JP4039055B2

JP4039055B2 - 単結晶の育成方法および育成装置

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Publication number: JP4039055B2
Application number: JP2001388783A
Authority: JP
Inventors: 匡彦水田; 徳次前田; 浩二加藤
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2008-01-30
Anticipated expiration: 2021-12-21
Also published as: JP2003192487A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はチョクラルスキー法（原料融液に磁場を印加する装置を備えた磁場印加チョクラルスキー法を含む。以下、同じ。）によりシリコン単結晶等の単結晶を原料融液から育成する単結晶の育成方法および育成装置に関し、特に、単結晶の直径制御のために、原料融液を加熱する加熱温度パターンの設定を改良した単結晶の育成方法および育成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
単結晶を成長させるには種々の方法があるが、この中で最も代表的な引き上げ方法がチョクラルスキー法である。チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の育成では、周知のとおり、シリコンの原料融液に種結晶を浸漬し、この状態から、引き上げ速度および原料融液の加熱温度を制御しながら種結晶を引き上げることにより、種結晶の下方に円柱形状のシリコン単結晶が育成される。そして、育成されたシリコン単結晶から、半導体デバイスの材料となるシリコンウェーハが採取される。
【０００３】
このようなシリコン単結晶の育成においては、単結晶の直径制御が行われる。この単結晶の直径制御の従来技術としては、単結晶直径の計測値と設定値とのずれを融液温度または引き上げ速度にフィードバックして補償することを特徴とする単結晶自動径制御方法（特開昭５７−１７５７９４）がある。この方法に代表されるように、従来の単結晶の直径制御方法は、引き上げ中の単結晶の直径のずれを原料融液を加熱するヒータ温度または引き上げ速度にフィードバックするダイナミック制御である。また、特開平４−１４９０９２号公報には、コーン部育成制御方法及び装置に関して記述されているが、本技術も、引き上げ中のヒータ温度を操作して直径を制御するダイナミック制御である。
【０００４】
以上のような従来技術において、直径制御としてダイナミック制御に重点が置かれていたのは次の理由による。即ち、単結晶の育成装置には、装置毎に僅かに個体差があるため、その装置毎に加熱特性に差異が生じてしまう。また、たとえ単一の製造装置であっても、製造装置を構成する部品の経時変化や部品の取り替えにより、加熱特性に差異が生じてしまう。このために、予め設定する加熱手段のヒータ温度パターンはひとつの目安にしかならず、直径制御は引き上げ中のダイナミック制御に頼らざるを得なかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した直径制御に関する従来技術の問題点は、単結晶の引き上げ中に実施するダイナミック制御にある。直径のずれを加熱温度にフィードバックして制御する場合は、加熱温度を操作してから単結晶の直径に作用するまでに多大な時間を要するため、所望の直径制御を行うことは困難である。単結晶直径が大口径化した現在では、上記単結晶の直径に作用するまでの時間はさらに延び、その困難さは一層増している。
【０００６】
一方、直径のずれを引き上げ速度にフィードバックする場合は、引き上げ速度を操作してから単結晶の直径に作用するまでの時間は短くなる。しかし、単結晶の品質が高くなるに連れて、引き上げ速度と品質との相関関係が強いことが判明し、許容できる引き上げ速度偏差は非常に狭いことが分かってきた。このため、あまり引き上げ速度を操作することはできない。すなわち、引き上げ速度を操作することにより直径を制御することはできるが、安易に引き上げ速度を操作すると、単結晶の品質不良を生じるという本末転倒の結果を生じることとなる。
