氧化硅玻璃坩堝的三維形狀測(cè)量方法、單晶硅的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供不污染坩堝的內(nèi)表面而使坩堝的內(nèi)表面的三維形狀的測(cè)量成為可能的氧化硅玻璃坩堝的三維形狀測(cè)量方法。根據(jù)本發(fā)明，提供氧化硅玻璃坩堝的三維形狀測(cè)量方法，該方法具備：使氧化硅玻璃坩堝的內(nèi)表面產(chǎn)生霧的工序；以及通過(guò)對(duì)所述內(nèi)表面照射光，并檢測(cè)其反射光，來(lái)測(cè)量所述內(nèi)表面的三維形狀的工序。
【專利說(shuō)明】氧化硅玻璃坩堝的三維形狀測(cè)量方法、單晶硅的制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及氧化硅玻璃坩堝的三維形狀測(cè)量方法和單晶硅的制造方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 使用了氧化硅玻璃坩堝的切克勞斯基法（CZ法）被用于單晶硅的制造。具體來(lái) 講，在氧化硅玻璃坩堝內(nèi)部存積熔融的多晶硅原料的硅熔液，使單晶硅的晶種與之接觸，一 邊旋轉(zhuǎn)一邊逐漸提拉，以單晶硅的晶種作為核使之增長(zhǎng)來(lái)制造單晶硅。相對(duì)于氧化硅玻璃 的軟化點(diǎn)是1200?1300°C左右，單晶硅的提拉溫度為1450?1500°C的超過(guò)氧化硅玻璃的 軟化點(diǎn)的非常高的高溫。并且，有時(shí)提拉時(shí)間長(zhǎng)達(dá)2周以上。
[0003] 所提拉的單晶硅的純度被要求為99. 999999999%以上，因此要求被用于提拉的氧 化硅玻璃坩堝也為極高純度。
[0004] 氧化硅玻璃坩堝的大小，有直徑28英寸（約71cm)、32英寸（約81cm)、36英寸 (約91cm)、40英寸（約101cm)等。直徑101cm的坩堝，為重量約120kg的巨大坩堝，收容 其中的硅熔液的質(zhì)量為900kg以上。即，在單晶硅的提拉時(shí)，900kg以上約1500°C的硅熔液 被收容于謝禍。
[0005] 作為這種氧化硅玻璃坩堝的制造方法，一個(gè)例子具備：氧化硅粉層形成工序，在旋 轉(zhuǎn)模具的內(nèi)表面沉積平均粒徑300 μ m左右的氧化硅粉末而形成氧化硅粉層；和電弧熔融 工序，通過(guò)從模具側(cè)對(duì)氧化硅粉層一邊減壓、一邊使氧化硅粉層電弧熔融來(lái)形成氧化硅玻 璃層（該方法稱為"旋轉(zhuǎn)模具法"）。
[0006] 在電弧熔融工序的初期，通過(guò)對(duì)氧化硅粉層強(qiáng)減壓，除去氣泡而形成透明氧化硅 玻璃層（以下，稱為"透明層"），此后，通過(guò)減弱減壓，形成殘留有氣泡的含有氣泡的氧化硅 玻璃層（以下，稱為"氣泡含有層"），從而能夠形成在內(nèi)表面?zhèn)染哂型该鲗?、在外表面?zhèn)染?有氣泡含有層的兩層結(jié)構(gòu)的氧化娃玻璃相禍。
[0007] 用于坩堝的制造的氧化硅粉末，有將天然石英粉碎而制造的天然氧化硅粉和通過(guò) 化學(xué)合成而制造的合成氧化硅粉，不過(guò)，特別是天然氧化硅粉，因?yàn)榘烟烊晃镒鳛樵?，?以物性、形狀、大小容易有偏差。若物性、形狀、大小變化，則氧化硅粉末的熔融狀態(tài)變化，因 此即使以同樣的條件進(jìn)行電弧熔融，所制造的坩堝的三維形狀也會(huì)有偏差。
[0008] 為了進(jìn)行降低這種偏差的電弧熔融、或者進(jìn)行考慮到這種偏差的單晶硅提拉，均 需要把握全部坩堝的三維形狀。
[0009] 作為測(cè)量三維形狀的方法，如專利文獻(xiàn)1的現(xiàn)有技術(shù)所記載，已知對(duì)被測(cè)量物照 射狹縫光的光切法，和對(duì)被測(cè)量物照射圖形光的圖形投影法等。
[0010] 另外，利用光照射方式的三維形狀測(cè)量中，通過(guò)接收由被測(cè)量物反射的反射光，解 析來(lái)自該反射光的數(shù)據(jù)，可求出被測(cè)量物的三維形狀數(shù)據(jù)。從而，接收正確的反射光變得重 要，不過(guò)，在被測(cè)量物如氧化硅玻璃坩堝一樣為透明體的情況下，由于內(nèi)部散射光的影響， 有不能適當(dāng)測(cè)量三維形狀的情況。
[0011] 因此，以前為測(cè)量透明體，采取在其表面涂敷白色粉末等的反射涂層材料，以限制 內(nèi)部散射光的發(fā)生的方法。
[0012] 【現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)】 【專利文獻(xiàn)】 【專利文獻(xiàn)1】日本特開2008-281399號(hào)公報(bào)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 【發(fā)明所要解決的問(wèn)題】 現(xiàn)有方法中，為測(cè)量氧化硅玻璃坩堝的內(nèi)表面的三維形狀，要在坩堝的內(nèi)表面涂敷反 射涂層材料，不過(guò)，如果在坩堝的內(nèi)表面涂敷反射涂層材料，則反射涂層材料會(huì)污染內(nèi)表 面，或者反射涂層材料會(huì)殘留，該情況下，有可能給單晶硅的收獲率帶來(lái)不良影響。從而，涂 敷反射涂層材料的方法不能用于坩堝的內(nèi)表面的三維形狀。
[0014] 本發(fā)明鑒于這樣的情況而完成，提供不污染坩堝的內(nèi)表面而使坩堝的內(nèi)表面的三 維形狀的測(cè)量成為可能的氧化硅玻璃坩堝的三維形狀測(cè)量方法。
[0015] 【解決問(wèn)題的技術(shù)手段】 根據(jù)本發(fā)明，提供氧化硅玻璃坩堝的三維形狀測(cè)量方法，該方法具備：使氧化硅玻璃坩 堝的內(nèi)表面產(chǎn)生霧的工序；以及通過(guò)對(duì)所述內(nèi)表面照射光并檢測(cè)其反射光,來(lái)測(cè)量所述內(nèi) 表面的三維形狀的工序。
[0016] 本發(fā)明的
【發(fā)明者】們，在關(guān)于使不污染坩堝的內(nèi)表面而測(cè)量坩堝的內(nèi)表面的三維形 狀的成為可能的方法進(jìn)行研究時(shí)，得到如下想法：如果坩堝結(jié)霧而發(fā)白的狀態(tài)，則光線在坩 堝內(nèi)表面不規(guī)則反射而能夠適當(dāng)?shù)貦z測(cè)出漫反射光，從而，能夠測(cè)量?jī)?nèi)表面的三維形狀。實(shí) 際上，使用市販的三維形狀測(cè)量器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，在沒有結(jié)霧的狀態(tài)下，不能適當(dāng)?shù)貦z測(cè)出來(lái) 自坩堝內(nèi)表面的反射光，不能測(cè)量三維形狀，不過(guò)，將在冷藏室充分冷卻的坩堝拿到常溫的 室內(nèi)而在表面產(chǎn)生了霧時(shí)，使用同樣的三維形狀測(cè)量器進(jìn)行測(cè)量時(shí)，能檢測(cè)出來(lái)自坩堝內(nèi) 表面的反射光，從而，能夠測(cè)量坩堝內(nèi)表面的三維形狀。
[0017] 因?yàn)檑釄宓撵F的成分是空氣中的水蒸氣，所以測(cè)量結(jié)束后，只是單純對(duì)坩堝加溫 或使坩堝干燥，就能從坩堝表面除去霧和水分，從而，沒有污染坩堝的內(nèi)表面。
