專(zhuān)利名稱(chēng)：與控制硅晶體生長(zhǎng)的系統(tǒng)一起使用的無(wú)失真攝像機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及改進(jìn)的攝象機(jī)，且更具體地說(shuō)，涉及一種透視控制攝象機(jī)，該攝象機(jī)與一個(gè)用于測(cè)量按切克勞斯基Czochralski過(guò)程生長(zhǎng)的硅晶體的直徑的系統(tǒng)一起使用，以控制采用切克勞斯基過(guò)程的設(shè)備或方法。
采用切克勞斯基過(guò)程的晶體拉制機(jī)生產(chǎn)著用來(lái)制作微電子工業(yè)用硅片的大部分單晶硅。簡(jiǎn)單地說(shuō)，切克勞斯基過(guò)程涉及在位于專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的爐子中的石英坩鍋中熔化高純度的多晶硅塊，以形成一個(gè)硅熔體。從提晶裝置上懸掛下來(lái)的拉制線的下端，將小的籽晶懸掛在坩鍋的上方。提晶裝置將籽晶降至與坩鍋中的熔化的硅相接觸的位置。當(dāng)籽晶開(kāi)始熔化時(shí)，該裝置緩慢地將其從硅熔體中拉起。當(dāng)籽晶被拉起時(shí)，它從熔體生長(zhǎng)出拉制硅來(lái)。在這種生長(zhǎng)過(guò)程中，坩鍋在沿著一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)提晶裝置、連線、籽晶、和晶體沿著相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。
當(dāng)晶體生長(zhǎng)開(kāi)始時(shí)，籽晶與熔體接觸的熱沖擊會(huì)在晶體中造成位錯(cuò)。除非在籽晶與晶的主體之間的頸部區(qū)得到消除，這些位錯(cuò)將在生長(zhǎng)的整個(gè)晶體中傳播并增加。消除單晶硅晶體中的位錯(cuò)的已知方法，涉及在生長(zhǎng)晶體的本體之前，以較高的晶體拉制速率生長(zhǎng)出具有小直徑的完全消除位錯(cuò)的頸部。在消除了頸部中的位錯(cuò)之后，再使其直徑擴(kuò)大，直到達(dá)到所希望的主晶體本體的直徑。當(dāng)作為晶體的最弱部分的頸部的直徑太小時(shí)，它會(huì)在晶體生長(zhǎng)期間斷裂，使晶體的本體下落到晶體中。晶體塊的沖擊和熔化的硅的濺起，會(huì)對(duì)晶體生長(zhǎng)設(shè)備造成損壞，并會(huì)對(duì)安全產(chǎn)生嚴(yán)重的威脅。
如在現(xiàn)有技術(shù)中已知的，切克勞斯基過(guò)程作為正在生長(zhǎng)的晶體的直徑的函數(shù)，而部分地得到控制。因此，出于控制和安全的原因，需要準(zhǔn)確而可靠的系統(tǒng)，用于測(cè)量晶體直徑，包括頸部直徑。
有幾種已知的用于提供晶體直徑測(cè)量的技術(shù)，包括測(cè)量亮環(huán)的寬度的方法。該亮環(huán)是固體—液體界面處形成的彎月形液面中的坩堝壁反射的特征。傳統(tǒng)的亮環(huán)和彎月形液面檢測(cè)器采用了光學(xué)高溫計(jì)、光電池、帶光電池的轉(zhuǎn)鏡、帶光電池的光源、行掃描攝象機(jī)、以及二維陣列攝象機(jī)。USPatent No.3,740,563、5,138,179和5,240,684在此被引作參考文獻(xiàn)，它們公布了用于在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中確定晶體的直徑的方法和設(shè)備。
然而，目前可獲得的用于自動(dòng)測(cè)量晶體寬度的設(shè)備，在用于晶體生長(zhǎng)的不同階段或用于大直徑晶體(其中亮環(huán)的真正最大處可能會(huì)被晶體本身所遮擋)時(shí)，經(jīng)常不夠準(zhǔn)確或可靠。為了克服這種問(wèn)題，測(cè)量晶體寬度的設(shè)備試圖在沿著彎月形液面的弦上或單個(gè)點(diǎn)處測(cè)量彎月形液面。然而，這種設(shè)備要求掃描裝置有精確的機(jī)械定位和對(duì)熔體高度的漲落非常靈敏。另外，傳統(tǒng)的測(cè)量設(shè)備要求晶體生長(zhǎng)設(shè)備的操作者經(jīng)常進(jìn)行校準(zhǔn)，以保證直徑保持在規(guī)定的范圍之內(nèi)。
晶體測(cè)量設(shè)備一般包括攝象機(jī)，諸如單色電荷耦合器件(CCD)攝象機(jī)，該攝象機(jī)被安裝在晶體生長(zhǎng)腔的觀察口上，并與生長(zhǎng)的晶體的軸成一定角度。攝象機(jī)產(chǎn)生晶體的視頻圖象，包括硅熔體與晶體之間的界面上的彎月形液面的圖象。這種設(shè)備的一個(gè)缺點(diǎn)，是攝象機(jī)的位置造成了透視失真，從而使彎月形液面的圖象呈現(xiàn)為橢圓而不是圓形。雖然有從失真的橢圓形獲得圓形的數(shù)學(xué)變換，以補(bǔ)償透視失真，但這些變換是復(fù)雜的并延遲了處理彎月形液面圖象的觀測(cè)系統(tǒng)的性能。
共同轉(zhuǎn)讓的申請(qǐng)Serial No.08/459,765(1995年6月2日遞交)在此被作為參考文獻(xiàn)，它提供了對(duì)用于測(cè)量生長(zhǎng)過(guò)程中的晶體直徑的觀測(cè)系統(tǒng)的改進(jìn)。雖然申請(qǐng)Serial No.08/459,765的系統(tǒng)和方法提供了改進(jìn)的晶體直徑測(cè)量，仍然需要能夠在不采用復(fù)雜的變換和附加的處理步驟的情況下對(duì)透視失真進(jìn)行補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)。
