DE69113182T2

DE69113182T2 - Kristalldiametermessvorrichtung.

Info

Publication number: DE69113182T2
Application number: DE69113182T
Authority: DE
Inventors: Masahiko Baba; Hiroyuki Ibe
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 1990-07-28
Filing date: 1991-07-24
Publication date: 1996-02-08
Anticipated expiration: 2011-07-25
Also published as: EP0472907B1; US5240684A; JPH0726817B2; DE69113182D1; EP0472907A2; JPH0486509A; EP0472907A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Erfindungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kristalldurchmesser-Meßvorrichtung zum Messen des Durchmessers der wachsenden Abschnitte von Einkristallen, die durch die Czochralski-(CZ)-Technik gezüchtet werden.

Beschreibung des diesbezüglichen Standes der Technik

Die Einkristall-Zuchtvorrichtung nach Czochralski ist so konstruiert, daß ein Einkristall 20 gezüchtet wird, indem ein Keimkristall 18, der am unteren Ende eines Drahtes 14 mit einem Halter 16 gehalten ist, in eine Schmelze eingetaucht wird, die durch Erhitzen eines in einem Quarztiegel 10 aufgenommenen polykristallinen Materials mittels einer (nicht gezeigten) Heizung um den Quarztiegel 10 erzeugt wird, und indem anschließend der Keimkristall 18 mit dem Draht 14 von der Schmelze 12 nach oben gezogen wird, wie dies in Fig. 11 gezeigt ist. Der Einkristall 20 weist einen Halsabschnitt 22, dessen Durchmesser von den etwa 10 mm des Durchmessers des Keimkristalls 18 auf 2 bis 5 mm verringert wird, um Versetzungen aus dem Material zu entfernen, einen konischen Abschnitt 24, dessen Durchmesser allmählich ansteigt, und einen zylindrischen Hauptabschnitt 26 auf, der einen Durchmesser von z.B. 150 mm aufweist und zur Herstellung von Halbleiterscheiben benutzt wird.
Damit die Gestalt des auf diese Weise präparierten Einkristalls 20 mit einer Sollform übereinstimmt, wird der Durchmesser D des wachsenden Abschnittes des Einkristalls 20 gemessen. Dies wird erreicht, indem der Durchmesser des Bildes eines Leuchtringes 27 bestimmt wird, der an einer Grenzfläche zwischen dem Einkristall 20 und der Schmelze 12 gebildet wird, da der Durchmesser D des wachsenden Abschnittes proportional ist zum Durchmesser des Bildes des Leuchtringes 27.
Um sowohl den Durchmesser des relativ dünnen Halsabschnittes 22, als auch den des relativ dicken zylindrischen Abschnittes 26 mit hoher Genauigkeit zu messen, wurde (in der japanischen Patentoffenlegung No. 87482/1987) ein Meßverfahren vorgeschlagen, bei dem der Durchmesser des wachsenden Abschnittes des Kristalls gemessen wird, indem ein Bild davon unter Verwendung einer zweidimensionalen Kamera mit einer Zoom-Linse erhalten und anschließend das so erhaltene Bild einer Bildverarbeitung unterworfen wird.
Genaue Messungen des sich über einen Bereich von 2 mm bis 250 mm erstreckenden Durchmessers erfordern jedoch eine Zoom-Linse, die einen Vergrößerungsfaktor von zumindest 6 aufweist. Weiterhin weist eine Zoom-Linse mit einem hohen Vergrößerungsfaktor ein enges Sichtfeld auf. Folglich muß, wenn sich die vertikale Position der Oberfläche der Schmelze 125 verändert, die Position der Kamera entsprechend in der vertikalen Richtung bewegt werden, oder es muß entsprechend der Neigungswinkel der optischen Achse der Kamera geändert werden.
Für L: Objektabstand (mm)
X: seitliches Sichtfeld (mm)
f: Brennweite einer Linse (mm)
D: seitliche Auflösung einer Kamera (mm/bit),
erhält man die folgenden Gleichungen:
L = (1 + 1/8.8 X) f ... (1)
D = X/756 ... (2)
Im Falle der Messungen des Durchmessers des Halsabschnittes 22 betragen f = 180, L = 900, X = 35.2, und D = 0.05.
Im Falle der Messung des Durchmessers des zylindrischen Abschnittes 26 betragen f = 30, L = 900, X = 255.2, und D = 0.33 (was nicht gut ist).
Um die vorgenannten Probleme zu überwinden, ist ein Verfahren zur Messung des Durchmessers des Einkristalls 20 verwendet worden, das eine eindimensionale Kamera 28, wie dies in Fig. 11 gezeigt ist, einsetzt (Japapanische Patentoffenlegung No. 112493/1988).
Bei diesem Verfahren wird ein Zeilensensor 20 der eindimensionalen Kamera 28 bevorzugt in der Ebene angeordnet, in der der Draht 14 verläuft, und das Abbild des Punktes, wo die Ebene den Leuchtring 27 schneidet, wird auf dem Zeilensensor 30 mittels einer Linse 32 abgebildet. Der Durchmesser D des Einkristalls 20 wird aus der Bildpunktposition X des Leuchtpunktes bestimmt. Der Durchmesser D ist weiterhin sowohl vom horizontalen Abstand R zwischen der Mittenlinie des Einkristalls 20 und dem Mittelpunkt des Zeilensensors 30 als auch vom Vertikalabstand H zwischen der Schmelzeoberfläche 12S und dem Mittelpunkt des Zeilensensors 30 abhängig. Da der Abstand R konstant ist, wird der Durchmesser D durch X und H bestimmt. Dies wird ausgedrückt durch D = F (X, H). Der Durchmesser D ist auch bei den Messungen, die die zweidimensionale Kamera verwenden, von der Höhe H abhängig.
