｈ１に光軸を実質的に一致させることにより上方幾何学量（距離Ｌ１，素材径Ｄｐ）を検出可能に設けられた第１カメラ１８と、下側外周縁Ｐ２を含む第２水平面Ｈ２に光軸を実質的に一致させることにより下方幾何学量（距離Ｌ２，結晶径Ｄｓ）を検出可能に設けられた第２カメラ２０と、斜め下から単結晶１２と誘導加熱コイル１６との隙間を通して融液部１１の幾何学量（距離Ｌ３，直径）を検出する第３カメラ２２と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下方向に沿って配置された多結晶素材の一部分を水平に配置された誘導加熱コイルで溶融して溶融帯域を形成し、多結晶素材及び晶出単結晶を前記誘導加熱コイルに対して相対的に移動させることにより単結晶を成長させ、前記溶融帯域の幾何学量を撮像手段によって検出し、該撮像手段によって検出された前記幾何学量に応じて前記誘導加熱コイルに供給する電力、前記多結晶素材又は前記単結晶の軸方向の移動速度、前記多結晶素材又は前記単結晶の回転速度、のうち１項目以上を調節することにより、前記溶融帯域のゾーン長及び晶出結晶径を所定の値に制御し前記単結晶を製造する浮遊帯域溶融法による単結晶製造装置であって、
前記撮像手段は、
前記誘導加熱コイルの上側外周縁を含む第１水平面に光軸を実質的に一致させることにより該第１水平面を含む上方の前記溶融帯域の幾何学量である上方幾何学量を検出可能に設けられた第１撮像手段と、
前記誘導加熱コイルの下側外周縁を含む第２水平面に光軸を実質的に一致させることにより該第２水平面を含む下方の前記溶融帯域の幾何学量である下方幾何学量を検出可能に設けられた第２撮像手段と、
を備えることを特徴とする浮遊帯域溶融法による単結晶製造装置。
【請求項２】
前記撮像手段は、斜め方向から前記単結晶と前記誘導加熱コイルとの隙間を通して前記溶融帯域の幾何学量を検出する第３撮像手段を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の浮遊帯域溶融法による単結晶製造装置。
【請求項３】
前記上方幾何学量を検出する光路と、前記下方幾何学量を検出する光路とを所定の方向に変換する光路変換手段を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の浮遊帯域溶融法による単結晶製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、浮遊帯域溶融法による単結晶製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より半導体生産に用いられる単結晶インゴットを成長、製造する方法として浮遊帯域溶融法（Ｆｌｏａｔｉｎｇ  Ｚｏｎｅ：ＦＺ法）が公知である。この浮遊帯域溶融法は、単結晶シリコンの材料である多結晶シリコン棒を垂直に保持し、高周波誘導加熱コイル（以下、誘導加熱コイルという）等を用いて上記多結晶シリコン棒を部分的に加熱、溶融し、メルトゾーンを下から上又は上から下に移動させることにより、不純物の少ない高純度の単結晶を得るものである。
【０００３】
具体的には、浮遊帯域溶融法は、先ず縦形装置管の中に種結晶である単結晶シリコン棒が下から立てられると共に、素材の多結晶シリコン棒が上から吊るされる。そして、両者の先端が接合され、この接合部分が誘導加熱コイル内に挿通される。
【０００４】
次に、上記接合部分を外側から直接加熱して溶融させ、結晶全体を回転させると共に、徐々に下方に移動させてこの溶融部を相対的に上方に移動させる。こうして下側から多結晶シリコン棒が単結晶化されていくことになる。
【０００５】
そして、所定の直径となるまで結晶を円錐状に成長させ、所定の直径到達後は直径を一定に維持する。成長終了前は、徐々に直径を小さくするようにし、完成した単結晶シリコン棒と素材の多結晶シリコン棒とを切り放す。
【０００６】
従って、この間、上記溶融部が延びすぎないよう、かつ、溶け落ちないよう、誘導加熱コイルの発振機に印加される電圧や、単結晶シリコン棒と多結晶シリコン棒の移動速度並びに回転速度を適切に制御する必要がある。
【０００７】
