JP2000191394A - 結晶体の２値制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】安定した２値制御の達成に有効な結晶体の２値
制御装置を提供する。 【解決手段】重量偏差（ＧＷＤ）をＤ型速度操作アンプ
（７２）とＰＩＤ型温度操作アンプ（７４）に並列入力
し、シード上昇速度操作量（ＳＬＣ）と温度操作量（Ｔ
Ｃ）をそれぞれ独立に生成する。該シード上昇速度操作
量（ＳＬＣ）は、シード上昇速度（ＳＬ）を変化させて
結晶成長直径（ＧＤ）を収束させ、温度操作量（ＴＣ）
は、ヒーター温度を変化させて不足熱量を所定値に収束
させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、結晶体の２値制御
装置に関し、特に、安定した２値制御の達成に有効な結
晶体の２値制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】チョクラルスキー法に代表される単結晶
の引き上げ製造法においては、製造された結晶体の直径
と該結晶体を引き上げた速度の履歴が結晶体の品質を決
める上での重要なパラメータとなる。

【０００３】従って、従来から、直径と引き上げ速度の
双方を所望の値に収束させるＣＺ法の開発が進められて
おり、既に実施化されているものも幾つか見られる。こ
れらの開発された諸技術は、それぞれ特有の興味深い特
徴を有し、特有の効果を達成している。以下、これらの
代表的な特徴を説明する。

【０００４】第１の技術は、メルト加熱用のヒーターの
温度のみを変化させて、結晶体の成長直径を制御する技
術である。ヒーターの温度を変化させる理由は、引き上
げ結晶体とメルトの界面から放出される熱量と、該界面
近傍に流入する熱量との差（以下、「不足熱量」とい
う）を制御するためである。即ち、不足熱量は、結晶体
が単位時間当たりに固化する重量（以下、「固化重量」
という）を決定する凝固潜熱と密接に関連し、この不足
熱量が増加すると、結晶体の重量が所望の値よりも重く
なる。その結果、結晶体の成長直径は、該重量の増加に
対応して大きくなる。従って、ヒーターの温度を上げ
て、不足熱量を減少させれば、結晶体の成長直径を所望
の値に収束させることができる。

【０００５】当該技術では、引き上げ速度を所望の値に
固定することができるため、制御対象が１つでよく、結
晶体をゆっくりと引き上げる製造装置では、比較的安定
しやすい構成である。以下、この第１の技術が行うよう
な不足熱量に着目した制御系を「温度制御系」という。

【０００６】第２の技術は、結晶体の成長直径を引き上
げ速度の調節で制御し、その結果、所望の値からずれた
引き上げ速度の偏差に基づいて、ヒーターの温度を変化
させる技術である。当該技術では、直径の変化に追従し
て引き上げ速度が即変化するため、前記第１の技術に比
べて応答が速いことを特徴とする。以下、このような引
き上げ速度の変化によって直径を制御する制御系を「速
度制御系」という。この第２の技術を詳細に記載した文
献としては、特公昭５２−４８１１１号公報および特公
平７−５５８７８号公報がある。

【０００７】第３の技術は、結晶体の成長直径を引き上
げ速度で調節する一方、引き上げ開始から終了に至るま
でのヒーター温度の理想パターンを導出し、該導出した
理想パターンに基づいて、不足熱量を制御する技術であ
る。当該技術では、速度制御系と温度制御系とを独立に
構成することができるため、それぞれの制御系に適した
設計が可能である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、第１の技術で
は、ヒーター温度の変化という遅れ要素の多い制御手段
を用いているため、直径の変動に対する応答が遅れる。
従って、この技術は、結晶体の引き上げ速度が極めて遅
く、結晶体の製造に数日間を費やすガリウム・ヒ素等の
製造には適しているが、引き上げ速度が速いシリコン等
の製造には適していない。

【０００９】一方、第２の技術は、現在主流となってい
る技術であり、この技術によれば、引き上げ速度の変化
によって、結晶体の成長直径が好適に制御される。これ
は、引き上げ速度の変化に対する直径の応答がヒーター
温度の変化に対する直径の応答に比べて、むだ時間や１
次遅れの時定数が小さいため、引き上げ速度の操作が
即、直径の収束動作に反映されるからである。

【００１０】この第２の技術の速度制御系は、光学式の
場合、「比例項＋積分項＋微分項」で構成され、重量式
の場合、「比例項＋微分項」で構成される。ここで、光
学式の積分項と重量式に比例項は、いずれも結晶体の直
径変動の履歴に応答する要素であり、該速度制御系は、
熱的環境が一定の場合に、目標値に対する定常偏差を０
に収束させる一形の伝達関数（伝達関数の形の定義につ
いては後述する）で表現される。従って、制御目標であ
る結晶体の直径は、引き上げ速度の変化によって、定常
偏差なく目標値に収束する。

【００１１】しかし、直径の制御に引き上げ速度を変化
させた結果、該引き上げ速度は、その目標値との間に偏
差を生じる。即ち、直径は目標値に収束するが、引き上
げ速度が目標値からずれるため、２値制御が達成されな
いことになる。これは、引き上げ速度を変化させても、
ヒーター温度とルツボの位置によって決まる不足熱量に
は影響しないため、結晶体の固化重量は、依然目標値か
らずれたままだからである。

【００１２】換言すると、引き上げ速度は、固化重量を
結晶体の断面積と引き上げ長さの２成分に分配する機能
は有するが、固化重量を目標値に収束させる機能はな
く、実際の固化重量が所望の直径と引き上げ速度を維持
できる理想の値からずれている場合には、この引き上げ
速度が偏差を持つことになるからである。

【００１３】一般の引き上げ装置では、引き上げと同時
にルツボを上昇させて、メルトの液位を一定にする液位
一定制御が行われる。従って、不足熱量は、該ルツボの
上昇によって常に変動するため、上記理想の値は維持で
きないことになる。これは、引き上げ速度が不足熱量の
変動に追従して偏差を持つことを意味する。ここで、ル
ツボの位置は、結晶体の品質を決定する重要なパラメー
タであるため、結晶体の直径および引き上げ速度の制御
手段としては使用できない。

【００１４】そこで、上記従来技術では、温度制御系を
速度制御系にカスケード接続して、結晶体の直径を収束
させることによって発生した引き上げ速度の偏差をなく
す構成を採用している。このカスケード制御系は、引き
上げ速度の偏差を温度制御系に入力し、該温度制御系で
ＰＩＤ演算を行って、ヒーターの温度を制御するもので
ある。

【００１５】しかし、上記カスケード制御には、ヒータ
ーの温度制御を行ったにもかかわらず、引き上げ速度が
依然として誤差を有するという問題がある。後に詳細に
説明するが、液位一定制御の引き上げにおいて、不足熱
量を一定にするための理想的なヒーターの温度パターン
は、一次以上の関数となる。そして、一般的な制御理論
に従えば、目標値が一次関数（ランプ）の場合、一形制
御系では、定常偏差を持ち、二形制御系では、定常偏差
がなくなると考えられる。

【００１６】特公昭５２−４８１１１号公報に記載され
たカスケード制御では、重量偏差をＰＤ演算アンプとＰ
ＩＤ演算アンプのカスケードに入力し、その出力をヒー
ター温度の操作量として与えている。従って、当該カス
ケード制御は、一形制御系を構成するため、重量偏差が
定常偏差を持つことになる。

【００１７】ここで、重量偏差が定常偏差を持っても、
重量偏差が一定であれば、結晶体の直径は、定常偏差を
持たない。しかし、上記従来技術では、重量偏差の「比
例要素＋微分要素」を引き上げ速度の操作量としている
為に、この比例要素が引き上げ速度に定常偏差を生じさ
せ、２値制御の負の要因となっていると思われる。

【００１８】他方、別のカスケード制御を開示する特公
平７ー５５８７８号では、直径偏差を２段のＰＩＤ演算
アンプで構成した速度制御系と温度制御系のカスケード
接続に入力し、この出力をヒーター温度の操作量として
与えている。従って、当該制御系は、直径偏差に対して
は、二形制御系を構成するため、結晶体の直径は、定常
偏差を持たないと考えられるが、この制御系は、引き上
げ速度の偏差を持つことが本発明者の実験によって確認
されている。

【００１９】温度制御系の伝達関数が一形である上記カ
スケード制御によって、ヒーター温度の操作量を理想的
なヒーター温度パターン、例えば、一次関数に合わせる
ためには、引き上げ速度が常に定常偏差を持つことがわ
かる。これが引き上げ速度が目標値からずれて定常偏差
を持つ理由と考えられる。当該構成では、速度制御系の
積分要素が２値制御の負の要因と思われる。

【００２０】上記問題を解決するために、温度制御系に
積分要素（遅れ要素）を２〜３段設けて、引き上げ速度
を目標値に収束させる技術も考えられているが、このよ
うに、温度制御系に多段の遅れ要素を設けると、ハンチ
ング（制御不安定）が生じやすいという問題がある。

【００２１】加えて、この第２の技術では、温度制御系
が速度制御系に依存する構成、即ち、温度制御系と速度
制御系とがカスケード接続されるため、それぞれに最適
な制御系を構成することが困難である。つまり、温度制
御系に適した伝達関数と速度制御系に適した伝達関数と
は、互いに異なっており、温度制御系を速度制御系の従
属構成とすると、温度制御系の設計自由度が速度制御系
の構成に拘束されるからである。

【００２２】一方、第３の技術では、不足熱量の制御が
所定の理想パターンに依存するため、環境変化に弱いと
いう欠点がある。即ち、結晶体周辺の熱環境は、装置ご
とに異なり、該各装置の理想パターンが予め導出したパ
ターンからずれる場合が多い。このため、ある装置で好
適な結果が得られた理想パターンであっても、他の装置
では使用できない場合が多く、実用化が困難であった。

【００２３】また、理想パターンの導出には、多くの時
間を要するため、装置ごとに理想パターンを作成するこ
とも困難であり、たとえ、作成したとしても引き上げ時
の炉内部品のセッティング、ヒーターおよび黒鉛ルツボ
の経時変化、水温、気温等に左右され、やはり、理想パ
ターンからずれることになる。

【００２４】結晶体の引き上げ速度は、結晶体の直径や
ホットゾーンのサイズごとに異なるだけでなく、製造す
る品種によっても異なるため、これらの要素の掛け算分
の理想パターンが必要である。さらに、上記経時変化
は、理想パターンのマイナーチェンジを必要とし、使用
者に理想パターンの度重なる導出を強要する。

【００２５】上記のような理想パターンからのずれは、
不足熱量が理想値からずれる原因となり、不足熱量のず
れは、結晶体の成長直径に影響を与える。結晶体の成長
直径が目標値からずれると、当該第３の技術に係る速度
制御系は、結晶体の成長直径を目標値に収束させるべ
く、引き上げ速度を変化させる。その結果、結晶体の直
径は、目標値に収束するが、引き上げ速度が目標値から
ずれ、前述した第２の技術と同様に、直径と速度の２値
制御が達成できなくなる。

【００２６】直径制御パラメータ（一般的には、結晶体
の直径と重量）の相違に関係なく、統一した概念で上記
問題点を整理すると、次のようになる。

【００２７】まず、結晶体の２値制御は、直径と引き上
げ速度の制御であり、状態変数（例えば、ヒーター温度
やルツボ位置）の変化に応じて、固化重量を一定にする
ヒーター温度の理想パターンは、一次以上の関数であ
る。

【００２８】従って、直径と引き上げ速度に定常偏差を
持たせないためには、直径に作用する伝達関数と、引き
上げ速度に作用する伝達関数が二形以上であることが必
要と考える。

