矽單晶提拉方法
2023-05-01 13:09:51 5
專利名稱：矽單晶提拉方法
技術領域：
本發明涉及一種矽單晶提拉方法，切克勞斯基單晶提拉法從矽熔液提拉 矽單晶時，精確地控制矽單晶的直徑，從而能夠得到結晶缺陷較少的高質量 的矽單晶。
背景技術：
到目前為止，具有各種各樣的製造矽單晶的方法，作為最具代表性的矽
單晶的製造方法，舉出切克勞斯基單晶提拉法(在下文中，稱作cz法)。在
通過cz法培育矽單晶時，將多晶矽在坩鍋中溶解，形成矽熔液。然後，將
籽晶浸漬在該矽熔液中，以預定的旋轉速度、提拉速度，提拉籽晶，在籽晶 的下方培育成圓柱狀的矽單晶。
成為半導體裝置的材料的矽晶片是通過將這種矽單晶切片、研磨等而得 到的。為了確保這樣得到的矽晶片的各種性質為一定等級以上，在作為原材 料的矽單晶的培育時，以直體部的直徑成為一定範圍內的方式進行控制，這 從產品質量以及製造成本方面出發是極為重要的。
作為這種在培育矽單晶時的直體部的直徑控制方法，已知的有例如，計 算出實際提拉的矽單晶的直徑的測量值和預先設定的直徑的設定值的偏差 (差分)，反饋到矽熔液的溫度或提拉速度上，來控制直徑，從而接近預先設
定的矽單晶的直徑(參照JP2939920公報，JP2787042公報)。
但是，如上所述，在測定所提拉的矽單晶的直徑後，計算出與預先設定 的直徑設定值的偏差並進行反饋的方法中，難以更加精確地控制矽單晶的直 徑。也就是，即使將直徑的測定位置設定在固液界面附近，從已經提拉的矽 單晶的直徑中檢測出偏差的時刻，改變矽熔液的溫度或提拉速度，到矽單晶 的實際直徑接近設定值，也要需要相當的時間。因此，在矽單晶中產生由於 直徑的變動導致的起伏，難以確保矽單晶的直體部的直徑固定。
另一方面，已知如下方法利用矽單晶的提拉時在固液界面附近產生的 高亮度帶(也稱作熔化環等)，矽單晶的直徑控制(參照JP7-309694公報)。
該高亮度帶(熔化環)是在由於提拉中的矽單晶表面張力，在隆起的矽熔液 的表面，來自坩鍋壁的放射光反射，在固液界面形成有環繞矽單晶的環狀高 亮度區域。將這樣的高亮度帶(熔化環)看作傾斜面，持續測定該傾斜角度， 檢測該高亮度帶的傾斜角度的變動，由此，檢測出矽單晶的直徑變化。 5 另外，已知如下結構抑制來自坩鍋的放射光，檢測視為傾斜面的高亮
度帶(熔化環)的外徑或寬度(參照JP200541705號公報)。
然而，檢測視為傾斜面的高亮度帶(熔化環)的角度或直徑尺寸，並基 於此控制矽單晶的直徑的方法中，成為檢測對象的高亮度帶(熔化環)的邊 界面不一定明確，所以，難以正確檢測出高亮度帶(熔化環)的寬度或直徑。 io因此，目前反饋這種高亮度帶(熔化環)的寬度或直徑來高精度地控制矽單 晶的直徑是困難的。
發明內容
本發明是為了解決上述問題而提出的，目的在於提供一種矽單晶的提拉 方法，在通過切克勞斯基單晶提拉法從矽熔液中提拉矽單晶時，能夠準確地
15控制矽單晶的直徑，從而得到結晶缺陷少的高質量矽單晶。
為了解決上述問題，本發明提供如下的矽單晶提拉方法。
艮P，本發明是一種矽單晶提拉方法，具有熔融工序，使容納在坩鍋中 的多晶矽熔融，在上述坩鍋中形成矽熔液；提拉工序，利用切克勞斯基單晶 提拉法，從上述矽熔液中提拉單晶矽，其特徵在於，在上述提拉工序中具備
20如下工序使用攝像裝置對上述矽單晶進行攝像，按各圖像掃描線測定在由 上述攝像裝置所攝像的圖像中的上述矽熔液與上述矽單晶的固液界面附近所 產生的高亮度帶的亮度分布，分別檢測上述矽熔液的液面位置和上述固液界 面位置；基於上述液面位置和上述固液界面位置的差值、即彎液面高度，進 行上述矽單晶的直徑控制。
