JPH03112885A

JPH03112885A - 単結晶引き上げ時の結晶ダイの検知方法

Info

Publication number: JPH03112885A
Application number: JP24810089A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Maruyama; 智丸山
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1989-09-26
Filing date: 1989-09-26
Publication date: 1991-05-14

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〈産業上の利用分野〉本発明は、単結晶引き上げ時の結晶ダイの検知方法に関
する。

〈従来の技術〉ルツボ内で半導体原料を溶融して結晶インゴットを育成
していくチョクラルスキー法による半導体の単結晶引上
機の従来例については、第３図に示すように、炉本体１
の内部に、原料であるシリコンの融液２を蓄える石英ル
ツボ３がサセプタ支持シャフト４で支持されるサセプタ
５に載置され、サセプタ支持シャフト４は駆動モータ６
によって回転自在とされる０石英ルツボ３の外周には、
石英ルツボ３を加熱するヒータ７が配置され、ヒータ７
と炉本体１の内壁との間には保温材８が介装されている
。

また、炉本体１の上部にはインゴット格納部９が設けら
れ、その頂部にワイヤ引上シャフト１０゜ワイヤ引上モ
ータ１１．　　シード回転モータ１２が一体的に組み付
けて構成され、ワイヤ引上シャツ目０には昇降自在とさ
れるワイヤ１３が巻き付けられ、このワイヤ１３の下端
にはシードチャック１４が取付けられ、単結晶を成長さ
せる核となる種結晶（以下、シードというＮ５が融液２
に浸漬して保持される。

そして、シード回転モータ１２を回転することによって
ワイヤ１３はワイヤ軸を中心とした回転が与えられ、さ
らにワイヤ引上モータ１１を回転することによってワイ
ヤ引上シャフト１０を駆動してワイヤ１３を巻き上げる
ことにより、シード１５が回転しながら上方に引き上げ
られ、このシード１５の下端に単結晶１６が成長してい
くのである。

このような単結晶引上装置において、融液２から単結晶
１６を引き上げる際に、単結晶性を保ったまま引き上げ
ているのが一般的であり、その単結晶性は通常次のよう
にして判断される。

すなわち、単結晶であるときには、結晶成長速度が結晶
方位によって異なることにより、結晶回りに凸壁線が生
じる。これをオペレータが肉眼で観察し、凸壁線が消え
たときオペレータの判断で結晶を切り離すことにしてい
る。

また、他の方法では、例えば特開昭５８−１９４７９７
号公報に開示されているように、メニスカス部を含む輝
度の高い領域を光検出器によって検出し、この検出信号
と結晶の回転数に比例する予め定めた特定の交流成分と
基準設定信号とを比較して、検出信号の振幅が所定値よ
り小さくなることから成長稜の消滅時点を検出し、自動
的に結晶を融液から切り離すという方法が提案されてい
る。

〈発明が解決しようとする課題〉しかしながら、上記した従来の方法ではいずれも、結晶
のダイ（多結晶化）が起こってから検知するまでの時間
が長くかかってしまうという欠点がある。この理由とし
て、前者の方法の場合は、結晶と融液の界面であるメニ
スカス部の輝度が高く、そのためオペレータの眼では判
断が難しいからである。また、後者のメニスカスの輝度
の強度を検出する方法では、対象の結晶がｖＪいている
ことや、凸壁線の高さが１ｍｍ以下程度と小さいことに
より、正確に凸壁線の有無を確認することが困難である
という問題がある。

本発明は、上記のような課題を解決すべくなされたもの
であって、単結晶引き上げ時における結晶ダイを早期に
かつ正確に検知する方法を提供することを目的とする。

〈課題を解決するための手段〉本発明は、結晶融液を引き上げ凝固させて単結晶を製造
するに際し、結晶と融液の界面の間にビーム光を照射し
、その反射位置と反射光強度を所定の周期でサンプリン
グし、前記反射位置または反射光強度の変化をもとにし
て結晶ダイを検知することを特徴とする単結晶引き上げ
時の結晶ダイの検知方法である。

