CN1323364A - 控制硅晶体生长的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种用于在丘克拉斯基晶体生长装置中测定熔化水平高度和反射罩位置的一种方法和系统。晶体生长装置有一个加热坩埚,里面盛有硅熔体,从这里硅晶体被提拉出来。晶体生长装置同样含有一个中心开孔的反射罩,晶体从此开孔里提拉出来。摄象机产生反射罩一部分图象和在熔体上层表面能看见的一部分反射罩的映象。图象处理系统用它们象素值的一个函数处理这些图象,以便探测反射罩的边缘和图象中的映象的边缘。根据图象中已探测到的边缘的相应位置,控制电路测定摄象机到反射罩的距离和摄象机到映象的距离。在已测定的距离的基础上,控制电路至少测定一种代表晶体生长装置状态的一个参数,并且控制该装置对所测定的参数做出反应。

Description

控制硅晶体生长的方法和系统

本发明主要涉及了控制硅晶体生长过程中的一些改进，特别是涉及在丘克拉斯基(Czochralski)法生产硅晶体过程中测定熔化水平的视觉系统和方法，以便用于控制生长过程。

单晶硅是许多制造半导体电子元件过程中的原始材料。晶体提拉机器应用丘克拉斯基方法来生产大多数的硅晶体。简单的讲，丘克拉斯基方法包含了熔化一些放在特定设计的熔炉里的石英坩埚中的高纯多晶硅。坩埚中的硅熔化后，晶体提拉装置降低籽晶和熔化的硅接触。然后该机构就提出籽晶来并从硅熔体中拉出生长的晶体。

形成晶体的颈部后，典型的工艺通过降低提拉速度并/或熔化温度来增加正在生长的晶体的直径，直到得到一个满意的直径。通过控制提拉速度和熔化温度并补偿降低的熔化水平，晶体的主要部分就生长出来，因此它有一个近似恒定的直径(如，它通常是圆柱形的)。在生长将要结束但在坩埚中的熔化硅消耗完之前，该方法逐渐降低晶体的直径直到在底部形成一个圆锥。典型地，这个底部圆锥是通过提高晶体的提拉速度和供给坩埚的热量来形成的。当晶体的直径达到足够小时，晶体就会从熔体中分离出来。在生长过程中，坩埚沿着一个方向旋转熔体，而晶体提拉装置则沿着相反的方向连同籽晶和晶体旋转它的提拉索或提拉杆。

在某种程度上，丘克拉斯基方法由坩埚中的熔化硅水平的函数来控制。因此为了保证晶体的质量，就需要一个精确而可靠的系统来测量晶体生长不同阶段的熔化水平。共同转让美国专利5,665,159、5,653,799和美国申请系列号08/896,177(已允许)，提供了包括熔体水平在内的一些晶体生长参数的精确而可靠的测量，全部在此引为参考。在这些专利中，一个图象处理器处理这些晶体熔化界面的图象来测量熔体水平。

美国专利3,740,563和5,286,461同样包括了测量熔化水平的方法，全部在此引为参考。在美国专利3,740,563中，一个移动的闭合回路光电系统提供了熔化水平的测量方法，并且美国专利5,286,461中的反射激光束的探测提供了熔化水平的测量。

虽然目前可利用的丘克拉斯基生长方法在生长许多应用领域上有用的单晶硅方面上能够令人满意，但是人们仍希望进一步的改进和提高。例如，经常把热区(hot zone)装置放进坩埚中来控制热和/或气体流量。为了达到控制目的，经常希望测量相对于热区装置的熔化水平和测量不同的热区部分的相对位置。

例如，一个已知的预测反射罩位置的方法是建立在多个支撑部件的尺寸和公差的“累积”的基础上的。然而大多数的部件对热膨胀是比较敏感的，因此，对满意的生产质量所要求的精确度来说，就无法知道反射罩的确切位置。另一个常用的方法是从反射罩上悬挂一个已知长度的石英针。移动坩埚直到熔体和针相接触，这样就确立了反射罩相对于熔体的位置。然而，这导致了额外的生产成本和引入另一个程序步骤，并且在提拉设备的安装和清理中需要花费更大的劳动，以在不损伤石英针的基础上正确地安装和使用它。

美国专利5,437,242直接测量了反射罩和它在熔体中映象之间的距离，其公开全部在此引为参考。不幸的是，这个专利的方法不能提供反射罩的位置。并且，这个方法需要在反射罩上有一个三角形、四方形或圆形的机械参考符号。在这种情况下，这个符号就会使反射罩和它的映象的远部边端模糊，并导致了额外的生产成本。同样，用反射罩上的机械参考符号不仅需要在正确排列这个符号上花费更大的努力，而且还影响反射罩本身的热量和气体流动特征。

基于以上原因，人们希望一个改进的系统和方法来测量和控制丘克拉斯基方法中的熔化水平和热区部件的位置，并且这个系统和方法没有额外的安装程序，处理步骤和额外的消耗部件。