焦闌透鏡解決了有關(guān)的問(wèn)題，其中視場(chǎng)包含偏離透鏡的光軸的三維物體。然而，焦闌透鏡只當(dāng)視場(chǎng)小于或略微大于物鏡的直徑時(shí)有效。因此，當(dāng)測(cè)量視場(chǎng)以外的物體時(shí)，仍然需要攝象機(jī)傾斜或搖動(dòng)。
因此，傳統(tǒng)的設(shè)備不能提供足夠精確和可靠的、用于控制晶體生長(zhǎng)過(guò)程并補(bǔ)償透視失真的晶體直徑自動(dòng)確定系統(tǒng)。
在本發(fā)明的各種目的和特征中，應(yīng)該注意的是提供了一種改進(jìn)的系統(tǒng)，它克服了上述的不利情況；提供了這樣的系統(tǒng)，它提供了在生長(zhǎng)過(guò)程中精確而可靠地測(cè)量晶體直徑；提供了這樣的系統(tǒng)，它補(bǔ)償了由于攝象機(jī)的角度引起的失真所產(chǎn)生的誤差；以及，提供了這樣的系統(tǒng)，它在經(jīng)濟(jì)上是可行的且在商業(yè)上是實(shí)際的。
簡(jiǎn)要地說(shuō)，體現(xiàn)本發(fā)明的諸方面的系統(tǒng)，是與用于從硅熔體生長(zhǎng)硅晶體的設(shè)備結(jié)合使用的。該系統(tǒng)確定從硅熔體拉制的硅晶體的尺寸，其中熔體具有大體為平面形的表面，該表面包括一可見(jiàn)的彎月形液面，該彎月形液面看上去為與硅晶體相鄰的明亮區(qū)。該系統(tǒng)包括定位在硅熔體表面上方并離開(kāi)硅晶體的攝象機(jī)。該攝象機(jī)包括用于接收和透過(guò)來(lái)自與晶體相鄰的明亮區(qū)的光的透鏡，和響應(yīng)于透鏡所透過(guò)的光以產(chǎn)生明亮區(qū)的一部分的圖象圖形的象平面。該象平面大體上與硅熔體表面平行，從而補(bǔ)償攝象機(jī)相對(duì)于硅晶體的位置造成的圖象的失真。該系統(tǒng)還包括用于檢測(cè)圖象的特性的檢測(cè)電路，并包括一個(gè)確定電路，該確定電路用于作為檢測(cè)的特性的一個(gè)函數(shù)來(lái)確定明亮區(qū)的邊緣并用于確定包括確定的明亮區(qū)的邊緣的形狀。一個(gè)測(cè)量電路隨后確定確定的形狀的大小，從而作為該確定形狀的所確定的大小的函數(shù)，而確定硅晶體的大小。
在另一種形式中，體現(xiàn)本發(fā)明的諸方面的系統(tǒng)，是與用于從硅熔體生長(zhǎng)硅晶體的設(shè)備結(jié)合使用的。該系統(tǒng)確定從硅熔體拉制的硅晶體的大小，其中該熔體具有大體為平面的表面，該表面包括呈現(xiàn)為相鄰于硅晶體的明亮區(qū)的彎月形液面。該晶體是大體上沿著彎月形液面的縱軸而被從熔體拉出的，該縱軸大體上與熔體表面相垂直。該系統(tǒng)包括位于硅熔體表面上方并離開(kāi)該縱軸的攝象機(jī)。該攝象機(jī)包括用于接收并透過(guò)來(lái)自相鄰于晶體的明亮區(qū)的光的透鏡，并包括響應(yīng)于透鏡透過(guò)的光以產(chǎn)生明亮區(qū)的一部分的圖象的象平面。該攝象機(jī)還包括大體上與縱軸平行的光軸，以便補(bǔ)償攝象機(jī)相對(duì)于縱軸的位置造成的圖象失真。該系統(tǒng)還包括一個(gè)檢測(cè)電路和一個(gè)確定電路，該檢測(cè)電路用于檢測(cè)圖象圖形的特性，而該確定電路用于作為檢測(cè)特性的一個(gè)函數(shù)而確定明亮區(qū)的邊緣并用于確定包含明亮區(qū)的確定邊緣的形狀。一個(gè)測(cè)量電路隨后確定所確定的形狀的大小，從而作為該確定形狀的確定大小而確定硅晶體的大小。
或者，本發(fā)明可以包括各種其他的系統(tǒng)和/或方法。
從以下的描述，本發(fā)明的其他目的和特征將逐步地變得顯而易見(jiàn)。


圖1顯示了晶體生長(zhǎng)設(shè)備和根據(jù)本發(fā)明的用于控制晶體生長(zhǎng)設(shè)備的系統(tǒng)。
圖2是圖1的系統(tǒng)的控制單元的框圖。
圖3是硅晶體的局部和橫截面透視圖。
圖4是圖3的正在被從熔體拉制的晶體的局部圖，其中包括了根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例的攝象機(jī)。
圖5是圖4的攝象機(jī)的視圖，其一部分被移去了。
圖6是圖3的正在被從熔體拉制的晶體的局部圖，其中包括了根據(jù)本發(fā)明的另一最佳實(shí)施例的攝象機(jī)。
在全部附圖中，相同的標(biāo)號(hào)表示相同的部分。
現(xiàn)在參見(jiàn)圖1，其中顯示了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)21，它是與切克勞斯基晶體生長(zhǎng)設(shè)備23一起使用的。在所示的實(shí)施例中，晶體生長(zhǎng)設(shè)備23包括包圍坩鍋27的真空腔25，而坩鍋27由電阻加熱器29或其他加熱裝置所圍繞。一般地一個(gè)坩鍋驅(qū)動(dòng)單元31沿著箭頭所示的順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)坩鍋27，并在生長(zhǎng)過(guò)程中根據(jù)需要提高和降低坩鍋27。坩鍋27裝有硅熔體33。從硅熔體33，從附在拉制桿或纜39上的籽晶37開(kāi)始，拉出單晶35。如圖1所示，熔體33具有熔體高度41，且坩鍋27和單晶35具有共同的縱向?qū)ΨQ(chēng)軸43。
