(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口された上面から析出用基板が浸漬される容器内に収容された、溶解対象物を加熱溶融した溶湯の湯面高さを監視する溶湯監視装置において、
前記容器内の隅部に配置され、前記容器内の底面から上面にかけて複数の段部を階段状に有するように形成された湯面高さ検出部と、
撮像領域を制限するスリットを介して、前記容器の上方から前記湯面高さ検出部の各段部の上面を溶湯と共に撮像して撮像信号を出力する撮像手段と、
前記湯面高さ検出部の各段部の上面における撮像信号の明暗に基づいて前記溶湯の湯面高さを判定する湯面高さ判定手段とを有し、
前記湯面高さ検出部の各段部の高さが、前記容器に浸漬された前記析出用基板に析出される前記溶解対象物の結晶の厚さ、前記容器の所定高さ当たりの溶湯重量、および、前記容器に浸漬される析出用基板の枚数の少なくとも１つに応じて設定されていることを特徴とする溶湯監視装置。
【請求項２】
請求項１に記載の溶湯監視装置と、
前記溶湯となる溶解対象物を前記容器に供給する供給手段と、
前記湯面高さ判定手段により判定された湯面高さが所定の基準高さとなるように、前記供給手段における溶解対象物の供給タイミングおよび／または供給量を制御する供給制御手段とを有することを特徴とする真空溶解装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶解対象物を加熱溶融した溶湯の湯面高さを検出して監視する溶湯監視装置およびそれを備えた真空溶解装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体基板等の析出板を製造する場合には、ルツボ装置に収容された溶解対象物を加熱溶融して溶湯とし、この溶湯に対して析出用基板を湯面から僅かに浸漬させて基板面に所定量の溶解対象物を析出させるという処理が一般に行われている。このような処理によって析出板の製造を繰り返すと、溶湯の消費により湯面高さが低下し、最終的には析出用基板を溶湯に浸漬させることができなくなる。従って、従来においては、オペレータが湯面高さを目視により監視したり、溶湯の消費量に対応する析出板の製造数に基づいて湯面高さを監視したりする対策が講じられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようにオペレータの目視により湯面高さを監視する方法では、オペレータによる溶湯の目視が製造中において常に必要になるため、オペレータの負担が大きいという問題がある。また、析出板の製造数に基づいて湯面高さを監視する方法では、析出板以外の析出物が析出用基板に生成していると、この析出物が溶湯消費量の誤差要因になるため、湯面高さを正確に監視することが困難になるという問題がある。
【０００４】
そこで、例えばグリーンレーザー光を溶湯に向かって出射すると共に、湯面におけるグリーンレーザー光の照射点を監視カメラで撮像し、湯面高さの低下に伴って照射点が移動したときの移動量を撮像信号に基づいて求めることによって、湯面高さを監視する方法が考えられている。ところが、溶解対象物の種類によっては、溶解対象物が溶湯になったときに湯面が鏡面状態となる性質を有するものがある。このような性質を持つ溶解対象物の場合には、グリーンレーザー光が湯面において乱反射しないため、照射点を撮像することができず、結果として湯面高さを監視することができない。特にこの問題は、半導体基板に多用されているＳｉを溶解対象物とした場合に顕著なものになっている。
【０００５】
本発明は、オペレータの目視による監視を不要にし、湯面が鏡面状態となっていても正確且つ高い信頼性で湯面高さを監視することができる溶湯監視装置およびそれを備えた真空溶解装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載の溶湯監視装置は、開口された上面から析出用基板が浸漬される容器内に収容された、溶解対象物を加熱溶融した溶湯の湯面高さを監視する溶湯監視装置において、前記容器内の隅部に配置され、前記容器内の底面から上面にかけて複数の段部を階段状に有するように形成された湯面高さ検出部と、撮像領域を制限するスリットを介して、前記容器の上方から前記湯面高さ検出部の各段部の上面を溶湯と共に撮像して撮像信号を出力する撮像手段と、前記湯面高さ検出部の各段部の上面における撮像信号の明暗に基づいて前記溶湯の湯面高さを判定する湯面高さ判定手段とを有し、前記湯面高さ検出部の各段部の高さが、前記容器に浸漬された前記析出用基板に析出される前記溶解対象物の結晶の厚さ、前記容器の所定高さ当たりの溶湯重量、および、前記容器に浸漬される析出用基板の枚数の少なくとも１つに応じて設定されていることを特徴とする。
【０００７】
上記構成の溶湯監視装置によれば、溶融して液体状となった溶湯と固体状の湯面高さ検出部とで撮像信号に含まれる輝度信号のレベルが異なるため、湯面高さ検出部を撮像して得た各段部の撮像信号の明暗に基づいて段部が溶湯から露出しているか否かを判断することができる。その結果、オペレータの目視による監視が不要となり、溶湯の湯面が鏡面状態となっていても、溶湯と段部との関係で、正確且つ高い信頼性で湯面高さを監視することができる。
【０００８】
本発明の請求項２に記載の真空溶解装置は、請求項１に記載の溶湯監視装置と、前記溶湯となる溶解対象物を前記容器に供給する供給手段と、前記湯面高さ判定手段により判定された湯面高さが所定の基準高さとなるように、前記供給手段における溶解対象物の供給タイミングおよび／または供給量を制御する供給制御手段とを有することを特徴とする。
【０００９】
上記構成の真空溶解装置によれば、請求項１に記載の溶湯監視装置によって湯面高さを段部との関係で正確且つ高い信頼性で検出することができるため、湯面高さを基準とした例えば析出処理を高い信頼性で行うことができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
本実施形態に係る溶湯監視装置は、真空溶解装置を適用した半導体基板製造装置に搭載されている。半導体基板製造装置は、図５および図６に示すように、Ｓｉを主成分とするシート状の半導体基板６１を析出物として製造するように構成されている。尚、図５および図６に示す半導体基板製造装置としての真空溶解装置１０は、析出板製造装置の一種であり、析出板製造装置は、密閉状態にされた処理室で半導体材料や金属材料等の溶解対象物１０１を加熱溶融して溶湯とし、この溶解対象物１０１をシート状の析出板となるように製造する装置を意味する。また、溶解対象物１０１としては、Ｓｉ等の半導体材料の他、鉄やチタン等の金属材料を挙げることができる。
【００１１】
