JPH04328425A - 液面位置測定方法，装置及び単結晶引上方法，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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は液面位置の測定方法及び
これに使用する装置、並びにこれを利用する単結晶引上
方法及び該方法に使用する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図８は、従来の単結晶引上装置の模式的
縦断面図であり、図中１は石英坩堝である。石英坩堝１
の外周には黒鉛坩堝２が配設されており、その底部中央
には軸３が連結されている。軸３の下端には伝達機構４
が連結されており、伝達機構４の下端には坩堝回転モー
タ５及び坩堝昇降モータ６が連結されている。坩堝回転
モータ５及び坩堝昇降モータ６を駆動させることにより
、黒鉛坩堝２は回転させつつ昇降せしめられるようにな
っている。坩堝昇降モータ６によって黒鉛坩堝２を昇降
させるとき、伝達機構４に取り付けられたエンコーダ７
が坩堝昇降モータ６の回転数を検出し、変換器８がこれ
を坩堝位置に変換し、坩堝位置表示器９において坩堝位
置を表示するようになっている。黒鉛坩堝２の周囲には
ヒータ１０が配設されており、石英坩堝１内に例えば多
結晶シリコン等の単結晶原料が充填されたときにこれを
溶融させて融液１１を形成せしめるようになっている。

【０００３】石英坩堝１の上方には、回転モータ１２及
び引上モータ１３の駆動力により石英坩堝１に向かって
吊り下げたワイヤ１４を引上げる引上機構１５が配置さ
れている。引上機構１５にはエンコーダ１６が取り付け
られており、エンコーダ１６は引上モータ１３の回転数
を検出し、変換器１７がこれを引上げ量に変換し、単結
晶引上げ量表示器１８において単結晶引上げ量を表示す
るようになっている。ワイヤ１４にて吊り下げたホルダ
２０に保持させた種結晶１９を融液１１に浸し、回転モ
ータ１２及び引上モータ１３によりこれを回転させつつ
上方に引上げることにより、種結晶１９の下端に単結晶
２１を成長せしめるようになっている。

【０００４】石英坩堝１の斜め上方にはレーザ光源２２
が配置されており、レーザ光源２２から発されたレーザ
光は融液１１の液面を照射し、該液面にて反射した反射
光は光検出器２３により受光されるようになっている。 光検出器２３は受光した光の位置を電気信号に変換し、
信号処理部２４が三角測量法の原理により液面位置を算
出し、制御部２５が算出された液面位置が所定の位置に
なるように制御信号を坩堝昇降モータ６に送るようにな
っている。

【０００５】図９は特開昭６２−８７４８１号公報の発
明に係る単結晶引上装置を示す模式的縦断面図である。 図中、図８と同一符号を付したものは図８と同一部分を
示す。図示しない炉体上端に支持棒２６が固定されてお
り、支持棒２６の下端部には取付部材２７の一端が固定
されている。取付部材２７の他端には融液１１に向かっ
て垂直方向に延びる石英棒２８の上端が固定されている
。以上の如く構成された装置を使用する場合、黒鉛坩堝
２を上昇させるときに、炉体上部の窓から石英棒２８の
下端部の色を見て、その色の変化から石英棒２８の下端
が融液１１の液面に接触したか否かを判断する。そして
石英棒２８の下端が融液１１の液面に接触したときから
黒鉛坩堝２を所定量だけ下降させ、この下降させた位置
を初期液面位置としている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述した図
８の装置を使用して融液１１の液面位置を測定する場合
、液面が鏡面の如く作用し、液面が振動するので反射し
たレーザ光は光検出器２３の検出面上で２次元的に振動
するという問題があった。液面から光検出器２３までの
距離は略１ｍと大きいので、液面の振動量は光検出器２
３の検出面で大きくなり、反射光が光検出器２３の検出
面から外れる場合が多くなり、測定に有効な反射光を得
ることが困難になる。また、反射光を検出できた場合で
も反射光の振動によって液面位置の測定精度は極めて悪
くなる。

【０００７】また、上述した図９の装置を使用する場合
は、石英棒２８を融液１１に接触させるため、石英棒２
８に付着している不純物が融液１１中に混入する虞があ
る。そしてこの装置では引上げ開始前の液面位置測定の
みが可能であり、引上げ中の測定は不可能であるという
問題があった。