【０００７】
このように、単結晶の直径の大口径化および高品質化に伴って、直径のダイナミック制御の問題が顕在化してきた。また、従来から指摘されている問題であるが、外周研削による材料損失の増大を抑制するとともに、直径不良による歩留まり率の悪化を防ぐためには、良好な直径制御が不可欠である。
【０００８】
以上のことから、大口径化および高品質化が一層進むにつれて、引き上げ中のダイナミック制御に依存しない直径制御の重要性が増してきた。
【０００９】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、引き上げ前に単結晶の直径を決定付ける加熱温度の設定手段を提供することにより、単結晶の品質を維持したうえで直径不良による歩留まり不良を抑制する直径制御を行う単結晶の育成方法および育成装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、第１の発明に係る単結晶の育成方法は、予め加熱温度パターンを設定してチョクラルスキー法により単結晶を育成するに際し、原料融液を加熱する加熱手段の加熱温度が単結晶の直径に及ぼす応答特性から、単結晶の育成過程で変化する加熱温度を一定時間毎に細分化して個々のステップ状変化量に対応する直径変化量を特定し、これらの直径変化量を重ね合わせてできる単結晶の直径と目標直径とを比較し、それらの誤差を解消するように調整することで、加熱温度パターンに対する単結晶直径の経時変化を、少なくとも結晶育成装置毎、あるいは結晶育成装置を構成する部品の履歴毎に予測し、該直径予測値と引き上げ長もしくは引き上げ時間に対して予め設定された直径目標値とが一致するように調整して決定した加熱温度パターンに基づいて原料融液を加熱することを特徴とする。
【００１１】
上記構成により、予め決定された加熱温度パターンに基づいて原料融液を加熱することで、大口径の単結晶でもその直径を正確に制御しながら育成することができるようになる。この単結晶の育成方法は、特に製品の目標直径となる直胴部までの肩部の形状制御に適している。
【００１２】
上記加熱温度パターンは、単結晶の育成過程で変化する加熱温度を一定時間毎に細分化して個々のステップ状変化量に対応する直径変化量を特定し、これらの直径変化量を重ね合わせてできる単結晶の直径と目標直径とを比較し、それらの誤差を解消するように調整することで、決定することが望ましい。
【００１３】
上記構成により、結晶育成装置毎、あるいは結晶育成装置を構成する部品の履歴毎に異なる、加熱温度パターンの直径への影響を吸収することができる。即ち、加熱温度を細分化して、個々の部分で変化した温度（ステップ状変化量）が変化させる単結晶の直径を細かく測定することで、微調整がきくようになる。これにより、個々の部分での直径変化量を重ね合わせてできる単結晶の直径は細かな調整がきき、目標直径との誤差を解消するように細かく調整することで、最良の加熱温度パターンを作製することができる。
【００１４】
第２の発明に係る単結晶の育成装置は、予め加熱温度パターンを設定してチョクラルスキー法により単結晶を育成するに際し、原料融液を、予め設定する加熱温度パターンに基づいて加熱する加熱手段を備えた単結晶の育成装置において、上述の発明に係る単結晶の育成方法に基づいて決定した上記加熱温度パターンにより上記加熱手段を制御する制御手段を備えたことを特徴とする。
【００１５】
上記構成により、細かく調整された最良の加熱温度パターンに基づいて原料融液を加熱することで、大口径の単結晶でもその直径を正確に制御しながら育成することができるようになる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る単結晶の育成方法および育成装置について説明する。
【００１７】
［単結晶の育成方法］
まず、本実施形態に係る単結晶の育成方法について説明する。
【００１８】
