DE19738438A1 - Einrichtung für die Bestimmung des Durchmessers eines Kristalls - Google Patents
Einrichtung für die Bestimmung des Durchmessers eines KristallsInfo
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- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
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- C30B15/20—Controlling or regulating
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- C30B15/26—Stabilisation or shape controlling of the molten zone near the pulled crystal; Controlling the section of the crystal using television detectors; using photo or X-ray detectors
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine derartige Einrichtung wird beispielsweise für die Messung des Kristalldurch
messers beim Ziehen von Einkristallen nach dem Czochralski-Verfahren verwendet.
Auf dem Gebiet des Kristallzüchtens ist eine Vielzahl von unterschiedlichen Verfah
ren bekannt, z. B. das Kristallzüchten aus der Gasphase, aus der Lösung oder aus der
Schmelze. Die verschiedenen Verfahren zum Kristallziehen aus der Schmelze haben
wegen ihrer weit entwickelten Verfahrenstechnik und der Produktionsquantität eine
Vorrangstellung gegenüber anderen Züchtungsmethoden erreicht.
Die bekanntesten Verfahren beim Kristallzüchten aus der Schmelze sind das
Kyropoulus-Verfahren, das Bridgman-Verfahren und das Czochralski-Verfahren.
Während beim Kyropoulus-Verfahren ein gekühlter Keimkristall in die Schmelze
eingetaucht und beim Bridgman-Verfahren ein Tiegel vertikal im Temperaturgradien
ten gesenkt wird, wird beim Czochralski-Verfahren ein Kristall aus der Schmelze ge
zogen.
Beim Czochralski-Verfahren schmilzt das Ausgangsmaterial ähnlich wie beim Kyro
poulus-Verfahren in einem Tiegel. Ein Keimkristall taucht in die Schmelze und wird
von ihr benetzt und damit angeschmolzen. Anschließend wird der Keimkristall bei
gleichzeitigem Absenken der Temperatur kontinuierlich nach oben aus der Schmelze
gezogen. Kristall und Tiegel drehen sich hierbei gegenläufig. Die Ziehgeschwindig
keit und die Temperatur der Schmelze sind so geregelt, daß der Kristall nach Ausbil
dung einer Schulter mit konstantem Durchmesser wächst. Die Orientierung des
wachsenden Kristalls entspricht der des Keimkristalls (vgl. hierzu Bonora: Czoch
ralski Growth of Single-Crystal Silicon - A State-of-the-Art Overview, Microelectro
nic Manufacturing and Testing, September 1980, S. 44 bis 46).
Der Querschnitt des Kristalls senkrecht zur Ziehrichtung muß oft innerhalb vorgege
bener Grenzen gehalten werden, damit der Kristall den Vorgaben einer Einrichtung
genügt, in der er eingesetzt werden soll. Es ist deshalb erforderlich, den Querschnitt
bzw. den Durchmesser ständig zu messen.
Die genaue Erfassung und Kontrolle des tatsächlichen aktuellen Kristalldurchmessers
in allen Phasen des Züchtungsprozesses stößt indessen in der Praxis auf erhebliche
Schwierigkeiten.
Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, sind bereits mechanische, elektrische und
optische Lösungen vorgeschlagen worden.
Bei einer mechanischen Lösung wird das Gewicht des Kristalls überwacht und von
diesem Gewicht auf seinen Durchmesser rückgeschlossen (GB-PS 1 457 275). Hier
bei wird ein Signal erzeugt, das der effektiven trägen Masse des Kristalls beim Her
ausziehen entspricht. Dieses Signal wird jeweils mit einem hochgerechneten Erwar
tungswert verglichen. Weichen beide Signale voneinander ab, wird aufgrund eines
Regeleingriffs die Ziehgeschwindigkeit geändert, um den tatsächlichen Kristall-
Durchmesser dem Soll-Durchmesser anzupassen. Nachteilig ist bei diesem Verfah
ren, daß es infolge des langsamen Kristallwachstums ungenau und verschiedenen
Störeinflüssen unterworfen ist.
Bei einer Weiterentwicklung dieser Lösung wird ein Verfahren vorgeschlagen, mit
dem die Wirkung des Wärmeverzugs bei der Kristallbildung kompensiert wird (DE-OS 25 13 924).
Eine weitere bekannte, auf mechanischen Prinzipien beruhende Lösung des Problems
der Durchmesser-Messung eines Kristalls, der aus der Schmelze gezogen wird, be
steht darin, daß das aufgrund einer relativen Drehbewegung zwischen Kristall und
Schmelze auftretende Drehmoment als Maß für die Bestimmung des Durchmessers
des Kristalls herangezogen wird (DE-OS 36 40 868).
