JPH075430B2

JPH075430B2 - 単結晶引上げ制御方法

Info

Publication number: JPH075430B2
Application number: JP61012349A
Authority: JP
Inventors: 正夫斉藤; 正義増田; 博金剛寺; 正一阿部川
Original assignee: Mitsubishi Materials Silicon Corp; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Silicon Corp; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1986-01-23
Filing date: 1986-01-23
Publication date: 1995-01-25
Anticipated expiration: 2010-01-25
Also published as: JPS62171985A

Description

【発明の詳細な説明】「産業上の利用分野」この発明はシリコン単結晶等を製造する際に用いられる
単結晶引上げ制御方法に関する。

「従来の技術」シリコン単結晶の製造方法として、引上げ法が知られて
いる。この方法は、まず、第３図に示す石英坩堝１内に
原料を入れ、加熱して溶融させる。次に、融液２に種結
晶を付け、この種結晶を回転させながら引き上げる。こ
の引上げの際、単結晶３が成長する。

ところで、シリコン単結晶の製造においては、製造され
た単結晶３の外径が正確に規定寸法とならなければなら
ない。この単結晶３の外径は、引上げ速度Vsによって決
まり、速度Vsを小とすれば外径が大となり、速度Vsを大
とすれば外径が小となる。そこで、引上げ法によるシリ
コン単結晶の製造においては、融液２の液面2aが常に一
定レベルとなるように、坩堝１をある速度Vcで上昇さ
せ、そして、液面2aと単結晶３との境界にできるヒート
リング3aをセンサ（放射温度計）４によって検出し、こ
の検出結果に応じて引上げ速度Vsを制御するようになっ
ている。液面2aのレベルと、単結晶３の半径r1との関係
を第４図に示す。第４図（イ）は単結晶３の半径r1を一
定に保てる液面2aのレベルの状態を示す。第４図（ロ）
は、液面2aのレベルが上昇すると、センサ４が固定され
ているため、検出点が単結晶３の半径r1の外側R1とな
り、単結晶３の半径がR1（＞r1）として検出されること
を示す。第４図（ハ）は、液面2aのレベルが下降する
と、センサ４の検出点が単結晶３の半径r1の内側R2とな
り、単結晶３の半径がR2（＜r1）として検出されること
を示す。このように、液面2aのレベルを一定に保たなけ
れば、単結晶の径が安定しない。

すなわち、引上げ法によるシリコン単結晶の製造におい
ては、液面2aのレベルが常に一定となるように坩堝１を
上昇させることが必須の要件となる。

次に、坩堝１の上昇速度Vcの求め方を説明する。この速
度Vcは、単結晶３の引上げ速度Vsに基づいて、次式によ
り決定される。

Vc＝Ｋ・Vs ……（１）ここで、Ｋは係数であり、この係数Ｋはつぎのようにし
て求められる。まず、時間T1の間に成長する単結晶３の
高さh1（第３図）は、 h1＝Vs・T1 ……（２）であり、一方、この間に減少する融液２の高さh2（第
図）は、 h2＝Vc・T1 ……（３）である。いま、単結晶３の半径をr1、坩堝１内部の半径
をr2とし、また、単結晶３の密度をρ１、融液２の密度
をρ２とすれば、時間T1の間に成長した単結晶３の重量
と、この間に減少した融液２の重量が等しいことから、 πr1²・VsT・ρ１＝πr2²・VcT・ρ２ ……（４）なる式が成り立つ。そして、この（４）式から係数Ｋ
が、Ｋ＝Vc/Vs＝r1²・ρ1/r2²・ρ２ ……（５）として求められる。

ここで、坩堝１においてr2が一定の範囲、すなわち、第
３図に示す範囲D2においては、係数Ｋの値が一定とな
り、また、その値は（５）式から容易に求められる（以
下、この一定値をKaとする）。そして、求められた一定
値Kaおよび第（１）式から、坩堝１の上昇速度Vcが求め
られる。

「発明が解決しようとする問題点」ところで、融液２が減少し、その液面2aが坩堝１の湾曲
部にかかった場合においては、液面2aの降下速度が速く
なることから、上述した一定係数Kaおよび第（１）式に
によってきまる速度Vcで坩堝１を上昇させると、液面2a
のレベルを一定に保つことができず、結果として、単結
晶３の径が小さくなってしまう。そこで従来は、液面2a
が坩堝１の湾曲部にかかった場合に、一定係数Kaをさら
に補正して第（１）式に適用していた。しかしながら、
従来の係数Kaの補正は、過去の経験に基づく補正であ
り、正確なものとはいえず、このため、完成した単結晶
３の下端部において外径誤差が生じる問題があった。

