WO2001083859A1

WO2001083859A1 - Procede et appareil de mesure du niveau de bain de fusion

Info

Publication number: WO2001083859A1
Application number: PCT/JP2001/003761
Authority: WO
Inventors: Masato Moriya; Tadayuki Hanamoto; Hiroshi Monden; Toshio Hayashida; Toshirou Kotooka
Original assignee: Komatsu Denshi Kinzoku Kabushiki Kaisha; Komatsu Ltd.
Priority date: 2000-05-01
Filing date: 2001-05-01
Publication date: 2001-11-08
Also published as: KR20030001467A; EP1279752A1; EP1279752A4; DE60139193D1; JP4733900B2; TW546423B; US6994748B2; EP1279752B1; KR100720660B1; US20030116729A1

Description

メルトレベル検出装置及び検出方法技術分野

本発明は、チヨクラルスキ一型単結晶弓〖上装置内の原料溶融液の液面高さ (メルトレベル)、熱遮蔽体などの所定の炉内部材の高さ（部材位置レベル)、並びに、メルトレベルと所定の炉内部材の底面の間の距離（特に、メルトレベルと熱遮蔽体の底面の間の距離）を検出する装置および方法に関する。

[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型単結晶弓 I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、あるいはヒ一夕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。

[熱遮蔽体の底面とメルトレベルの相対的位置の調整]

ところで、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、ヒ一夕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、熱遮蔽体）が設置されるが、この熱遮蔽体の底面とメルト面の相対的位置関係（即ち、これらの間の距離。以下、「メルト面-熱遮蔽体ギヤヅプ」という）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。これに関し、ボイド欠陥や転位クラスタ等の Grown- in欠陥を一切含まない無欠陥結晶（「完全結晶」ともいう）を安定して製造できるようにするためには、このメルト面-熱遮蔽体ギヤップの適確な調整を行うことが不可欠であり、そのためにメルト面-熱遮蔽体ギヤップを精度よく追跡することが必要となつてくる。

[メルトレベル検出装置]

メルトレベル検出装置の^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、メルト面の表面に生じた微小の波立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してからそれを受光するようにしている。

しかしながら、メルト面には、前述した微小の波立とは別に、当該メルト面の平坦を阻害する要因が存在し、それがメルトレベルの精密な検出の障害となる。それは、結晶の成長面近傍の表面張力によって当該結晶の近傍に生じるメニスカスや、るっぽの回転および引上結晶の回転によってメルト面の全体にわたって発生する放物面状の液面の傾き、或いは、熱遮蔽体がメルトレベルに近い場合に、不活性ガスの排出圧力によつて当該熱遮蔽体の下部付近のメルト面が窪んだ形状となる現象等であり、これらは、前述した熱遮蔽体を備える C Z法単結晶引上げ装置において、熱遮蔽体と単結晶の間の僅かな隙間から視くメルト面を狙ってメルトレベルを検出しょうとする場合には特に問題となる。

このような問題を解決するために本発明者らは、融液液面上に定常的に生ずる液面形状を逆に利用し、るつぼの径方向にスキャンを行い、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を探し出し、そこで三角測量の原理に基づいたメルトレベルの検出を行うメルトレベル検出装置及びメルトレベル検出方法を発明し、特許出願をした（特願平 1 1 - 0 7 1 1 4 9号)。そして、このような特願平 1 1 - 0 7 1 1 4 9号に係るメルトレベル検出装置及びメルトレベル検出方法によれば、レーザ光のスキャンをメルト面と熱遮蔽体の双方にまたがる範囲まで行い、メルト面の液面レベル（メルトレベル）と熱遮蔽体の高さ（位置レベル）を各々計測することができる。そして、それらの値を基に計算をすることによって、熱遮蔽体の底面とメルト面の間の距離（メルト面-熱遮蔽体ギャップ）を求めることができる。ところが、単結晶の周囲とそれを取り囲む熱遮蔽体の内周があまりにも近接していて、かかる部分において結晶近傍のメニスカスの影響が大きくなつてしまったり、或いはこれとは逆に、原料融液（シリコン融液）に対する磁場印加によってメルト面の凸凹が消失されてしまったような場合には、るつぽ径方向のスキヤンによっても、レーザ一反射光が受光器へと導かれる位置を探し出すことができず、メルトレベルゃメルト面-熱遮蔽体ギヤヅプの測定が困難になる場合があるという問題があつた。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、メルト面が如何なる状態となったとしても、今までよりも適確にメルトレベルやメルト面-熱遮蔽体ギヤップを測定することができる装置及び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、本発明においては、特願平 1 1 - 0 7 1 1 4 9号に開示されたメルトレベル検出装置について、融液液面からのレーザー反射光が熱遮蔽体の底面に投射されるようにすると共に、当該底面から融液液面を経て反射してきた反射光を拾うようにすることによって、より適確なメルトレベル検出装置とし、同時に、メルト面-熱遮蔽体ギャップ検出装置に切り換えることもできるようにしたことを特徴とする。

