EP0938599A1 - Method and device for monitoring a melt for producing crystals - Google Patents

Method and device for monitoring a melt for producing crystals

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Publication number
EP0938599A1
EP0938599A1 EP98947503A EP98947503A EP0938599A1 EP 0938599 A1 EP0938599 A1 EP 0938599A1 EP 98947503 A EP98947503 A EP 98947503A EP 98947503 A EP98947503 A EP 98947503A EP 0938599 A1 EP0938599 A1 EP 0938599A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
crucible
camera
melt
initiated
process step
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP98947503A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Burkhard ALTEKRÜGER
Joachim Aufreiter
Dieter BRÜSS
Klaus Kalkowski
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Leybold Systems GmbH
Original Assignee
Leybold Systems GmbH
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Filing date
Publication date
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Priority claimed from DE1998117709 external-priority patent/DE19817709B4/en
Application filed by Leybold Systems GmbH filed Critical Leybold Systems GmbH
Publication of EP0938599A1 publication Critical patent/EP0938599A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/20—Controlling or regulating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/20—Controlling or regulating
    • C30B15/22—Stabilisation or shape controlling of the molten zone near the pulled crystal; Controlling the section of the crystal
    • C30B15/26—Stabilisation or shape controlling of the molten zone near the pulled crystal; Controlling the section of the crystal using television detectors; using photo or X-ray detectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/08—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring diameters
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
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    • Y10S117/90—Apparatus characterized by composition or treatment thereof, e.g. surface finish, surface coating
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T117/10—Apparatus
    • Y10T117/1004—Apparatus with means for measuring, testing, or sensing
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    • Y10T117/1008—Apparatus with means for measuring, testing, or sensing with responsive control means
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    • Y10T117/1004—Apparatus with means for measuring, testing, or sensing
    • Y10T117/1012—Apparatus with means for measuring, testing, or sensing with a window or port for visual observation or examination

Definitions

  • the invention relates to a device according to the preamble of patent claim 1 and a method according to the preamble of patent claim 4.
  • a method for pulling a single crystal from a melt in which the individual crystals are pulled up while the data based on numerous conditions which influence the pulling process are recorded and compared with corresponding other data (EP 0 536 405 AI) .
  • z. B a laser beam on the surface of a melt located in a crucible. The position of the molten surface is determined on the basis of the detection of a reflected laser beam, and the crucible is raised in accordance with the difference between the measured position and a predetermined position.
  • an optical system or a method for regulating the growth of a silicon crystal in which the diameter of a silicon crystal which is drawn from a melt is measured with the aid of a television camera, the surface of this melt having a meniscus which acts as a light area is visible in the vicinity of the silicon crystal (EP 0 745 830 A2).
  • an image pattern of part of the bright area near the silicon crystal is first imaged by means of a camera.
  • the characteristics of the image pattern are then detected.
  • the characteristic of an image pattern is, for example, the light intensity gradient.
  • An edge of the bright area is then defined as a function of the detected characteristics.
  • the invention is therefore based on the object of monitoring the melting process of raw materials, from which single crystals are subsequently drawn.
  • the advantage achieved by the invention is, in particular, that the process time is shortened, overheating of the melt and crucible is avoided and the ⁇ 2 "age of the melt is minimized. It is through the use of a special sensor It is therefore possible to carry out a meltdown check before the melted material has completely melted. In addition, individual differences per batch can be recognized and taken into account.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of a device according to the invention
  • 2a shows a plan view of a crucible with melting material
  • FFiigg .. 22bb a graphical representation of the brightness distribution along a horizontal line on the crucible
  • FIG. 3 shows an enlarged representation of a measuring window of a camera directed at the surface of a crucible
  • Fig. 4 is a flowchart relating to the process flow in the detection of solid or liquid components of a melt.
  • This device 1 shows a device 1 with which it is possible to recognize the melting of a melting material at an early stage.
  • This device 1 is based on an optical principle, according to which those areas of a melt which are liquid emit less visible light than those areas which are still solid or which have solidified out of the melt.
  • the color and / or color saturation principle can also be used, because molten materials differ from unmelted material not only in terms of brightness, but also in terms of color and / or color saturation.
  • a camera 2 which can be a CCD video camera.
  • This camera 2 is arranged obliquely above a crucible 7, in which a melt 3 is located. With this camera 2, the surface 4 of the melt 3 or at least a part of this surface 4 is viewed.
  • the crucible 7 can be moved via a shaft 5 and a gear 6 with the aid of a motor 9, for example from top to bottom. It is also possible to make it rotate.
  • the crucible 7 is located in a housing which consists of an upper part 12, a middle part 13 and a lower part 14.
  • the lower part 14 is provided with two gas outlet openings 25, 26.
  • An electric heater 16 is arranged around the gel 7 and is supplied with electrical energy from a heating power supply 17.
  • parts (not shown) can be brought into the vicinity of the melt 3.
  • the threaded rod 18 is surrounded by a cylindrical bulge or a tube 23 of the upper part 12, which is provided with a gas inlet opening 24.
  • the output signals of the camera 2 are fed to an image evaluation unit 37, which exchanges data with a controller 38.