[0018] 另外，本發(fā)明的方法優(yōu)點(diǎn)是，因?yàn)槟軌蚍瞧茐男缘貨Q定坩堝的整個(gè)內(nèi)表面的三維 形狀，所以知道實(shí)際產(chǎn)品的三維形狀。以前，切斷坩堝來(lái)制作樣品，測(cè)量該樣品的三維形狀， 但利用該方法就不能取得實(shí)際產(chǎn)品的數(shù)據(jù)，且制作樣品花費(fèi)時(shí)間和成本，因此，本發(fā)明在能 低成本地測(cè)量實(shí)際產(chǎn)品的三維形狀這一點(diǎn)上優(yōu)點(diǎn)很大。另外，本發(fā)明對(duì)于外徑28英寸以上 的大型坩堝或者40英寸以上的超大型坩堝特別有優(yōu)點(diǎn)。原因是，對(duì)于這樣的坩堝，制作樣 品所花費(fèi)的時(shí)間和成本與小型坩堝相比非常大。
[0019] 進(jìn)而，利用本發(fā)明的方法能夠非接觸地測(cè)量坩堝內(nèi)表面的三維形狀是另外的優(yōu) 點(diǎn)。如上所述，為了制造99. 999999999%以上的極高純度的單晶硅，坩堝內(nèi)表面必須維持極 為清潔，與利用接觸式的方法坩堝內(nèi)表面容易被污染相對(duì)，如本發(fā)明這樣利用非接觸式的 方法，能夠防止內(nèi)表面的污染。
[0020] 由以上所述，根據(jù)本發(fā)明，能夠不污染坩堝的內(nèi)表面而測(cè)量坩堝的內(nèi)表面的三維 形狀。
[0021] 本發(fā)明通過(guò)用非常簡(jiǎn)單的方法使透明體實(shí)質(zhì)上成為非透明體，使其三維形狀的測(cè) 量成為可能，因此可適用于各種光照射方式的三維測(cè)量方法。
[0022] 〈坩堝的內(nèi)表面三維形狀的精密測(cè)量〉 坩堝的內(nèi)表面形狀，因?yàn)閷?duì)單晶硅收獲率給予直接影響所以需要高精度地測(cè)量，不過(guò)， 用上述方法測(cè)量的三維形狀，作為坩堝的內(nèi)表面形狀有時(shí)精度不夠。
[0023] 于是，本發(fā)明優(yōu)選具備以下工序：按照所述三維形狀，使內(nèi)部測(cè)距部非接觸地沿著 氧化硅玻璃坩堝的內(nèi)表面移動(dòng)，在移動(dòng)路徑上的多個(gè)測(cè)量點(diǎn)，通過(guò)從內(nèi)部測(cè)距部對(duì)所述坩 堝的內(nèi)表面以傾斜方向照射激光，并檢測(cè)來(lái)自所述內(nèi)表面的內(nèi)表面反射光，來(lái)測(cè)量?jī)?nèi)部測(cè) 距部與所述內(nèi)表面之間的內(nèi)表面距離，通過(guò)將各測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)與所述內(nèi)表面距離建立 關(guān)聯(lián)，求出所述坩堝的內(nèi)表面三維形狀。
[0024] 本發(fā)明的
【發(fā)明者】們發(fā)現(xiàn)，對(duì)坩堝的內(nèi)表面以傾斜方向照射激光時(shí)，能檢測(cè)到來(lái)自 ?甘禍內(nèi)表面的反射光（內(nèi)表面反射光）。
[0025] 并且，由于內(nèi)表面反射光與內(nèi)部測(cè)距部與內(nèi)表面之間的距離相應(yīng)地在設(shè)置于內(nèi)部 測(cè)距部的檢測(cè)器的不同的位置被檢測(cè)出，因而根據(jù)三角測(cè)量的原理可測(cè)量?jī)?nèi)部測(cè)距部與內(nèi) 表面之間的內(nèi)表面距離。
[0026] 另外，在沿著坩堝的內(nèi)表面的多個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，不過(guò)，通過(guò)將各測(cè)量點(diǎn)的內(nèi)部 測(cè)距部的坐標(biāo)與內(nèi)表面距離建立關(guān)聯(lián)，能得到與各測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坩堝內(nèi)表面坐標(biāo)。
[0027] 并且，通過(guò)沿著坩堝的內(nèi)表面以譬如2mm間隔的網(wǎng)狀配置多個(gè)測(cè)量點(diǎn)而進(jìn)行測(cè) 量，能得到網(wǎng)狀的內(nèi)表面坐標(biāo)，由此，能夠求出坩堝的內(nèi)表面的三維形狀。
[0028] 本發(fā)明的方法的優(yōu)點(diǎn)是，數(shù)據(jù)的采樣率極大，根據(jù)預(yù)備實(shí)驗(yàn)，即使是在直徑為lm 的坩堝進(jìn)行10萬(wàn)點(diǎn)的測(cè)量的情況下，也能夠以10分鐘左右完成整個(gè)內(nèi)表面的三維形狀的 測(cè)量。
[0029] 另外，內(nèi)部測(cè)距部通過(guò)對(duì)內(nèi)表面照射激光并檢測(cè)其反射光來(lái)進(jìn)行距離測(cè)量，不過(guò)， 為正確進(jìn)行該測(cè)量，需要以某種程度的精度知道內(nèi)部測(cè)距部與內(nèi)表面的距離和對(duì)內(nèi)表面的 激光的入射角。因此，在坩堝的角部等彎曲的部分，適當(dāng)?shù)卦O(shè)定內(nèi)部測(cè)距部相對(duì)內(nèi)表面的距 離及方向并不容易。與此相對(duì)，本發(fā)明中，預(yù)先求出內(nèi)表面的三維形狀，按照該三維形狀使 內(nèi)部測(cè)距部移動(dòng)，因此能夠適當(dāng)?shù)卦O(shè)定內(nèi)部測(cè)距部相對(duì)內(nèi)表面的距離及方向。
[0030] 另外，氧化娃玻璃?甘禍適宜用于直徑200?450mm(例如：200mm、300mm、450mm)、長(zhǎng) 度2m以上這樣的大型的單晶硅錠的制造。從這種大型單晶硅錠制造出的單晶硅晶圓可適 宜用于閃速存儲(chǔ)器或DRAM的制造。
[0031] 閃速存儲(chǔ)器和DRAM低價(jià)格化急速推進(jìn)，因此為響應(yīng)該要求，需要高質(zhì)量、低成本 地制造大型單晶硅錠，為此，需要高質(zhì)量、低成本地制造大型的坩堝。
[0032] 另外，當(dāng)前，使用直徑為300mm的晶圓的工藝是主流，使用直徑450mm的晶圓的工 藝正在開發(fā)。并且，為了穩(wěn)定地制造直徑450mm的晶圓，越發(fā)要求高質(zhì)量的大型坩堝。
[0033] 本發(fā)明中，遍及坩堝的內(nèi)表面的三維形狀的全周而對(duì)其測(cè)量，根據(jù)本發(fā)明，能夠容 易地判斷所制造的坩堝的內(nèi)表面形狀是否與規(guī)格相符。并且，在內(nèi)表面形狀偏離規(guī)格時(shí)，通 過(guò)變更電弧熔融條件等的制造條件，能夠高成品率地制造具有與規(guī)格相符的內(nèi)表面形狀的 高質(zhì)量的坩堝。
[0034] 另外，如果能正確地得到內(nèi)表面三維形狀，則通過(guò)使照相機(jī)、顯微鏡、紅外吸收譜 測(cè)量用探頭、拉曼光譜測(cè)量用探頭等各種測(cè)量設(shè)備沿著坩堝的內(nèi)表面一邊移動(dòng)一邊進(jìn)行測(cè) 量，能夠得到坩堝內(nèi)表面的各種物性的三維分布。以前，從坩堝提出樣品來(lái)測(cè)量各種物性， 但是該方法不能實(shí)現(xiàn)非破壞性整體檢查，所以不會(huì)帶來(lái)坩堝質(zhì)量的提高。本發(fā)明中，因?yàn)橥?過(guò)非破壞性整體檢查能夠測(cè)量坩堝的各種物性，所以如果得到不妥當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)，則馬上進(jìn)行 研究，進(jìn)行其原因追究變得容易。這樣，本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的非破壞性整體 檢查，這一點(diǎn)上有很大的技術(shù)意義。
