(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＺ炉内に、原料溶融液から引き上げられる単結晶の周囲を囲むように設けられる熱遮蔽体を具備するチョクラルスキー型単結晶引上装置に設けられ、融液液面のレベルの検出を行うメルトレベル検出装置であって、
引き上げ単結晶の回転軸を中心として定常的に形成される同心円状で、その断面が放射面状であるうねりによって形成される融液液面であって、引き上げ単結晶の側面に生じるメニスカス近傍の融液液面から熱遮蔽体の底部に至るまでの投射位置に対し、レーザー光の照射方向がＣＺ炉内のるつぼの径方向に移動するよう制御され、照射するレーザー光のエネルギー準位Ｅｒがゴーストのエネルギー準位Ｅｇより大きく、融液液面からの輻射光のエネルギーレベルが、減光フィルタでカットされるエネルギーレベルＥｐよりも小さくなる波長のレーザー光を照射するレーザー光照射器と、
レーザー光の照射方向の移動中、融液液面から反射してくるレーザー光を受光し得る計測スポットに設けられる受光器と、
カットするエネルギーレベルが、融液液面に照射されるレーザー光のエネルギー準位Ｅｒとゴーストのエネルギー準位Ｅｇの間に位置し、受光器で受光されるレーザー光が通過する位置に設けられ、輻射ノイズ光をカットする減光フィルタと、
レーザー光の投射及び反射に基づき、三角測量の原理を用いて、レーザー光の投射位置をスキャンし、融液液面から反射してくるレーザー光、及び、熱遮蔽体から反射してくるレーザー光を反射率の相違によって区別して融液液面及び熱遮蔽体のレベルの検出を行う手段と、
を具備し、
前記レーザー光照射器による投射位置のスキャンを、ＣＺ炉内に設置されている前記熱遮蔽体の底部に至るまで行い、当該熱遮蔽体の底部から反射してくるレーザー光を、当該熱遮蔽体の底部を測定する際は、メルトレベルを測定するときよりもレーザー出力を大きくし、輻射ノイズ光をカットする減光フィルタを介して前記受光器で受光することにより当該熱遮蔽体底部の位置の算出を行うことを特徴とするメルトレベル検出装置。
【請求項２】
前記レーザー光照射器から発せられたレーザー光の進路を変更して融液液面への投射を行う第１の光路変更手段、及び、融液液面から反射してきたレーザー光の進路を変更して前記受光器へと導く第２の光路変更手段のいずれか一方もしくは両方が備え付けられていることを特徴とする請求項１記載のメルトレベル検出装置。
【請求項３】
前記レーザー光照射器による投射位置の変更を、前記第１及び第２の光路変更手段により行うことを特徴とする請求項２記載のメルトレベル検出装置。
【請求項４】
前記レーザー光照射器の投射角度の調整を行う角度調整機構を備えていることを特徴とする請求項１から３いずれか記載のメルトレベル検出装置。
【請求項５】
前記受光器は、ビームスプリッタと、メルトレベルを検出する一次元センサと、前記一次元センサと共役の位置になるように配置され、前記熱遮蔽体の横方向の位置を検出する二次元センサを備えることを特徴とする請求項１から４いずれか記載のメルトレベル検出装置。
【請求項６】
請求項１ないし５いずれか記載のメルトレベル検出装置を用いたメルトレベル検出方法であって、
引き上げ単結晶の回転軸を中心として定常的に形成される同心円状で、その断面が放射面状であるうねりによって形成される融液液面であって、引き上げ単結晶の側面に生じるメニスカス近傍の融液液面から熱遮蔽体の底部に至るまでの投射位置に対し、照射するレーザー光のエネルギー準位Ｅｒがゴーストのエネルギー準位Ｅｇより大きく、融液液面からの輻射光のエネルギーレベルが、減光フィルタでカットされるエネルギーレベルＥｐよりも小さくなるレーザー光を照射し、
レーザー光の照射方向の移動中、融液液面及び熱遮蔽体から反射してくるレーザー光を受光し、
受光器で受光されるレーザー光が通過する位置に設けられる減光フィルタによって、受光器で受光されるレーザー光から、レーザー光のエネルギー準位Ｅｒとゴーストのエネルギー準位Ｅｇの間に位置し、輻射ノイズ光をカットし、
レーザー光の投射及び反射に基づき、三角測量の原理を用いて、レーザー光の投射位置をスキャンし、融液液面から反射してくるレーザー光、及び、熱遮蔽体から反射してくるレーザー光を反射率の相違によって区別して融液液面及び熱遮蔽体のレベルの検出するとき、前記投射位置のスキャンを、ＣＺ炉内に設置されている前記熱遮蔽体の底部に至るまで行い、前記熱遮蔽体の底部から反射してくるレーザー光を、当該熱遮蔽体の底部を測定する際は、メルトレベルを測定するときよりもレーザー出力を大きくし、輻射ノイズ光をカットする減光フィルタを介して前記受光器で受光し、前記熱遮蔽体の底部と前記融液液面の反射率の相違により熱遮蔽体部分の検出を行う
ことを特徴とするメルトレベル検出方法。
【請求項７】
前記レーザー光照射器から発せられたレーザー光の融液液面からの正反射光よりも光強度の低い光をカットする減光フィルタにより前記正反射光以外のゴーストを除外することを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記受光器に、ビームスプリッタと、メルトレベルを検出する一次元センサと、前記一次元センサと共役の位置になるように配置され、前記熱遮蔽体の横方向の位置を検出する二次元光センサを備え、メルトレベルと熱遮蔽体上の計測スポットの二次元的な位置を検出することを特徴とする請求項６又は７記載の方法。
