KR20010015645A

KR20010015645A - 실리콘 결정 성장을 제어하기 위한 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR20010015645A
Application number: KR1020007003329A
Authority: KR
Inventors: 휴얼호프로버트에이치.
Original assignee: 헨넬리 헬렌 에프; 엠이엠씨 일렉트로닉 머티리얼즈 인코포레이티드
Priority date: 1997-09-30
Filing date: 1998-09-29
Publication date: 2001-02-26
Also published as: WO1999016940A1; EP1019567B1; CN1272147A; MY117326A; DE69802557T2; JP2001518443A; CN1205361C; JP4253123B2; EP1019567A1; DE69802557D1; US5882402A

Abstract

가열된 도가니 내에 포함된 실리콘 용융액으로부터 풀링되는 실리콘 단결정의 직경을 결정하기 위한 방법 및 시스템. 상기 용융액은 상기 풀링된 결정 주변의 밝은 영역으로 보이는 메니스커스가 있는 표면을 갖는다. 카메라는 상기 결정 주변의 밝은 영역의 부분을 포함하여, 상기 도가니의 내부의 이미지를 생성한다. 이미지 프로세싱 회로는 상기 결정의 대략적 중심에 해당하는 위치에서 타원형을 갖는 상기 이미지의 중심 윈도우 지역을 정의하고, 픽셀 값의 함수로서 상기 이미지를 프로세싱하여 상기 중심 윈도우 지역 내에서 엣지를 탐지한다. 상기 이미지 프로세싱 회로는 또한 탐지된 엣지들을 그룸핑하여 상기 결정에 해당하는 이미지 내의 물체를 정의한고, 상기 정의된 물체의 치수를 결정하고, 상기 정의된 물체의 결정된 치수의 함수로서 상기 결정의 대략적 직경을 결정한다.

Description

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

발명의 배경

본 발명은 일반적으로 실리콘 결정 성장을 위한 초크랄스키(Czochralski) 공정을 제어하는 데 있어서의 개선에 관한 것이고, 특히, 측정된 파라미터에 기초하여 결정 성장 공정을 제어하는 데 사용하기 위한, 실리콘 결정 및 실리콘 결정 성장의 파라미터들을 측정하기 위한 시각 시스템(vision system) 및 방법에 관한 것이다.

반도체 전자 소자의 제조를 위한 대부분의 공정은 출발 재료로서 단결정 실리콘을 사용한다. 초크랄스키 공정을 사용하는 결정 풀링 기계장치는 대부분의 단결정 실리콘을 제조한다. 간단히 설명해서, 초크랄스키 공정은 고순도의 다결정 실리콘, 또는 폴리실리콘을 특별히 디자인된 노(furnace) 안에 위치한 석영 도가니에서 용융시키는 단계를 포함한다. 도가니 내의 실리콘이 용융된 후, 결정 리프팅(lifting) 장치가 시드(seed) 결정을 내려놓아 실리콘 용융액과 접촉하게 한다. 시드가 용융되기 시작할 때, 그 장치는 시드를 용융액으로부터 서서히 물러나게 함으로써, 실리콘 용융액으로부터, 성장 결정을 뽑아낸다. 결정 넥(crystal neck) 의 형성 후에, 바라는 직경에 도달할 때 까지 풀링 속도 및/또는 용융액 온도를 감소시킴으로써 성장 결정의 직경을 확장한다. 감소하는 용융액 레벨을 보상하면서 풀링 속도 및 용융액 온도를 제어함으로써, 결정의 주요 몸체는 대략 일정한 직경을 갖도록(즉, 일반적으로 실린더 모양이 되도록) 성장한다. 그러나, 성장 공정의 마지막 근처에서 도가니에 실리콘 용융액이 비워지기 전에는, 이 공정은 결정의 직경을 감소시켜 원뿔 말단(end corn)을 형성한다. 전형적으로, 이 원뿔 말단은 결정 풀링 속도 및 도가니에 공급되는 열을 증가시킴으로써 형성된다. 직경이 충분히 작게 될 때, 그후 결정은 용융액으로부터 분리된다. 결정 공정동안, 도가니는 한쪽 방향으로 용융액을 회전시키고 결정 리프팅 장치는 그 풀링 케이블 또는 샤프트, 시드, 및 결정을 반대 방향으로 회전시킨다.

종래 초크랄스키 성장 공정이, 널리 다양한 적용에 있어서, 유용한 단결정 실리콘 성장에 만족할 만한 것이었으나, 반도체 재료의 품질에 있어서의 그이상의 개선이 바람직하다. 예를 들어, 초크랄스키 공정은 성장 중의 결정 직경의 함수로서 부분적으로 제어된다. 따라서, 결정 성장의 여러 다른 단계동안 결정 직경의 측정을 위한 정확하고 신뢰할 수 있는 시스템이 결정 품질을 확실하게 하기 위해 필요하다.

참조로, 미국 특허 제 5,665,159 호, 및 제 5,653,799 호이 단결정 실리콘의 성장 공정을 제어하는 데 있어서의 사용을 위해서 결정 직경을 정확하고 신뢰할 수 있게 측정하기 위한 시스템 및 방법을 각각 설명하고 있다. 유리하게도, 이들 특허의 시스템 및 방법은 카메라에 의해서 생성된 결정-용융액 계면의 이미지를 가공함으로써 성장 결정의 직경을 정확하게 결정한다.

그러나, 더이상의 개선이 아직도 소망된다. 예를 들어, 틀린 타겟의 탐지가 결정 직경을 측정하는 능력을 손상시킨다. 또한, 다른 가능한 카메라 위치를 보상하기 위해 개선이 소망된다. 마찬가지로, 잉여의 시스템이 직경 감지의 손실 가능성을 감소시키는 것이 소망된다.

또한, 고온 영역 장치(hot zone apparatus) 가 자주, 열 및/또는 가스 유동 관리 목적으로 도가니 내에 배치된다. 예를 들어, 힛 쉴드 (heat shield) 가 때때로 액체-가스-고체 계면에서 느슨한 용융액 표면으로부터 열손실을 보존하기 위해 도가니 내에 부분적인 열 공동 (thermal cavity) 를 형성하는 데에 사용된다. 불행하게도, 고온 영역 장치는 성장 결정에 대한 카메라의 시야를 흐리게 함으로써 정확하고 신뢰할 만한 직경 측정을 방해한다.

이러한 이유로, 초크랄스키 공정에서의 결정 직경의 측정 및 제어를 위한 개선된 시스템 및 방법이 소망된다.

발명의 개요

본 발명은 제어 및 동작에 관한 개선된 방법 및 시스템을 제공함으로써 전술한 필요성을 만족시키고 종래 기술의 결점을 극복한다. 이것에는, 예를 들어, 엣지 감지 루틴을 수행하는 동안 고온 영역 장치로 인한 틀린 타겟을 피하고, 결정의 밝은 링의 엣지가 원-피팅(circle-fitting) 을 위한 이미지의 적어도 3 개 윈도우 지역에서 탐지되지 않는 때라 하더라도 결정 직경의 측정을 허용하는 시각 시스템이 수반된다. 또한, 그러한 방법은 효율적이고 경제적으로 수행될 수 있고 그러한 시스템은 경제적으로 실행가능하고 상업적으로 실용적이다.

간단히 설명해서, 본 발명의 태양을 구체화한 방법은 실리콘 단결정을 성장시키기 위한 장치에서의 사용을 위한 것이다. 결정 성장 장치는 결정을 뽑아낸는 실리콘 용융액을 포함한 가열된 도가니를 갖고 이 용융액은 풀링된 결정 근처의 밝은 영역으로 보이는 메니스커스(meniscus)가 있는 표면을 갖는다. 이 방법은 결정 직경을 결정하고, 결정 근처의 밝은 영역의 일부를 포함하는 도가니 내부의 이미지를 생성하는 단계로 시작한다. 또한, 이 방법은 대략 결정의 중앙에 해당하는 위치에서 이미지의 중앙 윈도우 지역을 정의하고 이 이미지를 그 픽셀(pixel) 값의 함수로서 가공하여 중앙 윈도우 지역 내의 엣지를 탐지하는 단계를 포함한다. 본 방법에 의하면, 중앙 윈도우 지역은 타원 형태를 갖는다. 이 방법은 결정에 해당하는 이미지내의 물체를 정의하기 위해 탐지된 엣지들을 그룹핑(grouping) 하는 단계, 그 정의된 물체의 치수를 결정하는 단계, 및 그 정의된 물체의 결정된 치수의 함수로서 결정의 대략적 직경을 결정하는 단계를 더 포함한다.