【０００８】本発明は斯かる事情に鑑みなされたもので
あり、液面に臨ませて不透明な構造体を配置し、構造体
が液面へ投影する鏡像を１次元カメラ又は２次元カメラ
で撮像し、鏡像のエッジ部分のカメラの視野における座
標を算出することにより、液面の振動の影響を受けずに
、非接触で液面位置を高精度で測定し、液面位置を制御
することができる液面位置測定方法及びその実施に使用
する装置、並びにそれを利用した単結晶非方法及びこれ
に使用する装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】第１発明の液面位置測定
法は、不透明な構造体を液面に臨ませ、該構造体が前記
液面へ投影する鏡像を１次元カメラ又は２次元カメラで
撮像し、該１次元カメラ又は２次元カメラの出力信号に
基づいて、前記鏡像のエッジ部分の前記１次元カメラ又
は２次元カメラの視野における座標を算出し、所定の変
換係数を用いて前記座標を液面位置に変換し、液面位置
を測定することを特徴とする。

【００１０】第２発明の液面測定装置は、測定対象の融
液の液面に臨ませた不透明な構造体と、該構造体が前記
液面へ投影する鏡像を撮像する１次元カメラ又は２次元
カメラと、該１次元カメラ又は２次元カメラの出力信号
に基づいて、前記鏡像のエッジ部分の前記１次元カメラ
又は２次元カメラの視野における座標を算出する画像処
理装置と、所定の変換係数を用いて前記座標を液面位置
に変換する演算装置とを備えたことを特徴とする。

【００１１】第３発明の単結晶引上方法は、チョクラル
スキー法により坩堝内の融液から単結晶を引き上げる単
結晶引上方法において、前記融液の液面に構造体を臨ま
せ、該構造体と該構造体が前記液面へ投影する鏡像とを
１次元カメラ又は２次元カメラで撮像し、該１次元カメ
ラ又は２次元カメラの出力信号に基づいて、前記構造体
のエッジ部分と前記鏡像のエッジ部分との前記１次元カ
メラ又は２次元カメラの視野における座標の差を算出し
、該座標の差が一定の値になるように前記坩堝の位置を
上下に移動させて液面位置を制御することを特徴とする
。

【００１２】第４発明の単結晶引上装置は、チョクラル
スキー法により坩堝内の融液から単結晶を引き上げる単
結晶引上装置において、前記融液の液面に臨ませた不透
明な構造体と、該構造体と該構造体が前記液面へ投影す
る鏡像とを撮像する１次元カメラ又は２次元カメラと、
該１次元カメラ又は２次元カメラの出力信号に基づいて
、前記構造体のエッジ部分と前記鏡像のエッジ部分との
前記１次元カメラ又は２次元カメラの視野における座標
の差を算出する画像処理装置と、前記座標の差が一定の
値になるように前記坩堝の位置を上下に移動させる坩堝
位置制御装置とを備えたことを特徴とする。

【００１３】

【作用】本発明においては構造体が液面に投影する鏡像
は、液面の位置の変化に対応してその位置が変化する。 １次元カメラ又は２次元カメラによりこの鏡像を撮像す
ると、撮像した鏡像は鏡像以外の部分と輝度の差がある
ため、所定のしきい値を用いることで鏡像のエッジ部分
のカメラの視野における座標値を求めることができる。 そしてカメラの光軸と構造体とのなす角度により液面位
置と鏡像位置との間には一定の関係が成り立つので、鏡
像位置を液面位置に変換することができる。また、構造
体は液面に対し極めて接近させて配置することができる
ので、液面の振動による画像上の鏡像の位置の振動を非
常に小さくし、液面位置を高精度に測定することができ
る。さらに非接触で液面位置を測定するので、融液及び
単結晶への不純物の汚染の問題がない。

【００１４】

【実施例】以下、本発明をその実施例を示す図面に基づ
き具体的に説明する。図１は本発明に係る単結晶引上装
置を示す模式的縦断面図であり、図中１は石英坩堝であ
る。石英坩堝１の外周には黒鉛坩堝２が配設されており
、その底部中央には軸３が連結されている。軸３の下端
には伝達機構４が連結されており、伝達機構４の下端に
は坩堝回転モータ５及び坩堝昇降モータ６が連結されて
いる。坩堝回転モータ５及び坩堝昇降モータ６を駆動さ
せることにより、黒鉛坩堝２は回転させつつ昇降せしめ
られるようになっている。坩堝昇降モータ６によって黒
鉛坩堝２を昇降させるとき、伝達機構４に取り付けられ
たエンコーダ７が坩堝昇降モータ６の回転数を検出し、
変換器８がこれを坩堝位置に変換し、坩堝位置表示器９
において坩堝位置を表示するようになっている。黒鉛坩
堝２の周囲にはヒータ１０が配設されており、石英坩堝
１内に例えば多結晶シリコン等の単結晶原料が充填され
たときにこれを溶融させて融液１１を形成せしめるよう
になっている。

