JPS5848518B2 - Automatic crystal diameter control device - Google Patents

Automatic crystal diameter control device

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JPS5848518B2
JPS5848518B2 JP51023559A JP2355976A JPS5848518B2 JP S5848518 B2 JPS5848518 B2 JP S5848518B2 JP 51023559 A JP51023559 A JP 51023559A JP 2355976 A JP2355976 A JP 2355976A JP S5848518 B2 JPS5848518 B2 JP S5848518B2
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JP
Japan
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position controller
control device
crystal
output
melt
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JP51023559A
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Japanese (ja)
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JPS52106381A (en
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順治 乾
透 佐藤
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明はいわゆる回転引上法による単結晶の育威を制御
する装置に関し、特に坩堝内の融液の重量変化を融液温
度にフィードバックすることにより育或中の結晶の直径
を自動制御する装置に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a device for controlling the growth of a single crystal by the so-called rotary pulling method, and in particular, it controls the growth of a single crystal by feeding back changes in the weight of the melt in a crucible to the temperature of the melt. The present invention relates to a device for automatically controlling the diameter of.

融液から単結晶を育威する方法の一つとして、結晶原科
の融液に種子結晶を浸漬し回転しながら引上げる方法は
、いわゆる回転引上法(または単に引上法)としてよく
知られている。
One of the methods for growing single crystals from a melt is to immerse a seed crystal in a crystallization melt and pull it up while rotating, which is well known as the so-called rotational pulling method (or simply the pulling method). It is being

回転引上法による単結晶の育或において、育成中の結晶
の直径を一定に制御することは、結晶の品質向上および
コストの低減にとって極めて重要ナ要件の一つとなって
いる。
In the growth of single crystals by the rotational pulling method, controlling the diameter of the crystal during growth to a constant level is one of the extremely important requirements for improving crystal quality and reducing costs.

育成中の結晶の直径を検知する方法としては、一般に赤
外線カメラ等により光学的に測定する方法と融液を含む
坩堝の重量変化から算出する力法等が知られているが、
前者は対象物以外からの反射光あるいは観察窓の雲り等
によって誤測定する可能性があり、その点後者の方が有
利である。
Generally known methods for detecting the diameter of a growing crystal include optical measurement using an infrared camera and the force method, which is calculated from changes in the weight of the crucible containing the melt.
The former method may cause erroneous measurements due to reflected light from objects other than the object or clouds on the observation window, so the latter method is more advantageous in this respect.

結晶直径の制御量としては、通常、引上速度または融液
温度またはそれらの組合せ等が採られるが、結晶の引上
速度を変動させると結晶の品質を損うので、引上速度は
一定とし、融液温度を操作することによって結晶直径を
制御する方が望ましい。
The crystal diameter is usually controlled by the pulling speed, melt temperature, or a combination thereof, but since varying the crystal pulling speed will impair the quality of the crystal, the pulling speed should be kept constant. , it is more desirable to control the crystal diameter by manipulating the melt temperature.

第1図は融液の重量変化を検知し、融液温度にフィード
バックすることにより結晶直径を制御する従来の方法の
1例を図式的に示したものである。
FIG. 1 schematically shows an example of a conventional method for controlling the crystal diameter by detecting a change in the weight of the melt and feeding it back to the temperature of the melt.

単結晶1が回転しつつ一定速度で引上げられるにつれて
、結晶融液2の量が減少し、したがって融液2を含む坩
堝3の重量は経時的に減少する。
As the single crystal 1 is rotated and pulled up at a constant speed, the amount of the crystal melt 2 decreases, and therefore the weight of the crucible 3 containing the melt 2 decreases over time.

重量は重量センサー10によって電気信号■に変換され
、この電気信号■は設定器20の中にあらかじめプログ
ラムされた理想的な結晶重量変化に対応した基準信号■
The weight is converted into an electric signal ■ by the weight sensor 10, and this electric signal ■ is a reference signal corresponding to the ideal crystal weight change programmed in the setting device 20 in advance.
.

と比較され、その偏差e( ””vo − v )が動
作信号として制御装置30へと入力される。
The deviation e (""vo - v) is inputted to the control device 30 as an operation signal.

制御信号,{Eは更に高周波コイル4への出力を制御す
るための出力制御器40へと印加されるが、出力制御器
40はプログラム装置50によって引上サイクルを通じ
て終始プログラム信号Eによって制御されており、制御
信号,{Eはこのプログラム出力系へフィードバックさ
れることになる。
The control signal, {E, is further applied to an output controller 40 for controlling the output to the high frequency coil 4, which is controlled by the program signal E throughout the pulling cycle by the programmer 50. The control signal {E will be fed back to this program output system.

