JPS60200889A - 赤外線加熱結晶製造装置における溶融帯径の制御装置 - 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】 発明の分野 この発明は、回転楕円面鏡の一方焦点に赤外線ランプを
配置し、他方焦点に素材棒および種結晶の溶融帯部を配
置してなる赤外線加熱結晶製造装置における溶融帯径の
制御装置に関する。

従来技術の説明 第１図は、従来より用いられている単結晶製造装置の一
例を示す略図的正面断面図である。第１図を参照して、
この装置は半休に近い２個の回転楕円面鏡１，２を摺り
合わせ接続した双務円型加熱炉３の形態を有している。

各回転楕円面鏡１゜２の一方焦点Ｆａ、Ｆｂには、熱源
である赤外線ランプの一例としてのハロゲンランプ４，
５が配置されている。また回転楕円面鏡１，２の互いに
近接した他方焦点ｆ”ｚ、Ｆｚには、相互に同方向また
は逆方向に回転する素材棒６おＪ：び種結晶７の間に形
成された溶融帯部８が配置されている。

この装置では、ハロゲンランプ４，５から幅用された光
が回転楕円面鏡１，２で溶融帯部８に集中され、それに
よって素材棒６が加熱溶融され、結晶成長が行なわれる
。第１図に示した双務円型加熱炉３のほか、１個の回転
楕円面鏡を用いた小楕円型加熱炉も広く用いられている
が、これらの回転楕円面鏡を用いた赤外線加熱単結晶製
造装置では、安定な出力を得ることができること、成長
方向の組成のずれが生じないこと、ならびに結晶成長の
状況が観察できることなどの優れた利点を有する。

しかしながら、第１図に示したような装置Ｎを使用して
結晶成長を持続させるには、第２図に部分正面図で示す
ように溶融帯部８がほぼさい頭内錐台に近い鼓形の形状
を持続させることが重要である。したがって、従来、溶
融帯部８を作業者が肉眼で観察しつつ、素材棒６の下方
への供給速度やハロゲンランプ４．５の電力を手動的に
制御していた。すなわち、溶融帯部８の形状が結晶成長
に好ましくない形になったときには、素材棒６の供給速
度を増減し、あるいはハロゲンランプ４．５への供給電
力を調整していた。したがって単結晶を製造する際には
、長時間、作業者が該装置に付きっきりで調整を行なわ
なければならなかった。

しかも、ハロゲンランプ４．５への供給電力を調整した
場合、ハロゲンランプ４，５自身の光量は直ちに変化す
るが、溶融帯部８の溶融状況はハロゲンランプ４．５の
光量の変化に迅速に追随プるものではなく、かなりの時
間が経過した後初めて溶融帯部８に変化が生じる。した
がって、作業者はこの溶融帯部８の溶融状況変化の時間
遅れを予め予想しつつ、ハロゲンランプ４．５への供給
電力を変更しな【ノればならない。それゆえに、過大な
電力を供給してしまうと、溶融帯部８が不要に肥大化し
てしまうので、過剰な調整を行なう煩雑さが生じ過大な
調整を避けるあまり、ハロゲンランプ４．５への供給電
力を少なめに調整するのが常であり、その結果最適の溶
融状態を実現するために煩雑な調整操作が依然として必
要であるという問題があった。

発明の目廚 それゆえに、この発明の目的は、上述の欠点を解消し、
作業者の煩雑な作業を省略することが可能であり１、か
つ溶融帯部の溶融状況を常に最適に維持することができ
る、赤外線加熱結晶製造装置における溶融帯径の制御装
置を提供することにある。

発明の概要 この発明は、溶融帯部の溶融状況の変化が溶融帯部の径
寸法に現われることに着目し、溶融帯部の径を制御する
ことにより、結晶成長に最適な溶融状況を実現せんとす
るものである。この発明は、溶融帯部の径寸法を測定す
るためのラインセンサと、該ラインセンサの出力を２値
化覆るための２値化手段と、溶融帯部の１回転毎に１回
タイミングパルスを発生するタイミングパルス発生手段
と、該タイミングパルス発生手段からのパルス信すに応
じて、前記２値化手段で２値化された測定データを順次
記憶し、ｍ　（ｍは整数）回前の測定データと瑛在の測
定データとに基づぎ、所定の演算式に従って演算処理し
、該演算結果に基づきハロゲンランプへの供給電力や電
圧等の電気間を制御する制御手段とを備える、赤外線加
熱結晶製造装置における溶融帯径の制御装置である。