【００１５】石英坩堝１の上方には、石英坩堝１に向か
って吊り下げたワイヤ１４を、回転モータ１２及び引上
モータ１３の駆動力により引上げる引上機構１５が配置
されている。引上機構１５にはエンコーダ１６が取り付
けられており、エンコーダ１６は引上モータ１３の回転
数を検出し、変換器１７がこれを引上げ量に変換し、単
結晶引上げ量表示器１８において単結晶引上げ量を表示
するようになっている。ワイヤ１４にて吊り下げたホル
ダ２０に保持させた種結晶１９を融液１１に浸し、回転
モータ１２及び引上モータ１３によりこれを回転させつ
つ上方に引上げることにより、種結晶１９の下端に単結
晶２１を成長せしめるようになっている。

【００１６】融液１１の液面より略１０ｍｍ上方には棒
状の構造体２９が設けられている。構造体２９は、図示
しない炉体の上面に対し固定されている。構造体２９の
材質は融液１１に不純物を混入させないようなものでな
くてはならず、液面に対して鮮明な鏡像が投影される必
要があるため、不透明な物体である必要があり、本発明
の実施例では黒鉛を使用している。

【００１７】構造体２９が融液１１の液面に投影した鏡
像３０を２次元カメラ３１が撮像するようになっている
。２次元カメラ３１には減光フィルタ３２が取り付けら
れており、鏡像３０を撮影可能な角度に２次元カメラ３
１を固定し、高温状態の融液１１からの熱放射光を減衰
させるようになっている。２次元カメラ３１は画像信号
を画像処理装置３３へ出力し、画像処理装置３３は鏡像
３０のエッジ部分を検出してこれを演算装置３４へ出力
し、演算装置３４が液面位置に変換し、液面位置表示装
置３５において液面位置を表示するようになっている。

【００１８】図２は石英坩堝１、単結晶２１、鏡像３０
、２次元カメラ３１の位置関係を示した平面図である。 単結晶２１の育成中においても液面位置を測定するため
に、鏡像３０と２次元カメラ３１とは、２次元カメラ３
１が鏡像３０を撮像するときに単結晶２１が視野を遮ら
ない位置に設置する。

【００１９】以下、鏡像３０の画像から液面位置を測定
する方法について説明する。図３は構造体２９、鏡像３
０、２次元カメラ３１、液面Ｌを示した縦断面図である
。構造体２９は鏡面に近い状態である融液１１の液面Ｌ
に対し、鏡像３０を投影している。液面ＬがＬ’の位置
にＸｍｍだけ下降すると、鏡像３０は２Ｘｍｍだけ下降
する。２次元カメラ３１の光学軸と鏡像３０の垂直方向
とのなす角度をθとすると、鏡像が３０から３０’へ位
置変化したとき、光学軸に垂直な面Ｐ上においては、鏡
像３０の水平面Ｑと垂直面Ｒとのエッジ部Ａから鏡像３
０’の水平面Ｑ’と垂直面Ｒ’とのエッジ部Ａ’までの
長さ２Ｘの面Ｐ上への投影線の長さ２Ｘｓｉｎθだけ位
置変化する。例えば液面が１ｍｍだけ下降すると、θが
４５°の場合２次元カメラ３１が撮像する面Ｐ上では約
１．４ｍｍの変位として測定されることになる。また鏡
像が３０から３０’へ位置変化したとき、撮像面ＰはＰ
’に位置変化するが、このときの変化量２Ｘｃｏｓ　θ
は、２次元カメラ３１の焦点深度を大きく設定すること
で焦点ぼけとして表れない。

【００２０】次に前記エッジ部Ａとエッジ部Ａ’の検出
方法について説明する。図４は２次元カメラ３１が撮像
した画像を示した図である。図４の画像には、構造体２
９、鏡像３０の水平面Ｑと垂直面Ｒ、鏡像３０’の水平
面Ｑ’と垂直面Ｒ’が撮像されている。構造体２９、鏡
像３０及び鏡像３０’に垂直な線ｌを引き、構造体２９
との交点をＢ、水平面Ｑとの交点をＣ及びＤ、水平面Ｑ
’との交点をＣ’及びＤ’とする。また、画像の上端と
の交点をＹ、下端との交点をＹ’とする。交点Ｄ及びＤ
’は図３のエッジ部Ａ及びＡ’と一致する。従って液面
位置の変化に伴い、鏡像のエッジ部ＤはＤ’の位置へ２
Ｘｓｉｎ　θだけ変化することになる。

