專利名稱：控制硅晶體生長(zhǎng)的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及了控制硅晶體生長(zhǎng)過(guò)程中的一些改進(jìn)，特別是涉及在丘克拉斯基(Czochralski)法生產(chǎn)硅晶體過(guò)程中測(cè)定熔化水平的視覺(jué)系統(tǒng)和方法，以便用于控制生長(zhǎng)過(guò)程。
單晶硅是許多制造半導(dǎo)體電子元件過(guò)程中的原始材料。晶體提拉機(jī)器應(yīng)用丘克拉斯基方法來(lái)生產(chǎn)大多數(shù)的硅晶體。簡(jiǎn)單的講，丘克拉斯基方法包含了熔化一些放在特定設(shè)計(jì)的熔爐里的石英坩堝中的高純多晶硅。坩堝中的硅熔化后，晶體提拉裝置降低籽晶和熔化的硅接觸。然后該機(jī)構(gòu)就提出籽晶來(lái)并從硅熔體中拉出生長(zhǎng)的晶體。
形成晶體的頸部后，典型的工藝通過(guò)降低提拉速度并/或熔化溫度來(lái)增加正在生長(zhǎng)的晶體的直徑，直到得到一個(gè)滿意的直徑。通過(guò)控制提拉速度和熔化溫度并補(bǔ)償降低的熔化水平，晶體的主要部分就生長(zhǎng)出來(lái)，因此它有一個(gè)近似恒定的直徑(如，它通常是圓柱形的)。在生長(zhǎng)將要結(jié)束但在坩堝中的熔化硅消耗完之前，該方法逐漸降低晶體的直徑直到在底部形成一個(gè)圓錐。典型地，這個(gè)底部圓錐是通過(guò)提高晶體的提拉速度和供給坩堝的熱量來(lái)形成的。當(dāng)晶體的直徑達(dá)到足夠小時(shí)，晶體就會(huì)從熔體中分離出來(lái)。在生長(zhǎng)過(guò)程中，坩堝沿著一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)熔體，而晶體提拉裝置則沿著相反的方向連同籽晶和晶體旋轉(zhuǎn)它的提拉索或提拉桿。
在某種程度上，丘克拉斯基方法由坩堝中的熔化硅水平的函數(shù)來(lái)控制。因此為了保證晶體的質(zhì)量，就需要一個(gè)精確而可靠的系統(tǒng)來(lái)測(cè)量晶體生長(zhǎng)不同階段的熔化水平。共同轉(zhuǎn)讓美國(guó)專利5,665,159、5,653,799和美國(guó)申請(qǐng)系列號(hào)08/896,177(已允許)，提供了包括熔體水平在內(nèi)的一些晶體生長(zhǎng)參數(shù)的精確而可靠的測(cè)量，全部在此引為參考。在這些專利中，一個(gè)圖象處理器處理這些晶體熔化界面的圖象來(lái)測(cè)量熔體水平。
美國(guó)專利3,740,563和5,286,461同樣包括了測(cè)量熔化水平的方法，全部在此引為參考。在美國(guó)專利3,740,563中，一個(gè)移動(dòng)的閉合回路光電系統(tǒng)提供了熔化水平的測(cè)量方法，并且美國(guó)專利5,286,461中的反射激光束的探測(cè)提供了熔化水平的測(cè)量。
雖然目前可利用的丘克拉斯基生長(zhǎng)方法在生長(zhǎng)許多應(yīng)用領(lǐng)域上有用的單晶硅方面上能夠令人滿意，但是人們?nèi)韵ＭM(jìn)一步的改進(jìn)和提高。例如，經(jīng)常把熱區(qū)(hot zone)裝置放進(jìn)坩堝中來(lái)控制熱和/或氣體流量。為了達(dá)到控制目的，經(jīng)常希望測(cè)量相對(duì)于熱區(qū)裝置的熔化水平和測(cè)量不同的熱區(qū)部分的相對(duì)位置。
例如，一個(gè)已知的預(yù)測(cè)反射罩位置的方法是建立在多個(gè)支撐部件的尺寸和公差的“累積”的基礎(chǔ)上的。然而大多數(shù)的部件對(duì)熱膨脹是比較敏感的，因此，對(duì)滿意的生產(chǎn)質(zhì)量所要求的精確度來(lái)說(shuō)，就無(wú)法知道反射罩的確切位置。另一個(gè)常用的方法是從反射罩上懸掛一個(gè)已知長(zhǎng)度的石英針。移動(dòng)坩堝直到熔體和針相接觸，這樣就確立了反射罩相對(duì)于熔體的位置。然而，這導(dǎo)致了額外的生產(chǎn)成本和引入另一個(gè)程序步驟，并且在提拉設(shè)備的安裝和清理中需要花費(fèi)更大的勞動(dòng)，以在不損傷石英針的基礎(chǔ)上正確地安裝和使用它。
美國(guó)專利5,437,242直接測(cè)量了反射罩和它在熔體中映象之間的距離，其公開(kāi)全部在此引為參考。不幸的是，這個(gè)專利的方法不能提供反射罩的位置。并且，這個(gè)方法需要在反射罩上有一個(gè)三角形、四方形或圓形的機(jī)械參考符號(hào)。在這種情況下，這個(gè)符號(hào)就會(huì)使反射罩和它的映象的遠(yuǎn)部邊端模糊，并導(dǎo)致了額外的生產(chǎn)成本。同樣，用反射罩上的機(jī)械參考符號(hào)不僅需要在正確排列這個(gè)符號(hào)上花費(fèi)更大的努力，而且還影響反射罩本身的熱量和氣體流動(dòng)特征。
基于以上原因，人們希望一個(gè)改進(jìn)的系統(tǒng)和方法來(lái)測(cè)量和控制丘克拉斯基方法中的熔化水平和熱區(qū)部件的位置，并且這個(gè)系統(tǒng)和方法沒(méi)有額外的安裝程序，處理步驟和額外的消耗部件。
本發(fā)明通過(guò)提供一個(gè)改進(jìn)的方法和控制操作系統(tǒng)，不僅滿足了上述的需要并且彌補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷。這是通過(guò)一個(gè)視頻系統(tǒng)來(lái)完成的，這個(gè)視覺(jué)頻系統(tǒng)執(zhí)行邊緣探測(cè)程序來(lái)探測(cè)熱區(qū)裝置的位置和這些熱區(qū)裝置在熔體上部表層的映象。有利的是，本發(fā)明確定了和一個(gè)參考符號(hào)及熔體相對(duì)的熱區(qū)裝置的位置并且確定了和一個(gè)參考符號(hào)相對(duì)的熔體的水平。另外，此方法能夠經(jīng)濟(jì)有效地執(zhí)行并且這樣的系統(tǒng)是經(jīng)濟(jì)可行和商業(yè)實(shí)用的。
簡(jiǎn)單的說(shuō)，具體體現(xiàn)本發(fā)明各個(gè)方面的這種方法是連同一種儀器來(lái)生長(zhǎng)硅單晶。這個(gè)晶體生長(zhǎng)裝置有一個(gè)加熱的坩堝，它里面盛著熔體，從這里晶體被提拉出來(lái)。該晶體生長(zhǎng)裝置也有一個(gè)安置在坩堝中的反射罩，它有一個(gè)中心開(kāi)孔，從這個(gè)開(kāi)孔里晶體被提拉出來(lái)。該方法是以攝象機(jī)產(chǎn)生一部分反射罩的圖象和在熔體表面可看到的反射罩的一部分映象而開(kāi)始的。該方法也用圖象象素值的一個(gè)函數(shù)來(lái)處理圖象，以探測(cè)反射罩的邊緣和圖象中映象的邊緣。在這種情況下，映象的邊緣對(duì)應(yīng)于反射罩的一個(gè)虛象。這個(gè)方法進(jìn)一步包括了在已探測(cè)到圖象邊緣的相應(yīng)位置的基礎(chǔ)上測(cè)定攝象機(jī)到反射罩的距離和攝象機(jī)到反射罩的虛象的距離。為了控制晶體生長(zhǎng)裝置，在已測(cè)定距離的基礎(chǔ)上，至少測(cè)定了代表晶體生長(zhǎng)裝置一種狀況的一個(gè)參數(shù)。