일반적으로, 본 발명의 또다른 형태는 실리콘 단결정 성장을 위한 장치에서의 사용을 위한 시스템이다. 이 결정 성장 장치는 결정이 뽑아내지는 실리콘 용융액을 포함하는 가열된 도가니를 갖고, 이 용융액은 풀링된 결정 군처의 밝은 영역으로 보이는 메니스커스가 있는 표면을 갖는다. 이 시스템은 결정의 직경을 결정하고, 결정 근처의 밝은 영영의 일부를 포함하는 도가니의 내부의 이미지를 생성하는 카메라, 및 이 이미지를 가공하기 위한 이미지 프로세서를 포함한다. 이미지 프로세서는 대략적인 결정 중앙에 해당하는 위치에서 이미지의 중앙 윈도우 지역을 정의하기 위한 정의 회로(defining circuit)를 포함한다. 중앙 윈도우 지역은 타원 형태를 갖는다. 이 이미지 프로세서는 또한, 중앙 윈도우 지역 내에서 엣지를 탐지하기 위해 이미지를 그 픽셀 값의 함수로서 가공하고 결정에 해당하는 이미지에서의 물체를 정의하기 위해 탐지된 엣지를 그룹핑하기 위한 탐지 회로(detection circuit)를 포함한다. 이미지 프로세서는 또한 정의된 물체의 치수를 결정하고, 정의된 물체의 결정된 치수의 함수로서 결정의 대략적 직경을 결정하기 위한 측정 회로(measurement circuit)를 포함한다.

선택적으로, 본 발명은 다양한 다른 방법 및 시스템을 구비할 수도 있다.

다른 목적 또는 특징들은 일부 분명할 것이고, 일부 여기서 지적될 것이다.

도면의 간단한 설명

도 1 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 결정 성장 장치를 제어하기 위한 시스템 및 결정 성장 장치의 일례를 나타낸는 도면.

도 2 는 도 1 의 시스템의 제어 유닛의 블록도.

도 3 은 도 1 의 결정 성장 장치 내에 포함된 용융액으로부터 풀링된 실리콘 결정의 부분도.

도 4 는 도 3 의 결정의 부분 단면 사시도.

도 5 는 실리콘 결정의 성장동안 반사기 어셈블리 (reflector assembly) 가 배치된 상태에서 그 반사기 어셈블리를 나타내는, 도 1 의 결정 성장 장치의 개략적 부분 횡단면도.

도 6 은 도 5 의 반사기 어셈블리의 평면도.

도 7a 및 7b 는 도 2 의 제어 유닛의 동작의 전형적인 흐름도를 예시한 도면.

대응하는 참조 부호는 도면 전체를 통해 대응하는 부분을 지시한다.

바람직한 실시예의 상세한 설명

도 1 에 관하여, 시스템 (11) 이 초크랄스키 결정 성장 장치 (13) 에서의 사용을 위해 도시되어 있다. 예시된 실시예에서, 결정 성장 장치 (13) 는 도기니 (19) 를 둘러싼 진공 챔버 (15) 를 포함한다. 저항 히터 (resistance heater; 21) 와 같은 가열 수단이 도가니 (19) 를 둘러싼다. 일 실시예에서, 단열재 (23) 가 진공 챔버 (15) 의 내벽의 안감으로 붙여 있고, 물로 급수되는 챔버 냉각 자켓 (도시되어 있지 않음) 이 그 챔버를 둘러사고 있다. 전형적으로, 비활성 분위기의 아르곤 가스가 진공 챔버 안으로 공급되어 있을 때, 진공 펌프 (도시 되어 있지 않음) 가 진공 챔버 (15) 안으로부터 가스를 제거한다.

초크랄스키 결정 성장 공정에 따르면, 일정 양의 다결정 실리콘 또는 폴리실리콘이 도가니 (19) 에 채워진다. 히터 전원 (27) 이 저항 히터 (21) 를 통해 전류를 제공하여 그 도가니에 채워진 것을 녹이고 따라서, 단결정 (31) 이 풀링되는 실리콘 용융액 (29) 을 형성한다. 본 기술 분야에서 알려져 있는 바와 같이, 단결정 (31) 이 풀 샤프트 또는 케이블 (37) 에 부착된 시드 결정 (35) 에서 시작된다. 도 1 에 나타난 바와 같이, 단결정 (31) 및 도가니 (19) 는 일반적으로 대칭의 공통축 (39) 을 갖는다.

가열 및 결정 풀링 동안에, 도가니 구동 유닛 (43) 이 도가니 (19) 를 (예를 들어, 시계방향으로) 회전시킨다. 도가니 구동 유닛 (43) 은 또한, 결정 성장 동안 바라는 대로 도가니를 상승시키고 하강시킨다. 예를 들어, 도가니 구동 유닛 (43) 은 참조 부호 45 에 의해 지시된 그 용융액의 수평 레벨을 바라는 높이에 유지하도록, 용융액 (29) 이 고갈될 때, 도가니 (19) 를 상승시킨다. 결정 구동 유닛 (47) 이 마찬가지로 도가니 구동 유닛 (43) 이 도가니를 회전시키는 방향의 반대 방향으로 케이블 (37) 을 회전시킨다. 또한, 결정 구동 유닛 (47) 은 결정 성장 동안 원하는 바 대로 용융액의 수평 레벨 (45) 에 대해서 결정을 상승시키고 하강시킨다.

일 실시예에서, 결정 성장 장치 (13) 가 도가니 (19) 에 의해 담겨진 용융 실리콘의 용융액 (29) 에 거의 접촉하게 시드 결정 (35) 을 하강시킴으로써 그 시드 결정을 예열시킨다. 예열 후에, 결정 구동 유닛 (47) 은 케이블 (37) 을 통해 시드 결정 (35) 을 계속 하강시켜서 그 용융액의 수평 레벨 (45) 에 접촉하게한다. 시드 결정 (35) 이 용융되면, 결정 구동 유닛 (47) 은 시드 결정을 용융액 (29) 로부터 느리게 꺼내거나 풀링한다. 시드 결정이 꺼내질 때, 시드 결정 (5) 은 용융액 (29) 으로부터 실리콘을 끌어당겨서 실리콘 단결정 (31) 의 성장을 형성한다. 결정 구동 유닛 (47) 은 그것이 용융액 (29) 으로부터 결정 (31) 을 풀링할 때, 결정 (31) 을 기준 속도(reference rate)로 회전시킨다. 도가니 구동 유닛 (47) 이 마찬가지로 또다른 기준 속도로 도가니 (19) 를 회전시키지만, 보통 결정 (31) 에 대해서 반대 방향으로 회전시킨다.

제어 유닛 (51) 은 초기에 결정 (31) 밑에 넥 (neck) 을 초래하도록 물러남 속도 (withdrawal rate), 와 전원 (27) 이 히터 (21) 에 제공하는 전력을 제어한다. 바람직하게는, 시드 결정 (35) 이 용융액 (29) 로부터 끌어당겨질 때 결정 성장 장치 (13) 가 결정 넥을 실질적으로 일정한 직경으로 성장시킨다. 예를 들어, 제어 유닛 (51) 은 바라는 직경의 약 50 퍼센트의 일정한 넥 직경을 유지시킨다. 넥이 바라는 길이에 도달한 후에, 제어 유닛 (51) 은 회전, 풀링 및/또는 가열 파라미터를 조정하여, 바라는 결정 몸체 직경이 도달될 때까지 결정 (31) 의 직경은 콘 모양의 방법으로 증가한다. 일단, 바라는 결정 직경이 도달되었다면, 제어 유닛 (51) 은 성장 파라미터를 제어하여, 공정이 그 끝부분에 접근할 때까지 시스템 (11) 에 의해 측정된 것과 같은 상대적으로 일정한 직경을 유지시킨다. 참조로, 미국 특허 제 5,178,720 은 결정 직경의 함수로서 결정 및 도가니 회전 속도를 제어하는 하나의 바람직한 방법을 개시하고 있다.

바람직하게는, 제어 유닛 (51) 은 적어도 하나의 2-차원적 카메라 (53) 와 결합하여 동작하여 성장 공정의 복수의 파라미터를 결정한다. 예를 들어, 카메라 (53) 는 768 ×494 픽셀의 해상도를 갖는 소니 XC-75 CCD 비디오 카메라와 같은 단색 전하 결합 소자 (CCD) 어레이 카메라이다. 또다른 적당한 카메라는 Javelin SmartCam JE 카메라이다. 카메라 (53) 는 챔버 (15) 의 관찰 지점 (도시되어 있지 않음) 상에 장착되어 있고 세로축 (39) 와 용융액 수평 레벨 (45) 의 교차점을 향해 겨누고있다 (도 3 참조). 예를 들어, 결정 성장 장치 (13) 의 운전자가 실질적으로 수직인 축 (39) 에 관하여 약 34°의 각도로 카메라 (53) 를 배치한다.