本发明通过提供一个改进的方法和控制操作系统，不仅满足了上述的需要并且弥补了现有技术中的缺陷。这是通过一个视频系统来完成的，这个视觉频系统执行边缘探测程序来探测热区装置的位置和这些热区装置在熔体上部表层的映象。有利的是，本发明确定了和一个参考符号及熔体相对的热区装置的位置并且确定了和一个参考符号相对的熔体的水平。另外，此方法能够经济有效地执行并且这样的系统是经济可行和商业实用的。

简单的说，具体体现本发明各个方面的这种方法是连同一种仪器来生长硅单晶。这个晶体生长装置有一个加热的坩埚，它里面盛着熔体，从这里晶体被提拉出来。该晶体生长装置也有一个安置在坩埚中的反射罩，它有一个中心开孔，从这个开孔里晶体被提拉出来。该方法是以摄象机产生一部分反射罩的图象和在熔体表面可看到的反射罩的一部分映象而开始的。该方法也用图象象素值的一个函数来处理图象，以探测反射罩的边缘和图象中映象的边缘。在这种情况下，映象的边缘对应于反射罩的一个虚象。这个方法进一步包括了在已探测到图象边缘的相应位置的基础上测定摄象机到反射罩的距离和摄象机到反射罩的虚象的距离。为了控制晶体生长装置，在已测定距离的基础上，至少测定了代表晶体生长装置一种状况的一个参数。

一般来说，这个发明的另一种形式是一种系统，它和生长单晶硅的一种装置一块应用。该晶体生长装置有一个加热的坩埚，它里面盛着硅熔体，从这里晶体被提拉出来。这个晶体生长装置也有一个安置在坩埚中的反射罩，它有一个中心开孔，从这个开孔里晶体被提拉出来。该系统包括一个摄象机，它产生一部分反射罩的图象和在熔体表面可看到的反射罩的一部分映象。图象处理器用图象象素值的一个函数来处理图象以探测反射罩的边缘和图象中映象的边缘。在这种情况下，映象的边缘对应于反射罩的一个虚象。这个系统也包括一个控制线路用来在已探测到图象边缘的相应位置的基础上，确定摄象机到反射罩的距离和摄象机到反射罩的虚象的距离。在已测定距离的基础上，该控制线路测定代表晶体生长装置一种状况的一个参数，并且控制这个装置来对个测定的参数做出反应。

另一方面，这个发明也可包括各种其它的方法和系统。

下文将要明确和指出部分的目标和特征。

图1是根据本发明一个较佳实施例的晶体生长装置和控制晶体生长装置的系统的图示。

图2是这个系统的控制单元的方框图。

图3是图1中的晶体生长装置的局部图解横断面，它显示了正从晶体生长装置中的熔体中提拉出来的单晶硅，和硅晶体生长中放置的反射罩组件。

图4是图3里的晶体生长装置的一个局部透视图，显示了和从熔体中提拉出的晶体相应的图象处理区域。

图5是图4中图象处理区域的放大图。

图6概要地描述了图3-5中的反射罩组件和产生晶体生长装置内部图象的摄象机的关系。

图7是图1中系统起始程序的示意流程图。

图8A和8B是图2的控制单元的操作示范流程图。

在这些图中，相应的参考符号标出了全图中相应的部件。

现在看图1，它显示了和丘克拉斯基晶体生长装置13一同应用的系统11。按照本发明，系统11确定多个参数来控制晶体生长过程。在这个图示实施例中，晶体生长装置13包括一个盛有坩埚19的真空室15。加热装置例如电阻加热器21围绕在坩埚19的周围。在一个实施例中，绝热材料23衬在真空室15的内壁上，并且充满了水的真空室冷却罩(未画出)环绕在它的周围。真空泵(未画出)从真空室里抽出气体并充入惰性气氛氩气。

根据丘克拉斯基晶体生长方法，一些多晶硅被填充到坩埚19中。加热器电源27向电阻加热器21提供电流来熔化填充料，由此形成硅熔体29，从这里硅单晶31被提拉出来。如在本文中已知的，单晶31的生长是从固定在一个提拉杆或索37上的籽晶35开始的。如在图1中所显示的，单晶31和坩埚19通常有一个共同的对称轴39。

在加热和晶体提拉过程中，坩埚驱动单元43旋转坩埚19(如沿着顺时针方向)。如果需要，在生长过程中，坩埚驱动单元43也能升高和降低坩埚19。例如，当熔体29逐渐消耗掉时，坩埚驱动单元43把坩埚19升高来维持熔体的水平(用参考符号45标出)直到一个满意的高度。相似地，晶体驱动单元47沿着坩埚驱动单元43旋转坩埚19的相反的方向来旋转绳索37。另外，在晶体生长过程中，晶体驱动单元47相对于熔体水平45相应地升高和降低晶体31。