一般來(lái)說(shuō)，這個(gè)發(fā)明的另一種形式是一種系統(tǒng)，它和生長(zhǎng)單晶硅的一種裝置一塊應(yīng)用。該晶體生長(zhǎng)裝置有一個(gè)加熱的坩堝，它里面盛著硅熔體，從這里晶體被提拉出來(lái)。這個(gè)晶體生長(zhǎng)裝置也有一個(gè)安置在坩堝中的反射罩，它有一個(gè)中心開(kāi)孔，從這個(gè)開(kāi)孔里晶體被提拉出來(lái)。該系統(tǒng)包括一個(gè)攝象機(jī)，它產(chǎn)生一部分反射罩的圖象和在熔體表面可看到的反射罩的一部分映象。圖象處理器用圖象象素值的一個(gè)函數(shù)來(lái)處理圖象以探測(cè)反射罩的邊緣和圖象中映象的邊緣。在這種情況下，映象的邊緣對(duì)應(yīng)于反射罩的一個(gè)虛象。這個(gè)系統(tǒng)也包括一個(gè)控制線路用來(lái)在已探測(cè)到圖象邊緣的相應(yīng)位置的基礎(chǔ)上，確定攝象機(jī)到反射罩的距離和攝象機(jī)到反射罩的虛象的距離。在已測(cè)定距離的基礎(chǔ)上，該控制線路測(cè)定代表晶體生長(zhǎng)裝置一種狀況的一個(gè)參數(shù)，并且控制這個(gè)裝置來(lái)對(duì)個(gè)測(cè)定的參數(shù)做出反應(yīng)。
另一方面，這個(gè)發(fā)明也可包括各種其它的方法和系統(tǒng)。
下文將要明確和指出部分的目標(biāo)和特征。
圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例的晶體生長(zhǎng)裝置和控制晶體生長(zhǎng)裝置的系統(tǒng)的圖示。
圖2是這個(gè)系統(tǒng)的控制單元的方框圖。
圖3是圖1中的晶體生長(zhǎng)裝置的局部圖解橫斷面，它顯示了正從晶體生長(zhǎng)裝置中的熔體中提拉出來(lái)的單晶硅，和硅晶體生長(zhǎng)中放置的反射罩組件。
圖4是圖3里的晶體生長(zhǎng)裝置的一個(gè)局部透視圖，顯示了和從熔體中提拉出的晶體相應(yīng)的圖象處理區(qū)域。
圖5是圖4中圖象處理區(qū)域的放大圖。
圖6概要地描述了圖3-5中的反射罩組件和產(chǎn)生晶體生長(zhǎng)裝置內(nèi)部圖象的攝象機(jī)的關(guān)系。
圖7是圖1中系統(tǒng)起始程序的示意流程圖。
圖8A和8B是圖2的控制單元的操作示范流程圖。
在這些圖中，相應(yīng)的參考符號(hào)標(biāo)出了全圖中相應(yīng)的部件。
現(xiàn)在看圖1，它顯示了和丘克拉斯基晶體生長(zhǎng)裝置13一同應(yīng)用的系統(tǒng)11。按照本發(fā)明，系統(tǒng)11確定多個(gè)參數(shù)來(lái)控制晶體生長(zhǎng)過(guò)程。在這個(gè)圖示實(shí)施例中，晶體生長(zhǎng)裝置13包括一個(gè)盛有坩堝19的真空室15。加熱裝置例如電阻加熱器21圍繞在坩堝19的周圍。在一個(gè)實(shí)施例中，絕熱材料23襯在真空室15的內(nèi)壁上，并且充滿了水的真空室冷卻罩(未畫(huà)出)環(huán)繞在它的周圍。真空泵(未畫(huà)出)從真空室里抽出氣體并充入惰性氣氛氬氣。
根據(jù)丘克拉斯基晶體生長(zhǎng)方法，一些多晶硅被填充到坩堝19中。加熱器電源27向電阻加熱器21提供電流來(lái)熔化填充料，由此形成硅熔體29，從這里硅單晶31被提拉出來(lái)。如在本文中已知的，單晶31的生長(zhǎng)是從固定在一個(gè)提拉桿或索37上的籽晶35開(kāi)始的。如在圖1中所顯示的，單晶31和坩堝19通常有一個(gè)共同的對(duì)稱軸39。
在加熱和晶體提拉過(guò)程中，坩堝驅(qū)動(dòng)單元43旋轉(zhuǎn)坩堝19(如沿著順時(shí)針?lè)较?。如果需要，在生長(zhǎng)過(guò)程中，坩堝驅(qū)動(dòng)單元43也能升高和降低坩堝19。例如，當(dāng)熔體29逐漸消耗掉時(shí)，坩堝驅(qū)動(dòng)單元43把坩堝19升高來(lái)維持熔體的水平(用參考符號(hào)45標(biāo)出)直到一個(gè)滿意的高度。相似地，晶體驅(qū)動(dòng)單元47沿著坩堝驅(qū)動(dòng)單元43旋轉(zhuǎn)坩堝19的相反的方向來(lái)旋轉(zhuǎn)繩索37。另外，在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，晶體驅(qū)動(dòng)單元47相對(duì)于熔體水平45相應(yīng)地升高和降低晶體31。
在一個(gè)實(shí)施例中，晶體生長(zhǎng)裝置13通過(guò)降低籽晶35的高度直至幾乎和坩堝19中熔體29的熔化硅相接觸來(lái)預(yù)熱籽晶。預(yù)熱后，通過(guò)繩索37，晶體驅(qū)動(dòng)單元47繼續(xù)降低籽晶35直到使它在熔化水平45上和熔體29相接觸。當(dāng)籽晶35熔化后，晶體驅(qū)動(dòng)單元47慢慢地從熔體29中拉伸或提拉出籽晶。在提拉過(guò)程中，籽晶35從熔體29中吸收硅來(lái)使單晶硅生長(zhǎng)。當(dāng)從熔體29中提拉出晶體31時(shí)，晶體驅(qū)動(dòng)單元47按照一個(gè)參照速率旋轉(zhuǎn)晶體31。相似地，坩堝驅(qū)動(dòng)單元43按照另一個(gè)參照速率來(lái)旋轉(zhuǎn)坩堝19，但是通常和晶體31旋轉(zhuǎn)方向相反。
控制單元51首先控制提拉速率和加熱器電源27提供給加熱器21的電源來(lái)產(chǎn)生晶體31的縮頸。較佳地，當(dāng)籽晶35從熔體29中提拉出來(lái)時(shí)，晶體生長(zhǎng)裝置13以一個(gè)恒定的直徑來(lái)產(chǎn)生晶體的頸部。例如，控制單元51保持一個(gè)所需直徑的大約15％的大致恒定的頸部直徑。當(dāng)頸部達(dá)到理想的長(zhǎng)度后，控制單元51就會(huì)調(diào)整轉(zhuǎn)速、提拉和/或加熱參數(shù)以圓柱的形狀使晶體31的直徑增加，直到得到一個(gè)滿意的晶體的直徑。一旦得到滿意的晶體直徑后，控制單元51就控制生長(zhǎng)參數(shù)來(lái)維持相對(duì)恒定的直徑，直到這個(gè)過(guò)程結(jié)束，而這個(gè)直徑是由系統(tǒng)11測(cè)定的。在這時(shí)，提拉速率和加熱通常是增加的，目的是減少晶體直徑，在晶體31的底部形成圓錐部分。在此引入?yún)⒖脊餐D(zhuǎn)讓美國(guó)專利5,178,720，揭示了一個(gè)較好的方法，它是作為晶體直徑的一個(gè)函數(shù)來(lái)控制晶體和坩堝旋轉(zhuǎn)速率的。
