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CN1268194A - 控制硅单晶生长的方法与系统 - Google Patents

控制硅单晶生长的方法与系统 Download PDF

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Abstract

与恰克拉斯基单晶生长装置一起使用的方法和系统。所述单晶生长装置具有一个加热坩埚,用来熔化固体硅而形成拉制单晶体的熔融硅,所述熔体有上表面,直到硅全部熔化之前其上方露出未熔化的硅,由摄像机产生一部分坩埚内部的图象,所述图象每幅包含大量像素,所述像素每个含有代表图象光学特性的一个值。用图象处理器将图象作为像素值的函数进行处理来检测图象边缘;将检测得的边缘组合成它们在图象中位置的函数来确定图象中的目标,所述确定的目标每个包含一个或多个像素,且至少所述被确定目标的一个是代表在熔体表面可见的一部分固体硅;用控制电路根据所确定的目标确定一个参量代表单晶生长装置的一种状态;以及根据所确定的参量来控制单晶生长装置。

Description

控制硅单晶生长的方法与系统
发明背景
本发明一般涉及一种用来对采用恰克拉斯基工艺生长硅单晶的装置和方法进行控制的改进方法和系统，尤其涉及一种用来测量硅单晶参量的观察系统和方法以及用于根据测量参数自动控制生长过程的硅单晶生长工艺。
绝大多数单晶体或单晶、即在微电子工业中用来制作硅片的硅是通过单晶拉制机采用恰克拉斯基工艺生产的。简单地说，恰克拉斯基工艺涉及到在位于为了形成熔融硅特别设计的炉子中的石英坩锅内熔化高纯度多晶体硅即多晶硅的块或颗粒。通常，多晶硅是用例如Siemens工艺制备的形状不规则的多晶硅块。任选地，可以使用由相对更简单和更高效的液态床反应工艺制备的自由流动的一般球状颗粒多晶体硅。多晶硅块或颗粒的制备及其特性在F.Shimura，半导体硅晶体技术，116-121页，学术出版社(San Diego CA，1989)及其中引用的参考文献中已有进一步的详述，。
特别是一整埚多晶硅料块，在熔融时料块可以移动，或其较低部分熔化而留下一个位于熔融液上面粘贴到坩埚壁的未熔化材料的“悬挂块”。当料块移动或悬挂块倒塌时，可能溅起熔融硅并引起对坩埚有破坏的机械应力。然而，通过适当控制熔化时的坩埚温度，悬挂块效应及类似现象是可以减少的。
根据恰克拉斯基工艺，一根相当小的籽晶被悬挂在坩埚上方的一根提拉缆绳或杆子的底端上，这根提拉缆绳或杆子挂在用于升高和降低籽晶的晶体升降装置上。在熔化结束后，晶体升降装置降低，使籽晶与坩埚内的熔融硅接触。当籽晶开始熔化时，这个装置以满足得到所期望晶体直径的方法从熔融硅中拉晶，从而生长出这种直径的单晶硅。随着籽晶的拉出，从熔融液中拉制出硅。在这个生长过程中，坩埚按某一方向旋转，而且单晶升降装置、缆绳、籽晶和晶体则按相反方向旋转。
当单晶体开始生长时，与熔融液接触的籽晶的热震动可能引起单晶中的位错。如果不是将其限制在籽晶和主体单晶之间的颈部，这种位错会传播到整个生长晶体并得以放大。在硅单晶体内所熟知的限制位错的方法涉及要以相当高的拉晶速度生长小直径的颈部，来完全在单晶主体生长前消除位错。在位错被限制在颈部后，单晶直径被放大，直到达到主单晶体所要求的直径。
将恰克拉斯基至少部分地工艺控制成为开始生长晶体主体直径的函数。共同转让的申请序列号08/459、765和08/620、137分别描述方法和系统，用于精确可靠地测量晶体直径，探测零位错生长和确定硅熔体高度。
几个因素，包括晶体直径和熔体高度，影响和表示晶体生长过程中的单晶尺寸和质量。例如提供给坩埚的热量，熔融硅的温度，熔融液中或坩埚壁附近未熔的或再结晶的多晶硅的存在，坩埚的直径，熔融液中的石英的存在以及晶体-熔体交界处弯月的大小和形状都会影响这个过程并提供有关单晶的信息。因此，需要确定与这些因素相关的几个参数的精确和可靠的系统用于控制单晶生长过程。发明概要
在本发明的目的和特点中可以注意到提供了一种克服上述不利条件的控制和运作的改进方法和系统；这种方法和系统用于按照恰克拉斯基工艺运行的单晶生长装置；用这种方法和系统测量多晶硅料在坩埚内熔化形成硅熔体的速度；用这种方法和系统确定完全熔化；用这种方法和系统测量熔体温度；用这种方法和系统探测坩埚内固态多晶硅；用这种方法和系统探测籽晶晶体和熔体间的接触；这种方法能有效而经济地实现以及这种系统经济上可行而商业上实用。
简单地说，体现本发明目标的闭环控制方法是配合生长硅单晶晶体的装置使用的。单晶体生长装置有一加热坩埚用来熔化固态硅以形成拉制单晶的熔融液。直到被全部熔融，这种熔融液上部会显露高出上表面的未熔融硅。该方法包括一个产生坩埚内部的一部分的图象的步骤。这些图象每个都包括多个像素，而这些像素每个都具有一个表示图象光学特性的值。该方法还包括将图象处理成为一个像素值的函数来探测图象边缘，并将探测的边缘组合成为图象中的位置函数来确定图象中的目标。其确定的目标每个包括一个或多个像素，而至少一个所确定的目标代表在熔融硅表面可见的固态硅的一部分。这个方法还包括一个根据所确定的目标至少确定一个代表单晶生长装置条件的参数，以及响应所定义的参数控制单晶生长装置。
一般，本发明的另一种形式是一种与硅单晶生长装置组合使用的系统。单晶生长装置有一个用于将固态硅熔化形成拉出单晶的熔融液的加热坩埚。熔融液具有曝露出未熔化的硅的上表面，直到被熔化。系统包括一台产生坩埚内部部分图象的摄像机。这些图象每个都包含许多像素，而这些像素每个都有一个代表图象光学特性的值。该系统还包括一个将图象处理成像素值的函数来检测图象边缘的图象处理器。图象处理器将探测的边缘作为图象中图象位置的函数确定该图象中的目标。所确定的目标每个包括一个或多个像素，而至少一个所确定目标代表在熔融硅表面可见的固态硅的一部分。这个系统还包括一个根据所确定目标确定代表单晶生长装置条件的至少一个参数、以及响应所确定参数控制单晶生长装置的控制电路。
