JP2010076961A - Method and apparatus for measuring position - Google Patents

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寿男 林田
Ayumi Kihara
亜由美 木原
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拓章 高見
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method and an apparatus for measuring the melt surface position (melt level) of a raw material melt in a Czochralski furnace. <P>SOLUTION: The method is for measuring the position of a measurement part 7a wherein the reflected light reflected at the measurement part 7a is condensed by a condensing lens 13a and received by a two-dimensional light sensor 13b and the position of the measurement part 7a is measured by using the principle of triangulation based on the luminance of received reflected light. When the direction where the reflected light shows the position of the measurement part 7a in the two-dimensional light sensor 13b is called the first direction D1 and the direction which intersects perpendicularly with the first direction D1 is called the second direction D2, the method is equipped with the second direction centroid calculation procedure for calculating the second direction centroid which is the centroid of the second wave showing the luminance of reflected light along the second direction D2, the first direction center position calculation procedure for calculating the first direction center position which is the center of the first wave showing the luminance of reflected light along the first direction D1 based on the second direction centroid and the measurement part calculation procedure for calculating the position of the measurement part based on the first direction center position. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、三角測量の原理を利用して、単結晶引き上げ装置におけるチョクラルスキー炉に関する測定箇所、例えば、原料融液の液面の位置(メルトレベル)を測定する位置測定方法及び位置測定装置に関する。   The present invention uses a triangulation principle and a position measuring method and a position measuring apparatus for measuring a measurement location of a Czochralski furnace in a single crystal pulling apparatus, for example, a position (melt level) of a raw material melt. About.

チョクラルスキー法(以下「CZ法」ともいう)は、単結晶引き上げ装置におけるチョクラルスキー炉(以下「CZ炉」ともいう)の内部に設けられたるつぼ(坩堝)に収容されたシリコン等の原料融液から単結晶インゴットを育成しながら引き上げる方法である。単結晶の育成を制御性よく行うためには、原料融液の液面の位置(以下「メルトレベル」ともいう)を的確に測定し、メルトレベルを単結晶の育成に合わせて調整する必要がある。   The Czochralski method (hereinafter also referred to as “CZ method”) is a method of using silicon contained in a crucible (crucible) provided in a Czochralski furnace (hereinafter also referred to as “CZ furnace”) in a single crystal pulling apparatus. This is a method of pulling up a single crystal ingot while growing it from a raw material melt. In order to grow single crystals with good controllability, it is necessary to accurately measure the position of the melt surface (hereinafter also referred to as “melt level”) and adjust the melt level to match the growth of the single crystal. is there.

特に、CZ法によるシリコン単結晶引き上げ装置においては、ヒータ及びシリコン融液からの熱輻射を制御すると共にCZ炉の内部に導入されるガスを整流するために、通常、熱遮蔽物が設けられている。この熱遮蔽物の下面とメルトレベルとの相対的位置(すなわち両者間の距離)を制御することによって、引き上げられる単結晶における熱履歴や不純物の濃度(酸素濃度など)を一定にすることができる。そこで従来においては、種々のメルトレベル測定方法が提案されている。   In particular, in a silicon single crystal pulling apparatus using the CZ method, a heat shield is usually provided to control heat radiation from the heater and silicon melt and to rectify the gas introduced into the CZ furnace. Yes. By controlling the relative position of the lower surface of the heat shield and the melt level (that is, the distance between them), the thermal history and impurity concentration (oxygen concentration, etc.) in the pulled single crystal can be made constant. . Therefore, conventionally, various melt level measurement methods have been proposed.

下記特許文献1には、融液の液面の揺れにより定常的に生じる液面の形状を利用して、それを一種の反射体として機能させて、三角測量の原理に基づいてメルトレベルの測定を行う方法が開示されている。以下、この測定方法を「直接反射法」ともいう。   In Patent Document 1 below, the melt level is measured based on the principle of triangulation by utilizing the shape of the liquid surface that is constantly generated by the fluctuation of the melt surface and making it function as a kind of reflector. A method of performing is disclosed. Hereinafter, this measurement method is also referred to as “direct reflection method”.

図10は、従来の直接反射法によるレーザ光の軌跡を説明するための図である。図10(a)はレーザ光の軌跡を側面(X−Y面)から見た模式図であり、図10(b)はレーザ光の軌跡を正面(X−Z面)から見た模式図である。なお、図10(a)に示すように、レーザ光は、回転ミラー9及びプリズム11を介して案内されるが、図10(b)においては、Y軸方向のレーザ光の軌跡は紙面を貫く方向に延びているため、回転ミラー9及びプリズム11の図示を省略している。また、三角測量に本質的でない部品の図示を省略している。   FIG. 10 is a diagram for explaining the locus of laser light by the conventional direct reflection method. 10A is a schematic diagram of the laser beam trajectory viewed from the side surface (XY plane), and FIG. 10B is a schematic diagram of the laser beam trajectory viewed from the front surface (XZ plane). is there. As shown in FIG. 10A, the laser light is guided through the rotating mirror 9 and the prism 11, but in FIG. 10B, the locus of the laser light in the Y-axis direction penetrates the paper surface. The rotating mirror 9 and the prism 11 are not shown because they extend in the direction. Also, illustration of parts that are not essential for triangulation is omitted.

図10(a)及び(b)に示すように、単結晶引き上げ装置においては、CZ炉1の内部に設けられたるつぼ(坩堝)2の内部にシリコン原料の融液(シリコン融液)3が収容されており、シリコン単結晶4が上方に回転しながら引き上げられ、育成されている。シリコン単結晶4の外側には熱遮蔽物5が配置されている。   As shown in FIGS. 10A and 10B, in the single crystal pulling apparatus, a silicon raw material melt (silicon melt) 3 is placed in a crucible 2 provided in the CZ furnace 1. The silicon single crystal 4 is pulled up and grown while rotating upward. A heat shield 5 is disposed outside the silicon single crystal 4.

この単結晶引き上げ装置においては、融液3の液面7の位置(メルトレベル)を測定するために、三角測量を原理とした距離測定ユニット8が採用されている。   In this single crystal pulling apparatus, in order to measure the position (melt level) of the liquid surface 7 of the melt 3, a distance measuring unit 8 based on the principle of triangulation is employed.

図10(b)に示すように、距離測定ユニット8の内部には、レーザ光を投射するレーザ光源12及び反射してきた反射光を受光する受光器13が設けられている。受光器13は、入射してきたレーザ光を集光する集光レンズ13a及び集光レンズ13aで集光されたレーザ光を検出するCCDセンサ13b’が配置されている。   As shown in FIG. 10B, a laser light source 12 that projects laser light and a light receiver 13 that receives reflected light reflected are provided inside the distance measuring unit 8. The light receiver 13 is provided with a condenser lens 13a for condensing incident laser light and a CCD sensor 13b 'for detecting the laser light condensed by the condenser lens 13a.

距離測定ユニット8から出射されたレーザ光は、回転ミラー9で反射され、入射窓10を透過して、CZ炉1の内部に設置されたプリズム11を経由して、融液3の液面7に投射される。
ここで、回転ミラー9を左右方向(図10(b)における矢印S1方向)に回転して、融液3の液面7におけるレーザ光の投射位置をるつぼ2の径方向(図10(b)における矢印S2方向)にスキャンすることにより、融液3の液面7で反射させた反射光を、プリズム11、入射窓10及び回転ミラー9を介して、所定の頻度で受光器13において受光させている。このように、直接反射法では、レーザ光源から出射したレーザ光は、融液3の液面7に直接投射され、融液3の液面7で反射された反射光は受光器13で直接受光される。
The laser beam emitted from the distance measuring unit 8 is reflected by the rotating mirror 9, passes through the incident window 10, passes through the prism 11 installed inside the CZ furnace 1, and then reaches the liquid level 7 of the melt 3. Projected on.
Here, the rotating mirror 9 is rotated in the left-right direction (the direction of the arrow S1 in FIG. 10B), and the projection position of the laser beam on the liquid surface 7 of the melt 3 is changed in the radial direction of the crucible 2 (FIG. 10B). The reflected light reflected by the liquid surface 7 of the melt 3 is received by the light receiver 13 at a predetermined frequency via the prism 11, the incident window 10 and the rotating mirror 9. ing. Thus, in the direct reflection method, the laser light emitted from the laser light source is directly projected onto the liquid surface 7 of the melt 3, and the reflected light reflected by the liquid surface 7 of the melt 3 is directly received by the light receiver 13. Is done.

