專利名稱：控制硅單晶生長的方法與系統(tǒng)的制作方法
背景技術：
本發(fā)明一般涉及一種用來對采用恰克拉斯基工藝生長硅單晶的裝置和方法進行控制的改進方法和系統(tǒng)，尤其涉及一種用來測量硅單晶參量的觀察系統(tǒng)和方法以及用于根據測量參數自動控制生長過程的硅單晶生長工藝。
絕大多數單晶體或單晶、即在微電子工業(yè)中用來制作硅片的硅是通過單晶拉制機采用恰克拉斯基工藝生產的。簡單地說，恰克拉斯基工藝涉及到在位于為了形成熔融硅特別設計的爐子中的石英坩鍋內熔化高純度多晶體硅即多晶硅的塊或顆粒。通常，多晶硅是用例如Siemens工藝制備的形狀不規(guī)則的多晶硅塊。任選地，可以使用由相對更簡單和更高效的液態(tài)床反應工藝制備的自由流動的一般球狀顆粒多晶體硅。多晶硅塊或顆粒的制備及其特性在F.Shimura，半導體硅晶體技術，116-121頁，學術出版社(San Diego CA，1989)及其中引用的參考文獻中已有進一步的詳述，。
特別是一整堝多晶硅料塊，在熔融時料塊可以移動，或其較低部分熔化而留下一個位于熔融液上面粘貼到坩堝壁的未熔化材料的“懸掛塊”。當料塊移動或懸掛塊倒塌時，可能濺起熔融硅并引起對坩堝有破壞的機械應力。然而，通過適當控制熔化時的坩堝溫度，懸掛塊效應及類似現象是可以減少的。
根據恰克拉斯基工藝，一根相當小的籽晶被懸掛在坩堝上方的一根提拉纜繩或桿子的底端上，這根提拉纜繩或桿子掛在用于升高和降低籽晶的晶體升降裝置上。在熔化結束后，晶體升降裝置降低，使籽晶與坩堝內的熔融硅接觸。當籽晶開始熔化時，這個裝置以滿足得到所期望晶體直徑的方法從熔融硅中拉晶，從而生長出這種直徑的單晶硅。隨著籽晶的拉出，從熔融液中拉制出硅。在這個生長過程中，坩堝按某一方向旋轉，而且單晶升降裝置、纜繩、籽晶和晶體則按相反方向旋轉。
當單晶體開始生長時，與熔融液接觸的籽晶的熱震動可能引起單晶中的位錯。如果不是將其限制在籽晶和主體單晶之間的頸部，這種位錯會傳播到整個生長晶體并得以放大。在硅單晶體內所熟知的限制位錯的方法涉及要以相當高的拉晶速度生長小直徑的頸部，來完全在單晶主體生長前消除位錯。在位錯被限制在頸部后，單晶直徑被放大，直到達到主單晶體所要求的直徑。
將恰克拉斯基至少部分地工藝控制成為開始生長晶體主體直徑的函數。共同轉讓的申請序列號08/459、765和08/620、137分別描述方法和系統(tǒng)，用于精確可靠地測量晶體直徑，探測零位錯生長和確定硅熔體高度。
幾個因素，包括晶體直徑和熔體高度，影響和表示晶體生長過程中的單晶尺寸和質量。例如提供給坩堝的熱量，熔融硅的溫度，熔融液中或坩堝壁附近未熔的或再結晶的多晶硅的存在，坩堝的直徑，熔融液中的石英的存在以及晶體-熔體交界處彎月的大小和形狀都會影響這個過程并提供有關單晶的信息。因此，需要確定與這些因素相關的幾個參數的精確和可靠的系統(tǒng)用于控制單晶生長過程。發(fā)明概要在本發(fā)明的目的和特點中可以注意到提供了一種克服上述不利條件的控制和運作的改進方法和系統(tǒng)；這種方法和系統(tǒng)用于按照恰克拉斯基工藝運行的單晶生長裝置；用這種方法和系統(tǒng)測量多晶硅料在坩堝內熔化形成硅熔體的速度；用這種方法和系統(tǒng)確定完全熔化；用這種方法和系統(tǒng)測量熔體溫度；用這種方法和系統(tǒng)探測坩堝內固態(tài)多晶硅；用這種方法和系統(tǒng)探測籽晶晶體和熔體間的接觸；這種方法能有效而經濟地實現以及這種系統(tǒng)經濟上可行而商業(yè)上實用。
簡單地說，體現本發(fā)明目標的閉環(huán)控制方法是配合生長硅單晶晶體的裝置使用的。單晶體生長裝置有一加熱坩堝用來熔化固態(tài)硅以形成拉制單晶的熔融液。直到被全部熔融，這種熔融液上部會顯露高出上表面的未熔融硅。該方法包括一個產生坩堝內部的一部分的圖象的步驟。這些圖象每個都包括多個像素，而這些像素每個都具有一個表示圖象光學特性的值。該方法還包括將圖象處理成為一個像素值的函數來探測圖象邊緣，并將探測的邊緣組合成為圖象中的位置函數來確定圖象中的目標。其確定的目標每個包括一個或多個像素，而至少一個所確定的目標代表在熔融硅表面可見的固態(tài)硅的一部分。這個方法還包括一個根據所確定的目標至少確定一個代表單晶生長裝置條件的參數，以及響應所定義的參數控制單晶生長裝置。
一般，本發(fā)明的另一種形式是一種與硅單晶生長裝置組合使用的系統(tǒng)。單晶生長裝置有一個用于將固態(tài)硅熔化形成拉出單晶的熔融液的加熱坩堝。熔融液具有曝露出未熔化的硅的上表面，直到被熔化。系統(tǒng)包括一臺產生坩堝內部部分圖象的攝像機。這些圖象每個都包含許多像素，而這些像素每個都有一個代表圖象光學特性的值。該系統(tǒng)還包括一個將圖象處理成像素值的函數來檢測圖象邊緣的圖象處理器。圖象處理器將探測的邊緣作為圖象中圖象位置的函數確定該圖象中的目標。所確定的目標每個包括一個或多個像素，而至少一個所確定目標代表在熔融硅表面可見的固態(tài)硅的一部分。這個系統(tǒng)還包括一個根據所確定目標確定代表單晶生長裝置條件的至少一個參數、以及響應所確定參數控制單晶生長裝置的控制電路。
任選地，本發(fā)明可以構成各種其他的方法和系統(tǒng)。
其他目標和特點將在下面部分出現或部分指出。附圖簡述

圖1是根據本發(fā)明的優(yōu)選實施例的單晶生長裝置和控制單晶生長裝置系統(tǒng)的例子。
圖2是圖1系統(tǒng)控制單元的方框圖。
圖3是展示多晶硅塊部分熔化初始材料的圖1單晶生長裝置的剖面圖。
圖4是展示正在從這種盛裝的熔融液中拉制硅單晶局部視圖的圖1單晶生長裝置的剖面圖。
圖5-9是表示圖2控制單元運行的典型流程示意圖。
相應的標識字符表示全部附圖的對應部分。優(yōu)選實例詳細描述現在參考圖1，系統(tǒng)21是用來說明根據本發(fā)明的恰克拉斯基單晶生長裝置23。在所舉實例中單晶生長裝置23包括圍繞在坩堝27周圍的真空腔25。一個加熱電源29給環(huán)繞在坩堝27上的電阻加熱器或其他加熱裝置31供電。隔熱材料33正好放置在真空腔25的內壁處。通常水冷外套(未表出)將水饋送到真空腔25的周圍，當真空泵(未表出)從真空腔25內抽去氣體后，惰性氣體氬氣氣體35(見圖3和圖4)饋送到真空腔25中。
