メルトギャップ測定装置、結晶成長装置、及びメルトギャップ測定方法

本発明は、半導体の結晶成長測定装置及び結晶成長測定方法に指向したものであり、特に、断熱カバーと原材料溶融体との間のギャップを測定する装置及び方法に関するものである。

近年、半導体産業は力強く発展して来ており、シリコンウェハーは半導体産業の最も重要な必需品である。シリコンウェハーの成長法は、フローティングゾーン(浮遊帯域溶融)法、レーザー加熱ペデスタル成長法、チョクラルスキー(Czochralski)法(CZ法)等を含む。その中で、CZ法は、より良好な経済的利益を有することにより、大型ウェハー向けの現在の主要な成長法である。

CZ法を利用することによる単結晶の成長中には、減圧下で不活性雰囲気に維持されたチャンバ内のるつぼ内に保持されたシリコンの原材料溶融体中に種晶を浸漬させ、浸漬させた種晶を徐々に引き上げ、これにより単結晶シリコンを種晶の下に成長させる。これに加えて、CZ法では、円筒形または逆円錐形の断熱カバーを単結晶シリコンの周囲に配置して放射熱を絶縁して、成長した単結晶シリコンの温度勾配を制御しなければならない。従って、成長した単結晶シリコンは、高温の温度勾配下で効果的に増加することができ、このことは無欠陥の結晶を迅速に得ることに寄与する。

単結晶の温度勾配を正確に制御するためには、断熱カバーとるつぼ内のシリコンの原材料溶融体の表面との間のギャップを正確に所定距離内に制御しなければならない。しかし、現在用いられている人間の眼による視覚的監視方法については、この方法は通常、大きな誤差、過度の温度勾配、及び破損をもたらし、これらは、例えば貧弱な結晶品質のような問題を生じさせる。

本発明は、断熱カバーとるつぼ内の原材料溶融体の表面との間のギャップを測定するための、第1導光プローブ及び画像取得装置を含むメルトギャップ測定装置を提供する。

本発明は、メルトギャップ測定装置を用いることによって、断熱カバーの底面が融除されることを防止するように断熱カバーと溶融体との間のギャップを制御することができる結晶成長装置を提供する。

本発明は、画像取得装置を用いることによって第1導光プローブの画像の変化を取得して、るつぼと断熱カバーとの相対位置を制御することができるメルトギャップ測定方法を提供する。

本発明の好適例によれば、メルトギャップ測定装置が提供される。このメルトギャップ測定装置を用いて、断熱カバーの底面とるつぼ内の原材料溶融体の表面との間のギャップを測定する。このメルトギャップ測定装置は、第1導光プローブ及び画像取得装置を含む。第1導光プローブは、互いに反対側にある第1上部及び第1底部を有する。第1上部は断熱カバーの内壁に接し、第1底部は断熱カバーの底面から突出する。画像取得装置は断熱カバーの上方に配置され、第1上部の画像を取得するために使用される。

本発明の好適例によれば、結晶成長装置が提供される。この結晶成長装置は、キャビティ、キャビティ、結晶引上げロッド、るつぼ、加熱装置、断熱カバー、第1導光プローブ、及び画像取得装置を含む。結晶引上げロッドはキャビティ内に配置され、種晶を引き上げるために使用される。るつぼはキャビティ内に配置され、溶融体を包含するために使用される。加熱装置はキャビティ内に配置され、るつぼの周囲に位置して溶融体を加熱するために使用される。断熱カバーはキャビティ内に配置され、るつぼの上方に位置する。第1導光プローブは断熱カバーの底面上に設置され、互いに反対側にある第1上部及び第1底部を有する。第1上部は断熱カバーの内壁に接し、第1底部は断熱カバーの底面から突出する。画像取得装置はキャビティの外側に配置され、断熱カバーの上方に位置し、第1上部の画像を取得するために使用される。

