シリコン単結晶の製造装置、シリコン単結晶の製造方法
【課題】シリコン単結晶の引上げ開始時点から引き上げ継続中まで、シリコン単結晶の引上げ工程の全域に渡って、シリコン融液の液面位置を正確に検出し、高品質な結晶特性をもつシリコン単結晶を製造することが可能なシリコン単結晶の製造装置、シリコン単結晶の製造方法を提供する。
【解決手段】引上げの初期段階では、第一の演算部２４による、遮熱部材１７の実像と鏡像との間隔に基づいてシリコン融液１３の液面位置を設定し、シリコン単結晶が例えば直胴部に移行する段階で、今度は第二の演算部２５に切り替えて、高輝度帯（フュージョンリング）ＦＲの像に基づいてシリコン融液１３の液面位置を設定する。
【解決手段】引上げの初期段階では、第一の演算部２４による、遮熱部材１７の実像と鏡像との間隔に基づいてシリコン融液１３の液面位置を設定し、シリコン単結晶が例えば直胴部に移行する段階で、今度は第二の演算部２５に切り替えて、高輝度帯（フュージョンリング）ＦＲの像に基づいてシリコン融液１３の液面位置を設定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はチョクラルスキー法によりシリコン融液からシリコン単結晶を引上げる際に、シリコン融液の液面位置を的確に制御することによって、所望の結晶特性を備えた高品質なシリコン単結晶を得ることが可能なシリコン単結晶の製造装置、シリコン単結晶の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、シリコン単結晶を製造するには種々の方法があるが、最も代表的なシリコン単結晶の製造方法としてチョクラルスキー法（以下、ＣＺ法と称する）が挙げられる。このＣＺ法によるシリコン単結晶の育成では、ポリシリコンをルツボで溶解してシリコン融液を形成する。そして、このシリコン融液に種結晶を浸漬して、所定の回転速度、引上速度で種結晶を引上げることによって、種結晶の下方に円柱状のシリコン単結晶が育成されるものである。
【０００３】
チョクラルスキー法によってシリコン単結晶を育成する場合、その単結晶に含まれる欠陥の種類や分布は、結晶の引上げ速度Ｖとシリコン単結晶内の成長方向の温度勾配Ｇの比（以下、Ｖ／Ｇと称する）に依存する。
【０００４】
Ｖ／Ｇが大きい場合は空孔が過剰となり、空孔の凝集体である微小ボイド（一般的にＣＯＰと称される欠陥）が発生する。一方、Ｖ／Ｇが小さい場合は格子間シリコン原子が過剰となり、格子間シリコンの凝集体である転位クラスタが発生する。したがって、ＣＯＰも転位クラスタも含まない結晶を製造するには、Ｖ／Ｇが単結晶の径方向と長さ方向で適切な範囲に入るように制御しなければならない。
【０００５】
単結晶の径方向については、どの位置においてＶは一定であるので、温度勾配Ｇが所定の範囲に入るようにＣＺ炉内の高温部分（ホット・ゾーン）の構造を設計しなければならない。次に、単結晶の長さ方向については、Ｇは単結晶の引き上げ長さに依存するので、Ｖ／Ｇを所定の範囲に保つ為には、単結晶の長さ方向にＶを変化させなければならない。現在では、直径３００ｍｍのシリコン単結晶でも、Ｖ／Ｇを制御する事によって、ＣＯＰも転位クラスタも含まない結晶が量産されている。
【０００６】
しかしながら、Ｖ／Ｇを制御して引き上げたＣＯＰと転位クラスタを含まないシリコンウェーハは、決して全面が均質ではなく、熱処理された場合の挙動が異なる複数の領域を含んでいる。例えば、ＣＯＰが発生する領域と転位クラスタが発生する領域の間には、Ｖ／Ｇが大きい方から順に、ＯＳＦ領域、Ｐｖ領域、Ｐｉ領域の三つの領域が存在する。
【０００７】
ＯＳＦ領域とは、as-grown状態（単結晶成長後に何の熱処理も行っていない状態）で板状酸素析出物（ＯＳＦ核）を含んでおり、高温（一般的には１０００℃から１２００℃）で熱酸化した場合にＯＳＦ（Oxidation Induced Stacking Fault）が発生する領域である。Ｐｖ領域とは、as-grown状態で酸素析出核を含んでおり、低温及び高温（例えば、８００℃と１０００℃）の２段階の熱処理を施した場合に酸素析出物が発生し易い領域である。Ｐｉ領域とは、as-grown状態で殆ど酸素析出核を含んでおらず、熱処理を施されても酸素析出物が発生し難い領域である。
【０００８】
こうした、Ｐｖ領域とＰｉ領域とを作り分けた高品位なシリコン単結晶（以下ＰｖＰｉ結晶と称する)が望まれている。ＰｖＰｉ結晶の育成にはＶ／Ｇの精密な制御が必要であることが判明しており、例えば、ＰｖＰｉ結晶の育成時のＶ／Ｇの変動許容幅は±０．５％以内にする必要があることが判明している。
【０００９】
一般的に、Ｖ／Ｇを制御する際には、引上速度Ｖを調節することで行っている。こうしたＶ／Ｇを制御するにあたって、シリコン単結晶引上時のＧは、シリコン融液の融液面とこの融液面に対向して配された遮熱部材との距離（間隔）の影響を大きく受けることが知られている。Ｖ／Ｇを所望の無欠陥領域に高精度に制御するためには、この融液面と遮熱部材との距離を一定に保つことが求められる。しかし一方で、シリコン単結晶の引上が進むと融液量が減少するため、ルツボを上昇させる必要がある。
【００１０】
従来は、シリコン単結晶の引上に伴い減少したシリコン融液の体積を算出し、減少したシリコン融液の体積と、ルツボの内径に基づいて、ルツボの上昇量を算出していた。しかし、高温になったルツボの変形に伴う寸法の変化、ルツボ内径の測定誤差等によって、シリコン融液の減少量を正確に算出することは困難であり、ヒータに対する融液の液面位置は一定とはならない。このため，Ｖ／Ｇ値を制御して所望の欠陥領域を有するシリコン単結晶を製造するためには、シリコン単結晶引上中のシリコン融液の液面位置を正確に測定し、その測定値に基づいてルツボの上昇量を正確に制御する必要がある。
【００１１】
こうしたシリコン融液の液面位置を正確に測定する方法として、例えば、特許文献１の発明では、融液面を覆う遮熱部材の融液面に臨む端部に、例えば石英からなる耐火性の棒を取り付ける。そして、この耐火性の棒が融液面に接触したことを確認して、これを基準に融液面の位置（以下、液面位置と称する場合がある）とする方法が記載されている。
また、例えば、特許文献２の発明では、種結晶（シード）が融液面と接触したことを検出し、この接触位置を基準に液面位置とする方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特許第１６７６６５５号公報
【特許文献２】特許第２１３２０１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、上述した従来の方法では、種結晶の長さのばらつき、ルツボの回転等による融液面の揺らぎなどよって、正確に引上げ開始時の液面位置を検出することは困難であった。また、当然のことながら、引上げ継続中にリアルタイムで液面位置を検出することもできない。
【００１４】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、シリコン単結晶の引上げ開始時点から引き上げ継続中まで、シリコン単結晶の引上げ工程の全域に渡って、シリコン融液の液面位置を正確に検出し、高品質な結晶特性をもつシリコン単結晶を製造することが可能なシリコン単結晶の製造装置、シリコン単結晶の製造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】
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明の一実施形態は、次のようなシリコン単結晶の製造装置、シリコン単結晶の製造方法を提供する。
すなわち、本発明のシリコン単結晶の製造装置は、ルツボに形成したシリコン融液からシリコン単結晶を引上げるシリコン単結晶の製造装置であって、
前記シリコン単結晶の引上げ軸に対して所定の角度で傾斜した方向から、前記シリコン融液の液面を含む領域を撮像する撮像手段と、前記シリコン融液の融液面の一部を覆うように配され、引上げ時に前記シリコン単結晶が貫通する円形の開口をもつ遮熱部材と、前記撮像手段を用いて、前記遮熱部材の少なくとも開口を含む実像と、該遮熱部材が前記シリコン融液の表面に映った遮熱部材の鏡像とを撮像し、前記実像と前記鏡像との間隔を測定して、前記シリコン融液の液面位置を算出する第一の演算部と、前記撮像手段を用いて、前記シリコン融液と前記シリコン単結晶との固液界面近傍に生じる高輝度帯の画像を撮像し、該高輝度帯の画像から得られる前記シリコン単結晶の中心位置に基づいて、前記シリコン融液の液面位置を算出する第二の演算部と、前記第一の演算部で得られたシリコン融液の液面位置情報と、前記第二の演算部で得られたシリコン融液の液面位置情報と、を参照してシリコン単結晶の引上げ時のシリコン融液の液面位置を制御する制御部と、を少なくとも備えたことを特徴とする。
【００１６】
前記第一の演算部は、前記撮像手段によって撮像された前記遮熱部材の開口の見かけ上楕円形を成す開口の画像から、円近似によって前記遮熱部材の中心位置を算出すればよい。
また、前記第一の演算部は、前記撮像手段によって撮像された前記遮熱部材の前記実像と前記鏡像の微分情報を用いて、前記実像と前記鏡像の輪郭線を特定すればよい。
【００１７】
前記第一の演算部は、前記撮像手段によって撮像された前記遮熱部材の前記実像と前記鏡像の輪郭線を、前記遮熱部材の画像の下端位置に投影変換すればよい。
【００１８】
前記第一の演算部は、前記撮像手段によって撮像された前記遮熱部材の前記実像と前記鏡像の輪郭線のうち、予め定めた所定の面積以上のものを前記遮熱部材の中心位置の算出に用いればよい。
【００１９】
前記撮像手段は、前記遮熱部材の前記実像と前記鏡像の輪郭線と、円近似させた前記遮熱部材の開口画像との偏差が最小となるような角度から撮像すればよい。
【００２０】
前記第一の演算部は、シリコン単結晶の引上げ初期段階において、前記遮熱部材の前記実像と前記鏡像との間隔に基づいて、前記シリコン融液の液面位置の設定を行い、また、前記初期段階終了から前記シリコン単結晶の直径が所定値に達するまでの段階において、前記遮熱部材の前記実像と前記鏡像との間隔に基づいて、前記制御部を介して前記シリコン融液の液面位置を制御し、前記第二の演算部は、前記シリコン単結晶の直径が所定値に達した後の段階において、前記高輝度帯の画像から得られる前記シリコン単結晶の中心位置に基づいて、前記制御部を介して前記シリコン融液の液面位置を制御すればよい。
【００２１】
前記シリコン単結晶の直径が所定値に達した時点で、前記第一の演算部で得られた前記シリコン融液の液面位置の値と、前記第二の演算部で得られた前記シリコン融液の液面位置の値との差を補正する制御を行えばよい。
【００２２】
本発明のシリコン単結晶の製造方法は、ルツボに形成したシリコン融液からシリコン単結晶を引上げるシリコン単結晶の製造方法であって、
遮熱部材の少なくとも円形の開口を含む実像と、該遮熱部材が前記シリコン融液の表面に映った遮熱部材の鏡像とを撮像し、前記実像と前記鏡像との間隔を測定して、前記シリコン融液の液面位置を算出する第一の演算工程と、前記シリコン融液と前記シリコン単結晶との固液界面近傍に生じる高輝度帯の画像を撮像し、該高輝度帯の画像から得られる前記シリコン単結晶の中心位置に基づいて、前記シリコン融液の液面位置を算出する第二の演算部と、を少なくとも備え、前記第一の演算工程で得られたシリコン融液の液面位置情報と、前記第二の演算工程で得られたシリコン融液の液面位置情報と、を参照してシリコン単結晶の引上げ時のシリコン融液の液面位置を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のシリコン単結晶の製造装置によれば、引上げの初期段階では、第一の演算部による、遮熱部材の実像と鏡像との間隔に基づいてシリコン融液の液面位置を設定し、シリコン単結晶が例えば直胴部に移行する段階で、今度は第二の演算部に切り替えて、高輝度帯（フュージョンリング）の像に基づいてシリコン融液の液面位置を設定する。
【００２４】
これによって、種結晶のシリコン融液への着液時から、シリコン単結晶の全長を引上げ完了するまでの全期間で、Ｖ／Ｇが所望の無欠陥領域を得るのに必要な範囲に、シリコン融液の融液面の位置を高精度に制御することが可能になる。よって、無欠陥領域を含む高品質なシリコン単結晶を、安定して収率良く得ることが可能になる。
【００２５】
また、本発明のシリコン単結晶の製造方法によれば、引上げの初期段階では遮熱部材の実像と鏡像との間隔に基づいてシリコン融液の液面位置を設定し、所定の引上げ期間が経過した後に高輝度帯（フュージョンリング）の像に基づいてシリコン融液の液面位置を設定することで、Ｖ／Ｇが所望の無欠陥領域を得るのに必要な範囲に、シリコン融液の融液面の位置を高精度に制御することが可能になる。よって、無欠陥領域を含む高品質なシリコン単結晶を、安定して収率良く得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】シリコン単結晶の製造装置の一例を示す概略断面図である。
