JP4414504B2 - 結晶体の直径制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、結晶体の直径制御装置に関し、特に、光学式制御における結晶体の連続自動形成に有効な結晶体の直径制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
シリコンインゴット等の結晶体の製造は、一般に、チョクラルスキー法(以下、「CZ法」という)と称される引き上げ式の製造方法を用いて行われる。このCZ法は、所定の結晶方位を有するシードを原料融液であるメルトに浸し、該シードを上昇させながら、該シードと同じ結晶方位の結晶体を成長させる方法である。
【0003】
上記CZ法によって製造した結晶体の直径は、主に、該結晶体の引き上げ速度と成長時の熱環境によって決まる。シリコンインゴットの製造においては、所望の直径プロファイルを維持することが重要であるため、CZ法では、上記引き上げ速度や熱環境をフィードバック制御系を用いて最適化している。
【0004】
フィードバック制御系は、制御量の値(測定値)を目標値と比較して、これらを一致させる方向に作用する制御系である。換言すると、このフィードバック制御系は、測定値と目標値との偏差を0に収束させる制御系であると言える。従って、結晶体の直径制御を行う場合には、まず、該制御系の偏差入力として使用する対象を決定する必要がある。
【0005】
従来の直径制御では、主に、次の2つのパラメータが偏差入力として用いられ、それぞれが独自の制御方式として発展している。第1は、結晶体の成長界面における直径(以下、「成長直径GD」という)を偏差入力とする光学式制御である。この光学式制御では、光学センサを用いて結晶体の成長直径GDを検出し、該検出した値と目標直径との差が偏差入力となる。第2は、結晶体が成長した重量を偏差入力とする重量式直径制御である。この重量式制御では、重量センサを用いて結晶体の成長重要を検出し、該検出した値と目標重量との差が偏差入力となる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
CZ法で製造される結晶体は、一般に、次の3つのパートから構成される。第1のパートは、直径が叙々に増加するクラウンであり、第2のパートは、直径が一定のボディであり、第3のパートは、直径が叙々に減少するテールである。直径制御の完全自動化や生産力の向上を図るためには、これら3つのパートを同一の制御アルゴリズムで連続自動形成できることが好ましい。
【0007】
一般に、重量式制御を用いた場合には、上記3つのパートの連続自動形成が達成されやすい。これに対し、光学式制御を用いた場合には、この結晶体の連続自動形成が困難である。特に、直径の変化率が大きくなると、制御系が不安定になって、直径制御が不能になる場合がある。従来の光学式制御では、このような事態を回避するために、クラウン部分は、プログラム制御を基本とした方法が多用され、クラウンからボディへの移行部分に人手を介在させたり、該移行部分にのみ特殊な制御アルゴリズムを適用している。
【0008】
しかし、上記のような人手の介在や特殊なアルゴリズムの使用は、結晶体の連続自動形成の弊害となり、また、再現性が低く歩留まりを悪くする原因となる。特に、クラウンの非連続制御区間における液位の制御精度が悪くなることが指摘されており、この液位制御誤差が直径制御精度をさらに悪化させる要因となっている。光学式制御も重量式制御と並んで優れた制御方法であるが、上記の問題は未だ解決されるに至っていない。
【0009】
そこで、本発明は、光学式制御における結晶体の連続自動形成に有効な結晶体の直径制御装置を提供することを目的とする。
【0010】
【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、
ヒーターでルツボに熱を供給しつつルツボ内のメルトからシードを引き上げて結晶体を成長させるCZ装置に用いられ、結晶体の引き上げ速度及びヒーターの温度の両者を操作することによって結晶体の直径を制御する結晶体の直径制御装置において、
結晶体の成長直径を光学的に検出する成長直径検出手段と、
検出された成長直径と目標直径とを用いて、固化量の変動分を捉えることができる面積偏差を算出する面積偏差算出手段と、
算出された面積偏差を用いて結晶体の引き上げ速度を算出する引き上げ速度算出手段と、
算出された引き上げ速度で結晶体を引き上げる引き上げ速度制御手段と、
算出された面積偏差を用いてヒーター温度を算出するヒーター温度算出手段と、
算出されたヒーター温度にヒーターを制御するヒーター制御手段と、を具備した
ことを特徴とする。
請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明において、
前記引き上げ速度算出手段は、
算出された面積偏差を用いて結晶体の引き上げ速度操作量を算出する引き上げ速度操作量算出手段と、
結晶長さに応じた目標引き上げ速度を決定する目標引き上げ速度決定手段と、