本発明の好適例によれば、断熱カバーの底面とるつぼ内の原材料溶融体の表面との間のギャップを測定するように構成されたメルトギャップ測定方法が提供される。このメルトギャップ測定方法は、るつぼと断熱カバーとの間のギャップを低減する工程中に、断熱カバーの底面上に設置された第1導光プローブの画像を、画像取得装置を用いることによって取得し、取得した画像を分析して、第1導光プローブが溶融体の表面に接触しているか否かを判定するステップと、取得した画像の分析により、第1導光プローブが溶融体の表面に接触しているものと判定された際に、るつぼと断熱カバーとの間のギャップを低減することを中止するステップとを含む。

本発明の好適例では、第1上部が球形、棒状、または平板状である。

本発明の好適例では、第1導光プローブの材料が石英、黒鉛、またはシリコンを含む。

本発明の好適例では、上記メルトギャップ測定装置が第2導光プローブをさらに含む。この第2導光プローブは断熱カバーの底面上に設置され、互いに反対側にある第2上部及び第2底部を有する。第2上部は断熱カバーの内壁に接し、第2底部は断熱カバーの底面から突出する。第2導光プローブの断熱カバーの底面から突出する部分の高さは、第1導光ブロー部の断熱カバーの底面から突出する部分の高さよりも低い。

本発明の好適例では、上記結晶成長装置が、キャビティ内に配置された断熱装置をさらに含む。上記加熱装置は、この断熱装置とるつぼとの間に位置する。

本発明の好適例では、上記メルトギャップ測定方法が、断熱カバーの底面上に配置された第2導光プローブの画像を、画像取得装置を用いることによって取得するステップであって、第2導光プローブの断熱カバーの底面から突出する部分の高さが、第1導光プローブの断熱カバーの底面から突出する部分の高さよりも低いステップと、るつぼと断熱カバーとの間のギャップを制御して、取得した画像を分析した際に、第1導光プローブは溶融体の表面に接触していないが、第2導光プローブは溶融体の表面に接触しているという判定結果を得るステップとをさらに含む。

本発明の好適例では、取得した画像を分析して、第1導光プローブが溶融体の表面に接触しているか否かを判定するステップが、第1導光プローブの色変化または輝度変化の量が閾値を超えているか否かを判定するステップを含む。

要約すれば、本発明のメルトギャップ測定装置を用いて、断熱カバーの底面とるつぼ内の原材料溶融体の表面との間のギャップを測定する。導光プローブが溶融体の表面に接触すると、導光プローブの外観が変化する。導光プローブの外観の変化を画像取得装置によって取得し、これに応じて、るつぼと断熱カバーとの相対位置を相応に調整する。これにより、断熱カバーの底面と原材料溶融体の表面との間のギャップを所定範囲内に維持することができる。画像取得装置の監視により、本発明は、人間の眼による視覚的監視に起因する誤差を回避することを実現して、成長した結晶の品質を高め、生産効率を向上させることができる。

添付した図面は、本発明のさらなる理解をもたらすために含め、本明細書に含まれ、本明細書の一部を構成する。これらの図面は本発明の実施形態を例示し、その説明と共に、本発明の原理を説明する働きをする。

