DE69803932T2

DE69803932T2 - Verfahren und anlage zur steuerung der züchtung eines siliziumkristalls

Info

Publication number: DE69803932T2
Application number: DE69803932T
Authority: DE
Inventors: Massoud Javidi
Original assignee: SunEdison Inc
Current assignee: SunEdison Inc
Priority date: 1997-07-17
Filing date: 1998-07-08
Publication date: 2002-11-28
Anticipated expiration: 2018-07-09
Also published as: MY118719A; EP1002144B1; US5846318A; JP4253117B2; TWI223679B; JP2001510141A; WO1999004066A1; KR100491392B1; KR20010021831A; CN1268194A; CN1202290C; EP1002144A1; DE69803932D1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein ein verbessertes Verfahren und ein System zur Regelung einer Vorrichtung oder eines Verfahrens zur Benutzung des Czochralski- Prozesses zum Züchten von Siliziumkristallen und insbesondere ein Bildsystem und eine Methode zur Messung von Parametern des Siliziumkristalls und des Siliziumkristall-Wachstumsprozesses für den Einsatz bei der automatischen Regelung des Wachstumsprozesses auf Basis der gemessenen Parameter.
Das monokristalline oder Einkristall-Silizium zur Herstellung von Siliziumscheiben für die Mikroelektronik- Industrie wird überwiegend durch Kristallziehmaschinen unter Benutzung des Czochralski-Verfahrens hergestellt. Kurz beschrieben, beinhaltet das Czochralski-Verfahren das Einschmelzen von Stücken oder Körnern hochreinen polykristallinen Siliziums oder Polysiliziums in einem in einem spezifisch ausgebildeten Ofen angeordneten Quarztiegel unter Bildung einer Siliziumschmelze. Typischerweise ist das Polysilizium beispielsweise ein unregelmäßig geformtes stückiges Polysilizium, das z. B. nach dem Siemens-Verfahren hergestellt wurde. Alternativ kann fließfähiges, im Allgemeinen kugelförmiges, körniges polykristallines Silizium eingesetzt werden, das typischerweise durch ein relativ einfacheres und wirksameres Wirbelbett-Reaktionsverfahren hergestellt wird. Die Herstellung und Eigenschaften von stückigem und körnigem Polysilizium sind im Einzelnen in F. Shimura, Semiconductor Silicon Crystal Technology, Seiten 116-121, Academic Press (San Diego, CA, 1989) und den dort zitierten Verweisungen beschrieben.
Insbesondere bei einer Charge aus Polysiliziumstücken kann die Charge sich während des Einschmelzens verschieben, 5 oder ihr unterer Teil kann wegschmelzen und einen "Hänger" aus ungeschmolzenem Material zurücklassen, der oberhalb der Schmelze an der Tiegelwandung klebt. Wenn sich die Charge verschiebt oder ein Hänger zusammenbricht, kann sie bzw. er geschmolzenes Silizium verspritzen und/oder an dem Tiegel Schäden durch mechanische Beanspruchung verursachen. Durch richtige Steuerung der Tiegeltemperatur während des Schmelzens kann jedoch die Wirkung von Hängern und dergl. verringert werden.
Nach dem Czochralski-Verfahren wird ein relativ kleiner Keimkristall über dem Tiegel an dem unteren Ende eines an einem Kristallhebemechanismus hängenden Ziehkabels oder einer Ziehwelle zum Heben und Senken des Keimkristalls angebracht. Nach Beendigung des Einschmelzens senkt der Kristallhebemechanismus den Keimkristall in Berührung mit dem geschmolzenen Silizium in den Tiegel. Wenn der Keim zu schmelzen beginnt, zieht der Mechanismus ihn langsam in einer Weise aus der Siliziumschmelze, die ausreicht, um einen gewünschten Kristalldurchmesser zu erreichen und dann den Einkristall von diesem Durchmesser zu züchten. Während der Keim zurückgezogen wird, zieht er Silizium aus der Schmelze. Während des Wachstumsprozesses rotiert der Tiegel in einer Richtung, und der Kristallhebemechanismus, Kabel, Keim und der Kristall rotieren in der entgegengesetzten Richtung.
Wenn das Kristallwachstum begonnen wird, kann der thermische Schock bei der Berührung des Keims mit der Schmelze in dem Kristall Versetzungen verursachen. Die Versetzungen pflanzen sich durch den wachsenden Kristall fort und multiplizieren sich, wenn sie nicht in dem Halsbereich zwischen den Keimkristall und dem Hauptkörper des Kristalls eliminiert werden. Die bekannten Verfahren zur Beseitigung von Versetzungen in dem Silizium- Einkristall beinhalten das Züchten eines Halses mit kleinem Durchmesser bei einer relativ hohen Kristallziehgeschwindigkeit, um die Versetzungen vollständig zu eliminieren, bevor der Kristallkörper gezüchtet wird. Nachdem die Versetzungen in dem Hals beseitigt sind, wird der Durchmesser vergrößert, bis der gewünschte Durchmesser des Hauptkristallkörpers erreicht ist.
Das Czochralski-Verfahren wird wenigstens zum Teil als Funktion des Durchmessers des Körpers des wachsenden Kristalls gesteuert. Die europäische Patentbeschreibung Nr. 0 745 830A beschreibt Verfahren bzw. ein System zur genauen und zuverlässigen Messung des Kristalldurchmessers, Feststellung eines Wachstums ohne Versetzung und Bestimmung des Niveaus der Siliziumschmelze.
Mehrere Faktoren, darunter der Kristalldurchmesser und das Schmelzeniveau beeinflussen oder sind maßgebend für die Größe und Qualität des Kristalls während des Kristallwachstumsverfahrens. Die dem Tiegel zugeführte Wärmemenge, die Temperatur des geschmolzenen Siliziums, die Anwesenheit ungeschmolzenen oder wieder fest gewordenen Polysiliziums in der Schmelze oder an der Tiegelwand haftend, der Tiegeldurchmesser, die Anwesenheit von Quarz in der Schmelze und die Größe und Form des Meniskus an der Grenzfläche Kristall/Schmelze beeinflussen beispielsweise alle das Verfahren oder liefern Informationen über den Kristall. Daher ist ein genaues und zuverlässiges System zur Bestimmung einer Anzahl von Parametern in Bezug auf diese Faktoren erwünscht, um den Kristallwachstumsprozess zu steuern.

Abriss der Erfindung

Unter den Zielen und Merkmalen der vorliegenden Erfindung sind zu nennen die Schaffung eines verbesserten Regelungs- und Betriebsverfahrens und -systems, welche die oben beschriebenen nachteiligen Bedingungen beseitigen; die Schaffung eines solchen Verfahrens und eines Systems für den Einsatz bei einer nach dem Czochralski-Verfahren arbeitenden Kristallzüchtungsvorrichtung; die Schaffung eines solchen Verfahrens und eines Systems, die die Geschwindigkeit messen, mit der eine Polysiliziumcharge in einem Tiegel unter Bildung einer Siliziumschmelze einschmilzt; die Schaffung eines solchen Verfahrens oder eines Systems, das die Beendigung des Schmelzens bestimmt; die Schaffung eines Verfahrens und eines Systems, das die Temperatur der Schmelze misst; die Schaffung eines solchen Verfahrens und eines Systems, das festes Silizium in dem Tiegel feststellt; die Schaffung eines solchen Verfahrens und eines Systems, das die Berührung zwischen einem Keimkristall und der Schmelze feststellt; und die Schaffung eines solchen Verfahrens, das wirksam und wirtschaftlich durchgeführt werden kann, und eines solchen Systems, das wirtschaftlich gangbar und kommerziell praktikabel ist.
Kurz beschrieben wird ein geschlossenes Regelkreisverfahren, das Aspekte der vorliegenden Erfindung verkörpert, in Verbindung mit einer Vorrichtung zum Züchten eines Silizium-Einkristalls eingesetzt. Die Kristallzüchtungsvorrichtung hat einen beheizten Tiegel zum Schmelzen des festen Siliziums und zur Bildung einer Schmelze, aus der der Einkristall gezogen wird. Die Schmelze hat eine obere Oberfläche, über der ungeschmolzenes Silizium freiliegt, bis es geschmolzen ist. Das Verfahren beinhaltet die Stufe der Erzeugung von Bildern eines Teils des Tiegelinneren. Die Bilder haben jeweils eine Mehrzahl von Bildpunkten, und die Bildpunkte haben jeweils einen Wert, der für eine optische Eigenschaft des Bildes repräsentativ ist. Das Verfahren umfasst auch die Bildverarbeitung als Funktion der Bildpunktwerte, um Ränder in den Bildern festzustellen, und die Gruppierung der festgestellten Ränder als Funktion ihrer Anordnungen in den Bildern, um Objekte in den Bildern zu definieren. Jedes definierte Objekt hat einen oder mehrere Bildpunkte, und wenigstens eins der definierten Objekte ist für ein festes Siliziumstück repräsentativ, das auf der Oberfläche der Schmelze sichtbar ist. Das Verfahren umfasst ferner die Stufen der Bestimmung wenigstens eines Parameters, der für einen Zustand der Kristallzüchtungsapparatur repräsentativ ist, auf Basis der definierten Gegenstände und der Steuerung der Kristallwachstumsapparatur aufgrund der bestimmten Parameter.
Eine andere Form der Erfindung ist allgemein ein System für den Einsatz in Kombination mit einer Vorrichtung zum Züchten eines Silizium-Einkristalls. Die Kristallzüchtungsapparatur hat einen beheizten Tiegel zum Einschmelzen von festem Silizium zu einer Schmelze, aus der der Einkristall gezogen wird. Die Schmelze hat eine obere Oberfläche, über der ungeschmolzenes Silizium freiliegt, bis es geschmolzen ist. Das System umfasst eine Kamera zur Erzeugung von Bildern eines Teils des Inneren des Tiegels. Jedes der Bilder hat mehrere Bildelemente und jedes der Bildelemente hat einen Wert, der für eine optische Eigenschaft des Bildes repräsentativ ist. Das System hat auch einen Bildprozessor zur Bildverarbeitung als Funktion der Bildpunktwerte, um Ränder in den Bildern festzustellen. Der Bildprozessor gruppiert die festgestellten Ränder als Funktion ihrer Stellen in den Bildern, um Objekte in den Bildern zu definieren. Jedes definierte Objekt umfasst ein oder mehrere Bildelement(e), und wenigstens einer der definierten Objekte ist für ein Stück des festen Siliziums repräsentativ, das auf der Oberfläche der Schmelze sichtbar ist. Das System umfasst ferner einen Regelkreis zur Bestimmung wenigstens eines Parameters, der für den Zustand der Kristallzüchtungsapparatur repräsentativ ist, auf Basis der definierten Objekte, und zur Regelung der Kristallzüchtungsapparatur nach dem bestimmten Parameter.
Alternativ kann die Erfindung verschiedene andere Verfahren und Systeme umfassen.
