JPH0365588A - 単結晶成長制御方法及び該制御方法を用いた単結晶製造方法 - 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】 ［産業上の利用分野コ この発明は、高周波誘導加熱式ＦＺ法による単結晶の結
晶成長制御方法、及びその制御方法を用いた単結晶の製
造方法に関するもので、種結晶から設定直径までの円錐
上の移行部、さらに一定直径部、一定直径から直径収縮
部までの各一連の単結晶製造工程を自動制御して、無転
位の単結晶を製造するための結晶成長制御方法、及びこ
れを用いて行なう単結晶の製造方法に関する。

［従来の技術］ 高周波誘導加熱式ＦＺ法により単結晶を製造する場合、
単結晶の成長状態を適切に制御しなげればならムい。こ
のため、原料棒を溶融させつつ、種結晶から設定直径ま
で、単結晶を円錐状に成長させ、設定直径になったら、
その直径を維持するするよう成長させ、終了前は単結晶
に転位が発生し々いように、徐々にその直径を収縮させ
、原料棒から切り離す。この一連の単結晶製造工程にお
いては、溶融部の量が徐々に増えて、形状が漸次大径に
変化していく円錐状の移行部を、そこに転位が発生しな
いように１．また溶融液を滴下させないように、スムー
ズに成長させて設定直径にする。

設定直径に達すると、その後は同様に、転位が発生しな
いよう、直径を一定に維持しつつ成長を持続する。

一定直径部の製造工程では、溶融部の量や形状が大きく
変わることはないが、それでも長手方向（４融帯域の伸
縮方向）や直径方向（単結晶の直径変動方向）に、少し
ずつ形状が変わることがある。この形状変化は、テレビ
カメラで検出しやすいことから、結晶成長を制御する方
法としては、このテレビカメラを用いて行なうものが、
数多く発表されている。また、別の制御方法としてプレ
ート電圧、プレート電流、発振周波数の３つを検出して
、それぞれ個々の値を設定値と比較し、その個々の比較
値を、高周波誘導加熱コイルへの供給パワーと、４融帯
域の伸縮機構とへ時間的、周期的に交換接続しながら制
御するもの（特公昭５９１０９５９）も開示されている
。

［発明が解決しようとする課題］ これら従来の制御方法、或はこれらを用いた単結晶製造
方法で、前者のテレビカメラを用いる方法は、種結晶か
ら設定直径までの円錐上の移行部の初期において、溶融
部が高周波誘導加熱コイルにかくれて、溶融部の検出が
困難である。さらに、溶融部や単結晶直径の変化を検出
してからの制御は、応答が遅いという欠点があり、種結
晶から設定直径までの円錐状の移行部では、溶融部の形
状変化に充分に応答できない。

また、後者の制御方法については、溶融部の形状変化の
影響はプレート電圧、プレート電流、発振周波数の変化
となって現われるが、個々の値の変化の様子からは、溶
融部の形状がどうなったのか、長手方向に変化したのか
、直径方向に変化したのか、などは解らない。特に、円
錐状の移行部では、溶融部の形状の変化が大きいので、
極めて制御が困難になるのが第１の欠点である。

第２には、単結晶製造に使用される構成部品、或は環境
のばらつき、・例えば、冷却水の温度変化、化や消耗に
よる発振条件の変化等に起因する条件（以下、初期条件
という）の変動があると、変動前に設定された設定値で
は、制御できないという欠点がある。

このように従来の技術では、種結晶から設定直径部まで
の円錐状の移行部の制御が難しかったり、初期条件が変
わると、設定値が最適値よりずれてしまったりするため
、制御ができなくなることが多かった。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、上記のような問題点を解決するもので、溶融
部の状況が最もよく現われる負荷の状態値、すなわち負
荷変動値を用いて、高周波誘導加熱式ＦＺ法による単結
晶の製造、及び制御を行なうものである。