本発明の実施形態によるメルトギャップ測定装置を例示する概略図である。

本発明の実施形態によるメルトギャップ測定装置の要素の一部分を例示する概略図である。

本発明の他の実施形態によるメルトギャップ測定装置の要素の一部を例示する概略図である。

図3Aに示すメルトギャップ測定装置の要素の一部を例示する概略断面図である。

図3Aに示すメルトギャップ測定装置の要素の一部の導光プローブのうち1つを例示する概略図である。

本発明の実施形態による結晶成長装置を例示する概略図である。

本発明の実施形態によるメルトギャップ測定方法を例示するフローチャートである。

本発明の他の実施形態によるメルトギャップ測定装置を例示する概略図である。

本発明の他の実施形態によるメルトギャップ測定方法を例示するフローチャートである。

本発明のさらに他の実施形態によるメルトギャップ測定方法を例示するフローチャートである。

図1は、本発明の実施形態によるメルトギャップ測定装置を例示する概略図である。本実施形態では、メルトギャップ測定装置100が、断熱カバー120とるつぼ110内の溶融体150の表面との間のギャップDを測定するように構成されている。メルトギャップ測定装置100は、第1導光プローブ130及び画像取得装置140を含む。本実施形態では、断熱カバー120がスルーホール(貫通孔)122を有し、スルーホール122は断熱カバー120の内壁124から断熱カバー120の底面121に延びる。これに加えて、第1導光プローブ130は、スルーホール122を通して断熱カバー120上に設置されている。第1導光プローブ130は、互いに反対側にある第1上部131及び第1底部132を有する。第1上部131は断熱カバー120の内壁124に接して、第1導光プローブ130を断熱カバー120上に固定する。第1導光プローブ130の第1底部132は、断熱カバー120の底面121から突出して、るつぼ110を持ち上げると、るつぼ110内の溶融体150の表面に接触して色変化を生成する。画像取得装置140は、断熱カバー120の上方に配置され、第1導光プローブ130が溶融体150に接触する前後に、画像光L及びその画像変化を、第1導光プローブ130の第1上部131を通して取得する。画像取得装置140は、第1導光プローブ130の画像色の変化から生じた画素変化を検出して、るつぼ110を持ち上げることを中止して、断熱カバー120の底面121が溶融体150の高温によって融除されることを防止する。これに加えて、断熱カバー120の底面121が溶融体150によって融除されることの防止は、融除された断熱カバー120から発生する不純物が溶融体を汚染させることを防ぐことを促進して、成長中の結晶の品質を高める。なお、本実施形態において述べた画素変化は、画像輝度及び画像色の変化を含む。

本実施形態では、画像取得装置140が、例えば電荷結合素子(CCD:charge coupled device)イメージ(画像)センサーである。第1導光プローブ130は、石英、黒鉛またはシリコン(Si)のような材料製である。本実施形態では、第1導光プローブ130の材料を、例えば石英として記述する。図1を参照すれば、るつぼ110内で、多結晶シリコン材料を高温で、即ちシリコンの融点1420℃を超える温度で融解させて、シリコン溶融体150を形成する。さらに、色変化は、石英製の第1導光プローブ130が溶融体150に接触すると第1導光プローブ130に発生する。画像取得装置140は、第1導光プローブ130の第1底部132が溶融体150に接触した際に発生する画像変化を取得して、この画像変化から生じた画素変化を検出する。

本実施形態では、画像取得装置140が、第1導光プローブ130の第1底部132が溶融体150の表面に接触しているか否かを直接検出することにより、断熱カバー120の底面121と溶融体150との間のギャップDを測定して規定する。本実施形態では、画像取得装置140が溶融体150の表面上における第1導光プローブ130の鏡像位置を検出することにより、さらにこの鏡像位置に応じて、断熱カバー120の底面121と溶融体150との間のギャップDを計算して規定することはなく、従って、本実施形態では、鏡像位置の検出を必要とする方法に比べて、測定誤差を効果的に低減することができる。従って、断熱カバー120の底面121と溶融体150との間のギャップDをより精密に測定し制御して、断熱カバー120の底面121が溶融体150の高温の表面に接触することを防止することができる。

図2は、本発明の実施形態によるメルトギャップ測定装置の要素の一部を例示する概略図である。図1及び図2を参照すれば、本実施形態では、断熱カバー120が例えば黒鉛材料製である。断熱カバー120は、単結晶シリコン(図示せず)の結晶引上げ工程中の放射熱を絶縁して、単結晶シリコンの温度勾配を制御して増加させることができる。特に、高温環境では、単結晶シリコンの温度勾配の増加は、無欠陥の単結晶シリコンの迅速な形成に味方する。これに加えて、本実施形態では、第1導光プローブ130の第1底部132が溶融体150の表面に接触すると、第1導光プローブ130が、導光及び反射によって第1導光プローブ130の第1上部131に画像変化を生じさせる。さらに、第1導光プローブ130と画像取得装置140との相対位置の設計において、画像取得装置140が第1導光プローブ130の画像変化を取得するように、第1導光プローブ130の透過部分が画像取得装置140に対面する。

