WO2000055396A1

WO2000055396A1 - Method and apparatus for detecting melt level

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Publication number: WO2000055396A1
Application number: PCT/JP2000/001609
Authority: WO
Inventors: Masato Moriya; Tadayuki Hanamoto; Kazuhiro Mimura; Toshirou Kotooka
Original assignee: Komatsu Denshi Kinzoku Kabushiki Kaisha
Priority date: 1999-03-17
Filing date: 2000-03-16
Publication date: 2000-09-21
Also published as: JP4616949B2; US6572699B1; KR20010113760A; JP2000264779A; EP1162291B1; TW445309B; EP1162291A1; KR100687836B1; EP1162291A4

Description

明細書メルトレベル検出装置及ぴ検出方法技術分野

本発明は、チヨクラルスキー型単結晶引上装置内の原料溶融液の液面高さ (メルトレベル）を検出する装置および方法、特に溶融シリコンのメルトレべルを検出するための検出装置および方法に関する。背景技術

[メルトレベル検出の必要性]

チヨクラルスキー法（C Z法）は、るつぼ内におけるシリコン等の原料溶融液から単結晶インゴットを引上げるものであり、結晶成長を良好に行うためには、原料溶融液の液面レベル（以下、メルトレベル）を適確に検出し、それを調整する必要がある。

C Z型単結晶引上装置においてメルトレベルの適確な検出及び調整を行うことは、熱遮蔽体とメルトレベルの相対的位置、あるいはヒータとメルトレベルの相対的位置を制御し、安定した結晶成長を促す上でも有用である。

特に、現存の C Z型シリコン単結晶引上装置においては、通常は、ヒータ及びシリコン融液からの熱輻射を制御すると同時に、炉内に通されるガスの整流を行う熱遮蔽体（もしくは、ガス整流筒）が設置されるが、前記フィードバック制御を適切に行い、この熱遮蔽体の下面とメルトレベルの相対的位置（即ち. これらの間の距離）を制御することによって、引上げシリコン単結晶の熱履歴や不純物濃度（酸素濃度等）を一定にすることができる。

[メルトレベル検出装置]

メルトレベル検出装置の従来技術としては、特公平 3— 1 7 0 8 4号に開示されているような装置が存在する。この従来装置は、三角測量の原理に基づいてメルトレベルの検出を行うものであり、具体的には、図 1 9 (当該公報の F I G . 1 ) に示されるように、レーザー光 3 4を角度 0でメルト面に投射し、正反射光 3 8をレンズ 4 4で集光し、光センサ 4 8で集光位置 4 6の検出を行うというものである。そして、この従来装置においては、メルト面 2 0の表面に生じた微小の波立 2 2に起因する計測のバラツキを平均化する目的で、レーザ一光を拡大投射 3 0してそれを受光するようにしている。

しかしながら、メルト面 3には、前述した微小の波立とは別に、当該メルト面 3の平坦を阻害する要因が存在する。即ち、図 2 ( b ) に示すように、結晶

1 5の近傍のメルト面 3には、結晶 1 5の成長面近傍の表面張力によるメニスカス 2 8が生じる。また、るつぼ 1 4の回転および引上結晶 1 5の回転によつて、放物面状の液面の傾きがメルト面 3の全体にわたって発生する。さらに、図 2 ( c ) に示すように、ガス整流筒 1 6をメルトレベル 3に近づけた場合には、不活性ガスの排出圧力により、ガス整流筒 1 6の下部付近のメルト面 3が窪んだ形状となる場合がある。このようなメルト面 3の傾きは、前記計測のためのレーザー光の正反射光の方位をシフトさせてしまうので（図中、メルト面

3の傾きを角度 Ψで表している）、有効な受光が困難になる。

また、上記従来技術には、メルト面の傾きに起因するレーザー正反射光の方位シフトに対して、光受光部の設置位置を移動してこれを捕捉することが開示されている。このメルト面 3の傾き Ψは、るつぼ 1 4および結晶 1 5の回転速度、ガス整流筒 1 6のメルト面 3からの高さに密接に関わるため、これらの引上げ条件を変えるたびに光受光部の位置移動量を調節する必要があり、煩雑であるとともに受光部の移動設定を精度よく再現するのが困難である。また、移動調整がうまく行かない場合には、レーザーの正反射光を受光できず、メルト面の検知が不能となる可能性もある。

更に、図 2 0 (前記公報の F I G . 3に相当するもので、メノレトレベルの変化に対するレーザ一正反射光の変化を示す図である）に示されるように、メルトレベルが大きく変化（A L ) すると、正反射光の位置ずれ（Δ Υ ) が大きくなってしまうため、その分だけ光検出器を大きくシフトさせる必要が生じてくる。そして、それに伴って当該大きなシフトに对応した大きさの観察ポート 4 0が必要となってきたり、光検出器が移動できるスペースを用意する必要が生じたりするなどというような設置上の制約が出てきてしまう。

