JP4414504B2

JP4414504B2 - 結晶体の直径制御装置

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Publication number: JP4414504B2
Application number: JP10810099A
Authority: JP
Inventors: 修治尾上
Original assignee: Sumco Techxiv Corp
Current assignee: Sumco Techxiv Corp
Priority date: 1999-03-19
Filing date: 1999-04-15
Publication date: 2010-02-10
Anticipated expiration: 2019-04-15
Also published as: JP2000335996A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結晶体の直径制御装置に関し、特に、光学式制御における結晶体の連続自動形成に有効な結晶体の直径制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンインゴット等の結晶体の製造は、一般に、チョクラルスキー法（以下、「ＣＺ法」という）と称される引き上げ式の製造方法を用いて行われる。このＣＺ法は、所定の結晶方位を有するシードを原料融液であるメルトに浸し、該シードを上昇させながら、該シードと同じ結晶方位の結晶体を成長させる方法である。
【０００３】
上記ＣＺ法によって製造した結晶体の直径は、主に、該結晶体の引き上げ速度と成長時の熱環境によって決まる。シリコンインゴットの製造においては、所望の直径プロファイルを維持することが重要であるため、ＣＺ法では、上記引き上げ速度や熱環境をフィードバック制御系を用いて最適化している。
【０００４】
フィードバック制御系は、制御量の値（測定値）を目標値と比較して、これらを一致させる方向に作用する制御系である。換言すると、このフィードバック制御系は、測定値と目標値との偏差を０に収束させる制御系であると言える。従って、結晶体の直径制御を行う場合には、まず、該制御系の偏差入力として使用する対象を決定する必要がある。
【０００５】
従来の直径制御では、主に、次の２つのパラメータが偏差入力として用いられ、それぞれが独自の制御方式として発展している。第１は、結晶体の成長界面における直径（以下、「成長直径ＧＤ」という）を偏差入力とする光学式制御である。この光学式制御では、光学センサを用いて結晶体の成長直径ＧＤを検出し、該検出した値と目標直径との差が偏差入力となる。第２は、結晶体が成長した重量を偏差入力とする重量式直径制御である。この重量式制御では、重量センサを用いて結晶体の成長重要を検出し、該検出した値と目標重量との差が偏差入力となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ＣＺ法で製造される結晶体は、一般に、次の３つのパートから構成される。第１のパートは、直径が叙々に増加するクラウンであり、第２のパートは、直径が一定のボディであり、第３のパートは、直径が叙々に減少するテールである。直径制御の完全自動化や生産力の向上を図るためには、これら３つのパートを同一の制御アルゴリズムで連続自動形成できることが好ましい。
【０００７】
一般に、重量式制御を用いた場合には、上記３つのパートの連続自動形成が達成されやすい。これに対し、光学式制御を用いた場合には、この結晶体の連続自動形成が困難である。特に、直径の変化率が大きくなると、制御系が不安定になって、直径制御が不能になる場合がある。従来の光学式制御では、このような事態を回避するために、クラウン部分は、プログラム制御を基本とした方法が多用され、クラウンからボディへの移行部分に人手を介在させたり、該移行部分にのみ特殊な制御アルゴリズムを適用している。
【０００８】
しかし、上記のような人手の介在や特殊なアルゴリズムの使用は、結晶体の連続自動形成の弊害となり、また、再現性が低く歩留まりを悪くする原因となる。特に、クラウンの非連続制御区間における液位の制御精度が悪くなることが指摘されており、この液位制御誤差が直径制御精度をさらに悪化させる要因となっている。光学式制御も重量式制御と並んで優れた制御方法であるが、上記の問題は未だ解決されるに至っていない。
【０００９】
そこで、本発明は、光学式制御における結晶体の連続自動形成に有効な結晶体の直径制御装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【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、
