KR19990029481A

KR19990029481A - 결정의 직경 측정용 장치 및 방법

Info

Publication number: KR19990029481A
Application number: KR1019980036235A
Authority: KR
Inventors: 부르크하르트 알테크뤼거; 요아킴 아우프라이터; 디터 브뤼스; 클라우스 칼코브스키
Original assignee: 좀머캄프 페터; 라이볼트 쥐스템스 게젤샤프트 밋 베슈랭터 하프퉁
Priority date: 1997-09-03
Filing date: 1998-09-03
Publication date: 1999-04-26
Also published as: JP2001505523A; WO1999011844A1; EP0938599A1; EP0903428A2; US6341173B2; EP0903428A3; US6203610B1; JPH11153418A; US20010043733A1; TW460637B; KR20000068898A

Abstract

본 발명은 액체물질로부터 인상된 결정의 직경을 측정하는 장치 및 프로세스에 관한 것이다. 이와 관련하여 여러 대의 비디오카메라를 배설하고, 이들 각각은 결정의 수직축을 따르거나 또는 결정과 수직방향으로 자체 섹션을 재생한다. 카메라의 이미지각은, 재생될 물체가 전체 화상면, 즉 최소한 한쪽 방향으로 완전히 채우도록 배열된다. 직경이 작은 물체, 예를 들면, 결정 네크(crystal neck)용으로는 이미지각이 작은 카메라를 사용하는 반면, 직경이 큰 물체, 예를 들면, 결정 보디(crystal body)용으로는 이미지각이 큰 카메라를 사용한다.

Description

결정의 직경 측정용 장치 및 방법

본 발명은 특허청구범위 1, 18, 및 22에 따른 장치 및 방법에 관한 것이다.

이러한 장치는, 예를 들면, 초크랄스키법(Czochralski method)에 따라 단결정을 인상할 때 결정의 직경을 측정하는데 사용된다.

결정성장에 관한 분야에는, 예를 들면 가스상태, 용액, 또는 액체물질로부터 결정을 성장시키는 다수의 상이한 방법이 알려져 있다. 액체물질로부터 결정을 성장시키는 각종의 방법이, 그들의 고도로 개발된 프로세스기술 및 생산량으로 인하여, 성장방법 중 가장 뛰어나다.

액체물질로부터 결정을 성장시키는 가장 잘 알려진 방법으로는 키로포울루스법(Kyropoulus method), 브릿지맨법(Bridgman method), 및 초크랄스키법이 있다. 키로포울루스법에 의하면 냉각된 시드결정을 액체물질내에 담그고, 브릿지맨법에 의하면 도가니(crucible)를 온도구배내에 수직으로 하강시키는 반면, 초크랄스키법에 의하면 결정이 액체물질로부터 인상된다.

초크랄스키법에서는 원료가 되는 물질을, 키로포울루스법의 경우에서와 같이, 도가니에 용해시킨다. 시드결정을 액체물질내에 함침시켜 젖게하고, 이로써 융합된다. 다음으로, 온도를 낮추면서 시드결정을 액체물질로부터 상향으로 계속하여 인상한다. 이로써 결정 및 도가니가 환류로 회전한다. 결정의 인상속도 및 액체물질의 온도는 결정이 쇼울더(shoulder)를 발생시킨 후 일정 크기로 성장하도록 제어된다. 성장하는 결정의 배향은 시드결정에 대응한다(Bonora, Czochralski Growth of Single-Crystal Silicon--A State-of-the-Art Overview. Microelectronic Manufacturing and Testing (September 1980), pp. 44-46 참조).

오늘날 생산 시에 인상된 단일 결정의 목표직경은, 반도체기술로 처리된 슬라이스 크기(slice size), 즉 전자구조 구성품이 매우 소형화되었음에도 불구하고 경제적인 이유 때문에 보다 큰 값을 가진 크기로 가고 있고, 따라서 오늘날에는 150 ∼ 200 mm이 지배적이다. 그러나, 직경이 300 ∼ 400 mm인 슬라이스도 계획되고 있다. 이러한 크기에서는, 결정구조와 순도 및 특히 원통형상의 결정을 따라서 직경의 균일함은 흠 없는 단결정에 중요한 역할을 한다. 실린더벽이 평탄하면 할수록, 프로세스비용 및 사용될 물질의 손실이 더 저감될 것이다. 이 때문에, 목표방법 동안 직경을 제어하는 것이 경제성에 대한 중요한 기준이다.

실제로, 성장프로세스의 모든 단계에서 결정의 실제 직경을 정확하게 측정하고 제어하려고 할 때, 상당한 장애에 직면하게 된다.

이들 곤란함을 극복하기 위하여, 기계적, 전기적, 및 광학적 해결방안이 이미 제안되어 있다.

기계적 해결방안의 경우, 결정의 중량을 모니터하여 이 중량으로부터 직경을 추정한다(GB-PS 1 457 275). 따라서, 인상될 때 결정의 유효 비활성 질량에 대응하는 신호가 발생된다. 각각의 경우에, 이 신호를 계산된 예상값과 비교한다. 2개의 신호가 서로 맞지않는 경우, 인상속도가 변하여 결정의 실제 직경이 제어시스템 조정을 통하여 목표직경과 일치된다. 이 방법의 단점은, 결정의 성장이 느리기 때문에 여러 가지 불확실한 간섭을 받는다는 것이다.

이 해결방안을 더 정확하게 하기 위하여, 열 지연 효과가 결정 형성 중에 보정되는 방법을 제안한다.