引き上げ速度操作量と目標引き上げ速度とを用いて引き上げ速度を算出する演算手段と、を具備する
ことを特徴とする。
請求項3記載の発明は、請求項1記載の発明において、
前記ヒーター温度算出手段は、
算出された面積偏差を用いてヒーター温度操作量を算出するヒーター温度操作量算出手段と、
ヒーター設定温度とヒーター温度操作量とを用いてヒーター温度を算出する演算手段と、を具備する
ことを特徴とする。
請求項4記載の発明は、請求項2記載の発明において、
前記引き上げ速度操作量算出手段は、微分要素と比例要素からなる伝達関数を持つ制御ブロックを具備する
ことを特徴とする。
請求項5記載の発明は、請求項3記載の発明において、
前記ヒーター温度操作量算出手段は、積分要素からなる伝達関数を持つ第1の制御ブロックと、微分要素と比例要素と積分要素からなる伝達関数を持つ第2の制御ブロックと、を具備し、
さらに前記第1の制御ブロックと前記第2の制御ブロックは直列に配列される
ことを特徴とする。
請求項6記載の発明は、請求項1乃至5の何れか記載の発明において、
前記面積偏差算出手段は、目標直径と成長直径とを用いて直径偏差を算出し、この直径偏差と成長直径を用いるか又はこの直径偏差と目標直径を用いて面積偏差を算出する
ことを特徴とする。
請求項7記載の発明は、請求項1乃至5の何れか記載の発明において、
前記面積偏差算出手段は、目標直径を用いて目標面積を算出し、成長直径を用いて成長面積を算出し、目標面積と成長面積とを用いて面積偏差を算出する
ことを特徴とする。
請求項8記載の発明は、請求項1乃至5の何れか記載の発明において、
前記面積偏差算出手段は、
目標直径−成長直径
又は
成長直径−目標直径
によって直径偏差を算出し、
直径偏差×π×目標直径/2
又は
直径偏差×π×成長直径/2
によって面積偏差を算出する
ことを特徴とする。
請求項9記載の発明は、請求項1乃至5の何れか記載の発明において、
前記面積偏差算出手段は、
π×(目標直径/2) 2
によって目標面積を算出し、
π×(成長直径/2) 2
によって成長面積を算出し、
目標面積−成長面積
=π×(目標直径 2 −成長直径 2 )/4
又は
成長面積−目標面積
=π×(成長直径 2 −目標直径 2 )/4
によって面積偏差を算出する
ことを特徴とする。
【0011】
【発明の実施の形態】
(発明の概要)
本発明を一の観点から捉えると、本発明の特徴は、直径偏差に結晶体の直径情報を加味した偏差信号を生成し、該生成した偏差信号を制御系に入力することにあると言える。「直径情報を加味する」ことの意義は、直径偏差に立体的な概念を加えることにある。直径偏差は、成長直径GDの変動を一次元で捉えたパラメータであり、この中には、立体的な概念が含まれていない。しかし、結晶体は立体構造物であり、直径の変動は3次元的な変化となる。従って、一次元情報である直径偏差は、結晶体の実際の変動を正確には表していないといえる。
【0012】
そこで、本発明では、「直径情報を加味する」ことにより、一次元情報であった直径偏差を二次元情報に拡張する。その結果、この拡張された二次元情報には、成長時間という経時的要素が加わって、直径偏差は、実質的に3次元情報として扱われることになる。
【0013】
本発明を別の観点から捉えると、本発明の特徴は、直径偏差を面積偏差に変換して制御系に入力することにあるとも言える。即ち、結晶体の直径方向を一次元パラメータとすると、二次元パラメータは面積であり、三次元パラメータは体積であると考えることができる。従って、一次情報である直径偏差を二次元情報に拡張したときの好適な態様は、面積偏差である。そして、この面積偏差に成長時間という経時的要素を加えると、該面積偏差は体積偏差になると考えることができる。この体積偏差は、結晶体の固化量の変動分と等価であり、結晶体の直径変動は、該結晶体の固化量が変動した結果である。従って、直径の変動を面積偏差として捉えることは、実際の固化変動に則した極めて有効な方法である。
【0014】
特に、本発明は、特願平10−370141号の「結晶体の2値制御装置」に深く関連する。即ち、結晶直径と結晶引き上げ速度の2値を精度よくコントロールできる制御方法において開示された光学式並列制御をクラウン、ボディ、テールにわたって適用させる場合に、顕著な効果を奏する。
【0015】
(発明プロセス)
以下、本発明に至るまでの過程を添付図面を参照して詳細に説明する。尚、以下の説明では、本発明に深く関係する部分を重点的に説明し、図中に示した公知の構成要素については、その詳細な説明を省略する。
【0016】
まず、本発明者は、従来の光学式制御が不安定になる原因を次のように考えた。
図1は、直径偏差の概念を示す概念一部断面図である。同図に示すように、シード18の下に成長する結晶体10は、クラウン10−1、ボディ10−2の順に成長する。ここで、このクラウン10−1からボディ10−2にかかる部分のうち、同図中に示したA、B、C、Dの4つの位置に着目して考えてみると次のようになる。
