CN1147570A - 用于控制硅单晶生长的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于决定正从熔融硅中往外拉的硅晶体的尺寸以控制硅晶体生长设备的系统和方法。熔融硅有一个弯月面的表面，该弯月面作为毗邻晶体的亮环是看得见的。一个摄象机产生毗邻于晶体的亮环的一部分的映象图形。图形处理电路检测映象图形的特征并作为已被检测到的特征的函数确定亮环的边缘。该图象处理电路还确定包括亮区的已经确定了的边缘的总体说是圆的形状。接着以已经确定了的形状的直径为基础决定晶体的直径以控制晶体生长设备。

Description

用于控制硅单晶生长的系统和方法
本发明涉及一种经过改进的用于测量用乔克拉尔斯基方法(Czochralski process，以下简称之为CZ法)生成的硅单晶的直径的系统和方法，特别是涉及用于控制利用了CZ法的设备或者方法的系统或者方法。
被用来为微电子工业制作硅晶片的绝大多数的单晶硅都是利用了CZ法的拉单晶的机器生产的。扼要地说，CZ法必须包括一个在设置于一个经过特别设计的炉子中的石英坩埚中熔化一块高纯多晶硅以形成硅熔化物的处理。一个相对小的籽晶被装到坩埚的上方，从用于升高或降低籽晶的晶体提升机械装置伸出来的提位金属丝悬垂物的下端。晶体提升机械装置把籽晶向下降使之与坩埚中的已熔化的硅接触。当籽晶开始熔融的时候、机械装置就慢慢地使籽晶从硅熔化物往回撤。随着籽晶往回撤，就从熔化物中生长出了上拉的硅。在生长过程期间，坩埚一直在一个方向上旋转，而晶体提拉机构、金属丝、和晶体则在相反的方向上旋转。
随着晶体生长的正式开始，籽晶与熔化硅接触的热冲击将会在晶体中产生位错。除非位错在处于籽晶和晶体主体之间的晶颈部分被消除掉，否则位错将在整个生长着的晶体中蔓延并被倍增。在硅单晶中消除位错的众所周知的方法包括在相对高的晶体上拉速率下生长一个具有很小的直径的晶颈以在生长晶体主体之前完全消除掉位错的工艺。在位错被消除于晶颈中之后，晶体的直径加大直到主晶体达到了所希望的直径为止。当晶颈这一晶体的最易断的部分的直径太小的时候。在晶体生成期间，它就可能断裂，使晶体主体掉进坩埚中去。晶锭和飞溅的熔融硅的碰撞对晶体生长设备可形成危险，同时会出现严重的安全事故。
就像专业人员所熟知的那样，CZ过程作为正在生长着的晶体的直径的函数，部分地是可控的。因此，为了控制和安全这两方面的理由，一个用于测量晶体直径，包括晶颈直径的精确和可靠的系统是必需的。
已经知道了几种用于提供晶体直径测量的方法包括测量亮环宽度的方法在内的技术。亮环是在形成于固-液交界处的液柱弯月面中坩埚壁反射的一种特征。现有的亮环和液柱弯月面传感器利用了光学高温计、光电池、带光电池的旋转镜，具备光电池的光源、线扫描摄象机和二维阵列摄象机。通过注明出处、公开在晶体生长工艺期间用于测量晶体直径的一些方法和设备的办法，把美国专利号3740563，5138179和5240684的整个公开出来的事物都收编于此。
遗憾的是，现有的用于自动测量晶体宽度的设备对于在晶体生长的不同阶段或者对于大直径的晶体的那些应用来说缺乏足够的精度或可靠性，因为在这些应用中，由于晶体本身是固态，故亮环的真正的最大值根据观察可能是模糊不清的。在企图修正这一问题的努力之中、用于测量晶体宽度的现有设备企图在一个弦(Chord)上或沿液柱弯月面的单个点上来测液柱弯月面。但是，这样的设备要求扫描装置的精密的机械定位和在熔融水平面上对波动起伏高度地敏感。此外，现有测量设备需要由晶体生长设备的操作人员进行校准以确保直径维持在规格要求之内。
除去上边说过的问题之外，当晶体作轨迹运动(orbits)或者就像它从熔融硅中被拉上来时那样做钟摆式的运动时，现有的自动测量晶体直径的设备对于给出精确测量结果来说是失败的。已知的测试设备也没能力区分亮环和在熔融表面上的反射或者在正在生长着的晶体本身上的反射，因而得出不可靠的测量结果。此外，这样的设备还经常在观察窗口被比如说飞溅的硅堵住的时候不能给出测试结果。
用于测试晶体直径的现有系统和方法的另一个缺点是他们不能提供有关晶体生长工艺的另外的信息，诸如熔融水平面的测试和零位错生长的丧失的指示。
由于这些理由，现有设备在提供一个自动决定晶体直径用于控制晶体生长过程的精确且可靠的系统上是失败的。
在本发明的目的和特点之中，提供一种经过改进的控制和操作系统和方法，这种经过改进的系统和方法至少克服了前面已说过的某些不利的条件；提供在生长过程期间这样的系统和方法给出晶体直径的精确且可靠的测量结果，提供这样的系统和方法补偿了归因于摄象机角度的畸变所产生的误差的条款；提供在生长过程中这样的系统和方法不受晶体运动的影响的；提供这样的系统和方法给出熔融水平面的精确可靠的测试结果；这样的系统和方法给出一个零位错生长丧失的指示和提供这样的系统在经济上是可行的，在商业上是有实效的以及这样的方法可以有效地实施而且费用相对地说不高。