在一个实施例中，晶体生长装置13通过降低籽晶35的高度直至几乎和坩埚19中熔体29的熔化硅相接触来预热籽晶。预热后，通过绳索37，晶体驱动单元47继续降低籽晶35直到使它在熔化水平45上和熔体29相接触。当籽晶35熔化后，晶体驱动单元47慢慢地从熔体29中拉伸或提拉出籽晶。在提拉过程中，籽晶35从熔体29中吸收硅来使单晶硅生长。当从熔体29中提拉出晶体31时，晶体驱动单元47按照一个参照速率旋转晶体31。相似地，坩埚驱动单元43按照另一个参照速率来旋转坩埚19，但是通常和晶体31旋转方向相反。

控制单元51首先控制提拉速率和加热器电源27提供给加热器21的电源来产生晶体31的缩颈。较佳地，当籽晶35从熔体29中提拉出来时，晶体生长装置13以一个恒定的直径来产生晶体的颈部。例如，控制单元51保持一个所需直径的大约15％的大致恒定的颈部直径。当颈部达到理想的长度后，控制单元51就会调整转速、提拉和/或加热参数以圆柱的形状使晶体31的直径增加，直到得到一个满意的晶体的直径。一旦得到满意的晶体直径后，控制单元51就控制生长参数来维持相对恒定的直径，直到这个过程结束，而这个直径是由系统11测定的。在这时，提拉速率和加热通常是增加的，目的是减少晶体直径，在晶体31的底部形成圆锥部分。在此引入参考共同转让美国专利5,178,720，揭示了一个较好的方法，它是作为晶体直径的一个函数来控制晶体和坩埚旋转速率的。

较佳地，控制单元51联合至少一个二维的摄象机53来确定大多数的晶体生长过程的参数，包括熔化水平45。例如，摄象机53是一个单色电荷耦合器件(CCD)阵列摄象机，如索尼^XC-75CCD视频摄象机，它有768×494象素的分辨率。另一个合适的摄象机是一个JAVELIN^SMARTCAM JE摄象机。摄象机53放在真空室15的视口(未画出)的上方，瞄准纵向轴39和熔体水平45(看图3)的相交处。例如，晶体生长装置13的控制人员把摄象机53放置在和纵向轴39成大约34°角的位置。

在一个较好的实施例中，摄象机53装配上一个镜头(如16mm)来提供一个相对较宽的视场(如大约300mm或更多)。这就允许摄象机53在晶体31生长过程中，产生坩埚19内部的一部分相对较宽的视频图象。由摄象机53所产生的图象包括位于熔体29和晶体31交界面的一部分弯月面101(看图3)。熔体29和晶体31在本质上是自发光的，能够向摄象机提供光线，因此不需要额外的光源。应当理解可以用另外的摄象机来提供不同的视场。

除了处理摄象机53的信号外，控制单元51也处理其它传感器的信号。例如，温度传感器59，像光电池，也可以被用来测量熔体表层的温度。

图2用方框图的形式展示了控制单元51的一个较好的实施例。摄象机53经过电缆61(如RS-170视频电缆)把坩埚19内部的视频图象传送到视频系统63上，它提供边缘探测和测量计算。如在图2所示的，视频系统63包括一个视频图象帧缓冲器67和一个捕捉并处理视频图象的处理器69。依次，视频系统63经过线75和程序逻辑控制器(PLC)相互联系。作为一个例子，视频系统63是一个CX-100IMAGENATION Frame Grabber或者是COGENX^CVS-4400视频系统。在一个较佳实施例中，PLC71是由TEXAS仪器设备公司^生产的Model545PLC或着Model575PLC，并且线75代表了一种通讯接口(如VME底板接口)。根据配合PLC71的特定控制器，通讯接口75可能，例如，是一个VME支架，它包括另外的通讯板(如应用RS-422系列双向PLC口的2571型程序口扩大器组件)。用这种方式，视频系统63的图象处理器69把熔体水平、时间信号，控制信号和其它类似的信号经VME总线75传送到PLC71上。

控制单元51同样包括程序可控数字或模拟计算机77，尤其用于以摄象机53处理过的信号的一个函数来控制坩埚驱动单元43，单晶驱动单元47和加热电源27。如在图2所示的，PLC71经过线79(如RS-232电缆)和计算机77相互通讯，并且经过线85(如RS-485电缆)和一个或多个程序输入/输出模块相互通讯。根据本发明，计算机77提供一个操作界面，它允许晶体生长装置13的操作人员输入一系列所需的参数来生长特定的晶体。

在一个实施例中，视频系统63也经过线91(如RS-232电缆)和一台个人电脑相联系，同时经过线95(如RS-170RGB视频电缆)同图象显示器93相互通讯。图象显示器93显示由摄象机53产生的视频图象，并且用计算机87程序控制视频系统63。另一种选择是，计算机77,87能用一个计算机具体体现出来，它用程序控制晶体生长过程的自动化操作并且提供一个操作界面。此外应当理解，由特定系统所具体体现的视频系统63也包括它自己的计算机(未画出)或着和个人计算机77联合用于处理捕捉到的图象。

程序输入/输出模件83提供到晶体生长装置13的来去路径，来控制晶体的生长过程。作为一个例子，PLC71通过温度传感器59接受关于熔体温度的信息，并且经过程序输入/输出组件83把控制信号输出到加热器电源27上，来控制熔体温度因此控制生长过程。