【００２９】ただし、重量偏差信号は、それ自体に直径
の積分要素を有するため、直径制御に関しては、重量偏
差信号に対して一形制御系を構成すれば、直径要素に対
して二形制御系を構成すると考えられる。前述した従来
の制御系は、直径または直径要素に対して、二形の制御
系を構成しており、直径の定常偏差をなくす機能を有す
る。

【００３０】しかし、引き上げ速度から見た伝達関数が
一形の制御系であり、二形の制御系を構成していない。
従って、引き上げ速度にずれが生じ、引き上げ速度に定
常偏差を持つという従来技術に共通の第１の問題点が発
生すると考えられる。

【００３１】さらに、上記従来の制御系は、速度制御系
の伝達関数に直径成分に対する積分要素を有し、引き上
げ速度で直径を制御する第１の定値制御ＰＩＤを持つ。
そして、該第１の定値制御ＰＩＤの操作量に基づいて、
ヒーター温度を操作し、引き上げ速度を制御する第２の
定値制御ＰＩＤが該第１の定値制御ＰＩＤにカスケード
接続される。このため、２つのＰＩＤが干渉してハンチ
ングする第２の問題点が発生すると考えられる。

【００３２】一方、一部の装置では、前記第２の定値制
御ＰＩＤの前段または後段に積分要素を持つ制御機能を
追加して、引き上げ速度から見た伝達関数が二形となる
制御系を構成するものがある。しかし、当該構成では、
直径から見た伝達関数が三形となり、積分要素による遅
れが生じる。このため、制御系が不安定となって、ハン
チングする第３の問題点が発生すると考えられる。

【００３３】そこで、本発明は、安定した２値制御の達
成に有効な結晶体の２値制御装置を提供することを目的
とする。

【００３４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の発明は、結晶体（１０）の引き上げ
速度、即ち、シード上昇速度（ＳＬ）の操作量を生成す
るシード上昇速度操作量生成手段（Ｍ１０）と、該結晶
体（１０）周辺の温度を操作する量、即ち、温度操作量
（ＴＣ）を生成する温度操作量生成手段（Ｍ１２）とを
具備し、該結晶体（１０）の成長直径、即ち、結晶成長
直径（ＧＤ）および前記シード上昇速度（ＳＬ）をそれ
ぞれの目標値に収束させる結晶体の２値制御装置におい
て、前記結晶成長直径（ＧＤ）の制御に寄与するパラメ
ータ、即ち、直径制御パラメータ（ＣＰ）を検出する直
径制御パラメータ検出手段（Ｍ１４）と、前記直径制御
パラメータ検出手段（Ｍ１４）が検出した直径制御パラ
メータ（ＣＰ）と該直径制御パラメータ（ＣＰ）の目標
値との差をとって偏差信号（ＤＥＶ）を生成する偏差信
号生成手段（Ｍ１６）とを具備し、前記シード上昇速度
操作量生成手段（Ｍ１０）は、前記偏差信号生成手段
（Ｍ１６）が生成した偏差信号（ＤＥＶ）に基づいて、
前記シード上昇速度（ＳＬ）の操作量、即ち、シード上
昇速度操作量（ＳＬＣ）を生成し、前記温度操作量生成
手段（Ｍ１２）は、前記偏差信号生成手段（Ｍ１６）が
生成した偏差信号（ＤＥＶ）に基づいて、前記温度操作
量（ＴＣ）を生成することを特徴とする。

【００３５】また、請求項２記載の発明は、請求項１記
載の発明において、前記シード上昇速度操作量生成手段
（Ｍ１０）は、前記結晶成長直径（ＧＤ）の変動履歴に
応答する要素を含まない伝達関数で表現され、前記偏差
信号（ＤＥＶ）の変動に応じた信号を前記シード上昇速
度操作量（ＳＬＣ）として出力し、前記温度操作量生成
手段（Ｍ１２）は、積分要素を含む伝達関数で表現さ
れ、前記偏差信号（ＤＥＶ）の履歴に応じた信号を前記
温度操作量（ＴＣ）として出力することを特徴とする。

【００３６】また、請求項３記載の発明は、請求項２記
載の発明において、前記直径制御パラメータ（ＣＰ）
は、前記結晶体（１０）が成長した重量、即ち、結晶成
長重量（ＧＷ）であり、前記シード上昇速度操作量生成
手段（Ｍ１０）は、微分要素を含む伝達関数で表現さ
れ、前記温度操作量生成手段（Ｍ１２）は、積分要素を
含む伝達関数１段で表現されることを特徴とする。

【００３７】また、請求項４記載の発明は、請求項２記
載の発明において、前記直径制御パラメータ（ＣＰ）
は、前記結晶成長直径（ＧＤ）であり、前記シード上昇
速度操作量生成手段（Ｍ１０）は、比例要素を含む伝達
関数で表現され、前記温度操作量生成手段（Ｍ１２）
は、積分要素を含む伝達関数２段で表現されることを特
徴とする。

【００３８】また、請求項５記載の発明は、請求項１記
載の発明において、前記シード上昇速度操作量生成手段
（Ｍ１０）の伝達関数と前記温度操作量生成手段（Ｍ１
２）の伝達関数との比が二形以上の制御系を構成するこ
とを特徴とする。

【００３９】また、請求項６記載の発明は、請求項５記
載の発明において、前記シード上昇速度操作量生成手段
（Ｍ１０）は、前記直径制御パラメータ（ＣＰ）の直径
成分に対する比例要素、微分要素およびこれらの組み合
わせから選択して構成され、不足熱量に対する固化重量
を結晶体（１０）の断面積と該結晶体（１０）の引き上
げ長さの２成分に分配することを特徴とする。

【００４０】また、請求項７記載の発明は、請求項５記
載の発明において、前記直径制御パラメータ（ＣＰ）
は、前記結晶体（１０）が成長した重量、即ち、結晶成
長重量（ＧＷ）であり、前記シード上昇速度操作量生成
手段（Ｍ１０）は、微分要素を含む伝達関数で表現さ
れ、前記温度操作量生成手段（Ｍ１２）は、積分要素を
含む伝達関数１段で表現されることを特徴とする。

【００４１】また、請求項８記載の発明は、請求項５記
載の発明において、前記直径制御パラメータ（ＣＰ）
は、前記結晶成長直径（ＧＤ）であり、前記シード上昇
速度操作量生成手段（Ｍ１０）は、比例要素を含む伝達
関数で表現され、前記温度操作量生成手段（Ｍ１２）
は、積分要素を含む伝達関数２段で表現されることを特
徴とする。

【００４２】

【発明の実施の形態】（発明の概要）本発明の特徴は、
偏差信号ＤＥＶに基づいて、シード上昇速度操作量ＳＬ
Ｃと温度操作量ＴＣをそれぞれ独立に生成することにあ
る。即ち、シード上昇速度ＳＬの変化による結晶成長直
径ＧＤの迅速な収束と、ヒーター温度の変化による不足
熱量の変動抑制をそれぞれ独立して行う。これにより、
シード上昇速度ＳＬは、結晶成長直径ＧＤの収束に作用
し、温度操作量ＴＣは、不足熱量の変動を抑制して、結
晶成長直径ＧＤの収束作用によって変化したシード上昇
速度ＳＬを収束させる。その結果、結晶成長直径ＧＤと
シード上昇速度ＳＬの２値制御が好適に達成される（図
３参照）。

【００４３】（発明プロセス）本発明者は、以下に示す
プロセスを通して、上記従来の課題を解決し得る本発明
を完成させるに至った。

【００４４】まず、結晶体の成長直径（以下、「結晶成
長直径ＧＤ」という）の変動に影響を与える要因として
は、結晶体の引き上げ速度（以下、「シード上昇速度Ｓ
Ｌ」という）と、不足熱量が考えられる。ここで、シー
ド上昇速度ＳＬは、種結晶（以下、「シード」という）
を上昇させる移動機構に依存するパラメータであり、比
較的変動しにくいパラメータである。

【００４５】これに対し、不足熱量は、ルツボとヒータ
ーとの距離、ホットゾーン部品の設置状態および劣化、
該ホットゾーン部品を冷却する冷却水の水温変化等によ
って変化し、シード上昇速度ＳＬに比べて変動しやすい
パラメータである。

【００４６】そこで、結晶成長直径ＧＤの変動の主な原
因は、不足熱量の変動であると仮定し、結晶成長直径Ｇ
Ｄの変動に応じて不足熱量を制御する構成を採用した。

【００４７】しかし、不足熱量の制御には、ヒーター温
度の変化という遅れ要素の多い制御手段が用いられるた
め、この構成のみでは、結晶成長直径ＧＤの変動に対す
る応答速度が遅くなる。

【００４８】そこで、結晶成長直径ＧＤの変動に対する
応答速度を速くする手段として、結晶成長直径ＧＤの変
動に応じてシード上昇速度ＳＬを変化させる構成を採用
した。ただし、結晶体の２値制御においては、シード上
昇速度ＳＬを所定の目標値に収束させる必要があること
にも留意しなければならない。即ち、結晶体の２値制御
では、結晶成長直径ＧＤとシード上昇速度ＳＬの双方を
所望の目標値に収束させることが重要である。

【００４９】ここで、上記思考プロセスを逆行し、シー
ド上昇速度ＳＬが目標値からずれる原因を再度考えてみ
ると、このずれは、結晶成長直径ＧＤの変動を抑えるた
めの該シード上昇速度ＳＬの変化であることがわかる。
さらに、この思考プロセスを逆行すると、結晶成長直径
ＧＤの変動は、不足熱量の変動が原因であることがわか
る。

【００５０】従って、不足熱量の変動を解消すれば、結
晶成長直径ＧＤが目標値に収束し、その結果、シード上
昇速度ＳＬも目標値に収束することが予想できる。換言
すると、結晶成長直径ＧＤが目標値と一致しているとき
は、シード上昇速度ＳＬも目標値と一致していることに
なる。即ち、結晶体の２値制御が達成される。

【００５１】このように、結晶成長直径ＧＤの変動に応
じて、シード上昇速度ＳＬと不足熱量をそれぞれ独立に
変化させれば、結晶成長直径ＧＤとシード上昇速度ＳＬ
の双方を所望の値に収束させることが可能になる。

【００５２】次に、本発明者は、シード上昇速度ＳＬを
どのように変化させるかについて検討し、次のような結
論を得た。即ち、シード上昇速度ＳＬは、２値制御の制
御目標であるため、シード上昇速度ＳＬの操作量（以
下、「シード上昇速度操作量ＳＬＣ」という）が発散方
向に働く要素を当該操作量の生成ブロックに含めること
は好ましくない。発散方向に働く要素として考えられる
のは、過去の変動履歴に応答する要素、即ち、直径偏差
の積分要素と、重量偏差の比例要素および積分要素であ
る。

【００５３】従って、シード上昇速度操作量ＳＬＣの生
成ブロックは、微分要素と比例要素を用いて構成するこ
とが好適である。この微分要素と比例要素の好適な組み
込み方は、重量式と光学式で若干異なり、具体的な構成
については、後の説明で明らかにする。

【００５４】続いて、本発明者は、不足熱量をどのよう
に変化させるかについて検討し、次のような結論を得
た。即ち、不足熱量が変動する主な原因は、ルツボの上
昇であり、ルツボが上昇すると、該上昇した分だけヒー
ターとの距離が離れて、メルトへの供給熱量が減少する
とともに、ルツボおよびメルトからの放出熱が増加する
のである。

