(57)【要約】  シリコン熔解プロセスの間、未熔解多結晶質シリコン島の高さおよび形状を連続的に測定するための方法を提供する。この方法は、シリコン島に収束高輝度光を投射し、シリコン島に高輝度ドットを生成することを含む。この方法は、熔解プロセスの間、高輝度ドットを追跡することにより、シリコン島の高さおよび形状を電子的に判定することも含む。
2012500775.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン島上に収束高輝度光を投射して、前記シリコン島上に高輝度ドットを形成することと、
熔解プロセスの間、前記高輝度ドットを追跡することにより、前記シリコン島の高さおよび形状を電子的に判定することと、
を含む、前記シリコン熔解プロセスの間、未熔解多結晶質シリコン島の高さおよび形状を連続的に測定する、方法。
【請求項２】
前記判定するステップは、
前記熔解プロセスの間、前記シリコン島上の前記高輝度ドットのビデオ画像をキャプチャおよび処理することと、
前記熔解プロセスの間、前記シリコン島上の前記ドットの前記位置および前記高さを電子的に判定することと、
前記シリコン島の動きに応答する前記ドットの前記位置および前記高さに基づいて、前記シリコン島の前記高さおよび前記形状を算出することと、
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記高輝度ドットの前記位置および前記高さを電子的に判定する前記ステップと、前記シリコン島の前記高さおよび前記形状を電子的に算出する前記ステップとは、コンピュータソフトウェアにより実行される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記シリコン島の前記高さおよび前記形状を電子的に判定する前記ステップは、圧電性制御ミラーを用いて前記高輝度ドットを１つの方向でスキャンし、前記シリコン島の３Ｄ測定値を提供することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記シリコン島上の前記高輝度ドットの前記ビデオ画像をキャプチャおよび処理する前記ステップは、前記ビデオ画像をフィルタリングすることをさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記熔解プロセスの間、前記シリコン島の前記形状は、前記シリコン島の勾配に基づいて、前記シリコン島上に前記高輝度光を投射することにより制御される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
シリコン熔解プロセスの間、シリコン融体の未熔解多結晶質シリコン島の高さおよび形状を測定するために、前記シリコン融体からシリコン結晶を成長させる装置と組み合わせて用いられる、未熔解多結晶質シリコン島の高さおよび形状を測定するためのシステムであって、
前記装置は、前記シリコンが熔解される内部を有するチャンバを備え、
前記シリコン島上へと高輝度ドットを投射するために、前記チャンバの前記内部に向けられた収束高輝度光源と、
前記高輝度ドットを含む前記シリコン島の１部分の連続的画像パターンを生成するために、前記チャンバの前記内部に向けられたカメラと、
前記カメラにより生成された前記画像パターンをキャプチャし、前記画像パターンを処理するための視覚システムと、
前記高輝度ドットの位置および高さを判定し、その判定から、前記画像パターンに基づいて、前記シリコン島の形状および高さを連続的に算出するために、前記視覚システムと通信し且つ前記チャンバから遠隔に位置する、プログラム可能制御器と、
を備えるシステム。
【請求項８】
前記光源は、約１０ｍＷよりも大きい光出力を有する、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記光源は約６００ｎｍよりも短い波長を有する、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記光源の波長に対応する波長を有する光シールドをさらに含み、前記光シールドは、放射から作業者を保護するために、前記結晶成長器の近傍に設置された、請求項７に記載のシステム。
【請求項１１】
前記カメラの前記画像パターンをフィルタリングするためのフィルタをさらに含む、請求項７に記載のシステム。
【請求項１２】
前記光シールドに取り付けられ、且つ、１次元または２次元以上で前記高輝度ドットをスキャンして前記シリコン島の３Ｄ測定値を提供するスキャナをさらに含む、請求項７に記載のシステム。
【請求項１３】
前記スキャナは圧電性制御ミラーを備える、請求項１２に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全般的には、単結晶質シリコンインゴットを成長させるために用いられる結晶成長器における、充填熔解および粒状シリコン供給中の、シリコン島の高さおよび形状を測定および監視するためのシステムおよび方法に関する。
【０００２】