기계적 원리에 따라 액체물질로부터 인상된 결정의 직경을 측정하는 데 있어서의 문제를 해결하는 다른 공지의 방안은, 결정과 액체물질 사이의 상대회전 때문에 발생하는 회전모멘트를 결정의 직경을 측정하는 수단으로 사용하는 것이다(DE-OS 36 40 868).

전기적 방법으로 결정의 직경을 측정하는 것도 이미 공지되어 있다(DD-PS 145 407). 이 경우, 교류 또는 직류 전압을 결정을 통하여 흐르게 하거나 또는 가열가능한 도가니, 액체물질, 결정, 및 인상대상의 시스템을 통하여 흐르게 하면서, 성장하는 결정의 전기저항을 측정한다. 결정의 전기저항을 측정하기 위하여, 액체물질과의 반응에 영향을 주지않거나 또는 액체물질과 결정 사이 경계면의 열적조건에 액체물질의 특이성 및 결정의 구조적 특색으로 인하여 영향을 주지않는 유영 접촉영역(swimming contact area)이 액체물질의 표면 상에 위치된다.

도가니에 함유된 액체물질로부터 직경이 균일한 단결정을 인상하는 또 다른 공지의 방법의 경우, 광학매체를 사용하여 결정의 직경을 측정한다(DE-PS 16 19 969). 따라서, 로드 직경의 변화는 기계식 서보 구성품 및 액체물질상으로 발광하는 하나 또는 수개의 발광검출기를 포함하는 제어시스템을 사용함으로써 계속해서 균형을 이룬다. 발광검출기는 근적외선 및 가시 스펙트럼영역에서 성장하는 결정에 바로 근접한 액체물질의 작은 표면영역에 의하여 생성된 발광에너지를 포착하고, 그 광로 및 결정축이 예각을 형성하도록 조정된다.

또한, 대역융해(zone melting)를 통하여 생산된 반도체로드의 직경을 측정하는 광학법이 공지되어 있고; 이 방법에 있어서, 로드는 대역융해 영역의 텔레비젼카메라에 의하여 촬영되고, 카메라신호는 이것을 가변 임계값과 비교함으로써 바이너리신호로 전환되고, 로드의 직경은 고체-유체 경계를 특징지우고 축방향으로 발생하는 휘도의 점프가 결정되는 사이트에서 측정된다(Journal of Crystal Growth지, 13/14 (1972), pp. 619-23).

본 발명에 있어서, 로드의 단면에 걸쳐 연장되고 인접 테이크오프영역 보다 더 어두운 소정의 최소폭을 가진 대역의 존재여부를 알기 위하여, 액체물질과 이 액체물질로부터 성장하는 반도체결정 사이의 상변이 사이트는, 상이한 임계값을 가진 보다 많은 화상을 촬영하고, 여러 가지 임계값으로 얻은 비디오신호를 검사함으로써 보다 정확하게 측정된다(DE-OS 33 25 003).

그러나, 광학측정법에 의한 결정의 실제 직경의 정확한 측정은 여러 가지 간섭을 성장프로세스 중에 받게 되며, 이러한 간섭은 광학측정법으로 정확하게 측정하는 것이 더 이상 불가능하도록 결과를 왜곡시킬 수 있다. 따라서, 성장프로세스에 따른 품질 및 결과가 매우 위험하게될 수 있다. 간섭에 포함되는 것은, 특히, 측정될 물체, 즉 결정, 액체물질, 또는 결정 둘레의 발광성 메니스커스링상의 심한휘도변화와 콘트라스트비, 및 액체물질상의 간섭반사 또는 측정될 물체의 기계적 간섭으로 인한 불안정이 있다.

또한, 어느 정도까지 수정된 결정의 기하학적 형태는 원형의 단면을 가진 이상적인 원통형 형태에서 현저하게 벗어날 수 있다. 결정의 직경을 변하게 함으로써, 결정의 전체 직경 및 이에 속하는 발광성 메니스커스링의 가시성이 상당히 제한된다. 더욱이, 온도분포를 최적으로 하는 구성품 및 장치가 결정의 가시성을 제한하고, 더 나쁘게 한다.

현재는 결정의 직경이 약 150 ∼ 200 mm가 일반적임에도, 결정 직경의 검출 및 제어에 따른 이들 문제는 성장프로세스에 상당한 단점이 될 수 있다. 앞으로 직경 300- ∼ 400-mm의 결정을 만들기 위하여, 결정 직경을 신뢰성있게 제어하는 문제는 계속해서 강조되어야 한다.

또한, 전술한 문제가 해결되고, 실리콘 결정의 직경이 텔레비젼카메라로 측정되어 실리콘 결정의 성장을 제어함으로써 액체물질의 표면에 메니스커스가 생기고, 이 메니스커스는 실리콘 결정에 근접한 밝은영역으로 보이게하는 광시스템 또는 프로세스가 공지되어 있다(EP O 745 830 A2). 이 시스템에서, 먼저 실리콘 결정에 근접한 밝은영역 일부의 테스트 패턴을 카메라로 촬영한 다음, 테스트 패턴의 특징을 검출한다. 테스트 패턴의 확실한 특징은, 예를 들면, 강도구배(intensity gradient)이다. 이 후, 밝은영역의 에지는 검출된 특징의 함수로서 한정된다. 다음에, 밝은영역의 한정된 에지를 포함하는 외형의 윤곽이 정해지며, 최종적으로 이 윤곽이 정해진 외형의 직경이 측정되고, 따라서 실리콘 결정의 직경은 윤곽이 정해진 외형의 얻어진 직경의 함수로서 측정된다.