【図２】第一の演算部における液面位置の設定工程を示す説明図である。
【図３】実像と鏡像との間隔と、液面位置との関係の一例を示すグラフである。
【図４】第一の演算部における液面位置の設定工程を示す説明図である。
【図５】第一の演算部における液面位置の設定工程を示す説明図である。
【図６】第一の演算部における液面位置の設定工程を示す説明図である。
【図７】第一の演算部における液面位置の設定工程を示すフローチャートである。
【図８】第一の演算部における液面位置の設定工程を示す説明図である。
【図９】第一の演算部における液面位置の設定工程を示す説明図である。
【図１０】遮熱部材のエッジの検出例を示す説明図である。
【図１１】第二の演算部における液面位置の設定工程を示す説明図である。
【図１２】第二の演算部における液面位置の設定工程を示す説明図である。
【図１３】第二の演算部における液面位置の設定工程を示す説明図である。
【図１４】本発明の検証例を示すグラフである。
【図１５】本発明の検証例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面を参照して、本発明に係るシリコン単結晶の製造装置、シリコン単結晶の製造方法の一実施形態について説明する。なお、以下に示す実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００２８】
図１は本発明の実施形態に係る、シリコン単結晶の製造装置の一例を示す概略断面図である。シリコン単結晶引上装置（シリコン単結晶の製造装置）１０は、略円筒形のチャンバー１９を備え、内部にシリコンを溶融して貯留する石英ルツボ１１を収容する。チャンバー１９は、例えば内部に一定の隙間を形成した二重壁構造であればよく、この隙間に冷却水を流すことによって、石英ルツボ１１を加熱した際にチャンバー１９が高温化することを防止する。
【００２９】
こうしたチャンバー１９の内部は、シリコン単結晶の引上時にはアルゴンなどの不活性ガスが導入される。チャンバー１９の頂部には、引上駆動装置２２が備えられる。引上駆動装置２２は、シリコン単結晶インゴット１５の成長核となる種結晶１４およびそこから成長するシリコン単結晶インゴット１５を回転させつつ上方に引上げる。こうした引上駆動装置２２には、シリコン単結晶インゴット１５の引上げ量に基づいてシリコン単結晶インゴット１５の結晶長情報を送出するセンサ（不図示）が形成されていれば良い。
【００３０】
チャンバー１９の内部には、略円筒形の側面ヒータ１２が備えられる。側面ヒータ１２は、石英ルツボ１１を加熱する。この側面ヒータ１２の内側に、石英ルツボ１１およびルツボ支持体（黒鉛ルツボ）１６が収容される。石英ルツボ１１は、全体が石英で一体に形成され、上方が開放面を成す略円筒形の石英容器である。
【００３１】
石英ルツボ１１には、固形のシリコンを溶融したシリコン融液１３が貯留される。ルツボ支持体１６は、例えば全体が黒鉛で形成され、石英ルツボ１１を包むように密着して支持する。ルツボ支持体１６は、シリコンの溶融時に軟化した石英ルツボ１１の形状を維持し、石英ルツボ１１を支える役割りを果たす。
【００３２】
ルツボ支持体１６の下側にはルツボ支持装置（リフト）２１が備えられる。ルツボ支持装置２１は、ルツボ支持体１６および石英ルツボ１１を下側から支えるとともに、シリコン単結晶インゴット１５の引上げに伴って変化するシリコン融液１３の融液面１３ａの液面位置に対応して、石英ルツボ１１の位置を上下動させる。これにより、シリコン融液１３の融液面１３ａの位置が制御される。
【００３３】
石英ルツボ１１の上面には、シリコン融液１３の上面、即ち融液面１３ａを覆うように遮熱部材（遮蔽筒）１７が形成されている。遮熱部材１７は、例えばすり鉢状に形成された断熱板からなり、底部に引上げたシリコン単結晶インゴット１５が挿通される、例えば円形の開口１７ａが形成されている。遮熱部材１７は、チャンバー１９の内面側に固定されていれば良い。
【００３４】
こうした遮熱部材１７は、引上げたシリコン単結晶インゴット１５が石英ルツボ１１のシリコン融液１３から輻射熱を受けて熱履歴が変化し、品質が劣化することを防止する。 また、こうした遮熱部材１７は、シリコン単結晶引上装置１０の内部を満たすアルゴンなどの不活性ガスをシリコン融液１３の方向に誘導することによって、シリコン融液１３の融液面１３ａの残留酸素量や、シリコン融液１３から蒸発したシリコン蒸気などを制御し、シリコン単結晶インゴット１５が目的の品質になるようにする。シリコン単結晶インゴット１５が目的の品質になるように、遮熱部材１７の底部１７ａとシリコン融液１３の融液面１３ａとの距離（ギャップ）Δｔは正確に設定される必要がある。
【００３５】
チャンバー１９の外側には、撮像装置１８が形成されている。撮像装置１８は、例えばＣＣＤカメラであればよい。こうした撮像装置１８は、チャンバー１９に形成された窓１９ａを介して石英ルツボ１１の上面、即ち遮熱部材（遮蔽筒）１７の円形の開口１７ａを含む領域を、シリコン単結晶インゴット１５の引上げ軸Ｚに対して所定の角度θで傾斜した光軸Ｌで撮像する。即ち、撮像装置１８は、引上げの開始時点から引上げ継続中に渡って、シリコン単結晶インゴット１５の引上げ方向に対して斜めの角度から、遮熱部材１７を含む石英ルツボ１１の上面領域を撮像する。
【００３６】
撮像装置１８は、第一の演算部２４、第二の演算部２５、および制御部２６に接続される。また、第一の演算部２４、第二の演算部２５、引上駆動装置２２は、制御部２６に接続される。制御部２６は、引上駆動装置２２のセンサから得られた引上げたシリコン単結晶インゴット１５の結晶長データと、撮像装置１８から得られた結晶長データに基づいて、石英ルツボ１１の移動量（上昇量）を制御する。
【００３７】
こうした石英ルツボ１１の移動量制御にあたって、第一の演算部２４、および／または第二の演算部２５によって算出された石英ルツボ１１の位置補正データに基づいて、石英ルツボ１１の位置補正制御を行う。以下、第一の演算部２４および第二の演算部２５の構成、作用を詳述する。
【００３８】
第一の演算部２４では、撮像装置１８によって撮像された遮熱部材（遮蔽筒）１７の実像と、シリコン融液１３の融液面１３ａに映し出された遮熱部材１７の鏡像とを含む画像に基づいて、シリコン融液１３の液面位置を算出する。
【００３９】
図２に示すように、シリコン融液１３の融液面１３ａは鏡面となるため、融液面１３ａに遮熱部材（遮蔽筒）１７が鏡像として映る。こうした遮熱部材１７は、例えば、チャンバー１９側に固定され、シリコン融液１３が石英ルツボ１１の上下動によって移動しても変動せず融液面１３ａに鏡像が形成される。なお、遮熱部材１７は、チャンバー１９の内面側に直接固定される以外にも、チャンバー１９内の部材に固定されていても良い。
【００４０】
遮熱部材１７の実像と融液面１３ａに映った鏡像との間隔は、石英ルツボ１１を昇降させて融液面１３ａの位置を上下動させると、その上下動に連動して変化する。そして、この実像と鏡像との間隔と、融液面１３ａの上下移動量との間には比例関係がある。
【００４１】
撮像装置１８によって石英ルツボ１１の上面領域を撮像した画像情報から、遮熱部材１７の実像と鏡像との間隔を計算した値（例えば、画像のピクセル数等）と、ルツボ支持装置（リフト）２１で石英ルツボ１１を上下動させた融液面１３ａの上下移動量との間にも一対一の対応関係がある。実際には、２次以上の曲線へ近似できる関係になることが多い。
【００４２】
このため、遮熱部材１７の実像と融液面１３ａに映った鏡像との間隔を、融液面１３ａを上下に移動させることによって変化させ、この間隔の変化を複数点で測定して、これら実像と鏡像との間隔と、融液面１３ａの位置との対応関係を特定すると共に、この対応関係において遮熱部材１７の実像と鏡像との間隔がゼロになる点を基準点とすると、融液面１３ａの位置を特定することができる。
【００４３】
一例として、融液面１３ａの初期液面位置における遮熱部材１７の実像と鏡像との間隔を、撮像装置１８の画像情報の中で予め特定しておけば、融液面１３ａの位置を上下させて、上記対応関係を基に、遮熱部材１７の実像と鏡像との間隔を上記初期液面位置における間隔に調整することで、融液面１３ａの位置を初期液面位置に合わせることができる。
【００４４】
例えば、遮熱部材１７の下端と融液面１３ａとが一致すると、遮熱部材１７の実像とその鏡像の間隔はゼロになるので、この一致点を起点として遮熱部材１７の実像と鏡像との間隔が広がる。図２においては、遮熱部材１７の実像Ｍａの中心点Ｓａと、石英ルツボ１１を下げながら、例えば２ヶ所の位置で測定した鏡像Ｍｂ，Ｍｃの中心点Ｓｂ、Ｓｃを示している。
【００４５】
このとき、鏡像Ｍｂ，Ｍｃの中心点Ｓｂ、Ｓｃを測定したときの融液面１３ａの位置（ルツボ支持装置（リフト）２１で上下動させた石英ルツボ１１の位置）を特定しておく。中心点Ｓａ，Ｓｂ、Ｓｃの間隔は撮像装置１８で撮像した画像情報からピクセル数等を用いて計算する。
【００４６】
なお、遮熱部材１７の中心点は、遮熱部材１７のエッジを円形近似してその円の中心位置を用いる。また、融液面１３ａに映った遮熱部材１７の鏡像の場合も、エッジを円形近似してその中心位置を用いる。これにより求めた遮熱部材１７の中心位置を基準にして実像と鏡像との間隔を特定する。
【００４７】
また、遮熱部材１７の輪郭線（以下、エッジと称する）の検出においては、通常はその輝度値をもとにしきい値を設定する２値化を行う。例えば、エッジ検出に微分画像を用いる。
【００４８】
微分画像では、元画像の輝度変化量がデータとして示される。微分画像のデータは、遮熱部材１７の実像とその鏡像とのエッジ部で極大値をとり、元の画像の輝度の大きさは無関係となる。そこで微分画像の極大値の位置を検出エッジとすることにより、炉内の温度状態が変化しても測定誤差を小さくして、遮熱部材１７の開口１７ａの正確な位置を特定する。
【００４９】
遮熱部材１７の実像Ｍａとその鏡像Ｍｂ，Ｍｃとの間隔と、融液面１３ａとの対応関係の一例を図３に示す。なお、図３は、遮熱部材１７の実像Ｍａと、２つの鏡像Ｍｂ，Ｍｃの中心点Ｓｂ、Ｓｃとの間隔を縦軸に、鏡像Ｍｂの中心点Ｓｂから鏡像Ｍｃの中心点Ｓｃまで融液面１３ａを移動させたときの間隔を横軸にとったグラフである。
【００５０】
２つの鏡像Ｍｂ，Ｍｃの中心点Ｓｂ、Ｓｃとの間隔を、横軸の任意の位置にとり、遮熱部材１７の実像Ｍａとその鏡像Ｍｂ，Ｍｃの中心点Ｓｂ、Ｓｃとの間隔と、中心点ＳａとＳｃとの間隔をグラフのゼロ点を基準にして縦軸にとる。そして、縦軸の中心点Ｓｂと横軸の中心点Ｓｂとの交点と、縦軸の中心点Ｓｃと横軸の中心点Ｓｃとの交点との２つの点から傾斜角を特定して、グラフのゼロ点に平行移動させる。これにより、上記遮熱部材１７の実像Ｍａとその鏡像Ｍｂ，Ｍｃとの間隔と、融液面１３ａの位置との対応関係を特定する。
【００５１】
このようにして、図３に示すような対応関係（関係式）が特定されたら、その対応関係に基づいて、予め特定しておいた目標の間隔（融液面１３ａが初期液面位置にあるときの実像と鏡像との間隔）に対応する液面位置（ねらいの液面位置）を特定し、その位置に石英ルツボ１１を合わせるればよい。
【００５２】
以下、更に第一の演算部２４における液面位置の算出（設定）方法の具体例を簡単に述べる。第一の演算部２４では撮像装置１８によって得られた画像より、遮熱部材１７の実像と鏡像とを検出した上で、それぞれの中心位置を算出し、それら中心位置間の距離より初期ギャップΔｔ（遮熱部材１７の下端と融液面１３ａとの間隔：図１参照）の絶対値を測定する。
【００５３】
撮影画像において、遮熱部材１７の実像と鏡像は画像中の上側と比較して下側は撮像装置１８までの距離が近いために広がり、例えば、図４中の左側図に示すように画像にひずみが生じるので、撮像装置１８の素子上の点を、基準となる遮熱部材１７の下端に対応する平面に投影する写像変換を行って補正する。
【００５４】
図４の右側図は画像補正を行う際の座標系の模式図である。この座標系では，基準となる融液面位置（以後，基準面と記す）をｘｙ 平面としている。座標原点は、撮像装置を構成する撮像素子の中心位置Ｃからカメラレンズの中心を通るように引いた直線（図４中の点線）と基準面との交点にある。
【００５５】
また、シリコン単結晶インゴットの引上げ方向がｚ軸の正方向であり、撮像素子の中心位置Ｃとカメラレンズの中心位置Ｆはｙｚ面内にある。図４の左側図に示した画像中の座標(ｕ，ｖ)は画像デバイスの画素で表され，以下の式（１）に示す画像デバイス上の点Ｐ(ｘｐ，ｙｐ，ｚｐ)に対応している。
