JPH04219388A - シリコン単結晶の直径制御方法及び装置 - Google Patents

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はシリコン単結晶の直径制
御方法及び装置、特にるつぼに対して相対的に回転させ
ながらシリコン単結晶を連続的に製造する結晶引上げ中
に引上げ単結晶の直径を制御するシリコン単結晶の直径
制御方法及び装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図２はシリコン等の半導体単結晶の製造
方法としてよく知られているチョクラルスキー法による
単結晶製造装置を示す模式説明図である。なお、チョク
ラルスキー法は広くＣＺ法と称され、また一般には結晶
引上げ法と呼称されている。

【０００３】図において、シリコン単結晶を製造する場
合、るつぼ２にはヒータ４によって加熱溶融されたシリ
コン融液３が入っていて、そこから図示しない回転機構
によりシリコン単結晶１をるつぼ２の回転方向と逆方向
に回転させながら、引上げ装置７で徐々に引上げ、シリ
コン融液３とシリコン単結晶１との界面領域で結晶成長
させるようになっている。このシリコン単結晶１は種結
晶１ａから結晶成長して育成され、種結晶１ａは引上げ
装置７に接続する種結晶ホルダ６によって支持されてい
る。このような成長中のシリコン単結晶１を以下の説明
では引上げ単結晶と呼称している。また、引上げ装置７
はシリコン単結晶１を上下する機構と回転する機構を備
えており、モータコントローラ８、引上げモータ９その
他によって構成されているが、よく知られている装置で
あるので、その構造の詳細説明は省略する。るつぼ２は
上述の回転機構のほか図示しない上下機構によって支持
されており、この上下機構により例えば結晶が成長して
も融液面は下降せずに一定に保たれるようになっていて
、融液面付近の温度分布を変化させないような工夫が施
されている。

【０００４】ＣＺ法により製造された引上げ単結晶１は
、のちに円柱状のシリコン単結晶インゴットに仕上げら
れるので、引上げ単結晶１はボディー部全体にわたって
ほぼ同一直径で引上げられることが要求される。そのた
め、ビデオメジャー５等の光学的手段で引上げ単結晶１
の直径を引上げ中に直接計測して、直径を目標値に保つ
ように引上げ速度を調整しながら引上げる直径制御を行
っている。この場合、光学的手段は結晶引上げ装置に固
定されていて、引上げ単結晶１と融液面との境界にみら
れるフユージョンリングを斜め上方から一本の計測線で
測定して直接引上げ単結晶１の直径を計測している。

【０００５】上述の引上げ速度の調整による引上げ単結
晶の直径制御は、光学的手段による直径実測値と目標直
径値とを比較してその偏差をよく知られているＰＩＤ制
御することにより操作量として引上げ速度を算出し、こ
れをモータコントローラ８に入力指令し引上げ速度を制
御することによって行われている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来のシ
リコン単結晶の直径制御方法乃至直径制御装置において
は、結晶引上げ装置の例えば引上げ速度を変えた時のシ
リコン単結晶の応答すなわち引上げ単結晶の直径の変化
は、その影響が現れるまでに時間がかかり（むだ時間が
長い）、さらに変化の割合いが小さい（変化又は応答速
度が小さい）のが一般である。したがって、目標直径値
と比較してＰＩＤ制御を行う場合、引上げ単結晶の直径
の変化を的確にとらえるタイムリーな引上げ速度の操作
が必要とされるために、微分項（微分動作）をきかせた
先行制御が必要である。しかしながら、光学的手段で計
測された引上げ単結晶の直径実測値にはノイズが多いた
め、この影響を受けて引上げ速度が過剰に変動する恐れ
があって微分項を大きくした制御を行うことができなか
った。このため結晶直径変動抑制に限界があり、その歩
留りが悪くなりがちであった。

【０００７】また、現場でのＰＩＤパラメータ調整が不
可欠なものであったため、シリコン単結晶をＰＩＤパラ
メータの調整のために無駄に引上げなければならなかっ
た。

【０００８】本発明は上述のような課題を解決するため
になされたもので、直径制御において実施するＰＩＤ演
算の算法に改良を加え、さらにはむだ時間補償制御を付
加して、目標値追従が優れ、かつ、現場でのＰＩＤパラ
メータ調整作業をなくしたシリコン単結晶の直径制御方
法及び装置を提供することを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係る第１のシリ
コン単結晶の直径制御方法は、るつぼに対して相対的に
回転させながらシリコン単結晶を引上げてシリコン単結
晶を製造する工程中において、光学的手段により計測さ
れる引上げ単結晶の直径実測値と目標直径値とを比較し
、この偏差をもとに不完全微分によるＰＩＤ処理を行っ
て引上げ速度を算出し、引上げ速度を結晶引上げ装置の
モータコントローラに出力して引上げ速度の操作により
引上げ単結晶の直径制御を行うものである。