較佳地，控制單元51聯(lián)合至少一個(gè)二維的攝象機(jī)53來(lái)確定大多數(shù)的晶體生長(zhǎng)過(guò)程的參數(shù)，包括熔化水平45。例如，攝象機(jī)53是一個(gè)單色電荷耦合器件(CCD)陣列攝象機(jī)，如索尼XC-75CCD視頻攝象機(jī)，它有768×494象素的分辨率。另一個(gè)合適的攝象機(jī)是一個(gè)JAVELINSMARTCAM JE攝象機(jī)。攝象機(jī)53放在真空室15的視口(未畫(huà)出)的上方，瞄準(zhǔn)縱向軸39和熔體水平45(看圖3)的相交處。例如，晶體生長(zhǎng)裝置13的控制人員把攝象機(jī)53放置在和縱向軸39成大約34°角的位置。
在一個(gè)較好的實(shí)施例中，攝象機(jī)53裝配上一個(gè)鏡頭(如16mm)來(lái)提供一個(gè)相對(duì)較寬的視場(chǎng)(如大約300mm或更多)。這就允許攝象機(jī)53在晶體31生長(zhǎng)過(guò)程中，產(chǎn)生坩堝19內(nèi)部的一部分相對(duì)較寬的視頻圖象。由攝象機(jī)53所產(chǎn)生的圖象包括位于熔體29和晶體31交界面的一部分彎月面101(看圖3)。熔體29和晶體31在本質(zhì)上是自發(fā)光的，能夠向攝象機(jī)提供光線，因此不需要額外的光源。應(yīng)當(dāng)理解可以用另外的攝象機(jī)來(lái)提供不同的視場(chǎng)。
除了處理攝象機(jī)53的信號(hào)外，控制單元51也處理其它傳感器的信號(hào)。例如，溫度傳感器59，像光電池，也可以被用來(lái)測(cè)量熔體表層的溫度。
圖2用方框圖的形式展示了控制單元51的一個(gè)較好的實(shí)施例。攝象機(jī)53經(jīng)過(guò)電纜61(如RS-170視頻電纜)把坩堝19內(nèi)部的視頻圖象傳送到視頻系統(tǒng)63上，它提供邊緣探測(cè)和測(cè)量計(jì)算。如在圖2所示的，視頻系統(tǒng)63包括一個(gè)視頻圖象幀緩沖器67和一個(gè)捕捉并處理視頻圖象的處理器69。依次，視頻系統(tǒng)63經(jīng)過(guò)線75和程序邏輯控制器(PLC)相互聯(lián)系。作為一個(gè)例子，視頻系統(tǒng)63是一個(gè)CX-100IMAGENATION Frame Grabber或者是COGENXCVS-4400視頻系統(tǒng)。在一個(gè)較佳實(shí)施例中，PLC71是由TEXAS儀器設(shè)備公司生產(chǎn)的Model545PLC或著Model575PLC，并且線75代表了一種通訊接口(如VME底板接口)。根據(jù)配合PLC71的特定控制器，通訊接口75可能，例如，是一個(gè)VME支架，它包括另外的通訊板(如應(yīng)用RS-422系列雙向PLC口的2571型程序口擴(kuò)大器組件)。用這種方式，視頻系統(tǒng)63的圖象處理器69把熔體水平、時(shí)間信號(hào)，控制信號(hào)和其它類似的信號(hào)經(jīng)VME總線75傳送到PLC71上。
控制單元51同樣包括程序可控?cái)?shù)字或模擬計(jì)算機(jī)77，尤其用于以攝象機(jī)53處理過(guò)的信號(hào)的一個(gè)函數(shù)來(lái)控制坩堝驅(qū)動(dòng)單元43，單晶驅(qū)動(dòng)單元47和加熱電源27。如在圖2所示的，PLC71經(jīng)過(guò)線79(如RS-232電纜)和計(jì)算機(jī)77相互通訊，并且經(jīng)過(guò)線85(如RS-485電纜)和一個(gè)或多個(gè)程序輸入/輸出模塊相互通訊。根據(jù)本發(fā)明，計(jì)算機(jī)77提供一個(gè)操作界面，它允許晶體生長(zhǎng)裝置13的操作人員輸入一系列所需的參數(shù)來(lái)生長(zhǎng)特定的晶體。
在一個(gè)實(shí)施例中，視頻系統(tǒng)63也經(jīng)過(guò)線91(如RS-232電纜)和一臺(tái)個(gè)人電腦相聯(lián)系，同時(shí)經(jīng)過(guò)線95(如RS-170RGB視頻電纜)同圖象顯示器93相互通訊。圖象顯示器93顯示由攝象機(jī)53產(chǎn)生的視頻圖象，并且用計(jì)算機(jī)87程序控制視頻系統(tǒng)63。另一種選擇是，計(jì)算機(jī)77,87能用一個(gè)計(jì)算機(jī)具體體現(xiàn)出來(lái)，它用程序控制晶體生長(zhǎng)過(guò)程的自動(dòng)化操作并且提供一個(gè)操作界面。此外應(yīng)當(dāng)理解，由特定系統(tǒng)所具體體現(xiàn)的視頻系統(tǒng)63也包括它自己的計(jì)算機(jī)(未畫(huà)出)或著和個(gè)人計(jì)算機(jī)77聯(lián)合用于處理捕捉到的圖象。
程序輸入/輸出模件83提供到晶體生長(zhǎng)裝置13的來(lái)去路徑，來(lái)控制晶體的生長(zhǎng)過(guò)程。作為一個(gè)例子，PLC71通過(guò)溫度傳感器59接受關(guān)于熔體溫度的信息，并且經(jīng)過(guò)程序輸入/輸出組件83把控制信號(hào)輸出到加熱器電源27上，來(lái)控制熔體溫度因此控制生長(zhǎng)過(guò)程。
圖3顯示了伴隨著熔體下降和籽晶35浸漬的晶體生長(zhǎng)過(guò)程的一個(gè)后期階段。如圖中所顯示的，晶體31形成了晶體硅的一個(gè)圓柱體(如結(jié)晶塊)。應(yīng)該理解已生長(zhǎng)的晶體，如晶體31，雖然它通常是圓柱形的，但一般不會(huì)有一個(gè)統(tǒng)一的直徑?；谶@個(gè)原因，它的直徑可能沿著軸39在不同的軸向位置發(fā)生輕微的變化。進(jìn)一步說(shuō)，晶體31的直徑會(huì)在晶體生長(zhǎng)的不同時(shí)期發(fā)生變化(如籽晶，頸部，頂部，肩部，軀體和底部圓錐)。熔體29的表面99有一個(gè)液體狀的彎月面101，它是在晶體31和熔體29之間的交界面形成的。如在本領(lǐng)域中已知的，坩堝19在彎月面101的映象是經(jīng)常能看到的，呈明亮的環(huán)形并和晶體31相鄰。
