用于控制硅單晶生長的系統和方法

專利名稱：用于控制硅單晶生長的系統和方法
技術領域：
本發明涉及一種經過改進的用于測量用喬克拉爾斯基方法(Czochralski process，以下簡稱之為CZ法)生成的硅單晶的直徑的系統和方法，特別是涉及用于控制利用了CZ法的設備或者方法的系統或者方法。
被用來為微電子工業制作硅晶片的絕大多數的單晶硅都是利用了CZ法的拉單晶的機器生產的。扼要地說，CZ法必須包括一個在設置于一個經過特別設計的爐子中的石英坩堝中熔化一塊高純多晶硅以形成硅熔化物的處理。一個相對小的籽晶被裝到坩堝的上方，從用于升高或降低籽晶的晶體提升機械裝置伸出來的提位金屬絲懸垂物的下端。晶體提升機械裝置把籽晶向下降使之與坩堝中的已熔化的硅接觸。當籽晶開始熔融的時候、機械裝置就慢慢地使籽晶從硅熔化物往回撤。隨著籽晶往回撤，就從熔化物中生長出了上拉的硅。在生長過程期間，坩堝一直在一個方向上旋轉，而晶體提拉機構、金屬絲、和晶體則在相反的方向上旋轉。
隨著晶體生長的正式開始，籽晶與熔化硅接觸的熱沖擊將會在晶體中產生位錯。除非位錯在處于籽晶和晶體主體之間的晶頸部分被消除掉，否則位錯將在整個生長著的晶體中蔓延并被倍增。在硅單晶中消除位錯的眾所周知的方法包括在相對高的晶體上拉速率下生長一個具有很小的直徑的晶頸以在生長晶體主體之前完全消除掉位錯的工藝。在位錯被消除于晶頸中之后，晶體的直徑加大直到主晶體達到了所希望的直徑為止。當晶頸這一晶體的最易斷的部分的直徑太小的時候。在晶體生成期間，它就可能斷裂，使晶體主體掉進坩堝中去。晶錠和飛濺的熔融硅的碰撞對晶體生長設備可形成危險，同時會出現嚴重的安全事故。
就像專業人員所熟知的那樣，CZ過程作為正在生長著的晶體的直徑的函數，部分地是可控的。因此，為了控制和安全這兩方面的理由，一個用于測量晶體直徑，包括晶頸直徑的精確和可靠的系統是必需的。
已經知道了幾種用于提供晶體直徑測量的方法包括測量亮環寬度的方法在內的技術。亮環是在形成于固-液交界處的液柱彎月面中坩堝壁反射的一種特征。現有的亮環和液柱彎月面傳感器利用了光學高溫計、光電池、帶光電池的旋轉鏡，具備光電池的光源、線掃描攝象機和二維陣列攝象機。通過注明出處、公開在晶體生長工藝期間用于測量晶體直徑的一些方法和設備的辦法，把美國專利號3740563，5138179和5240684的整個公開出來的事物都收編于此。
遺憾的是，現有的用于自動測量晶體寬度的設備對于在晶體生長的不同階段或者對于大直徑的晶體的那些應用來說缺乏足夠的精度或可靠性，因為在這些應用中，由于晶體本身是固態，故亮環的真正的最大值根據觀察可能是模糊不清的。在企圖修正這一問題的努力之中、用于測量晶體寬度的現有設備企圖在一個弦(Chord)上或沿液柱彎月面的單個點上來測液柱彎月面。但是，這樣的設備要求掃描裝置的精密的機械定位和在熔融水平面上對波動起伏高度地敏感。此外，現有測量設備需要由晶體生長設備的操作人員進行校準以確保直徑維持在規格要求之內。
除去上邊說過的問題之外，當晶體作軌跡運動(orbits)或者就像它從熔融硅中被拉上來時那樣做鐘擺式的運動時，現有的自動測量晶體直徑的設備對于給出精確測量結果來說是失敗的。已知的測試設備也沒能力區分亮環和在熔融表面上的反射或者在正在生長著的晶體本身上的反射，因而得出不可靠的測量結果。此外，這樣的設備還經常在觀察窗口被比如說飛濺的硅堵住的時候不能給出測試結果。
用于測試晶體直徑的現有系統和方法的另一個缺點是他們不能提供有關晶體生長工藝的另外的信息，諸如熔融水平面的測試和零位錯生長的喪失的指示。
由于這些理由，現有設備在提供一個自動決定晶體直徑用于控制晶體生長過程的精確且可靠的系統上是失敗的。
在本發明的目的和特點之中，提供一種經過改進的控制和操作系統和方法，這種經過改進的系統和方法至少克服了前面已說過的某些不利的條件；提供在生長過程期間這樣的系統和方法給出晶體直徑的精確且可靠的測量結果，提供這樣的系統和方法補償了歸因于攝象機角度的畸變所產生的誤差的條款；提供在生長過程中這樣的系統和方法不受晶體運動的影響的；提供這樣的系統和方法給出熔融水平面的精確可靠的測試結果；這樣的系統和方法給出一個零位錯生長喪失的指示和提供這樣的系統在經濟上是可行的，在商業上是有實效的以及這樣的方法可以有效地實施而且費用相對地說不高。
簡要地說，一個體現本發明各方面的系統是適合于和一個用于從硅熔融物中生長硅單晶的設備形成聯合體的系統。該系統決定正被從熔融硅中拉出的晶體的尺寸，其中熔融硅有一個彎月面，該彎月面作為一個鄰近晶體的亮區是可以看得見的。該系統包括一個攝象機，用于產生毗連硅晶體的亮區的一部分的映象圖形，該系統還有一個用于檢測映象圖形的特征的檢測電路。該系統還包括一個確定電路，用于作為已被檢測到的特征的函數來確定亮區的邊緣以及用于確定包括已確定了的亮區邊緣在內的外形。一個測試電路決定已被確定外形的尺寸，借助于這個電路，硅晶體的尺寸作為已被確定的外形的已決定的尺寸的函數就被決定了。
