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CN1205361C - 控制硅晶体生长的方法和系统 - Google Patents

控制硅晶体生长的方法和系统 Download PDF

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CN1205361C CNB988096730A CN98809673A CN1205361C CN 1205361 C CN1205361 C CN 1205361C CN B988096730 A CNB988096730 A CN B988096730A CN 98809673 A CN98809673 A CN 98809673A CN 1205361 C CN1205361 C CN 1205361C
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Abstract

一种确定从装在加热坩埚中的硅熔体中拉出的硅单晶直径的系统和方法。该熔体的表面具有看起来是与拉出晶体相邻的明亮区域的弯液面。用照相机生成包括与晶体相邻的明亮区域部分的坩埚内部的图像。图像处理回路限定在图像中的对应于晶体大致中心位置上的具有椭圆形状的中央窗口区域，并把图像处理为像素值函数以检测在中央窗口区域内的边界。图像处理回路进一步对检测到的边界进行分组以限定图像中对应于晶体的目标，确定已限定目标的尺寸，并确定作为已限定目标的已确定的尺寸的函数的晶体的大致直径。

Description

控制硅晶体生长的方法和系统
(声明
具有MEMC电子材料公司1997年版权。本专利文件公开内容的一部分包含受到版权保护的材料。版权所有者不反对仅以出现在专利商标局专利案卷和记录中的方式对该专利文件或专利公开内容进行复制，否则将保留所有版权的权利。)
技术领域
本发明一般地涉及对控制用于生长硅晶体的直拉法的改进，更具体地涉及到一种测量硅晶体和硅晶体生长过程的参数，并基于所测参数来控制生长过程的观察系统和方法。
背景技术
大多数制作半导体电子元件的方法使用单晶作为起始材料。大部分的单晶硅都采用直拉法的拉晶机器生产。简而言之，直拉法包括在石英坩埚中熔化高纯度或多晶硅填料，该坩埚位于特殊设计的炉内。在坩埚中的硅熔化后，晶体升降机构把籽晶下降到与熔化的硅接触。当籽晶开始熔化时，该机构通过从硅熔体缓慢拉出籽晶而从硅熔体拉出生长晶体。
在晶颈形成之后，该方法通过降低拉出速率和/或熔体温度来扩大生长晶体的直径，直至达到所需直径为止。通过控制拉出速率和熔体温度且同时补偿降低的熔体液面，晶体的主体生长以便它有基本均匀的直径(即它一般为圆柱形)。在接近生长过程结束时但在坩埚中熔化的硅用完之前，该方法逐渐减小晶体直径形成尾锥。通常，通过增加晶体拉出速率和供给坩埚的热来形成尾锥。当直径变得足够小时，晶体随即与熔体分离。在生长过程中，坩埚以一个方向旋转熔体而晶体升降机构旋转其牵引丝或轴，籽晶与晶体旋转方向相反。
尽管传统直拉生长法对于生长具有广泛应用的单晶硅是满意的，但在半导体材料质量上的进一步改进是需要的。例如，直拉法部分地通过正在生长的晶体直径的函数进行控制。因此，需要一种在晶体生长的不同阶段中精确和可靠地测量晶体直径的系统来确保晶体质量。
共同转让(commonly assigned)的美国专利5665159和5653799，其全部公开内容在此引作参考，分别描述了精确可靠地测量晶体直径并用于控制单晶硅生长过程的系统和方法。有利的是，这些专利中的系统和方法通过处理由照相机生成的晶体-熔体界面的图像来确定生长晶体的直径。
然而还需要进一步的改进。例如，假目标的检测综合考虑测晶体直径的能力。还需要作出改进以补偿可能的不同照相机位置。同样地，需要用于减少直径检测损耗几率的冗余系统。
另外，高温区器件经常放置在坩埚内，以用于热和/或气流控制。例如，隔热屏有时用来在坩埚内形成局部热腔，以保存在液体-气体-固体界面上从自由熔体表面失去的热。不幸的是，高温区器件因妨碍生长晶体的照相机的视线而干扰精确可靠的直径测量。
由于这些原因，需要一种在直拉法中测量和控制晶体直径的改进系统和方法。
发明内容
本发明通过提供改进的方法和控制操作系统满足上述需求并克服现有技术中的缺陷。这一点由避免因高温区器件而引起的假目标的观察系统来完成，例如在执行边界检测程序的时候，即使在用于圆拟合时的图像的至少三个窗口区域内未检测到晶体亮环的边界，该系统也允许测量晶体的直径。另外，这种方法能有效地和经济地实施，而且这种系统在经济上是可行的且在工业上是可实现的。
