KR20010080008A

KR20010080008A - 실리콘 결정 성장 제어 방법과 시스템

Info

Publication number: KR20010080008A
Application number: KR1020017004324A
Authority: KR
Inventors: 퍼호프로버트에이치; 바난모센
Original assignee: 헨넬리 헬렌 에프; 엠이엠씨 일렉트로닉 머티리얼즈 인코포레이티드
Priority date: 1998-10-14
Filing date: 1999-09-30
Publication date: 2001-08-22
Also published as: EP1133592A1; JP2002527341A; WO2000022200A1; EP1133592B1; US6171391B1; TW444073B; DE69905193D1; CN1323364A; DE69905193T2

Abstract

초크랄스키 단결정 성장 장치에서 용융물 레벨과 반사기의 위치를 결정하는 방법과 시스템이다. 결정 성장 장치에는 결정을 인상하는 실리콘 용융물을 포함하는 가열된 도가니가 있다. 또한 결정 성장 장치에는 결정을 통과하여 인상시키는 중앙 구멍이 있는 도가니 내에 위치한 반사기를 가지고 있다. 카메라가 반사기 부분과 용융물의 상부표면위에 보이는 반사기의 반사부분의 상을 만들어 낸다. 이미지 프로세서는 상의 픽셀값의 함수로서 상을 처리하여 반사기의 에지와 상안에 있는 반사기 에지를 검출한다. 카메라부터 반사기까지의 거리와 카메라로부터 이미지 내 검출된 에지의 상대적 위치에 기초한 반사기까지의 거리를 컨트롤 회로는 결정한다. 컨트롤 회로는 결정된 거리에 기초한 결정 성장 기구의 조건을 나타내는 한개 이상의 매개변수를 결정하고 그 결정된 매개변수에 따라서 장치를 제어한다.

Description

실리콘 결정 성장 제어 방법과 시스템 {METHOD AND SYSTEM FOR CONTROLLING GROWTH OF A SILICON CRYSTAL}

본 발명은 일반적으로 실리콘 결정 성장 공정 제어 개량과 관련되어 있고 특히, 성장 공정을 제어하는데 사용되는 초크랄스키 (Czochralski) 실리콘 결정 성장 공정에서 용융물 레벨을 측정하는 비전 (vision) 시스템과 방법에 관련되어 있다.

단결정 (single crystal) 즉, 단결정성 (monocrystalline) 실리콘은 반도체 전자 부품을 제조하는 대부분의 공정에서 시료 (starting material) 이다. 초크랄스키 공정을 사용하는 결정 인상 기계는 단결정 실리콘의 대부분을 생산해낸다. 간단히 기술해서, 초크랄스키 공정은 특별히 고안된 로 (furnace) 에 설치된 수정 도가니 (crucible) 내 투입된 고순도 다결정성 실리콘을 용융시키는 것을 포함하고 있다. 도가니 내에서 실리콘이 용융된 후에, 결정 리프팅 (lifting) 메커니즘으로 시드 (seed) 결정을 내려넣어 용융된 실리콘과 접촉시킨다. 그리고 그 메커니즘으로 시드를 빼내어 실리콘 용융물로부터 성장하는 결정을 인상한다.

결정 넥 (neck) 형성 후에, 대표적 공정으로는 원하는 직경에 도달할 때까지 인상속도 및/또는 용융물 온도를 감소시킴으로써 성장하는 결정의 지름을 확장시킨다. 용융물 레벨 감소를 보상하면서 인상 속도와 용융물 온도를 제어함으로써, 결정의 주요 부분이 대략 일정한 지름을 갖도록 (즉, 일반적으로 실린더 모양이다) 성장시킨다. 성장 공정의 거의 마지막으로 도가니에 용융된 실리콘이 비기 전에, 공정은 점차로 결정 지름을 감소시켜 엔드 콘 (end cone) 모양으로 만든다. 대표적으로, 결정 인상 속도와 도가니에 열 공급되는 열을 증가시켜 엔드 콘 모양으로 만든다. 직경이 충분히 작아졌을 때, 결정을 용융물에서 분리시킨다. 성장 공정 동안, 도가니는 용융물을 일정한 방향으로 회전시키고 결정 리프팅 메커니즘은 시드와 결정과 함께, 케이블 또는 샤프트를 그 반대방향으로 회전시킨다.

초크랄스키 공정은 도가니 내에서 용융된 실리콘 높이의 함수로서 부분적으로 제어된다. 따라서, 결정 성장의 서로 다른 단계간 용융물 레벨 측정이 정확하고 신뢰할 만한 시스템이 결정의 질을 확보하는데 필요하다. 참고로, 공동 양도된 미국특허번호 제 5,665,159 호와 제 5,653,799 호 그리고 (허가된) 미국출원 일련번호 제 08/896,177 호는 용융물 레벨을 포함하여, 결정 성장 매개변수의 개수를 정확하고 신뢰성있게 측정한다. 이 특허들에서, 이미지 프로세서는 용융물 레벨을 결정하는 결정-용융물 접촉면의 이미지를 처리한다.

참고로, 미국특허번호 제 3,740,563 호와 제 5,286,461 호는 또한 용융물 레벨 측정 수단을 보여준다. 움직이는, 폐루프 전자 광학 시스템은 미국특허번호 제 3,740,563 호의 용융물 레벨 측정을 제공하고 반사 레이저 광선의 검출은 미국특허번호 제 5,286,461 호의 용융물 레벨 측정을 제공한다.

현재 가능한 초크랄스키 성장 공정은 널리 여러가지 응용에서 유용하여 단결정 실리콘 성장에는 만족해 왔지만, 여전히 좀더 개발이 요구되고 있다. 예를 들어, 핫 존 (hot zone)장치는 대개 열 및/또는 가스흐름을 다루는 도가니 내에 배치된다. 제어를 목적으로, 핫 존 장치에 관련하여 용융물 레벨을 측정하는 것과 서로 상관된 다른 핫 존 부분의 위치를 측정하는 것이 대체로 바람직하다.

예를 들어, 한 알려진 방법은 다수의 지지 부분 치수와 허용치의 "적층 (stack-up)"에 기초하여 반사기의 위치를 예측한다. 그러나, 이 부분들의 대부분은 열팽창에 영향을 많이 받아서, 만족할 만한 제품의 질에 요구될만큼 반사기의 실제 위치가 정확하게 알려져 있지 않다. 다른 보통 방법은 반사기로부터 알려진 길이의 수정 핀 (quartz pin) 을 매다는 것이다. 용융물이 핀에 닿을 때까지 도가니를 움직여서 용융물에 대해서 반사기 위치를 설정한다. 그러나, 이 방법은 추가적인 제조단가를 초래하고, 다른 공정 단계를 도입하고, 인상기의 손상없이 핀을 올바르게 설정하고 사용하기 위해 인상기 셋업과 소제시에 더 큰 노력을 필요로 한다.

참고로, 미국특허번호 제 5,437,242 호는 직접적으로 반사기와 용융물내 그 반사 사이의 거리를 결정하는 것을 공개한다. 불행이도, 이 특허 방법은 반사기의 위치를 제공하지 못한다. 또한, 이 방법은 예를 들어, 삼각형, 사각형 또는 원의 모양을 갖는 반사기 내에 기계적 참조 표시 (mechanical reference mark) 를 필요로 한다. 본 예에서, 이 표시는 반사기에서 먼 에지와 그 반사를 희미하게 보이게 하고 부가적인 제조단가를 초래한다. 또한, 반사기에서 기계적 참조 표시를 사용하는 것도 이 표시를 올바르게 정열시키기 위한 인상기 셋업 시에 더 큰 노력을 필요로 하게되고 반사기 자체의 열적 성질과 가스 흐름 성질에 영향을 미치게 된다.

