JP2010076961A - 位置測定方法及び位置測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】チョクラルスキー炉における原料融液の液面位置（メルトレベル）の位置測定方法及び位置測定装置を提供する。
【解決手段】測定箇所７ａで反射した反射光を、集光レンズ１３ａで集光して二次元光センサ１３ｂで受光し、受光された反射光の輝度に基づいて三角測量の原理を利用して測定箇所７ａの位置を測定する方法であって、二次元光センサ１３ｂにおいて反射光が測定箇所７ａの位置を表す方向を第１方向Ｄ１といい、第１方向Ｄ１と直交する方向を第２方向Ｄ２という場合に、第２方向Ｄ２に沿う反射光の輝度を示す第２波形についてその重心である第２方向重心を算出する第２方向重心算出工程と、第２方向重心に基づいて第１方向Ｄ１に沿う反射光の輝度を示す第１波形についてその中心である第１方向中心位置を算出する第１方向中心位置算出工程と、第１方向中心位置に基づいて測定箇所の位置を算出する測定箇所算出工程と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、三角測量の原理を利用して、単結晶引き上げ装置におけるチョクラルスキー炉に関する測定箇所、例えば、原料融液の液面の位置（メルトレベル）を測定する位置測定方法及び位置測定装置に関する。

チョクラルスキー法（以下「ＣＺ法」ともいう）は、単結晶引き上げ装置におけるチョクラルスキー炉（以下「ＣＺ炉」ともいう）の内部に設けられたるつぼ（坩堝）に収容されたシリコン等の原料融液から単結晶インゴットを育成しながら引き上げる方法である。単結晶の育成を制御性よく行うためには、原料融液の液面の位置（以下「メルトレベル」ともいう）を的確に測定し、メルトレベルを単結晶の育成に合わせて調整する必要がある。

特に、ＣＺ法によるシリコン単結晶引き上げ装置においては、ヒータ及びシリコン融液からの熱輻射を制御すると共にＣＺ炉の内部に導入されるガスを整流するために、通常、熱遮蔽物が設けられている。この熱遮蔽物の下面とメルトレベルとの相対的位置（すなわち両者間の距離）を制御することによって、引き上げられる単結晶における熱履歴や不純物の濃度（酸素濃度など）を一定にすることができる。そこで従来においては、種々のメルトレベル測定方法が提案されている。

下記特許文献１には、融液の液面の揺れにより定常的に生じる液面の形状を利用して、それを一種の反射体として機能させて、三角測量の原理に基づいてメルトレベルの測定を行う方法が開示されている。以下、この測定方法を「直接反射法」ともいう。

図１０は、従来の直接反射法によるレーザ光の軌跡を説明するための図である。図１０（ａ）はレーザ光の軌跡を側面（Ｘ−Ｙ面）から見た模式図であり、図１０（ｂ）はレーザ光の軌跡を正面（Ｘ−Ｚ面）から見た模式図である。なお、図１０（ａ）に示すように、レーザ光は、回転ミラー９及びプリズム１１を介して案内されるが、図１０（ｂ）においては、Ｙ軸方向のレーザ光の軌跡は紙面を貫く方向に延びているため、回転ミラー９及びプリズム１１の図示を省略している。また、三角測量に本質的でない部品の図示を省略している。

図１０（ａ）及び（ｂ）に示すように、単結晶引き上げ装置においては、ＣＺ炉１の内部に設けられたるつぼ（坩堝）２の内部にシリコン原料の融液（シリコン融液）３が収容されており、シリコン単結晶４が上方に回転しながら引き上げられ、育成されている。シリコン単結晶４の外側には熱遮蔽物５が配置されている。

この単結晶引き上げ装置においては、融液３の液面７の位置（メルトレベル）を測定するために、三角測量を原理とした距離測定ユニット８が採用されている。

図１０（ｂ）に示すように、距離測定ユニット８の内部には、レーザ光を投射するレーザ光源１２及び反射してきた反射光を受光する受光器１３が設けられている。受光器１３は、入射してきたレーザ光を集光する集光レンズ１３ａ及び集光レンズ１３ａで集光されたレーザ光を検出するＣＣＤセンサ１３ｂ’が配置されている。

距離測定ユニット８から出射されたレーザ光は、回転ミラー９で反射され、入射窓１０を透過して、ＣＺ炉１の内部に設置されたプリズム１１を経由して、融液３の液面７に投射される。
ここで、回転ミラー９を左右方向（図１０（ｂ）における矢印Ｓ１方向）に回転して、融液３の液面７におけるレーザ光の投射位置をるつぼ２の径方向（図１０（ｂ）における矢印Ｓ２方向）にスキャンすることにより、融液３の液面７で反射させた反射光を、プリズム１１、入射窓１０及び回転ミラー９を介して、所定の頻度で受光器１３において受光させている。このように、直接反射法では、レーザ光源から出射したレーザ光は、融液３の液面７に直接投射され、融液３の液面７で反射された反射光は受光器１３で直接受光される。

