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技術 単結晶直径の検出方法、及びこれを用いた単結晶の製造方法、並びに単結晶製造装置

出願人 信越半導体株式会社
発明者 浦野雅彦増田直樹
出願日 2008年10月21日 (12年2ヶ月経過) 出願番号 2008-271225
公開日 2010年5月6日 (10年7ヶ月経過) 公開番号 2010-100453
状態 特許登録済
技術分野 結晶、結晶のための後処理
主要キーワード 品質ばらつき ヒーターパワー 抵抗加熱式ヒータ 引上ワイヤ 結晶半径 直径制御装置 有底円筒 直径制御
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重要な関連分野

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図面 (10)

課題

単結晶直径検出精度を向上させる検出方法、及びその検出結果に基づいて精度良く直径制御を行い、無欠陥結晶育成歩留まり良く、工業的に安定して育成する単結晶の製造方法及びその製造装置を提供する。

解決手段

チョクラルスキー法により、ルツボ5a内に収容したシリコン融液2から単結晶3を引き上げる際に、単結晶3の直径を検出する方法であって、少なくとも、単結晶3と融液面との接点である単結晶の成長点において単結晶3の直径が最大となる成長点と単結晶3を包囲している炉内構造物10の内径が最大となる基準点との距離を、炉外からカメラ11を用いて測定し、測定した距離と炉内構造物10の内径との差から、単結晶3の直径を算出し、算出して得られた値を単結晶3の直径とする。

概要

背景

近年のCZ法による単結晶無欠陥結晶など高品質化、直径300mm以上の大型化が進んできている。特に、無欠陥結晶の製造においては、炉内の温度勾配の制御が重要である。また、CZ法による結晶育成では、結晶の直径を一定にする必要がある。

従来の単結晶直径検出方法では、直径の片側の位置の変化から、単結晶直径を検出していた。この場合、結晶直径ゼロ点から結晶半径分の全てを捉えないと検出値の正確な調整ができない。このために大口径結晶の場合には、分解能下がり検出誤差も大きかった。

また、この検出方法は、バッチ終了後の炉内清掃の時にカメラへ接触する場合や、チャンバー解体セット時のショックカメラ位置がわずかに変化した場合などは、検出誤差が結晶間バラツキとして現われてしまう。つまり、一本目の結晶製造時に条件を合わせても、次の2本目の結晶では直径が変わってしまい、また、相対的に炉内の温度分布も変わることで、単結晶の品質不良につながっていた。しかし、カメラ位置が変化しなければ再現性があるため、従来はこの方法を用いて直径を検出して結晶直径を制御していた。そのため、直径の制御精度が悪く、炉内の熱環境が変化してしまい、育成した単結晶に思わぬ欠陥が形成されるなど品質不良による歩留まり低下を起こす場合があった。

また,従来のように単結晶の直径を片側のみで検出している場合には、湯面位置によっても、結晶間のバラツキを生じていた。すなわち、湯面の位置が所望位置になければ、育成結晶の直径が引上げ中に変化して、下太りや下細りとなってしまう。下太りしている結晶と下細りしている結晶とでは、結晶長さに対する熱環境が異なり、品質のバラツキにつながっていた。そこで、結晶の直径を安定させるために初期湯面位置を求める方法が提案されている(例えば特許文献1参照)。

しかし、この方法によっても、単結晶の直径のバラツキを解消することは困難であり、設定直径として、バラツキを見込んだ太い設定になっている。そして、これによって歩留まりを低下させる問題が生じていた。

特開平9−235182号公報

概要

単結晶直径の検出精度を向上させる検出方法、及びその検出結果に基づいて精度良く直径制御を行い、無欠陥結晶の育成を歩留まり良く、工業的に安定して育成する単結晶の製造方法及びその製造装置を提供する。チョクラルスキー法により、ルツボ5a内に収容したシリコン融液2から単結晶3を引き上げる際に、単結晶3の直径を検出する方法であって、少なくとも、単結晶3と融液面との接点である単結晶の成長点において単結晶3の直径が最大となる成長点と単結晶3を包囲している炉内構造物10の内径が最大となる基準点との距離を、炉外からカメラ11を用いて測定し、測定した距離と炉内構造物10の内径との差から、単結晶3の直径を算出し、算出して得られた値を単結晶3の直径とする。

目的

本発明は、単結晶直径の検出精度を向上させる検出方法、及びその検出結果に基づいて精度良く直径制御を行い、無欠陥結晶の育成を歩留まり良く、工業的に安定して育成する単結晶の製造方法及びその製造装置を提供することを目的としている。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

チョクラルスキー法により、ルツボ内に収容したシリコン融液から単結晶引き上げる際に、単結晶の直径を検出する方法であって、少なくとも、前記単結晶と融液面との接点である単結晶の成長点において単結晶の直径が最大となる成長点と前記単結晶を包囲している炉内構造物内径が最大となる基準点との距離を、炉外からカメラを用いて測定し、該測定した距離と前記炉内構造物の内径との差から、前記単結晶の直径を算出し、該算出して得られた値を前記単結晶の直径とすることを特徴とする単結晶直径検出方法