【請求項９】
三角測量の原理に基づくＣＺ炉内の融液液面のレベル検出のための前記スキャンは、常時行われるか、または、時々に行われるかのいずれかである請求項６から８いずれか記載の方法。
【請求項１０】
前記時々に行われるスキャンは、反射光の受光状態の良い位置を探索するために行うものであり、受光状態が良い間はスキャンを停止すると共に、受光状態が悪化したときにはスキャンを再開し、反射光の受光状態が良い位置に至るまで探索を継続することを特徴とする請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チョクラルスキー型単結晶引上装置内の原料溶融液の液面高さ（メルトレベル）を検出する装置および方法、特に溶融シリコンのメルトレベルを検出するための検出装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
［メルトレベル検出の必要性］
チョクラルスキー法（ＣＺ法）は、るつぼ内におけるシリコン等の原料溶融液から単結晶インゴットを引上げるものであり、結晶成長を良好に行うためには、原料溶融液の液面レベル（以下、メルトレベル）を適確に検出し、それを調整する必要がある。
【０００３】
ＣＺ型単結晶引上装置においてメルトレベルの適確な検出及び調整を行うことは、熱遮蔽体とメルトレベルの相対的位置、あるいはヒータとメルトレベルの相対的位置を制御し、安定した結晶成長を促す上でも有用である。
【０００４】
特に、現存のＣＺ型シリコン単結晶引上装置においては、通常は、ヒータ及びシリコン融液からの熱輻射を制御すると同時に、炉内に通されるガスの整流を行う熱遮蔽体（もしくは、ガス整流筒）が設置されるが、前記フィードバック制御を適切に行い、この熱遮蔽体の下面とメルトレベルの相対的位置（即ち、これらの間の距離）を制御することによって、引上げシリコン単結晶の熱履歴や不純物濃度（酸素濃度等）を一定にすることができる。
【０００５】
［メルトレベル検出装置］
メルトレベル検出装置の従来技術としては、特公平３−１７０８４号に開示されているような装置が存在する。この従来装置は、三角測量の原理に基づいてメルトレベルの検出を行うものであり、具体的には、図１９（当該公報のＦＩＧ．１）に示されるように、レーザー光３４を角度θでメルト面に投射し、正反射光３８をレンズ４４で集光し、光センサ４８で集光位置４６の検出を行うというものである。そして、この従来装置においては、メルト面２０の表面に生じた微小の波立２２に起因する計測のバラツキを平均化する目的で、レーザー光を拡大投射３０してそれを受光するようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、メルト面３には、前述した微小の波立とは別に、当該メルト面３の平坦を阻害する要因が存在する。即ち、図２（ｂ）に示すように、結晶１５の近傍のメルト面３には、結晶１５の成長面近傍の表面張力によるメニスカス２８が生じる。また、るつぼ１４の回転および引上結晶１５の回転によって、放物面状の液面の傾きがメルト面３の全体にわたって発生する。さらに、図２（ｃ）に示すように、ガス整流筒１６をメルトレベル３に近づけた場合には、不活性ガスの排出圧力により、ガス整流筒１６の下部付近のメルト面３が窪んだ形状となる場合がある。このようなメルト面３の傾きは、前記計測のためのレーザー光の正反射光の方位をシフトさせてしまうので（図中、メルト面３の傾きを角度Ψで表している）、有効な受光が困難になる。
【０００７】
また、上記従来技術には、メルト面の傾きに起因するレーザー正反射光の方位シフトに対して、光受光部の設置位置を移動してこれを捕捉することが開示されている。このメルト面３の傾きΨは、るつぼ１４および結晶１５の回転速度、ガス整流筒１６のメルト面３からの高さに密接に関わるため、これらの引上げ条件を変えるたびに光受光部の位置移動量を調節する必要があり、煩雑であるとともに受光部の移動設定を精度よく再現するのが困難である。また、移動調整がうまく行かない場合には、レーザーの正反射光を受光できず、メルト面の検知が不能となる可能性もある。
【０００８】
更に、図２０（前記公報のＦＩＧ．３に相当するもので、メルトレベルの変化に対するレーザー正反射光の変化を示す図である）に示されるように、メルトレベルが大きく変化（ΔＬ）すると、正反射光の位置ずれ（ΔＹ）が大きくなってしまうため、その分だけ光検出器を大きくシフトさせる必要が生じてくる。そして、それに伴って当該大きなシフトに対応した大きさの観察ポート４０が必要となってきたり、光検出器が移動できるスペースを用意する必要が生じたりするなどというような設置上の制約が出てきてしまう。
【０００９】