圖3也描述了在硅晶體31生長(zhǎng)過(guò)程中，一個(gè)放置在晶體生長(zhǎng)裝置13中的反射罩組件103。如在本領(lǐng)域中已知的，熱區(qū)裝置如反射罩組件103，是經(jīng)常放置在坩堝19中的，來(lái)達(dá)到支配熱量和/或氣體流量的目的。例如，反射罩13通常是熱的保護(hù)罩，用來(lái)保留住它下方和熔體29上方的熱量。在本領(lǐng)域中技術(shù)人員熟悉各種不同的設(shè)計(jì)和材料(如石墨和灰色石英)。如圖3所顯示的，反射罩組件103有一個(gè)內(nèi)表面105，它限定了晶體31被提拉出的中心開(kāi)孔。按照本發(fā)明，在已知反射罩103上開(kāi)孔的尺寸，并對(duì)映象或者說(shuō)反射罩103在熔體29的表面99上的虛像103’測(cè)量的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)11提供熔體水平的測(cè)量和控制。如下文將要描述的，系統(tǒng)11便利地計(jì)算反射罩103和熔體水平45的高度，另外還確定這兩者之間的間隙量度HR。
攝象機(jī)53放在真空室15的視口中，基本上瞄準(zhǔn)于軸39和熔體29的表面99之間的交接處。在這種方式中，攝象機(jī)53的光線軸107對(duì)于軸39成一個(gè)銳角(如α≈15～35°)，因此，攝象機(jī)53提供了一個(gè)垂直區(qū)域的視野，它包括反射罩103的全部直徑和103在熔體表面99上的映象103’的全部直徑。攝象機(jī)53的鏡頭較好地提供一個(gè)水平視野，包含了反射罩103上的開(kāi)孔的全部直徑(如內(nèi)部反射罩表面105的寬度)。由于攝象機(jī)53和反射罩103之間的距離發(fā)生可能導(dǎo)致可變性，影響光學(xué)放大。例如，增加攝象機(jī)53到反射罩103之間的距離會(huì)使它顯得更小。進(jìn)一步，攝象機(jī)53到熔體29之間的距離影響映象103’的外觀。攝象機(jī)53是校準(zhǔn)好的，因此焦距和圖象尺寸是精確已知的。如在圖3所示的，高度H和半徑R定義了攝象機(jī)53的位置，高度HR定義了反射罩103的位置。在如圖所示的具體例子中，相應(yīng)于熔體水平45高度H和HR都被測(cè)量了。
當(dāng)由PLC開(kāi)始檢測(cè)時(shí)，視頻系統(tǒng)63的幀緩沖器67需要得到攝象機(jī)53以規(guī)律時(shí)間間隔(如每一秒鐘一次)所產(chǎn)生的坩堝19內(nèi)部的圖象。由幀緩沖器67捕捉到的坩堝19內(nèi)部的圖象每一個(gè)都包括很多象素。如在本領(lǐng)域中已知的，每個(gè)象素都有一個(gè)代表圖象光學(xué)特性的值。例如，象素值，或灰度級(jí)，對(duì)應(yīng)于象素的強(qiáng)度。在本發(fā)明一個(gè)較好的實(shí)施例中，圖象處理器69限定了至少兩個(gè)重要的區(qū)域，它們由參考符號(hào)109在圖4中標(biāo)出。這些區(qū)域109也被稱作窗口。在這個(gè)實(shí)施例中，圖象處理器69檢查區(qū)域109里的象素，以檢測(cè)這個(gè)圖象的光學(xué)特性(如象素的強(qiáng)度或者象素強(qiáng)度的梯度)。特別是，圖象處理器69應(yīng)用區(qū)域109中的兩個(gè)邊緣工具111(看圖5)，并在已探測(cè)到的特性的基礎(chǔ)上，來(lái)探測(cè)圖象的邊緣。在視頻系統(tǒng)領(lǐng)域中，邊緣被定義為圖象中在一個(gè)相對(duì)小的空間區(qū)域中灰度發(fā)生了較大變化的區(qū)域。應(yīng)當(dāng)理解，除了或代替強(qiáng)度或強(qiáng)度梯度外，另一些圖象的光學(xué)特性，如顏色或?qū)Ρ榷纫部梢员惶綔y(cè)用以發(fā)現(xiàn)邊緣坐標(biāo)。
如圖4所示，系統(tǒng)11檢查區(qū)域109的象素來(lái)探測(cè)反射罩103的左端邊緣113，映象103’的左端邊緣115，反射罩103的右端邊緣117和映象103’的右端邊緣119。在這種情況下，左端邊緣113和右端邊緣117之間的橫過(guò)圖象的距離，提供了反射罩103上的中心開(kāi)孔的直徑的測(cè)量。相似地，左端邊緣115和右端邊緣119之間的橫過(guò)圖象的距離，提供了映象103’的直徑的測(cè)量。
圖象處理器69較好地在圖象中預(yù)先選擇的位置限定了區(qū)域109，其對(duì)應(yīng)于該圖象希望包括反射罩103和它的映象103’的位置。換句話說(shuō)，圖象處理器69相對(duì)一個(gè)確定的中心線(如軸39)而限定了區(qū)域109。通過(guò)在預(yù)先選擇的位置限定區(qū)域109，圖象處理器69避免了已知的或預(yù)期的映象，熱區(qū)裝置以及其它可能引起謬誤測(cè)量的東西。在一個(gè)較好的實(shí)施例中，區(qū)域109是程序可控的長(zhǎng)方形的區(qū)域，它的尺寸和位置排除了不想要的圖象。圖象處理器69在區(qū)域109中動(dòng)態(tài)地移動(dòng)邊緣工具111來(lái)發(fā)現(xiàn)靜態(tài)的反射罩103的邊緣和可變的映象103’的邊緣。以這種方式，圖象處理器69確定了沿著反射罩103內(nèi)表面105的邊緣坐標(biāo)，和沿著相應(yīng)映象103’的邊緣坐標(biāo)，并按下文所描述的進(jìn)行處理。
圖5是包括邊緣工具111在內(nèi)的109的右端區(qū)域的放大圖。應(yīng)當(dāng)理解，區(qū)域109的左端部分的邊緣探測(cè)同區(qū)域109的右端邊緣探測(cè)是用相似的方式進(jìn)行的。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，圖象的邊緣是用一個(gè)(X,Y)坐標(biāo)系統(tǒng)來(lái)定義的，這個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)的零點(diǎn)位于圖象的底部左角。視頻系統(tǒng)63執(zhí)行軟件在區(qū)域109中垂直地放置和移動(dòng)這四個(gè)邊緣探測(cè)工具111來(lái)探測(cè)左端邊緣113,115的X坐標(biāo)的最小值，和探測(cè)右端邊緣117,119的X坐標(biāo)的最大值。從X坐標(biāo)的最大值中減去反射罩103和它的映象103’的X坐標(biāo)的最小值，以象素?cái)?shù)來(lái)確定各自的直徑。然而在一些情況下(如非常低的熔體水平)，反射罩103可能阻礙映象103’的全部直徑。如果這種情況發(fā)生，圖象處理器69就用已知的圓形物體的公式包括“Y坐標(biāo)”和“X坐標(biāo)”來(lái)計(jì)算直徑。