この発明は上述した事情に鑑みてなされたもので、融液
の液面が坩堝の湾曲部にかかった場合においても、液面
を正確に一定レベルに保つことができ、この結果、完成
した単結晶に外径誤差が生じることがない単結晶引上げ
制御方法を提供することを目的としている。

「問題点を解決するための手段」この発明は、融液の液面が坩堝の湾曲部にかかった場合
に、次の過程によって坩堝の上昇速度を求めることを特
徴としている。

（ａ）前記坩堝内の残留融液の量を求める第１の過程。

（ｂ）上記残留融液の量に基づいて、坩堝底面から液面
までの距離を求める第２の過程。

（ｃ）上記第２の過程によって求められた距離から液面
の半径を求める第３の過程。

（ｄ）上記第３の過程によって求められた半径および前
記種結晶の引上げ速度に基づいて坩堝の上昇速度を算出
する第４の過程。

「作用」この発明によれば、液面が湾曲部にかかった場合に、時
々刻々変化する液面半径を逐次求め、求められた半径の
値に基づいて、坩堝の上昇速度を算出するので、液面レ
ベルを極めて正確に一定レベルに保つことができる。

「実施例」以下、図面を参照してこの発明の一実施例について説明
する。

まず、第１図に示すように、坩堝１の湾曲部は、曲率半
径R₁,曲率中心P₁の範囲D1と、曲率半径R₂,曲率中心P₂の
範囲D0とに分けられる。この場合、図に示す長さa,d,e,
fは各々、範囲D2の半径をR₀とすれば次式によって求め
られる。

ｆ＝R₂（R₀−R₁）／（R₂−R₁） ……（７）ａ＝ｄ−ｅ ……（９）すなわち、R₀〜R₂の値から長さa,d,e,fが求められる。

次に、坩堝１内の範囲D0の部分の体積V₀は、坩堝１の底
部から任意断面までの距離をαとすれば（第１図参
照）、なる式により求められる。また、範囲D1の部分の体積V₁
は、範囲D0,D1の境界面から任意断面までの距離をβと
すれば、但し:M＝R₀−R₁ なる式により求められる。

すなわち、体積V₀,V₁もR₀〜R₂の値から求めることがで
きる。

次に、液面2aが範囲D0内にある場合における融液２の残
量体積Ｖ（α）を第（10）式と同様にして求めれば、Ｖ（α）＝πα^２｛R₂−（α/3）｝ ……（12）として求められる。また、液面2aが範囲D1内にある場合
における融液２の残量体積Ｖ（β）は、なる式により求められる。

次に、液面2aが範囲D0内にある場合の液面半径Ｒ（α）
は、なる式により求められ、また、液面2aが範囲D1内にある
場合の液面半径Ｒβは、なる式により求められる。

他方、引上げ開始から時間Ｔが経過した時点における融
液２の残量体積Ｖは、引上げ開始前の融液２の重量をC
H、時間Ｔが経過した時点における引上げ結晶長をLE
（第１図参照）とすれば、Ｖ＝（CH−πr1²・LE・ρ１）／ρ２ ……（16）なる式により求められる。すなわち、残量体積Ｖは、引
上げ結晶長LEに基づいて容易に算出することができる。

しかして、この発明の実施例による引上げ制御方法は、
上述した各事項を基礎として、次の過程によって行なわ
れる。

まず、引上げ開始時点以降、一定時間（例えば、１分）
が経過する毎に、第（16）式に基づいて残量体積Ｖを算
出し、次いで、この算出結果と、第（10），第（11）式
によって算出される体積V₀,V₁の和V₀＋V₁とを比較す
る。そして、前者が大の場合、すなわち、液面2aが範囲
D2内の場合は、第（１）式の係数Ｋに前述した一定係数
Kaを代入して速度Vcを算出する。また逆の場合、すなわ
ち、液面2aが坩堝１の湾曲部にかかっていた場合は次の
処理によって上昇速度Vcを算出する。

