JPH01317191A - 単結晶引上装置における直径測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、チョクラルスキー法（ＣＺ法）を用いてルツ
ボ内に収納された融液から単結晶を引上げる単結晶引上
装置において、直径測定装置において融液の液面位置を
測定する液面位置測定に関する。

〔従来の技術〕

チョクラルスキー法にて単結晶を引上げる場合には、特
開昭６２−１３８３８７のような光学的方法にてその直
径を制御しているが、直径制御の精度を上げるためにも
また引上後の結晶の冷却過程の熱履歴を制御することに
より結晶の品質を安定させるためにも、融液面の位置を
止確に測定及び制御する必要がある。ここで、従来の独
立した液面位置測定装置について第７図に基づいて説明
する。

第７図は、従来の液面位置測定装置の構成例を示すブロ
ック図である。この図において、符＠１は炉本体内に設
けられ、かつ融液２を収納しているルツボであり、この
ルツボ１は下軸３に取イ４りられている。そして、この
下軸３の下端部には、伝達機構４を介して、ルツボ回転
モータ５及びルツボ昇降モータ６が連結されており、こ
れらのモータ５，６を駆動することにより、ルツボ１が
所定方向に回転すると共に、上下方向に移動するように
なっている。また、前記ルツボ１の周囲には、ルツボ１
内の融液２の温度を制御するヒータ７が設置されている
。さらに、ルツボ１の上方には、回転モータ８及び引上
モータ９の駆動力によりワイヤ１０を回転させながら引
上げる引上機構１１が配置されており、ワイヤ１０の先
端には種結晶１２を把持するホルダ１３が設けられてい
る。そして、前記各モータ８，９により種結晶１２が回
転しながら引上げられて、この種結晶１２の下端にシリ
コン単結晶１４が成長していく。

また、第７図中符号１５は制御装置であり、レーザ源１
６から出てルツボ１内の融液２の液面で反射した光を捉
える受光部１７の出力電流に基づいて融液面の位置を検
出する液面位置検出部１５ａと、液面位置目標値を設定
し、出力する液面位置目標値出力部１５ｂと、液面位置
目標値出力部１５ｂの出力データと液面位置検出部１５
ａの出力信号の偏差に対してＰＩＤ演算を行い、この演
算結果に対応する駆動信号をルツボ昇降モータ６に供給
する演算部１５ｃとを備えている。ここで、受光部１７
は、融液面で反射したレーザ光の受光位置に比例して電
流を出力するものである。すなわち、受光部１７はレー
ザ光の受光位置に対応した電流を出力し、前記制御装＠
１５において、前記出力電流から液面位置を求め、液面
位置目標値との偏差が０となるようにルツボ上昇速度に
フィードバックし、液面位置を制御するようになってい
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、上述した従来の液面位置測定装置においては
、炉本体にレーザ源１６と受光部１７の窓がそれぞれ必
要なため、炉本体の構造が複雑となり、また、レーザ源
１６及び受光部１７も高価なことから、液面位置測定装
置の設備費用が嵩むという問題があった。さらに、融液
面が撮動した場合、レーザ光の受光位置が不安定となり
、液面位置測定精度が低くなるという欠点があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的
とするところは、直径測定と兼ねて、かったとえ融液面
が振動した場合でも柔軟に対応できて精度の高い液面位
置を測定することができる直径測定装置を提供づ゛るこ
とにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明は、単結晶が引上げ
られる融液面上の所定のラインを検出領域として走査し
、これにより、前記ライン上の光エネルギを検出するラ
インカメラと、このラインカメラの出力信号に基づいて
、ヒートリングの位置を検出し、このヒートリングから
引上結晶の直径を算出する直径検出手段と、前記ライン
カメラもしくはその光学経路を移動することにより、前
記ラインを融液面上で平行に往復動させ、かつ平行移動
の軌跡によって構成される領域が前記引上結晶の中心を
通るようにする検出ライン往復手段と、前記ラインカメ
ラもしくはその光学経路の位置を検出する位置検出手段
と、前記ラインの往路または復路において前記直径検出
手段により検出される直径データと前記位置検出手段に
より検出される位置データを対にして順次記憶すると共
に、この記憶した直径データのうち最大のものに対応す
る位置データから前記融液の液面位置を算出する液面位
置検出手段とを備えたものである。