また、メルト面３は鏡面のように光を反射するため、図１５（ａ）に示すように、レーザー光源１の出射口２９における散乱光がメルト面３で反射し、それが光センサ７にゴースト３０として映り込み、位置検出精度の低下を招くという問題もある（なお、この現象は、レンズ５を介して正反射光４を受光する条件では頻繁に発生する）。これに関し、上記従来技術では、メルト面２０からの輻射光と受光レーザー光とをコントラストよく弁別するためのものとして、レーザー光の波長のみを透過するバンドパスフィルターを採用している。しかしながら、レーザー光源１の出射口２９における散乱光の波長とメルト面３で正反射してくるレーザー光の波長は互いに同一であるため、バンドパスフィルターによってはレーザー出射口２９のセンサ７への映り込みを回避することができない。
【００１０】
本発明は以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡易かつ精密にメルトレベルの検出を行うことができるメルトレベル検出装置及びメルトレベル検出方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
以上のような課題を解決するために、本発明に係るメルトレベル検出装置及び検出方法においては、融液液面上に定常的に生ずる液面形状を利用し、それを一種の反射体（即ち、照射されるレーザー光が、所定の個所に取り付けられている受光器へと適確に導かれるための一種の反射体）として機能させて適確なメルトレベル検出を行うことを特徴とする。そして、そのための手段として、るつぼの径方向にスキャンを行い、照射されたレーザー光が受光器へと適確に導かれる位置を探し出すのである。
【００１２】
なお、本発明は、ＣＺ炉内においては、るつぼ自体の回転や引き上げ結晶の回転により、引き上げ結晶の回転軸を中心とした同心円状のうねりが生じ、しかもこれが定常的なものであるという知見、並びに、このうねりはその断面が放物面状であるため、るつぼの径方向にスキャンを行えば、照射されたレーザー光が受光器へと適確に導かれる位置が必ず見つかるという知見に基づいてなされたものである。
【００１３】
より具体的には、本発明は、以下のようなメルトレベル検出装置及び検出方法を提供する。
【００１４】
（１）  ＣＺ炉内に、原料溶融液から引き上げられる単結晶の周囲を囲むように設けられる熱遮蔽体を具備するチョクラルスキー型単結晶引上装置に設けられ、融液液面のレベルの検出を行うメルトレベル検出装置であって、
引き上げ単結晶の回転軸を中心として定常的に形成される同心円状で、その断面が放射面状であるうねりによって形成される融液液面であって、引き上げ単結晶の側面に生じるメニスカス近傍の融液液面から熱遮蔽体の底部に至るまでの投射位置に対し、レーザー光の照射方向がＣＺ炉内のるつぼの径方向に移動するよう制御され、照射するレーザー光のエネルギー準位Ｅｒがゴーストのエネルギー準位Ｅｇより大きく、融液液面からの輻射光のエネルギーレベルが、減光フィルタでカットされるエネルギーレベルＥｐよりも小さくなる波長のレーザー光を照射するレーザー光照射器と、
レーザー光の照射方向の移動中、融液液面から反射してくるレーザー光を受光し得る計測スポットに設けられる受光器と、
カットするエネルギーレベルが、融液液面に照射されるレーザー光のエネルギー準位Ｅｒとゴーストのエネルギー準位Ｅｇの間に位置し、受光器で受光されるレーザー光が通過する位置に設けられ、輻射ノイズ光をカットする減光フィルタと、
レーザー光の投射及び反射に基づき、三角測量の原理を用いて、レーザー光の投射位置をスキャンし、融液液面から反射してくるレーザー光、及び、熱遮蔽体から反射してくるレーザー光を反射率の相違によって区別して融液液面及び熱遮蔽体のレベルの検出を行う手段と、
を具備し、前記レーザー光照射器による投射位置のスキャンを、ＣＺ炉内に設置されている前記熱遮蔽体の底部に至るまで行い、当該熱遮蔽体の底部から反射してくるレーザー光を、当該熱遮蔽体の底部を測定する際は、メルトレベルを測定するときよりもレーザー出力を大きくし、輻射ノイズ光をカットする減光フィルタを介して前記受光器で受光することにより当該熱遮蔽体底部の位置の算出を行うことを特徴とするメルトレベル検出装置。「熱遮蔽体」は、融液液面からの輻射熱の遮蔽を行うものであり、炉内に通されるガスの整流を行う機能を備えていてもよい。
【００１５】
なお、「定常的」というのは、ある一定条件下においてほぼ恒常的に定在している定常波のようなものは勿論のこと、ある所定の一定期間を見た場合に安定な状態として存在し得る状態を取っていることまでをも含む概念を意味する。本発明の実施の形態において、「定常的に生じる起伏」として典型的なものは、ある設定された条件下において、引き上げ結晶とるつぼの回転により生ずる、引き上げ軸を中心とした安定した同心円状のうねりである。それは、これらのものは、ある所定の一定期間を見た場合には安定な定常波のように振舞うが、そのような液面の状態は、結晶の引き上げに伴って刻々と変化するものであるため、本発明の実施の形態においては、「ある所定の一定期間を見た場合に安定な状態として存在し得る状態を取っている」ことを想定するのがむしろ自然だからである。
【００１６】
