KR100426419B1 - 실리콘결정성장제어방법 - Google Patents

실리콘결정성장제어방법 Download PDF

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Abstract

실리콘 결정성장장치를 제어하기 위해 실리콘 용융액으로부터 인상된 실리콘 결정의 직경을 결정하는 시스템 및 방법. 용융액은 결정에 인접한 밝은 링으로써 보이는 메니스커스가 있는 표면을 갖는다. 카메라는 결정에 인접한 밝은링의 일부의 이미지 패턴을 발생시킨다. 이미지 처리장치 회로는 이미지 패턴의 특성을 검출하며 검출된 특성의 함수로써 밝은 링의 에지를 정의한다. 이미지 처리장치 회로는 밝은 링의 정의된 에지를 포함하는 일반적인 원형을 또한 정의한다. 결정의 직경은 정의된 형태의 직경에 기초하여 결정되어 결정성장 장치의 제어에 사용한다.

Description

실리콘 결정 성장 제어방법{METHOD FOR CONTROLLING GROWTH OF A SILICON CRYSTAL}
본 발명은 초크랄스키 공정에 의해 성장된 실리콘 결정의 직경을 측정하기 위한 개선된 시스템 및 방법, 특히 초크랄스키 공정을 사용하는 장치 또는 방법을 제어하는데 사용하는 시스템 또는 방법에 관한 것이다.
마이크로 전자공학 산업용 실리콘 웨이퍼를 만드는데 사용되는 대부분의 단결정체 실리콘은 초크랄스키 공정을 사용하는 결정 인상기계에 의해 제조된다. 간단하게, 초크랄스키 공정은 특별하게 고안된 노에 놓인 수정 도가니에서 고순도의 다결정체 실리콘 덩어리를 용융시켜서 실리콘 용융액을 형성하는 것을 수반한다. 종자결정을 상승 및 하강시키기는 결정 리프팅기가 걸려 있는 인상 배선의 하단부에 있는 도가니 위에 비교적 작은 종자결정을 놓는다. 결정 리프팅기를 종자결정이 도가니에 있는 용융된 실리콘과 접촉할 때까지 하강시킨다. 종자가 용융되기 시작할 때, 기계는 실리콘 용융액으로부터 천천히 들어올려진다. 종자가 들어올려짐에 따라, 용융액으로부터 끌어올린 실리콘을 성장시킨다. 성장공정 동안에, 도가니는 한 방향으로 회전하고 결정 리프팅기, 배선, 종자 및 결정은 반대방향으로 회전한다.
결정성장이 시작됨에 따라, 종자가 용융액과 접촉하는 열적 충격이 결정내에서 전위(dislocation)를 일으킬 수 있다. 전위가 종자결정과 결정의 본체 사이의 목 영역에서 제거되지 않을 경우 전위는 성장 결정 전체에 걸쳐 퍼지며 증가된다. 실리콘 단결정 내에서 전위를 제거하는 공지된 방법은 상대적으로 높은 결정 인상속도에서 작은 직경을 갖는 목을 성장시켜서 결정체를 성장시키기 전에 전위를 완벽하게 제거 하는 것을 수반한다. 목에서 전위가 제거된 후, 본 결정체가 원하는 직경에 도달할 때까지 직경을 늘린다. 결정의 가장 취약부인 목의 직경이 아주 작을 경우, 결정성장 동안에 목이 부러질 수 있으므로 결정의 몸체가 도가니로 낙하하는 원인이 된다. 결정 잉곳의 충돌과 용융 실리콘을 튀게 하는 것은 안전성에 심각한 위험을 줄뿐만 아니라 결정성장 장치에 손상을 일으킬 수 있다.
당해 기술에서 공지된 바와 같이, 초크랄스키 공정은 부분적으로 성장되는 결정의 직경의 함수로써 제어된다. 즉, 제어 및 안전성 양자의 이유로, 목 직경을 포함한 결정 직경을 측정하기 위한 정확하고 신뢰성 있는 시스템이 요구된다.
밝은 링의 폭을 측정하는 방법을 포함한 결정 직경 측정을 제공하는 몇 가지 기술이 공지되어 있다. 밝은 링은 고체 액체 인터페이스에서 형성된 메니스커스에 있는 도가니 벽의 반사 특성이다. 종래 밝은 링과 메니스커스 센서는 광학적 파이로미터, 광전지, 광전지가 있는 회전 거울, 광전지가 있는 광원, 선 스캔 카메라 및 2차원 배열 카메라를 사용한다. 본 발명에서 참고하여 구체화된 모든 기재인, 미국특허번호 제 3,740,563 호, 제 5,138,179 호, 및 제 5,240,684 호는 결정성장 공정 동안에 결정의 직경을 결정하는 방법 및 장치를 개시한다.
불행하게도, 자동으로 결정 폭을 측정하는 종래 장치는 여러 단계의 결정 성장시 사용하거나 밝은 링의 정확한 최대값이 결정 자체의 고형체에 의해 시점으로부터 가려질 수 있는 직경이 큰 결정에 대해서는 충분한 정확도나 신뢰성이 없다. 이러한 문제점을 정정하기 위한 노력에 있어서, 결정 폭을 측정하는 종래 장치는 메니스커스를 따라 현이나 단일한 점에서 메니스커스를 측정하도록 시도한다. 하지만, 그런 장치는 스캐닝 장치의 정확한 기계적인 위치를 필요로 하며 용융액 레벨에서의 동요에 아주 민감하다. 또한, 종래 측정장치는 결정 성장장치의 조작기에 의한 빈번한 교정은 직경이 명세 내에 존재하는지 확인시 필요하다.
상기 문제점 뿐만 아니라, 결정 직경을 자동적으로 측정하는 종래 장치는 결정이 용융액으로부터 끌어 당겨짐에 따라 선회하거나 진자식으로 움직일 경우 정확한 측정을 할 수 없게 된다. 공지된 측정장치는 또한 용융액 표면이나 성장하는 결정 자체에서의 밝은 링과 반사 사이를 식별할수 없으므로 측정에 신뢰성이 없게 된다. 또한, 그러한 장치는 종종 뷰포트 윈도우가 예를 들면, 실리콘의 튐에 의해 방해될 경우 측정이 불가능하게 된다.
결정 직경을 측정하는 종래 시스템 및 방법의 또다른 문제점은 용융액 레벨의 측정 및 제로 전위성장의 손실표시와 같은 결정성장공정에 관한 부가적인 정보를 제공할 수 없다는 것이다.
이런 이유로, 종래 장치는 결정성장 공정을 제어하기 위해 자동적으로 결정직경을 결정하는 정확하고 신뢰성 있는 시스템을 제공할 수 없다.
본 발명의 목적 및 특징 중에는 적어도 몇 개의 상기된 바람직하지 않은 조건을 극복하는 제어 및 작동의 개선된 시스템 및 방법의 제공, 성장공정 동안에 정확하고 신뢰성 있는 결정 직경의 측정을 제공하는 시스템 및 방법의 제공, 카메라 각도에 의한 변형에 의해 생기는 오차를 보상하는 시스템 및 방법의 제공, 성장공정 동안 결정의 이동에 의해 영향받지 않는 시스템 및 방법의 제공, 용융액 레벨의 정확하고 신뢰성 있는 측정을 제공하는 시스템 및 방법의 제공, 제로 전위 성장의 손실표시를 제공하는 시스템 및 방법의 제공, 및 경제적으로 실행가능하며 상업적으로 실용적인 시스템과 효과적이며 상대적으로 저렴한 비용으로 실행할 수 있는 방법의 제공을 의미할 수 있다.