請求項2

前記単結晶の直径が最大となる成長点と前記炉内構造物の基準点との距離の測定は、前記単結晶の直径が最大となる成長点に正対するように設置したカメラを用いて行うことを特徴とする請求項1に記載の単結晶直径の検出方法。

請求項3

前記単結晶の直径が最大となる成長点と前記炉内構造物の基準点との距離の測定は、前記単結晶の直径が最大となる成長点の両端に設置した2台のカメラを用いて行うことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の単結晶直径の検出方法。

請求項4

前記単結晶の直径(D)は、前記単結晶の直径が最大となる成長点の両端における一方の成長点と前記炉内構造物の基準点との距離(a)、他方の成長点と前記炉内構造物の基準点との距離(b)、前記炉内構造物の内径(c)を用いて、下記式(1)によって算出することを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の単結晶直径の検出方法。D=c−(a+b)・・・・・(1)

請求項5

前記単結晶の直径(D)は、前記単結晶の直径が最大となる成長点の両端における一方の成長点と前記炉内構造物の基準点との距離(a)、前記炉内構造物の内径(c)を用いて、下記式(2)によって算出することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の単結晶直径の検出方法。D=c−2a・・・・・・・・(2)

請求項6

前記単結晶のコーン部形成時には、コーン部直径検出用の1台のカメラを用いて、前記単結晶の直径の測定を行い、前記単結晶の直胴部形成時には、直胴直径検出用の1台または2台のカメラを用いて、前記単結晶の直径の測定を行うことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の単結晶直径の検出方法。

請求項7

少なくとも、請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の方法により単結晶の直径を検出し、該検出結果に基づいて、前記単結晶の直径を制御しつつ、単結晶を引き上げて製造することを特徴とする単結晶の製造方法。

請求項8

チョクラルスキー法により、ルツボ内に収容したシリコン融液から単結晶を引き上げてシリコン単結晶を製造する単結晶製造装置であって、少なくとも、前記シリコン融液を収容するルツボと、前記単結晶を包囲する炉内構造物と、前記単結晶と融液面との接点である単結晶の成長点において単結晶の直径が最大となる成長点と前記炉内構造物の内径が最大となる基準点との距離を炉外から測定するカメラと、前記単結晶の直径を制御する直径制御装置とを備え、前記カメラで測定した前記単結晶の直径が最大となる成長点と前記炉内構造物の基準点との距離と前記炉内構造物の内径との差から、前記単結晶の直径を算出することで検出し、該検出結果に基づいて、前記直径制御装置によって前記単結晶の直径を制御するものであることを特徴とする単結晶製造装置。

請求項9

前記カメラは、前記単結晶の直径が最大となる成長点に正対するように設置したものであることを特徴とする請求項8に記載の単結晶製造装置。

請求項10

前記カメラは、前記単結晶の直径が最大となる成長点の両端に2台設置したものであることを特徴とする請求項8または請求項9に記載の単結晶製造装置。

請求項11

前記単結晶の直径(D)は、前記単結晶の直径が最大となる成長点の両端における一方の成長点と前記炉内構造物の基準点との距離(a)、他方の成長点と前記炉内構造物の基準点との距離(b)、前記炉内構造物の内径(c)を用いて、下記式(1)によって算出するものであることを特徴とする請求項8ないし請求項10のいずれか1項に記載の単結晶製造装置。D=c−(a+b)・・・・・(1)

請求項12

前記単結晶の直径(D)は、前記単結晶の直径が最大となる成長点の両端における一方の成長点と前記炉内構造物の基準点との距離(a)、前記炉内構造物の内径(c)を用いて、下記式(2)によって算出するものであることを特徴とする請求項8または請求項9に記載の単結晶製造装置。D=c−2a・・・・・・・・(2)

請求項13

前記カメラは、前記単結晶の直胴部形成時の直胴直径検出用に1台または2台設置されたものであり、該カメラの他に、前記単結晶のコーン部形成時のコーン部直径検出用に1台のカメラが設置されたものであることを特徴とする請求項8から請求項12のいずれか1項に記載の単結晶製造装置。

技術分野

0001

本発明は、チョクラルスキー法CZ法)により、ルツボ内に収容したシリコン融液から単結晶引き上げる際に、単結晶の直径を検出する方法及びこれを用いた単結晶の製造方法、並びに単結晶製造装置に関するものである。

背景技術

0002

近年のCZ法による単結晶は無欠陥結晶など高品質化、直径300mm以上の大型化が進んできている。特に、無欠陥結晶の製造においては、炉内の温度勾配の制御が重要である。また、CZ法による結晶育成では、結晶の直径を一定にする必要がある。