一般說來，本發明的另一種形式是一種方法，用來和一種用于從硅熔融物中生長硅單晶的設備聯合使用。該方法確定正被從熔融硅中拉出的晶體的尺寸，其中熔融硅有一個帶彎月面的表面，這種彎月面的表面作為毗連晶體的亮區是肉眼可以看得見的。該方法包括在毗連硅晶體的地方產生光亮區的一部分的映象圖形的步驟和檢測該映象圖形的特征的步驟。該方法還包括把亮區的邊緣確定決定為已檢測到特征的函數和確定一個包括亮區的已確定的邊緣的形狀的步驟。此外，該方法還包括憑借已把硅晶體的尺寸為已確定的形狀的已經決定了的尺寸的函數來決定已確定了的形狀的尺寸的步驟。
換句話說，本發明可包括各種其他的系統和方法。
其余的目的和特點，有一部分是顯而易見的，一部分將在下文指出來。
下邊簡單地說明附1是本發明的晶體生長設備和用于控制晶體生長設備的系統的圖解。
圖2是

圖1的系統的控制部件的框圖。
圖3是正從熔融硅中拉出的硅單晶的局部圖。
圖4是圖3的晶體的局部和斷面的透視圖。
圖5示出了圖2的控制部件的操作流程圖。
圖6A，6B和6C示出了圖2的控制部件的操作流程圖。
圖7的曲線圖示出了圖1的晶體生長設備和控制系統的典型的晶體頂部測量結果。
圖8A和圖8B是圖1的晶體生長設備和控制系統的典型的晶體頸部測量結果的曲線圖。
圖9A和9B是圖1的晶體生長設備和控制系統的典型的晶體主體測量結果的曲線圖。
因所有的圖中，相應的標號標注在相應的部件上。
下邊對實施例進行說明。
現在參看圖1。圖1中畫出了本發明所采用的帶有喬克拉爾斯基(Czochralski)晶體生長設備23的系統21。在所畫出的實施例中，晶體生長設備23包括一個真空室25，室內封入了一個用電阻絲加熱器29或者其他加熱手段包圍起來的坩堝27。通常，一個坩堝驅動部件31就如箭號所指示的那樣在順時針方向上轉動坩堝27并根據要求使坩堝27升高或者降低。坩堝27里容納有硅熔融物33，從熔融硅33中將拉出單昌硅35，拉單晶從附到拉桿或索39上的籽晶37開始。如圖1所示，熔融硅33有一熔融水平面41，坩堝27和單晶35有一對稱的公共垂直軸43。
根據采用喬克拉爾斯基晶體生長工藝，晶體驅動部件45將在坩堝驅動部件31轉動坩堝27的相反的方向上使拉索39旋轉，晶體驅動部件45在生長工藝期間還根據要求使晶體35升降。加熱器電源47把電能提供給電阻絲加熱器29和排列于真空室25墻壁內的絕緣電阻49。用真空泵(沒有畫出來)把作為氣體被送入真空室25中去的惰性氣體氬從真空室25中排出去。在一個實施例中，環繞著真空室25有一個被饋送以冷卻水的真空室冷卻套(沒有畫出來)。更為理想的是一個溫度傳感器51，諸如一個光電池，測量熔融表面的溫度。
在本發明的推薦的實施例中，至少有一個二維攝象機53和控制部件55一起決定單晶35的直徑。控制部件55對來自溫度傳感器51和攝象機53的信號進行處理。如圖2所示，控制部件55包含一個可編的用于進行控制的數字或模擬計算機，此外，還有坩堝驅動部件31，單晶驅動部件45和加熱器電源47。
再次參看圖1。根據采用一般的硅單晶生長藝，要把某一定量的多晶硅放到坩堝27中去。加熱器電源47通過加熱器29提供電流以熔化裝入物。晶體驅動部件45通過多芯導線39使籽晶47下降到與容納在坩堝27中的熔融硅33接觸。當籽晶37開始熔融時，晶體驅動部件45就從熔融硅中慢慢地往回撤，或者往上拉籽晶。籽晶37從熔融硅33中拉出了硅以產生單晶硅的生長，就好像單晶硅被從熔融硅33中拉了出來似的。在籽晶37接觸熔融硅之前。為了對籽晶進行預熱、首先必須使籽晶37向下降到近乎與熔融硅接觸的地方。
晶體驅動部件45在從熔融硅33中往上拉單晶的時候，使單晶35以規定的參考速率旋轉。同時坩堝驅動部件31使坩堝27以一個從屬的(Second)規定的參考速率轉動，但通常是與晶體35的轉動方向相反。最好，控制部件55控制回撤或者說上拉速率和由電源47供向加熱器29的功率以使晶體35的晶頸減小。理想的情況是接下來控制部件55對這些參考進行調整，使得晶體35的直徑以錐面的形式增長直到達到了事先定好的所希望的直徑。一旦達到了所希望的晶體直徑，控制部件55就控制上拉速率和加熱以保持怛定的直徑，就像用系統21所測到的那樣，這個控制一直持續到過程接近到它的終點。在這一時刻，上拉速率和加熱都被減小為使得在單晶35的尾端形成一個圓錐形的部分。
如上所述，在晶體生長過程中，特別是在晶體35的晶頸部分，希望進行精確可靠的控制。當籽晶37被從熔融硅33中往上拉的時候，晶頸理想的是基本上以恒定的直徑進行生長。例如，控制部件55使之形成一個基本上恒定的晶頸直徑并把它維持為使晶頸直徑保持在所希望的直徑的15％以內。就如專業人員所熟知的那樣，毗連籽晶37的晶頸的頂部有可能含有位錯(沒有畫出來)，這種位錯一開始是由使無位錯的籽晶37與熔融硅33接觸時所產生的熱沖擊產生的。就如專業人員所熟知的那樣，過多的晶頸直徑的波動也可促使位錯的形成。