  • This control 38 can be influenced by means of an operating unit 39, for example a keyboard.
  • Control 38 it is possible to control the drive 6, 9 for the crucible 7 and the heating power supply 17.
  • the crucible 7 is shown in a view from above.
  • liquid material 50 e.g. B. liquid silicon, in which there are some islands
  • the liquid melt 50 emits less brightness than the solidified islands 51 to 54 because the solidified material reflects the visible light better than the liquid material. As a result, the islands 51 to 54 appear lighter than the liquid material 50 surrounding them.
  • a measurement window is designated, which corresponds to the viewing angle of the camera 2, d. H. the camera 2 captures the area of the crucible 7 defined by the measuring window 55.
  • the reference number 56 denotes a measuring line, the meaning of which will be discussed further below.
  • 2b shows the brightness of the content of the crucible in an x coordinate. It can be seen here that in those places where the fixed islands 51 to 54 are located, a greater brightness B ⁇ . . . B4 prevails as in those places where the liquid melt is located.
  • measuring window 55 shows the measuring window 55 with the melt 50 and the islands 51 to 54 located therein once again on an enlarged scale.
  • About the measuring Window 55 are several horizontal and vertical measuring lines 60 to 69 and 70 to 86, which form a grid. These measuring lines 60 to 69, 70 to 86 are scanning lines and columns of the CCD camera 2. The measuring window recorded by the CCD camera 2 is thus scanned line by line and column by column, ie the scanning lines and - shown in FIG. columns are controlled time-multiplexed.
  • the area of island 52 can be calculated.
  • the areas of the other islands 51, 53, 54 can be calculated in a corresponding manner. This in turn creates the possibility of determining the ratio of the liquid surface to the solid surface. Various values can be set for these ratios, upon reaching which certain process steps are carried out.
  • the disappearance of the portion of the solid surface is of particular interest because this state indicates a finished melt. Since the disappearance of the solid bodies can be simulated for various reasons, a predetermined holding time is observed during which the
  • the process flow according to the invention is shown in the form of a flow chart.
  • start - block 100 the surface of the melt imaged by the CCD camera 2 is read as an image in digital form into a memory (not shown), which is indicated by block 101.
  • the scanned image is now, cf.
  • Block 102 scanned line by line and / or column by column and checked for brightness. Whenever the difference in brightness between adjacent points in a row and / or a column exceeds a predetermined threshold value, the location coordinate of the transition point - the so-called edge - is determined and stored, cf. Block 103.
  • the points P j to P9 of the island 52 can be found.
  • a curve can be laid through these points P j to P, so that the contour of the island 52 is known.
  • the area of the island 52 can be calculated from this.
  • a predefined melt-solid behavior can be defined, upon reaching which a certain process step is to be carried out. This is indicated by block 105.
  • Such a process step can consist, for example, in reducing the heating power for the heating element 16 or in increasing the speed of the crucible.
  • the threshold for the number of edges can e.g. B. can be entered via the control unit 39.
  • This hold time ensures that all materials have actually melted and that you can now start pulling a crystal.
  • the selected holding time depends on the number of revolutions of the crucible. If the crucible is turned quickly, the holding time can be shortened because the increased number of turns means that any that are still not melted
  • Chunks get to an area faster where they melt.

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Abstract

The invention relates to a device for monitoring a melt for producing crystals. The device thus comprises a camera which provides an image for at least parts of the surface of the contents of a crucible. The camera image is evaluated with respect to solid and liquid fractions of the surface of the contents of said crucible by means of an evaluation device.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN FÜR DIE ÜBERWACHUNG EINER SCHMELZE FÜR DIE HERSTELLUNG VON KRISTALLEN DEVICE AND METHOD FOR MONITORING A MELT FOR THE PRODUCTION OF CRYSTALS
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4.The invention relates to a device according to the preamble of patent claim 1 and a method according to the preamble of patent claim 4.
Wenn ein Material, beispielsweise Si-Polymaterial, in einem Quarztiegel eingeschmolzen wird, vollzieht sich der Übergang vom festen zum flüssigen Zustand in der Regel nicht abrupt, sondern allmählich. In der Praxis der Herstellung von Kristallen ist es von großer Bedeutung, den jeweiligen Schmelzzustand genau zu kennen bzw. zu erkennen, weil dieser Zustand die vorzunehmenden Verfahrensschritte bestimmt.When a material, for example Si-polymer material, is melted in a quartz crucible, the transition from the solid to the liquid state generally does not occur abruptly, but gradually. In the practice of the production of crystals, it is very important to know or recognize the respective melting state precisely, because this state determines the process steps to be carried out.
Es gibt erfahrene Schmelz-Fachleute, die aus dem Oberflächenbild eines Schmelztiegels exakt auf den Zustand der Schmelze schließen können. Außerdem ist eine auto- matische Erkennung des Zustands einer Schmelze bekannt, bei welcher als SensorenThere are experienced melting experts who can draw a precise conclusion on the condition of the melt from the surface image of a crucible. In addition, automatic detection of the state of a melt is known, in the form of sensors
Pyrometer verwendet werden, was jedoch zu einer unzuverlässigen und mit langen Zeitkonstanten behafteten Regelung führt.Pyrometers are used, but this leads to an unreliable and long time constant control.