[0035] 內(nèi)表面的三維形狀測(cè)量和各種物性的三維分布的測(cè)量，優(yōu)選通過(guò)使機(jī)械手臂的前 端沿著坩堝內(nèi)表面移動(dòng)，在該移動(dòng)中的多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量來(lái)進(jìn)行。這樣的方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠 取得測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)。當(dāng)作業(yè)員移動(dòng)探頭而進(jìn)行測(cè)量的情況下，因?yàn)椴荒艿玫綔y(cè)量位置的正 確坐標(biāo)，所以不能正確知道所得到的測(cè)量值與坩堝的位置對(duì)應(yīng)關(guān)系。如果采用機(jī)械手臂則 能夠得到正確的坐標(biāo)，所以測(cè)量的數(shù)據(jù)的利用價(jià)值高。
[0036] 坩堝越大型化則制造越難。想象一下燒制直徑為10cm、厚度為1cm的薄煎餅容易， 但很好地?zé)浦睆綖?0cm、厚度為5cm的薄煎餅卻是極難的技能，便容易理解。大型尺寸的 薄煎餅或是表面焦糊或是內(nèi)部烤得半熟，與此相同，制造大型坩堝時(shí)的熱管理比小型坩堝 難，內(nèi)表面形狀和內(nèi)表面物性偏差容易產(chǎn)生。從而，大型坩堝特別有必要使用本發(fā)明的方法 來(lái)測(cè)量?jī)?nèi)表面的三維形狀和內(nèi)表面物性的三維分布。
[0037] 另外，提拉單晶硅時(shí)，為了將坩堝內(nèi)保持的硅熔液的溫度保持在1450?1500°C的 高溫，用碳加熱器等從坩堝周圍對(duì)硅熔液進(jìn)行加熱。坩堝越大型化，則從碳加熱器到坩堝中 心的距離越長(zhǎng)（坩堝的半徑從25cm增大到50cm時(shí)，從碳加熱器到坩堝中心的距離大體上 變成兩倍），其結(jié)果，為了將在坩堝中心的硅熔液的溫度維持其熔點(diǎn)以上的溫度，從碳加熱 器通過(guò)坩堝供給硅熔液的熱量也增大。為此，隨著坩堝大型化，施加給坩堝的熱量也增大， 容易引起坩堝形變等。因此，相比小型坩堝，大型坩堝中坩堝形狀和內(nèi)表面的物性的偏差， 在單晶硅的提拉中更容易產(chǎn)生問(wèn)題。從而，大型坩堝特別有必要使用本發(fā)明的方法來(lái)測(cè)量 內(nèi)表面的三維形狀和內(nèi)表面物性的三維分布。
[0038] 另外，因?yàn)榇笮哇釄宓闹亓繛?9kg以上（例如，直徑71cm的坩堝為39kg，直徑 81cm的坩堝為59kg，直徑91cm的坩堝為77kg，直徑101cm的坩堝為121kg)，所以人力處理 非常困難。另外，為遍及坩堝的全周而測(cè)量?jī)?nèi)表面三維形狀，需要旋轉(zhuǎn)坩堝，但人力旋轉(zhuǎn)坩 堝很困難，正確取得旋轉(zhuǎn)角度也很難。于是，本發(fā)明的
【發(fā)明者】們想到了用搬運(yùn)用機(jī)械手臂把 持住坩堝，在把持住的狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量。如果使用搬運(yùn)用機(jī)械手臂，則能夠容易且安全地運(yùn) 送沉重的容易破裂的坩堝，并且能夠?qū)③釄逶O(shè)定在測(cè)量區(qū)域的正確的位置。另外，因?yàn)槟軌?譬如以5度為單位正確旋轉(zhuǎn)坩堝，所以能夠高精度地測(cè)量?jī)?nèi)表面的三維形狀和各種物性的 三維分布。
[0039] 作為坩堝的內(nèi)表面積，直徑81cm的坩堝約14400cm2,直徑91cm的坩堝約 16640cm 2,直徑101cm的坩堝約21109cm2。使內(nèi)部機(jī)械手臂的前端沿著坩堝的內(nèi)表面移動(dòng) 能夠取得內(nèi)表面的圖像，但是在1張照片為4cm X 4cm的情況下，對(duì)整個(gè)內(nèi)表面進(jìn)行攝影時(shí)， 照片的張數(shù)為，直徑81cm的坩堝約900張，直徑91cm的坩堝約1000張，直徑101cm的坩堝 約1300張。對(duì)于各坩堝均需要這么多張數(shù)的照片，不過(guò)，根據(jù)本發(fā)明的方法，通過(guò)使內(nèi)部機(jī) 械手臂和搬運(yùn)用機(jī)械手臂協(xié)動(dòng)來(lái)進(jìn)行攝影，能以比較短的時(shí)間拍攝這么多張數(shù)的照片。
[0040] 〈坩堝的界面三維形狀的精密測(cè)量〉 優(yōu)選，還具備以下工序：所述坩堝在內(nèi)表面?zhèn)染哂型该餮趸璨Ａ右约霸谕獗砻鎮(zhèn)?具有含有氣泡的氧化硅玻璃層，所述內(nèi)部測(cè)距部，檢測(cè)來(lái)自所述透明氧化硅玻璃層與所述 含有氣泡的氧化硅玻璃層的界面的界面反射光，測(cè)量所述內(nèi)部測(cè)距部與所述界面之間的界 面距離，通過(guò)將各測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)與所述界面距離建立關(guān)聯(lián)來(lái)求出所述坩堝的界面三維 形狀。
[0041] 本發(fā)明的
【發(fā)明者】們發(fā)現(xiàn)，對(duì)坩堝的內(nèi)表面從斜方向照射激光時(shí)，除來(lái)自坩堝內(nèi)表 面的反射光（內(nèi)表面反射光）之外，還能檢測(cè)來(lái)自透明層與氣泡含有層的界面的反射光 (界面反射光）。透明層與氣泡含有層的界面是氣泡含有率急劇變化的面，但因?yàn)椴皇强諝?與玻璃的界面那樣的明確的界面，所以能檢測(cè)來(lái)自透明層與氣泡含有層的界面的反射光是 驚人的發(fā)現(xiàn)。
[0042] 并且，內(nèi)表面反射光和界面反射光在設(shè)置于內(nèi)部測(cè)距部的檢測(cè)器的不同位置被檢 測(cè)出，因此根據(jù)三角測(cè)量的原理可測(cè)量?jī)?nèi)部測(cè)距部與內(nèi)表面之間的內(nèi)表面距離和內(nèi)部測(cè)距 部與界面之間的界面距離。
[0043] 另外，在沿著坩堝的內(nèi)表面的多個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，不過(guò)，通過(guò)將在各測(cè)量點(diǎn)的內(nèi) 部測(cè)距部的坐標(biāo)與內(nèi)表面距離及界面距離建立關(guān)聯(lián)，能夠得到與各測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坩堝內(nèi)表 面坐標(biāo)和坩堝界面坐標(biāo)。
[0044] 并且，通過(guò)沿著坩堝的內(nèi)表面以譬如2mm間隔的網(wǎng)狀配置多個(gè)測(cè)量點(diǎn)而進(jìn)行測(cè) 量，能夠得到網(wǎng)狀的內(nèi)表面坐標(biāo)和界面坐標(biāo)，由此，能夠求出坩堝的內(nèi)表面及界面的三維形 狀。另外，通過(guò)算出內(nèi)表面與界面之間的距離，能夠算出在任意的位置的透明層的厚度，從 而，能夠求出透明層的厚度的三維分布。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0045] 圖1是本發(fā)明的一實(shí)施方式的氧化硅玻璃坩堝的說(shuō)明圖。
