JPH11153418A - 結晶の直径を測定する装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、光学的検出システムを用いて結晶
の直径を高精度で測定する技術を提供することにある。 【解決手段】 本発明は、液化物質から引き上げられる
結晶の直径を測定する装置および方法に関する。数台の
ビデオカメラを用意し、各ビデオカメラは、結晶の垂直
軸線に沿ってまたは該垂直軸線に対して垂直な方向に、
結晶自体のセクションを複製する。カメラの画像角は、
複製すべき被写体が全画像平面（少なくとも画像平面の
一方向）を完全に充満するように配置される。小さい直
径をもつ被写体（例えば、結晶の首部）に対しては小さ
い画像角をもつカメラが使用され、大きい直径をもつ被
写体（例えば、結晶本体）に対しては大きい画像角をも
つカメラが使用される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、本願明細書の特許
請求の範囲の請求項１、１８および２２に記載の装置お
よび方法に関する。

【０００２】このような装置は、例えば、チョクラルス
キー（ＣＺ）法により単結晶を引き上げるときに、結晶
の直径を測定するのに使用される。

【０００３】

【従来の技術】結晶成長の分野において、例えば、気相
からの結晶成長、溶液からの結晶成長または液化物質か
らの結晶成長等の種々の方法が知られている。数或る結
晶成長法の中で、液化物質から結晶成長させる種々の方
法は、これらの高度に開発された処理技術および生産量
のため傑出した評価を得ている。

【０００４】液化物質からの最も良く知られた結晶成長
法として、カイロポーラス法、ブリッジマン法およびチ
ョクラルスキー法がある。カイロポーラス法では冷却さ
れた種結晶が液化物質中に浸漬され、かつブリッジマン
法ではるつぼが温度勾配内に垂直に下降されるけれど
も、チョクラルスキー法では、結晶が液化物質から引き
上げられる。

【０００５】チョクラルスキー法では、原料がるつぼ内
で溶融され、これはカイロポーラス法でも同様である。
種結晶は、液化物質中に浸漬されかつ液化物質により濡
らされ、これにより溶融される。次に、種結晶は、液化
物質から連続的に上方に引き上げられ、同時に温度が低
下される。このとき、結晶およびるつぼは、向流方向に
回転する。種結晶の引上げ速度および液化物質の温度
は、肩部の形成後に結晶が一定直径で成長するように制
御される。成長する結晶の方向は、種結晶の方向に一致
する（Bonora著、「単結晶シリコンのチョクラルスキー
成長−最新概要（"Czochralski Growth of Single-Crys
tal Silicon--A State-of-the-Art Overview")」、Micr
oelectronic Manufacturing and Testing 発行、1980年
９月、第４４〜４６頁参照）。

【０００６】現在の製造法で引き上げられる単結晶の目
標直径は、半導体技術で加工されるスライスサイズ（こ
のサイズは、電子構造部品の小型化が進歩しているにも
係わらず、経済性の理由から大型化しており、現在では
１５０〜２００mmが優勢である）に適合される。しかし
ながら、３００〜４００mmの直径をもつスライスに対す
る計画がある。これらの寸法を与えるとき、結晶構造お
よび純度、特に円筒状の結晶に沿う直径の一定性は、無
傷の単結晶の製造において重要な役割を演じる。円筒壁
が円滑であればあるほど、加工コストおよび材料ロスを
低減できることが期待される。この理由から、目標方法
中に直径を制御することは、経済性の点で重要な基準で
ある。

【０００７】実際に、成長工程のあらゆるフェーズでの
結晶の実直径を正確に測定および制御することを試みる
とき、かなりの困難に直面する。

【０００８】これらの困難を克服するため、これまでに
も機械的、電気的および光学的解決法が提案されてい
る。

【０００９】機械的解決法の場合には、結晶の重量がモ
ニタリングされ、この重量から直径を推測する（GB-PS
1 457 275)。これから、結晶が引き出されたときの結晶
の有効不活性質量（effective inert mass）に一致する
信号が発生される。各場合において、この信号は、計算
された期待値と比較される。２つの信号が互いにずれて
いる場合には、制御システムの介入により引上げ速度を
変更し、結晶の実直径を目標直径に一致させる。この方
法の欠点は、結晶成長が遅いことにより種々の不確かな
干渉を受けることである。

【００１０】この解決法の改善したものとして、結晶形
成中に、熱遅延（heat delay）の効果を補償する方法が
提案されている。

【００１１】液化物質から引き出される結晶の直径を測
定する問題の機械的原理に基づく他の既知の解決法は、
結晶と液化物質との相対回転により生じる捩りモーメン
トを、結晶の直径を測定するための測定値として使用す
る方法である（DE-OS 36 40868)。

【００１２】電気的方法の補助により結晶の直径を測定
することも既知である（DD-PS 145407) 。この方法で
は、ＤＣまたはＡＣ電圧が、結晶を通る間、または加熱
可能なるつぼ、液化物質、結晶および引上げ対象物から
なるシステムを通る間に、成長する結晶の電気抵抗が測
定される。結晶の電気抵抗を測定するため、液化物質の
表面上には浮遊接触領域が配置され、該浮遊接触領域
は、その材料の特異性および構造的特徴により、液化物
質と反応しないか、液化物質と結晶との間の境界面の熱
的条件に影響を与えない。