简而言之，体现本发明观点的方法是使用生长硅单晶的装置。晶体生长装置具有包含硅熔体的加热坩埚，晶体从该熔体拉出而且该熔体的表面具有看起来是与拉出晶体相邻的明亮区域的弯液面。本方法确定晶体的直径，并从生成包括与晶体相邻的明亮区域部分的坩埚内部的图像的步骤开始。本方法还包括限定在图像中对应于晶体大致中心位置上的中央窗口区域，并把图像处理为其像素值函数以检测在中央窗口区域内的边界。根据本方法，中央窗口区域具有椭圆形状。本方法还进一步包括下列步骤：对检测到的边界分组以限定图像中对应于晶体的目标；确定已定目标的尺寸；以及确定晶体的大致直径，该直径为已限定目标的已确定尺寸的函数。
本发明另一种形式是使用用于生长硅单晶的装置的系统。晶体生长装置具有装有硅熔体的加热坩埚，晶体从该熔体拉出而且该熔体的表面具有看起来是与拉出晶体相邻的明亮区域的弯液面。本系统确定晶体直径，并包括生成包括与晶体相邻的明亮区域部分的坩埚内部的图像的照相机以及处理图像的图像处理器。图像处理器包括用于限定图像中在对应于晶体大致中心位置上的中央窗口区域的确定回路。中央窗口区域具有椭圆形状。图像处理器还包括用于处理为图像像素值函数的图像以检测在中央窗口区域内的边界并对检测到的边界进行分组以确定图像中对应于晶体的目标的检测回路。图像处理器进一步包括用于确定已限定目标的尺寸以及确定作为已限定目标的已定尺寸的函数的大致直径的测量回路。
作为替代方案，本发明可包括各种其它的方法和系统。
其它目的和特征有些部分是显而易见的，还有些部分在随后将指出。
附图说明
图1示出用于根据本发明优选实施例的控制晶体生长装置的晶体生长装置和系统。
图2为图1系统中的控制单元的示意框图。
图3为从装在图1晶体生长装置中的熔体拉出的硅晶体的局部视图。
图4为图3中晶体的局部截面透视图。
图5为图1中晶体生长装置的局部垂直截面示意图，示出在硅晶体生长过程中设置的反射器组件。
图6为图5反射器组件的俯视图。
图7A和7B示出图2控制单元操作的典型流程图。
在附图中相应的附图标记表示相应的部件。
具体实施方式
现在参照图1，所示出的系统11与直拉晶体生长装置13一起使用。在图示实施例中，晶体生长装置13包括封闭坩埚19的真空室15。诸如电阻加热器21的加热元件环绕着坩埚19。在一个实施例中，绝缘物23镶衬在真空室15的内壁上，而供应水的腔室冷却套(未示出)环绕着它。通常，真空泵(未示出)从真空室15中除去气体，同时把氩气惰性气氛输入到其中。
根据直拉单晶生长法，把一定量的多晶硅装填到坩埚19中。加热器电源27通过电阻加热器21提供电流熔化该填料，因而形成硅熔体29，从其中可拉出单晶31。在本领域中众所周知的，单晶31开始于连接到牵引轴或丝37上的籽晶35。如图1所示，单晶31和坩埚19一般具有同一对称轴39。
在加热和拉晶过程中，坩埚驱动单元43旋转坩埚19(例如以顺时钟方向)。坩埚驱动单元43还在生长过程中根据需要升高和下降坩埚19。例如，当熔体29减少时坩埚驱动单元43升高坩埚19以保持其液面在所需高度，液面如参考符号45所示。晶体驱动单元47相似地旋转拉丝37，其转向与坩埚驱动单元43旋转坩埚19的方向相反。另外，晶体驱动单元47在生长过程中根据需要相对于熔体液面45升高和下降晶体31。
在一个实施例中，晶体生长装置13通过把籽晶35下降到几乎与装在坩埚19中的熔体29的熔化硅相接触来对它预加热。在预热后，晶体驱动单元47借助拉丝37继续下降籽晶35，在熔体液面45与熔体29相接触。当籽晶35熔化时，晶体驱动单元47从熔体29中缓慢地将其抽出或拉出。当它抽出时，籽晶35从熔体29拉出硅引起硅单晶31的生长。当晶体驱动单元47从熔体29拉出晶体31时以一参考速率旋转晶体31。坩埚驱动单元43以另一参考速率相似地旋转坩埚19，但通常与晶体31的转向相反。
控制单元51最初控制抽出速率和电源27供给加热器21的电流以产生晶体31的缩颈。优选地，当籽晶35从熔体29中拉出时晶体生长装置13以基本不变的直径生长晶颈。例如，控制单元51保持基本不变的颈径，它大约为所需直径的15％。在晶颈达到所需长度之后，控制单元51然后调整旋转、拉伸和/或加热参数以使晶体31的直径以锥形方式增加，直至达到所需的晶体主体直径。一旦达到所需晶体直径，控制单元51控制生长参数以保持由系统11测量的相对恒定的直径，直至该过程达到其尾端。此时，通常增加拉出速率和加热以减小直径，在单晶31的尾端形成锥形部分。共同转让的美国专利5178720，其全部公开内容在此引作参考，描述了一个用晶体直径函数来控制晶体和坩埚转速的优选方法。