根據恰克拉斯基單晶生長工藝，一定數量的多晶體硅或多晶硅，其一部分在圖3中一般表示成37，裝填到坩堝27中。加熱電源29通過給電阻加熱器31提供電流來熔融料塊，于是形成拉制單晶體41的硅熔融液39。單晶體41從系在提拉桿或纜繩45上的籽晶43開始生長。如圖1所示，單晶體41和坩堝27具有一個共同的對稱軸47。
坩堝驅動單元49，例如按順時針方向轉動坩堝27，并按單晶生長工藝需要提升或降低坩堝27。單晶體驅動單元51按與坩堝驅動單元49轉動坩堝27方向的相反方向轉動纜繩45。單晶體驅動單元51也按單晶生長工藝需要，相對于熔融硅液面53提升或降低單晶體41。單晶體驅動單元51首先經過纜繩45將籽晶43降低到幾乎與熔融硅39接觸處預加熱，然后在熔融硅液面53處與熔融液39接觸。當籽晶43熔化時，單晶體驅動單元51將其從坩堝27盛裝的熔融液39中慢慢上拉晶，籽晶43從熔融液39中拉出的硅就產生硅單晶41的生長。
在一個實例中，隨著單晶體驅動單元51將單晶體41從熔融液39中拉出的同時以一標準速度轉動單晶體41。坩堝驅動單元49以第二個標準速度、但是通常以相對于單晶體41相反的方向類似地轉動坩堝27。一個控制單元55開始控制其拉晶或拉出速度，以及由電源29施加在加熱器31的功率從而產生單晶體41的頸。在單晶生長過程中精確而可靠的控制是必須的，特別是單晶體41的頸部分生長期間。頸部最好以當籽晶43從熔融液39中拉出時基本恒定的直徑生長。例如，控制單元55保持基本恒定頸部直徑約為所需主體直徑的百分之十五。當頸部達到所需長度后，控制單元55調整轉速、拉制速度和加熱參數來引起單晶41直徑以錐形形式增加，直到達到所需單晶主體直徑。一旦達到所需單晶體41直徑，控制單元55控制著生長參數，來保持由系統(tǒng)21測量的相對恒定直徑直到這個過程接近結束。在鄰近結束處，拉制速度和加熱功率增加來減少其直徑以便形成單晶體41尾端逐漸變細的部分。共同轉讓的美國專利No.5,178,720，其全部內容在此作為參考，其中揭示了一種作為晶體直徑函數控制晶體和坩堝旋轉速度的優(yōu)選方法。
更可取地，控制單元55以至少一個兩維攝像機57聯合確定生長過程的多個參數來運行。例如，攝像機57是一種單色電荷耦合器件CCD攝像機，例如分辨率為768×494像素的Sony XC-75CCD視頻攝像機。另一種合適的攝像機是Javelin SmartCam JE攝像機。攝像機57安裝在腔25的觀察點上方(未表出)，并總是對準熔融液面53上軸47和熔融液39的相交點(見圖3和4)。例如，某晶體生長裝置23的操作員將攝像機57定位在相對于基礎縱軸47成約34°的角度。
根據本發(fā)明，攝像機57產生單晶體41拉制前和拉制期間坩堝27內部的視頻圖象。在拉制期間，攝像機57產生的圖象最好包括熔融液39和單晶體41之間界面處半月面59(見圖4)部分。在一個優(yōu)選實施例中，攝像機57裝備一提供相對寬視野(如約320mm)的透鏡(如16mm)。該透鏡可以是一遠距離拍攝透鏡提供熔融液39和單晶體41之間界面的高質量觀察。在另一實施例中，系統(tǒng)21包括兩個攝像機57，一個專門提供觀察坩堝27內部相當寬范圍的視野，而另一個特別提供觀察熔融液——晶體界面相當窄范圍的視野。在每一例子中，熔融液39和單晶體41基本上自照明，而攝像機57的外部燈源是不需要的。為清楚起見，下面的描述涉及一個攝像機57。
控制單元55處理來自攝像機57以及其他傳感器的信號。例如，溫度傳感器61，如一個光電池，可以用來測量熔融液表面的溫度?？刂茊卧?5包括可編程數字或模擬計算機63(見圖2)，用于控制如作為處理信號的函數的坩堝驅動單元49、單晶驅動單元51和加熱功率電源29。
圖2以方框圖形式表示控制單元55的優(yōu)選實施例。攝像機57通過連線65(如RS-170視頻電纜)將坩堝27內部的視頻圖象傳送到視頻系統(tǒng)67。如圖2所示，視頻系統(tǒng)67包括視頻圖象畫面緩沖器69以及用于捕捉和處理視頻圖象的圖象處理器71。作為一個例子，視頻系統(tǒng)67是CX-100 Imagination Frame Grabber或Cognex CVS-4400視頻系統(tǒng)。同樣視頻系統(tǒng)67通過電纜75與可編程邏輯控制器(PLC)73通訊。在一個優(yōu)選實施例中，PLC73是Texas儀器公司制造的575型PLC和545型PLC，而電纜75表示通訊接口(如VME底板接口)。視頻系統(tǒng)67還通過電纜79(如RS-170RGB視頻電纜)與視頻顯示77通訊來顯示攝像機57產生的視頻圖象。可以理解某些視頻系統(tǒng)67也可以本身包含計算機(未表出)，也可以采用與個人計算機63結合來處理捕捉的圖象。
在圖2所示的實施例中，PLC73通過電纜85(如RS-232電纜)與計算機63通訊，而通過電纜89(如RS-485電纜)與一個或多個輸入/輸出模塊87通訊。根據本發(fā)明，計算機63用來對晶體自動化生長過程編程以及提供一個允許晶體生長裝置23的操作員輸入一組具體晶體生長所需參數的操作界面。工藝輸入/輸出模塊87提供一個控制生長過程的進入和輸出晶體生長裝置23的通道。作為一個例子，PLC73接收來自溫度傳感器61關于熔融液溫度的信息，通過工藝輸入/輸出模塊87輸出一個控制信號到加熱電源29來控制熔融液溫度從而控制晶體生長過程。根據包含PLC73的特定控制器，例如，通訊接口75可以是一個包括附加通訊版(如采用RS-422串行雙向PLC接口的程序接口擴展型2571型)的用戶VME架。
現在參見圖3，坩堝27具有一個內表面91，一個外表面93和通常沿軸47的中心線。坩堝27的內表面91可以涂覆一層反玻璃化助劑，并包括底部95、邊或側壁部分97。如圖3所示，坩堝27的側壁97基本上平行于那個相交于底部95的近似幾何中心點的X軸。盡管所表示的坩堝27的幾何圖形是最理想的，坩堝27的特定幾何圖形可以隨所舉實施例變化，而且仍屬于本發(fā)明的范圍。
