JPS6127359B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は所定の断面を有する結晶体の成長、特
にこのような結晶体を成長させる装置または方法
についての改良に関するものである。

結晶体を成長させる種々の方法が知られてい
る。以下「毛細管ダイス法」という１つの方法
は、一般的に結晶体を成長させる毛細管ダイスま
たは形成部材を利用している。この方法は種々の
技術によつて実行されている。例えば、１つの技
術は、端画定薄膜供給成長技術（edge−defined
film−fedgrowth technique）（これはEFG法と
して知られている）によつて結晶体を成長させて
いる米国特許第3591348号に記載されている。こ
の技術においては、結晶体の断面形状は、部分的
には毛細管ダイス部材の上端面の外部の形状また
は端の形状によつて決定されている。この方法
は、ダイス部材の１本または１本以上の毛細管を
介して適当な溶融物容器から連続的に補給される
膜状の液体で、成長結晶体とダイス部材の上端面
の間にはされた供給材料の液体膜からの種の成長
も含んでいる。成長結晶体の引つぱり速度および
液体膜の温度を適当に制御することによつて、そ
の上端面とダイス部材の側面との交差によつて形
成される上端面いつぱいに（周囲の表面張力の影
響のもとに）広がるように膜を作ることができ
る。結晶体はダイス部材の上端面の端形状と同じ
形の膜の形状に成長する。液体の膜はダイスの上
端面の外側の端であるか内側の端であるかの区別
がないので、結晶体に設けたい孔と同じ形状の目
隠し孔をダイス表面に設けるただし表面張力のた
めに孔のまわりの膜が孔を完全におおわない程度
に、ダイス部材の上端面の孔を十分大きく設ける
ことによつて、結晶体の中に連続的な孔を成長さ
せることができる。

結晶体を成長させる毛細管ダイス法の他の例
は、米国特許第3471266号に記載されている。こ
の技術は、結晶体を成長させ引き出す溶融柱を有
する毛細管を画定する形成部材またはダイス部材
を使用している。毛細管の断面形状によつて、ま
た毛細管の中の溶融柱の上端の熱条件を適当に制
御することによつて、任意の断面形状を有する所
望の材料の結晶体を成長させることができる。従
つて、環状の毛細管を有した形成ダイス部材を使
用することによつて中空の管を成長させることも
可能である。毛細管が溶融物の容器プールに接続
されるように形成部材を取りつけることによつ
て、毛細管は自然に満たされる。

上述の２つの形の毛細管ダイス法においては、
引つ張り速度および温度分布の変化、すなわちダ
イス部材の上端におけるおよび（成長結晶体が液
体膜と結合するところに形成される）固体／液体
成長面の近くの溶融物の熱勾配が成長体の断面寸
法に影響を与える。引つ張り速度を一定に保つこ
とは比較的容易なので、結晶体が所望の形状に成
長すると、実際には、適当な速度に引つ張り速度
を固定し、結晶体が所望の寸法に成長するよう
に、（加熱を調整することによつて）成長面の温
度勾配を調整するようにする。

したがつて、温度勾配と引つ張り速度を所定の
許容限界内に保つように成長体を監視することが
望ましい。幾つかの監視装置や技術も知られてい
る。たとえばLaBelleに付与された米国特許第
3870477号に記載されている技術は、成長結晶体
の毛細管ダイス法が、ダイス部材の端と固体／液
体成長界面の間に伸びている溶融物のメニスカス
があるということに特徴づけられているという事
実に基づいている。メニスカスの高さ（および凹
状の度合い）は作動条件の変化によつて変化す
る。さらに重要なことには、メニスカスの高さは
固体／液体成長界面の領域の溶融物の温度および
引つ張り速度によつて影響を受け、中空の管また
は固体の棒の外形、または平らなリボンの厚さお
よび幅はメニスカスの高さが増加するにつれて減
少する（外側のメニスカスの高さが減少すると、
直径や幅が増加する。） 共願の米国出願第778577号および第778589号
（両出願とも、1977年３月17日に出願し、本出願
とともに同じ譲受人に譲渡されている）に記載さ
れている装置は、毛細管ダイス処理の間、メニス
カスが識別可能なメニスカス角度で固体／液体／
気体接合部（固体／液体界面と周囲の気体の交差
点に形成された接合部）で結晶体に合体している
ということを利用してメニスカスの高さを監視し
ている。以下φで示す、「メニスカス角度」とい
うことばは、固体／液体／気体接合部のところに
固体結晶体の面（固体／気体界面）とメニスカス
面（液体／気体界面）によつて形成される角度を
意味している。結晶体が均一な寸法で成長してい
る間、すなわち結晶体の引つ張り速度のみならず
固体／液体成長界面付近の温度勾配も一定である
安定状態の間、結晶体の面、すなわち固体／気体
界面は引つ張り軸に平行である。シリコンおよび
ゲルマニウムのような少くとも幾つかの物質に対
しては、これらの定常状態の間、「安定状態メニ
スカス角度」φ_０は物質によるある値でほぼ一定
であるということがわかつている（Surek、T.
and Chalmers、Ｂ；“The Direction of
Growth of the Surface of ａ Crystal in
Contact with Its Melt”；Journal of Crystal
Growth；Volume 29、pp.1−11（1975）参照）。

たとえば、シリコンに対しては、定常状態のメ
ニスカス角度は11゜±１゜であり、ゲルマニウム
に対しては約８゜である。さらに、少くともシリ
コンに対しては、たとえメニスカスの高さに変化
が発生したとしても、定常状態のメニスカス角度
は結晶体の成長速度の２桁程の変化によつてあま
り影響を受けないということも観察されている。

