JP2627695B2 - Cz法における融液レベル制御装置および制御方法 - Google Patents

Cz法における融液レベル制御装置および制御方法

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、CZ法による単結晶製
造装置に使用する融液レベル制御装置および制御方法に
関する。
【0002】
【従来の技術】半導体素子の基板となる単結晶をCZ法
によって製造する場合、単結晶の成長に伴ってるつぼ内
の融液レベルが降下するが、良質の単結晶を得るためる
つぼ軸を駆動してるつぼを上昇させ、ヒータに対する融
液レベルの相対的な位置を一定に制御する必要がある。
前記融液レベルの制御に当たり、まず融液レベルを測定
する必要があるが、測定装置として下記のものが知られ
ている。 (1)実開平3−18171に示されるように、融液面
に向けて斜方から検出光を投射し、融液面からの反射光
を受光素子で検出して融液レベルを演算する測定装置。 (2)特開平1−83595に示されるように、基準位
置検出器と融液面との距離を測定後、テレビカメラのイ
メージセンサと融液面との距離が設定値になるようにる
つぼ軸を上下動させる装置。 (3)特開昭60−42294に示されるように、融液
面に垂直に投射した光の反射光強度をホトダイオードで
検出し、その出力が一定になるようにるつぼ軸を制御す
る装置。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】るつぼの加熱により融
液面は絶えず振動しているため、融液面に投射した光の
反射光は各方向に散乱する。これに対して上記測定装置
はいずれも直径1mm程度の光束であるため、前記散乱
によって検出精度が低くなり、融液レベルを正確に制御
することが困難である。そこで本発明は上記従来の問題
点に着目し、融液面の振動にかかわらず融液レベルを常
に高精度で検出し、制御することができるようなCZ法
における融液レベル制御装置および制御方法を提供する
ことを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係るCZ法における融液レベル制御装置
は、CZ法を用いる単結晶製造装置において、チャンバ
上方からコヒーレント光を拡大光束として融液面に投射
する光学系と、前記拡大光束の融液面におけるスポット
径を反射光として捕捉し、制御部に入力する検出系と、
所定のるつぼ位置指令信号を前記制御部に出力するるつ
ぼ位置指令部と、前記検出系が検出したスポット径と、
所定のるつぼ位置指令信号に基づくスポット径の目標値
とを比較し、サーボモータ用パワーアンプに駆動速度指
令信号を出力する制御系とを備える構成とし、前記融液
レベル制御装置を用いる場合の融液レベル制御方法は、
チャンバ上方から融液面に投射される拡大光束の、融液
面からの反射光として捕捉したスポット径df と、るつ
ぼ位置指令部が出力するるつぼ位置指令信号X0 に基づ
くスポット径の目標値d0 とを比較し、その差が限界値
以下であれば前記るつぼ位置指令信号X0 に基づくるつ
ぼ軸昇降用サーボモータの駆動速度v0 をサーボモータ
用パワーアンプに出力し、その差が限界値を超えたとき
は前記るつぼ位置指令信号X0 の補正値△Xを演算した
上、X0 ±△Xに基づく前記サーボモータの駆動速度v
1 をサーボモータ用パワーアンプに出力し、前記サーボ
モータの回転角から演算したるつぼ位置Xf と前記X0
とを比較して、その差が限界値以下となるように制御す
るものとした。
【0005】
【作用】上記構成によれば、チャンバ上方からコヒーレ
ント光を拡大光束として融液面に投射し、融液面上に形
成されるスポット光の直径を測定して、前記スポット径
が常に一定の値を維持するようにるつぼ軸昇降用サーボ
モータの駆動を制御することにしたので、大きなスポッ
ト径を形成することによってるつぼの加熱による融液面
の振動の影響を受けにくくすることができ、融液レベル
の測定精度を高めることができる。従って上記測定結果
に基づいて、ヒータに対して融液レベルが常に最適位置
になるようにるつぼ位置を制御することが可能となる。
【0006】
【実施例】以下に本発明に係るCZ法における融液レベ
ル制御装置の実施例について、図面を参照して説明す
る。図1において、チャンバ1の上部外側にコヒーレン