在一個優(yōu)選實施例中，多晶硅塊或顆粒填料37被裝填到坩堝27中用來準備硅熔融液39。共同轉讓的美國專利No.5,588,993，以及申請序列號No.08/595,075，1996.2.1.申請，描述了準備多晶體硅原料的適當方法，它們引入本文作為參考。一旦裝入原料，坩堝27便置于單晶生長裝置23內，其中的加熱器31熔化多晶硅37，從而形成硅熔融液39。如圖3所示，多晶硅原料37部分熔化而形成熔融液39，而多晶硅37未熔化的固態(tài)部分浮在熔融液39的上層表面99上，因為它們具有比熔化硅更低的密度。如上所述，多晶硅37的原料在熔化時會發(fā)生轉變，或者說使其下層部分熔化掉，留下未熔化材料的懸浮塊，一般表示為101，附著在熔融硅表面99之上的坩堝壁97上。
進一步參考圖3，位于與坩堝驅動單元49相連的活動底座105上的基座103支撐著坩堝27。底座105的定位使得坩堝27的底部95正好接近加熱器31的頂部，并逐漸降低進入加熱器31內部的空間。坩堝驅動單元49降低坩堝27使進入加熱器31的速度以及其他因素(如加熱器功率，坩堝旋轉速度和系統(tǒng)壓力)降低，影響多晶硅37的熔化。在恰克拉斯基方法中，凈化氣體35在多晶硅37的加熱期間將不需要的氣體(例如SiO(氣態(tài)))沖到坩堝27之外。一般純凈氣體35是一種惰性氣體，如氬氣。
如上所述，攝像機57安置在腔25中的觀察點處，且總是瞄準軸47和熔融液39的表面99之間的間隙。這樣，攝像機57的光學軸107與軸47成一銳角θ(如θ≈15-34°)。根據本發(fā)明，攝像機57最好提供覆蓋坩堝27寬度的視野。此外，選擇合適的鏡片和攝像機既可遠距離高分辨率地觀察小籽晶和頸部，也能寬視角地觀察多晶硅原料37和更大部分的單晶體41。
圖4是對從熔融液39中拉制的硅單晶41的不完整觀察，表明了單晶生長過程隨籽晶43的熔化和浸漬的較晚相位。如圖所示，單晶體41形成一個直徑為D的一般圓柱體結晶硅(即硅錠)。應當了解象單晶41這樣的生長晶體不會具有均勻的直徑，雖然它基本上是圓柱體。因此，直徑D在沿軸47的不同軸向位置處會稍有變化。而且直徑D在不同的晶體生長階段(如籽晶，頸部，冠頂，肩部，主體和尾端)都會發(fā)生變化。
圖4還表示出熔融液39的表面99在單晶體41和熔融液39之間交界處形成液態(tài)彎月59。正如工藝中所熟知的，坩堝27特別是坩堝壁97對彎月面59的映象往往在單晶體41附近作為一個亮環(huán)可見。同樣，熔融液表面99在熔體-坩堝交界面處形成液態(tài)彎月面109，并在坩堝壁97附近出現亮環(huán)。在優(yōu)選實例中，攝像機57提供包括單晶體41的寬度和至少部分彎月59的亮環(huán)的視野。攝像機57(或另一攝像機)還提供包括坩堝27的寬度和至少部分彎月109的亮環(huán)的視野。此外，廣角視野允許探測熔融液39的冷卻或結晶部分，稱為結冰并一般表示為111。這樣的結晶通常發(fā)生在坩堝側壁97和熔融液39的交界處，且在熔融液表面99上并朝單晶體41方向生長。
現在參見圖5，系統(tǒng)21包括控制單元55，按流程圖113運行以提供晶體生長裝置23的閉環(huán)控制。從步驟115開始，攝像機57產生至少部分的坩堝27內部圖象。視頻系統(tǒng)67的畫面緩沖器69從攝像機57的視頻圖象信號中收集圖象并由圖象處理器71處理。正如圖5所表示的，預料可以采用多個攝像機57。例如視頻系統(tǒng)67可以接收來自多個晶體生長裝置23的輸入信號，每個至少有一個攝像機57安裝在其觀察通道上。根據本發(fā)明，視頻系統(tǒng)67分別處理每個生長裝置23的圖象。
拍攝到的坩堝27內部圖象每個包含多個像素，而每個像素含有一個代表檢測到的圖象光學特性的值。在這個例子中，像素值或灰度對應像素的亮度。在視頻系統(tǒng)技術中，定義邊緣為圖象中那些在相當小的空間區(qū)域上灰度變化相當大的區(qū)域。在步驟117中，與PLC73一起運行的圖象處理器71將圖象處理成像素值的函數來檢測圖象中的邊緣。更可取的是，圖象處理器71執(zhí)行幾個程序來分析圖象，包括分析給定圖象范圍內的灰度變化(作為圖象亮度的函數)的邊緣檢測程序。用來發(fā)現和計算圖象中的邊緣的各種邊緣檢測操作器和算法是工藝人員所熟知的。例如，可使用的邊緣檢測程序包括Canny和Hough算法。應當了解的是除了亮度外，圖象的其他特性，例如亮度梯度，顏色或對比度都可以用來從光學上將熔融液39表面99上的東西與熔融液39本身區(qū)別開來。飄浮的固態(tài)多晶硅37具有比熔融液39更高的亮度，于是在固-液界面看到突變。
作為檢測步驟117的部分，例如處理器71執(zhí)行連接性分析而將圖象中檢測到的邊緣組合成其在圖象中的位置的函數(即它們的坐標)。在這個方法中，視頻系統(tǒng)69(或計算機63)確定圖象中的一個或多個目標。每個被確定的目標包括一個或多個像素，并代表在熔融液表面99可見到的一部分固態(tài)硅。例如，可以用一個邊界框(即能夠包括不規(guī)則形狀目標的最小矩形)及其在圖象中的坐標來描述一個或幾個被確定的目標。另外，確定的目標可以通過檢驗目標的形狀(如目標最大與最小軸的比值)或目標本身的面積而用常規(guī)的點陣分析來描述。
在步驟119，視頻系統(tǒng)67的圖象處理器71根據確定的目標來決定晶體生長裝置23的參量。例如這些參量包括熔化的完成、籽晶-熔熔體的接觸、零位錯生長的失配、結晶熔融液39(如結冰111)的出現、屬于多晶硅37附屬部分(例如懸掛塊101)的出現，以及熔融液39中石英的存在。在步驟121，圖象處理器71給PLC73報告所確定的參量。在一個實例中，系統(tǒng)21包括為每個晶體生長裝置23配備一個PLC73。