ヒーターでルツボに熱を供給しつつルツボ内のメルトからシードを引き上げて結晶体を成長させるＣＺ装置に用いられ、結晶体の引き上げ速度及びヒーターの温度の両者を操作することによって結晶体の直径を制御する結晶体の直径制御装置において、
結晶体の成長直径を光学的に検出する成長直径検出手段と、
検出された成長直径と目標直径とを用いて、固化量の変動分を捉えることができる面積偏差を算出する面積偏差算出手段と、
算出された面積偏差を用いて結晶体の引き上げ速度を算出する引き上げ速度算出手段と、
算出された引き上げ速度で結晶体を引き上げる引き上げ速度制御手段と、
算出された面積偏差を用いてヒーター温度を算出するヒーター温度算出手段と、
算出されたヒーター温度にヒーターを制御するヒーター制御手段と、を具備した
ことを特徴とする。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、
前記引き上げ速度算出手段は、
算出された面積偏差を用いて結晶体の引き上げ速度操作量を算出する引き上げ速度操作量算出手段と、
結晶長さに応じた目標引き上げ速度を決定する目標引き上げ速度決定手段と、
引き上げ速度操作量と目標引き上げ速度とを用いて引き上げ速度を算出する演算手段と、を具備する
ことを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、
前記ヒーター温度算出手段は、
算出された面積偏差を用いてヒーター温度操作量を算出するヒーター温度操作量算出手段と、
ヒーター設定温度とヒーター温度操作量とを用いてヒーター温度を算出する演算手段と、を具備する
ことを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項２記載の発明において、
前記引き上げ速度操作量算出手段は、微分要素と比例要素からなる伝達関数を持つ制御ブロックを具備する
ことを特徴とする。
請求項５記載の発明は、請求項３記載の発明において、
前記ヒーター温度操作量算出手段は、積分要素からなる伝達関数を持つ第１の制御ブロックと、微分要素と比例要素と積分要素からなる伝達関数を持つ第２の制御ブロックと、を具備し、
さらに前記第１の制御ブロックと前記第２の制御ブロックは直列に配列される
ことを特徴とする。
請求項６記載の発明は、請求項１乃至５の何れか記載の発明において、
前記面積偏差算出手段は、目標直径と成長直径とを用いて直径偏差を算出し、この直径偏差と成長直径を用いるか又はこの直径偏差と目標直径を用いて面積偏差を算出する
ことを特徴とする。
請求項７記載の発明は、請求項１乃至５の何れか記載の発明において、
前記面積偏差算出手段は、目標直径を用いて目標面積を算出し、成長直径を用いて成長面積を算出し、目標面積と成長面積とを用いて面積偏差を算出する
ことを特徴とする。
請求項８記載の発明は、請求項１乃至５の何れか記載の発明において、
前記面積偏差算出手段は、
目標直径−成長直径
又は
成長直径−目標直径
によって直径偏差を算出し、
直径偏差×π×目標直径／２
又は
直径偏差×π×成長直径／２
によって面積偏差を算出する
ことを特徴とする。
請求項９記載の発明は、請求項１乃至５の何れか記載の発明において、
前記面積偏差算出手段は、
π×（目標直径／２） ^２
によって目標面積を算出し、
π×（成長直径／２） ^２
によって成長面積を算出し、
目標面積−成長面積
＝π×（目標直径 ^２ −成長直径 ^２）／４
又は
成長面積−目標面積
＝π×（成長直径 ^２ −目標直径 ^２）／４
によって面積偏差を算出する
ことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
（発明の概要）
本発明を一の観点から捉えると、本発明の特徴は、直径偏差に結晶体の直径情報を加味した偏差信号を生成し、該生成した偏差信号を制御系に入力することにあると言える。「直径情報を加味する」ことの意義は、直径偏差に立体的な概念を加えることにある。直径偏差は、成長直径ＧＤの変動を一次元で捉えたパラメータであり、この中には、立体的な概念が含まれていない。しかし、結晶体は立体構造物であり、直径の変動は３次元的な変化となる。従って、一次元情報である直径偏差は、結晶体の実際の変動を正確には表していないといえる。
【００１２】
そこで、本発明では、「直径情報を加味する」ことにより、一次元情報であった直径偏差を二次元情報に拡張する。その結果、この拡張された二次元情報には、成長時間という経時的要素が加わって、直径偏差は、実質的に３次元情報として扱われることになる。
【００１３】
本発明を別の観点から捉えると、本発明の特徴は、直径偏差を面積偏差に変換して制御系に入力することにあるとも言える。即ち、結晶体の直径方向を一次元パラメータとすると、二次元パラメータは面積であり、三次元パラメータは体積であると考えることができる。従って、一次情報である直径偏差を二次元情報に拡張したときの好適な態様は、面積偏差である。そして、この面積偏差に成長時間という経時的要素を加えると、該面積偏差は体積偏差になると考えることができる。この体積偏差は、結晶体の固化量の変動分と等価であり、結晶体の直径変動は、該結晶体の固化量が変動した結果である。従って、直径の変動を面積偏差として捉えることは、実際の固化変動に則した極めて有効な方法である。