共同轉讓的美國專利號5178720的全部已公開的事項都結合于此做為參考，并公開一個用于控制晶體和坩堝轉動的推薦方法，這種控制把速率作為晶體直徑的函數。
圖2以方框圖的形式畫出了控制部件55的一個推薦實施例。倘采用本發明，則攝象機53理想的是單色電荷耦合器件(CCD)攝象機。諸如圖象分辨率為768×494個象素的索尼(Sony)XC-75CCD電視攝象機。攝象機53被安裝在真空室的觀察窗口(沒有畫出來)之內，相對于垂直軸43的角度近似于34°而且對準軸43和熔融硅33在熔融水平面41(參見圖3)上的交叉點上。
當從熔融硅33中拉出單晶35的時候，攝象機53就將產生一個晶體寬度的視頻圖象，包括在熔融硅33和晶體35之間的界面上彎月面(參見圖3)部分的圖象。理想的情況是，攝象機53的鏡頭是可以給出至少約300mm的視野的16mm的鏡頭。攝象機53通過電纜線57(例如RS-170視頻電纜)把視頻圖象傳往視覺系統59。如圖2所示，視覺系統包括一個視頻圖象幀緩沖器61和一個圖象處理機63。作為一個例子，視覺系統59是一個Cognex CVS-400視覺系統。反過來，視覺系統59通過電纜67與可編程邏輯控制器(PLC)65通信。在一個推薦實施例中，PLC是由西門子(Siemens)制造的575型PLC，而電纜67相當于一個VME底板接口。
現在再來看圖2。視覺系統59還通過電纜71(例如RS-170RGB視頻電纜)和視頻顯示器69通信，通過電纜75(例如，RS-232電纜)和個人計73通信。在推薦實施例中，視頻顯示器69顯示由攝象機53所攝取的視頻圖象而計算機73則被用來對視覺系統59編程。
在所畫出的實施例中，PLC65通過電纜79比如說，RS-232電纜)和操作員接口計算機77通信并通過電纜83(比如，RS-485電纜)與一個以上的過程輸入/輸出組件81通信。操作接口計算機77允許晶體生長設備23的操作員對將要生長的特定的單晶輸入一套所希望的參數。過程輸入/輸出組件81提供通往或來自晶體生長設備的通路，用以控制該生長過程。作為一個例子，PLC65通過過程輸入/輸出組件81按收由溫度傳感器51來的與熔融硅的溫度有關的信息，并把控制信號送往加熱器電源47，這些信號用于控制熔融硅的溫度以控制生長過程。
圖3是一個正被從熔融硅33中往上拉的硅晶體35的斷片圖。晶體35構成一個總的說來為圓柱形的結晶硅的立體而更為可取地說是一個具有垂直軸43和直徑D的結晶硅錠。應當知道，一個長好了的晶體，諸如晶體35可能并不具有均一的直徑，盡管總體說是一個圓柱形。由于這一道理，直徑D在沿著軸43的不同的軸位置上可能會有小的變化。而且，在不同的晶體生長階段直徑D也將變化(例如，籽晶階段，晶頸階段，頭部階段，肩部階段，主體階段和尾部錐形階段)。圖3還畫出了一個具有形成在晶體35和熔融硅33之間交界面上的液體彎月面87的熔融硅33的表面85。就如專業人員所知道的那樣，在彎月面87上的坩堝27的反射可以被看作是毗連晶體35的典型的亮環。
如上所述，攝象機53理想的是被安裝在總的說來瞄準軸43和熔融硅33的交叉點的真空室的一個觀察窗口之內(窗口沒有畫出來)。換句話說，攝象機53有一個光軸89，該光軸相對于垂直軸43有一個銳角θ。作為一個例子，θ近似于34°。還有，攝象機53的鏡頭理想的是給出一包括晶體35的寬度并至少包括彎月面87的亮環的一部分的視野。在一個推薦實施例中，恰當的選擇鏡頭既可提供小籽晶和晶頸的高分辨率的運距攝象畫面，也可提供大的晶體35的主體部分的廣角畫面。
現在參看圖4，一個包含液柱彎月面87的晶體35的示范圖被作為用攝象機53通過真空室25的觀察窗口看到的圖形而畫了出來。倘采用本發明的推薦實施例，則視覺系統59的幀緩沖器61將接收來自攝象機53的視頻圖象信號并捕捉映象圖形以便用圖象處理機63進行處理。一般說來，圖象處理機63完成數字邊緣檢測以定位液柱彎月面87的內部或外部附近至少三點的座標。因為晶體35的截面和液柱彎月面87已經知道總的說來是圓形的，所以，由圖象處理機63所檢測到亮環邊級的座標被假定是橢圓形的，這個橢圓形可以變換成和映象(mapped into)成圓形。作為一種供選擇的辦法，邊緣座標可以對因由攝象機53的安裝角度所產生的變形進行補償的辦法映象成一個圓形。同薩雷斯(Gonzalez)和溫茨(Wintz)的載于“Digital Image Processing(數字圖象處理技術)，1987，p36-55上的文章，在這里被用于參考并公開了用于補償因攝相機相對于一個三維客體的位置所引起的透視性失真的數學變換方法。這種變換方法可被用于從一個已變形的橢圓形提取出一個圓形。