本実施形態に係る単結晶の育成方法は、チョクラルスキー法において、上述した従来のダイナミック制御ではなく、予め設定する加熱温度パターンに基づいて加熱制御を行うものである。チョクラルスキー法により単結晶を育成するに際して、原料融液を加熱する加熱手段の加熱温度が単結晶の直径に及ぼす応答特性から、加熱温度パターンに対する単結晶直径の経時変化を予測し、この直径予測値と引き上げ長もしくは引き上げ時間に対して予め設定された直径目標値とが一致するように調整して、加熱手段の加熱温度パターンを決定する。そして、この加熱温度パターンに基づいて加熱制御を行う単結晶の育成方法は、直胴部の直径を一定に保つ制御の場合も有効な方法であるが、特に製品の目標直径となる直胴部までの肩部の形状制御に最適な方法である。
【００１９】
具体的には、チョクラルスキー法により単結晶（半導体単結晶等）を原料融液から育成する際に、引き上げ長もしくは引き上げ時間に対して、所望の直径となるように設定する加熱手段の加熱温度パターンを適正化したうえで、この加熱温度パターンに基づいて単結晶を育成する。
【００２０】
これを実現するために、以下の処理をする。まず、加熱手段の加熱温度が単結晶の直径に及ぼす影響を定式化する。
【００２１】
基本式は、加熱手段の加熱温度のステップ状変化量に対応する直径変化量であり、下記の（１）式で示すことができる。ここで、直径変化量をｄ、加熱手段の温度低下量をΔＴ、比例定数をＫ、時定数をＴ、むだ時間をＬとする。また、添え字のｉは、時間に対して連続的に設定する加熱温度パターンを一定時間毎にステップに分割した場合の、ステップの順番に対応する。
【００２２】
【数１】

この式による典型例を図２のグラフに示す。
【００２３】
設定する加熱温度パターンを一定時間毎に細分化すれば、それぞれのステップ状変化量（細分化した個々の部分での温度差）に対応する直径変化量を算出することが可能である。この概念図を図３および図４に示す。図３は加熱温度パターンを一定時間毎にステップ状に細分化した例である。ここで、加熱温度は、肩部プロセス開始時点での加熱温度を基準温度０℃とした相対温度である。図４は、図３のステップ状に細分化した加熱温度パターンの各ステップ状変化量に対応する直径変化量を示している。例えば、図３の▲１▼に示すΔＴ１に対応する直径変化量は図４の▲１▼ｄ１である。図３の▲２▼ΔＴ２、▲３▼ΔＴ３も同様に、図４の▲２▼ｄ２、▲３▼ｄ３にそれぞれ対応する。図４の各々の直径変化量を重ね合わせることにより、図５に示すように、最終的に単結晶の直径を予測することができる。ここで、単結晶の直径をＤとすると、以下の式（２）が成り立つ。
【００２４】
Ｄ(t)＝Σｄi(t) …（２）
直径の予測精度は、予測モデルに依存する。この予測モデルに必要なパラメータは、引き上げ実績をもとに決定する。加熱温度パターンの直径への影響には個体差があり、結晶育成装置毎、あるいは結晶育成装置を構成する部品の履歴毎に異なる。逆に言うと、結晶育成装置毎、あるいは結晶育成装置を構成する部品の履歴毎に同一条件で単結晶を育成させれば、同じ直径の単結晶が繰り返し得られることになる。このため、同一条件毎に予測モデルのパラメータを決定することにより、結晶育成装置毎あるいは結晶育成装置を構成する部品の履歴（経時的な変化）毎に対応させることが可能となる。同一条件データは、結晶育成装置の操業条件、結晶育成装置を構成する部品の使用状況および単結晶の引き上げ実績値を蓄積して作成する。これ以外のデータも必要に応じてデータベースに加える。これにより、結晶育成装置毎、及び結晶育成装置を構成する部品毎に、種々の条件での数値をデータベース化する。そして、このデータベースを基に、結晶育成装置及び結晶育成装置を構成する部品の状態を特定することで、それに対応する加熱温度パターンを瞬時に抽出することが可能になる。
【００２５】
なお、モデルのパラメータは、本実施形態においては先に示したように、各ステップに対応した比例定数、時定数、むだ時間となる。すなわち、ステップ数がＮであれば、３×Ｎがモデルに必要なパラメータ数となる。これらのモデルパラメータは、加熱温度実績と直径実績をもとに、直径予測値が直径実績と一致するように決定する。
【００２６】
次に、加熱温度パターンの決定方法について説明する。この加熱温度パターンに対する直径は、上記予測モデル、即ちすでにモデルパラメータを決定した直径の予測モデルを用いて予測する。そして、予測誤差が所望の設定値以下になるまで、加熱温度パターンの見直しを行い、直径の予測誤差が所望の設定値以下になった場合の加熱温度パターンを、所望の直径パターンを得るために適正化された加熱温度パターンとして決定する。