圖象處理器71還根據在步驟123確定的目標計算其他生長工藝參量。例如，圖象處理器71確定某個或全部下述參量未熔化多晶硅原料37的尺寸、熔融液39的浸入溫度、單晶體41的直徑、坩堝27的直徑、檢測到的冰塊111的尺寸、冰塊111與單晶體41間的距離、檢測到的懸掛塊101的尺寸、懸掛塊101與坩堝27中心之間的距離以及檢測到的石英的尺寸。在步驟121，圖象處理器71還對PLC73報告這些參量。在步驟125，中心控制單元55則按照所確定的參量執(zhí)行程序來控制晶體生長裝置23。
圖6以流程圖127形式根據一個優(yōu)選實施例說明系統(tǒng)21的運行。另外，圖6還表示用于執(zhí)行流程圖127的步驟的控制單元55的各個組成部分。
在運行中，在控制單元55啟動生長過程的籽晶浸入狀態(tài)前，系統(tǒng)21提供一個多晶硅原料37何時完全熔化的指示。相反，現有控制系統(tǒng)必須依靠操作員來確定熔化或假定預定的加熱時間間隔后完全熔化。通過檢驗顯示在表面99上飄浮多晶硅37的圖象，視頻系統(tǒng)67能計算出每個圖象的表面積。這可以通過邊緣檢測并測出坩堝27的直徑，將像素轉換成表面積來完成。剩余原料37的尺寸差別則用來提供熔化速度，控制單元55用這個速度來調整加熱器31的功率，以便達到所需熔化速度。這就得到與現代自動系統(tǒng)中采用的開環(huán)功率控制相比較的熔化閉環(huán)溫度控制。
另外，多晶硅37的熔化速度提供了籽晶(即浸入)溫度指示。坩堝轉動的影響是必須考慮的，因為熔化時的轉速一般比浸入時的轉速低得多。例如，在熔化時坩堝27以約1-2轉/分(rpm)速度轉動，而在浸入時坩堝27以約10-15轉/分(rpm)的速度轉動。因此，電源29提供給加熱器31的功率應該作為轉速的函數而變。
現在參見圖6的實施例，整個熔化階段一般持續(xù)約三到四小時。例如，約2小時的初始加熱周期后，視頻系統(tǒng)67開始觀察坩堝27的內部。在這個優(yōu)選實例中，攝像機57拍攝熔融液表面99中心區(qū)域的圖象來監(jiān)測熔化階段。當由PLC73指示開始檢測時，視頻系統(tǒng)67的畫面緩沖器69以規(guī)則的時間間隔(如每秒)獲取坩堝27內部的圖象。在步驟129，圖象處理器71對這些圖象進行處理，以便探測飄浮在熔融液39表面99上未熔化多晶硅37的存在。在這種情況下，相應于未熔化多晶硅37邊緣的像素具有比熔融液39周圍高得多的灰度，或者說像素值。換句話說，熔融液39顯得比固態(tài)多晶硅37的邊要暗。在131步，通過探測飄浮多晶硅37的邊緣，視頻系統(tǒng)67能夠得到飄浮多晶硅37的表面積(大小)的近似測量值。例如，視頻系統(tǒng)67確定一個參量來表示飄浮多晶硅37尺寸從1mm2到150mm2。
例如，圖象中位于飄浮多晶硅37四周的畫面或邊框確定固態(tài)未熔化多晶硅37的尺寸。這個畫面的尺寸隨多晶硅37的熔化減少到零。控制單元55利用這一測量來得到完全熔化的自動指示。關于這一點，完全熔化以在熔融液39表面99上再也探測不到最后一塊固態(tài)多晶硅37(即多晶硅原料37完全熔化)的時間為標記。事實上，完全熔化參量是“是”或“否”的數字表示。
尤其是，圖象處理器71在步驟131執(zhí)行一種檢查算法，通過在覆蓋熔融液39中心區(qū)的整個子窗(或感興趣的區(qū)域)上先將連續(xù)圖象依次相減而形成差別圖象。在這種方法中，視頻系統(tǒng)67不計算圖象中的任何恒定特征(如在視窗中已經固化的硅污跡)。同時，圖象處理器71保持對視場內任何亮度變化的靈敏性。通過相減程序揭示的變化指出飄浮在熔融液39上的固態(tài)多晶硅37的形狀、位置或角度的變化，從表面波引起的熔融液表面99的映象系數的變化以及由于熔融液39波動引起局部熔體溫度的變化。更可取的是，對比度和尺寸閾值的設置要高到足以排除由表面波和熔體溫度局部起伏引起的變化，而又不足以失去固態(tài)多晶硅37小島。例如，通過對差別圖象進行模糊點分析，視頻系統(tǒng)67對由連續(xù)圖象的變化產生的高亮度子區(qū)間進行檢測。如果發(fā)現一個超過固定亮度和尺寸閾值的子區(qū)域，視頻系統(tǒng)67則報告在視場中存在固態(tài)多晶硅37，并報告子區(qū)間尺寸的時間平均值。
如視頻系統(tǒng)67在131步確定(飄浮多晶硅)表面積仍不為零，則操作進入133步。在133步，PLC73執(zhí)行一個程序來確定多晶硅原料37的變化速度。固態(tài)多晶硅37尺寸變化的速度正是多晶硅37熔化速度的指示，因而與熔化溫度有關。在一個優(yōu)選實例中，例如，圖象處理器71每秒對PLC73報告熔化速度。控制單元55利用這個測量值來調整電功率以控制坩堝27內的溫度，從而控制多晶硅37的熔化。按照133步確定的熔化速度，PLC73在135步給加熱器31確定一個合適的功率值，從而在137步使加熱器電功率29作適當調整。
相反，在131步(飄浮多晶硅)表面積變?yōu)榱愫?，由于固態(tài)多晶硅37探測完了，視頻系統(tǒng)67增加一個計數器來跟蹤連續(xù)圖象的數目。無論何時固態(tài)多晶硅37作檢測，這個計數器都重置為零。如果通過好幾個連續(xù)獲得的圖象(如以每秒鐘一個的30個圖象)而沒有檢測到任何固態(tài)多晶硅37，則圖象處理器71給PLC73報告熔化完成，并在浸入籽晶43以前進入139步的下一個熔化穩(wěn)定狀態(tài)。
按類似于檢測熔融液表面99上飄浮多晶硅37的方法，可以預料視頻系統(tǒng)67也可以用來觀察在接近熔化狀態(tài)終了時那些附著在多晶硅37上的小石英塊。即使多晶硅原料37熔化后，這些石英塊(通常形成團)往往還繼續(xù)飄浮。這些石英塊的特征是有相當高的灰度，相當小的尺寸(即比最后見到的多晶硅塊37更小)和快速的運動。在這個例子中，可根據灰度的突變將石英塊與多晶硅37相區(qū)別。另外，還希望能夠將飄浮的石英塊與固體多晶硅37相區(qū)別，并報告其尺寸。根據本發(fā)明，視頻系統(tǒng)67對熔體表面99執(zhí)行連續(xù)跟蹤并報告可檢測石英塊的存在。還可以預料，除了指示石英是否存在于熔體39中外，石英參量還提供1mm2到150mm2的石英尺寸指示。
