RU2263165C1 - Способ измерения уровня расплава и диаметра кристалла в ростовой установке - Google Patents

Способ измерения уровня расплава и диаметра кристалла в ростовой установке Download PDF

Info

Publication number
RU2263165C1
RU2263165C1 RU2004108511/15A RU2004108511A RU2263165C1 RU 2263165 C1 RU2263165 C1 RU 2263165C1 RU 2004108511/15 A RU2004108511/15 A RU 2004108511/15A RU 2004108511 A RU2004108511 A RU 2004108511A RU 2263165 C1 RU2263165 C1 RU 2263165C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
melt
crystal
level
diameter
rotation
Prior art date
Application number
RU2004108511/15A
Other languages
English (en)
Inventor
ев С.В. Михл (RU)
С.В. Михляев
Original Assignee
Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской Академии наук (ИАиЭ СО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской Академии наук (ИАиЭ СО РАН) filed Critical Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской Академии наук (ИАиЭ СО РАН)
Priority to RU2004108511/15A priority Critical patent/RU2263165C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2263165C1 publication Critical patent/RU2263165C1/ru

Links

Images

Landscapes

  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области выращивания кристаллов и может быть использовано в ростовых установках для измерения диаметра кристалла и уровня расплава как в центре тигля, так и в зоне кристаллообразования. Способ измерения уровня расплава и диаметра кристалла в ростовой установке, в котором с помощью датчика уровня измеряют уровень расплава в тигле на выбранном расстоянии от его оси вращения, с помощью оптической системы измерения диаметра кристалла, установленной под углом к оси кристалла, формируют изображение границы между кристаллом и расплавом, определяют в изображении координаты точек границы, по полученным координатам определяют диаметр кристалла, соответствующий измеренному уровню расплава, измеряют уровень расплава, по крайней мере, еще в одной точке, отстоящей от центра вращения на другом, отличном от ранее выбранного, расстоянии, по результатам измерений уровней расплава вычисляют угловую скорость вращения расплава и уровень расплава на требуемом расстоянии от оси вращения, в том числе - на границе между кристаллом и расплавом, и вычисляют для этого уровня диаметр кристалла. Изобретение позволяет определять уровень расплава непосредственно в зоне затравливания (при отсутствии кристалла) или зоне кристаллообразования, что устраняет погрешность измерения диаметра кристалла и позволяет регулировать уровень расплава непосредственно в зоне кристаллообразования. 2 ил.