上記の真空溶解装置１０は、図５および図６に示されているように、外部環境から内部を密閉状態に隔離可能な二重壁構造の真空容器３を備えている。真空容器３は、上側収容室７６を形成する円筒形状の上側タンク部４と、上側タンク部４の下部に設けられ、上側収容室７６に連通した下側収容室７７を形成する下側タンク部７５とを有している。図６に示すように、上側タンク部４の上面には第１〜第４覗き窓部４８ａ〜４８ｄが幅方向に形成されており、これらの覗き窓部４８ａ〜４８ｄは、上側収容室７６および下側収容室７７を上側タンク部４の幅方向全体に渡って目視可能にしている。また、図５に示すように、上側タンク部４の一端部には第５覗き窓部４８ｅが形成されている。第５覗き窓部４８ｅは、上側収容室７６および下側収容室７７を上側タンク部４の長手方向全体に渡って目視可能にしている。
【００１２】
また、下側タンク部７５の一方の側面壁には、図６に示すように、搬入出部７５ａが開口されている。搬入出部７５ａは、上側タンク部４の長手方向（紙面に対して垂直方向）に進退移動する開閉扉８０により開閉可能にされている。そして、このように構成された真空容器３には、Ａｒガス等の不活性ガスを供給する図示しないガス供給装置および両収容室７６・７７の空気を排気する図示しない真空排気装置が接続されている。これらの装置は、真空容器３の両収容室７６・７７を所定の圧力に減圧しながら不活性ガスを供給することによって、外部環境とは異なる処理環境を両収容室７６・７７に出現させるようになっている。
【００１３】
上記の両収容室７６・７７の略中央部には、析出用基板７４を溶湯１５に浸漬させて引き上げる析出機構１０３が設けられている。析出機構１０３は、水平移動機構７３と、水平移動機構７３により水平移動可能にされた垂直移動機構７１と、垂直移動機構７１により昇降可能にされた旋回機構７２とを有している。水平移動機構７３は、水平方向に配置され、上側収容室７６の両端部にかけて可動範囲が設定された水平搬送部１６と、水平搬送部１６の一端部に設けられた水平駆動部１７とを有している。
【００１４】
水平搬送部１６は、図５に示すように、周面全体にネジ溝が形成されたネジ軸部材１８と、ネジ軸部材１８に螺合されたブロック部材１９と、ブロック部材１９の下面を進退移動自在に支持するレール部材２０と、ブロック部材１９の上面に設けられ、垂直移動機構７１に連結された連結部材２１とを有している。また、水平搬送部１６は、これらの部材１８〜１９の上面を覆い隠すように設けられたカバー部材２２を備えている。カバー部材２２は、溶湯１５等から飛散して浮遊する塵埃が各部材１８〜１９に積層することを防止している。
【００１５】
上記の水平搬送部１６の一端部には、図６に示すように、水平駆動部１７が連結されている。水平駆動部１７は、任意の回転速度で正逆回転可能であると共に所定の保持力で停止可能なサーボモータ等の水平駆動装置２３と、水平駆動装置２３を冷却する第１冷却装置２４とを有している。水平駆動装置２３は、ネジ軸部材１８の一端部に連結されており、ネジ軸部材１８を正逆回転させることによって、ブロック部材１９等を介して垂直移動機構７１を水平方向の任意の位置に移動可能にしている。
【００１６】
また、第１冷却装置２４は、図７に示すように、水平駆動装置２３を下側収容室７７の処理環境から隔離するように収納した収納容器２５と、真空容器３の外部から収納容器２５内の一端側に冷却ガスを供給するガス供給配管２６と、収納容器２５内の他端側から真空容器３の外部に冷却ガスを排出するガス排出配管２７とを有している。ガス供給配管２６には、ガス供給機２８が接続されており、ガス供給機２８は、冷却ガスを強制的に収納容器２５内に送給することにより水平駆動装置２３の周囲温度を所定温度以下に維持している。尚、冷却ガスは、Ａｒガスや窒素ガス等の不活性ガスであっても良いし、空気であっても良い。また、ガス供給機２８の代わりに、高圧の冷却ガスを収容したガスボンベを使用しても良い。
【００１７】
一方、図６に示すように、垂直移動機構７１は、垂直方向に配置された垂直搬送部３０と、垂直搬送部３０の上端部に設けられた垂直駆動部３１とを有している。垂直搬送部３０は、図５に示すように、上述の水平移動機構７３とほぼ同一の構成部材からなっており、周面全体にネジ溝が形成されたネジ軸部材３２と、ネジ軸部材３２に螺合され、上面（図中左面）に旋回機構７２が連結されたブロック部材３３と、ブロック部材３３の下面（図中右面）を昇降自在に支持するレール部材３４とを有している。
【００１８】
上記の垂直搬送部３０の上端部には、垂直駆動部３１が連結されている。垂直駆動部３１は、任意の回転速度で正逆回転可能であると共に所定の保持力で停止可能なサーボモータ等の垂直駆動装置３５と、垂直駆動装置３５を冷却する第２冷却装置３６とを有している。垂直駆動装置３５は、ネジ軸部材３２の上端部に連結されており、ネジ軸部材３２を正逆回転させることによって、ブロック部材３３等を介して旋回機構７２を垂直方向の任意の高さ位置に移動可能にしている。また、第２冷却装置３６は、図７の収納容器２５等を有した上述の第１冷却装置２４と同一の部材により同一の冷却機能を発揮するように構成されている。
【００１９】
上記の垂直移動機構７１で昇降される旋回機構７２は、図５に示すように、ブロック部材３３に一端面を連結された連結支持体３８と、連結支持体３８の他端面に連結された回動駆動部３９とを有している。回動駆動部３９は、任意の回転速度で正逆回転可能であると共に所定の保持力で停止可能なサーボモータ等の回動駆動装置４０と、回動駆動装置４０を冷却する第３冷却装置４１とを有している。
【００２０】
上記の第３冷却装置４１は、垂直駆動部３１と同様に、図７の収納容器２５等を有した上述の第１冷却装置２４と同一の部材により同一の冷却機能を発揮するように構成されている。第３冷却装置４１内の回動駆動装置４０は、回動軸４０ａの先端部が連結支持体３８内に配置されている。回動軸４０ａの先端部には、図６に示すように、上下方向に配置された第１縦設部材４２ａの上端部が固設されている。第１縦設部材４２ａは、横設部材４２ｂを介して第２縦設部材４２ｃの上端部に連結されている。また、第１および第２縦設部材４２ａ・４２ｂの下端部は、析出用基板７４における旋回方向の両端部に連結されている。そして、第１および第２縦設部材４２ａ・４２ｃと横設部材４２ｂとは、旋回支持機構４２を構成しており、旋回支持機構４２は、回動軸４０ａを中心として析出用基板７４を旋回させるようになっている。
【００２１】
上記の第１および第２縦設部材４２ａ・４２ｃは、回動軸４０ａ側から中部までの範囲が機械的強度に優れたステンレス鋼等の金属材料で形成されている一方、中部から析出用基板７４に連結された下端部までの範囲が耐熱性に優れたカーボンにより形成されている。これにより、旋回支持機構４２は、析出用基板７４を旋回させて高温の溶湯１５に浸漬させる際に、溶湯１５から大量の輻射熱を下側部分に受けることになっても、長期間に亘って初期の機械的強度を維持することが可能になっている。
【００２２】
