(57)【要約】      （修正有）【課題】  チョクラルスキー法による単結晶成長時の直径を、撮影した画像をもとに直接的に精度よく求める方法を提供する。【解決手段】  単結晶２と原料融液４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回撮影し、その撮影した各画像から前記境界部の計測点をそれぞれ特定し、その特定した計測点の座標Ａ’、Ｂ’と、ＣＣＤカメラ１４の取り付け角αと、カメラ焦点Ｆから単結晶２の回転中心までの水平距離と、から当該計測点における単結晶２の半径Ｒiを算出する。【選択図】  図６
2006347775.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チョクラルスキー法等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、その撮影した各画像から前記境界部の計測点を特定する特定手段と、その特定した計測点の各座標と、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、これ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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チョクラルスキー法（ＣＺ法）等による酸化物などの単結晶の製造中に、当該単結晶の直径を計測する単結晶直径計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、単結晶をＣＺ法で成長させる方法としては、チャンバーの覗き窓越しに、成長した単結晶の直径を目視で確認し、作業者が成長装置を制御する方法がある。
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。
【０００３】
そのため、例えば、成長した単結晶と原料融液との境界部をＣＣＤカメラで撮影し、撮影した画像から複数の境界点を求め、数学的手法により単結晶の円形状を定義してその直径を計算し、得られた直径値をもとにコンピュータで単結晶成長時の直径を制御する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特表２００１−５１８４４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、ＣＣＤカメラで撮影した画像から複数の境界点を求め、数学的手法により単結晶の円形状を定義してその直径を計算する方法では、撮影した画像から直接的に単結晶成長時の直径を求めているのではなく、しかも正確な円形状を定義するためには、より多くの境界点を求める必要があり、得られる直径値の精度が低い等の問題がある。
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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、チョクラルスキー法等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、その撮影した各画像から前記境界部の計測点を特定する特定手段と、その特定した計測点の各座標と、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、これにより単結晶の直径を求めて上記問題を解決している。
【０００６】
なお、溶融した原料を収容するるつぼ及び引き上げ装置により引き上げられる単結晶を覆うチャンバーを備えた単結晶成長装置であって、チャンバー内を覗くための覗き窓と、覗き窓を開閉する開閉装置と、覗き窓が開くのに連動して単結晶と原料融液の境界部を撮影するＣＣＤカメラとを設けると、覗き窓を所定時間毎に自動的に開き、覗き窓が開くのに連動して、単結晶と原料融液との境界部をＣＣＤカメラで撮影することにより、蒸発した原料が覗き窓のガラスに付着して単結晶の撮影ができなくなるという問題も解決できる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、撮影した画像をもとに直接的に半径を求めることができるため、例えば、撮影した画像から複数の境界点を求め、数学的手法により単結晶の円形状を定義して直径を計算する方法に比べ、単結晶成長時の直径値を精度よく求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の単結晶直径計測装置について、単結晶をチョクラルスキー法（ＣＺ法）等で製造する単結晶成長装置に適用した実施形態を図面に基づき説明する。
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。
【０００９】
＜単結晶成長装置の構成＞
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。
【００１０】
モータ９は、モータドライバ１０を介してコンピュータ１３に接続されている。覗き窓７の開及び閉の状態を検出する上限リミットスイッチ１１と下限リミットスイッチ１２もコンピュータ１３に接続されている。