【００１０】また、本発明に係る第２のシリコン単結晶
の直径制御方法は、第１の直径制御方法における不完全
微分によるＰＩＤ処理の代りに、スミス法による処理を
行って引上げ速度を算出するようにしたものである。

【００１１】つぎに、本発明に係る第１のシリコン単結
晶の直径制御装置は、光学的手段により計測される引上
げ単結晶の直径実測値を取り込む入力部と、引上げ単結
晶の直径実測値と目標直径値を比較して引上げ速度を算
出する不完全微分ＰＩＤ演算部と、引上げ速度を結晶引
上げ装置のモータコントローラに出力する出力部とによ
って構成したものである。

【００１２】また、本発明に係る第２のシリコン単結晶
の直径制御装置は、第１の直径制御装置の不完全微分Ｐ
ＩＤ演算部の代りに、スミス法演算部を用いて構成した
ものである。

【００１３】さらに、本発明に係るシリコン単結晶のモ
デルパラメータ決定方法は、引上げ単結晶の直径値の引
上げ速度に対する応答特性を下記の式に示す伝達関数に
よりモデル化し、引上げ速度をステップ的に変化させた
ときの直径値の応答を調べるステップ応答試験により伝
達関数中の応答速度Ｖ、むだ時間Ｌの２つのモデルパラ
メータを決定するものである。

【００１４】 伝達関数：Ｇｐ（ｓ）＝Ｖ／ｓ２　・ｅ−Ｌｓ　また、
本発明に係るＰＩＤパラメータ決定方法は、上記のシリ
コン単結晶モデルを用いた計算機シミュレーションを行
って最適パラメータを求めるものである。

【００１５】

【作用】本発明においては、前記第１のシリコン単結晶
の直径制御方法及び装置において、不完全微分ＰＩＤ制
御により直径実測値のノイズの影響を抑えた有効な微分
効果を発揮させうるため、シリコン単結晶の直径値を目
標値に限りなく近づけることができる。

【００１６】また、前記第２のシリコン単結晶の直径制
御方法及び装置において、不完全微分ＰＩＤ制御単独で
なく、スミス法による直径制御を行うから、第１の直径
制御方法及び装置の作用に加えて、Ｇｐ（ｓ）・（１−
ｅ−Ｌｓ　）というむだ時間補償モデルをマイナールー
プに挿入することによりむだ時間のない伝達関数Ｇｐ（
ｓ）を制御対象とすることができ、目標値追従性の優れ
た直径制御が行われる。　　また、上記の直径制御方法
及び装置の演算手段に適用するＰＩＤパラメータ及びス
ミス法パラメータは実際にシリコン単結晶を引き上げて
決定することなく、最適のパラメータは計算機シミュレ
ーションで決定される。

【００１７】

【実施例】以下、本発明による実施例を説明する。実施
例１では主として不完全微分ＰＩＤ演算によるシリコン
単結晶の直径制御方法及び装置、実施例２ではスミス法
演算による直径制御方法及び装置についてのべる。

【００１８】実施例１；図１は不完全微分ＰＩＤ演算に
よる直径制御方法に用いる直径制御装置の一実施例を示
す模式構成図である。図において、１〜９は図２の従来
のシリコン単結晶製造装置の説明に用いた部分符号と同
一又は相当部分を示すものでその説明は省略する。また
、図３は図１の直径制御装置の機能を説明するブロック
図である。

【００１９】図１の２０は不完全微分ＰＩＤ処理による
直径制御装置をブロック図で示した部分である。この装
置における制御対象データは基本的には光学的手段とし
て用いたビデオメジャー５で計測された直径実測値であ
る。図にみられるように、直径制御装置は直径実測値を
処理する結晶直径入力部１０と、処理された直径実測値
と目標直径とを比較して引上げ速度を演算する不完全微
分ＰＩＤ演算部１１と、引上げ速度をシリコン単結晶製
造装置（結晶引上げ装置）に指令する引上げ速度出力部
１２とによって構成されている。なお、１３は演算時に
使用するパラメータを格納するＰＩＤパラメータを示し
ている。