【0017】
図2は、図1に示す結晶体10の断面方向の偏差を示す概念斜視図である。同図では、図1のA〜Dまでの点における直径偏差が同じであるものと仮定する。各点のハッチングで示した部分は、断面方向の偏差部分であり、A点では面積S1の偏差、B点では面積S2の偏差、C点では面積S3の偏差、D点では面積S4の偏差が生じる。これら偏差部分の面積を比較すると、S1<S2<S3=S4となる。このように、直径偏差が同じであっても実際の偏差は、結晶体10の位置によって異なる。
【0018】
次に、本発明者は、上記断面方向の偏差の関係を次のように捉えた。
まず、S1<S2<S3の関係に着目すると、これらは、それぞれ、A点、B点、C点の面積偏差である。そして、A点、B点、C点における結晶体10の直径は、A点<B点<C点の関係がある。同様に、S3=S4の関係に着目すると、この関係は、C点の直径とD点の直径が同じであることに起因することがわかる。従って、結晶体10の断面方向の偏差は、該結晶体10の直径と一定の関係があることが予想できる。光学式制御では、結晶体10の成長直径GDと目標直径GD0を逐次検出できるため、これらのパラメータを利用すれば、直径の偏差を面積の偏差として捉えることができる。
【0019】
上記のように考えた本発明者は、結晶体10の変動を面積の偏差として捉えることの妥当性について、重量式制御と比較し、次のような検討を行った。
図3は、重量式制御の好適な構成を示すブロック図である。同図中の「D1+D2」で示す微分ブロックは、一階微分と二階微分の和であり、「P+I+D」は、PID演算ブロックである。同図に示す重量式制御では、重量偏差が上記微分ブロックとPID演算ブロックに並列入力される。このブロック図は、クラウン10−1からボディ10−2にかけた部分の連続形成が良好に行えたものである。
【0020】
図4は、図3に示すブロック図を変形した後の構成を示すブロック図である。同図に示すように、図3の微分ブロックとPID演算ブロックから微分要素を1段抽出すると、図3の微分ブロックは、「P+D」で示す比例項と微分項の和になり、PID演算ブロックは、「I」で示す積分ブロックとPID演算ブロックとの縦接続になる。ここで、上記抽出した微分要素に着目すると、該微分要素は、重量偏差の微分結果を出力することがわかる。重量を密度で割れば体積になり、CZ法における体積は、時間とともに増加する概念であるため、体積の時間微分は面積になる。従って、重量偏差の微分出力は、面積偏差と等価であると考えることができる。
【0021】
ここで、上記抽出した微分要素の後段のブロック、即ち、「P+D」と「I+PID」の並列構成は、2値制御に最適な光学式の制御ブロックを構成する。つまり、この「P+D」と「I+PID」の並列構成に面積偏差を入力すれば、2値制御に最適な光学式制御となる。従って、該並列構成に面積偏差を入力することは、実質的に重量式制御と等価になるため、光学式制御でも面積偏差を制御ブロックに入力すれば、クラウン10−1からボディ10−2にかけての連続形成が十分期待できる。
【0022】
図5は、面積偏差の概念を光学式に適用した場合の構成を示すブロック図である。同図に示すように、例えば、直径偏差に「π・GD0/2」を乗じて、面積偏差に変換すれば、図4に示す重量式の制御ブロックと実質的に等価となる。
【0023】
本発明者は、上記観点に基づいて創作行為を繰り返し、光学式の制御性の向上に有効な構成を見出した。以下、この特徴ある新規な構成を詳細に説明する。
【0024】
(第1の形態)
図6は、本発明の第1の形態に係る結晶体の直径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1の形態の構成を説明する。
【0025】
成長直径検出手段M10は、結晶体10の成長直径GDを検出する。成長直径GDは、同図に示すように、結晶体10とメルト12の界面部分の直径である。この界面部分の直径を検出することによって、メルト12が固化した直後の直径を知ることができる。この成長直径GDの検出は、光学的に行う。つまり、この成長直径検出手段M10は、光学センサ等で具現化すればよい。
【0026】
直径偏差生成手段M12は、成長直径GDと結晶体10の目標直径GD0との偏差、即ち、直径偏差GDDを生成する。このようにして生成された直径偏差GDDは、結晶体10の成長直径GDが所望の値からどれだけずれているかを一次元的に示すパラメータとなる。この直径偏差生成手段M12は、同図に示すように、減算器を用いて具現化できる。尚、成長直径GDと目標直径GD0のどちらを減算対象とするかは任意である。
【0027】
偏差信号生成手段M14は、直径偏差GDDと、成長直径GDまたは目標直径GD0とを用いて、偏差信号DEVを生成する。ここで、成長直径GDおよび目標直径GD0は、直径情報という上位概念で捉えることができる等価パラメータであり、偏差信号DEVの生成には、いずれを使用してもよい。同図中のスイッチ記号は、両者が選択可能であることを示す。目標直径GD0を用いる場合の偏差信号DEVは、