【００２７】
この加熱温度パターンの決定方法を図１に示すフローチャートをもとに具体的に説明する。まず、加熱温度パターンを設定する（ステップＳ１）。この加熱温度パターンの設定は初回の場合はおおよその値にする。２回目以降は前回の値よりも僅かずつ変えて設定する。次に、設定された加熱温度パターンを予測モデルと参照して直径の予測値を特定する（ステップＳ２）。次に、この直径の予想値の目標値との誤差が所望の設定値以下になっているか否かを判断する（ステップＳ３）。所望の設定値以下になっていない場合は、ステップＳ１及びステップＳ２を繰り返す。所望の設定値以下になった場合は、その加熱温度パターンに決定する（ステップＳ４）。
【００２８】
この決定された加熱手段の加熱温度パターンをデータベース化し、結晶育成装置の制御盤に設定して単結晶の育成を行う。即ち、引き上げ長もしくは引き上げ時間に対応して設定された加熱温度パターンに基づいて単結晶を引き上げる。
【００２９】
これにより、単結晶の品質を維持したうえで、直径制御性の良好な単結晶を引き上げることが可能となる。
【００３０】
大口径の単結晶に対しても良好な直径制御が可能になり、大口径で品質の高い単結晶を育成することができる。この結果、歩留まり率が向上して製造コストの低減を図ることができる。
【００３１】
［単結晶の育成装置］
次に、結晶育成装置を図面に基づいて説明する。図６は本実施形態に係る結晶育成装置の構成図である。
【００３２】
結晶育成装置は、円筒形状の炉本体１１を備えている。炉本体１１内の中央部には石英の坩堝１２が配置されている。石英の坩堝１２内には単結晶用原料を溶融させた原料融液１３が充填されている。坩堝１２の外周には、原料融液１３を加熱するための加熱手段１５が備えられている。
【００３３】
炉本体１１の上方には、炉本体１１より細長い円筒形状のケーシング１１ａが連結されている。ケーシング１１ａ内には、ワイヤ１７が坩堝１２の回転軸１４に対して同心状態で垂下されている。ワイヤ１７の下端部にはシードホルダ１７ａが装着されており、これには種結晶１７ｂが取り付けられる。そして、種結晶１７ｂを石英坩堝１２内の原料融液１３に漬け、この状態から坩堝１２および種結晶１７ｂを回転させながら、種結晶１７ｂを上昇させることにより、その下方にシリコンの単結晶１９が育成される。
【００３４】
種結晶１７ｂの回転および上昇のために、ケーシング１１ａの最上部には、ワイヤ回転装置２０と、ワイヤ昇降装置２１とが設けられている。
【００３５】
ワイヤ回転装置２０は、ワイヤ回転用モータ２３と、駆動プーリ２４と、従動プーリ２５と、ベルト２６とを備えている。駆動プーリ２４はワイヤ回転用モータ２３の回転軸に取り付けられている。従動プーリ２５は、ワイヤ昇降装置２１を介してワイヤ１７に連結されている。ベルト２６は、駆動プーリ２４と従動プーリ２５とに掛け渡されて、ワイヤ回転装置２０とワイヤ昇降装置２１とを連結している。これにより、ワイヤ回転装置２０は、直接的にはワイヤ昇降装置２１を回転させ、このワイヤ昇降装置２１を介して間接的にワイヤ１７を回転させるようになっている。
【００３６】
ワイヤ昇降装置２１は、ワイヤ昇降用モータ２８と、ボビン２９とを備えて構成されている。ワイヤ昇降用モータ２８は、ボビン２９に歯車で結合されて、ボビン２９を回転させるようになっている。ボビン２９には、ワイヤ１７が巻き付けられている。これにより、ワイヤ昇降用モータ２８が駆動することで、ボビン２９が回転して、ボビン２９に巻きつけられたワイヤ１７が昇降されるようになっている。
【００３７】
これらワイヤ１７、ワイヤ回転装置２０およびワイヤ昇降装置２１を含んで、昇降手段３０が構成されている。
【００３８】
炉本体１１の上部には、観測窓１１ｂが設けられており、観測窓１１ｂを挟んで単結晶１９と対向する側には、直径センサ３１が設置されている。直径センサ３１は画像処理部３２に接続されており、これらを含んで計測・検出手段３３が構成されている。
【００３９】
