JP4078156B2

JP4078156B2 - 単結晶引上げ装置及び単結晶引上げ方法

Info

Publication number: JP4078156B2
Application number: JP2002260847A
Authority: JP
Inventors: 康幸岩田; 高義藤田; 孝昌鈴木
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK; Covalent Materials Corp
Current assignee: Coorstek KK; Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2002-09-06
Filing date: 2002-09-06
Publication date: 2008-04-23
Anticipated expiration: 2022-09-06
Also published as: JP2004099346A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単結晶引上げ装置及び単結晶引上げ方法に係わり、特に固液界面に形成されるメニスカスの円弧形状を基にして演算した楕円の長径をテール部直径として単結晶の直径の制御を行なう単結晶引上げ装置及び単結晶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を製造するには、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。）によりシリコン単結晶のインゴットを作り、このインゴットをスライシングマシンで所定の厚さに切断し、シリコンウェーハを製造する。
【０００３】
このようなシリコン単結晶の引上げには図８に示すような単結晶引上げ装置が用いられる。
【０００４】
このような従来の単結晶装置２１を用いた単結晶の育成工程において、育成される単結晶Ｉｇ_１中に転位が発生しないように２度の絞り込み工程が行われる。第１の絞り込み工程は、ネック部育成工程であり、このネック部Ｎ_１は、結晶育成の初期に種結晶２２が、ヒータ２３により加熱、溶融された石英ルツボ２４中のシリコン融液Ｍ_１に接触することによる温度ショックにより、単結晶Ｉｇ_１中に転位が発生するため、比較的高速で引上げてネック部Ｎ_１を育成し、転位を完全に除去するものである。第２の絞り込み工程は、テール部育成工程であり、テール部Ｔ_１は最大直径の直胴部Ｂ_１育成後の結晶育成終期に縮径を行ない、単結晶Ｉｇ_１を融液Ｍ_１から切り離すときに転位が単結晶Ｉｇ_１内に生じるのを防止するためのものである。
【０００５】
しかしながら、従来の単結晶引上げ装置では、装置上部に設けられた２次元カメラによって、固液界面に形成されるメニスカスの直径を撮像し、これを基にして単結晶直径の制御を行なっているため、上記のような単結晶を縮径するテール部の育成工程時には、図７に示すように、図７（ａ）に示すテール部Ｔの育成工程初期から、図７（ｂ）に示す中期、図７（ｃ）に示す終期へと徐々にメニスカスｍが光らなくなり、直接完全な結晶径（結晶幅）を撮像することが困難になり、また、撮像が直径の大きな直胴部Ｂが撮像の障害になり、正確にメニスカスｍの直径を撮像することができないため、メニスカスｍを撮像し、これを基にしてテール部Ｔの直径の制御を行なうことが困難であった。
【０００６】
従来、チョクラルスキー法において、メニスカスを撮像し、これを基にしてテール部の直径の制御を行なう方法が種々提案されている。
【０００７】
特許文献１には、単結晶引上げ装置は２次元カメラを用いて結晶近傍の光輝リングの部分画像パターンを作成する画像平面とを有し、この画像平面は、シリコン結晶に対する２次元カメラの位置によって生じる画像パターンのひずみを補正するために、概ねシリコン融液表面と平行とし、また、画像パターンの特徴を検出するための検出回路と、光輝領域のエッジを検出特徴の関数として定義すると共に光輝領域の定義されたエッジを含む形を定義する定義回路とを有して、この測定回路は定義された形状の寸法を求め、これによりシリコン結晶の寸法が定義形状の決定寸法の関数として求めるものである。この公報記載の単結晶引上げ装置は、自動的に結晶径を測定できるが、画像平面に画像円が得られるようにするため、２次元カメラを含む撮像系が複雑になり、さらに、テール部の育成工程時には、上記のように、メニスカスを完全な弧状として撮像することが困難であり、また、正確にメニスカスの直径を撮像することができないため、メニスカスを撮像し、これを基にしてテール部の直径の制御を行なうことは困難である。
