KR100491392B1

KR100491392B1 - 실리콘 결정의 성장을 제어하기 위한 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR100491392B1
Application number: KR10-2000-7000395A
Authority: KR
Inventors: 자비디마쏘우드
Original assignee: 엠이엠씨 일렉트로닉 머티리얼즈 인코포레이티드
Priority date: 1997-07-17
Filing date: 1998-07-08
Publication date: 2005-05-24
Also published as: KR20010021831A; JP2001510141A; DE69803932D1; DE69803932T2; MY118719A; EP1002144A1; TWI223679B; JP4253117B2; CN1268194A; US5846318A; EP1002144B1; WO1999004066A1; CN1202290C

Abstract

쵸크랄스키 결정 성장 장비와 함께 사용되는 방법 및 시스템이 개시된다. 결정 성장 장비는 용탕을 형성하기 위해 고상 실리콘을 용융시키는 가열된 도가니를 가지는데, 단결정은 이 용탕으로부터 인상된다. 용탕은 상부 표면을 가지는데, 용융되지 않은 실리콘이 용융될 때까지 상기 표면 위쪽에 노출된다. 카메라는 도가니 내부의 일부의 이미지를 발생시킨다. 각 이미지는 다수의 픽셀을 가지며 각 픽셀은 이미지의 광학적 특징을 나타내는 값을 가진다. 이미지 프로세서는 이미지들내에서 엣지들을 감지하기 위해 픽셀 값들의 함수로서 이미지들을 처리하며, 이미지들내에서 물체들을 정의하기 위해 이미지들내에서 엣지들의 위치의 함수로서 상기 감지된 엣지들을 그룹화한다. 정의된 물체 각각은 하나 이상의 픽셀을 포함하며, 정의된 물체들 중 하나 이상은 용탕 표면상에서 관찰될 수 있는 고상 실리콘 부분을 나타낸다. 제어 회로는 상기 정의된 물체들에 기초하여 결정 성장 장비의 상태를 나타내는 파라미터를 결정하며, 상기 결정된 파라미터에 대응하여 결정 성장 장비를 제어한다.

Description

실리콘 결정의 성장을 제어하기 위한 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR CONTROLLING GROWTH OF A SILICON CRYSTAL}

발명의 배경

본 발명은 실리콘 결정을 성장시키기 위한 쵸크랄스키 (Czochralski) 공정에 사용되는 장비 또는 방법을 제어하는 개선된 방법 및 시스템에 대한 것이다. 특히, 본 발명은 실리콘 결정 및 실리콘 결정 성장 공정의 파라미터들을 측정하고 측정된 파라미터에 기하여 성장공정을 자동 제어하기 위한 영상 시스템 및 방법에 대한 것이다.

마이크로전자 산업분야에서 실리콘 웨이퍼를 제조하기 위해 사용되는 대부분의 단결정 실리콘은 쵸크랄스키 공정에 사용되는 결정 인상 (pulling) 기계에 의해 생산된다. 간단히 설명하면, 쵸크랄스키 공정은 고순도 다결정 실리콘 또는 폴리실리콘의 조각들 또는 입자들을 특별히 설계된 로내에 위치한 석영 도가니내에서 용융시켜 실리콘 용탕 (melt) 을 형성하는 단계를 포함한다. 일반적으로, 폴리실리콘은 예컨대, 지멘스 (Siemens) 공정에 의해 제조된 불규칙한 모양의 조각형 실리콘이다. 또는, 비교적 간편하고 효율적인 유동층 (fluidized-bed) 반응 공정에 의해 제조된 자유 유동하는 구형의 입상 다결정 실리콘이 사용될 수도 있다. 조각형 폴리실리콘 및 입상 폴리실리콘의 제조 및 특징은 에프. 시무라 저, 반도체 실리콘 결정 기술 (아카데믹 프레스, 샌디아고 캘리포니아, 1989) 의 116∼121쪽 및 거기에서 인용된 참조자료의 상세히 설명되어 있다.

폴리실리콘 조각이 장입됨에 따라, 장입물 (charge) 은 용융시 이동할 수 있거나, 그 하부가 용융되어 용탕 위쪽의 도가니 측벽에 달라붙은 용융되지 않은 재료인 "행어" (hanger) 를 남길 수 있다. 장입물이 이동하거나 행어가 무너지면 용융 실리콘을 튀기거나 도가니에 역학적 응력 손상을 가할 수 있다. 그러나, 용융시 도가니 온도를 적절하게 제어함으로써, 행어 등으로 인한 영향을 감소시킬 수 있다.

쵸크랄스키 공정에서는, 시드 (seed) 결정을 승강시키는 결정 승강 기구에 매달린 인상 케이블 또는 샤프트상에 탑재된 비교적 작은 시드 결정이 도가니 위쪽에 위치한다. 용융 완료후에, 결정 승강 기구가 시드 결정을 하강시켜 도가니내의 용융 실리콘과 접촉시킨다. 시드가 용융되기 시작하면, 기구는 원하는 결정 지름을 달성하고 이 지름에서 단결정을 성장시키기에 충분하도록 시드를 실리콘 용탕으로부터 천천히 끌어올린다. 시드가 끌어올려짐에 따라 시드는 용탕으로부터 실리콘을 끌어당긴다. 성장공정동안 도가니는 한쪽 방향으로 회전하며, 결정 승강 기구, 케이블, 시드 및 결정은 반대 방향으로 회전한다.

결정 성장의 개시시에 시드를 용탕과 접촉시킴으로 인한 열적 쇼크에 의해 결정내에 전위 (dislocation) 가 생길 수 있다. 시드 결정과 결정의 주몸체 (main body) 사이의 부분인 넥 (neck) 영역내에서 전위들이 제거되지 않으면, 이들은 성장하는 결정 전체로 퍼져나가면서 증가된다. 실리콘 단결정내에서 전위를 제거시키는 공지된 방법은, 결정의 몸체 (body) 를 성장시키기 전에 전위들을 완전히 제거하기 위해, 작은 지름을 가진 넥을 비교적 높은 결정 인상 속도로 성장시키는 것을 포함한다. 넥에서 전위들이 제거된 후에, 그 지름은 결정 주몸체가 원하는 지름에 다다를 때까지 증가된다.

쵸크랄스키 공정은, 적어도 부분적으로는, 성장된 결정 몸체의 지름에 대한 함수로서 제어된다. 정확하고 신뢰성 있게 결정 지름을 측정하고 무전위 성장 (zero dislocation growth) 을 감지하며 실리콘 용탕의 레벨을 결정하기 위한 방법 및 시스템이 본출원인에게 공동 양수된 미국특허출원 번호 08/459,765 및 08/620,137 에 기재되어 있다.

결정지름 및 용탕 레벨을 포함하는 여러 인자들이 결정 성장 공정동안의 결정의 크기 및 품질을 나타내거나 영향을 준다. 예컨대, 도가니에 가해지는 열량, 용융 실리콘의 온도, 용탕내에 존재하거나 도가니 측벽에 달라붙은 용융되지 않거나 재응고된 폴리실리콘의 존재, 도가니의 지름, 용탕내의 석영의 존재, 및 결정-용탕 경계에서의 메니스커스 (meniscus) 의 크기 및 모양들은 모두 공정에 영향을 미치거나 결정에 대한 정보를 제공한다. 따라서, 이러한 인자들에 관련된 여러 파라미터들을 결정하기 위한 정확하고 신뢰성 있는 시스템이 결정 성장 공정을 제어하기 위해 요구된다.

발명의 개요

본 발명의 목적은 상기한 단점들을 극복할 수 있는 개선된 제어 및 작동 방법과 시스템을 제공하는 것; 쵸크랄스키 공정에 따라 작동하는 결정 성장 장비와 함께 사용되는 제어 방법 및 시스템의 제공; 실리콘 용탕을 형성하기 위해 도가니내에서 폴리실리콘 장입물이 용융되는 속도를 측정하는 방법 및 시스템의 제공; 용융 완료를 결정하는 방법 및 시스템의 제공; 용탕의 온도를 측정하는 방법 및 시스템의 제공; 도가니내의 고상 폴리실리콘을 검출하는 방법 및 시스템의 제공; 시드 결정과 용탕 사이의 접촉을 감지하는 방법 및 시스템의 제공; 및 효율적이고 경제적으로 수행될 수 있는 방법 및 경제적으로 실행가능하고 상업적으로 실용적인 시스템을 제공하는 것이다.

간단히 설명하면, 본 발명의 여러 양태들을 구현하는 폐쇄루프 제어방법은 실리콘 단결정을 성장시키는 장비와 함께 사용된다. 결정 성장 장비는 고상 실리콘을 용융시켜 용탕을 형성하기 위해 가열되는 도가니를 가지며, 단결정은 상기 용탕으로부터 인상된다. 용탕의 상부면 위쪽에는, 완전히 용융될 때까지, 용융되지 않은 실리콘이 노출된다. 상기 방법은 도가니 내부의 일부의 이미지들을 발생시키는 단계를 포함한다. 각 이미지는 다수의 픽셀을 포함하며 각 픽셀은 이미지의 광학적 특성을 나타내는 값을 가진다. 상기 방법은 이미지들 내에서 엣지 (edge) 를 감지하기 위해 픽셀 값들의 함수로서 이미지들을 처리하는 단계 및 이미지들 내에서 물체 (object) 를 정의하기 위해 감지된 엣지들의 이미지들 내에서의 위치의 함수로서 감지된 엣지들을 그룹화하는 단계를 포함한다. 정의된 물체 각각은 하나 이상의 픽셀을 가지며, 정의된 물체들 중 하나 이상은 용탕 표면상에서 관찰될 수 있는 고상 실리콘 부분을 나타낸다. 상기 방법은 정의된 물체에 기초하여 결정 성장 장비의 상태를 나타내는 하나 이상의 파라미터를 결정하는 단계 및 결정된 파라미터에 대응하여 결정 성장 장비를 제어하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 다른 양태는 실리콘 단결정을 성장시키는 장비와 함께 사용되는 시스템이다. 결정 성장 장비는 고상 실리콘을 용융시켜 용탕을 형성하기 위해 가열되는 도가니를 가지며, 이 용탕으로부터 단결정이 인상된다. 용탕의 상부면 위쪽에는, 완전히 용융될 때까지, 용융되지 않은 실리콘이 노출된다. 상기 시스템은 도가니 내부의 일부의 이미지들을 발생시키는 카메라를 포함한다. 각 이미지는 다수의 픽셀을 포함하며 각 픽셀은 이미지의 광학적 특성을 나타내는 값을 가진다. 상기 시스템은 이미지들 내에서 엣지 (edge) 를 감지하기 위해 픽셀 값들의 함수로서 이미지들을 처리하는 이미지 프로세서를 포함한다. 이미지 프로세서는 이미지들 내에서 물체를 정의하기 위해 감지된 엣지들의 이미지 내에서의 위치의 함수로서 감지된 엣지들을 그룹화한다. 정의된 물체 각각은 하나 이상의 픽셀을 가지며, 정의된 물체들 중 하나 이상은 용탕 표면상에서 관찰될 수 있는 고상 실리콘 부분을 나타낸다. 상기 시스템은 정의된 물체에 기초하여 결정 성장 장비의 상태를 나타내는 하나 이상의 파라미터를 결정하며 결정된 파라미터에 대응하여 결정 성장 장비를 제어하는 제어 회로를 더 포함한다.