上記のように各機構７１〜７３で構成された析出機構１０３は、水平移動機構７３により垂直移動機構７１および旋回機構７２を水平方向に進退移動させることによって、図６に示すように、これら機構７１・７２と共に析出用基板７４を予熱位置Ａと析出位置Ｂと引き剥がし位置Ｃと研磨位置Ｄとに位置決め可能にしている。析出位置Ｂにおいては、各機構７１〜７３を連動させながら作動させることによって、回動軸４０ａよりも溶湯１５側に近い旋回中心Ｏを半径とした析出軌跡で析出用基板７４を進行させるようになっている。尚、図６に示す析出軌跡は、析出用基板７４を旋回方向（進行方向）の上流側から斜め方向に下降させて溶湯１５に浸漬させた後、進行方向の下流側に斜め方向に上昇させて溶湯１５から引き上げることによって、浸漬された部分に溶湯１５の凝固成長した析出物である半導体基板６１を生成させるように設定されている。
【００２３】
上記の析出用基板７４は、図８に示すように、半導体基板６１が析出される下面からなる基板面７４ａと、進行方向の上流側および下流側の各側面に形成された傾斜部７４ｂと、析出用基板７４の上面（反析出面）に形成された把持部７４ｃとを有している。傾斜部７４ｂは、基板面７４ａの両端部が上面の両端部の内側に位置するように基板面７４ａから上面側にかけて傾斜されている。具体的には、傾斜部７４ｂは、溶湯１５に対する浸漬角度θ１よりも基板面７４ａに対する傾斜角度θ２が大きな角度となるように設定されており、半導体基板６１の端部を上面の両端部よりも進行方向の内側に位置させるようになっている。尚、析出用基板７４は、例えばカーボン等の耐熱性のある材料により形成されるのが好ましい。
【００２４】
また、図９に示すように、析出用基板７４の上面に形成された把持部７４ｃは、進行方向の断面が逆台形形状に形成されており、基板把持装置４３の一部を構成している。基板把持装置４３は、把持部７４ｃを着脱自在に保持するチャック機構４４を備えている。チャック機構４４は、チャック部材４５・４５を左右対称に備えている。各チャック部材４５・４５は、把持部７４ｃに係合するように下面に形成された係合部４５ａと、ゴミ等の落下物を受け止めるように上面の四辺に沿って形成された環状溝部４５ｂと、環状溝部４５ｂに周囲を囲まれた懸吊部４５ｃとを有している。
【００２５】
上記の懸吊部４５ｃの上面には、２つの突設部４５ｄ・４５ｄが対向配置されている。両突設部４５ｄ・４５ｄの中央部には、ピン挿通穴４５ｅ・４５ｅが形成されている。これらの突設部４５ｄ・４５ｄ間には、図１０に示すように、上述の旋回支持機構４２の各縦設部材４２ａ・４２ｂが嵌合されるようになっている。そして、ピン挿通穴４５ｅ・４５ｅには、カーボン製のピン部材４６が抜脱可能に挿通されるようになっており、ピン部材４６は、各縦設部材４２ａ・４２ｂをチャック機構４４に対して連結させるようになっている。
【００２６】
上記のピン部材４６は、溶湯１５からの輻射熱の直射を回避するように、チャック部材４５の析出側の投影面積よりも短くなるように形成されている。また、ピン部材４６の表面には、図１１に示すように、硬化層１０２が形成されており、ピン部材４６は、硬化層１０２により表面の機械的強度が高められることによって、チャック部材４５のピン挿通穴４５ｅに対して着脱する際の磨耗が低減されている。一方、チャック部材４５においては、ピン部材４６に接触するピン挿通穴４５ｅと、析出用基板７４に接触する係合部４５ａおよび下面とに硬化層１０２が形成されている。そして、チャック部材４５は、硬化層１０２で接触面の機械的強度が高められることによって、ピン部材４６の着脱時および析出用基板７４の把持時における磨耗が低減されている。
【００２７】
尚、硬化層１０２の形成方法としては、プラズマＣＶＤやイオンプレーティング等の表面処理方法でＳｉＣ膜をコーティングする硬化処理を挙げることができる。また、硬化層１０２は、チャック部材４５の全表面に形成されていても良く、この場合には、チャック部材４５の全体の機械的強度を高めることができるため、チャック部材４５をオペレータが運搬する際に衝撃を与えても破損し難いものとすることができる。また、析出用基板７４の上面の形状は、析出用基板把持装置４３の種類によって、適宜変更することができる。
【００２８】
上記の基板把持装置４３で保持される析出用基板７４が浸漬される溶湯１５は、図１２に示すように、ルツボ装置５１に収容されている。ルツボ装置５１は、溶湯１５を収容する収容部５２ａを備えたルツボ５２と、ルツボ５２の側面壁５２ｂの周囲に配置された誘導加熱コイル５３と、図５および図６に示す、これらのルツボ５２および誘導加熱コイル５３を支持するルツボ支持台５４とを有している。誘導加熱コイル５３には、図５および図６に示す耐熱構造の電力ケーブル５５が着脱可能に接続されており、図示しない高周波電源から高周波数の交流電力が供給されるようになっている。これにより、誘導加熱コイル５３は、ルツボ５２の周囲に交番磁場を生成させ、ルツボ５２の主に表面側を誘導加熱することが可能になっている。
【００２９】
一方、ルツボ５２は、析出用基板７４の進行方向が長尺となるように平面視長方形状に形成されており、溶湯１５の収容量を最小限に抑制しながら、側面壁５２ｂが析出用基板７４の旋回の障害にならないようにしている。尚、ルツボ５２は、析出用基板７４の進行方向が長尺になる形状であれば良く、例えば平面視楕円形状であっても良い。また、ルツボ５２は、図１３に示すように、収容部５２ａの側面側と底面側との２方向から大きな熱量が伝達されるように、底面壁５２ｃの厚みが平均ルツボ半径と略同等であり且つ側面壁５２ｂの厚みと同等以上に設定されている。
【００３０】
ここで、平均ルツボ半径とは、ルツボ５２の全方向の半径を平均化したものである。また、ルツボ５２の側面壁５２ｂは、電磁誘導の浸透深さ未満の厚みに設定されていることが望ましく、この場合には、溶湯１５を対流させることができるため、ゴミ等の落下物が核となって溶湯１５の表面中央が凝固する現象を防止することが可能になる。
【００３１】
ルツボ５２の収容部５２ａ内には、ルツボ５２の長手方向（半導体基板６１の進行方向）に沿って仕切り壁６２が設けられている。仕切り壁６２は、析出用基板７４の障害物とならないように配置されている。また、仕切り壁６２は、上端部がルツボ５２の上面に位置し、下端部が収容部５２ａの底面上方に位置するように形成されている。これにより、仕切り壁６２は、析出用基板７４が浸漬する第１溶解槽６３と、第１溶解槽６３に連通する第２溶解槽６４とに収容部５２ａを区分しており、第２溶解槽６４と第１溶解槽６３との間における湯面の乱れの伝播を防止している。
【００３２】
また、ルツボ５２は、図５および図６に示すように、ルツボ支持台５４により支持されている。ルツボ支持台５４は、ルツボ５２および誘導加熱コイル５３をそれぞれ独立して支持する断熱支持体５４ａと、断熱支持体５４ａの下面に接合され、冷却配管を埋設された冷却盤５４ｂと、冷却盤５４ｂを支持する搬送台５４ｃとを有している。ルツボ支持台５４は、ルツボ搬入出機構５７に載置されている。ルツボ搬入出機構５７は、真空容器３の搬入出部７５ａを挟んで真空容器３の内外に敷設されており、複数の搬送ローラー５６を回転可能に備えている。そして、ルツボ搬入出機構５７は、搬送ローラー５６を正逆回転させることによって、ルツボ支持台５４やルツボ５２等からなるルツボ装置５１の真空容器３に対する搬入出を可能にしている。