[式1]
ここで:DEV=偏差信号;GDD=直径偏差;π=円周率;GD0=目標直径;
上式を用いて算出できる。成長直径GDを用いる場合には、上式のGD0をGDに変更すればよい。
【0028】
上式は、図2にハッチングで示したドーナツ状の領域の幅と、該ドーナツの円周との積である。直径偏差GDDが成長直径GDに比べて小さいときは、該ドーナツ領域の面積をこの概念で近似することができる。従って、上式を用いれば、直径偏差GDDは、2次元の面積情報になる。
【0029】
制御系100は、偏差信号DEVに基づいて、結晶体10の成長直径GDを制御する。成長直径GDを制御する方法としては、前述したように、結晶体10の引き上げ速度、即ち、シード上昇速度を操作するか、または、該結晶体10周辺の温度環境を操作すればよい。これらの操作は、図5に示したような制御ブロックを構成することによって達成できる。同図に示すSLCは、シード上昇速度の操作量であり、TCは、温度の操作量である。
【0030】
この制御系100は、図5に示したような「P+D」と「I+PID」の2つのブロックを並列に接続した構成や2つのPID演算ブロックをカスケードに接続した構成の双方を含む。制御系100の構成としては、これらの他にも様々なバリエーションが考えられるが、制御系100の構成は、本発明の主題ではないため、ここでは説明を省略する。また、シード上昇速度の操作や温度環境の操作も公知の概念であるため、これらの説明も同様に省略する。
【0031】
以上説明した本発明の第1の形態によれば、直径偏差GDDが成長直径GDまたは目標直径GD0によって、2次元情報に変換されるため、結晶体10の直径変動によってコントロールすべき量、即ち、光学センサで検出される表面的な変動だけではなく、固化量の変動分を捉えることができる。その結果、制御系100に入力されるループゲインの妥当性が高くなり、制御性の向上が期待できる。
【0032】
(第2の形態)
図7は、本発明の第2の形態に係る結晶体の直径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。
【0033】
面積変換手段M16は、成長直径GDおよび目標直径GD0をそれぞれ成長面積GAおよび目標面積GA0に変換する。成長直径GDおよび目標直径GD0の面積変換は、半径×半径×πの周知定理を用いて行えばよい。この面積変換の技術的意義は、前述した第1の形態のように、直径偏差GDDを一旦求めて、これを2次元情報に変換するのではなく、成長直径GDおよび目標直径GD0を直接2次元情報に変換することにある。これにより、面積偏差をより正確に求めることができる。
【0034】
即ち、前述した第1の形態では、制御系100に入力する面積偏差を図2のドーナツ領域の幅と円周との積という近似概念で求めたが、本形態では、このような近似概念ではなく、面積偏差をドーナツ領域の外延を構成する円と中心部を構成する円との差で求める。偏差信号生成手段M14は、この処理を実行し、生成した偏差信号DEVを制御系100に入力する。
【0035】
以上説明した本発明の第2の形態によれば、成長直径GDと目標直径GD0とが直接面積情報に変換されるため、面積偏差をより正確に求めることができる。その結果、より好適な直径制御が期待できる。
【0036】
【実施例】
(要約)
直径偏差GDDを第1演算実行部68−1入力して、該直径偏差GDDを面積偏差GADに変換し、これを速度制御系を構成するPD型速度操作アンプ86と、温度制御系を構成するI型温度操作アンプ88に並列入力する(図11参照)。
【0037】
(好適な実施例)
前述したように、直径偏差を2次元的に捉えるという技術思想は、光学式制御の分野において、非常に有用な考え方である。ここでは、この特徴ある技術思想を産業上好ましいと思われる態様で具現化した例を示す。尚、以下の説明において、前述した構成要素に相当するものについては、その詳細な説明を省略する。また、以下に示す実施例は、本発明の一具現化例であり、本発明を限定するものではない。
【0038】
図8は、本発明の好適な実施例に係る結晶体の直径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、該直径制御装置の構成を説明する。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。
【0039】
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、結晶体10の成長直径GDの制御を実行する。この主制御部30は、該直径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32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12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。