そこで、従来より、上記溶融部をＣＣＤカメラ（テレビカメラ）等の撮像手段により撮像し、該撮像内容をコンピュータに取り込み解析を行って上記溶融部の画像変化を捉え、この結果に応じて上記制御を自動化する方法が試みられている。
【０００８】
このようなテレビカメラを用いた従来技術として、撮像手段により溶融部の画像を捕らえるために、誘導加熱コイルの真横にテレビカメラを水平設置した技術も種々提供されている。
【０００９】
しかしながら、誘導加熱コイル内に溶融部が位置している関係上、特に結晶成長初期において溶融部が加熱コイルに隠れてしまい、上記テレビカメラの視野内に溶融部を十分に捕捉することができず、溶融部の撮像結果に基づく制御が困難になるという問題点があった。
【００１０】
このような問題点を解決すべく、テレビカメラを用いた他の従来技術として、例えば特許文献１に係る技術が公知である。すなわち、この従来技術は、上記のような基本構成に加え、誘導加熱コイルの斜め上に設置された第１テレビカメラと、誘導加熱コイルの斜め下に設置された第２テレビカメラと、誘導加熱コイルの下部に位置する溶融帯域（溶融部）の真横に水平設置され、溶融帯域のゾーン長に略該当する範囲で垂直移動するようにした第３テレビカメラと、誘導加熱コイルの真横に水平に設置された第４テレビカメラと、からなり、各々のテレビカメラに個別に画像処理回路が接続されている。また、上記第３テレビカメラは垂直移動装置に取り付けられ、該垂直移動装置は上記ゾーン長の設定値に基づいて垂直往復移動するように構成されている。
【特許文献１】特許第４０１６３６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記特許文献１に係る従来技術にあっては、第３テレビカメラを垂直往復移動させるための垂直移動装置を設ける必要があるため、装置構成や制御が複雑になると共に、装置がコストアップしてしまう、という課題があった。
【００１２】
また、斜め上と斜め下にそれぞれテレビカメラを配置し、素材径や結晶径、溶融部のゾーン長等の幾何学量を計測しているため、両カメラから得られる計測結果も自ずと異なる。このため、カメラの配置位置の違いによって生じた計測結果を補正する必要があり、制御が複雑になる、という課題があった。
【００１３】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、制御に必要な溶融帯域の幾何学量を簡易な構成によって容易に計測することができる浮遊帯域溶融法による単結晶製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するため、（１）本発明は、上下方向に沿って配置された多結晶素材の一部分を水平に配置された誘導加熱コイルで溶融して溶融帯域を形成し、多結晶素材及び晶出単結晶を前記誘導加熱コイルに対して相対的に移動させることにより単結晶を成長させ、前記溶融帯域の幾何学量を撮像手段によって検出し、該撮像手段によって検出された前記幾何学量に応じて前記誘導加熱コイルに供給する電力、前記多結晶素材又は前記単結晶の軸方向の移動速度、前記多結晶素材又は前記単結晶の回転速度、のうち１項目以上を調節することにより、前記溶融帯域のゾーン長及び晶出結晶径を一定に制御し前記単結晶を製造する浮遊帯域溶融法による単結晶製造装置であって、前記撮像手段は、前記誘導加熱コイルの上側外周縁を含む第１水平面に光軸を実質的に一致させることにより該第１水平面を含む上方の前記溶融帯域の幾何学量である上方幾何学量を検出可能に設けられた第１撮像手段と、前記誘導加熱コイルの下側外周縁を含む第２水平面に光軸を実質的に一致させることにより該第２水平面を含む下方の前記溶融帯域の幾何学量である下方幾何学量を検出可能に設けられた第２撮像手段と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
（１）の発明によれば、第１撮像手段によって全工程で多結晶素材の直径の計測を行うことができると共に、溶融帯域の上方幾何学量の計測を行うことができる。また、第２撮像手段によって晶出結晶径の計測を行い、溶融帯域の下方幾何学量の計測を行うことができる。すなわち、制御に必要な溶融帯域の幾何学量を簡易な構成によって容易に計測することができる
【００１６】
