(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン結晶に近接した輝領域としてみることができるメニスカスを伴った表面を有しているシリコン融液から引き上げ中のシリコン結晶の寸法を決定するための、シリコン融液からシリコン結晶を成長させる装置と組み合わせて用いられる方法であって、
カメラでもってシリコン結晶に近接した輝領域の一部分の画像パターンをつくりだすステップと、
上記画像パターンの特徴を検出するステップと、
検出された上記特徴との相関で上記輝領域のエッジを定義するステップと、
上記輝領域の上記一部分に近接した画像パターンの窓領域を定義するステップであって、上記画像パターンの上記特徴を、上記輝領域の上記エッジを定義するために上記窓領域内で検出するステップと、
定義された輝領域のエッジを含む形状を定義するステップと、
定義された形状の寸法を決定し、これにより上記シリコン結晶の寸法を、定義された形状の決定された寸法との相関で決定するステップとを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項２】
上記画像パターンの特徴は明暗度勾配とすることを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
上記シリコン結晶は通常は円柱とし、上記輝領域は一般的には環形とし、上記形状を定義する上記ステップは、通常は少なくとも３つの該画像パターンの窓領域内に定義された環形である輝領域のエッジを含む円を定義することを含み、定義された上記形状の寸法を決定するステップは、定義された円形の寸法を測定することを含むようにしたことを特徴とする、請求項２記載の方法。
【請求項４】
上記画像パターンの中心点を定義するステップを備え、そこにおいては上記定義された中心点に関して、放射状に配置された画像パターン上で予め選択された位置で窓領域が定義され、さらに結晶引き上げ中輝領域が変化するのに関して、窓領域において検知した画像パターンの特徴に相関して、窓領域を移動させるステップを備えたことを特徴とする、請求項２記載の方法。
【請求項５】
参考速度においてシリコン結晶を回転させることを供給する結晶成長装置、及び定義された形内で決定された寸法における参照速度に関連した周期的偏りを検知するステップを備え、それにより該シリコン結晶のゼロ転移成長を示すようにしたことを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項６】
るつぼが上記シリコン融液を保持し、そこにおいては結晶シリコンが引き上げられ、結晶成長装置は該シリコン結晶とるつぼの間の相対的動きを供給し、さらに該るつぼおよび／又は該シリコン結晶の回転速度を制御するステップ、該シリコン融液から該シリコン結晶の引き出し速度を制御するステップ、決定された該シリコン結晶の寸法に応じてシリコン融液の温度を制御するステップのうち少なくとも１つを備え、そのことにより結晶成長装置を制御することを特徴とする、請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チョクラルスキ（Czochralski）プロセスにより成長させられたシリコン結晶直径の測定のための改良されたシステム及び方法に関するものであり、特にチョクラルスキプロセスが用いてられている装置又は方法の制御に使用するシステムや方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロエレクトロニクス工業用のシリコンウエーハーの製造のため用いられるシリコン単結晶軸の大部分は、チョクラルスキプロセスが用いられている結晶引き上げ装置によって製造される。簡潔に述べるとチョクラルスキプロセスは、シリコンを融解させるような特別に設計された炉の中に位置する石英るつぼに保持される高純度多結晶シリコンの融液が大量に必要である。
【０００３】
種結晶を昇降させるための結晶昇降装置からつるされている引き上げワイヤーの下端部の比較的小さい種結晶は、上記石英るつぼ上方に位置している。上記結晶昇降装置は種結晶をるつぼ内のシリコン融液に接触するまで降下させる。種結晶が溶融しはじめたとき、上記昇降装置はゆっくりと種結晶をシリコン融液から引き出す。種結晶が引き出される際、種結晶は融液からシリコンを引き寄せながら成長していく。結晶成長中、上記るつぼは一方向に回転させられていて、上記結晶昇降装置、ワイヤー、種結晶及び結晶は反対方向に回転させられている。
【０００４】
結晶成長が始まるとき、種結晶と融液が接触の際の温度衝撃により結晶内に転移が惹起されるかもしれない。上記転移は、結晶成長中増殖し、種結晶と結晶の主体ボデイの間のネック部分において転移を除去しない限り増加する。
【０００５】
シリコン単結晶内の転移を除去する既知の方法は、結晶ボデイが成長する前に完全に転移を除去するために、比較的高速な結晶引き上げ速度において小さな直径のネックを成長させることが必要である。ネックの転移が除去された後、結晶の主体ボデイが所望の直径に達するまで、ネックの直径は大きくなる。結晶主体で最も弱い部分であるネックの直径が小さすぎると、結晶成長中、ネックは破損し結晶はるつぼに落下する可能性がある。結晶インゴットの衝撃とシリコン融液のはねかえりは、発表されている安全性の障害同様に、結晶成長装置に障害を与える。
【０００６】
本技術分野においては既知のことであるが、部分的にチョクラルスキプロセスは、成長中の結晶の直径の相関によって制御される。従って、制御と安全面の両方の理由において、ネックの直径を含む結晶の直径測定法に関して正確かつ信頼性あるシステムが必要とされている。
【０００７】
幾種類かの技術が、輝環の広さを測定する方法を含む、結晶直径測定方法を提供している。上記輝環は液相と固相とのあいだに形成されたメニスカス内のるつぼの障壁の反射の特性である。既知である輝環及びメニスカスセンサーは、光高温計、フォトセル、フォトセルを伴った回転鏡、フォトセルを伴った光源、ラインスキャンカメラ、二次元配列カメラに用いられている。米国特許第3740563号、5138179号、5240684号、以上の全公開報は結晶成長中の結晶の直径の決定に関する装置及び方法を公開するものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