根據(jù)切克勞斯基晶體生長(zhǎng)過(guò)程，晶體驅(qū)動(dòng)單元45，沿著與坩鍋驅(qū)動(dòng)單元31轉(zhuǎn)動(dòng)坩鍋27的方向相反的方向，轉(zhuǎn)動(dòng)纜39。晶體驅(qū)動(dòng)單元45還在生長(zhǎng)過(guò)程中根據(jù)需要提高和降低晶體35。加熱器電源47對(duì)電阻加熱器29進(jìn)行激勵(lì)，且絕緣體49襯砌真空腔25的內(nèi)壁。最好用一個(gè)真空泵(未顯示)除去真空腔25中的氣體，并用送進(jìn)真空腔25中的氬氣取代之。在一個(gè)實(shí)施例中，可以用提供有冷卻水的腔冷卻套(未顯示)圍繞真空腔25。最好用諸如光電池的溫度檢測(cè)器51測(cè)量熔體的表面溫度。
至少一個(gè)二維攝象機(jī)53與控制單元55一起使用，以確定單晶35的直徑?？刂茊卧?5對(duì)來(lái)自溫度檢測(cè)器51和攝象機(jī)53的信號(hào)進(jìn)行處理?？刂茊卧?5最好包括編程數(shù)字或模擬計(jì)算機(jī)(見(jiàn)圖2)，以用來(lái)控制坩鍋驅(qū)動(dòng)單元31、單晶驅(qū)動(dòng)單元45和加熱器電源47等等。
進(jìn)一步參見(jiàn)圖1，根據(jù)一般的硅單晶生長(zhǎng)過(guò)程，將一定量的多晶硅置于坩鍋27中。加熱器電源47提供通過(guò)加熱器29的電流，以熔化坩鍋27中的硅。晶體驅(qū)動(dòng)單元45經(jīng)過(guò)纜39將籽晶37降低到與裝在坩鍋27中的熔體33的熔化硅相接觸的位置。當(dāng)籽晶37開(kāi)始熔化時(shí)，晶體驅(qū)動(dòng)單元45將其緩慢地拉離熔體33。籽晶37從熔體33拉出硅，以在其被拉離熔體33時(shí)產(chǎn)生硅單晶35的生長(zhǎng)。在籽晶37與熔體33接觸之前，可以先將籽晶37降低到與熔體33幾乎接觸的位置，以預(yù)加熱籽晶37。
晶體驅(qū)動(dòng)單元45在晶體35被拉離熔體33時(shí)，以基準(zhǔn)速率轉(zhuǎn)動(dòng)它。坩鍋驅(qū)動(dòng)單元31類(lèi)似地以一個(gè)第二基準(zhǔn)速率轉(zhuǎn)動(dòng)坩鍋27，但通常是沿著與晶體35轉(zhuǎn)動(dòng)相反的方向?？刂茊卧?5對(duì)撥出速率(即拉制速率)和電源47供給加熱器29的電力進(jìn)行初始控制，以在晶體35之下形成頸部。控制單元55最好隨后對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行控制，以使晶體35的直徑以圓錐形增大，直到達(dá)到所希望的晶體直徑。一旦晶體35達(dá)到所希望的晶體直徑，控制單元55控制拉制速率和加熱，以使系統(tǒng)21所測(cè)量的直徑保持恒定，直到過(guò)程結(jié)束。此時(shí)，控制單元55使拉制速率和加熱增大，從而使直徑減小，以在單晶35的端部形成漸細(xì)部分。
如上所述，在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，特別是在晶體35的頸部，希望得到精確和可靠的控制。當(dāng)籽晶37被拉離熔體33時(shí)，頸部最好是以大體上恒定的直徑生長(zhǎng)。例如，控制單元55使頸部的直徑大體上保持恒定，從而使頸部直徑保持在所希望的直徑的百分之十五以?xún)?nèi)。如現(xiàn)有技術(shù)中已知的，相鄰于籽晶37的頸部頂部可能包含位錯(cuò)(未顯示)，這些位錯(cuò)主要是無(wú)位錯(cuò)的籽晶37與硅熔體33相接觸時(shí)的熱震蕩引入的。頸部直徑的過(guò)度改變也會(huì)造成位錯(cuò)。
根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例，系統(tǒng)21是屬于1995年6月2日遞交的共同轉(zhuǎn)讓的申請(qǐng)Serial No.08/459,765中公布的類(lèi)型的。該申請(qǐng)?jiān)诖吮灰鲄⒖嘉墨I(xiàn)。另外，共同轉(zhuǎn)讓的US Patent No.5,178,720公布了用于作為晶體直徑的函數(shù)而控制晶體和坩鍋轉(zhuǎn)動(dòng)速率的一種較好的方法，該專(zhuān)利在此被引作參考文獻(xiàn)。
圖2以框圖形式顯示了控制單元55的一個(gè)最佳實(shí)施例。根據(jù)本發(fā)明，攝象機(jī)53最好是單色電荷耦合器件(CCD)攝象機(jī)，諸如具有768×494個(gè)象素分辨率的Sony XC-75CCD攝象機(jī)。在現(xiàn)有技術(shù)中，攝象機(jī)53被安裝在腔25的一個(gè)觀測(cè)孔(未顯示)上，并與縱軸43大約成34°角，并大體上對(duì)著軸43與熔體33在熔體高度41的交點(diǎn)處。然而，根據(jù)本發(fā)明，攝象機(jī)53是縱向取向的，從而使它具有大體上與縱軸43平行的光軸(見(jiàn)圖4)。
