(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン単結晶を成長する装置と共に利用する閉ループ制御方法であって、
上記結晶成長装置は、単結晶を引き上げるための融液を形成するために固形シリコンを溶融する加熱された坩堝を有し、上記融液は上部表面を有し、該上部表面上に未溶融シリコンが溶融するまで露出しており、上記方法は、
カメラを用いて坩堝の内部の一部の画像を形成する工程を有し、上記画像は複数のピクセルを有し、上記ピクセルは画像の光学的特性を示す値を有し、
画像のエッジ部を検出するためにピクセル値の関数として画像を処理する工程を有し、
画像中に物体を定義するために画像中の位置関数として検出エッジ部をグループ化する工程を有し、上記定義された物体は１以上のピクセルを含み、定義された物体の少なくとも一つは溶融面に見える固形シリコンの一部を示し、
多結晶シリコンを溶融する段階を含む複数の単結晶成長過程中であって、溶融完了から種結晶と融液との接触、種結晶と融液との接触、又は結晶成長までの間に、定義された物体に基づき、結晶成長装置の状態を示す少なくとも一つのパラメータを求める工程を有し、
求めたパラメータに応じて結晶成長装置を制御する工程を有する方法。
【請求項２】
上記処理する工程は、連続する画像を取り除いて一つの画像から次の画像への変化を特定する複数の異なる画像を作成し、異なる複数の画像中で検出されるエッジ部をグループ化して溶融面に見える固形シリコンの一部を表す物体を定義する請求項１の方法。
【請求項３】
溶融面に見える固形シリコンの一部のおおよその大きさを上記異なる画像中の定義物体におけるピクセル数の関数として求める工程を有する請求項２の方法。
【請求項４】
上記パラメータを求める工程は、坩堝内でシリコンが実質的に溶融したことを表す溶融完了パラメータを求める工程を有し、上記溶融完了パラメータは溶融面に見える固形シリコンの一部の大きさの関数でありゼロに近づくものである請求項３の方法。
【請求項５】
上記パラメータを求める工程は、坩堝内のシリコンが溶融する速度を示す溶融速度パラメータを求める工程を有し、上記溶融速度パラメータは、溶融面に見える固形シリコンの一部を示す物体の大きさの変化の時間に対する関数である請求項３の方法。
【請求項６】
上記処理する工程は、画像中で検出されたエッジ部に基づき、融液と溶融面に見える固形シリコンの一部との間の境界を検出する工程を含み、
パラメータを求める工程は、溶融面の異なる位置での融液の温度を示す溶融温度パラメータを求める工程を有し、
上記溶融温度パラメータは、融液と固形シリコンの一部との間の境界に隣接する画像中のピクセルの少なくとも一つのピクセル値の関数である請求項１の方法。
【請求項７】
上記処理する工程は、画像中に検出されたエッジ部に基づいて、融液と坩堝壁との間の境界を検出する工程を有し、
該検出する工程はさらに、固形シリコンの部分が坩堝の内壁に隣接したときに検出する工程を有する請求項１の方法。
【請求項８】
上記坩堝の中央に対応するピクセル位置を定義する工程を有し、
上記パラメータを求める工程が、坩堝の中央から坩堝の内壁に隣接して検出された固形シリコンの部分までの距離を示すハンガー距離パラメータを求める工程を有し、
上記ハンガー距離パラメータは、坩堝の中央に対応するピクセル位置に対する、坩堝の内壁に隣接して検出された固形シリコンの部分を示す物体におけるピクセルの少なくとも一つの位置の関数である請求項７の方法。
【請求項９】
上記処理する工程が、画像中に検出されたエッジ部に基づいて、溶融面の結晶メニスカスを検出する工程を有し、
上記結晶メニスカスは、単結晶を融液を引き上げるときに該単結晶に隣接して見えるものであり、
上記パラメータを求める工程は、坩堝の内壁に隣接して検出された固形シリコンの部分から結晶メニスカスまでの距離を示すアイス距離パラメータを求める工程を有し、
上記アイス距離パラメータは、結晶メニスカスのエッジ部のピクセルの少なくとも一つの位置に対する、坩堝の内壁に隣接して検出された固形シリコンの部分を示す物体のピクセルの少なくとも一つの位置の関数である請求項７の方法。
【請求項１０】
上記単結晶は、融液に浸けた種結晶から成長し、該融液から引き上げられ、
上記物体の少なくとも一つは、種結晶が融液に接触する前、融液の表面に見える種結晶の反射を示し、
上記物体におけるピクセルの数の関数として上記種結晶の反射のおおよその大きさを求め、上記融液の表面と接触する上記種結晶の種結晶と融液との接触パラメータを、上記融液の表面上でゼロに至る上記種結晶の反射の大きさの関数として求める工程をさらに含む請求項１の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の背景）
本発明は、シリコン結晶を成長させるチョクラルスキー法を用いた装置と方法を制御する改良方法と改良装置に関する。特に、本発明は、シリコン結晶のパラメータを測定する視覚装置及び視覚方法、及び測定されたパラメータに基づいて成長プロセスを自動制御する際に使用するシリコン結晶成長方法に関する。
【０００２】
半導体産業用のシリコンウエハを製造するために利用される単結晶シリコンの殆どは、チョクラルスキー法を用いた引き上げ装置で製造される。簡単に説明すると、チョクラルスキー法では、専用に設計された炉の内部に配置された結晶坩堝の中で高純度の多結晶シリコンの塊又は粒を溶融して、シリコン融液が形成される。一般に、多結晶シリコンは、例えばシーメンス法により製造された不規則な塊状の多結晶シリコンである。これに代わり、通常は比較的簡単で効率的な流動床式反応プロセスで得られた略球形の粒状をした流動性多結晶シリコンを利用することもできる。塊状及び粒状の多結晶シリコンの特性や入手方法は、Ｆ．シムラ氏のセミコンダクタ・シリコン・クリスタル・テクノロジー〔アカデミックプレス（カリフォルニア洲サンディエゴ、１９８９年）第１１６〜１２１頁〕に詳細に記載されており、本文献は本説明に引用導入されている。
【０００３】
塊状の多結晶シリコンを投入する場合、その投入量が溶融中に変化したり、投入されているシリコンの下部が溶融する。また、融液の上方の坩堝壁に付着した不溶材料の「ハンガー」が残る。このように、投入量が変化したり、ハンガーが壊れたりすると、溶融シリコンが跳ね返ったり、坩堝に機械的なストレス破壊を生じさせ得る。しかし、溶融中の坩堝温度を適正に制御すれば、ハンガー等の影響を低下させることができる。
【０００４】
チョクラルスキー法では、比較的小さな種結晶が、坩堝の上方で、該種結晶を上昇及び下降するために、結晶引き上げ機構から吊り下がった引き上げケーブル又は引き上げシャフトの下端部に設けられる。溶融が完了すると、結晶引き上げ機構は種結晶を下降して、坩堝内の溶融シリコンに接触させる。種結晶が溶融し始めると、当該機構は、種結晶が所望の結晶径を得て、当該径で単結晶が成長するように、シリコン融液からゆっくりと引き上げる。種結晶が引き上げられるにつれて、この種結晶は融液からシリコンを引き上げる。結晶成長プロセス中、坩堝は一方向に回転し、結晶引き上げ機構、ケーブル、種結晶及び結晶は反対方向に回転する。
【０００５】
結晶成長が始まると、種結晶が融液と接触することによる温度衝撃によって、結晶内に転位を生じ得る。この転位は、種結晶と結晶本体との間のネックで消失しなければ、成長結晶全体に伝播して増幅する。シリコン単結晶内の転位を防止する公知の方法では、結晶本体の成長前に転位を完全に除去するために、比較的高速で結晶を引き上げることで小径の首部を成長させている。ネックで転位が防止されると、結晶本体が所望の径に達するまで結晶径が拡大される。