【００２１】図５は、図４の画像上の線ｌにおける輝度
信号を示したグラフであり、図４と同一符号のものは図
４と同一部分を示す。このグラフでは横軸に輝度、縦軸
に垂直方向の画像位置をとっている。以下に示す信号処
理は図１の画像処理装置３３で実施されるものである。 点Ｙから点Ｂまでは構造体２９からの輝度信号であり、
融液に比べ温度が低いため輝度も低い。点Ｂから点Ｃま
では融液液面からの輝度信号であり、温度が高いため輝
度も高い。点Ｃから点Ｄまでは鏡像３０の水平面Ｑから
の輝度信号である。水平面Ｑは融液からの放射熱を受け
て高温になり、輝度信号も高くなるが融液液面の輝度よ
りは低い。点Ｄから点Ｙ’までは鏡像３０の垂直面Ｒか
らの輝度信号であり、温度が低い構造体２９の鏡像であ
るため、その輝度信号も低い。以上の各部分の輝度信号
を高い順番に並べると、点Ｂから点Ｃ、点Ｃから点Ｄ、
点Ｄから点Ｙ’、点Ｙから点Ｂである。

【００２２】ここで輝度信号の適当なしきい値Ｓを設定
することで、構造体２９のエッジ部の垂直方向画像位置
に相当する点Ｆと、鏡像３０のエッジ部の垂直方向画像
位置に相当する点Ｅとの垂直座標を算出することができ
る。液面位置変化に伴う鏡像の位置変化後も、上記と同
様の処理を行うことにより、鏡像３０’のエッジ部の垂
直方向画像位置に相当する点Ｅ’の垂直座標を算出する
ことができる。なお、画像の撮像は垂直方向の輝度信号
のみを用いるため、２次元カメラ３１の代わりに１次元
カメラを用い、図４の線ｌ上を撮像するようにすること
も可能である。また、点Ｆと点Ｅ及び点Ｅ’の垂直座標
を求めるためには、構造体２９は必ずしも棒状である必
要はなく、板状あるいは円筒状の一部分を利用すること
も可能である。

【００２３】上記の方法で算出した点Ｅ及び点Ｅ’の画
像上の座標位置を液面位置に変換する方法を以下に説明
する。図１に示した坩堝昇降モータ６により坩堝位置を
所定量変化させ、そのときの坩堝位置を坩堝位置表示器
９で読み取る。また同時に画像上の座標位置を画像処理
装置３３から読み取る。図６は坩堝位置と画像上の座標
との関係を示したグラフであり、横軸に坩堝位置、縦軸
に画像上の座標をとっている。図６に示したように坩堝
位置の変化に伴い、座標位置が直線的に対応する。液面
位置は坩堝位置に一定の定数を加えることにより表すこ
とができ、適当な変換係数を用いることで座標位置を液
面位置に変換することができる。この変換係数を予め演
算装置３４に入力しておき、画像処理装置３３から出力
された座標位置を演算装置３４で液面位置に変換し、液
面位置表示装置３５で液面位置を表示する。

【００２４】以上の如くにして求めた液面位置を用いる
ことにより、単結晶引上げ前及び引上げ中において所定
の位置に液面が位置するように、坩堝位置を所定の位置
に制御することが可能になる。

【００２５】図７は本発明の他の実施例に係る単結晶引
上装置を示す模式的縦断面図であり、図中、図１と同一
符号を付したものは図１と同一部分を示す。図７に示し
た装置では、図４及び図５に示したように２次元カメラ
３１の視野に構造体２９と鏡像３０との両方を撮像し、
構造体２９と鏡像３０との距離は点Ｆと点Ｅとの座標の
差と一定の関係があるので、上述の変換係数を用いるこ
となく、点Ｆと点Ｅとの座標の差が一定になるように坩
堝位置を制御することで液面位置を一定に保持するもの
である。画像処理装置３３は、２次元カメラ３１の画像
から構造体２９と鏡像３０のエッジ部の垂直方向画像座
標の差、即ち点Ｆと点Ｅとの座標の差に対応した信号を
坩堝位置制御装置３６へ出力する。坩堝位置制御装置３
６は、予め入力された所定の値とこの信号とを比較し、
偏差が０になるように坩堝位置を上下に駆動させる信号
を坩堝昇降モータ６へ出力し、液面位置を一定に制御す
る。

