JP2000264780A - 半導体単結晶引き上げ装置における溶融検知方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体単結晶引上げ装置のメルト工程におけ
る半導体原料の溶融完了、インゴットの再溶融完了を自
動的に検出することができ、作業者の負担を軽減できる
とともに、引上げ工程への移行を自動化することが可能
な半導体原料の溶融検知方法とその装置検知方法とその
装置を提供する。 【解決手段】 半導体単結晶引き上げ装置１における半
導体原料１０８（インゴット）の溶融検知装置２であっ
て、るつぼ１０２内を撮影する２次元ＣＣＤカメラ２０
１と、該２次元ＣＣＤカメラで撮影した撮影画像を白黒
の２値画像に変換し、該変換した２値画像中のるつぼ内
の白画素または黒画素の数を計数し、該計数した白画素
または黒画素の数からるつぼ内の半導体原料の溶融完了
を検出する画像処理装置２０２とから構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体単結晶引き
上げ装置における溶融検知方法とその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体の単結晶引上げ装置、例えばＣＺ
法を利用したシリコン単結晶引き上げ装置では、小片に
砕いた棒状多結晶シリコンを石英ガラス製のるつぼ内に
投入して溶融させた後（メルト工程）、シリコン融液面
に結晶成長の核となる種結晶（シード）をワイヤで吊る
して浸し、種結晶をゆっくりと回転させながら引き上げ
ていくこと（引上げ工程）により、種結晶の先端から単
結晶シリコンを成長させていくようにしている。このよ
うに、種結晶の先端から単結晶シリコンを成長させてい
くには、前記したメルト工程において、るつぼ内に投入
した棒状多結晶シリコンなどの半導体原料が完全に溶融
したことを確認する必要がある。従来、このメルト工程
における半導体原料の溶融完了の確認は、作業者が覗き
窓からるつぼ内を覗くことによって目視で行なってい
た。

【０００３】また、単結晶引上げ工程において結晶が単
結晶から多結晶に変化した場合、引上げたインゴットを
再溶融させ、再度引き上げを行うことがある。この場合
においても、前記した場合と同様、一旦引上げられたイ
ンゴットが完全に溶融したことを確認する必要がある。
従来、このインゴットの再溶融完了の確認は、作業者が
覗き窓からるつぼ内を覗くことによって目視で行なって
いた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、半導体原料
あるいはまたインゴットが完全に溶融するまでにはかな
りの時間がかかるため、目視による確認の場合、作業者
は一定時間毎に繰り返し監視を行なう必要があった。こ
のため、作業者の負担が大きくなるとともに、作業者に
よる溶融完了の判断がばらつき、自動化が困難であっ
た。また、監視のタイミングが合わないと、溶融が完了
しているにもかかわらず作業者が気づかず、スループッ
トの低下、電力量の増大、部材の劣化などを引き起こ
す。

【０００５】本発明は、上記のような問題を解決するた
めになされたもので、半導体単結晶引上げ装置のメルト
工程における半導体原料の溶融完了を自動的に検出する
ことができ、作業者の負担を軽減できるとともに、メル
ト工程から引上げ工程への移行を自動化することが可能
な半導体単結晶引き上げ装置における溶融検知方法とそ
の装置を提供することを目的とする。また、本発明は、
インゴットの再溶融完了を自動的に検出することがで
き、作業者の負担を軽減できるとともに、再引上げ工程
への移行を自動化することが可能な半導体単結晶引き上
げ装置における溶融検知方法とその装置を提供すること
を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の溶融検出方法は、るつぼ内を撮像手段によ
って撮影し、該撮影画像を白黒の２値画像に変換した
後、該変換した２値画像中のるつぼ内の白画素または黒
画素の数を計数し、該計数した白画素または黒画素の数
からるつぼ内の半導体原料の溶融完了を検出するように
したものである。

【０００７】このような構成とした場合、半導体単結晶
引上げ装置のメルト工程における半導体原料の溶融完了
を画像処理によって自動的に検出することができる。こ
のため、作業者による目視監視を不要とすることができ
る。