〔作　用〕

本発明の単結晶引上装置における直径測定装置にあって
は、ラインカメラが検出した光エネルギーに基づいて、
直径検出手段によって引上結晶の直径を算出すると共に
、検出ライン往復手段によって前記ラインカメラの検出
ラインを融液面上で平行に往復動させ、各検出ライン毎
に、直径検出手段により検出される位置データと位置検
出手段により検出される位置データを対にして液面位置
検出手段において記憶し、この記憶した直径データのう
ち最大のものに対応する位置データから融液の液面位置
を算出する。

〔実施例〕

以−ト、第１図ないし第６図に基づいて本発明の一実施
例を説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す概略構成図である。な
お、この図において、前述した第４図の各部と対応する
部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。

第１図において符号２０はパルスモータであり、このパ
ルスモータ２０は制御装置１５のモータ駆動部１５ｄの
制御により所定量の正転及び逆転を繰り返すようになっ
ている。そして、このパルスモータ２０の回転軸は、ラ
インカメラ２１の位置を図面において矢印方向に移動さ
せるカメラスライド機構２２に連結されており、この結
果、パルスモータ２０が正転、逆転を繰り返すと、ライ
ンカメラ２１は図面において矢印方向に往復移動するよ
うになっている。この場合、ラインカメラ２１とその検
出ラインｊとの関係は、第２図に示すように、ラインカ
メラ２１の移動方向Ａが検出ラインｊに対して直交する
ように（ラインｊが平行移動するように）構成されてお
り、また、その移動範囲はシリコン単結晶１４の中心を
通るように設定されている。さらに、パルスモータ２０
の回転軸にはエンコーダ２３が装着されており、このエ
ンコーダ２３は、パルスモータ２０が一定の角度回転す
る毎にパルスを出力するようになってい　。

る。そして、前記制御装置１５の位置検出手段１５ｅは
、エンコーダ２３の出力パルス数を計数し、ラインカメ
ラ２１の位置を求めるようになっている。

また、前記制御装置１５には液面位置検出手段１５ｆが
設けられており、この液面位置検出手段１５１’には、
直径データと位置データを対にして記憶する多数の記憶
エリアｅ１〜ｅｎ及びｆ１〜ｆｎからなるバッファＢＦ
が設けられている。そして、前記液面位置検出手段１５
ｆは、直径検出部１５Ｃ］から供給される直径データと
位置検出手段１５ｅから構成される装置データとを、検
出ライン」の往路分もしくは復路分だｔプ対にして各々
記憶エリアｅ１〜ｅｎ及びｆ１〜ｆｎに順次格納し、こ
の格納したライン位置データのうち最大の直径データに
対応する位置データから液面位置を求めて出力するよう
になっている。

ここで、ラインカメラ２コと直径検出部１５すとによる
直径検出の原理について説明する。

まず、引上げられていく種結晶１２やシリコン単結晶１
４（以下、これらを総称するときは引上結晶２５という
）の回りには、第２図に示すような光エネルギの大きい
輸２４ができる。この輪２４は、一般にヒユージョンリ
ングあるいはヒートリングと呼ばれ（以下、ヒートリン
グという）、その先エネルギが近傍の他の部分に比べ著
しく大きくなっており、また、ヒートリング２４の位置
は、図からも容易に判るように、引上結晶２５の外形に
ほぼ一致する位置にある。従って、ヒートリング２４の
位置を検出すれば引上結晶２５の外形寸法（直径）を検
出することができる。そして、ラインカメラ２１は、第
２図に示すように、その移動方向へに往復Ｓ動じながら
順次検出ラインｊを走査しているから、引上結晶の中心
を通るラインｊを検出ラインとするように設置でき、こ
のラインｊを走査することによって各点の光エネルギを
順次検出して、第３図に示すような信号を出力Ｊ−る。

このラインカメラ２１の出力信号は直径検出部１５ｇに
供給され、ここで所定のしきい値ＴＨと比較され、第４
図に示すように、ヒートリング２４に対応する点のみが
゛Ｈ°ルベルのパルス信号Ｓに変換される。そして、直
径検出部１５ｇは、第５図に示すような゛°Ｈパレベル
の間隔（ビット間隔）に基づいて、引上結晶の直径を検
出する。

