JP2000264779A - メルトレベル検出装置及び検出方法 - Google Patents

メルトレベル検出装置及び検出方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 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 【解決手段】 三角測量の原理に基づいてＣＺ炉内の融
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、レーザー光照射器による投射位置をＣＺ炉内のる
つぼ１４の径方向に移動させることにより、融液液面か
ら反射してくるレーザー光２が受光器に受光されるよう
な投射位置をスキャンし、当該位置にレーザー光２の投
射位置を設定する。このようにレーザー投光角度を極め
て小さな範囲でスキャンしてメルトレベル３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。

Description

【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ＦＩ
Ｇ．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炉の所定の位置にレーザー光
照射器と受光器とを備え、該レーザー光照射器から発せ
られたレーザー光を融液液面に投射し、当該投射個所か
ら反射してきたレーザー光を前記受光器にて受光し、三
角測量の原理に基づいてＣＺ炉内の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、前記レーザ
ー光照射器による投射位置をＣＺ炉内のるつぼの径方向
に移動させることにより、融液液面から反射してくるレ
ーザー光が前記受光器に受光される投射位置をスキャン
し、当該位置にレーザー光の投射位置を設定して前記融
液液面のレベル検出を行うことを特徴とするメルトレベ
ル検出装置。
【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。
【００１８】（４） 前記受光器に受光される光のう
ち、所定の光強度以下の光をカットする減光フィルタを
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。
【００１９】（５） 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】（６） 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も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。「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。
【００２１】（７） 前記受光器は、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。なお、「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」の概念に
は、二次元光センサそれ自体が測距用のセンサを兼ねて
いる場合も、二次元光センサが測距用センサとは別に設
けられている場合も、いずれも含まれる。
【００２２】（８） ＣＺ炉の所定の位置に備えられた
レーザー光照射器と受光器とを用い、三角測量の原理に
基づいてＣＺ炉内の融液液面のレベルの検出を行うメル
トレベル検出方法であって、前記レーザー光照射器によ
る投射位置をＣＺ炉内のるつぼの径方向に移動させるこ
とにより、融液液面から反射してくるレーザー光が前記
受光器に受光されるような投射位置をスキャンし、当該
位置にレーザー光の投射位置を設定することを特徴とす
る方法。
【００２３】（９） 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】（１０） 前記スキャンは、ＣＺ炉内に設
置されている熱遮蔽体の底部に至るまで行われるもので
あり、当該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】（１１） 前記受光器に、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、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】（１２） 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】（１３） 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。
【００２９】（１４） 液面レベル検出の対象となる液
面に対してある所定の位置からレーザー光を発すると共
に、前記検出の対象となる液面から反射してきたレーザ
ー光を前記ある所定の位置とは別の所定の位置で受光
し、三角測量の原理に基づいて前記検出の対象となる液
面の液面レベル検出を行う方法において、前記検出の対
象となる液面に定常的に生じる起伏の斜面を利用して前
記液面から反射してきたレーザー光の進行方向を調整す
る方法。なお、「利用して」というのは、単に反射の方
向を調整する場合のみならず、凹面を利用して集光を行
うような応用的な場合も含まれる。
【００３０】（１５）レベル検出の対象となる面に対し
てある所定の位置からレーザー光を発すると共に、前記
検出の対象となる面から反射してきたレーザー光を前記
ある所定の位置とは別の所定の位置で受光し、三角測量
の原理に基づいて前記検出の対象となる面のレベル検出
を行う方法であって、該方法は、発光している面のレベ
ルを検出する方法であり、レベル検出の対象となる面の
光強度よりも強い光強度のレーザー光を使用すると共
に、当該レーザー光と前記面の光強度の間のエネルギー
レベルに位置する減光フィルタを介して前記レーザー光
の受光をすることにより、当該レーザー光の受光を選択
的に行うことを特徴とする方法。
【００３１】この方法についても、発光する面にレーザ
ー光を照射して三角測量を行う一般的な方法であって、
発光するものであれば、その種類（材質、品質など）や
状態（固体、液体などというような状態）について特に
制限はない。
【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Ｓ１
０２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、Ｓ
１０４→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２
６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（Ｆ
ｕｓｅｄ 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２
９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１
６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ＣＣ
Ｄ、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
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 花本 忠幸 神奈川県平塚市万田1200番地 株式会社小 松製作所内 (72)発明者 三村 和弘 神奈川県平塚市万田1200番地 株式会社小 松製作所内 (72)発明者 琴岡 敏朗 神奈川県平塚市四之宮2612番地 コマツ電 子金属株式会社内 Ｆターム(参考） 4G077 AA02 BA04 CF00 EH10 HA12 PF04 PF09 PF16