【００１３】るつぼ内に収容された液化物質から均一直
径をもつ単結晶ロッドを引き上げる他の既知の方法の場
合には、光学的薬剤を使用して結晶の直径を測定する
（DE-PS 16 19 969)。この方法では、機械的サーボ部品
および１つ以上の光検出器（該検出器は、液化物質上に
光を放射する）からなる制御システムを用いて、ロッド
直径の変化が常時バランスされる。光検出器は、該検出
器が、成長する結晶の直ぐ近くの液化物質の小表面積に
より発生される、近赤外線および可視スペクトル領域の
光エネルギを捕捉しかつその光路と結晶軸線とが鋭角を
形成するように調節される。

【００１４】帯溶融法（zone melting）により製造され
る半導体ロッドの直径を測定する光学的方法も知られて
いる。この方法によれば、ロッドは、帯溶融領域に設置
したＴＶカメラにより撮影され、カメラ信号は、該信号
と可変閾値とを比較することにより二進ビデオ信号に変
換され、ロッドの直径は、固−液境界層の特徴を有しか
つ軸線方向に生じる、輝度のジャンプが測定される位置
で測定される（雑誌「結晶成長ジャーナル（"Journal o
f Crystal Growth")」13/14 、1972年、第６１９〜６２
３頁参照）。

【００１５】この方法の改良方法では、種々の閾値での
多くの画像を撮影することによりかつ得られたビデオ信
号を種々の閾値で試験することにより、所定の最小幅の
ゾーンが存在するか否か、該ゾーンがロッド断面の全体
に亘って存在するか否か、および前記ゾーンが隣接の取
出し領域より暗いか否かを判断して、液化物質とこれか
ら成長した半導体結晶との間の相変態位置がより正確に
測定される（DE-OS 3325 003)。

【００１６】しかしながら、光学的方法を用いる結晶の
実直径の正確な測定は、成長工程の間に種々の干渉を受
け、このため、結果に誤差が生じ、この方法を正確に遂
行することはもはや不可能になる。この結果、成長工程
の品質および結果が大きく損なわれる。このような干渉
として、数或る中で、例えば、測定すべき被写体すなわ
ち結晶、液化物質または結晶の回りの明るいメニスカス
リング上の強く変化する輝度およびコントラスト比、お
よび液化物質上の干渉反射または機械的干渉により引き
起こされる測定すべき被写体上の非定常性がある。

【００１７】また、修正された結晶の機械的形状は、円
形断面をもつ円筒状の理想的形状から或る程度偏倚させ
ることができる。結晶の直径を変えることにより、結晶
およびこれに属する明るいメニスカスリングの全直径上
の視認性がかなり制限される。また、温度分布を最適化
する部品および装置は、結晶の視認性を制限しかつ更に
視認性を低下させる。

【００１８】約１５０〜２００mmの現在の普通の結晶直
径でも、結晶直径の検出および制御に付随するこれらの
問題は、成長工程にかなりの欠点をもたらす。結晶直径
が３００〜４００mmに更に成長した場合には、結晶直径
の信頼性ある制御の問題はより大きくなるであろう。

【００１９】上記問題を解決できかつＴＶカメラの補助
によりシリコン結晶の直径を測定でき、これにより液化
物質の表面をシリコン結晶近くの光領域として視認でき
る光学的システムまたは方法も知られている（EP 0 745
830 A2)。このシステムでは、最初に、シリコン結晶の
近くの光領域の一部のテストパターンがカメラにより撮
影される。次に、テストパターンの特性が検出される。
テストパターンの有効な特性は、例えば、強度勾配であ
る。この後、光領域の縁部が、検出特性の関数として規
定される。次に、光領域の規定された縁部を含む輪郭が
規定され、かつこの規定輪郭の直径が最終的に測定され
る。これにより、シリコン結晶の直径が、規定輪郭の探
究直径の関数として測定される。

【００２０】このシステムの欠点は、或る用途での精度
が未だ充分に高くはなく、特に、外的干渉が充分に考慮
に入れられないことである。

【００２１】更に、評価制御ユニットにより結晶の直径
を測定する構成の、チョクラルスキー法による単結晶の
引上げ装置および引上げ方法が知られている（DE 195 4
8 845 A1) 。この技術では、画像軸が９０°の角度を形
成する２台のカメラが使用される。これらのカメラを使
用して、１つの同じ被写体、例えばメニスカスリング上
に異なる点が検出される。これらのカメラの焦点距離お
よび画像角は同一であり、この結果、画像平面上に種々
の面積サイズの被写体の画像を撮影することはできない
一方、少なくとも１つの座標が完全に充満されることが
保証される。

【００２２】最後に、遷移角識別システムがあり、該シ
ステムでは、画像軸が結晶の垂直平面内に或る角度を形
成する２台のカメラが使用される（米国特許第4,943,16
0 号、第４図）。用語「遷移角（transition angle) 」
とは、結晶の垂直軸線および該垂直軸線に平行な軸線に
対するメニスカス表面を形成する角度をいうものと理解
すべきである。結晶の他の領域はカメラによってピック
アップされない。また、カメラは、結晶の種々の部分の
直径に調節される焦点距離または画像角をもたない。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、光学的検出
システムを用いて結晶の直径を高精度で測定する技術的
問題に基づいている。