このようにして高周波出力が調整され、偏差eが零とな
る様にすなわち所定の結晶直径が維持される様に、融液
2の温度が制御される。
In this way, the high frequency output is adjusted and the temperature of the melt 2 is controlled so that the deviation e becomes zero, that is, a predetermined crystal diameter is maintained.

従来、制御装置30としてはいわゆるPID動作型のも
のが用いられているが、PID動作型の装置では非常に
高価である上に、かかる結晶育成プロセスのように特に
多くの容量要素とかむだ時間、及び外乱の多いプロセス
の場合には、PID定数の設定が難かしく、装置の設置
時及び保守のために、長い設定時間を必要とする。
Conventionally, a so-called PID operation type control device 30 has been used, but the PID operation type device is very expensive and requires a large number of capacitance elements and dead time, especially in the crystal growth process. In the case of a process with many disturbances, it is difficult to set the PID constant, and a long setting time is required for equipment installation and maintenance.

本発明は上記従来の欠点を改善すべくなされたものであ
り、比較的簡単な制御系により結晶直径を精度良く自動
的に制御する装置を提供せんとするものである。
The present invention has been made in order to improve the above-mentioned conventional drawbacks, and aims to provide a device that automatically controls crystal diameter with high precision using a relatively simple control system.

第2図は本発明による結晶直径の自動制御装置を説明す
るためのブロック図である。
FIG. 2 is a block diagram for explaining the automatic crystal diameter control device according to the present invention.

第4図はその回路の1例である。FIG. 4 shows an example of the circuit.

本発明の制御装置と従来の制御装置の異なる点は、制御
装置30の構威にある。
The difference between the control device of the present invention and conventional control devices lies in the structure of the control device 30.

すなわち従来と同様にして発生した動作信号eは制御装
置30に於いて先ず微分制御器31により時間微分され
、次いで微分信号石は間欠匍脚器32により一定の時間
間隔で断続的に多位置制御器33へと伝えられる。
That is, in the control device 30, the operating signal e generated in the same manner as before is first time-differentiated by the differential controller 31, and then the differential signal stone is intermittently multi-position controlled by the intermittent pedestal 32 at regular time intervals. It is transmitted to the vessel 33.

多位置制御器33は入de 力信号πの値に対し階段状に不連続に変化した制御信号
JEを出力し、プログラムされた信号Eにフィードバッ
クさせる。
The multi-position controller 33 outputs a control signal JE that changes discontinuously in a stepwise manner with respect to the value of the input signal π, and feeds it back to the programmed signal E.

微分制御器31による微分動作は系に過度の振動を与え
ることなく比例感度を上げる効果があり、また整定時間
を短縮することもできる。
The differential operation by the differential controller 31 has the effect of increasing the proportional sensitivity without imparting excessive vibration to the system, and can also shorten the settling time.

間欠制御器32により制御信号を間欠動作させることは
むだ時間の補正に有効である。
Intermittent operation of the control signal by the intermittent controller 32 is effective for correcting dead time.

更に多位置制御器33により不連続的に動作させること
は外乱による雑音に対してより安定で確実な制御を与え
るものである。
Furthermore, discontinuous operation using the multi-position controller 33 provides more stable and reliable control against noise caused by external disturbances.

本発明に使用される多位置制御器とは、いわゆる3位置
動作や4位置動作などの制御を行うもの、すなわち入力
信号の大きさによって3つ以上の定まった値の内の1つ
を出力するものであることは周知のことであるが、この
場合には特に入力信号の絶対値が或る特定値より小さい
場合には出力(操作量)が零であるものが望ましい。
The multi-position controller used in the present invention is one that controls so-called 3-position operation or 4-position operation, that is, it outputs one of three or more predetermined values depending on the magnitude of the input signal. In this case, it is desirable that the output (operated amount) be zero, especially when the absolute value of the input signal is smaller than a certain specific value.

これは結晶の直径が目標値に対して所定の誤差範囲にあ
るときはフィードバックを停止して、坩堝の浮場や振動
等の外乱による雑音からプログラム制御系を保護する上
で有効だからである。
This is because feedback is stopped when the crystal diameter is within a predetermined error range with respect to the target value, which is effective in protecting the program control system from noise caused by disturbances such as floating fields and vibrations of the crucible.

多位置制御器は市販の安価なモールド型比較器を1ヶ以
上組合せることにより極めて容易に製作することが出来
る。
A multi-position controller can be manufactured extremely easily by combining one or more commercially available inexpensive molded comparators.