（２）  （１）の発明においては、前記撮像手段は、斜め方向から前記単結晶と前記誘導加熱コイルとの隙間を通して前記溶融帯域の幾何学量を検出する第３撮像手段を更に備えることが好ましい。
【００１７】
（２）の発明によれば、従来、誘導加熱コイルによって正確に計測できなかった絞り工程からテーパ工程の初期の晶出結晶径や融液部直径の計測を、第３撮像手段によって行うことができる。
【００１８】
（３）  （１）又は（２）に記載の発明においては、前記上方幾何学量を検出する光路と、前記下方幾何学量を検出する光路とを所定の方向に変換する光路変換手段を備えることが好ましい。
【００１９】
（３）の発明によれば、水平方向の光路を所定の方向（例えば、下方直角方向）に変換することで、水平方向の設置スペースを削減することができるので、装置の設計レイアウトの自由度を高めることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、制御に必要な溶融帯域の幾何学量を簡易な構成によって容易に計測することができる浮遊帯域溶融法による単結晶製造装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に、本発明に係る浮遊帯域溶融法による単結晶製造装置（以下、単に単結晶製造装置という）を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。
〔第１実施形態〕
第１実施形態に係る単結晶製造装置の構成について図１及び図２に基づいて説明する。ここで、図１は、第１実施形態に係る単結晶製造装置の構成を模式的に示す側面図であり、テーパ工程初期の結晶状態を示すものである。また、図２は、絞り工程における溶融帯域の計測ポイント（幾何学量）と制御パラメータを示す説明図である。
【００２２】
本明細書では、単結晶を精製する工程において、結晶を無転位化するために結晶を直径数ｍｍで数十ｍｍ成長させる工程を絞り工程と称し、単結晶の直径を所定径まで徐々に拡大していく工程をテーパ工程と称することとする。
【００２３】
＜全体構成の説明＞
単結晶製造装置は、例えば鉛直方向に沿って配置されたシリコン棒の多結晶素材１０をその真上に位置する上軸（図示せず）に装着して保持すると共に、単結晶たる種結晶１４を多結晶素材１０の直下に位置する下軸（図示せず）に装着して保持するように構成されている。この上軸及び下軸は、それぞれ回転可能に構成され、かつ、上下方向に送り可能に構成されている。
【００２４】
そして、単結晶製造装置は、高周波式の誘導加熱コイル１６によって多結晶素材１０を囲み、これを溶融して融液部（溶融帯域）１１を形成する。更に、単結晶製造装置は、融液部１１に種結晶１４を融着させた後に多結晶素材１０及び単結晶１２（絞り工程においては種結晶１４）を回転させ、かつ軸線方向に下降させながら該融液部１１から単結晶（晶出単結晶）１２を成長させる。
【００２５】
誘導加熱コイル１６は、ほぼ円環状に形成されている。また、誘導加熱コイル１６への発振電圧は、高周波発振器（図示せず）によって出力される。
【００２６】
ここで、説明の便宜上、誘導加熱コイル１６の上記上面であって、上側外周縁Ｐ１を含む上記水平面を第１水平面Ｈ１と称することとする。また、誘導加熱コイル１６の下側外周縁Ｐ２を含む仮想の水平面を第２水平面Ｈ２と称することとする。
また、第１水平面Ｈ１を含む上方の融液部１１の幾何学量を上方幾何学量と称すると共に、第２水平面Ｈ２を含む下方の融液部１１の幾何学量を下方幾何学量と称する。
【００２７】
＜幾何学量の定義＞
次に、計測対象である幾何学量について説明する。図１中に示すゾーン長Ｌは、融液部１１の上下方向の長さであり、後述する撮像手段によって計測されるものである。すなわち、ゾーン長Ｌは、後述する撮像手段を用いて素材溶融面１１ａと固液界面１１ｂとの間隔を測定することによって求められる。
【００２８】
また、このゾーン長Ｌは、テーパ工程初期においては、後述する距離Ｌ１、距離Ｌ２及び距離Ｌ３を合計した距離である。
【００２９】
距離Ｌ１は、第１水平面Ｈ１から素材溶融面１１ａまでの距離であり、融液部１１の上方幾何学量の一つである。距離Ｌ２は、第２水平面Ｈ２から固液界面１１ｂまでの距離であり、融液部１１の下方幾何学量の一つである。
