(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チョクラルスキー法により結晶融液から単結晶を引き上げて育成する単結晶引上方法であって、
前記単結晶と結晶融液との境界部を撮像する第１ステップと、
前記第１ステップにて撮像して得た原画像を、仮想的に前記引き上げ軸と平行な方向から前記境界部を撮像した場合に得られる画像へと変換する第２ステップと、
前記第２ステップにて得た前記画像上において、前記境界部を検出する第３ステップと、
前記画像上において、前記第３ステップにて検出した前記境界部を円近似して直径および中心を算出する第４ステップと、
前記第４ステップにて算出した前記境界部の中心に基づいて、前記結晶融液の融液面の変動を検知する第５ステップと、
前記第５ステップにて検知した前記融液面位置に基づいて、前記単結晶の直径および中心を算出する第６ステップと、
前記第６ステップにて算出した前記単結晶の直径および中心と、前記融液面変動検知手段にて検知した前記融液面の変動とに基づいて、前記単結晶の育成動作を制御する第７ステップと、
前記第２ステップ後において、シード工程と、肩工程と、直胴工程およびボトム工程とに分類した３つの各工程のうち、何れの工程における処理であるかの工程確認を行うステップＳ０４と、を含み、
前記第３ステップと第４ステップにおいて、半導体単結晶と半導体融液との境界部の検出を行う際に、分類した３つの各工程毎に応じて境界検出の処理を設定することを特徴とする単結晶引上方法。
【請求項２】
境界検出処理および境界部の認識処理としての前記第３ステップと第４ステップとにおいて、シード工程の処理が、
変換画像に対して、半導体単結晶の中心位置に対する予測値を記憶部から読み込み、この予測値周辺の拡大画像を生成するステップＳ４１と、
予め記憶部に格納した予測値である前回のシード工程に対する処理にて設定した半導体単結晶の直径および中心位置のデータ等に基づいて、フュージョンリングの領域を抽出するステップＳ４３と、
抽出したフュージョンリングの領域の最大幅および最大幅の座標を抽出するステップＳ４５とを有することを特徴とする請求項１に記載の単結晶引上方法。
【請求項３】
境界検出処理および境界部の認識処理としての前記第３ステップと第４ステップとにおいて、肩工程の処理が、
変換画像に対して、ラインウィンドウの設定角度範囲を算出するステップＳ５１と、算出した設定角度範囲内における全ての境界エッジを探索したか否かを判定するステップＳ５２と、
ステップＳ５２の判定結果が「ＮＯ」の場合には、半導体単結晶の中心位置の予測値に基づいて、半導体融液の融液面と半導体単結晶との境界検出用のラインウィンドウを設定するステップＳ５３と、ラインウィンドウ上を外側つまり半導体融液の融液面側から半導体単結晶の中心位置に向かい走査して、融液面と半導体単結晶との境界エッジを検出してステップＳ５２に戻るステップＳ５４と、
ステップＳ５２の判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、半導体単結晶の直径および中心位置の予測値に基づいて、変換画像上にて円によるマッチングを適用する範囲を設定するステップＳ５５と、
検出した境界エッジ群に対して、円によるマッチングを適用して、一致度を測定するステップＳ５６と、
一致度が最大となる円に対する直径および中心位置を算出するステップＳ５７と、
マッチングの結果に基づいて、エッジ群における晶癖線に起因する特異点の除去等の補正を行うステップＳ５８と、
補正後のエッジ群に対して最小二乗法を用いた円近似を行い、半導体単結晶の直径および中心位置を算出するステップＳ５９と、を有することを特徴とする請求項１に記載の単結晶引上方法。
【請求項４】
境界検出処理および境界部の認識処理としての前記第３ステップと第４ステップとにおいて、直胴工程およびボトム工程の処理が、
変換画像に二値化処理を行い、ラベリングを行うステップＳ６２と、
予め記憶部に格納した予測値である所定のタイミングで測定した直径および中心位置の幾何学的形状の情報を時系列データとして扱って、移動平均に基づいて生成したデータ等に基づいてフュージョンリングの領域を抽出するステップＳ６３と、
フュージョンリングに対して抽出した領域から、内周部および中心部および外周部の３つ領域に対して細線化を行い、３本の細線による各円弧を生成するステップＳ６４と、
３本の細線のうち中心部の細線に対して円検出のＨｏｕｇｈ変換により検出された円の直径および中心位置を取得するステップＳ６５と、
Ｈｏｕｇｈ変換により検出した円の直径および中心位置に基づいて、内周部および中心部および外周部の３つ領域に対して行った各細線における晶癖線等に起因する特異点の除去等の補正を行うステップＳ６６と、
補正後の各細線に対して最小二乗法を用いた同心円近似を行い、半導体単結晶の直径Ｒおよび中心位置を算出するステップＳ６７と、を有することを特徴とする請求項１に記載の単結晶引上方法。
【請求項５】
前記第３ステップにて検出した前記境界部と、前記第４ステップにて前記境界部を円近似により認識した認識結果とを比較して、前記単結晶の晶癖線を検知する第８ステップと、
前記第８ステップによる検知結果に基づいて前記単結晶の結晶の乱れを検知する第９ステップとを含むことを特徴とする請求項１に記載の単結晶引上方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の単結晶引上方法によりチョクラルスキー法により結晶融液から単結晶を引き上げて育成する単結晶引上装置であって、
前記単結晶と結晶融液との境界部を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段にて撮像して得た原画像を、仮想的に前記引き上げ軸と平行な方向から前記境界部を撮像した場合に得られる画像へと変換する画像変換手段と、
前記画像変換手段にて得た前記画像上において、前記境界部を検出する境界部検出手段と、
前記画像上において、前記境界部検出手段にて検出した前記境界部を円近似して直径および中心を算出する境界部認識手段と、
前記境界部認識手段にて算出した前記境界部の中心に基づいて、前記結晶融液の融液面の変動を検知する融液面変動検知手段と、
前記融液面変動検知手段にて検知した前記融液面位置に基づいて、前記単結晶の直径および中心を算出する演算手段と、
前記演算手段にて算出した前記単結晶の直径および中心と、前記融液面変動検知手段にて検知した前記融液面の変動とに基づいて、前記単結晶の育成動作を制御する単結晶育成制御手段とを備えることを特徴とする単結晶引上装置。
【請求項７】
前記境界部検出手段にて検出した前記境界部と、前記境界部認識手段にて前記境界部を円近似により認識した認識結果とを比較して、前記単結晶の晶癖線を検知する晶癖線検知手段と、
前記晶癖線検知手段による検知結果に基づいて前記単結晶の結晶の乱れを検知する結晶乱れ検知手段と
を備えることを特徴とする請求項６に記載の単結晶引上装置。
【請求項８】
請求項１から５のいずれか１項に記載の単結晶引上方法により、コンピュータを、
チョクラルスキー法により結晶融液から単結晶を引き上げて育成する手段として機能させるためのプログラムであって、
撮像手段により撮像された前記単結晶と結晶融液との境界部の原画像を、仮想的に前記引き上げ軸と平行な方向から前記境界部を撮像した場合に得られる画像へと変換する画像変換手段と、
前記画像変換手段にて得た前記画像上において、前記境界部を検出する境界部検出手段と、
前記画像上において、前記境界部検出手段にて検出した前記境界部を円近似して直径および中心を算出する境界部認識手段と、
前記境界部認識手段にて算出した前記境界部の中心に基づいて、前記結晶融液の融液面の変動を検知する融液面変動検知手段と、
前記融液面変動検知手段にて検知した前記融液面位置に基づいて、前記単結晶の直径および中心を算出する演算手段と、
前記演算手段にて算出した前記単結晶の直径および中心と、前記融液面変動検知手段にて検知した前記融液面の変動とに基づいて、前記単結晶の育成動作を制御する単結晶育成制御手段として機能させることを特徴とするプログラム。
【請求項９】
コンピュータを、
前記境界部検出手段にて検出した前記境界部と、前記境界部認識手段にて前記境界部を円近似により認識した認識結果とを比較して、前記単結晶の晶癖線を検知する晶癖線検知手段と、
前記晶癖線検知手段による検知結果に基づいて前記単結晶の結晶の乱れを検知する結晶乱れ検知手段として機能させることを特徴とする請求項８に記載のプログラム。
【請求項１０】
請求項１から５のいずれか１項に記載の単結晶引上方法により、コンピュータを、
