JPH0148240B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 この発明は、回転楕円面鏡の一方焦点に赤外線
ランプを配置し、他方焦点に素材棒および種結晶
の溶融帯部を配置してなる赤外線加熱結晶製造に
おける溶融帯径の制御技術に関する。

従来技術の説明 第１図は、従来より用いられている単結晶製造
装置の一例を示す略図的正面断面図である。第１
図を参照して、この装置は半体に近い２個の回転
楕円面鏡１，２を摺り合わせ接続した双楕円型加
熱炉３の形態を有している。各回転楕円面鏡１，
２の一方焦点Fa，Fbには、熱源である赤外線ラ
ンプの一例としてのハロゲンランプ４，５が配置
されている。また回転楕円面鏡１，２の互いに近
接した他方焦点F₂，F₂には、相互に同方向また
は逆方向に回転する素材棒６および種結晶７の間
に形成された溶融帯部８が配置されている。この
装置では、ハロゲンランプ４，５から輻射された
光が回転楕円面鏡１，２で溶融帯部８に集中さ
れ、それによつて素材棒６が加熱溶融され、結晶
成長が行なわれる。第１図に示した双楕円型加熱
炉３のほか、１個の回転楕円面鏡を用いた単楕円
型加熱炉も広く用いられているが、これらの回転
楕円面鏡を用いた赤外線加熱単結晶製造装置で
は、安定な出力を得ることができること、成長方
向の組成のずれが生じないこと、ならびに結晶成
長の状況が観察できることなどの優れた利点を有
する。

しかしながら、第１図に示したような装置を使
用して結晶成長を持続させるには、第２図に部分
正面図で示すように溶融帯部８がほぼさい頭円錐
台に近い鼓形の形状を持続させることが重要であ
る。したがつて、従来、溶融帯部８を作業者が肉
眼で観察しつつ、素材棒６の下方への供給速度や
ハロゲンランプ４，５の電力を手動的に制御して
いた。すなわち、溶融帯部８の形状が結晶成長に
好ましくない形になつたときには、素材棒６の供
給速度を増減し、あるいはハロゲンランプ４，５
への供給電力を調整していた。したがつて単結晶
を製造する際には、長時間、作業者が該装置に付
きつきりで調整を行なわなければならなかつた。
しかも、ハロゲンランプ４，５への供給電力を調
整した場合、ハロゲンランプ４，５自身の光量は
直ちに変化するが、溶融帯部８の溶融状況はハロ
ゲンランプ４，５の光量の変化に迅速に追随する
ものではなく、かなりの時間が経過した後初めて
溶融帯部８に変化が生じる。したがつて、作業者
はこの溶融帯部８の溶融状況変化の時間遅れを予
め予想しつつ、ハロゲンランプ４，５への供給電
力を変更しなければならない。それゆえに、過大
な電力を供給してしまうと、溶融帯部８が不要に
肥大化してしまうので、過剰な調整を行なう煩雑
さが生じ過剰調整を避けるあまり、ハロゲンラン
プ４，５への供給電力を少なめに調整するのが常
であり、その結果最適の溶融状態を実現するため
に煩雑な調整操作が依然として必要であるという
問題があつた。

発明の目的 それゆえに、この発明の目的は、上述の問題点
を解消し、作業者の煩雑な作業を省略することが
でき、かつ溶融帯部の溶融状況を常に最適に維持
し得る、赤外線加熱結晶製造における溶融帯径の
制御方法を提供することにある。

発明の概要 この発明は、溶融帯部の溶融状況の変化が溶融
帯部の径寸法の変化として現われることに着目
し、溶融帯部の径を制御することにより、結晶成
長に最適な溶融状況を実現せんとするものであ
る。この発明は、溶融帯部の径寸法を測定するた
めのラインセンサと、該ラインセンサの出力を２
値化するための２値化手段と、溶融帯部の１回転
毎に所定の複数個の角度位置に達したときに、タ
イミングパルスを発生するタイミングパルス発生
手段と、該タイミングパルス発生手段からのパル
ス信号に応じて、前記２値化手段で２値化された
測定信号を順次記憶し、各回転毎に最も変化率の
大きかつた角度位置における溶融帯径寸法を測定
データとして、ｍ（ｍは整数）回前の測定データ
と現在の測定データとに基づき、所定の演算式に
従つて演算処理し、該演算結果に基づき赤外線ラ
ンプへの供給電力や電圧等の電気量を制御する制
御手段とを用いて、赤外線加熱結晶製造における
溶融帯部径の制御を行なう方法である。