Description

Изобретение относится к области выращивания кристаллов и может быть использовано в ростовых установках для измерения уровня расплава и диаметра кристалла.
Оперативный контроль уровня расплава и диаметра кристалла является одной из важнейших составляющих технологического процесса выращивания кристаллов. Точность измерения этих параметров имеет определяющее значение для обеспечения оптимальных условий роста кристалла и работы автоматизированной системы управления ростовой установкой. При больших погрешностях измерений как уровня, так и диаметра кристалла не удается обеспечить оптимальное и своевременное изменение параметров технологического процесса, что приводит к появлению бракованных кристаллов.
Известны различные способы измерения уровня расплава и диаметра кристалла в процессе выращивания, основанные на разных физических принципах. Ниже рассматриваются способы, являющиеся аналогами данного изобретения.
Способ и устройство для измерения диаметра кристалла, используемые в автоматически регулируемом процессе выращивания кристаллов [1]. Для измерения диаметра кристалла формируют изображение фрагмента растущего кристалла с помощью видеокамеры, измеряют в изображении наружный диаметр светлого кольца и используют полученное значение для регулирования диаметра кристалла.
Способ и устройство для определения уровня расплава, при котором уровень определяется с помощью оптического измерителя расстояний путем измерения длины пути, проходимого зондирующим лазерным импульсом от излучателя до отражателя и обратно с промежуточными отражениями от поверхности расплава [2].
Способ и устройство для определения уровня расплава, используемые в автоматически регулируемом процессе выращивания кристаллов [3]. Для определения уровня расплава используется триангуляционный оптический измеритель, при этом на поверхность расплава под некоторым углом направляют зондирующий световой пучок, а с помощью линейного многоэлементного фотоприемного устройства и оптической системы, установленной на пути отраженного от расплава светового пучка, определяют положение отраженного светового пучка в плоскости фотоприемника, которое используется для определения и автоматического регулирования уровня расплава.
Способ и устройство для измерения и регулирования диаметра кристалла и уровня расплава [4], в котором с помощью видеокамеры формируют изображение зоны кристаллообразования, измеряют в изображении координаты светлой полосы, соответствующей изображению мениска и вычисляют по ним диаметр кристалла, аппроксимируя координаты окружностью. Уровень расплава определяют вычисляя смещение центра аппроксимирующей окружности или используя лазерный датчик уровня. Недостатки способа измерения уровня расплава по величине смещения центра аппроксимирующей окружности - невозможность измерения уровня до начала выращивания кристалла, погрешности в измерении уровня (а значит и диаметра кристалла), обусловленные возможными неконтролируемыми смещениями оси кристалла в процессе выращивания и смещениями центра аппроксимирующей окружности из-за эллиптичности кристалла и наличия на нем граней.
По совокупности существенных признаков наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ регулирования диаметра кристалла [5], позволяющий измерять диаметр кристалла и уровень расплава на различных стадиях выращивания кристалла - от начала затравливания до выращивания кристалла заданного диаметра. В этом способе уровень измеряется лазерным триангуляционным измерителем в точке зондирования, отстоящей от оси вращения тигля на некотором расстоянии. Для определения диаметра кристалла используют видеокамеру, с помощью которой формируют изображение мениска, по которому определяют координаты точек границы между расплавом и кристаллом и по ним вычисляют диаметр кристалла.
Недостатки известного способа [5] связаны с тем, что уровень расплава измеряется в нем лазерным триангуляционным измерителем в точке зондирования, отстоящей от оси вращения тигля и расплава на некотором расстоянии, которое должно быть довольно большим, чтобы растущий кристалл не перекрывал зондирующий световой пучок. В результате измеряемый уровень может существенно отличаться от уровня расплава в зоне затравливания (до начала выращивания кристалла) или зоне кристаллообразования (в зоне мениска), причем эти отличия резко возрастают с увеличением скорости вращения расплава из-за увеличения прогиба его поверхности. Это отличие наиболее существенно до начала процесса выращивания и в процессе выращивания - при небольших диаметрах кристалла. Таким образом, в известном способе [5] отсутствует возможность определения уровня расплава на оси вращения, что не позволяет регулировать уровень расплава в зоне затравливания.
Второй недостаток известного способа [5] - отсутствие возможности определения уровня расплава в зоне кристаллообразования, что не позволяет регулировать уровень расплава в этой зоне и приводит к погрешностям измерения диаметра кристалла. Измеренное значение уровня расплава используется для определения увеличения оптической системы видеокамеры, применяемой для формирования изображения мениска и измерения диаметра кристалла, и непосредственно сказывается на величине измеренного диаметра. В результате отличия значений уровня расплава в зоне кристаллообразования от его значений в точке зондирования приводят к погрешностям измерения диаметра кристалла.