按照一種較好的掃描技術(shù)，109的每個(gè)區(qū)域包括兩個(gè)邊緣探測(cè)工具111(也稱作掃描區(qū)域)。在這個(gè)圖示的實(shí)施例中，一個(gè)較低(內(nèi)部)的邊緣工具111a掃描預(yù)先確定的區(qū)域109的下部，并且一個(gè)較高(外部)的邊緣工具111b掃描預(yù)先確定的區(qū)域109的上部，以探測(cè)反射罩103的邊緣和它在區(qū)域109中的映象103’的邊緣。作為一個(gè)例子，下部邊緣工具111a從底部開(kāi)始向上移動(dòng)，掃描62％的區(qū)域109，上部邊緣工具111b從頂部開(kāi)始向下移動(dòng)，掃描38％的區(qū)域109。圖5也畫(huà)出了確定上部邊緣工具111b中心的一個(gè)水平參考線121。在這個(gè)例子中，操作人員可以用區(qū)域109的高度的一個(gè)函數(shù)來(lái)編程控制一個(gè)補(bǔ)償參數(shù)，這個(gè)參數(shù)確定了邊緣工具111的垂直尺寸，也引起區(qū)域109上下移動(dòng)，使得上部掃描區(qū)域111b關(guān)于水平參考線121垂直對(duì)中。例如，62的補(bǔ)償參數(shù)導(dǎo)致下部掃描區(qū)域111a覆蓋62％的區(qū)域109，并且導(dǎo)致上部掃描區(qū)域111b覆蓋38％的區(qū)域109，和19％所關(guān)心的區(qū)域放置在水平參考線121的上部。
從區(qū)域109的底部開(kāi)始，下部邊緣工具111a相對(duì)于中心軸39水平地從區(qū)域109的內(nèi)部邊緣掃描到外部邊緣。換句話說(shuō)，下部邊緣工具111a從左到右來(lái)探測(cè)映象103’的右端邊緣119。然后圖象處理器69就向上垂直地移動(dòng)下部邊緣工具。相反地，上部邊緣工具111b從區(qū)域109的頂部開(kāi)始相對(duì)于中心軸39水平地從區(qū)域109的外部掃描到內(nèi)部。因此，上部邊緣工具111b的掃描是從右到左的，來(lái)探測(cè)反射罩103的右端邊緣117。然后圖象處理器69就向下垂直地移動(dòng)上部邊緣工具。較好地，圖象處理器69應(yīng)用邊緣工具111以每秒3次掃描的速率從區(qū)域109的一邊掃描到另一邊。
按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，圖象處理器69的邊緣工具111探測(cè)區(qū)域109內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)邊緣。例如，當(dāng)圖象處理器69在區(qū)域109中向上移動(dòng)邊緣工具111a時(shí)，由邊緣工具111a所實(shí)施的幾個(gè)從一邊到一邊的掃描能夠探測(cè)映象103’的邊緣。較好地，圖象處理器69選擇由邊緣工具111a,111b所探測(cè)的區(qū)域109的右端邊緣的最大X坐標(biāo)值，來(lái)測(cè)量反射罩103和它的映象103’的直徑。進(jìn)一步，圖象處理器69保存先前的已探測(cè)的邊緣的最大X坐標(biāo)值。在圖5中，參照符號(hào)117’指出了反射罩103的一個(gè)先前的最右端的邊緣，參照符號(hào)119’指出了映象103’的一個(gè)先前的最右端的邊緣。以相似的方式，在區(qū)域109中左端區(qū)域的已探測(cè)的邊緣的最小X坐標(biāo)值也被選擇用來(lái)測(cè)量直徑。
現(xiàn)在看圖6，系統(tǒng)11在已知反射罩103開(kāi)孔的直徑基礎(chǔ)上和已測(cè)量反射罩103尺寸和它的映象或虛象103’尺寸的基礎(chǔ)上，提供了熔體水平的測(cè)量和控制。在用平面鏡的情況下，例如，虛象和物體的尺寸是同樣大小的，并且它位于鏡子的“后面”，和物體在鏡子前的距離是一樣的。系統(tǒng)11用象素計(jì)數(shù)反射罩103的直徑和映象103’的直徑，并和反射罩103的已知直徑、攝象機(jī)53的校準(zhǔn)信息一同，計(jì)算攝象機(jī)53到反射罩103的距離D和攝象機(jī)53到映象103’即反射罩103的虛象的距離D’。在一個(gè)實(shí)施例中，PLC71通過(guò)一個(gè)校準(zhǔn)因子(以象素)乘以放大反射罩103(以毫米)上的中心開(kāi)孔的已知直徑，并且用反射罩103、映象103’的已測(cè)量的直徑除這個(gè)乘積，相應(yīng)地得到距離D和D’。操作人員在參照攝象機(jī)53的詳細(xì)說(shuō)明書(shū)的基礎(chǔ)上，在安裝過(guò)程中確定這個(gè)校準(zhǔn)因子。例如，攝象機(jī)53的鏡頭有12.5mm的焦距，它的圖象平面測(cè)量9.804×10-3mm/象素。在本發(fā)明中，PLC71用12.5/(9.804×10-3)象素的校準(zhǔn)因子。在這個(gè)例子中，反射罩103典型地有一個(gè)已知幾百毫米的直徑，其主要取決于正生長(zhǎng)的晶體31的尺寸。
在一個(gè)較好的實(shí)施例中，在確定距離D’之前，由PLC執(zhí)行的程序調(diào)整映象103’的直徑測(cè)量，因?yàn)楸砻?9并不是精確的平面(由于坩堝19的旋轉(zhuǎn)，表面99趨于盤形)。因此，對(duì)攝象機(jī)53來(lái)說(shuō)，圖象尺寸的差別是到攝像機(jī)53的距離D和D’的函數(shù)。
在圖6中，在各自的距離D和D’的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)11計(jì)算反射罩103和映象103’的Y坐標(biāo)。在這種情況下，系統(tǒng)11定義了一個(gè)(x,y)坐標(biāo)系統(tǒng)，它以中心軸39上的攝象機(jī)的高度為零點(diǎn)。系統(tǒng)11也計(jì)算從提拉桿的中心線(如軸39)到攝象機(jī)53的距離X。較好地，操作人員從晶體生長(zhǎng)裝置13的機(jī)械說(shuō)明書(shū)上得到X值和攝象機(jī)53的安裝信息。在此例中，x=X=R。用這些尺寸，系統(tǒng)11定義反射罩位置Y=D2-X2]]>虛象Y′=D′2-X2]]>熔體水平ML=Y+Y′2]]>反射罩高度HR=Y′-Y2]]>為了應(yīng)用，熔體水平45被定義為從攝象機(jī)53到熔體29的表面99的垂直距離。一旦攝象機(jī)53到加熱器21的頂端的垂直距離固定下來(lái)后，通過(guò)計(jì)算，相對(duì)于加熱器21熔體水平45也能被確定下來(lái)。
在操作中，圖象處理器69在圖象的左端和右端定義區(qū)域109，并且探測(cè)邊緣工具111內(nèi)圖象的強(qiáng)度梯度特征。控制單元51在已探測(cè)的邊緣的基礎(chǔ)上較好地確定熔體水平參數(shù)ML和反射罩高度參數(shù)HR，來(lái)用于控制晶體生長(zhǎng)過(guò)程。因此，圖象處理器69組成了一個(gè)探測(cè)電路，一個(gè)限定電路和一個(gè)測(cè)量電路，并且PLC71組成了一個(gè)控制電路。