また、メルト面 3は鏡面のように光を反射するため、図 1 5 ( a ) に示すように、レーザー光源 1の出射口 2 9における散乱光がメルト面 3で反射し、それが光センサ 7にゴースト 3 0として映り込み、位置検出精度の低下を招くという問題もある（なお、この現象は、レンズ 5を介して正反射光 4を受光する条件では頻繁に発生する）。これに関し、上記従来技術では、メルト面 2 0からの輻射光と受光レーザー光とをコントラストよく弁別するためのものとして. レーザー光の波長のみを透過するバンドパスフィルターを採用している。しかしながら、レーザー光源 1の出射口 2 9における散乱光の波長とメルト面 3で正反射してくるレーザー光の波長は互いに同一であるため、バンドパスフィルターによってはレーザー出射口 2 9のセンサ 7への映り込みを回避することができない。発明の開示

本発明は以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡易かつ精密にメルトレベルの検出を行うことができるメルトレベル検出装置及びメルトレベル検出方法を提供することにある。

以上のような課題を解決するために、本発明に係るメルトレベル検出装置及び検出方法においては、融液液面上に定常的に生ずる液面形状を利用し、それを一種の反射体（即ち、照射されるレーザー光が、所定の個所に取り付けられている受光器へと適確に導かれるための一種の反射体）として機能させて適確なメルトレベル検出を行うことを特徴とする。そして、そのための手段として、るつぼの径方向にスキャンを行い、照射されたレーザー光が受光器へと適確に導かれる位置を探し出すのである。

なお、本発明は、 C Z炉内においては、るつぼ自体の回転や引き上げ結晶の回転により、引き上げ結晶の回転軸を中心とした同心円状のうねりが生じ、しかもこれが定常的なものであるという知見、並びに、このうねりはその断面が放物面状であるため、るつぼの径方向にスキャンを行えば、照射されたレーザ一光が受光器へと適確に導かれる位置が必ず見つかるという知見に基づいてなされたものである。

より具体的には、本発明は、以下のようなメルトレベル検出装置及ぴ検出方法を提供する。

( 1 ) C Z炉の所定の位置にレーザー光照射器と受光器とを備え、該レーザ一光照射器から発せられたレーザー光を融液液面に投射し、当該投射個所から反射してきたレーザー光を前記受光器にて受光し、三角測量の原理に基づいて C Z炉内の融液液面のレベルの検出を行うメルトレベル検出装置であって、前記レーザー光照射器による投射位置を c Z炉内のるつぼの径方向に移動させることにより、融液液面から反射してくるレーザー光が前記受光器に受光される投射位置をスキャンし、当該位置にレーザー光の投射位置を設定して前記融液液面のレベル検出を行うことを特徴とするメルトレベル検出装置。

なお、「定常的」というのは、ある一定条件下においてほぼ恒常的に定在している定常波のようなものは勿論のこと、ある所定の一定期間を見た場合に安定な状態として存在し得る状態を取っていることまでをも含む概念を意味する。本発明の実施の形態において、「定常的に生じる起伏」として典型的なものは、ある設定された条件下において、引き上げ結晶とるつぼの回転により生ずる、引き上げ軸を中心とした安定した同心円状のうねりである。それは、これらのものは、ある所定の一定期間を見た場合には安定な定常波のように振舞うが、そのような液面の状態は、結晶の引き上げに伴って刻々と変化するものであるため、本発明の実施の形態においては、「ある所定の一定期間を見た場合に安定な状態として存在し得る状態を取っている」ことを想定するのがむしろ自然だからである。

( 2 ) 前記レーザー光照射器から発せられたレーザー光の進路を変更して融液液面への投射を行う第 1の光路変更手段、及び、融液液面から反射してきたレーザー光の進路を変更して前記受光器へと導く第 2の光路変更手段のいずれか一方もしくは両方が備え付けられていることを特徴とする上記記載のメルトレベル検出装置。

( 3 ) 前記レーザー光照射器による投射位置の変更を、前記第 1及び第 2の光路変更手段により行うことを特徴とする上記記載のメルトレベル検出装置。

「光路変更手段」の例としては、ミラー、プリズムなどが挙げられる。

( 4 ) 前記受光器に受光される光のうち、所定の光強度以下の光をカットする減光フィルタを備えていることを特徴とする上記いずれか記載のメルトレべル検出装置。

( 5 ) 前記レーザ一光照射器の投射角度の調整を行う角度調整機構を備えていることを特徴とする上記いずれか記載のメルトレベル検出装置。

( 6 ) 前記レーザー光照射器による投射位置のスキャンを、 C Z炉内に設置されている熱遮蔽体の底部に至るまで行い、当該熱遮蔽体の底部から反射してくるレーザー光をも前記受光器で受光することにより当該熱遮蔽体底部の位置の算出を行うことを特徴とする上記記載のメルトレベル検出装置。「熱遮蔽体」は、融液液面からの輻射熱の遮蔽を行うものであり、炉内に通されるガスの整流を行う機能を備えていてもよい。