このような本発明においては、 C Z法単結晶弓【上げ装置には、 C Z炉の所定の位置にレ一ザ一光照射器と受光器とが備えられ、レーザ一光照射器から発せられたレーザ一光を融液液面若しくは所定の炉内部材（例えば、熱遮蔽体）に投射し、当該融液液面若しくは当該所定の炉内部材から直接的に反射してきたレーザ一光（一次反射光）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炉内の融液液面の液面レベル（メルトレベル）の検出、及び、前記所定の炉内部材（例えば、熱遮蔽体）の高さ（部材位置レベル）の検出が行われることは、特願平 1 1 - 0 7 1 1 4 9号に開示されたメルトレベル検出装置と同様である。

しかしながら、本発明に係るレベル検出装置においては、これに加えて、融液液面から反射してきたレーザ一光を所定の炉内部材（例えば、熱遮蔽体）の底面に投射させて「融液液面所定の炉内部材（例えば、熱遮蔽体）の底面→融液液面」の順を経て最終的に融液液面から反射されてきたレザ一光

(二次反射光）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 炉内の融液液面の液面レベル（メルトレベル）の検出、前記所定の炉内部材 (例えば、熱遮蔽体）の底面の高さ（底面位置レベル）の検出、並びに、これらの検出値から算出されるメルト面と底面位置レベルの間の距離（所定の炉内部材が熱遮蔽体の場合には、メルト面-熱遮蔽体ギヤヅプ）の検出を行うことができる。

なお、メルトレベルと底面位置レベルの間の距離（所定の炉内部材が熱遮蔽体の場合には、メルト面-熱遮蔽体ギヤヅプ）の検出は、液面レベル（メルトレベル）の検出値もしくは所定の炉内部材' (例えば、熱遮蔽体）の底面の高さ（底面位置レベル）の検出値が得られたときに、予め設定された所定の炉内部材（例えば、熱遮蔽体）の底面の位置を考慮して求めるようにしてもよい。

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び検出方法を提供する。

( 1 ) C Z炉の所定の位置にレーザ一光照射器と受光器とを備え、更にこのレーザ一光照射器から発せられたレーザ一光を融液液面若しくは所定の, 炉内部材に投射し、当該融液液面若しくは当該所定の炉内部材から直接的に反射してきたレーザー光（一次反射光）を前記受光器にて受光する機構と、当該融液液面から反射してきたレ一ザ一光を当該所定の炉内部材の底面に投射させて「当該融液液面→当該所定の炉内部材の底面→融液液面」の順を絰て最終的に融液液面から反射されてきたレーザー光（二次反射光）を前記受光器にて受光する機構とを備え、三角測量の原理に基づいて C Z炉内の融液液面の液面レベルの検出、及び、前記所定の炉内部材の高さの検出、並びに、融液液面と前記所定の炉内部材の底面の間の距離の検出を行い得るレベル検

「融液液面と前記所定の炉内部材の底面の間の距離の検出」は、 c z炉構成の際に予め設定された所定の炉内部材の底面の位置を考慮して算出してもよい。そしてその際には、前記所定の炉内部材の高さ位置は勿論のこと、形状、大きさ、位置関係などが総合的に考慮される。

「所定の炉内部材」は、代表的には熱遮蔽体であるが、 CZ炉内に設置されるクーラ一ゃヒ一夕一など、融液液面から反射してきたレーザー光を散乱できるものであれば如何なる物であってもよい。

( 2 ) 前記レ一ザ一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一光が前記受光器に受光される投射位置をスキヤンし、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液面レベル検出を行うことを特徴とする（1)記載のレベル検出装置。

(3) 前記レ一ザ一光照射器から発せられたレ一ザ一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、前記融液液面若しくは前記所定の炉内部材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（1)記載のレベル検出装置。

(4) 前記レーザ一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（ 3 )記載のレベル検出装置。

( 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（3) または（4) いずれか記載のレベル検出装

(6) 前記所定の炉内部材は、 CZ炉内に設置されている熱遮蔽体であることを特徴とする（1) から（5) いずれか記載のレベル検出装置。

(7) 前記受光器は、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（1) から（6) いずれか記載のレベル検出

