JPH0780717B2 - 単結晶直径自動制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、チョクラルスキー法（以下CZ法という）にお
ける成長単結晶の直径自動制御装置の改良に関わり、特
にテレビカメラを使用して成長中の単結晶の直径を測定
しつつ制御する、映像信号処理装置に関するものであ
る。

［従来の技術］ 従来技術としては、たとえば、特開昭62-241890で示さ
れているように、結晶育成時に、結晶と融液の境界に現
れる輝度の高いリング（以下、ブライトリングという）
を、テレビカメラにより撮影し、その出力によるモニタ
テレビ表示面上の映像に対して、サンプリングラインと
呼ばれる走査線に平行な、一次元測定領域を、上下に移
動することによって、ブライトリングの最大直径を測定
する方法がある。これを図面で説明する。

第３図は、モニタテレビによる、映像の例で、１はサン
プリングライン、２は融液面より明るいブライトリン
グ、３は成長中の結晶、４は融液面を現わしている。

第４図は、サンプリングライン上の輝度の変化から、サ
ンプリングラインと交わるブライトリングの幅を計測す
る方法を示す。図中１はサンプリングライン、２はブラ
イトリングを模式的に示したもの、５はサンプリングラ
イン上の輝度の変化に対応したビデオ信号を示す。この
ビデオ信号を、６のスレツシヨールドレベルを基準にし
て２値化する。

カメラコントロール装置の内部で、この２値化したビデ
オ信号をモニタテレビ画像上の座標に対応させ、さらに
この情報を、コンピューターにより解析し、サンプリン
グラインと２ケ所で交わるブライトリング幅を計算す
る。また、サンプリングラインの移動及びサンプリング
ラインの長さの設定はコンピューターにより行なってい
る。

このような装置を用いて、コンピューターにより、サン
プリングラインを移動させながら、ブライトリング幅を
測定し、その測定値を記憶し２ケ所でサンプリングライ
ンと交わるブライトリング幅をすべて測定した後、記憶
した測定値の中から、最大値を選択し、直径測定値とし
て出力する。この出力により、育成する半導体単結晶の
直径を規定値に自動制御する。

［発明が解決しようとする課題］ この従来の装置には、サンプリングラインという一次元
測定領域を、テレビ画面上で上下に移動しながら、ブラ
イトリング幅の上下方向分布を読み込んで、その最大値
を選び出すコンピューターが必要であり、したがって、
これらの装置間では繁雑なデータの通信を行わなくては
ならない。また、サンプリングラインの移動・測定それ
による最大値の検出をすべて直列的に行なうので測定に
時間を要し、装置の較正も大掛かりとなって、非常に高
価なシステムになる。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、融液面を監視するテレビカメラと、このテレ
ビカメラによりとらえたビデオ画像の融液面の成長中単
結晶と融液面の境界に生じる輝度の高いブライトリング
に対応した、一本の走査線上の輝度信号ピークのうち、
個々のピークについて設定スレッショールドレベル以上
にある時間を測定し、これを出力する装置Ａと、これと
同時に並列に機能して、設定スレッショールドレベル以
上にある２個のピークの間隔に相当する時間を測定し、
その出力を行なう装置Ｂと、さらにこれらの装置からの
出力結果に対し、一本の走査線掃引終了時に、この走査
線上に生じた設定スレッショールドレベル以上のピーク
を計数して、計数値が１であるときは装置Ａからの出力
値、計数値が２であるときは装置Ｂから出力値、計数値
が３以上であるときは直前の出力値、いずれかを選択し
出力する機能を有した装置Ｃと、各走査線の掃引に伴っ
て装置Ｃから出力される値を逐次大小比較しながら、直
前の値より大きい値が出力されたときだけ、この値を更
新して、一画面分の走査終了時に、備わったメモリに最
大値を記憶するよう構成した装置Ｄと、一画面毎に装置
Ｄから得られる値を予め定めた直径設定値と比較し、そ
の差により引上装置の運転緒元を調整する装置Ｅとを備
えたことを特徴とする。すなわち本発明では、すべての
走査線において、ブライトリング幅の測定を行ない、そ
の測定値が、一本前の走査線での測定結果と比較して大
きな場合のみ、前回に記憶した測定値を書き換えて記憶
する。この動作を、通常のビデオ信号と同期して行うこ
とで、一画面の走査終了後に、その画面のブライトリン
グの幅の最大値だけを記憶させる。したがって測定速度
は、60回／秒である。

