JP4367725B2 - 結晶体の２値制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結晶体の２値制御装置に関し、特に、安定した２値制御の達成に有効な結晶体の２値制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
チョクラルスキー法に代表される単結晶の引き上げ製造法においては、製造された結晶体の直径と該結晶体を引き上げた速度の履歴が結晶体の品質を決める上での重要なパラメータとなる。
【０００３】
従って、従来から、直径と引き上げ速度の双方を所望の値に収束させるＣＺ法の開発が進められており、既に実施化されているものも幾つか見られる。これらの開発された諸技術は、それぞれ特有の興味深い特徴を有し、特有の効果を達成している。以下、これらの代表的な特徴を説明する。
【０００４】
第１の技術は、メルト加熱用のヒーターの温度のみを変化させて、結晶体の成長直径を制御する技術である。ヒーターの温度を変化させる理由は、引き上げ結晶体とメルトの界面から放出される熱量と、該界面近傍に流入する熱量との差（以下、「不足熱量」という）を制御するためである。即ち、不足熱量は、結晶体が単位時間当たりに固化する重量（以下、「固化重量」という）を決定する凝固潜熱と密接に関連し、この不足熱量が増加すると、結晶体の重量が所望の値よりも重くなる。その結果、結晶体の成長直径は、該重量の増加に対応して大きくなる。従って、ヒーターの温度を上げて、不足熱量を減少させれば、結晶体の成長直径を所望の値に収束させることができる。
【０００５】
当該技術では、引き上げ速度を所望の値に固定することができるため、制御対象が１つでよく、結晶体をゆっくりと引き上げる製造装置では、比較的安定しやすい構成である。以下、この第１の技術が行うような不足熱量に着目した制御系を「温度制御系」という。
【０００６】
第２の技術は、結晶体の成長直径を引き上げ速度の調節で制御し、その結果、所望の値からずれた引き上げ速度の偏差に基づいて、ヒーターの温度を変化させる技術である。当該技術では、直径の変化に追従して引き上げ速度が即変化するため、前記第１の技術に比べて応答が速いことを特徴とする。以下、このような引き上げ速度の変化によって直径を制御する制御系を「速度制御系」という。この第２の技術を詳細に記載した文献としては、特公昭５２−４８１１１号公報および特公平７−５５８７８号公報がある。
【０００７】
第３の技術は、結晶体の成長直径を引き上げ速度で調節する一方、引き上げ開始から終了に至るまでのヒーター温度の理想パターンを導出し、該導出した理想パターンに基づいて、不足熱量を制御する技術である。当該技術では、速度制御系と温度制御系とを独立に構成することができるため、それぞれの制御系に適した設計が可能である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、第１の技術では、ヒーター温度の変化という遅れ要素の多い制御手段を用いているため、直径の変動に対する応答が遅れる。従って、この技術は、結晶体の引き上げ速度が極めて遅く、結晶体の製造に数日間を費やすガリウム・ヒ素等の製造には適しているが、引き上げ速度が速いシリコン等の製造には適していない。
【０００９】
一方、第２の技術は、現在主流となっている技術であり、この技術によれば、引き上げ速度の変化によって、結晶体の成長直径が好適に制御される。これは、引き上げ速度の変化に対する直径の応答がヒーター温度の変化に対する直径の応答に比べて、むだ時間や１次遅れの時定数が小さいため、引き上げ速度の操作が即、直径の収束動作に反映されるからである。
【００１０】
この第２の技術の速度制御系は、光学式の場合、「比例項＋積分項＋微分項」で構成され、重量式の場合、「比例項＋微分項」で構成される。ここで、光学式の積分項と重量式に比例項は、いずれも結晶体の直径変動の履歴に応答する要素であり、該速度制御系は、熱的環境が一定の場合に、目標値に対する定常偏差を０に収束させる一形の伝達関数（伝達関数の形の定義については後述する）で表現される。従って、制御目標である結晶体の直径は、引き上げ速度の変化によって、定常偏差なく目標値に収束する。
【００１１】
しかし、直径の制御に引き上げ速度を変化させた結果、該引き上げ速度は、その目標値との間に偏差を生じる。即ち、直径は目標値に収束するが、引き上げ速度が目標値からずれるため、２値制御が達成されないことになる。これは、引き上げ速度を変化させても、ヒーター温度とルツボの位置によって決まる不足熱量には影響しないため、結晶体の固化重量は、依然目標値からずれたままだからである。
【００１２】
換言すると、引き上げ速度は、固化重量を結晶体の断面積と引き上げ長さの２成分に分配する機能は有するが、固化重量を目標値に収束させる機能はなく、実際の固化重量が所望の直径と引き上げ速度を維持できる理想の値からずれている場合には、この引き上げ速度が偏差を持つことになるからである。
【００１３】
一般の引き上げ装置では、引き上げと同時にルツボを上昇させて、メルトの液位を一定にする液位一定制御が行われる。従って、不足熱量は、該ルツボの上昇によって常に変動するため、上記理想の値は維持できないことになる。これは、引き上げ速度が不足熱量の変動に追従して偏差を持つことを意味する。ここで、ルツボの位置は、結晶体の品質を決定する重要なパラメータであるため、結晶体の直径および引き上げ速度の制御手段としては使用できない。
【００１４】
そこで、上記従来技術では、温度制御系を速度制御系にカスケード接続して、結晶体の直径を収束させることによって発生した引き上げ速度の偏差をなくす構成を採用している。このカスケード制御系は、引き上げ速度の偏差を温度制御系に入力し、該温度制御系でＰＩＤ演算を行って、ヒーターの温度を制御するものである。
【００１５】
しかし、上記カスケード制御には、ヒーターの温度制御を行ったにもかかわらず、引き上げ速度が依然として誤差を有するという問題がある。後に詳細に説明するが、液位一定制御の引き上げにおいて、不足熱量を一定にするための理想的なヒーターの温度パターンは、一次以上の関数となる。そして、一般的な制御理論に従えば、目標値が一次関数（ランプ）の場合、一形制御系では、定常偏差を持ち、二形制御系では、定常偏差がなくなると考えられる。
【００１６】
特公昭５２−４８１１１号公報に記載されたカスケード制御では、重量偏差をＰＤ演算アンプとＰＩＤ演算アンプのカスケードに入力し、その出力をヒーター温度の操作量として与えている。従って、当該カスケード制御は、一形制御系を構成するため、重量偏差が定常偏差を持つことになる。
【００１７】
ここで、重量偏差が定常偏差を持っても、重量偏差が一定であれば、結晶体の直径は、定常偏差を持たない。しかし、上記従来技術では、重量偏差の「比例要素＋微分要素」を引き上げ速度の操作量としている為に、この比例要素が引き上げ速度に定常偏差を生じさせ、２値制御の負の要因となっていると思われる。
【００１８】
他方、別のカスケード制御を開示する特公平７ー５５８７８号では、直径偏差を２段のＰＩＤ演算アンプで構成した速度制御系と温度制御系のカスケード接続に入力し、この出力をヒーター温度の操作量として与えている。従って、当該制御系は、直径偏差に対しては、二形制御系を構成するため、結晶体の直径は、定常偏差を持たないと考えられるが、この制御系は、引き上げ速度の偏差を持つことが本発明者の実験によって確認されている。
【００１９】
温度制御系の伝達関数が一形である上記カスケード制御によって、ヒーター温度の操作量を理想的なヒーター温度パターン、例えば、一次関数に合わせるためには、引き上げ速度が常に定常偏差を持つことがわかる。これが引き上げ速度が目標値からずれて定常偏差を持つ理由と考えられる。当該構成では、速度制御系の積分要素が２値制御の負の要因と思われる。
【００２０】
上記問題を解決するために、温度制御系に積分要素（遅れ要素）を２〜３段設けて、引き上げ速度を目標値に収束させる技術も考えられているが、このように、温度制御系に多段の遅れ要素を設けると、ハンチング（制御不安定）が生じやすいという問題がある。
【００２１】
加えて、この第２の技術では、温度制御系が速度制御系に依存する構成、即ち、温度制御系と速度制御系とがカスケード接続されるため、それぞれに最適な制御系を構成することが困難である。つまり、温度制御系に適した伝達関数と速度制御系に適した伝達関数とは、互いに異なっており、温度制御系を速度制御系の従属構成とすると、温度制御系の設計自由度が速度制御系の構成に拘束されるからである。
【００２２】
一方、第３の技術では、不足熱量の制御が所定の理想パターンに依存するため、環境変化に弱いという欠点がある。即ち、結晶体周辺の熱環境は、装置ごとに異なり、該各装置の理想パターンが予め導出したパターンからずれる場合が多い。このため、ある装置で好適な結果が得られた理想パターンであっても、他の装置では使用できない場合が多く、実用化が困難であった。
【００２３】
また、理想パターンの導出には、多くの時間を要するため、装置ごとに理想パターンを作成することも困難であり、たとえ、作成したとしても引き上げ時の炉内部品のセッティング、ヒーターおよび黒鉛ルツボの経時変化、水温、気温等に左右され、やはり、理想パターンからずれることになる。
【００２４】
結晶体の引き上げ速度は、結晶体の直径やホットゾーンのサイズごとに異なるだけでなく、製造する品種によっても異なるため、これらの要素の掛け算分の理想パターンが必要である。さらに、上記経時変化は、理想パターンのマイナーチェンジを必要とし、使用者に理想パターンの度重なる導出を強要する。
【００２５】
上記のような理想パターンからのずれは、不足熱量が理想値からずれる原因となり、不足熱量のずれは、結晶体の成長直径に影響を与える。結晶体の成長直径が目標値からずれると、当該第３の技術に係る速度制御系は、結晶体の成長直径を目標値に収束させるべく、引き上げ速度を変化させる。その結果、結晶体の直径は、目標値に収束するが、引き上げ速度が目標値からずれ、前述した第２の技術と同様に、直径と速度の２値制御が達成できなくなる。
【００２６】
直径制御パラメータ（一般的には、結晶体の直径と重量）の相違に関係なく、統一した概念で上記問題点を整理すると、次のようになる。
【００２７】
まず、結晶体の２値制御は、直径と引き上げ速度の制御であり、状態変数（例えば、ヒーター温度やルツボ位置）の変化に応じて、固化重量を一定にするヒーター温度の理想パターンは、一次以上の関数である。
【００２８】
従って、直径と引き上げ速度に定常偏差を持たせないためには、直径に作用する伝達関数と、引き上げ速度に作用する伝達関数が二形以上であることが必要と考える。
【００２９】
ただし、重量偏差信号は、それ自体に直径の積分要素を有するため、直径制御に関しては、重量偏差信号に対して一形制御系を構成すれば、直径要素に対して二形制御系を構成すると考えられる。前述した従来の制御系は、直径または直径要素に対して、二形の制御系を構成しており、直径の定常偏差をなくす機能を有する。
【００３０】
しかし、引き上げ速度から見た伝達関数が一形の制御系であり、二形の制御系を構成していない。従って、引き上げ速度にずれが生じ、引き上げ速度に定常偏差を持つという従来技術に共通の第１の問題点が発生すると考えられる。
【００３１】
さらに、上記従来の制御系は、速度制御系の伝達関数に直径成分に対する積分要素を有し、引き上げ速度で直径を制御する第１の定値制御ＰＩＤを持つ。そして、該第１の定値制御ＰＩＤの操作量に基づいて、ヒーター温度を操作し、引き上げ速度を制御する第２の定値制御ＰＩＤが該第１の定値制御ＰＩＤにカスケード接続される。このため、２つのＰＩＤが干渉してハンチングする第２の問題点が発生すると考えられる。
【００３２】
一方、一部の装置では、前記第２の定値制御ＰＩＤの前段または後段に積分要素を持つ制御機能を追加して、引き上げ速度から見た伝達関数が二形となる制御系を構成するものがある。しかし、当該構成では、直径から見た伝達関数が三形となり、積分要素による遅れが生じる。このため、制御系が不安定となって、ハンチングする第３の問題点が発生すると考えられる。
【００３３】
そこで、本発明は、安定した２値制御の達成に有効な結晶体の２値制御装置を提供することを目的とする。
【００３４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、結晶体（１０）の引き上げ速度、即ち、シード上昇速度（ＳＬ）の操作量を生成するシード上昇速度操作量生成手段（Ｍ１０）と、該結晶体（１０）周辺の温度を操作する量、即ち、温度操作量（ＴＣ）を生成する温度操作量生成手段（Ｍ１２）とを具備し、該結晶体（１０）の成長直径、即ち、結晶成長直径（ＧＤ）および前記シード上昇速度（ＳＬ）をそれぞれの目標値に収束させる結晶体の２値制御装置において、前記結晶成長直径（ＧＤ）の制御に寄与するパラメータ、即ち、直径制御パラメータ（ＣＰ）を検出する直径制御パラメータ検出手段（Ｍ１４）と、前記直径制御パラメータ検出手段（Ｍ１４）が検出した直径制御パラメータ（ＣＰ）と該直径制御パラメータ（ＣＰ）の目標値との差をとって偏差信号（ＤＥＶ）を生成する偏差信号生成手段（Ｍ１６）とを具備し、前記シード上昇速度操作量生成手段（Ｍ１０）は、前記偏差信号生成手段（Ｍ１６）が生成した偏差信号（ＤＥＶ）に基づいて、前記シード上昇速度（ＳＬ）の操作量、即ち、シード上昇速度操作量（ＳＬＣ）を生成し、前記温度操作量生成手段（Ｍ１２）は、前記偏差信号生成手段（Ｍ１６）が生成した偏差信号（ＤＥＶ）に基づいて、前記温度操作量（ＴＣ）を生成することを特徴とする。
【００３５】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記シード上昇速度操作量生成手段（Ｍ１０）は、前記結晶成長直径（ＧＤ）の変動履歴に応答する要素を含まない伝達関数で表現され、前記偏差信号（ＤＥＶ）の変動に応じた信号を前記シード上昇速度操作量（ＳＬＣ）として出力し、前記温度操作量生成手段（Ｍ１２）は、積分要素を含む伝達関数で表現され、前記偏差信号（ＤＥＶ）の履歴に応じた信号を前記温度操作量（ＴＣ）として出力することを特徴とする。
【００３６】
また、請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、前記直径制御パラメータ（ＣＰ）は、前記結晶体（１０）が成長した重量、即ち、結晶成長重量（ＧＷ）であり、前記シード上昇速度操作量生成手段（Ｍ１０）は、微分要素を含む伝達関数で表現され、前記温度操作量生成手段（Ｍ１２）は、積分要素を含む伝達関数１段で表現されることを特徴とする。
【００３７】
また、請求項４記載の発明は、請求項２記載の発明において、前記直径制御パラメータ（ＣＰ）は、前記結晶成長直径（ＧＤ）であり、前記シード上昇速度操作量生成手段（Ｍ１０）は、比例要素を含む伝達関数で表現され、前記温度操作量生成手段（Ｍ１２）は、積分要素を含む伝達関数２段で表現されることを特徴とする。
【００３８】
また、請求項５記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記シード上昇速度操作量生成手段（Ｍ１０）の伝達関数と前記温度操作量生成手段（Ｍ１２）の伝達関数との比が二形以上の制御系を構成することを特徴とする。
【００３９】
また、請求項６記載の発明は、請求項５記載の発明において、前記シード上昇速度操作量生成手段（Ｍ１０）は、前記直径制御パラメータ（ＣＰ）の直径成分に対する比例要素、微分要素およびこれらの組み合わせから選択して構成され、不足熱量に対する固化重量を結晶体（１０）の断面積と該結晶体（１０）の引き上げ長さの２成分に分配することを特徴とする。
【００４０】
また、請求項７記載の発明は、請求項５記載の発明において、前記直径制御パラメータ（ＣＰ）は、前記結晶体（１０）が成長した重量、即ち、結晶成長重量（ＧＷ）であり、前記シード上昇速度操作量生成手段（Ｍ１０）は、微分要素を含む伝達関数で表現され、前記温度操作量生成手段（Ｍ１２）は、積分要素を含む伝達関数１段で表現されることを特徴とする。
【００４１】
また、請求項８記載の発明は、請求項５記載の発明において、前記直径制御パラメータ（ＣＰ）は、前記結晶成長直径（ＧＤ）であり、前記シード上昇速度操作量生成手段（Ｍ１０）は、比例要素を含む伝達関数で表現され、前記温度操作量生成手段（Ｍ１２）は、積分要素を含む伝達関数２段で表現されることを特徴とする。
【００４２】
【発明の実施の形態】
（発明の概要）
本発明の特徴は、偏差信号ＤＥＶに基づいて、シード上昇速度操作量ＳＬＣと温度操作量ＴＣをそれぞれ独立に生成することにある。即ち、シード上昇速度ＳＬの変化による結晶成長直径ＧＤの迅速な収束と、ヒーター温度の変化による不足熱量の変動抑制をそれぞれ独立して行う。これにより、シード上昇速度ＳＬは、結晶成長直径ＧＤの収束に作用し、温度操作量ＴＣは、不足熱量の変動を抑制して、結晶成長直径ＧＤの収束作用によって変化したシード上昇速度ＳＬを収束させる。その結果、結晶成長直径ＧＤとシード上昇速度ＳＬの２値制御が好適に達成される（図３参照）。
【００４３】
（発明プロセス）
本発明者は、以下に示すプロセスを通して、上記従来の課題を解決し得る本発明を完成させるに至った。
【００４４】
まず、結晶体の成長直径（以下、「結晶成長直径ＧＤ」という）の変動に影響を与える要因としては、結晶体の引き上げ速度（以下、「シード上昇速度ＳＬ」という）と、不足熱量が考えられる。ここで、シード上昇速度ＳＬは、種結晶（以下、「シード」という）を上昇させる移動機構に依存するパラメータであり、比較的変動しにくいパラメータである。
【００４５】
これに対し、不足熱量は、ルツボとヒーターとの距離、ホットゾーン部品の設置状態および劣化、該ホットゾーン部品を冷却する冷却水の水温変化等によって変化し、シード上昇速度ＳＬに比べて変動しやすいパラメータである。
【００４６】
そこで、結晶成長直径ＧＤの変動の主な原因は、不足熱量の変動であると仮定し、結晶成長直径ＧＤの変動に応じて不足熱量を制御する構成を採用した。
【００４７】
しかし、不足熱量の制御には、ヒーター温度の変化という遅れ要素の多い制御手段が用いられるため、この構成のみでは、結晶成長直径ＧＤの変動に対する応答速度が遅くなる。
【００４８】
そこで、結晶成長直径ＧＤの変動に対する応答速度を速くする手段として、結晶成長直径ＧＤの変動に応じてシード上昇速度ＳＬを変化させる構成を採用した。ただし、結晶体の２値制御においては、シード上昇速度ＳＬを所定の目標値に収束させる必要があることにも留意しなければならない。即ち、結晶体の２値制御では、結晶成長直径ＧＤとシード上昇速度ＳＬの双方を所望の目標値に収束させることが重要である。
【００４９】
ここで、上記思考プロセスを逆行し、シード上昇速度ＳＬが目標値からずれる原因を再度考えてみると、このずれは、結晶成長直径ＧＤの変動を抑えるための該シード上昇速度ＳＬの変化であることがわかる。さらに、この思考プロセスを逆行すると、結晶成長直径ＧＤの変動は、不足熱量の変動が原因であることがわかる。
【００５０】
従って、不足熱量の変動を解消すれば、結晶成長直径ＧＤが目標値に収束し、その結果、シード上昇速度ＳＬも目標値に収束することが予想できる。換言すると、結晶成長直径ＧＤが目標値と一致しているときは、シード上昇速度ＳＬも目標値と一致していることになる。即ち、結晶体の２値制御が達成される。
【００５１】