Eine Kamera mit einem Flächensensor wird im allgemeinen als zweidimensionale Kamera verwendet. Die Anzahl der Bildpunkte einer Zeile einer solchen Kamera beträgt etwa 512 Bildpunkte als Maximum, wogegen die Anzahl der Bildpunkte eines Zeilensensors 30 z.B. 2048 und 4096 beträgt. Da der Punkt, wo die den Draht umfassende Ebene den Leuchtring 27 kreuzt, detektiert wird, ist es bei der Meßmethode, die die eindimensionale Kamera verwendet, möglich, den Durchmesser D des Einkristalls 20 durch die ortsfeste eindimensionale Kamera 28 exakt zu messen, sogar wenn sich die Höhe der Schmelzecberfläche 12S ändert.
Die Messung des Durchmessers des Halsabschnittes 22 unter Verwendung der eindimensionalen Kamera 28 hat jedoch den Nachteil, daß Vibrationen des Halsabschnittes 22 in der horizontalen Richtung aufgrund des relativ kleinen Durchmessers D es verhindern können, daß das Bild des Leuchtpunktes auf den Zeilensensor 30 fokussiert wird. Dies macht Messungen des Durchmessers D unmöglich.
Weiterhin haben die Erfinder hier entdeckt, daß die Messung des Durchmessers D des Halsabschnittes 22 durch die eindimensionale Kamera 28 das folgende Problem mit sich bringt:
Fig. 12 zeigt den geöffneten und geschlossenen Zustand einer Schulterkammer 34, die eine Hauptkammer von obenher abdeckt. Ein Arm 36 steht von der peripheren Oberfläche der Schulterkammer 34 ab. Wenn das polykristalline Silizium in den Quarztiegel 10 eingefüllt wird, wird die Schulterkammer 34 um eine Achse 38 in Uhrzeigersinn bezogen auf Fig. 12 um 90º gedreht, um die obere Öffnung der Hauptkammer zu öffnen. Nachdem das gewünschte polykristalline Material innerhalb des Quarztiegels 10 aufgenommen worden ist, wird die Schulterkammer 34 in die umgekehrte Richtung um 90º gedreht, um die obere Öffnung der Hauptkammer zu verschließen. Da der Abstand zwischen dem Zentrum der Achse 38 und dem Zentrum der Schulterkammer 34 bis zu beispielsweise 700 mm groß werden kann, verursacht eine kleine Verschiebung im Rotationswinkel der Schulterkammer 34, die durch die Öffnungs-Schließbewegung hervorgerufen werden könnte, eine Verschiebung "d" in der Position der Schulterkammer 34. Bei einer Messung dieser Verschiebung "d" in der Position wurde ein Maximalwert von 1.5 mm beobachtet.
Bei dem Verfahren, das die eindimensionale Kamera einsetzt, beeinflußt diese Verschiebung "d" in der Position die Präzision der Durchmessermessung.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Messung eines Kristalldurchmessers zu schaffen, das es erlaubt, den Durchmesser von Kristallen exakt über einen Bereich von einem Abschnitt mit kleinem Durchmesser bis zu einem Abschnitt mit großem Durchmesser davon zu messen, ohne die Höhe die Kamera oder die Richtung deren optischer Achse zu ändern, sogar wenn das Niveau der Schmelzeoberfläche während des Wachstums des Kristalls variiert wird.
Um diese Aufgabe zu erfüllen schafft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Messen des Durchmessers der wachsenden Abschnitte von Einkristallen, die innerhalb einer Kammer unter Verwendung der Czochralski-Technik gezüchtet werden, welche Vorrichtung eine zweidimensionale Kamera zur Ausgabe eines Videosignals, das repräsentativ für den wachsenden Abschnitt ist, eine erste Einrichtung zur Bestimmung des Durchmessers des wachsenden Abschnittes aus dem Durchmesser eines Leuchtringbildes auf der Basis des Videosignals der zweidimensionalen Kamera, eine eindimensionale Kamera zur Ausgabe eines Videosignals, das repräsentativ ist für ein Bild auf einer Linie, die quer über den Leuchtring des wachsenden Abschnittes verkäuft, eine zweite Einrichtung zur Bestimmung des Durchmessers des wachsenden Abschnittes aus der Position eines Leuchtringes auf der Basis des Videosignals der eindimensionalen Kamera und eine Selektionseinrichtung zur Ausgabe des Durchmessers umfaßt, wie er von der ersten Bestimmungseinrichtung in der anfänglichen Stufe der Messung, in der der Durchmesser klein ist, bestimmt wurde, und zur Ausgabe des Durchmessers, wie er danach durch die zweite Bestimmungseinrichtung bestimmt wird.