【０００６】
チョクラルスキー法は、成長する結晶本体の径の関数として、少なくとも部分的に制御される。米国特許出願第０８／４５９，７６５号と第０８／６２０，１３７号には、正確且つ信頼性をもって結晶径を測定し、ゼロ転位成長を検出し、シリコン溶融レベルを求める方法と装置が記載されている。
【０００７】
結晶径や溶融レベルを含む複数のファクタは、結晶成長プロセス中の結晶の大きさと品質に影響を与え、それらの指標となる。例えば、坩堝に与えられる熱量、溶融シリコンの温度、融液の中や坩堝の壁に付着している不溶性又は再固化した多結晶シリコンの有無、坩堝の径、融液中の水晶の有無、及び結晶溶融界面におけるメニスカスの大きさと形はすべて、プロセスに影響を及ぼし、結晶に関する情報を提供するものである。したがって、これらのファクタに関連した複数のパラメータを正確且つ信頼性をもって求めるシステムが、結晶成長プロセスを制御するうえで必要とされている。
【０００８】
（発明の概要）
本発明の目的と特徴は、上述した問題点を解消する制御と動作の方法と装置を提供すること、チョクラルスキー法に従って動作する結晶成長装置と共に用いる方法と装置を提供すること、シリコン融液を作るために坩堝中で多結晶シリコンの充填物を溶融する速度を測定する方法と装置を提供すること、溶融完了を求める方法と装置を提供すること、融液の温度を測定する方法と装置を提供すること、坩堝中の固形多結晶シリコンを検出する方法と装置を提供すること、種結晶と融液との接触を検出する方法と装置を提供すること、効率的且つ経済的に実行できると共に経済的に実行できて商業的に実施できる上記方法を提供することである。
【０００９】
簡単に説明すると、本発明の形態を具体化した閉ループ制御方法は、シリコン単結晶成長装置と共に使用される。結晶成長装置は、固形シリコンを溶融して単結晶シリコンを引き上げるシリコン融液を形成するために加熱された坩堝を有する。融液は、上部表面を有し、該表面上に未溶融シリコンが溶融するまで露出する。上記方法は、坩堝内部の一部の画像を作成する工程を有する。上記画像は、複数のピクセルを有し、これらのピクセルはそれぞれ画像の光学的特性を示す値を有する。上記方法はまた、画像中のエッジ部を検出するためにピクセル値の関数として画像を処理し、検出されたエッジ部を画像中の位置関数としてグループ化して画像中の物体を定義する工程を有する。定義された物体は１以上のピクセルを有し、少なくとも一つの物体は溶融面に見える固形シリコンの一部を示す。上記方法はまた、定義された物体に基づいて結晶成長装置の状態を表す少なくとも一つのパラメータを求め、求めたパラメータに応じて結晶成長装置を制御する工程を含む。
【００１０】
本発明の他の形態は、単結晶成長装置と共に使用する装置である。結晶成長装置は、単結晶を引き上げる融液を形成するために固形シリコンを溶融する、加熱された坩堝を有する。融液は、上部表面を有し、該表面上に未溶融シリコンが溶融するまで露出する。上記装置は、坩堝の内部の一部の画像を作るカメラを有する。各画像は複数のピクセルを有し、各ピクセルは画像の光学的特徴を示す値を有する。上記システムは、画像のエッジ部を検出するために、ピクセル値の関数として画像を処理する画像プロセッサを有する。画像プロセッサは、画像中の物体を定義するために、画像中の位置関数として、検出されたエッジ部をグループ化する。定義された物体はそれぞれ１以上のピクセルを有し、定義された物体の少なく共一つは溶融面に見える固形シリコンの一部を表す。上記システムはさらに、定義された物体に基づき結晶成長装置の状態を表す少なくとも一つのパラメータを求めると共に、求めたパラメータに応じて結晶成長装置を制御する制御回路を有する。
【００１１】
本発明は、種々の別の方法及び装置を含む。その他の目的及び特徴は、その一部が明らかであり、一部は以下に述べられている。
以上の図面において、対応する符号は対応する部分を示す。
【００１２】
（好適な実施の形態の詳細な説明）
図１において、システム２１はチョクラルスキー法による本発明の結晶成長装置２３と共に用いるものとして示されている。図示する実施形態において、結晶成長装置２３は、坩堝２７を収容する真空室２５を有する。ヒータ電源２９は、坩堝２７を囲む抵抗ヒータ又は他の加熱手段３１をエネルギーを与える。真空室２５の内壁は、絶縁体３３で被覆するのが好ましい。一般に、水が供給される真空室冷却ジャケット（図示せず）は真空室２５を囲む。また、真空ポンプ（図示せず）により真空室２５内からガスが除去されると、アルゴンガス３５の不活性雰囲気（図３と図４を参照）が真空室２５に供給される。
【００１３】
チョクラルスキー式単結晶成長プロセスでは、所定量の多結晶シリコン又はポリシリコン（多結晶シリコンの一部が図３に符号３７で示してある。）が坩堝２７に充填される。ヒータ電源２９は、抵抗ヒータ３１を介して電流を供給して充填物を溶融し、これによりシリコン融液３９を形成し、該融液３９から単結晶４１が引き上げられる。単結晶４１は、引き上げシャフト又は引き上げケーブル４５に取り付けた種結晶４３から成長する。図１に示すように、単結晶４１と坩堝２７は、共通の対称軸４７を有する。
【００１４】
坩堝駆動ユニット４９は坩堝２７を例えば時計回り方向に回転し、成長プロセス中は必要に応じて坩堝２７を昇降する。結晶駆動ユニット５１は、坩堝駆動ユニット４９が坩堝２７を回転する方向と逆の方向にケーブル４５を回転する。また、結晶駆動ユニット５１は、結晶成長プロセス中、必要に応じて、溶融レベル５３に対して結晶４１を昇降する。結晶駆動ユニット５１は、まず、ケーブル４５を介して種結晶４３を下降して該種結晶４３が融液３９の溶融シリコンとほぼ接触しそうになるまで下降して該種結晶４３を予備加熱し、次に、溶融レベル５３の位置で融液３９に接触させる。種結晶４３が溶融するにつれて、結晶駆動ユニット５１が、坩堝２７に収容された融液３９から種結晶をゆっくりと引き上げると、種結晶４３が融液３９からシリコンを引き上げて、シリコン単結晶４１の成長を図る。
【００１５】
本実施形態において、結晶駆動ユニット５１は、融液３９から結晶４１を引き上げながら、所定の基準速度で結晶４１を回転する。同様に、坩堝駆動ユニット４９は別の基準速度で坩堝２７を回転する。しかし、通常、回転方向は、結晶４１とは反対の方向である。制御ユニット５５はまず、電源２９からヒータ３１に供給される電力と共に、引き上げ速度を制御し、結晶４１のネック（くびれ部）を形成する。結晶成長プロセス中、特に結晶４１のネックを形成する際に、正確で信頼性のある制御が望まれる。ネックは、種結晶４３を融液３９から引き上げるとき、実質的に一定の径で成長させるるのが好ましい。例えば、制御ユニット５５は、所望の本体径の約１５％を有する一定のネック径を維持する。ネックが所望の長さになると、制御ユニット５５は回転、引き上げ、及び/又は加熱のパラメータを調整し、所望の結晶本体径に達するまで、結晶４１の径を円錐形状に増加する。所望の結晶径に達すると、制御ユニット５５は制御パラメータを制御し、プロセスが終了するまでに、システム２１で測定した径をほぼ一定に維持する。この時点では、引き上げ速度と加熱速度は、径を小さくして、単結晶４１の端部にテーパ部を形成するために増加される。米国特許第５，１７８，７２０号は、結晶径の関数として結晶と坩堝の回転速度を制御する好適な方法を開示している。