根據本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，一旦初始熔化階段完成，視頻系統(tǒng)67便開始監(jiān)測熔體面水平53。為此應用起見，定義熔體面水平53為從加熱器31的頂部到熔體39的表面99的距離，并可確定其為中心點C坐標的函數。圖象處理器71最好確定指示熔體面水平53的中心點C。在這個實例中，中心點C的Y坐標和參考值之差用來確定熔體面水平53。另外，商品可獲得的光學方法(即安裝在腔體25蓋版上的光束/探測裝置)也可用來確定熔體面水平53。熔體面水平53的確定可以用來減少直徑測量值的變化，即通過校正因子的計算和控制坩堝27的升高而減少熔體面水平53的變化來實現。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實例中，代表熔體面水平的參量值范圍是±75mm。
更可取的是，系統(tǒng)21配有多個攝像機，其中廣角攝像機57拍攝熔體-坩堝界面，而小視角攝像機57拍攝熔體-晶體界面。按周期性時間間隔，對這些界面(即分別為彎月面109和彎月面59)分別進行探測，并且每個都與(例如)一個橢圓相吻合。每個橢圓的寬度和中心點則可用在一個公式中，來推導相對于固定Z-軸原點的實際的熔體面水平53。該公式還用到已知的攝像角度、透鏡的焦距長度，傳感器取樣速度以及到坩堝27和單晶體41的公共轉軸47的距離。在生長過程中，隨著熔體因晶體生長而耗盡，相對于坩堝壁的熔體面水平53下降。但提升坩堝而維持熔體面水平53基本上處于同樣的垂直位置。
共同轉讓的申請系列號No.08/459,765(1995.6.2.申請)和申請系列號No.08/620,137，(1996.5.21.申請)分別描述了用來精確而可靠地對晶體直徑及熔體面水平進行測量的優(yōu)選方法和系統(tǒng)，其整個內容在這里結合起來作為參考。除晶體直徑測量外，坩堝直徑測量在計算熔體面水平53時是有用的，特別是拉制單晶體41以前。還有，這個參量的精確測量減少了由于從坩堝到坩堝的尺寸變化和由于每次運行中熱膨脹引起的誤差。于是，視頻系統(tǒng)67熔體-坩堝彎月面109的探測和處理類似于熔體-晶體彎月面59，從而得到坩堝27的在線直徑測量。
如上所述，本發(fā)明的一個優(yōu)選實例包括一個用來提供有關熔融液39溫度信息的溫度傳感器61。熔體溫度一般使用直接或間接的第二個傳感器測量，例如位于相對于熔體39的固定位置上的溫度傳感器61。一般來說，這樣的傳感器要求手工校準，且不能掃描和測繪熔體表面溫度。在另一實例中，取代或除了溫度傳感器61之外，視頻系統(tǒng)67提供熔體溫度信息，以便克服與正常溫度傳感器相關的這些不足。
根據本發(fā)明，所采集的那些表示多晶硅原料37未熔化部分的圖象也提供有關熔體39溫度的信息。當熔化其熔體內很小片的結晶固體時，固態(tài)-熔體界面幾乎處于固態(tài)熔點溫度。遠離界面的固態(tài)區(qū)域溫度勢必低于熔點。相反地，遠離界面的熔體區(qū)域溫度勢必高于熔點。
在本發(fā)明中，假定正好在開始熔化之前，多晶硅37的極小片固體樣品界面溫度接近硅的熔點(即1414℃；1687°K)。因此，本發(fā)明一個優(yōu)選實例設定固體-熔體界面的灰度等于硅熔點。黑體輻射方程則可用來根據其亮度比得到兩個像素的熔化溫度之比。利用這種方法，可以得到熔體39的每個像素溫度。更可取的是，圖象處理器71每秒鐘給PLC73報告一次熔體溫度參量?？刂茊卧?5利用這種測量調整電功率來控制坩堝27內的溫度，從而控制多晶硅37的熔化。本發(fā)明提供熔體表面99的溫度閉環(huán)控制來得到所需的浸入溫度。
作為一個例子，視頻系統(tǒng)67處理浸入狀態(tài)以前熔化期間采集的許多熔體表面99的圖象。例如，一種中間濾波技術可減少某一范圍內像素到像素光強的波動。在一個實例中，視頻系統(tǒng)67忽略固態(tài)-熔體界面的像素，以進一步區(qū)別熔體表面99的像素和固態(tài)多晶硅37的像素。
一般來說，在熔體39和觀察到的飄浮在熔體表面99上的最后一塊多晶硅37之間界面處的灰度級別基本上是恒定的，并確定為對應于硅的熔點溫度。最后一塊多晶硅37周圍區(qū)域比熔體表面99的其余區(qū)域更暗(即灰度較低)。于是，在采集的圖象中對應于其他像素的熔體39的溫度可以由下式決定(T/168°K)＝(GL/GLI)1/4其中GLI是在熔體-固態(tài)界面上未熔化多晶硅37的像素值或灰度級別，而GL是圖象中其他位置的像素值或灰度級別。
對于又一個例子，熔體溫度參量范圍從1000℃到1600℃。如果GLI是79(對應于溫度1414℃)，而在熔體表面99中心處的GL是73，則熔體中心的溫度約為1381℃。既然浸入溫度必須接近硅的熔化溫度，控制單元55最好通過加熱電源29增加供給加熱器31的功率以提高熔體39的溫度。
應當了解的是，熔化終了時坩堝旋轉速度一般不同于浸入狀態(tài)開始時的坩堝旋轉速度。這個差別可能是引起光強變化的原因，因為從熔體面99的映象可能產生溫度誤差。另外，紅外(IR)靈敏攝像機可能提供改進的效果。
圖7根據一個優(yōu)選實例按流程框圖141形式說明系統(tǒng)21的運行。此外，圖7說明執(zhí)行流程框圖141的控制單元55的各項組成。
在運行中，系統(tǒng)21提供一個指示表明部分多晶硅37(如圖3中所示的懸掛塊101)何時附著到坩堝壁97上。有利的是系統(tǒng)21不僅提供一個yes/no參量來指示懸掛塊101是否存在，而且還通過檢測其在熔體表面99的映象提供1mm2到150mm2的懸掛塊尺寸參量。這使得控制單元55可測量從懸掛塊101到熔體39中心的距離，以便能確定懸掛塊101的存在是否有可能干擾運行期間攝像機57對直徑的跟蹤。如前所述，檢測乃是根據灰度的突然變化。然而，在這個例子中，視頻系統(tǒng)67能鑒別是懸掛塊101的映象還是其它映象，因為懸掛塊在熔體表面99上的位置固定(即附著在坩堝27的壁97上)。
