Ιί 444 0 7 3 Λ7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Β7 五、發明說明（！） 發明背景 本發明大致係關於控制矽晶成長程序的改良，及尤其係 關於在用於控制成長程序之捷可拉斯基（Cz〇chralski)矽晶 成長程序中用於測量熔體液位之視像系統及方法的改良。 單晶矽係在用於製造半導體電子組件之大多數方法中之 起始材料。使用捷可拉斯基方法的拉晶機器產生大量的單 晶矽。簡而言之，捷可拉斯基方法包括在設在經特殊設計 之爐中的石英坩堝中使所載入之高純度多晶矽熔融。於坩 瑪中之矽熔融後，一晶體提升機構使晶種降低至與溶融矽 接觸。此機構接著將晶種撤出，以自妙落體拉出成長中的 晶體。 於形成晶頸（crystal neck)後’典型的方法經由減低拉引 速率及/或熔體溫度而使成長中之晶體的直徑擴大，直至 達到期望直徑爲止。經由邊控制拉引速率及熔體溫度邊補 償逐漸減少的熔體液位，可使晶體的主體成長，以致其具 有大致恆定的直徑（即其大致爲圓柱形）。在接近成長程序 之點但在时禍中之熔融石夕用盡之前，程序使晶體直後逐 漸降低而形成端圓錐。典型上，端圓錐係經由增加拉晶速 率及供應至坩堝之熱而形成。當直徑變得夠小時，則將晶 fla自熔體分離出來。在成長過程中，坩堝使熔體在一個方 向旋轉，及晶體提升機構使其拉引纜線或軸連同晶種及晶 體在相反方向轉動。 捷可拉斯基程序部分係成在坩堝中之熔融矽之液位的函 而L制因此，需要在晶體成長之不同相中用於測量溶 -4 私紙狀度適^ S家鮮 伐格（210 297公釐） --------------—裝 -------訂---------線 _ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 444 0 7 3 A7 _______B7__ 五、發明說明（2 ) 體液位之準確且可靠的系統，以確保晶體品質。共同受讓 的美國專利號數5,665,159及5,653,799及美國申請案序號 08/896,177(經認可）提供許多晶體成長參數，包括溶體液 位之準確及可靠的測量，將此兩篇專利之全體揭示内容以 提及的方式併入本文中。在此等專利中，—影像處理器處 理晶體-熔體界面之影像，以測定熔體液位。 美國專利號數3,740,563及5,286,461亦揭示測量猿體液位 之裝置’將其全體揭示内容以提及的方式併入本文中。在 美國專利號數3,740,563中，一活動的閉環電光學系統提供 熔體液位測量，在美國專利號數5,286,461中，反射雷射光 束之偵測提供熔體液位測量。 雖然目前可資利用的捷可拉斯基成長方法已可令人滿竟 地成長有用於各式各樣應用的單晶矽，但仍須要進一步= 改良。舉例來説，通常在坩堝内設置熱區裝置，以管理熱 .及/或氣流。爲作控制之用，通常希望測量相對於熱區‘裝 置的熔體液位，及測量不同熱區部分相對於彼此的位置。 一種已知的方法，例如，根據多個支承零件之尺寸的 「堆疊“stack up，，」及容許度，而預測反射器的位置。然 而，大部分的此等零件易受熱膨脹影響，因此，並益法得 知反射器之實際位置至得到令人滿意之產品品質所需的= 確度。另一常用實務係將已知長度的石英銷自反射器懸 吊。使坩堝移動直至熔體接觸到銷爲止，而確立 對：熔體之置。然而，此會招致額外的製造成本，引入 另一万法步驟’且在拉晶器装設及清潔的過程中需要較大 本紙張尺度中國國豕標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公髮) --— (請先閒讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝---- 訂---------線}! 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 444 073 A7 B7 五、發明說明（3 ) 的勞力及注意’以準確地裝設及使用銷，而不使其受損。 美國專利號數5,437,242直接揭示測定在反射器及其在熔 體中之反射之間的距離，將其全體揭示内容以提及的方式 併入本文中。不幸地’此篇專利之方法並無法提供反射器 的位置。並且’此方法需要在反射器中具有，例如，三角 形、四角形或圓形之形狀的機械參考記號。在此情況中， 記號會使反射器之遠端邊緣及其反射的影像模糊不清，且 會招致額外的製造成本。在反射器中使用機械參考記號亦 會在拉晶器裝設過程中·需要較大的勞力及注意，以使記號 準確地對準，並會影響反射器本身的熱及氣流性質。 基於此等理由’而須要一種用於在捷可拉斯基方法中測 量及控制溶體液位和熱區零件之位置，没有額外的裝置程 序及加工步驟，具沒有額外的可消耗零件之改良的系統及 方法。 發明總結 本發明經由提供一種改良的控制及操作方法及系統，而 滿足以上需求及克服先前技藝之缺失。此係利用執行邊緣 偵測常式以偵測熱區裝置之位置及此種熱區裝置在熔體上 表面上之反射的視像系統而芫成。本發明方便地測定熱區 裝置相對於參考點及相對於㈣之位置，及亦測定您體相 對於參考點之液位。此外，，匕方法可有效率且經濟地進 行’且此系統在經濟上可行且在商業上實際。 簡而言之，將本發明之態樣具體.化的方法係配合使單晶 矽成長的裝置使用。