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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung und Regelung der Höhe der Schmelzenoberfläche in einer Anlage zum Ziehen von im Querschnitt kreisförmigen Kristallen aus einer Schmelze, wobei der Übergang zwischen dem gezogenen Kristall und der Schmelze als heller Ring auf der Schmelzenoberfläche sichtbar ist, wobei die Anlage eine auf die Schmelzenoberfläche und den Ring gerichtete Kamera, die ihre Bildinformation einer Bildauswerteeinrichtung zur Verfügung stellt, einen höhenverstellbaren, die Schmelze aufnehmenden Tiegel und eine Hubeinrichtung zur Höhenverstellung des Tiegels aufweist, wobei in der Bildauswerteeinrichtung aus der von der Kamera gelieferten Bildinformation ein Eingangswert für eine Steuereinrichtung zur Verfügung gestellt wird, die die Hubeinrichtung so ansteuert, dass die Höhe der Schmelzenoberfläche in Bezug auf die Anlage konstant bleibt.
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Beim Ziehen eines Kristalls aus einer Schmelze ist es vor allem notwendig, die Schmelzenoberfläche in einer möglichst konstanten räumlichen Anordnung zu der sie umgebenden Heizeinrichtung zu halten. Es ist daher bekannt, den Tiegel höhenverstellbar zu lagern, so dass mit dem Verbrauch der Schmelze der Tiegel in der Anlage angehoben werden kann, um die Schmelzenoberfläche im Wesentlichen auf konstanter Höhe zu halten.
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Um diesen Vorgang steuern zu können, wurde schon vorgeschlagen, die Höhe der Schmelzenoberfläche laufend aus dem Fortschritt beim Kristallziehen rechnerisch zu ermitteln. Dies hat sich als nicht ausreichend genau erwiesen. Es wurde auch schon vorgeschlagen, die Höhe mit einer Lasermesseinrichtung zu erfassen. Dies ist zwar eine sehr genaue, aber auch eine sehr aufwändige Messmethode.
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In der
US-PS 5,961,716 wird vorgeschlagen, die von einer CCD-Kamera gelieferte Bildinformation, die zur Bestimmung des Kristalldurchmessers genutzt wird, auch dazu zu nutzen, die Höhe der Schmelzenoberfläche zu bestimmen. Der darin vorgeschlagene Rechenalgorithmus ist allerdings sehr aufwändig. Es muss außerdem dafür gesorgt werden, dass die Kamera exakt auf den hellen Ring, der sich im Übergang der Schmelze zum Kristall aufgrund optischer Effekte bildet, ausgerichtet wird. Ein solcher Ring wird in der Fachsprache auch als Meniskus bezeichnet.
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Die Vorrichtung gemäß der
US-PS 5,961,716 sieht somit vor, dass die Kamera so ausgerichtet wird, dass ihre optische Achse den Meniskus in einem zentralen Sollpunkt und die Mittelachse des Kristalls schneidet, wobei hinsichtlich der Lage des Meniskus unterstellt wird, dass der Kristall seinen Solldurchmesser hat und die Schmelzenoberfläche sich auf Sollhöhe befindet. Der Durchmesser des Kristalls kann dann bestimmt werden, indem die Anzahl der Pixel zwischen den beiden Randpunkten auf dem Meniskus, die gerade noch von der Kamera zu erkennen sind, ermittelt wird. Unter Berücksichtigung der Schrägstellung der Kamera und der Ausrichtung auf den zentralen Punkt lässt sich daraus der Durchmesser des Kristalls ermitteln. Um den Einfluss der Höhe der Schmelzenoberfläche herauszurechnen, wird festgestellt, in welchem Maß der zentrale Punkt aus der optischen Achse herausgewandert ist, sich also vom zentralen Sollpunkt entfernt hat. Unter Berücksichtigung der Schrägstellung der Kamera lässt sich daraus die Levelhöhe ermitteln. Der Algorithmus setzt somit voraus, dass die Kamera exakt auf den zentralen Sollpunkt ausgerichtet wird und die Schrägstellung der Kamera bekannt ist. Selbst wenn diese Informationen vorliegen, ergibt sich trotz allem eine Ungenauigkeit dadurch, dass eine Verschiebung des zentralen Punktes nicht nur auf die Veränderung der Höhe der Schmelzenoberfläche zurückzuführen ist, sondern auch auf eine Änderung des Kristalldurchmessers. In dem Algorithmus liegt somit ein gewisser Zirkelschluss vor, der zu ungenauen Ergebnissen führt.