简要地说，一个体现本发明各方面的系统是适合于和一个用于从硅熔融物中生长硅单晶的设备形成联合体的系统。该系统决定正被从熔融硅中拉出的晶体的尺寸，其中熔融硅有一个弯月面，该弯月面作为一个邻近晶体的亮区是可以看得见的。该系统包括一个摄象机，用于产生毗连硅晶体的亮区的一部分的映象图形，该系统还有一个用于检测映象图形的特征的检测电路。该系统还包括一个确定电路，用于作为已被检测到的特征的函数来确定亮区的边缘以及用于确定包括已确定了的亮区边缘在内的外形。一个测试电路决定已被确定外形的尺寸，借助于这个电路，硅晶体的尺寸作为已被确定的外形的已决定的尺寸的函数就被决定了。
一般说来，本发明的另一种形式是一种方法，用来和一种用于从硅熔融物中生长硅单晶的设备联合使用。该方法确定正被从熔融硅中拉出的晶体的尺寸，其中熔融硅有一个带弯月面的表面，这种弯月面的表面作为毗连晶体的亮区是肉眼可以看得见的。该方法包括在毗连硅晶体的地方产生光亮区的一部分的映象图形的步骤和检测该映象图形的特征的步骤。该方法还包括把亮区的边缘确定决定为已检测到特征的函数和确定一个包括亮区的已确定的边缘的形状的步骤。此外，该方法还包括凭借已把硅晶体的尺寸为已确定的形状的已经决定了的尺寸的函数来决定已确定了的形状的尺寸的步骤。
换句话说，本发明可包括各种其他的系统和方法。
其余的目的和特点，有一部分是显而易见的，一部分将在下文指出来。
下边简单地说明附图
图1是本发明的晶体生长设备和用于控制晶体生长设备的系统的图解。
图2是图1的系统的控制部件的框图。
图3是正从熔融硅中拉出的硅单晶的局部图。
图4是图3的晶体的局部和断面的透视图。
图5示出了图2的控制部件的操作流程图。
图6A，6B和6C示出了图2的控制部件的操作流程图。
图7的曲线图示出了图1的晶体生长设备和控制系统的典型的晶体顶部测量结果。
图8A和图8B是图1的晶体生长设备和控制系统的典型的晶体颈部测量结果的曲线图。
图9A和9B是图1的晶体生长设备和控制系统的典型的晶体主体测量结果的曲线图。
因所有的图中，相应的标号标注在相应的部件上。
下边对实施例进行说明。
现在参看图1。图1中画出了本发明所采用的带有乔克拉尔斯基(Czochralski)晶体生长设备23的系统21。在所画出的实施例中，晶体生长设备23包括一个真空室25，室内封入了一个用电阻丝加热器29或者其他加热手段包围起来的坩埚27。通常，一个坩埚驱动部件31就如箭号所指示的那样在顺时针方向上转动坩埚27并根据要求使坩埚27升高或者降低。坩埚27里容纳有硅熔融物33，从熔融硅33中将拉出单昌硅35，拉单晶从附到拉杆或索39上的籽晶37开始。如图1所示，熔融硅33有一熔融水平面41，坩埚27和单晶35有一对称的公共垂直轴43。
根据采用乔克拉尔斯基晶体生长工艺，晶体驱动部件45将在坩埚驱动部件31转动坩埚27的相反的方向上使拉索39旋转，晶体驱动部件45在生长工艺期间还根据要求使晶体35升降。加热器电源47把电能提供给电阻丝加热器29和排列于真空室25墙壁内的绝缘电阻49。用真空泵(没有画出来)把作为气体被送入真空室25中去的惰性气体氩从真空室25中排出去。在一个实施例中，环绕着真空室25有一个被馈送以冷却水的真空室冷却套(没有画出来)。更为理想的是一个温度传感器51，诸如一个光电池，测量熔融表面的温度。
在本发明的推荐的实施例中，至少有一个二维摄象机53和控制部件55一起决定单晶35的直径。控制部件55对来自温度传感器51和摄象机53的信号进行处理。如图2所示，控制部件55包含一个可编的用于进行控制的数字或模拟计算机，此外，还有坩埚驱动部件31，单晶驱动部件45和加热器电源47。
再次参看图1。根据采用一般的硅单晶生长艺，要把某一定量的多晶硅放到坩埚27中去。加热器电源47通过加热器29提供电流以熔化装入物。晶体驱动部件45通过多芯导线39使籽晶47下降到与容纳在坩埚27中的熔融硅33接触。当籽晶37开始熔融时，晶体驱动部件45就从熔融硅中慢慢地往回撤，或者往上拉籽晶。籽晶37从熔融硅33中拉出了硅以产生单晶硅的生长，就好像单晶硅被从熔融硅33中拉了出来似的。在籽晶37接触熔融硅之前。为了对籽晶进行预热、首先必须使籽晶37向下降到近乎与熔融硅接触的地方。
晶体驱动部件45在从熔融硅33中往上拉单晶的时候，使单晶35以规定的参考速率旋转。同时坩埚驱动部件31使坩埚27以一个从属的(Second)规定的参考速率转动，但通常是与晶体35的转动方向相反。最好，控制部件55控制回撤或者说上拉速率和由电源47供向加热器29的功率以使晶体35的晶颈减小。理想的情况是接下来控制部件55对这些参考进行调整，使得晶体35的直径以锥面的形式增长直到达到了事先定好的所希望的直径。一旦达到了所希望的晶体直径，控制部件55就控制上拉速率和加热以保持怛定的直径，就像用系统21所测到的那样，这个控制一直持续到过程接近到它的终点。在这一时刻，上拉速率和加热都被减小为使得在单晶35的尾端形成一个圆锥形的部分。