【００５５】従って、不足熱量の変動を押さえるには、
ルツボが上昇した分だけヒーターの温度を上昇させる必
要がある。前述したヒーター温度の理想パターンは、こ
のような観点から導出され、不足熱量の制御に寄与し得
る。しかし、前述したように、理想パターンのみでは、
環境変化に左右されやすいため、理想パターンのみに依
存しない構成が好適である。

【００５６】そこで、本発明者は、理想パターンに代わ
る構成を見出すべく、まず、理想パターンの導出方法を
詳細に検討した。その結果を以下に示す。尚、以下の説
明において、結晶体の育成は、液位一定の条件で行い、
結晶体育成中のルツボの温度は一定とする。

【００５７】図１は、一般的な引き上げ装置におけるヒ
ーターとルツボの位置関係を示す断面図である。同図に
示すように、メルト１２を収容したルツボ１４の周りに
は、該メルト１２に熱を供給するヒーター１６が配設さ
れる。そして、このような系においては、ヒーター１６
からメルト１２に向かって、Ｑ_ＩＮの熱量が供給され、
結晶体１０、メルト１２およびルツボ１４からＱ_ＯＵＴ
の熱量が放出される。

【００５８】ルツボ１４の高さをＬ、ヒーター１６の上
面からルツボ１４の上面までの高さをｘとすると、ヒー
ター１６とルツボ１４の間の熱抵抗は、 ここで：Ｋ_ＩＮ＝供給側比例定数； 上式で表すことができる。

【００５９】また、ルツボ１４と該ルツボ１４周辺雰囲
気との間の熱抵抗は、 ここで：Ｋ_ＯＵＴ＝放出側比例定数； 上式で表すことができる。

【００６０】従って、供給側と放出側の熱伝導性（コン
ダクタンス）は、それぞれ、 上記のようになる。

【００６１】従って、ヒーター１６の温度をＴ_Ｈ、ルツ
ボ１４の温度をＴ_Ｃとすると、ヒーター１６からルツボ
１４に供給される熱量Ｑ_ＩＮと、ルツボ１４から放出さ
れる熱量Ｑ_ＯＵＴは、それぞれ、 上記のようになる。

【００６２】そして、不足熱量は、 上式で定義される。

【００６３】次に、ルツボ１４が上昇したときの熱量変
化を考える。即ち、ｘがΔｘだけ変化したときのＱ_ＩＮ
およびＱ_ＯＵＴの変化量ΔＱ_ＩＮおよびΔＱ_ＯＵＴは、 上式で表すことができる。

【００６４】ここで、Ｑ_ＩＮおよびＱ_ＯＵＴがΔＱ_ＩＮ
およびΔＱ_ＯＵＴだけ変化すると、不足熱量が変動す
る。従って、この変動分をヒーター１６の温度で押さえ
るには、 上記の方程式を満たす必要がある。

【００６５】続いて、式１０から式７を引いて、上記方
程式を展開すると、 上式のようになる。

【００６６】この式に式３、式８、式９を代入すると、 となり、これをさらに展開して、 上式を得る。

【００６７】そして、この式を積分して、 ここで：Ｃ＝積分定数； 上式を得る。

【００６８】さらに、この式を展開して、 上式を得る。

【００６９】そして、ｘ＝０のときのＴ_ＨをＴ_０とし
て、上式中のＣを解くと、 上記のようになる。

【００７０】そして、この式を式１５に代入して、 ヒーター温度の理想パターンを示す上式を得る。

【００７１】図２は、式１７で表現されるヒーター温度
の理想パターンを図示するグラフである。同図に示すよ
うに、ヒーター温度の理想パターンは、ルツボ１４の上
昇に対してある関数をもって上昇する曲線となる。

【００７２】ここで、同図に示す−０．２Ｌ〜０．４Ｌ
までの範囲が引き上げ領域の一般的な範囲である。従っ
て、ヒーター温度を変化させる範囲は、−０．２Ｌ〜
０．４Ｌまでの範囲でよい。よって、ヒーター温度の理
想パターンは、 上記一次関数の集合で近似可能、即ち、線形区分近似が
可能であることがわかる。

【００７３】そこで、本発明者は、上記線形区分近似可
能な温度パターンがフィードバック制御系で生成可能で
あると考え、これを実現する構成を模索した。その課程
を以下に示す。

【００７４】まず、前述したように、本発明では、結晶
成長直径ＧＤの変動に応じて不足熱量を制御する構成を
採用するため、温度制御系の入力は、結晶成長直径ＧＤ
の変動量に対応した信号（以下、「偏差信号ＤＥＶ」と
いう）となる。

【００７５】前述したように、結晶成長直径ＧＤ変動の
主な原因は、不足熱量の変動であり、不足熱量の変動の
主な原因は、ルツボの上昇である。従って、ルツボが上
昇するたびに、上記偏差信号ＤＥＶが正の値を持つこと
になる。

【００７６】そこで、本発明者は、この偏差信号ＤＥＶ
の正の値を変動履歴として積算すれば、前記温度パター
ンが生成可能であると考え、多くのシミュレーションと
実験を通じて、偏差信号ＤＥＶの積分値が前記温度パタ
ーンとして有効に機能することを明らかにした。このよ
うに、偏差信号ＤＥＶから生成された温度パターンは、
引き上げ環境の変化を吸収し、多彩な環境下におけるそ
れぞれの理想パターンに自己整合する。

【００７７】直径制御パラメータ（一般的には、結晶体
の直径と重量）の相違に関係なく、統一した概念で本発
明の制御概念を説明すると、次のようになる。

【００７８】第１は、直径から見た伝達関数が二形の制
御系を構成することである。第２は、引き上げ速度から
見た伝達関数が二形の制御系を構成することである。

【００７９】第３は、不足熱量を制御して固化重量を目
的の重量に合わせる機能は、温度制御系に持たせて、該
温度制御系を不足熱量の制御に最適な態様で構成するこ
とである。換言すると、引き上げ速度の制御には、固化
重量を結晶体の面積と引き上げ長さに分配する機能を持
たせて、直径成分に対する積分要素を含まない構成とす
る。このような構成を実現するために、本発明では、直
径制御パラメーターの偏差を速度制御系と温度制御系に
並列入力する。

【００８０】第４は、上記第１乃至第３の概念におい
て、積分要素を最少の段数で構成し、制御系の最も安定
した状態を得ることである。

【００８１】本発明は、上記観点から構成された発明で
あり、結晶体２値制御の発展に寄与する技術を提供す
る。

【００８２】（第１の形態）本形態は、偏差信号ＤＥＶ
の並列入力に関する構成を例示する。

【００８３】図３は、本発明の第１の形態に係る２値制
御装置の構成を示す概念図である。以下、同図に基づい
て、本発明の第１の形態の構成を説明する。

【００８４】結晶体１０は、本発明によって製造される
目的物であり、単結晶シリコンやその他、引き上げによ
って製造される各種結晶体が該当する。本発明では、こ
の結晶体１０の結晶成長直径ＧＤと、該結晶体１０を成
長させる際のシード上昇速度ＳＬとを所望の値に収束さ
せる。

【００８５】メルト１２は、結晶体１０の原料を溶融さ
せた原料融液であり、単結晶シリコンを製造する場合に
は、多結晶シリコンを溶融してこのメルト１２を生成す
る。

【００８６】ルツボ１４は、メルト１２を収容する容器
であり、単結晶シリコンの製造では、黒鉛るつぼの内側
に石英るつぼを積層して形成されたものが一般に使用さ
れる。このルツボ１４は、メルト１２の液位を一定にす
るために、結晶体１０の固化量に応じて上昇する。

【００８７】ヒーター１６は、ルツボ１４の外周に配設
され、外部からの制御信号に従って、メルト１２への供
給熱量を制御する。この制御の概要を簡単に説明する
と、次のようになる。即ち、ルツボ１４の上昇によっ
て、ヒーター１６とルツボ１４の間の距離が大きくなる
と、メルト１２に対する供給熱量が少なくなり、不足熱
量が大きくなる。その結果、結晶体１０が固化しやすく
なって、結晶成長直径ＧＤが変動する。この変動を解消
するために、ヒーター１６の温度を上昇させて、不足熱
量を所定の値に収束させる。

【００８８】シード１８は、結晶体１０の種となる結晶
であり、結晶体１０を成長させる際には、まず、このシ
ード１８をメルト１２の表面に浸漬し、該浸漬したシー
ド１８を静かに回転させながら上方に引き上げる。いわ
ゆるネッキングによる無転位化を行う。その後、該シー
ド１８を所定の引き上げ速度、即ち、シード上昇速度Ｓ
Ｌで引き上げて、該シード１８の下に結晶体１０を成長
させる。結晶体１０は、シード１８がメルト１２に触れ
た際に、メルト１２が該シード１８を通して熱を失い、
その結果、シード１８の下にメルト１２が凝固して成長
する。このとき、結晶体１０は、シード１８の結晶方位
に従って成長する。このシード１８は、シードチャック
２０を介してワイヤー２２に固定され、ワイヤードラム
２４の巻き取り動作によって上昇する。

【００８９】直径制御パラメータ検出手段Ｍ１４は、前
記結晶成長直径ＧＤの制御に寄与するパラメータ、即
ち、直径制御パラメータＣＰを検出し、該検出した値を
偏差信号生成手段Ｍ１６に出力する。直径制御パラメー
タＣＰとしては、結晶体１０が成長した重量（以下、
「結晶成長重量ＧＷ」という）と、結晶成長直径ＧＤが
使用できる。これらのパラメータは、それぞれ、重量セ
ンサ２６および直径センサ２８を用いて測定可能であ
る。重量センサ２６の公知例としては、ロードセルと称
されるひずみゲージ式の荷重測定器があり、一方、直径
センサ２８の公知例としては、光学式の長さ測定器があ
る。

【００９０】偏差信号生成手段Ｍ１６は、前記直径制御
パラメータ検出手段Ｍ１４が検出した直径制御パラメー
タＣＰと該直径制御パラメータＣＰの目標値との差をと
って偏差信号ＤＥＶを生成し、該生成した偏差信号ＤＥ
Ｖをシード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０と温度操作量
生成手段Ｍ１２に出力する。具体的には、「直径制御パ
ラメータＣＰ−目標値」が偏差信号ＤＥＶとなる。

【００９１】ここで、直径制御パラメータＣＰとして、
結晶成長重量ＧＷを使用する場合には、結晶体１０が所
望の形状で成長したときの重量が前記直径制御パラメー
タＣＰの目標値となる。一方、直径制御パラメータＣＰ
として、結晶成長直径ＧＤを使用する場合には、結晶体
１０の所望直径が前記直径制御パラメータＣＰの目標値
となる。これらの目標値は、結晶体１０が成長した長さ
（以下、「結晶成長長さＧＬ」という）に対応させた設
定値をプログラムパターンとして予め記憶しておく。そ
して、偏差信号生成手段Ｍ１６に入力する値は、実際の
結晶成長長さＧＬを検出し、該検出した値と前記プログ
ラムパターンとを対応させて決定する。

【００９２】シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０は、
前記偏差信号生成手段Ｍ１６が生成した偏差信号ＤＥＶ
に基づいて、シード上昇速度ＳＬの操作量（以下、「シ
ード上昇速度操作量ＳＬＣ」という）を生成する。

【００９３】シード上昇速度ＳＬは、前述した直径制御
パラメータＣＰの目標値と同様に、所望の目標値が結晶
成長長さＧＬと対応させて予め記憶される。そして、該
記憶されたシード上昇速度ＳＬの目標値に前記生成され
たシード上昇速度操作量ＳＬＣを減算して、シード上昇
速度ＳＬを決定する。ワイヤードラム２４は、この決定
されたシード上昇速度ＳＬに基づいて、ワイヤー２２を
巻き取る。その結果、シード１８および結晶体１０は、
該シード上昇速度ＳＬで上昇する。