なお、ブライトリング幅の測定に際しては、スレッショ
ールドレベル以上のピーク数をカウントすることによつ
て、正確な測定値ではないと判断された場合には、前回
の測定値が採用される。

これらの動作は、TTL（トランジスタートランジスタ
ロジック）と呼ばれる比較的高速で標準的なICの組合せ
で行なうことができる。

また、本発明の装置は、テレビカメラに二次元固体撮像
素子を用いることもできる。

また、焦点距離の異なる２つのテレビカメラを備え、焦
点距離の長い方のカメラを、絞りと呼ばれる結晶転移を
排除する工程の制御に用いることが望ましい。

［作用］ 次に、これらを実現するための手段を図を用いて、詳述
する。

一本の走査線上の輝度信号の変化は、その走査線が画面
上のどの位置にあるかにより異なる。これを、第２図及
び第５図で説明する。第２図中ａ〜ｄの輝度信号のパタ
ーンのうち、ブライトリング幅の測定にかかわるのは、
b,cのパターンである。ｃの場合最大直径を得るには、
必要のないパターンの様に考えられるが、実際には、絞
りと呼ばれる直径を3mm程に制御して、結晶を成長させ
る部分と肩と呼ばれる前記絞り部から目標とする結晶直
径までに直径を拡大する部分では、ｃのパターンが、最
大直径部に現れることがある。本発明では、ｂとｃのパ
ターンをそれぞれ装置Ａと装置Ｂの二つの測定装置で同
時に測定し、その走査終了時にパターンがｂであるか、
ｃであるかを判断して、どちらかの測定装置の出力を得
る。パターンの判別は、スレッショールドレベル以上の
ピークの個数を数えることにより行われる。第５図ｅの
様にピークが一つの場合には第２図ｃのパターン、第５
図ｆの様にピークが二つの場合には、第２図ｂのパター
ンとして判別し、それぞれのパターンに対応した波形整
形を行ない、第５図ｆの場合には、二つのピーク間隔に
対応したパルス幅のパルスを発生し、このパスルの幅を
計測し、第５図ｅの場合には、スレッショールドレベル
以上にある部分の幅に対応したパルス幅を発生し、この
パルス幅を計測する。融液面にスレッショールドレベル
以上の高輝度の部分があった場合、第５図ｇの様にスレ
ッショールドレベル以上のパルスが、三つ以上発生す
る。パルス幅の測定を行う装置とは別に、このパルス数
をカウントする装置により、三つ以上のパルスがカウン
トされた場合には、パルス幅測定が行なえないと判断
し、前回の測定結果を保持する様に動作をする。また、
パルス数が２または１の場合には、前記のパルス幅計測
装置測定結果を選択して出力する。

この様にして、一本毎に出力されるその走査線と交わる
部分のブライトリング幅を、前回の走査線の測定結果と
比較して、大きい場合のみ、前回の測定結果を更新し
て、新しい結果を記憶する、この動作は、一本の走査を
終了して、次の走査を新しく開始するまでの時間内に行
うことが可能である。

この結果、一画面の走査が終了した時には、その画面の
ブライトリング幅の最大値が自動的に記憶されている。
この最大値は、別の記憶装置で次の画面の最大値が得ら
れるまで保持される。この様にして画面毎に測定が行わ
れるため通常のビデオ装置を使用した場合には、60回／
秒の測定速度となる。