이 시스템의 단점은, 일부 적용에서 정확도가 아직 떨어지고. 특히 외부간섭이 충분하게 고려되지 않았다는 것이다.

또한, 결정의 직경을 평가제어유닛에 의하여 측정하는 초크랄스키법에 따른 단결정의 인상용 장치 및 방법이 공지되어 있다(DE 195 48 845 A1). 여기에는, 화상축이 90°의 각을 형성하는 2 대의 카메라가 배설된다. 이들 카메라는 상이한 포인트가 아주 똑같은 물체, 즉 메니스커스링상에서 검출된다. 이들 카메라의 초점거리 및 이미지각은 동일하고, 그 결과 최소한 하나의 좌표가 완전하게 채워지는 것을 확보하면서, 물체 중 상이한 크기의 영역의 화상을 화상면상에 촬영하는 것은 불가능하다.

끝으로, 화상축이 결정의 수직면에 각을 형성하는 2 대의 카메라를 사용할 수 있는 전이각 식별 시스템(transition-angle identification system)이 있다(US-PS 4 943 160, 도 4). 전이각이라는 용어는 메니스커스면이 결정의 수직축 및 이 결정 수직축과 평행인 축과 형성하는 각으로 이해할 수 있을 것이다. 결정의 다른 영역은 카메라에 촬영되지 않는다. 또한, 카메라는 각각의 결정부분의 직경으로 조정된 초점거리 또는 이미지각을 갖지 않는다.

본 발명은 광검출시스템을 사용하여 결정의 직경을 아주 정밀하게 측정하는데 있어서의 기술적인 문제에 관한 것이다.

이 문제는 특허청구범위 1, 18, 및 22의 특징으로 해결된다.

본 발명의 장점은, 특히, 최소한 2 대의 카메라를 사용함으로써 카메라 해상도는 각각의 측정 문제로 조정된다는 사실이다. 결정의 직경이 큰 경우, 해상도는, 예를 들면, 화상을 합성할 수 있는 2 대의 카메라를 사용함으로써 배가될 수 있다. 또한, 광강도 및 콘트라스트비의 변화로 발생되는 문제가 배제될 수 있다. 정확한 측정을 위한 상이한 관련조건을 고려함으로써, 안정된 신호 및 프로세스를 행하는 개선된 방법도 또한 얻을 수 있다. 이 외에, 절대값 교정이 자동적으로 될 수 있고, 결정의 직경은 메니스커스가 발생하지 않는 이러한 프로세스 단계에서 측정가능하다.

도 1은 2 대의 카메라가 서로 떨어져 배열된 결정인상장치이고,

도 2는 2 대의 카메라가 서로 인접하여 배열된 결정인상장치이고,

도 3은 카메라 교정 중의 결정인상장치이고,

도 4는 액체물질로부터 인상되는 결정의 확대도이고,

도 5a-5d는 결정의 성장을 나타내는 개략도이고,

도 6은 3 대의 카메라로 촬영된 결정 및 시드결정(seed crystal)을 나타내는 도면이고,

도 7은 결정의 직경을 측정하는 프로세스를 설명하는 결정의 사시도이고,

도 8은 결정의 직경을 측정하는 방법의 공정계통도이고,

도 9는 2 대의 카메라 및 결정의 평면도이고,

도 10은 3 대의 카메라 및 결정의 평면도이고,

도 11은 2 대의 카메라를 사용할 때의 일부 공정의 순서도이다.

다음에, 본 발명의 실시예를 도면에 나타내어 상세하게 설명한다.

도 1은 결정(2)의 직경을 광학방법을 사용하여 측정할 수 있는 장치(1)를 나타낸다. 이 경우, 결정(2)의 하면(3)은 액체물질(5)의 표면(4)상에 위치되는 반면, 결정은 화살표(6)방향으로 회전한다. 액체물질(5)은 전기모터(9)의 샤프트(8)에 의하여 구동되는 도가니(7)에 위치된다. 샤프트(8)와 모터(9)는 플랜지(10, 11)에 의하여 연결된다. 도가니(7)는, 상단부(12), 중간부(13), 및 하단부(14)로 구성되며, 화살표(15)방향으로 회전할 수 있는 케이스내에 위치된다. 전기에너지를 장치(17)로부터 공급하는 전기가열장치(16)가 도가니(7) 둘레에 위치된다.

결정(2)은 폴(pole)(18), 예를 들면 전기모터(19)에 의하여 구동되는 나사홈 이 있는 핀을 사용하여 회전된다. 이 모터에도 또한 전기에너지가 장치(17)로부터 공급된다.

케이스의 상단부(12)에는 종축이 폴(18) 및 도가니(7)의 수직축(22)에 대하여 각도 α 또는 β를 형성하는 2 대의 카메라가 위치된다.

케이스의 상단부(12)는, 폴(18)을 둘러싸며 가스입구(24)를 가지는 파이프(23)에 연결된다. 케이스의 하단부(14)에는 가스출구(25, 26)가 배설된다. 폴(18)은 전기모터(19)를 사용하여 회전될 뿐만 아니라, 상승될 수도 있다. 전기모터(9)는 카메라로부터 정보를 수신하여 이 정보를 평가하는 장치(17)를 통하여 제어된다.

도 1에는 나타나 있지 않으나, 제3 카메라가 파이프(22) 후측 또는 다른 위치에 배치될 수 있다.