この発明のその他の特徴は、以下の実施例の説
明により明らかとなろう。

実施例の説明 上述のように、この発明は、溶融帯部の径を制
御することにより、溶融帯部の溶融状況を結晶成
長に最適なものとするものである。すなわち第２
図に示すように、溶融帯部８がほぼさい頭円錐台
に近い鼓形となつている場合には結晶成長は最適
な状態で持続される。ところが、結晶成長の進行
とともに溶融帯部８の温度が上昇し、ハロゲンラ
ンプへの供給電力や電圧が過剰になつたり、ある
いは素材棒６の下方への供給速度が若干速くなる
と、破線Ａで示すように、より多くの結晶素材が
必要以上に多く溶解し溶融帯部８の下方の径寸法
が増大する。逆に、素材棒６の下方への供給速度
が遅い場合あるいはハロゲンランプへの供給電力
や電圧が僅少となつた場合には、素材の供給が少
なくなるため溶融帯部８は、破線Ｂで示すよう
に、最適の状態よりも小さな径寸法を有すること
になる。したがつて、上記の事象を考慮して、１
点鎖線Ｃで示す部分の径寸法を最適の溶融状態の
径に維持すれば、安定に結晶成長を持続させるこ
とができる。

ところで、溶融帯部８の横断面が真円であれ
ば、一方向から溶融帯部８の径寸法を測定するだ
けでよいが、溶融帯部８の横断面は通常真円では
なく楕円などの様々な形状に変化している。した
がつて、溶融帯部８の溶融状況を正確に把握する
には、複数の方向から溶融帯部８の径寸法を測定
する必要がある。そこで、この発明では複数個の
角度位置で溶融帯部８の径寸法を測定し、最も変
化率の大きかつた角度位置における径寸法を測定
データとして用い、ハロゲンランプへの供給電力
や電圧を求める。最も変化率の大きかつた角度位
置における径寸法をデータとして採用することに
より、溶融帯部８の径の変化に正確かつ迅速に追
随することが可能だからである。

この発明は、上述のように、溶融帯部８の径寸
法を測定し、この測定された径寸法の変化に基づ
きハロゲンランプの光量を変化させて最適の溶融
状況を実現しようとするものである。

第３図は、この発明の一実施例の制御装置を示
す略図的斜視図である。溶融帯部８の径（第２図
の１点鎖線Ｃで示した部分の径）寸法は、光学レ
ンズ１１を介してCCDラインセンサを含むライ
ンセンサ・カメラ１２で測定される。ラインセン
サ・カメラ１２には、ベローズ１３を介してハー
フミラー・ボツクス１４が設けられている。溶融
帯部８から入射された光は、ハーフミラー・ボツ
クス１４内のハーフミラー１５により一部が反射
され、ラインセンサ・カメラ本体部１２ａ内のラ
インセンサに導かれる。他方ハーフミラー・ボツ
クス１４には、スクリーン１６も設けられてお
り、肉眼でも溶融帯部８の状態を観察することが
できるようにされている。

ラインセンサ・カメラ１２は、コントローラ１
７に接続されており、ラインセンサの出力を２値
化するための２値化手段を含み、コントローラ１
７は２値化された測定データを順次記憶して後述
のPID制御演算式に従つて演算処理し、ハロゲン
ランプ（図示せず）への供給電力を制御する基準
電力コントローラ（図示せず）へ出力を与える。
コントローラ１７には、タイミングパルス発生器
１８も接続されている。このタイミングパルス発
生器１８は、種結晶７の回転すなわち溶融帯部８
の回転に応じてタイミングパルスを発生させるも
のである。このタイミングパルス発生器１８から
のタイミングパルスに基づき、コントローラ１７
内の制御手段がラインセンサからの測定信号を記
憶するように構成されている。

第４図は、第３図に示した実施例を含む赤外線
加熱単結晶製造装置の概略ブロツク図を示す。第
４図のブロツク図において、１点鎖線Ｅで囲まれ
る部分が、第３図に示したラインセンサ・カメラ
に及びコントローラ１７内に含まれる回路を示
す。すなわち、第３図におけるラインセンサ・カ
メラ１２は、クロツク回路２１、ラインセンサ２
２からの出力を増幅する増幅器２３、増幅器２３
からの出力を２値化するための比較手段２４を含
み、またコントローラ１７は、上述の制御手段２
５、ならびにタイミングパルス発生器１８に接続
されるプリセツトカウンタ２６を含む。制御手段
２５は、クロツク回路２１からのクロツクを基準
にして、予め内蔵されているプログラムに従つて
動作する。ラインセンサ２２は、クロツク回路２
１からのクロツクに応じて、溶融帯部８を走査し
径寸法に応じた信号を出力する。ラインセンサ２
２の出力は、増幅器２３で増幅され、比較手段２
４において基準電圧と比較され、２値化される。
この２値化された信号が制御手段２５に与えら
れ、後述するPID演算式に従つて演算処理され、
制御出力値が算出され、プログラム発生器２７か
らの基準電力と加算されてハロゲンランプの電力
コントローラ２８を介して供給電力が出力され
る。