Für eine verbesserte automatische Regelung des Ziehprozesses eines Einkristalls sind schon verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden. So ist beispielsweise ein Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls aus einer Schmelze bekannt, bei dem die einzelnen Kristalle hochgezogen werden, während die auf zahlreichen Bedingungen basierenden Daten, die den Ziehprozeß beeinflussen, erfaßt und mit entsprechenden anderen Daten verglichen werden (EP 0 536 405 AI). Hierbei trifft z. B. ein Laserstrahl auf die Oberfläche eines in einem Tiegel befindlichen Schmelzguts. Aufgrund der Erkennung eines reflektierten Laserstrahls wird die Position der geschmolzenen Oberfläche ermittelt, und der Tiegel wird entsprechend der Differenz zwischen der gemessenen Position und einer vorgegebenen Position nach oben gehoben. Mit diesem bekannten Verfahren ist jedoch keine zuverlässige Prozeßüberwachung während der Einschmelzphase möglich. Weiterhin ist ein optisches System bzw. ein Verfahren zum Regeln des Wachstums eines Siliziumskristalls bekannt, bei dem mit Hilfe einer Fernsehkamera der Durchmesser eines Siliziumkristalls gemessen wird, der aus einer Schmelze gezogen wird, wobei die Oberfäche dieser Schmelze einen Meniskus aufweist, der als heller Bereich in der Nähe des Siliziumkristalls sichtbar ist (EP 0 745 830 A2). Bei diesem System wird zunächst ein Bildmuster eines Teils des hellen Bereichs in die Nähe des Siliziumkristalls mittels einer Kamera abgebildet. Sodann werden die Charakteristika des Bildmusters detektiert. Als Charakteristikum eines Bildmusters gilt beispielsweise der Licht-Intensitätsgradient. Hierauf wird eine Kante des hellen Bereichs als Funk- tion der detektierten Charakteristika definiert. Anschließend wird eine Kontur, welche die definierte Kante des hellen Bereichs beschließt, definiert, und schließlich wird der Durchmesser der definierten Kontur ermittelt, wobei der Durchmesser des Siliziumkristalls als Funktion des ermittelten Durchmessers der definierten Kontur ermittelt wird. Nachteilig ist bei diesem bekannten System, daß die Genauigkeit bei einigen Anwendungsfällen noch nicht groß genug ist und insbesondere äußere Störeinflüsse nicht hinreichend berücksichtigt werden.Various methods have already been proposed for improved automatic control of the pulling process of a single crystal. For example, a method for pulling a single crystal from a melt is known, in which the individual crystals are pulled up while the data based on numerous conditions which influence the pulling process are recorded and compared with corresponding other data (EP 0 536 405 AI) . Here, z. B. a laser beam on the surface of a melt located in a crucible. The position of the molten surface is determined on the basis of the detection of a reflected laser beam, and the crucible is raised in accordance with the difference between the measured position and a predetermined position. With this known method, however, no reliable process monitoring is possible during the melting phase. Furthermore, an optical system or a method for regulating the growth of a silicon crystal is known, in which the diameter of a silicon crystal which is drawn from a melt is measured with the aid of a television camera, the surface of this melt having a meniscus which acts as a light area is visible in the vicinity of the silicon crystal (EP 0 745 830 A2). In this system, an image pattern of part of the bright area near the silicon crystal is first imaged by means of a camera. The characteristics of the image pattern are then detected. The characteristic of an image pattern is, for example, the light intensity gradient. An edge of the bright area is then defined as a function of the detected characteristics. Subsequently, a contour that closes the defined edge of the bright area is defined, and finally the diameter of the defined contour is determined, the diameter of the silicon crystal being determined as a function of the determined diameter of the defined contour. The disadvantage of this known system is that the accuracy is not yet high enough in some applications and, in particular, external interference is not adequately taken into account.
Um diese Nachteile zu beseitigen, wurde bereits vorgeschlagen, neben einer ersten Kamera, die einen ersten Bereich eines Kristalls abbildet, noch eine zweite Kamera vorzusehen, welche einen zweiten Bereich des Kristalls abbildet, wobei in einer Auswerteschaltung aus den Abbildungen der beiden Kameras der Durchmesser des Kristalls ermittelt wird (nicht veröffentlichte deutsche Patentanmeldung 197 38 438.2). Hierdurch ist es möglich, den tatsächlichen und aktuellen Kristalldurchmesser in allen Phasen des Züchtungsprozesses genau und störungsfrei zu erfassen. Der Ein- schmelzvorgang als solcher ist mit der vorgeschlagenen Einrichtung nicht überwachbar.In order to eliminate these disadvantages, it has already been proposed to provide, in addition to a first camera that images a first region of a crystal, a second camera that images a second region of the crystal, the diameter of the Crystals is determined (unpublished German patent application 197 38 438.2). This makes it possible to record the actual and current crystal diameter precisely and trouble-free in all phases of the growth process. The melting process as such cannot be monitored with the proposed device.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, den Einschmelz- Vorgang von Grundstoffen zu überwachen, aus denen anschließend Einkristalle gezogen werden.The invention is therefore based on the object of monitoring the melting process of raw materials, from which single crystals are subsequently drawn.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 4 gelöst.This object is achieved in accordance with the features of claims 1 and 4, respectively.
Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß die Prozeßzeit verkürzt, eine Überhitzung von Schmelze und Tiegel vermieden und der θ2"Ge alt der Schmelze minimiert wird. Durch die Verwendung eines speziellen Sensors ist es somit möglich, bereits vor dem völligen Aufschmelzen des Schmelzguts eine Ein- schmelz-Kontrolle durchzuführen. Außerdem können individuelle Differenzen pro Charge erkannt und berücksichtigt werden.The advantage achieved by the invention is, in particular, that the process time is shortened, overheating of the melt and crucible is avoided and the θ2 "age of the melt is minimized. It is through the use of a special sensor It is therefore possible to carry out a meltdown check before the melted material has completely melted. In addition, individual differences per batch can be recognized and taken into account.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:An embodiment of the invention is shown in the drawings and will be described in more detail below. Show it:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;1 shows a schematic diagram of a device according to the invention;
Fig. 2a eine Draufsicht auf einen Tiegel mit Schmelzgut;2a shows a plan view of a crucible with melting material;
FFiigg.. 22bb eine grafische Darstellung der Helligkeitsverteilung entlang einer horizontalen Linie auf dem Tiegel;FFiigg .. 22bb a graphical representation of the brightness distribution along a horizontal line on the crucible;
Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung eines Meßfensters einer auf die Oberfläche eines Tiegels gerichteten Kamera;3 shows an enlarged representation of a measuring window of a camera directed at the surface of a crucible;
Fig. 4 ein Flußdiagramm betreffend den Prozeßablauf bei der Erkennung von festen bzw. flüssigen Bestandteilen einer Schmelze.Fig. 4 is a flowchart relating to the process flow in the detection of solid or liquid components of a melt.
In der Fig. 1 ist eine Vorrichtung 1 dargestellt, mit der es möglich ist, das Aufschmelzen eines Schmelzguts frühzeitig zu erkennen. Diese Vorrichtung 1 beruht auf einem optischen Prinzip, wonach diejenigen Bereiche einer Schmelze, die flüssig sind, weniger sichtbares Licht aussenden als solche Bereiche, die noch fest sind oder die sich aus der Schmelze heraus verfestigt haben. Statt oder neben diesem Helligkeitsprinzip kann auch das Farbton- und/oder Farbsättigungsprinzip verwendet werden, denn geschmolzene Materialien unterscheiden sich von nicht geschmolzenem Material nicht nur durch die Helligkeit, sondern auch durch Farbton und/oder Farbsättigung.1 shows a device 1 with which it is possible to recognize the melting of a melting material at an early stage. This device 1 is based on an optical principle, according to which those areas of a melt which are liquid emit less visible light than those areas which are still solid or which have solidified out of the melt. Instead of or in addition to this brightness principle, the color and / or color saturation principle can also be used, because molten materials differ from unmelted material not only in terms of brightness, but also in terms of color and / or color saturation.
Zur Erkennung der Helligkeit der Schmelze ist eine Kamera 2 vorgesehen, bei der es sich um eine CCD- Video-Kamera handeln kann. Diese Kamera 2 ist schräg oberhalb eines Tiegels 7 angeordnet, in dem sich eine Schmelze 3 befindet. Mit dieser Kamera 2 wird die Oberfläche 4 der Schmelze 3 oder wenigstens ein Teil von dieser Ober- fläche 4 betrachtet.To detect the brightness of the melt, a camera 2 is provided, which can be a CCD video camera. This camera 2 is arranged obliquely above a crucible 7, in which a melt 3 is located. With this camera 2, the surface 4 of the melt 3 or at least a part of this surface 4 is viewed.
Der Tiegel 7 kann über eine Welle 5 und ein Getriebe 6 mit Hilfe eines Motors 9 bewegt werden, beispielsweise von oben nach unten. Es ist auch möglich, ihn in eine Drehbewegung zu versetzen. Der Tiegel 7 befindet sich in einem Gehäuse, das aus einem oberen Teil 12, einem mittleren Teil 13 und einem unteren Teil 14 besteht. Der untere Teil 14 ist hierbei mit zwei Gasauslaßöffnungen 25, 26 versehen. Um den Tie- gel 7 herum ist eine elektrische Heizung 16 angeordnet, die aus einer Heizstromversorgung 17 mit elektrischer Energie versorgt wird. Mit einer Gewindestange 18, die von einem Motor 19 angetrieben wird, können nicht dargestellte Teile in die Nähe der Schmelze 3 gebracht werden. Die Gewindestange 18 ist von einer zylindrischen Ausbuchtung bzw. einem Rohr 23 des oberen Teils 12 umgeben, das mit einer Gaseinlaßöffnung 24 versehen ist.The crucible 7 can be moved via a shaft 5 and a gear 6 with the aid of a motor 9, for example from top to bottom. It is also possible to make it rotate. The crucible 7 is located in a housing which consists of an upper part 12, a middle part 13 and a lower part 14. The lower part 14 is provided with two gas outlet openings 25, 26. To the animal An electric heater 16 is arranged around the gel 7 and is supplied with electrical energy from a heating power supply 17. With a threaded rod 18, which is driven by a motor 19, parts (not shown) can be brought into the vicinity of the melt 3. The threaded rod 18 is surrounded by a cylindrical bulge or a tube 23 of the upper part 12, which is provided with a gas inlet opening 24.