當(dāng)晶體驅(qū)動(dòng)單元45將晶體35拉離熔體33時(shí)，攝象機(jī)53產(chǎn)生晶體35的寬度的視頻圖象，包括在熔體33與晶體35之間的界面處的彎月形液面(見(jiàn)圖3)的一部分的圖象。攝象機(jī)53經(jīng)過(guò)線路57(例如RS-170視頻電纜)而與可視系統(tǒng)59相連通。如圖2所示，可視系統(tǒng)59包括視頻圖象幀緩存器61和圖象處理器63。作為一個(gè)例子，可視系統(tǒng)59是CognexCVS-400可視系統(tǒng)。可視系統(tǒng)59又經(jīng)過(guò)線路67而與可編程邏輯控制器(PLC)65相連。在一個(gè)最佳實(shí)施例中，PLC65是Siemens制作的Model 575PLC且線路67代表一個(gè)VME后平面接口。
參見(jiàn)圖2，可視系統(tǒng)59還經(jīng)過(guò)線路71(例如RS-170RGB視頻電纜)而與視頻顯示器69相連，并經(jīng)過(guò)線路75(例如RS-232電纜)而與個(gè)人計(jì)算機(jī)73相連。在一個(gè)最佳實(shí)施例中，視頻顯示器69顯示攝象機(jī)53產(chǎn)生的視頻圖象，且計(jì)算機(jī)73被用來(lái)對(duì)可視系統(tǒng)59進(jìn)行編程。
在所示的實(shí)施例中，PLC65經(jīng)線路79(例如RS-232電纜)而與操作接口計(jì)算機(jī)77相連，并經(jīng)過(guò)線路83(例如RS-485電纜)而與一或多個(gè)處理輸入/輸出模塊81相連。操作接口計(jì)算機(jī)77使晶體生長(zhǎng)設(shè)備23的操作者能夠輸入正在生長(zhǎng)的特定晶體的所希望的參數(shù)組。處理輸入/輸出模塊81提供與晶體生長(zhǎng)設(shè)備23相連的通路，以控制生長(zhǎng)過(guò)程。作為例子，PLC65從溫度檢測(cè)器51接收與熔體溫度有關(guān)的信息，并經(jīng)過(guò)處理輸入/輸出模塊81向加熱器電源47輸出控制信號(hào)，以控制熔體溫度，從而控制生長(zhǎng)過(guò)程。
參見(jiàn)圖3，它是晶體35的一個(gè)例子的視圖，它包括形成在晶體35與熔體33之間的界面上的液體彎月形液面85，并且是由向著晶體35傾斜的傳統(tǒng)攝象機(jī)通過(guò)腔25的觀測(cè)孔觀測(cè)到的。因此，由于透視失真，彎月形液面85看上去不是圓形的。相反地，彎月形液面85看起來(lái)是橢圓形的。
如上所述，自動(dòng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和基于計(jì)算機(jī)的可視系統(tǒng)的其他應(yīng)用，要求對(duì)物體邊緣和其他特征的精確測(cè)量，以實(shí)現(xiàn)它們具體的功能。因此，這些系統(tǒng)必須首先將攝象機(jī)的二維坐標(biāo)系統(tǒng)獲得的測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換成三維坐標(biāo)系統(tǒng)。圖3顯示了傳統(tǒng)的攝象機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的不利的透視失真。如果攝象機(jī)傾斜或搖動(dòng)而偏離了三維坐標(biāo)軸，則對(duì)攝象機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)的變換將變得更為復(fù)雜，即使對(duì)于同一平面中的物體也是如此。不幸的是，由于攝象機(jī)的設(shè)置受到觀測(cè)孔位置、避免遮擋的需要等等的限制，攝象機(jī)傾斜或搖動(dòng)經(jīng)常是必要的。
Gonzalez and Wintz，在Digital Image Fundamentals，1987，pages36-55中，公布了用于補(bǔ)償攝象機(jī)相對(duì)于三維物體的位置造成的透視失真的數(shù)學(xué)變換。該文件在此被引作參考文獻(xiàn)。例如，Gonzalez and Wintz教導(dǎo)了利用多于六個(gè)三維坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)帶有十二個(gè)未知數(shù)的兩個(gè)方程的優(yōu)化解法。這種變換可以被用來(lái)從失真的橢圓形獲得圓形。雖然用于補(bǔ)償透視失真的數(shù)學(xué)變換是可獲得的，但這種變換可能是復(fù)雜的，并延遲了可視系統(tǒng)59的性能。
圖4是正從熔體33拉制出的單晶35的局部圖。如所示，晶體35構(gòu)成了大體上柱形的硅晶體，并最好是具有縱軸43和直徑D的硅晶體塊。應(yīng)該理解的是，所生長(zhǎng)的晶體，諸如晶體35，沒(méi)有均勻的直徑，雖然它大體上是柱形的。因此，直徑D在沿著軸43的不同軸向位置上會(huì)略微有所不同。另外，直徑D在晶體生長(zhǎng)的不同階段(例如籽晶、頸部、冠部、肩部、本體和端部圓錐)也是不同的。圖4還顯示了熔體33的大體上平的表面87，包括在晶體35與熔體33之間的界面上形成的彎月形液面85。如在現(xiàn)有技術(shù)中已知的，坩鍋27在彎月形液面85上的反射，通常呈現(xiàn)為相鄰于晶體35的亮環(huán)。