【０００８】
また、特許文献２には、単結晶引上げ装置は複数台の２次元カメラを用いて、育成工程毎に特定の画像角を有する２次元カメラを切替え、結晶近傍の光輝リングの部分画像パターンを作成する画像平面とを有し、完全に撮像される楕円の円弧形状から結晶径を求めるものである。この公報記載の単結晶引上げ装置は、完全な楕円の円弧形状を用いるので、複数台の２次元カメラを必要とするため、装置の構造が複雑になり、高価になる。
【０００９】
【特許文献１】
特開平９−１７５８９６号公報（第６頁段落番号２９、第４図）
【００１０】
【特許文献２】
特開平１１−１５３４１８号公報（第７〜８頁段落番号００４９〜００６２、第１０図）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、一般的な撮像手段を用いて、メニスカスを撮像し、これを基にしてテール部の直径の自動制御が容易かつ正確に行なえ、かつ、装置の構造が簡単で安価な単結晶引上げ装置が要望されていた。
【００１２】
本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、一般的な撮像手段を用いて、メニスカスを撮像し、これを基にしてテール部の直径の自動制御が容易かつ正確に行なえ、かつ、装置の構造が簡単で安価な単結晶引上げ装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の１つの態様によれば、チャンバ内に設けられたルツボと、この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、育成された単結晶を引上げる結晶引上げ手段と、固液界面に形成されるメニスカスを撮像する撮像手段と、この撮像手段からのメニスカス画像信号を２値化し、画像処理手段を介して入力され前記結晶引上げ手段を制御して単結晶径を制御する制御手段とを有し、種結晶をポリシリコンが溶融された融液に浸漬して単結晶を引上げる単結晶引上げ装置において、単結晶を縮径するテール部の育成工程時、前記撮像手段により前記メニスカスの円弧形状を撮像し、この撮像した円弧形状を基にして前記画像処理手段により平均移動法を用いて楕円を演算し、この楕円の長径をテール部直径として前記制御手段により前記結晶引上げ手段を制御しテール部の育成を行なうことを特徴とする単結晶引上げ装置が提供される。これにより、一般的な撮像手段を用いて、メニスカスを撮像し、これを基にしてテール部の直径の自動制御を容易かつ正確に行なえ、かつ、装置の構造が簡単で安価な単結晶引上げ装置が実現される。
【００１４】
好適な一例では、上記単結晶を一定の直径で育成する直胴部の育成工程時は、撮像手段によりメニスカスの直径を撮像しこれを直胴部直径として直胴部の育成を行なう。これにより、直胴部育成工程は、完全なメニスカスを撮像して結晶直径画像情報に基づき直径が算出され、テール部の育成工程においては、部分的に撮像可能なメニスカスの円弧形状を基にして楕円を演算し、この楕円の長径をテール部直径とするので、効率よく確実に結晶径の自動制御を行なえる。
【００１５】
本発明の他の態様によれば、固液界面に形成されるメニスカスを撮像し、メニスカス画像信号を２値化し、画像処理して径情報として入力されて単結晶径を制御するチョクラルスキー法を用いた単結晶引上げ方法において、単結晶を縮径するテール部の育成工程時、メニスカスの円弧形状を撮像し、この撮像した円弧形状を基にして平均移動法を用いて楕円を演算し、この楕円の長径をテール部直径として結晶径の制御を行ないながらテール部の育成を行なうことを特徴とする単結晶引上げ方法が提供される。これにより、テール部の直径の自動制御を容易かつ正確に行なえる。
【００１６】
好適な一例では、上記単結晶を一定の直径で育成する直胴部の育成工程時は、メニスカスの直径を撮像しこれを直胴部直径として直胴部の育成を行なう。
【００１７】
【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実施形態について添付図面を参照して説明する。