トな検出光を発振するたとえばレーザ光発振器2と、レ
ーザ光発振器2の前方に位置するビームエキスパンダ3
とが設けられている。また、チャンバ1には光透過窓1
aが取着され、チャンバ1内には凹形ミラー4が設置さ
れていて、前記レーザ光発振器2、ビームエキスパンダ
3、光透過窓1a、凹形ミラー4の中心は、いずれも同
一直線上にある。
【0007】前記レーザ光発振器2から発振され、ビー
ムエキスパンダ3、光透過窓1aを経て凹形ミラー4に
より屈折するレーザ光は融液面5で反射する。チャンバ
1にはこの反射光を捕捉する位置に光透過窓1bが取着
され、チャンバ1の外側には前記反射光を捕捉するCC
Dカメラ6が設けられている。CCDカメラ6の出力配
線6aは制御部7に接続され、るつぼ位置指令部8の出
力配線8aも前記制御部7に接続されている。また前記
制御部7の出力配線は、サーボモータ用パワーアンプ9
を介してるつぼ軸昇降用サーボモータ10に接続され、
るつぼ11を昇降するるつぼ軸12は図示しない昇降機
構を介して前記るつぼ軸昇降用サーボモータ10によっ
て昇降する。なお、前記サーボモータ10の回転角を検
出してパルス値に変換するエンコーダの出力配線10a
は、前記制御部7に接続されている。
【0008】前記ビームエキスパンダ3と凹形ミラー4
とを介して融液面5に投射されるレーザ光の拡大光束に
より、融液面上におけるスポット径dは、図2および図
3に示すようにd=10〜20mmとなり、従来の融液
レベル測定装置に比べて著しく大きい。CCDカメラ6
は、たとえば図3に示すスポット径d1 ,d2 のうち融
液面の振動による変動の小さい方を選んで、実スポット
径df として制御部7に出力する。
【0009】図4は本実施例における融液レベル制御装
置の構成を示すブロック図である。るつぼ位置指令信号
X0 出力手段すなわちるつぼ位置指令部8が出力する指
令信号は、制御部7内のX0 に基づくスポット径の目標
値d0 設定・記憶手段21に入力され、目標スポット径
d0 と実スポット径df との差の限界値△dl 記憶手段
22によって前記限界値△dl が記憶される。スポット
径df 検出手段すなわちCCDカメラ6の出力は|d0
−df |演算手段23に入力され、この演算結果と前記
限界値△dl 記憶手段22の出力とにより、△dl と|
d0 −df |との比較・判定手段24が△dl と|d0
−df |とを比較する。そして|d0 −df |が△dl
以下であれば、X0 に基づくサーボモータ駆動速度指令
信号v0出力手段25がv0 をサーボモータ用パワーア
ンプ9に出力し、|d0 −df |が△dl を超えたとき
は、X0 の補正値±△X演算手段26を経て、X0 ±△
Xに基づくサーボモータ駆動速度指令信号v1 出力手段
27がv1 をサーボモータ用パワーアンプ9に出力す
る。るつぼ軸昇降用サーボモータ10は、サーボモータ
用パワーアンプ9によって駆動され、るつぼ軸12が昇
降する。
【0010】また、前記サーホモータ10の回転角を検
出してパルス値に変換するサーボモータ回転角検出手段
すなわちエンコーダ13の出力に基づいて、るつぼ位置
Xf演算手段28がXf を演算し、|X0 −Xf |演算
手段29の演算結果と、X0とXf との差の限界値△XL
記憶手段30とから、△XL と|X0 −Xf |との比
較・判定手段31で前記両者の比較が行われる。この結
果はX0 に基づくサーボモータ駆動速度指令信号v0 出
力手段25またはX0 ±△Xに基づくサーボモータ駆動
速度指令信号v1 出力手段27にフィードバックされ
る。
【0011】次に、本融液レベル制御装置による融液レ
ベル制御方法について、図5のフローチャートと図1と
を参照して説明する。図5において各ステップの左上に
記載した数字はステップ番号である。まず、ステップ1
でるつぼ位置指令信号X0 が読み込まれ、ステップ2で
前記指令信号X0 に基づく目標スポット径d0 と、CC
Dカメラ5が検出した実スポット径df とが読み込まれ
る。ステップ3では、|d0 −df |の演算結果とスポ
ット径の制御限界値△dL とを比較する。そして、△d
L ≧|d0 −df |ならばステップ4に進み、るつぼ位
置指令信号X0に基づくサーボモータ駆動速度指令信号
v0 をサーボモータ用パワーアンプ9に出力する。ま
た、ステップ3で△dL <|d0 −df |の場合はステ