Die Ausgangssignale der Kamera 2 werden einer Bildauswerteeinheit 37 zugeführt, die Daten mit einer Steuerung 38 austauscht. Diese Steuerung 38 kann mittels einer Bedieneinheit 39, beispielsweise einer Tastatur, beeinflußt werden. Mit Hilfe dieserThe output signals of the camera 2 are fed to an image evaluation unit 37, which exchanges data with a controller 38. This control 38 can be influenced by means of an operating unit 39, for example a keyboard. With the help of this
Steuerung 38 ist es möglich, den Antrieb 6, 9 für den Tiegel 7 sowie die Heizstromversorgung 17 zu steuern.Control 38 it is possible to control the drive 6, 9 for the crucible 7 and the heating power supply 17.
In der Fig. 2a ist der Tiegel 7 in einer Ansicht von oben gezeigt. In diesem Tiegel 7 befindet sich flüssiges Material 50, z. B. flüssiges Silizium, in dem sich einige Inseln2a, the crucible 7 is shown in a view from above. In this crucible 7 there is liquid material 50, e.g. B. liquid silicon, in which there are some islands
51 bis 54 aus erstarrtem Material befinden. Die flüssige Schmelze 50 sendet dabei weniger Helligkeit aus als die erstarrten Inseln 51 bis 54, weil das erstarrte Material das sichtbare Licht besser reflektiert als das flüssige Material. Hierdurch erscheinen die Inseln 51 bis 54 heller als das sie umgebende flüssige Material 50.51 to 54 are made of solidified material. The liquid melt 50 emits less brightness than the solidified islands 51 to 54 because the solidified material reflects the visible light better than the liquid material. As a result, the islands 51 to 54 appear lighter than the liquid material 50 surrounding them.
Mit 55 ist ein Meßfenster bezeichnet, welches dem Blickwinkel der Kamera 2 entspricht, d. h. die Kamera 2 erfaßt den durch das Meßfenster 55 definierten Bereich des Tiegels 7. Die Bezugszahl 56 bezeichnet eine Meßlinie, auf deren Bedeutung weiter unten noch eingegangen wird.With 55 a measurement window is designated, which corresponds to the viewing angle of the camera 2, d. H. the camera 2 captures the area of the crucible 7 defined by the measuring window 55. The reference number 56 denotes a measuring line, the meaning of which will be discussed further below.
In der Fig. 2b ist die Helligkeit des Inhalts des Tiegels in einer x-Koordinaten dargestellt. Man erkennt hierbei, daß an denjenigen Orten, an denen sich die festen Inseln 51 bis 54 befinden, eine größere Helligkeit B ^ . . . B4 herrscht als an denjenigen Stellen, wo sich die flüssige Schmelze befindet.2b shows the brightness of the content of the crucible in an x coordinate. It can be seen here that in those places where the fixed islands 51 to 54 are located, a greater brightness B ^. . . B4 prevails as in those places where the liquid melt is located.
Werden nur diejenigen Inseln 52, 53 berücksichtigt, durch welche die Meßlinie 56 geht, so entfallen bei der Darstellung der Fig. 2b die Helligkeiten B γ und B3.If only those islands 52, 53 through which the measuring line 56 passes are taken into account, the brightnesses B γ and B3 are omitted in the illustration in FIG. 2b.
In der Fig. 3 ist das Meßfenster 55 mit der Schmelze 50 und den darin befindlichen Inseln 51 bis 54 noch einmal im vergrößerten Maßstab dargestellt. Über das Meß- fenster 55 sind mehrere horizontale und vertikale Meßlinien 60 bis 69 bzw. 70 bis 86 gelegt, die ein Gitter bilden. Diese Meßlinien 60 bis 69, 70 bis 86 sind Abtastzeilen und -spalten der CCD-Kamera 2. Das von der CCD-Kamera 2 aufgenommene Meßfenster wird somit Zeilen- und spaltenweise abgetastet, d. h. die in der Fig. 3 darge- stellten Abtastzeilen und -spalten werden zeitmultiplex angesteuert.3 shows the measuring window 55 with the melt 50 and the islands 51 to 54 located therein once again on an enlarged scale. About the measuring Window 55 are several horizontal and vertical measuring lines 60 to 69 and 70 to 86, which form a grid. These measuring lines 60 to 69, 70 to 86 are scanning lines and columns of the CCD camera 2. The measuring window recorded by the CCD camera 2 is thus scanned line by line and column by column, ie the scanning lines and - shown in FIG. columns are controlled time-multiplexed.