このように、結晶成長直径ＧＤの変動に応じて、シード上昇速度ＳＬと不足熱量をそれぞれ独立に変化させれば、結晶成長直径ＧＤとシード上昇速度ＳＬの双方を所望の値に収束させることが可能になる。
【００５２】
次に、本発明者は、シード上昇速度ＳＬをどのように変化させるかについて検討し、次のような結論を得た。即ち、シード上昇速度ＳＬは、２値制御の制御目標であるため、シード上昇速度ＳＬの操作量（以下、「シード上昇速度操作量ＳＬＣ」という）が発散方向に働く要素を当該操作量の生成ブロックに含めることは好ましくない。発散方向に働く要素として考えられるのは、過去の変動履歴に応答する要素、即ち、直径偏差の積分要素と、重量偏差の比例要素および積分要素である。
【００５３】
従って、シード上昇速度操作量ＳＬＣの生成ブロックは、微分要素と比例要素を用いて構成することが好適である。この微分要素と比例要素の好適な組み込み方は、重量式と光学式で若干異なり、具体的な構成については、後の説明で明らかにする。
【００５４】
続いて、本発明者は、不足熱量をどのように変化させるかについて検討し、次のような結論を得た。即ち、不足熱量が変動する主な原因は、ルツボの上昇であり、ルツボが上昇すると、該上昇した分だけヒーターとの距離が離れて、メルトへの供給熱量が減少するとともに、ルツボおよびメルトからの放出熱が増加するのである。
【００５５】
従って、不足熱量の変動を押さえるには、ルツボが上昇した分だけヒーターの温度を上昇させる必要がある。前述したヒーター温度の理想パターンは、このような観点から導出され、不足熱量の制御に寄与し得る。しかし、前述したように、理想パターンのみでは、環境変化に左右されやすいため、理想パターンのみに依存しない構成が好適である。
【００５６】
そこで、本発明者は、理想パターンに代わる構成を見出すべく、まず、理想パターンの導出方法を詳細に検討した。その結果を以下に示す。尚、以下の説明において、結晶体の育成は、液位一定の条件で行い、結晶体育成中のルツボの温度は一定とする。
【００５７】
図１は、一般的な引き上げ装置におけるヒーターとルツボの位置関係を示す断面図である。同図に示すように、メルト１２を収容したルツボ１４の周りには、該メルト１２に熱を供給するヒーター１６が配設される。そして、このような系においては、ヒーター１６からメルト１２に向かって、ＱＩＮの熱量が供給され、結晶体１０、メルト１２およびルツボ１４からＱＯＵＴの熱量が放出される。
【００５８】
ルツボ１４の高さをＬ、ヒーター１６の上面からルツボ１４の上面までの高さをｘとすると、ヒーター１６とルツボ１４の間の熱抵抗は、
ここで：ＫＩＮ＝供給側比例定数；
上式で表すことができる。
【００５９】
また、ルツボ１４と該ルツボ１４周辺雰囲気との間の熱抵抗は、
ここで：ＫＯＵＴ＝放出側比例定数；
上式で表すことができる。
【００６０】
従って、供給側と放出側の熱伝導性（コンダクタンス）は、それぞれ、
上記のようになる。
【００６１】
従って、ヒーター１６の温度をＴＨ、ルツボ１４の温度をＴＣとすると、ヒーター１６からルツボ１４に供給される熱量ＱＩＮと、ルツボ１４から放出される熱量ＱＯＵＴは、それぞれ、
上記のようになる。
【００６２】
そして、不足熱量は、
上式で定義される。
【００６３】
次に、ルツボ１４が上昇したときの熱量変化を考える。即ち、ｘがΔｘだけ変化したときのＱＩＮおよびＱＯＵＴの変化量ΔＱＩＮおよびΔＱＯＵＴは、
上式で表すことができる。
【００６４】
ここで、ＱＩＮおよびＱＯＵＴがΔＱＩＮおよびΔＱＯＵＴだけ変化すると、不足熱量が変動する。従って、この変動分をヒーター１６の温度で押さえるには、
上記の方程式を満たす必要がある。
【００６５】
続いて、式１０から式７を引いて、上記方程式を展開すると、
上式のようになる。
【００６６】
この式に式３、式８、式９を代入すると、
となり、これをさらに展開して、
上式を得る。
【００６７】
そして、この式を積分して、
ここで：Ｃ＝積分定数；
上式を得る。
【００６８】
さらに、この式を展開して、
上式を得る。
【００６９】
そして、ｘ＝０のときのＴＨをＴ０として、上式中のＣを解くと、
上記のようになる。
【００７０】
そして、この式を式１５に代入して、
ヒーター温度の理想パターンを示す上式を得る。
【００７１】
図２は、式１７で表現されるヒーター温度の理想パターンを図示するグラフである。同図に示すように、ヒーター温度の理想パターンは、ルツボ１４の上昇に対してある関数をもって上昇する曲線となる。
【００７２】
ここで、同図に示す−０．２Ｌ〜０．４Ｌまでの範囲が引き上げ領域の一般的な範囲である。従って、ヒーター温度を変化させる範囲は、−０．２Ｌ〜０．４Ｌまでの範囲でよい。よって、ヒーター温度の理想パターンは、
上記一次関数の集合で近似可能、即ち、線形区分近似が可能であることがわかる。
【００７３】
そこで、本発明者は、上記線形区分近似可能な温度パターンがフィードバック制御系で生成可能であると考え、これを実現する構成を模索した。その課程を以下に示す。
【００７４】
まず、前述したように、本発明では、結晶成長直径ＧＤの変動に応じて不足熱量を制御する構成を採用するため、温度制御系の入力は、結晶成長直径ＧＤの変動量に対応した信号（以下、「偏差信号ＤＥＶ」という）となる。
【００７５】
前述したように、結晶成長直径ＧＤ変動の主な原因は、不足熱量の変動であり、不足熱量の変動の主な原因は、ルツボの上昇である。従って、ルツボが上昇するたびに、上記偏差信号ＤＥＶが正の値を持つことになる。
【００７６】
そこで、本発明者は、この偏差信号ＤＥＶの正の値を変動履歴として積算すれば、前記温度パターンが生成可能であると考え、多くのシミュレーションと実験を通じて、偏差信号ＤＥＶの積分値が前記温度パターンとして有効に機能することを明らかにした。このように、偏差信号ＤＥＶから生成された温度パターンは、引き上げ環境の変化を吸収し、多彩な環境下におけるそれぞれの理想パターンに自己整合する。
【００７７】
直径制御パラメータ（一般的には、結晶体の直径と重量）の相違に関係なく、統一した概念で本発明の制御概念を説明すると、次のようになる。
【００７８】
第１は、直径から見た伝達関数が二形の制御系を構成することである。第２は、引き上げ速度から見た伝達関数が二形の制御系を構成することである。
【００７９】
第３は、不足熱量を制御して固化重量を目的の重量に合わせる機能は、温度制御系に持たせて、該温度制御系を不足熱量の制御に最適な態様で構成することである。換言すると、引き上げ速度の制御には、固化重量を結晶体の面積と引き上げ長さに分配する機能を持たせて、直径成分に対する積分要素を含まない構成とする。このような構成を実現するために、本発明では、直径制御パラメーターの偏差を速度制御系と温度制御系に並列入力する。
【００８０】
第４は、上記第１乃至第３の概念において、積分要素を最少の段数で構成し、制御系の最も安定した状態を得ることである。
【００８１】
本発明は、上記観点から構成された発明であり、結晶体２値制御の発展に寄与する技術を提供する。
【００８２】
（第１の形態）
本形態は、偏差信号ＤＥＶの並列入力に関する構成を例示する。
【００８３】
図３は、本発明の第１の形態に係る２値制御装置の構成を示す概念図である。以下、同図に基づいて、本発明の第１の形態の構成を説明する。
【００８４】
結晶体１０は、本発明によって製造される目的物であり、単結晶シリコンやその他、引き上げによって製造される各種結晶体が該当する。本発明では、この結晶体１０の結晶成長直径ＧＤと、該結晶体１０を成長させる際のシード上昇速度ＳＬとを所望の値に収束させる。
【００８５】
メルト１２は、結晶体１０の原料を溶融させた原料融液であり、単結晶シリコンを製造する場合には、多結晶シリコンを溶融してこのメルト１２を生成する。
【００８６】
ルツボ１４は、メルト１２を収容する容器であり、単結晶シリコンの製造では、黒鉛るつぼの内側に石英るつぼを積層して形成されたものが一般に使用される。このルツボ１４は、メルト１２の液位を一定にするために、結晶体１０の固化量に応じて上昇する。
【００８７】
ヒーター１６は、ルツボ１４の外周に配設され、外部からの制御信号に従って、メルト１２への供給熱量を制御する。この制御の概要を簡単に説明すると、次のようになる。即ち、ルツボ１４の上昇によって、ヒーター１６とルツボ１４の間の距離が大きくなると、メルト１２に対する供給熱量が少なくなり、不足熱量が大きくなる。その結果、結晶体１０が固化しやすくなって、結晶成長直径ＧＤが変動する。この変動を解消するために、ヒーター１６の温度を上昇させて、不足熱量を所定の値に収束させる。
【００８８】
シード１８は、結晶体１０の種となる結晶であり、結晶体１０を成長させる際には、まず、このシード１８をメルト１２の表面に浸漬し、該浸漬したシード１８を静かに回転させながら上方に引き上げる。いわゆるネッキングによる無転位化を行う。その後、該シード１８を所定の引き上げ速度、即ち、シード上昇速度ＳＬで引き上げて、該シード１８の下に結晶体１０を成長させる。結晶体１０は、シード１８がメルト１２に触れた際に、メルト１２が該シード１８を通して熱を失い、その結果、シード１８の下にメルト１２が凝固して成長する。このとき、結晶体１０は、シード１８の結晶方位に従って成長する。このシード１８は、シードチャック２０を介してワイヤー２２に固定され、ワイヤードラム２４の巻き取り動作によって上昇する。
【００８９】
直径制御パラメータ検出手段Ｍ１４は、前記結晶成長直径ＧＤの制御に寄与するパラメータ、即ち、直径制御パラメータＣＰを検出し、該検出した値を偏差信号生成手段Ｍ１６に出力する。直径制御パラメータＣＰとしては、結晶体１０が成長した重量（以下、「結晶成長重量ＧＷ」という）と、結晶成長直径ＧＤが使用できる。これらのパラメータは、それぞれ、重量センサ２６および直径センサ２８を用いて測定可能である。重量センサ２６の公知例としては、ロードセルと称されるひずみゲージ式の荷重測定器があり、一方、直径センサ２８の公知例としては、光学式の長さ測定器がある。
【００９０】
偏差信号生成手段Ｍ１６は、前記直径制御パラメータ検出手段Ｍ１４が検出した直径制御パラメータＣＰと該直径制御パラメータＣＰの目標値との差をとって偏差信号ＤＥＶを生成し、該生成した偏差信号ＤＥＶをシード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０と温度操作量生成手段Ｍ１２に出力する。具体的には、「直径制御パラメータＣＰ−目標値」が偏差信号ＤＥＶとなる。
【００９１】
ここで、直径制御パラメータＣＰとして、結晶成長重量ＧＷを使用する場合には、結晶体１０が所望の形状で成長したときの重量が前記直径制御パラメータＣＰの目標値となる。一方、直径制御パラメータＣＰとして、結晶成長直径ＧＤを使用する場合には、結晶体１０の所望直径が前記直径制御パラメータＣＰの目標値となる。これらの目標値は、結晶体１０が成長した長さ（以下、「結晶成長長さＧＬ」という）に対応させた設定値をプログラムパターンとして予め記憶しておく。そして、偏差信号生成手段Ｍ１６に入力する値は、実際の結晶成長長さＧＬを検出し、該検出した値と前記プログラムパターンとを対応させて決定する。
【００９２】
シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０は、前記偏差信号生成手段Ｍ１６が生成した偏差信号ＤＥＶに基づいて、シード上昇速度ＳＬの操作量（以下、「シード上昇速度操作量ＳＬＣ」という）を生成する。
【００９３】
シード上昇速度ＳＬは、前述した直径制御パラメータＣＰの目標値と同様に、所望の目標値が結晶成長長さＧＬと対応させて予め記憶される。そして、該記憶されたシード上昇速度ＳＬの目標値に前記生成されたシード上昇速度操作量ＳＬＣを減算して、シード上昇速度ＳＬを決定する。ワイヤードラム２４は、この決定されたシード上昇速度ＳＬに基づいて、ワイヤー２２を巻き取る。その結果、シード１８および結晶体１０は、該シード上昇速度ＳＬで上昇する。
【００９４】
ここで、シード上昇速度ＳＬは、２値制御の制御対象であるため、可能な限り速く目標値に収束させる必要がある。従って、シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０は、結晶成長直径ＧＤの変動履歴に応答する要素を含まないことが重要である。即ち、結晶成長直径ＧＤの変動履歴に応答する要素は、結晶成長直径ＧＤが一度でも変動すると、その後、定値を出力し続けるため、シード上昇速度ＳＬが発散するからである。
【００９５】
温度操作量生成手段Ｍ１２は、前記偏差信号生成手段Ｍ１６が生成した偏差信号ＤＥＶに基づいて、結晶体１０周辺の温度を操作する量（以下、「温度操作量ＴＣ」という）を生成する。この温度操作量ＴＣの生成には、前述の発明プロセスで説明したように、積分要素が利用される。これにより、環境の変化を吸収したヒーター１６温度の理想的なパターンが温度操作量ＴＣとして生成される。
【００９６】
従って、ヒーター温度の理想パターンを予め導出し、結晶成長長さＧＬに対応させて記憶しておく必要はなく、上記温度操作量ＴＣが自己整合的にヒーター温度の理想パターンを形成する。尚、本発明は、予め導出したヒーター温度の理想パターンを補助的に使用することを除外するものではない。即ち、本発明では、予め導出したヒーター温度の理想パターンを上記温度操作量ＴＣに加算して、ヒーター１６の温度を決定してもよい。このような構成により、結晶成長直径ＧＤの変化が急峻な部分、例えば、肩広げ初期や肩決め直下の好適な制御が期待できる。
【００９７】
ここで、図３に示したシード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０と温度操作量生成手段Ｍ１２の接続形態に着目すると、これらは、偏差信号生成手段Ｍ１６に並列接続された構成となっている。そこで、このような並列接続構成が結晶成長直径ＧＤとシード上昇速度ＳＬの２値制御に有効であるか否かを考察する。
【００９８】
まず、シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０の伝達関数をＧＶ（ｓ）、温度操作量生成手段Ｍ１２の伝達関数をＧＴ（ｓ）とし、引き上げ速度から見た伝達関数、即ち、これらの並列構成の合成伝達関数Ｇ（ｓ）をＧＴ（ｓ）／ＧＶ（ｓ）で定義する。
【００９９】
次に、偏差信号ＤＥＶをＥ（ｓ）、直径制御パラメータＣＰの変化をＲ（ｓ）とすると、偏差伝達関数は、
上記のようになる。
【０１００】
従って、定常偏差は、
上式で表現できる。
【０１０１】
前述の発明プロセスで説明したように、ヒーター温度の理想パターンは、図２に示すような曲線で変化する。従って、ヒーター温度の理想パターンが不足熱量を一定にするパターンであることを考慮すると、該パターンが不足熱量の変化を表し、結晶成長直径ＧＤの変動がこのパターンにおよそ従うと考えることができる。よって、直径制御パラメータＣＰの変化Ｒ（ｓ）は、一次関数で近似可能である。
【０１０２】
Ｒ（ｓ）を一次関数で表すと、１／ｓ２になるので、式２０は、
上記のように展開できる。
【０１０３】
従って、定常偏差εが０に収束するＧ（ｓ）は、
ここで：Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２、Ｃ１、Ｃ２、Ｄ１、Ｄ２＝ラプラス演算子ｓを含まない任意の変数；ｘ＝前記任意の変数から取り出し可能なラプラス演算子ｓの乗数；
上式を満たす必要がある。
【０１０４】
本発明では、このラプラス演算子ｓの乗数ｘに対応して、制御系の形式をｘ形と定義する。例えば、ｘ＝２の制御系は、二形制御系であり、ｘ＝３の制御系は、三形制御系である。従って、二形以上の制御系を構成すれば、定常偏差が０に収束し、結晶成長直径ＧＤとシード上昇速度ＳＬの２値制御が達成できる。換言すると、本発明に係る２値制御系は、並列二形制御系であると言える。
【０１０５】
従って、シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０と温度操作量生成手段Ｍ１２については、偏差信号生成手段Ｍ１６に対して並列に接続するとともに、これらの伝達関数の比が二形以上の制御系となるように、それぞれの伝達関数を決定する。
【０１０６】
以上説明した本発明の第１の形態によれば、シード上昇速度操作量ＳＬＣおよび温度操作量ＴＣが偏差信号ＤＥＶに基づいて生成されるため、シード上昇速度ＳＬを結晶成長直径ＧＤの収束手段として使用し、ヒーターの温度をシード上昇速度ＳＬの収束手段としてそれぞれ独立に使用することができる。その結果、結晶成長直径ＧＤとシード上昇速度ＳＬの２値制御が自己整合的に達成できる。さらに、このような偏差信号ＤＥＶを速度制御系と温度制御系に並列入力する構成によれば、それぞれの制御に適した伝達関数を独立して使用することができるため、安定した２値制御が可能となる。
【０１０７】
（第２の形態）
本発明の第２の形態は、重量式引き上げ装置への本発明の適用可能性を例示する。
【０１０８】
図４は、本発明の第２の形態に係る２値制御装置の構成を示すブロック図である。以下、同図（ａ）に基づいて、本発明の第２の形態の構成を説明する。尚、前述した第１の形態に準ずる構成要素については、同一符号を付して説明を省略し、以下の説明では、第１の形態と異なる部分を主に説明する。
【０１０９】
直径制御パラメータ検出手段Ｍ１４は、結晶成長重量ＧＷを直径制御パラメータＣＰとして検出し、該検出した値を偏差信号生成手段Ｍ１６に出力する。
【０１１０】
偏差信号生成手段Ｍ１６は、直径制御パラメータ検出手段Ｍ１４が検出した結晶成長重量ＧＷと該結晶成長重量ＧＷの目標値との差（以下、「重量偏差ＧＷＤ」という）を生成し、該生成した重量偏差ＧＷＤをシード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０と温度操作量生成手段Ｍ１２に出力する。
【０１１１】
シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０は、微分項を含む伝達関数で表現され、重量偏差ＧＷＤの変動に応じた信号をシード上昇速度操作量ＳＬＣとして出力する。シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０を微分要素で構成した理由は、前述の発明プロセスで説明したように、シード上昇速度ＳＬを結晶成長直径ＧＤの収束手段として使用するからである。
【０１１２】
即ち、結晶成長直径ＧＤが変動すると、結晶成長重量ＧＷの変化率が変動し、該変動に追従して重量偏差ＧＷＤが変化する。従って、重量偏差ＧＷＤの変化は、結晶成長直径ＧＤの変動を意味するため、重量偏差ＧＷＤの変化に応じてシード上昇速度ＳＬを変化させれば、結晶成長直径ＧＤを目標値に収束させることができる。微分要素は、重量偏差ＧＷＤの変化を捉えて、該変化の量に応じた信号を出力するため、シード上昇速度操作量ＳＬＣの生成手段として好適である。
【０１１３】
ここで、シード上昇速度ＳＬが２値制御の制御対象であることに留意する必要がある。即ち、重量偏差ＧＷＤに応じてシード上昇速度ＳＬを変化させた場合には、重量偏差ＧＷＤを０にすることで該シード上昇速度ＳＬを即座に目標値に戻す必要がある。この目標値に戻るまでの時間が長いと、結晶体１０の品質に影響するからである。
【０１１４】
従って、シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０に結晶成長直径ＧＤの変動履歴に応答する要素を含めることは好ましくない。当該要素は、シード上昇速度ＳＬを発散させる方向に作用するからである。重量式の場合、この要素に該当するのは、積分要素と比例要素である。