【００２０】つぎに、図１，図２にもとづいて不完全微
分ＰＩＤによる直径制御方法の一実施例を説明する。ビ
デオメジャー５から得られた直径実測値（図３ではシリ
コン単結晶製造装置３０からの出力で、図１では結晶入
力部１０の出力）を加算点３１で図示しないメモリに格
納された目標直径と比較し、不完全微分ＰＩＤ演算部１
１において不完全微分を用いたＰＩＤ演算１１ａを行い
操作出力の引上げ速度を算出する。この引上げ速度を引
上げ速度出力部１２を介してモータコントローラ８に出
力することにより指令を行い、引上げ単結晶１が制御さ
れた引上げ速度により引上げられてシリコン単結晶１が
製造される。このような制御操作を引上げ単結晶１が例
えば１回転する間に数回行い、この操作をボディー部引
上げの全体にわたって行うようになっている。

【００２１】以上のような直径制御方法を実施すること
により、直径変動が少なく、かつ目標直径に近い直径値
を有するシリコン単結晶１を製造することができる。な
お、この制御方法において、ＰＩＤパラメータ１３はシ
リコン単結晶モデルを用いた計算機シミュレーションに
より最良のパラメータが決定済みであるので、現場での
ＰＩＤパラメータの調整は不要である。

【００２２】ここで、不完全微分ＰＩＤ演算の算法とモ
デルパラメータ決定方法について説明する。

【００２３】通常のＰＩＤ動作のみによる操作出力Ｇｏ
（ｓ）は、直径実測値と目標直径との偏差をＥ（ｓ）　
として、式［２］のようになる。

【００２４】

【数２】

【００２５】 　　　　Ｇｏ（ｓ）＝Ｋ＊｛１＋１／（Ｔｉ　＊ｓ）＋
Ｔｄ　＊ｓ｝Ｅ（ｓ）　　　　　　　…［２］ここで、
Ｋは比例ゲイン、Ｔｉ　は積分時間、Ｔｄ　は微分時間
、ｓはラプラス変数（複素数）である。

【００２６】一方、本発明の直径制御で使用する不完全
微分ＰＩＤ動作の操作出力Ｇ（ｓ）　は式［３］で示す
ことができる。

【００２７】

【数３】

【００２８】 Ｇ（ｓ）＝Ｋ＊｛１＋１／（Ｔｉ＊ｓ）　　　　　　　
　＋Ｔｄ　＊ｓ／（１＋α＊Ｔｄ　＊ｓ｝＊Ｅ（ｓ）　
　　　　　　　　　　　　　　…［３］ここで、１／α
は微分ゲインと呼ばれる。［２］式と［３］式との違い
は、微分項による操作変数の計算にあるが、［３］式の
場合は［２］式の通常の微分項出力Ｔｄ　＊ｓに一次遅
れフィルタをかけたものとなっている。 図４は偏差Ｅ（ｓ）　のステップ状変化に対する応答特
性の比較波形図である。図４の（ａ）　は横軸時間に対
する偏差の値を示し、図４の（ｂ）　は偏差に対する通
常のＰＩＤ演算の操作出力量Ｍを縦軸に示したものであ
り、図４の（ｃ）　は不完全微分ＰＩＤ演算における微
分動作部分の操作出力量Ｍの応答特性である。図４から
も明らかなるように、不完全微分ＰＩＤの場合は、例え
ばノイズ偏差に対する出力が１／αのゲインで抑えられ
る（図ではＭ／α）こととなりノイズに対する敏感な応
答が抑えられ、有効な微分効果を得ることができる。

【００２９】また、ＰＩＤパラメータ１３を決定するた
めに計算機シミュレーションで用いたシリコン単結晶モ
デルに関しては、実際の応答を忠実に再現できるむだ時
間Ｌを考慮した式［４］で示す２次の積分系で近似した
。

【００３０】

【数４】

【００３１】 　　　　　　　　Ｇｐ（ｓ）＝Ｖ／ｓ２　・ｅ−Ｌｓ　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…
［４］ただし　　Ｖ：反応速度 モデルパラメータであるむだ時間Ｌ、反応速度Ｖは、以
下の手順によりもとめる。まず、シリコン単結晶製造装
置において、引上げ速度をステップ的に変化させ、その
ときのシリコン単結晶直径の応答データを採取する。次
に、むだ時間Ｌ、反応速度Ｖを仮定して計算機シミュレ
ーションによりステップ応答試験を再現する。そしてこ
のシミュレーション結果と実際の応答波形データとの誤
差が最も少なくなるＶとＬとを決定する。