チョクラルスキー法により結晶融液から単結晶を引き上げて育成する手段として機能させるためのプログラムを記録した記録媒体であって、
撮像手段により撮像された前記単結晶と結晶融液との境界部の原画像を、仮想的に前記引き上げ軸と平行な方向から前記境界部を撮像した場合に得られる画像へと変換する画像変換手段と、
前記画像変換手段にて得た前記画像上において、前記境界部を検出する境界部検出手段と、
前記画像上において、前記境界部検出手段にて検出した前記境界部を円近似して直径および中心を算出する境界部認識手段と、
前記境界部認識手段にて算出した前記境界部の中心に基づいて、前記結晶融液の融液面の変動を検知する融液面変動検知手段と、
前記融液面変動検知手段にて検知した前記融液面位置に基づいて、前記単結晶の直径および中心を算出する演算手段と、
前記演算手段にて算出した前記単結晶の直径および中心と、前記融液面変動検知手段にて検知した前記融液面の変動とに基づいて、前記単結晶の育成動作を制御する単結晶育成制御手段と
して機能させるためのプログラムを記録したことを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項１１】
コンピュータを、
前記境界部検出手段にて検出した前記境界部と、前記境界部認識手段にて前記境界部を円近似により認識した認識結果とを比較して、前記単結晶の晶癖線を検知する晶癖線検知手段と、
前記晶癖線検知手段による検知結果に基づいて前記単結晶の結晶の乱れを検知する結晶乱れ検知手段と
して機能させるためのプログラムを記録したことを特徴とする請求項１０に記載のコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、るつぼ内の半導体融液からＣＺ（チョクラルスキー）法により、例えばＳｉ（シリコン）等の無転位の半導体単結晶を引き上げる単結晶引上装置および単結晶引上方法およびプログラムおよび記録媒体に係り、特に、育成される半導体単結晶の幾何学的形状に対する光学的測定結果に基づいて引き上げ動作を制御する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば特開２０００−２８１４８１号公報に開示された単結晶引上装置のように、炉内に設置された石英るつぼに満たされた半導体融液から、半導体単結晶を引き上げ軸線周りに回転させつつ引き上げる際に、カメラによって半導体単結晶と半導体融液との境界部を撮像して、この撮像により得られた画像から半導体単結晶の径を算出し、この径を用いて単結晶引き上げ速度や半導体溶融の温度等を制御する単結晶引上装置が知られている。
この単結晶引上装置では、育成される単結晶と半導体融液との境界部に発生する高輝度のフュージョンリングを撮像した画像から、フュージョンリングの円弧を計測して、この円弧により半導体単結晶の断面である円の中心を推定することによって半導体単結晶の径を算出する。円弧の計測では、少なくとも３点の円弧上の点をプロットすることによって円の中心を推定する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来技術の一例に係る単結晶引上装置においては、育成される半導体単結晶と半導体融液との境界部に発生する高輝度のフュージョンリングを、斜め上方つまり半導体単結晶の引き上げ軸方向と交差する方向からカメラによって撮像している。そして、この撮像により得られた画像上において、フュージョンリングを円近似することで半導体単結晶の中心位置を推定している。
しかしながら、たとえ実際に円形のフュージョンリングであっても、半導体単結晶の引き上げ軸方向と交差する斜め方向から撮像した場合には、フュージョンリング上の各点とカメラの焦点との間の距離が異なることで、撮像により得られる画像上のフュージョンリングは円形とはならず、さらに、楕円形とも異なり、例えばカメラ位置に対する手前側の部分が膨らんだような、いわば変形楕円形の画像が得られることとなる。
【０００４】
このため、カメラにより撮像して得た画像上においてフュージョンリングを円もしくは楕円近似し、この結果から半導体単結晶の径を推定した場合には、円もしくは楕円近似を適用する領域に応じて異なる推定結果が得られてしまい、推定により得られる半導体単結晶の径が、実際の半導体単結晶の径と大きく異なる虞がある。
そして、このように実際の半導体単結晶の径に対する誤差が大きな推定結果に基づいて単結晶引き上げ速度や半導体溶融の温度等を制御すると、半導体単結晶を育成する際に所望の寸法精度を確保することができなくなるという問題が生じる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、カメラ等により撮像して得た半導体単結晶と融液面との境界部の画像から、半導体単結晶の径や中心等の幾何学的形状を高精度に測定することで、半導体単結晶の育成動作を適切に制御することが可能な単結晶引上装置および単結晶引上方法およびプログラムおよび記録媒体を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明の単結晶引上方法は、チョクラルスキー法により結晶融液から単結晶を引き上げて育成する単結晶引上方法であって、
前記単結晶と結晶融液との境界部を撮像する第１ステップと、
前記第１ステップにて撮像して得た原画像を、仮想的に前記引き上げ軸と平行な方向から前記境界部を撮像した場合に得られる画像へと変換する第２ステップと、
前記第２ステップにて得た前記画像上において、前記境界部を検出する第３ステップと、
前記画像上において、前記第３ステップにて検出した前記境界部を円近似して直径および中心を算出する第４ステップと、
前記第４ステップにて算出した前記境界部の中心に基づいて、前記結晶融液の融液面の変動を検知する第５ステップと、
前記第５ステップにて検知した前記融液面位置に基づいて、前記単結晶の直径および中心を算出する第６ステップと、
前記第６ステップにて算出した前記単結晶の直径および中心と、前記融液面変動検知手段にて検知した前記融液面の変動とに基づいて、前記単結晶の育成動作を制御する第７ステップと、
前記第２ステップ後において、シード工程と、肩工程と、直胴工程およびボトム工程とに分類した３つの各工程のうち、何れの工程における処理であるかの工程確認を行うステップＳ０４と、を含み、
前記第３ステップと第４ステップにおいて、半導体単結晶と半導体融液との境界部の検出を行う際に、分類した３つの各工程毎に応じて境界検出の処理を設定することを特徴とする。
本発明の単結晶引上方法は、境界検出処理および境界部の認識処理としての前記第３ステップと第４ステップとにおいて、シード工程の処理が、
変換画像に対して、半導体単結晶の中心位置に対する予測値を記憶部から読み込み、この予測値周辺の拡大画像を生成するステップＳ４１と、
予め記憶部に格納した予測値である前回のシード工程に対する処理にて設定した半導体単結晶の直径および中心位置のデータ等に基づいて、フュージョンリングの領域を抽出するステップＳ４３と、
抽出したフュージョンリングの領域の最大幅および最大幅の座標を抽出するステップＳ４５とを有することができる。
本発明の単結晶引上方法は、境界検出処理および境界部の認識処理としての前記第３ステップと第４ステップとにおいて、肩工程の処理が、
変換画像に対して、ラインウィンドウの設定角度範囲を算出するステップＳ５１と、算出した設定角度範囲内における全ての境界エッジを探索したか否かを判定するステップＳ５２と、
ステップＳ５２の判定結果が「ＮＯ」の場合には、半導体単結晶の中心位置の予測値に基づいて、半導体融液の融液面と半導体単結晶との境界検出用のラインウィンドウを設定するステップＳ５３と、ラインウィンドウ上を外側つまり半導体融液の融液面側から半導体単結晶の中心位置に向かい走査して、融液面と半導体単結晶との境界エッジを検出してステップＳ５２に戻るステップＳ５４と、
ステップＳ５２の判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、半導体単結晶の直径および中心位置の予測値に基づいて、変換画像上にて円によるマッチングを適用する範囲を設定するステップＳ５５と、
検出した境界エッジ群に対して、円によるマッチングを適用して、一致度を測定するステップＳ５６と、
一致度が最大となる円に対する直径および中心位置を算出するステップＳ５７と、
マッチングの結果に基づいて、エッジ群における晶癖線に起因する特異点の除去等の補正を行うステップＳ５８と、
補正後のエッジ群に対して最小二乗法を用いた円近似を行い、半導体単結晶の直径および中心位置を算出するステップＳ５９と、を有することができる。