( 7 ) 前記受光器は、観測面上の計測スポットの二次元的な位置を同時に検出する二次元光センサを備えていることを特徴とする上記記載のメルトレベル検出装置。なお、「観測面上の計測スポットの二次元的な位置を同時に検出する二次元光センサ」の概念には、二次元光センサそれ自体が測距用のセンサを兼ねている場合も、二次元光センサが測距用センサとは別に設けられている場合も、いずれも含まれる。

( 8 ) C Z炉の所定の位置に備えられたレーザー光照射器と受光器とを用い、三角測量の原理に基づいて C Z炉内の融液液面のレベルの検出を行うメルトレベル検出方法であって、前記レーザー光照射器による投射位置を C Z炉内のるつぼの径方向に移動させることにより、融液液面から反射してくるレーザー光が前記受光器に受光されるような投射位置をスキャンし、当該位置にレーザー光の投射位置を設定することを特徴とする方法。

( 9 ) 前記レーザー光照射器から発せられたレーザー光の融液液面からの正反射光よりも光強度の低い光をカツトする減光フィルタにより前記正反射光以外のゴーストを除外することを特徴とする上記記載の方法。

( 1 0 ) 前記スキャンは、 C Z炉内に設置されている熱遮蔽体の底部に至るまで行われるものであり、当該熱遮蔽体の底部と前記融液液面の反射率の相違により熱遮蔽体部分の検出を行うことを特徴とする上記記載の方法。

( 1 1 ) 前記受光器に、観測面上の計測スポットの二次元的な位置を同時に検出する二次元光センサを備え、メルトレベルと熱遮蔽体上の計測スポットの二次元的な位置を検出することを特徴とする上記記載の方法。

( 1 2 ) 三角測量の原理に基づく C Z炉内の融液液面のレベル検出のための前記スキャンは、常時行われるか、または、時々に行われるかのいずれかである上記記載の方法。

( 1 3 ) 前記時々に行われるスキャンは、反射光の受光状態の良い位置を探索するために行うものであり、受光状態が良い間はスキャンを停止すると共に、受光状態が悪化したときにはスキャンを再開し、反射光の受光状態が良い位置に至るまで探索を継続することを特徴とする上記記載の方法。

ここで、以上のような本発明を一般的に表現すると次のようなものになる。本発明に係る方法は、三角測量の原理を実用的な液体に対して適用したものであるから、ある設定された条件下において表面に定常状態を作り出せるものであれば、いかなる液体に対しても適用できるということは明らかである。

( 1 4 ) 液面レベル検出の対象となる液面に対してある所定の位置からレーザ一光を発すると共に、前記検出の対象となる液面から反射してきたレーザー光を前記ある所定の位置とは別の所定の位置で受光し、三角測量の原理に基づいて前記検出の対象となる液面の液面レベル検出を行う方法において、前記検出の対象となる液面に定常的に生じる起伏の斜面を利用して前記液面から反射してきたレーザー光の進行方向を調整する方法。なお、「利用して」というのは、単に反射の方向を調整する場合のみならず、凹面を利用して集光を行うような応用的な場合も含まれる。

( 1 5 ) レベル検出の対象となる面に対してある所定の位置からレーザー光を発すると共に、前記検出の対象となる面から反射してきたレーザー光を前記ある所定の位置とは別の所定の位置で受光し、三角測量の原理に基づいて前記検出の対象となる面のレベル検出を行う方法であって、該方法は、発光している面のレベルを検出する方法であり、レベル検出の対象となる面の光強度よりも強い光強度のレーザー光を使用すると共に、当該レーザー光と前記面の光強度の間のエネルギーレベルに位置する減光フィルタを介して前記レーザー光の受光をすることにより、当該レーザー光の受光を選択的に行うことを特徴とする方法。

この方法についても、発光する面にレーザー光を照射して三角測量を行う一般的な方法であって、発光するものであれば、その種類（材質、品質など）や状態（固体、液体などというような状態）について特に制限はない。図面の簡単な説明

図 1は、本発明に係るメルトレベル検出装置及び方法の原理を説明するためのブロック図である。

図 2は、引き上げ結晶近傍の融液液面の状態を説明するための図である。図 3は、本発明の一実施態様に係るスキャンの説明をするための図である。図 4は、本発明の一実施態様に係るスキャンの動作を説明をするためのフロ一図である。

