JPS5928624A - メルトレベル検知装置及び検知方法 - Google Patents
メルトレベル検知装置及び検知方法Info
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- JPS5928624A JPS5928624A JP58127539A JP12753983A JPS5928624A JP S5928624 A JPS5928624 A JP S5928624A JP 58127539 A JP58127539 A JP 58127539A JP 12753983 A JP12753983 A JP 12753983A JP S5928624 A JPS5928624 A JP S5928624A
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
- G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
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-
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-
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は液体レベル検知システム（装置）および方法に
関する。特に本発明はチョクラルスキー型シリコン結晶
成長炉内の溶融物レベルの検知に特別に有用なシステム
（装置）および方法に関する。
関する。特に本発明はチョクラルスキー型シリコン結晶
成長炉内の溶融物レベルの検知に特別に有用なシステム
（装置）および方法に関する。
チョクラルスキープロセスを用いてシリコン結晶成長を
成功させるには、ホットゾーン（ｈｏｔ ｚｏ−ｎｅ）
に関連して溶融物レベルの正確な位置を確定し制御する
必要がある。以前にはこのパラメータの制御は、るつほ
に入れる装入量の質量および外部のるつはシャフト位置
を既知の初期溶融物レベルに関連づけるのに必要なパラ
メータの測定値に基づいた１推測操作（ｄｅａｄ ｒｅ
ｃｋｏｎｉｎｇ）’により達成され九。この初期溶融物
レベルを維持するため、るつぼのカップ引上げ速度は、
結晶直径、るつぼ直径および固体からの液体への密度変
化を用いて比率（ｒａｔｉｏ） （引上げ速度の％）と
して計算される。初期溶融物レベルの検知は、生産Ｙ方
式における結晶成長プロセスの再現性を達成するのに不
可欠である。
成功させるには、ホットゾーン（ｈｏｔ ｚｏ−ｎｅ）
に関連して溶融物レベルの正確な位置を確定し制御する
必要がある。以前にはこのパラメータの制御は、るつほ
に入れる装入量の質量および外部のるつはシャフト位置
を既知の初期溶融物レベルに関連づけるのに必要なパラ
メータの測定値に基づいた１推測操作（ｄｅａｄ ｒｅ
ｃｋｏｎｉｎｇ）’により達成され九。この初期溶融物
レベルを維持するため、るつぼのカップ引上げ速度は、
結晶直径、るつぼ直径および固体からの液体への密度変
化を用いて比率（ｒａｔｉｏ） （引上げ速度の％）と
して計算される。初期溶融物レベルの検知は、生産Ｙ方
式における結晶成長プロセスの再現性を達成するのに不
可欠である。
しかし、“推測操作′法を用いた初期位置計算は、直面
する高温において、黒船カップの形通りになるための石
英るつぼの塑性流れによって成長プロセスに重大な誤差
が導入される可能性がある。
する高温において、黒船カップの形通りになるための石
英るつぼの塑性流れによって成長プロセスに重大な誤差
が導入される可能性がある。
更に、オペレータの知能的な計算誤シの可能性が常に存
在する゛。
在する゛。
成長プロセス期間中の溶融物レベル制御には、上述した
不確かさのすべてがつきまとっているとともに、そのよ
うな制御は結晶直径の変化に対して常に新たな補正が必
要である。更に１計算された比率の小さな誤差が、今日
の大型炉の典型的な長時間の成長サイクルにおいては累
積誤差を生じさせるという事実が、“推測操作”法を更
に一層受は入れがたいものにしている。代表的な場合に
は、溶融物レベルを正確に制御できないと、その結果と
して結晶構造の消失又は不十分な直径制御による結晶弁
どまりの低下をきたす。その理由は、この後者の場合直
径センサが一定の溶融物レベル（又は少なくとも既知の
溶融物レベル）の維持に依存しており、このレベルは直
径検知システムの補正に使用できるからである。実際的
な問題として、結晶直径が所望する直径よシ小さいと結
晶材料は全部が無駄になってしまい、一方結晶直径が所
望する直径よυ大きいと、研磨してその直径を正しい大
きさにまで小さくする必要がある。この後者の場合にも
、材料に無駄が生じるとともに研磨に要する時間と努力
が無駄になる。
不確かさのすべてがつきまとっているとともに、そのよ
