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JPH0663824B2 - 湯面振動測定方法及び装置 - Google Patents

湯面振動測定方法及び装置

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Publication number
JPH0663824B2
JPH0663824B2 JP2113289A JP11328990A JPH0663824B2 JP H0663824 B2 JPH0663824 B2 JP H0663824B2 JP 2113289 A JP2113289 A JP 2113289A JP 11328990 A JP11328990 A JP 11328990A JP H0663824 B2 JPH0663824 B2 JP H0663824B2
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JP
Japan
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vibration
crystal
outer diameter
molten metal
single crystal
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JP2113289A
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正彦 馬場
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Shin Etsu Handotai Co Ltd
Original Assignee
Shin Etsu Handotai Co Ltd
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Publication date
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Priority to DE69111672T priority patent/DE69111672T2/de
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Publication of JPH0663824B2 publication Critical patent/JPH0663824B2/ja
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/20—Controlling or regulating
    • C30B15/22—Stabilisation or shape controlling of the molten zone near the pulled crystal; Controlling the section of the crystal
    • C30B15/26—Stabilisation or shape controlling of the molten zone near the pulled crystal; Controlling the section of the crystal using television detectors; using photo or X-ray detectors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/20—Controlling or regulating
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T117/00—Single-crystal, oriented-crystal, and epitaxy growth processes; non-coating apparatus therefor
    • Y10T117/10—Apparatus
    • Y10T117/1004—Apparatus with means for measuring, testing, or sensing