간략하게 기재된, 본 발명의 태양을 구체화시킨 시스템은 실리콘 용융액으로부터 실리콘 결정을 성장시키는 장치와 결합하여 사용된다. 시스템은 결정에 인접한 밝은 영역으로써 보이는 메니스커스가 있는 표면을 가지는 용융액으로부터 인상되는 크기를 결정한다. 시스템은 실리콘 결정에 인접한 밝은 영역 부분의 이미지 패턴을 발생시키는 카메라와 이미지 패턴의 특성을 검출하는 검파회로를 포함한다. 시스템은 또한 검출된 특성의 함수로써 밝은 영역의 에지를 정의하며 밝은 영역의 정의된 에지를 포함하는 형태를 정의하는 정의회로를 포함한다. 측정 회로는 정의된 형태의 크기를 결정하는데 실리콘 결정의 크기가 정의된 형태의 결정된 크기의 함수로서 결정된다.
일반적으로, 본 발명의 또다른 형은 실리콘 용융액으로부터 실리콘 결정을 성장시키는 장치에 사용하는 방법이다. 이 방법은 결정에 인접한 밝은 영역으로써 보이는 메니스커스가 있는 표면을 갖는 용융액으로부터 끌어 당겨진 결정의 크기를 결정한다. 상기 방법은 실리콘 결정에 인접한 밝은 영역의 일부의 이미지 패턴을 발생시키며 이미지 패턴의 특성을 검출하는 단계를 포함한다.
상기 방법은 또한 검출된 특성의 함수로써 밝은 영역의 에지를 정의하는 것과 밝은 영역의 정의된 에지를 포함하는 형태를 정의하는 것을 포함한다. 상기방법은 정의된 형태의 크기를 결정하는 단계를 또한 포함하는데 실리콘 결정의 크기가 정의된 형태의 결정된 크기의 함수로써 결정된다.
또한, 본 발명은 다양한 다른 시스템과 방법을 구비할 수 있다.
다른 목적 및 특징은 부분적으로는 명백하며 부분적으로는 이하에서 보여준다.
해당 도면 부호는 도면 전체에 걸쳐 해당 부분을 나타낸다.
제 1 도를 참조하면, 본 발명에 의한 초크랄스키 결정성장 장치 (23) 와 함께 사용하기 위한 시스템 (21) 이 도시된다. 도시된 실시예에 있어서, 결정성장 장치 (23) 는 저항히터 (29) 또는 다른 가열수단으로 둘러싸인 도가니 (27) 를 에워싸는 진공실 (25) 을 포함한다. 일반적으로, 도가니 구동기 (31) 는 화살표로 표시된 바와 같이, 시계방향으로 도가니 (27) 를 회전시키며 성장공정 동안 도가니 (27) 를 원하는 만큼 상승 및 하강시킨다. 도가니 (27) 는 인상축이나 케이블 (39) 에 부착된 종자결정 (37)으로 시작하여 단결정 (35) 이 인상되는 실리콘 용융액 (33) 을 포함한다. 제 1 도에 도시된 바와 같이, 용융액 (33) 은 용융액 레벨 (41) 을 가지며, 도가니 (27) 및 단결정 (35) 은 공통의 수직 대칭축(43) 을 갖는다.
초크랄스키 결정성장 공정에 의해, 결정 구동기 (45) 는 도가니 구동기 (31) 가 도가니 (27) 를 회전시키는 반대방향으로 케이블 (39) 을 회전시킨다. 결정 구동기 (45) 는 또한 성장공정 동안 바라는 만큼 결정(35) 을 상승 및 하강시킨다. 히터 전원 (47) 은 저항히터 (29) 를 작동시키며 절연체 (49) 는 진공실 (25) 의 내벽에 배접한다. 가스가 진공 펌프 (도시하지 않음) 에 의해 진공실 (25) 내부로부터 제거되면서 아르곤 가스의 불활성 공기가 진공실 (25) 로 공급되는 것이 바람직하다. 일 실시예에 있어서, 냉수가 공급된 실 냉각 외피 (도시하지 않음) 는 진공실 (25) 을 둘러쌀 수 있다. 바람직하게는 광전지와 같은 온도센서 (51) 가 용융액 표면 온도를 측정한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 한 개 이상의 2차원 카메라 (53) 가 제어기 (55) 와 함께 사용되어 단결정 (35) 의 직경을 결정한다. 제어기 (55) 는카메라 (53) 및 온도센서 (51) 로부터의 신호를 처리한다. 제 2 도에 도시된 바와 같이, 제어기 (55) 는 다른 것들 사이에서 도가니 구동기 (31), 단결정 구동기 (45) 및 히터 전원 (47) 의 제어에 사용되는 프로그램이 작성된 디지탈 또는 아날로그 컴퓨터를 포함한다.
제 1 도를 참조하여, 일반적인 실리콘 단결정 성장공정에 의해, 일정량의 다결정 실리콘이 도가니 (27) 에 채워진다. 히터전원 (47) 은 히터 (29) 를 통해 전류를 공급하여 충전물을 용융시킨다. 결정 구동기 (45) 는 케이블 (39) 을 통해 종자결정 (37) 을 하강시켜서 도가니 (27) 에 함유된 용융액 (33) 의 용융된 실리콘과 접촉한다. 종자결정 (37) 이 용융하기 시작할 경우, 결정 구동기 (45) 는 용융액 (33) 으로부터 종자 결정을 천천히 후퇴 즉, 끌어올린다. 종자결정 (37) 은 용융액 (33) 으로부터 실리콘을 끌어내서 용융액 (33) 으로부터 인상시키면서 실리콘 단결정 (35) 을 성장시킨다. 종자결정 (37) 이 용융액 (33) 에 접촉하기 전에, 종자결정 (37) 을 예열시키기 위해 우선 종자결정 (37) 을 용융액 (33) 에 거의 접촉하도록 하강시키는 것이 필수적일 수 있다.
결정 구동기 (45) 는 결정이 용융액 (33) 으로부터 인상됨에 따라 소정의 기준 속도로 결정 (35) 을 회전시킨다. 도가니 구동기 (31) 는 유사하게 소정의 제 2 기준속도로 도가니 (27) 를 회전시키지만, 일반적으로 결정 (35) 의 방향과는 반대방향이다. 제어기 (55) 는 처음부터 후퇴, 즉 인상속도 및 전원 (47) 에 의해 히터 (29) 에 공급되는 전력을 제어하여 결정 (35) 목의 하강을 일으킨다. 바람직하게는, 제어장치 (55) 가 이들 변수를 조절하여 소정의 결정 직경이 될 때까지 결정(35) 의 직경을 원뿔형으로 증가시킨다. 일단 소정의 결정 직경이 되면, 제어장치 (55) 는 인상속도와 가열을 제어하여 공정이 끝날때까지 시스템 (21) 으로 측정하여 일정한 직경을 유지한다. 이점에서, 인상속도와 가열을 증가시켜 단결정 (35) 의 단부에서 끝이 가늘어지는 부분을 이루도록 직경을 감소시킨다.
상기된 바와 같이, 결정 성장공정 동안에, 특히 결정 (35) 의 목부에 있어서 정확하고 신뢰성 있는 제어가 요구된다. 종자결정 (37) 이 용융액 (33) 으로부터 끌어 당겨진 것처럼 목은 거의 일정한 직경에서 성장하는게 바람직하다. 예를들면, 제어장치 (55) 는 목의 직경을 거의 일정하게 하여 목의 직경이 소정의 직경의 15 % 내에서 유지되게 한다. 당해 기술에서 공지된 바와 같이, 종자결정 (37) 에 인접한 목의 상부는 종자결정 (37) 이 실리콘 용융액 (33) 과 접촉하는 것과 관련된 열적쇼크에 의해 처음으로 주입되는 전위 (도시하지 않음) 를 포함할 수 있다. 당해 기술에서 공지된 바와 같이, 목 직경내의 과도한 요동이 전위를 형성할 수도 있다.