うな制御は結晶直径の変化に対して常に新たな補正が必
要である。更に１計算された比率の小さな誤差が、今日
の大型炉の典型的な長時間の成長サイクルにおいては累
積誤差を生じさせるという事実が、“推測操作”法を更
に一層受は入れがたいものにしている。代表的な場合に
は、溶融物レベルを正確に制御できないと、その結果と
して結晶構造の消失又は不十分な直径制御による結晶弁
どまりの低下をきたす。その理由は、この後者の場合直
径センサが一定の溶融物レベル（又は少なくとも既知の
溶融物レベル）の維持に依存しており、このレベルは直
径検知システムの補正に使用できるからである。実際的
な問題として、結晶直径が所望する直径よシ小さいと結
晶材料は全部が無駄になってしまい、一方結晶直径が所
望する直径よυ大きいと、研磨してその直径を正しい大
きさにまで小さくする必要がある。この後者の場合にも
、材料に無駄が生じるとともに研磨に要する時間と努力
が無駄になる。
全体として改良された溶融物レベル制御に対する必要性
は益り重要と寿ってきておシ、よυ大型の長時間のサイ
クルの炉では結晶成長プロセスの自動化は絶対に必要な
こととなってきている。この点については、レイチャー
ドに発行された米国特許第３．７４０．５６３号は引上
げられた結晶の直径および溶融物レベルを検知し制御す
る電気光学的システムおよび方法を記述している。この
特許は液体溶融物表面で成長する結晶の周辺部において
発生するメニスカスから細い光ビームを反射するシステ
ムを記述している。そこから反射されたビームは２軸ス
ポツトロケークによシ検出される。記述されているこの
システムによると、この反射されたビームの接線方向へ
の動きは主として溶融物レベルの変化によるものであシ
、−男手径方向への動きは主として直径の変化による。
は益り重要と寿ってきておシ、よυ大型の長時間のサイ
クルの炉では結晶成長プロセスの自動化は絶対に必要な
こととなってきている。この点については、レイチャー
ドに発行された米国特許第３．７４０．５６３号は引上
げられた結晶の直径および溶融物レベルを検知し制御す
る電気光学的システムおよび方法を記述している。この
特許は液体溶融物表面で成長する結晶の周辺部において
発生するメニスカスから細い光ビームを反射するシステ
ムを記述している。そこから反射されたビームは２軸ス
ポツトロケークによシ検出される。記述されているこの
システムによると、この反射されたビームの接線方向へ
の動きは主として溶融物レベルの変化によるものであシ
、−男手径方向への動きは主として直径の変化による。
小さいメニスカス面積を用いると比較的に振動の少ない
反射面を与えるが、こ＼に説明したシステムは、溶融物
の自由光面上の振動又は波のために初期溶融物レベルを
確定するのに使用できない。更にこのシステムは、完全
に丸くない、又は面のある結晶。
反射面を与えるが、こ＼に説明したシステムは、溶融物
の自由光面上の振動又は波のために初期溶融物レベルを
確定するのに使用できない。更にこのシステムは、完全
に丸くない、又は面のある結晶。
又はケーブル又はチェーン引上げ引出し機構を用いるチ
ョクラルスキープロセスに共通にみられるようにや＼偏
心的な仕方で回る結晶と一緒に用いると実際上いくつか
の問題がある。更忙、記述されているチョッピングされ
た光源および周期検出器回路を用いると、本発明のきわ
めて強度の高い、狭帯域通過（ｐａｓｓ）の光学的シス
テムによって達成されるほどすぐれた信号対雑音比り得
られない。
ョクラルスキープロセスに共通にみられるようにや＼偏
心的な仕方で回る結晶と一緒に用いると実際上いくつか
の問題がある。更忙、記述されているチョッピングされ
た光源および周期検出器回路を用いると、本発明のきわ
めて強度の高い、狭帯域通過（ｐａｓｓ）の光学的シス
テムによって達成されるほどすぐれた信号対雑音比り得
られない。
ハウスに発行された米国特許第３，５７４，６５０号は
、蒸発源の位置を制御するだめの真空蒸着システムを記
述している。この特許は、真空蒸着プロセスにおける蒸
気源として用いられ小さい金属溶融物から元ビームを反
射させるためのレーザの使用を記述している。フィルタ
に結合されたレーザのような直径の小さい単色光源を用
いるとシステムの信号対雑音比は改善されるが、このシ
ステムはビームの直径が小さく溶融物振動によって重大
な妨害を受けやすいので小さい表面張力の安定した溶融
物にしか使えない。従ってこの特許に記述されているシ
ステノ、６１、小さい安定した溶融物表面上の入射角お
よび反射角の測定に関するもので＝ｓｂ、大きい不安定
な溶融物表面上の波立っている表面を扱うことができる
平均化システムではない。
、蒸発源の位置を制御するだめの真空蒸着システムを記
述している。この特許は、真空蒸着プロセスにおける蒸
気源として用いられ小さい金属溶融物から元ビームを反