카메라(20, 21)는 고정 초점거리 및 이미지각을 가지며, 결정의 특정영역, 즉 네크(neck), 보디(body) 등을 재생한다. 이와 관련하여, 재생물체가 최소한 하나의 좌표의 투영면을 완전히 채워서 최적의 해상도를 얻도록 설정된다. 카메라 대물렌즈와 재생될 물체의 거리를 알고 있기 때문에, 초점거리를 최적의 조건으로 선택한다. 투영면이라는 용어는 화상이, 예를 들면 종래의 카메라를 사용하여 24 x 36 필름면에 재생되거나 또는 전자카메라를 사용하여 감광칩 표면에 재생되는 카메라의 면이라고 이해한다.

카메라가 (시스템내에) 일체로 되어 그들이 케이스(12)에 고정되어 있는 경우, 카메라와 대물렌즈간의 거리는 일정하기 때문에, 고정 초점거리를 가진 대물렌즈를 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, 예를 들면 결정의 네크를 관찰하는 카메라와 같이, 상향으로 이동하여 성장하는 결정을 관찰하도록 카메라를 설계할 수 있어 카메라가 케이스(12)내에서 회전하게 하고, 카메라의 투영면이 재생물체에 의하여 일정하게 최적으로 사용되도록 자동적으로 제어된 줌대물렌즈를 배설할 수 있다. 따라서, 대물렌즈와 물체간에 일정하게 변하는 거리가 각기 다른 초점거리에 고려된다.

카메라에 의하여, 결정영역의 직경을 각각 측정하여 대응 목표값과 비교한다. 그 후, 실제값과 목표값간의 차이를 결정인상조건의 변경에 사용할 수 있다.

도 2는 도 1에 나타낸 장치의 상단부를 다시 나타내지만, 여기에는 2 대의 카메라가 서로 인접하여 위치되어 있다. 이 경우에 폴(18)은 하측으로 돌게되어, 즉 인상프로세스가 개시되고 시드결정(31)을 가진다. 고정 초점거리를 가진 카메라(21)는, 예를 들면 이미지각 γ로 시드결정(31)과 정렬된다. 따라서, 시드결정이 투영면 전체를 채우도록 재생될 수 있다. 또한, 이것으로 인하여 시드결정(31)의 외형 및 다른 성질을 정밀하게 검사할 수 있다.

제2 카메라(20)는 다른 고정 초점거리를 가지고, 도 2에 점선으로 나타낸 큰 결정(2)을 이미지각 δ를 통하여 취하는 대물렌즈를 가진다. 따라서, 큰 결정(2)이 카메라(20)의 투영면 전체를 채우도록 재생될 수 있다.

2 대의 카메라(20, 21)를 사용함으로써, 결정은 그 성장단계 모두에서 완전히 모니터될 수 있다. 카메라(20, 21)는 순차로 사용되는 것이 바람직하지만 동시에 사용될 수 있고, 이 경우 제어에 의하여 하나의 카메라에서 다른 카메라로 자동적으로 이동된다. 2 대의 카메라는 동일 결정-인상프로세스내에서 연속사용된다.

이미 공지된(1985년 10월 9일자 일본국특허출원 소 62-87482) 줌대물렌즈를 가진 카메라 하나만을 사용하는 것은 평가연산방식을 사용할 때 불리할 수 있고, 고정 초점을 각각 가진 2 대의 카메라와는 비교되지 않는다. 고정-초점 카메라에서, 이미지각은 촬영될 물체 전체가 필름면을 완전히 채우도록 설계될 수 있다. 그러나, 줌카메라에서는 필름면 중 단지 일부만이 물체에 의하여 커버된다. 예를 들면, 줌대물렌즈를 일부분상에 초점을 맞추고, 시드결정(31)이 필름면 전체를 채우는 경우, 시드결정은 광각초점이 있을 때 필름면 중 단지 일부를 커버한다. 물론, 결정(2) 전체가 광각초점을 가진 필름면 전체를 커버할 수 있지만, 시드결정(31)이 필름면 중 단지 작은 부분만을 취하게 되어서 부정확하게 검사될 수 있다는 사실은 변하지 않는다. 그러나, 초점거리가 상이한 2 대의 고정-초점 카메라에 있어서, 결정의 2개의 상이한 영역이 동시 또는 순차로 재생 및 평가될 수 있고, 하여간 결정의 2개의 상이한 영역이 하나의 균일한 프로세스 동안 재생 및 평가될 수 있다. 2 대의 고정-초점 카메라 대신 2 대의 줌카메라를 사용할 수 있지만, 100%의 정확한 초점이 필요함으로 교정 문제가 야기된다.

도 3은 이러한 교정을 어떻게 행하는 가를 나타낸다. 설명을 간단하게 하기 위하여, 단지 1 대의 카메라만 나타내지만; 제2 또는 제3의 카메라도 동일 방식으로 교정될 수 있는 것으로 이해된다.

도 3에는 2가지 변형예의 교정방식을 나타낸다. 제1 변형예의 경우, 원형링 부재일 수도 있는 2개의 구획부재(demarcation)(27, 28)를 배설한다. 이들 구획부재의 에지(29, 36)는 목표위치의 기준이 된다. 카메라로 그들을 촬영한 후 화상평가유닛(picture-evaluation unit)(37)에서 평가한다. 이 화상평가유닛(37)은 교정데이터를 기억하는 대용량메모리(mass memory)(38)에 연결되어 있다. 화상평가유닛(37)으로부터의 정보는 동작유닛(39)의 데이터도 또한 로드될 수 있는 제어시스템(38)에 공급된다.

