JP2010076961A - 位置測定方法及び位置測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】チョクラルスキー炉における原料融液の液面位置(メルトレベル)の位置測定方法及び位置測定装置を提供する。
【解決手段】測定箇所7aで反射した反射光を、集光レンズ13aで集光して二次元光センサ13bで受光し、受光された反射光の輝度に基づいて三角測量の原理を利用して測定箇所7aの位置を測定する方法であって、二次元光センサ13bにおいて反射光が測定箇所7aの位置を表す方向を第1方向D1といい、第1方向D1と直交する方向を第2方向D2という場合に、第2方向D2に沿う反射光の輝度を示す第2波形についてその重心である第2方向重心を算出する第2方向重心算出工程と、第2方向重心に基づいて第1方向D1に沿う反射光の輝度を示す第1波形についてその中心である第1方向中心位置を算出する第1方向中心位置算出工程と、第1方向中心位置に基づいて測定箇所の位置を算出する測定箇所算出工程と、を備える。
【選択図】図3
【解決手段】測定箇所7aで反射した反射光を、集光レンズ13aで集光して二次元光センサ13bで受光し、受光された反射光の輝度に基づいて三角測量の原理を利用して測定箇所7aの位置を測定する方法であって、二次元光センサ13bにおいて反射光が測定箇所7aの位置を表す方向を第1方向D1といい、第1方向D1と直交する方向を第2方向D2という場合に、第2方向D2に沿う反射光の輝度を示す第2波形についてその重心である第2方向重心を算出する第2方向重心算出工程と、第2方向重心に基づいて第1方向D1に沿う反射光の輝度を示す第1波形についてその中心である第1方向中心位置を算出する第1方向中心位置算出工程と、第1方向中心位置に基づいて測定箇所の位置を算出する測定箇所算出工程と、を備える。
【選択図】図3
Description
本発明は、三角測量の原理を利用して、単結晶引き上げ装置におけるチョクラルスキー炉に関する測定箇所、例えば、原料融液の液面の位置(メルトレベル)を測定する位置測定方法及び位置測定装置に関する。
チョクラルスキー法(以下「CZ法」ともいう)は、単結晶引き上げ装置におけるチョクラルスキー炉(以下「CZ炉」ともいう)の内部に設けられたるつぼ(坩堝)に収容されたシリコン等の原料融液から単結晶インゴットを育成しながら引き上げる方法である。単結晶の育成を制御性よく行うためには、原料融液の液面の位置(以下「メルトレベル」ともいう)を的確に測定し、メルトレベルを単結晶の育成に合わせて調整する必要がある。
特に、CZ法によるシリコン単結晶引き上げ装置においては、ヒータ及びシリコン融液からの熱輻射を制御すると共にCZ炉の内部に導入されるガスを整流するために、通常、熱遮蔽物が設けられている。この熱遮蔽物の下面とメルトレベルとの相対的位置(すなわち両者間の距離)を制御することによって、引き上げられる単結晶における熱履歴や不純物の濃度(酸素濃度など)を一定にすることができる。そこで従来においては、種々のメルトレベル測定方法が提案されている。
下記特許文献1には、融液の液面の揺れにより定常的に生じる液面の形状を利用して、それを一種の反射体として機能させて、三角測量の原理に基づいてメルトレベルの測定を行う方法が開示されている。以下、この測定方法を「直接反射法」ともいう。
図10は、従来の直接反射法によるレーザ光の軌跡を説明するための図である。図10(a)はレーザ光の軌跡を側面(X−Y面)から見た模式図であり、図10(b)はレーザ光の軌跡を正面(X−Z面)から見た模式図である。なお、図10(a)に示すように、レーザ光は、回転ミラー9及びプリズム11を介して案内されるが、図10(b)においては、Y軸方向のレーザ光の軌跡は紙面を貫く方向に延びているため、回転ミラー9及びプリズム11の図示を省略している。また、三角測量に本質的でない部品の図示を省略している。
図10(a)及び(b)に示すように、単結晶引き上げ装置においては、CZ炉1の内部に設けられたるつぼ(坩堝)2の内部にシリコン原料の融液(シリコン融液)3が収容されており、シリコン単結晶4が上方に回転しながら引き上げられ、育成されている。シリコン単結晶4の外側には熱遮蔽物5が配置されている。
この単結晶引き上げ装置においては、融液3の液面7の位置(メルトレベル)を測定するために、三角測量を原理とした距離測定ユニット8が採用されている。
図10(b)に示すように、距離測定ユニット8の内部には、レーザ光を投射するレーザ光源12及び反射してきた反射光を受光する受光器13が設けられている。受光器13は、入射してきたレーザ光を集光する集光レンズ13a及び集光レンズ13aで集光されたレーザ光を検出するCCDセンサ13b’が配置されている。
距離測定ユニット8から出射されたレーザ光は、回転ミラー9で反射され、入射窓10を透過して、CZ炉1の内部に設置されたプリズム11を経由して、融液3の液面7に投射される。
ここで、回転ミラー9を左右方向(図10(b)における矢印S1方向)に回転して、融液3の液面7におけるレーザ光の投射位置をるつぼ2の径方向(図10(b)における矢印S2方向)にスキャンすることにより、融液3の液面7で反射させた反射光を、プリズム11、入射窓10及び回転ミラー9を介して、所定の頻度で受光器13において受光させている。このように、直接反射法では、レーザ光源から出射したレーザ光は、融液3の液面7に直接投射され、融液3の液面7で反射された反射光は受光器13で直接受光される。