残念ながら、自動的に結晶の広さを測定する既知装置は、異なる状態の結晶成長の際での使用の場合、又は結晶の固体ボデイ自身による観察からの正しい輝環の最大値は不明確であるかもしれない大直径である結晶に対して使用する場合は十分な精度と信頼性は得られない。
【０００９】
上記問題点を解決しようとする努力において、結晶の広さを測定する既知装置はメニスカス上の弦上又はメニスカスに沿った一点を測定しようと試みる。しかしながらそういった装置は、対象物への走査に関して機械的に精密な位置決めが要求され、融液位の変動に敏感である。さらに既知測定装置は、上記直径を仕様範囲内に維持することを確実にするために結晶成長装置のオペレーターによる頻繁な校正を要求している。
【００１０】
上記記載の問題に加えて、既知の装置が自動的に結晶の直径を測定するに関して、結晶が融液から引き上げられる際、結晶が回転するとき又は振り子運動をしているとき、正確な測定を供給できない。また既知の測定装置は輝環と融液表面上又は成長中の結晶自身よる反射を区別できず、信頼できない結果を得るに終わる。加えて、該装置はしばしば、観察窓が、例えばシリコンのはねかえりで遮断されたとき、測定を提供することができない。
【００１１】
結晶の直径測定に関する既知方法及びシステムの別の不都合な点は、融液位の測定及びゼロ転移成長の損失の表示といった結晶成長工程に関しての付加情報を供給できないことである。
【００１２】
上記の理由によって、既知装置は結晶成長工程を制御することに対して結晶直径を自動的に決定する正確かつ信頼性あるシステムを供給することはできない。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
少なくともいくつかの上記の不都合な条件を克服する改良された制御及び操作のシステム及び方法は本発明の特徴と目的において注目に値するであろう。結晶成長中に結晶直径を正確かつ信頼性をもって測定するシステム及び方法の供給、カメラアングルによる歪みにより惹起させられるエラーを補正することを備えたシステム及び方法、結晶成長中の結晶の動きに影響されないシステム及び方法、融液位を正確かつ信頼度を持って測定することを備えたシステム及び方法、ゼロ転移成長の損失の表示を備えたシステム及び方法、経済的に実行が可能で商業上実用的であるシステム及び方法、効率的で比較的高価でなく実行できるシステム及び方法が提供される。
【００１４】
簡潔に述べると、本発明の実施形態であるシステムはシリコン融液からシリコン結晶を成長させる装置との組み合わせで用いられるものである。上記システムは、結晶近接にあって輝領域として可視のメニスカスを表面に保持する上記融液から引き上げられる結晶の寸法を決定する。システムにはシリコン結晶近接にある輝領域の一部分の画像パターンを発生させるカメラと、該画像パターンの特徴を検知する検知回路が含まれる。また上記システムには、検知された特徴の相関として輝領域のエッジを定義するため、及び定義された輝領域のエッジを含む形を定義づけるための定義回路を含む。測定回路は上記定義された形の面積を決定し、それによって定義された形の決定された寸法の相関として、シリコン結晶の寸法が決定される。
【００１５】
通常本発明の他の形態はシリコン融液からシリコン結晶を成長させるために用いる装置との組み合わせにおいて用いられる方法である。上記方法は、シリコン結晶に近接して輝領域として可視であるメニスカスを表面に保持する融液から引き上げられる結晶の寸法を決定するものである。上記方法は、シリコン結晶に近接する輝領域の一部分の画像パターンを発生させるステップ及び、上記画像パターンの特徴を検知する方法を含むものである。上記方法は検知された特徴の相関によって上記輝領域のエッジ、及び輝領域内の定義されたエッジを含む形を定義する。上記発明はさらに定義された形の面積を決定するステップを含み、それによって定義された形の決定された面積の関数によって上記シリコン結晶の寸法が決定される。
【００１６】
選択的に、本発明は様々な他のシステム及び方法を含むかもしれない。
他の目的及び特徴は部分的にはっきり理解され、以下の文において指摘される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１を参照にする。システム２１は本発明にかかるチョクラルスキー結晶成長装置２３を用いて示されている。示された上記実施件において、上記結晶成長装置には、抵抗型ヒーター２９又は別の加熱手段により囲まれたるつぼ２７を封じ込める真空チャンバー２５が含まれる。通常るつぼドライブユニット３１は該るつぼ２７を、矢印が示す時計回り方向に回転させ、結晶成長中、所望に応じて、るつぼ２７を昇降させる。るつぼ２７はシリコン融液３３を保持し、引き上げシャフト又はケーブル３９に取り付けられている種結晶３７と起動し、そこから単結晶３５が引き上げられる。図１に示されているように、融液３３は融液位４１を保持する。上記融液位４１、上記るつぼ２７、上記結晶３５は共通の鉛直対称軸４３を有する。
【００１８】
チョクラルスキー結晶成長法によると、結晶ドライブユニット４５は上記るつぼドライブユニット３１がるつぼ２７を回転させる方向と反対の方向にケーブル３９を回転させる。さらに上記結晶ドライブユニット４５は、結晶成長中所望に応じて結晶３５を昇降させる。ヒーター電源４７は、抵抗型ヒーター２９に電圧をかけ、真空チャンバー２５の内壁に断熱材４９をライニングする。真空ポンプを用いて真空チャンバー２５内のガスを除去するとき、アルゴンガスの不活性大気を該真空チャンバーに送り込むが望ましい（図示していない）。実施件の一つにおいては、冷却水が送り込まれているチャンバー水冷ジャケット（図示していない）が真空チャンバー２５を囲んでいるかもしれない。フォトセルのような温度センサー５１により融液の表面温度を測定するのが望ましい。
【００１９】