シリコン島の高さおよび形状は、シリコン熔解プロセスの質に関して重要であり、このシリコン熔解プロセスの質は、ひいてはシリコン融体からの結晶成長の成功に関して肝要である。この高さおよび形状は、ヒータ出力、粒子状多結晶シリコンの供給速度、供給位置、るつぼ姿勢等の、熔解プロセスにおける多数の変数に影響される。結晶成長が最適状況下で行われることをより確実なものとするためには、シリコン島は、熔解プロセスの間を通して測定および連続的監視を受ける必要がある。測定および連続的監視は、シリコン島の高さが常に変化し、その形状も常に変化し、高度に複雑な変化を有するものであるために、困難なものとなり得る。
【０００３】
シリコン島の測定および監視のための１つの既存の方法は、光電子増倍管または電荷結合素子（ＣＣＤ：ｃｈａｒｇｅ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｄｅｖｉｃｅ）カメラを、従来の光源（すなわち、成長器における標準的なＬＥＤまたはバックグラウンド放射）とともに使用することを含む。しかし、この特定の方法は、制御上の必要性を満足させるに十分な正確さを有さず、また、すべての熔解状態におけるシリコン島の監視能力を有するわけではない。他の方法は、レーザ距離計または同様の装置の使用を含む。しかし、この方法は、結晶成長炉における使用には適さない。なぜなら、レーザビームが、結晶成長炉上の窓および遮熱シールドからの反射または散乱信号を発生させ、それにより、距離計の測定値に大きな誤差が生じるためである。
【０００４】
したがって、結晶成長炉の内部または外部の状態に関わらず、熔解プロセスの間、シリコン島を連続的に測定および監視するための効果的な手段が求められている。さらに、係る手段は、熔解プロセスまたは結晶成長プロセスに影響を与えてはならず、また作業者に有害であってはならない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
１つの態様において、本発明は、シリコン熔解プロセスの間、未熔解多結晶質シリコン島の高さおよび形状を連続的に測定するための方法を含む。この方法は、シリコン島に収束高輝度光を投射し、シリコン島に高輝度ドットを生成することを含む。さらに、シリコン島の高さおよび形状は、熔解プロセスの間、高輝度ドットを追跡することにより、電子的に判定される。
【０００６】
他の態様において、本発明は、シリコン熔解プロセスの間、シリコン融体の未熔解多結晶質シリコン島の高さおよび形状を測定するために、シリコン融体からシリコン結晶を成長させる装置と組み合わせて用いられるシステムを含む。この装置は、シリコンが熔解する内部を有するハウジングを備える。このシステムは、未熔解多結晶質シリコン島の高さおよび形状を測定する。このシステムは、シリコン島に高輝度ドットを投射するために、ハウジングの内部に向けられた収束高輝度光源を備える。さらに、このシステムは、高輝度ドットを含むシリコン島の１部分の連続した画像パターンを生成するために、ハウジングの内部に向けられたカメラを備える。加えて、このシステムは、ハウジングから遠隔したプログラム可能制御器を備える。このプログラム可能制御器は、高輝度ドットの位置および高さを判定し、その判定から、画像パターンに基づいて、シリコン島の形状および高さを連続的に算出するためのものである。
【０００７】
以下で、他の目的および特徴は、一部が明らかにされ、一部が説明されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】多結晶質シリコンから熔解シリコン融体を作成するための、本発明に係る装置を備える結晶成長器を示す概略図である。
【図２】本装置のカメラおよびレーザ源の側面図である。
【図３】図１に示す装置の、制御ユニットおよびカメラのブロック図である。
【図４】本発明に係る装置の概略図を含む、結晶成長器の部分断面図である。
【図５】本発明に係る光シールドの概略図を含む、本装置および結晶成長器の部分斜視図である。
【図６】本装置のカメラおよびレーザ源の側面図および高さ制御スキャナの概略図を示す、本発明の第２の実施形態の図である。
【図７】図６に示すスキャナの拡大図である。
【０００９】
全図面を通じて、対応する参照符号は対応する部品を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図面、特に図１を参照すると、チョクラルスキー法により単結晶質シリコンインゴットを成長させるために使用される種類の、一般に１３で示される結晶成長器とともに用いられる、一般に１１で示される本発明に係る装置が示されている。結晶成長器１３は、結晶成長室１７を含む内部を分離するために、一般に１５で示されるハウジングを備える。石英るつぼ１９は、成長室１７内に支持され、熔解半導体原料Ｍを含む。なお、この熔解半導体原料Ｍから、単結晶質シリコンインゴットが成長する。ヒータ電源２０は、熔解シリコンＭをるつぼ１９内で形成するために、るつぼ１９を包囲する抵抗ヒータ２１に電力を供給する。断熱材２３は、ハウジング１５の内壁を覆う。るつぼ駆動ユニット２５は、矢印により示されるように、るつぼ１９を垂直軸Ｘのまわりに回転させ、成長プロセスの間、るつぼを上昇または下降させる。