本発明の単結晶引上方法は、境界検出処理および境界部の認識処理としての前記第３ステップと第４ステップとにおいて、直胴工程およびボトム工程の処理が、
変換画像に二値化処理を行い、ラベリングを行うステップＳ６２と、
予め記憶部に格納した予測値である所定のタイミングで測定した直径および中心位置の幾何学的形状の情報を時系列データとして扱って、移動平均に基づいて生成したデータ等に基づいてフュージョンリングの領域を抽出するステップＳ６３と、
フュージョンリングに対して抽出した領域から、内周部および中心部および外周部の３つ領域に対して細線化を行い、３本の細線による各円弧を生成するステップＳ６４と、
３本の細線のうち中心部の細線に対して円検出のＨｏｕｇｈ変換により検出された円の直径および中心位置を取得するステップＳ６５と、
Ｈｏｕｇｈ変換により検出した円の直径および中心位置に基づいて、内周部および中心部および外周部の３つ領域に対して行った各細線における晶癖線等に起因する特異点の除去等の補正を行うステップＳ６６と、
補正後の各細線に対して最小二乗法を用いた同心円近似を行い、半導体単結晶の直径Ｒおよび中心位置を算出するステップＳ６７と、を有することができる。
本発明における第１の発明である単結晶引上装置は、チョクラルスキー法により結晶融液から単結晶を引き上げて育成する単結晶引上装置であって、前記単結晶と結晶融液との境界部を撮像する撮像手段（例えば、後述する実施形態でのカメラ１８）と、前記撮像手段にて撮像して得た原画像を、仮想的に前記引き上げ軸と平行な方向から前記境界部を撮像した場合に得られる画像へと変換する画像変換手段（例えば、後述する実施形態でのステップＳ０３）と、前記画像変換手段にて得た前記画像上において、前記境界部を検出する境界部検出手段（例えば、後述する実施形態でのステップＳ０５）と、前記画像上において、前記境界部検出手段にて検出した前記境界部を円近似して直径および中心を算出する境界部認識手段（例えば、後述する実施形態でのステップＳ０６）と、前記境界部認識手段にて算出した前記境界部の中心に基づいて、前記結晶融液の融液面の変動を検知する融液面変動検知手段（例えば、後述する実施形態ではステップＳ１１）と、前記融液面変動検知手段にて検知した前記融液面位置に基づいて、前記単結晶の直径および中心を算出する演算手段（例えば、後述する実施形態ではステップＳ１１が兼ねる）と、前記演算手段にて算出した前記単結晶の直径および中心と、前記融液面変動検知手段にて検知した前記融液面の変動とに基づいて、前記単結晶の育成動作を制御する単結晶育成制御手段（例えば、後述する実施形態では制御部２１）とを備えることを特徴としている。
【０００６】
上記構成の単結晶引上装置によれば、例えば単結晶と結晶融液との境界部の斜め上方の位置から撮像して得た原画像を、仮想的に引き上げ軸と平行な方向から撮像した場合に得られる画像へと変換することで、単結晶と結晶融液との境界部に発生する例えば円形のフュージョンリングの画像が歪んで観測されてしまうことを抑制することができる。これにより、フュージョンリングの画像を精度良く円近似することができ、この円近似に基づいて単結晶の形状、例えば径や中心を精度良く測定することができる。従って、例えば複数の単結晶を作製する場合においても、安定した品質を確保することができる。
さらに、融液面の変動、例えば鉛直方向における融液面の変位や融液面の揺らぎ等が発生した場合には、測定される単結晶の中心が変位するため、この中心の変位に基づいて融液面の変動を検知して、単結晶の育成動作、例えば単結晶の引き上げ速度や引き上げ軸周りの回転動作、さらには、結晶融液を貯留する坩堝の移動や、単結晶と融液面との相対位置等を適切に制御することができる。
【０００７】
さらに、本発明における第２の発明である単結晶引上装置は、前記境界部検出手段にて検出した前記境界部と、前記境界部認識手段にて前記境界部を円近似により認識した認識結果とを比較して、前記単結晶の晶癖線を検知する晶癖線検知手段と、前記晶癖線検知手段による検知結果に基づいて前記単結晶の結晶の乱れを検知する結晶乱れ検知手段とを備えることを特徴としている。
【０００８】
上記構成の単結晶引上装置によれば、境界部検出手段にて検出した単結晶と結晶融液との境界部と、境界部認識手段にて境界部を円近似により認識した認識結果とを比較することで、単結晶の晶癖線として単結晶の外周部から突出する突出部を検知することができる。
これにより、例えば単結晶の外周部から晶癖線に相当する突出部が消失した場合には、単結晶が崩れて多結晶化したと判断することができ、育成時における単結晶の状態をリアルタイムに把握することができ、作製する単結晶の品質を容易に判定することができる。
【０００９】
また、本発明における第３の発明である単結晶引上方法は、チョクラルスキー法により結晶融液から単結晶を引き上げて育成する単結晶引上方法であって、前記単結晶と結晶融液との境界部を撮像する第１ステップ（例えば、後述する実施形態でのステップＳ０３）と、前記第１ステップにて撮像して得た原画像を、仮想的に前記引き上げ軸と平行な方向から前記境界部を撮像した場合に得られる画像へと変換する第２ステップ（例えば、後述する実施形態ではステップＳ０３が兼ねる）と、前記第２ステップにて得た前記画像上において、前記境界部を検出する第３ステップ（例えば、後述する実施形態でのステップＳ０５）と、前記画像上において、前記第３ステップにて検出した前記境界部を円近似して直径および中心を算出する第４ステップ（例えば、後述する実施形態でのステップＳ０６）と、前記第４ステップにて算出した前記境界部の中心に基づいて、前記結晶融液の融液面の変動を検知する第５ステップ（例えば、後述する実施形態でのステップＳ１１）と、前記第５ステップにて検知した前記融液面位置に基づいて、前記単結晶の直径および中心を算出する第６ステップ（例えば、後述する実施形態ではステップＳ１１が兼ねる）と、前記第６ステップにて算出した前記単結晶の直径および中心と、前記融液面変動検知手段にて検知した前記融液面の変動とに基づいて、前記単結晶の育成動作を制御する第７ステップ（例えば、後述する実施形態では画像処理部２０の出力に基づく制御部２１での処理）とを含むことを特徴としている。
【００１０】
このような単結晶引上方法によれば、単結晶と結晶融液との境界部に発生する例えば円形のフュージョンリングの画像が歪んで観測されてしまうことを抑制することができる。これにより、フュージョンリングの画像を精度良く円近似することができ、この円近似に基づいて単結晶の形状、例えば径や中心を精度良く測定することができる。
さらに、測定される単結晶の中心の変位に基づいて融液面の変動を検知して、単結晶の育成動作、例えば単結晶の引き上げ速度や引き上げ軸周りの回転動作、さらには、結晶融液を貯留する坩堝の移動や、単結晶と融液面との相対位置等を適切に制御することができる。
【００１１】
さらに、本発明における第４の発明である単結晶引上方法は、前記第３ステップにて検出した前記境界部と、前記第４ステップにて前記境界部を円近似により認識した認識結果とを比較して、前記単結晶の晶癖線を検知する第８ステップと、前記第８ステップによる検知結果に基づいて前記単結晶の結晶の乱れを検知する第９ステップとを含むことを特徴としている。このような単結晶引上方法によれば、例えば単結晶の外周部から晶癖線に相当する突出部が消失した場合には、単結晶が崩れて多結晶化したと判断することができ、育成時における単結晶の状態をリアルタイムに把握することができ、作製する単結晶の品質を容易に判定することができる。
【００１２】
また、本発明における第５の発明であるプログラムは、コンピュータを、チョクラルスキー法により結晶融液から単結晶を引き上げて育成する手段として機能させるためのプログラムであって、撮像手段（例えば、後述する実施形態ではカメラ１８）により撮像された前記単結晶と結晶融液との境界部の原画像を、仮想的に前記引き上げ軸と平行な方向から前記境界部を撮像した場合に得られる画像へと変換する画像変換手段（例えば、後述する実施形態ではステップＳ０３が兼ねる）と、前記画像変換手段にて得た前記画像上において、前記境界部を検出する境界部検出手段（例えば、後述する実施形態でのステップＳ０５）と、前記画像上において、前記境界部検出手段にて検出した前記境界部を円近似して直径および中心を算出する境界部認識手段（例えば、後述する実施形態でのステップＳ０６）と、前記境界部認識手段にて算出した前記境界部の中心に基づいて、前記結晶融液の融液面の変動を検知する融液面変動検知手段（例えば、後述する実施形態ではステップＳ１１）と、前記融液面変動検知手段にて検知した前記融液面位置に基づいて、前記単結晶の直径および中心を算出する演算手段（例えば、後述する実施形態ではステップＳ１１が兼ねる）と、前記演算手段にて算出した前記単結晶の直径および中心と、前記融液面変動検知手段にて検知した前記融液面の変動とに基づいて、前記単結晶の育成動作を制御する単結晶育成制御手段（例えば、後述する実施形態では制御部２１）として機能させることを特徴としている。