Bei der anfänglichen Stufe der Kristallzucht, in der der Durchmesser des Kristalls relativ klein ist, ist es nicht notwendig, die zu dieser Zeit verwendete zweidimensionale Kamera zu bewegen, da das Niveau der Oberfläche der Schmelze konstant ist. Weiterhin wird die zweidimensionale Kamera nur in der anfänglichen Stufe des Kristallwachstums verwendet und es ist daher nicht notwendig, den Vergrößerungsfaktor der fotografischen Linse zu verändern. Dies erlaubt es, eine fotografische Linse mit einem festen hohen Vergrößerungsfaktor zu verwenden, wodurch ermöglicht wird, daß der Durchmesser des Kristalls mit einem hohen Grad von Genauigkeit gemessen wird.
Danach wird eine eindimensionale Kamera, die eine größere Anzahl von Bildpunkten auf der geraden Zeile als die zweidimensionale Kamera aufweist, verwendet, um das Bild der quer über den Leuchtring des wachsenden Abschnittes des Einkristalls verlaufenden Linie zu erhalten. Folglich ist es nicht notwendig, die eindimensionale Kamera zu bewegen, sogar wenn das Niveau der Oberfläche der Schmelze sich aufgrund des Kristallwachstums ändert. Weiterhin sind exakte Durchmessermessungen möglich.
Beide Kameras, also die ein- und die zweidimensionale Kamera, können so angeordnet werden, daß sie in einer Zwei-Wege-Anwendung mit einem einzigen Sichtfenster der Kammer kompatibel sind.
Bei der vorstehend erwähnten Kristalldurchmesser-Meßvorrichtung kann eine Umschaltvorrichtung für den optischen Weg vorgesehen sein, die das Licht vom wachsenden Abschnitt entweder zu der ein- oder zur zweidimensionalen Kamera durch Bewegung des Spiegels richtet. Auf diese Weise kann sowohl die ein- als auch die zweidimensionale Kamera gleichzeitig an dem einzigen Sichtfenster der Kammer angeordnet werden und die Konstruktion der Meßvorrichtung kann so vereinfacht werden.
Die Umschaltvorrichtung für den optischen Weg umfaßt erste und zweite Planspiegel, die bezüglich der Ausbreitungsrichtung des von dem wachsenden Abschnitt zu dem Sichtfenster gerichteten Lichtes geneigt sind und die in Gegenüberstellung zueinander angeordnet sind. Weiterhin umfaßt die Umschalteinrichtung eine Führung, die den ersten Planspiegel in einer Richtung im wesentlichen rechtwinklig zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes zwischen der Position, wo der erste Planspiegel dem Sichtfenster gerade gegenübersteht und der Position, in der er seitlich neben dem Sichtfenster angeordnet ist, führt. Die Umschaltvorrichtung für den optischen Weg ist so konstruiert, daß, wenn der erste Planspiegel in der Position plaziert ist, wo er dem Sichtfenster gegenübersteht, das Licht von dem wachsenden Abschnitt durch das Sichtfenster hindurchläuft, zuerst von dem ersten Planspiegel und dann von dem zweiten Planspiegel reflektiert wird und dann auf die zweidimensionale Kamera fällt, und daß, wenn der erste Planspiegel seitlich neben dem Sichtfenster angeordnet ist, das Licht vom wachsenden Abschnitt durch das Sichtfenster hindurchläuft und dann direkt auf die eindimensionale Kamera fällt.
Wenn der Kristalldurchmesser aus dem Leuchtringbild, das von der zweidimensionalen Kamera erhalten wird, ermittelt wird, verursacht eine leichte Verschiebung der optischen Achse nur, daß sich die Gesamtheit des Leuchtringbildes verschiebt, wodurch folglich das geschilderte Problem nicht hervorgerufen wird. Wenn der Kristalldurchmesser aus dem Einzelpunkt (Leuchtpunkt) des von der eindimensionalen Kamera erhaltenen Leuchtringbildes ermittelt wird, bewegt eine leichte Verschiebung in der optischen Achse den Leuchtpunkt allein, während das Zentrum der Anordnung fest bleibt, wodurch folglich die Präzision der Durchmesserbestimmung beeinflußt wird.
Da jedoch bei der vorliegenden Erfindung das Licht vom wachsenden Abschnitt direkt auf die eindimensionale Kamera fällt, ohne durch den Spiegel hindurchzutreten, beeinflußt eine leichte Verschiebung in der optischen Achse, wie sie durch die Bewegung der Spiegel verursacht wird, nicht die Genauigkeit der Durchmesserbestimmung, und der Kristalldurchmesser kann so mit einem hohen Genauigkeitsgrad über den gesamten Bereich von Kristallabschnitten mit kleinem Durchmesser bis zu Kristallabschnitten mit großem Durchmesser gemessen werden.