したがつて、メニスカスの高さを制御すること
を利用した共願の米国出願第778577号（米国特許
第4185076号）および第778589号（米国特許第
4184907号）に記載されている装置は、毛細管ダ
イス処理の間高温によつて成長装置中に本来的に
発生し、安定常状態が存在する時、固体／液体／
気体接合部のところに形成されるメニスカス面に
ほぼ直角な方向に反射する（結晶物質が少くとも
部分的に反射する波長において）光（本明細書で
「光」というときは可視光に限らず、赤外光等を
も含む電磁波すなわち放射線を意味するものとす
る）の量に対して、固体／液体／気体接合部を含
むメニスカスと少くとも固体の結晶体の一部を観
察する装置を有している。反射された光に鋭い変
化（またはコントラント）が発生する空間の位置
を決定することによつて、また（入力電圧の電位
レベルを調整することによつて電気的に決定され
る）任意の基準空間位置に開連してその位置を基
準化することによつて、鋭いコントラストを示す
位置が基準電圧に関連して制御されることができ
るように、結晶体が引き出される速度または溶融
物の成長プールの温度を維持することができる。
最大のコントラストは、接合部におけるメニスカ
スの面に直角な角度で固体／液体／気体接合部を
観察することによつて達成することができるけれ
ども、メニスカスおよび結晶体表面から反射され
た光から発生する識別可能なコントラストが存在
するかぎり、直角から異つた角度で接合部の表面
を観察することによつてメニスカスの高さを制御
する技術を達成することができる。

定常状態が達成されると、定常成長状態を維持
するために、たとえば、ダイス部材の上面に対し
て固体／液体／気体接合部の位置を±１ミル
（25.4μ）以内に維持することが望しい。メニス
カス高さ制御装置はこのような制御を行うのに充
分な感度があるけれども、少くとも結晶体を成長
させるある炉においては、観察される実際の対象
物と感知装置の間の熱対流が「対流ジツター」を
生ずるということがわかつている。この対流ジツ
ターは、固体／液体／気体接合部の移動が実際に
発生しない場合においても、対流によつて発生す
る屈折率の変化のために感知装置によつて受信さ
れる画像に移動が生ずる。したがつて誤つて調整
すると１つまたは複数のパラメータが感知装置に
よつて制御されることになる。

特開昭48−50983号公報、特開昭49−54278号公
報は、テレビカメラにより、結晶化直前の融液柱
の径を測定し、結晶化条件を制御する技術を開示
している。融液柱の径を直接測定することによつ
て高精度の制御を行おうとするものであるが、融
液柱とテレビカメラとの間に熱対流があると、熱
対流による誤差は避け難い。又制御装置が複雑化
するという問題もある。

したがつて、本発明の目的は、成長体の断面積
の寸法が規定限度内にあるように、結晶の成長を
監視し、制御する改良された装置とその方法を提
供することにある。

本発明の目的は、成長体の断面寸法がほぼ一定
になるように、たとえばシリコンのような結晶体
の成長を自動的に監視し、制御する改良された装
置およびその方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、共願の米国出願第778577
号および第778589号に開示され、以下に記述され
るメニスカスの高さ制御装置およびその技術のす
べての利点を有した結晶体の成長を制御し、監視
する改良された装置およびその方法を提供するに
ある。

さらに本発明の他の目的は、対流ジツターによ
る上述の問題を避けながら結晶成長炉における結
晶体の成長を制御し、監視する改良された装置お
よびその方法を提供することにある。

本発明の前述の目的および他の目的は、毛細管
ダイス法を使用し、安定状態が存在する時、固
体／液体／気体接合部に形成されるメニスカスの
面にほぼ直角な方向に反射する（結晶材料が少く
とも部分的に反射する波長において）光の量に対
して固体／液体／気体接合部を含む少くとも固体
結晶体の一部とメニスカスを観察する装置を有し
ている共願の米国出願第778577号および第778589
号に記載されている形式の改良された結晶成長装
置によつて達成することができる。鋭いコントラ
ストをあらわす位置を基準の位置に関連して制御
し、結晶体を引き出しまたは溶融物の成長プール
の温度を維持する速度を制御するように、反射さ
れた光の鋭い変化（またはコントラスト）が発生
する空間位置を決定し、この空間位置がある基準
の空間位置に関連して基準化される。改良は、前
記観察装置が基準対象装置を観察するように、ま
た対流ジツターによつて生ずる、前記観察装置に
みられるような前記固体／液体／気体接合部の画
像における移動が前記基準装置の画像に対応する
移動を生ずるように、基準位置を画定するための
固体／液体／気体接合部の近くの空間に固定され
た基準物装置を有していることである。

第１図、第５図を参照して述べれば、融液メニ
スカスと結晶体との接合部３８の近くに基準対象
手段１０２を配置し、観察装置５０で観察される
接合部３８の位置を基準対象手段１０２に対する
相対位置として測定することにより、対流により
画像位置の移動が補償される。

本発明の他の特徴および特定の詳細な説明は添
付図面を参照して次に行う。

図面の同じ構成要素には同じ番号を使用して示
されている。

すでに述べた毛細管ダイス法は、ダイス部材ま
たは計数部材の端と液体・固体界面との間に伸び
る溶融物の垂直メニスカスの存在によつて特徴づ
けられている。周知のように、メニスカスの垂直
の高さは作動条件の変化によつて変化する。メニ
スカスの高さが変化すると、液体のメニスカスと
固体の結晶体が交差することによつて形成される
固体／液体／気体接合部はダイス部材の上面のよ
うなある固定された基準位置に対してその位置を
移動する。メニスカスの垂直の高さは、引つ張り
速度のみならず成長界面領域の溶融物の温度によ
つても影響を受けるので当然この固定された基準
位置に対して固体／液体／気体接合部の垂直位置
の移動は動作状態の変化を意味していることにな
る。したがつて、固体／液体／気体接合部が固定
された規定位置に向つて移動するか、またはその
位置からさらに遠くへ離れるかによつて結晶体の
断面寸法は増加したり、減少する。結晶物質はあ
らかじめ選択された波長の光を少くとも一部分は
反射するという共願の米国出願第778577号および
第778589号に記述されているように、安定状態の
間は固体／液体／気体接合部に唯一の安定状態メ
ニスカス角度が存在するということを利用するこ
とによつて、結晶体の断面寸法を監視し制御する
ことができる。

さらに詳細には、たとえば、長いチユーブを通
して面にほぼ直角な軸に沿つて平坦な面を観察す
ると、表面からのほぼ全ての反射線は鋭角の面で
反射されず、その結果面は暗くなる（明らかに光
がないことによる）。しかしながら、観察角度を
直角に対して変化させると、反射された光が観察
軸に沿つて向けられる結果、長いチユーブを通し
て見られる暗い部分は明るくなる。熱いものによ
つて放射された光に加えて、熱いものの付近にあ
る光放射または反射物によつて放射される光を反
射するので、熱いものを観察している時でさえも
この現象は発生するということが観察されてい
る。