射させるためのレーザの使用を記述している。フィルタ
に結合されたレーザのような直径の小さい単色光源を用
いるとシステムの信号対雑音比は改善されるが、このシ
ステムはビームの直径が小さく溶融物振動によって重大
な妨害を受けやすいので小さい表面張力の安定した溶融
物にしか使えない。従ってこの特許に記述されているシ
ステノ、６１、小さい安定した溶融物表面上の入射角お
よび反射角の測定に関するもので＝ｓｂ、大きい不安定
な溶融物表面上の波立っている表面を扱うことができる
平均化システムではない。
従って、上記の特許又はこれまでに紹介したその他のシ
ステムではまた扱われていない溶融物レベルを正確に検
知する上でのいくつかの問題が残されている。第１に、
溶融物表面から反射される光ビームにはその溶融物表面
から出て反射される強い熱放射が伴っておシ、それが溶
融物表面からの反射ビームを検出する上で重大な信号対
雑音比問題を生じさせる。第２に、溶融物の界面は平ら
な鏡には似ておらず、むしろカップの回転およびるつぼ
における結晶の不規則的な（ｅｒｒａｔｉｃ）湿潤の結
果生じる乱対流およびその他の機械的撹乱によるリップ
ルおよび波によってかき乱される。通常の場合には、の
ぞき窓における最高数インチまでのビーム偏差がこれら
の条件下での細いビームには予想しうる。最後に、溶融
物レベルのいかなる光学的側定本、可能性のある光源の
変化ならびに炉のぞき窓上への酸化物およびドーパント
の凝結による炉のぞき窓透過率の変化と戦わなければな
らない。
ステムではまた扱われていない溶融物レベルを正確に検
知する上でのいくつかの問題が残されている。第１に、
溶融物表面から反射される光ビームにはその溶融物表面
から出て反射される強い熱放射が伴っておシ、それが溶
融物表面からの反射ビームを検出する上で重大な信号対
雑音比問題を生じさせる。第２に、溶融物の界面は平ら
な鏡には似ておらず、むしろカップの回転およびるつぼ
における結晶の不規則的な（ｅｒｒａｔｉｃ）湿潤の結
果生じる乱対流およびその他の機械的撹乱によるリップ
ルおよび波によってかき乱される。通常の場合には、の
ぞき窓における最高数インチまでのビーム偏差がこれら
の条件下での細いビームには予想しうる。最後に、溶融
物レベルのいかなる光学的側定本、可能性のある光源の
変化ならびに炉のぞき窓上への酸化物およびドーパント
の凝結による炉のぞき窓透過率の変化と戦わなければな
らない。
従って、本発明の目的は、改良された溶融物レベル検知
システムおよび方法を提供することである。
システムおよび方法を提供することである。
本発明のもう１つの目的は、チョクラルスキー結晶成長
プロセスにおいて初期溶融物レベルを正確に測定する改
良された溶融物レベル検知システム（装置）および方法
を提供することである。
プロセスにおいて初期溶融物レベルを正確に測定する改
良された溶融物レベル検知システム（装置）および方法
を提供することである。
本発明の更にもう１つの目的は、強い熱放射のある場合
にすぐれた信号対雑音比を与える改良された溶融物レベ
ル検知システムおよび方法を提供するととである。
にすぐれた信号対雑音比を与える改良された溶融物レベ
ル検知システムおよび方法を提供するととである。
本発明の更にもう１つの目的は、カップの回転又はその
他の原因による乱対流および機械的振動による表面波お
よびさざ波がある場合に溶融物レベルを正確に測定する
改良された溶融物レベル検知システムおよび方法を提供
することである。
他の原因による乱対流および機械的振動による表面波お
よびさざ波がある場合に溶融物レベルを正確に測定する
改良された溶融物レベル検知システムおよび方法を提供
することである。
本発明の更にもう１つの目的は、酸化物およびドーパン
トの凝結又は光源変化の存在による炉のぞき窓の部分的
障害にも拘らず溶融物レベルの正確な検知を可能にする
改良された溶融物レベル検知システムおよび方法を提供
することである。
トの凝結又は光源変化の存在による炉のぞき窓の部分的
障害にも拘らず溶融物レベルの正確な検知を可能にする
改良された溶融物レベル検知システムおよび方法を提供
することである。
発明の要約
上記の猪口的は、液体表面レベルの変化を検出する検知
システムおよび方法が狭いビーム幅の＃１ぼ単色の照明
源を含み、入射ビームを斜めの角度で液体表面の方向に
向け、それによシまたそこからの反射ビームを与える本
発明において達成される。ビーム拡大器が照明源と液体
表面との間に置かれておシ、入射ビームのビーム幅を液
体表面上で出会う乱れの波長よりかたり広いビーム幅に
拡げる。集光レンズは液体表面からの反射光の一部を横
切るように取シ付けられていて、その反射光の一部をさ
えぎシ、その一部の焦点を中心に集束させる。ビーム検
出器はその中心に配置され、中心の相対的位置の対応す
る変化を検出することにより液体表面レベルの変化の表