본 발명은 여러 가지 다른 방법 및 시스템을 구비할 수도 있다.

다른 목적 및 특징들 중 일부는 자명하고 일부는 이하에서 설명된다.

도면의 간단한 설명

도 1 은 결정 성장 장비 및 결정 성장 장비를 제어하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 시스템을 도시한다.

도 2 는 도 1 의 시스템의 제어 유닛의 블록도이다.

도 3 은 부분적으로 용융된 조각형 폴리실리콘의 초기 장입물을 도시하는 도 1 의 결정 성장 장비의 단면도이다.

도 4 는 결정 성장 장비내에 함유된 용탕으로부터 인상되는 실리콘 결정의 부분도를 도시하는 도 1 의 결정 성장 장비의 단면도이다.

도 5 내지 9 는 도 2 의 제어 유닛의 동작을 나타내는 예시적 흐름도이다.

대응하는 참조 부호는 도면전체에 걸쳐 대응하는 요소들을 나타낸다.

바람직한 실시예의 상세한 설명

도 1 에서, 본 발명에 의한 시스템 (21) 은 쵸크랄스키 결정 성장 장비 (23) 와 함께 사용되는 것으로 도시된다. 예시된 실시예에서, 결정 성장 장비 (23) 는 도가니 (27) 를 둘러싸는 진공 체임버 (25) 를 포함한다. 가열기 전원 (29) 이 도가니 (27) 를 둘러싸는 저항 가열기 또는 다른 가열 수단 (31) 에 동력을 전달한다. 절연재 (33) 는 진공 체임버 (25) 의 내부 벽과 평행한 것이 바람직하다. 일반적으로, 물이 공급되는 체임버 냉각 재킷 (jacket) (도시되지 않음) 이 진공 체임버 (25) 를 둘러싸며, 진공 펌프 (도시되지 않음) 에 의해 진공 체임버 (25) 내로부터 가스가 제거됨에 따라 진공 체임버 (25) 내로 아르곤 가스 (35) 로 된 비활성 분위기 (도 3 및 4 참조) 가 공급된다.

쵸크랄스키 단결정 성장 공정에 의하면, 일정량의 다결정 실리콘 또는 폴리실리콘이 도가니 (27) 내로 장입되며, 그 일부가 도 3 에서 참조번호 37 로 표시된다. 가열기 전원 (29) 이 전류를 저항 가열기 (31) 에 공급하여 장입물을 용융시키고 이에 의해 실리콘 용탕 (39) 을 형성하며, 이 용탕으로부터 단결정 (41) 이 인상된다. 단결정 (41) 은 인상 샤프트 또는 케이블 (45) 에 부착된 시드 결정 (43) 으로부터 성장한다. 도 1 에 도시된 바와 같이, 단결정 (41) 및 도가니 (27) 는 공통 대칭축 (47) 을 가진다.

도가니 구동 유닛 (49) 이 도가니 (27) 를 예컨대 시계방향으로 회전시키며 성장 공정 동안 필요에 따라 도가니 (27) 를 승강시킨다. 결정 구동 유닛 (51) 은, 도가니 구동 유닛 (49) 이 도가니 (27) 를 회전시키는 것과 반대 방향으로, 케이블 (45) 을 회전시킨다. 결정 구동 유닛 (51) 은 결정 성장 동안 필요에 따라 용탕 레벨 (53) 에 대해 상대적으로 결정 (41) 을 승강시킨다. 결정 구동 유닛 (51) 은 예비 가열을 위해 우선 케이블 (45) 을 통해 용탕 (39) 의 용융 실리콘과 거의 접촉할 정도까지 시드 결정 (43) 을 하강시키며, 그리고 나서 용탕 레벨 (53) 에서 용탕 (39) 과 접촉시킨다. 시드 결정 (43) 이 용융됨에 따라, 결정 구동 유닛 (51) 은 도가니 (27) 내에 함유된 용탕 (39) 으로부터 시드 결정 (43) 을 천천히 인상시키며, 시드 결정 (43) 은 용탕 (39) 으로부터 실리콘을 끌어당겨 실리콘 단결정 (41) 을 성장시킨다.

일 실시예에서, 결정 구동 유닛 (51) 은 용탕 (39) 으로부터 결정 (41) 을 인상시키면서 기준 속도로 결정 (41) 을 회전시킨다. 마찬가지로 도가니 구동 유닛 (49) 은 다른 기준 속도로 도가니 (27) 를 회전시키지만 일반적으로 결정 (41) 에 대해 반대 방향으로 회전시킨다. 초기에 제어 유닛 (55) 이 전원 (29) 에 의해 가열기 (31) 에 공급되는 파워 및 인상 속도를 제어하여, 결정 (41) 의 넥을 형성시킨다. 결정 성장 공정 동안, 특히 결정 (41) 의 넥 부분의 성장 동안 정확하고 신뢰성 있는 제어가 요구된다. 넥은 시드 결정 (43) 이 용탕 (39) 으로부터 끌어당겨짐에 따라 실질적으로 일정한 지름으로 성장되는 것이 바람직하다. 예컨대, 제어 유닛 (55) 은 원하는 몸체 지름의 약 15% 의 거의 일정한 넥 지름을 유지한다. 넥이 원하는 길이로 성장한 후에, 제어 유닛 (55) 은 회전, 인상 및/또는 가열 파라미터들을 조절하여, 원하는 결정 몸체 지름에 이를 때까지, 결정을 원뿔형상으로 성장시킨다. 원하는 결정 지름이 얻어지면, 제어 유닛 (55) 은 시스템 (21) 에 의해 측정된 지름이, 공정이 완료될 때까지, 비교적 일정하게 유지되도록 성장 파라미터를 제어한다. 그리고 나서, 인상 속도와 가열을 증가시켜 지름을 감소시킴으로써 단결정 (41) 의 단부에서 가늘어지는 부분을 형성한다. 공동으로 양수된 미국 특허번호 5,178,720 은 결정 및 도가니 회전 속도를 결정 지름의 함수로서 제어하기 위한 바람직한 방법을 개시하는데, 그 개시된 바 전체를 여기에 참조에 의해 삽입한다.

바람직하게는, 성장 공정의 다수의 파라미터를 결정하기 위해, 제어 유닛 (55) 은 하나 이상의 2-차원 카메라 (57) 와 함께 작동한다. 예를 들어, 카메라 (57) 는 768 ×494 픽셀의 해상도를 가진 소니 XC-75 CCD 비디오 카메라와 같은 단색 CCD (Charge Coupled Device) 카메라이다. 적합한 다른 카메라로는 Javelin SmartCam JE 카메라가 있다. 카메라 (57) 는 체임버 (25) 의 뷰포트 (viewport) (도시되지 않음) 위쪽에 설치되며 일반적으로 용탕 레벨 (53) 에서의 축 (47) 과 용탕 (39) 교차점 (도 3 및 4 참조) 을 향한다. 예컨대, 결정 성장 장비 (23) 의 작업자는 카메라 (57) 를 실질적으로 수직한 축 (47) 에 대해 약 34°의 각도를 가지도록 설치한다.

본 발명에 의하면, 카메라 (57) 는 결정 (41) 이 인상되기 이전 및 인상되는 동안에 도가니 (27) 내부의 비디오 이미지를 발생시킨다. 인상되는 동안 카메라 (57) 에 의해 생성되는 이미지들은 용탕 (39) 과 결정 (41) 사이의 경계에서의 메니스커스 (59) (도 4 참조) 의 일부를 포함하는 것이 바람직하다. 바람직한 실시예에서, 카메라 (57) 에는 비교적 광시야 (예컨대, 약 320㎜) 를 제공하는 렌즈 (예컨대, 16㎜) 가 장착된다. 렌즈는 용탕 (39) 과 결정 (41) 사이의 경계를 보다 잘 관찰할 수 있도록 망원렌즈일 수도 있다. 다른 실시예에서, 시스템 (21) 은 도가니 (27) 내부를 일반적으로 보여주는 비교적 광시야를 제공하는 카메라 및 용탕-결정 경계만을 특별히 보여주는 비교적 좁은 시야를 제공하는 다른 카메라 (57) 를 포함할 수 있다. 어떤 경우라도, 용탕 (39) 및 결정 (41) 은 기본적으로 자기발광성 (self-illuminating) 이기 때문에 카메라(들) (57) 을 위한 외부 광원은 필요치 않다. 명확하게 하기 위해, 이하에서는 하나의 카메라 (57) 만을 사용하는 경우에 대해 기재한다.

제어 유닛 (55) 은 카메라 (57) 및 다른 센서들로부터의 신호를 처리한다. 예컨대, 광전지와 같은 온도 센서 (61) 가 용탕 표면의 온도를 측정하는데 사용될 수 있다. 제어 유닛 (55) 은 무엇보다 도가니 구동 유닛 (49), 단결정 구동 유닛 (51) 및 가열기 전원 (29) 을 처리된 신호의 함수로서 제어하는데 사용되는 프로그램된 디지털 또는 아날로그 컴퓨터 (63) (도 2 참조) 를 포함한다.

도 2 는 블록도 형태로 나타낸 제어 유닛 (55) 의 바람직한 실시예를 예시한다. 카메라 (57) 는 선 (65) (예컨대, RS-170 비디오 케이블) 을 통해 도가니 (27) 내부의 비디오 이미지를 영상 시스템 (67) 에 전달한다. 도 2 에 도시된 바와 같이, 영상 시스템 (67) 은 비디오 이미지 프레임 버퍼 (69) 및 비디오 이미지를 포획하여 처리하는 이미지 프로세서 (71) 를 포함한다. 예컨대, 영상 시스템 (67) 으로는 CX-100 Imagination Frame Grabber 또는 Cognex CVS-4400 영상 시스템이 있다. 이어서, 영상 시스템 (67) 은 선 (75) 을 통해 프로그램가능 로직 컨트롤러 (PLC : Programmable Logic Controller) (73) 과 통신한다. 바람직한 실시예에서는, PLC (73) 로 텍사스 인스트루먼트사에 의해 제조된 Model 575 PLC 또는 Model 545 PLC 를 사용하며, 선 (75) 은 통신 인터페이스 (예컨대, VME 후면 인터페이스) 를 나타낸다. 영상 시스템 (67) 은 카메라 (57) 에 의해 발생된 비디오 이미지를 표시하기 위해 선 (79) (예컨대, RS-170 RGB 비디오 케이블) 을 통해 비디오 디스플레이 (77) 와 통신한다. 어떤 시스템에 의해 구현된 영상 시스템 (67) 은 자체 컴퓨터 (도시되지 않음) 를 포함하거나 포획된 이미지들을 처리하기 위한 PC (63) 와 함께 사용될 수도 있다.