【００１８】
図１は本発明に係わる単結晶引上げ装置の実施形態の概念図である。
【００１９】
図１に示すように、単結晶引上げ装置１は、水冷された炉体２と、この炉体２に収納され原料であるポリシリコンを溶融し溶融シリコンＭにする石英ルツボ３と、この石英ルツボ３を保持する黒鉛ルツボ４と、この黒鉛ルツボ４を囲繞するヒータ５とを有している。この黒鉛ルツボ４は炉体２を貫通し、モータ６に結合されて回転され、かつ昇降装置７によって昇降されるルツボ回転軸８に取り付けられている。また、石英ルツボ３の上方には、単結晶引上げのための種結晶９を保持するシードチャック１０が取り付けられた引上げ用のワイヤー１１が設けられている。このワイヤー１１は炉体２外に設けられモータＭｔにより付勢されワイヤー１１を巻き取ると共に回転させる結晶引上げ手段としてのワイヤー回転装置１２が取り付けられている。
【００２０】
また、炉体２のショルダー２ａの外壁には、透孔を耐熱ガラスにより塞ぎ透光可能なカメラポート１３が設けられ、このカメラポート１３を貫通する光軸Ｌを有する撮像手段としての通常の２次元カメラ１４は、その焦点が単結晶成長領域Ａに合わされて設置されて、単結晶Ｉｇの育成領域に形成されるメニスカスを撮像するようになっている。
【００２１】
この２次元カメラ１４はＡＤ変換回路１５に接続され、２次元カメラ１４からの結晶直径信号がＡＤ変換回路１５に送信されるようになっている。このＡＤ変換回路１５により結晶直径信号は２値化され、画像処理手段としての画像処理装置１６に送信され、画像処理装置１６により画像処理されて結晶直径データとして出力され制御装置１７に送られるようになっている。
【００２２】
図２に示すように、画像処理装置１６は、２次元カメラ１４からの結晶直径データを処理するカメラ情報演算処理部１６ａと、メモリ１６ｂとを有し、制御装置１７は、一般的なコンピュータが用いられて制御手段をなし、後述する各制御器を制御する制御部１７ａと、テーブルメモリ１７ｂが設けられたメモリ１７ｃとを有し、テーブルメモリ１７ｂには、結晶の形状情報（テール長に対する結晶径の減少量）、その形状にするのに必要な引上げ速度、ヒータ入力、ルツボ回転数、ルツボ上昇速度等の最適な引上げ条件を予め設定し記憶させてある。この最適な引上げ条件の各種のデータ等は、理論上からあるいは過去の経験や実験等によって、種々の結晶形状に対応してそれぞれ求められた最適な値で構成されたものである。
【００２３】
これらを実際に制御するために制御系として、制御装置１７には、シリコン融液の温度を制御するヒータ５の供給電力量を制御するヒータ制御器５ｃ、石英ルツボ３の回転数を制御するモータ制御器６ｃ、石英ルツボ３の高さを制御する昇降装置制御器７ｃ、成長結晶の引上げ速度と回転数を制御するワイヤーリール回転装置制御装置１２ｃなどが接続されて制御され、これら各制御器５ｃ、６ｃ、７ｃ、１２ｃなどを制御して、引上げ条件を変更し、成長結晶の直径を制御する。
【００２４】
なお、単結晶育成工程中、制御装置１７によるこれらの各制御器５ｃ、６ｃ、７ｃ、１２ｃ、アルゴン供給制御装置制御器（図示せず）の制御は、事前に制御装置１７にプログラムされた制御手順に従って行われ、また、必要に応じ制御装置１７に設けられた入力手段（図示せず）からの入力により行われる。また、２次元カメラからの結晶直径データを処理するカメラ情報演算処理部は、画像処理装置に設けられても、制御装置と一体的に形成されてもよい。また、引上げ速度を制御する方法としては、ＰＩＤやファジー制御が有効である。
【００２５】
次に本発明に係わるシリコン単結晶の引上げ方法について説明する。
【００２６】
図１に示すように、ポリシリコンを石英ルツボ３に入れ、プログラム化された育成工程により育成が自動的に行われる。このとき、図３（ａ）に示すように、ネック部育成工程においては、２次元カメラ１４は、ネック成長領域Ａｎ、例えば、石英ルツボ３の中心から３ｍｍ外側に偏位した位置に焦点を合わせ、かつ育成の開始時点から撮像可能な電源ＯＮの状態にしておく。
【００２７】
引上げ準備完了後、図１に示すように、例えばアルゴンガスを炉体２の上方より炉体２内に流入させ、ヒータ５に通電して石英ルツボ３を加熱し、ルツボ回転モータ６に通電してこのルツボ回転モータ６に結合されたルツボ回転軸８を回転させて石英ルツボ３を回転させる。