図10(b)に示すように、融液3の液面7のメルトレベルがA1の位置の場合、融液3の液面7で反射されたレーザ光は、CCDセンサ13b’の測定座標X1で検出される。すなわち、CCDセンサ13b’の測定座標X1はメルトレベルA1に対応する。同様に、メルトレベルがA2の位置の場合、融液3の液面7で反射されたレーザ光は、CCDセンサ13b’の測定座標X2で検出される。すなわち、CCDセンサ13b’の測定座標X2はメルトレベルA2に対応する。このようにして、三角測量の原理に基づいて、CCDセンサ13b’が検出した測定座標からメルトレベルを測定することができる。   As shown in FIG. 10 (b), when the melt level of the liquid surface 7 of the melt 3 is at the position A1, the laser beam reflected by the liquid surface 7 of the melt 3 is measured at the coordinate X1 of the CCD sensor 13b ′. Is detected. That is, the measurement coordinate X1 of the CCD sensor 13b 'corresponds to the melt level A1. Similarly, when the melt level is A2, the laser beam reflected by the liquid surface 7 of the melt 3 is detected at the measurement coordinate X2 of the CCD sensor 13b '. That is, the measurement coordinate X2 of the CCD sensor 13b 'corresponds to the melt level A2. In this way, the melt level can be measured from the measurement coordinates detected by the CCD sensor 13b 'based on the principle of triangulation.

なお、図10(b)において、融液3の液面7へのレーザ光の入射角度及び反射角度(ともに角度θ1)を大きくして示してあるが、実際には、両角度θ1は数度程度の小さな角度である。このことは他の図面においても同様である。   In FIG. 10B, the incident angle and the reflection angle (both angles θ1) of the laser beam to the liquid surface 7 of the melt 3 are shown to be large, but in reality both angles θ1 are several degrees. It is a small angle. The same applies to other drawings.

特開2000−264779号公報JP 2000-264777 A

特許文献1に記載のメルトレベル測定方法において、受光器における光センサとして、一次元光センサ又は二次元光センサが用いられている。
一次元光センサ(ラインセンサ)によれば、高解像度(高画素数)のセンサを比較的安価に実現できるという利点がある。その一方で、光の検出可能範囲が線状(ライン状)で狭く、受光位置の位置合わせが煩雑であるという欠点がある。
In the melt level measurement method described in Patent Document 1, a one-dimensional optical sensor or a two-dimensional optical sensor is used as the optical sensor in the light receiver.
The one-dimensional photosensor (line sensor) has an advantage that a high-resolution (high pixel count) sensor can be realized at a relatively low cost. On the other hand, there is a disadvantage that the detectable range of light is linear (line shape) and narrow, and the alignment of the light receiving position is complicated.

これに対し、二次元光センサ(エリアセンサ)によれば、光の検出可能範囲が面状(エリア状)で広く、受光位置の位置合わせが容易であるか又は実質的に不要であるという利点がある。その一方で、ゴースト光やカメラの画素抜け(ドット落ち)などのノイズの影響を受けやすく、これらにより測定精度が低下しやすいという欠点がある。
二次元光センサを有する受光器を用いた場合に、ゴースト光や画素抜け等の二次元光センサに起因する測定精度の低下を抑制できれば、受光位置の位置合わせが容易又は不要という利点を得ることができ、望ましい。
On the other hand, according to the two-dimensional optical sensor (area sensor), the light detection range is wide (planar), and the light receiving position can be easily or substantially not aligned. There is. On the other hand, it is susceptible to noise such as ghost light and camera pixel omission (dot drop), which has the disadvantage that measurement accuracy tends to decrease.
When using a photoreceiver with a two-dimensional photosensor, if the reduction in measurement accuracy caused by the two-dimensional photosensor, such as ghost light or missing pixels, can be suppressed, the advantage of easy or unnecessary positioning of the photodetection position can be obtained. Can be desirable.

本発明は、以上の問題に鑑みてなされたものであり、二次元光センサを有する受光器を備える位置測定装置を用い、ゴースト光や画素抜け等の二次元光センサに起因する測定精度の低下を抑制し、受光位置の位置合わせが容易又は不要という利点を得ることができる位置測定方法及び位置測定装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and uses a position measurement device including a photoreceiver having a two-dimensional photosensor, and decreases measurement accuracy caused by the two-dimensional photosensor such as ghost light or missing pixels. It is an object of the present invention to provide a position measuring method and a position measuring apparatus capable of suppressing the above-described problem and obtaining the advantage that the alignment of the light receiving position is easy or unnecessary.

(1)本発明の位置測定方法は、光源、及び二次元光センサを有する受光器を備える位置測定装置を用い、前記光源から出射した出射光を単結晶引き上げ装置におけるチョクラルスキー炉に関する測定箇所に投射し、該測定箇所で反射した反射光を前記受光器の前記二次元光センサで受光し、該二次元光センサにより受光された前記反射光の輝度に基づいて三角測量の原理を利用して前記測定箇所の位置を測定する位置測定方法であって、前記二次元光センサにおいて前記反射光が前記測定箇所の位置を表す方向を第1方向といい、該第1方向と直交する方向を第2方向という場合に、前記第2方向に沿う前記反射光の輝度を示す第2波形についてその重心である第2方向重心を算出する第2方向重心算出工程と、前記第2方向重心に基づいて、前記第1方向に沿う前記反射光の輝度を示す第1波形についてその中心である第1方向中心位置を算出する第1方向中心位置算出工程と、前記第1方向中心位置に基づいて前記測定箇所の位置を算出する測定箇所算出工程と、を備えることを特徴とする。 (1) The position measuring method of the present invention uses a position measuring device including a light source and a light receiver having a two-dimensional photosensor, and measures the location of a Czochralski furnace in a single crystal pulling device for emitting light emitted from the light source. The reflected light reflected at the measurement location is received by the two-dimensional light sensor of the light receiver, and the principle of triangulation is used based on the brightness of the reflected light received by the two-dimensional light sensor. A position measuring method for measuring the position of the measurement location, wherein a direction in which the reflected light represents the position of the measurement location in the two-dimensional optical sensor is referred to as a first direction, and a direction orthogonal to the first direction In the case of the second direction, based on the second direction centroid calculating step of calculating the second direction centroid which is the centroid of the second waveform indicating the luminance of the reflected light along the second direction, and the second direction centroid. A first direction center position calculating step for calculating a first direction center position which is the center of the first waveform indicating the luminance of the reflected light along the first direction, and the measurement based on the first direction center position. A measurement location calculation step for calculating the location of the location.

(2)また、前記第1方向中心位置算出工程において、前記第2方向重心に基づいて前記第1方向中心位置を算出する際に、前記第2波形における前記第2方向重心を含む前記第2方向の所定の範囲の領域を用いることが好ましい。 (2) In the first direction center position calculating step, when calculating the first direction center position based on the second direction center of gravity, the second direction including the second direction center of gravity in the second waveform. It is preferable to use a region in a predetermined range of directions.

(3)また、前記第2方向重心算出工程において、前記第2波形について所定の閾値以下の大きさで検出された輝度を含む部分を除去してから前記第2方向重心を算出することが好ましい。 (3) In the second direction centroid calculating step, it is preferable that the second direction centroid is calculated after removing a portion including luminance detected with a magnitude equal to or smaller than a predetermined threshold for the second waveform. .

(4)また、前記測定箇所は、前記チョクラルスキー炉の内部に設けられたるつぼに収容された融液の液面及び/又は前記チョクラルスキー炉の内部に設けられた熱遮蔽物であることが好ましい。 (4) Moreover, the said measurement location is the liquid level of the melt accommodated in the crucible provided in the inside of the said Czochralski furnace, and / or the heat shield provided in the inside of the said Czochralski furnace. It is preferable.