25 根據這種矽單晶提拉方法，利用亮度測定單元，按各圖像掃描線測定高
亮度帶(熔化環)的沿著提拉矽單晶的方向的亮度分布，基於所測定的亮度 分布，分別檢觀艇熔液的液面位置和固液界面位置。並且，連續監視(測定) 液面位置和固液界面位置的差值即彎液面高度的變動，由此，儘早檢測矽單 晶的直徑開始變化的徵兆，迅速且可靠地進行矽單晶的直徑控制。
30 這裡，熔化環構成以單晶為中心的環狀，從大致圓筒狀的單晶下端邊緣
部到水平面即熔液面，成為從結晶中心放射狀地平緩地進行曲率變化的凹曲 面。在本申請發明中，提供下述方法正確地測定該平緩的熔化環的結晶提 拉方向上的尺寸即彎液面的高度值，由該值的變化，能夠進行更精密的結晶 尺寸控制。
5 這樣，在矽單晶的直徑控制中利用高亮度帶(熔化環)的沿著矽單晶的
提拉方向的亮度分布的方法中，與以往的看作傾斜面檢測其形狀不正確且邊 界不明確的高亮度帶(熔化環)的傾斜角度或水平方向的徑向尺寸即直徑的 變動的方法相比，能夠正確且迅速地檢測提拉中的矽單晶的直徑變化。
將切下環狀的曲面的下內側四分之一這樣的熔化環直接作為曲面進行測 10定，而且將該提拉方向上的尺寸即彎液面高度設定為與直徑變動相關的參數， 從而首次實現本發明這樣的提拉控制的正確性。
因此，在矽單晶的直徑與預先設定的規定值相比產生較大的偏差之前， 為了將矽單晶的直徑控制在預先設定的規定值內，能夠迅速地將矽單晶的提 拉速度以及加熱器的輸出等反饋給矽單晶的直徑控制的單元。由此，能夠得 15到直體部的直徑保持固定的結晶缺陷較少的高質量矽單晶。
上述彎液面高度是液面位置和固液界面位置的差值即可。 具體地說，為了求得固液界面的位置，對上述高亮度帶(熔化環)的亮 度峰值部的圖表形狀進行圓近似，算出該近似圓的中心位置，作為固液界面 位置。另一方面，對比上述高亮度帶(熔化環)的亮度峰值部更靠近熔液側 20的邊緣部的位置進行圓近似，從所算出的中心位置求出液面位置。彎液面高 度為兩者的差值。在算出液面位置時所需的高亮度帶(熔化環)的邊緣部的 檢測中，將固液界面的檢測中所使用的高亮度帶的亮度峰值部的值乘以預定 的閾值比例求出。上述閾值比例優選為70%以上且90%以下的範圍。另外， 分別控制上述矽單晶的提拉速度以及上述矽熔液的溫度，從而控制上述矽單 25晶 的直徑即可。
具體地說，控制提拉速度以及加熱器溫度，以使上述彎液面高度與單晶
的直徑變化為0的高度一致。對於控制方法來說， 一般是PID控制，單也可
以是其他方法。此處成為目標的彎液面高度是需要的，但是，對於該目標彎
液面高度來說，事先進行測試，求出直徑變化為O的彎液面高度。
30 在提拉中用照相機對爐內進行測定時，照相機從斜上方對爐內進行攝影，在照相機的視角的影響下，結晶中心部的固液界面被遮擋。因此，難以在結 晶中心部附近對高亮度帶整體進行觀察。在本發明中，測定上述液面位置和 上述固液界面位置時所使用的上述矽高亮度帶的範圍，能夠限定為離提拉中 的結晶中心預定距離的跟前的高亮度帶數據。測定時所設定的預定距離根據 5照相機設置條件、透鏡的焦距等光學條件以及測定對象的結晶大小、形狀等 決定。實際上，優選設定為在上述條件下確定的距離上加上偏移的值，偏移
值可以為10mm左右。由此，可以提高上述液面位置和上述固液界面位置的 測定精度。另外，如果在上述範圍外，則難以正確地測定上述液面位置和上 述固液界面位置，所以不優選。
io 另外，在用照相機進行直徑測定的情況下，如果到測定對象的距離變化，