图3显示了伴随着熔体下降和籽晶35浸渍的晶体生长过程的一个后期阶段。如图中所显示的，晶体31形成了晶体硅的一个圆柱体(如结晶块)。应该理解已生长的晶体，如晶体31，虽然它通常是圆柱形的，但一般不会有一个统一的直径。基于这个原因，它的直径可能沿着轴39在不同的轴向位置发生轻微的变化。进一步说，晶体31的直径会在晶体生长的不同时期发生变化(如籽晶，颈部，顶部，肩部，躯体和底部圆锥)。熔体29的表面99有一个液体状的弯月面101，它是在晶体31和熔体29之间的交界面形成的。如在本领域中已知的，坩埚19在弯月面101的映象是经常能看到的，呈明亮的环形并和晶体31相邻。

图3也描述了在硅晶体31生长过程中，一个放置在晶体生长装置13中的反射罩组件103。如在本领域中已知的，热区装置如反射罩组件103，是经常放置在坩埚19中的，来达到支配热量和/或气体流量的目的。例如，反射罩13通常是热的保护罩，用来保留住它下方和熔体29上方的热量。在本领域中技术人员熟悉各种不同的设计和材料(如石墨和灰色石英)。如图3所显示的，反射罩组件103有一个内表面105，它限定了晶体31被提拉出的中心开孔。按照本发明，在已知反射罩103上开孔的尺寸，并对映象或者说反射罩103在熔体29的表面99上的虚像103’测量的基础上，系统11提供熔体水平的测量和控制。如下文将要描述的，系统11便利地计算反射罩103和熔体水平45的高度，另外还确定这两者之间的间隙量度HR。

摄象机53放在真空室15的视口中，基本上瞄准于轴39和熔体29的表面99之间的交接处。在这种方式中，摄象机53的光线轴107对于轴39成一个锐角(如α≈15～35°)，因此，摄象机53提供了一个垂直区域的视野，它包括反射罩103的全部直径和103在熔体表面99上的映象103’的全部直径。摄象机53的镜头较好地提供一个水平视野，包含了反射罩103上的开孔的全部直径(如内部反射罩表面105的宽度)。由于摄象机53和反射罩103之间的距离发生可能导致可变性，影响光学放大。例如，增加摄象机53到反射罩103之间的距离会使它显得更小。进一步，摄象机53到熔体29之间的距离影响映象103’的外观。摄象机53是校准好的，因此焦距和图象尺寸是精确已知的。如在图3所示的，高度H和半径R定义了摄象机53的位置，高度HR定义了反射罩103的位置。在如图所示的具体例子中，相应于熔体水平45高度H和HR都被测量了。

当由PLC开始检测时，视频系统63的帧缓冲器67需要得到摄象机53以规律时间间隔(如每一秒钟一次)所产生的坩埚19内部的图象。由帧缓冲器67捕捉到的坩埚19内部的图象每一个都包括很多象素。如在本领域中已知的，每个象素都有一个代表图象光学特性的值。例如，象素值，或灰度级，对应于象素的强度。在本发明一个较好的实施例中，图象处理器69限定了至少两个重要的区域，它们由参考符号109在图4中标出。这些区域109也被称作窗口。在这个实施例中，图象处理器69检查区域109里的象素，以检测这个图象的光学特性(如象素的强度或者象素强度的梯度)。特别是，图象处理器69应用区域109中的两个边缘工具111(看图5)，并在已探测到的特性的基础上，来探测图象的边缘。在视频系统领域中，边缘被定义为图象中在一个相对小的空间区域中灰度发生了较大变化的区域。应当理解，除了或代替强度或强度梯度外，另一些图象的光学特性，如颜色或对比度也可以被探测用以发现边缘坐标。

如图4所示，系统11检查区域109的象素来探测反射罩103的左端边缘113，映象103’的左端边缘115，反射罩103的右端边缘117和映象103’的右端边缘119。在这种情况下，左端边缘113和右端边缘117之间的横过图象的距离，提供了反射罩103上的中心开孔的直径的测量。相似地，左端边缘115和右端边缘119之间的横过图象的距离，提供了映象103’的直径的测量。

图象处理器69较好地在图象中预先选择的位置限定了区域109，其对应于该图象希望包括反射罩103和它的映象103’的位置。换句话说，图象处理器69相对一个确定的中心线(如轴39)而限定了区域109。通过在预先选择的位置限定区域109，图象处理器69避免了已知的或预期的映象，热区装置以及其它可能引起谬误测量的东西。在一个较好的实施例中，区域109是程序可控的长方形的区域，它的尺寸和位置排除了不想要的图象。图象处理器69在区域109中动态地移动边缘工具111来发现静态的反射罩103的边缘和可变的映象103’的边缘。以这种方式，图象处理器69确定了沿着反射罩103内表面105的边缘坐标，和沿着相应映象103’的边缘坐标，并按下文所描述的进行处理。