図１０（ｂ）に示すように、融液３の液面７のメルトレベルがＡ１の位置の場合、融液３の液面７で反射されたレーザ光は、ＣＣＤセンサ１３ｂ’の測定座標Ｘ１で検出される。すなわち、ＣＣＤセンサ１３ｂ’の測定座標Ｘ１はメルトレベルＡ１に対応する。同様に、メルトレベルがＡ２の位置の場合、融液３の液面７で反射されたレーザ光は、ＣＣＤセンサ１３ｂ’の測定座標Ｘ２で検出される。すなわち、ＣＣＤセンサ１３ｂ’の測定座標Ｘ２はメルトレベルＡ２に対応する。このようにして、三角測量の原理に基づいて、ＣＣＤセンサ１３ｂ’が検出した測定座標からメルトレベルを測定することができる。

なお、図１０（ｂ）において、融液３の液面７へのレーザ光の入射角度及び反射角度（ともに角度θ１）を大きくして示してあるが、実際には、両角度θ１は数度程度の小さな角度である。このことは他の図面においても同様である。

特開２０００−２６４７７９号公報

特許文献１に記載のメルトレベル測定方法において、受光器における光センサとして、一次元光センサ又は二次元光センサが用いられている。
一次元光センサ（ラインセンサ）によれば、高解像度（高画素数）のセンサを比較的安価に実現できるという利点がある。その一方で、光の検出可能範囲が線状（ライン状）で狭く、受光位置の位置合わせが煩雑であるという欠点がある。

これに対し、二次元光センサ（エリアセンサ）によれば、光の検出可能範囲が面状（エリア状）で広く、受光位置の位置合わせが容易であるか又は実質的に不要であるという利点がある。その一方で、ゴースト光やカメラの画素抜け（ドット落ち）などのノイズの影響を受けやすく、これらにより測定精度が低下しやすいという欠点がある。
二次元光センサを有する受光器を用いた場合に、ゴースト光や画素抜け等の二次元光センサに起因する測定精度の低下を抑制できれば、受光位置の位置合わせが容易又は不要という利点を得ることができ、望ましい。

本発明は、以上の問題に鑑みてなされたものであり、二次元光センサを有する受光器を備える位置測定装置を用い、ゴースト光や画素抜け等の二次元光センサに起因する測定精度の低下を抑制し、受光位置の位置合わせが容易又は不要という利点を得ることができる位置測定方法及び位置測定装置を提供することを目的とする。

（１）本発明の位置測定方法は、光源、及び二次元光センサを有する受光器を備える位置測定装置を用い、前記光源から出射した出射光を単結晶引き上げ装置におけるチョクラルスキー炉に関する測定箇所に投射し、該測定箇所で反射した反射光を前記受光器の前記二次元光センサで受光し、該二次元光センサにより受光された前記反射光の輝度に基づいて三角測量の原理を利用して前記測定箇所の位置を測定する位置測定方法であって、前記二次元光センサにおいて前記反射光が前記測定箇所の位置を表す方向を第１方向といい、該第１方向と直交する方向を第２方向という場合に、前記第２方向に沿う前記反射光の輝度を示す第２波形についてその重心である第２方向重心を算出する第２方向重心算出工程と、前記第２方向重心に基づいて、前記第１方向に沿う前記反射光の輝度を示す第１波形についてその中心である第１方向中心位置を算出する第１方向中心位置算出工程と、前記第１方向中心位置に基づいて前記測定箇所の位置を算出する測定箇所算出工程と、を備えることを特徴とする。

（２）また、前記第１方向中心位置算出工程において、前記第２方向重心に基づいて前記第１方向中心位置を算出する際に、前記第２波形における前記第２方向重心を含む前記第２方向の所定の範囲の領域を用いることが好ましい。

（３）また、前記第２方向重心算出工程において、前記第２波形について所定の閾値以下の大きさで検出された輝度を含む部分を除去してから前記第２方向重心を算出することが好ましい。

（４）また、前記測定箇所は、前記チョクラルスキー炉の内部に設けられたるつぼに収容された融液の液面及び／又は前記チョクラルスキー炉の内部に設けられた熱遮蔽物であることが好ましい。

