JP2014091640A - シリカガラスルツボの評価方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】内部測距部17から前記ルツボ11の内表面に対して斜め方向にレーザー光を照射し、その反射光を検出することによって測定した内部測距部17と前記内表面の間の内表面距離を各測定点の三次元座標と関連付けることによって、前記ルツボの内表面三次元形状を求める工程を備え、(1)測定点において取得した画像中に異物が存在していると判断した場合には、その画像を取得した位置において前記ルツボ11の厚さ方向の焦点位置を変化させ、複数枚の画像を取得することによって前記異物の三次元位置を特定する工程と、(2)前記複数の測定点において歪み画像を取得することによって、歪みの三次元分布を決定する工程の少なくとも一方をさらに備える。
【選択図】図3
Description
シリカガラスルツボのサイズは、直径が28インチ(約71cm)、32インチ(約81cm)、36インチ(約91cm)、40インチ(約101cm)などのものがある。直径101cmのルツボは、重量が約120kgという巨大なものであり、そこに収容されるシリコン融液の質量は900kg以上である。つまり、シリコン単結晶の引き上げ時には、約1500℃のシリコン融液が900kg以上もルツボに収容されることになる。
(1)前記内表面三次元形状上の複数の測定点において画像を取得し、得られた画像中に異物が存在していると判断した場合には、その画像を取得した位置において前記ルツボの厚さ方向の焦点位置を変化させて複数枚の画像を取得することによって、前記異物の三次元位置を特定する工程と、
(2)前記内表面三次元形状上の複数の測定点において歪み画像を取得することによって、歪みの三次元分布を決定する工程の少なくとも一方をさらに備える、シリカガラスルツボの評価方法が提供される。
さらに、本発明の方法によれば非接触でルツボ内表面の三次元形状を測定することができることが別の利点である。上述したように、99.999999999%以上という極めて高純度のシリコン単結晶を製造するためには、ルツボ内表面が極めて清純に維持されることが必須であるが、接触式の方法ではルツボ内表面が汚染されやすいのに対して、本発明のように非接触式の方法では、内表面の汚染を防ぐことができる。
本発明の一実施形態のシリコン単結晶の製造方法で使用されるシリカガラスルツボ11は、一例では、回転モールドの内表面に平均粒径300μm程度のシリカ粉を堆積させてシリカ粉層を形成するシリカ粉層形成工程と、モールド側からシリカ粉層を減圧しながら、シリカ粉層をアーク熔融させることによってシリカガラス層を形成するアーク熔融工程を備える(この方法を「回転モールド法」と称する)方法によって製造される。
シリコン単結晶の引き上げ時には、図1(a)に示すように、ルツボ11内に多結晶シリコン21を充填し、この状態でルツボ11の周囲に配置されたカーボンヒーターで多結晶シリコンを加熱して熔融させて、図1(b)に示すように、シリコン融液23を得る。
シリコン融液23の体積は、多結晶シリコン21の質量によって定まるので、シリコン融液23の液面23aの高さ位置H0は、多結晶シリコン21の質量とルツボ11の内表面の三次元形状によって決まる。本発明によれば、後述する方法によって、ルツボ11の内表面の三次元形状が定まるので、ルツボ11の任意の高さ位置までの容積が特定され、従って、シリコン融液23液面23aの初期の高さ位置H0が決定される。
以下、図3〜図7を用いて、ルツボの三次元形状の測定方法について説明する。本実施形態では、レーザー変位計などからなる内部測距部17をルツボ内表面に沿って非接触で移動させ、移動経路上の複数の測定点において、ルツボ内表面に対してレーザー光を斜め方向に照射し、その反射光を検出することによって、ルツボの内表面三次元形状を測定する。以下、詳細に説明する。また、内表面形状を測定する際に、透明層13と気泡含有層15の界面三次元形状も同時に測定することができ、また、内部測距部19を用いることによってルツボの外表面三次元形状も測定することができるので、これらの点についても合わせて説明する。