図 5は、光路変更手段を用いた一実施態様を示すプロック図である。

図 6は、光路変更手段を用いた別の実施態様を示すプロック図である。

図 7は、光路変更手段を用いた更に別の実施態様を示すプロック図である。図 8は、光路変更手段を用いた他の実施態様を示すプロック図である。

図 9は、ポリゴンミラーを用いてスキャンする場合の実施態様を示すプロック図である。

図 1 0は、レーザー光を広げてスキャンする場合の実施の態様を説明するための図である。

図 1 1は、ミラーの回転によってスキャンする場合の実施の態様を説明するための図である。

図 1 2は、ビームの入射角度を小さく設定することで、検出の対象となる液面の変位の間をより広いものとする実施の形態を示すブロック図である。

図 1 3は、検出の対象となる液面の変位の間をより広いものとするためにレ一ザ一光源と受光部とを回転させる実施の形態を示すプロック図である。

図 1 4は、検出の対象となる液面の変位の間をより広いものとするためにレ一ザ一光源を回転させる実施の形態を示すブロック図である。

図 1 5は、ゴーストの除去を説明するための図である。

図 1 6は、熱遮蔽体の検出を行う実施態様を示すブロック図である。

図 1 7は、熱遮蔽体の検出を行う実施態様において好適な計測ュニットの構成を示すブロック図である。

図 1 8は、ゴーストを除去してメルトレベルの検出を行う原理、及び熱遮蔽体の検出を行う原理を説明するための図である。

図 1 9は、従来技術に係るメルトレベル検出装置の構成を示す図である。図 2 0は、従来技術に係るメルトレベル検出装置の構成を示す図である。発明を実施するための最良の形態

[装置の基本的構成]

図 1は、本発明に係るメルトレベル検出装置及び検出方法の原理を説明するためのブロック図である。この図 1に示されるように、本発明に係るメルトレベル検出装置においては、基本的に、レーザー光源 1から発せられたビーム 2 を角度 0でメルト面 3に投射し、その反射により得られる計測スポット 3 1の位置に基づいて、三角測量の原理によりメルトレベル 3を算出する。計測スポット 3 1の位置は、当該正反射光 4をレンズ 5で集光し、それを二次元光センサ 7 上の集光位置によって同定される（図 1 ( a ) ) 。

この実施の形態では、レーザー光源 1がレーザ一光照射器に相当し、レンズ 5及び二次元光センサ 7が受光器に相当する。受光器の手前には、減光フィルタ 6が設置されている。また、これらのレーザ一光照射器及び受光器は C Z炉の所定の位置に配置されるが、この実施の形態においては、レーザー光照射器 (レーザー光源 1 ) 、受光器（レンズ 5及び二次元光センサ 7 ) 、及び減光フィルタ 6で距離計測器 8を構成し、この距離計測器 8においては、るつぼ 1 4の半径方向にほぼ鉛直な仮想面 1 2内に、レーザービーム 2の光学中心軸 1 0と受光部光学中心軸 1 1 とを配置している（図 1 ( c ) ) 。そして、レーザ一ビーム 2が、るつぼ 1 4の半径方向に沿って、角度 Φの範囲でメルト面上をスキャンするようにしている（図 1 ( d ) ) 。これにより、レーザービーム 2は、メルト面上をスキャン範囲 1 3の範囲でスキャンすることとなる（図 1 ( b ) ，（ d ) ) 。

[メルトレベル検出の基本的原理]

引上結晶 1 5の周囲に生ずるメニスカス 2 8 (図 2 ( b ) ) 、るつぼの回転および引上結晶の回転によって発生する放物面状のメルト面 3の傾き（図 2

( b ) ) 、並びに、熱遮蔽体 1 6の下部付近の窪んだ形状のメルト面（図 2

( c ) ) はそれぞれ、るつぼの回転中心 9に対してほぼ対称なプロファイルを有する。そしてこれは、レーザービーム 2の角度スキャン Φの方向と一致するため、メルト面 3の傾き Ψとレーザービーム入射角度とで角度がほぼ同じとなる計測スポット 3 1力スキャン範囲 1 3内に必ず一ヶ所は存在することとなる（図 1 ( d ) ) 。そして、このスキャン位置 3 1は、レーザービーム 2によるスキャン範囲 1 3内でのスキャンによってが確実に捕らえられ、計測スポット 3 1にレーザービーム 2が投射された場合には、正反射したレーザービーム 4が必ず受光器に到達することとなる。

このように、本発明においては、レーザービーム 2のるつぼ径方向における僅かな距離のスキャンによって、当該レーザービーム 2を確実に受光器に正反射させることができるので、従来技術とは異なり、メルト面の傾きに対応させた受光部の移動を行う必要が無い。この場合において、もし引上げ条件が変わって、メルト面の傾きのプロファイルが変化したとしても、メルト面の傾き φとレーザービーム入射角度と角度がほぼ同じとなる別の計測スポットが、スキャン範囲 1 3内で新たに出現するので、この場合も受光部の位置移動はしないで済む。