この実施例では、タイミングパルス発生器１８
として２つのタイミングパルス発生器１８ａ，１
８ｂを含み、一方のタイミングパルス発生器１８
ａは、溶融帯部８が１回転するごとに、所定の位
置で１つのパルス信号（以下、原点信号と略す。）
を発生し、制御手段２５はこの原点信号が与えら
れると、ラインセンサ２２からの測定データを記
憶する。

また、他方のタイミングパルス発生器１８ｂ
は、溶融帯部８が１回転する際に例えば120個の
パルスを順次発生するものであり、プリセツトカ
ウンタ２６はタイミングパルス発生器１８ａから
の原点信号によつてリセツトされ、制御手段２５
から与えられる所定の計数値をプリセツトし、タ
イミングパルス発生器１８ｂから与えられるパル
スを順次カウントして、カウント値がプリセツト
された所定の数値になつたとき、出力信号を制御
手段２５に与える。プリセツトされた所定の数値
は、一種に限られるものではなく、複数個の値を
プリセツトすることができ、それによつて様々な
角度位置における溶融帯部８の径を測定すること
ができる。このタイミングパルス発生器１８ｂお
よびプリセツトカウンタ２６により与えられるパ
ルス信号に応じて、制御手段２５はラインセンサ
からの測定データを記憶する。したがつて、入力
手段２９により任意の値を設定し、プリセツトカ
ウンタ２６が任意の値の数のタイミングパルスを
計数する毎に、溶融帯部８の任意の回転角度での
径寸法を測定データとして制御手段２５に記憶さ
せることができる。このようにして原点以外での
溶融帯部８の径寸法を測定するのは、溶融帯部８
の横断面が実際には、前述のように必ずしも真円
ではなく、材料によつては、楕円や長円などの
様々な形状に変化することが多いからであり、複
数の角度位置から溶融帯部８の径寸法を測定し、
最も変化率の大きかつた角度位置における径寸法
を測定データとして採用すれば、溶融帯部８の径
の変化に正確にかつ迅速に追随し得るからであ
る。

入力手段２９は、たとえばキーボードなどによ
り構成されるものであり、結晶成長に最適な基準
径の値、ならびに後述のPID演算式における定数
などを制御手段２５に入力するためのものであ
る。

上述したように、この実施例では、PID演算式
により、ハロゲンランプへの供給電力を制御す
る。ここにPID演算式とは、微分形表現では、 △y_N＝Ｐ（△e_N＋Ie_N＋Ｄ△²e_N） …(1) を言い、式(1)においてe_N＝Ｓ−Ｍ（Ｓは溶融帯部
８の最適の径を示し、Ｍは測定された溶融帯部８
の径のｎ回の平均値を示す。）である。すなわち
式(1)は、溶融帯部８の最適の径寸法Ｓからの変化
分を基礎にハロゲンランプへの供給電力の制御分
△y_Nを求めるものである。なお、式(1)において、
Ｐ，Ｉ，Ｄはそれぞれ定数である。

△e_Nおよび△²e_Nは、次の式(2)および(3)で求め
られるものである。

△e_N＝e_N−e₀ …(2) △²e_N＝△e_N−△e₀ …(3) なお、この発明では、e_N、△e_Nおよび△²e_Nと
して、溶融帯部８の複数個の回転角度位置におけ
る径のうち最も変化率の大きかつた角度位置にお
ける値を測定データとして採用する。また、e_N
は、現在の測定データＭを用いて計算されたもの
であり、e₀はｍ回前の測定データＭを用いて求め
られるものである。したがつて、制御出力△y_N
は、現在の測定データと、ｍ回前の測定データを
もとに算出される。このようにｍ回前のデータを
用いるのは、ハロゲンランプへの供給電力を変化
させても、溶融帯部８にその変化に影響が現われ
るのはかなりの時間が経過してからであるという
知見に基づくものである。すなわち、この実施例
では溶融帯部８の測定データがｎ回の値を平均し
て採用され、さらに平均された測定径のうちｍ回
前の測定データと現在の測定データとを用いるこ
とにより、制御出力△y_Nをゆるやかに効かせよう
とするものである。