任选地，本发明可以构成各种其他的方法和系统。
其他目标和特点将在下面部分出现或部分指出。附图简述
图1是根据本发明的优选实施例的单晶生长装置和控制单晶生长装置系统的例子。
图2是图1系统控制单元的方框图。
图3是展示多晶硅块部分熔化初始材料的图1单晶生长装置的剖面图。
图4是展示正在从这种盛装的熔融液中拉制硅单晶局部视图的图1单晶生长装置的剖面图。
图5-9是表示图2控制单元运行的典型流程示意图。
相应的标识字符表示全部附图的对应部分。优选实例详细描述
现在参考图1，系统21是用来说明根据本发明的恰克拉斯基单晶生长装置23。在所举实例中单晶生长装置23包括围绕在坩埚27周围的真空腔25。一个加热电源29给环绕在坩埚27上的电阻加热器或其他加热装置31供电。隔热材料33正好放置在真空腔25的内壁处。通常水冷外套(未表出)将水馈送到真空腔25的周围，当真空泵(未表出)从真空腔25内抽去气体后，惰性气体氩气气体35(见图3和图4)馈送到真空腔25中。
根据恰克拉斯基单晶生长工艺，一定数量的多晶体硅或多晶硅，其一部分在图3中一般表示成37，装填到坩埚27中。加热电源29通过给电阻加热器31提供电流来熔融料块，于是形成拉制单晶体41的硅熔融液39。单晶体41从系在提拉杆或缆绳45上的籽晶43开始生长。如图1所示，单晶体41和坩埚27具有一个共同的对称轴47。
坩埚驱动单元49，例如按顺时针方向转动坩埚27，并按单晶生长工艺需要提升或降低坩埚27。单晶体驱动单元51按与坩埚驱动单元49转动坩埚27方向的相反方向转动缆绳45。单晶体驱动单元51也按单晶生长工艺需要，相对于熔融硅液面53提升或降低单晶体41。单晶体驱动单元51首先经过缆绳45将籽晶43降低到几乎与熔融硅39接触处预加热，然后在熔融硅液面53处与熔融液39接触。当籽晶43熔化时，单晶体驱动单元51将其从坩埚27盛装的熔融液39中慢慢上拉晶，籽晶43从熔融液39中拉出的硅就产生硅单晶41的生长。
在一个实例中，随着单晶体驱动单元51将单晶体41从熔融液39中拉出的同时以一标准速度转动单晶体41。坩埚驱动单元49以第二个标准速度、但是通常以相对于单晶体41相反的方向类似地转动坩埚27。一个控制单元55开始控制其拉晶或拉出速度，以及由电源29施加在加热器31的功率从而产生单晶体41的颈。在单晶生长过程中精确而可靠的控制是必须的，特别是单晶体41的颈部分生长期间。颈部最好以当籽晶43从熔融液39中拉出时基本恒定的直径生长。例如，控制单元55保持基本恒定颈部直径约为所需主体直径的百分之十五。当颈部达到所需长度后，控制单元55调整转速、拉制速度和加热参数来引起单晶41直径以锥形形式增加，直到达到所需单晶主体直径。一旦达到所需单晶体41直径，控制单元55控制着生长参数，来保持由系统21测量的相对恒定直径直到这个过程接近结束。在邻近结束处，拉制速度和加热功率增加来减少其直径以便形成单晶体41尾端逐渐变细的部分。共同转让的美国专利No.5,178,720，其全部内容在此作为参考，其中揭示了一种作为晶体直径函数控制晶体和坩埚旋转速度的优选方法。
更可取地，控制单元55以至少一个两维摄像机57联合确定生长过程的多个参数来运行。例如，摄像机57是一种单色电荷耦合器件CCD摄像机，例如分辨率为768×494像素的Sony XC-75CCD视频摄像机。另一种合适的摄像机是Javelin SmartCam JE摄像机。摄像机57安装在腔25的观察点上方(未表出)，并总是对准熔融液面53上轴47和熔融液39的相交点(见图3和4)。例如，某晶体生长装置23的操作员将摄像机57定位在相对于基础纵轴47成约34°的角度。
根据本发明，摄像机57产生单晶体41拉制前和拉制期间坩埚27内部的视频图象。在拉制期间，摄像机57产生的图象最好包括熔融液39和单晶体41之间界面处半月面59(见图4)部分。在一个优选实施例中，摄像机57装备一提供相对宽视野(如约320mm)的透镜(如16mm)。该透镜可以是一远距离拍摄透镜提供熔融液39和单晶体41之间界面的高质量观察。在另一实施例中，系统21包括两个摄像机57，一个专门提供观察坩埚27内部相当宽范围的视野，而另一个特别提供观察熔融液——晶体界面相当窄范围的视野。在每一例子中，熔融液39和单晶体41基本上自照明，而摄像机57的外部灯源是不需要的。为清楚起见，下面的描述涉及一个摄像机57。
控制单元55处理来自摄像机57以及其他传感器的信号。例如，温度传感器61，如一个光电池，可以用来测量熔融液表面的温度。控制单元55包括可编程数字或模拟计算机63(见图2)，用于控制如作为处理信号的函数的坩埚驱动单元49、单晶驱动单元51和加热功率电源29。
图2以方框图形式表示控制单元55的优选实施例。摄像机57通过连线65(如RS-170视频电缆)将坩埚27内部的视频图象传送到视频系统67。如图2所示，视频系统67包括视频图象画面缓冲器69以及用于捕捉和处理视频图象的图象处理器71。作为一个例子，视频系统67是CX-100 Imagination Frame Grabber或Cognex CVS-4400视频系统。同样视频系统67通过电缆75与可编程逻辑控制器(PLC)73通讯。在一个优选实施例中，PLC73是Texas仪器公司制造的575型PLC和545型PLC，而电缆75表示通讯接口(如VME底板接口)。视频系统67还通过电缆79(如RS-170RGB视频电缆)与视频显示77通讯来显示摄像机57产生的视频图象。可以理解某些视频系统67也可以本身包含计算机(未表出)，也可以采用与个人计算机63结合来处理捕捉的图象。