また、液面位置を検出する原理は、第６図に示すように
、ラインカメラ２１の角度をθ、ラインカメラ２１の原
点位置Ｐ＋　と基準面との垂直方向の距離をＣ１、ライ
ンカメラ２１の原点位ｔａ　Ｐ　＋と引上結晶２５の中
心線との水平方向の距１１１ｔ　Ｃ２、引上結晶２５の
中心線を検出したラインカメラ２１の位置Ｐ２と１原点
位置Ｐ１との距離を×とずれば、液面位置Ｙは、 Ｙ＝Ｃ＋　　　（Ｃ２＋Ｘ／ＣＯ８θ）／ｌａｎθ・・
・・・・（１） となる。

次に、上記のように構成された液面位置測定装置を備え
た単結晶引上装置の動作について説明する。

この単結晶引上装置にあっては、従来同様、まず炉本体
内の空気をアルゴンガスと置換すると共に、ヒータ７に
よってルツボ１内のシリコン原料を溶融し、この融液２
の温度を単結晶引上げに適した温度に制御した後に、上
方よりワイヤ１０の下端のホルダ１３に把持された状態
の種結晶１２を下降させて融液２に浸漬させる。次いで
、従来公知の方法により、ルツボ１を、ルツボ回転モー
タ５の駆動力により、一方向に回転させる一方、回転モ
ータ８及び引上モータ９を駆動することにより、種結晶
１２を逆方向に回転させながら引上げてシリコン単結晶
１４を引上げ成長させる。

これと共に、制御装置１５のモータ駆動部１５ｄを起動
してパルスモータ２０を動作させ、ラインカメラ２１を
往復動させる。この場合、往復動しているラインカメラ
２１の検出ラインｊの往路及び復路には、必ず引上結晶
２５の中心線と交差する位置がある。そして、液面位置
検出手段１５ｆは、直径検出部１５Ｑから供給される直
径データと位置検出手段１５ｅから構成される装置デー
タを、検出ラインｊの往路力もしくは復路分だけ対にし
て各々記憶エリアｅ１〜ｅｎ及びｆ１〜ｆｎに順次格納
し、これらの格納した位置データから最大の直径データ
に対応する位置データを求める。ここで、ラインカメラ
２１の検出ラインＪが引上結晶の中心線と交差した場合
、直径データは最大となるので、この直径データが最大
の時の位　１２　装 置データを上記（１）式のＸに代入することにより、液
面位置Ｙを求めることができる。

ざらに、前記液面位置検出手段１５ｆが算出した液面位
置データは液面位置目標値と偏差が取られ、この偏差が
Ｏになるようにルツボ上昇速度が演算部１５Ｃによって
演算され、ルツボ昇降モータ６に対して供給されて、ル
ツボ１の融液２の液面位置が精度良く制御される。

なお１．ト記実施例においては、ラインカメラ２１を直
線的に往復動させたが、ラインカメラ２１は固定した状
態で、その光学経路を移動し、検出ラインノを平行移動
させてもよい。

また、引上結晶２５が揺動する場合には、検出ラインＪ
の往復速度が引上結晶２５の揺動より速くなるようにし
て、検出ラインｊの平行移動の軌跡によって構成される
領域が引上結晶２５の中心の揺動範囲より大となるよう
にする。さらに、ラインカメラ２１の原点位置Ｐ１と引
上結晶２５の中心線との水平方向の距離Ｃ２が変動する
ので、最大の直径データに対応する位置データを引上結
晶２５の揺動周期より長い時間となる回数弁、別の記憶
エリアに格納し、それらの位置データの平均値を上記（
１）式のＸに代入して液面位置Ｙを求める。