如圖7所示，視頻系統(tǒng)67是在143通過將所得圖象處理成像素值的函數來檢測圖象中的邊緣而開始工作的。視頻系統(tǒng)67的圖象處理器71在步驟145還檢測坩堝27的旋轉速度。攝像機57最好有寬的視場，以允許視頻系統(tǒng)67獲得熔體39整個寬度的圖象，直到其遇到坩堝27的側壁97。借助于坩堝旋轉信號，視頻系統(tǒng)67可以獲得在幾種已知坩堝旋轉角度的圖象。坩堝27每旋轉一次，便給圖象處理器71提供一個數字輸入脈沖。通過拍攝在已知角度的圖象，從熔體表面99高對比度的映象等類似數據可以不計算，而從懸掛塊(例如懸掛塊101)的映象可以得到確認。
在步驟147，圖象處理器71確定測得的邊緣是否屬于多晶硅37的懸掛塊，如懸掛塊101。例如，如果將測得的邊緣進行組合來確定一個具有一定尺寸和位置(如在坩堝-熔體界面或其上方)的目標，而目標本身作為坩堝旋轉速度的函數周期性地重復，于是視頻系統(tǒng)67確認此目標為一個懸掛塊并進入149步。在149步，圖象處理器71計算懸掛塊101的近似表面積。
此外，視頻系統(tǒng)67在150步檢測圖象中的邊緣而鑒別坩堝-熔體界面處見到的彎月面109。通過檢測彎月面109，圖象處理器71確定坩堝27的寬度，從而確定其中心。在153步，圖象處理器71根據其表面積提供從熔體39的中心到懸掛塊101的距離測量。進入155步時，如果從懸掛塊101到熔體39中心的距離小于一個預定距離(例如40mm)，PLC73則在157步執(zhí)行懸掛塊程序。有利的是懸掛塊程序引導控制單元55如何控制晶體生長裝置23使懸掛塊101熔化。另一方面，如果147步沒有檢測到懸掛塊或者如果懸掛塊可能不在場(如大于從熔體中心的40mm)，則PLC73不起作用，如159步所示。
就晶體生長過程的浸入狀態(tài)而論，視頻系統(tǒng)67也要檢測籽晶43何時接觸熔體39的上表面99。一般來說，晶體驅動單元51使籽晶43向下移動直到它接觸到熔體表面99。有利的是視頻系統(tǒng)67的圖象處理工具檢測籽晶43在熔體表面99的映象并測量二者之間的距離。當籽晶43接近熔體39時，從籽晶43本身來看該映象逐漸變得模糊起來。當映象顯得完全消失時，即已發(fā)生籽晶-熔體接觸。在籽晶-熔體界面處熔體39上形成的彎月面59提供第二個接觸指示。
圖8以流程圖161形式說明的一個按優(yōu)選實例的系統(tǒng)21的運行情況。此外，圖8說明用來流程圖161各步驟的控制單元的各組成部分。
在工作時，系統(tǒng)21提供一個指示表明籽晶43何時接觸熔體39。如圖8所示，在163步，視頻系統(tǒng)67以處理所得圖象作為像素值函數以探測圖象中的邊緣開始啟動。尤其是視頻系統(tǒng)67的圖象處理器71檢測與籽晶43及其在熔融液表面99上的映象相聯系的邊緣。在165步，圖象處理器71根據在所得圖象中檢測到的邊緣提供從籽晶43到熔融液39的距離的測量。例如，籽晶-熔融液距離參量范圍為0-500mm。根據本發(fā)明，例如視頻系統(tǒng)67每秒鐘給PLC73報告一次籽晶-熔體距離。
在進入167步時，PLC73確定籽晶43何時達到離熔融液表面99一個預定的距離(如20mm)。如果籽晶43離熔體表面99至少20mm，則操作進入169步。在169步，PLC73使晶體驅動單元51繼續(xù)以相當高的速度降低籽晶43(如每小時200mm)。另一方面，在171步，當籽晶43離表面99小于20mm時，PLC73使晶體驅動單元51籽晶43速度降得很低(如每小時20mm)。
在進行171步的同時，PLC73進入173步來確定籽晶43和熔體39之間的距離是否為零。如果不是，晶體驅動單元51繼續(xù)以同樣速度降低籽晶43。然而，一旦距離變?yōu)榱?，PLC73使晶體驅動單元51停在175步。在177步執(zhí)行浸入穩(wěn)定程序后，PLC73在179步確定籽晶43和熔體39是否處于接觸。本質上，籽晶-熔體接觸參量是yes或no的數字表示。例如，籽晶-熔體接觸可以以籽晶-熔體交界處表面99上彎月面59的存在來表示。如果存在，PLC73通過啟動181步的頸部生長繼續(xù)運作。另一方面，如果籽晶-熔體接觸還未完成，PLC73在183步指示重新浸入籽晶43。
作為視頻系統(tǒng)67按圖8圖示運行的例子，當籽晶43升降桿從上部進入視野時，圖象處理器71利用水平搜索測徑器進行檢測并記錄這個事件。接著，圖象處理器71使用位于被測籽晶43水平位置的垂直向搜索測徑器。最好是圖象處理器71將這個垂直向測徑器用于該圖象來找到籽晶43的底部邊緣。此后，圖象處理器71利用升降桿和尖端測徑器監(jiān)測籽晶43向熔體39的下降。根據在每個連續(xù)獲得的畫面中尖端的位置，圖象處理器71從籽晶高度減去熔體表面高度的當前值，就得到當前的籽晶-熔體距離。
進一步看這個例子，當估算的籽晶-熔體距離處于閾值以下時，圖象處理器71利用一個新型垂直向搜索測徑器檢測和跟蹤熔體表面99上籽晶43的映象。通過探測映象的垂直位置以及尖端位置，圖象處理器71能夠得到熔體表面99上方籽晶43的距離更精確的估計。另外，跟蹤這些映象還提供邊緣對比度閾值數據，用來探測籽晶43何時與熔體39接觸。
最后，當籽晶43開始使其本身的映象模糊時，圖象處理器71使用恰在籽晶43尖端上方、搜索方向為45°和-45°的一對測徑器。當籽晶43正好接觸到熔體39的表面99時，這對測徑器檢測首先出現的彎月面59。特別是圖象處理器71監(jiān)測由這些測徑器所檢測的邊的對比度，直到兩個測徑器同時觀察到邊緣對比度超過由籽晶映象以前產生的最大對比度為止。當這種情況發(fā)生時，圖象處理器給PLC73報告籽晶-熔體接觸。此后，圖象處理器71開始利用新形成的彎月面59來跟蹤晶體直徑和估算熔體面水平53。