【０１１５】
積分要素は、重量偏差ＧＷＤの値を積算してゆくため、一旦、重量偏差ＧＷＤが値を持つと、シード上昇速度ＳＬが発散する。比例要素は、以下のように作用する。
【０１１６】
即ち、重量偏差ＧＷＤは、結晶成長重量ＧＷが結晶体１０の全体が所望形状で成長したときの目標値と比較されて生成された信号であるため、ルツボ１４の上昇によって発生する不足熱量の増加は、単位時間当たりの固化重量を増加させる。即ち、重量偏差ＧＷＤが増加する。シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０の微分要素は、重量偏差ＧＷＤの増加を鋭く捉え、温度の上昇による働きとともに重量偏差ＧＷＤの勾配を無くす方向に作用する。この勾配が０になるまでの間（シード上昇速度操作量が０になるまでの間）、重量偏差ＧＷＤの値が蓄積される。その結果、重量偏差ＧＷＤは、長い引き上げ時間の間では、例えば、数時間ごとの階段状変化として増加してゆく（図６（ａ）参照）。
【０１１７】
結晶成長直径ＧＤとシード上昇速度ＳＬの２値制御では、このように増加した重量偏差ＧＷＤを０にするよりも、結晶成長直径ＧＤとシード上昇速度ＳＬを目標値に収束させることが重要である。比例要素は、重量偏差ＧＷＤを０に収束させる方向に作用し、シード上昇速度ＳＬの不要な変化をもたらす。
【０１１８】
このことを別の観点から述べると、重量偏差ＧＷＤが０にならなくても、重量偏差ＧＷＤの勾配が０になれば、結晶成長直径ＧＤは目標値に収束する。従って、重量偏差ＧＷＤを過去の履歴に遡って補償する必要はない。本発明では、この重量偏差ＧＷＤの履歴が以後の引き上げプロセスにおいて温度の操作量を決定する情報となる。
【０１１９】
温度操作量生成手段Ｍ１２は、積分項を含む伝達関数で表現され、重量偏差ＧＷＤの履歴に応じた信号を前記温度操作量ＴＣとして出力する。温度操作量生成手段Ｍ１２に積分要素を含める理由は、前述の発明プロセスで説明した通りである。尚、この温度操作量生成手段Ｍ１２については、微分要素および比例要素が弊害となることはなく、同図に示すように、ＰＩＤとして使用可能である。
【０１２０】
次に、この第２の形態の構成が二形以上の制御系を構成するか否かを検証する。尚、以下の説明では、ＫＶ＝速度変換定数、ＫＴ＝温度変換定数、ＴＤＶ＝速度制御系微分時間、ＴＤＴ＝温度制御系微分時間、ＴＩＶ＝速度制御系積分時間、ＴＩＴ＝温度制御系積分時間、αＶ＝速度制御系微分係数、αＴ＝温度制御系微分係数とする。
【０１２１】
まず、シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０の伝達関数ＧＶ（ｓ）の完全微分形を考えてみると、該ＧＶ（ｓ）は、
上記のように表現できる。
【０１２２】
一方、ＧＴ（ｓ）は、ＰＩＤであるので、
上記のようになる。
【０１２３】
従って、合成伝達関数Ｇ（ｓ）は、
上式のようになり、Ｓ２が分母に存在するので、当該構成は、二形であることがわかる。
【０１２４】
次に、シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０の伝達関数ＧＶ（ｓ）の不完全微分形を考えてみると、該ＧＶ（ｓ）は、
上記のように表現できる。
【０１２５】
一方、ＧＴ（ｓ）は、ＰＩＤであるので、
上記のようになる。
【０１２６】
従って、合成伝達関数Ｇ（ｓ）は、
上式のようになり、Ｓ２が分母に存在するので、当該構成は、二形であることがわかる。
【０１２７】
ここで、同図（ａ）に示すブロック図は、同図（ｂ）に示すブロック図に変換することができる。この同図（ｂ）に示すブロック構成は、同図（ａ）に示すブロック構成と同様に、結晶成長直径ＧＤの制御に関して二形制御系であるとともに、シード上昇速度ＳＬの制御に関しても二形制御系であることがわかる。さらに、図４（ａ）に示す構成は、最少の積分要素で目的を達成しているため、安定な制御系となることがわかる。
【０１２８】
以上、微分要素が完全微分および不完全微分の双方で二形制御系となることが確認できた。従って、以後、二形制御系であるか否かを確認する際には、制御系で一般的に使用される不完全微分のみを考察する。
【０１２９】
次に、積分要素を多段接続した場合について考えてみる。
【０１３０】
まず、図４の温度操作量生成手段Ｍ１２のＰＩＤブロックに積分要素をカスケード接続した場合について考えてみると、当該構成の合成伝達関数Ｇ（ｓ）も三形の制御系になり、理想ヒーター温度のパターンが一次以上の関数であっても、シード上昇速度ＳＬは定常偏差なく収束する。従って、温度操作量生成手段Ｍ１２を２段以上の積分要素で構成することも有効である。ただし、積分要素の段数を増加した場合には、ハンチングが起こりやすくなるため、安定した制御系を構築したい場合には、積分要素を最小の段数とすることが好ましい。
【０１３１】
図５は、本発明の第２の形態の変形例を示すブロック図である。同図に示すように、シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０は、１次微分要素Ｄ１と２次微分要素Ｄ２の和で構成することができる。以下、同図に示す構成が二形以上の制御系を構成するか否かを検証する。
【０１３２】
まず、シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０の伝達関数ＧＶ（ｓ）の不完全微分形を考えてみると、該ＧＶ（ｓ）は、
上記のように表現できる。
【０１３３】
ＧＴ（ｓ）は、式２７と同じであるため、合成伝達関数Ｇ（ｓ）は、
上式のようになり、Ｓ２が分母に存在するので、当該構成は、二形であることがわかる。また、結晶成長直径ＧＤの制御に関して二形制御系であるとともに、シード上昇速度ＳＬの制御に関しても二形制御系であることがわかる。さらに、当該各構成は、最少の積分要素で目的を達成しているため、安定な制御系となることがわかる。
【０１３４】
図６は、本発明の第２の形態の作用を説明する模式的タイムチャートである。同図（ａ）は、重量偏差ＧＷＤの挙動を示し、同図（ｂ）は、該重量偏差ＧＷＤの挙動に基づいて生成されたシード上昇速度操作量ＳＬＣと、温度操作量ＴＣの変化を示す。以下、この図６に基づいて、第２の形態の作用を説明する。
【０１３５】
まず、ルツボ１４が上昇すると、供給熱量と放出熱量の均衡がくずれて、不足熱量が大きくなる。その結果、結晶体１０が固化しやすくなり、結晶成長重量ＧＷが増加する。結晶成長重量ＧＷが増加すると、同図（ａ）に示すように、重量偏差ＧＷＤが増加する。
【０１３６】
シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０は、重量偏差ＧＷＤを微分して、同図（ｂ）に示すような重量偏差ＧＷＤの変化に対応した操作量、即ち、シード上昇速度操作量ＳＬＣを生成する。その結果、結晶成長直径ＧＤが目標値に向かって収束し始める。
【０１３７】
同時に、温度操作量生成手段Ｍ１２は、重量偏差ＧＷＤを積分して、温度操作量ＴＣを増加させる。その結果、該温度操作量ＴＣの増加に応じて、ヒーター１６の温度が上昇し、不足熱量が変動前の値に近づいてゆく。
【０１３８】
不足熱量が所定値に近づくにつれて、結晶体１０の固化しやすさが元に戻り、重量偏差ＧＷＤの増加がやわらぐ。その結果、シード上昇速度操作量ＳＬＣが減少し、結晶成長直径ＧＤが目標値に収束した時点で０になる。即ち、結晶成長直径ＧＤとシード上昇速度ＳＬが目標値に収束する。この状態が続くと、重量偏差ＧＷＤは定値で安定し、同図（ａ）の水平部分の出力となる。
【０１３９】
そして、再び、ルツボ１４の上昇によって、不足熱量が大きくなると、上記のような作用を繰り返し、結晶成長直径ＧＤとシード上昇速度ＳＬを目標値に収束させる。
【０１４０】
上記作用の繰り返しによる挙動パターンを同図に示したタイムチャートに基づいて説明すると、まず、重量偏差ＧＷＤは、結晶成長直径ＧＤの挙動に応じて、増加と安定を繰り返し、同図（ａ）に示すような階段状の出力となる。一方、シード上昇速度操作量ＳＬＣは、重量偏差ＧＷＤの勾配に反応して増加し、重量偏差ＧＷＤが安定方向に向かうと０に収束する作用を繰り返し、同図（ｂ）のＳＬＣに示すような出力となる。他方、温度操作量ＴＣは、重量偏差ＧＷＤの大きさに応じた傾きで増加し、同図（ｂ）のＴＣに示すような温度パターンを出力する。換言すると、この温度パターンは、重量偏差ＧＷＤの履歴の積算値として出力されるパターンであり、結晶成長系の複雑な環境変化を吸収した理想的なパターンとなる。
【０１４１】
尚、同図に示したタイムチャートは、実際の成長モデルを簡易化して示したものであり、実際の挙動は、同図に示すものよりも複雑となる。
【０１４２】
以上説明した本発明の第２の形態によれば、重量偏差ＧＷＤの変動に応じて、シード上昇速度操作量ＳＬＣが生成され、温度操作量ＴＣが自己整合的にヒーター温度の理想パターンを形成するため、シード上昇速度ＳＬの変動を最小限に押さえた構成で結晶成長直径ＧＤの収束が期待できる。その結果、好適な２値制御が達成される。
【０１４３】
ここで、補足説明として、再度、シード上昇速度ＳＬの比例要素の不利益な作用について述べる。重量偏差がある値を持って安定しているとき（一定値）は、温度の操作量が一定の勾配で増加して安定している。ここで、重量偏差を０に収束させる比例要素は、温度の操作量の一定勾配の増加を止め、その傾きを減少させる。このため、比例要素を含む速度制御系は、温度を上げなければならないときに温度を下げる方向に作用し、制御系が不安定となってハンチングを起こすと考えられる。
【０１４４】
（第３の形態）
本発明の第３の形態は、光学式引き上げ装置への本発明の適用可能性を例示する。
【０１４５】
図７は、本発明の第３の形態に係る２値制御装置の構成を示すブロック図である。以下、同図に基づいて、本発明の第３の形態の構成を説明する。尚、前述した第１の形態に準ずる構成要素については、同一符号を付して説明を省略し、以下の説明では、第１の形態と異なる部分を主に説明する。
【０１４６】
直径制御パラメータ検出手段Ｍ１４は、結晶成長直径ＧＤを直径制御パラメータＣＰとして検出し、該検出した値を偏差信号生成手段Ｍ１６に出力する。
【０１４７】
偏差信号生成手段Ｍ１６は、直径制御パラメータ検出手段Ｍ１４が検出した結晶成長直径ＧＤと該結晶成長直径ＧＤの目標値との差（以下、「直径偏差ＧＤＤ」という）を生成し、該生成した直径偏差ＧＤＤをシード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０と温度操作量生成手段Ｍ１２に出力する。
【０１４８】
シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０は、比例項を含む伝達関数で表現され、直径偏差ＧＤＤに応じた信号をシード上昇速度操作量ＳＬＣとして出力する。シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０を比例要素で構成した理由は、直径偏差ＧＤＤが０となったときに結晶成長直径ＧＤが目標値となるからである。
【０１４９】
ここで、シード上昇速度ＳＬが２値制御の制御対象であることに留意すると、直径偏差ＧＤＤの増加によって変化させたシード上昇速度ＳＬは、即座に目標値に戻す必要がある。前述したように、この目標値に戻るまでの時間が長いと、結晶体１０の品質に影響するからである。
【０１５０】
従って、シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０に結晶成長直径ＧＤの変動履歴に応答する要素を含めることは好ましくない。当該要素は、シード上昇速度ＳＬを発散させる方向に作用するからである。光学式の場合、この要素に該当するのは、直径偏差ＧＤＤの値を積算する積分要素である。
【０１５１】
温度操作量生成手段Ｍ１２は、積分項を含む伝達関数で表現され、直径偏差ＧＤＤの履歴に応じた信号を前記温度操作量ＴＣとして出力する。温度操作量生成手段Ｍ１２に積分要素を含める理由は、前述の発明プロセスで説明した通りである。尚、この温度操作量生成手段Ｍ１２については、微分要素および比例要素が弊害となることはなく、同図に示すように、ＰＩＤとして使用可能である。
【０１５２】
次に、この第３の形態の構成が二形以上の制御系を構成するか否かを検証する。まず、シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０の伝達関数ＧＶ（ｓ）は、
上記のようになる。
【０１５３】
そして、ＧＴ（ｓ）は、
上記のようになる。
【０１５４】
従って、合成伝達関数Ｇ（ｓ）は、
上式のように表現でき、Ｓ２が分母に存在するので、当該構成は、二形であることがわかる。また、結晶成長直径ＧＤの制御に関して二形制御系であるとともに、シード上昇速度ＳＬの制御に関しても二形制御系であることがわかる。さらに、当該各構成は、最少の積分要素で目的を達成しているため、安定な制御系となることがわかる。
【０１５５】
温度操作量生成手段Ｍ１２のＰＩＤブロックに積分要素を３段以上カスケード接続した構成については、前述した第２の形態と同様に、三形となるため、理想ヒーター温度のパターンが一次以上の関数であってもシード上昇速度ＳＬは定常偏差なく収束する。ただし、積分要素の段数増加は、ハンチングの原因となるため、注意が必要である。
【０１５６】
図８は、本発明の第３の形態の変形例を示すブロック図である。同図に示すように、シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０は、比例要素と微分要素の和で構成することができる。以下、同図に示す構成が二形以上の制御系を構成するか否かを検証する。
【０１５７】
まず、シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０の伝達関数ＧＶ（ｓ）は、
上記のように表現できる。
【０１５８】
ＧＴ（ｓ）は、式３２と同じであるため、合成伝達関数Ｇ（ｓ）は、
上式のようになり、Ｓ２が分母に存在するので、当該構成は、二形であることがわかる。また、結晶成長直径ＧＤの制御に関して二形制御系であるとともに、シード上昇速度ＳＬの制御に関しても二形制御系であることがわかる。さらに、当該各構成は、最少の積分要素で目的を達成しているため、安定な制御系となることがわかる。
【０１５９】
図９は、本発明の第３の形態の作用を説明する模式的タイムチャートである。同図（ａ）は、直径偏差ＧＤＤの挙動を示し、同図（ｂ）は、該直径偏差ＧＤＤが積分要素１段通過した後の出力を示し、同図（ｃ）は、該直径偏差ＧＤＤの挙動に基づいて生成されたシード上昇速度操作量ＳＬＣと、温度操作量ＴＣの変化を示す。以下、この図９に基づいて、第３の形態の作用を説明する。
【０１６０】
まず、ルツボ１４が上昇すると、供給熱量と放出熱量の均衡がくずれて、不足熱量が大きくなる。その結果、結晶体１０が固化しやすくなり、結晶成長直径ＧＤが増加する。結晶成長直径ＧＤが増加すると、同図（ａ）に示すように、直径偏差ＧＤＤが増加する。
【０１６１】
シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０の比例要素は、直径偏差ＧＤＤを定数倍して、同図（ｃ）に示すような直径偏差ＧＤＤの大きさに対応した操作量を生成する。その結果、結晶成長直径ＧＤが目標値に向かって収束し始める。
【０１６２】
同時に、温度操作量生成手段Ｍ１２は、直径偏差ＧＤＤを積分して、結晶成長直径ＧＤの変動履歴を積算値として生成する。そして、さらに、この積算値を積分して、温度操作量ＴＣを増加させる。その結果、該温度操作量ＴＣの増加に応じて、ヒーター１６の温度が上昇し、不足熱量が変動前の値に近づいてゆく。
【０１６３】
不足熱量が所定値に近づくにつれて、結晶体１０の固化しやすさが元に戻り、直径偏差ＧＤＤの増加がやわらぐ。その結果、シード上昇速度操作量ＳＬＣが減少し、結晶成長直径ＧＤが目標値に収束した時点で０になる。即ち、結晶成長直径ＧＤとシード上昇速度ＳＬが目標値に収束する。この状態が続くと、直径偏差ＧＤＤは０で安定し、同図（ａ）の水平部分の出力となる。
【０１６４】
そして、再び、ルツボ１４の上昇によって、不足熱量が大きくなると、上記のような作用を繰り返し、結晶成長直径ＧＤとシード上昇速度ＳＬを目標値に収束させる。
【０１６５】
上記作用の繰り返しによる挙動パターンを同図に示したタイムチャートに基づいて説明すると、まず、直径偏差ＧＤＤは、結晶成長直径ＧＤの挙動に応じて、増加と安定を繰り返し、同図（ａ）に示すような出力となる。従って、直径偏差ＧＤＤに応答するシード上昇速度操作量ＳＬＣは、同図（ｃ）のＳＬＣのようになる。
【０１６６】
一方、直径偏差ＧＤＤの積分値は、直径偏差ＧＤＤが変動するたびに積算されて、同図（ｂ）に示すような階段状の出力となる。その結果、温度操作量ＴＣは、直径偏差ＧＤＤの積分値、即ち、同図（ｂ）に示す積分出力値に応じた傾きで増加し、同図（ｃ）のＴＣに示すような温度パターンを出力する。換言すると、この温度パターンは、直径偏差ＧＤＤの履歴の積算値として出力されるパターンであり、結晶成長系の複雑な環境変化を吸収した理想的なパターンとなる。
【０１６７】
尚、同図に示したタイムチャートは、実際の成長モデルを簡易化して示したものであり、実際の挙動は、同図に示すものよりも複雑となる。
【０１６８】
以上説明した本発明の第３の形態によれば、直径偏差ＧＤＤの大きさに応じたシード上昇速度操作量ＳＬＣが生成され、温度操作量ＴＣが自己整合的にヒーター温度の理想パターンを形成するため、シード上昇速度ＳＬの変動を最小限に押さえた構成で結晶成長直径ＧＤの収束が期待できる。その結果、好適な２値制御が達成される。
【０１６９】
ここで、補足的説明として、本形態でシード上昇速度ＳＬに積分要素を持った場合、シード上昇速度ＳＬの積分要素の不利益な点について述べる。直径偏差が０で安定していても過去に直径偏差を持った履歴があると、該積分要素は、操作量を持つ。従って、直径と引き上げ速度の両方が目標値に収束した安定状態を得ることができないと考えられる。過去の履歴において、直径偏差の正方向の積分値と負方向の積分値が一致してキャンセルアウトする条件であれば、２値制御可能であるといえるが、引き上げ法による理想温度パターンは、前述のように一定ではなく、最低一次関数的に増加するため、このような条件は存在しないと考えられる。
【０１７０】
たとえ、前述の従来技術で説明した第３の技術のように、ヒーター温度の理想パターンを併用したとしても、理想パターンは、結晶引き上げのバッチごとに異なるため、正方向の積分値と負方向の積分値を一致させて、キャンセルアウトすることは、事実上困難であると考えられる。
【０１７１】
【実施例】
（要約）
重量偏差ＧＷＤをＤ型速度操作アンプ７２とＰＩＤ型温度操作アンプ７４に並列入力し、シード上昇速度操作量ＳＬＣと温度操作量ＴＣをそれぞれ独立に生成する。該シード上昇速度操作量ＳＬＣは、シード上昇速度ＳＬを変化させて結晶成長直径ＧＤを収束させ、温度操作量ＴＣは、ヒーター温度を変化させて不足熱量を所定値に収束させる（図１３参照）。
【０１７２】
（好適な実施例）
図１０は、本発明の好適な実施例に係る結晶体の２値制御装置の構成を示す一部断面図である。以下、同図に基づいて、該２値制御装置の構成を説明する。この実施例では、重量式と光学式を同時に説明し、本発明がいずれの方法でも実施可能であることを明確にする。尚、前述の発明の実施形態で説明した構成要素については、同一符号を付して詳細説明を省略する。また、以下の説明において、信号名の後ろに付加した＜＞は、単位を示すものとする。
