способ измерения диаметра кристалла в ростовой установке

Формула изобретения

Способ измерения диаметра кристалла в ростовой установке, в котором с помощью двух измерителей, установленных под разными углами к вертикали в вертикальной плоскости, пересекающей поверхность расплава, формируют два двумерных изображения границы между кристаллом и расплавом, отличающийся тем, что находят на изображениях и определяют координаты, по крайней мере, одной пары сопряженных точек, принадлежащих разным изображениям, но являющихся проекциями в плоскостях изображений одной и той же точки границы, по координатам сопряженных точек вычисляют уровень расплава, определяют координаты других точек изображения границы, по крайней мере, на одном изображении, выполняют преобразования этих координат, используя вычисленное значение уровня расплава и получая в результате координаты точек границы в системе координат горизонтальной плоскости, проходящей через границу в точке измерения уровня расплава, и по полученным координатам точек границы в упомянутой системе координат вычисляют диаметр кристалла, при этом средний диаметр кристалла определяют, усредняя текущие результаты измерения диаметра в процессе вращения кристалла вокруг своей оси.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области выращивания кристаллов и может быть использовано в ростовых установках для измерения диаметра кристалла и уровня расплава.

Оперативный контроль диаметра кристалла и уровня расплава является одной из важнейших составляющих технологического процесса выращивания кристаллов. Точность измерений этих параметров имеет определяющее значение для обеспечения оптимальных условий роста кристалла и работы автоматизированной системы управления ростовой установкой. При больших погрешностях измерений не удается обеспечить оптимальное и своевременное изменение параметров технологического процесса, что приводит к появлению бракованных кристаллов.

Известны различные способы измерения диаметра кристалла в процессе выращивания, основанные на разных физических принципах. Ниже рассматриваются способы, являющиеся аналогами данного изобретения.

Способ регулирования диаметра монокристалла, при котором измерение и регулирование диаметра кристалла осуществляется путем измерения его массы [1].

Способ и устройство для измерения диаметра кристалла, используемые в автоматически регулируемом процессе выращивания кристаллов [2]. Для измерения диаметра кристалла формируют изображение фрагмента растущего кристалла с помощью видеокамеры, измеряют в изображении наружный диаметр светлого кольца и используют полученное значение для регулирования диаметра кристалла.

По совокупности существенных признаков наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ измерения диаметра кристалла в ростовой установке, предложенный в [3]. В этом способе с помощью двух измерителей, установленных под разными углами к расплаву в плоскости, проходящей через ось вращения кристалла, формируют изображения границы между кристаллом и расплавом, определяют на каждом из изображений координаты точки пересечения границы плоскостью установки измерителей и в соответствии с полученными данными рассчитывают диаметр кристалла и уровень расплава. Использование двух измерителей дает возможность одновременно измерять как уровень расплава, так и диаметр кристалла. Существенно, что уровень расплава измеряется непосредственно в зоне кристаллообразования (зоне мениска), что очень важно для оптимизации процесса выращивания кристалла и получения кристаллов высокого качества.

Этот же способ [3] изложен и в работе [4], а в работе [5] приведены результаты его моделирования.

Недостатком известного способа [3] измерения диаметра кристалла является отсутствие инвариантности измерений к смещениям оси кристалла в процессе выращивания, поэтому этот способ может быть использован для измерений лишь при неизменном положении оси кристалла. Применение этого способа в условиях, когда имеют место смещения кристалла при выращивании (раскачивание и биение кристалла, возникающие из-за механического контакта вращающихся кристалла и расплава, несовпадения их осей вращения, несимметрии кристалла и т.д.), приводит к возникновению больших погрешностей измерения диаметра. Действительно, в известном способе измеряется расстояние от одной точки границы кристалла (от точки пересечения границы плоскостью установки измерителей) до вертикали, проходящей через точку установки измерителя, которое изменяется при смещениях кристалла, даже при неизменном его диаметре и постоянном уровне расплава. При смещениях кристалла, превышающих его радиус (в направлении, ортогональном плоскости установки измерителей), измерения становятся вообще невозможными, поскольку кристалл выходит из поля зрения оптических систем измерителей и плоскость установки измерителей уже не пересекает границу ни в одной точке. В этом случае невозможно измерение ни диаметра, ни уровня расплава, при возникновении таких смещений кристалла работа датчика становится ненадежной, а результаты измерений недостоверными. Например, при выращивании шейки кристалла диаметром 2 мм такое смещение (в плоскости, ортогональной плоскости установки измерителей), исключающее возможность проведения измерений, составляет всего 1 мм. При такой же величине смещения кристалла, но в плоскости измерителей погрешность измерения радиуса составит 1 мм, а диаметра - 2 мм. Учитывая, что реально смещения кристалла могут достигать нескольких мм, можно заключить, что известный способ мало пригоден для измерения диаметра кристалла на начальной стадии его выращивания, а при больших диаметрах кристалла погрешность измерений также может оказаться недопустимо большой. Существенно, что эта погрешность не может быть устранена даже за счет усреднения результатов измерений в процессе вращения кристалла, поскольку траектория, описываемая осью кристалла, в общем случае не является симметричной, форма траектории изменяется во времени и зависит от множества факторов (изменение массы кристалла, условий выращивания и т.д.).