制御出力△ｙの値は、最大で5Wくらいであり、
電力制御出力の変化が溶融帯部８の径に反映する
までの時間は約５分くらいである。また、結晶成
長全体にわたる総制御出力は、−100W〜＋300W
の範囲とされている。

上述のようにして算出された制御出力△ｙは、
第４図のブロツク図において制御手段２５から出
力され、プログラム発生器２７からの基準電力値
と加算されて電力コントローラ２８に入力され、
ハロゲンランプの供給電力が電力コントローラ２
８よりハロゲンランプに供給される。

第５図は、第３図および第４図に示した実施例
を含む装置の全体の動作を説明するためのフロー
図である。

次に、第３図ないし第５図を参照してこの実施
例を含む動作の説明を行なう。この発明の溶融帯
径の制御方法は、溶融帯部８の径を最適に維持す
るものである。したがつて、種結晶７（第４図を
参照）上で最初に素材棒６を溶融させ、溶融帯部
８を形成するところまでは従来と同じく手動で行
なう。次に、形成された溶融帯部８の径寸法がこ
の発明の制御方法により最適に維持される。ま
ず、タイミングパルス発生器１８ａは、溶融帯部
８が１回転するごとに回転信号すなわち原点信号
を制御手段２５に与えている。制御手段２５は、
この回転信号が与えられたとき、ラインセンサ２
２、増幅器２３および比較手段２４を経て２値化
された溶融帯部８の測定データを取込み記憶す
る。次に、回転信号がｎ回出力されたとき、すな
わち制御手段２５にｎ個の測定データが取込まれ
たとき、制御手段２５はｎ個の測定データの平均
値を算出し、これを測定データＭとして記憶す
る。次に、制御手段２５は、予め入力手段２９に
より設定された溶融帯部８の最適径寸法Ｓと測定
データＭとの差ｅを演算し、ｅを記憶する。した
がつて、測定データM₁，M₂…のそれぞれに対応
して、順次e₁，e₂…が記憶される。

上述のように測定データＭおよび溶融帯部８の
径寸法の変化分ｅが順次記憶された状態で、制御
手段２５をコントロールモードにすると、制御手
段２５は現在の溶融帯部８の径寸法変化分e_Nとｍ
回前の径寸法変化分e₀の差△e_Nを演算し、さらに
△e_N−△e₀を演算して△²e_Nを算出する。このよ
うにして求められたe_N、△e_Nおよび△²e_Nならび
に予め設定された定数Ｐ，ＩおよびＤにより、 △y_N＝Ｐ（△e_N＋Ie_N＋Ｄ△²e_N） の演算が行なわれ、制御出力△y_Nが求められる。
この制御出力△y_Nは制御手段２５よりハロゲンラ
ンプの電力コントローラ２８に与えられ、プログ
ラム発生器２７からの基準電力Y₀に加算されて
ハロゲンランプの供給電力Y_N′＝Y₀＋△y_Nが出力
される。

制御出力△ｙが出力された後、演算に用いられ
た現在のデータすなわちe_N、△e_N、△²e_Nおよび
Y_Nが、制御手段２５に前回のデータとして記憶
される。

次に、入力する定数の変更があれば定数を入力
手段によつて設定し、再度演算処理が行なわれる
が、定数の変更がない場合にはそのまま次回の演
算処理が行なわれる。このようにして、ハロゲン
ランプへの供給電力が溶融帯部８の径寸法に応じ
て制御されて与えられる。したがつて、作業者が
単結晶製造装置につきつきりで監視する必要はな
く、自動的に無人で単結晶を成長させることが可
能となる。

ところで、第４図に示したブロツク図では、タ
イミングパルス発生器１８ａのほかに、複数個の
角度位置における溶融帯部８の径寸法を求めるた
めに、さらに別のタイミングパルス発生器１８ｂ
およびプリセツトカウンタ２６が設けられてい
る。このタイミングパルス発生器１８ｂは上述の
ように１回転あたり120個のパルス信号をプリセ
ツトカウンタ２６に与える。プリセツトカウンタ
２６はパルス信号をカウントして、入力手段２９
を用いて制御手段２５に予め入力されたプリセツ
ト値にそのカウント値が達したとき、出力信号を
制御手段２５に与える。プリセツトカウンタ２６
のリセツトは、上述の原点信号によりリセツトさ
れる。プリセツトカウンタ２６がプリセツトされ
た値だけパルス信号をカウントしたとき、タイミ
ングパルス発生器１８ｂからのパルス信号は制御
手段２５に与えられるが、この信号によつても制
御手段２５は、比較手段２４で２値化された信号
を取込む。したがつてプリセツトカウンタ２６に
おけるプリセツト値を複数個設定すれば、原点以
外の複数個の箇所で１回転ごとに溶融帯部８の径
寸法の測定データを制御手段２５に記憶させるこ
とができる。