攝象機(jī)53最好沿著縱向安裝在腔25的觀測(cè)孔(未顯示)上。攝象機(jī)53具有由其象平面(見(jiàn)圖5)確定的第一光軸89a和由其圖象投影器確定的第二光軸89b。根據(jù)本發(fā)明，該圖象投影器是用于將圖象投影在攝象機(jī)53的象平面表面上的精密的針孔或透鏡。為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，透鏡以標(biāo)號(hào)91表示。在一個(gè)最佳實(shí)施例中，攝象機(jī)53的透鏡91的焦距大約為17mm，提供了由標(biāo)號(hào)93表示的至少大約為300mm的視場(chǎng)。根據(jù)本發(fā)明，視場(chǎng)93包括晶體35的寬度和彎月形液面85的亮環(huán)的至少一部分。在另一實(shí)施例中，攝象機(jī)53的圖象投影器是用諸如不銹鋼制成的精密針孔，并具有大約173μm的中心孔徑。
進(jìn)一步參見(jiàn)圖4，透鏡91的視場(chǎng)93以銳角與縱軸43相交。例如，該角度為大約34°或35°。對(duì)透鏡91的適當(dāng)選擇，既提供了對(duì)小的籽晶和頸部的高分辨率遠(yuǎn)距離觀測(cè)，也提供了對(duì)晶體35的更大的本體部分的廣角觀察。另外，透鏡91最好這樣地得到選擇，即提供了其大小足以容納所希望的視場(chǎng)93的圖象區(qū)域，從而能夠產(chǎn)生晶體35的寬度的圖象。
根據(jù)本發(fā)明，攝象機(jī)53的縱向使得攝象機(jī)53的象平面與彎月形液面85的平面相平行，即與熔體表面87相平行。在此例中，彎月形液面85的圖象將線性變換到二維攝象機(jī)坐標(biāo)系中。校準(zhǔn)最好是采取“每一個(gè)象素的工程單元”標(biāo)度，它可以用已知的距離和焦距計(jì)算出來(lái)，或者通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。如前所述，如果必須使攝象機(jī)53傾斜或搖動(dòng)而使其偏離三維坐標(biāo)系，從而使象平面不與物平面平行，則至攝象機(jī)坐標(biāo)系的變換將是復(fù)雜和費(fèi)時(shí)的。因此，本發(fā)明的攝象機(jī)53消除了失真并簡(jiǎn)化了變換計(jì)算，同時(shí)沒(méi)有限制所希望的視場(chǎng)93。攝象機(jī)53最好提供較高的f制光圈，以實(shí)現(xiàn)所允許的最大景深，從而使整個(gè)視野都保持在聚焦?fàn)顟B(tài)。
參見(jiàn)圖5，攝象機(jī)53最好提供了根據(jù)本發(fā)明的無(wú)失真圖象圖形。如圖5所示，相對(duì)于確定攝象機(jī)53的象平面97的圖象檢測(cè)器組件95，透鏡91在攝象機(jī)53上有所偏離。響應(yīng)于被透鏡91接收并隨后被透射到圖象檢測(cè)器組件95的光，攝象機(jī)53產(chǎn)生鄰近于單晶35的亮環(huán)的一部分的圖象。圖象檢測(cè)器組件95最好包括由諸如電荷耦合器件的光敏接收器組成的、大體上為平面形的陣列。
根據(jù)本發(fā)明，一個(gè)透鏡安裝組件99使透鏡91相對(duì)于圖象檢測(cè)器組件95發(fā)生偏離，從而使第二光軸89b大體上平行于并偏置于第一光軸89a。透鏡安裝組件99包括用于接收透鏡91的開(kāi)口101(用虛線表示)，并可以由至少兩塊板構(gòu)成，以便于其構(gòu)成。在一個(gè)實(shí)施例中，透鏡安裝組件99用諸如螺絲103的固定器連接在攝象機(jī)53的本體上。透鏡91和開(kāi)口101具有相應(yīng)的螺線，從而使透鏡91可以被擰在透鏡安裝組件99的開(kāi)口101中。以此方式，開(kāi)口101偏離攝象機(jī)53的第一光軸89a。透鏡91和開(kāi)口101都是大體上柱形的并具有共同的對(duì)稱(chēng)軸，該對(duì)稱(chēng)軸確定了第二光軸89b。在本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例中，圖象檢測(cè)器組件95包括由象平面97中的光敏接收器組成的大體上平面的陣列，且該象平面97大體上垂直于第一光軸89a并大體上以第一光軸89a為中心。由此，圖象檢測(cè)器組件95確定的攝象機(jī)53的象平面97，確定了大體上平行于并偏置于縱軸43的第一光軸89a。
在一個(gè)最佳實(shí)施例中，第二光軸89b偏離第一光軸89a大約3/8英寸，且透鏡安裝組件99提供了從攝象機(jī)53至透鏡91的大約17mm的延伸，從而使透鏡91的焦點(diǎn)相對(duì)于圖象檢測(cè)器組件95得到了適當(dāng)?shù)亩ㄎ?。通過(guò)以此方式使透鏡91偏離，晶體35保持在攝象機(jī)53的視場(chǎng)93中，而不需要使圖象檢測(cè)器組件95傾斜，從而補(bǔ)償了圖象的失真，否則第一光軸89a將與縱軸43形成夾角。如果傳統(tǒng)的攝象機(jī)被安裝在腔25的觀測(cè)孔上，則晶體35位于攝象機(jī)的視場(chǎng)之外。通過(guò)偏離透鏡91，本發(fā)明克服了這種缺點(diǎn)。
可視系統(tǒng)59的幀緩存器61接收來(lái)自攝象機(jī)53的視頻圖象信號(hào)，并獲取圖象以由圖象處理器63進(jìn)行處理。一般地，圖象處理器63進(jìn)行數(shù)字邊緣檢測(cè)，以確定彎月形液面85的亮環(huán)以?xún)?nèi)和以外的至少三個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。由于已知彎月形液面85和晶體35的橫截面大體上是圓形的，且攝象機(jī)53對(duì)透視失真進(jìn)行補(bǔ)償，故圖象處理器63將檢測(cè)的亮環(huán)邊緣坐標(biāo)變換成圓形。