【００２４】

【課題を解決するための手段】上記問題は、特許請求の
範囲の請求項１、１８および２２に記載の特徴により解
決される。

【００２５】本発明により実現される長所は、少なくと
も２台のカメラを使用することにより、特に、カメラの
解像度を各測定問題に適合するよう調節できるという事
実からなる。大きな結晶直径の場合、例えば、複合画像
の作製を可能にする２台のカメラを用いることにより、
解像度を２倍にすることができる。また、光の強度およ
びコントラスト比の変化により生じる問題も解消され
る。確かな測定を行うための種々の関連条件を考慮に入
れることにより、安定した信号、従ってこの工程を実施
する改良された方法を得ることもできる。更に、自動絶
対値キャリブレーションも可能であり、かつメニスカス
が生じない工程のフェーズで結晶直径を測定できる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を例示し
かつ詳細に説明する。

【００２７】図１には、光学的方法を使用して結晶２の
直径を測定できる装置１が示されている。この場合、結
晶２の下面３は液化物質５の表面４上に載っており、同
時に結晶２は矢印６の方向に回転される。液化物質５
は、電気モータ９の軸８により駆動されるるつぼ７内に
入れられている。軸８は、フランジ１０、１１により連
結されている。るつぼ７は、上部１２、中央部１３およ
び下部１４からなるケーシング内に配置され、該ケーシ
ングは矢印１５の方向に回転される。るつぼ７の周囲に
は、装置１７から電気エネルギが供給される電気加熱装
置１６が配置されている。

【００２８】結晶２は、電気モータ１９により駆動され
るポール１８（例えば、ねじピン）を用いて行われる。
このモータにも、装置１７から電気エネルギが供給され
る。

【００２９】ケーシングの上部１２には２台のカメラ２
０、２１が配置されており、該カメラの長手方向軸線
は、ポール１８およびるつぼ７の垂直軸線２２に対して
角度αまたはβを形成する。

【００３０】ケーシングの上部１２はパイプ２３に連結
されており、該パイプ２３はポール１８を包囲しかつガ
ス入口開口２４を有している。ケーシングの下部１４に
はガス出口開口２５、２６が設けられている。ポール１
８は電気モータ１９により回転されるだけでなく、上昇
もされる。電気モータ９、１９の制御は、カメラ２０、
２１から情報を受けかつこの情報を評価する装置１７に
より行われる。

【００３１】パイプ２３の後方または他の位置に、第３
カメラ（図１には示されていない）を配置することがで
きる。

【００３２】カメラ２０、２１は、一定の焦点距離およ
び画像角を有しかつ結晶２の特定領域（首部、本体等）
を複製する。複製される被写体は少なくとも１つの座標
の画像平面を完全に充満し、これにより最適解像度が得
られることが確保される。複製すべき被写体からカメラ
の対物レンズまでの距離は既知であるので、焦点距離
は、最適条件が存在するように選択される。「画像平面
（picture plane)」という用語は、画像が複製されるカ
メラの平面（すなわち、慣用カメラを用いる場合は２４
×３６フィルム平面、または電子カメラを用いる場合は
感光チップ面）であると理解すべきである。

【００３３】ケーシング１２に固定されるようにカメラ
が（システムに）一体化される場合には、カメラと対物
レンズとの間の距離が一定であるため、固定焦点距離を
もつ対物レンズを使用するのが好ましい。しかしなが
ら、例えば結晶の首部を観察するカメラについては、上
方に移動する成長結晶と一緒にカメラがケーシング１２
内で回転し、かつカメラの画像平面が複製被写体により
常時最適利用されるように自動的に制御されるズーム対
物レンズを備えた設計にすることができる。かくして、
対物レンズと被写体との間の常時変化する距離は、可変
焦点距離により考慮に入れられる。

【００３４】カメラの補助により、結晶領域の各直径
は、測定されかつ対応する目標値と比較される。次に、
実際値と目標値との差は、結晶引上げ条件の変更に使用
できる。

【００３５】図２には、図１に示した装置の上部が示さ
れており、この実施形態では、２台のカメラ２０、２１
が互いに並んで配置されている。図示の状態では、ポー
ル１８は、下方位置（引上げ工程の開始時）にありかつ
種結晶３１を有している。固定焦点距離を有するカメラ
２１は、種結晶３１と整合している（すなわち、その画
像角はγである）。これにより、種結晶は、これが全画
像平面を充満する態様で複製される。このため、種結晶
３１の輪郭および他の特性を正確に試験できる。

【００３６】第２カメラ２０は、他の固定焦点距離をも
つ対物レンズを有しかつ画像角δを介してより大きな結
晶２（図２に破線で示す）をピックアップする。かくし
て、結晶がカメラ２０の全画像平面を充満するような態
様で、より大きな結晶２を複製できる。

【００３７】２台のカメラ２０、２１の使用により、結
晶は、その全ての成長フェーズにおいて完全にモニタリ
ングされる。カメラ２０、２１は同時に使用できるが、
一方のカメラから他方のカメラへのシフトが自動制御に
より行われるようにして、交互に使用するのが好まし
い。２台のカメラの連続的使用は、同一の結晶引上げ工
程で行われることを理解されたい。

