JP2601930B2 - 単結晶ネツク部直径制御方法及び装置 - Google Patents
単結晶ネツク部直径制御方法及び装置Info
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- JP2601930B2 JP2601930B2 JP2081673A JP8167390A JP2601930B2 JP 2601930 B2 JP2601930 B2 JP 2601930B2 JP 2081673 A JP2081673 A JP 2081673A JP 8167390 A JP8167390 A JP 8167390A JP 2601930 B2 JP2601930 B2 JP 2601930B2
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- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
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- C30B15/20—Controlling or regulating
- C30B15/22—Stabilisation or shape controlling of the molten zone near the pulled crystal; Controlling the section of the crystal
- C30B15/26—Stabilisation or shape controlling of the molten zone near the pulled crystal; Controlling the section of the crystal using television detectors; using photo or X-ray detectors
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/08—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring diameters
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Description
本発明は、CZ法で単結晶を育成する際に、種結晶先端
とコーン部始端との間である単結晶ネック部の直径を制
御する単結晶ネック部直径制御方法及び装置に関する。
とコーン部始端との間である単結晶ネック部の直径を制
御する単結晶ネック部直径制御方法及び装置に関する。
この種の従来の結晶直径測定装置を、本発明の実施例
図面第３〜５図を参照して説明する。従来では、融液22
の湯面22Sと引き上げられるシリコン単結晶32との境界
に形成される輝環23を、CCDカメラで撮影し、その映像
信号を２値化して２値画像68を取得し、この２値画像68
に含まれる輝環像70の内側直径DIを検出し、これを定数
倍することによりシリコン単結晶32の下端実直径DRを得
ていた。輝環像70の中央を横切るライン72の部分が実寸
に等しい場合、内側直径DIと実直径DRの差は殆ど無視で
き、また、この差はシリコン単結晶32の実直径DRや表面
傾斜角等に殆ど関係しない。したがって、従来の結晶育
成自動制御用直径測定装置によれば、高精度で実直径DR
を測定可能である。 一方、CZ法による単結晶育成装置では、コーン部以降
は自動制御方法が確立されているが、融液に種結晶を浸
漬してからコーン部育成に移るまでのネック部分につい
ては、熟練者による手動制御が行なわれている。これ
は、ネック部では転移を結晶表面から排出させるため
に、例えば育成結晶の直径を２〜5mm程度に絞り、2mm/m
in以上の比較的高速度で結晶を引上げ、しかも、直径制
御偏差の絶対値を0.5mm程度以下にし、絞り部分をその
直径の10倍以上の長さ育成しなければならないなど、高
度の制御を必要とするためである。この絞り工程及び次
に結晶直径を再び増大させる工程にわたって、結晶の形
状を所望の形状にしかつ結晶を無転位化することは、熟
練者でさえもその試しみの約10％は失敗に終わる程度に
難しい。結晶直径を絞りすぎると、湯面と育成結晶下端
との間が切れて育成続行不可能となったり、強度が弱く
てその後育成される直胴部を支持できなくなったりす
る。また、結晶直径が太すぎると、転位が充分に排出さ
れず、コーン部の育成に移ることができない。
図面第３〜５図を参照して説明する。従来では、融液22