在本發明的一個推薦實施例中，圖象處理機63至少確定了3個而更滿意的是5個以上的由攝象機53所生成的圖象上的令人感興趣的區域91，而上述圖象是被幀緩沖器61捕獲的。圖象處理機63審查所感興趣的區域91也稱做邊緣工具或者窗口區域，同時對于映象圖形的特征，諸如包含于每一區域91中的象素的亮度或者亮度梯度。以被檢測到的映象圖形的特征為基礎，圖象處理機63決定沿著液柱彎月面87外側的邊緣座標。區域91理想的是確定在事先經過選擇的位置上，這個位置一般相當于沿著與用攝象機53攝到的亮環的預期的形狀相匹配的曲線的位置。換句話說，區域97被定位于相對于沿著一個橢圓或圓的底部的一半的已確定的中心點輻射狀的，以接近于亮環的形狀。借助于把區域91定義在事先選定的近似于亮環的部分的形狀的位置上的辦法，區域91就可以避開已知的或者預期的熔融硅33的表面85上反射，這一反射可能產生假的測量結果。此外，由于圖象處理機定義了一些區域91，故如果真空室25的觀察窗口的一部分被擋住，圖象處理機63仍然能夠檢測亮環的邊緣。人們將會明白，除亮度和亮度梯度之外圖象的其他特征，諸如顏色或對比度也可以被檢測出來，以尋找液柱彎月面87的亮環的邊緣座標。
圖4畫出了一組推薦位置，在該位置上來確定區域91。如圖所示，最左邊和最右邊的區域91更令人滿意的是定位于中心點C的Y座標下邊。這樣，采用本發明進行操作的系統21，在晶體35的主體就如通過真空室25的觀察窗口所看到的那樣使環的最大寬度含糊不清的時候并不會遭受到這時所產生的誤差。在優點方面，本發明克服了透視性失真所產生的這一問題、這個問題特別是對大直徑的晶體(例如，200mm以上)是有些麻煩。
如上所述，晶體35一般說是沿著總的說來垂直于熔融硅表面的垂直軸43從熔融硅33中拉出來的。在拉的期間，晶體35可相對于垂直軸運動。有利的是，區域91足夠也大，以致亮環的邊緣座標即便是在晶體35正在運動時也可以在區域91里邊確定 比外，圖象處理機63還使事先選好的區域91的位置移動，使得它們毗鄰于亮環的已圖象化的部分以在整個所有的生長階段(例如籽晶、晶頸、頭部、肩部、主體和尾錐階段)都能緊跟晶體的直徑。換句話說，從大約4mm到320mm、一直跟蹤晶體直徑。但是，就如專業人員所熟知的那樣，在所有的生長階段，亮環并不總是可以看到的。例如，在晶體35的頭部生長期間，亮環可以相對很小或者根本看不見。出于這種道理，系統21更令人滿意的是檢測頭部的周長，它在相對于映象圖形的背景的亮度上表現為一個亮區。在這一實例中，映象圖形的背景是熔融硅表面85的一個代表。所以，系統21不去檢測亮環而代之以檢測晶體35的頭部所伴有亮區。
在推薦實施例中，在區域91里邊所檢測到的亮環的邊緣的座標軸被進行數學上的變換以補償透視性的失真，并接著被輸入到最佳擬合(best fit)圓周測量結果中去。例如，圖象處理63應用休氏變換(Hough transform)或者最小二乘方擬合以確定相應于已檢測到的邊緣的圓周形狀。倘采用本發明，則圖象處理機63將確定一個總體說來為圓形的圖形93，其圓周直徑為D′，而中心點C以所檢測到的座標軸為基礎。實際上，要確定圓周93至少需要三個座標。
為了獲得晶體35的直徑D的精確的測定結果以供PLC65在控制晶體生長過程中使用。圖象處理機63將首先以數字方式處理已確定的圓93的直徑D′。在這種意義上說，圖象處理機63應用圓93的尺寸來決定晶體直徑D′，相對一個精密無誤的圓的擬合質量的測量和熔融硅水平面41的測量。對于這一應用目的，熔融硅水平面41被定義為從加熱器29的頂部到熔融硅33的表面85的距離并可作為中心點C的座標的函數來決定。
在運算中，圖象處理機63定義與亮環部分毗連的區域91并在區域91內檢測映象圖形的亮度梯度特征。此外，圖象處理機63還作為已檢測到的特征的函數在每一個區域91中確定亮環邊緣的座標并確定總體說為圓形的圖形93，包括已經確定的邊緣座標。接著，在已確定了的圓形圖形93的基礎上來決定晶體35的直徑D，以便在控制晶體生長的過程中應用。控制部件55的PLC65對硅晶體35的已經決定下來的直徑D作出響應以控制坩堝27和晶體35的旋轉速率，和/或把晶體35從熔融硅33中拉出來的速率，和/或熔融硅33的溫度，此外，還對用于控制坩堝27的水平面的熔融硅水平面41的確定作出響應以此來控制晶體生長設備23。這樣，圖象處理機63就構成了一種檢測電路，一種確定電路和一個測量電路，而PLC65則構成了一種控制電路。