优选地，控制单元51与至少一个二维照相机53联合工作，确定生长过程的多个参数。例如，照相机53为单色电荷耦合器件(CCD)阵列照相机，例如分辨率768×494像素的Sony XC-75CCD视频照相机。另一合适的照相机是Javelin SmartCam JE照相机。照相机53安装在室15的观察区(未示出)之上，并且一般对准纵向轴39和熔体液面45的交叉处(见图3)。例如，晶体生长装置13的操作者把照相机53定位成与基本垂直的轴39大约成34°角。
根据本发明，照相机53在晶体31生长过程中生成坩埚19内部的视频图像。由照相机53生成的图像优选包括熔体29和晶体31的界面上的弯液面55部分(见图3)。在一个优选实施例中，照相机53配有可提供相对较宽视野(例如大约300mm或更大)的透镜(例如16mm)。例如，透镜可以是提供熔体-晶体界面的更好视图的远摄透镜。熔体29和晶体31是自身发光的并为照相机53提供光，不需使用外部光源。应当理解，还可用辅助照相机提供不同的视野。
除了处理照相机53的信号之外，控制单元51还处理来自其它检测器的信号。例如，温度检测器59，如光电元件，可用来测量熔体表面温度。
图2以框图的形式示出控制单元51的优选实施例。照相机53通过线61(如RS-170视频电缆)传递坩埚19内部的视频图像到观察系统63。如图2所示，观察系统63包括用于捕获和处理视频图像的帧视频图像缓冲器67和图像处理器69。观察系统63又通过线75与可编程逻辑控制器(PLC)71通信。例如，观察系统63可以是CX-100帧图像取样器或Cognex CVX-4400观察系统。在一个优选实施例中，PLC 71为Texas Instruments制造的575型PLC或545型PLC，而线75代表通信界面(例如VME后板界面)。根据体现PLC 71的具体的控制器，通信界面75例如可为定制VME盘，其中包括辅助通信板(如使用RS-422串行双向PLC端口的2571型程序端口扩展模件)。
控制单元51还包括编程数字或逻辑计算机77，用于在其它事物中根据已处理的照相机53的信号来控制坩埚驱动单元43、单晶驱动单元47和加热器电源27。如图2所示，PLC 71通过线79(如RS-232电缆)与计算机77通信，并通过线85(如RS-485电缆)与一个或多个过程输入/输出模件83通信。根据本发明，计算机77提供允许晶体生长装置13的操作器输入一组用于正在生长的具体晶体的所需参数的操作器界面。
在一个实施例中，观察系统63还通过线91(如RS-232电缆)与个人计算机87并通过线95(如RS-170 RGB视频线)与视频显示器93通信。视频显示器93显示由照相机53生成的视频图像，而计算机87用于对观察系统63编程。在另一方面，计算机77、87可用一台对晶体生长过程自动化编程并提供操作器界面的计算机具体来体现。而且，可以理解，当观察系统63用某些系统具体体现时，可包括其自己的计算机(未示出)，或与处理所捕获图像的个人计算机77一起使用。
过程输入/输出模件83提供往返晶体生长装置13之间的路径，用于控制生长过程。例如，PLC 71接收来自温度检测器59的有关熔体温度的信息，并通过过程输入/输出模件83把控制信号输出到加热器电源27以控制熔体温度，由此控制生长过程。
图3是从熔体29拉出的硅晶体31的局部视图，它示出在籽晶35熔化且浸入之后的晶体生长过程中的最近的阶段。如图所示，晶体31形成大致为圆柱体的直径为D的晶体硅(即结晶块)。应当理解，生长状态的晶体例如晶体31尽管大致为圆柱形，但通常不会具有均一的直径。由于这个原因，直径D在沿着轴39的不同轴向位置上稍有变化。而且，直径D会在晶体生长的不同阶段(如籽、颈、冠、肩、主体和尾锥)中变化。
图3还示出熔体29的表面99，它具有在晶体31和熔体29之间形成的弯液面55。在本领域众所周知，经常可以看到坩埚19在弯液面55上的反射，是与晶体31相邻的明亮的圆环。如上所述，照相机53安装在室15的观察区中，并且大致对准轴39和熔体29的表面99的交叉处。象这样，照相机53的光轴与101与轴39成锐角α(例如α≈15-35°)。适当选择透镜和照相机可提供小籽晶和颈的高分辨率远摄视图以及晶体31更大主体部分的宽角度视图。在优选实施例中，照相机53提供包括晶体31宽度和弯液面55的至少一部分亮环的视野。当接到PLC 71指令开始观察时，观察系统63的帧缓冲器67以固定的时间间隔(例如每隔一秒)由照相机53获得坩埚19内部图像。