（５）本発明の位置測定装置は、光源、及び二次元光センサを有する受光器を備え、前記光源から出射した出射光を単結晶引き上げ装置におけるチョクラルスキー炉に関する測定箇所に投射し、該測定箇所で反射した反射光を前記受光器の前記二次元光センサで受光し、該二次元光センサにより受光された前記反射光の輝度に基づいて三角測量の原理を利用して前記測定箇所の位置を測定する位置測定装置であって、前記二次元光センサにおいて前記反射光が前記測定箇所の位置を表す方向を第１方向といい、該第１方向と直交する方向を第２方向という場合に、前記第２方向に沿う前記反射光の輝度を示す第２波形についてその重心である第２方向重心を算出する第２方向重心算出手段と、前記第２方向重心に基づいて、前記第１方向に沿う前記反射光の輝度を示す第１波形についてその中心である第１方向中心位置を算出する第１方向中心位置算出手段と、前記第１方向中心位置に基づいて前記測定箇所の位置を算出する測定箇所算出手段と、を備えることを特徴とする。

本発明の位置測定方法及び位置測定装置によれば、二次元光センサを有する受光器を備える位置測定装置を用い、ゴースト光や画素抜け等の二次元光センサに起因する測定精度の低下を抑制し、受光位置の位置合わせが容易又は不要という利点を得ることができる。

以下、本発明の位置測定方法の第１実施態様及び本発明の位置測定装置の第１実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１及び図２は、本発明の位置測定方法の第１実施態様及び本発明の位置測定装置の第１実施形態におけるレーザ光の軌跡を説明するための図である。図１（ａ）はレーザ光の軌跡を側面（Ｘ−Ｙ面）から見た模式図であり、図１（ｂ）はレーザ光の軌跡を正面（Ｘ−Ｚ面）から見た模式図である。なお、図１（ａ）に示すように、レーザ光は、回転ミラー９及びプリズム１１を介して案内されるが、図１（ｂ）においては、Ｙ軸方向のレーザ光の軌跡は紙面を貫く方向に延びているため、回転ミラー９及びプリズム１１の図示を省略している。また、三角測量に本質的でない部品の図示を省略している。図２は、レーザ光の軌跡を上面（Ｙ−Ｚ面）から見た模式図である。

第１実施態様の位置測定方法は、第１実施形態の位置測定装置を用いた方法であり、図１及び図２に示すように、単結晶引き上げ装置におけるＣＺ炉１の内部に設けられたるつぼ（坩堝）に収容された融液３の液面７の位置（メルトレベル）を測定する方法である。まず、第１実施形態の位置測定装置について説明する。

図１及び図２に示すように、第１実施形態の位置測定装置は、単結晶引き上げ装置に設けられており、距離測定ユニット８、回転ミラー９、プリズム１１等を主体として構成されている。距離測定ユニット８は、レーザ光を融液３の液面７に投射するレーザ光源（光源）１２と、融液３の液面７から反射してきたレーザ光を受光する受光器１３とを備えている。受光器１３は、その内部に入射してきたレーザ光を集光する集光レンズ１３ａと、集光したレーザ光の輝度を検出する二次元光センサとしてのＣＭＯＳセンサ１３ｂとを備えている。

そして、第１実施形態の位置測定装置は、ＣＭＯＳセンサ１３ｂに受光された反射光の輝度に基づいて三角測量の原理を利用して、直接測定法により、メルトレベル（融液３の液面７）の測定を行う。すなわち、第１実施形態の位置測定装置においては、レーザ光源１２から出射したレーザ光を、回転ミラー９及びプリズム１１を介して融液３の液面７に投射し、融液３の液面７で反射した反射光を受光器１３内のＣＭＯＳセンサ１３ｂで受光する。

図１に示すように、単結晶引き上げ装置は、ＣＺ炉１と、ＣＺ炉１の内部に設けられたるつぼ２とを備え、るつぼ２にはシリコン原料の融液（シリコン融液）３が収容されている。単結晶引き上げ装置においては、シリコン単結晶４が上方に回転しながら引き上げられ、育成される。シリコン単結晶４の外側には熱遮蔽物５が配置されている。

前述の構成を有する位置測定装置及び単結晶引き上げ装置においては、図１及び図２に示すように、距離測定ユニット８のレーザ光源１２から出射されたレーザ光は、回転ミラー９で反射され、入射窓１０を透過して、ＣＺ炉１の内部に設置されたプリズム１１を経由して、融液３の液面７に直接投射される。融液３の液面７で反射した反射光は、投射のときとは反対の経路で、プリズム１１、入射窓１０及び回転ミラー９を介して案内され、受光器１３のＣＭＯＳセンサ１３ｂで受光される。

回転ミラー９を左右方向（図１（ｂ）における矢印Ｓ１方向）に回転して、融液３の液面７におけるレーザ光の投射位置をるつぼ３の径方向（図１（ｂ）における矢印Ｓ２方向）にスキャンすることにより、融液３の液面７で反射させた反射光は、プリズム１１、入射窓１０及び回転ミラー９を介して、所定の頻度で受光器１３において受光される。このように、レーザ光源から出射したレーザ光は、融液３の液面７に直接投射され、融液３の液面７で反射された反射光は受光器１３で直接受光される。