なおまた、上記実施例においては、ラインカメラ２１で
液面位置測定と同時に直径層１１定を行なうことができ
る利点を有している。すなわち、従来の液面位置測定装
置では、液面位置しか測定できないため、液面位置測定
用の窓が直径測定用の窓の他に炉本体に必要であったの
に対して、本実施例においては、直径測定用の窓だけで
、直径測定と液面位置測定を兼ねるので、別個に液面位
置測定用の窓を設ける必要がない。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明は、単結晶が引上げられる
融液面上の所定のラインを検出領域として走査し、これ
により、前記ライン上の光エネルギを検出するラインカ
メラと、このラインカメラの出力信号に基づいて、ヒー
トリングの位置を検出し、このヒートリングから引上結
晶の直径を算出する直径検出手段と、前記ラインカメラ
もしくはその光学経路を移動することにより、前記ライ
ンを融液面上で平行に往復動させ、かつ平行移動の軌跡
によって構成される領域が前記引上結晶の中心を通るよ
うにする検出ライン往復手段と、前記ラインカメラもし
くはその光学経路の位置を検出する位置検出手段と、前
記ラインの往路または復路において前記直径検出手段に
より検出される直径データと前記位置検出手段により検
出される位置データを対にして順次記憶すると共に、こ
の記憶した直径データのうち最大のものに対応する位置
データから前記融液の液面位置を算出する液面位置検出
手段とを備えたものであるから、ラインカメラが検出し
た光エネルギに基づいて、直径検出手段によって引上結
晶の直径を算出すると共に、検出ライン往復手段によっ
て前記ラインカメラの検出ラインを融液面上で平行に往
復動させ、各検出ライン毎に、直径検出手段により検出
される位置データと位置検出手段により検出される位置
データを対にして液面位置検出手段において記憶し、こ
の記憶した直径データのうち最大のものに対応する位置
データから融液の液面位置を算出することにより、たと
え、融液面が振動した場合であっても柔軟に対応できて
、精度の高い液面位置測定を実施できると共に、従来の
装置のように、高価なレーザ源及び受光部、あるいは炉
本体に液面位置測定用の窓、さらに直径測定装置を必要
としないので、設備費用を低減することができるという
優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第６図は本発明の一実施例を示すもので、
第１図は全体構成を示す概略構成図、第２図はヒートリ
ング２４と検出ラインｊとの位置関係を示す説明図、第
３図は第２図に示す検出ラインｊにおけるラインカメラ
２１の出力信号を示１波形図、第４図は第３図のライン
カメラ２１の出力信号を２値化した信号Ｓを示す波形図
、第５図は第４図の２値化信号Ｓをディジタル化したデ
ータを示す説明図、第６図は液面位置の算出方法を説明
する説明図、第７図は従来の液面位置測定装置の全体構
成を示ず概略構成図である。 １・・・・・・ルツボ、 ２・・・・・・融液、 １４・・・・・・シリコン単結晶、 １５ｄ・・・・・・モータ駆動部、 １５ｅ・・・・・・位置検出手段、 １５ｆ・・・・・・液面位置検出手段、１５０・・・・
・・直径検出部（直径検出手段）、２０・・・・・・パ
ルスモータ、 ２１・・・・・・ラインカメラ、 ２２・・・・・・カメラスライド機構（検出ライン往復
手段）、 ２３・・・・・・エンコーダ、 ２４・・・・・・輪（ヒートリング）、２５・・・・・
・引上結晶、 ｊ・・・・・・検出ライン。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　チョクラルスキー法を用いてルツボ内に収納されてい
   る融液から単結晶を引上げる単結晶引上装置における直
   径測定装置による液面位置測定において、単結晶が引上
   げられる融液面上の所定のラインを検出領域として走査
   し、これにより、前記ライン上の光エネルギを検出する
   ラインカメラと、このラインカメラの出力信号に基づい
   て、ヒートリングの位置を検出し、このヒートリングか
   ら引上結晶の直径を算出する直径検出手段と、前記ライ
   ンカメラもしくはその光学経路を移動することにより、
   前記ラインを融液面上で平行に往復動させ、かつ平行移
   動の軌跡によって構成される領域が前記引上結晶の中心
   を通るようにする検出ライン往復手段と、前記ラインカ
   メラもしくはその光学経路の位置を検出する位置検出手
   段と、前記ラインの往路または復路において前記直径検
   出手段により検出される直径データと前記位置検出手段
   により検出される位置データを対にして順次記憶すると
   共に、この記憶した直径データのうち最大のものに対応
   する位置データから前記融液の液面位置を算出する液面
   位置検出手段とを具備したことを特徴とする単結晶引上
   装置における直径測定装置。