现在参照图4，由帧缓冲器67捕获的每一个坩埚19内部图像都包含多个像素。在本领域众所周知，每个像素都有表示图像光学特性的值。例如，像素值或灰度级对应于像素的光强。图像处理器69在图像上限定至少三个、优选五个或更多的感兴趣的径向区域103，并为了图像的光学特性(如像素光强或光强梯度)而检查它们之中的像素。这些径向区域103也称作边界工具(edge tools)或窗口区域。基于在每个区域103中包括的检测到的特性，图像处理器69检测图像中的边界。在观察领域中，边界定义为图像中在相对较小的空间区域上灰度级有相对较大变化的区域。可以理解，除了光强或光强梯度之外或不用它们，也可检测图像中其它的光学特性如颜色或对比度来找到边界坐标。
根据本发明，图像处理器69在图像中预先选定的位置限定区域103。优选地，区域103的位置一般与沿着一曲线的位置对应，该曲线与照相机53所看到的弯液面55亮环的预期形状相匹配。也就是说，区域103沿着近似于亮环形状的椭圆或圆的下半部，相对于已限定的中心点径向布置。通过在接近亮环形状的预选位置上确定区域103，区域103在熔体29的表面99上避免已知的或预期的有可能引起乱真测量的反射。而且，由于图像处理器69限定大量的区域103，如果室15的部分观察区被阻挡，图像处理器69还能检测到亮环的边界。以这种方式，图像处理器69确定沿着弯液面55亮环外侧的边界坐标，并用于下述处理。
图4示出其上限定有区域103的一组优选位置。如图所示，最左和最右区域103优选分别位于中心点C的Y坐标以下并具有β1和β2角。例如，β1和β2分别大约为45°。通过以此种方式定位区域103，根据本发明操作的系统11不受到后述错误的影响，该错误是通过室15的观察区观察时晶体31的主体使亮环最大宽度模糊而引起的。而且，系统11克服了由透视变形引起的问题，该问题对于大直径晶体(例如200mm或更大)尤其麻烦。在本发明的优选实施例中，β1和β2角是可变的并在大约15°-50°的范围内，从而使区域103跨度为大约80°-150°角。
如上所述，晶体驱动单元47一般沿垂直轴39拉出晶体31，轴39一般与熔体表面99垂直。在拉出过程中，晶体31可相对于垂直轴39运动。有利的是，即使晶体31在运动，由于区域103足够大，亮环的边界坐标还是可在区域103中限定。图像处理器69进一步动态移动区域103的预选位置以使它们在晶体生长的所有阶段(如籽、颈、冠、肩、主体和尾锥)都与亮环的成像部分相邻，随着晶体直径变化。换言之，区域103从晶体直径大约4mm一直跟踪到320mm。然而在本领域众所周知，亮环在所有生长阶段不总是可见。例如，在晶体31晶冠部分生长的过程中，亮环相对较小或看不见。由于这个原因，系统11优选检测晶冠的周长，晶冠表现为比图像背景强度相对较亮的区域。在这种情况下，图像的背景代表熔体表面99。因而，在检测亮环的另一种情况下，系统11检测与晶体31的晶冠相关的明亮区域。
在优选实施例中，对在区域103中检测到的亮环边界坐标数学换算以补偿透视变形，然后输入到最佳拟合圆测量中。例如图像处理器69用Hough换算或最小二乘拟合法限定对应于所检测到的边界的圆形状。根据本发明，图像处理器69限定具有圆直径D′的大致为圆形的形状107和基于所检测到的坐标的中心点C。实际上，在本方式中至少需要三个边界坐标来限定圆107。
为了获得对晶体31直径D的精确测量以供PLC 71在控制晶体生长过程中使用，图像处理器69首先数字化地处理已限定的圆107的直径D′。图像处理器69使用圆107的尺寸来确定一些参数，其中包括晶体31的直径、已限定的圆107相对于精确圆拟合的质量、圆107的中心坐标以及熔体标高(level)45。优选地，图像处理器69数字化地过滤和处理直径D，向控制单元51提供有效输入。对于这种应用来说，熔体标高45限定为从加热器21顶部到熔体29的表面99之间的距离，并可限定为是中心点C坐标的函数。共同转让的美国专利5665159和5653799也分别描述了基于熔体-晶体界面图像测量熔体标高的优选系统和方法。