【０００８】また、本発明の溶融検知装置は、るつぼ内
を撮影する撮像手段と、該撮像手段で撮影した撮影画像
を白黒の２値画像に変換し、該変換した２値画像中のる
つぼ内の白画素または黒画素の数を計数し、該計数した
白画素または黒画素の数からるつぼ内の半導体原料の溶
融完了を検出する画像処理装置とを備えることにより構
成したものである。

【０００９】このような構成とした場合、半導体単結晶
引上げ装置のメルト工程における半導体原料の溶融完了
を画像処理によって自動的に検出することができ、作業
者の負担を軽減し、メルト工程から引上げ工程への移行
を自動化することが可能な半導体原料の溶融検知装置を
得ることができる。

【００１０】また、本発明の溶融検知方法は、るつぼ内
のインゴットの所定位置に、あるいはまたインゴットと
その近辺の半導体融液面の両方を含む所定の位置に予め
溶融検知のための監視エリアを設定し、該監視エリアを
撮像手段によって撮影し、該監視エリアの撮影画像を白
黒の２値画像に変換した後、該変換した２値画像を用い
て監視エリア内の白画素または黒画素の数を計数し、該
計数した白画素または黒画素の数の変化からインゴット
の溶融完了を検出するようにしたものである。

【００１１】このような構成とした場合、インゴットの
再溶融完了を画像処理によって自動的に検出することが
できる。このため、作業者による目視監視を不要とする
ことができる。

【００１２】また、本発明の溶融検知装置は、るつぼ内
のインゴットの所定の位置に、あるいはまたインゴット
とその近辺の半導体融液面の両方を含む所定の位置に予
め設定した溶融検知のための監視エリアを撮影する撮像
手段と、該撮像手段で撮影した撮影画像を白黒の２値画
像に変換し、該変換した２値画像における監視エリア内
の白画素または黒画素の数を計数し、該計数した白画素
または黒画素の数の変化からインゴットの溶融完了を検
出する画像処理装置とを備えることにより構成されたも
のである。

【００１３】このような構成とした場合、インゴットの
再溶融完了を画像処理によって動的に検出することがで
き、作業者の負担を軽減し、引上げ工程への移行を自動
化することが可能なインゴットの溶融検知装置を得るこ
とができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を参照して説明する。まず、半導体原料の溶融を検
知する溶融検知装置及び検知方法にかかる実施形態につ
いて、図１および図２に基づいて説明する。ここで、図
１は本発明になる半導体原料の溶融検知装置を付設した
ＣＺ式シリコン単結晶引き上げ装置の全体構成図、図２
は図１中の画像処理装置の回路例を示す図である。

【００１５】図１において、１はＣＺ式シリコン単結晶
引き上げ装置（以下、「単結晶引き上げ装置」と略
称）、２は本発明になる半導体原料の溶融検知装置（以
下、「溶融検知装置」と略称）、３は種結晶である。

【００１６】単結晶引き上げ装置１は、黒鉛製ヒータ１
０１などで加熱される石英ガラス製のるつぼ１０２を備
えている。このるつぼ１０２は黒鉛製るつぼ１２０でそ
の外周部が支持されており、下部に連結された回転軸１
２１によって、回転自在に支持されている。そしてこの
るつぼ１０２の周囲は真空容器１０３で囲まれている。
この真空容器１０３の首部上端には、モータや巻き上げ
ドラムなどで構成された結晶回転・昇降機構１０４が設
置されている。結晶成長の核となる種結晶３は、この結
晶回転・昇降機構１０４につながれたステンレスまたは
モリブデン製のワイヤ１０５の先端に、シードチャック
などで把持されて吊り下げられており、種結晶回転・昇
降機構１０４によって回転・昇降自在に構成されてい
る。

【００１７】また、るつぼ１０２は、るつぼ回転・昇降
機構１０６上に設置されており、るつぼ全体を自在に回
転・昇降できるように構成されている。真空容器１０３
の肩部には透明な石英ガラス製の覗き窓１０７が設けら
れており、この窓部分に、後述する２次元ＣＣＤカメラ
２０１がるつぼ１０２内に向けて設置されている。な
お、１０８はるつぼ１０２内に投入された半導体原料と
してのシリコン塊、１０９は溶融したシリコンの融液面
である。