【００９４】ここで、シード上昇速度ＳＬは、２値制御
の制御対象であるため、可能な限り速く目標値に収束さ
せる必要がある。従って、シード上昇速度操作量生成手
段Ｍ１０は、結晶成長直径ＧＤの変動履歴に応答する要
素を含まないことが重要である。即ち、結晶成長直径Ｇ
Ｄの変動履歴に応答する要素は、結晶成長直径ＧＤが一
度でも変動すると、その後、定値を出力し続けるため、
シード上昇速度ＳＬが発散するからである。

【００９５】温度操作量生成手段Ｍ１２は、前記偏差信
号生成手段Ｍ１６が生成した偏差信号ＤＥＶに基づい
て、結晶体１０周辺の温度を操作する量（以下、「温度
操作量ＴＣ」という）を生成する。この温度操作量ＴＣ
の生成には、前述の発明プロセスで説明したように、積
分要素が利用される。これにより、環境の変化を吸収し
たヒーター１６温度の理想的なパターンが温度操作量Ｔ
Ｃとして生成される。

【００９６】従って、ヒーター温度の理想パターンを予
め導出し、結晶成長長さＧＬに対応させて記憶しておく
必要はなく、上記温度操作量ＴＣが自己整合的にヒータ
ー温度の理想パターンを形成する。尚、本発明は、予め
導出したヒーター温度の理想パターンを補助的に使用す
ることを除外するものではない。即ち、本発明では、予
め導出したヒーター温度の理想パターンを上記温度操作
量ＴＣに加算して、ヒーター１６の温度を決定してもよ
い。このような構成により、結晶成長直径ＧＤの変化が
急峻な部分、例えば、肩広げ初期や肩決め直下の好適な
制御が期待できる。

【００９７】ここで、図３に示したシード上昇速度操作
量生成手段Ｍ１０と温度操作量生成手段Ｍ１２の接続形
態に着目すると、これらは、偏差信号生成手段Ｍ１６に
並列接続された構成となっている。そこで、このような
並列接続構成が結晶成長直径ＧＤとシード上昇速度ＳＬ
の２値制御に有効であるか否かを考察する。

【００９８】まず、シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１
０の伝達関数をＧ_Ｖ（ｓ）、温度操作量生成手段Ｍ１２
の伝達関数をＧ_Ｔ（ｓ）とし、引き上げ速度から見た伝
達関数、即ち、これらの並列構成の合成伝達関数Ｇ
（ｓ）をＧ_Ｔ（ｓ）／Ｇ_Ｖ（ｓ）で定義する。

【００９９】次に、偏差信号ＤＥＶをＥ（ｓ）、直径制
御パラメータＣＰの変化をＲ（ｓ）とすると、偏差伝達
関数は、 上記のようになる。

【０１００】従って、定常偏差は、 上式で表現できる。

【０１０１】前述の発明プロセスで説明したように、ヒ
ーター温度の理想パターンは、図２に示すような曲線で
変化する。従って、ヒーター温度の理想パターンが不足
熱量を一定にするパターンであることを考慮すると、該
パターンが不足熱量の変化を表し、結晶成長直径ＧＤの
変動がこのパターンにおよそ従うと考えることができ
る。よって、直径制御パラメータＣＰの変化Ｒ（ｓ）
は、一次関数で近似可能である。

【０１０２】Ｒ（ｓ）を一次関数で表すと、１／ｓ^２に
なるので、式２０は、 上記のように展開できる。

【０１０３】従って、定常偏差εが０に収束するＧ
（ｓ）は、 ここで：Ａ_１、Ａ_２、Ｂ_１、Ｂ_２、Ｃ_１、Ｃ_２、Ｄ_１、
Ｄ_２＝ラプラス演算子ｓを含まない任意の変数；ｘ＝前
記任意の変数から取り出し可能なラプラス演算子ｓの乗
数； 上式を満たす必要がある。

【０１０４】本発明では、このラプラス演算子ｓの乗数
ｘに対応して、制御系の形式をｘ形と定義する。例え
ば、ｘ＝２の制御系は、二形制御系であり、ｘ＝３の制
御系は、三形制御系である。従って、二形以上の制御系
を構成すれば、定常偏差が０に収束し、結晶成長直径Ｇ
Ｄとシード上昇速度ＳＬの２値制御が達成できる。換言
すると、本発明に係る２値制御系は、並列二形制御系で
あると言える。

【０１０５】従って、シード上昇速度操作量生成手段Ｍ
１０と温度操作量生成手段Ｍ１２については、偏差信号
生成手段Ｍ１６に対して並列に接続するとともに、これ
らの伝達関数の比が二形以上の制御系となるように、そ
れぞれの伝達関数を決定する。

【０１０６】以上説明した本発明の第１の形態によれ
ば、シード上昇速度操作量ＳＬＣおよび温度操作量ＴＣ
が偏差信号ＤＥＶに基づいて生成されるため、シード上
昇速度ＳＬを結晶成長直径ＧＤの収束手段として使用
し、ヒーターの温度をシード上昇速度ＳＬの収束手段と
してそれぞれ独立に使用することができる。その結果、
結晶成長直径ＧＤとシード上昇速度ＳＬの２値制御が自
己整合的に達成できる。さらに、このような偏差信号Ｄ
ＥＶを速度制御系と温度制御系に並列入力する構成によ
れば、それぞれの制御に適した伝達関数を独立して使用
することができるため、安定した２値制御が可能とな
る。

【０１０７】（第２の形態）本発明の第２の形態は、重
量式引き上げ装置への本発明の適用可能性を例示する。

【０１０８】図４は、本発明の第２の形態に係る２値制
御装置の構成を示すブロック図である。以下、同図
（ａ）に基づいて、本発明の第２の形態の構成を説明す
る。尚、前述した第１の形態に準ずる構成要素について
は、同一符号を付して説明を省略し、以下の説明では、
第１の形態と異なる部分を主に説明する。

【０１０９】直径制御パラメータ検出手段Ｍ１４は、結
晶成長重量ＧＷを直径制御パラメータＣＰとして検出
し、該検出した値を偏差信号生成手段Ｍ１６に出力す
る。

【０１１０】偏差信号生成手段Ｍ１６は、直径制御パラ
メータ検出手段Ｍ１４が検出した結晶成長重量ＧＷと該
結晶成長重量ＧＷの目標値との差（以下、「重量偏差Ｇ
ＷＤ」という）を生成し、該生成した重量偏差ＧＷＤを
シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０と温度操作量生成
手段Ｍ１２に出力する。

【０１１１】シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０は、
微分項を含む伝達関数で表現され、重量偏差ＧＷＤの変
動に応じた信号をシード上昇速度操作量ＳＬＣとして出
力する。シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０を微分要
素で構成した理由は、前述の発明プロセスで説明したよ
うに、シード上昇速度ＳＬを結晶成長直径ＧＤの収束手
段として使用するからである。

【０１１２】即ち、結晶成長直径ＧＤが変動すると、結
晶成長重量ＧＷの変化率が変動し、該変動に追従して重
量偏差ＧＷＤが変化する。従って、重量偏差ＧＷＤの変
化は、結晶成長直径ＧＤの変動を意味するため、重量偏
差ＧＷＤの変化に応じてシード上昇速度ＳＬを変化させ
れば、結晶成長直径ＧＤを目標値に収束させることがで
きる。微分要素は、重量偏差ＧＷＤの変化を捉えて、該
変化の量に応じた信号を出力するため、シード上昇速度
操作量ＳＬＣの生成手段として好適である。

【０１１３】ここで、シード上昇速度ＳＬが２値制御の
制御対象であることに留意する必要がある。即ち、重量
偏差ＧＷＤに応じてシード上昇速度ＳＬを変化させた場
合には、重量偏差ＧＷＤを０にすることで該シード上昇
速度ＳＬを即座に目標値に戻す必要がある。この目標値
に戻るまでの時間が長いと、結晶体１０の品質に影響す
るからである。

【０１１４】従って、シード上昇速度操作量生成手段Ｍ
１０に結晶成長直径ＧＤの変動履歴に応答する要素を含
めることは好ましくない。当該要素は、シード上昇速度
ＳＬを発散させる方向に作用するからである。重量式の
場合、この要素に該当するのは、積分要素と比例要素で
ある。

【０１１５】積分要素は、重量偏差ＧＷＤの値を積算し
てゆくため、一旦、重量偏差ＧＷＤが値を持つと、シー
ド上昇速度ＳＬが発散する。比例要素は、以下のように
作用する。

【０１１６】即ち、重量偏差ＧＷＤは、結晶成長重量Ｇ
Ｗが結晶体１０の全体が所望形状で成長したときの目標
値と比較されて生成された信号であるため、ルツボ１４
の上昇によって発生する不足熱量の増加は、単位時間当
たりの固化重量を増加させる。即ち、重量偏差ＧＷＤが
増加する。シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０の微分
要素は、重量偏差ＧＷＤの増加を鋭く捉え、温度の上昇
による働きとともに重量偏差ＧＷＤの勾配を無くす方向
に作用する。この勾配が０になるまでの間（シード上昇
速度操作量が０になるまでの間）、重量偏差ＧＷＤの値
が蓄積される。その結果、重量偏差ＧＷＤは、長い引き
上げ時間の間では、例えば、数時間ごとの階段状変化と
して増加してゆく（図６（ａ）参照）。

【０１１７】結晶成長直径ＧＤとシード上昇速度ＳＬの
２値制御では、このように増加した重量偏差ＧＷＤを０
にするよりも、結晶成長直径ＧＤとシード上昇速度ＳＬ
を目標値に収束させることが重要である。比例要素は、
重量偏差ＧＷＤを０に収束させる方向に作用し、シード
上昇速度ＳＬの不要な変化をもたらす。

【０１１８】このことを別の観点から述べると、重量偏
差ＧＷＤが０にならなくても、重量偏差ＧＷＤの勾配が
０になれば、結晶成長直径ＧＤは目標値に収束する。従
って、重量偏差ＧＷＤを過去の履歴に遡って補償する必
要はない。本発明では、この重量偏差ＧＷＤの履歴が以
後の引き上げプロセスにおいて温度の操作量を決定する
情報となる。

【０１１９】温度操作量生成手段Ｍ１２は、積分項を含
む伝達関数で表現され、重量偏差ＧＷＤの履歴に応じた
信号を前記温度操作量ＴＣとして出力する。温度操作量
生成手段Ｍ１２に積分要素を含める理由は、前述の発明
プロセスで説明した通りである。尚、この温度操作量生
成手段Ｍ１２については、微分要素および比例要素が弊
害となることはなく、同図に示すように、ＰＩＤとして
使用可能である。

【０１２０】次に、この第２の形態の構成が二形以上の
制御系を構成するか否かを検証する。尚、以下の説明で
は、Ｋ_Ｖ＝速度変換定数、Ｋ_Ｔ＝温度変換定数、Ｔ_ＤＶ
＝速度制御系微分時間、Ｔ_ＤＴ＝温度制御系微分時間、
Ｔ_ＩＶ＝速度制御系積分時間、Ｔ_ＩＴ＝温度制御系積分
時間、α_Ｖ＝速度制御系微分係数、α_Ｔ＝温度制御系微
分係数とする。

【０１２１】まず、シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１
０の伝達関数Ｇ_Ｖ（ｓ）の完全微分形を考えてみると、
該Ｇ_Ｖ（ｓ）は、 上記のように表現できる。