在本發明的一個推薦實施例中，直徑D′用徑向象素來測量。作為一個例子，晶體直徑D(mm)＝CF(徑向象素)-3.02mm，其中CF是在0.95和1.05之間的一個校準因子，而3.02mm用于補償亮環的寬度。值3.02mm決定于來自于已生成的晶頸的分析數據，而校準因子CF是以已測定的值為基礎的操作員鍵入值。倘采用本發明，則晶體生長設備23的操作員用一個望運鏡測量正在生長著的晶體35，該望遠鏡在一個已校準過的軌道上滑動，接著，通過計算機77輸入CF值，以使確定下來的直徑D等于被測值。在這種意義上，CF用于對在直徑測量中的變動性進行補償。這樣的變動性主要是由于攝象機53和晶體35之間的距離的變化引起的，這個距離的變化將影響光學放大倍數。增大這一距離將使晶體35看起來較小，這將使實際的晶體35被生長得尺寸過大。這些距離上的變化可因從一個晶體生長設備23改為另一設備而出現，可因從一次運行到另一次運行而出現，甚至由于在熔融硅水平面41上的變動性，在特定的一次運行中也會出現。
圖象處理機63相對于熔融硅40水平面41決定中心點C，該中心點是熔融硅水平面41的指示標志。倘采用本發明，則在中心點C的Y座標和參考值之間的差被用于決定熔融硅水平面41。作為一種可供選擇的方法，一種商業上可用的光學方法(例如，一個被安裝到真空室25的蓋板上的光束檢測器設備)可用于決定熔融硅水平面41。借助于計算校準因子和通過坩堝27的升高控制來減少熔融硅水平面變化的辦法，熔融硅水平面41的決定可被用來減小直徑測量結果的可變性。
在直徑測量中另一個主要的可變性根源是亮環的寬度依賴于坩堝熱壁的高度而變化，這個亮環已被曝光并被液柱彎月面87反射。隨著熔融硅33被消耗、亮環的寬度增加，它使晶體35看來較大，而且可導致實際的晶體被生長得不夠尺寸。作為一種應用常數3.02mm的替代辦法，亮環寬度可用另外的視覺工具或者數學模型。例如，除去檢測熔融硅33和亮環之間的邊緣之外，檢測晶體35和亮環之間的邊緣，以給出一個亮環寬度的測量。此外，考慮到其對于坩堝壁高度的反射性特征的液柱彎月面87的數學模型也提供亮環寬度的測量。
在一個可供選擇的實施例中，在映象圖形的區域91之內確定的亮環的五個邊緣座標被用于檢測晶體直徑相對于晶體驅動部件45使晶體35旋轉的速率的周期性偏差。就如專業人員所熟知的那樣，用小于面(facet)或生長線所標明的(100)零位錯生長一般說來平行于垂直軸43而且沿著晶體35的主體被分隔開來。在晶體35的斷面的圓周上，這些生長線表現類似波紋的特點。因此，當晶體35在一已知速率下旋轉時，期望生長線在特定的區域91內的速率是比如說旋轉速率的4倍。這樣一來，圖象處理機63肯定了晶體35的零位錯生長，而且形成為用于檢測已確定了的圓形93的已確定的直徑的周期性偏差的手段。
此外，人們將會看到，本發明的視覺系統59除了可被用于確定晶體直徑、熔融硅水平面和零位錯生長喪失等等之外，還可被用于定出其它硅生長參數如凈化管裂口或者熔融硅裂口、完全熔掉、水、傳送電流和溫度等等。
圖5以流程圖的形式畫出了采用了本發明的推薦實施例的系統21的操作。在步驟97開始之后，在步驟99，幀緩沖器61從攝象機53處獲得一個映象圖形。圖象處理機63接收該已捕獲的圖象并調整其象素值以補償攝象機角度所產生的映象圖形的變形。這一補償是在步驟101，用一因子1.2(就如從COSθ推導出來的那樣)去乘映象圖形的Y值(Xpixel)以確定y值的辦法完成的。理想的情況是X＝Xpixel。因此，執行步驟101的圖象處理機63構成為用于調整映象圖形使得毗鄰晶體35的亮區部分一般說來是一個弓形。
在步驟103，視覺系統59的圖象處理機63用在每一感興趣的區域91內檢查象素亮度的梯度的辦法執行邊緣檢測。梯度用在每一區域91中取映象圖形的相對亮度的導數的辦法得到的。因此，圖形處理機63識別在每一區域91內的在亮度上最大變化的座標，該座標是亮環邊緣的象征。在步驟105，倘5個邊緣座俱已確定了的話。圖象處理機就前進到步驟107。步驟107利用一個圓周擬合算法諸如休式變換法或最小二乘方擬合法等把已確定的邊緣座標擬合成一個一般說來圓的形狀。例如休氏變換應用分類子程序產生數據點簇，這些數據點簇可被用于尋找圓周并接著尋找用于所希望的目標最好的數據點簇。然后對數據點進行平均以找到擬合后的中心和半徑。
在步驟109，視覺系統59用把所確定的圓形93與一個精確的圓相比較的辦法來確定圓擬合的質量。這種確定提供一個測量結果確切性的指示。如果所確定的形狀是一個足夠的圓形，則視覺系統59就把已確定的圓93的直徑D′及其中心點C的X-Y座標所代表的信息傳送給用于控制晶體生長過程的控制部件55的PLC65。在流程圖95的實施例中，視覺系統59報告圓93的半徑。因此，正在執行步驟111的圖象處理機63與PLC65一起協作，構成用于相對于參考x-y座標系統決定已確定的圓形43的中心的手段。
系統21的操作接下來前進到步驟113，在步驟113把計數器N置為零。接著，圖象處理機63以已決定好的中心點和半徑為基礎重新定位區域91。倘采用本發明的推薦實施例，則每一區域91都被確定在沿著已確定的圓(總體地示于圖4)的下邊一半的事先選好的徑向位置上。在這種意義上，區域91實質上在流程圖95的每一次重復之后把中心定在已檢測到的液柱彎月面87的亮環的邊緣上，而圖象處理機63在往上拉和直徑變化期間對晶體35的運動作出響應。