이런 이유로, 부가적인 셋업 절차와 공정단계 그리고 부가적인 소비 부품 없이, 초크랄스키 공정에서 핫 존 부분의 위치와 용융물 레벨을 측정하고 제어하는 향상된 시스템과 방법이 요구된다.

발명의 개요

본 발명은 상기 요구에 부합하고, 종래 기술의 부족한 점은 제어과 작동의 향상된 방법과 시스템을 제공함으로써 극복한다. 이것은 가열 부위 장치와 용융물의 상부 표면위 그러한 가열 부위 장치의 반사 위치를 검출하기 위한 에지 검색 작업을 수행하는 비전 시스템으로 달성된다. 편리하게도, 본 발명은 기준과 용융물에 대한 핫 존 장치의 위치를 결정하고 또한, 기준에 대한 용융물의 레벨을 확정한다. 덧붙여, 이러한 방법은 효율적 경제적으로 수행될 수 있어 이러한 시스템은 경제적으로 적당하며 상업용으로 실용적이다.

간략히 기술하면, 본 발명의 태양을 이용하는 방법은 실리콘 단결정을 성장시키는 장치에서 사용된다. 결정 성장 장치는 결정이 인상되는 실리콘 용융물을 포함하는 가열된 도가니를 가지고 있다. 또한 결정 성장 장치는 결정이 통해 인상되는 중앙 개구가 있는 도가니 내에 위치한 반사기를 가지고 있다. 이 방법은 카메라로 반사기 부분과 용융물의 상부 표면위에 보이는 반사기의 반사부분의 이미지를 생성하는 단계로 시작한다. 또한, 이 방법은 이미지 내 반사기 에지와 반사의 에지를 검출하기 위해서 픽셀 값을 함수로 하여 이미지을 처리하는것을 포함하고 있다. 본 예에서, 반사 에지는 반사기의 실제 이미지와 일치한다. 더욱이 이 방법은 카메라에서 반사기까지의 거리와 카메라에서 이미지 내에 검출된 에지와 관계된 위치에 기초한 반사기의 실제 이미지까지의 거리를 결정하는 단계를 포함하고 있다. 한개 이상의 결정 성장 장치 상태를 나타내는 매개변수는 결정 성장 장치를 제어하는 결정된 거리에 기초하여 결정된다.

일반적으로, 본 발명의 다른 형태는 실리콘 단결정을 성장시키는 장치와 함께 사용하는 시스템이다. 결정 성장 장치는 결정이 인상되는 실리콘 용융물을 포함하는 가열된 도가니를 가지고 있다. 또한, 이 결정 성장 장치는 결정이 통과하여 인상되는 중앙 개구를 가진 도가니 내에 위치한 반사기를 가지고 있다. 이 시스템은 반사기 부분와 용융물의 상부 표면 위에 보이는 반사기의 반사 부분의 이미지를 생성하는 카메라를 포함하고 있다. 이미지 프로세서는 이미지 내 반사기 에지와 반사 에지를 검출하기 위해 픽셀값의 함수로서 이미지를 처리한다. 본 예에서, 반사 에지는 반사기 실제 이미지와 일치한다. 또한 이 시스템은 카메라에서 반사기까지의 거리와 카메라에서 이미지 내 검출된 에지의 관계된 위치에 기초한 반사기의 실제 이미지까지의 거리를 결정하는 컨트롤 회로를 포함하고 있다. 컨트롤 회로는 결정된 거리에 기초하여 결정 성장 장치 상태를 나타내는 한개 이상의 매개변수를 결정하고 결정된 매개변수에 응답하여 장치를 제어한다.

다른 방법으로는, 본 발명은 다양한 다른 방법과 시스템을 구성할 수 있다.

다른 목적과 특징은 어느 정도 명백해지고 이후 어느 정도 확실해 질 것이다.

도 1 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 결정 성장 장치를 제어하는 결정 성장 장치와 시스템의 도이다.

도 2 는 도 1 시스템의 컨트롤 유닛의 블럭도이다.

도 3 는 실리콘 결정 성장시 실리콘 결정이 있는 결정 성장 장치와 반사기 어셈블리 (assembly) 내에 포함된 용융물에서 인상되는 실리콘 결정을 보여주는 도 1 의 결정 성장 장치의 개략적, 단편적 단면도이다.

도 4 는 용융물에서 인상된 결정과 관계된 이미지 처리 구역을 보여주는 도 3 의 결정 성장 장치의 단편적 투시도이다.

도 5 는 도 4 의 이미지 처리 구역중 하나의 확대도이다.

도 6 는 도 3 내지 도 5 의 반사기 어셈블리와 결정 성장 장치 내부 이미지를 만드는 카메라 사이의 관계를 도식적으로 보여준다.

도 7 는 도 1 시스템의 초기 작업의 전형적 흐름도이다.

도 8a 와 도 8b 는 도 2 의 컨트롤 유닛 작동의 전형적 흐름 도표이다.

대응하는 참조 문자들은 그림에서 대응하는 부분을 나타낸다.

바람직한 실시예의 상세한 설명

이제 도 1 를 참조하면, 시스템 (11) 은 초크랄스키 결정 성장 기구 (13) 를 사용하는 것으로 도시되어 있다. 본 발명에 따르면, 시스템 (11) 은 결정 성장 공정을 제어하는 복수의 매개변수를 측정한다. 도시된 실시예에서, 결정성장 장치 (13) 는 도가니 (19) 를 둘러싼 진공챔버 (15) 를 포함한다. 저항히터 (21) 같은 가열 수단이 도가니 (19) 를 둘러싼다. 일 실시예에서, 절연체 (23) 는 진공챔버 (15) 의 내벽에 정열되어 있고 물이 공급된 (도시되지 않은) 챔버 냉각 자켓이 둘러싸고 있다. 대표적인 (도시되지 않은) 진공 펌프는 진공 챔버 (15) 내의 가스를 제거하면서 아르곤 가스의 비활성 분위기를 넣는다.

초크랄스키 단결정 성장 공정에 따르면, 다결정성 실리콘, 즉 폴리실리콘 일정량을 도가니 (19) 에 적재한다. 히터 전원 공급기 (27) 는 저항히터 (21) 에 전류를 흘려서 투입물을 용융시키고 따라서, 단결정 (31) 을 인상하는 실리콘 용융물 (29) 을 형성시킨다. 당해 기술에서 알려져 있듯이, 단결정 (31) 은 인상축 (pull shaft; 37) 즉, 케이블에 부착된 시드결정 (35) 에서 성장이 시작된다. 그림 1 에 도시되어 있듯이, 단결정 (31) 과 도가니 (19) 는 일반적으로 공통 대칭축 (39) 을 가지고 있다.

가열과 결정인상 동안, 도가니 구동유닛 (43) 은 도가니 (19) 를 (즉, 시계방향으로) 회전시킨다. 또한, 도가니 구동유닛 (43) 은 성장 공정시 원하는 데로 도가니 (19) 를 상승 및 하강시킨다. 예를 들어, 바람직한 높이에 기준 문자 (45) 로 표시된 높이를 유지하기 위해서, 용융물 (29) 이 고갈되면, 도가니 구동유닛 (43) 은 도가니 (19) 를 상승시킨다. 결정 구동유닛 (47) 은 도가니 구동유닛 (43) 이 도가니 (19) 를 회전시키는 방향과 반대방향으로 비슷하게 케이블 (37) 을 회전시킨다. 덧붙이면, 결정 구동유닛 (47) 은 결정 성장시 바람직한 용융물 레벨 (45) 에 관계하여 결정 (31) 을 상승 및 하강시킨다.