在單晶生長的拉制狀態(tài)期間，圖象處理器71最好實行數字化邊緣檢測來圍繞半月形59明亮環(huán)的內部和外部至少定位三個點的坐標。既然已知單晶體41和半月形59的截面通常是圓，假定由圖象處理器71檢測的亮環(huán)邊緣坐標是橢圓形，因而轉換和繪制成圓形。按另一種方法，通過補償由于攝像機57安裝角度引起的畸變，可將邊緣坐標繪制成圓形。在這里作為參考引用Gonzalez和Wintz的文章，數字圖像處理，1987，page 36-52，揭示了用來補償因攝像機相對三維目標的位置引起的透視畸變的數學變換。這樣的數學變換可用來從畸變的橢圓形提取圓形。另外，申請系列號No.08/558,609，(1995，11，14申請)的專利描述了一種用于拍攝彎月面59而無需復雜數學變換的無畸變攝像機，其全部內容在此引用參考。
如上所述，申請系列號No.08/459,765，和08/620,137的專利分別揭示了用來對晶體直徑進行精確而可靠測量的優(yōu)選方法和系統(tǒng)。至于直徑測量，圖形處理器71根據所測圖象的光學特性確定沿彎月59亮環(huán)外部的邊緣坐標。然后，圖象處理器71根據檢測到的邊緣確定單晶體41的直徑。例如，在一個實例中，直徑參量范圍為0-320mm。
在一個優(yōu)選實例中，控制單元55的PLC73響應于所確定的硅單晶41直徑D來控制坩堝27和單晶41轉動的速度、單晶41從熔體39拉制的速度以及熔體39的溫度，并響應于熔體面水平53的定位來控制坩堝27的標高，從而控制單晶生長裝置23。這樣，實行閉環(huán)控制來保持頸部直徑。
直徑測量變化的原因在于亮環(huán)寬度發(fā)生改變，它有賴于暴露在外且由液體彎月面59映照的坩堝27熱壁高度。隨著熔體39的消耗，亮環(huán)的寬度增加，使單晶體41顯得較大，而可能引起實際單晶體41生長尺寸不足。這樣，作為一個例子，除了檢測熔體39和亮環(huán)之間的邊緣外，檢測單晶體41和亮環(huán)之間的邊緣可用來提供亮環(huán)寬度的測量。另外，考慮其對坩堝壁高度映象特性的液體彎月面59的數學模擬可提供亮環(huán)寬度的測量。
除了監(jiān)測生長單晶體41的直徑外，系統(tǒng)21通過維持生長速度基本不變而有利于提供均勻的晶體特性。為達此目的而仔細考慮的一種方法是相對于由熔體表面99頂部確定的平面求解彎月面59的高度和角度。根據一個或兩個這些參量的變化，控制單元55則可調整晶體生長過程來維持其尺寸相對恒定。
另外，彎月面59的邊緣坐標可用來檢測晶體直徑相對于晶體驅動單元51轉動單晶體41的速度的周期性偏移，正如申請系列號No.08/459,765和08/620,137的專利中描述的那樣。如工藝中所知，晶體凸線或慣態(tài)線一般平行于垂直軸47且沿晶體41主體分隔開，表示零位錯生長。晶體慣態(tài)線(也稱為生長線)在晶體41截面的周界上呈現波紋狀特性。因為這個原因，當晶體41按已知速度旋轉時，可期望在圖象上感興趣的特定區(qū)域內出現晶體慣態(tài)線的速度在<100>方向為四倍轉速，而在<001>方向為兩倍轉速。這樣，圖象處理器71可確保晶體41零位錯生長單。響應于視頻系統(tǒng)67探測到零位錯生長失效，控制單元55即啟動重新熔化。
通常在晶冠的開頭晶體凸線變得十分清晰可見，而對頭一英寸(2.54mm)的晶體生長不需要作無位錯檢查。在一個優(yōu)選實例中，視頻系統(tǒng)67根據在給定的晶體轉速下晶體慣態(tài)線的對稱性和在所期望的規(guī)則角向位置上直徑的周期性偏離來檢測零位錯生長。如果發(fā)生零位錯生長失效，第一個可見到的信號是最終將全部一起消失的晶體凸線失去其對稱性，晶體將變成圓滑的無晶體凸線的圓柱體。視頻系統(tǒng)67在熔體表面99確定的平面內周期性地估量單晶體41的兩維截面，然后對這個截面進行分析以判斷對稱性的損失或晶體凸線清晰度的損失。每次估量的截面包括單晶體41平均直徑的估量以及該截面對這個平均值的偏離與晶體41對中心軸47的圓柱角的關系。
按照優(yōu)選實例，系統(tǒng)21還對冰塊111的形成(即在熔體表面99上的多晶硅37結晶或結冰，通常緊挨著坩堝壁97或靠近主干生長尾部或在底部生長期間)提供檢測和控制。如前所述，檢測是依據灰度值的突變進行的。然而，在這個例子中，視頻系統(tǒng)67可將冰塊111的出現與其他目標或映象區(qū)別開來。由于其在熔體表面99上位置固定(即通常鄰近坩堝27的壁97)。
圖9以流程圖185形式說明根據一個優(yōu)選實例的系統(tǒng)21的運行情況。此外，圖9還說明執(zhí)行流程圖185各步驟的控制單元55的各項組成。
在運行中，系統(tǒng)21提供一個指示，說明在單晶生長過程的拉制狀態(tài)期間，部分多晶硅37(例如結晶多晶硅，即在圖4中所示的冰塊111)何時附著到坩堝壁97上。系統(tǒng)21通過檢測熔體表面99上冰的存在，不僅便于提供“是”/“否”參量來指示冰塊111是否存在，而且還提供1mm2到150mm2的冰塊尺寸參量。這便使控制單元55能測量從冰塊111到單晶體41的距離，從而可確定在運行期間冰111的出現是否會對晶體生長有干擾。如前所述，檢測是依據灰度的突變進行的。然而，在這個例子中，視頻系統(tǒng)67可將冰塊111與其他目標或映象區(qū)別開來，由于其在熔體表面99上位置固定(即依附在坩堝27的壁97上)。
如圖9所示，視頻系統(tǒng)67由處理所獲得的圖象作為像素值函數來檢測圖象中的邊緣而在187步開始啟動。在189步，視頻系統(tǒng)67的圖象處理器71還檢查坩堝27的旋轉速度。如前所述，攝像機57最好具有較寬的視野，以允許視頻系統(tǒng)67獲取熔體39整個寬度的圖象，直到它與坩堝27的壁97相遇。于是，借助坩堝旋轉信號，視頻系統(tǒng)67有可能在好幾個已知的坩堝旋轉角度上獲取圖象。坩堝27每旋轉一次，就給圖象處理器71提供一個數字輸入脈沖。通過獲取已知角度的圖象，可以不計從熔體表面99的高對比度映象及類似信號，而可以鑒別出冰塊111的存在。