示を与える。狭帯域通過干渉フィルタは、集光レンズの
前で反射ビームをさえぎるのに使用され、単元照明源の
周波数だけを通過させて、チョクラルスキー炉内の溶融
物から出る熱放射の殆んど全部を除去することができる
。
システムおよび方法が狭いビーム幅の＃１ぼ単色の照明
源を含み、入射ビームを斜めの角度で液体表面の方向に
向け、それによシまたそこからの反射ビームを与える本
発明において達成される。ビーム拡大器が照明源と液体
表面との間に置かれておシ、入射ビームのビーム幅を液
体表面上で出会う乱れの波長よりかたり広いビーム幅に
拡げる。集光レンズは液体表面からの反射光の一部を横
切るように取シ付けられていて、その反射光の一部をさ
えぎシ、その一部の焦点を中心に集束させる。ビーム検
出器はその中心に配置され、中心の相対的位置の対応す
る変化を検出することにより液体表面レベルの変化の表
示を与える。狭帯域通過干渉フィルタは、集光レンズの
前で反射ビームをさえぎるのに使用され、単元照明源の
周波数だけを通過させて、チョクラルスキー炉内の溶融
物から出る熱放射の殆んど全部を除去することができる
。
好ましい実施例の説明
第１図を参照すると、従来のチック２ルスキー炉１２と
ともに用いるための本発明の溶融物レベル検知システム
１０が示されている。チョクラルスキープロセスでは、
結晶１８は黒鉛カップ１４によって支持され黒鉛ヒータ
１５によって加熱される石英るつは１６内に含まれる溶
融物から制御可能な状態で引き出される。溶融物レベル
、は黒鉛ヒータ１５に関連して黒鉛カップ１４および石
英るっぽ１６の位置を垂直方向に調節することによって
維持される。
ともに用いるための本発明の溶融物レベル検知システム
１０が示されている。チョクラルスキープロセスでは、
結晶１８は黒鉛カップ１４によって支持され黒鉛ヒータ
１５によって加熱される石英るつは１６内に含まれる溶
融物から制御可能な状態で引き出される。溶融物レベル
、は黒鉛ヒータ１５に関連して黒鉛カップ１４および石
英るっぽ１６の位置を垂直方向に調節することによって
維持される。
図示されているように、溶融物表面２ｏは、浸漬（ｄｉ
ｐ ｉｎ）およびシヨ／ｌ／ダリング（ｓｈｏｕｌｄｅ
ｒｉｎｇ）前に特に激しい熱対流、結晶１８と石英るつ
ｆｆ １６とが互に反対方向に回る回転、不規則的な（
ｅｒｒａｔｌｃ）結晶湿潤、その他の力による多数の表
面上の乱れを含む。この方法では、表面の乱れ２２は、
溶融物レベル表面２０をそれがなければ鏡のような表面
から偏位させる。
ｐ ｉｎ）およびシヨ／ｌ／ダリング（ｓｈｏｕｌｄｅ
ｒｉｎｇ）前に特に激しい熱対流、結晶１８と石英るつ
ｆｆ １６とが互に反対方向に回る回転、不規則的な（
ｅｒｒａｔｌｃ）結晶湿潤、その他の力による多数の表
面上の乱れを含む。この方法では、表面の乱れ２２は、
溶融物レベル表面２０をそれがなければ鏡のような表面
から偏位させる。
図示した実施例においては、レーザ２４は本発明の溶融
物レベル検知システムｌＯとともに用いるためのはソ単
色の照明源を提供する。レーザ２４は非常に狭いビーム
幅の非常に強力な単色照明源を提供する。使用した２、
０ｍｗヘリウムネオン（）ＩｅＮｅ）により、ビーム直
径が約０．５ミリメートルのレーザビーム２６が与えら
れる。次にビーム２６はレーザ拡大器四を通って進むが
、この拡大器はレーザビーム２６の直径を拡大し、入射
ビームのビーム直径を溶融物レベル表面２０の表面上の
乱れの波長に関連して大幅に大きくする役目をする。典
型的な場合には３２倍のビーム拡大器で十分である。入
射ビーム３Ｑ カチョクラルスキー炉１２ののぞき窓を
通って進むと溶融物レベル表面艶による入射ビーム３０
０反射によって反射ビーム関が生じる。第３図に更に示
されているように、入射および反射ビーム３０および関
のそれぞれの縦軸あおよび３６は、仮定の垂直基準線あ
に対して角度θを作る。
物レベル検知システムｌＯとともに用いるためのはソ単
色の照明源を提供する。レーザ２４は非常に狭いビーム
幅の非常に強力な単色照明源を提供する。使用した２、
０ｍｗヘリウムネオン（）ＩｅＮｅ）により、ビーム直
径が約０．５ミリメートルのレーザビーム２６が与えら
れる。次にビーム２６はレーザ拡大器四を通って進むが
、この拡大器はレーザビーム２６の直径を拡大し、入射
ビームのビーム直径を溶融物レベル表面２０の表面上の
乱れの波長に関連して大幅に大きくする役目をする。典
型的な場合には３２倍のビーム拡大器で十分である。入
射ビーム３Ｑ カチョクラルスキー炉１２ののぞき窓を
通って進むと溶融物レベル表面艶による入射ビーム３０
０反射によって反射ビーム関が生じる。第３図に更に示
されているように、入射および反射ビーム３０および関
のそれぞれの縦軸あおよび３６は、仮定の垂直基準線あ
に対して角度θを作る。
溶融物レベル表面２０の表面上の乱れのために、反射ビ