則其表觀大小改變。從上述表觀大小換算為實際大小時，能夠根據到測定對 象的距離進行修改，因此，需要測定其距離變化。在本發明中，基於測定的 液面位置數據，將上述坩鍋的位置控制為預定位置，能夠控制上述液面位置， 由此，除去液面位置的變化對彎液面高度的測定值的影響。通常上述坩鍋的
15預定位置是由結晶的提拉條件決定的值，提拉中不需要固定。
根據本發明的矽單晶提拉方法，在矽單晶的直徑控制中利用由高亮度帶 (熔化環)算出的液面位置和固液界面位置的差值即彎液面高度，由此，迅速 地將矽單晶的提拉速度以及矽熔液的溫度等反饋給矽單晶的直徑控制的單 元，使得在矽單晶的直徑比預先設定的規定值有大幅度的偏差前，將矽單晶
20的直徑控制在預先設定的規定值內。另外，根據在本發明中同時檢測出的液 面位置，將液面位置控制為所希望的高度。由此，能夠得到在所希望的液面 位置直體部的直徑保持固定的結晶缺陷少的高質量矽單晶。
圖1是本發明的矽單晶提拉方法的說明圖。 25 圖2是表示高亮度帶(熔化環)的亮度分布的說明圖。
圖3是表示高亮度帶(熔化環)的亮度分布的說明圖。 圖4是表示本發明的矽單晶提拉方法的直徑變化和彎液面高度的圖表。 圖5是表示本發明的矽單晶提拉方法的直徑變化和彎液面高度關係的關 系圖。
30 圖6是表示設定亮度分布的閾值的方法的一例的圖表。
具體實施例方式
以下，基於附圖對本發明的矽單晶提拉方法的優選實施方式進行說明。 另外，本實施方式是為了能更好地理解發明的宗旨而進行的具體說明，如果 5沒有特別的指定，並不是對本發明進行限定。
圖1是表示通過切克勞斯基單晶提拉法提拉(培育)矽單晶的情況的說 明圖。在提拉矽單晶時，在構成單晶提拉裝置10的例如由石英構成的坩鍋11 中投入多晶矽，通過以包圍坩鍋11的方式配置的加熱器12來加熱坩鍋11。 並且，將多晶矽熔融，在坩鍋ll內形成矽熔液13(熔融工序)。 io 接著，使籽晶與矽熔液13接觸，在預定的旋轉速度下一邊使籽晶旋轉一
邊進行提拉，形成使直徑逐漸增大的肩部15a，接著，培育保持預先設定的預 定直徑的直體部15b，得到預定長度的矽單晶15。
在培育這樣的矽單晶15時，為了得到結晶缺陷少的高質量矽單晶，重要 的是一邊保持直體部15b的直徑為固定一邊進行提拉。在本發明的矽單晶提 15拉方法中，在提拉(培育)矽單晶15時，通過亮度測定單元16測定矽熔液 13和矽單晶15的固液界面附近產生的高亮度帶(熔化環)FR的亮度。
對於該高亮度帶(熔化環)FR來說，在由提拉中的矽單晶的表面張力而 隆起的矽熔液的表面，來自坩鍋壁的放射光進行反射，在固液界面形成環繞 矽單晶的高亮度區域。 20 在本發明中，在培育矽單晶15時，通過亮度測定單元16持續測定高亮
度帶(熔化環)FR的亮度。在測定時，測定圖像中的水平方向的高亮度帶(熔 化環)FR的亮度分布。然後，基於所得的高亮度帶(烙化環)FR的亮度分 布，分別檢觀賠熔液13的液面位置和固液界面位置。
對於通過亮度測定單元16所測定的高亮度帶(熔化環)FR的亮度分布 25來說，例如，成為圖2的右側所示的圖表。即，可知高亮度帶(熔化環)FR 的亮度的峰值相當於矽單晶15的固液界面，高亮度帶(熔化環)FR的亮度 的邊緣部分相當於矽熔液13傾斜的部分。因此，使用高亮度帶(熔化環)FR 的峰值亮度部算出的近似圓的中心位置相當於矽單晶的固液界面的位置，另 一方面，在使用高亮度帶(熔化環)FR的邊緣部的數據算出的情況下，檢測 30比固液界面更靠下的熔液部的位置。而且，在矽單晶15的提拉中直體部15b的直徑變化時，結晶的固液界面 的位置改變。例如，提拉中的矽單晶的直徑開始減少時，與此相對應地，固