図3Aは、本発明の他の実施形態によるメルトギャップ測定装置の要素の一部を例示する概略図である。図3Bは、図3Aに示すメルトギャップ測定装置の要素の一部を例示する概略断面図である。図3A及び図3Bを参照すれば、本実施形態では、メルトギャップ測定装置100が、導光及び光反射経路に対する実際の要求に応じて異なる種類の第1導光プローブ130a、130b、130c、130d、130e、及び130fを選択することができ、第1導光プローブ130a、130b、130c、130d、130e、及び130fは、それぞれ、第1上部131a、131b、131c、131d、131e、131f、及び第1底部132a、132b、132c、132d、132e、及び132fを有する。例えば、第1上部131a、131b、131c、131d、131e、及び131fは、球形、棒状または平板状、あるいは他の適切な形状である。なお、例えば第1導光プローブ130a及び130eの第1上部131a及び131eを挙げれば、第1上部131aと131eとは、第1底部132a及び132eに対して異なる傾斜角を有して、異なる導光及び反射効果を生じさせる。もちろん、本実施形態では、他の導光の必要性に基づいて他の異なる種類の導光プローブを用いることもでき、本実施形態では、他の異なる種類の導光プローブは特に限定されない。

図4は、図3Aに示すメルトギャップ測定装置の要素の一部の導光プローブのうち1つを例示する概略図である。図4では、図3Aに例示する第1導光プローブ130eを例として挙げて、第1導光プローブ130e中の画像光Lの進行経路を例示する。第1導光プローブ130eの第1底部132eが溶融体150の高温の表面に接触すると、第1導光プローブ130eの色が変化する。次に、この色変化後に発生した光Lは、第1導光プローブ130eによって導光及び反射され、第1導光プローブ130eの第1底部132eを通って第1上部131eに入る。本実施形態では、第1上部131eの延在方向が、第1底部132に垂直な表面に対して刃先角αを有する。刃先角αを15度から40度までの範囲内に入るように設計して、第1上部131e内での画像光Lの全反射を生成することができ、これにより、画像取得装置140は、第1導光プローブ130eの画像を、第1上部131eを通して取得する。例えば、本実施形態では、刃先角αを20度として例示している。

図5は、本発明の実施形態による結晶成長装置を例示する概略図である。結晶成長装置10はキャビティ11を含み、メルトギャップ測定装置100はキャビティ11内に配置されている。これに加えて、結晶成長装置10は加熱装置15及び断熱装置16を含む。加熱装置15はキャビティ11内に配置され、メルトギャップ測定装置100のるつぼ110の周囲に位置し、るつぼ110内の溶融体150を加熱するために使用される。断熱装置16もキャビティ11内に配置され、加熱装置15は断熱装置16とるつぼ110との間に配置されて、溶融体150の温度、及び加熱装置15によって生じる加熱効果を維持する。これに加えて、結晶引上げロッド17がるつぼ110の上方に配置されて、種晶18を引き上げるために使用される。るつぼ110の下に配置された回転ロッド13は、るつぼ110を支持すると共に、るつぼ110を回転するように駆動する。本実施形態では、半導体材料、例えば多結晶シリコン、及び例えばホウ素またはリンのドーパントを、るつぼ110内で1420℃以上の温度で融解させて溶融体150を形成する。多結晶シリコン材料及びドーパントが融解すると、結晶引上げロッド17を低速で溶融体150内に下ろす。次に、結晶引上げロッド17が反時計回りに回転すると共に、るつぼ110が回転ロッド13によって時計回りに回転するように駆動される。種晶18は結晶引上げロッド17によって引き上げられて、円柱状のシリコン塊14が種晶18の下に形成される。本実施形態では、結晶成長装置10が、キャビティ11の外側に配置された画像取得装置140によって溶融体150の表面と断熱カバー120との間のギャップを監視し、これにより成長中の結晶の品質を制御する。

図6は、本発明の実施形態によるメルトギャップ測定方法を例示するフローチャートである。図1及び図6を参照すれば、本実施形態では、るつぼ110と断熱カバー120との間のギャップDを低減する際に、断熱カバー120の底面121上に設置された第1導光プローブの画像を画像取得装置140によって取得する(ステップS301)。次に、取得した画像を分析して、第1導光プローブ130が溶融体150の表面に接触しているか否かを判定する(ステップS302)。その後に、画像取得装置140は、第1導光プローブ130の色変化から生じた画素変化を検出する(ステップS303)。画像取得装置140によって画素変化が検出されると、るつぼ110と断熱カバー120との間のギャップを低減することを中止して(ステップS304)、溶融体150の高温の表面が断熱カバー120の底面121にさらに接近することを防止し、こうした接近は断熱カバー120の融除を生じさせ得る。