본 발명에서 참고하여 구체화된 공동 양도된 미국특허번호 제 5,178,720 호에 나타난 전체적인 개시는 결정 직경의 함수로써 결정과 도가니 회전속도를 제어하는 바람직한 방법을 개시한다.
제 2 도는 블럭도 형태로 제어기 (55) 의 바람직한 실시예를 도시한다. 본 발명에 의해, 카메라 (53) 는 768 ×494 화소의 해상도를 갖는 소니 XC-75 CCD 비디오 카메라와 같은 모노크롬 전하결합소자 (CCD) 카메라가 바람직하다. 카메라 (53) 는 수직축 (43) 에 대해 약 34 ˚의 각도로 실 (25) 의 뷰포트 (도시하지 않음) 에 설치되며 일반적으로 용융액 레벨 (41) 에서 축 (43) 과 용융액 (33) 의 교점을 겨냥한다 (제 3 도 참조).
카메라 (53) 는 용융액 (33) 과 결정 (35) 사이의 인터페이스에서 메니스커스 부분의 이미지를 포함하는 용융액 (33) 부분으로부터 인상시키면서 결정 (35) 폭의 비디오 이미지를 발생시킨다 (제 3 도 참조). 바람직하게는, 카메라 (53) 의 렌즈는 약 300 mm 이상의 시야계를 제공하는 16 mm 렌즈이다. 카메라 (53) 는 비디오 이미지를 선 (57; 예를 들면, RS-170 비디오 케이블)을 지나서 비전 (vision)시스템 (59) 에 전달시킨다. 제 2 도에 도시된 바와 같이, 비전 시스템 (59) 은 비디오 이미지 프레임 버퍼 (61) 와 이미지 처리장치 (63) 를 포함한다. 일예로써, 비전 시스템 (59) 은 Cognex CVS-400 비전 시스템이다. 또한, 비전 시스템 (59) 은 선 (67) 을 통해 프로그램 가능한 논리 제어기 (65, PLC) 와 소통한다. 바람직한 실시예에 있어서, PLC (65) 는 Siemens 사에서 제조한 모델명 575 PLC 이며 선 (67) 은 VME 백플레인 인터페이스를 나타낸다.
다시 제 2 도를 참조하면, 비전 시스템 (59) 은 또한 선 (71; 예를 들면, RS-170 RGB 비디오 케이블) 을 통해 비디오 표시장치 (69) 와 소통하며 선 (75; 예를들면, RS-232 케이블) 을 지나 퍼스널 컴퓨터와 소통하게 된다. 바람직한 실시예에 있어서, 비디오 표시장치 (69) 는 카메라 (53) 에 의해 발생된 비디오 이미지를 표시하며 컴퓨터 (73) 는 비전 시스템 (59) 을 프로그램 하기 위해 사용된다.
도시된 실시예에 있어서, PLC (65) 는 선 (79; 예를 들면, RS-232 케이블) 을 통해 연산기 인터페이스 컴퓨터 (77) 와 소통하며 선 (83; 예를 들면, RS-485 케이블) 을 통해 한 개 이상의 처리 입/출력 모듈 (81) 과 소통한다. 연산기 인터페이스 컴퓨터 (77) 는 결정성장 장치 (23) 의 연산기가 특별한 결정이 성장하는 동안 한 세트의 소정의 변수를 입력시키도록 한다. 처리 입/출력 모듈 (81) 은 성장공정을 제어하는 결정성장 장치 (23) 로부터나 장치까지 경로를 제공한다. 일예로써, PLC (65) 는 온도센서 (51) 로부터 용융액 온도에 관한 정보를 수신하며 용융액 온도를 제어하기 위해 처리 입/출력 모듈 (81) 을 통해 히터 전원에 제어신호를 출력시켜 성장공정을 제어한다.
제 3 도는 용융액 (33) 으로부터 끌어 당겨진 실리콘 결정 (35) 의 부분도이다. 결정 (35) 은 일반적으로 원통체인 결정성 실리콘으로 구성되며 수직축 (43) 과 직경 (D) 을 갖는 결정성 실리콘 주괴인 것이 바람직하다. 결정 (35) 과 같이 성장된 (as-grown) 결정은 일반적으로는 원통형이지만, 균일한 직경을 갖지 않을 수 있다. 이런 이유로, 직경 (D) 은 축 (43) 을 따라 상이한 축 위치에서 미소하게 변화할 수 있다. 또한, 직경 (D) 은 상이한 결정성장 단계 (예를 들면, 종자, 목, 크라운, 어깨, 몸체 및 끝 원뿔) 에서 가변할 것이다. 제 3 도는 결정 (35) 과 용융액 (33) 사이의 인터페이스에서 형성된 액체 메니스커스 (87) 를 갖는 용융액 (33) 의 표면 (85) 을 도시한다. 종래 기술에서 공지된 바와 같이, 메니스커스 (87) 에 있는 도가니의 반사는 일반적으로 결정 (35) 에 인접한 밝은 링으로써 볼 수 있다.
상기된 바와 같이, 카메라 (53) 는 일반적으로 축 (43) 과 용융액 (33) 의 교차점을 겨냥하는 실 (25) 의 뷰포트 (도시하지 않음) 에 설치된다. 다시 말하면, 카메라 (53) 는 수직축 (43) 에 대해 예각 (θ) 인 광학적 축 (89) 을 갖는다. 일예로써, θ는 약 34 ˚이다. 또한, 카메라 (53) 의 렌즈는 결정 (35) 의 폭을 포함하며 한 개 이상의 메니스커스 (87) 의 밝은 링을 포함하는 시계영역을 제공한다. 바람직한 실시예 있어서, 적절한 렌즈 선택이 결정 (35) 의 더 넓은 몸체 부에 대한 넓은 각도계 뿐만 아니라 작은 종자나 목의 고해상도에 대한 전송사진계 양자를 제공한다.