【００１４】
特に、本発明は、特願平１０−３７０１４１号の「結晶体の２値制御装置」に深く関連する。即ち、結晶直径と結晶引き上げ速度の２値を精度よくコントロールできる制御方法において開示された光学式並列制御をクラウン、ボディ、テールにわたって適用させる場合に、顕著な効果を奏する。
【００１５】
（発明プロセス）
以下、本発明に至るまでの過程を添付図面を参照して詳細に説明する。尚、以下の説明では、本発明に深く関係する部分を重点的に説明し、図中に示した公知の構成要素については、その詳細な説明を省略する。
【００１６】
まず、本発明者は、従来の光学式制御が不安定になる原因を次のように考えた。
図１は、直径偏差の概念を示す概念一部断面図である。同図に示すように、シード１８の下に成長する結晶体１０は、クラウン１０−１、ボディ１０−２の順に成長する。ここで、このクラウン１０−１からボディ１０−２にかかる部分のうち、同図中に示したＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの４つの位置に着目して考えてみると次のようになる。
【００１７】
図２は、図１に示す結晶体１０の断面方向の偏差を示す概念斜視図である。同図では、図１のＡ〜Ｄまでの点における直径偏差が同じであるものと仮定する。各点のハッチングで示した部分は、断面方向の偏差部分であり、Ａ点では面積Ｓ１の偏差、Ｂ点では面積Ｓ２の偏差、Ｃ点では面積Ｓ３の偏差、Ｄ点では面積Ｓ４の偏差が生じる。これら偏差部分の面積を比較すると、Ｓ１＜Ｓ２＜Ｓ３＝Ｓ４となる。このように、直径偏差が同じであっても実際の偏差は、結晶体１０の位置によって異なる。
【００１８】
次に、本発明者は、上記断面方向の偏差の関係を次のように捉えた。
まず、Ｓ１＜Ｓ２＜Ｓ３の関係に着目すると、これらは、それぞれ、Ａ点、Ｂ点、Ｃ点の面積偏差である。そして、Ａ点、Ｂ点、Ｃ点における結晶体１０の直径は、Ａ点＜Ｂ点＜Ｃ点の関係がある。同様に、Ｓ３＝Ｓ４の関係に着目すると、この関係は、Ｃ点の直径とＤ点の直径が同じであることに起因することがわかる。従って、結晶体１０の断面方向の偏差は、該結晶体１０の直径と一定の関係があることが予想できる。光学式制御では、結晶体１０の成長直径ＧＤと目標直径ＧＤ_０を逐次検出できるため、これらのパラメータを利用すれば、直径の偏差を面積の偏差として捉えることができる。
【００１９】
上記のように考えた本発明者は、結晶体１０の変動を面積の偏差として捉えることの妥当性について、重量式制御と比較し、次のような検討を行った。
図３は、重量式制御の好適な構成を示すブロック図である。同図中の「Ｄ１＋Ｄ２」で示す微分ブロックは、一階微分と二階微分の和であり、「Ｐ＋Ｉ＋Ｄ」は、ＰＩＤ演算ブロックである。同図に示す重量式制御では、重量偏差が上記微分ブロックとＰＩＤ演算ブロックに並列入力される。このブロック図は、クラウン１０−１からボディ１０−２にかけた部分の連続形成が良好に行えたものである。
【００２０】
図４は、図３に示すブロック図を変形した後の構成を示すブロック図である。同図に示すように、図３の微分ブロックとＰＩＤ演算ブロックから微分要素を１段抽出すると、図３の微分ブロックは、「Ｐ＋Ｄ」で示す比例項と微分項の和になり、ＰＩＤ演算ブロックは、「Ｉ」で示す積分ブロックとＰＩＤ演算ブロックとの縦接続になる。ここで、上記抽出した微分要素に着目すると、該微分要素は、重量偏差の微分結果を出力することがわかる。重量を密度で割れば体積になり、ＣＺ法における体積は、時間とともに増加する概念であるため、体積の時間微分は面積になる。従って、重量偏差の微分出力は、面積偏差と等価であると考えることができる。
【００２１】
ここで、上記抽出した微分要素の後段のブロック、即ち、「Ｐ＋Ｄ」と「Ｉ＋ＰＩＤ」の並列構成は、２値制御に最適な光学式の制御ブロックを構成する。つまり、この「Ｐ＋Ｄ」と「Ｉ＋ＰＩＤ」の並列構成に面積偏差を入力すれば、２値制御に最適な光学式制御となる。従って、該並列構成に面積偏差を入力することは、実質的に重量式制御と等価になるため、光学式制御でも面積偏差を制御ブロックに入力すれば、クラウン１０−１からボディ１０−２にかけての連続形成が十分期待できる。
【００２２】
図５は、面積偏差の概念を光学式に適用した場合の構成を示すブロック図である。同図に示すように、例えば、直径偏差に「π・ＧＤ_０／２」を乗じて、面積偏差に変換すれば、図４に示す重量式の制御ブロックと実質的に等価となる。
【００２３】
本発明者は、上記観点に基づいて創作行為を繰り返し、光学式の制御性の向上に有効な構成を見出した。以下、この特徴ある新規な構成を詳細に説明する。