구획부재(27, 28) 대신에, 제2 변형예에서는 특정의 교정표시가 제공되어 있는 플레이트(41)가 액체물질의 예상되는 표면높이에도 위치될 수 있다. 이 플레이트(41)에는 여러 가지의 기준직경 D_x, D_y를 포함하는 참조화상이 그 표면상에 제공될 수 있다. 이들 기준직경을 결정하여, 메모리(38)에 기억시킨 다음 추후에 프로세스할 수 있다. 교정프로세스는 실제적인 결정-인상프로세스 전에 행해지는 것이 일반적이기 때문에, 구획부재(27, 28) 및/또는 플레이트(41)는 교정 후에 분해될 수 있다.

도 4는 액체물질(5)로부터 도 1에 따라서 형성된 결정(2)의 확대도이다. 이 결정은 원통형 형태 및 그 상단영역에는 얇은 네크(31)내로 통하는 숄더(30)를 필연적으로 가진다. 이 네크(31)는 결정형성 프로세스가 개시되는 시드결정 즉 시드(31)(도 2)에 해당한다. 결정의 수직축은 (32)로 나타내는 반면, 카메라(20, 21)(도 4에는 도시되지 않음)의 종방향의 축은 도 1에 따라 (33, 34)로 나타낸다. 카메라 및 그들 축의 배열을 도 1 및 4에 그들의 일반적인 형태로 나타낸다. 실제로, 그들은 메니스커스(meniscus)로 정렬되고, 이로써 축(33) 및 (34)가 액체물질(5)의 표면과 축(32) 사이의 교차점인 지점을 교차한다. 다음에, 이러한 배열에 대하여 상세하게 설명한다. 결정은 원통형 형태가 필연적이지만, 결정(2)의 직경 D는 높이와 별개로 변할 수 있다. 원통형부와 액체물질(5) 사이에 위치한 결정(2)의 하측영역을 (35)로 나타낸다. 어느 정도까지는, 메니스커스(35)는 결정(2)과 액체물질(5) 사이의 연결링크이다. 이것은 고체화된 결정과 액체물질 사이에, 액체물질 그 자체보다 더 선명한 좁은 링형상대(ring-shaped zone)를 나타낸다. 결정은 결정과 액체물질 사이의 경계면상의 밝은 링에 의하여 둘러싸인 것처럼 보인다. 도가니벽으로부터 액체물질과 결정 사이의 오목한 전이영역상으로 주로 조사된 발광의 반사를 통하여 설명이 쉽지 않은 광학현상이 일어나고, 이로써 액체물질 및 결정을 위로부터 바라보는 관찰자는 액체물질 높이에 있는 밝은 발광링에 의하여 둘러싸인 보다 어두운 결정을 보게된다. 인상프로세스 동안, 액체물질이 도가니내로 하강하고 실재하는 결정이 약 3겹으로 성장할 때 링이 팽창된다. 이것이, 인상프로세스 종료 시에, 발광링을 적합한 센서상에 재생함으로써 직경을 정확하게 결정하는 것을 점점 더 곤란하게 한다.

카메라(33, 34)가 내장되어 고정상태인 경우, 카메라(34)는, 예를 들면, 결정-인상프로세스의 일차 세그멘트 중 하나 동안 온 되고, 다음에 이차 세그멘트 개시 시에 카메라(33)가 온 된다. 이러한 동작방법을 사용하는 것을, 전술한 바와 같이, 연속 동작방법이라고 한다.

도 5a 내지 5d는 결정 위에 경사지게 위치된 카메라에서 바라 본, 결정이 성장하는 4가지 도면을 나타낸다. 이와 관련하여, 필수 부재, 예를 들면, 액체물질, 폴(22), 시드결정(31), 결정(2) 그 자체, 및 메니스커스(35)만을 알 수 있고, 도가니(7)는 생략되어 있다.

도 5a는 폴(22)에 연결되어 있는 액체물질(5)이 시드결정(31)과 접촉될 때 결정 형성이 개시되는 것을 나타낸다. 다음에, 폴(22)을 상승시키게 되면, 도 5b에 나타낸 상태로 된다: 그러면 액체물질(5)과 접촉된 가늘고, 원통형으로 형성된 보디(40)가 형성된다. 그러나, 폴(22)을 더 상승시키게 되면, 형성된 보디(40)는 신장되고, 원형 원주를 가지며 밝게 발광하는 메니스커스(35)에 의하여 둘러싸인 결정(2)이 그 단부에 형성된다. 이 상태를 도 5c에 나타낸다. 폴(22)을 보다 더 상승시킬 때, 원통형 결정(2)은 액체물질(5)로부터 계속해서 성장한다. 경사진 카메라로 바라 본 평면도에서, 메니스커스의 후방부는 더 이상 알 수 없고; 단지 전방의 부분곡선만 볼 수 있다.

도 6은 결정(2)을 다시 나타내는 것으로서; 2 대가 아닌 3 대의 카메라(도시되지 않음)로 취한 것이다. 제1 카메라는 결정의 좌측 절반부만을 취하여 그늘진 장방형부(42)로 프레임된 부분을 재생한다. 그러나, 제2 카메라는 결정(2)의 우측 절반부를 취하여 그늘진 장방형부(43)로 프레임된 부분을 재생한다.

제3 카메라는 장방형(44)으로 나타낸 시드결정(31)을 재생하기 위한 것이다. 2 대의 카메라로 재생된 부분은 경계영역(45)에서 겹칠 수 있다. 2 대의 카메라를 사용하여 결정을 재생함으로써, 카메라의 필름면 전체가 결정 전체 대신에 결정의 절반부만으로 채워지기 때문에 해상도가 증대될 수 있다. 따라서, 카메라 양자의 병렬조작으로 결정의 종축과 수직방향으로 덮히게 된다.