在图2所示的实施例中，PLC73通过电缆85(如RS-232电缆)与计算机63通讯，而通过电缆89(如RS-485电缆)与一个或多个输入/输出模块87通讯。根据本发明，计算机63用来对晶体自动化生长过程编程以及提供一个允许晶体生长装置23的操作员输入一组具体晶体生长所需参数的操作界面。工艺输入/输出模块87提供一个控制生长过程的进入和输出晶体生长装置23的通道。作为一个例子，PLC73接收来自温度传感器61关于熔融液温度的信息，通过工艺输入/输出模块87输出一个控制信号到加热电源29来控制熔融液温度从而控制晶体生长过程。根据包含PLC73的特定控制器，例如，通讯接口75可以是一个包括附加通讯版(如采用RS-422串行双向PLC接口的程序接口扩展型2571型)的用户VME架。
现在参见图3，坩埚27具有一个内表面91，一个外表面93和通常沿轴47的中心线。坩埚27的内表面91可以涂覆一层反玻璃化助剂，并包括底部95、边或侧壁部分97。如图3所示，坩埚27的侧壁97基本上平行于那个相交于底部95的近似几何中心点的X轴。尽管所表示的坩埚27的几何图形是最理想的，坩埚27的特定几何图形可以随所举实施例变化，而且仍属于本发明的范围。
在一个优选实施例中，多晶硅块或颗粒填料37被装填到坩埚27中用来准备硅熔融液39。共同转让的美国专利No.5,588,993，以及申请序列号No.08/595,075，1996.2.1.申请，描述了准备多晶体硅原料的适当方法，它们引入本文作为参考。一旦装入原料，坩埚27便置于单晶生长装置23内，其中的加热器31熔化多晶硅37，从而形成硅熔融液39。如图3所示，多晶硅原料37部分熔化而形成熔融液39，而多晶硅37未熔化的固态部分浮在熔融液39的上层表面99上，因为它们具有比熔化硅更低的密度。如上所述，多晶硅37的原料在熔化时会发生转变，或者说使其下层部分熔化掉，留下未熔化材料的悬浮块，一般表示为101，附着在熔融硅表面99之上的坩埚壁97上。
进一步参考图3，位于与坩埚驱动单元49相连的活动底座105上的基座103支撑着坩埚27。底座105的定位使得坩埚27的底部95正好接近加热器31的顶部，并逐渐降低进入加热器31内部的空间。坩埚驱动单元49降低坩埚27使进入加热器31的速度以及其他因素(如加热器功率，坩埚旋转速度和系统压力)降低，影响多晶硅37的熔化。在恰克拉斯基方法中，净化气体35在多晶硅37的加热期间将不需要的气体(例如SiO(气态))冲到坩埚27之外。一般纯净气体35是一种惰性气体，如氩气。
如上所述，摄像机57安置在腔25中的观察点处，且总是瞄准轴47和熔融液39的表面99之间的间隙。这样，摄像机57的光学轴107与轴47成一锐角θ(如θ≈15-34°)。根据本发明，摄像机57最好提供覆盖坩埚27宽度的视野。此外，选择合适的镜片和摄像机既可远距离高分辨率地观察小籽晶和颈部，也能宽视角地观察多晶硅原料37和更大部分的单晶体41。
图4是对从熔融液39中拉制的硅单晶41的不完整观察，表明了单晶生长过程随籽晶43的熔化和浸渍的较晚相位。如图所示，单晶体41形成一个直径为D的一般圆柱体结晶硅(即硅锭)。应当了解象单晶41这样的生长晶体不会具有均匀的直径，虽然它基本上是圆柱体。因此，直径D在沿轴47的不同轴向位置处会稍有变化。而且直径D在不同的晶体生长阶段(如籽晶，颈部，冠顶，肩部，主体和尾端)都会发生变化。
图4还表示出熔融液39的表面99在单晶体41和熔融液39之间交界处形成液态弯月59。正如工艺中所熟知的，坩埚27特别是坩埚壁97对弯月面59的映象往往在单晶体41附近作为一个亮环可见。同样，熔融液表面99在熔体-坩埚交界面处形成液态弯月面109，并在坩埚壁97附近出现亮环。在优选实例中，摄像机57提供包括单晶体41的宽度和至少部分弯月59的亮环的视野。摄像机57(或另一摄像机)还提供包括坩埚27的宽度和至少部分弯月109的亮环的视野。此外，广角视野允许探测熔融液39的冷却或结晶部分，称为结冰并一般表示为111。这样的结晶通常发生在坩埚侧壁97和熔融液39的交界处，且在熔融液表面99上并朝单晶体41方向生长。
现在参见图5，系统21包括控制单元55，按流程图113运行以提供晶体生长装置23的闭环控制。从步骤115开始，摄像机57产生至少部分的坩埚27内部图象。视频系统67的画面缓冲器69从摄像机57的视频图象信号中收集图象并由图象处理器71处理。正如图5所表示的，预料可以采用多个摄像机57。例如视频系统67可以接收来自多个晶体生长装置23的输入信号，每个至少有一个摄像机57安装在其观察通道上。根据本发明，视频系统67分别处理每个生长装置23的图象。
拍摄到的坩埚27内部图象每个包含多个像素，而每个像素含有一个代表检测到的图象光学特性的值。在这个例子中，像素值或灰度对应像素的亮度。在视频系统技术中，定义边缘为图象中那些在相当小的空间区域上灰度变化相当大的区域。在步骤117中，与PLC73一起运行的图象处理器71将图象处理成像素值的函数来检测图象中的边缘。更可取的是，图象处理器71执行几个程序来分析图象，包括分析给定图象范围内的灰度变化(作为图象亮度的函数)的边缘检测程序。用来发现和计算图象中的边缘的各种边缘检测操作器和算法是工艺人员所熟知的。例如，可使用的边缘检测程序包括Canny和Hough算法。应当了解的是除了亮度外，图象的其他特性，例如亮度梯度，颜色或对比度都可以用来从光学上将熔融液39表面99上的东西与熔融液39本身区别开来。飘浮的固态多晶硅37具有比熔融液39更高的亮度，于是在固-液界面看到突变。
