JPH04218705A - シリコン単結晶の直径計測方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はシリコン単結晶の直径計
測方法及び装置、特にるつぼに対して相対的に回転させ
ながらシリコン単結晶を連続的に製造する結晶引上げ中
に引上げ単結晶の直径を計測するシリコン単結晶の直径
計測方法及び装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図２はシリコン等の半導体単結晶の製造
方法としてよく知られているチヨクラルスキー法による
単結晶製造装置を示す模式説明図である。なお、チヨク
ラルスキー法は広くＣＺ法と称され、また一般には結晶
引上げ法と呼称されている。

【０００３】図において、シリコン単結晶を製造する場
合、るつぼ２にはヒータ４によって加熱熔融されたシリ
コン融液３が入っていて、そこから図示しない回転機構
によりシリコン単結晶１をるつぼ２の回転方向と逆方向
に回転させながら、引上げ装置９で徐々に引上げ、シリ
コン融液３とシリコン単結晶１との界面領域で結晶成長
させるようになっている。このシリコン単結晶１は種結
晶１ａから結晶成長して育成され、種結晶１ａは引上げ
装置７に接続する種結晶ホルダ６によって支持されてい
る。このような成長中のシリコン単結晶１を以下の説明
では引上げ単結晶と呼称している。また、引上げ装置７
はシリコン単結晶１を上下する機構と回転する機構を備
えており、モータコントローラ８、引上げモータ９その
他によって構成されているが、よく知られている装置で
あるので、その構造の詳細説明は省略する。るつぼ２は
上述の回転機構のほか図示しない上下機構によって支持
されており、この上下機構により例えば結晶が成長して
も融液面は下降せずに一定に保たれるようになっていて
、融液面付近の温度分布を変化させないような工夫が施
されている。

【０００４】ＣＺ法により製造された引上げ単結晶１は
、のちに円柱状のシリコン単結晶インゴットに仕上げら
れるので、引上げ単結晶１はボディー部全体にわたって
ほぼ同一直径で引上げられることが要求される。そのた
め、ビデオメジャー５等の光学的手段で引上げ単結晶１
の直径を引上げ中に直接計測して、直径を目標値に保つ
ように引上げ速度を調整しながら引上げるようになって
いる。この場合、光学的手段は結晶引上げ装置に固定さ
れていて、引上げ単結晶１と融液面との境界にみられる
フュージョンリングを斜め上方から一本の計測線で測定
して直接引上げ単結晶１の直径を計測している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来のシ
リコン単結晶の直径計測方法及び計測装置では、直径計
測用の光学的手段がシリコン単結晶製造装置に固定され
ており、フュージョンリングを斜め上方から１本の計測
線で測定しているので、この直径計測値には引上げ単結
晶の回転及びるつぼの回転の影響を受け、低周波ノイズ
が重畳している。重畳したノイズは測定値の誤差を大き
くする。また、図３の模式説明図に示すように、引上げ
単結晶１は晶癖線１３の影響によって真円形ではないた
め、これを回転させながら引上げると、例えば時分割測
定（サンプリング）のあるタイミングではＡ方向を、次
のタイミングではＢ方向の直径を計測した場合、Ａ方向
に関しては直径に変化がないとしても、計測上は直径に
変化が生じたことになってしまう。さらには、電気的な
影響で高周波ノイズが計測値に重なることは避けられな
い。このため、上記の３つの因子の重なりによって引上
げ単結晶の直径計測値はばらつきが大きくなり、不安定
かつ不確実なものとなってしまう。

【０００６】例えば、上記のような不確実な直径計測値
のデータを直径制御に用いた場合、引上げ単結晶の直径
を一定に保つため引上げ速度を変化させることになる。 しかし、実際に引上げ単結晶の直径は変化していない場
合には無意味な制御操作となってしまうだけでなく、こ
のデータにもとづいて制御を行うと誤った制御を実行し
てしまうという不都合が発生する。