0003

従来の単結晶直径検出方法では、直径の片側の位置の変化から、単結晶直径を検出していた。この場合、結晶直径ゼロ点から結晶半径分の全てを捉えないと検出値の正確な調整ができない。このために大口径結晶の場合には、分解能下がり検出誤差も大きかった。

0004

また、この検出方法は、バッチ終了後の炉内清掃の時にカメラへ接触する場合や、チャンバー解体セット時のショックカメラ位置がわずかに変化した場合などは、検出誤差が結晶間バラツキとして現われてしまう。つまり、一本目の結晶製造時に条件を合わせても、次の2本目の結晶では直径が変わってしまい、また、相対的に炉内の温度分布も変わることで、単結晶の品質不良につながっていた。しかし、カメラ位置が変化しなければ再現性があるため、従来はこの方法を用いて直径を検出して結晶直径を制御していた。そのため、直径の制御精度が悪く、炉内の熱環境が変化してしまい、育成した単結晶に思わぬ欠陥が形成されるなど品質不良による歩留まり低下を起こす場合があった。

0005

また,従来のように単結晶の直径を片側のみで検出している場合には、湯面位置によっても、結晶間のバラツキを生じていた。すなわち、湯面の位置が所望位置になければ、育成結晶の直径が引上げ中に変化して、下太りや下細りとなってしまう。下太りしている結晶と下細りしている結晶とでは、結晶長さに対する熱環境が異なり、品質のバラツキにつながっていた。そこで、結晶の直径を安定させるために初期湯面位置を求める方法が提案されている(例えば特許文献1参照)。

0006

しかし、この方法によっても、単結晶の直径のバラツキを解消することは困難であり、設定直径として、バラツキを見込んだ太い設定になっている。そして、これによって歩留まりを低下させる問題が生じていた。

0007

特開平9−235182号公報

発明が解決しようとする課題

0008

本発明は、単結晶直径の検出精度を向上させる検出方法、及びその検出結果に基づいて精度良く直径制御を行い、無欠陥結晶の育成を歩留まり良く、工業的に安定して育成する単結晶の製造方法及びその製造装置を提供することを目的としている。

課題を解決するための手段

0009

上記課題を解決するため、本発明は、チョクラルスキー法により、ルツボ内に収容したシリコン融液から単結晶を引き上げる際に、単結晶の直径を検出する方法であって、少なくとも、前記単結晶と融液面との接点である単結晶の成長点において単結晶の直径が最大となる成長点と前記単結晶を包囲している炉内構造物内径が最大となる基準点との距離を、炉外からカメラを用いて測定し、該測定した距離と前記炉内構造物の内径との差から、前記単結晶の直径を算出し、該算出して得られた値を前記単結晶の直径とすることを特徴とする単結晶直径の検出方法を提供する(請求項1)。

0010

このように、単結晶の直径が最大となる成長点と炉内構造物の基準点との距離を炉外からカメラで測定し、測定した距離と炉内構造物の内径との差から、単結晶の直径を算出し、算出して得られた値を単結晶の直径とすることで、直接、単結晶の直径を検出する場合と比較して、検出の分解能が向上し、精度良く直径を検出することができる。そのため、大口径単結晶の直径の検出精度を向上することができ、単結晶の歩留まりの向上と品質ばらつきの低減を達成することができる。

0011

また、本発明の検出方法では、前記単結晶の直径が最大となる成長点と前記炉内構造物の基準点との距離の測定は、前記単結晶の直径が最大となる成長点に正対するように設置したカメラを用いて行うことが好ましい(請求項2)。
これにより、単結晶の直径が最大となる成長点は、測定方向が直角となるカメラによって測定される。そのため、測定した単結晶の直径が最大となる成長点と炉内構造物の基準点との距離を用いて、単結晶の直径を算出する際に近似する必要がなく、より正確に単結晶の直径を検出することができる。

0012

また、本発明の検出方法では、前記単結晶の直径が最大となる成長点と前記炉内構造物の基準点との距離の測定は、前記単結晶の直径が最大となる成長点の両端に設置した2台のカメラを用いて行うことが好ましい(請求項3)。
これにより、単結晶の成長点の両端に設置した2台のカメラを用いて、単結晶の成長点の両端と炉内構造物の基準点とのそれぞれの距離を測定することができる。そのため、測定したそれぞれの距離を用いることで、単結晶の直径をより正確に検出することができる。

0013

また、本発明の検出方法では、前記単結晶の直径(D)は、前記単結晶の直径が最大となる成長点の両端における一方の成長点と前記炉内構造物の基準点との距離(a)、他方の成長点と前記炉内構造物の基準点との距離(b)、前記炉内構造物の内径(c)を用いて、下記式(1)によって算出することができる(請求項4)。
D=c−(a+b)・・・・・(1)
このような式(1)により単結晶の直径を算出することで、間接的にまた容易に単結晶の直径を検出することができる。また、2台のカメラで測定した距離を用いて、式(1)により単結晶の直径を算出することで、より精度良く単結晶の直径を検出することができる。