【００５６】
【数１】
【００５７】
ここで、αｕとαｖは横方向と縦方向の撮像素子の素子サイズであり、ｙｃとｚｃは画像デバイスの中心位置Ｃのｙ座標とｚ座標である。また、ｃθは図４中に示すように決めている。さらに、Ｃの座標（０，ｙｃ，ｚｃ）はカメラレンズの中心位置Ｆの座標（０，ｙｆ，ｚｆ）を用いて、以下の式（２）で表される．
【００５８】
【数２】
【００５９】
ここで、ｆｌは使用するレンズの焦点距離である。レンズをピンホールと考え、撮像素子上の点Ｐ（ｘｐ，ｘｙ，ｘｚ）をＦ（０，ｙｆ，ｚｆ）を通して基準面上へ投影する。投影された点を（Ｘ，Ｙ，０）とすると，(Ｘ，Ｙ，０)は、以下の式（３）で示すことができる。
【００６０】
【数３】
【００６１】
式（１）から式（３）を用いることにより、基準面上に投影された円形の遮熱部材１７の開口１７ａの実像、鏡像のその中心位置を求めることができる。基準面に投影された実像、鏡像の座標より、その中心位置を算出する際には最小二乗法を用いればよい。以下は中心位置算出の一例である。
本実施形態で演算に用いる遮熱部材１７の開口１７ａ形状は円形であるとする。その開口部の像は以下の式（４）に示す円の方程式を満たす。
【００６２】
【数４】
【００６３】
ここで式（４）中の（ｘ０，ｙ０）およびｒを最小二乗法を用いて算出することとなる。ここで最小二乗法での演算を簡易に行うために以下の式（５）に示す変形を行う。
【００６４】
【数５】
【００６５】
この式（５）中の変数ａ，ｂ，ｃを最小二乗法で求めることとなる。それは式（５）と測定された点との差の二乗和が最小なる条件を得ることとなり、これを以下の式（６）に示す偏微分方程式を解くことにより得られる。
【００６６】
【数６】
【００６７】
そして、この式（６）の解は以下の式（７）に示す連立方程式により算出可能である。
【００６８】
【数７】
【００６９】
このように最小二乗法を用いることにより、図５に示す基準平面に投影された遮熱部材１７の実像、鏡像からそれぞれの基準面上の中心位置（Ｘｈｃ，Ｙｈｃ，０），（Ｘｍｃ，Ｙｍｃ，０）が算出される。この算出された２つ座標によるギャップΔｔの絶対値の算出方法に関して図５にその概念を示す。遮熱部材１７が水平に設置されている場合、遮熱部材１７の実像中心座標（Ｘｈｃ，Ｙｈｃ，０）と遮熱部材１７の鏡像中心座標は本来、融液面をはさんで存在し、その２点を結ぶ直線は（Ｘｈｃ，Ｙｈｃ，０）を通りＺ軸と平行な直線となる。
【００７０】
一方、基準面上での遮熱部材１７の鏡像中心座標（Ｘｍｃ，Ｙｍｃ，０）は、遮熱部材１７の実像中心座標（Ｘｈｃ，Ｙｈｃ，０）が基準面に投影された座標となるため、実像中心座標（Ｘｈｃ，Ｙｈｃ，０）は基準面上での鏡像中心座標（Ｘｍｃ，Ｙｍｃ，０）と撮像装置の設置位置（ｘｆ，ｙｆ，ｚｆ）を通る直線上にあることとなる。そのため、算出したいギャップΔｔはＺギャップの２倍となり以下に示す式（８）により算出できる。
【００７１】
【数８】
【００７２】
本実施形態にて初期ギャップの絶対値を測定する場合は安定した遮熱部材の実像および鏡像の検出が必須となる。画像データ中から所定の像の位置を検出する手法としては、その像の輝度値をもとにしきい値を設定し２値化する手法が一般的である。しかし単結晶引上げ装置内の遮熱部材の像の検出を２値化により行った場合、炉内温度環境変化による輝度変化の影響により検出位置がずれるという問題が発生する。そのため本実施形態では、一般的な２値化手法ではなく，輝度変化を元に遮熱部材の像を検出する手法を用いた。
【００７３】
こうした手法によって、炉内温度環境変化による輝度変化の影響を受けずに遮熱部材の実像、および鏡像を安定して検出可能となる。検出にあたっては、横方向の輝度分布を微分することによりその輝度変化を求める。輝度微分は横方向の輝度の差分により算出されるが、この場合、画像に含まれるノイズの影響を大きく受ける。
【００７４】
このため、本実施形態では、算出された輝度微分データを９画素分の平均値を算出することによりノイズの影響を除去している。算出され輝度微分データのピーク位置を検出して遮熱部材の実像位置、および鏡像位置とする。
【００７５】
図６に、こうした遮熱部材の像の検出手法の結果を示す。図６左側に検出に用いた画像を示すが、このように遮熱部材の下端面には原料シリコンの溶融中の融液はねによる融液付着が発生することがある。この場合の遮熱部材の像の検出結果には、多量の誤検知が発生することが図６右側のグラフからわかる。このような誤検知を含んだ結果をもとに算出したギャップ値には大きな誤差が発生する。そのため融液付着による誤検知を認識し除去する手法が必要となる。
【００７６】
そのため本実施形態では、検出された遮熱部材の像のエッジの中から、遮熱部材の実像、および鏡像のエッジのみを抽出する画像処理アルゴリズムを用いる。この処理において検出された遮熱部材の実像、および鏡像はその他の誤検出部分に比べ面積が大きいこと利用して抽出する。図７に、こうした画像処理アルゴリズムのフローチャートを示す。なお、図７中のＦ像の表記は、遮熱部材を撮像した像を示す。
【００７７】
この画像処理においては互いに隣接しているエッジ群毎に識別し，同一の連結成分に同じラベル(番号)を付けるラベリング処理が必要となる。図８に示す処理は一般的なラベリング処理アルゴリズムの概念図を示す。このアルゴリズムでは、画像左上からスキャンを始め，２５５となる画素を探す。２５５となった画素に出会うと、その画素の周囲をチェックし２５５となる画素を探す。２５５となる画素が見つかると、画素を移動し再度その周囲で２５５画素となる画素を探す処理を繰り返すこととなる。そのため本実施形態では、画素左上からのスキャンに加えラベリングする。
【００７８】
このように一般的なラベリング処理アルゴリズムでは２５５となる画素の周囲をスキャンすることとなるため、扱う画像によってはスキャン回数が増加し、非常に処理時間がかかる。また一般的にラベリング手法では検出する連結成分の形状によって同一連結成分でも異なるラベルが付加される場合があり、こうした手法でも同様の問題が発生する。通常はラベリング処理後に一度画像の全スキャンをすることによりラベルを振り直す処理を行う。
【００７９】
例えば、２００万画素の画像を処理した場合の処理時間は約２秒となる。しかし現実には初期ギャップの演算まで含めて約１００ｍｓ程度での処理完了が好ましい。このため、高速なラベリング処理アルゴリズムが必要となる。
【００８０】
図９に、改良されたラベリング処理アルゴリズムを示す。このアルゴリズムは、画像のスキャン回数を１回で済ませることが可能である。処理内容は、一般的なラベリングアルゴリズムと同様に画像左上からスキャンを始め、２５５となる画素を探す。２５５となった画素に出会うと、当該画素の左、左上、上、右上の画素をチェックし、ラベル番号があればその番号と同じラベルをつけ、その後はスキャンを再開することとなる．
【００８１】
こうした改良されたラベリング処理アルゴリズムでは、処理内容の工夫により再ラベリング処理を省略しており、スキャン回数が画像１回のみで済む。このため従来の一般的なラベリング手法に比べ処理時間が大幅に低減可能となった。
【００８２】
また、これら一連の処理時にラベルを付与した画素をカウントすることにより各連結成分の面積も同時に算出しており、次ステップの遮熱部材の像の抽出時における処理時間も低減可能となる。これら一連の処理により、ラベリングによる処理時間は３０ｍｓまで短縮できることが確認された。
【００８３】
図１０にこうしたラベリング処理アルゴリズムによる処理結果を示す。図１０（ａ）は融液付着の除去なしでの遮熱部材の実像、鏡像の検出結果である。図中の丸印付近に遮熱部材への融液付着による誤検出があることがわかる。一方、図１０（ｂ）は融液付着を除去した結果である。図中の丸印付近にあった融液付着による誤検出は除去できていることがわかる。
【００８４】
次に、第二の演算部２５の構成、作用を詳述する。
図１１は、第二の演算部による融液面の液面位置の設定を示す模式図である。
第二の演算部２５では、シリコン単結晶１５の引上げ中に、シリコン融液１３とシリコン単結晶１５との固液界面近傍に生じる高輝度帯（フュージョンリング）ＦＲを、撮像装置１８、例えばＣＣＤカメラによって撮像する。そして、得られた高輝度帯ＦＲの画像データをを円近似、または楕円近似させ、シリコン単結晶１５の中心位置を特定する。
【００８５】
撮像装置１８によって撮像された高輝度帯（フュージョンリング）ＦＲの輝度分布は、例えば、図１２の右側に示すグラフのようになる。即ち、高輝度帯ＦＲの輝度のピークは、シリコン単結晶１５の融液面１３ａ、高輝度帯（フュージョンリング）ＦＲの輝度の裾野部分は、シリコン融液１３が傾いている部分に相当することがわかる。
【００８６】
そのため高輝度帯ＦＲのピーク輝度部を用いて算出された近似円の中心位置は、シリコン単結晶１５の固液界面の位置、一方、高輝度帯ＦＲの裾野部のデータを用いて算出した場合は、固液界面より下の融液面１３ａの位置を検出することになる。
【００８７】
そして、シリコン単結晶１５の引上中に、直胴領域１５ａの直径が変化すると、シリコン単結晶１５の固液界面の位置は変化する。例えば、引上中のシリコン単結晶１５の直径が減少しはじめると、それに対応して固液界面の位置が降下する。この時、高輝度帯ＦＲは、図１３に示すように、輝度のピーク位置が変化する。
【００８８】
高輝度帯ＦＲの輝度ピーク位置では、シリコン単結晶１５の直径が変動する際の固液界面の位置が反映される。これにより、高輝度帯ＦＲの輝度の測定結果を用いて算出された近似円、ないし近似楕円の中心位置は、シリコン単結晶１５の直径変動時における、固液界面高さの変動を反映した結果となる。
【００８９】
この中心位置の特定工程では、高輝度帯ＦＲの画像データを、撮像装置１８の光軸方向Ｌと単結晶の引上げ方向Ｚとの成す角度θに基づいて簡易補正するのが好ましい。そして、簡易補正を行った補正後の高輝度帯ＦＲの画像データを円近似、または楕円近似させ、シリコン単結晶１５の中心位置を算出すればよい。こうした簡易補正は、例えば以下の式（９）にて行うことが好ましい。
【００９０】
【数９】
【００９１】
なお、上記式（９）中のｘは画像中横方向での検出位置、ｘ０は使用する画像素子の横方向画素数の１／２、ｘ’は簡易補正後の横方向位置、またｙは画像中縦方向での検出位置、ｙ０は使用する画像素子の縦方向画素数の１／２、ｙ’は簡易補正後の縦方向位置を示す。
【００９２】
なお、高輝度帯ＦＲの撮像に用いる撮像装置１８は、２次元ＣＣＤカメラであればよいが、２次元ＣＣＤカメラ以外にも、１次元ＣＣＤカメラを機械的に水平方向に移動させたり、１次元ＣＣＤカメラの測定角度を変化させて高輝度帯ＦＲの画像を走査する方法でもよい。また、撮像装置１８は、２つ以上複数のＣＣＤカメラによって構成されていても良い。
【００９３】
また、高輝度帯ＦＲのメニスカス部分はシリコン単結晶１５の固液界面部も含んでいるのが好ましい。この固液界面の高さはシリコン単結晶１５の直径変動により変化することが知られている．そのため、高さ変動の影響が小さいメニスカス角度が３０〜５０度となるような高輝度帯ＦＲの一領域を用いてシリコン融液１３の液面位置を算出するのが好ましい。
【００９４】
このようにして得られたシリコン単結晶１５の中心位置のデータに基づいて、石英ルツボ１１内でのシリコン融液１３の液面位置を算出する。この液面位置算出工程の一例としては、シリコン単結晶１５の中心位置とシリコン融液１３の液面位置との関係（対応）を表す校正曲線を予め作成しておく。そして、中心位置特定工程で得られたシリコン単結晶１５の中心位置を示す値をこの校正曲線に当てはめて、シリコン融液の液面位置に換算することによって、測定時の（現在の）シリコン融液１３の液面位置を算出することができる。
【００９５】
制御部２６では、得られたシリコン融液１３の液面位置（融液面１３ａ）と遮熱部材１７との間隔Δｔを算出する。そして、この間隔Δｔに基づいて、シリコン単結晶１５の結晶中心部における固液界面近傍の結晶温度勾配（Ｇｃ）、およびシリコン単結晶１５の結晶周辺部における固液界面近傍の結晶温度勾配（Ｇｅ）をそれぞれ制御する。
【００９６】
こうした制御工程においては、制御部２６は、シリコン融液１３の液面位置（融液面１３ａ）と遮熱部材１７との間隔Δｔに基づいて、ルツボ支持装置（リフト）２１の動作量を制御する。例えば、シリコン単結晶１５の直胴領域（直胴部）１５ｂの引上開始時点でのシリコン融液１３の液面位置を基準にして、引上が進行した後のシリコン融液１３の液面位置の相対変化を検出する。そして、この液面位置の相対変化に基づいて、ルツボ支持装置（リフト）２１を制御して石英ルツボ１１を上昇させる。