Die Messung des Durchmessers von Kristallen mit Hilfe elektrischer Methoden ist
ebenfalls bereits bekannt (DD-PS 145 407). Hierbei wird der elektrische Widerstand
des wachsenden Kristalls beim Fließen einer Gleich- oder Wechselspannung durch
den Kristall oder durch das System heizbarer Tiegel, Schmelze, Kristall, Zieh
gestänge gemessen. Zur Messung des elektrischen Widerstands des Kristalls befindet
sich auf der Oberfläche der Schmelze ein schwimmender Kontakt, der durch seine
Materialspezifik und konstruktiven Besonderheiten keine Reaktion mit der Schmelze
und keine Beeinflussung der thermischen Bedingungen an der Grenzfläche Schmel
ze-Kristall bewirkt.
Bei einem anderen bekannten Verfahren zum Ziehen von Einkristallstäben gleichför
migen Durchmessers aus einer in einem Tiegel enthaltenen Schmelze werden opti
sche Mittel zur Messung des Kristalldurchmessers verwendet (DE-PS 16 19 967).
Hierbei werden die Änderungen des Stabdurchmessers mittels eines aus mechani
schen Stellgliedern und einem oder mehreren auf die von der Schmelze ausgesandte
Strahlung eingestellten Strahlungsdetektoren bestehenden Regelsystems ständig aus
geglichen. Die Strahlungsdetektoren werden so eingestellt, daß sie die von einem
Meinen Oberflächenbereich der Schmelze in unmittelbarer Nähe des wachsenden
Kristalls erzeugte Strahlungsenergie im nahen infraroten und im sichtbaren Spektral
bereich erfassen und ihre Sichtlinie und die Kristallachse einen spitzen Winkel bil
den.
Es ist auch ein optisches Verfahren zur Messung des Durchmessers eines durch Zo
nenschmelzen erzeugten Halbleiterstabs bekannt, bei welchem der Stab im Bereich
der Schmelzzone von einer Fernsehkamera aufgenommen wird, die Kamerasignale
durch Vergleich mit einem veränderlichen Schwellwert in ein binäres Videosignal
umgewandelt werden und der Durchmesser des Stabs an der Stelle gemessen wird, an
der ein in axialer Richtung auftretender, die Fest-Flüssig-Grenze kennzeichnender
Helligkeitssprung festgestellt wird (Zeitschrift "Journal of Crystal Growth", 13/14,
1972, S. 619-623).
Bei einer Verbesserung dieses Verfahrens wird der Ort des Phasenübergangs zwi
schen Schmelze und herauswachsendem Halbleiterkristall noch genauer bestimmt,
indem mehrere Bilder bei verschiedenen Schwellwerten aufgenommen und die bei
den verschiedenen Schwellwerten gewonnenen binären Videosignale darauf unter
sucht werden, ob eine sich über den Stabquerschnitt ausdehnende Zone von einer
vorgegebenen minimalen Breite vorhanden ist, die dunkler ist als ein benachbarter
Startbereich (DE-OS 33 25 003).
Die korrekte Erfassung des tatsächlichen Durchmessers eines Kristalls auf optischem
Weg unterliegt während des Züchtungsprozesses indessen den verschiedensten Stör
einflüssen, welche die Meßergebnisse so verfälschen können, daß eine korrekte Pro
zeßführung nicht mehr möglich ist. Dadurch können Qualität und Ausbeute des
Züchtungsprozesses stark beeinträchtigt werden. Zu diesen Störeinflüssen gehören
unter anderem stark wechselnde Helligkeits- und Kontrastverhältnisse an den Meßob
jekten, d. h. am Kristall, an der Schmelze oder an dem hell-leuchtenden Meniskus
ring um den Kristall, sowie störende Reflexionen auf der Schmelze oder die Unruhe
der Meßobjekte aufgrund mechanischer Störungen.
Außerdem kann die geometrische Form des gerichteten Kristalls zum Teil erheblich
von der Idealform eines Zylinders mit kreisförmigem Querschnitt abweichen. Durch
Schwankungen des Kristalldurchmessers kann die Sichtbarkeit auf den vollen Kri
stalldurchmesser und den zugehörigen hell-leuchtenden Meniskus-Ring erheblich
eingeschränkt sein. Des weiteren können Einbauten und Vorrichtungen zur Optimie
rung der Temperaturverteilung die Sichtbarkeit des Kristalls einschränken und weiter
behindern.
Bereits bei den derzeit üblichen Kristalldurchmessern von etwa 150 mm bis 200 mm
können diese Probleme bei der Erfassung und Kontrolle des Kristalldurchmessers zu
erheblichen Beeinträchtigungen des Züchtungsprozesses führen. Für die künftige Ge
neration der 300 mm- und 400 mm-Kristalle wird sich das Problem einer zuverlässi
gen Kontrolle des Kristalldurchmessers noch weiter verschärfen.