（２）  前記レーザー光照射器から発せられたレーザー光の進路を変更して融液液面への投射を行う第１の光路変更手段、及び、融液液面から反射してきたレーザー光の進路を変更して前記受光器へと導く第２の光路変更手段のいずれか一方もしくは両方が備え付けられていることを特徴とする上記記載のメルトレベル検出装置。
【００１７】
（３）  前記レーザー光照射器による投射位置の変更を、前記第１及び第２の光路変更手段により行うことを特徴とする上記記載のメルトレベル検出装置。「光路変更手段」の例としては、ミラー、プリズムなどが挙げられる。
【００１９】
（４）  前記レーザー光照射器の投射角度の調整を行う角度調整機構を備えていることを特徴とする上記いずれか記載のメルトレベル検出装置。
【００２０】
（５）前記レーザー光照射器による投射位置のスキャンを、ＣＺ炉内に設置されている前記熱遮蔽体の底部に至るまで行い、当該熱遮蔽体の底部から反射してくるレーザー光を、当該熱遮蔽体の底部を測定する際は、メルトレベルを測定するときよりもレーザー出力を大きくし、輻射ノイズ光をカットする減光フィルタを介して前記受光器で受光することにより当該熱遮蔽体底部の位置の算出を行うことを特徴とする上記記載のメルトレベル検出装置。
【００２１】
（６）  前記受光器は、ビームスプリッタと、メルトレベルを検出する一次元センサと、前
記一次元センサと共役の位置になるように配置され、前記熱遮蔽体の横方向の位置を検出する二次元センサを備えることを特徴とする上記記載のメルトレベル
検出装置。
【００２２】
（７）  上記記載のメルトレベル検出装置を用いたメルトレベル検出方法であって、
引き上げ単結晶の回転軸を中心として定常的に形成される同心円状で、その断面が放射面状であるうねりによって形成される融液液面であって、引き上げ単結晶の側面に生じるメニスカス近傍の融液液面から熱遮蔽体の底部に至るまでの投射位置に対し、照射するレーザー光のエネルギー準位Ｅｒがゴーストのエネルギー準位Ｅｇより大きく、融液液面からの輻射光のエネルギーレベルが、減光フィルタでカットされるエネルギーレベルＥｐよりも小さくなるレーザー光を照射し、
レーザー光の照射方向の移動中、融液液面及び熱遮蔽体から反射してくるレーザー光を受光し、
受光器で受光されるレーザー光が通過する位置に設けられる減光フィルタによって、受光器で受光されるレーザー光から、レーザー光のエネルギー準位Ｅｒとゴーストのエネルギー準位Ｅｇの間に位置し、輻射ノイズ光をカットし、
レーザー光の投射及び反射に基づき、三角測量の原理を用いて、レーザー光の投射位置をスキャンし、融液液面から反射してくるレーザー光、及び、熱遮蔽体から反射してくるレーザー光を反射率の相違によって区別して融液液面及び熱遮蔽体のレベルの検出するとき、前記投射位置のスキャンを、ＣＺ炉内に設置されている前記熱遮蔽体の底部に至るまで行い、前記熱遮蔽体の底部から反射してくるレーザー光を、当該熱遮蔽体の底部を測定する際は、メルトレベルを測定するときよりもレーザー出力を大きくし、輻射ノイズ光をカットする減光フィルタを介して前記受光器で受光し、前記熱遮蔽体の底部と前記融液液面の反射率の相違により熱遮蔽体部分の検出を行う
ことを特徴とするメルトレベル検出方法。
【００２３】
（８）  前記レーザー光照射器から発せられたレーザー光の融液液面からの正反射光よりも光強度の低い光をカットする減光フィルタにより前記正反射光以外のゴーストを除外することを特徴とする上記記載の方法。
【００２４】
（９）前記レーザー光照射器による投射位置のスキャンをＣＺ炉内に設置されている前記熱遮蔽体の底部に至るまで行い、前記熱遮蔽体の底部から反射してくるレーザー光を、当該熱遮蔽体の底部を測定する際は、メルトレベルを測定するときよりもレーザー出力を大きくし、輻射ノイズ光をカットする減光フィルタを介して前記受光器で受光し、前記熱遮蔽体の底部と前記融液液面の反射率の相違により熱遮蔽体部分の検出を行うことを特徴とする上記記載の方法。
【００２５】
（１０）  前記受光器に、ビームスプリッタと、メルトレベルを検出する一次元センサと、前記一次元センサと共役の位置になるように配置され、前記熱遮蔽体の横方向の位置を検出する二次元光センサを備え、メルトレベルと熱遮蔽体上の計測スポットの二次元的な位置を検出することを特徴とする上記記載の方法。
【００２６】
（１１）  三角測量の原理に基づくＣＺ炉内の融液液面のレベル検出のための前記スキャンは、常時行われるか、または、時々に行われるかのいずれかである上記記載の方法。
【００２７】
（１２）  前記時々に行われるスキャンは、反射光の受光状態の良い位置を探索するために行うものであり、受光状態が良い間はスキャンを停止すると共に、受光状態が悪化したときにはスキャンを再開し、反射光の受光状態が良い位置に至るまで探索を継続することを特徴とする上記記載の方法。
【００２８】
ここで、以上のような本発明を一般的に表現すると次のようなものになる。本発明に係る方法は、三角測量の原理を実用的な液体に対して適用したものであるから、ある設定された条件下において表面に定常状態を作り出せるものであれば、いかなる液体に対しても適用できるということは明らかである。