제 4 도를 참조하면, 메니스커스 (87) 를 포함한 결정의 예시도는 카메라 (53) 로 실 (25) 의 뷰포트를 통해 보이는 것처럼 도시된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 의해, 비전 시스템 (59) 의 프레임 버퍼 (61) 는 카메라 (53) 로부터 비디오 이미지 신호를 수신하여 이미지 패턴을 캡처하고 이미지 처리장치 (63) 로 처리한다. 일반적으로, 이미지 처리장치 (63) 는 디지탈 에지 검출을 행하여 메니스커스 (87) 의 밝은 링 내부 또는 외부 주위에서 최소 세 점의 좌표를 설정한다. 결정 (35) 과 메니스커스 (87) 의 단면이 일반적으로 원형으로 공지되었기 때문에, 이미지 처리장치 (63) 에 의해 검출되는 밝은 링 에지 좌표는 타원형으로 추정되거나, 원형으로 변형 및 매핑된다. 또한, 에지 좌표는 카메라 (53) 가 설치된 각도에 의해 생기는 변형을 보상하여 원형으로 매핑될 수 있다. 여기에서 참조하고 있는 Gonzales 와 Wintz 의 Digital Image Processing (1987 년판, 페이지 36-55) 에서는 3 차원 물체에 대한 카메라의 위치에 의해 생기는 원근적인 변형을 보상하는 위한 수학적 변환식을 공개한다. 이러한 변환식은 변형된 타원형으로부터 원형을 끌어 내는데 사용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 이미지 처리장치 (63) 는 프레임 버퍼 (61) 에 의해 캡쳐된 카메라 (53) 에 의해 발생된 이미지에 있는 적어도 세 개, 바람직하게는 다섯 개 이상의 인터레스트 영역 (91) 을 정의한다. 이미지 처리장치 (63) 는 각 영역 (91) 에 포함된 화소의 강도나 강도의 그레디언트와 같은 이미지 패턴의 특성에 대해 에지 기구나 윈도우 영역으로도 인용되는 인터레스트영역 (91) 을 스캐닝한다. 이미지 패턴의 감지된 특성에 근거하여, 이미지 처리장치 (63) 는 메니스커스 (87) 의 밝은 링의 외부를 따라 에지 좌표를 결정한다. 바람직하게는, 영역 (91) 은 일반적으로 카메라 (53) 에 의해 보여지는 것과 같이 밝은 링이 기대되는 형태에 일치되는 곡선에 따른 위치에 해당하는 미리 선택된 위치로 정의된다. 즉, 영역 (91) 은 타원이나 원의 바닥의 반을 따라서 정의된 중점에 대해 방사적으로 놓여 밝은 링의 형태에 근접하게 된다. 밝은 링 부분의 형태를 근사시키는 미리 선택된 위치에서 영역 (91) 을 정의함으로써, 영역 (91) 의 의사측정을 일으킬 수 있는 용융액 (33) 표면 (85) 에서의 공지되거나 예측되는 반사를 피할 수 있다. 또한, 이미지 처리장치 (63) 가 다수의 영역 (91) 을 정의하기 때문에, 실 (25) 의 뷰포트의 일부가 방해되더라도, 이미지 처리장치 (63) 는 여전히 밝은 링의 에지를 감지할 수 있게 된다. 강도나 강도 그레디언트 뿐만 아니라 메니스커스의 밝은 링의 에지좌표를 발견하기 위해 색이나 명암과 같은 이미지 패턴의 다른 특성이 검출될 수 있다.
제 4 도는 영역 (91) 이 정의되는 한 세트의 바람직한 위치를 도시한다. 도시된 바와 같이, 최좌측과 최우측 영역 (91) 은 중점 (C) 의 y 좌표 아래에 놓이는 것이 바람직하다. 즉, 본 발명에 의해 조작하는 시스템 (21) 은 실 (25) 의 뷰포트를 통해 주시되는 바와 같이 결정체 (35) 가 밝은 링의 최대 폭을 가릴 경우에 생기는 오차가 생기지 않는다. 본 발명은 직경이 큰 결정 (예를 들면, 200 mm 이상) 에 대해 특히 곤란한 원근적인 변형에 의해 생기는 이런 문제점을 극복할 수 있다는 장점이 있다.
상기된 바와 같이, 결정 (35) 은 일반적으로 용융액 표면 (85) 에 수직인 수직축 (43) 을 따라서 용융액 (33) 으로부터 인상된다. 인상시 결정 (35) 은 수직축 (43) 에 대해 이동할 수 있다. 영역 (91) 은 충분히 커서 결정 (35) 이 이동하여도 밝은 링의 에지좌표를 영역 (91) 내에서 정의될 수 있는 장점이 있다. 이미지 처리장치 (63) 는 영역 (91) 의 미리 선택된 위치를 또한 동적으로 이동시켜서 그것이 밝은 링의 이미지된 부분에 인접하여 결정직경이 성장의 모든 상 (예를 들면, 종자, 목, 크라운, 어깨, 몸체 및 끝 원뿔) 에 걸쳐 뒤따르게 된다. 즉, 영역 (91) 은 약 4 mm 내지 320 mm 의 결정직경을 확인한다. 그러나 당해 기술에서 공지된 바와 같이, 밝은 링은 성장의 모든 단계에서 항상 보이는 것은 아니다. 예를들면, 결정 (35) 의 크라운 부분의 성장동안에 밝은 링이 상대적으로 작거나 보이지 않을 수 있다. 이 때문에, 시스템 (21) 은 이미지 패턴의 배경 강도에 대해 밝은 영역으로써 나타나는 크라운의 주변을 감지하는 것이 바람직하다. 이 예에서, 이미지 패턴의 배경은 용융액 표면 (85) 을 나타낸다. 즉, 밝은 링 감지에 대한 다른 방법에서는, 시스템 (21) 은 결정 (35) 의 크라운에 결합된 밝은 영역을 감지한다.
바람직한 실시예에 있어서, 영역 (91) 내에서 감지된 밝은 링의 예지좌표는 수학적으로 변환되어 원근적인 변형을 보상하여 가장 적합한 원의 측정값으로 입력된다. 예를 들면, 이미지 처리장치 (63) 는 Hough 변환이나 최소 자승법을 사용해서 검출된 에지에 대응하는 원형을 정의한다. 본 발명에 의해, 이미지 처리장치 (63) 는 일반적으로 감지된 좌표에 기초한 원직경 (D') 과 중점 (C) 을 갖는 원형 (93) 을 정의한다. 특히, 최소한 3 개의 에지 좌표가 원 (93) 을 정의하는데 요구된다.
결정성장 공정을 제어하는데 있어서 PLC (65) 를 사용하여 결정 (35) 직경 (D) 의 정확한 측정값을 얻기 위해, 이미지 처리장치 (63) 는 우선 정의된 원 (93) 의 직경 (D') 을 디지탈 처리한다. 이런 식으로, 이미지 처리 (63) 는 원 (93) 의 크기를 사용하여 결정직경 (D), 정확한 원에 대해 적합한 양의 측정, 및 용융액 레벨 (41) 을 결정한다. 이런 응용을 위해, 용융액 레벨 (41) 은 히터 (25) 의 상부로부터 용융액 (33) 의 표면 (85) 까지의 거리로서 정의되며 중점 (C) 의 좌표의 함수로써 결정될 수 있다.
작동시, 이미지 처리장치 (63) 는 밝은 링 부분에 인접한 영역 (91) 을 정의하며 영역 (91) 내에서 이미지 패턴의 강도 그레디언트 특성을 검출한다. 이미지 처리장치 (63) 는 또한 검출된 특성의 함수로써 각 영역 (91) 내에서 밝은 링의 에지의 좌표를 정의하며 일반적으로 정의된 에지 좌표를 포함하는 원형 (93) 을 정의한다. 결정 (35) 의 직경 (D) 은 결정성장 공정을 제어하는 동안 사용하기 위해 정의된 원형 (93) 에 기초하여 결정된다. 제어기 (55) 의 PLC (65) 는 도가니 (27) 와 결정 (35) 이 회전하는 속도 및/또는 결정 (35) 이 용융액 (33) 으로부터 끌어당겨지는 속도 및/또는 용융액 (33) 의 온도를 제어하기 위해 결정된 실리콘 결정(35) 의 직경 (D) 에 반응하며 도가니 (27) 의 레벨을 제어하기 위해 용융액 레벨 (41) 의 결정값에 반응하여 결정성장 장치 (23) 를 제어한다. 즉, 이미지 처리장치 (63) 는 검파회로, 정의회로 및 측정회로를 구성하며 PLC (65) 는 제어회로를 구성한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 직경 (D') 은 곡률화소로 환산하여 측정된다. 일예로써, 여기서 CF 가 0.95 와 1.05 사이의 교정인자이며 3.02 mm 가 밝은 링의 폭을 보상할때 결정직경 D (mm) = CF (곡률화소) - 3.02 mm 이다. 3.02 mm 의 값은 성장된 목으로부터 데이터를 분석하여 결정하고, 교정인자 CF 는 측정값을 기초로하는 조작기 기입값이다. 본 발명에 의해, 결정 성장장치 (23) 의 조작기는 교정된 트랙을 활주하는 망원경으로 성장하는 결정 (35) 을 측정하며 컴퓨터 (77) 를 통해 CF 값을 입력시켜서 결정된 직경 (D) 과 측정값을 동일하게 한다. 이런 방식으로, CF 는 직경 측정시 가변성을 보상한다. 그러한 가변성은 일차적으로는 광학적 확대에 영향을 미치는 카메라 (53) 와 결정 (35) 사이의 거리에서의 변화에 일차적으로 기인한다. 거리의 증가는 결정 (35) 을 더 작게 보이게 해서 실제 결정 (35) 이 더 크게자라게 되는 결과를 가져온다. 거리에 있어서의 이러한 변화는 용융액 레벨 (41) 에서의 가변성 때문에 한 개의 결정성장 장치로부터 다른 것까지, 한 개의 실행으로부터 다른 실행까지, 및 단일 실행 내에서도 일어날 수 있다.