Schließlich ist auch noch ein optisches System bzw. ein Verfahren zum Regeln des
Wachstums eines Siliziumkristalls bekannt, mit dem die vorstehenden Probleme ge
löst werden sollen und bei dem mit Hilfe einer Fernsehkamera der Durchmesser des
Siliziumkristalls gemessen wird, der aus einer Siliziumschmelze gezogen wird, wobei
die Oberfläche dieser Schmelze einen Meniskus aufweist, der als heller Bereich in
der Nähe des Siliziumkristalls sichtbar ist (EP 0 745 830 A2). Bei diesem System
wird zunächst ein Bildmuster eines Teils des hellen Bereichs in der Nähe des Silizi
umkristalls mittels der Kamera abgebildet. Sodann werden die Charakteristika des
Bildmusters detektiert. Als Charakteristika eines Bildmusters gilt beispielsweise der
Intensitätsgradient. Hierauf wird eine Kante des hellen Bereichs als Funktion der de
tektierten Charakteristika definiert. Sodann wird eine Kontur, welche die definierte
Kante des hellen Bereichs einschließt, definiert und schließlich wird der Durchmesser
der definierten Kontur ermittelt, wobei der Durchmesser des Siliziumkristalls als
Funktion des ermittelten Durchmessers der definierten Kontur ermittelt wird.
Nachteilig ist bei diesem bekannten System, daß die Genauigkeit bei einigen Anwen
dungsfällen noch nicht hoch genug ist und insbesondere äußere Störeinflüsse nicht
hinreichend berücksichtigt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Durchmesser eines Kristalls mit Hilfe
eines optischen Erfassungssystems mit hoher Präzision zu erfassen.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß durch den Ein
satz von mindestens zwei Kameras die Kameraauflösung an das jeweilige Meßpro
blem angepaßt werden kann. Bei großen Kristalldurchmessern kann z. B. die Auflö
sung durch zwei Kameras, die ein zusammengesetztes Bild ermöglichen, verdoppelt
werden. Außerdem können die Probleme, die aufgrund unterschiedlicher Lichtstärke- und
Kontrastverhältnisse auftreten, eliminiert werden. Durch die Berücksichtigung
verschiedener Relevanz-Bedingungen für gültige Messungen wird überdies ein stabi
les Signal und damit eine verbesserte Prozeßführung erreicht. Hinzu kommt, daß eine
automatische Absolutwert-Eichung möglich ist und auch bei solchen Phasen des Pro
zesses, in denen kein Meniskus auftritt, der Durchmesser des Kristalls gemessen wer
den kann.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird
im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Kristallzieh-Vorrichtung mit zwei einander gegenüberliegenden
Kameras;
Fig. 2 eine Kristallzieh-Vorrichtung mit zwei nebeneinander angeordneten
Kameras;
Fig. 3 eine Kristallzieh-Vorrichtung während des Kamera-Kalibrierungs
vorgangs;
Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung eines aus einer Schmelze gezogenen
Kristalls;
Fig. 5a bis 5d schematische Darstellungen des Kristallwachstums;
Fig. 6 einen Kristall und einen Impfling, die von drei Kameras erfaßt werden;
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht eines Kristalls zur Erläuterung eines
Verfahrens zum Ermitteln des Kristalldurchmessers;
Fig. 8 ein Flußdiagramm zu dem Verfahren zur Ermittlung des Durchmessers
des Kristalls;
Fig. 9 eine schematische Ansicht von oben auf zwei Kameras und einen Kristall;
Fig. 10 eine schematische Ansicht von oben auf drei Kameras und einen Kristall;
Fig. 11 einen Teil eines Flußdiagramms bei Einsatz von zwei Kameras.
In der Fig. 1 ist eine Vorrichtung 1 dargestellt, mit der es möglich ist, den Durchmes
ser eines Kristalls 2 auf optischem Weg zu bestimmen. Die Unterseite 3 des Kristalls
2 ruht hierbei auf der Oberfläche 4 einer Schmelze 5, wobei der Kristall im Sinne des
Pfeils 6 gedreht wird. Die Schmelze 5 befindet sich in einem Tiegel 7, der mittels
einer Welle 8 von einem Elektromotor 9 angetrieben wird. Welle 8 und Motor 9 sind
über Flansche 10, 11 miteinander verbunden. Der Tiegel 7 befindet sich in einem Ge
häuse, das aus einem oberen Teil 12, einem mittleren Teil 13 und einem unteren Teil
14 besteht, und ist im Sinne des Pfeils 15 drehbar. Um den Tiegel 7 herum ist eine
elektrische Heizeinrichtung 16 angeordnet, die aus einer Einrichtung 17 mit elektri
scher Energie versorgt wird.
Die Drehung des Kristalls 2 erfolgt mittels einer Stange 18, z. B. einer Gewindestan
ge, die von einem Elektromotor 19 angetrieben wird. Dieser Motor wird ebenfalls aus
der Einrichtung 17 mit elektrischer Energie versorgt.
Im oberen Teil 12 des Gehäuses sind zwei Kameras 20, 21 angeordnet, deren Längs
achsen zur vertikalen Achse 22 der Stange 18 und des Tiegels 7 einen Winkel α bzw.
β bilden.