【００９７】
これにより、シリコン単結晶１５の引上が進行してシリコン融液１３の量が減少しても、シリコン融液１３の融液面１５ａは、ヒータ１２に対して常に同じ位置Ｇに保たれる。これによって、シリコン融液１３に対する熱の輻射分布を常に一定に保つことができる。そして、シリコン単結晶の結晶中心部における固液界面近傍の結晶温度勾配（Ｇｃ）、およびシリコン単結晶の結晶周辺部における固液界面近傍の結晶温度勾配（Ｇｅ）がそれぞれ最適に制御される。
【００９８】
以上、詳細に説明した第一の演算部２４、第二の演算部２５を備えたシリコン単結晶引上装置（シリコン単結晶の製造装置）１０を用いた、シリコン単結晶引上工程を説明する。
まず、石英ルツボ１１にポリシリコンを投入し、図１に示すように、石英ルツボ１１を取り巻くように配された側面ヒータによって石英ルツボ１１を加熱する。そして、ポリシリコンを溶融し、石英ルツボ１１内にシリコン融液１３を形成する。
【００９９】
この時、融液面１３ａの位置は不明である。この状態、即ち引上げ初期（開始）段階では、まず、第一の演算部２４によって、遮熱部材１７の実像Ｍａと融液面１３ａに映った鏡像Ｍｂとの間隔から、液面位置を設定する。
【０１００】
融液面１３ａと遮熱部材１７とを、撮像装置１８で撮像する。図２に示すように、遮熱部材１７の実像Ｍａと融液面１３ａに映った鏡像Ｍｂ，Ｍｃとの中心位置の間隔（中心点Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃの間隔）を、石英ルツボ１１内の融液面１３ａを上下に移動させることによって変化させて、撮像素子１８で撮影する。
【０１０１】
次いで、この撮像素子１８の画像情報から上記中心位置の間隔の変化を複数点（図３のグラフでは２点）で測定して、この中心位置の間隔と融液面の表面の位置との対応関係を特定すると共に、この対応関係において上記中心位置の間隔がゼロになる点を基準点にする。
【０１０２】
そして、この対応関係を基にして目標の中心位置の間隔に対応した融液面１３ａの位置を特定し、この位置と実際の石英ルツボ１１内の融液面１３ａの液面位置との差をゼロにするように石英ルツボ１１を昇降させる。これにより、種結晶１４をシリコン融液１３に対して着液させる際の、融液面１３ａを初期液面位置として正確に設定することができる。
【０１０３】
こうして、融液面１３ａを初期液面位置を正確に設定して種結晶１４をシリコン融液１３に対して着液させ、所定の回転速度で回転させつつ、例えば、直径を漸増させたショルダー部１５ａを形成した後は、今度は液面位置の設定を第二の演算部２５で行う。即ち、シリコン融液１３の液面設定を、第一の演算部２４から第二の演算部２５に切り替える。
【０１０４】
例えば、予め設定した所定の直径を保った直胴部（直胴領域）１５ｂの引上げ領域では、第二の演算部２５によって融液面１３ａの液面位置の設定が行われる。即ち、シリコン融液１３とシリコン単結晶１５との固液界面近傍に生じる高輝度帯（フュージョンリング）ＦＲを、撮像装置１８で撮像し、高輝度帯ＦＲの画像データを円近似、または楕円近似させ、シリコン単結晶１５の中心位置を特定する。
【０１０５】
このようにして得られたシリコン単結晶１５の中心位置のデータに基づいて、ルツボ１１内でのシリコン融液１３の液面位置を算出し、得られたシリコン融液１３の液面位置（融液面１３ａ）と遮熱部材１７との間隔Δｔを算出する。そして、この間隔Δｔに基づいて、シリコン単結晶１５の結晶中心部における固液界面近傍の結晶温度勾配（Ｇｃ）、およびシリコン単結晶１５の結晶周辺部における固液界面近傍の結晶温度勾配（Ｇｅ）をそれぞれ制御する。
【０１０６】
これにより、シリコン単結晶１５の引上が進行してシリコン融液１３の量が減少しても、シリコン融液１３の融液面１５ａは、ヒータ１２に対して常に同じ位置Ｇに保たれ、シリコン融液１３に対する熱の輻射分布を常に一定に保つことができる。そして、シリコン単結晶の結晶中心部における固液界面近傍の結晶温度勾配（Ｇｃ）、およびシリコン単結晶の結晶周辺部における固液界面近傍の結晶温度勾配（Ｇｅ）がそれぞれ最適に制御される。
【０１０７】
以上のように、引上げの初期段階では、第一の演算部２４による、遮熱部材１７の実像と鏡像との間隔に基づいてシリコン融液１３の液面位置を設定し、シリコン単結晶が例えば直胴部に移行する段階で、今度は第二の演算部２５に切り替えて、高輝度帯（フュージョンリング）ＦＲの像に基づいてシリコン融液１３の液面位置を設定することによって、種結晶のシリコン融液への着液時からシリコン単結晶の全長を引上げ完了するまでの全期間で、Ｖ／Ｇが所望の無欠陥領域を得るのに必要な範囲に、シリコン融液１３の融液面１３ａの位置を高精度に制御することが可能になる。これにより、無欠陥領域を含む高品質なシリコン単結晶を、安定して収率良く得ることが可能になる。なお、シリコン融液１３の液面設定を、第一の演算部２４から第二の演算部２５に切り替えるのは、ショルダー部１５ａの形成中であればよい。
【０１０８】
更に、シリコン融液１３液面高さの絶対値を得ることのできる第一の演算部２４による液面設定と、撮像装置１８で撮像可能な液面範囲が遮熱部材１７の実像Ｍａと鏡像Ｍｂ，Ｍｃとからの液面位置確定に充分でない領域となるまで単結晶が径方向に大きく成長した際におこなう第二の演算部２５による液面設定とは、ショルダー部１５ａの成長中であれば、これらの液面設定を並列におこなうか、複数回切り替えて、第二の演算部２５による液面設定でのシリコン融液１３液面高さの絶対値をより正確に求めることが可能である。つまり、第一の演算部２４による液面高さの絶対値を利用した液面設定によって、続けておこなう直胴部での第二の演算部２５による相対値での液面設定を絶対値として液面高さを制御することが可能となり、これにより、従来は絶対値としての確定値を得ることができず制御の高精細性が確保できなかった直胴部での「液面高さに起因する結晶特性」を他の結晶成長制御条件とともに制御可能とすることで、所望の特性を有する結晶を製造することが可能となった。
【実施例】
【０１０９】
本発明のシリコン単結晶の製造装置における第一の演算部による液面位置の設定を検証した。即ち、引上げ開始時の初期ギャップの測定方法の有効性を確認した。検証では、シリコン融液の形成後にルツボ位置を動かすことによりギャップを変更し、その変化量と測定値との比較を行った。
【０１１０】
図１４はテスト時の遮熱部材の実像位置の測定結果を示す。炉内温度変化は画像中の輝度分布を変化させ遮熱部材の実像のエッジの検出に影響する懸念がある。この検証において、遮熱部材はチャンバーに固定され、その実像位置は変化しない。そのため、遮熱部材の実像位置測定値の変化は誤差であり、初期ギャップ測定値の精度に直接影響する。
【０１１１】
図１４のテスト中はヒータ温度を１０℃以上変化させ炉内温度が大きく変化している。その間での遮熱部材の実像位置の変動は±０．０２ｍｍ内であり、初期ギャップ測定への影響は小さいことが確認できた。
【０１１２】
図１５に本検証により算出した初期ギャップ値とルツボ位置を変更することにより変化させたギャップ値との比較を行った結果を示す。初期設定はオペレータが手動にて設定したギャップ６５ｍｍである。図１５中の斜線上の点がその比較結果を示し、点線の水平線上の点がその両者の差を示す。水平線上の点は０．４〜０．８ｍｍの間にあり、初期ギャップ測定値が約０。５ｍｍ大きい結果を示している。
【０１１３】
この差が検証時の初期ギャップ設定のズレを表していると考えられる。一方，このギャップ変化量の視点で図１５に示した検証結果を評価すると、初期ギャップ測定値と初期ギャップ設定値との差のばらつきは±０。２ｍｍ以内であることがわかる。以上の検証結果より、ギャップが±０．２ｍｍ以内で測定可能であることが確認できた。
【符号の説明】
【０１１４】
１０ シリコン単結晶引上装置（シリコン単結晶の製造装置）、１１ 石英ルツボ、１２ ヒータ、１３ シリコン融液、１３ａ 融液面、１５ シリコン単結晶（シリコン単結晶インゴット）、１７ 遮熱部材、１８ 撮像装置、１９ チャンバー、２１ ルツボ支持装置（リフト）、２４ 第一の演算部、２５ 第二の演算部。
【技術分野】
【０００１】
本発明はチョクラルスキー法によりシリコン融液からシリコン単結晶を引上げる際に、シリコン融液の液面位置を的確に制御することによって、所望の結晶特性を備えた高品質なシリコン単結晶を得ることが可能なシリコン単結晶の製造装置、シリコン単結晶の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、シリコン単結晶を製造するには種々の方法があるが、最も代表的なシリコン単結晶の製造方法としてチョクラルスキー法（以下、ＣＺ法と称する）が挙げられる。このＣＺ法によるシリコン単結晶の育成では、ポリシリコンをルツボで溶解してシリコン融液を形成する。そして、このシリコン融液に種結晶を浸漬して、所定の回転速度、引上速度で種結晶を引上げることによって、種結晶の下方に円柱状のシリコン単結晶が育成されるものである。
【０００３】
チョクラルスキー法によってシリコン単結晶を育成する場合、その単結晶に含まれる欠陥の種類や分布は、結晶の引上げ速度Ｖとシリコン単結晶内の成長方向の温度勾配Ｇの比（以下、Ｖ／Ｇと称する）に依存する。
【０００４】
Ｖ／Ｇが大きい場合は空孔が過剰となり、空孔の凝集体である微小ボイド（一般的にＣＯＰと称される欠陥）が発生する。一方、Ｖ／Ｇが小さい場合は格子間シリコン原子が過剰となり、格子間シリコンの凝集体である転位クラスタが発生する。したがって、ＣＯＰも転位クラスタも含まない結晶を製造するには、Ｖ／Ｇが単結晶の径方向と長さ方向で適切な範囲に入るように制御しなければならない。
【０００５】
単結晶の径方向については、どの位置においてＶは一定であるので、温度勾配Ｇが所定の範囲に入るようにＣＺ炉内の高温部分（ホット・ゾーン）の構造を設計しなければならない。次に、単結晶の長さ方向については、Ｇは単結晶の引き上げ長さに依存するので、Ｖ／Ｇを所定の範囲に保つ為には、単結晶の長さ方向にＶを変化させなければならない。現在では、直径３００ｍｍのシリコン単結晶でも、Ｖ／Ｇを制御する事によって、ＣＯＰも転位クラスタも含まない結晶が量産されている。
【０００６】
しかしながら、Ｖ／Ｇを制御して引き上げたＣＯＰと転位クラスタを含まないシリコンウェーハは、決して全面が均質ではなく、熱処理された場合の挙動が異なる複数の領域を含んでいる。例えば、ＣＯＰが発生する領域と転位クラスタが発生する領域の間には、Ｖ／Ｇが大きい方から順に、ＯＳＦ領域、Ｐｖ領域、Ｐｉ領域の三つの領域が存在する。
【０００７】
ＯＳＦ領域とは、as-grown状態（単結晶成長後に何の熱処理も行っていない状態）で板状酸素析出物（ＯＳＦ核）を含んでおり、高温（一般的には１０００℃から１２００℃）で熱酸化した場合にＯＳＦ（Oxidation Induced Stacking Fault）が発生する領域である。Ｐｖ領域とは、as-grown状態で酸素析出核を含んでおり、低温及び高温（例えば、８００℃と１０００℃）の２段階の熱処理を施した場合に酸素析出物が発生し易い領域である。Ｐｉ領域とは、as-grown状態で殆ど酸素析出核を含んでおらず、熱処理を施されても酸素析出物が発生し難い領域である。
【０００８】
こうした、Ｐｖ領域とＰｉ領域とを作り分けた高品位なシリコン単結晶（以下ＰｖＰｉ結晶と称する)が望まれている。ＰｖＰｉ結晶の育成にはＶ／Ｇの精密な制御が必要であることが判明しており、例えば、ＰｖＰｉ結晶の育成時のＶ／Ｇの変動許容幅は±０．５％以内にする必要があることが判明している。
【０００９】
一般的に、Ｖ／Ｇを制御する際には、引上速度Ｖを調節することで行っている。こうしたＶ／Ｇを制御するにあたって、シリコン単結晶引上時のＧは、シリコン融液の融液面とこの融液面に対向して配された遮熱部材との距離（間隔）の影響を大きく受けることが知られている。Ｖ／Ｇを所望の無欠陥領域に高精度に制御するためには、この融液面と遮熱部材との距離を一定に保つことが求められる。しかし一方で、シリコン単結晶の引上が進むと融液量が減少するため、ルツボを上昇させる必要がある。
【００１０】
従来は、シリコン単結晶の引上に伴い減少したシリコン融液の体積を算出し、減少したシリコン融液の体積と、ルツボの内径に基づいて、ルツボの上昇量を算出していた。しかし、高温になったルツボの変形に伴う寸法の変化、ルツボ内径の測定誤差等によって、シリコン融液の減少量を正確に算出することは困難であり、ヒータに対する融液の液面位置は一定とはならない。このため，Ｖ／Ｇ値を制御して所望の欠陥領域を有するシリコン単結晶を製造するためには、シリコン単結晶引上中のシリコン融液の液面位置を正確に測定し、その測定値に基づいてルツボの上昇量を正確に制御する必要がある。