ーム関は縦軸の周りに断面が一般的に円錐形の反射ビー
ムエネルギーを作る。反射ビームはのぞき窓４０を通る
ことができ、そこでフィルタ４２に入射する。フィルタ
４２は、レーザ２４の出力周波数において現われる単色
照明のみを通過させる狭帯域幅の光学フィルタを構成す
る。こ＼でレーザ２４を構成するＩＩｅＮｅレーザの波
長は約６３８．８ ｎｍであるので、フィルタ４２は、
代表的な場合にはｌｌｎｍのｙの帯域幅を有する６３８
ｎｍの整合装置としてそこにおいて与えられる。
ーム関は縦軸の周りに断面が一般的に円錐形の反射ビー
ムエネルギーを作る。反射ビームはのぞき窓４０を通る
ことができ、そこでフィルタ４２に入射する。フィルタ
４２は、レーザ２４の出力周波数において現われる単色
照明のみを通過させる狭帯域幅の光学フィルタを構成す
る。こ＼でレーザ２４を構成するＩＩｅＮｅレーザの波
長は約６３８．８ ｎｍであるので、フィルタ４２は、
代表的な場合にはｌｌｎｍのｙの帯域幅を有する６３８
ｎｍの整合装置としてそこにおいて与えられる。
フィルタ４２を通過する反射ビーム関のその部分はそこ
でレンズ４４に入射する。レンズ４４は、そこへ入射す
る反射光のその部分を中心４６に集束する。
でレンズ４４に入射する。レンズ４４は、そこへ入射す
る反射光のその部分を中心４６に集束する。
中心４６は、レンズ４４およびスゲリットダイオード検
出器４８用の個装密閉体によって決定されるスプリット
ダイオード４８の両半分上に一般に等しく当るように作
られている。フィルタ４２もこの密閉体に数個けられる
のが便利である。レンズ４４．フィルタ４２およびスプ
リットダイオード検出器４８の組合せは、垂直基準線あ
に対して角度θでチョクラルスキー炉にスライドできる
ように固定されている。次にレンズ４４およびスプリッ
トダイオード検出器４８の組合せは溶融物レベル表面２
０に対して垂直に自由に動けるようになっているので取
シ付けた指示器（資）は目盛シのついた物差（ｃａｌｌ
ｂｒａｔｅｄ ５−ｃａｌｅ）５２に溶融物レベルをセ
ットするのに用いることができる。更に、レンズ４４お
よびスプリットダイオード検出器４８の組合せは、予め
セットした溶融物レベルのいかなる変化も検知すること
ができ、制御出力を力えて石英るつは１６のレベルおよ
び自動化されたシステムの他の処理パラメータの制御を
調節することができる。゛ 更に第２図を参照すると、本発明のスプリットダイオー
ド検出器４８が示されている。図示した実施例では、ス
プリットダイオード４８は、フォトダイオード５４およ
び間を２等分する軸に沿ってのみ中心４６が検知される
ようにフォトダイオード図および５６を接続させた４セ
グメントフオトダイオードを具える。スプリットダイオ
ード検出器４８は、ユナイテッドデイテクタテクノロジ
ー社（ＵｎｌｔｅｄＤｅｔｅｃｔｏｒ Ｔｅｃｈｎｏｌ
ｏｇｙ）のＰＩＮスポット／８Ｄ検出器を用いて具えら
れるのが便利である。抵抗６２およびコンデンサ６６を
含む長い時定数ＲＣ回路網は、出力線５８および共通線
７０の間でフォトダイオード５４に平行している。同様
な方法で、抵抗６４およびコンデンサ６８を含む整合Ｒ
Ｃ回路網は、出力線（イ）と共通ｍ７００間でフォトダ
イオード５６に平行している。
出器４８用の個装密閉体によって決定されるスプリット
ダイオード４８の両半分上に一般に等しく当るように作
られている。フィルタ４２もこの密閉体に数個けられる
のが便利である。レンズ４４．フィルタ４２およびスプ
リットダイオード検出器４８の組合せは、垂直基準線あ
に対して角度θでチョクラルスキー炉にスライドできる
ように固定されている。次にレンズ４４およびスプリッ
トダイオード検出器４８の組合せは溶融物レベル表面２
０に対して垂直に自由に動けるようになっているので取
シ付けた指示器（資）は目盛シのついた物差（ｃａｌｌ
ｂｒａｔｅｄ ５−ｃａｌｅ）５２に溶融物レベルをセ
ットするのに用いることができる。更に、レンズ４４お
よびスプリットダイオード検出器４８の組合せは、予め
セットした溶融物レベルのいかなる変化も検知すること
ができ、制御出力を力えて石英るつは１６のレベルおよ
び自動化されたシステムの他の処理パラメータの制御を
調節することができる。゛ 更に第２図を参照すると、本発明のスプリットダイオー
ド検出器４８が示されている。図示した実施例では、ス
プリットダイオード４８は、フォトダイオード５４およ
び間を２等分する軸に沿ってのみ中心４６が検知される
ようにフォトダイオード図および５６を接続させた４セ
グメントフオトダイオードを具える。スプリットダイオ
ード検出器４８は、ユナイテッドデイテクタテクノロジ
ー社（ＵｎｌｔｅｄＤｅｔｅｃｔｏｒ Ｔｅｃｈｎｏｌ
ｏｇｙ）のＰＩＮスポット／８Ｄ検出器を用いて具えら
れるのが便利である。抵抗６２およびコンデンサ６６を
含む長い時定数ＲＣ回路網は、出力線５８および共通線