0014

さらに、本発明の検出方法では、前記単結晶の直径(D)は、前記単結晶の直径が最大となる成長点の両端における一方の成長点と前記炉内構造物の基準点との距離(a)、前記炉内構造物の内径(c)を用いて、下記式(2)によって算出することができる(請求項5)。
D=c−2a・・・・・・・・(2)
このような式(2)により単結晶の直径を算出することで、1台のカメラで測定した単結晶の直径が最大となる成長点と炉内構造物の基準点との距離を用いて、間接的にまた容易に単結晶の直径を検出することができる。

0015

また、前記単結晶のコーン部形成時には、コーン部直径検出用の1台のカメラを用いて、前記単結晶の直径の測定を行い、前記単結晶の直胴部形成時には、直胴直径検出用の1台または2台のカメラを用いて、前記単結晶の直径の測定を行うことができる(請求項6)。
このように、単結晶のコーン部形成時と直胴部形成時において、異なるカメラを用いて単結晶の直径を測定することで、直胴部形成時の直径の検出分解能を向上することができる。また、測定視野の狭いカメラを用いて測定した場合であっても、大口径の単結晶の直径を確実に精度良く検出することができる。

0016

また、少なくとも、上記のいずれかに記載の方法により単結晶の直径を検出し、該検出結果に基づいて、前記単結晶の直径を制御しつつ、単結晶を引き上げて製造することを特徴とする単結晶の製造方法を提供する(請求項7)。
前述のように、本発明の単結晶直径の検出方法によれば、大口径の単結晶の直径を精度良く検出することができる。そして、本発明では、この検出結果に基づいて、高精度に単結晶の直径を制御することができるため、たとえば無欠陥結晶の育成を歩留まり良く工業的に安定して育成することができ、所望の高品質のシリコン単結晶を効率的に高い生産性で製造することができる。

0017

さらに、本発明は、チョクラルスキー法により、ルツボ内に収容したシリコン融液から単結晶を引き上げてシリコン単結晶を製造する単結晶製造装置であって、少なくとも、前記シリコン融液を収容するルツボと、前記単結晶を包囲する炉内構造物と、前記単結晶と融液面との接点である単結晶の成長点において単結晶の直径が最大となる成長点と前記炉内構造物の内径が最大となる基準点との距離を炉外から測定するカメラと、前記単結晶の直径を制御する直径制御装置とを備え、前記カメラで測定した前記単結晶の直径が最大となる成長点と前記炉内構造物の基準点との距離と前記炉内構造物の内径との差から、前記単結晶の直径を算出することで検出し、該検出結果に基づいて、前記直径制御装置によって前記単結晶の直径を制御するものであることを特徴とする単結晶製造装置を提供する(請求項8)。

0018

このように、本発明の単結晶製造装置は、単結晶の直径が最大となる成長点と炉内構造物の基準点との距離を炉外からカメラで測定し、測定した距離と炉内構造物の内径との差から、単結晶の直径を算出することで検出し、この検出結果に基づいて、単結晶の直径を制御するものである。そのため、直接、単結晶の直径を検出する場合と比較して、検出の分解能が向上し、精度良く直径を検出することができる。また、大口径の直径の検出精度も向上することができ、単結晶の歩留まりの向上と品質ばらつきの低減を達成することができる装置とすることができる。

0019

また、本発明の製造装置では、前記カメラは、前記単結晶の直径が最大となる成長点に正対するように設置したものであることが好ましい(請求項9)。
これにより、カメラは、単結晶の直径が最大となる成長点に対して直角のところに位置する。そのため、測定した単結晶の直径が最大となる成長点と炉内構造物の基準点との距離を用いて、単結晶の直径を算出する際に近似する必要がなく、より正確に単結晶の直径を検出することができる装置とすることができる。

0020

また、本発明の製造装置では、前記カメラは、前記単結晶の直径が最大となる成長点の両端に2台設置したものであることが好ましい(請求項10)。
これにより、単結晶の成長点の両端に設置した2台のカメラを用いて、単結晶の成長点の両端と炉内構造物の基準点とのそれぞれの距離を測定することができる。そのため、測定したそれぞれの距離を用いることで、単結晶の直径をより正確に検出することができる装置とすることができる。

0021

また、本発明の製造装置では、前記単結晶の直径(D)は、前記単結晶の直径が最大となる成長点の両端における一方の成長点と前記炉内構造物の基準点との距離(a)、他方の成長点と前記炉内構造物の基準点との距離(b)、前記炉内構造物の内径(c)を用いて、下記式(1)によって算出するものであることが好ましい(請求項11)。
D=c−(a+b)・・・・・(1)
このような式(1)により単結晶の直径を算出することで、間接的にまた容易に単結晶の直径を検出することができる装置とすることができる。また、2台のカメラで測定した距離を用いて、式(1)により単結晶の直径を算出することで、より精度良く単結晶の直径を検出することができる装置とすることができる。