(5)本発明の位置測定装置は、光源、及び二次元光センサを有する受光器を備え、前記光源から出射した出射光を単結晶引き上げ装置におけるチョクラルスキー炉に関する測定箇所に投射し、該測定箇所で反射した反射光を前記受光器の前記二次元光センサで受光し、該二次元光センサにより受光された前記反射光の輝度に基づいて三角測量の原理を利用して前記測定箇所の位置を測定する位置測定装置であって、前記二次元光センサにおいて前記反射光が前記測定箇所の位置を表す方向を第1方向といい、該第1方向と直交する方向を第2方向という場合に、前記第2方向に沿う前記反射光の輝度を示す第2波形についてその重心である第2方向重心を算出する第2方向重心算出手段と、前記第2方向重心に基づいて、前記第1方向に沿う前記反射光の輝度を示す第1波形についてその中心である第1方向中心位置を算出する第1方向中心位置算出手段と、前記第1方向中心位置に基づいて前記測定箇所の位置を算出する測定箇所算出手段と、を備えることを特徴とする。 (5) The position measuring device of the present invention includes a light source and a light receiver having a two-dimensional photosensor, and projects the emitted light emitted from the light source to a measurement location related to the Czochralski furnace in the single crystal pulling device, The reflected light reflected at the measurement location is received by the two-dimensional photosensor of the receiver, and the principle of triangulation is used based on the brightness of the reflected light received by the two-dimensional photosensor. In the position measuring device for measuring a position, in the two-dimensional photosensor, a direction in which the reflected light indicates the position of the measurement location is referred to as a first direction, and a direction orthogonal to the first direction is referred to as a second direction. In addition, based on the second direction center of gravity, second direction center of gravity calculation means for calculating a second direction center of gravity of the second waveform indicating the brightness of the reflected light along the second direction, the first direction based on the first direction, Along the direction A first direction center position calculating means for calculating a first direction center position that is the center of the first waveform indicating the brightness of the reflected light, and a measurement for calculating the position of the measurement location based on the first direction center position. And a location calculating means.

本発明の位置測定方法及び位置測定装置によれば、二次元光センサを有する受光器を備える位置測定装置を用い、ゴースト光や画素抜け等の二次元光センサに起因する測定精度の低下を抑制し、受光位置の位置合わせが容易又は不要という利点を得ることができる。   According to the position measuring method and the position measuring apparatus of the present invention, a position measuring apparatus including a light receiver having a two-dimensional photosensor is used to suppress a decrease in measurement accuracy caused by the two-dimensional photosensor, such as ghost light or missing pixels. And the advantage that the alignment of the light receiving position is easy or unnecessary can be obtained.

以下、本発明の位置測定方法の第1実施態様及び本発明の位置測定装置の第1実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図1及び図2は、本発明の位置測定方法の第1実施態様及び本発明の位置測定装置の第1実施形態におけるレーザ光の軌跡を説明するための図である。図1(a)はレーザ光の軌跡を側面(X−Y面)から見た模式図であり、図1(b)はレーザ光の軌跡を正面(X−Z面)から見た模式図である。なお、図1(a)に示すように、レーザ光は、回転ミラー9及びプリズム11を介して案内されるが、図1(b)においては、Y軸方向のレーザ光の軌跡は紙面を貫く方向に延びているため、回転ミラー9及びプリズム11の図示を省略している。また、三角測量に本質的でない部品の図示を省略している。図2は、レーザ光の軌跡を上面(Y−Z面)から見た模式図である。
Hereinafter, a first embodiment of a position measuring method of the present invention and a first embodiment of a position measuring apparatus of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 and 2 are diagrams for explaining the locus of laser light in the first embodiment of the position measuring method of the present invention and the first embodiment of the position measuring apparatus of the present invention. FIG. 1A is a schematic diagram of the laser beam trajectory viewed from the side (XY plane), and FIG. 1B is a schematic diagram of the laser beam trajectory viewed from the front (XZ plane). is there. As shown in FIG. 1A, the laser beam is guided through the rotating mirror 9 and the prism 11, but in FIG. 1B, the locus of the laser beam in the Y-axis direction penetrates the paper surface. The rotating mirror 9 and the prism 11 are not shown because they extend in the direction. Also, illustration of parts that are not essential for triangulation is omitted. FIG. 2 is a schematic view of the locus of laser light as viewed from the upper surface (YZ plane).

第1実施態様の位置測定方法は、第1実施形態の位置測定装置を用いた方法であり、図1及び図2に示すように、単結晶引き上げ装置におけるCZ炉1の内部に設けられたるつぼ(坩堝)に収容された融液3の液面7の位置(メルトレベル)を測定する方法である。まず、第1実施形態の位置測定装置について説明する。   The position measuring method according to the first embodiment is a method using the position measuring apparatus according to the first embodiment. As shown in FIGS. 1 and 2, the crucible provided inside the CZ furnace 1 in the single crystal pulling apparatus. This is a method of measuring the position (melt level) of the liquid surface 7 of the melt 3 accommodated in the (crucible). First, the position measuring apparatus according to the first embodiment will be described.

図1及び図2に示すように、第1実施形態の位置測定装置は、単結晶引き上げ装置に設けられており、距離測定ユニット8、回転ミラー9、プリズム11等を主体として構成されている。距離測定ユニット8は、レーザ光を融液3の液面7に投射するレーザ光源(光源)12と、融液3の液面7から反射してきたレーザ光を受光する受光器13とを備えている。受光器13は、その内部に入射してきたレーザ光を集光する集光レンズ13aと、集光したレーザ光の輝度を検出する二次元光センサとしてのCMOSセンサ13bとを備えている。   As shown in FIGS. 1 and 2, the position measurement device of the first embodiment is provided in a single crystal pulling device, and mainly includes a distance measurement unit 8, a rotating mirror 9, a prism 11, and the like. The distance measuring unit 8 includes a laser light source (light source) 12 that projects laser light onto the liquid surface 7 of the melt 3 and a light receiver 13 that receives the laser light reflected from the liquid surface 7 of the melt 3. Yes. The light receiver 13 includes a condensing lens 13a that condenses the laser light incident therein, and a CMOS sensor 13b as a two-dimensional optical sensor that detects the luminance of the condensed laser light.

そして、第1実施形態の位置測定装置は、CMOSセンサ13bに受光された反射光の輝度に基づいて三角測量の原理を利用して、直接測定法により、メルトレベル(融液3の液面7)の測定を行う。すなわち、第1実施形態の位置測定装置においては、レーザ光源12から出射したレーザ光を、回転ミラー9及びプリズム11を介して融液3の液面7に投射し、融液3の液面7で反射した反射光を受光器13内のCMOSセンサ13bで受光する。   The position measurement apparatus according to the first embodiment uses the principle of triangulation based on the brightness of the reflected light received by the CMOS sensor 13b, and directly performs the melt level (the liquid level 7 of the melt 3). ). That is, in the position measurement apparatus of the first embodiment, the laser light emitted from the laser light source 12 is projected onto the liquid surface 7 of the melt 3 via the rotating mirror 9 and the prism 11, and the liquid surface 7 of the melt 3 is projected. The reflected light reflected by is received by the CMOS sensor 13 b in the light receiver 13.

図1に示すように、単結晶引き上げ装置は、CZ炉1と、CZ炉1の内部に設けられたるつぼ2とを備え、るつぼ2にはシリコン原料の融液(シリコン融液)3が収容されている。単結晶引き上げ装置においては、シリコン単結晶4が上方に回転しながら引き上げられ、育成される。シリコン単結晶4の外側には熱遮蔽物5が配置されている。   As shown in FIG. 1, the single crystal pulling apparatus includes a CZ furnace 1 and a crucible 2 provided inside the CZ furnace 1, and a silicon raw material melt (silicon melt) 3 is accommodated in the crucible 2. Has been. In the single crystal pulling apparatus, the silicon single crystal 4 is pulled and grown while rotating upward. A heat shield 5 is disposed outside the silicon single crystal 4.