【００１３】
上記のプログラムによれば、例えば単結晶と結晶融液との境界部の斜め上方の位置から撮像して得た原画像を、仮想的に引き上げ軸と平行な方向から撮像した場合に得られる画像へと変換することで、単結晶と結晶融液との境界部に発生する例えば円形のフュージョンリングの画像が歪んで観測されてしまうことを抑制することができる。これにより、フュージョンリングの画像を精度良く円近似することができ、この円近似に基づいて単結晶の形状、例えば径や中心を精度良く測定することができる。従って、例えば複数の単結晶を作製する場合においても、安定した品質を確保することができる。
さらに、融液面の変動、例えば鉛直方向における融液面の変位や融液面の揺らぎ等が発生した場合には、測定される単結晶の中心が変位するため、この中心の変位に基づいて融液面の変動を検知して、単結晶の育成動作、例えば単結晶の引き上げ速度や引き上げ軸周りの回転動作、さらには、結晶融液を貯留する坩堝の移動や、単結晶と融液面との相対位置等を適切に制御することができる。
【００１４】
さらに、本発明における第６の発明であるプログラムは、コンピュータを、前記境界部検出手段にて検出した前記境界部と、前記境界部認識手段にて前記境界部を円近似により認識した認識結果とを比較して、前記単結晶の晶癖線を検知する晶癖線検知手段と、前記晶癖線検知手段による検知結果に基づいて前記単結晶の結晶の乱れを検知する結晶乱れ検知手段として機能させることを特徴としている。
【００１５】
上記のプログラムによれば、境界部検出手段にて検出した単結晶と結晶融液との境界部と、境界部認識手段にて境界部を円近似により認識した認識結果とを比較することで、単結晶の晶癖線として単結晶の外周部から突出する突出部を検知することができる。
これにより、例えば単結晶の外周部から晶癖線に相当する突出部が消失した場合には、単結晶が崩れて多結晶化したと判断することができ、育成時における単結晶の状態をリアルタイムに把握することができ、作製する単結晶の品質を容易に判定することができる。
【００１６】
また、本発明における第７の発明であるコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、コンピュータを、チョクラルスキー法により結晶融液から単結晶を引き上げて育成する手段として機能させるためのプログラムを記録した記録媒体であって、撮像手段（例えば、後述する実施形態ではカメラ１８）により撮像された前記単結晶と結晶融液との境界部の原画像を、仮想的に前記引き上げ軸と平行な方向から前記境界部を撮像した場合に得られる画像へと変換する画像変換手段（例えば、後述する実施形態ではステップＳ０３が兼ねる）と、前記画像変換手段にて得た前記画像上において、前記境界部を検出する境界部検出手段（例えば、後述する実施形態でのステップＳ０５）と、前記画像上において、前記境界部検出手段にて検出した前記境界部を円近似して直径および中心を算出する境界部認識手段（例えば、後述する実施形態でのステップＳ０６）と、前記境界部認識手段にて算出した前記境界部の中心に基づいて、前記結晶融液の融液面の変動を検知する融液面変動検知手段（例えば、後述する実施形態ではステップＳ１１）と、前記融液面変動検知手段にて検知した前記融液面位置に基づいて、前記単結晶の直径および中心を算出する演算手段（例えば、後述する実施形態ではステップＳ１１が兼ねる）と、前記演算手段にて算出した前記単結晶の直径および中心と、前記融液面変動検知手段にて検知した前記融液面の変動とに基づいて、前記単結晶の育成動作を制御する単結晶育成制御手段（例えば、後述する実施形態では制御部２１）として機能させるためのプログラムを記録したことを特徴としている。
【００１７】
上記の記録媒体によれば、例えば単結晶と結晶融液との境界部の斜め上方の位置から撮像して得た原画像を、仮想的に引き上げ軸と平行な方向から撮像した場合に得られる画像へと変換することで、単結晶と結晶融液との境界部に発生する例えば円形のフュージョンリングの画像が歪んで観測されてしまうことを抑制することができる。これにより、フュージョンリングの画像を精度良く円近似することができ、この円近似に基づいて単結晶の形状、例えば径や中心を精度良く測定することができる。従って、例えば複数の単結晶を作製する場合においても、安定した品質を確保することができる。
さらに、融液面の変動、例えば鉛直方向における融液面の変位や融液面の揺らぎ等が発生した場合には、測定される単結晶の中心が変位するため、この中心の変位に基づいて融液面の変動を検知して、単結晶の育成動作、例えば単結晶の引き上げ速度や引き上げ軸周りの回転動作、さらには、結晶融液を貯留する坩堝の移動や、単結晶と融液面との相対位置等を適切に制御することができる。
【００１８】
さらに、本発明における第８の発明であるコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、コンピュータを、前記境界部検出手段にて検出した前記境界部と、前記境界部認識手段にて前記境界部を円近似により認識した認識結果とを比較して、前記単結晶の晶癖線を検知する晶癖線検知手段と、前記晶癖線検知手段による検知結果に基づいて前記単結晶の結晶の乱れを検知する結晶乱れ検知手段として機能させるためのプログラムを記録したことを特徴としている。
【００１９】
上記の記録媒体によれば、境界部検出手段にて検出した単結晶と結晶融液との境界部と、境界部認識手段にて境界部を円近似により認識した認識結果とを比較することで、単結晶の晶癖線として単結晶の外周部から突出する突出部を検知することができる。
これにより、例えば単結晶の外周部から晶癖線に相当する突出部が消失した場合には、単結晶が崩れて多結晶化したと判断することができ、育成時における単結晶の状態をリアルタイムに把握することができ、作製する単結晶の品質を容易に判定することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の単結晶引上装置および単結晶引上方法およびプログラムおよび記録媒体の一実施形態について添付図面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施形態に係わる単結晶引上装置１０を示す構成図である。
【００２１】
本実施の形態に係る単結晶引上装置１０は、例えば、中空の気密容器をなす引き上げ炉１１と、この引き上げ炉１１の中央下部に鉛直方向に立設され上下動可能とされたシャフト１２と、このシャフト１２の上部に載置されたサセプタ１３と、このサセプタ１３上により支持され、例えばシリコンの融液からなる半導体融液ＳＬを貯留する坩堝１４と、この坩堝１４の外周面から所定距離だけ離間して配置されたヒータ１５と、引上装置１６と、坩堝移動装置１７と、カメラ１８と、記憶部１９と、画像処理部２０と、制御部２１とを備えて構成されている。
【００２２】
ヒータ１５は、例えばシリコン等の半導体原料を坩堝１４内で加熱溶融すると共に、半導体融液ＳＬを所定温度に保温する。
引上装置１６は、例えば引上ワイヤ１６ａを引き上げ軸Ｐに沿って昇降可能、かつ、引き上げ軸Ｐ周りに回転可能に吊り下げており、この引上ワイヤ１６ａの下端部には例えばシリコン等の半導体の種結晶（図示略）が固定されている。
坩堝移動装置１７は、シャフト１２を介して坩堝１４を昇降移動および回転させる。
そして、ヒータ１５および引上装置１６および坩堝移動装置１７の各動作は制御部２１により制御されている。
【００２３】
カメラ１８は、例えば２次元のシャッタカメラをなし、例えば融液面Ａと略鋭角に交差する方向Ｑ１から、半導体融液ＳＬと半導体単結晶Ｓとの境界部つまり結晶育成界面近傍に発生する高輝度のフュージョンリングＦＲを撮像する。そして、撮像により得られた原画像を記憶部１９へ出力して格納する。
画像処理部２０は、後述するように、カメラ１８により撮像して得た、原画像を記憶部１９から読み込み、この原画像を画像変換して、仮想的に引き上げ軸（つまり半導体単結晶Ｓの結晶軸）Ｐと平行な方向から撮像した場合に得られる、いわゆる変換画像を生成する。そして、この変換画像から半導体単結晶Ｓの幾何学的形状の情報、例えば直径Ｒおよび中心位置Ｃ等を算出する。