0022

また、本発明の製造装置では、前記単結晶の直径(D)は、前記単結晶の直径が最大となる成長点の両端における一方の成長点と前記炉内構造物の基準点との距離(a)、前記炉内構造物の内径(c)を用いて、下記式(2)によって算出するものであることができる(請求項12)。
D=c−2a・・・・・・・・(2)
このような式(2)により単結晶の直径を算出することで、1台のカメラで測定した単結晶の直径が最大となる成長点と炉内構造物の基準点との距離を用いて、間接的にまた容易に単結晶の直径を検出することができる装置とすることができる。

0023

また、本発明の製造装置では、前記カメラは、前記単結晶の直胴部形成時の直胴直径検出用に1台または2台設置されたものであり、該カメラの他に、前記単結晶のコーン部形成時のコーン部直径検出用に1台のカメラが設置されたものであることが好ましい(請求項13)。
このように、単結晶のコーン部直径検出用と直胴直径検出用として、用途別にカメラが設置されていることで、直胴部形成時の直径の検出分解能を向上することができ、大口径の単結晶の直径を精度良く検出することができる装置とすることができる。また、用途に関係なく1台のカメラで単結晶の直径を測定する場合と比較して、測定視野の狭いカメラを設置することが可能である。

発明の効果

0024

以上説明したように、本発明の単結晶直径の検出方法によれば、大口径の単結晶の直径を精度良く検出することができる。そして、この検出結果に基づいて、高精度に単結晶の直径を制御することが可能である。そのため、たとえば無欠陥結晶の育成を歩留まり良く工業的に安定して育成することができ、所望の高品質のシリコン単結晶を効率的に高い生産性で製造することができる。

発明を実施するための最良の形態

0025

以下、本発明についてより具体的に説明する。
前述のように、従来は、単結晶直径の片側の位置の変化から、単結晶直径を検出していたが、この方法であると単結晶直径はゼロ点から結晶半径分の全てを捉えないと検出値の正確な調整ができないため、大口径の単結晶の場合には、分解能が下がり検出誤差も大きいという問題があった。

0026

そこで、本発明者らは、単結晶の直径のゼロ点から半径分の全てを捉えるのではなく、もっと狭い範囲を測定することで単結晶直径の検出することができれば、検出の分解能が向上できることに想到し、単結晶の直径が最大となる成長点と炉内構造物の内径が最大となる基準点との距離をカメラで測定し、測定した距離と既知である炉内構造物の内径との差から、単結晶の直径を算出することを試みた。

0027

その結果、算出した単結晶の直径は、実際の単結晶の直径に一致することがわかった。
そして、カメラを2台使用すると、単結晶の直径(D)は、単結晶の直径が最大となる成長点の両端における一方の成長点と炉内構造物の基準点との距離(a)、他方の成長点と炉内構造物の基準点との距離(b)、炉内構造物の内径(c)を用いて、下記式(1)によって算出することができることもわかった。
D=c−(a+b)・・・・・(1)

0028

さらに、カメラが1台の場合であっても、単結晶の直径(D)は、単結晶の直径が最大となる成長点の両端における一方の成長点と炉内構造物の基準点との距離(a)、炉内構造物の内径(c)を用いて、下記式(2)によって算出することができることもわかった。
D=c−2a・・・・・・・・(2)

0029

本発明は、上記の発見に基づいて完成されたものであり、以下、本発明について図面を参照しながらさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
図1は本発明の単結晶の製造装置の一例を示す概略図である。

0030

この単結晶製造装置20は、中空円筒状のチャンバー1を具備し、その中心部にルツボ5が配設されている。このルツボは二重構造であり、有底円筒状をなす石英製の内側保持容器(以下、単に「石英ルツボ5a」という)と、その石英ルツボ5aの外側を保持すべく適合された同じく有底円筒状の黒鉛製の外側保持容器(「黒鉛ルツボ5b」)とから構成されている。

0031

これらのルツボ5は、回転および昇降が可能になるように支持軸6の上端部に固定されていて、ルツボの外側には抵抗加熱式ヒーター8が概ね同心円状に配設されている。さらに、ヒーター8の外側周辺には断熱材9が同心円状に配設されている。そして、ヒーター8により、シリコン原料溶融したシリコン融液2がルツボ内に収容されている。

0032

シリコン融液2を充填したルツボ5の中心軸には、支持軸6と同一軸上で逆方向または同方向に所定の速度で回転する引上ワイヤー(または引上シャフト、以下両者を合わせて「引上軸7」という)が配設され、引上軸7の下端には種結晶4が保持されている。そして、種結晶4の下端面にはシリコン単結晶3が形成される。