また、このような装置構成によれば、メルト面 3が 3，に変化したとしても、計測スポット 3 1が 3 1 ' に変化し、それに伴って正反射光 4が 4 ' に変化し. 最終的には正反射光が二次元光センサ 7に投影される位置が異なるだけであるので、微小な液面変化が生じた場合でも、レーザー光照射器と受光器の位置を変更する必要が無く、この場合においてもレーザー光照射器と受光部の位置移動を行わずに済むことになる。

[スキャン]

本発明においては、後述するように、受光器（レンズ 5及び二次元光センサ 7 ) に、観測面上の計測スポットの二次元的な位置を同時に検出する二次元光センサを備えることにより、メルトレベルと熱遮蔽体上の計測スポットの二次元的な位置を検出することが可能となり、そのようにした場合にはメルトレべルと熱遮蔽体 1 6の間の距離の計測を同時に行うことができるようになる。

また、この実施の形態におけるスキャンは、図 3に示されるように、受光器 Pからの入力情報に基づいてコントローラ Qがレ一ザ一光照射器 Rをフィードバック制御することにより行われるが、スキャン三角測量の原理に基づく C Z 炉内の融液液面のレベル検出のためのスキャンは、常時行われるものであってもよく、必要に応じて時々に行われるものでもよい。

ここで、図 4は、主に上記コントローラ Qにより行われる、スキャンが必要に応じて時々に行われる場合の実施の形態に係るスキャンの動作を説明をするためのフロー図である。この図 4に示されるように、まずデータの取りこみが行われた後（S 1 0 1 ) 、スキャンが実行される（S 1 0 2 ) 。そして、スキヤンが実行されながら、反射光が所定の条件を満たすか否かが判断され（S 1 0 3 ) 、満たす場合にはスキャンが停止されてその場所で計測が実行される（ S 1 0 4 ) 。その一方で、反射光が所定の条件を満たさなかった場合には S 1 0 2に戻されてスキャンが継続される。また、一度スキャンが停止された場合でも、その後の状況の変化によつて反射光が所定の条件を満たさなくなつた場合には、 S 1 0 4→S 1 0 3→S 1 0 2のルートを通って、再びスキャンが開始され、反射光が所定の条件を満たすようになるまで探索が続けられる。

なお、上述の反射光が満たすべき「所定の条件」というのは、例えば受光信号の強度や形である。そして、それは例えば毎回の信号のピーク値の何回分かの積分値で判断することもでき、受光信号の強度や形状から毎回の信号の信頼性の可否を判定し、計測回数や時間あたりの合格回数で判断することもできるまた、受光状態が悪化した場合の対処形態として、単に自動的に計測を中断して自動的にスキャンの再開を行うようにするだけでなく、警報を発してォペレ一ターを呼び寄せ、そのオペレーターの判断でスキャンを再開し、再探索 '再設定を行うようにしてもよレ、。

[変形例]

<ミラー、プリズムの設置 >

図 5及び図 6に示すように、レーザー光源 1から発せられたレーザー光を、ミラーあるいはプリズムなどの光路変更手段 2 0を介してメルト面 3に照射させることもできる。ミラーあるいはプリズムなどの光路変更手段 2 0は、熱遮蔽体 1 6と結晶 1 5の間に配置するのが好適であり、このようにすることで、熱遮蔽体 1 6と結晶 1 5の間の隙間が極めて狭いような場合でも、その極めて狭い隙間の部分に対してレーザー光を照射し、反射させることができる。また、光路を折り曲げ、変更することによって、距離計測器本体 8と結晶 1 5あるいは結晶直胴部の筐体 17などとの機械的干渉を避け、設計の自由度を向上させることができる。

ここで、光路変更手段 2 0を用いた場合には、図 7に示すように、計測器 8を回転させるようにしてもよい。即ち、測量角の狭い（5° 〜3° )三角測量計測器ユニットを使用する場合には、計測器自体を回転させ、それによつて測量角の狭い分を補うようにしてスキャン範囲 1 3の全体をスキャンさせ、それによつて有効な距離計測が行えるようにするのである。なお、別の態様として、距離計測器 8それ自体ではなく、光路変更手段 2 0の方を回転させるようにしてもよい。

ところで、光路変更手段は 2以上のものを設けるようにしてもよレ、。この場合において、 2以上の光路変更手段は、それぞれ同種のものでも異種のものでもよい。図 8は、ミラー及びプリズムという 2種の光路変更手段を直列に設けた例を示したものである。図 8に示される実施の形態では、回転ミラー 3 3が回転することにより図 7に示す実施の形態と同様の作用 ·効果を得ることができる。なお、光路変更手段の形状は特に限定されず、ミラーの場合で言えば、平板のものでなくてもよく、例えば、図 9に示されるようなポリゴンミラー 2 6のようなものも使用することができる。