７０の間でフォトダイオード５４に平行している。同様
な方法で、抵抗６４およびコンデンサ６８を含む整合Ｒ
Ｃ回路網は、出力線（イ）と共通ｍ７００間でフォトダ
イオード５６に平行している。
スプリットダイオード検出器４８は、また石英るつぼ１
６の回転の可能性のある変化による溶融物の形状変化に
よる横方向へのシステムアライメントを検知し補正する
のに用いることができる。石英るつは１６の回転の増大
又は減少は溶融物レベル表面２０の放物線形を変化させ
、反射ビームを横方向へ移動させる。これは計画的なプ
ロセス変数であシ、その場合には反射光３８を横方向へ
追跡できることが必要又は望ましいことが判るであろう
。
６の回転の可能性のある変化による溶融物の形状変化に
よる横方向へのシステムアライメントを検知し補正する
のに用いることができる。石英るつは１６の回転の増大
又は減少は溶融物レベル表面２０の放物線形を変化させ
、反射ビームを横方向へ移動させる。これは計画的なプ
ロセス変数であシ、その場合には反射光３８を横方向へ
追跡できることが必要又は望ましいことが判るであろう
。
システム動作および理論
第３図を参照すると、入射ビーム園の縦軸３４が、位ｆ
ｔＬ＋およびＬ２における溶融物レベル表面艶に対する
反射光ビーム３８の縦軸３６に関連して示されている。
ｔＬ＋およびＬ２における溶融物レベル表面艶に対する
反射光ビーム３８の縦軸３６に関連して示されている。
縦軸３４および３６は垂直基準線３５に対して角度θを
作る。位置Ｌ１からＬ２への溶融物レベル表面２０の低
下（ΔＬ）による縦軸３４の構成部分は１Ｘ”で示され
ている。この△Ｌによる縦軸３６間の距離は△Ｙで示さ
れている。これに対応して、フォトダイオード５４およ
び５６の中間に中心をおくためにスプリットダイオード
検出器４８を移動させなければならない距離へ２が図示
されている。これらの種々のパラメータは下記のように
関係づけられる。
作る。位置Ｌ１からＬ２への溶融物レベル表面２０の低
下（ΔＬ）による縦軸３４の構成部分は１Ｘ”で示され
ている。この△Ｌによる縦軸３６間の距離は△Ｙで示さ
れている。これに対応して、フォトダイオード５４およ
び５６の中間に中心をおくためにスプリットダイオード
検出器４８を移動させなければならない距離へ２が図示
されている。これらの種々のパラメータは下記のように
関係づけられる。
角θの余弦は下記の式によって与えられる：Ｘを解くと
、 更に、 △Ｙを解くと、 △Ｙ＝＝ Ｘ ｓｉｎ ２θ ＣＯＳ θ ＝ΔＬ（２ｓｌｎθ） 従って、例えば θ＝ ２２．５°とすると、ΔＹ＝、
７６ΔＬ 従って下記のようになる： △Ｚ＝２ △Ｌ 従って、図示した実施例においてはレーザ２４は２．０
ミリワツトＨｅＮｅデバイスの出力として０．５ミリメ
ータービーム直径を与える。３２倍のビーム拡大器２８
を用いると、入射ビームは約１６ミリメーターのビーム
直径を有する。このビーム直径は表面上の乱れ２２の波
長に比べて大きい溶融物レベル表面２０上の面積を照明
するのに役立つ。これは反射光ビームあを与え、このビ
ームは実際上大きな面積上の反射を平均化する。
、 更に、 △Ｙを解くと、 △Ｙ＝＝ Ｘ ｓｉｎ ２θ ＣＯＳ θ ＝ΔＬ（２ｓｌｎθ） 従って、例えば θ＝ ２２．５°とすると、ΔＹ＝、
７６ΔＬ 従って下記のようになる： △Ｚ＝２ △Ｌ 従って、図示した実施例においてはレーザ２４は２．０
ミリワツトＨｅＮｅデバイスの出力として０．５ミリメ
ータービーム直径を与える。３２倍のビーム拡大器２８
を用いると、入射ビームは約１６ミリメーターのビーム
直径を有する。このビーム直径は表面上の乱れ２２の波
長に比べて大きい溶融物レベル表面２０上の面積を照明
するのに役立つ。これは反射光ビームあを与え、このビ
ームは実際上大きな面積上の反射を平均化する。
縦軸３６に沿って中心４６に当たる反射ビーム関の中心
軌跡（ｃｅｎｔｒｏｌｄ）はスプリットダイオード検出
器４８によって位置決めされる。レンズ４４ハスべての
そのようなレンズに固有な゛コマ収差”と呼ばれる光学
的収差によシ一般的に平行している光線をさえぎるが、
中心４６の位置は実際的には縦９ｍ ３６内のレンズ４
４の位置に応答して動く。次にレンズ４４は発生する円
錐形反射ビームあをスゲリットダイオード検出器５８の
狭い間隔で配置されたフォトダイオード５４オよび５６
上に集束するので、フォトダイオード５４オよび関上の
変動するエネルギー分布は長い時定数ＲＣ回路網によっ
て別々に平均化される。この差の信号出力はスプリット
ダイオード検出器４８が何時反射ビーム３８の中心軌跡
上にくるかを知るだめのゼロ（ｎｕｌｌ）検出器として
用いられる。スプリットダイオード検出器４８の合計出
力は、回転が止った時の溶融物の静穏化によって起きる
光レベルの大きな変化に対してシステムが感度を示さな
いようにさせるのに用いられるという点にも注目すべき