前述の構成を有する位置測定装置及び単結晶引き上げ装置においては、図1及び図2に示すように、距離測定ユニット8のレーザ光源12から出射されたレーザ光は、回転ミラー9で反射され、入射窓10を透過して、CZ炉1の内部に設置されたプリズム11を経由して、融液3の液面7に直接投射される。融液3の液面7で反射した反射光は、投射のときとは反対の経路で、プリズム11、入射窓10及び回転ミラー9を介して案内され、受光器13のCMOSセンサ13bで受光される。   In the position measuring apparatus and the single crystal pulling apparatus having the above-described configuration, as shown in FIGS. 1 and 2, the laser light emitted from the laser light source 12 of the distance measuring unit 8 is reflected by the rotating mirror 9 and is incident. The light passes through the window 10 and is directly projected onto the liquid surface 7 of the melt 3 via the prism 11 installed inside the CZ furnace 1. The reflected light reflected by the liquid surface 7 of the melt 3 is guided through the prism 11, the incident window 10, and the rotating mirror 9 through the path opposite to that at the time of projection, and is received by the CMOS sensor 13 b of the light receiver 13. The

回転ミラー9を左右方向(図1(b)における矢印S1方向)に回転して、融液3の液面7におけるレーザ光の投射位置をるつぼ3の径方向(図1(b)における矢印S2方向)にスキャンすることにより、融液3の液面7で反射させた反射光は、プリズム11、入射窓10及び回転ミラー9を介して、所定の頻度で受光器13において受光される。このように、レーザ光源から出射したレーザ光は、融液3の液面7に直接投射され、融液3の液面7で反射された反射光は受光器13で直接受光される。   The rotating mirror 9 is rotated in the left-right direction (in the direction of arrow S1 in FIG. 1B), and the projection position of the laser light on the liquid surface 7 of the melt 3 is set in the radial direction of the crucible 3 (in the arrow S2 in FIG. 1B). The reflected light reflected by the liquid surface 7 of the melt 3 is received by the light receiver 13 at a predetermined frequency via the prism 11, the incident window 10, and the rotating mirror 9. Thus, the laser light emitted from the laser light source is directly projected on the liquid surface 7 of the melt 3, and the reflected light reflected by the liquid surface 7 of the melt 3 is directly received by the light receiver 13.

図1(b)に示すように、融液3の液面7のメルトレベルがA1の位置の場合、融液3の液面7で反射されたレーザ光は、受光器13のCMOSセンサ13bの測定座標X1で検出される。すなわち、CMOSセンサ13bの測定座標X1はメルトレベルA1に対応する。同様に、メルトレベルがA2の位置の場合、融液3の液面7で反射されたレーザ光は、CMOSセンサ13bの測定座標X2で検出される。すなわち、CMOSセンサ13bの測定座標X2はメルトレベルA2に対応する。このようにして、三角測量の原理に基づいて、CMOSセンサ13bが検出した測定座標からメルトレベルを測定することができる。   As shown in FIG. 1B, when the melt level of the liquid surface 7 of the melt 3 is at the position A1, the laser light reflected by the liquid surface 7 of the melt 3 is emitted from the CMOS sensor 13b of the light receiver 13. It is detected at the measurement coordinate X1. That is, the measurement coordinate X1 of the CMOS sensor 13b corresponds to the melt level A1. Similarly, when the melt level is A2, the laser beam reflected by the liquid surface 7 of the melt 3 is detected at the measurement coordinate X2 of the CMOS sensor 13b. That is, the measurement coordinate X2 of the CMOS sensor 13b corresponds to the melt level A2. In this way, based on the principle of triangulation, the melt level can be measured from the measurement coordinates detected by the CMOS sensor 13b.

図1(b)に示すX−Z面において、レーザ光源12から融液3の液面7に入射角度θ1で投射されたレーザ光は、液面7において反射角度θ1で反射される。また、図1(a)に示すX−Y面において、融液3の液面7で反射したレーザ光は、X−Z面において角度θ1を保ったままCMOSセンサ13bに向かって進み、測定座標X1で検出される。メルトレベルA1はCMOSセンサ13bの測定座標X1に対応している。   In the XZ plane shown in FIG. 1B, the laser light projected from the laser light source 12 onto the liquid surface 7 of the melt 3 at the incident angle θ1 is reflected at the liquid surface 7 at the reflection angle θ1. In addition, in the XY plane shown in FIG. 1A, the laser beam reflected by the liquid surface 7 of the melt 3 advances toward the CMOS sensor 13b while maintaining the angle θ1 in the XZ plane, and the measurement coordinates. X1 is detected. The melt level A1 corresponds to the measurement coordinate X1 of the CMOS sensor 13b.

以上のように、図1(b)に示すように、X−Z面における三角測量を行うことで、X軸方向の高さ位置、すなわち、融液3の液面7の位置(メルトレベル)を測定することが可能になる。   As described above, as shown in FIG. 1B, by performing triangulation on the XZ plane, the height position in the X-axis direction, that is, the position of the liquid surface 7 of the melt 3 (melt level). Can be measured.

次に、二次元光センサとしてのCMOSセンサ13bについて説明する。図3は、反射光がCMOSセンサ13bに受光される状態を模式的に示す斜視図である。図4は、CMOSセンサ13bの受光領域ER、第1波形J1及び第2波形J2を模式的に示す図である。   Next, the CMOS sensor 13b as a two-dimensional photosensor will be described. FIG. 3 is a perspective view schematically showing a state in which reflected light is received by the CMOS sensor 13b. FIG. 4 is a diagram schematically showing the light receiving region ER, the first waveform J1, and the second waveform J2 of the CMOS sensor 13b.

図3及び図4に示すように、CMOSセンサ13bは、集光レンズ13aにより集光された反射光を受光する。二次元光センサであるCMOSセンサ13bにおいて、測定箇所7aの位置を表す方向を第1方向D1といい、第1方向D1と直交する方向を第2方向D2という。CMOSセンサ13bの受光領域ERは、第1方向D1に延びるx軸と、第2方向に延びるy軸とを有する。   As shown in FIGS. 3 and 4, the CMOS sensor 13b receives the reflected light collected by the condenser lens 13a. In the CMOS sensor 13b, which is a two-dimensional photosensor, a direction indicating the position of the measurement location 7a is referred to as a first direction D1, and a direction orthogonal to the first direction D1 is referred to as a second direction D2. The light receiving region ER of the CMOS sensor 13b has an x axis extending in the first direction D1 and a y axis extending in the second direction.

CMOSセンサ13bで受光された反射光の結像スポットR1は、第1方向D1(x軸方向)に延びる。その理由は、次の通りである。反射光の結像スポットR1は、レーザ光の光軸(進行方向に延びる軸)に交差する方向の断面形状についてはほぼ円形であるが、CMOSセンサ13bの受光領域ERの受光面は、光軸に対して直交しておらず、光軸に対する直交面に対して傾いている(例えば、15〜20度)。従って、結像スポットR1は、CMOSセンサ13bの受光面において、第1方向D1(x軸方向)に延びることになる。   The imaging spot R1 of the reflected light received by the CMOS sensor 13b extends in the first direction D1 (x-axis direction). The reason is as follows. The imaging spot R1 of the reflected light is substantially circular with respect to the cross-sectional shape in the direction intersecting with the optical axis of the laser light (axis extending in the traveling direction), but the light receiving surface of the light receiving region ER of the CMOS sensor 13b is the optical axis. It is not orthogonal to the optical axis and is inclined with respect to the plane orthogonal to the optical axis (for example, 15 to 20 degrees). Therefore, the imaging spot R1 extends in the first direction D1 (x-axis direction) on the light receiving surface of the CMOS sensor 13b.

また、CMOSセンサ13bの受光面を光軸に対する直交面に対して傾けている理由は、次の通りである。集光レンズ13aとして固定焦点レンズ(自動焦点機能を有しないレンズ)を使用する場合において、測定箇所7aの位置(メルトレベル)が変化したときに、測定箇所7aの位置によらずに、その変化量に対応する結像スポットの焦点を第1方向D1に沿って合わせることができるようにするためである。   The reason why the light receiving surface of the CMOS sensor 13b is inclined with respect to the plane orthogonal to the optical axis is as follows. When a fixed focus lens (a lens that does not have an autofocus function) is used as the condenser lens 13a, when the position (melt level) of the measurement location 7a changes, the change does not depend on the location of the measurement location 7a. This is because the focus of the imaging spot corresponding to the amount can be adjusted along the first direction D1.

なお、受光器13には、所定の輝度以下の光をカットする滅光フィルタ(図示せず)を備えることができる。滅光フィルタは、集光レンズ13aの手前側(測定箇所7a側)に配置される。滅光フィルタによれば、CMOSセンサ13bにおける反射光の受光輝度の飽和が抑制される。また、レーザ光源12にて出射したレーザ光についての拡散反射光を滅光フィルタにより減光することで、拡散レーザ光がCMOSセンサ13bで結像することを抑制できる。   The light receiver 13 can include a dark filter (not shown) that cuts light having a predetermined luminance or less. The extinction filter is disposed on the front side (measurement location 7a side) of the condenser lens 13a. According to the neutral density filter, saturation of the received light luminance of the reflected light in the CMOS sensor 13b is suppressed. Moreover, it is possible to suppress the diffusion laser light from being imaged by the CMOS sensor 13b by dimming the diffuse reflection light of the laser light emitted from the laser light source 12 by the extinction filter.