Der obere Teil 12 des Gehäuses steht mit einem Rohr 23 in Verbindung, das die
Stange 18 umgibt und eine Gaseinlaßöffnung 24 aufweist. Im Bodenteil 14 des Ge
häuses sind Gasauslaßöffnungen 25, 26 vorgesehen. Die Stange 18 kann mittels des
Elektromotors 19 nicht nur gedreht, sondern auch angehoben werden. Die Steuerung
der Elektromotoren 9, 19 erfolgt über die Einrichtung 17, welche Informationen von
den Kameras 20, 21 erhält und diese auswertet.
Hinter dem Rohr 22 oder an einer anderen Stelle kann sich eine dritte Kamera befin
den, die in der Fig. 1 nicht sichtbar ist.
Mit Hilfe der Kameras 20, 21 wird der Durchmesser des Kristalls ermittelt und mit
einem Sollwert verglichen. Weicht der Ist-Wert vom Sollwert ab, wird die Ziehge
schwindigkeit durch Beeinflussung von Dreh- und Hubgeschwindigkeit der Welle 8
bzw. der Stange 18 verändert.
In der Fig. 2 ist der obere Teil der in der Fig. 1 gezeigten Vorrichtung noch einmal
dargestellt, wobei jedoch die beiden Kameras 20, 21 nebeneinander angeordnet sind.
Die Stange 18 ist hierbei nach unten gefahren - es handelt sich um den Beginn des
Ziehprozesses - und weist einen Impfkristall 31 auf. Die Kamera 21, die eine Fest
brennweite hat, ist auf diesen Impfkristall 31 ausgerichtet, d. h. ihr Bildwinkel ist γ.
Hierdurch kann der Impfkristall so abgebildet werden, daß er die komplette Bildebe
ne der Kamera ausfüllt. Dies wiederum erlaubt es, die Konturen und anderen Eigen
schaften des Impfkristalls 31 genau zu untersuchen.
Die zweite Kamera 20 hat ein Objektiv mit einer anderen Festbrennweite und erfaßt
den größeren Kristall 2, der in der Fig. 2 gestrichelt dargestellt ist, über den Bildwin
kel δ. Somit kann auch der größere Kristall 2 derart abgebildet werden, daß er die
ganze Bildebene der Kamera 20 ausfüllt.
Durch die Verwendung von zwei Kameras 20, 21 kann folglich der Kristall in allen
seinen Wachstumsphasen vollständig überwacht werden.
Die Verwendung von nur einer Kamera mit einem Zoom-Objektiv, die als solche be
reits bekannt ist (japanische Patentanmeldung Sho 62-87482 vom 9. Oktober 1985),
wäre bei Einsatz eines Auswertealgorithmus nachteilig und nicht mit zwei Kameras
mit jeweiligem Fix-Fokus vergleichbar. Bei einer Fix-Fokus-Kamera kann der Bild
winkel so ausgelegt werden, daß das ganze aufzunehmende Objekt die Filmebene
vollständig ausfüllt. Bei einer Zoom-Kamera werden dagegen nur Teile der Filmebe
ne von dem Objekt bedeckt. Ist das Zoom-Objektiv beispielsweise auf Tele einge
stellt und füllt dabei der Impfkristall 31 die ganze Filmebene aus, so bedeckt dieser
Impfkristall bei einer Weitwinkeleinstellung nur einen Teil der Filmebene. Zwar be
deckt der Gesamtkristall 2 bei einer Weitwinkeleinstellung möglicherweise die ganze
Filmebene, doch ändert dies nichts daran, daß der Impfkristall 31 nur einen kleinen
Teil der Filmebene einnimmt und deshalb weniger genau untersucht werden kann.
Mit zwei Fix-Fokus-Kameras unterschiedlicher Brennweite können dagegen gleich
zeitig oder nacheinander, jedenfalls innerhalb eines einheitlichen Prozesses, zwei ver
schiedene Bereiche eines Kristalls abgebildet und ausgewertet werden. Die Verwen
dung von zwei Zoom-Kameras anstelle von zwei Fix-Fokus-Kameras wäre zwar
denkbar, doch würden sich dann Probleme bei der Kalibrierung ergeben, weil diese
eine 100% exakte Fokussierung erfordert.
In der Fig. 3 ist dargestellt, wie eine solche Kalibrierung erfolgen kann. Der Einfach
heit halber ist nur eine Kamera 20 dargestellt; es versteht sich jedoch, daß die Kali
brierung einer zweiten und dritten Kamera auf entsprechende Weise erfolgen kann.
Für die Kalibrierung sind in der Fig. 3 zwei Varianten dargestellt. Bei der ersten Va
riante sind zwei Begrenzungen 27, 28 vorgesehen, die auch Teile eines umlaufenden
Rings sein können. Die Kanten 29, 36 dieser Begrenzungen dienen als Markierungen
für die Soll-Positionen. Sie werden von der Kamera aufgenommen und anschließend
in einer Bildauswerteeinheit 37 ausgewertet. Diese Bildauswerteeinheit 37 ist mit
einem Massenspeicher 38 zum Speichern von Kalibrierdaten verbunden. Die Infor
mationen der Bildauswerteeinheit 37 werden einer Steuerung 38 zugeführt, die auch
mit Daten einer Bedieneinheit 39 beaufschlagt werden kann.