【００２４】
（第１の形態）
図６は、本発明の第１の形態に係る結晶体の直径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１の形態の構成を説明する。
【００２５】
成長直径検出手段Ｍ１０は、結晶体１０の成長直径ＧＤを検出する。成長直径ＧＤは、同図に示すように、結晶体１０とメルト１２の界面部分の直径である。この界面部分の直径を検出することによって、メルト１２が固化した直後の直径を知ることができる。この成長直径ＧＤの検出は、光学的に行う。つまり、この成長直径検出手段Ｍ１０は、光学センサ等で具現化すればよい。
【００２６】
直径偏差生成手段Ｍ１２は、成長直径ＧＤと結晶体１０の目標直径ＧＤ_０との偏差、即ち、直径偏差ＧＤＤを生成する。このようにして生成された直径偏差ＧＤＤは、結晶体１０の成長直径ＧＤが所望の値からどれだけずれているかを一次元的に示すパラメータとなる。この直径偏差生成手段Ｍ１２は、同図に示すように、減算器を用いて具現化できる。尚、成長直径ＧＤと目標直径ＧＤ_０のどちらを減算対象とするかは任意である。
【００２７】
偏差信号生成手段Ｍ１４は、直径偏差ＧＤＤと、成長直径ＧＤまたは目標直径ＧＤ_０とを用いて、偏差信号ＤＥＶを生成する。ここで、成長直径ＧＤおよび目標直径ＧＤ_０は、直径情報という上位概念で捉えることができる等価パラメータであり、偏差信号ＤＥＶの生成には、いずれを使用してもよい。同図中のスイッチ記号は、両者が選択可能であることを示す。目標直径ＧＤ_０を用いる場合の偏差信号ＤＥＶは、
［式１］

ここで：ＤＥＶ＝偏差信号；ＧＤＤ＝直径偏差；π＝円周率；ＧＤ_０＝目標直径；
上式を用いて算出できる。成長直径ＧＤを用いる場合には、上式のＧＤ_０をＧＤに変更すればよい。
【００２８】
上式は、図２にハッチングで示したドーナツ状の領域の幅と、該ドーナツの円周との積である。直径偏差ＧＤＤが成長直径ＧＤに比べて小さいときは、該ドーナツ領域の面積をこの概念で近似することができる。従って、上式を用いれば、直径偏差ＧＤＤは、２次元の面積情報になる。
【００２９】
制御系１００は、偏差信号ＤＥＶに基づいて、結晶体１０の成長直径ＧＤを制御する。成長直径ＧＤを制御する方法としては、前述したように、結晶体１０の引き上げ速度、即ち、シード上昇速度を操作するか、または、該結晶体１０周辺の温度環境を操作すればよい。これらの操作は、図５に示したような制御ブロックを構成することによって達成できる。同図に示すＳＬＣは、シード上昇速度の操作量であり、ＴＣは、温度の操作量である。
【００３０】
この制御系１００は、図５に示したような「Ｐ＋Ｄ」と「Ｉ＋ＰＩＤ」の２つのブロックを並列に接続した構成や２つのＰＩＤ演算ブロックをカスケードに接続した構成の双方を含む。制御系１００の構成としては、これらの他にも様々なバリエーションが考えられるが、制御系１００の構成は、本発明の主題ではないため、ここでは説明を省略する。また、シード上昇速度の操作や温度環境の操作も公知の概念であるため、これらの説明も同様に省略する。
【００３１】
以上説明した本発明の第１の形態によれば、直径偏差ＧＤＤが成長直径ＧＤまたは目標直径ＧＤ_０によって、２次元情報に変換されるため、結晶体１０の直径変動によってコントロールすべき量、即ち、光学センサで検出される表面的な変動だけではなく、固化量の変動分を捉えることができる。その結果、制御系１００に入力されるループゲインの妥当性が高くなり、制御性の向上が期待できる。
【００３２】
（第２の形態）
図７は、本発明の第２の形態に係る結晶体の直径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。
【００３３】
面積変換手段Ｍ１６は、成長直径ＧＤおよび目標直径ＧＤ_０をそれぞれ成長面積ＧＡおよび目標面積ＧＡ_０に変換する。成長直径ＧＤおよび目標直径ＧＤ_０の面積変換は、半径×半径×πの周知定理を用いて行えばよい。この面積変換の技術的意義は、前述した第１の形態のように、直径偏差ＧＤＤを一旦求めて、これを２次元情報に変換するのではなく、成長直径ＧＤおよび目標直径ＧＤ_０を直接２次元情報に変換することにある。これにより、面積偏差をより正確に求めることができる。
【００３４】
即ち、前述した第１の形態では、制御系１００に入力する面積偏差を図２のドーナツ領域の幅と円周との積という近似概念で求めたが、本形態では、このような近似概念ではなく、面積偏差をドーナツ領域の外延を構成する円と中心部を構成する円との差で求める。偏差信号生成手段Ｍ１４は、この処理を実行し、生成した偏差信号ＤＥＶを制御系１００に入力する。
【００３５】
以上説明した本発明の第２の形態によれば、成長直径ＧＤと目標直径ＧＤ_０とが直接面積情報に変換されるため、面積偏差をより正確に求めることができる。その結果、より好適な直径制御が期待できる。