ここで、回転ミラー9を左右方向(図10(b)における矢印S1方向)に回転して、融液3の液面7におけるレーザ光の投射位置をるつぼ2の径方向(図10(b)における矢印S2方向)にスキャンすることにより、融液3の液面7で反射させた反射光を、プリズム11、入射窓10及び回転ミラー9を介して、所定の頻度で受光器13において受光させている。このように、直接反射法では、レーザ光源から出射したレーザ光は、融液3の液面7に直接投射され、融液3の液面7で反射された反射光は受光器13で直接受光される。
図10(b)に示すように、融液3の液面7のメルトレベルがA1の位置の場合、融液3の液面7で反射されたレーザ光は、CCDセンサ13b’の測定座標X1で検出される。すなわち、CCDセンサ13b’の測定座標X1はメルトレベルA1に対応する。同様に、メルトレベルがA2の位置の場合、融液3の液面7で反射されたレーザ光は、CCDセンサ13b’の測定座標X2で検出される。すなわち、CCDセンサ13b’の測定座標X2はメルトレベルA2に対応する。このようにして、三角測量の原理に基づいて、CCDセンサ13b’が検出した測定座標からメルトレベルを測定することができる。
なお、図10(b)において、融液3の液面7へのレーザ光の入射角度及び反射角度(ともに角度θ1)を大きくして示してあるが、実際には、両角度θ1は数度程度の小さな角度である。このことは他の図面においても同様である。
特許文献1に記載のメルトレベル測定方法において、受光器における光センサとして、一次元光センサ又は二次元光センサが用いられている。
一次元光センサ(ラインセンサ)によれば、高解像度(高画素数)のセンサを比較的安価に実現できるという利点がある。その一方で、光の検出可能範囲が線状(ライン状)で狭く、受光位置の位置合わせが煩雑であるという欠点がある。
一次元光センサ(ラインセンサ)によれば、高解像度(高画素数)のセンサを比較的安価に実現できるという利点がある。その一方で、光の検出可能範囲が線状(ライン状)で狭く、受光位置の位置合わせが煩雑であるという欠点がある。
これに対し、二次元光センサ(エリアセンサ)によれば、光の検出可能範囲が面状(エリア状)で広く、受光位置の位置合わせが容易であるか又は実質的に不要であるという利点がある。その一方で、ゴースト光やカメラの画素抜け(ドット落ち)などのノイズの影響を受けやすく、これらにより測定精度が低下しやすいという欠点がある。
二次元光センサを有する受光器を用いた場合に、ゴースト光や画素抜け等の二次元光センサに起因する測定精度の低下を抑制できれば、受光位置の位置合わせが容易又は不要という利点を得ることができ、望ましい。
二次元光センサを有する受光器を用いた場合に、ゴースト光や画素抜け等の二次元光センサに起因する測定精度の低下を抑制できれば、受光位置の位置合わせが容易又は不要という利点を得ることができ、望ましい。
本発明は、以上の問題に鑑みてなされたものであり、二次元光センサを有する受光器を備える位置測定装置を用い、ゴースト光や画素抜け等の二次元光センサに起因する測定精度の低下を抑制し、受光位置の位置合わせが容易又は不要という利点を得ることができる位置測定方法及び位置測定装置を提供することを目的とする。
(1)本発明の位置測定方法は、光源、及び二次元光センサを有する受光器を備える位置測定装置を用い、前記光源から出射した出射光を単結晶引き上げ装置におけるチョクラルスキー炉に関する測定箇所に投射し、該測定箇所で反射した反射光を前記受光器の前記二次元光センサで受光し、該二次元光センサにより受光された前記反射光の輝度に基づいて三角測量の原理を利用して前記測定箇所の位置を測定する位置測定方法であって、前記二次元光センサにおいて前記反射光が前記測定箇所の位置を表す方向を第1方向といい、該第1方向と直交する方向を第2方向という場合に、前記第2方向に沿う前記反射光の輝度を示す第2波形についてその重心である第2方向重心を算出する第2方向重心算出工程と、前記第2方向重心に基づいて、前記第1方向に沿う前記反射光の輝度を示す第1波形についてその中心である第1方向中心位置を算出する第1方向中心位置算出工程と、前記第1方向中心位置に基づいて前記測定箇所の位置を算出する測定箇所算出工程と、を備えることを特徴とする。
(2)また、前記第1方向中心位置算出工程において、前記第2方向重心に基づいて前記第1方向中心位置を算出する際に、前記第2波形における前記第2方向重心を含む前記第2方向の所定の範囲の領域を用いることが好ましい。
(3)また、前記第2方向重心算出工程において、前記第2波形について所定の閾値以下の大きさで検出された輝度を含む部分を除去してから前記第2方向重心を算出することが好ましい。
(4)また、前記測定箇所は、前記チョクラルスキー炉の内部に設けられたるつぼに収容された融液の液面及び/又は前記チョクラルスキー炉の内部に設けられた熱遮蔽物であることが好ましい。