圖象處理器63，在攝象機(jī)53產(chǎn)生并由幀緩存器61獲得的圖象上，確定至少三個(gè)且最好是五個(gè)或五個(gè)以上的有關(guān)區(qū)域(未顯示)。圖象處理器63對(duì)這些有關(guān)區(qū)域(也稱(chēng)為邊緣工具或窗口區(qū))進(jìn)行檢驗(yàn)，以獲得圖象圖形的特性，例如各個(gè)區(qū)域中的象素的強(qiáng)度或強(qiáng)度的梯度。根據(jù)圖象圖形的檢測(cè)特性，圖象處理器63確定沿著彎月形液面85的亮環(huán)的外側(cè)的邊緣坐標(biāo)。這些窗口區(qū)最好被確定在預(yù)定的位置，而這些位置大體上對(duì)應(yīng)于與攝象機(jī)53觀測(cè)的亮環(huán)的預(yù)期形狀相匹配的曲線。換言之，這些區(qū)域相對(duì)于一個(gè)確定的中心點(diǎn)，沿著一個(gè)圓周的下半部分徑向分布，從而近似亮環(huán)的形狀。通過(guò)在近似部分亮環(huán)的形狀的預(yù)定位置確定窗口區(qū)，使這些區(qū)避免了熔體33的表面85上的已知或預(yù)期的反射，而這些反射會(huì)造成錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果。另外，由于圖象處理器63確定了幾個(gè)區(qū)，如果腔25的觀測(cè)孔的一部分被阻擋，則圖象處理器63仍然能夠檢測(cè)亮環(huán)的邊緣。應(yīng)該理解的是，圖象的其他特性，諸如顏色或?qū)Ρ榷?，可以得到檢測(cè)，因?yàn)槌藦?qiáng)度或強(qiáng)度梯度之外，還可找到彎月形液面85的亮環(huán)的邊緣坐標(biāo)。
如上所述，晶體驅(qū)動(dòng)單元45大體上沿著與熔體表面87基本垂直的縱軸43，從熔體33拉制晶體35。在拉制中，晶體35可能相對(duì)于縱軸43移動(dòng)。窗口區(qū)最好足夠大，從而使亮環(huán)的邊緣坐標(biāo)即使在晶體35移動(dòng)的情況下也能夠在其中得到確定。圖象處理器63還動(dòng)態(tài)地移動(dòng)窗口區(qū)的預(yù)定位置，從而使它們與亮環(huán)的圖象部分相鄰，以在所有生長(zhǎng)階段(例如，籽晶、頸部、冠部、肩部、本體和圓錐形端部)都跟隨晶體的直徑。換言之，這些區(qū)域從4mm至300mm跟蹤著晶體直徑。然而，如現(xiàn)有技術(shù)中已知的，亮環(huán)在所有生長(zhǎng)階段并不是始終可見(jiàn)的。例如，在晶體35的冠部的生長(zhǎng)期間，亮環(huán)可能較小或者不可見(jiàn)。因此，系統(tǒng)21最好檢測(cè)冠部的周邊，而該周邊相對(duì)于圖象的背景強(qiáng)度呈現(xiàn)為一個(gè)明亮區(qū)。在此情況下，圖象的背景代表了熔體表面87。因此，在檢測(cè)亮環(huán)的情況下，系統(tǒng)21檢測(cè)與晶體35的冠部相聯(lián)系的明亮區(qū)。
在一個(gè)最佳實(shí)施例中，圖象處理器63確定了一個(gè)大體上圓形的形狀，該圓具有根據(jù)該檢測(cè)條件的中心點(diǎn)和直徑。實(shí)際上，確定這樣的圓需要至少三個(gè)邊緣坐標(biāo)。為了獲得對(duì)晶體直徑D的精確測(cè)量以借助PLC65來(lái)控制晶體生長(zhǎng)過(guò)程，圖象處理器63首先對(duì)確定的圓的直徑進(jìn)行數(shù)字處理。以此方式，圖象處理器63用確定的圓的尺寸來(lái)確定晶體直徑D、相對(duì)于嚴(yán)格的圓形的配合質(zhì)量的量度、以及熔體高度41。為了這項(xiàng)應(yīng)用，熔體高度41被定義為從加熱器29的頂部至熔體33的表面87的距離，并可作為該圓的中心點(diǎn)的坐標(biāo)的函數(shù)而得到確定。
在操作中，圖象處理器63確定與亮環(huán)部分相鄰的窗口區(qū)，并檢測(cè)其中的圖象的強(qiáng)度梯度特性。圖象處理器63進(jìn)一步確定各個(gè)窗口區(qū)內(nèi)的亮環(huán)的邊緣的坐標(biāo)—該坐標(biāo)被作為該檢測(cè)特性的函數(shù)，并確定包含確定的邊緣坐標(biāo)的大體上圓形的形狀。晶體35的直徑隨后根據(jù)確定的圓形形狀的直徑而得到確定，以用于控制晶體生長(zhǎng)過(guò)程?？刂茊卧?5的PLC65響應(yīng)于單晶35的確定直徑D，以控制坩鍋27和晶體35的轉(zhuǎn)動(dòng)速率和/或晶體35被拉離熔體33的速率和/或熔體33的溫度；PLC 65還響應(yīng)于對(duì)熔體高度41的確定，以控制坩鍋27的高度，從而控制晶體生長(zhǎng)設(shè)備23。因此，圖象處理器63構(gòu)成檢測(cè)電路、確定電路和測(cè)量電路。