さらに、画像処理部２０は、例えば半導体単結晶Ｓを作製する工程における所定のタイミングで測定した直径Ｒおよび中心位置Ｃ等の幾何学的形状の情報を時系列データとして扱って、例えば移動平均に基づいて、半導体単結晶Ｓの品質、例えば寸法精度等を予測したり、境界部の認識処理の結果の妥当性を評価する。
【００２４】
制御部２１は、画像処理部２０にて算出した半導体単結晶Ｓの直径Ｒおよび中心位置Ｃ等の幾何学的形状の情報に基づいて、ヒータ１５および引上装置１６および坩堝移動装置１７の各動作を制御するための制御信号を出力する。
【００２５】
本実施の形態による単結晶引上装置１０は上記構成を備えており、以下に、この単結晶引上装置１０の動作について説明する。
先ず、カメラ１８により撮像して得た原画像を画像変換して変換画像を得る処理について添付図面を参照しながら説明する。図２は本実施の形態に係る単結晶引上装置１０において、カメラ１８により撮像して得た原画像を、仮想的に引き上げ軸Ｐと平行な方向から撮像した仮想的なカメラで得られる変換画像へと変換する際における、幾何学的な対応関係を示す図であり、図３は半導体融液ＳＬの融液面Ａが変位した場合における、原画像と変換画像の幾何学的な対応関係を示す図である。
【００２６】
半導体融液ＳＬと半導体単結晶Ｓとの境界部に発生するフュージョンリングＦＲに対して斜め上方の位置から、例えば融液面Ａと略鋭角に交差する方向Ｑ１（つまりカメラ１８の光軸）に沿ってフュージョンリングＦＲを撮像する場合、カメラ１８の焦点Ｆ１とフュージョンリングＦＲ上の各位置との間の距離は一定とはならない。
例えば、図２に示すように、フュージョンリングＦＲ上の位置であって、カメラ１８に最も近い近接位置ＦＲａと、カメラ１８から最も遠い離間位置ＦＲｂとに対して、カメラ１８の焦点Ｆ１と近接位置ＦＲａとの距離Ｌ１は、カメラ１８の焦点Ｆ１と離間位置ＦＲｂとの距離Ｌ２とは異なり、常にＬ１＜Ｌ２の関係が成り立つ。
【００２７】
このため、例えば実際のフュージョンリングＦＲが円形であっても、カメラ１８にて撮像して得た原画像でのフュージョンリングＦＲ１は、円形でも楕円形でもない変形楕円形となる。なお、図２においては、画像平面Ｓ１を便宜的にカメラ１８の焦点Ｆ１の前方側に示したが、実際の撮像では焦点Ｆ１の後方側に画像平面Ｓ１が設けられている。
ここで、例えば、カメラ１８の光軸Ｑ１と半導体融液ＳＬの融液面Ａとの交点位置Ａ１に対する鉛直方向上方の位置に、仮想的なカメラの焦点Ｆ２を設定して、この焦点Ｆ２および交点位置Ａ１を含む鉛直軸Ｑ２（つまり仮想的なカメラの光軸）に沿った方向からフュージョンリングＦＲを撮像したと仮定する。すると、この仮想的なカメラにて撮像して得られるフュージョンリングＦＲ２は、仮想的なカメラの画像平面Ｓ２において近似的に円形となる。
【００２８】
すなわち、図２に示すように、実際の半導体単結晶Ｓの中心位置Ｃと交点位置Ａ１とが一致せずに、仮想的なカメラの光軸Ｑ２が結晶軸Ｐからずれて結晶軸Ｐと平行に設定されている場合には、仮想的なカメラの焦点Ｆ２と近接位置ＦＲａ１との距離Ｌ３は、仮想的なカメラの焦点Ｆ２と離間位置ＦＲｂとの距離Ｌ４とは一致せず、仮想的なカメラの画像平面Ｓ２において略円形のフュージョンリングＦＲ２が撮像される。
なお、実際の半導体単結晶Ｓの中心位置Ｃと交点位置Ａ１とが一致し、仮想的なカメラの光軸Ｑ２と結晶軸Ｐとが一致している場合には、Ｌ３＝Ｌ４となり円形のフュージョンリングＦＲ２が得られる。
また、図２においては、仮想的なカメラの画像平面Ｓ２を、便宜的に仮想的なカメラの焦点Ｆ２の前方側に示した。
【００２９】
ここで、画像平面Ｓ１におけるフュージョンリングＦＲ１を、仮想的なカメラの画像平面Ｓ２におけるフュージョンリングＦＲ２に変換する際には、先ず、フュージョンリングＦＲ１に対応する各画素のカメラ視線情報を算出する。
このカメラ視線情報は、カメラ内部変数とされる焦点距離ｆおよび画素ピッチおよび画素数等から算出され、例えばカメラ１８の焦点Ｆ１とフュージョンリングＦＲ１上の各点とを含んで形成される各直線に対し、各直線が伸びる方向に関する情報とされている。
例えば図２において、カメラ視線情報は、カメラ１８の光軸Ｑ１と第１のカメラ視線情報（例えば、焦点Ｆ１および近接位置ＦＲａを含む直線に沿った方向）とのなす角θ１と、カメラ１８の光軸Ｑ１と第２のカメラ視線情報（例えば、焦点Ｆ１および離間位置ＦＲｂを含む直線に沿った方向）とのなす角θ２とを含む情報である。
【００３０】
そして、画像平面Ｓ１のフュージョンリングＦＲ１に対応する各画素に対して、カメラ外部変数とされるカメラ姿勢およびカメラ位置（例えば図２における、焦点Ｆ１と交点位置Ａ１との距離Ｌ、融液面Ａと線分Ｆ１Ａ１とのなす角θ等）の情報に基づいてワールド座標上の位置を算出する。ここで、ワールド座標系のＸＹ平面は、例えば半導体融液ＳＬの融液面Ａとする。
【００３１】
そして、仮想的なカメラのカメラ外部変数、つまりカメラ姿勢およびカメラ位置（例えば図２における、焦点Ｆ２と交点位置Ａ１との距離ＬＬ等）の情報に基づいて、ワールド座標上の所望の各位置に対する仮想的なカメラ視線情報を算出する。
この場合、仮想的なカメラ視線情報とは、例えば図２において、仮想的なカメラの光軸Ｑ２と第３のカメラ視線情報（例えば、焦点Ｆ２および近接位置ＦＲａを含む直線に沿った方向）とのなす角θ３と、仮想的なカメラの光軸Ｑ２と第４のカメラ視線情報（例えば、焦点Ｆ２および離間位置ＦＲｂを含む直線に沿った方向）とのなす角θ４とを含む情報である。
【００３２】
そして、仮想的なカメラ視線情報と、仮想的なカメラ内部変数（例えば、カメラ１８と同様の値とされる焦点距離ｆおよび画素ピッチおよび画素数等）とに基づいて、仮想的な画像平面Ｓ２のフュージョンリングＦＲ２を表す各対応画素を算出する。
【００３３】
なお、カメラ１８の焦点Ｆ１と交点位置Ａ１との距離Ｌやカメラ内部変数に対して、仮想的なカメラの焦点Ｆ２と交点位置Ａ１との距離ＬＬやカメラ内部変数を、互いに異なる値に設定することにより、画像の拡大または縮小を行うことができる。
特に、焦点距離ｆを距離ＬＬと一致させることにより、ワールド座標系のＸＹ平面そのものを仮想的な画像平面Ｓ２と見なすことも可能である。
さらに、例えば図３に示すように、半導体融液ＳＬの融液面Ａの位置が変位した場合には、カメラ視線情報が変化することで、カメラ１８で得られる原画像および画像変換の処理によって得られる変換画像に変化が生じる。
【００３４】
予め融液面Ａに対してカメラ１８のカメラ姿勢およびカメラ位置（例えば図３における、焦点Ｆ１と交点位置Ａ１との距離Ｌ）等のカメラ外部変数が設定された状態において、例えば図３に示すように、融液面Ａが鉛直方向下方に低下して新たな融液面ＡＡが得られると、融液面Ａ上のフュージョンリングＦＲも鉛直方向下方に低下し、カメラ１８は新たな融液面ＡＡ上のフュージョンリングＦＦＲを撮像することとなる。
この場合、カメラ１８の光軸Ｑ１は変化しないものの、フュージョンリングＦＲ上の近接位置ＦＲａは、新たなフュージョンリングＦＦＲ上の近接位置ＦＦＲａへと変位し、フュージョンリングＦＲ上の離間位置ＦＲｂは、新たなフュージョンリングＦＦＲ上の近接位置ＦＦＲｂへと変位する。これに伴い、焦点Ｆ１と近接位置ＦＲａとの距離Ｌ１は、焦点Ｆ１と新たな近接位置ＦＦＲａとの距離ＬＬ１へと変化し、焦点Ｆ１と離間位置ＦＲｂとの距離Ｌ２は、焦点Ｆ１と新たな離間位置ＦＦＲｂとの距離ＬＬ２へと変化する。
【００３５】
これにより、カメラ１８に対するカメラ視線情報が変化して、例えば、カメラ１８の光軸Ｑ１と第１のカメラ視線情報（例えば、焦点Ｆ１および近接位置ＦＲａを含む直線に沿った方向）とのなす角θ１は、カメラ１８の光軸Ｑ１と新たな第１のカメラ視線情報（例えば、焦点Ｆ１および新たな近接位置ＦＦＲａを含む直線に沿った方向）とのなす角θ１１へと変化し、カメラ１８の光軸Ｑ１と第２のカメラ視線情報（例えば、焦点Ｆ１および離間位置ＦＲｂを含む直線に沿った方向）とのなす角θ２は、カメラ１８の光軸Ｑ１と新たな第２のカメラ視線情報（例えば、焦点Ｆ１および新たな離間位置ＦＦＲｂを含む直線に沿った方向）とのなす角θ２２へと変化する。
すなわち、カメラ１８の画像平面Ｓ１において、フュージョンリングＦＲ１は、新たなフュージョンリングＦＦＲ１へと変化して、カメラ１８により得られる原画像に変化が生じる。
【００３６】
ここで、カメラ１８の画像平面Ｓ１における新たなフュージョンリングＦＦＲ１に対する画像変換処理には、鉛直方向下方に低下するより以前の融液面Ａに対して設定された、カメラ内部変数から算出するカメラ視線情報およびカメラ外部変数の情報が利用される。さらに、ワールド座標系でのＸＹ平面は融液面Ａに設定されているため、画像平面Ｓ１における新たなフュージョンリングＦＦＲ１は、いわばワールド座標系でのＸＹ平面つまり融液面Ａにおける新たなフュージョンリングＮＦＲを撮像して得た画像とされる。