본 발명에 따르면, 카메라 (53) 는 결정 (31) 의 성장 공정 동안 도가니 (19) 의 내부의 비디오 이미지를 생성시킨다. 카메라 (53) 에 의해 생성된 이미지는 용융액 (29) 와 결정 (31) 사이의 계면에서의 메니스커스 (55) 부분 (도 3 참조) 을 포함한다. 바람직한 일 실시예에서, 카메라 (53) 는 비교적 넓은 시야 (예를 들어, 약 300 ㎜ 또는 그 이상) 를 제공하는 렌즈 (예를 들어, 16 ㎜) 가 장착되어 있다. 예를 들어, 렌즈는 용융액-결정 계면의 개선된 시야를 제공하는 텔레포토 렌즈(telephoto lens) 일 수 있다. 용융액 (29) 및 결정 (31) 은 본질적으로 스스로 발광하고(self-illuminating) 외부의 발광 소스의 사용 없이 카메라 (53) 에 대해 빛을 제공한다. 또한, 추가적인 카메라가 다른 시계(field of view) 를 제공하도록 사용될 수 있다.

카메라로부터 신호 (53) 를 처리하는 것에 더하여, 제어 유닛 (51) 은 다른 센서로부터 신호를 처리한다. 예를 들어, 포토 셀 (photo cell) 과 같은 온도 센서 (59) 가 용융액 표면 온도를 측정하는 데 사용될 수 있다.

도 2 는 제어 유닛 (51) 의 바람직한 실시예를 블록도의 형태로 예시한다. 카메라 (53) 는 라인 (61) (예를 들어, RS-170 비디오 케이블) 을 통해 도가니 (19) 이 내부의 비디오 이미지를 시각 시스템 (63) 으로 전송한다. 도 2 에 나타난 바와 같이, 시각 시스템 (63) 은 비디오 이미지를 캡처링 (capturing) 하고 처리하기 위한 비디오 이미지 프레임 버퍼 (67) 및 이미지 프로세서 (69) 를 포함한다. 다음에는, 시각 시스템 (63) 이 라인 (75) 를 통해 프로그램머블 로직 콘트롤러 (PLC; 71) 와 통신한다. 예를 들어, 시각 시스템 (63) 은 CX-100 Imagination Frame Grabber 또는 Cognex CVS-4400 시각 시스템이다. 바람직한 일 실시예에서, PLC (71) 는 텍사스 인스트루먼츠 (Texas Instruments) 사에서 제조한 Model 575 PLC 또는 Model 545 PLC 이고 라인 (75) 은 통신 인터페이스를 나타낸다 (예를 들어, VME 백플레인(backplane) 인터페이스). PLC (71) 를 구현한 특정한 제어장치에 따라서, 통신 인터페이스 (75) 는, 예를 들어, 추가적인 통신 보드 (예를 들어, RS-422 시리얼 쌍방향 PLC 포트를 사용한 Model 2571 Program Port Expander Module) 를 포함하는 커스텀 VME 래크 (custom VME rack) 일 수 있다.

제어 유닛 (51) 은 또한 카메라 (53) 로부터 처리된 신호의 기능으로서 다른것들, 도가니 구동 유닛 (43), 단결정 구동 유닛 (47) 및 히터 전원 사이에서 제어하는 데 사용하기 위한 프로그램된 디지탈 또는 아날로그 컴퓨터를 포함할 수 있다. 도 2 에 나타난 바와 같이, PLC (71) 은 라인 (79; 예를 들어, RS-232 케이블) 을 통해 컴퓨터 (77) 와 통신하고 라인 (85; 예를 들어, RS-485 케이블) 을 통해 하나 이상의 프로세스 입력/출력 모듈 (83) 과 통신한다. 본 발명에 따라, 컴퓨터 (77) 는 결정 성장 장치 (13) 의 운전자가 특정한 결정 성장을 위해 한 세트의 바라는 파라미터를 입력하도록 허용하는 운전자 인터페이스를 제공한다.

일 실시예에서, 시각 시스템 (63) 은 또한, 라인 (95; 예를 들어, RS-170 RGB 비디오 케이블) 을 통헤 비디오 디스플레이 (93) 와 통신할 뿐만 아니라 라인 (91; 예를 들어, RS-232 케이블) 을 통해 개인 컴퓨터 (87) 와 통신한다. 비디오 디스플레이 (93) 는 카메라 (53) 에 의해 생성된 비디오 이미지를 나타내 보이고 컴퓨터 (87) 는 시각 시스템 (63) 을 프로그램하는 데 사용된다. 선택적으로, 컴퓨터 (77, 87) 는 결정 성장 공정을 프로그램하고 운전자 인터페이스를 제공하기 위한 하나의 컴퓨터에 의해서 구현될 수도 있다. 또한, 캡처링된 이미지를 처리하기 위해, 어떤 시스템에 의해서 구현된 시각 시스템 (63) 은 그 자신의 컴퓨터 (도시되어 있지 않음) 를 포함할 수 있거나 또는 개인 컴퓨터 (77) 와 결합되어 사용될 수 있다.

프로세스 입력/출력 모듈 (83) 은 성장 공정을 제어하기 위해 결정 성장 장치 (13) 로의 경로 및 그 결정 성장 장치로부터의 경로를 제공한다. 예를 들어, PLC (71) 는 온도 센서 (59) 로부터 용융액 온도에 관한 정보를 수신하고 용융액 온도를 제어하기 위해 프로세스 입력/출력 모듈 (83) 를 통해 히터 전원 (27) 으로 제어 신호를 출력하고, 그에 의해서 성장 공정을 제어한다.

도 3 , 즉 용융액 (29) 으로부터 풀링되는 실리콘 결정 (31) 의 부분도는 용융 단계 및 시드 결정 (35) 을 담그는 단계 다음에 따르는 결정 성장 공정의 후반부 단계를 예시한다. 도시된 바와 같이, 결정 (31) 은 직경 (D) 을 갖는 일반적으로 실린더형 몸체의 결정 실리콘 (즉, 잉곳) 을 형성한다. 결정 (31) 과 같이, 일반적으로 실린더형이라 하더라도 성장한 결정은 전형적으로 균일한 직경을 갖지 않는다는 것을 알아야한다. 이 때문에, 직경 (D) 은 축 (39) 를 따라 다른 축 위치에서 약간 변한다. 또한, 직경 (D) 은 결정 성장의 다른 단계에서 변한다 (예를 들어, 시드, 넥, 크라운(crown), 숄더(shoulder), 몸체 및 원뿔 말단).

도 3 은 또한, 결정 (31) 과 용융액 (29) 사이의 계면에서 형성된 액체 메니스커스 (55) 를 갖는 용융액 (29) 의 표면 (99) 을 예시한다. 본 기술 분야에서 알려져 있는 바와 같이, 메니스커스 (55) 상의 도가니 (19) 의 반사는 자주, 결정 (31) 근처의 밝은 링으로 보인다. 전술한 바와 같이, 카메라 (53) 는 챔버 (15) 의 관찰 지점에 장착되고 일반적으로 축 (39) 과 용융액 (29) 의 표면 (99) 사이의 교차점을 향해 겨누고 있다. 그래서, 카메라 (53) 의 시축 (39) 은 축 (39) 에 대해서 예각 (α; 예를 들어, α15 - 35°) 을 이루고 있다. 적당한 렌즈와 카메라 선택이 결정 (31) 의 큰 몸체 부분에 대한 넓은 각의 시야 뿐만 아니라 작은 시드 및 넥에 대한 고 해상도를 위한 텔레포토 시야를 제공한다. 바람직한 실시예에서는, 카메라 (53) 는 결정 (31) 의 폭 및 적어도 메니스커스 (55) 의 밝은 링 부분을 포함하는 시야를 제공한다. PLC (71) 에 의해서 검사를 시작하도록 지시될 때, 시각 시스템 (63) 의 프레임 버퍼 (67) 는 일정한 간격으로 (예를 들어, 매 일초마다) 카메라 (53) 에 의해 생성된 도가니 (19) 의 내부의 이미지를 얻는다.

