JPH03279803A - 結晶育成自動制御用直径測定方法及び装置 - 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、ＣＺ法による単結晶育成自動制御ｉｌ装置に
用いられる結晶直径測定方法及び装置に関する。

【従来の技術】

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Ｂ１２３を、ＣＣＤカメラ３８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Ｄ
１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の下端実直径り、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
径り、と実直径り、の差は殆ど無視でき、また、この差
はシリコン単結晶３２の実直径り、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Ｄｌｌを測定可
能である。 一方、ＣＺ法による単結晶育成装置では、コーン部辺降
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、２　ｍ
ｍ／ｍｉｎ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
移化することは、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、転移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。 ｒ発明が解決しようとする課題】 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自動制御に用いて好適な結晶育成
自動制御用直径測定方法及び装置を提供することにある
。

【課題解決手段及びその作用効果】

（１）この目的を達成するために、本発明に係る結晶育
成自動制御用直径測定方法では、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外側直径を検出し、該直径
を直径制御用とする。 実直径をＤ３、輝環像の外側直径をり。、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ΔＤ　ｌｉ、△Ｄｏｔ、△Ｄ　Ｉ＋、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ΔＤ
Ｒｄ、△Ｄ　ａｄ、ΔＤ　Ｉｄとすると、Ｄ、とり、は
ほぼ等しく、 ΔＤ、、／△Ｄ　Ｒｄ−△Ｄ□／ΔＤ　ｌｉとなるが、
ＤｏとＤ３については、 ΔＤｏｄ／ΔＤ　ａａ　＞　ΔＤ０．／Δ　Ｄ、。 となる。 したがって、結晶育成制御に、輝環像の内側直径Ｄ＋の
代わりに外側直径Ｄ０を用いれば、外側直径り。が目標
値よりも減少したときに、外側直径Ｄ０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。 また、本発明を結晶直胴部の育成に用いれば、直胴部最
小半径をほぼ直胴部目標半径にすることが可能なり、直
胴部の周面を円柱形に研削する際に削りしろをより小さ
くすることが可能となる。 （２）上記方法を実施するために、本発明に係る結晶直
径測定装置は、単結晶育成部を撮影し、映像信号を出力
するカメラと、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
手段とを有し、該直径を直径制御用としている。 （３）上記方法の効果は、内側直径Ｄ１からＤｏに類似
した量り。Ｌ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Ｄ１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Ｄ１に、該直径り、とある一定時間前
に検出した直径り、Ｉｌ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、Ｄ、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。

