JPH0632693A - 単結晶の種付制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 種付けの際に、光輪の形状判別を容易に行
う。 【構成】 ＧａＡｓ融液１３を保持するるつぼ１１を加
熱するメインヒータ１２と、該ヒータ１２の加熱温度を
制御するメインヒータ温度コントローラ２９とを有し、
加熱されたるつぼ１１内の融液１３に種棒１４を接触さ
せ、かつ、種棒１４を回転させて引き上げて単結晶を育
成する際に、単結晶の種付制御を行う方法において、計
測ウインド２１を介して、回転する種棒１４と融液１３
との接触面に生じる光輪２０をビデオカメラ２２で撮影
してその掃行量を計測し、相関計２６で上記掃行量と種
棒１４の回転周期信号との相関計算を行い、該計算結果
から光輪２０の厚さ及び四角い度を評価部２７が評価
し、該評価結果に応じてメインヒータの温度設定値を計
算部２８が計算し、その温度設定値に基づき、温度コン
トローラ２９がヒータ１２の加熱温度を制御して、種付
けの自動化を図る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、単結晶の製造方法に関
し、特にチョクラルスキー法により単結晶を育成する際
の単結晶の種付制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、このチョクラルスキー法では、図
７の加熱炉１０に示すように、るつぼ１１内の保持され
たガリウムヒ素（ＧａＡｓ）結晶原料を、上記るつぼの
周囲に配置された加熱手段であるメインヒータ１２によ
って加熱溶融してＧａＡｓ融液１３にした後、上記Ｇａ
Ａｓ融液１３に種結晶棒（以下、「種棒」という。）１
４を接触させ、当該種棒１４とるつぼ１１を反対方向に
回転させながら上記種棒１２を徐々に引き上げて、Ｇａ
Ａｓ単結晶１５を育成していた。

【０００３】この例で、種付けを行う際には、回転する
種棒１４をＧａＡｓ融液１３に接触させると、上記接触
面に種棒１４を囲む光輪が発生する。この光輪の形状
は、加熱炉１０の温度に関係していることが知られてい
る。すなわち、図８に示すように、例えば種棒１４が四
角柱の場合、加熱炉１０の温度が比較的低温の時には、
種棒１４の下部に結晶１５が出現し、温度が上昇する
と、四角い光輪２０ａが出現し、さらに上記温度が上昇
すると、小円形光輪２０ｂを経て円形光輪２０ｃが発生
する。

【０００４】そこで、従来の方法では、種付けを行う際
に、作業者が上記光輪の形状を目で観測しながらメイン
ヒータ１２の温度を調整し、光輪の形状が円形になった
時点で、種付が成功したと判断して、上記種棒１２の引
き上げを開始させて、ＧａＡｓ単結晶１５を育成してい
た。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記方
法では、光輪の形状判別は不明確で、作業者の経験と勘
によってかなりの差異が生じるため、種付けが失敗する
可能性が多かった。また、ＧａＡｓ融液１３と種棒１４
の接触後に、光輪が出現するが、ＧａＡｓ融液１３に気
泡も発生してしまう。この気泡は、光輪の形状判別には
かなり邪魔になり、作業者による判別を一層困難にして
いた。

【０００６】本発明は、上記実情に鑑みなされたもの
で、種付けの際に、光輪の形状判別を容易に行うことが
できる単結晶の種付制御方法を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、原料融液を保持するるつぼを加熱する
加熱手段と、該加熱手段の加熱温度を制御する制御手段
とを有し、加熱されたるつぼ内の原料融液に種結晶棒を
接触させ、かつ、当該種結晶棒を回転させて引き上げて
単結晶を育成する際に、前記制御手段によって加熱手段
の加熱温度を制御する単結晶の種付制御方法において、
所定計測ウインドを介して、回転する前記種結晶棒と前
記原料融液との接触面に生じる光輪の掃行量を計測し、
該光輪の掃行量と前記種結晶棒の回転周期の周期信号と
の相関計算を行い、かつ、該計算結果から前記光輪の厚
さ及び形状の評価を行い、当該評価結果に応じて、前記
制御手段が加熱手段の加熱温度を制御する単結晶の種付
制御方法が提供される。

【０００８】

【作用】スリット状の計測ウインドを介して、回転する
種結晶棒と原料融液との接触面に生じる光輪をビデオカ
メラで撮影してその掃行量を計測し、相関計で上記掃行
量と周期信号との相関計算を行い、該計算結果から光輪
の厚さ及び形状を評価部が評価し、該評価結果に応じて
メインヒータの温度設定値を計算する。

【０００９】従って、温度コントローラが上記温度設定
値に基づき、メインヒータの加熱温度を制御でき、人手
を介さずに種付けの自動化を図ることができる。

【００１０】

【実施例】本発明の実施例を図１乃至図６の図面に基づ
き説明する。図１は、本発明に係る単結晶の種付制御方
法を用いた制御装置の構成を示すブロック図である。な
お、図において、図７と同様な構成部分に関しては、説
明の都合上、同一符号とする。