安定状態が存在している時、固体／液体／気体
接合部に形成されたメニスカスの面にほぼ直角な
方向の、固体／液体／気体接合部を有する、少く
とも結晶体の一部およびメニスカスの面を観察す
ることによつて、共願の米国出願第778577号およ
び第778589号に記載されているように、光の濃度
における鋭いコントラストまたは変化を固体／液
体／気体接合部に認めることができる。このコン
トラストは、観察軸が固体／液体／気体接合部の
ところのメニスカスの面に直角であるので発生
し、そして実質的に接合部のところのメニスカス
で反射された全ての光は鋭角で観察軸に反射さ
れ、その結果見ることはできない。逆には、接合
部のところの結晶体の表面に対する観察軸が90゜
以下になるように、メニスカスの面に対する角度
すなわちメニスカス角度に固体結晶体の面があ
る。たとえばシリコンに対しては、安定成長の
間、この角度は79゜±１゜である。したがつて、
固体／液体／気体接合部のところの２つの面の間
のコントラストをもたらす結晶体から反射された
光を見ることができる。

上記のことを図面で説明する。第１図は、適当
に支持されれたるつぼ１２を備えた結晶成長炉１
０を示している。このるつぼは、結晶体１６を成
長させる溶融結晶材１４を有している。この溶融
材は少なくとも１つのヒーター１８によつて所定
の温度に維持されている。適当な毛細管ダイスま
たは形成部材２０がるつぼ上にのせられた板２２
によつて支持されている。そして、このダイス部
材の一端２４は溶融材１４の中に伸び、他の端２
６は前記板２２の上に伸びている。図示のよう
に、毛細管ダイス部材２０は、前述したEFG製
法に使用され、米国特許第3591348号に詳細に記
載されているダイス部材の形と同じものである。
一般に、結晶体１６の断面形状は、ダイス部材２
０の上端部２６の外部形状または端形状によつて
決められる。たとえば、ダイスは薄い平らなリボ
ンを成長させるために設計されていてもよい。そ
の場合には第１図はリボンの長い方の水平寸法を
持つたダイスの側端図を表していると考えられ
る。すなわち図の面に直角な方向に幅があると考
える。第２図において明りように示されているよ
うに、結晶体１６が引き出されるにつれて、ダイ
ス部材２０の上部と結晶体１６の間に形成された
メニスカス膜２９の液体は溶融材１４の容器から
連続的に補給されている。結晶体１６は、引つ張
り機構３２によつて、引き抜き軸に沿つて一定速
度で引き抜かれている。安定状態の間メニスカス
の温度をより均一にするため、複数個の薄い光シ
ールド３４がダイス部材２０のまわりの板２２の
上に備えられており、溶融材１４の温度を均一に
維持することを助けている。

第２図において、より明確に示されているよう
に、膜２９のメニスカス３０は固体／液体界面３
６のところで結晶体１６と交差し、固体／液体／
気体接合部３８を形成している。前述したよう
に、安定状態の間（結晶体１６が一定温度で引き
出され、溶融材の温度が実質的に一定である
時）、固体／気体界面４２、すなわち結晶体１６
の表面は引き抜き軸４０に平行している。メニス
カス角φは上記界面４２を延長した線と、図示の
ように接合部３８のところのメニスカス３０の表
面との間に形成される。

共願の米国特許出願第778577号および第778589
号の開示によれば、固体／液体／気体接合部３８
を有する結晶体１６とメニスカス３０の１部は少
くとも、安定状態の間接合部に形成されるメニス
カスの表面に直角な角度に見ることができる。し
たがつて、第１図の炉１０は、対応の窓４６を備
え、観察軸４８に沿つたこの軸のこの角度で結晶
体およびメニスカスの部分を見ることができるよ
うに配置された少なくとも１つの観察部４４が備
えられている。引き抜き軸４０が垂直であるの
で、観察軸は、引き抜き軸に対して安定状態のメ
ニスカス角の余角φ_０方向に方向づけられている
ことが望しいことは明らかなことである。そこ
で、シリコンを成長させる炉においては、観察軸
４８が水平に対してほぼ11゜の角度でメニスカス
と交差するかまたは逆に引き抜き軸に対してほぼ
79゜の角度でメニスカスと交差するように各観察
部４４を配置している。共願の米国出願第778577
号および第778589号に記載されているように、電
気的に決められるある固定された基準位置に対し
て接合部が移動されるかどうかを決定するため
に、固体／液体／気体接合部３８のところでコン
トラストの鋭い変化によつて形成される境界線
を、軸４８に沿つて少なくとも１つの観察部４４
のところに備えられた適当な装置５０によつて観
察することができる。移動が起つたときには、固
体／液体／気体接合部３８を示す境界線がその正
しい位置に戻るように、結晶体１６が引き出され
る速度または溶融材１４の成長プールの温度を調
整する。

第１図、および詳細には第２図に示すように、
前記装置５０は冷却チユーブ５１（この冷却チユ
ーブは中を流れる冷却液によつて冷却されている
ことが望しい）に取り付けられ、観察軸４８に沿
つて配置されているレンズ５２を有している。レ
ンズ５２は、観察軸（光軸）４８に沿つて炉の外
に置かれている。レンズ５２は、その画像面５３
に結晶体１６とメニスカス３０の少くとも１部の
画像を形成する。このレンズは解像度と所望の制
御の正確さにより、結晶体１６とメニスカス３０
の一部の所望の倍率の画像を得るように設計され
ている。１倍から５倍の倍率を持つたレンズが同
じように満足されると思われるが、２倍の倍率を
持つたレンズが満足することが確認されている。
固体／液体／気体接合部３８の位置を観察するこ
とができ、結晶体１６の成長を制御できるよう
に、監視および制御装置５５が画像面５３に関連
して位置づけられている。