【0040】
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を有し(図9参照)、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。
【0041】
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9参照)、主制御部30が決定した速度でルツボ14を上昇させる。
【0042】
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。
【0043】
直径センサ28は、メルト12の上方に配設され、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。
【0044】
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。
【0045】
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30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。
【0046】
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。
【0047】
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46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。
【0048】
図9は、図8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。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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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SLH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。
【0052】
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。
【0053】
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。
【0054】
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。
【0055】
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。
【0056】
図10は、図8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。
【0057】
図11は、図8に示した主制御部30の第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。
【0058】
KV=速度変換定数、KT=温度変換定数、TDV=速度制御系微分時間、TDT=温度制御系微分時間、TIV=速度制御系積分時間、TIT=温度制御系積分時間、αV=速度制御系微分係数、αT=温度制御系微分係数、PV=速度制御系比例ゲイン、PT=温度制御系比例ゲイン。
【0059】
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、該生成した値を目標直径決定部78と、図12に示す目標速度決定部80と、ルツボ直径決定部82に出力する。尚、上記第1アンプ66−1の後段は、ソフトウェアで構成する。
【0060】
第2アンプ66−2は、図8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1減算器70−1と、図12に示す第2演算実行部68−2とルツボ直径決定部82に出力する。この第2アンプ66−2の後段は、ソフトウェアで構成する。
【0061】
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と第1減算器70−1に出力する。
【0062】
第1減算器70−1は、目標直径決定部78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、該生成した値を第1演算実行部68−1に出力する。
【0063】
第1演算実行部68−1は、
[式2]
ここで:GAD=面積偏差;π=円周率;GDD=直径偏差;GD(GL)=目標直径;
上記演算を実行して、直径偏差GDDを面積偏差GADに変換する。そして、該変換した面積偏差GAD<mm2>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。