【００１１】
図２に示されるように、装置１１は、レーザ源または収束高輝度光源２７と、一般に２９で示されるカメラシステムとを備える。カメラシステムは、カメラ３１と、検出および追跡ソフトウェアとを備える。収束光源２７は、結晶成長器１３のハウジング１５に取り付けられる。光源２７は、短波長レーザ（緑色／青色レーザ等）、または収束超高輝度光源（高出力緑色／青色ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）を含む。緑色レーザ（例えば、約５３２ｎｍ）、青色ダイオードレーザまたは高出力青色ＬＥＤ（例えば、約４０５ｎｍ）が、結晶成長器上の一般的な遮熱シールド窓／フィルタの遮断波長を避けるために、用いられる。一般に、シールド窓／フィルタに対する遮断波長は、約６００ｎｍから約６５０ｎｍである。これらの光源は、遮断波長より短い波長を有するため、保護窓３３を通して結晶成長器１３に達する、高い透過および高い信号対雑音比を達成するであろう。なお、この結晶成長器１３は強い周囲放射を有するものである。本発明の範囲から逸脱することなく代替的な光源が使用可能であることを理解すべきである。例えば、ＬＥＤが十分な輝度を有する限り、窓３３の遮断波長よりも短い（例えば約６００ｎｍより短い）波長を有するＬＥＤも使用可能である。好適な実施形態において、収束光源２７の光出力は、一般に約１０ｍＷより大きいことが要求される。しかしながら、１０ｍＷ以下の光出力を有する光源も本発明の範囲に含まれる。
【００１２】
図２を参照すると、レーザ２７は保護シールド３５も備える。保護シールドは、カメラ３１に取り付けられ、カメラ窓３７に搭載される。シールド３５は、第１端部４１においてレーザビーム３９を受容し、第１端部の逆側である第２端部においてレーザビーム３９が放出され得るよう、両方の端部が開口する長尺管からなる。長尺管の内壁は、誤った方向に向けられたレーザビームまたは反射されたレーザビームが周囲の環境へと投射されることを防ぐために、適切な材料から作られる。図５に示すように、レーザ放射から作業者を保護するために、対応する波長を有する光シールド４５を、すべての観察窓上および予備窓上に取り付けることもできる。当業者は、本発明で用いられる適切な保護および光シールドについて精通しているであろう。
【００１３】
２次元カメラ３１も、結晶成長器１３のハウジング１５上に取り付けられ、制御ユニット４７と電気的に連通する（図１参照）。カメラ３１は、本発明の範囲から逸脱することなく１つまたは複数のカメラが用いられ得ることを示すために、箱として表現される。当該技術分野において周知であるように、制御ユニット４７は、結晶成長器１３の動作を制御するために、結晶成長器１３の様々な動作部品へと電気的に接続される。カメラ３１は、結晶成長器ハウジング１５のビューポート４９に取り付けられ、るつぼ１９における結晶成長器の中心軸Ｘと熔解シリコンＭの上部表面Ｕとの交差点にほぼ向けて照準される。
【００１４】
例えば、カメラ３１は、結晶成長器１３の中心軸Ｘに対して測定して、約１５度から約３４度の角度で取り付けられるとよい。カメラ３１は、好ましくは、７６８Ｘ４９４ピクセルの解像度を有するＣＣＤビデオカメラ・ソニーＸＣ−７５等の、モノクロの電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラである。
【００１５】
加えて、検出用のＣＣＤカメラが、結晶成長器１３における周囲放射にほとんど影響されないドット信号を選択できるよう、用いられる光源２７の種類に応じて、対応するレーザ線干渉フィルタ（レーザ）または帯域フィルタ（ＬＥＤ）を検出ＣＣＤカメラ３１上で用いることができる。本発明での使用に適したフィルタの種類は、当業者には既知であろう。
【００１６】
図３は、制御ユニット４７の好適な実施形態をブロック図で示したものである。カメラ３１は、ライン５１（例えば、ＲＳ−１７０ビデオケーブル）を介して、ビデオ画像を視覚システム５３に伝達する。視覚システムは、ビデオ画像のキャプチャおよび処理のための、ビデオ画像フレームバッファ５５および画像プロセッサ５７を備える。例えば、視覚システム５３は、Ｃｘ−１００  ＩｍａｇｅｎａｔｉｏｎフレームグラバまたはＣｏｇｎｅｘ  ＣＶＳ−４４００視覚システムである。次に、視覚システム５３は、ライン６１を介して、プログラム可能論理制御装置（ＰＬＣ：ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ｌｏｇｉｃ  ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）５９と通信する。１つの好適な実施形態において、ＰＣＬ５９は、Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製の、Ｍｏｄｅｌ  ５７５  ＰＬＣまたはＭｏｄｅｌ  ５４５  ＰＬＣであり、ライン６１は、通信インターフェース（例えば、ＶＭＥバックプレーンインターフェース）である。