【００１８】溶融検知装置２は、覗き窓１０７からるつ
ぼ１０２内のシリコン塊１０８とシリコン融液面１０９
を撮影する２次元ＣＣＤカメラ（撮像手段）２０１と、
シリコン塊１０８の溶融状態を画像処理によって検知す
るための画像処理装置２０２と、モニタテレビ２０３、
報知手段としてのブザー２０４や表示灯２０５から構成
されている。

【００１９】画像処理装置２０２は、図２にその回路例
を示すように、２次元ＣＣＤカメラ２０１によって撮影
された画像を白黒の２値画像に変換する２値画像変換部
２０６と、該変換された２値画像中のるつぼ内の黒画素
の数を計数する黒画素計数部２０７と、該計数された黒
画素の数が予め設定した比較基準値より小さくなった時
にシリコン塊１０８の完全溶融として判定する溶融判定
部２０８と、該溶融判定部２０８の判定結果に従って溶
融完了の検知信号を出力する信号出力部２０９とから構
成されている。なお、この画像処理装置２０２は、パー
ソナルコンピュータなどを用いてブログラム上でソフト
ウェア的に構成してもよいし、専用のハードウェア回路
によって構成してもよいものである。

【００２０】まず最初に、本発明の溶融検知装置２によ
る溶融検知動作の詳細を説明する前に、単結晶引き上げ
装置１のメルト工程およびこれに続く単結晶の引上げ工
程について簡単に説明する。

【００２１】原料となる棒状多結晶シリコンはブロック
状に砕かれ、シリコン塊１０８となってるつぼ１０２内
に投入され、黒鉛製ヒータ１０１などで加熱することに
より溶融される（メルト工程）。一方、種結晶３はワイ
ヤ１０５の先端に図示を略したシードチャックなどで把
持され、るつぼ１０２の中心上方に吊り下げられる。そ
して、シリコン塊１０８が完全に溶融すると、シード、
ネック、ボディの各工程からなる単結晶の引上げ工程へ
と移行する。

【００２２】すなわち、処理が単結晶の引上げ工程へ移
行すると、結晶回転・昇降機構１０４によってワイヤ１
０５が下方へ向かって降ろされ、ワイヤ１０５の先端に
吊り下げられた種結晶３の先端がるつぼ１０２内のシリ
コン融液１０９に浸けられるとともに、結晶回転・昇降
機構１０４とるつぼ回転・昇降機構１０６は所定の駆動
が開始され、種結晶とるつぼ１０２は互いに反対方向に
向かって所定の速度でゆっくりと回転されながら引き上
げが開始される（シード工程）。これによって、種結晶
３の先端から単結晶の成長が始まる。

【００２３】種結晶３の先端から単結晶がある程度成長
した時点で、単結晶の無転位化を図るために処理はシー
ド工程からネック工程へ移行し、成長する結晶の径を細
く絞りながら引き上げていく。そして、細径で所定の距
離引き上げた後、製品となる大径の単結晶を安定に成長
させるためのボディ工程へと移行し、大径に成長した単
結晶のインゴットをゆっくりと引き上げていくことによ
り、シリコン単結晶を製造するものでる。この溶融検知
装置２は、上記したシリコン塊１０８を溶融するメルト
工程において、シリコン塊の溶融状態を常時監視し、シ
リコン塊が完全に溶融したことを自動的に検出して知ら
せるものでる。

【００２４】次に、前記溶融検知装置２の動作につい
て、図３を参照して説明する。２次元ＣＣＤカメラ２０
１は、覗き窓１０７からるつぼ１０２内のシリコン塊１
０８とシリコン融液面１０９を撮影し、図３に示すよう
な撮影画像を画像処理装置２０２に送る。

【００２５】画像処理装置２０２の２値画像変換部２０
６は、２次元ＣＣＤカメラ２０１から送られてきた図３
のような撮影画像信号をデジタル信号に変換した後、所
定のスレッショルドレベル（しきい値）で白黒の２値画
像に変換する。白黒の２値画像に変換された撮影画像
は、モニタテレビ２０３に送られて画面に映し出される
とともに、黒画素計数部２０７に送られる。