【0064】
PD型速度操作アンプ86は、
[式3]
上記伝達関数でGAD<mm 2 >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12に示す第2減算器70−2に出力する。
【0065】
I型温度操作アンプ88は、
[式4]
上記伝達関数でGAD<mm2>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。
【0066】
PID型温度操作アンプ74は、
[式5]
上記伝達関数でI型温度操作アンプ88の出力を処理して、温度操作量TC<℃>を生成する。そして、該生成した値を図13に示す第3減算器70−3に出力する。
【0067】
図12は、図8に示した主制御部30の第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、この第2ブロックの構成を説明する。
【0068】
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/min>として第2減算器70−2に出力する。
【0069】
第2減算器70−2は、SL(GL)<mm/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。
【0070】
第4アンプ66−4は、上記第2減算器70−2の出力をアナログ信号SL<volt>に変換し、図9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。
【0071】
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。そしてこの割り出した直径を第2演算実行部68−2に出力する。
【0072】
第2演算実行部68−2は、
[式6]
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(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。
【0073】
第5アンプ66−5は、CL<mm/min>をアナログ信号CL<volt>に変換し、図9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。
【0074】
図13は、図8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。
【0075】
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。
【0076】
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。
【0077】
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。
【0078】
PID型温度制御アンプ84は、
[式7]
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8に示すヒーター制御部34に出力する。
【0079】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光学式制御における結晶体の連続自動形成に有効な結晶体の直径制御装置を提供することができる。
【0080】
また、本発明の第1の形態によれば、直径偏差GDDが成長直径GDまたは目標直径GD0によって、2次元情報に変換されるため、結晶体10の直径変動によってコントロールすべき量、即ち、光学センサで検出される表面的な変動だけではなく、固化量の変動分を捉えることができる。その結果、制御系100に入力されるループゲインの妥当性が高くなり、制御性の向上が期待できる。
【0081】
また、本発明の第2の形態によれば、成長直径GDと目標直径GD0とが直接面積情報に変換されるため、面積偏差をより正確に求めることができる。その結果、より好適な直径制御が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】直径偏差の概念を示す概念一部断面図である。
【図2】図1に示す結晶体10の断面方向の偏差を示す概念斜視図である。
【図3】重量式制御の好適な構成を示すブロック図である。
【図4】図3に示すブロック図を変形した後の構成を示すブロック図である。
【図5】面積偏差の概念を光学式に適用した場合の構成を示すブロック図である。
【図6】本発明の第1の形態に係る結晶体の直径制御装置の構成を示すブロック図である。
【図7】本発明の第2の形態に係る結晶体の直径制御装置の構成を示すブロック図である。
【図8】本発明の好適な実施例に係る結晶体の直径制御装置の構成を示す一部断面図である。
【図9】図8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10】図8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11】図8に示した主制御部30の第1ブロックの構成を示すブロック図である。