図4においては、受光領域ERには、レーザ光の反射光の結像スポットR1が受光される。第1波形J1は、第1方向D1(x軸方向)に沿う反射光の輝度を示す波形である。第2波形J2は、第2方向D2(y軸方向)に沿う反射光の輝度を示す波形である。理想的には、第1波形J1の中心及び第2波形J2の重心に反射光の結像スポットR1の中心が位置する。   In FIG. 4, the imaging spot R1 of the reflected light of the laser beam is received in the light receiving region ER. The first waveform J1 is a waveform indicating the luminance of reflected light along the first direction D1 (x-axis direction). The second waveform J2 is a waveform indicating the brightness of the reflected light along the second direction D2 (y-axis direction). Ideally, the center of the imaging spot R1 of the reflected light is located at the center of the first waveform J1 and the center of gravity of the second waveform J2.

受光領域ERには、結像スポットR1とは別に、ノイズR2が存在している。ノイズR2は、後述する第2方向重心算出工程ST2における第2方向重心の算出及び第1方向中心位置算出工程ST3における第1方向中心位置の算出の際の測定精度を低下させる。従って、ノイズR2は極力除去することが好ましい。   In the light receiving region ER, noise R2 exists separately from the imaging spot R1. The noise R2 lowers the measurement accuracy when calculating the second direction center of gravity in a second direction center of gravity calculation step ST2, which will be described later, and calculating the first direction center position in the first direction center position calculation step ST3. Therefore, it is preferable to remove the noise R2 as much as possible.

次に、第1実施形態の位置測定装置における各種値の算出に係る構成について、図5を参照しながら説明する。図5は、本発明の位置測定装置の第1実施形態における各種値の算出に係る構成を示す機能ブロック図である。
図5に示すように、第1実施形態の位置測定装置は、演算部14を備える。演算部14は、レーザ光源12からのレーザ光の投射を制御すると共に、受光器13(CMOSセンサ13b)で受光されたレーザ光の輝度に基づいて各種値を算出する。
演算部14は、第2方向重心算出手段14a、第1方向中心位置算出手段14b及び測定箇所算出手段14cとして機能する。
Next, a configuration related to calculation of various values in the position measurement apparatus of the first embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a functional block diagram showing a configuration relating to calculation of various values in the first embodiment of the position measuring apparatus of the present invention.
As shown in FIG. 5, the position measurement device according to the first embodiment includes a calculation unit 14. The calculation unit 14 controls the projection of the laser light from the laser light source 12 and calculates various values based on the luminance of the laser light received by the light receiver 13 (CMOS sensor 13b).
The calculation unit 14 functions as the second direction center of gravity calculation unit 14a, the first direction center position calculation unit 14b, and the measurement location calculation unit 14c.

第2方向重心算出手段14aは、第2方向D2(y軸方向)に沿う反射光の輝度を示す第2波形J2についてその重心である第2方向重心を算出する。
第1方向中心位置算出手段14bは、第2方向重心に基づいて第1方向D1(x軸方向)に沿う反射光の輝度を示す第1波形J1についてその中心である第1方向中心位置を算出する。
測定箇所算出手段14cは、第1方向中心位置に基づいて測定箇所7aの位置(メルトレベル)を算出する。
The second direction centroid calculating means 14a calculates the second direction centroid which is the centroid of the second waveform J2 indicating the luminance of the reflected light along the second direction D2 (y-axis direction).
The first direction center position calculating means 14b calculates the first direction center position that is the center of the first waveform J1 indicating the luminance of the reflected light along the first direction D1 (x-axis direction) based on the second direction center of gravity. To do.
The measurement location calculation means 14c calculates the position (melt level) of the measurement location 7a based on the center position in the first direction.

次に、第1実施形態の位置測定装置を用いた第1実施態様の位置測定方法について、図6を参照しながら説明する。図6は、本発明の位置測定方法の第1実施態様を示すフローチャートである。
図6に示すように、第1実施態様の位置測定方法は、下記のレーザ光受光工程ST1、第2方向重心算出工程ST2、第1方向中心位置算出工程ST3及び測定箇所算出工程ST4を備える。
Next, a position measuring method according to the first embodiment using the position measuring apparatus according to the first embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a flowchart showing a first embodiment of the position measuring method of the present invention.
As shown in FIG. 6, the position measuring method of the first embodiment includes the following laser light receiving step ST1, second direction center of gravity calculating step ST2, first direction center position calculating step ST3, and measurement point calculating step ST4.

(ST1)レーザ光受光工程
レーザ光源12から出射したレーザ光を、回転ミラー9及びプリズム11を介して融液3の液面7に投射し、融液3の液面7で反射した反射光を受光器13内のCMOSセンサ13bで受光する。
ここでは、図4に示すように、CMOSセンサ13bの受光領域ERには、レーザ光の反射光の結像スポットR1が受光されると共に、ノイズR2が存在していることとする。
(ST1) Laser Light Receiving Step Laser light emitted from the laser light source 12 is projected onto the liquid surface 7 of the melt 3 via the rotating mirror 9 and the prism 11, and the reflected light reflected by the liquid surface 7 of the melt 3 is reflected. Light is received by the CMOS sensor 13 b in the light receiver 13.
Here, as shown in FIG. 4, it is assumed that the imaging spot R1 of the reflected light of the laser beam is received and the noise R2 is present in the light receiving region ER of the CMOS sensor 13b.

(ST2)第2方向重心算出工程
レーザ光受光工程ST1においてCMOSセンサ13bで受光された反射光における、第2方向D2に沿う反射光の輝度を示す第2波形J2について、その重心である第2方向重心を算出する。
本実施態様においては、第2波形J2について所定の閾値以下の大きさで検出された輝度を含む部分、つまりノイズR2を除去してから第2方向重心を算出する。
(ST2) Second Direction Center of Gravity Calculation Step The second waveform J2 indicating the luminance of the reflected light along the second direction D2 in the reflected light received by the CMOS sensor 13b in the laser light receiving step ST1 is the second center that is the center of gravity. Calculate the centroid of the direction.
In the present embodiment, the second direction center of gravity is calculated after removing the portion including the luminance detected with a magnitude equal to or smaller than a predetermined threshold value for the second waveform J2, that is, the noise R2.

なお、本発明における重心は、画素の輝度の値を重みとした測定箇所の中心位置のことである。具体的な重心の算出法は、XY座標系に結像スポットR1がある場合、任意の点P(x,y)で表されるので、結像スポットR1の輝度分布をm(x,y)とすると、重心位置C(cx,cy)は次の積分式(1)及び(2)により解くことができる。   Note that the center of gravity in the present invention is the center position of the measurement location with the luminance value of the pixel as a weight. A specific method of calculating the center of gravity is represented by an arbitrary point P (x, y) when the imaging spot R1 is in the XY coordinate system. Therefore, the luminance distribution of the imaging spot R1 is represented by m (x, y). Then, the center-of-gravity position C (cx, cy) can be solved by the following integral expressions (1) and (2).

Figure 2010076961
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ノイズR2は、第2波形J2において、結像スポットR1に対応するピークK21とは別のピークK22を形成する。ただし、このノイズR2に対応するピークK22は、結像スポットR1に対応するピークK21に比べて輝度が明確に小さいことが一般的である。そこで、結像スポットR1に対応するピークK21とノイズR2に対応するピークK22とを適切に区別可能な閾値を設定し、この閾値に基づいて両ピークK21,K22を区別する。   The noise R2 forms a peak K22 different from the peak K21 corresponding to the imaging spot R1 in the second waveform J2. However, in general, the peak K22 corresponding to the noise R2 is clearly smaller in luminance than the peak K21 corresponding to the imaging spot R1. Therefore, a threshold that can appropriately distinguish between the peak K21 corresponding to the imaging spot R1 and the peak K22 corresponding to the noise R2 is set, and both peaks K21 and K22 are distinguished based on this threshold.

また、第2波形J2においてピークが存在する場合に、いずれのピークも結像スポットR1に対応するピークK21ではない場合がある。
そこで、結像スポットR1に対応するピークK21とノイズR2に対応するピークK22とを区別するための閾値BL22、及び結像スポットR1に対応するピークK21であることを確認するための閾値BL21を設定する。
In addition, when there is a peak in the second waveform J2, any peak may not be the peak K21 corresponding to the imaging spot R1.
Therefore, a threshold BL22 for distinguishing the peak K21 corresponding to the imaging spot R1 and the peak K22 corresponding to the noise R2 and a threshold BL21 for confirming that the peak K21 corresponds to the imaging spot R1 are set. To do.