Bei einer solchen Abtastung werden die Helligkeitsübergänge zwischen festem Si und flüssigem Si erfaßt, was durch die Punkte Pj . . . Pg bezüglich der Insel 52 markiert ist. Indem diese Helligkeitsübergänge erkannt werden, ist es möglich, den Aggregatzustand der Oberfläche der Si-Schmelze exakt zu erfassen.With such a scan, the brightness transitions between solid Si and liquid Si are detected, which is indicated by the points P j . , , Pg is marked with respect to island 52. By recognizing these transitions in brightness, it is possible to determine the physical state of the surface of the Si melt exactly.
Kennt man die einzelnen Punkte Pj . . . P9, so läßt sich die Fläche der Insel 52 errechnen. Auf entsprechende Weise können die Flächen der anderen Inseln 51, 53, 54 errechnet werden. Dies wiederum schafft die Möglichkeit, das Verhältnis der flüssi- gen Oberfläche zur festen Oberfläche zu ermitteln. Für diese Verhältnisse können verschiedene Werte festgesetzt werden, bei deren Erreichen bestimmte Verfahrens- schritte durchgeführt werden. Von besonderem Interesse ist dabei das Verschwinden des Anteils der festen Oberfläche, weil dieser Zustand eine fertige Schmelze indiziert. Da aus verschiedenen Gründen das Verschwinden der festen Körper vorge- täuscht sein kann, wird eine vorgegebene Haltezeit eingehalten, während welcher derDo you know the individual points P j . , , P9, the area of island 52 can be calculated. The areas of the other islands 51, 53, 54 can be calculated in a corresponding manner. This in turn creates the possibility of determining the ratio of the liquid surface to the solid surface. Various values can be set for these ratios, upon reaching which certain process steps are carried out. The disappearance of the portion of the solid surface is of particular interest because this state indicates a finished melt. Since the disappearance of the solid bodies can be simulated for various reasons, a predetermined holding time is observed during which the
Tiegel weitergedreht wird. Erst nach dieser Haltezeit wird davon ausgegangen, daß die festen Teile der Oberfläche tatsächlich verschwunden sind, und der entsprechende Verfahrensschritt wird eingeleitet.Crucible is rotated further. Only after this holding time is it assumed that the solid parts of the surface have actually disappeared, and the corresponding process step is initiated.
In der Fig. 4 ist der erfindungsgemäße Prozeßablauf in Form eines Flußdiagramms dargestellt. Hiernach wird nach dem Start - Block 100 - die von der CCD-Kamera 2 abgebildete Oberfläche der Schmelze als Abbildung in digitaler Form in einen nicht dargestellten Speicher eingelesen, was durch den Block 101 angedeutet ist. Die eingelesene Abbildung wird nun, vgl. Block 102, zeilenweise und/oder spaltenweise ab- getastet und helligkeitsmäßig überprüft. Immer dann, wenn der Helligkeitsunterschied zwischen benachbarten Punkten einer Zeile und/oder einer Spalte einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, wird die Ortskoordinate der Übergangsstelle - die sogenannte Kante - ermittelt und abgespeichert, vgl. Block 103.4, the process flow according to the invention is shown in the form of a flow chart. After the start - block 100 - the surface of the melt imaged by the CCD camera 2 is read as an image in digital form into a memory (not shown), which is indicated by block 101. The scanned image is now, cf. Block 102, scanned line by line and / or column by column and checked for brightness. Whenever the difference in brightness between adjacent points in a row and / or a column exceeds a predetermined threshold value, the location coordinate of the transition point - the so-called edge - is determined and stored, cf. Block 103.
Auf diese Weise können z. B. die Punkte P j bis P9 der Insel 52 aufgefunden werden. Durch geeignete Interpolationsverfahren läßt sich ein Kurvenzug durch diese Punkte Pj bis P legen, so daß die Kontur der Insel 52 bekannt ist. Hieraus kann die Fläche der Insel 52 berechnet werden.In this way, e.g. B. the points P j to P9 of the island 52 can be found. By means of suitable interpolation methods, a curve can be laid through these points P j to P, so that the contour of the island 52 is known. The area of the island 52 can be calculated from this.
Werden die Inseln 51 bis 54 größer oder nehmen sie zahlenmäßig zu, wird auch dieIf the islands 51 to 54 become larger or increase in number, so too
Zahl der erfaßten Kanten größer. Die Anzahl der erfaßten Kanten ist somit ein Maß für den Schmelzzustand der Oberfläche der Schmelze. Legt man einen bestimmten Schmelzwert für die Zahl der Kanten fest - vgl. Block 104 -, kann man ein vorgegebenes Schmelze-Festkörper- Verhalten definieren, bei dessen Erreichen ein bestimm- ter Prozeßschritt durchgeführt werden soll. Dies ist durch Block 105 angedeutet. Ein derartiger Prozeßschritt kann beispielsweise in der Reduzierung der Heizleistung für das Heizelement 16 oder in der Erhöhung der Drehzahl des Tiegels bestehen. Sind alle Prozeßschritte ausgeführt, kann der Vorgang beendet werden.Number of edges detected larger. The number of edges detected is thus a measure of the melting state of the surface of the melt. If you define a certain melting value for the number of edges - cf. Block 104 -, a predefined melt-solid behavior can be defined, upon reaching which a certain process step is to be carried out. This is indicated by block 105. Such a process step can consist, for example, in reducing the heating power for the heating element 16 or in increasing the speed of the crucible. Once all process steps have been carried out, the process can be ended.
