JPH04108687A - 単結晶の外径制御方法 - Google Patents
単結晶の外径制御方法Info
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Abstract
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Description
キー法により単結晶を育成する際の単結晶の外径制御方
法に関する。
結晶原料を、上記るつぼの周囲に配置された加熱手段で
あるヒータによって加熱溶融して原料融液にした後、上
記原料融液に種結晶を接触させ、当該種結晶とるつぼを
反対方向に回転させながら上記種結晶を徐々に引き上げ
て、円柱状の単結晶を育成している。上記チョクラルス
キー法では、単結晶の外径が一定になるように、外径制
御を行っており、この種の単結晶の外径制御方法には、
原料融液を保持するるつぼの周囲に配置された加熱手段
であるヒータの出力を調整することにより、単結晶の外
径を制御するものがある。例えばその代表的なものに、
特公昭63−37080号公報に示されるように、単結
晶の重量を検出し、所定単位時間当たりの上記重量の増
加量を演算し、上記演算した増加量と目標増加量とを比
較して、その偏差に基づく補正値を予め決められたパタ
ーンに加える方法や特開昭63−159288号公報に
示されるように、単結晶の重量を検出し、検出した重量
により計算した単結晶の外径の経時的変動に基づき予め
設定された加熱プログラムの時間勾配を補正する方法の
ものがあった。
過去の外径値を用いてヒータの温度を制御するため、チ
ョクラルスキー法のように時定数の長い系では外径を完
全に制御しきれない。さらに結晶の育成状況により、ヒ
ータ出力に対する外径の応答性が変化するため、制御パ
ラメータのゲイン調整が困難であり、特に結晶長の長い
結晶では、外径制御が困難であった。このように、外径
が適切に制御されないと、多結晶が発生し易くなるとと
もに、外径の変動幅を見込んで大きめの外径に製作しな
ければならず、製作される単結晶か円柱であることによ
り、製品として使用できない不要部分が増え、歩留りか
悪くなるという問題点があった。
結晶外径の制御精度を向上させて、外径変動幅を減少さ
せて多結晶の発生を防ぎ、不用部分が減少して歩留りを
向上させることができる単結晶の外径制御方法を提供す
ることを目的とする。
するるつぼを加熱する加熱手段を有し、該加熱されたる
つぼ内の原料融液に種結晶を接触させ、当該種結晶を引
き上げて単結晶を育成すると共に、該育成された単結晶
の重量を所定時間毎に測定し、該測定した単結晶重量の
変化量から前記育成された単結晶の外径値を算出し、当
該算出した単結晶外径の経時的変化に応じて前記加熱手
段の加熱温度を制御して前記育成される単結晶の外径制
御を行う単結晶の外径制御方法において、前記加熱手段
の過去の加熱温度に対応した応答関数及び経時的に変化
する前記単結晶外径の目標値を予め設定し、前記算出さ
れた単結晶の現在の外径値と、前記応答関数とから所定
時間経過後の単結晶外径の予測値を算出し、当該外径予
測値と前記所定時間経過後の単結晶外径の目標値との偏
差を求め、当該偏差に応じて前記加熱手段の加熱温度を
制御するものである。
を行うので、単結晶の育成に先行して、上記単結晶外径
の制御動作を実施できる。
も制御精度が向上し、制御対象の単結晶の外径が変化し
ても制御性能の劣化を防止することができる。
き詳細に説明する。
晶を製造する単結晶の製造装置の構成図である。なお、
この単結晶の製造装置は、液体封止チョクラルスキー法
で、ガリウムヒ素(GaAs)単結晶を育成する場合の
一実施例である。
は、GaAsメルト12及び上記GaAsメルト12の
液面上の液体カプセル(BzOx)13を保持したるっ
ぽ14が配置されている。るっぽ14の周囲には、カー
ボンヒータ15が設けられ、るつぼ14内のGaAsメ