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  • Liquid Deposition Of Substances Of Which Semiconductor Devices Are Composed (AREA)
  • Image Analysis (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ＣＺ法による単結晶育成装置に用いられる湯
面振動測定方法及び装置に関する。
［従来の技術］ ＣＺ法による単結晶育成装置では、コーン部以降は自動
制御方法が確立されているが、融液に種結晶を浸漬して
からコーン部育成に移るまでのネック部分については、
熟練者による手動制御が行なわれている。これは、ネッ
ク部では転移を結晶表面から排出させるために、例えば
育成結晶の直径を２〜５mm程度に絞り、２mm/min以上の
比較的高速度で結晶を引き上げ、しかも、直径制御偏差
の絶対値を０．５mm程度以下にし、絞り部分をその直径
の１０倍以上の長さ育成しなければならないなど、高速
の制御を必要とするためである。この絞り工程及び次に
結晶直径を再び増大させる工程にわたって、結晶の形状
を所望の形状にしかつ結晶を無転移化することは、熟練
者でさえもその試みの約１０％は失敗に終わる程度に難
しい。結晶直径を絞りすぎると、湯面と育成結晶下端と
の間が切れて育成続行不可能となったり、強度が弱くて
その後育成される直胴部を支持できなくなったりする。
また、結晶直径が太すぎると、転移が充分に排出され
ず、コーン部の育成に移ることができない。
一方、第１図に示す如く、チャンバ３４の中心部には、
断面円形のガス流案内筒３５が軸１０と同心に配置さ
れ、アルゴンガスが、このガス流案内筒３５内を上方か
ら下方へ流される。アルゴンガスは、融液２２からの輻
射熱で熱せられるため、流れに揺らぎ生じ易い。このア
ルゴンガスは、ガス流案内筒３５の下端と湯面２２Ｓと
の間を通って外向きに流れるが、一部は湯面２２Ｓに衝
突する。このため、湯面２２Ｓが振動する。
特に上記ネック部育成においては、結晶直径が小さいの
で、この湯面振動が大きくなると、湯面２２Ｓと育成結
晶３２の下端との間が切れて育成続行不可能となる。
［発明が解決しようとする課題］ 本発明の目的は、このような問題点に鑑み、ＣＺ法によ
る単結晶ネック部育成に用いて好適な湯面振動測定方法
及び装置を提供することにある。
［課題解決手段及びその作用効果］ この目的を達成するために、本発明に係る湯面振動測定
方法では、ＣＺ法により育成される単結晶育成部をカメ
ラで撮影し、該カメラから出力される映像信号に基づい
て、輝度が基準値以上となる輝環像の外側直径ＤＯを検
出し、該外側直径の振動量を該単結晶育成部付近の湯面
振動量として検出する。
結晶引き上げを停止させていても、第１図に示す様にア
ルゴンガスを流すと、輝環像の外側直径ＤＯは、例えば
第６Ａ〜６Ｄ図に示す如く振動する。したがって、外側
直径ＤＯの振動量を単結晶育成部付近の湯面振動量とし
て検出することができる。
特に上記ネック部育成においては、結晶直径が小さいの
で、この湯面振動が大きくなると、湯面と育成結晶の下
端との間が切れて育成続行不可能となるが、上記の如く
して湯面振動量を検出し、これをネック部育成に利用す
れば、ネック部育成の成功率が高められる。
また、結晶育成部付近の湯面振動量を測定できるので、
結晶育成制御への利用にとっては好都合である。
上記方法を実施するために、本発明に係る湯面振動測定
装置では、ＣＺ法により育成される単結晶育成部を撮影
し、輝度信号を含む映像信号を出力するカメラと、１走
査線分以上の該輝度信号の最大値を検出する手段と、該
最大値に応じた基準値を求める手段と、該基準値により
該輝度信号を２値化する手段と、該２値化による２値画
像に基づいて、輝環像の外側直径を検出する手段と、該
外側直径の振動量を該単結晶育成部付近の湯面振動量と
して検出する手段とを備えている。
この湯面振動測定装置は、その構成上、結晶直径測定装
置と一体構成できるので、経済的である。
［実施例］ 以上、図面に基づいて本発明の一実施例を説明する。
［１］直径・湯面振動測定装置 第１図は、本発明が適用された結晶直径・湯面振動測定