도 2 에 도시된 실시예에서, PLC (73) 는 선 (85) (예컨대, RS-232 케이블) 을 통해 컴퓨터 (63) 와 통신하며, 선 (89) (예컨대, RS-485 케이블) 을 통해 하나 이상의 공정 입력/출력 모듈 (87) 과 통신한다. 본 발명에 의하면, 컴퓨터 (63) 는 결정 성장 공정 자동화를 위한 프로그래밍에 사용되며, 결정 성장 장비 (23) 의 작업자가 성장되고 있는 특정한 결정을 위한 일련의 필요한 파라미터를 입력하도록 해주는 작업자 인터페이스를 제공한다. 공정 입력/출력 모듈 (87) 은, 성장 공정을 제어하기 위해, 결정 성장 장비 (23) 로의 그리고 장비로부터의 경로를 제공한다. 예를 들면, PLC (73) 는 온도 센서 (61) 로부터 용탕 온도에 대한 정보를 수신하며, 용탕 온도를 제어하기 위해 공정 입력/출력 모듈 (87) 을 통해 가열기 전원 (29) 으로 제어 신호를 출력하며, 이에 의해 성장 공정을 제어한다. PLC (73) 를 구현하는 특정 컨트롤러에 따라, 통신 인터페이스 (75) 는 추가적인 통신 보드 (예를 들어, RS-422 시리얼 양방향 PLC 포트를 사용하는 Model 2571 Program Port Expander Module) 를 포함하는 주문형 VME 랙 (rack) 일 수도 있다.

도 3 에서, 도가니 (27) 는 내부 표면 (91), 외부 표면 (93) 및 축 (47) 과 나란한 중앙선을 가진다. 도가니 (27) 의 내부 표면 (91) 은 실투 (devitrification) 촉진제로 도포될 수 있으며, 바닥부 (95) 및 측벽부 (97) 를 포함한다. 도 3 에 도시된 바와 같이, 도가니 (27) 의 측벽 (97) 은 바닥부 (95) 의 대략적인 기하학적 중심점과 교차하는 축 (47) 과 실질적으로 평행하다. 예시된 도가니 (27) 의 형태가 바람직하지만, 도가니 (27) 의 특정 형태는 본 발명의 범위내에서 도시된 실시예와는 다를 수도 있다.

바람직한 실시예에서, 조각형 및/또는 입상 폴리실리콘 (37) 의 장입물이 실리콘 용탕 (39) 을 형성시키는 도가니 (27) 내로 투입된다. 공동으로 양수된 미국 특허 번호 5,588,993 및 1996년 2월 1일 출원된 출원 번호 08/595,075 는 다결정 실리콘 장입물을 준비하기 위한 적합한 방법을 설명하며, 그 개시된 바 전체를 참조에 의해 삽입한다. 투입된 후에, 도가니 (27) 는 결정 성장 장비 (23) 내로 옮겨지며, 가열기 (31) 가 폴리실리콘 (37) 을 용융시켜 실리콘 용탕 (39) 을 형성시킨다. 도 3 에 도시된 바와 같이, 폴리실리콘 장입물 (37) 이 부분적으로 용융되어 용탕 (39) 을 형성하며, 폴리실리콘 (37) 의 용융되지 않은 고상 부분은 용융된 실리콘 보다 낮은 밀도를 가지므로, 용탕 (39) 의 상부 표면 (99) 상에 부유한다. 상기한 바와 같이, 폴리실리콘 장입물 (37) 은 용융동안 유동하거나 그 하부가 용융되어, 참조번호 (101) 로 표시되는 용융되지 않은 재료인 행어가 용탕 표면 (99) 위쪽의 도가니 측벽 (97) 에 달라붙게 만든다.

도 3 에서, 도가니 구동 유닛 (49) 과 연결된 가동형 받침대 (105) 상에 탑재된 서셉터 (103) 가 도가니 (27) 를 지지한다. 도가니 (27) 의 바닥부 (95) 가 가열기 (31) 의 상부에 근접하도록 배치된 후, 가열기 (31) 내부 공간내로 천천히 하강된다. 도가니 구동 유닛 (49) 이 도가니 (27) 를 가열기 (31) 내로 하강시키는 속도 및 다른 인자들 (예컨대, 가열기 파워, 도가니 회전, 및 시스템 압력) 은 폴리실리콘 (37) 의 용융에 영향을 미친다. 쵸크랄스키 방법에서는 퍼지 (purge) 가스 (35) 가 폴리실리콘 (37) 의 가열 도중에 SiO(g) 와 같은 원하지 않는 가스들을 도가니 (27) 밖으로 불어낸다. 일반적으로 퍼지 가스는 아르곤 같은 불활성 가스이다.

상기한 바와 같이, 카메라 (57) 는 체임버 (25) 의 뷰포트내에 설치되며, 일반적으로 용탕 (39) 의 표면 (99) 과 축 (47) 사이의 경계를 향한다. 따라서, 카메라 (57) 의 광축 (107) 은 축 (47) 에 대해 예각 θ (예컨대, θ=15∼34°) 을 이룬다. 본 발명에 의하면, 카메라 (57) 는 도가니 (27) 의 폭을 포함하는 시야를 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 렌즈 및 카메라는 작은 시드 및 넥을 고해상도로 망원 관찰할 수 있으며, 폴리실리콘 장입물 (37) 및 결정 (41) 의 큰 몸체부를 광시야각으로 관찰할 수 있도록 선택되는 것이 바람직하다.

용탕 (39) 으로부터 인상되는 실리콘 결정 (41) 의 부분도인 도 4 는 용융 및 시드 결정 (43) 의 딥핑 (dipping) 이후의 결정 성장 공정 단계를 예시한다. 도시된 바와 같이, 결정 (41) 은 지름이 D 이고 일반적으로 원통형인 단결정 실리콘의 몸체 (즉 잉곳) 로 구성된다. 결정 (41) 과 같은 성장된 상태 그대로의 결정은, 일반적으로 원통형이지만, 균일한 지름을 가지지 않을 수도 있음에 유의해야 한다. 이 때문에, 지름 (D) 은 축 (47) 상의 다른 위치들에서 약간씩 다를 수 있다. 또한, 지름 (D) 은 결정 성장의 다른 단계들 (종자, 넥, 크라운, 숄더, 몸체 및 말단 원뿔) 에서 다를 수 있다.

도 4 는 결정 (41) 과 용탕 (39) 사이의 경계에 형성된 액체 메니스커스 (59) 를 가지는 용탕 (39) 의 표면 (99) 을 도시한다. 본 기술분야에서 공지된 바와 같이, 도가니 (27), 특히 측벽 (97) 이 메니스커스 (59) 상에 반사된 반사상은 결정 (41) 에 인접한 밝은 링으로 관찰될 수 있다. 마찬가지로, 용탕 표면 (99) 은 용탕-도가니 경계에 형성된 액체 메니스커스 (109) 를 가지는데, 이것은 도가니 측벽 (97) 에 인접한 밝은 링으로 나타난다. 바람직한 실시예에서, 카메라 (57) 는 결정 (41) 의 폭 및 메니스커스 (59) 의 밝은 링의 적어도 일부를 포함하는 시야를 제공한다. 카메라 (57) (또는 다른 카메라) 는 도가니 (27) 의 폭 및 메니스커스 (109) 의 밝은 링의 적어도 일부를 포함하는 시야를 제공한다. 또한, 광시야는 참조번호 111 로 표시된 아이스 (ice) 라고 불리는 용탕 (39) 의 응고 또는 결정화된 부분을 감지할 수 있도록 해준다. 일반적으로, 이러한 결정화는 도가니 측벽 (97) 과 용탕 (39) 사이의 경계에서 발생하며, 용탕 표면 (99) 에서 결정 (41) 을 향해 성장한다.

도 5 에서, 제어 유닛 (55) 을 포함하는 시스템 (21) 은 결정 성장 장비 (23) 의 폐쇄루프 제어를 제공하는 흐름도 (113) 에 따라 동작한다. 단계 (115) 에서, 카메라 (57) 는 도가니 (27) 내부의 적어도 일부의 이미지를 발생시킨다. 영상 시스템 (67) 의 프레임 버퍼 (69) 는, 이미지 프로세서 (71) 에 의한 처리를 위해, 카메라 (57) 의 비디오 이미지 신호로부터 이미지를 포획한다. 도 5 에 도시된 바와 같이, 복수의 카메라 (57) 가 사용될 수도 있다. 예컨대, 영상 시스템 (67) 은 하나 이상의 결정 성장 장비 (23) 로부터 입력 신호를 받을 수 있는데, 각각의 결정성장 장비는 뷰포트내에 설치된 하나 이상의 카메라 (57) 를 가진다. 본 발명에 의하면, 영상 시스템 (67) 은 각 성장 장비 (23) 를 위한 이미지들을 개별적으로 처리한다.

도가니 (27) 내부의 포획된 이미지 각각은 다수의 픽셀들을 구비하며, 각 픽셀은 이미지의 감지된 광학적 특성을 나타내는 값을 가진다. 이 경우, 픽셀 값, 또는 그레이 레벨 (gray level) 은 픽셀들의 휘도에 해당한다. 영상 시스템 분야에서, 엣지들은 비교적 작은 공간 영역에 걸쳐 그레이 레벨의 변화가 비교적 큰 이미지내의 부분으로 정의된다. 단계 (117) 에서, PLC (73) 와 함께 작동하는 이미지 프로세서 (71) 가 이미지들 내에서 엣지들을 감지하기 위해 이미지를 픽셀 값들의 함수로서 처리한다. 이미지 프로세서 (71) 는 이미지의 한정된 영역내의 그레이 레벨 변화를 (이미지 휘도의 함수로서) 분석하는 엣지 감지 루틴들을 포함하는 여러 루틴들을 수행하는 것이 바람직하다. 이미지내에서 엣지들을 찾아내고 그 수를 세는 여러 엣지 감지 연산자 또는 알고리즘이 본 기술분야의 당업자에 공지되어 있다. 예컨대, 적합한 엣지 감지 루틴에는 카니 (Canny) 또는 하우 (Hough) 알고리즘이 포함된다. 휘도 외에, 휘도 구배, 색상 또는 콘트라스트와 같은 이미지의 다른 특성들이 용탕 (39) 의 표면 (99) 상의 물체를 용탕 (39) 자체로부터 광학적으로 구별하는데 사용될 수 있다. 부유하는 고상 폴리실리콘 (37) 은 용탕 (39) 보다 높은 휘도를 가지므로 고상-용탕 경계에서의 휘도의 급격한 변화로서 감지될 수 있다.