作为检测步骤117的部分，例如处理器71执行连接性分析而将图象中检测到的边缘组合成其在图象中的位置的函数(即它们的坐标)。在这个方法中，视频系统69(或计算机63)确定图象中的一个或多个目标。每个被确定的目标包括一个或多个像素，并代表在熔融液表面99可见到的一部分固态硅。例如，可以用一个边界框(即能够包括不规则形状目标的最小矩形)及其在图象中的坐标来描述一个或几个被确定的目标。另外，确定的目标可以通过检验目标的形状(如目标最大与最小轴的比值)或目标本身的面积而用常规的点阵分析来描述。
在步骤119，视频系统67的图象处理器71根据确定的目标来决定晶体生长装置23的参量。例如这些参量包括熔化的完成、籽晶-熔熔体的接触、零位错生长的失配、结晶熔融液39(如结冰111)的出现、属于多晶硅37附属部分(例如悬挂块101)的出现，以及熔融液39中石英的存在。在步骤121，图象处理器71给PLC73报告所确定的参量。在一个实例中，系统21包括为每个晶体生长装置23配备一个PLC73。
图象处理器71还根据在步骤123确定的目标计算其他生长工艺参量。例如，图象处理器71确定某个或全部下述参量：未熔化多晶硅原料37的尺寸、熔融液39的浸入温度、单晶体41的直径、坩埚27的直径、检测到的冰块111的尺寸、冰块111与单晶体41间的距离、检测到的悬挂块101的尺寸、悬挂块101与坩埚27中心之间的距离以及检测到的石英的尺寸。在步骤121，图象处理器71还对PLC73报告这些参量。在步骤125，中心控制单元55则按照所确定的参量执行程序来控制晶体生长装置23。
图6以流程图127形式根据一个优选实施例说明系统21的运行。另外，图6还表示用于执行流程图127的步骤的控制单元55的各个组成部分。
在运行中，在控制单元55启动生长过程的籽晶浸入状态前，系统21提供一个多晶硅原料37何时完全熔化的指示。相反，现有控制系统必须依靠操作员来确定熔化或假定预定的加热时间间隔后完全熔化。通过检验显示在表面99上飘浮多晶硅37的图象，视频系统67能计算出每个图象的表面积。这可以通过边缘检测并测出坩埚27的直径，将像素转换成表面积来完成。剩余原料37的尺寸差别则用来提供熔化速度，控制单元55用这个速度来调整加热器31的功率，以便达到所需熔化速度。这就得到与现代自动系统中采用的开环功率控制相比较的熔化闭环温度控制。
另外，多晶硅37的熔化速度提供了籽晶(即浸入)温度指示。坩埚转动的影响是必须考虑的，因为熔化时的转速一般比浸入时的转速低得多。例如，在熔化时坩埚27以约1-2转/分(rpm)速度转动，而在浸入时坩埚27以约10-15转/分(rpm)的速度转动。因此，电源29提供给加热器31的功率应该作为转速的函数而变。
现在参见图6的实施例，整个熔化阶段一般持续约三到四小时。例如，约2小时的初始加热周期后，视频系统67开始观察坩埚27的内部。在这个优选实例中，摄像机57拍摄熔融液表面99中心区域的图象来监测熔化阶段。当由PLC73指示开始检测时，视频系统67的画面缓冲器69以规则的时间间隔(如每秒)获取坩埚27内部的图象。在步骤129，图象处理器71对这些图象进行处理，以便探测飘浮在熔融液39表面99上未熔化多晶硅37的存在。在这种情况下，相应于未熔化多晶硅37边缘的像素具有比熔融液39周围高得多的灰度，或者说像素值。换句话说，熔融液39显得比固态多晶硅37的边要暗。在131步，通过探测飘浮多晶硅37的边缘，视频系统67能够得到飘浮多晶硅37的表面积(大小)的近似测量值。例如，视频系统67确定一个参量来表示飘浮多晶硅37尺寸从1mm2到150mm2。
例如，图象中位于飘浮多晶硅37四周的画面或边框确定固态未熔化多晶硅37的尺寸。这个画面的尺寸随多晶硅37的熔化减少到零。控制单元55利用这一测量来得到完全熔化的自动指示。关于这一点，完全熔化以在熔融液39表面99上再也探测不到最后一块固态多晶硅37(即多晶硅原料37完全熔化)的时间为标记。事实上，完全熔化参量是“是”或“否”的数字表示。
尤其是，图象处理器71在步骤131执行一种检查算法，通过在覆盖熔融液39中心区的整个子窗(或感兴趣的区域)上先将连续图象依次相减而形成差别图象。在这种方法中，视频系统67不计算图象中的任何恒定特征(如在视窗中已经固化的硅污迹)。同时，图象处理器71保持对视场内任何亮度变化的灵敏性。通过相减程序揭示的变化指出飘浮在熔融液39上的固态多晶硅37的形状、位置或角度的变化，从表面波引起的熔融液表面99的映象系数的变化以及由于熔融液39波动引起局部熔体温度的变化。更可取的是，对比度和尺寸阈值的设置要高到足以排除由表面波和熔体温度局部起伏引起的变化，而又不足以失去固态多晶硅37小岛。例如，通过对差别图象进行模糊点分析，视频系统67对由连续图象的变化产生的高亮度子区间进行检测。如果发现一个超过固定亮度和尺寸阈值的子区域，视频系统67则报告在视场中存在固态多晶硅37，并报告子区间尺寸的时间平均值。
如视频系统67在131步确定(飘浮多晶硅)表面积仍不为零，则操作进入133步。在133步，PLC73执行一个程序来确定多晶硅原料37的变化速度。固态多晶硅37尺寸变化的速度正是多晶硅37熔化速度的指示，因而与熔化温度有关。在一个优选实例中，例如，图象处理器71每秒对PLC73报告熔化速度。控制单元55利用这个测量值来调整电功率以控制坩埚27内的温度，从而控制多晶硅37的熔化。按照133步确定的熔化速度，PLC73在135步给加热器31确定一个合适的功率值，从而在137步使加热器电功率29作适当调整。