용융액 레벨 (41) 에 대해, 이미지 처리장치 (63) 는 용융액 레벨 (41) 을 나타내는 중점 (C) 을 결정한다. 본 발명에 의해, 중점 (C) 의 y 좌표와 기준값 사이의 차이는 용융액 레벨 (41) 을 결정하기 위해 사용된다. 또한, 상업적으로 유용한 광학적 방법 (예를 들면, 실 (25) 의 덮개판 (cover plate) 에 설치된 광선/검출기 장치) 이 용융액 레벨 (41) 을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 용융액 레벨 (41) 의 결정은 교정인자의 계산 및 도가니 (27) 의 리프트 제어를 통해 용융액 레벨 변화를 감소시킴으로써 직경 측정값의 변화량을 감소시키기 위해 사용될 수 있다.
직경 측정에 있어서 가변성의 또다른 1차적인 근원은 액체 메니스커스 (87) 에 노출되고 반사되는 도가니 (27) 의 뜨거운 벽의 높이에 의존해서 변화하는 밝은 링의 폭이다. 용융액 (33) 이 소모됨에 따라서, 밝은 링의 폭은 증가하여 결정 (35) 이 더 커져보이고 실제 결정 (35) 은 축소 성장된다. 3.02 mm 상수를 사용한 또다른 예에서, 밝은 링의 폭은 부가적인 비전툴이나 수학적인 모델링을 사용하여 계산될 수 있다. 예를 들면, 용융액 (33) 과 밝은 링 사이의 에지를 검출하는 것 뿐만 아니라 결정 (35) 과 밝은 링 사이의 에지를 검출하는 것은 밝은 링의 폭의 측정을 제공한다. 또한, 도가니 벽의 높이에 대한 반사 특성을 고려한 액체 메니스커스 (87) 의 수학적 모델링은 밝은 링 폭의 측정을 제공한다.
또다른 실시예에 있어서, 이미지 패턴의 영역 (91) 내에서 정의된 밝은 링의 5 개의 에지좌표를 사용하여 결정 구동기 (45) 가 결정 (35) 을 회전시키는 속도에 대해 결정직경에 있어서의 주기적인 편차를 검출한다. 종래 기술에서 공지된 바와같이, <100> 제로 전위 성장은 자른 면이나 성장선에 의해 나타나며, 일반적으로 수직축 (43) 에 평행하며 결정 (35) 의 몸체를 따라서 간격을 두고 있다. 이들 성장선은 결정 (35) 의 단면의 주변에서 딤플형 모양으로써 나타난다. 이 때문에, 통상 속도로 결정 (35) 을 회전시키면서 예를 들어, 회전속도의 4배속도에서 성장선이 특별한 영역 (91) 내에 있을 것으로 기대된다. 그것과 같이, 이미지 처리장치 (63) 는 결정 (35) 의 제로 전위성장을 강화시키며 정의된 원형 (93) 의 결정된 직경에서 주기적인 편차를 검출하는 수단을 구비한다.
또한, 본 발명의 비전 시스템 (59) 은 결정직경, 용융액 레벨 및 제로 전위 성장의 손실 뿐만 아니라 정화관 갭이나 용융액 갭, 완전 용융, 얼음, 대류 및 온도와 같은 다른 결정성장 변수를 결정하기 위해 사용될 수 있다.
제 5 도는 흐름도 (95) 형태로 본 발명의 바람직한 일실시예에 의한 시스템 (21) 의 작동을 도시한다. 단계 97 에서 시작한 후에, 프레임 버퍼 (61) 는 단계 99 에서 카메라 (53) 로부터 이미지 패턴을 획득한다. 이미지 처리장치 (63) 는 포획된 이미지를 수신하며 그의 화소값을 조절하여 카메라의 각에 의해 생기는 이미지 패턴의 전위를 보상한다. 이것은 단계 101 에서 cosθ 로부터 유도된 것처럼 이미지 패턴의 y 값 (y화소) 을 계수 1.2 로 스케일링하여 행해져서 y 값을 정의한다. X = X화소가 바람직하다. 단계 101 을 실행하는 이미지 처리장치 (63) 는 결정 (35) 에 인접한 밝은 영역의 부분을 일반적으로 활모양으로 하기위해 이미지 패턴을 조절하는 수단으로 구성되어 있다.
단계 103 에서, 비전 시스템 (59) 의 이미지 처리장치 (63) 는 각 인터레스트 영역 (91) 내에서 화소의 강도의 각 그레디언트를 조사하여 에지검출을 실행한다. 그레디언트는 각 영역 (91) 내에서 이미지 패턴의 상대적인 강도의 편차를 취하여 구해진다. 즉, 이미지 처리장치 (63) 는 밝은 링의 에지를 나타내는 각 영역 (91) 내에서 강도의 최대 변화 좌표와 동일하다. 단계 105 에서, 다섯 개의 에지 좌표가 정의될 경우, 이미지 처리장치 (63) 는 Hough 변환이나 최소자승법과 같은 원 조절 알고리즘에 의해 일반적인 원형으로 정의된 에지좌표를 조절하기 위한 단계 107 를 진행한다. 예를 들면, Hough 변환은 소트 절차를 사용하여 원을 발견하고 소정의 목적을 위해 최적의 데이터 점의 클러스터를 발견하기 위해 사용될 수 있는 데이터 점의 클러스터를 전개시킨다. 데이터는 평균화되어 조절된 원의 중심이나 반경을 발견한다.
단계 109 에서, 비전 시스템 (59) 은 정확한 원과 정의된 원형 (93) 을 비교하여 원 맞춤의 질을 결정한다. 이 결정은 측정값의 타당성의 표시를 제공한다. 정의된 형태가 충분한 원형일 경우, 비전 시스템 (59) 은 결정 성장공정에서 사용하기 위해 정의된 원 (93) 의 직경 (D') 과 그의 중점 (C) 의 x-y 좌표를 나타내는 정보를 제어기 (55) 의 PLC (65) 에 전달한다. 흐름도 (95) 의 실시예에 있어서, 비전 시스템 (59) 은 원 (93) 의 반경을 알려준다. 즉, PLC (65) 와 함께 단계 111 을 실행하는 이미지 처리장치 (63) 는 기준 x-y 좌표 시스템에 대한 정의된 원형 (93) 의 중심을 결정하는 수단을 구비한다.