【００３３】
さらに、ルツボ５２の収容部５２ａ内には、図１および図１２に示すように、溶湯１５の湯面高さの監視に使用される本実施形態に係る湯面高さ検出部２が形成されている。湯面高さ検出部２は、収容部５２ａの底面から上面にかけて複数の段部２ａを階段状に有しており、析出用基板７４の障害物とならないように、収容部５２ａのコーナー部に配置されている。湯面高さ検出部２は、例えばセラミック、カーボン等の耐熱性のある材料からなるのが好ましい。湯面高さ検出部２は、ルツボ５２と一体的に形成されていても良いし、また、湯面高さ検出部２をルツボ５２から取り外し可能とし、ルツボ５２内の任意位置に固設できるようにするため、ルツボ５２とは別に形成されていても良い。湯面高さ検出部２をルツボ５２と別に形成する場合は、例えばカーボン製のボルト・ナット等により湯面高さ検出部２をルツボ５２の底に固定するのが好ましい。
【００３４】
湯面高さ検出部２は、ルツボ５２内の溶湯１５の容量を減少させることのないように、ルツボ５２内の空間と比較して長さ・幅を小さくして、上述のようにルツボ２内の隅部に設置するのが好ましい。湯面高さ検出部２の各段部２ａの高さは、析出用基板７４の結晶析出厚さ、ルツボ５２の高さ１ｍｍ当たりの溶湯重量、浸漬させる析出用基板７４の枚数等に応じて設定することができる。例えば析出用基板の結晶析出厚さが０．３ｍｍ、ルツボ５２の高さ１ｍｍ当たりの溶湯重量が６９０ｇ、析出用基板７４を３６枚浸漬させる場合、湯面高さ検出部２の段部２ａを５段とし、各段部２ａの高さを略２．２ｍｍとする。
【００３５】
上記のように構成された湯面高さ検出部２を含むルツボ５２の上方には、図１および図５に示すように、供給機構１１が設けられている。供給機構１１は、溶解対象物１０１をルツボ５２の第２溶解槽６４に供給できるようになっている。供給機構１１は、先端部に投入部が形成され、粉状や塊状の溶解対象物１０１を収容した収容箱１２と、収容箱１２を水平方向に進退移動させる収容箱移動機構１３と、収容箱１２内の溶解対象物１０１を先端部から押し出す押出機構１４とを備えている。
【００３６】
さらに、ルツボ５２の上方における真空容器３の第１覗き窓部４８ａには、図６に示すように、上記の湯面高さ検出部２を溶湯１５と共に撮像して撮像信号を出力する撮像手段としての撮像装置５が設けられている。撮像装置５は、図１に示すように、ＣＣＤカメラ等のカメラ本体６と、カメラ本体６の前方に配置されたスリット板７とを有している。カメラ本体６は、マトリックス状に配列された多数の撮像素子（画素）からなる撮像面を備えており、撮像面に投影された撮像光を各撮像素子が電気信号に変換することによって、溶融して液体状となった溶湯１５と固体状の湯面高さ検出部２とで輝度信号成分のレベルが異なる撮像信号を出力するようになっている。
【００３７】
一方、スリット板７には、図２に示すように、撮像領域７ａを湯面高さ検出部２の周辺に制限するスリットが形成されている。これにより、カメラ本体６は、スリット板７に形成されたスリットを介して、図２に示す撮像領域７ａ内にあるルツボ５１の湯面高さ検出部２を溶湯１５と共に撮像することができるため、常時溶湯１５の湯面を監視して後述の湯面高さ検出装置９に湯面高さを認識させることが可能になっている。
【００３８】
上記のカメラ本体６は、図１に示すように、湯面高さ検出装置９の撮像信号処理部９ａに接続されている。湯面高さ検出装置９は、上記の撮像信号処理部９ａの他、入出力部９ｂ、演算部９ｃ、および記憶部９ｄを備えており、これら各部９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄは、信号バス９ｅを介してデータを相互に交換可能にされている。また、湯面高さ検出装置９の入出力部９ｂは、第１警報機５０および第２警報機６０に接続されている。
【００３９】
湯面高さ検出装置９の撮像信号処理部９ａは、カメラ本体６に接続されており、このカメラ本体６から図２の撮像領域７ａ内における湯面高さ検出部２等の撮像信号を受信するようになっている。そして、撮像信号処理部９ａは、撮像信号をデジタルデータに変換した後、信号バス９ｅを介して記憶部９ｄの撮像信号データ領域９ｇに格納するようになっている。
【００４０】
また、湯面高さ検出装置９の記憶部９ｄは、データ書き換え可能に記憶するＲＡＭ部と、データを読み出し専用に記憶するＲＯＭ部とを有している。ＲＯＭ部は、各種データや処理プログラム等が記憶されるためのものであり、本実施形態では、図４に示す湯面検出制御ルーチン９ｆが格納されている。一方、ＲＡＭ部には、上述の撮像信号処理部９ａからの撮像信号データをマトリックス状に配列されたカメラ本体６の撮像素子（画素）に対応して記憶する撮像信号データ領域９ｇと、撮像信号データを２値化した２値化データを記憶する２値化データ領域９ｈとが形成されている。
【００４１】
上記の記憶部９ｄに記憶された湯面検出制御ルーチン９ｆは、演算部９ｃにより実行可能にされており、２値化処理（図４のＳ２）と湯面高さ検出処理（Ｓ３・Ｓ４）と供給制御処理（Ｓ５〜Ｓ８）と残量無し通知処理（Ｓ９・Ｓ１０）と故障通知処理（Ｓ１１・Ｓ１２）とを実行可能にしている。
【００４２】
ここで、２値化処理（Ｓ２）とは、記憶部９ｄの撮像信号データ領域９ｇに記憶された撮像信号データを明暗に基づいて「０」または「１」に２値化し、２値化データ領域９ｈに格納する処理のことである。尚、２値化データにおける「１」は、輝度が低い、即ち溶湯１５から露出した低温の段部２ａを撮像していることを意味する一方、「０」は、輝度が高い、即ち段部２ａを浸漬させた高温の溶湯１５の湯面を撮像していることを意味する。
【００４３】
また、湯面高さ検出処理（Ｓ３・Ｓ４）とは、湯面高さ検出部２の各段部２ａにおける撮像信号の明暗に基づいて溶湯１５の湯面高さを検出する処理のことである。具体的には、湯面高さ検出部２の各段部２ａにおける一部の主要領域（判定領域）に対応する２値化データを記憶部９ｄの２値化データ領域９ｈから抽出し、各段部２ａの抽出された２値化データの合計値に基づいて、各段部２ａが溶湯１５から露出しているか否かを判定することにより湯面高さを検出する処理のことである。
【００４４】
また、供給制御処理（Ｓ５〜Ｓ８）とは、湯面高さ検出部２により検出された湯面高さが所定の基準高さとなるように、供給機構１１における溶解対象物１０１の供給タイミングおよび／または供給量を制御する処理のことである。残量無し通知処理（Ｓ９・Ｓ１０）とは、第１警報機５０を通じて溶解対象物１０１の残量無しをオペレータに通知する処理のことである。故障通知処理（Ｓ１１・Ｓ１２）とは、第２警報機６０を通じて供給機構１１の故障をオペレータに通知する処理のことである。
