JPH08301689A

JPH08301689A - 半導体単結晶製造工程における最適溶融液温度の検知方法

Info

Publication number: JPH08301689A
Application number: JP14380195A
Authority: JP
Inventors: Yoshinobu Hiraishi; 吉信平石
Original assignee: Komatsu Electronic Metals Co Ltd
Current assignee: Sumco Techxiv Corp
Priority date: 1995-05-02
Filing date: 1995-05-02
Publication date: 1996-11-19
Anticipated expiration: 2020-06-02
Also published as: JP3655355B2; TW390917B

Abstract

(57)【要約】【目的】温度測定が不安定な輻射温度計や２色温度計を
使用することなく、炉の中心部分のネッキング時の最適
溶融液温度を精度良く検知する。【構成】坩堝内の種子結晶と溶融液面の接触部に形成さ
れるメニスカス部分をテレビカメラにより観察し、その
映像において、メニメニスカスの高輝度のリング状部が
２重であることを判断すると共に、テレビ画面のメニス
カスと交わる水平走査線を構成するビデオ信号の輝度の
高さに対応するピークの数が、一画面の走査の進行に伴
って特有の変化をすることを検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、チョクラルスキー法
（ＣＺ法）により半導体単結晶を製造する工程におい
て、テレビカメラによる映像からのビデオ信号を処理し
て半導体溶融液の温度を検知する方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体集積回路の基本材料である
シリコン単結晶の製造方法の一つとして、坩堝内の原料
溶融液から円柱状の単結晶を引き上げるチョクラルスキ
ー法（以下ＣＺ法という）が用いられている。ＣＺ法に
おいては、単結晶製造装置のメインチャンバー内に設置
した坩堝に高純度の多結晶シリコンを充填し、前記坩堝
の外周に設けたヒーターによって多結晶シリコンを加熱
溶解した上、シードチャックに取り付けた種結晶を溶融
液に浸漬し、シードチャック及び坩堝を同方向又は逆方
向に回転しながらシードチャックを引き上げてシリコン
単結晶を成長させる。

【０００３】図６は、ＣＺ法による従来の一般的なシリ
コン単結晶製造装置の概略構成を示すものである。３１
はワイヤー巻き上げモーター、３２はワイヤー巻き上げ
ドラムである。３３は前記ワイヤー巻き上げモーター３
１、ワイヤー巻き上げドラム３２を設置した真空容器に
回転運動を与えるモーターであり、ワイヤーケーブル３
４の回転を通じて最終的には種子結晶から成長した単結
晶に回転運動を与える。３５はテレビカメラ、３６は透
明石英ガラス製の窓、３７は種子結晶を保持するシード
チャックである。また、３８は溶融液面、３９は坩堝内
の多結晶シリコン材料を加熱溶解する黒鉛製ヒーター、
４０は黒鉛製断熱材であり、４１は坩堝ペディスタルを
介して坩堝に回転運動を与えるモーター、４２は坩堝軸
昇降装置である。

【０００４】シリコン単結晶の引き上げに当たり、前記
溶融面３８とシリコン単結晶との境界に発生するメニス
カスリングがテレビカメラ３５によって撮影され、得ら
れた映像信号はカメラコントロールユニット４３を介し
て輻射計ユニット４４に入力され、メニスカスリングを
横切る単結晶の直径が算出される。そして、直径制御装
置４５により種子結晶の引き上げ速度及び溶融液温度を
制御して、引き上げ単結晶の直径を設定値に近づける。
なお、４６はテレビモニターである。

【０００５】上記単結晶製造装置において、単結晶を無
転位化するために、種子結晶から、結晶を成長させる際
には、まず直径を３〜４ｍｍに制御しながら１００〜１
５０ｍｍの長さに育成し、次いで所定の単結晶直径まで
拡大育成させる。この無転位化のために直径３〜４ｍｍ
の状態で結晶を育成させる工程を、ネッキングと称して
いる。