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Die Erfindung beruht somit auf der Aufgabe, das Verfahren zur Messung und Regelung der Höhe der Schmelzenoberfläche weiter zu vereinfachen und gleichzeitig die Genauigkeit zu steigern. Insbesondere soll die Bildauswertung so vereinfacht werden, dass auf eine genaue Ausrichtung der Kamera verzichtet werden kann. Es wird daher vorgeschlagen, dass
eine Soll-Ebene für die Schmelzenoberfläche sowie die Lage der Mittelachse des Kristalls in der Ebene der Soll-Ebene vorgegeben wird,
die Bildkoordinaten von wenigstens 3 Bildpunkten des Ringes bestimmt werden,
aus den Bildkoordinaten dieser Bildpunkte der Durchmesser des Ringes sowie die Lage seines Mittelpunktes in der Soll-Ebene bestimmt wird,
aus der Abweichung der Lage des ermittelten Mittelpunkts des Ringes von der Lage der Mittelachse des Kristalls ein Eingangswert für die Steuerung der Hubeinrichtung zur Verfügung gestellt wird, und
die Höhenverstellung des Tiegels derart erfolgt, dass die Abweichung der Lage des ermittelten Mittelpunkts des Ringes von der Lage der Mittelachse des Kristalls zu Null wird.
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Grundsätzlich ist es bekannt, den Durchmesser des Kristalls dadurch zu bestimmen, indem die elliptische Darstellung des Meniskus im Bild der Kamera in wenigstens drei Punkten erfasst wird und aus den Bildkoordinaten durch perspektivische Entzerrung ein Kreis berechnet wird, wobei der Durchmesser des Kreises mit dem Durchmesser des Meniskus und damit mit dem Durchmesser des Kristalls übereinstimmt, wenn sich die Schmelzenoberfläche tatsächlich in der Soll-Ebene befindet.
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Dieses Verfahren wird erfindungsgemäß nun dahingehend erweitert, dass auch die Lage des Mittelpunktes des Kreises in der Soll-Ebene ermittelt wird und seine Abweichung von einer Soll-Lage, nämlich der vorgegebenen Lage der Mittelachse des Kristalls bestimmt wird. Eine solche Abweichung ergibt sich, wenn die Schmelzenoberfläche sich tatsächlich nicht in der Soll-Ebene befindet. Dadurch verschiebt sich das Bild des Meniskus in der Kamera und damit die Koordinaten des ermittelten Kreismittelpunkts. Damit kann diese Verschiebung als Maß für die Veränderung der Höhenlage der Schmelzenoberfläche gewertet werden. Diese Abweichung wird nun gemäß der Erfindung wiederum genutzt, um eine nachführende Höhenverstellung des Tiegels zu bewirken, indem die Abweichung zu Null geregelt wird.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird auf eine exakte Ausrichtung der Kamera verzichtet, vielmehr wird die elliptische Darstellung des Meniskus im Bild der Kamera entzerrt, weil zuvor eine Mehrzahl von Punkten auf dem Meniskus ermittelt worden ist. Die Entzerrung erlaubt es, die Lage des Mittelpunktes des Kristalls sowie dessen Durchmesser zu bestimmen. Die errechnete Lage des Mittelpunktes ist dabei unabhängig vom Durchmesser, denn auch bei einer Abweichung des Durchmessers vom Solldurchmesser ergibt sich bei einer Entzerrung der Ellipse weiterhin derselbe Mittelpunkt. Dasselbe gilt für eine scheinbare Durchmessererhöhung, weil die Mittelachse des Kristalls eine leicht kreisende Bewegung, das sogenannte Orbiting, ausführt.