如上所述，在晶体生长过程中，特别是在晶体35的晶颈部分，希望进行精确可靠的控制。当籽晶37被从熔融硅33中往上拉的时候，晶颈理想的是基本上以恒定的直径进行生长。例如，控制部件55使之形成一个基本上恒定的晶颈直径并把它维持为使晶颈直径保持在所希望的直径的15％以内。就如专业人员所熟知的那样，毗连籽晶37的晶颈的顶部有可能含有位错(没有画出来)，这种位错一开始是由使无位错的籽晶37与熔融硅33接触时所产生的热冲击产生的。就如专业人员所熟知的那样，过多的晶颈直径的波动也可促使位错的形成。
共同转让的美国专利号5178720的全部已公开的事项都结合于此做为参考，并公开一个用于控制晶体和坩埚转动的推荐方法，这种控制把速率作为晶体直径的函数。
图2以方框图的形式画出了控制部件55的一个推荐实施例。倘采用本发明，则摄象机53理想的是单色电荷耦合器件(CCD)摄象机。诸如图象分辨率为768×494个象素的索尼(Sony)XC-75CCD电视摄象机。摄象机53被安装在真空室的观察窗口(没有画出来)之内，相对于垂直轴43的角度近似于34°而且对准轴43和熔融硅33在熔融水平面41(参见图3)上的交叉点上。
当从熔融硅33中拉出单晶35的时候，摄象机53就将产生一个晶体宽度的视频图象，包括在熔融硅33和晶体35之间的界面上弯月面(参见图3)部分的图象。理想的情况是，摄象机53的镜头是可以给出至少约300mm的视野的16mm的镜头。摄象机53通过电缆线57(例如RS-170视频电缆)把视频图象传往视觉系统59。如图2所示，视觉系统包括一个视频图象帧缓冲器61和一个图象处理机63。作为一个例子，视觉系统59是一个Cognex CVS-400视觉系统。反过来，视觉系统59通过电缆67与可编程逻辑控制器(PLC)65通信。在一个推荐实施例中，PLC是由西门子(Siemens)制造的575型PLC，而电缆67相当于一个VME底板接口。
现在再来看图2。视觉系统59还通过电缆71(例如RS-170RGB视频电缆)和视频显示器69通信，通过电缆75(例如，RS-232电缆)和个人计73通信。在推荐实施例中，视频显示器69显示由摄象机53所摄取的视频图象而计算机73则被用来对视觉系统59编程。
在所画出的实施例中，PLC65通过电缆79比如说，RS-232电缆)和操作员接口计算机77通信并通过电缆83(比如，RS-485电缆)与一个以上的过程输入/输出组件81通信。操作接口计算机77允许晶体生长设备23的操作员对将要生长的特定的单晶输入一套所希望的参数。过程输入/输出组件81提供通往或来自晶体生长设备的通路，用以控制该生长过程。作为一个例子，PLC65通过过程输入/输出组件81按收由温度传感器51来的与熔融硅的温度有关的信息，并把控制信号送往加热器电源47，这些信号用于控制熔融硅的温度以控制生长过程。
图3是一个正被从熔融硅33中往上拉的硅晶体35的断片图。晶体35构成一个总的说来为圆柱形的结晶硅的立体而更为可取地说是一个具有垂直轴43和直径D的结晶硅锭。应当知道，一个长好了的晶体，诸如晶体35可能并不具有均一的直径，尽管总体说是一个圆柱形。由于这一道理，直径D在沿着轴43的不同的轴位置上可能会有小的变化。而且，在不同的晶体生长阶段直径D也将变化(例如，籽晶阶段，晶颈阶段，头部阶段，肩部阶段，主体阶段和尾部锥形阶段)。图3还画出了一个具有形成在晶体35和熔融硅33之间交界面上的液体弯月面87的熔融硅33的表面85。就如专业人员所知道的那样，在弯月面87上的坩埚27的反射可以被看作是毗连晶体35的典型的亮环。
如上所述，摄象机53理想的是被安装在总的说来瞄准轴43和熔融硅33的交叉点的真空室的一个观察窗口之内(窗口没有画出来)。换句话说，摄象机53有一个光轴89，该光轴相对于垂直轴43有一个锐角θ。作为一个例子，θ近似于34°。还有，摄象机53的镜头理想的是给出一包括晶体35的宽度并至少包括弯月面87的亮环的一部分的视野。在一个推荐实施例中，恰当的选择镜头既可提供小籽晶和晶颈的高分辨率的运距摄象画面，也可提供大的晶体35的主体部分的广角画面。