Vorzugsweise umfaßt die Kristalldurchmesser-Meßvorrichtung weiterhin eine Einrichtung zur Korrektur des Durchmessers, der von der zweiten Bestimmungseinrichtung bestimmt wird, so daß der von der zweiten Bestimmungseinrichtung bestimmte Durchmesser mit dem von der ersten Bestimmungseinrichtung bestimmten Durchmesser zusammenfällt, wenn die Auswahl von der Selektionseinrichtung getroffen wird.
Wenn der Kristalldurchmesser aus dem Einzelpunkt des von der eindimensionalen Kamera erhaltenen Leuchtringbildes bestimmt wird, beeinflußt eine leichte Verschiebung in der optischen Achse die Genauigkeit der Durchmesserbestimmung, wie es oben erörtert wurde. Wenn ein polykristallines Material in den Tiegel eingefüllt wird, muß die Kammer geöffnet und geschlossen werden. Dies kann eine leichte Verschiebung in der optischen Achse der eindimensionalen Kamera hervorrufen.
Da jedoch bei der vorliegenden Erfindung die Fehler bei der Durchmesserbestimmung, die durch eine Verschiebung in der optischen Achse oder dergleichen hervorgerufen werden, automatisch korrigiert werden können, kann die Meßgenauigkeit weiter verbessert werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt schematisch die Anordnung eines optischen Systems einer Kristalldurchmesser-Meßvorrichtung zur Verwendung in einer Czochralski-Kristallzuchtvorrichtung;
Fig. 2 zeigt die Anordnung einer Umschaltvorrichtung für den optischen Weg und der Kameras von Fig. 1;
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm der Kristalldurchmesser-Meßvorrichtung;
Fig. 4 ist eine Flußdiagramm, das die Software-Konfigurierung einer Bildverarbeitungseinrichtung 74 von Fig. 3 zeigt;
Fig. 5 zeigt den Bereich des wachsenden Abschnittes eines Einkristalls 20;
Fig. 6 zeigt ein Binärbild des von einer zweidimensionalen Kamera 48 erhaltenen Bildes;
Fig. 7 zeigt die Beziehung zwischen einem Videosignal VS2, das die Lichtintensität aufgenommen entlang einer gerade Linie 86 von Fig. 6 repräsentiert, dem Ausgangssignal der zweidimensionalen Kamera 48 und einer Referenzspannung E&sub2;;
Fig. 8 zeigt die Beziehung zwischen einem Videosignal VS1, das die Lichtintensität aufgenommen entlang einer geraden Linie 88 gemäß Fig. 5 repräsentiert, dem Ausgangssignal der eindimensionalen Kamera 28 und einer Referenzspannung E&sub1;;
Fig. 9 ist ein Kurvenschaubild, das die Resultate von Tests zeigt, die zehnmal durchgeführt wurden, in jedem von denen ein Fehler der Durchmesserbestimmung bestimmt wird, wobei die Meßvorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung jedesmal verwendet wurde, wenn die Schulterkammer 34 betätigt worden ist;
Fig. 10 ist ein Kurvenschaubild entsprechend dem Kurvenschaubild von Fig. 9, das die Resultate der durchgeführten Test zeigt, wobei die Meßvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wurde, ohne den Durchmesser zu korrigieren;
Fig. 11 zeigt das Prinzip der Messung des Kristalldurchmessers unter Verwendung der eindimensionalen Kamera 28; und
Fig. 12 ist eine Draufsicht auf die Schulterkammer 34, die geöffnet und geschlossen wird, um die obere Öffnung der Hauptkammer zu öffnen und zu schließen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 zeigt schematisch die Anordnung eines optischen Systems einer Kristalldurchmesser-Meßvorrichtung zur Anwendung in einer Czochralski-Einkristall-Zuchtvorrichtung. In Fig. 1 werden die gleichen Bezugsziffern verwendet, um die gleichen Komponenten, wie sie in Fig. 11 gezeigt sind, zu bezeichnen, wobei deren entsprechende Beschreibung weggelassen wird.
Der Quarztiegel 10 ist in der Hauptkammer 40 untergebracht, deren obere Öffnung durch die Schulterkammer 34 abgedeckt ist. Eine Ziehkammer 42 ist koaxial mit der oberen Öffnung des einen kleinen Durchmesser aufweisenden Abschnittes der Schulterkammer 34 verbunden. Die obere Öffnung der Ziehkammer 42 ist von einem Rotations-/Hochzieh-Antriebsabschnitt 44 abgedeckt, der bezüglich der Ziehkammer 42 drehbar ist. Der Rotations- /Hochzieh-Antriebsabschnitt 44 beherbergt eine Aufwickeltrommel 46, um die der Draht 14 gewickelt ist. Der Draht 14 wird um seine eigene Zentralachse durch die Rotation des Rotations-/Hochzieh-Antriebsabschnittes 44 relativ zur Ziehkammer 42 durch einen nicht gezeigten Motor in Rotation versetzt.
Die Schulterkammer 34 hat ein Sichtfenster 47. Um dem Bedienungspersonal zu erlauben, den wachsenden Abschnitt des Einkristalls 20 über das Sichtfenster 47 zu beobachten, ist eine eindimensionale Kamera 28, die z.B. mit einem CCD-Zeilensensor versehen ist, an der Schulterkammer 34 in der gleichen Weise befestigt, wie dies in Fig. 11 gezeigt ist. An der Schulterkammer 34 ist ebenfalls eine zweidimensionale Kamera 48 befestigt, die z.B. mit einem CCD-Flächensensor versehen ist. Die optische Achse der zweidimensionalen Kamera 38 wird parallel zu der der eindimensionalen Kamera 28 ausgerichtet.