ぐ光照射の最適化 >

図 6に示すように、受光部の光学中心軸 1 1に垂直で且つレーザー光のスキャン方向に沿って距離計測器 8を移動（破線位置、移動ステージ等は図示せず）させることにより、メノレトレベル 3と距離計測器 8の相対的距離を変えずに、結晶 1 5と熱遮蔽体 1 6の間のメルト面 3の計測位置を調整することができる _c このようにすることによって、メルト面 3の傾きとレーザービーム入射角度がより一致する最適な条件を探し出すことができるようになる。

また、図 1 0及び図 1 1に示すように、レーザービームをミラーに反射させ、レーザービームを一方向に拡大したスリット光で同時に角度 φの範囲を投光するようにしてもよレ、。ミラーの角度を変化させてのスキャンは、図 1 1に示すように、ミラー 2 4と一体化されたモーター 2 5を駆動させることによって容易に行うことができる。また、距離計測器 8の受光部のレンズ 5には、メルト面

3の微小の波立に起因するレーザービーム正反射光 4の揺らぎを有効に捕捉できる大きさ（開口）のもの（例えば φ 5 0 m m)を採用し、メルト面 3の微小の波立に対して安定してメルトレベル計測ができるようにしてもよレ、。

ここで、炉内に設置されるプリズムは、炉内汚染の防止と高温に対する安定性の点から、石英（F U s e d S i l i c a ) を使用するのが望ましい。また、メルト面からの輻射が強い場合には、プリズムを取付ける金属フランジに水冷ジャケットを設けるのが望ましい。同様に、炉内汚染の防止の点から、炉内に設置されるミラーは、研磨されたシリコンであることが好ましい。また、メルト面からの輻射が強い場合には、シリコンミラーを取付ける金属フランジに水冷ジャケットを設けるのが望ましい。

[三角測量角度の可変化]

図 1 2に示すように、ビームの入射角度（5° 〜3° )を小さく設定することで、検出の対象となる液面の変位（3〜3 ' ) の間をより広いものとすることができ、より広い範囲にわたって反射光を受光し、計測できるようにすることもできるこの場合において、以下に例示するように、ビームの入射角度を適宜変更できるようにすることで、検出の対象となる液面の変位を、必要に応じて適宜変更することができるようになる。

まず、図 1 3に示すようにレーザービーム 2の投光角度 6 と受光系の光軸 0が共に同じになるようにレーザー光源 1および受光系（5、 6、 7 ) を回転することにより、メルトレベル 3の大きな変化（3〜 3 ' )に対して小さな入射窓 1 8と観察窓 1 9を通して計測を行うことができる。メルトレベル 3は、二次元光センサ 7上の基準位置に正反射光 4が結像するときの 0から検知することができる。また、ある Θのときに二次元光センサ 7上の基準位置に対して正反射光 4がどれだけずれて結像しているか計測することによつても、メルトレベル 3 を検知することができる。

一方、図 1 4に示すように、レーザー光源 1を投光角度 0が変化するように回転させることにより、メルトレベル 3の大きな変化（3〜3 ' ) に対して小さな入射窓 1 8と観察窓 1 9を通して計測を行うことができる。投光角度 0ごとに二次元光センサ 7上の正反射光 4の結像位置とメルトレベル 3 との関係を予め求めておくことにより、メルトレベル 3を検知することができる。なお、入射窓 1 8と観察窓 1 9は共通の大窓でもよい。また、メルト面からの輻射が強い場合には、赤外線をカットするためのコーティング（たとえば金コート）を窓材に施すことや、窓の加熱を防ぐために、窓取付の金属フランジに水冷ジャケットを設けるのが好ましい。

[減光フィルターの設置]

レーザービーム光 ₂の強さを十分大きくすると同時に、受光部に減光フィルター 6を挿入することによって（1 5 ( b ) ) 、正反射光 4による二次元光センサ 7上での受光強度の飽和が防止できる。これとともに、レ一ザ一ビーム出射光 2 9での散乱レーザー光がメルト面 3 (鏡面）で反射してきたものの強度を十分減光することで、二次元光センサ 7上に結像（出射口の映り込み）するのを防止し、実質的に計測誤差にならないようにすることができる。従って、このような減光フィルターの挿入により、また、メルト面 3から輻射ノイズ光をカツトし、計測点 3 1がコントラスト良好に二次元光センサに結像した状態で、メルトレベルの検出ができるようになる。

[熱遮蔽体の位置の検出]

図 1 6は、図 5に示される実施の形態のスキャン範囲 1 3を熱遮蔽体 1 6にまで拡張したものである。このように、レーザー光 2のスキャン範囲 1 3をメルト面 3と熱遮蔽体 1 6の双方にまたがる範囲にまで行うことによって、メルト面 3と熱遮蔽体 1 6の間の相対的距離を計測することが可能となる。メルト面 3と熱遮蔽体 1 6の区別は、反射率の相違によって行う。