따라서, 본 발명은 직렬조작이 가능하고; 이 경우 카메라는, 재생되는 물체가 최소한 하나의 방향, 즉 x 또는 y방향으로 카메라의 재생면을 채우도록 결정의 상이한 영역을 결정의 수직축을 따라서 재생면 상에 재생하고, 이로써 카메라는 순차로 작동한다. 그러나, 병렬조작이 가능하고; 이 경우 카메라는, 재생되는 물체가 최소한 한쪽방향으로 카메라의 재생면을 채우도록 결정의 상이한 영역을 결정의 수직축과 직각으로 연장되는 선을 따라서 재생하고, 이로써 카메라는 동시에 작동한다,

도 7은 카메라에 재생된 결정(2)을 나타낸다. 이 재생을 사용하여, 결정(2)의 직경이 결정되는 방식을 상세하게 설명한다. 프레임(49)은 결정(2)이 재생되는 CCD칩으로 균분될 수 있다. 그 후, 칩은 화살표(56)방향으로 라인별로 주사된다. 이로써, 프레임(49) 내부 개별영역의 광강도의 밝은 영역 및/또는 경사도가 검출된다. 먼저, 메니스커스의 눈에 보이는 부분을 한정하는 지점 P₁및 P₂를 측정한다. 이들 지점 P₁및 P₂는 주사선상의 두 지점에서 휘도의 점프(jump)가 발생할 때 발견된다. 지점 P₁과 P₂사이의 거리를 계산하여, 결정의 준직경(quasi-diameter)을 얻지만, 이것은 도 7에서의 재생이 원근법으로 왜곡되어 있기 때문에 사실상의 직경은 아니다. 그러나, P₁과 P₂사이의 거리와 눈금을 비교하여 사실상의 값을 측정할 수 있다. 따라서, 왜곡된 거리 P₁- P₂가 왜곡되지 않은 거리 P₁' - P₂'를 부여할 수 있어서, 이 경우에 사실상의 직경 P₁' - P₂'를 알게 된다.

다음에, 이 직경을 최대직경과 비교할 수 있다. 신규로 측정된 직경이 기억된 최대직경보다 큰 경우에만, 신규의 직경이 기억된다.

다음 단계에서, 지점 P₁- P₂가 중앙선(65)과 대칭으로 위치되는 가를 측정한다. 대칭인 경우, P₁과 P₂사이의 연결선의 하측에지 까지의 거리는 P₁과 P₂사이의 거리의 절반 이하로 된다. 이 경우, 측정된 직경 P₁- P₂가 최대직경이다.

다음에, 지점 P₃를 측정한다. 주사빔이 라인별로 아래로부터 위로 주사된다. 단지 한 번의 휘도 점프가 라인상에 발생하는 경우, 지점 P₃가 발견된다. 3개의 구형지점 모두를 알았기 때문에, 원 및 그 중심점 P_M을 측정할 수 있다. 다음 단계에서, 라인을 중심점 P_M으로부터 지점 P₁및 P₂를 통하여 그을 때 생기는 각도 α를 측정한다.

정확성을 위하여, 각도 α는 각도 γ만큼 저감되어

β = α - γ

로 된다.

다음에, 소정 개수의 측정지점 I-VIII을 신규의 각도 β로 한정된 부분원상에 분포시키고; 이들 측정지점으로부터 가장 적합한 원을 측정한다.

측정점 I-VIII는, α가 눈에 보이는 아크이기 때문에, 계산된 아크 위가 아닌 눈에 보이는 아크 위에 균일하게 분포되어야 한다. 각도 α가 γ만큼 저감되므로 에지상의 측정점 I 및 VIII를 확실하게 측정할 수 있다.

측정점을 가능한 최소 개수를 사용함으로써, 직경 신호에 대한 높은 정확도 및 해상도를 얻을 수 있다. 다수의 측정점으로 보정곡선이 어느 정도 넘어진다.

도 8은 결정의 직경을 측정하는 방법의 공정순서도이다. 도시된 바와 같이, 먼저 선택된 상을 카메라가 판독한다. 이 상은 도 7에 나타낸 결정(2)과 대체로 일치한다. 다음에, 공지의 연산으로 수정하고, 이로써 지점 P₁, P₂, P₃를 가진 타원이 대응 지점을 가진 원으로 된다. 구체적인 광표시에 대응할 필요는 없으나 메모리에 기억된 데이터에 의하여 알 수 있는, 이 수정된 재생이 다른 프로세스를 거치게 된다.

판독된 수정된 상을 지점 P₁및 P₂에 대하여 라인별로 찾는다. 이와 관련하여, 라인의 개수인 n이 1로 설정되어 있기 때문에, 하측라인으로 시작한다. 2개의 지점이 하나의 라인상에 있는 경우, 공정순서도에 나타낸 다른 시험이 행해진다. 그들은 특히 직경 측정을 확실하게 하려는 것이다.

지점 P₁및 P₂는 간섭소스, 예를 들면 액체물질상의 반사로부터가 아니라 결정, 즉 메니스커스로부터 생기는 것을 확실히 하여야 한다.

모든 시험의 결과가 확증되면, 측정된 값은 가변 D_max에 기억된다.