【００１１】
こうしたシリコン融液の液面位置を正確に測定する方法として、例えば、特許文献１の発明では、融液面を覆う遮熱部材の融液面に臨む端部に、例えば石英からなる耐火性の棒を取り付ける。そして、この耐火性の棒が融液面に接触したことを確認して、これを基準に融液面の位置（以下、液面位置と称する場合がある）とする方法が記載されている。
また、例えば、特許文献２の発明では、種結晶（シード）が融液面と接触したことを検出し、この接触位置を基準に液面位置とする方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特許第１６７６６５５号公報
【特許文献２】特許第２１３２０１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、上述した従来の方法では、種結晶の長さのばらつき、ルツボの回転等による融液面の揺らぎなどよって、正確に引上げ開始時の液面位置を検出することは困難であった。また、当然のことながら、引上げ継続中にリアルタイムで液面位置を検出することもできない。
【００１４】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、シリコン単結晶の引上げ開始時点から引き上げ継続中まで、シリコン単結晶の引上げ工程の全域に渡って、シリコン融液の液面位置を正確に検出し、高品質な結晶特性をもつシリコン単結晶を製造することが可能なシリコン単結晶の製造装置、シリコン単結晶の製造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】
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明の一実施形態は、次のようなシリコン単結晶の製造装置、シリコン単結晶の製造方法を提供する。
すなわち、本発明のシリコン単結晶の製造装置は、ルツボに形成したシリコン融液からシリコン単結晶を引上げるシリコン単結晶の製造装置であって、
前記シリコン単結晶の引上げ軸に対して所定の角度で傾斜した方向から、前記シリコン融液の液面を含む領域を撮像する撮像手段と、前記シリコン融液の融液面の一部を覆うように配され、引上げ時に前記シリコン単結晶が貫通する円形の開口をもつ遮熱部材と、前記撮像手段を用いて、前記遮熱部材の少なくとも開口を含む実像と、該遮熱部材が前記シリコン融液の表面に映った遮熱部材の鏡像とを撮像し、前記実像と前記鏡像との間隔を測定して、前記シリコン融液の液面位置を算出する第一の演算部と、前記撮像手段を用いて、前記シリコン融液と前記シリコン単結晶との固液界面近傍に生じる高輝度帯の画像を撮像し、該高輝度帯の画像から得られる前記シリコン単結晶の中心位置に基づいて、前記シリコン融液の液面位置を算出する第二の演算部と、前記第一の演算部で得られたシリコン融液の液面位置情報と、前記第二の演算部で得られたシリコン融液の液面位置情報と、を参照してシリコン単結晶の引上げ時のシリコン融液の液面位置を制御する制御部と、を少なくとも備えたことを特徴とする。
【００１６】
前記第一の演算部は、前記撮像手段によって撮像された前記遮熱部材の開口の見かけ上楕円形を成す開口の画像から、円近似によって前記遮熱部材の中心位置を算出すればよい。
また、前記第一の演算部は、前記撮像手段によって撮像された前記遮熱部材の前記実像と前記鏡像の微分情報を用いて、前記実像と前記鏡像の輪郭線を特定すればよい。
【００１７】
前記第一の演算部は、前記撮像手段によって撮像された前記遮熱部材の前記実像と前記鏡像の輪郭線を、前記遮熱部材の画像の下端位置に投影変換すればよい。
【００１８】
前記第一の演算部は、前記撮像手段によって撮像された前記遮熱部材の前記実像と前記鏡像の輪郭線のうち、予め定めた所定の面積以上のものを前記遮熱部材の中心位置の算出に用いればよい。
【００１９】
前記撮像手段は、前記遮熱部材の前記実像と前記鏡像の輪郭線と、円近似させた前記遮熱部材の開口画像との偏差が最小となるような角度から撮像すればよい。
【００２０】
前記第一の演算部は、シリコン単結晶の引上げ初期段階において、前記遮熱部材の前記実像と前記鏡像との間隔に基づいて、前記シリコン融液の液面位置の設定を行い、また、前記初期段階終了から前記シリコン単結晶の直径が所定値に達するまでの段階において、前記遮熱部材の前記実像と前記鏡像との間隔に基づいて、前記制御部を介して前記シリコン融液の液面位置を制御し、前記第二の演算部は、前記シリコン単結晶の直径が所定値に達した後の段階において、前記高輝度帯の画像から得られる前記シリコン単結晶の中心位置に基づいて、前記制御部を介して前記シリコン融液の液面位置を制御すればよい。
【００２１】
前記シリコン単結晶の直径が所定値に達した時点で、前記第一の演算部で得られた前記シリコン融液の液面位置の値と、前記第二の演算部で得られた前記シリコン融液の液面位置の値との差を補正する制御を行えばよい。
【００２２】
本発明のシリコン単結晶の製造方法は、ルツボに形成したシリコン融液からシリコン単結晶を引上げるシリコン単結晶の製造方法であって、
遮熱部材の少なくとも円形の開口を含む実像と、該遮熱部材が前記シリコン融液の表面に映った遮熱部材の鏡像とを撮像し、前記実像と前記鏡像との間隔を測定して、前記シリコン融液の液面位置を算出する第一の演算工程と、前記シリコン融液と前記シリコン単結晶との固液界面近傍に生じる高輝度帯の画像を撮像し、該高輝度帯の画像から得られる前記シリコン単結晶の中心位置に基づいて、前記シリコン融液の液面位置を算出する第二の演算部と、を少なくとも備え、前記第一の演算工程で得られたシリコン融液の液面位置情報と、前記第二の演算工程で得られたシリコン融液の液面位置情報と、を参照してシリコン単結晶の引上げ時のシリコン融液の液面位置を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のシリコン単結晶の製造装置によれば、引上げの初期段階では、第一の演算部による、遮熱部材の実像と鏡像との間隔に基づいてシリコン融液の液面位置を設定し、シリコン単結晶が例えば直胴部に移行する段階で、今度は第二の演算部に切り替えて、高輝度帯（フュージョンリング）の像に基づいてシリコン融液の液面位置を設定する。
【００２４】
これによって、種結晶のシリコン融液への着液時から、シリコン単結晶の全長を引上げ完了するまでの全期間で、Ｖ／Ｇが所望の無欠陥領域を得るのに必要な範囲に、シリコン融液の融液面の位置を高精度に制御することが可能になる。よって、無欠陥領域を含む高品質なシリコン単結晶を、安定して収率良く得ることが可能になる。
【００２５】
また、本発明のシリコン単結晶の製造方法によれば、引上げの初期段階では遮熱部材の実像と鏡像との間隔に基づいてシリコン融液の液面位置を設定し、所定の引上げ期間が経過した後に高輝度帯（フュージョンリング）の像に基づいてシリコン融液の液面位置を設定することで、Ｖ／Ｇが所望の無欠陥領域を得るのに必要な範囲に、シリコン融液の融液面の位置を高精度に制御することが可能になる。よって、無欠陥領域を含む高品質なシリコン単結晶を、安定して収率良く得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】シリコン単結晶の製造装置の一例を示す概略断面図である。
【図２】第一の演算部における液面位置の設定工程を示す説明図である。
【図３】実像と鏡像との間隔と、液面位置との関係の一例を示すグラフである。
【図４】第一の演算部における液面位置の設定工程を示す説明図である。
【図５】第一の演算部における液面位置の設定工程を示す説明図である。
【図６】第一の演算部における液面位置の設定工程を示す説明図である。
【図７】第一の演算部における液面位置の設定工程を示すフローチャートである。
【図８】第一の演算部における液面位置の設定工程を示す説明図である。
【図９】第一の演算部における液面位置の設定工程を示す説明図である。
【図１０】遮熱部材のエッジの検出例を示す説明図である。
【図１１】第二の演算部における液面位置の設定工程を示す説明図である。
【図１２】第二の演算部における液面位置の設定工程を示す説明図である。
【図１３】第二の演算部における液面位置の設定工程を示す説明図である。
【図１４】本発明の検証例を示すグラフである。
【図１５】本発明の検証例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面を参照して、本発明に係るシリコン単結晶の製造装置、シリコン単結晶の製造方法の一実施形態について説明する。なお、以下に示す実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００２８】
図１は本発明の実施形態に係る、シリコン単結晶の製造装置の一例を示す概略断面図である。シリコン単結晶引上装置（シリコン単結晶の製造装置）１０は、略円筒形のチャンバー１９を備え、内部にシリコンを溶融して貯留する石英ルツボ１１を収容する。チャンバー１９は、例えば内部に一定の隙間を形成した二重壁構造であればよく、この隙間に冷却水を流すことによって、石英ルツボ１１を加熱した際にチャンバー１９が高温化することを防止する。
【００２９】
こうしたチャンバー１９の内部は、シリコン単結晶の引上時にはアルゴンなどの不活性ガスが導入される。チャンバー１９の頂部には、引上駆動装置２２が備えられる。引上駆動装置２２は、シリコン単結晶インゴット１５の成長核となる種結晶１４およびそこから成長するシリコン単結晶インゴット１５を回転させつつ上方に引上げる。こうした引上駆動装置２２には、シリコン単結晶インゴット１５の引上げ量に基づいてシリコン単結晶インゴット１５の結晶長情報を送出するセンサ（不図示）が形成されていれば良い。
【００３０】
チャンバー１９の内部には、略円筒形の側面ヒータ１２が備えられる。側面ヒータ１２は、石英ルツボ１１を加熱する。この側面ヒータ１２の内側に、石英ルツボ１１およびルツボ支持体（黒鉛ルツボ）１６が収容される。石英ルツボ１１は、全体が石英で一体に形成され、上方が開放面を成す略円筒形の石英容器である。
【００３１】
石英ルツボ１１には、固形のシリコンを溶融したシリコン融液１３が貯留される。ルツボ支持体１６は、例えば全体が黒鉛で形成され、石英ルツボ１１を包むように密着して支持する。ルツボ支持体１６は、シリコンの溶融時に軟化した石英ルツボ１１の形状を維持し、石英ルツボ１１を支える役割りを果たす。
【００３２】
ルツボ支持体１６の下側にはルツボ支持装置（リフト）２１が備えられる。ルツボ支持装置２１は、ルツボ支持体１６および石英ルツボ１１を下側から支えるとともに、シリコン単結晶インゴット１５の引上げに伴って変化するシリコン融液１３の融液面１３ａの液面位置に対応して、石英ルツボ１１の位置を上下動させる。これにより、シリコン融液１３の融液面１３ａの位置が制御される。
【００３３】
石英ルツボ１１の上面には、シリコン融液１３の上面、即ち融液面１３ａを覆うように遮熱部材（遮蔽筒）１７が形成されている。遮熱部材１７は、例えばすり鉢状に形成された断熱板からなり、底部に引上げたシリコン単結晶インゴット１５が挿通される、例えば円形の開口１７ａが形成されている。遮熱部材１７は、チャンバー１９の内面側に固定されていれば良い。
【００３４】
こうした遮熱部材１７は、引上げたシリコン単結晶インゴット１５が石英ルツボ１１のシリコン融液１３から輻射熱を受けて熱履歴が変化し、品質が劣化することを防止する。 また、こうした遮熱部材１７は、シリコン単結晶引上装置１０の内部を満たすアルゴンなどの不活性ガスをシリコン融液１３の方向に誘導することによって、シリコン融液１３の融液面１３ａの残留酸素量や、シリコン融液１３から蒸発したシリコン蒸気などを制御し、シリコン単結晶インゴット１５が目的の品質になるようにする。シリコン単結晶インゴット１５が目的の品質になるように、遮熱部材１７の底部１７ａとシリコン融液１３の融液面１３ａとの距離（ギャップ）Δｔは正確に設定される必要がある。
【００３５】
チャンバー１９の外側には、撮像装置１８が形成されている。撮像装置１８は、例えばＣＣＤカメラであればよい。こうした撮像装置１８は、チャンバー１９に形成された窓１９ａを介して石英ルツボ１１の上面、即ち遮熱部材（遮蔽筒）１７の円形の開口１７ａを含む領域を、シリコン単結晶インゴット１５の引上げ軸Ｚに対して所定の角度θで傾斜した光軸Ｌで撮像する。即ち、撮像装置１８は、引上げの開始時点から引上げ継続中に渡って、シリコン単結晶インゴット１５の引上げ方向に対して斜めの角度から、遮熱部材１７を含む石英ルツボ１１の上面領域を撮像する。
【００３６】