В предлагаемом изобретении уровень расплава определяется непосредственно в зоне затравливания (при отсутствии кристалла) или зоне кристаллообразования, что устраняет погрешность измерения диаметра кристалла, вызываемую отличием измеряемого (как в [5]) уровня расплава от его уровня в зоне кристаллообразования, и позволяет регулировать уровень расплава непосредственно в зоне затравливания (при отсутствии кристалла) или зоне кристаллообразования.
Это достигается за счет измерения уровня расплава в нескольких точках (по крайней мере двух), расположенных на различных расстояниях от оси вращения расплава, и за счет вычисления угловой скорости вращения расплава, что позволяет однозначно определить пространственное положение поверхности расплава, представляющей собой параболоид вращения; за счет вычисления уровня расплава на требуемом расстоянии от оси вращения, в том числе - непосредственно на границе между кристаллом и расплавом, а при отсутствии кристалла - на оси вращения расплава; за счет вычисления диаметра кристалла, соответствующего уровню расплава в зоне кристаллообразования, который отличается от диаметра, измеренного с помощью видеокамеры для значения уровня расплава вне зоны кристаллообразования. В предлагаемом способе измерения уровня расплава и диаметра кристалла в ростовой установке с помощью датчика уровня измеряют уровень расплава в тигле на выбранном расстоянии от его оси вращения, с помощью оптической системы измерения диаметра кристалла, установленной под углом к оси кристалла, формируют изображение границы между кристаллом и расплавом, определяют в изображении значения координат точек границы, по полученным координатам определяют диаметр кристалла, соответствующий измеренному уровню расплава, измеряют уровень расплава по крайней мере еще в одной точке, отстоящей от оси вращения на другом, отличном от ранее выбранного, расстоянии, по результатам измерений вычисляют угловую скорость вращения расплава и уровень расплава на требуемом расстоянии от оси вращения, в том числе - на границе между кристаллом и расплавом, и вычисляют для этого уровня диаметр кристалла.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1, 2.
На фиг.1 показано схематическое изображение кристалла в ростовой установке. На фиг.2 - расположение точек измерения уровня расплава в тигле (вид сверху). В соответствии с предлагаемым способом с помощью датчика уровня измеряют уровень h1 (отрезок 0h1 на фиг.1) расплава 1 в тигле 2 в точке M1, находящейся на некотором расстоянии r1 от оси вращения О тигля (фиг, 2) вне зоны, занимаемой выращиваемым кристаллом 3. Для этого могут быть использованы различные способы и устройства, например - триангуляционный лазерный измеритель, зондирующий световой пучок которого направляют под некоторым углом к поверхности расплава в точку M1, a с помощью многоэлементного фотоприемного устройства и проекционной оптической системы, установленной на пути отраженного от расплава светового пучка, формируют изображение точки M1 в плоскости фотоприемника и определяют ее координаты, по которым и вычисляют уровень расплава. С помощью другой оптической системы 4 (фиг.1) измерения диаметра кристалла, установленной под углом к оси кристалла 3, формируют изображение границы между кристаллом и расплавом, определяют в изображении значения координат точек границы, по полученным координатам определяют диаметр кристалла D1, соответствующий измеренному уровню расплава h1 в точке M1. Способы вычисления диаметра кристалла по измеренным координатам точек границы также могут быть различными, в частности, за диаметр кристалла может быть принят диаметр окружности, проходящей через три любые точки границы, или диаметр окружности, аппроксимирующей существенно большее количество точек границы. Можно показать, что диаметр кристалла D, определяемый по формируемому оптической системой изображению, зависит от увеличения оптической системы и изменяется в зависимости от изменения уровня расплава h:
Figure 00000002
где K=D1/(1-h1/H),
а Н - расстояние от центра объектива оптической системы измерения диаметра кристалла до горизонтальной плоскости, соответствующей началу отсчета уровня расплава h=0 (фиг.1). Начало отсчета уровня расплава выбирается при калибровке датчика уровня и оптической системы измерения диаметра кристалла и обычно соответствует положению поверхности расплава при затравливании. Из выражения (1) следует, что диаметр кристалла Dм, соответствующий уровню расплава на границе между расплавом и кристаллом (в зоне мениска) hм, может существенно отличаться от измеренного значения D1, соответствующего измеренному уровню расплава в точке M1. Непосредственно измерять уровень расплава в зоне мениска или вблизи кристалла, диаметр которого в процессе роста изменяется в широких пределах (от единиц до сотен мм), достаточно