Die Anzahl der Bildpunkte der eindimensionalen Kamera 28 beträgt beispielsweise 2048 oder 4096, die einer Zeile der zweidimensionalen Kamera 48 dagegen beträgt 512. Die zweidimensionale Kamera verwendet jedoch eine Linse mit einem hohen Vergrößerungsfaktor, der gewährleistet, daß ein Bildpunkt beispielsweise 0.05 mm entspricht.
Zwischen dem Sichtfenster 47 und den ein- und zweidimensionalen Kameras 28 und 48 ist eine Umschaltvorrichtung für den optischen Weg an der Schulterkammer 34 befestigt, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Die Umschaltvorrichtung 50 für den optischen Weg umfaßt einen beweglichen Planspiegel 52 und einen festen Planspiegel 54, die parallel zueinander und in Gegenüberstellung angeordnet sind. Die reflektierende Oberfläche jeden Spiegels ist um 45º relativ zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes geneigt, das vom wachsenden Abschnitt des Einkristalls ausgehend nach außen durch das Sichtfenster strahlt. Der bewegliche Planspiegel 52 ist am freien Ende einer Kolbenstange 56a eines Zylinders 56 befestigt und ist so in der Richtung (wie sie durch Pfeile in Fig. 2 angedeutet ist) rechtwinklig zu den optischen Achsen der ein- und zweidimensionalen Kameras 28 und 48 beweglich. Die Bewegung des beweglichen Planspiegels 52 ist durch eine nicht dargestellte Führung geführt. Begrenzungsschalter 58 und 60 sind an Positionen vorgesehen, wo der Begrenzungsschalter 58 betätigt wird, wenn die Kolbenstange 56a ausgefahren ist und der bewegliche Planspiegel 52 dadurch in der durch durchgezogene Linien gezeigten Position plaziert ist, während der Begrenzungsschalter 60 betätigt wird, wenn die Kolbenstange 56a sich einschiebt und der bewegliche Planspiegel 52 dadurch in der Position plaziert ist, die durch die strich-doppelpunktierte Linie angedeutet ist. Wenn sich der bewegliche Planspiegel 52 in der durch die strich-doppelpunktierte Linie angedeuteten Stellung befindet, läuft das Licht vom wachsenden Abschnitt des Einkristalls durch das Sichtfenster 47 hindurch und fällt danach direkt auf die eindimensionale Kamera 28. Wenn der bewegliche Planspiegel 52 sich in der durch die durchgezogene Linie angedeuteten Stellung befindet, wird das Licht von dem wachsenden Abschnitt durch die Planspiegel 52 und 54 reflektiert und dadurch auf die zweidimensionale Kamera 48 gerichtet.
Bei der anfänglichen Stufe der Messung befindet sich der bewegliche Planspiegel 52 in der durch die durchgezogene Linie angedeuteten Stellung. Wenn sich der Durchmesser des konischen Abschnittes 24 auf z.B. 10 mm erhöht hat, zieht sich die Kolbenstange 56a zurück und die Umschaltvorrichtung 50 für den optischen Weg wird dadurch in den Zustand übergeführt, wie er durch die strich-doppelpunktierte Linie angedeutet ist. Die Hochziehgeschwindigkeit des Einkristalls 20 beträgt etwa 1 mm/min, und Änderungen im Durchmesser des Einkristalls 20, die während der Betätigung der Umschaltvorrichtung 50 für den optischen Weg auftreten würden, können so vernachlässigt werden.
Fig. 3 zeigt den Aufbau der Kristalldurchmesser-Meßvorrichtung.
Die eindimensionale Kamera 28 gibt ein Videosignal VS1 und einen Bildpunkt-Takt PCK&sub1; zur Trennung der einzelnen Bildpunkte aus. Ähnlich gibt die zweidimensionale Kamera 48 ein Videosignal V&sub5;&sub2; und einen Bildpunkt- Takt PCK&sub2; zur Trennung der einzelnen Bildpunkte ab. Die Videosignale VS1 und VS1 werden einem Wechselschalter 70 zugeführt, der selektiv eines der Videosignale an einen Digitalisierungsschaltkreis 72 ausgibt. Der Digitalisierungsschaltkreis 72 digitalisiert die Eingangsspannung und liefert einen Binärwert an eine Bildverarbeitungsvorrichtung 74. Die Bildpunkt- Takte PCK&sub1; und PCK&sub2; werden einem Wechselschalter 76 zugeführt, der selektiv einen der Bildpunkt-Takte der Bildverarbeitungsvorrichtung 74 zuführt. Eine der Spannungen E&sub1; bzw. E&sub2;, die durch einen Referenzspannungsgenerator 78 erzeugt werden, wird selektiv dem Referenzspannungs-Eingangsanschluß des Digitalisierungschaltkreises 72 durch einen Wechselschalter 80 zugeführt. Die Wechselschalter 70, 76 und 80 werden durch ein Signal von dem Begrenzungsschalter 60 umgeschaltet, so daß sie jeweils entweder das Videosignal VS1, den Bildpunkt-Takt