在本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例中，圖象處理器63利用校準(zhǔn)因子對(duì)按照半徑象素測(cè)量到的確定圓形的直徑進(jìn)行校正，以補(bǔ)償亮環(huán)的寬度。該校準(zhǔn)因子的值可以通過(guò)分析來(lái)自生長(zhǎng)的頸部并由操作者輸入的數(shù)據(jù)來(lái)確定。根據(jù)本發(fā)明，晶體生長(zhǎng)設(shè)備23的操作者用在校準(zhǔn)軌道上滑動(dòng)的望遠(yuǎn)鏡來(lái)測(cè)量生長(zhǎng)的晶體35，并隨后經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)77輸入校準(zhǔn)因子值，從而使確定的晶體35直徑等于測(cè)量到的值。以此方式，校準(zhǔn)因子對(duì)直徑測(cè)量的變化進(jìn)行了補(bǔ)償。這種變化主要是由于攝象機(jī)53與晶體35之間的距離的改變引起的，這種改變影響了光學(xué)系統(tǒng)的放大率。該距離的增大，使晶體35看起來(lái)較小，這會(huì)使實(shí)際的晶體35生長(zhǎng)得太大。這些距離改變會(huì)出現(xiàn)在不同的晶體生長(zhǎng)設(shè)備23之間、不同的操作循環(huán)之間、甚至由于熔體高度41的變化而出現(xiàn)在單個(gè)的操作循環(huán)中。
對(duì)于熔體高度41，圖象處理器63確定所確定的圓的中心，該中心表示著熔體高度41。根據(jù)本發(fā)明，中心點(diǎn)的y坐標(biāo)和一個(gè)基準(zhǔn)值之差被用來(lái)確定熔體高度41。或者，可商業(yè)獲得的光學(xué)方法(例如安裝在腔25的蓋板上的光束/檢測(cè)器設(shè)備)可被用來(lái)確定熔體高度41。熔體高度41的確定，可用來(lái)通過(guò)計(jì)算校準(zhǔn)因子和通過(guò)借助坩鍋27的提升控制來(lái)減少熔體高度的變化，而減小直徑測(cè)量的變化。
直徑測(cè)量中變化的另一個(gè)主要來(lái)源，是亮環(huán)的寬度根據(jù)被暴露并被液態(tài)彎月形液面85所反射的坩鍋27的熱壁的高度而改變。隨著熔體33被消耗，亮環(huán)的寬度增大，造成晶體35看起來(lái)變大并可能引起實(shí)際的晶體35生長(zhǎng)得太小。作為采用恒定校準(zhǔn)因子的替換，可以利用附加的視頻工具或數(shù)學(xué)模型來(lái)計(jì)算亮環(huán)寬度。例如，除了檢測(cè)熔體33與亮環(huán)之間的邊緣之外，對(duì)晶體35與亮環(huán)之間的邊緣的檢測(cè)提供了對(duì)亮環(huán)寬度的量度。另外，考慮了相對(duì)于坩鍋壁高度的反射特性的關(guān)于液態(tài)彎月形液面85的數(shù)學(xué)模型，提供了對(duì)亮環(huán)寬度的量度。
在一種替換實(shí)施例中，圖象的窗口區(qū)內(nèi)確定的亮環(huán)的五個(gè)邊緣坐標(biāo)，被用來(lái)檢測(cè)晶體直徑相對(duì)于晶體驅(qū)動(dòng)單元45轉(zhuǎn)動(dòng)晶體35的速率的周期性偏離。如在現(xiàn)有技術(shù)中已知的，<100>零位錯(cuò)生長(zhǎng)用面或生長(zhǎng)線來(lái)表示，它們大體上與縱軸43平行并沿著晶體35的本體相分開(kāi)。這些生長(zhǎng)線在晶體35的橫截面的周邊上呈現(xiàn)出凹陷狀的特征。因此，當(dāng)晶體35以已知的速率轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，生長(zhǎng)線在特定的窗口區(qū)中的速率預(yù)期為轉(zhuǎn)動(dòng)速率的例如四倍。這樣，圖象處理器63證實(shí)了晶體35的零位錯(cuò)生長(zhǎng)并構(gòu)成了用于確定的圓形的確定直徑的周期性偏離的裝置。
另外，應(yīng)該理解的是，本發(fā)明的可視系統(tǒng)59可被用來(lái)確定晶體直徑、熔體高度和零位錯(cuò)生長(zhǎng)的失去以外的其他的晶體生長(zhǎng)參數(shù)，諸如清洗管間隙或熔體間隙、熔體的完全耗盡、凍結(jié)、對(duì)流和溫度。
參見(jiàn)圖6，在本發(fā)明的一個(gè)替換實(shí)施例中，透鏡安裝組件99相對(duì)于圖象檢測(cè)器組件95轉(zhuǎn)動(dòng)透鏡91。在此實(shí)施例中，攝象機(jī)53沿著縱向取向，從而使圖象檢測(cè)器組件95與熔體表面87平行。透鏡安裝組件99為透鏡91提供了連接，從而使透鏡91確定的第二光軸89b與縱軸43成銳角。同樣，攝象機(jī)53補(bǔ)償透視失真，因?yàn)閳D象檢測(cè)器組件95與熔體表面87平行，因而簡(jiǎn)化了變換計(jì)算。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，攝象機(jī)53具有可調(diào)象平面，該象平面可以得到對(duì)準(zhǔn)而與熔體表面87相平行，以補(bǔ)償當(dāng)攝象機(jī)53的透鏡91與縱軸43成一個(gè)角度時(shí)所可能產(chǎn)生的失真。
考慮到以上描述，可以看到實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的幾個(gè)目的和其他有利的結(jié)果。
由于在不脫離本發(fā)明的范圍的前提下可以進(jìn)行上述結(jié)構(gòu)上的各種改變，因而應(yīng)該理解的是在以上描述中包含和在附圖中顯示的內(nèi)容都是說(shuō)明而非限制性的。
權(quán)利要求