(8) CZ炉の所定の位置にレーザ一光照射器と受光器とを備え、更に、このレーザ一光照 ί器から発せられたレーザー光を融液液面若しくは所定の炉内部材に投射し、当該融液液面若しくは当該所定の炉内部材から直接的に反射してきたレーザー光（一次反射光）を前記受光器にて受光する機構と、当該融液液面から反射してきたレーザ一光を当該所定の炉内部材の底面に投射させて「当該融液液面→当該所定の炉内部材の底面融液液面」の順を絰て最終的に融液液面から反射されてきたレーザ一光（二次反射光）を前記受光器にて受光する機構と、を備えた C Z法単結晶引上げ装置。

本発明は、以下のような方法としてとらえることもできる。

( 9 ) レーザ一光を融液液面に投射するレーザ一光照射器と、当該融液液面から反射してきたレ一ザ一光を受光する受光器と、を C Z炉の所定の位置に備え、三角測量の原理に基づいて C Z炉内の融液液面の液面レベルの検出を行うメルトレベル検出装置が取り付けられた C Z法単結晶引上げ装置において、前記融液液面から反射してきたレーザ一光を熱遮蔽体の底面に反射させ、当該レーザー光を所定の経路を経させて前記受光器に導くことにより、前言 3受光器におけるレ一ザ一光の受光確率を向上させる方法。

( 1 0 ) C Z炉の所定の位置にレ一ザ一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一ザ一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一ザ一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について、融液液面からのレーザー反射光が熱遮蔽体の底面に投射されるようにすると共に、当該底面から融液液面を経て反射してきた反射光を拾うようにすることによって、より適確なメルトレベル検出装置とし、或いは、メルト面-熱遮蔽体ギヤップ検出装置に切り換える方法。

なお、以上のような装置及び方法を実施するにあたっては、以下のような反射体を使用すると好適である。

( 1 1 ) レーザ一光を反射すると共に熱線を透過する鏡板体と、この鏡体の裏側に配置された熱線吸収板体と、が、互いにスライド可能な状態で一対化されたものを含む、レベル検出装置用反射体。

( 1 2 ) レーザー光を反射すると共に熱線を透過する第一の鏡板体と、この第一の鏡板体の裏側に配置され、可視光の一部を透過する第二の鏡板体と、が、互いにスライド可能な状態で一対化されたものを含む、レベル検出装置用反射体。

「互いにスライド可能な状態で一対ィ匕された」というのは、例えば 2枚の板体の間にボールを嚙まして一対にすることによつて構成することができる。

[発明の原理および効果]

図 1及び図 3に示されるように、本発明においては、三角測量を原理とする距離計測ュニット 8のレ一ザ一光 2を、一度メルト面 3で鏡面反射させ、熱遮蔽体 1 6の下端部の裏面に計測スポヅト 3 1が当たるようにし、計測スポットの像を再びメルト面 3で鏡面反射させ、前記距離計測ュニット 8によつて受光する。メルト面 3は、磁場が印加された状態では殆ど平らな状態になり、かつシリコン融液の対流が抑制され、液面の微振動が殆どなくなるため、メルト面 3は表面の平坦な鏡として利用することができる。

図, 3に示すように、計測スポット 3 1は、メルト面 3を対称面とした熱遮蔽体 1 6の虚像 1 6 ' 上の点 3 に結像した場合と等価な計測を行っていると解釈できるので、距離計測ユニット 8は、熱遮蔽体 1 6下の端部の裏面までの距離に加え、メルト面 3までの距離 2 1及びメルト面 3から熱遮蔽体 1 6の下端部の裏面までの距離 2 を計測することになる。

ここで、距離 2 1と 2 1 'は、それぞれ等しくメルト面-熱遮蔽体ギヤヅプ (メルト面と熱遮蔽体 1 6の底面位置レベルの間の距離）を意味するので、熱遮蔽体 1 6の下端部の裏面からさらにメルト面-熱遮蔽体ギヤヅプの 2倍の距離を計測することになる。同距離計測ュニヅト 8で熱遮蔽体 1 6の下端部の上面 2 5までの距離を計測し、これに熱遮蔽体 1 6下端部厚み 2 6を加えれば、熱遮蔽体 1 6の下端部裏面（底面）までの距離 (D s ) が求まるので、メルト面 3で鏡面折り返しをして計測した計測値（熱遮蔽体 1 6下端部裏面からさらにメルト面-熱遮蔽体ギヤヅプの 2倍の距離： D w)から熱遮蔽体 1 6の下端部裏面（底面）の距離を引いた値を 2で割ればメルト面-熱遮蔽体ギャップが求まる（下記（1 ) 式)。