【００２６】図３に示すようにシリコン塊１０８は、い
まだ溶けていないかあるいは溶ける途中にある時は温度
が低いため、画面上では黒っぽく写る。一方、完全に溶
融したシリコンは温度の高い液体となるため、るつぼ１
０２内のシリコン融液面１０９は、画面上では白っぽく
明るく輝いて写る。したがって、図３の撮影画像を適当
なスレッショルドレベル（しきい値）で白黒に２値化す
れば、シリコン塊１０８部分を黒画素に、また、シリコ
ン融液面１０９部分を白画素に２値変換することができ
る。

【００２７】黒画素計数部２０７は、前記２値画像変換
部２０６から送られてくる白黒の２値画像中のるつぼ１
０２内の黒画素の数ｍ（シリコン塊１０８の面積に相
当）を計数し、溶融判定部２０８に送る。なお、シリコ
ン融液面１０９の揺らぎによる反射の影響を避けるた
め、一定時間連続して同じ位置に存在する黒画素のみを
シリコン塊１０８であると判断するように処理すること
が望ましい。

【００２８】溶融判定部２０８は、黒画素計数部２０７
から送られてくる黒画素数ｍを、予め設定しておいた比
較基準値Ｓと比較する。そして、黒画素数ｍが比較基準
値Ｓよりも小さくなった時にシリコン塊１０８の溶融が
完了したものと判定し、その判定結果を信号出力部２０
９に送る。

【００２９】すなわち、シリコン塊１０８が完全に溶融
すると、るつぼ１０２内はすべてシリコン融液面１０９
で覆われ、異物などを除いて黒画素はほとんど存在しな
くなり、白画素のみとなる。そこで、比較基準値Ｓを異
物混入などやシリコン融液面１０９の揺らぎに誤差など
を見込んだ所定の値に設定しておけば、るつぼ１０２内
のシリコン塊１０８が完全に溶融したことを検知するこ
とができる。

【００３０】信号出力部２０９は、溶融判定部２０８か
ら送られてくる判定結果に従って検知信号を出力し、例
えば、ブザー２０４を鳴らしたり、表示灯２０５を点灯
したりして、シリコン塊１０８が完全に溶融したことを
作業者に知らせる。また、必要に応じて、この検知信号
を単結晶引き上げ装置１の引き上げ制御装置（図示せ
ず）などに送り、結晶回転・昇降機構１０４やるつぼ回
転・昇降機構１０６の動作を制御し、単結晶の引上げ工
程へと自動移行する。

【００３１】上述したように、上記実施の形態にかかる
溶融検知装置２による場合、るつぼ１０２内のシリコン
塊１０８の完全溶融を自動的に検出することができる。
このため、作業者の目視による監視が不要となり、作業
者の負担を軽減することができる。また、監視タイミン
グが合わなかったりするようなことがなくなり、直ちに
単結晶の引上げ工程へ移行することができるので、スル
ープットの低下、電力量の増大、部材の劣化などを防止
することができる。

【００３２】また、シリコン塊１０８の溶融時に、るつ
ぼ１０２がるつぼ回転・昇降機構１０６によってゆっく
りと回転されているような場合には、図４に示すよう
に、その回転位置に出現する黒い部分をシリコン塊１０
８として判断するように処理すればよい。

【００３３】次に第２の実施形態について説明する。こ
の第２の実施形態にあっては、一度引上げられたインゴ
ットの再溶融を検知する溶融検知装置及び検知方法につ
いて説明する。この第２の実施形態の溶融検知装置及び
検知方法は、基本的には、第１の実施形態と同一な構成
を備えているが、第２の実施形態では、るつぼ内のイン
ゴットの所定の位置、あるいはまたインゴットとその近
辺の半導体融液面の両方を含む所定の位置に予め溶融検
知のための監視エリアを設定し、該監視エリアを撮像手
段によって撮影し、監視エリア内の白画素または黒画素
の数を計数し、該計数した白画素または黒画素の数から
インゴットの再溶融完了を検出する点に特徴がある。