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Die Abweichung des errechneten Mittelpunktes vom Sollmittelpunkt ergibt somit eine unmittelbare Information über die Levelhöhe, die wiederum zur Korrektur des ermittelten Durchmessers verwendet werden kann; ein Zirkelschluss ist somit nicht vorhanden.
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Da der Algorithmus unabhängig ist vom Durchmesser des Kristalls, kann er z. B. auch beim Ankeimen verwendet werden, bei dem zunächst nur ein kleiner Impfkristall in die Schmelze eingetaucht wird. Da das verfahren es ermöglicht, die Höhe der Schmelzenoberfläche unabhängig vom Durchmesser des Kristalls zu bestimmen, kann auch schon der Keimling exakt positioniert werden, bevor der eigentliche Ziehprozess beginnt.
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Rein theoretisch ist es notwendig, lediglich die Bildkoordinaten von drei Punkten des Meniskus zu bestimmen. Um aber Fehlmessungen, sowie prinzipielle durch die Pixelgröße der Kamera hervorgerufene Ungenauigkeiten auszugleichen, wird vorgeschlagen, dass die Bildpunktkoordinaten von mehr als drei Bildpunkten bestimmt werden, durch die dann mittels bekannter mathematischer Methoden eine Ausgleichsellipse gelegt wird, deren Abweichung von den Bildpunktkoordinaten in der Summe minimiert ist.
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Üblicherweise wird die Kamera ein wenig seitlich zum Kristall oberhalb der Schmelzenoberfläche angebracht, so dass sie leicht schräg von oben auf die Schmelzenoberfläche schaut. Dadurch ergibt sich nur eine leichte perspektivische Verzerrung des Bildes, so dass das Bild linear, das heißt mit linearen Umrechnungsfaktoren für die beiden Bildrichtungen entzerrt werden kann.
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Gemäß der oben genannten US-Patentschrift wird vorgeschlagen, den Winkel, mit dem die Kamera gegenüber einer Senkrechten zur Schmelzenoberfläche geneigt ist, zur Berechnung der Verzerrung heranzuziehen. Dies setzt allerdings voraus, dass die Kamera exakt ausgerichtet wird. Dies kann aber nicht immer gewährleistet sein, so dass erfindungsgemäß vorgeschlagen wird, dass sowohl in der Meridianebene, das ist eine senkrecht auf der Schmelzenoberfläche stehende Ebene, in der die optische Achse der Kamera liegt, als auch senkrecht dazu jeweils ein linearer Umrechnungsfaktor zwischen Längen im Bild und in der Soll-Ebene benutzt wird. Der dadurch entstehende Fehler kann hingenommen werden, da es insbesondere bei der Bestimmung der Höhe der Schmelzenoberfläche nicht darauf ankommt, diese absolut zu bestimmen, sondern nur darauf, diese konstant zu halten, um eine bestimmte Temperatur der Schmelze zu erreichen. Eine konstante Abweichung von der Soll-Ebene kann somit durchaus vorliegen, ohne dieses Ziel zu vernachlässigen.
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Es wird somit vorgeschlagen, nach einer Montage der Kamera in der Anlage diese zu kalibrieren, indem für eine horizontal verlaufende, also senkrecht zur Meridianebene verlaufende Bildachse ein erster linearer Umrechnungsfaktor und für eine dazu senkrecht verlaufende Bildachse ein zweiter linearer Umrechnungsfaktor bestimmt wird, der ggf. eine mittlere Verzerrung berücksichtigt. Ein Umrechnungsfaktor gibt jeweils das Verhältnis zwischen einer Länge in Bild, gemessen in Anzahl der Pixel, und einer Länge in der Soll-Ebene, gemessen in einer metrischen Längeneinheit, z. B. [mm], an.
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Der Fehler wird besonders klein, wenn der Abstand der Kamera zur Soll-Ebene mehrfach größer ist als ihr Abstand zur Mittelachse des Kristalls.