【０００６】このネッキング工程においては、工程スタ
ート時の温度が適切でないと、ネッキング途中で結晶が
急激に細り、溶融液から切り離れたり、又は３〜４ｍｍ
の直径に維持できず必要以上に太くなり、無転位化が困
難になるという問題がある。すなわち、坩堝内の溶融液
温度が高い場合には、ネッキング部の結晶直径が急激に
減少して、瞬時に溶融液と結晶が分離してしまう。逆に
溶融液温度が低い場合には、直径が急激に増大して無転
位化が困難になる。このため、従来からネッキング時の
溶融液温度を精度良く測定する方法が種々提案されてい
る。例えば、特開平４−３２５４８８号では種子結晶浸
潰前に精度よく溶融液表面温度を制御することによっ
て、ネッキング工程の成功率を上げている。この場合、
溶融液面の温度を正確に測定するため、特開平４−２５
４４８８号所載のように輻射温度計を溶融液面の垂直直
上に配置しなければならず、また、特開平４−３２５４
８８所載のように２つの波長の放射エネルギーの比率か
ら液面温度を測定する２色温度計が必要とされる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
従来の技術によれば、実際にネッキングが行われる溶融
液面の位置が溶融液を収納する石英ガラス製の坩堝の中
心部であるため、輻射温度計を溶融液面に対して鉛直方
向から測定する様にセットすると、種子結晶保持器３７
や、種子結晶上下動駆動装置３２、種子結晶を回転させ
るための駆動装置３３（以上、図６参照）等に干渉する
ため、中心部から少なくとも１０ｃｍ以上離れた位置を
観察しなければならない。

【０００８】溶融液面の温度は、通常、径方向に大きな
温度勾配を持っており、坩堝の回転速度やヒーターとの
相対的な位置関係、炉内に導入するアルゴンガスの流量
によって、大きくその温度分布が変化することは当該業
者には良く知られていることである。従って、中心部か
ら離れた溶融液面の温度が正確に制御できたとしても実
際にネッキングが行われる中心部分の温度は炉内の状況
により大きく異なる。このため、炉の中心部分をネッキ
ングの適温に正確に制御することは困難であった。ま
た、２色温度計は通常の単一波長領域の輻射温度計と比
較して、２倍以上高価であり、溶融液面に対して鉛直方
向から観察できる様に取付けることも単結晶製造装置の
構造上難しい場合が多い。

【０００９】そこで本発明者らは、種子結晶と溶融液面
の接触部に形成されるメニスカスリングと称される部分
がネッキングに最適な溶融液温度の場合、高輝度のリン
グ状の部分が２重になることに着目し、この現象を最適
な溶融液温度の指標に用いることによりネッキングの安
定化を可能にした。本発明は上記問題点に鑑み、温度測
定が不安定な輻射温度計や２色温度計を使用することな
く、炉の中心部分のネッキング時の最適溶融液温度を精
度良く検知する方法を提供することを目的とするもので
ある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このため本発明では、チ
ョクラルスキー法（ＣＺ法）により半導体単結晶を製造
する工程において、坩堝内の固液界面をテレビカメラに
より観察し、前記固液界面に発生するメニスカスリング
を横断する水平走査線に相当するビデオ信号を得て、メ
ニスカスリングのそれぞれの位置に対応する水平走査線
の１本毎のビデオ信号に形成されるメニスカスリングの
輝度に対応するピークの数を計数して、このピークの数
が一つのテレビ画面の上端から下端への水平走査線の移
動に伴って、４個から３個を経過して２個に減少する過
程、又は４個から３個へ、又は３個から２個へ減少する
過程が存在することを検出して坩堝内の溶融液の最適温
度を検知することを第１の特徴し、前記メニスカスの輝
度に対応するピークの数が、一つのテレビ画面の上端か
ら下端への水平走査線の移動に伴って、２個から３個を
経過して４個に増大する過程、又は３個から４個へ増大
する過程が存在することを検出して坩堝内の溶融液の最
適温度を検知することを第２の特徴とするものであり、
さらに、その製造装置にメニスカスの輝度に対応するピ
ークの数の検出頻度と、予め設定したしきい値と比較し
て、しきい値との差を減少させる様に半導体融液の温度
を自動的に調節する手段を設けたものである。