図１（ｂ）に示すように、融液３の液面７のメルトレベルがＡ１の位置の場合、融液３の液面７で反射されたレーザ光は、受光器１３のＣＭＯＳセンサ１３ｂの測定座標Ｘ１で検出される。すなわち、ＣＭＯＳセンサ１３ｂの測定座標Ｘ１はメルトレベルＡ１に対応する。同様に、メルトレベルがＡ２の位置の場合、融液３の液面７で反射されたレーザ光は、ＣＭＯＳセンサ１３ｂの測定座標Ｘ２で検出される。すなわち、ＣＭＯＳセンサ１３ｂの測定座標Ｘ２はメルトレベルＡ２に対応する。このようにして、三角測量の原理に基づいて、ＣＭＯＳセンサ１３ｂが検出した測定座標からメルトレベルを測定することができる。

図１（ｂ）に示すＸ−Ｚ面において、レーザ光源１２から融液３の液面７に入射角度θ１で投射されたレーザ光は、液面７において反射角度θ１で反射される。また、図１（ａ）に示すＸ−Ｙ面において、融液３の液面７で反射したレーザ光は、Ｘ−Ｚ面において角度θ１を保ったままＣＭＯＳセンサ１３ｂに向かって進み、測定座標Ｘ１で検出される。メルトレベルＡ１はＣＭＯＳセンサ１３ｂの測定座標Ｘ１に対応している。

以上のように、図１（ｂ）に示すように、Ｘ−Ｚ面における三角測量を行うことで、Ｘ軸方向の高さ位置、すなわち、融液３の液面７の位置（メルトレベル）を測定することが可能になる。

次に、二次元光センサとしてのＣＭＯＳセンサ１３ｂについて説明する。図３は、反射光がＣＭＯＳセンサ１３ｂに受光される状態を模式的に示す斜視図である。図４は、ＣＭＯＳセンサ１３ｂの受光領域ＥＲ、第１波形Ｊ１及び第２波形Ｊ２を模式的に示す図である。

図３及び図４に示すように、ＣＭＯＳセンサ１３ｂは、集光レンズ１３ａにより集光された反射光を受光する。二次元光センサであるＣＭＯＳセンサ１３ｂにおいて、測定箇所７ａの位置を表す方向を第１方向Ｄ１といい、第１方向Ｄ１と直交する方向を第２方向Ｄ２という。ＣＭＯＳセンサ１３ｂの受光領域ＥＲは、第１方向Ｄ１に延びるｘ軸と、第２方向に延びるｙ軸とを有する。

ＣＭＯＳセンサ１３ｂで受光された反射光の結像スポットＲ１は、第１方向Ｄ１（ｘ軸方向）に延びる。その理由は、次の通りである。反射光の結像スポットＲ１は、レーザ光の光軸（進行方向に延びる軸）に交差する方向の断面形状についてはほぼ円形であるが、ＣＭＯＳセンサ１３ｂの受光領域ＥＲの受光面は、光軸に対して直交しておらず、光軸に対する直交面に対して傾いている（例えば、１５〜２０度）。従って、結像スポットＲ１は、ＣＭＯＳセンサ１３ｂの受光面において、第１方向Ｄ１（ｘ軸方向）に延びることになる。

また、ＣＭＯＳセンサ１３ｂの受光面を光軸に対する直交面に対して傾けている理由は、次の通りである。集光レンズ１３ａとして固定焦点レンズ（自動焦点機能を有しないレンズ）を使用する場合において、測定箇所７ａの位置（メルトレベル）が変化したときに、測定箇所７ａの位置によらずに、その変化量に対応する結像スポットの焦点を第１方向Ｄ１に沿って合わせることができるようにするためである。

なお、受光器１３には、所定の輝度以下の光をカットする滅光フィルタ（図示せず）を備えることができる。滅光フィルタは、集光レンズ１３ａの手前側（測定箇所７ａ側）に配置される。滅光フィルタによれば、ＣＭＯＳセンサ１３ｂにおける反射光の受光輝度の飽和が抑制される。また、レーザ光源１２にて出射したレーザ光についての拡散反射光を滅光フィルタにより減光することで、拡散レーザ光がＣＭＯＳセンサ１３ｂで結像することを抑制できる。