(5)本発明の位置測定装置は、光源、及び二次元光センサを有する受光器を備え、前記光源から出射した出射光を単結晶引き上げ装置におけるチョクラルスキー炉に関する測定箇所に投射し、該測定箇所で反射した反射光を前記受光器の前記二次元光センサで受光し、該二次元光センサにより受光された前記反射光の輝度に基づいて三角測量の原理を利用して前記測定箇所の位置を測定する位置測定装置であって、前記二次元光センサにおいて前記反射光が前記測定箇所の位置を表す方向を第1方向といい、該第1方向と直交する方向を第2方向という場合に、前記第2方向に沿う前記反射光の輝度を示す第2波形についてその重心である第2方向重心を算出する第2方向重心算出手段と、前記第2方向重心に基づいて、前記第1方向に沿う前記反射光の輝度を示す第1波形についてその中心である第1方向中心位置を算出する第1方向中心位置算出手段と、前記第1方向中心位置に基づいて前記測定箇所の位置を算出する測定箇所算出手段と、を備えることを特徴とする。
本発明の位置測定方法及び位置測定装置によれば、二次元光センサを有する受光器を備える位置測定装置を用い、ゴースト光や画素抜け等の二次元光センサに起因する測定精度の低下を抑制し、受光位置の位置合わせが容易又は不要という利点を得ることができる。
以下、本発明の位置測定方法の第1実施態様及び本発明の位置測定装置の第1実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図1及び図2は、本発明の位置測定方法の第1実施態様及び本発明の位置測定装置の第1実施形態におけるレーザ光の軌跡を説明するための図である。図1(a)はレーザ光の軌跡を側面(X−Y面)から見た模式図であり、図1(b)はレーザ光の軌跡を正面(X−Z面)から見た模式図である。なお、図1(a)に示すように、レーザ光は、回転ミラー9及びプリズム11を介して案内されるが、図1(b)においては、Y軸方向のレーザ光の軌跡は紙面を貫く方向に延びているため、回転ミラー9及びプリズム11の図示を省略している。また、三角測量に本質的でない部品の図示を省略している。図2は、レーザ光の軌跡を上面(Y−Z面)から見た模式図である。
図1及び図2は、本発明の位置測定方法の第1実施態様及び本発明の位置測定装置の第1実施形態におけるレーザ光の軌跡を説明するための図である。図1(a)はレーザ光の軌跡を側面(X−Y面)から見た模式図であり、図1(b)はレーザ光の軌跡を正面(X−Z面)から見た模式図である。なお、図1(a)に示すように、レーザ光は、回転ミラー9及びプリズム11を介して案内されるが、図1(b)においては、Y軸方向のレーザ光の軌跡は紙面を貫く方向に延びているため、回転ミラー9及びプリズム11の図示を省略している。また、三角測量に本質的でない部品の図示を省略している。図2は、レーザ光の軌跡を上面(Y−Z面)から見た模式図である。
第1実施態様の位置測定方法は、第1実施形態の位置測定装置を用いた方法であり、図1及び図2に示すように、単結晶引き上げ装置におけるCZ炉1の内部に設けられたるつぼ(坩堝)に収容された融液3の液面7の位置(メルトレベル)を測定する方法である。まず、第1実施形態の位置測定装置について説明する。
図1及び図2に示すように、第1実施形態の位置測定装置は、単結晶引き上げ装置に設けられており、距離測定ユニット8、回転ミラー9、プリズム11等を主体として構成されている。距離測定ユニット8は、レーザ光を融液3の液面7に投射するレーザ光源(光源)12と、融液3の液面7から反射してきたレーザ光を受光する受光器13とを備えている。受光器13は、その内部に入射してきたレーザ光を集光する集光レンズ13aと、集光したレーザ光の輝度を検出する二次元光センサとしてのCMOSセンサ13bとを備えている。
そして、第1実施形態の位置測定装置は、CMOSセンサ13bに受光された反射光の輝度に基づいて三角測量の原理を利用して、直接測定法により、メルトレベル(融液3の液面7)の測定を行う。すなわち、第1実施形態の位置測定装置においては、レーザ光源12から出射したレーザ光を、回転ミラー9及びプリズム11を介して融液3の液面7に投射し、融液3の液面7で反射した反射光を受光器13内のCMOSセンサ13bで受光する。
図1に示すように、単結晶引き上げ装置は、CZ炉1と、CZ炉1の内部に設けられたるつぼ2とを備え、るつぼ2にはシリコン原料の融液(シリコン融液)3が収容されている。単結晶引き上げ装置においては、シリコン単結晶4が上方に回転しながら引き上げられ、育成される。シリコン単結晶4の外側には熱遮蔽物5が配置されている。
前述の構成を有する位置測定装置及び単結晶引き上げ装置においては、図1及び図2に示すように、距離測定ユニット8のレーザ光源12から出射されたレーザ光は、回転ミラー9で反射され、入射窓10を透過して、CZ炉1の内部に設置されたプリズム11を経由して、融液3の液面7に直接投射される。融液3の液面7で反射した反射光は、投射のときとは反対の経路で、プリズム11、入射窓10及び回転ミラー9を介して案内され、受光器13のCMOSセンサ13bで受光される。
回転ミラー9を左右方向(図1(b)における矢印S1方向)に回転して、融液3の液面7におけるレーザ光の投射位置をるつぼ3の径方向(図1(b)における矢印S2方向)にスキャンすることにより、融液3の液面7で反射させた反射光は、プリズム11、入射窓10及び回転ミラー9を介して、所定の頻度で受光器13において受光される。このように、レーザ光源から出射したレーザ光は、融液3の液面7に直接投射され、融液3の液面7で反射された反射光は受光器13で直接受光される。