В предлагаемом изобретении устраняется погрешность измерения диаметра кристалла, вызванная смещениями оси кристалла в процессе выращивания.

Это достигается тем, что с помощью двух измерителей, установленных под разными углами к вертикали в вертикальной плоскости, пересекающей поверхность расплава, формируют два двумерных изображения границы между кристаллом и расплавом, находят на изображениях и определяют координаты по крайней мере одной пары сопряженных точек, принадлежащих разным изображениям, но являющихся проекциями в плоскостях изображений одной и той же точки границы, по координатам сопряженных точек вычисляют уровень расплава; определяют координаты других точек изображения границы по крайней мере на одном изображении, выполняют преобразования этих координат, используя вычисленное значение уровня расплава и получая в результате координаты точек границы в системе координат горизонтальной плоскости, проходящей через границу в точке измерения уровня расплава, и по полученным координатам точек границы в упомянутой системе координат вычисляют диаметр кристалла, при этом средний диаметр кристалла определяют, усредняя текущие результаты измерения диаметра в процессе вращения кристалла вокруг своей оси.

Таким образом, вначале определяется уровень расплава (используя координаты сопряженных точек). Затем определяются координаты точек границы на одном из изображений. Далее, путем преобразований полученных координат с использованием найденного значения уровня расплава и данных о геометрии расположения измерителей и параметрах их оптических систем вычисляются истинные координаты точек границы (координаты точек границы в системе координат, лежащей в горизонтальной плоскости, проходящей через границу в точке измерения уровня расплава, с центром координат в любой точке, например на оси ростовой установки или в точке пересечения этой плоскости вертикалью, проведенной из центра объектива измерителя). Таких точек границы, где определяются их истинные координаты, может быть много - в дальнейшем эти точки используются для вычисления диаметра проходящей через них (или аппроксимирующей их) окружности. Диаметр этой окружности и принимается за диаметр кристалла, при этом смещения оси кристалла в процессе выращивания приводят лишь к смещениям центра окружности, но не к изменению ее диаметра. В общем случае для оценки диаметра кристалла достаточно трех точек границы, но для повышения точности измерений их может быть существенно больше - диаметр определяется тогда при аппроксимации этих точек окружностью в соответствии с определенным критерием, минимизирующим, например, дисперсию отклонений точек границы от окружности. На начальной стадии выращивания кристалла, когда на изображении видна почти вся замкнутая граница и лишь незначительная часть ее перекрывается телом кристалла, для оценки диаметра могут использоваться всего две крайние точки границы, как это делается, например, при измерениях штангенциркулем.

Для получения среднего диаметра кристалла текущие результаты измерения диаметра усредняются в процессе вращения кристалла вокруг своей оси.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-3.

На фиг.1 показана схема предлагаемого способа измерения диаметра кристалла в ростовой установке.

На фиг.2 - схематическое изображение кристалла на стадии выращивания его конусной части.

На фиг.3 - схема расположения одного из измерителей.