本発明の望ましい実施例において、少なくとも一台の二次元カメラ５３が単結晶３５の直径を決定するコントロールユニット５５と共に利用される。上記コントロールユニット５５はカメラ５３からの信号と同様に温度センサー５１からの信号を処理する。図２に示されているように、コントロールユニット５５は、るつぼドライブユニット３１、単結晶ドライブユニット４５、ヒーター電源４７を制御するために用いられるプログラムされたデジタル又はアナログのコンピューターを含む。
【００２０】
続けて図１を参考にする。一般的なシリコン単結晶成長法によると、多量の多結晶軸シリコンがるつぼ２７に充満されている。ヒーター電源４７はヒーター２９を介して融解のために電流を供給する。結晶ドライブユニット４５はケーブル３９を介して種結晶３７を降下させ、るつぼ２７に保持されるシリコンが融解した融液３３に接触させられる。種結晶３７が融解し始めたとき、結晶ドライブユニット４５は、種結晶を融液３３からゆっくりと引き出し又は引き上げられる。種結晶３７が融液３３から引き出すにつれて、該融液３３から該種結晶３７がシリコンを引き寄せシリコン単結晶３５の成長を惹起する。種結晶３７を融液３３に接触させる前に、種結晶３７予熱するために、最初に種結晶３７を融液３３に接触する寸前まで降下させることが必要かもしれない。
【００２１】
結晶３５が融液３３から引き上げられる際、結晶ドライブユニット４５は、所定の参考速度で該結晶を回転させる。同様にるつぼドライブユニット３１は、所定の第２の参考速度でるつぼ２７を、通常は結晶３５と反対方向に回転させる。コントロールユニット５５は、結晶３５のネックダウンを惹起させるため、最初引き出し、引き上げ、速度、電源４７によるヒーター２９に対する電源供給の制御を行う。その後コントロールユニット５５は、所望の直径の結晶が達成されるまで、結晶３５の直径を円錐型に増加させようとするこれらのパラメーターを調整するのが望ましい。
【００２２】
所望の直径の結晶が達成されると、コントロールユニット５５は、上記引き上げ速度、及び該処理が終了までシステム２１を用いて測定した一定の直径を維持するための加熱を制御する。この点で、引き上げ速度と加熱が増え、そのため単結晶３５の端部において、直径が細く形成される。
【００２３】
上記の通り、結晶成長中の正確かつ信頼性ある制御が望まれており、特に結晶３５のネック部分の成長中において望まれている。種結晶３７が融液３３から引き出される際、該ネックはおおよそ一定の直径に成長するのが望ましい。例えばコントロールユニット５５は、上記ネックを所望の直径の１５％内に維持するために、おおよそ一定にネック直径を維持させる。
【００２４】
本技術に関しては既知のことであるが、転移の無い種結晶３７をシリコン融液３３に接触させた際の熱衝撃により最初に導入された転移（図示していない）を、該種結晶３７近接するネックの頂点に含んでいるかもしれない。
【００２５】
本発明に関しては既知のことであるが、ネック直径の過度の変動もまた転移を惹起するかもしれないということである。一般に公開されている米国特許第5178720号の全ての公開は、結晶の直径の相関により結晶及びるつぼの回転速度を制御する望ましい方法を公開する。
【００２６】
図２にブロックダイヤグラム内のコントロールユニット５５の望ましい実施例を示す。本発明において、カメラ５３は、768×494画素の分解能を有するソニーのCCDビデオカメラXC-75のような、電界結合素子（CCD）カメラが望ましい。上記カメラ５３は、チャンバー２５内にあって、鉛直軸４３と約３４度を成す点であって、通常融液３３の融液位４１と軸４３との交差点を標準にする観測点（図示していない）に据え付けられる。（図３参照）
【００２７】
融液３３と結晶３５との境面にあるメニスカスの部分的画像（図３参照）を含む該融液３３から該結晶３５が引き出される際、カメラ５３は該結晶３５の広さのビデオ画像を発生させる。上記カメラ５３のレンズは、少なくとも約300mmの視野を有する16mmレンズが望ましい。上記カメラ５３は、RS-170を例とする通信線５７を介して視覚システム５９にビデオ画像を伝達する。
【００２８】
図２に示されているように、視覚システム５９には、ビデオ画像フレームバッフアー６１及び画像プロセッサー６３が含まれる。例えば視覚システム５９は、コグネックス  CVS-400視覚システム（Cognex CVS-400 vision system）が用いられる。また上記視覚システム５９は、通信線６７を介してプログラム論理制御器（ＰＬＣ）６５と通信する。望ましい一実施例において、上記ＰＬＣ６５はジーメンス社製モデル５７５を、上記通信線６７にはVMEバックプレンインターフェイス（VME backplane interface）を用いる。
【００２９】
さらに図２を参照にする、視覚システム５５は、RS-170  RGBビデオケーブルを例とする通信線７１を介してビデオデイスプレイ６９と通信し、RS-232ケーブルを例とする通信線７５を介してパソコン７３と通信する。望ましい実施例において、上記ビデオデイスプレイ６９は、カメラ５３によって発生させられたビデオ画像を表示し、上記コンピューター７３は視覚システム５９のプログラミングのために用いられる。
【００３０】
示されている実施例において、ＰＬＣ６５は、RS-232ケーブルを例とする通信線７９を介してオペレーターコンピューターインターフェイス７７、及びRS-485ケーブルを例とする通信線８３を介して一つ又は複数のプロセスインプットアウトプットモジュール８１と通信する。上記オペレーターコンピューターインターフェイス７７によって結晶成長装置２３のオペレーターが特定の結晶成長のために所望のパラメーターの組み合わせを入力することができる。上記プロセスインプットアウトプットモジュール８１は、成長工程を制御する結晶成長装置２３を行き来する信号路を供給する。例えばＰＬＣ６５は温度センサー５１からの融液の温度に関する情報を受け、成長工程を制御している融液温度を制御するために、プロセスインプットアウトプットモジュール８１を介して制御信号をヒーター電源４７に出力する。
【００３１】
図３は融液３３から引き上げ中のシリコン結晶３５の断片図である。結晶３５は通常シリコン結晶軸の円柱のボデイで構成され、鉛直軸４３と直径Ｄを保持するシリコン結晶軸のインゴットであるのが望ましい。結晶３５のような成長結晶は通常は円柱であるが、一様な直径を保持しないかもしれないということを理解すべきである。