図7は、本発明の他の実施形態によるメルトギャップ測定装置を例示する概略図である。図7に例示するメルトギャップ測定装置200は、図1に例示するメルトギャップ測定装置100の構造に類似した構造を有し、従って、同様または類似の要素は同様または類似の記号でラベル付けし、繰り返し説明しない。本実施形態では、メルトギャップ測定装置200と図1に例示するメルトギャップ測定装置100との相違は、メルトギャップ測定装置200が第1導光プローブ230及び第2導光プローブ240を同時に有することにあり、第1導光プローブ230及び第2導光プローブ240は互いに平行に配置されている。本実施形態では、第1導光プローブ230が第1上部231及び第1底部232を有し、第2導光プローブ240は第2上部241及び第2底部242を有する。第1上部231及び第2上部241のそれぞれは断熱カバー120の内壁124に接し、第1底部232及び第2底部242のそれぞれは断熱カバー120の底面から突出する。本実施形態では、高さの差hは、第1底部232の断熱カバー120の底面から突出する部分と、第2底部242の断熱カバー120の底面から突出する部分との差である。具体的には、図7を参照すれば、第2底部242の断熱カバー120の底面121から突出する部分の高さが、第1底部232の断熱カバー120の底面121から突出する部分の高さよりも低い。これに加えて、本実施形態の画像取得装置140は、第1上部231からの画像光L及び第2上部241からの画像光L’を同時に検出する。本実施形態では、第1導光プローブ230及び第2導光プローブ240の配置によって、断熱カバー120の底面121と溶融体150の表面との間のギャップをより精密に監視することができる。これに加えて、1つの導光プローブしか配置しない実施形態に比べると、本実施形態は、第1導光プローブ230及び第2導光プローブ240の配置によって、溶融体150の表面(の高さ)が過度に高いことにより断熱カバー120の底面121が融除されることを防止することだけでなく、断熱カバー120とるつぼ110との相対位置の調整によって、溶融体150の表面を第1導光プローブ230の第1底部232と第2導光プローブ240の第2底部242との間に維持することも実現する。従って、本実施形態では、溶融体150の表面(の高さ)が過度に低いというシナリオを防止して、成長中の結晶の品質を高めることができる。

図8は、本発明の他の実施形態によるメルトギャップ測定方法を例示するフローチャートである。図7及び図8を参照すれば、例えば、画像取得装置140が、第1及び第2導光プローブ230及び240の色が変化した後の画像変化を同時に検出する際に、るつぼ110を下向きに移動するように駆動する(ステップS401)。るつぼ110が下向きに移動する工程中に、第1導光プローブ230の第1底部232が溶融体150の表面から離れることにより、第1導光プローブ230の色が元の色に戻る(ステップS402)。次に、画像取得装置140が、第1導光プローブ230の色が元に戻る前後の画像変化を取得する(ステップS403)。次に、るつぼ110を連続的に下向きに移動させ、これにより第2導光プローブ240の第2底部242が溶融体150の表面よりも高くなって、第2導光プローブ240の色が元の色に戻る(ステップS404)。次に、画像取得装置140が、第1及び第2導光プローブ230及び240の色が元に戻る前後の画像変化を同時に取得する(ステップS405)。この時点で、るつぼ110を下向きに移動させることを中止する(ステップS406)。最後に、溶融体150の表面が第1導光プローブ230の第1底部232と第2導光プローブ240の第2底部242との間の高さまで持ち上がるように、るつぼ110の高さを調整する(ステップS407)。本実施形態では、例えば、るつぼ110が移動する間に断熱カバー120は固定されているが、他の実施形態では、断熱カバー120を固定することができ、その間にるつぼ110を移動させることができ、あるいは、るつぼ110及び断熱カバー120を共に移動させることができる。