第２図を参照すると、装置５５は、観察軸４８
に直角な方向で、かつ画像面５３と同じ平面上に
ある線型アレーに配列されている複数個の光検出
器５４を有していることが望しい。この検出装置
５４の各々は、電気的出力信号を有している形の
ものであり、その出力信号の大きさは、この検出
装置によつて受信される所定の波形バンド内にお
いて、光の量に比例しているものである。検出装
置５４が感知する波形バンドは結晶体１６および
メニスカス３０が少くとも部分的に反射する光を
有している。したがつて、本発明が作動するに必
要である反射された光の波形バンド内における反
射された光の量は検出装置５４の感度および特定
の波長における結晶材料の反射率に部分的に依存
している。たとえばシリコンは高い反射率を持つ
ている、すなわち0.5μで約38％である。0.5μで
光に感じる検出器を使用することによつて、検出
装置によつて受けられた0.5μにおける光の量に
おける不連続な点の変化の位置を観察することに
よつて接合部３８の位置を確認することができ
る。このような検出装置は一般に商用的に入手で
きるものである。たとえば、Fairchild Camera
Instrument Corporation of Mountain View
CaliforniaからのCCD−110装置のような「リニ
アーイメージングデバイス」（LID_S）または「リ
ニアーイメージングセンサ」（LIS_S）を使用する
ことができる。

第３図を参照すると、一般感知装置（センシン
グユニツト）６０といわれているCCD−110装置
を有した回路が示されている。検出器５４に加え
て、感知装置は個々の検出器の出力値を同時に蓄
積するアナログシフトレジスタ（図示していな
い）を有しており、全ての検出器は同時に受信さ
れる光を感知している。この感知装置は自分自身
のクロツク回路を持つていてもよいし、またはそ
のかわりとしてクロツク６２を図示のように備え
ていてもよい。この感知装置６０は４つの出力端
子から４つの出力信号を出している。第１図の出
力信号は、以下転送パルスθ_Aを示す。第２の出
力は以下クリアパルスまたはリセツトトパルスθ
_Bを示し、θ_Aに続いて供給される。両パルスとも
第４図のタイミング図に示されている。第２の出
力パルス後、この装置はクロツク信号またはスト
ロボ信号θ_S（この信号は一連のパルスである）
およびビデオ出力信号を供給する。この両信号は
第４図のタイミング図に示されている。このビデ
オ信号はアナログシフトレジスタの中に蓄積され
る対応する検出器の出力を表わす一連のパルスア
ナログ信号である。しかしながら、この信号の振
幅は負の極性であり（直流バイアスがないと仮定
して）、および特定の検出器によつて検出される
光の強度に比例している。そこで、直流バイアス
がないと仮定すると、この信号の振幅は光のない
時は０であり、電磁波がある時には放射線の強度
に比例して負の振幅となる。たとえば第４図に示
すように、21番目のクロツクパルスが供給された
時に、ビデオ信号の振幅は21番目の検出器によつ
て検出された光の量に相当する。同様にして、22
番目のクロツクパルスの時間の間発生したビデオ
信号の振幅は22番目の検出器によつて検出された
光の量に相当する。感知装置６０のビデオ出力
は、コンパレーター６４の正入力端子に接続され
ている。コンパレーター６４の負入力端子は調整
可能な直流電圧源に接続されている。直流電圧源
はコンパレーターのスレツシヨルドレベルを供給
している。一般的に、コンパレーター６４の出力
は、正入力端子の電圧が負入力端子のスレツシヨ
ルド電圧以下である限りは低または負論理状態に
ある。しかしながら、正入力端子の電圧が負入力
端子の基準電圧（スレツシヨルドレベル）を超え
た時には、コンパレーター６４の出力は高または
正論理状態に変化する。クロツク信号θ_Sを受け
ている入力端子を有するワンシヨツト回路６５は
コンパレーター６４のストローブ入力に接続され
ている出力端子を持つており、その結果コンパレ
ーター６４はビデオ出力の各パルス信号の振幅を
基準電圧と比較している。コンパレーター６４の
出力はＪ−Ｋフリツプフロツプ６６のクリア入力
またはリセツト入力に接続されており、セツト入
力は感知装置６０からのθ_B出力パルスを受ける
ようにされている。一般にフリツプフロツプ６６
は、θ_Bパルスをそのセツト入力が受信した時に
そのＱ出力７０が高論理状態（正電圧）になるよ
うに動作する。Ｑ出力は、リセツト入力端子がコ
ンパレーター６４の出力から正の電圧パルスを受
けるまで高レベルにあり、それからフリツプフロ
ツプのＱ出力は低論理状態（０または負の電圧）
になりそれから次のθ_Bパルスがリセツト入力端
子に印加されるまでその状態にある。フリツプフ
ロツプ６６のＱ出力７０と感知装置６０のクロツ
ク出力はANDゲート７４の２つの入力端子に接
続されている。ANDゲート７４はその２つの入
力が高レベルである場合には、その出力を高論理
状態にし、そうでない場合にはその出力は低論理
状態にする。出力ゲート７４は基準化装置７６の
入力に接続されている。基準化装置７６は、クリ
アパルスθ_Bおよび感知装置６０からの転送パル
スθ_Aをそれぞれ受けるように接続されたクリア
入力端子７８および転送入力端子８０を持つてい
る。基準化装置は周知のものであり、たとえば基
準化装置７６は、２進化出力を備えた周波数カウ
ンタである。一般的に、基準化装置はゲート７４
がフリツプフロツプ６６のＱ出力によつて付勢さ
れている時、ゲート７４の出力から受信するクロ
ツク信号のパルス数を計数する。この数は、転送
パルスθ_Aが基準化装置７６の転送入力端子８０
で受信されると、ラツチ８２に転送される。

ラツチ８２は、一般的に基準化装置から更新信
号を受信するまで、基準化装置７６から供給され
たこの信号を保持している。したがつてラツチ８
２はレジスタ、またはそれに類似した装置であ
る。ラツチ８２のデジタル出力は、デジタルアナ
ログ変換器８４によつてアナログ信号に変換され
る。変換器８４のアナログ出力は増幅器８６を介
してスイツチ８８に供給される。スイツチ８８の
接触片は、コントローラー９０の加算接続点に接
続されている。コントローラーは、他のコントロ
ーラーを使用することもできるけれども、トレー
ドマークELECTROMAX として、Leeds
and Northrup of North Wales、Pennuylvania
によつて製造されているものが望しい。コントロ
ーラー９０の加算接合点は、増幅器８６、熱電対
９２の出力からの入力（熱電対９２は制御される
溶融温度を測定するためにるつぼ１２の中に配置
されるかまたはダイス部材２０の端２６の近くに
あることが望ましい）およびセツトポイント制御
部９４からの入力を加算する。コントローラー９
０の出力はSCRコントローラー９６に接続され
ている。SCRコントローラー９６は、ヒーター
１８を制御するに適した電圧を供給するように、
その入力に比例する出力を供給する（第１図に示
す）。