【００３４】次に、この溶融検知装置２の動作につい
て、図５および図６を参照して説明する。図５はインゴ
ットの溶融を監視するための監視エリアの説明図、図４
は監視エリア内のインゴットとシリコン融液面の白黒の
２値画像の例を示す図である。

【００３５】まず、２次元ＣＣＤカメラ２０１によって
撮影する監視エリア１１１を設定し、監視エリア１１１
を撮影できる位置に２次元ＣＣＤカメラ２０１を配置す
る。その他の構成は、第１の実施形態における溶融検知
装置２と同一である。そして、予め設定しておいた監視
のための監視エリア４を含むるつぼ内の一定範囲を覗き
窓１０７から２次元ＣＣＤカメラ２０１によって撮影
し、該撮影画像を画像処理装置２０２に送る。なお、こ
の実施の形態の場合、監視エリア１１１は、インゴット
１１０の右側縁部と、この右側縁部近辺のシリコン融液
面１０９とが同一画面内に同時に入るような位置に設定
されている。

【００３６】画像処理装置２０２の２値画像変換部２０
６は、２次元ＣＣＤカメラ２０１から送られてくる撮影
画像信号をデジタル信号に変換した後、所定のスレッシ
ョルドレベル（しきい値）で白黒の２値画像に変換す
る。白黒の２値画像に変換された撮影画像は、モニタテ
レビ２０３におくられて画面に映し出されるとともに、
黒画素計数部２０７に送られる。

【００３７】黒画素計数部２０７は、この送られてきた
白黒の２値画像中から前記した監視エリア４内に存在す
る黒画素の数ｍ（インゴット１１０の面積に相当）を計
数し、溶融判定部２０８に送る。溶融判定部２０８は、
この計数された画素数ｍが予め設定した比較基準となる
画素数より小さくなったか否かを監視し、比較基準値か
ら小さくなった時にインゴット１１０の溶融が発生した
ものと判定する。

【００３８】すなわち、本発明の溶融検知装置２では、
再溶融（メルトバック）中のインゴットは黒色に変換さ
せて表示し、溶け終わると黒色部がシリコン融液面１０
９と同じ白色に変わり、画面全体が白色になる。したが
って、黒画素計数部２０７の黒画素計数値ｍが０になっ
たか否かを監視すれば、メルトバックの完了を自動的に
知ることができる。さらに、このようにして得られたメ
ルトバックの完了信号を単結晶引き上げ装置１の引き上
げ制御装置に送り、単結晶の再引き上げを自動で再開さ
せる。

【００３９】なお、上記第１、第２の実施形態では、シ
リコン塊１０８、インゴット１１０の部分を黒色に、シ
リコン融液面１０９の部分を白色に２値変換した場合を
例に採ったが、これとは逆に、シリコン塊１０８、イン
ゴット１１０の部分を白色に、シリコン融液面１０９の
部分を黒色に２値変換しても、白黒が逆になるだけで、
上記したと同様にシリコン塊１０８、インゴット１１０
の完全溶融を検出することができる。

【００４０】また、単結晶引き上げ装置１の覗き窓１０
７に設置した２次元ＣＣＤカメラ２０１を取り外し可能
にし、モニタテレビ２０３を含む溶融検知装置２全体を
移動自在な運搬用台車などに載せて可搬型装置とすれ
ば、溶融検知装置が付設されていない他の単結晶引き上
げ装置にも共用することができる。さらに、本発明の溶
融検知装置２は、溶融した半導体内に異物が混入してい
る場合の異物検出などにも応用することが可能である。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の溶融検知
方法と装置によれば、以下のような優れた効果を奏する
ことができる。 （１） 半導体単結晶引上げ装置のメルト工程における
半導体原料の溶融完了を、またインゴットの再溶融完了
を常時監視して自動検知することが可能となり、作業者
の負担を軽減することできる。 （２） 目視による監視が不要となるので、省人化を図
ることができる。 （３） 半導体原料の溶融完了、インゴットの再溶融完
了を直ちに検知することができるので、メルト工程から
引上げ工程へ直ちに移行することができ、スループット
の低下、電力量の増大、部材の劣化などを防止すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明になる半導体原料の溶融検知装置を付設
したＣＺ式シリコン単結晶引き上げ装置の全体構成図で
ある。