この発明のその他の特徴は、以下の実施例の説明により
明らかとなろう。

実施例の説明 上述のように、この発明は、溶融帯部の径を制御するこ
とにより、溶融帯部の溶融状況を結晶成長に最適なもの
とするものである。すなわち第２図に示すように、溶融
帯部８がほぼさい頭内錐台に近い鼓形となっている場合
には結晶成長は最適な状態で持続される。ところが、結
晶成長の進行とともに溶融帯部８の温度が上昇しハロゲ
ンランプへの供給電力や電圧が過剰になったり、あるい
は素材棒６の下方への供給速度が若干速くなると、破線
Ａで示すようにより多くの結晶素材が必要以上に溶解し
溶融帯部８の下方の径寸法が増大づ−る。

逆に、素材棒６の下方への供給速度が遅い場合およびハ
ロゲンランプへの供給電力や電圧が僅少となった場合に
は、素材の供給が少なくなるため溶融帯部８は破線Ｂで
示すように最適の状態より・し小さな径寸法を有するこ
とになる。したがって、上記の事象を考慮して、１点鎖
線Ｃで示ず部分の径寸法を最適の溶融状態の径に維持す
れば、安定に結晶成長を持続させることができる。この
発明は、このような溶融帯部８の径寸法を測定し、この
測定された径寸法の変化に基づきハロゲンランプの光量
を変化させて最適の溶融状況を実現しＪ：うとするもの
である。

第３図は、この発明の一実施例の制御装置を示ず略図的
斜視図である。溶融帯部８の径（第２図の１点鎖線Ｃで
示した部分の径）寸法は、光学レンズ１１を介してＣＯ
Ｄラインセンザを含むラインセンサ・カメラ１２で測定
される。ラインセンサ・カメラ１２には、ベローズ１３
を介し−Ｃハーフミラー・ボックス１４が設けられてい
る。溶融帯部８から入射された光は、ハーフミラ−・ボ
ックス１４内のハーフミラ−１５により一部が反射され
、ラインセンサ・カメラ本体部１２ａ内のラインセンサ
に導かれる。他方ハーフミラ−・ボックス１４には、ス
クリーン１６も設置ノられており、肉眼でも溶融帯部８
の状態を観察づることができるようにされている。

ラインセンサ・カメラ１２は、コントローラ１７に接続
されており、ラインセンサの出力を２値化するための２
値化手段を含み、コントローラ１７は２値化された測定
データを順次記憶して後述のＰＩＤｆｔｉｊｌｔｉｌ演
算式に従って演算処理し、ハロゲンランプ（図示せず）
への供給電力を制御づる基準電力コン１〜ローラ（図示
せず）へ出力を与える。

コントローラ１７には、タイミングパルス発生器１８も
接続されている。このタイミングパルス発生器１８は、
種結晶７の回転すなわち溶融帯部８の回転に応じてタイ
ミングパルスを発生させるものである。このタイミング
パルス発生器１８からのタイミングパルスに基づき、コ
ントローラ１７内の制御手段がラインセンサからの測定
信号を記憶するように構成されている。

第４図は、第３図に示した実施例を含む赤外線加熱単結
晶製造装置の概略ブロック図を示ず。第４図のブロック
図において、１点鎖線Ｅで囲まれる部分が、第３図に示
したラインセンサ・カメラ１２およびコン］−ローラ１
７内に含まれる回路を示ず。すなわち、第３図における
ラインセン１ノ・カメラ１２は、第４図に示されている
クロック回路２１、ラインセンサ２２からの出力を増幅
り−る増幅器２３、増幅器２３からの出力を２値化覆る
だめの比較手段２４を含み、またコンＩ・ローラ゛１７
は、上述の制御手段２５、ならびにタイミングパルス発
生器１８に接続されるブリセッｌ〜カウンタ２６を含む
。制御手段２５は、クロック回路２１からのクロックを
基準にして、予め内蔵されているプログラムに従って動
作する。ラインセンサ゛２２は、クロック回路２１から
のクロックに応じて、溶融帯部８を走査し径寸法に応じ
た信号を出力する。ラインセンサ２２の出力は、増幅′
ａ２３で増幅され、比較手段２４において基準電圧と比
較され、２値化される。この２値化された信号が制御手
段２５に与えられ、後述するＰＩＤ演算式に従って演算
処理され、制御出力値が算出され、プログラム発生器２
７からの基準電力と加算されてハロゲンランプの電力コ
ントローラ２８を介して供給電力が出力される。