【００２８】
一定時間が経過した後、ワイヤー１１を下ろし、シード９をシリコン融液Ｍの液面に接触させなじませる。
【００２９】
しかる後、育成を開始し、図３（ａ）のように２次元カメラ１４でネック成長領域Ａｎのネック部Ｎのメニスカスの幅（径）を撮像し、図１及び図２に示すように、２次元カメラ１４の結晶直径画像情報はＡＤ変換回路１５に送信されて２値化され、画像処理装置１６により画像処理され、結晶直径画像データからカメラ情報演算部１６ａにより、直径の正味値が演算され、結晶直径データとして制御装置１７に送られ、この制御部１７ａにより直径が算出され、テーブルメモリ１７ｂに記憶された直径との比較が行われ、制御装置１７により、ヒータ制御器５ｃ、モータ制御器６ｃ、昇降装置制御器７ｃ、及びワイヤー巻取装置制御器１２ｃを制御し、ネックＮが一定の長さ、例えば、３００ｍｍまで育成が継続される。
【００３０】
ネックＮが３００ｍｍになった時点でメモリ１７ｃに組み込まれた工程用のプログラムにより制御装置１７を介してヒータ制御器５ｃ、モータ制御器６ｃ、昇降装置制御器７ｃ、及びワイヤー巻取装置制御器１２ｃを制御し、単結晶の育成は、図３（ｂ）に示すクラウンＣの育成工程に入る。引続き、２次元カメラ１４でクラウン成長領域Ａ_Ｃをモニタし、上記同様に、２次元カメラ１４の結晶直径画像情報に基づき直径が算出され、テーブルメモリ１７ｂに記憶された直径との比較が行われ、制御部１７ｅにより、各制御器５ｃ、６ｃ、７ｃ、１２ｃを制御し、クラウン部Ｃが育成される。
【００３１】
さらに、図３（ｃ）に示すように、直胴部Ｂの育成を行なう。
【００３２】
この直胴部育成工程も、上記ネック部育成工程及びクラウン部育成工程と同様に、２次元カメラ１４により図４に示すようなメニスカスを撮像し、結晶直径画像情報に基づき直径が算出され、テーブルメモリ１７ｂに記憶された直径との比較が行われ、制御部１７ｅにより、各制御器５ｃ、６ｃ、７ｃ、１２ｃを制御し、直胴部Ｂが育成される。
【００３３】
この単結晶Ｉｇの主要部であり最大直径の直胴部Ｂの育成が完了すると、図３（ｄ）に示すように、テール部Ｔの育成が開始される。
【００３４】
このテール部育成工程においては、図７（ａ）に示すテール部Ｔの育成工程初期から、図７（ｂ）に示す中期、図７（ｃ）に示す終期へと徐々にメニスカスが光らなくなり、直接完全な結晶径（メニスカス幅）を撮像することが困難となる。
【００３５】
そこで、図７（ａ）〜図７（ｃ）の各工程において、直接完全なメニスカス幅を撮像することができないため、メニスカスの部分的な円弧形状を撮像し、この撮像した円弧形状を基にして楕円を演算し、この楕円の長径をテール部直径として育成を行なう。
【００３６】
例えば、図５に示すように、２次元カメラ１４により、メニスカスの部分的な円弧形状を撮像し、ＡＤ変換回路１５により２値化し、画像処理装置１６により、図６に示す円弧形状を基にして、この円弧形状線上の３０点（ｎ１、ｎ２…ｎ３０）の画像から測定画像を作成し、この測定画像に対して長径の測定を行い、楕円を演算し、この楕円の長径を演算する。
【００３７】
ここで、単なる楕円算出法を用いると、引上げ工程中、単結晶に振れが発生すると大きな算出誤差が生じるおそれがあり、本発明ではこのような誤差を最小限にするために、平均移動法を用いて算出を行なう。この平均移動法は、例えば、はじめに、３０点の画像を取り込み（ｎ_１、ｎ_２…ｎ_３０）、これから算出される径値の平均を初期データとし、所定時間経過後に１点での算出値をとり（ｎ_３１）、ｎ_２…ｎ_３１の平均値を次データとし、順次ｎ_３…ｎ_３２、ｎ_４…ｎ_３３の平均値をとっていく方法である。
【００３８】
制御装置１７は、演算された楕円の長径を結晶径（Ｄ）とみなし、予め設定されテーブルメモリ１７ｂに記憶された目標径（Ｄ_Ｔ）と比較する。
【００３９】
結晶径（Ｄ）が目標径（Ｄ_Ｔ）に対して許容範囲内であれば、育成を継続し。結晶径（Ｄ）が目標径（Ｄ_Ｔ）よりも小さい場合（Ｄ＜Ｄ_Ｔ）には、制御装置１７により、モータ制御器６ｃ、昇降装置制御器７ｃ、及びワイヤー巻取装置制御器１２ｃを制御して、引上げ速度を減じて、結晶径（Ｄ）が大きくなるように修正する。
【００４０】
また、結晶径（Ｄ）が目標径（Ｄ_Ｔ）よりも大きい場合（Ｄ＞Ｄ_Ｔ）には、制御装置１７により、引上げ速度を増して、結晶径（Ｄ）が小さくなるように修正する。