Andere Aufgaben und Merkmale werden nachfolgend teils offensichtlich und teils ausgeführt.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist eine Darstellung einer Kristallzüchtungsapparatur und eines Systems zur Regelung der Kristallzüchtungsapparatur nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm einer Regelanlage des Systems der Fig. 1.
Fig. 3 ist eine Schnittansicht der Kristallzüchtungsapparatur der Fig. 1, die eine teilweise eingeschmolzene Anfangscharge aus stückigem Polysilizium zeigt.
Fig. 4 ist eine Schnittansicht der Kristallzüchtungsapparatur der Fig. 1, die einen Teil eines Siliziumkristalls zeigt, der aus einer in der Apparatur enthaltenen Schmelze gezogen wird.
Die Fig. 6 bis 9 sind beispielhafte Fließdiagramme, die den Betrieb der Regelanlage der Fig. 2 erläutern.
Entsprechende Bezugszeichen bezeichnen in der Zeichnung entsprechende Teile.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Ein System 21 für den Einsatz bei einer Czochralski- Kristallzüchtungsapparatur 23 nach der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt. Bei der dargestellten Ausführungsform hat die Kristallzüchtungsapparatur 23 eine Vakuumkammer 25, die einen Tiegel 27 umgibt. Vorzugsweise bekleidet eine Isolierung 33 die Innenwand der Vakuumkammer 25. Typischerweise umgibt ein mit Wasser beschickter Kammerkühlmantel (nicht gezeigt) die Vakuumkammer 25, und eine Inertatmosphäre aus Argongas 35 (siehe Fig. 3 und 4) wird in Vakuumkammer 25 eingeführt, und Gas wird aus der Vakuumkammer 25 durch eine (nicht gezeigte) Vakuumpumpe entfernt.
Nach dem Czochralski-Einkristall-Züchtungsverfahren wird eine Menge polykristallines Silizium oder Polysilizium, von dem Teile in Fig. 3 allgemein mit 37 bezeichnet sind, in den Tiegel 27 chargiert. Der Erhitzer- Netzänschluss 29 liefert elektrischen Strom durch den Widerstandserhitzer 31, um die Charge zu schmelzen und so eine Siliziumschmelze 39 zu bilden, aus der ein Einkristall 41 gezogen wird. Der Einkristall 41 beginnt mit einem Keimkristall 43, der an eine Ziehwelle oder ein Ziehkabel 45 angeheftet ist. Wie in Fig. 1 gezeigt, haben der Einkristall 41 und der Tiegel 27 eine gemeinsame Symmetrieachse 47.
Eine Tiegelantriebseinheit 49 rotiert den Tiegel 27 beispielsweise im Uhrzeigerdrehsinn und hebt und senkt den Tiegel 27 je nach Wunsch während des Wachstumsverfahrens. Eine Kristallantriebseinheit 51 rotiert das Kabel in einer Richtung entgegengesetzt zu der, in welcher die Tiegelantriebseinheit 49 den Tiegel 27 rotiert. Die Kristallantriebseinheit 51 hebt und senkt den Kristall 41 relativ zu dem Schmelzeniveau 53 wunschgemäß während des Wachstumsverfahrens. Die Kristallantriebseinheit 51 senkt zunächst den Keimkristall 43 zwecks Vorwärmung mittels Kabel 45 fast bis zur Berührung mit dem geschmolzenen Silizium der Schmelze 39 und dann in Berührung mit der Schmelze 39 an dem Schmelzeniveau 53. Sobald der Keimkristall 43 schmilzt, zieht ihn die Kristallantriebseinheit 51 langsam von der in dem Tiegel 27 enthaltenen Schmelze 39 zurück, wobei der Keimkristall 43 Silizium aus der Schmelze 39 zieht, um ein Wachstum des Silizium-Einkristalls 41 zu erzeugen.
Bei einer Ausführungsform dreht die Kristallantriebseinheit 51 den Kristall 41 mit einer Bezugsgeschwindigkeit, wenn sie den Kristall 41 aus der Schmelze 39 zieht. Eine Tiegelantriebseinheit 49 dreht in ähnlicher Weise den Tiegel 27 mit einer zweiten Bezugsgeschwindigkeit, jedoch gewöhnlich zu dem Kristall 41 5 in entgegengesetzter Richtung. Anfangs regelt eine Regelanlage 55 die Abzug- oder Ziehgeschwindigkeit sowie die durch die Stromversorgung 29 dem Erhitzer 31 zugeführte Energie, um eine Einschnürung des Kristalls 41 zu verursachen. Während des Kristallwachstumsprozesses, insbesondere in dem Halsteil des Kristalls 41, ist eine genaue und zuverlässige Regelung erwünscht. Der Hals wird vorzugsweise mit einem im Wesentlichen konstanten Durchmesser gezüchtet, wenn der Keimkristall 43 aus der Schmelze 39 gezogen wird. Die Regelanlage 55 hält einen im Wesentlichen konstanten Halsdurchmesser von ca. 15% des gewünschten Körperdurchmessers ein. Nachdem der Hals die gewünschte Länge erreicht hat, stellt die Regelanlage 55 den Dreh-, Zieh- und/oder Heizparameter ein, um zu veranlassen, dass der Durchmesser des Kristalls 41 in kegelförmiger Form wächst, bis der gewünschte Durchmesser des Kristallkörpers erreicht ist. Sobald der gewünschte Kristalldurchmesser erreicht ist, regelt die Regelanlage 55 die Wachstumsparameter, um einen relativ konstanten Durchmesser, wie er durch das System 21 gemessen wird, aufrecht zu erhalten, bis das Verfahren sich seinem Ende nähert. An diesem Punkt werden die Ziehgeschwindigkeit und die Erhitzung gesteigert, um den Durchmesser zu verringern und an dem Ende des Einkristalls 41 einen verjüngten Teil zu bilden. US-Patent Nr. 5,178,720 beschreibt eine bevorzugte Methode zur Regelung der Drehgeschwindigkeiten von Kristall und Tiegel als Funktion des Kristalldurchmessers.
Vorzugsweise arbeitet die Regelanlage 55 in Verbindung mit wenigstens einer zweidimensionalen Kamera 57, um mehrere Parameter des Wachstumsprozesses zu bestimmen. Die Kamera 57 ist beispielsweise eine Ladungsverschiebeelement- (CCD)-Schwarz/Weiß-Kamera, wie etwa eine CCD-Videokamera Sony XC-75 mit einer Auflösung von 768 · 494 Bildpunkten. Eine andere geeignete Kamera ist die Kamera Javelin SmartCam JE. Die Kamera 57 ist über einer (nicht gezeigten) Sichtöffnung der Kammer 25 montiert und zielt im Allgemeinen auf den Schnittpunkt der Achse 47 mit der Schmelze 39 an dem Schmelzeniveau 53 (siehe Fig. 3 und 4). Der Bedienungsmann der Kristallzüchtungsvorrichtung 23 positioniert die Kamera 57 beispielsweise unter einem Winkel von etwa 34º zu der im Wesentlichen vertikalen Achse 47.
Die Kamera 57 erzeugt vor und während des Ziehens des Kristalls 41 Videobilder des Inneren des Tiegels 27. Die von der Kamera 57 erzeugten Bilder während des Ziehens umfassen vorzugsweise einen Teil des Meniskus 59 (siehe Fig. 4) an der Grenzfläche zwischen der Schmelze 39 und dem Kristall 41. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kamera 57 mit einer Linse (z. B. 16 mm) ausgestattet, die ein relativ breites Gesichtsfeld (z. B. etwa 320 mm) liefert. Die Linse kann ein Teleobjektiv sein, das eine verbesserte Betrachtung der Grenze zwischen der Schmelze 39 und dem Kristall 41 liefert. Bei einer anderen Ausführungsform hat das System 21 zwei Kameras 57; eine liefert ein relativ breites Sichtfeld zur Betrachtung des Inneren des Tiegels 27 allgemein, und die andere liefert ein relativ enges Sichtfeld zur Betrachtung der Grenzfläche Schmelze/Kristall im besonderen. In jedem Falle sind Schmelze 39 und Kristall 41 im Wesentlichen selbstleuchtend und eine äußere Lichtquelle für die Kamera(s) 57 ist nicht nötig. Zur Klarheit ist die folgende Beschreibung auf eine einzige Kamera 57 gerichtet.
Die Regelanlage 55 verarbeitet Signale von der Kamera 57 sowie von anderen Sensoren. Beispielsweise kann ein Temperatursensor 61, etwa eine Photozelle benutzt werden, um die Temperatur der Oberfläche der Schmelze zu messen. Die Regelanlage 55 umfasst einen programmierten Digital- oder Analogrechner 63 (siehe Fig. 2) für den Einsatz u. a. zur Regelung der Tiegelantriebseinheit 49, der Einkristallantriebseinheit 51 und des Erhitzernetzteils 29 als Funktion der verarbeiteten Signale.
Fig. 2 erläutert eine bevorzugte Ausführungsform der Steueranlage 55 in Form eines Blockdiagramms. Die Kamera 57 überträgt Videobilder von dem Inneren des Tiegels 27 über die Leitung 65 (z. B. Videokabel RS-170) an ein Bildsystem 67. Wie in Fig. 2 gezeigt, umfasst das Bildsystem 67 ein Videobild-Wiederholspeicher 69 und einen Bildprozessor 71 für das Erfassen und Verarbeiten des Videobildes.
Beispielsweise ist das Bildsystem 67 ein Imagination Frame Grabber CX-100 oder ein Bildsystem Cognex CVS-4400. Das Bildsystem 67 kommuniziert seinerseits über die Leitung 75 mit einer programmierbaren Logik-Steuereinheit (PLC) 73. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die PLC 73 ein Modell 575 PLC oder ein Modell 545 PLC von Texas Instruments, und die Leitung 75 stellt eine Datenübertragungsschnittstelle dar (z. B. Backplane- Schnittstelle VME). Das Bildsystem 67 kommuniziert über die Leitung 79 (z. B. Videokabel RS-170 RGB) mit einem Bildschirm 77, um das von der Kamera erzeugte Videobild anzuzeigen. Es ist zu bemerken, dass das Bildsystem 67, wie es durch bestimmte Systeme verkörpert wird, seinen eigenen Rechner (nicht gezeigt) enthalten kann oder in Verbindung mit einem Personalcomputer 63 für die Verarbeitung der erfassten Bilder benutzt werden kann.