撮像装置１８は、第一の演算部２４、第二の演算部２５、および制御部２６に接続される。また、第一の演算部２４、第二の演算部２５、引上駆動装置２２は、制御部２６に接続される。制御部２６は、引上駆動装置２２のセンサから得られた引上げたシリコン単結晶インゴット１５の結晶長データと、撮像装置１８から得られた結晶長データに基づいて、石英ルツボ１１の移動量（上昇量）を制御する。
【００３７】
こうした石英ルツボ１１の移動量制御にあたって、第一の演算部２４、および／または第二の演算部２５によって算出された石英ルツボ１１の位置補正データに基づいて、石英ルツボ１１の位置補正制御を行う。以下、第一の演算部２４および第二の演算部２５の構成、作用を詳述する。
【００３８】
第一の演算部２４では、撮像装置１８によって撮像された遮熱部材（遮蔽筒）１７の実像と、シリコン融液１３の融液面１３ａに映し出された遮熱部材１７の鏡像とを含む画像に基づいて、シリコン融液１３の液面位置を算出する。
【００３９】
図２に示すように、シリコン融液１３の融液面１３ａは鏡面となるため、融液面１３ａに遮熱部材（遮蔽筒）１７が鏡像として映る。こうした遮熱部材１７は、例えば、チャンバー１９側に固定され、シリコン融液１３が石英ルツボ１１の上下動によって移動しても変動せず融液面１３ａに鏡像が形成される。なお、遮熱部材１７は、チャンバー１９の内面側に直接固定される以外にも、チャンバー１９内の部材に固定されていても良い。
【００４０】
遮熱部材１７の実像と融液面１３ａに映った鏡像との間隔は、石英ルツボ１１を昇降させて融液面１３ａの位置を上下動させると、その上下動に連動して変化する。そして、この実像と鏡像との間隔と、融液面１３ａの上下移動量との間には比例関係がある。
【００４１】
撮像装置１８によって石英ルツボ１１の上面領域を撮像した画像情報から、遮熱部材１７の実像と鏡像との間隔を計算した値（例えば、画像のピクセル数等）と、ルツボ支持装置（リフト）２１で石英ルツボ１１を上下動させた融液面１３ａの上下移動量との間にも一対一の対応関係がある。実際には、２次以上の曲線へ近似できる関係になることが多い。
【００４２】
このため、遮熱部材１７の実像と融液面１３ａに映った鏡像との間隔を、融液面１３ａを上下に移動させることによって変化させ、この間隔の変化を複数点で測定して、これら実像と鏡像との間隔と、融液面１３ａの位置との対応関係を特定すると共に、この対応関係において遮熱部材１７の実像と鏡像との間隔がゼロになる点を基準点とすると、融液面１３ａの位置を特定することができる。
【００４３】
一例として、融液面１３ａの初期液面位置における遮熱部材１７の実像と鏡像との間隔を、撮像装置１８の画像情報の中で予め特定しておけば、融液面１３ａの位置を上下させて、上記対応関係を基に、遮熱部材１７の実像と鏡像との間隔を上記初期液面位置における間隔に調整することで、融液面１３ａの位置を初期液面位置に合わせることができる。
【００４４】
例えば、遮熱部材１７の下端と融液面１３ａとが一致すると、遮熱部材１７の実像とその鏡像の間隔はゼロになるので、この一致点を起点として遮熱部材１７の実像と鏡像との間隔が広がる。図２においては、遮熱部材１７の実像Ｍａの中心点Ｓａと、石英ルツボ１１を下げながら、例えば２ヶ所の位置で測定した鏡像Ｍｂ，Ｍｃの中心点Ｓｂ、Ｓｃを示している。
【００４５】
このとき、鏡像Ｍｂ，Ｍｃの中心点Ｓｂ、Ｓｃを測定したときの融液面１３ａの位置（ルツボ支持装置（リフト）２１で上下動させた石英ルツボ１１の位置）を特定しておく。中心点Ｓａ，Ｓｂ、Ｓｃの間隔は撮像装置１８で撮像した画像情報からピクセル数等を用いて計算する。
【００４６】
なお、遮熱部材１７の中心点は、遮熱部材１７のエッジを円形近似してその円の中心位置を用いる。また、融液面１３ａに映った遮熱部材１７の鏡像の場合も、エッジを円形近似してその中心位置を用いる。これにより求めた遮熱部材１７の中心位置を基準にして実像と鏡像との間隔を特定する。
【００４７】
また、遮熱部材１７の輪郭線（以下、エッジと称する）の検出においては、通常はその輝度値をもとにしきい値を設定する２値化を行う。例えば、エッジ検出に微分画像を用いる。
【００４８】
微分画像では、元画像の輝度変化量がデータとして示される。微分画像のデータは、遮熱部材１７の実像とその鏡像とのエッジ部で極大値をとり、元の画像の輝度の大きさは無関係となる。そこで微分画像の極大値の位置を検出エッジとすることにより、炉内の温度状態が変化しても測定誤差を小さくして、遮熱部材１７の開口１７ａの正確な位置を特定する。
【００４９】
遮熱部材１７の実像Ｍａとその鏡像Ｍｂ，Ｍｃとの間隔と、融液面１３ａとの対応関係の一例を図３に示す。なお、図３は、遮熱部材１７の実像Ｍａと、２つの鏡像Ｍｂ，Ｍｃの中心点Ｓｂ、Ｓｃとの間隔を縦軸に、鏡像Ｍｂの中心点Ｓｂから鏡像Ｍｃの中心点Ｓｃまで融液面１３ａを移動させたときの間隔を横軸にとったグラフである。
【００５０】
２つの鏡像Ｍｂ，Ｍｃの中心点Ｓｂ、Ｓｃとの間隔を、横軸の任意の位置にとり、遮熱部材１７の実像Ｍａとその鏡像Ｍｂ，Ｍｃの中心点Ｓｂ、Ｓｃとの間隔と、中心点ＳａとＳｃとの間隔をグラフのゼロ点を基準にして縦軸にとる。そして、縦軸の中心点Ｓｂと横軸の中心点Ｓｂとの交点と、縦軸の中心点Ｓｃと横軸の中心点Ｓｃとの交点との２つの点から傾斜角を特定して、グラフのゼロ点に平行移動させる。これにより、上記遮熱部材１７の実像Ｍａとその鏡像Ｍｂ，Ｍｃとの間隔と、融液面１３ａの位置との対応関係を特定する。
【００５１】
このようにして、図３に示すような対応関係（関係式）が特定されたら、その対応関係に基づいて、予め特定しておいた目標の間隔（融液面１３ａが初期液面位置にあるときの実像と鏡像との間隔）に対応する液面位置（ねらいの液面位置）を特定し、その位置に石英ルツボ１１を合わせるればよい。
【００５２】
以下、更に第一の演算部２４における液面位置の算出（設定）方法の具体例を簡単に述べる。第一の演算部２４では撮像装置１８によって得られた画像より、遮熱部材１７の実像と鏡像とを検出した上で、それぞれの中心位置を算出し、それら中心位置間の距離より初期ギャップΔｔ（遮熱部材１７の下端と融液面１３ａとの間隔：図１参照）の絶対値を測定する。
【００５３】
撮影画像において、遮熱部材１７の実像と鏡像は画像中の上側と比較して下側は撮像装置１８までの距離が近いために広がり、例えば、図４中の左側図に示すように画像にひずみが生じるので、撮像装置１８の素子上の点を、基準となる遮熱部材１７の下端に対応する平面に投影する写像変換を行って補正する。
【００５４】
図４の右側図は画像補正を行う際の座標系の模式図である。この座標系では，基準となる融液面位置（以後，基準面と記す）をｘｙ 平面としている。座標原点は、撮像装置を構成する撮像素子の中心位置Ｃからカメラレンズの中心を通るように引いた直線（図４中の点線）と基準面との交点にある。
【００５５】
また、シリコン単結晶インゴットの引上げ方向がｚ軸の正方向であり、撮像素子の中心位置Ｃとカメラレンズの中心位置Ｆはｙｚ面内にある。図４の左側図に示した画像中の座標(ｕ，ｖ)は画像デバイスの画素で表され，以下の式（１）に示す画像デバイス上の点Ｐ(ｘｐ，ｙｐ，ｚｐ)に対応している。
【００５６】
【数１】
【００５７】
ここで、αｕとαｖは横方向と縦方向の撮像素子の素子サイズであり、ｙｃとｚｃは画像デバイスの中心位置Ｃのｙ座標とｚ座標である。また、ｃθは図４中に示すように決めている。さらに、Ｃの座標（０，ｙｃ，ｚｃ）はカメラレンズの中心位置Ｆの座標（０，ｙｆ，ｚｆ）を用いて、以下の式（２）で表される．
【００５８】
【数２】
【００５９】
ここで、ｆｌは使用するレンズの焦点距離である。レンズをピンホールと考え、撮像素子上の点Ｐ（ｘｐ，ｘｙ，ｘｚ）をＦ（０，ｙｆ，ｚｆ）を通して基準面上へ投影する。投影された点を（Ｘ，Ｙ，０）とすると，(Ｘ，Ｙ，０)は、以下の式（３）で示すことができる。
【００６０】
【数３】
【００６１】
式（１）から式（３）を用いることにより、基準面上に投影された円形の遮熱部材１７の開口１７ａの実像、鏡像のその中心位置を求めることができる。基準面に投影された実像、鏡像の座標より、その中心位置を算出する際には最小二乗法を用いればよい。以下は中心位置算出の一例である。
本実施形態で演算に用いる遮熱部材１７の開口１７ａ形状は円形であるとする。その開口部の像は以下の式（４）に示す円の方程式を満たす。
【００６２】
【数４】
【００６３】
ここで式（４）中の（ｘ０，ｙ０）およびｒを最小二乗法を用いて算出することとなる。ここで最小二乗法での演算を簡易に行うために以下の式（５）に示す変形を行う。
【００６４】
【数５】
【００６５】
この式（５）中の変数ａ，ｂ，ｃを最小二乗法で求めることとなる。それは式（５）と測定された点との差の二乗和が最小なる条件を得ることとなり、これを以下の式（６）に示す偏微分方程式を解くことにより得られる。
【００６６】
【数６】
【００６７】
そして、この式（６）の解は以下の式（７）に示す連立方程式により算出可能である。
【００６８】
【数７】
【００６９】
このように最小二乗法を用いることにより、図５に示す基準平面に投影された遮熱部材１７の実像、鏡像からそれぞれの基準面上の中心位置（Ｘｈｃ，Ｙｈｃ，０），（Ｘｍｃ，Ｙｍｃ，０）が算出される。この算出された２つ座標によるギャップΔｔの絶対値の算出方法に関して図５にその概念を示す。遮熱部材１７が水平に設置されている場合、遮熱部材１７の実像中心座標（Ｘｈｃ，Ｙｈｃ，０）と遮熱部材１７の鏡像中心座標は本来、融液面をはさんで存在し、その２点を結ぶ直線は（Ｘｈｃ，Ｙｈｃ，０）を通りＺ軸と平行な直線となる。
【００７０】
一方、基準面上での遮熱部材１７の鏡像中心座標（Ｘｍｃ，Ｙｍｃ，０）は、遮熱部材１７の実像中心座標（Ｘｈｃ，Ｙｈｃ，０）が基準面に投影された座標となるため、実像中心座標（Ｘｈｃ，Ｙｈｃ，０）は基準面上での鏡像中心座標（Ｘｍｃ，Ｙｍｃ，０）と撮像装置の設置位置（ｘｆ，ｙｆ，ｚｆ）を通る直線上にあることとなる。そのため、算出したいギャップΔｔはＺギャップの２倍となり以下に示す式（８）により算出できる。
【００７１】
【数８】
【００７２】
本実施形態にて初期ギャップの絶対値を測定する場合は安定した遮熱部材の実像および鏡像の検出が必須となる。画像データ中から所定の像の位置を検出する手法としては、その像の輝度値をもとにしきい値を設定し２値化する手法が一般的である。しかし単結晶引上げ装置内の遮熱部材の像の検出を２値化により行った場合、炉内温度環境変化による輝度変化の影響により検出位置がずれるという問題が発生する。そのため本実施形態では、一般的な２値化手法ではなく，輝度変化を元に遮熱部材の像を検出する手法を用いた。
【００７３】
こうした手法によって、炉内温度環境変化による輝度変化の影響を受けずに遮熱部材の実像、および鏡像を安定して検出可能となる。検出にあたっては、横方向の輝度分布を微分することによりその輝度変化を求める。輝度微分は横方向の輝度の差分により算出されるが、この場合、画像に含まれるノイズの影響を大きく受ける。
【００７４】
このため、本実施形態では、算出された輝度微分データを９画素分の平均値を算出することによりノイズの影響を除去している。算出され輝度微分データのピーク位置を検出して遮熱部材の実像位置、および鏡像位置とする。
【００７５】
図６に、こうした遮熱部材の像の検出手法の結果を示す。図６左側に検出に用いた画像を示すが、このように遮熱部材の下端面には原料シリコンの溶融中の融液はねによる融液付着が発生することがある。この場合の遮熱部材の像の検出結果には、多量の誤検知が発生することが図６右側のグラフからわかる。このような誤検知を含んだ結果をもとに算出したギャップ値には大きな誤差が発生する。そのため融液付着による誤検知を認識し除去する手法が必要となる。
【００７６】
そのため本実施形態では、検出された遮熱部材の像のエッジの中から、遮熱部材の実像、および鏡像のエッジのみを抽出する画像処理アルゴリズムを用いる。この処理において検出された遮熱部材の実像、および鏡像はその他の誤検出部分に比べ面積が大きいこと利用して抽出する。図７に、こうした画像処理アルゴリズムのフローチャートを示す。なお、図７中のＦ像の表記は、遮熱部材を撮像した像を示す。
【００７７】
この画像処理においては互いに隣接しているエッジ群毎に識別し，同一の連結成分に同じラベル(番号)を付けるラベリング処理が必要となる。図８に示す処理は一般的なラベリング処理アルゴリズムの概念図を示す。このアルゴリズムでは、画像左上からスキャンを始め，２５５となる画素を探す。２５５となった画素に出会うと、その画素の周囲をチェックし２５５となる画素を探す。２５５となる画素が見つかると、画素を移動し再度その周囲で２５５画素となる画素を探す処理を繰り返すこととなる。そのため本実施形態では、画素左上からのスキャンに加えラベリングする。