【０１２２】一方、Ｇ_Ｔ（ｓ）は、ＰＩＤであるので、 上記のようになる。

【０１２３】従って、合成伝達関数Ｇ（ｓ）は、 上式のようになり、Ｓ^２が分母に存在するので、当該構
成は、二形であることがわかる。

【０１２４】次に、シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１
０の伝達関数Ｇ_Ｖ（ｓ）の不完全微分形を考えてみる
と、該Ｇ_Ｖ（ｓ）は、 上記のように表現できる。

【０１２５】一方、Ｇ_Ｔ（ｓ）は、ＰＩＤであるので、 上記のようになる。

【０１２６】従って、合成伝達関数Ｇ（ｓ）は、 上式のようになり、Ｓ^２が分母に存在するので、当該構
成は、二形であることがわかる。

【０１２７】ここで、同図（ａ）に示すブロック図は、
同図（ｂ）に示すブロック図に変換することができる。
この同図（ｂ）に示すブロック構成は、同図（ａ）に示
すブロック構成と同様に、結晶成長直径ＧＤの制御に関
して二形制御系であるとともに、シード上昇速度ＳＬの
制御に関しても二形制御系であることがわかる。さら
に、図４（ａ）に示す構成は、最少の積分要素で目的を
達成しているため、安定な制御系となることがわかる。

【０１２８】以上、微分要素が完全微分および不完全微
分の双方で二形制御系となることが確認できた。従っ
て、以後、二形制御系であるか否かを確認する際には、
制御系で一般的に使用される不完全微分のみを考察す
る。

【０１２９】次に、積分要素を多段接続した場合につい
て考えてみる。

【０１３０】まず、図４の温度操作量生成手段Ｍ１２の
ＰＩＤブロックに積分要素をカスケード接続した場合に
ついて考えてみると、当該構成の合成伝達関数Ｇ（ｓ）
も三形の制御系になり、理想ヒーター温度のパターンが
一次以上の関数であっても、シード上昇速度ＳＬは定常
偏差なく収束する。従って、温度操作量生成手段Ｍ１２
を２段以上の積分要素で構成することも有効である。た
だし、積分要素の段数を増加した場合には、ハンチング
が起こりやすくなるため、安定した制御系を構築したい
場合には、積分要素を最小の段数とすることが好まし
い。

【０１３１】図５は、本発明の第２の形態の変形例を示
すブロック図である。同図に示すように、シード上昇速
度操作量生成手段Ｍ１０は、１次微分要素Ｄ１と２次微
分要素Ｄ２の和で構成することができる。以下、同図に
示す構成が二形以上の制御系を構成するか否かを検証す
る。

【０１３２】まず、シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１
０の伝達関数Ｇ_Ｖ（ｓ）の不完全微分形を考えてみる
と、該Ｇ_Ｖ（ｓ）は、 上記のように表現できる。

【０１３３】Ｇ_Ｔ（ｓ）は、式２７と同じであるため、
合成伝達関数Ｇ（ｓ）は、 上式のようになり、Ｓ^２が分母に存在するので、当該構
成は、二形であることがわかる。また、結晶成長直径Ｇ
Ｄの制御に関して二形制御系であるとともに、シード上
昇速度ＳＬの制御に関しても二形制御系であることがわ
かる。さらに、当該各構成は、最少の積分要素で目的を
達成しているため、安定な制御系となることがわかる。

【０１３４】図６は、本発明の第２の形態の作用を説明
する模式的タイムチャートである。同図（ａ）は、重量
偏差ＧＷＤの挙動を示し、同図（ｂ）は、該重量偏差Ｇ
ＷＤの挙動に基づいて生成されたシード上昇速度操作量
ＳＬＣと、温度操作量ＴＣの変化を示す。以下、この図
６に基づいて、第２の形態の作用を説明する。

【０１３５】まず、ルツボ１４が上昇すると、供給熱量
と放出熱量の均衡がくずれて、不足熱量が大きくなる。
その結果、結晶体１０が固化しやすくなり、結晶成長重
量ＧＷが増加する。結晶成長重量ＧＷが増加すると、同
図（ａ）に示すように、重量偏差ＧＷＤが増加する。

【０１３６】シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０は、
重量偏差ＧＷＤを微分して、同図（ｂ）に示すような重
量偏差ＧＷＤの変化に対応した操作量、即ち、シード上
昇速度操作量ＳＬＣを生成する。その結果、結晶成長直
径ＧＤが目標値に向かって収束し始める。

【０１３７】同時に、温度操作量生成手段Ｍ１２は、重
量偏差ＧＷＤを積分して、温度操作量ＴＣを増加させ
る。その結果、該温度操作量ＴＣの増加に応じて、ヒー
ター１６の温度が上昇し、不足熱量が変動前の値に近づ
いてゆく。

【０１３８】不足熱量が所定値に近づくにつれて、結晶
体１０の固化しやすさが元に戻り、重量偏差ＧＷＤの増
加がやわらぐ。その結果、シード上昇速度操作量ＳＬＣ
が減少し、結晶成長直径ＧＤが目標値に収束した時点で
０になる。即ち、結晶成長直径ＧＤとシード上昇速度Ｓ
Ｌが目標値に収束する。この状態が続くと、重量偏差Ｇ
ＷＤは定値で安定し、同図（ａ）の水平部分の出力とな
る。

【０１３９】そして、再び、ルツボ１４の上昇によっ
て、不足熱量が大きくなると、上記のような作用を繰り
返し、結晶成長直径ＧＤとシード上昇速度ＳＬを目標値
に収束させる。

【０１４０】上記作用の繰り返しによる挙動パターンを
同図に示したタイムチャートに基づいて説明すると、ま
ず、重量偏差ＧＷＤは、結晶成長直径ＧＤの挙動に応じ
て、増加と安定を繰り返し、同図（ａ）に示すような階
段状の出力となる。一方、シード上昇速度操作量ＳＬＣ
は、重量偏差ＧＷＤの勾配に反応して増加し、重量偏差
ＧＷＤが安定方向に向かうと０に収束する作用を繰り返
し、同図（ｂ）のＳＬＣに示すような出力となる。他
方、温度操作量ＴＣは、重量偏差ＧＷＤの大きさに応じ
た傾きで増加し、同図（ｂ）のＴＣに示すような温度パ
ターンを出力する。換言すると、この温度パターンは、
重量偏差ＧＷＤの履歴の積算値として出力されるパター
ンであり、結晶成長系の複雑な環境変化を吸収した理想
的なパターンとなる。

【０１４１】尚、同図に示したタイムチャートは、実際
の成長モデルを簡易化して示したものであり、実際の挙
動は、同図に示すものよりも複雑となる。

【０１４２】以上説明した本発明の第２の形態によれ
ば、重量偏差ＧＷＤの変動に応じて、シード上昇速度操
作量ＳＬＣが生成され、温度操作量ＴＣが自己整合的に
ヒーター温度の理想パターンを形成するため、シード上
昇速度ＳＬの変動を最小限に押さえた構成で結晶成長直
径ＧＤの収束が期待できる。その結果、好適な２値制御
が達成される。

【０１４３】ここで、補足説明として、再度、シード上
昇速度ＳＬの比例要素の不利益な作用について述べる。
重量偏差がある値を持って安定しているとき（一定値）
は、温度の操作量が一定の勾配で増加して安定してい
る。ここで、重量偏差を０に収束させる比例要素は、温
度の操作量の一定勾配の増加を止め、その傾きを減少さ
せる。このため、比例要素を含む速度制御系は、温度を
上げなければならないときに温度を下げる方向に作用
し、制御系が不安定となってハンチングを起こすと考え
られる。

【０１４４】（第３の形態）本発明の第３の形態は、光
学式引き上げ装置への本発明の適用可能性を例示する。

【０１４５】図７は、本発明の第３の形態に係る２値制
御装置の構成を示すブロック図である。以下、同図に基
づいて、本発明の第３の形態の構成を説明する。尚、前
述した第１の形態に準ずる構成要素については、同一符
号を付して説明を省略し、以下の説明では、第１の形態
と異なる部分を主に説明する。

【０１４６】直径制御パラメータ検出手段Ｍ１４は、結
晶成長直径ＧＤを直径制御パラメータＣＰとして検出
し、該検出した値を偏差信号生成手段Ｍ１６に出力す
る。

【０１４７】偏差信号生成手段Ｍ１６は、直径制御パラ
メータ検出手段Ｍ１４が検出した結晶成長直径ＧＤと該
結晶成長直径ＧＤの目標値との差（以下、「直径偏差Ｇ
ＤＤ」という）を生成し、該生成した直径偏差ＧＤＤを
シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０と温度操作量生成
手段Ｍ１２に出力する。

【０１４８】シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０は、
比例項を含む伝達関数で表現され、直径偏差ＧＤＤに応
じた信号をシード上昇速度操作量ＳＬＣとして出力す
る。シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０を比例要素で
構成した理由は、直径偏差ＧＤＤが０となったときに結
晶成長直径ＧＤが目標値となるからである。

【０１４９】ここで、シード上昇速度ＳＬが２値制御の
制御対象であることに留意すると、直径偏差ＧＤＤの増
加によって変化させたシード上昇速度ＳＬは、即座に目
標値に戻す必要がある。前述したように、この目標値に
戻るまでの時間が長いと、結晶体１０の品質に影響する
からである。

【０１５０】従って、シード上昇速度操作量生成手段Ｍ
１０に結晶成長直径ＧＤの変動履歴に応答する要素を含
めることは好ましくない。当該要素は、シード上昇速度
ＳＬを発散させる方向に作用するからである。光学式の
場合、この要素に該当するのは、直径偏差ＧＤＤの値を
積算する積分要素である。

【０１５１】温度操作量生成手段Ｍ１２は、積分項を含
む伝達関数で表現され、直径偏差ＧＤＤの履歴に応じた
信号を前記温度操作量ＴＣとして出力する。温度操作量
生成手段Ｍ１２に積分要素を含める理由は、前述の発明
プロセスで説明した通りである。尚、この温度操作量生
成手段Ｍ１２については、微分要素および比例要素が弊
害となることはなく、同図に示すように、ＰＩＤとして
使用可能である。

【０１５２】次に、この第３の形態の構成が二形以上の
制御系を構成するか否かを検証する。まず、シード上昇
速度操作量生成手段Ｍ１０の伝達関数Ｇ_Ｖ（ｓ）は、 上記のようになる。

【０１５３】そして、Ｇ_Ｔ（ｓ）は、 上記のようになる。

【０１５４】従って、合成伝達関数Ｇ（ｓ）は、 上式のように表現でき、Ｓ^２が分母に存在するので、当
該構成は、二形であることがわかる。また、結晶成長直
径ＧＤの制御に関して二形制御系であるとともに、シー
ド上昇速度ＳＬの制御に関しても二形制御系であること
がわかる。さらに、当該各構成は、最少の積分要素で目
的を達成しているため、安定な制御系となることがわか
る。

【０１５５】温度操作量生成手段Ｍ１２のＰＩＤブロッ
クに積分要素を３段以上カスケード接続した構成につい
ては、前述した第２の形態と同様に、三形となるため、
理想ヒーター温度のパターンが一次以上の関数であって
もシード上昇速度ＳＬは定常偏差なく収束する。ただ
し、積分要素の段数増加は、ハンチングの原因となるた
め、注意が必要である。

【０１５６】図８は、本発明の第３の形態の変形例を示
すブロック図である。同図に示すように、シード上昇速
度操作量生成手段Ｍ１０は、比例要素と微分要素の和で
構成することができる。以下、同図に示す構成が二形以
上の制御系を構成するか否かを検証する。