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。
【００１１】
そして、ＣＣＤカメラ１４は、図３に示すように、単結晶２の画像をＣＣＤ（ＣＣＤカメラ１４の撮像素子）１９上に投影し（単結晶２の回転中心をＣＣＤ１９の中央を通って平面視上下方向に伸びている画素列に投影し）、得られた画像をコンピュータ１３に出力する。また、ＣＣＤ１９には、ＣＣＤ１９の中央を原点とし、平面視右方向に伸びているＸc軸、上方向に伸びているＺc軸を有するＣＣＤ座標系が既定されている。なお、ＣＣＤ座標系では、焦点距離ｆを単位長さとして規格化した座標値を表す。即ち、座標値は、「ＣＣＤ座標系原点からの画素の数×ＣＣＤ１９の一画素の大きさ／焦点距離ｆ」となる。
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。
【００１２】
＜単結晶成長装置の動作＞
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。
【００１３】
また、覗き窓７が開くのと同期して、コンピュータ１３は、ＣＣＤカメラ１４に引き上げ軸６が１回転する間に単結晶２と原料融液４との境界を異なる角度位置にて８回撮影するように指令する。即ち、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、単結晶２の回転角度が４５°の整数倍となるたびに（単結晶２と原料用融液４との境界部を、単結晶２の回転軸を中心として４５°刻みで８分割する点ｉ（ｉ＝１〜８）による線０−ｉ（単結晶２の回転中心と点ｉとを結ぶ線）とＹw軸とのなす角度が０°となるたびに）前記指令を出力する。
【００１４】
ＣＣＤカメラ１４は、単結晶２と原料融液４との境界部を撮影し、撮影した画像から単結晶２と原料融液４の境界部を検出する。具体的には、まず、撮影順序が前後する２枚の画像のうち、後に撮影された画像について、図５（ａ）に示すように、当該画像の中央を通って平面視上下方向に伸びている画素列（スキャンライン）を平面視上側から平面視下側へスキャンして当該スキャンライン上の各画素の輝度を求める。そして、隣接する画素と輝度が大きく異なる画素を検出することで、計測点ｉがＢ地点にあるとき（図４の線０−ｉとＹw軸とのなす角度が０°のとき）の座標Ｂ’（ａ2、ｂ2）を特定する。
【００１５】
次に、図５（ｂ）に示すように、前記２枚の画像のうち、先に撮影された画像の所定画素領域（前記計測点ｉが撮影されている領域、スキャン領域）内において平面視上下方向に伸びているスキャンラインを平面視左側から平面視右側へ順次選択する。次いで、その選択されたスキャンラインを平面視上側から平面視下側へスキャンして当該スキャンライン上の各画素の輝度を求め、隣接する画素と輝度が大きく異なる画素を検出する。そして、単結晶２と原料融液４との境界点の座標（ＣＣＤ座標系における座標）Ａ”（ａ1’、ｂ1’）を決定し、その座標Ａ”を下記（１）式に代入し、左辺と右辺とが最も等しくなる座標Ａ’を算出することで、前記計測点ｉがＡ地点にあるとき（図４の線０−ｉとＹw軸とのなす角度が４５°のとき）の座標Ａ’（ａ1、ｂ1）を特定する。
【００１６】
【数１】
2006347775.tif 000003
【００１７】
また、それら特定された座標Ａ’（ａ1、ｂ1）、Ｂ’（ａ2、ｂ2）に基づき、下記（２）（３）式に従って、前記計測点ｉにおける単結晶２の半径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。
【００１８】
【数２】
2006347775.tif 000004
【００１９】
さらに、上記フローを点１〜点８について繰り返し実行することで、各点における半径Ｒi、及び原料融液４までの垂直座標ｈiを求める。そして、得られた半径Ｒi及び垂直座標ｈiに基づき、単結晶２と原料融液４との境界直径の平均値Ｄav、及びカメラ焦点Ｆと原料融液４との垂直座標の平均値Ｚavを下記（４）（５）式に従って算出する。
Ｄav＝（ΣＲi／８）×２＝ΣＲi／４  ・・・（４）
Ｚav＝Σｈi／８  ・・・（５）
【００２０】
そして、コンピュータ１３は、その算出された平均直径Ｄavと設定した直径との差からＰＩＤ制御などの手法を用いて、加熱電源１６の出力を決定し、設定した直径との差違をなくすよう制御する。このとき、単結晶２の直径が設定した直径より大きくなった場合は、加熱電源１８の出力を上げて直径が小さくなるようにし、逆に直径が設定した直径より小さくなった場合は、加熱電源１８の出力を下げて直径が大きくなるように操作を行う。
【００２１】
このように、本実施形態の単結晶成長装置にあっては、単結晶２と原料融液４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回撮影し、その撮影した各画像から前記境界部の計測点を特定し、その特定した計測点の座標Ａ’、Ｂ’と、ＣＣＤカメラ１４の取り付け角αと、カメラ焦点Ｆから単結晶２の回転中心までの水平距離と、から当該計測点における単結晶２の半径Ｒiを算出するようにした。そのため、撮影した画像をもとに直接的に直径を求めることができるため、例えば、撮影した画像から複数の境界点を求め、数学的手法により単結晶の円形状を定義して直径を計算する方法に比べ、単結晶成長時の直径値を精度よく求めることができる。