Der Schwellwert für die Anzahl der Kanten kann z. B. über die Bedieneinheit 39 eingegeben werden.The threshold for the number of edges can e.g. B. can be entered via the control unit 39.
Mit der Erfindung ist es somit möglich, schon zu einem sehr frühen Zeitpunkt die einzelnen Schritte bei der Herstellung eines Kristalls zu überwachen und zu beein- flussen. Bleiben z. B. feste Halbleiterbrocken an der Tiegelwand hängen oder drohen die in der Schmelze treibenden Brocken die über der Schmelze befindlichen Geräte zu berühren und damit zu beschädigen, kann beispielsweise die Heizleistung und/oder die Drehzahl des Tiegels entsprechend verändert werden, um den Schmelzvorgang zu beschleunigen.With the invention it is thus possible to monitor and influence the individual steps in the manufacture of a crystal at a very early point in time. Stay e.g. B. solid semiconductor lumps on the crucible wall or threaten the chunks floating in the melt to touch the devices located above the melt and thus damage them, for example, the heating power and / or the speed of the crucible can be changed accordingly to accelerate the melting process.
Wurde aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens festgestellt, daß das Verhältnis fest/flüssig = 0 ist, wird noch eine Haltezeit in der Größenordnung von 1 bis 5 Minuten eingelegt, bis mit dem nächsten Prozeßschritt begonnen wird, denn durch verschiedene Störeinflüsse, wie bereits oben erwähnt, kann eine vollständige Verflüssi- gung der Schmelze vorgetäuscht werden, obgleich sich noch einige ungeschmolzeneIf it was determined on the basis of the method according to the invention that the ratio solid / liquid = 0, a holding time of the order of 1 to 5 minutes is inserted until the next process step is started, because of various interfering influences, as already mentioned above a complete liquefaction of the melt can be simulated, although there are still some unmelted ones
Teile in ihr befinden. Durch diese Haltezeit wird sichergestellt, daß tatsächlich alle Materialien geschmolzen sind und nun mit dem Ziehen eines Kristalls begonnen werden kann. Die gewählte Haltezeit hängt von der Zahl der Umdrehungen des Tiegels ab. Wird der Tiegel schnell gedreht, kann die Haltezeit verkürzt werden, weil durch die erhöhte Drehungszahl die eventuell noch vorhandenen nicht geschmolzenenParts are in it. This hold time ensures that all materials have actually melted and that you can now start pulling a crystal. The selected holding time depends on the number of revolutions of the crucible. If the crucible is turned quickly, the holding time can be shortened because the increased number of turns means that any that are still not melted
Brocken schneller in einen Bereich gelangen, wo sie geschmolzen werden. Chunks get to an area faster where they melt.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung für die Überwachung einer Schmelze für die Herstellung von Kristallen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kamera (2) vorgesehen ist, welche wenig- stens Teile der Oberfläche des Inhalts eines Tiegels (7) abbildet und daß eine Auswerteeinrichtung (37) vorgesehen ist, welche die Abbildung der Kamera (2) hinsichtlich fester und flüssiger Anteile der Oberfläche des Inhalts des Tiegels (7) auswertet.1. Device for monitoring a melt for the production of crystals, characterized in that a camera (2) is provided which images at least parts of the surface of the contents of a crucible (7) and that an evaluation device (37) is provided , which evaluates the image of the camera (2) with regard to solid and liquid portions of the surface of the content of the crucible (7).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel (7) um eine Achse drehbar ist.2. Device according to claim 1, characterized in that the crucible (7) is rotatable about an axis.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel (7) von einer Heizeinrichtung (16) umgeben ist.3. Apparatus according to claim 1, characterized in that the crucible (7) is surrounded by a heating device (16).
4. Verfahren für die Überwachung einer Schmelze, die zur Herstellung von Kristallen dient, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) wenigstens Teile der Oberfläche des Inhalts eines Tiegels (7) werden mittels einer Kamera (2) abgebildet; b) die durch die Kamera (2) vorgenommene Abbildung wird hinsichtlich des Anteils an festen und flüssigen Bestandteilen der Oberfläche des Inhalts des Tiegels (7) ausgewertet.4. A method for monitoring a melt which is used to produce crystals, characterized by the following steps: a) at least parts of the surface of the content of a crucible (7) are imaged by means of a camera (2); b) the image taken by the camera (2) is evaluated with regard to the proportion of solid and liquid components of the surface of the content of the crucible (7).