すなわち、まず、残量体積Ｖと体積V₀とを比較する。そ
して、Ｖ＞V₀の場合、すなわち液面2aが範囲D1内の場合
は、次に、 β＝a/2 ……（17）を第（13）式に代入して体積Ｖ（β）を求め（以下、求
められた体積をＶβ１とする）、この体積Ｖβ１と残量
体積Ｖとを比較する。そして、Ｖβ１＜Ｖの場合は、次
に、 β＝（a/2）＋（a/4） ……（18）を第（13）式に代入して体積Ｖ（β）を求め（求められ
た体積をＶβ２とする）、この体積Ｖβ２と残量体積Ｖ
とを比較する。そして、Ｖβ２＞Ｖの場合は、次に、 β＝（a/2）＋（a/4）＋（−a/8） ……（19）を第（13）式に代入して体積Ｖ（β）を求め、以下この
過程を繰り返す。そして、体積Ｖ（β）と残量体積Ｖと
の差が残量体積Ｖの１％以下となった場合に、その時の
βの値を、その時点における液面2aのレベルと見なし、
その値βを第（15）式に代入して液面2aの半径Ｒ（β）
を求める。次に、求められた半径Ｒ（β）を第（５）式
のr2に代入して係数Ｋを求め、この求めた係数Ｋを第
（１）式に代入して速度Vcを求める。

残量体積Ｖが、Ｖ＜V₀の場合も同様の処理を行う。すな
わち、まず、第（12）式を繰り返し用いることにより液
面2aのレベルαを求め、次いで、求められたαを第（1
4）式に代入して液面半径Ｒ（α）を求め、次いでこの
半径Ｒ（α）を第（５）式のr2に代入して係数Ｋを求
め、この係数Ｋを第（１）式に代入して速度Vcを求め
る。

そして、以上の過程によって求められた速度Vcによって
坩堝１を上昇させる。

以上がこの発明による引上げ制御方法の一実施例であ
る。この方法は、通常、コンピュータを用いた引上げ装
置に適用される。

なお、理論上は、その時点における残量体積Ｖを第（1
2）式のＶ（α）または第（13）式のＶ（β）に代入
し、これらの式を解けば、αまたはβを求めることがで
きる。しかしながら、特に第（13）式は実際上解くのが
むずかしく、したがって、上記の処理によらざるを得な
い。

「発明の効果」以上説明したように、この発明によれば、坩堝内の融液
の液面が坩堝の湾曲部にかかった場合において、逐次液
面の半径を求め、この求めた半径に基づいて坩堝の上昇
速度を算出し、この上昇速度によって坩堝を上昇させる
ようにしたので、液面レベルを極めて正確に一定レベル
に保つことができ、この結果、完成した単結晶に生じる
外径誤差を極めて小とすることができる。第２図（イ）
は従来の方法によって製造した単結晶の外径誤差を示す
図であり、また、第２図（ロ）は、前述したこの発明の
一実施例による方法によって製造した単結晶の外径誤差
を示す図である。この図に示すように、この発明によれ
ば、従来1.5〜3mmあった誤差を、0.5mm以下とすること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による方法を説明するため
の坩堝断面図、第２図はこの発明の効果を説明するため
の図、第３図は従来の方法を説明するための坩堝断面
図、第４図（イ）〜（ハ）は各々センサ4aによる液面2a
の検出状態を示す図である。１……坩堝、２……融液、３……単結晶。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者金剛寺博千葉県野田市西三ヶ尾金打314 日本シリコン株式会社野田工場内 (72)発明者阿部川正一千葉県野田市西三ヶ尾金打314 日本シリコン株式会社野田工場内 (56)参考文献特開昭60−21893（ＪＰ，Ａ) 特公昭51−5993（ＪＰ，Ｂ２)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】坩堝内の原料融液に種結晶を付け、前記融
液の液面レベルを一定に保ちつつ前記種結晶を引き上げ
て単結晶を成長させる際の引上げ制御方法において、前
記融液の液面が前記坩堝の湾曲部にかかった場合に、次
の過程によって前記坩堝の上昇速度を求めることを特徴
とする単結晶引上げ制御方法。（ａ）前記坩堝内の残留融液の量を求める第１の過程。（ｂ）上記残留融液の量に基づいて、坩堝底面から液面
までの距離を求める第２の過程。（ｃ）上記第２の過程によって求められた距離から液面
の半径を求める第３の過程。（ｄ）上記第３の過程によって求められた半径および前
記種結晶の引上げ速度に基づいて坩堝の上昇速度を算出
する第４の過程。