操作においては、上記装置５０は、軸４８に沿
つて安定状態のメニスカス角でメニスカス３０を
観察するように、観察部４４に対して適切に位置
づけられている。シリコンを成長させる場合に
は、軸４８は水平に対して11゜で方向づけられて
いるが、ゲルマニウムの場合は軸は水平に対して
約８゜で方向づけられることが必要である。結晶
が成長するにつれて、監視装置はダイス部材２０
の上部のようなある固定された位置に対する固
体／液体界面３６の位置を連続的に監視し、制御
するように設計されている。第４図のタイミング
図を参照すると、供給される第１のパルスは転送
パルスθ_Aである。以下の説明によりより明らか
になるように、転送パルスは基準化装置７６の値
を前の走査からラツチ８２の中に転送する。次の
パルスθ_Bはフリツプフロツプ６６のＱ出力７０
が高レベルになり、ゲート７４がイネーブルされ
るように次の走査に対して基準化装置７６をクリ
アにし、フリツプフロツプ６６をリセツトする。

前述したように、検出装置５４によつて受信さ
れた光の量を表わす信号は、感知装置６０のアナ
ログシフトレジスタの中に同時に蓄積され、その
結果一連のパルスアナログビデオ出力信号として
供給される。基準化装置７６をクリアすると、ク
ロツクパルスθ_Sはアナログシフトレジスタから
シフトされた各ビデオパルス毎に供給され、感知
装置６０のビデオ出力に供給される。これらのク
ロツクパルスの各々は、アンドゲート７４がイネ
ーブルされている限り、基準化装置に計数され
る。ビデオ信号の振幅は、コンパレーター６４の
負入力のところにセツトされたスレツシヨルドレ
ベルに連続的に比較される。反射された光は結晶
体１６から反射された光を受信するように位置づ
けられた検出装置によつて受信されるので、コン
パレーター６４の出力がゼロになり、Ｑ出力７０
が高レベルのままに留まり、ゲート７４がイネー
ブルされたままに留まり、基準化装置７６がクロ
ツクパルスを計数し続けるようにビデオ信号の対
応する部分の振幅はスレツシヨルドレベル以下に
なる。

反射された光の実質的に減つた量は、観察軸４
８に沿つて観察された結果として、接合部３８の
直下に供給される。したがつて、感知装置６０の
ビデオ信号の振幅は上昇しはじめる。理論的に
は、この信号の振幅はほとんど瞬間的に上昇する
けれども、実際にはそうはならない。かわりに第
４図に示すように、(1)使用レンズ５２が色収差の
ような光学的欠点を有している、(2)窓４６が光学
装置の中に置かれている時、窓４６内の多重内部
反射のような光学装置内において反射が発生す
る、(3)検出装置が反射された光として感知する他
源から散乱する光があるので振幅は、ストローブ
信号の次の幾つかのパルス（検出された光におけ
る現象を示す）を過ぎてから増加する。そこで、
たとえば、第４図に示すように、ビデオ信号の振
幅が変化しはじめるように変化がt₁で発生する。
ビデオ信号の振幅がt₂においてスレツシヨルドレ
ベルを超えると、コンパレーター６４の正入力に
おいての信号の振幅は、スレツシヨルドレベルを
越えるのでコンパレーターの出力がゼロ、すなわ
ち負の電圧から正の電圧に変化する。フリツプフ
ロツプ６６のリセツト入力に供給される正方向の
変化電圧は、Ｑ出力７０を高レベルから低レベル
にし、そしてANDゲート７４を不動作状態にす
る。ANDゲート７４が不動作状態になると、基
準化装置７６はストローブパルスを計数すること
を中止する。タイミング図に示す例においては、
この計数結果は前の26個のストローブパルスに相
当する26である。感知装置６０のアナログシフト
レジスタが完全に空になるまで、ビデオ信号は継
続する。界面が検出された後、ビデオ信号の振幅
がコンパレーター６４のスレツシヨルドレベル以
下に落ち、コンパレーター６４の出力がゼロまた
は負の値になつたとしても、フリツプフロツプ６
６のＱ出力７０は低レベルに留まり、ANDゲー
ト７４は不動作状態のままに留つていることに注
意されたい。

ビデオ信号の終りにおいて（全ての検出装置の
値が供給された時）、転送パルスθ_Aは２進形式の
値を基準化装置７６からラツチ８２（第４図の例
においては、この値は26である）に転送するよう
に、基準化装置７６の転送入力８０に供給され
る。ラツチ８２は、（アナログレジスターから逐
次供給される次の組の読み取り値の）次の走査が
完了し、基準化装置７６の出力から新しい値が供
給されるまで、この値を保持する。ラツチ８２の
値はデジタル信号であり、デジタルアナログコン
バーター８４の入力に印加される。コンバーター
８４のアナログ出力は増幅器８６に依存して整形
され、加算接合点９０に印加される。固体／液
体／気体接合部３８が適当な位置にある場合に
は、加算接合点の出力、したがつてコントローラ
ー９６の出力は、ヒーターに加えられる信号が実
質的に一定であり、溶融材の温度が熱電対９２に
よつて測定された所望の温度に留るような値とな
る。これがずつとその値に留つている様に増幅器
８６の出力の電圧レベルを適当にセツトするため
に、スイツチ８８は始めから接地され、増幅器８
６の出力は、安定成長状態の間（増幅器８６に関
連するポテンシヨンメータによつて）ゼロまたは
接地レベルに手動でセツトされる。したがつて、
加算接合点９０からの出力は熱電対９２および設
定点９４からの信号の和を表わす。溶融温度の安
定状態温度を変えるためには、操作者は設定点９
４のセツトを変化することだけでよく、それによ
り安定状態の間ヒーターにより大きな電圧または
より小さな電圧を与えることができる。装置は連
続的にアナログレジスタの中の値の操作をくり返
し、それによつて周期的に更新がなされる。
ANDゲート７４が不動作になつている時に基準
化装置７６で計数されるパルスの数に変化が起つ
た場合には、新しい値はラツチ８２に転送され、
溶融材に加えられる熱を上げたり、また下げたり
するように、コンバーター８４のアナログ出力は
より大きな信号またはより小さな信号を加算接合
点９０の入力に供給する。