【００３０】
距離Ｌ３は、誘導加熱コイル１６の厚みに相当する距離である。また、融液部１１の直胴部であって、該距離Ｌ３部分に対応する直胴部の直径も幾何学量に含まれる。
【００３１】
また、素材径Ｄｐは、多結晶素材１０の素材溶融面１１ａにおける直径である。結晶径Ｄｓは、単結晶１２の固液界面１１ｂにおける直径である。
【００３２】
また、図２に示すように、多結晶素材１０の下降速度をＶｐ、回転速度をＲｐとする。また、単結晶１２（絞り部１２ａ）の下降速度をＶｓ、回転速度をＲｓとする。
【００３３】
上述の幾何学量としてのゾーン長Ｌ、素材径Ｄｐ及び結晶径Ｄｓは、後述する撮像手段としての第１カメラ１８、第２カメラ２０及び第３カメラ２２によって検出される。
これら第１カメラ１８、第２カメラ２０及び第３カメラ２２の検出結果は、画像処理装置（図示せず）により算出される。
【００３４】
そして、検出された上記幾何学量に応じて誘導加熱コイル１６に供給する電力又は多結晶素材１０の相対移動速度を調節する。
これにより、融液部１１のゾーン長Ｌ及び結晶径Ｄｓを所定の値に制御して単結晶を製造する。
【００３５】
＜撮像手段の説明＞
上記撮像手段は、第１水平面Ｈ１に光軸を実質的に一致させることにより上方幾何学量を検出可能に設けられた第１カメラ（第１撮像手段）１８と、第２水平面Ｈ２に光軸を実質的に一致させることにより下方幾何学量を検出可能に設けられた第２カメラ（第２撮像手段）２０と、斜め下方向から単結晶（晶出単結晶）１２と誘導加熱コイル１６との隙間を通して融液部１１の幾何学量を検出する第３カメラ（第３撮像手段）２２と、を備える。
【００３６】
ここで、第１カメラ１８の光軸を「第１水平面Ｈ１に実質的に一致させる」とは、第１カメラ１８の光軸を上方幾何学量が検出可能な範囲で第１水平面Ｈ１に一致させるという意味である。従って、上側外周縁Ｐ１における実際の光軸の偏差は、例えば８ｍｍ以内が好ましい。
【００３７】
同様に、第２カメラ２０の光軸を「第２水平面Ｈ２に実質的に一致させる」とは、第２カメラ２０の光軸を下方幾何学量が検出可能な範囲で第２水平面Ｈ２に一致させるという意味である。従って、下側外周縁Ｐ２における実際の光軸の偏差は、例えば８ｍｍ以内が好ましい。
【００３８】
また、斜め下方向から単結晶１２と誘導加熱コイル１６との隙間を通して融液部１１の幾何学量を検出する第３カメラ２２は、その光軸が水平線となす角度が、例えば５度〜３０度が好ましい。
【００３９】
第３カメラ２２では、絞り工程からテーパ工程の初期（結晶径が約３０ｍｍに至るまで）の結晶径Ｄｓ（図２参照）の計測を行うことができる。
【００４０】
また、第１カメラ１８では、全工程で素材径Ｄｐの計測を行い、融液部１１の上方幾何学量（距離Ｌ１）の計測を行うことができる。
【００４１】
また、第２カメラ２０では、テーパ工程において結晶径Ｄｓが例えば約３０ｍｍを超えた辺りからの該結晶径Ｄｓの計測を行い、融液部１１の下方幾何学量（距離Ｌ２）の計測を行うことができる。
【００４２】
従って、従来の水平配置カメラ４０（図１参照）では捉えられなかった結晶径Ｄｓ（図２参照）を第３カメラ２２によって撮影することができる。
【００４３】
＜制御の説明＞
次に、絞り部１２ａ（図２参照）を形成する絞り制御について説明する。
以上のように計測された各幾何学量に基づいて、ゾーン長Ｌを適切な長さに保ちながら誘導加熱コイル１６に印加する電圧を制御する。
【００４４】
すなわち、多結晶素材１０に供給される熱量を操作し、溶融量を変化させることにより晶出する結晶径Ｄｓを所定の値に制御するものである。これは、ゾーン長Ｌが長く伸び過ぎると融液部１１が切れてしまい、ゾーン長Ｌが短くなり過ぎると融液部１１がメルトダウンしてしまうからである。
【００４５】
また、結晶径Ｄｓを監視し、最適値から逸脱した場合には、多結晶素材１０の下降速度Ｖｐを微調整する。多結晶素材１０のトップの加工精度、誘導加熱コイル１６の使用状態により、製造工程のバッチ毎に同じゾーン形状が得られる訳ではないからである。
このように制御することにより、結晶径Ｄｓを所定の径に形成することができる。
【００４６】
以上のように、この第１実施形態に係る浮遊帯域溶融法による単結晶製造装置によれば、制御に必要な融液部１１の幾何学量を簡易な構成によって容易に計測することができる。