【００２２】
また、覗き窓７を所定時間毎に自動的に開き、覗き窓７が開くのに連動して、単結晶２と原料融液４との境界部をＣＣＤカメラ１４で撮影するようにした。そのため、蒸発した原料が覗き窓のガラスに付着して単結晶の撮影ができなくなるという問題も解決できる。
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。
【００２３】
ちなみに、溶融した原料をいれたるつぼ１及び単結晶２を覆う形で設けられたチャンバー５に設置した窓ガラス越しに画像撮影を行う従来の方法では、蒸発した原料が窓ガラスに付着して曇りが生じ、撮影できなくなるため、一般的にはガラス内面部に気体を流して曇りを防止している。従って、覗き窓ガラス内面に一定流量の気体を流すための追加装置が必要となり、単結晶成長装置の費用が高くなるという問題がある。
【００２４】
＜半径算出式等の導出方法＞
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。
【００２５】
【数３】
2006347775.tif 000005
【００２６】
また、前記変換マトリックスwＲc（上記（６）式）により、ワールド座標系の座標Ｐ（X、Ｙ、Ｚ）とＣＣＤ座標系の座標Ｐ’（ａ、ｂ）との間には、下記（７）〜（１０）式の関係が成り立つ。
【００２７】
【数４】
2006347775.tif 000006
【００２８】
即ち、
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。
【００２９】
【数５】
2006347775.tif 000007
【００３０】
また同様に、上記（９）（１０）式を利用すると、ワールド座標系の座標Ｂ（X2、Ｙ2、ｈ）とＣＣＤ座標系の座標Ｂ’（ａ2、ｂ2）との間には、下記（１４）（１５）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。
【００３１】
【数６】
2006347775.tif 000008
【００３２】
さらに、上記（１３）（１６）を利用すると、単結晶２の半径Ｒiを算出するための下記（１７）式の関係が成り立つ（上記（２）式が導出される）。
【００３３】
【数７】
2006347775.tif 000009
【００３４】
そして、上記（１７）式で算出された単結晶２の半径Ｒiにより、カメラ焦点Ｆと原料融液面との間の垂直距離ｈを算出するための下記（１８）式の関係が成り立つ（上記（３）式が導出される）。
【００３５】
【数８】
2006347775.tif 000010
【００３６】
＜座標Ａ’検出式の算出方法＞
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。
【００３７】
【数９】
2006347775.tif 000011
【００３８】
また、幾何学上、座標Ａ、Ｂについては、下記（２３）式の関係が成り立つ。
【００３９】
【数１０】
2006347775.tif 000012
【００４０】
そのため、上記（１９）〜（２３）式を利用すると、下記（２４）式の関係が成り立つ（上記（１）式が誘導される）。
【００４１】
【数１１】
2006347775.tif 000013
【００４２】
以上、上記実施形態では、図１のＣＣＤカメラ１４が特許請求の範囲の撮影手段を構成し、以下同様に、図１のコンピュータ１３が特定手段及び算出手段を構成する。
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。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施形態である単結晶成長装置の構成図である。
【図２】ＣＣＤカメラと単結晶との位置関係を示す側面図及び平面図である。
【図３】ＣＣＤ上に投影された単結晶の画像を説明するための説明図である。
【図４】単結晶と原料融液との境界線上の計測点を示す側面図及び平面図である。
【図５】単結晶と原料融液との境界部の検出方法を説明するための説明図である。
【図６】半径算出式などの導出方法を説明するための説明図である。
【符号の説明】
【００４４】
１はるつぼ、２は単結晶、３は種結晶、４は原料融液、５はチャンバー、６は引き上げ軸、７は覗き窓、８はワイヤ、９はモータ、１０はモータドライバ、１１は上限リミットスイッチ、１２は下限リミットスイッチ、１３はコンピュータ、１４はＣＣＤカメラ、１５はパイプ、１６は加熱電源、１７はアーム、１８は加熱装置、１９はＣＣＤ
【図１】
2006347775.tif 000014
【図２】
2006347775.tif 000015
【図３】
2006347775.tif 000016
【図４】
2006347775.tif 000017
【図５】
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【図６】
2006347775.tif 000019