相反，在131步(飘浮多晶硅)表面积变为零后，由于固态多晶硅37探测完了，视频系统67增加一个计数器来跟踪连续图象的数目。无论何时固态多晶硅37作检测，这个计数器都重置为零。如果通过好几个连续获得的图象(如以每秒钟一个的30个图象)而没有检测到任何固态多晶硅37，则图象处理器71给PLC73报告熔化完成，并在浸入籽晶43以前进入139步的下一个熔化稳定状态。
按类似于检测熔融液表面99上飘浮多晶硅37的方法，可以预料视频系统67也可以用来观察在接近熔化状态终了时那些附着在多晶硅37上的小石英块。即使多晶硅原料37熔化后，这些石英块(通常形成团)往往还继续飘浮。这些石英块的特征是有相当高的灰度，相当小的尺寸(即比最后见到的多晶硅块37更小)和快速的运动。在这个例子中，可根据灰度的突变将石英块与多晶硅37相区别。另外，还希望能够将飘浮的石英块与固体多晶硅37相区别，并报告其尺寸。根据本发明，视频系统67对熔体表面99执行连续跟踪并报告可检测石英块的存在。还可以预料，除了指示石英是否存在于熔体39中外，石英参量还提供1mm2到150mm2的石英尺寸指示。
根据本发明的一个优选实施例，一旦初始熔化阶段完成，视频系统67便开始监测熔体面水平53。为此应用起见，定义熔体面水平53为从加热器31的顶部到熔体39的表面99的距离，并可确定其为中心点C坐标的函数。图象处理器71最好确定指示熔体面水平53的中心点C。在这个实例中，中心点C的Y坐标和参考值之差用来确定熔体面水平53。另外，商品可获得的光学方法(即安装在腔体25盖版上的光束/探测装置)也可用来确定熔体面水平53。熔体面水平53的确定可以用来减少直径测量值的变化，即通过校正因子的计算和控制坩埚27的升高而减少熔体面水平53的变化来实现。在本发明的一个优选实例中，代表熔体面水平的参量值范围是±75mm。
更可取的是，系统21配有多个摄像机，其中广角摄像机57拍摄熔体-坩埚界面，而小视角摄像机57拍摄熔体-晶体界面。按周期性时间间隔，对这些界面(即分别为弯月面109和弯月面59)分别进行探测，并且每个都与(例如)一个椭圆相吻合。每个椭圆的宽度和中心点则可用在一个公式中，来推导相对于固定Z-轴原点的实际的熔体面水平53。该公式还用到已知的摄像角度、透镜的焦距长度，传感器取样速度以及到坩埚27和单晶体41的公共转轴47的距离。在生长过程中，随着熔体因晶体生长而耗尽，相对于坩埚壁的熔体面水平53下降。但提升坩埚而维持熔体面水平53基本上处于同样的垂直位置。
共同转让的申请系列号No.08/459,765(1995.6.2.申请)和申请系列号No.08/620,137，(1996.5.21.申请)分别描述了用来精确而可靠地对晶体直径及熔体面水平进行测量的优选方法和系统，其整个内容在这里结合起来作为参考。除晶体直径测量外，坩埚直径测量在计算熔体面水平53时是有用的，特别是拉制单晶体41以前。还有，这个参量的精确测量减少了由于从坩埚到坩埚的尺寸变化和由于每次运行中热膨胀引起的误差。于是，视频系统67熔体-坩埚弯月面109的探测和处理类似于熔体-晶体弯月面59，从而得到坩埚27的在线直径测量。
如上所述，本发明的一个优选实例包括一个用来提供有关熔融液39温度信息的温度传感器61。熔体温度一般使用直接或间接的第二个传感器测量，例如位于相对于熔体39的固定位置上的温度传感器61。一般来说，这样的传感器要求手工校准，且不能扫描和测绘熔体表面温度。在另一实例中，取代或除了温度传感器61之外，视频系统67提供熔体温度信息，以便克服与正常温度传感器相关的这些不足。
根据本发明，所采集的那些表示多晶硅原料37未熔化部分的图象也提供有关熔体39温度的信息。当熔化其熔体内很小片的结晶固体时，固态-熔体界面几乎处于固态熔点温度。远离界面的固态区域温度势必低于熔点。相反地，远离界面的熔体区域温度势必高于熔点。
在本发明中，假定正好在开始熔化之前，多晶硅37的极小片固体样品界面温度接近硅的熔点(即1414℃；1687°K)。因此，本发明一个优选实例设定固体-熔体界面的灰度等于硅熔点。黑体辐射方程则可用来根据其亮度比得到两个像素的熔化温度之比。利用这种方法，可以得到熔体39的每个像素温度。更可取的是，图象处理器71每秒钟给PLC73报告一次熔体温度参量。控制单元55利用这种测量调整电功率来控制坩埚27内的温度，从而控制多晶硅37的熔化。本发明提供熔体表面99的温度闭环控制来得到所需的浸入温度。
作为一个例子，视频系统67处理浸入状态以前熔化期间采集的许多熔体表面99的图象。例如，一种中间滤波技术可减少某一范围内像素到像素光强的波动。在一个实例中，视频系统67忽略固态-熔体界面的像素，以进一步区别熔体表面99的像素和固态多晶硅37的像素。
一般来说，在熔体39和观察到的飘浮在熔体表面99上的最后一块多晶硅37之间界面处的灰度级别基本上是恒定的，并确定为对应于硅的熔点温度。最后一块多晶硅37周围区域比熔体表面99的其余区域更暗(即灰度较低)。于是，在采集的图象中对应于其他像素的熔体39的温度可以由下式决定：(T/168°K)＝(GL/GLI)1/4其中GLI是在熔体-固态界面上未熔化多晶硅37的像素值或灰度级别，而GL是图象中其他位置的像素值或灰度级别。
对于又一个例子，熔体温度参量范围从1000℃到1600℃。如果GLI是79(对应于温度1414℃)，而在熔体表面99中心处的GL是73，则熔体中心的温度约为1381℃。既然浸入温度必须接近硅的熔化温度，控制单元55最好通过加热电源29增加供给加热器31的功率以提高熔体39的温度。
应当了解的是，熔化终了时坩埚旋转速度一般不同于浸入状态开始时的坩埚旋转速度。这个差别可能是引起光强变化的原因，因为从熔体面99的映象可能产生温度误差。另外，红外(IR)灵敏摄像机可能提供改进的效果。