【００３８】ズーム対物レンズを備えた単一カメラのみ
を使用する方法（該方法は、１９８５年１０月９日付日
本国特許公報（特願昭６２−８７４８２）において既に
知られている）は、評価アルゴリズムを用いるときに欠
点を有し、固定焦点距離をもつ２台のカメラを用いる方
法には及ばない。固定焦点カメラでは、画像角は、撮影
すべき全被写体がフィルム面全体を充満するように設計
される。しかしながら、ズームカメラでは、フィルム面
の一部のみが被写体でカバーされる。例えば、ズーム対
物レンズが一部に合焦されかつ種結晶３１が全フィルム
面を充満する場合、種結晶は、広角焦点があるときには
フィルム面の一部のみをカバーするであろう。もちろ
ん、全結晶２が広角焦点で全フィルム面をカバーするで
あろうが、このことが、種結晶３１がフィルム面の極く
小さい部分のみを占拠するという事実を変えることはな
く、従って低い精度で試験される。しかしながら、異な
る焦点距離をもつ２台の広角焦点カメラでは、２台の異
なる領域が同時にまたは交互に複製および評価され、い
ずれにせよ、１つの一定工程で、結晶の２つの異なる領
域が複製および評価される。２台の広角焦点カメラの代
わりに２台のズームカメラを使用できるが、キャリブレ
ーションに付随する問題が生じるため、１００％の精度
で合焦させる必要がある。

【００３９】図３には、このようなキャリブレーション
を行う方法が示されている。簡単化のため１つのカメラ
２０のみを示してあるが、第２または第３カメラのキャ
リブレーションも同じ方法で行われることを理解すべき
である。

【００４０】図３には、２つのキャリブレーション態様
が示されている。第１態様の場合には、２つの分界器
（demarcations) ２７、２８が設けられており、該分界
器は円形リングの部品で構成できる。これらの分界器２
７、２８の縁部２９、３６は、目標位置のマーカとして
機能する。分界器２７、２８はカメラにより撮影され、
次に画像評価ユニット３７で評価される。この画像評価
ユニット３７は、キャリブレーションデータを記憶する
ための大容量メモリに接続されている。画像評価ユニッ
ト３７からの情報は制御システム３８に送られ、該制御
システム３８にも作動ユニット３９のデータがロードさ
れる。

【００４１】第２態様では、分界器２７、２８の代わり
に、特殊なキャリブレーションマークが設けられた板４
１が用いられ、該板４１は、液化物質の表面の期待高さ
に配置される。この板４１の表面には、種々の「基準直
径」ＤX 、ＤY をもつ基準画像が設けられている。これ
らの基準直径は、測定され、メモリ３８に記憶され、か
つ次に処理される。キャリブレーション工程は一般に実
際の結晶引上げ工程前に行われるので、分界器２７、２
８および／または板４１は、キャリブレーション後に取
り外すことができる。

【００４２】図４には、図１に従って液化物質から形成
される結晶２の拡大図が示されている。この結晶は、本
質的に円筒状の形状を有し、該形状の上方領域には肩部
３０が形成され、該肩部３０は細い首部３１へと続いて
いる。この首部３１は、種結晶すなわち種子３１（図
２。この種子により結晶の形成工程が開始される）に等
しい。結晶の垂直軸線は参照番号３２で示されており、
カメラ２０、２１（図４には示されていない）の長手方
向軸線は、図１に従って参照番号３３、３４で示されて
いる。カメラおよび該カメラの軸線の配置は、図１およ
び図４においてこれらの全体的形態に示されている。実
際に、これらはメニスカスと整合し、これにより両軸線
３３、３４は或る点（この点は、液化物質５の表面と軸
線３２との交差点でもある）で交差する。この構成につ
いて、以下に詳細に説明する。結晶２は本質的に円筒状
の形状を有するが、結晶の直径Ｄは高さとは無関係に変
化する。結晶２の下方領域（該領域は、円筒状部分と液
化物質５との間にある）が参照番号３５で示されてい
る。メニスカス３５は、或る程度まで、結晶２と液化物
質５との間の連結リンクであるといえる。メニスカス３
５は、凝固結晶と液化物質との間の細いリング状ゾーン
を表し、該ゾーンは液化物質自体よりも明瞭に明るい。
結晶は、該結晶と液化物質との間の境界面上の光リング
により包囲すべきであると思われる。るつぼ壁から液化
物質と結晶との間の凹状移行領域への主として半径方向
の反射により、容易には説明できない光学的現象が生
じ、これにより、上方から液化物質および結晶を見る観
察者は、液化物質の高さでの明るい光輝リングにより包
囲された、暗い結晶を観察する。引上げ工程の間、液化
物質がるつぼ内に下降されかつ存在する結晶が約３倍に
成長するとき、リングは拡大する。引上げ工程の終時に
は、適当なセンサ上に光輝リングが複製されるため、直
径を正確に測定することが一層困難になる。