【００４５】
上記の湯面高さ検出装置９で湯面が監視制御されるルツボ装置５１の上方には、図５および図６に示すように、析出機構１０３との間に、溶湯１５から析出機構１０３に向かう輻射熱を遮る第１熱遮蔽体７８が設けられている。第１熱遮蔽体７８は、図５に示すように、銅製の熱遮蔽板７８ａと、熱遮蔽板７８ａの上面に接合され、熱遮蔽板７８ａを冷却する冷却配管７８ｂとを備えている。熱遮蔽板７８ａには、旋回支持機構４２を挿通させる開口部と、本実施形態に係る撮像装置５による湯面高さ検出部２の撮像を可能にする窓部とが形成されている。これにより、第１熱遮蔽体７８は、析出機構１０３に対する輻射熱の直射を極力低減することによって、析出機構１０３の過熱を防止するようになっている。さらに、ルツボ装置５１と第１熱遮蔽体７８との間には、旋回支持機構４２への輻射熱の直射を防止するように、第２熱遮蔽体７９が設けられている。
【００４６】
また、図６に示すように、ルツボ装置５１から見て析出用基板７４の進行方向の上流側には、予熱機構８１が設けられている。予熱機構８１は、予熱位置Ａの下方に配置された予熱ヒーター８２と、予熱ヒーター８２に着脱可能に接続された電力ケーブル８３と、真空容器３の外部に配置され、電力ケーブル８３を介して予熱用電力を供給する図示しない予熱電源装置とを有している。そして、予熱機構８１は、予熱ヒーター８２に対して析出用基板７４が対向されたときに、この析出用基板７４を所定温度に昇温させることによって、溶湯１５と析出用基板７４との温度差を一定にするようになっている。
【００４７】
一方、ルツボ装置５１から見て析出用基板７４の進行方向の下流側には、図６に示すように、引き剥がし機構８５と研磨機構８６とがこの順に配置されている。引き剥がし機構８５は、引き剥がし位置Ｃの下方に配置されており、析出用基板７４と半導体基板６１との間に進入する剥離部材８７と、剥離部材８７により引き剥がされて落下した半導体基板６１を受け止める基板載置台８８とを備えている。
【００４８】
また、研磨機構８６は、研磨位置Ｄの斜め下方向に配置されている。研磨機構８６は、析出用基板７４を進入させるように上縁部の一部が開口された収納ボックス８９と、収納ボックス８９内に設けられた研磨機本体９０とを備えている。研磨機本体９０は、図１４に示すように、析出用基板７４の基板面７４ａが面状に当接される研磨ベルト９１と、研磨ベルト９１を張設した駆動ローラー９２および従動ローラー９３と、駆動ローラー９２の一端部に接続され、研磨ベルト９１を回転駆動させるローラー駆動モータ９４と、ローラー駆動モータ９４を冷却する第４冷却装置９５と、これら部材を支持する研磨支持台９６とを備えている。尚、第４冷却装置９５は、図７の収納容器２５等を有した上述の第１冷却装置２４と同一の部材により同一の冷却機能を発揮するように構成されている。そして、このように構成された研磨機本体９０は、析出用基板７４の基板面７４ａに研磨ベルト９１を面状に当接させながら回転させることによって、基板面７４ａに付着した付着物を除去するようになっている。
【００４９】
上記のように構成された本実施形態に係る真空溶解装置１０の動作を通じて、溶湯監視装置1の動作を説明する。
【００５０】
（準備・保全工程）
準備・保全工程は、半導体基板６１の生産開始前および生産開始後において、真空溶解装置１０を生産に適した状態にする場合に実施される。即ち、図６に示すように、ルツボ装置５１の検査やルツボ５２の交換、真空容器３内の各機構の検査等を行う場合には、先ず、開閉扉８０が移動されて真空容器３の搬入出部７５ａが開口される。そして、電力ケーブル５５がルツボ装置５１から切り離された後、ルツボ搬入出機構５７の各搬送ローラー５６が回転されることによって、ルツボ装置５１が搬入出部７５ａを介して機外に搬出される。この後、図示しない検査作業場において、ルツボ装置５１の検査等が実施され、不具合があれば、該当箇所の修理や交換が行われる。
【００５１】
また、ルツボ装置５１の検査中に、図５に示すように、供給機構１１の収容箱１２に収容された溶解対象物１０１の残存量が確認され、適正な量となるように補充される。さらに、オペレータが真空容器３内の状態を目視等により検査し、必要に応じて部品の修理および交換が行われる。
【００５２】
例えば析出用基板把持装置４３に取り付けられた析出用基板７４に不具合がある場合には、図１０および図１１に示すように、ピン部材４６がピン挿通穴４５ｅから抜脱されることによって、旋回支持機構４２の第１および第２縦設部材４２ａ・４２ｃが突設部４５ｄ・４５ｄから切り離される。これにより、縦設部材４２ａ・４２ｃにより析出用基板７４の上面に左右方向に固定されていたチャック部材４５・４５が自由な状態となる。そして、チャック部材４５・４５が左右方向に引き離すように移動されることによって、析出用基板７４が析出用基板把持装置４３から取り外される。
【００５３】
次に、新たな析出用基板７４が準備され、この析出用基板７４の把持部７４ｃを挟み込むようにチャック部材４５・４５がセットされる。この後、旋回支持機構４２の第１および第２縦設部材４２ａ・４２ｃが突設部４５ｄ・４５ｄ間に挿入され、ピン部材４６がピン挿通穴４５ｅに挿通される。これにより、チャック部材４５・４５が左右方向に固定され、係合部４５ａ・４５ａが把持部７４ｃを把持することによって、析出用基板７４が析出用基板把持装置４３に取り付けられる。
【００５４】
ここで、析出用基板把持装置４３に対して析出用基板７４が着脱される場合には、チャック部材４５のピン挿通穴４５ｅとピン部材４６との擦れ合いや、チャック部材４５の係合部４５ａと析出用基板７４との擦れ合いが生じるため、磨耗し易い状態となる。ところが、ピン部材４６や析出用基板把持装置４３の擦れ合う部分は、図１１に示すように、硬化層１０２により機械的強度が高められている。従って、析出用基板７４の着脱が繰り返して行われた場合でも、ピン部材４６および析出用基板把持装置４３が初期の形状を維持するため、ピン部材４６および析出用基板把持装置４３を長期間に亘って使用することができる。また、析出用基板７４の着脱時において、ピン部材４６等の一部が破損して欠落することになった場合でも、この落下物が環状溝部４５ｂで受け止められるため、溶湯１５にゴミとして落下することはない。
【００５５】
次に、上記のようにして各機器の検査および交換等が完了すると、図６に示すように、開閉扉８０により搬入出部７５ａが閉鎖され、真空容器３内の上側収容室７６および下側収容室７７が内部から密閉される。そして、図示しない真空排気装置が作動されて空気が排気された後、Ａｒガス等の不活性ガスが供給されることによって、外部環境とは異なる処理環境が収容室７６・７７に形成される。
【００５６】