【００３２】ここで、上記のような不完全微分ＰＩＤ制
御方法及び装置により、実際にシリコン単結晶を製造し
た実施例結果について説明する。

【００３３】本実施例では、０．１秒毎の直径計測デー
タの移動平均値と目標直径値との比較、引上げ速度算出
、モータコントローラ８への出力の一連の作業を、１秒
間に１回、つまりシリコン単結晶が１回転する間に３回
行った。（引上げ単結晶の回転数は２０．０ｒｐｍ　で
ある。）この制御周期については、引上げ速度、回転数
が増加した場合、さらにるつぼ内の温度変動等の運転上
の外乱が大きい場合にはさらに短かくすることが直径制
御上有効と考えられる。ボディー部の目標直径は、１６
０．０ｍｍである。製造されたシリコン単結晶を有効ボ
ディー部のトップから０．０，５０．０，１００．０，
１５０．０，２００．０，２５０．０ｍｍのところで直
径を計測した結果を図５の模式図に示す。図５に示す通
り、目標直径１６０．０ｍｍに対してその偏差は最大値
、最小値で±０．５ｍｍ以内であり各部で均一な直径の
シリコン単結晶を製造することができた。

【００３４】また、このデータは、シリコン単結晶モデ
ルを用いて、計算機シミュレーションにより求めたＰＩ
Ｄパラメータで行った最初の製造であり、１回目からこ
のように精度良く目標直径に追従したシリコン単結晶を
製造することができた。

【００３５】実施例２；図６はスミス法演算による直径
制御方法に用いる直径制御装置の一実施例を示す模式構
成図である。図において、１１を除く１〜１３は図１の
実施例装置の説明に用いた部分符号と同一又は相当部分
を示すものである。また、図７は図６の直径制御装置の
機能を説明するブロック図である。

【００３６】図６の２１はスミス法処理による直径制御
装置をブロック図で示した部分であり、１４はスミス法
演算部である。これは図１の実施例の不完全微分ＰＩＤ
演算部１１の部分をスミス法演算部１４とおきかえただ
けの構成であるが、図７にみられるようにスミス法制御
における主調節機能は不完全微分ＰＩＤ１１ａ　の演算
であるが、スミス法による引上げ単結晶１の直径制御で
は、さらに制御偏差を求めるのに式［４］で示したシリ
コン単結晶モデルを用いることに特徴を有するものであ
る。すなわち、不完全微分ＰＩＤ１１ａ　のフィードバ
ックの主ループに、式［４］から求めたむだ時間補償モ
デルによる伝達関数Ｖ／ｓ２　（１−ｅ−Ｌｓ　）１４
ａをマイナーループに挿入して、加算点２にフィードバ
ックし制御偏差を求めるものである。これにより、むだ
時間を補償した制御が可能となり、目標追従性の優れた
直径制御が達成される。

【００３７】図８はシリコン単結晶製造において、スミ
ス法制御による直径制御の様態を計算機シミュレーショ
ンにより得た結果を示す線図である。図において、横軸
は制御時間、縦軸は引上げ単結晶の直径である。実線が
スミス法による制御特性であり、参考のため従来のＰＩ
Ｄ制御によるシミュレーション結果も点線で示した。シ
ミュレーションではいずれも初期直径１６２．０ｍｍ、
目標直径１６０．０ｍｍとして求めている。図から明ら
かなように、ＰＩＤ制御では目標値に一致するのに約２
時間かかっているが、スミス法では約１時間であり、む
だ時間を補償した目標値追従の良い制御がスミス法では
可能である。

【００３８】

【発明の効果】以上のように本発明によるシリコン単結
晶の直径制御方法及びその装置によれば、まず、不完全
微分によるＰＩＤ制御によりノイズの影響を抑えた結晶
引上げ中の直径制御ができるので、制御性能を向上させ
ることができ、そのため結晶品質の均一化をはかれるの
みでなく、微分項をきかせた制御ができるので直径を限
りなく目標値に近づけることができるため、歩留りの向
上を達成できる効果がある。

【００３９】つぎに、スミス法を用いた制御においても
、不完全微分ＰＩＤ制御と同様の作用による効果が得ら
れるばかりでなく、むだ時間を補償した制御ができるの
で、目標値追従性の優れた直径制御が達成され、より一
層の歩留り向上が得られる。