装置の要部を示す。
軸１０の上端に固着されたテーブル１２上には、黒鉛坩
堝１４が載置され、黒鉛坩堝１４内に石英坩堝１６が嵌
合されている。この黒鉛坩堝１４はヒータ１８に囲繞さ
れ、ヒータ１８は黒鉛断熱材２０に囲繞されている。石
英坩堝１６内に多結晶シリコンの塊を入れ、ヒータ１８
に電力を供給すると、この多結晶シリコンは融液２２に
なる。
一方、融液２２の上方に配置された不図示のモータによ
り昇降されるワイヤ２６の下端には、種ホルダ２８を介
して種結晶３０が取り付けられている。この種結晶３０
の下端を融液２２の湯面２２Ｓに接触させて引き上げる
と、種結晶３０の先端にシリコン単結晶３２が育成され
る。シリコン単結晶３２の育成は、真空吸引されかつア
ルゴンガスが流されるチャンバ３４内で行われる。この
チャンバ３４の中心部には、断面円形のガス案内筒３５
が軸１０と同心に配置されており、アルゴンガスは、こ
のガス案内筒３５内を上方から下方へ流れ、ガス案内筒
３５の下端と２２Ｓとの間を通って上昇し、チャンバ３
４の下方へ流れ、チャンバ３４外へ吸引排出される。ガ
ス案内筒３５には、覗き窓３５ａが設けられている。
シリコン単結晶３２の下端実直径ＤＲを測定するため
に、チャンバ３４の肩部に設けられた窓３６の上方に
は、光軸を湯面２２Ｓの中心に向けてＣＣＤカメラ３８
が配置されている。シリコン単結晶３２の絞り部分の直
径は小さいので、測定精度を高めるために、１本の走査
線幅が例えば実物の０．０５mmに対応するように、ＣＣ
Ｄカメラ３８の拡大倍率を大きくしている。
ＣＣＤカメラ３８から出力される複合映像信号は、同時
分離回路４０へ供給されて同期信号と映像信号とに分離
され、映像信号はピークホールド回路４２へ供給され
る。ピークホールド回路４２は、リセット後現在までに
供給された映像信号ＶＳの最大電圧ＶＭを保持する。こ
の最大電圧ＶＭは、Ａ／Ｄ変換器４４へ供給されてデジ
タル化される。
一方、同期分離回路４０からの映像信号ＶＳは２値化回
路４６にも供給され、映像信号ＶＳは基準電圧Ｅと比較
されて２値化され、Ｓ／Ｐ変換器４８へ供給される。同
期分離回路４０で分離された水平同期信号ＨＳＹＮＣ
は、ピクセルクロック生成回路５０へ供給され、ピクセ
ルクロック生成回路５０は、この水平同期信号ＨＳＹＮ
Ｃに同期して、映像信号を画素に区分するピクセルクロ
ックを生成し、Ｓ／Ｐ変換器４８の制御端子に供給す
る。Ｓ／Ｐ変換器４８は、このピクセルクロック毎に、
２値化回路４６から１ビットの画素データを読み込み、
内部のシフトレジスタ（不図示）に供給して並列化し、
１ワード分のデータが溜る毎に、マイクロコンピュータ
５２のＩ／Ｏポート５４へ供給する。
マイクロコンピュータ５２は、Ｉ／Ｏポート５４、ＣＰ
Ｕ５６、ＤＭＡコントローラ５８、画像メモリ６０、ワ
ークメモリ６２及びプログラムメモリ６４を備えて周知
の如く構成されている。Ｉ／Ｏポート５４には、同期分
離回路４０から垂直同期信号ＶＳＹＮＣが割込み信号と
して供給され、Ａ／Ｄ変換器４４から最大電圧ＶＭが供
給されるまた、Ｉ／Ｏポート５４からＤ／Ａ変換器６６
を介して２値化回路４６へ、２値化判定のための基準電
圧Ｅが供給される。
［２］マイクロコンピュータ５２のソフトウエア構成 次に、第２図に示すマイクロコンピュータ５２のソフト
ウエア構成を、第３図乃至第５図を参照して説明する。
第２図の処理は、同期分離回路４０からＩ／Ｏポート５
４へ垂直同期信号ＶＳＹＮＣが供給されてＣＰＵ５６に
割り込みが掛かる毎に開始される。
（８０）割込みをマスクし、Ａ／Ｄ変換器４４から最大
電圧ＶＭを読み込む。この最大電圧ＶＭは、割り込みが
掛かる１つ前の垂直同期信号ＶＳＹＮＣから次に割り込
みが掛かる垂直同期信号ＶＳＹＮＣ迄の１フィールドに
おける、各水平走査線のピーク値のうち最大のものであ
り、最大輝度に対応している。
（８１）最大電圧ＶＭに、ある一定値Ｋを乗じたものを
基準電圧ＥとしてＤ／Ａ変換器６６へ供給する。好まし
いＫの値は、後述する。
（８２）次の１フィールド分の映像信号ＶＳは２値化回
路４６でこの基準電圧Ｅと比較されて２値化され、Ｓ／
Ｐ変換器４８へ供給されて並列データに変換され、ＤＭ
Ａコントローラ５８により画像メモリ６０へ格納され
る。
第４図は、この画像メモリ６０に格納された２値画像６