Bei der dargestellten Ausführungsform der Fig. 2 kommuniziert PLC 73 über Leitung 85 (z. B. Kabel RS-232) mit dem Computer 63 und über Leitung 89 (z. B. Kabel RS- 485) mit einem oder mehreren Eingabe/Ausgabe-Prozessmodulen 87. Der Rechner 63 wird erfindungsgemäß benutzt, um die Automatisierung des Kristallzüchtungsprozesses zu programmieren und liefert eine Bedienerschnittstelle, die der Bedienungsperson der Kristallzüchtungsvorrichtung 23 gestattet, einen Satz gewünschter Parameter für den besonderen in der Züchtung befindlichen Kristall einzugeben. Der Eingabe/Ausgabe-Prozessmodul 87 schafft einen Weg zu und von der Kristallzüchtungsvorrichtung 23, um den Wachstumsprozess zu regeln. PLC 73 empfängt z. B. Informationen über die Temperatur der Schmelze von dem Temperatursensor 61 und gibt über den Eingabe/Ausgabe- Prozessmodul 87 ein Regelsignal an das Erhitzer-Netzteil 29 aus, um die Temperatur der Schmelze und dadurch den Wachstumsprozess zu regeln. In Abhängigkeit von der durch PLC 73 verkörperten besonderen Regeleinheit kann die Datenübertragungsschnittstelle 75 beispielsweise eine kundenspezifische Steckeinheit VME sein, die eine zusätzliche Übertragungssteckplatte umfasst (z. B. Modell 2571 Programm Port Expander Modul unter Benutzung des seriellen, bidirektionellen PLC-Anschlusses RS-422).
Der Tiegel 27 hat nach Fig. 3 eine innere Oberfläche 91, eine äußere Oberfläche 93 und eine Mittellinie im Allgemeinen längs der Achse 47. Die innere Oberfläche 91 des Tiegels 27 kann mit einem Entglasungspromotor beschichtet sein und umfasst einen Bodenteil 95 und einen Seiten- oder Wandteil 97. Wie in Fig. 3 gezeigt, verläuft die Wand 97 des Tiegels 27 im Wesentlichen parallel zu der Achse 47, die den ungefähren geometrischen Mittelpunkt des Bodens 95 schneidet. Obgleich die Geometrie des dargestellten Tiegels 27 bevorzugt wird, kann die besondere Geometrie des Tiegels 27 von der dargestellten Ausführungsform variieren und doch unter die Erfindung fallen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Charge aus stückigem und/oder körnigem Polysilizium 37 in den Tiegel 27 geladen, um eine Siliziumschmelze 39 herzustellen. Das gemeinsam übertragene US-Patent Nr. 5,588,993 sowie die Anmeldung Nr. 08/595,075, eingereicht am 01. Februar 1996, beschreiben geeignete Verfahren zur Vorbereitung der polykristallinen Siliziumcharge. Wenn der Tiegel 27 beladen ist, wird er in die Kristallzüchtungsvorrichtung 23 eingesetzt, deren Erhitzer 31 das Polysilizium 37 unter Bildung der Siliziumschmelze 39 einschmilzt. Wie in Fig. 3 gezeigt, ist die Polysiliziumcharge 37 teilweise unter Bildung der Schmelze 39 geschmolzen und ungeschmolzene feste Teile des Polysiliziums 37 schwimmen auf der Oberseite 99 der Schmelze 39, da sie eine geringere Dichte als das geschmolzene Silizium haben. Wie oben beschrieben, kann sich die Charge des Polysiliziums 37 während des Schmelzens verschieben oder ihr Unterteil kann wegschmelzen, wobei ein allgemein mit 101 bezeichneter Hänger aus ungeschmolzenem Material zurückbleibt, der an der Tiegelwandung 97 oberhalb der Oberfläche 99 der Schmelze zurückbleibt.
Bezugnehmend weiter auf Fig. 3 trägt ein Halter 103, der sich auf einer mit der Tiegelantriebseinheit 49 verbundenen beweglichen Lagerbock befindet, den Tiegel 27. Der Lagerbock 105 ist so angeordnet, dass der Boden 95 des Tiegels 27 in der Nähe der Oberkante des Erhitzers 31 ist und allmählich in den Raum innerhalb des Erhitzers 31 abgesenkt wird. Die Geschwindigkeit, mit der die Tiegelantriebseinheit 49 den Tiegel 27 in den Erhitzer 31 absenkt, sowie andere Faktoren (z. B. Erhitzerleistung, Tiegeldrehung und Systemdruck) beeinflussen das Einschmelzen des Polysiliziums 37. Bei dem Czochralski- Verfähren werden während der Erhitzung des Polysiliziums 37 unerwünschte Gase, wie SiO(g), durch das Spülgas 35 aus dem Tiegel 27 gespült. Das Spülgas 35 ist typischerweise ein Inertgas, wie Argon.
Wie oben beschrieben ist die Kamera 57 in einer Sichtöffnung der Kammer 25 montiert und sie zielt im Allgemeinen auf den Schnittpunkt zwischen der Achse 47 und der Oberfläche 99 der Schmelze 39. Dabei bildet die optische Achse 107 der Kamera 57 einen spitzen Winkel θ (z. B. θ = 15-34º) mit der Achse 47. Die Kamera 57 liefert 5 vorzugsweise erfindungsgemäß ein Sichtfeld, das die Breite des Tiegels 27 umfasst. Eine passende Auswahl von Objektiv und Kamera liefert eine Teleobjektivsicht mit hoher Auflösung kleiner Keime und Hälse sowie eine Weitwinkelsicht der Polysiliziumcharge 37 und des größeren Körperteils des Kristalls 41.
Fig. 4 ist eine Teilansicht des Siliziumkristalls 41 bei Ziehen aus der Schmelze 39 und zeigt eine spätere Phase des Kristallzüchtungsverfahrens nach dem Niederschmelzen und Eintauchen des Keimkristalls 43. Wie gezeigt, bildet der Kristall 41 einen im Allgemeinen zylindrischen Körper aus kristallinem Silizium (d. h. einen Block) mit einem Durchmesser D. Es ist zu bemerken, dass ein Einkristall wie gewachsen, wie etwa Kristall 41, keinen gleichmäßigen Durchmesser haben kann, obgleich er allgemein zylindrisch ist. Aus diesem Grunde kann der Durchmesser D an verschiedenen axialen Stellen entlang der Achse 47 etwas variieren. Ferner wird der Durchmesser D in unterschiedlichen Phasen des Kristallwachstums (z. B. Keim, Hals, Krone, Schulter, Körper und Endkonus) variieren.
Fig. 4 stellt auch die Oberfläche 99 der Schmelze 39 dar, die einen an der Grenzfläche zwischen Kristall 41 und Schmelze 39 gebildeten Flüssigkeitsmeniskus 59 hat. Wie in der Technik bekannt ist, ist die Reflexion des Tiegels 27, insbesondere der Wand 97 an dem Meniskus 59 oft als heller Ring neben dem Kristall 41 sichtbar. Ebenso hat die Oberfläche 99 der Schmelze einen an der Grenzfläche Schmelze/Tiegel gebildeten Flüssigkeitsmeniskus 109, der als ein heller Ring an der Tiegelwand 97 erscheint. Bei einer bevorzugten Ausführungsform liefert die Kamera 57 ein Sichtfeld, das die Breite des Kristalls 41 und wenigstens einen Teil des hellen Rings des Meniskus 59 umfasst. Die Kamera 57 (oder eine andere Kamera) liefert auch ein Sichtfeld, das die Breite des Tiegels 27 und wenigstens einen Teil des hellen Rings des Meniskus 109 umfasst. Das breite Sichtfeld erlaubt ferner die Feststellung gefrorener oder kristallisierter Teile der Schmelze 39, die als Eis bezeichnet werden und allgemein mit 111 bezeichnet sind. Diese Kristallisation erfolgt typischerweise an der Grenzfläche zwischen Tiegelwandung 97 und Schmelze 39 und wächst auf der Oberfläche 99 der Schmelze zu dem Kristall 41 hin.
Bezugnehmend nunmehr auf Fig. 5 arbeitet das System 21 einschließlich der Regelanlage 55 nach einem Fließdiagramm 113 zur Schaffung eines geschlossenen Regelkreises der Kristallzüchtungsvorrichtung 23. Beginnend mit Stufe 115 erzeugt die Kamera 57 Bilder wenigstens eines Teils des Inneren des Tiegels 27. Der Bildwiederholspeicher 69 des Bildsystems 67 erfasst die Bilder von dem Videobildsignal der Kamera 57 zur Verarbeitung durch den Bildprozessor 71. Wie durch Fig. 5 gezeigt, ist erwogen, dass mehrere Kameras 57 benutzt werden. Beispielsweise kann das Bildsystem 67 Eingänge von mehr als einer Kristallzüchtungsapparatur 23 empfangen, von denen jede wenigstens eine in ihrer Sichtöffnung montierte Kamera 57 hat. Erfindungsgemäß verarbeitet das Bildsystem 67 die Bilder für jede Züchtungsvorrichtung 23 individuell.
Die aufgenommenen Bilder des Inneren des Tiegels 27 umfassen jeweils mehrere Bildpunkte, wobei jeder Bildpunkt einen repräsentativen Wert einer festgestellten optischen Bildeigenschaft hat. In diesem Fall entsprechen die Bildelementwerte oder Grauwerte der Intensität der Bildelemente. In der Bildsystemtechnik sind Ränder als Bereiche in dem Bild definiert, wo in einem relativ kleinen räumlichen Bereich eine relativ große Änderung des Grauwertes auftritt. In der Stufe 117 verarbeitet der in Verbindung mit PLC 73 arbeitende Bildprozessor 71 die Bilder als Funktion der Bildelementwerte, um Ränder in den Bildern festzustellen. Vorzugsweise führt der Prozessor 71 mehrere Programme zur Bildanalyse durch, darunter Randfeststellungsprogramme, die die Grauwertänderungen (als Funktion der Bildintensität) in einem definierten Bildbereich analysieren. Verschiedene Randfeststellungsoperatoren oder Algorithmen zur Auffindung und Zählung von Rändern in einem Bild sind den Fachleuten bekannt. Beispielsweise sind geeignete Randfeststellungsprogramme die Algorithmen Canny oder Hough. Es ist zu bemerken, dass neben der Intensität andere Bildeigenschaften, wie der Intensitätsgradient, Farbe oder Kontrast benutzt werden können, um Gegenstände auf der Oberfläche 99 der Schmelze 39 von der Schmelze 39 selbst optisch zu unterscheiden. Schwimmendes festes Polysilizium 37 hat eine höhere Intensität als die Schmelze 39 und wird somit als eine stufenweise Änderung an der Grenzfläche Feststoff/Schmelze gesehen.
Als Teil der Feststellungsstufe 117 führt der Prozessor 71 beispielsweise eine Vernetzungsanalyse durch, um die festgestellten Ränder in dem Bild als Funktion ihrer Stellen in dem Bild (d. h. ihrer Koordinaten) zu gruppieren. Auf diese Weise definiert das Bildsystem 69 (oder Rechner 63) ein oder mehrere Objekte in dem Bild. Jedes definierte Objekt enthält einen oder mehrere Bildelemente und ist für ein festes Siliziumstück repräsentativ, das auf der Oberfläche der Schmelze 99 sichtbar ist. Das definierte Objekt oder die Objekte können beispielsweise durch einen abgrenzenden Kasten (d. h. das kleinste Rechteck, das einen unregelmäßig geformten Gegenstand umschließen würde) und seine Koordinaten in dem Bild beschrieben werden. Bei einer Alternativen können die definierten Objekte durch eine herkömmliche Blob-Analyse, durch Prüfung der Gestalt des Objekts (z. B. das Verhältnis der Haupt- und Nebenachse des Objekts) oder durch Prüfung der Fläche des Objekts selbst beschrieben werden.