【００７８】
このように一般的なラベリング処理アルゴリズムでは２５５となる画素の周囲をスキャンすることとなるため、扱う画像によってはスキャン回数が増加し、非常に処理時間がかかる。また一般的にラベリング手法では検出する連結成分の形状によって同一連結成分でも異なるラベルが付加される場合があり、こうした手法でも同様の問題が発生する。通常はラベリング処理後に一度画像の全スキャンをすることによりラベルを振り直す処理を行う。
【００７９】
例えば、２００万画素の画像を処理した場合の処理時間は約２秒となる。しかし現実には初期ギャップの演算まで含めて約１００ｍｓ程度での処理完了が好ましい。このため、高速なラベリング処理アルゴリズムが必要となる。
【００８０】
図９に、改良されたラベリング処理アルゴリズムを示す。このアルゴリズムは、画像のスキャン回数を１回で済ませることが可能である。処理内容は、一般的なラベリングアルゴリズムと同様に画像左上からスキャンを始め、２５５となる画素を探す。２５５となった画素に出会うと、当該画素の左、左上、上、右上の画素をチェックし、ラベル番号があればその番号と同じラベルをつけ、その後はスキャンを再開することとなる．
【００８１】
こうした改良されたラベリング処理アルゴリズムでは、処理内容の工夫により再ラベリング処理を省略しており、スキャン回数が画像１回のみで済む。このため従来の一般的なラベリング手法に比べ処理時間が大幅に低減可能となった。
【００８２】
また、これら一連の処理時にラベルを付与した画素をカウントすることにより各連結成分の面積も同時に算出しており、次ステップの遮熱部材の像の抽出時における処理時間も低減可能となる。これら一連の処理により、ラベリングによる処理時間は３０ｍｓまで短縮できることが確認された。
【００８３】
図１０にこうしたラベリング処理アルゴリズムによる処理結果を示す。図１０（ａ）は融液付着の除去なしでの遮熱部材の実像、鏡像の検出結果である。図中の丸印付近に遮熱部材への融液付着による誤検出があることがわかる。一方、図１０（ｂ）は融液付着を除去した結果である。図中の丸印付近にあった融液付着による誤検出は除去できていることがわかる。
【００８４】
次に、第二の演算部２５の構成、作用を詳述する。
図１１は、第二の演算部による融液面の液面位置の設定を示す模式図である。
第二の演算部２５では、シリコン単結晶１５の引上げ中に、シリコン融液１３とシリコン単結晶１５との固液界面近傍に生じる高輝度帯（フュージョンリング）ＦＲを、撮像装置１８、例えばＣＣＤカメラによって撮像する。そして、得られた高輝度帯ＦＲの画像データをを円近似、または楕円近似させ、シリコン単結晶１５の中心位置を特定する。
【００８５】
撮像装置１８によって撮像された高輝度帯（フュージョンリング）ＦＲの輝度分布は、例えば、図１２の右側に示すグラフのようになる。即ち、高輝度帯ＦＲの輝度のピークは、シリコン単結晶１５の融液面１３ａ、高輝度帯（フュージョンリング）ＦＲの輝度の裾野部分は、シリコン融液１３が傾いている部分に相当することがわかる。
【００８６】
そのため高輝度帯ＦＲのピーク輝度部を用いて算出された近似円の中心位置は、シリコン単結晶１５の固液界面の位置、一方、高輝度帯ＦＲの裾野部のデータを用いて算出した場合は、固液界面より下の融液面１３ａの位置を検出することになる。
【００８７】
そして、シリコン単結晶１５の引上中に、直胴領域１５ａの直径が変化すると、シリコン単結晶１５の固液界面の位置は変化する。例えば、引上中のシリコン単結晶１５の直径が減少しはじめると、それに対応して固液界面の位置が降下する。この時、高輝度帯ＦＲは、図１３に示すように、輝度のピーク位置が変化する。
【００８８】
高輝度帯ＦＲの輝度ピーク位置では、シリコン単結晶１５の直径が変動する際の固液界面の位置が反映される。これにより、高輝度帯ＦＲの輝度の測定結果を用いて算出された近似円、ないし近似楕円の中心位置は、シリコン単結晶１５の直径変動時における、固液界面高さの変動を反映した結果となる。
【００８９】
この中心位置の特定工程では、高輝度帯ＦＲの画像データを、撮像装置１８の光軸方向Ｌと単結晶の引上げ方向Ｚとの成す角度θに基づいて簡易補正するのが好ましい。そして、簡易補正を行った補正後の高輝度帯ＦＲの画像データを円近似、または楕円近似させ、シリコン単結晶１５の中心位置を算出すればよい。こうした簡易補正は、例えば以下の式（９）にて行うことが好ましい。
【００９０】
【数９】
【００９１】
なお、上記式（９）中のｘは画像中横方向での検出位置、ｘ０は使用する画像素子の横方向画素数の１／２、ｘ’は簡易補正後の横方向位置、またｙは画像中縦方向での検出位置、ｙ０は使用する画像素子の縦方向画素数の１／２、ｙ’は簡易補正後の縦方向位置を示す。
【００９２】
なお、高輝度帯ＦＲの撮像に用いる撮像装置１８は、２次元ＣＣＤカメラであればよいが、２次元ＣＣＤカメラ以外にも、１次元ＣＣＤカメラを機械的に水平方向に移動させたり、１次元ＣＣＤカメラの測定角度を変化させて高輝度帯ＦＲの画像を走査する方法でもよい。また、撮像装置１８は、２つ以上複数のＣＣＤカメラによって構成されていても良い。
【００９３】
また、高輝度帯ＦＲのメニスカス部分はシリコン単結晶１５の固液界面部も含んでいるのが好ましい。この固液界面の高さはシリコン単結晶１５の直径変動により変化することが知られている．そのため、高さ変動の影響が小さいメニスカス角度が３０〜５０度となるような高輝度帯ＦＲの一領域を用いてシリコン融液１３の液面位置を算出するのが好ましい。
【００９４】
このようにして得られたシリコン単結晶１５の中心位置のデータに基づいて、石英ルツボ１１内でのシリコン融液１３の液面位置を算出する。この液面位置算出工程の一例としては、シリコン単結晶１５の中心位置とシリコン融液１３の液面位置との関係（対応）を表す校正曲線を予め作成しておく。そして、中心位置特定工程で得られたシリコン単結晶１５の中心位置を示す値をこの校正曲線に当てはめて、シリコン融液の液面位置に換算することによって、測定時の（現在の）シリコン融液１３の液面位置を算出することができる。
【００９５】
制御部２６では、得られたシリコン融液１３の液面位置（融液面１３ａ）と遮熱部材１７との間隔Δｔを算出する。そして、この間隔Δｔに基づいて、シリコン単結晶１５の結晶中心部における固液界面近傍の結晶温度勾配（Ｇｃ）、およびシリコン単結晶１５の結晶周辺部における固液界面近傍の結晶温度勾配（Ｇｅ）をそれぞれ制御する。
【００９６】
こうした制御工程においては、制御部２６は、シリコン融液１３の液面位置（融液面１３ａ）と遮熱部材１７との間隔Δｔに基づいて、ルツボ支持装置（リフト）２１の動作量を制御する。例えば、シリコン単結晶１５の直胴領域（直胴部）１５ｂの引上開始時点でのシリコン融液１３の液面位置を基準にして、引上が進行した後のシリコン融液１３の液面位置の相対変化を検出する。そして、この液面位置の相対変化に基づいて、ルツボ支持装置（リフト）２１を制御して石英ルツボ１１を上昇させる。
【００９７】
これにより、シリコン単結晶１５の引上が進行してシリコン融液１３の量が減少しても、シリコン融液１３の融液面１５ａは、ヒータ１２に対して常に同じ位置Ｇに保たれる。これによって、シリコン融液１３に対する熱の輻射分布を常に一定に保つことができる。そして、シリコン単結晶の結晶中心部における固液界面近傍の結晶温度勾配（Ｇｃ）、およびシリコン単結晶の結晶周辺部における固液界面近傍の結晶温度勾配（Ｇｅ）がそれぞれ最適に制御される。
【００９８】
以上、詳細に説明した第一の演算部２４、第二の演算部２５を備えたシリコン単結晶引上装置（シリコン単結晶の製造装置）１０を用いた、シリコン単結晶引上工程を説明する。
まず、石英ルツボ１１にポリシリコンを投入し、図１に示すように、石英ルツボ１１を取り巻くように配された側面ヒータによって石英ルツボ１１を加熱する。そして、ポリシリコンを溶融し、石英ルツボ１１内にシリコン融液１３を形成する。
【００９９】
この時、融液面１３ａの位置は不明である。この状態、即ち引上げ初期（開始）段階では、まず、第一の演算部２４によって、遮熱部材１７の実像Ｍａと融液面１３ａに映った鏡像Ｍｂとの間隔から、液面位置を設定する。
【０１００】
融液面１３ａと遮熱部材１７とを、撮像装置１８で撮像する。図２に示すように、遮熱部材１７の実像Ｍａと融液面１３ａに映った鏡像Ｍｂ，Ｍｃとの中心位置の間隔（中心点Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃの間隔）を、石英ルツボ１１内の融液面１３ａを上下に移動させることによって変化させて、撮像素子１８で撮影する。
【０１０１】
次いで、この撮像素子１８の画像情報から上記中心位置の間隔の変化を複数点（図３のグラフでは２点）で測定して、この中心位置の間隔と融液面の表面の位置との対応関係を特定すると共に、この対応関係において上記中心位置の間隔がゼロになる点を基準点にする。
【０１０２】
そして、この対応関係を基にして目標の中心位置の間隔に対応した融液面１３ａの位置を特定し、この位置と実際の石英ルツボ１１内の融液面１３ａの液面位置との差をゼロにするように石英ルツボ１１を昇降させる。これにより、種結晶１４をシリコン融液１３に対して着液させる際の、融液面１３ａを初期液面位置として正確に設定することができる。
【０１０３】
こうして、融液面１３ａを初期液面位置を正確に設定して種結晶１４をシリコン融液１３に対して着液させ、所定の回転速度で回転させつつ、例えば、直径を漸増させたショルダー部１５ａを形成した後は、今度は液面位置の設定を第二の演算部２５で行う。即ち、シリコン融液１３の液面設定を、第一の演算部２４から第二の演算部２５に切り替える。
【０１０４】
例えば、予め設定した所定の直径を保った直胴部（直胴領域）１５ｂの引上げ領域では、第二の演算部２５によって融液面１３ａの液面位置の設定が行われる。即ち、シリコン融液１３とシリコン単結晶１５との固液界面近傍に生じる高輝度帯（フュージョンリング）ＦＲを、撮像装置１８で撮像し、高輝度帯ＦＲの画像データを円近似、または楕円近似させ、シリコン単結晶１５の中心位置を特定する。
【０１０５】
このようにして得られたシリコン単結晶１５の中心位置のデータに基づいて、ルツボ１１内でのシリコン融液１３の液面位置を算出し、得られたシリコン融液１３の液面位置（融液面１３ａ）と遮熱部材１７との間隔Δｔを算出する。そして、この間隔Δｔに基づいて、シリコン単結晶１５の結晶中心部における固液界面近傍の結晶温度勾配（Ｇｃ）、およびシリコン単結晶１５の結晶周辺部における固液界面近傍の結晶温度勾配（Ｇｅ）をそれぞれ制御する。
【０１０６】
これにより、シリコン単結晶１５の引上が進行してシリコン融液１３の量が減少しても、シリコン融液１３の融液面１５ａは、ヒータ１２に対して常に同じ位置Ｇに保たれ、シリコン融液１３に対する熱の輻射分布を常に一定に保つことができる。そして、シリコン単結晶の結晶中心部における固液界面近傍の結晶温度勾配（Ｇｃ）、およびシリコン単結晶の結晶周辺部における固液界面近傍の結晶温度勾配（Ｇｅ）がそれぞれ最適に制御される。
【０１０７】
以上のように、引上げの初期段階では、第一の演算部２４による、遮熱部材１７の実像と鏡像との間隔に基づいてシリコン融液１３の液面位置を設定し、シリコン単結晶が例えば直胴部に移行する段階で、今度は第二の演算部２５に切り替えて、高輝度帯（フュージョンリング）ＦＲの像に基づいてシリコン融液１３の液面位置を設定することによって、種結晶のシリコン融液への着液時からシリコン単結晶の全長を引上げ完了するまでの全期間で、Ｖ／Ｇが所望の無欠陥領域を得るのに必要な範囲に、シリコン融液１３の融液面１３ａの位置を高精度に制御することが可能になる。これにより、無欠陥領域を含む高品質なシリコン単結晶を、安定して収率良く得ることが可能になる。なお、シリコン融液１３の液面設定を、第一の演算部２４から第二の演算部２５に切り替えるのは、ショルダー部１５ａの形成中であればよい。
【０１０８】
更に、シリコン融液１３液面高さの絶対値を得ることのできる第一の演算部２４による液面設定と、撮像装置１８で撮像可能な液面範囲が遮熱部材１７の実像Ｍａと鏡像Ｍｂ，Ｍｃとからの液面位置確定に充分でない領域となるまで単結晶が径方向に大きく成長した際におこなう第二の演算部２５による液面設定とは、ショルダー部１５ａの成長中であれば、これらの液面設定を並列におこなうか、複数回切り替えて、第二の演算部２５による液面設定でのシリコン融液１３液面高さの絶対値をより正確に求めることが可能である。つまり、第一の演算部２４による液面高さの絶対値を利用した液面設定によって、続けておこなう直胴部での第二の演算部２５による相対値での液面設定を絶対値として液面高さを制御することが可能となり、これにより、従来は絶対値としての確定値を得ることができず制御の高精細性が確保できなかった直胴部での「液面高さに起因する結晶特性」を他の結晶成長制御条件とともに制御可能とすることで、所望の特性を有する結晶を製造することが可能となった。