하측에지 까지의 거리 ＞ D/2 인가? 사이트(공정순서도 상) 다음에, D_max= D라는 예를 선택할 수 있고, 측정된 지점 P₁및 P₂가 기억된다. 그 후, 다음 라인 (n = n + 1)이 프로세스된다. 이 라인에서, D의 값이 이미 측정된 D_max의 값보다 크다는 것으로 판정된 경우, D에 대한 신규의 값이 D_max로 기억된다. 이 프로세스는 라인별로 행해진다. 최종 라인이 프로세스된 후, P₁및 P₂는 공지되고 P₁과 P₂사이의 거리는 가변 D_max내에 존재하게 된다. P₁과 P₂사이의 중간에서, P₃를 찾는다.

연결선 P₁- P₂로부터 상의 하측에지 까지의 거리를 하측에지 까지의 거리로 정한다. 메니스커스 원의 전면영역을 볼 수 있을 때, 거리가 D/2 이하이라는 조건이 충족된다. 이것이 이 경우의 필요조건이다.

P₃, P_M, α, 및 β를 측정한 후, 측정점 I - VIII (도 7 참조)을 아크상에 분포한다. 이들 측정점으로부터 가장 적합한 원이 측정되고, 즉 보정 (또는 수정)곡선이 이들 지점에 의하여 측정된다.

도 9는 2대의 카메라(20, 21) 및 결정(2)의 평면도이다. 하나의 카메라(20)는 초점거리가 길고 시드결정(31)상에 생긴 네크(40)를 재생한다. 한편, 다른 카메라(21)는 초점거리가 짧고 결정(2) 전체를 재생한다. 따라서, 카메라(20)는 도 5b에 따른 프로세스단계의 상태를 재생하는 반면, 카메라(21)는 도 5c, 5d에 따른 프로세스단계의 상태를 재생하기 위한 것이다.

도 10은 3 대의 카메라(21, 22, 70)를 사용한 평면개략도이다. 2 대의 카메라(21, 70)는 초점거리가 짧고 결정(2)의 절반부를 각각 재생한다. 그들은 도 5c, 5d에 따른 프로세스단계 동안 작동된다. 카메라(21, 70)는 동시에 상승되어 해상도가 이중으로 되는 장점이 있다. 카메라(22)는 초점거리가 길고 도 5b의 프로세스단계 동안 네크(40)를 재생한다.

도 11은 도 9에 따른 카메라 배열과 관련한 공정순서도 일부를 나타낸 도면이다. 먼저, 네크 프로세스단계 존재 여부를 체크한다. 존재하지 않는 경우, 카메라(21)가 작동되지만, 네크 프로세스단계가 존재하는 경우, 카메라(20)가 작동된다. 다음에, 카메라(20, 21)에 의하여 공급된 화상이 눈금 측정 동안 기억된 참조데이터를 사용하여 수정된다. 수정된 데이터는 광학적으로 재생될 필요는 없고; 메모리에 기억되는 것으로 충분하다.

다음에, 수정된 결정(2) 또는 네크(40)로부터 결정의 직경이 도 8의 공정순서도의 가이드라인에 따라 연산된다.

이로써, 얻어진 직경값이 측정되어 컨트롤러에 공급된다.

따라서, 본 발명으로 성장프로세스의 모든 단계에서의 실제적이고 최신의 결정 직경, 즉 최적의 프로세스 제어 및 결정의 품질에 대한 필수적인 조건을 정확하고 문제가 없이 측정하는 것이 가능하다.

2 대 이상의 카메라 화상을 특수한 방식으로 평가하고, 그 결과, 예를 들면, 매우 상이한 광강도 및 광콘트라스트 조건 때문에 발생하는 문제가 제거된다. 따라서, 액체물질, 메니스커스, 및 결정의 휘도에 대한 확실한 정보뿐 만 아니라, 강도 변화도 ΔJ/ΔX 및 ΔJ/ΔY 또한 평가에 사용된다. 또한, 화상면의 위치 및 경사와 카메라의 관찰각도로 인한 기하학적 왜곡이 수정된다. 선택가능한 화상면에 대한 직경의 자동 절대값 눈금을 표준 모델을 사용하여 여기에 가한다. 경사도의 형성 및 평가에 의하여, 결정 및 메니스커스링의 에지를 알 수 있고 확실하게 한정된다. 최신의 결정 직경은 특별한, 다단계 서치 및 평가연산의 사용; 에지, 최대 직경, 및 관련 기준의 측정; 측정라인의 설정; 및 다수의 측정점 등으로부터 최적으로 적합한 지점에 의한 직경의 측정에 의하여 측정된다.

부적절한 화상 내용 및 화상 물체를 제외하기 위하여, 각종의 관련 기준, 예를 들면, 관련 대칭조건의 프로세스-종속 한정 및 추출 (주사에 의함); 관련 강도, 콘트라스트, 및 경사조건의 한정 및 추출; 측정 물체의 직경에 대한 의미있는 상측 및 하측 제한의 한정 및 추출; 및 기억된 전형적인 모델화상과의 비교가 사용된다.

서치 및 측정 연산을 전술한 기준에 따라 계속해서 검사한다.

이와 같이, 제한된 광조건 및 부분적으로 볼 수 있거나 또는 부분적으로 평가될 수 있는 메니스커스링으로도 결정 직경이 정확하게 측정될 수 있다. 따라서, 커버링이 대경의 결정을 가진 큰 이미지각 또는 가변 직경에 의한 부분 커버링 또는 기기내에 내장으로 인한 부분 커버링 때문에 발생하는 가는 문제가 아니다. 이러한 경우, 결정의 완전한 원은 연산법에 의하여 제한된다.