晶體成長裝置具有—加熱坩堝，其包 -6 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 訂---------線、 經濟部智慧財產局員工消費合作社印 經濟部智慧財產局員工湞賣合作社印製 ΑΛ^013 Λ7 --________Β7__ i、發明說明（4 ) 含自其中拉出晶舱的沙溶體。晶體成長裝置亦具有—設置 於坩堝内，具有一中心開口之反射器，通過此開口將晶體 拉出。此方法開始於利用攝影機產生一部分之反射器及可 在溶體之上表面上看到之反射器之一部分反射之影像的步 驟。此方法亦包括將影像成其像元（pixel)値之函數處理， 以偵測影像中之反射器的邊緣及反射的邊緣。在此情況 中’反射之邊緣相當於反射器的虛像。此方法更包括根據 影像中之偵測邊緣的相對位置，而測定自攝影機至反射器 之距離及自攝影機至犮射器之虛像之距離的步驟。根據測 得距離測定代表晶體成長裝置之狀況的至少一個參數，以 控制晶體成長裝置。 一般而言，本發明之另一形式爲一種配合用於使單晶矽 成長之裝置使用之系統。此晶體成長裝置具有一加熱坩 塥’其包含自其中拉出晶體的矽熔體。此晶體成長裝置亦 具有一設置於坩堝内，具有一中心開口之反射器，通過此 開口將晶體拉出。此系统包括用於產生一部分之反射器及 可在熔體之上表面上看到之反射器之一部分反射之影像的 攝影機。一影像處理器將影像成其像元値之函數處理，以 偵測影像中之反射器的邊緣及反射的邊緣。在此情況中， 反射之邊緣相當於反射器的虛像。此系統亦包括根據影像 中之偵測邊緣的相對位置，而測定自攝影機至反射器之距 離及自攝影機至反射器之虚像之距離的控制電路。控制電 路根據測得距離測定代表晶體成長裝置之狀況的至少一個 參數’並反應測得參數而控制裝置。 度適用中國國家標準（CNS)A4規格（$7297公爱y -----；--------裝--------訂---------線 {請先閔讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合'作社印製 44A07 3 A7 ---—______B7 - —- --- 五、發明說明（5 ) 或者，本發明可包括各種其他方法及系統。 其他目的及特色部分將可由後文而明瞭，及部分將於後 文中指出。 圖示簡單説明 圓I係晶體成長裝置及根據本發明之較佳具體實例控制 晶體成長裝置之系統之説明。 圖2係圖1之系統之控制單元的方塊圖。 圖3係圖1之晶體成長裝置之概略局部橫剖面，其顯示自 包含於晶體成長裝置中之熔體拄出矽晶，及反射器组合在 珍晶成長過程中之設置。 圖4係圖3之晶體成長装置之局部透視圖，其顯示相對於 自熔體拉出之晶體的影像處理區域。 圖5係圖4之其中一個影像處理區域之放大圖。 圖6概略呈現在圖3-5之反射器組合與用於產生晶體成長 裝置之内部影像之攝影機之間的關係。 圖7説明供圖1之系統用之起始常式之範例流程圖。 圖8 A及8 B説明圖2之控制單元之操作的範例流程圖。 在所有圖示中，以相關的元件編號指示相關的零件。 較佳具體實例詳述 . 現參照圖1，其顯示配合捷可拉斯基晶體成長裝置〗3使 用之系統！ 1。根據本發明’系統1 1測定用於控制晶體成 長程序之多個參數。在所説明之具體實例中’晶體成長裝 置13包括封住财渦19之眞空室15。加熱裝置，諸如電阻 加熱器2 1 ’包園住螞1 9。在一具體實例中，絕緣2 3力ti -3 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規考¥(210 X 297公釐） |-- ---Λ;--------訂--------- {請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) 444 07 3 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說朗（6 ) 砜於眞空莖15之内壁，及供應水的室冷卻夾套（未示於圖 中）將其包園。當將氬氣之惰性氣體供應至眞空室丨5内 時典孓上和用一眞空泵（未示於圖中）將其中之氣體移 除。 根據捷可拉斯基單晶成長方法，將—定量的多晶梦裝至 坩堝19中。加熱器電源27提供通過電阻加熱器21之電 流’以使加料熔融，因此而形成自其中拉出單之珍溶 體29。如技藝中所知曉，單晶3 i係以附加至拉引軸或纜 線3 7之晶種3 5開始成長。如圖！所示，單晶3丨及坩堝^ 9 一般具有共同的對稱軸3 9。 在加熱及拉晶過程中，一坩堝傳動單元43使坩堝19旋 轉（例如，在順時鐘方向）。在成長過程中，坩堝傳動單元 4 3亦視須要而丨疋升及降低掛禍丨9。例如，當炫體2 9被消 耗時，坩堝傳動單元43將坩堝1 9提升’以將以元件編號 4 5所札示之其液位維持在期望高度。晶體傳動單元* 7在 與坩堝傳動單元4 3轉動坩堝1 9之方向相反的方向上，以 類似方式使纜線37旋轉。此外，在成長過程中，晶體傳動 單元4 7視須要而相對於熔體液位4 5提升及降低晶體3 1。 在一具體實例中，晶體成長裝置1 3經由將晶種3 5降低 至幾乎與財揭1 9所包含之熔體2 9之熔融矽接觸，而將其 預熱。於預熱後，晶體傳動單元4 7繼續經由纜線3 7而將 晶種3 5降低至與熔體2 9在其熔體液位4 5處接觸。當晶種 3 5熔融時，晶體傳動單元4 7缓慢:地將其自熔體2 9撤出或 拉出。