【実施例】
【０１０９】
本発明のシリコン単結晶の製造装置における第一の演算部による液面位置の設定を検証した。即ち、引上げ開始時の初期ギャップの測定方法の有効性を確認した。検証では、シリコン融液の形成後にルツボ位置を動かすことによりギャップを変更し、その変化量と測定値との比較を行った。
【０１１０】
図１４はテスト時の遮熱部材の実像位置の測定結果を示す。炉内温度変化は画像中の輝度分布を変化させ遮熱部材の実像のエッジの検出に影響する懸念がある。この検証において、遮熱部材はチャンバーに固定され、その実像位置は変化しない。そのため、遮熱部材の実像位置測定値の変化は誤差であり、初期ギャップ測定値の精度に直接影響する。
【０１１１】
図１４のテスト中はヒータ温度を１０℃以上変化させ炉内温度が大きく変化している。その間での遮熱部材の実像位置の変動は±０．０２ｍｍ内であり、初期ギャップ測定への影響は小さいことが確認できた。
【０１１２】
図１５に本検証により算出した初期ギャップ値とルツボ位置を変更することにより変化させたギャップ値との比較を行った結果を示す。初期設定はオペレータが手動にて設定したギャップ６５ｍｍである。図１５中の斜線上の点がその比較結果を示し、点線の水平線上の点がその両者の差を示す。水平線上の点は０．４〜０．８ｍｍの間にあり、初期ギャップ測定値が約０。５ｍｍ大きい結果を示している。
【０１１３】
この差が検証時の初期ギャップ設定のズレを表していると考えられる。一方，このギャップ変化量の視点で図１５に示した検証結果を評価すると、初期ギャップ測定値と初期ギャップ設定値との差のばらつきは±０。２ｍｍ以内であることがわかる。以上の検証結果より、ギャップが±０．２ｍｍ以内で測定可能であることが確認できた。
【符号の説明】
【０１１４】
１０ シリコン単結晶引上装置（シリコン単結晶の製造装置）、１１ 石英ルツボ、１２ ヒータ、１３ シリコン融液、１３ａ 融液面、１５ シリコン単結晶（シリコン単結晶インゴット）、１７ 遮熱部材、１８ 撮像装置、１９ チャンバー、２１ ルツボ支持装置（リフト）、２４ 第一の演算部、２５ 第二の演算部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ルツボに形成したシリコン融液からシリコン単結晶を引上げるシリコン単結晶の製造装置であって、
前記シリコン単結晶の引上げ軸に対して所定の角度で傾斜した方向から、前記シリコン融液の液面を含む領域を撮像する撮像手段と、
前記シリコン融液の融液面の一部を覆うように配され、引上げ時に前記シリコン単結晶が貫通する円形の開口をもつ遮熱部材と、
前記撮像手段を用いて、前記遮熱部材の少なくとも開口を含む実像と、該遮熱部材が前記シリコン融液の表面に映った遮熱部材の鏡像とを撮像し、前記実像と前記鏡像との間隔を測定して、前記シリコン融液の液面位置を算出する第一の演算部と、
前記撮像手段を用いて、前記シリコン融液と前記シリコン単結晶との固液界面近傍に生じる高輝度帯の画像を撮像し、該高輝度帯の画像から得られる前記シリコン単結晶の中心位置に基づいて、前記シリコン融液の液面位置を算出する第二の演算部と、
前記第一の演算部で得られたシリコン融液の液面位置情報と、前記第二の演算部で得られたシリコン融液の液面位置情報と、を参照してシリコン単結晶の引上げ時のシリコン融液の液面位置を制御する制御部と、
を少なくとも備えたことを特徴とするシリコン単結晶の製造装置。
【請求項２】
前記第一の演算部は、前記撮像手段によって撮像された前記遮熱部材の開口の見かけ上楕円形を成す開口の画像から、円近似によって前記遮熱部材の中心位置を算出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製造装置。
【請求項３】
前記第一の演算部は、前記撮像手段によって撮像された前記遮熱部材の前記実像と前記鏡像の微分情報を用いて、前記実像と前記鏡像の輪郭線を特定することを特徴とする請求項１または２記載のシリコン単結晶の製造装置。
【請求項４】
前記第一の演算部は、前記撮像手段によって撮像された前記遮熱部材の前記実像と前記鏡像の輪郭線を、前記遮熱部材の画像の下端位置に投影変換することを特徴とする請求項１または２記載のシリコン単結晶の製造装置。
【請求項５】
前記第一の演算部は、前記撮像手段によって撮像された前記遮熱部材の前記実像と前記鏡像の輪郭線のうち、予め定めた所定の面積以上のものを前記遮熱部材の中心位置の算出に用いることを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項記載のシリコン単結晶の製造装置。
【請求項６】
前記撮像手段は、前記遮熱部材の前記実像と前記鏡像の輪郭線と、円近似させた前記遮熱部材の開口画像との偏差が最小となるような角度から撮像することを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項記載のシリコン単結晶の製造装置。
【請求項７】
前記第一の演算部は、シリコン単結晶の引上げ初期段階において、前記遮熱部材の前記実像と前記鏡像との間隔に基づいて、前記シリコン融液の液面位置の設定を行い、また、前記初期段階終了から前記シリコン単結晶の直径が所定値に達するまでの段階において、前記遮熱部材の前記実像と前記鏡像との間隔に基づいて、前記制御部を介して前記シリコン融液の液面位置を制御し、
前記第二の演算部は、前記シリコン単結晶の直径が所定値に達した後の段階において、前記高輝度帯の画像から得られる前記シリコン単結晶の中心位置に基づいて、前記制御部を介して前記シリコン融液の液面位置を制御することを特徴とする請求項１ないし６いずれか１項記載のシリコン単結晶の製造装置。
【請求項８】
前記シリコン単結晶の直径が所定値に達した時点で、前記第一の演算部で得られた前記シリコン融液の液面位置の値と、前記第二の演算部で得られた前記シリコン融液の液面位置の値との差を補正する制御を行うことを特徴とする請求項７記載のシリコン単結晶の製造装置。
【請求項９】
ルツボに形成したシリコン融液からシリコン単結晶を引上げるシリコン単結晶の製造方法であって、
遮熱部材の少なくとも円形の開口を含む実像と、該遮熱部材が前記シリコン融液の表面に映った遮熱部材の鏡像とを撮像し、前記実像と前記鏡像との間隔を測定して、前記シリコン融液の液面位置を算出する第一の演算工程と、
前記シリコン融液と前記シリコン単結晶との固液界面近傍に生じる高輝度帯の画像を撮像し、該高輝度帯の画像から得られる前記シリコン単結晶の中心位置に基づいて、前記シリコン融液の液面位置を算出する第二の演算部と、を少なくとも備え、
前記第一の演算工程で得られたシリコン融液の液面位置情報と、前記第二の演算工程で得られたシリコン融液の液面位置情報と、を参照してシリコン単結晶の引上げ時のシリコン融液の液面位置を制御することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
【請求項１】
ルツボに形成したシリコン融液からシリコン単結晶を引上げるシリコン単結晶の製造装置であって、
前記シリコン単結晶の引上げ軸に対して所定の角度で傾斜した方向から、前記シリコン融液の液面を含む領域を撮像する撮像手段と、
前記シリコン融液の融液面の一部を覆うように配され、引上げ時に前記シリコン単結晶が貫通する円形の開口をもつ遮熱部材と、
前記撮像手段を用いて、前記遮熱部材の少なくとも開口を含む実像と、該遮熱部材が前記シリコン融液の表面に映った遮熱部材の鏡像とを撮像し、前記実像と前記鏡像との間隔を測定して、前記シリコン融液の液面位置を算出する第一の演算部と、
前記撮像手段を用いて、前記シリコン融液と前記シリコン単結晶との固液界面近傍に生じる高輝度帯の画像を撮像し、該高輝度帯の画像から得られる前記シリコン単結晶の中心位置に基づいて、前記シリコン融液の液面位置を算出する第二の演算部と、
前記第一の演算部で得られたシリコン融液の液面位置情報と、前記第二の演算部で得られたシリコン融液の液面位置情報と、を参照してシリコン単結晶の引上げ時のシリコン融液の液面位置を制御する制御部と、
を少なくとも備えたことを特徴とするシリコン単結晶の製造装置。
【請求項２】
前記第一の演算部は、前記撮像手段によって撮像された前記遮熱部材の開口の見かけ上楕円形を成す開口の画像から、円近似によって前記遮熱部材の中心位置を算出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製造装置。
【請求項３】
前記第一の演算部は、前記撮像手段によって撮像された前記遮熱部材の前記実像と前記鏡像の微分情報を用いて、前記実像と前記鏡像の輪郭線を特定することを特徴とする請求項１または２記載のシリコン単結晶の製造装置。
【請求項４】
前記第一の演算部は、前記撮像手段によって撮像された前記遮熱部材の前記実像と前記鏡像の輪郭線を、前記遮熱部材の画像の下端位置に投影変換することを特徴とする請求項１または２記載のシリコン単結晶の製造装置。
【請求項５】
前記第一の演算部は、前記撮像手段によって撮像された前記遮熱部材の前記実像と前記鏡像の輪郭線のうち、予め定めた所定の面積以上のものを前記遮熱部材の中心位置の算出に用いることを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項記載のシリコン単結晶の製造装置。
【請求項６】
前記撮像手段は、前記遮熱部材の前記実像と前記鏡像の輪郭線と、円近似させた前記遮熱部材の開口画像との偏差が最小となるような角度から撮像することを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項記載のシリコン単結晶の製造装置。
【請求項７】
前記第一の演算部は、シリコン単結晶の引上げ初期段階において、前記遮熱部材の前記実像と前記鏡像との間隔に基づいて、前記シリコン融液の液面位置の設定を行い、また、前記初期段階終了から前記シリコン単結晶の直径が所定値に達するまでの段階において、前記遮熱部材の前記実像と前記鏡像との間隔に基づいて、前記制御部を介して前記シリコン融液の液面位置を制御し、
前記第二の演算部は、前記シリコン単結晶の直径が所定値に達した後の段階において、前記高輝度帯の画像から得られる前記シリコン単結晶の中心位置に基づいて、前記制御部を介して前記シリコン融液の液面位置を制御することを特徴とする請求項１ないし６いずれか１項記載のシリコン単結晶の製造装置。
【請求項８】
前記シリコン単結晶の直径が所定値に達した時点で、前記第一の演算部で得られた前記シリコン融液の液面位置の値と、前記第二の演算部で得られた前記シリコン融液の液面位置の値との差を補正する制御を行うことを特徴とする請求項７記載のシリコン単結晶の製造装置。
【請求項９】
ルツボに形成したシリコン融液からシリコン単結晶を引上げるシリコン単結晶の製造方法であって、
遮熱部材の少なくとも円形の開口を含む実像と、該遮熱部材が前記シリコン融液の表面に映った遮熱部材の鏡像とを撮像し、前記実像と前記鏡像との間隔を測定して、前記シリコン融液の液面位置を算出する第一の演算工程と、
前記シリコン融液と前記シリコン単結晶との固液界面近傍に生じる高輝度帯の画像を撮像し、該高輝度帯の画像から得られる前記シリコン単結晶の中心位置に基づいて、前記シリコン融液の液面位置を算出する第二の演算部と、を少なくとも備え、
前記第一の演算工程で得られたシリコン融液の液面位置情報と、前記第二の演算工程で得られたシリコン融液の液面位置情報と、を参照してシリコン単結晶の引上げ時のシリコン融液の液面位置を制御することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１２−１２６５８５（Ｐ２０１２−１２６５８５Ａ）
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７７２１２（Ｐ２０１０−２７７２１２）
【出願日】平成２２年１２月１３日（２０１０．１２．１３）
【出願人】（３０２００６８５４）株式会社ＳＵＭＣＯ (1,197)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月１３日（２０１０．１２．１３）
【出願人】（３０２００６８５４）株式会社ＳＵＭＣＯ (1,197)
【Ｆターム（参考）】
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