한 실시예에서, 결정 성장 장치 (13) 는 시드 결정 (35) 을 도가니 (19) 에 포함된 용융된 실리콘 용융물 (29) 에 거의 접촉하도록 낮춰서 예열시킨다. 예열후에, 결정 구동유닛 (47) 은 케이블 (37) 을 통해서 시드결정 (35) 을 계속 낮춰서 용융물 레벨 (45) 의 용융물 (29) 에 접촉시킨다. 시드결정 (35) 이 용융되면서, 결정 구동유닛 (47) 은 용융물 (29) 에서 시드결정을 천천히 후퇴 즉, 인상시킨다. 시드결정 (35) 은 용융물 (29) 에서 실리콘을 끌어내어 실리콘 단결정 (31) 을 후퇴시키면서 성장시킨다. 결정 구동유닛 (47) 은 용융물 (29) 로부터 결정 (31) 을 인상시키면서 기준 속도로 결정 (31) 을 회전시킨다. 도가니 구동유닛 (43) 은 다른 기준 속도로 비슷하게 도가니 (19) 를 회전시키지만, 보통 결정 (31) 회전방향과 반대방향으로 회전시킨다.

컨트롤 유닛 (51) 은 초기에 후퇴속도를 제어하고 히터 전원 (27) 이 히터 (21) 에 공급한 전원으로 결정 (31) 의 넥 다운 (neck down) 을 생기게 한다. 바람직하게는, 용융물 (29) 에서 시드결정 (35) 을 끌어내면서, 결정 성장 장치 (13) 은 결정 넥을 대체로 일정한 직경으로 성장시킨다. 예를 들어, 컨트롤 유닛 (51) 은 바람직한 직경의 약 15 퍼센트인 대체로 일정한 넥 직경을 유지한다. 넥이 원하는 길이에 도달한 후에, 컨트롤 유닛 (51) 은 결정 (31) 의 직경을 콘-형 방식으로 증가시켜 원하는 결정체 직경에 도달하도록 하는 회전, 인상 및/또는 가열 매개변수를 제어한다. 일단 원하는 결정 지름에 도달한 후, 컨트롤 유닛 (51) 은 공정이 끝날 때까지 시스템 (11) 으로 측정한 상대적으로 일정한 직경을 유지하기 위해 성장 매개변수를 제어한다. 이점에서, 인상속도와 가열이 증가되어 보통 직경이 감소하면서 단결정 (31) 의 끝이 점점 가늘어지는 부분 (tapered portion) 을 형성하게 한다. 공동 양도된 미국특허번호 제 5,178,720 호를 참고로 여기에 포함된 전 공개는 결정과 도가니 회전속도를 결정 지름의 함수로서 제어하는 바람직한 방법을 보여준다.

바람직하게는, 컨트롤 유닛 (51) 은 한개 이상의 이차원 카메라 (53) 와 조합하여 작동시켜 용융물 레벨 (45) 을 포함하는 성장 공정의 복수의 매개변수를 측정한다. 예를 들어, 카메라 (53) 는 768×494 픽셀의 해상도를 가진 SONYXC-75 CCD 비디오 카메라같은, 단색 전하 결합 장치 (monochrome CCD) 어레이 카메라이다. 다른 적합한 카메라로는 JAVELINSMARTCAM JE 카메라가 있다. 카메라 (53) 는 챔버 (15) 의 (도시되지 않은) 보임창 (view port) 위에 설치되어 있고 일반적으로 (도 3 을 보면) 세로축 (39) 과 용융물 레벨 (45) 의 교차점을 조준하고 있다. 예를 들어, 결정 성장 장치 (13) 의 작동자는 대체로 세로축 (39) 의 견지에서 약 34°의 각도에서 카메라 (53) 를 위치시킨다.

한 바람직한 실시예에서, 카메라 (53) 는 비교적 넓은 시야 (즉, 약 300㎜ 이상) 를 제공하는 렌즈 (즉, 16㎜) 가 장착되어 있다. 이것은 카메라 (53) 에게 결정 (31) 의 성장 공정시 도가니 (19) 의 내부의 비교적 넓은 부분의 비디오 상을 생성하게 해준다. 카메라 (53) 로 생성된 상은 (도 3 를 보면) 용융물 (29) 과 결정 (31) 사이의 접촉면에서 메니스커스 (meniscus; 101) 부분을 포함하는 것이 바람직하다. 용융물 (29) 과 결정 (31) 은 본래 자기발광이여서 외부 광원을 사용함이 없이 카메라 (53) 에게 빛을 공급한다. 또한 부가적인 카메라는 다른 시야를 제공하도록 사용될 수도 있다.

카메라 (53) 의 신호처리에 덧붙여, 컨트롤 유닛 (51) 은 다른 센서의 신호도 처리한다. 예를 들어, 광셀 (photo cell) 같은 온도 센서 (59) 는 용융물의 표면 온도를 측정하는데 사용될 수도 있다.

도 2 에서는 블록도 형태로 컨트롤 유닛 (51) 의 바람직한 실시예를 도시한다. 카메라 (53) 는 선 (61; 즉, RS-170 비디오 케이블) 을 통해서 도가니 (19) 내부의 비디오 상을 비전 시스템 (63) 에 보내어 에지 검출과 측정계산을 한다. 도 2 에서 보여지듯이, 비전 시스템 (63) 은 비디오 상을 캡쳐하고 처리하는 비디오 이미지 프레임 버퍼 (67; video image frame buffer) 와 이미지 프로세서 (69) 를 포함하고 있다. 다음으로, 비전 시스템 (63) 은 선 (75) 을 통해서 프로그래머블 로직 컨트롤러 (71; programmable logic controller, PLC) 와 통신한다. 예로서, 비전 시스템 (63) 은 CX-100 IMAGENATION 프레임 그래버나 COGNEXCVS-4400 비전 시스템이다. 한 바람직한 실시예에서, PLC (71) 는 TEXAS INSTRUMENTS에서 만든 모델 575 PLC 나 모델 545 PLC 이고 선 (75) 이 통신 인터페이스 (즉, VME backplane interface) 를 나타낸다. PLC (71) 를 구체화한 특별한 컨트롤러에 의존하는, 통신 인터페이스 (75) 는 예를 들어, 부가적인 통신 보드 (즉, RS-422 연속 양방향 PLC 포트를 사용한 모델 2571 프로그램 포트 확장 모듈) 를 포함하는 주문형 VME 랙 (rack) 일 수 있다. 이러한 방식으로, 비전 시스템 (63) 의 이미지 프로세서 (69) 는 용융물 레벨값, 시간제어 신호, 컨트롤 신호 같은 것들을 VME 버스 (75) 를 통해서 PLC (71) 에 보낸다.

또한, 컨트롤 유닛 (51) 은 카메라 (53) 의 처리신호를 함수로서 다른 것들 중에서 도가니 구동유닛 (43), 단결정 구동유닛 (47) 과 히터 전원 (27) 을 제어하는데 사용되는 프로그램된 디지털 또는 아날로그 컴퓨터 (77) 를 포함하고 있다. 도 2 에서 도시되어 있듯이, PLC (71) 는 선 (79; 즉, RS-232 케이블) 을 통해서 컴퓨터 (77) 와 통신하고 선 (85; 즉, RS-485 케이블) 을 통해서 하나 이상의 공정 입/출력 모듈 (83) 과 통신한다. 본 발명에 따르면, 컴퓨터 (77) 는 결정 성장 장치 (13) 의 작동자에게 성장하는 특별한 결정의 바람직한 매개변수 집합을 입력시키도록 해주는 작동자 인터페이스를 제공한다.

한 실시예에서, 또한 비전 시스템 (63) 은 선 (95; 즉, RS-170 RGB 비디오 케이블) 을 통해서 비디오 디스플레이 (93) 와 통신하듯이 선 (91; 즉, RS-232 케이블) 을 통해서 개인용 컴퓨터 (87) 와 통신한다. 비디오 디스플레이 (93) 는 카메라 (53) 로 생성된 비디오 이미지를 보여주고 컴퓨터 (87) 는 비전 시스템 (63) 을 프로그램하는데 사용된다. 다른 방법으로는, 컴퓨터 (77, 87) 는 결정 성장 공정 자동화를 프로그램하고 작동자 인터페이스를 제공하는 하나의 컴퓨터로 실시될 수 있다. 더욱이, 어떤 시스템으로 실시된 비전 시스템 (63) 은 (도시되지 않은) 자신의 컴퓨터를 포함할 수 있거나 캡쳐된 이미지를 처리하는데 개인 컴퓨터 (77) 와 조합하여 사용할 수 있다.