【０１５７】まず、シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１
０の伝達関数Ｇ_Ｖ（ｓ）は、 上記のように表現できる。

【０１５８】Ｇ_Ｔ（ｓ）は、式３２と同じであるため、
合成伝達関数Ｇ（ｓ）は、 上式のようになり、Ｓ^２が分母に存在するので、当該構
成は、二形であることがわかる。また、結晶成長直径Ｇ
Ｄの制御に関して二形制御系であるとともに、シード上
昇速度ＳＬの制御に関しても二形制御系であることがわ
かる。さらに、当該各構成は、最少の積分要素で目的を
達成しているため、安定な制御系となることがわかる。

【０１５９】図９は、本発明の第３の形態の作用を説明
する模式的タイムチャートである。同図（ａ）は、直径
偏差ＧＤＤの挙動を示し、同図（ｂ）は、該直径偏差Ｇ
ＤＤが積分要素１段通過した後の出力を示し、同図
（ｃ）は、該直径偏差ＧＤＤの挙動に基づいて生成され
たシード上昇速度操作量ＳＬＣと、温度操作量ＴＣの変
化を示す。以下、この図９に基づいて、第３の形態の作
用を説明する。

【０１６０】まず、ルツボ１４が上昇すると、供給熱量
と放出熱量の均衡がくずれて、不足熱量が大きくなる。
その結果、結晶体１０が固化しやすくなり、結晶成長直
径ＧＤが増加する。結晶成長直径ＧＤが増加すると、同
図（ａ）に示すように、直径偏差ＧＤＤが増加する。

【０１６１】シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０の比
例要素は、直径偏差ＧＤＤを定数倍して、同図（ｃ）に
示すような直径偏差ＧＤＤの大きさに対応した操作量を
生成する。その結果、結晶成長直径ＧＤが目標値に向か
って収束し始める。

【０１６２】同時に、温度操作量生成手段Ｍ１２は、直
径偏差ＧＤＤを積分して、結晶成長直径ＧＤの変動履歴
を積算値として生成する。そして、さらに、この積算値
を積分して、温度操作量ＴＣを増加させる。その結果、
該温度操作量ＴＣの増加に応じて、ヒーター１６の温度
が上昇し、不足熱量が変動前の値に近づいてゆく。

【０１６３】不足熱量が所定値に近づくにつれて、結晶
体１０の固化しやすさが元に戻り、直径偏差ＧＤＤの増
加がやわらぐ。その結果、シード上昇速度操作量ＳＬＣ
が減少し、結晶成長直径ＧＤが目標値に収束した時点で
０になる。即ち、結晶成長直径ＧＤとシード上昇速度Ｓ
Ｌが目標値に収束する。この状態が続くと、直径偏差Ｇ
ＤＤは０で安定し、同図（ａ）の水平部分の出力とな
る。

【０１６４】そして、再び、ルツボ１４の上昇によっ
て、不足熱量が大きくなると、上記のような作用を繰り
返し、結晶成長直径ＧＤとシード上昇速度ＳＬを目標値
に収束させる。

【０１６５】上記作用の繰り返しによる挙動パターンを
同図に示したタイムチャートに基づいて説明すると、ま
ず、直径偏差ＧＤＤは、結晶成長直径ＧＤの挙動に応じ
て、増加と安定を繰り返し、同図（ａ）に示すような出
力となる。従って、直径偏差ＧＤＤに応答するシード上
昇速度操作量ＳＬＣは、同図（ｃ）のＳＬＣのようにな
る。

【０１６６】一方、直径偏差ＧＤＤの積分値は、直径偏
差ＧＤＤが変動するたびに積算されて、同図（ｂ）に示
すような階段状の出力となる。その結果、温度操作量Ｔ
Ｃは、直径偏差ＧＤＤの積分値、即ち、同図（ｂ）に示
す積分出力値に応じた傾きで増加し、同図（ｃ）のＴＣ
に示すような温度パターンを出力する。換言すると、こ
の温度パターンは、直径偏差ＧＤＤの履歴の積算値とし
て出力されるパターンであり、結晶成長系の複雑な環境
変化を吸収した理想的なパターンとなる。

【０１６７】尚、同図に示したタイムチャートは、実際
の成長モデルを簡易化して示したものであり、実際の挙
動は、同図に示すものよりも複雑となる。

【０１６８】以上説明した本発明の第３の形態によれ
ば、直径偏差ＧＤＤの大きさに応じたシード上昇速度操
作量ＳＬＣが生成され、温度操作量ＴＣが自己整合的に
ヒーター温度の理想パターンを形成するため、シード上
昇速度ＳＬの変動を最小限に押さえた構成で結晶成長直
径ＧＤの収束が期待できる。その結果、好適な２値制御
が達成される。

【０１６９】ここで、補足的説明として、本形態でシー
ド上昇速度ＳＬに積分要素を持った場合、シード上昇速
度ＳＬの積分要素の不利益な点について述べる。直径偏
差が０で安定していても過去に直径偏差を持った履歴が
あると、該積分要素は、操作量を持つ。従って、直径と
引き上げ速度の両方が目標値に収束した安定状態を得る
ことができないと考えられる。過去の履歴において、直
径偏差の正方向の積分値と負方向の積分値が一致してキ
ャンセルアウトする条件であれば、２値制御可能である
といえるが、引き上げ法による理想温度パターンは、前
述のように一定ではなく、最低一次関数的に増加するた
め、このような条件は存在しないと考えられる。

【０１７０】たとえ、前述の従来技術で説明した第３の
技術のように、ヒーター温度の理想パターンを併用した
としても、理想パターンは、結晶引き上げのバッチごと
に異なるため、正方向の積分値と負方向の積分値を一致
させて、キャンセルアウトすることは、事実上困難であ
ると考えられる。

【０１７１】

【実施例】（要約）重量偏差ＧＷＤをＤ型速度操作アン
プ７２とＰＩＤ型温度操作アンプ７４に並列入力し、シ
ード上昇速度操作量ＳＬＣと温度操作量ＴＣをそれぞれ
独立に生成する。該シード上昇速度操作量ＳＬＣは、シ
ード上昇速度ＳＬを変化させて結晶成長直径ＧＤを収束
させ、温度操作量ＴＣは、ヒーター温度を変化させて不
足熱量を所定値に収束させる（図１３参照）。

【０１７２】（好適な実施例）図１０は、本発明の好適
な実施例に係る結晶体の２値制御装置の構成を示す一部
断面図である。以下、同図に基づいて、該２値制御装置
の構成を説明する。この実施例では、重量式と光学式を
同時に説明し、本発明がいずれの方法でも実施可能であ
ることを明確にする。尚、前述の発明の実施形態で説明
した構成要素については、同一符号を付して詳細説明を
省略する。また、以下の説明において、信号名の後ろに
付加した＜＞は、単位を示すものとする。

【０１７３】主制御部３０は、シード制御部３２と、ル
ツボ制御部４８と、ヒーター制御部３４とを駆使して、
結晶成長直径ＧＤとシード上昇速度ＳＬの２値制御を実
行する。この主制御部３０は、該２値制御を達成するた
めに、シード上昇速度ＳＬと、ルツボの上昇速度と、ヒ
ーターの温度を決定し、該決定した値をシード制御部３
２と、ルツボ制御部４８と、ヒーター制御部３４にそれ
ぞれ出力する。さらに、この主制御部３０は、メルト１
２の液位を一定にするために、結晶体１０の成長に伴っ
て、ルツボ１４を所定の比率で上昇させる液位一定制御
を行う。尚、この液位一定制御は、公知の技術であるた
め、その詳細については省略し、以下の説明では、シー
ド１８の上昇高さが結晶成長長さＧＬと等価であるもの
として説明する。

【０１７４】シード制御部３２は、シード１８の昇降お
よび回転に関する制御機構と結晶成長重量ＧＷを測定す
る重量センサ２６を有し（図１１参照）、主制御部３０
が決定したシード上昇速度ＳＬでシード１８を上昇させ
る。

【０１７５】ルツボ制御部４８は、ルツボ１４の昇降お
よび回転に関する制御機構を有し（図１１参照）、主制
御部３０が決定した速度でルツボ１４を上昇させる。

【０１７６】ヒーター制御部３４は、主制御部３０の出
力ＨＰＷＲ＜ｖｏｌｔ＞信号に基づいて、ＨＣＮＴ＜Ｗ
／ｈ＞信号を生成し、該生成した信号をヒーター１６に
出力する。その結果、ヒーター１６は、ＨＣＮＴ＜Ｗ／
ｈ＞に応じて発熱し、ルツボ１４に熱量が供給される。

【０１７７】直径センサ２８は、メルト１２の上方に配
設され、結晶成長直径ＧＤを光学的に検出する。そし
て、該検出した値をＧＤ＜ｖｏｌｔ＞信号として主制御
部３０に出力する。この直径センサ２８は、光学式の場
合に使用する。

【０１７８】保温筒４０は、ヒーター１６の外周に配設
され、ヒーター１６から放出された熱をその内側に保持
し、ルツボ１４への供熱効率を向上させる。

【０１７９】温度センサ４２は、保温筒４０の内部に配
設され、保温筒４０周辺温度を検出する。そして、該検
出した温度をＴＭＰ＜ｖｏｌｔ＞信号として主制御部３
０に出力する。尚、この温度センサ４２に代えて、保温
筒４０の周辺に放射温度計を配設し、保温筒４０の内側
を構成するシールド材の温度を測定してもよい。

【０１８０】チャンバー３８は、結晶体１０と、ルツボ
１４やヒーター１６等のホットゾーン部品をその内部に
気密収容する。このチャンバー３８内には、アルゴンガ
スが供給される。

【０１８１】ルツボシャフト４６は、ルツボ支持台４４
の下面に固定され、ルツボ制御部４８から供給された動
力によって、昇降および回転する。ルツボ支持台４４
は、ルツボ１４をその上面に載置し、ルツボシャフト４
６の上下動および回転に追従して移動する。その結果、
ルツボ１４が昇降および回転する。

【０１８２】図１１は、図１０に示したシード制御部３
２とルツボ制御部４８の構成を示すブロック図である。
以下、同図に基づいて、シード制御部３２とルツボ制御
部４８の構成を説明する。

【０１８３】第１モーターアンプ５４−１は、主制御部
３０の出力ＳＬ＜ｖｏｌｔ＞信号を設定信号として受け
取り、第１ギア５２−１の回転速度を参照しながらモー
ター駆動電力ＳＣＮＴ＜ｖｏｌｔ＞を生成する。そし
て、該生成した信号を第１モーター５０−１に出力す
る。

【０１８４】第１モーター５０−１は、第１モーターア
ンプ５４−１の出力ＳＣＮＴに応じて第１ギア５２−１
を回転させる。その結果、ワイヤードラム２４が回転し
て、ワイヤー２２が巻き取られ、シード１８が上昇す
る。尚、シード１８を下降させる場合には、第１モータ
ー５０−１を逆回転させる。

【０１８５】第１ロータリーエンコーダ５６−１は、第
１ギア５２−１の回転速度をパルス信号に変換して、第
１パルスカウンタ５８−１に出力する。第１パルスカウ
ンタ５８−１は、第１ロータリーエンコーダ５６−１か
ら受信したパルス信号を計数し、この計数した結果をＳ
ＬＨ信号（シード上昇高さ）として主制御部３０に出力
する。尚、シード１８が下降しているときは、第１パル
スカウンタ５８−１の計数値がデクリメントされる。

【０１８６】シード制御部３２内には、同図に示した構
成の他、シード１８を回転させる構成が設けられる。こ
の構成は、上述したシード１８を上昇させる構成に準ず
るものであり、ここでは説明を省略する。