種々の変更を上述の装置に加えることができ
る。たとえば第５図に示すように、レンズ５２を
コヒーレントな光学繊維束１００によつて置き換
えることもできる。それによつてこの束の各フア
イバーはその他端の一端に受けた光の量を伝送す
ることができる。この束の各光学繊維の他端は対
応する検出装置５４に隣接して位置するのが望ま
しい。さらに、接合部におけるメニスカスの面に
直角な角で固体／液体／気体接合部を観察するこ
とによつて最大のコントラストを得ることができ
るけれど、メニスカスと結晶体表面からの反射さ
れた光からできる区別できるコントラストが存在
しているかぎり、垂直からの角度を変えることが
できる。

上述の装置は、メニスカスの高さを適当に制御
したり、特に結晶成長制御を行うのに常に適して
いるとは限らないということが経験的にわかつて
いる。たとえば、ある炉においては観察された実
際のものと感知装置との間の熱対流が「対流ジツ
ター」を発生する。この対流ジツターは、実際に
は固体／液体／気体接合部３８の移動が発生しな
い時、対流によつて生じる屈折率の変化によつて
感知装置により受信される画像に移動を生じさせ
る。接合部３８の位置が比較される基準位置は電
気的に決定されるので、対流ジツターによつて発
生する接合部３８の画像の移動は誤りを生じる。
対流ジツターに対して修正するために、図示した
上述の装置は本発明によつて変更されている。特
に、第１図、さらに詳細には第５図を参照する
と、基準のバーまたは対象物１０２の形の装置
が、固体／液体／気体接合部３８の近くの固体結
晶体１６に隣接して（炉１０の壁に固定されたブ
ラケツト１０３の様な適当な装置によつて）空間
に固定されており、その結果結晶体１６（第５図
に示すように）またはメニスカス３０の一部が対
象物１０２および接合部３８の間の装置５０によ
つて観察される。対象物１０２は、対象物からの
反射された光の量が対象物と隣接して観察される
面から反射される光とコントラストするような物
質で作られている。第５図に示すように、この隣
接面は結晶体１６によつて与えられる。この状態
において、基準バー１０２の画像と基準バーの端
１０４のところの結晶体４２の画像間のコントラ
ストの差を固体／液体／気体接合部３８の位置を
基準化するのに使用することができる。対流によ
る接合部３８の画像の移動は、基準バー１０２の
端１０４の画像の移動と等しい移動を生ずる。

接合部３８の相対位置と基準バーの端１０４を
制御するために、第３図の制御回路は第６図に示
すように修正されており、そこではコンパレータ
ー６４は１０６で示すコンパレーター回路によつ
て置き換えられている。図示のように、感知装置
からのビデオ入出信号はコンパレーター増幅器１
０８および１１０の正の入力端子およびコンパレ
ーター増幅器１１２の負の入力端子に印加されて
いる。コンパレーター１０８および１１０の負の
入力およびコンパレーター１１２の正入力は１１
４で示される可変のポテンシヨンメーターによつ
てスレツシヨルドレベル電圧を供給されている。
コンパレーター１０８，１１０，１１２は反転出
力型のものである。以下の説明によつてより明ら
かになる理由によつて増幅器のスレツシヨルドレ
ベルの設定値は次のようなものである。すなわち
ビデオ信号の振幅が第１の所定電圧以上にある場
合には増幅器１１２は通常正の出力を供給し、ビ
デオ信号の振幅が第２の所定値（第１の所定値よ
りも大きい）以上である場合には増幅器１０８の
出力はゼロまたは負の電圧であり、ビデオ信号の
振幅が第３の所定値（第１の所定値より低い）以
上である場合には増幅器１１０の出力はゼロまた
は負の値になるようになつている。

コンパレーター１０８，１１０，１１２の出力
はそれぞれANDゲート１１６，１１８，１２０
のそれぞれの入力に接続されており、これらのゲ
ートはビデオサンプリングゲートととして作動し
ている。特にストローブ信号θ_Sはワンシヨツト
回路１２２の入力に供給されている。このワンシ
ヨト回路の出力はゲート１１６，１１８，１２０
の各々の第２の入力に印加されている。ワンシヨ
ト回路１２２に供給されるθ_Sの各パルスは順次
ゲート１１６，１１８，１２０の入力にパルスを
供給する。各ゲートは、対応するコンパレーター
およびワンシヨツト回路からのゲートに対する入
力が両方とも高レベルにある時には高レベルの出
力パルスを発生する。ゲート１１６，１１８，１
２０の出力はそれぞれANDゲート１２４，１２
６，１２８の入力に接続されており、これらのゲ
ートはフリツプフロツプ６６，１３０，１３２の
それぞれのセツト入力に出力を供給している。ゲ
ート１２４の第２の入力はフリツプフロツプ１３
０の出力を受信するように接続されている。ゲ
ート１２６の第２の入力フリツプフロツプ６６の
Ｑ出力を受信するように接続されており、ゲート
１２８の第２の入力はフリツプフロツプ１３０の
Ｑ出力に接続されている。

フリツプフロツプ１３０および１３２のリセツ
ト入力は両方とも感知装置６０からのクリアパル
スθ_Bを受け取るようになつている。フリツプフ
ロツプ１３２のＱ出力はORゲート１３４の１つ
の入力に接続されており、ORゲートの他の入力
はクリアパルスθ_Bを受けており、ゲートの出力
はフリツプフロツプ６６のリセツト入力に接続さ
れている。最後にフリツプフロツプ６６のＱ出力
はANDゲート７４の入力に接続されている。