如果亮環的邊緣座標在步驟91沒有在區域91里邊確定下來，則圖象處理機在步驟117使計數器N增1。接著圖象處理機63重復步驟99，101，103，105和117，直到在步驟119N＝0，或者直至圖象處理機63確定了5個邊緣座標。在10次不成功的進行了確定亮環邊緣的嘗試之后，圖象處理機63就在步驟121執行一掃描程序搜索殼環的大體的位置(該步驟在圖6A-6C中畫得更為詳細)。步驟121的掃描程序以亮環相對于映象圖形的背景的亮度的亮度為基礎查明液柱彎月面87在映象圖形上的大約的部位，在本例中，映象圖形是熔融硅表面85的代表。圖象處理機63決定用于確定區域91的事先選好的位置的大體上的中心點和半徑。因而，執行步驟105，113，115，117，119和121的圖形處理機63構成用于作為已被檢測的特征的函數使窗口區域91移動的手段和用于調整窗口區域91的預選位置的手段。
圖6A-6C以流程圖123的形式畫出了圖5的步驟121的一種推薦掃描程序。在步驟125開始之后，在步驟127幀緩沖器61從攝象機53中獲得了一個映象圖形。在步驟129，圖象處理機63接收所捕獲的圖象并調整它的象素值以補償攝象機角度所產生的映象圖形的失真。前進至步驟131，133和135時，圖象處理機63確定感興趣的其他區域的位置，這些令人感興趣的區域涉及映象圖形的左、右和底部邊緣ROI1，ROI2和ROI3。這些附加的感興趣的區域ROI1，ROI2和ROI3相對地比區域91大且也涉及到光波儀表工具。在步驟139，把被檢測邊緣數設置為零，并且在步驟139，一個代表上一次最大亮度讀好的參數LASTmax被設置為一個相對高的值(例如，1000)。
在所涉及的實施例中，子程序141被用來查找液柱彎月面87的左邊緣，所用的方法是把在區域ROI1內映象圖形的亮度最大值即MAXpixel和閾值(諸如100)進行比較。在步驟143如果MAXpixel超過了100，則圖象處理機6B就前進到步驟145，在那里比值MAXpixeL/LASTmax和1.1比較。如果比值超過了1.1，圖象處理機63就認為在ROI1內左邊緣已被找到并在步驟147使邊緣計數器增1。ROI1的x座標就在步驟149被存起來，用于識別亮環的左邊級。如采MAXpixel在步驟143是100或比100小，或者如果在步驟145比值MAXpixel/LASTmax是1.1或比1.1小，則在步驟151，就把LASTMAX重新設置為等于MAXpixel。然后，圖象處理機63把ROI1右移一個規定的量。例如，在步驟153，圖象處理器把ROI1重新定位為右移5個X座標刻度。只要ROI1還沒有達到映象圖形的右邊界，就如在步驟155所決定的那樣，圖象處理機63就重復子程序141。
現在參看圖6B。在圖象處理機63在ROI1內檢測到亮環的左邊緣或者ROI1達到了映象圖形的右邊界之后，圖象處理機63就在步驟157把LASTMAX重新置為1000并執行一個實質上與子程序141相同但方向相反的子程序159。子程序159用于查找液柱彎月面87的右邊緣，所用的方法是把在ROI2內的映象圖形的亮度最大值即MAXpixel與一閾值(諸如100)進行比較。在步驟161，如果MAXpixel超過了100，則圖象處理機63就前進到步驟163，在那里比值MAXpixel/LASTmax與1.1進行比較。如果比值超過了1.1，圖象處理機就認為在ROI2內找到了右邊緣并在步驟165使邊緣計數器增至2。然后，把ROI2的X座標存起來(步驟167)，用于識別亮環的右邊緣。如果MAXpixel在步驟161等于或小于100，或者在步驟159比值MAXpixel/LASTmax等于或小于1.1，則把LASTmax重新置為等于MAXpixel(步驟169)。然后，圖象處理機63把ROI2左移一個規定的量。例如在步驟171，圖象處理機把ROI2重新定位為左移5個X座標。只要ROI2還沒有達到映象圖形的左邊界。就如步驟173所決定的那樣，圖象處理機63重復子程序159。
現在參看圖6C。在圖象處理機63在ROI2內檢測到亮環的右邊緣或者在ROI2達到了映象圖形的左邊界之后，在步驟175圖象處理機63把LASTmax重新設置為1000并執行一個實質上與子程序141和子程序159相同但是是在Y方向的子程序177。子程序177用使ROI3內映象圖形的光度最大值即MAXpixel與閾值諸如100進行比較的辦法查找液柱彎月面87的底部邊緣。如果MAXpixel在步驟179超過了100，則圖象處理機63就前進到步驟181使比值MAXpixel/LASTMAX與1.1相比。如果比值MAXpixel/LASTMAX超過了1.1，圖象處理機63就認為在ROI3內底邊緣已經找到并接著在步驟183把邊緣計數器增1到4。接著在步驟185把ROI3的座標存起來，用于識別亮環的底邊緣。如果在步驟179MAXpixel等于或小于100，或者如果比值MAXpixel/LASTMAX在步驟181等于或小于1.1，則在步驟187把LASTMAX重新設置為等于MAXpixel。然后圖象處理機63把ROI3向映象圖形頂部移動一個規定的量。例如，在步驟189，圖象處理機63就向頂部方向重新定位ROI36.6個座標。只要ROI3還未達到映象圖象的頂部邊界，就如在步驟191所決定的那樣，圖象處理機63就重復子程序177。