この実施例では、タイミングパルス発生器１８として２
つのタイミングパルス発生器１８８．１８ｂを含み、一
方のタイミングパルス発生器１８ａは、溶融帯部８が１
回転するごとに、所定の位置ぐ１つのパルス信号（以下
、原点信号と略す。）を発生し、制御手段２５はこの原
点（ａ号が与えられると、ラインセンサ２２からの測定
データを記憶する。

まｔｃ　、他方のタイミングパルス発生器１８ｂは、溶
融帯部８が１回転する際に例えば１２０個のパルスを順
次発生づるものであり、ブリセットノＪウンタ２６は、
タイミングパルス発生器１８ａからの原点信号によって
リレットされ、制御手段２５から与えられる所定の計数
値をプリセラ１〜し、タイミングパルス発生器１８ｂか
ら与えられるパルスを順次カウントして、カウント値が
プリセットされた所定の数値になったとき、出カイａ＠
を制御手段２５に与える。

このタイミングパルス発生器１８ｂＪ３よびプリセット
カウンタ２６により与えられる信号に応じて、制御手段
２５はラインレンザからの測定データを記憶する。した
がって、入力手段２９によって任意の値を設定し、プリ
セットカウンタ２６が任意の値の数のタイミングパルス
を計数覆る毎に、溶融帯部８の任意の回転角度での径寸
法を測定データとして制御手段２５に記憶することがで
きる。

原点以外での溶融帯部８の径を測定するのは、溶融帯部
８の横断面が実際には必ずしも真円ではなく、材料によ
っては、楕円や長円などの他の形状を有することが多く
、複数の角度から溶融帯部８の径寸法を測定することが
好ましいからである。

入力手段２９は、たとえばキーボードなどにより構成さ
れるものであり、結晶成長に最適な基準径の値、ならび
に後）本のＰＩＤ演算式における定数などを制御手段２
５に入力するためのものである。

上述したように、この実施例では、ＰＩＤ演算式により
、ハロゲンランプへの供給電力を制御づる。ここにＰＩ
Ｄ演算式とは、微分形表現ではΔｙＮ＝Ｐ（Δｅｓ　＋
ｌｅ、、　＋ＤΔ２ｅＮ）・・・（１） を言い、式（１）にａ）いてｅＮ＝ｓ−Ｍ（Ｓは溶融帯
部８の最適の径を示し、Ｍは測定された溶融帯部８の径
寸法の０回の平均値を示す。）である。

すなわち式（１）は、溶融帯部８のＲ適の径寸法Ｓから
の変化分を基礎にハロゲンランプへの供給電力の制御分
ΔＶＮをめるものである。なａ３、式（１）において、
Ｐ、Ｉ、Ｄはそれぞれ定数である。

ΔｅＮおよびΔ２　Ｂ　Ｎは、次の式（２）および〈３
）でめられるものである。

ΔｅＮ＝ｅＮ　ｅｏ　＝（２） Δ２６　Ｎ　＝ΔｅＮ−△ｅｏ　−（３）ここで１３Ｎ
は、現在の測定データＭを用いて削算されたものであり
、ｅｏはｍ回前の測定データＭを用いてめられるもので
ある。したがって、制御出力ΔＶＮは、現在の測定デー
タと、ｍ回前の測定データをもとに算出される。このよ
うにｎ回前のデータを用いるのは、ハロゲンランプへの
供給電力を変化させても、溶融帯部８にその変化の影響
が現われるのはかなりの時間が経過してからであるとい
う知見に基づくものである。ずな、１つら、この実施例
では溶融帯部８の測定データが【１回の値を平均して採
用され、さらに平均された測定径のうちｍ回前の測定デ
ータと現在の測定データとを用いることにより、制御出
力ΔｙＮをゆるＡｌｊかに効かせようとづるものである
。

制御出力△ｙＮの値は、最大で５Ｗ＜らいであり、電力
制御出力の変化が溶融帯部８の径に反映するまでの時間
は約５分くらいである。また、結晶成長全体にわたる総
制御出力は、−１００Ｗ〜＋３００Ｗの範囲とされてい
る。

上述のようにして算出された制御出力ｙ＋＋＝Ｖ。＋Δ
ｙは、第４図のブロック図において制御手段２５から出
力され、プログラム発生器２７からの基準電力値と加算
されて電力コン１〜ローラ２８に入力され、ハロゲンラ
ンプの供給電力が電力コントローラ２Ｂよりハロゲンラ
ンプに供給される。