の湯面22Sと引き上げられるシリコン単結晶32との境界
に形成される輝環23を、CCDカメラで撮影し、その映像
信号を２値化して２値画像68を取得し、この２値画像68
に含まれる輝環像70の内側直径DIを検出し、これを定数
倍することによりシリコン単結晶32の下端実直径DRを得
ていた。輝環像70の中央を横切るライン72の部分が実寸
に等しい場合、内側直径DIと実直径DRの差は殆ど無視で
き、また、この差はシリコン単結晶32の実直径DRや表面
傾斜角等に殆ど関係しない。したがって、従来の結晶育
成自動制御用直径測定装置によれば、高精度で実直径DR
を測定可能である。 一方、CZ法による単結晶育成装置では、コーン部以降
は自動制御方法が確立されているが、融液に種結晶を浸
漬してからコーン部育成に移るまでのネック部分につい
ては、熟練者による手動制御が行なわれている。これ
は、ネック部では転移を結晶表面から排出させるため
に、例えば育成結晶の直径を２〜5mm程度に絞り、2mm/m
in以上の比較的高速度で結晶を引上げ、しかも、直径制
御偏差の絶対値を0.5mm程度以下にし、絞り部分をその
直径の10倍以上の長さ育成しなければならないなど、高
度の制御を必要とするためである。この絞り工程及び次
に結晶直径を再び増大させる工程にわたって、結晶の形
状を所望の形状にしかつ結晶を無転位化することは、熟
練者でさえもその試しみの約10％は失敗に終わる程度に
難しい。結晶直径を絞りすぎると、湯面と育成結晶下端
との間が切れて育成続行不可能となったり、強度が弱く
てその後育成される直胴部を支持できなくなったりす
る。また、結晶直径が太すぎると、転位が充分に排出さ
れず、コーン部の育成に移ることができない。
本発明の目的は、このような問題点に鑑み、CZ法によ
る単結晶ネック部育成の成功率を高めることが可能な単
結晶ネック部直径制御方法及び装置を提供することにあ
る。
る単結晶ネック部育成の成功率を高めることが可能な単
結晶ネック部直径制御方法及び装置を提供することにあ
る。
（１）この目的を達成するために、本発明では、CZ法で
単結晶を育成する際に、種結晶先端とコーン部始端との
間である単結晶ネック部の直径を制御する方法におい
て、CZ法で育成される単結晶の育成部をカメラで撮影
し、該カメラから出力される映像信号から、輝度が基準
値以上となる輝環像の外側直径を検出し、該検出直径が
目標値になるように制御する。 実直径をDR、輝環像の外側直径をDO、輝環像の内側直
径をDI、これらの直径が増加しているときの各増加分を
それぞれΔDRi、ΔDOi、ΔDIi、これらの直径が減少し
ているときの各減少分をそれぞれΔDRd、ΔDOd、ΔDId
とすると、DIとDRはほぼ等しく、 ΔDId/ΔDRd≒ΔDIi/ΔDRiとなるが、DOとDRについて
は、 ΔDOd/ΔDRd＞ΔDOi/ΔDRi となる。 したがって、結晶育成制御に、輝環像の内側直径DIの
代わりに外側直径DOを用いれば、外側直径DOが目標値よ
りも減少したときに、外側直径DOを目標値に近づける動
作がその逆の場合よりも大きくなる。 直径２〜5mmの絞り部育成においては、引き上げ単結
晶が細くなり過ぎると単結晶下端が湯面から途切れて結
晶育成続行が不可能になるが、本発明を用いれば、上記
理由により、このような途切れを防止することができ、
難しいネック部育成自動制御の成功率を高めることがで
きる。 （２）上記方法を実施するために、本発明に係る単結晶
ネック部直径制御装置では、該単結晶の育成部を撮影
し、映像信号を出力するカメラ38と、１走査線分以上の
映像信号の最大値を検出する手段と、該最大値に応じた
基準値を求める手段と、該基準値により該映像信号を２
値化する手段と、該２値化による２値画像から、輝環像
の外側直径を検出する手段と、該検出直径が目標値にな
るように制御する制御手段と、を有する。 （３）上記方法の効果は、内側直径DIからDOに類似した
量DOLを演算で求めることによっても、すなわち、単結
晶育成部をカメラで撮影し、該カメラから出力される映
像信号から、輝度が基準値以上となる輝環像の内側直径
DIを検出し、該直径をメモリに記憶しておき、今回検出
した直径DIに、該直径DIとある一定時間前に検出した直
径DIBとの差に応じた値ΔＤを加えたものを、直径制御
用の直径とすることによっても得られる。 この（３）の方法は、直径制御がより良く行なわれる
ように、DIとΔＤとの関係を学習しながら変更すること
が可能である。
単結晶を育成する際に、種結晶先端とコーン部始端との
間である単結晶ネック部の直径を制御する方法におい