图7根据一个优选实例按流程框图141形式说明系统21的运行。此外，图7说明执行流程框图141的控制单元55的各项组成。
在运行中，系统21提供一个指示表明部分多晶硅37(如图3中所示的悬挂块101)何时附着到坩埚壁97上。有利的是系统21不仅提供一个yes/no参量来指示悬挂块101是否存在，而且还通过检测其在熔体表面99的映象提供1mm2到150mm2的悬挂块尺寸参量。这使得控制单元55可测量从悬挂块101到熔体39中心的距离，以便能确定悬挂块101的存在是否有可能干扰运行期间摄像机57对直径的跟踪。如前所述，检测乃是根据灰度的突然变化。然而，在这个例子中，视频系统67能鉴别是悬挂块101的映象还是其它映象，因为悬挂块在熔体表面99上的位置固定(即附着在坩埚27的壁97上)。
如图7所示，视频系统67是在143通过将所得图象处理成像素值的函数来检测图象中的边缘而开始工作的。视频系统67的图象处理器71在步骤145还检测坩埚27的旋转速度。摄像机57最好有宽的视场，以允许视频系统67获得熔体39整个宽度的图象，直到其遇到坩埚27的侧壁97。借助于坩埚旋转信号，视频系统67可以获得在几种已知坩埚旋转角度的图象。坩埚27每旋转一次，便给图象处理器71提供一个数字输入脉冲。通过拍摄在已知角度的图象，从熔体表面99高对比度的映象等类似数据可以不计算，而从悬挂块(例如悬挂块101)的映象可以得到确认。
在步骤147，图象处理器71确定测得的边缘是否属于多晶硅37的悬挂块，如悬挂块101。例如，如果将测得的边缘进行组合来确定一个具有一定尺寸和位置(如在坩埚-熔体界面或其上方)的目标，而目标本身作为坩埚旋转速度的函数周期性地重复，于是视频系统67确认此目标为一个悬挂块并进入149步。在149步，图象处理器71计算悬挂块101的近似表面积。
此外，视频系统67在150步检测图象中的边缘而鉴别坩埚-熔体界面处见到的弯月面109。通过检测弯月面109，图象处理器71确定坩埚27的宽度，从而确定其中心。在153步，图象处理器71根据其表面积提供从熔体39的中心到悬挂块101的距离测量。进入155步时，如果从悬挂块101到熔体39中心的距离小于一个预定距离(例如40mm)，PLC73则在157步执行悬挂块程序。有利的是悬挂块程序引导控制单元55如何控制晶体生长装置23使悬挂块101熔化。另一方面，如果147步没有检测到悬挂块或者如果悬挂块可能不在场(如大于从熔体中心的40mm)，则PLC73不起作用，如159步所示。
就晶体生长过程的浸入状态而论，视频系统67也要检测籽晶43何时接触熔体39的上表面99。一般来说，晶体驱动单元51使籽晶43向下移动直到它接触到熔体表面99。有利的是视频系统67的图象处理工具检测籽晶43在熔体表面99的映象并测量二者之间的距离。当籽晶43接近熔体39时，从籽晶43本身来看该映象逐渐变得模糊起来。当映象显得完全消失时，即已发生籽晶-熔体接触。在籽晶-熔体界面处熔体39上形成的弯月面59提供第二个接触指示。
图8以流程图161形式说明的一个按优选实例的系统21的运行情况。此外，图8说明用来流程图161各步骤的控制单元的各组成部分。
在工作时，系统21提供一个指示表明籽晶43何时接触熔体39。如图8所示，在163步，视频系统67以处理所得图象作为像素值函数以探测图象中的边缘开始启动。尤其是视频系统67的图象处理器71检测与籽晶43及其在熔融液表面99上的映象相联系的边缘。在165步，图象处理器71根据在所得图象中检测到的边缘提供从籽晶43到熔融液39的距离的测量。例如，籽晶-熔融液距离参量范围为0-500mm。根据本发明，例如视频系统67每秒钟给PLC73报告一次籽晶-熔体距离。
在进入167步时，PLC73确定籽晶43何时达到离熔融液表面99一个预定的距离(如20mm)。如果籽晶43离熔体表面99至少20mm，则操作进入169步。在169步，PLC73使晶体驱动单元51继续以相当高的速度降低籽晶43(如每小时200mm)。另一方面，在171步，当籽晶43离表面99小于20mm时，PLC73使晶体驱动单元51籽晶43速度降得很低(如每小时20mm)。
在进行171步的同时，PLC73进入173步来确定籽晶43和熔体39之间的距离是否为零。如果不是，晶体驱动单元51继续以同样速度降低籽晶43。然而，一旦距离变为零，PLC73使晶体驱动单元51停在175步。在177步执行浸入稳定程序后，PLC73在179步确定籽晶43和熔体39是否处于接触。本质上，籽晶-熔体接触参量是yes或no的数字表示。例如，籽晶-熔体接触可以以籽晶-熔体交界处表面99上弯月面59的存在来表示。如果存在，PLC73通过启动181步的颈部生长继续运作。另一方面，如果籽晶-熔体接触还未完成，PLC73在183步指示重新浸入籽晶43。
作为视频系统67按图8图示运行的例子，当籽晶43升降杆从上部进入视野时，图象处理器71利用水平搜索测径器进行检测并记录这个事件。接着，图象处理器71使用位于被测籽晶43水平位置的垂直向搜索测径器。最好是图象处理器71将这个垂直向测径器用于该图象来找到籽晶43的底部边缘。此后，图象处理器71利用升降杆和尖端测径器监测籽晶43向熔体39的下降。根据在每个连续获得的画面中尖端的位置，图象处理器71从籽晶高度减去熔体表面高度的当前值，就得到当前的籽晶-熔体距离。
进一步看这个例子，当估算的籽晶-熔体距离处于阈值以下时，图象处理器71利用一个新型垂直向搜索测径器检测和跟踪熔体表面99上籽晶43的映象。通过探测映象的垂直位置以及尖端位置，图象处理器71能够得到熔体表面99上方籽晶43的距离更精确的估计。另外，跟踪这些映象还提供边缘对比度阈值数据，用来探测籽晶43何时与熔体39接触。