【０１８７】第２モーターアンプ５４−２は、主制御部
３０の出力ＣＬ＜ｖｏｌｔ＞信号を設定信号として受け
取り、第２ギア５２−２の回転速度を参照しながらモー
ター駆動電力ＣＣＮＴ＜ｖｏｌｔ＞を生成する。そし
て、該生成した信号を第２モーター５０−２に出力す
る。

【０１８８】第２モーター５０−２は、第２モーターア
ンプ５４−２の出力ＣＣＮＴに応じて第２ギア５２−２
を回転させる。その結果、ルツボシャフト４６が上方向
に移動して、ルツボ１４が上昇する。尚、ルツボ１４を
下降させる場合には、第２モーター５０−２を逆回転さ
せる。

【０１８９】ルツボ制御部４８内には、同図に示した構
成の他、ルツボ１４を回転させる構成が設けられる。こ
の構成は、上述したルツボ１４を上昇させる構成に準ず
るものであり、ここでは説明を省略する。

【０１９０】図１２は、図１０に示したヒーター制御部
３４の構成を示すブロック図である。同図に示すよう
に、ヒーター制御部３４は、サイリスタと電力センサを
用いたフィードバック制御系で構成される。このような
構成は、周知の技術であるため、詳細な説明は省略す
る。

【０１９１】図１３は、図１０に示した主制御部３０の
重量式に係る第１ブロックの構成を示すブロック図であ
る。以下、同図を用いて、この重量式に係る第１ブロッ
クの構成を説明する。尚、以下の説明では、伝達関数に
含まれるパラメータを次のように統一して使用する。

【０１９２】Ｋ_Ｖ＝速度変換定数、Ｋ_Ｔ＝温度変換定
数、Ｔ_ＤＶ＝速度制御系微分時間、Ｔ _ＤＴ＝温度制御系
微分時間、Ｔ_ＩＶ＝速度制御系積分時間、Ｔ_ＩＴ＝温度
制御系積分時間、α_Ｖ＝速度制御系微分係数、α_Ｔ＝温
度制御系微分係数、Ｐ_Ｖ＝速度制御系比例ゲイン、Ｐ_Ｔ
＝温度制御系比例ゲイン。

【０１９３】第１アンプ６６−１は、デジタル入力信号
ＳＬＨをＳＬＨ＜ｍｍ＞に変換し、該ＳＬＨ＜ｍｍ＞を
結晶成長長さＧＬ＜ｍｍ＞とし、該生成した値を第１演
算実行部６８−１と、目標直径決定部７８と、図１４に
示す目標速度決定部８０に出力する。尚、上記第１アン
プ６６−１および第３アンプ６６−３の後段は、ソフト
ウェアで構成する。

【０１９４】目標直径決定部７８は、結晶成長長さＧＬ
に対応する目標直径をプログラムパターンとして予め記
憶し、ＧＬ＜ｍｍ＞を該プログラムパターンに当てはめ
て、該当する目標直径を決定する。そして、該決定した
値をＧＤ（ＧＬ）＜ｍｍ＞として第１演算実行部６８−
１と、図１４に示す第２演算実行部６８−２に出力す
る。

【０１９５】第１演算実行部６８−１は、 ここで：Ｄｃｒｙｓｔａｌ＝結晶体１０の比重；π＝円
周率；ＧＬ＝結晶成長長さ；ＧＤ（ＧＬ）＝目標直径； 上記演算を実行して、前記目標直径に対応する目標重量
を予測する。そして、該予測した重量ＧＰＷ＜ｇ＞を第
２減算器７０−２に出力する。

【０１９６】第３アンプ６６−３は、アナログ入力信号
ＧＷ＜ｖｏｌｔ＞をＧＷ＜ｇ＞に変換し、該ＧＷ＜ｇ＞
を第２減算器７０−２およびルツボ直径決定部８２に出
力する。この第３アンプ６６−３の後段は、ソフトウェ
アで構成する。

【０１９７】第２減算器７０−２は、ＧＰＷ＜ｇ＞とＧ
Ｗ＜ｇ＞の差をとって、重量偏差ＧＷＤ＜ｇ＞を生成
し、該生成した値をＤ型速度操作アンプ７２と、ＰＩＤ
型温度操作アンプ７４に出力する。

【０１９８】Ｄ型速度操作アンプ７２は、 上記伝達関数でＧＷＤ＜ｇ＞を処理して、シード上昇速
度操作量ＳＬＣ＜ｍｍ／ｍｉｎ＞を生成する。そして、
該生成した値を図１４に示す第５減算器７０−５に出力
する。

【０１９９】ＰＩＤ型温度操作アンプ７４は、 上記伝達関数でＧＷＤ＜ｇ＞を処理して、温度操作量Ｔ
Ｃ＜℃＞を生成する。そして、該生成した値を図１５に
示す第３減算器７０−３に出力する。

【０２００】図１４は、図１０に示した主制御部３０の
重量式に係る第２ブロックの構成を示すブロック図であ
る。以下、同図を用いて、この重量式に係る第２ブロッ
クの構成を説明する。

【０２０１】目標速度決定部８０は、結晶成長長さＧＬ
に対応する目標速度をプログラムパターンとして予め記
憶し、ＧＬ＜ｍｍ＞を該プログラムパターンに当てはめ
て、該当する目標速度を決定する。そして、該決定した
値をＳＬ（ＧＬ）＜ｍｍ＞として第５減算器７０−５に
出力する。

【０２０２】第５減算器７０−５は、ＳＬ（ＧＬ）＜ｍ
ｍ／ｍｉｎ＞とＳＬＣ＜ｍｍ／ｍｉｎ＞との差をとっ
て、シード上昇速度ＳＬ＜ｍｍ／ｍｉｎ＞を生成する。
そして、該生成した値を第４アンプ６６−４と第２演算
実行部６８−２に出力する。

【０２０３】第４アンプ６６−４は、上記第５減算器７
０−５の出力をアナログ信号ＳＬ＜ｖｏｌｔ＞に変換
し、図１１に示す第１モーターアンプ５４−１に出力す
る。この第４アンプ６６−４の後段は、ハードウェアで
構成する。

【０２０４】ルツボ直径決定部８２は、ルツボ１４の深
さと該深さにおけるルツボ１４の直径とを対応させて予
め記憶し、該記憶内容に基づいて、メルト１２の液面と
接する部分のルツボ直径を決定する。具体的には、第３
アンプ６６−３の出力ＧＷ＜ｇ＞を前記記憶したルツボ
１４の深さに対応させて、該当するルツボ１４の直径を
割り出す。そして、該決定した直径ＣＩ（ＧＬ）＜ｍｍ
＞を第２演算実行部６８−２に出力する。

【０２０５】第２演算実行部６８−２は、 ここで：Ｄｃｒｙｓｔａｌ＝結晶体１０の比重；ＧＤ
（ＧＬ）＝目標直径；Ｄｍｅｌｔ＝メルト１２の比重；
ＣＩ（ＧＬ）＝メルト１２の液面が接触した部分のルツ
ボ１４の直径；ＳＬ＝シード上昇速度； 上記比率演算を実行して、液位を一定にするために必要
なルツボ上昇速度ＣＬ＜ｍｍ／ｍｉｎ＞を算出する。そ
して、該算出した値を第５アンプ６６−５に出力する。

【０２０６】第５アンプ６６−５は、ＣＬ＜ｍｍ／ｍｉ
ｎ＞をアナログ信号ＣＬ＜ｖｏｌｔ＞に変換し、図１１
に示す第２モーターアンプ５４−２に出力する。この第
５アンプ６６−５の後段は、ハードウェアで構成する。

【０２０７】図１５は、図１０に示した主制御部３０の
第３ブロックの構成を示すブロック図である。以下、同
図を用いて、この第３ブロックの構成を説明する。尚、
このブロックは、重量式と光学式で共通である。

【０２０８】第３減算器７０−３は、ヒーター１６の設
定温度Ｔｓｅｔ＜℃＞とＴＣ＜℃＞との差をとって、ヒ
ーター温度ＨＴ＜℃＞を生成する。そして、該生成した
値を第６アンプ６６−６に出力する。

【０２０９】第６アンプ６６−６は、ＨＴ＜℃＞をアナ
ログ信号ＨＴ＜ｖｏｌｔ＞に変換し、第４減算器７０−
４に出力する。この第６アンプ６６−６の後段は、ハー
ドウェアで構成する。

【０２１０】第４減算器７０−４は、ＨＴ＜ｖｏｌｔ＞
信号と温度センサ４２の出力ＴＭＰ＜ｖｏｌｔ＞との差
をとって、温度偏差ＨＴＤ＜ｖｏｌｔ＞を生成する。そ
して、該生成した信号をＰＩＤ型温度制御アンプ８４に
出力する。

【０２１１】ＰＩＤ型温度制御アンプ８４は、 上記伝達関数でＨＴＤ＜ｖｏｌｔ＞を処理して、電力信
号ＨＰＷＲ＜ｖｏｌｔ＞を生成する。そして、該生成し
た値を図１０に示すヒーター制御部３４に出力する。

【０２１２】図１６は、図１０に示した主制御部３０の
光学式に係る第１ブロックの構成を示すブロック図であ
る。本発明に係る２値制御装置を光学式で構成する場合
には、この同図に示す第１ブロックを図１３に示した重
量式に係る第１ブロックに代えて使用する。以下、この
図１６を用いて、この光学式に係る第１ブロックの構成
を説明する。尚、重量式に係る第１ブロックと同一の構
成要素については、同一符号を付して説明を省略し、以
下の説明では、重量式に係る第１ブロックと異なる部分
を主に説明する。

【０２１３】第７アンプ６６−７は、図１０に示した直
径センサ２８のアナログ出力ＧＤ＜ｖｏｌｔ＞をＧＤ＜
ｍｍ＞に変換し、該ＧＤ＜ｍｍ＞を第２減算器７０−２
と、図１７に示す第３演算実行部６８−３に出力する。
この第７アンプ６６−７の後段は、ソフトウェアで構成
する。

【０２１４】第２減算器７０−２は、目標直径決定部７
８が生成したＧＤ（ＧＬ）＜ｍｍ＞とＧＤ＜ｍｍ＞との
差をとって、直径偏差ＧＤＤ＜ｍｍ＞を生成する。そし
て、該生成した値をＰＤ型速度操作アンプ８６と、Ｉ型
温度操作アンプ８８に出力する。

【０２１５】ＰＤ型速度操作アンプ８６は、 上記伝達関数でＧＤＤ＜ｍｍ＞を処理して、シード上昇
速度操作量ＳＬＣ＜ｍｍ／ｍｉｎ＞を生成する。そし
て、該生成した値を図１７に示す第５減算器７０−５に
出力する。

【０２１６】Ｉ型温度操作アンプ８８は、 上記伝達関数でＧＤＤ＜ｍｍ＞を処理して、その結果を
ＰＩＤ型温度操作アンプ７４に出力する。ＰＩＤ型温度
操作アンプ７４は、前述した重量式と同じ形態のものを
使用し、各定数は、別途調整する。尚、Ｉ型温度操作ア
ンプ８８とＰＩＤ型温度操作アンプ７４の接続順序は、
同図に示すものと逆にしてもよい。

【０２１７】図１７は、図１０に示した主制御部３０の
光学式に係る第２ブロックの構成を示すブロック図であ
る。本発明に係る２値制御装置を光学式で構成する場合
には、この同図に示す第２ブロックを図１４に示した重
量式に係る第２ブロックに代えて使用する。以下、この
図１７を用いて、この光学式に係る第２ブロックの構成
を説明する。尚、重量式に係る第２ブロックと同一の構
成要素については、同一符号を付して説明を省略し、以
下の説明では、重量式に係る第２ブロックと異なる部分
を主に説明する。