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ＣＺ炉の所定の位置にレーザー光照射器
    と受光器とを備え、該レーザー光照射器から発せられた
    レーザー光を融液液面に投射し、当該投射個所から反射
    してきたレーザー光を前記受光器にて受光し、三角測量
    の原理に基づいてＣＺ炉内の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、 前記レーザー光照射器による投射位置をＣＺ炉内のるつ
    ぼの径方向に移動させることにより、融液液面から反射
    してくるレーザー光が前記受光器に受光される投射位置
    をスキャンし、当該位置にレーザー光の投射位置を設定
    して前記融液液面のレベル検出を行うことを特徴とする
    メルトレベル検出装置。
  2. 【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。
  3. 【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。
  4. 【請求項４】 前記受光器に受光される光のうち、所定
    の光強度以下の光をカットする減光フィルタを備えてい
    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。
  5. 【請求項５】 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４いずれか記載のメルトレベル検出装置。
  6. 【請求項６】 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
    レーザー光をも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請求項
    １から５いずれか記載のメルトレベル検出装置。
  7. 【請求項７】 前記受光器は、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
    えていることを特徴とする請求項１から６いずれか記載
    のメルトレベル検出装置。
  8. 【請求項８】 ＣＺ炉の所定の位置に備えられたレーザ
    ー光照射器と受光器とを用い、三角測量の原理に基づい
    てＣＺ炉内の融液液面のレベルの検出を行うメルトレベ
    ル検出方法であって、前記レーザー光照射器による投射
    位置をＣＺ炉内のるつぼの径方向に移動させることによ
    り、融液液面から反射してくるレーザー光が前記受光器
    に受光されるような投射位置をスキャンし、当該位置に
    レーザー光の投射位置を設定することを特徴とする方
    法。
  9. 【請求項９】 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８記載の方
    法。
  10. 【請求項１０】 前記スキャンは、ＣＺ炉内に設置され
    ている熱遮蔽体の底部に至るまで行われるものであり、
    当該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請求項８
    または９記載の方法。
  11. 【請求項１１】 前記受光器に、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、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８から１
    ０いずれか記載の方法。
  12. 【請求項１２】 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８から１１いずれか記載の方法。
  13. 【請求項１３】 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１２記載の方法。
  14. 【請求項１４】 液面レベル検出の対象となる液面に対
    してある所定の位置からレーザー光を発すると共に、前
    記検出の対象となる液面から反射してきたレーザー光を
    前記ある所定の位置とは別の所定の位置で受光し、三角
    測量の原理に基づいて前記検出の対象となる液面の液面
    レベル検出を行う方法において、 前記検出の対象となる液面に定常的に生じる起伏の斜面
    を利用して前記液面から反射してきたレーザー光の進行
    方向を調整する方法。
  15. 【請求項１５】 レベル検出の対象となる面に対してあ
    る所定の位置からレーザー光を発すると共に、前記検出
    の対象となる面から反射してきたレーザー光を前記ある
    所定の位置とは別の所定の位置で受光し、三角測量の原
    理に基づいて前記検出の対象となる面のレベル検出を行
    う方法であって、 該方法は、発光している面のレベルを検出する方法であ
    り、レベル検出の対象となる面の光強度よりも強い光強
    度のレーザー光を使用すると共に、当該レーザー光と前
    記面の光強度の間のエネルギーレベルに位置する減光フ
    ィルタを介して前記レーザー光の受光をすることによ
    り、当該レーザー光の受光を選択的に行うことを特徴と
    する方法。
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