도 4 를 참조하여, 프레임 버퍼 (67) 에 의해서 캡처링된 도가니 (19) 내부의 이미지는 각각 복수의 픽셀을 구비한다. 본 기술 분야에서 알려져 있는 바와 같이, 각 픽셀은 이미지의 광학적 특성을 나타내는 값을 갖는다. 예를 들어, 픽셀 값 또는 그레이 레벨(gray level)은 픽셀의 강도에 해당한다. 이미지 프로세서 (69) 는 이미지 상의 관심 대상의 적어도 3 개, 바람직하게는 5 개 이상의 방사상 지역 (103) 을 정의하고, 이미지의 광학적 특성 (예를 들어, 픽셀의 강도 및 강도의 경사도) 을 위해 그 정의된 방사상 지역들 내의 픽셀을 조사한다. 이들 방사상 지역 (103) 은 또한, 엣지 툴(edge tool) 또는 윈도우 지역으로 표현된다. 각 지역 (103) 내에 포함된 탐지된 특성에 기초하여, 이미지 프로세서 (69) 는 이미지의 엣지를 탐지한다. 시각 시스템 기술에 있어서, 엣지는 상대적으로 작은 공간적 지역에 걸쳐 그레이 레벨에서의 비교적 큰 변화가 있는 이미지 내의 지역 으로서 정의된다. 강도 및 강도 경사도에 더하여 또는 그 대신에, 색상 또는 콘트라스트와 같은 이미지의 다른 광학적 특성이 엣지 좌표를 찾기 위해 탐지될 수 있다.

본 발명에 따르면, 이미지 프로세서 (69) 는 이미지의 예정된 위치에서의 지역 (103) 을 정의한다. 바람직하게는, 지역 (103) 의 위치는 일반적으로 카메라 (53) 에 의해서 보이는 바대로 메니스커스 (55) 의 밝은 링의 예상된 형태에 맞추어진 곡선을 따라 있는 위치에 해당한다. 즉, 지역 (103) 들은 타원 또는 원의 아랫쪽 반을 따라 정의된 중심점에 관해서 방사상으로 위치하여 대략 밝은 링의 형태로 된다. 밝은 링의 일부의 형태에 가까운 예정된 위치에 지역 (31) 을 정의함으로써, 지역 (103) 은 잘못된 측정을 초래할 수 있는 용융액 (29) 의 표면 (99) 상의 알려진 또는 예상된 반사를 피하게 된다. 또한, 이미지 프로세서 (69) 가 많은 지역 (103) 을 정의하기 때문에, 만약 챔버 (15) 의 관찰 지점의 일부분이 차단되더라도, 이미지 프로세서 (69) 는 밝은 링의 엣지를 탐지할 수 있다. 이와 같은 방법으로, 이미지 프로세서 (69) 가 아래 설명되는 바와 같은 프로세싱을 위해 메니스커스 (55) 의 밝은 링의 바깥쪽을 따라 엣지 죄표를 결정한다.

도 4 는 지역 (103) 이 정의되어 있는 한 세트의 바람직한 배치를 예시한다. 도시된 바와 같이, 좌측 끝 및 우측 끝 지역 (103) 이 바람직하게는 각각 각도 β₁및 β₂만큼 중심점 (C) 의 y 좌표 아래에 위치해 있다. 예를 들어, β₁및 β₂는 각각 약 45°이다. 지역 (103) 을 이런 방법으로 위치시킴으로써, 본 발명에 따라 동작하는 시스템 (11) 은 챔버 (15) 의 관찰 지점을 통해 보이는 바와 같이 결정 (31) 의 몸체가 밝은 링의 최대 폭을 가릴 때 초래되는 에러에 영향을 받지 않게된다. 또한, 시스템 (11) 은 큰 직경의 결정 (예를 들어, 200 ㎜ 와 그 이상) 에 대해 특히 문제가 되는 투시 일그러짐 (perspective distortion) 에 의해 초래되는 문제를 극복한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 각도 β₁및 β₂는 약 15°내지 50°의 범위에서 변화가능해서 지역 (103) 이 약 80°내지 150°의 각도에 걸치게 된다.

전술한 바와 같이, 결정 구동 유닛 (47) 이 일반적으로 용융액 표면 (99) 에 수직인 수직축 (39) 를 따라 일반적으로 결정 (31) 을 풀링한다. 풀링동안에, 결정 (31) 이 수직축 (39) 에 관해서 움직이게 된다. 유리하게는, 지역 (103) 은 결정 (31) 이 움직이고 있다하더라도 밝은 링의 엣지 좌표가 지역 (103) 내에서 정의되도록 충분히 크다. 이미지 프로세서 (69) 는 또한 역동적으로 지역 (103) 의 예정된 위치들을 움직여서 그것들이 성장의 전체 단계 (예를 들어, 시드, 넥, 크라운, 숄더, 몸체 및 원뿔 끝단) 를 통해 결정 직경을 따르는 밝은 링의 이미징된 부분 부근에 있도록 한다. 즉, 지역 (103) 이 약 4㎜ 내지 320㎜ 의 결정 직경을 따르도록 한다. 그러나, 본 기술 분야에서 알려져 있는 바와 같이, 밝은 링이 성장의 전체 단계동안에 항상 보이는 것은 아니다. 예를 들어, 결정 (31) 의 크라운 부분의 성장동안에, 밝은 링은 상대적으로 작거나, 보이지 않을 수 있다. 이때문에, 시스템 (11) 은 바람직하게는 이미지의 배경의 강도에 비해서 밝은 영역으로 보이는 크라운의 둘레를 탐지한다. 이 경우에, 이미지의 배경은 용융액 표면 (99) 을 나타낸다. 따라서, 밝은 링을 탐지하는 대신에, 시스템 (11) 은 결정 (31) 의 크라운과 관련된 밝은 영역을 탐지한다.

바람직한 실시예에서, 지역 (103) 내에서 탐지된 밝은 링의 엣지의 좌표는 투시 일그러짐을 보상하도록 수학적으로 변환되어 그후 최적의 원 측정 (circle measurement) 으로 입력된다. 예를 들어, 이미지 프로세서 (69) 는 탐지된 엣지에 해당하는 원 형태를 정의하기 위해서 하우 변환(Hough transform) 또는 최소 제곱 피트 (least-squares fit)를 사용한다. 본 발명에 따르면, 이미지 프로세서 (69) 는 탐지된 좌표에 기초하여 원 직경 (D') 및 중심점 (C) 를 갖는 일반적인 원 형태를 정의한다. 실질적으로, 이런 식으로 원 (107) 을 정의하기 위해서 적어도 3 개의 엣지 좌표가 필요하다.

결정 성장 공정을 제어하는데 있어서 PLC (71) 에 의한 사용을 위한 결정 (31) 의 직경 (D) 의 정확한 측정을 얻기 위해, 이미지 프로세서 (69) 는 우선 정의된 원 (107) 의 직경 (D') 을 디지탈 방식으로 프로세싱한다. 이미지 프로세서 (69) 는 결정 (31) 의 직경 (D), 정확한 원에 대한 그 정의된 원 (107) 의 적합성 (quality of fit), 원 (107) 의 중심 좌표 및 용융액 수평 레벨 (45) 을 포함한 많은 파라미터를 결정하도록 원 (107) 의 치수들을 사용한다. 바람직하게는, 이미지 프로세서 (69) 가 제어 유닛 (51) 에 유효한 입력을 제공하도록 직경 (D) 를 필터링하고 프로세싱한다. 이러한 적용을 위해서, 용융액 수평 레벨 (45) 이 히터 (21) 의 정상에서 용융액 (29) 의 표면 (99) 까지의 거리로 정의되고 중심점 (C) 의 좌표의 함수로서 결정될 수 있다. 미국 특허 제 5,665,159 호 및 제 5,653,799 가 또한 용융액-결정 계면의 이미지에 기초하여 용융액 수평 레벨을 측정하기 위한 바람직한 시스템 및 방법을 각각 설명하고 있다.

동작에 있어서, 이미지 프로세서 (69) 가 밝은 링의 부분 근처의 지역 (103) 을 정의하고 지역 (103) 내의 이미지의 강도 경사도(gradient) 특성을 탐지한다. 이미지 프로세서 (69) 는 또한 각 지역 (103) 내의 밝은 링의 엣지의 좌표를 탐지된 특성의 함수로서 정의하고 그 정의된 엣지 좌표를 포함하여 일반적인 원 형태 (107) 를 정의한다. 따라서, 결정 (31) 의 직경 (D) 은 결정 성장 공정을 제어하는데 있어서의 사용을 위해 그 정의된 원 형태에 기초하여 결정된다. 그래서, 이미지 프로세서 (69) 가 탐지 회로, 정의 회로 및 측정 회로를 구성하고 PLC (71) 가 제어 회로를 구성한다.