0033

さらに、単結晶製造装置20は、シリコン単結晶3を包囲する炉内構造物10と、単結晶3と融液面との接点である単結晶の成長点と炉内構造物10との距離を炉外から測定するカメラ11と、単結晶3の直径を制御する直径制御装置12とを具備する。

0034

この直径制御装置12は、カメラ11を用いた単結晶の直径の検出結果に応じて、支持軸6および引上軸7あるいはヒーター8に信号を出力して、ルツボ位置、ルツボ上昇速度、種結晶位置、引上速度、あるいはヒーターパワー等を制御することで、単結晶の直径を制御する。

0035

単結晶製造装置20は、単結晶3の直径が最大となる成長点と炉内構造物10の内径が最大となる基準点との距離を炉外からカメラ11で測定し、測定した距離と炉内構造物10の内径の差から単結晶3の直径を算出することで検出し、この検出結果に基づいて、直径制御装置12によって単結晶3の直径を制御するものである。従って、直接、単結晶の直径を検出する場合と比較して、検出の分解能が向上し、精度良く直径を検出することができる。そのため、大口径の直径の検出精度も向上することができ、単結晶の歩留まりの向上と品質ばらつきの低減を達成することができる装置とすることができる。

0036

この場合、上記製造装置は、カメラを単結晶の直径が最大となる成長点の位置に正対するように設置したものであることが好ましい。
ここで、図2は本発明における単結晶とカメラとの上面構成例を模式的に示す図である。図2のように、単結晶の直径が最大となる成長点は、カメラの撮影方向から直角のところに位置する。そのため、測定した単結晶の直径が最大となる成長点と炉内構造物の基準点との距離を用いて、単結晶の直径を算出する際に近似する必要がなく、より正確に単結晶の直径を検出することができる

0037

また、上記製造装置では、図2のように、単結晶の直径が最大となる成長点の両端にカメラを2台設置することができる。
そして、2台のカメラで測定した距離のうち、単結晶の直径が最大となる成長点の両端における一方の成長点と炉内構造物の基準点との距離(a)、他方の成長点と炉内構造物の基準点との距離(b)として、さらに炉内構造物の内径(c)を用いて、下記式(1)によって単結晶の直径(D)を算出することができる。炉内構造物の内径(c)は、用いた炉内構造物の内径であるので、予め知ることができる。
D=c−(a+b)・・・・・(1)

0038

このような式(1)により単結晶の直径を算出することで、間接的にまた容易に単結晶の直径を検出することができる。また、2台のカメラで測定した距離を用いて、式(1)により単結晶の直径を算出することで、より精度良く単結晶の直径を検出することができる装置とすることができる。

0039

さらに、上記製造装置では、カメラを1台とすることもできる。
この場合、単結晶の直径(D)は、単結晶の直径が最大となる成長点の両端における一方の成長点と炉内構造物の基準点との距離(a)、炉内構造物の内径(c)を用いて、下記式(2)によって算出することができる。
D=c−2a・・・・・・・・(2)

0040

このような式(2)により単結晶の直径を算出することで、2台のカメラを使用しなくても、間接的にまた容易に単結晶の直径を検出することができる。

0041

また、上記製造装置では、単結晶の直胴部形成時の直胴直径検出用に上記のように1台または2台のカメラを設置し、さらに、これとは別に単結晶のコーン部形成時のコーン部直径検出用に1台のカメラを設置することもできる。
このように、単結晶のコーン部直径検出用と直胴直径検出用として、用途別にカメラが設置されることで、直胴部形成時の直径の検出分解能を向上することができ、大口径の単結晶の直径を精度良く検出することができる装置とすることができる。また、用途に関係なく1台のカメラで単結晶の直径を測定する場合と比較して、測定視野の狭いカメラを設置することが可能である。

0042

本発明では、例えばこのような単結晶の製造装置を用いて、CZ(チョクラスキー)法によりルツボ内の融液からシリコン単結晶を引上げる際に、次のように、単結晶の直径を検出する。

0043

まず、単結晶の直径が最大となる成長点と炉内構造物の内径が最大となる基準点との距離を、炉外からカメラを用いて測定する。ここで、図3は本発明の単結晶製造装置のカメラの測定範囲を示す図である。図3における距離a、bは、カメラを用いて測定した距離である。そして、その測定した距離と炉内構造物の内径との差から、単結晶の直径を算出する。これにより、得られた値を単結晶の直径として、間接的に検出することができる。

0044

また、単結晶の直径が最大となる成長点と炉内構造物の基準点との距離の測定は、図2に示すように、単結晶の直径が最大となる成長点の位置に正対するように設置したカメラを用いて行うことが好ましい。
これにより、単結晶の直径が最大となる成長点は、測定方向が直角となるカメラによって測定される。そのため、測定した単結晶の直径が最大となる成長点と炉内構造物の基準点との距離を用いて、単結晶の直径を算出する際に近似する必要がなく、より正確に単結晶の直径を検出することができる。