ところで第５図に示すフロー図では明らかでは
ないが、タイミングパルス発生器１８ｂからのパ
ルス信号に応じて原点以外の角度位置で制御手段
２５が取込むデータは、原点信号が与えられたと
きのデータとは独立に、ｎ回の値を平均化され
e′，e″として制御手段２５に記憶される。制御手
段２５は、原点位置あるいは他の設定された角度
位置における各ｅ，e′，e″…を比較し、そのうち
変化分すなわち△ｅ，△e′および△e″の最も大き
いものを測定径として採用し、式(1)の演算を行な
う。このように複数個の角度位置で溶融帯部８の
径寸法を測定することにより、横断面視した溶融
帯部８が真円でない場合でも、溶融帯部８の径の
変化を迅速に捉えることができ、したがつて溶融
帯部８を最適の状態に制御することが可能であ
る。

発明の効果 以上のように、この発明によれば、溶融帯部の
径寸法を測定するためのラインセンサと、該ライ
ンセンサの出力を２値化するための２値化手段
と、溶融帯部の１回転毎に所定の複数個の角度位
置に達したときにタイミングパルスを発生するタ
イミングパルス発生手段と、タイミングパルス発
生手段からのパルス信号に応じて、２値化手段で
２値化された測定信号を順次記憶し、各回転毎に
最も変化率の大きかつた角度位置における溶融帯
径寸法を測定データとして、ｍ（ｍは整数）回前
の測定データと現在の測定データとに基づいて、
所定の演算式に従つて演算処理し、該演算結果に
基づき前記ハロゲンランプへの供給電力を制御す
る制御手段とを用いるため、溶融帯部の径寸法を
結晶の成長に最適となるように制御することがで
き、したがつて作業者の煩雑な作業を解消するこ
とができ、ほぼ無人で結晶の成長を行なわせるこ
とが可能となる。また、複数個の角度位置で溶融
帯部の径寸法を測定するものであるため、回転原
点と結晶面との煩雑な位置決めも必要としない。

この発明は、双楕円形赤外線加熱炉を用いる単
結晶製造に限らず、その他例えば単楕円形赤外線
加熱炉を用いる単結晶製造装置にも適用し得るも
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明が適用される赤外線加熱単
結晶製造装置の一例を示す正面断面図である。第
２図は、第１図に示した赤外線加熱単結晶製造装
置の溶融帯部を拡大して示す部分正面図である。
第３図は、この発明の一実施例の構成を示す略図
的斜視図である。第４図は、第３図に示した実施
例を含む赤外線加熱単結晶製造装置のブロツク図
である。第５図は、第３図および第４図に示した
実施例を含む赤外線加熱単結晶製造装置の全体の
動作を説明するためのフロー図である。 １，２……回転楕円面鏡、４，５……ハロゲン
ランプ、６……素材棒、７……種結晶、８……溶
融帯部、１２……ラインセンサ・カメラ、１７…
…制御手段を含むコントローラ、１８ａ，１８ｂ
……タイミングパルス発生器、２２……ラインセ
ンサ、２４……２値化手段としての比較手段、２
５……制御手段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 回転楕円面鏡の一方焦点に、熱源として赤外
   線ランプを配置し、他方焦点に、素材棒および種
   結晶を配置して溶融帯部を形成してなる赤外線加
   熱結晶製造装置の溶融帯径の制御方法であつて、 溶融帯部の径寸法を測定するためのラインセン
   サと、該ラインセンサの出力を２値化するための
   ２値化手段と、 前記溶融帯部の１回転毎に所定の複数個の角度
   位置に達したときに、タイミングパルスを発生す
   るタイミングパルス発生手段と、 前記タイミングパルス発生手段からのパルス信
   号に応じて、前記２値化手段で２値化された測定
   信号を順次記憶し、各回転毎に最も変化率の大き
   かつた角度位置における溶融帯径寸法を測定デー
   タとして、ｍ（ｍは整数）回前の測定データと現
   在の測定データとに基づいて、所定の演算式に従
   つて演算処理し、該演算結果に基づき前記赤外線
   ランプへの供給電気量を制御する制御手段とを用
   いて、 それによつて結晶の成長に最適の溶融帯部径を
   維持させることを特徴とする、赤外線加熱結晶製
   造における溶融帯径の制御方法。