【００１７】
また視覚システム５３は、カメラ３１により生成されたビデオ画像を表示するために、ビデオ表示部６３と、ライン６３（例えば、ＲＳ−１７０  ＲＧＢ  ビデオケーブル）を介して通信し、視覚システムをプログラムするために用いられるコンピュータ６７と、ライン６９（例えば、ＲＳ−２３２ケーブル）を介して通信する。図２に示されるように、ＰＬＣ５９は、１つまたは複数のプロセス入出力モジュール７１と、ライン７３（例えば、ＲＳ−４８５ケーブル）を介して通信する。作業者インターフェースコンピュータ７５も、結晶引き上げ作業者が、結晶成長器１３が動作する間、所望の動作パラメータをＰＬＣに対して入力できるよう、および／またＰＬＣから動作情報を取得できるよう、ライン７７（例えば、ＲＳ−２３２ケーブル）を介して、ＰＬＣと通信する。
【００１８】
検出および追跡ソフトウェアは、光源２７のビーム３９によりシリコン融体Ｍ上に生成された高輝度ドットの位置を検出および追跡する。検出および追跡ソフトウェアは、高輝度ドットの実際の位置および高さを連続的に算出する。これらの算出から、検出および追跡ソフトウェアは、シリコン島Ｉの高さおよび形状を連続的に測定することができる。コンピュータ６７は、コンピュータ６７が検出および追跡ソフトウェアにアクセスし同ソフトウェアを実行できるよう、プログラム可能である。上述の種類のソフトウェアは、当業者に一般に知られている。したがって、さらなる説明は不要である。
【００１９】
第２の実施形態において、装置１１は、レーザシールド３５の端部に取り付けられ、１つまたは複数の方向でスキャンして、シリコン島Ｉのリアルタイム３Ｄ測定値を提供するよう構成された、高さ制御スキャナ３１を備える（図６および図７参照）。第１ミラー８３は、光源２７からのビーム３９を、第２ミラー８５へと反射させる。この第２ミラーは、圧電性駆動装置（図示せず）をその背面に有し、シリコン島Ｉの半径に沿ってビーム３９を反射させるように構成される。ビーム３９は、所定の速度で、またはカメラＰＣ６７に制御されて、シリコン島半径に沿ってスキャンするよう、構成される。
【００２０】
動作する間、装置１１の光源２７は、結晶成長器室１３の周囲放射において明瞭に視認可能である緑色または青色の高輝度ドットを、シリコン島Ｉの所望の位置に投射する。一般に、この位置は、高さが、変化するシリコン島Ｉをもっともよく示す部位であり、シリコン島の表面の勾配に基づいて判定される。レーザドット位置をあらかじめ選択することにより、作業者はシリコン島Ｉの追跡および制御の質を最適化することができる。
【００２１】
検出および追跡ソフトウェアは、ドットを検出および追跡し、ドットの位置および高さを連続的に算出する。シリコン島Ｉは、熔解プロセスの間、回転または垂直方向の移動を行うため、ドットは、特定の時間および位置において、移動するシリコン島の高さおよび形状に正確に相関する。この連続的な検出、追跡および算出プロセスにより、所望の位置におけるシリコン島Ｉの高さおよび形状が、測定、監視、および制御される。
【００２２】
代替的な実施形態において、ドットを高さ制御スキャナ８１により１次元でまたは２次元以上でスキャンすることにより、シリコン島Ｉの３Ｄ測定値が提供される。シリコン島Ｉは、熔解の間、所定の回転速度で回転するため、シリコン島半径上でレーザドットのスキャン動作を連続的に追跡することにより、リアルタイムの３Ｄ形状測定値が提供される。このことは、さらに動的な熔解制御を実施する上で、大きな支援となり得る。
【００２３】
本発明を詳細に説明してきたが、添付の請求項に定められた本発明の範囲から逸脱することなく、変更および変形が可能であることが明らかとなるであろう。
【００２４】
本発明の、または本発明の好適な実施形態（単数または複数）の、要素を導入する際、冠詞「１つの」、「この」、および「前記の」は、１つまたは複数の要素が存在することを意味することを意図するものである。用語「含む」、「備える」、および「有する」は、包括的であり、列挙した要素の他に追加的な要素が存在し得ることを意味することを意図するものである。
【００２５】
上記を鑑みると、本発明のいくつかの目的が達成され、他の有利な結果が獲得されることが理解できるであろう。
【００２６】
本発明の範囲から逸脱することなく上記の構成および方法において様々な変化をなすことが可能である。したがって、上記の説明に含まれる内容および添付の図面に示される内容のすべては例示的であり、限定的な意味において解釈すべきでないことを意図するものである。
【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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【国際調査報告】
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