现在参看图4，一个包含液柱弯月面87的晶体35的示范图被作为用摄象机53通过真空室25的观察窗口看到的图形而画了出来。倘采用本发明的推荐实施例，则视觉系统59的帧缓冲器61将接收来自摄象机53的视频图象信号并捕捉映象图形以便用图象处理机63进行处理。一般说来，图象处理机63完成数字边缘检测以定位液柱弯月面87的内部或外部附近至少三点的座标。因为晶体35的截面和液柱弯月面87已经知道总的说来是圆形的，所以，由图象处理机63所检测到亮环边级的座标被假定是椭圆形的，这个椭圆形可以变换成和映象(mapped into)成圆形。作为一种供选择的办法，边缘座标可以对因由摄象机53的安装角度所产生的变形进行补偿的办法映象成一个圆形。同萨雷斯(Gonzalez)和温茨(Wintz)的载于：“Digital Image Processing(数字图象处理技术)，1987，p36-55上的文章，在这里被用于参考并公开了用于补偿因摄相机相对于一个三维客体的位置所引起的透视性失真的数学变换方法。这种变换方法可被用于从一个已变形的椭圆形提取出一个圆形。
在本发明的一个推荐实施例中，图象处理机63至少确定了3个而更满意的是5个以上的由摄象机53所生成的图象上的令人感兴趣的区域91，而上述图象是被帧缓冲器61捕获的。图象处理机63审查所感兴趣的区域91也称做边缘工具或者窗口区域，同时对于映象图形的特征，诸如包含于每一区域91中的象素的亮度或者亮度梯度。以被检测到的映象图形的特征为基础，图象处理机63决定沿着液柱弯月面87外侧的边缘座标。区域91理想的是确定在事先经过选择的位置上，这个位置一般相当于沿着与用摄象机53摄到的亮环的预期的形状相匹配的曲线的位置。换句话说，区域97被定位于相对于沿着一个椭圆或圆的底部的一半的已确定的中心点辐射状的，以接近于亮环的形状。借助于把区域91定义在事先选定的近似于亮环的部分的形状的位置上的办法，区域91就可以避开已知的或者预期的熔融硅33的表面85上反射，这一反射可能产生假的测量结果。此外，由于图象处理机定义了一些区域91，故如果真空室25的观察窗口的一部分被挡住，图象处理机63仍然能够检测亮环的边缘。人们将会明白，除亮度和亮度梯度之外图象的其他特征，诸如颜色或对比度也可以被检测出来，以寻找液柱弯月面87的亮环的边缘座标。
图4画出了一组推荐位置，在该位置上来确定区域91。如图所示，最左边和最右边的区域91更令人满意的是定位于中心点C的Y座标下边。这样，采用本发明进行操作的系统21，在晶体35的主体就如通过真空室25的观察窗口所看到的那样使环的最大宽度含糊不清的时候并不会遭受到这时所产生的误差。在优点方面，本发明克服了透视性失真所产生的这一问题、这个问题特别是对大直径的晶体(例如，200mm以上)是有些麻烦。
如上所述，晶体35一般说是沿着总的说来垂直于熔融硅表面的垂直轴43从熔融硅33中拉出来的。在拉的期间，晶体35可相对于垂直轴运动。有利的是，区域91足够也大，以致亮环的边缘座标即便是在晶体35正在运动时也可以在区域91里边确定  比外，图象处理机63还使事先选好的区域91的位置移动，使得它们毗邻于亮环的已图象化的部分以在整个所有的生长阶段(例如籽晶、晶颈、头部、肩部、主体和尾锥阶段)都能紧跟晶体的直径。换句话说，从大约4mm到320mm、一直跟踪晶体直径。但是，就如专业人员所熟知的那样，在所有的生长阶段，亮环并不总是可以看到的。例如，在晶体35的头部生长期间，亮环可以相对很小或者根本看不见。出于这种道理，系统21更令人满意的是检测头部的周长，它在相对于映象图形的背景的亮度上表现为一个亮区。在这一实例中，映象图形的背景是熔融硅表面85的一个代表。所以，系统21不去检测亮环而代之以检测晶体35的头部所伴有亮区。
在推荐实施例中，在区域91里边所检测到的亮环的边缘的座标轴被进行数学上的变换以补偿透视性的失真，并接着被输入到最佳拟合(best fit)圆周测量结果中去。例如，图象处理63应用休氏变换(Hough transform)或者最小二乘方拟合以确定相应于已检测到的边缘的圆周形状。倘采用本发明，则图象处理机63将确定一个总体说来为圆形的图形93，其圆周直径为D′，而中心点C以所检测到的座标轴为基础。实际上，要确定圆周93至少需要三个座标。
为了获得晶体35的直径D的精确的测定结果以供PLC65在控制晶体生长过程中使用。图象处理机63将首先以数字方式处理已确定的圆93的直径D′。在这种意义上说，图象处理机63应用圆93的尺寸来决定晶体直径D′，相对一个精密无误的圆的拟合质量的测量和熔融硅水平面41的测量。对于这一应用目的，熔融硅水平面41被定义为从加热器29的顶部到熔融硅33的表面85的距离并可作为中心点C的座标的函数来决定。
在运算中，图象处理机63定义与亮环部分毗连的区域91并在区域91内检测映象图形的亮度梯度特征。此外，图象处理机63还作为已检测到的特征的函数在每一个区域91中确定亮环边缘的座标并确定总体说为圆形的图形93，包括已经确定的边缘座标。接着，在已确定了的圆形图形93的基础上来决定晶体35的直径D，以便在控制晶体生长的过程中应用。控制部件55的PLC65对硅晶体35的已经决定下来的直径D作出响应以控制坩埚27和晶体35的旋转速率，和/或把晶体35从熔融硅33中拉出来的速率，和/或熔融硅33的温度，此外，还对用于控制坩埚27的水平面的熔融硅水平面41的确定作出响应以此来控制晶体生长设备23。这样，图象处理机63就构成了一种检测电路，一种确定电路和一个测量电路，而PLC65则构成了一种控制电路。