검출 단계 (117) 의 일부로서, 이미지 프로세서 (71) 는 이미지내의 감지된 엣지들을 이미지내의 그들의 위치 (그들의 좌표) 의 함수로서 그룹화하는 연결성 분석을 수행한다. 이러한 방식으로, 영상 시스템 (69) (또는 컴퓨터 (63)) 은 이미지내에서 하나 이상의 물체를 정의할 수 있다. 각 정의된 물체는 하나 이상의 픽셀을 포함하며, 용탕 표면 (99) 상에서 관찰될 수 있는 고상 실리콘 부분을 나타낸다. 예를 들어, 정의된 물체 또는 물체들은 바운딩 박스 (bounding box)(즉, 불규칙한 모양의 물체를 둘러싸는 최소 직사각형) 및 이미지내에서의 그 좌표에 의해 기술될 수 있다. 또는, 정의된 물체들은 물체의 형상 (예컨대, 물체의 주축 및 부축의 비) 을 검사하거나 물체 자체의 면적을 검사함으로써 종래의 블로브 분석 (blob analysis) 에 의해 기술될 수도 있다.

단계 (119) 에서, 영상 시스템 (67) 의 이미지 프로세서 (71) 는 정의된 물체들에 기초하여 결정 성장 장비 (23) 의 파라미터들을 결정한다. 예를 들어, 이러한 파라미터에는 용융 완료, 시드-용탕 접촉, 무전위 성장의 상실, 아이스 (111) 와 같은 결정화된 용탕 (39) 의 존재, 행어 (101) 와 같은 폴리실리콘 (37) 의 부착된 부분의 존재 및 용탕 (39) 내의 석영의 존재 등이 포함된다. 단계 (121) 에서, 이미지 프로세서 (71) 는 결정된 파라미터를 PLC (73) 에 보고한다. 일 실시예에서, 시스템 (21) 은 각 결정 성장 장비 (23) 를 위한 각각의 PLC (73) 를 포함한다.

단계 (123) 에서 이미지 프로세서 (71) 는 정의된 물체들에 기초하여 성장 공정의 다른 파라미터들을 계산한다. 예컨대, 이미지 프로세서 (71) 는 용융되지 않은 폴리실리콘 장입물 (37) 의 크기, 용탕 (39) 의 딥 온도, 결정 (41) 의 지름, 도가니 (27) 의 지름, 감지된 아이스 (111) 의 크기, 아이스 (111) 와 결정 (41) 사이의 거리, 감지된 행어 (101) 의 크기, 도가니 (27) 의 중심과 행어 (101) 사이의 거리, 및 감지된 석영의 크기 등과 같은 파라미터 전부 또는 일부를 결정한다. 단계 (121) 에서, 이미지 프로세서 (71) 는 이러한 파라미터들도 PLC (73) 에 보고한다. 그 후, 결정 성장 장비 (23) 를 제어하기 위해, 단계 (125) 에서, 제어 유닛 (55) 이 결정된 파라미터에 대응하여 프로그램을 수행한다.

도 6 은 바람직한 일 실시예에 따른 시스템 (21) 의 동작을 흐름도 (127) 로 나타낸 것이다. 또한, 도 6 은 흐름도 (127) 의 단계들을 수행하기 위한 제어 유닛 (55) 의 여러 부품들을 도시한다.

동작시에, 시스템 (21) 은, 제어 유닛 (55) 이 성장 공정의 시드 딥 단계를 개시하기 전에, 언제 폴리실리콘 장입물 (37) 이 완전히 용융되었는 가의 표시를 제공한다. 이에 비해, 종래의 제어 시스템에서는 작업자가 용융 완료를 결정하거나 소정의 가열 시간이 지난 후에 용융이 완료된 것으로 가정한다. 표면 (99) 상에 부유하는 폴리실리콘 (37) 을 나타내는 이미지를 검사함으로써, 영상 시스템 (67) 은 이미지당 표면적을 계산할 수 있다. 이것은 픽셀들을 표면적으로 바꾸기 위해 엣지 감지 및 도가니 (27) 의 지름을 측정함으로써 이루어질 수 있다. 남아 있는 장입물 (37) 의 크기의 차이를 사용하여 용융 속도를 제공하며, 이것을 사용하여 바람직한 용융 속도를 달성하기 위해 제어 유닛 (55) 으로 하여금 가열기 (31) 의 파워를 조절하도록 한다. 이것은, 현재의 자동화 시스템에서 사용되는 개방 루프 파워 제어에 비해 용융단계의 폐쇄 루프 온도 제어를 가능케 한다.

또한, 폴리실리콘 (37) 의 용융속도는 시드를 담그는 (즉 딥) 온도를 표시한다. 용융은 일반적으로 딥핑에서보다 훨씬 느린 회전 속도에서 이루어지기 때문에 도가니 회전의 영향이 고려된다. 예컨대, 도가니 (27) 는 용융과정 동안 약 1∼2 rpm 으로 회전하는 데 비해, 딥에서는 약 10∼15rpm 으로 회전한다. 따라서, 전원 (29) 에 의해 가열기 (31) 에 공급되는 파워는 회전속도에 따라 변해야 한다.

도 6 의 실시예에서, 전체 용융 단계는 일반적으로 약 3 시간 내지 4 시간동안 계속된다. 예컨대, 약 2시간 동안의 초기 가열 후에, 영상 시스템 (67) 은 도가니 (27) 의 내부를 검사하기 시작한다. 바람직한 실시예에서, 카메라 (57) 는 용융 단계를 모니터링하기 위해 용탕 표면 (99) 의 중앙 영역을 비춘다. PLC (73) 에 의해 검사를 개시하라는 지시가 주어지면, 영상 시스템 (67) 의 프레임 버퍼 (69) 는 일정한 간격 (예컨대, 매 1초) 으로 도가니 (27) 내부의 이미지를 받아들인다. 단계 (129) 에서, 이미지 프로세서 (71) 는 용탕 (39) 의 표면 (99) 상에서 부유하는 용융되지 않은 폴리실리콘 (37) 의 존재 여부를 감지하기 위해 이미지들을 처리한다. 이 때, 비용융 폴리실리콘 (37) 의 엣지들에 대응하는 픽셀들은 주위의 용탕 (39) 보다 훨씬 높은 그레이 레벨 또는 픽셀 값을 가진다. 즉, 용탕 (39) 은 고상 폴리실리콘 (37) 의 엣지들보다 더 어둡게 보인다. 부유 폴리실리콘 (37) 의 엣지들을 감지함으로써, 영상 시스템 (67) 은 단계 (131) 에서 부유 폴리실리콘 (37) 의 표면적 (즉, 크기) 을 개략적으로 측정할 수 있다. 예컨대, 영상 시스템은 1㎟ 내지 150㎟ 범위의 부유 폴리실리콘 (37) 의 크기를 나타내는 파라미터를 결정한다.

예를 들어, 이미지상에서 부유 폴리실리콘 (37) 주위를 둘러싸도록 취해진 프레임 또는 바운딩 박스가 고상의 비용융 폴리실리콘 (37) 의 크기를 규정한다. 프레임의 크기는 폴리실리콘 (37) 이 용융됨에 따라 0 까지 감소한다. 제어 유닛 (55) 은 이 측정치를 사용하여 용융 완료에 대한 자동화된 표시를 얻는다. 따라서, 용융 완료는 고상 폴리실리콘 (37) 의 조각이 용탕 (39) 의 표면 (99) 상에서 더 이상 감지될 수 없을 때 (즉, 폴리실리콘 장입물 (37) 이 완전히 용융될 때) 를 의미한다. 기본적으로, 용융 완료 파라미터는 예 또는 아니오의 디지탈 표시이다.

특히, 이미지 프로세서 (71) 는 먼저 용탕 (39) 의 중앙 영역을 포함하는 서브 윈도우 또는 관심영역에 대한 연속된 프레임들을 감산함으로써 이미지 차이 (difference image) 를 형성하기 위해, 스텝 (131) 에서 검사 알고리즘을 수행한다. 이런 방식으로, 영상 시스템 (67) 은 이미지내의 임의의 항상적 요소들 (예컨대, 튀겨져 뷰포트 윈도우상에서 고화된 실리콘) 을 제거한다. 동시에, 이미지 프로세서 (71) 는 시야에서의 임의의 휘도 변화에 대한 민감도를 유지한다. 감산 루틴에 의해 밝혀지는 변화는 용탕 (39) 상에서 부유하는 고상 폴리실리콘 (37) 의 형상, 위치 또는 각도에 있어서의 변화, 표면 파동으로 인한 용탕 표면 (99) 의 반사율에 있어서의 변화, 또는 용탕 (39) 내의 와류로 인한 국부적 용탕 온도에 있어서의 변화를 표시한다. 문턱 콘트라스트 및 크기는 표면 파동에 기인한 변화 및 용탕 온도의 국부적 변화를 배척할 정도로 커야 하지만, 고상 폴리실리콘 (37) 의 작은 섬 (island) 들을 놓칠 만큼 커서는 안 된다. 예컨대, 이미지 차이에 대한 블로브 분석을 행함으로써, 영상 시스템 (67) 은 연속적 이미지들에 있어서의 변화에 기인한 고휘도 서브영역을 감지한다. 소정의 휘도 및 문턱 크기를 넘는 서브 영역이 발견되면, 영상 시스템 (67) 은 시야내에 고상 폴리실리콘 (37) 이 존재한다는 것을 보고하며 서브 영역의 시평균 크기도 보고한다.

단계 (131) 에서 영상 시스템 (67) 이 아직 표면적이 0 이 아니라고 결정하면, 단계 (133) 으로 진행한다. 단계 (133) 에서, PLC (73) 는 폴리실리콘 장입물 (37) 의 변화 속도를 결정하기 위한 루틴을 실행한다. 고상 폴리실리콘 (37) 의 크기의 변화 속도는 폴리실리콘 (37) 이 용융되는 속도를 표시하며, 따라서, 용탕의 온도에 연관된다. 바람직한 실시예에서, 이미지 프로세서 (71) 는 예컨대, 매초마다 PLC (73) 에 상기 속도를 보고한다. 제어 유닛 (55) 은, 도가니 (27) 내의 온도를 제어하고 따라서 폴리실리콘 (37) 의 용융을 제어하기 위해, 이 측정치를 사용하여 파워를 조절한다. 단계 (133) 에서 결정된 용융 속도에 대응하여, PLC (73) 는 단계 (135) 에서 가열기 (31) 를 위해 적합한 파워 레벨을 결정하며 이에 따라 단계 (137) 에서 가열기 전원 (29) 이 조절되도록 한다.

한편, 단계 (131) 에서 표면적이 0 이 된 후에, 영상 시스템 (67) 은 고체 폴리실리콘 (37) 이 마지막으로 감지된 이후의 연속된 프레임들의 수를 기록하는 카운터를 증가시킨다. 이 카운터는 고상 폴리실리콘 (37) 이 감지될 때마다 0 으로 재설정된다. 몇 개의 연속적으로 얻어진 이미지들 (예컨대 초당 하나의 속도에서 30 이미지) 이 어떠한 고상 폴리실리콘 (37) 도 감지하지 못하고 통과되면, 이미지 프로세서 (71) 는 PLC (73) 에 용융 완료를 보고하며, 시드 결정 (43) 을 딥핑하기 전에 단계 (139) 에서의 용탕 안정화 단계로 진행한다.