このような構成とすることで、本発明においては熱遮蔽体の横方向の位置までもが検出できるのは、特公平 3 _ 1 7 0 8 4号に開示されている発明とは異なり、ある領域における平均値を取るのではなく、基本的にはスポット的にスキャンを行っているからである。即ち本発明においては、結果的にはライン状にスキャンを行っていることになるが、ライン上を移動するのはあくまで計測スポットであり、しかもスキャンを行うことによって得られたデータの平均を取らないので、横方向の反射率が各計測スポット毎に検出されることとなり、これによつて横方向における熱遮蔽体の位置までもが検出できることとなるのである。

また、本発明においては、減光フィルターの設定を工夫したことにより、基準点となる反射体を熱遮蔽体の下端部に特別に設けることなく、計測位置を画像センサで確認するだけで、熱遮蔽体の高さ方向の位置を直接計測することができるようになつている。なお、図 1、 7、 8、 1 3、 1 4の実施の形態の場合においても、同様に、スキャン範囲 1 3を熱遮蔽体 1 6にまで拡張することにより、直接的にメルトレベルと熱遮蔽体の間の距離の計測が行えるようになる。

因みに、この実施の形態のようにメルトレベルと熱遮蔽体の間の距離の計測を行う場合には、熱遮蔽体の横方向の位置も検出するために、図 1 7に示すように、受光部にはビームスプリッタ 34と二次元光センサ 35を配置し、計測スポット 3 1の画像による確認ができるようにするのが好ましい。このような計測ュニット 8によれば、一次元光センサ 32と共役の位置に二次元光センサ 35が配置されており、レンズ 5及び減光フィルタ 6を通過してきた光は、ビームスプリッタ 34により分けられ、一次元光センサ 32によってメルトレベルが検出される一方で、二次元光センサ 35により熱遮蔽体 1 6の範囲が検出される。

ここで、レーザー光の強度と減光フィルターの関係について説明をする。まず、図 1 8は、光の波長とエネルギーの関係を示した図であるが、この図 1 8 において、 E pは減光フィルターがカットするエネルギーレベル、 E gはゴーストのエネルギー準位、 E rはレーザー光のエネルギー準位、 E sは融液液面からの輻射光の最高エネルギーレベルを意味する。この図 1 8から明らかなように、 E rは E gよりも大きいものである必要があり、 £ 1)は£ ]：と £ 8の間に位置している必要がある。特に波長 λ ΐの場合には、 Ε ρのほうが融液液面からの輻射光のエネルギーよりも大きいため、減光フィルターにより融液液面からの輻射光もカットできることになる。その反面、波長え 2の場合には、融液液面からの輻射光のエネルギーのほうが大きいため、減光フィルターを用いた場合でも、融液液面からの輻射光が背景に現れてくることになる。そして、この場合においては、熱遮蔽体の部分が影となって現れてくる。

具体的には、好適な実施の形態においては、 2. 5 mWのレーザー光と [1 /1， 000] の減光フィルターの組み合わせの場合には、融液液面からの輻射光が背景に現れてくる。 5mWのレーザー光と [ 1 / 1 0, 000] の減光フィルターの組み合わせの場合には、ゴース卜が排除された正反射光が得られる。カーボン製の熱遮蔽体からの反射光は、 1 5mWのレーザー光と [1Z1 0， 000] の滅光フィルターの組み合わせにより得られる。なお、上記の実施の形態においては、いずれも、光学フィルタとして、減光フィルタと共にバンドパスフィルタを併用するようにしてもよい。また、一次元光センサ 3 2としてはライン型 C C D、 P S Dなどが望ましく、二次元光センサ 7としては、エリア型 C C D、 P S Dなどが望ましい。これに関し、最後の実施の形態においては、減光フィルタとバンドパスフィルタの組み合わせが有効であることが明らかであるが、 C C Dを採用した場合には、当該 C C D自体がバンドバスフィルタの役割を果たすため、このことを考慮しながらバンドパスフィルタを選別することになる。

更に、図 1、 5、 6、 7、 8、 1 3、 1 4に係る実施の形態においては、計測ユニット 8を構成するレーザー光源 1、減光フィルタ 6、受光レンズ 5、及び光センサ 7あるいは 3 2は、同一の筐体あるいは基板上に配置されることが望ましい。産業上の利用可能性

本発明によれば、レーザー投光角度を極めて小さな範囲でスキャンをしてメルトレベルの検出に適切な個所を見出し、その部分において計測をするようにしているので、装置の複雑化を招かず、また、融液液面に生じるノイズの影響が少ない状態でメルトレベルの検出が行える。

従って本発明によれば、従来装置よりも簡易な機構で、確実にメルトレベルの検出が行えるようになる。

Claims

請求の範囲

1 . C Z炉の所定の位置にレーザー光照射器と受光器とを備え、該レーザー光照射器から発せられたレーザー光を融液液面に投射し、当該投射個所から反射してきたレーザー光を前記受光器にて受光し、三角測量の原理に基づいて C Z 炉内の融液液面のレベルの検出を行うメルトレベル検出装置であって、