바람직하게는, 시스템 (11) 은 방사상 픽셀 (radius pixel) 로 직경 (D') 을 측정하고 밀리미터로 결정 직경 (D) 를 제공한다. 직경 (D') 은 우선 방사상 픽셀에서 밀리미터로 변환되고 그후 밝은 링의 폭을 보충한 값 (예를 들어, 약 3㎜)이 공제된다. 직경 (D') 은 또한 직경 측정에서의 변화성을 보충하기 위해 교정 계수 (calibration factor) 에 의해 조정된다. 그러한 변화성은 광학적 특성에 영향을 미치는, 카메라 (53) 와 결정 (31) 사이의 거리의 변화때문에 주로 기인한다. 예를 들어, 카메라 (53) 에서 용융액 (29) 까지의 거리를 증가시키면, 결정 (31) 이 더 작게 보여 보충 없이는 실제 결정 (31) 은 너무 크게 성장하는 것으로 귀착하게 된다. 거리에 있어서의 이러한 변화는 서로 다른 결정 성장 장치 (13) 에 따라, 서로 다른 운전에 따라 발생할 수 있고, 용융액 수평 레벨 (45) 에서의 변화성 때문에 단일한 운전내에서도 발생할 수 있다. 결정 성장 장치 (13) 의 운전자는 바람직하게는 눈금이 매겨진 트랙위에서 미끄러지는 망원경으로 성장 중인 결정 (31) 을 측정하고 그후 컴퓨터 (77) 를 통해 교정 계수를 입력하여서 결정된 결정 직경 (D) 이 그 측정된 값과 같도록 한다. 마찬가지로, 밝은 링의 폭을 보충하는 값이 또한 실험적으로 결정될 수 있다.

본 발명에 따르면, 엣지 탐지 영역 (103) 의 수 및 위치는 다른 카메라 각도를 조절하고 그렇지 않으면 용융액-결정 계면의 카메라 시야를 차단할 고온 영역 장치를 피하도록, 변화될 수 있다. 즉, 본 발명은 지역 (103) 의 수를 변화시키는 것을 허용하고 미리 계산된 중심점 (C) 의 y 좌표 아래의 각도 β를 특정하는 것을 (예를 들어, 소프트웨어 컴파일 시간 또는 시스템 동작 시간에) 허용한다. 이것은 또한 지역 (103) 이 지름의 변화 동안에 그리고 움직임 동안에 (흔들림 동안에) 결정 (31) 을 따르도록 허용한다. 전술한 바와 같이, 이미지 프로세서 (69) 는 메니스커스 (55) 의 밝은 링의 바깥쪽을 따라 3 개 이상의 측정치를 제공하기 위해서 엣지 탐지 도구 (즉, 관심 지역; 103) 를 정의한다. 이 경우에, 이미지 프로세서 (69) 는 프로그램할 수 있는 타원형 지역에 따라서 지역 (103) 의 위치를 정하는데, 그 크기와 위치는 원하지 않는 이미지를 배제한다. 지역 (103) 은 ,예를 들어, 용융액 표면 (99) 로부터의 알려진 반사 및 결정 성장 장치 (23) 의 고온 영역 장치로부터의 차단에 의해서 초래되는 잘못된 판독을 피하도록 배치된다. 만약 엣지가 하나 이상의 상기 도구에 의해서 탐지되지 않는다면, 이미지 프로세서 (69) 는 나머지 3 개 이상의 유효한 지점으로 결정 (31) 의 이미지에 해당하는 원 (107) 을 측정한다.

유리하게는, 시스템 (21) 은, 엣지가 원-피팅 소프트웨어(circle-fitting software) 에 의한 사용을 위해 3 개 미만의 지역 (103) 에서 탐지되는 경우이더라도, 결정 직경 측정치를 제공한다. 따라서, 메니스커스 (55) 의 상대적으로 큰 부분이, 예를 들어, 고온 영역 장치 또는 경정 (31) 그 자체 (예를 들어, 비정상적으로 심한 직경-삽입 (diameter cut-ins) 또는 보통의 원뿔 끝단 성장 동안에) 에 의해서 차단된다 하더라도 직경 제어는 놓쳐버리게 되지 않을 것이다. 이것을 위해서 이미지 프로세서 (69) 는 원 맞춤을 위해 사용되는 방사상의 지역 (103) 과 는 별개로 그리고 그것에 추가하여 이미지 상에 관심 대상인 전면 지역 (109) 을 정의한다. 바람직하게는, 전면 지역 (109) 은 약 카메라 (53) 에 대해서 결정 (31) 의 전면의 중심에 두어지게 된다. 이미지 프로세서 (69) 는 그후 메니스커스 (55) 를 지시하는 밝은 링의 전면 엣지를 탐지하도록 이미지의 광학적 특성을 위해 지역 (109) 내의 픽셀들을 조사한다. 맞추어진 원 (107) 의 중심점 (C) 의 마지막 유효한 계산을 사용함으로써, 이미지 프로세서 (69) 는 다음 식에 따라 중심 및 엣지의 y 좌표 사이의 차이에 기초하여 현재 원 직경 (D') 를 계산한다.

D' = 2 * (y_중심- y_엣지).

시각 시스템 (63) 의 이미지 프로세서 (69) 는 그후 VME 버스 (75) 를 통해 결정 직경 측정치, 용융액 수평 레벨 값, 타이밍 신호, 제어 신호 등을 PLC (71) 로 전송한다.

아래 설명하는 바와 같이, 시각 시스템 (63) 은 또한 엣지 탐지 지역 (103) 을 재배치하는데 사용하기 위해 전체 카메라 이미지 (예를 들어, 중심 지역; 111) 의 고정된 부분을 걸쳐 결정 (31) 의 이미지에 대한 탐색을 수행한다. 예를 들어, 적당한 수의 밝은 링의 엣지가 이미지 내에서 탐지되지 않는다면, 블롭 툴 탐지 기능 (blob tool detection function) 이 사용될 수 있다. 바람직하게는, 중심 지역 (111) 은 일반적으로 타원 형태이다.

도 5 는 반사기 어셈블리 (115) 가 실리콘 결정 (31) 의 성장 동안 위치해 있을 때 그 반사기 어셈블리를 나타내는, 도 1 의 결정 성장 장치 (13) 의 개략적 부분 횡단면도이다. 본 기술 분야에서 알려져 있는 바와 같이, 반사기 어셈블리와 같은 고온 영역 장치가 열 및/또는 가스 유동 관리를 위해서 도가니 (19) 내에 배치될 수 있다. 예를 들어, 반사기 (115) 는 일반적으로 그 자체 밑부분 및 용융액 위의 열을 보유하기에 적당한 히트 쉴드(heat shield)이다. 불행하게도, 종래 고온 영역 장치는 카메라 (53) 가 갖는 결정 (31) 및 용융액 (29) 사이의 계면의 시야를 방해함으로써 정확하고 신뢰할 수 있는 직경 측정을 방해할 수 있다.

예시된 실시예에서, 반사기 어셈블리 (115) 는 결정 (31) 이 풀링되는 중심 개구부를 갖는다. 높이 (H) 와 반지름 (R) 에 의해서 정의되는 카메라 (53) 의 위치는 반사기 어셈블리 (115) 가 결정 (31) 및 용융액 (29) 사이의 계면에 대해 카메라 (53) 가 갖는 시야를 가로막지 못하는 데 필요로 하는 개구부의 크기를 결정한다. 결정 메니스커스 (55) 의 최대 언더 컷(maximum under cut)은 카메라 (53) 가 결정 메지스커스 (55) 를 볼 수 있는 H 와 R 을 결정한다. 파라미터 (H 및 R) 는 결정 성장 장치 (13) 의 물리적 치수에 의해 제한된 범위 내에서 고정되어 있기 때문에, 이 관계는 제한된 범위의 개구부 크기를 정의한다. 반사기 (115) 내의 개구부가 일반적으로 원형이라면, 그 직경 (D_r) 에 대한 한계치는 다음의 시에 의해서 결정될 수 있다.

D_r≥(2*H_r*R + H*D_m)/H

여기서 H 는 용융액 표면 (99) 위의 카메라 (53) 높이이고, R 은 축 (39) 에 대한 카메라 (53) 의 반지름 거리이고, H_r은 용융액 표면 (99) 위의 반사기 (115) 의 높이이고, D_m은 메니스커스 (55; 즉, D_m은 원 직경 (D') 에 상당함) 의 직경이다. 따라서, H_r이 증가하면 D_r이 증가하여서 반사기 어셈블리 (115) 는 카메라 (53) 의 시야를 가로막지 않는다.