【０００７】本発明は上述の課題を解決するためになさ
れたもので、光学的手段の出力に改良を加えることによ
り、直径計測値の不要な測定誤差を除去して真の直径値
を計測するシリコン単結晶の直径計測方法と装置を提供
することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係るシリコン単
結晶の直径計測方法は、ＣＺ法により引上げ中の引上げ
単結晶の所定回転周期毎に光学的手段によりフュージョ
ンリングの輝度分布を時分割して引上げ単結晶の直径計
測値を測定し、この直径計測値をローパスフィルタで処
理して時系列直径データに変換したフィルタ出力値を出
力し、この出力値を移動平均して直径値を算出するもの
である。

【０００９】また、本発明に係るシリコン単結晶の直径
計測装置は、ＣＺ法により引上げ中の引上げ単結晶の所
定回転周期毎にフュージョンリングの輝度分布を時分割
計測して上記引上げ単結晶の直径計測値を出力する光学
的手段と、この直径計測値の低周波成分を濾波して時系
列データに変換したフィルタ出力値を出力するローパス
フィルタと、このフィルタ出力値を移動平均して引上げ
単結晶の直径値を算出する演算装置とを有するものであ
る。

【００１０】そして、上記のシリコン単結晶の直径計測
方法及び装置に用いるローパスフィルタは、ｎ番目の計
測値をＸｎ　，フィルタのｎ番目の出力値をＹｎ　とす
ると、フィルタｎ−１番目の出力値を用いて以下の式［
１］のように記述できる再帰型低域数値フィルタである
。

【００１１】

【数５】

【００１２】 Ｙｎ　＝（１−Ａ）・Ｘｎ　＋Ａ・Ｙｎ−１　　　　　
　　…［１］ただし、Ａ＝ｅｘｐ　（−２π・Δｔ・ｆ
ｃ　）また、上記シリコン単結晶の直径計測方法及び装
置における移動平均は、ローパスフィルタの出力値Ｙｎ
　をシリコン単結晶の所定回転分（ｍ個）用いて、シリ
コン直径値Ｚｎ　を以下の式［２］によって計算するも
のである。

【００１３】

【数６】

【００１４】

【００１５】

【作用】本発明によるシリコン単結晶の直径計測方法及
び装置においては、第３図で示したような主に晶癖線の
存在によって真円形でない引上げ単結晶を、初めに所定
回転周期（例えば１回転）毎に、光学的手段によって複
数回（例えば数１０回）の時分割によって多方向から測
定して直径計測値を計測し、この直径計測値の信号をロ
ーパスフィルタを通したのち、移動平均法により直径値
を算出するようになっている。したがって、ローパスフ
ィルタを通った直径計測値信号は電気的影響による高周
波ノイズ成分が除去され、次いで演算される移動平均に
よって引上げ単結晶の回転及びるつぼの回転の影響によ
る低周波ノイズがカットされるので、測定誤差の小さい
なめらかな直径値データが得られる。このようにして、
引上げ単結晶の引上げ方向の全域であらゆる方向の直径
計測値に対して過小評価乃至過大評価することがなくな
り、直径値の信頼性が高められる。

【００１６】

【実施例】図１は本発明によるシリコン単結晶の直径計
測装置の一実施例を示す模式構成図である。以下、図１
の実施例装置の構成と、この装置を用いた本発明による
直径計測方法の一実施例について説明する。

【００１７】図１において、１〜９の部分符号は図２の
従来装置で用いたものと同一又は相当部分を示し、その
説明は省略する。１０はビデオメジャー５の時分割出力
の直径計測値Ｘの高周波ノイズ成分を除去してフィルタ
出力値Ｙを出力するローパスフィルタであり、１１は時
系列のフィルタ出力値を移動平均して低周波ノイズ成分
を除去した直径値Ｚを出力する直径演算部である。また
、１２は直径値Ｚにもとづいて表示を行う直径表示部で
ある。なお、ローパスフィルタ１０は再帰型低域数値フ
ィルタである。以上説明したようにして、シリコン単結
晶の直径計測装置２０が構成される。