図４においては、受光領域ＥＲには、レーザ光の反射光の結像スポットＲ１が受光される。第１波形Ｊ１は、第１方向Ｄ１（ｘ軸方向）に沿う反射光の輝度を示す波形である。第２波形Ｊ２は、第２方向Ｄ２（ｙ軸方向）に沿う反射光の輝度を示す波形である。理想的には、第１波形Ｊ１の中心及び第２波形Ｊ２の重心に反射光の結像スポットＲ１の中心が位置する。

受光領域ＥＲには、結像スポットＲ１とは別に、ノイズＲ２が存在している。ノイズＲ２は、後述する第２方向重心算出工程ＳＴ２における第２方向重心の算出及び第１方向中心位置算出工程ＳＴ３における第１方向中心位置の算出の際の測定精度を低下させる。従って、ノイズＲ２は極力除去することが好ましい。

次に、第１実施形態の位置測定装置における各種値の算出に係る構成について、図５を参照しながら説明する。図５は、本発明の位置測定装置の第１実施形態における各種値の算出に係る構成を示す機能ブロック図である。
図５に示すように、第１実施形態の位置測定装置は、演算部１４を備える。演算部１４は、レーザ光源１２からのレーザ光の投射を制御すると共に、受光器１３（ＣＭＯＳセンサ１３ｂ）で受光されたレーザ光の輝度に基づいて各種値を算出する。
演算部１４は、第２方向重心算出手段１４ａ、第１方向中心位置算出手段１４ｂ及び測定箇所算出手段１４ｃとして機能する。

第２方向重心算出手段１４ａは、第２方向Ｄ２（ｙ軸方向）に沿う反射光の輝度を示す第２波形Ｊ２についてその重心である第２方向重心を算出する。
第１方向中心位置算出手段１４ｂは、第２方向重心に基づいて第１方向Ｄ１（ｘ軸方向）に沿う反射光の輝度を示す第１波形Ｊ１についてその中心である第１方向中心位置を算出する。
測定箇所算出手段１４ｃは、第１方向中心位置に基づいて測定箇所７ａの位置（メルトレベル）を算出する。

次に、第１実施形態の位置測定装置を用いた第１実施態様の位置測定方法について、図６を参照しながら説明する。図６は、本発明の位置測定方法の第１実施態様を示すフローチャートである。
図６に示すように、第１実施態様の位置測定方法は、下記のレーザ光受光工程ＳＴ１、第２方向重心算出工程ＳＴ２、第１方向中心位置算出工程ＳＴ３及び測定箇所算出工程ＳＴ４を備える。

（ＳＴ１）レーザ光受光工程
レーザ光源１２から出射したレーザ光を、回転ミラー９及びプリズム１１を介して融液３の液面７に投射し、融液３の液面７で反射した反射光を受光器１３内のＣＭＯＳセンサ１３ｂで受光する。
ここでは、図４に示すように、ＣＭＯＳセンサ１３ｂの受光領域ＥＲには、レーザ光の反射光の結像スポットＲ１が受光されると共に、ノイズＲ２が存在していることとする。

（ＳＴ２）第２方向重心算出工程
レーザ光受光工程ＳＴ１においてＣＭＯＳセンサ１３ｂで受光された反射光における、第２方向Ｄ２に沿う反射光の輝度を示す第２波形Ｊ２について、その重心である第２方向重心を算出する。
本実施態様においては、第２波形Ｊ２について所定の閾値以下の大きさで検出された輝度を含む部分、つまりノイズＲ２を除去してから第２方向重心を算出する。

なお、本発明における重心は、画素の輝度の値を重みとした測定箇所の中心位置のことである。具体的な重心の算出法は、ＸＹ座標系に結像スポットＲ１がある場合、任意の点Ｐ（ｘ，ｙ）で表されるので、結像スポットＲ１の輝度分布をｍ（ｘ，ｙ）とすると、重心位置Ｃ（ｃｘ，ｃｙ）は次の積分式（１）及び（２）により解くことができる。

ノイズＲ２は、第２波形Ｊ２において、結像スポットＲ１に対応するピークＫ２１とは別のピークＫ２２を形成する。ただし、このノイズＲ２に対応するピークＫ２２は、結像スポットＲ１に対応するピークＫ２１に比べて輝度が明確に小さいことが一般的である。そこで、結像スポットＲ１に対応するピークＫ２１とノイズＲ２に対応するピークＫ２２とを適切に区別可能な閾値を設定し、この閾値に基づいて両ピークＫ２１，Ｋ２２を区別する。

また、第２波形Ｊ２においてピークが存在する場合に、いずれのピークも結像スポットＲ１に対応するピークＫ２１ではない場合がある。
そこで、結像スポットＲ１に対応するピークＫ２１とノイズＲ２に対応するピークＫ２２とを区別するための閾値ＢＬ２２、及び結像スポットＲ１に対応するピークＫ２１であることを確認するための閾値ＢＬ２１を設定する。