0045

さらに、単結晶の直径が最大となる成長点の両端に設置した2台のカメラを用いて測定することもできる。具体的には、図2のように、単結晶の直径が最大となる成長点の両端の位置にそれぞれ正対するように設置した2台のカメラを用いて測定を行い、この2台のカメラで測定された各距離a、bを用いて、単結晶の直径を算出する。

0046

図2および図3における距離a、bのうち、単結晶の直径が最大となる成長点の両端における一方の成長点と炉内構造物の基準点との距離を(a)、他方の成長点と炉内構造物の基準点との距離(b)とすると、炉内構造物の内径(c)を用いて、下記式(1)によって単結晶の直径(D)を算出することができる。
D=c−(a+b)・・・・・(1)

0047

このような式(1)により単結晶の直径を算出することで、間接的にまた容易に単結晶の直径を検出することができる。また、2台のカメラで測定した距離を用いて、式(1)により単結晶の直径を算出することで、より精度良く単結晶の直径を検出することができる。

0048

また、単結晶の直径が最大となる成長点と炉内構造物の基準点との距離の測定は、1台のカメラで行うことができる。
この場合、単結晶の直径(D)は、単結晶の直径が最大となる成長点の両端における一方の成長点と炉内構造物の基準点との距離(a)、炉内構造物の内径(c)を用いて、下記式(2)によって算出することができる。
D=c−2a・・・・・・・・(2)

0049

このような式(2)により単結晶の直径を算出することで、2台のカメラを使用しなくても、間接的にまた容易に単結晶の直径を検出することができる。

0050

また、単結晶のコーン部形成時には、コーン部直径検出用の1台のカメラを用いて、単結晶の直径の測定を行い、単結晶の直胴部形成時には、直胴直径検出用の1台または2台のカメラを用いて、単結晶の直径の測定を行うこともできる。
このように、単結晶のコーン部形成時と直胴部形成時において、異なるカメラを用いて単結晶の直径を測定することで、直胴部形成時の直径の検出分解能を向上することができる。また、測定視野の狭いカメラを用いて測定した場合であっても、大口径の単結晶の直径を精度良く検出することができる。

0051

そして、このように単結晶の直径を検出することで、大口径の単結晶の直径を精度良く検出することができる。そして、この検出結果に基づいて、単結晶の直径を制御しつつ、単結晶を引き上げることで、たとえば、高精度の直径制御が必要な無欠陥結晶の育成を歩留まり良く工業的に安定して育成することができ、所望の高品質のシリコン単結晶を効率的に高い生産性で製造することができる。

0052

次に本発明の実施例、比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
(実施例)
図1に示すような単結晶製造装置を用いて、ルツボ内にシリコン原料を充填し、そのシリコン原料をヒーターで溶解して、シリコン融液とした。そして、図2に示すように2台のカメラを使用して単結晶直径を検出し、その検出結果に基づいて、単結晶直径を制御しつつ、直径300mmのシリコン単結晶を引上げて製造した。その後、製造した単結晶の直径を炉外に出して実際に測定した。ここで、図4に単結晶の実直径と検出結果を示す。

0053

図4より、単結晶の引上げ時における単結晶直径の検出結果と実際の単結晶直径とは、ほぼ同じになり、誤差は最大でも0.5mmφであった。
また、得られたシリコン単結晶の欠陥測定をしたところ、所望の無欠陥結晶が得られ、高品質のシリコン単結晶を効率的に高い生産性で製造することができた。

0054

また、このときの湯面の位置変化について、図5に概略図を示す。湯面が変化した場合、単結晶直径が変化しないときでも、図5のように、単結晶の成長点は、縦方向に移動してしまう。しかし、横方向、すなわち成長点と炉内構造物との距離は変化していないことがわかる。このように、カメラを単結晶の直径が最大となる成長点の位置に正対するように設置することにより、横方向の変化は実際の単結晶の直径の変化のみを反映するようになる。このことにより、本発明では湯面の位置変化は、単結晶直径の検出に影響しないことがわかる。

0055

さらに、2台のカメラを用いて、単結晶の成長点の両端を測定したために、引上げワイヤー振れても、片側の検出が大きくなると反対側の検出が小さくなり、ワイヤー振れによる測定誤差キャンセルすることができ、単結晶直径の検出に影響しないと考えられる。

0056

また、このときの単結晶直径の検出に使用したカメラの測定視野は、100mmであった。表1にカメラの測定視野長、カメラの検出直径、カメラの検出値(bit)との関係を示す。