【００１６】
制御ユニット５５は、結晶成長プロセスの複数のパラメータを求めるために、少なくとも一つの二次元カメラ５７と組み合わせて動作するのが好ましい。例えば、カメラ５７は、ソニー社製のＸＣ−７５型ＣＣＤカメラ（解像度が７６９×４９４ピクセル）のような、モノクロ式電荷結合素子（ＣＣＤ）である。他の好適なカメラとしては、スマートカム・ＪＥカメラである。カメラ５７は、真空室２５の監視部（図示せず）上に設けられ、溶融レベル５３における軸４７と融液３９とのほぼ交点に照準を合わされる（図３と図４を参照）。例えば、結晶成長プロセス２３のオペレータは、ほぼ垂直な軸４７に対して約３４０度の角度をもってカメラ５７を設置する。
【００１７】
本発明によれば、カメラ５７は、結晶４１の引き上げ前及び引き上げ中、坩堝２７の内部のビデオ画像を作成する。引き上げ中、カメラ５７で作成された画像は、融液３９と結晶４１との境界部におけるメニスカス５９（図４参照）の一部を含む。一実施形態において、カメラ５７は、比較的広角の画像（例えば、約３２０ｍｍ）を得るレンズ（例えば、１６ｍｍ）を備えている。レンズは、融液３９と結晶４１との間の境界部を観察するための望遠レンズであってもよい。他の実施形態では、システム２１は２つのカメラ５７を有する。一つのカメラは、坩堝２７の内部を観察するための広角視野を有し、他方は融液と結晶との境界部を観察する狭角視野を有する。いずれの場合でも、融液３９との結晶４１は自己照明し得るもので、カメラ５７に外部の光源は不要である。説明を簡略化するために、以下の説明は一つのカメラ５７だけを有するものに関する。
【００１８】
制御ユニット５５は、カメラ５７からの信号と、他のセンサからの信号を処理する。例えば、フォトセル等の温度センサ６１が、融液の表面温度を測定するために利用できる。制御ユニット５５は、処理された信号の関数として、とりわけ、坩堝駆動ユニット４９、単結晶駆動ユニット５１、ヒータ電源２９を制御する際に利用する、プログラムされたデジタル式又はアナログ式のコンピュータ６３（図２参照）を有する。
【００１９】
図２は、制御ユニット５５の好適な実施形態のブロック図を示す。カメラ５７は、ライン６５（例えば、ＲＳ−１７０ビデオケーブル）を介して坩堝の内部の画像を視覚システム６７に送信する。図２に示すように、視覚システム６７は、ビデオ画像を撮影して処理するために、ビデオ画像フレームバッファ６９と、画像プロセッサ７１を有する。一例として、視覚システム６７は、ＣＸ−１００イマジネーション・フレーム・グラバー又はコネックスＣＶＣ−４４００視覚システムである。また、視覚システム６７は、ライン７５を介して、プログラマブル・ロジック・コントローラ（ＰＬＣ）７３に通信する。一つの好適な実施形態において、ＰＬＣ７３は、テキサスインスツルメント製のモデル５７５ＰＬＣ又はモデル５４５ＰＬＣで、ライン７５は通信インターフェイス（例えば、ＶＭＥバックプレーン・インターフェイス）である。また、視覚システム６７は、カメラ５７で作成されたビデオ画像を表示するために、ライン７９（例えば、ＲＳ−１７０ＲＧＢビデオケーブル）を介して、ビデオディスプレイ７７と通信する。複数のシステムによって構成される視覚システム６７は独自のコンピュータ（図示せず）を備えてもよいし、撮影した画像を処理するパーソナルコンピュータ６３と組み合わせて使用してもよい。
【００２０】
図示する図２の実施形態において、ＰＬＣ７３はライン８５（例えば、ＲＳ−２３２ケーブル）を介してコンピュータ６３に接続され、またライン８９（例えば、ＲＳ−４８５ケーブル）を介してプロセス入出力モジュール８７に接続されている。本発明によれば、コンピュータ６３は、結晶成長プロセスの自動化をプログラムするために使用され、結晶成長装置２３のオペレータが特定の成長すべき結晶用の複数の所望のパラメータを入力できるオペレータインターフェイスを提供する。プロセス入出力モジュール８７は、結晶成長プロセスを制御する結晶成長装置２３に対する又該結晶成長装置２３からの通路を提供する。一つの実施形態として、ＰＬＣ７３は、温度センサ６１から融液の温度に関する情報を受信し、融液の温度を制御して結晶成長プロセスを制御するために、プロセス入出力モジュール８７を介してヒータ電源２９に制御信号を出力する。ＰＬＣ７３を含む特定のコントローラに応じて、通信インターフェイス７５は、例えば、別の通信ボード（例えば、ＲＳ−４２２シリアル式双方向性ＰＬＣポートを用いたモデル２５７１プログラム・ポート・イクスパンダ・モジュール）を含むカスタムＶＭＥラックである。
【００２１】
図３に示すように、坩堝２７は、内表面９１と、外表面９３と、軸４７に沿った中心線を有する。坩堝２７の内表面９１は、不透明化促進物質で被覆してもよく、底部９５と、側部（壁）９７を有する。図３に示すように、坩堝２７の壁９７は、底部９５のほぼ中心と交差する軸４７にほぼ平行である。図示する坩堝２７の形状は好ましいものであるが、坩堝２７の特定の形状は図示する実施形態から変更してもよく、それは本発明の範囲に含まれるものである。
【００２２】
好適な実施形態において、シリコン融液３９を用意するために、塊状及び/又は粒状の多結晶シリコン３７の充填物が坩堝２７に装填される。米国特許第５，５８８，９９３号、及び米国特許出願第０８/５９５，９９３号（１９９６年２月１日出願）には、多結晶シリコン充填物を準備する適当な方法を記載している。充填後、坩堝２７は結晶成長装置２３内に配置され、そのヒータ３１が多結晶シリコン３７を溶融してシリコン融液３９を形成する。図３に示すように、多結晶シリコンの充填物３７は部分的に溶融されて融液３９を形成し、多結晶シリコン３７の不溶性固形部（溶融シリコンよりも低密度）が融液３９の上面９９に浮遊する。上述のように、多結晶シリコン３７の充填物は、溶融面９９上の坩堝壁９７に付着した未溶融材料のハンガー１０１を残したまま、溶融中に変化し又はその下部が溶融する。
【００２３】
図３において、坩堝駆動ユニット４９に連結された可動ペデスタル（基台）１０５に設けた容器１０３は、坩堝２７を支持している。基台１０５は、坩堝２７の底部９５がヒータ３１の上部近傍にあり、ヒータ３１の内側の空間に徐々に下降するように、配置されている。坩堝駆動ユニット４９がヒータ３１の中に坩堝２７を下降する速度は、その他のファクタ（例えば、加熱力、坩堝回転、及びシステム圧力）と同様に、多結晶シリコン３７の溶融に影響を及ぼす。チョクラルスキー法では、多結晶シリコン３７の加熱中、パージガス３５がＳｉＯ（ｇ）等の不要なガスを坩堝２７から排出する。一般的に、パージガス３５は、アルゴン等の不活性ガスである。
【００２４】
上述のように、カメラ５７は部屋２５の観察ポートに設けてあり、軸４７と融液３９の表面９９とのほぼ交点に照準が合わされる。このように、カメラ５７の光軸１０７は軸４７に対して鋭角θ（例えば、θは約１５〜３４°）である。本発明によれば、カメラ５７は、坩堝２７の幅を含む視野を提供する。また、適正なレンズとカメラを選択すれば、多結晶シリコンの充填物３７や結晶４１の本体部分の広角観察と同様に、小さな種結晶やネック部を高解像度で望遠写真観察できる。
【００２５】
融液４１から引き上げられるシリコン結晶４１の一部を示す図４は、種結晶４３の溶融及びディッピングに続く、結晶成長プロセスの後段階を示す。図示するように、結晶４１は、直径Ｄを有する結晶シリコンの円柱体（すなわち、インゴッド）を構成する。結晶４１のような成長結晶は、ほぼ円柱状であるが、均一な直径を有していない。そのため、直径Ｄは、軸４７に沿って異なる場所で僅かに異なる。また、直径Ｄは結晶成長の異なる段階（例えば、種、ネック、クラウン、肩、本体、及び末端円錐部）で変化する。