すなわち、高周波誘導加熱式ＦＺ法による単結晶の製造
において、無負荷状態での高周波発振機のプレート電圧
、プレート電流、グリッド電流、及び発振周波数を変数
として導かれる基準関数値と、単結晶製造状態での高周
波発振機のプレート電圧、プレート電流、グリッド電流
、及び発振周波数を変数として導かれる負荷時間数値と
を、比較演算することで、高周波発振機にかかる負荷の
状態を負荷変動値として求め、この求められた負荷変動
値と、予め経験的に求められた標準の負荷変動値との比
を用いて、単結晶の成長を連続的に自動制御し、この制
御方法を用いて、単結晶を製造することにある。

また、負荷変動値を、４融帯域溶融部メルト抵抗及びメ
ルトインダクタンスから導かれる負荷定数Ｆｔと、高周
波発振機側から負荷側をみた負荷抵抗Ｒｏｕｔと、加熱
コイルとメルトの結合係数にの三つの値に定めるとより
効果があがる。

そして、この負荷定数Ｆｔには、４融帯域溶融部のメル
ト抵抗ＲＩｌ］ｅｌｔとメルトインダクタンスＬｍｅｌ
ｔの比すなわちＲｍｅｌ　ｔ／　Ｌ　ｍｅｌｔを採用し
、負荷抵抗Ｒｏｕｔには、高周波発振機側から負荷側を
みた等価抵抗を採用すると良い。

ここで例を揚げて本発明を詳説する。

本発明では、まず初期条件値を採る。すなわち無負荷状
態で、高周波発振機を稼動させ、プレート電圧Ｖｐ、プ
レート電流Ｉｐ、グリッド電流Ｉｇ。

発振周波数ｆの値を測定し、この値をそれぞれたとえば
Ｖｐｏ、　　Ｉｐｏ、　　Ｉｇｏ、　　ｆｏとする。こ
れらは初期条件の変化に応じて変わるため、いつも一定
値をとるとは限らない。

次に負荷がかかったとき、すなわち単結晶を製造してい
るときのＶｌ’ｌ　Ｉ　ｐ、Ｉ　ｇ＋　ｆを測定し、こ
れをたとえばＶｐＩＩ　Ｉ　ｐｉ、　Ｉ　ｇｉ、　ｆ　
ｉとする。ｉは、データを収集するごとに、１，２，３
．　　・と順番を表わす添字である。

すると、Ｖｐｏ、　Ｉ　ｐｏ、　Ｉ　ｇｏ、　ｆ　ｏと
Ｖｐｘ、　Ｉ　ｐｉ、　Ｉ　ｇｉ。

ｆｉから、製造中のその時々における負荷率δｉを求め
ることができる。

すなわち、負荷時の変数Ｖｐｉ、　Ｉ　ｐｉ、　Ｉ　ｇ
ｉ、　ｆ　ｉからなる関数値を、ｇ　（ＶｐＩＩ　Ｉ　
Ｐｔ＋　Ｉ　ｇｔ＋　ｆ　ｌ）と表わせば、 基準関数値 負荷率δｉとＶｐｉ、　Ｉ　ｐｉ、　Ｉ　ｇｉ、　ｆ　
ｉとによりプレートインピーダンスＺｐｉ、帰還回路イ
ンピーダンスＺｇｉが求められ、次式より出力インピー
ダンスＺｏｕｔｉを求めることができる。

１　　　．１　　　１ Ｃｔ　：共振回路のキャパシタンス（既知）Ｌｐ　：共
振回路の１次側インダクタンス（既知）Ｌｓ　：共振回
路の２次側インダクタンス（既知）ｋｌ：共振回路の１
次側２次側結合係数（既知）Ｒｔ　：共振回路の抵抗（
既知） Ｌｃｏｉｌ：コイルのインダクタンス（既知）Ｌｍｅｌ
ｔ：メルトのインダクタンス（未知）Ｒｍｅｌｔ：メル
トの抵抗（未知） ｋ　　：コイルメルト結合係数（未知）Ｌｔ、：コイル
メルト等価回路のＬ成分（未知）Ｒｔ、　　：コイルメ
ルト等価回路のＲ成分（未知）Ｌｔ　　：共振回路の等
価インダクタンス（未知）Ｒｏｕｔ　　：共振回路の等
価抵抗（負荷抵抗）（未知）とすると発振周波数ｆから
Ｌｔ及びＬｔ、が導かれる。