【０１７３】
主制御部３０は、シード制御部３２と、ルツボ制御部４８と、ヒーター制御部３４とを駆使して、結晶成長直径ＧＤとシード上昇速度ＳＬの２値制御を実行する。この主制御部３０は、該２値制御を達成するために、シード上昇速度ＳＬと、ルツボの上昇速度と、ヒーターの温度を決定し、該決定した値をシード制御部３２と、ルツボ制御部４８と、ヒーター制御部３４にそれぞれ出力する。さらに、この主制御部３０は、メルト１２の液位を一定にするために、結晶体１０の成長に伴って、ルツボ１４を所定の比率で上昇させる液位一定制御を行う。尚、この液位一定制御は、公知の技術であるため、その詳細については省略し、以下の説明では、シード１８の上昇高さが結晶成長長さＧＬと等価であるものとして説明する。
【０１７４】
シード制御部３２は、シード１８の昇降および回転に関する制御機構と結晶成長重量ＧＷを測定する重量センサ２６を有し（図１１参照）、主制御部３０が決定したシード上昇速度ＳＬでシード１８を上昇させる。
【０１７５】
ルツボ制御部４８は、ルツボ１４の昇降および回転に関する制御機構を有し（図１１参照）、主制御部３０が決定した速度でルツボ１４を上昇させる。
【０１７６】
ヒーター制御部３４は、主制御部３０の出力ＨＰＷＲ＜ｖｏｌｔ＞信号に基づいて、ＨＣＮＴ＜Ｗ／ｈ＞信号を生成し、該生成した信号をヒーター１６に出力する。その結果、ヒーター１６は、ＨＣＮＴ＜Ｗ／ｈ＞に応じて発熱し、ルツボ１４に熱量が供給される。
【０１７７】
直径センサ２８は、メルト１２の上方に配設され、結晶成長直径ＧＤを光学的に検出する。そして、該検出した値をＧＤ＜ｖｏｌｔ＞信号として主制御部３０に出力する。この直径センサ２８は、光学式の場合に使用する。
【０１７８】
保温筒４０は、ヒーター１６の外周に配設され、ヒーター１６から放出された熱をその内側に保持し、ルツボ１４への供熱効率を向上させる。
【０１７９】
温度センサ４２は、保温筒４０の内部に配設され、保温筒４０周辺温度を検出する。そして、該検出した温度をＴＭＰ＜ｖｏｌｔ＞信号として主制御部３０に出力する。尚、この温度センサ４２に代えて、保温筒４０の周辺に放射温度計を配設し、保温筒４０の内側を構成するシールド材の温度を測定してもよい。
【０１８０】
チャンバー３８は、結晶体１０と、ルツボ１４やヒーター１６等のホットゾーン部品をその内部に気密収容する。このチャンバー３８内には、アルゴンガスが供給される。
【０１８１】
ルツボシャフト４６は、ルツボ支持台４４の下面に固定され、ルツボ制御部４８から供給された動力によって、昇降および回転する。ルツボ支持台４４は、ルツボ１４をその上面に載置し、ルツボシャフト４６の上下動および回転に追従して移動する。その結果、ルツボ１４が昇降および回転する。
【０１８２】
図１１は、図１０に示したシード制御部３２とルツボ制御部４８の構成を示すブロック図である。以下、同図に基づいて、シード制御部３２とルツボ制御部４８の構成を説明する。
【０１８３】
第１モーターアンプ５４−１は、主制御部３０の出力ＳＬ＜ｖｏｌｔ＞信号を設定信号として受け取り、第１ギア５２−１の回転速度を参照しながらモーター駆動電力ＳＣＮＴ＜ｖｏｌｔ＞を生成する。そして、該生成した信号を第１モーター５０−１に出力する。
【０１８４】
第１モーター５０−１は、第１モーターアンプ５４−１の出力ＳＣＮＴに応じて第１ギア５２−１を回転させる。その結果、ワイヤードラム２４が回転して、ワイヤー２２が巻き取られ、シード１８が上昇する。尚、シード１８を下降させる場合には、第１モーター５０−１を逆回転させる。
【０１８５】
第１ロータリーエンコーダ５６−１は、第１ギア５２−１の回転速度をパルス信号に変換して、第１パルスカウンタ５８−１に出力する。第１パルスカウンタ５８−１は、第１ロータリーエンコーダ５６−１から受信したパルス信号を計数し、この計数した結果をＳＬＨ信号（シード上昇高さ）として主制御部３０に出力する。尚、シード１８が下降しているときは、第１パルスカウンタ５８−１の計数値がデクリメントされる。
【０１８６】
シード制御部３２内には、同図に示した構成の他、シード１８を回転させる構成が設けられる。この構成は、上述したシード１８を上昇させる構成に準ずるものであり、ここでは説明を省略する。
【０１８７】
第２モーターアンプ５４−２は、主制御部３０の出力ＣＬ＜ｖｏｌｔ＞信号を設定信号として受け取り、第２ギア５２−２の回転速度を参照しながらモーター駆動電力ＣＣＮＴ＜ｖｏｌｔ＞を生成する。そして、該生成した信号を第２モーター５０−２に出力する。
【０１８８】
第２モーター５０−２は、第２モーターアンプ５４−２の出力ＣＣＮＴに応じて第２ギア５２−２を回転させる。その結果、ルツボシャフト４６が上方向に移動して、ルツボ１４が上昇する。尚、ルツボ１４を下降させる場合には、第２モーター５０−２を逆回転させる。
【０１８９】
ルツボ制御部４８内には、同図に示した構成の他、ルツボ１４を回転させる構成が設けられる。この構成は、上述したルツボ１４を上昇させる構成に準ずるものであり、ここでは説明を省略する。
【０１９０】
図１２は、図１０に示したヒーター制御部３４の構成を示すブロック図である。同図に示すように、ヒーター制御部３４は、サイリスタと電力センサを用いたフィードバック制御系で構成される。このような構成は、周知の技術であるため、詳細な説明は省略する。
【０１９１】
図１３は、図１０に示した主制御部３０の重量式に係る第１ブロックの構成を示すブロック図である。以下、同図を用いて、この重量式に係る第１ブロックの構成を説明する。尚、以下の説明では、伝達関数に含まれるパラメータを次のように統一して使用する。
【０１９２】
ＫＶ＝速度変換定数、ＫＴ＝温度変換定数、ＴＤＶ＝速度制御系微分時間、ＴＤＴ＝温度制御系微分時間、ＴＩＶ＝速度制御系積分時間、ＴＩＴ＝温度制御系積分時間、αＶ＝速度制御系微分係数、αＴ＝温度制御系微分係数、ＰＶ＝速度制御系比例ゲイン、ＰＴ＝温度制御系比例ゲイン。
【０１９３】
第１アンプ６６−１は、デジタル入力信号ＳＬＨをＳＬＨ＜ｍｍ＞に変換し、該ＳＬＨ＜ｍｍ＞を結晶成長長さＧＬ＜ｍｍ＞とし、該生成した値を第１演算実行部６８−１と、目標直径決定部７８と、図１４に示す目標速度決定部８０に出力する。尚、上記第１アンプ６６−１および第３アンプ６６−３の後段は、ソフトウェアで構成する。
【０１９４】
目標直径決定部７８は、結晶成長長さＧＬに対応する目標直径をプログラムパターンとして予め記憶し、ＧＬ＜ｍｍ＞を該プログラムパターンに当てはめて、該当する目標直径を決定する。そして、該決定した値をＧＤ（ＧＬ）＜ｍｍ＞として第１演算実行部６８−１と、図１４に示す第２演算実行部６８−２に出力する。
【０１９５】
第１演算実行部６８−１は、
ここで：Ｄｃｒｙｓｔａｌ＝結晶体１０の比重；π＝円周率；ＧＬ＝結晶成長長さ；ＧＤ（ＧＬ）＝目標直径；
上記演算を実行して、前記目標直径に対応する目標重量を予測する。そして、該予測した重量ＧＰＷ＜ｇ＞を第２減算器７０−２に出力する。
【０１９６】
第３アンプ６６−３は、アナログ入力信号ＧＷ＜ｖｏｌｔ＞をＧＷ＜ｇ＞に変換し、該ＧＷ＜ｇ＞を第２減算器７０−２およびルツボ直径決定部８２に出力する。この第３アンプ６６−３の後段は、ソフトウェアで構成する。
【０１９７】
第２減算器７０−２は、ＧＰＷ＜ｇ＞とＧＷ＜ｇ＞の差をとって、重量偏差ＧＷＤ＜ｇ＞を生成し、該生成した値をＤ型速度操作アンプ７２と、ＰＩＤ型温度操作アンプ７４に出力する。
【０１９８】
Ｄ型速度操作アンプ７２は、
上記伝達関数でＧＷＤ＜ｇ＞を処理して、シード上昇速度操作量ＳＬＣ＜ｍｍ／ｍｉｎ＞を生成する。そして、該生成した値を図１４に示す第５減算器７０−５に出力する。
【０１９９】
ＰＩＤ型温度操作アンプ７４は、
上記伝達関数でＧＷＤ＜ｇ＞を処理して、温度操作量ＴＣ＜℃＞を生成する。そして、該生成した値を図１５に示す第３減算器７０−３に出力する。
【０２００】
図１４は、図１０に示した主制御部３０の重量式に係る第２ブロックの構成を示すブロック図である。以下、同図を用いて、この重量式に係る第２ブロックの構成を説明する。
【０２０１】
目標速度決定部８０は、結晶成長長さＧＬに対応する目標速度をプログラムパターンとして予め記憶し、ＧＬ＜ｍｍ＞を該プログラムパターンに当てはめて、該当する目標速度を決定する。そして、該決定した値をＳＬ（ＧＬ）＜ｍｍ＞として第５減算器７０−５に出力する。
【０２０２】
第５減算器７０−５は、ＳＬ（ＧＬ）＜ｍｍ／ｍｉｎ＞とＳＬＣ＜ｍｍ／ｍｉｎ＞との差をとって、シード上昇速度ＳＬ＜ｍｍ／ｍｉｎ＞を生成する。そして、該生成した値を第４アンプ６６−４と第２演算実行部６８−２に出力する。
【０２０３】
第４アンプ６６−４は、上記第５減算器７０−５の出力をアナログ信号ＳＬ＜ｖｏｌｔ＞に変換し、図１１に示す第１モーターアンプ５４−１に出力する。この第４アンプ６６−４の後段は、ハードウェアで構成する。
【０２０４】
ルツボ直径決定部８２は、ルツボ１４の深さと該深さにおけるルツボ１４の直径とを対応させて予め記憶し、該記憶内容に基づいて、メルト１２の液面と接する部分のルツボ直径を決定する。具体的には、第３アンプ６６−３の出力ＧＷ＜ｇ＞を前記記憶したルツボ１４の深さに対応させて、該当するルツボ１４の直径を割り出す。そして、該決定した直径ＣＩ（ＧＬ）＜ｍｍ＞を第２演算実行部６８−２に出力する。
【０２０５】
第２演算実行部６８−２は、
ここで：Ｄｃｒｙｓｔａｌ＝結晶体１０の比重；ＧＤ（ＧＬ）＝目標直径；Ｄｍｅｌｔ＝メルト１２の比重；ＣＩ（ＧＬ）＝メルト１２の液面が接触した部分のルツボ１４の直径；ＳＬ＝シード上昇速度；
上記比率演算を実行して、液位を一定にするために必要なルツボ上昇速度ＣＬ＜ｍｍ／ｍｉｎ＞を算出する。そして、該算出した値を第５アンプ６６−５に出力する。
【０２０６】
第５アンプ６６−５は、ＣＬ＜ｍｍ／ｍｉｎ＞をアナログ信号ＣＬ＜ｖｏｌｔ＞に変換し、図１１に示す第２モーターアンプ５４−２に出力する。この第５アンプ６６−５の後段は、ハードウェアで構成する。
【０２０７】
図１５は、図１０に示した主制御部３０の第３ブロックの構成を示すブロック図である。以下、同図を用いて、この第３ブロックの構成を説明する。尚、このブロックは、重量式と光学式で共通である。
【０２０８】
第３減算器７０−３は、ヒーター１６の設定温度Ｔｓｅｔ＜℃＞とＴＣ＜℃＞との差をとって、ヒーター温度ＨＴ＜℃＞を生成する。そして、該生成した値を第６アンプ６６−６に出力する。
【０２０９】
第６アンプ６６−６は、ＨＴ＜℃＞をアナログ信号ＨＴ＜ｖｏｌｔ＞に変換し、第４減算器７０−４に出力する。この第６アンプ６６−６の後段は、ハードウェアで構成する。
【０２１０】
第４減算器７０−４は、ＨＴ＜ｖｏｌｔ＞信号と温度センサ４２の出力ＴＭＰ＜ｖｏｌｔ＞との差をとって、温度偏差ＨＴＤ＜ｖｏｌｔ＞を生成する。そして、該生成した信号をＰＩＤ型温度制御アンプ８４に出力する。
【０２１１】
ＰＩＤ型温度制御アンプ８４は、
上記伝達関数でＨＴＤ＜ｖｏｌｔ＞を処理して、電力信号ＨＰＷＲ＜ｖｏｌｔ＞を生成する。そして、該生成した値を図１０に示すヒーター制御部３４に出力する。
【０２１２】
図１６は、図１０に示した主制御部３０の光学式に係る第１ブロックの構成を示すブロック図である。本発明に係る２値制御装置を光学式で構成する場合には、この同図に示す第１ブロックを図１３に示した重量式に係る第１ブロックに代えて使用する。以下、この図１６を用いて、この光学式に係る第１ブロックの構成を説明する。尚、重量式に係る第１ブロックと同一の構成要素については、同一符号を付して説明を省略し、以下の説明では、重量式に係る第１ブロックと異なる部分を主に説明する。
【０２１３】
第７アンプ６６−７は、図１０に示した直径センサ２８のアナログ出力ＧＤ＜ｖｏｌｔ＞をＧＤ＜ｍｍ＞に変換し、該ＧＤ＜ｍｍ＞を第２減算器７０−２と、図１７に示す第３演算実行部６８−３に出力する。この第７アンプ６６−７の後段は、ソフトウェアで構成する。
【０２１４】
第２減算器７０−２は、目標直径決定部７８が生成したＧＤ（ＧＬ）＜ｍｍ＞とＧＤ＜ｍｍ＞との差をとって、直径偏差ＧＤＤ＜ｍｍ＞を生成する。そして、該生成した値をＰＤ型速度操作アンプ８６と、Ｉ型温度操作アンプ８８に出力する。
【０２１５】
ＰＤ型速度操作アンプ８６は、
上記伝達関数でＧＤＤ＜ｍｍ＞を処理して、シード上昇速度操作量ＳＬＣ＜ｍｍ／ｍｉｎ＞を生成する。そして、該生成した値を図１７に示す第５減算器７０−５に出力する。
【０２１６】
Ｉ型温度操作アンプ８８は、
上記伝達関数でＧＤＤ＜ｍｍ＞を処理して、その結果をＰＩＤ型温度操作アンプ７４に出力する。ＰＩＤ型温度操作アンプ７４は、前述した重量式と同じ形態のものを使用し、各定数は、別途調整する。尚、Ｉ型温度操作アンプ８８とＰＩＤ型温度操作アンプ７４の接続順序は、同図に示すものと逆にしてもよい。
【０２１７】
図１７は、図１０に示した主制御部３０の光学式に係る第２ブロックの構成を示すブロック図である。本発明に係る２値制御装置を光学式で構成する場合には、この同図に示す第２ブロックを図１４に示した重量式に係る第２ブロックに代えて使用する。以下、この図１７を用いて、この光学式に係る第２ブロックの構成を説明する。尚、重量式に係る第２ブロックと同一の構成要素については、同一符号を付して説明を省略し、以下の説明では、重量式に係る第２ブロックと異なる部分を主に説明する。
【０２１８】
ルツボ直径決定部８２は、ルツボ１４の深さと該深さにおけるルツボ１４の直径とを対応させて予め記憶し、該記憶した内容に基づいて、メルト１２の液面と接する部分のルツボ直径を決定する。具体的には、ＧＬ＜ｍｍ＞とＧＤ＜ｍｍ＞とを用いて、結晶成長重量ＧＷを算出し、該算出した値を前記記憶したルツボ１４の深さに対応させて、該当する直径を割り出す。
【０２１９】
第３演算実行部６８−３は、
ここで：Ｄｃｒｙｓｔａｌ＝結晶体１０の比重；ＧＤ＝検出直径；Ｄｍｅｌｔ＝メルト１２の比重；ＣＩ（ＧＬ）＝メルト１２の液面が接触した部分のルツボ１４の直径；ＳＬ＝シード上昇速度；
上記比率演算を実行して、液位を一定にするために必要なルツボ上昇速度ＣＬ＜ｍｍ／ｍｉｎ＞を算出する。そして、該算出した値を第５アンプ６６−５に出力する。
【０２２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、安定した２値制御の達成に有効な結晶体の２値制御装置を提供することができる。
【０２２１】
また、本発明の第１の形態によれば、シード上昇速度操作量ＳＬＣおよび温度操作量ＴＣが偏差信号ＤＥＶに基づいて生成されるため、シード上昇速度ＳＬを結晶成長直径ＧＤの収束手段として使用し、ヒーターの温度をシード上昇速度ＳＬの収束手段としてそれぞれ独立に使用することができる。その結果、結晶成長直径ＧＤとシード上昇速度ＳＬの２値制御が自己整合的に達成できる。さらに、このような偏差信号ＤＥＶを速度制御系と温度制御系に並列入力する構成によれば、それぞれの制御に適した伝達関数を独立して使用することができるため、安定した２値制御が可能となる。
【０２２２】
また、本発明の第２の形態によれば、重量偏差ＧＷＤの変動に応じて、シード上昇速度操作量ＳＬＣが生成され、温度操作量ＴＣが自己整合的にヒーター温度の理想パターンを形成するため、シード上昇速度ＳＬの変動を最小限に押さえた構成で結晶成長直径ＧＤの収束が期待できる。その結果、好適な２値制御が達成される。
【０２２３】
また、本発明の第３の形態によれば、直径偏差ＧＤＤの大きさに応じたシード上昇速度操作量ＳＬＣが生成され、温度操作量ＴＣが自己整合的にヒーター温度の理想パターンを形成するため、シード上昇速度ＳＬの変動を最小限に押さえた構成で結晶成長直径ＧＤの収束が期待できる。その結果、好適な２値制御が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的な引き上げ装置におけるヒーターとルツボの位置関係を示す断面図である。
【図２】式１７で表現されるヒーター温度の理想パターンを図示するグラフである。
【図３】本発明の第１の形態に係る２値制御装置の構成を示す概念図である。
【図４】本発明の第２の形態に係る２値制御装置の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の第２の形態の変形例を示すブロック図である。
【図６】本発明の第２の形態の作用を説明する模式的タイムチャートである。
【図７】本発明の第３の形態に係る２値制御装置の構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の第３の形態の変形例を示すブロック図である。
【図９】本発明の第３の形態の作用を説明する模式的タイムチャートである。
【図１０】本発明の好適な実施例に係る結晶体の２値制御装置の構成を示す一部断面図である。
【図１１】図１０に示したシード制御部３２とルツボ制御部４８の構成を示すブロック図である。
【図１２】図１０に示したヒーター制御部３４の構成を示すブロック図である。
【図１３】図１０に示した主制御部３０の重量式に係る第１ブロックの構成を示すブロック図である。
【図１４】図１０に示した主制御部３０の重量式に係る第２ブロックの構成を示すブロック図である。
【図１５】図１０に示した主制御部３０の第３ブロックの構成を示すブロック図である。
【図１６】図１０に示した主制御部３０の光学式に係る第１ブロックの構成を示すブロック図である。
【図１７】図１０に示した主制御部３０の光学式に係る第２ブロックの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０…結晶体、１２…メルト、１４…ルツボ、１６…ヒーター、１８…シード、２０…シードチャック、２２…ワイヤー、２４…ワイヤードラム、２６…重量センサ、２８…直径センサ、３０…主制御部、３２…シード制御部、３４…ヒーター制御部、３８…チャンバー、４０…保温筒、４２…温度センサ、４４…ルツボ支持台、４６…ルツボシャフト、４８…ルツボ制御部、５０−１…第１モーター、５０−２…第２モーター、５２−１…第１ギア、５２−２…第２ギア、５４−１…第１モーターアンプ、５４−２…第２モーターアンプ、５６−１…第１ロータリーエンコーダ、５８−１…第１パルスカウンタ、６０…サイリスタコントローラ、６２…交流直流変換器、６４…電力センサ、６６−１…第１アンプ、６６−３…第３アンプ、６６−４…第４アンプ、６６−５…第５アンプ、６６−６…第６アンプ、６６−７…第７アンプ、６８−１…第１演算実行部、６８−２…第２演算実行部、６８−３…第３演算実行部、７０−２…第２減算器、７０−３…第３減算器、７０−４…第４減算器、７０−５…第５減算器、７２…Ｄ型速度操作アンプ、７４…ＰＩＤ型温度操作アンプ、７８…目標直径決定部、８０…目標速度決定部、８２…ルツボ直径決定部、８４…ＰＩＤ型温度制御アンプ、８６…ＰＤ型速度操作アンプ、８８…Ｉ型温度操作アンプ、Ｍ１０…シード上昇速度操作量生成手段、Ｍ１２…温度操作量生成手段、Ｍ１４…直径制御パラメータ検出手段、Ｍ１６…偏差信号生成手段、ＣＰ…直径制御パラメータ、ＤＥＶ…偏差信号、ＧＤ…結晶成長直径、ＧＤＤ…直径偏差、ＧＬ…結晶成長長さ、ＧＷ…結晶成長重量、ＧＷＤ…重量偏差、ＳＬ…シード上昇速度、ＳＬＣ…シード上昇速度操作量、ＴＣ…温度操作量
【発明の属する技術分野】