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Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine nach dem vorbeschriebenen Verfahren arbeitende Anlage.
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Im Folgenden soll anhand eines Ausführungsbeispieles die Erfindung näher erläutert werden. Dazu zeigen
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1 eine schematische Darstellung einer Kristallziehanlage;
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2a eine perspektivische Frontansicht des in der Kristallziehanlage gezogenen Kristalls mit der Schmelzenoberfläche und einem um den Kristall in der Schmelzenoberfläche verlaufenden Meniskus, sowie eine vor dem Kristall angeordnete Kamera;
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2b eine perspektivische Seitenansicht des Kristalls nach 2a und der wegen des anderen Blickwinkels nun seitlich zum Kristall angeordneten Kamera;
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3 ein typisches Kamerabild, in dem der Meniskus als halbellipsenförmiger heller Ring zu erkennen ist und
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4 ein Diagramm zur Darstellung der Auswirkung einer gegenüber der Soll-Ebene versetzten Schmelzenoberfläche.
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Die 1 zeigt eine Kristallziehanlage mit einem Tiegel 1 und einer sich darin befindenden Schmelze 2. Aus der Schmelze 2 wird ein Kristall 3 mittels einer Zieheinrichtung 4 langsam herausgezogen. In der Schmelzenoberfläche 5 lagert sich an dem schon gezogenen Kristall eine neue Kristallschicht an, so dass der Tiegelinhalt nach und nach verbraucht wird.
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Der Tiegel 1 ist von einer Heizeinrichtung 6 umgeben, mit deren Hilfe Material im Tiegel eingeschmolzen und auf einer konstanten Temperatur gehalten werden kann. Der Tiegel 1 ist weiterhin auf einer Hubeinrichtung 7 angeordnet, die von einer Steuereinrichtung 8 gesteuert wird. Die Hubeinrichtung 7 erlaubt es, den Tiegel anzuheben und abzusenken, so dass die Schmelzenoberfläche stets in gleicher Höhe in Bezug auf die Kristallziehanlage und auf die Heizeinrichtung gehalten werden kann.
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Neben dem Kristall 3 und oberhalb der Schmelze ist eine CCD-Kamera 9 angeordnet, die mit einer leicht schräg gestellten optischen Achse 10 auf die Schmelzenoberfläche ausgerichtet ist. Die Kamera 9 ist mit einer Bildauswerteeinrichtung 11 verbunden, die über einen Signalkanal 12 einen Eingangswert an die Steuereinrichtung 8 gibt.
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Die 2a und 2b zeigen den Kristall 3, die Schmelzenoberfläche 5 sowie einen so genannten Meniskus 13. Gemäß der 2a befindet sich die Kamera 9 vor dem Kristall 3 in der so genannten Meridianebene 14, durch die die optische Achse 10 der Kamera 9 verläuft. Die Ansicht zeigt somit die Ausdehnung des Kristalls in X-Richtung. Die genaue Ausrichtung der Kamera 9 ist dabei nicht entscheidend, es muss lediglich dafür gesorgt werden, dass der Meniskus 13 – soweit er für die Kamera sichtbar ist – von der Kamera erfasst wird. 2b zeigt eine entsprechende seitliche Ansicht des Kristalls 3 mit Blick auf die Meridianebene 14. Die Ansicht zeigt somit die Ausdehnung des Kristalls 3 in Y-Richtung.
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In der 3 ist ein typisches von der CCD-Kamera 9 aufgenommenes Bild zu sehen, man erkennt den Meniskus 13 als sichelförmigen Bogen. Da das Bild elektronisch vorliegt, kann es mittels der elektronischen Bildauswerteeinrichtung 11 ausgewertet werden. Die Ausrichtung der Meridianebene 14 wird in dem Bild mit ”Y” und die Ausrichtung senkrecht dazu mit ”X” bezeichnet.