【００１１】制御装置は、ＧａＡｓ融液１３と、例えば
四角柱の種棒１４との接触面の近傍に設けたスリット状
の計測ウインド２１と、図２に示すように、計測ウイン
ド２１を介して上記接触面に発生した光輪２０を撮影す
るＣＣＤビデオカメラ２２と、上記カメラ２２からの画
像を画像処理する画像処理部２３と、処理された画像デ
ータを取り込み光輪の形状からメインヒータ１２の温度
設定値を算出するＣＰＵ２４と、上記算出された設定値
に基づきメインヒータ１２の温度を制御するメインヒー
タ温度コントローラ２９とから構成される。なお、種棒
１４とるつぼ１１とは、反対方向に回転されるので、種
棒１４と、液面及び気泡の回転方向は、図２に示すよう
に、反対方向に回転される。

【００１２】ＣＣＤビデオカメラ２２は、計測ウインド
２１内の光輪２０の掃行量を観測している。この光輪２
０の形状は、低温では四角形であるため、観測される掃
行量の変動は大きく、逆に高温では円形であるため、観
測される掃行量の変動は小さい。また、種棒１４は、四
角柱であるため、上記掃行量の変動信号は、一種の同期
信号となり、その周期は、種棒１４の回転周期と同じで
ある。

【００１３】画像処理部２３は、ＣＣＤビデオカメラ２
２によって計測ウインド２１内で撮影された画像を、所
定の閾値で、“０”，“１”の画像データに二値化処理
している。なお、光輪２０は、計測ウインド２１内で撮
影される他の部分に比べて、明るさが強いので、画像処
理部２３では、上記閾値の設定が容易で、入力する画像
の二値化処理を容易に行うことができ、光輪２０部の画
像データを“１”として出力することができる。

【００１４】ＣＰＵ２４は、処理された画像データを採
集する画像データ採集器２５と、入力する種棒回転同期
信号と画像データとの相関計算を行う相関計２６と、上
記計算結果に基づき光輪の厚み及び形状（四角い度）を
評価する評価部２７と、上記評価結果に応じてメインヒ
ータ１２の温度設定値を計算するメインヒータ温度設定
値計算部（以下、「計算部」という。）２８とから構成
されている。

【００１５】画像データ採集器２５は、光輪２０部の画
像データであるレベル“１”のデータを採集する。この
画像データ採集器２５のデータの採集周期は、種棒１４
の回転周期の８倍以上とする。相関計２６は、上記画像
データ採集器２５によって採集されたデータに対して、
上記データに含まれるノイズ分を除去するための計算を
行う。すなわち、画像データ採集器２５に採集されたデ
ータの中には、ＣＣＤビデオカメラ２２の撮影による光
輪の画像ボケや気泡等の影響により、光輪自体の原信号
より強いノイズが含まれているため、相関計算を利用し
て上記ノイズを除去し、原信号を再現する必要がある。

【００１６】そこで、本実施例では、種棒１４の回転周
期を６r.p.m 、２５ｍｓの周期でスリットの光輪の掃行
量を２分間記録し、図３に示すように、合計１２回転の
データを得る。スリットの光輪からは、一回転に付き、
４００点のデータが得られ、１２回転の全体からは、４
８００点のデータが得られる。相関計２６は、上記４８
００点のデータの中から各回転位置のそれぞれのデータ
の平均値を計算して、評価部２７に出力する。図３にお
いて、例えば、第１回転の画像データのうちの第１点の
回転位置に該当する第２回転から第１２回転の画像デー
タは、第４０１，第８０１，…，第４４０１点に該当す
るので、相関計２６は、上記各点の画像データの平均値
を計算する。また、第１回転の画像データのうちの第２
点の回転位置に該当するのは、第４０２，第８０２，
…，第４４０２点であり、以下同様にして各回転位置の
それぞれのデータの平均値を計算し、図４に示すような
原信号３０を復元する。

【００１７】評価部２７は、まず復元された原信号３０
の振幅を用いて、光輪２０の四角い度の評価を行う。す
なわち、光輪２０の形状は、上記振幅が大きいほど四角
に近く、また振幅が小さいほど円形に近い関係にあるの
で、評価部２７は、上記関係に基づき入力する原信号３
０の振幅による光輪２０の四角い度を評価する。さら
に、評価部２７は、相関計２６からの平均値を用いて、
光輪２０の厚みの評価を行う。すなわち、光輪２０の厚
みは、上記平均値が大きいほど厚く（光輪２０が大き
い）、また平均値が小さいほど薄い（光輪２０が小さ
く）関係にあるので、評価部２７は、上記関係に基づき
入力する平均値による光輪２０の厚みを評価する。気泡
等のノイズは、この相関計算によって除去されるので、
再評価する必要性がなくなる。光輪２０の厚みとは、図
５に示すように、例えば種棒１４の底面が辺長６ｍｍの
正方形である場合、二辺の角から光輪２０の外周までの
距離をいう。