용탕 표면 (99) 상의 부유 폴리실리콘 (37) 의 감지의 경우와 유사한 방식으로, 용융 단계 막바지에서 폴리실리콘 (37) 에 흡착된 작은 석영 조각들을 관찰하기 위해, 영상 시스템 (67) 을 사용할 수 있다. 주로, 이러한 석영 단편들 (일반적으로 그룹임) 은 폴리실리콘 장입물 (37) 이 용융된 후에도 계속하여 부유한다. 석영 단편들은 비교적 높은 그레이 레벨, 비교적 작은 크기 (즉, 최후로 관찰 가능한 폴리실리콘 단편 (37) 보다 작음) 및 빠른 움직임에 의해 특징지어진다. 이 때, 석영 단편들은 그레이 레벨의 급격한 변화에 기초하여 폴리실리콘 (37) 으로부터 구별될 수 있다. 또한, 부유 석영 단편을 고체 폴리실리콘 (37) 으로부터 구별할 수 있고 그 크기를 보고할 수 있는 것이 바람직하다. 본 발명에 의하면, 영상 시스템 (67) 은 용탕 표면 (99) 을 계속적으로 추적하여 감지 가능한 석영 단편들의 존재 여부에 대해 보고한다. 석영 파라미터는 용탕 (39) 내의 석영 존재 여부를 표시하는 것 외에, 예컨대, 1㎟ 내지 150㎟ 범위의 석영의 크기를 표시한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 영상 시스템 (67) 은 초기 용융 단계가 일단 완료되면 용탕 레벨 (53) 을 모니터링하기 시작한다. 본 출원의 목적상, 용탕 레벨 (53) 은 가열기 (31) 의 상부로부터 용탕 (39) 표면 (99) 까지의 거리로 정의되며, 중심점 (C) 의 좌표의 함수로서 결정될 수 있다. 이미지 프로세서 (71) 는 용탕 레벨 (53) 을 표시하는 중심점 (C) 을 결정하는 것이 바람직하다. 이 실시예에서, 중심점 (C) 의 y좌표와 기준값 사이의 차이를 사용하여 용탕 레벨 (53) 을 결정한다. 또는, 상용 광학적 방법 (예컨대, 체임버 (25) 의 덮개판 상에 설치된 광선/검출기) 을 사용하여 용탕 레벨 (53) 을 결정할 수 있다. 용탕 레벨 (53) 을 결정하면, 보정인자를 계산하고 도가니 (27) 의 승강 제어를 통한 용탕 레벨 (53) 변이를 감소시킴으로써 지름 측정의 가변성을 감소시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 용탕 레벨 파라미터는 ±75㎜ 범위의 용탕 레벨을 나타낸다.

시스템 (21) 은 복수의 카메라 구성을 채용하는 것이 바람직한데, 이 중 광시야 카메라 (57) 는 용탕-도가니 경계를 촬영하고 시야가 좁은 카메라 (57) 는 용탕-결정 경계를 촬영한다. 주기적 간격으로, 이들 경계들 (즉, 메니스커스 (109) 및 메니스커스 (59) 각각) 은 개별적으로 감지되며, 예컨대, 타원이 각각에 맞춰진다. 각 타원의 폭과 중심점은 고정된 z-축 원점에 대한 물리적 용탕 레벨 (53) 을 유도하는 식에 사용될 수도 있다. 상기 식은 알려진 카메라 각도, 렌즈의 촛점 거리, 센서의 샘플링 속도, 및 도가니 (27) 와 결정 (41) 의 공통 회전축 (47) 까지의 거리를 이용한다. 성장 과정에서, 도가니 측벽에 대한 용탕 레벨 (53) 은 결정이 성장하여 용탕이 고갈됨에 따라 내려간다. 그러나, 용탕 레벨 (53) 을 실질적으로 동일한 수직 위치에 유지하도록 도가니를 상승시킨다.

본 출원인에게 공동 양수된 미국특허출원 번호 제 08/459,765 호 (1995년 6월 2일 출원) 및 미국특허출원 번호 제 08/620,137 호 (1996년 3월 21일 출원) 는 용탕 레벨 및 결정 지름을 정확하고 신뢰성 있게 측정하는 바람직한 방법 및 시스템을 각각 기술하는데, 그 개시된 바 전부를 여기에 참조에 의해 삽입한다. 결정 지름 측정 외에, 도가니 지름 측정도 특히 결정 (41) 을 인상하기 전에 용탕 레벨 (53) 을 계산하는데 유용하다. 또한, 이러한 파라미터를 정확하게 측정함으로써 도가니마다 규격이 다름으로 인한 오차 및 각 런 (run) 동안의 열적 팽창에 의한 오차를 감소시킬 수 있다. 따라서, 영상 시스템 (67) 은 도가니 (27) 지름의 온라인 측정을 위해 용탕-결정 메니스커스 (59) 와 유사하게 용탕-도가니 메니스커스 (109) 를 감지하여 처리한다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예는 용탕 (39) 의 온도에 대한 정보를 제공하기 위한 온도 센서 (61) 를 포함한다. 용탕 온도는 일반적으로 용탕 (39) 에 대해 고정된 위치에 설치된 온도 센서 (61) 와 같은 직접 또는 간접 2차 센서들에 의해 측정된다. 일반적으로, 이러한 센서들은 수동 측정을 요하며, 용탕 표면 온도를 스캔하여 사상 (mapping) 할 수 없다. 다른 실시예에서, 영상 시스템 (67) 은, 종래의 온도 센서들에 연관된 이러한 문제점을 극복하기 위해, 온도 센서 (61) 대신에 또는 온도 센서 (61) 와 함께 용탕 온도 정보를 제공한다.

본 발명에 의하면, 폴리실리콘 장입물 (37) 의 남은 비용융 부분들을 도시하는 포획된 이미지들은 용탕 (39) 의 온도에 대한 정보도 제공한다. 결정 고체의 매우 작은 조각을 그 용탕 내에서 용융시킬 경우, 고체-용탕 경계는 거의 고체의 융점 온도에 있게 된다. 경계로부터 떨어져 있는 고체 영역은 융점보다 낮은 온도를 가지는 경향이 있다. 반대로, 경계로부터 떨어져 있는 용탕내의 영역은 융점보다 높은 온도를 가지려는 경향이 있다.

본 발명에서, 고상 폴리실리콘 (37) 의 매우 작은 샘플의 경계는 용융되기 직전에 실리콘의 융점 (즉, 1414℃; 1687K) 에 가까운 온도를 가진다는 것을 가정한다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예는 고상-용탕 경계의 그레이레벨을 실리콘 융점과 같도록 설정한다. 흑체 복사식을 사용하여 두 픽셀의 휘도의 비에 기초하여 두 픽셀에 대한 용탕 온도사이의 비를 얻을 수 있다. 이 방법을 사용하여, 각 픽셀에 대한 용탕 (39) 온도를 얻을 수 있다. 예컨대, 이미지 프로세서 (71) 는 매초마다 용탕 온도 파라미터를 PLC (73) 에 보고한다. 제어 유닛 (55) 은 이 측정치를 사용하여, 도가니 (27) 내의 온도 따라서 폴리실리콘 (37) 의 용융을 제어하기 위해, 파워를 조절한다. 본 발명은 바람직한 딥 온도를 얻기 위한, 용탕 표면 (99) 온도의 폐쇄 루프 제어를 제공한다.

예를 들어, 영상 시스템 (67) 은 딥 단계 전의 용융 단계동안 포획된 용탕 표면 (99) 의 다수의 이미지를 처리한다. 예컨대, 중앙값 필터링 기술을 사용하여 픽셀마다의 휘도의 편차를 일정 범위내로 감소시킨다. 일 실시예에서, 영상 시스템 (67) 은, 용탕 표면 (99) 의 픽셀들과 고상 폴리실리콘 (37) 의 픽셀들 사이를 더욱 구별하기 위해, 고상-용탕 경계의 픽셀들은 무시한다.

일반적으로, 용탕 표면 (99) 상에서 부유하는 것으로 관찰된 폴리실리콘 (37) 의 최후의 조각과 용탕 (39) 사이의 경계에서의 그레이 레벨은 실질적으로 일정하며 실리콘의 융점 온도에 대응하는 것으로 정의된다. 폴리실리콘 (37) 의 최후의 조각을 둘러싸는 영역들은 나머지 용탕 표면 (99) 보다 어둡다 (즉, 낮은 그레이레벨을 가짐). 따라서, 포획된 이미지내의 다른 픽셀들에 해당하는 용탕 (39) 온도는 다음의 식에 의해 결정될 수 있다.

(T/1687K)=(GL/GLⅠ)^1/4

여기서, GLⅠ은 용융되지 않은 폴리실리콘 (37) 에 있어서의 용탕-고상 경계에서의 픽셀값 또는 그레이레벨이며, GL 은 이미지 내의 다른 위치에서의 픽셀값 또는 그레이레벨이다.

용탕 온도 파라미터는 1000℃ 내지 1600℃의 범위를 가진다. GLⅠ이 79 (1414℃의 온도에 해당) 이고 GL 이 용탕 표면 (99) 의 중앙에서 73 이면, 용탕 중앙의 온도는 약 1381℃이다. 딥 온도는 대략 실리콘의 용융 온도인 것이 요구되므로, 제어 유닛 (55) 은, 용탕 (39) 의 온도를 증가시키기 위해, 가열기 전원(29) 에 의해 가열기 (31) 에 공급되는 파워를 증가시킨다.

용융단계의 막바지에서의 도가니의 회전 속도는 일반적으로 딥 단계의 초기의 도가니 회전 속도와 다름에 유의해야 한다. 이러한 차이에 의해 용탕 표면 (99) 으로부터의 반사에 기인한 휘도의 변이가 발생하는데, 이는 온도 오차를 야기한다. 한편, 적외선에 민감한 카메라는 보다 향상된 결과를 제공할 수도 있다.

도 7 은 바람직한 실시예에 의한 시스템 (21) 의 동작을 흐름도 (141) 로 예시한 도면이다. 또한, 도 7 은 흐름도 (141) 의 단계들을 수행하는 제어 유닛 (55) 의 여러 부품들을 도시한다.

동작중에, 시스템 (21) 은 언제 도 3 에 도시한 행어 (101) 와 같은 폴리실리콘 (37) 의 일부가 도가니 측벽 (97) 에 달라붙는지를 표시한다. 시스템 (21) 은 행어 (101) 가 존재하는 가의 여부에 대한 예/아니오 파라미터뿐만 아니라 용탕 표면 (99) 상에서의 행어의 반사상을 감지함으로써 1㎟ 내지 150㎟ 범위의 행어 크기 파라미터도 제공한다. 이것은 제어 유닛 (55) 이 행어 (101) 로부터 용탕 (39) 의 중심까지의 거리를 측정할 수 있도록 하여, 행어 (101) 의 존재가 런이 진행되는 동안 카메라 (57) 에 의해 추적되는 지름에 간섭할 가능성이 있는지를 결정할 수 있도록 해준다. 상기한 바와 같이, 감지는 그레이 레벨에 있어서의 급격한 변화에 기초한다. 그러나, 이 경우, 영상 시스템 (67) 은, 행어가 용탕 표면 (99) 상에서 고정된 위치 (즉, 도가니 (27) 측벽 (97) 에 붙어 있음) 를 가지기 때문에, 행어 (101) 로부터의 반사와 다른 반사들을 구별할 수 있다.