Statt der Begrenzungen 27, 28 kann bei einer zweiten Variante auch in der Höhe der
zu erwartenden Oberfläche der Schmelze eine Platte 41 angeordnet werden, die mit
besonderen Kalibrierungs-Markierungen versehen ist. Diese Platte 41 kann auf ihrer
Oberfläche mit einem Referenzbilder versehen sein, der verschiedene "Referenz-
Durchmesser" Dx, Dy enthält. Diese Referenz-Durchmesser können erfaßt, im Spei
cher 38 abgelegt und später verarbeitet werden. Da der Kalibrierungsvorgang in der
Regel vor dem eigentlichen Kristallziehprozeß stattfindet, können die Begrenzungen
27, 28 bzw. die Platte 41 nach der Kalibrierung wieder abgebaut werden.
In der Fig. 4 ist eine vergrößerte Darstellung des Kristalls 2 gemäß Fig. 1 gezeigt, der
aus der Schmelze 5 gebildet wird. Dieser Kristall hat eine im wesentlichen zylindri
sche Form und weist im oberen Bereich eine Schulter 30 auf, die in einen dünnen
Hals 31 übergeht. Dieser Hals 31 entspricht dem Impfkristall oder Keim 31 (Fig. 2),
mit dem der Kristallbildungsprozeß initiiert wird. Die vertikale Achse des Kristalls
ist mit 32 bezeichnet, während die Längsachsen der in Fig. 4 nicht dargestellten
Kameras 20, 21 gemäß Fig. 1 mit 33 bzw. 34 bezeichnet sind. Die Anordnung der
Kameras bzw. ihrer Achsen ist in den Fig. 1 und 4 in ihrer allgemeinsten Form darge
stellt. In der Praxis wird man sich jedoch in der Regel am Meniskus ausrichten, so
daß die Achsen 33 und 34 sich in dem Punkt schneiden, der auch der Schnittpunkt
zwischen der Oberfläche der Schmelze 5 und der Achse 32 ist. Derartige Anordnun
gen werden weiter unten noch im einzelnen beschrieben. Der Durchmesser D des
Kristalls 2 kann, in Abhängigkeit von der Höhe, schwanken, obgleich der Kristall im
wesentlichen die Form eines Zylinders hat. Der untere Bereich des Kristalls 2, der
zwischen dem zylindrischen Teil und der Schmelze 5 liegt, wird als Meniskus 35 be
zeichnet. Der Meniskus 35 ist gewissermaßen das Bindeglied zwischen Kristall 2 und
Schmelze 5. Die Reflexion des Tiegels 7 auf den Meniskus 35 ist als heller Ring um
den Kristall herum sichtbar. Dieser Ring kann zur optischen Auswertung herangezo
gen werden.
In den Fig. 5a bis 5d sind vier Ansichten eines wachsenden Kristalls aus der Sicht
einer schräg oberhalb des Kristalls angeordneten Kamera dargestellt. Man erkennt
hierbei nur die wesentlichen Elemente, d. h. Schmelze, Stange 22, Impfkristall 31,
den Kristall 2 selbst und den Meniskus 35. Der Tiegel 7 ist weggelassen.
Fig. 5a zeigt den Beginn der Kristallbildung, wenn die Schmelze 5 mit dem Impfkri
stall 31 in Berührung kommt, der mit der Stange 22 in Verbindung steht. Wird die
Stange 22 nun angehoben, ergibt sich der in der Fig. 5b dargestellte Zustand: Es bil
det sich zunächst ein schlankes zylindrisches Gebilde 40 am Impfkristall, das mit der
Schmelze 5 in Berührung steht. Wird die Stange 22 jedoch weiter angehoben, verlän
gert sich das Gebilde 40 und es bildet sich an seinem Ende ein Kristall 2 mit kreisför
migem Umfang, der von einem hell strahlenden Meniskus 35 umgeben ist. Dieser
Zustand ist in Fig. 5c dargestellt. Bei weiterem Hochziehen der Stange 22 wächst der
zylindrische Kristall 2 immer weiter aus der Schmelze 5 heraus. Bei einer schrägen
Draufsicht einer Kamera ist nun der Meniskus 35 in seinem hinteren Bereich nicht
mehr erkennbar; es ist lediglich noch der vordere Teilbogen von ihm sichtbar.
In der Fig. 6 ist noch einmal der Kristall 2 dargestellt, der jedoch jetzt nicht von zwei,
sondern von drei nicht dargestellten Kameras erfaßt wird. Die erste Kamera erfaßt
lediglich die linke Hälfte des Kristalls und bildet den mit einem schraffierten Recht
eck 42 umrahmten Teil ab. Dagegen erfaßt die zweite Kamera die rechte Hälfte des
Kristalls und bildet den mit einem schraffierten Rechteck 43 umrahmten Teil des
Kristalls 2 ab.