液界面的位置降低。此時，高亮度帶(熔化環)FR如圖3所示，亮度的峰值 位置變化。在高亮度帶(熔化環)FR的亮度峰值位置，反映出矽單晶的直徑 5變動時的固液界面的位置。因此，連續或每隔固定時間，使用高亮度帶(熔 化環)FR的亮度測定結果求出亮度峰值附近的近似圓的中心位置，由此，能 夠檢測出矽結晶的直徑變動時的固液界面高度的變動。
如上所述，通過亮度測定單元16測定高亮度帶(熔化環)FR的沿著矽 單晶的提拉方向的亮度分布，基於所測定的亮度分布，分別檢測矽熔液的液 io面位置和固液界面位置。而且，連續或者每隔固定時間監視(測定)液面位 置和固液界面位置的差值即彎液面高度的變動，由此，能夠立刻測得矽單晶 的直徑開始變動的徵兆，迅速且準確地控制矽單晶的直徑。
這樣，在矽單晶的直徑控制中利用高亮度帶(熔化環)ER的沿著矽單晶 的提拉方向的亮度分布的方法中，與現有的檢測邊界不明確的高亮度帶(熔 15化環)的寬度或直徑變動的方法相比較，能夠正確且快速地檢測提拉中的矽 單晶的直徑變化。
由此，在矽單晶的直徑與預先設定的規定值相比有大幅度偏差之前，為 了將矽單晶的直徑控制在預先設定的規定值內，能夠快速地對矽單晶的直徑 控制的單元反饋矽單晶的提拉速度以及矽熔液的溫度等。由此，能夠得到直 20體部15b的直徑保持固定的結晶缺陷少的高質量的矽單晶。 實施例
圖4是表示實際的由單晶提拉裝置測定的矽單晶的直徑、直徑變化量(直 徑微分值)以及矽熔液的彎液面高度的測定結果的圖表。從圖4所示的結果 示出矽單晶的直徑變化量和彎液面高度在相反相位上高度一致的傾向。 25 圖5是表示圖4所示的矽單晶的直徑變化量和彎液面高度的關係的分布
圖。從圖5也可以確認提拉中的矽單晶的直徑開始增加時，彎液面的高度 減少，反之，在直徑開始減少時，彎液面的高度增加。
以往，對於單晶提拉裝置的單晶的直徑控制來說，輸入直徑值，基於實 際測定的直徑值與目標值的偏差，以PID對提拉速度以及加熱器溫度進行控 30制，從而進行直徑控制。但是，如果像以往的情形那樣矽單晶大直徑化，初
始的多晶矽的投入量增大，則提拉時的直徑控制是困難的。
因此，輸入直徑變化量代替直徑的測定值、即將直徑變化量作為目標值 (在直體部為0)進行控制，由此，能夠進行比以往的直徑控制更早的定時的 操作，能夠提高直徑控制性。 5 然而，從圖4所示的圖示也可知，為了算出能夠實際上適於控制的水準
的直徑變化量，必須提高使用移動平均等的SN，因此，通過使用直徑變化量
而得到的迅速的定時的直徑控制帶來的效果被抵消。
另一方面，在本發明中，對於彎液面高度來說，儘管是沒有移動平均的
值，也確保與矽單晶的直徑變化量的結果大致相同的SN，不需要移動平均等 io的處置。因此，通過使用彎液面高度的直徑控制，能夠實現較早的定時的直
徑控制用的操作，能夠大幅度地改善直徑控制性。
在這種基於彎液面高度的直徑控制中，對於成為目標的彎液面高度來說，
如圖5所示，基於針對直徑變化的相關分析進行設定。例如，在圖4的圖示
的情況下，成為目標的彎液面高度為2.5mm，彎液面高度為2.5mm的直徑變 15化量為0mm，因此，對於矽單晶的直體部來說，以使彎液面高度為2.5mm的
方式，基於彎液面高度利用PID運算來控制提拉速度、加熱器溫度(矽熔液
溫度)即可。