메니스커스링이 단지 부분적으로 커버되는 경우, 선택된 측정점이 자동적으로 활용된다.

또한, 본 발명은, 특히 필터정수, 대칭 및 원형형태와 같은 기하학적 조건, 강도 및 경사 조건, 윈도우 크기, 및/또는 결정 직경에 대한 하측 및 상측 관련 제한을 조정함으로써 각각의 프로세스 조건을 조정할 수 있다.

그러나, 메니스커스가 발생하지 않는 결정인상프로세스의 특정의 단계에서 결정 직경은 직접 측정될 수 있다.

Claims

m ≥ 2일 때 결정의 m 개의 영역을 재생하기 위해 m 대의 카메라(20, 21)를 가지며, 액체물질로부터 인상된 결정의 직경을 측정하기 위한 장치에 있어서,

상기 m 대의 카메라(20, 21)의 원점각(γ, δ)은 상기 케메라에 의하여 재생된 각각의 영역과 일치되는 것을 특징으로 하는 결정의 직경 측정 장치.
제1항에 있어서, 상기 재생된 영역은 카메라의 전체 화상면을 최소한 하나의 크기(dimension)로 채우는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 결정의 얇은 네크(thin neck)를 재생하는 제1 카메라(21)를 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 결정의 원통형 부분을 재생하는 제2 카메라(20)를 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 상이한 직경을 가진 영역을 재생하며, 가장 큰 직경과 일치하는 원점각을 가진 제3 카메라를 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 카메라는 상기 결정의 메니스커스를 재생하는 것을 특징으로 하는 장치.
제3항에 있어서, 카메라는 시드결정(31)을 재생하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 m 대의 카메라 중 최소한 하나의 종방향의 축은 상기 결정(2)의 종방향의 축과 수직하게 정렬되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 m 대의 카메라 중 최소한 하나의 종방향의축은 상기 결정의 종방향의 축과 0°＜ α ＜ 90°를 조건으로 하는 각도 α를 형성하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 서로 다른 카메라는 상기 동일 물체의 부분영역을 재생하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 물체는 상기 결정(2)의 보디인 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 카메라(20)의 종방향의 축은 상기 제2 카메라(21)의 종방향의 축과 180°로 오프셋되도록 위치되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 또는 제12항에 있어서, 상기 m 대의 카메라(20, 21)는 서로 인접하여 위치되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 카메라(20, 21)에 자동 교정부가 배설되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 또는 제14항에 있어서, 상기 액체물질(5)이 들어 있는 도가니(7)를 둘러싸는 케이스(12, 13, 14)의 일부인 부재(27, 28)가 배설되어 교정하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 또는 제14항에 있어서, 교정판(41)이 배설되고, 도가니(7)가 일시적으로 위치되는 것을 특징으로 하는 장치.
제16항에 있어서, 상기 교정판(41)은 상기 도가니(7)의 액체물질(5) 추정표면상에 위치되는 것을 특징으로 하는 장치.
m 대의 카메라(20, 21)를 사용하여 결정의 직경을 측정하는 장치에 있어서, 상기 카메라(20, 21)를 순차로 사용하되, 동일 프로세스 중에 사용하는 것을 특징으로 하는 장치.
m 대의 카메라(20, 21)를 사용하여 결정의 직경을 측정하는 장치에 있어서, 상기 카메라(20, 21)를 프로세스 중 동시에 사용하는 것을 특징으로 하는 장치.
제18항에 있어서, 상기 m 대의 카메라는 상기 결정의 수직 종방향의 축의 서로 다른 위치를 재생하는 것을 특징으로 하는 장치.
제19항에 있어서, 상기 m 대의 카메라는 상기 결정과 수평인 서로 다른 위치를 재생하는 것을 특징으로 하는 장치.
액체물질로부터 인상되는 결정의 직경을 측정하는 방법에 있어서, 평가제어유닛은

a) 상기 결정의 화상을 경사지게 촬영함으로써 발생되는 문제에 대하여 수정하고, 일단 교정이 되면, 재생 시에 결정의 원주의 타원 형태가 원으로 전환되는 단계와,

b) 원으로 전환된 상기 원주를 그 직경에 대하여 주사함으로써 상기 직경을 구분하는 2개의 모서리 포인트가 검출되는 단계와,

c) 상기 원 상의 제3의 포인트를 검색하는 단계와,

d) 상기 2개의 모서리 포인트 및 상기 제3의 포인트가 공통의 이상적인 원(ideal circle) 상에 위치하는 가를 계산하는 단계

를 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
액체물질로부터 인상되는 결정의 직경을 측정하는 방법에 있어서,

a) 카메라에 의하여 상기 메니스커스를 화상면상에 재생하는 단계와;

b) 상기 메니스커스를 그 직경에 대하여 주사함으로써 2개의 모서리 포인트가 검출되는 단계와;

c) 상기 메니스커스의 최하측 포인트를 검색하는 단계와;

d) 상기 발견된 포인트로 의하여 타원을 계산하는 단계와;

e) 공지의 연산법에 따라 상기 타원을 원으로 전환하는 단계

를 특징으로 하는 방법.
제1항, 제22항, 및 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2 대의 카메라(20, 21)에 의하여 재생된 상기 물체는 순차로 평가되는 것을 특징으로 하는 방법.
제22항 또는 제23항에 있어서, 상기 결정 또는 메니스커스링의 에지는 경사의 형성 및 평가에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
제22항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 부적절한 화상내용 및 화상물체를 제외시키는 관련기준이 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.