공정 입/출력 모듈 (83) 은 성장공정을 제어하는 결정 성장 장치 (13) 로 가거나 나오는 길을 제공한다. 예를 들어, PLC (71) 는 온도 센서 (59) 로부터 용융물 온도에 관한 정보를 받고, 이것으로 성장 공정을 제어하는 용융물 온도의제어를 위해 공정 입/출력 모듈 (83) 을 통하여 히터 전원 (27) 에 제어 신호를 보낸다.

도 3 는 시드결정 (35) 을 용융물-다운시킨 다음 침수시키는 결정 성장 공정의 다음 단계를 설명한다. 도시된 바와 같이, 일반적으로 결정 (31) 은 결정성 실리콘 (즉, 잉곳 (ingot)) 실린더 몸체로 되어있다. 결정 (31) 같이 성장하는 결정은 일반적으로 실린더형이라 하더라도, 대체로 고른 직경을 가지고 있지 않다. 이러한 이유로, 축 (39) 을 따라서 서로 다른 축 위치에 따라 직경이 약간씩 다양해 질 수 있다. 더욱이, 결정 (31) 의 직경은 결정 성장 (즉, 시드, 넥, 크라운, 쇼울더, 바디와 엔드 콘) 의 서로 다른 단계에서 상이하다. 용융물 (29) 의 표면 (99) 은 결정 (31) 과 용융물 (29) 사이의 경계면에 형성된 액체 메니스커스 (101) 를 가지고 있다. 당해 기술에 알려져 있듯이, 메니스커스 (101) 위 도가니 (19) 의 반사는 종종 결정 (31) 근처의 밝은 링으로 보인다.

또한 도 3 는 실리콘 결정 (31) 성장시 결정 성장 장치 (13) 내에 위치한 대표적 반사기 어셈블리 (103) 를 도시한다. 당해 기술에 알려져 있듯이, 반사기 어셈블리 (103) 같은, 핫 존 장치는 종종 열 및/또는 가스 흐름 관리 목적으로 도가니 (19) 내에 종종 배치된다. 예를 들어, 반사기 (103) 는 일반적으로 반사기 아래와 용융물 (29) 위에 열을 유지하기 위해 적용된 열 보호막이다. 당해 기술에 숙련된 당업자는 다양한 반사기 설계와 재료 (즉, graphite과 gray quarts) 에 익숙하다. 도 3 에 도시되어 있듯이, 반사기 어셈블리 (103) 는결정 (31) 이 통과해서 인상되는 중앙 개구가 특징인 내부 표면 (105) 을 가지고 있다. 본 발명에 따르면, 시스템 (11) 은 반사기 (103) 개구의 공지크기와 용융물 (29) 의 표면 (99) 위에 반사기 (103) 의 반사 (103') 즉, 실제 이미지의 측정에 기초한 용융물 레벨 측정과 제어를 제공한다. 아래에서 자세히 기술될 것으로, 시스템 (11) 은 반사기 (103) 와 용융물 레벨 (45) 둘 사이의 간격 측정 (HR) 의 결정에 덧붙여, 두 높이를 계산하는데 유리하다.

카메라 (53) 는 챔버 (15) 의 보임창에 장착되어 있고 일반적으로 축 (39) 과 용융물 (29) 의 표면 (99) 사이의 교차점을 조준하고 있다. 이 방법에서 목표하듯이, 카메라 (53) 의 광학축 (107) 은 축 (39) 에 대해서 예각 () (즉, 15-35°) 이고, 카메라 (53) 는 두 반사기 (103) 와 용융물 표면 (99) 위의 반사 (103') 의 바깥 지름을 포함하는 수직 구역을 보여준다. 카메라 (53) 렌즈는 반사기 (103) 의 개구 바깥 지름 (즉, 내부 반사기 표면 (105) 의 폭) 을 포함하는 수평 시야를 제공하는 것이 바람직하다. 가변성은 광학기구의 확대에 영향을 주는 카메라 (53) 와 반사기 (103) 사이의 거리의 변화에 주로 기인한 결과로 나타날 수도 있다. 예를 들어, 카메라 (53) 에서 반사기 (103) 까지 거리의 증가로 개구는 더 작게 보이게 된다. 더욱이 카메라 (53) 에서 용융물 (29) 까지의 거리는 반사 (103') 의 모양에도 영향을 미친다. 카메라 (53) 는 초점 길이와 이미지 크기를 정확하게 알기 위해서 눈금을 매기는 것이 바람직하다. 도 3 에 도시되어 있듯이, 높이 (H) 와 반지름 (R) 은 카메라 (53) 의 위치를 나타내고 높이 (HR) 는 반사기 (103) 의 위치를 나타낸다. 도시된 실시예에서, 높이 (H) 와 (HR) 는 용융물 높이 (45) 에 대해서 상대적으로 측정된다.

PLC (71) 에 지시된대로 검사를 시작할 때, 비전 시스템 (63) 의 프레임 버퍼 (67) 는 일정한 간격 (즉, 매 1초) 마다 카메라 (53) 로 생성된 도가니 (19) 의 내부 이미지를 얻는다. 프레임 버퍼 (67) 로 캡쳐된 도가니 (19) 의 내부 이미지는 복수의 픽셀로 구성되어 있다. 당해 기술에 알려져 있듯이, 각 픽셀는 이미지 광학 특성의 대표값을 가지고 있다. 예를 들어, 픽셀값 즉, 회색 층은 픽셀의 강도에 상당한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 이미지 프로세서 (69) 는 도 4 에 참조 문자 (109) 로 표시된 두개 이상의 관심 구역 또는 지역을 나타낸다. 또한 이 구역 (109) 은 창 (window) 으로 언급된다. 본 실시예에서, 이미지 프로세서 (69) 는 이미지의 광학 특성 (즉, 픽셀의 강도나 강도의 기울기) 을 알기 위해서 구역 (109) 내의 픽셀을 검사한다. 특히, 이미지 프로세서 (69) 는 검출된 특성에 기초한 이미지의 에지 검출을 위해 각 구역 (109) 내에 두 에지 툴 (111) (도 5 를 보면) 을 제공한다. 비전 시스템 기술에서, 에지는 상대적으로 작은 공간 구역의 회색 레벨에서 상대적인 큰 변화가 있는 이미지내의 구역으로 정의되어 있다. 강도와 강도 기울기에 덧붙여 또는 대신에, 색깔 또는 대조 같은 다른 이미지 광학 성질이 에지 좌표를 찾는데 검색될 수도 있다.

도 4 에서 도시되어 있듯이, 시스템 (11) 은 구역 (109) 내의 픽셀을 검사해서 반사기 (103) 의 좌측 에지 (113), 반사 (103') 의 좌측 에지 (115), 반사기 (103) 의 우측 에지 (117) 의 반사 (103') 의 우측 에지 (119) 를 검출한다.예를 들어, 좌측 에지 (113) 와 우측 에지 (117) 사이의 이미지를 가로지르는 거리는 반사기 (103) 내의 중앙개구의 직경 측정을 제공한다. 마찬가지로, 좌측 에지 (115) 와 우측 에지 (119) 사이의 이미지를 가로지르는 거리는 반사 (103') 의 직경 측정을 제공한다.