［実施例］ 第１図のブロック図で、本発明の実施例を説明する。

第１図は、本発明による、引上中の単結晶直径を制御す
る装置の実施例を示すブロック図である。

本実施例では、２台のテレビカメラを切り換えて使用し
ている。すなわち、シード絞り部の直径が細い部分を制
御する場合には、長い焦点距離のレンズを付けたカメラ
により、拡大した撮像について分解能を落さずに測定を
することができる。本実施例では、２次元CCDカメラ103
及び104を使用して、クロックパルスとそれに同期した
水平・垂直同期パルス、ビデオ信号を同時に切り換えて
いる（第１図中番号15）。ビデオ信号は、バッファアン
プ８を通り、スレッショールドレベルの自動設定回路に
入る。これは、輝度信号のピークと、平均値の間の任意
の比率にスレッショールドレベルを、自動的に設定する
回路であり、窓ガラスの汚れや製造条件の変更等による
液面輝度の変化に対しても自動的に追従して、スレッシ
ョールドレベルを、測定に適したレベルに維持すること
が出来る。即ち、ピークホールド回路９が、ブライトリ
ングのピーク輝度に追従し、ローパスフィルタ10で画面
の輝度の平均値に追従する。この両者の出力の中間の任
意の比率にスレッショールドレベルを設定することによ
って、安定にブライトリングを検出するためのスレッシ
ョールドレベルを、自動的に設定することができる。コ
ンパレーター11によりスレッショールドレベル以上の信
号について、パルス化して、波形整形回路（Ａ）13,
（Ｂ）14,及びパルスカウンター12に出力する。

波形整形回路（Ａ）13は、コンパレーター11の出力をそ
のまま整形するが、波形整形回路（Ｂ）14は、２個のパ
ルスが入力された場合には、１個目のパルスの立上りか
ら２個目のパルスの立下りまでの時間に等しいパルス幅
のパルスを発生する。ゲート回路16及び17は、それぞれ
の波形整形回路からの出力により、クロックパルスをパ
ルスカウンタ（Ａ）18及び（Ｂ）19に出力する。

データセレクタ20は、コンパレーター11を通過したパル
ス数が１個の場合には、パルスカウンター（Ａ）18の出
力を、２個の場合には、パルスカウンター（Ｂ）19の出
力を、データレジスター（Ｉ）22及びデジタルコンパレ
ーター21に入力する。

デジタルコンパレーター21は、データレジスター（Ｉ）
22の入力と、出力の２進コードを比較し、入力が出力よ
り大きい場合のみ、データレジスタ（Ｉ）22にデータ更
新の指示を与える。もし、パルスカウンター12の出力が
３以上の場合、データ更新の指示を受け付けない様に指
示を与える。この様にして一画面の走査が終了し時、デ
ータレジスター（Ｉ）22には、その画面のブライトリン
グ最大幅に相等したパルスカウント値がセットされてい
る。この値は、一画面の走査終了時に、ただちにデータ
レジスタ（II）23に転送され、次の画面の走査が終了す
るまで保持される。このデータレジスター（II）の２進
コードがD/Aコンバーター24によりアナログ電圧に変換
される。これは、ローパスフィルター25により平均化さ
れ、直径制御装置26に入力され、基準値と比較されて、
直径を基準値に近づける様に制御される。

本実施例では、CCD撮像素子として、水平画素配列491,
垂直画素配列308のものを用い、レンズは、シード絞り
部の直径制御様に焦点距離135mmのものを、直胴部制御
用に、55mmのものを用いた。パスルカウンター，データ
セレクタ，データレジスタ等はすべて標準のTTL ICを使
用し、12bit構成をとった。

この構成によりシード絞り部の直径制御では、直径10mm
〜3.5mmの範囲において、±0.2mmの精度でまた、結晶直
胴部は、直径130mmで±0.6mmの精度で制御でき、容易に
無転移化することができた。

なお、本発明では、ブライトリングによる輝度信号のピ
ークを明確にするため、干渉模型の赤外線フィルター
と、青緑透過型の光学フィルターをテレビカメラのレン
ズに付加して使用した。

