CN102132124A - 用于连续测量硅岛高度的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种在硅熔化过程中连续测量未熔多晶硅岛的高度和形状的方法。该方法包括将聚焦的亮光投射至硅岛以在硅岛上产生亮点。该方法还包括在熔化过程中通过跟踪亮点电子测定硅岛的高度和形状。

Description

用于连续测量硅岛高度的方法和装置
技术领域
本发明一般涉及一种在用来生长单晶硅锭的晶体生长器中电荷熔化和粒状硅进料过程中来测量和监控硅岛高度和形状的系统和方法。
背景技术
硅岛的高度和形状对硅熔化过程的质量至关重要，反过来硅熔化过程的质量对于自硅熔体的晶体生长的成功是必要的。在熔化过程中，高度和形状受多个变量的影响，诸如加热器功率、粒状多晶硅进料速率、进料位置、坩埚位置等等。为更好地确保晶体生长在最优条件下完成，应在整个熔化过程中对硅岛进行测量并持续监控。做到这点可能会很困难，原因是硅岛的高度是不断地变化的，以及硅岛的形状也是不断地变化的并且变化非常复杂。
一种测量并监控硅岛的现有方法包括使用带有传统光源(即，生长器内的标准LED或背景辐射)的光电倍增管或电荷耦合器件(CCD)摄像机。然而，这种特殊方法的精确度不足以满足控制要求并且不能在所有熔化条件下监控硅岛。另一种方法包括使用激光测距仪或类似器件。然而，这种方法不适用于晶体生长炉中，原因是从熔炉上的炉窗口和隔热屏处激光束会产生反射或散射信号，从而致使测距仪测量过程中产生显著误差。
因此，需要一种无论在晶体生长炉内部或外部的条件如何在熔化过程中连续测量并监控硅岛的有效方法。此外，该等方法不应影响熔化或晶体生长过程或对操作人员造成伤害。
发明内容
在一方面，本发明包括一种在硅熔化过程中连续测量未熔多晶硅岛的高度和形状的方法。该方法包括将聚焦的亮光投射至硅岛以在硅岛上产生亮点。此外，通过在熔化过程中跟踪亮点电子测定硅岛的高度和形状。
在另一方面，本发明包括一种与用于自硅熔体生成硅晶体的装置结合使用的系统，该系统用于在硅熔化过程中测量硅熔体的未熔多晶硅岛的高度和形状。该装置包括具有在其内部熔化硅的壳体。该系统测量未熔多晶硅岛的高度和形状。该系统包括用于在硅岛上投射亮点的指向壳体内部的聚焦的亮光。此外，该系统包括用于生成包含亮点的硅岛部分的连续像图的指向壳体内部的摄像机。此外，该系统包括远离壳体的可编程控制器，该可编程控制器基于像图来测定亮点的位置和高度并据此连续计算硅岛的形状和高度。
在下文中，其它目的和特征将部分地显而易见并且部分地进行了解释。
附图说明
图1是包括用于自多晶硅制备熔融硅熔体的本发明的装置的晶体生长器的示意图；
图2是装置的摄像机和激光源的侧视图；
图3是图1的装置的控制单元和摄像机的框图；
图4是包括本发明的装置的示意图的晶体生长器的局部剖面图；
图5是包括本发明的光罩的示意图的装置和晶体生长器的局部透视图；
图6是本发明第二实施例的图示，其示出装置的摄像机和激光源以及高度控制扫描仪示意图的侧视图；和
图7是图6中扫描仪的展开图。
在所有附图中，相应的附图标记表示相应的部件。
具体实施方式
现参照附图，尤其是参照附图1，示出了通常标记为11的本发明的装置与通常标记为13的晶体生长器一起使用的情况，这类晶体生长器13用于通过提拉法(Czochralski method)生成单晶硅锭。晶体生长器13包括用于隔离含有晶体生长室17的内部的通常标记为15的壳体。石英坩埚19支撑于生长室17内，并且包含可生成单晶硅锭的熔融半导体源材料M。加热器电源20向包围在坩埚19的电阻加热器21供电以在坩埚内产生熔融硅M。绝缘材料23衬于壳体15的内壁。坩埚驱动装置25绕垂直轴X如箭头所示旋转坩埚19，并在生长过程中升降坩埚。
如图2所示，装置11包括激光或聚焦的亮光源27和通常标记为29的摄像机系统。摄像机系统包括摄像机31和检测和跟踪软件。聚焦的光源27安装于晶体生长器13的壳体15上。