この後、図１２および図１３に示す誘導加熱コイル５３に高周波数の交流電力が供給され、高周波磁界がルツボ５２の周囲に生成される。この結果、ルツボ５２の側面壁の表面側に強度の磁界が印加されることによって、側面壁の主に表面側が誘導加熱により加熱され、この表面側の熱量が内側方向に向かって伝導していくことになる。ルツボ５２は、底面壁５２ｃの厚みが平均ルツボ半径と略同等であり且つ側面壁５２ｂの厚みと同等以上に設定されている。これにより、収容部５２ａの側面側と底面側との２方向から大きな熱量が伝達され、この熱量で溶解対象物１０１が均等に加熱される結果、早期に全体が溶解して溶湯１５となる。また、溶湯１５になった後は、この溶湯１５の側面および下面が大きな熱量で加熱され続けられるため、溶湯１５全体が均一な温度に維持される。
【００５７】
また、溶湯１５が形成されると、図６に示す真空容器３内の収容室７６・７７が高温になると共に、溶湯１５から高温の輻射熱が放出される。そして、輻射熱の一部は析出機構１０３方向に進行することになるが、析出機構１０３の手前に配設された第１熱遮蔽体７８および第２熱遮蔽体７９により進行が遮られるため、析出機構１０３に殆んど到達することがない。これにより、析出機構１０３は、輻射熱が直射されることによる熱劣化が防止されている。
【００５８】
また、高温化した真空容器３内の収容室７６・７７には、図５および図６に示す析出機構１０３の駆動装置２３・３５・４０および研磨機構８６のローラー駆動モータ９４が冷却装置２４・３６・４１・９５にそれぞれ収容されることにより冷却されている。この際、図７に示すように、冷却装置２４・３６・４１・９５に使用される冷却媒体には、冷却ガスが使用されている。従って、ガス供給配管２６やガス排出配管２７、収納容器２５等が破損することによって、冷却ガスが収容室７６・７７に漏洩した場合でも、冷却水が溶湯１５に接触して重大な故障を引き起こすような事態を生じることがない。
【００５９】
（予熱工程）
上記のようにして所望の処理環境下で溶湯１５が形成されることによって、生産の準備が完了すると、図６に示すように、析出機構１０３の垂直移動機構７１が水平移動機構７３により予熱位置Ａに水平移動される。そして、旋回機構７２が析出用基板７４を垂下させた姿勢を維持しながら垂直移動機構７１により下降されることによって、析出用基板７４が予熱ヒーター８２に対向される。この後、予熱ヒーター８２に予熱用電力が供給され、予熱ヒーター８２より析出用基板７４が所定の予熱温度となるように加熱される。
【００６０】
（析出工程）
析出用基板７４が所定の予熱温度になると、図６に示すように、垂直移動機構７１が析出位置Ｂに移動される。そして、垂直移動機構７１と旋回機構７２と水平移動機構７３とが連動して作動されることによって、回動軸４０ａよりも溶湯１５側に近い旋回中心Ｏを半径とした析出軌跡で析出用基板７４が旋回される。この結果、図８に示すように、析出用基板７４が溶湯１５に浸漬され、析出用基板７４に溶湯１５が析出されて半導体基板６１となり、一定時間の経過後に析出用基板７４が溶湯１５から引き上げられることによって、所定厚みの半導体基板６１が形成される。
【００６１】
（引き剥がし工程）
所定厚みの半導体基板６１が析出用基板７４の基板面７４ａに形成されると、垂直移動機構７１が図６に示す引き剥がし位置Ｃに移動される。そして、旋回機構７２が析出用基板７４を垂下させた姿勢から剥離部材８７方向に旋回させることによって、析出用基板７４と半導体基板６１との間に剥離部材８７を進入させる。これにより、半導体基板６１が剥離部材８７により強制的に析出用基板７４から引き剥がされて基板載置台８８に載置され、所定枚数の半導体基板６１が得られた後、図示しない排出口から一括して機外に搬出される。
【００６２】
（湯面制御工程）
上述の析出工程が繰り返されることによって、多数の半導体基板６１が生産されると、半導体基板６１の生産数に応じた消費量で溶湯１５が減少する。そして、溶湯１５の減少を放置すると、湯面高さが低下する結果、析出用基板７４の浸漬深さが浅くなり、最終的には、析出用基板７４を溶湯１５に浸漬させることができなくなる。そこで、各段部２ａが溶湯１５から露出しているか否かを判断するために、本発明に係る溶湯監視装置１を用いることによって、撮像装置７５で湯面高さ検出部２を撮像して得た各段部２ａの撮像信号データに基づいて、溶融して液体状となった溶湯１５と固体状の湯面高さ検出部２とで撮像信号に含まれる輝度信号成分のレベルの違いから、溶湯１５の湯面高さを検出する。さらに、溶湯１５の湯面高さを予め設定された範囲内に保持するため、供給機構１１における溶解対象物１０１の供給タイミングおよび／または供給量を制御する。
【００６３】
以下に、溶湯監視装置１の湯面制御の具体的な動作を図４の湯面検出制御ルーチン９ｆのフローチャートに基づいて説明する。尚、以降の説明においては、湯面高さが湯面高さ検出部２の第２段目と第３段目との間に設定されている場合における湯面検出制御ルーチン９ｆの処理手順について説明する。
【００６４】
先ず、撮像装置５から送信された撮像信号が撮像信号処理部９ａにおいて撮像信号データに変換されると、この撮像信号データは、撮像信号処理部９ａから信号バス９ｅを介して記憶部９ｄの撮像信号データ領域９ｇに送信され、撮像信号データ領域９ｇに記憶される（Ｓ１）。ここで、撮像信号データ領域９ｇに記憶された撮像信号データは、図３に示すように、マトリックス状に配列された多数の撮像素子（画素）からなる撮像面に対して図１のスリット板７で撮像領域７ａ内に制限された撮像光を投影したときに、各撮像素子が撮像光を電気信号に変換して得られた撮像信号中の輝度信号成分をデジタル化したものである。
【００６５】
次に、記憶部９ｄの撮像信号データ領域９ｇに記憶された撮像信号データを２値化する（Ｓ２）。具体的には、図３に示すように、撮像信号データと予め設定された２値化閾値とを比較し、撮像信号データが２値化閾値以上であれば‘０’、撮像信号データが２値化閾値未満であれば‘１’に設定する。ここで、２値化される前の撮像信号データは、輝度の高さを表すものであり、２値化閾値以上であれば比較的輝度が高く、溶融して液体状となった溶湯１５の撮像信号であると考えられる。一方、２値化閾値未満であれば比較的輝度が低く、例えばカーボンからなる固体状の湯面高さ検出部２の撮像信号であると考えられる。つまり、２値化データが‘０’であれば湯面高さ検出部２の段部２ａは溶湯１５に浸漬しており、‘１’であれば段部２ａは溶湯１５から露出していることを意味する。本実施形態では、図３に示すように、第３段目および第４段目における２値化データ、および、撮像領域７ａにおける湯面高さ検出部２の周縁部且つルツボ５２の側面壁５２ｂに相当する部分における２値化データは全て‘１’、それ以外の部分の２値化データは ‘０’である。これは、溶湯高さが第２段目と第３段目との間にある状態を表している。尚、このステップＳ２で２値化されたデータは記憶部９ｄの２値化データ領域９ｈに記憶される。
【００６６】