て、CZ法で育成される単結晶の育成部をカメラで撮影
し、該カメラから出力される映像信号から、輝度が基準
値以上となる輝環像の外側直径を検出し、該検出直径が
目標値になるように制御する。 実直径をDR、輝環像の外側直径をDO、輝環像の内側直
径をDI、これらの直径が増加しているときの各増加分を
それぞれΔDRi、ΔDOi、ΔDIi、これらの直径が減少し
ているときの各減少分をそれぞれΔDRd、ΔDOd、ΔDId
とすると、DIとDRはほぼ等しく、 ΔDId/ΔDRd≒ΔDIi/ΔDRiとなるが、DOとDRについて
は、 ΔDOd/ΔDRd＞ΔDOi/ΔDRi となる。 したがって、結晶育成制御に、輝環像の内側直径DIの
代わりに外側直径DOを用いれば、外側直径DOが目標値よ
りも減少したときに、外側直径DOを目標値に近づける動
作がその逆の場合よりも大きくなる。 直径２〜5mmの絞り部育成においては、引き上げ単結
晶が細くなり過ぎると単結晶下端が湯面から途切れて結
晶育成続行が不可能になるが、本発明を用いれば、上記
理由により、このような途切れを防止することができ、
難しいネック部育成自動制御の成功率を高めることがで
きる。 （２）上記方法を実施するために、本発明に係る単結晶
ネック部直径制御装置では、該単結晶の育成部を撮影
し、映像信号を出力するカメラ38と、１走査線分以上の
映像信号の最大値を検出する手段と、該最大値に応じた
基準値を求める手段と、該基準値により該映像信号を２
値化する手段と、該２値化による２値画像から、輝環像
の外側直径を検出する手段と、該検出直径が目標値にな
るように制御する制御手段と、を有する。 （３）上記方法の効果は、内側直径DIからDOに類似した
量DOLを演算で求めることによっても、すなわち、単結
晶育成部をカメラで撮影し、該カメラから出力される映
像信号から、輝度が基準値以上となる輝環像の内側直径
DIを検出し、該直径をメモリに記憶しておき、今回検出
した直径DIに、該直径DIとある一定時間前に検出した直
径DIBとの差に応じた値ΔＤを加えたものを、直径制御
用の直径とすることによっても得られる。 この（３）の方法は、直径制御がより良く行なわれる
ように、DIとΔＤとの関係を学習しながら変更すること
が可能である。
以下、図面に基づいて本発明の一実施例を説明する。 第１図は、本発明方法が適用された結晶育成自動制御
用直径測定装置の要部を示す。 軸10の上端に固着されたテーブル12上には、黒鉛坩堝
14が載置され、黒鉛坩堝14内に石英坩堝16が嵌合されて
いる。この黒鉛坩堝14はヒータ18に囲繞され、ヒータ18
は黒鉛断熱材20に囲繞されている。石英坩堝16内に多結
晶シリコンの塊を入れ、ヒータ18に電力を供給すると、
この多結晶シリコンは融液22になる。 一方、融液22の上方に配置された不図示のモータによ
り昇降されるワイヤ26の下端には、種ホルダ28を介して
種結晶30が取り付けられている。この種結晶30の下端を
融液22の湯面22Sに接触させて引き上げると、種結晶30
の先端にシリコン単結晶32が育成される。シリコン単結
晶32の育成は、アルゴンガスで空気がパージされるチャ
ンバ34内で行われる。 シリコン単結晶32の下端実直径DRを測定するために、
チャンバ34の肩部に設けられた窓36の上方には、光軸を
湯面22Sの中心に向けてCCDカメラ38が配置されている。
シリコン単結晶32の絞り部分の直径は小さいので、測定
精度を高めるために、１本の走査線幅が例えば実物の0.
05mmに対応するように、CCDカメラ38の拡大倍率を大き
くしている。 CCDカメラ38から出力される複合映像信号は、同期分
離回路40へ供給されて同期信号と映像信号VSとに分離さ
れ、映像信号VSはピークホールド回路42へ供給される。
ピークホールド回路42は、リセット後現在までに供給さ
れた映像信号VSの最大電圧VMを保持する。この最大電圧
VMは、A/D変換器44へ供給されてデジタル化される。 一方、同期分離回路40からの映像信号VSは２値化回路
46にも供給され、映像信号VSは基準電圧Ｅと比較されて
２値化され、S/P変換器48へ供給される。同期分離回路4
0で分離された水平同期信号HSYNCは、ピクセルクロック
生成回路50へ供給され、ピクセルクロック生成回路50
は、この水平同期信号HSYNCに同期して、映像信号を画
素に区分するピクセルクロックを生成し、S/P変換器48
の制御端子に供給する。S/P変換器48は、このピクセル
クロック毎に、２値化回路46から１ビットの画素データ
を読み込み、内部のシフトレジスタ（不図示）に供給し