【００４３】カメラ３３、３４を静止して取り付ける場
合には、例えば、結晶引上げ工程の第１回目のセグメン
トの間にカメラ３４を始動させることができる。次に、
第２回目のセグメントの開始時にカメラ３３が始動され
る。このような作動方法は、前述のように、連続作動法
と呼ばれる。

【００４４】図５〜図８には、結晶の上方の傾斜部に配
置されたカメラの視点から見た成長する結晶の４つの図
面が示されている。これらの図面には、本質的要素、す
なわち、液化物質、ポール２２、種結晶３１、結晶２自
体、およびメニスカス３５のみが示されている。るつぼ
７は省略されている。

【００４５】図５は、液化物質５が、ポール２２に連結
された種結晶３１に接触しようとする、結晶形成の開始
時の状態を示すものである。次に、ポール２２を上昇さ
せると、図６に示す状況が生じる。すなわち、液化物質
５と接触しているスリムな円筒状に形成された本体４０
が次に形成される。しかしながら、ポール２２を更に上
昇させると、形成された本体４０が伸長され、該本体４
０の端部には、円形の周囲を有しかつ明るく光るメニス
カス３５により包囲された結晶２が形成される。この状
況が図７に示されている。ポール２２が更に上昇される
と、円筒状の結晶２が液化物質５から成長し続ける。傾
斜部に配置したカメラから見た平面図では、メニスカス
３５の後部はもはや視認できず、前方の一部湾曲部のみ
を視認できる。

【００４６】図９には、２台ではなく３台のカメラ（図
示せず）によりピックアップされた状態が示されてい
る。第１カメラは、結晶の左側半部のみをピックアップ
しかつ陰影枠４２で囲んだ部分を複製する。しかしなが
ら、第２カメラは、結晶２の右側半部をピックアップし
かつ陰影枠４３で囲んだ部分を複製する。

【００４７】第３カメラは、枠４４で示す種結晶３１を
複製すべく応答する。２台の第１カメラの複製は、境界
領域４５でオーバーラップさせることができる。２台の
カメラを用いて結晶を複製することにより解像度が高め
られる。なぜならば、カメラの全フィルム面が、全結晶
ではなく、結晶の１／２のみによって充満されるからで
ある。従って、両カメラの並列作動が、結晶の長手方向
軸線に対して垂直な方向にカバーされる。

【００４８】かくして、本発明によれば連続作動が可能
である。この場合、カメラは、複製される被写体が少な
くとも１つの方向（Ｘ方向またはＹ方向）にカメラの複
製平面を充満するように、複製平面上で結晶の垂直軸線
に沿って結晶の種々の領域を複製する（この場合、カメ
ラは交互に付勢される）。しかしながら、並列作動も可
能である。この場合、カメラは、複製される被写体が少
なくとも１つの方向にカメラの複製平面を充満し、これ
によりカメラが同時に付勢されるように、複製平面上
で、結晶の垂直軸線に対して垂直な線に沿って結晶の種
々の領域を複製する。

【００４９】図１０は、カメラ複製した結晶２を示す。
この複製の使用により結晶２の直径を測定する方法を詳
細に説明する。枠４９は、結晶２を複製するＣＣＤチッ
プに相当すると考えられる。この場合、ＣＣＤチップ
は、矢印５６の方向の線をなす走査線である。これによ
り、枠４９内の個々の領域の光輝領域および／または光
強度の勾配が検出される。第１の目的は、メニスカス３
５の可視部分の限界である点Ｐ1 、Ｐ2 を決定すること
にある。これらの点Ｐ1 、Ｐ2 は、輝度のジャンプが走
査線の２つの位置に生じるときに見出される。両点Ｐ1
、Ｐ2 間の距離を計算することにより、結晶２の準直
径（quasi-diameter）が得られる。しかしながら、図１
０の図法は遠近図法で歪んでいるため、これは真の直径
ではない。しかしながら、キャリブレーションからの距
離（Ｐ1 −Ｐ2 ）と比較することにより、真の値を測定
することができる。かくして、歪んだ距離（Ｐ1 −Ｐ2
）を歪まない距離（Ｐ1 ′−Ｐ2 ′）に割り当てるこ
とができ、これにより、この場合の真の直径（Ｐ1 ′−
Ｐ2 ′）が得られる。

【００５０】次に、この直径を最大直径と比較する。新
しく測定された直径が、記憶された最大直径より大きい
場合にのみ、新しい直径が記憶される。

【００５１】次の段階で、位置Ｐ1 、Ｐ2 が中心線６５
に対して対称的であるか否かを測定する。対称的であれ
ば、下縁部に対する、両位置Ｐ1 、Ｐ2 を結ぶ線の距離
は、両位置Ｐ1 、Ｐ2 間の距離の１／２より小さくな
る。対称的であれば、測定した直径（Ｐ1 −Ｐ2 ）が最
大直径である。

【００５２】次に、点Ｐ3 を測定する。このとき、走査
線が下から上へと走査される。１つの線上に光輝の唯一
のジャンプが生じる場合には、点Ｐ3 が見出されたこと
になる。これにより、全部で３つの球面点が知られた訳
であるから、円およびその中心点ＰM を決定することが
できる。次の段階では、中心点ＰM から点Ｐ1 、Ｐ2を
通る線分を引いたときに形成される角度αを測定する。