【００２６】
図４は、結晶４１と融液３９との境界に形成された液体メニスカス５９を有する融液３９の表面９９を示す。従来から知られているように、メニスカス５９における坩堝２７（特に壁９７）の反射が、結晶４１の近傍で明るいリングとして観察される。同様に、融液表面９９は、融液と坩堝との境界部に形成される液体メニスカス１０９を有し、それは坩堝壁９７の近傍で明るいリングとして表れる。好適な実施形態では、結晶４１の幅とメニスカス５９の明るいリングの少なくとも一部を含む視野を提供する。カメラ５７（又はその他のカメラ）はまた、坩堝２７の幅とメニスカス１０９の明るいリングの少なくとも一部を含む視野を提供する。また、視野を広くすると、融液３９の固まった部分又は結晶化した部分（アイスと呼ばれ、符号１１１で示す。）の検出ができる。一般に、このような結晶化は、坩堝壁９７と融液３９との境界で発生し、融液の表面上で結晶４１に向って成長する。
【００２７】
図５において、システム２１は、制御ユニット５５を有し、結晶成長装置２３の閉ループ制御のフローチャートにしたがって動作する。ステップ１１５から開始され、カメラ５７は、坩堝２７の内部の少なくとも一部の画像を作成する。視覚装置６７のフレームバッファ６９は、画像プロセッサ７１で処理するために、カメラ５７のビデオ画像信号から画像を取り込む。図５に示すように、多数のカメラ５７を使用してもよい。例えば、視覚装置６７は、少なくとも一つのカメラ５７を有する一以上の結晶成長装置２３からの入力を受信してもよい。本発明では、視覚装置６７は各結晶成長装置２３について画像を個別に処理する。
取り込まれた坩堝２７の内部の画像はそれぞれ多数の画素からなり、各画素は画像の検出光学的特性を表す値を有する。本形態では、画素の値、すなわちグレーレベルは、画素の強度に対応する。視覚装置の分野では、縁部（エッジ部）は画像における領域として定義され、そこには比較的小さな空間領域で比較的大きなグレーレベルの変化が存在する。ステップ１１７では、画像プロセッサ７１は、ＰＬＣ７３と共に動作して、画像をピクセル値の関数として処理し、画像のエッジ部を検出する。プロセッサ７１は、画像を分析する複数のルーチンを実行する。これら複数のルーチンには、画像の所定領域におけるグレーレベルの変化を画像強度の関数として分析するエッジ検出ルーチンが含まれる。画像中のエッジ部を見つけて計算するための種々のエッジ検出処理（すなわち、アルゴリズム）は当業者に公知のことである。例えば、適当なエッジ検出ルーチンには、カニー又はホー等のアルゴリズムが含まれる。強度の他に、画像の他の特性（例えば、強度勾配、色、コントラスト）が、融液３９自体から融液３９の表面上の物体を光学的に識別するために利用される。浮遊した固形の多結晶シリコン３７は、融液３９よりも明るい強度を有し、そのために固形物と融液との境界（固液界面）で段的変化として観察される。
【００２８】
検出工程１１７の一部として、プロセッサ７１は例えば連結解析を実行し、画像中の位置の関数（座標）として、画像の検出位置をグループ化する。このように、視覚システム６９（コンピュータ６３）は、画像中の１以上の物体を定義する。各定義された物体は１以上のピクセルを含み、溶融面９９に見える固形シリコンの一部を示す。一例として、定義された物体は文字枠（すなわち、不規則な形の物体を囲う小さな長方形の枠）と画像中の座標により表示される。これに代えて、定義された物体は従来のブラブ解析（ｂｌｏｂ  ａｎａｌｙｓｉｓ）により、又は物体の形（例えば、物体の最大軸と最小軸の比率）を求めることにより、若しくは物体事態の面積を求めることにより評価される。
【００２９】
ステップ１１９では、視覚装置６７の画像プロセッサ７１が、決められた目的に基づいて、結晶成長装置２３のパラメータが求められる。例えば、そのようなパラメータには、溶融完了、種と融液との接触、ゼロ転位成長の損失、結晶化した融液３９（アイス等）の有無、多結晶シリコン３７に付着した部分（例えば、ハンガー１０１）の有無、融液３９における水晶の有無が含まれる。ステップ１２１では、画像プロセッサ７１が求めたパラメータをＰＬＣ７３に送信する。一実施形態では、システム２１は、各結晶成長装置２３に対応して一つのＰＬＣを含む。
【００３０】
また、画像プロセッサ７１は、ステップ１２３で、決められた目的に基づいて、結晶成長プロセスの他のパラメータを計算する。例えば、画像プロセッサ７１は、以下のパラメータの幾つか又はすべてを求める。これらのパラメータは、不溶融多結晶シリコン充填物３７の大きさ、融液３９の温度、結晶４１の径、坩堝２７の径、検出されたアイス１１１の大きさ、アイス１１１から結晶４１までの距離、検出されたハンガー１０１の大きさ、ハンガー１０１から坩堝２７の中心までの距離、検出された水晶の大きさである。ステップ１２１で、画像プロセッサ７１は上記パラメータをＰＬＣ７３に送信する。次に、制御ユニット５５は、ステップ１２５で、決められたパラメータに応じて複数のプログラムを実行し、結晶成長装置２３を制御する。図６は、好適な一実施形態に基づくシステム２１の動作をフローチャート１２７で示す。また、図６は、フローチャート１２７の各ステップを実行する制御ユニット５５の種々の構成を示す。
【００３１】
動作中、システム２１は、何時多結晶シリコンの充填物３７が完全に溶融したかの指令を出す。この指令が出ると、制御ユニット５５が結晶成長プロセスにおいて種結晶を浸ける段階を開始する。これに対し、既存の制御システムは、溶融したか否かの判断をオペレータに頼らなければならない。または、既存の制御システムでは、ある所定の加熱時間が経過したときに、溶融が完了したと仮定している。表面９９上に浮遊する多結晶シリコン３７の画像を検討することにより、視覚システム６７は画像ごとに表面領域を計算できる。これは、エッジ検出と表面領域に移行するピクセルについて坩堝２７の径の測定とで行なえる。残留する充填物３７の大きさの違いは、溶融速度を求めるために利用される。この溶融速度は、その後、制御ユニット５５で、所望の溶融速度を得るためのヒータ３１のパワーを調節するために利用できる。これにより、現在の自動装置で使用されている開ループ式パワー制御に対して、溶融のための閉鎖ループ式温度制御が得られる。
【００３２】
また、多結晶シリコン３７の溶融速度は、種結晶を浸ける温度の指標となる。一般に溶融は浸漬に比べて非常にゆっくりした回転速度で生じるので、坩堝の回転の影響が考慮される。例えば、坩堝２７は、溶融中約１−２ｒｐｍで回転し、浸漬の際に約１０−１５ｒｐｍで回転する。したがって、電源２９からヒータ３１に供給される電力は、回転速度の関数として変化すべきである。
【００３３】
図６の実施形態において、溶融段階は一般に３〜４時間継続される。例えば約２時間の初期加熱時間が経過した後、視覚システム６７は坩堝２７の内部の検査を開始する。好適な実施形態では、溶融段階を監視するために、カメラ５７は溶融面の中央領域を映し出す。PLC７３で検査の開始が指示されると、視覚システム６７のフレームバッファ６９は所定時間間隔をあけて（例えば、１秒ごとに）、坩堝２７の内部の画像を撮る。ステップ１２９で、画像プロセッサ７１は画像を処理し、融液３９の表面を浮遊している溶解していない多結晶シリコン３７の有無を検出する。この場合、不溶多結晶シリコン３７の縁部に対応するピクセルは周辺の融液３９よりも高グレーレベル（すなわち、ピクセル値）を有する。換言すれば、融液３９は、塊状多結晶シリコン３７の縁部よりも暗く表れる。浮遊している多結晶シリコン３７の縁部を検出することにより、ステップ１３１で、視覚システム６７は浮遊シリコン３７の表面積（すなわち、大きさ）をおおよそ測定できる。例えば、視覚システム６７は、１ｍｍ2〜１５０ｍｍ2の浮遊シリコン３７の大きさを示すパラメータを求める。