PCK&sub1; und die Spannung E&sub1; oder das Videosignal VS2, den Bildpunkt-Takt PCK&sub2; und die Spannung E&sub2; ausgeben. Die Bildverarbeitungsvorrichtung 74 wird durch einen Mikrocomputer gebildet. Die Bildverarbeitungsvorrichtung 74 liest das Videosignal von dem Digitalisierungsschaltkreis 72 synchron mit dem Bildpunkt- Takt von dem Wechselschalter 76 ein und führt anschließend eine Bildverarbeitung mittels der Methode durch, die durch das Betätigungssignal von dem Begrenzungsschalter 58 oder 60 bestimmt wird, wobei die von einer (nicht gezeigten) Vorrichtung zugeführte Höhe H der Oberfläche der Schmelze verwendet wird, um den Durchmesser D des Einkristalls zu detektieren und auszugeben.
Fig. 4 zeigt die Softwarekonfigurierung der Bildverarbeitungsvorrichtung 74.
Wenn in Schritt 100 bestimmt wird, daß der Begrenzungsschalter 58 betätigt worden ist, d.h. daß das Ausgangssignal der zweidimensionalen Kamera 48 ausgewählt ist, wird ein in Fig. 6 gezeigtes Binärbild entsprechend Fig. 5 in Schritt 102 verarbeitet, um als Kristalldurchmesser D den maximalen horizontalen Durchmesser D&sub0; oder D&sub1; eines Leuchtringbildes 84 zu detektieren, das in dem Binärbild 82 enthalten ist. D&sub0; repräsentiert den Außendurchmesser des Leuchtringbildes 84 und D&sub1; repräsentiert dessen Innendurchmesser. Fig. 7 zeigt die Beziehung zwischen dem Videosignal V&sub5;&sub2;, wie es entlang einer geraden Linie 86 aufgenommen wurde, die in der Horizontalrichtung quer über das Zentrum des in Fig. 6 gezeigten Binärbildes 82 verläuft, und dem Referenzwert E&sub2;.
Obwohl der Innendurchmesser D&sub1; und der Außendurchmesser D&sub0; im wesentlichen gleich sind, ist die Verwendung des Außendurchmessers D&sub0; während des automatischen Wachstums des Halsabschnittes 22 erwünscht.
Der Kristalldurchmesser D wird als DB gespeichert.
Als nächstes wird K der Wert 0 zugeordnet, um den Prozeßablauf in Schritt 104 zu ändern.
Danach wird der Durchmesser D in Schritt 106 ausgegeben und der Prozeß kehrt zum Schritt 100 zurück.
Wenn in Schritt 100 bestimmt wird, daß der Begrenzungsschalter 58 ausgeschaltet worden ist, wird der in Schritt 102 bestimmte Durchmesser DB auf D gesetzt, und anschließend wird D in Schritt 106 ausgegeben.
Wenn der Begrenzungsschalter 60 betätigt wird, wird in Schritt 108 bestimmt, ob K = 0 oder nicht. Im ersten Betätigungszyklus beträgt K = 0 und der Prozeß läuft zu Schritt 110.
In Schritt 110 wird der in Schritt 102 erhaltene Durchmesser DB, d.h. wie er unter Verwendung der zweidimensionalen Kamera 48 gemessen wurde, auf D gesetzt. Als nächstes wird in Schritt 112 DB - F (X, H) berechnet und das Ergebnis als deltad gespeichert.
Wie in dem Abschnitt über den Stand der Technik beschrieben wurde, ist F (X, H) die Gleichung, die dazu verwendet wird, den Kristalldurchmesser D geometrisch aus der Position X des Leuchtpunktes und der in Fig. 11 gezeigten Höhe H zu berechnen. F (X, H) kann eine empirische Formel sein.
Fig. 8 zeigt die Beziehung zwischen dem Videosignal VS1 und der Bezugsspannung E&sub1;. Das Videosignal VS1 repräsentiert die Lichtintensität, wie sie entlang einer in Fig. 5 gezeigten geraden Linie 88 aufgenommen wurde und entspricht der Lichtintensität, wie sie entlang einer geraden Linie 88A des in Fig. 6 gezeigten Binärbildes 28 aufgenommen wurde. Die innere Position X&sub1; des Leuchtpunktes kann als Bildpunkt-Position X des Lichtpunktes verwendet werden, um den Durchmesser D zu berechnen.
Idealerweise ist D = F (X, H).
Es fällt jedoch D nicht mit F (X, H) aufgrund einer Verschiebung in der Position der Schulterkammer 34 zusammen, die durch die Öffnungs- /Schließbetätigung der Schulterkammer 34 hervorgerufen wird. Der Durchmesser DB, der unter Verwendung der zweidimensionalen Kamera 48 bestimmt wird, ist der Durchmesser des Leuchtringbildes 84 und wird so nicht durch die Positionsverschiebung beeinflußt.
Folglich kann deltad als Korrekturwert bezüglich F (X, H) dienen.
In Schritt 114 werden K der Wert 1 zugewiesen und anschließend der Durchmesser D in Schritt 106 ausgegeben.
Im darauffolgenden Bedienungszyklus wird in Schritt 108 bestimmt, daß K ≠ 0 ist. Der Prozeß setzt sich daher mit Schritt 116 fort, und F (X, H) + deltaD wird berechnet und das Resultat als Durchmesser D gesetzt. Danach setzt sich der Prozeß mit Schritt 106 fort und dieser Durchmesser D wird ausgegeben.
Danach werden die Prozeßabläufe in der Reihenfolge der Schritte 100, 108, 116 und 106 wiederholt.