0057

0058

表1より、カメラの測定視野長が0mmのとき、カメラの検出直径は250mmφであり、カメラの検出値は0bitである。また、炉内構造物の基準点をカメラの測定視野に入れるため、カメラの測定視野長を100mmとし、このときのカメラの最大検出直径は450mmφとなり、カメラの検出値は4000bitである。従って、この場合の単結晶直径の検出分解能は、単結晶直径の差200mmφ(=450mmφ−250mmφ)とカメラの検出値4000bit(=4000bit−0bit)から、200mmφ/4000bit=0.05mmφ/bitである。

0059

(比較例)
従来の単結晶製造装置を用いて、ルツボ内にシリコン原料を充填し、そのシリコン原料をヒーターで溶解して、シリコン融液とした。そして、実施例と異なり、1台のカメラを使用して結晶成長点の位置変化から単結晶直径の検出し、その検出結果に基づいて、単結晶直径を制御しつつ、直径300mmのシリコン単結晶を引上げて製造した。その後、製造した単結晶の直径を炉外に出して実際に測定した。図6に単結晶の実直径と検出結果を示す。また、図7は単結晶とカメラとの上面構成例を模式的に示す図である。

0060

図6より、単結晶直径の検出結果はほぼ一定の検出直径になっているが、実直径は引き上げが進むほど太くなる下太りの状況になっていて、最大誤差は3.0mmφであった。
これは湯面位置の変化による測定誤差が原因と考えられる。
また、得られたシリコン単結晶の欠陥測定をしたところ、所望の無欠陥結晶をほとんど得ることはできなかった。

0061

ここで、このときの湯面の位置変化について、図8に概略図を示す。また、図9は単結晶製造装置のカメラの測定範囲を示す図である。図8のように、カメラの設置角度を45度とした場合、湯面が1mm変化すると単結晶の直径は2mmφ変化する。すなわち、湯面が1mm下降した場合には、単結晶の実直径は2mmφ細く制御される。これは、図9のようにカメラが単結晶の片側だけを測定し、その湯面の位置変化により単結晶直径の検出値が影響されているためと考えられる。

0062

さらに、1台のカメラを用いて単結晶の片側だけを測定したために、単結晶の引き上げ中に引上げワイヤーが振れて湯面の位置が変化すると、その位置変化がそのまま単結晶直径の検出に影響して誤差を生じたと考えられる。

0063

このとき、単結晶直径の検出に使用したカメラの測定視野は、図7に示すように200mmであった。表2にカメラの測定視野長、カメラの検出直径、カメラの検出値(bit)との関係を示す。

0064

0065

表2より、カメラの測定視野長が0mmのとき、カメラの検出直径は0mmφであり、カメラの検出値は0bitである。また、カメラの測定視野長が200mmのとき、カメラの検出直径は400mmφであり、カメラの検出値は4000bitである。従って、この場合の単結晶直径の検出分解能は、単結晶直径の差400mmφ(=400mmφ−0mmφ)とカメラの検出値4000bit(=4000bit−0bit)から、400mmφ/4000bit=0.1mmφ/bitである。

0066

上より、実施例では、単結晶の直胴部の始めから終わりまで、最大0.5mmφの範囲内の誤差で単結晶直径を安定して検出することができ、所望の無欠陥結晶を得ることができたが、比較例では、単結晶直径の検出誤差が最大3.0mmφと大きく、所望の無欠陥結晶を得ることができないことがわかる。また、実施例の検出分解能は0.05mmφ/bitであり、比較例の0.1mmφ/bitよりも向上していることがわかる。

0067

このように、本発明の単結晶直径の検出方法によれば、大口径の単結晶の直径を精度良く検出することができる。そして、本発明の単結晶の製造方法及び単結晶製造装置によれば、精度良く単結晶の直径を検出し、その検出結果に基づいて、単結晶の直径を制御しつつ、単結晶を引き上げることができるため、高精度に単結晶の直径を制御することができるため、たとえば無欠陥結晶の育成を歩留まり良く工業的に安定して育成することができ、所望の高品質のシリコン単結晶を効率的に高い生産性で製造することができる。

0068

尚、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

図面の簡単な説明

0069

本発明の単結晶製造装置の一例を示す概略図である。
本発明における単結晶とカメラとの上面構成例を模式的に示す図である。
本発明の単結晶製造装置のカメラの測定範囲を示す図である。
実施例における単結晶の実直径と検出結果を示す図である。
実施例における湯面の位置変化について示す概略図である。
比較例における単結晶の実直径と検出結果を示す図である。
比較例における単結晶とカメラとの上面構成例を模式的に示す図である。
比較例における湯面の位置変化の影響について示す概略図である。
比較例の単結晶製造装置のカメラの測定範囲を示す図である。

符号の説明

0070

1…チャンバー、 2…シリコン融液、 3…シリコン単結晶、 4…種結晶、 5…ルツボ、 5a…石英ルツボ、 5b…黒鉛ルツボ、 6…支持軸、 7…引上軸、 8…ヒーター、 9…断熱材、 10…炉内構造物、 11…カメラ、 12…直径制御装置、 20…単結晶製造装置。

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