て並列化し、１ワード分のデータが溜る毎に、マイクロ
コンピュータ52のI/Oポート54へ供給する。 マイクロコンピュータ52は、I/Oポート54、CPU56、DM
Aコントローラ58、画像メモリ60、ワークメモリ62及び
プログラムメモリ64を備えて周知の如く構成されてい
る。I/Oポート54には、同期分離回路40から垂直同期信
号VSYNCが割込み信号として供給され、A/D変換器44から
最大電圧VMが供給される。また、I/Oポート54からD/A変
換器66を介して２値化回路46へ、２値化判定のための基
準電圧Ｅが供給される。 次に、第２図に示すマイクロコンピュータ52のソフト
ウエア構成を、第３図乃至第５図を参照して説明する。 第２図の処理は、同期分離回路40からI/Oポート54へ
垂直同期信号VSYNCが供給されてCPU56に割り込みが掛か
る毎に開始される。 （80）割込みをマスクし、A/D変換器44から最大電圧VM
を読み込む。この最大電圧VMは、割り込みが掛かる１つ
前の垂直同期信号VSYNCから次に割り込みが掛かる垂直
同期信号VSYNC迄の１フィールドにおける、各水平走査
線のピーク値のうち最大のものであり、最大輝度に対応
している。 （81）最大電圧VMに、ある一定値Ｋ、例えばＫ＝0.75を
乗じたものを基準電圧ＥとしてD/A変換器66へ供給す
る。好ましいＫの値は、CCDカメラ38の絞り値にも依存
し、絞りの孔を大きくするほど小さくなる。 （82）次の１フィールド分の映像信号VSは、２値化回路
46でこの基準電圧Ｅと比較されて２値化され、S/P変換
器48へ供給されて並列データに変換され、DMAコントロ
ーラ58により画像メモリ60へ格納される。 第４図は、この画像メモリ60に格納された２値画像68
を第３図と対応させて示す。２値画像68は、シリコン単
結晶32と湯面22Sの境界に形成された輝環23に対応する
輝環像70を含んでいる。第４図中の斜線部は暗部であ
る。 （83）次に、画像メモリ60内の２値画像68を水平方向に
走査し、輝環像70が検出されると、その１ラインについ
て、輝環像70の左端と右端間の画素数Ｎを求め、これを
DOとして一時記憶しておく。次のラインについても同様
にしてＮを求め、Ｎ＞DOであればこのＮをDOとして、DO
を更新する。このような処理を輝環像70が検出されなく
なるまで行えば、DOは輝環像70の外側直径に等しくな
る。第５図は２値画像68のライン72に対応した映像信号
Ｖと基準電圧Ｅとの関係を示す。 （86）次に、垂直同期信号VSYNCが検出されるのを待
つ。 （87）垂直同期信号VSYNCが検出されると、ピークホー
ルド回路42をリセットし（コンデンサに保持された電荷
を放電させる）、割り込みマスクを解除する。以上のよ
うにして、輝環像70の外側直径DOが測定される。 次に、外側直径DOと実直径DRの関係について説明す
る。 輝環像70の幅は、輝環23に働く張力によるので、シリ
コン単結晶32の下端の実直径DR、シリコン単結晶32の下
端部側面傾斜角、シリコン単結晶32の引上げ速度及び湯
面22Sの温度又は粘度等に依存すると考えられる。外側
直径DOと実直径DRの関係の概略を把握するために、１本
の細いネック部シリコン単結晶32について、上記装置で
外側直径DOを測定し、シリコン単結晶32を育成完了後に
ノギスでシリコン単結晶32の実直径DRを実測して、両者
の関係を調べたところ、第６図及び第７図に示すような
結果が得られた。 第６図は、結晶育成時に結晶径が増加している部分
の、実直径DRと外側直径DO＝DOiとの関係を示す。この
実験式は次式で表わされる。 DR＝1.198DOi−1.208 ・・（１） また、分散S2及び相関係数Ｒは次の通りであった。 S2＝1.126×10-2 Ｒ＝0.9996 第７図は、結晶育成時に結晶径が減少している部分
の、実直径DRと外側直径DO＝DOdとの関係を示す。この
実験式は次式で表わされる。 DR＝1.107DOd−0.5485 ・（２） また、分散S2及び相関係数Ｒは次の通りであった。 S2＝0.2389 Ｒ＝0.9904 上式（１）、（２）より、実直径DRを消去すると次式
が導出される。 ΔDid＝DOi−Dod ＝0.5506−0.076DOd ・・・（３） ここで、実直径DRが減少すると、外側直径DOはこの減
少量よりもDOiとDOdの差ΔDidだけ余分に減少すること
になる。逆の場合にはΔDidだけ余分に増加することに
なるが、上式（１）、（２）より、実直径DRの増分に対
するDOiの増分よりも実直径DRの増分に対するDOdの増分