【００３７】
これにより、新たな融液面ＡＡにおけるフュージョンリングＦＦＲ上の近接位置ＦＦＲａは、ワールド座標系の融液面Ａにおける新たなフュージョンリングＮＦＲ上の近接位置ＮＦＲａとされ、フュージョンリングＦＦＲ上の離間位置ＦＦＲｂは、ワールド座標系の融液面Ａにおける新たなフュージョンリングＮＦＲ上の近接位置ＮＦＲｂとされる。
これに伴い、仮想的なカメラの焦点Ｆ２と融液面ＡにおけるフュージョンリングＦＲ上の近接位置ＦＲａとの距離Ｌ３は、仮想的なカメラの焦点Ｆ２と新たな近接位置ＮＦＲａとの距離ＬＬ３へと変化し、仮想的なカメラの焦点Ｆ２と融液面ＡにおけるフュージョンリングＦＲ上の離間位置ＦＲｂとの距離Ｌ４は、仮想的なカメラの焦点Ｆ２と新たな離間位置ＮＦＲｂとの距離ＬＬ４へと変化する。
【００３８】
これにより、仮想的なカメラ視線情報が変化して、例えば、仮想的なカメラの光軸Ｑ２と第３のカメラ視線情報（例えば、焦点Ｆ２および近接位置ＦＲａを含む直線に沿った方向）とのなす角θ３は、仮想的なカメラの光軸Ｑ２と新たな第３のカメラ視線情報（例えば、焦点Ｆ２および近接位置ＮＦＲａを含む直線に沿った方向）とのなす角θ３３へと変化し、仮想的なカメラの光軸Ｑ２と第３のカメラ視線情報（例えば、焦点Ｆ２および近接位置ＦＲａを含む直線に沿った方向）とのなす角θ３は、仮想的なカメラの光軸Ｑ２と新たな第４のカメラ視線情報（例えば、焦点Ｆ２および離間位置ＮＦＲｂを含む直線に沿った方向）とのなす角θ４４へと変化する。
すなわち、仮想的な画像平面Ｓ２において、フュージョンリングＦＲ２は、新たなフュージョンリングＦＦＲ２へと変化して、仮想的なカメラで得られる変換画像に変化が生じる。
【００３９】
この場合、例えば融液面ＡのフュージョンリングＦＲを円形とした場合の中心位置Ｃは、新たな融液面ＡＡのフュージョンリングＦＦＲの中心位置ＣＣに対して、鉛直方向上方に位置しているため、例えば結晶軸Ｐに沿った方向から見た場合には、両中心位置Ｃ，ＣＣは同一の位置として観測される。
これに対して、ワールド座標系でのＸＹ平面つまり融液面Ａ上に変換された新たなフュージョンリングＮＦＲの中心位置ＮＣは、融液面ＡのフュージョンリングＦＲの中心位置Ｃに対してずれた位置に配置される。
従って、この中心位置Ｃに対するずれに基づいて、融液面Ａの変位を測定することができる。
【００４０】
以下に、単結晶引上装置１０の動作の詳細について説明する。
半導体単結晶Ｓの引き上げ工程は、半導体単結晶Ｓの形状に応じて、例えば、シード工程と、肩工程と、直胴工程と、ボトム工程とを含んでおり、以下においては、特に、シード工程と、肩工程と、直胴工程およびボトム工程との、３つに分類した各工程を対象として、半導体単結晶Ｓの幾何学的形状の測定方法について添付図面を参照しながら説明する。
図４は結晶形状測定の概略処理を示すフローチャートである。
【００４１】
先ず、図４に示すステップＳ０１においては、後述する初期化処理を行う。
次に、ステップＳ０２においては、結晶形状測定の処理の終了が指示されたか否かを判定する。
この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ１４に進み、終了処理として、例えば演算処理用に確保したメモリ領域の開放等を行い、一連の処理を終了する。一方、判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ０３に進む。
【００４２】
ステップＳ０３においては、後述するように、カメラ１８にて撮像して得た原画像を画像処理部２０に取り込み、画像変換の処理を行う。
次に、ステップＳ０４においては、シード工程と、肩工程と、直胴工程およびボトム工程とに分類した３つの各工程のうち、何れの工程における処理であるかの工程確認を行う。
【００４３】
そして、ステップＳ０５においては、後述するように、各工程毎に応じて設定された境界検出の処理、つまり半導体単結晶Ｓと半導体融液ＳＬとの境界部の検出を行う。
そして、ステップＳ０６においては、後述するように、各工程毎に応じて設定された境界認識の処理、つまり検出した半導体単結晶Ｓと半導体融液ＳＬとの境界部に対して円近似に基づく認識処理を行い、半導体単結晶Ｓの幾何学的形状の情報、例えば直径Ｒおよび中心位置Ｃ等を算出する。
次に、ステップＳ０７においては、半導体単結晶Ｓと半導体融液ＳＬとの境界部に対する認識処理の結果の妥当性を評価する。
【００４４】
そして、ステップＳ０８においては、認識処理の結果が妥当であるか否かを判定する。
この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０９に進む。一方、この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ１０に進む。
ステップＳ０９においては、予め記憶部１９に記憶された半導体単結晶Ｓの幾何学的形状の情報、例えば直径Ｒおよび中心位置Ｃ等に対する予測値を、認識結果によって更新して、変換テーブルを作成し、記憶部１９に格納する。
この予測値の更新では、例えば、所定のタイミングで測定した直径Ｒおよび中心位置Ｃ等の幾何学的形状の情報を時系列データとして扱って、移動平均に基づいて更新用のデータを生成する。
【００４５】
一方、ステップＳ１０においては、認識処理の結果を破棄して、予め記憶部１９に記憶された予測値を認識処理の結果として採用する。
そして、ステップＳ１１では、融液面Ａの変動、半導体単結晶Ｓの幾何学的形状、例えば直径および中心を算出する。
次に、ステップＳ１２では、ステップＳ１１での算出結果を出力する。
そして、ステップＳ１３では、特に直胴工程に対して晶癖線の有無を確認する。すなわち、ステップＳ０５における境界検出の検出結果と、ステップＳ０６における円近似による認識結果とを比較することで、フュージョンリングＦＲの外周部に突出する晶癖線が存在するか否かを観測する。そして、ステップＳ０２に戻る。
【００４６】
以下に、上述したステップＳ０１における初期化処理の詳細について説明する。図５は、図４に示すステップＳ０１における初期化処理の詳細を示すフローチャートである。
先ず、図５に示すステップＳ２１においては、引上装置１６の引上ワイヤ１６ａを引き上げる際の引き上げ条件、例えば引き上げ速度や引き上げ軸Ｐ周りの回転速度や融液面Ａの高さ等を記憶部１９から読み込む。
次に、ステップＳ２２においては、画像変換の演算処理に使用する各種パラメータを初期化する。
次に、ステップＳ２３においては、演算処理に使用する所定のメモリ領域を確保する。
【００４７】
次に、ステップＳ２４においては、カメラ１８により撮像して得られる原画像の全画素に対して、例えばワールド座標系への変換処理後に得られる画素対応点を算出したか否かを判定する。
この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、後述するステップＳ２９に進む。一方、この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ２５に進む。
ステップＳ２５においては、カメラ１８に固有のカメラ内部変数、例えば焦点距離および画素ピッチおよび画素数等の情報に基づいて、カメラ１８により撮像して得られる原画像の所望の画素に対するカメラ視線情報を算出する。
【００４８】
そして、ステップＳ２６においては、カメラ１８に対するカメラ外部変数、例えばカメラ姿勢およびカメラ位置等に基づいて、カメラ１８により撮像して得られる原画像の所望の画素に対するワールド座標系での位置を算出する。
次に、ステップＳ２７においては、仮想的なカメラに対するカメラ外部変数、例えばカメラ姿勢およびカメラ位置等に基づいて、ワールド座標系での所望の画素対応点に対する仮想的なカメラ視線情報を算出する。
次に、ステップＳ２８においては、仮想的なカメラに対するカメラ内部変数、例えば焦点距離および画素ピッチおよび画素数等と、仮想的なカメラ視線情報とに基づいて、ワールド座標系での所望の画素対応点に対する、変換画像の画素を算出する。そして、ステップＳ２４に戻る。
【００４９】
一方、ステップＳ２９においては、変換後の画素に対するカメラ１８により撮像して得られる原画像の所望の画素が無い点、つまり画素未対応点の算出結果を補間する。
そして、ステップＳ３０においては、画像取込および画像変換や、後述する境界検出処理や認識処理での検査対象領域等に対する各種の設定および確認を行い、一連の処理を終了する。