本発明は、結晶体の２値制御装置に関し、特に、安定した２値制御の達成に有効な結晶体の２値制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
チョクラルスキー法に代表される単結晶の引き上げ製造法においては、製造された結晶体の直径と該結晶体を引き上げた速度の履歴が結晶体の品質を決める上での重要なパラメータとなる。
【０００３】
従って、従来から、直径と引き上げ速度の双方を所望の値に収束させるＣＺ法の開発が進められており、既に実施化されているものも幾つか見られる。これらの開発された諸技術は、それぞれ特有の興味深い特徴を有し、特有の効果を達成している。以下、これらの代表的な特徴を説明する。
【０００４】
第１の技術は、メルト加熱用のヒーターの温度のみを変化させて、結晶体の成長直径を制御する技術である。ヒーターの温度を変化させる理由は、引き上げ結晶体とメルトの界面から放出される熱量と、該界面近傍に流入する熱量との差（以下、「不足熱量」という）を制御するためである。即ち、不足熱量は、結晶体が単位時間当たりに固化する重量（以下、「固化重量」という）を決定する凝固潜熱と密接に関連し、この不足熱量が増加すると、結晶体の重量が所望の値よりも重くなる。その結果、結晶体の成長直径は、該重量の増加に対応して大きくなる。従って、ヒーターの温度を上げて、不足熱量を減少させれば、結晶体の成長直径を所望の値に収束させることができる。
【０００５】
当該技術では、引き上げ速度を所望の値に固定することができるため、制御対象が１つでよく、結晶体をゆっくりと引き上げる製造装置では、比較的安定しやすい構成である。以下、この第１の技術が行うような不足熱量に着目した制御系を「温度制御系」という。
【０００６】
第２の技術は、結晶体の成長直径を引き上げ速度の調節で制御し、その結果、所望の値からずれた引き上げ速度の偏差に基づいて、ヒーターの温度を変化させる技術である。当該技術では、直径の変化に追従して引き上げ速度が即変化するため、前記第１の技術に比べて応答が速いことを特徴とする。以下、このような引き上げ速度の変化によって直径を制御する制御系を「速度制御系」という。この第２の技術を詳細に記載した文献としては、特公昭５２−４８１１１号公報および特公平７−５５８７８号公報がある。
【０００７】
第３の技術は、結晶体の成長直径を引き上げ速度で調節する一方、引き上げ開始から終了に至るまでのヒーター温度の理想パターンを導出し、該導出した理想パターンに基づいて、不足熱量を制御する技術である。当該技術では、速度制御系と温度制御系とを独立に構成することができるため、それぞれの制御系に適した設計が可能である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、第１の技術では、ヒーター温度の変化という遅れ要素の多い制御手段を用いているため、直径の変動に対する応答が遅れる。従って、この技術は、結晶体の引き上げ速度が極めて遅く、結晶体の製造に数日間を費やすガリウム・ヒ素等の製造には適しているが、引き上げ速度が速いシリコン等の製造には適していない。
【０００９】
一方、第２の技術は、現在主流となっている技術であり、この技術によれば、引き上げ速度の変化によって、結晶体の成長直径が好適に制御される。これは、引き上げ速度の変化に対する直径の応答がヒーター温度の変化に対する直径の応答に比べて、むだ時間や１次遅れの時定数が小さいため、引き上げ速度の操作が即、直径の収束動作に反映されるからである。
【００１０】
この第２の技術の速度制御系は、光学式の場合、「比例項＋積分項＋微分項」で構成され、重量式の場合、「比例項＋微分項」で構成される。ここで、光学式の積分項と重量式に比例項は、いずれも結晶体の直径変動の履歴に応答する要素であり、該速度制御系は、熱的環境が一定の場合に、目標値に対する定常偏差を０に収束させる一形の伝達関数（伝達関数の形の定義については後述する）で表現される。従って、制御目標である結晶体の直径は、引き上げ速度の変化によって、定常偏差なく目標値に収束する。
【００１１】
しかし、直径の制御に引き上げ速度を変化させた結果、該引き上げ速度は、その目標値との間に偏差を生じる。即ち、直径は目標値に収束するが、引き上げ速度が目標値からずれるため、２値制御が達成されないことになる。これは、引き上げ速度を変化させても、ヒーター温度とルツボの位置によって決まる不足熱量には影響しないため、結晶体の固化重量は、依然目標値からずれたままだからである。
【００１２】
換言すると、引き上げ速度は、固化重量を結晶体の断面積と引き上げ長さの２成分に分配する機能は有するが、固化重量を目標値に収束させる機能はなく、実際の固化重量が所望の直径と引き上げ速度を維持できる理想の値からずれている場合には、この引き上げ速度が偏差を持つことになるからである。
【００１３】
一般の引き上げ装置では、引き上げと同時にルツボを上昇させて、メルトの液位を一定にする液位一定制御が行われる。従って、不足熱量は、該ルツボの上昇によって常に変動するため、上記理想の値は維持できないことになる。これは、引き上げ速度が不足熱量の変動に追従して偏差を持つことを意味する。ここで、ルツボの位置は、結晶体の品質を決定する重要なパラメータであるため、結晶体の直径および引き上げ速度の制御手段としては使用できない。
【００１４】
そこで、上記従来技術では、温度制御系を速度制御系にカスケード接続して、結晶体の直径を収束させることによって発生した引き上げ速度の偏差をなくす構成を採用している。このカスケード制御系は、引き上げ速度の偏差を温度制御系に入力し、該温度制御系でＰＩＤ演算を行って、ヒーターの温度を制御するものである。
【００１５】
しかし、上記カスケード制御には、ヒーターの温度制御を行ったにもかかわらず、引き上げ速度が依然として誤差を有するという問題がある。後に詳細に説明するが、液位一定制御の引き上げにおいて、不足熱量を一定にするための理想的なヒーターの温度パターンは、一次以上の関数となる。そして、一般的な制御理論に従えば、目標値が一次関数（ランプ）の場合、一形制御系では、定常偏差を持ち、二形制御系では、定常偏差がなくなると考えられる。
【００１６】
特公昭５２−４８１１１号公報に記載されたカスケード制御では、重量偏差をＰＤ演算アンプとＰＩＤ演算アンプのカスケードに入力し、その出力をヒーター温度の操作量として与えている。従って、当該カスケード制御は、一形制御系を構成するため、重量偏差が定常偏差を持つことになる。
【００１７】
ここで、重量偏差が定常偏差を持っても、重量偏差が一定であれば、結晶体の直径は、定常偏差を持たない。しかし、上記従来技術では、重量偏差の「比例要素＋微分要素」を引き上げ速度の操作量としている為に、この比例要素が引き上げ速度に定常偏差を生じさせ、２値制御の負の要因となっていると思われる。
【００１８】
他方、別のカスケード制御を開示する特公平７ー５５８７８号では、直径偏差を２段のＰＩＤ演算アンプで構成した速度制御系と温度制御系のカスケード接続に入力し、この出力をヒーター温度の操作量として与えている。従って、当該制御系は、直径偏差に対しては、二形制御系を構成するため、結晶体の直径は、定常偏差を持たないと考えられるが、この制御系は、引き上げ速度の偏差を持つことが本発明者の実験によって確認されている。
【００１９】
温度制御系の伝達関数が一形である上記カスケード制御によって、ヒーター温度の操作量を理想的なヒーター温度パターン、例えば、一次関数に合わせるためには、引き上げ速度が常に定常偏差を持つことがわかる。これが引き上げ速度が目標値からずれて定常偏差を持つ理由と考えられる。当該構成では、速度制御系の積分要素が２値制御の負の要因と思われる。
【００２０】
上記問題を解決するために、温度制御系に積分要素（遅れ要素）を２〜３段設けて、引き上げ速度を目標値に収束させる技術も考えられているが、このように、温度制御系に多段の遅れ要素を設けると、ハンチング（制御不安定）が生じやすいという問題がある。
【００２１】
加えて、この第２の技術では、温度制御系が速度制御系に依存する構成、即ち、温度制御系と速度制御系とがカスケード接続されるため、それぞれに最適な制御系を構成することが困難である。つまり、温度制御系に適した伝達関数と速度制御系に適した伝達関数とは、互いに異なっており、温度制御系を速度制御系の従属構成とすると、温度制御系の設計自由度が速度制御系の構成に拘束されるからである。
【００２２】
一方、第３の技術では、不足熱量の制御が所定の理想パターンに依存するため、環境変化に弱いという欠点がある。即ち、結晶体周辺の熱環境は、装置ごとに異なり、該各装置の理想パターンが予め導出したパターンからずれる場合が多い。このため、ある装置で好適な結果が得られた理想パターンであっても、他の装置では使用できない場合が多く、実用化が困難であった。
【００２３】
また、理想パターンの導出には、多くの時間を要するため、装置ごとに理想パターンを作成することも困難であり、たとえ、作成したとしても引き上げ時の炉内部品のセッティング、ヒーターおよび黒鉛ルツボの経時変化、水温、気温等に左右され、やはり、理想パターンからずれることになる。
【００２４】
結晶体の引き上げ速度は、結晶体の直径やホットゾーンのサイズごとに異なるだけでなく、製造する品種によっても異なるため、これらの要素の掛け算分の理想パターンが必要である。さらに、上記経時変化は、理想パターンのマイナーチェンジを必要とし、使用者に理想パターンの度重なる導出を強要する。
【００２５】
上記のような理想パターンからのずれは、不足熱量が理想値からずれる原因となり、不足熱量のずれは、結晶体の成長直径に影響を与える。結晶体の成長直径が目標値からずれると、当該第３の技術に係る速度制御系は、結晶体の成長直径を目標値に収束させるべく、引き上げ速度を変化させる。その結果、結晶体の直径は、目標値に収束するが、引き上げ速度が目標値からずれ、前述した第２の技術と同様に、直径と速度の２値制御が達成できなくなる。
【００２６】
直径制御パラメータ（一般的には、結晶体の直径と重量）の相違に関係なく、統一した概念で上記問題点を整理すると、次のようになる。
【００２７】
まず、結晶体の２値制御は、直径と引き上げ速度の制御であり、状態変数（例えば、ヒーター温度やルツボ位置）の変化に応じて、固化重量を一定にするヒーター温度の理想パターンは、一次以上の関数である。
【００２８】
従って、直径と引き上げ速度に定常偏差を持たせないためには、直径に作用する伝達関数と、引き上げ速度に作用する伝達関数が二形以上であることが必要と考える。
【００２９】
ただし、重量偏差信号は、それ自体に直径の積分要素を有するため、直径制御に関しては、重量偏差信号に対して一形制御系を構成すれば、直径要素に対して二形制御系を構成すると考えられる。前述した従来の制御系は、直径または直径要素に対して、二形の制御系を構成しており、直径の定常偏差をなくす機能を有する。
【００３０】
しかし、引き上げ速度から見た伝達関数が一形の制御系であり、二形の制御系を構成していない。従って、引き上げ速度にずれが生じ、引き上げ速度に定常偏差を持つという従来技術に共通の第１の問題点が発生すると考えられる。
【００３１】
さらに、上記従来の制御系は、速度制御系の伝達関数に直径成分に対する積分要素を有し、引き上げ速度で直径を制御する第１の定値制御ＰＩＤを持つ。そして、該第１の定値制御ＰＩＤの操作量に基づいて、ヒーター温度を操作し、引き上げ速度を制御する第２の定値制御ＰＩＤが該第１の定値制御ＰＩＤにカスケード接続される。このため、２つのＰＩＤが干渉してハンチングする第２の問題点が発生すると考えられる。
【００３２】
一方、一部の装置では、前記第２の定値制御ＰＩＤの前段または後段に積分要素を持つ制御機能を追加して、引き上げ速度から見た伝達関数が二形となる制御系を構成するものがある。しかし、当該構成では、直径から見た伝達関数が三形となり、積分要素による遅れが生じる。このため、制御系が不安定となって、ハンチングする第３の問題点が発生すると考えられる。
【００３３】
そこで、本発明は、安定した２値制御の達成に有効な結晶体の２値制御装置を提供することを目的とする。
【００３４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、結晶体（１０）の引き上げ速度、即ち、シード上昇速度（ＳＬ）の操作量を生成するシード上昇速度操作量生成手段（Ｍ１０）と、該結晶体（１０）周辺の温度を操作する量、即ち、温度操作量（ＴＣ）を生成する温度操作量生成手段（Ｍ１２）とを具備し、該結晶体（１０）の成長直径、即ち、結晶成長直径（ＧＤ）および前記シード上昇速度（ＳＬ）をそれぞれの目標値に収束させる結晶体の２値制御装置において、前記結晶成長直径（ＧＤ）の制御に寄与するパラメータ、即ち、直径制御パラメータ（ＣＰ）を検出する直径制御パラメータ検出手段（Ｍ１４）と、前記直径制御パラメータ検出手段（Ｍ１４）が検出した直径制御パラメータ（ＣＰ）と該直径制御パラメータ（ＣＰ）の目標値との差をとって偏差信号（ＤＥＶ）を生成する偏差信号生成手段（Ｍ１６）とを具備し、前記シード上昇速度操作量生成手段（Ｍ１０）は、前記偏差信号生成手段（Ｍ１６）が生成した偏差信号（ＤＥＶ）に基づいて、前記シード上昇速度（ＳＬ）の操作量、即ち、シード上昇速度操作量（ＳＬＣ）を生成し、前記温度操作量生成手段（Ｍ１２）は、前記偏差信号生成手段（Ｍ１６）が生成した偏差信号（ＤＥＶ）に基づいて、前記温度操作量（ＴＣ）を生成することを特徴とする。
【００３５】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記シード上昇速度操作量生成手段（Ｍ１０）は、前記結晶成長直径（ＧＤ）の変動履歴に応答する要素を含まない伝達関数で表現され、前記偏差信号（ＤＥＶ）の変動に応じた信号を前記シード上昇速度操作量（ＳＬＣ）として出力し、前記温度操作量生成手段（Ｍ１２）は、積分要素を含む伝達関数で表現され、前記偏差信号（ＤＥＶ）の履歴に応じた信号を前記温度操作量（ＴＣ）として出力することを特徴とする。
【００３６】
また、請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、前記直径制御パラメータ（ＣＰ）は、前記結晶体（１０）が成長した重量、即ち、結晶成長重量（ＧＷ）であり、前記シード上昇速度操作量生成手段（Ｍ１０）は、微分要素を含む伝達関数で表現され、前記温度操作量生成手段（Ｍ１２）は、積分要素を含む伝達関数１段で表現されることを特徴とする。
【００３７】
また、請求項４記載の発明は、請求項２記載の発明において、前記直径制御パラメータ（ＣＰ）は、前記結晶成長直径（ＧＤ）であり、前記シード上昇速度操作量生成手段（Ｍ１０）は、比例要素を含む伝達関数で表現され、前記温度操作量生成手段（Ｍ１２）は、積分要素を含む伝達関数２段で表現されることを特徴とする。
【００３８】
また、請求項５記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記シード上昇速度操作量生成手段（Ｍ１０）の伝達関数と前記温度操作量生成手段（Ｍ１２）の伝達関数との比が二形以上の制御系を構成することを特徴とする。
【００３９】
また、請求項６記載の発明は、請求項５記載の発明において、前記シード上昇速度操作量生成手段（Ｍ１０）は、前記直径制御パラメータ（ＣＰ）の直径成分に対する比例要素、微分要素およびこれらの組み合わせから選択して構成され、不足熱量に対する固化重量を結晶体（１０）の断面積と該結晶体（１０）の引き上げ長さの２成分に分配することを特徴とする。
【００４０】
また、請求項７記載の発明は、請求項５記載の発明において、前記直径制御パラメータ（ＣＰ）は、前記結晶体（１０）が成長した重量、即ち、結晶成長重量（ＧＷ）であり、前記シード上昇速度操作量生成手段（Ｍ１０）は、微分要素を含む伝達関数で表現され、前記温度操作量生成手段（Ｍ１２）は、積分要素を含む伝達関数１段で表現されることを特徴とする。
【００４１】
また、請求項８記載の発明は、請求項５記載の発明において、前記直径制御パラメータ（ＣＰ）は、前記結晶成長直径（ＧＤ）であり、前記シード上昇速度操作量生成手段（Ｍ１０）は、比例要素を含む伝達関数で表現され、前記温度操作量生成手段（Ｍ１２）は、積分要素を含む伝達関数２段で表現されることを特徴とする。
【００４２】
【発明の実施の形態】
（発明の概要）
本発明の特徴は、偏差信号ＤＥＶに基づいて、シード上昇速度操作量ＳＬＣと温度操作量ＴＣをそれぞれ独立に生成することにある。即ち、シード上昇速度ＳＬの変化による結晶成長直径ＧＤの迅速な収束と、ヒーター温度の変化による不足熱量の変動抑制をそれぞれ独立して行う。これにより、シード上昇速度ＳＬは、結晶成長直径ＧＤの収束に作用し、温度操作量ＴＣは、不足熱量の変動を抑制して、結晶成長直径ＧＤの収束作用によって変化したシード上昇速度ＳＬを収束させる。その結果、結晶成長直径ＧＤとシード上昇速度ＳＬの２値制御が好適に達成される（図３参照）。
【００４３】
（発明プロセス）
本発明者は、以下に示すプロセスを通して、上記従来の課題を解決し得る本発明を完成させるに至った。
【００４４】
まず、結晶体の成長直径（以下、「結晶成長直径ＧＤ」という）の変動に影響を与える要因としては、結晶体の引き上げ速度（以下、「シード上昇速度ＳＬ」という）と、不足熱量が考えられる。ここで、シード上昇速度ＳＬは、種結晶（以下、「シード」という）を上昇させる移動機構に依存するパラメータであり、比較的変動しにくいパラメータである。
【００４５】
これに対し、不足熱量は、ルツボとヒーターとの距離、ホットゾーン部品の設置状態および劣化、該ホットゾーン部品を冷却する冷却水の水温変化等によって変化し、シード上昇速度ＳＬに比べて変動しやすいパラメータである。
【００４６】
そこで、結晶成長直径ＧＤの変動の主な原因は、不足熱量の変動であると仮定し、結晶成長直径ＧＤの変動に応じて不足熱量を制御する構成を採用した。
【００４７】
しかし、不足熱量の制御には、ヒーター温度の変化という遅れ要素の多い制御手段が用いられるため、この構成のみでは、結晶成長直径ＧＤの変動に対する応答速度が遅くなる。
【００４８】
そこで、結晶成長直径ＧＤの変動に対する応答速度を速くする手段として、結晶成長直径ＧＤの変動に応じてシード上昇速度ＳＬを変化させる構成を採用した。ただし、結晶体の２値制御においては、シード上昇速度ＳＬを所定の目標値に収束させる必要があることにも留意しなければならない。即ち、結晶体の２値制御では、結晶成長直径ＧＤとシード上昇速度ＳＬの双方を所望の目標値に収束させることが重要である。
【００４９】
ここで、上記思考プロセスを逆行し、シード上昇速度ＳＬが目標値からずれる原因を再度考えてみると、このずれは、結晶成長直径ＧＤの変動を抑えるための該シード上昇速度ＳＬの変化であることがわかる。さらに、この思考プロセスを逆行すると、結晶成長直径ＧＤの変動は、不足熱量の変動が原因であることがわかる。
【００５０】
従って、不足熱量の変動を解消すれば、結晶成長直径ＧＤが目標値に収束し、その結果、シード上昇速度ＳＬも目標値に収束することが予想できる。換言すると、結晶成長直径ＧＤが目標値と一致しているときは、シード上昇速度ＳＬも目標値と一致していることになる。即ち、結晶体の２値制御が達成される。
【００５１】
このように、結晶成長直径ＧＤの変動に応じて、シード上昇速度ＳＬと不足熱量をそれぞれ独立に変化させれば、結晶成長直径ＧＤとシード上昇速度ＳＬの双方を所望の値に収束させることが可能になる。
【００５２】