【００４１】
このように、直接結晶径（幅）を計測できないテール部の育成工程において、１個の２次元カメラにより部分的に撮像可能なメニスカスの円弧形状を基にして楕円を演算し、この楕円の長径をテール部直径とすることにより、結晶径の自動制御が可能となる。また、直胴部育成工程は、完全なメニスカスを撮像して結晶直径画像情報に基づき直径が算出され、テール部の育成工程においては、部分的に撮像可能なメニスカスの円弧形状を基にして楕円を演算し、この楕円の長径をテール部直径とするので、効率よく確実に結晶径の自動制御を行なえる。さらに、１個の２次元カメラしか設置する必要がないので、装置の構造が簡単で安価な単結晶引上げ装置が実現できる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明に係わる単結晶引上げ装置によれば、一般的な撮像手段を用いて、メニスカスを撮像し、これを基にしてテール部の直径の自動制御が容易かつ正確に行なえ、かつ、装置の構造が簡単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概念図。
【図２】本発明に係わる単結晶引上げ装置に用いられる制御回路図。
【図３】本発明に係わる単結晶引上げ方法の工程概念図。
【図４】本発明に係わる単結晶引上げ方法の直胴部の結晶直径撮像状態の概念図。
【図５】本発明に係わる単結晶引上げ方法のテール部育成工程の結晶径制御プロセス図。
【図６】本発明に係わる単結晶引上げ方法のテール部育成工程の結晶径演算方法の概念図。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は、一般的な単結晶引上げ方法のテール部育成工程のメニスカスの撮像状態の概念図。
【図８】従来のチョクラルスキー法を用いた単結晶引上げ装置の概念図。
【符号の説明】
１単結晶引上げ装置
２炉体
２ａショルダー
３石英ルツボ
４黒鉛ルツボ
５ヒータ
５ｃヒータ制御器
６モータ
６ｃモータ制御器
７昇降装置
７ｃ昇降装置制御器
８ルツボ回転軸
９種結晶
１０シードチャック
１１ワイヤー
１２ワイヤー回転装置
１２ｃワイヤーリール回転装置制御装置
１３カメラポート
１４２次元カメラ
１５ＡＤ変換回路
１６画像処理装置
１６ａカメラ情報演算処理部
１６ｂメモリ
１７制御装置
１７ａ制御部
１７ｂテーブルメモリ
１７ｃメモリ

Claims

チャンバ内に設けられたルツボと、この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、育成された単結晶を引上げる結晶引上げ手段と、固液界面に形成されるメニスカスを撮像する撮像手段と、この撮像手段からのメニスカス画像信号を２値化し、画像処理手段を介して入力され前記結晶引上げ手段を制御して単結晶径を制御する制御手段とを有し、種結晶をポリシリコンが溶融された融液に浸漬して単結晶を引上げる単結晶引上げ装置において、単結晶を縮径するテール部の育成工程時、前記撮像手段により前記メニスカスの円弧形状を撮像し、この撮像した円弧形状を基にして前記画像処理手段により平均移動法を用いて楕円を演算し、この楕円の長径をテール部直径として前記制御手段により前記結晶引上げ手段を制御しテール部の育成を行なうことを特徴とする単結晶引上げ装置。
請求項１に記載の単結晶引上げ装置において、上記単結晶を一定の直径で育成する直胴部の育成工程時は、撮像手段によりメニスカスの直径を撮像しこれを直胴部直径として直胴部の育成を行なうことを特徴とする単結晶引上げ装置。
固液界面に形成されるメニスカスを撮像し、メニスカス画像信号を２値化し、画像処理して径情報として入力されて単結晶径を制御するチョクラルスキー法を用いた単結晶引上げ方法において、単結晶を縮径するテール部の育成工程時、メニスカスの円弧形状を撮像し、この撮像した円弧形状を基にして平均移動法を用いて楕円を演算し、この楕円の長径をテール部直径として結晶径の制御を行ないながらテール部の育成を行なうことを特徴とする単結晶引上げ方法。
請求項３に記載の単結晶引上げ方法において、上記単結晶を一定の直径で育成する直胴部の育成工程時は、メニスカスの直径を撮像しこれを直胴部直径として直胴部の育成を行なうことを特徴とする単結晶引上げ方法。