【００５３】精度を高めるため、角度αから角度γを減
じると、 β＝α−γ となる。

【００５４】次に、新しい角度βにより形成される部分
の円弧上に、所定数の測定点Ｉ〜VIIIを分布させ、これ
らの測定点から「最適」な円を決定する。

【００５５】測定点Ｉ〜VIIIは、計算した円弧上ではな
く可視円弧上に均一に分布させなくてはならない（角度
αは可視円弧である）。角度αから角度γだけ減じられ
ているので、縁部上の測定点Ｉ〜VIIIを確実に決定でき
る。

【００５６】できる限り少ない数の測定点を用いること
により、直径信号について、高精度および高解像度を得
ることができる。多数の測定点により、或る程度まで補
償曲線が形成される。

【００５７】図１１は、結晶の直径を測定する方法のフ
ローチャートである。理解されようが、先ず、考慮に入
れるべき画像がカメラに読み取られる。この画像は、図
１０に示した結晶２にほぼ等しい。この画像は、点Ｐ1
、Ｐ2 、Ｐ3 をもつ楕円が、対応する点をもつ円にな
るように、既知のアルゴリズムにより修正される。この
修正された複製（該複製は具体的な光学的表現に一致す
る必要はないが、メモリに記憶されたデータにより実現
される）は、次に、他の処理を受ける。

【００５８】次に、読み取られた修正画像は、点Ｐ1 、
Ｐ2 の線のための探索線（searchedline)となる。この
とき、下方の線から始める。なぜならば、ｎ（ｎは線の
数である）は、１に等しく設定されるからである。１つ
の線に２つの点が見出される場合には、フローチャート
に示す他の試験が行われる。これらは、直径の測定の信
頼性の点で特別な意味をもつものである。

【００５９】点Ｐ1 、Ｐ2 は結晶から生じること、すな
わち、干渉源（例えば、液化物質上での反射）からでは
なくメニスカスから生じることに留意すべきである。

【００６０】全ての試験がポジティブの結果をもって通
過した場合には、測定された値が変数Ｄmax に記憶され
る。

【００６１】フローチャート上でのこの位置（すなわち
「下縁部までの距離＞Ｄ／２？」）の後、「yes 」（す
なわちＤmax ＝０）が選択されると、測定点Ｐ1 、Ｐ2
が記憶される。この後、次の線（ｎ＝ｎ＋１）が処理さ
れる。この線において、Ｄの値が、既に測定されたＤma
x の値より大きいことが判明した場合には、Ｄの新しい
値がＤmax として記憶される。この処理は、線毎に行わ
れる。最後の線が処理されたならば、点Ｐ1 、Ｐ2 を知
ることができ、両点Ｐ1 、Ｐ2 の間の距離は変数Ｄmax
内にある。点Ｐ1 、Ｐ2 の中間に、点Ｐ3 が探索され
る。

【００６２】点Ｐ1 と点Ｐ2 とを結ぶ線から、画像の下
縁部までの距離は、下縁部までの距離として呼ぶことに
する。メニスカス円の前方領域を視認できるとき、距離
がＤ／２より小さいという条件が満たされる。これは、
この場合の要求事項である。Ｐ3 、ＰM 、α、βが決定
された後、円弧上に測定点Ｉ〜VIII（図１０参照）が分
布される。これらの測定点から「最適円」が決定される
（すなわち、これらの点から補償曲線（修正曲線）が決
定される）。

【００６３】図１２には、２台のカメラ２０、２１およ
び結晶２が平面図で示されている。一方のカメラ２０は
大きい焦点距離を有し、種結晶３１上に生じた首部４０
を複製する。他方のカメラ２１は小さい焦点距離を有
し、全結晶２を複製する。カメラ２０は図６に示す加工
工程での状況を複製する機能を有し、一方、カメラ２１
は図７および図８に示す加工工程での状況を複製するこ
とを意図している。

【００６４】図１３は、３台のカメラ２０、２１、７０
を使用する例を示す概略平面図である。カメラ２１、７
０は短い焦点距離を有し、それぞれ結晶２の半部を複製
する。これらのカメラは、図７および図８に示す加工工
程中に付勢される。カメラ２１、７０は同時に評価さ
れ、このため、２倍の解像度が得られるという長所を有
する。カメラ２２は、長い焦点距離を有しかつ図６に示
す加工工程中に首部４０を複製する機能を有する。

【００６５】図１４には、図１２に示すカメラ群に関す
るフローチャートの一部が示されている。先ず、「首部
加工フェーズ」が存在するか否かをチェックする。首部
加工フェーズが存在しない場合には、カメラ２１が付勢
される。しかしながら、「首部加工フェーズ」が存在す
る場合には、カメラ２０が付勢される。次に、キャリブ
レーション中に記憶された基準データを用いて、カメラ
２０、２１により供給される画像が修正される。修正さ
れたデータは光学的に複製する必要はなく、メモリ内に
記憶されるだけで充分である。

【００６６】次に、図１１のフローチャートのガイドラ
インに従って、結晶２または首部４０の修正表示からの
結晶の直径の計算が行われる。

【００６７】次に、直径について得られる値が測定さ
れ、制御装置に供給される。

【００６８】従って、本発明によれば、成長工程のあら
ゆるフェーズにおいて、最適加工制御および結晶品質に
ついての本質的条件で、実際的かつ最新の結晶直径の正
確で問題のない測定を行うことができる。