結像スポットR1に対応するピークK21とノイズR2に対応するピークK22とを区別するための閾値BL22は、例えば、CMOSセンサ13bにおいて測定可能な輝度の最大値に対して50〜70%である。結像スポットR1に対応するピークK21であることを確認するための閾値BL21は、例えば、CMOSセンサ13bにおいて測定可能な輝度の最大値に対して80〜100%である。   The threshold value BL22 for distinguishing between the peak K21 corresponding to the imaging spot R1 and the peak K22 corresponding to the noise R2 is, for example, 50 to 70% with respect to the maximum value of luminance that can be measured by the CMOS sensor 13b. The threshold value BL21 for confirming that the peak K21 corresponds to the imaging spot R1 is, for example, 80 to 100% with respect to the maximum luminance value that can be measured by the CMOS sensor 13b.

なお、ノイズR2に対応するピークK22の判定は、前述したような単純に輝度の大きさで判定する方法の他、CMOSセンサ13bの受光領域ERにおけるスポット画像の面積の大小に基づいて行うこともできる。例えば、CMOSセンサ13bの受光領域ERにおけるスポット画像の面積が所定の閾値よりも小さい場合に、当該スポット画像がノイズR2に対応するピークK22であると判定することもできる。
第2方向重心算出工程ST2において、ピークの判定及び面積の判定の一方又は両方を行うことで、第2方向D2に発生するノイズやゴースト光を判定し、選別することが可能になる。
Note that the peak K22 corresponding to the noise R2 is determined based on the size of the spot image area in the light receiving region ER of the CMOS sensor 13b in addition to the method of simply determining the luminance level as described above. it can. For example, when the area of the spot image in the light receiving region ER of the CMOS sensor 13b is smaller than a predetermined threshold, it can be determined that the spot image is the peak K22 corresponding to the noise R2.
In the second direction centroid calculation step ST2, by performing one or both of the peak determination and the area determination, it is possible to determine and select noise and ghost light generated in the second direction D2.

ゴースト光を除去する具体例について説明する。図7(a)は、ゴースト光R3の測定例を示すグラフである。図7(b)は、ビームに関する位置の測定方法の概要を示す模式図である。図7(c)は、閾値BL22以上の領域内を示す模式図である。図7に示すように、ゴースト光R3の除去のため、エリアカメラのWOI領域内のビームの塊の面積判定を行い、予め設定した輝度の閾値以上を対象とした第2方向D2(y軸方向)の重心を、下記(1)〜(7)の手順で算出する。ここで、輝度の閾値BL22は、輝度の最大値と最小値との差分の50〜70%を用いる。   A specific example of removing ghost light will be described. FIG. 7A is a graph showing a measurement example of the ghost light R3. FIG. 7B is a schematic diagram showing an outline of a method for measuring a position related to a beam. FIG. 7C is a schematic diagram showing the inside of the region above the threshold BL22. As shown in FIG. 7, in order to remove the ghost light R3, the area of the beam lump in the WOI area of the area camera is determined, and the second direction D2 (y-axis direction) targeting a predetermined luminance threshold or more ) Is calculated by the following procedures (1) to (7). Here, as the brightness threshold BL22, 50 to 70% of the difference between the maximum value and the minimum value of brightness is used.

(1)結像スポット(重心を抽出するビーム)R1の位置は予めわかっているので、その画像処理を行う範囲(WOI領域)を指定する。
(2)WOI領域の中で、閾値BL22以上の領域を輝度有り(値:1)部分とし、それ未満の領域を輝度無し(値:0)部分とする輝度の2値化を行う。
(3)2値化した輝度有り部分の塊のサーチを行う。
(4)対象ビームの塊が複数検出された場合にその塊の面積判定を行う(例えば、結像スポットR1とゴースト光R3が検出された場合)。
(5)その塊に外接する長方形内の輝度の値の合計が最大となる領域を、結像スポットR1が存在する領域であると判定する。
(6)その領域内で、閾値BL22以上の輝度の値において、前記積分式(1)及び(2)を用いて、その重心を算出する。
(7)その重心を第2方向D2(y軸方向)の重心であると決定する。
(1) Since the position of the imaging spot (beam for extracting the center of gravity) R1 is known in advance, a range (WOI region) for performing the image processing is designated.
(2) In the WOI region, binarization of luminance is performed with a region having a threshold BL22 or more as a portion with luminance (value: 1) and a region below it as a portion without luminance (value: 0).
(3) A search is performed for a binarized portion having a luminance.
(4) When a plurality of masses of the target beam are detected, the area of the mass is determined (for example, when the imaging spot R1 and the ghost light R3 are detected).
(5) A region where the sum of luminance values in a rectangle circumscribing the block is maximized is determined to be a region where the imaging spot R1 exists.
(6) Within the region, the center of gravity is calculated using the integration equations (1) and (2) at a luminance value equal to or higher than the threshold BL22.
(7) The center of gravity is determined to be the center of gravity in the second direction D2 (y-axis direction).

(ST3)第1方向中心位置算出工程
第2方向重心算出工程ST2において算出された第2方向重心に基づいて、第1方向D1(x軸方向)に沿う反射光の輝度を示す第1波形J1について、その中心である第1方向中心位置を算出する。
(ST3) First direction center position calculating step First waveform J1 indicating the brightness of reflected light along the first direction D1 (x-axis direction) based on the second direction center of gravity calculated in the second direction center of gravity calculating step ST2. Is calculated, the center position in the first direction is calculated.

第1方向中心位置の具体的な算出方法は、次の通りである。まず、図4に示す第1波形J1において所定の閾値(閾値BL11及び閾値BL12)を、最大輝度255の中で5〜30程度に設定する。そして、それ以下の大きさで検出された輝度を含む波形成分、つまりノイズやゴースト光を、予め除去してから第1方向中心位置の算出を行うことが好ましい。   A specific calculation method of the first direction center position is as follows. First, predetermined threshold values (threshold value BL11 and threshold value BL12) are set to about 5 to 30 in the maximum luminance 255 in the first waveform J1 shown in FIG. Then, it is preferable to calculate the center position in the first direction after removing in advance the waveform component including the luminance detected with a size smaller than that, that is, noise and ghost light.

さらに、第1波形J1は、図8に示すようなガウス分布状の受光輝度を持つので、例えば、ガウス関数をモデル関数とした正規化相関関数によるマッチングを行うガウシアンフィティング法により、第1波形J1の中心位置を精度よく求め、第2方向重心に対応する第1方向D1の結像スポットの中心位置を第1方向中心位置(画素)であると決定する。   Further, since the first waveform J1 has a Gaussian distribution of received light intensity as shown in FIG. 8, for example, the first waveform J1 is obtained by a Gaussian fitting method that performs matching by a normalized correlation function using a Gaussian function as a model function. The center position of J1 is accurately obtained, and the center position of the imaging spot in the first direction D1 corresponding to the center of gravity in the second direction is determined as the first direction center position (pixel).

なお、前記ガウシアンフィティング法を行う際に、相関係数に閾値を設けることができる。例えば、測定箇所がCZ炉の内部に設けられたるつぼに収容された融液の液面の場合には、相関係数の閾値は70〜100%の範囲である。測定箇所がCZ炉の内部に設けられた熱遮蔽物の場合には、相関係数の閾値は60〜80%の範囲である。ノイズやゴースト光は、ガウス関数をモデル関数とした正規化相関係数による相関が元々弱いので、前記閾値以上の第1波形J1を中心位置の算出に用いることで、第1方向に発生するノイズやゴースト光を除去することができる。   Note that a threshold value can be provided for the correlation coefficient when the Gaussian fitting method is performed. For example, in the case where the measurement location is the level of the melt contained in a crucible provided inside the CZ furnace, the threshold value of the correlation coefficient is in the range of 70 to 100%. When the measurement location is a heat shield provided inside the CZ furnace, the correlation coefficient threshold is in the range of 60-80%. Since noise and ghost light are originally weakly correlated with a normalized correlation coefficient using a Gaussian function as a model function, noise generated in the first direction by using the first waveform J1 that is equal to or greater than the threshold value for the calculation of the center position. And ghost light can be removed.