сложно - для этого необходимы специальные высокоточные системы сканирования зондирующего светового пучка, которые практически невозможно использовать на реальной ростовой установке. Для того чтобы определить уровень расплава в зоне мениска (или в любой точке, отстоящей на требуемом расстоянии от оси вращения), одновременно измеряют уровень расплава h2, по крайней мере, еще в одной точке М2, отстоящей от оси вращения на другом расстоянии r2 (фиг.2). Угловое расположение точек зондирования (Mi и М2) не имеет принципиального значения, поэтому на фиг.2 эти точки расположены на различных радиус-векторах, исходящих от оси вращения О, а на фиг.1, для наглядности, - на одном радиус-векторе. Измерение уровня расплава в точке М2 может быть выполнено аналогичным образом с помощью второго триангуляционного лазерного измерителя или при использовании одного измерителя, но с двумя зондирующими пучками, направленными в точки M1 и М2. По результатам измерений вычисляют угловую скорость вращения расплава ω:
Figure 00000003
где g - ускорение свободного падения. Соотношение (2) получено из известного выражения, описывающего форму свободно вращающейся поверхности жидкости [6]:
Figure 00000004
где R - радиус тигля, а hT - его координата.
Если уровень расплава измеряется в большем количестве точек, тогда угловая скорость вращения расплава может быть определена с большей точностью в результате статистической обработки результатов измерений.
В результате вычисления угловой скорости вращения расплава однозначно определяется пространственное положение его поверхности (3):
Figure 00000005
позволяющее определять уровень расплава на любом расстоянии r от оси вращения. В частности, уровень расплава hм на границе между кристаллом и расплавом определяют из (1) для радиуса кристалла r=D(h)/2, используя соотношение (4):
Figure 00000006
Диаметр кристалла, соответствующий уровню расплава на границе между расплавом и кристаллом (в зоне мениска), вычисляется затем из (1) и (5):
Figure 00000007
При отсутствии кристалла уровень расплава на требуемом расстоянии r от центра вращения определяется из соотношения (4).
Преимущества предложенного способа измерения уровня расплава и диаметра кристалла в ростовой установке по сравнению с известным заключаются в том, что он позволяет определять уровень расплава непосредственно в зоне затравливания (при отсутствии кристалла) или на границе между расплавом и кристаллом (в зоне кристаллообразования или зоне мениска) при различных скоростях вращения расплава по результатам измерений уровня вне этих зон, что позволяет регулировать уровень расплава непосредственно в этих зонах, применять для измерений высокоточные лазерные датчики уровня и устраняет погрешность измерения диаметра кристалла по формируемому оптической системой изображению, вызываемую отличием измеряемого уровня расплава от его уровня в зоне кристаллообразования.
Благодаря указанным достоинствам предлагаемый способ может быть применен в любой действующей ростовой установке для измерения и регулирования уровня расплава и диаметра кристалла.
В подтверждение возможности реализации предлагаемого изобретения и корректности приведенных формул рассмотрим пример конкретного расчета по ним уровня расплава и диаметра кристалла.
Исходные данные для расчета:
1. Расстояние (по вертикали) от центра объектива оптической системы измерения диаметра кристалла до горизонтальной плоскости, соответствующей началу отсчета уровня расплава Н=700 мм.
2. Расстояния двух точек измерения уровня расплава от оси вращения расплава r1=220 мм, r2=200 мм и измеренные в этих точках значения уровней расплава h1=1 мм, h2=-1 мм.
3. Значение диаметра кристалла, измеренное по изображению, сформированному оптической системой измерения диаметра, при значении уровня h1, D1=100 мм.
Из соотношения (2) определяем угловую скорость вращения расплава N=30ω/π:
N=20.63 (об/мин).
Уровень расплава в центре тигля h0 (точке затравливания) определяется из (4) при r=0:
h0=-10.507 мм.
Значение коэффициента К находится из (1):
K=100.15 мм.
Подставляя полученные значения в (5) и (6), определяем уровень расплава в зоне мениска и соответствующий этому уровню диаметр кристалла, который отличается от предварительно измеренного D1 более, чем на 1.5 мм:
hм=-9.89 мм, D(hм)=101.56 мм.
Использованные источники
1. Европейский патент №450502, кл. С 30 В 15/26, опубл. 1991 (Method of and device for diameter measurement used in automatically controlled crystal growth.)
2. Патент США №6071340, кл. С 03 В 035/00, опубл. 2000. (Apparatus for melt-level detection in Czochralski crystal growth systems.)
3. Патент США №6077345, кл. С 30 В 015/20, опубл. 2000. (Silicon crystal growth melt level control system and method.)
4. Патент США №5665159, кл. С 30 В 035/00, опубл. 1997. (System for controlling growth of a silicon crystal.)
5. Патент США №6226032, кл. H 04 N 007/18, C 30 B 015/00, опубл. 2001. (Crystal diameter control system.)
6. С.В.Михляев. Применение методов оптической триангуляции для измерения уровня расплава при выращивании кристаллов. - Автометрия, т.39, №5, 2003, с.30-41.