【００２６】

【発明の効果】以上の如く本発明においては、不透明な
構造体を液面に臨ませ、構造体が液面へ投影する鏡像を
１次元カメラ又は２次元カメラで撮像し、鏡像のエッジ
部分のカメラの視野における座標を算出して液面位置を
求めるので、液面の振動に対する鏡像の画像位置の振動
を小さくし、高精度に液面位置を測定することができる
。そして非接触で液面位置を測定するので液及び単結晶
を不純物で汚染することがない。従って単結晶引上げに
用いる場合は引上げ前のみでなく、単結晶引上げ中に液
面位置を測定することができる。さらに液面位置の測定
値を用いて坩堝位置を制御することにより、液面位置を
単結晶引上げに最適な位置に制御することが可能になり
、品質が高く、安定した単結晶を製造することが可能に
なる等、本発明は優れた効果を奏するものである。なお
、本発明の液面測定方法及び装置は単結晶引上げに限ら
ず種々の用途に適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る単結晶引上装置を示す模式的縦断
面図である。

【図２】石英坩堝、単結晶、鏡像及び２次元カメラの位
置関係を示した平面図である。

【図３】構造体、鏡像、２次元カメラ及び液面を示した
縦断面図である。

【図４】２次元カメラが撮像した画像を示した図である
。

【図５】図４の画像上の線ｌにおける輝度信号を示した
グラフである。

【図６】坩堝位置と画像上の座標との関係を示したグラ
フである。

【図７】本発明の他の実施例に係る単結晶引上装置を示
す模式的縦断面図である。

【図８】従来の単結晶引上装置の模式的縦断面図である
。

【図９】特開昭６２−８７４８１号公報の発明に係る単
結晶引上装置を示す模式的縦断面図である。

【符号の説明】

１　　石英坩堝 ５　　坩堝回転モータ ６　　坩堝昇降モータ ９　　坩堝位置表示器 １１　　融液 ２１　　単結晶 ２９　　構造体 ３０　　鏡像 ３１　　２次元カメラ ３２　　減光フィルタ ３３　　画像処理装置 ３４　　演算装置 ３５　　液面位置表示装置 ３６　　坩堝位置制御装置

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　不透明な構造体を液面に臨ませ、該構
   造体が前記液面へ投影する鏡像を１次元カメラ又は２次
   元カメラで撮像し、該１次元カメラ又は２次元カメラの
   出力信号に基づいて、前記鏡像のエッジ部分の前記１次
   元カメラ又は２次元カメラの視野における座標を算出し
   、所定の変換係数を用いて前記座標を液面位置に変換し
   、液面位置を測定することを特徴とする液面位置測定方
   法。
2. 【請求項２】　　測定対象の融液の液面に臨ませた不透
   明な構造体と、該構造体が前記液面へ投影する鏡像を撮
   像する１次元カメラ又は２次元カメラと、該１次元カメ
   ラ又は２次元カメラの出力信号に基づいて、前記鏡像の
   エッジ部分の前記１次元カメラ又は２次元カメラの視野
   における座標を算出する画像処理装置と、所定の変換係
   数を用いて前記座標を液面位置に変換する演算装置とを
   備えたことを特徴とする液面位置測定装置。
3. 【請求項３】　　チョクラルスキー法により坩堝内の融
   液から単結晶を引き上げる単結晶引上方法において、前
   記融液の液面に構造体を臨ませ、該構造体と該構造体が
   前記液面へ投影する鏡像とを１次元カメラ又は２次元カ
   メラで撮像し、該１次元カメラ又は２次元カメラの出力
   信号に基づいて、前記構造体のエッジ部分と前記鏡像の
   エッジ部分との前記１次元カメラ又は２次元カメラの視
   野における座標の差を算出し、該座標の差が一定の値に
   なるように前記坩堝の位置を上下に移動させて液面位置
   を制御することを特徴とする単結晶引上方法。
4. 【請求項４】　　チョクラルスキー法により坩堝内の融
   液から単結晶を引き上げる単結晶引上装置において、前
   記融液の液面に臨ませた不透明な構造体と、該構造体と
   該構造体が前記液面へ投影する鏡像とを撮像する１次元
   カメラ又は２次元カメラと、該１次元カメラ又は２次元
   カメラの出力信号に基づいて、前記構造体のエッジ部分
   と前記鏡像のエッジ部分との前記１次元カメラ又は２次
   元カメラの視野における座標の差を算出する画像処理装
   置と、前記座標の差が一定の値になるように前記坩堝の
   位置を上下に移動させる坩堝位置制御装置とを備えたこ
   とを特徴とする単結晶引上装置。