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一种寻找铸铁发动机零件轮廓和表面缺陷的低成本视觉系统的开发
APPARATUS FOR DETECTING THE DIAMETER OF A SENGLE-CRYSTAL SLICON
测量硅晶硅片直径的装置
这是一篇美国专利，这里仅作为学习记录用，翻译仓促，意思理解就好。
作者：Yutaka Shiraishi, Hiratsuka, Japan; Yihao Chang, Kanata, Canada
时间：美国专利局 1996.5.17
翻译进度：翻译中…
摘要
本发明公开了一种用于精确检测由连续充电法制备的单晶材料直径的装置。常规的检测装置可以检测坩埚提升量、物料添加量、生长单晶的重量等变量。通过初始熔体表面位置-坩埚提升量+(材料进料量/坩埚面积)-(单晶重量/坩埚面积)获得当前熔体表面位置，然后提供给直径控制装置。相对于初始熔体表面位置3a的传感角为0。初始熔体表面位置3a到一维图像传感器2的高度为h。扫描线与一维图像传感器的水平距离为r，当熔体表面从3a位置到3b位置下降a Ah时，可从0’-cos(h+Ah)/{(h+Ah)-r’得到调整后的传感角度6’。
三个权利要求，三个附图
图1
图2
图3
图4
图5
发明背景
1. 发明领域
本发明涉及用连续充电法制备单晶硅，更具体地说，涉及一种用于检测单晶硅直径的装置。
2. 现有技术描述
单晶硅经常被用作半导体器件的衬底材料。单晶硅棒可以用Czochralski (CZ)方法制备，该方法将圆柱形单晶硅棒从位于单晶硅制作装置内的制作室内的坩埚内熔体材料中拉起。多晶硅材料充入坩埚。多晶硅材料由布置在坩埚周围的主加热器加热和熔化。将固定在种架上的单晶籽浸入熔体中，当种架从熔体中升起并随坩埚旋转方向同相或反相旋转时，在种架上形成单晶硅棒。在CZ方法的辅助下，一种连续充电的方法可以有效地生产大直径单晶硅棒，通过连续向坩埚中注入足够数量的多晶硅材料。
采用CZ法制备单晶半导体材料时，应将其直径控制在可接受的范围内。控制直径的方法有光学法、晶体称重法等。在光学方法中，直径的实时测量可以通过图像传感器和电视摄像机等仪器进行。横越在单晶材料和熔体之间的界面上形成的半月形环的一条线，它穿过半月板的中心或者穿过一个到半月板中心有特定距离的点，适用于作为图像传感器的扫描线。检测与这些线相关的图像传感器的像素位置，确定像素位置之间的距离，然后确定单晶硅的直径。
……
发明概述
因此，本发明的一个目的是提供一种单晶硅直径的检测装置，该装置可以通过考虑熔体表面的变化来精确地检测单晶硅材料的直径计。本发明的直径检测装置可用于连续带电单晶材料的制造过程中。
本发明的要点在于，当前熔体表面位置是由初始熔体表面位置和坩埚提升量、材料添加量和生长单晶重量等变量计算出来的。由于这些变量决定了当前的熔体表面位置，通过调整扫描线位置或光学直径探测器的传感角度计算出的当前熔体表面位置，可以正确地检测出生长单晶硅的直径。
采用连续充电法制备单晶材料时，坩埚内多晶硅材料的充电量是影响熔体表面位置变化的主要变量。由于本发明通过多晶硅材料的充装量计算了当前熔体表面的位置，并根据当前熔体位置自动调整扫描线位置或光学直径探测器的传感角度，该探测器可以根据熔体表面高度的变化检测出最优位置。因此，本发明装置可以准确地检测单晶硅的直径。因此，本发明装置可以准确地检测单晶硅的直径。
附图的简要描述
本发明的其他对象、特征和优点将从下列首选但不受限制的实施例的详细描述中变得明显。附图说明，附图:
图1为连续带电单晶半导体制造过程中熔体表面位置的计算框图;
图2表示一维图像传感器传感角度的原理图;
图3是根据一维图像传感器传感角度的调整来说明扫描线移动的原理图；
图4是为说明一维图像传感器的传感角度调整或CCD相机的扫描线位置的流程图
图5是为说明一个常见单晶半导体直径探测熔体表面位置的偏差的原理图。
发明的详细描述