[0046] 圖2是氧化硅玻璃坩堝的三維形狀測(cè)量方法的說(shuō)明圖。
[0047] 圖3是氧化硅玻璃坩堝的詳細(xì)的三維形狀測(cè)量方法的說(shuō)明圖。
[0048] 圖4是圖3內(nèi)部測(cè)距部及其附近的氧化硅玻璃坩堝的放大圖。
[0049] 圖5示出圖3內(nèi)部測(cè)距部的測(cè)量結(jié)果。
[0050] 圖6示出圖3外部測(cè)距部的測(cè)量結(jié)果。
[0051] 圖7 (a)、（b)分別示出尺寸公差內(nèi)的壁厚最小及壁厚最大的坩堝的形狀。
[0052] 圖8(a)?（c)是在用搬運(yùn)用機(jī)械手臂把持住坩堝的狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量的方法的說(shuō) 明圖。

【具體實(shí)施方式】
[0053] 以下，結(jié)合【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】本發(fā)明實(shí)施方式的氧化硅玻璃坩堝的三維形狀測(cè)量方法。
[0054] 〈1.氧化硅玻璃坩堝〉 以下，使用圖1說(shuō)明本實(shí)施方式所使用的氧化硅玻璃坩堝11。作為坩堝11的一個(gè)例子， 通過(guò)具備使平均粒徑300 μ m左右的氧化硅粉末沉積在旋轉(zhuǎn)模具的內(nèi)表面以形成氧化硅粉 層的氧化硅粉層形成工序，以及通過(guò)從模具側(cè)對(duì)氧化硅粉層一邊減壓一邊使氧化硅粉層電 弧熔融來(lái)形成氧化硅玻璃層的電弧熔融工序（稱該方法為"旋轉(zhuǎn)模具法"）的方法來(lái)制造。
[0055] 在電弧熔融工序的初期，通過(guò)對(duì)氧化硅粉層強(qiáng)減壓，除去氣泡而形成透明氧化硅 玻璃層（以下，稱為"透明層"）13,此后，通過(guò)減弱減壓，形成殘留有氣泡的含有氣泡的氧化 硅玻璃層（以下，稱為"氣泡含有層"）15,從而能夠形成在內(nèi)表面?zhèn)染哂型该鲗?3、在外表 面?zhèn)染哂袣馀莺袑?5的兩層結(jié)構(gòu)的氧化硅玻璃坩堝。
[0056] 坩堝的制造所使用的氧化硅粉末，有粉碎天然石英而制造的天然氧化硅粉和通過(guò) 化學(xué)合成而制造的合成氧化硅粉，特別是天然氧化硅粉，以天然物作為基料，因此物性、形 狀、大小容易有偏差。因?yàn)槲镄?、形狀、大小變化，則氧化硅粉末的熔融狀態(tài)變化，因此即使 在同樣的條件下進(jìn)行電弧熔融，所制造的坩堝的內(nèi)表面的三維形狀，在每個(gè)坩堝中也有偏 差。從而，內(nèi)表面的三維形狀需要針對(duì)每一個(gè)所制造的坩堝來(lái)測(cè)量。
[0057] 氧化硅玻璃坩堝11具備：圓筒形的側(cè)壁部11a ;彎曲的底部11c ;以及聯(lián)結(jié)側(cè)壁部 11a與底部11c且比底部11c曲率大的角部lib。在本發(fā)明中，所謂角部11b，是連接側(cè)壁部 1 la和底部1 lc的部分，意味著從角部的曲線的切線與氧化硅玻璃坩堝的側(cè)壁部1 la重疊的 點(diǎn)，到與底部11c有共同切線的點(diǎn)的部分。換言之，氧化硅玻璃坩堝11的側(cè)壁部11a開始 彎曲的點(diǎn)是側(cè)壁部11a與角部lib的邊界。而且，坩堝的底的曲率一定的部分為底部11c， 距坩堝的底的中心的距離增加時(shí)曲率開始變化的點(diǎn)是底部11c與角部lib的邊界。
[0058] 〈2.三維形狀測(cè)量方法〉 因?yàn)橛蒙鲜龇椒ㄖ圃斓嫩釄?1為透明體，所以以利用以前的光照射方式的非接觸式 的三維形狀測(cè)量方法，不能適當(dāng)?shù)貦z測(cè)反射光，從而，難以測(cè)量三維形狀。因此，本實(shí)施方式 中，在進(jìn)行三維形狀測(cè)量之前，在使坩堝的內(nèi)表面產(chǎn)生霧而內(nèi)表面發(fā)白的狀態(tài)下，對(duì)內(nèi)表面 照射形狀測(cè)量用的光。在沒產(chǎn)生霧的狀態(tài)下，來(lái)自坩堝內(nèi)表面的表面反射光和來(lái)自坩堝內(nèi) 部的內(nèi)部散射光重疊，難以進(jìn)行正確的三維形狀測(cè)量，不過(guò)，在產(chǎn)生霧的狀態(tài)下，測(cè)量光的 大部分在表面被漫射，幾乎不侵入坩堝內(nèi)部，因此能除去內(nèi)部散射光的影響，從而，變得能 進(jìn)行恰當(dāng)?shù)娜S形狀測(cè)量。
[0059] 在本說(shuō)明書中，所謂「霧」，是指與冬天窗戶玻璃變得發(fā)白同樣的現(xiàn)象，意味著冷的 物體周圍的空氣被冷卻，該空氣中包含的水蒸氣被凝結(jié)而得到的微小粒子在物體表面大量 附著，表面成為發(fā)白的狀態(tài)。
[0060] 在物體表面的空氣的溫度成為露點(diǎn)以下時(shí)產(chǎn)生霧，不過(guò)，露點(diǎn)隨著周圍的空氣中 包含的水蒸氣量變多而變高。從而，要使霧容易產(chǎn)生，冷卻物體或使周圍空氣中的水蒸氣量 增大即可。使水蒸氣量增大時(shí)使用的水，優(yōu)選半導(dǎo)體制造等所使用的超純水。在此情況下， 能夠?qū)③釄鍍?nèi)表面的清潔度維持在極高的狀態(tài)。
[0061] 從而，為了使坩堝11內(nèi)表面產(chǎn)生霧，可以將坩堝11在冷藏室充分冷卻之后拿到常 溫的測(cè)量室內(nèi)，也可以在測(cè)量室內(nèi)使冷卻體接觸坩堝11來(lái)冷卻坩堝11。另外，作為其他方 法，通過(guò)預(yù)先使測(cè)量室的溫度較低，在此狀態(tài)下，采用加濕器（超聲波式、加熱式等）等使測(cè) 量室內(nèi)的空氣中的水蒸氣量增大，以使坩堝11產(chǎn)生霧也可以。冷卻坩堝11自體的方法和使 測(cè)量室內(nèi)的水蒸氣量增大的方法可以并用。另外，在使坩堝11的開口部向下的狀態(tài)下載置 時(shí)，坩堝11的內(nèi)部空間與外側(cè)的空間之間的空氣的交換變少。在此狀態(tài)下，如果對(duì)坩堝11 的內(nèi)部空間供給水蒸氣，則能夠容易的增大與坩堝11的內(nèi)表面接觸的空氣中的水蒸氣量。
[0062] 坩堝11的表面的霧最初較薄。在此狀態(tài)下，不能充分除去內(nèi)部散射光的影響，不 能進(jìn)行恰當(dāng)?shù)娜S形狀測(cè)量。隨著時(shí)間過(guò)去其白色度逐漸增加，成為水微小粒子以均勻分 散的狀態(tài)附著于表面的狀態(tài)。該狀態(tài)適合三維形狀。并且，再經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之后，由于表面 附著的水的量增加而與鄰接的水微小粒子接觸凝集，凝集的水滴因重力落下等而進(jìn)一步凝 集。在此狀態(tài)下也無(wú)法進(jìn)行恰當(dāng)?shù)娜S形狀測(cè)量。從而，三維形狀測(cè)量需要在恰當(dāng)?shù)亩〞r(shí) 進(jìn)行。因此，優(yōu)選在達(dá)到坩堝11發(fā)生霧的條件之后，隔開既定的間隔進(jìn)行多次三維形狀測(cè) 量。由此，能夠以恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)霧狀態(tài)進(jìn)行三維形狀測(cè)量。