仮に、ガウシアンフィティング法を行わずに、単純に第1方向の重心に基づいて第1方向中心位置を算出した場合には、第1波形J1は、正規分布曲線とはなりにくい。特に、測定箇所がCZ炉の内部に設けられた熱遮蔽物である場合には、熱遮蔽物の表面が滑らかな鏡面状態ではないので、反射光は、輝度がまだらな拡散光になる。その影響を受け、第1波形J1は、図9に示すように、正規分布曲線とはならない。そのため、第1方向中心位置に誤差が出やすい。そこで、前記のガウシアンフィティング法を行うことにより、この問題は解決される。   If the first direction center position is simply calculated based on the center of gravity in the first direction without performing the Gaussian fitting method, the first waveform J1 is unlikely to be a normal distribution curve. In particular, when the measurement location is a heat shield provided inside the CZ furnace, the surface of the heat shield is not in a smooth specular state, so that the reflected light becomes diffuse light with a mottled brightness. As a result, the first waveform J1 does not become a normal distribution curve as shown in FIG. For this reason, an error tends to occur at the center position in the first direction. Therefore, this problem is solved by performing the Gaussian fitting method.

また、本実施態様においては、第2方向重心に基づいて第1方向中心位置を算出する際に、第2波形J2における第2方向重心を含む第2方向D2の所定の範囲の領域を用いる。つまり、第2波形J2における第2方向重心を含む第2方向の所定の範囲の領域(例えば、第2方向重心に位置する画素を中心に±10画素の幅)において投影(加重平均、例えば、21画素の輝度の総和を21で割り算する処理)を行い、この領域に対応する第1波形J1を算出し、ガウシアンフィティング法を行うことにより、その中心位置を精度よく求める。そして、第2方向重心に対応する第1方向D1の結像スポットの中心位置を第1方向中心位置(画素)であると決定する。
前記投影(加重平均)を行うことで、第1波形J1以外のノイズやゴースト光である小さい光は、平均化されて必ず小さくなる(例えば1/21輝度)。このことにより、第1方向に発生するノイズやゴースト光を除去することができる。
In the present embodiment, when the first direction center position is calculated based on the second direction center of gravity, a region in a predetermined range in the second direction D2 including the second direction center of gravity in the second waveform J2 is used. That is, projection (weighted average, for example, for example, a width of ± 10 pixels centered on a pixel located in the second direction center of gravity) in the second range including the second direction center of gravity in the second waveform J2 A process of dividing the luminance sum of 21 pixels by 21) is performed, a first waveform J1 corresponding to this region is calculated, and a Gaussian fitting method is performed to accurately obtain the center position. Then, the center position of the imaging spot in the first direction D1 corresponding to the center of gravity in the second direction is determined as the first direction center position (pixel).
By performing the projection (weighted average), noise other than the first waveform J1 and small light that is ghost light are averaged and necessarily reduced (for example, 1/21 luminance). Thereby, noise and ghost light generated in the first direction can be removed.

また、第2方向重心算出工程ST2及び第1方向中心位置算出工程ST3は、主として、CMOSセンサ13bに受光されるゴースト光の影響を除去するために行われる。ゴースト光は、単結晶引き上げ装置のCZ炉1の内部における多重反射などが主な原因となって発生する。多重反射の原因としては、CZ炉1の内部における熱遮蔽物5、ゲートなどにおける反射が挙げられる。   The second direction center of gravity calculation step ST2 and the first direction center position calculation step ST3 are mainly performed to remove the influence of ghost light received by the CMOS sensor 13b. The ghost light is generated mainly due to multiple reflection in the CZ furnace 1 of the single crystal pulling apparatus. As a cause of the multiple reflection, there is a reflection in the heat shield 5 and the gate in the CZ furnace 1.

(ST4)測定箇所算出工程
第1方向中心位置算出工程ST3において算出された第1方向中心位置に基づいて、測定箇所7aの位置を算出する。つまり、算出された第1方向中心の位置の値(画素)を、例えば4次式によって表される測定箇所7aまでの距離へ変換する関数に代入することにより、実際の距離(位置)を求めることができる。
(ST4) Measurement location calculation step The position of the measurement location 7a is calculated based on the first direction center location calculated in the first direction center location calculation step ST3. That is, the actual distance (position) is obtained by substituting the calculated position value (pixel) of the center in the first direction into a function that converts the value to the distance to the measurement location 7a expressed by, for example, a quartic equation. be able to.

以上の説明の通り、第1実施態様の位置測定方法及び第1実施形態の位置測定装置によれば、ノイズやゴースト光や画素抜け等の二次元光センサに起因する測定精度の低下を抑制し、受光位置の位置合わせが容易又は不要という利点を得ることができる。そのため、CZ法による単結晶の品質に影響を及ぼす融液3の液面7の位置、熱遮蔽物5などの炉内部材の位置(後述)などを高精度に測定し、その位置を維持することにより、単結晶の品質のバラツキを低減し、高品質の単結晶を安定して製造することができる。   As described above, according to the position measurement method of the first embodiment and the position measurement apparatus of the first embodiment, it is possible to suppress a decrease in measurement accuracy caused by a two-dimensional photosensor such as noise, ghost light, and pixel omission. The advantage that the alignment of the light receiving position is easy or unnecessary can be obtained. Therefore, the position of the liquid surface 7 of the melt 3 that affects the quality of the single crystal by the CZ method, the position of the in-furnace member such as the heat shield 5 (described later), etc. are measured with high accuracy and the position is maintained. As a result, variations in the quality of single crystals can be reduced, and high-quality single crystals can be stably produced.

以上、本発明の第1実施態様及び第1実施形態について説明したが、本発明は、上述した第1実施態様及び第1実施形態に制限されるものではない。
例えば、前述の実施態様及び実施形態においては、測定箇所7aは、CZ炉1の内部に設けられたるつぼ2に収容された融液3の液面7であるが、これに制限されず、CZ炉1の内部に設けられた熱遮蔽物5でもよい。あるいは融液3の液面7及び熱遮蔽物5の両方を測定することができ、その場合、融液3の液面7と熱遮蔽物5(特に、底面6)との距離(間隔)を測定することができる。
Although the first embodiment and the first embodiment of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the first embodiment and the first embodiment described above.
For example, in the above-described embodiment and embodiment, the measurement point 7a is the liquid level 7 of the melt 3 accommodated in the crucible 2 provided inside the CZ furnace 1, but is not limited thereto, and the CZ A heat shield 5 provided inside the furnace 1 may be used. Alternatively, both the liquid surface 7 of the melt 3 and the heat shield 5 can be measured. In this case, the distance (interval) between the liquid surface 7 of the melt 3 and the heat shield 5 (particularly, the bottom surface 6) is measured. Can be measured.

二次元光センサは、CMOSセンサ13bに制限されず、例えば、エリア型CCD、PSDを用いることができる。
前記実施態様及び前記実施形態においては、いわゆる直接測定法を用いているが、これに制限されず、WO01/083859号公報に記載された測定方法(熱遮蔽物5の底面6における反射などを利用)や、特開2007−223879号公報に記載された測定方法(熱遮蔽物5などの側面における反射を利用)を用いることができる。
The two-dimensional photosensor is not limited to the CMOS sensor 13b, and for example, an area type CCD or PSD can be used.
In the embodiment and the embodiment, a so-called direct measurement method is used. However, the measurement method is not limited to this, and the measurement method described in WO01 / 083859 (reflection on the bottom surface 6 of the heat shield 5 is used). ) Or a measurement method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-223879 (utilization of reflection on a side surface of the heat shield 5 or the like) can be used.

レーザ光として、赤色レーザ光、紫色レーザ光、青色レーザ光、緑色レーザ光を用いることもできる。
レーザ光源に代えて、キセノン、水銀、ハロゲン等の光源や、ナトリウム線等の単一波長光源を用いることもできる。
Red laser light, purple laser light, blue laser light, and green laser light can also be used as the laser light.
In place of the laser light source, a light source such as xenon, mercury, or halogen, or a single wavelength light source such as sodium wire may be used.