晶種3 5自熔體2 9拉引矽，而當其撤出時，造成單 -9- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -------------1 --------^--------- (請先間讀背面之注意事項再填寫本頁) 444 0 7 3 Λ7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印裂 五、發明說明（7 ) 晶矽3 1的成長。當晶體傳動單元4 7自溶體2 9拉出晶體3 1 時’其使晶體3 1在一參考速率下轉動。坩堝傳動單元4 3 以類似方式在另一參考迷率下使坩堝I 9轉動，但通常係在 相對於晶體3 1的相反方向上。 控制單元5 I最初控制撤出速率及電源2 7提供給加熱器 21之功率’以造成晶體31之頸縮（neckdown)。當將晶種 3 5自熔體2 9拉引出時，晶體成長裝置1 3使晶頸在實質上 怪定的直徑下成長較佳。例如，控制單元5 1維持期望直徑 之約1 5百分比之實兔上恨定的頸邵直徑。於頸部達到期望 長度後，控制單元5 1接著調整旋轉 '拉引及/或加熱參 數，以使晶體3 1之直徑以圓錐形的方式增加直至達到期望 的晶體本體直徑爲止。一旦達到期望的晶體直徑，則控制 早元5 1控制成長參數’以維持相當恆定的直徑，如由系統 1 1所測得，直至程序接近其终點爲止，此時通常增加拉引 速率及加熱’以使直徑減小，而在單晶3 I的末端形成錐形 部分。共同受讓的美國專利號數5，1 7 8，7 2 0揭示—種控制 晶體及坩堝旋轉速率成晶體直徑之函數的較佳方法，將其 全體揭示内容以提及的方式併入本文中。 控制單元5 1與至少一個二維攝影機5 3結合操作，而測 定多個成長程序之參數’包括熔體液位4 5較佳。例如，攝 影機53爲單色電荷偶合裝置（CCD)陣列攝影機，諸如具有 768x494像元之解析度的SONY® XC-75 CCD攝影機。另— 適當的攝影機爲JAVELIN® SMARTCAM JE攝影機。將攝影 機53裝置於室15之取景孔（未示於圖中）上方，並大致瞒 -10- 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公愛） * . I----- D ---------^---------. , ί (請先閱讀背面之泫意事項再填寫本頁) 444 0 7 3 A7 B7 五、發明說玥（8 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ㈣軸39與溶體液位45之交點（見圖3)。例如，p 裝置13的操作員將攝影機53設置在相料實二長 軸3 9成大约34。之角度。 的垂直 在-較佳具體實例中，攝影機53配備有可提供相 野（例如，大約300毫米以上）的鏡頭（例如，16毫米3 :匕使攝影機53可在晶體31之成長過程中，產生坩堝心 部（相當寬廣部分的視頻影像。由攝影機5 3所產生的影像 以包括在熔體2 9與晶體3〖之間之界面處之一部分的彎月 面1〇1(見圖3 )較佳。熔體2 9及晶體3】基本上係自行脬 明，並提供攝影機5 3光，而不使用外部光源。應明暸亦可 使用額外的攝影機於提供不同的視野。 除了處理來自攝影機5 3的信號外，控制單元5丨亦處理 來自其他感測器的信號。舉例來説，可使用溫度感測器 5 9 ’諸如光電池，於測量燦體表面溫度。 圖2以方塊圖的形式説明控制單元5 1之—較佳具體實 例。攝影機5 3經由線路6 1 (例如，RS-170視頻電纜）而使 掛堝1 9内部之視頻影像連接至提供邊緣偵測及測量計算的 視像系統6 3。如圖2所示，視像系統6 3包括視頻影像框形 緩衝器6 7及用於捕捉和處理視頻影像的影像處理器6 9。 視像系統6 3依序藉由線路7 5而與可程式化邏輯控制器 (PLC)7i連接。舉例來説，視像系統63爲CX-100 IMAGENATION 框形抓圖器（Frame Grabber)或 COGNEX® C VS-4400視像系統。在一較佳具體實例中，PLC 7 1爲德州 儀器（TEXAS INSTRUMENTS®)製造的 575 型 PLC 或 545 型 -11 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） f請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1裴
It n n «I 如6J Γ— ! —J I 線、 444 07 3 A7 . ___B7____ 五、發明說朗（9 ) PLC，及線路7 5代表通信介面（例如，VME基架介面）。視 將PLC 71具體化之特殊控制器而定，通信介面7 5可爲，例 如，包括額外通信板的客户VME機架（例如，使用 串列雙向PLC埠之2571型程式埠擴展器模組（program P(m Expander Module))。視像系統6 3之影像處理器6 9以此方式 經由VME匯流7 5使熔體液位値、定時信號、控制信號等等 連接至PLC 71。 控制单元51亦包括尤其用於控制掛瑪傳動單元4 3、單 晶傳動單元4 7及加熱器電源2 7成來自攝影機5 3之處理信 號之函數的程式數位或類比電腦7 7。如圖2所示，plc 71 經由線路7 9 (例如，RS-232電纜）與電腦7 7連接，及經由 線路8 5 (例如，RS -485電缆）與一或多個程序輸入/輸出模 組8 3連接〇根據本發明，電腦7 7提供使晶體成長裝置i 3 之操作員可對待成長之特殊晶體輸入一組期望參數的操作 員介面。 