またＬｔ、とＬｃｏｉｌからコイルメルト結合係数ｋが
算出される。つぎに ここで、第３図に示した等価回路での、Ｚ　ｏｕｔ−Ｃ
ｔ から負荷抵抗Ｒｏｕｔが算出され、続いてＲｔ、が求め
られるので 　ｍｅｌｔ から負荷定数Ｆｔが算出される。

この負荷抵抗Ｒｏｕｔと負荷定数Ｆし及びコイルメルト
結合係数には発振機側から見た負荷の状況を表わすこと
ができ、−負荷抵抗Ｒｏｕｔと負荷定数Ｆｔ及びコイル
メルト結合係数にで単結晶製造中の溶融部の制御ができ
る。

まず、予め経験的に求められた理想的な発振機の供給パ
ワーＥｐ、原料捧の送りＰｖ、単結晶の送り５ｖの標準
プログラムを作成しておき、それぞれＥ　ＰＰ＋　Ｐ　
Ｖｐ＋　Ｓ　ｖｐとする。

単結晶製造中の測定データＶｐｉ、　Ｉ　ｐｉ、　Ｉ　
ｇｉ、　ｆ　ｉから算出されたＲｏｕｔｉ、　Ｆ　ｔｉ
、　ｋ　ｉを、予め経験的に求められた理想的な負荷状
況、すなわち、負荷抵抗Ｒｏｕｔ、負荷定数Ｆｔ、及び
コイルメルト結合係数にのパターンプログラムと比較し
、それぞれの比をＲｒｔ、　Ｆ　ｒｔ、　ｋ　ｒｔとす
る。

これを使用して Ｅ　ｐ　＝Ｅ　ｐｐ　Ｘ　Ｒｒ　ｔｅ＋　ｌＸ　Ｆ　ｒ
　ｔ−ｅ　２　Ｘ　ｋ　ｒ　ｔ−ｅｌ　３Ｐｖ＝　Ｐｖ
ｐＸ　Ｒｒｔ　ｅ、、　Ｘ　Ｆｒｔ−ｅ、、Ｘ　ｋｒｔ
″ｅ１３Ｓ　ｖ＝　　５ｖｐＸ　　Ｒｒｔ　　ｅ３．　
　Ｘ　　Ｆｒｔ−ｅ、！　Ｘ　　ｋｒｔ″ｅ３Ｎ−１≦
ｅ、、〜ｅ、３≦１ の制御式により、発振機のパワーと原料棒の送り及び単
結晶の送りを制御する。

［作用コ このように、負荷変動値は、高周波誘導加熱式ＦＺ法に
おける、加熱コイル側から溶融部側を見た負荷変動、す
なわち、加熱コイルと原料棒、加熱コイルと単結晶の距
離、及び発振機が加熱コイルを経て溶融部へ供給してい
るパワーの状態を、同時に関係付けて表わしており、こ
れが、設定イ直からずれるとき、そのずれ具合に応じて
、原料送りや結晶送り、或は弁振機出力の制御を行なえ
ば良い。

また、前述のようにして求められた負荷抵抗Ｒｏｕｔ、
負荷定数Ｆｔ及びコイルメルト結合係数には負荷率δを
用いて算出されており、初期条件の変動を包括している
ため、制御に用いる値として採用しても、初期条件の変
動によってそ゛の制御が乱れることはない。

［実施例コ 第１図は、本発明を実施するための単結晶成長を制御す
るシステム構成図であり、第２図は、本発明を実施する
ための単結晶成長を制御するシステム中の演算部を示す
図である。