图5是包括边缘工具111在内的109的右端区域的放大图。应当理解，区域109的左端部分的边缘探测同区域109的右端边缘探测是用相似的方式进行的。在本发明的一个实施例中，图象的边缘是用一个(X,Y)坐标系统来定义的，这个坐标系统的零点位于图象的底部左角。视频系统63执行软件在区域109中垂直地放置和移动这四个边缘探测工具111来探测左端边缘113,115的X坐标的最小值，和探测右端边缘117,119的X坐标的最大值。从X坐标的最大值中减去反射罩103和它的映象103’的X坐标的最小值，以象素数来确定各自的直径。然而在一些情况下(如非常低的熔体水平)，反射罩103可能阻碍映象103’的全部直径。如果这种情况发生，图象处理器69就用已知的圆形物体的公式包括“Y坐标”和“X坐标”来计算直径。

按照一种较好的扫描技术，109的每个区域包括两个边缘探测工具111(也称作扫描区域)。在这个图示的实施例中，一个较低(内部)的边缘工具111a扫描预先确定的区域109的下部，并且一个较高(外部)的边缘工具111b扫描预先确定的区域109的上部，以探测反射罩103的边缘和它在区域109中的映象103’的边缘。作为一个例子，下部边缘工具111a从底部开始向上移动，扫描62％的区域109，上部边缘工具111b从顶部开始向下移动，扫描38％的区域109。图5也画出了确定上部边缘工具111b中心的一个水平参考线121。在这个例子中，操作人员可以用区域109的高度的一个函数来编程控制一个补偿参数，这个参数确定了边缘工具111的垂直尺寸，也引起区域109上下移动，使得上部扫描区域111b关于水平参考线121垂直对中。例如，62的补偿参数导致下部扫描区域111a覆盖62％的区域109，并且导致上部扫描区域111b覆盖38％的区域109，和19％所关心的区域放置在水平参考线121的上部。

从区域109的底部开始，下部边缘工具111a相对于中心轴39水平地从区域109的内部边缘扫描到外部边缘。换句话说，下部边缘工具111a从左到右来探测映象103’的右端边缘119。然后图象处理器69就向上垂直地移动下部边缘工具。相反地，上部边缘工具111b从区域109的顶部开始相对于中心轴39水平地从区域109的外部扫描到内部。因此，上部边缘工具111b的扫描是从右到左的，来探测反射罩103的右端边缘117。然后图象处理器69就向下垂直地移动上部边缘工具。较好地，图象处理器69应用边缘工具111以每秒3次扫描的速率从区域109的一边扫描到另一边。

按照本发明的一个实施例，图象处理器69的边缘工具111探测区域109内的一个或多个边缘。例如，当图象处理器69在区域109中向上移动边缘工具111a时，由边缘工具111a所实施的几个从一边到一边的扫描能够探测映象103’的边缘。较好地，图象处理器69选择由边缘工具111a,111b所探测的区域109的右端边缘的最大X坐标值，来测量反射罩103和它的映象103’的直径。进一步，图象处理器69保存先前的已探测的边缘的最大X坐标值。在图5中，参照符号117’指出了反射罩103的一个先前的最右端的边缘，参照符号119’指出了映象103’的一个先前的最右端的边缘。以相似的方式，在区域109中左端区域的已探测的边缘的最小X坐标值也被选择用来测量直径。

现在看图6，系统11在已知反射罩103开孔的直径基础上和已测量反射罩103尺寸和它的映象或虚象103’尺寸的基础上，提供了熔体水平的测量和控制。在用平面镜的情况下，例如，虚象和物体的尺寸是同样大小的，并且它位于镜子的“后面”，和物体在镜子前的距离是一样的。系统11用象素计数反射罩103的直径和映象103’的直径，并和反射罩103的已知直径、摄象机53的校准信息一同，计算摄象机53到反射罩103的距离D和摄象机53到映象103’即反射罩103的虚象的距离D’。在一个实施例中，PLC71通过一个校准因子(以象素)乘以放大反射罩103(以毫米)上的中心开孔的已知直径，并且用反射罩103、映象103’的已测量的直径除这个乘积，相应地得到距离D和D’。操作人员在参照摄象机53的详细说明书的基础上，在安装过程中确定这个校准因子。例如，摄象机53的镜头有12.5mm的焦距，它的图象平面测量9.804×10^-3mm/象素。在本发明中，PLC71用12.5/(9.804×10^-3)象素的校准因子。在这个例子中，反射罩103典型地有一个已知几百毫米的直径，其主要取决于正生长的晶体31的尺寸。

在一个较好的实施例中，在确定距离D’之前，由PLC执行的程序调整映象103’的直径测量，因为表面99并不是精确的平面(由于坩埚19的旋转，表面99趋于盘形)。因此，对摄象机53来说，图象尺寸的差别是到摄像机53的距离D和D’的函数。