メルト面-熱遮蔽体ギャップ = (Dw- D s ) /2 · ' ' ( 1 ) 式なお、熱遮蔽体 1 6の下端部裏面（底面）までの距離は既知とし、これを利用するようにしてもよい。ここで例えば、図 4に示されるように、熱遮蔽体 1 6下端部に縁がない場合、熱遮蔽体 1 6下端部上面 2 5までの距離を計測することによって D sを求める方法では誤差が大きくなる場合があるので、予め決められた D sの値を用いて（ 1 )式によりメルト面-熱遮蔽体ギヤヅプを計算するようにしてもよい。これらの計測方法では、熱遮蔽体 1 6下端裏面の計測スポヅト 3 1は散乱光となって反射するため、ゲートバルブ 2 2などの引上げ装置チャンバ一 1 Ίの部分構造物で全ての反射光が蹴られてしまうというようなことがなく、常に安定した計測が行えるようになる。

図 5及び図 6に示されるように、本発明においては、距離計測ュニヅト 8 やスキャンミラ一 2 4を回動させたり平行移動させたりすることにより、計測スポットをスキャンする。そして、距離計測ュニヅ卜 8やスキャンミラー 2 4の回動 ·平行移動による計測スポヅトのスキャンの際に、得られた計測値とスキャン位置とから熱遮蔽体 1 6の下端の縁を同定し、その位置を基準としてこの基準位置から予め決められた移動量だけ計測位置を移動し、熱遮蔽体 1 6の下端部の上面あるいはメルト面 3で鏡面折り返しをして、熱遮蔽体 1 6の下端部の裏面（熱遮蔽体 1 6の底面）の適正な場所に計測スポヅト 3 1を照射し、各々の計測を行うようにしてもよい。これにより、熱遮蔽体 1 6の解体 ·再設置に伴う水平位置のずれを補正し、適切な場所に計測スポヅト 3 1を照射することができ、ひいては安定したメルト面-熱遮蔽体ギヤヅプの計測をすることが可能となる。図面の簡単な説明

図 1は本発明の第一の実施形態の構成を示すプロヅク図である。

図 2は本発明の第二の実施形態の構成を示すプロヅク図である。

図 3は本発明の第一の実施形態を説明するための概念図である。

図 4は本発明の第二の実施形態を説明するための概念図である。

図 5は熱遮蔽体の下端部の裏面あるいは熱遮蔽体上面の適正な場所に計測スポットを照射するための処理アルゴリズムを示した図である。

図 6はスキャンミラ一を回転させて実施する場合を示した図である。

図 7はスキャンミラ一を平行移動させて実施する場合を示した図である。図 8は計測ュニヅト 8の構成と、三角測量を原理とした計測方法を説明するためのブロック図である。

図 9はライン C C D上に結像する像はの光強度分布を示した図である。図 1 0は本発明を実施するにあたって好適な反射体の具体的構成を示す図である。

図 1 1は図 1 1の反射体とは別の実施形態に係る反射体の具体的構成を示す図である。なお、図 1 1 (A) および図 1 1 ( C) は、図 1 1 (B) の A— A断面図として表した図である。発明を実施するための最良の形態

図 1および図 3は、本発明の第 1の実施形態を示すプロヅク図である。この第 1の実施の形態に係る C Z法単結晶引上げ装置においては、三角測量を原理とした距離計測ュニヅト 8を採用しており、この距離計測ュニヅト 8には、レーザー光を融液液面 3 (メルト面 3 )に投射するレーザ一光照射器と、融液液面 3 (メルト面 3 )から反射してきたレーザー光を受光する受光器と、が備えられている。

そして、距離計測ュニヅト 8から出力されたレーザ一光 2はスキャンミラ —2 4で反射させられ、入射窓 1 8を透過して、引上げ装置のチャンバ一 1 7内に設置された石英製プリズム 2 0を経由し、メルト面 3に投射される。メルト面 3に投射されたレ一ザ一光 2は、ここで一旦鏡面反射をし、熱遮蔽体 1 6の下端部裏面（底面）に計測スポット 3 1が当たる。そして、熱遮蔽体 1 6の底面に計測スポット 3 1として照射されたレーザ一光 2は、ここで散乱し、その反射散乱光の一部がメルト面 3で鏡面反射し（二次反射光)、プリズム 2 0、入射窓 1 8、スキャンミラー 2 4を経由して、距離計測ュニヅト 8に入射する。三角測量を原理とした距離計測ユニット 8は、その中に内蔵されているレーザー光照射器と受光器の間の距離、レーザ一光の照射角及び受光角より、そのときの距離 (Dw) を算出する。

次に、スキャンミラ一 2 4を回転または移動させることにより、計測スポット 3 1を熱遮蔽体 1 6の下端部の上面 2 5に移動させ、そこからの反射光 (一次反射光）を、プリズム 2 0、入射窓 1 8、スキャンミラ一 2 4を経由して、距離計測ュニット 8に受光させる（図中、破線で示した経路)。そして、 Dwを算出したときと同様の手法によって、熱遮蔽体 1 6の下端部の上面までの距離を算出し、熱遮蔽体 1 6の下端部の厚み 2 6を加えることによって、熱遮蔽体 1 6の下端部の裏面（底面）までの距離 (D s ) を求める。

