[发明专利]与控制硅晶体生长的系统一起使用的无失真摄像机

说明书

本发明一般地涉及改进的摄象机，且更具体地说，涉及一种透视控制摄象机，该摄象机与一个用于测量按切克劳斯基Czochralski过程生长的硅晶体的直径的系统一起使用，以控制采用切克劳斯基过程的设备或方法。

采用切克劳斯基过程的晶体拉制机生产着用来制作微电子工业用硅片的大部分单晶硅。简单地说，切克劳斯基过程涉及在位于专门设计的炉子中的石英坩锅中熔化高纯度的多晶硅块，以形成一个硅熔体。从提晶装置上悬挂下来的拉制线的下端，将小的籽晶悬挂在坩锅的上方。提晶装置将籽晶降至与坩锅中的熔化的硅相接触的位置。当籽晶开始熔化时，该装置缓慢地将其从硅熔体中拉起。当籽晶被拉起时，它从熔体生长出拉制硅来。在这种生长过程中，坩锅在沿着一个方向转动，同时提晶装置、连线、籽晶、和晶体沿着相反的方向转动。

当晶体生长开始时，籽晶与熔体接触的热冲击会在晶体中造成位错。除非在籽晶与晶的主体之间的颈部区得到消除，这些位错将在生长的整个晶体中传播并增加。消除单晶硅晶体中的位错的已知方法，涉及在生长晶体的本体之前，以较高的晶体拉制速率生长出具有小直径的完全消除位错的颈部。在消除了颈部中的位错之后，再使其直径扩大，直到达到所希望的主晶体本体的直径。当作为晶体的最弱部分的颈部的直径太小时，它会在晶体生长期间断裂，使晶体的本体下落到晶体中。晶体块的冲击和熔化的硅的溅起，会对晶体生长设备造成损坏，并会对安全产生严重的威胁。

如在现有技术中已知的，切克劳斯基过程作为正在生长的晶体的直径的函数，而部分地得到控制。因此，出于控制和安全的原因，需要准确而可靠的系统，用于测量晶体直径，包括颈部直径。

有几种已知的用于提供晶体直径测量的技术，包括测量亮环的宽度的方法。该亮环是固体—液体界面处形成的弯月形液面中的坩埚壁反射的特征。传统的亮环和弯月形液面检测器采用了光学高温计、光电池、带光电池的转镜、带光电池的光源、行扫描摄象机、以及二维阵列摄象机。USPatent No.3,740,563、5,138,179和5,240,684在此被引作参考文献，它们公布了用于在晶体生长过程中确定晶体的直径的方法和设备。

然而，目前可获得的用于自动测量晶体宽度的设备，在用于晶体生长的不同阶段或用于大直径晶体(其中亮环的真正最大处可能会被晶体本身所遮挡)时，经常不够准确或可靠。为了克服这种问题，测量晶体宽度的设备试图在沿着弯月形液面的弦上或单个点处测量弯月形液面。然而，这种设备要求扫描装置有精确的机械定位和对熔体高度的涨落非常灵敏。另外，传统的测量设备要求晶体生长设备的操作者经常进行校准，以保证直径保持在规定的范围之内。

晶体测量设备一般包括摄象机，诸如单色电荷耦合器件(CCD)摄象机，该摄象机被安装在晶体生长腔的观察口上，并与生长的晶体的轴成一定角度。摄象机产生晶体的视频图象，包括硅熔体与晶体之间的界面上的弯月形液面的图象。这种设备的一个缺点，是摄象机的位置造成了透视失真，从而使弯月形液面的图象呈现为椭圆而不是圆形。虽然有从失真的椭圆形获得圆形的数学变换，以补偿透视失真，但这些变换是复杂的并延迟了处理弯月形液面图象的观测系统的性能。

共同转让的申请Serial No.08/459,765(1995年6月2日递交)在此被作为参考文献，它提供了对用于测量生长过程中的晶体直径的观测系统的改进。虽然申请Serial No.08/459,765的系统和方法提供了改进的晶体直径测量，仍然需要能够在不采用复杂的变换和附加的处理步骤的情况下对透视失真进行补偿的系统。

焦阑透镜解决了有关的问题，其中视场包含偏离透镜的光轴的三维物体。然而，焦阑透镜只当视场小于或略微大于物镜的直径时有效。因此，当测量视场以外的物体时，仍然需要摄象机倾斜或摇动。

因此，传统的设备不能提供足够精确和可靠的、用于控制晶体生长过程并补偿透视失真的晶体直径自动确定系统。

在本发明的各种目的和特征中，应该注意的是：提供了一种改进的系统，它克服了上述的不利情况；提供了这样的系统，它提供了在生长过程中精确而可靠地测量晶体直径；提供了这样的系统，它补偿了由于摄象机的角度引起的失真所产生的误差；以及，提供了这样的系统，它在经济上是可行的且在商业上是实际的。