在本发明的一个推荐实施例中，直径D′用径向象素来测量。作为一个例子，晶体直径D(mm)＝CF(径向象素)-3.02mm，其中CF是在0.95和1.05之间的一个校准因子，而3.02mm用于补偿亮环的宽度。值3.02mm决定于来自于已生成的晶颈的分析数据，而校准因子CF是以已测定的值为基础的操作员键入值。倘采用本发明，则晶体生长设备23的操作员用一个望运镜测量正在生长着的晶体35，该望远镜在一个已校准过的轨道上滑动，接着，通过计算机77输入CF值，以使确定下来的直径D等于被测值。在这种意义上，CF用于对在直径测量中的变动性进行补偿。这样的变动性主要是由于摄象机53和晶体35之间的距离的变化引起的，这个距离的变化将影响光学放大倍数。增大这一距离将使晶体35看起来较小，这将使实际的晶体35被生长得尺寸过大。这些距离上的变化可因从一个晶体生长设备23改为另一设备而出现，可因从一次运行到另一次运行而出现，甚至由于在熔融硅水平面41上的变动性，在特定的一次运行中也会出现。
图象处理机63相对于熔融硅40水平面41决定中心点C，该中心点是熔融硅水平面41的指示标志。倘采用本发明，则在中心点C的Y座标和参考值之间的差被用于决定熔融硅水平面41。作为一种可供选择的方法，一种商业上可用的光学方法(例如，一个被安装到真空室25的盖板上的光束检测器设备)可用于决定熔融硅水平面41。借助于计算校准因子和通过坩埚27的升高控制来减少熔融硅水平面变化的办法，熔融硅水平面41的决定可被用来减小直径测量结果的可变性。
在直径测量中另一个主要的可变性根源是亮环的宽度依赖于坩埚热壁的高度而变化，这个亮环已被曝光并被液柱弯月面87反射。随着熔融硅33被消耗、亮环的宽度增加，它使晶体35看来较大，而且可导致实际的晶体被生长得不够尺寸。作为一种应用常数3.02mm的替代办法，亮环宽度可用另外的视觉工具或者数学模型。例如，除去检测熔融硅33和亮环之间的边缘之外，检测晶体35和亮环之间的边缘，以给出一个亮环宽度的测量。此外，考虑到其对于坩埚壁高度的反射性特征的液柱弯月面87的数学模型也提供亮环宽度的测量。
在一个可供选择的实施例中，在映象图形的区域91之内确定的亮环的五个边缘座标被用于检测晶体直径相对于晶体驱动部件45使晶体35旋转的速率的周期性偏差。就如专业人员所熟知的那样，用小于面(facet)或生长线所标明的(100)零位错生长一般说来平行于垂直轴43而且沿着晶体35的主体被分隔开来。在晶体35的断面的圆周上，这些生长线表现类似波纹的特点。因此，当晶体35在一已知速率下旋转时，期望生长线在特定的区域91内的速率是比如说旋转速率的4倍。这样一来，图象处理机63肯定了晶体35的零位错生长，而且形成为用于检测已确定了的圆形93的已确定的直径的周期性偏差的手段。
此外，人们将会看到，本发明的视觉系统59除了可被用于确定晶体直径、熔融硅水平面和零位错生长丧失等等之外，还可被用于定出其它硅生长参数如净化管裂口或者熔融硅裂口、完全熔掉、水、传送电流和温度等等。
图5以流程图的形式画出了采用了本发明的推荐实施例的系统21的操作。在步骤97开始之后，在步骤99，帧缓冲器61从摄象机53处获得一个映象图形。图象处理机63接收该已捕获的图象并调整其象素值以补偿摄象机角度所产生的映象图形的变形。这一补偿是在步骤101，用一因子1.2(就如从COSθ推导出来的那样)去乘映象图形的Y值(Xpixel)以确定y值的办法完成的。理想的情况是X＝Xpixel。因此，执行步骤101的图象处理机63构成为用于调整映象图形使得毗邻晶体35的亮区部分一般说来是一个弓形。
在步骤103，视觉系统59的图象处理机63用在每一感兴趣的区域91内检查象素亮度的梯度的办法执行边缘检测。梯度用在每一区域91中取映象图形的相对亮度的导数的办法得到的。因此，图形处理机63识别在每一区域91内的在亮度上最大变化的座标，该座标是亮环边缘的象征。在步骤105，倘5个边缘座俱已确定了的话。图象处理机就前进到步骤107。步骤107利用一个圆周拟合算法诸如休式变换法或最小二乘方拟合法等把已确定的边缘座标拟合成一个一般说来圆的形状。例如休氏变换应用分类子程序产生数据点簇，这些数据点簇可被用于寻找圆周并接着寻找用于所希望的目标最好的数据点簇。然后对数据点进行平均以找到拟合后的中心和半径。
在步骤109，视觉系统59用把所确定的圆形93与一个精确的圆相比较的办法来确定圆拟合的质量。这种确定提供一个测量结果确切性的指示。如果所确定的形状是一个足够的圆形，则视觉系统59就把已确定的圆93的直径D′及其中心点C的X-Y座标所代表的信息传送给用于控制晶体生长过程的控制部件55的PLC65。在流程图95的实施例中，视觉系统59报告圆93的半径。因此，正在执行步骤111的图象处理机63与PLC65一起协作，构成用于相对于参考x-y座标系统决定已确定的圆形43的中心的手段。