Beispiele

Der Fehler bei der Durchmesserbestimmung, der dem Unterschied entspricht zwischen dem Durchschnittswert des Durchmessers D (der ungefähr 150 mm beträgt) des zylindrischen Abschnittes 26 des einzelnen Einkristalls 20, wie er unter Verwendung der Durchdurchmesser-Meßvorrichtung mit der vorerwähnten Ausgestaltung gemessen wurde, und dem Durchschnittswert des Durchmessers DR des zylindrischen Abschnittes 26, wie er nach der Kristallzucht unter Verwendung eines Nonius gemessen wurde, wurde jedesmal ermittelt, wenn die Schulterkammer 34 betätigt wurde. Fig. 9 zeigt die erhaltenen Resultate, wenn eine solche Fehlerermittlung zehnmal (an den zylindrischen Abschnitten 26 von zehn Einkristallen 20) durchgeführt wurde.
Fig. 10 zeigt die Resultate der Durchmesserfehlerbestimmung, die in der gleichen Weise unter Verwendung von deltaD = 0 in Schritt 116 des in Fig. 4 gezeigten Flußdiagrammes erhalten wurde.
Wie aus den Fig. 9 und 10 erkennbar ist, ist die im vorliegenden Ausführungsbeispiel durchgeführte Korrektur wirksam.

ÜBERSETZUNGSLISTE DER ENGLISCHSPRACHIGEN AUSDRÜCKE IN DEN ZEICHNUNGEN:

Fig. 3:

ONE-DIMENSIONAL CAMERA = Eindimensionale Kamera
TWO-DIMENSIONAL CAMERA = Zweidimensionale Kamera
CHANGE-OVER SWITCH = Wechselschalter
BINARIZING CIRCUIT = Digitalisierungsschaltkreis
IMAGE PROCESSING DEVICE = Bildverarbeitungsvorrichtung
CRYSTAL DIAMETER = Kristalldurchmesser
HEIGHT H OF MELT SURFACE = Höhe H der Schmelzeoberfläche
REFERENCE VOLTAGE GENERATOR = Referenzspannungsgenerator

Fig. 4:

START = Start
WHICH CAMERA? = Welche Kamera?
TWO-DIMENSIONAL CAMERA = Zweidimensionale Kamera
ONE-DIMENSIONAL CAMERA = Eindimensionale Kamera
OPTICAL PATH SWITCH-OVER DEVICE 15 OPERATING = Umschalteinrichtung für den optischen Weg ist in Betrieb
DETERMINE DIAMETER = Bestimmung des Durchmessers
OUTPUT DIAMETER = Ausgabe des Durchmessers

Fig. 7:

POSITION = Position
VOLTAGE = Spannung

Fig. 8:

POSITION = Position
VOLTAGE = Spannung

Fig. 9

PULL-UP NUMBER = Hochzieh-Nummer
DIAMETER DETERMINATION ERROR = Fehler bei der Durchmesserbestimmung