の方が大きい。したがって、結晶ネック部育成制御に、
内側直径DIの代わりに外側直径DOを用いれば、実直径DR
が目標値より小さくなると、外側直径DOがより小さくな
り、外側直径DOを目標値に近づける動作が、その逆の場
合よりも大きくなる。このΔDidは、実直径DRが小さい
ほど大きくなる。結晶ネック部の絞り部分は、DR＝２〜
5mmと小さく、この部分では、ΔDid＝0.4〜0.2となる。
上述の如く、絞り部では直径制御偏差の絶対値を0.5mm
程度以下にする必要があるので、この量は本発明の効果
の程度に大きく関係している。 次に、外側直径DOを用いて結晶ネック部育成を制御し
た場合の実例を説明する。 第８図は、本実施例の結晶直径測定方法を用いて、結
晶ネック部育成を完全に自動制御した場合の、外側直径
DO、湯面温度Ｔ、及び結晶引き上げ速度Ｖの、種結晶引
上げ開始後の経過時間ｔに対する変化を示す。40分≦ｔ
≦70分においては、外側直径DOの目標値は3.5mmであ
り、外側直径DOがこの目標値になるように結晶引上げモ
ータの回転速度をPID動作で制御したものである。この
グラフから、外側直径DOが目標値以下になることが殆ど
無いことが判る。従来法を適用した場合には、PID動作
の対称的性質上、実直径DRは目標値の上下で同様に変化
する。 ネック部育成においては、シリコン単結晶32が細くな
り過ぎるとシリコン単結晶32の下端が湯面22Sから途切
れて結晶育成続行が不可能になるが、本発明を用いれ
ば、前記理由によりこのような途切れを防止することが
でき、ネック部育成自動制御の成功率を高めることがで
きる。 （２）第２実施例 上述の如く、外側直径DOはシリコン単結晶32の下端実
直径DR、シリコン単結晶32の下端部側面傾斜角及びシリ
コン単結晶32の引上げ速度等に依存する。そこで、第２
実施例では、この関係を用いて、内側直径DIから、外側
直径DOに類似した擬外側直径DOLを算出し、この擬外側
直径DOLを結晶径制御用としている。 ハードウエア構成は第１図と同一である。第９図は第
１図のマイクロコンピュータ52のソフトウエア構成を示
す。ステップ90〜92は第２図のステップ80〜82と同一で
ある。 （93）次に、ステップ83と同様の方法で、第４図に示す
輝環像70の内側直径DIを検出する。 （94）次式により擬外側直径DOLを求める。 DOL＝DI＋α（DI−DIB）／Δｔ ・（４） ここに、DIBは、内側直径DIを測定した時点から時間
Δｔ前の内側直径DIの値であり、ワークメモリ62に記憶
されている。また、αは内側直径DI、結晶引き上げ速度
Ｖ及び湯面温度Ｔの関数であり、実験的に求めたものを
テーブル化又は数式化し、これを用いて求める。 （95）この内側直径DIをDIBとしてワークメモリ62に一
時記憶する。 その後、ステップ96、97で第２図に示すステップ86、
87と同一の処理を行う。 このようにすれば、第１実施例と同様の結果が得られ
る。また、上式（１）のαを、直径制御がより良く行な
われるように、学習しながら変更することが可能であ
る。 なお、本発明には外にも種々の変形例が含まれる。 例えば、基準電圧Ｅは数十フィールド毎に更新しても
よい。また、ピーク電圧VMの検出と２値化とを１水平走
査線毎に交互に行ってもよい。さらに、基準電圧Ｅはピ
ーク電圧VMよりある一定値低い値に設定してもよい。ま
た、上式（４）におけるΔｔの代わりに、結晶引上げ距
離の増分を用いてもよい。
用直径測定装置の要部を示す。 軸10の上端に固着されたテーブル12上には、黒鉛坩堝
14が載置され、黒鉛坩堝14内に石英坩堝16が嵌合されて
いる。この黒鉛坩堝14はヒータ18に囲繞され、ヒータ18
は黒鉛断熱材20に囲繞されている。石英坩堝16内に多結
晶シリコンの塊を入れ、ヒータ18に電力を供給すると、
この多結晶シリコンは融液22になる。 一方、融液22の上方に配置された不図示のモータによ
り昇降されるワイヤ26の下端には、種ホルダ28を介して
種結晶30が取り付けられている。この種結晶30の下端を
融液22の湯面22Sに接触させて引き上げると、種結晶30
の先端にシリコン単結晶32が育成される。シリコン単結
晶32の育成は、アルゴンガスで空気がパージされるチャ
ンバ34内で行われる。 シリコン単結晶32の下端実直径DRを測定するために、
チャンバ34の肩部に設けられた窓36の上方には、光軸を
湯面22Sの中心に向けてCCDカメラ38が配置されている。
シリコン単結晶32の絞り部分の直径は小さいので、測定
精度を高めるために、１本の走査線幅が例えば実物の0.