【００１８】計算部２８は、評価結果である光輪２０の
厚みと四角い度に応じてメインヒータ１２の温度設定値
を計算する。すなわち、例えば上述した種棒１４を用い
た場合の光輪２０の厚みと、光輪２０の形状が四角にな
ってからの実際生産時のメインヒータ１２の温度の上昇
値との関係は、図６に示すような関係になる。ここで、
上記温度と厚みのバラ付きを図に示すような直線で近似
すると、上記直線の計算式は、 ｙ＝０．３４ｘ＋０．４ …(1) ｘ：光輪２０の形状が四角になってからのメインヒータ
１２の温度の上昇値 ｙ：光輪２０の厚み となる。なお、上記計算式は、上記種棒１４が、底面が
辺長６ｍｍの正方形の場合の式で、この条件が代われ
ば、上記近似される直線の式も代わる。計算部２８は、
上記式(1) に評価部２７からの評価結果である光輪２０
の厚みを代入して、光輪２０の形状が四角になってから
のメインヒータ１２の温度設定値を計算する。具体的に
は、一般のＰＩＤ制御法又は経験値をテーブル化したフ
ァジィ制御法を利用することができる。

【００１９】従って、本実施例では、ＣＰＵ２４が、Ｃ
ＣＤビデオカメラ２２で計測された光輪２０の掃行量と
種棒１４の回転周期の周期信号との相関を求め、その結
果から光輪の厚さ及び形状を評価し、該評価結果に応じ
てメインヒータ１２の温度設定値を計算するので、メイ
ンヒータ温度コントローラ２９は、上記温度設定値に基
づき、メインヒータの加熱温度を制御でき、人手を介さ
ずに種付けを行うことができるとともに、種付けの失敗
を大幅に削減することができる。

【００２０】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明では、原
料融液を保持するるつぼを加熱する加熱手段と、該加熱
手段の加熱温度を制御する制御手段とを有し、加熱され
たるつぼ内の原料融液に種結晶棒を接触させ、かつ、当
該種結晶棒を回転させて引き上げて単結晶を育成する際
に、前記制御手段によって加熱手段の加熱温度を制御す
る単結晶の種付制御方法において、所定計測ウインドを
介して、回転する前記種結晶棒と前記原料融液との接触
面に生じる光輪の掃行量を計測し、該光輪の掃行量と前
記種結晶棒の回転周期の周期信号との相関計算を行い、
かつ、該計算結果から前記光輪の厚さ及び形状の評価を
行い、当該評価結果に応じて、前記制御手段が加熱手段
の加熱温度を制御するので、種付けの際に、光輪の形状
判別を容易に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る単結晶の種付制御方法を用いた制
御装置の構成を示すブロック図である。

【図２】図１に示した種棒と融液との接触面の拡大図で
ある。

【図３】図１に示した相関計の動作を説明するための図
である。

【図４】復元された原信号を示す図である。

【図５】光輪の厚みを示す図である。

【図６】光輪の厚みとメインヒータの温度上昇値との関
係を示す図である。

【図７】加熱炉の構成を示す図である。

【図８】加熱炉の温度に対する光輪の形状を示す図であ
る。

【符号の説明】

１１ るつぼ １２ メインヒータ １３ ＧａＡｓ融液 １４ 種結晶棒（種棒） ２０ 光輪 ２１ 計測ウインド ２２ ＣＣＤビデオカメラ ２３ 画像処理部 ２４ ＣＰＵ ２５ 画像データ採集器 ２６ 相関計 ２７ 評価部 ２８ メインヒータ温度設定値計算部 ２９ メインヒータ温度コントローラ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 原料融液を保持するるつぼを加熱する加
   熱手段と、該加熱手段の加熱温度を制御する制御手段と
   を有し、加熱されたるつぼ内の原料融液に種結晶棒を接
   触させ、かつ、当該種結晶棒を回転させて引き上げて単
   結晶を育成する際に、前記制御手段によって加熱手段の
   加熱温度を制御する単結晶の種付制御方法において、所
   定計測ウインドを介して、回転する前記種結晶棒と前記
   原料融液との接触面に生じる光輪の掃行量を計測し、該
   光輪の掃行量と前記種結晶棒の回転周期の周期信号との
   相関計算を行い、かつ、該計算結果から前記光輪の厚さ
   及び形状の評価を行い、当該評価結果に応じて、前記制
   御手段が加熱手段の加熱温度を制御することを特徴とす
   る単結晶の種付制御方法。