〈作　用〉本発明者は、直接結晶の形状から結晶ダイを検出する方
法とは別に、結晶のまわりの融液の様子から逆に凸壁線
の有無を検知することができないかどうかと考え、ビー
ム光を結晶付近の融液表面に当てて、その反射の挙動を
調べた結果、凸壁線があるときとないときとでその反射
の挙動が明らかに異なることが判明した。その反射の挙
動が異なる原因は、凸壁線の形状が表面流れに影響を及
ぼしているためと考えられ、したがって、その挙動を正
確にとらえることによって、結晶ダイを検知することが
できる。

すなわち、本発明によれば、結晶と融液の界面の間に照
射したビーム光の反射位置または反射光強度の変化を時
系列的に解析するようにしたので、凸壁線の発生の有無
を判別することができ、これによって、結晶ダイの有無
を検知することが可能である。

〈実施例〉以下に、本発明の実施例について、第１図を参照して説
明する。なお、図中、従来例と同一のものは同一の符号
を付して説明を省略する。

図に示すように、炉本体Ｉの一部に、石英ルツボ３内の
結晶１６と融液２の界面との間のメニスカスにビーム光
を投光する投光窓１７とその照射像へを観測する観察窓
１８とが設けられ、投光窓１７の外部にはビーム光投光
器１９が、また観察窓１８の外側には２次元光学素子２
０がそれぞれ取付けられる。

なお、メニスカスの照射像Ａは、光学フィルタ２１を通
過した後、カメラレンズ２２により２次元光学素子２０
の撮像面に結像するように予め調整される。

２次元光学素子２０による像はアナログ電気信号として
測定制御装置２３に人力されて演算処理が施される。こ
の測定制御装置２３は、光学素子インターフェース２４
．フレームメモリ２５．共通バス２６゜中央演算処理装
置２７１時系列データメモリ２８．スペクトルデータメ
モリ２９．デイスプレィ３０．プリンタ３１．記録装置
３２から構成される。

そして、２次元光学素子２０からのアナログ電気信号は
、光学素子インターフェース２４に人力されてサンプル
ホールド、アナログ／デジタル変換がなされてフレーム
メモリ２５に格納され、このフレームメモリ２５での画
像信号を共通バス２６を介して中央演算処理装置２７が
アクセスして、照射画像Ａの位置を決めるため必要な計
算を行い、そのＸｙ平面におけるＸ軸方向およびＸ軸方
向の位置信号の値を時系列データメモリ２８にメモリさ
せる。

この位置信号を時系列的に採取し、適当なデータ数に達
したところで再度中央演算処理装置２７に送り込み、必
要なスペクトル解析を行ってスペクトルデータメモリ２
９にメモリさせるとともに、デイスプレィ３０やプリン
タ３１に出力表示し、また記録装置３２に記録させる。

これと同時に、スペクトルに影響を与える諸量を綱べる
ために、シード回転数センサ３３．シード引上速度セン
サ３４．ルツボ回転数センサ３５．を通してセンサイン
クフェース３６で変換された後、必要とあれば中央演算
処理装置２７でデイスプレィ３０やプリンタ３１に出力
表示し、あるいは記録装置３２に記録させることができ
る。

そこで、投光器１９でメニスカス部にビーム光を照射し
、２次元光学素子２０として例えば画面のゆがみを生じ
ることのない固体撮像型カメラあるいは２次元ＰＳＤな
どを用いて、その反射位置を写した。２次元光学素子２
０の照射像Ａの一例を第２図に示した。

この照射像への中には、結晶の凸壁線のない部分で観察
される反射位ｌＡ、　、凸壁線のある部分で観察される
反射位置へ〇の他に、結晶１６と融液２の接触面で生じ
る面積の大きい高輝度部分を含んでおり、したがって、
画像全面にわたって重心をとると好ましくないデータと
なる。これを避けるためには、以下の２つの方法により
対処した。

■　照射像へのとらえる範囲は第２図のままとして、高
輝度部分が複数あるときにその面積を算出し、一定面積
以下の高輝度部分のみを取り出すハードウェアあるいは
ソフトウェアを付加して常時とらえる方法。