【００３４】
例えば、画像上で浮遊シリコン３７の周囲に置かれるフレーム又は境界ボックスが、塊状態にある溶解していない多結晶シリコン３７の大きさを定義する。フレームは、多結晶シリコン３７が溶融するにしたがって、その大きさがゼロまで小さくなる。制御ユニット５５は本測定値を利用し、溶融完了を自動的に指示する。ここで、溶融完了とは、固形状態の多結晶シリコン３７の最後の塊が融液３９の表面９９で最早検出できなくなった時点（すなわち、多結晶シリコンの充填物３７が完全に溶融した時点）をいう。本質的に、溶融完了のパラメータは、「ｙｅｓ」又は「ｎｏ」のデジタル指示である。
【００３５】
特に、画像プロセッサ７１は、ステップ１３１で検査アルゴリズムを実行し、融液３９の中央領域を含むサブウィンドウ又は関連領域上で継続的なフレームを除去することで異なる画像を形成する。この場合、視覚システム６７は画像上の任意の不変特性（例えば、観察窓に固着したシリコンの飛び散り）を無視する。同時に、画像プロセッサ７１は、視界中の照度変化に対して感度を有する。除去ルーチンで明らかにされた変化は、融液３９を浮遊している固形状多結晶シリコン３７の形状・位置・角度の変化、表面の波から生じる融液表面９９の反射率の変化、又は融液３９中の乱れによる局部的な溶融温度の変化を表している。コントラストとサイズの閾値は、表面の波や溶融温度の局部的変化によって生じる変化を無視する程度に十分高いが、固形状態の多結晶シリコン３７の小さな島を見過ごすほど高くない程度に設定される。ブラブ解析（ｂｌｏｂ  ａｎａｌｙｓｉｓ）を例えば異なる画像に適用することで、ビデオシステム６７は断続的画像の変化から生じる高強度小区域を検出する。所定の強度とサイズの閾値を越える小区域が検出されると、視覚システム６７は、視野内に固形状態の多結晶シリコン３７が存在することを報告し、また時間平均した小区域のサイズを報告する。
【００３６】
ステップ１３１で、視覚システム６７によって表面積がまだゼロでないと判断されると、処理はステップ１３３に進む。ステップ１３３では、ＰＬＣ７３が多結晶シリコンの充填物３７の変化速度を求めるルーチンを実行する。塊状の多結晶シリコン３７の大きさの変化速度は、多結晶シリコン３７が溶融する速度を示し、これは溶融温度に関係している。好適な実施形態では、画像プロセッサ７１が、例えば１秒ごとにＰＬＣ７３に上記速度を報告する。制御ユニット５５は本測定値を用いて動力を操作して坩堝２７内の温度を制御し、これにより多結晶シリコン３７の溶融を制御する。ステップ１３３で求めた溶融速度に応じて、ＰＬＣ７３はステップ１３５でヒータ３１の適当な動力レベルを求め、ステップ１３７でヒータ電源２９を調整する。
【００３７】
これに対し、ステップ１３１で表面積がゼロになったと判断されると、視覚システム６７はカウンタをインクリメントし、塊状態の多結晶シリコン３７が検出されなくなるまで断続的なフレームの数を追う。このカウンタは、塊状態の多結晶シリコン３７が検出されているとき、ゼロにリセットされる。いかなる塊状多結晶シリコン３７が検出されずに複数の断続的に得られる画像（例えば、１秒間に３０個の画像）が送られると、画像プロセッサ７１は溶融完了をＰＬＣ７３に報告し、種結晶４３を浸ける前に、ステップ１３９で溶融安定化の段階に進む。
【００３８】
溶融面９９に浮遊する多結晶シリコン３７の検出と同様に、視覚システム６７は、溶融段階の終わりに近づくと多結晶シリコン３７に付着した細かな石英片を観察するために利用してもよい。度々、そのような石英片（通常は群となっている。）は、多結晶シリコン３７が溶融した後も浮遊し続ける。石英片は、比較的高グレーレベルを有し、比較的小さなサイズ（すなわち、最後に見える多結晶シリコン片３７よりも小さい）で、素早く移動する特徴を有する。この場合、石英片は、グレーレベルの段的変化に基づいて、多結晶シリコン３７から区別できる。また、石英の浮遊片を多結晶シリコン３７から区別してそのサイズを報告することができるのが好ましい。本発明によれば、視覚システム６７は溶融面９９を連続的に追跡し、検出可能な石英片の有無を報告する。石英に関するパラメータは、融液３９に石英が存在するか否かを示すだけでなく、例えば１ｍｍ2〜１５０ｍｍ2の石英サイズを示す。
【００３９】
本発明の好適な実施形態によれば、最初の溶融段階が完了すると、視覚システム６７が融液のレベル５３を監視し始める。そのために、溶融レベルは、ヒータ３１の上部から融液３９の表面９９までの距離で定義され、中心点Ｃの座標の関数として求めることができる。画像プロセッサ７１は、溶融レベル５３を示す中心点Ｃを求める。本実施形態では、中心点Ｃのｙ軸と基準値との差が、融液のレベル５３を求めるために利用される。これに代えて、商業的に利用可能な光学方法（例えば、部屋２５のカバープレートに設けられる光線／検出装置）を用いて融液のレベル５３を求めてもよい。融液５３の値は、例えば、補正ファクタの計算により、また坩堝２７の昇降制御を通じて溶融レベル５３を減少することにより、径の測定値の変動性を減少するために利用できる。本発明の一実施形態では、溶融レベルのパラメータは、±７５ｍｍの範囲変化する融液のレベルを表す。
【００４０】
システム２１は複数のカメラを配置しており、広角カメラ５７が融液と坩堝との境界を映し出し、狭角カメラ５７が融液と結晶との境界を映し出す。周期的に、これらの境界（すなわち、メニスカス１０９とメニスカス５９）は別々に検出され、例えば楕円がそれぞれにフィッティングされる。各楕円の中心点と幅は、固定されたｚ軸原点に対する物理的な溶融レベル５３を導き出す数式で利用される。この数式は公知のカメラ角度、レンズの焦点距離、センサのサンプル速度、坩堝２７と結晶４１の共通回転軸４７までの距離を用いている。成長プロセスにおいて、坩堝壁に対する溶融レベル５３は、融液が成長結晶により消耗されるにつれて低下する。しかし、溶融レベル５３を実質的に一定の垂直位置に維持するために、坩堝が上昇される。
【００４１】
米国特許出願第０８／４５９，７６５号（１９９５年６月２日出願）には、溶融レベルと結晶径を正確且つ信頼性をもって測定する方法と装置が記載されている。結晶径の測定に加え、坩堝径の測定値が、特に結晶４１を引き上げる前の溶融レベル５３の計算に有効である。また、このパラメータの正確な測定値は、坩堝から坩堝までの寸法変化や、各回の間の熱膨張による誤差を減少する。したがって、視覚システム６７は、融液と結晶とのメニスカス５９と同様に、融液と坩堝とのメニスカス１０９を検出処理し、坩堝２７のオンライン径測定値を得る。
【００４２】
上述のように、本発明の一実施形態は、融液３９の温度情報を提供するために、温度センサ６１を有する。一般に、溶融温度は、融液３９に対して所定の位置に設けた温度センサ６１等の直接センサ又は間接センサで測定される。一般に、このようなセンサは手動による較正（キャリブレーション）を必要とし、溶融面の温度を走査したりマッピング（地図化）することは出来ない。他の実施形態では、視覚システム６７は、温度センサ６１に代えて、又は該温度センサに加えて、融液の温度情報を提供し、従来の温度センサに係る問題を解消している。