【００４７】
また、第１カメラ１８と第２カメラ２０は、それぞれ光軸を第１水平面Ｈ１と第２水平面Ｈ２に実質的に一致させて配置したので、幾何学量を直接的に精度良く計測することができる。
【００４８】
よって、第１実施形態による単結晶製造装置によれば、簡易な構成によって、絞り工程以降のすべての工程で多結晶素材１０と単結晶１２及び融液部１１の幾何学量の撮影を行うことができる。
【００４９】
なお、上記第１実施形態においては、絞り工程からテーパ工程の初期（結晶径が約３０ｍｍに至るまで）の結晶径Ｄｓ（図２参照）の計測を第３カメラ２２によって行うものとして説明したが、テーパ工程の初期以降（結晶径が例えば約３０ｍｍを超える場合）の結晶径Ｄｓの計測のみをする場合には、これに限定されず、第３カメラ２２を設けなくてもよい。
【００５０】
また、第３カメラ２２を斜め下方に設けるものとして説明したが、これに限定されず、斜め上方に設けてもよい。この場合も、上記と同様の効果を期待できる。
〔第２実施形態〕
この第２実施形態は、図３に示すように、上方幾何学量を検出する光路と、下方幾何学量を検出する光路とを下方直角方向に変換する直角プリズムミラー（光路変換手段）３０を備え、更に、上方幾何学量及び下方幾何学量を一つのカメラ２５で撮影できるように構成したものである。
【００５１】
ここで、図３は、第２実施形態に係る単結晶製造装置の構成を模式的に示す側面図である。なお、以下の説明において、既に説明した部材と同一もしくは相当する部材には、同一の符号を付して重複説明を省略又は簡略化する。
【００５２】
直角プリズムミラー（光路変換手段）３０は、上方幾何学量を検出する光路を下方直角方向に変換する第１直角プリズムミラー（光路変換手段）３０ａと、下方幾何学量を検出する光路を下方直角方向に変換する第２直角プリズムミラー（光路変換手段）３０ｂと、を備えている。その他の構成及び制御方法は、上記第１実施形態の場合と同様である。
【００５３】
以上のように、この第２実施形態に係る浮遊帯域溶融法による単結晶製造装置によれば、水平方向の光路を下方直角方向に変換することで、水平方向の設置スペースを削減することができるので、装置の設計レイアウトの自由度を高めることができる。
また、上方幾何学量及び下方幾何学量を一つのカメラ２５で撮影できるので、上記第１実施形態の場合よりも更に装置構成を簡略化することができる。
【００５４】
なお、上記第２実施形態においては、水平方向の光路を直角方向下向きに変換するものとして説明したが、これに限定されず、例えば、直角方向上向き、あるいはその他の方向であってもよく、上記と同様の効果を期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】第１実施形態に係る単結晶製造装置の構成を模式的に示す側面図である。
【図２】絞り工程における溶融帯域の計測ポイントと制御パラメータを示す説明図である。
【図３】第２実施形態に係る単結晶製造装置の構成を模式的に示す側面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０  多結晶素材
１１  融液部（溶融帯域）
１１ａ  素材溶融面
１１ｂ  固液界面
１２  単結晶
１２ａ  絞り部
１４  種結晶
１６  誘導加熱コイル
１８  第１カメラ（第１撮像手段）
２０  第２カメラ（第２撮像手段）
２２  第３カメラ（第３撮像手段）
２５  カメラ
３０  直角プリズムミラー（光路変換手段）
３０ａ  第１直角プリズムミラー（光路変換手段）
３０ｂ  第２直角プリズムミラー（光路変換手段）
Ｄｐ  素材径（幾何学量）
Ｄｓ  結晶径（幾何学量）
Ｈ１  第１水平面
Ｈ２  第２水平面
Ｌ  ゾーン長（幾何学量）
Ｌ１  距離（幾何学量）
Ｌ２  距離（幾何学量）
Ｌ３  距離（幾何学量）
Ｐ１  上側外周縁
Ｐ２  下側外周縁
Ｖｐ  下降速度
Ｒｐ  回転速度
Ｖｓ  下降速度
Ｒｓ  回転速度
【図１】
2009234879.tif 000003
【図２】
2009234879.tif 000004
【図３】
2009234879.tif 000005