【００１８】上述のような構成からなるシリコン単結晶
の直径計測装置は、図２の従来の結晶引上げ装置にロー
パスフィルタ１０、直径演算部１１その他を付加したも
のであり、以下に示す直径計測方法を実行することによ
り、光学的手段による直径計測値に不可避な測定誤差成
分を除去して、信頼性の高い直径値を得ることを特徴と
するものである。

【００１９】つぎに、本発明による直径計測方法の一実
施例について、ローパスフィルタ１０及び直径演算部１
１におけるアルゴリズム（算法）を説明する。基本的に
は従来の光学的手段の光学式カメラであるビデオメジャ
ー５で計測される直径計測値Ｘを用いている。図１の実
施例に示したように、時分割して計測されるｎ番目の直
径計測値Ｘｎ　を再帰型のローパスフィルタ１０を通す
ことにより高周波ノイズのない直径データとして式［１
］に示すフィルタ出力値Ｙｎ　を出力する。なお、式［
１］においてＹｎ−１　はｎ−１番目のフィルタ出力値
である。

【００２０】

【数７】

【００２１】 Ｙｎ　＝（１−Ａ）・Ｘｎ　＋Ａ・Ｙｎ−１　　　　　
　　…［１］ただし、Ａ＝ｅｘｐ　（−２π・Δｔ・ｆ
ｃ　）ここで、フィルタ出力値Ｙｎ　は、直径演算部１
１内の図示しないメモリに格納される。格納の様子を図
４の模式図に示す。メモリ容量は数１００回転分（ｍ個
）のＹｎ　を格納できるものであり、図４にみられるよ
うにｎ回目からｎ＋１回目の計測のようにＹｎ　が計測
される度に順次更新され、最も古い直径データが削除さ
れていくようになっている。つまり最新のｍ個の直径時
系列データをメモリに格納している。

【００２２】ついで、この直径時系列データＹｎ　を直
径演算部１１において、式［２］に示す移動平均を行っ
て真の直径値Ｚｎ　を求めて出力する。

【００２３】

【数８】

【００２４】 　　以上が本発明による直径計測方法の特徴を示すアル
ゴリズムであるが、この計測方法により、直径計測値Ｘ
ｎ　は高周波ノイズをカットしたフィルタ出力値Ｙｎ　
と、さらに、このＹｎ　から低周波ノイズを除去した直
径値Ｚｎ　を得ることができる。したがって、この直径
計測方法によれば、引上げ単結晶１の直径計測値Ｘｎ　
を過大評価乃至過小評価することなく妥当性の高い直径
値Ｚｎ　の計測が達成される。

【００２５】上記の直径計測装置を用いて、実際に引上
げ単結晶の直径値を計測した実施例を以下に示す。本実
施例では、２０ｒｐｍ　で回転する引上げ単結晶の直径
を０．１秒に１回計測し、０．１６Ｈｚ以上の高周波ノ
イズをカットするローパスフィルタ１０を通し、１００
個分つまり約３回転分の直径時系列データを、１．０秒
間隔で逐次移動平均することにより直径の計算を行った
。ローパスフィルタ１０のカットオフ周波数ｆｃ　を０
．１６Ｈｚとした理由を以下に示す。図３に示したよう
に結晶軸方位１００方向へシリコン単結晶を引き上げる
場合、９０度おきの等間隔で４本の晶癖線１３が現れる
。これを２０ｒｐｍ　で回転させた場合、４本の晶癖線
１３によるノイズが１．３Ｈｚとなる。また引上げ単結
晶自体が２０ｒｐｍ　で回転していることによって０．
３Ｈｚの、るつぼ３が１０ｒｐｍ　で回転していること
によって０．１６Ｈｚのノイズがそれぞれ生じる。実際
にビデオメジャー５の出力信号を周波数分析すると、０
．１６，０．３３，１．３Ｈｚでスペクトルがそれぞれ
ピークを迎えている。この事実をふまえて、この内の最
低の周波数である０．１６Ｈｚをカットオフ周波数ｆｃ
　とした。