在操作中，图像处理器69限定与亮环部分相邻的区域103，并检测在区域103中图像的光强梯度特性。图像处理器69进一步限定在每个区域103中的亮环边界的坐标，该坐标为所检测到的特性的函数，并限定包括已限定的边界坐标的大致为圆形的形状107。然后基于已限定的圆形形状107确定晶体31的直径D，并用于晶体生长过程的控制中。因而，图像处理器69构成检测回路和限定回路和测量回路，而PLC 71构成控制回路。
优选地，系统11在径向像素中测量直径D′并提供以毫米为单位的晶体直径D。直径D′首先从径向像素转化成毫米，然后减去补偿亮环宽度的值(例如大约为3mm)。直径D′还可用校准因子来调整以补偿直径测量中的波动性。这种波动性主要是由于照相机53和晶体31之间距离的变化，它影响镜片的放大倍率。例如，增加照相机53到熔体29的距离使晶体31显得更小，若没有补偿将导致实际上将要生长的晶体31过大。这些距离上的变化会从一个晶体生长装置13到另一个、从一个操作周期到另一个发生，甚至会由于熔体标高45的波动性而在单个操作周期内发生。晶体生长装置13的操作器优选用在校准轨道上滑动的望远镜测量生长晶体31，然后通过计算机77输入校准因子，以使确定的晶体直径D等于测量值。同样地，补偿亮环宽度的值还可用试验方法确定。
根据本发明，边界检测区域103的数量和位置可以变化以适应不同的照相机角度，并避免高温区器件，否则它会妨碍熔体-晶体界面的照相机视线。也就是说，本发明允许改变区域103的数量和规定在预先计算的中心点C的Y坐标之下的角度β(例如在软件编译时间或系统操作运行时间内)。另外还允许区域103随着晶体31直径变化和运动(摆动)而变化。如上所述，图像处理器69限定边界检测工具(即感兴趣区域103)以便沿着弯液面55的亮环外侧进行3个或更多个测量。在这种情况下，图像处理器69根据可编程的椭圆区域定位区域103，其大小和位置排除不想要的图像。区域103设置得避免由于例如已知的从熔体表面99的反射以及晶体生长装置13的高温区器件的妨碍而引起的乱真阅读。如果边界没被一个或多个工具检测到，图像处理器69用剩下的三个或更多的有效点测量相应于晶体31图像的圆107。
有利的是，即使当边界在少于三个的区域103中检测时，系统11也提供晶体直径测量以供圆拟合软件使用。因而，如果弯液面55的相对较大的部分被例如高温区器件或晶体31本身阻挡(例如在不寻常的严重直径切入或正常的尾锥生长过程中)，直径也不会失控。为了这个目的，图像处理器69除了限定独立的用于圆拟合的径向区域103之外还在图像上限定感兴趣的前部区域109。优选地，前部区域109大致对准晶体31相对于照相机53的前部的中心。然后，图像处理器69为了图像的光学特性而检查区域109内的像素，以检测指示弯液面55的亮环前部边界。通过使用拟合圆107中心点C的最后有效计算，图像处理器69根据以下公式基于中心和边界的Y坐标之差来计算现在的圆直径D′：
D′＝2*(y中心-y边界)
然后，观察系统63的图像处理器69通过VME总线75传递晶体直径测量、熔体标高值、时间信号、控制信号等给PLC 71。
如以下将要描述的，观察系统63还在整个照相机图像的固定部分(如中央区域111)上搜索晶体31的图像，用于改变边界检测区域103的位置。例如，如果在图像中检测不到适当数量的亮环边界，可使用滴工具检测程序(blob tool detection function)。优选地，中央区域111形状上大致为椭圆形。
图5是图1晶体生长装置13的局部垂直截面示意图，它示出反射器组件115，该组件115在硅晶体31生长过程中定位。在本领域内众所周知的，高温区器件例如反射器组件115可出于热和/或气流管理目的放置在坩埚19内。例如，反射器115一般为适用于保留其下和熔体29之上的热量的隔热屏。不幸的是，常规高温区器件因妨碍照相机53对晶体31和熔体29之间界面的视线而干扰精确可靠的直径测量。
在图示实施例中，反射器组件115有晶体31可从其中拉过的中央开孔。由高度H和半径R确定的照相机53的位置决定必需的开孔尺寸以免反射器组件115妨碍照相机53对晶体31和熔体29之间界面的视线。晶体弯液面55的最大底切(undercut)决定H和R以使照相机53能看到晶体弯液面55。由于晶体生长装置13的物理尺寸使参数H和R在有限的范围内是固定的，这种关系决定在有限的范围内的开孔尺寸。如果反射器115的开孔大致为圆形，其直径Dr的限值可由下式确定：
Dr≥(2*Hr*R+H*Dm)/H