図1(b)に示すように、融液3の液面7のメルトレベルがA1の位置の場合、融液3の液面7で反射されたレーザ光は、受光器13のCMOSセンサ13bの測定座標X1で検出される。すなわち、CMOSセンサ13bの測定座標X1はメルトレベルA1に対応する。同様に、メルトレベルがA2の位置の場合、融液3の液面7で反射されたレーザ光は、CMOSセンサ13bの測定座標X2で検出される。すなわち、CMOSセンサ13bの測定座標X2はメルトレベルA2に対応する。このようにして、三角測量の原理に基づいて、CMOSセンサ13bが検出した測定座標からメルトレベルを測定することができる。
図1(b)に示すX−Z面において、レーザ光源12から融液3の液面7に入射角度θ1で投射されたレーザ光は、液面7において反射角度θ1で反射される。また、図1(a)に示すX−Y面において、融液3の液面7で反射したレーザ光は、X−Z面において角度θ1を保ったままCMOSセンサ13bに向かって進み、測定座標X1で検出される。メルトレベルA1はCMOSセンサ13bの測定座標X1に対応している。
以上のように、図1(b)に示すように、X−Z面における三角測量を行うことで、X軸方向の高さ位置、すなわち、融液3の液面7の位置(メルトレベル)を測定することが可能になる。
次に、二次元光センサとしてのCMOSセンサ13bについて説明する。図3は、反射光がCMOSセンサ13bに受光される状態を模式的に示す斜視図である。図4は、CMOSセンサ13bの受光領域ER、第1波形J1及び第2波形J2を模式的に示す図である。
図3及び図4に示すように、CMOSセンサ13bは、集光レンズ13aにより集光された反射光を受光する。二次元光センサであるCMOSセンサ13bにおいて、測定箇所7aの位置を表す方向を第1方向D1といい、第1方向D1と直交する方向を第2方向D2という。CMOSセンサ13bの受光領域ERは、第1方向D1に延びるx軸と、第2方向に延びるy軸とを有する。
CMOSセンサ13bで受光された反射光の結像スポットR1は、第1方向D1(x軸方向)に延びる。その理由は、次の通りである。反射光の結像スポットR1は、レーザ光の光軸(進行方向に延びる軸)に交差する方向の断面形状についてはほぼ円形であるが、CMOSセンサ13bの受光領域ERの受光面は、光軸に対して直交しておらず、光軸に対する直交面に対して傾いている(例えば、15〜20度)。従って、結像スポットR1は、CMOSセンサ13bの受光面において、第1方向D1(x軸方向)に延びることになる。
また、CMOSセンサ13bの受光面を光軸に対する直交面に対して傾けている理由は、次の通りである。集光レンズ13aとして固定焦点レンズ(自動焦点機能を有しないレンズ)を使用する場合において、測定箇所7aの位置(メルトレベル)が変化したときに、測定箇所7aの位置によらずに、その変化量に対応する結像スポットの焦点を第1方向D1に沿って合わせることができるようにするためである。
なお、受光器13には、所定の輝度以下の光をカットする滅光フィルタ(図示せず)を備えることができる。滅光フィルタは、集光レンズ13aの手前側(測定箇所7a側)に配置される。滅光フィルタによれば、CMOSセンサ13bにおける反射光の受光輝度の飽和が抑制される。また、レーザ光源12にて出射したレーザ光についての拡散反射光を滅光フィルタにより減光することで、拡散レーザ光がCMOSセンサ13bで結像することを抑制できる。
図4においては、受光領域ERには、レーザ光の反射光の結像スポットR1が受光される。第1波形J1は、第1方向D1(x軸方向)に沿う反射光の輝度を示す波形である。第2波形J2は、第2方向D2(y軸方向)に沿う反射光の輝度を示す波形である。理想的には、第1波形J1の中心及び第2波形J2の重心に反射光の結像スポットR1の中心が位置する。
受光領域ERには、結像スポットR1とは別に、ノイズR2が存在している。ノイズR2は、後述する第2方向重心算出工程ST2における第2方向重心の算出及び第1方向中心位置算出工程ST3における第1方向中心位置の算出の際の測定精度を低下させる。従って、ノイズR2は極力除去することが好ましい。
次に、第1実施形態の位置測定装置における各種値の算出に係る構成について、図5を参照しながら説明する。図5は、本発明の位置測定装置の第1実施形態における各種値の算出に係る構成を示す機能ブロック図である。
図5に示すように、第1実施形態の位置測定装置は、演算部14を備える。演算部14は、レーザ光源12からのレーザ光の投射を制御すると共に、受光器13(CMOSセンサ13b)で受光されたレーザ光の輝度に基づいて各種値を算出する。
演算部14は、第2方向重心算出手段14a、第1方向中心位置算出手段14b及び測定箇所算出手段14cとして機能する。
図5に示すように、第1実施形態の位置測定装置は、演算部14を備える。演算部14は、レーザ光源12からのレーザ光の投射を制御すると共に、受光器13(CMOSセンサ13b)で受光されたレーザ光の輝度に基づいて各種値を算出する。
演算部14は、第2方向重心算出手段14a、第1方向中心位置算出手段14b及び測定箇所算出手段14cとして機能する。
第2方向重心算出手段14aは、第2方向D2(y軸方向)に沿う反射光の輝度を示す第2波形J2についてその重心である第2方向重心を算出する。
第1方向中心位置算出手段14bは、第2方向重心に基づいて第1方向D1(x軸方向)に沿う反射光の輝度を示す第1波形J1についてその中心である第1方向中心位置を算出する。
測定箇所算出手段14cは、第1方向中心位置に基づいて測定箇所7aの位置(メルトレベル)を算出する。