Die dritte Kamera ist für die Abbildung des Impfkristalls 31 zuständig, was durch das
Rechteck 44 symbolisiert ist. Die Abbildungen der beiden ersten Kameras können
sich in einem Grenzbereich 45 auch überlappen. Durch die Verwendung zweier Ka
meras für die Abbildung des Kristalls kann die Auflösung erhöht werden, weil die
gesamte Filmebene einer Kamera mit nur einer Hälfte des Kristalls statt mit dem gan
zen Kristall ausgefüllt ist.
Fig. 7 zeigt den Kristall 2 in der Abbildung einer Kamera. Anhand dieser Abbildung
wird im folgenden beschrieben, wie der Durchmesser des Kristalls 2 im einzelnen er
mittelt wird. Der Rahmen 49 kann mit einem CCD-Chip gleichgesetzt werden, auf
dem der Kristall 2 abgebildet ist. Der Chip wird nun Zeile für Zeile in Richtung des
Pfeils 56 abgetastet. Dabei werden die Helligkeiten und/oder Helligkeitsgradienten
der einzelnen Bereiche innerhalb des Rahmens 49 erfaßt. Ziel ist es, zunächst die
Punkte P1 und P2 zu ermitteln, die den sichtbaren Teil des Meniskus begrenzen. Die
se Punkte P1 und P2 sind dann aufgefunden, wenn an zwei Stellen einer Abtastzeile
ein Helligkeitssprung stattfindet. Indem der Abstand zwischen P1 und P2 errechnet
wird, erhält man den Quasi-Durchmesser des Kristalls. Um den wahren Durchmesser
handelt es sich deshalb nicht, weil die Abbildung der Fig. 7 perspektivisch verzerrt
ist. Es ist jedoch möglich, den wahren Wert dadurch zu ermitteln, daß ein Vergleich
mit einer Strecke P1-P2 aus der Kalibrierung vorgenommen wird. Der verzerrten
Strecke P1-P2 kann also eine unverzerrte Strecke P1'-P2' zugeordnet werden, so
daß man hierüber den wahren Durchmesser P1'-P2' kennt.
Dieser Durchmesser kann jetzt mit einem Maximaldurchmesser verglichen werden.
Nur dann, wenn der neu ermittelte Durchmesser größer ist als der abgespeicherte Ma
ximaldurchmesser, wird der neue Durchmesser abgespeichert.
In einem nächsten Schritt wird festgestellt, ob die Punkte P1 und P2 symmetrisch zur
Mittellinie 65 liegen. Ist dies der Fall, wird der Abstand der Verbindungslinie zwi
schen P1 und P2 zur unteren Kante kleiner, als der halbe Abstand zwischen P1 und
P2 ist. Ist dies der Fall, handelt es sich bei dem gemessenen Durchmesser P1-P2 um
den maximalen Durchmesser.
Jetzt wird der Punkt P3 bestimmt. Hierbei läuft der Abtaststrahl Zeile für Zeile von
unten nach oben. Tritt auf einer Zeile nur ein Helligkeitssprung auf, dann handelt es
sich um den Punkt P3. Da jetzt alle drei Kreispunkte bekannt sind, können der Kreis
und sein Mittelpunkt PM bestimmt werden. In einem nächsten Schritt wird der Win
kel α bestimmt, der sich ergibt, wenn vom Mittelpunkt PM Geraden durch die Punkte
P1 und P2 gezogen werden.
Dieser Winkel α wird zur Sicherheit um einen Winkel γ reduziert, so daß gilt
β = α-γ
Jetzt wird eine vorgegebene Anzahl Meßpunkte I-VIII gleichmäßig auf dem durch
den neuen Winkel β definierten Kreisbogen verteilt, und es wird aus diesen Meß
punkten der "Best-Fit-Kreis" bestimmt.
Die Meßpunkte I bis VIII müssen gleichmäßig über den sichtbaren Kreisbogen ver
teilt werden, nicht über einen errechneten, denn bei α handelt es sich um den sichtba
ren Kreisbogen. Die Reduktion des Winkels α um γ erfolgt deshalb, um die Meß
punkte I und VIII an den Rändern sicher erfassen zu können.
Durch eine möglichst große Anzahl von Meßpunkten soll eine hohe Genauigkeit
bzw. eine hohe Auflösung für das Durchmessersignal erreicht werden. Es wird ge
wissermaßen eine Ausgleichskurve durch eine Vielzahl von Meßpunkten gelegt.