其中H是照相机53高出熔体表面99的高度，R为照相机53到轴39的径向距离，Hr是反射器115高出熔体表面99的高度，而Dm是弯液面55的直径(即Dm对应于圆直径D′)，因而，Dr随Hr增加而增加，以使反射器组件115不会妨碍照相机53的视线。
图6为反射器组件115相对于晶体31(以部分剖视图显示)的俯视图。在本发明的优选实施例中，反射组件115在其开孔附近有多个孔或槽口117，以大致为径向的方式从开孔向外延伸。在本领域内众所周知，希望使反射器115与晶体31之间的间隙最小化，以增加反射回熔体29的热量。槽口117本身提供窗口，即使开孔Dr的尺寸小于上述限值照相机53也可透过它们看到晶体-熔体界面。
在三槽反射器例如反射器115的情况下，图像处理器69优选地取定对应于槽口117的三个边界工具。也就是说，图像处理器69限定区域103的位置以使每一个都落在一个槽口117内。在多晶硅填料熔化后，区域103的位置通过借助PLC 71设置相对于中心Y坐标线的角度β来编程，把每个区域103对准各自的槽口117中心。边界检测区域103还可在软件中例如在编译时间内旋转，或者在填料熔化后通过旋转照相机53来旋转。
现在参照图7A和7B，系统11，包括控制单元51，根据流程图121进行操作，提供对晶体生长装置13的闭环控制。从步骤123开始，，照相机53生成坩埚19内部的图像。观察系统63的帧缓冲器67在步骤125捕获来自照相机53视频图像信号的图像，由图像处理器69进行处理。
在步骤129，图像处理器69接收到捕获的图像并调整其像素值，为由照相机53角度α引起的图像变形提供一定程度的补偿。有利的是，步骤129允许照相机53在观察区内移动以避免例如高温带的妨碍。如果移动，由于照相机53是倾斜的，照相机53一般相对于轴39会有不同的角度，这使其光轴101保持着对准轴39和熔体表面99的交叉处。照相机角度变化的结果是，大致为圆形的物体(如晶体31)在图像中表现为椭圆的程度也在变化。通过用源自cosα的可变因子而不是恒定换算因子来换算图像中的Y值(即Y像素)，图像处理器69调整图像以使相邻晶体31的明亮区域部分对于不同的照相机角度大致成弧形。在这种情况下，角度α可以在坩埚19内的多晶硅填料熔化时由PLC 71设置。
进行到步骤131时，图像处理器69判断生长过程是否处于尾锥阶段。如果不是(例如生长过程在颈、冠或主体阶段)，图像处理器69就继续步骤133。在步骤133，图像处理器确定与圆107中心点C成径向的区域103。有利地是，图像处理器把区域103沿着弧线定位，其每一个的端点优选设置在中心点C的Y坐标以下β角处。通过以此方式定位区域103，根据本发明操作的系统11不会有这样的误差，即在通过室15的观察区观察时因晶体31的主体使亮环的最大宽度模糊而引起的误差。
观察系统63在步骤137在区域103内开始边界检测。在步骤137，图像处理器69与PLC 71联合工作，处理为像素值的函数的图像以检测图像中的边界。优选地，处理器69运行几个程序来分析图像，包括在图像中的已限定的区域中分析灰度级变化(图像光强的函数)的边界检测程序。用于在图像中寻找和对边界计数的各种边界检测操作器或算法对本领域技术人员是都知道的。例如包括Canny或Hough算法的适当的边界检测程序。可以理解，除了光强以外，图像的其它特性例如光强梯度、颜色或对比度可用于从熔体29本身光学地分辨弯液面55或熔体29的表面99上的其它物体。
在晶体生长的拉晶阶段，图像处理器69优选进行数字化边界检测以确定弯液面55亮环的内侧或外侧周围至少三点的坐标。由于已知晶体31和弯液面55的横截面大致为圆形，由图像处理器69检测到的亮环边界坐标假定是椭圆的，换算并绘成圆形。在另一方面，边界坐标可通过补偿由照相机53安装角度引起的变形来绘制圆形。在此引为参考的是，在1987年的《Digital Image Fundamentals》36-52页中Gonzalez和Wintz公开描述了用于补偿由于照相机相对三维物体的位置引起的透视变形的数学换算。这种换算可用来从变形的椭圆形状求得圆形。而且，共同转让的美国专利5656078，其整个公开内容在此引作参考，描述了用于对弯液面成像的非变形照相机，不需要进行复杂的数学换算。
在这种情形中，观察系统63的图像处理器69通过在每个感兴趣区域103中检查像素的光强梯度来进行边界检测。梯度通过对每个区域103内图像的相对强度求导而获得。因而，图像处理器69辨别每个区域103内光强变化最大的坐标，它就表示亮环的边界。在步骤139，如N个边界坐标确定，图像处理器69继续执行步骤141，通过诸如Hough换算或最小二乘法的圆拟合算法把已确定的边界坐标拟合成大致的圆形。例如，Hough算法使用分类程序求得能用来找到圆的数据点群，然后找到用于期望物体的最好的数据点群。接着把数据平均求得拟合圆的中心和半径。