在图6中，在各自的距离D和D’的基础上，系统11计算反射罩103和映象103’的Y坐标。在这种情况下，系统11定义了一个(x,y)坐标系统，它以中心轴39上的摄象机的高度为零点。系统11也计算从提拉杆的中心线(如轴39)到摄象机53的距离X。较好地，操作人员从晶体生长装置13的机械说明书上得到X值和摄象机53的安装信息。在此例中，x=X=R。用这些尺寸，系统11定义：

反射罩位置： $Y=\sqrt{D^2-X^2}$

虚象： $Y^{\′}=\sqrt{D^{\′2}-X^2}$

熔体水平： $\mathrm{ML}=\frac{Y+Y^{\′}}{2}$

反射罩高度： $\mathrm{HR}=\frac{Y^{\′}-Y}{2}$

为了应用，熔体水平45被定义为从摄象机53到熔体29的表面99的垂直距离。一旦摄象机53到加热器21的顶端的垂直距离固定下来后，通过计算，相对于加热器21熔体水平45也能被确定下来。

在操作中，图象处理器69在图象的左端和右端定义区域109，并且探测边缘工具111内图象的强度梯度特征。控制单元51在已探测的边缘的基础上较好地确定熔体水平参数ML和反射罩高度参数HR，来用于控制晶体生长过程。因此，图象处理器69组成了一个探测电路，一个限定电路和一个测量电路，并且PLC71组成了一个控制电路。

图7图示了系统11的一个示意的初始化程序123。从步骤125开始，初始化程序123需要把已知的数据输送到PLC71。在这种情况下，已知的数据包括反射罩103的直径，透镜的焦距和摄象机53的图象平面的尺寸(为了校准)和距离X。距离X，也以R表示，代表了从摄象机53到中心轴39(如提拉索37)的距离。在一个较好的晶体生长装置13中，摄象机53放置在离中心轴39大约400mm的地方。在一些情况下，操作人员也输入从原反射罩高度测量中减去的反射罩103的垂直厚度。例如，灰色石英反射罩大约4mm厚，石墨反射罩大约33mm厚。

在步骤127中，操作人员校准摄象机53，使得视野包括所研究的高温区特征(如反射罩103和它在熔体29的表面99上的映象103’)。典型地，晶体生长装置13的视口包括一个滤光器，如一个金制的红外滤光器。在步骤127中，操作人员把摄象机53的镜头调整到滤光器的几个毫米(如2-5mm)。操作人员根据视口的底部和顶部放置摄象机53。例如，镜头的底部边缘离视口上滤光器的底部边缘大约有40-45mm。否则，摄象机53可能在视口上太高，因此就太靠近中心轴39。这就导致视口本身妨碍反射罩103的视野。相反地，如果摄象机53在视口上放置的太低，就会离中心轴39太远，因此反射罩103的上部会妨碍观察晶体31的全部直径。较好地，操作人员根据视口的左边和右边来固定摄象机53的中心。

作为步骤131的一部分，操作人员完成一个最终的摄象机和视觉工具的校准。特别是，操作人员程序化控制区域109的尺寸和位置来减少不需要的边缘的数量，这些边缘由边缘工具111所测定。例如，操作人员以垂直图象尺寸的一个函数来设置所研究的每个区域109的高度。较好地，操作人员设置高度来包括反射罩103的边缘，它的全部直径靠近区域109的顶部，和包括全部的映象103’，直到在视野中被靠近区域109底部的反射罩103隐藏起来。相似地，操作人员以水平图象尺寸的一个函数来设置每个区域109的宽度，来包括靠近区域109外侧的反射罩103的边缘，和包括足够的映象103’以提供内部边缘工具扫描的一个边缘“目标”。操作人员也可以进一步地以“微调”来调整摄象机53的位置，排除由视口引起的任何边缘。在步骤131中，对于外部和内部(上部和下部，分别地)边缘工具111，操作人员也保证有足够的扫描面积。当外部边缘工具111正扫描一个固定的目标(如反射罩103的一个边缘)时，它们的面积(如38％大小的区域109)可能比内部边缘工具111扫描的一个可能移动的目标(如映象103’的一个边缘)的面积要小，这个移动的目标由于熔体水平45的变化而移动。

在步骤133中，操作人员定义边缘工具111的边缘检测阈值来探测反射罩103。相似地，操作人员调整步骤135中的边缘检测阈值来探测映象103’。边缘强度临界参数控制那些已被检测的和已被忽略的边缘。边缘工具111测量光强度的变化并且沿着窗口的长度为这些变化计算“分数”。如果分数比阈值大，工具111就汇报一个在那个位置的边缘。在一个实施例中，设置边缘工具111向PLC汇报第一个边缘。例如，如果检测晶体弯月面101，也可设置另外的边缘检测工具汇报最强、最好的边缘。边缘工具111定向地朝内测量外部边缘，并且朝外测量内部边缘。例如，操作人员设置一个外部边缘强度阈值，来保证外部测量工具正确地发现反射罩103的上部边缘。既然外部测量工具111是向内朝着图象的中心观测，那么如果边缘发现的太块(反射罩103的外部)，这个值可能就需要增加，或者如果未得到正确的边缘，这个值就要减小。相似地，操作人员设置一个内部边缘强度阈值来保证内部边缘工具111正确地发现映象103’。既然内部边缘工具是远离图象的中心朝外观测的，如果边缘被发现的太快(映象103’的内部)，这个值就需要增加，或者未得到正确的边缘它就需要减小。对不同材料做成的反射罩来说，阈值也是不同的，这一点也是能理解的。