測定対象であるシリカガラスルツボ11は、開口部が下向きになるように回転可能な回転台9上に載置されている。ルツボ11に覆われる位置に設けられた基台1上には、内部ロボットアーム5が設置されている。内部ロボットアーム5は、好ましくは六軸多関節ロボットであり、複数のアーム5aと、これらのアーム5aを回転可能に支持する複数のジョイント5bと、本体部5cを備える。本体部5cには図示しない外部端子が設けられており、外部とのデータ交換が可能になっている。内部ロボットアーム5の先端にはルツボ11の内表面形状の測定を行う内部測距部17が設けられている。内部測距部17は、ルツボ11の内表面に対してレーザー光を照射し、内表面からの反射光を検出することによって内部測距部17からルツボ11の内表面までの距離を測定する。本体部5c内には、ジョイント5b及び内部測距部17の制御を行う制御部が設けられている。制御部は、本体部5c設けられたプログラム又は外部入力信号に基づいてジョイント5bを回転させてアーム5を動かすことによって、内部測距部17を任意の三次元位置に移動させる。具体的には、内部測距部17をルツボ内表面に沿って非接触で移動させる。従って、制御部には、ルツボ内表面の大まかな形状データを与え、そのデータに従って、内部測距部17の位置を移動させる。より具体的には、例えば、図3(a)に示すようなルツボ11の開口部近傍に近い位置から測定を開始し、図3(b)に示すように、ルツボ11の底部11cに向かって内部測距部17を移動させ、移動経路上の複数の測定点において測定を行う。測定間隔は、例えば、1〜5mmであり、例えば2mmである。測定は、予め内部測距部17内に記憶されたタイミングで行うか、又は外部トリガに従って行う。測定結果は、内部測距部17内の記憶部に格納されて、測定終了後にまとめて本体部5cに送られるか、又は測定の度に、逐次本体部5cに送られるようにする。内部測距部17は、本体部5cとは別に設けられた制御部によって制御するように構成してもよい。
ルツボ11の外部に設けられた基台3上には、外部ロボットアーム7が設置されている。外部ロボットアーム7は、好ましくは六軸多関節ロボットであり、複数のアーム7aと、これらのアームを回転可能に支持する複数のジョイント7bと、本体部7cを備える。本体部7cには図示しない外部端子が設けられており、外部とのデータ交換が可能になっている。外部ロボットアーム7の先端にはルツボ11の外表面形状の測定を行う外部測距部19が設けられている。外部測距部19は、ルツボ11の外表面に対してレーザー光を照射し、外表面からの反射光を検出することによって外部測距部19からルツボ11の外表面までの距離を測定する。本体部7c内には、ジョイント7b及び外部測距部19の制御を行う制御部が設けられている。制御部は、本体部7c設けられたプログラム又は外部入力信号に基づいてジョイント7bを回転させてアーム7を動かすことによって、外部測距部19を任意の三次元位置に移動させる。具体的には、外部測距部19をルツボ外表面に沿って非接触で移動させる。従って、制御部には、ルツボ外表面の大まかな形状データを与え、そのデータに従って、外部測距部19の位置を移動させる。より具体的には、例えば、図3(a)に示すようなルツボ11の開口部近傍に近い位置から測定を開始し、図3(b)に示すように、ルツボ11の底部11cに向かって外部測距部19を移動させ、移動経路上の複数の測定点において測定を行う。測定間隔は、例えば、1〜5mmであり、例えば2mmである。測定は、予め外部測距部19内に記憶されたタイミングで行うか、又は外部トリガに従って行う。測定結果は、外部測距分19内の記憶部に格納されて、測定終了後にまとめて本体部7cに送られるか、又は測定の度に、逐次本体部7cに送られるようにする。外部測距部19は、本体部7cとは別に設けられた制御部によって制御するように構成してもよい。
以上より、ルツボの内表面及び外表面三次元形状が既知になるので、ルツボの壁厚の三次元分布が求められる。
次に、図4を用いて、内部測距部17及び外部測距部19による距離測定の詳細を説明する。
図4に示すように、内部測距部17は、ルツボ11の内表面側(透明層13側)に配置され、外部測距部19は、ルツボ11の外表面側(気泡含有層15側)に配置される。内部測距部17は、出射部17a及び検出部17bを備える。外部測距部19は、出射部19a及び検出部19bを備える。また、内部測距部17及び外部測距部19は、図示しない制御部及び外部端子を備える。出射部17a及び19aは、レーザー光を出射するものであり、例えば、半導体レーザーを備えるものである。出射されるレーザー光の波長は、特に限定されないが、例えば、波長600〜700nmの赤色レーザー光である。検出部17b及び19bは、例えばCCDで構成され、光が当たった位置に基づいて三角測量法の原理に基づいてターゲットまでの距離が決定される。