【００１１】

【作用】本発明では、メニスカス部分をテレビカメラに
より観察し、その映像において、メニメニスカスの高輝
度のリング状部が２重であることを判断すると共に、テ
レビ画面のメニスカスと交わる水平走査線を構成するビ
デオ信号の輝度の高さに対応するピークの数が、一画面
の走査の進行に伴って特有の変化をすることを検出す
る。

【００１２】図２に示すように、種結晶上部から走査を
開始した場合、一本の走査線上に現れるピークの数は、
０〜２〜４〜３〜２〜１〜０の順に変化する。しかしな
がら、実際には、種結晶の回転や、溶融液表面温度の局
所的な変動により、それぞれのピークの高さは個々に変
動するため、必ずしも全ての画面で上述のようなピーク
数の変化が検出されるとは限らない。

【００１３】０〜２、１〜０の変化は、二重リングでな
く、一重リングの場合でも生じるので、実際には二重リ
ング独特の変化バターンとして、４〜３〜２の変化の
内、４〜３の変化又は３〜２の変化のどちらかを検出す
ることが望ましく且つ容易である。

【００１４】この変化パターンの検出が一画面において
行われた時、一個のパルスを出力する様に回路を構成し
ておき、且つ安定に画面毎に検出されたならば、通常の
テレビカメラを使用した映像システムの場合、毎秒６０
回画面を更新しているので、パルス出力の周波数は６０
Ｈｚとなる。

【００１５】この周波数は、上記した様に、二重リング
の明瞭さに、おおむね比例していると考えられるので、
この周波数をアナログ電圧に変換して、制御コンピュー
ターに入力することにより、最適温度の判断、最適温度
の調節を自動で行うことができる。また、この検出動作
はネッキングの直径制御に使用されているテレビカメラ
システムへの機能追加として、容易且つ安価に行うこと
ができる。

【００１６】例えば、特開平２−１６４７８９号の図１
に記載されているパルスカウンター１２により、走査線
１本毎のパルス数をカウントすることができ、このカウ
ンター部分に本発明機能を追加することにより、カウン
ト数の４〜３の変化を検出することができる。

【００１７】図３に示すように、パルス数検出のための
スレッショールドレベル（しきい値）を直径測定のため
のスレッショールドレベル（しきい値）とは別に独立さ
せて設定しておけば、従来の直径測定機能には影響を与
えずに、ネッキングの最適温度を検出することが可能で
ある。

【００１８】

【実施例】以下、図１により、本発明に係る半導体単結
晶成長装置の好ましい実施例を詳述する。本実施例で
は、２次元ＣＣＤカメラを使用し、焦点距離２００ｍｍ
のレンズを使用して種結晶の固液界面付近の影像及びそ
のビデオ信号を得ている。ビデオ信号は、スレッショー
ルドレベル設定回路１とコンパレーター２によりスレッ
ショールドレベル以上の輝度を示した波形について、波
形成形されたパルスを得て、パルス幅弁別回路３により
所定のパルス幅以上のパルスだけ通過される。これによ
って２次元ＣＣＤセンサーのビット不良によるノイズを
防ぐことができる。

【００１９】水平同期パルスによりリセットされるカウ
ンター４は、走査線１本毎のパルスをカウントする。カ
ウンター４の出力は、走査終了時にデジタルコンパレー
ター５により、別に設定したデジタルスイッチ６のコー
ド（ｎ＝４）と比較され、その後、わずかに遅延された
水平同期パルスによりリセットされる。この時、カウン
ター４のカウント数が４であれば、コンパレーター５の
Ａ＝Ｂの出力は「Ｈレベル」となり、フィリップフロッ
プ７は、これを入力して「Ｈレベルを出力する状態」に
遷移する。

【００２０】すなわち、１画面の中で、１本の走査線上
にスレッショールドレベル以上の輝度を示すピークが４
個以上あった時に、その画面の走査が終了するまで、フ
ィリップフロップ７は「Ｈレベル」を維持する。