８を第３図と対応させて示す。２値画像６８は、シリコ
ン単結晶３２と湯面２２Ｓの境界に形成された輝環２３
に対応する輝環像７０を含んでいる。
（８３）次に、画像メモリ６０内の２値画像６８を水平
方向に走査し、輝環像７０が検出されると、その１ライ
ンについて、０と１の４つの変化点の左端からの画素数
Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３、Ｎ４（Ｎ１＜Ｎ２＜Ｎ３＜Ｎ４）を
求める。そして、ＸＯ＝Ｎ４−Ｎ１、Ｘ１＝Ｎ３−Ｎ２
を算出し、ＤＯ＝ＸＯ、ＤＩ＝ＸＩとしてこれらを一時
記憶しておく。
次のラインについても同様にしてＸＯ、ＸＩを求め、Ｘ
Ｏ＞ＤＯであればＤＯ＝ＸＯとしてＤＯを更新し、ＸＩ
＞ＤＩであればＤＩ＝ＸＩとしてＤＩを更新する。
このような処理を輝環像７０が検出されなくなるまで行
えば、ＤＯは輝環像７０の外側直径に等しくなり、ＤＩ
は輝環像７０の内側直径に等しくなる。第５図は２値画
像６８のライン７２に対応した映像信号Ｖと基準電圧Ｅ
との関係を示す。
（８４）次に、垂直同期信号ＶＳＹＮＣが検出されるの
を待つ。
（８５）垂直同期信号ＶＳＹＮＣが検出されると、ピー
クホールド回路４２をリセットし（コンデンサに保持さ
れた電荷を放電させる）、割り込みマスクを解除する。
以上のようにして、輝環像７０の外側直径ＤＯ及び内側
直径ＤＩが測定される。
この内側直径ＤＩは実直径ＤＲにほぼ比例する。また、
湯面振動量は、第２図の処理とは別の処理又はハードウ
エア構成により、外側直径ＤＯから後述の如くして求め
る。
［３］外側直径ＤＯと湯面振動との関係 次に、外側直径ＤＯと湯面振動との関係について説明す
る。
通常の操業と同様に、アルゴンガスをガス案内筒３５内
で流下させている状態で、直径１０mmの種結晶の下端を
融液２２に漬け、ワイヤ２６を引き上げながら結晶を育
成し、直径４〜５mmに絞った。この直径で、外側直径Ｄ
Ｏと湯面振動との関係を調べるために、ワイヤ２６の引
き上げ速度を０にし、第２図の上記ステップ８１での係
数Ｋを、０．７５、０．７０、０．６５、０．６０と一
定時間間隔で変化させて、外側直径ＤＯを測定したとこ
ろ、第６Ａ〜６Ｄ図に示す結果が得られた。
これらのグラフから、Ｋの値には湯面振動を最も感度よ
く検出する最適値があり、これは０．６５付近の値であ
ることが解る。但し、この最適値はＣＣＤカメラ３８の
レンズの絞りにも依存する。すなわち、Ｋを一定にし、
より絞っていくと、輝環像７０が細くなってその一部が
切れ、Ｃ字形になり、湯面振動が検出できなくなる。
湯面振動量ＳＶ、すなわち外側直径ＤＯの振動量は、、
下記の如く、外側直径ＤＯの振動成分を抽出しまたはさ
らにこの成分を処理することにより検出される。
ＤＯの値と、ＤＯをデジタル又はアナログのフィルタ
に通した値との差（振動成分）を湯面振動量ＳＶとす
る。
ＤＯの値と、ＤＯの過去例えば１秒間の平均値との差
（振動成分）を湯面振動量ＳＶとする。
上記又はの差の、ピーク値又は振幅を湯面振動量
ＳＶとする。
上記又はの差の絶対値を、例えば過去１秒間積分
した値を湯面振動量ＳＶとする。
［４］湯面振動量のネック部育成制御への応用次に、上
記の如くして検出された湯面振動量ＳＶのネック部育成
制御への応用について説明する。結晶直径５mm以下の絞
り部分では、湯面振動が大きくなると、結晶３２の下端
と湯面２２Ｓとの間が切れ、結晶が乱れて結晶育成を続
行できなきなる。この切断は、結晶が細くなろうとして
いるときに特に生じ易い。このような場合、ワイヤ２６
の引上速度を０にすると、切断し難くなる。しかし、頻
繁にワイヤ２６を停止させるのは好ましくない。
そこで、単結晶引上速度制御を第７図に示す如く行な
う。
（９０）内側直径ＤＩの時間ｔに対する変化量ΔＤＩ／
Δｔが負の一定値Ａ１以上、又は、 （９１）湯面振動量ＳＶが一定値Ｂ１以下であれば、 （９２）結晶直径ＤＩが目標直径になるようにＰＩＤ動
作で引上速度Ｖを制御する。
（９３）ΔＤＩ／Δｔ＜Ａ１かつＳＶ＞Ｂ１となれば、
ＰＩＤ動作による上記制御を切り離し、ワイヤ２６の引
上速度Ｖを０にする。
（９４）ΔＤＩ／Δｔが正の一定値Ａ２以下、又は、 （９５）湯面振動量ＳＶが一定値Ｂ２以上になれば、ワ
イヤ２６の引上を停止したままにする。