(a)はレーザ光の軌跡を側面(X−Y面)から見た模式図であり、(b)はレーザ光の軌跡を正面(X−Z面)から見た模式図である。(A) is the schematic diagram which looked at the locus | trajectory of the laser beam from the side surface (XY plane), (b) is the schematic diagram which looked at the locus | trajectory of laser beam from the front (XZ surface). レーザ光の軌跡を上面(Y−Z面)から見た模式図である。It is the schematic diagram which looked at the locus of the laser beam from the upper surface (YZ plane). 反射光がCMOSセンサ13bに受光される状態を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the state by which reflected light is received by the CMOS sensor 13b. CMOSセンサ13bの受光領域ER、第1波形J1及び第2波形J2を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the light reception area | region ER of the CMOS sensor 13b, the 1st waveform J1, and the 2nd waveform J2. 本発明の位置測定装置の第1実施形態における各種値の算出に係る構成を示す機能ブロック図である。It is a functional block diagram which shows the structure which concerns on calculation of the various values in 1st Embodiment of the position measuring apparatus of this invention. 本発明の位置測定方法の第1実施態様を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the 1st embodiment of the position measuring method of this invention. ゴースト光を除去する具体例について説明する図である。It is a figure explaining the specific example which removes ghost light. 第1方向に沿って結像する像についての受光輝度の分布を示す図である。It is a figure which shows distribution of the light-receiving luminance about the image imaged along a 1st direction. マッチングを行わない場合における輝度重心法より、ガウシアンフィッティング法が有効な第1方向の受光輝度の分布を示す図である。It is a figure which shows distribution of the light reception brightness | luminance of the 1st direction in which the Gaussian fitting method is more effective than the brightness | luminance gravity center method in the case of not performing matching. (a)はレーザ光の軌跡を側面(X−Y面)から見た模式図であり、(b)はレーザ光の軌跡を正面(X−Z面)から見た模式図である。(A) is the schematic diagram which looked at the locus | trajectory of the laser beam from the side surface (XY plane), (b) is the schematic diagram which looked at the locus | trajectory of laser beam from the front (XZ surface).

符号の説明Explanation of symbols

1 CZ炉(チョクラルスキー炉)
2 るつぼ
3 シリコン融液(融液)
4 シリコン単結晶(単結晶)
5 熱遮蔽物
6 熱遮蔽物の底面
7 液面
7a 測定箇所
8 距離測定ユニット
9 回転ミラー
10 入射窓
11 プリズム
12 レーザ光源(光源)
13 受光器
13a 集光レンズ
13b CMOSセンサ(二次元光センサ)
13b’ CCDセンサ(一次元光センサ)
14a 第2方向重心算出手段
14b 第1方向中心位置算出手段
14c 測定箇所算出手段
D1 第1方向
D2 第2方向
J2 第2波形
J1 第1波形
ST2 第2方向重心算出工程
ST3 第1方向中心位置算出工程
ST4 測定箇所算出工程
1 CZ furnace (Czochralski furnace)
2 Crucible 3 Silicon melt (melt)
4 Silicon single crystal (single crystal)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 5 Heat shield 6 Bottom surface of heat shield 7 Liquid surface 7a Measurement location 8 Distance measurement unit 9 Rotating mirror 10 Entrance window 11 Prism 12 Laser light source (light source)
13 Photoreceiver 13a Condensing lens 13b CMOS sensor (two-dimensional optical sensor)
13b 'CCD sensor (one-dimensional optical sensor)
14a Second direction center of gravity calculation means 14b First direction center position calculation means 14c Measurement location calculation means D1 First direction D2 Second direction J2 Second waveform J1 First waveform ST2 Second direction center of gravity calculation step ST3 First direction center position calculation Process ST4 Measurement location calculation process

Claims (5)

光源、及び二次元光センサを有する受光器を備える位置測定装置を用い、前記光源から出射した出射光を単結晶引き上げ装置におけるチョクラルスキー炉に関する測定箇所に投射し、該測定箇所で反射した反射光を前記受光器の前記二次元光センサで受光し、該二次元光センサにより受光された前記反射光の輝度に基づいて三角測量の原理を利用して前記測定箇所の位置を測定する位置測定方法であって、
前記二次元光センサにおいて前記反射光が前記測定箇所の位置を表す方向を第1方向といい、該第1方向と直交する方向を第2方向という場合に、
前記第2方向に沿う前記反射光の輝度を示す第2波形についてその重心である第2方向重心を算出する第2方向重心算出工程と、
前記第2方向重心に基づいて、前記第1方向に沿う前記反射光の輝度を示す第1波形についてその中心である第1方向中心位置を算出する第1方向中心位置算出工程と、
前記第1方向中心位置に基づいて前記測定箇所の位置を算出する測定箇所算出工程と、を備えることを特徴とする位置測定方法。
Using a position measuring device including a light source and a light receiver having a two-dimensional optical sensor, the emitted light emitted from the light source is projected to a measurement location related to the Czochralski furnace in the single crystal pulling device, and reflected at the measurement location. Position measurement in which light is received by the two-dimensional light sensor of the light receiver and the position of the measurement point is measured using the principle of triangulation based on the luminance of the reflected light received by the two-dimensional light sensor A method,
In the two-dimensional photosensor, when the reflected light indicates the position of the measurement location is referred to as a first direction, and the direction orthogonal to the first direction is referred to as a second direction,
A second direction centroid calculating step of calculating a second direction centroid which is a centroid of the second waveform indicating the luminance of the reflected light along the second direction;
A first direction center position calculating step of calculating a first direction center position, which is the center of the first waveform indicating the luminance of the reflected light along the first direction, based on the second direction center of gravity;
And a measurement location calculation step of calculating the location of the measurement location based on the center position in the first direction.
前記第1方向中心位置算出工程において、前記第2方向重心に基づいて前記第1方向中心位置を算出する際に、前記第2波形における前記第2方向重心を含む前記第2方向の所定の範囲の領域を用いることを特徴とする請求項1に記載の位置測定方法。   In the first direction center position calculating step, when calculating the first direction center position based on the second direction center of gravity, a predetermined range in the second direction including the second direction center of gravity in the second waveform The position measuring method according to claim 1, wherein the region is used. 前記第2方向重心算出工程において、前記第2波形について所定の閾値以下の大きさで検出された輝度を含む部分を除去してから前記第2方向重心を算出することを特徴とする請求項1又は2に記載の位置測定方法。   2. The second direction centroid is calculated after removing a portion including luminance detected with a magnitude of a predetermined threshold value or less in the second waveform in the second direction centroid calculating step. Or the position measuring method of 2. 前記測定箇所は、前記チョクラルスキー炉の内部に設けられたるつぼに収容された融液の液面及び/又は前記チョクラルスキー炉の内部に設けられた熱遮蔽物であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の位置測定方法。   The measurement location is a liquid level of a melt contained in a crucible provided inside the Czochralski furnace and / or a heat shield provided inside the Czochralski furnace. The position measuring method according to claim 1. 光源、及び二次元光センサを有する受光器を備え、前記光源から出射した出射光を単結晶引き上げ装置におけるチョクラルスキー炉に関する測定箇所に投射し、該測定箇所で反射した反射光を前記受光器の前記二次元光センサで受光し、該二次元光センサにより受光された前記反射光の輝度に基づいて三角測量の原理を利用して前記測定箇所の位置を測定する位置測定装置であって、
前記二次元光センサにおいて前記反射光が前記測定箇所の位置を表す方向を第1方向といい、該第1方向と直交する方向を第2方向という場合に、
前記第2方向に沿う前記反射光の輝度を示す第2波形についてその重心である第2方向重心を算出する第2方向重心算出手段と、
前記第2方向重心に基づいて、前記第1方向に沿う前記反射光の輝度を示す第1波形についてその中心である第1方向中心位置を算出する第1方向中心位置算出手段と、
前記第1方向中心位置に基づいて前記測定箇所の位置を算出する測定箇所算出手段と、を備えることを特徴とする位置測定装置。
A light source and a light receiver having a two-dimensional optical sensor, and projecting the emitted light emitted from the light source to a measurement location related to a Czochralski furnace in a single crystal pulling apparatus, and reflecting the reflected light reflected at the measurement location A position measurement device that measures the position of the measurement location using the principle of triangulation based on the brightness of the reflected light received by the two-dimensional photosensor,
In the two-dimensional photosensor, when the reflected light indicates the position of the measurement location is referred to as a first direction, and the direction orthogonal to the first direction is referred to as a second direction,
Second direction gravity center calculating means for calculating a second direction gravity center that is a gravity center of the second waveform indicating the luminance of the reflected light along the second direction;
First direction center position calculating means for calculating a first direction center position, which is the center of the first waveform indicating the luminance of the reflected light along the first direction, based on the second direction center of gravity;
And a measurement location calculation means for calculating the location of the measurement location based on the center position in the first direction.
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