次に、本発明者は、シード上昇速度ＳＬをどのように変化させるかについて検討し、次のような結論を得た。即ち、シード上昇速度ＳＬは、２値制御の制御目標であるため、シード上昇速度ＳＬの操作量（以下、「シード上昇速度操作量ＳＬＣ」という）が発散方向に働く要素を当該操作量の生成ブロックに含めることは好ましくない。発散方向に働く要素として考えられるのは、過去の変動履歴に応答する要素、即ち、直径偏差の積分要素と、重量偏差の比例要素および積分要素である。
【００５３】
従って、シード上昇速度操作量ＳＬＣの生成ブロックは、微分要素と比例要素を用いて構成することが好適である。この微分要素と比例要素の好適な組み込み方は、重量式と光学式で若干異なり、具体的な構成については、後の説明で明らかにする。
【００５４】
続いて、本発明者は、不足熱量をどのように変化させるかについて検討し、次のような結論を得た。即ち、不足熱量が変動する主な原因は、ルツボの上昇であり、ルツボが上昇すると、該上昇した分だけヒーターとの距離が離れて、メルトへの供給熱量が減少するとともに、ルツボおよびメルトからの放出熱が増加するのである。
【００５５】
従って、不足熱量の変動を押さえるには、ルツボが上昇した分だけヒーターの温度を上昇させる必要がある。前述したヒーター温度の理想パターンは、このような観点から導出され、不足熱量の制御に寄与し得る。しかし、前述したように、理想パターンのみでは、環境変化に左右されやすいため、理想パターンのみに依存しない構成が好適である。
【００５６】
そこで、本発明者は、理想パターンに代わる構成を見出すべく、まず、理想パターンの導出方法を詳細に検討した。その結果を以下に示す。尚、以下の説明において、結晶体の育成は、液位一定の条件で行い、結晶体育成中のルツボの温度は一定とする。
【００５７】
図１は、一般的な引き上げ装置におけるヒーターとルツボの位置関係を示す断面図である。同図に示すように、メルト１２を収容したルツボ１４の周りには、該メルト１２に熱を供給するヒーター１６が配設される。そして、このような系においては、ヒーター１６からメルト１２に向かって、ＱＩＮの熱量が供給され、結晶体１０、メルト１２およびルツボ１４からＱＯＵＴの熱量が放出される。
【００５８】
ルツボ１４の高さをＬ、ヒーター１６の上面からルツボ１４の上面までの高さをｘとすると、ヒーター１６とルツボ１４の間の熱抵抗は、
上式で表すことができる。
【００５９】
また、ルツボ１４と該ルツボ１４周辺雰囲気との間の熱抵抗は、
上式で表すことができる。
【００６０】
従って、供給側と放出側の熱伝導性（コンダクタンス）は、それぞれ、
【００６１】
従って、ヒーター１６の温度をＴＨ、ルツボ１４の温度をＴＣとすると、ヒーター１６からルツボ１４に供給される熱量ＱＩＮと、ルツボ１４から放出される熱量ＱＯＵＴは、それぞれ、
【００６２】
そして、不足熱量は、
【００６３】
次に、ルツボ１４が上昇したときの熱量変化を考える。即ち、ｘがΔｘだけ変化したときのＱＩＮおよびＱＯＵＴの変化量ΔＱＩＮおよびΔＱＯＵＴは、
【００６４】
ここで、ＱＩＮおよびＱＯＵＴがΔＱＩＮおよびΔＱＯＵＴだけ変化すると、不足熱量が変動する。従って、この変動分をヒーター１６の温度で押さえるには、
【００６５】
続いて、式１０から式７を引いて、上記方程式を展開すると、
【００６６】
この式に式３、式８、式９を代入すると、
【００６７】
そして、この式を積分して、
上式を得る。
【００６８】
さらに、この式を展開して、
【００６９】
そして、ｘ＝０のときのＴＨをＴ０として、上式中のＣを解くと、
【００７０】
そして、この式を式１５に代入して、
【００７１】
図２は、式１７で表現されるヒーター温度の理想パターンを図示するグラフである。同図に示すように、ヒーター温度の理想パターンは、ルツボ１４の上昇に対してある関数をもって上昇する曲線となる。
【００７２】
ここで、同図に示す−０．２Ｌ〜０．４Ｌまでの範囲が引き上げ領域の一般的な範囲である。従って、ヒーター温度を変化させる範囲は、−０．２Ｌ〜０．４Ｌまでの範囲でよい。よって、ヒーター温度の理想パターンは、
【００７３】
そこで、本発明者は、上記線形区分近似可能な温度パターンがフィードバック制御系で生成可能であると考え、これを実現する構成を模索した。その課程を以下に示す。
【００７４】
まず、前述したように、本発明では、結晶成長直径ＧＤの変動に応じて不足熱量を制御する構成を採用するため、温度制御系の入力は、結晶成長直径ＧＤの変動量に対応した信号（以下、「偏差信号ＤＥＶ」という）となる。
【００７５】
前述したように、結晶成長直径ＧＤ変動の主な原因は、不足熱量の変動であり、不足熱量の変動の主な原因は、ルツボの上昇である。従って、ルツボが上昇するたびに、上記偏差信号ＤＥＶが正の値を持つことになる。
【００７６】
そこで、本発明者は、この偏差信号ＤＥＶの正の値を変動履歴として積算すれば、前記温度パターンが生成可能であると考え、多くのシミュレーションと実験を通じて、偏差信号ＤＥＶの積分値が前記温度パターンとして有効に機能することを明らかにした。このように、偏差信号ＤＥＶから生成された温度パターンは、引き上げ環境の変化を吸収し、多彩な環境下におけるそれぞれの理想パターンに自己整合する。
【００７７】
直径制御パラメータ（一般的には、結晶体の直径と重量）の相違に関係なく、統一した概念で本発明の制御概念を説明すると、次のようになる。
【００７８】
第１は、直径から見た伝達関数が二形の制御系を構成することである。第２は、引き上げ速度から見た伝達関数が二形の制御系を構成することである。
【００７９】
第３は、不足熱量を制御して固化重量を目的の重量に合わせる機能は、温度制御系に持たせて、該温度制御系を不足熱量の制御に最適な態様で構成することである。換言すると、引き上げ速度の制御には、固化重量を結晶体の面積と引き上げ長さに分配する機能を持たせて、直径成分に対する積分要素を含まない構成とする。このような構成を実現するために、本発明では、直径制御パラメーターの偏差を速度制御系と温度制御系に並列入力する。
【００８０】
第４は、上記第１乃至第３の概念において、積分要素を最少の段数で構成し、制御系の最も安定した状態を得ることである。
【００８１】
本発明は、上記観点から構成された発明であり、結晶体２値制御の発展に寄与する技術を提供する。
【００８２】
（第１の形態）
本形態は、偏差信号ＤＥＶの並列入力に関する構成を例示する。
【００８３】
図３は、本発明の第１の形態に係る２値制御装置の構成を示す概念図である。以下、同図に基づいて、本発明の第１の形態の構成を説明する。
【００８４】
結晶体１０は、本発明によって製造される目的物であり、単結晶シリコンやその他、引き上げによって製造される各種結晶体が該当する。本発明では、この結晶体１０の結晶成長直径ＧＤと、該結晶体１０を成長させる際のシード上昇速度ＳＬとを所望の値に収束させる。
【００８５】
メルト１２は、結晶体１０の原料を溶融させた原料融液であり、単結晶シリコンを製造する場合には、多結晶シリコンを溶融してこのメルト１２を生成する。
【００８６】
ルツボ１４は、メルト１２を収容する容器であり、単結晶シリコンの製造では、黒鉛るつぼの内側に石英るつぼを積層して形成されたものが一般に使用される。このルツボ１４は、メルト１２の液位を一定にするために、結晶体１０の固化量に応じて上昇する。
【００８７】
ヒーター１６は、ルツボ１４の外周に配設され、外部からの制御信号に従って、メルト１２への供給熱量を制御する。この制御の概要を簡単に説明すると、次のようになる。即ち、ルツボ１４の上昇によって、ヒーター１６とルツボ１４の間の距離が大きくなると、メルト１２に対する供給熱量が少なくなり、不足熱量が大きくなる。その結果、結晶体１０が固化しやすくなって、結晶成長直径ＧＤが変動する。この変動を解消するために、ヒーター１６の温度を上昇させて、不足熱量を所定の値に収束させる。
【００８８】
シード１８は、結晶体１０の種となる結晶であり、結晶体１０を成長させる際には、まず、このシード１８をメルト１２の表面に浸漬し、該浸漬したシード１８を静かに回転させながら上方に引き上げる。いわゆるネッキングによる無転位化を行う。その後、該シード１８を所定の引き上げ速度、即ち、シード上昇速度ＳＬで引き上げて、該シード１８の下に結晶体１０を成長させる。結晶体１０は、シード１８がメルト１２に触れた際に、メルト１２が該シード１８を通して熱を失い、その結果、シード１８の下にメルト１２が凝固して成長する。このとき、結晶体１０は、シード１８の結晶方位に従って成長する。このシード１８は、シードチャック２０を介してワイヤー２２に固定され、ワイヤードラム２４の巻き取り動作によって上昇する。
【００８９】
直径制御パラメータ検出手段Ｍ１４は、前記結晶成長直径ＧＤの制御に寄与するパラメータ、即ち、直径制御パラメータＣＰを検出し、該検出した値を偏差信号生成手段Ｍ１６に出力する。直径制御パラメータＣＰとしては、結晶体１０が成長した重量（以下、「結晶成長重量ＧＷ」という）と、結晶成長直径ＧＤが使用できる。これらのパラメータは、それぞれ、重量センサ２６および直径センサ２８を用いて測定可能である。重量センサ２６の公知例としては、ロードセルと称されるひずみゲージ式の荷重測定器があり、一方、直径センサ２８の公知例としては、光学式の長さ測定器がある。
【００９０】
偏差信号生成手段Ｍ１６は、前記直径制御パラメータ検出手段Ｍ１４が検出した直径制御パラメータＣＰと該直径制御パラメータＣＰの目標値との差をとって偏差信号ＤＥＶを生成し、該生成した偏差信号ＤＥＶをシード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０と温度操作量生成手段Ｍ１２に出力する。具体的には、「直径制御パラメータＣＰ−目標値」が偏差信号ＤＥＶとなる。
【００９１】
ここで、直径制御パラメータＣＰとして、結晶成長重量ＧＷを使用する場合には、結晶体１０が所望の形状で成長したときの重量が前記直径制御パラメータＣＰの目標値となる。一方、直径制御パラメータＣＰとして、結晶成長直径ＧＤを使用する場合には、結晶体１０の所望直径が前記直径制御パラメータＣＰの目標値となる。これらの目標値は、結晶体１０が成長した長さ（以下、「結晶成長長さＧＬ」という）に対応させた設定値をプログラムパターンとして予め記憶しておく。そして、偏差信号生成手段Ｍ１６に入力する値は、実際の結晶成長長さＧＬを検出し、該検出した値と前記プログラムパターンとを対応させて決定する。
【００９２】
シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０は、前記偏差信号生成手段Ｍ１６が生成した偏差信号ＤＥＶに基づいて、シード上昇速度ＳＬの操作量（以下、「シード上昇速度操作量ＳＬＣ」という）を生成する。
【００９３】
シード上昇速度ＳＬは、前述した直径制御パラメータＣＰの目標値と同様に、所望の目標値が結晶成長長さＧＬと対応させて予め記憶される。そして、該記憶されたシード上昇速度ＳＬの目標値に前記生成されたシード上昇速度操作量ＳＬＣを減算して、シード上昇速度ＳＬを決定する。ワイヤードラム２４は、この決定されたシード上昇速度ＳＬに基づいて、ワイヤー２２を巻き取る。その結果、シード１８および結晶体１０は、該シード上昇速度ＳＬで上昇する。
【００９４】
ここで、シード上昇速度ＳＬは、２値制御の制御対象であるため、可能な限り速く目標値に収束させる必要がある。従って、シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０は、結晶成長直径ＧＤの変動履歴に応答する要素を含まないことが重要である。即ち、結晶成長直径ＧＤの変動履歴に応答する要素は、結晶成長直径ＧＤが一度でも変動すると、その後、定値を出力し続けるため、シード上昇速度ＳＬが発散するからである。
【００９５】
温度操作量生成手段Ｍ１２は、前記偏差信号生成手段Ｍ１６が生成した偏差信号ＤＥＶに基づいて、結晶体１０周辺の温度を操作する量（以下、「温度操作量ＴＣ」という）を生成する。この温度操作量ＴＣの生成には、前述の発明プロセスで説明したように、積分要素が利用される。これにより、環境の変化を吸収したヒーター１６温度の理想的なパターンが温度操作量ＴＣとして生成される。
【００９６】
従って、ヒーター温度の理想パターンを予め導出し、結晶成長長さＧＬに対応させて記憶しておく必要はなく、上記温度操作量ＴＣが自己整合的にヒーター温度の理想パターンを形成する。尚、本発明は、予め導出したヒーター温度の理想パターンを補助的に使用することを除外するものではない。即ち、本発明では、予め導出したヒーター温度の理想パターンを上記温度操作量ＴＣに加算して、ヒーター１６の温度を決定してもよい。このような構成により、結晶成長直径ＧＤの変化が急峻な部分、例えば、肩広げ初期や肩決め直下の好適な制御が期待できる。
【００９７】
ここで、図３に示したシード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０と温度操作量生成手段Ｍ１２の接続形態に着目すると、これらは、偏差信号生成手段Ｍ１６に並列接続された構成となっている。そこで、このような並列接続構成が結晶成長直径ＧＤとシード上昇速度ＳＬの２値制御に有効であるか否かを考察する。
【００９８】
まず、シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０の伝達関数をＧＶ（ｓ）、温度操作量生成手段Ｍ１２の伝達関数をＧＴ（ｓ）とし、引き上げ速度から見た伝達関数、即ち、これらの並列構成の合成伝達関数Ｇ（ｓ）をＧＴ（ｓ）／ＧＶ（ｓ）で定義する。
【００９９】
次に、偏差信号ＤＥＶをＥ（ｓ）、直径制御パラメータＣＰの変化をＲ（ｓ）とすると、偏差伝達関数は、
【０１００】
従って、定常偏差は、
【０１０１】
前述の発明プロセスで説明したように、ヒーター温度の理想パターンは、図２に示すような曲線で変化する。従って、ヒーター温度の理想パターンが不足熱量を一定にするパターンであることを考慮すると、該パターンが不足熱量の変化を表し、結晶成長直径ＧＤの変動がこのパターンにおよそ従うと考えることができる。よって、直径制御パラメータＣＰの変化Ｒ（ｓ）は、一次関数で近似可能である。
【０１０２】
Ｒ（ｓ）を一次関数で表すと、１／ｓ２になるので、式２０は、
【０１０３】
従って、定常偏差εが０に収束するＧ（ｓ）は、
上式を満たす必要がある。
【０１０４】
本発明では、このラプラス演算子ｓの乗数ｘに対応して、制御系の形式をｘ形と定義する。例えば、ｘ＝２の制御系は、二形制御系であり、ｘ＝３の制御系は、三形制御系である。従って、二形以上の制御系を構成すれば、定常偏差が０に収束し、結晶成長直径ＧＤとシード上昇速度ＳＬの２値制御が達成できる。換言すると、本発明に係る２値制御系は、並列二形制御系であると言える。
【０１０５】
従って、シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０と温度操作量生成手段Ｍ１２については、偏差信号生成手段Ｍ１６に対して並列に接続するとともに、これらの伝達関数の比が二形以上の制御系となるように、それぞれの伝達関数を決定する。
【０１０６】
以上説明した本発明の第１の形態によれば、シード上昇速度操作量ＳＬＣおよび温度操作量ＴＣが偏差信号ＤＥＶに基づいて生成されるため、シード上昇速度ＳＬを結晶成長直径ＧＤの収束手段として使用し、ヒーターの温度をシード上昇速度ＳＬの収束手段としてそれぞれ独立に使用することができる。その結果、結晶成長直径ＧＤとシード上昇速度ＳＬの２値制御が自己整合的に達成できる。さらに、このような偏差信号ＤＥＶを速度制御系と温度制御系に並列入力する構成によれば、それぞれの制御に適した伝達関数を独立して使用することができるため、安定した２値制御が可能となる。
【０１０７】
（第２の形態）
本発明の第２の形態は、重量式引き上げ装置への本発明の適用可能性を例示する。
【０１０８】
図４は、本発明の第２の形態に係る２値制御装置の構成を示すブロック図である。以下、同図（ａ）に基づいて、本発明の第２の形態の構成を説明する。尚、前述した第１の形態に準ずる構成要素については、同一符号を付して説明を省略し、以下の説明では、第１の形態と異なる部分を主に説明する。
【０１０９】
直径制御パラメータ検出手段Ｍ１４は、結晶成長重量ＧＷを直径制御パラメータＣＰとして検出し、該検出した値を偏差信号生成手段Ｍ１６に出力する。
【０１１０】
偏差信号生成手段Ｍ１６は、直径制御パラメータ検出手段Ｍ１４が検出した結晶成長重量ＧＷと該結晶成長重量ＧＷの目標値との差（以下、「重量偏差ＧＷＤ」という）を生成し、該生成した重量偏差ＧＷＤをシード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０と温度操作量生成手段Ｍ１２に出力する。
【０１１１】
シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０は、微分項を含む伝達関数で表現され、重量偏差ＧＷＤの変動に応じた信号をシード上昇速度操作量ＳＬＣとして出力する。シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０を微分要素で構成した理由は、前述の発明プロセスで説明したように、シード上昇速度ＳＬを結晶成長直径ＧＤの収束手段として使用するからである。
【０１１２】
即ち、結晶成長直径ＧＤが変動すると、結晶成長重量ＧＷの変化率が変動し、該変動に追従して重量偏差ＧＷＤが変化する。従って、重量偏差ＧＷＤの変化は、結晶成長直径ＧＤの変動を意味するため、重量偏差ＧＷＤの変化に応じてシード上昇速度ＳＬを変化させれば、結晶成長直径ＧＤを目標値に収束させることができる。微分要素は、重量偏差ＧＷＤの変化を捉えて、該変化の量に応じた信号を出力するため、シード上昇速度操作量ＳＬＣの生成手段として好適である。
【０１１３】
ここで、シード上昇速度ＳＬが２値制御の制御対象であることに留意する必要がある。即ち、重量偏差ＧＷＤに応じてシード上昇速度ＳＬを変化させた場合には、重量偏差ＧＷＤを０にすることで該シード上昇速度ＳＬを即座に目標値に戻す必要がある。この目標値に戻るまでの時間が長いと、結晶体１０の品質に影響するからである。
【０１１４】
従って、シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０に結晶成長直径ＧＤの変動履歴に応答する要素を含めることは好ましくない。当該要素は、シード上昇速度ＳＬを発散させる方向に作用するからである。重量式の場合、この要素に該当するのは、積分要素と比例要素である。
【０１１５】
積分要素は、重量偏差ＧＷＤの値を積算してゆくため、一旦、重量偏差ＧＷＤが値を持つと、シード上昇速度ＳＬが発散する。比例要素は、以下のように作用する。
【０１１６】
即ち、重量偏差ＧＷＤは、結晶成長重量ＧＷが結晶体１０の全体が所望形状で成長したときの目標値と比較されて生成された信号であるため、ルツボ１４の上昇によって発生する不足熱量の増加は、単位時間当たりの固化重量を増加させる。即ち、重量偏差ＧＷＤが増加する。シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０の微分要素は、重量偏差ＧＷＤの増加を鋭く捉え、温度の上昇による働きとともに重量偏差ＧＷＤの勾配を無くす方向に作用する。この勾配が０になるまでの間（シード上昇速度操作量が０になるまでの間）、重量偏差ＧＷＤの値が蓄積される。その結果、重量偏差ＧＷＤは、長い引き上げ時間の間では、例えば、数時間ごとの階段状変化として増加してゆく（図６（ａ）参照）。