ルト】2を加熱している。
、上記下軸16は、垂直軸線で図示しない駆動手段によ
って、上下方向に移動すると共に、軸線回りに回転して
おり、るっぽ12は上記動作に連動して移動、回転して
いる。また、カーボンヒータ15の近傍には熱電対等の
温度検出装置I7が設けられており、カーボンヒータ1
5の温度を検出している。
る種結晶18を保持し、図示しない引上げ手段によって
上記種結晶を回転させながら引き上げてGaAs単結晶
19を育成する上軸20が設けられ、上軸20の上部に
は、育成されたGaAs単結晶19の重量を検出する検
出計21が設けられている。
的な外径目標値を記憶すると共に、温度検出装置17で
検出されたヒータ15の温度、検出計21で検出された
結晶重量及び図示しない位置検出手段で検出された下軸
16と上軸20の位置情報を取り込んでおり、これらの
情報及び後述するプロセスのステップ応答モデルの出力
情報(応答関数)から所定時間経過後のGaAs単結晶
19の外径予測値を算出し、外径目標値と外径予測値の
偏差に応じたヒータ出力(温度修正値)を設定して温調
器23に出力している。
タ温度T(t−i)として現在よりに時刻将来の外径予
測値DM(t+k>を求めると、 DM(t+k)=D(t)+A(1*VT
・−(1)となる。
、ΔT(t−m!1))AO”(ah++ a++a
k+z az+”・+ai+m−+ am−+)A
O*VTは応答関数 ΔT(t−i)4(t−i)−T(t−i−1)添え字
の(i)等は制御間隔毎の時刻を現す。
なるが応答性から決定する。なお、制御間隔は2分〜2
0分程度、kはIO分〜1時間程度である。
えると、ステップ応答系列(a、)は、i>sでa、=
a、であり、プロセスにむだ時間が存在する場合は、
そのむだ時間の推定値Tdまで、a、・・・・28丁4
・0となっている。
。
とを分けて(2)式を表現し直すと、・・・(3) と現せる。
の入力データ(ΔU)が必要となる。
s 、 al = a。
)式から時刻t+j(j=1.・・・、 [、+P)の
出力値yM(t+j)をyM(t)からの変動としてモ
デル化すると、が可能となる。
刻t+Lからt+L+P−1のPステップに渡って表現
すると、頁のようになる。
と有限個の入力値を用いて出力を表現すること、−一一
一一一−\ / : さらに、(6)式をベクトル表現すると、Y M =
Y MO”−A r Δue +Ao Δu、 −(
7)と現すことができる。
)のモデルを考え、L=2. P・3. M=2と設定
した場合、(6)式は、 + になる。
(7)式のような、時刻t+LからPステップに渡る未
来の出力値を計算することができる式%式% モデルがプロセスに完全に一致していれば、プロセスの
実際の出力値は(7)式のモデルで計算した値に一致す
る。しかし、モデルがプロセスを完全に表現できること
は実際には有り得ないことであり、またプロセスには外
乱が入り、モデルによる出力の計算値と現実の出力値と
に食い違いが生じるのは明らかである。このような、モ
デルとプロセスのずれや、プロセスに加わる外乱の影響
を考慮し、モデルによって計算される出力の値を補正し
て、出力の予測値Vp (t+i)を次のように与える
。
y(t)−yM (t)for i=L、−、L+P
−1=(9)この(9)式をベクトル表現すると、 Y P = Yv + Y −YMO・・・(10)と
現せる。
(tすl+P−1)]TY: =[y(t)、・・・、
y(t)]”である。更に、YMO,YMは(7)式の
定義に等しい。
を考慮して、モデルで計算した出力値を補正している項
がy(t)−yw (t)である。この補正の意味は、
モデルによる出力の計算値yM(t)、いいかえれば、
プロセスがモデル通りであった場合、現時刻tで出力が
示すはずであった値yw(t)と、実際の観測値y(t
)との差を現時刻tでの外乱の値とみなし、第2図に示