圖7圖示了系統(tǒng)11的一個(gè)示意的初始化程序123。從步驟125開(kāi)始，初始化程序123需要把已知的數(shù)據(jù)輸送到PLC71。在這種情況下，已知的數(shù)據(jù)包括反射罩103的直徑，透鏡的焦距和攝象機(jī)53的圖象平面的尺寸(為了校準(zhǔn))和距離X。距離X，也以R表示，代表了從攝象機(jī)53到中心軸39(如提拉索37)的距離。在一個(gè)較好的晶體生長(zhǎng)裝置13中，攝象機(jī)53放置在離中心軸39大約400mm的地方。在一些情況下，操作人員也輸入從原反射罩高度測(cè)量中減去的反射罩103的垂直厚度。例如，灰色石英反射罩大約4mm厚，石墨反射罩大約33mm厚。
在步驟127中，操作人員校準(zhǔn)攝象機(jī)53，使得視野包括所研究的高溫區(qū)特征(如反射罩103和它在熔體29的表面99上的映象103’)。典型地，晶體生長(zhǎng)裝置13的視口包括一個(gè)濾光器，如一個(gè)金制的紅外濾光器。在步驟127中，操作人員把攝象機(jī)53的鏡頭調(diào)整到濾光器的幾個(gè)毫米(如2-5mm)。操作人員根據(jù)視口的底部和頂部放置攝象機(jī)53。例如，鏡頭的底部邊緣離視口上濾光器的底部邊緣大約有40-45mm。否則，攝象機(jī)53可能在視口上太高，因此就太靠近中心軸39。這就導(dǎo)致視口本身妨礙反射罩103的視野。相反地，如果攝象機(jī)53在視口上放置的太低，就會(huì)離中心軸39太遠(yuǎn)，因此反射罩103的上部會(huì)妨礙觀察晶體31的全部直徑。較好地，操作人員根據(jù)視口的左邊和右邊來(lái)固定攝象機(jī)53的中心。
作為步驟131的一部分，操作人員完成一個(gè)最終的攝象機(jī)和視覺(jué)工具的校準(zhǔn)。特別是，操作人員程序化控制區(qū)域109的尺寸和位置來(lái)減少不需要的邊緣的數(shù)量，這些邊緣由邊緣工具111所測(cè)定。例如，操作人員以垂直圖象尺寸的一個(gè)函數(shù)來(lái)設(shè)置所研究的每個(gè)區(qū)域109的高度。較好地，操作人員設(shè)置高度來(lái)包括反射罩103的邊緣，它的全部直徑靠近區(qū)域109的頂部，和包括全部的映象103’，直到在視野中被靠近區(qū)域109底部的反射罩103隱藏起來(lái)。相似地，操作人員以水平圖象尺寸的一個(gè)函數(shù)來(lái)設(shè)置每個(gè)區(qū)域109的寬度，來(lái)包括靠近區(qū)域109外側(cè)的反射罩103的邊緣，和包括足夠的映象103’以提供內(nèi)部邊緣工具掃描的一個(gè)邊緣“目標(biāo)”。操作人員也可以進(jìn)一步地以“微調(diào)”來(lái)調(diào)整攝象機(jī)53的位置，排除由視口引起的任何邊緣。在步驟131中，對(duì)于外部和內(nèi)部(上部和下部，分別地)邊緣工具111，操作人員也保證有足夠的掃描面積。當(dāng)外部邊緣工具111正掃描一個(gè)固定的目標(biāo)(如反射罩103的一個(gè)邊緣)時(shí)，它們的面積(如38％大小的區(qū)域109)可能比內(nèi)部邊緣工具111掃描的一個(gè)可能移動(dòng)的目標(biāo)(如映象103’的一個(gè)邊緣)的面積要小，這個(gè)移動(dòng)的目標(biāo)由于熔體水平45的變化而移動(dòng)。
在步驟133中，操作人員定義邊緣工具111的邊緣檢測(cè)閾值來(lái)探測(cè)反射罩103。相似地，操作人員調(diào)整步驟135中的邊緣檢測(cè)閾值來(lái)探測(cè)映象103’。邊緣強(qiáng)度臨界參數(shù)控制那些已被檢測(cè)的和已被忽略的邊緣。邊緣工具111測(cè)量光強(qiáng)度的變化并且沿著窗口的長(zhǎng)度為這些變化計(jì)算“分?jǐn)?shù)”。如果分?jǐn)?shù)比閾值大，工具111就匯報(bào)一個(gè)在那個(gè)位置的邊緣。在一個(gè)實(shí)施例中，設(shè)置邊緣工具111向PLC匯報(bào)第一個(gè)邊緣。例如，如果檢測(cè)晶體彎月面101，也可設(shè)置另外的邊緣檢測(cè)工具匯報(bào)最強(qiáng)、最好的邊緣。邊緣工具111定向地朝內(nèi)測(cè)量外部邊緣，并且朝外測(cè)量?jī)?nèi)部邊緣。例如，操作人員設(shè)置一個(gè)外部邊緣強(qiáng)度閾值，來(lái)保證外部測(cè)量工具正確地發(fā)現(xiàn)反射罩103的上部邊緣。既然外部測(cè)量工具111是向內(nèi)朝著圖象的中心觀測(cè)，那么如果邊緣發(fā)現(xiàn)的太塊(反射罩103的外部)，這個(gè)值可能就需要增加，或者如果未得到正確的邊緣，這個(gè)值就要減小。相似地，操作人員設(shè)置一個(gè)內(nèi)部邊緣強(qiáng)度閾值來(lái)保證內(nèi)部邊緣工具111正確地發(fā)現(xiàn)映象103’。既然內(nèi)部邊緣工具是遠(yuǎn)離圖象的中心朝外觀測(cè)的，如果邊緣被發(fā)現(xiàn)的太快(映象103’的內(nèi)部)，這個(gè)值就需要增加，或者未得到正確的邊緣它就需要減小。對(duì)不同材料做成的反射罩來(lái)說(shuō)，閾值也是不同的，這一點(diǎn)也是能理解的。
現(xiàn)在看圖8A和8B，包括控制單元51在內(nèi)的系統(tǒng)11按照流程圖141并跟隨預(yù)置初始值來(lái)運(yùn)行，以提供晶體生長(zhǎng)裝置13的閉合控制。從步驟143開(kāi)始，攝象機(jī)53產(chǎn)生坩堝19內(nèi)部的圖象，包括反射罩103的圖象和它的映象103’。在步驟145中，視頻系統(tǒng)63的幀緩沖器67通過(guò)圖象處理器69捕捉并處理攝象機(jī)53的視覺(jué)圖象信號(hào)。
在步驟149中視頻系統(tǒng)63開(kāi)始在區(qū)域109中進(jìn)行邊緣探測(cè)。圖象處理器69與PLC協(xié)力運(yùn)行，用象素值的函數(shù)來(lái)處理這些圖象，以檢測(cè)圖象的邊緣。較好地，處理器69執(zhí)行幾個(gè)程序來(lái)分析圖象，包括分析圖象中限定區(qū)域灰度變化(以圖象明暗度的一個(gè)函數(shù))的邊緣檢測(cè)程序。發(fā)現(xiàn)和計(jì)數(shù)圖象邊緣的各種邊緣檢測(cè)算符或算法對(duì)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是已知的。例如，合適的邊緣檢測(cè)程序包括Canny或Hough算法。應(yīng)當(dāng)理解除了強(qiáng)度，圖象的其它特征，像強(qiáng)度梯度，顏色或?qū)Ρ榷纫材苡脕?lái)從熔體29本身光學(xué)地區(qū)分彎月面101或熔體29的表面99上其它物體。