第６図および第７図のタイミング回路を参照す
ると、転送パルスθ_Aは、前述したように前の走
査からの基準化装置７６の値をラツチ８２に転送
している。次にクリアパルスθ_Bは基準化装置７
６をクリアし、直接フリツプフロツプ１３０およ
び１３２をリセツトし、ORゲート１３４を通し
てフリツプフロツプ６６をリセツトする。したが
つて、フリツプフロツプのＱ出力は全て低レベル
になり、出力は高レベルになる。フリツプフロ
ツプ１３０の出力が高レベルであると、AND
ゲート１２４はその１つの入力が高レベルにな
る。フリツプフロツプ１３０の低レベルのＱ出力
はANDゲート１２８の入力に印加されている。
最後にフリツプフロツプ６６のＱ出力が低レベル
であると、ANDゲート７４は不動作状態にあ
る。ストローブ信号θ_Sと同様に感知装置６０の
ビデオ出力はコンパレータ回路１０６に供給され
る。基準バー１０２の画像は固体結晶の画像より
も比較的暗い。

したがつて、コンパレーター１０８，１１０，
１１２のスレツシヨルドレベルは、それらが全て
基準バー１０２を表わすビデオ信号の部分の振幅
より以下で、固体結晶１６を表わすビデオ信号の
部分の振幅以上である様に設定される。

したがつて、タイミング図に示すように、基準
バーを表わすビデオ信号の部分の振幅がコンパレ
ーター１０８，１１０，１１２のスレツシヨルド
レベル以上である時には、コンパレーター１０８
および１１０の出力はゼロまたは負であり、コン
パレーター１１２の出力は正となり、ゲート１２
０を通してANDゲート１２８の入力にストロー
ブされる。しかしながら、フリツプフロツプ１３
０のＱ出力からのANDゲート１２８に対する他
の入力が低レベルであるので、ゲート１２８は不
動作状態のままであり、フリツプフロツプ１３２
はクリアされたままになつている。

基準バー１０２の端１０４を示す受信された反
射電磁波の量が増加すると、ビデオ信号の振幅は
減少しはじめる。t₂におけるこの変移の間、ビデ
オ信号の電圧レベルは最初コンパレーター１０８
のスレツシヨルドレベル以下に落ちる。これはコ
ンパレーター１０８の出力を正にし、ゲート１１
６を通してANDゲート１２４の入力にストロー
ブされる。フリツプフロツプ１３０の出力から
のゲート１２４の他の入力が高レベルになると、
ゲート１２４はイネーブルされ、ゲート１２４の
出口の正方向の変移はフリツプフロツプ６６をセ
ツトする。そして、フリツプフロツプ６６のＱ出
力は、基準化装置７６がストローブパルスθ_Sを
計数開始できるように、高レベルになり、AND
ゲート７４をイネーブルにする。このようにして
規準化装置はバー１０２の端１０４から計数を開
始する。同様にして、フリツプフロツプ６６から
の高レベル出力はANDゲート１２６の入力に供
給される。

t₃において、ビデオ信号の振幅はコンパレータ
ー１１２のスレツシヨルドレベル以下に落ち、コ
ンパレーターの出力を低レベル（ゼロまたは負の
電圧）にする。それによつてANDゲート１２８
の両入力は低レベルになる。

最後に、t₄において、ビデオ信号の振幅は、コ
ンパレーター１１０の出力が正になるように、コ
ンパレーター１１０のスレツシヨルドレベル以下
に下がる。そしてANDゲート１２６はフリツプ
フロツプ１３０をセツト可能にする。フリツプフ
ロツプ１３０のＱ出力は低レベルから高レベルに
なり、ゲート１２８の入力の一方に高レベル入力
を与える。コンパレーター１１２の出力は低レベ
ルではないので、ゲート１２８は不動作状態のま
まになつている。

メニスカス上の画像を表わしているビデオ信号
の部分が検知装置６０によつて供給されるまで、
回路１０６はこの状態のまま留つている。この時
点において、ビデオ信号の振幅は特定の検出装置
によつて受信される反射光が減少すると増加す
る。t₅においてコンパレーター１１０の出力はス
レツシヨルドレベルを越え低レベルになるように
超過される。しかしながら、フリツプフロツプ１
３０のＱ出力は、そのセツト入力に変化がないの
で、高レベルのままになつている。

t₆において、増幅器１１２の出力はスレツシヨ
ルドレベルを越え、正の値になる。その出力が正
になるように超越される。これは、フリツプフロ
ツプ１３２がセツトされるようにゲート１２８を
イネーブルする。フリツプフロツプ１３２をセツ
トすることによつて、正方向のパルスはORゲー
ト１３４を通してフリツプフロツプ６６のリセツ
ト入力に供給される。これは、フリツプフロツプ
６６のＱ出力を低レベルにしANDゲート７４を
不動作状態にする。基準化装置７４は計数を中止
する。

最後に、t₇においてコンパレーター１０８はス
レツシヨルドレベルを超え、その出力はゼロまた
は負の値になる。これはANDゲート１２４を不
動作状態にし、フリツプフロツプ６６には影響を
与えない。

走査の終りにおいて、転送パルスθ_Aが供給さ
れ、基準化装置７６に蓄積されたパルス計数結果
をラツチ８２に転送する。残りの走査は第３図お
よび第４図に示した走査と同じである。

基準化装置の中の計数結果は、基準バー１０２
の端１０４と検出装置によつて観察される固体／
液体／気体接合部３８間の距離を表していること
を理解されたい。たとえば、対流ジツターによつ
て接合部３８に移動が発生すると、基準バーの画
像には同様な移動が発生し、修正はヒーター１８
に加えられない。それだけでは、結晶の成長の制
御は対流ジツターに無関係である。

本発明は溶融材の温度を制御することに関して
記述されているけれども、機構部３２によつて結
晶体の引つ張りスピードを調整することによつて
結晶の成長を制御することもできる。このような
場合には、コントローラー９０の加算接合点での
熱電対入力は省略でき、コントローラー９６の出
力は機構部３２に印加される。

同様にして、第６図実施例の熱電対９２を除去
することができ、手動で調整可能な電圧源は、安
定成長を確立するために必要な電圧源のレベルを
メニスカスの行動の今までの観察から経験的に決
められる場合には設定点制御部９４のかわりに置
き換えることができる。このような状態において
は、スイツチ８８は接地され、手動で調整可能な
電圧源９４は所望の安定状態の成長を提供できる
ように調整され、増幅器８６は手動で接地され、
スイツチ８８は増幅器８６の出力をコントローラ
ー９０の入力に接続するように切り換えられる。