在本发明的优选实施例中，连续充电方法被用于制造单晶半导体。熔体表面的位置可以从坩埚数量，材料的填充量，单晶半导体的重量计算得到。上述的这些值可以通过仪器检测到，然后供直径检测器使用。参考图1，直径检测装置中，当前熔体表面的位置可以通过坩埚升高量（材料填充量/坩埚的面积）与熔体表面的初始位置（该位置可以通过多晶材料初始填充量得到）相加得到，然后减去（单晶半导体的重量/坩埚的面积）。当前熔体表面位置用于标定从位置P到位置P’的CCD相机的扫描线，或标定从θ到θ’的一维线传感器的传感角度。
图2是为说明一维线传感器2的传感角度和正在生长的单晶半导体1。相对于初始熔体表面位置3a的传感角为θ。从初始熔体位置3a到一维图像传感器2的高度是h。扫描线和一维图像传感器2的水平距离是r。如果熔体表面从位置3a降到3b，传感器需要调整的角度θ’可以从下面的公式汇中得到：
参考图3，说明了调整一维图像传感器的扫描线位置来检测单晶1的生长。当熔体表面降低Δh时，一维图像传感器的传感角度从θ变为θ’。因此，与熔体初始表面位置所对应的扫描线将会从P移动到P’。所以，生长的单晶材料的直径就被检测到。
图4是一维图像传感器的传感角度变化或者二维CCD扫描相机扫描线的调整的流程图。参考图片，每一个方块的左上角的数字表示步骤序号。第一步，当前熔体表面的位置通过图1中的方法计算出来。在第二步中，当前熔体表面的位置与初始熔体表面位置相比较，进而来判断熔体表面是升高了还是降低了。第三步，一维图像传感器的传感角θ降低，或者一维CCD扫描相机的扫描线降低。如果熔体表面没有降低，就需要判断熔体表面是否上升。判断熔体表面是否上升在第四步中执行。如果熔体表面没有上升，则重复第一步中的计算当前熔体表面位置。如果熔体表面上升，则在第五步中，一维图像传感器的传感角度θ将增加，或者一维CCD扫描相机的扫描线升高。
第三步或第五步后，就是第六步，将读取两个单晶材料的直径测量值，例如通过测高仪测得的DC，通过图像传感器或CCD相机（直径测量器）测得的DS。第七步中将比较这两个值，如果DS等于DC，则返回第一步，如果两个值不相等，则必须在步骤8中调整传感角度0或扫描线位置，重复步骤6。
如上所述，在此发明中，可以根据单晶材料连续充电法中决定熔体表面变化的变量来计算熔体表面的位置。光学直径测量仪的扫描线可以通过计算位置进行调整，进而准确的测出单晶的直径。除此之外，当多晶硅材料停止供应时，传统的光学测量仪不能恰当的控制单晶材料的拉伸过程。使用本发明中的方法可以克服这个问题，单晶材料的直径也能够精确的测量出来。
本发明声明如下：
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一种测量使用连续充电方法制备生长的单晶硅直径的装置：
基于初始熔体表面位置和升高量、材料填充量、所述单晶硅的重量等变量来计算当前熔体表面位置。调整当前熔体表面所对应的扫描线和光学直径测量仪的检测角。 -
一种测量使用连续充电方法制备生长的单晶硅直径的装置，所述装置组成：
计算：基于初始熔体表面位置和升高量、材料填充量、所述单晶硅的重量等变量来计算当前熔体表面位置。
光学直径测量仪：通过扫描线和检测角来测出所述生长单晶硅的直径。
调整：调整所述当前熔体表面所对应的扫描线和光学直径测量仪的检测角。 -
一种测量使用连续充电方法制备生长的单晶硅直径的装置，所述装置组成：
计算：基于初始熔体表面位置和升高量、材料填充量、所述单晶硅的重量等变量来计算当前熔体表面位置。
光学直径测量仪：通过扫描线和检测角来测出所述生长单晶硅的直径。
调整：调整所述当前熔体表面所对应的扫描线和光学直径测量仪的检测角。
（果然不管是哪个国家的专利格式都大同小异啊）
笔记
这个专利其实与图像处理没有什么关系。
就是直径的实时测量。
首先根据已有参数（材料填充量/坩埚面积）计算出位置变化量Δh，然后根据Δh计算出相机角度调整量，调整相机角度使相机始终对准熔体表面，测得熔体表面的位置的直径，判断该直径是否与标准直径相等，若不相等，则调整相机角度。