在彎月面87的左、右和底邊緣都被找到之后，就如在步驟193所決定的那樣，圖象處理機63就前進到步驟195去計算一下大體上的圓半徑，用的辦法是用2除X座標之差，然后再前進到步驟197去計算圓中心的座標，算法是找到X座標之間的中點，再把圓半徑加到底邊緣的Y座標上。在步驟199，圖象處理機63令人滿意的計算一個大體上在亮環右邊緣上的一個點的座標。倘采用本發明的已畫出來的實施例，則計算出來的半徑、中心點和邊緣點被用于大體大定位區域91在液柱彎月面87的亮環上的位置，這是在圖象處理機63返回到圖5的流程圖的操作之前進行的。另一方面，如果所有的邊緣都沒有找到，則就如在步驟193所決定的那樣，圖象處理機63就返回到流程圖123的步驟131。在步驟201，流程圖123結束。
在本發明一個可供選擇的實施例中，視覺系統59可以具體化為一個帶有幀接收器(例如，創造性的科學技術視頻增強器(Technology′s VideoBlaster)的計算機，幀接收器用于捕捉攝象機53所產生的視頻圖象。起著圖象處理機63的作用的該計算機掃描映象圖形并分析每一掃描線的獨自的亮度值。從映象圖形的左或右邊緣開始并朝著其中心移動的同時，測量并平均背景(即熔融表面85)的亮度。掃描一直持續到發現一個亮度的陡峭的增加或者已取到了規定的樣本數目。二進制閾值技術被用于識別亮環的邊緣，其中閾值由平均亮度值加上一個經驗的補償組成。對于每一條掃描線都在通常對前邊所決定的圓心的X座標對稱的位置上確定了一對窗口區域以防止把外來的反射識別為正確的邊緣。這些窗口要求偏離先前的掃描線已報告的邊緣±n象素的容差。在這種意義上說，在拉單晶期間，晶體直徑的變化和晶體35的運動已被調節。借助于從頂到底對映象圖形進行搜索，左邊的和右邊的窗口區域被重新定位于從它們各自的邊界以相等的速率朝向中心一直到兩個正確的邊緣皆被找到為止。然后，這些窗口區域用它們的中心重新定位于邊緣上。每一在后續的掃描線上所檢測到的邊緣最好是在來自于先前掃描行的窗口區域之內，因而，確保邊緣已連接上。如果一條掃描線沒有通過容差核查，就簡單地把它丟掉不理，或者有規定數目的掃描線沒有通過，則搜殼就重新開始。還有，因攝象機53的安裝角度所產生的透視性失真可以用諸如同薩雷斯(Gonzalez)變換這樣的手段來進行補償。然后，這些被證實了的邊緣擬合為一個用于計算圓心點和圓半徑的圓。
以下的例子被推薦為描述本發明所涉及的實施例和應用，而且并不意味著限制本發明，除非在后附權利要求中另有說明。
例子1.圖7圖解式地畫出了晶體35的頭部的以象素(pixel)為單位的直徑測量結果對以毫米為單位的直徑的曲線。如上所述，視覺系統59根據以可以變換成毫米的Xpisel值為單位的已確定的圓93的寬度來決定晶體59的直徑。如圖7所示，1.8個Xpixel值大體上相當地一個毫米，就如用比如說測徑器所測到的那樣。
2.圖8A-8B以曲線的形式畫出了取自晶體35的晶頸部分的測量結果。圖8A-8B畫出的是用測徑器測到的以毫米為單位的晶頸的直徑和用視覺系統59測到的以毫米為單位的晶頸的直徑對晶頸的長度的曲線。如圖所示，在刻度上必須仔細調整以減小這兩個測量結果之間的誤差，比如說仔細調整偏置電壓和增益。此外，表示用視覺系統59所測結果的曲線是以采樣速率為每分一次為基礎的。由于晶體35的晶頸部分的生長是每分5毫米之快，故上述采樣速率有可能丟掉晶頸直徑的某些峰和谷值。在刻度上的改進已經產生了在直徑從4.5mm到7.0mm的范圍內精度為±0.5mm的結果。圖8B畫出的是用視覺系統59測到的以毫米為單位的直徑對用測徑器測得的以毫米表示的直徑的曲線。