在具體貫例中’視像系統6 3亦經由線路9 1 (例如， RS 232黾 覽）與個人電腦§ 7連接，以及經由線路9 $ (例 如，RS-170RGB視頻電纜）與視頻顯示93連接。視頻顯示 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 93顯示由攝影機53所產生之視頻影像，及使用電腦叨於 將視像系統63程式化。或者，電腦77、87可以用於將晶體 成長程序自動化程式化及提供操作員介面的單一電腦具體 化。此外，應瞭解以特定系統具體化的視像系統W可包括 其個自的電腦(未示於圖中）’或可與用於處理捕捉影像的 個人電腦77結合使用。 -12· 297公釐〉 本紙張尺度適用標準(CNS)A4規格^ 444 0 7 3 A7 B7 經濟部智慧財產居員工消費合作社印製 五、發明說明（10 ) 程序輸入/輸出模组83提供來去晶體成長裝置13的路 fe ’以控制成長程序。例如，PLC71自溫度感測器59接受 關於趣度的訊息，並經由程序輸入/輸出模組83輸出 控制信號给加熱器電源27，以控魏體溫度，因而 長程序。 圖3説明於熔融及浸入晶種35後之較後期的晶體成長程 序。如圖所示，晶體3〖構成結晶矽之大致圓柱形的本體 (即錠）。應明瞭剛長成的晶體，諸如晶體31，典型上將不 v、有均勻的直徑，雖然其大致爲圓柱形。因此，其直徑會 沿軸3 9而在不同的軸向位置有輕微的變化。此外，晶^ 3 1之直徑將在不同的晶體成長期（例如，晶種、晶頸、= 冠 '晶肩、本體及端圓錐）中變化。熔體29之表面99具有 形成於晶體31與熔體29之間之界面處的液體彎月面1〇1。 如技藝中所知曉，坩堝丨9在彎月面1〇1上之反射通常可見 爲鄰接晶體3 1之明亮環。 圖3亦説明在矽晶3 I之成長過程中設於晶體成長裝置i 3 内之範例的反射器組合1 〇3。如技藝中所知曉，通常將熱 區裝置，諸如反射器組合1〇3,設置於坩堝19内，供熱及/ 或氣流管理用途用。舉例來説，反射器1〇3 一般係可將熱 滯留於其自身下方及熔體29上方之熱屏蔽d熟悉技藝人士 熟知各種反射器的設計及材料（例如，石墨及灰石英）a如 圖3所示，反射器组合1 〇3具有界定使晶體3丨拉引通過之 中心開口之内表面1 〇 5。根據本發明，系統1 1根據反射器 103中之開口的已知尺寸’及根據反射器i 〇3在熔體2 9之表 13 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） '裝--------訂---------線' (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 44 Ο 7 3 Α7 ------_JB7___五、發明說朗（11 ) 面9 9上之反射或虚像103'的測量，而提供熔體液位測量及 控制。如將詳細説明於下’系統1丨方便地計算反射器1 〇3 之高度及溶體液位4 5以及測定在兩者之間的間隙測量 HR。 攝影機5 3係裝置於室1 5之取景孔中，並大致瞄準在軸 3 9與溶體2 9之表面9 9之間的交點。以此方式瞄準，攝影 機5 3之光學軸107係相對於軸3 9成一銳角從（例如，Λ μ 5_ 35 ° )，因此’攝影機5 3提供包括反射器1 〇3及其在熔體表 面99上之反射103,兩者之完整直徑之垂直區域的影像。攝 影機5 3之鏡頭以提供包括在反射器1〇3中之開口之完整直 (即反射器内表面1 〇 5之寬度）的水平視野較佳。主要會 由於在攝影機5 3與反射器1 〇 3之間之距離的改變影塑光學 元件之倍率而產生變異。例如，增加自攝影機5 3至反射器 103之距離將使其看來較小。此外，自攝影機$ 3至熔體2 9 之距離會影響反射1〇3_的外觀。將攝影機53校準，以致可 準確地知道焦距及影像大小較佳。如圖3所示，高度Η及 半徑R定義攝影機53之位置，及高度只尺定義反射器1〇3之 位置。在所説明之具體實例中，高度Η及HR兩者係相對 於溶體液位4 5而作測量。 古PLC 71指示開始檢查時，視像系統6 3之框形緩衝器 6 7在規則的間隔下（例如，每隔}秒）擷取由攝影機$ 3所產 生之坩堝1 9内部的影像。由框形緩衝器6 7所捕捉之坩堝 1 9内部的影像各包括多個像元。如技藝中所知曉，各像元 具有一代表影像之光學特性之値。例如，像元値，或灰階 -14 - 本紙狀㈣中關ii?TcNS)A4規格⑵〇 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
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I 線、 444073 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（12 ) (gray丨evels)，係對應於像元之強度。在本發明之一較佳且 體實例中，影像處理器69定義至少兩個由圖4_之元件編 號丨09所指示的受關注區域或面積。此等區域ι〇9亦稱爲視 窗。在此具體實例中，影像處理器6 9檢查區域1〇9内之像 元之影像的光學特性（例如，像元之強度或強度之梯度）。 尤其，影像處理器6 9在各區域109内提供兩邊緣工具 111 (見圖5 )，以根據偵測得之特性而偵測影像中之邊緣。 在視像系統技藝中，將邊緣定義爲在相當小的空間區域上 具有相當大灰階k化乏影像中的區域。