系统21的操作接下来前进到步骤113，在步骤113把计数器N置为零。接着，图象处理机63以已决定好的中心点和半径为基础重新定位区域91。倘采用本发明的推荐实施例，则每一区域91都被确定在沿着已确定的圆(总体地示于图4)的下边一半的事先选好的径向位置上。在这种意义上，区域91实质上在流程图95的每一次重复之后把中心定在已检测到的液柱弯月面87的亮环的边缘上，而图象处理机63在往上拉和直径变化期间对晶体35的运动作出响应。
如果亮环的边缘座标在步骤91没有在区域91里边确定下来，则图象处理机在步骤117使计数器N增1。接着图象处理机63重复步骤99，101，103，105和117，直到在步骤119N＝0，或者直至图象处理机63确定了5个边缘座标。在10次不成功的进行了确定亮环边缘的尝试之后，图象处理机63就在步骤121执行一扫描程序搜索壳环的大体的位置(该步骤在图6A-6C中画得更为详细)。步骤121的扫描程序以亮环相对于映象图形的背景的亮度的亮度为基础查明液柱弯月面87在映象图形上的大约的部位，在本例中，映象图形是熔融硅表面85的代表。图象处理机63决定用于确定区域91的事先选好的位置的大体上的中心点和半径。因而，执行步骤105，113，115，117，119和121的图形处理机63构成用于作为已被检测的特征的函数使窗口区域91移动的手段和用于调整窗口区域91的预选位置的手段。
图6A-6C以流程图123的形式画出了图5的步骤121的一种推荐扫描程序。在步骤125开始之后，在步骤127帧缓冲器61从摄象机53中获得了一个映象图形。在步骤129，图象处理机63接收所捕获的图象并调整它的象素值以补偿摄象机角度所产生的映象图形的失真。前进至步骤131，133和135时，图象处理机63确定感兴趣的其他区域的位置，这些令人感兴趣的区域涉及映象图形的左、右和底部边缘ROI1，ROI2和ROI3。这些附加的感兴趣的区域ROI1，ROI2和ROI3相对地比区域91大且也涉及到光波仪表工具。在步骤139，把被检测边缘数设置为零，并且在步骤139，一个代表上一次最大亮度读好的参数LASTmax被设置为一个相对高的值(例如，1000)。
在所涉及的实施例中，子程序141被用来查找液柱弯月面87的左边缘，所用的方法是把在区域ROI1内映象图形的亮度最大值即MAXpixel和阈值(诸如100)进行比较。在步骤143如果MAXpixel超过了100，则图象处理机6B就前进到步骤145，在那里比值MAXpixeL/LASTmax和1.1比较。如果比值超过了1.1，图象处理机63就认为在ROI1内左边缘已被找到并在步骤147使边缘计数器增1。ROI1的x座标就在步骤149被存起来，用于识别亮环的左边级。如采MAXpixel在步骤143是100或比100小，或者如果在步骤145比值MAXpixel/LASTmax是1.1或比1.1小，则在步骤151，就把LASTMAX重新设置为等于MAXpixel。然后，图象处理机63把ROI1右移一个规定的量。例如，在步骤153，图象处理器把ROI1重新定位为右移5个X座标刻度。只要ROI1还没有达到映象图形的右边界，就如在步骤155所决定的那样，图象处理机63就重复子程序141。
现在参看图6B。在图象处理机63在ROI1内检测到亮环的左边缘或者ROI1达到了映象图形的右边界之后，图象处理机63就在步骤157把LASTMAX重新置为1000并执行一个实质上与子程序141相同但方向相反的子程序159。子程序159用于查找液柱弯月面87的右边缘，所用的方法是把在ROI2内的映象图形的亮度最大值即MAXpixel与一阈值(诸如100)进行比较。在步骤161，如果MAXpixel超过了100，则图象处理机63就前进到步骤163，在那里比值MAXpixel/LASTmax与1.1进行比较。如果比值超过了1.1，图象处理机就认为在ROI2内找到了右边缘并在步骤165使边缘计数器增至2。然后，把ROI2的X座标存起来(步骤167)，用于识别亮环的右边缘。如果MAXpixel在步骤161等于或小于100，或者在步骤159比值MAXpixel/LASTmax等于或小于1.1，则把LASTmax重新置为等于MAXpixel(步骤169)。然后，图象处理机63把ROI2左移一个规定的量。例如在步骤171，图象处理机把ROI2重新定位为左移5个X座标。只要ROI2还没有达到映象图形的左边界。就如步骤173所决定的那样，图象处理机63重复子程序159。