【００３２】
【発明の実施の形態】
［装置の基本的構成］
図１は、本発明に係るメルトレベル検出装置及び検出方法の原理を説明するためのブロック図である。この図１に示されるように、本発明に係るメルトレベル検出装置においては、基本的に、レーザー光源１から発せられたビーム２を角度θでメルト面3に投射し、その反射により得られる計測スポット３１の位置に基づいて、三角測量の原理によりメルトレベル3を算出する。計測スポット３１の位置は、当該正反射光４をレンズ５で集光し、それを二次元光センサ７上の集光位置によって同定される（図１（ａ））。
【００３３】
この実施の形態では、レーザー光源１がレーザー光照射器に相当し、レンズ５及び二次元光センサ7が受光器に相当する。受光器の手前には、減光フィルタ６が設置されている。また、これらのレーザー光照射器及び受光器はＣＺ炉の所定の位置に配置されるが、この実施の形態においては、レーザー光照射器（レーザー光源１）、受光器（レンズ５及び二次元光センサ７）、及び減光フィルタ６で距離計測器８を構成し、この距離計測器８においては、るつぼ１４の半径方向にほぼ鉛直な仮想面１２内に、レーザービーム２の光学中心軸１０と受光部光学中心軸１１とを配置している（図１（ｃ））。そして、レーザービーム２が、るつぼ１４の半径方向に沿って、角度Φの範囲でメルト面上をスキャンするようにしている（図１（ｄ））。これにより、レーザービーム２は、メルト面上をスキャン範囲１３の範囲でスキャンすることとなる（図１（ｂ），（ｄ））。
【００３４】
［メルトレベル検出の基本的原理］
引上結晶１５の周囲に生ずるメニスカス２８（図２（ｂ））、るつぼの回転および引上結晶の回転によって発生する放物面状のメルト面３の傾き（図２（ｂ））、並びに、熱遮蔽体１６の下部付近の窪んだ形状のメルト面（図２（ｃ））はそれぞれ、るつぼの回転中心９に対してほぼ対称なプロファイルを有する。そしてこれは、レーザービーム２の角度スキャンΦの方向と一致するため、メルト面３の傾きΨとレーザービーム入射角度とで角度がほぼ同じとなる計測スポット３１が、スキャン範囲１３内に必ず一ヶ所は存在することとなる（図１（ｄ））。そして、このスキャン位置３１は、レーザービーム２によるスキャン範囲１３内でのスキャンによってが確実に捕らえられ、計測スポット３１にレーザービーム２が投射された場合には、正反射したレーザービーム４が必ず受光器に到達することとなる。
【００３５】
このように、本発明においては、レーザービーム２のるつぼ径方向における僅かな距離のスキャンによって、当該レーザービーム２を確実に受光器に正反射させることができるので、従来技術とは異なり、メルト面の傾きに対応させた受光部の移動を行う必要が無い。この場合において、もし引上げ条件が変わって、メルト面の傾きのプロファイルが変化したとしても、メルト面の傾きΦとレーザービーム入射角度と角度がほぼ同じとなる別の計測スポットが、スキャン範囲１３内で新たに出現するので、この場合も受光部の位置移動はしないで済む。
【００３６】
また、このような装置構成によれば、メルト面３が３’に変化したとしても、計測スポット３１が３１’に変化し、それに伴って正反射光４が４’に変化し、最終的には正反射光が二次元光センサ７に投影される位置が異なるだけであるので、微小な液面変化が生じた場合でも、レーザー光照射器と受光器の位置を変更する必要が無く、この場合においてもレーザー光照射器と受光部の位置移動を行わずに済むことになる。
【００３７】
［スキャン］
本発明においては、後述するように、受光器（レンズ５及び二次元光センサ７）に、観測面上の計測スポットの二次元的な位置を同時に検出する二次元光センサを備えることにより、メルトレベルと熱遮蔽体上の計測スポットの二次元的な位置を検出することが可能となり、そのようにした場合にはメルトレベルと熱遮蔽体１６の間の距離の計測を同時に行うことができるようになる。
【００３８】
また、この実施の形態におけるスキャンは、図３に示されるように、受光器Ｐからの入力情報に基づいてコントローラＱがレーザー光照射器Ｒをフィードバック制御することにより行われるが、スキャン三角測量の原理に基づくＣＺ炉内の融液液面のレベル検出のためのスキャンは、常時行われるものであってもよく、必要に応じて時々に行われるものでもよい。
【００３９】
ここで、図４は、主に上記コントローラＱにより行われる、スキャンが必要に応じて時々に行われる場合の実施の形態に係るスキャンの動作を説明をするためのフロー図である。この図４に示されるように、まずデータの取りこみが行われた後（Ｓ１０１）、スキャンが実行される（Ｓ１０２）。そして、スキャンが実行されながら、反射光が所定の条件を満たすか否かが判断され（Ｓ１０３）、満たす場合にはスキャンが停止されてその場所で計測が実行される（Ｓ１０４）。その一方で、反射光が所定の条件を満たさなかった場合にはＳ１０２に戻されてスキャンが継続される。また、一度スキャンが停止された場合でも、その後の状況の変化によって反射光が所定の条件を満たさなくなった場合には、Ｓ１０４→Ｓ１０３→Ｓ１０２のルートを通って、再びスキャンが開始され、反射光が所定の条件を満たすようになるまで探索が続けられる。