前記レーザー光照射器による投射位置を C Z炉内のるつぼの径方向に移動させることにより、融液液面から反射してくるレーザー光が前記受光器に受光される投射位置をスキャンし、当該位置にレーザー光の投射位置を設定して前記融液液面のレベル検出を行うことを特徴とするメルトレベル検出装置。

2 . 前記レーザー光照射器から発せられたレーザー光の進路を変更して融液液面への投射を行う第 1の光路変更手段、及び、融液液面から反射してきたレーザ一光の進路を変更して前記受光器へと導く第 2の光路変更手段のいずれか一方もしくは両方が備え付けられていることを特徴とする請求の範囲第 1項記載のメルトレベル検出装置。

3 . 前記レーザー光照射器による投射位置の変更を、前記第 1及び第 2の光路変更手段により行うことを特徴とする請求の範囲第 2項記載のメルトレベル検

4 . 前記受光器に受光される光のうち、所定の光強度以下の光をカットする減光フィルタを備えていることを特徴とする請求の範囲第 1項から第 3項いずれか記載のメルトレベル検出装置。

5 . 前記レーザー光照射器の投射角度の調整を行う角度調整機構を備えていることを特徴とする請求の範囲第 1項から第 4項いずれか記載のメルトレベル検出装置。

6 . 前記レーザー光照射器による投射位置のスキャンを、 C Z炉内に設置されている熱遮蔽体の底部に至るまで行い、当該熱遮蔽体の底部から反射してくるレーザー光をも前記受光器で受光することにより当該熱遮蔽体底部の位置の算出を行うことを特徴とする請求の範囲第 1項から第 5項いずれか記載のメルトレベル検出装置。

7 . 前記受光器は、観測面上の計測スポットの二次元的な位置を同時に検出する二次元光センサを備えていることを特徴とする請求の範囲第 1項から第 6項いずれか記載のメルトレベル検出装置。

8 . C Z炉の所定の位置に備えられたレーザー光照射器と受光器とを用い、三角測量の原理に基づいて C Z炉内の融液液面のレベルの検出を行うメルトレべル検出方法であって、前記レーザー光照射器による投射位置を C Z炉内のるつぼの径方向に移動させることにより、融液液面から反射してくるレーザー光が前記受光器に受光されるような投射位置をスキャンし、当該位置にレーザー光の投射位置を設定することを特徴とする方法。

9 . 前記レーザー光照射器から発せられたレーザー光の融液液面からの正反射光よりも光強度の低い光を力ットする減光フィルタにより前記正反射光以外のゴーストを除外することを特徴とする請求の範囲第 8項記載の方法。

1 0 . 前記スキャンは、 C Z炉内に設置されている熱遮蔽体の底部に至るまで行われるものであり、当該熱遮蔽体の底部と前記融液液面の反射率の相違により熱遮蔽体部分の検出を行うことを特徴とする請求の範囲第 8項または第 9項記載の方法。

1 1 . 前記受光器に、観測面上の計測スポットの二次元的な位置を同時に検出する二次元光センサを備え、メルトレベルと熱遮蔽体上の計測スポットの二次元的な位置を検出することを特徴とする請求の範囲第 8項から第 1 0項いずれか記載の方法。

1 2 . 三角測量の原理に基づく C Z炉内の融液液面のレベル検出のための前記スキャンは、常時行われるか、または、時々に行われるかのいずれかである請求の範囲第 8項から第 1 1項いずれか記載の方法。

1 3 . 前記時々に行われるスキャンは、反射光の受光状態の良い位置を探索するために行うものであり、受光状態が良い間はスキャンを停止すると共に、受光状態が悪化したときにはスキャンを再開し、反射光の受光状態が良い位置に至るまで探索を継続することを特徴とする請求の範囲第 1 2項記載の方法。

1 4 . 液面レベル検出の対象となる液面に対してある所定の位置からレーザー光を発すると共に、前記検出の対象となる液面から反射してきたレーザー光を前記ある所定の位置とは別の所定の位置で受光し、三角測量の原理に基づいて前記検出の対象となる液面の液面レベル検出を行う方法において、

前記検出の対象となる液面に定常的に生じる起伏の斜面を利用して前記液面から反射してきたレーザー光の進行方向を調整する方法。

1 5 . レベル検出の対象となる面に対してある所定の位置からレーザ一光を発すると共に、前記検出の対象となる面から反射してきたレーザー光を前記ある所定の位置とは別の所定の位置で受光し、三角測量の原理に基づいて前記検出の対象となる面のレベル検出を行う方法であって、

該方法は、発光している面のレベルを検出する方法であり、レベル検出の対象となる面の光強度よりも強い光強度のレーザー光を使用すると共に、当該レーザー光と前記面の光強度の間のエネルギーレベルに位置する減光フィルタを介して前記レーザー光の受光をすることにより、当該レーザー光の受光を選択的に行うことを特徴とする方法。