【００６９】２台以上のカメラ画像が特殊な方法で評価
され、この結果、例えば、非常に異なる光強度条件およ
び光−コントラスト条件により生じる問題がなくなる。
かくして、液化物質、メニスカスおよび結晶の輝度に関
する絶対的情報が評価されるだけでなく、強度勾配ΔＪ
／ΔＸおよびΔＪ／ΔＹも評価に使用される。また、画
像平面の位置および傾斜、およびカメラの観察角により
生じる幾何学的歪みも修正される。これに加え、標準モ
デルを用いることにより、選択可能な画像平面の寸法の
自動絶対値キャリブレーションが可能である。勾配を形
成しかつ評価することにより、結晶の縁部およびメニス
カスリングが確実性をもって認識されかつ定められる。
特殊な多段探索および評価アルゴリズムを用いることに
より、縁部、最大直径および関連基準を決定することに
より、測定線を設定することにより、および測定点の大
きさから最適手段により直径を決定することにより、最
新の結晶直径が測定される。

【００７０】不適切な画像内容および画像被写体を除去
するため、例えば、関連する対称条件の（走査による）
プロセス依存定義および抽出；関連する強度、コントラ
ストおよび勾配条件の定義（definition) および抽出
（extraction) ；測定被写体の寸法の重要な意味をもつ
上限および下限の定義および抽出；および記憶された典
型的なモデル画像との比較等の種々の関連基準が使用さ
れる。

【００７１】上記基準に従って、探究および測定アルゴ
リズムが連続的にチェックされる。

【００７２】このようにして、制限された発光条件およ
び部分的に視認できるか部分的に評価できるに過ぎない
メニスカスリングであっても、正確な結晶直径を測定で
きる。大きな結晶直径での大きな画像角によるカバーリ
ングが生じるか否か、変化する直径での部分カバーリン
グが生じるか否か、または装置に組み込むことによる部
分カバーリングが生じるか否かは問題とはならない。こ
のような場合には、結晶の「完全円」は、計算方法によ
り制限される。

【００７３】メニスカスリングが部分的にカバーされる
に過ぎない場合には、測定点の選択の自動最適化が行わ
れる。

【００７４】また、本発明は、数或る中で、結晶直径に
ついての対称性および円形形状、強度および勾配条件、
窓サイズおよび／または関連する上限および下限等のフ
ィルタ定数および幾何学的条件を調節することにより、
それぞれの加工条件を調節できる。

【００７５】メニスカスが生じない結晶引上げ工程の或
るフェーズでは、それにも係わらず、結晶直径を直接測
定できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】互いに対向して配置された２台のカメラを備え
た結晶引上げ装置を示す図面である。

【図２】互いに並んで配置された２台のカメラを備えた
結晶引上げ装置を示す図面である。

【図３】カメラのキャリブレーション中の結晶引上げ装
置を示す図面である。

【図４】液化物質から引き上げられた結晶を示す拡大図
である。

【図５】結晶成長の一過程を示す概略図である。

【図６】結晶成長の一過程を示す概略図である。

【図７】結晶成長の一過程を示す概略図である。

【図８】結晶成長の一過程を示す概略図である。

【図９】３つのカメラにより撮影される結晶および種結
晶を示す図面である。

【図１０】結晶の直径を測定する方法を説明するための
結晶の斜視図である。

【図１１】結晶の直径を測定する方法を示すフローチャ
ートである。

【図１２】２台のカメラおよび結晶を上方から見た概略
図である。

【図１３】３つのカメラおよび結晶を上方から見た概略
図である。

【図１４】２台のカメラを使用するときのフローチャー
トの一部を示す図面である。

【符号の説明】

１ 結晶引上げ装置 ２ 結晶 ５ 液化物質 ７ るつぼ １８ ポール ２０、２１ カメラ ３５ メニスカス ３８ メモリ ３７ 画像評価ユニット ３８ 制御システム ３９ 作動ユニット

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【手続補正書】

【提出日】平成１０年１１月１６日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

フロントページの続き (72)発明者 ブリュス ディ−タ− ドイツ Ｄ−63486 ブルッフケ−ベル キンツィッヒハイマ− ヴェ−ク ９ (72)発明者 カルコウスキ− クラウス ドイツ Ｄ−63584 グリュンダウ シラ −シュトラ−セ 10ｂ