ップ5に進み、るつぼ位置指令信号X0 をX0 ±△Xに
補正した上、前記X0 ±△Xに基づくサーボモータ駆動
速度指令信号v1 をサーボモータ用パワーアンプ9に出
力する。
【0012】ステップ6では、サーボモータ駆動速度指
令信号v0 またはv1 によって変位したるつぼ位置を、
るつぼ軸昇降用サーボモータ10の回転角で検出してエ
ンコーダ13が出力するパルス信号により演算し、るつ
ぼ位置Xf として読み込む。次にステップ7でX0 とX
f との差と、前記差の限界値△XL とを比較する。そし
て△XL ≧|X0 −Xf |ならば、融液レベル判定スタ
ートとなり、ステップ2に戻る。また、△XL <|X0
−Xf |の場合はステップ5に戻る。
【0013】本実施例ではチャンバ内部上方に凹形ミラ
ーを設置し、拡大光束を屈折させて融液面に投射する構
成としたが、これに限るものではなく、チャンバ外部上
方にコヒーレントな検出光の発振器と、この発振器の下
方にビームエキスパンダおよび凸レンズとを一直線上に
設け、前記発振器から下方に垂直に拡大光束を投射する
構成としてもよい。
【0014】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、単
結晶製造装置における融液レベルの制御に当たり、ビー
ムエキスパンダを用いて拡大した光束を融液面に投射
し、融液面における拡大スポット光の直径を検出してる
つぼの昇降を制御する融液レベル制御装置および制御方
法としたので、従来の測定装置と異なり、融液面の振動
に影響されることなく融液レベルを高精度に制御するこ
とができる。従って、ヒータに対する融液レベルを一定
に維持することが容易にできるようになり、成長結晶内
に取り込まれるOi濃度の変動を低減させることがで
き、高品質の単結晶を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】融液レベル制御装置の概略構成を示す説明図で
ある。
【図2】融液面に投射される光の側面説明図である。
【図3】融液面におけるスポット光の平面説明図であ
る。
【図4】融液レベル制御装置の構成を示すブロック図で
ある。
【図5】融液レベル制御装置の制御を実行するフローチ
ャートである。
【符号の説明】
1 チャンバ 2 レーザ光発振器 3 ビームエキスパンダ 4 凹形ミラー 5 融液面 6 CCDカメラ 7 制御部 8 るつぼ位置指令部 9 サーボモータ用パワーアンプ 10 るつぼ軸昇降用サーボモータ 11 るつぼ

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 CZ法を用いる単結晶製造装置におい
    て、チャンバ上方からコヒーレント光を拡大光束として
    融液面に投射する光学系と、 前記拡大光束の融液面におけるスポット径を反射光とし
    て捕捉し、制御部に入力する検出系と、 所定のるつぼ位置指令信号を前記制御部に出力するるつ
    ぼ位置指令部と、 前記検出系が検出したスポット径と、所定のるつぼ位置
    指令信号に基づくスポット径の目標値とを比較し、サー
    ボモータ用パワーアンプに駆動速度指令信号を出力する
    制御系とを備えたことを特徴とする、CZ法における融
    液レベル制御装置。
  2. 【請求項2】チャンバ上方から融液面に投射される拡大
    光束の、融液面からの反射光として捕捉したスポット径
    df と、るつぼ位置指令部が出力するるつぼ位置指令信
    号X0 に基づくスポット径の目標値d0 とを比較し、そ
    の差が限界値以下であれば前記るつぼ位置指令信号X0
    に基づくるつぼ軸昇降用サーボモータの駆動速度v0 を
    サーボモータ用パワーアンプに出力し、その差が限界値
    を超えたときは前記るつぼ位置指令信号X0 の補正値△
    Xを演算した上、X0 ±△Xに基づく前記サーボモータ
    の駆動速度v1 をサーボモータ用パワーアンプに出力
    し、前記サーボモータの回転角から演算したるつぼ位置
    Xf と前記X0 とを比較して、その差が限界値以下とな
    るように制御することを特徴とする請求項1の融液レベ
    ル制御装置を用いる融液レベル制御方法。
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