本発明によれば、残留する多結晶シリコン充填物の未溶解部分を示す撮影画像は、融液３９の温度情報を提供する。融液中で極めて小さな結晶の塊が溶融しているとき、固形部と融液との境界はほぼ固形物の融点温度である。境界から離れた固形物の領域は、上記融点よりも低い温度を有する傾向がある。逆に、境界から離れた融液の領域は、上記融点よりも高い温度を有する傾向がある。
【００４３】
本発明において、固形状態にある多結晶シリコン３７の微小なサンプルは、溶融直前の状態で、シリコンの溶融点（すなわち、１４１４°Ｃ、１６８７°Ｋ）に近い温度を有するものと仮定する。したがって、本発明の好適な実施形態では、固体と融液との境界のグレーレベルをシリコンの溶融点に等しく設定している。２つのピクセルの融点の比率をそれらの強度比に基づいて求めるために、黒体放射式が使用される。この方法を用い、各ピクセルに対する融液３９の温度が求められる。画像プロセッサ７１は、例えば１秒ごとに、溶融温度パラメータをＰＬＣ７３に報告する。制御回路５５は、坩堝２７内の温度を制御するためにその測定値を用いて動力を操作し、これにより多結晶シリコン３７の溶融を制御する。本発明は、所望の浸漬温度を得るために、溶融面９９の温度を閉ループ制御する。
【００４４】
例として、視覚システム６７は、浸漬段階に先つ溶融の際に得られた多数の溶融面９９の画像を処理する。中間のフィルタリング技術は、例えば、所定範囲のピクセル同士の強度変動を低減する。一実施形態では、視覚システム６７は、溶融面９９のピクセルと塊状多結晶シリコン３７のピクセルとを区別するために、固体と融液との境界のピクセルを無視する。
【００４５】
一般に、融液３９と溶融面９９で浮遊していると観察された最後の多結晶シリコン３７の片との間の境界でのグレーレベルは実質的に一定で、シリコンの溶融点温度に対応しているものと定義される。多結晶シリコン３７の最後の片を囲む領域は、溶融面９９の残りの部分よりも暗い（すなわち、低いグレーレベルを有する）。そのため、撮影した画像における他のピクセルに対応した融液３９の温度は、以下の式で求めることができる。
（Ｔ／１６８７°Ｋ）＝（ＧＬ／ＧＬＩ）1/4
ここで、ＧＬＩは未溶融多結晶シリコン３７に対する融液と固体との境界のピクセル値（グレーレベル）で、ＧＩは画像の他の位置でのピクセル値（グレーレベル）である。
【００４６】
例として、溶融温度パラメータが１０００℃から１６００℃とする。溶融面９９の中央で、ＧＬＩが７９（１４１４℃に対応）、ＧＬが７３の場合、融液の中央の温度は約１３８１℃である。浸漬温度はほぼシリコンの溶融温度であることが望ましいので、制御ユニット５５は、ヒータ電源２９によりヒータ３１に供給される電力を増加し、融液３９の温度を上昇する。
【００４７】
溶融終了時における坩堝の回転速度は、一般的に、浸漬段階初期の坩堝回転速度と異なる。その差は、溶融面９９からの反射（これは温度誤差を生じ得る。）による強度のばらつきを示す。また、ＩＲ（赤外線）感応カメラは良好な結果を齎す。
【００４８】
図７は、好適な実施形態の装置２１の動作をフローチャート４１で示す。また、図７は、フローチャート１４１のステップを実行する制御ユニット５５の種々の要素を示す。
【００４９】
動作中、システム２１は、多結晶シリコン３７の一部（例えば、図３に示すハンガー１０１）が坩堝壁９７に付着するようになるかの指標を提供する。システム２１は、ハンガー１０１が存在するか否かを示す「ｙｅｓ」、「ｎｏ」のパラメータだけでなく、溶融面９９の反射を検出することによって、例えば１ｍｍ2から１５０ｍｍ2のハンガーパラメータサイズを提供する。これにより、制御ユニット５５がハンガー１０１から融液３９の中央までの距離を測定し、その結果、ハンガー１０１の存在が動作中にカメラ５７の径追跡を邪魔しそうか否かを求めることができる。上述のように、検出はグレーレベルの鮮明な変化に基づく。しかし、本実施形態では、視覚システム６７はハンガー１０１からの反射を溶融面９９の固定位置（すなわち、坩堝２７の壁９７に撮りつけられた場所）による他の反射から区別できる。
【００５０】
図７に示すように、視覚システム６７はステップ１４３でスタートし、撮影画像をピクセル値の関数として処理し、画像のエッジ部を検出する。視覚システム６７の画像プロセッサ７１はまた、ステップ１４５で、坩堝２７の回転速度を求める。カメラ５７は広い視野を有し、これにより視覚装置６７は、坩堝２７の壁９７に到達する場所までの広い幅の融液３９の画像を撮影するのが好ましい。坩堝の回転信号により、視覚システム６７は複数の既知の坩堝回転角で画像を撮影できる。これにより、坩堝２７の一回転ごとに、デジタル入力パルスが画像プロセッサ７１に供給される。既知の角度で画像を得ることにより、溶融面９９等からの高コントラストの反射が減少し、ハンガー１０１等のハンガーからの反射が確認される。
【００５１】
ステップ１４７で、画像プロセッサ７１は、検出されたエッジ部が多結晶シリコン３７の垂れ下がり片（例えば、ハンガー１０１）に起因するか否かを判断する。例えば、検出されたエッジ部が群れとなって所定の大きさ及び場所（すなわち、坩堝と融液との境界又はその上）の物体と認められ且つ該物体が坩堝の回転速度の関数として周期的に繰り返される場合、視覚システム６７は該物体をハンガーと認識し、ステップ１４９に進む。ステップ１４９で、画像プロセッサ７１はハンガー１０１の概略の表面積を計算する。
【００５２】
また、視覚システム６７は、坩堝と融液との境界で観察されるメニスカス１０９を特定するために、ステップ１５１で画像中のエッジ部を検出する。メニスカス１０９を検出することにより、画像プロセッサ７１は坩堝２７の幅を求め、そして該坩堝の中心を求める。ステップ１５３で、画像プロセッサ７１は、融液３９の中心からハンガー１０１までの距離をその表面積から測定する。ステップ１５５に進み、ハンガー１０１から融液３９の中心までの距離が所定距離（例えば、４０ｍｍ）未満であれば、ＰＬＣ７３はステップ１５７でハンガープログラムを実行する。ハンガープログラムは、ハンガー１０１を溶融させるように結晶成長装置２３を制御すべく制御ユニット５５に指令を送る。他方、ステップ１４７でハンガーが検出されない場合、又はハンガーが干渉しそうにない場合（すなわち、ハンガーが融液の中心から４０ｍｍ以上の場合）、ステップ１５９に示すように、ＰＬＣ７３はいかなる処理も行わない。
【００５３】
結晶成長プロセスの浸漬段階において、視覚システム６７は、種結晶４３が融液３９の上面に接触するときを検出する。通常、結晶駆動ユニット５１は、種結晶４３を該種結晶が溶融面９９に接触するまで下降する。視覚システム６７の画像処理ツールは、溶融面９９における種結晶の反射を検出し、２つの間の距離を測定する。種結晶４３が融液３９の近づくと、種結晶４３によって反射は次第に視界から不明瞭になる。反射が完全に消えると、種と融液との接触が発生する。種と融液との境界で融液３９を形成するメニスカス５９は、副次的に両者の接触を示す。
【００５４】
図８は、一実施形態にかかるシステム２１の動作をフローチャート１６１の形で示す。また、図８は、フローチャート１６１のステップを実行する制御ユニット５５の複数の構成を示す。
【００５５】