3.圖9A-9B以圖解的方式畫出了取自晶體35的整個長度上的測量結果。為了圖9A-9B的目的，晶體長度從晶體35的主體部分上的一個參考點開始測量。在該點上晶體35有一個相對均勻的直徑而且并不包括晶體35的晶頸和頭部部分。圖9A示出了視覺系統59所測到的以毫米表示的直徑和以校準過的象素為單位的中心點C的Y座標對晶體長度的曲線。如上所述，中心點C的Y座標用Y＝1.2(Xpixel)計算，其中Y以校準后的象素來表示。圖9B示出了以校準后的象素所示的中心點C的Y座標對以毫米表示的晶體長度的曲線。如上所述，由于攝象機53的安裝角度所產生的透視性失真和橢圓形亮環的假定的緣故，Y座標值和晶體的直徑相互影響。盡管用刻度因子1.2乘Xpixel部分地補償了這種失真、仍希望進一步修正。進一步的修正企圖孤立熔融水平面41已申明過的降低。這種降低是當熔融硅33被消耗到還剩下大約40kg時，坩堝27的已縮減的直徑引起的。雖然坩堝27的提升速率已被固定，但熔融硅33傾向于被消耗得比坩堝驅動部件31把坩堝27舉起的速度還快。在本例中，被修正的Y座標由Y修正＝Y-Cl(晶體長度)+C2(直徑D-C3)來決定，其中C1＝0.0033，C2＝0.35，而C3＝209。換句話說，中心點C的Y座標被調整為減去在長度上從0到大約750mm，在熔融硅水平面41上長期的且明顯地表現為線性的增長，然后再加上乘以刻度因子的直徑的增加量。
考慮到以上情況，人們看到本發明的幾個目的已經達到。而且還得到了另外一些有利的結果。
因為在上述構造和方法中可能進行而又不偏離本發明的范圍的各種變動，故所有包含于以上說明中的事項或者示于各個附圖中的事項都被解釋為說明性的而沒有限制的含義。
權利要求
1.一種用來和用于從熔融硅中生長硅晶體的設備相聯合的方法，上述方法用于確定正被從熔融硅中拉出來的硅晶體的尺寸，上述熔融硅有一彎月形的表面，這個彎月面作為毗連硅晶體的亮區是可以看得見的，上述方法包括下述步驟用攝象機產生毗連于硅晶體的亮區的一部分的映象圖形；檢測映象圖形的特征；作為已被檢測到的特征的函數。定出亮區的邊緣；定出包括亮區的已定出的邊緣在內的形狀；確定已定出形狀的尺寸，從而硅晶體的尺寸被確定為已定出的形狀的已確定了的尺寸的函數。
2.如權利要求1所述的方法，其特征為包括定出毗鄰亮區部分的映象圖形的窗口區域的步驟，其中，映象圖形的特征在用于定出亮區邊緣的窗口區域內被檢測。
3.如權利要求2的方法，其特征為，映象圖形的特征是亮度梯度。還有其中檢測映象圖形的特征的步驟包括在窗口區域內確定映象圖形的亮度梯度。
4.如權利要求2的方法，其中硅晶體一般說是圓柱狀的，亮區一般說是環形的。還有，其中定出形狀的步驟包括定出一個一般為圓的形狀，這個圓形包括已在映象圖形的至少三個窗口區域中定出的環形亮區的邊緣。而確定已定出了的形狀的尺寸的步驟包括測量已定出的圓形的直徑。
5.如權利要求4的方法還包括相對于一個參考X-Y座標系-確定已定出的圓形的中心的步驟，其中，中心的Y座標指示的是熔融硅水平面。
6.如權利要求2的方法，還包括在映象圖形上定出中心點的步驟，其中窗口區域被定在映象圖形上預選的位置上，這些事先選定的位置被定位于相對于已定出的中心點成幅射狀。本方法還包括把窗口區域作為在窗口區域中映象的已被檢測到的特征的函數相對于在拉單晶期間不斷變化的亮區而移動的步驟。
7.如權利要求1的方法，其中晶體生長設備提供了使硅晶體在一參考速率下轉動，而且還包括檢測已定出形狀的已確定尺寸中相對于參考速率的周期性偏差的步驟，以此來指示硅晶體的零位錯生長。
8.如權利要求1的方法，其中硅晶體通常是沿著一個垂直軸從熔融硅中拉出來，上述垂直軸通常垂直于熔融硅的表面。還有，其中攝象機有一個光學軸、該光學軸對上述垂直軸成銳角。本方法還包括對由攝象機角度所產生的映象圖形的失真進行補償的步驟。
9.如權利要求1的方法，其中硅晶體從容納熔融硅的坩堝中拉出來，而且晶體生成設備提供了硅晶體和坩堝之間的相對運動。本方法還包括控制坩堝和/或硅晶體的轉動速率，和/或控制從熔融硅中拉出硅晶體的速率，和/或根據硅晶體的已確定的尺寸控制熔融硅的溫度從而控制晶體生長設備的步驟。
10.一個用來和用于從熔融硅中生長硅晶體的設備聯合的系統，上述系統用于確定正被從熔融硅中往上拉的硅晶體的尺寸，上述熔融硅有一個彎月面的表面，該彎月面作為毗鄰硅晶體的亮區是看得見的，上述系統包括一個攝象機，用于產生毗鄰硅晶體的亮區的一部分的映象圖形；一個檢測電路，用于檢測映象圖象的特征；一個確定電路，用于作為已檢測到的特征的函數定出亮區的邊緣而且用于定出包括亮區的已定出了邊緣在內的形狀；一個測量電路，用于確定上述已定出的形狀的尺寸，從而，晶體的尺寸被確定為已定出的形狀的已確定尺寸的函數。
全文摘要
一種用于決定正從熔融硅中往外拉的硅晶體的尺寸以控制硅晶體生長設備的系統和方法。熔融硅有一個彎月面的表面，該彎月面作為毗鄰晶體的亮環是看得見的。一個攝象機產生毗鄰于晶體的亮環的一部分的映象圖形。圖形處理電路檢測映象圖形的特征并作為已被檢測到的特征的函數確定亮環的邊緣。該圖象處理電路還確定包括亮區的已經確定了的邊緣的總體說是圓的形狀。接著以已經確定了的形狀的直徑為基礎決定晶體的直徑以控制晶體生長設備。
文檔編號H01L21/02GK1147570SQ9610758
公開日1997年4月16日 申請日期1996年5月31日 優先權日1995年6月2日
發明者羅伯特·H·富霍夫 申請人:Memc電子材料有限公司