在步驟149中，圖象處理器69用左端區(qū)域109的上部邊緣工具111向內(nèi)掃描，來(lái)檢測(cè)反射罩103的邊緣。如果在步驟151中圖象處理器69確定邊緣未被檢測(cè)到，它就在步驟153中匯報(bào)一個(gè)臨近圖象左端界線的已檢測(cè)到的邊緣。換句話說(shuō)，如果圖象是640象素寬，圖象處理器69用象素#1報(bào)告一個(gè)邊緣。這就使PLC認(rèn)識(shí)到并未掃描到一個(gè)真實(shí)的邊緣。相似地，圖象處理器69在步驟157中用左端區(qū)域109的下部邊緣工具111向外掃描以檢測(cè)映象103′的邊緣。如果在步驟159中圖象處理器69確定邊緣未被檢測(cè)到，它就在步驟161中報(bào)告一個(gè)臨近圖象右端界線的已檢測(cè)到的邊緣。在這種情況下，圖象處理器69用象素#639報(bào)告一個(gè)邊緣，以使PLC認(rèn)識(shí)到并未掃描到一個(gè)真實(shí)的邊緣。
進(jìn)行到步驟165處理右端區(qū)域109，圖象處理器69用右端區(qū)域109的下部邊緣工具111向外掃描以檢測(cè)映象103′的一個(gè)邊緣。如果圖象處理器69在步驟167中確定邊緣未被檢測(cè)到，它就在步驟169中報(bào)告一個(gè)臨近圖象左端界線的已檢測(cè)到的邊緣。換句話說(shuō)，圖象處理器69以象素#1報(bào)告一個(gè)無(wú)效的邊緣。相似地，圖象處理器69在步驟173中用右端區(qū)域109的上部邊緣工具111向內(nèi)掃描，以檢測(cè)反射罩103的一個(gè)邊緣。如果在步驟175中圖象處理器69確定邊緣未被檢測(cè)到，它就在步驟177中報(bào)告一個(gè)臨近圖象右端界線的已檢測(cè)到的邊緣。在這種情況下，圖象處理器69以象素#639報(bào)告一個(gè)無(wú)效的邊緣。如果圖象處理器69在步驟179中完成對(duì)區(qū)域109的掃描，它就進(jìn)行圖8B中的步驟181。另一方面，如果邊緣工具111未在相應(yīng)地掃描區(qū)域109的端部，圖象處理器返回到以步驟149開(kāi)始的掃描程序中。
在已檢測(cè)到的邊緣的基礎(chǔ)上，圖象處理器69選擇最大和最小的X坐標(biāo)值并以象素?cái)?shù)為度量測(cè)量反射罩103的直徑和它的映象103′的直徑。步驟173中檢測(cè)的最右端邊緣和在步驟149中檢測(cè)的最左端邊緣存在著差異，在此基礎(chǔ)上，圖象處理器69在步驟181中確定反射罩103的直徑。步驟165中檢測(cè)的最右端邊緣和在步驟157中檢測(cè)的最左端邊緣存在著差異，在此基礎(chǔ)上，圖象處理器用相似的方式在步驟183中確定映象103’的直徑。然后圖象處理器69進(jìn)行步驟185，經(jīng)過(guò)VME總線75向控制單元51的PLC報(bào)告測(cè)量的直徑。
在步驟189中，PLC71接收到映象103’的已測(cè)量的直徑并且對(duì)它進(jìn)行調(diào)整，以向坩堝旋轉(zhuǎn)對(duì)熔體表面99所造成的影響提供一定程度的補(bǔ)償。如上文所述，坩堝19的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致表面99呈“盤形”而不是精確的平面形。在一個(gè)較好實(shí)施例中，PLC71通過(guò)一個(gè)補(bǔ)償系數(shù)CF乘映象103’已測(cè)的直徑來(lái)補(bǔ)償坩堝旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。
補(bǔ)償系數(shù)CF=(1-0.00012×RPM2)本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到補(bǔ)償系數(shù)能用其它的方式所確定。例如，在此引入?yún)⒖糉aber，物理學(xué)家流體動(dòng)力學(xué)(“Fluid Dynamic forPhysicists”),1995,P42，教導(dǎo)了旋轉(zhuǎn)容器對(duì)容器中的液體的表面的影響并提供了方程式，通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算可以從這個(gè)方程式中得到一個(gè)補(bǔ)償系數(shù)。
在進(jìn)行步驟191中，PLC用反射罩103的已測(cè)的直徑和映象103’的已校正的直徑來(lái)計(jì)算一些參數(shù)。在本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例中，PLC71計(jì)算從攝象機(jī)53到反射罩103的距離D和從攝象機(jī)53到相應(yīng)的虛象(即映象103’)的距離D’?；谶@些計(jì)算，PLC71確定反射罩的垂直位置Y和相應(yīng)的虛象(即映象103’)的垂直位置Y’。最后，PLC71計(jì)算反射罩高度參數(shù)HR和熔體水平參數(shù)ML(也用圖3中的高度H表示)。然后控制單元51就執(zhí)行響應(yīng)于這些被確定的參數(shù)的程序來(lái)控制晶體生長(zhǎng)裝置13。在一個(gè)較好的實(shí)施例中，控制單元51的PLC71對(duì)已測(cè)定的熔體水平，反射罩水平和熔體間隙作出反應(yīng)，來(lái)控制晶體生長(zhǎng)過(guò)程。特別地，PLC對(duì)這些參數(shù)的測(cè)量作出反應(yīng)，以控制坩堝19的水平，加熱器21的溫度和旋轉(zhuǎn)速度和/或提拉速度，由此控制了晶體生長(zhǎng)裝置13。由此，閉合環(huán)路控制被執(zhí)行。
鑒于上述情況，看到本發(fā)明的幾個(gè)目標(biāo)已經(jīng)達(dá)到，其它一些有利的結(jié)果已經(jīng)取得。
由于在上述的結(jié)構(gòu)和方法中能夠進(jìn)行各種不同的變化而不超出本發(fā)明的范圍，因此認(rèn)為上文中所描述的和在附圖中所顯示的應(yīng)理解為說(shuō)明性的，而不具限制性含義。
權(quán)利要求