В соответствии с предлагаемым способом посредством двух измерителей 1 и 2 (фиг.1), выполненных, например, в виде цифровых видеосистем, обеспечивающих формирование и цифровую обработку двумерных изображений и установленных под разными углами и к вертикали РР' в вертикальной плоскости, пересекающей поверхность расплава 3 в тигле 4 в зоне выращивания кристалла 5, формируют изображения границы между кристаллом и расплавом. Оптические оси измерителей пересекают вертикаль РР' в точке О, расстояние от которой по вертикали до поверхности расплава в точке измерения (уровень расплава) - h. На изображениях (с системами координат x , y и x , y ) находят по крайней мере одну пару сопряженных точек (по одной сопряженной точке на каждом из изображений), являющихся изображениями одной и той же точки М границы. Координаты сопряженных точек используются в дальнейшем для вычисления уровня расплава. Точки границы, для которых ищутся сопряженные точки, должны выбираться таким образом, чтобы обеспечить однозначную идентификацию и безошибочный поиск этой точки на каждом из изображений. В качестве легко идентифицируемых и легко находимых сопряженных точек могут быть выбраны (фиг.2) формируемые измерителями изображения по крайней мере одной точки (М₁ или М₂) пересечения плоскости установки измерителей с границей Г или изображения точки М, находящейся на минимальном расстоянии от плоскости, ортогональной плоскости установки измерителей и проходящей между кристаллом и измерителями. Отметим, что на начальной стадии выращивания кристалла в поле зрения измерителей могут находиться все три отмеченные точки границы (и все они могут использоваться для измерения уровня расплава, а полученные для каждой из точек значения уровня расплава могут усредняться для повышения точности измерений уровня расплава), в то время как при дальнейшем выращивании кристалла точка M ₂ закрывается телом кристалла. В то же время точки М ₁ и М₂. на начальной стадии выращивания могут отсутствовать, если величина отклонения кристалла от плоскости установки измерителей в процессе выращивания превышает его текущий радиус. Единственной (из отмеченных на фиг.2) точкой границы, присутствующей в поле зрения измерителей на всех стадиях выращивания кристалла, является точка М. Поэтому количество точек, которые могут быть использованы для измерений, может быть различным, но для реализации предлагаемого изобретения достаточно одной из них, например точки М. Остальные точки при этом могут быть использованы для снижения погрешности измерений уровня расплава за счет усреднения результатов измерений уровня расплава для каждой из точек.

Заметим, что если граница имеет какие-либо индивидуальные особенности в окрестностях некоторых точек, которые позволяют однозначно находить эти точки на изображениях, то такие точки также могут быть использованы для формирования пар сопряженных точек (в частности, такие точки могут располагаться в окрестностях граней кристалла, где граница может достаточно резко менять направление), но поиск таких дополнительных сопряженных точек является достаточно сложной задачей.

Сопряженные точки для каждой из указанных точек границы легко находятся на соответствующих изображениях границы, формируемых оптическими системами измерителей: изображения точек M₁ и М₂ расположены в каждом из изображений на линии пересечения плоскости изображения с плоскостью установки измерителей (положение этой прямой определяется при юстировке и калибровке оптической системы измерителя), а изображениям точки М соответствуют точки в изображениях границы с максимальными координатами x , x (в соответствии с указанными на фиг.3 направлениями координатных осей).

Изображение границы представляет собой узкую светлую полоску, опоясывающую кристалл в зоне мениска (зоне кристаллообразования). Точки границы на изображении могут быть выделены, например, с использованием градиентных операторов. В частности, за координату границы может быть взята координата, где достигает максимума амплитуда градиента.

Определив координаты пары сопряженных точек и зная параметры и геометрию установки видеосистем (видеокамер) измерителей, можно найти трехмерные координаты соответствующих точек границы М, М₁ или М₂, в частности определить уровень расплава (как z - координату этих точек). В общем случае методика расчета трехмерных координат по известным двумерным координатам сопряженных точек изложена в многочисленных публикациях (см., например, [6], с.172-176). В частности, для точки границы М₁ (или М₂), лежащей в плоскости установки измерителей, уровень расплава вычисляется в соответствии с полученным нами в [4] выражением:

,

где

,

a x , x - определенные измерителями координаты изображений точки границы (координатные системы в плоскостях изображений расположены таким образом, что их центры лежат на оптических осях измерителей, а оси x , x направлены вдоль линий пересечения плоскостей изображений плоскостью установки измерителей).

На следующем этапе, по крайней мере на одном из изображений, определяются координаты других точек границы m_i=(x , y )_i, i=1,..., N, по которым в дальнейшем будет вычисляться диаметр кристалла. Полученные координаты затем подвергаются преобразованиям, то есть преобразуются к системе координат горизонтальной плоскости, проходящей через границу в точке измерения уровня расплава, при этом используется вычисленное значение уровня расплава h и геометрические параметры оптической системы измерителя.