도 7 에 도시된 바와 같이, 이미지내의 엣지들을 감지하기 위해, 단계 (143) 에서, 영상 시스템은 얻어진 이미지들을 픽셀 값들의 함수로서 처리한다. 영상 시스템 (67) 의 이미지 프로세서 (71) 는 단계 (145) 에서 도가니 (27) 의 회전속도도 검사한다. 용탕 (39) 이 도가니 (27) 측벽 (97) 과 만나는 위치까지의 용탕 (39) 의 전체 폭에 대한 이미지를 영상 시스템 (67) 이 얻을 수 있도록, 카메라 (57) 는 광시야를 가지는 것이 바람직하다. 도가니 회전 신호의 도움을 받아, 영상 시스템 (67) 은 여러 개의 소정의 도가니 회전각위치에서의 이미지를 얻을 수 있다. 이를 통해, 도가니 (27) 가 일회전 할 때마다 이미지 프로세서 (71) 로 디지탈 입력 펄스가 제공된다. 소정의 각위치에서의 이미지를 얻어, 용탕 표면 (99) 등으로부터의 높은 콘트라스트의 반사상을 제거할 수 있으며, 행어 (101) 와 같은 행어들로부터의 반사상을 식별해낼 수 있다.

단계 (147) 에서, 이미지 프로세서 (71) 는 감지된 엣지들이 행어 (101) 와 같은 폴리실리콘 (37) 의 달라 붙은 단편인지를 판별한다. 예컨대, 감지된 엣지들이 그룹화되어 일정한 크기 및 위치 (즉, 도가니-용탕 경계에서 또는 그 위쪽에서) 를 가지는 물체를 정의하며, 상기 물체가 도가니 회전 속도의 함수로서 주기적으로 반복되면, 영상 시스템 (67) 은 상기 물체를 행어로 식별해내고 단계 (149) 로 진행한다. 단계 (149) 에서, 이미지 프로세서 (71) 는 행어 (101) 의 대략적인 표면적을 계산한다.

또한, 영상 시스템 (67) 은, 도가니-용탕 경계에서 관찰될 수 있는 메니스커스 (109) 를 식별하기 위해, 단계 (151) 에서 이미지들 내의 엣지들을 감지한다. 메니스커스 (109) 를 감지함으로써, 이미지 프로세서 (71) 는 도가니 (27) 의 폭을 결정하며, 따라서 그 중심을 결정한다. 단계 (153) 에서, 이미지 프로세서 (71) 는 행어의 표면적에 기초하여 행어 (101) 로부터 용탕 (39) 의 중심까지의 거리를 측정한다. 단계 (155) 로 진행하여, 용탕 (39) 중심으로부터 행어 (101) 까지의 거리가 소정의 거리 (예컨대, 40㎜) 보다 작으면, PLC (73) 는 단계 (157) 에서 행어 프로그램을 실행한다. 행어 프로그램은 행어 (101) 가 용융되도록 하기 위해 결정 성장 장비 (23) 를 제어하는 방법에 대해 제어 유닛 (55) 에 지시를 내린다. 한편, 단계 (147) 에서 행어가 감지되지 않거나 행어가 방해할 가능성이 없으면 (즉, 행어가 용탕 중심으로부터 40㎜보다 더 떨어진 경우), PLC (73) 는 단계 (159) 에서와 같이 아무런 조치도 취하지 않는다.

결정 성장 공정의 딥 단계에 있어서, 영상 시스템 (67) 은 시드 결정 (43) 이 언제 용탕 (39) 의 상부 표면 (99) 에 접촉하는 지도 감지한다. 일반적으로, 결정 구동 유닛 (51) 은 시드 결정 (43) 이 용탕 표면 (99) 과 접촉할 때까지 시드 결정 (43) 을 하강시킨다. 영상 시스템 (67) 의 이미지 처리 툴들이 용탕 표면상에서 시드 결정 (43) 의 반사상을 감지하여 이들간의 거리를 측정한다. 시드 결정 (43) 이 용탕 (39) 에 근접함에 따라, 시드 결정 (43) 자체에 의해 반사상이 시야로부터 흐려진다. 반사상이 완전히 사라지는 것처럼 보이는 순간 시드와 용탕의 접촉이 일어난다. 시드와 용탕 경계에서 용탕 (39) 상에 형성되는 메니스커스 (59) 가 접촉이 일어났다는 또 다른 표시를 제공한다.

도 8 은 바람직한 일 실시예에 따른 시스템 (21) 의 동작을 흐름도 (161) 로 도시한다. 또한, 도 8 은 흐름도 (161) 의 단계들을 수행하는 제어 유닛 (55) 의 여러 부품들을 도시한다.

동작중에, 시스템 (21) 은 시드 결정 (43) 이 언제 용탕 (39) 에 접촉하는 지에 대한 표시를 제공한다. 도 8 에 도시된 바와 같이, 이미지들 내에서 엣지들을 감지해내기 위해, 단계 (163) 에서 영상 시스템 (67) 은 얻어진 이미지들을 픽셀 값의 함수로서 처리한다. 특히, 영상 시스템 (67) 의 이미지 프로세서 (71) 는 시드 결정 (43) 과 연관된 엣지들 및 시드 결정의 단면의 용탕 표면 (99) 상에서의 반사상을 감지한다. 단계 (165) 에서, 이미지 프로세서 (171) 는 얻어진 이미지들에서 감지된 엣지들에 기초하여 시드 결정 (43) 으로부터 용탕 (39) 까지의 거리를 측정한다. 예컨대, 시드와 용탕 간의 거리 파라미터는 0 내지 500㎜의 범위를 가진다. 본 발명에 의하면, 영상 시스템 (67) 은 시드-용탕 거리를 PLC (73) 에 매초마다 보고한다.

단계 (167) 에서, PLC (73) 는 언제 시드 결정 (43) 이 용탕 표면 (99) 으로부터 소정의 거리 (예컨대, 20㎜) 에 도달하는지를 결정한다. 시드 결정 (43) 이 표면 (99) 으로부터 20㎜ 이상의 거리에 있으면, 단계 (169) 로 진행한다. 단계 (169) 에서, PLC (73) 는 결정 구동 유닛 (51) 이 시드 결정 (43) 을 계속해서 비교적 높은 속도 (예컨대, 200㎜/시) 로 하강시키도록 한다. 한편, 시드 결정 (43) 이 표면 (99) 으로부터 20㎜ 미만의 거리에 있으면, PLC (73) 는 단계 (171) 에서 시드 결정 (43) 의 속력을 훨씬 낮은 속력 (예컨대, 20㎜/시) 으로 감소시킨다.

단계 (171) 후에, 시드 결정 (43) 과 용탕 (39) 사이의 거리가 0 인지를 결정하기 위해, PLC (73) 는 단계 (173) 로 진행한다. 0 이 아니면, 결정 구동 유닛 (51) 은 시드 결정 (43) 을 계속 동일한 속도로 하강시킨다. 거리가 0 이 되면, PLC (73) 는 결정 구동 유닛 (51) 이 단계 (175) 에서 정지하도록 한다. 단계 (177) 에서 딥 안정화 루틴을 수행한 후에, PLC (73) 는 단계 (179) 에서 시드 결정 (43) 과 용탕 (39) 이 접촉해 있는 지 여부를 결정한다. 기본적으로, 시드-용탕 접촉 파라미터는 예 또는 아니오의 디지탈 표시이다. 예를 들어, 시드-용탕 접촉은 시드-용탕 경계에서 표면 (99) 상에 메니스커스 (59) 가 존재하는가에 의해 표시될 수 있다. 접촉해 있다면, PLC (73) 는 단계 (181) 에서 넥 성장을 개시함으로써 동작을 계속한다. 반면에, 시드-용탕 접촉이 이루어지지 않은 경우에는, PLC (73) 는 단계 (183) 에서 시드 결정 (43) 의 재-딥핑을 지시한다.

도 8 의 흐름도에 따른 영상 시스템 (67) 동작의 예로서, 이미지 프로세서 (71) 는 시드 결정 (43) 의 샤프트가 상부로부터 시야에 들어오는 순간을 감지하기 위해 수평 탐사 캘리퍼 (caliper) 를 사용하여 이것을 기록한다. 다음으로, 이미지 프로세서 (71) 는 감지된 시드 결정 (43) 의 수평 위치에 배치된 수직 탐사 캘리퍼를 사용한다. 이미지 프로세서 (71) 는 시드 결정 (43) 의 하부 엣지를 찾아내기 위해 이 수직 캘리퍼를 이미지에 적용한다. 그 후에, 이미지 프로세서 (71) 는 샤프트 및 팁 캘리퍼스를 사용하여, 시드 결정 (43) 이 용탕 (39) 을 향해 하강하는 것을 모니터링 한다. 각 연속적으로 얻어진 프레임내의 팁 위치에 기초하여, 이미지 프로세서 (71) 는 시드 결정 높이로부터 용탕 표면 높이의 현재 측정치를 빼서 현재의 시드-용탕 거리를 얻는다.

이미지 프로세서 (71) 는, 측정된 시드-용탕 거리가 문턱치 아래가 되면, 새로운 수직 탐사 캘리퍼를 사용하여 시드 결정 (43) 의 용탕 표면 (99) 상에서의 반사상을 감지하고 추적한다. 팁 위치뿐만 아니라 반사상의 수직 위치를 모니터링함으로써, 이미지 프로세서 (71) 는 용탕 표면 (99) 위쪽의 시드 결정 (43) 의 거리에 대한 보다 정확한 측정을 얻을 수 있다. 또한, 반사상을 추적함으로써, 시드 결정 (43) 이 용탕 (39) 과 접촉하는 순간을 감지하는데 사용되기 위한 엣지 콘트라스트 문턱 데이타도 제공한다.

최종적으로, 시드 결정 (43) 이 스스로의 반사상을 가리기 시작하면, 이미지 프로세서 (71) 는 45°및 -45°의 탐사 방향을 가진 한 쌍의 캘리퍼스를 시드 결정 (43) 의 팁 바로 위쪽에 가한다. 이들 캘리퍼스는 시드 결정 (43) 이 용탕 (39) 의 표면 (99) 을 막 접촉함에 따라 메니스커스 (59) 가 처음으로 나타나는 것을 감지한다. 특히, 양 캘리퍼스가 시드의 반사상에 의해 이전에 발생된 최대 콘트라스트를 넘는 엣지 콘트라스트를 동시에 관찰할 때까지, 이미지 프로세서 (71) 는 이들 캘리퍼스에 의해 감지된 엣지들의 콘트라스트를 모니터링한다. 이것이 발생하면, 이미지 프로세서 (71) 는 시드와 용탕이 접촉하였음을 PLC (73) 에 보고한다. 그 후, 이미지 프로세서 (71) 는 새로이 형성된 메니스커스 (59) 를 사용하여 결정 지름을 추적하고 용탕 레벨 (53) 을 측정한다.