시스템 (21) 의 작동은 다음에 계수기 N 이 0 으로 설정되는 곳에서 단계 113 을 이행한다. 이미지 처리장치 (63) 는 결정된 중점과 반경에 기초하여 영역 (91) 을 재위치 시킨다. 본 발명의 바람직한 일실시예에 의해, 각 영역 (91) 은 정의된 원 (제 4 도에서 일반적으로 도시됨) 의 저부 절반을 따라 미리 선택된 방사위치에서 정의된다. 이런 식으로, 영역 (91) 은 흐름도 (95) 를 반복후에 메니스커스 (87) 의 밝은 링의 검출된 에지에서 본질적으로 중심이 되며, 이미지 처리장치 (63) 는 직경에서 변화 뿐만 아니라 인상동안에 결정 (35) 의 이동에 대해 반응한다.
단계 105 에서 밝은 링의 에지좌표가 영역 (91) 내에서 정의되지 않을 경우, 이미지 처리장치는 단계 117 에서 계수기 N 을 증가시킨다. 이미지 처리장치 (63) 는 단계 119 에서 N = 10 이 될 때까지 또는 이미지 처리장치 (63) 가 다섯 개의 에지좌표를 정의할 때까지 단계 99, 101, 103, 105 및 117 를 반복한다. 밝은 링의 에지 정의시에 10 번의 성공하지 못한 시도후에, 이미지 처리장치 (63) 는 단계 121 에서 스캐닝 루틴을 행하여 밝은 링의 일반적인 위치를 조사한다 (제 6a-6c 도에 더 상세하게 도시함). 단계 121 의 스캔 루틴은 이 예에서, 용융액 표면 (85) 을 나타내는 이미지 패턴의 배경의 강도에 대한 밝은 링의 강도에 기초한 이미지 패턴에서 메니스커스 (87) 의 대략적인 위치를 발견한다. 이미지 처리장치 (63) 는 영역 (91) 의 미리 선택된 위치를 정의하기 위한 대략적인 중점 및 반경을 결정한다. 즉, 단계 105, 113, 115, 117, 119 및 121 를 실행하는 이미지 처리장치 (63) 는 검출된 특성의 함수로써 윈도우 영역 (91) 을 이동시키는 수단과 윈도우 영역 (91) 의 미리 선택된 위치를 조절하는 수단을 구성한다.
제 6a - 제 6c 도는 흐름도 (123) 의 형태로 제 5 도의 단계 121 의 바람직한 스캐닝 루틴을 도시한다. 단계 125 에서 개시한 후, 프레임 버퍼 (61) 는 단계127 에서 카메라 (53) 로부터 이미지 패턴을 획득한다. 이미지 처리장치 (63) 는 캡처된 이미지를 수신하며 그의 화소값을 조절하여 단계 129 에서 카메라 각에 의해 생기는 이미지 패턴의 변형을 보상한다. 단계 131, 133 및 135 를 진행시켜서, 이미지 처리장치 (63) 는 이미지 패턴의 좌측, 우측 및 저부에지에서 ROI1, ROI2, 및 ROI3이라 칭하기도 하는 부가적인 인터레스트 영역을 두게 된다. 이들 부가적인 인터레스트 영역, ROI1, ROI2, 및 ROI3은 영역 (91) 보다 상대적으로 더 크며 또한 광 계전 기구로써 칭해지기도 한다. 단계 137 에서, 검출된 에지의 수는 0 으로 설정되며, 단계 139 에서, 라스트의 최대 강도판독을 나타내는 변수 LAST최대는 상대적으로 높은 값 (예를 들면, 1000) 으로 설정된다.
바람직한 일실시예에서, 서브루틴 (141) 이 사용되어 ROI1내에서의 이미지 패턴의 최대 강도, 즉 MAX화소를 100 과 같은 임계값에 비교하여 메니스커스 (87) 의 좌측에지를 발견한다. 단계 143 에서 MAX화소가 100 을 넘을 경우, 이미지 처리장치 (63) 는 비율 MAX화소: LAST최대가 1.1 과 비교되는 단계 145 를 실행한다. 비율이 1.1 을 넘을 경우, 이미지 처리장치 (63) 는 좌측에지가 ROI1내에서 발견된 것으로 간주하며 단계 147 에서 에지계수기를 증분시킨다. ROI1의 x 좌표를 단계 149 에서 저장하고 밝은 링의 좌측에지를 식별한다. 단계 143 에서 MAX화소가 100이하일 경우, 또는 단계 145 에서 MAX화소: LAST최대가 1.1 이하일 경우, 단계 151 에서 LAST최대는 MAX화소와 동일하게 재설정된다. 이미지 처리장치 (63) 는 소정의 양에 의해 ROI1을 오른쪽으로 이동시킨다. 예를 들면, 단계 153 에서, 이미지 처리장치는 x 좌표의 ROI15 를 우측으로 재위치 시킨다. 단계 155 에서 결정된 바와 같이, ROI1이 이미지 패턴의 우측경계에 도달하지 않는한, 이미지 처리장치 (63) 는 서브루틴 (141) 을 반복한다.
제 6b 도를 참조하여, 이미지 처리장치 (63) 가 ROI1내에서 밝은 링의 좌측에지를 검출한 후나, ROI1이 이미지 패턴의 우측경계에 도달한 후에, 단계 157 에서 이미지 처리장치 (63) 는 LAST최대를 1000 으로 재설정하며 본질적으로는 서브루틴 (141) 과 동일하지만 방향은 반대인 서브루틴 (159) 을 실행한다. 서브루틴 (159) 은 ROI2내에서의 이미지 패턴의 최대강도, 즉 MAX화소를 100 과 같은 임계치에 비교함으로써 메니스커스의 우측에지를 발견하기 위해 사용된다. 단계 161 에서 MAX화소가 100을 넘을 경우, 이미지 처리장치 (63) 는 MAX화소: LAST최대의 비가 1.1 에 비교되는 단계 163 를 실행한다. 비율이 1.1 을 넘을 경우, 이미지 처리장치 (63) 는 ROI2내에서 우측에지가 발견된 것으로 간주하며 단계 165 에서 에지계수기를 2 만큼 증가시킨다. 단계 167 에서 ROI2의 x 좌표를 저장하고 밝은 링의 우측에지를 식별한다. 단계 161 에서 MAX화소가 100 이하일 경우, 또는 단계 159 에서 MAX화소: LAST최대의 비가 1.1 이하일 경우, 단계 169 에서 LAST최대는 MAX화소와 동일하게 재설정된다. 다음에 이미지 처리장치 (63) 는 소정의 양만큼 ROI2를 좌측으로 이동시킨다. 예를 들면, 단계 171 에서, 이미지 처리 장치는 x 좌표의 ROI25 를 좌측으로 재위치 시킨다. ROI2가 단계 173 에서 결정된 바와 같이, 이미지 패턴의 좌측 경계에 도달하지 않는한 이미지 처리장치 (63) 는 서브루틴 (159) 을 반복한다.