【００４０】
なお、上述の反射光が満たすべき「所定の条件」というのは、例えば受光信号の強度や形である。そして、それは例えば毎回の信号のピーク値の何回分かの積分値で判断することもでき、受光信号の強度や形状から毎回の信号の信頼性の可否を判定し、計測回数や時間あたりの合格回数で判断することもできる。また、受光状態が悪化した場合の対処形態として、単に自動的に計測を中断して自動的にスキャンの再開を行うようにするだけでなく、警報を発してオペレーターを呼び寄せ、そのオペレーターの判断でスキャンを再開し、再探索・再設定を行うようにしてもよい。
【００４１】
［変形例］
＜ミラー、プリズムの設置＞
図５及び図６に示すように、レーザー光源１から発せられたレーザー光を、ミラーあるいはプリズムなどの光路変更手段２０を介してメルト面３に照射させることもできる。ミラーあるいはプリズムなどの光路変更手段２０は、熱遮蔽体１６と結晶１５の間に配置するのが好適であり、このようにすることで、熱遮蔽体１６と結晶１５の間の隙間が極めて狭いような場合でも、その極めて狭い隙間の部分に対してレーザー光を照射し、反射させることができる。また、光路を折り曲げ、変更することによって、距離計測器本体8と結晶１５あるいは結晶直胴部の筐体17などとの機械的干渉を避け、設計の自由度を向上させることができる。
【００４２】
ここで、光路変更手段２０を用いた場合には、図７に示すように、計測器8を回転させるようにしてもよい。即ち、測量角の狭い（5°〜3°)三角測量計測器ユニットを使用する場合には、計測器自体を回転させ、それによって測量角の狭い分を補うようにしてスキャン範囲１３の全体をスキャンさせ、それによって有効な距離計測が行えるようにするのである。なお、別の態様として、距離計測器８それ自体ではなく、光路変更手段２０の方を回転させるようにしてもよい。
【００４３】
ところで、光路変更手段は２以上のものを設けるようにしてもよい。この場合において、２以上の光路変更手段は、それぞれ同種のものでも異種のものでもよい。図８は、ミラー及びプリズムという２種の光路変更手段を直列に設けた例を示したものである。図８に示される実施の形態では、回転ミラー３３が回転することにより図７に示す実施の形態と同様の作用・効果を得ることができる。なお、光路変更手段の形状は特に限定されず、ミラーの場合で言えば、平板のものでなくてもよく、例えば、図９に示されるようなポリゴンミラー２６のようなものも使用することができる。
【００４４】
＜光照射の最適化＞
図６に示すように、受光部の光学中心軸１１に垂直で且つレーザー光のスキャン方向に沿って距離計測器８を移動(破線位置、移動ステージ等は図示せず)させることにより、メルトレベル３と距離計測器８の相対的距離を変えずに、結晶１５と熱遮蔽体１６の間のメルト面３の計測位置を調整することができる。このようにすることによって、メルト面３の傾きとレーザービーム入射角度がより一致する最適な条件を探し出すことができるようになる。
【００４５】
また、図１０及び図１１に示すように、レーザービームをミラーに反射させ、レーザービームを一方向に拡大したスリット光で同時に角度Φの範囲を投光するようにしてもよい。ミラーの角度を変化させてのスキャンは、図１１に示すように、ミラー２４と一体化されたモーター２５を駆動させることによって容易に行うことができる。また、距離計測器8の受光部のレンズ５には、メルト面３の微小の波立に起因するレーザービーム正反射光4の揺らぎを有効に捕捉できる大きさ(開口)のもの(例えばφ５０ｍｍ)を採用し、メルト面３の微小の波立に対して安定してメルトレベル計測ができるようにしてもよい。
【００４６】
ここで、炉内に設置されるプリズムは、炉内汚染の防止と高温に対する安定性の点から、石英（Ｆｕｓｅｄ Ｓｉｌｉｃａ）を使用するのが望ましい。また、メルト面からの輻射が強い場合には、プリズムを取付ける金属フランジに水冷ジャケットを設けるのが望ましい。同様に、炉内汚染の防止の点から、炉内に設置されるミラーは、研磨されたシリコンであることが好ましい。また、メルト面からの輻射が強い場合には、シリコンミラーを取付ける金属フランジに水冷ジャケットを設けるのが望ましい。
【００４７】
［三角測量角度の可変化］
図１２に示すように、ビームの入射角度(5°〜3°)を小さく設定することで、検出の対象となる液面の変位（３〜３'）の間をより広いものとすることができ、より広い範囲にわたって反射光を受光し、計測できるようにすることもできる。この場合において、以下に例示するように、ビームの入射角度を適宜変更できるようにすることで、検出の対象となる液面の変位を、必要に応じて適宜変更することができるようになる。
【００４８】
まず、図１３に示すようにレーザービーム2の投光角度θと受光系の光軸θが共に同じになるようにレーザー光源１および受光系（５、６、７）を回転することにより、メルトレベル３の大きな変化（３〜３')に対して小さな入射窓１８と観察窓１９を通して計測を行うことができる。メルトレべル３は、二次元光センサ７上の基準位置に正反射光４が結像するときのθから検知することができる。また、あるθのときに二次元光センサ７上の基準位置に対して正反射光４がどれだけずれて結像しているか計測することによっても、メルトレベル3を検知することができる。