また、透明層13中に独立した気泡が存在する場合、この気泡からの反射光を内部測距部17が検出してしまい、透明層13と気泡含有層15の界面を適切に検出できない場合がある。従って、ある測定点Aで測定された界面の位置が前後の測定点で測定された界面の位置から大きく(所定の基準値を超えて)ずれている場合には、測定点Aでのデータを除外してもよい。また、その場合、測定点Aからわずかにずれた位置で再度測定を行って、得られたデータを採用してもよい。
図7(a)、(b)は、それぞれ、ルツボの設計値に対して許容される寸法公差を考慮したときの、肉厚が最小となるルツボの形状、及び肉厚が最大となるルツボの形状を示す。側壁部11a、コーナー部11b,底部11cは、それぞれ、許容される寸法公差が異なっているので、その境界は不連続になっている。上記方法によって決定されるルツボ11の内表面三次元形状と外表面三次元形状から定まるルツボ11の形状が、図7(a)に示す公差範囲内の肉厚最小のルツボ形状と、図7(b)に示す公差範囲内の肉厚最大のルツボ形状の間の形状である場合には、ルツボ11の形状が公差範囲内であり、形状検査合格とすることができ、図7(a)の形状と図7(b)の形状から一部でも外れた場合には、形状検査不合格にすることができる。このような方法によって、ルツボ形状が公差範囲外になっているルツボの出荷を未然に防ぐことができる。
内部ロボットアーム5及び外部ロボットアーム7には、種々の物性を測定するためのプローブを取り付けることができ、このブローブをルツボ11の内表面三次元形状又は外表面三次元形状に沿って移動させることによって、種々の物性の三次元分布を決定することが可能にある。内部ロボットアーム5及び外部ロボットアーム7には、複数種類のプローブを取り付けて、複数の物性を同時に測定するようにしてもよく、プローブを適宜交換して複数種類の物性を測定するようにしてもよい。また、プローブの交換は、手動で行ってもよく、オートチェンジャーを用いて自動で行ってもよい。プローブの種類としては、赤外吸収スペクトル測定用プローブ、ラマンスペクトル測定用プローブ、共焦点顕微鏡、カメラなどが挙げられる。
また、上記の内部測距部17、外部測距部19、及び後述する各種プローブは、データベース機能を有する外部処理装置に接続されており、測定データが直ちにデータベースに取り込まれるように構成することが可能である。そして、外部処理装置において、各種の形状及び物性についてOK/NG判定を行うことによって、ルツボの品質検査を容易に行うことができる。
ルツボの内表面の三次元形状上の複数の測定点において内表面の画像を撮影することによって、その三次元位置を決定することができる。
各測定点での取得した画像を解析すると、異物が存在していない部分には画像内に何も移らないが、ルツボ11の表面又は内部に有色の異物が存在していると、図8に示すように、画像中に黒っぽい影が映るので、この影を検出することによって、異物を検出することができる。そして、各画像の撮影位置の座標が既知であるので、異物が検出された画像がルツボ11の内表面三次元形状のどの位置で撮影されたものであるのかが分かる。
図8のような画像からでは、異物が内表面上に存在しているのか、ルツボの厚さ方向の深い位置に存在しているのかを特定することが容易ではない。そこで、異物が検出された測定位置において、共焦点顕微鏡を用いて、ルツボ11の厚さ方向に焦点位置をずらしながら、画像を撮影することによって、異物が存在している深さを特定することができる。
ルツボの内表面の三次元形状上の複数の測定点において内表面の歪み画像を撮影することによって、その三次元分布を決定することができる。
歪み画像を撮影するための光学系は、一例では、図9に示すように、ルツボ11に対して光を照射する光源31と、光源31からの光を偏光にする偏光子33とからなる投光部32と、透過軸の方向が偏光子33と実質的に直交するように配置された検光子35と、検光子35を通過した光を集光するレンズ37と、レンズ37で集光された光を検出する受光器(例:CCDカメラ)39からなる受光部36とで構成される。ルツボ11を構成するシリカガラスは、歪みがない状態では複屈折性を有さないので、偏光子33を通過した光がルツボ11を通過しても偏光方向が変化せず、検光子35を通過する光の成分が実質的に0になる。一方、シリカガラスが歪み(残留応力)を有すると複屈折性を有するようになり、偏光子33を通過した光がルツボ11を通過したときに偏光方向が変化して、検光子35を通過する成分を有するようになる。そして、検光子35を通過する成分をレンズ37を介して受光器39で検出することによって歪み画像を撮影することができる。レンズ37は省略可能である。