應明瞭可在強度或 強度梯度之外，或替代其而偵測影像的其他光學特性，諸 如顏色或對比，以找出邊緣座標。 如圖4所示’系統1 1檢查區域1 内之像元，以偵測反射 器103之左侧邊緣Π 3、反射1 〇31之左側邊緣115、反射器 103之右側邊緣117及反射1〇3_之右側邊緣119。在此例中， 在左側邊緣U3與右侧邊緣丨丨7之間之影像兩端的距離提供 在反射器103中之中心開口的直徑測量。同樣地，在左側 邊緣Π5與右側邊緣1 19之間之影像兩端的距離提供反射 103'之直徑測量。 影像處理器6 9以在大致對應於預期影像將包栝反射器 103及其反射1〇3,之位置之影像中的預定位置定義區域1〇9 較佳。換言之，影像處理器6 9相對於定義中心線（即軸3 9 ) 而界定區域109。經由在預定位.置定義區域丨〇9，影像處理 器6 9可避免可能造成謬誤測量之已知或預期的反射、熱區 裝置等等。在一較佳具體實例中，所關注的區域109係可 -15- ----^---------裝--------訂---------線-)-·' (請先間讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CMS)A4規格（210 X 297公釐） 444 0 7 3 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（13 ) 程式化的矩形區域，其大小及位置不包括不必要的影像。 影像處理器6 9使邊緣工具111在區域1 〇9内動態移動，以找 出固定反射器103及可變反射1〇3,之邊緣。影像處理器69 以此方式沿反射器1 〇 3之内表面1 〇 5測定邊緣座標，以及沿 對應的反射103'測定邊緣座標，供如下所説明的處理用。 圖5係包括邊緣工具1丨丨之所關注之範例的右侧區域ι〇9 之放大圖。應明瞭在左側區域1〇9内之邊緣偵測係以類似 於相對之右侧區域109之方式進行。在本發明之一具體實 例中’影像中之邊緣係相對於原點在影像之底部、左侧角 落的（x，y)座標系統定義。視像系統63執行軟體，以使四個 邊緣偵測工具1 11在區域1 09内垂直放置及移動，而偵測左 倒邊緣113、115之最小“X-位置”値，及偵測右側邊緣 117、119之最大“X-位置”値。將反射器1〇3及其反射1〇3，兩 者之最大“X-位置’，値減去最小“x_位置，，値，而測定各別 直徑之像元數。然而，在一些情況中（例如，非常低的熔 液位），反射器103會擒住反射1 〇3'的整個直徑。如發生 此情況’則影像處理器6 9使用涉及“ y _位置，，以及“ X小， 置”之供圓形物體用的熟知公式計算直徑。 根據一較佳的掃描技術，所關注之各區域109包括兩邊 緣偵測工具111(亦稱爲掃描區域）^在所說明之具體實例 中，下方（内側）邊緣工具llla掃.描區域1〇9之預定的^ 部分，及上方（外側）邊緣工具Ulb掃描區域1〇9之诨定= 上方部分’以偵測反射器1()3及其在所關注區域刚内友 射1〇3,的邊緣。舉例來説，下方邊緣工具〗…自底部開始 -16 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公楚> {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -111 —---^ · I---- --- 444 07 3 Λ7 ---~一 B7___ 五、發明說明（14 ) 向上移動而掃描62%的區域1〇9，及上方邊緣工具丨^自上 方閑始向下移動而掃描3 8%的區域丨〇9。圖5亦説明上方邊 緣工具111 b以其爲中心之範例的水平參考線〗21。在此具 體實例中’操作員可規劃定義邊緣工具u丨之垂直大小成 區域109之高度的偏移參數。偏移參數亦使區域1 〇9上移或 下移’以致上方掃描區域丨丨丨b以水平參考線12丨爲垂直中 心。舉例來説’ 6 2之偏移使下方掃描區域丨n a佔據區域 109之62% ’及使上方掃描區域inb佔據區域1〇9之38〇/。，且 有1 9 %之所關注的面積’係位在水平參考線12丨上方。 下方邊緣工具1 1 la以自區域1〇9之底部開始，自區域1 〇9 之内側相對於中心軸3 9朝向外側水平掃描較佳。換言之， 下方邊緣工具1 11 a自左至右掃描，以偵測反射〗〇3，之右側 邊緣119。影像處理器6 9接著使下方邊緣工具1 π a垂直向 上移動。反之’上方邊緣工具lub自區域1〇9之上方開 始’自區域109之外侧相對於中心軸3 9朝向内側水平掃 描。因此’上方邊緣工具丨i lb自右至左掃描，以偵測反射 器103之右側邊緣117。影像處理器69接著使上方邊緣工具 111 b垂直向下移動。影像處理器6 9以使用邊緣工具1丨丨在 約3次掃描/秒之速率下掃描區域丨.09之自一邊至另一邊較 佳。 根據本發明之一具體實例，影.像處理器6 9之邊緣工具 111偵測區域10 9内之一或多個邊緣。舉例來説，當影像處 理器69使邊緣工具111a在區域1〇9内向上移動時，可由邊 緣工具111 a之數次自一邊至另一邊的掃描偵測反射1 ,的 -17- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂----- 線- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7