從圖5可知，彎液面高度和直徑變化具有斜率一0.08的比例關係，其相 關係數為0.8以上。由此，彎液面高度和直徑變化的關係以"一0.08x+0.2表 20示。也就是，基於該相關關係，與彎液面高度的變化對應地控制提拉速度、 加熱器溫度。
而且，在彎液面高度上升的情況下，進行降低提拉速度或降低加熱器溫 度的操作，反之，在彎液面高度降低的情況下，進行增加提拉速度或升高加 熱器溫度的操作。
25 在算出彎液面高度時，表示矽熔液的液面位置的高亮度帶(熔化環)FR
的邊緣部的設定，是對測定高亮度帶(熔化環)的亮度分布所得到的亮度峰 值乘以預定的閾值比例而求出的亮度閾值即可。例如，如圖6所示的圖示所 示，相對高亮度帶(熔化環)的亮度峰值，將閾值比例設定為90%，將該閾 值比例為90%的橫線和表示亮度分布的連續線的交點作為亮度閾值、即作為
30表示矽熔液的液面位置的值來使用即可。並且，該閾值比例相對於亮度峰值
是70 95%例如90%即可。
符號說明IO是單晶提拉裝置，ll是坩鍋，13是矽熔液，15是矽單晶， 16是亮度檢測單元。
權利要求
1. 一種矽單晶提拉方法，具有熔融工序，使容納在坩鍋中的多晶矽熔融，在上述坩鍋中形成矽熔液；提拉工序，利用切克勞斯基單晶提拉法，從上述矽熔液中提拉單晶矽，其特徵在於，在上述提拉工序中具備如下工序使用攝像裝置對上述矽單晶進行攝像，按各圖像掃描線測定在由上述攝像裝置所攝像的圖像中的上述矽熔液與上述矽單晶的固液界面附近所產生的高亮度帶的亮度分布，分別檢測上述矽熔液的液面位置和上述固液界面位置；基於作為上述液面位置與上述固液界面位置的差值的彎液面高度，進行上述矽單晶的直徑控制。
2. 根據權利要求1的矽單晶的提拉方法，其特徵在於， 上述彎液面高度是固液界面位置和液面位置的差值，該固液界面位置由在上述圖像中的固液界面附近產生的高亮度帶的上述各掃描線的亮度分布 中，將亮度最高的亮度峰值部的檢觀涖置進行圓近似所算出的中心位置得出， 該液面位置由將相對上述亮度峰值部在上述矽熔液側的亮度分布邊緣部的位 置進行圓近似所算出的中心位置得出。
3. 根據權利要求2的矽單晶的提拉方法，其特徵在於， 將算出上述液面位置時的亮度分布的邊緣部分，作為使用對上述亮度峰值部的值乘以預定閾值比例而求出的亮度閾值所檢測到的位置，上述亮度閾 值是70%以上且90%以下的範圍。
4. 根據t又利要求l的矽單晶的提拉方法，其特徵在於， 分別控制，矽單晶的提拉速度以及對上述,、M行加熱的加熱器的溫度，從而進行上述矽單晶的直徑控制。
5. 根據權利要求1~3任一項的矽單晶的提拉方法，其特徵在於， 將測定上述液面位置和戰固液界面位置時所4頓的戰矽高亮度帶的範圍，限定為離提拉中的結晶中心預定距離的跟前的高亮度帶數據。
6. 根據權利要求1~3任一項的矽單晶的提拉方法，其特徵在於， 基於戰液面位置，將戰辦咼位置控律贓預定位置，從而控制上述液面位置。
全文摘要
本發明提供一種矽單晶提拉方法，通過正確地控制矽單晶的直徑，能夠得到結晶缺陷少的高質量的矽單晶。本發明的矽單晶提拉方法在提拉工序中，使用攝像裝置對上述矽單晶進行攝像，測定按各圖像掃描線測定由攝像裝置所攝像的圖像中的上述矽熔液和上述矽單晶的固液界面附近產生的高亮度帶的亮度分布。並且，分別檢測矽熔液的液面位置和固液界面位置，基於液面位置和固液界面位置的差值即彎液面高度，控制提拉時的矽單晶的直徑。
文檔編號C30B15/26GK101377008SQ20081017140
公開日2009年3月4日 申請日期2008年8月29日 優先權日2007年8月29日
發明者高梨啟一 申請人:勝高股份有限公司