【００４９】
一方、図１４に示すように、レーザー光源１を投光角度θが変化するように回転させることにより、メルトレベル３の大きな変化（３〜３'）に対して小さな入射窓１８と観察窓１９を通して計測を行うことができる。投光角度θごとに二次元光センサ7上の正反射光４の結像位置とメルトレベル３との関係を予め求めておくことにより、メルトレベル３を検知することができる。なお、入射窓１８と観察窓１９は共通の大窓でもよい。また、メルト面からの輻射が強い場合には、赤外線をカットするためのコーティング（たとえば金コート）を窓材に施すことや、窓の加熱を防ぐために、窓取付の金属フランジに水冷ジャケットを設けるのが好ましい。
【００５０】
［減光フィルターの設置］
レーザービーム光２の強さを十分大きくすると同時に、受光部に減光フィルター6を挿入することによって（１５（ｂ））、正反射光４による二次元光センサ７上での受光強度の飽和が防止できる。これとともに、レーザービーム出射光２９での散乱レーザー光がメルト面３(鏡面)で反射してきたものの強度を十分減光することで、二次元光センサ７上に結像(出射口の映り込み)するのを防止し、実質的に計測誤差にならないようにすることができる。従って、このような減光フィルターの挿入により、また、メルト面３から輻射ノイズ光をカットし、計測点３１がコントラスト良好に二次元光センサに結像した状態で、メルトレベルの検出ができるようになる。
【００５１】
［熱遮蔽体の位置の検出］
図１６は、図５に示される実施の形態のスキャン範囲１３を熱遮蔽体１６にまで拡張したものである。このように、レーザー光２のスキャン範囲１３をメルト面３と熱遮蔽体１６の双方にまたがる範囲にまで行うことによって、メルト面3と熱遮蔽体１６の間の相対的距離を計測することが可能となる。メルト面3と熱遮蔽体１６の区別は、反射率の相違によって行う。
【００５２】
このような構成とすることで、本発明においては熱遮蔽体の横方向の位置までもが検出できるのは、特公平３−１７０８４号に開示されている発明とは異なり、ある領域における平均値を取るのではなく、基本的にはスポット的にスキャンを行っているからである。即ち本発明においては、結果的にはライン状にスキャンを行っていることになるが、ライン上を移動するのはあくまで計測スポットであり、しかもスキャンを行うことによって得られたデータの平均を取らないので、横方向の反射率が各計測スポット毎に検出されることとなり、これによって横方向における熱遮蔽体の位置までもが検出できることとなるのである。
【００５３】
また、本発明においては、減光フィルターの設定を工夫したことにより、基準点となる反射体を熱遮蔽体の下端部に特別に設けることなく、計測位置を画像センサで確認するだけで、熱遮蔽体の高さ方向の位置を直接計測することができるようになっている。なお、図１、７、８、１３、１４の実施の形態の場合においても、同様に、スキャン範囲１３を熱遮蔽体１６にまで拡張することにより、直接的にメルトレベルと熱遮蔽体の間の距離の計測が行えるようになる。
【００５４】
因みに、この実施の形態のようにメルトレベルと熱遮蔽体の間の距離の計測を行う場合には、熱遮蔽体の横方向の位置も検出するために、図１７に示すように、受光部にはビームスプリッタ３４と二次元光センサ３５を配置し、計測スポット３１の画像による確認ができるようにするのが好ましい。このような計測ユニット８によれば、一次元光センサ３２と共役の位置に二次元光センサ３５が配置されており、レンズ５及び減光フィルタ６を通過してきた光は、ビームスプリッタ３４により分けられ、一次元光センサ３２によってメルトレベルが検出される一方で、二次元光センサ３５により熱遮蔽体１６の範囲が検出される。
【００５５】
ここで、レーザー光の強度と減光フィルターの関係について説明をする。まず、図１８は、光の波長とエネルギーの関係を示した図であるが、この図１８において、Ｅｐは減光フィルターがカットするエネルギーレベル、Ｅｇはゴーストのエネルギー準位、Ｅｒはレーザー光のエネルギー準位、Ｅｓは融液液面からの輻射光の最高エネルギーレベルを意味する。この図１８から明らかなように、ＥｒはＥｇよりも大きいものである必要があり、ＥｐはＥｒとＥｇの間に位置している必要がある。特に波長λ１の場合には、Ｅｐのほうが融液液面からの輻射光のエネルギーよりも大きいため、減光フィルターにより融液液面からの輻射光もカットできることになる。その反面、波長λ２の場合には、融液液面からの輻射光のエネルギーのほうが大きいため、減光フィルターを用いた場合でも、融液液面からの輻射光が背景に現れてくることになる。そして、この場合においては、熱遮蔽体の部分が影となって現れてくる。
【００５６】