ΔＤＩ／Δｔ＞Ａ２かつＳＶ＜Ｂ２となれば、ＰＩＤ動
作による上記制御を再開する。
第８図及び第９図はこのような制御を行なった一試験例
のグラフであり、第８図は時間ｔに対する引上速度Ｖの
関係を示し、第９図は時間ｔに対する外側直径ＤＯの変
化を示す。時間ｔの開始点は、種結晶３０の引上開始時
点である。図中、ａｂ間及びｃｄ間は引上停止区間であ
る。結晶引上開始から４７分経過までの引上停止回数は
２回、引上停止時間は合計約２分間であった。また、引
上停止制御を行なうことによる問題は特に生じなかっ
た。
なお、湯面振動量ＳＶとしては、湯面振動成分の振幅を
用い、上記Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２の値は次のようにし
た。
Ａ１＝−０．０３mmｓｅｃ Ａ２＝０．０３mmｓｅｃ Ｂ１＝Ｂ２＝０．２mm このような制御により、ネック部育成の成功率を高める
ことができた。
また、湯面振動測定装置は、直径測定装置と一体構成で
きるので、経済的である。
しかも、結晶育成部の湯面振動量を測定できるので、結
晶育成制御への利用にとっては好都合である。
【図面の簡単な説明】
第１図乃至第９図は本発明の一実施例に係り、 第１図は結晶直径・湯面振動測定装置のハードウエア構
成図、 第２図は第１図に示すマイクロコンピュータ５２のソフ
トウエア構成を示すフローチャート、第３図は湯面２２
Ｓと単結晶３２との界面付近を示す図、 第４図は第１図の画像メモリ６０に格納される２値画像
６８を第３図と対応させて示す図、 第５図は第４図のライン７２に対応した水平走査線の映
像信号ＶＳと基準電圧Ｅとの関係を第４図と対応させて
示す図、 第６Ａ〜６Ｄ図は、結晶引上速度を０にしたときの、時
間に対する外側直径ＤＯの変化を示すグラフ、 第７図は湯面振動量を用いた単結晶引上速度制御の一例
を示すフローチャート、 第８図及び第９図は第７図の制御を行なった場合の一試
験例に係り、 第８図は種結晶引上開始後の時間ｔに対する外側直径Ｄ
Ｏの変化を示すグラフ、 第９図は種結晶引上開始後の時間ｔに対する引上速度Ｖ
の変化を示すグラフである。 図中、 ２２は融液 ２２Ｓは湯面 ２６はワイヤ ３０は種結晶 ３２はシリコン単結晶 ３４はチャンバ ３８はＣＣＤカメラ ６８は画像 ７０は輝環像

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ＣＺ法により育成される単結晶育成部をカ
    メラ（３８）で撮影し、該カメラから出力される映像信
    号に基づいて、輝度が基準値（Ｅ）以上となる輝環像
    （７０）の外側直径（DO）を検出（８０〜８３）し、該
    外側直径の振動量を該単結晶育成部付近の湯面振動量と
    して検出することを特徴とする湯面振動測定方法。
  2. 【請求項２】ＣＺ法により育成される単結晶育成部を撮
    影し、輝度信号を含む映像信号を出力するカメラ（３
    ８）と、 １走査線分以上の該輝度信号の最大値（ＶＭ）を検出す
    る手段（４２、４４）と、 該最大値に応じた基準値（Ｅ）を求める手段（５２、８
    １）と、 該基準値により該輝度信号を２値化する手段（４６〜５
    ０、６６）と、 該２値化による２値画像に基づいて、輝環像（７０）の
    外側直径（ＤＯ）を検出する手段（５２、８２、８３）
    と、 該外側直径の振動量を該単結晶育成部付近の湯面振動量
    として検出する手段と、 を有することを特徴とする湯面振動測定装置。
JP2113289A 1990-04-29 1990-04-29 湯面振動測定方法及び装置 Expired - Lifetime JPH0663824B2 (ja)

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US07/693,171 US5170061A (en) 1990-04-29 1991-04-29 Method of and apparatus for measuring oscillation of the outside diameter of a melt surface

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