现在看图8A和8B，包括控制单元51在内的系统11按照流程图141并跟随预置初始值来运行，以提供晶体生长装置13的闭合控制。从步骤143开始，摄象机53产生坩埚19内部的图象，包括反射罩103的图象和它的映象103’。在步骤145中，视频系统63的帧缓冲器67通过图象处理器69捕捉并处理摄象机53的视觉图象信号。

在步骤149中视频系统63开始在区域109中进行边缘探测。图象处理器69与PLC协力运行，用象素值的函数来处理这些图象，以检测图象的边缘。较好地，处理器69执行几个程序来分析图象，包括分析图象中限定区域灰度变化(以图象明暗度的一个函数)的边缘检测程序。发现和计数图象边缘的各种边缘检测算符或算法对技术人员来说是已知的。例如，合适的边缘检测程序包括Canny或Hough算法。应当理解除了强度，图象的其它特征，像强度梯度，颜色或对比度也能用来从熔体29本身光学地区分弯月面101或熔体29的表面99上其它物体。

在步骤149中，图象处理器69用左端区域109的上部边缘工具111向内扫描，来检测反射罩103的边缘。如果在步骤151中图象处理器69确定边缘未被检测到，它就在步骤153中汇报一个临近图象左端界线的已检测到的边缘。换句话说，如果图象是640象素宽，图象处理器69用象素#1报告一个边缘。这就使PLC认识到并未扫描到一个真实的边缘。相似地，图象处理器69在步骤157中用左端区域109的下部边缘工具111向外扫描以检测映象103′的边缘。如果在步骤159中图象处理器69确定边缘未被检测到，它就在步骤161中报告一个临近图象右端界线的已检测到的边缘。在这种情况下，图象处理器69用象素#639报告一个边缘，以使PLC认识到并未扫描到一个真实的边缘。

进行到步骤165处理右端区域109，图象处理器69用右端区域109的下部边缘工具111向外扫描以检测映象103′的一个边缘。如果图象处理器69在步骤167中确定边缘未被检测到，它就在步骤169中报告一个临近图象左端界线的已检测到的边缘。换句话说，图象处理器69以象素#1报告一个无效的边缘。相似地，图象处理器69在步骤173中用右端区域109的上部边缘工具111向内扫描，以检测反射罩103的一个边缘。如果在步骤175中图象处理器69确定边缘未被检测到，它就在步骤177中报告一个临近图象右端界线的已检测到的边缘。在这种情况下，图象处理器69以象素#639报告一个无效的边缘。如果图象处理器69在步骤179中完成对区域109的扫描，它就进行图8B中的步骤181。另一方面，如果边缘工具111未在相应地扫描区域109的端部，图象处理器返回到以步骤149开始的扫描程序中。

在已检测到的边缘的基础上，图象处理器69选择最大和最小的X坐标值并以象素数为度量测量反射罩103的直径和它的映象103′的直径。步骤173中检测的最右端边缘和在步骤149中检测的最左端边缘存在着差异，在此基础上，图象处理器69在步骤181中确定反射罩103的直径。步骤165中检测的最右端边缘和在步骤157中检测的最左端边缘存在着差异，在此基础上，图象处理器用相似的方式在步骤183中确定映象103’的直径。然后图象处理器69进行步骤185，经过VME总线75向控制单元51的PLC报告测量的直径。

在步骤189中，PLC71接收到映象103’的已测量的直径并且对它进行调整，以向坩埚旋转对熔体表面99所造成的影响提供一定程度的补偿。如上文所述，坩埚19的旋转导致表面99呈“盘形”而不是精确的平面形。在一个较好实施例中，PLC71通过一个补偿系数CF乘映象103’已测的直径来补偿坩埚旋转效应。

补偿系数：CF=(1-0.00012×RPM²)

本领域技术人员会认识到补偿系数能用其它的方式所确定。例如，在此引入参考Faber，物理学家流体动力学(“Fluid Dynamic forPhysicists”),1995,P42，教导了旋转容器对容器中的液体的表面的影响并提供了方程式，通过数学计算可以从这个方程式中得到一个补偿系数。

在进行步骤191中，PLC用反射罩103的已测的直径和映象103’的已校正的直径来计算一些参数。在本发明的这个实施例中，PLC71计算从摄象机53到反射罩103的距离D和从摄象机53到相应的虚象(即映象103’)的距离D’。基于这些计算，PLC71确定反射罩的垂直位置Y和相应的虚象(即映象103’)的垂直位置Y’。最后，PLC71计算反射罩高度参数HR和熔体水平参数ML(也用图3中的高度H表示)。然后控制单元51就执行响应于这些被确定的参数的程序来控制晶体生长装置13。在一个较好的实施例中，控制单元51的PLC71对已测定的熔体水平，反射罩水平和熔体间隙作出反应，来控制晶体生长过程。特别地，PLC对这些参数的测量作出反应，以控制坩埚19的水平，加热器21的温度和旋转速度和/或提拉速度，由此控制了晶体生长装置13。由此，闭合环路控制被执行。