すように、現時刻tで系に入った外乱d(t)と同じ大
きさの外乱が予測期間[t+1.・・・、 t+L+P
−11中プロセスに入り続けると想定し、予測期間でプ
ロセスに入る外乱を、dp(t+1)=d(t) f
or i=L、−、I、+P−1・(11)と与えてい
ると解釈できる。
れが達成されるように、ヒータ出力を調整する。
)) ・・・(12)ここで、 DR(t+k)は、時刻t+にでの外径目標値Gは、制
御ゲインで、例えば上記ステップ応答モデルを基に、D
R(t+k)−DM(t+k)”が最小になるように決
めると、G;1/akとなる。
を制御間隔毎に実施しながら結晶を育成する。
タ出力を調整する際には、ヒータ温度が急変しないよう
に、ある程度の時間(制御間隔より短い時間)をかけて
変化させる。
ップ応答モデルを用いた場合を示したが、この推定には
、外径とヒータ温度の両方の過去の値を用いる自己回帰
モデルを用いてもよいし、他の数式モデルを用いてもよ
い。また、予測点と操作量の決定個数も複数個とし、そ
の中から誤差が小さくなるように、最適値を決めるよう
にしてもよい。また、ケインGの決定方法も、制約条件
を考慮した線形計画法等、他の方法で決定してもよい。
ヒータ15の温度に応してヒータ出力を設定して上記ヒ
ータ15の加熱調整を行うもので、実施例ではさらにC
PU22によって設定された温度修正値と上記ヒータ出
力に応じてカーボンヒータ15の温度調整を行っている
。
るための制御ブロック図である。なお、液体封止チョク
ラルスキー法では、GaAs単結晶を育成する場合、第
4図に示すように、結晶育成の初期の段階の肩部は、再
現性がよいこととヒータから外径に対する応答性が直胴
部近辺と大きく異なるため、ヒータ温度が予め決められ
たパターンになるようにヒータ出力を変化させており、
結晶重量より計算した結晶径(外径)が直胴部の外径目
標値に達したところより本発明の温度調整の制御動作を
開始するものとする。
aAs単結晶19の外径が直胴部の外径目標値に達する
と、CPU22の制御部22aは、減算部30が外径計
算部22bからの所定時間経過後の外径予測値と、上記
外径予測値と同一時間の外径目標値とから算出した偏差
に応じて、温度修正値を求め、上記温度修正値の情報を
出力しており、温調器23は、温度修正値の情報を取り
込むと、温度検出装置17で検出されたカーボンヒータ
15の温度に応じて設定したヒータ出力に上記温度修正
値を加えたものを新たなヒータ出力としてヒータ15の
温度調整を行う。
1は、ヒータ出力により加熱し、その時の温度情報を外
径計算部22bに出力している。
去のヒータ温度T(t−i)として記憶すると共に、育
成されたGaAs単結晶19の結晶重量及び下軸16、
上軸20の位置情報を取り込んでいる。外径計算部22
bは、結晶重量及び軸位置情報に基つき、現在のGaA
s単結晶19の結晶外径D(t)を計算し、さらに上記
結晶外径D(t)と記憶した過去のヒータ温度T(t−
i)をステップ応答モデル(7)(1)式DM(t+k
)=D(t)+AO*vTニ代入して第5図に示すよう
に、k時間後の結晶外径の予測値DM(t+k)を求め
、上記予測値DM(t+k)を減算部30及び図示しな
い表示部等に出力している。
部の目標外径に達したところより外径制御を開始したが
、本発明はこれに限らず、例えば種付は直後又は種付け
と直胴部の間から外径制御を開始することも可能である
。この場合、制御プログラムは、上記実施例と同様であ
るが、直胴部以前の結晶外径が徐々に大きくなる肩部(
第4図参照)では、外径の目標値を予め決めたパターン
で変化させる(例えばネック状の末広がりなる)ように
与えて制御を行う。また、ステップ応答モデルのパラメ
ータは、肩部と直胴部の各々に適するものに変化させる
。
した過去のヒータ温度及びステップ応答モデルの(1)
式を用いて、結晶外径の予測値を求め、上記予測値に応
してヒータ出力を制御するので、単結晶の外径か的確に