4-44 073 五、發明說明（15 ) 邊緣。影像處理器69以選擇由邊緣工具iiu、111b在右側 區域丨0 9中須測得之邊緣的最大“ X位置’，値，用於測量反射 器1 0 3及其反射10 3 ’之直徑較佳。此外，影像處理器6 9鍺 存偵測邊緣之先前的最大“ X位置”値。在圖5中，元件編 说丨1 7係彳a示反射器1 〇 3之先前的最右側邊緣，及元件編號 1 W係指示反射10 31之先前的最右侧邊緣。亦以類似方式 選擇在左侧區域10 9中領測得邊緣之最小“ X位.置，，値，用於 測量直徑。 現參照圖6 ’系統1 1粮據反射器1〇3中之開口的已知尺寸 及根據反射器103及其反射之測量尺寸、或虛像1 〇3，，提供 熔體液位測量及控制。舉例來説，在平面鏡之情況中，虛 像係與物體相同大小，且係以與物體在鏡前相同之距離位 在鏡的“後方”。系統1 1使用反射器1 03之直徑的像元數及 反射103'之直徑的像元數，連同反射器103之已知直徑及攝 影機5 3之校準訊息於計算自攝影機5 3至反射器1〇3之距離 D及自攝影機5 3至反射1〇3,（即反射器103之虚像）之距離 D '。在一具體實例中，pLc 71將反射器1 03中之中心開口 的已知直徑（單位毫米）乘以校準因子（單位像元），及將此 乘積除以反射器1 03及反射1031之測,量直徑（單位像元），而 分別得到距離D及D，。操作員根據攝影機5 3之規格決定在 裝設時的校準因子。舉例來説，攝影機5 3之鏡頭具有12.5 笔米之焦距，且攝影機53之影像平面尺寸爲9,804 X 1 0_3毫 米/像元。根據本發明，PLC 71使用12.5/(9,804 X ΙΟ·3)像元 之校準因子。在此例中，反射器1〇3典型上尤其視待成長 -18- 本纸張又度適用中國國家標卓（CNS)A4規格（210 X 297公g ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ----訂----- 線 經濟部智.«財產局員工湞費合作社印製 經濟却智慧財產局員工消費合作社印製 ,444 07 3 Λ7 _______Π7 r---一 一 ~ ' --------— 立、發明說-明（16 ) 之晶體31的尺寸而具有數百毫米之己知直徑。 在較佳具體貫例中，由P L C 7 1所執行的程式在測定距 離D1之前調整反射103_之直徑測量，而説明表面99不完全 爲平面的事實（由於坩堝19的旋轉，表面99傾向於爲碟 形）。因此，影像大小的差異爲距攝影機5 3之距離D及D · 的函數。 在圖6 ’系統1 1分別根據距離d及而計算反射器1 〇3及 反射1031之“ y位置”。在此情沉中，系統j 1定義原點在中 心轴3 9在攝影機5 3之高度處的（x，y)座標系統。系統」1亦 由拉引機之中心線（即軸39)計算攝影機53之距離X。操作 員由晶體成長裝置1 3之機械規格及攝影機5 3之安裝資訊 求ί于値X較佳。在此情沉中，X = X = R。系統1 1使用此等 尺寸，測定： 反射器位置：Y = MrD2- χ2~ 虛像：Y'=V-D,2- X2 熔體液位： 2 反射器尚度：HR=- 2 對於本申請案，將熔體液位4 5定義爲自攝影機5 3至熔 體2 9之表面9 9的垂直距離。由於自攝影機5 3至加熱器2 1 之頂端的垂直距離爲固定，因此熔體液位4 5亦可根據此計 算而相對於加熱器2 1測定。 在操作中’影像處理器6 9在影像的左側及右側界定區域 -19- 本纸張&度適家標準（CNS)A4規格⑽x 297 — (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) / 1---^ -III—— —-- 444073 A7 -----^~~-___ 五、發明說明（17 ) 109 ’並偵測在邊緣工具nl内之影像的強度梯度特性。控 制單元5 1以根據偵測得的邊緣決定熔體液位參數ML及反 射器高度參數HR，而用於控制晶體成長程序較佳。因 此，影像處理器6 9構成偵測電路、定義電路及測量電路， 及PLC 7丨構成控制電路。 圖7説明供系統1 1用之範例的起始常式丨2 3。起始常式 123從步驟125開始呼叫輸入已知數據至PLC 7丨。在此情況 中，已知數據包括反射器1〇3之直徑、攝影機5 3之鏡頭焦 距及影像平面尺寸（供校準用）及距離Χ。距離χ亦稱爲R， 代表自攝影機5 3至中心軸3 9 (即拉引纜3 7 )之距離。在一 較佳晶體成長裝置1 3中，將攝影機5 3設在距中心軸3 9約 400毫米。在某些情沉中，操作員亦輸入待自反射器之原 始高度測量中減去之反射器103的垂直厚度。舉例來説， 灰石英反射器約爲4毫米厚，及石墨反射器約爲3 3毫米 厚。 在步驟12 7，操作員將攝影機5 3對準，以致其視野包括 所關 >王的熱區特徵（例如，反射器！ 〇3及其在熔體2 9之表面 99上之反射1〇3’）。晶體成長裝置13之取景孔典型上包括 一濾光器，諸如金紅外濾光器。在步驟127，操作員將攝 影機3 3之鏡頭設置於濾光器之數毫米（例如，2_5毫米） 内。操作.員亦將攝影機5 3相對於取景孔之底部及頂部設 置。舉例來説，鏡頭之底部邊緣約距在取景孔之濾光器的 底部邊緣40-45毫米。否則攝影機:5 3在取景孔中可能會太 高，因此而太接近中心軸3 9。如此使取景孔的本身阻礙了 -20- 时 _ 家標準--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) .