第1方向中心位置算出手段14bは、第2方向重心に基づいて第1方向D1(x軸方向)に沿う反射光の輝度を示す第1波形J1についてその中心である第1方向中心位置を算出する。
測定箇所算出手段14cは、第1方向中心位置に基づいて測定箇所7aの位置(メルトレベル)を算出する。
次に、第1実施形態の位置測定装置を用いた第1実施態様の位置測定方法について、図6を参照しながら説明する。図6は、本発明の位置測定方法の第1実施態様を示すフローチャートである。
図6に示すように、第1実施態様の位置測定方法は、下記のレーザ光受光工程ST1、第2方向重心算出工程ST2、第1方向中心位置算出工程ST3及び測定箇所算出工程ST4を備える。
図6に示すように、第1実施態様の位置測定方法は、下記のレーザ光受光工程ST1、第2方向重心算出工程ST2、第1方向中心位置算出工程ST3及び測定箇所算出工程ST4を備える。
(ST1)レーザ光受光工程
レーザ光源12から出射したレーザ光を、回転ミラー9及びプリズム11を介して融液3の液面7に投射し、融液3の液面7で反射した反射光を受光器13内のCMOSセンサ13bで受光する。
ここでは、図4に示すように、CMOSセンサ13bの受光領域ERには、レーザ光の反射光の結像スポットR1が受光されると共に、ノイズR2が存在していることとする。
レーザ光源12から出射したレーザ光を、回転ミラー9及びプリズム11を介して融液3の液面7に投射し、融液3の液面7で反射した反射光を受光器13内のCMOSセンサ13bで受光する。
ここでは、図4に示すように、CMOSセンサ13bの受光領域ERには、レーザ光の反射光の結像スポットR1が受光されると共に、ノイズR2が存在していることとする。
(ST2)第2方向重心算出工程
レーザ光受光工程ST1においてCMOSセンサ13bで受光された反射光における、第2方向D2に沿う反射光の輝度を示す第2波形J2について、その重心である第2方向重心を算出する。
本実施態様においては、第2波形J2について所定の閾値以下の大きさで検出された輝度を含む部分、つまりノイズR2を除去してから第2方向重心を算出する。
レーザ光受光工程ST1においてCMOSセンサ13bで受光された反射光における、第2方向D2に沿う反射光の輝度を示す第2波形J2について、その重心である第2方向重心を算出する。
本実施態様においては、第2波形J2について所定の閾値以下の大きさで検出された輝度を含む部分、つまりノイズR2を除去してから第2方向重心を算出する。
なお、本発明における重心は、画素の輝度の値を重みとした測定箇所の中心位置のことである。具体的な重心の算出法は、XY座標系に結像スポットR1がある場合、任意の点P(x,y)で表されるので、結像スポットR1の輝度分布をm(x,y)とすると、重心位置C(cx,cy)は次の積分式(1)及び(2)により解くことができる。
ノイズR2は、第2波形J2において、結像スポットR1に対応するピークK21とは別のピークK22を形成する。ただし、このノイズR2に対応するピークK22は、結像スポットR1に対応するピークK21に比べて輝度が明確に小さいことが一般的である。そこで、結像スポットR1に対応するピークK21とノイズR2に対応するピークK22とを適切に区別可能な閾値を設定し、この閾値に基づいて両ピークK21,K22を区別する。
また、第2波形J2においてピークが存在する場合に、いずれのピークも結像スポットR1に対応するピークK21ではない場合がある。
そこで、結像スポットR1に対応するピークK21とノイズR2に対応するピークK22とを区別するための閾値BL22、及び結像スポットR1に対応するピークK21であることを確認するための閾値BL21を設定する。
そこで、結像スポットR1に対応するピークK21とノイズR2に対応するピークK22とを区別するための閾値BL22、及び結像スポットR1に対応するピークK21であることを確認するための閾値BL21を設定する。
結像スポットR1に対応するピークK21とノイズR2に対応するピークK22とを区別するための閾値BL22は、例えば、CMOSセンサ13bにおいて測定可能な輝度の最大値に対して50〜70%である。結像スポットR1に対応するピークK21であることを確認するための閾値BL21は、例えば、CMOSセンサ13bにおいて測定可能な輝度の最大値に対して80〜100%である。
なお、ノイズR2に対応するピークK22の判定は、前述したような単純に輝度の大きさで判定する方法の他、CMOSセンサ13bの受光領域ERにおけるスポット画像の面積の大小に基づいて行うこともできる。例えば、CMOSセンサ13bの受光領域ERにおけるスポット画像の面積が所定の閾値よりも小さい場合に、当該スポット画像がノイズR2に対応するピークK22であると判定することもできる。
第2方向重心算出工程ST2において、ピークの判定及び面積の判定の一方又は両方を行うことで、第2方向D2に発生するノイズやゴースト光を判定し、選別することが可能になる。
第2方向重心算出工程ST2において、ピークの判定及び面積の判定の一方又は両方を行うことで、第2方向D2に発生するノイズやゴースト光を判定し、選別することが可能になる。
ゴースト光を除去する具体例について説明する。図7(a)は、ゴースト光R3の測定例を示すグラフである。図7(b)は、ビームに関する位置の測定方法の概要を示す模式図である。図7(c)は、閾値BL22以上の領域内を示す模式図である。図7に示すように、ゴースト光R3の除去のため、エリアカメラのWOI領域内のビームの塊の面積判定を行い、予め設定した輝度の閾値以上を対象とした第2方向D2(y軸方向)の重心を、下記(1)〜(7)の手順で算出する。ここで、輝度の閾値BL22は、輝度の最大値と最小値との差分の50〜70%を用いる。