[0063] 在此，使用圖2說(shuō)明根據(jù)本實(shí)施方式的坩堝的內(nèi)表面的三維形狀測(cè)量的一個(gè)例 子。
[0064] 作為測(cè)量對(duì)象的氧化硅玻璃坩堝11，開口部向下地載置于能旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)臺(tái)9上。 可以是坩堝11是從未圖示的冷藏室取出后立即設(shè)置于旋轉(zhuǎn)臺(tái)9,也可以是旋轉(zhuǎn)臺(tái)9具有冷 卻功能，能冷卻坩堝11?？傊?，溫度比環(huán)境溫度低的坩堝被設(shè)置在旋轉(zhuǎn)臺(tái)9上。從基臺(tái)1與 旋轉(zhuǎn)臺(tái)9之間的開口部12將水蒸氣供給至坩堝11的內(nèi)部空間。由此，坩堝11的內(nèi)部空間 的空氣中的水蒸氣量增大，坩堝11內(nèi)表面變得容易結(jié)霧的狀態(tài)。
[0065] 在被坩堝11所覆蓋的位置設(shè)置的基臺(tái)1上，設(shè)置有機(jī)械手臂4。機(jī)械手臂4具備 手臂4a、可旋轉(zhuǎn)地支撐該手臂4a的關(guān)節(jié)4b以及主體部4c。在主體部4c設(shè)有未圖示的外 部端子，能與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在機(jī)械手臂4的前端設(shè)有進(jìn)行坩堝11的內(nèi)表面的三維形 狀的測(cè)量的三維形狀測(cè)量部51。三維形狀測(cè)量部51通過(guò)在坩堝11的內(nèi)表面結(jié)霧狀態(tài)下對(duì) 坩堝11的內(nèi)表面照測(cè)量光、并檢測(cè)來(lái)自內(nèi)表面的反射光，來(lái)測(cè)量坩堝11的內(nèi)表面的三維形 狀。在主體部4c內(nèi)設(shè)有可以控制關(guān)節(jié)4b和三維形狀測(cè)量部51的控制部?？刂撇客ㄟ^(guò)按 照主體部4c所設(shè)置的程序或外部輸入信號(hào)使關(guān)節(jié)4b旋轉(zhuǎn)以使手臂4活動(dòng)，從而三維形狀 測(cè)量部51使照射測(cè)量光8的方向變化。具體來(lái)講，例如，從靠近坩堝11的開口部附近的位 置開始測(cè)量，使三維形狀測(cè)量部51朝向坩堝11的底部11c移動(dòng)，在移動(dòng)路徑上的多個(gè)測(cè)量 點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。
[0066] 若坩堝的開口部到底部11c的測(cè)量結(jié)束，則使旋轉(zhuǎn)臺(tái)9稍微旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行同樣的測(cè) 量。該測(cè)量也可以從底部11c朝向開口部進(jìn)行。旋轉(zhuǎn)臺(tái)9的旋轉(zhuǎn)角度，考慮精度和測(cè)量時(shí) 間而決定。旋轉(zhuǎn)角度太大則測(cè)量精度不充分，太小則花費(fèi)過(guò)多測(cè)量時(shí)間。旋轉(zhuǎn)臺(tái)9的旋轉(zhuǎn) 根據(jù)內(nèi)置程序或外部輸入信號(hào)來(lái)控制。旋轉(zhuǎn)臺(tái)9的旋轉(zhuǎn)角度可通過(guò)旋轉(zhuǎn)編碼器等來(lái)檢測(cè)。 [0067] 通過(guò)以上所述，能夠測(cè)量坩堝的整個(gè)內(nèi)表面的三維形狀。坩堝的整個(gè)內(nèi)表面的三 維形狀測(cè)量后，可以將干燥的空氣供給至坩堝11的內(nèi)部空間使坩堝11的內(nèi)表面干燥。
[0068] 所得到的三維形狀可用于各種用途。譬如，通過(guò)比較所測(cè)量的三維形狀與設(shè)計(jì)值 的三維形狀，能知道各個(gè)坩堝的內(nèi)表面形狀從設(shè)計(jì)值偏離的程度。如果從設(shè)計(jì)值的偏離超 過(guò)基準(zhǔn)值，則能夠進(jìn)行修正坩堝的形狀的工序，或者進(jìn)行停止出貨等應(yīng)對(duì)，能夠提高出貨坩 堝的品質(zhì)。另外，通過(guò)將各個(gè)坩堝的形狀與其制造條件（電弧熔融的條件等）建立關(guān)聯(lián)，能 夠在坩堝的形狀成為基準(zhǔn)范圍時(shí)，反饋給制造條件。進(jìn)而，通過(guò)在坩堝內(nèi)表面的三維形狀上 的多個(gè)測(cè)量點(diǎn)測(cè)量拉曼光譜、紅外吸收譜、表面粗糙度、氣泡含有率等，能夠得到這些測(cè)量 值的三維分布，能夠?qū)⒃撊S分布用于坩堝的出貨檢查。另外，能夠使三維形狀和三維形狀 上的各種測(cè)量值的三維分布的數(shù)據(jù)為單晶硅提拉的參數(shù)。由此，能更高精度地控制單晶硅 提拉。
[0069] 在此，對(duì)坩堝內(nèi)表面的三維形狀的測(cè)量方法進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，不過(guò)，關(guān)于坩堝的外 表面的三維形狀，也能夠用同樣的方法測(cè)量。
[0070] 另外，用上述方法求出的三維形狀，也能夠用作成為詳細(xì)測(cè)量坩堝的內(nèi)表面及界 面的三維形狀時(shí)的基礎(chǔ)的三維形狀數(shù)據(jù)。以下，關(guān)于更加詳細(xì)地測(cè)量坩堝的內(nèi)表面及界面 的三維形狀的方法詳細(xì)進(jìn)行說(shuō)明。
[0071] 〈3.詳細(xì)的三維形狀的測(cè)量方法〉 以下，用圖3?圖6,對(duì)坩堝內(nèi)表面的詳細(xì)的三維形狀的測(cè)量方法進(jìn)行說(shuō)明。本實(shí)施方 式中，使由激光位移計(jì)等組成的內(nèi)部測(cè)距部17非接觸地沿著坩堝內(nèi)表面移動(dòng)，在移動(dòng)路徑 上的多個(gè)測(cè)量點(diǎn)，通過(guò)對(duì)坩堝內(nèi)表面斜方向照射激光，并檢測(cè)其反射光，來(lái)測(cè)量坩堝的內(nèi)表 面三維形狀。以下，詳細(xì)進(jìn)行說(shuō)明。另外，在測(cè)量?jī)?nèi)表面形狀時(shí)，也能夠同時(shí)測(cè)量透明層13 與氣泡含有層15的界面三維形狀，另外，通過(guò)使用內(nèi)部測(cè)距部19也能夠測(cè)量坩堝的外表面 的三維形狀，因此關(guān)于這些點(diǎn)也一并說(shuō)明。