裝--------訂----------線、 ΑΊ B7 五、發明說明（18 ) 反射器103的视線。反之，如攝影機5 3在取景孔中設置得 太低’因此而太遠離中心軸3 9，則反射器^ 〇3之頂部將會 阻礙晶體3 1之整個直徑的視線。操作員以將攝影機5 3相 對於取景孔之左侧及右側而設置於正中較佳。 在步驟1 3 1之部分中’操作員進行最終的攝影機及視像 工具校準°尤其’操作員規劃區域109之大小及位置，以 降低由邊緣工具〗n所偵測得之不必妾邊緣的數目。舉例 來説’操作員將所關注之各區域1〇9之高度設定爲垂直影 像大小之函數。操作員將高度設定成包括反射器]〇3在靠 近區域109之頂端之其全部直徑的邊緣，及包括全部的反 射103’，直至其在接近區域1〇9之底部被反射器1〇3隱藏而 看不到爲止較佳。同樣地，操作員將各區域1〇9之寬度設 爲水平影像尺寸之函數’以包括靠近區域1〇9之外侧之反 射益1 03的邊緣’及包括足夠的反射丨〇3，，以提供供内側邊 緣工具掃描用之邊緣“標的，，。操作員可更調整攝影機5 3 之位置作爲“微調”，以排除由取景孔所造成的任何邊緣。 在步驟13 1，操作員亦確定對外側及内側（分別爲上方及下 方）邊緣工具111有足夠的掃描面積。由於外侧邊緣工具 111係掃描固定的標的（即反射器103之邊緣），因而其面積 可甚小於（例如，區域109之大小的38%)掃描可能移動之標 的之内側邊緣工具11丨，此可能移動之標的即爲將由於熔 體液位4 5之變化而移動之反射丨〇31的邊緣。 在步驟13 3，操作員定義邊緣工_具！丨丨之邊緣偵測臨限 値，以偵測反射器103。在步驟135，操作員以類似方式調 -21 - (請先閱讀背面之注意事項再填窝本頁) /裝*-------訂---------線、 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 η 八 Μ 公 97 2 X 10 2 f\ 4- A 1/ η 1Ν Jίs 4 44 0 7 3 A7 B7 五、發明說?月（19 ) 整邊緣偵測臨限値，以偵測反射1031。邊緣強度臨限參數 控制偵測何邊緣及忽略何者。邊緣工具111測量光強度之 變化，並沿其視窗之長度計算此等變化之「分數」。如分 數大於臨限値，則工具111報告在該位置找到邊緣。在一 具體實例中，將邊緣工具π 1設置成將第一邊緣報告给PLC 71。舉例來説，如偵測晶體彎月面1〇1，則可將其他邊緣 偵測工具設置成報告最強及最佳的邊緣。邊緣工具111具 方向性，對外側邊緣係向内測量，及對内侧邊緣係向外測 量。舉例來説，操作員設定一外部邊緣強度臨限値，以確 保外側邊緣工具11 1正確地找到反射器103之上方邊緣。由 於外側邊緣工具111係朝影像中心向内尋找，因而如邊緣 太快被找到（在反射器103外部），則可能需要增加此値， 或如正確的邊緣被錯過，則需將此値減小。同樣地，操作 員設定一内部邊緣強度臨限値，以確保内侧邊緣工具I 1 1 正確地找到反射103_。由於内側邊緣工具係遠離影像中心 向外尋找，因而如邊緣太快被找到（在反射1 〇3'内部），則 可能需要增加此値，或如正確的邊緣被錯過，則需將此値 減小。應明瞭對於由不同材料所製得之不同類型的反射 器，臨限値可能不同。 . 現參照圖8 A及8 B，包括控制單元5 1的系統i 1於起始 後’根據流程圖141操作，而提供晶體成長裝置丨3之閉環 控制。攝影機5 3於步驟143開始，產生坩堝} 9内部，包括 反射器1 〇3及其反射1〇3_之影像。在步驟145，視像系統6 3 之框形缓衝器6 7自攝影機5 3之視頻影像信號捕捉影像， -22- 本纸扳又度適用中®國家標準（CNS)A4規烙（210 X 297公楚） {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) .-.1¾ ----訂---------線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 444073 Λ7 Β7 五、發明說弭（20) 以經由影像處理器6 9處理。 在歹驟149 ’视像系統6 3開始在區域1 〇9内之邊緣偵測。 影像處理器69與PLC 71操作結合，而將影像成像元値之函 數處：，以偵測影像中之邊緣。處理器69執行數個分析影 像之；ϋ式，包括分析在定義影像區域中之灰階變化（成影 像強度I函數）的邊緣偵測常式較佳。熟悉技藝人士知曉 用於找出及計算影像中之邊緣的各種邊緣偵測算子或演算 法。舉例來説，適當的邊緣偵測常式包括肯尼（Canny)或哈 弗（Hough)演算法。應明瞭除了強度之外，尚可使用其他 的影像特性，諸如強度梯度、顏色或對比.，於以光學方式 區別在熔體2 9之表面99上之f月面1〇1或其他物體與熔體 2 9的本身。 在步驟149，影像處理器6 9利用左側區域1〇9之上方邊緣 工具111向内掃描，以偵測反射器！ 〇3之邊緣。如影像處理 器6 9在步驟15 1判定未偵測到邊緣，則其在步驟i 53報告鄰 接於影像之左側邊界的偵測邊緣。換言之，如影像爲Μ。 像元九’則影像處理器6 9報告邊緣在像元#丨。如此使pLC 7 1可知曉掃描並未偵測到有效邊緣。同樣地，影像處理器 69在步驟157利用左側區域109之下方邊緣工具m向外掃 描，以偵測反射1031之邊緣。