결정 성장의 인상 단계 동안에, 이미지 프로세서 (71) 는 메니스커스 (59) 의 밝은 링 내부 또는 외부 주위의 3 점 이상의 좌표를 알아내기 위해 디지탈 엣지 감지를 수행하는 것이 바람직하다. 결정 (41) 및 메니스커스 (59) 의 단면이 일반적으로 원형인 것으로 알려져 있기 때문에, 이미지 프로세서 (71) 에 의해 감지된 밝은 링 엣지의 좌표들은 타원인 것으로 가정되며, 이는 원형으로 변환되어 사상 (mapping) 된다. 또는, 엣지 좌표들은 카메라 (57) 가 설치된 각도에 의해 야기되는 왜곡을 보상함으로써 원형으로 사상될 수도 있다. 곤잘레스 및 윈츠저, 디지탈 이미지 프로세싱 (1987) 의 36쪽 내지 52쪽은 3차원 물체에 대한 카메라의 위치에 의해 발생되는 원근적 왜곡을 보상하기 위한 수학적 변환을 개시하며, 여기에 참조에 의해 삽입한다. 이러한 변환들을 사용하여 왜곡된 타원형에서 원형을 추출할 수 있다. 또한, 1995년 11월 14일 출원되었으며 공동으로 양수된 미국특허출원번호 08/558,609 는 복잡한 수학적 변환들을 사용하지 않고도 메니스커스 (59) 를 촬영하는데 사용될 수 있는 비왜곡 카메라를 기술하며, 그 개시된 바 전체를 참조에 의해 삽입한다.

상기한 바와 같이, 공동 양수된 미국 특허출원번호 08/459,765 및 08/620,137 은 결정 지름을 정확하고 신뢰성 있게 측정하기 위한 바람직한 방법 및 시스템을 각각 개시한다. 지름 측정에 있어서, 이미지 프로세서 (71) 는 이미지의 감지된 광학적 특성에 기초하여 메니스커스 (59) 의 밝은 링의 외부를 따라 엣지 좌표들을 결정한다. 그리고 나서, 이미지 프로세서 (71) 는 감지된 엣지들에 기초하여 결정 (41) 의 지름을 결정한다. 일 실시예에서, 지름 파라미터는 예컨대, 0 내지 320㎜ 의 범위를 가진다.

바람직한 실시예에서, 제어 유닛 (55) 의 PLC (73) 는 도가니 (27) 및 결정 (41) 이 회전하는 속도 및/또는 결정 (41) 이 용탕 (39) 으로부터 인상되는 속도 및/또는 용탕 (39) 의 온도를 제어하기 위해, 실리콘 결정 (41) 의 결정된 지름 (D) 에 반응하고, 도가니 (27) 의 레벨을 제어하기 위해 결정된 용탕 레벨 (53) 에 반응하며, 이에 의해 결정 성장 장비 (23) 를 제어한다. 넥 지름을 유지하기 위해, 폐쇄루프제어가 수행된다.

지름측정에 있어서의 가변성의 원인의 하나로서 밝은 링의 폭이 액체 메니스커스 (59) 에 의해 반사되는 노출된 도가니 (27) 의 고온 측벽의 높이에 따라 변화된다는 것이 있다. 용탕 (39) 이 고갈됨에 따라, 밝은 링의 폭이 증가하여 결정 (41) 이 더 커지게 보이도록 하며, 실제로 원하는 것보다 작은 결정 (41) 으로 성장하도록 만든다. 따라서, 용탕 (39) 과 밝은 링 사이의 엣지를 감지하는 것 외에 결정 (41) 과 밝은 링 사이의 엣지를 감지하여, 밝은 링 폭을 측정할 수도 있다. 또한, 도가니 측벽 높이에 대한 반사 특성을 고려한 액체 메니스커스 (59) 의 수학적 모델링을 통해 밝은 링 폭의 측정을 제공한다.

성장하는 결정 (41) 의 지름을 모니터링하는 것 외에 시스템 (21) 은 성장 속도를 실질적으로 일정하게 유지함으로써 일정한 특성을 가진 결정을 제공한다. 이를 달성하기 위해 고려되어 질 수 있는 하나의 방법으로 메니스커스 (59) 의 높이 및/또는 각도를 용탕 상부 표면 (99) 에 의해 정의된 평면에 대해 상대적으로 결정하는 것이다. 이들 파라미터들 중 하나 또는 둘 모두가 변화함에 대응하여, 제어 유닛 (55) 은 이들 파라미터를 상대적으로 일정하게 유지하기 위해 결정 성장 과정을 조절할 수 있다.

또한, 메니스커스 (59) 의 엣지 좌표들은 공동 양수된 미국 특허출원번호 08/459,765 및 08/620,137 에 기재된 바와 같이 결정 구동 유닛 (51) 이 결정 (41) 을 회전시키는 속도에 대한 결정 지름에 있어서의 주기적 편차를 감지하는데 사용될 수도 있다. 본 기술분야에 공지된 바와 같이, 일반적으로 수직축 (47) 에 평행하고 결정 (41) 의 몸체를 따라 이격된 패싯 (facet) 또는 해빗 (habit) 라인들이 무전위 성장을 나타낸다. 성장 라인이라고도 불리는 해빗 라인은 결정 (41) 의 단면의 주변을 따라 움푹 들어간 모양으로 나타난다. 이 때문에, 결정 (41) 이 주어진 속도로 회전함에 따라, 해빗 라인들이 <100> 방향의 경우 회전 속도의 4배의 속도로, <001> 방향의 경우 회전속도의 2배의 속도로 이미지상의 특정 관심영역내에 나타날 것으로 예상된다. 따라서, 이미지 프로세서 (71) 는 결정 (41) 의 무전위 성장을 확인할 수 있다. 영상 시스템 (67) 이 무전위 성장이 상실되었음을 감지하면, 제어 유닛 (55) 은 재용융을 개시한다.

패싯들은 결정의 크라운의 개시시에 잘 관찰될 수 있게 되며, 무전위에 대한 검사는 몸체 성장의 처음 약 1 인치 (2.54㎝) 에 대해서는 필요하지 않다. 바람직한 실시예에서, 영상 시스템 (67) 은 해빗 라인들의 대칭 및 주어진 결정 회전 속도에 대해 예상되는 각위치들에서의 지름의 주기적 편차에 기초하여 무전위 성장을 감지한다. 무전위 성장이 상실되면, 가장 먼저 관찰되는 표시가 패싯들의 대칭의 상실이며, 결국 패싯들은 전부 사라지게 되어 몸체는 패싯없는 둥근 원통으로 된다. 영상 시스템 (67) 은 용탕 표면 (99) 에 의해 정의되는 평면 내에서 결정 (41) 의 2차원 단면을 주기적으로 측정하여, 이 단면의 대칭의 상실 및/또는 패싯의 상실 여부를 분석한다. 각각의 측정된 단면은 결정 (41) 의 평균 지름 및 결정 (41) 의 중앙축 (47) 주위의 원주각 (cylindrical angle) 의 함수로서의 이 평균지름으로부터의 단면의 편차를 포함한다.

바람직한 실시예에 의하면, 시스템 (21) 은 아이스 (111) (즉, 하부 성장 동안 또는 몸체 성장의 막바지에 이르러 도가니 측벽 (97) 에 인접하도록 용탕 표면 (99) 에서 용융된 폴리실리콘 (37) 이 결정화 또는 응고된 것) 의 형성의 감지 및 제어도 제공한다. 상기한 바와 같이, 감지는 그레이 레벨에 있어서의 급격한 변화에 기초한다. 그러나, 이 경우, 영상 시스템 (67) 은 아이스 (111) 가 용탕 표면 (99) 상의 고정된 위치 (즉, 일반적으로 도가니 (27) 측벽 (97) 에 인접함) 를 가진다는 점때문에 아이스 (111) 의 존재를 다른 물체 또는 반사상들로부터 구별할 수 있다.

도 9 는 바람직한 일 실시예에 따른 시스템 (21) 의 동작을 흐름도 (185) 로 나타낸다. 또한, 도 9 는 흐름도 (185) 의 단계들을 수행하기 위한 제어 유닛 (55) 의 여러 부품들을 도시한다.

동작중에, 시스템 (21) 은 결정화된 폴리실리콘, 즉 도 4 에 도시된 아이스 (111) 와 같은 폴리실리콘 (37) 부분이 결정 성장 과정의 인상 단계에서 도가니 측벽 (97) 에 언제 달라붙는지를 표시할 수 있다. 시스템 (21) 은 아이스 (111) 가 존재하는 지의 여부에 대한 예/아니오 파라미터 뿐만 아니라 용탕 표면 (99) 상에서의 그 존재를 감지함으로써 1㎟ 내지 150㎟ 범위의 아이스 크기 파라미터도 제공한다. 이는 제어 유닛 (55) 이 아이스 (111) 로부터 결정 (41) 까지의 거리를 측정할 수 있도록 하여 아이스 (111) 의 존재가 런동안 결정 성장을 방해할 가능성이 있는 지를 결정할 수 있게 해준다. 상기한 바와 같이, 감지는 그레이 레벨에 있어서의 급격한 변화에 기초한다. 그러나, 이 경우 아이스가 용탕 표면 (99) 상에서 고정된 위치 (즉, 도가니 (27) 의 측벽 (97) 에 부착됨) 를 가지기 때문에, 영상 시스템 (67) 은 아이스 (111) 를 다른 물체들 또는 반사들로부터 구별할 수 있다.

도 9 에 도시된 바와 같이, 이미지내의 엣지들을 감지하기 위해, 단계 (187) 에서, 영상 시스템 (67) 은 얻어진 이미지를 픽셀 값들의 함수로서 처리한다. 영상 시스템 (67) 의 이미지 프로세서 (71) 는 단계 (189) 에서 도가니 (27) 의 회전속도도 검사한다. 상기한 바와 같이, 용탕 (39) 이 도가니 (27) 측벽 (97) 과 만나는 위치까지의 용탕 (39) 의 전체 폭에 대한 이미지를 영상 시스템 (67) 이 얻도록, 카메라 (57) 는 광시야를 가지는 것이 바람직하다. 도가니 회전 신호의 도움을 받아, 영상 시스템 (67) 은 여러 개의 소정의 도가니 회전각위치에서의 이미지를 얻을 수 있다. 이를 통해, 도가니 (27) 가 일회전 할 때마다 이미지 프로세서 (71) 로 디지탈 입력 펄스가 제공된다. 소정의 각위치에서의 이미지를 얻어, 용탕 표면 (99) 등으로부터의 높은 콘트라스트의 반사상을 제거할 수 있으며, 아이스 (111) 의 존재를 식별해낼 수 있다.