■　照射像へのとらえる範囲は第２図より小さくし、そ
の領域に照射像があるかないかで判定する方法。

まず、方法■について説明すると、第２図で照射像Ａと
判断された点について、その点の画素の重心を求める。

その結果を時系列的にならべたものが第３図である。そ
のときの条件は結晶回転数が１２　ｒｐ＋ｗ、結晶方位
は（１００）である、このため、結晶は４回対称となり
、凸壁線は４木生じる。したがって、点を固定すると、
結晶が回転に要する時間は５　ｓ　（＝６０／１２）で
あるから、１．２５秒（＝５／４）毎に凸壁が通過する
ことになり、位置も１゜２５秒毎に変わることが予想さ
れる。第３図によれば、１．２５秒毎に位置が変わって
いるため、この予想が正しいことを裏づけでいる。

その検出の具体的方法として、例えばスペクトルをとっ
てピークが所定の位置に生じているかどうかを確かめれ
ばよい、このスペクトルをとるには、ＦＦＴあるいは線
型予測法を用いればよい。

また、ピークの来たるべき位置は、結晶回転数と結晶方
位によつて決まるため、回転数をモニタすればよい、第
４図は、第３図における照射像位置の時間的変化のパワ
ースペクトル強度を示したものであり、振動数０．７５
１１ｚにおいてピークが出現していることがわかる。

結晶性が消失した場合、すなわちダイか起こった場合の
照射像への位置変化を第５図に示す、このときは凸壁が
ないため、絶えず照射像Ａは一定の位置にある。これを
スペクトル解析すると、第６図のようになり、ピークは
生じない。

以上から、結晶性の消失が起こった位置をショルダ位置
からの距離として調べたのが、第７図である０本方法は
従来法と比べてよい結果が得られることが明白である。

なお、図中における実結晶は、引き上げが終わったのち
に結晶を取り出し、凸壁が生じている部分の長さを正常
部として測定した値である。

つぎに、方法■の場合については、まず小さい領域内の
光の強度に着目して、その有無を検出する。その結果を
第８図に示す、この図でも周期性が生じていることがわ
かる。結晶性が消失した場合の状況は、前出第５図と同
様である。また周期性の判定も同様である。

〈発明の効果〉以上説明したように、本発明によれば、ダイを早期にし
かも人手の介入によらず検知することができるから、製
品の歩留りの向上や省力化の面などにおいて大なる効果
があり、その有用性は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明方法を実施する具体的な構成図、第２
図は、本発明の実施の過程で得られる照射像とフユージ
ｑンリングの像を示す模式図、第３図は、ダイか起こっ
ていないときの照射像位置の時間的変化を示す特性図、
第４図は、第３図での時間的変化のパワースペクトル強
度分布を示す特性図、第５図は、ダイか起こったときの
照射像位置の時間的変化を示す特性図、第６図は、第５
図での時間的変化のパワースペクトル強度分布を示す特
性図、第７図は、従来方法と本発明によるダイ位置の検
出例を比較して示す特性図、第８図は、光の強度分布を
示す特性図、第９図は、単結晶引上機の従来例を示す構
成図である。２・・・融液、　　３・・・石英ルツボ、　　１３・・
・ワイヤ。１５・・・シード（種結晶）、１６・・・結晶、１７・
・・投光窓、１８・・・観察窓、１９・・・ビーム光投
光器。２０・・・２次元光学素子（２次元１最像装置）、２１
・・・光学フィルタ、２２・・・カメラレンズ、２３・
・・測定制御装置、２４・・・光学素子インターフェー
ス、２５・・・フレームメモリ、２７・・・中央演算処
理装置、２日・・・時系列データメモリ、２９・・・ス
ペクトルデータメモリ、３３・・・シード回転数センサ
、３４・・・シード引上速度センサ、３５・・・ルツボ
回転数センサ、３６・・・センサインタフェース、　Ａ
・・・観測像。

Claims

【特許請求の範囲】

結晶融液を引き上げ凝固させて単結晶を製造するに際し
、結晶と融液の界面の間にビーム光を照射し、その反射
位置と反射光強度を所定の周期でサンプリングし、前記
反射位置または反射光強度の変化をもとにして結晶ダイ
を検知することを特徴とする単結晶引き上げ時の結晶ダ
イの検知方法。