Fig. 8 zeigt ein Flußdiagramm zu dem Verfahren zur Ermittlung des Durchmessers
des Kristalls. Wie man hieraus erkennt, wird zunächst das von einer Kamera aufge
nommene Bild eingelesen. Dieses Bild entspricht etwa dem in der Fig. 7 dargestellten
Kristall 2. Es wird sodann über einen an sich bekannten Algorithmus entzerrt, so daß
aus der Ellipse mit den Punkten P1, P2, P3 ein Kreis mit korrespondierenden Punkten
wird. Diese entzerrte Abbildung, die nicht einer konkreten optischen Darstellung ent
sprechen muß, sondern durch in einem Speicher abgelegte Daten realisiert wird, wird
sodann dem weiteren Verfahren unterworfen.
Das eingelesene, entzerrte Bild wird sodann Zeile für Zeile nach den Punkten P1 und
P2 durchsucht. Dabei wird mit der unteren Zeile begonnen, weshalb n = 1 gesetzt
wird, wobei n die Zeilenzahl bedeutet. Werden in einer Zeile zwei Punkte gefunden,
erfolgen die im Flußdiagramm dargestellten weiteren Prüfungen. Diese sind von be
sonderer Bedeutung für die Zuverlässigkeit der Durchmesserermittlung.
Es muß sichergestellt werden, daß die Punkte P1 und P2 vom Kristall, d. h. vom Me
niskus stammen und nicht von Störquellen, z. B. von Reflexionen auf der Schmelze.
Sind alle Prüfungen mit positivem Ergebnis abgelegt, wird der ermittelte Wert in der
Variablen Dmax gespeichert.
Im Anschluß an die Stelle "Ist Abstand zur unteren Kante < D/2" könnten deshalb im
Flußdiagramm bei "ja" die Schlußfolgerung Dmax = D gezogen und die ermittelten
Punkte P1 und P2 abgespeichert werden. Hierauf wird die nächste Zeile (n = n + 1)
bearbeitet. Wird in dieser Zeile ein Wert für D gefunden, der größer ist als der bereits
ermittelte Wert für Dmax, dann wird der neue Wert für D als Dmax gespeichert. Die
ses Verfahren wird Zeile für Zeile durchgeführt. Nachdem die letzte Zeile bearbeitet
worden ist, sind P1 und P2 bekannt und der Abstand zwischen P1 und P2 steht in der
Variablen Dmax. In der Mitte zwischen P1 und P2 wird dann nach P3 gesucht.
Als Abstand zur unteren Kante wird der Abstand der Verbindungslinie P1-P2 zur
unteren Bildkante bezeichnet. Die Bedingung, daß der Abstand kleiner als D/2 ist, ist
dann erfüllt, wenn der vordere Bereich des Meniskus-Kreises sichtbar ist. Dies wird
hier vorausgesetzt.
Nachdem P3, PM, α und β bestimmt wurden, werden die Meßpunkte I bis VIII (vgl.
Fig. 7) auf dem Kreisbogen verteilt. Aus diesen Meßpunkten wird dann ein "Best
Fit"-Kreis ermittelt, d. h. es wird eine Ausgleichskurve durch diese Punkte bestimmt.
In der Fig. 9 sind zwei Kameras 20, 21 und ein Kristall 2 in einer Ansicht von oben
dargestellt. Die eine Kamera 20 hat hierbei eine große Brennweite und bildet den
Hals 40 ab, der am Impfkristall 31 entstanden ist. Dagegen hat die Kamera 21 eine
kleine Brennweite und bildet den gesamten Kristall 2 ab. Die Kamera 20 dient hier
bei zur Wiedergabe der Situation beim Prozeßschritt gemäß Fig. 5b, während die Ka
mera 21 zur Wiedergabe der Situation bei den Prozeßschritten gemäß Fig. 5c, 5d vor
gesehen ist.
Die Fig. 10 zeigt den Einsatz von drei Kameras 21, 20, 70 in einer schematischen
Ansicht von oben. Die Kameras 21, 70 haben beide kurze Brennweiten und bilden je
weils die Hälfte des Kristalls 2 ab. Ihr Einsatz wird während der Prozeßschritte ge
mäß Fig. 5c, 5d aktiviert. Die Kameras 21, 70 werden gleichzeitig ausgewertet, so
daß sich der Vorteil der doppelten Auflösung ergibt. Die Kamera 22 hat eine lange
Brennweite und dient zur Abbildung des Halses 40 während des Prozeßschrittes der
Fig. 5b.
In der Fig. 11 ist ein Teil eines Flußdiagramms dargestellt, das für die Kamera-Kon
stellation gemäß Fig. 9 relevant ist. Es wird zunächst geprüft, ob die "Prozeßphase
Hals" vorliegt. Ist dies nicht der Fall, wird die Kamera 21 aktiviert. Liegt dagegen die
"Prozeßphase Hals" vor, wird Kamera 20 aktiviert. Die von den Kameras 20, 21 ge
lieferten Bilder werden sodann entzerrt, indem die bei der Kalibrierung gespeicherten
Referenzdaten verwendet werden. Die entzerrten Daten müssen nicht optisch wieder
gegeben werden; es genügt, wenn sie in einem Speicher abgelegt sind.