動作中、システム２１は、種結晶４３が融液３９に接触したときの指標を提供する。図８に示すように、視覚システム６７は、ステップ１６３で、画像中のエッジ部を検出するために、ピクセル値の関数として撮影した画像を処理する。特に、視覚システム６７の画像プロセッサ７１は、種結晶４３に関連したエッジ部と溶融面９９における種結晶断面の反射を検出する。ステップ１６５で、画像プロセッサ７１は、撮影画像における検出エッジ部に基づいて、種結晶４３から融液３９までの距離を測定する。例えば、種結晶と融液との距離パラメータは０〜５００ｍｍの範囲である。本発明によれば、視覚システム６７は例えば１秒ごとにＰＬＶ７３に種結晶と融液との距離を報告する。
【００５６】
ステップ１６７に進み、ＰＬＣ７３は、種結晶４３が溶融面９９から所定の距離（例えば、２０ｍｍ）に達したときを求める。種結晶４３が表面９９から少なくとも２０ｍｍであれば、処理はステップ１６９に進む。ステップ１６９で、ＰＬＣ７３により結晶駆動ユニット５１は比較的高速（例えば、２００ｍｍ/時間）で種結晶４３を下降し続ける。他方、ステップ１７１で、結晶４３が溶融面９９から２０ｍｍ未満の場合、ＰＬＣ７３により結晶駆動ユニット５１は種結晶４３の速度を低速（例えば、２０ｍｍ/時間）に減少する。
【００５７】
ステップ１７１に続き、ＰＬＣ７３はステップ１７３に進み、種結晶４３と融液３９との間の距離がゼロか否かを判断する。距離がゼロでない場合、結晶駆動ユニット５１は、同一の速度で種結晶４３を下降し続ける。しかし、その距離がゼロになると、ステップ１７５でＰＬＣ７３が結晶駆動ユニット５１を停止する。ステップ１７７で浸漬安定化ルーチンを実行した後、ＰＬＣ７３はステップ１７９は種結晶４３と融液３９が接触したか否かを判断する。実質的に、種結晶と融液との接触パラメータは、「ｙｅｓ」又は「ｎｏ」のデジタル表示である。例として、種結晶と融液との接触は、種結晶と融液との境界に溶融面９９のメニスカス５９が存在するか否かにより示される。メニスカスが存在する場合、ＰＬＣ７３は処理を継続し、ステップ１８１でネックの成長を開始する。他方、種結晶と融液との接触が生じなければ、ステップ１８３で、ＰＬＣ７３は種結晶４３を再度浸けることを指令する。
【００５８】
視覚システム６７の処理の一例として、図８によれば、画像プロセッサ７１は、種結晶４３が上方から視界に入ったことを検出して記録するために水平サーチ式測径器を利用する。次に、画像プロセッサ７１は、検出された種結晶４３の水平位置に配置された垂直サーチ式測径器を利用する。画像プロセッサ７１は、垂直測径器を画像に適用して種結晶４３の底部エッジ部を検出するのが好ましい。その後、画像プロセッサ７１は、シャフトと先端測径器を用いて、融液３９に向かう種結晶４３の細りを監視する。連続的に撮影されたフレームにおける先端位置に基づき、画像プロセッサ７１は種結晶の高さから溶融面の高さの現在の推定値を差し引き、現在の種結晶と融液との距離を求める。
【００５９】
実施の形態において、種結晶と融液との間の距離が所定の閾値以下になると、画像プロセッサ７１は新たな垂直サーチ式測径器を用いて溶融面９９における種結晶４３の反射を検出し追跡する。反射の垂直位置を先端位置を監視することにより、画像プロセッサ７１は、溶融面９９上の種結晶４３の距離を更に正確に評価できる。また、反射を追跡することにより、種結晶４３が融液３９と接触するときを検出する際に用いるエッジ部のコントラスト閾値データを提供する。
【００６０】
最後に、種結晶４３の反射が視界から不明瞭になり始めると、画像プロセッサ７１は、種結晶４３の先端上で４５°と−４５°の方向に測径を行う。これらの測径により、種結晶４３が融液３９の表面９９に丁度接触したときのメニスカス５９の様子を検出する。特に、画像プロセッサ７１は、種結晶により直線に作られた最も大きなコントラストを超えるエッジ部コントラストを両測径器が同時に観察するまで、これらの測径器により検出されたエッジ部コントラストを監視する。この状態になると、画像プロセッサ７１は種結晶と融液が接触したことをＰＬＣ７３に報告する。その後、画像プロセッサ７１は新に形成されたメニスカス５９を利用して結晶径を追跡すると共に溶融レベル５３を測定する。
【００６１】
結晶成長の引き上げ段階において、画像プロセッサ７１はデジタル式エッジ検出法を実行して少なくとも３つの点を含む座標をメニスカス５９の明るいリングの内側又は外側に配置する。結晶４１とメニスカス５９の断面はほぼ円形であることが知られているので、画像プロセッサ７１により検出された明るいリングのエッジ部の座標は円形に変形されて描かれる楕円形と推定される。他の形態において、エッジ部の座標を用い、カメラ５７の設置角により生じる歪を補正することにより円形を描くことができる。ゴンザレスとウィンツのデジタル画像処理（１９８７年第３６−５２頁）には、３次元物体に対するカメラの位置により生じる歪を補正するための数学的変換が開示されている。このような変換は、歪を有する楕円形から円形を抽出するために利用される。また、米国特許出願第０８/５５８，６０９号（１９９５年１１月１４日出願）には、複雑な数学的変換を必要としない、メニスカス５９の撮影に利用する無歪カメラが記載されている。
【００６２】
上述のように、米国特許出願第０８/４５９，７６５号及び第０８/６２０，１３７号には、結晶径を正確且つ信頼性をもって測定する好適な方法と装置が記載されている。径測定に関し、画像プロセッサ７１は、検出された画像の光学的特徴に基づき、メニスカス５９の明るいリングの外側に沿って、エッジ部の座標を求める。次に、画像プロセッサ７１は、検出されたエッジ部に基づき、結晶４１の径を求める。一実施形態では、結晶径パラメータは例えば０〜３２０ｍｍを大きさを有する。
【００６３】
好適な実施形態において、制御ユニット５５のＰＬＣ７３は、シリコン結晶４１の径Ｄに応じて、坩堝２７と結晶４１の回転速度及び/結晶４１を融液３９から引き上げる速度及び/又は融液３９の温度を制御する。また、ＰＬＣは、融液レベル５３に応じて坩堝２７のレベルを制御して結晶成長装置２３を制御する。このように、閉ループ制御が、ネック径を維持するために実行される。
【００６４】
径の測定におけるばらつきの原因は、明るいリングの幅が、光が当たって液体メニスカス５９で反射した坩堝２７の熱い壁の高さに応じて変化するからである。融液３９が消耗するに従い、明るいリングの幅が増加し、これにより結晶４１が大きく表れ、実際の成長結晶４１が小さくなる。そのため、例として、結晶４１と明るいリングとの間のエッジ部の検出と、融液３９と明るいリングとの間のエッジ部の検出が、明るいリングの幅の測定に利用される。また、坩堝壁の高さに関して反射特性を考慮した液体メニスカス５９の数学モデルにより明るいリングの幅を測定できる。
【００６５】
成長結晶４１の径を監視することに加え、成長速度を実質的に一定に維持することで、システム２１は均一な結晶特性を与える。これを達成する一方法は、上部溶融面９９で定義される平面に対するメニスカス５９の高さ及び／又は角度を求めることである。これらのパラメータの一方又は双方の変化に応じて、制御ユニット５５は結晶成長プロセスを調節して該パラメータを一定に維持する。
【００６６】