【００２１】一旦、カウンター４で、４個のパルスをカ
ウントした後に、同じ画面中で３個のパルスをカウント
すると、同様にコンパレーター８のＡ＝Ｂの出力が「Ｈ
レベル」となり、この出力はゲート回路１０に入力され
るが、すでに４個のパルスが検出されている場合にはゲ
ート回路１０の入力１２が「Ｈレベル」になっているた
め、その出力も「Ｈレベル」になり、フィリップフロッ
プ回路１１の出力も「Ｈレベル」となる。

【００２２】一画面の走査終了時に、それぞれのフィリ
ップフロップ回路１１は、垂直同期パルスＶＤからわず
かに遅延されたパルスＶＤＤによりリセットされるが、
フィリップフロップ回路１１の出力が「Ｈレベル」の
時、ＶＤと同期した同一のパルス幅のパルスがゲート回
路１３から出力される。ゲート回路１３の出力は、Ｆ−
Ｖコンバーター１４に入力され、パルス周波数に比例し
たアナログ電圧に変換される。従って、１画面の中で１
本の走査線に現れる輝度のピークが４個から３個に減少
する過程が存在することを確実に検出することが可能と
なる。

【００２３】以上、上述した方法を拡張して４〜３〜２
とパルス数が変化したときのみ、単発パルスを発生させ
ることも容易であるが、４〜３と３〜２の検出確率の積
になるため、単発パルスの発生頻度は小さくなる。

【００２４】尚、テレビカメラを上下逆にして、テレビ
画面の操作順にカウントされるパルス数が２〜３〜４と
変化することを確認して、最適温度の指標とすることも
基本的には図１の装置構成で可能である。また、Ｆ−Ｖ
コンバーターを使用せずに、積分回路により、パルス数
に略比例したアナログ電圧を出力することも容易であ
る。

【００２５】本実施例は、回路を構成する部品に、ＴＴ
Ｌと呼ばれる最も規模の小さいＩＣを１０数個使用する
ことで実現可能であり、機能追加を極めて安価に行うこ
とができる。

【００２６】絞り直径制御に必要な直径測定は、別に設
定されたスレッショールドレベルにより波形成形された
パルスのパルス幅を測定することにより従来通り行われ
る。これらの詳細については本出願人が既に出願してい
る特開平２−１６４７８９号公報に記述されている。

【００２７】以上の検出出力は、制御用コンピューター
に入力され、ネッキングに適当な温度であるか否かを判
断すと共に、不適当な場合には温度補正を行うことが可
能である。また、本発明装置により、ネッキングを自動
的に開始した後は、同時に得られる直径測定出力によ
り、ネッキングの自動直径制御を行うことができる。

【００２８】図６に示したシリコン単結晶製造装置の中
で、４４で示される幅計測ユニットを本発明構成の装置
（図１参照）に置き換えて、実際のネッキングを行っ
た。シリコン多結晶素材は６０Ｋｇ使用した。シリコン
溶融液を保持する石英ルツボの直径は約４６０ｍｍのも
のを使用した。

【００２９】本実施例では、図１に示す構成中、Ｆ−Ｖ
コンバーターを用いて６０Ｈｚのパルス周波数で電圧を
１０Ｖｏｌｔ出力するように調整した回路を用いたとこ
ろ、メニスカスが完全に２重リング状に見えた時、４．
５Ｖｏｌｔ〜６．５Ｖｏｌｔ付近の変動する電圧が得ら
れた。この変動は、溶融液の対流による局部的な温度変
動により、メニスカスの形状が変化し、輝度ピーク高さ
が変動して個々のピークの検出が不安定になったためと
考えられる。これらの変動は数秒周期のため、１分間程
度の平均化により実用上問題ない程度に小さくできる。

【００３０】この後、温度を故意に下げて２重リングが
消滅した時には０．１Ｖｏｌｔ以下の出力電圧を示し
た。ネッキングの開始時のＦ−Ｖコンバーター出力電圧
とヒーター温度との関係が図４のように得られた。ま
た、Ｆ−Ｖコンバーター出力とヒーター温度との関係を
図５に示した。ヒーター温度は、Ｆ−Ｖコンバーター出
力の最適値（図４において最もネッキング成功率が高い
時の電圧）を与える温度を０℃として、その温度からの
偏差を示している。