In der Stufe 119 bestimmt der Bildprozessor 71 des Bildsystems 67 Parameter der Kristallzüchtungsvorrichtung 23 auf Basis der definierten Objekte. Beispielsweise sind solche Parameter die Beendigung der Schmelze, der Kontakt Keim/Schmelze, der Verlust von versetzungsfreiem Wachstum, die Anwesenheit von kristallisierter Schmelze 39, wie etwa Eis 111, die Anwesenheit anhängender Teile Polysilizium 37, wie etwa Hänger 101, und die Anwesenheit von Quarz in der Schmelze 39. In der Stufe 121 berichtet der Bildprozessor 71 die festgestellten Parameter an den PLC 73. Bei einer Ausführungsform enthält das System 21 ein PLC 73 für jede Kristallzüchtungsvorrichtung 23.
Der Bildprozessor 71 berechnet auch andere Parameter des Wachstumsprozesses auf Basis der definierten Objekte in der Stufe 123. Der Bildprozessor 71 bestimmt z. B. einige oder alle der folgenden Parameter: die Größe der ungeschmolzenen Siliziumcharge 37, die Tauchtemperatur der Schmelze 39, den Durchmesser des Kristalls 41, den Durchmesser des Tiegels 27, die Größe des festgestellten Eises 111, den Abstand von Eis 111 zu dem Kristall 41, die Größe des festgestellten Hängers 101, den Abstand des Hängers 101 von der Mitte des Tiegels 27, und die Größe des festgestellten Quarzes. In der Stufe 121 berichtet der Bildprozessor 71 diese Parameter auch an PLC 73. Die Regelungsanlage 55 führt dann in Stufe 125 Programme in Reaktion auf die bestimmten Parameter aus, um die Kristallzüchtungsvorrichtung 23 zu regeln.
Fig. 6 erläutert die Arbeit des Systems 21 nach einer bevorzugten Ausführungsform anhand eines Fließdiagrammes 127. Ferner erläutert Fig. 6 verschiedene Komponenten er Regelungsanlage 55 für die Ausführung der Stufen des Fließdiagramms 127.
Das System 21 liefert im Betrieb einen Anzeige dafür, wann die Polysiliziumcharge 37 vollständig eingeschmolzen ist, bevor die Regelungsanlage 55 die Keimeintauchphase des Wächstumsprozesses beginnt. Demgegenüber müssen sich bestehende Regelsysteme auf eine Bedienungsperson, die das Niederschmelzen feststellt, oder auf die Annahme verlassen, dass das Niederschmelzen nach einem bestimmten Heizzeitraum beendet ist. Durch Prüfung der Bilder, die auf der Oberfläche 99 schwimmendes Polysilizium 37 zeigen, kann das Bildsystem 67 die spezifische Oberfläche je Bild berechnen. Dies kann bewerkstelligt werden durch Randfeststellung und Messung des Durchmessers des Tiegels 27 zwecks Übersetzung von Bildelementen in Flächeninhalt. Die Differenz der Größe der restlichen Charge 37 wird dann benutzt, um die Schmelzgeschwindigkeit anzugeben, die dann durch die Regelanlage 55 zur Einstellung der Leistung des Erhitzers 31 benutzt werden kann, um eine erwünschte Schmelzgeschwindigkeit zu erreichen. Dies schafft einen geschlossenen Temperaturregelkreis des Niederschmelzens gegenüber dem bei den gegenwärtigen Automatisierungssystemen benutzten offenen Energiesteuerkreis.
Ferner liefert die Schmelzgeschwindigkeit des Polysiliziums 37 eine Anzeige der Keimbildungs-(d. h. Tauch-) Temperatur. Der Effekt der Tiegeldrehung ist beträchtlich, weil das Schmelzen typischerweise bei einer viel kleineren Drehgeschwindigkeit als das Tauchen erfolgt. Beispielsweise rotiert der Tiegel 27 während des Niederschmelzens mit etwa 1 bis 2 UpM und beim Tauchen mit etwa 10 bis 15 UpM. Daher sollte die von dem Netzteil 29 dem Erhitzer 31 zugeführte Energie als Funktion der Drehgeschwindigkeit verändert werden.
Bezugnehmend nunmehr auf die Ausführungsform der Fig. 6 dauert die gesamte Einschmelzphase typischerweise etwa 3 bis 4 Stunden. Nach einer Erhitzungsperiode von etwa 2 Stunden zu Beginn beispielsweise, beginnt das Bildsystem 67 die Inspektion des Inneren des Tiegels 27. Bei einer bevorzugten Ausführungsform bildet die Kamera 57 den mittleren Bereich der Schmelzeoberfläche 99 ab, um die Phase des Niederschmelzens zu überwachen. Wenn Befehl von dem PLC 73 kommt, die Inspektion zu beginnen, nimmt der Bildwiederholspeicher 69 des Bildsystems 67 Bilder des Inneren des Tiegels 27 in regelmäßigen Zeitabständen auf (z. B. alle Sekunde). In der Stufe 129 verarbeitet der Bildprozessor 71 die Bilder, um die Anwesenheit von ungeschmolzenem Polysilizium 37 festzustellen, das auf der Oberfläche 99 der Schmelze 39 schwimmt. In diesem Falle haben die den Rändern des ungeschmolzenen Polysiliziums 37 entsprechenden Bildelemente bedeutend höhere Grauwerte oder Bildelementwerte als die umgebende Schmelze 39. Mit anderen Worten erscheint die Schmelze 39 dunkler als die Ränder des festen Polysiliziums 37. Durch Feststellung der Ränder des schwimmenden Polysiliziums 37 kann das Bildsystem 67 in der Stufe 131 eine angenäherte Messung des Flächeninhalts (d. h. der Größe) des schwimmenden Siliziums 37 erhalten. Beispielsweise bestimmt das Bildsystem 67 einen Parameter, der die Größe von schwimmendem Silizium 37 von 1 mm² bis 150 mm² anzeigt.
Ein Rahmen oder Begrenzungskasten, der auf dem Bild um das schwimmende Polysilizium 37 gelegt wird, definiert beispielsweise die Größe des festen ungeschmolzenen Polysiliziums 37. Der Rahmen verringert seine Größe auf Null, sobald das Polysilizium 37 schmilzt. Die Regleranlage 55 benutzt diese Messung, um eine automatische Anzeige der Beendigung des Schmelzens zu erhalten. In dieser Hinsicht bezieht sich die Beendigung des Schmelzens auf die Zeit, wenn das letzte Stück festes Polysilizium 37 auf der Oberfläche 99 der Schmelze 39 nicht mehr feststellbar ist (d. h. die Polysiliziumcharge 37 vollständig geschmolzen ist). Der Parameter der Schmelzbeendigung ist im Wesentlichen eine digitale Anzeige von ja oder nein.
Der Bildprozessor 71 führt in der Stufe 131 insbesondere einen Prüfungsalgorithmus aus, um ein Differenzbild zu bilden, indem man aufeinanderfolgende Vollbilder über einem Teilfenster oder Interessebereich subtrahiert, der den zentralen Bereich der Schmelze 39 abdeckt. Auf diese Weise lässt das Bildsystem 67 irgendwelche konstanten Merkmale in den Bildern unberücksichtigt (z. B. Siliziumspritzer, die auf dem Fenster der Sichtöffnung erstarrt sind). Gleichzeitig behält der Bildprozessor 71 die Empfindlichkeit für irgendeine Änderung der Leuchtdichte in dem Blickfeld. Die durch das Subtraktionsprogramm zu Tage gekommenen Änderungen zeigen Änderungen in der Gestalt, Lage oder dem Winkel des auf der Schmelze 39 schwimmenden festen Polysiliziums 37, Änderungen in dem Reflexionsvermögen der Oberfläche 99 der Schmelze an, die aus Oberflächenwellen oder Änderungen der lokalen Schmelzetemperatur infolge Turbulenz in der Schmelze 39 resultieren. Vorzugsweise werden die Kontrast- und Größenschwellen hoch genug angesetzt, um durch Oberflächenwellen und lokale Variationen der Schmelzetemperatur verursachte Änderungen herauszufiltern, aber nicht so hoch, dass kleine Inseln aus festem Polysilizium 37 nicht erfasst werden. Durch Anwendung der Blob-Analyse beispielsweise auf das Differenzbild stellt das Bildsystems 67 Unterbereiche hoher Intensität fest, die aus dem Wechsel der aufeinanderfolgenden Bilder resultieren. Wenn ein Unterbereich gefunden wird, der eine festgelegte Intensitäts- und Größenschwelle übersteigt, meldet das Bildsystem 67 die Anwesenheit von festem Polysilizium 37 in dem Sichtfeld und auch eine zeitgemittelte Unterbereichsgröße.
Wenn in Stufe 131 das Bildsystem 67 feststellt, dass der Flächeninhalt noch nicht Null ist, geht die Operation zur Stufe 133. In der Stufe 133 führt der PLC 73 ein Programm zur Bestimmung der Geschwindigkeit der Änderung der Polysiliziumcharge 37 durch. Die Änderungsgeschwindigkeit der Größe des festen Polysiliziums 37 zeigt die Geschwindigkeit an, mit der Polysilizium 37 schmilzt und steht somit in Beziehung zu der Temperatur der Schmelze. Bei einer bevorzugten Ausführungsform meldet der Bildprozessor 71 alle Sekunde die Geschwindigkeit z. B. alle Sekunde an PLC 73. Die Regelungsanlage 55 benutzt diese Messung, um die Leistung zu beeinflussen, zwecks Regelung der Temperatur in dem Tiegel 27 und somit des Schmelzvorgangs des Polysiliziums 37. In Reaktion auf die in Stufe 133 bestimmte Schmelzgeschwindigkeit bestimmt PLC 73 in Stufe 135 ein passendes Energieniveau für den Erhitzer 31 und veranlasst dann in der Stufe 137 eine entsprechende Einstellung des Netzteils 29 des Erhitzers.
Wenn dagegen in Stufe 131 der Flächeninhalt Null wird, schaltet das. Bildsystem 67 einen Zähler weiter, der die Zahl der aufeinanderfolgenden Vollbilder verfolgt, seit das feste Polysilizium 37 zuletzt festgestellt wurde. Dieser Zähler wird immer auf Null zurückgestellt, solange feste s Polysilizium 37 festgestellt wird. Wenn mehrere aufeinanderfolgende erfasste Bilder (z. B. 30 Bilder bei einem je sec) ohne Feststellung von irgendwelchem festem Polysilizium 37 passieren, meldet der Bildprozessor 71 die Beendigung der Schmelze an PLC 73, und geht dann weiter zu der nächsten Phase der Schmelzestabilisierung in Stufe 139 vor dem Eintauchen des Keimkristalls 43.