結像スポットＲ１に対応するピークＫ２１とノイズＲ２に対応するピークＫ２２とを区別するための閾値ＢＬ２２は、例えば、ＣＭＯＳセンサ１３ｂにおいて測定可能な輝度の最大値に対して５０〜７０％である。結像スポットＲ１に対応するピークＫ２１であることを確認するための閾値ＢＬ２１は、例えば、ＣＭＯＳセンサ１３ｂにおいて測定可能な輝度の最大値に対して８０〜１００％である。

なお、ノイズＲ２に対応するピークＫ２２の判定は、前述したような単純に輝度の大きさで判定する方法の他、ＣＭＯＳセンサ１３ｂの受光領域ＥＲにおけるスポット画像の面積の大小に基づいて行うこともできる。例えば、ＣＭＯＳセンサ１３ｂの受光領域ＥＲにおけるスポット画像の面積が所定の閾値よりも小さい場合に、当該スポット画像がノイズＲ２に対応するピークＫ２２であると判定することもできる。
第２方向重心算出工程ＳＴ２において、ピークの判定及び面積の判定の一方又は両方を行うことで、第２方向Ｄ２に発生するノイズやゴースト光を判定し、選別することが可能になる。

ゴースト光を除去する具体例について説明する。図７（ａ）は、ゴースト光Ｒ３の測定例を示すグラフである。図７（ｂ）は、ビームに関する位置の測定方法の概要を示す模式図である。図７（ｃ）は、閾値ＢＬ２２以上の領域内を示す模式図である。図７に示すように、ゴースト光Ｒ３の除去のため、エリアカメラのＷＯＩ領域内のビームの塊の面積判定を行い、予め設定した輝度の閾値以上を対象とした第２方向Ｄ２（ｙ軸方向）の重心を、下記（１）〜（７）の手順で算出する。ここで、輝度の閾値ＢＬ２２は、輝度の最大値と最小値との差分の５０〜７０％を用いる。

（１）結像スポット（重心を抽出するビーム）Ｒ１の位置は予めわかっているので、その画像処理を行う範囲（ＷＯＩ領域）を指定する。
（２）ＷＯＩ領域の中で、閾値ＢＬ２２以上の領域を輝度有り（値：１）部分とし、それ未満の領域を輝度無し（値：０）部分とする輝度の２値化を行う。
（３）２値化した輝度有り部分の塊のサーチを行う。
（４）対象ビームの塊が複数検出された場合にその塊の面積判定を行う（例えば、結像スポットＲ１とゴースト光Ｒ３が検出された場合）。
（５）その塊に外接する長方形内の輝度の値の合計が最大となる領域を、結像スポットＲ１が存在する領域であると判定する。
（６）その領域内で、閾値ＢＬ２２以上の輝度の値において、前記積分式（１）及び（２）を用いて、その重心を算出する。
（７）その重心を第２方向Ｄ２（ｙ軸方向）の重心であると決定する。

（ＳＴ３）第１方向中心位置算出工程
第２方向重心算出工程ＳＴ２において算出された第２方向重心に基づいて、第１方向Ｄ１（ｘ軸方向）に沿う反射光の輝度を示す第１波形Ｊ１について、その中心である第１方向中心位置を算出する。

第１方向中心位置の具体的な算出方法は、次の通りである。まず、図４に示す第１波形Ｊ１において所定の閾値（閾値ＢＬ１１及び閾値ＢＬ１２）を、最大輝度２５５の中で５〜３０程度に設定する。そして、それ以下の大きさで検出された輝度を含む波形成分、つまりノイズやゴースト光を、予め除去してから第１方向中心位置の算出を行うことが好ましい。

さらに、第１波形Ｊ１は、図８に示すようなガウス分布状の受光輝度を持つので、例えば、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ガウシアンフィティング法により、第１波形Ｊ１の中心位置を精度よく求め、第２方向重心に対応する第１方向Ｄ１の結像スポットの中心位置を第１方向中心位置（画素）であると決定する。

なお、前記ガウシアンフィティング法を行う際に、相関係数に閾値を設けることができる。例えば、測定箇所がＣＺ炉の内部に設けられたるつぼに収容された融液の液面の場合には、相関係数の閾値は７０〜１００％の範囲である。測定箇所がＣＺ炉の内部に設けられた熱遮蔽物の場合には、相関係数の閾値は６０〜８０％の範囲である。ノイズやゴースト光は、ガウス関数をモデル関数とした正規化相関係数による相関が元々弱いので、前記閾値以上の第１波形Ｊ１を中心位置の算出に用いることで、第１方向に発生するノイズやゴースト光を除去することができる。