在步骤145，观察系统63通过比较已限定的圆形107和精确圆来判断圆拟合的质量。这个判断提供测量有效性的指示。如果已限定的形状足够圆，观察系统63继续步骤147传递代表已限定的圆107的直径D′和中心点C的(x，y)坐标给控制单元51的PLC 71，用于控制晶体生长过程。控制单元51接着执行对应于这些判断参数的程序来控制晶体生长装置13。
然后系统11的操作进行到步骤149，其中计数器N设置为0。图像处理器69接着在返回步骤125之前，在步骤153基于限定的中心点和半径改变区域103的位置。在此方式中，区域103基本对准弯液面55亮环的检测边界的中心，而图像处理器69与晶体31在拉出过程中的移动和直径的变化相对应。
如果在步骤139中，在区域103内没有限定亮环的N个边界坐标，或者如果图像处理器69在步骤145中判断拟合质量不能接受，图像处理器69在步骤155中对计数器N加1。然后图像处理器重复先前的步骤直到在步骤157中N＝5，或直到图像处理器69限定可接受的圆107为止。例如在五次不成功的限定亮环边界的企图后，图像处理器69搜索亮环的大致位置。在步骤161，图像处理器69基于先前的中心坐标和圆半径限定圆或椭圆的搜索区域(即中央窗口区域111)。也就是说，区域111对准晶体31大致的中心。然后图像处理器69在步骤163在已限定的区域111内执行区域检测程序。步骤163的区域检测程序，在这种情况是滴分析(blob analysis)，它根据亮环相对图像背景光强的强度找到弯液面55在图像上的大致位置，图像背景在这种情况下表示熔体表面99。图像处理器69确定用于限定区域103的预选位置的大致的中心点和半径，在步骤149重置计数器N，在步骤153重新改变窗口区域103的位置，然后返回到步骤125重新启动程序。
优选地，观察系统63在整个照相机图像的固定部分上搜索晶体31的图像。例如，滴检测程序用于在椭圆区域111中检测晶体图像，而忽略在区域111之外的目标。在一个实施例中，区域111的x和y坐标以及直径在坩埚19中多晶硅填料熔化后由PLC 71编程。
在本领域内众所周知，滴在图像中是关联区域，滴分析包括基于其几何特征(如面积、长度等)的滴辨别。换言之，处理器69通过检查目标形状(如目标最大和最小轴之比)或检查目标本身面积来进行滴分析。进而，亮环检测步骤可包括连通性分析来对在图像中检测到的边界分组，边界为其在图像中的位置(即坐标)的函数，连通性分析经常包括在滴分析中。例如，Stanford研究所开发了一套称作SRI算法的程序用于几何分析和滴辨别。SRI算法包括把图像转化成二元成分；进行连通性分析辨别每个滴或目标；计算图像目标的核芯统计特征；以及计算用户另外选择的特征的步骤。
另一方面，如果图像处理器69判断生长过程处于尾锥阶段，就执行步骤165计算圆107的估计的或大致的半径(或直径)。如上所述，弯液面55相对较大的部分在尾锥生长过程中被晶体31阻挡。有利的是，即使边界在少于三个区域103的区域中检测到，系统11也提供晶体直径测量供圆拟合软件使用。因而，直径控制在尾锥生长过程中或如果弯液面55相对较大的部分被晶体31阻挡时不会失去。在这种情况下，图像处理器69使用拟合圆107中心点C的最后有效计算，基于先前中心y坐标和现在的边界y坐标之差来计算现在的圆半径。
在步骤167，图像处理器69把圆半径测量通过VME总线75报告给PLC 71，并使感兴趣的边界检测区域的位置在步骤169调整，以在返回步骤125重新开始程序之前适应新的圆半径测量。
直径测量波动性的根源是亮环的宽度随坩埚19的高温壁高度变化，高温壁暴露给弯液面55并被它反射。当熔体29减少时，亮环宽度增加，这使晶体31显得更大并可导致实际要生长的晶体31尺寸过小。作为使用纠正常数的替代方案，亮环宽度能用另外的影像工具或数学模型计算。因而，例如，除了在熔体29和亮环之间检测边界之外检测晶体31和亮环之间的边界可用来提供亮环宽度的测量。进一步地，弯液面55的数学模型考虑了其对于坩埚壁高度的反射特性，提供亮环宽度的测量。
在优选实施例中，控制单元51的PLC 71随硅晶体31的已确定的圆直径D而动作，用于控制坩埚19和晶体31的旋转速率和/或晶体从熔体29拉出的速率和/或熔体29的温度；并随着对熔体标高45的判断而动作，用于控制坩埚液面由此控制晶体生长装置13。象这样，在包括晶颈生长的阶段中进行闭环控制以保持晶体直径。