高周波加熱コイル４で原料棒１を溶融し、溶融部３は固
化して単結晶２が成長していく。

高周波加熱コイル４は固定されていて、高周波発振機５
から、制御されたパワーが供給されている。

原料棒１は上軸送すモータ６によって下方へ送られ、そ
の移動量（Ｐｎ＋）は、ロータリエンコーダ１０によっ
て検出される。また原料棒１は図示しないモータによっ
て回転している。

単結晶２は下軸送すモータ７によって下方へ送られ、そ
の移動ｆｆｉ（Ｓｍ）は、ロータリエンコーダ１１によ
って検出される。また単結晶２は図示しないモータによ
って回転している。

溶融部３の状況をつかむため、高周波発振機５のプレー
１−電圧（Ｖｐ）プレート電流（Ｉｐ）、グリッド電流
（Ｉｇ）、発振周波数（ｆ）が一定周期毎に検出され、
入力処理回路１２で、レベル変換などの簡単な処理がお
こなわれる。

演算部１３では、Ｖｐ、Ｉｐ、Ｉｇ、ｆの無負荷時に測
定した値Ｖｐｏ、　　Ｉｐｏ、　　Ｉｇｏ、　　ｆｏと
、単結晶製造中、時々刻々と測定される値Ｖｐｉ、　　
Ｉ　ｐｉ。

Ｉｇｉ、ｆｉを使って、負荷率δｉを求め、最終的に負
荷抵抗Ｒｏｕｔｉと負荷定数Ｆｔｉとコイルメルト結合
係数ｋｉが算出される。

この負荷抵抗Ｒｏｕｔｉと負荷定数Ｆｔｉとコイルメル
ト結合係数ｋｉが、予め設定された、負荷抵抗、負荷定
数、及びコイルメルト結合係数のプログラム１４と、比
較演算部１５で比較演算され、その結果により算出され
た出力は、出力処理回路１６でレベル変換などの簡単な
処理が施されたのち、以下のようにそれぞれの制御のた
めに機能する。

出力の１つは高周波発振機５の出力を制御し、高周波加
熱コイル４へのパワーを制御する。

出力の他のＬつはモータ駆動回路８，９を制御し、上軸
送すモータ６で原料棒１の送りを、または下軸送すモー
タ７で単結晶２の送りを制御する。

上記に従い、第１表の条件で、単結晶の製造を、実施し
ながら、一定周期毎に、同様にプレート電圧（Ｖ　ｐ）
　、プレート電流（Ｉ　ｐ）、グリッド電流（Ｉｇ）。

発振周波数（ｆ）を測定していく。

第１表 これを、第４図、第５図、第６図に示した基準値（図中
横軸１．ＯＯのｆｆ１）すなわち設定値と比較して、そ
の外れ具合に応じて発振機出力、上軸送り、及び下軸送
りの制御式により発振機出力、上軸送り、及び下軸送り
を自動的に制御した。

第７図は発振機出力の自動制御の実施例である。

破線は予め経験的に求められた発振機出力Ｅｐの標準プ
ログラムであり、実線２本は単結晶製造に成功した制御
出力例である。すなわち標準プログラムだけでの単結晶
製造は難しく、負荷変動値による自動制御が有効に作用
していることが判る。

こうして、最終的に第４図乃至第７図の実線で描かれた
ように、負荷変動値を用いて、逐次設定値とのずれを発
振機出力或は上軸送り及び下軸送りに自動的にフィード
バックをかけつつ、直径７８帥の単結晶、１２００ｍｍ
長のものを得た。

同様にして、１００本以上の単結晶を製造したが、その
無転位単結晶化率は従来に較べ、３％向上し、生産量も
上がった。

また、従来はオペレータの経験的な知識により製造しな
ければならない要素も残されていたが、本発明により、
このような問題も払拭され、人によらない安定した操業
ができるようになった。