(1)結像スポット(重心を抽出するビーム)R1の位置は予めわかっているので、その画像処理を行う範囲(WOI領域)を指定する。
(2)WOI領域の中で、閾値BL22以上の領域を輝度有り(値:1)部分とし、それ未満の領域を輝度無し(値:0)部分とする輝度の2値化を行う。
(3)2値化した輝度有り部分の塊のサーチを行う。
(4)対象ビームの塊が複数検出された場合にその塊の面積判定を行う(例えば、結像スポットR1とゴースト光R3が検出された場合)。
(5)その塊に外接する長方形内の輝度の値の合計が最大となる領域を、結像スポットR1が存在する領域であると判定する。
(6)その領域内で、閾値BL22以上の輝度の値において、前記積分式(1)及び(2)を用いて、その重心を算出する。
(7)その重心を第2方向D2(y軸方向)の重心であると決定する。
(2)WOI領域の中で、閾値BL22以上の領域を輝度有り(値:1)部分とし、それ未満の領域を輝度無し(値:0)部分とする輝度の2値化を行う。
(3)2値化した輝度有り部分の塊のサーチを行う。
(4)対象ビームの塊が複数検出された場合にその塊の面積判定を行う(例えば、結像スポットR1とゴースト光R3が検出された場合)。
(5)その塊に外接する長方形内の輝度の値の合計が最大となる領域を、結像スポットR1が存在する領域であると判定する。
(6)その領域内で、閾値BL22以上の輝度の値において、前記積分式(1)及び(2)を用いて、その重心を算出する。
(7)その重心を第2方向D2(y軸方向)の重心であると決定する。
(ST3)第1方向中心位置算出工程
第2方向重心算出工程ST2において算出された第2方向重心に基づいて、第1方向D1(x軸方向)に沿う反射光の輝度を示す第1波形J1について、その中心である第1方向中心位置を算出する。
第2方向重心算出工程ST2において算出された第2方向重心に基づいて、第1方向D1(x軸方向)に沿う反射光の輝度を示す第1波形J1について、その中心である第1方向中心位置を算出する。
第1方向中心位置の具体的な算出方法は、次の通りである。まず、図4に示す第1波形J1において所定の閾値(閾値BL11及び閾値BL12)を、最大輝度255の中で5〜30程度に設定する。そして、それ以下の大きさで検出された輝度を含む波形成分、つまりノイズやゴースト光を、予め除去してから第1方向中心位置の算出を行うことが好ましい。
さらに、第1波形J1は、図8に示すようなガウス分布状の受光輝度を持つので、例えば、ガウス関数をモデル関数とした正規化相関関数によるマッチングを行うガウシアンフィティング法により、第1波形J1の中心位置を精度よく求め、第2方向重心に対応する第1方向D1の結像スポットの中心位置を第1方向中心位置(画素)であると決定する。
なお、前記ガウシアンフィティング法を行う際に、相関係数に閾値を設けることができる。例えば、測定箇所がCZ炉の内部に設けられたるつぼに収容された融液の液面の場合には、相関係数の閾値は70〜100%の範囲である。測定箇所がCZ炉の内部に設けられた熱遮蔽物の場合には、相関係数の閾値は60〜80%の範囲である。ノイズやゴースト光は、ガウス関数をモデル関数とした正規化相関係数による相関が元々弱いので、前記閾値以上の第1波形J1を中心位置の算出に用いることで、第1方向に発生するノイズやゴースト光を除去することができる。
仮に、ガウシアンフィティング法を行わずに、単純に第1方向の重心に基づいて第1方向中心位置を算出した場合には、第1波形J1は、正規分布曲線とはなりにくい。特に、測定箇所がCZ炉の内部に設けられた熱遮蔽物である場合には、熱遮蔽物の表面が滑らかな鏡面状態ではないので、反射光は、輝度がまだらな拡散光になる。その影響を受け、第1波形J1は、図9に示すように、正規分布曲線とはならない。そのため、第1方向中心位置に誤差が出やすい。そこで、前記のガウシアンフィティング法を行うことにより、この問題は解決される。
また、本実施態様においては、第2方向重心に基づいて第1方向中心位置を算出する際に、第2波形J2における第2方向重心を含む第2方向D2の所定の範囲の領域を用いる。つまり、第2波形J2における第2方向重心を含む第2方向の所定の範囲の領域(例えば、第2方向重心に位置する画素を中心に±10画素の幅)において投影(加重平均、例えば、21画素の輝度の総和を21で割り算する処理)を行い、この領域に対応する第1波形J1を算出し、ガウシアンフィティング法を行うことにより、その中心位置を精度よく求める。そして、第2方向重心に対応する第1方向D1の結像スポットの中心位置を第1方向中心位置(画素)であると決定する。
前記投影(加重平均)を行うことで、第1波形J1以外のノイズやゴースト光である小さい光は、平均化されて必ず小さくなる(例えば1/21輝度)。このことにより、第1方向に発生するノイズやゴースト光を除去することができる。
前記投影(加重平均)を行うことで、第1波形J1以外のノイズやゴースト光である小さい光は、平均化されて必ず小さくなる(例えば1/21輝度)。このことにより、第1方向に発生するノイズやゴースト光を除去することができる。
