JPS63315591A - 単結晶引上制御装置 - 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】 【産業上の利用分野】

本発明は単結晶断面径を自動的に一定に制御するために
、単結晶の重さを測定しながら溶融体の加熱電力を制御
し、溶融体から単結晶を成長させつつ引上げる単結晶引
上制御装置に関するもので、特に前記の重さの測定値中
の結晶回転に基づく誤差成分を取除いて、精度のよい単
結晶断面径を得るようにした単結晶引上制御装置に関す
る。 なお以下各図において同一の符号は同一もしくは相当部
分を示す。

【従来の技術】

単結晶引上げ法またはチョクラルスキー法として公知の
結晶成長技術は、物質の単結晶をその物質の溶融体から
引上げるものである。即ちこの溶融体はまずルツボ内の
物質をヒータで加熱してつくられる。次に垂直の引上棒
に取付けられた単一の結晶の種が溶融体中に漬けられ、
それから徐々に引上げられつつ回転される。このとき溶
融体の温度分布と引上速度１回転速度が最適であれば、
単結晶が溶融体から引上げられる。そして溶融体の温度
、引上速度または回転速度を変えると単結品の断面積が
変わる。 単結晶の形状を正確に制御することは極めて望ましいこ
とである。単結晶はその長さ方向に均等な断面を持つこ
とが求められる。これは単結晶を薄切りにして半導体を
作るため、単結晶の体積を最大にできるからである。 引上棒に充分安定な引上速度と回転速度を与えることは
極めて簡単であるが、この条件下での単結晶引上げ中に
常に正しく溶融体の温度を維持することが難しく、種々
な工夫がなされている。 公知の方法では、単結晶成長中、その重さを測定するた
めのロードセルから引上棒を吊下げ、定速度で単結晶を
引上げたとき、その断面積が均等の場合、結晶の重さの
増加は時間（または引上げ長さ）と共に線形に変化する
ことから、ロードセルの出力を線形に増大する標準電圧
と比較し、その差を利用して溶融体加熱用ヒータへの電
力供給補正信号を出力する制御方法、または均等な結晶
断面の場合には一定となる。ロードセル検出値の変化速
度を固定標準電圧と比較し、その差を前記ヒータへの電
力供給補正信号に使用する制御方法が用いられる。 第７図はこのような従来の単結晶引上制御装置の概略図
である。引上げられるべき物質１　（以後溶融体という
）はヒータ３で囲まれたルツボ２内に納められている。 引上げられている結晶４はロードセル６から吊下げられ
た引上棒５の底部に成長させられて付いている。この引
上棒５は引上用モータ７によって軸方向（垂直方向）に
動かされ、かつ回転用モータ８によって回転させられる
。これらモータ７．８の引上速度１回転速度は所望の結
晶断面積に応じて、それぞれ所定の値に決定されてい企
。 溶融体１の温度の制御は、ロードセル６が測定する成長
結晶の重さを、予期される関数と比較して、ヒータ３に
加える電力を制御することで実現している。この電力制
御は制御回路１０によって行われ、電力制御装置１１、
加熱装置１２．ヒータ３により制御ループを構成してい
る。

【発明が解決しようとする問題点】

しかしながら第７図のような単結晶引上制御装置では、
結晶成長を制御する前記ループが、ヒータ３への電力変
動、結晶の成長による溶融体表面の動き、引上げや回転
を与えるために発生するロードセル出力への誤差成分の
含有などのために、不安定であるという問題点がある。 本発明の目的は、ロードセル出力信号に含まれる誤差成
分のうち結晶の回転と共に変化する成分を補償し、単結
晶成長を制御するループを安定させ、より均一な断面径
の単結晶を得ることができる単結晶引上制御装置を提供
することにある。