【図12】図8に示した主制御部30の第2ブロックの構成を示すブロック図である。
【図13】図8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。
【符号の説明】
10…結晶体、10−1…クラウン、10−2…ボディ、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、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、66−2…第2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、68−1…第1演算実行部、68−2…第2演算実行部、70−1…第1減算器、70−2…第2減算器、70−3…第3減算器、70−4…第4減算器、74…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、100…制御系、M10…成長直径検出手段、M12…直径偏差生成手段、M14…偏差信号生成手段、M16…面積変換手段、GA…成長面積、GA0…目標面積、GAD…面積偏差、GD…成長直径、GD0…目標直径、GDD…直径偏差、GL…結晶成長長さ、DEV…偏差信号、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 (9)
- ヒーターでルツボに熱を供給しつつルツボ内のメルトからシードを引き上げて結晶体を成長させるCZ装置に用いられ、結晶体の引き上げ速度及びヒーターの温度の両者を操作することによって結晶体の直径を制御する結晶体の直径制御装置において、
結晶体の成長直径を光学的に検出する成長直径検出手段と、
検出された成長直径と目標直径とを用いて、固化量の変動分を捉えることができる面積偏差を算出する面積偏差算出手段と、
算出された面積偏差を用いて結晶体の引き上げ速度を算出する引き上げ速度算出手段と、
算出された引き上げ速度で結晶体を引き上げる引き上げ速度制御手段と、
算出された面積偏差を用いてヒーター温度を算出するヒーター温度算出手段と、
算出されたヒーター温度にヒーターを制御するヒーター制御手段と、を具備した
ことを特徴とする結晶体の直径制御装置。 - 前記引き上げ速度算出手段は、
算出された面積偏差を用いて結晶体の引き上げ速度操作量を算出する引き上げ速度操作量算出手段と、
結晶長さに応じた目標引き上げ速度を決定する目標引き上げ速度決定手段と、
引き上げ速度操作量と目標引き上げ速度とを用いて引き上げ速度を算出する演算手段と、を具備する
ことを特徴とする請求項1記載の結晶体の直径制御装置。 - 前記ヒーター温度算出手段は、
算出された面積偏差を用いてヒーター温度操作量を算出するヒーター温度操作量算出手段と、
ヒーター設定温度とヒーター温度操作量とを用いてヒーター温度を算出する演算手段と、を具備する
ことを特徴とする請求項1記載の結晶体の直径制御装置。 - 前記引き上げ速度操作量算出手段は、微分要素と比例要素からなる伝達関数を持つ制御ブロックを具備する
ことを特徴とする請求項2記載の結晶体の直径制御装置。 - 前記ヒーター温度操作量算出手段は、積分要素からなる伝達関数を持つ第1の制御ブロックと、微分要素と比例要素と積分要素からなる伝達関数を持つ第2の制御ブロックと、を具備し、
さらに前記第1の制御ブロックと前記第2の制御ブロックは直列に配列される
ことを特徴とする請求項3記載の結晶体の直径制御装置。 - 前記面積偏差算出手段は、目標直径と成長直径とを用いて直径偏差を算出し、この直径偏差と成長直径を用いるか又はこの直径偏差と目標直径を用いて面積偏差を算出する
ことを特徴とする請求項1乃至5の何れか記載の結晶体の直径制御装置。 - 前記面積偏差算出手段は、目標直径を用いて目標面積を算出し、成長直径を用いて成長面積を算出し、目標面積と成長面積とを用いて面積偏差を算出する
ことを特徴とする請求項1乃至5の何れか記載の結晶体の直径制御装置。 - 前記面積偏差算出手段は、
目標直径−成長直径
又は
成長直径−目標直径
によって直径偏差を算出し、
直径偏差×π×目標直径/2
又は
直径偏差×π×成長直径/2
によって面積偏差を算出する
ことを特徴とする請求項1乃至5の何れか記載の結晶体の直径制御装置。 - 前記面積偏差算出手段は、
π×(目標直径/2) 2
によって目標面積を算出し、
π×(成長直径/2) 2
によって成長面積を算出し、
目標面積−成長面積
=π×(目標直径 2 −成長直径 2 )/4
又は
成長面積−目標面積
=π×(成長直径 2 −目標直径 2 )/4
によって面積偏差を算出する
ことを特徴とする請求項1乃至5の何れか記載の結晶体の直径制御装置。
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