JP4339282B2 - 単結晶直径計測装置 - Google Patents
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Description
しかしながら、この従来方法では、作業者が成長装置を常時監視する必要があり、また、単結晶の直径を目視で確認するため、単結晶の直径を一定にすることが難しく、単結晶の直径が目標寸法通りに成長するか否かは作業者の技量に大きく依存していた。
本発明は、単結晶直径計測装置における上記問題を解決するものであって、単結晶成長時の直径値を精度よく求めることができる単結晶直径計測装置を提供することを目的とする。
即ち、この単結晶成長装置にあっては、引き上げプロセスにおいて、成長した単結晶と原料融液との境界部を単結晶の回転角度が45°の整数倍となるたびに固定カメラ(CCDカメラ)で撮影し、得られた画像のうち撮影順序が前後する2つの画像に基づき、前記境界部の計測点(後に撮影した画像においてCCDカメラの正面にある点)における単結晶の半径、及びカメラ焦点と原料融液との間の垂直距離を計算する。
図1は、本発明の一実施形態における単結晶成長装置の構成を示す構成図である。この図1に示すように、原料融液4を収容したるつぼ1は、チャンバー5で覆われている。
チャンバー5の上部中央には、パイプ15が設けられている。このパイプ15には、下部に種結晶3を取り付けた引き上げ軸6が挿通されており、この引き上げ軸6を時計回りに回転させながら上方へ移動させることにより、成長した単結晶2が引き上げられる。
チャンバー5の上部側方には、覗き窓7が設けられている。この覗き窓7は、上下回動可能に枢支されたアーム17に取り付けられており、また、覗き窓7の上面中央には、モータ9によって巻き上げ巻き下げされるワイヤ8の先端が連結されている。
一方、覗き窓7が開いた状態で、るつぼ1内を撮影できる位置には、CCDカメラ14が設置されている。CCDカメラ14もコンピュータ13に接続されている。具体的には、CCDカメラ14は、図2(CCDカメラ14と単結晶2との位置関係を示す側面図及び平面図)に示すように、単結晶2の回転中心に光軸が向けられ、水平面から角度α傾き、前記回転中心とカメラ焦点Fとの間の水平距離が規定値Lyとなる位置に設置されている。また、CCDカメラ14には、CCDカメラ14のカメラ焦点Fを原点とし、単結晶2の回転中心に正対して右方向に伸びているXw軸、回転中心の方向に伸びているYw軸、垂直上方に伸びているZw軸を有するワールド座標系が既定されている。
るつぼ1の周囲には、加熱電源16からの電力供給により、るつぼ1を加熱する加熱装置18が設けられている。
単結晶2の引き上げプロセスでは、まず、加熱電源16から加熱装置18に電力を供給し、るつぼ1内で原料を加熱・溶融し、種結晶3を用いて種付けを行う。種付け完了後は、自動直径制御モードに切り替える。自動直径制御モードでは、引き上げ軸6を予めプログラムしておいた引き上げ速度並びに回転速度で動かす。
覗き窓7は通常閉じているが、予めプログラムされた時間毎にコンピュータ13からモータドライバ10へモータ9が正転又は逆転するように指令を出すことにより、モータ9がワイヤ8の巻き上げ巻き下げを行って覗き窓7を開閉する。
Dav=(ΣRi/8)×2=ΣRi/4 ・・・(4)
Zav=Σhi/8 ・・・(5)
また、作業者が装置を常時監視する必要はなく、CCDカメラ14で、単結晶2と原料融液との境界部を撮影するために設けてある覗き窓7に、蒸発した原料が付着しないようにすることにより、覗き窓7内部に気体を流すための複雑な構造は不要となる。即ち、安定した結晶成長が可能で、装置費用が安価なCZ法による単結晶成長装置を提供できる。
次に、CCDカメラ14で撮影した画像から単結晶の直径Ri、及びカメラ焦点Fと原料融液面との間の垂直距離hiを算出するための(2)(3)式の導出方法を説明する。
まず、図2及び図3に示すように、CCD座標系の座標をワールド座標系の座標に変換する変換マトリックスwRcは、下記(6)式で表される。
X=a/k ・・・(8)
Y=(cosα−b・sinα)/k ・・・(9)
Z=(sinα+b・cosα)/k ・・・(10)
上記(9)(10)式を利用すると、ワールド座標系の座標A(X1、Y1、h)とCCD座標系の座標A’(a1、b1)との間には、下記(11)(12)式の関係が成り立つ(図6参照)。
Y1=(cosα−b1・sinα)/k1 ・・・(11)
h=(sinα+b1・cosα)/k1 ・・・(12)
ここで、Y1=Ly―R・cos45°より、下記(13)式の関係が成り立つ。
Y2=(cosα−b2・sinα)/k2 ・・・(14)
h=(sinα+b2・cosα)/k2 ・・・(15)
ここで、Y2=Ly―Rより、下記(16)式の関係が成り立つ。
次に、CCD座標系の座標A’を特定するための(1)式の導出方法を説明する。
まず、上記(8)(9)(10)式を利用すると、ワールド座標系の座標A、BとCCD座標系の座標A’、B’との間には、下記(19)〜(22)式の関係が成り立つ。
なお、本発明の単結晶直径計測装置は、上記実施の形態の内容に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
上記実施形態では、単結晶2が1回転する間に8枚撮影する(回転角度が45°の整数倍となるたびに撮影する)例を示したが、これに限られるものではない。
Claims (1)
- チョクラルスキー法による単結晶の製造中に当該単結晶の直径を計測する装置であって、
前記単結晶と原料融液との境界部を、設定した単結晶の回転角度毎に少なくとも2回撮影する撮影手段と、
その撮影手段で撮影した各画像から、前記単結晶とともに回転する前記境界部上の1つの計測点を特定する特定手段と、
その特定手段で特定した当該1つの計測点の前記各画像における各座標と、前記撮影手段の取り付け角と、前記撮影手段の焦点から前記単結晶の中心までの水平距離と、から当該計測点における単結晶の半径を算出する算出手段と、
を備え、当該設定した単結晶の回転角度毎に複数算出された当該半径を平均化することにより単結晶の直径を求めることを特徴とする単結晶直径計測装置。
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