现在参看图6C。在图象处理机63在ROI2内检测到亮环的右边缘或者在ROI2达到了映象图形的左边界之后，在步骤175图象处理机63把LASTmax重新设置为1000并执行一个实质上与子程序141和子程序159相同但是是在Y方向的子程序177。子程序177用使ROI3内映象图形的光度最大值即MAXpixel与阈值诸如100进行比较的办法查找液柱弯月面87的底部边缘。如果MAXpixel在步骤179超过了100，则图象处理机63就前进到步骤181使比值MAXpixel/LASTMAX与1.1相比。如果比值MAXpixel/LASTMAX超过了1.1，图象处理机63就认为在ROI3内底边缘已经找到并接着在步骤183把边缘计数器增1到4。接着在步骤185把ROI3的座标存起来，用于识别亮环的底边缘。如果在步骤179MAXpixel等于或小于100，或者如果比值MAXpixel/LASTMAX在步骤181等于或小于1.1，则在步骤187把LASTMAX重新设置为等于MAXpixel。然后图象处理机63把ROI3向映象图形顶部移动一个规定的量。例如，在步骤189，图象处理机63就向顶部方向重新定位ROI36.6个座标。只要ROI3还未达到映象图象的顶部边界，就如在步骤191所决定的那样，图象处理机63就重复子程序177。
在弯月面87的左、右和底边缘都被找到之后，就如在步骤193所决定的那样，图象处理机63就前进到步骤195去计算一下大体上的圆半径，用的办法是用2除X座标之差，然后再前进到步骤197去计算圆中心的座标，算法是找到X座标之间的中点，再把圆半径加到底边缘的Y座标上。在步骤199，图象处理机63令人满意的计算一个大体上在亮环右边缘上的一个点的座标。倘采用本发明的已画出来的实施例，则计算出来的半径、中心点和边缘点被用于大体大定位区域91在液柱弯月面87的亮环上的位置，这是在图象处理机63返回到图5的流程图的操作之前进行的。另一方面，如果所有的边缘都没有找到，则就如在步骤193所决定的那样，图象处理机63就返回到流程图123的步骤131。在步骤201，流程图123结束。
在本发明一个可供选择的实施例中，视觉系统59可以具体化为一个带有帧接收器(例如，创造性的科学技术视频增强器(Technology′s VideoBlaster)的计算机，帧接收器用于捕捉摄象机53所产生的视频图象。起着图象处理机63的作用的该计算机扫描映象图形并分析每一扫描线的独自的亮度值。从映象图形的左或右边缘开始并朝着其中心移动的同时，测量并平均背景(即熔融表面85)的亮度。扫描一直持续到发现一个亮度的陡峭的增加或者已取到了规定的样本数目。二进制阈值技术被用于识别亮环的边缘，其中阈值由平均亮度值加上一个经验的补偿组成。对于每一条扫描线都在通常对前边所决定的圆心的X座标对称的位置上确定了一对窗口区域以防止把外来的反射识别为正确的边缘。这些窗口要求偏离先前的扫描线已报告的边缘±n象素的容差。在这种意义上说，在拉单晶期间，晶体直径的变化和晶体35的运动已被调节。借助于从顶到底对映象图形进行搜索，左边的和右边的窗口区域被重新定位于从它们各自的边界以相等的速率朝向中心一直到两个正确的边缘皆被找到为止。然后，这些窗口区域用它们的中心重新定位于边缘上。每一在后续的扫描线上所检测到的边缘最好是在来自于先前扫描行的窗口区域之内，因而，确保边缘已连接上。如果一条扫描线没有通过容差核查，就简单地把它丢掉不理，或者有规定数目的扫描线没有通过，则搜壳就重新开始。还有，因摄象机53的安装角度所产生的透视性失真可以用诸如同萨雷斯(Gonzalez)变换这样的手段来进行补偿。然后，这些被证实了的边缘拟合为一个用于计算圆心点和圆半径的圆。
以下的例子被推荐为描述本发明所涉及的实施例和应用，而且并不意味着限制本发明，除非在后附权利要求中另有说明。
例子
1.图7图解式地画出了晶体35的头部的以象素(pixel)为单位的直径测量结果对以毫米为单位的直径的曲线。如上所述，视觉系统59根据以可以变换成毫米的Xpisel值为单位的已确定的圆93的宽度来决定晶体59的直径。如图7所示，1.8个Xpixel值大体上相当地一个毫米，就如用比如说测径器所测到的那样。
2.图8A-8B以曲线的形式画出了取自晶体35的晶颈部分的测量结果。图8A-8B画出的是用测径器测到的以毫米为单位的晶颈的直径和用视觉系统59测到的以毫米为单位的晶颈的直径对晶颈的长度的曲线。如图所示，在刻度上必须仔细调整以减小这两个测量结果之间的误差，比如说仔细调整偏置电压和增益。此外，表示用视觉系统59所测结果的曲线是以采样速率为每分一次为基础的。由于晶体35的晶颈部分的生长是每分5毫米之快，故上述采样速率有可能丢掉晶颈直径的某些峰和谷值。在刻度上的改进已经产生了在直径从4.5mm到7.0mm的范围内精度为±0.5mm的结果。图8B画出的是用视觉系统59测到的以毫米为单位的直径对用测径器测得的以毫米表示的直径的曲线。