鉴于上述情况，看到本发明的几个目标已经达到，其它一些有利的结果已经取得。

由于在上述的结构和方法中能够进行各种不同的变化而不超出本发明的范围，因此认为上文中所描述的和在附图中所显示的应理解为说明性的，而不具限制性含义。

Claims (10)

1．一种与生长硅单晶的装置结合使用的方法，所述晶体生长装置有一个盛着硅熔体的加热坩埚，从这里晶体被提拉出去，所述晶体生长装置也有一个放置在坩埚中熔体上部的反射罩，所述反射罩有一个限定晶体提拉出的中心开孔的内部表面，所述熔体有一个上层表面，在它上面能看到反射罩的映象，所述晶体沿着同熔体上层表面基本垂直的中心轴被提拉出来，所述方法包含下述步骤：

用摄象机产生一部分反射罩的图象和反射罩在熔体上层表面的一部分映象，每个所述图象都包括许多象素，每个所述象素都有一个代表图象光学特性的值；

处理这些图象作为这些象素值的函数，以检测图象中反射罩的边缘和映象的边缘，所述映象的边缘对应于反射罩的虚象；

在图象中已检测到的边缘相对位置的基础上，确定摄象机到反射罩的距离和摄象机到反射罩虚象的距离；

在确定距离的基础上，至少确定代表晶体生长装置一种状态的一个参数，并且

控制晶体生长装置对这些确定的参数作出反应。

2．根据权利要求1的方法，其中，图象处理步骤包括至少检测反射罩的两个边缘和测量它们之间的距离，并以象素数确定反射罩的尺寸，并且该方法包括至少检测映象的两个边缘并测量它们之间的距离，并以象素数确定反射罩虚象的尺寸。

3．根据权利要求2的方法，其中，反射罩上中心开孔有一个预先确定的直径，且进一步包括步骤：把已测定的反射罩和它的虚象的尺寸分别转变为从摄象机到反射罩的距离和摄象机到虚象的距离，作为反射罩上中心开口的直径和摄像机校准系数的函数。

4．根据权利要求1的方法，其中，参数确定步骤至少确定一个下述参数：

相对于一个参考符号的代表熔体上部表面水平的熔体水平参数；

相对于一个参考符号的代表反射罩位置的反射罩位置参数；和

相对于熔体上部表面的代表反射罩位置的反射罩高度参数。

5．根据权利要求4的方法，其中，确定熔体水平参数的步骤进一步包含计算： $\mathrm{ML}=\frac{1}{2}(\sqrt{D^2-X^2}+\sqrt{D^{\′2}-X^2})$

在这里，ML是相对于摄象机垂直位置的熔体水平；D是摄象机到反射罩的距离；D′是摄象机到反射罩虚象的距离；X是中心轴到摄象机的距离；

其中，测定反射罩位置参数的步骤进一步包括计算： $Y=\sqrt{D^2-X^2}$

在这里，Y是相对于摄象机垂直位置的反射罩位置；

其中，测定反射罩高度参数的步骤进一步包括计算： $\mathrm{HR}=\frac{1}{2}(\sqrt{D^{\′2}-X^2}-\sqrt{D^2-X^2})$

在这里，HR是相对于熔体上层表面的反射罩高度。

6．根据权利要求1的方法，其中，由于坩埚的旋转使熔体上层表面在晶体生长过程中并不呈平面形，且进一步包括步骤：在确定摄象机到反射罩虚象的距离中对坩埚旋转进行补偿，且在已补偿的距离的基础上，确定至少代表晶体生长装置一种状态的一个参数。

7．根据权利要求6的方法，其中，补偿步骤包括调整摄象机到反射罩虚象的所确定的距离作为坩埚旋转的速率的函数。

8．根据权利要求1的方法，其中，反射罩上的中心开孔有一个预先确定的直径，且进一步包括步骤：限定多个图象窗口区域，这些图象窗口区域位于相对于中心轴辐射状分布的位置，并且距中心轴大约为中心开孔直径的一半的距离。

9．根据权利要求8的方法，其中，图象处理步骤包括确定一个在每个窗口区域内的边缘检测工具来检测反射罩的边缘，并确定另一个在每个窗口区域内的边缘检测工具来检测映象的边缘。

10．根据权利要求1的方法，其中，晶体生长装置提供晶体和坩埚之间的相对运动，并且其中，控制步骤包括控制一个或多个下述条件来对已确定的参数作出反应以控制晶体生长装置：

晶体和坩埚之间的相对运动；

晶体从熔体中提拉出来的速率；和

熔体的温度。

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