実施例は、(1)基準対象物１０２が接合物３８の
間に結晶体１６の１部を有した接合物３８の上に
観察され、(2)走査は下方向に発生している場合に
ついて記述されているけれども、(イ)基準対象物１
０２は接合物３８の間にメニスカス３０の一部を
有した接合部３８の下に観察され、(ロ)走査は上方
向に発生するようにしてもよいことは勿論であ
る。

単一の制御装置が全てのヒーターを制御するよ
うに備えられているということも理解されたい。
そのかわりに、溶融材１４により均一な熱分布を
与えるために、各ヒーターまたは１グループのヒ
ーターを制御する別の制御ユニツトを用意するこ
とができる。さらに、本発明の好適実施例は同時
に各々によつて受信される光を感知する検出装置
５４および信号を蓄積するアナログシフトレジス
タを有している検知装置６０が逐次操作できるよ
うに、それらの検出装置５４と検知装置６０の使
用に関して使用を参照して記述しているけれど
も、代りにアナログシフトレジスターに対する必
要性を除去するように、検出装置の各々が、それ
ぞれの検出装置の出力を表わす一連のアナログ信
号パルスを提供するように逐次励起されることが
できる。別の修正として単一の検出装置を走査鏡
と共に使用することができる。基準対象物と同様
に検出装置への接合物に隣接したメニスカスおよ
び結晶体の面上で少くともあらかじめ選択された
点からの光を反射するように、あらかじめ選択さ
れた点を通してその鏡を動かし、その鏡の動作に
検出装置の出力を同期させることによつて、アナ
ログパルスの同様な順序を得ることができる。そ
の代りとして、単一の検出装置を、アナログ信号
を提供するように界面の画像および基準対象物を
跨ぐように配置することもでき、このアナログ信
号の値は基準対象物に対して固体／液体界面の位
置に依存している。この界面の相対的な位置が変
化すると、対応する変化が検出装置の出力に発生
する。

したがつて、上記の本発明は幾つかの利点を有
している。結晶体、特にシリコン体の成長は簡単
かつ容易に監視され、制御され、その結果成長体
の断面積は対流が炉の中にあるかないかにかかわ
らず規定の限界内にある。結晶体の成長を電気的
に観察し、結晶の引つ張り速度を制御し、溶融材
の温度を制御する自動制御装置を使用することに
よつて、制御は人間の観察から独立となり、その
結果米国特許第3870477号においてLaBelleによつ
て教示されている人間の目でメニスカスを光学的
に観察する心理的なストレスから発生する人間の
エラーの影響を受けない。結晶が安定状態下で成
長する時、面が固体／液体／気体接合部で交差す
るメニスカスの面に直角に沿つて結晶体とメニス
カスを観察することによつて、結晶体とメニスカ
スの間に最大のコントラストを得ることができ
る。さらにメニスカスのこの部分はメニスカスの
中央部分よりもより安定でかつ信頼できるので、
米国特許第3291650号のDohmenなどによつて記
述されたような監視集技術上の利点を提供するこ
とができる。本発明は、また米国特許第3591348
号および3471266号によつて記述されている以外
の技術によつて溶融物から結晶を成長させるため
に使用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は毛細管ダイス法によつて結晶体の成長
を図示している本発明を適用した結晶成長炉の断
面正面図、第２図は第１図の炉と組み合わされて
共願の米国出願第778577号および第778589号に示
されている装置の一部を示した拡大図、第３図は
共願の米国出願第778577号および第778589号に記
載されている実施例の別の態様を図示したブロツ
ク図、第４図は第３図のブロツク図のタイミング
図、第５図は本発明にしたがつて変更され共願の
米国出願第778577号および第778589号に記載され
ている装置の一部を示した図、第６図は本発明の
原理を取り入れるために第３図の実施例に変更を
加えたブロツク図、第７図は第６図のブロツク図
のタイミング図である。 １６……結晶体、２０……ダイス部材、３０…
…メニスカス、３２……引張り機構、３８……接
合部、５０……観察装置、５２……レンズ、５４
……光検出器、１０２……基準対象装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ その断面形状を制御しつつ結晶体をメニスカ
   ス状融液成長プールから成長させる結晶成長方法
   であつて、 結晶体をメニスカス状融液から成長させる際に
   メニスカス状融液が結晶体と接合する接合部に近
   接させて、基準対象手段を配置するステツプと； 像面上の接合部の像と基準対象手段の像とが離
   れて見える位置から前記接合部と前記基準対象手
   段を観察するステツプと； 観察した像面上で前記接合部と前記基準対象手
   段との位置を前記像面に受光した光量のコントラ
   ストによつて検出するステツプと； 前記像面上で前記基準対象手段の検出位置に対
   して前記接合部の検出位置を参照して、像面上の
   前記接合部−前記基準対象手段間の相対位置を求
   めるステツプと； 前記像面上の相対位置に基づいて、結晶体が融
   液成長プールから引き出される速度または融液成
   長プールの温度を制御するステツプと； を含む、視野内の熱対流による観察誤差を防止し
   た結晶成長方法。 ２ その断面形状を制御しつつ結晶体をメニスカ
   ス状融液成長プールから成長させる結晶成長装置
   であつて、 結晶体をメニスカス状融液から成長させる際に
   メニスカス状融液が結晶体と接合する接合部の配
   置されるべき位置の近傍に配置される基準対象手
   段と； 像面上の接合部の像と基準対象手段の像とが離
   れて見える位置から前記接合部と前記基準対象手
   段を観察するための観察手段と； 観察した像面上で前記接合部と前記基準対象手
   段との位置を前記像面に受光した光量のコントラ
   ストによつて検出するための検出手段と； 前記像面上で前記基準対象手段の検出位置に対
   して前記接合部の検出位置を参照して、像面上の
   接合部と基準対象手段との相対位置を求めるため
   の相対位置決定手段と； 前記像面上の相対位置に基づいて、結晶体が融
   液成長プールから引き出される速度または融液成
   長プールの温度を制御するための制御手段と； を含む、視野内の熱対流による観察誤差を防止し
   た結晶成長装置。