【００５０】
以下に、上述したステップＳ０３における画像取込および画像変換の処理の詳細について説明する。図６は画像取込および画像変換の処理の詳細について示すフローチャートである。
先ず、図６に示すステップＳ３１においては、カメラ１８により撮像され、例えば記憶部１９に格納された原画像を画像処理部２０に取り込む。
次に、ステップＳ３２においては、カメラ１８により撮像して得られる原画像の全画素の変換が終了したか否かを判定する。
この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、一連の処理を終了する。一方、この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ３３に進む。
【００５１】
ステップＳ３３においては、カメラ１８により撮像して得られる原画像の所望の画素に対して、予め記憶部１９に記憶した所定の変換テーブルを検索する。
次に、ステップＳ３４においては、カメラ１８により撮像して得た原画像の所望の画素に対する輝度値を参照する。
次に、ステップＳ３５においては、変換画像に対する所望の画素の輝度値を、ステップＳ３４にて検索した輝度値に基づいて設定する。そして、ステップＳ３２に戻る。
【００５２】
以下に、上述したステップＳ０５からステップＳ０６における、境界検出処理および境界部の認識処理の詳細について、シード工程と、肩工程と、直胴工程およびボトム工程との、３つに分類した各工程を対象として説明する。
先ず以下に、シード工程について説明する。
図７はシード工程における境界検出処理および境界部の認識処理の詳細について示すフローチャートであり、図８はカメラ１８にて撮像して得た原画像から画像変換により生成した変換画像において、半導体単結晶Ｓの中心位置Ｃに対する予測位置近傍を拡大して示す拡大画像であり、図９は拡大画像におけるフュージョンリングＦＲ２あるいはＦＦＲ２に対する認識結果を示す図である。
【００５３】
先ず、図７に示すステップＳ４１においては、変換画像に対して、半導体単結晶Ｓの中心位置Ｃに対する予測値を記憶部１９から読み込み、例えば図８に示すように、この予測値周辺の拡大画像を生成する。
次に、ステップＳ４２においては、拡大画像を二値化処理する際における、所定の二値化閾値を算出する。
【００５４】
次に、ステップＳ４３においては、拡大画像に二値化処理を行い、ラベリングを行う。
次に、ステップＳ４４においては、予め記憶部１９に格納した予測値、例えば前回のシード工程に対する処理にて設定した半導体単結晶Ｓの直径Ｒおよび中心位置Ｃのデータ等に基づいて、例えば図９に示すように、フュージョンリングＦＲ２あるいはＦＦＲ２の領域を抽出する。
次に、ステップＳ４５においては、抽出したフュージョンリングＦＲ２あるいはＦＦＲ２の領域の最大幅および最大幅の座標を抽出して、一連の処理を終了する。
【００５５】
以下に、肩工程について説明する。図１０は肩工程における境界検出処理および境界部の認識処理の詳細について示すフローチャートであり、図１１は変換画像におけるフュージョンリングＦＲ２あるいはＦＦＲ２に対して検出した境界エッジ群を示す図であり、図１２は検出した境界エッジ群に対して円によるマッチングおよび最小二乗法を用いた円近似処理を適用した結果を示す図である。
【００５６】
先ず、図１０に示すステップＳ５１においては、変換画像に対して、ラインウィンドウの設定角度範囲を算出する。
次に、ステップＳ５２においては、算出した設定角度範囲内における全ての境界エッジを探索したか否かを判定する。
この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、後述するステップＳ５５に進む。一方、この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ５３に進む。
【００５７】
ステップＳ５３においては、半導体単結晶Ｓの中心位置Ｃの予測値に基づいて、半導体融液ＳＬの融液面Ａと半導体単結晶Ｓとの境界検出用のラインウィンドウを設定する。
次に、ステップＳ５４においては、ラインウィンドウ上を外側つまり半導体融液ＳＬの融液面Ａ側から半導体単結晶Ｓの中心位置Ｃに向かい走査して、例えば図１１に示すように、融液面Ａと半導体単結晶Ｓとの境界エッジを検出する。そして、ステップＳ５２に戻る。
【００５８】
一方、ステップＳ５５においては、半導体単結晶Ｓの直径Ｒおよび中心位置Ｃの予測値に基づいて、変換画像上にて円によるマッチングを適用する範囲を設定する。
次に、ステップＳ５６においては、検出した境界エッジ群に対して、円によるマッチングを適用して、一致度を測定する。
次に、ステップＳ５７においては、一致度が最大となる円に対する直径Ｒおよび中心位置Ｃを算出する。
次に、ステップＳ５８においては、マッチングの結果に基づいて、例えばエッジ群における晶癖線等に起因する特異点の除去等の補正を行う。
次に、ステップＳ５９においては、補正後のエッジ群に対して最小二乗法を用いた円近似を行い、半導体単結晶Ｓの直径Ｒおよび中心位置Ｃを算出して、一連の処理を終了する。
【００５９】
以下に、直胴工程およびボトム工程の処理について説明する。図１３は直胴工程およびボトム工程における境界検出処理および境界部の認識処理の詳細について示すフローチャートであり、図１４はカメラ１８にて撮像して得た原画像から画像変換により生成した変換画像を示す図であり、図１５は変換画像におけるフュージョンリングＦＲ２あるいはＦＦＲ２に対する領域抽出の結果を示す図であり、図１６は抽出した領域から生成した３本の細線、つまり内周部および中心部および外周部の各細線を示す図であり、図１７は生成した細線に対して円検出のＨｏｕｇｈ変換を行った結果を示す図であり、図１８は生成した３本の細線を互いに同心円として最小二乗法による円近似を行った結果を示す図である。
【００６０】
先ず、図１３に示すステップＳ６１においては、変換画像を二値化処理する際における、所定の二値化閾値を算出する。
次に、ステップＳ６２においては、例えば図１４に示すような変換画像に二値化処理を行い、ラベリングを行う。
次に、ステップＳ６３においては、予め記憶部１９に格納した予測値、例えば所定のタイミングで測定した直径Ｒおよび中心位置Ｃ等の幾何学的形状の情報を時系列データとして扱って、移動平均に基づいて生成したデータ等に基づいて、例えば図１５に示すように、フュージョンリングＦＲ２あるいはＦＦＲ２の領域を抽出する。
【００６１】
次に、ステップＳ６４においては、例えば図１６に示すように、フュージョンリングＦＲ２あるいはＦＦＲ２に対して抽出した領域から、例えば内周部および中心部および外周部の３つ領域に対して細線化を行い、３本の細線による各円弧を生成する。
次に、ステップＳ６５においては、例えば図１７に示すように、３本の細線のうち中心部の細線に対して円検出のＨｏｕｇｈ変換を適用して、この変換により検出された円の直径Ｒおよび中心位置Ｃを取得する。
【００６２】
次に、ステップＳ６６においては、Ｈｏｕｇｈ変換により検出した円の直径Ｒおよび中心位置Ｃに基づいて、内周部および中心部および外周部の３つ領域に対して行った各細線化の結果に対して、例えば各細線における晶癖線等に起因する特異点の除去等の補正を行う。
次に、ステップＳ６７においては、例えば図１８に示すように、補正後の各細線に対して最小二乗法を用いた同心円近似を行い、半導体単結晶Ｓの直径Ｒおよび中心位置Ｃを算出して、一連の処理を終了する。
【００６３】
以上説明したように、本実施の形態に係る単結晶引上装置１０および単結晶引上方法によれば、半導体単結晶Ｓの引き上げ軸（つまり結晶軸）Ｐと交差する方向Ｑ１（つまりカメラ１８の光軸）に沿って撮像して原画像を、仮想的に引き上げ軸Ｐと平行な方向から撮像した場合に得られる仮想的な画像へと変換することで、半導体単結晶Ｓと半導体融液ＳＬの融液面Ａとの境界部に発生するフュージョンリングＦＲの画像が歪んで観測されてしまうことを抑制することができる。これにより、フュージョンリングＦＲの画像を精度良く円近似することができ、この円近似に基づいて半導体単結晶Ｓの形状、例えば直径Ｒや中心位置Ｃを精度良く測定することができる。
しかも、融液面Ａの変動、例えば鉛直方向における融液面Ａの変位や融液面Ａの揺らぎ等が発生した場合には、測定される半導体単結晶Ｓの中心位置Ｃが変位するため、この中心位置Ｃの変位に基づいて融液面Ａの変動を検知して、半導体単結晶Ｓの育成動作、例えば引き上げ速度や引き上げ軸Ｐ周りの回転動作、さらには、半導体融液ＳＬを貯留する坩堝１４の移動や、半導体単結晶Ｓと融液面Ａとの相対位置等を適切に制御することができる。