である。これはダイオード出力の合計と差の両方を検知
し、システムの補正された出力としてその差の合計に対
する比率を用することＫよって行われる。ゼロモード（
ｎｕｌｌ ｍｏｄｅ）にお込てスプリットダイオード検
出器４８ｉ−用いることによって、光源の変化又はのぞ
き窓への酸化物およびドーパントの凝結によυ信号の強
さが変化するという問題は更に一層極めて小さい問題と
なる。
軌跡（ｃｅｎｔｒｏｌｄ）はスプリットダイオード検出
器４８によって位置決めされる。レンズ４４ハスべての
そのようなレンズに固有な゛コマ収差”と呼ばれる光学
的収差によシ一般的に平行している光線をさえぎるが、
中心４６の位置は実際的には縦９ｍ ３６内のレンズ４
４の位置に応答して動く。次にレンズ４４は発生する円
錐形反射ビームあをスゲリットダイオード検出器５８の
狭い間隔で配置されたフォトダイオード５４オよび５６
上に集束するので、フォトダイオード５４オよび関上の
変動するエネルギー分布は長い時定数ＲＣ回路網によっ
て別々に平均化される。この差の信号出力はスプリット
ダイオード検出器４８が何時反射ビーム３８の中心軌跡
上にくるかを知るだめのゼロ（ｎｕｌｌ）検出器として
用いられる。スプリットダイオード検出器４８の合計出
力は、回転が止った時の溶融物の静穏化によって起きる
光レベルの大きな変化に対してシステムが感度を示さな
いようにさせるのに用いられるという点にも注目すべき
である。これはダイオード出力の合計と差の両方を検知
し、システムの補正された出力としてその差の合計に対
する比率を用することＫよって行われる。ゼロモード（
ｎｕｌｌ ｍｏｄｅ）にお込てスプリットダイオード検
出器４８ｉ−用いることによって、光源の変化又はのぞ
き窓への酸化物およびドーパントの凝結によυ信号の強
さが変化するという問題は更に一層極めて小さい問題と
なる。
従って、上述したのは、チョクラルスキー結晶成長プロ
セスにおける初期溶融物レベルおよび成長プロセス期間
中を通じての溶融物レベル測定値を正確に測定する改良
された溶融物レベル検知装置および方法である。更に、
本発明は、そのようなプロセスにおいて出会う強い熱放
射があるにも拘らずすぐれた信号対雑音比を有するシス
テムおよび方法を提供する。更に、本発明のシステムお
よび方法は、乱対流およびカップ回転又はその他の原因
によ不機械的振動による表面の波およびさざ波があって
も溶融物レベルを正確に測定する。
セスにおける初期溶融物レベルおよび成長プロセス期間
中を通じての溶融物レベル測定値を正確に測定する改良
された溶融物レベル検知装置および方法である。更に、
本発明は、そのようなプロセスにおいて出会う強い熱放
射があるにも拘らずすぐれた信号対雑音比を有するシス
テムおよび方法を提供する。更に、本発明のシステムお
よび方法は、乱対流およびカップ回転又はその他の原因
によ不機械的振動による表面の波およびさざ波があって
も溶融物レベルを正確に測定する。
最後に、本発明は、酸化物およびドーパントの凝結又は
光源の変化による炉のぞき窓の部分的障害があっても溶
融物レベルを正確に測定するシステムおよび方法を提供
する。
光源の変化による炉のぞき窓の部分的障害があっても溶
融物レベルを正確に測定するシステムおよび方法を提供
する。
溶融物レベル検知システムＩＯは、黒鉛カップ１４引上
げ駆動装置の制御ループを閉じることによって一定の溶
融物レベルに固定しそれを維持するのに用いることもで
き、又はそのシステムは零から離れて動作することによ
って、又はスプリットダイオード検出器４８取利は台に
駆動装置をつけてスプリットダイオード検出器４８を新
たな位置に動かすことによって変化する溶融物レベルを
グログシムするのに用いることもできることを理解すべ
きである。
げ駆動装置の制御ループを閉じることによって一定の溶
融物レベルに固定しそれを維持するのに用いることもで
き、又はそのシステムは零から離れて動作することによ
って、又はスプリットダイオード検出器４８取利は台に
駆動装置をつけてスプリットダイオード検出器４８を新
たな位置に動かすことによって変化する溶融物レベルを
グログシムするのに用いることもできることを理解すべ
きである。
本発明の原理を特殊な装置とともに上記に説明したが、
この説明は例を挙げるためにのみ行ったものであって本
発明の範囲を限定するものとして行ったものではないこ
とは明らかに理解されるはずである。
この説明は例を挙げるためにのみ行ったものであって本
発明の範囲を限定するものとして行ったものではないこ
とは明らかに理解されるはずである。
第１図は、チョクラルスキー結晶成長炉に使用するだめ
の本発明による溶融物レベル検知システムの簡略化した
断面平面図である。 第２図は、第１図に示した本発明の実施例とともに用い
るだめのスプリットダイオード検出器およびその関連回