Claims (1)

  1. Способ измерения уровня расплава и диаметра кристалла в ростовой установке, в котором с помощью датчика уровня измеряют уровень расплава в тигле на выбранном расстоянии от его оси вращения, с помощью оптической системы измерения диаметра кристалла, установленной под углом к оси кристалла, формируют изображение границы между кристаллом и расплавом, определяют в изображении координаты точек границы, по полученным координатам определяют диаметр кристалла, соответствующий измеренному уровню расплава, измеряют уровень расплава, по крайней мере, еще в одной точке, отстоящей от центра вращения на другом, отличном от ранее выбранного расстоянии, по результатам измерений уровней расплава вычисляют угловую скорость вращения расплава и уровень расплава на требуемом расстоянии от оси вращения, в том числе на границе между кристаллом и расплавом, и вычисляют для этого уровня диаметр кристалла.
RU2004108511/15A 2004-03-22 2004-03-22 Способ измерения уровня расплава и диаметра кристалла в ростовой установке RU2263165C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004108511/15A RU2263165C1 (ru) 2004-03-22 2004-03-22 Способ измерения уровня расплава и диаметра кристалла в ростовой установке

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004108511/15A RU2263165C1 (ru) 2004-03-22 2004-03-22 Способ измерения уровня расплава и диаметра кристалла в ростовой установке

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2263165C1 true RU2263165C1 (ru) 2005-10-27

Family

ID=35864276

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2004108511/15A RU2263165C1 (ru) 2004-03-22 2004-03-22 Способ измерения уровня расплава и диаметра кристалла в ростовой установке

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2263165C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2542292C2 (ru) * 2013-06-27 2015-02-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН) Способ измерения уровня расплава и его скорости вращения при выращивании кристаллов

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2542292C2 (ru) * 2013-06-27 2015-02-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН) Способ измерения уровня расплава и его скорости вращения при выращивании кристаллов

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7200945B2 (en) Surveying instrument
KR20090023267A (ko) 실리콘 단결정 인상 방법
EP3696498A1 (en) Surveying instrument and method of calibrating a survey instrument
JPH09175896A (ja) シリコン結晶の連続成長装置と共に使用する無ひずみビデオカメラ
JP2007263818A (ja) 厚さ計測装置の調整方法及びその装置
JP5395835B2 (ja) サーボモータを制御するためのフィードバック装置及びフィードバック方法
JPS63292005A (ja) 走り誤差補正をなした移動量検出装置
RU2263165C1 (ru) Способ измерения уровня расплава и диаметра кристалла в ростовой установке
CN113804696B (zh) 一种棒材表面缺陷尺寸面积确定方法
US20220341725A1 (en) Non-invasive alignment method and system for imager-illuminator optical measurement machines
US6071340A (en) Apparatus for melt-level detection in Czochralski crystal growth systems
RU2542292C2 (ru) Способ измерения уровня расплава и его скорости вращения при выращивании кристаллов
JP6444783B2 (ja) 形状計測装置、加工装置及び形状計測装置の校正方法
JPH08210854A (ja) コード化された水準測量捍の傾斜角を決定する方法
RU2176689C2 (ru) Способ измерения диаметра кристалла в ростовой установке
RU2281349C2 (ru) Способ измерения уровня расплава при выращивании кристаллов
RU2261298C2 (ru) Способ измерения диаметра кристалла в ростовой установке
JPH05254983A (ja) 溶解物レベルの検出装置及び検出方法
US5853479A (en) Apparatus for drawing single crystals by the czochralski method
GB2285131A (en) Water level measurement
Mikhlyaev Optical systems for melt level measurement in the process of crystal growth
CN105758388A (zh) 一种全站仪
CN105758373A (zh) 新型测距仪
KR101851471B1 (ko) 회전면 정렬 장치 및 그의 회전면 정렬 방법
SU1049814A1 (ru) Способ определени нулевого сигнала акселерометра

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20150323