[0072] 〈3-1.氧化硅玻璃坩堝的配設(shè)、內(nèi)部機(jī)械手臂、內(nèi)部測(cè)距部〉 作為測(cè)量對(duì)象的氧化硅玻璃坩堝11，開口部朝下而載置于能旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)臺(tái)9上。設(shè)置 在被坩堝11所覆蓋的位置上的基臺(tái)1上設(shè)置有內(nèi)部機(jī)械手臂5。內(nèi)部機(jī)械手臂5優(yōu)選是六 軸多關(guān)節(jié)機(jī)器人，具備多個(gè)手臂5a、可旋轉(zhuǎn)地支撐這些手臂5a的多個(gè)關(guān)節(jié)5b以及主體部 5c。在主體部5c設(shè)置有未圖示的外部端子，能與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在內(nèi)部機(jī)械手臂5的 前端設(shè)置有進(jìn)行坩堝11的內(nèi)表面形狀的測(cè)量的內(nèi)部測(cè)距部17。內(nèi)部測(cè)距部17通過(guò)對(duì)坩 堝11的內(nèi)表面照射激光、檢測(cè)來(lái)自內(nèi)表面的反射光，來(lái)測(cè)量從內(nèi)部測(cè)距部17到坩堝11的 內(nèi)表面的距離。在主體部5c內(nèi)，設(shè)置有進(jìn)行關(guān)節(jié)5b和內(nèi)部測(cè)距部17的控制的控制部?？?制部通過(guò)按照主體部5c所設(shè)置的程序或外部輸入信號(hào)使關(guān)節(jié)5b旋轉(zhuǎn)以使手臂5活動(dòng)，從 而使內(nèi)部測(cè)距部17移動(dòng)至任意的三維位置。具體來(lái)講，使內(nèi)部測(cè)距部17非接觸地沿著坩 堝內(nèi)表面移動(dòng)。從而，將坩堝內(nèi)表面的粗略的形狀數(shù)據(jù)給予控制部，根據(jù)該數(shù)據(jù)使內(nèi)部測(cè)距 部17移動(dòng)位置。該粗略的形狀數(shù)據(jù)，是用〈2.三維形狀測(cè)量方法〉測(cè)量的三維形狀數(shù)據(jù)。 在坩堝的角部lib等彎曲的部分，適當(dāng)?shù)卦O(shè)定內(nèi)部測(cè)距部17相對(duì)內(nèi)表面的距離及方向并不 容易。與此相對(duì)，本實(shí)施方式中，預(yù)先求出內(nèi)表面的三維形狀，按照該三維形狀使內(nèi)部測(cè)距 部移動(dòng)，因此能夠適當(dāng)?shù)卦O(shè)定內(nèi)部測(cè)距部相對(duì)內(nèi)表面的距離及方向。
[0073] 更具體來(lái)講，例如，從靠近如圖3(a)所示的坩堝11的開口部附近的位置開始測(cè) 量，如圖3(b)所示，使內(nèi)部測(cè)距部17朝向坩堝11的底部11c移動(dòng)，在移動(dòng)路徑上的多個(gè)測(cè) 量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量間隔，例如為1?5mm，例如為2mm。測(cè)量以預(yù)先存儲(chǔ)于內(nèi)部測(cè)距部17 內(nèi)的定時(shí)來(lái)進(jìn)行，或者跟隨外部觸發(fā)器而進(jìn)行。測(cè)量結(jié)果被容納于內(nèi)部測(cè)距部17內(nèi)的存儲(chǔ) 部，在測(cè)量結(jié)束后被集中送至主體部5c，或者在測(cè)量時(shí)，逐次被送至主體部5c。內(nèi)部測(cè)距部 17也可以構(gòu)成為由與主體部5c不同的另外設(shè)置的控制部來(lái)控制。
[0074] 若坩堝的開口部到底部11c的測(cè)量結(jié)束，則使旋轉(zhuǎn)臺(tái)9稍微旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行同樣的測(cè) 量。該測(cè)量也可以從底部11c朝向開口部進(jìn)行。考慮精度和測(cè)量時(shí)間而決定旋轉(zhuǎn)臺(tái)9的旋 轉(zhuǎn)角度，例如，可以為2?10度（優(yōu)選6. 3度以下）。旋轉(zhuǎn)角度太大則測(cè)量精度不充分，太 小則花費(fèi)過(guò)多測(cè)量時(shí)間。旋轉(zhuǎn)臺(tái)9的旋轉(zhuǎn)根據(jù)內(nèi)置程序或外部輸入信號(hào)來(lái)控制。旋轉(zhuǎn)臺(tái)9 的旋轉(zhuǎn)角度可通過(guò)旋轉(zhuǎn)編碼器等來(lái)檢測(cè)。旋轉(zhuǎn)臺(tái)9的旋轉(zhuǎn)，優(yōu)選與內(nèi)部測(cè)距部17及后述的 外部測(cè)距部19的移動(dòng)聯(lián)動(dòng)，由此，內(nèi)部測(cè)距部17及外部測(cè)距部19的3維坐標(biāo)的算出變得 容易。
[0075] 如后文所敘述，內(nèi)部測(cè)距部17能夠測(cè)量到從內(nèi)部測(cè)距部17到內(nèi)表面的距離（內(nèi) 表面距離）以及從內(nèi)部測(cè)距部17到透明層13與氣泡含有層15的界面的距離（界面距離） 的兩者。關(guān)節(jié)5b的角度由于在關(guān)節(jié)5b設(shè)置的旋轉(zhuǎn)編碼器等而是既知的，因此在各測(cè)量點(diǎn) 的內(nèi)部測(cè)距部17的位置的三維坐標(biāo)及方向成為既知，因此如果可求出內(nèi)表面距離及界面 距離，則在內(nèi)表面的三維坐標(biāo)及在界面的三維坐標(biāo)成為既知。并且，因?yàn)閺嫩釄?1的開口 部到底部11c的測(cè)量遍及坩堝11的全周而進(jìn)行，所以坩堝11的內(nèi)表面三維形狀及界面三 維形狀成為既知。另外，因?yàn)閮?nèi)表面與界面之間的距離成為既知，所以透明層13的厚度也 成為既知，能求出透明層的厚度的三維分布。
[0076] 〈3-2.外部機(jī)械手臂、外部測(cè)距部〉 在坩堝11的外部設(shè)立的基臺(tái)3上，設(shè)置有外部機(jī)械手臂7。外部機(jī)械手臂7優(yōu)選是六 軸多關(guān)節(jié)機(jī)器人，具備多個(gè)手臂7a、可旋轉(zhuǎn)地支撐這些手臂的多個(gè)關(guān)節(jié)7b以及主體部7c。 在主體部7c設(shè)置有未圖示的外部端子，能與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在內(nèi)部機(jī)械手臂7的前端 設(shè)置有進(jìn)行坩堝11的外表面形狀的測(cè)量的外部測(cè)距部19。外部測(cè)距部19通過(guò)對(duì)坩堝11 的外表面照射激光、檢測(cè)來(lái)自外表面的反射光，來(lái)測(cè)量從外部測(cè)距部19到坩堝11的外表面 的距離。在主體部7c內(nèi)，設(shè)置有進(jìn)行關(guān)節(jié)7b和外部測(cè)距部19的控制的控制部?？刂撇客?過(guò)根據(jù)主體部7c所設(shè)置的程序或外部輸入信號(hào)使關(guān)節(jié)7b旋轉(zhuǎn)以使手臂7活動(dòng)，從而使外 部測(cè)距部19移動(dòng)至任意的三維位置上。具體來(lái)講，使外部測(cè)距部19非接觸地沿著坩堝外 表面移動(dòng)。從而，將坩堝外表面的粗略的形狀數(shù)據(jù)給予控制部，根據(jù)該數(shù)據(jù)使外部測(cè)距部19 移動(dòng)位置。更具體來(lái)講，例如，從靠近如圖3(a)所示的坩堝11的開口部附近的位置開始測(cè) 量，如圖3(b)所示，使外部測(cè)距部19朝向坩堝11的底部11c移動(dòng)，在移動(dòng)路徑上的多個(gè)測(cè) 量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。作為測(cè)量間隔，例如為1?5mm，例如為2mm。測(cè)量以預(yù)先存儲(chǔ)于外部測(cè)距 部19內(nèi)的定時(shí)來(lái)進(jìn)行，或者跟隨外部觸發(fā)器而進(jìn)行。測(cè)量結(jié)果被容納于外部測(cè)距部19內(nèi) 的存儲(chǔ)部，在測(cè)量結(jié)束后被集中送至主體部7c，或者在測(cè)量時(shí)，逐次被送至主體部7c。外部 測(cè)距部19也可以構(gòu)成為由與主體部7c不同的另外設(shè)置的控制部來(lái)控制。