도 6 은 결정 (31; 국부 투시도 내에 도시됨) 에 대해 반사기 어셈블리 (115) 의 평면도이다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 반사기 (115) 는 그 개구부 주변에 위치한 복수의 패시지 (passage) 또는 노치 (notch; 117) 를 가지고 있어서, 개구부로부터 보통 방사형 형태로 밖으로 뻗어 있다. 본 기술 분야에서 알려져 있는 바와 같이, 반사기 (115) 와 결정 (31) 사이의 갭 (gap) 을 최소화하는 것이 용융액 (29) 으로 되반사된 열의 양을 증가시키기 위해 바람직한다. 노치들 (117) 은, 개구부 (D_r) 의 크기가 전술한 한계치보다 작더라도, 카메라 (53) 가 결정-용융액 계면을 보는 위도우(window) 를 본질적으로 제공한다.

반사기 (115) 와 같은 3 - 슬롯 반사기의 경우에, 이미지 프로세서 (69) 는 바람직하게는 노치들 (117) 에 해당하는 3 개의 엣지 툴을 정의한다. 즉, 이미지 프로세서 (69) 는 지역 (103) 이 각각 노치 (117) 내에 해당하도록 지역 (103) 의 위치들을 정의한다. 지역 (103) 의 위치는 도가니에 투입된 폴리실리콘이 용융된 후에 PLC 를 통해 중심 y 좌표의 선에 대해 각도를 β로 설정하여 각 지역 (103) 의 중심을 각 노치 내에 두도록 프로그램된다. 엣지 탐지 지역 (103) 은 또한 소프트웨어에서, 예를 들어, 컴파일 시간에, 또는 투입된 폴리실리콘이 용융된 후 카메라를 회전시킴으로써 회전될 수 있다.

도 7a 및 7b 를 참조하여, 제어 유닛 (51) 을 포함하여, 시스템 (11) 은 결정 성장 장치 (13) 의 폐쇄 루프 제어를 제공하기 위한 흐름도 (121) 에 따라 동작한다. 단계 (123) 에서 시작하여, 카메라 (53) 는 도가니 (19) 의 내부 이미지를 생성한다. 시각 시스템 (63) 의 프레임 버퍼 (67) 은 이미지 프로세서 (69) 에 의한 프로세싱을 위해 단계 (125) 에서 카메라 (53) 의 비디오 이미지 신호로부터 이미지를 캡쳐링한다.

단계 (129) 에서는, 이미지 프로세서 (69) 가 캡쳐링된 이미지를 받아서 카메라 각도 (α) 에 의해 초래된 이미지의 일그러짐을 보충하도록 그 픽셀 값을 조절한다. 유리하게는, 단계 (129) 는 카메라 (53) 가, 예를 들어, 고온 영역 장애물을 피하도록 보임창 (viewport) 내에서 움직여지는 것을 허용한다. 카메라가 움지여진다면, 카메라 (53) 의 기울여짐으로인한, 축 (39) 에 대한 각도가 다르게되어, 그의 광학적 축 (101) 이 축 (39) 과 용융액 표면 (99) 사이의 교차점을 계속 향하게되도록 한다. 카메라 각도가 변한 결과, 일반적으로 원형인 물체 (예를 들어, 결정 (31)) 가 이미지에 있어서 타원형으로 보이는 정도 또한 변한다. 이미지의 y 값 (즉, y_pixel) 을 일정한 스케일링 인자 (constant scaling factor) 라기보다 cos α로부터 도출된 변수 인자(variable factor) 로써 스케일링함으로써, 이미지 프로세서 (69) 가 이미지를 조절하여 결정 (31) 근처의 밝은 영역이 다른 카메라 각도에 대해 일반적으로 아치형이 되도록한다. 이 경우에, 투입된 폴리실리콘이 도가니 (19) 내에서 녹는 동안에, 각도 (α) 가 PLC (17) 을 통해 설정될 수 있다.

단계 (131) 로 진행하면서, 이미지 프로세서 (69) 는 성장 공정이 원뿔 말단 단계에 있는 지를 결정한다. 만약 그 단계에 있지 않으면 (예를 들어, 성장 공정이 넥(neck), 크라운 또는 몸체 단계에 있다면), 이미지 프로세서 (69) 는 단계 (133) 으로 진행한다. 단계 (133) 에서, 이미지 프로세서는 원 (107) 의 중심점 (C) 에 관해서 방사형으로 지역 (103) 을 정의한다. 유리하게는, 이미지 프로세서는 호 (arc) 를 따라 지역들 (103) 을 위치시키고, 그 호의 끝점은 각각 바람직하게는 각도 (β) 만큼 중심점 (C) 의 y 좌표 아래에 위치한다. 이런 방법으로 지역 (103) 을 위치시킴으로써, 본 발명에 따라 동작하는 시스템 (11) 은 챔버 (15) 의 보임창을 통해 보여지는 동안, 결정 (31) 의 몸체가 밝은 영역의 최대 폭을 가릴 때 초래되는 에러에 걸리지 않게 된다.

시각 시스템 (63) 은 단계 (137) 에서 지역 (103) 내에서 엣지 탐지를 시작한다. 단계 (137) 에서, 이미지 프로세서 (69) 는 PLC (71) 과 함께 동작하면서, 이미지 내에서 엣지를 탐지하기 위해 이미지를 픽셀 값의 함수로서 프로세싱한다. 바람직하게는, 프로세서 (69) 는, 이미지 내의 정의된 지역에서 그레이 레벨 변화를 (이미지 강도의 함수로서) 분석하기 위한 엣지 탐지 루틴 (routine) 을 포함하여, 이미지를 분석하기 위한 몇몇 루틴을 수행한다. 이미지 내의 엣지들을 발견하고 계산하기 위한 다양한 엣지 탐지 오퍼레이터, 또는 알로리즘이 본 기술 분야에서의 당업자에게 알려져 있다. 예를 들어, 적당한 엣지 탐지 루틴은 캐니(Canny) 또는 하우(Hough) 알고리즘을 포함한다. 강도에 더하여, 강도 경사도, 색 또는 콘트라스트와 같은 이미지의 다른 특성들은 용융액 (29) 그 자체로부터 용융액 (29) 의 표면 상의 메니스커스 (55) 또는 다른 대상을 광학적으로 구별하는 데에 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.

결정 성장의 풀링 단계동안에, 이미지 프로세서 (69) 는 바람직하게는 디지탈 엣지 탐지를 수행하여 메니스커스 (55) 의 밝은 링의 안쪽 또는 바깥쪽 주위의 적어도 3 개의 점들의 좌표의 위치를 정하게 된다. 결정 (31) 과 메니스커스 (55) 의 교차점이 일반적으로 원형인 것으로 알려져 있기 때문에, 이미지 프로세서 (69) 에 의해 탐지된 밝은 링 엣지 좌표는 타원형으로 보여지고, 변환되어 원형으로 매핑된다(mapped). 선택적으로, 엣지 좌표는, 카메라 (53) 가 탑제된 각도에 의해 초래된 일그러짐을 보상함으로써 원형으로 매핑될 수 있다. 참조로, 곤잘레스와 윈츠 (Gonzalez and Wintz) 저, Digital Image Fundamentals, 1987, 페이지 36 - 52 는 3 차원적인 물체에 대한 카메라의 위치에 의해 초래된 투시 일그러짐을 보상하기 위한 수학적 변환을 개시하고 있다. 그러한 변환은 일그러진 타원형으로부터 원형을 추출하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 참조로, 공동으로 양수된 미국 특허 제 5,656,078 호는 복잡한 수학적 변환에 대한 필요가 없이 메니스커스 (55) 를 이미징하는 데 사용하기 위한 비-일그러짐(non-distorting) 카메라 를 설명하고 있다.

이 경우에, 시각 시스템 (63) 의 이미지 프로세서 (69) 는 관심 대상의 각 지역 (103) 의 픽셀의 강도의 경사도를 조사함으로써 엣지 탐지를 수행한다. 그 경사도는 각 지역 (103) 내의 이미지의 상대적 강도의 미분을 취함으로써 얻어진다. 따라서, 이미지 프로세서 (69) 는 밝은 링의 엣지를 지시하는, 각 지역 (103) 내의 강도에서의 가장 큰 변화를 확인한다. 단계 (139) 에서, 만약 N 개의 엣지 좌표가 확인되면, 이미지 프로세서 (69) 는, 하우 변환 또는 최소 제곱 피트와 같은, 원-피팅 알고리즘에 의해서, 정해진 엣지 좌표를 보통 원 형태로 적합시키기(fitting) 위한 단계 (141) 로 진행한다. 예를 들어, 하우 변환은 원을 발견하는데 사용될 수 있는 데이타 포인트의 클러스터를 전개하기 위한 정렬 루틴을 사용하여서 원하는 물체에 대한 최적의 데이타 포인트의 클러스터를 발견한다. 그 후, 데이타는 적합된 원의 중심과 반지름을 찾기 위해 평균되어 진다.