이미지 프로세서 (69) 는 이미지가 반사기 (103) 와 그 반사 (103') 를 포함할 것으로 기대되는 위치에 일반적으로 상응하는 이미지 내에서 선결된 위치의 구역 (109) 을 결정하는 것이 바람직하다. 다르게 말하면, 이미지 프로세서 (69) 는 정의된 중앙선 (즉, 축 (39)) 에 따라 구역 (109) 을 한정한다. 선결 위치에서 구역 (109) 을 한정함으로써, 이미지 프로세서 (69) 는 의사 측정을 일으키는 것으로 알려졌거나 기대되는 반사, 핫 존 장치와 비슷한 것을 피한다. 한 바람직한 실시예에서, 관심구역 (109) 은 불필요한 이미지가 제외된 크기와 위치, 프로그래머블 직각구역이다. 이미지 프로세서 (69) 는 고정된 반사기 (103) 와 가변의 반사 (103') 에지를 찾기 위해 구역 (109) 내의 에지 툴 (111) 을 동역학적으로 움직인다. 이 방법에서, 아래에 기술될 프로세싱을 위해서, 이미지 프로세서 (69) 는 반사기 (103) 에 상응하는 반사 (103') 에 따르는 에지 좌표뿐만 아니라 반사기 (103) 의 내부 표면 (105) 을 따르는 에지 좌표를 확정한다.

도 5 는 에지 툴 (111) 을 포함하는 대표적인 우측 관심구역 (109) 의 확대도이다. 좌측 구역 (109) 내부에 에지 검출은 상응하는 우측 구역 (109) 과 비슷한 방식으로 일어난다. 본 발명의 실시예로서, 이미지의 아래 좌측 구석에 원점을 가진 (x,y) 좌표계에 관련되어 이미지의 에지가 결정된다. 비전 시스템 (63) 은 좌측 에지 (113, 115) 의 최소 "x-위치"값을 검출하고 우측 에지 (117, 119) 의 최대 "x-위치"를 검출하기 위한 구역 (109) 내에 네개의 에지 검출 툴 (111) 을 수직으로 위치시켜 움직이는 소프트웨어를 수행한다. 두 반사기 (103) 와 그 반사 (103') 의 최소 "x-위치" 값은 픽셀 계산에서 각각의 직경을 결정하기 위한 최대 "x-위치" 값으로부터 빼서 구해진다. 그러나 어떤 환경 (즉, 매우 낮은 용융물 레벨) 에서는, 반사기 (103) 는 반사 (103') 의 바깥 지름을 가릴 수도 있다. 만약 이렇게 된다면, 이미지 프로세서 (69) 는 "x-위치" 뿐만 아니라 "y-위치" 를 포함하는 원형체의 목적물의 공지 공식을 사용하여 직경을 계산한다.

바람직한 검색 기술에 따르면, 각 관심구역 (109) 은 두 에지 검색 툴 (111) (또한 스캔 구역으로 언급된) 을 포함한다. 기술된 실시예에서, 하부 (내부) 에지 툴 (111a) 은 구역 (109) 의 소정의 하부를 검색하고, 상부 (외부) 에지 툴 (111b) 은 구역 (109) 의 소정의 상부를 검색하여 관심구역 (109) 내의 반사기 (103) 의 에지와 그 반사 (103') 를 검출한다. 예를 들어, 하부 에지 툴 (111a) 은 바닥에서 시작하여 위로 움직이면서 구역 (109) 의 62% 를 검색하고, 상부 에지 툴 (111b) 은 상부에서 시작하여 아래로 움직이면서 구역 (109) 의 38% 를 검색한다. 또한 도 5 는 상부 에지 툴 (111b) 이 대략 가운데 위치한 대표적 수평 참조선 (121) 을 도시한다. 본 실시예에서, 작동자는 구역 (109) 의 높이를 함수로 에지 툴 (111) 의 수직 크기를 결정하는 오프셋 매개변수를 프로그램할 수 있다. 또한 오프셋 매개변수는 구역 (109) 을 위 아래로 움직여서 상부스캔 구역 (111b) 을 수평 기준선 (121) 에 대해 수직으로 중심에 있도록 한다. 예를 들어, 수평 기준선 (121) 위에 위치한 관심구역의 19% 로, 오프셋은 하부 스캔 구역 (111a) 이 구역 (109) 의 62% 를 차지하게 되고, 상부 스캔 구역 (111b) 이 구역 (109) 의 38% 를 차지하게 한다.

구역 (109) 의 바닥에서 시작하여, 하부 에지 툴 (111a) 은 중앙축 (39) 에 대하여 구역 (109) 내부로부터 외부를 향해서 수평으로 검색하는 것이 바람직하다. 다르게 말하면, 하부 에지 툴 (111a) 은 좌측에서 우측으로 검색하여 반사 (103') 의 우측 에지 (119) 를 검출한다. 그다음 이미지 프로세서 (69) 는 하부 에지 툴 (111a) 을 수직 위쪽으로 움직인다. 반대로 말하면, 상부 에지 툴 (111b) 은 구역 (109) 의 상부에서 시작하여 중앙축 (39) 에 대하여 구역 (109) 의 외측에서 내측으로 수평하게 검색한다. 이렇게, 상부 에지 툴 (111b) 은 우측에서 좌측으로 검색하여 반사기 (103) 의 우측 에지 (117) 를 검출한다. 그리고 이미지 프로세서 (69) 는 상부 에지 툴 (111b) 의 수직 아래로 움직인다. 바람직하게는, 이미지 프로세서 (69) 는 에지 툴 (111) 을 사용하여 약 3 스캔/초 의 속도로 구역 (109) 의 좌우를 검색한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 이미지 프로세서 (69) 의 에지 툴 (111) 은 구역 (109) 내의 하나 이상의 에지를 검출한다. 예를 들어, 이미지 프로세서 (69) 는 에지 툴 (111a) 을 구역 (109) 내 위로 움직이면서 에지 툴 (111a) 이 몇번 좌우 스캔을 해서 반사 (103') 의 에지를 검색할 수 있다. 바람직하게는, 이미지 프로세서 (69) 는 반사기 (103) 와 그 반사 (103') 의 직경을 측정하는데사용되는 에지 툴 (111a, 111b) 로 우측 구역 (109) 내에 검출되는 에지의 최대 "x-위치" 를 선택한다. 더욱이, 이미지 프로세서 (69) 는 검출된 에지의 전 최대값 "x-위치" 를 저장한다. 도 5 에서, 참조 문자 (117') 는 반사기 (103) 의 전 맨우측 에지를 표시하고, 참조 문자 (119') 는 반사 (103') 의 전 맨우측 에지를 나타낸다. 이와 비슷한 방법으로, 좌측 구역 (109) 에서 검출된 에지의 최소 "x-위치" 값은 또한 직경 측정에 사용되도록 선택된다.

도 6 를 참조하면, 반사기 (103) 개구의 공지 길이에 기초하고 반사기 (103) 와 그 반사 (103') 즉, 실제 이미지의 측정 치수를 기초로 하여, 시스템 (11) 은 용융물 레벨 측정과 제어를 제공한다. 예를 들어, 평면거울의 경우에 실제 이미지는 목적물과 같은 크기이고 목적물이 거울앞에 있는 만큼 거울의 "뒤쪽"에 같은 거리에 위치하여 있다. 카메라 (53) 에서 반사기 (103) 까지의 거리 (D) 와 카메라 (53) 에서 반사 (103') 즉, 반사기 (103) 의 실제 이미지까지의 거리 (D') 를 계산하기 위해서, 반사기 (103) 의 공지 직경과 카메라 (53) 의 측정 정보에 따라서, 시스템 (11) 은 반사기 (103) 의 직경을 위한 픽셀 계산과 반사 (103') 의 직경을 위한 픽셀계산을 사용한다. 일 실시예에서, PLC (71) 는 반사기 (103) 에서 중심 개구의 공지 직경 (밀리미터 단위로) 을 (픽셀상) 교정 인자로 승산하고 각각의 거리 (D 와 D') 를 얻기 위해서 이 곱을 반사기 (103) 와 반사 (103') 의 (픽셀로) 측정된 직경으로 나눈다. 작동자는 카메라 (53) 의 명세서에 기초하여 설정시 교정 인자를 확정한다. 예를 들어, 카메라 (53) 렌즈는12.5㎜ 초점 길이를 가지고 카메라 (53) 의 이미지 평면은 9.804×10^-3㎜/픽셀을 가진다. 본 발명에 따르면, PLC (71) 는 12.5/(9.804×10^-3) 픽셀의 교정 인자를 사용한다. 본 예에서, 반사기 (103) 는 대표적으로 다른 인자들 가운데서, 성장되는 결정 (31) 의 크기에 의존하여 수백 밀리미터의 알려진 직경을 가지고 있다.