【００３１】図５より初期のヒーター温度設定が、最適
値の上下１５℃以内にあればヒーター温度を制御するこ
とによってＦ−Ｖコンバーター出力を最適出力に制御で
きることが判る。

【００３２】本実施例では、Ｆ−Ｖコンバーター出力と
その設定値（最適値）との偏差を積分してヒーター温度
設定値にフィードバックする、通称カスケード制御と呼
ばれる方法により、ネッキングに最適な温度に自動制御
した。

【００３３】もし、初期設定温度が最適値より１５℃以
上高い場合には、種結晶の先端が完全に溶解して溶融液
面から切り離れてしまう。また、初期設定温度が最適値
より１５℃以上低い場合には、種結晶から溶融液面に広
がって成長してしまう。いずれの場合も、テレビカメラ
による直径測定を並行して行っていれば、直径測定値の
急激な減少又は増大として検出され、それによって自動
的に作業者に警報を発することができる。しかしなが
ら、通常はヒーター温度の初期設定温度を前バッチの結
晶育成時の最適温度を得られた値に設定しておけば、最
適値のほぼ上下７℃以内に制御することは容易である。
その後、前述のカスケード制御により最適温度に自動的
に制御すれば良い。

【００３４】

【発明の効果】本発明は以上のように構成したので、温
度測定が不安定な輻射温度計や２色温度計を使用するこ
となく、炉の中心部分のネッキング時の最適溶融液温度
を精度良く検知することができる。その結果、ネッキン
グ工程の成功率を大幅に増大させ、失敗によるやり直し
や作業者の温度調整にかかる時間を削減して、単結晶の
生産性を向上させ製造コストを削減できるという優れた
効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るビデオ信号処理回路を示すブロッ
ク図である。

【図２】最適温度時のメニスカスのテレビ映像とビデオ
信号の波形の関係を示す説明図である。

【図３】パルス数検出及び直径測定のためのスレッショ
ールドレベル（しきい値）の設定を示す説明図である。

【図４】ネッキング成功率とＦ−Ｖコンバーター出力電
圧の関係を示すグラフである。

【図５】Ｆ−Ｖコンバーター出力とヒーター設定温度の
関係を示すグラフである。

【図６】一般的なシリコン単結晶製造装置の概略構成図
である。

【符号の説明】

１スレッショールドレベル設定回路２コンパレーター３パルス幅弁別回路４カウンター５デジタルコンパレーター６デジタルスイッチ７フィリップフロップ回路８デジタルコンパレーター９デジタルスイッチ１０ゲート回路１１フィリップフロップ回路１２ゲート信号１３ゲート回路１４Ｆ−Ｖコンバーター

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】チョクラルスキー法（ＣＺ法）により半導
体単結晶を製造する工程において、坩堝内の固液界面を
テレビカメラにより観察し、前記固液界面に発生するメ
ニスカスリングを横断する水平走査線に相当するビデオ
信号を得て、メニスカスリングのそれぞれの位置に対応
する水平走査線の１本毎のビデオ信号に形成されるメニ
スカスの輝度に対応するピークの数を計数して、このピ
ークの数が一つのテレビ画面の上端から下端への水平走
査線の移動に伴って、４個から３個を経過して２個に減
少する過程、又は４個から３個へ、又は３個から２個へ
減少する過程が存在することを検出して坩堝内の溶融液
の最適温度を検知することを特徴とする最適溶融液温度
の検知方法。
【請求項２】前記メニスカスの輝度に対応するピークの
数が、一つのテレビ画面の上端から下端への水平走査線
の移動に伴って、２個から３個を経過して４個に増大す
る過程、又は３個から４個へ増大する過程が存在するこ
とを検出して坩堝内の溶融液の最適温度を検知すること
を特徴とする請求項１記載の溶融液温度の検知方法。
【請求項３】メニスカスの輝度に対応するピークの数の
検出頻度と、予め設定したしきい値と比較して、しきい
値との差を減少させる様に半導体融液の温度を自動的に
調節する手段を有することを特徴とする半導体単結晶の
製造装置。