【００３２】
こういった理由によって、軸４３に沿って異なる位置における直径Ｄはわずかに変化する。さらに直径Ｄは、例えば種、ネック、頂点、肩、ボデイ、及び端円錐部といった結晶成長の異なった状態においても変化するだろう。図３はまた、結晶３５と融液３３との界面に形成される液体メニスカス８７を保持する融液３３の表面８５を示す。本技術分野においては既知であるが、上記メニスカス８７のるつぼ２７の反射は、結晶３５近接の輝環として典型的な可視なものである。
【００３３】
記載の実施例において、カメラ５３は、チャンバー２５内であって通常軸４３と融液３３の交差点を標準にとらえる観測点（図示していない）に据え付けられるのが望ましい。換言すると、カメラ５３は、鉛直軸４３と鋭角θを成す光軸８９を保持する。例によるとθはおよそ３４度である。さらにカメラ５３のレンズによって、結晶３５の広さとすくなくともメニスカス８７の輝環の一部分を視野に含むものを供給するのが望ましい。望ましい実施例において、適切なレンズの選択が、広いアングル同様に小さな種結晶及びネックの高分解能分析のための望遠写真、結晶３５の広いボデイ部のための写真の両方を供給する。
【００３４】
図４を参考にする。チャンバー２５内の観測点からカメラ５３により観察された、メニスカス８７を含む結晶３５の例示図である。本発明の望ましい実施例において、視覚システム５９内のフレームバッフアー６１はカメラ５３からのビデオ画像信号を受け、画像プロセッサー６３によって処理のために画像パターンをとらえる。通常画像プロセッサー６３は、メニスカス８７の上記輝環の内側又は外側周辺に少なくとも３点の座標を探しあてるため、デジタルエッジ検知を実施する。画像プロセッサー６３によって検知される輝環エッジの座標は楕円を描くと仮定され、結晶３５とメニスカス８７の断面図は通常円として知られているから、変形されてはっきりと円形を描く。
【００３５】
選択的に、エッジの座標はカメラ５３が据え付けられているアングルによって惹起される歪みを補正することにより、はっきりとした円形を描くことができる。１９８７年ゴンザレスとウィッツによる「デジタル画像処理」の３６〜５５ページ（Gonzalez and Wintz Digital Image Proccesing)は、三次元対象物に対してカメラの位置によって惹起される視覚上の歪みの補正に対する数学的変形を公開している。かかる変形は歪んだ楕円形から円形を抜き出すのに用いられるかもしれない。
【００３６】
本発明の望ましい実施例において、画像プロセッサー６３は、カメラ５３によって発生させられ、フレームバッファー６１によりとらえれた画像上の余分領域９１を少なくとも３つ、望ましくは５つ以上定義する。画像プロセッサー６３は、余剰領域９１を検査し、各領域９１内に含まれる画素の明暗度又は明暗度勾配といった、画像パターンの特徴のために、エッジ工具又は窓の領域として参照にされる。
【００３７】
検知された該画像パターンの特徴に基づいて、画像プロッセサー６３はメニスカス８７の輝環の外側に沿ったエッジ座標を決定する。領域９１は、通常カメラ５３によって観察されると予想される輝環に一致した曲線に沿った予め選ばれた位置に、定義されるのが望ましい。換言すると、領域９１は、輝環に近接する円や楕円の下半分に沿って定義された中心点から広がっていくように位置する。該輝環の一部分のおおよそ形に近接する予め選択された位置において、領域９１を定義することにより、上記領域９１は、見せかけの測定を惹起するかもしれない融液３３の表面８５上の予測され又は知られている反射を除去する。
【００３８】
画像プロセッサー６３は、領域９１の個数も定義するので、チャンバー２５内の観測点の一部が遮断されても、画像プロセッサー６３はまだ輝環のエッジを検知することができる。明暗度又は明暗度勾配に加えて、色又はコントラストといった画像パターンの他の特徴は、メニスカス８７の輝環のエッジ座標を発見するために検知されるかもしれないということを理解されるべきである。
【００３９】
図４は、領域９１が定義された望ましい位置の組み合わせを示す。示されているように、最右領域と最左領域は中心点ＣのY座標のより下に位置するのが望ましい。従ってチャンバー２５内の観察点から結晶３５のボデイを観察したとき、惹起するエラーである該結晶３５が上記輝環の最大の広さを不明確にするといったことの影響を本発明によるシステム２１の操作が受けることはない。有効なことは、例えば特に直径200mm以上の結晶に対して欠点であった視覚的な歪みによって惹起される上記問題を本発明が克服したことである。
【００４０】
記載によると、結晶３５は、通常融液３３の表面８５に垂直である鉛直軸４３に沿って上記融液から引き上げられる。引き上げ中、結晶３５は相対的に鉛直軸４３方向に動くかもしれない。好都合なことに、領域９１は充分広いから、たとえ結晶３５が動いていたとしても、輝環内のエッジ座標は領域９１内に定義されるかもしれない。
【００４１】
画像プロッセッサー６３は、例えば種、ネック、頂点、肩、ボデイ及び円錐端といった成長の全ての状態を通じて結晶直径を追跡するために、領域９１の予め選択された位置を能動的に移動させる。換言すると、領域９１は約４mmから320mmまでの結晶直径をたどる。しかし本技術に関しては既知のことだが、成長の全状態において、上記輝環は常に可視ではない。例えばシステム２１は結晶の頂上の部分が成長中、輝環は相対的に小さいか又は可視ではないかもしれない。
【００４２】
こうした理由によって、システム２１は、概画像パターンのバックグランドに対して輝領域として相対的に明るく見える頂点の境界線を検知するのが望ましい。例えば上記画像パターンのバックグランドは融液の表面８５を表す。従って上記輝環を検知する代案として、システム２１は結晶３５に関連する該輝環を検知する。
【００４３】
望ましい実施例において、上記輝環の領域９１内に検知されるエッジ座標は、視覚的歪みを補正するため数学的に変形され、その後最良に適応した円測定に導入される。例えば画像プロセッサー６３は、検知したエッジに相応する円を定義するためハフ交換法(Hough transform)又は最小二乗法(least-squares fit)を用いる。本発明に関して、画像プロセッサー６３は通常直径Ｄ´及び検知された座標にもとずく中心点Ｃを有する円形９３を定義する。事実上円９３を定義するには少なくとも３つのエッジ座標が必要である。