【００４０】その他、計算機シミュレーションにより最
良のＰＩＤパラメータによるシリコン単結晶製造が最初
から実施できるので、従来方式のように実際にシリコン
単結晶を引上げてパラメータを求めるためにむだな結晶
引上げを行うというようなシリコン単結晶製造の冗長作
業をなくすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による不完全微分ＰＩＤ演算によるシリ
コン単結晶の直径制御方法に用いる直径制御装置の一実
施例を示す模式構成図である。

【図２】従来からのチョクラルスキー法によるシリコン
単結晶製造装置を示す模式説明図である。

【図３】図１の実施例装置の機能を説明するブロック図
である。

【図４】偏差のステップ状変化に対する不完全微分の応
答特性を示す比較波形図である。

【図５】製造されたシリコン単結晶の直径実測値を示す
模式図である。

【図６】スミス法演算による直径制御方法に用いる直径
制御装置の一実施例を示す模式構成図である。

【図７】図６の実施例装置の機能を説明するブロック図
である。

【図８】スミス法による直径制御の様態を計算機シミュ
レーションにより求めた結果を示す線図である。

【符号の説明】

１　　シリコン単結晶（引上げ単結晶）２　　るつぼ ３　　シリコン融液 ４　　ヒータ ５　　ビデオメジャー ６　　種結晶ホルダ ７　　引上げ装置 ８　　モータコントローラ ９　　引上げモータ １０　　結晶直径入力部 １１　　不完全微分ＰＩＤ演算部 １２　　引上げ速度出力部 １３　　ＰＩＤパラメータ １４　　スミス法演算部 ２０　　不完全微分ＰＩＤ処理による直径制御装置２１
　　スミス法処理による直径制御装置３０　　シリコン
単結晶製造装置

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　るつぼに対して相対的に回転する引上
   げ単結晶の直径を結晶引上げ速度で制御するシリコン単
   結晶の直径制御方法において、光学的手段により測定し
   た上記引上げ単結晶の直径実測値と目標直径値とを比較
   して偏差を求め、この偏差をもとに不完全微分によるＰ
   ＩＤ処理を行って単結晶引上げ速度を算出し、この単結
   晶引上げ速度を引上げ手段に指令して上記引上げ単結晶
   の直径を目標直径に制御することを特徴とするシリコン
   単結晶の直径制御方法。
2. 【請求項２】　　偏差を不完全微分によるＰＩＤで処理
   する代りに、スミス法により処理することを特徴とする
   請求項１記載のシリコン単結晶の直径制御方法。
3. 【請求項３】　　るつぼに対して相対的に回転する引上
   げ単結晶の直径を結晶引上げ速度により制御するシリコ
   ン単結晶の直径制御装置において、光学的手段により測
   定される上記引上げ単結晶の直径実測値を取り込む結晶
   直径入力部と、上記直径実測値と目標直径値とを比較し
   てその偏差から上記単結晶引上げ速度を算出する不完全
   微分ＰＩＤ演算部と、上記結晶引上げ速度を引上げ手段
   に指令する引上げ速度出力部とを有することを特徴とす
   るシリコン単結晶の直径制御装置。
4. 【請求項４】　　不完全微分ＰＩＤ演算部の代りにスミ
   ス法演算部を用いたことを特徴とする請求項３記載のシ
   リコン単結晶の直径制御装置。
5. 【請求項５】　　引上げ単結晶の直径値の結晶引上げ速
   度に対する応答特性を式［１］に示す伝達関数により定
   義し、上記結晶引上げ速度のステップ的変化に対する上
   記直径値の応答を求めるステップ応答試験を行って上記
   伝達関数中のＶ，Ｌの２種類のモデルパラメータを決定
   することを特徴とするモデルパラメータ決定方法。 【数１】 　　　　　　　　Ｇｐ（ｓ）＝Ｖ／ｓ２　・ｅ−Ｌｓ　
   　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…［１
   ］　　　　　　　　　　　　ただし、　　Ｖ：応答速度
   　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｌ：む
   だ時間　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
   ｓ：ラプラス変数
6. 【請求項６】　　請求項１，３記載の
   不完全微分ＰＩＤ処理による演算に用いるＰＩＤパラメ
   ータ及び請求項２，４記載のスミス法処理による演算に
   用いるスミス法パラメータを、請求項５記載のシリコン
   単結晶モデルを用いた計算機シミュレーションにより求
   めることを特徴とするＰＩＤパラメータ決定方法。