05mmに対応するように、CCDカメラ38の拡大倍率を大き
くしている。 CCDカメラ38から出力される複合映像信号は、同期分
離回路40へ供給されて同期信号と映像信号VSとに分離さ
れ、映像信号VSはピークホールド回路42へ供給される。
ピークホールド回路42は、リセット後現在までに供給さ
れた映像信号VSの最大電圧VMを保持する。この最大電圧
VMは、A/D変換器44へ供給されてデジタル化される。 一方、同期分離回路40からの映像信号VSは２値化回路
46にも供給され、映像信号VSは基準電圧Ｅと比較されて
２値化され、S/P変換器48へ供給される。同期分離回路4
0で分離された水平同期信号HSYNCは、ピクセルクロック
生成回路50へ供給され、ピクセルクロック生成回路50
は、この水平同期信号HSYNCに同期して、映像信号を画
素に区分するピクセルクロックを生成し、S/P変換器48
の制御端子に供給する。S/P変換器48は、このピクセル
クロック毎に、２値化回路46から１ビットの画素データ
を読み込み、内部のシフトレジスタ（不図示）に供給し
て並列化し、１ワード分のデータが溜る毎に、マイクロ
コンピュータ52のI/Oポート54へ供給する。 マイクロコンピュータ52は、I/Oポート54、CPU56、DM
Aコントローラ58、画像メモリ60、ワークメモリ62及び
プログラムメモリ64を備えて周知の如く構成されてい
る。I/Oポート54には、同期分離回路40から垂直同期信
号VSYNCが割込み信号として供給され、A/D変換器44から
最大電圧VMが供給される。また、I/Oポート54からD/A変
換器66を介して２値化回路46へ、２値化判定のための基
準電圧Ｅが供給される。 次に、第２図に示すマイクロコンピュータ52のソフト
ウエア構成を、第３図乃至第５図を参照して説明する。 第２図の処理は、同期分離回路40からI/Oポート54へ
垂直同期信号VSYNCが供給されてCPU56に割り込みが掛か
る毎に開始される。 （80）割込みをマスクし、A/D変換器44から最大電圧VM
を読み込む。この最大電圧VMは、割り込みが掛かる１つ
前の垂直同期信号VSYNCから次に割り込みが掛かる垂直
同期信号VSYNC迄の１フィールドにおける、各水平走査
線のピーク値のうち最大のものであり、最大輝度に対応
している。 （81）最大電圧VMに、ある一定値Ｋ、例えばＫ＝0.75を
乗じたものを基準電圧ＥとしてD/A変換器66へ供給す
る。好ましいＫの値は、CCDカメラ38の絞り値にも依存
し、絞りの孔を大きくするほど小さくなる。 （82）次の１フィールド分の映像信号VSは、２値化回路
46でこの基準電圧Ｅと比較されて２値化され、S/P変換
器48へ供給されて並列データに変換され、DMAコントロ
ーラ58により画像メモリ60へ格納される。 第４図は、この画像メモリ60に格納された２値画像68
を第３図と対応させて示す。２値画像68は、シリコン単
結晶32と湯面22Sの境界に形成された輝環23に対応する
輝環像70を含んでいる。第４図中の斜線部は暗部であ
る。 （83）次に、画像メモリ60内の２値画像68を水平方向に
走査し、輝環像70が検出されると、その１ラインについ
て、輝環像70の左端と右端間の画素数Ｎを求め、これを
DOとして一時記憶しておく。次のラインについても同様
にしてＮを求め、Ｎ＞DOであればこのＮをDOとして、DO
を更新する。このような処理を輝環像70が検出されなく
なるまで行えば、DOは輝環像70の外側直径に等しくな
る。第５図は２値画像68のライン72に対応した映像信号
Ｖと基準電圧Ｅとの関係を示す。 （86）次に、垂直同期信号VSYNCが検出されるのを待
つ。 （87）垂直同期信号VSYNCが検出されると、ピークホー
ルド回路42をリセットし（コンデンサに保持された電荷
を放電させる）、割り込みマスクを解除する。以上のよ
うにして、輝環像70の外側直径DOが測定される。 次に、外側直径DOと実直径DRの関係について説明す
る。 輝環像70の幅は、輝環23に働く張力によるので、シリ
コン単結晶32の下端の実直径DR、シリコン単結晶32の下
端部側面傾斜角、シリコン単結晶32の引上げ速度及び湯
面22Sの温度又は粘度等に依存すると考えられる。外側
直径DOと実直径DRの関係の概略を把握するために、１本
の細いネック部シリコン単結晶32について、上記装置で
外側直径DOを測定し、シリコン単結晶32を育成完了後に
ノギスでシリコン単結晶32の実直径DRを実測して、両者
の関係を調べたところ、第６図及び第７図に示すような
結果が得られた。 第６図は、結晶育成時に結晶径が増加している部分
の、実直径DRと外側直径DO＝DOiとの関係を示す。この
実験式は次式で表わされる。 DR＝1.198DOi−1.208 ・・（１） また、分散S2及び相関係数Ｒは次の通りであった。 S2＝1.126×10-2 Ｒ＝0.9996 第７図は、結晶育成時に結晶径が減少している部分
の、実直径DRと外側直径DO＝DOdとの関係を示す。この
実験式は次式で表わされる。 DR＝1.107DOd−0.5485 ・（２） また、分散S2及び相関係数Ｒは次の通りであった。 S2＝0.2389 Ｒ＝0.9904 上式（１）、（２）より、実直径DRを消去すると次式
が導出される。 ΔDid＝DOi−Dod ＝0.5506−0.076DOd ・・・（３） ここで、実直径DRが減少すると、外側直径DOはこの減
少量よりもDOiとDOdの差ΔDidだけ余分に減少すること
になる。逆の場合にはΔDidだけ余分に増加することに