光源27包括短波长激光(诸如绿/蓝激光)或聚焦的超亮光源(高功率绿/蓝LED)。绿激光(如，约532nm)、蓝二极管激光或高功率蓝LED(如，约405nm)用于避开晶体生长器上典型隔热屏窗口/滤光器的截止波长。一般地，隔热屏窗口/滤光器的截止波长从约600nm至约650nm。由于这些光源的波长短于截止波长，所以它们会获得较高的透射率(transmission ratio)和较高的信噪比从而穿过保护窗口33并进入晶体生长器13，这样就具有强烈的环境辐射。应当理解在不脱离本发明范围的情况下，可以使用替代光源。例如，也可以使用具有小于窗口33的截止波长(例如，小于约600nm)的波长的LED，前体条件是该LED足够亮。在优选实施例中，对于聚焦的光源27光输出的需求通常大于10mW。然而，具有10mW或低于10mW光输出的光源也在本发明的范围之内。
参照图2，激光27还包括防护罩35。该防护罩附接到摄像机31并安装于摄像机窗口37。防护罩35由两端开口的细长管组成，其在第一末端41接收激光束39并允许激光束在与第一末端相对的第二末端43处离开。该管的侧壁由合适材料制成从而来避免将任何误导向或反射的激光束投射到周围的环境中。为保护操作人员免受激光辐射，如图5所示，具有相应波长的光罩45也可安装于所有的观察和辅助窗口。本领域的技术人员将熟悉本发明所使用的适当防护罩和光罩。
二维摄像机31也安装于晶体生长器13的壳体15上并与控制单元47(见图1)电气通信。摄像机31以框的形式进行表示，旨在表示在不脱离本发明范围的情况下可以使用一个或多个摄像机。本领域众所周知的是，控制单元47电连接至晶体生长器13的各种操作组件以控制生长器的操作。摄像机31安装于晶体生长器壳体15的视口49并且通常对准生长器中心轴X和坩埚19内的熔融硅M上表面U的交点。
例如，摄像机31可以以约15°至约34°的角度进行安装，所述角度相对于晶体生长器13的中心轴X测得。摄像机31优选地为单色电荷耦合器件(CCD)摄像机，诸如具有768x494像素分辨率的Sony XC-75CCD视频摄像机。
另外，根据所使用的光源27的类型，在检测CCD摄像机31时能够使用相应的激光线干涉滤光器(激光)或带通滤光器(LED)，从而使得摄像机选取不受晶体生长器13内大多数环境辐射影响的点信号。本领域的技术人员将知道适用于本发明的滤光器类型。
图3以框图的形式示出控制单元47的优选实施例。摄像机31通过线路51(如，RS-170视频电缆)将视频图像传送至视觉系统53。视觉系统包括视频图像帧缓冲区55和图像处理器57来捕集并处理视频图像。举例来说，视觉系统53是Cx-100图像帧接收器或Cognex CVS-4400视觉系统。反过来，视觉系统53通过线路61与可编程逻辑控制器(PLC)59通信。在一个优选的实施例中，PLC 59是由德州仪器(Texas Instruments)制造的575型PLC或545型PLC，并且线路61是通信接口(如，VME背板接口)。
视觉系统53也通过线路65(如，RS-170RGB视频电缆)与视频显示器63通信以显示摄像机31生成的视频图像，并通过线路69(如，RS-232电缆)与电脑67通信，从而用来对视觉系统编程。如图2所示，PLC 59通过线路73(如，RS-485电缆)与一个或多个程序输入/输出模块71通信。操作人员界面电脑75也通过线路77(如，RS-232电缆)与PLC通信以允许拉晶机操作人员在晶体生长器13的操作过程中向PLC输入所需的操作参数和/或从PLC检索操作信息。
检测和跟踪软件检测并跟踪光源27的光束39所产生的亮点在硅熔体M上的位置。软件连续地计算亮点的实际位置和高度。根据这些计算，软件能够连续地测量并监控硅岛I的高度和形状。电脑67是可编程的从而使得其能够访问并执行检测和跟踪软件。上述类型的软件对本领域的技术人员而言是众所周知的。因此，无需进一步的说明。
在第二实施例中，装置11包括高度控制扫描仪81，该高度控制扫描仪81附接到激光罩35的末端部并被布置来在一个或多个方向进行扫描以提供硅岛I的实时三维测量(见图6和图7)。第一反射镜83将来自光源27的光束39反射到第二反射镜85，第二反射镜85具有配置在背部的压电倍速驱动(未示出)以沿着硅岛I的半径范围反射光束39。光束39能够被布置来以预定的速度或由摄像机PC 67的控制的速度沿着硅岛半径进行扫描。
在操作中，装置11的光源27将在晶体生长器室13的环境辐射中清晰可见的亮绿或蓝激光点投射到硅岛I上所需的位置上。通常，该位置具有不断变化硅岛I的最具代表性的高度并且该位置是基于硅岛表面的倾斜度而确定的。预先选择激光点的位置允许操作人员对硅岛I的质量跟踪和控制达最佳水平。