【００４４】
結晶成長の制御に用いられるＰＬＣ６５使用により結晶３５の直径Ｄの正確な測定を得るために、画像プロッセサー６３は定義された円９３の直径Ｄ´を最初にデジタル処理する。該方法により、画像プロセッサー６３は結晶直径Ｄ、正確な円に対する相対適合性の測定、融液位４１を決定するために円９３の面積を用いる。本適用の目的に関して、融液位４１はヒーター２９と融液３３の表面８５との距離によって定義され、中心点Ｃの座標の相関として決定されるかもしれない。
【００４５】
操作において、画像プロセッサー６３は、上記輝環の一部分に近接する領域９１を定義し、上記９１内の画像パターンの明暗度勾配の特徴を検知する。さらに画像プロセッサー６３は、検知された特性の相関として、各領域９１内において上記輝環のエッジ座標を定義し、定義されたエッジ座標を含む円形９３を通常定義する。その後定義された９３を基に、結晶成長工程を制御するため、上記直径Ｄが決定される。
【００４６】
コントロールユニット５５内のＰＬＣ６５は、るつぼ２７と結晶３５の回転速度、結晶３５の融液３３から引き上げ速度、融液３３の温度の制御に対して、シリコン結晶３５の直径Ｄを対応させ、るつぼ２７の液位を制御することに関して、液位４１の決定を対応させる。こうして結晶成長装置２３は制御される。従って画像プロセッサー６３は、定義回路、測定回路及び制御回路を含むＰＬＣ６５を含む。
【００４７】
本発明の望ましい実施例において、直径Ｄ´は径方向の画素数によって測定される。例えば、結晶半径Ｄ(mm)=ＣＦ(画素数）-3.02mm ここでCFは0.95mm〜1.05mmの補正要素であり、3.02mmは輝環の寸法に対する補償である。上記3.02ｍｍという数値は成長ネックのデーター分析によって決定したものであり、補正要素CFは測定された数値に基ずいて、オペレーターが入力した数値である。
【００４８】
本発明によると、結晶成長装置２３のオペレーターは、補正された軌跡上を滑動する望遠鏡によって成長結晶３５を測定し、その後、上記決定された直径Ｄと測定数値を一致させるため、コンピューター７７を経由してCFの数値を導入する。この方法によって、直径測定における変化性に対する補正をCFに対して行われる。基本的に上記変化性は、光の広がりに影響を与えるカメラ５３と結晶３５との距離の変化によるものである。距離を長くすることは結晶３５を小さく見せ、そのことによって結果的には実際の結晶３５を過大成長させるかもしれない。これらの距離の変化は、融液位４１によるものだから、一つの結晶装置２３から他の装置、一処理から他の処理、そして単処理においてさえも発生する。
【００４９】
融液位４１に関して、画像プロセッサー６３は融液位４１を示す中心点Ｃを決定する。本発明によると中心点ＣのＹ座標と参照数値の相違が融液位４１の決定に用いられる。選択的に、例えばライトビーム、チャンバー２５に装着した検知装置といった、工業的で入手可能な光学機器が融液位４１の決定に用いられるかもしれない。融液位４１の決定は、訂正された要素の計算及び、るつぼの昇降制御２７を介した融液位の変化減少による直径の変化を減少させることに用いられるかもしれない。
【００５０】
直径測定における変化の別の基本的原因は、上記輝環の広さは液体メニスカス８７によりさらされ、反射されたるつぼ２７の熱壁の高さに依存することである。融液３３が枯渇すると、上記輝環の広さは増大し、そのことによって結晶３５が大きく見せられ、結果的には結晶の過小成長を惹起する。選択的に3.02mmの値を一定に用いると、上記輝環の広さは追加的な視覚機器又は数学的モデルによって計算することができる。
【００５１】
例えば、融液３３と輝環との間のエッジを検知するのに加えて、結晶３５と輝環との間のエッジを検知することが輝環の広さの測定を提供する。さらに液メニスカス８７の数学的モデルがるつぼの壁高に関しての反射特性を考慮することが輝環の広さの測定を提供する。
【００５２】
選択的実施例において、画像パターン上の領域９１内に定義された輝環の５つの座標は、結晶ドライブユニット４５が結晶３５を回転させる速度により、惹起される結晶直径内の周期的な偏りを検知するために用いられる。本技術分野においては既知なことであるが、<100>ゼロ転移成長は、面又は成長列であり、通常は鉛直軸４３に平行であり、結晶３５のボデイに沿って空間をあけている。これら成長列は結晶３５の断面図の外辺部における特徴のような小さなくぼみとして見られる。
【００５３】
こうした理由により、結晶３５が既知の速度で回転される際、特定領域９１において成長列は、回転速度を例とした速度を４倍にすることが求められる。画像プロセッサー６３は、結晶３５のゼロ転移を確認し、定義された円形９３の決定された直径に関する周期的偏りを検知する方法によって構成される。
【００５４】
加えて、本発明の視覚システム５９は、結晶直径、液位、ゼロ転移成長の損失に加えて、チューブの欠陥もしくは融解欠陥、完全な融解であるか、完全な氷であるか、電流及び温度の対流といった結晶成長パラメーターの決定に用いられることを理解されるべきである。
【００５５】
図５は、フローチャート９５の形態による、本発明の一つの好ましい実施の形態にかかるシステム２１の操作を示したものである。ステップ９７の開始後、フレームバッフアー６１は、ステップ９９においてカメラ５３より画像パターンを得る。画像プロセッサー６３は、とらえられた該画像を受け、カメラのアングルにより惹起される画像パターンの歪みを補正するため画素の明暗度を調整する。かかる調整は、ステップ１０１において数値Ｙを定義するため、画像パターンＹ成分(Ypixel)に、COSθから引き出された係数で１．２倍に拡大することにより果たされ、X=Xpielであるのが望ましい。従ってステップ１０１を実行する画像プロセッサー６３は、結晶３５近接の輝区画の一部分が通常弓形になるよう画像パターンを調整する方法で構成されている。
【００５６】