제 6c 도를 참조하여, 이미지 처리장치 (63) 가 ROI2내에서 밝은 링의 우측에지를 검출한 후 또는 ROI2가 이미지 패턴의 좌측경계에 도달한 후에, 이미지 처리장치 (63) 는 단계 175 에서 LAST최대를 1000으로 재설정하고 본질적으로는 서브루틴 (141 및 159) 과 동일하지만 y 방향인 서브루틴 (177) 을 실행한다. 서브루틴 (177) 은 ROI3내에서 이미지 패턴의 최대 강도, 즉 MAX화소를 100 과 같은 임계치에 비교함으로써 메니스커스 (87) 의 저부에지를 발견하기 위해 사용된다. 단계 179 에서 MAX화소가 100 을 넘을 경우, 이미지 처리장치 (63) 는 MAX화소: LAST최대비율이 1.1 에 비교되는 단계 181 로 이동한다. 비율이 1.1 을 넘을 경우, 이미지 처리장치 (63) 는 저부에지가 ROI3에서 발견된 것으로 간주하며 단계 183 에서 에지계수기를 4 만큼 증가시킨다. 단계 185 에서 ROI3의 y 좌표를 저장하여 밝은 링의 저부에지를 식별한다. 단계 179 에서 MAX화소가 100 이하이거나, 단계 181 에서 MAX화소: LAST최대비율이 1.1 이하일 경우, LAST최대는 단계 187 에서 MAX화소와 동일하게 재설정된다. 다음에 이미지 처리장치 (63) 는 소정의 양에 의해 이미지 패턴의 상부를 향해 ROI3을 이동시킨다. 예를 들면, 단계 189 에서, 이미지 처리장치는 상부를 향해 y 좌표의 ROI36.6 을 재위치 시킨다. 단계 191 에서 결정된 바와 같이, ROI3이 이미지 패턴의 상부경계에 도달하지 않는 한, 이미지 처리장치 (63) 는 서브루틴 (177) 을 반복한다.
단계 193 에서 결정된 바와 같이, 메니스커스 (87) 의 좌측, 우측 및 저부에지가 발견된 후에, 이미지 처리장치 (63) 는 단계 195 에서 x 좌표의 차이를 2 로 나눔으로써 대략적인 원 반경을 계산하며 단계 197 에서 x 좌표 사이의 중앙점을 찾고 저부의 y 좌표에 원반경을 더함으로써 원 중심의 좌표를 계산한다. 단계 199 에서, 이미지 처리장치는 밝은 링의 우측에지에서 대략적으로 점의 좌표를 계산하는 것이 바람직하다. 본 발명의 도시된 실시예에 의해, 계산된 반경, 중점 및 에지점은 처리장치 (63) 가 제 5 도의 흐름도 (95) 에 의한 동작으로 복귀하기 전에 메니스커스 (87) 의 밝은 링에 대략적으로 영역 (91) 을 두는데 사용된다.
반면에, 모든 에지가 발견되지 않을 경우, 단계 193 에서 결정된 바와 같이, 이미지 처리장치 (63) 는 흐름도 (123) 의 단계 131 로 복귀한다. 단계 201 에서, 흐름도 (123) 는 끝난다.
본 발명의 또다른 실시예에 있어서, 비전 시스템 (59) 은 카메라 (53) 에 의해 발생되는 비디오 이미지를 캡처하기 위한 프레임 그레버 (예를 들면, Creative Technology의 VideoBlaster?)를 갖는 컴퓨터로써 구체화된다. 이미지 처리장치 (63) 로써 작용하는 컴퓨터는 이미지 패턴을 스캔하며, 각 스캔선의 개개의 강도 값을 분석한다. 이미지 패턴의 좌측 및 우측에지에서 개시하며 그의 중앙으로 이동하여, 배경(예를 들면, 용융액 표면 (85)) 강도가 측정되고 평균화된다. 강도에서 갑작스런 증가가 발견되기까지 또는 소정 개수의 샘플이 얻어질때까지 스캔을 계속한다. 실험적 오프셋을 더한 평균 강도값으로 이루어진 이진법 임계치는 밝은 링의 에지의 확인에 수행된다. 한 쌍의 윈도우 영역이 미리 결정된 원 중심의 x 좌표에 대해 일반적으로 대칭적인 위치에서 각 스캔선에 대해 정의되어 외부 반사가 유효에지로써 동일화되는 것을 방지한다. 윈도우는 전(前) 스캔선의 알려진 에지로부터 ±n 화소의 오차허용도를 적용시킨다. 이런 방식으로, 인상시 결정직경을 변화시키는 것과 결정 (35) 의 이동이 조절된다. 상부로부터 저부까지 이미지 패턴을 조사하여, 두 개의 유효에지가 놓일때까지 좌측 및 우측 윈도우 영역이 그들의 각 경계로부터 중앙을 향해 동일한 속도로 재위치된다.
윈도우 영역은 에지에 있는 그의 중심부에 재위치된다. 일련의 스캔선에서 검출된 각 에지는 전 스캔선으로부터 윈도우 영역 내에 놓이는 것이 바람직하며, 이런 식으로, 에지가 연결되는 것이 보장된다. 한 스캔선이 오차허용도 체크를 실패할 경우에는 단순하게 무시되며, 소정의 선의 수가 실패할 경우에는 검사가 재개된다. 다시, 카메라 (53) 가 설치되는 각에 의해 생기는 원근적인 변형이 Gonzalez 변환과 같은 수단에 의해 보상될 수 있다. 유효화된 에지를 원형으로 조절하여 원 중점과 원 직경을 계산한다.
이하의 예는 본 발명의 기재된 바람직한 실시예와 유용성을 제공하고 첨부된 청구항에서 진술되지 않았다면 본 발명을 제한하는 것을 의미하는 것은 아니다.
실시예
1. 제 7 도는 결정 (35) 의 크라운 부분에 대해 밀리미터 단위로 화소에서의 직경 측정값 대 직경 (D) 을 그래프로 도시한다. 상기된 바와 같이, 비전 시스템 (59) 은 밀리미터로 환산될 수 있는 x화소값에 대해 정의된 원 (93) 의 폭에 기초하여 결정 (35) 의 직경을 결정한다. 제 7 도에서 도시된 바와 같이, 대략 1.8 x화소값이 예를 들면, 캘리퍼 등에 의해 측정된 것과 같은 1 밀리미터에 해당한다.
2. 제 8a - 8b 도는 그래프 형태로 결정 (35) 의 목 부분의 측정값을 도시한다. 제 8a 도는 캘리퍼로 측정한 것과 같은 밀리미터 단위의 직경 및 비전 시스템 (59) 에 의해 측정된 것과 같은 밀리미터 단위의 직경 대 목의 길이를 도시한다. 도시된 바와 같이, 두 측정값 사이의 오차를 최소화 시키기 위해 스케일링 (예를 들면, 바이어스 (bias) 및 게인 (gain)) 시에 미세 튜닝이 필요할 수 있다. 또한, 비전 시스템 (59) 에 의해 결정된 측정값을 보여주는 곡선은 결정 (35) 의 목 부분은 1 분에 5 mm 만큼 성장하기 때문에 목 직경의 임의의 피크와 골을 놓칠 수 있는 일 샘플 당 분의 샘플링 속도에 기초한다. 스케일링에 있어서의 개선은 4.5 mm 내지 7.0 mm 범위의 직경에서 ±0.5 의 정확도로 얻어진다. 제 8b 도는 비전 시스템 (59) 에 의해 측정된 것과 같은 밀리미터 단위의 직경 대 캘리퍼로 측정된 것과 같은 밀리미터 단위의 직경을 도시한다.