【問題点を解決するための手段および作用】前記目的を
達成するために本発明の装置は、「ロードセル（６など
）を介し吊下げられた単結晶保持手段（引上棒５など）
を用いて単結晶（４など）を保持し、この単結晶保持手
段を（回転用モータ８などを介し）所定の回転周期で回
転させつつ、（引上用モータ７などを介し）所定の引上
速度で引上げることにより、（ヒータ３．加熱装置１２
などを介し）電力によって加熱される溶融体く１など）
から前記単結晶を成長させつつ引上げ、この引上げの間
、（制御回路１０．電力制御装置１１などを介し）前記
電力を前記ロードセルからの重量検出値（Ｆｌなど）に
基づいて制御する単結晶引上制御装置において、 前記単結晶保持手段の回転角を検出する回転角検出手段
（回転角センサ２０など）と、前記回転角ごとの前記ロ
ードセルの検出値（Ｆなど）から、少なくとも前記回転
周期で変化する成分（誤差項ΔＦなど）を取除いた値を
前記重量検出値とするロードセル検出値補正手段（補正
回路２１など）と、を備えたｊものとする。

【実施例】 以下第１図ないし第６図を用いて本発明の詳細な説明す
る。第１図は本発明の一実施例としての基本構成を示す
ブロック図で第７図に対応する。 第２図は同じく第１図中の補正回路の細部構成を示すブ
ロック図、第３図ないし第５図はロードセル検出値に含
まれる誤差項の説明図、第６図は補正値ＲＡＭ領域の構
成図である。 第１図においては第７図の従来例に対し、新たに引上棒
５および結晶４　（これらは同一の回転軸を中心として
一体に回転している。）の回転角を検出するための回転
角センサ２０を設け、さらにロードセル６の回転角に対
応する出力値（ロードセル検出値ともいう）から、回転
が与える誤差項ΔＦを算出し、ロードセル６からの検出
イ直Ｆからこの誤差項ΔＦを取除（補正回路２１を設け
ている。 ところで単結晶成長中にロードセル６が検出する力、つ
まりロードセル検出値Ｆは、引上棒５の一定重さＷＡと
、固体の結晶自体の重さＷｃと。 溶融体１の表面の動きに基づ（力（βａ−βｂ）と、引
上棒５を回転させることによる応力ｋ（φ）等より成る
。ただし単結晶自体の重さＷｃには、一定半径ｒでの成
長に対応する重さＷｒと、結晶半径の誤差に対応する重
さδＷｒを含む。 第３図はロードセル６に加わる力を説明するための概念
図であり、Ｘｌはロードセル６の部分の回転軸で便宜上
基軸という、なおこの基軸は垂直方向を向くものとする
。Ｘ２は引上棒５および結晶４の回転軸４の回転軸で、
この２軸ＸＩ、Ｘ２は支点Ａで交じっている。なおこの
図では引上棒５と結晶４は括めて重ｉＷとして示されて
いる。 前記の２軸ＸＩ、Ｘ２は少なくとも軸の回転方向には互
いに拘束されて、一体に回転する。 また同図の実線は両軸ＸＩ、Ｘ２が一致している場合を
、同しく点線は何等かの理由で両軸ＸＩ。 Ｘ２が軸傾き角φで交わるような形になった場合をそれ
ぞれ示している。 このように軸Ｘｉ、Ｘ２が一致しない場合には、第４図
のベクトル図のようにロードセル６には引上棒５および
結晶４の重量を主体とする垂直方向の分力（ロードセル
重量検出値ともいう）Ｆｌと、回転軸（ＸＩまたはＸ２
）の回転角速度ωを基本の角速度として変化する水平方
向の分力Ｆ２との合成力Ｆ、つまり Ｆ−ｖ’己Ｚ　＋Ｆ、！　　−・・−・−・・−・−−
−−−・−・・・−・（１）が加わり、ロードセル６は
この方Ｆを検出することになる。但し、ここで Ｆｌ−Ｗｌ＋（Ｗｒ＋δＷｒ）＋（βａ−βｂ）　−１
２１Ｆ２＝　ｋ　（φ）ｓｉｎ（ωｔ　＋θ）　　　　
　−−−−−−−−−−−−−（３）第５図はこのよう
な水平分力Ｆ２の時間的変化の例を示している。 従ってこの場合ロードセル６は垂直分力（ロードセル重
量検出値）Ｆｌを最小値とし、これに軸ＸＩ、Ｘ２の回
転角速度ωの２倍の角速度２ωで変化する誤差項の加わ
った力Ｆを検出することになる。 なお現実のロードセル６の検出値は直流分のほかに軸Ｘ
Ｉ、Ｘ２の回転角速度ωと同じ角速度で変化する誤差項
をも含み、これは溶融体１から結晶４に垂直方向に加わ
る力が何等かの理由で軸回転と共に周期的に変化するた
めとも考えられる。 結果としてロードセル６の検出値（力）Ｆは、引上棒５
および結晶４の重量を主体とする直流分Ｆｌ（ただしこ
の直流分Ｆ１は引上棒５の極めてゆるやかな引上速度に
よって、時間と共にゆるやかに直線的に増大する）と、