한 바람직한 실시예에서, PLC (71) 로 수행되는 프로그램은 표면 (99) 이 완전평면이 아니라는 사실을 (도가니 (19) 의 회전때문에, 표면 (99) 이 접시모양의 경향을 띤다) 설명하기 위해서 거리 (D') 를 결정하기 전에 반사 (103') 의 직경 측정을 제어한다. 결과적으로, 이미지 크기의 차이는 카메라 (53) 에서 거리 (D) 와 거리 (D') 의 함수 차이이다.

도 6 에서, 시스템 (11) 은 각각의 거리 (D) 와 거리 (D') 에 기초하여 반사기 (103) 와 반사 (103') 의 "y-위치" 를 계산한다. 본 예에서, 시스템 (11) 은 카메라 (53) 의 높이에서 중심축 (39) 위에 원점을 가진 (x,y) 좌표계를 정의한다. 또한 시스템 (11) 은 인상기의 중심선 (즉, 축 (39)) 으로부터 카메라 (53) 의 거리 (X) 를 계산한다. 바람직하게는, 작동자는 결정 성장 장치 (13) 의 기계적 명세서와 카메라 (53) 설치 정보로 부터 값 (X) 을 얻는다. 예를 들어, (x = X = R) 이다. 이러한 치수를 사용하면, 시스템 (11) 은 다음을 확정한다:

반사기 위치 :

실제 이미지 :

용융물 레벨 :

반사기 높이 :

본 응용의 목적으로서, 용융물 레벨 (45) 은 카메라 (53) 에서 용융물 (29) 의 표면 (99) 까지의 수직 거리로서 정의된다. 카메라 (53) 에서 히터 (21) 의 꼭대기까지의 수직거리는 고정되어 있어서, 용융물 레벨 (45) 또한 이 계산에 기초하여 히터 (21) 와 관계되어 결정될 수 있다.

작동시, 이미지 프로세서 (69) 는 이미지의 좌우측 면의 구역 (109) 을 정의하고 에지 툴 (111) 내에서 이미지의 강도 기울기 특성을 검출한다. 컨트롤 유닛 (51) 은 결정 성장 공정을 제어하는데 사용되는 검출된 에지에 기초하여 용융물 레벨 매개변수 (ML) 와 반사기 높이 매개변수 (HR) 를 결정하는 것이 바람직하다. 따라서, 이미지 프로세서 (69) 는 검출회로, 정의회로 (defining circuit), 측정회로로 구성되어 있고 PLC (71) 는 컨트롤 회로로 구성되어있다.

도 7 는 시스템 (11) 을 위한 대표적 초기화 작업 (123) 을 도시한다. 단계 125 에서 시작하여, 초기화 작업 (123) 은 알려진 자료를 PLC (71) 에 입력할 것을 요구한다. 본 예에서, 알려진 자료는 반사기 (103) 의 직경, (교정 목적으로) 카메라 (53) 의 렌즈 초점 길이와 이미지 평면 크기 그리고 거리 (X) 를 포함한다. 또한 (R) 로서 언급되어 지는 거리 (X) 는 카메라 (53) 에서 중심축 (39; 즉, 인상 케이블 (37)) 까지의 거리를 나타낸다. 바람직한 결정 성장 장치 (13) 에서, 카메라 (53) 는 중심축 (39) 에서 약 400㎜ 떨어져 위치한다. 몇몇 예에서, 작동자는 또한 반사기 (103) 의 수직 두께를 입력시켜 원 (raw) 반사 높이 측정치에서 뺀다. 예를 들어, 회색 수정 반사기는 약 4㎜ 두께이고 그래파이트 반사기는 약 33㎜ 두께이다.

단계 127 에서, 작동자는 시야가 관심의 (반사기 (103) 와 용융물 (29) 의 표면 (99) 위의 그 반사 (103')) 핫 존 특징을 포함할 수 있도록 카메라 (53) 를 정열시킨다. 대표적으로, 결정 성장 장치 (13) 의 보임창은 금 적외선 필터같은 필터를 포함한다. 작동자는 단계 127 에서 필터의 수 밀리미터 (즉, 2-5㎜) 내에 카메라 (53) 렌즈를 위치시킨다. 또한 작동자는 보임창의 아래와 위에 대해서도 카메라 (53) 를 위치시킨다. 예를 들어, 렌즈의 바닥 에지는 보임창의 필터 바닥 에지로부터 약 40-45㎜ 이다. 다시말하면, 카메라 (53) 는 보임창에서 너무 높을 수도 있고 따라서, 중심축 (39) 에 너무 가까울 수도 있다. 이것은 보임창 자신이 반사기 (103) 의 시야를 막을 수도 있다. 다르게 말해서, 만약 카메라 (53) 가 보임창에서 너무 낮게 위치되어 중심축 (39) 에서 너무 멀다면, 반사기 (103) 맨위가 결정 (31) 의 바깥지름 시야를 막을 것이다. 바람직하게는, 작동자는 보임창의 좌우측에 대해서 카메라 (53) 를 중앙에 위치시킨다.

단계 131 의 일부로서, 작동자는 마지막 카메라와 비전 툴의 정열을 수행한다. 특히, 작동자는 에지 툴 (111) 로 검출된 불필요한 에지를 줄이기 위해서 구역 (109) 의 크기와 위치를 프로그램한다. 예를 들어, 작동자는 수직 이미지 크기를 함수로 각각의 관심구역 (109) 의 높이를 설정한다. 바람직하게는, 구역 (109) 의 하부 가까이에 반사기 (103) 의 시야에서 없어질 때까지 구역 (109) 상부 가까이의 바깥지름에서 반사기 (103) 의 에지를 포함하고 모든 반사 (103') 를 포함하기 위해서 작동자는 높이를 설정한다. 마찬가지로, 작동자는 구역 (109) 의 외측 가까이에 반사기 (103) 의 에지를 포함하고 내부 에지 툴 스캔의 에지 "목표"를 제공하기 위해서 충분한 반사 (103') 를 포함시키기 위한 수평 이미지 크기의 함수로서 각 구역 (109) 의 폭을 설정한다. 작동자는 보임창에 기인하여 생긴 어떤 에지도 제외시키기 위해서 "미세 튜닝"으로 카메라 (53) 의 위치를 제어한다. 단계 131 에서, 작동자는 또한 내외부 (상하부, 각각) 에지 툴 (111) 의 충분한 검색 구역이 있는지 확인한다. 외부 에지 툴 (111) 은 고정 목표 (즉, 반사기 (103) 의 에지) 를 검색하기 때문에, 이 구역은 용융물 높이 (45) 의 변화때문에 움직일 잠재적인 이동표적 즉, 반사 (103') 의 에지를 검색할 내부 에지 툴 (111) 보다 훨씬 적을 (즉, 구역 (109) 크기의 38%) 수 있다.