【００２６】以下に、上記の計測条件で引上げ単結晶の
直径を計測した実測例について説明する。

【００２７】まず、図５は、所定の結晶成長を完了した
引上げ単結晶を引上げ装置から取り出したシリコン単結
晶１について実際の一断面における直径をオフライン（
非直結）で測定した参考結果を示す模式図である。図か
ら明らかなように、１５７．６ｍｍを中心に各方向に対
する直径の値は細かく変化していることがみられ、１５
９．０ｍｍの直径を有する晶癖線１３も観測されている
。 しかし、晶癖線の部分の直径値を除くと、所定許容範囲
内の偏差（例えば±０．５ｍｍ）で真円形をもって結晶
引上げが実際に行われたものということができる。

【００２８】これに対して、図６は本発明の直径計測方
法による特にフィルタ効果を説明する実測データの一部
を示す線図である。図６の（ａ）　はビデオメジャー５
の出力で直径計測値Ｘを、（ｂ）　はローパスフィルタ
１０の出力でフィルタ出力値Ｙを、（ｃ）　は直径演算
部１１の出力で移動平均後の直径値Ｚをそれぞれ示し、
横軸は計測時間、縦軸はいずれも引上げ単結晶の真の直
径値を中心とする偏差量を示している。

【００２９】図６にみられるように、ビデオメジャー５
から出力される引上げ単結晶１の直径計測値Ｘには図６
の（ａ）　のように晶癖線や電気的な影響で現れる高周
波ノイズが乗っているのがわかる。更に、引上げ単結晶
の回転と、るつぼ３の回転の影響による低周波ノイズも
乗っていて、直径１５７．６ｍｍに対して±１．６ｍｍ
の偏差（最大値と最小値との差）を持っている。しかし
、フィルタ出力値Ｙは偏差が±１．１ｍｍになり図６の
（ｂ）　に示されるように高周波ノイズが除去されてい
る。ただし、まだ引上げ単結晶の回転と、るつぼ３の回
転による低周波ノイズは残ったままである。そこで、移
動平均を行うと、図６の（ｃ）　にみられるように偏差
は±０．３ｍｍのなめらかなデータとなり、所定偏差値
内で真の直径値Ｚが計測されることがわかる。

【００３０】なお、上記実施例の具体的な数値説明にお
いては、シリコン単結晶の結晶軸方位を１００方向へ引
上げる場合について示したが他の結晶軸方位例えば１１
１方向に引上げる場合にも、本発明の直径計測方法は何
ら支障なく適用できることは以上の説明から明らかであ
る。

【００３１】

【発明の効果】以上のように本発明によるシリコン単結
晶の直径計測方法及び装置によれば、ＣＺ法による結晶
引上げ装置の引上げ単結晶の直径制御用に設けられてい
る光学的手段の出力として得られる時分割直径計測値を
ローパスフィルタを通して出力し、この時系列フィルタ
出力値を移動平均して直径値を算出するから、直径計測
値の過大評価・過小評価をする事なく、低周波・高周波
ノイズをも除去した引上げ中のシリコン単結晶直径値を
計測することができる。

【００３２】また、この直径データをシリコン単結晶直
径を一定に保つための制御に用いて引き上げ速度を操作
する場合、操作量（引き上げ速度）の急激な変化をもた
らさない安定な引き上げができ、均一な材質の結晶を作
成することができるという付随的効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すシリコン単結晶の直径
計測装置を示す模式構成図である。