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In dem Bild werden mindestens drei Punkte A, B, C, im Allgemeinen aber eine Vielzahl von Punkten ausgewählt, die sich möglichst gleichmäßig über den dargestellten Meniskus 13 verteilen. Sie werden erfasst, indem jeweils Hell-Dunkel-Sprünge zwischen der Kante des Meniskus 13 gegenüber dem angrenzenden Kristall 3 oder gegenüber der Schmelzenoberfläche 5 ermittelt werden. Danach werden die dazugehörigen Bildkoordinaten bestimmt. Da mehr als drei Punkte ermittelt werden, lässt sich daraus eine vollständige Ellipse berechnen, die die ausgewählten Punkte mit möglichst kleinem Fehlerabstand ausgleicht. Die Ellipse wird mathematisch in einen Kreis entzerrt. Für die Entzerrung werden zuvor gewonnene lineare Umrechnungsfaktoren für die X- und Y-Richtung genutzt, mit denen jeweils Längen im Bild und in der Soll-Ebene in Bezug zueinander gesetzt werden. Weil lineare Umrechnungsfaktoren genutzt werden, wird somit bei der Entzerrung die Perspektive nicht vollständig ausgeglichen, sondern insbesondere in Y-Richtung nur als Mittelwert. Die Umrechnungsfaktoren für die X- und Y-Richtung sind somit ggf. unterschiedlich, weil sich in Y-Richtung die Stauchung des Bildes durch die Perspektive stärker auswirkt.
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Die mathematischen Instrumente für die Entzerrung sind bekannt und brauchen nicht näher erläutert werden. Aus den gewonnenen Kreisdaten lassen sich wiederum der Durchmesser des Kreises sowie insbesondere die Lage seines Mittelpunktes M in der Soll-Ebene bestimmen. Wenn die optische Achse in etwa auf die Mittelachse 15 des Kristalls 3 ausgerichtet ist, reicht es aus, die Lage des Kreismittelpunktes in Y-Richtung zu bestimmen.
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Wie der 4 entnommen werden kann, wird der ermittelte Mittelpunkt M verglichen mit der Lage der Mittelachse 15 des Kristalls 3 in der Soll-Ebene. Sollte die Schmelzenoberfläche 5 über der Soll-Ebene liegen, wie in 4 dargestellt, errechnet die Bildauswerteeinrichtung 11 einen scheinbar nach hinten (rechts in der 4) weggerückten Kreis. Der ermittelte Kreismittelpunkt M ist um den Abstand Δ gegenüber der tatsächliche Lage der Mittelachse 15 des Kristalls 3 verschoben. Aus dem Abstand Δ lässt sich ein Eingangswert für die Steuereinrichtung 8 ableiten, die die Hubeinrichtung 7 derart ansteuert, dass die Höhe des Tiegels 1, in dem sich die Schmelze 2 mit der Schmelzenoberfläche 5 befindet, geändert wird, bis der Eingangswert bzw. der Abstand Δ zu Null geregelt ist.
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Die Umrechnung der Bildkoordinaten mittels linearer Umrechnungsfaktoren in Koordinaten in der Soll-Ebene ist zwar in geometrischem Sinne keine exakte, die Perspektive vollständig berücksichtigende Umrechnung, so dass die Regelung möglicherweise zu einer Höhe der Schmelzenoberfläche führt, die nicht mit der Soll-Ebene übereinstimmt. Dies ist aber nicht entscheidend. Entscheidend ist vielmehr, dass eine konstante Höhe eingehalten wird, damit die Schmelze stets dem gleichen Temperaturfeld der Heizeinrichtung 6 ausgesetzt ist. Dies wird mit der vorstehend beschriebenen Regelung erreicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Tiegel
- 2
- Schmelze
- 3
- Kristall
- 4
- Zieheinrichtung
- 5
- Schmelzenoberfläche
- 6
- Heizeinrichtung
- 7
- Hubeinrichtung
- 8
- Steuereinrichtung
- 9
- CCD-Kamera
- 10
- optische Achse
- 11
- Bildauswerteeinrichtung
- 12
- Signalkanal
- 13
- Ring/Meniskus
- 14
- Meridianebene
- 15
- Mittelachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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