检测和跟踪软件检测并跟踪亮点并连续地计算该亮点的位置和高度。因为硅岛I在熔化过程中是旋转和垂直地移动，所以在某一时间和位置亮点与移动的硅岛的高度和形状精确关联。通过该连续检测、跟踪和计算过程，在所需位置硅岛I的高度和形状得以测量、监控并控制。
在可供选择的实施例中，亮点能够通过高度控制扫描仪81在一个或多个维度进行扫描以提供硅岛I的三维测量。由于硅岛I在熔化过程中以预定的转速旋转，所以对硅岛半径内激光点的连续跟踪和扫描提供了实时三维形状测量。这对于提供更加动态的熔化控制会是非常有用的。
已经对本发明进行了详细地描述，很显然在不脱离所附权利要求书所限定的本发明范围的情况下，对本发明进行修改和变更均是可能的。
在介绍本发明或其优选实施例的元件时，冠词“一个”、“一种”、“该”和“所述”旨在表示存在一个或多个元件。术语“由...构成”、“包括”和“具有”旨在表示包括的并且表示可以除所列元件外还存在其它元件。
基于以上描述，可以看到本发明达到了多个目的并获得了其它有利的结果。
在不脱离本发明范围的情况下，能够对上述结构和方法做出各种改变，其旨在对所有包含在以上描述和在附图中所示的内容均应解释为示例性的而非限制性的。

Claims (13)

1.一种在硅熔化过程中连续测量未熔多晶硅岛的高度和形状的方法，所述方法包括：
将聚焦的亮光投射到所述硅岛以在所述硅岛上产生亮点；和
在所述熔化过程中通过跟踪所述亮点电子测定所述硅岛的高度和形状。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述测定步骤包括：
在所述熔化过程中捕集并处理所述硅岛上所述亮点的视频图像；
在所述熔化过程中连续地电子测定在所述硅岛上所述亮点的位置和高度；以及
基于响应于所述硅岛运动的所述亮点的位置和高度，计算所述硅岛的高度和形状。
3.根据权利要求2所述的方法，其中电子测定所述亮点的位置和高度与电子计算所述硅岛的高度和形状的所述步骤由电脑软件来完成。
4.根据权利要求1所述的方法，其中电子测定所述硅岛的高度和形状的所述步骤包括用压电控制的反射镜在一个方向扫描所述亮点以提供所述硅岛的三维测量。
5.根据权利要求2所述的方法，其中捕集并处理所述硅岛上所述亮点的视频图像的所述步骤进一步包括过滤所述视频图像。
6.根据权利要求1所述的方法，其中在熔化过程中所述硅岛的形状通过基于所述硅岛的倾斜度将所述亮光投射到所述硅岛进行控制。
7.一种与用于自硅熔体生成硅晶体的装置结合使用的系统，所述系统用于在硅熔化过程中测量所述硅熔体的未熔多晶硅岛的高度和形状，所述装置包括具有在其内部熔化硅的室，所述系统用于测量未熔多晶硅岛的高度和形状，所述系统包括：
聚焦的亮光源，所述聚焦的亮光源指向所述室的内部以将亮点投射到所述硅岛上；
摄像机，所述摄像机指向所述室的内部以生成包含所述亮点的硅岛部分的连续像图；
视觉系统，所述视觉系统用于捕集由所述摄像机生成的像图并处理所述像图；以及
可编程控制器，所述可编程控制器与所述视觉系统通信并远离所述室设置以基于所述像图来测定所述亮点的位置和高度并据此连续地计算所述硅岛的形状和高度。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述光源具有大于约10mW的光输出。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述光源具有小于约600nm的波长。
10.根据权利要求7所述的系统，进一步包括具有对应于所述光源波长的波长的光罩，所述光罩邻近于所述晶体生长器安装以保护操作人员免于辐射。
11.根据权利要求7所述的系统，进一步包括用于过滤所述摄像机的像图的滤光器。
12.根据权利要求7所述的系统，进一步包括附接到所述光罩的扫描仪以在一个或多个维度扫描所述亮点从而来提供所述硅岛的三维测量。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述扫描仪包括压电控制的反射镜。
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