また、米国特許出願第０８／４５９，７６５号及び０８／６２０，１３７号に記載されているように、メニスカス５９のエッジ部の座標は、結晶駆動ユニット５１が結晶４１を回転する速度に対する結晶径の周期的変化を検出するために利用される。従来から知られているように、垂直軸４７にほぼ平行で且つ結晶４１に沿って離れた結晶面又はファセット（すなわち、癖ライン）は、ゼロ転位成長を示す。癖ライン（結晶ラインともいう。）は、窪み状の特徴部分として結晶４１の断面の周囲に現れる。そのため、結晶４１がある速度で回転すると、例えば〈１００〉方向には回転速度の４倍の速度又〈００１〉方向には回転速度の２倍の速度で、画像上の特定の領域内に表れるものと予想される。このように、画像プロセッサ７１は、結晶４１のゼロ転位成長を確認できる。ゼロ転位成長の減少を検出する視覚システム６７に応答して、制御ユニット５５は再溶融を開始する。
【００６７】
結晶におけるクラウン部分の開始時、普通結晶面は非常に見え易くなり、ゼロ転位の検出には本体成長部分の約１インチ（２．５４ｃｍ）も必要としない。好適な実施形態では、視覚システム６７は、癖ラインの対称性と所定結晶回転速度で所定の角度位置における直径の周期的変化とに基づいて、ゼロ転位成長が検出される。ゼロ転位が発生した場合、第１の視覚信号は結晶面の対称性が失われたことであり、該結晶面が消えて本体が結晶面の無い円柱となる。視覚システム６７は、溶融面９９で定義される平面において周期的に結晶４１の二次元断面を評価し、対称性の損失及び/結晶面形成の損失の断面を解析する。評価された各断面は、結晶４１の平均径の評価値と、該平均値からの断面の偏差を含み、この偏差は結晶４１の中心軸４７を中心とする円筒角の関数として与えられる。
【００６８】
好適な実施形態において、システム２１はアイス１１（すなわち、溶融した多結晶シリコン３７の溶融面９９上における結晶又は固まりで、通常は坩堝壁９７の近傍や、本体成長段階の終わり近く又は底部の成長中に生じる。）の形成を検出して制御する。上述のように、検出は、グレーレベルに鋭い変化が有るか否かで行われる。しかし、本実施形態では、溶融面９９で位置が固定されているので（すなわち、一般的には坩堝２７の壁９７の近傍）、視覚システム６７がアイス１１の存在を他の物体又は反射から区別できる。
【００６９】
図９は、好適な実施形態にかかるシステム２１の動作をフローチャート１８５で示す。また、図９は、フローチャート１８５の各ステップを実行する制御ユニット５５の種々の構成を示す。
【００７０】
動作中、システム２１は、結晶化した多結晶シリコン（すなわち、図４に示すアイス１１１）等の多結晶シリコン３７の部分が結晶成長プロセスの引き上げ中に何時坩堝壁９７に付着するようになるかの指標を提供する。システム２１は、アイス１１が存在するか否かを示す「ｙｅｓ」や「ｎｏ」のパラメータだけでなく、溶融面９９上における存在を検出することにより例えば１ｍｍ2から１５０ｍｍ2のアイスの大きさを示すパラメータを提供するのが好ましい。これにより、制御ユニット５５は、アイス１１から結晶４１までの距離を測定し、アイス１１の存在が駆動中に結晶成長プロセスを邪魔しそうか否か判断できる。上述のように、検出はグレーレベルに鋭い変化があるか否かで行われる。しかし、本実施形態では、溶融面９９で位置が固定されているので（すなわち、一般的には坩堝２７の壁９７の近傍）、視覚システム６７がアイス１１の存在を他の物体又は反射から区別できる。
【００７１】
図９に示すように、視覚システム６７は、ステップ１８７で、画像のエッジ部を検出するために、ピクセル値の関数として、撮影画像の処理を開始する。視覚システム６７の画像プロセッサ７１は、ステップ１８９で、坩堝２７の回転速度を求める。上述のように、カメラ５７は、視覚システム６７が坩堝２７の壁９７に至るまでの融液３９の広範囲な画像を撮影できる広い視野を有する。そのため、坩堝回転信号を用い、視覚システム６７は複数の坩堝回転角で画像を撮影できる。これにより、坩堝２７の一回転するごとに、画像プロセッサ７１にデジタル入力パルスが与えられる。既知の角度で画像を撮影することにより、溶融面９９等からの高コントラストな反射を減少し、アイス１１１の存在を確認できる。
【００７２】
ステップ１９１で、画像プロセッサ７１は、検出されたエッジ部が、アイス１１１等の多結晶シリコン３７の結晶化した片によるものか否かを判断する。例えば、検出されたエッジ部が集まって所定の大きさ及び位置（すなわち、坩堝と融液との境界）の物体を定義し、該物体が坩堝の回転速度の関数として周期的に繰り返される場合、視覚システム６７は該物体がアイスと認識し、ステップ１９３に進む。ステップ１９３では、画像プロセッサ７１は愛す１１１のおおよその表面積を計算する。
【００７３】
また、視覚システム６７は、結晶と融液との境界で確認されるメニスカス５９を識別するために、ステップ１９５で、画像のエッジ部を検出する。メニスカス５９を検出することにより、画像プロセッサ７１は結晶４１の幅を求める。ステップ１９７で、画像プロセッサ７１は、表面積に基づいて、結晶４１のエッジ部からアイス１１１までの距離を測定する。ステップ１９９に進み、ＰＬＣ７３は、ステップ２０１で、アイス１１から結晶４１までの距離が予め決められた距離（例えば、２５ｍｍ）未満か否かを判断するアイスプログラムを実行する。アイスプログラムは、アイス１１１が結晶４１にほぼ等しくなった場合に処理を中断又は終了するように、制御ユニット５５に指令するのが好ましい。アイスプログラムは、所定の状態において修正測定を行うように、制御ユニット５５に指令するようにしてもよい。例えば、アイス１１１が処理の初期段階で検出された場合、アイスプログラムはヒータ電源２９から坩堝２７に供給する熱を上昇し、結晶化したシリコンを溶融すると共に、結晶駆動ユニット５１により上昇した熱に起因して結晶径が小さくなるのを補正するために引き上げ速度を低下する。他方、ステップ２０３に示すように、ステップ１９１でアイスが検出されなかった場合又アイス１１１が問題無い場合（すなわち、アイスが結晶４１から２５ｍｍ以上の場合）、ＰＬＣ７３はいかなる処理も実行しない。
【００７４】
また、本発明の視覚システム６７は、完全な溶融、溶融速度、温度、アイス又はハンガーの距離、結晶径、溶融レベル、ゼロ転位成長の損失の他に、別の結晶成長パラメータを求めるために利用することができる。
【００７５】
以上のように、本発明の他の目的や達成され、別の有益な結果が得られることが理解できる。
【００７６】
上述した構成及び方法は、本発明範囲から逸脱することなく、種々の改変を加えることができる。添付図面を参照して説明したすべての事項は、説明のためのものであって、限定的な意味に解釈されるべきでない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、本発明の好適な実施形態にかかる、結晶成長装置と、該結晶成長装置の制御システムを示す。
【図２】  図２は、図１のシステムの制御ユニットのブロック図である。
【図３】  図３は、図１の結晶成長装置の断面図で、部分的に溶融した初期装填多結晶シリコン塊を示す。
【図４】  図４は、図１の結晶成長装置の断面図で、該結晶成長装置に収容された融液から引き上げられているシリコン結晶の一部を示す。
【図５】  図５は、図２の制御ユニットの制御を示すフロー図の例である。
【図６】  図６は、図２の制御ユニットの制御を示すフロー図の例である。
【図７】  図７は、図２の制御ユニットの制御を示すフロー図の例である。
【図８】  図８は、図２の制御ユニットの制御を示すフロー図の例である。
【図９】  図９は、図２の制御ユニットの制御を示すフロー図の例である。
【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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