具体的には、好適な実施の形態においては、２．５ｍＷのレーザー光と［１／１，０００］の減光フィルターの組み合わせの場合には、融液液面からの輻射光が背景に現れてくる。５ｍＷのレーザー光と［１／１０，０００］の減光フィルターの組み合わせの場合には、ゴーストが排除された正反射光が得られる。カーボン製の熱遮蔽体からの反射光は、１５ｍＷのレーザー光と［１／１０，０００］の減光フィルターの組み合わせにより得られる。
【００５７】
なお、上記の実施の形態においては、いずれも、光学フィルタとして、減光フィルタと共にバンドパスフィルタを併用するようにしてもよい。また、一次元光センサ３２としてはライン型ＣＣＤ、ＰＳＤなどが望ましく、二次元光センサ７としては、エリア型ＣＣＤ、ＰＳＤなどが望ましい。これに関し、最後の実施の形態においては、減光フィルタとバンドパスフィルタの組み合わせが有効であることが明らかであるが、ＣＣＤを採用した場合には、当該ＣＣＤ自体がバンドパスフィルタの役割を果たすため、このことを考慮しながらバンドパスフィルタを選別することになる。
【００５８】
更に、図１、５、６、７、８、１３、１４に係る実施の形態においては、計測ユニット８を構成するレーザー光源１、減光フィルタ６、受光レンズ５、及び光センサ７あるいは３２は、同一の筐体あるいは基板上に配置されることが望ましい。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、レーザー投光角度を極めて小さな範囲でスキャンをしてメルトレベルの検出に適切な個所を見出し、その部分において計測をするようにしているので、装置の複雑化を招かず、また、融液液面に生じるノイズの影響が少ない状態でメルトレベルの検出が行える。
【００６０】
従って本発明によれば、従来装置よりも簡易な機構で、確実にメルトレベルの検出が行えるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係るメルトレベル検出装置及び方法の原理を説明するためのブロック図である。
【図２】  引き上げ結晶近傍の融液液面の状態を説明するための図である。
【図３】  本発明の一実施態様に係るスキャンの説明をするための図である。
【図４】  本発明の一実施態様に係るスキャンの動作を説明をするためのフロー図である。
【図５】  光路変更手段を用いた一実施態様を示すブロック図である。
【図６】  光路変更手段を用いた別の実施態様を示すブロック図である。
【図７】  光路変更手段を用いた更に別の実施態様を示すブロック図である。
【図８】  光路変更手段を用いた他の実施態様を示すブロック図である。
【図９】  ポリゴンミラーを用いてスキャンする場合の実施態様を示すブロック図である。
【図１０】  レーザー光を広げてスキャンする場合の実施の態様を説明するための図である。
【図１１】  ミラーの回転によってスキャンする場合の実施の態様を説明するための図である。
【図１２】  ビームの入射角度を小さく設定することで、検出の対象となる液面の変位の間をより広いものとする実施の形態を示すブロック図である。
【図１３】  検出の対象となる液面の変位の間をより広いものとするためにレーザー光源と受光部とを回転させる実施の形態を示すブロック図である。
【図１４】  検出の対象となる液面の変位の間をより広いものとするためにレーザー光源を回転させる実施の形態を示すブロック図である。
【図１５】  ゴーストの除去を説明するための図である。
【図１６】  熱遮蔽体の検出を行う実施態様を示すブロック図である。
【図１７】  熱遮蔽体の検出を行う実施態様において好適な計測ユニットの構成を示すブロック図である。
【図１８】  ゴーストを除去してメルトレベルの検出を行う原理、及び熱遮蔽体の検出を行う原理を説明するための図である。
【図１９】  従来技術に係るメルトレベル検出装置の構成を示す図である。
【図２０】  従来技術に係るメルトレベル検出装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ レーザー光源
２ レーザー光
３ メルト面(レベル)
４ 正反射光
５ 受光レンズ
６ 減光フィルター（ＮＤフィルター）
７ 二次元光センサ（ＣＣＤエリアセンサ）
８ 計測ユニット
９ 回転中心
１０ 入射系光軸
１１ 受光系光軸
１２ 仮想面
１３ スキャン範囲
１４ るつぼ
１５ シリコン単結晶、単結晶直同部
１６ ガス整流筒
１７ ＣＺ引上げ装置筐体
１８ 入射窓
１９ 観察窓
２０ 光路変更手段（プリズムあるいはミラー）
２１ シリンドリカルレンズ１
２２ シリンドリカルレンズ２
２３ 集光レンズ
２４ スキヤンミラー
２５ 回転モータ
２６ ポリゴンミラー
２７ 溶融シリコン
２８ メニスカス
２９ 投光口
３０ 投光口虚像
３１ 計測スポット
３２ 一次元光センサ（ＣＣＤラインセンサ）
３３  回転ミラー
３４ ビームスプリッタ
３５ 二次元光センサ（ＣＣＤエリアセンサ）
Ｐ  受光器
Ｑ  コントローラ
Ｒ  レーザー光照射器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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