In ähnlicher Weise wie die Feststellung von schwimmendem Polysilizium 37 auf der Schmelzeoberfläche 99 ist zu erwägen, dass das Bildsystem 67 auch benutzt werden kann, um kleine Quarzstücke zu beoachten, die sich gegen Ende der Niederschmelzphase an das Polysilizium 37 hängen. Oft setzen diese Quarzstücke (gewöhnlich als eine Gruppe) das Schwimmen sogar fort, nachdem die Polysiliziumcharge 37 geschmolzen ist. Die Quarzstücke sind durch relativ hohe Grauwerte, relativ kleine Größen (d. h. kleiner als das zuletzt sichtbare Polysiliziumstück 37) und schnelle Bewegung gekennzeichnet. In diesem Fall sind die Quarzstücke von dem Polysilizium 37 aufgrund des Stufenwechsels im Grauwert unterscheidbar. Es ist wiederum erwünscht, das man ein schwimmendes Quarzstück von festem Polysilizium 37 unterscheidet und seine Größe meldet. Nach der Erfindung führt das Bildsystem 67 eine fortlaufende Verfolgung der Schmelzeoberfläche 99 durch und meldet die Anwesenheit feststellbarer Quarzstücke. Es ist ferner zu erwarten, dass der Quarzparameter beispielsweise eine Angabe über die Größe des Quarz von 1 mm² bis 150 mm² macht - neben der Angabe, ob Quarz in der Schmelze 39 anwesend ist oder nicht.
Das Bildsystem 67 beginnt nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Überwachung des Schmelzeniveaus 53 sobald die einleitende Niederschmelzstufe beendet ist. Das Schmelzeniveau 53 ist für die Zwecke dieser Anmeldung als der Abstand der Oberkante des Erhitzers 31 von der Oberfläche 99 der Schmelze 39 definiert und kann als Funktion der Koordinaten eines Mittelpunktes C bestimmt werden. Vorzugsweise bestimmt der Bildprozessor, 71 den Mittelpunkt C, der das Schmelzeniveau 53 anzeigt. Bei dieser Ausführungsform wird die Differenz zwischen der Y-Koordinate des Mittelpunkts C und einem Bezugswert benutzt, um das Schmelzeniveau 53 zu bestimmen. Alternativ können im Handel erhältliche optische Methoden (z. B. ein auf der Deckelplatte der Kammer 25 angebrachter Lichtstrahl/Detektorapparat) benutzt werden, um das Schmelzeniveau 53 zu bestimmen. Die Bestimmung des Schmelzeniveaus 53 kann benutzt werden, um die Variabilität von beispielsweise Durchmessermessungen durch Berechnung eines Korrekturfaktors und durch Verringerung der Variation des Schmelzeniveaus 33 durch Heberegelung des Tiegels 27 zu verringern. Bei einer Ausführungsform der Erfindung repräsentiert der Schmelzeniveau-Parameter Schmelzeniveaus in dem Bereich von ± 75 mm.
Das System 21 benutzt vorzugsweise eine Anordnung mit mehreren Kameras, wobei eine Weitfeldkamera 57 die Grenzfläche Schmelze/Tiegel abbildet und eine Engfeldkamera 57 die Grenzfläche Schmelze/Kristall abbildet. In periodischen Intervallen werden diese Grenzflächen (nämlich Meniskus 109 bzw. Meniskus 59) separat festgestellt und eine Ellipse wird beispielsweise an jeden angepasst. Die Breite und der Mittelpunkt jeder Ellipse können dann in einer Formel benutzt werden, die das physikalische Schmelzeniveau 53 relativ zu einem festgelegten Ausgangspunkt der Z-Achse ableitet. Die Formel benutzt auch den bekannten Kamerawinkel, die Brennweite der Linse, die Prüfgeschwindigkeit des Sensors und den Abstand zu der gemeinsamen Drehachse 47 des Tiegels 27 und Kristalls 41. Bei dem Wachstumsprozess sinkt das Schmelzeniveau 43 relativ zu der Tiegelwandung ab, wenn sich die Schmelze durch den wachsenden Kristall erschöpft. Der Tiegel wird jedoch angehoben, um das Schmelzeniveau 53 auf im Wesentlichen derselben vertikalen Position zu halten.
Die europäische Patentschrift Nr. 0 745 830 A beschreibt ein bevorzugtes Verfahren bzw. System zur genauen und zuverlässigen Messung des Kristalldurchmessers sowie des Schmelzeniveaus. Neben Messungen des Kristalldurchmessers sind Messungen des Tiegeldurchmessers bei der Berechnung des Schmelzeniveaus 53, insbesondere vor dem Ziehen des Kristall 41 nützlich. Genaue Messungen dieses Parameters verringern ferner den Fehler infolge von Dimensionsunterschieden von Tiegel zu Tiegel und der Wärmeausdehnung während jedes Laufes. Das Bildsystem 67 stellt demgemäß den Meniskus 109 Schmelze/Tiegel fest und verarbeitet ihn ähnlich dem Meniskus 59 Schmelze/Kristall, um eine Online-Durchmessermessung des Tiegels 27 zu erhalten.
Wie oben beschrieben beinhaltet eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Temperatursensor 61 zur Lieferung von Informationen über die Temperatur der Schmelze 39. Die Temperatur der Schmelze wird typischerweise durch direkte oder indirekte sekundäre Sensoren gemessen, wie etwa den Temperatursensor 61, die in einer festen Lage relativ zur Schmelze 39 angeordnet sind. Diese Sensoren erfordern im Allgemeinen eine manuelle Kalibrierung und sind nicht in der Lage, die Oberflächentemperatur der Schmelze abzutasten und aufzunehmen. Bei einer anderen Ausführungsform liefert das Bildsystem 67 Informationen über die Schmelzetemperatur anstelle des oder neben dem Temperatursensor 61, um diese mit herkömmlichen Temperatursensoren verbundenen Mängel zu beheben.
Die aufgenommenen Bilder, die die zurückgebliebenen ungeschmolzenen Teile der Polysiliziumcharge 37 zeigen, liefern erfindungsgemäß auch Informationen über die Temperatur der Schmelze 39. Wenn ein kleines Stück kristalliner Feststoff in seiner Schmelze schmilzt, ist die Grenzfläche Feststoff/Schmelze etwa auf der Schmelzpunkttemperatur des Feststoffs. Die von der Grenzfläche weg liegenden Bereiche in dem Feststoff haben tendenziell eine Temperatur, die niedriger als der Schmelzpunkt liegt. Umgekehrt haben von der Grenzfläche weg liegende Bereiche in der Schmelze tendenziell eine Temperatur, die höher als der Schmelzpunkt liegt.
In der vorliegenden Erfindung wird angenommen, dass die Grenzfläche einer sehr kleinen Probe des festen Polysiliziums 37 gerade eben vor dem Schmelzen eine Temperatur hat, die nahe an dem Schmelzpunkt des Polysiliziums liegt (nämlich 1414ºC, 1687ºK). Demgemäß setzt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung den Grauwert der Grenzfläche Feststoff/Schmelze gleich dem Schmelzpunkt des Siliziums. Die Gleichung der Schwarzkörperstrahlung kann dann benutzt werden, um ein Verhältnis zwischen den Schmelzetemperaturen für 2 Bildelemente auf der Basis des Verhältnisses ihrer Intensitäten zu erhalten. Nach dieser Methode kann man die Temperatur der Schmelze 39 für jeden der Bildelemente erhalten. Vorzugsweise meldet der Bildprozessor 71 den Schmelztemperaturparameter beispielsweise jede Sekunde an den PLC 73. Der Regelkreis 55 benutzt diese Messung zur Einstellung der Leistung, um die Temperatur in dem Tiegel 27 und somit das Schmelzen des Polysiliziums 37 zu regeln. Die Erfindung schafft einen geschlossenen Regelkreis der Temperatur der Schmelzeoberfläche 99, um die gewünschte Tauchtemperatur zu erhalten.
Als ein Beispiel verarbeitet das Bildsystem 67 eine Anzahl von Bildern der Schmelzeoberfläche 99, die während des Niederschmelzens vor der Tauchphase aufgenommen wurden. Eine Median-Filtertechnik verringert beispielsweise die Intensitätsschwankung von Bildelement zu Bildelement in einem bestimmten Bereich. Bei einer Ausführungsform lässt das Bildsystem 67 die Bildelemente an der Grenzfläche Feststoff/Schmelze außer Betracht, um ferner zwischen den Bildelementen der Schmelzeoberfläche 99 und den Bildelementen des festen Polysiliziums 37 zu unterscheiden.
Im Allgemeinen ist der Grauwert an der Grenzfläche zwischen der Schmelze 39 und, dem letzten Stück Polysilizium 37, das auf der Schmelzeoberfläche 99 schwimmend beobachtet wird, im Wesentlichen konstant und als die Schmelzpunkttemperatur des Siliziums entsprechend definiert. Die das letzte Stück Polysilizium 37 umgebenden Bereiche sind dunkler (d. h. sie haben einen tieferen Grauwert) als der Rest der Schmelzeoberfläche 99. Daher kann die den anderen Bildelementen in einem aufgenommenen Bild entsprechende Temperatur der Schmelze 39 nach der folgenden Gleichung bestimmt werden:
(T/1687ºK) = (GL/GLI)1/4
worin GLI der Bildelementwert oder Grauwert an der Grenzfläche Schmelze/Feststoff für ungeschmolzenes Polysilizium 37 ist und GL der Bildelementwert oder Grauwert an einer anderen Stelle in dem Bild ist.
Der Parameter der Schmelzetemperatur reicht ferner in dem Beispiel von 1000ºC bis 1600ºC. Wenn in der Mitte der Schmelzeoberfläche 99 GLI = 79 ist (entsprechend einer Temperatur von 1414ºC) und GL = 73 ist, ist die Temperatur in der Mitte der Schmelze etwa 1381ºC. Vorzugsweise erhöht die Regelanlage 55 die dem Erhitzer 31 durch das Erhitzer- Netzteil 29 zugeführte Leistung, um die Temperatur der Schmelze 39 zu steigern, da die Tauchtemperatur wunschgemäß etwa die Schmelztemperatur des Siliziums sein soll.
Es ist zu bemerken, dass die Drehgeschwindigkeit des Tiegels gegen Ende des Einschmelzens typischerweise von der Drehgeschwindigkeit des Tiegels zu Beginn der Tauchphase differiert. Diese Differenz kann für Variationen der Intensität infolge von Reflexionen von der Schmelzeoberfläche 99 verantwortlich sein, die zu Temperaturfehlern führen können. Ferner kann eine IR- empfindliche Kamera verbesserte. Ergebnisse liefern.
Fig. 7 erläutert den Betrieb des Systems 21 nach einer bevorzugten Ausführungsform in der Form eines Fließdiagramms 141. Ferner erläutert Fig. 7 verschiedene Komponenten der Regelanlage 55 zur Ausführung der Stufen des Fließdiagramms 141.