路の概略図である。 第３図は、第１図および第２図のスプリットダイオード
検出器によって測定した溶融物レベル変化（△Ｌ）と反
射ビームの中心との関係を示す本発明における入射ビー
ムおよび反射ビームの縦軸の幾何学配置図である。 第１図において、１０は溶融物レベル検知システム、１
２はチョクラルスキー炉、１４は黒鉛カップ、１５は加
熱ヒータ、１６は石英るつぼ、１８は結晶、２０は溶融
物レベル表面、２２は表面の乱れ、２４はレーザ、２８
はビーム拡大器、３８は反射ビーム、４２はフィルタ、
４４はレンズ、４８はスプリットダイオード検出器。 特許出願人 モトローラ・インコーボレーテツド代理
人弁理士 玉 蟲 久 五 部 Ｆ”ｌＧ、 １ Ｆ’ｌＧ、 ３
の本発明による溶融物レベル検知システムの簡略化した
断面平面図である。 第２図は、第１図に示した本発明の実施例とともに用い
るだめのスプリットダイオード検出器およびその関連回
路の概略図である。 第３図は、第１図および第２図のスプリットダイオード
検出器によって測定した溶融物レベル変化（△Ｌ）と反
射ビームの中心との関係を示す本発明における入射ビー
ムおよび反射ビームの縦軸の幾何学配置図である。 第１図において、１０は溶融物レベル検知システム、１
２はチョクラルスキー炉、１４は黒鉛カップ、１５は加
熱ヒータ、１６は石英るつぼ、１８は結晶、２０は溶融
物レベル表面、２２は表面の乱れ、２４はレーザ、２８
はビーム拡大器、３８は反射ビーム、４２はフィルタ、
４４はレンズ、４８はスプリットダイオード検出器。 特許出願人 モトローラ・インコーボレーテツド代理
人弁理士 玉 蟲 久 五 部 Ｆ”ｌＧ、 １ Ｆ’ｌＧ、 ３
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、 入射光ビームを光ビーム幅拡大器を通して液体表
面の方向に向けて反射ビームを与え、この反射ビームを
集光レンズによってさえぎシ、中心位置の変化を検出す
ることによって液体表面レベルの変化を示すビーム検出
器に近接した中心に集束させるレーザを具えることを特
徴とする液体表面レベルの変化ケ検出する検知装置。 λ 入射光ビームを光ビーム幅拡大器を通して液体表面
の方向に向けて反射ビームを与え、この反射ビームを元
ビームフィルタによってさえぎシ、反射ビームの選択さ
れた一部をそのフィルタを通過させて集光レンズにまで
送シ、中心位置の変化を検出することによって液体表面
レベルの変化を示すビーム検出器に近接した中心に集束
させるレーザを具えることを特徴とする可変レベルの液
体表面を含む溶融物るつぼを具えるチョクラルスキー炉
。 ＆ 入射光ビームを液体表面の方向に向けるレーザ光を
与えるステップ、および液体表面からの反射ビームが発
生する前に入射光ビームのビーム幅を拡大するステップ
を具え、反射ビームは、中心に集束する集光レンズによ
シさえぎられ、中心位置の変化を検出して液体表面のレ
ベル変化を指示することを特徴とする液体表面のレベル
を検知する方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US398495 | 1982-07-15 | ||
| US06/398,495 US4508970A (en) | 1982-07-15 | 1982-07-15 | Melt level sensing system and method |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5928624A true JPS5928624A (ja) | 1984-02-15 |
| JPH0317084B2 JPH0317084B2 (ja) | 1991-03-07 |
Family
ID=23575594
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58127539A Granted JPS5928624A (ja) | 1982-07-15 | 1983-07-13 | メルトレベル検知装置及び検知方法 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4508970A (ja) |
| JP (1) | JPS5928624A (ja) |
| DE (1) | DE3324967A1 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| FI87660C (fi) * | 1988-03-03 | 1993-02-10 | Leybold Ag | Foerfarande och anordning foer dragning av monokristaller |
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