また、第2方向重心算出工程ST2及び第1方向中心位置算出工程ST3は、主として、CMOSセンサ13bに受光されるゴースト光の影響を除去するために行われる。ゴースト光は、単結晶引き上げ装置のCZ炉1の内部における多重反射などが主な原因となって発生する。多重反射の原因としては、CZ炉1の内部における熱遮蔽物5、ゲートなどにおける反射が挙げられる。
(ST4)測定箇所算出工程
第1方向中心位置算出工程ST3において算出された第1方向中心位置に基づいて、測定箇所7aの位置を算出する。つまり、算出された第1方向中心の位置の値(画素)を、例えば4次式によって表される測定箇所7aまでの距離へ変換する関数に代入することにより、実際の距離(位置)を求めることができる。
第1方向中心位置算出工程ST3において算出された第1方向中心位置に基づいて、測定箇所7aの位置を算出する。つまり、算出された第1方向中心の位置の値(画素)を、例えば4次式によって表される測定箇所7aまでの距離へ変換する関数に代入することにより、実際の距離(位置)を求めることができる。
以上の説明の通り、第1実施態様の位置測定方法及び第1実施形態の位置測定装置によれば、ノイズやゴースト光や画素抜け等の二次元光センサに起因する測定精度の低下を抑制し、受光位置の位置合わせが容易又は不要という利点を得ることができる。そのため、CZ法による単結晶の品質に影響を及ぼす融液3の液面7の位置、熱遮蔽物5などの炉内部材の位置(後述)などを高精度に測定し、その位置を維持することにより、単結晶の品質のバラツキを低減し、高品質の単結晶を安定して製造することができる。
以上、本発明の第1実施態様及び第1実施形態について説明したが、本発明は、上述した第1実施態様及び第1実施形態に制限されるものではない。
例えば、前述の実施態様及び実施形態においては、測定箇所7aは、CZ炉1の内部に設けられたるつぼ2に収容された融液3の液面7であるが、これに制限されず、CZ炉1の内部に設けられた熱遮蔽物5でもよい。あるいは融液3の液面7及び熱遮蔽物5の両方を測定することができ、その場合、融液3の液面7と熱遮蔽物5(特に、底面6)との距離(間隔)を測定することができる。
例えば、前述の実施態様及び実施形態においては、測定箇所7aは、CZ炉1の内部に設けられたるつぼ2に収容された融液3の液面7であるが、これに制限されず、CZ炉1の内部に設けられた熱遮蔽物5でもよい。あるいは融液3の液面7及び熱遮蔽物5の両方を測定することができ、その場合、融液3の液面7と熱遮蔽物5(特に、底面6)との距離(間隔)を測定することができる。
二次元光センサは、CMOSセンサ13bに制限されず、例えば、エリア型CCD、PSDを用いることができる。
前記実施態様及び前記実施形態においては、いわゆる直接測定法を用いているが、これに制限されず、WO01/083859号公報に記載された測定方法(熱遮蔽物5の底面6における反射などを利用)や、特開2007−223879号公報に記載された測定方法(熱遮蔽物5などの側面における反射を利用)を用いることができる。
前記実施態様及び前記実施形態においては、いわゆる直接測定法を用いているが、これに制限されず、WO01/083859号公報に記載された測定方法(熱遮蔽物5の底面6における反射などを利用)や、特開2007−223879号公報に記載された測定方法(熱遮蔽物5などの側面における反射を利用)を用いることができる。
レーザ光として、赤色レーザ光、紫色レーザ光、青色レーザ光、緑色レーザ光を用いることもできる。
レーザ光源に代えて、キセノン、水銀、ハロゲン等の光源や、ナトリウム線等の単一波長光源を用いることもできる。
レーザ光源に代えて、キセノン、水銀、ハロゲン等の光源や、ナトリウム線等の単一波長光源を用いることもできる。
1 CZ炉(チョクラルスキー炉)
2 るつぼ
3 シリコン融液(融液)
4 シリコン単結晶(単結晶)
5 熱遮蔽物
6 熱遮蔽物の底面
7 液面
7a 測定箇所
8 距離測定ユニット
9 回転ミラー
10 入射窓
11 プリズム
12 レーザ光源(光源)
13 受光器
13a 集光レンズ
13b CMOSセンサ(二次元光センサ)
13b’ CCDセンサ(一次元光センサ)
14a 第2方向重心算出手段
14b 第1方向中心位置算出手段
14c 測定箇所算出手段
D1 第1方向
D2 第2方向
J2 第2波形
J1 第1波形
ST2 第2方向重心算出工程
ST3 第1方向中心位置算出工程
ST4 測定箇所算出工程
2 るつぼ
3 シリコン融液(融液)
4 シリコン単結晶(単結晶)
5 熱遮蔽物
6 熱遮蔽物の底面
7 液面
7a 測定箇所
8 距離測定ユニット
9 回転ミラー
10 入射窓
11 プリズム
12 レーザ光源(光源)
13 受光器
13a 集光レンズ
13b CMOSセンサ(二次元光センサ)
13b’ CCDセンサ(一次元光センサ)
14a 第2方向重心算出手段
14b 第1方向中心位置算出手段
14c 測定箇所算出手段
D1 第1方向
D2 第2方向
J2 第2波形
J1 第1波形
ST2 第2方向重心算出工程
ST3 第1方向中心位置算出工程
ST4 測定箇所算出工程
Claims (5)
- 光源、及び二次元光センサを有する受光器を備える位置測定装置を用い、前記光源から出射した出射光を単結晶引き上げ装置におけるチョクラルスキー炉に関する測定箇所に投射し、該測定箇所で反射した反射光を前記受光器の前記二次元光センサで受光し、該二次元光センサにより受光された前記反射光の輝度に基づいて三角測量の原理を利用して前記測定箇所の位置を測定する位置測定方法であって、