3.图9A-9B以图解的方式画出了取自晶体35的整个长度上的测量结果。为了图9A-9B的目的，晶体长度从晶体35的主体部分上的一个参考点开始测量。在该点上晶体35有一个相对均匀的直径而且并不包括晶体35的晶颈和头部部分。图9A示出了视觉系统59所测到的以毫米表示的直径和以校准过的象素为单位的中心点C的Y座标对晶体长度的曲线。如上所述，中心点C的Y座标用Y＝1.2(Xpixel)计算，其中Y以校准后的象素来表示。图9B示出了以校准后的象素所示的中心点C的Y座标对以毫米表示的晶体长度的曲线。如上所述，由于摄象机53的安装角度所产生的透视性失真和椭圆形亮环的假定的缘故，Y座标值和晶体的直径相互影响。尽管用刻度因子1.2乘Xpixel部分地补偿了这种失真、仍希望进一步修正。进一步的修正企图孤立熔融水平面41已申明过的降低。这种降低是当熔融硅33被消耗到还剩下大约40kg时，坩埚27的已缩减的直径引起的。虽然坩埚27的提升速率已被固定，但熔融硅33倾向于被消耗得比坩埚驱动部件31把坩埚27举起的速度还快。在本例中，被修正的Y座标由Y修正＝Y-Cl(晶体长度)+C2(直径D-C3)来决定，其中C1＝0.0033，C2＝0.35，而C3＝209。换句话说，中心点C的Y座标被调整为减去在长度上从0到大约750mm，在熔融硅水平面41上长期的且明显地表现为线性的增长，然后再加上乘以刻度因子的直径的增加量。
考虑到以上情况，人们看到本发明的几个目的已经达到。而且还得到了另外一些有利的结果。
因为在上述构造和方法中可能进行而又不偏离本发明的范围的各种变动，故所有包含于以上说明中的事项或者示于各个附图中的事项都被解释为说明性的而没有限制的含义。

Claims (10)

1.一种用来和用于从熔融硅中生长硅晶体的设备相联合的方法，上述方法用于确定正被从熔融硅中拉出来的硅晶体的尺寸，上述熔融硅有一弯月形的表面，这个弯月面作为毗连硅晶体的亮区是可以看得见的，上述方法包括下述步骤：
用摄象机产生毗连于硅晶体的亮区的一部分的映象图形；
检测映象图形的特征；
作为已被检测到的特征的函数。定出亮区的边缘；
定出包括亮区的已定出的边缘在内的形状；确定已定出形状的尺寸，从而硅晶体的尺寸被确定为已定出的形状的已确定了的尺寸的函数。
2.如权利要求1所述的方法，其特征为包括定出毗邻亮区部分的映象图形的窗口区域的步骤，其中，映象图形的特征在用于定出亮区边缘的窗口区域内被检测。
3.如权利要求2的方法，其特征为，映象图形的特征是亮度梯度。还有其中检测映象图形的特征的步骤包括在窗口区域内确定映象图形的亮度梯度。
4.如权利要求2的方法，其中硅晶体一般说是圆柱状的，亮区一般说是环形的。还有，其中定出形状的步骤包括定出一个一般为圆的形状，这个圆形包括已在映象图形的至少三个窗口区域中定出的环形亮区的边缘。而确定已定出了的形状的尺寸的步骤包括测量已定出的圆形的直径。
5.如权利要求4的方法还包括相对于一个参考X-Y座标系-确定已定出的圆形的中心的步骤，其中，中心的Y座标指示的是熔融硅水平面。
6.如权利要求2的方法，还包括在映象图形上定出中心点的步骤，其中窗口区域被定在映象图形上预选的位置上，这些事先选定的位置被定位于相对于已定出的中心点成幅射状。本方法还包括把窗口区域作为在窗口区域中映象的已被检测到的特征的函数相对于在拉单晶期间不断变化的亮区而移动的步骤。
7.如权利要求1的方法，其中晶体生长设备提供了使硅晶体在一参考速率下转动，而且还包括检测已定出形状的已确定尺寸中相对于参考速率的周期性偏差的步骤，以此来指示硅晶体的零位错生长。
8.如权利要求1的方法，其中硅晶体通常是沿着一个垂直轴从熔融硅中拉出来，上述垂直轴通常垂直于熔融硅的表面。还有，其中摄象机有一个光学轴、该光学轴对上述垂直轴成锐角。本方法还包括对由摄象机角度所产生的映象图形的失真进行补偿的步骤。
9.如权利要求1的方法，其中硅晶体从容纳熔融硅的坩埚中拉出来，而且晶体生成设备提供了硅晶体和坩埚之间的相对运动。本方法还包括控制坩埚和/或硅晶体的转动速率，和/或控制从熔融硅中拉出硅晶体的速率，和/或根据硅晶体的已确定的尺寸控制熔融硅的温度从而控制晶体生长设备的步骤。
10.一个用来和用于从熔融硅中生长硅晶体的设备联合的系统，上述系统用于确定正被从熔融硅中往上拉的硅晶体的尺寸，上述熔融硅有一个弯月面的表面，该弯月面作为毗邻硅晶体的亮区是看得见的，上述系统包括：
一个摄象机，用于产生毗邻硅晶体的亮区的一部分的映象图形；
一个检测电路，用于检测映象图象的特征；
一个确定电路，用于作为已检测到的特征的函数定出亮区的边缘而且用于定出包括亮区的已定出了边缘在内的形状；
一个测量电路，用于确定上述已定出的形状的尺寸，从而，晶体的尺寸被确定为已定出的形状的已确定尺寸的函数。
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