図3(a)及び(b)を用いて説明した上記実施形態では、ルツボ11を回転台9に載せて測定を行ったが、別の実施形態では、図10(a)〜(c)に示すように、搬送用ロボットアーム6でルツボ11を把持したまま、測定を行うことができる。以下、詳細に説明する。
Claims (12)
- シリカガラスルツボの内表面に沿って非接触で内部測距部を移動させ、
移動経路上の複数の測定点において、内部測距部から前記ルツボの内表面に対して斜め方向にレーザー光を照射し、前記内表面からの内表面反射光を検出することによって、内部測距部と前記内表面の間の内表面距離を測定し、
各測定点の三次元座標と、前記内表面距離を関連付けることによって、前記ルツボの内表面三次元形状を求める工程を備え、
(1)前記内表面三次元形状上の複数の測定点において画像を取得し、得られた画像中に異物が存在していると判断した場合には、その画像を取得した位置において前記ルツボの厚さ方向の焦点位置を変化させて複数枚の画像を取得することによって、前記異物の三次元位置を特定する工程と、
(2)前記内表面三次元形状上の複数の測定点において歪み画像を取得することによって、歪みの三次元分布を決定する工程の少なくとも一方をさらに備える、シリカガラスルツボの評価方法。 - 前記異物の三次元位置は、共焦点顕微鏡を用いて特定される、請求項1に記載の方法。
- 前記内表面三次元形状の測定は、前記ルツボを測定エリアに搬送する搬送用ロボットアームで把持した状態で行われ、
前記ルツボの円周方向の、ある位置において前記ルツボの底部と開口部の間で前記内部ロボットアームの先端を移動させて測定を行った後、前記搬送用ロボットアームが前記ルツボを円周方向に回転させる工程を繰り返すことによって、前記ルツボの内表面全体が測定される、請求項1又は請求項2に記載の方法。 - 前記ロボットアームによる前記ルツボの回転の角度は、6.3度以下である、請求項3に記載の方法。
- 前記ロボットアームは、把持部を介して前記ルツボを把持し、
前記把持部は、前記ルツボの側面に対して少なくとも四方から、前記ルツボに接触する面に弾性部材が設けられたアームを前記ルツボに押し付けることによって前記ルツボを把持する、請求項3又は請求項4に記載の方法。 - 前記内部測距部からのレーザー光は、前記内表面に対して30〜60度の入射角で照射される、請求項1〜請求項5の何れか1つに記載の方法。
- 前記内部測距部は、前記内部測距部を三次元的に移動させることができるように構成された内部ロボットアームに固定される、請求項1〜請求項6の何れか1つに記載の方法。
- 前記ルツボの外表面に沿って外部測距部を移動させ、
移動経路上の複数の測定点において、外部測距部から前記ルツボの外表面に対してレーザー光を照射し、前記外表面からの外表面反射光を検出することによって、前記外部測距部と前記外表面の間の外表面距離を測定し、
各測定点の三次元座標と、前記外表面距離を関連付けることによって、前記ルツボの外表面三次元形状を求める工程をさらに備える、請求項1〜請求項7の何れか1つに記載の方法。 - 前記内表面三次元形状と前記外表面三次元形状から定まる前記ルツボの形状が、公差範囲内の肉厚最小のルツボ形状と、公差範囲内の肉厚最大のルツボ形状の間の形状であるか否かに従って、ルツボの評価を行う工程をさらに備える、請求項8に記載の方法。
- 前記外部測距部は、前記外部測距部を三次元的に移動させることができるように構成された外部ロボットアームに固定される、請求項8又は請求項9に記載の方法。
- 前記歪み画像は、(1)前記ルツボに対して光を照射する光源と、前記光源からの光を偏光にする偏光子とを含む投光部と、
(2)透過軸の方向が前記偏光子と実質的に直交するように配置された検光子と、前記検光子を通過した光を検出する受光器からなる受光部と、
を備える光学系を用いて取得される、請求項1〜請求項10の何れか1つに記載の方法。 - 前記内部測距部は、前記内部測距部を三次元的に移動させることができるように構成された内部ロボットアームに固定され。前記外部測距部は、前記外部測距部を三次元的に移動させることができるように構成された外部ロボットアームに固定され、
前記投光部と前記受光部は、前記内部ロボットアームと前記外部ロボットアームに固定され、
前記歪み画像の取得時に、前記内部ロボットアームと前記外部ロボットアームは、前記投光部と前記受光部を同期して移動させる、請求項11に記載の方法。
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