少なくとも回転輪Ｘ１、ｘ２の角速度ωを基本角速度と
する（換言すれば少な（とも回転軸ＸＩ、Ｘ２の回転周
期で変化する）誤差項ΔＦとの和として表わされる。 第１図の補正回路２１はロードセル検出値（力）Ｆから
、このような誤差項ΔＦを補正して取り除き、結晶の重
さＷｃと所定重量との和である直流分くロードセル重量
検出値）Ｆｌを求める回路である。次にこの補正回路２
１を第２図を用いて説明する。同図においては前記回転
角センサ２０（たとえばアブソリュートエンコーダ等）
の回転角検出出力（回転角センサ出力ともいう）２０ａ
を変換器３１を通してデジタル値（回転角データという
）３１ａに変換する。他方ロードセル６の検出値ＦをＡ
／Ｄ変換器３２を通してデジタル値（ロードセル検出デ
ータという）Ｆ“に変換する。ただし回転角センサ２０
の出力２０ａとロードセル６の出力Ｆとは同期している
必要があるので、同時にサンプリングを行い、ＭＰＵ３
３によって読出せるように構成している。 ＭＰＵ３３は回転角データ３１ａとロードセル検出デー
タＦ“とを、それぞれバッファ３４と３５とを介して読
込み前記誤差項ΔＦに対応するデジタル値（補正値デー
タという）（−ΔＦ”）を求めて補正値ＲＡＭ３７に各
回転角ごとに書込む。 このために補正値格納用ＲＡＭ３７は少なくとも回転角
センサ２０の持つ分解脂分のアドレス領域を持ち、デー
タ長は補正値データ（−ΔＦ”）の最大予測値骨を持つ
ようにする。またＭＰＵ３３からデータを書込めると同
時に回転角ごとの補正を行うため回転角データ３１ａを
レジスタ３６を介しアドレスとして補正値ＲＡＭ３７に
与えるようにする。 従って補正値ＲＡＭ３７領域の構成は第６図のようにな
る。 加算器３８は前記ロードセル検出データＦ２と、回転角
データ３１ａに対応する補正値ＲＡＭ３７の出力（補正
値データ）（−ΔＦ”）の単純加算を行うためのもので
あり、加算器３８の出力はロードセル検出値ＦのＡ／Ｄ
変換毎に出力レジスタ３９にラッチされて、前記直流分
（ロードセル重量検出値）Ｆｌのデジタル値としての補
正後出力データＦ１′が得られる。 以上の構成で次のようにプログラムすることにより回転
に起因する誤差項ΔＦを補償することができる。 （１１初期化により補正値データ（−ΔＦ”）をセント
する方式： 装置の稼動前にキャリブレーションを行うもので、回転
角とロードセル出力を測定し、回転角に対応したロード
セル検出値Ｆから回転角の分解脂分の補正値データΔＦ
０を算出し、第６図に示すように回転角データ３１ａに
対応させ、補正値データ（−ΔＦ”）を補正値ＲＡＭ３
７領域にセントする。　（この場合回転速度は既知であ
ることから数点のロードセル検出値Ｆを測定することに
より、補正値データ　（−ΔＦ”）を作成できる。）以
後、動作モードは運転状態に入り、サンプリングタイミ
ングにより、ロードセル検出データＦ９と、回転角デー
タ３１ａに対応した補正値データ（−ΔＦ”）を加算し
、その出力をラッチすることにより常に補正されたロー
ドセルの出力Ｆ１についてのデジタル値（補正後出力デ
ータ）Ｆ１′を制御回路１０に送出することができる。 （２）定周期で補正値データ（−ΔＦ”）を更新させる
方式： （１）の方式での欠点は運転中に発生する結晶と溶融体
との動きから回転軸中心が経時的にズレることや、同一
回転角に対応する誤差項ΔＦの値が変化することに対応
できない事である。従ってＭＰＵ３３は装置運転中も常
時、回転角とロードセルのデータをデータＲＡＭ４０に
保持し、補正値データ（−ΔＦ”）の算出をしておくこ
とにより、定周期で補正値ＲＡＭ３７の更新をさせるも
のである。 以上のような方法をとることによりロードセルにかかる
重さのうち回転速度を与えることに起因する（つまり回
転軸Ｘｉ、Ｘ２の角速度ωを基本角速度として変化する
）誤差項ΔＦを補償してやることが可能となる。 本補正はプログラムによって行うことも可能であるが、
ヒータ３の制御は通常ロードセル検出値の変化分（微分
値）に対して行われることから、ロードセル検出値Ｆの
Ａ／Ｄ変換とほぼ同時にその補正後出力データＦ１“を
取出すことが望ましい。 以上の実施例では成長結晶４を回転させた場合について
説明したが、ルツボ２を回転させた場合でも同様にでき
る。また補正値データ　（＝ΔＦ”）は補正値ＲＡＭ３
７に演算結果を格納しているが、装置のキャリブレーシ
ョン時に計測し、ＲＯＭにより実現してもよい。