加熱手段１５とワイヤ昇降用モータ２８とには制御盤４０が接続されている。この制御盤４０は、これら加熱手段１５及びワイヤ昇降用モータ２８を制御して、加熱温度と、単結晶の引き上げ長もしくは引き上げ時間とを、予め設定された値で制御するようになっている。即ち、単結晶の直径および単結晶の品質に強く影響を及ぼす引き上げ速度および加熱手段１５の加熱温度は、単結晶の引き上げ中には、予め制御盤４０に設定されたパターンで制御されるようになっている。
【００４０】
本発明で重要な直径を制御するための加熱温度パターンを決定する方法は、上述した単結晶の育成方法を用いた。単結晶の直径を予測する予測モデルを用いることにより決定した。すなわち、制御盤４０には、ＣＰＵやメモリ等が設けられ、上述した単結晶の育成方法の処理機能が格納されている。具体的には、制御盤４０は、ワイヤ回転用モータ２３及びワイヤ昇降用モータ２８を、設定された値で制御すると共に、加熱手段１５を上記単結晶の育成方法により決定した加熱温度パターンに基づいて制御した。
【００４１】
具体的には、１２０分の加熱温度パターンを１分毎のステップに分割することとし、３６０個のモデルパラメータを決定した。このとき、予測モデルによる直径の予測誤差は標準偏差で０．３２ｍｍであった。
【００４２】
次に、上記方法で決定した加熱温度パターンを結晶育成装置の制御盤４０に設定したうえで単結晶の引き上げを行ったところ、良好な結果が得られた。すなわち、単結晶の品質を維持したうえで直径制御性の良好な単結晶を製造することができた。この一例を図７に示す。
【００４３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明に係る単結晶の育成方法および育成装置によれば、単結晶の品質を維持したうえで、直径制御性の良好な単結晶を引き上げることが可能となる。
【００４４】
特に、大口径の単結晶に対して、良好な直径制御が可能になり、大口径で品質の高い単結晶を育成することができる。この結果、歩留まり率が向上して製造コストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】加熱温度パターンを決定するためのフローチャートである。
【図２】直径変化量のモデル化を示す基本図である。
【図３】加熱温度パターンの細分化例を示すグラフである。
【図４】各加熱温度に対応する各直径変化量を示すグラフである。
【図５】単結晶の直径を予測するグラフである。
【図６】本発明の実施形態に係る単結晶の育成方法に使用される育成装置を示す構成図である。
【図７】単結晶を製造した一例を示すグラフである。
【符号の説明】
１１：炉本体、１１ａ：ケーシング、１１ｂ：観測窓、１２：坩堝、１３：原料融液、１５：加熱手段、１７：ワイヤ、１７ａ：シードホルダ、１７ｂ：種結晶、１９：単結晶、２０：ワイヤ回転装置、２１：ワイヤ昇降装置、２３：ワイヤ回転用モータ、２４：駆動プーリ、２５：従動プーリ、２６：ベルト、２８：ワイヤ昇降用モータ、２９：ボビン、３０：昇降手段、３１：直径センサ、３２：画像処理部、３３：計測・検出手段、４０：制御盤。

Claims

予め加熱温度パターンを設定してチョクラルスキー法により単結晶を育成するに際し、原料融液を加熱する加熱手段の加熱温度が単結晶の直径に及ぼす応答特性から、単結晶の育成過程で変化する加熱温度を一定時間毎に細分化して個々のステップ状変化量に対応する直径変化量を特定し、これらの直径変化量を重ね合わせてできる単結晶の直径と目標直径とを比較し、それらの誤差を解消するように調整することで、加熱温度パターンに対する単結晶直径の経時変化を、少なくとも結晶育成装置毎、あるいは結晶育成装置を構成する部品の履歴毎に予測し、該直径予測値と引き上げ長もしくは引き上げ時間に対して予め設定された直径目標値とが一致するように調整して決定した加熱温度パターンに基づいて原料融液を加熱することを特徴とする単結晶の育成方法。
予め加熱温度パターンを設定してチョクラルスキー法により単結晶を育成するに際し、原料融液を、予め設定する加熱温度パターンに基づいて加熱する加熱手段を備えた単結晶の育成装置において、請求項１記載の単結晶の育成方法に基づいて決定した上記加熱温度パターンにより上記加熱手段を制御する制御手段を備えたことを特徴とする単結晶の育成装置。