【実施例】

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の下端実直径り、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０．０５ｍ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とに分離
され、映像信号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■、の最大電圧ｖＩＩを保持する。こ
の最大電圧ｖＩＩ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Ｖ、は２値化回
路４６にも供給され、映像信号Ｖ、は基準電圧Ｅと比較
されて２値化され、Ｓ／Ｐ変換器４８へ併給される。同
期分離回路４０で分離された水平同期信号Ｈ３ＹＮＣは
、ピクセルクロツタ生成回路５０へ供給され、ピクセル
クロツタ生成回路５０は、この水平同期信号Ｈ３ＹＮＣ
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、このピクセルクロツタ毎に、２値
化回路４６から１ビツ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
一ド分のデータが溜る毎に、マイクロコンピュータ５２
のＩ１０ポート５４へ供給する。 マイクロコンピュータ５２は、Ｉ１０ポート５４、ＣＰ
Ｕ５６、ＤＭＡ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。Ｉ１０ボート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、Ｉ１０ポート５４からＤ／Ａ変挟器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
ウェア構成を、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Ｉ１０ポート５
４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Ｖ、Ｉを読み込む。この最大電圧Ｖ。 は、割り込みが掛かる１つ前の垂直同期信号■５ＹＮＣ
から次に割り込みが掛かる垂直同期信号ＶＳＹＮＣ迄の
１フイールドにおける、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、例えばに＝０
．７５を乗じたものを基準電圧ＥとしてＤ／Ａ変換器６
６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フイ一ルド分の映像信号Ｖ、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、Ｄ
ＭＡ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６
８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′ｍ２
３に対応する輝環像７０を含んでいる。 （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、輝母像７０の左端と右端間の画素数Ｎを求
め、これをり。とじて−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
をり。とじて、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７
０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をリセットしく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Ｄ０が測定さ
れる。 次に、外側直径り。と実直径り、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Ｄ１％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２２３の温度又は粘度等に依存すると考え
られる。外側直径Ｄ０と実直径Ｄ３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り。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
実直径り、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Ｄ□と外側直径り。＝Ｄ０．との関係を示す。こ
の実験式は次式で表わされる。 Ｄ、＝１．１９８Ｄ、Ｉ−１，２０８−・　（１）また
、分散Ｓ２及び相関係数Ｒは次の通りであった。 Ｓ’＝１．１２６Ｘ１０−” 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、
実直径り、と外側直径り。＝Ｄ０．との関係を示す。こ
の実験式は次式で表わされる。 Ｄアー１．１０７Ｄｏａ　　０．５４８５・　（２）ま
た、分散Ｓ２及び相関係数Ｒは次の通りであった。 ５２＝０．２３８９ Ｒ＝０．９９０４ 上式（１）　　　（２）より、実直径り、を消去すると
次式が導出される。 △Ｄ　Ｉｄ＝　Ｄ　ｏ＋　　Ｄ　ｏｄ ＝０．５５０６−０．０７６Ｄ、、・・・　（３）ここ
で、実直径り、が減少すると、外側直径Ｄｏはこの減少
量よりもり。ＩとＤ　Ｏｄの差ΔＤ　１ｄだけ余分に減
少することになる。逆の場合には△Ｄ　ｊｄだけ余分に
増加することになるが、上式（１）、（２）より、実直
径り、の増分に対するＤｏｔの増分よりも実直径り、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
直径り。を用いれば、実直径り、が目標値より小さくな
ると、外側直径り。がより小さくなり、外側直径Ｄ０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ΔＤ　ｔｄは、実直径り。 が小さいほど大きくなる。結晶ネック部の絞り部分は、
Ｄ　＊−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、外側直径り。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、外側直径り
。、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Ｄ０の目標値は３．５
ｍであり、外側直径Ｄ０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、外側直径り。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、実直径り、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か細くな
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、外側直径り。はシリコン単結晶３２の下端
実直径Ｄｔ＝、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、内側直径り
、から、外側直径り。 に類似した擬外側直径り。、を算出し、この擬外側直径
り。Ｌを結晶径制御用としている。 ハードウェア構成は第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のソフトウェア構成を示
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８６と同様の方法で、第４図に
示す輝溝像７０の内側直径Ｄ１を検出する。 （９４）次式により擬外側直径ＤＯＬを求める。 ＤｏＬ＝Ｄ＋　＋ａ　（Ｄ＋　　ＤＩＲ）／Δｔ−（４
）ここに、Ｄ、ｌｌは、内側直径り。を測定した時点か
ら時間Δを前の内側直径り、の値であり、ワークメモリ
６２に記憶されている。また、αは内側直径り、、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Ｄ１をＤＩＲ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８
６．８７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■。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Ｖ１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。

【図面の簡単な説明】

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ェア構成
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２２
Ｓ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Ｖ、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り
、と外側直径り。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Ｄ１と外側直径り。 との関係を示す図、第８！！ｌ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に対する外側直径り。、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５
２のソフトウェ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

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）、単結晶育成部をカメラ（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（Ｄ＿Ｏ）を検出（
   ８０〜８３）し、 該直径を直径制御用とすることを特徴とする結晶育成自
   動制御用直径測定方法。 ２）、単結晶育成部を撮影し、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（Ｖ＿Ｍ）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、８
   １）と、 該基準値により該映像信号を２値化する手段（４６〜５
   ０、６６）と、 該２値化による２値画像から、輝環像（７０）の外側直
   径（Ｄ＿Ｏ）を検出する手段（５２、８２、８３）とを
   有し、 該直径を直径制御用とすることを特徴とする結晶育成自
   動制御用直径測定装置。 ３）、単結晶育成部をカメラ（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（Ｄ＿Ｉ）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（Ｄ＿Ｉ）に、該直径とある一定時間
   前に検出した直径（Ｄ＿ＩＢ）との差に応じた値を加え
   たもの（９４）を、直径制御用の直径とすることを特徴
   とする結晶育成自動制御用直径測定方法。