Die Berechnung des Durchmessers des Kristalls aus der entzerrten Darstellung des
Kristalls 2 bzw. Halses 40 erfolgt dann gemäß den Vorschriften des Flußdiagramms
nach Fig. 8.
Der ermittelte Durchmesserwert wird sodann angezeigt und einem Regler zugeführt.
Claims (23)
1. Einrichtung für die Bestimmung des Durchmessers eines Kristalls, der aus einer
Schmelze gezogen wird, gekennzeichnet durch
- a) eine erste Kamera (20), welche einen ersten Bereich des Kristalls (2, 31) abbildet,
- b) eine zweite Kamera (21), welche einen zweiten Bereich des Kristalls (31, 2) abbil det,
- c) eine Auswerteschaltung (17, 37, 38), welche aus den Abbildungen der beiden Kameras (20, 21) den Durchmesser des Kristalls (2, 31) ermittelt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Kamera
vorgesehen ist, die einen dritten Bereich des Kristalls abbildet.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden
Kameras (20, 21) den dünnen Hals (31) des Kristalls (2) abbildet.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden
Kameras (20, 21) den dicken Hauptkörper des Kristalls (2) abbildet.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden
Kameras (20, 21) den Impfkristall (31) abbildet.
6. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden
Kameras (20, 21) den dünnen Hals (31) des Kristalls (2) sowie den Übergangsbereich
dieses Halses (31) zum Hauptkörper abbildet.
7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse
wenigstens einer der Kameras (20, 21) senkrecht zur Längsachse des Kristalls (2)
ausgerichtet ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse
wenigstens einer der Kameras (20, 21) zur Längsachse des Kristalls einen Winkel 0 < α < 90
bildet.
9. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine der
beiden Kameras (20, 21) und die dritte Kamera (70) Teilbereiche eines und desselben
Objekts abbilden.
10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt der
Hauptkörper des Kristalls (2) ist.
11. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der drei Kameras den Bereich des
Meniskus um den Impfkristall (31) und/oder des Hauptkörpers des Kristalls (2) er
faßt.
12. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze (5) in
einem Tiegel (7) vorgesehen ist, der seinerseits von einem Gehäuse (12, 13, 14) um
geben ist.
13. Einrichtung nach Anspruch 1 und Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kameras (20, 21) in einem oberen Teil (12) des Gehäuses (12, 13, 14) angeordnet
sind.
14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Kamera
(20) gegenüber einer zweiten Kamera (21) um 180° versetzt angeordnet ist.
15. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste und eine
zweite Kamera (20, 21) nebeneinander angeordnet sind.
16. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine automatische
Kalibrierung für die Kameras vorgesehen ist.
17. Einrichtung nach Anspruch 1, Anspruch 12 und Anspruch 16, dadurch gekenn
zeichnet, daß für die Kalibrierung Elemente (27, 28) vorgesehen sind, die bereits Teil
des Gehäuses (12, 13, 14) sind.
18. Einrichtung nach Anspruch 1 und Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Kalibrierungsplatte (41) vorgesehen und vorübergehend im Tiegel (7) angeord
net ist.
19. Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierungs
platte (41) an der voraussichtlichen Oberfläche der Schmelze (5) im Tiegel (7) posi
tioniert ist.
20. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kameras (20,
21) sich teilweise überlappende Bereiche (42, 43) abbilden.
21. Verfahren für die Bestimmung des Durchmessers eines Kristalls, der aus einer
Schmelze gezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung fol
gende Schritte durchführt:
- a) Entzerren des durch eine Schrägaufnahme des Kristalls entstandenen Bildes einer Kamera, so daß die in der Abbildung elliptische Form eines Kristall-Umfangs unter Berücksichtigung der Kalibrierung in einen Kreis überführt wird,
- b) Abtasten des in einen Kreis überführten Umfangs auf seinen Durchmesser, wobei die beiden Eckpunkte, welche den Durchmesser markieren, erfaßt werden,
- c) Suchen nach einem dritten Punkt auf dem Kreis,
- d) Errechnen, ob die beiden Eckpunkte und der dritte Punkt auf einem gemeinsamen idealen Kreis liegen.
22. Verfahren für die Bestimmung des Durchmessers eines Kristalls, der aus einer
Schmelze gezogen wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
- a) Abbilden des Meniskus mittels einer Kamera auf einer Bildebene;
- b) Abtasten des Meniskus auf seinen Durchmesser, wobei die beiden äußeren Eck punkte erfaßt werden;
- c) Suchen nach dem untersten Punkt des Meniskus;
- d) Errechnen einer Ellipse aufgrund der aufgefundenen Punkte;
- e) Umrechnen der Ellipse in einen Kreis nach Maßgabe eines bekannten Algorith mus.
23. Verfahren nach Anspruch 1, Anspruch 21 und Anspruch 22, dadurch gekenn
zeichnet, daß die von zwei Kameras (20, 21) abgebildeten Gegenstände zeitlich
nacheinander ausgewertet werden.
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