【００３６】
【実施例】
（要約）
直径偏差ＧＤＤを第１演算実行部６８−１入力して、該直径偏差ＧＤＤを面積偏差ＧＡＤに変換し、これを速度制御系を構成するＰＤ型速度操作アンプ８６と、温度制御系を構成するＩ型温度操作アンプ８８に並列入力する（図１１参照）。
【００３７】
（好適な実施例）
前述したように、直径偏差を２次元的に捉えるという技術思想は、光学式制御の分野において、非常に有用な考え方である。ここでは、この特徴ある技術思想を産業上好ましいと思われる態様で具現化した例を示す。尚、以下の説明において、前述した構成要素に相当するものについては、その詳細な説明を省略する。また、以下に示す実施例は、本発明の一具現化例であり、本発明を限定するものではない。
【００３８】
図８は、本発明の好適な実施例に係る結晶体の直径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、該直径制御装置の構成を説明する。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。
【００３９】
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、結晶体１０の成長直径ＧＤの制御を実行する。この主制御部３０は、該直径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。
【００４０】
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を有し（図９参照）、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。
【００４１】
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９参照）、主制御部３０が決定した速度でルツボ１４を上昇させる。
【００４２】
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。
【００４３】
直径センサ２８は、メルト１２の上方に配設され、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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
図９は、図８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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
図１０は、図８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。
【００５７】
図１１は、図８に示した主制御部３０の第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。
【００５８】
Ｋ_Ｖ＝速度変換定数、Ｋ_Ｔ＝温度変換定数、Ｔ_ＤＶ＝速度制御系微分時間、Ｔ_ＤＴ＝温度制御系微分時間、Ｔ_ＩＶ＝速度制御系積分時間、Ｔ_ＩＴ＝温度制御系積分時間、α_Ｖ＝速度制御系微分係数、α_Ｔ＝温度制御系微分係数、Ｐ_Ｖ＝速度制御系比例ゲイン、Ｐ_Ｔ＝温度制御系比例ゲイン。
【００５９】
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、該生成した値を目標直径決定部７８と、図１２に示す目標速度決定部８０と、ルツボ直径決定部８２に出力する。尚、上記第１アンプ６６−１の後段は、ソフトウェアで構成する。
【００６０】
第２アンプ６６−２は、図８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１減算器７０−１と、図１２に示す第２演算実行部６８−２とルツボ直径決定部８２に出力する。この第２アンプ６６−２の後段は、ソフトウェアで構成する。
【００６１】
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と第１減算器７０−１に出力する。
【００６２】
第１減算器７０−１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、該生成した値を第１演算実行部６８−１に出力する。
【００６３】
第１演算実行部６８−１は、
［式２］

ここで：ＧＡＤ＝面積偏差；π＝円周率；ＧＤＤ＝直径偏差；ＧＤ（ＧＬ）＝目標直径；
上記演算を実行して、直径偏差ＧＤＤを面積偏差ＧＡＤに変換する。そして、該変換した面積偏差ＧＡＤ＜ｍｍ^２＞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。
【００６４】
ＰＤ型速度操作アンプ８６は、
［式３］