ステップ１０３において、視覚システム５９内の画像プロセッサー６３は、余剰領域９１の各領域内の明暗度勾配を調査することによりエッジの検知を実行する。上記勾配は各領域９１内の画像パターンの相対明暗度の微分を考慮することにより得られる。従って画像プロセッサー６３は領域９１において輝環のエッジにより示される明暗度の変化が最も大きい座標を件する。
【００５７】
ステップ１０５において、５つのエッジ座標が定義されると、画像プロセッサー６３は、ハフ交換又は最小二乗法といった円定着アルゴリズムによって、定義されたエッジ座標を通常円形に定着させるために、ステップ１０７に処理が進められる。例えばハフ交換によって円を見つけるために利用されることができるデーター群を作り出す分類手順を使用し、その後所望の目的に関して最良のデーター群を見つけだす。上記データーは定着する半径と中心を発見するために平均化される。
【００５８】
ステップ１０９において、視覚システム５９は、定義された９３と正確な円を比較することで、円の定着の質を決定する。上記決定は該測定の有効性の表示を供給するものである。定義された形が充分な円である場合、視覚システム５９は定義された円９３の直径Ｄ´及び中心点ＣのX-Y座標の情報を、結晶成長装置の制御に用いるため、コントロールユニット５５のＰＬＣ６５に伝達する。フローチャート９５による実施例において視覚システム５９は、円９３の半径を伝達する。従って画像プロセッサー６３は、ＰＬＣ６５と共に、X-Y座標システムの参考点に関して定義された円９３の中心を決定する方法で構成されるステップ１１１を実行する。
【００５９】
その後、システム２１の操作は、カウンターＮをゼロにセットするステップ１１３を続行する。画像プロセッサー６３は、決定された中心点及び半径に基ずいて、領域９１を再配置する。本発明の一実施例によると各領域９１は、定義された円の下半分に沿った予め選択された基本的な位置に定義される。（一般的には図４に示される）この方法において、領域９１は、フローチャート９５を反復後、検知されたメニスカス８７の上記輝環のエッジ上に本質的な中心をおき、結晶引き上げ中に画像プロセッサー６３は、直径変化に対するのと同様に、結晶３５の動きに応答する。
【００６０】
ステップ１０５において、領域９１内に輝環のエッジ座標が定義されてないときは、ステップ１１７において画像プロセッサー６３はカウンターＮを１増加させる。それからステップ１１９において上記画像プロセッサー６３は、Ｎ=10になるまで又は該画像プロセッサー６３が５つのエッジ座標を定義するまで、ステップ９９、１０１、１０３、１０５、１１７を繰り返す。１０回輝環のエッジを定義する試みが不成功の場合、ステップ１２１において画像プロセッサー６３は、走査手順を実行することにより、輝環のおおよその位置を探す（図６ー８にさらに詳細に示す）。
【００６１】
ステップ１２１の走査手順により、本例によれば融液８５の表面が示す画像パターンのバックグランドの明暗度に対する相対的な輝環の明暗度を基に、上記画像パターン上のメニスカス８７のおおよその位置がわかる。画像プロセッサー６３は、予め選択された領域９１の位置を定義するため、おおよその中心点と半径を決定する。従って画像プロセッサー６３は、検知された特徴の関数として、窓領域９１を移動させる方法及び予め選択された窓領域９１の位置を調整する方法で構成されるステップ１０５、１１３、１１５、１１７、１１９、１２１、を実行する。
【００６２】
図６ー８は、フローチャート１２３の形式による図５のステップ１２１の望ましい走査手順を示したものである。ステップ１２５が開始された後、ステップ１２７においてフレームバッフアー６１は、カメラ５３からの画像パターンを得る。画像プロセッサー６３は、上記捉えられた画像を受け取り、ステップ１２９において、カメラのアングルによって惹起される画像パターンの歪みを補正するため、画素の明暗度を調整する。ステップ１３１、１３３、１３５を進行中、画像プロセッサー６３は、画像パターン上の左、右、底のエッジであるROI1,ROI2,ROI3を参照に、追加余剰領域を配置する。
【００６３】
上記追加余剰領域及びROI1,ROI2,ROI3は相対的には領域９１より広く、光学測定機器により参照にされる。ステップ１３７において、検知されたエッジの数はゼロにセットされ、ステップ１３９においては、最も明るいとする標本パラメーターLASTMAXを相対的に高い数値、例えば１０００とセットする。
【００６４】
望ましい実施例において、サブルーチン１４１は、ROI1内の画像パターンの最も明るい点、例えばMAXPIXELと１００のような境界と比較することによって、メニスカス８７上の左エッジを発見するのに用いられる。ステップ１４３において、MAXPIXELが１００を越えるとき、画像プロセッサー６３によって、MAXPIXEL／LASTMAXの比率を1.1と比較するステップ１４５に進行させられる。上記比率が1.1を越えるものならば、画像プロセッサー６３は、ROI1内に左エッジが発見されたとみなし、ステップ１４７においてエッジカウンターを１増加させる。ROI1内の座標Ｘは、輝環内の左エッジを鑑定するため、ステップ１４９に備蓄される。
【００６５】
ステップ１４３において、MAXPIXELが１００以下の場合又はステップ１４５においてMAXPIXEL／LASTMAXの上記比率が1.1の以下の場合、ステップ１５１において、LASTMAX=MAXPIXELと再設定される。その後画像プロセッサー６３は、ROI1を所定量だけ右へ移動させる。例えば、ステップ１５３において、上記画像プロセッサー６３は、ROI1を５Ｘ座標分右に再配置する。ROI1が画像パターンの右の境界に達しない限り、ステップ１５５における決定に関しては、画像プロセッサー６３はサブルーチン１４１を繰り返す。
【００６６】
図７を参照にする。画像プロセッサー６３がROI1内の上記輝環の左エッジを検知した後、又はROI1が画像パターンの右境界に達した後ステップ１５７において、画像プロセッサー６３は、LASTMAX=1000と再設定し、本質的にサブルーチン１４１と同じサブルーチン１５９を反対方向に実行する。上記サブルーチン１５９は、該画像パターンのROI2内の最も明るい点、例えばMAXPIXELと１００のような境界と比較することによって、メニスカス８７上の右エッジを発見するのに用いられる。ステップ１６１において、MAXPIXELが１００を越えるとき、画像プロセッサー６３によって、MAXPIXEL／LASTMAXの比率を1.1と比較するステップ１６３に進行させられる。上記比率が1.1を越えるものならば、画像プロセッサー６３は、ROI2内に右エッジが発見されたとみなし、ステップ１６５においてエッジカウンターを２つ増加させる。ROI2内の座標Ｘは、輝環内の右エッジを鑑定するため、ステップ１６７に備蓄される。