1．一種與生長(zhǎng)硅單晶的裝置結(jié)合使用的方法，所述晶體生長(zhǎng)裝置有一個(gè)盛著硅熔體的加熱坩堝，從這里晶體被提拉出去，所述晶體生長(zhǎng)裝置也有一個(gè)放置在坩堝中熔體上部的反射罩，所述反射罩有一個(gè)限定晶體提拉出的中心開(kāi)孔的內(nèi)部表面，所述熔體有一個(gè)上層表面，在它上面能看到反射罩的映象，所述晶體沿著同熔體上層表面基本垂直的中心軸被提拉出來(lái)，所述方法包含下述步驟用攝象機(jī)產(chǎn)生一部分反射罩的圖象和反射罩在熔體上層表面的一部分映象，每個(gè)所述圖象都包括許多象素，每個(gè)所述象素都有一個(gè)代表圖象光學(xué)特性的值；處理這些圖象作為這些象素值的函數(shù)，以檢測(cè)圖象中反射罩的邊緣和映象的邊緣，所述映象的邊緣對(duì)應(yīng)于反射罩的虛象；在圖象中已檢測(cè)到的邊緣相對(duì)位置的基礎(chǔ)上，確定攝象機(jī)到反射罩的距離和攝象機(jī)到反射罩虛象的距離；在確定距離的基礎(chǔ)上，至少確定代表晶體生長(zhǎng)裝置一種狀態(tài)的一個(gè)參數(shù)，并且控制晶體生長(zhǎng)裝置對(duì)這些確定的參數(shù)作出反應(yīng)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，圖象處理步驟包括至少檢測(cè)反射罩的兩個(gè)邊緣和測(cè)量它們之間的距離，并以象素?cái)?shù)確定反射罩的尺寸，并且該方法包括至少檢測(cè)映象的兩個(gè)邊緣并測(cè)量它們之間的距離，并以象素?cái)?shù)確定反射罩虛象的尺寸。
3．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中，反射罩上中心開(kāi)孔有一個(gè)預(yù)先確定的直徑，且進(jìn)一步包括步驟把已測(cè)定的反射罩和它的虛象的尺寸分別轉(zhuǎn)變?yōu)閺臄z象機(jī)到反射罩的距離和攝象機(jī)到虛象的距離，作為反射罩上中心開(kāi)口的直徑和攝像機(jī)校準(zhǔn)系數(shù)的函數(shù)。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，參數(shù)確定步驟至少確定一個(gè)下述參數(shù)相對(duì)于一個(gè)參考符號(hào)的代表熔體上部表面水平的熔體水平參數(shù)；相對(duì)于一個(gè)參考符號(hào)的代表反射罩位置的反射罩位置參數(shù)；和相對(duì)于熔體上部表面的代表反射罩位置的反射罩高度參數(shù)。
5．根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中，確定熔體水平參數(shù)的步驟進(jìn)一步包含計(jì)算ML=12(D2-X2+D′2-X2)]]>在這里，ML是相對(duì)于攝象機(jī)垂直位置的熔體水平；D是攝象機(jī)到反射罩的距離；D′是攝象機(jī)到反射罩虛象的距離；X是中心軸到攝象機(jī)的距離；其中，測(cè)定反射罩位置參數(shù)的步驟進(jìn)一步包括計(jì)算Y=D2-X2]]>在這里，Y是相對(duì)于攝象機(jī)垂直位置的反射罩位置；其中，測(cè)定反射罩高度參數(shù)的步驟進(jìn)一步包括計(jì)算HR=12(D′2-X2-D2-X2)]]>在這里，HR是相對(duì)于熔體上層表面的反射罩高度。
6．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，由于坩堝的旋轉(zhuǎn)使熔體上層表面在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中并不呈平面形，且進(jìn)一步包括步驟在確定攝象機(jī)到反射罩虛象的距離中對(duì)坩堝旋轉(zhuǎn)進(jìn)行補(bǔ)償，且在已補(bǔ)償?shù)木嚯x的基礎(chǔ)上，確定至少代表晶體生長(zhǎng)裝置一種狀態(tài)的一個(gè)參數(shù)。
7．根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中，補(bǔ)償步驟包括調(diào)整攝象機(jī)到反射罩虛象的所確定的距離作為坩堝旋轉(zhuǎn)的速率的函數(shù)。
8．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，反射罩上的中心開(kāi)孔有一個(gè)預(yù)先確定的直徑，且進(jìn)一步包括步驟限定多個(gè)圖象窗口區(qū)域，這些圖象窗口區(qū)域位于相對(duì)于中心軸輻射狀分布的位置，并且距中心軸大約為中心開(kāi)孔直徑的一半的距離。
9．根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中，圖象處理步驟包括確定一個(gè)在每個(gè)窗口區(qū)域內(nèi)的邊緣檢測(cè)工具來(lái)檢測(cè)反射罩的邊緣，并確定另一個(gè)在每個(gè)窗口區(qū)域內(nèi)的邊緣檢測(cè)工具來(lái)檢測(cè)映象的邊緣。
10．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，晶體生長(zhǎng)裝置提供晶體和坩堝之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并且其中，控制步驟包括控制一個(gè)或多個(gè)下述條件來(lái)對(duì)已確定的參數(shù)作出反應(yīng)以控制晶體生長(zhǎng)裝置晶體和坩堝之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；晶體從熔體中提拉出來(lái)的速率；和熔體的溫度。
全文摘要
一種用于在丘克拉斯基晶體生長(zhǎng)裝置中測(cè)定熔化水平高度和反射罩位置的一種方法和系統(tǒng)。晶體生長(zhǎng)裝置有一個(gè)加熱坩堝,里面盛有硅熔體,從這里硅晶體被提拉出來(lái)。晶體生長(zhǎng)裝置同樣含有一個(gè)中心開(kāi)孔的反射罩,晶體從此開(kāi)孔里提拉出來(lái)。攝象機(jī)產(chǎn)生反射罩一部分圖象和在熔體上層表面能看見(jiàn)的一部分反射罩的映象。圖象處理系統(tǒng)用它們象素值的一個(gè)函數(shù)處理這些圖象,以便探測(cè)反射罩的邊緣和圖象中的映象的邊緣。根據(jù)圖象中已探測(cè)到的邊緣的相應(yīng)位置,控制電路測(cè)定攝象機(jī)到反射罩的距離和攝象機(jī)到映象的距離。在已測(cè)定的距離的基礎(chǔ)上,控制電路至少測(cè)定一種代表晶體生長(zhǎng)裝置狀態(tài)的一個(gè)參數(shù),并且控制該裝置對(duì)所測(cè)定的參數(shù)做出反應(yīng)。
文檔編號(hào)C30B29/06GK1323364SQ99812022
公開(kāi)日2001年11月21日 申請(qǐng)日期1999年9月30日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月14日
發(fā)明者羅伯特·H·福爾霍夫, 莫森·班南 申請(qǐng)人:Memc電子材料有限公司