Das System 21 liefert im Betrieb eine Anzeige, wann ein Teil des Polysiliziums 37, wie etwa der in Fig. 3 gezeigte Hänger 101, an der Tiegelwandung 97 zur Haftung kommt. Das System 21 liefert mit Vorteil nicht nur einen ja/nein-Parameter, der anzeigt, ob der Hänger 101 anwesend ist oder nicht, sondern es liefert auch einen Parameter über die Hängergröße von beispielsweise 1 mm² bis 150 mm² durch Feststellung seiner Reflexion auf der Schmelzeoberfläche 99. Dies erlaubt der Regelanlage 55, den Abstand von dem Hänger 101 bis zur Mitte der Schmelze 39 zu messen, so dass sie bestimmen kann, ob die Anwesenheit eines Hängers 101 wahrscheinlich während des Laufes die Verfolgung des Durchmessers durch Kameras 57 stört. Wie zuvor beruht die Feststellung auf scharfen Änderungen des Grauwertes. In diesem Falle kann jedoch das Bildsystem 67 eine Reflexion von dem Hänger 101 aufgrund seiner festen Position auf der Schmelzeoberfläche 99 (d. h. durch Haftung an der Wand 97 des Tiegels 27) von anderen Reflexionen unterscheiden.
Wie in Fig. 7 gezeigt, beginnt das Bildsystem 67 in der Stufe 143 mit der Verarbeitung der aufgenommenen Bilder als Funktion der Bildelementwerte, um Ränder in dem Bild festzustellen. Der Bildprozessor 71 des Bildsystems 67 prüft in Stufe 145 auch die Drehgeschwindigkeit des Tiegels 27. Vorzugsweise hat die Kamera 57 ein weites Sichtfeld, das dem Bildsystem 67 erlaubt, Bilder der gesamten Breite der Schmelze 39 bis dorthin, wo sie auf die Wand 97 des Tiegels 27 trifft, aufzunehmen. Mit Hilfe des Signals der Tiegeldrehung kann das Bildsystem 67 Bilder unter mehreren bekannten Tiegelrotationswinkeln aufnehmen. Dies liefert einmal bei jeder Drehung des Tiegels 27 einen digitalen Eingabeimpuls für den Bildprozessor 71. Dadurch, dass man die Bilder unter bekannten Winkeln erhält, können kontrastreiche Reflexionen von der Schmelzeoberfläche 99 und dergl. unberücksichtigt bleiben, und Reflexionen von Hängern, wie etwa dem Hänger 101, können identifiziert werden.
In der Stufe 147 bestimmt der Bildprozessor 71, ob die festgestellten Ränder einem hängenden Stück Polysilizium 37, etwa dem Hänger 101, zuzuschreiben sind. Wenn beispielsweise die festgestellten Ränder zur Definition eines Objekts bestimmter Größe und Lage (nämlich an oder über der Grenzfläche Tiegel/Schmelze) gruppiert werden und das Objekt selbst als Funktion der Tiegeldrehgeschwindigeit periodisch wiederkehrt, identifiziert das Bildsystems 67 das Objekt als ein Hänger und geht zu Stufe 149 weiter. In der Stufe 149 berechnet der Bildprozessor 71 den angenäherten Flächeninhalt des Hängers 101. Das Bildsystem 67 stellt ferner in Stufe 151 Ränder in den Bildern fest, um den an der Grenzfläche Tiegel/Schmelze sichtbaren Meniskus 109 zu identifizieren. Durch die Feststellung des Meniskus 109 bestimmt der Bildprozessor 71 die Breite des Tiegels 27 und somit seinen Mittelpunkt. In der Stufe 153 liefert der Bildprozessor 71 ein Maß des Abstand des Mittelpunkts der Schmelze 39 von dem Hänger 101 auf Basis seines Flächeninhalts. Beim Weitergehen zur Stufe 155 führt dann PLC 73 ein Hängerprogramm in Stufe 157 aus, wenn der Abstand von dem Hänger 101 bis zur Mitte der Schmelze 39 kleiner als ein vorbestimmter Abstand (z. B. 40 mm) ist. Das Hängerprogramm unterweist mit Vorteil die Regelanlage 55 darüber, wie die Kristallzüchtungsvorrichtung 23 zu regeln ist, um das Schmelzen des Hängers 101 zu veranlassen. Andererseits bleibt PLC 73 unwirksam, was in Stufe 159 gezeigt ist, wenn in der Stufe 147 kein Hänger festgestellt wird oder wenn der Hänger wahrscheinlich nicht stört (d. h. er mehr als 40 mm von der Mitte der Schmelze entfernt ist).
Bezüglich der Tauchphase des Kristallwachstumsprozesses stellt das Bildsystem 67 auch fest, wenn der Keimkristall 43 die Oberfläche 99 der Schmelze 39 berührt. Die Kristallantriebseinheit 51 veranlasst den Keimkristall 43 im Allgemeinen, abwärts zu fahren, bis er die Schmelzeoberfläche 99 berührt. Die Bildverarbeitungsgerätschaften des Bildsystems 67 stellen mit Vorteil die Reflexion des Keimkristalls 43 an der Schmelzeoberfläche 99 fest und messen den Abstand zwischen ihnen. Wenn sich der Keimkristall 43 der Schmelze 39 nähert, wird die Sicht der Reflexion durch den Keimkristall 43 selbst allmählich verdeckt. Wenn die Reflexion vollständig verschwunden zu sein scheint, ist die Berührung Keim/Schmelze erfolgt. Der Meniskus 59, der sich auf der Schmelze 39 an der Grenzfläche Keim/Schmelze bildet, liefert eine zweite Anzeige der Berührung.
Fig. 8 erläutert die Arbeit des Systems 21 nach einer 5 bevorzugten Ausführungsform in der Form des Fließdiagramms 161. Fig. 8 erläutert ferner verschiedene Komponenten der Regelanlage 55 für die Ausführung der Stufen des Fließdiagramms 161.
Das System 21 liefert im Betrieb eine Anzeige, wenn der Keimkristall 43 die Schmelze 39 berührt. Wie in Fig. 8 gezeigt, beginnt das Bildsystem 67 in der Stufe 163 damit, die aufgenommenen Bilder als Funktion der Bildelementwerte zu verarbeiten, um Ränder in dem Bild feszustellen. Insbesondere stellt der Bildprozessor 71 des Bildsystems 67 mit dem Keimkristall 43 verbundene Ränder und die Reflexion seines Querschnitts an der Schmelzeoberfläche 99 fest. In der Stufe 165 liefert der Bildprozessor 71 auf Basis der festgestellten Ränder in den aufgenommenen Bildern ein Maß für den Abstand zwischen dem Keimkristall 43 und der Schmelze 39. Beispielsweise liegt der Parameter des Abstands Keim/Schmelze in dem Bereich von 0 bis 500 mm. Erfindungsgemäß meldet das Bildsystem 67 den Abstand Keim/Schmelze beispielsweise alle Sekunde an PLC 73.
Beim Fortschreiten zur Stufe 167 bestimmt PLC 73, wann der Keimkristall 43 einen bestimmten Abstand (z. B. 20 mm) von der Schmelzeoberfläche 99 erreicht. Wenn der Keimkristall 43 wenigstens 20 mm von der Oberfläche 99 ist, schreitet die Operation zur Stufe 169 weiter. In der Stufe 169 veranlasst PLC 73 die Kristallantriebseinheit 51, die Absenkung des Keimkristalls 43 mit einer relativ hohen Geschwindigkeit (z. B. 200 mm/Std) fortzusetzen. Auf der anderen Seite veranlasst PLC 73 die Kristallantriebseinheit 51, die Geschwindigkeit des Keimkristalls 43 in Stufe 171 auf eine viel geringere Geschwindigkeit (z. B. 20 mm/Std) 1 zu verringern, wenn der Keimkristall 43 weniger als 20 mm von der Oberfläche 99 entfernt ist.
Nach Stufe 171 schreitet PLC 73 zur Stufe 173, um zu bestimmen, ob der Abstand zwischen Keimkristall 43 und Schmelze 39 Null ist. Wenn nicht, setzt die Kristallantriebseinheit 51 das Absenken des Keimkristalls 43 mit derselben Geschwindigkeit fort. Sobald der Abstand jedoch Null wird, veranlasst PLC 73 in der Stufe 175 die Kristallantriebseinheit 51 zu tauchen. Nach Durchführung eines Tauchstabilisierungsprogramms in Stufe 177 bestimmt PLC 73 in der Stufe 179, ob der Keimkristall 43 und die Schmelze 39 in Kontakt sind. Der Parameter des Keim/Schmelze-Kontakts ist im Wesentlichen eine digitale Anzeige von ja oder nein. Beispielsweise kann der Kontakt Keim/Schmelze durch die Anwesenheit eines Meniskus 59 auf der Oberfläche 99 an der Keim/Schmelze-Grenzfläche angezeigt werden. Wenn dies der Fall ist, setzt PLC 73 die Operation durch Beginn des Halswachstums in Stufe 181 fort. Wenn andererseits der Kontakt Keim/Schmelze nicht erfolgt ist, gibt PLC 73 in Stufe 183 die Anweisung, den Keimkristall 43 erneut zu tauchen.
In einem Betriebsbeispiel des Bildsystems 67 nach dem Diagramm der Fig. 8 benutzt der Bildprozessor 71 eine horizontale Suchlehre, um festzustellen, wenn der Schaft des Keimkristalls 43 von oben in das Sichtfeld eintritt und zeichnet dieses Ereignis auf. Der Bildprozessor 71 benutzt dann eine vertikale Suchlehre, die an der horizontalen Stelle des festgestellten Keimkristall 43 angeordnet ist. Vorzugsweise wendet der Bildprozessor 71 diese vertikale Suchlehre auf das Bild an, um den unteren Rand des Keimkristalls 43 aufzufinden. Danach benutzt der Bildprozessor 71 die Schaft- und Spitzenlehre, um die Abwärtsbewegung des Keimkristalls 43 zur Schmelze 39 hin zu überwachen. Auf Basis der Anordnung der Spitze in jedem aufeinanderfolgenden aufgenommenen Bild subtrahiert der Bildprozessor 71 den laufenden Schätzwert der Höhe der Schmelzeoberfläche von der Höhe des Keimkristalls, um einen laufenden Abstand Keim/Schmelze zu erhalten.
Weiter benutzt der Bildprozessor 71 in dem Beispiel eine neue vertikale Suchlehre, um die Reflexion des Keimkristalls 43 auf der Schmelzeoberfläche 99 festzustellen und zu verfolgen, wenn der geschätzte Abstand Keim/Schmelze unter einen Schwellenwert fällt. Durch Überwachung der vertikalen Lage der Reflexion sowie der Lage der Spitze kann der Bildprozessor 71 eine genauere Schätzung des Abstandes des Keimkristalls 47 von der Schmelzeoberfläche 99 erhalten. Die Verfolgung der Reflexion liefert ferner Randkontrast-Schwellenwertdaten zur Benutzung bei der Feststellung, wann der Keimkristall 43 Kontakt mit der Schmelze 39 bekommt.