［発明の効果］ a.全画面において、ブライトリングの最大値を測定して
いるため、シードの曲がりや、カメラのブレ、液面位置
の変更などによって、ブライトリングの位置が画面内で
変化しても、安定に測定できる。

b.測定速度が大きいため、シードのゆれ、振動等の急速
な位置変動に対しても、正確な測定ができる。また、十
分に平均化した測定値を使用できるため、見掛け上分解
能が向上する。

c.走査線一本毎に、設定スレッショールドレベル以上に
ある輝度信号ピークの数を計測して、測定値の妥当性の
評価、大小比較を行なっているので、ノイズを拾った
り、誤って計測したりすることがない上、画像メモリー
や、マイクロプロセッサ及びそれを働かすソフトウェア
等を必要とせず、標準的なICにより、極めて安価に製作
できる。

d.a乃至ｃの効果が総合的に働いて、極めてノイズの少
ない安定した測定出力が得られるため、直径制御が安定
かつ、高精度に行なえる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による単結晶直径自動制御装置の一実
施例のブロック図。 第２図は、本発明の一実施例の単結晶直径自動制御装置
によるシード絞り部測定時における、ビデオ信号を示す
図。 第３図は、単結晶直径自動制御装置のモニターテレビの
影像を示す図。 第４図は、単結晶直径自動制御装置によるブライトリン
グ幅測定における、ビデオ信号とブライトリング、走査
線、スレッショールドレベルの関係図。 第５図は、本発明の一実施例である単結晶直径自動制御
装置の波形整形の様子を示す図。 １……サンプリングライン ２……ブライトリング ３……成長中の結晶 ４……融液面 ５……ビデオ信号 ６……スレッショールドレベル 50……カメラコントローラーＩ 60……カメラコントローラーII ７……ビデオ信号切換 ８……バッファアンプ ９……ピークホールド回路 10……ローパスフィルター 11……コンパレーター 12……パルスカウンター 13……波形整形回路（Ａ） 14……波形整形回路（Ｂ） 15……同期信号クロックパルス切換 16……ゲート回路 17……ゲート回路 18……パルスカウンター（Ａ） 19……パルスカウンター（Ｂ） 20……データセレクター 21……デジタルコンパレーター 22……データレジスター（Ｉ） 23……データレジスター（II） 24……D/Aコンバーター 25……ローパスフィルター 26……直径制御装置 103……２次元CCDカメラ 104……２次元CCDカメラ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】融液面を監視するテレビカメラと、このテ
   レビカメラから出力されたビデオ画像中の成長中単結晶
   と融液面との境界に生じる輝度の高いリングに対応し
   た、一の走査線上の輝度信号ピークのうち、個々のピー
   クについて設定スレツシヨールドレベル以上にある時間
   を測定し、これを出力する装置Ａと、これと並列に機能
   して、設定スレッショールドレベル以上にある２個のピ
   ークの間隔に相当する時間を測定し、これを出力する装
   置Ｂと、さらにこれらの装置からの出力結果に対し、一
   本の走査線掃引終了時に、この走査線上に生じた設定ス
   レッショールドレベル以上のピークを計数して、計数値
   が１であるときは装置Ａから出力値、計数値が２である
   ときは装置Ｂからの出力値、計数値が３以上であるとき
   は直前の出力値、のいずれかのうち一つを選択、出力す
   る機能を有した装置Ｃと、各走査線の掃引毎に装置Ｃか
   ら出力される前記いずれかの値を逐次大小比較しなが
   ら、直前の値より大きい値が出力されたときだけ、この
   値を更新して、最終的に一画面分の走査終了時に、備え
   たメモリに最大値を記録するよう構成された装置Ｄと、
   一画面毎に装置Ｄから得られる値を予め定めた直径設定
   値と比較し、その差により引上装置の運転緒元を調整す
   る装置Ｅとを備えたことを特徴とする単結晶直径自動制
   御装置。
2. 【請求項２】テレビカメラに二次元固体撮像素子を用い
   たことを特徴とする請求項１記載の単結晶直径自動制御
   装置。
3. 【請求項３】焦点距離の異なる２台のテレビカメラを有
   することを特徴とする請求項１または２記載の単結晶直
   径自動制御装置。