Выражения для преобразования координат в соответствии с обозначениями на фиг.3 имеют вид:

,

где z₀ - расстояние от объектива измерителя до поверхности расплава в точке измерения по вертикали, (O', x', y', z) - система координат ростовой установки, (O", x, y, z) - система координат горизонтальной плоскости, проходящей через границу в точке измерения уровня расплава, а

x ₀=z₀tg=d ₁sin-htg,

, .

или, в другой форме:

, .

В результате таких преобразований формируется набор точек границы, соответствующих точкам изображений m_i=(x ,y )_i, с известными трехмерными координатами M _i=(x,y,h)_i, i=1,...,N, которые используются для определения (вычисления) диаметра кристалла.

За диаметр кристалла принимается диаметр проходящей через точки M_i (или аппроксимирующей их) окружности. В общем случае для оценки диаметра кристалла достаточно трех точек границы, но для повышения точности измерений их может быть существенно больше - диаметр определяется тогда при аппроксимации этих точек окружностью в соответствии с определенным критерием, минимизирующим, например, дисперсию отклонений точек границы от аппроксимирующей окружности. На начальной стадии выращивания кристалла, когда на изображении видна почти вся замкнутая граница и лишь незначительная часть ее перекрывается телом кристалла, для оценки диаметра могут использоваться всего две крайние точки границы с максимальным и минимальным значением координаты у, как это делается, например, при измерениях штангенциркулем. При использовании всего трех точек границы диаметр кристалла (диаметр проходящей через эти точки окружности) вычисляется в соответствии с выражением:

,

где l₁₂, l₁₃, l₂₃ - расстояния (длины хорд) между первой и второй, первой и третьей и второй и третьей точками соответственно.

Для определения среднего диаметра кристалла текущие результаты измерения диаметра кристалла усредняются в процессе вращения кристалла вокруг своей оси.

Преимущество предложенного способа измерения диаметра кристалла в ростовой установке по сравнению с известным заключается в том, что он позволяет измерять уровень расплава и диаметр кристалла при значительных смещениях оси кристалла в процессе выращивания, при этом устраняется погрешность измерения диаметра кристалла, вызванная смещениями его оси, и повышается надежность всей системы измерения уровня расплава и диаметра кристалла.

Благодаря указанным достоинствам предлагаемый способ может быть применен в любой действующей ростовой установке для измерения диаметра кристалла и уровня расплава.

Подтверждением возможности реализации предлагаемого изобретения является широкая известность используемых в нем процедур формирования и цифровой обработки изображений: применение градиентных операторов для поиска точек границы (см., например, [7], с.287-292); вычисление координат точек трехмерной сцены по известным координатам сопряженных точек в изображениях, формируемых различно ориентированными камерами (используется для вычисления уровня расплава), (см., например, [6], с.172-176); компенсация перспективных искажений изображений, формируемых наклонно установленной камерой (используется для рассчета координат границы в системе координат горизонтальной плоскости, проходящей через границу в точке измерения уровня расплава) (см., например, [7], с.405-425). Кроме того, возможность вычисления уровня расплава по координатам изображений точки М ₁ или M₂ (фиг.2) подтверждается результатами моделирования бинокулярного измерителя [5].

Использованные источники

1. Заявка на патент, Япония, N 57-143323, МКИ С 30 В 15/28, 1991 г. "Изобретения стран мира", МКИ С 30, N 6, 1993.

2. Заявка на патент, ЕПВ, N 0450502, МКИ С 30 В 15/26, 1991 г. "Изобретения стран мира", МКИ С 30, N 2, 1993.

3. Патент Российской Федерации N 2176689, МПК⁷ С 30 В 15/26, 2001 г. Бюл, N 34, 2001.

4. С.В.Михляев, Е.С.Нежевенко. Система машинного зрения для контроля процесса выращивания кристаллов. - Распознавание образов и анализ изображений: новые информационные технологии. Труды IV конф., ч.II, Новосибирск, 1998, с.47-50.

5. S.V.Mikhlyaev. Optical Systems for Melt Level Measurement in the Process of Crystal Growth. - Proc. of SPIE Vol.4900, 2002. Seventh Int. Symposium on Laser Metrology Applied to Science, Industry and Everyday Life, pp.586-591.

6. Цифровая обработка изображений в информационных системах: Учеб.пособие /И.С.Грузман, B.C.Киричук и др. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002, с.172-176.

7. Р.Дуда, П.Харт. Распознавание образов и анализ сцен. - М., Мир, 1976.