在191步，圖象處理器71確定檢測到的邊緣是否可屬于多晶硅37的結晶塊，如冰塊111。例如，如果將檢測到的邊緣組合起來確定一個具有一定的尺寸和位置(即在坩堝-熔體交界處)的目標，且該目標自身作為坩堝轉速函數而周期性重現，則視頻系統(tǒng)67就認定該目標為冰塊，并進入193步。在193步，圖象處理器71計算冰塊111的近似表面積。
此外，視頻系統(tǒng)67在195步檢測圖象中的邊緣來鑒別晶體-熔體界面處可見的彎月面59。通過檢測彎月面59，圖象處理器71確定單晶體41的寬度。在197步，圖象處理器71根據其表面積提供從單晶體41的邊緣到冰塊111的距離測量。進入到199步，如果從冰塊111到晶體41的距離小于一個預定距離(如25mm)，PLC73則在201步執(zhí)行冰塊程序。如果冰111太接近單晶體41，其冰塊程序則便于指示控制單元55停止或中止運作。還要仔細考慮的是冰塊程序指示控制單元55在某些情況下進行補救性測量。例如，如果在運行中較早地檢測到冰塊111，則冰塊程序使加熱器電源29增加供給坩堝27的熱量來熔化結晶硅，并使晶體驅動單元51降低拉制速度以補償因增加熱量而引起的晶體直徑的減小。在另一方面，如果在191步沒有檢測到冰塊，或者如果冰塊111可能沒有影響(即它離單晶體41大于25mm)，則PLC73不起作用，如203步所示。
而且，應當理解本發(fā)明的視頻系統(tǒng)67還可用來確定其他晶體生長參量，除了完全熔化、熔化速度、溫度、冰塊或懸掛塊距離、晶體直徑、熔體面水平和零位錯生長失效外，例如沖洗氣體管道間隙或熔化裂縫和對流電流。
縱觀以上所述，會發(fā)現本發(fā)明的好幾個目標已經實現，并獲得了其他有用的結果。
由于在上述結構和方法中可以作各種改變而不偏離本發(fā)明的范疇，應當理解以上描述所包含的或附圖所表示的全部內容是僅為解釋之用，并無限制之意。
權利要求
1.一種與生長硅單晶裝置結合使用的閉環(huán)控制方法，所述單晶生長裝置具有一個加熱坩堝，用來熔化固體硅而形成拉制單晶體的熔融硅，所述熔體有上表面，直到硅全部熔化之前其上方露出未熔化的硅，所述方法包括的步驟是由攝像機產生一部分坩堝內部的圖象，所述圖象每幅包含大量像素，所述像素每個含有代表圖象光學特性的一個值；將圖象作為像素值的函數進行處理來檢測圖象邊緣；將檢測得的邊緣組合成它們在圖象中位置的函數來確定圖象中的目標，所述確定的目標每個包含一個或多個像素，且至少所述被確定目標的一個是代表在熔體表面可見的一部分固體硅；根據所述確定的目標至少確定一個參量代表單晶生長裝置的一種狀態(tài)；以及根據所確定的參量來控制單晶生長裝置。
2.權利要求1的方法，其中處理步驟包括將連續(xù)的圖象彼此依次相減，由此而產生等同于從一個圖象變到下一個圖象的差別圖象，而后將差別圖象中檢測到的邊緣進行組合，來確定代表在熔體表面可見的那部分固體硅的確定目標。
3.權利要求2的方法，還包括一個步驟，就是將在熔體表面可見的部分固體硅的近似大小確定為在差別圖象中所確定目標的像素數目的函數。
4.權利要求3的方法，其中參量確定步驟包括確定一個表示坩堝內的硅已基本熔化的熔化完成參量，所述熔化完成參量是一個在熔體表面可見的那部分固體硅的尺寸幾乎達到零的函數。
5.權利要求3的方法，其中參量的確定步驟包括確定一個表示坩堝內硅熔化速度的熔化速度參量，所述熔化速度參量是一個表示在熔體表面可見的那部分固體硅的確定目標大小隨時間變化的函數。
6.權利要求1的方法，其中處理步驟包括根據圖象中檢測到的邊緣探測在熔體和熔體表面可見的那部分固體硅之間的界面，而其中參量確定步驟包括確定代表熔體表面不同位置處熔體溫度的熔體溫度參量，所述熔體溫度參量是在熔體和那部分固體硅之間的鄰近界面處圖象中至少一個像素的像素值的函數。
7.權利要求1的方法，其中處理步驟包括根據圖象中檢測到的邊緣來檢測熔體和坩堝內壁之間的界面，還包括檢測那部分固體硅何時接近坩堝內壁的步驟。
8.權利要求7的方法還包括確定對應于坩堝中心附近的像素位置的步驟，其中參量確定步驟包括確定一個懸掛塊距離參量，它表示從坩堝中心到鄰近坩堝內壁檢測到的那部分固體硅的距離，所述懸掛塊距離參量是在鄰近坩堝內壁所檢測到的那部分固體硅的確定目標中至少一個像素位置相對于坩堝中心附近的像素位置的函數。
9.權利要求7的方法，其中處理步驟包括根據圖象中檢測到的邊緣來檢測熔體表面上的晶體彎月面，所述晶體彎月面可在從熔體中拉出的單晶附近看到，而其中參量確定步驟包括確定一個冰距離參量，它表示從坩堝內壁附近檢測的那部分固體硅到單晶彎月面的距離，所述冰距離參量是在鄰近坩堝內壁所檢測到的那部分固體硅的確定目標中至少一個像素位置相對于晶體彎月面邊緣處至少一個像素位置的函數。
10.權利要求1的方法，其中單晶從浸入的籽晶開始生長，然后從熔體中拉制出，至少一個所述確定目標是代表籽晶接觸熔體前在熔體表面可見到的籽晶的映象，還包括將籽晶映象的近似量度確定為所確定目標中像素數量的函數的步驟，并確定一個代表該籽晶接觸熔體表面的籽晶-熔體接觸參量，作為在熔體表面的籽晶映象量度近似達到零的函數。
全文摘要
與恰克拉斯基單晶生長裝置一起使用的方法和系統(tǒng)。所述單晶生長裝置具有一個加熱坩堝,用來熔化固體硅而形成拉制單晶體的熔融硅,所述熔體有上表面,直到硅全部熔化之前其上方露出未熔化的硅,由攝像機產生一部分坩堝內部的圖象,所述圖象每幅包含大量像素,所述像素每個含有代表圖象光學特性的一個值。用圖象處理器將圖象作為像素值的函數進行處理來檢測圖象邊緣;將檢測得的邊緣組合成它們在圖象中位置的函數來確定圖象中的目標,所述確定的目標每個包含一個或多個像素,且至少所述被確定目標的一個是代表在熔體表面可見的一部分固體硅;用控制電路根據所確定的目標確定一個參量代表單晶生長裝置的一種狀態(tài);以及根據所確定的參量來控制單晶生長裝置。
文檔編號C30B15/20GK1268194SQ9880845
公開日2000年9月27日 申請日期1998年7月8日 優(yōu)先權日1997年7月17日
發(fā)明者M·加威德 申請人:Memc電子材料有限公司