そして、次の（1 ) 式により、メルト面と熱遮蔽体 1 6の底面位置レベルの間の距離（メルト面-熱遮蔽体ギヤヅプ） 2 1を計算する。

メルト面-熱遮蔽体ギャップ = (Dw— D s ) /2 ■ · · ( 1 ) 式このような本発明によれば、熱遮蔽体 1 6の底面に計測スポヅト 3 1を形成するようにしているが、熱遮蔽体 1 6の底面ではレ一ザ一光 2が散乱する。そして、本発明においては、このレーザ一散乱光のいずれかが拾えればよいため、揺らぎに強いという利点がある。

なお、弓 I上げ作業者は、弓げ工程に応じて引上げ装置チャンバ一 1 7内の様子を入射窓 1 8を通して観察する必要がある。この要求に応えるためには、スキャンミラ一 2 4を計測ュニヅト 8の使用するレーザ一の波長に合わせたダイクロイツクミラーにすればよく、このようにすることにより、スキヤンミラ一 2 4越しに入射窓 1 8の中の様子を観察することができるようになる。また、メルト面からの強烈な輻射光によりスキャンミラー 2 4が加熱されて熱変形し、計測精度の劣化が生じるということが無いように、スキヤンミラ一 2 4は、熱彭張率の小さな材料、たとえば石英やゼロデュア一などの基板で構成するのが望ましい。

図 2および図 4は、本発明の第 2の実施形態を示すプロヅク図である。この第 2の実施形態は、熱遮蔽体 1 6の下端部に縁がない場合の実施形態を示したものであり（図 4 )、図 2に示されるように、本発明の第 2の実施形態に係る C Z法単結晶引上げ装置によれば、距離計測ュニット 8から出力するレ —ザ一光 2は、入射窓 1 8を透過し、弓 ί上げ装置チャンバ一1 7内に設置したシリコン製ミラ一 2 0で反射され、メルト面 3に投射される。そして、ここで一旦鏡面反射された後、熱遮蔽体 1 6の下端部裏面（底面）に計測スポヅト 3 1として投射される。計測スポヅトの反射光（散乱光）は、メノレト面 3で鏡面反射され、ミラー 2 0、入射窓 1 8を経由して距離計測ュニヅト 8 により受光され、そのときの距離 (D w) が計測される。

このような第 2の実施形態によれば、距離計測ュニヅト 8自体を回転または移動させることにより、計測スポヅト 3 1を適切な計測場所に移動させることができるようにしている。先に述べたように、この第 2の実施形態は、熱遮蔽体 1 6の下端部に縁がない場合の実施形態であり、熱遮蔽体 1 6の下端部の上面までの距離を計測して、熱遮蔽体 1 6下端部裏面までの距離 (D s )を求めるのではなく、予め計測あるいは、計算された D s値を用い、（1 ) 式によりメルト面-熱遮蔽体ギャップ 2 1を計算する。

図 5は、熱遮蔽体 1 6下端部の縁を探索し基準位置とし、この基準位置から予め決められた移動量だけ計測位置を移動し、熱遮蔽体 1 6の下端部の上面あるいはメルト面 3で鏡面折り返しをして熱遮蔽体 1 6の下端部の裏面の適正な場所に計測スポヅト 3 1を照射するための処理アルゴリズムを示したものであり、図 6はスキャンミラ一 2 4を回転させてこれを実施する場合、図 7はスキャンミラ一 2 4を平行移動させてこれを実施する場合を示してい。

なお、図 6及び図 7に示される態様においてはスキャンミラー 2 4を回転或いは平行移動させるようにしているが、スキャンミラー 2 4の代わりに計測ユニット 8自体を回転または移動させるようにしてもよく、また、スキヤンミラー 2 4及び計測ュニット 8のいずれにしても、回転と移動をそれそれ単独に行うのではなく、回転と移動とを組み合わせて探索を行うようにしてもよい。