단계 133 에서, 작동자는 에지 툴 (111) 의 에지 검색 역치값을 정의해서 반사기 (103) 를 검출한다. 비슷하게, 작동자는 단계 135 에서 에지 검색 역치값을 제어하여 반사 (103') 를 검출한다. 에지 강도 역치 매개변수가 검색할 그리고 무시할 에지를 제어한다. 에지 툴 (111) 은 광강도의 다양함을 측정하고 창의 길이에 따라 다양한 "경계선 (scores)"을 계산한다. 만약 경계선이 역치보다 크다면, 툴 (111) 이 그 위치에서 발견된 에지를 보고한다. 한 실시예에서, 에지 툴 (111) 은 PLC (71) 에 첫번째 에지를 보고하도록 설정된다.예를 들어, 만약 결정 메니스커스 (101) 를 검색하면, 다른 에지 검색 툴은 가장 강하고 최고의 에지를 보고하도록 설정될 것이다. 에지 툴 (111) 은 방향성이 있어서, 외부 에지는 내부방향으로 측정하고 내부 에지는 외부방향으로 측정한다. 예를 들어, 작동자는 외부 에지 강도 역치를 설정하여 외부 에지 툴 (111) 이 올바르게 반사기 (103) 의 상부 에지를 찾았는지 확인한다. 외부 에지 툴 (111) 이 내부로 즉, 이미지 가운데를 향하기 때문에, 에지가 (반사기 (103) 외부) 너무 빨리 발견된다면 이 값이 증가할 필요가 있고, 올바른 에지를 놓인다면 감소해야만 한다. 마찬가지로, 작동자는 내부 에지 강도 역치를 설정해서 내부 에지 툴 (111) 이 올바르게 반사 (103') 를 찾았는지 확인한다. 내부 에지 툴은 외부를 보면서 이미지 중심에서 떨어져 있기 때문에, 에지가 (반사 (103') 내부) 너무 빨리 발견된다면 이 값이 증가할 필요가 있고, 올바른 에지를 놓인다면 감소해야만 한다. 역치값은 서로 다른 재료로 만들어진 반사기의 서로 다른 형마다 상이할 수 있다.

이제 도 8a 와 도 8b 를 참조하면, 컨트롤 유닛 (51) 을 포함하는 시스템 (11) 은 결정 성장 장치 (13) 의 폐쇄 루프 제어를 제공하는 초기화를 따르는 흐름도 141 에 따라 작동시킨다. 단계 143 에서 시작하여, 카메라 (53) 는 반사기 (103) 와 그 반사 (103') 를 포함하는 도가니 (19) 내부 이미지를 만든다. 비전 시스템 (63) 의 프레임 버퍼 (67) 는 이미지 프로세서 (69) 로 처리하려는 단계 145 에서 카메라 (53) 의 비디오 이미지 신호로부터 이미지를 담는다.

비전 시스템 (63) 은 단계 149 에서 구역 (109) 내의 에지 검출로 시작한다.PLC (71) 와 연결해서 작동하는 이미지 프로세서 (69) 는 이미지내의 에지 검출하기 위해 픽셀값을 함수로서 이미지를 처리한다. 바람직하게는, 프로세서 (69) 가 이미지의 정해진 구역에서 회색 레벨 변화 (이미지 강도의 함수로) 를 분석하는 에지 검출 작업을 포함하여, 이미지를 분석하는 몇몇 작업을 수행한다. 이미지의 에지를 찾고 계산하기 위한, 다양한 에지 검색 연산자 (operator) 즉, 알고리즘이 당해 기술에 숙련된 당업자에게 알려져 있다. 예를 들어, 적당한 에지 검출 작업은 Canny 또는 Hough 알고리즘을 포함한다. 강도에 덧붙여, 강도 기울기, 색깔 또는 명암 같은 이미지의 다른 특징은 메니스커스 (101) 또는 용융물 (29) 자체에서 용융물 (29) 의 표면 (99) 위의 다른 목적물을 광학적으로 구별하는데 사용될 수도 있다.

단계 149 에서, 이미지 프로세서 (69) 는 반사기 (103) 의 에지를 검출하기 위한 좌측 구역 (109) 의 상부 에지 툴 (111) 과 함께 내부방향으로 검색한다. 만약 이미지 프로세서 (69) 가 단계 151 에서 에지가 검출되지 않았다고 결정하면, 단계 153 에서 상의 좌측 에지에 인접한 검출된 에지를 보고한다. 다르게 말해서, 만약 이미지가 640 픽셀 폭이면, 이미지 프로세서 (69) 는 픽셀 #1 에서 에지를 보고한다. 이것은 PLC (71) 가 이 검사에서 유효한 에지를 검출하지 않았다는 것을 인식하게 해준다. 비슷하게, 이미지 프로세서 (69) 는 반사 (103') 의 에지를 검출하기 위한 좌측 구역 (109) 의 하부 에지 툴 (111) 과 함께 단계 157 에서 외부방향으로 검색한다. 만약 이미지 프로세서 (69) 가 단계 159 에서 에지가 검출되지 않았다면, 단계 161 에서 이미지의 우측 경계부근의 검출된 에지를 보고한다. 이 경우에, 이미지 프로세서 (69) 는 픽셀 #639 에서 에지를 보고하여 PLC (71) 에 스캔으로 유효한 에지를 검출하지 못했다는 것을 인식하게 한다.

우측 구역 (109) 을 처리하는 단계 165 에서 진행하여, 이미지 프로세서 (69) 를 우측 구역 (109) 의 하부 에지 툴 (111) 로 외부 방향으로 검색하여 반사 (103') 의 에지를 검출한다. 만약 이미지 프로세서 (69) 가 단계 167 에서 에지가 검출되지 않았다고 결정하면, 단계 169 에서 이미지의 좌측 경계 근처 검출된 에지를 보고한다. 다시말하면, 이미지 프로세서 (69) 는 픽셀 #1 의 무효한 에지를 보고한다. 비슷하게, 이미지 프로세서 (69) 는 반사기 (103) 의 에지를 검출하기 위해서 우측 구역 (109) 의 상부 에지 툴 (111) 로 단계 173 에서 내부로 검색한다. 만약 이미지 프로세서 (69) 가 단계 175 에서 에지가 검출되지 않았다고 보고하면, 단계 177 에서 이미지의 우측 경계 근처에 검출된 에지를 보고한다. 본 예에서, 이미지 프로세서 (69) 는 픽셀 #639 에서 무효한 에지를 보고한다. 만약 이미지 프로세서 (69) 가 단계 179 에서 구역 (109) 검색을 완료한다면, 도 8b 의 단계 181 로 진행한다. 반면에, 만약 에지 툴 (111) 이 각 스캔 구역 (109) 의 끝부분에 없다면, 이미지 프로세서는 단계 149 의 검색 작업 시작으로 돌아간다.

검출된 에지에 기초하여, 이미지 프로세서 (69) 는 픽셀 계산시 반사기 (103) 와 그 반사 (103') 의 직경을 측정하는데 사용되는 최대와 최소 "x-위치" 값을 선택한다. 단계 181 에서, 이미지 프로세서 (69) 는 단계 173 에서 검출된맨우측 에지와 단계 149 에서 검출된 맨좌측 에지 사이의 차이에 기초한 반사기 (103) 의 직경을 확정한다. 비슷한 방법으로, 이미지 프로세서 (69) 는 단계 183 에서 단계 165 에서 검출된 맨우측 에지와 단계 157 에서 검출된 맨좌측 에지 사이의 차이에 기초한 반사 (103') 의 직경을 확정한다. 다음에 이미지 프로세서 (69) 는 단계 185 로 진행하여 측정된 직경을 VME 버스 (75) 를 통해 컨트롤 유닛 (51) 의 PLC (71) 에 보고한다.