단계 (145) 에서는, 시각 시스템 (63) 은 정해진 원 형태 (107) 을 정확한 원과 비교함으로써 원-피트의 적합성을 결정한다. 이 결정은 측정의 유효성에 대한 지시를 제공한다. 만약 정해진 형태가 충분히 원의 형태이면, 시각 시스템 (63) 은 정해진 원 (107) 의 직경 (D') 과 그 중심점 (C) 의 좌표 (x,y) 를 나타내는 정보를 결정 성장 공정을 제어하는 데 사용하기 위한 제어 유닛 (51) 의 PLC (71) 으로 전송하기 위한 단계 (147) 로 진행한다. 제어 유닛 (51) 은 그 후 결정 성장 장치 (13) 를 제어하기 위한 이런 결정된 파라미터들에 응답하여 프로그램을 실행한다.

그 후, 시스템 (11) 의 동작이 카운터 (N) 가 영 (zero) 으로 설정되는 단계 (149) 로 진행한다. 이미지 프로세서 (69) 는 그 후 단계 (125) 로 되돌아 가기 전에 결정된 중심점 및 반지름에 기초하여 단계 (153) 에서 지역 (103) 을 재배치한다. 이런 방법으로, 지역 (103) 은 본질적으로 메니스커스 (55) 의 밝은 링의 탐지된 엣지 상에 중심을 두게되고, 이미지 프로세서 (69) 는 직경에 있어서의 변화뿐만아니라 풀링동안에 결정 (31) 의 움직임에 응답한다.

만약 밝은 링의 N 개의 에지 좌표가 단계 (139) 에서 지역 (103) 내에 정의되않거나, 또는 이미지 프로세서 (69) 가 단계 (145) 에서 적합성이 받아들이기 어렵도록 결정한다면, 이미지 프로세서 (69) 는 단계 (155) 에서 카운터 (N) 를 증대시킨다. 이미지 프로세서 (69) 는 그 후, 단계 (157) 에서 N = 5 일때까지 또는 이미지 프로세서 (69) 가 받아들일 수 있는 원 (107) 을 정의할 때 까지 이전 단계들을 반복한다. 예를 들어, 밝은 링의 엣지를 정의하는데 있어서 실패한 5 번의 시도후에, 이미지 프로세서 (69) 는 밝은 링의 일반적 위치를 탐색한다. 단계 (161) 에서는, 이미지 프로세서 (69) 는 이전의 중심 좌표 및 원의 반지름에 기초하여 원 또는 타원 형태의 탐색 영역 (즉, 중심 윈도우 지역 (111)) 을 정의한다. 즉, 지역 (111) 은 대략 결정 (31) 의 중심에 그 중심을 두고 있다. 이미지 프로세서 (69) 는 그 후 단계 (163) 에서 그 정의된 지역 (111) 내의 지역 탐색 루틴을 수행한다. 단계 (163) 의 지역 탐색 루틴은, 이 경우의 블롭 분석 (blob analysis) 에서, 이 경우에서 용융액 표면 (99) 을 나타내는 이미지의 배경의 강도에 비한 밝은 링의 강도에 기초하여 이미지 상의 메니스커스 (55) 의 대략적 위치를 찾아낸다. 이미지 프로세서 (69) 가 지역 (103) 의 미리 선택된 위치를 정의하기 위한 대략적 중심점과 반지름을 결정하고, 단계 (149) 에서 카운터 (N) 을 리세팅하고, 단계 (153) 에서 윈도우 지역 (103) 을 재배치하고 그 후에 루틴을 재시작하기 위해 단계 (125) 로 되돌아 온다.

바람직하게는, 시각 시스템 (63) 은 전체 카메라 이미지의 고정된 부분에 걸쳐 결정 (31) 의 이미지에 대한 탐색을 수행한다. 예를 들어, 블롭 툴 탐색 기능(blob tool detection function) 이, 지역 (111) 의 외부 물체가 무시되는 상태에서 타원형 지역 (111) 에서 결정을 탐지하는 데 사용된다. 하나의 실시예에서, 지역 (111) 의 직경뿐만 아니라 x 및 y 좌표가, 도가니 (19) 내의 투입된 폴리실리콘이 용융된 후에, PLC (17) 을 통해 프로그램된다.

본 기술 분야에서 알려져 있는 바와 같이, 블롭(blob)은 연결된 영역이고 블롭 분석은 그 기하학적 특징 (예를 들어, 면적, 길이 등등) 에 기초한 블롭 확인을 포함한다. 즉, 프로세서 (69) 는 물체의 형태 (예를 들어, 물체의 주축과 단축의 비) 를 조사하거나, 물체 그 자체의 면적을 조사함으로써 블롭 분석을 수행한다. 또한, 밝은 링 탐색 단계는 이미지 내의 엣지들의 위치의 함수로서 (즉, 그 좌표) 이미지에서 탐색된 엣지들을 그룹핑하기 위해, 자주 블롭 분석 내에 포함되는 연결성 (connectivity) 분석을 포함한다. 예를 들어, 스탠포드 연구소(Stanford Research Institute) 는 기하학적 분석 및 블롭의 확인을 위해 사용되는 SRI 알고리즘으로 불리는 한 세트의 루틴을 개발했다. SRI 알고리즘은 이미지를 이진수로 변환하는 단계를 포함하고 각 블롭 또는 물체를 확인하기 위해 연결성 분석을 수행하고, 이미지 물체에 대한 중심 통계 특징(core statistic feature)을 계산하고 추가적인 유저 선택 특징(additional user selected feature)을 계산한다.

반면, 만약 이미지 프로세서 (69) 가 성장 공정이 원뿔 말단 단계에 있도록 결정한다면, 그것은 원 (107) 의 측정된 또는 대략적 반지름 (또는 직경) 을 계산하기 위한 단계 (165) 로 진행한다. 전술한 바와 같이, 메니스커스 (55) 의 상대적으로 큰 부분은 원뿔 말단 성장동안 결정 그자체에 의해서 차단된다. 유리하게는, 시스템 (11) 은 원-피팅 소프트웨어에 의한 사용을 위해 3 개 미만의 지역 (103) 내에서 엣지가 탐지된다하더라도, 결정 직경 측정을 제공한다. 따라서, 직경 제어는 원뿔 말단 성장 동안 또는 메니스커스 (55) 의 상대적으로 큰 부분이 차단되더라도 실패하지 않을 것이다. 이 경우에, 이미지 프로세서 (69) 는, 이전 중심 y 좌표 및 현재 엣지 y 좌표 사이의 차이에 기초하여 현재 원 반지름을 계산하기 위해서 피팅된 원 (107) 의 중심점 (C) 의 최종의 유효한 계산을 사용한다.

단계 (167) 에서, 이미지 프로세서 (69) 는 원 반지름 측정을 VME 버스 (75) 를 통해 PLC (71) 로 보고하고, 관심 대상의 엣지 탐색 지역 (103) 이 위치가 단계 (169) 에서 맞추어지도록 하여 루틴을 재시작하기 위한 단계 (125) 로 되돌아 가기 전에 새로운 원 반지름 측정을 수용할 수 있게 된다.

직경 측정에서의 변화성의 근원은, 밝은 링의 폭이 액체 메니스커스 (55) 에 의해 조출되고 반사되는 도가니 (19) 의 고온 벽의 높이에 따라 변한다는 사실이다. 용융액 (29) 이 고갈됨에 따라, 밝은 링의 폭은 증가하여, 결정 (31) 이 더 크기 보이게끔하고, 결국 실제 결정 (31) 이 더 작은 크기로 성장하도록 한다. 보정 상수(correction constant)를 사용하는 대안으로서, 밝은 링의 폭이 추가적인 시각 도구 또는 수학적 모델링을 사용함으로써 계산될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 용융액 (29) 과 밝은 링 사이의 엣지를 탐지하는 것에 더하여 결정 (31) 과 밝은 링 사이의 엣지를 탐지하는 것이 밝은 링의 폭의 측정을 제공하는 데 사용될 수 있다. 또한, 도가니 벽 높이에 대한 엑체 메니스커스의 반사적 특성을 고려한 액체 메니스커스 (55) 의 수학적 모델링은, 밝은 링의 폭의 측정을 제공한다.