Fig. 10

Claims

1. Kristalldurchmesser-Meßvorrichtung zur Messung eines Durchmessers (D) eines wachsenden Abschnittes eines Einkristalls (20), der innerhalb einer Kammer mittels der Czochralski-Technik gezüchtet wird, mit:

einer zweidimensionalen Kamera (28) zur Ausgabe eines Videosignals, das für den wachsenden Abschnitt repräsentativ ist;

einer ersten Einrichtung (74, 102) zur Bestimmung des Durchmessers des wachsenden Abschnittes aus einem Durchmesser eines Leuchtringbildes auf der Basis des Videosignals der zweidimensionalen Kamera;

einer eindimensionalen Kamera (28) zur Ausgabe eines Videosignals, das für ein Bild auf einer Linie repräsentativ ist, die quer über den Leuchtring des wachsenden Abschnittes verläuft;

einer zweiten Einrichtung (74, 116) zur Bestimmung des Durchmessers des wachsenden Abschnittes aus der Position eines Leuchtpunktes auf der Basis des Videosignals der eindimensionalen Kamera; und

einer Selektionseinrichtung (56, 60, 70, 74, 76, 80, 100) zur Ausgabe des Durchmessers, wie er durch die erste Bestimmungseinrichtung in der anfänglichen Stufe der Messung bestimmt wurde, in der der Durchmesser gering ist, und zur Ausgabe des Durchmessers, wie er danach durch die zweite Bestimmungseinrichtung bestimmt wurde.

2. Kristalldurchmesser-Meßvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die eindimensionale Kamera und die zweidimensionale Kamera so angeordnet sind, daß sie einem einzigen Sichtfenster (47) der Kammer gegenüberstehen, und wobei die Kristalldurchmesser-Meßvorrichtung weiterhin eine Umschalteinrichtung (50) für den optischen Weg umfaßt, um Licht von dem wachsenden Abschnitt entweder zur eindimensionalen Kamera oder zur zweidimensionalen Kamera durch Bewegung eines Spiegels (52) zu leiten.

3. Kristalldurchmesser-Meßvorrichtung anch Anspruch 2, wobei die Umschalteinrichtung für den optischen Weg umfaßt einen ersten und zweiten Planspiegel (52, 54), die bezüglich der Ausbreitungsrichtung des von dem wachsenden Abschnitt zu dem Sichtfenster gerichteten Lichtes geneigt sind und die in Gegenüberstellung zueinander angeordnet sind, sowie eine Führung zum Führen des ersten Planspiegels in einer Richtung im wesentlichen rechtwinklig zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes und zwischen einer Position, in der der erste Planspiegel dem Sichtfenster gegenübersteht, sowie einer Position, die seitlich von dem Sichtfenster liegt, so daß, wenn der erste Planspiegel in der Position angeordnet ist, wo er dem Sichtfenster gegenübersteht, das durch das Sichtfenster hindurchgehende Licht von dem wachsenden Abschnitt zuerst von dem ersten Planspiegel und dann von dem zweiten Planspiegel reflektiert wird und dann auf die zweidimensionale Kamera fällt, während, wenn der erste Planspiegel seitlich des Sichtfensters angeordnet ist, das Licht von dem wachsenden Abschnitt durch das Sichtfenster hindurchläuft und dann direkt auf die eindimensionale Kamera fällt.

4. Kristalldurchmesser-Meßvorrichtung anch Anspruch 1, die weiterhin eine Einrichtung (74, 110, 112, 116) zur Korrektur des durch die zweite Bestimmungseinrichtung bestimmten Durchmessers umfaßt, so daß der von der zweiten Bestimmungseinrichtung bestimmte Durchmesser mit dem durch die erste Bestimmungseinrichtung bestimmten Durchmesser übereinstimmt, wenn die Auswahl durch die Selektionseinrichtung getroffen wird.

5. Kristalldurchmesser-Meßvorrichtung nach Anspruch 2, die weiterhin eine Einrichtung (74, 110, 112, 116) zur Korrektur des durch die zweite Bestimmungseinrichtung bestimmten Durchmessers umfaßt, so daß der von der zweiten Bestimmungseinrichtung bestimmte Durchmesser mit dem durch die erste Bestimmungseinrichtung bestimmten Durchmesser übereinstimmt, wenn die Auswahl durch die Selektionseinrichtung getroffen wird.

6. Kristalldurchmesser-Meßvorrichtung nach Anspruch 3, die weiterhin eine Einrichtung (74, 110, 112, 116) zur Korrektur des durch die zweite Bestimmungseinrichtung bestimmten Durchmessers umfaßt, so daß der von der zweiten Bestimmungseinrichtung bestimmte Durchmesser mit dem durch die erste Bestimmungseinrichtung bestimmten Durchmesser übereinstimmt, wenn die Auswahl durch die Selektionseinrichtung getroffen wird.