最后，当籽晶43开始使其本身的映象模糊时，图象处理器71使用恰在籽晶43尖端上方、搜索方向为45°和-45°的一对测径器。当籽晶43正好接触到熔体39的表面99时，这对测径器检测首先出现的弯月面59。特别是图象处理器71监测由这些测径器所检测的边的对比度，直到两个测径器同时观察到边缘对比度超过由籽晶映象以前产生的最大对比度为止。当这种情况发生时，图象处理器给PLC73报告籽晶-熔体接触。此后，图象处理器71开始利用新形成的弯月面59来跟踪晶体直径和估算熔体面水平53。
在单晶生长的拉制状态期间，图象处理器71最好实行数字化边缘检测来围绕半月形59明亮环的内部和外部至少定位三个点的坐标。既然已知单晶体41和半月形59的截面通常是圆，假定由图象处理器71检测的亮环边缘坐标是椭圆形，因而转换和绘制成圆形。按另一种方法，通过补偿由于摄像机57安装角度引起的畸变，可将边缘坐标绘制成圆形。在这里作为参考引用Gonzalez和Wintz的文章，数字图像处理，1987，page 36-52，揭示了用来补偿因摄像机相对三维目标的位置引起的透视畸变的数学变换。这样的数学变换可用来从畸变的椭圆形提取圆形。另外，申请系列号No.08/558,609，(1995，11，14申请)的专利描述了一种用于拍摄弯月面59而无需复杂数学变换的无畸变摄像机，其全部内容在此引用参考。
如上所述，申请系列号No.08/459,765，和08/620,137的专利分别揭示了用来对晶体直径进行精确而可靠测量的优选方法和系统。至于直径测量，图形处理器71根据所测图象的光学特性确定沿弯月59亮环外部的边缘坐标。然后，图象处理器71根据检测到的边缘确定单晶体41的直径。例如，在一个实例中，直径参量范围为0-320mm。
在一个优选实例中，控制单元55的PLC73响应于所确定的硅单晶41直径D来控制坩埚27和单晶41转动的速度、单晶41从熔体39拉制的速度以及熔体39的温度，并响应于熔体面水平53的定位来控制坩埚27的标高，从而控制单晶生长装置23。这样，实行闭环控制来保持颈部直径。
直径测量变化的原因在于亮环宽度发生改变，它有赖于暴露在外且由液体弯月面59映照的坩埚27热壁高度。随着熔体39的消耗，亮环的宽度增加，使单晶体41显得较大，而可能引起实际单晶体41生长尺寸不足。这样，作为一个例子，除了检测熔体39和亮环之间的边缘外，检测单晶体41和亮环之间的边缘可用来提供亮环宽度的测量。另外，考虑其对坩埚壁高度映象特性的液体弯月面59的数学模拟可提供亮环宽度的测量。
除了监测生长单晶体41的直径外，系统21通过维持生长速度基本不变而有利于提供均匀的晶体特性。为达此目的而仔细考虑的一种方法是相对于由熔体表面99顶部确定的平面求解弯月面59的高度和角度。根据一个或两个这些参量的变化，控制单元55则可调整晶体生长过程来维持其尺寸相对恒定。
另外，弯月面59的边缘坐标可用来检测晶体直径相对于晶体驱动单元51转动单晶体41的速度的周期性偏移，正如申请系列号No.08/459,765和08/620,137的专利中描述的那样。如工艺中所知，晶体凸线或惯态线一般平行于垂直轴47且沿晶体41主体分隔开，表示零位错生长。晶体惯态线(也称为生长线)在晶体41截面的周界上呈现波纹状特性。因为这个原因，当晶体41按已知速度旋转时，可期望在图象上感兴趣的特定区域内出现晶体惯态线的速度在<100>方向为四倍转速，而在<001>方向为两倍转速。这样，图象处理器71可确保晶体41零位错生长单。响应于视频系统67探测到零位错生长失效，控制单元55即启动重新熔化。
通常在晶冠的开头晶体凸线变得十分清晰可见，而对头一英寸(2.54mm)的晶体生长不需要作无位错检查。在一个优选实例中，视频系统67根据在给定的晶体转速下晶体惯态线的对称性和在所期望的规则角向位置上直径的周期性偏离来检测零位错生长。如果发生零位错生长失效，第一个可见到的信号是最终将全部一起消失的晶体凸线失去其对称性，晶体将变成圆滑的无晶体凸线的圆柱体。视频系统67在熔体表面99确定的平面内周期性地估量单晶体41的两维截面，然后对这个截面进行分析以判断对称性的损失或晶体凸线清晰度的损失。每次估量的截面包括单晶体41平均直径的估量以及该截面对这个平均值的偏离与晶体41对中心轴47的圆柱角的关系。
按照优选实例，系统21还对冰块111的形成(即在熔体表面99上的多晶硅37结晶或结冰，通常紧挨着坩埚壁97或靠近主干生长尾部或在底部生长期间)提供检测和控制。如前所述，检测是依据灰度值的突变进行的。然而，在这个例子中，视频系统67可将冰块111的出现与其他目标或映象区别开来。由于其在熔体表面99上位置固定(即通常邻近坩埚27的壁97)。
图9以流程图185形式说明根据一个优选实例的系统21的运行情况。此外，图9还说明执行流程图185各步骤的控制单元55的各项组成。
在运行中，系统21提供一个指示，说明在单晶生长过程的拉制状态期间，部分多晶硅37(例如结晶多晶硅，即在图4中所示的冰块111)何时附着到坩埚壁97上。系统21通过检测熔体表面99上冰的存在，不仅便于提供“是”/“否”参量来指示冰块111是否存在，而且还提供1mm2到150mm2的冰块尺寸参量。这便使控制单元55能测量从冰块111到单晶体41的距离，从而可确定在运行期间冰111的出现是否会对晶体生长有干扰。如前所述，检测是依据灰度的突变进行的。然而，在这个例子中，视频系统67可将冰块111与其他目标或映象区别开来，由于其在熔体表面99上位置固定(即依附在坩埚27的壁97上)。