【発明の効果】

この発明によれば、ロードセル出力の誤差信号のうち、
結晶成長の間、結晶とルツボとの間に相対的な回転を与
えるために発生する誤差項を補償することとしたので、
結晶成長の制御ループを安定させ、断面径のより均一な
単結晶を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例としての基本構成を示すブロ
ック図、第２図は同じく、第１図中の補正回路の細部構
成を示すブロック図、第３図ないし第５図はロードセル
検出値に含まれる誤差項の説明図、第６図は補正値ＲＡ
Ｍ領域の構成図、第７図は第１図に対応する従来のブロ
ック図である・１：溶融体、２ニルツボ、３：ヒータ、
４：結晶、５：引上棒、６°：ロードセル、７：引上用
モータ、８：回転用モータ、１０：制御回路、ＩＩ：電
力制御装置、１２：加熱装置、２０：回転角センサ、２
１：補正回路、Ｆ：ロードセル検出値、Ｆ“　二ロード
セル検出データ、ΔＦ＝誤差項、−ΔＦ１　：補正値デ
ータ、Ｆｌ：ロードセル重量検出値、Ｆｌ″：補正後出
力データ、２０ａ：回転角センサ出力、３１ａ：回転角
データ。 オ　１　図 ＬＪ×に基軸（ロード上１カ転軸） 第３図 第４− 回卓１センｇ（エンコーダ苓の基準溝−回転山子一タ３
１ａ　　　　　　　柿辱（ＨＥＸ）　　　　　　　丁−
夕 廿　　■ ５６図 ４７囚

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）ロードセルを介し吊下げられた単結晶保持手段を用
   いて単結晶を保持し、この単結晶保持手段を所定の回転
   周期で回転させつつ、所定の引上速度で引上げることに
   より、電力によって加熱される溶融体から前記単結晶を
   成長させつつ引上げ、この引上げの間、前記電力を前記
   ロードセルからの重量検出値に基づいて制御する単結晶
   引上制御装置において、 前記単結晶保持手段の回転角を検出する回転角検出手段
   と、 前記回転角ごとの前記ロードセルの検出値から、少なく
   とも前記回転周期で変化する成分を取除いた値を前記重
   量検出値とするロードセル検出値補正手段と、を備えた
   ことを特徴とする単結晶引上制御装置。