図 5に従えば、まず、本装置においては、レ一ザ一の位置を所定の走査開始位置へ移動させて、走査が開始される（S 1 0 1 , S 1 0 2 )。そして、予め設定された最大幅で走査を行い（S 1 0 3 )、チャンバ一 1 7内からの応答が何も無かった場合には「エラーメヅセージ」が表示されるが（S 1 5 0 )、応答があった場合には、距離計測が行われ（S 1 0 4 )、当該計測された距離が、熱遮蔽体 1 6について予め設定された距離内であるか否かの確認が行われる（S 1 0 5 )。ここで、 S 1 0 4で計測された距離が、熱遮蔽体 1 6について予め設定された距離内にない場合には、 S 1 0 3に戻って、再度最大幅での走査が行われ、当該予め設定された距離内に入るまで熱遮蔽体端の探索が繰り返されるが、その一方で、 S 1 0 4で計測された距離が、熱遮蔽体 1 6について予め設定された距離内にあつた場合には、熱遮蔽体端が探索されたものとみなされ、熱遮蔽を確認するステージに入る。より具体的には、 S 1 0 4で計測された距離が、熱遮蔽体 1 6について予め設定された距離内にあった場合には、レーザ一走査が一旦停止され（S 1 0 6 )、そこで n回の距離計測が行われる（S 1 0 7 )。そして、 n回の計測結果のうち m回が予め設定された距離内にあった場合で、かつ、計測値の最大と最小の差が許容計測誤差範囲内にある場合には（S 1 0 8 )、この位置が熱遮蔽体 1 6の端の部分であると認識される（S 1 0 9 )。

この一方で、「n回の計測結果のうち m回が予め設定された距離内にある」という条件と、「計測値の最大と最小の差が許容計測誤差範囲内にある」という条件のいずれかを一つでも満たしていないような場合には（S 1 0 9 )、レ —ザ一の投射位置を最小ステップだけ移動（微動カウント +1) させて（S 1 3 0 )、その場所で n回の距離計測が行われ（S 1 0 7 )、上記 S 1 0 9で設定されている二つの条件を両方とも満足するまで最小ステヅプ移動（微動力ゥント +1) させての n回距離計測 ( S 1 3 0 S 1 3 1→S 1 0 7 S 1 0 8→ 1 3 0 ) が行われる。

しかしながら、この最小ステップ移動 (微動カウント +1) させての n回 g巨離計測（S 1 3 0→S 1 3 1→S 1 0 7 S 1 0 8→S 1 3 0 ) が i回行われても、上記 S 1 0 9で設定されている二つの条件を両方とも満足しなかつたような場合には、再び S 1 0 3に戻って、再度最大幅での走査が行われることとなる。なお、このような熱遮蔽体耑を確認するステージにおいて、判断の基準として用いられるパラメ一夕]!、 m、 iは、それそれ、ユーザーが実施の態様や求める精度その他の条件を総合的に考慮して予め設定しておくものである。

熱遮蔽仿端の確認が行われた後は、レーザー位置のパラメ一夕の書き換えが行われることとなる。より具体的に順を追って説明すると、まず、熱遮蔽体の端の認識 ( S 1 0 9 ) が行われた後、レーザーの位置をあらかじめ決められた設定量だけ移動して、メルト面に反射したレーザ一が熱遮蔽体の裏面の計測スポット 3 1に当たるようにし、その部分の距離計測と画面表示を行い（S 1 1 1 )、レ一ザ一位置のパラメ一夕の書き換えが必要な場合にはそれを実行する（S 1 1 2 , S 1 1 3 )o

同様に熱遮蔽体を計測する場合の設定をするには、熱遮蔽体の端の認識（ S 1 0 9 ) が行われた後、レーザ一の位置をあらかじめ決められた設定量だけ移動して、熱遮蔽体 1 6下端部の上面の適切な位置、たとえば中央付近に計測スポヅト 3 1が位置するようにして、それらの部分の距離計測と画面表示を行い（S 1 1 1 )、レーザー位置のパラメ一夕の書き換えが必要な場合にはそれを実行する（ S 1 1 2 , S 1 1 3 )。

このアルゴリズムは、後述する図 8の計測器コントローラ 2 9によって制御 '処理される。探索は、熱遮蔽体 1 6の解体'再設置後、あるいは新規設置の際に 1回実施するようにしてもよいし、引上げプロセス中に定期的に実施するようにしてもよい。また、探索により同定された熱遮蔽体 1 6の下端部の縁の水平位置が通常の範囲を超えるような場合には、オペレータに注意を促すようにしてもよい。

図 8は、計測ユニット 8の構成と、三角測量を原理とした計測方法を説明するためのブロック図であり、レ一ザ一光源 1から出力されるレ一ザ光 2は、メルト面 3等の被計測面上に計測スポヅト 3 1を投射することとなり、メルト面 3からの反射光 4は、光学フィル夕 6および結像 5レンズを経て、ライン C C Dセンサ 7上の結像点 2 3に結像する。ここで、メルト面 3等の被計測面の距離が変化して 3，に移動すると、計測スポット 3 1は 3 1，に移動し、それに対応してライン C CDセンサ 7上の結像点 2 3も 2 3，に移動するので、ライン C C Dセンサ 7上の結像点の位置から被計測面の距離を求めることができる。