단계 189 에서, PLC (71) 는 반사 (103') 의 측정된 직경을 받아 그것을 제어하여 용융물 표면 (99) 의 도가니 회전의 효과의 보상도를 제공한다. 상기되었듯이, 도가니 (19) 의 회전이 표면 (99) 에 완전평면보다는 "접시형"이 되게 한다. 바람직한 실시예에서, PLC (71) 는 보상 인자 (CF) 에 의해서 반사 (103') 의 측정된 직경을 증가시킴으로 도가니 회전 효과를 보상한다:

보상 인자 :

당해 기술에 숙련된 당업자는 다른 수단으로도 보상 인자를 결정할 수 있다는 것을 안다. 예를 들면,Fluid Dynamic for Physicists, 1995, 42쪽을 참고로한, Faber는 회전 용기 (vessel) 는 용기내의 액체 표면이 가지고 있는 효과를 교시하며 수학적으로 유도될 수 있는 보상인자를 얻을 수 있는 방정식을 제공한다.

단계 191 로 진행하여, PLC (71) 는 반사기 (103) 의 측정된 직경과 반사 (103') 의 수정된 직경을 사용하여 매개변수의 수를 계산한다. 본 발명의 실시예에서, PLC (71) 는 카메라 (53) 에서 반사기 (103) 까지의 거리 (D) 와 카메라 (53) 에서 상응하는 실제 이미지 (즉, 반사 (103') ) 까지의 거리 (D') 를 계산한다. 이 계산에 기초하여, PLC (71) 는 반사기 (103) 의 수직 좌표 (Y) 와 상응하는 실제 이미지 (즉, 반사 (103')) 의 수직 위치 (Y') 를 확정한다. 궁극적으로, PLC (71) 는 반사기 높이 매개변수 (HR) 와 용융물 레벨 매개변수 (ML; 또한 도 3 의 높이 (H) 로서 언급된) 를 계산한다. 그다음 컨트롤 유닛 (51) 은 결정 성장 장치 (13) 를 제어하는 이 결정된 매개변수에 상응하는 프로그램을 수행한다. 바람직한 실시예에서, 컨트롤 유닛 (51) 의 PLC (71) 는 결정 성장 공정을 제어하는 결정된 용융물 레벨, 반사기 높이와 용융물 간격에 응답한다. 특히, PLC (71) 는 결정 성장 장치 (13) 를 제어하기 위해서 도가니 (19) 의 높이, 히터 (21) 의 온도, 회전 속도 및/또는 인상속도를 제어하는 매개변수의 결정에 의해 응답한다. 이렇게, 폐쇄 루프 제어가 수행된다.

위에서, 본 발명의 몇 목적이 달성되고 다른 좋은 결과가 얻어지는 것을 알수 있다.

다양한 변화는 본 발명의 범위에서 시작하지 않아도 상기 제조와 방법으로 만들어 질 수 있기 때문에, 상기 기술에 포함되거나 덧붙여진 그림에서 보여지는 모든 문제는 예일 뿐이며 제한된 것으로 해석되어서는 안된다.

Claims

단결정이 인상되는 실리콘 용융물을 포함하는 가열된 도가니를 갖고, 또한 용융물위 도가니 내에 위치한 반사기를 갖고, 상기 반사기는 결정이 통과하여 인상되는 중앙 개구가 정의된 내부 표면을 갖고, 상기 용융물은 상기 반사기의 반사가 보이는 윗 표면을 갖고, 상기 결정은 용융물의 상부 표면에 실질적으로 수직하는 중앙축을 따라 일반적으로 인상되는 결정 성장 장치에서 사용하는 방법으로서,

카메라로 반사기 부분과 용융물의 상부 표면의 반사기의 반사부분의 이미지를 생성하는 단계;

상기 반사기의 에지와 상기 반사기의 실제 이미지에 상응하는 이미지내 반사의 에지를 검출하기 위한 픽셀값을 함수로 이미지를 처리하는 단계;

상기 카메라에서 상기 반사기까지의 거리와 상기 카메라에서 이미지 내 검출될 에지의 상관된 위치에 기초한 반사기의 실제 이미지의 거리의 결정하는 단계;

결정된 거리에 기초한 결정 성장 장치 상태를 나타내는 한개 이상의 매개변수를 결정하는 단계; 및

결정된 매개변수에 상응하는 결정 성장 장치를 제어하는 단계를 포함하고,

상기 이미지 각각은 복수의 픽셀을 포함하고,

상기 픽셀은 상기 이미지의 광학특성을 나타내는 값을 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 성장 장치에서 사용하는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 이미지 처리 단계는 픽셀내 반사기 치수를 결정하기 위해 반사기의 두개 이상의 에지를 검출하는 단계 및 그 사이의 거리를 측정하는 단계를 포함하고, 픽셀내 반사기의 실제 이미지의 수치를 결정하기 위해 반사의 두개 이상의 에지를 검출하는 단계 및 그 사이의 거리를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 성장 장치에서 사용하는 방법.
제 2 항에 있어서,

반사기 내의 중앙개구는 소정의 직경을 가지고 있고 더욱이 반사기내의 중앙개구의 직경과 카메라 교정 인자를 함수로하여, 반사기와 그 실제 이미지의 소정의 치수를 카메라로부터 변환기까지의 거리와 카메라로부터 실제 이미지까지의 거리로 변환시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 성장 장치에서 사용하는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 매개변수를 결정하는 단계는,:

기준에 상관된 용융물의 상부 표면의 높이를 나타내는 용융물 레벨 매개변수, 기준에 상관된 반사기 위치를 나타내는 반사기 위치 매개변수, 및 용융물의 상부 표면에 상관된 반사기 위치를 나타내는 반사기 높이 매개변수 중 한개 이상을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 성장 장치에서 사용하는 방법.
제 4 항에 있어서,

용융물 레벨 매개변수를 결정하는 단계는,를 계산하는 단계를 더 포함하고,

상기 ML 은 카메라의 수직 위치에 상관된 용융물 레벨이고,

D 는 카메라에서 반사기까지의 거리이고,

D' 는 카메라에서 반사기의 실제 이미지까지의 거리이고,

X 는 중앙축에서 카메라까지의 거리이며,

상기 반사기 위치 매개변수를 결정하는 단계는,를 계산하는 단계를 더 포함하고,

상기 Y 는 카메라의 수직위치와 상관된 반사위치이며,

상기 반사기 높이 매개변수를 결정하는 단계는,를 계산하는 단계를 더 포함하고,

상기 HR 은 용융물의 상부 표면에 상관된 반사기 높이인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 성장 장치에서 사용하는 방법.
제 1 항에 있어서,

용융물의 상부 표면은 결정성장시 회전때문에 평면이 아니고,

카메라에서 반사기의 실제 이미지까지의 거리의 결정시 도가니 회전을 보상하는 단계, 및

보상 거리에 기초한 결정 성장 장치 상태를 나타내는 한개 이상의 매개변수를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 성장 장치에서 사용하는 방법.
제 6 항에 있어서,

상기 보상단계는 도가니가 회전하는 속도를 함수로, 카메라에서 반사기의 실제 이미지까지의 결정된 거리를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 성장 장치에서 사용하는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 반사기의 중앙개구는 소정의 직경을 갖고,

상기 중앙개구 직경의 약 반의 거리와 중심축에 대하여 방사상으로 위치한 위치에 복수의 이미지 창 구역을 정의하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 성장 장치에서 사용하는 방법.
제 8 항에 있어서,

상기 이미지 처리 단계는, 상기 반사기의 에지를 검출하는 창 부위내의 에지 검출 툴을 정의하는 단계, 및

반사의 에지를 검출하는 각 창 부위내에 또다른 에지 검출 툴을 정의하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 성장 장치에서 사용하는 방법.
제 1 항에 있어서,

결정 성장 장치는 결정과 도가니 사이의 상대적인 움직임을 제공하고,

상기 제어 단계는, 상기 결정 성장 장치를 제어하도록, 결정된 매개변수에 응답하여 결정과 도가니 사이에 상대적인 움직임, 용융물에서 인상되는 결정속도, 및 용융물의 온도중 한개 이상을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 성장 장치에서 사용하는 방법.