【００６７】
ステップ１６１において、MAXPIXELが１００以下の場合又はステップ１５９においてMAXPIXEL／LASTMAXの上記比率が1.1の以下の場合、ステップ１６９において、LASTMAX=MAXPIXELと再設定される。その後画像プロセッサー６３は、ROI2を所定量左へ移動させる。例えば、ステップ１７１において、上記画像プロセッサー１５３は、ROI2を5Ｘ座標分左へ再配置する。ROI2が画像パターンの左の境界に達しない限り、ステップ１７３における決定に関しては、画像プロセッサー６３はサブルーチン１５９を繰り返す。
【００６８】
図８を参照にする。画像プロセッサー６３がROI2内の上記輝環の右エッジを検知した後、又はROI2が画像パターンの左境界に達した後、ステップ１７５において画像プロセッサー６３は、LASTMAX=1000と再設定し、本質的にサブルーチン１４１及び１５９と同であるサブルーチン１７７をＹ方向に実行する。上記サブルーチン１７７は、ROI3内の画像パターンの最も明るい点、例えばMAXPIXELと１００のような境界と比較することによって、メニスカス８７上の底エッジを発見するのに用いられる。ステップ１７９において、MAXPIXELが１００を越えるとき、画像プロセッサー６３によって、MAXPIXEL／LASTMAXの比率を1.1と比較するステップ１８１に進行させられる。上記比率が1.1を越えるものならば、画像プロセッサー６３は、ROI3内に底エッジが発見されたとみなし、ステップ１８３においてエッジカウンターを４つ増加させる。ROI3内の座標Ｙは、輝環内の底エッジを鑑定するため、ステップ１８５に備蓄される。
【００６９】
ステップ１７９において、MAXPIXELが１００以下の場合又はステップ１８１においてMAXPIXEL／LASTMAXの上記比率が1.1の以下の場合、ステップ１８７において、LASTMAX=MAXPIXELと再設定される。その後画像プロセッサー６３は、ROI3を所定量画像パターンを上部へ移動させる。例えば、ステップ１８９において、上記画像プロセッサー６３は、ROI2の５つの座標を右に再配置する。ROI2が画像パターンの左の境界に達しない限り、ステップ１７３における決定に関しては、画像プロセッサー６３はサブルーチン１５９を繰り返す。
【００７０】
ステップ１９３における決定に関して、メニスカス８７の上記右、左、底のエッジは発見された後、ステップ１９５において、画像プロセッサー６３によって、上記Ｘ座標の差を２で割ることにより、おおよその円の半径を計算が続行され、ステップ１９７においては、底エッジのＹ座標に上記円の半径を加算すること及び上記両Ｘ座標の中間点を探すことにより、円の中心の座標の計算が続行される。ステップ１９９において、画像プロセッサー６３は、上記輝環の右エッジ上の座標をおおよそ計算するのが望ましい。
【００７１】
本発明に関して記載された実施例において、上記計算された半径、中心点、及びエッジ点は、画像プロセッサー６３により図５のフローチャート９５による操に戻るまでに、メニスカス８７の上記輝環において、領域９１のおおよその位置を決めるのに用いられる。他方、ステップ１９３における決定に関して、全てのエッジが発見されないとき、画像プロセッサー６３によって、フローチャート１２３のステップ１３１に戻される。ステップ２０１において、フローチャート１２３は終了する。
【００７２】
本発明に関する選択的実施例として、視覚システム５９は、カメラ５３によって発生させられるビデオ画像を捉えるための、例えばクリエイテブテクノロジー社製ビデオブラスター（Creative Technology's VideoBlaster)といったフレームグローバーを保持するコンピューターとして実施されるかもしれない。画像プロセッサー６３のような機能を有するコンピューターは、画像パターンを走査し、各走査列上の個々の明暗度を分析する。画像パターンの右エッジ及び左エッジから開始して中心に移動する際、融液表面８５を例とするバックグランド明暗度を測定し、平均化する。
【００７３】
上記走査は、明暗度の急な増加が見つかる又所定数のサンプルが得られるまで、続けられる。２つの境界は、平均的明暗度に加えて観察上の明暗の偏りからなる境界を含む輝環のエッジを確認するために実行される。一組の窓領域は、外側の反射が、正確な鑑定をさせないような所定の円の中心座標Ｘに対して通常対象に位置する各走査列に定義される。一組の窓領域は、該走査列の報告されたエッジからプラスマイナス±ｎ画素の許容度適用する。本方法により、結晶引き上げ中の結晶直径の変化及び結晶３５の移動に適応する。
【００７４】
頂点から底まで画像パターンを索引することにより、２つの有効なエッジが探し当てられるまで、左と右の窓領域は各自の境界線から中心へ、同じ速度で再配置され続ける。その後上記窓領域は上記エッジ上の中心に再配置される。後の走査列上で検知された各エッジは、先の走査列上から上記窓領域内にあるのが望ましく、従って上記エッジが関連していることを保証している。
【００７５】
走査列が許容度の調査に失敗した場合は、該走査列は無視され又列の所定数が不適の場合は、上記検索を改めて始める。再びカメラ５３が設置されたアングルにより惹起される視覚的歪みは、例えばゴンザレス変形(Gonzalez transformation)といった方法により補正されるかもしれない。上記有効なエッジは、その後計算された円の中心と直径を円に対して適合させられる。
【００７６】
以下の例は、本発明に関する望むべき実施例及び有効性を記述するため公開されたものであり、請求項において詳細に述べられたもの以外に、本発明の制限を意味するものではない。
【００７７】