【０１１７】
結晶成長直径ＧＤとシード上昇速度ＳＬの２値制御では、このように増加した重量偏差ＧＷＤを０にするよりも、結晶成長直径ＧＤとシード上昇速度ＳＬを目標値に収束させることが重要である。比例要素は、重量偏差ＧＷＤを０に収束させる方向に作用し、シード上昇速度ＳＬの不要な変化をもたらす。
【０１１８】
このことを別の観点から述べると、重量偏差ＧＷＤが０にならなくても、重量偏差ＧＷＤの勾配が０になれば、結晶成長直径ＧＤは目標値に収束する。従って、重量偏差ＧＷＤを過去の履歴に遡って補償する必要はない。本発明では、この重量偏差ＧＷＤの履歴が以後の引き上げプロセスにおいて温度の操作量を決定する情報となる。
【０１１９】
温度操作量生成手段Ｍ１２は、積分項を含む伝達関数で表現され、重量偏差ＧＷＤの履歴に応じた信号を前記温度操作量ＴＣとして出力する。温度操作量生成手段Ｍ１２に積分要素を含める理由は、前述の発明プロセスで説明した通りである。尚、この温度操作量生成手段Ｍ１２については、微分要素および比例要素が弊害となることはなく、同図に示すように、ＰＩＤとして使用可能である。
【０１２０】
次に、この第２の形態の構成が二形以上の制御系を構成するか否かを検証する。尚、以下の説明では、ＫＶ＝速度変換定数、ＫＴ＝温度変換定数、ＴＤＶ＝速度制御系微分時間、ＴＤＴ＝温度制御系微分時間、ＴＩＶ＝速度制御系積分時間、ＴＩＴ＝温度制御系積分時間、αＶ＝速度制御系微分係数、αＴ＝温度制御系微分係数とする。
【０１２１】
まず、シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０の伝達関数ＧＶ（ｓ）の完全微分形を考えてみると、該ＧＶ（ｓ）は、
【０１２２】
一方、ＧＴ（ｓ）は、ＰＩＤであるので、
【０１２３】
従って、合成伝達関数Ｇ（ｓ）は、
【０１２４】
次に、シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０の伝達関数ＧＶ（ｓ）の不完全微分形を考えてみると、該ＧＶ（ｓ）は、
【０１２５】
一方、ＧＴ（ｓ）は、ＰＩＤであるので、
【０１２６】
従って、合成伝達関数Ｇ（ｓ）は、
【０１２７】
ここで、同図（ａ）に示すブロック図は、同図（ｂ）に示すブロック図に変換することができる。この同図（ｂ）に示すブロック構成は、同図（ａ）に示すブロック構成と同様に、結晶成長直径ＧＤの制御に関して二形制御系であるとともに、シード上昇速度ＳＬの制御に関しても二形制御系であることがわかる。さらに、図４（ａ）に示す構成は、最少の積分要素で目的を達成しているため、安定な制御系となることがわかる。
【０１２８】
以上、微分要素が完全微分および不完全微分の双方で二形制御系となることが確認できた。従って、以後、二形制御系であるか否かを確認する際には、制御系で一般的に使用される不完全微分のみを考察する。
【０１２９】
次に、積分要素を多段接続した場合について考えてみる。
【０１３０】
まず、図４の温度操作量生成手段Ｍ１２のＰＩＤブロックに積分要素をカスケード接続した場合について考えてみると、当該構成の合成伝達関数Ｇ（ｓ）も三形の制御系になり、理想ヒーター温度のパターンが一次以上の関数であっても、シード上昇速度ＳＬは定常偏差なく収束する。従って、温度操作量生成手段Ｍ１２を２段以上の積分要素で構成することも有効である。ただし、積分要素の段数を増加した場合には、ハンチングが起こりやすくなるため、安定した制御系を構築したい場合には、積分要素を最小の段数とすることが好ましい。
【０１３１】
図５は、本発明の第２の形態の変形例を示すブロック図である。同図に示すように、シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０は、１次微分要素Ｄ１と２次微分要素Ｄ２の和で構成することができる。以下、同図に示す構成が二形以上の制御系を構成するか否かを検証する。
【０１３２】
まず、シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０の伝達関数ＧＶ（ｓ）の不完全微分形を考えてみると、該ＧＶ（ｓ）は、
【０１３３】
ＧＴ（ｓ）は、式２７と同じであるため、合成伝達関数Ｇ（ｓ）は、
【０１３４】
図６は、本発明の第２の形態の作用を説明する模式的タイムチャートである。同図（ａ）は、重量偏差ＧＷＤの挙動を示し、同図（ｂ）は、該重量偏差ＧＷＤの挙動に基づいて生成されたシード上昇速度操作量ＳＬＣと、温度操作量ＴＣの変化を示す。以下、この図６に基づいて、第２の形態の作用を説明する。
【０１３５】
まず、ルツボ１４が上昇すると、供給熱量と放出熱量の均衡がくずれて、不足熱量が大きくなる。その結果、結晶体１０が固化しやすくなり、結晶成長重量ＧＷが増加する。結晶成長重量ＧＷが増加すると、同図（ａ）に示すように、重量偏差ＧＷＤが増加する。
【０１３６】
シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０は、重量偏差ＧＷＤを微分して、同図（ｂ）に示すような重量偏差ＧＷＤの変化に対応した操作量、即ち、シード上昇速度操作量ＳＬＣを生成する。その結果、結晶成長直径ＧＤが目標値に向かって収束し始める。
【０１３７】
同時に、温度操作量生成手段Ｍ１２は、重量偏差ＧＷＤを積分して、温度操作量ＴＣを増加させる。その結果、該温度操作量ＴＣの増加に応じて、ヒーター１６の温度が上昇し、不足熱量が変動前の値に近づいてゆく。
【０１３８】
不足熱量が所定値に近づくにつれて、結晶体１０の固化しやすさが元に戻り、重量偏差ＧＷＤの増加がやわらぐ。その結果、シード上昇速度操作量ＳＬＣが減少し、結晶成長直径ＧＤが目標値に収束した時点で０になる。即ち、結晶成長直径ＧＤとシード上昇速度ＳＬが目標値に収束する。この状態が続くと、重量偏差ＧＷＤは定値で安定し、同図（ａ）の水平部分の出力となる。
【０１３９】
そして、再び、ルツボ１４の上昇によって、不足熱量が大きくなると、上記のような作用を繰り返し、結晶成長直径ＧＤとシード上昇速度ＳＬを目標値に収束させる。
【０１４０】
上記作用の繰り返しによる挙動パターンを同図に示したタイムチャートに基づいて説明すると、まず、重量偏差ＧＷＤは、結晶成長直径ＧＤの挙動に応じて、増加と安定を繰り返し、同図（ａ）に示すような階段状の出力となる。一方、シード上昇速度操作量ＳＬＣは、重量偏差ＧＷＤの勾配に反応して増加し、重量偏差ＧＷＤが安定方向に向かうと０に収束する作用を繰り返し、同図（ｂ）のＳＬＣに示すような出力となる。他方、温度操作量ＴＣは、重量偏差ＧＷＤの大きさに応じた傾きで増加し、同図（ｂ）のＴＣに示すような温度パターンを出力する。換言すると、この温度パターンは、重量偏差ＧＷＤの履歴の積算値として出力されるパターンであり、結晶成長系の複雑な環境変化を吸収した理想的なパターンとなる。
【０１４１】
尚、同図に示したタイムチャートは、実際の成長モデルを簡易化して示したものであり、実際の挙動は、同図に示すものよりも複雑となる。
【０１４２】
以上説明した本発明の第２の形態によれば、重量偏差ＧＷＤの変動に応じて、シード上昇速度操作量ＳＬＣが生成され、温度操作量ＴＣが自己整合的にヒーター温度の理想パターンを形成するため、シード上昇速度ＳＬの変動を最小限に押さえた構成で結晶成長直径ＧＤの収束が期待できる。その結果、好適な２値制御が達成される。
【０１４３】
ここで、補足説明として、再度、シード上昇速度ＳＬの比例要素の不利益な作用について述べる。重量偏差がある値を持って安定しているとき（一定値）は、温度の操作量が一定の勾配で増加して安定している。ここで、重量偏差を０に収束させる比例要素は、温度の操作量の一定勾配の増加を止め、その傾きを減少させる。このため、比例要素を含む速度制御系は、温度を上げなければならないときに温度を下げる方向に作用し、制御系が不安定となってハンチングを起こすと考えられる。
【０１４４】
（第３の形態）
本発明の第３の形態は、光学式引き上げ装置への本発明の適用可能性を例示する。
【０１４５】
図７は、本発明の第３の形態に係る２値制御装置の構成を示すブロック図である。以下、同図に基づいて、本発明の第３の形態の構成を説明する。尚、前述した第１の形態に準ずる構成要素については、同一符号を付して説明を省略し、以下の説明では、第１の形態と異なる部分を主に説明する。
【０１４６】
直径制御パラメータ検出手段Ｍ１４は、結晶成長直径ＧＤを直径制御パラメータＣＰとして検出し、該検出した値を偏差信号生成手段Ｍ１６に出力する。
【０１４７】
偏差信号生成手段Ｍ１６は、直径制御パラメータ検出手段Ｍ１４が検出した結晶成長直径ＧＤと該結晶成長直径ＧＤの目標値との差（以下、「直径偏差ＧＤＤ」という）を生成し、該生成した直径偏差ＧＤＤをシード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０と温度操作量生成手段Ｍ１２に出力する。
【０１４８】
シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０は、比例項を含む伝達関数で表現され、直径偏差ＧＤＤに応じた信号をシード上昇速度操作量ＳＬＣとして出力する。シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０を比例要素で構成した理由は、直径偏差ＧＤＤが０となったときに結晶成長直径ＧＤが目標値となるからである。
【０１４９】
ここで、シード上昇速度ＳＬが２値制御の制御対象であることに留意すると、直径偏差ＧＤＤの増加によって変化させたシード上昇速度ＳＬは、即座に目標値に戻す必要がある。前述したように、この目標値に戻るまでの時間が長いと、結晶体１０の品質に影響するからである。
【０１５０】
従って、シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０に結晶成長直径ＧＤの変動履歴に応答する要素を含めることは好ましくない。当該要素は、シード上昇速度ＳＬを発散させる方向に作用するからである。光学式の場合、この要素に該当するのは、直径偏差ＧＤＤの値を積算する積分要素である。
【０１５１】
温度操作量生成手段Ｍ１２は、積分項を含む伝達関数で表現され、直径偏差ＧＤＤの履歴に応じた信号を前記温度操作量ＴＣとして出力する。温度操作量生成手段Ｍ１２に積分要素を含める理由は、前述の発明プロセスで説明した通りである。尚、この温度操作量生成手段Ｍ１２については、微分要素および比例要素が弊害となることはなく、同図に示すように、ＰＩＤとして使用可能である。
【０１５２】
次に、この第３の形態の構成が二形以上の制御系を構成するか否かを検証する。まず、シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０の伝達関数ＧＶ（ｓ）は、
【０１５３】
そして、ＧＴ（ｓ）は、
【０１５４】
従って、合成伝達関数Ｇ（ｓ）は、
【０１５５】
温度操作量生成手段Ｍ１２のＰＩＤブロックに積分要素を３段以上カスケード接続した構成については、前述した第２の形態と同様に、三形となるため、理想ヒーター温度のパターンが一次以上の関数であってもシード上昇速度ＳＬは定常偏差なく収束する。ただし、積分要素の段数増加は、ハンチングの原因となるため、注意が必要である。
【０１５６】
図８は、本発明の第３の形態の変形例を示すブロック図である。同図に示すように、シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０は、比例要素と微分要素の和で構成することができる。以下、同図に示す構成が二形以上の制御系を構成するか否かを検証する。
【０１５７】
まず、シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０の伝達関数ＧＶ（ｓ）は、
【０１５８】
ＧＴ（ｓ）は、式３２と同じであるため、合成伝達関数Ｇ（ｓ）は、
【０１５９】
図９は、本発明の第３の形態の作用を説明する模式的タイムチャートである。同図（ａ）は、直径偏差ＧＤＤの挙動を示し、同図（ｂ）は、該直径偏差ＧＤＤが積分要素１段通過した後の出力を示し、同図（ｃ）は、該直径偏差ＧＤＤの挙動に基づいて生成されたシード上昇速度操作量ＳＬＣと、温度操作量ＴＣの変化を示す。以下、この図９に基づいて、第３の形態の作用を説明する。
【０１６０】
まず、ルツボ１４が上昇すると、供給熱量と放出熱量の均衡がくずれて、不足熱量が大きくなる。その結果、結晶体１０が固化しやすくなり、結晶成長直径ＧＤが増加する。結晶成長直径ＧＤが増加すると、同図（ａ）に示すように、直径偏差ＧＤＤが増加する。
【０１６１】
シード上昇速度操作量生成手段Ｍ１０の比例要素は、直径偏差ＧＤＤを定数倍して、同図（ｃ）に示すような直径偏差ＧＤＤの大きさに対応した操作量を生成する。その結果、結晶成長直径ＧＤが目標値に向かって収束し始める。
【０１６２】
同時に、温度操作量生成手段Ｍ１２は、直径偏差ＧＤＤを積分して、結晶成長直径ＧＤの変動履歴を積算値として生成する。そして、さらに、この積算値を積分して、温度操作量ＴＣを増加させる。その結果、該温度操作量ＴＣの増加に応じて、ヒーター１６の温度が上昇し、不足熱量が変動前の値に近づいてゆく。
【０１６３】
不足熱量が所定値に近づくにつれて、結晶体１０の固化しやすさが元に戻り、直径偏差ＧＤＤの増加がやわらぐ。その結果、シード上昇速度操作量ＳＬＣが減少し、結晶成長直径ＧＤが目標値に収束した時点で０になる。即ち、結晶成長直径ＧＤとシード上昇速度ＳＬが目標値に収束する。この状態が続くと、直径偏差ＧＤＤは０で安定し、同図（ａ）の水平部分の出力となる。
【０１６４】
そして、再び、ルツボ１４の上昇によって、不足熱量が大きくなると、上記のような作用を繰り返し、結晶成長直径ＧＤとシード上昇速度ＳＬを目標値に収束させる。
【０１６５】
上記作用の繰り返しによる挙動パターンを同図に示したタイムチャートに基づいて説明すると、まず、直径偏差ＧＤＤは、結晶成長直径ＧＤの挙動に応じて、増加と安定を繰り返し、同図（ａ）に示すような出力となる。従って、直径偏差ＧＤＤに応答するシード上昇速度操作量ＳＬＣは、同図（ｃ）のＳＬＣのようになる。
【０１６６】
一方、直径偏差ＧＤＤの積分値は、直径偏差ＧＤＤが変動するたびに積算されて、同図（ｂ）に示すような階段状の出力となる。その結果、温度操作量ＴＣは、直径偏差ＧＤＤの積分値、即ち、同図（ｂ）に示す積分出力値に応じた傾きで増加し、同図（ｃ）のＴＣに示すような温度パターンを出力する。換言すると、この温度パターンは、直径偏差ＧＤＤの履歴の積算値として出力されるパターンであり、結晶成長系の複雑な環境変化を吸収した理想的なパターンとなる。
【０１６７】
尚、同図に示したタイムチャートは、実際の成長モデルを簡易化して示したものであり、実際の挙動は、同図に示すものよりも複雑となる。
【０１６８】
以上説明した本発明の第３の形態によれば、直径偏差ＧＤＤの大きさに応じたシード上昇速度操作量ＳＬＣが生成され、温度操作量ＴＣが自己整合的にヒーター温度の理想パターンを形成するため、シード上昇速度ＳＬの変動を最小限に押さえた構成で結晶成長直径ＧＤの収束が期待できる。その結果、好適な２値制御が達成される。
【０１６９】
ここで、補足的説明として、本形態でシード上昇速度ＳＬに積分要素を持った場合、シード上昇速度ＳＬの積分要素の不利益な点について述べる。直径偏差が０で安定していても過去に直径偏差を持った履歴があると、該積分要素は、操作量を持つ。従って、直径と引き上げ速度の両方が目標値に収束した安定状態を得ることができないと考えられる。過去の履歴において、直径偏差の正方向の積分値と負方向の積分値が一致してキャンセルアウトする条件であれば、２値制御可能であるといえるが、引き上げ法による理想温度パターンは、前述のように一定ではなく、最低一次関数的に増加するため、このような条件は存在しないと考えられる。
【０１７０】
たとえ、前述の従来技術で説明した第３の技術のように、ヒーター温度の理想パターンを併用したとしても、理想パターンは、結晶引き上げのバッチごとに異なるため、正方向の積分値と負方向の積分値を一致させて、キャンセルアウトすることは、事実上困難であると考えられる。
【０１７１】
【実施例】
（要約）
重量偏差ＧＷＤをＤ型速度操作アンプ７２とＰＩＤ型温度操作アンプ７４に並列入力し、シード上昇速度操作量ＳＬＣと温度操作量ＴＣをそれぞれ独立に生成する。該シード上昇速度操作量ＳＬＣは、シード上昇速度ＳＬを変化させて結晶成長直径ＧＤを収束させ、温度操作量ＴＣは、ヒーター温度を変化させて不足熱量を所定値に収束させる（図１３参照）。
【０１７２】
（好適な実施例）
図１０は、本発明の好適な実施例に係る結晶体の２値制御装置の構成を示す一部断面図である。以下、同図に基づいて、該２値制御装置の構成を説明する。この実施例では、重量式と光学式を同時に説明し、本発明がいずれの方法でも実施可能であることを明確にする。尚、前述の発明の実施形態で説明した構成要素については、同一符号を付して詳細説明を省略する。また、以下の説明において、信号名の後ろに付加した＜＞は、単位を示すものとする。
【０１７３】
主制御部３０は、シード制御部３２と、ルツボ制御部４８と、ヒーター制御部３４とを駆使して、結晶成長直径ＧＤとシード上昇速度ＳＬの２値制御を実行する。この主制御部３０は、該２値制御を達成するために、シード上昇速度ＳＬと、ルツボの上昇速度と、ヒーターの温度を決定し、該決定した値をシード制御部３２と、ルツボ制御部４８と、ヒーター制御部３４にそれぞれ出力する。さらに、この主制御部３０は、メルト１２の液位を一定にするために、結晶体１０の成長に伴って、ルツボ１４を所定の比率で上昇させる液位一定制御を行う。尚、この液位一定制御は、公知の技術であるため、その詳細については省略し、以下の説明では、シード１８の上昇高さが結晶成長長さＧＬと等価であるものとして説明する。
【０１７４】
シード制御部３２は、シード１８の昇降および回転に関する制御機構と結晶成長重量ＧＷを測定する重量センサ２６を有し（図１１参照）、主制御部３０が決定したシード上昇速度ＳＬでシード１８を上昇させる。
【０１７５】
ルツボ制御部４８は、ルツボ１４の昇降および回転に関する制御機構を有し（図１１参照）、主制御部３０が決定した速度でルツボ１４を上昇させる。
【０１７６】
ヒーター制御部３４は、主制御部３０の出力ＨＰＷＲ＜ｖｏｌｔ＞信号に基づいて、ＨＣＮＴ＜Ｗ／ｈ＞信号を生成し、該生成した信号をヒーター１６に出力する。その結果、ヒーター１６は、ＨＣＮＴ＜Ｗ／ｈ＞に応じて発熱し、ルツボ１４に熱量が供給される。
【０１７７】
直径センサ２８は、メルト１２の上方に配設され、結晶成長直径ＧＤを光学的に検出する。そして、該検出した値をＧＤ＜ｖｏｌｔ＞信号として主制御部３０に出力する。この直径センサ２８は、光学式の場合に使用する。
【０１７８】
保温筒４０は、ヒーター１６の外周に配設され、ヒーター１６から放出された熱をその内側に保持し、ルツボ１４への供熱効率を向上させる。
【０１７９】
温度センサ４２は、保温筒４０の内部に配設され、保温筒４０周辺温度を検出する。そして、該検出した温度をＴＭＰ＜ｖｏｌｔ＞信号として主制御部３０に出力する。尚、この温度センサ４２に代えて、保温筒４０の周辺に放射温度計を配設し、保温筒４０の内側を構成するシールド材の温度を測定してもよい。
【０１８０】
チャンバー３８は、結晶体１０と、ルツボ１４やヒーター１６等のホットゾーン部品をその内部に気密収容する。このチャンバー３８内には、アルゴンガスが供給される。