なるが、上式（１）、（２）より、実直径DRの増分に対
するDOiの増分よりも実直径DRの増分に対するDOdの増分
の方が大きい。したがって、結晶ネック部育成制御に、
内側直径DIの代わりに外側直径DOを用いれば、実直径DR
が目標値より小さくなると、外側直径DOがより小さくな
り、外側直径DOを目標値に近づける動作が、その逆の場
合よりも大きくなる。このΔDidは、実直径DRが小さい
ほど大きくなる。結晶ネック部の絞り部分は、DR＝２〜
5mmと小さく、この部分では、ΔDid＝0.4〜0.2となる。
上述の如く、絞り部では直径制御偏差の絶対値を0.5mm
程度以下にする必要があるので、この量は本発明の効果
の程度に大きく関係している。 次に、外側直径DOを用いて結晶ネック部育成を制御し
た場合の実例を説明する。 第８図は、本実施例の結晶直径測定方法を用いて、結
晶ネック部育成を完全に自動制御した場合の、外側直径
DO、湯面温度Ｔ、及び結晶引き上げ速度Ｖの、種結晶引
上げ開始後の経過時間ｔに対する変化を示す。40分≦ｔ
≦70分においては、外側直径DOの目標値は3.5mmであ
り、外側直径DOがこの目標値になるように結晶引上げモ
ータの回転速度をPID動作で制御したものである。この
グラフから、外側直径DOが目標値以下になることが殆ど
無いことが判る。従来法を適用した場合には、PID動作
の対称的性質上、実直径DRは目標値の上下で同様に変化
する。 ネック部育成においては、シリコン単結晶32が細くな
り過ぎるとシリコン単結晶32の下端が湯面22Sから途切
れて結晶育成続行が不可能になるが、本発明を用いれ
ば、前記理由によりこのような途切れを防止することが
でき、ネック部育成自動制御の成功率を高めることがで
きる。 （２）第２実施例 上述の如く、外側直径DOはシリコン単結晶32の下端実
直径DR、シリコン単結晶32の下端部側面傾斜角及びシリ
コン単結晶32の引上げ速度等に依存する。そこで、第２
実施例では、この関係を用いて、内側直径DIから、外側
直径DOに類似した擬外側直径DOLを算出し、この擬外側
直径DOLを結晶径制御用としている。 ハードウエア構成は第１図と同一である。第９図は第
１図のマイクロコンピュータ52のソフトウエア構成を示
す。ステップ90〜92は第２図のステップ80〜82と同一で
ある。 （93）次に、ステップ83と同様の方法で、第４図に示す
輝環像70の内側直径DIを検出する。 （94）次式により擬外側直径DOLを求める。 DOL＝DI＋α（DI−DIB）／Δｔ ・（４） ここに、DIBは、内側直径DIを測定した時点から時間
Δｔ前の内側直径DIの値であり、ワークメモリ62に記憶
されている。また、αは内側直径DI、結晶引き上げ速度
Ｖ及び湯面温度Ｔの関数であり、実験的に求めたものを
テーブル化又は数式化し、これを用いて求める。 （95）この内側直径DIをDIBとしてワークメモリ62に一
時記憶する。 その後、ステップ96、97で第２図に示すステップ86、
87と同一の処理を行う。 このようにすれば、第１実施例と同様の結果が得られ
る。また、上式（１）のαを、直径制御がより良く行な
われるように、学習しながら変更することが可能であ
る。 なお、本発明には外にも種々の変形例が含まれる。 例えば、基準電圧Ｅは数十フィールド毎に更新しても
よい。また、ピーク電圧VMの検出と２値化とを１水平走
査線毎に交互に行ってもよい。さらに、基準電圧Ｅはピ
ーク電圧VMよりある一定値低い値に設定してもよい。ま
た、上式（４）におけるΔｔの代わりに、結晶引上げ距
離の増分を用いてもよい。
第１図乃至第８図は本発明の第１実施例に係り、 第１図は結晶育成自動制御用直径測定装置のハードウエ
ア構成図、 第２図は第１図に示すマイクロコンピュータ52のソウト
ウエア構成を示すフローチャート、 第３図は湯面22Sとシリコン単結晶32との界面付近を示
す図、 第４図は第１図の画像メモリ60に格納される２値画像68
を第３図と対応させて示す図、 第５図は第６図のライン72に対応した水平走査線の映像
信号VSと基準電圧Ｅとの関係を第４図と対応させて示す
図、 第６図は結晶育成部の直径が増加している時の実直径DR
と外側直径DOとの関係を示す図、 第７図は結晶育成部の直径が減少している時の実直径DR
と外側直径DOとの関係を示す図、 第８図は、結晶ネック部を実際に自動育成制御した場合
の、結晶育成開始後の経過時間ｔに対する外側直径DO、
湯面温度Ｔ及び結晶引き上げ速度Ｖを示す図である。 第９図は本発明の第２実施例のマイクロコンピュータ52
のソフトウエア構成を示すフローチャートである。 図中、 22は融液 22Sは湯面 26はワイヤ 30は種結晶 32はシリコン単結晶 34はチャンバ 38はCCDカメラ 68は画像 70は輝環像
ア構成図、 第２図は第１図に示すマイクロコンピュータ52のソウト
ウエア構成を示すフローチャート、 第３図は湯面22Sとシリコン単結晶32との界面付近を示
す図、 第４図は第１図の画像メモリ60に格納される２値画像68
を第３図と対応させて示す図、 第５図は第６図のライン72に対応した水平走査線の映像
信号VSと基準電圧Ｅとの関係を第４図と対応させて示す
図、 第６図は結晶育成部の直径が増加している時の実直径DR
と外側直径DOとの関係を示す図、 第７図は結晶育成部の直径が減少している時の実直径DR
と外側直径DOとの関係を示す図、 第８図は、結晶ネック部を実際に自動育成制御した場合
の、結晶育成開始後の経過時間ｔに対する外側直径DO、