Wenn der Keimkristall 43 schließlich beginnt, die Sicht seiner eigenen Reflexion zu verdecken, wendet der Bildprozessor 71 ein Paar Suchlehren mit Suchrichtungen von 45º und -45º eben oberhalb der Spitze des Keimkristalls 43 an. Diese Suchlehren stellen das erste Auftreten des Meniskus 59 fest, wenn der Keimkristall 43 gerade eben die Oberfläche 99 der Schmelze 39 berührt. Insbesondere überwacht der Bildprozessor 71 den durch diese Suchlehren festgestellten Randkontrast, bis beide Suchlehren gleichzeitig Randkontraste beobachten, die den größten Kontrast übersteigt, der durch die Keimreflexion zuvor erzeugt wurde. Wenn dies geschieht, meldet der Bildprozessor 71 den Keim/Schmelze-Kontakt an PLC 73. Der Bildprozessor 71 benutzt danach den neu gebildeten Meniskus 59, um den Kristalldurchmesser zu verfolgen und das Schmelzeniveau 53 abzuschätzen.
Während der Ziehphasen des Kristallwachstum führt der Bildprozessor 71 vorzugsweise eine digitale Randfeststellung aus, um die Koordinaten von wenigstens drei Punkten entlang der Innenseite oder Außenseite des hellen Rings des. Meniskus 59 zu lokalisieren. Da der Querschnitt des Kristalls 41 und des Meniskus 59 bekanntlich im Allgemeinen kreisförmig ist werden die von dem Bildprozessor 71 festgestellten Randkoordinaten des hellen. Rings als elliptisch angenommen, transformiert und in einer kreisförmigen Gestalt abgebildet. Bei einer Alternative können die Randkoordinaten in einer Kreisform abgebildet werden, indem die Verzerrung kompensiert wird, die durch den Winkel verursacht wird, unter dem die Kamera 57 angebracht ist. Gonzalez & Wintz, Digital Image Processing, 1987, Seiten 36-52 beschreiben mathematische Transformationen zur Kompensation perspektivischer Verzerrungen, die durch die Kameraposition in Bezug auf ein dreidimensinales Objekt verursacht werden. Diese Transformationen können benutzt werden, um aus einer verzerrten elliptischen Form eine Kreisform zu entnehmen. Ferner beschreibt die europäische Patentbeschreibung Nr. 0 794 536A eine verzerrungsfreie Kamera zur Benutzung bei der Abbildung des Meniskus 59, ohne dass komplizierte mathematische Transformationen nötig sind.
Wie oben beschrieben, beschreibt die europäische Patentbeschreibung Nr. 0 745 830A ein bevorzugtes Verfahren und ein System zur genauen und zuverlässigen Messung des Kristalldurchmessers. Bezüglich der Durchmessermessungen bestimmt der Bildprozessor 71 Randkoordinaten entlang der Außenseite des hellen Rings des Meniskus 59 auf Basis der festgestellten optischen Eigenschaft des Bildes. Der Bildprozessor 71 bestimmt dann den Durchmesser des Kristalls 41 auf Basis der festgestellten Ränder. Bei einer Ausführungsform liegt der Durchmesserparameter beispielsweise in dem Bereich von 0 bis 320 mm.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform spricht PLC 73 der Regelanlage 55 auf den bestimmten Durchmesser D des Siliziumkristalls 41 an, um die Geschwindigkeiten, mit der der Tiegel 27 und der Kristall 41 rotieren, und/oder die Geschwindigkeit, mit der der Kristall 41 aus der Schmelze 39 gezogen wird, und/oder die Temperatur der Schmelze 39 zu regeln, und er spricht auf die Bestimmung des Schmelzeniveaus 53 zur Regelung des Niveaus des Tiegels 27 an, um dadurch die Kristallzüchtungsvorrichtung 23 zu regeln. So wird ein geschlossener Regelkreis zur Einhaltung des Halsdurchmessers durchgeführt.
Eine Quelle für die Variabilität der Durchmessermessungen besteht darin, dass sich die Breite des hellen Rings in Abhängigkeit von der Höhe der heißen Wandung des Tiegels 27 ändert, die frei liegt und von dem flüssigen Meniskus 59 reflektiert wird. Wenn sich die Schmelze 39 erschöpft, nimmt die Breite des hellen Rings zu, wodurch der Kristall 41 größer erscheint, und dies kann zur Folge haben, dass der wirkliche Kristall 41 in Untergröße gezüchtet wird. So kann beispielsweise die Feststellung des Randes zwischen dem Kristall 41 und dem hellen Ring neben der Feststellung des Randes zwischen der Schmelze 39 und dem hellen Ring dazu dienen, ein Maß für die Breite des hellen Rings zu liefern. Eine mathematische Modellierung des flüssigen Meniskus 59, die seine Reflexionseigenschaften in Bezug auf die Höhe der Tiegelwandung berücksichtigt, liefert ebenfalls ein Maß für die Breite des hellen Rings.
Neben der Überwachung des Durchmessers des wachsenden Kristalls 41 liefert das System 21 mit Vorteil dadurch gleichmäßige Kristalleigenschaften, dass die Wachstumsgeschwindigkeit im Wesentlichen konstant gehalten wird. Eine ins Auge gefasste Methode, um dies zu erreichen, besteht darin, die Höhe und/oder den Winkel des Meniskus 59 relativ zu einer durch die obere Schmelzeoberfläche 99 definierten Ebene zu analysieren. Auf Änderungen in einem oder beiden dieser Parameter kann die Regelanlage 55 dann das Kristallzüchtungsverfahren einstellen, um sie relativ konstant zu halten.
Ferner können die Randkoordinaten des Meniskus 59 benutzt werden, periodische Abweichungen des Kristalldurchmessers gegenüber der Geschwindigkeit festzustellen, mit der die Kristallantriebseinheit 51 den Kristall 41 rotiert, wie in der europäischen Patentbeschreibung Nr. 0 745 830A beschrieben ist. Wie in der Technik bekannt ist, zeigen Kristallflächen oder Habituslinien, die im Allgemeinen parallel zur vertikalen Achse 47 verlaufen und längs des Körpers des Kristalls 41 beabstandet sind, ein versetzungsfreies Wachstum an. Die Habituslinien, auch als Wachstumslinien bezeichnet, erscheinen als grübchenartige Kennzeichen auf dem Umfang eines Querschnitts des Kristalls 41. Aus diesem Grund werden Habituslinien bei Drehung des Kristalls 41 mit bekannter Geschwindigkeit auf dem Bild in einem besonderen Bereich von Interesse mit einer Geschwindigkeit beispielsweise gleich der vierfachen Drehgeschwindigkeit für die < 100> -Orientierung und gleich der zweifachen Drehgeschwindigkeit für die < 001> -Orientierung erwartet. Der Bildprozessor 71 ist somit in der Lage, ein versetzungsfreies Wachstum des Kristalls 41 zu bestätigen. In Reaktion darauf, dass das Bildsystem 67 einen Verlust an versetzungsfreien Wachstum feststellt, beginnt die Regelanlage 55 ein erneutes Schmelzen.
Die Kristallflächen werden gewöhnlich zu Beginn der Kristallkrone stark sichtbar, und eine Prüfung auf Versetzungsfreiheit ist längs etwa des ersten Zoll (2,54 cm) des Körperwachstums nicht erforderlich. Bei einer bevorzugten Ausführungsform stellt das Bildsystem 67 versetzungsfreies Wachstum auf Basis der Symmetrie der Habituslinien und auf Grund von bei gegebener Kristalldrehgeschwindigkeit periodischen Durchmesserabweichungen bei erwarteten Winkellagen fest. Wenn ein Verlust an Versetzungsfreiheit auftritt, ist das erste sichtbare Zeichen ein Verlust der Symmetrie der Kristallflächen, die evtl. insgesamt verschwinden, und der Körper wird ein runder Zylinder ohne Kristallflächen. Das Bildsystem 67 schätzt periodisch den zweidimensionalen Querschnitt des Kristalls 41 in der durch die Schmelzeoberfläche 99 definierten Ebene und analysiert dann diesen Querschnitt auf Symmetrieverlust und/oder Verlust an Kristallflächenbegrenzung. Jeder geschätzte Querschnitt umfasst eine Schätzung des mittleren Durchmessers des Kristalls 41 sowie der Abweichung des Querschnitts von diesem Mittelwert als Funktion des zylindrischen Winkels um die Mittelachse 47 des Kristalls 41.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform sieht das System 21 auch die Feststellung und Kontrolle der Bildung von Eis 111 Vor (das ist die Kristallisation oder Gefrierung von geschmolzenem Polysilizium 37 auf der Schmelzeoberfläche 99 gewöhnlich an der Tiegelwand 97 und gegen Ende des Körperwachstums oder während des Bodenwachstums). Wie zuvor beruht die Feststellung auf den scharfen Änderungen des Grauwertes. In diesem Falle kann das Bildsystem 67 jedoch die Anwesenheit von Eis 111 infolge seiner festen Position auf der Schmelzeoberfläche 99 (d. h. typischerweise an der Wandung 97 des Tiegels 27) von anderen Gegenständen oder Reflexionen unterscheiden.
Fig. 9 erläutert den Betrieb des Systems 21 nach einer bevorzugten Ausführungsform in Form des Fließdiagramms 185.
Fig. 9 erläutert ferner verschiedene Komponenten der Regelanlage 55 für die Ausführung der Stufen des Fließdiagramms 185.
Das System 21 liefert im Betrieb eine Anzeige, wenn ein Teil des Polysiliziums 37, etwa kristallisiertes Polysilizium, nämlich in Fig. 4 gezeigtes Eis 111, während der Ziehphase des Kristallwachstumsprozesses an der Tiegelwand 97 zur Haftung kommt. Das System 21 liefert mit Vorteil nicht nur einen ja/nein-Parameter, der anzeigt, ob Eis 111 anwesend ist oder nicht, sondern es liefert auch einen Parameter der Eisgröße von beispielsweise 1 mm² bis 150 mm² durch Feststellung seiner Anwesenheit auf der Schmelzeoberfläche 99. Dies ermöglicht der Regelanlage 55, den Abstand von dem Eis 111 zum Kristall 41 zu messen, so 5 dass sie feststellen kann, ob die Anwesenheit von Eis 111 während des Laufes das Kristallwachstum wahrscheinlich stört. Wie zuvor erfolgt die Festellung auf Basis der scharfen Änderungen des Grauwertes. In diesem Fall kann jedoch das Bildsystem 67 das Eis 111 aufgrund seiner festen Position auf der Schmelzeoberfläche 99 (nämlich in Haftung an der Wand 97 des Tiegels 27) von anderen Objekten oder Reflexionen unterscheiden.