1.與用于從硅熔體生長(zhǎng)硅晶體的設(shè)備結(jié)合使用的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)用于確定從硅熔體拉制的硅晶體的尺寸，所述硅熔體具有大體上平的表面，該表面包括呈現(xiàn)為與硅晶體相鄰的明亮區(qū)的彎月形液面，所述系統(tǒng)包括一個(gè)定位在硅熔體表面上方并離開(kāi)硅晶體的攝象機(jī)，用于產(chǎn)生與硅晶體相鄰的明亮區(qū)部分的圖象，所述攝象機(jī)包括一個(gè)用于接收并透過(guò)來(lái)自與硅晶體相鄰的明亮區(qū)的光的圖象投影器和一個(gè)響應(yīng)于該圖象投影器透過(guò)的光以產(chǎn)生與硅晶體相鄰的明亮區(qū)部分的圖象圖形的象平面，所述象平面大體上與硅熔體表面平行，從而對(duì)由于攝象機(jī)相對(duì)于硅晶體的位置引起的圖象圖形的失真進(jìn)行補(bǔ)償；一個(gè)用于檢測(cè)圖象圖形的特性的檢測(cè)電路；一個(gè)確定電路，用于作為該檢測(cè)特性的一個(gè)函數(shù)而確定明亮區(qū)的邊緣，并用于確定包括明亮區(qū)的確定邊緣的形狀；以及一個(gè)測(cè)量電路，用于確定該確定形狀的大小，從而作為該確定形狀的該確定大小的一個(gè)函數(shù)而確定硅晶體的大小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中象平面包括一個(gè)大體上為平面的光敏表面，該表面確定了大體上垂直于該光敏表面的第一光軸。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的的系統(tǒng)，其中圖象投影器包括一個(gè)透鏡和一個(gè)透鏡支架，該透鏡確定了通過(guò)其中心的第二光軸，且該透鏡支架用于使攝象機(jī)的透鏡偏離象平面，從而使第二光軸大體上平行并偏離于第一光軸。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中第二光軸偏離第一光軸大約3/8英寸。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中圖象投影器確定了通過(guò)其中心的第二光軸，并進(jìn)一步包括一個(gè)支架，該支架用于相對(duì)于象平面轉(zhuǎn)動(dòng)攝象機(jī)的圖象投影器，從而使第二光軸與第一光軸成銳角并指向與硅晶體相鄰的明亮區(qū)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中第二光軸與第一光軸之間的銳角大約為35°。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中硅晶體大體上沿著縱軸從硅熔體拉制出，所述縱軸位于彎月形液面之內(nèi)并大體上與硅熔體表面相垂直，且其中攝象機(jī)位于離開(kāi)該縱軸處。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中硅晶體是大體上柱形的，且明亮區(qū)大體上是環(huán)形的，且其中確定的形狀大體上是圓形的且由測(cè)量電路確定的該確定形狀的大小是該確定圓形的直徑。
9.與用于從硅熔體生長(zhǎng)硅晶體的設(shè)備結(jié)合使用的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)用于確定從硅熔體拉制的硅晶體的尺寸，所述硅熔體具有大體上平面的表面，該表面包括呈現(xiàn)為與硅晶體相鄰的明亮區(qū)的彎月形液面，所述硅晶體是從硅熔體大體上沿著彎月形液面之內(nèi)并大體上與硅熔體表面垂直的一條縱軸拉制出的，所述系統(tǒng)包括一個(gè)定位在硅熔體表面上方并離開(kāi)縱軸的攝象機(jī)，用于產(chǎn)生與硅晶體相鄰的明亮區(qū)部分的圖象，所述攝象機(jī)包括一個(gè)用于接收并透過(guò)來(lái)自與硅晶體相鄰的明亮區(qū)的光的圖象投影器和一個(gè)響應(yīng)于該圖象投影器透過(guò)的光以產(chǎn)生與硅晶體相鄰的明亮區(qū)部分的圖象圖形的象平面，所述攝象機(jī)具有大體上與縱軸平行的光軸，從而對(duì)攝象機(jī)相對(duì)于縱軸的位置造成的圖象圖形失真進(jìn)行補(bǔ)償；一個(gè)用于檢測(cè)圖象圖形的特性的檢測(cè)電路；一個(gè)確定電路，用于作為該檢測(cè)特性的一個(gè)函數(shù)而確定明亮區(qū)的邊緣，并用于確定包括明亮區(qū)的確定邊緣的形狀；以及一個(gè)測(cè)量電路，用于確定該確定形狀的大小，從而作為該確定形狀的該確定大小的一個(gè)函數(shù)而確定硅晶體的大小。
全文摘要
用于確定從硅熔體拉制的硅晶體的直徑的系統(tǒng),用于控制硅晶體生長(zhǎng)設(shè)備。該熔體具有平的表面,該表面包括呈現(xiàn)為與硅晶體相鄰的明亮環(huán)的彎月形液面。位于熔體表面上方并離開(kāi)晶體的一個(gè)攝像機(jī)包括大體上與熔體表面平行的像平面,并響應(yīng)于來(lái)自亮環(huán)的光以產(chǎn)生亮環(huán)部分的圖像。由此,該攝像機(jī)補(bǔ)償了攝像機(jī)相對(duì)于晶體的位置造成的圖像失真。圖像處理電路檢測(cè)圖像的特性并作為檢測(cè)特性的函數(shù)而確定亮環(huán)的邊緣。
文檔編號(hào)G01B11/02GK1172869SQ96114458
公開(kāi)日1998年2月11日 申請(qǐng)日期1996年11月13日 優(yōu)先權(quán)日1995年11月14日
發(fā)明者羅伯特·H·福豪夫 申請(qǐng)人:Memc電子材料有限公司