湯面温度Ｔ及び結晶引き上げ速度Ｖを示す図である。 第９図は本発明の第２実施例のマイクロコンピュータ52
のソフトウエア構成を示すフローチャートである。 図中、 22は融液 22Sは湯面 26はワイヤ 30は種結晶 32はシリコン単結晶 34はチャンバ 38はCCDカメラ 68は画像 70は輝環像
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−239181（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−100097（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−180204（ＪＰ，Ａ)
Claims (3)
- 【請求項１】CZ法で単結晶を育成する際に、種結晶先端
とコーン部始端との間である単結晶ネック部の直径を制
御する方法において、 該単結晶の育成部をカメラ（38）で撮影し、 該カメラから出力される映像信号から、輝度が基準値
（Ｅ）以上となる輝環像（70）の外側直径（DO）を検出
（80〜83）し、 該検出直径が目標値になるように制御する、 ことを特徴とする単結晶ネック部直径制御方法。 - 【請求項２】CZ法で単結晶を育成する際に、種結晶先端
とコーン部始端との間である単結晶ネック部の直径を制
御する装置において、 該単結晶の育成部を撮影し、映像信号を出力するカメラ
（38）と、 １走査線分以上の映像信号の最大値（VM）を検出する手
段（42、44）と、 該最大値に応じた基準値（Ｅ）を求める手段（52、81）
と、 該基準値により該映像信号を２値化する手段（46〜50、
66）と、 該２値化による２値画像から、輝環像（70）の外側直径
（DO）を検出する手段（52、82、83）と、 該検出直径が目標値になるように制御する制御手段と、 を有することを特徴とする単結晶ネック部直径制御装
置。 - 【請求項３】CZ法で単結晶を育成する際に、種結晶先端
とコーン部始端との間である単結晶ネック部の直径を制
御する方法において、 該単結晶の育成部をカメラ（38）で撮影し、 該カメラから出力される映像信号から、輝度が基準値
（Ｅ）以上となる輝環像（70）の内側直径（DI）を検出
し、 該直径をメモリ（62）に記憶しておき（95）、 今回検出した直径（DI）に、該直径とある一定時間前に
検出した直径（DIB）との差に応じた値を加えたもの（9
4）が、目標値になるように制御する、 ことを特徴とする単結晶ネック部直径制御方法。
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| JP2081673A JP2601930B2 (ja) | 1990-03-29 | 1990-03-29 | 単結晶ネツク部直径制御方法及び装置 |
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| EP91104946A EP0450502B1 (en) | 1990-03-29 | 1991-03-28 | Method of diameter measurement used in automatically controlled crystal growth |
| US07/685,587 US5138179A (en) | 1990-03-29 | 1991-03-29 | Method of and device for diameter measurement used in automatically controlled crystal growth |
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| US7227983B1 (en) * | 2002-05-30 | 2007-06-05 | The Regents Of The University Of California | Automated macromolecular crystal detection system and method |
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| CN114990688B (zh) * | 2022-06-28 | 2024-01-26 | 西安奕斯伟材料科技股份有限公司 | 单晶体直径控制方法及装置、单晶硅拉晶炉 |
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- 1990-03-29 JP JP2081673A patent/JP2601930B2/ja not_active Expired - Fee Related
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1991
- 1991-03-28 EP EP91104946A patent/EP0450502B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1991-03-28 DE DE69104097T patent/DE69104097T2/de not_active Expired - Fee Related
- 1991-03-29 US US07/685,587 patent/US5138179A/en not_active Expired - Lifetime
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