［発明の効果コ 負荷変動値のずれは１％以下で検出できるので、応答も
速く、カメラでは検出及び制御が困難であった、種結晶
から設定直径までの円錐状の移行部の制御がきわめて迅
速正確にできる。とくに負荷変動値として、負荷定数と
負荷抵抗とコイルメルト結合係数を採用するときはこの
効果は顕著である。このとき、負荷変動値は既に述べた
ように。

初期条件を加味して算出しているので、従来のようにこ
れに影響を受けて制御がずれることはなく、初期条件の
変化に対応できる。

本発明によれば、得られる単結晶の無転位結晶化率が、
従来法によるものより向上し、生産性もはるかに上がる
。

さらに、制御操作から人によった経験的要素が払拭され
て、僅かな工数で操業が行なわれるから、労働生産性が
飛躍的に向上するのみならず、人手待ち時間が大巾に低
減されるために、機械の稼働率も向上する等の効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を実施するための単結晶成長を制御す
るシステム構成図。 第２図は、本発明を実施するための単結晶成長を制御す
るシステム中の演算部を示す図。 第３図は、高周波誘導加熱式ＦＺ法による単結晶の製造
装置の発振機出力部の等価回路を示す図。 第４図は、設定値に対する負荷抵抗の変動の例を表わす
図。 第５図は、設定値に対する負荷定数の変動の例を表わす
図。 第６図は、設定値に対するコイルメルト結合係数の変動
の例を表わす図。 第７図は、本発明方法による発振機出力の制御実施例を
表わす図。 １・・・・・原料棒 ２・・・・・単結晶 ３・・・・・溶融部 ４・・・・・加熱コイル ５・・・・・発振機 ６・・・・・上軸送すモータ ７・・・・・下軸送すモータ ８．９・・・　モータ駆動回路 １０．１１・・・　ロータリエンコーダ１２・・・・・
入力処理回路 １３・・・・・演算部 １４・・・・・設定プログラム １５・・・・・比較演算部 １６・・・・・出力処理回路 第２図 第３図 結晶長さ 第４図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　高周波誘導加熱式ＦＺ法による単結晶の製造におい
   て、初期条件を表わす無負荷状態での、高周波発振機の
   プレート電圧、プレート電流、グリッド電流、及び発振
   周波数を変数として導かれる基準関数値と、単結晶製造
   状態での、高周波発振機のプレート電圧、プレート電流
   、グリッド電流、及び発振周波数を変数として導かれる
   負荷時間数値とを、比較演算することで、高周波発振機
   にかかる負荷の状態を負荷変動値として求め、この求め
   られた負荷変動値と、予め求められた標準負荷変動値と
   の比を用いて、単結晶の成長を連続的に自動制御するこ
   とを特徴とする単結晶成長制御方法。 ２　負荷変動値が、メルト抵抗とメルトインダクタンス
   の比で表される負荷定数、及び高周波発振機側から負荷
   側をみた負荷抵抗、及びメルトとコイルの結合係数であ
   ることを特徴とする、請求項１記載の単結晶成長制御方
   法。 ３　高周波誘導加熱式ＦＺ法による単結晶製造方法にお
   いて、初期条件を表わす無負荷状態での、高周波発振機
   のプレート電圧、プレート電流、グリッド電流、及び発
   振周波数を変数として導かれる基準関数値と、単結晶製
   造状態での、高周波発振機のプレート電圧、プレート電
   流、グリッド電流、及び発振周波数を変数として導かれ
   る負荷時間数値とを、比較演算することで、高周波発振
   機にかかる負荷の状態を負荷変動値として求め、この求
   められた負荷変動値と、予め求められた標準負荷変動値
   との比を用いて、単結晶の成長を連続的に自動制御しつ
   つ、単結晶の製造を行なうことを特徴とする単結晶製造
   方法。 ４　負荷変動値が、メルト抵抗とメルトインダクタンス
   の比で表される負荷定数、及び高周波発振機側から負荷
   側をみた負荷抵抗、及びメルトとコイルの結合係数であ
   る、請求項３記載の単結晶製造方法。