【図２】図１中の画像処理装置の回路例を示す図であ
る。

【図３】２次元ＣＣＤカメラによるるつぼ内の撮影画像
の例を示す図である。

【図４】るつぼが回転している場合の撮影画像の例を示
す図である。

【図５】第２の実施形態にかかる監視エリアを示す図で
ある。

【図６】第２の実施形態にかかるインゴットとシリコン
融液面の白黒２値化画像の例を示す図である。

【符号の説明】

１ ＣＺ式シリコン単結晶引き上げ装置 ２ 溶融検知装置 ３ 種結晶 １０１ ヒータ １０２ るつぼ １０３ 真空容器 １０４ 結晶回転・昇降機構 １０５ ワイヤ １０６ るつぼ回転・昇降機構 １０７ 覗き窓 １０８ シリコン塊（半導体原料） １０９ シリコン融液面 １１０ インゴット １１１ 監視エリア １２０ 黒鉛製るつぼ １２１ 回転軸 ２０１ ２次元ＣＣＤカメラ（撮像手段） ２０２ 画像処理装置 ２０３ モニタテレビ ２０４ ブザー ２０５ 表示灯 ２０６ ２値画像変換部 ２０７ 黒画素計数部 ２０８ 溶融判定部 ２０９ 信号出力部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岩田 康幸 愛知県刈谷市小垣江町南藤１番地 東芝セ ラミックス株式会社刈谷製造所内 Ｆターム(参考） 4G077 AA02 BA04 CF06 CF10 EH10 PE27

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体単結晶引き上げ装置における溶融
   検知方法であって、 るつぼ内を撮像手段によって撮影し、 該撮影画像を白黒の２値画像に変換した後、該変換した
   ２値画像中のるつぼ内の白画素または黒画素の数を計数
   し、 該計数した白画素または黒画素の数からるつぼ内の半導
   体原料の溶融完了を検出することを特徴とする半導体単
   結晶引き上げ装置における溶融検知方法。
2. 【請求項２】 半導体単結晶引き上げ装置における溶融
   検知装置であって、 るつぼ内を撮影する撮像手段と、 該撮像手段で撮影した撮影画像を白黒の２値画像に変換
   し、該変換した２値画像中のるつぼ内の白画素または黒
   画素の数を計数し、該計数した白画素または黒画素の数
   からるつぼ内の半導体原料の溶融完了を検出する画像処
   理装置と、を備えたことを特徴とする半導体単結晶引き
   上げ装置における溶融検知装置。
3. 【請求項３】 半導体単結晶引き上げ装置における溶融
   検知方法であって、 るつぼ内のインゴットの所定位置に、あるいはまたイン
   ゴットとその近辺の半導体融液面の両方を含む所定の位
   置に予め溶融検知のための監視エリアを設定し、 該監視エリアを撮像手段によって撮影し、 該監視エリアの撮影画像を白黒の２値画像に変換した
   後、該変換した２値画像を用いて監視エリア内の白画素
   または黒画素の数を計数し、 該計数した白画素または黒画素の数のからインゴットの
   溶融完了を検出することを特徴とする半導体単結晶引き
   上げ装置における溶融検知方法。
4. 【請求項４】 半導体単結晶引き上げ装置における溶融
   検知方法であって、 るつぼ内のインゴットの所定位置に、あるいはまたイン
   ゴットとその近辺の半導体融液面の両方を含む所定の位
   置に予め設定した溶融検知のための監視エリアを撮影す
   る撮像手段と、 該撮像手段で撮影した撮影画像を白黒の２値画像に変換
   し、該変換した２値画像における監視エリア内の白画素
   または黒画素の数を計数し、該計数した白画素または黒
   画素の数からインゴットの溶融完了を検出する画像処理
   装置と、を備えたことを特徴とする半導体単結晶引き上
   げ装置における溶融検知装置。