なお、この実施例では、プログラム発生器２７は、例え
ば２ＫＷで、主として電力を一定にし、電力コントロー
ラ２８は一１００Ｗ〜＋３００Ｗの範囲で微少電力の増
減を行なっている。

第５図は、第３図および第４図に示した実施例を含む装
置の全体の動作を説明するためのフロー図である。

次に、第３図ないし第５図を参照してこの実施例を含む
動作の説明を行なう。この発明の溶融帯径制御装置は、
溶融帯部８の径を最適に維持するものである。したがっ
て、種結晶７（第４図を参照）上で最初に素材棒６を溶
融さゼ、溶融帯部８を形成するところまでは従来と同じ
く手動で行なう。次に、形成された溶融帯部８の径寸法
がこの発明の制御装置により最適に維持される。まず、
タイミングパルス発生器１８ａは、溶融帯部８が１回転
するごとに回転信号すなわち原点信号を制御手段２５に
与えている。制御手段２５は、この回転信号が与えられ
たとき、ラインセン−ＩＪ　２２、増幅器２３および比
較手段２４を経て２値化された溶融帯部８の測定データ
を取込み記１０ツる。次に、回転信号がｎ回出力された
とき、ずなわら制御手段２５にｎ個の測定データが取込
まれたとぎ、制御手段２５はｎ個の測定データの平均値
を亦出し、これを測定データＭとして記憶する。次に、
制御手段２５は、予め入力手段２９により設定された溶
融帯部８の最適径寸法Ｓと測定データＭとの差ｅを演算
し、ｅを記憶する。したがって、測定データＭ、、Ｍ２
・・・のそれぞれに対応して、順次ｅ　Ｉ　＋　ｅ２・
・・が記憶される。

上述のように測定データＭおよび溶融帯部８の径寸法の
変化分ｅが順次記憶された状態て・、制御手段２５をコ
ントロールモードにすると、制御手段２５は現在の溶融
帯部８の径寸法の変化分ＯＮと■回前の径寸法の変化分
ｅ。の差ΔｅＮを演算し、ざらにΔｅ　ｒｈ−Δｅｏを
演算して△２　ｅＮを算出する。このようにしてめられ
たｅＮ１△ｅ１４および△２ｅＮならびに予め設定され
た定数Ｐ。

■およびＤにより、 △ＶＮ＝Ｐ（ΔｅＮ＋ＩｅＮ＋Ｄ△２ｅＮ）の演算が行
なわれ、制御出力△ＶＮがめられる。

この制御出力ΔＶＮは制御手段２５よりハ［ｌゲンラン
プの電）〕コントローラ２８に与えられ、プログラム発
生器２７からの基準電力Ｙ。に加算されてハロゲンラン
プの供給電力Ｙ、’＝Ｙ。＋ΔＶＮが出力される。

制御出力△ｙが出力された後、演算に用いられた現在の
データすなわちｅＮ、△ｅＩ１１Δ２ｅＮおよびＹＮが
、制御手段２５に前回のデータとして記憶される。

次に、入力する定数の変更があれば定数を入力手段によ
って設定し、再度演算処理が行なわれるが、定数の変更
がない場合にはそのまま次回の演算処理が行なわれる。

このようにして、ハロゲンランプへの供給電力が溶融帯
部８の径寸法に応じて制御されて与えられる。したがっ
て、作、Ｉｆが単結晶製造装置につきつきりで監視する
必要はなく、自動的に無人で単結晶を成長さＵ゛ること
が可能となる。

ところで、第４図に示したブロック図では、タイミング
パルス発生器１８ａのほかに、複数個の角度位置におけ
る溶融帯部８の径勺法をめるために、さらに別のタイミ
ングパルス発生器１８ｂおよびプリセットカウンタ２６
がｉｉ！ｌ−Ｊられでいる。

このタイミングパルス発生器１８１）は上述のように１
回転あたり１２０個のパルス信号をブリレットカウンタ
２６に与える。ブリセラ１−カウンタ２６はパルス信号
をカウントして、入力手段２９を用いて制御手段２５に
予め入力されたブリレフ１〜値にそのカウント値が達し
たとき、出力信号を制御手段２５に与える。プリセット
カウンタ２Ｇのリセットは、上；ホの原点信号によりリ
ヒツ１〜される。ブリレットカウンタ２６がプリセット
されｌこ値だけパルス信号をカウントしたとき、タイミ
ングパルス発生器１８ｂからのパルス信号は制御１１手
段２５に与えられるが、この信号によっても制御手段２
５は、比較手段２４で２値化された信号を取込む。した
がってプリセラ１−カウンタ２６におけるプリセット値
を複数個設定すれば、原点以外の複数個の箇所で１回転
ごとに溶融帯部８の径寸法の測定データを制御手段２５
に記憶させることができる。