図9は、本発明のさらに他の実施形態によるメルトギャップ測定方法を例示するフローチャートである。図7及び図9を参照すれば、画像取得装置140が初期状態にあり、第1及び第2導光プローブ230及び240の色変化から生じた画像変化が検出されなければ(即ち、溶融体150の表面が第1及び第2底部232及び242の高さよりも低ければ)、るつぼ110を持ち上がるように駆動する(ステップS501)。るつぼ110を持ち上げる工程中に、第2導光プローブ240の第2底部242がまず溶融体150の表面に接触して色変化を生成する(ステップS502)。次に、第2導光プローブ240の色が変化する前後に、画像取得装置140が画像変化を取得する(ステップS503)。次に、るつぼ110が持ち上がり続け、これにより第1導光プローブ230の第1底部232も溶融体150の表面に接触して色変化を生成する(ステップS504)。従って、画像取得装置140は、第1及び第2導光プローブ230及び240の色が変化する前後の画像変化を同時に取得する(ステップS505)。この時点で、るつぼ110を持ち上げることを中止する(ステップS506)。最後に、溶融体150の表面が第1底部232と第2底部242との間の高さまで下向きに移動するように、るつぼ110の高さを調整する。

前の実施形態では、断熱カバー120の底面121上に設置された第1及び第2導光プローブ230及び240の画像を画像取得装置140によって取得し、取得した画像を分析した際に、第1導光プローブ230は溶融体150の表面に接触していないが第2導光プローブ240は溶融体150の表面に接触しているという判定結果が得られるように、るつぼ110と断熱カバー120との間のギャップを制御する。さらに、取得した画像を分析した際に第1導光プローブ130が溶融体150の表面に接触しているか否かの判定動作を実行して、第1導光プローブ130の色変化または輝度変化の量が設定閾値を超えているか否かを判定する。第1導光プローブ230、第2導光プローブ240、及び画像取得装置140が断熱カバー120に対する溶融体150の表面の位置を連続的に監視することによって、溶融体150の高さを第1底部232と第2底部242との間になるように制御し、これにより溶融体150の表面の位置が高過ぎること、あるいは低過ぎることを防止することができ、単結晶シリコンが好適な成長状態を実現する。

要約すれば、本発明のメルトギャップ測定装置を利用して、断熱カバーの底面とるつぼ内の溶融体の表面との間のギャップを測定する。導光プローブが溶融体の表面に接触すると、溶融体の高温により導光プローブに色変化が生じる。画像取得装置は、色が変化する前に画像変化を検出し、これに応じてるつぼと断熱カバーとの相対位置を調整して、断熱カバーの底面と原材料溶融体の表面との間のギャップを所定範囲内に維持して、断熱カバーの底面が溶融体によって融除されることを防止する。本発明では、画像取得装置によって実行される監視が、人間の眼による視覚的監視から生じる誤差を回避することに寄与することができ、そして、るつぼと断熱カバーとの間の過度に大きい、あるいは過度に小さいギャップに起因して生じる破損を回避することができ、これにより成長中の結晶の品質を高めることができ、そして生産効率を向上させることができる。

本発明は以上の実施形態を参照しながら説明してきたが、本発明の精神から逸脱することなしに、説明した実施形態に変更を加えることができることは、通常の当業者にとって明らかである。従って、本発明の範囲は、以上の詳細な説明ではなく添付した特許請求の範囲によって規定される。

本発明はメルトギャップ測定装置に関するものであり、このメルトギャップ測定装置は、断熱カバーの底面とるつぼ内の溶融体の表面との間のギャップを測定することに応用することができる。

10 結晶成長装置 11 キャビティ 13 回転ロッド 14 円柱状のシリコン塊 15 加熱装置 16 断熱装置 17 結晶引上げロッド 18 種晶 100、200 メルトギャップ測定装置 110 るつぼ 120 断熱カバー 121 底面 122 スルーホール 124 内壁 130、130a、130b、130c、130d、130e、130f、230 第1導光プローブ 131、131a、131b、131c、131d、131e、131f、231 第1上部 132、132a、132b、132c、132d、132e、132f、232 第1底部 140 画像取得装置 150 溶融体 240 第2導光プローブ 241 第2上部 242 第2底部 S301〜S304、S401〜S407、S501〜S507 ステップ D ギャップ L、L’ 画像光 h 高さの差 α 刃先角