【図２】従来からのチヨクラルスキー法によるシリコン
単結晶製造装置を示す模式説明図である。

【図３】一般的な引上げ単結晶の一断面と直径計測法の
模式説明図である。

【図４】移動平均前のデータ格納方法の様子を説明する
模式図である。

【図５】通常の引上げ単結晶の直径の実測値を説明する
断面説明図である。

【図６】本発明の直径計測方法によるフィルタ効果を説
明する実測データの一部を示す線図である。

【符号の説明】

１　　　　シリコン単結晶（引上げ単結晶）１ａ　　種
結晶 ２　　　　るつぼ ３　　　　シリコン融液 ４　　　　ヒータ ５　　　　ビデオメジャー ６　　　　種結晶ホルダ ７　　　　引上げ装置 ８　　　　モータコントローラ ９　　　　引上げモータ １０　　ローパスフィルタ １１　　直径演算部 １２　　直径表示部 １３　　晶癖線

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　るつぼに対して相対的に回転する引上
   げ単結晶の直径を測定するシリコン単結晶の直径計測方
   法において、上記引上げ単結晶の所定回転周期毎に光学
   的手段によりフュージョンリングの輝度分布を時分割し
   て上記引上げ単結晶の直径計測値を測定し、該直径計測
   値をローパスフィルタにより処理して時系列直径データ
   に変換したフィルタ出力値を出力し、該フィルタ出力値
   を移動平均して上記引上げ単結晶の直径値を算出するこ
   とを特徴とするシリコン単結晶の直径計測方法。
2. 【請求項２】　　ローパスフィルタは、ｎ番目の直径計
   測値をＸｎ　，ｎ番目のフィルタ出力値をＹｎ　とし、
   上記Ｘｎ　，Ｙｎ　とｎ−１番目のフィルタ出力値Ｙｎ
   −１　とを用いて式［１］ 【数１】 Ｙｎ　＝（１−Ａ）・Ｘｎ　＋Ａ・Ｙｎ−１　　　　　
   　　…［１］ただし、Ａ＝ｅｘｐ　（−２π・Δｔ・ｆ
   ｃ　）のように記述できる再帰型低域数値フィルタであ
   ることを特徴とする請求項１記載のシリコン単結晶の直
   径計測方法。
3. 【請求項３】　　フィルタ出力値の移動平均は、ｎ番目
   のフィルタ出力値Ｙｎを引上げ単結晶の所定回転周期分
   から選んだｍ個用いて、直径値Ｚｎ　を式［２］【数２
   】 により算出することを特徴とする請求項１又は２記載の
   シリコン単結晶の直径計測方法。
4. 【請求項４】　　るつぼに対して相対的に回転する引上
   げ単結晶の直径を測定するシリコン単結晶の直径計測装
   置において、上記引上げ単結晶の所定回転周期毎にフュ
   ージョンリングの輝度分布を時分割計測して上記引上げ
   単結晶の直径計測値を出力する光学的手段と、該直径計
   測値の低周波成分を濾波して時系列データに変換したフ
   ィルタ出力値を出力するローパスフィルタと、上記フィ
   ルタ出力値を移動平均して上記引上げ単結晶の直径値を
   算出する演算装置とを有することを特徴とするシリコン
   単結晶の直径計測装置。
5. 【請求項５】　　ローパスフィルタは、ｎ番目の直径計
   測値をＸｎ　，ｎ番目のフィルタ出力値をＹｎ　とし、
   上記Ｘｎ　，Ｙｎ　とｎ−１番目のフィルタ出力値Ｙｎ
   −１　とを用いて、式［１］ 【数３】 Ｙｎ　＝（１−Ａ）・Ｘｎ　＋Ａ・Ｙｎ−１　　　　　
   　　…［１］ただし、Ａ＝ｅｘｐ　（−２π・Δｔ・ｆ
   ｃ　）のように記述できる再帰型低域数値フィルタであ
   ることを特徴とする請求項４記載のシリコン単結晶の直
   径計測装置。
6. 【請求項６】　　演算装置は、ｎ番目の直径値Ｚｎ　を
   ｎ−ｍ−１番目からｎ番目までのフィルタ出力値Ｙを用
   いて式［２］ 【数４】 により演算することを特徴とする請求項４又は５記載の
   シリコン単結晶の直径計測装置。