仮に、ガウシアンフィティング法を行わずに、単純に第１方向の重心に基づいて第１方向中心位置を算出した場合には、第１波形Ｊ１は、正規分布曲線とはなりにくい。特に、測定箇所がＣＺ炉の内部に設けられた熱遮蔽物である場合には、熱遮蔽物の表面が滑らかな鏡面状態ではないので、反射光は、輝度がまだらな拡散光になる。その影響を受け、第１波形Ｊ１は、図９に示すように、正規分布曲線とはならない。そのため、第１方向中心位置に誤差が出やすい。そこで、前記のガウシアンフィティング法を行うことにより、この問題は解決される。

また、本実施態様においては、第２方向重心に基づいて第１方向中心位置を算出する際に、第２波形Ｊ２における第２方向重心を含む第２方向Ｄ２の所定の範囲の領域を用いる。つまり、第２波形Ｊ２における第２方向重心を含む第２方向の所定の範囲の領域（例えば、第２方向重心に位置する画素を中心に±１０画素の幅）において投影（加重平均、例えば、２１画素の輝度の総和を２１で割り算する処理）を行い、この領域に対応する第１波形Ｊ１を算出し、ガウシアンフィティング法を行うことにより、その中心位置を精度よく求める。そして、第２方向重心に対応する第１方向Ｄ１の結像スポットの中心位置を第１方向中心位置（画素）であると決定する。
前記投影（加重平均）を行うことで、第１波形Ｊ１以外のノイズやゴースト光である小さい光は、平均化されて必ず小さくなる（例えば１／２１輝度）。このことにより、第１方向に発生するノイズやゴースト光を除去することができる。

また、第２方向重心算出工程ＳＴ２及び第１方向中心位置算出工程ＳＴ３は、主として、ＣＭＯＳセンサ１３ｂに受光されるゴースト光の影響を除去するために行われる。ゴースト光は、単結晶引き上げ装置のＣＺ炉１の内部における多重反射などが主な原因となって発生する。多重反射の原因としては、ＣＺ炉１の内部における熱遮蔽物５、ゲートなどにおける反射が挙げられる。

（ＳＴ４）測定箇所算出工程
第１方向中心位置算出工程ＳＴ３において算出された第１方向中心位置に基づいて、測定箇所７ａの位置を算出する。つまり、算出された第１方向中心の位置の値（画素）を、例えば４次式によって表される測定箇所７ａまでの距離へ変換する関数に代入することにより、実際の距離（位置）を求めることができる。

以上の説明の通り、第１実施態様の位置測定方法及び第１実施形態の位置測定装置によれば、ノイズやゴースト光や画素抜け等の二次元光センサに起因する測定精度の低下を抑制し、受光位置の位置合わせが容易又は不要という利点を得ることができる。そのため、ＣＺ法による単結晶の品質に影響を及ぼす融液３の液面７の位置、熱遮蔽物５などの炉内部材の位置（後述）などを高精度に測定し、その位置を維持することにより、単結晶の品質のバラツキを低減し、高品質の単結晶を安定して製造することができる。

以上、本発明の第１実施態様及び第１実施形態について説明したが、本発明は、上述した第１実施態様及び第１実施形態に制限されるものではない。
例えば、前述の実施態様及び実施形態においては、測定箇所７ａは、ＣＺ炉１の内部に設けられたるつぼ２に収容された融液３の液面７であるが、これに制限されず、ＣＺ炉１の内部に設けられた熱遮蔽物５でもよい。あるいは融液３の液面７及び熱遮蔽物５の両方を測定することができ、その場合、融液３の液面７と熱遮蔽物５（特に、底面６）との距離（間隔）を測定することができる。

二次元光センサは、ＣＭＯＳセンサ１３ｂに制限されず、例えば、エリア型ＣＣＤ、ＰＳＤを用いることができる。
前記実施態様及び前記実施形態においては、いわゆる直接測定法を用いているが、これに制限されず、ＷＯ０１／０８３８５９号公報に記載された測定方法（熱遮蔽物５の底面６における反射などを利用）や、特開２００７−２２３８７９号公報に記載された測定方法（熱遮蔽物５などの側面における反射を利用）を用いることができる。

レーザ光として、赤色レーザ光、紫色レーザ光、青色レーザ光、緑色レーザ光を用いることもできる。
レーザ光源に代えて、キセノン、水銀、ハロゲン等の光源や、ナトリウム線等の単一波長光源を用いることもできる。