ところで第５図に示すフロー図では明らかではないが、
タイミングパルス発生器１８ｂからのパルス信号に応じ
て原点以外の角度位置で制御手段２５が取込むデータは
、原点信号が与えられたときのデータとは独立に、ｎ回
の値を平均化されｅ″、ｅ″として制御手段２５に記憶
される。制御手段２５は、原点位置あるいは他の設定さ
れた角度位置における各ｅ１ｅ′、ｅ″・・・を比較し
、そのうち変化分すなわちΔｅ１Δｅ′および△ｅ　ｎ
の最も大きいものを測定径として採用し、式（１）の演
算を行なう。このように複数個の角度位置で溶融帯部８
の径寸法を１ｌｌ１１定する゛ことにより、横断面視し
た溶融帯部８が真円でない場合でも、溶融帯部８の径の
変化を迅速に捉えることができ、したがって溶融帯部８
を最適の状態に制ｍｉることが可能である。

発明の効果 以上のように、この発明によれば、溶融帯部の径寸法を
測定するためのラインセンサと、該ラインセンサの出力
を２値化するための２値化手段と、溶融帯部の１回転毎
に１回タイミングパルスを発生させるタイミングパルス
発生手段と、該タイミングパルス発生手段からのタイミ
ングパルスに応じて、２値化手段で２値化された測定デ
ータを順次記憶し、ｍ（ＩＩＩは整数）回前の測定デー
タと現在の測定データとに基づいて、所定の演算式に従
って演算処理し、該演算結果に基づいてハロゲンランプ
への供給電力を制御する制御手段とを備えるため、溶融
帯部の径寸法を結晶の成長に最適となるように制御する
ことができ、したがっで作業者の煩雑な作業を解消する
ことができ、はぼ無人で結晶の成長を行なわせることが
可白しとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明が適用される赤外線加熱単結晶製造
装置の一例を示す正面断面図である。第２図は、第１図
に示した赤外線加熱単結晶製造装置の溶融帯部を拡大し
て示す部分正面図である。 第３図は、この発明の一実施例の構成を示１略図的斜視
図である。第４図は、第３図に示した実施例を含む赤外
線加熱単結晶製造装置のブロック図である。第５図は、
第３図および第４図に示した実施例を含む赤外線加熱単
結晶製造装置の全体の動作を説明覆るためのフロー図で
ある。 １．２・・・回転楕円面鏡、４．５・・・ハロゲンラン
プ、６・・・素材棒、７・・・種結晶、８・・・溶融帯
部、１２・・・ラインセンサ・カメラ、１７・・・制御
手段を含むコントローラ、１８ａ　、１８ｂ・・・タイ
ミングパルス発生器、２２・・・ラインセンサ、２４・
・・２値化手段としての比較手段、２５・・・制御手段
。 特許出願人　二チデン機械株式会礼 株式会社諏訪精工舎　１：゛啄゛ １　。 代　理　人　弁理士　深　見　久　部　、−・＋や；Ｉ
□− （ほか２名） 挑２図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 回転楕円面鏡の一方焦点に、熱源として赤外線ランプを
   配置し、他方焦点に、素材棒および種結晶を配置して溶
   融帯部を形成してなる赤外線加熱結晶製造における溶融
   帯径の制御装置であって、溶融帯部の径寸法を測定する
   ためのラインセンサと、 該ラインセンサの出ノｊを２値化づるための２１直化手
   段と、 前記溶融帯部の１回転毎に１回、タイミングパルスを発
   生ずるタイミングパルス発生手段と、前記タイミングパ
   ルス発生手段からのパルス信号に応じて、前記２値化手
   段で２値化された測定データを順次記憶し、ｍ　（ｍは
   整数）回前の測定データと現在の測定データとに基づい
   て、所定の演算式に従って演算処理し、該演算結果に基
   づき前記赤外線ランプへの供給電気量を制御１−る制御
   手段とを備え、 それによって単結晶の成長に最適の溶融帯部径を維持さ
   せることを特徴とする、赤外線加熱結晶製造装置におけ
   る溶融帯径の制御装置。