被計測面の距離の算出については、実際には、ライン C C Dセンサ 7上の結像点の位置から実測距離に変換する関数を用意し、これにライン C CD上の結像点となった画素の値を代入することによって行うのが好適である。なお、ライン C C D 7がレンズ 5の光軸に対して傾いて配置されているのは、被計測面の距離によって変ィ匕する計測スポヅト 3 1の像が被計測面の距離によらず、ライン C C D上にいつも焦点が合って結像するためである。また、ライン C CD上に結像する像は、図 9に示すようなガウス分布状の光強度を持ち、たとえばガウス関数をモデル関数とした正規化相関関数によるマッチングを行うことにより、その中心位置（画素）を精度よく求めることができる。そして、この処理によって求まった結像点の中心位置（画素）の値を、例えば 4次式によって表現される実測距離への変換関数に代入し、実際の計測距離を求めるようにする。

スキャンミラ一 2 4あるいは計測ュニヅト 8自体を回転または移動させて適切な場所に計測スポット 3 1を移し、そこで: Dw及び D sを計測し、（1 ) 式によってメルト面-熱遮蔽体ギヤップ 2 1を計算する。これら一連の処理は、計測器コントローラ 2 9によって制御 ·処理され、計測結果は上位の引上げ制御盤 3 0へと渡される。被計測面の反射率に対応して、ライン C C D 7で受光する光量を適正なものとするために、同計測器コントローラ 2 9は、レ —ザ一光の強度あるいはライン C C D 7の受光感度を制御するが、予め決められた時間内にライン C C Dに有効な強度の結像がなかつた場合には、ェラ一として処理し、有効な計測ができなつたことをォペレ一夕あるいは上位制御盤 3 0に知らせる。さらに、同計測器コントローラ 2 9は、スキャンミラ一 2 4あるいは計測ュニヅト 8自体の回転または移動によって生じる被計測物までの光路長（幾何学的な距離）の変化を計算し、距離計測値を補正するようにするのが望ましい。

図 1 0は、本発明を実施するにあたって好適な反射体 1 0 0の具体的構成を示す図である。この図 1 0 (A) 及び図 1 0 (B) に示されるように、反射体 1 0 0は、第一の鏡板体 1 0 1と第二の鏡板体 1 0 3とが対になり、それらの間にボール 1 0 2が挟み込まれたもので構成されている。そして、一対の鏡板体 1 0 1及び 1 0 3の周囲には、枠体 1 0 4が取り付けられているが、反射体 1 0 0はこのような構成を備えるために、僅かな長さではあるが、第一の鏡板体 1 0 1と第二の鏡板体 1 0 3は互いに横方向にスライドすることができる。

この^め、このような構成の反射体 1 0 0に融液液面からの光があたって熱膨張が生じたとしても、熱膨張が生じた分、第一の鏡板体 1 0 1と第二の鏡板体 1 0 3が自由に横方向に伸びるだけとなるため、温度上昇に伴う反りや歪みを心配する必要がない。

加えて、この実施の形態においては、第一の鏡板体 1 0 1はレーザー光のみを反射し、熱線と可視光は透過する。一方、第二の鏡板体 1 0 3は熱線を反射、あるいは吸収し、可視光の一部を透過する。従って、図 1 0 ( C) に示されるように、融液液面から発せられる光として「レ一ザ一光 +熱線 +可視光」の混合光線 1 1 0が入射されてきた場合には、第一の鏡板体 1 0 1によってレーザ一光 1 1 1のみが反射され、計測ュニヅト 8に当該レ一ザ一光 1 1 1だけが導かれる。第一の鏡板体 1 0 1を透過した「熱線 +可視光」の混合光線 1 1 2は、第二の鏡板体 1 0 3にあたると、そこで熱線が反射、あるいは吸収されて、一部の可視光が透過する。

従って、このような反射体 1 0 0を使用することにより、引上げ作業者は、メルトレベルやメルト面-熱遮蔽体ギヤヅプの変化を監視しつつ、反射体 1 0 0の裏側（第二の鏡板体 1 0 3側）から C Z炉内の観察を行うことができる。このような反射体 1 0 0は、例えば、上記の実施の形態におけるスキャンミラ一 2 4として使用することができる。また、このような反射体 1 0 0は、本発明のものに限られず、三角測量を原理とした計測方法を利用するレベル検出装置一般に使用することができ、このような反射体 1 0 0を使用することによって、既存の C Z法引上げ装置に対してレベル検出装置としての機能を極めて容易に付カロすることができる。