Wie in Fig. 9 gezeigt, beginnt das Bildsystem 67 in der Stufe 187 durch Verarbeitung der aufgenommenen Bilder als Funktion der Bildelementwerte, um Ränder in dem Bild festzustellen. Der Bildprozessor 71 des Bildsystems 67 prüft auch in Stufe 189 die Drehgeschwindigkeit des Tiegels 27. Wie zuvor hat die Kamera 57 vorzugsweise ein breites Sichtfeld, das dem Bildsystem 67 erlaubt, Bilder der ganzen Breite der Schmelze 39 bis dahin, wo sie auf die Wand 97 des Tiegels 27 trifft, aufzunehmen. Das Bildsystem 67 kann daher mit Hilfe des Signals der Tiegeldrehung Bilder unter verschiedenen Winkeln der bekannten Tiegeldrehung aufnehmen. Dies liefert einmal bei jeder Drehung des Tiegels 27 ein digitales Eingangssignal für den Bildprozessor 71. Durch Bilder unter bekannten Winkeln können kontraststarke Reflexionen von der Schmelzeoberfläche 99 und dergl. außer Betracht bleiben, und die Anwesenheit von Eis 111 kann identifiziert werden.
Der Bildprozessor 71 bestimmt in der Stufe 191, ob die festgestellten Ränder einem kristallisierten Stück Polysilizium 37, wie etwa Eis 111, zuzuschreiben sind. Wenn beispielsweise die festgestellten Ränder gruppiert werden, um ein Objekt einer bestimmten Größe und Lage (nämlich an der Grenzfläche Tiegel/Schmelze) zu definieren und sich das Objekt periodisch als Funktion der Tiegeldrehgeschwindigkeit wiederholt, identifiziert das Bildsystem 67 den Gegenstand als Eis und geht zur Stufe 193 weiter. In der Stufe 193 berechnet der Bildprozessor 71 den angenäherten Flächeninhalt des Eises 111.
Das Bildsystem 67 stellt ferner in Stufe 195 Ränder in den Bildern fest, um den an der Grenzfläche Kristall/Schmelze sichtbaren Meniskus 59 zu identifizieren. Durch Feststellung des Meniskus 59 bestimmt der Bildprozessor 71 die Breite des Kristalls 41. In der Stufe 197 liefert der Bildprozessor 71 ein Maß für den Abstand des Eises 111 auf Basis von dessen Flächeninhalt von dem Rand des Kristalls 41. Beim Weitergehen zur Stufe 199 führt dann der PLC 73 in der Stufe 201 ein Eisprogramm durch, falls der Abstand von dem Eis 111 zum Kristall 41 kleiner als ein vorbestimmter Abstand (z. B. 25 mm) ist. Das Eisprogramm weist mit Vorteil die Regelanlage 55 an, den Betrieb anzuhalten oder zu beenden, wenn das Eis 111 zu nahe an dem Kristall 41 ist. Es ist auch zu erwägen, dass das Eisprogramm die Regelanlage 55 anweist, in bestimmten Situationen Hilfsmaßnahmen zu ergreifen. Wenn beispielsweise Eis 111 in dem Durchlauf relativ früh festgestellt wird, veranlasst das Eisprogramm das Erhitzer- Netzteil 29, die dem Tiegel 27 zugeführte Wärme zu vergrößern, um das kristallisierte Silizium zu schmelzen, und es veranlasst die Kristallantriebseinheit 51, die Ziehgeschwindigkeit zu senken, um den durch die gesteigerte Wärme resultierenden kleineren Kristalldurchmesser zu kompensieren. Auf der anderen Seite wird PLC 73, wie in Stufe 203 gezeigt, nicht aktiv, wenn in Stufe 191 kein Eis festgestellt wird oder wenn Eis 111 wahrscheinlich nicht stört (d. h., wenn es mehr als 25 mm von dem Kristall 41 entfernt ist).
Ferner ist zu bemerken, dass das Bildsystem 67 der vorliegenden Erfindung dazu dienen kann, andere Kristallwachstumsparameter, wie Spülrohrspalt oder Schmelzespalt und Konvektionsströme, neben dem vollständigen Niederschmelzen, der Schmelzgeschwindigkeit, Temperatur, dem Eis- oder Hängerabstand, Kristalldurchmesser, Schmelzeniveau und Verlust an versetzungsfreiem Wachstum zu bestimmen.
Im Hinblick auf das oben Gesagte ist ersichtlich, dass mehrere Ziele der Erfindung erreicht und andere vorteilhafte Ergebnisse erzielt werden.

Claims

1. Geschlossenes Regelkreisverfahren zur Anwendung in Verbindung mit einer Vorrichtung (23) zum Züchten eines Silizium-Einkristalls (41), mit einem beheizten Tiegel (27) zum Schmelzen von festem Silizium unter Bildung einer Schmelze (39), aus der ein Einkristall (41) gezogen wird, wobei die Schmelze (39) eine obere Oberfläche (99) hat, über der ungeschmolzenes Silizium (37, 101, 111) freiliegt, bis es geschmolzen ist, wobei das Verfahren die Stufen umfasst:

Erzeugung von Bildern eines Teils des Inneren des Tiegels (29) mit einer Kamera (57), wobei jedes der Bilder mehrere Bildelemente umfasst, die jeweils einen für eine optische Eigenschaft des Bildes repräsentativen Wert haben,

Verarbeitung der Bilder als Funktion der Bildelementwerte, um Ränder in den Bildern festzustellen,

Gruppierung der festgestellten Ränder als Funktion ihrer Stellen in den Bildern, um in den Bildern Objekte zu definieren, die jeweils ein oder mehrere Bildelemente umfassen und von denen wenigstens eins einen auf der Schmelzeoberfläche (99) sichtbaren Teil festes Silizium (37, 101, 111) darstellt,

Bestimmung wenigstens eines für den Zustand der Kristallzüchtungsvorrichtung (23) repräsentativen Parameters auf Basis der definierten Objekte während mehrerer Einkristall-Züchtungsstufen einschließlich des Niederschmelzens polykristallinen Siliziums, der Stufe zwischen der Beendigung des Niederschmelzens und des Keim/Schmelze-Kontaktes, des Keim/Schmelze-Kontaktes oder des Kristallwachstums, und

Regelung der Kristallzüchtungsvorrichtung (23) in Reaktion auf den bestimmten Parameter.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Verarbeitungsstufe die Subtraktion aufeinanderfolgender Bilder voneinander zur Erzeugung von Differenzbildern umfasst, die Änderungen von einem Bild zu dem nächsten identifizieren, und bei dem die in den Differenzbildern festgestellten Ränder gruppiert werden, um das definierte Objekt zu definieren, das den auf der Schmelzeoberfläche (99) sichtbaren Teil des festen Siliziums (37, 101, 112) repräsentiert.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, ferner mit der Stufe der Bestimmung einer ungefähren Größe des auf der Schmelzeoberfläche (99) sichtbaren Teils des festen Siliziums (37, 101, 111) als Funktion der Anzahl Bildelemente in dem definierten Objekt in den Differenzbildern.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die den Parameter bestimmenden Stufe die Bestimmung eines für das im Wesentlichen erfolgte Schmelzen des Siliziums in dem Tiegel (27) repräsentativen Schmelzbeendigungsparameters umfasst, der eine Funktion der ungefähr Null erreichenden Größe des auf der Schmelzeoberfläche (99) sichtbaren Teils des festen Siliziums (37, 101, 111) ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die den Parameter bestimmende Stufe die Bestimmung eines Schmelzgeschwindigkeitsparameters umfasst, der für die Geschwindigkeit, mit der das Siliziums in dem Tiegel (27) schmilzt, repräsentativ ist und eine Funktion der zeitlichen Änderungen der Größe des definierten Objekts ist, das den auf der Schmelzeoberfläche (99) sichtbaren Teil des festen Siliziums (37, 101, 111) darstellt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Verarbeitungsstufe die Feststellung einer Grenzfläche zwischen der Schmelze (39) und dem auf dem Schmelzeoberfläche (79) sichtbaren Teil des festen Siliziums (37, 101, 111) auf Basis der in den Bildern festgestellten Ränder umfasst, und bei der die Parameterbestimmungsstufe die Bestimmung eines Schmelzetemperaturparameters umfasst, der für die Temperatur der Schmelze (39) an verschiedenen Stellen der Schmelzeoberfläche (99) repräsentativ ist und eine Funktion des Bildelementwertes wenigstens einer der Bildelemente in dem Bild an der Grenzfläche zwischen der Schmelze und dem Teil des festen Siliziums (37, 101, 111) ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Verarbeitungsstufe die Feststellung einer Grenzfläche zwischen der Schmelze (39) und der inneren Wandungs (97) des Tiegels (27) auf Basis, der in den Bildern festgestellten Ränder sowie ferner die Stufe der Feststellung umfasst, wenn sich der Teil des festen Siliziums (37, 101, 111) an der inneren Wand (97) des Tiegels (27) befindet.

8. Verfahren nach Anspruch 7, ferner mit der Stufe der Definierung einer Bildelementlage entsprechend dem ungefähren Mittelpunkt des Tiegels (27), und bei dem die den Parameter bestimmende Stufe die Bestimmung eines Hängerabstandsparameters umfasst, der für den Abstand von der Mitte des Tiegels (27) zu dem an der inneren Wand (97) des Tiegels (27) festgestellten Teil des festen Siliziums (101, 111) repräsentativ ist und eine Funktion der Lage wenigstens eines der Bildelemente in dem definierten Objekt, das für den an der inneren Wand (97) des Tiegels (27) festgestellten Teil des festen Siliziums (101, 111) repräsentativ ist, relativ zu der dem ungefähren Mittelpunkt des Tiegel (27) entsprechenden Bildelementlage ist.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, bei dem die Verarbeitungsstufe die Feststellung eines Kristallmeniskus (59) auf der Schmelzeoberfläche (99) auf Basis der in den Bildern festgestellten Ränder umfasst, wobei der Kristallmeniskus (59) neben dem Einkristall (41) sichtbar ist, wenn dieser aus der Schmelze (39) gezogen wird, und bei dem die den Parameter bestimmende Stufe die Bestimmung eines Eisabstandsparameters umfasst, der für den Abstand zwischen dem an der inneren Wand (97) des Tiegels (27) festgestellten Teil des festen Siliziums (101, 111) und dem Kristallmeniskus (59) repräsentativ ist und eine Funktion der Lage wenigstens eines der Bildpunkte in dem für den an der inneren Wand (97) des Tiegels (27) festgestellten Teil des festen Siliziums (101, 111) repräsentativen, definierten Objekt relativ zu der Lage wenigstens eines der Bildelemente an einem Rand des Kristallmeniskus (59) ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der Einkristall (41) aus einem in die Schmelze (39) eingetauchten und dann aus ihr gezogenen Keimkristall (43) gezüchtet wird, wobei wenigstens einer der definierten Objekte für die auf der Schmelzeoberfläche vor der Berührung des Keimkristalls (43) mit der Schmelze (39) sichtbare Reflexion des Keimkristalls (43) repräsentativ ist, und ferner mit den Stufen der Bestimmung einer ungefähren Größe der Reflexion des Keimkristalls (43) als Funktion der Anzahl der Bildelemente in dem definierten Objekt und der Bestimmung eines für den Kontakt des Keimkristall (43) mit der Schmelzeoberfläche (99) repräsentativen Keim/Schmelze-Kontaktparameters als Funktion der etwa Null erreichenden Größe der Reflexion des Keimkristalls (43) an der Schmelzeoberfläche (99).