上記伝達関数でＧＡＤ＜ｍｍ ^２＞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１２に示す第２減算器７０−２に出力する。
【００６５】
Ｉ型温度操作アンプ８８は、
［式４］

上記伝達関数でＧＡＤ＜ｍｍ^２＞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。
【００６６】
ＰＩＤ型温度操作アンプ７４は、
［式５］

上記伝達関数でＩ型温度操作アンプ８８の出力を処理して、温度操作量ＴＣ＜℃＞を生成する。そして、該生成した値を図１３に示す第３減算器７０−３に出力する。
【００６７】
図１２は、図８に示した主制御部３０の第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、この第２ブロックの構成を説明する。
【００６８】
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／ｍｉｎ＞として第２減算器７０−２に出力する。
【００６９】
第２減算器７０−２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。
【００７０】
第４アンプ６６−４は、上記第２減算器７０−２の出力をアナログ信号ＳＬ＜ｖｏｌｔ＞に変換し、図９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。
【００７１】
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。そしてこの割り出した直径を第２演算実行部６８−２に出力する。
【００７２】
第２演算実行部６８−２は、
［式６］

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。
【００７３】
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９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。
【００７４】
図１３は、図８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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
ＰＩＤ型温度制御アンプ８４は、
［式７］

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８に示すヒーター制御部３４に出力する。
【００７９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光学式制御における結晶体の連続自動形成に有効な結晶体の直径制御装置を提供することができる。
【００８０】
また、本発明の第１の形態によれば、直径偏差ＧＤＤが成長直径ＧＤまたは目標直径ＧＤ_０によって、２次元情報に変換されるため、結晶体１０の直径変動によってコントロールすべき量、即ち、光学センサで検出される表面的な変動だけではなく、固化量の変動分を捉えることができる。その結果、制御系１００に入力されるループゲインの妥当性が高くなり、制御性の向上が期待できる。
【００８１】
また、本発明の第２の形態によれば、成長直径ＧＤと目標直径ＧＤ_０とが直接面積情報に変換されるため、面積偏差をより正確に求めることができる。その結果、より好適な直径制御が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】直径偏差の概念を示す概念一部断面図である。
【図２】図１に示す結晶体１０の断面方向の偏差を示す概念斜視図である。
【図３】重量式制御の好適な構成を示すブロック図である。
【図４】図３に示すブロック図を変形した後の構成を示すブロック図である。
【図５】面積偏差の概念を光学式に適用した場合の構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の第１の形態に係る結晶体の直径制御装置の構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の第２の形態に係る結晶体の直径制御装置の構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の好適な実施例に係る結晶体の直径制御装置の構成を示す一部断面図である。
【図９】図８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１０】図８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１１】図８に示した主制御部３０の第１ブロックの構成を示すブロック図である。
【図１２】図８に示した主制御部３０の第２ブロックの構成を示すブロック図である。