【０２１８】ルツボ直径決定部８２は、ルツボ１４の深
さと該深さにおけるルツボ１４の直径とを対応させて予
め記憶し、該記憶した内容に基づいて、メルト１２の液
面と接する部分のルツボ直径を決定する。具体的には、
ＧＬ＜ｍｍ＞とＧＤ＜ｍｍ＞とを用いて、結晶成長重量
ＧＷを算出し、該算出した値を前記記憶したルツボ１４
の深さに対応させて、該当する直径を割り出す。

【０２１９】第３演算実行部６８−３は、 ここで：Ｄｃｒｙｓｔａｌ＝結晶体１０の比重；ＧＤ＝
検出直径；Ｄｍｅｌｔ＝メルト１２の比重；ＣＩ（Ｇ
Ｌ）＝メルト１２の液面が接触した部分のルツボ１４の
直径；ＳＬ＝シード上昇速度； 上記比率演算を実行して、液位を一定にするために必要
なルツボ上昇速度ＣＬ＜ｍｍ／ｍｉｎ＞を算出する。そ
して、該算出した値を第５アンプ６６−５に出力する。

【０２２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
安定した２値制御の達成に有効な結晶体の２値制御装置
を提供することができる。

【０２２１】また、本発明の第１の形態によれば、シー
ド上昇速度操作量ＳＬＣおよび温度操作量ＴＣが偏差信
号ＤＥＶに基づいて生成されるため、シード上昇速度Ｓ
Ｌを結晶成長直径ＧＤの収束手段として使用し、ヒータ
ーの温度をシード上昇速度ＳＬの収束手段としてそれぞ
れ独立に使用することができる。その結果、結晶成長直
径ＧＤとシード上昇速度ＳＬの２値制御が自己整合的に
達成できる。さらに、このような偏差信号ＤＥＶを速度
制御系と温度制御系に並列入力する構成によれば、それ
ぞれの制御に適した伝達関数を独立して使用することが
できるため、安定した２値制御が可能となる。

【０２２２】また、本発明の第２の形態によれば、重量
偏差ＧＷＤの変動に応じて、シード上昇速度操作量ＳＬ
Ｃが生成され、温度操作量ＴＣが自己整合的にヒーター
温度の理想パターンを形成するため、シード上昇速度Ｓ
Ｌの変動を最小限に押さえた構成で結晶成長直径ＧＤの
収束が期待できる。その結果、好適な２値制御が達成さ
れる。

【０２２３】また、本発明の第３の形態によれば、直径
偏差ＧＤＤの大きさに応じたシード上昇速度操作量ＳＬ
Ｃが生成され、温度操作量ＴＣが自己整合的にヒーター
温度の理想パターンを形成するため、シード上昇速度Ｓ
Ｌの変動を最小限に押さえた構成で結晶成長直径ＧＤの
収束が期待できる。その結果、好適な２値制御が達成さ
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一般的な引き上げ装置におけるヒーターとルツ
ボの位置関係を示す断面図である。

【図２】式１７で表現されるヒーター温度の理想パター
ンを図示するグラフである。

【図３】本発明の第１の形態に係る２値制御装置の構成
を示す概念図である。

【図４】本発明の第２の形態に係る２値制御装置の構成
を示すブロック図である。

【図５】本発明の第２の形態の変形例を示すブロック図
である。

【図６】本発明の第２の形態の作用を説明する模式的タ
イムチャートである。

【図７】本発明の第３の形態に係る２値制御装置の構成
を示すブロック図である。

【図８】本発明の第３の形態の変形例を示すブロック図
である。

【図９】本発明の第３の形態の作用を説明する模式的タ
イムチャートである。

【図１０】本発明の好適な実施例に係る結晶体の２値制
御装置の構成を示す一部断面図である。

【図１１】図１０に示したシード制御部３２とルツボ制
御部４８の構成を示すブロック図である。

【図１２】図１０に示したヒーター制御部３４の構成を
示すブロック図である。

【図１３】図１０に示した主制御部３０の重量式に係る
第１ブロックの構成を示すブロック図である。

【図１４】図１０に示した主制御部３０の重量式に係る
第２ブロックの構成を示すブロック図である。

【図１５】図１０に示した主制御部３０の第３ブロック
の構成を示すブロック図である。

【図１６】図１０に示した主制御部３０の光学式に係る
第１ブロックの構成を示すブロック図である。

【図１７】図１０に示した主制御部３０の光学式に係る
第２ブロックの構成を示すブロック図である。

【符号の説明】

１０…結晶体、１２…メルト、１４…ルツボ、１６…ヒ
ーター、１８…シード、２０…シードチャック、２２…
ワイヤー、２４…ワイヤードラム、２６…重量センサ、
２８…直径センサ、３０…主制御部、３２…シード制御
部、３４…ヒーター制御部、３８…チャンバー、４０…
保温筒、４２…温度センサ、４４…ルツボ支持台、４６
…ルツボシャフト、４８…ルツボ制御部、５０−１…第
１モーター、５０−２…第２モーター、５２−１…第１
ギア、５２−２…第２ギア、５４−１…第１モーターア
ンプ、５４−２…第２モーターアンプ、５６−１…第１
ロータリーエンコーダ、５８−１…第１パルスカウン
タ、６０…サイリスタコントローラ、６２…交流直流変
換器、６４…電力センサ、６６−１…第１アンプ、６６
−３…第３アンプ、６６−４…第４アンプ、６６−５…
第５アンプ、６６−６…第６アンプ、６６−７…第７ア
ンプ、６８−１…第１演算実行部、６８−２…第２演算
実行部、６８−３…第３演算実行部、７０−２…第２減
算器、７０−３…第３減算器、７０−４…第４減算器、
７０−５…第５減算器、７２…Ｄ型速度操作アンプ、７
４…ＰＩＤ型温度操作アンプ、７８…目標直径決定部、
８０…目標速度決定部、８２…ルツボ直径決定部、８４
…ＰＩＤ型温度制御アンプ、８６…ＰＤ型速度操作アン
プ、８８…Ｉ型温度操作アンプ、Ｍ１０…シード上昇速
度操作量生成手段、Ｍ１２…温度操作量生成手段、Ｍ１
４…直径制御パラメータ検出手段、Ｍ１６…偏差信号生
成手段、ＣＰ…直径制御パラメータ、ＤＥＶ…偏差信
号、ＧＤ…結晶成長直径、ＧＤＤ…直径偏差、ＧＬ…結
晶成長長さ、ＧＷ…結晶成長重量、ＧＷＤ…重量偏差、
ＳＬ…シード上昇速度、ＳＬＣ…シード上昇速度操作
量、ＴＣ…温度操作量

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 結晶体（１０）の引き上げ速度、即ち、
   シード上昇速度（ＳＬ）の操作量を生成するシード上昇
   速度操作量生成手段（Ｍ１０）と、該結晶体（１０）周
   辺の温度を操作する量、即ち、温度操作量（ＴＣ）を生
   成する温度操作量生成手段（Ｍ１２）とを具備し、該結
   晶体（１０）の成長直径、即ち、結晶成長直径（ＧＤ）
   および前記シード上昇速度（ＳＬ）をそれぞれの目標値
   に収束させる結晶体の２値制御装置において、 前記結晶成長直径（ＧＤ）の制御に寄与するパラメー
   タ、即ち、直径制御パラメータ（ＣＰ）を検出する直径
   制御パラメータ検出手段（Ｍ１４）と、 前記直径制御パラメータ検出手段（Ｍ１４）が検出した
   直径制御パラメータ（ＣＰ）と該直径制御パラメータ
   （ＣＰ）の目標値との差をとって偏差信号（ＤＥＶ）を
   生成する偏差信号生成手段（Ｍ１６）とを具備し、 前記シード上昇速度操作量生成手段（Ｍ１０）は、 前記偏差信号生成手段（Ｍ１６）が生成した偏差信号
   （ＤＥＶ）に基づいて、前記シード上昇速度（ＳＬ）の
   操作量、即ち、シード上昇速度操作量（ＳＬＣ）を生成
   し、 前記温度操作量生成手段（Ｍ１２）は、 前記偏差信号生成手段（Ｍ１６）が生成した偏差信号
   （ＤＥＶ）に基づいて、前記温度操作量（ＴＣ）を生成
   することを特徴とする結晶体の２値制御装置。
2. 【請求項２】 前記シード上昇速度操作量生成手段（Ｍ
   １０）は、 前記結晶成長直径（ＧＤ）の変動履歴に応答する要素を
   含まない伝達関数で表現され、前記偏差信号（ＤＥＶ）
   の変動に応じた信号を前記シード上昇速度操作量（ＳＬ
   Ｃ）として出力し、 前記温度操作量生成手段（Ｍ１２）は、 積分要素を含む伝達関数で表現され、前記偏差信号（Ｄ
   ＥＶ）の履歴に応じた信号を前記温度操作量（ＴＣ）と
   して出力することを特徴とする請求項１記載の結晶体の
   ２値制御装置。
3. 【請求項３】 前記直径制御パラメータ（ＣＰ）は、 前記結晶体（１０）が成長した重量、即ち、結晶成長重
   量（ＧＷ）であり、 前記シード上昇速度操作量生成手段（Ｍ１０）は、 微分要素を含む伝達関数で表現され、 前記温度操作量生成手段（Ｍ１２）は、 積分要素を含む伝達関数１段で表現されることを特徴と
   する請求項２記載の結晶体の２値制御装置。
4. 【請求項４】 前記直径制御パラメータ（ＣＰ）は、 前記結晶成長直径（ＧＤ）であり、 前記シード上昇速度操作量生成手段（Ｍ１０）は、 比例要素を含む伝達関数で表現され、 前記温度操作量生成手段（Ｍ１２）は、 積分要素を含む伝達関数２段で表現されることを特徴と
   する請求項２記載の結晶体の２値制御装置。
5. 【請求項５】 前記シード上昇速度操作量生成手段（Ｍ
   １０）の伝達関数と前記温度操作量生成手段（Ｍ１２）
   の伝達関数との比が二形以上の制御系を構成することを
   特徴とする請求項１記載の結晶体の２値制御装置。
6. 【請求項６】 前記シード上昇速度操作量生成手段（Ｍ
   １０）は、 前記直径制御パラメータ（ＣＰ）の直径成分に対する比
   例要素、微分要素およびこれらの組み合わせから選択し
   て構成され、不足熱量に対する固化重量を結晶体（１
   ０）の断面積と該結晶体（１０）の引き上げ長さの２成
   分に分配することを特徴とする請求項５記載の結晶体の
   ２値制御装置。
7. 【請求項７】 前記直径制御パラメータ（ＣＰ）は、 前記結晶体（１０）が成長した重量、即ち、結晶成長重
   量（ＧＷ）であり、 前記シード上昇速度操作量生成手段（Ｍ１０）は、 微分要素を含む伝達関数で表現され、 前記温度操作量生成手段（Ｍ１２）は、 積分要素を含む伝達関数１段で表現されることを特徴と
   する請求項５記載の結晶体の２値制御装置。
8. 【請求項８】 前記直径制御パラメータ（ＣＰ）は、 前記結晶成長直径（ＧＤ）であり、 前記シード上昇速度操作量生成手段（Ｍ１０）は、 比例要素を含む伝達関数で表現され、 前記温度操作量生成手段（Ｍ１２）は、 積分要素を含む伝達関数２段で表現されることを特徴と
   する請求項５記載の結晶体の２値制御装置。