【０１８１】
ルツボシャフト４６は、ルツボ支持台４４の下面に固定され、ルツボ制御部４８から供給された動力によって、昇降および回転する。ルツボ支持台４４は、ルツボ１４をその上面に載置し、ルツボシャフト４６の上下動および回転に追従して移動する。その結果、ルツボ１４が昇降および回転する。
【０１８２】
図１１は、図１０に示したシード制御部３２とルツボ制御部４８の構成を示すブロック図である。以下、同図に基づいて、シード制御部３２とルツボ制御部４８の構成を説明する。
【０１８３】
第１モーターアンプ５４−１は、主制御部３０の出力ＳＬ＜ｖｏｌｔ＞信号を設定信号として受け取り、第１ギア５２−１の回転速度を参照しながらモーター駆動電力ＳＣＮＴ＜ｖｏｌｔ＞を生成する。そして、該生成した信号を第１モーター５０−１に出力する。
【０１８４】
第１モーター５０−１は、第１モーターアンプ５４−１の出力ＳＣＮＴに応じて第１ギア５２−１を回転させる。その結果、ワイヤードラム２４が回転して、ワイヤー２２が巻き取られ、シード１８が上昇する。尚、シード１８を下降させる場合には、第１モーター５０−１を逆回転させる。
【０１８５】
第１ロータリーエンコーダ５６−１は、第１ギア５２−１の回転速度をパルス信号に変換して、第１パルスカウンタ５８−１に出力する。第１パルスカウンタ５８−１は、第１ロータリーエンコーダ５６−１から受信したパルス信号を計数し、この計数した結果をＳＬＨ信号（シード上昇高さ）として主制御部３０に出力する。尚、シード１８が下降しているときは、第１パルスカウンタ５８−１の計数値がデクリメントされる。
【０１８６】
シード制御部３２内には、同図に示した構成の他、シード１８を回転させる構成が設けられる。この構成は、上述したシード１８を上昇させる構成に準ずるものであり、ここでは説明を省略する。
【０１８７】
第２モーターアンプ５４−２は、主制御部３０の出力ＣＬ＜ｖｏｌｔ＞信号を設定信号として受け取り、第２ギア５２−２の回転速度を参照しながらモーター駆動電力ＣＣＮＴ＜ｖｏｌｔ＞を生成する。そして、該生成した信号を第２モーター５０−２に出力する。
【０１８８】
第２モーター５０−２は、第２モーターアンプ５４−２の出力ＣＣＮＴに応じて第２ギア５２−２を回転させる。その結果、ルツボシャフト４６が上方向に移動して、ルツボ１４が上昇する。尚、ルツボ１４を下降させる場合には、第２モーター５０−２を逆回転させる。
【０１８９】
ルツボ制御部４８内には、同図に示した構成の他、ルツボ１４を回転させる構成が設けられる。この構成は、上述したルツボ１４を上昇させる構成に準ずるものであり、ここでは説明を省略する。
【０１９０】
図１２は、図１０に示したヒーター制御部３４の構成を示すブロック図である。同図に示すように、ヒーター制御部３４は、サイリスタと電力センサを用いたフィードバック制御系で構成される。このような構成は、周知の技術であるため、詳細な説明は省略する。
【０１９１】
図１３は、図１０に示した主制御部３０の重量式に係る第１ブロックの構成を示すブロック図である。以下、同図を用いて、この重量式に係る第１ブロックの構成を説明する。尚、以下の説明では、伝達関数に含まれるパラメータを次のように統一して使用する。
【０１９２】
ＫＶ＝速度変換定数、ＫＴ＝温度変換定数、ＴＤＶ＝速度制御系微分時間、ＴＤＴ＝温度制御系微分時間、ＴＩＶ＝速度制御系積分時間、ＴＩＴ＝温度制御系積分時間、αＶ＝速度制御系微分係数、αＴ＝温度制御系微分係数、ＰＶ＝速度制御系比例ゲイン、ＰＴ＝温度制御系比例ゲイン。
【０１９３】
第１アンプ６６−１は、デジタル入力信号ＳＬＨをＳＬＨ＜ｍｍ＞に変換し、該ＳＬＨ＜ｍｍ＞を結晶成長長さＧＬ＜ｍｍ＞とし、該生成した値を第１演算実行部６８−１と、目標直径決定部７８と、図１４に示す目標速度決定部８０に出力する。尚、上記第１アンプ６６−１および第３アンプ６６−３の後段は、ソフトウェアで構成する。
【０１９４】
目標直径決定部７８は、結晶成長長さＧＬに対応する目標直径をプログラムパターンとして予め記憶し、ＧＬ＜ｍｍ＞を該プログラムパターンに当てはめて、該当する目標直径を決定する。そして、該決定した値をＧＤ（ＧＬ）＜ｍｍ＞として第１演算実行部６８−１と、図１４に示す第２演算実行部６８−２に出力する。
【０１９５】
第１演算実行部６８−１は、
上記演算を実行して、前記目標直径に対応する目標重量を予測する。そして、該予測した重量ＧＰＷ＜ｇ＞を第２減算器７０−２に出力する。
【０１９６】
第３アンプ６６−３は、アナログ入力信号ＧＷ＜ｖｏｌｔ＞をＧＷ＜ｇ＞に変換し、該ＧＷ＜ｇ＞を第２減算器７０−２およびルツボ直径決定部８２に出力する。この第３アンプ６６−３の後段は、ソフトウェアで構成する。
【０１９７】
第２減算器７０−２は、ＧＰＷ＜ｇ＞とＧＷ＜ｇ＞の差をとって、重量偏差ＧＷＤ＜ｇ＞を生成し、該生成した値をＤ型速度操作アンプ７２と、ＰＩＤ型温度操作アンプ７４に出力する。
【０１９８】
Ｄ型速度操作アンプ７２は、
【０１９９】
ＰＩＤ型温度操作アンプ７４は、
【０２００】
図１４は、図１０に示した主制御部３０の重量式に係る第２ブロックの構成を示すブロック図である。以下、同図を用いて、この重量式に係る第２ブロックの構成を説明する。
【０２０１】
目標速度決定部８０は、結晶成長長さＧＬに対応する目標速度をプログラムパターンとして予め記憶し、ＧＬ＜ｍｍ＞を該プログラムパターンに当てはめて、該当する目標速度を決定する。そして、該決定した値をＳＬ（ＧＬ）＜ｍｍ＞として第５減算器７０−５に出力する。
【０２０２】
第５減算器７０−５は、ＳＬ（ＧＬ）＜ｍｍ／ｍｉｎ＞とＳＬＣ＜ｍｍ／ｍｉｎ＞との差をとって、シード上昇速度ＳＬ＜ｍｍ／ｍｉｎ＞を生成する。そして、該生成した値を第４アンプ６６−４と第２演算実行部６８−２に出力する。
【０２０３】
第４アンプ６６−４は、上記第５減算器７０−５の出力をアナログ信号ＳＬ＜ｖｏｌｔ＞に変換し、図１１に示す第１モーターアンプ５４−１に出力する。この第４アンプ６６−４の後段は、ハードウェアで構成する。
【０２０４】
ルツボ直径決定部８２は、ルツボ１４の深さと該深さにおけるルツボ１４の直径とを対応させて予め記憶し、該記憶内容に基づいて、メルト１２の液面と接する部分のルツボ直径を決定する。具体的には、第３アンプ６６−３の出力ＧＷ＜ｇ＞を前記記憶したルツボ１４の深さに対応させて、該当するルツボ１４の直径を割り出す。そして、該決定した直径ＣＩ（ＧＬ）＜ｍｍ＞を第２演算実行部６８−２に出力する。
【０２０５】
第２演算実行部６８−２は、
上記比率演算を実行して、液位を一定にするために必要なルツボ上昇速度ＣＬ＜ｍｍ／ｍｉｎ＞を算出する。そして、該算出した値を第５アンプ６６−５に出力する。
【０２０６】
第５アンプ６６−５は、ＣＬ＜ｍｍ／ｍｉｎ＞をアナログ信号ＣＬ＜ｖｏｌｔ＞に変換し、図１１に示す第２モーターアンプ５４−２に出力する。この第５アンプ６６−５の後段は、ハードウェアで構成する。
【０２０７】
図１５は、図１０に示した主制御部３０の第３ブロックの構成を示すブロック図である。以下、同図を用いて、この第３ブロックの構成を説明する。尚、このブロックは、重量式と光学式で共通である。
【０２０８】
第３減算器７０−３は、ヒーター１６の設定温度Ｔｓｅｔ＜℃＞とＴＣ＜℃＞との差をとって、ヒーター温度ＨＴ＜℃＞を生成する。そして、該生成した値を第６アンプ６６−６に出力する。
【０２０９】
第６アンプ６６−６は、ＨＴ＜℃＞をアナログ信号ＨＴ＜ｖｏｌｔ＞に変換し、第４減算器７０−４に出力する。この第６アンプ６６−６の後段は、ハードウェアで構成する。
【０２１０】
第４減算器７０−４は、ＨＴ＜ｖｏｌｔ＞信号と温度センサ４２の出力ＴＭＰ＜ｖｏｌｔ＞との差をとって、温度偏差ＨＴＤ＜ｖｏｌｔ＞を生成する。そして、該生成した信号をＰＩＤ型温度制御アンプ８４に出力する。
【０２１１】
ＰＩＤ型温度制御アンプ８４は、
【０２１２】
図１６は、図１０に示した主制御部３０の光学式に係る第１ブロックの構成を示すブロック図である。本発明に係る２値制御装置を光学式で構成する場合には、この同図に示す第１ブロックを図１３に示した重量式に係る第１ブロックに代えて使用する。以下、この図１６を用いて、この光学式に係る第１ブロックの構成を説明する。尚、重量式に係る第１ブロックと同一の構成要素については、同一符号を付して説明を省略し、以下の説明では、重量式に係る第１ブロックと異なる部分を主に説明する。
【０２１３】
第７アンプ６６−７は、図１０に示した直径センサ２８のアナログ出力ＧＤ＜ｖｏｌｔ＞をＧＤ＜ｍｍ＞に変換し、該ＧＤ＜ｍｍ＞を第２減算器７０−２と、図１７に示す第３演算実行部６８−３に出力する。この第７アンプ６６−７の後段は、ソフトウェアで構成する。
【０２１４】
第２減算器７０−２は、目標直径決定部７８が生成したＧＤ（ＧＬ）＜ｍｍ＞とＧＤ＜ｍｍ＞との差をとって、直径偏差ＧＤＤ＜ｍｍ＞を生成する。そして、該生成した値をＰＤ型速度操作アンプ８６と、Ｉ型温度操作アンプ８８に出力する。
【０２１５】
ＰＤ型速度操作アンプ８６は、
【０２１６】
Ｉ型温度操作アンプ８８は、
【０２１７】
図１７は、図１０に示した主制御部３０の光学式に係る第２ブロックの構成を示すブロック図である。本発明に係る２値制御装置を光学式で構成する場合には、この同図に示す第２ブロックを図１４に示した重量式に係る第２ブロックに代えて使用する。以下、この図１７を用いて、この光学式に係る第２ブロックの構成を説明する。尚、重量式に係る第２ブロックと同一の構成要素については、同一符号を付して説明を省略し、以下の説明では、重量式に係る第２ブロックと異なる部分を主に説明する。
【０２１８】
ルツボ直径決定部８２は、ルツボ１４の深さと該深さにおけるルツボ１４の直径とを対応させて予め記憶し、該記憶した内容に基づいて、メルト１２の液面と接する部分のルツボ直径を決定する。具体的には、ＧＬ＜ｍｍ＞とＧＤ＜ｍｍ＞とを用いて、結晶成長重量ＧＷを算出し、該算出した値を前記記憶したルツボ１４の深さに対応させて、該当する直径を割り出す。
【０２１９】
第３演算実行部６８−３は、
上記比率演算を実行して、液位を一定にするために必要なルツボ上昇速度ＣＬ＜ｍｍ／ｍｉｎ＞を算出する。そして、該算出した値を第５アンプ６６−５に出力する。
【０２２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、安定した２値制御の達成に有効な結晶体の２値制御装置を提供することができる。
【０２２１】
また、本発明の第１の形態によれば、シード上昇速度操作量ＳＬＣおよび温度操作量ＴＣが偏差信号ＤＥＶに基づいて生成されるため、シード上昇速度ＳＬを結晶成長直径ＧＤの収束手段として使用し、ヒーターの温度をシード上昇速度ＳＬの収束手段としてそれぞれ独立に使用することができる。その結果、結晶成長直径ＧＤとシード上昇速度ＳＬの２値制御が自己整合的に達成できる。さらに、このような偏差信号ＤＥＶを速度制御系と温度制御系に並列入力する構成によれば、それぞれの制御に適した伝達関数を独立して使用することができるため、安定した２値制御が可能となる。
【０２２２】
また、本発明の第２の形態によれば、重量偏差ＧＷＤの変動に応じて、シード上昇速度操作量ＳＬＣが生成され、温度操作量ＴＣが自己整合的にヒーター温度の理想パターンを形成するため、シード上昇速度ＳＬの変動を最小限に押さえた構成で結晶成長直径ＧＤの収束が期待できる。その結果、好適な２値制御が達成される。
【０２２３】
また、本発明の第３の形態によれば、直径偏差ＧＤＤの大きさに応じたシード上昇速度操作量ＳＬＣが生成され、温度操作量ＴＣが自己整合的にヒーター温度の理想パターンを形成するため、シード上昇速度ＳＬの変動を最小限に押さえた構成で結晶成長直径ＧＤの収束が期待できる。その結果、好適な２値制御が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的な引き上げ装置におけるヒーターとルツボの位置関係を示す断面図である。
【図２】式１７で表現されるヒーター温度の理想パターンを図示するグラフである。
【図３】本発明の第１の形態に係る２値制御装置の構成を示す概念図である。
【図４】本発明の第２の形態に係る２値制御装置の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の第２の形態の変形例を示すブロック図である。
【図６】本発明の第２の形態の作用を説明する模式的タイムチャートである。
【図７】本発明の第３の形態に係る２値制御装置の構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の第３の形態の変形例を示すブロック図である。
【図９】本発明の第３の形態の作用を説明する模式的タイムチャートである。
【図１０】本発明の好適な実施例に係る結晶体の２値制御装置の構成を示す一部断面図である。
【図１１】図１０に示したシード制御部３２とルツボ制御部４８の構成を示すブロック図である。
【図１２】図１０に示したヒーター制御部３４の構成を示すブロック図である。
【図１３】図１０に示した主制御部３０の重量式に係る第１ブロックの構成を示すブロック図である。
【図１４】図１０に示した主制御部３０の重量式に係る第２ブロックの構成を示すブロック図である。
【図１５】図１０に示した主制御部３０の第３ブロックの構成を示すブロック図である。
【図１６】図１０に示した主制御部３０の光学式に係る第１ブロックの構成を示すブロック図である。
【図１７】図１０に示した主制御部３０の光学式に係る第２ブロックの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０…結晶体、１２…メルト、１４…ルツボ、１６…ヒーター、１８…シード、２０…シードチャック、２２…ワイヤー、２４…ワイヤードラム、２６…重量センサ、２８…直径センサ、３０…主制御部、３２…シード制御部、３４…ヒーター制御部、３８…チャンバー、４０…保温筒、４２…温度センサ、４４…ルツボ支持台、４６…ルツボシャフト、４８…ルツボ制御部、５０−１…第１モーター、５０−２…第２モーター、５２−１…第１ギア、５２−２…第２ギア、５４−１…第１モーターアンプ、５４−２…第２モーターアンプ、５６−１…第１ロータリーエンコーダ、５８−１…第１パルスカウンタ、６０…サイリスタコントローラ、６２…交流直流変換器、６４…電力センサ、６６−１…第１アンプ、６６−３…第３アンプ、６６−４…第４アンプ、６６−５…第５アンプ、６６−６…第６アンプ、６６−７…第７アンプ、６８−１…第１演算実行部、６８−２…第２演算実行部、６８−３…第３演算実行部、７０−２…第２減算器、７０−３…第３減算器、７０−４…第４減算器、７０−５…第５減算器、７２…Ｄ型速度操作アンプ、７４…ＰＩＤ型温度操作アンプ、７８…目標直径決定部、８０…目標速度決定部、８２…ルツボ直径決定部、８４…ＰＩＤ型温度制御アンプ、８６…ＰＤ型速度操作アンプ、８８…Ｉ型温度操作アンプ、Ｍ１０…シード上昇速度操作量生成手段、Ｍ１２…温度操作量生成手段、Ｍ１４…直径制御パラメータ検出手段、Ｍ１６…偏差信号生成手段、ＣＰ…直径制御パラメータ、ＤＥＶ…偏差信号、ＧＤ…結晶成長直径、ＧＤＤ…直径偏差、ＧＬ…結晶成長長さ、ＧＷ…結晶成長重量、ＧＷＤ…重量偏差、ＳＬ…シード上昇速度、ＳＬＣ…シード上昇速度操作量、ＴＣ…温度操作量
Claims (4)
- 結晶体（１０）の引き上げ速度を示すシード上昇速度（ＳＬ）の操作量を生成するシード上昇速度操作量生成手段（Ｍ１０）と、該結晶体（１０）周辺の温度を操作する量を示す温度操作量（ＴＣ）を生成する温度操作量生成手段（Ｍ１２）とを具備し、該結晶体（１０）の成長直径を示す結晶成長直径（ＧＤ）および前記シード上昇速度（ＳＬ）をそれぞれ目標値に収束させる結晶体の２値制御装置において、
前記２値制御装置は、
結晶体（１０）が成長したときの重量を示す結晶成長重量（ＧＷ）を検出する結晶成長重量検出手段（Ｍ１４）と、
前記結晶成長重量検出手段（Ｍ１４）で検出された結晶成長重量（ＧＷ）と、該結晶成長重量（ＧＷ）の目標値との差をとって偏差信号（ＤＥＶ）を生成する偏差信号生成手段（Ｍ１６）とを具備し、
前記シード上昇速度操作量生成手段（Ｍ１０）は、
前記偏差信号生成手段（Ｍ１６）が生成した偏差信号（ＤＥＶ）に基づいて、独立にシード上昇速度操作量（ＳＬＣ）
を生成し、
前記温度操作量生成手段（Ｍ１２）は、
前記偏差信号生成手段（Ｍ１６）が生成した偏差信号（ＤＥＶ）に基づいて、独立に温度操作量（ＴＣ）を生成するものであり、
前記シード上昇速度操作量生成手段（Ｍ１０）は、
微分項を含み、比例項と積分項を含まない伝達関数（Ｇv（ｓ））で構成され、
前記温度操作量生成手段（Ｍ１２）は、
積分項を含む伝達関数（ＧT（ｓ））で構成されており、
これら並列構成の合成伝達関数（Ｇ（ｓ））は、
二形以上の形式
（ただし：Ａ1、Ａ2、Ｂ1、Ｂ2、Ｃ1、Ｃ2、Ｄ1、Ｄ2は、ラプラス演算子ｓを含まない任意の変数；ｘは、２以上で、前記任意の変数から取り出し可能なラプラス演算子ｓの乗数）
で表されるように構成されていること
を特徴とする結晶体の２値制御装置。 - 結晶体（１０）の引き上げ速度を示すシード上昇速度（ＳＬ）の操作量を生成するシード上昇速度操作量生成手段（Ｍ１０）と、該結晶体（１０）周辺の温度を操作する量を示す温度操作量（ＴＣ）を生成する温度操作量生成手段（Ｍ１２）とを具備し、該結晶体（１０）の成長直径を示す結晶成長直径（ＧＤ）および前記シード上昇速度（ＳＬ）をそれぞれ目標値に収束させる結晶体の２値制御装置において、
前記２値制御装置は、
結晶成長直径（ＧＤ）を検出する結晶成長直径検出手段（Ｍ１４）と、
前記結晶成長直径検出手段（Ｍ１４）で検出された結晶成長直径（ＧＤ）と、該結晶成長直径（ＧＤ）の目標値との差をとって偏差信号（ＤＥＶ）を生成する偏差信号生成手段（Ｍ１６）とを具備し、
前記シード上昇速度操作量生成手段（Ｍ１０）は、
前記偏差信号生成手段（Ｍ１６）が生成した偏差信号（ＤＥＶ）に基づいて、独立にシード上昇速度操作量（ＳＬＣ）
を生成し、
前記温度操作量生成手段（Ｍ１２）は、
前記偏差信号生成手段（Ｍ１６）が生成した偏差信号（ＤＥＶ）に基づいて、独立に温度操作量（ＴＣ）を生成するものであり、
前記シード上昇速度操作量生成手段（Ｍ１０）は、
比例項を含み、積分項を含まない伝達関数（Ｇv（ｓ））で構成され、
前記温度操作量生成手段（Ｍ１２）は、
積分項を含む伝達関数（ＧT（ｓ））で構成されており、
これら並列構成の合成伝達関数（Ｇ（ｓ））は、
二形以上の形式
（ただし：Ａ1、Ａ2、Ｂ1、Ｂ2、Ｃ1、Ｃ2、Ｄ1、Ｄ2は、ラプラス演算子ｓを含まない任意の変数；ｘは、２以上で、前記任意の変数から取り出し可能なラプラス演算子ｓの乗数）
で表されるように構成されていること
を特徴とする結晶体の２値制御装置。 - 前記シード上昇速度操作量生成手段（Ｍ１０）は、
微分項のみまたは１次微分項と２次微分項の和のみからなる伝達関数（Ｇv（ｓ））で構成され、
前記並列構成の合成伝達関数（Ｇ（ｓ））は、二形の形式（ｘは、２）
で表されるように構成されていること
を特徴とする請求項１記載の結晶体の２値制御装置。 - 前記シード上昇速度操作量生成手段（Ｍ１０）は、
比例項のみまたは比例項と微分項の和のみからなる伝達関数（Ｇv（ｓ））で構成され、
前記並列構成の合成伝達関数（Ｇ（ｓ））は、二形の形式（ｘは、２）
で表されるように構成されていること
を特徴とする請求項２記載の結晶体の２値制御装置。
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