たとえば第3図は5位置制御器の1構成例を示す図であ
り、第3図aは比較器を2ヶ用いた場合の回路図、第3
図bはこの回路への入力紅 と出力JEの関係を示すグ
ラフでdt ある。
For example, FIG. 3 is a diagram showing one configuration example of a 5-position controller, FIG. 3a is a circuit diagram when two comparators are used, and FIG.
Figure b is a graph showing the relationship between the input to this circuit and the output JE.

入力信号と比較器331及び332の設定電圧X1及び
X2との大小関係により、O,±■1,±■2の5つの
電圧値のいづれかが出力される。
Depending on the magnitude relationship between the input signal and the set voltages X1 and X2 of the comparators 331 and 332, one of five voltage values O, ±■1, ±■2 is output.

本発明に使用される多位置制御器としては経済的見地か
らすれば、比較器が1ヶだけで構威できる3位置制御器
が望ましいが、より緻密な制御という点も勘案すれば、
5位置制御器が最も望ましい0 第3図bの電圧値X1 t X2 + Vt t及ぴ■
2は結晶引上プロセスに対して最適となる様に設定され
de るが、大きな偏差微分値,7 に対してはより大きな操
作量を与えて加速的に偏差微分値を小さくさせるために
■2は■1の2倍より大きく設定することが有効である
From an economical point of view, a three-position controller that can be configured with only one comparator is desirable as a multi-position controller used in the present invention, but if more precise control is also taken into consideration,
5-position controller is most desirable 0 Voltage value in Figure 3b X1 t X2 + Vt t and ■
2 is set to be optimal for the crystal pulling process, but for large deviation differential values, 7 is set in order to give a larger operation amount to reduce the deviation differential value in an accelerated manner. It is effective to set ① to be larger than twice 1.

本発明に使用される微分制御器及び間欠匍脚器は各々微
分動作及び微分値を基に制御量の変化分を決め、数十秒
〜数分間に1回制御の変化分を与える間欠動作を行うも
のであり、各種公知の機器、回路、部品等のいずれでも
よい。
The differential controller and the intermittent leg controller used in the present invention each determine the amount of change in the control amount based on the differential operation and the differential value, and perform intermittent operation that gives the amount of change in control once every several tens of seconds to several minutes. Any of various known devices, circuits, parts, etc. may be used.

又、本発明のフィードバック制御系には、本発明の必須
の構威要件である微分匍脚器、間欠制御器及び多位置制
御器の外に、低域濾波器等を付加することも可能である
Furthermore, it is also possible to add a low-pass filter, etc. to the feedback control system of the present invention in addition to the differential leg mechanism, intermittent controller, and multi-position controller, which are essential structural requirements of the present invention. be.

次に本発明の実施例としてLiNbO3単結晶の育或の
場合を詳細に説明する。
Next, as an example of the present invention, a case of growing a LiNbO3 single crystal will be described in detail.

内容積が80φX80mmの白金坩堝に、Li20とN
b205の重量比が48.7:51。
Li20 and N are placed in a platinum crucible with an internal volume of 80φ x 80mm.
The weight ratio of b205 is 48.7:51.

3となるようにLi2CO3 とNb205とを合計I
Kp装填し、大気中でその融点温度以上に加熱融解す
る。
The total of Li2CO3 and Nb205 is I
Kp is loaded and heated to a temperature higher than its melting point in the atmosphere to melt it.

次いで融液温度を最適温度に設定し、LiNb03単結
晶の種子結晶を融液に浸漬し、15RPMで回転しつつ
5MM/Hの速度で引上げを開始し、同時に温度制御の
プログラムを開始する。
Next, the melt temperature is set to the optimum temperature, a LiNb03 single crystal seed crystal is immersed in the melt, and pulling is started at a speed of 5 MM/H while rotating at 15 RPM, and at the same time a temperature control program is started.

この場合間欠制御器はオン時間及びオフ時間が各々10
秒、及び50秒となるように設定されている。
In this case, the intermittent controller has an on time and an off time of 10 each.
seconds, and 50 seconds.

また多位置制御器は第3図に示す如き5位置制御器であ
り、比較器としてはバーブラウン社製4115104を
2ヶ用い、出力■1及び■2を各々3及び10μ■とし
た。
The multi-position controller was a 5-position controller as shown in FIG. 3, and two comparators 4115104 manufactured by Burr-Brown were used, and the outputs (1) and (2) were set to 3 and 10μ, respectively.

以上のようにして、結晶直径の目標値50φに対し、±
1φ以内の制御が実現できた。
As described above, for the target value of crystal diameter 50φ, ±
Control within 1φ was achieved.