[0077] 也可以使內(nèi)部測(cè)距部17和外部測(cè)距部19同步地移動(dòng)，不過(guò)，因?yàn)閮?nèi)表面形狀的測(cè) 量和外表面形狀的測(cè)量被獨(dú)立進(jìn)行，所以不一定需要使之同步。
[0078] 外部測(cè)距部19能測(cè)量從外部測(cè)距部19到外表面的距離（外表面距離）。關(guān)節(jié)7b 的角度由于在關(guān)節(jié)7b設(shè)置的旋轉(zhuǎn)編碼器等而是既知的，因此外部測(cè)距部19的位置的三維 坐標(biāo)及方向成為既知，因此如果可求出外表面距離，則在外表面的三維坐標(biāo)成為既知。并 且，因?yàn)閺嫩釄?1的開口部到底部11c的測(cè)量遍及坩堝11的全周而進(jìn)行，所以坩堝11的 外表面三維形狀成為既知。
[0079] 由以上所述，因?yàn)檑釄宓膬?nèi)表面和外表面的三維坐標(biāo)成為既知，所以能求出坩堝 壁厚的三維分布。
[0080] 〈3-3.詳細(xì)的距離測(cè)量〉 接下來(lái)，用圖4來(lái)說(shuō)明利用內(nèi)部測(cè)距部17及外部測(cè)距部19測(cè)量距離的詳細(xì)方法。
[0081] 如圖4所示，內(nèi)部測(cè)距部17被配置在坩堝11的內(nèi)表面?zhèn)龋ㄍ该鲗?3側(cè)），外部 測(cè)距部19被配置在坩堝11的外表面?zhèn)龋馀莺袑?5側(cè)）。內(nèi)部測(cè)距部17具備出射部 17a和檢測(cè)部17b。外部測(cè)距部19具備出射部19a和檢測(cè)部19b。內(nèi)部測(cè)距部17及外部測(cè) 距部19的測(cè)量范圍雖取決于測(cè)量器的種類，但大概為±5?10mm左右。從而，從內(nèi)部測(cè)距 部17及外部測(cè)距部19到內(nèi)表面、外表面的距離，需要一定程度地正確設(shè)定。另外，內(nèi)部測(cè) 距部17及外部測(cè)距部19具備未圖示的控制部及外部端子。出射部17a和19a出射激光， 例如，具備半導(dǎo)體激光器。所出射的激光的波長(zhǎng)并未特別限定，例如，是波長(zhǎng)600?700nm 的紅色激光。檢測(cè)部17b和19b譬如由CCD構(gòu)成，根據(jù)光打到的位置按照三角測(cè)量法的原 理來(lái)決定到目標(biāo)的距離。
[0082] 從內(nèi)部測(cè)距部17的出射部17a出射的激光，一部分在內(nèi)表面（透明層13的表面） 反射，一部分在透明層13與氣泡含有層15的界面反射，這些反射光（內(nèi)表面反射光、界面 反射光）打在檢測(cè)部17b而被檢測(cè)。如圖4所示，內(nèi)表面反射光和界面反射光打在檢測(cè)部 17b的不同位置上，根據(jù)該位置的差異，可分別決定從內(nèi)部測(cè)距部17到內(nèi)表面的距離（內(nèi) 表面距離）以及到界面的距離（界面距離）。適宜的入射角Θ因內(nèi)表面的狀態(tài)、透明層13 的厚度、氣泡含有層15的狀態(tài)等而發(fā)生變化，譬如是30?60度。
[0083] 圖5示出采用市販的激光位移計(jì)所測(cè)量的實(shí)際的測(cè)量結(jié)果。如圖5所示，觀察到 2個(gè)峰值，內(nèi)表面?zhèn)鹊姆逯凳莾?nèi)表面反射光引起的峰值，外表面?zhèn)鹊姆逯蹬c界面反射光引起 的峰值相對(duì)應(yīng)。如上所述，來(lái)自透明層13與氣泡含有層15的界面的反射光的峰值也能夠 清晰檢測(cè)到。在現(xiàn)有技術(shù)中，沒有用這樣的方法來(lái)確定界面，這個(gè)結(jié)果是非常嶄新的。
[0084] 從內(nèi)部測(cè)距部17到內(nèi)表面的距離太遠(yuǎn)，或著，內(nèi)表面或界面上存在局部?jī)A斜時(shí)， 有可能無(wú)法觀測(cè)到2個(gè)峰值。在該情況下，優(yōu)選使內(nèi)部測(cè)距部17接近內(nèi)表面，或者，傾斜內(nèi) 部測(cè)距部17而改變激光的出射方向，由此探索能觀測(cè)到2個(gè)峰值的位置及角度為佳。另 夕卜，即使不能同時(shí)觀測(cè)到2個(gè)峰值，在某位置及角度觀測(cè)由于內(nèi)表面反射光的峰值，在另外 的位置及角度觀測(cè)由于界面反射光的峰值也可以。另外，為了避免內(nèi)部測(cè)距部17與內(nèi)表面 接觸，預(yù)先設(shè)定最大接近位置，使得在即使不能觀測(cè)到峰值情況下也不會(huì)比該位置更接近 內(nèi)表面為佳。
[0085] 此外，例如，坩堝的角部lib等的內(nèi)表面彎曲，因此適當(dāng)?shù)卦O(shè)定內(nèi)部測(cè)距部17相對(duì) 內(nèi)表面的距離及方向并不容易。本實(shí)施方式中，預(yù)先測(cè)量?jī)?nèi)表面的三維形狀，按照該三維形 狀使內(nèi)部測(cè)距部17移動(dòng)，因此，如圖4所示，容易適當(dāng)?shù)卦O(shè)定內(nèi)部測(cè)距部相對(duì)內(nèi)表面的距離 及方向。關(guān)于外部測(cè)距部19也同樣。
[0086] 另外，如果透明層13中存在獨(dú)立的氣泡，有時(shí)內(nèi)部測(cè)距部17檢測(cè)來(lái)自該氣泡的反 射光，而不能正確檢測(cè)透明層13與氣泡含有層15的界面。從而，如果在某測(cè)量點(diǎn)A測(cè)量的 界面的位置與在前后的測(cè)量點(diǎn)測(cè)量的界面的位置偏離很大（超越既定的基準(zhǔn)值），則在測(cè) 量點(diǎn)A的數(shù)據(jù)可以除外。另外，在該情況下，可以采用在從測(cè)量點(diǎn)A稍微偏離的位置再次進(jìn) 行測(cè)量所得到的數(shù)據(jù)。
[0087] 另外，從外部測(cè)距部19的出射部19a出射的激光，在外表面（氣泡含有層15)的 表面反射，該反射光（外表面反射光）打在檢測(cè)部19b而被檢測(cè)，根據(jù)在檢測(cè)部19b上的檢 測(cè)位置而決定外部測(cè)距部19與外表面之間的距離。圖6示出采用市販的激光位移計(jì)所測(cè) 量的實(shí)際的測(cè)量結(jié)果。如圖6所示，只觀察到1個(gè)峰值。在不能觀測(cè)到峰值的情況下，優(yōu)選 使外部測(cè)距部19接近內(nèi)表面，或者使外部測(cè)距部19傾斜以使激光的出射方向變化，探索能 觀測(cè)到峰值的位置及角度。
[0088] 可以輸出所得到的內(nèi)表面、界面、外表面的三維形狀的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。坐標(biāo)數(shù)據(jù)的形 式，并不特別限定，可以是CSV等的文本形式的數(shù)據(jù)，也可以是各種CAD形式的數(shù)據(jù)。