（ａ）はレーザ光の軌跡を側面（Ｘ−Ｙ面）から見た模式図であり、（ｂ）はレーザ光の軌跡を正面（Ｘ−Ｚ面）から見た模式図である。 レーザ光の軌跡を上面（Ｙ−Ｚ面）から見た模式図である。 反射光がＣＭＯＳセンサ１３ｂに受光される状態を模式的に示す斜視図である。 ＣＭＯＳセンサ１３ｂの受光領域ＥＲ、第１波形Ｊ１及び第２波形Ｊ２を模式的に示す図である。 本発明の位置測定装置の第１実施形態における各種値の算出に係る構成を示す機能ブロック図である。 本発明の位置測定方法の第１実施態様を示すフローチャートである。 ゴースト光を除去する具体例について説明する図である。 第１方向に沿って結像する像についての受光輝度の分布を示す図である。 マッチングを行わない場合における輝度重心法より、ガウシアンフィッティング法が有効な第１方向の受光輝度の分布を示す図である。 （ａ）はレーザ光の軌跡を側面（Ｘ−Ｙ面）から見た模式図であり、（ｂ）はレーザ光の軌跡を正面（Ｘ−Ｚ面）から見た模式図である。

符号の説明

１ ＣＺ炉（チョクラルスキー炉）
２ るつぼ
３ シリコン融液（融液）
４ シリコン単結晶（単結晶）
５ 熱遮蔽物
６ 熱遮蔽物の底面
７ 液面
７ａ 測定箇所
８ 距離測定ユニット
９ 回転ミラー
１０ 入射窓
１１ プリズム
１２ レーザ光源（光源）
１３ 受光器
１３ａ 集光レンズ
１３ｂ ＣＭＯＳセンサ（二次元光センサ）
１３ｂ’ ＣＣＤセンサ（一次元光センサ）
１４ａ 第２方向重心算出手段
１４ｂ 第１方向中心位置算出手段
１４ｃ 測定箇所算出手段
Ｄ１ 第１方向
Ｄ２ 第２方向
Ｊ２ 第２波形
Ｊ１ 第１波形
ＳＴ２ 第２方向重心算出工程
ＳＴ３ 第１方向中心位置算出工程
ＳＴ４ 測定箇所算出工程

Claims (5)

1. 光源、及び二次元光センサを有する受光器を備える位置測定装置を用い、前記光源から出射した出射光を単結晶引き上げ装置におけるチョクラルスキー炉に関する測定箇所に投射し、該測定箇所で反射した反射光を前記受光器の前記二次元光センサで受光し、該二次元光センサにより受光された前記反射光の輝度に基づいて三角測量の原理を利用して前記測定箇所の位置を測定する位置測定方法であって、
   前記二次元光センサにおいて前記反射光が前記測定箇所の位置を表す方向を第１方向といい、該第１方向と直交する方向を第２方向という場合に、
   前記第２方向に沿う前記反射光の輝度を示す第２波形についてその重心である第２方向重心を算出する第２方向重心算出工程と、
   前記第２方向重心に基づいて、前記第１方向に沿う前記反射光の輝度を示す第１波形についてその中心である第１方向中心位置を算出する第１方向中心位置算出工程と、
   前記第１方向中心位置に基づいて前記測定箇所の位置を算出する測定箇所算出工程と、を備えることを特徴とする位置測定方法。
2. 前記第１方向中心位置算出工程において、前記第２方向重心に基づいて前記第１方向中心位置を算出する際に、前記第２波形における前記第２方向重心を含む前記第２方向の所定の範囲の領域を用いることを特徴とする請求項１に記載の位置測定方法。
3. 前記第２方向重心算出工程において、前記第２波形について所定の閾値以下の大きさで検出された輝度を含む部分を除去してから前記第２方向重心を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の位置測定方法。
4. 前記測定箇所は、前記チョクラルスキー炉の内部に設けられたるつぼに収容された融液の液面及び／又は前記チョクラルスキー炉の内部に設けられた熱遮蔽物であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の位置測定方法。
5. 光源、及び二次元光センサを有する受光器を備え、前記光源から出射した出射光を単結晶引き上げ装置におけるチョクラルスキー炉に関する測定箇所に投射し、該測定箇所で反射した反射光を前記受光器の前記二次元光センサで受光し、該二次元光センサにより受光された前記反射光の輝度に基づいて三角測量の原理を利用して前記測定箇所の位置を測定する位置測定装置であって、
   前記二次元光センサにおいて前記反射光が前記測定箇所の位置を表す方向を第１方向といい、該第１方向と直交する方向を第２方向という場合に、
   前記第２方向に沿う前記反射光の輝度を示す第２波形についてその重心である第２方向重心を算出する第２方向重心算出手段と、
   前記第２方向重心に基づいて、前記第１方向に沿う前記反射光の輝度を示す第１波形についてその中心である第１方向中心位置を算出する第１方向中心位置算出手段と、
   前記第１方向中心位置に基づいて前記測定箇所の位置を算出する測定箇所算出手段と、を備えることを特徴とする位置測定装置。

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