【００６４】
さらに、例えば二値化処理や境界エッジの検出処理等により検出した半導体単結晶Ｓと融液面Ａとの境界部のデータと、この境界部を円近似により認識した認識結果とを比較することで、半導体単結晶Ｓの晶癖線として半導体単結晶Ｓの外周部から突出する突出部を検知することができる。
これにより、例えば半導体単結晶Ｓの外周部から晶癖線に相当する突出部が消失した場合には、単結晶が崩れて多結晶化したと判断することができ、育成時における半導体単結晶Ｓの状態をリアルタイムに把握することができ、作製する半導体単結晶Ｓの品質を容易に判定することができる。
【００６５】
なお、上述した本実施の形態においては、引き上げ工程の全工程にわたり１台の単焦点レンズとシャッタカメラによりフュージョンリングＦＲを撮像するとしたが、これに限定されず、例えば複数台のカメラにより撮像しても良いし、ズームレンズや複光軸を有するレンズ等を備えても良い。さらに、デジタルカメラからの局所読みだし画像や間引き読み出し画像等を利用しても良い。
【００６６】
なお、本発明の一実施形態に係る単結晶引上方法を実現する単結晶引上装置１０は、専用のハードウェアにより実現されるものであっても良く、また、メモリおよびＣＰＵを備えて構成され、単結晶引上装置１０の機能を実現するためのプログラムをメモリにロードして実行することによりその機能を実現するものであっても良い。
【００６７】
また、上述した本発明に係る単結晶引上方法を実現するためのプログラムをコンピュータ読みとり可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより単結晶の引き上げを行っても良い。なお、ここで言うコンピュータシステムとはＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものであっても良い。
【００６８】
また、コンピュータ読みとり可能な記録媒体とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことを言う。さらに、コンピュータ読みとり可能な記録媒体とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。
また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記憶されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明における第１の発明である単結晶引上装置によれば、単結晶と結晶融液との境界部の画像が歪んで観測されてしまうことを抑制することができ、境界部を精度良く円近似することができ、この円近似に基づいて単結晶の形状、例えば径や中心を精度良く測定することができる。このため、例えば複数の単結晶を作製する場合においても、安定した品質を確保することが可能となる。しかも、測定される単結晶の中心の変位に基づいて融液面の変動を検知して、単結晶の育成動作、例えば引き上げ速度や引き上げ軸周りの回転動作、さらには、結晶融液を貯留する坩堝の移動や、単結晶と融液面との相対位置等を適切に制御することができる。
【００７０】
さらに、本発明における第２の発明である単結晶引上装置によれば、境界部検出手段にて検出した単結晶と結晶融液との境界部と、境界部認識手段にて境界部を円近似により認識した認識結果とを比較することで、単結晶の晶癖線を検知することができる。これにより、例えば単結晶の外周部から晶癖線に相当する突出部が消失した場合には、単結晶が崩れて多結晶化したと判断することができ、育成時における単結晶の状態をリアルタイムに把握することができ、作製する単結晶の品質を容易に判定することができる。
【００７１】
また、本発明における第３の発明である単結晶引上方法によれば、単結晶と結晶融液との境界部の画像が歪んで観測されてしまうことを抑制することができ、単結晶の形状、例えば径や中心を精度良く測定することができる。さらに、測定される単結晶の中心の変位に基づいて融液面の変動を検知して、単結晶の育成動作を適切に制御することができる。さらに、本発明における第４の発明である単結晶引上方法によれば、育成時における単結晶の状態をリアルタイムに把握することができ、作製する単結晶の品質を容易に判定することができる。
【００７２】
また、本発明における第５の発明であるプログラムによれば、単結晶と結晶融液との境界部の画像が歪んで観測されてしまうことを抑制することができ、単結晶の形状、例えば径や中心を精度良く測定することができる。さらに、測定される単結晶の中心の変位に基づいて融液面の変動を検知して、単結晶の育成動作を適切に制御することができる。さらに、本発明における第６の発明であるプログラムによれば、育成時における単結晶の状態をリアルタイムに把握することができ、作製する単結晶の品質を容易に判定することができる。
【００７３】
また、本発明における第７の発明であるコンピュータ読み取り可能な記録媒体によれば、単結晶と結晶融液との境界部の画像が歪んで観測されてしまうことを抑制することができ、単結晶の形状、例えば径や中心を精度良く測定することができる。さらに、測定される単結晶の中心の変位に基づいて融液面の変動を検知して、単結晶の育成動作を適切に制御することができる。さらに、本発明における第８の発明であるコンピュータ読み取り可能な記録媒体によれば、育成時における単結晶の状態をリアルタイムに把握することができ、作製する単結晶の品質を容易に判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態に係わる単結晶引上装置を示す構成図である。
【図２】  本実施の形態に係る単結晶引上装置において、カメラにより撮像して得た原画像を、仮想的に引き上げ軸Ｐと平行な方向から撮像した仮想的なカメラで得られる変換画像へと変換する際における、幾何学的な対応関係を示す図である。
【図３】  半導体融液ＳＬの融液面Ａが変位した場合における、原画像と変換画像の幾何学的な対応関係を示す図である。
【図４】  図１に示す単結晶引上装置の概略動作を示すフローチャートである。
【図５】  図４に示すステップＳ０１における初期化処理の詳細を示すフローチャートである。
【図６】  図４に示すステップＳ０３における画像取込および画像変換の処理の詳細について示すフローチャートである。
【図７】  図４に示すステップＳ０５からステップＳ０６の処理において、特にシード工程における境界検出処理および境界部の認識処理の詳細について示すフローチャートである。
【図８】  カメラにて撮像して得た原画像から画像変換により生成した変換画像において、半導体単結晶Ｓの中心位置Ｃに対する予測位置近傍を拡大して示す拡大画像である。
【図９】  拡大画像におけるフュージョンリングＦＲ２あるいはＦＦＲ２に対する認識結果を示す図である。
【図１０】  図４に示すステップＳ０５からステップＳ０６の処理において、特に肩工程における境界検出処理および境界部の認識処理の詳細について示すフローチャートである。
【図１１】  変換画像におけるフュージョンリングＦＲ２あるいはＦＦＲ２に対して検出した境界エッジ群を示す図である。
【図１２】  検出した境界エッジ群に対して円によるマッチングおよび最小二乗法を用いた円近似処理を適用した結果を示す図である。
【図１３】  図４に示すステップＳ０５からステップＳ０６の処理において、特に直胴工程およびボトム工程における境界検出処理および境界部の認識処理の詳細について示すフローチャートである。
【図１４】  カメラにて撮像して得た原画像から画像変換により生成した変換画像を示す図である。
【図１５】  変換画像におけるフュージョンリングＦＲ２あるいはＦＦＲ２に対する領域抽出の結果を示す図である。
【図１６】  抽出した領域から生成した３本の細線、つまり内周部および中心部および外周部の各細線を示す図である。
【図１７】  生成した細線に対して円検出のＨｏｕｇｈ変換を行った結果を示す図である。
【図１８】  生成した３本の細線を互いに同心円として最小二乗法による円近似を行った結果を示す図である。
【符号の説明】
１０  単結晶引上装置
１８  カメラ（撮像手段）
２１  制御部（単結晶育成制御手段）
ステップＳ０３  画像変換手段
ステップＳ０５  境界部検出手段
ステップＳ０６  境界部認識手段
ステップＳ１１  融液面変動検知手段、演算手段
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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