Claims (26)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ｍ個（ｍ≧２）の結晶領域を複製するた
   めのｍ台のカメラ（２０、２１）を有する、液化物質か
   ら引き上げられる結晶の直径を測定する装置において、
   ｍ台のカメラ（２０、２１）の原点（γ、δ）の角度
   が、前記カメラにより複製される各領域に一致すること
   を特徴とする測定装置。
2. 【請求項２】 前記複製される領域が、少なくとも１つ
   の次元でカメラの全画像平面を充満することを特徴とす
   る請求項１に記載の測定装置。
3. 【請求項３】 前記結晶の細い首部を複製する第１カメ
   ラ（２１）を有することを特徴とする請求項１に記載の
   測定装置。
4. 【請求項４】 前記結晶の細い円筒状部分を複製する第
   ２カメラ（２０）を有することを特徴とする請求項１に
   記載の測定装置。
5. 【請求項５】 異なる直径をもつ領域を複製する第３カ
   メラを有し、該第３カメラの原点の角度がより大きい直
   径に一致することを特徴とする請求項１に記載の測定装
   置。
6. 【請求項６】 前記カメラが結晶のメニスカスを複製す
   ることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
7. 【請求項７】 前記カメラが種結晶（３１）を複製する
   ことを特徴とする請求項３に記載の測定装置。
8. 【請求項８】 前記ｍ台のカメラのうちの少なくとも１
   台のカメラの長手方向軸線が、結晶（２）の長手方向軸
   線と垂直方向に整合することを特徴とする請求項１に記
   載の測定装置。
9. 【請求項９】 前記ｍ台のカメラのうちの少なくとも１
   台のカメラの長手方向軸線が、結晶（２）の長手方向軸
   線に対して角度α（０°＜α＜９０°）を形成すること
   を特徴とする請求項１または２に記載の測定装置。
10. 【請求項１０】 異なるカメラが、部分領域および同じ
    被写体を複製することを特徴とする請求項１に記載の測
    定装置。
11. 【請求項１１】 前記被写体が結晶（２）の本体である
    ことを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
12. 【請求項１２】 第１カメラ（２０）の長手方向軸線
    が、第２カメラ（２１）の長手方向軸線から１８０°だ
    けオフセットするように配置されていることを特徴とす
    る請求項１に記載の測定装置。
13. 【請求項１３】 前記ｍ台のカメラ（２０、２１）が互
    いに並んで配置されていることを特徴とする請求項１ま
    たは１２に記載の測定装置。
14. 【請求項１４】 前記カメラ（２０、２１）に自動キャ
    リブレーションが行われることを特徴とする請求項１に
    記載の測定装置。
15. 【請求項１５】 液化物質（５）が入れられるるつぼ
    （７）を包囲するケーシング（１２、１３、１４）の一
    部である要素（２７、２８）が、キャリブレーションを
    行うために設けられていることを特徴とする請求項１ま
    たは１４に記載の測定装置。
16. 【請求項１６】 キャリブレーション板（４１）が設け
    られかつるつぼ（７）が一時的に配置されることを特徴
    とする請求項１または１４に記載の測定装置。
17. 【請求項１７】 前記キャリブレーション板（４１）
    が、るつぼ（７）内の液化物質（５）の推定表面に配置
    されることを特徴とする請求項１６に記載の測定装置。
18. 【請求項１８】 ｍ台のカメラ（２０、２１）を用いて
    結晶の直径を測定する装置において、前記カメラ（２
    ０、２１）が同じ工程中に交互に使用されることを特徴
    とする測定装置。
19. 【請求項１９】 ｍ台のカメラ（２０、２１）を用いて
    結晶の直径を測定する装置において、前記カメラ（２
    ０、２１）が一工程中に同時に使用されることを特徴と
    する測定装置。
20. 【請求項２０】 前記ｍ台のカメラが、結晶の垂直方向
    の長手方向軸線内に異なる位置を複製することを特徴と
    する請求項１８に記載の測定装置。
21. 【請求項２１】 前記ｍ台のカメラが、結晶に対して水
    平な異なる位置を複製することを特徴とする請求項１９
    に記載の測定装置。
22. 【請求項２２】 液化物質から引き上げられる結晶の直
    径を測定する方法において、評価制御ユニットが、 ａ）ひとたびキャリブレーションを考慮に入れられたな
    らば、複製された結晶周囲の楕円形が円形に変換される
    ように、傾斜から生じる問題のために結晶の画像を修正
    する段階と、 ｂ）直径が円形に変換された周囲を走査して、直径をマ
    ークする２つのコーナ点を検出する段階と、 ｃ）円形上の第３の点を探索する段階と、 ｄ）前記２つのコーナ点および第３の点が共通理想円上
    にあるか否かを計算する段階とを遂行することを特徴と
    する測定方法。
23. 【請求項２３】 液化物質から引き上げられる結晶の直
    径を測定する方法において、 ａ）画像平面上のカメラによりメニスカスを複製する段
    階と、 ｂ）メニスカスの直径を走査して、２つの外側コーナ点
    を検出する段階と、 ｃ）メニスカスの最低点を探索する段階と、 ｄ）見出された点により楕円形を計算する段階と、 ｅ）既知のアルゴリズムに従って楕円形を円形に変換す
    る段階とを有することを特徴とする測定方法。
24. 【請求項２４】 前記２台のカメラ（２０、２１）によ
    り複製される被写体が交互に評価されることを特徴とす
    る請求項１、２２または２３のいずれか１項に記載の測
    定方法。
25. 【請求項２５】 前記結晶またはメニスカスリングの縁
    部が、勾配の形成および評価により測定されることを特
    徴とする請求項２２または２３に記載の測定方法。
26. 【請求項２６】 無関係の画像内容および画像被写体を
    除去することに関する基準を使用することを特徴とする
    請求項２２〜２５のいずれか１項に記載の方法。