図９は、結晶３５の頂点部分に関して、画素上においてmm単位で測定した直径に対する画素単位で測定した直径をグラフ化したものである。記載されているように、mmに変換されXpixelの数値に関して定義された円９３の広さに基づいて、視覚システム５９は結晶５９の直径を決定する。図９に記載されているように、例えばカリパスで測定された1mmは、おおよそ1.8Xpixelに一致する。
【００７８】
図１０ー１１は、結晶３５のネック部分での測定をグラフ形式で示したものである。図１０はネック長に対する、カリパスで測定された直径及び視覚システム５９より測定された直径をmmで示したものである。２つの測定間の誤差を，最小化するため、測定に際して、例えばバイアス、ゲインといった精巧な調整が必要かもしれない。
【００７９】
さらに視覚システム５９によって決定された測定を示す上記曲線は、結晶３５の該ネック部分が１分に5mm成長するため、該ネック直径の真のピークと谷を見落とすかもしれない１分当たりのサンプルによる、サンプル速度に基ずく。測定の進歩は、直径が4.5mmから7.0mmの範囲において、精度が±0.5mmである結果を生み出した。図１１は、カリパスによりmm単位で測定した直径に関する視覚システム５９によりmm単位で測定した直径を示すものである。
【００８０】
図１２ー１３は、結晶３５の長さを測定したものをグラフ形式で示したものである。図１２ー１３の目的のため、結晶長は比較的均一の直径を保持し、結晶３５のネック部分及び頂点部分を含まない、該結晶の参考点において測定される。図１２は、結晶３５の長さに対する、mm単位で視覚システム５９により測定された直径、及び補正された画素内の中心点ＣのＹ座標を示す。
【００８１】
記載おいて、Ｙを補正された画素に関するものとして、式；Y=1.2(Ypixel)により、中心点Ｃの座標Ｙが計算される。図１３は、mm単位の結晶長に対する、補正された画素内の中心点Ｃの補正された座標Ｙを示す。
【００８２】
記載において、Ｙ座標の上記数値は、カメラ５３が据え付けられたアングルにより惹起される視覚的歪み及び輝環が楕円であるといった仮説によって、結晶３５の直径と互いに影響しあう。比例定数である1.2倍したYpixelが特に該歪みを補正するが、更に補正するのが望ましい。さらなる補正は、融液３３が約40Kg枯渇したとき、るつぼ２７の縮小された直径により惹起されると予測される融液位４１上の滴下を分離を試しみる。るつぼ２７の引き上げ速度を修正することによって、融液３３は、るつぼドライブユニット３１がるつぼ２７を引き上げるより、はやく枯渇する傾向となる。
【００８３】
例えばC1=0.0033,C2=0.35,C3=209したとき、式；Y補正=Y-C1(結晶長）+C2(直径D-C3)によって補正されたＹ座標は決定される。換言すれば、中心点ＣのＹ座標は  長さが0〜約750mmにおいて、明らかに直線的な、融液位４１の増加を減算することにより及び比例定数をかけた微少直径を加算することにより、調整される。
【００８４】
上記の記載を考慮すると、本発明のいくつかの目標が達成されたこと及び有効な結果が得られたことがわかるだろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に関する結晶成長を制御する結晶成長装置及びシステムである。
【図２】  図１の該システムが保持するコントロールユニットのブロックダイアグラムである。
【図３】  融液から引き上げられるシリコン結晶の断片図である。
【図４】  図３の該結晶の断片的な透視断面図である。
【図５】  図２の該コントロールユニットの操作のフローチャートである。
【図６】  図２の該コントロールユニットの操作のフローチャートである。
【図７】  図２の該コントロールユニットの操作のフローチャートである。
【図８】  図２の該コントロールユニットの操作のフローチャートである。
【図９】  該結晶成長装置及び図１の制御システムに関して、具体的な結晶頂点の測定のグラフである。
【図１０】  該結晶成長装置及び図１の制御システムに関して、具体的な結晶ネックの測定のグラフである。
【図１１】  該結晶成長装置及び図１の制御システムに関して、具体的な結晶ネックの測定のグラフである。
【図１２】  該結晶成長装置及び図１の制御システムに関して、具体的な結晶ボデイの測定のグラフである。
【図１３】  該結晶成長装置及び図１の制御システムに関して、具体的な結晶ボデイの測定のグラフである。
【符号の説明】
２１．  結晶成長システム
２３．  チョコラルスキー結晶成長装置
２５．  真空チャンバー
２７．  るつぼ
２９．  ヒーター
３１．  るつぼドライブユニット
３３．  融液
３５．  シリコン単結晶
３７．  シリコン種結晶
３９．  引き上げシャフト
４１．  融液位
４３．  鉛直軸
４５．  結晶ドライブユニット
４７．  ヒーター電源
４９．  断熱材
５１．  温度センサー
５３．  カメラ
５５．  コントロールユニット
５７．  通信線
５９．  視覚システム
６１．  ビデオ画像フレームバッフアー
６３．  画像プロセッサー
６５．  ＰＬＣ
６７．  通信線
６９．  ビデオデイスプレイ
７１．  通信線
７３．  パソコン
７５．  通信線
７７．  オペレーターコンピューターインターフェイス
７９．  通信線
８１．  プロセスインプットアウトプットモジュール
８５．  表面
８７．  メニスカス
９１．  領域
９３．  円
９５．  フローチャート
１４１．サブルーチン
１５９．サブルーチン
１７７．サブルーチン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0004018172.tif 000008
【図８】
0004018172.tif 000009
【図９】
0004018172.tif 000010
【図１０】
0004018172.tif 000011
【図１１】
0004018172.tif 000012
【図１２】
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【図１３】
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