次に、湯面高さ検出部２の各段部２ａにおける第１〜第４判定領域Ｍ１〜Ｍ４の２値化データを抽出して合計値を算出する（Ｓ３）。ここで、第１〜第４判定領域Ｍ１〜Ｍ４とは、図３において二点鎖線で囲まれた領域であり、湯面高さ検出部２と撮像領域７ａとの位置関係が多少ずれた場合でも、各段部２ａにおける浸漬状態を確実に検出することができるように設定されている。尚、本実施形態において各判定領域Ｍ１〜Ｍ４から抽出されるデータは６つずつであり、第１および第２判定領域（Ｍ１およびＭ２）の抽出データは全て０、第３および第４判定領域（Ｍ３およびＭ４）の抽出データは全て１である。即ち、合計値は、第１および第２判定領域（Ｍ１およびＭ２）では夫々０、第３および第４判定領域（Ｍ３およびＭ４）では夫々６である。
【００６７】
次に、第１〜第４判定領域（Ｍ１〜Ｍ４）の第１〜第４判定フラグに対して判定領域の合計値が判定値以上（段部が露出）であれば‘１’、判定値未満（段部が溶湯に浸漬）であれば‘０’をセットする（Ｓ４）。本実施形態において、各段部２ａが露出していると判定される値Ｘを例えば‘判定値：Ｘ＝４’と設定すると、ステップＳ３で算出された合計値と比較して、第１・第２判定領域（Ｍ１，Ｍ２）のデータの合計値は判定値未満（０＜Ｘ＝４）、第３・第４判定領域（Ｍ３，Ｍ４）のデータの合計値は判定値以上（６≧Ｘ＝４）である。従って、本実施形態では、第１・第２判定領域（Ｍ１，Ｍ２）の判定フラグに対して‘０’、第３・第４判定領域（Ｍ３，Ｍ４）の判定フラグに対して‘１’がセットされる。尚、判定値の数値はステップＳ３において抽出される２値化データの数等に応じて適宜変更してよい。
【００６８】
次に、第２判定フラグが‘１’であるか否か、即ち湯面高さ検出部２の第２段目が溶湯１５から露出しているか否かが判定される（Ｓ５）。上述のように、本実施形態では湯面高さが湯面高さ検出部２の第２段目と第３段目との間となるように設定されているので、第２段目が露出していれば湯面高さは許容範囲の下限未満であり、溶解対象物１０１を補給する必要がある。従って、第２判定フラグが‘１’のときは（Ｓ５，ＹＥＳ）、溶解対象物１０１が補給される（Ｓ６）。一方、第２判定フラグが‘１’でなければ（Ｓ５，ＮＯ）、次に第３判定フラグが‘１’であるか否か、即ち湯面高さ検出部２の第３段目が溶湯１５から露出しているか否かが判定される（Ｓ７）。
【００６９】
本実施形態では湯面高さが湯面高さ検出部２の第２段目と第３段目との間となるように設定されているので、第３段目が溶湯１５に浸漬していれば湯面高さは許容範囲内であり、溶解対象物１０１を補給する必要はない。従って、第３判定フラグが‘１’でなければ（Ｓ７，ＮＯ）、溶解対象物１０１の補給が停止される（Ｓ８）。尚、ステップＳ６およびステップＳ８における溶解対象物１０１の補給および補給の停止は、例えば湯面高さ検出装置９の入出力部９ｂから供給機構１１へと指令を出すことによって実現される。
【００７０】
第２段目が溶湯１５から露出していると判定され、ステップＳ６で溶解対象物１０１が補給された後、第３段目が溶湯１５に浸漬していると判定され、ステップＳ８で溶解対象物１０１の補給が停止された後、或いは第３段目が溶湯１５から露出していると判定されたとき、さらに、第１判定フラグが‘１’であるか否か、即ち湯面高さ検出部２の第１段目が溶湯１５から露出しているか否かが判定される（Ｓ９）。第１段目が溶湯１５から露出しているということは、例えば供給機構１１の収容箱１２内に溶解対象物１０１が無いことを意味する。これによると、ステップＳ６において供給機構１１による溶解対象物１０１の供給が正常に行われない。そこで、第１判定フラグが‘１’である場合（Ｓ９，ＹＥＳ）、第１警報機５０を通じて溶解対象物１０１の残量が無いことをオペレータに通知する（Ｓ１０）。ここでは図１に示すように、入出力部９ｂから第１警報部５０へと指令が出され、第１警報部５０が警報音を発する。
【００７１】
一方、第１判定フラグが‘１’でない場合は（Ｓ９，ＮＯ）、さらに第４判定フラグが‘１’であるか否か、即ち湯面高さ検出部２の第４段目が溶湯１５から露出しているか否かが判定される（Ｓ１１）。本実施形態では湯面高さが湯面高さ検出部２の第２段目と第３段目との間となるように設定して制御しているので、第４段目が溶湯１５から露出している場合は（Ｓ１１，ＹＥＳ）、湯面高さは許容範囲以内で制御が適正に行われていることを意味し、ステップＳ１に戻って新たな撮像信号データに基づいて同様の処理が繰り返される。一方、第４段目が溶湯１５に浸漬している場合は（Ｓ１１，ＮＯ）、供給機構１１に何らかの故障が生じたことにより溶解対象物１０１が過剰供給されたと考えられるため、図１に示す第２警報機６０を通じて供給機構１１の故障をオペレータに通知する（Ｓ１２）。尚、ステップＳ１２およびステップＳ１０において第１警報機５０および第２警報機６０でオペレータに通知した後は、ステップＳ１へと戻って新たな撮像信号データに基づいて同様の処理が繰り返される。
【００７２】
湯面高さ検出装置９の記憶部９ｄに格納されている湯面検出制御ルーチン９ｆは、以上のような手順に従って、湯面高さ検出装置９の各部を機能させて、供給機構１１におけるルツボ５２への溶解対象物１０１の供給タイミングおよび／または供給量を制御する。その結果、溶湯１５の湯面高さが設定した範囲に制御される。また、この処理は半導体基板６１の生産中に亘って実行されるものである。
【００７３】
尚、上記のようにしてルツボ５２に溶解対象物１０１が投入されると、湯面が揺動することになるが、図１および図１３に示す仕切り壁６２で上面が区分された第２溶解槽６４に対して溶解対象物１０１が投下されるため、析出用基板７４が浸漬される第１溶解槽６３に対して揺動が伝播することはない。これにより、溶解対象物１０１の投入中においても、半導体基板６１の生産を継続することができる。
【００７４】
（研磨工程）
半導体基板６１の生産が繰り返されると、析出用基板７４の基板面７４ａに付着物が残留する場合がある。従ってこの場合には、図６に示すように、垂直移動機構７１が研磨位置Ｄに移動され、析出用基板７４が研磨機構８６の上方に位置される。そして、析出用基板７４が下降され、析出用基板７４の基板面７４ａが研磨ベルト９１に当接されることによって、図１４によく示すように、研磨ベルト９１が回転される。この結果、基板面７４ａの付着物が強制的に擦り落とされ、基板面７４ａが生産当初の状態に回復されることになる。
【００７５】
以上のように、本実施形態の溶湯監視装置１は、図１に示すように、上面を開口されたルツボ５２容器内の溶湯１５の湯面高さを監視するため、ルツボ５２内の底面から上面にかけて複数の段部２ａを階段状に有するように形成された湯面高さ検出部２と、湯面高さ検出部２を溶湯１５と共に撮像して撮像信号を出力する撮像手段としての撮像装置５と、湯面高さ検出部２の各段部２ａにおける撮像信号の明暗に基づいて溶湯１５の湯面高さを検出する湯面高さ判定手段としての湯面高さ検出装置９とを有している。これにより、溶融して液体状となった溶湯１５と固体状の湯面高さ検出部２とで撮像信号に含まれる輝度信号のレベルが異なるため、湯面高さ検出部２を撮像して得た各段部２ａの撮像信号の明暗に基づいて、段部２ａが溶湯１５から露出しているか否かを判断することができる。その結果、オペレータの目視による監視が不要となり、溶湯１５の湯面が鏡面状態となっていても、溶湯１５と段部２ａとの関係で、正確且つ高い信頼性で湯面高さを監視することができる。