如影像處理器6 9在步驟i 59 判定未偵測到邊緣，則其在步驟.161報告鄰接於影像之右 侧邊界的偵測邊緣。在此情況中，影像處理器6 9報告邊緣 在像元#639，以使PLC 71可知曉#描並未偵測到有效邊 緣0 -23- ΐ ® ®家標準办SM4驗⑵0 X 297公楚） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) J I n n』-nJ_ n It n n 線. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 444073 五、發明說¥ (21) 繼續進行至處理右側區域109之步驟165，影像處理器69 利用右側區域109之下方邊緣工具i丨][向外掃描，以偵測反 射103,之邊緣。如影像處理器69在步驟167判定未偵測刻 邊緣’則其在步驟169報告鄰接於影像之左側邊界的偵測 邊緣。換言之，影像處理器6 9報告在像元# 1之無效邊 緣。同樣地，影像處理器69在步驟173利用右側區域1〇9之 上方邊緣工具111向内掃描，以偵測反射器i 〇3之邊緣。如 影像處理器69在步驟175判定未偵測到邊緣，則其在步驟 Π7報告鄰接於影像之右侧邊界的偵測邊緣。在此情況 中，影像處理器69報告在像元#639之無效邊緣。如影像處 理器69在步驟179完成掃描區域1〇9，則其繼續進行至圖 8B之步驟181»另一方面，如邊緣工具lu並不在各別掃 描區域109之末端，則影像處理器回到開始於步驟ι49之掃 描常式。 影像處理器6 9根據偵測得之邊緣選擇用於測量反射器 103及其反射〗03,之直徑之像元數的最大及最小“父位置，， 値。在步驟181，影像處理器6 9根據在步驟1 73偵測得之最 右側邊緣與在步驟149侦測得之最左側邊緣之間的差，測 定反射器103之直徑。影像處理器6 9在步驟183以轉似方式 根據在步驟165偵測得之最右側邊緣與在步職157偵測得之 最左側邊緣之間的差’測定反射j 031之直徑。影像處理器 ό 9接著繼續進行至步驟丨85，以經由vme匯流7 5將測量直 徑報告給控制單元5 1之PLC 71 ^ 在步驟189，PLC 71接受反射1 〇3’之測量直徑，並將其調 -24- C請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ,1^--------訂 ---- 線、 格 規 4 -A s) N y 準 標 國 國 中 用 適 度 尺 張 纸 本 釐 公 7 9 2 X ο Λ4Α ο"7 3 Λ4Α ο"7 3 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Λ7 _____Β7 _ 五、發明說明（22 ) 整，以對在熔體表面9 9上之坩堝旋轉的效應提供補償程 度。如前所述，坩堝1 9之旋轉使表面9 9成爲“碟形，，，而 非完全平面。在一較佳具體實例中，PLC 71經由將反射 1 03'之測量直徑乘以補償因子C F，而補償坩堝旋轉效應： 補償因子：CF = (1 - 0.00012 X RPM2) 熟悉技藝人士當明白補償因子可利用其他方式測定。舉 例來説’ Faber，物理學家的流體動力fFluid Dynamic for Ph^.icii^s) ’ 1995，42頁，敎授旋轉中之容器對容器中之液 體表面的作用，並提供可以數學方式導出補償因子之方程 式’將其以提及的方式併入本文中。 繼續進行至步驟191，PLC 71使用反射器103之測量直徑 及反射103’之校正直徑於計算許多參數。在本發明之此具 體實例中，PLC 71計算自攝影機5 3至反射器1 03之距離 D ’及自攝影機5 3至相對之虛像（即反射1 〇3，）之距離d，。 PLC 71根據此等計算而測定反射器103之垂直位置γ及相對 虛像（即反射1 03')之垂直位置γ |。pLC 7 1最終計算反射器 高度參數HR及熔體液位參數ML(在圖3中亦稱爲高度 Η )。控制單元5 1接著反應此等測定參數執行程式，而控 制晶體成長裝置1 3。在—較佳具體實例中，控制單元5 i 之PLC 7 1係反應測得的溶體液位、反射器高度及溶體間 隙’以控制晶體成長程序。尤其，pLC 7 1係反應此等參數 之測疋，以控制掛碼1 9之液位、加熱器2 1之溫度、旋轉 速度及/或拉引速率，因而控制晶:體成長裝置13。如此而 進行閉環控制。 -25- <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 1裝--------訂---------線、^> 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4 X 297 厶在在Ο 7 3 Α7 __Β7 五、發明說明（23 ) 鑑於以上説明，可以看到已達成本發明之數個目的，並 達到其他有利的結果。 由於可不脱離本發明之範園而在以上之結構及方法中進 行各種變化，因而應將在以上説明中所包含或示於附圖中 之所有内容解釋爲説明性，而非具限制意味。 ----：-----------裝-------—訂-------*'" {請先閱讀背面之注意事項再填窝本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印裝 本紙張尺度適用中國國家標準（CNSM4規格（210>< 297公釐）