5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) die abgebildeten Teile der Oberfläche werden in einem Informationsspeicher abge- legt; b) der Informationsspeicher wird zeilenweise und/oder spaltenweise abgetastet, wobei die Helligkeit aller abgetasteten Punkte erfaßt wird; c) es werden die Helligkeiten benachbarter Punkte einer Zeile und/oder einer Spalte miteinander verglichen; d) bei einem vorgegebenen Helligkeitsunterschied zwischen zwei benachbarten5. The method according to claim 4, characterized by the following steps: a) the imaged parts of the surface are stored in an information memory; b) the information memory is scanned row by row and / or column by column, the brightness of all scanned points being recorded; c) the brightnesses of neighboring points of a row and / or a column are compared with one another; d) for a given difference in brightness between two neighboring ones
Punkten werden die Koordinaten wenigstens eines der beiden Punkte abgespeichert; e) bei Erreichen einer vorgegebenen Anzahl von benachbarten Punkten mit vorgegebenem Helligkeitsunterschied wird ein Prozeßschritt eingeleitet.The coordinates of at least one of the two points are stored for points; e) a process step is initiated when a predetermined number of neighboring points with a predetermined difference in brightness is reached.
6. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a) die abgebildeten Teile der Oberfläche werden in einem Informationsspeicher abgelegt; b) der Informationsspeicher wird zeilenweise und/oder spaltenweise abgetastet, wobei der Farbton aller abgetasteten Punkte erfaßt wird; c) es werden die Farbtöne benachbarter Bereiche miteinander verglichen; d) bei einem vorgegebenen Farbtonunterschied zwischen zwei benachbarten Bereichen werden die Koordinaten wenigstens eines der beiden Bereiche abgespeichert; e) bei Erreichen einer vorgegebenen Anzahl von benachbarten Bereichen mit vorgegebenem Farbtonunterschied wird ein Prozeßschritt eingeleitet.6. The method according to claim 4, characterized by the following steps: a) the imaged parts of the surface are stored in an information store; b) the information memory is scanned row by row and / or column by column, the color tone of all scanned points being recorded; c) the color tones of neighboring areas are compared; d) at a given color difference between two adjacent areas, the coordinates of at least one of the two areas are stored; e) a process step is initiated when a predetermined number of adjacent areas with a predetermined color difference are reached.
7. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der eingeleitete Prozeßschritt die Veränderung der Heizleistung des Tiegels (7) ist.7. The method according to claim 6 or 7, characterized in that the initiated process step is the change in the heating power of the crucible (7).
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der eingeleitete Prozeßschritt die Veränderung der Position des Tiegels (7) ist.8. The method according to claim 6 or 7, characterized in that the initiated process step is the change in the position of the crucible (7).
9. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der eingeleitete Prozeßschritt die Veränderung der Drehzahl des Tiegels (7) ist.9. The method according to claim 6 or 7, characterized in that the initiated process step is the change in the speed of the crucible (7).
10. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der eingeleitete Prozeßschritt die Regelung des Gasflusses oder des Gasdrucks ist.10. The method according to claim 6 or 7, characterized in that the initiated process step is the regulation of the gas flow or the gas pressure.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera (2) eine Video-Kamera ist.11. The device according to claim 1, characterized in that the camera (2) is a video camera.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Inhalt des Tiegels (7) aus einem Halbleitermaterial besteht.12. The apparatus according to claim 1, characterized in that the content of the crucible (7) consists of a semiconductor material.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse der Ka- mera (2) zur Achse des Tiegels (7) einen Winkel α von 0° < α < 90° aufweist.13. The apparatus according to claim 1, characterized in that the axis of the camera (2) to the axis of the crucible (7) has an angle α of 0 ° <α <90 °.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildung der Kamera (2) um den durch den Winkel α entstandenen Abbildungsfehler korrigiert wird. 14. The apparatus according to claim 13, characterized in that the image of the camera (2) is corrected by the aberration resulting from the angle α.
15. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Örter der Kontrastsprünge ermittelt werden und aus diesen die Fläche der noch nicht geschmolzenen Teile im Tiegel berechnet wird.15. The method according to claim 5, characterized in that the locations of the contrast jumps are determined and from this the area of the not yet melted parts in the crucible is calculated.
16. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von geschmolzenem und nicht geschmolzenem Material ermittelt wird und bestimmte Verhältnisse bestimmten Verfahrensschritten zugeordnet sind.16. The method according to claim 4, characterized in that the ratio of molten and unmelted material is determined and certain ratios are assigned to certain process steps.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verschwinden der Signale für nicht geschmolzenes Material der Vorgang des Ziehens von Kristallen eingeleitet wird.17. The method according to claim 16, characterized in that when the signals for unmelted material disappear, the process of pulling crystals is initiated.
18. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn der Anteil der festen Stoffe zu Null geworden ist, für eine bestimmte Zeit noch keine Ver- fahrensschritte ablaufen, um sicherzustellen, daß der ermittelte Null-Wert nicht durch zufällige Umstände bedingt war.18. The method according to claim 4, characterized in that when the proportion of solid substances has become zero, no procedural steps take place for a certain time to ensure that the zero value determined was not caused by random circumstances .
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die bestimmte Zeit, die sogenannte Haltezeit, ca. 1 bis 5 Minuten beträgt.19. The method according to claim 18, characterized in that the specific time, the so-called hold time, is approximately 1 to 5 minutes.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltezeit von der Zahl der Umdrehungen des Tiegels (ca. 1 bis 10 Upm) abhängt. 20. The method according to claim 19, characterized in that the holding time depends on the number of revolutions of the crucible (about 1 to 10 rpm).
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