制御されて外径変動幅が減少し、多結晶が発生しにくく
なる。
るつぼを加熱する加熱手段を有し、該加熱されたるつぼ
内の原料融液に種結晶を接触させ、当該種結晶を引き上
げて単結晶を育成すると共に、該育成された単結晶の重
量を所定時間毎に測定し、該測定した単結晶重量の変化
量から前記育成された単結晶の外径値を算出し、当該算
出した単結晶外径の経時的変化に応じて前記加熱手段の
加熱温度を制御して前記育成される単結晶の外径制御を
行う単結晶の外径制御方法において、前記加熱手段の過
去の加熱温度に対応した応答関数及び経時的に変化する
前記単結晶外径の目標値を予め設定し、前記算出された
単結晶の現在の外径値と、前記応答関数とから所定時間
経過後の単結晶外径の予測値を算出し、当該外径予測値
と前記所定時間経過後の単結晶外径の目標値との偏差を
求め、当該偏差に応じて前記加熱手段の加熱温度を制御
するので、単結晶外径の制御精度を向上させて、外径変
動幅を減少させて多結晶の発生を防ぎ、不用部分が減少
して歩留りを向上させることができる。
結晶の製造装置の構成図、第2図は本発明に係るステッ
プ応答モデルの外乱項の予想を示す図、第3図はカーボ
ンヒータの温度調整動作を説明するための制御ブロック
図、第4図はヒータ温度と結晶外径の関係を示す図、第
5図は結晶外径の予想値の算出を説明するための図ある
。 12・・・融液、13・・・液体カプセル(BzOs)
、14・・・るつぼ、15・・・カーボンヒータ、16
.20・・・軸、17・・・温度検出装置、18・・・
種結晶、19・・・単結晶、21・・・結晶重量検出器
、22・・・制御装置(CPU) 、23・・・温調器
。 第1図 第4図 輿9ざ−Vへ ame
Claims (1)
- 原料融液を保持するるつぼを加熱する加熱手段を有し
、該加熱されたるつぼ内の原料融液に種結晶を接触させ
、当該種結晶を引き上げて単結晶を育成すると共に、該
育成された単結晶の重量を所定時間毎に測定し、該測定
した単結晶重量の変化量から前記育成された単結晶の外
径値を算出し、当該算出した単結晶外径の経時的変化に
応じて前記加熱手段の加熱温度を制御して前記育成され
る単結晶の外径制御を行う単結晶の外径制御方法におい
て、前記加熱手段の過去の加熱温度に対応した応答関数
及び経時的に変化する前記単結晶外径の目標値を予め設
定し、前記算出された単結晶の現在の外径値と、前記応
答関数とから所定時間経過後の単結晶外径の予測値を算
出し、当該外径予測値と前記所定時間経過後の単結晶外
径の目標値との偏差を求め、当該偏差に応じて前記加熱
手段の加熱温度を制御することを特徴とする単結晶の外
径制御方法。
Priority Applications (1)
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JP22548990A JP2813439B2 (ja) | 1990-08-28 | 1990-08-28 | 単結晶の外径制御方法 |
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ID=16830124
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN104651926A (zh) * | 2015-03-16 | 2015-05-27 | 内蒙古京晶光电科技有限公司 | 一种用于蓝宝石生长粘锅时保护夹持装置的控制方法 |
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-
1990
- 1990-08-28 JP JP22548990A patent/JP2813439B2/ja not_active Expired - Lifetime
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