本発明によれば、上記実施例からも明らかな様に、微分
動作を間欠的にかつ不連続に動作させることにより、P
ID動作に比べて、より安価な制御装置で、そしてより
安易に結晶直径を高精度に自動制御することが出来る。
According to the present invention, as is clear from the above embodiments, by performing the differential operation intermittently and discontinuously, P
Compared to ID operation, the crystal diameter can be automatically controlled with high precision using a cheaper control device and more easily.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は回転引上法に於ける引上結晶の直径を自動的に
制御する従来の方法の1例を説明するための図、第2図
は本発明による制御装置を説明するための図、および第
3図は本発明の中で使用される多位置制御器の1実施例
である5位置制御器の回路図とグラフ、第4図は本発明
の制御回路図の1例である。 1・・・・・・引上中の結晶、2・・・・・・結晶材科
の融液、3・・・・・・坩堝、4・・・・・・高周波出
力コイル、10・・・・・・重量センサー、20・・・
・・・目標値設定器、30・・・・・・制御装置、31
・・・・・・微分制御器、32・・・・・・間欠制御器
、33・・・・・・多位置制御器、40・・・・・・高
周波出力制御器、50・・・・・・出力プログラム装置
、331・・・・・・比較器、332・・・・・・比較
器。
FIG. 1 is a diagram for explaining an example of a conventional method for automatically controlling the diameter of a pulled crystal in a rotational pulling method, and FIG. 2 is a diagram for explaining a control device according to the present invention. , and FIG. 3 are circuit diagrams and graphs of a five-position controller which is an embodiment of the multi-position controller used in the present invention, and FIG. 4 is an example of a control circuit diagram of the present invention. 1... Crystal being pulled, 2... Melt of crystal material, 3... Crucible, 4... High frequency output coil, 10... ...Weight sensor, 20...
...Target value setter, 30...Control device, 31
... Differential controller, 32 ... Intermittent controller, 33 ... Multi-position controller, 40 ... High frequency output controller, 50 ... ...Output program device, 331...Comparator, 332...Comparator.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 結晶原料の融液を含む坩堝の重量を電気信号に変え
、該融液の温度をプログラム制御する系に該電気信号を
フィードバックすることによって、回転引上育成中の結
晶の直径を自動制御する装置において、フィードバック
系の制御装置が前記電気信号に基づく動作信号を時間微
分する微分匍狂器、サンプリングを行うオン時間をサン
プリングを行わないオフ時間に比べ短かく設定した間欠
制御器、及ひ不連続動作を行う多位置制御器であって、
入力信号の絶対値が或る特性値より小さい場合には出力
がほぼ零である多位置制御器を具備することを特徴とす
る結晶直径の自動制御装置。 2 多位置制御器が5位置制御器であり、信号人力包絶
対値を或る特性値Xi,X2と比較し、dt de !L−1<XIの時出力が0,XI≦1匠1〈X2dt de の時出力がVl,X2≦litの時出力が■2であり、
かつV2)2V1となるように出力電圧値を設定したこ
とを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載の結晶直径
自動制御装置。 3 多位置制御器が1つ以上の比較器を含む特許請求の
範囲第1項記載の結晶直径の自動制御装置。
[Scope of Claims] 1. A method that converts the weight of a crucible containing a melt of a crystal raw material into an electrical signal, and feeds back the electrical signal to a system that programmatically controls the temperature of the melt, thereby controlling the crystal during rotational pulling growth. In a device for automatically controlling the diameter of A controller and a multi-position controller that performs discontinuous operation,
1. An automatic crystal diameter control device comprising a multi-position controller whose output is approximately zero when the absolute value of an input signal is smaller than a certain characteristic value. 2. The multi-position controller is a 5-position controller, and the signal human force envelope absolute value is compared with certain characteristic values Xi, X2, and dt de! When L-1<XI, the output is 0, when XI≦1, the output is Vl, when X2≦lit, the output is ■2,
The automatic crystal diameter control device according to claim 1, wherein the output voltage value is set so that V2)2V1. 3. Automatic crystal diameter control device according to claim 1, wherein the multi-position controller includes one or more comparators.
JP51023559A 1976-03-04 1976-03-04 Automatic crystal diameter control device Expired JPS5848518B2 (en)

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JPS52106381A JPS52106381A (en) 1977-09-06
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS611411U (en) * 1984-06-11 1986-01-07 カルソニックカンセイ株式会社 Control wire fixing structure
JPS62163112U (en) * 1986-04-02 1987-10-16

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JPS50128685A (en) * 1974-03-29 1975-10-09

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