【００７６】
また、本実施形態の真空溶解装置１０は、上記の溶湯監視装置１と、溶湯１５となる溶解対象物１０１を容器に供給する供給手段としての供給機構１１と、湯面高さ検出装置９により検出された湯面高さが所定の基準高さとなるように、供給機構１１における溶解対象物１０１の供給タイミングおよび／または供給量を制御する供給制御手段とを有する構成である。これにより、溶湯監視装置１によって湯面高さを段部２ａとの関係で正確且つ高い信頼性で検出することができるため、湯面高さを基準とした例えば析出処理を高い信頼性で行うことができる。
【００７７】
尚、湯面高さ検出部２のルツボ５２内における設置場所は、本実施形態においてはルツボ５２隅部であるが、析出用基板７４の障害物とならないような場所であれば、これに限定されるものではない。また、湯面高さ検出装置９は、第１警報機５０および第２警報機６０以外にも様々な装置に接続されてよい。また、本実施形態において、湯面高さ検出部２を溶湯１５と共に撮像して撮像信号を出力する撮像手段としての撮像装置５はカメラ本体６およびスリット板７から構成されているが、湯面高さ検出部２を溶湯１５と共に撮像して撮像信号を出力することが可能であれば、これに限定されるものではない。本実施形態の撮像装置５は、図６に示すように、ルツボ装置５１の上方における真空容器３の第１覗き窓部４８ａに設けられているが、本発明はこれに限定されることなく例えば上側収容室７６の内部に設けてもよい。
【００７８】
また、湯面高さ判定手段としての湯面高さ検出装置９は、湯面高さ検出部２の各段部２ａにおける撮像信号の明暗に基づいて溶湯１０１の湯面高さを検出することができれば、図１に示すような構成に限定されない。また、湯面検出制御ルーチン９ｆは、湯面高さ検出装置９により検出された湯面高さが所定の基準高さとなるように、供給機構１１における溶解対象物１０１の供給タイミングおよび／または供給量を制御できるものであれば、図４に示すフローに従うことに限定されない。
【００７９】
尚、本実施形態においては、湯面高さを予め設定された許容範囲内とするために供給機構１１が溶解対象物１０１の供給タイミングおよび／または供給量を制御しているが、例えばルツボ５２の上下移動によって調整してもよい。具体的には、湯面高さが設定範囲未満であれば、例えばルツボ５２の下面に設置した昇降機でルツボ５２をリフトアップすることによって、析出用基板７４が溶湯１５に浸漬される。
【００８０】
【発明の効果】
本発明の請求項１に記載の溶湯監視装置は、開口された上面から析出用基板が浸漬される容器内に収容された、溶解対象物を加熱溶融した溶湯の湯面高さを監視する溶湯監視装置において、前記容器内の隅部に配置され、前記容器内の底面から上面にかけて複数の段部を階段状に有するように形成された湯面高さ検出部と、撮像領域を制限するスリットを介して、前記容器の上方から前記湯面高さ検出部の各段部の上面を溶湯と共に撮像して撮像信号を出力する撮像手段と、前記湯面高さ検出部の各段部の上面における撮像信号の明暗に基づいて前記溶湯の湯面高さを判定する湯面高さ判定手段とを有し、前記湯面高さ検出部の各段部の高さが、前記容器に浸漬された前記析出用基板に析出される前記溶解対象物の結晶の厚さ、前記容器の所定高さ当たりの溶湯重量、および、前記容器に浸漬される析出用基板の枚数の少なくとも１つに応じて設定されている構成である。
【００８１】
上記の構成によれば、溶融して液体状となった溶湯と固体状の湯面高さ検出部とで撮像信号に含まれる輝度信号のレベルが異なるため、湯面高さ検出部を撮像して得た各段部の撮像信号の明暗に基づいて段部が溶湯から露出しているか否かを判断することができる。その結果、オペレータの目視による監視が不要となり、溶湯の湯面が鏡面状態となっていても、溶湯と段部との関係で、正確且つ高い信頼性で湯面高さを監視することができるという効果を奏する。
【００８２】
また、本発明の請求項２に記載の真空溶解装置は、請求項１に記載の溶湯監視装置と、前記溶湯となる溶解対象物を前記容器に供給する供給手段と、前記湯面高さ判定手段により判定された湯面高さが所定の基準高さとなるように、前記供給手段における溶解対象物の供給タイミングおよび／または供給量を制御する供給制御手段とを有する構成である。
【００８３】
上記の構成によれば、請求項１に記載の溶湯監視装置によって湯面高さを段部との関係で正確且つ高い信頼性で検出することができるため、湯面高さを基準とした例えば析出処理を高い信頼性で行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態に係る溶湯監視装置を示す概略構成図である。
【図２】  図１のルツボを上面から見た説明図である。
【図３】  図１の撮像信号処理部が実行する処理の一部を示す説明図である。
【図４】  湯面検出制御ルーチンのフローチャートである。
【図５】  本発明の一実施形態に係る真空溶解装置を側面視した場合における概略構成図である。
【図６】  本発明の一実施形態に係る真空溶解装置を正面視した場合における概略構成図である。
【図７】  第１冷却装置の概略構成を示す説明図である。
【図８】  析出用基板が溶湯に浸漬する状態を示す説明図である。
【図９】  析出用基板と析出用基板把持装置とが係合した状態を示す斜視図である。
【図１０】  析出用基板把持装置の斜視図である。
【図１１】  析出用基板把持装置の分解斜視図である。
【図１２】  溶湯の収容状態を示す斜視図である。
【図１３】  ルツボの熱伝導の状態を示す説明図である。
【図１４】  研磨機本体の斜視図である。
【符号の説明】
１  溶湯監視装置
２  湯面高さ検出部
５  撮像装置（撮像手段）
６  カメラ本体
７  スリット板
７ａ  撮像領域
９  湯面高さ検出装置（湯面高さ判定手段）
９ａ  撮像信号処理部
９ｂ  入出力部
９ｃ  演算部
９ｄ  記憶部
９ｅ  信号バス
９ｆ  湯面検出制御ルーチン
９ｇ  撮像信号データ領域
９ｈ  ２値化データ領域
１０  真空溶解装置
１１  供給機構（供給手段）
１２  収容箱
１３  収容箱移動機構
１４  押出機構
１５  溶湯
５０  第１警報機
５２  ルツボ
６０  第２警報機
６１  半導体基板
６２  仕切り壁
７４  析出用基板
１０１  溶解対象物
【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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