3. 제 9a - 9b 도는 그래프형태로 결정 (35) 의 길이에 대한 측정값을 도시한다. 제 9a - 9b 도의 목적에 대해, 결정 길이는 결정 (35) 이 상대적으로 균일한 직경을 가지며 결정 (35) 의 목과 크라운 부분을 포함하지 않는 결정 (35) 의 몸체 부분에서 기준점으로부터 측정된다. 제 9a 도는 비전 시스템 (59) 에 의해 측정된 것과 같은 밀리미터 단위의 직경과 보정된 화소에 있는 중점 (C) 의 y 좌표대 결정 (35) 의 길이를 도시한다. 상기된 바와 같이, 중점 (C) 의 y 좌표는 y 가 보정된 화소에 대한 것일 때 y = 1.2 (y화소) 에 의해 계산된다. 제 9b 도는 보정된 화소에 있는 중점 (C) 의 보정된 y 좌표 대 밀리미터 단위의 결정 길이를 도시한다. 상기된 바와 같이, y 좌표의 값은 카메라가 설치되는 각과 타원형 밝은 링의 가정에 의한 원근적인 변형에 때문에 결정 (35) 의 직경과 상호작용한다. y화소에 스케일링 계수 1.2 를 곱하여 이 변형을 부분적으로 보상하지만, 더 보정하는 것이 바람직하다. 용융액 (33) 이 줄어들어 대략 40 kg 정도 남으면 도가니 (27) 의 감소된 직경에 의해 생기는 용융액 레벨 (41) 에서의 예상되는 강하를 분리시키는 보정이 더 시도된다. 도가니 (27) 의 리프트 비율이 고정되어, 용융액 (33) 은 도가니 구동기 (31) 가 도가니 (27) 를 상승시키는 것 보다 빠르게 감소될 수 있다. 이 예에 있어서, 보정된 y 좌표는 C1= 0.0033, C2= 0.35 및 C3= 209 일 경우, y보정= y - C1(결정 길이) + C2(직경 D) - C3로 결정된다. 다시 말하면, 중점 (C) 의 y 좌표는 명백하게 선형이며, 용융액 레벨 (41) 이 길이에 있어서 0 내지 대략 750 mm 로 증가하는 긴 항을 제거하며 스케일 인자에 의해 승산된 델타 직경을 합산함으로써 조절된다.
상기한 것을 고려하여, 본 발명의 목적이 성취되며 다른 유리한 결과가 얻어진다는 것을 알 수 있다.
본 발명의 범주에서 벗어나지 않고 다양한 변경이 상기 구성 및 방법으로 만들어 질 수 있으므로, 상기 기재에 포함되어 있거나 참조한 도면에 도시된 모든 것은 일예로써 이해되며 한정되는 개념은 아니다.
제 1 도는 본 발명에 의한 결정성장 장치 및 결정성장 장치를 제어하는 시스템.
제 2 도는 제 1 도의 시스템의 제어기의 블럭도.
제 3 도는 용융액으로부터 끌어올려진 실리콘 결정의 부분도.
제 4 도는 제 3 도의 결정의 부분적인 단면 투시도.
제 5 도는 제 2 도의 제어기의 작동흐름도.
제 6a 도, 제 6b 도 및 제 6c 도는 제 2 도의 제어기의 작동흐름도.
제 7 도는 제 1 도의 결정성장 장치 및 제어시스템에 대한 예시적인 결정 크라운 측정값 그래프.
제 8a 도 및 제 8b 도는 제 1 도의 결정성장 장치 및 제어시스템에 대한 예시적인 결정 목의 측정값 그래프.
제 9a 도 및 제 9b 도는 제 1 도의 결정성장 장치 및 제어시스템에 대한 예시적인 결정체 측정값 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
21 : 시스템 23 : 결정성장장치
25 : 진공실 27 : 도가니
29 : 저항히터 31 : 도가니 구동기
33 : 용융액 35 : 단결정
37 : 종자결정 39 : 케이블
41 : 용융액 레벨 43 : 대칭축
45 : 결정 구동기 47 : 히터전원
49 : 절연체 51 : 온도센서
53 : 카메라 55 : 제어기
57, 67, 71, 75, 79, 83 : 선 59 : 비전 시스템
61 : 비디오 이미지 프레임 버퍼 63 : 이미지 처리장치
65 : PLC 69 : 비디오 표시장치
73 : 프로그램 PC 81 : 처리 입/출력 모듈
77 : 조작자 인터페이스 PC ＆ CRT

Claims (7)

  1. 실리콘 용융액으로부터 인상되는 실리콘 결정의 크기를 결정하고, 상기 실리콘 용융액이 상기 실리콘 결정에 인접하는 밝은 영역으로써 보여지는 메니스커스가 있는 표면을 갖는, 상기 실리콘 용융액으로부터 상기 실리콘 결정을 성장시키는 장치와 결합하여 사용하기 위한 방법으로서,
    카메라로 상기 실리콘 결정에 인접한 상기 밝은 영역의 일부의 이미지 패턴을 발생시키는 단계;
    상기 이미지 패턴의 특성을 검출하는 단계;
    상기 검출된 특성의 함수로서 상기 밝은 영역의 에지를 정의하는 단계;
    상기 밝은 영역의 상기 정의된 에지를 포함하는 형태를 정의하는 단계; 및
    상기 정의된 형태의 크기를 결정하는 단계를 포함하고,
    상기 실리콘 결정의 크기가 상기 정의된 형태의 결정된 크기의 함수로서 결정되는 것을 특징으로 하는 실리콘 결정 성장 제어방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미지 패턴의 상기 특성이 강도 그래디언트이며, 상기 밝은 영역의 상기 부분에 인접한 상기 이미지 패턴의 윈도우 영역을 정의하는 단계를 더 포함하고,
    상기 이미지 패턴의 특성을 검출하는 단계는 상기 윈도우 영역 내에서 상기이미지 패턴의 강도 그래디언트를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 결정 성장 제어방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 실리콘 결정이 거의 원통형이며 상기 밝은 영역이 거의 링형이고,
    상기 형태를 정의하는 상기 단계가 상기 이미지 패턴의 세 개 이상의 상기 윈도우 영역 내에서 정의된 링형태로 된 밝은 영역의 에지를 포함하는 거의 원형을 정의하는 단계를 포함하며,
    상기 정의된 형태의 크기를 결정하는 상기 단계가 상기 정의된 원형의 직경을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 결정 성장 제어방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    기준 x - y 좌표계에 대해 상기 정의된 원형의 중심을 결정하는 단계를 더 구비하며, 상기 중심의 y 좌표가 상기 용융액 레벨을 표시하는 것을 특징으로 하는 실리콘 결정 성장 제어방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 이미지 패턴 상에서 중점을 정의하는 단계를 더 포함하고,
    상기 윈도우 영역이 상기 정의된 중점에 대해 방사적으로 놓이는 상기 이미지 패턴상에 미리 선택된 위치에서 정의되며,
    인상시 상기 밝은 영역이 가변하는 것에 응답하여 상기 윈도우 영역 내에서 상기 이미지 패턴의 상기 검출된 특성의 함수로서 상기 윈도우 영역을 이동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 결정 성장 제어방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 결정 성장장치가 기준속도에서 상기 실리콘 결정의 회전을 제공하며, 상기 기준속도에 대해 상기 정의된 형태의 상기 결정된 크기에서 주기적인 편차를 검출하는 단계를 더 포함하고, 이에 따라 상기 실리콘 결정의 제로전위 성장을 나타내는 것을 특징으로 하는 실리콘 결정성장 제어방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 도가니가 상기 실리콘 결정이 인상되는 상기 실리콘 용융액을 함유하며 상기 결정성장 장치가 상기 실리콘 결정과 상기 도가니 사이의 상대적인 운동을 제공하며, 상기 결정성장 장치를 제어하기 위해 상기 도가니 및/또는 상기 실리콘 결정이 회전하는 속도를 제어하는 단계 및/또는 실리콘 결정이 실리콘 용융액에서 인상되는 속도를 제어하는 단계 및/또는 상기 실리콘 결정의 상기 결정된 크기에 반응하여 실리콘 용융액의 온도를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 결정 성장 제어방법.
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