단계 (191) 에서, 이미지 프로세서 (71) 는 감지된 엣지가 아이스 (111) 와 같은 폴리실리콘 (37) 의 결정화된 단편인지를 결정한다. 예를 들어, 감지된 엣지들이 그룹화되어 어떤 크기 및 위치 (즉, 도가니-용탕 경계) 를 가진 물체를 정의하며, 이 물체가 도가니 회전 속도의 함수로서 주기적으로 반복된다면, 영상 시스템 (67) 은 그 물체를 아이스로 식별해내고 단계 (193) 로 진행한다. 단계 (193) 에서, 이미지 프로세서 (71) 는 아이스 (111) 의 대략적인 표면적을 계산한다.

또한, 결정-용탕 경계에서 관찰될 수 있는 메니스커스 (59) 를 식별해내기 위해, 영상 시스템 (67) 은 단계 (195) 에서 이미지들 내의 엣지들을 감지한다. 메니스커스 (59) 를 감지함으로써, 이미지 프로세서 (71) 는 결정 (41) 폭을 결정한다. 단계 (197) 에서, 이미지 프로세서 (71) 는 아이스의 표면적에 기초하여 결정 (41) 의 엣지로부터 아이스 (111) 까지의 거리를 측정한다. 단계 (199) 로 진행한 후에, 아이스 (111) 로부터 결정 (41) 까지의 거리가 소정의 거리 (예컨대, 25㎜) 보다 작으면, PLC (73) 는 단계 (201) 에서 아이스 프로그램을 실행한다. 바람직하게는, 아이스 프로그램은 아이스 (111) 가 결정 (41) 에 너무 가까우면 제어 유닛 (55) 이 작동을 정지시키도록 지시한다. 어떤 경우에 아이스 프로그램은 제어 유닛 (55) 이 교정 조치를 취하도록 지시한다. 예를 들어, 아이스 (111) 가 런중에 비교적 일찍 감지되면, 아이스 프로그램은 가열기 전원 (29) 이 도가니 (27) 에 공급되는 열을 증가시키도록 하여 결정화된 실리콘을 용융시키며, 결정 구동 유닛 (51) 이 인상 속도를 감소시키도록 하여 열에너지가 증가됨으로 인해 결정 지름이 작아지는 것을 보상해준다. 한편, 단계 (191) 에서 아이스가 감지되지 않거나 아이스 (111) 가 방해하지 않을 것 (즉, 아이스가 결정 (41) 으로부터 25㎜보다 멀리 떨어진 경우) 같은 경우에는 단계 (203) 에 도시된 바와 같이 PLC (73) 는 아무런 조치를 취하지 않는다.

또한, 본 발명의 영상 시스템 (67) 은 용융 완료, 용융 속도, 온도, 아이스 또는 행어 거리, 결정 지름, 용탕 레벨 및 무전위성장의 상실 이외에 퍼지 튜브 간극 또는 용탕 간극 및 대류와 같은 다른 결정 성장 파라미터를 결정하는데 사용될 수도 있다.

상기 관점에서, 본 발명의 여러 목적들이 달성되었으며 다른 유용한 결과가 얻어졌음을 알 수 있다.

본 발명의 범위를 벗어나지 않고도 상기 구성 및 방법에 있어 다양한 변화가 가능하기 때문에, 상기 설명에 포함되거나 첨부한 도면에 도시된 모든 것은 예시적이며 한정적이 아닌 것으로 해석되어야 한다.

Claims

실리콘 단결정을 성장시키기 위한 장비와 함께 사용되는 폐쇄 루프 제어 방법으로서,

상기 결정 성장 장비가 고상 실리콘을 용융시켜 용탕을 형성하기 위해 가열되는 도가니를 가지며, 상기 단결정이 상기 용탕으로부터 인상 (pull) 되고, 상기 용탕은 용융되지 않은 실리콘이 용융될 때까지 그 상부로 노출되는 상부 표면을 가지며, 상기 방법은,

카메라로 상기 도가니 내부의 일부의 이미지를 발생시키는 단계로서, 상기 이미지 각각이 다수의 픽셀을 가지며, 상기 픽셀 각각은 상기 이미지의 광학적 특성을 나타내는 값들을 가지는 단계;

상기 이미지들 내에서 엣지들을 감지해내기 위해 상기 이미지들을 상기 픽셀 값들의 함수로서 처리하는 단계;

상기 이미지들 내에서 물체들을 정의하기 위해, 상기 이미지들 내에서의 위치의 함수로서 상기 감지된 엣지들을 그룹화하는 단계로서, 상기 정의된 물체들은 하나 이상의 픽셀을 가지며 상기 정의된 물체들중 하나 이상이 상기 용탕 표면상에서 관찰될 수 있는 고상 실리콘 부분을 나타내는 단계;

상기 정의된 물체들에 기초하여, 폴리실리콘 용융 단계, 용융완료와 시드-용탕 접촉 사이의 단계, 시드-용탕 접촉 단계 또는 결정 성장 단계를 포함하는 단결정 성장의 다수의 단계들에서의 상기 결정 성장 장비의 상태를 나타내는 하나 이상의 파라미터를 결정하는 단계, 및

상기 결정된 파라미터에 대응하여 상기 결정 성장 장비를 제어하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 폐쇄 루프 제어방법.
제 1 항에 있어서, 상기 처리 단계가 하나의 이미지와 다음 이미지 사이의 변화를 식별하는 이미지 차이들을 발생시키기 위해 연속되는 상기 이미지들을 서로 감산하는 단계를 구비하며, 상기 이미지 차이 내에서 감지된 엣지들을 그룹화하여 상기 용탕 표면상에서 관찰될 수 있는 상기 고상 실리콘 부분을 나타내는 상기 정의된 물체를 정의하는 것을 특징으로 하는 폐쇄 루프 제어방법.
제 2 항에 있어서, 상기 용탕 표면상에서 관찰될 수 있는 상기 고상 실리콘 부분의 대략적 크기를 상기 이미지들 차이 내에서 상기 정의된 물체내의 픽셀의 수의 함수로서 결정하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 폐쇄 루프 제어방법.
제 3 항에 있어서, 상기 파라미터 결정 단계가 상기 도가니내의 실리콘이 실질적으로 용융되었음을 나타내는 용융 완료 파라미터를 결정하는 단계를 구비하며, 상기 용융 완료 파라미터가 상기 용탕 표면상에서 관찰될 수 있는 거의 0 에 근접하는 상기 고상 실리콘 부분의 크기의 함수인 것을 특징으로 하는 폐쇄 루프 제어방법.
제 3 항에 있어서, 상기 파라미터 결정 단계가 상기 도가니내에서 실리콘이 용융되는 속도를 나타내는 용융속도 파라미터를 결정하는 것을 구비하며, 상기 용융 속도 파라미터가 상기 용탕 표면상에서 관찰될 수 있는 상기 고상 실리콘 부분을 나타내는 상기 정의된 물체의 크기의 시간에 대한 변화율의 함수인 것을 특징으로 하는 폐쇄 루프 제어방법.
제 1 항에 있어서, 상기 처리 단계가 상기 이미지들 내에서 감지된 상기 엣지들에 기초하여 상기 용탕 표면상에서 관찰될 수 있는 상기 고상 실리콘 부분과 상기 용탕 사이의 경계를 감지해내는 단계를 구비하며, 상기 파라미터 결정 단계가 상기 용탕 표면상의 여러 위치에서의 상기 용탕의 온도를 나타내는 용탕 온도 파라미터를 결정하는 단계를 구비하며, 상기 용탕 온도 파라미터가 상기 고상 실리콘 부분과 상기 용탕 사이의 경계에 인접한 이미지내의 픽셀들중 하나 이상의 픽셀 값의 함수인 것을 특징으로 하는 폐쇄 루프 제어방법.
제 1 항에 있어서, 상기 처리 단계가 상기 이미지들 내에서 감지된 상기 엣지들에 기초하여 상기 도가니의 내부 측벽과 상기 용탕 사이의 경계를 감지해내는 단계를 구비하며, 상기 고상 실리콘 부분이 상기 도가니의 상기 내부 측벽에 인접하게 되는 순간을 감지해내는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 폐쇄 루프 제어방법.
제 7 항에 있어서, 상기 도가니의 대략적 중심에 해당하는 픽셀 위치를 정의하는 단계를 더 구비하며, 상기 파라미터 결정 단계가 상기 도가니의 상기 내부 측벽에 인접하는 것으로 감지된 상기 고상 실리콘 부분으로부터 상기 도가니의 중심까지의 거리를 나타내는 행어 거리 파라미터를 결정하는 단계를 구비하며, 상기 행어 거리 파라미터가, 상기 도가니의 상기 대략적인 중심에 해당하는 픽셀 위치에 대한, 상기 도가니의 상기 내부 측벽에 인접하는 것으로 감지된 상기 고상 실리콘 부분을 나타내는 상기 정의된 물체내의 하나 이상의 픽셀의 위치의 함수인 것을 특징으로 하는 폐쇄 루프 제어방법.
제 7 항에 있어서, 상기 처리 단계가 상기 이미지들 내에서 감지된 상기 엣지들에 기초하여 상기 용탕 표면상의 결정 메니스커스를 감지해내는 단계를 구비하며, 상기 단결정이 상기 용탕으로부터 인상됨에 따라 상기 결정 메니스커스가 상기 단결정에 인접해 있는 것으로 관찰될 수 있으며, 상기 파라미터 결정 단계가 상기 도가니의 상기 내부 측벽에 인접하는 것으로 감지된 상기 고상 실리콘 부분으로부터 상기 결정 메니스커스까지의 거리를 나타내는 아이스 거리를 결정하는 단계를 구비하며, 상기 아이스 거리 파라미터가 상기 결정 메니스커스의 엣지에서의 하나 이상의 픽셀의 위치에 대한 상기 도가니의 상기 내부 측벽에 인접하는 것으로 감지된 상기 고상 실리콘 부분을 나타내는 상기 정의된 물체내의 하나 이상의 픽셀의 위치의 함수인 것을 특징으로 하는 폐쇄 루프 제어방법.
제 1 항에 있어서, 상기 단결정이 상기 용탕내로 담그어진 후 상기 용탕으로부터 인상되는 시드 결정으로부터 성장되며, 상기 정의된 물체들 중 하나 이상이 상기 시드 결정이 상기 용탕에 접촉하기 전에 상기 용탕 표면상에서 관찰될 수 있는 상기 시드 결정의 반사상을 나타내며, 상기 정의된 물체내의 픽셀의 수의 함수로서 상기 시드 결정의 반사상의 대략적 크기를 결정하는 단계 및 상기 용탕 표면상에서의 상기 시드 결정의 거의 0 에 근접한 반사상의 크기의 함수로서 상기 시드 결정이 상기 용탕 표면에 접촉하였는 지를 나타내는 시드-용탕 접촉 파라미터를 정하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 폐쇄루프 제어 방법.