바람직한 실시예에서, 제어 유닛 (51) 의 PLC (17) 가 도가니 (19) 및 결정 (31) 이 회전하는 속도 및/또는 결정 (31) 이 용융액 (29) 로부터 풀링되는 속도 및/또는 용융액 (29) 의 온도를 제어하기 위해 실리콘 결정 (31) 의 결정된 직경 (D) 에 반응하고, 도가니 (19) 의 레벨을 제어하기 위해 용융액 레벨 (45) 의 결정에 반응하여 그에 의하여 결정 성장 장치 (13) 를 제어하게 된다. 이와 같이, 폐쇄 루프 제어가 넥 성장 단계를 포함하여 결정 직경을 유지하는데 있어서 수행된다.

또한, 메니스커스 (55) 의 엣지 좌표가, 공동으로 양수된 미국 특허 제 5,665,159 및 5,653,799 호에서 설명한 바와 같이, 결정 구동 유닛 (47) 이 결정 (31) 을 회전시키는 속도에 대해 결정 직경에서의 주기적인 편의를 탐지하는 데 사용될 수 있다. 직경에서의 이러한 편의를 탐지함으로써, 시스템 (11) 은 일반적으로 수직축 (39) 와 평행하고 결정 (31) 의 몸체를 따라 이격된 각면, 또는 해빗 라인(habit line) 을 탐지할 수 있게 된다. 성장 라인이라고도 불리우는 해빗 라인은 결정 (31) 의 단면 주변 상에 범프 같은 형태(bump-like feature) 로 보이고 영 (zero) 디스로케이션 성장을 지시한다.

전술한 설명에서, 본 발명의 몇가지 목적이 달성되고 다른 유리한 결과가 얻어진다는 것을 알게된다.

본 발명의 범위를 벗어나지 않고 전술한 구성 및 방법에서 다양한 변형례들이 만들어질 수 있으므로, 전술한 설명에 포함되고 첨부한 도면에 나타난 모든 사항은 예시적인 것이지 한정적인 의미로 해석되지 않는다는 것으로 의도된다.

Claims

실리콘 단결정 성장을 위한 장치와 결합하여 사용하기 위한 방법으로서, 상기 결정 성장 장치는 결정이 풀링되는 실리콘 용융액을 포함하는 가열된 도가니를 갖고, 상기 용융액은 결정이 상기 용융액으로부터 풀링될 때 상기 결정 주변에 밝은 영역으로 보이는 메니스커스를 가진 표면을 갖고, 상기 방법은 결정의 직경을 결정하기 위한 것이고, 상기 방법은,

상기 결정 주변의 밝은 영역의 부분을 포함하여, 상기 도가니의 내부의 카메라로 이미지를 생성하는 단계로서, 상기 이미지는 복수의 픽셀을 포함하고, 상기 픽셀은 각각 상기 이미지의 광학적 특성을 나타내는 값을 갖는, 이미지를 생성하는 단계;

결정의 대략적 중심에 해당하는 위치에서 이미지의 타원의 형태를 갖는 중심 윈도우 지역을 정의하는 단계;

상기 픽셀 값의 함수로서 이미지를 프로세싱하여 상기 중심 윈도우 지역 내에서 엣지를 탐지하는 단계;

상기 결정에 해당하는 상기 이미지내에서 물체를 정의하기 위해 상기 탐지된 엣지를 그룹핑하는 단계;

상기 정의된 물체의 치수를 결정하는 단계; 및

상기 정의된 물체의 상기 결정된 치수의 함수로서 상기 결정의 대략적 직경을 결정하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 정의된 물체의 치수를 결정하는 상기 단계는 상기 물체의 중심과 상기 물체의 폭을 정의하는 단계를 구비하고, 상기 물체의 상기 중심은 상기 결정의 대략적 중심에 해당하고 상기 물체의 상기 폭은 상기 결정의 대략적 직경에 해당하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 2 항에 있어서, 상기 방법은 상기 물체의 중심에 대해서 방사형으로 배치된 위치에서 그리고 상기 중심으로부터 대략 상기 물체의 폭의 반의 거리를 두고 상기 이미지의 복수의 윈도우 지역을 정의하는 단계, 및 상기 방사형의 윈도우 지역 내에서 엣지를 탐지하기 위해 상기 픽셀 값의 함수로서 상기 이미지를 프로세싱하는 단계를 더 구비하고, 상기 방사형의 윈도우 지역 내에서 탐지된 상기 엣지가 상기 결정 주변의 밝은 영역의 엣지에 해당하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 3 항에 있어서, 상기 방법은 상기 방사형의 윈도우 지역 내에서 탐지된 엣지에 기초하여 메니스커스의 형태에 해당하는 곡선을 정의하는 단계,

상기 정의된 곡선의 치수를 결정하는 단계, 및

상기 정의된 곡선의 결정된 치수의 함수로서 상기 결정의 직경을 결정하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 4 항에 있어서, 상기 정의된 곡선은 상기 방사형의 윈도우 지역 내에서 탐지된 엣지를 피팅하는 원을 나타내고, 상기 정의된 원의 주심에 대해서 상기 중심으로부터 대략 상기 결정의 상기 결정된 직경의 반의 거리를 두고 방사형으로 배치된 위치로 상기 방사형의 윈도우 지역을 옮기는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 4 항에 있어서, 상기 결정은 일반적으로 실린더 형태이고, 상기 밝은 영역은 일반적으로 링 형태이고, 상기 곡선을 정의하는 상기 단계는, 적어도 3 개의 방사형의 윈도우 지역 내에서 정의된 상기 링 형의 밝은 영역의 상기 엣지를 포함하는 원을 정의하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 4 항에 있어서, 상기 결정은 일반적으로 실린더 형태이고, 상기 밝은 영역은 일반적으로 링 형태이고, 상기 곡선을 정의하는 상기 단계는 적어도 3 개의 방사형의 윈도우 지역 내에서 정의된 상기 링 형의 밝은 영역의 상기 엣지를 포함하는 타원을 정의하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 2 항에 있어서, 상기 방법은 기준 (x,y) 좌표계에 관해서 상기 결정의 대략적 중심을 정의하는 단계, 및 상기 결정의 상기 정의된 중심에 대해서 방사형으로 배치된 위치에서 상기 이미지의 복수의 위도우 지역을 정의하는 단계, 및 상기 픽셀 값의 함수로서 상기 이미지를 프로세싱하여 상기 방사형의 윈도우 지역 내에 엣지를 탐지하는 단계를 더 구비하고, 상기 방사형 윈도우 지역의 적어도 하나는 상기 정의된 중심의 y 좌표 아래 각도 β만큼에서 위치해 있고, β는 약 15°및 약 50°사이에 있고, 상기 방사형의 윈도우 지역 내에서 탐지된 상기 엣지는 상기 결정 주변의 상기 밝은 영역의 엣지에 해당하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 8 항에 있어서, 상기 결정 성장 장치는 상기 용융액의 표면 위에 상기 도가니 내에 위치한 반사기를 포함하고, 상기 반사기는 상기 결정이 풀링되는 중심 개구부를 갖고, 복수의 노치가 상기 중심 개구부로부터 바깥쪽으로 방사형으로 뻗어있고, 상기 방사형의 윈도우 지역을 정의하는 상기 단계는 각 노치내에 상기 방사형 윈도우 지역의 하나를 배치시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 방법은,

상기 결정의 대략적 중심에서 상기 밝은 링의 엣지까지의 거리와 대략 동일한 반지름을 갖는 원을 정의하는 단계,

상기 결정의 직경을 상기 정의된 원의 반지름의 함수로서 결정하는 단계,

기준 (x,y) 좌표계에 대해서 상기 결정의 대략적 중심을 정의하는 단계, 및

상기 결정의 정의된 중심의 y 좌표 아래 위치에서 그리고 상기 결정의 정의된 중심에서 상기 결정의 대략적 직경의 대략적 반의 거리를 두고 상기 이미지의 전면 윈도우 지역을 정의하는 단계를 더 구비하고,

또한, 상기 전면 윈도우 지역 내에서 엣지를 탐지하기 위해 상기 픽셀 값의 함수로서 상기 이미지를 프로세싱하는 단계를 더 구비하고, 상기 전면 위도우 지역 내에서 탐지된 상기 엣지는 상기 결정 주변의 밝은 영역의 에지에 해당하는 것을 특징으로 하는 방법.