300 mm 単結晶シリコンインゴットを製造する CZ プロセスのモデル予測制御

摘要

IoT や AI の普及に伴って半導体の需要が増加して おり，半導体の原料である単結晶シリコンインゴット 製造の低コスト化·歩留まり向上が求められている． 現在，半導体の原料として用いられる直径 300mm の単結晶シリコンインゴットは Czochralski（CZ）プ ロセスで製造されている．CZ プロセスでは，石英る つぼに充填した多結晶シリコンをヒーターで加熱し て融解させた後，融液表面に付けた種結晶とるつぼ を回転させながら引き上げることで，単結晶シリコ ンインゴットを製造する．高品質な製品を得るため には結晶半径と結晶成長速度を一定に保つ必要があ る．CZ プロセスは，入出力が複雑に関係する，長い 時定数·むだ時間を有する，熱伝達特性が時間に応じ て変化する，といった特徴を持つため，従来の制御 手法である PID 制御による大幅な制御性能改善はで きないと予想できる．また，低コスト化のために直 径 450mm のインゴット製造プロセスが検討されて おり，より高度な制御手法が必要とされている．こ れまでに行われてきた CZ プロセスに関する研究の 多くは直径20–200mmのインゴットを製造するプロ セスを対象としており，現在主流である直径 300mm のインゴット製造プロセスを対象とした研究はほと hどない．本研究では，直径300mmの単結晶シリコ ンインゴットを製造する CZ プロセスを対象として 従来の制御手法よりも高い制御性能を有する制御系 を開発することを目的とし，モデル予測制御（MPC） システムを構築した．また，構築したモデルと MPC システムの有用性を実データを用いて確かめた．