なお、図 1 1には、上記反射体 1 0 0が四角形である場合の態様を示している。図 1 1の反射体 1 0 0には、図 1 0の反射体 1 0 0と同一部材には同一符号を付しているが、この図 1 1から明らかなように、レーザ一光を反射すると共に熱線を透過する鏡板体（第一の鏡板体 1 0 1 ) と、この鏡体の裏側に配置された熱線吸収板体或いは熱線吸反射体（第二の鏡板体 1 0 3 )と、が、互いにスライド可能な状態で一対ィ匕されたものであれば、反射体 1 0 0 全体の形状、鏡体の形状は如何なるものであってもよい。

以上説明したように、本発明によれば、熱遮蔽体と単結晶の間が極めて狭いような場合や、磁場印加によってメルト面の凹凸が消失してしまっているような場合でも、メルト面に照射されたレーザ一光を適確に受光器へと導くことができ、今までよりも適確にメルトレベルやメルト面-熱遮蔽体ギヤヅプを測定することができるようになる。

Claims

1 . c z炉の所定の位置にレーザ一光照射器と受光器とを備え、更にこのレ一ザ一光照射器から発せられたレ一ザ一光を融液液面若しくは所定の炉内部材に投射し、当該融液液面若しくは当該所定の炉内部材から直接的に反射してきたレ一ザ一光（一次反射光）を前記受光器にて受光する機構と、当該融液液面から反射してきたレーザ一光を当該所定の炉内部材の底面に投射させて「当該融液液面→当該所定の炉内部材の底面→融液液面」の順を経て最終的に融液液面から反射されてきたレーザー光（二次反射光）を前記受光器にて受光する機構とを備え、 ≡角測量の原理に基づいて C Z炉内の融液液面の液面レベルの検出、及び、前記所定の炉内部材の高さの検出、並びに、融液液面と前記所定の炉内部材の底面の間の距離の検出を行い得るレベル検

2 . 前記レーザー光照射器による投射位置を C Z炉内のるっぽ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一光が前記受光器に受光される投射位置をスキヤンし、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液面レベル検出を行うことを特徴とする請求の範囲 1 記載のレベル検出装置。

3 . 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、前記融液液面若しくは前記所定の炉内部材から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請求の範囲 1記載のレベル検出装置。

4 . 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 3記載のレベル検出装

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 3または 4いずれか記載のレベル検出装置。

6 . 前記所定の炉内部材は、 C Z炉内に設置されている熱遮蔽体であることを特徴とする請求の範囲 1から 5いずれか記載のレベル検出装置。

7 . 前記受光器は、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 1から 6 、ずれか記載のレベル検出装

8 . C Z炉の所定の位置にレーザ一光照射器と受光器とを備え、更に、この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若しくは所定の炉内部材に投射し、当該融液液面若しくは当該所定の炉内部材から直接的に反射してきたレーザー光（一次反射光）を前記受光器にて受光する機構と、当該融液液面から反射してきたレーザ一を当該所定の炉内部材の底面に投射させて「当該融液液面当該所定の炉内部材の底面融液液面」の順を経て最終的に融液液面から反射されてきたレーザ一光（二次反射光）を前記受光器にて受光する機構と、を備えた C Z法単結晶引上げ装置。

9 . レーザー光を融液液面に投射するレーザ一光照射器と、当該融液液面から反射してきたレーザ一光を受光する受光器と、を C Z炉の所定の位置に備え、三角測量の原理に基づいて C Z炉内の融液液面の液面レベルの検出を行うメルトレベル検出装置が取り付けられた C Z法単結晶引上げ装置において、前記融液液面から反射してきたレーザ一光を熱遮蔽体の底面に反射させ、当該レーザ一光を所定の経路を経させて前記受光器に導くことにより、前記受光器におけるレ一ザ一光の受光確率を向上させる方法。

1 0 . C Z炉の所定の位置にレーザ一光照射器と受光器とを備え、該レ一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一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について、融液液面からのレーザー反射光が熱遮蔽体の底面に投射されるようにすると共に、当該底面から融液液面を経て反射してきた反射光を拾うようにすることによって、より適確なメルトレベル検出装置とし、或いは、メルト面 -熱遮蔽体ギヤップ検出装置に切り換える方法。

1 1 . レーザ一光を反射すると共に熱線を透過する鏡板体と、この鏡体の裏側に配置された熱線吸収板体と、が、互いにスライド可能な状態で一対化されたものを含む、レベル検出装置用反射体。

1 2 . レーザー光を反射すると共に熱線を透過する第一の鏡板体と、この第一の鏡板体の裏側に配置され、可視光の一部を透過する第二の鏡板体と、が、互いにスライド可能な状態で一対ィ匕されたものを含む、レベル検出装置用反射体。