【図１３】図８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。
【符号の説明】
１０…結晶体、１０−１…クラウン、１０−２…ボディ、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、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、６６−２…第２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、６８−１…第１演算実行部、６８−２…第２演算実行部、７０−１…第１減算器、７０−２…第２減算器、７０−３…第３減算器、７０−４…第４減算器、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、１００…制御系、Ｍ１０…成長直径検出手段、Ｍ１２…直径偏差生成手段、Ｍ１４…偏差信号生成手段、Ｍ１６…面積変換手段、ＧＡ…成長面積、ＧＡ_０…目標面積、ＧＡＤ…面積偏差、ＧＤ…成長直径、ＧＤ_０…目標直径、ＧＤＤ…直径偏差、ＧＬ…結晶成長長さ、ＤＥＶ…偏差信号、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

ヒーターでルツボに熱を供給しつつルツボ内のメルトからシードを引き上げて結晶体を成長させるＣＺ装置に用いられ、結晶体の引き上げ速度及びヒーターの温度の両者を操作することによって結晶体の直径を制御する結晶体の直径制御装置において、
結晶体の成長直径を光学的に検出する成長直径検出手段と、
検出された成長直径と目標直径とを用いて、固化量の変動分を捉えることができる面積偏差を算出する面積偏差算出手段と、
算出された面積偏差を用いて結晶体の引き上げ速度を算出する引き上げ速度算出手段と、
算出された引き上げ速度で結晶体を引き上げる引き上げ速度制御手段と、
算出された面積偏差を用いてヒーター温度を算出するヒーター温度算出手段と、
算出されたヒーター温度にヒーターを制御するヒーター制御手段と、を具備した
ことを特徴とする結晶体の直径制御装置。
前記引き上げ速度算出手段は、
算出された面積偏差を用いて結晶体の引き上げ速度操作量を算出する引き上げ速度操作量算出手段と、
結晶長さに応じた目標引き上げ速度を決定する目標引き上げ速度決定手段と、
引き上げ速度操作量と目標引き上げ速度とを用いて引き上げ速度を算出する演算手段と、を具備する
ことを特徴とする請求項１記載の結晶体の直径制御装置。
前記ヒーター温度算出手段は、
算出された面積偏差を用いてヒーター温度操作量を算出するヒーター温度操作量算出手段と、
ヒーター設定温度とヒーター温度操作量とを用いてヒーター温度を算出する演算手段と、を具備する
ことを特徴とする請求項１記載の結晶体の直径制御装置。
前記引き上げ速度操作量算出手段は、微分要素と比例要素からなる伝達関数を持つ制御ブロックを具備する
ことを特徴とする請求項２記載の結晶体の直径制御装置。
前記ヒーター温度操作量算出手段は、積分要素からなる伝達関数を持つ第１の制御ブロックと、微分要素と比例要素と積分要素からなる伝達関数を持つ第２の制御ブロックと、を具備し、
さらに前記第１の制御ブロックと前記第２の制御ブロックは直列に配列される
ことを特徴とする請求項３記載の結晶体の直径制御装置。
前記面積偏差算出手段は、目標直径と成長直径とを用いて直径偏差を算出し、この直径偏差と成長直径を用いるか又はこの直径偏差と目標直径を用いて面積偏差を算出する
ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか記載の結晶体の直径制御装置。
前記面積偏差算出手段は、目標直径を用いて目標面積を算出し、成長直径を用いて成長面積を算出し、目標面積と成長面積とを用いて面積偏差を算出する
ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか記載の結晶体の直径制御装置。
前記面積偏差算出手段は、
目標直径−成長直径
又は
成長直径−目標直径
によって直径偏差を算出し、
直径偏差×π×目標直径／２
又は
直径偏差×π×成長直径／２
によって面積偏差を算出する
ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか記載の結晶体の直径制御装置。
前記面積偏差算出手段は、
π×（目標直径／２） ^２
によって目標面積を算出し、
π×（成長直径／２） ^２
によって成長面積を算出し、
目標面積−成長面積
＝π×（目標直径 ^２ −成長直径 ^２）／４
又は
成長面積−目標面積
＝π×（成長直径 ^２ −目標直径 ^２）／４
によって面積偏差を算出する
ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか記載の結晶体の直径制御装置。