前記二次元光センサにおいて前記反射光が前記測定箇所の位置を表す方向を第1方向といい、該第1方向と直交する方向を第2方向という場合に、
前記第2方向に沿う前記反射光の輝度を示す第2波形についてその重心である第2方向重心を算出する第2方向重心算出工程と、
前記第2方向重心に基づいて、前記第1方向に沿う前記反射光の輝度を示す第1波形についてその中心である第1方向中心位置を算出する第1方向中心位置算出工程と、
前記第1方向中心位置に基づいて前記測定箇所の位置を算出する測定箇所算出工程と、を備えることを特徴とする位置測定方法。 - 前記第1方向中心位置算出工程において、前記第2方向重心に基づいて前記第1方向中心位置を算出する際に、前記第2波形における前記第2方向重心を含む前記第2方向の所定の範囲の領域を用いることを特徴とする請求項1に記載の位置測定方法。
- 前記第2方向重心算出工程において、前記第2波形について所定の閾値以下の大きさで検出された輝度を含む部分を除去してから前記第2方向重心を算出することを特徴とする請求項1又は2に記載の位置測定方法。
- 前記測定箇所は、前記チョクラルスキー炉の内部に設けられたるつぼに収容された融液の液面及び/又は前記チョクラルスキー炉の内部に設けられた熱遮蔽物であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の位置測定方法。
- 光源、及び二次元光センサを有する受光器を備え、前記光源から出射した出射光を単結晶引き上げ装置におけるチョクラルスキー炉に関する測定箇所に投射し、該測定箇所で反射した反射光を前記受光器の前記二次元光センサで受光し、該二次元光センサにより受光された前記反射光の輝度に基づいて三角測量の原理を利用して前記測定箇所の位置を測定する位置測定装置であって、
前記二次元光センサにおいて前記反射光が前記測定箇所の位置を表す方向を第1方向といい、該第1方向と直交する方向を第2方向という場合に、
前記第2方向に沿う前記反射光の輝度を示す第2波形についてその重心である第2方向重心を算出する第2方向重心算出手段と、
前記第2方向重心に基づいて、前記第1方向に沿う前記反射光の輝度を示す第1波形についてその中心である第1方向中心位置を算出する第1方向中心位置算出手段と、
前記第1方向中心位置に基づいて前記測定箇所の位置を算出する測定箇所算出手段と、を備えることを特徴とする位置測定装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008245241A JP2010076961A (ja) | 2008-09-25 | 2008-09-25 | 位置測定方法及び位置測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2010076961A true JP2010076961A (ja) | 2010-04-08 |
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Family Applications (1)
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JP2008245241A Pending JP2010076961A (ja) | 2008-09-25 | 2008-09-25 | 位置測定方法及び位置測定装置 |
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JP (1) | JP2010076961A (ja) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102936749A (zh) * | 2012-12-06 | 2013-02-20 | 江苏吉星新材料有限公司 | 定位工具 |
CN103173853A (zh) * | 2013-03-14 | 2013-06-26 | 中山兆龙光电科技有限公司 | 一种泡生法生长大尺寸蓝宝石单晶炉的温场中心定位装置 |
KR20160018415A (ko) * | 2014-08-08 | 2016-02-17 | 가부시키가이샤 스크린 홀딩스 | 광학 특성 취득 장치, 위치 측정 장치, 데이터 보정 장치, 광학 특성 취득 방법, 위치 측정 방법 및 데이터 보정 방법 |
JP2016176708A (ja) * | 2015-03-18 | 2016-10-06 | 住友重機械工業株式会社 | 形状計測装置、加工装置及び形状計測装置の校正方法 |
WO2022109100A1 (en) * | 2020-11-19 | 2022-05-27 | Globalwafers Co., Ltd. | Non-contact systems and methods for determining distance between silicon melt and reflector in a crystal puller |
-
2008
- 2008-09-25 JP JP2008245241A patent/JP2010076961A/ja active Pending
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