如图9所示，视频系统67由处理所获得的图象作为像素值函数来检测图象中的边缘而在187步开始启动。在189步，视频系统67的图象处理器71还检查坩埚27的旋转速度。如前所述，摄像机57最好具有较宽的视野，以允许视频系统67获取熔体39整个宽度的图象，直到它与坩埚27的壁97相遇。于是，借助坩埚旋转信号，视频系统67有可能在好几个已知的坩埚旋转角度上获取图象。坩埚27每旋转一次，就给图象处理器71提供一个数字输入脉冲。通过获取已知角度的图象，可以不计从熔体表面99的高对比度映象及类似信号，而可以鉴别出冰块111的存在。
在191步，图象处理器71确定检测到的边缘是否可属于多晶硅37的结晶块，如冰块111。例如，如果将检测到的边缘组合起来确定一个具有一定的尺寸和位置(即在坩埚-熔体交界处)的目标，且该目标自身作为坩埚转速函数而周期性重现，则视频系统67就认定该目标为冰块，并进入193步。在193步，图象处理器71计算冰块111的近似表面积。
此外，视频系统67在195步检测图象中的边缘来鉴别晶体-熔体界面处可见的弯月面59。通过检测弯月面59，图象处理器71确定单晶体41的宽度。在197步，图象处理器71根据其表面积提供从单晶体41的边缘到冰块111的距离测量。进入到199步，如果从冰块111到晶体41的距离小于一个预定距离(如25mm)，PLC73则在201步执行冰块程序。如果冰111太接近单晶体41，其冰块程序则便于指示控制单元55停止或中止运作。还要仔细考虑的是冰块程序指示控制单元55在某些情况下进行补救性测量。例如，如果在运行中较早地检测到冰块111，则冰块程序使加热器电源29增加供给坩埚27的热量来熔化结晶硅，并使晶体驱动单元51降低拉制速度以补偿因增加热量而引起的晶体直径的减小。在另一方面，如果在191步没有检测到冰块，或者如果冰块111可能没有影响(即它离单晶体41大于25mm)，则PLC73不起作用，如203步所示。
而且，应当理解本发明的视频系统67还可用来确定其他晶体生长参量，除了完全熔化、熔化速度、温度、冰块或悬挂块距离、晶体直径、熔体面水平和零位错生长失效外，例如冲洗气体管道间隙或熔化裂缝和对流电流。
纵观以上所述，会发现本发明的好几个目标已经实现，并获得了其他有用的结果。
由于在上述结构和方法中可以作各种改变而不偏离本发明的范畴，应当理解以上描述所包含的或附图所表示的全部内容是仅为解释之用，并无限制之意。

Claims (10)

1.一种与生长硅单晶装置结合使用的闭环控制方法，所述单晶生长装置具有一个加热坩埚，用来熔化固体硅而形成拉制单晶体的熔融硅，所述熔体有上表面，直到硅全部熔化之前其上方露出未熔化的硅，所述方法包括的步骤是：
由摄像机产生一部分坩埚内部的图象，所述图象每幅包含大量像素，所述像素每个含有代表图象光学特性的一个值；
将图象作为像素值的函数进行处理来检测图象边缘；
将检测得的边缘组合成它们在图象中位置的函数来确定图象中的目标，所述确定的目标每个包含一个或多个像素，且至少所述被确定目标的一个是代表在熔体表面可见的一部分固体硅；
根据所述确定的目标至少确定一个参量代表单晶生长装置的一种状态；以及
根据所确定的参量来控制单晶生长装置。
2.权利要求1的方法，其中处理步骤包括将连续的图象彼此依次相减，由此而产生等同于从一个图象变到下一个图象的差别图象，而后将差别图象中检测到的边缘进行组合，来确定代表在熔体表面可见的那部分固体硅的确定目标。
3.权利要求2的方法，还包括一个步骤，就是将在熔体表面可见的部分固体硅的近似大小确定为在差别图象中所确定目标的像素数目的函数。
4.权利要求3的方法，其中参量确定步骤包括确定一个表示坩埚内的硅已基本熔化的熔化完成参量，所述熔化完成参量是一个在熔体表面可见的那部分固体硅的尺寸几乎达到零的函数。
5.权利要求3的方法，其中参量的确定步骤包括确定一个表示坩埚内硅熔化速度的熔化速度参量，所述熔化速度参量是一个表示在熔体表面可见的那部分固体硅的确定目标大小随时间变化的函数。
6.权利要求1的方法，其中处理步骤包括根据图象中检测到的边缘探测在熔体和熔体表面可见的那部分固体硅之间的界面，而其中参量确定步骤包括确定代表熔体表面不同位置处熔体温度的熔体温度参量，所述熔体温度参量是在熔体和那部分固体硅之间的邻近界面处图象中至少一个像素的像素值的函数。
7.权利要求1的方法，其中处理步骤包括根据图象中检测到的边缘来检测熔体和坩埚内壁之间的界面，还包括检测那部分固体硅何时接近坩埚内壁的步骤。
8.权利要求7的方法还包括确定对应于坩埚中心附近的像素位置的步骤，其中参量确定步骤包括确定一个悬挂块距离参量，它表示从坩埚中心到邻近坩埚内壁检测到的那部分固体硅的距离，所述悬挂块距离参量是在邻近坩埚内壁所检测到的那部分固体硅的确定目标中至少一个像素位置相对于坩埚中心附近的像素位置的函数。
9.权利要求7的方法，其中处理步骤包括根据图象中检测到的边缘来检测熔体表面上的晶体弯月面，所述晶体弯月面可在从熔体中拉出的单晶附近看到，而其中参量确定步骤包括确定一个冰距离参量，它表示从坩埚内壁附近检测的那部分固体硅到单晶弯月面的距离，所述冰距离参量是在邻近坩埚内壁所检测到的那部分固体硅的确定目标中至少一个像素位置相对于晶体弯月面边缘处至少一个像素位置的函数。
10.权利要求1的方法，其中单晶从浸入的籽晶开始生长，然后从熔体中拉制出，至少一个所述确定目标是代表籽晶接触熔体前在熔体表面可见到的籽晶的映象，还包括将籽晶映象的近似量度确定为所确定目标中像素数量的函数的步骤，并确定一个代表该籽晶接触熔体表面的籽晶-熔体接触参量，作为在熔体表面的籽晶映象量度近似达到零的函数。
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