进而，如共同转让的美国专利5665159和5653799中描述的那样，弯液面55的边界坐标可用来检测晶体直径相对于晶体驱动单元47旋转晶体31的速率的周期性差异。通过检测这些直径差异，系统11能检测大致平行与垂直轴39并沿晶体31主体相隔开的面或惯习线。惯习线也称作生长线，在晶体31横截面的圆周上表现为凸形特征并表示零位错生长。

Claims (10)

1.一种确定在晶体生长装置中拉出的硅单晶的大致的直径的方法，该晶体生长装置具有：装有硅熔体的加热坩埚，晶体从该熔体中拉出，当晶体从熔体拉出时所述熔体的表面具有看起来是与晶体相邻的明亮区域的弯液面；照相机生成包括与晶体相邻的明亮区域部分的坩埚内部的图像，所述图像包括多个像素，每一个所述像素都具有表示图像光学特性的值；图像处理器限定图像的多个边界检测区域，并把图像处理为像素值的函数以检测边界检测区域内的边界，该方法用于改变边界检测区域的位置，并从图像中由被检测的边界限定的对应于晶体的目标的尺寸来确定晶体的大致直径，该方法包括以下步骤：
限定在图像中对应于晶体的大致中心的位置上的中央窗口区域，所述中央窗口区域具有椭圆形状；
把图像处理为中央窗口区域内的像素值的函数以确认晶体在图像中的位置；
在相对于中央窗口区域的多个预选位置，基于中央窗口区域内晶体的位置限定图像的多个边界检测区域；
把图像处理为边界检测区域内的像素值的函数，只检测在中央窗口区域内的边界；
通过对被检测到的边界进行分组，在中央窗口区域内限定与晶体对应的目标；
测定已限定目标的尺寸；以及
确定作为已限定目标的被测定的尺寸的函数的晶体的大致直径。
2.如权利要求1的方法，其中：所述测定已限定目标的尺寸的步骤包括，通过已限定中心确定目标的中心和目标的宽度，所述目标的中心对应于晶体的大致中心，所述目标的宽度对应于晶体的大致的直径。
3.如权利要求2的方法，其中：所述限定边界检测区域的步骤包括，在相对于目标的中心径向设置且距中心的距离大致为目标宽度一半的位置上限定图像的多个窗口区域，在径向窗口区域内检测到的所述边界对应于与晶体相邻的明亮区域的边界。
4.如权利要求3的方法，其中进一步包括，基于在径向窗口区域内检测到的边界限定对应弯液面形状的曲线的步骤、确定已限定曲线的尺寸的步骤、和确定作为已限定曲线的被测定尺寸的函数的晶体直径的步骤。
5.如权利要求4的方法，其中已限定曲线代表拟合在径向窗口区域内检测到的边界的圆，且还包括把径向窗口区域移动到相对于已限定圆的中心径向设置且距中心的距离为被确定的晶体直径的大致一半的位置上的步骤。
6.如权利要求4的方法，其中晶体大致为圆柱形，明亮区域大致为圆环形，且所述限定曲线的步骤包括限定包含圆环形明亮区域的边界的圆，该边界在至少三个径向窗口区域内被限定。
7.如权利要求4的方法，其中晶体大致为圆柱形，明亮区域大致为圆环形，且所述限定曲线的步骤包括确定包含圆环形明亮区域的边界的椭圆，该边界在至少三个径向窗口区域内被限定。
8.如权利要求2的方法，其中还包括限定晶体的相对于参考(x，y)坐标系的大致中心的步骤，且所述限定边界检测区域的步骤包括在相对于晶体的已限定中心径向设置的位置上限定图像的多个窗口区域，至少一个径向窗口区域位于已限定中心的y坐标以下β角处，其中β在大约15°到大约50°之间，在径向窗口区域内检测到的所述边界对应于与晶体相邻的明亮区域的边界。
9.如权利要求8的方法，其中所述晶体生长装置包括位于坩埚之内、熔体表面之上的反射器，所述反射器具有晶体从其中拉过的中央开孔且具有从中央开孔沿径向向外延伸的多个槽口，且所述限定径向窗口区域的步骤包括在每个槽口内对一个径向窗口区域进行定位。
10.如权利要求1的方法，其中还包括限定其半径大约等于从晶体的大致中心到亮环边界距离的圆的步骤、确定作为已限定圆的半径的函数的晶体直径的步骤、限定相对于参考(x，y)坐标系的晶体大致中心的步骤、以及在晶体的已限定中心的y坐标之下且在距晶体的已限定中心的距离为晶体的大致直径的大致一半的位置上确定图像前部窗口区域的步骤；且还包括把图像处理为像素值的函数，以检测在前部窗口区域内的边界的步骤，在前部窗口区域内检测到的所述边界对应于与晶体相邻的明亮区域的边界。
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