[0089] 〈3-4.考慮了尺寸公差的坩堝形狀的評(píng)價(jià)〉 圖7(a)、（b)分別示出考慮了相對(duì)坩堝的設(shè)計(jì)值而可容許的尺寸公差時(shí)的、壁厚成為 最小的坩堝的形狀以及壁厚成為最大的坩堝的形狀。因?yàn)閭?cè)壁部11a、角部lib、底部11c， 各自可容許的尺寸公差不相同，所以其邊界變得不連續(xù)。從根據(jù)上述方法決定的坩堝11的 內(nèi)表面三維形狀和外表面三維形狀決定的坩堝11的形狀，是圖7(a)所示的公差范圍內(nèi)的 壁厚最小的坩堝形狀與圖7(b)所示的公差范圍內(nèi)的壁厚最大的坩堝形狀之間的形狀時(shí)， 坩堝11的形狀是公差范圍內(nèi)，形狀檢驗(yàn)?zāi)軌蚝细?，而從圖7(a)的形狀和圖7(b)的形狀即 使是部分偏離時(shí)，形狀檢驗(yàn)不能合格。根據(jù)這樣的方法，能夠?qū)③釄逍螤顬楣罘秶獾嫩?堝的出貨防止于未然。
[0090] 〈4.各種物性的三維分布〉 在內(nèi)部機(jī)械手臂5及外部機(jī)械手臂7能夠安裝用于測(cè)量各種物性的探頭，通過(guò)使該探 頭沿著坩堝11的內(nèi)表面三維形狀或外表面三維形狀移動(dòng)，能決定各種物性的三維分布?？?以在內(nèi)部機(jī)械手臂5及外部機(jī)械手臂7安裝多個(gè)種類的探頭，同時(shí)測(cè)量多個(gè)物性，也可以適 宜地交換探頭來(lái)測(cè)量多個(gè)種類的物性。另外，探頭的交換可以手動(dòng)方式進(jìn)行，也可以用自動(dòng) 交換設(shè)備來(lái)自動(dòng)進(jìn)行。
[0091] 另外，上述內(nèi)部測(cè)距部17、外部測(cè)距部19和后述的各種探頭，能構(gòu)成為與具有數(shù) 據(jù)庫(kù)功能的外部處理裝置連接，將測(cè)量數(shù)據(jù)立刻放入數(shù)據(jù)庫(kù)。并且，在外部處理裝置中，通 過(guò)關(guān)于各種形狀及物性進(jìn)行0K/NG判斷，能夠容易地進(jìn)行坩堝的質(zhì)量檢驗(yàn)。
[0092] 〈5.用機(jī)械手臂把持住的狀態(tài)下的測(cè)量〉 圖3(a)及（b)所示的上述實(shí)施方式中，將坩堝11載置于旋轉(zhuǎn)臺(tái)9而進(jìn)行了測(cè)量，不過(guò)， 在另外的實(shí)施方式中，如圖8(a)?（c)所示，能夠在用搬運(yùn)用機(jī)械手臂6把持住坩堝11的 狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量。以下進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0093] 如圖8(a)所示，作為測(cè)量對(duì)象的坩堝11，開口部朝下而載置于載置臺(tái)43上。在載 置臺(tái)43的附近，在機(jī)械手臂設(shè)置臺(tái)41上設(shè)置有搬運(yùn)用機(jī)械手臂6。作為搬運(yùn)用機(jī)械手臂6 優(yōu)選為六軸多關(guān)節(jié)機(jī)器人，具備多個(gè)手臂6a、可選擇地支撐這些手臂6a的多個(gè)關(guān)節(jié)6b以及 主體部6c。在主體部6c設(shè)有未圖示的外部端子，能與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在搬運(yùn)用機(jī)械手 臂6的前端設(shè)有把持坩堝11的把持部49。把持部49具有基體45和從基體45延伸的至少 4根手臂47。圖8(a)中，4根手臂47沿圓周方向以90度間隔配置。手臂47能朝向坩堝 11的半徑方向的中心、即圖8(a)的箭頭X的方向移動(dòng)能，在以坩堝11位于4根手臂47之 間的方式配置了把持部49的狀態(tài)下對(duì)坩堝11的側(cè)面壓上手臂47。坩堝11的外面是氣泡 含有層15,表面粗糙。在手臂47的；t甘禍11 一側(cè)的面，設(shè)有聚氨酯橡膠（Urethane rubber) 等的彈性部件48,利用彈性部件48與坩堝11的側(cè)面之間的摩擦，把持部49穩(wěn)定地把持住 坩堝11。此外，為了不使將手臂47壓上的坩堝11的力太強(qiáng)而破壞坩堝11，采用壓力傳感 器等將手臂47壓上坩堝的力控制為合理值。
[0094] 圖8(b)示出把持部49把持住坩堝11的狀態(tài)。從這個(gè)狀態(tài)，搬運(yùn)用機(jī)械手臂6舉 起坩堝11，使之移動(dòng)至設(shè)置有內(nèi)部機(jī)械手臂5的測(cè)量區(qū)域。此外，雖然未圖示，但是在測(cè)量 區(qū)域也可以設(shè)置有外部機(jī)械手臂7。
[0095] 其次，如圖8(c)所示，搬運(yùn)用機(jī)械手臂6在測(cè)量區(qū)域把持住坩堝11，在該狀態(tài)下， 內(nèi)部機(jī)械手臂5使內(nèi)部測(cè)距部17及各種探頭沿著坩堝11的內(nèi)表面移動(dòng)而進(jìn)行測(cè)量。
[0096] 將內(nèi)部測(cè)距部17移動(dòng)至坩堝11圓周方向的某位置的坩堝11的底部11c與開口 部之間并進(jìn)行測(cè)量之后，搬運(yùn)用機(jī)械手臂6使坩堝11沿圓周方向（圖8(c)的箭頭Y的方 向）旋轉(zhuǎn)。然后，在旋轉(zhuǎn)后的位置上，再次將內(nèi)部測(cè)距部17移動(dòng)至坩堝11的底部11c與開 口部之間而進(jìn)行測(cè)量。這樣，通過(guò)重復(fù)坩堝11的旋轉(zhuǎn)和測(cè)量，能夠在坩堝11的整個(gè)內(nèi)周面 進(jìn)行測(cè)量。
[0097] 每次測(cè)量時(shí)的旋轉(zhuǎn)角度譬如為2?10度，優(yōu)選為6. 3度以下。在旋轉(zhuǎn)角度為6. 3 度以下的情況下，把各測(cè)量點(diǎn)沿圓周方向連接而構(gòu)成的多邊形的邊的合計(jì)長(zhǎng)度與正圓圓周 長(zhǎng)的誤差為1 %以下，能夠達(dá)到充分高的精度。
[0098] 使如上所述坩堝結(jié)霧而進(jìn)行的三維形狀測(cè)量，可以在將坩堝11載置于載置臺(tái)43 之前在其他地方進(jìn)行，也可以在載置臺(tái)43上進(jìn)行，也可以在測(cè)量區(qū)域進(jìn)行，也可以在搬運(yùn) 用機(jī)械手臂6的可動(dòng)區(qū)域內(nèi)設(shè)置另外的測(cè)量區(qū)域并在該區(qū)域中進(jìn)行。
[〇〇99]【實(shí)施例】 采用通過(guò)對(duì)被測(cè)量物照射圖形光并測(cè)量其反射光來(lái)測(cè)量三維形狀的三維形狀測(cè)量裝 置，嘗試了氧化硅玻璃坩堝的三維形狀測(cè)量。在未使坩堝結(jié)霧的狀態(tài)下，不能檢測(cè)坩堝形 狀，但是，在將冷卻了的坩堝放置于空氣中而表面結(jié)霧的狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量時(shí)，能夠測(cè)量坩堝 的內(nèi)表面。
【權(quán)利要求】
1. 一種氧化硅玻璃坩堝的三維形狀測(cè)量方法，具備：使氧化硅玻璃坩堝的內(nèi)表面產(chǎn) 生霧的工序；以及通過(guò)對(duì)所述內(nèi)表面照射光，并檢測(cè)其反射光，來(lái)測(cè)量所述內(nèi)表面的三維 形狀的工序。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，通過(guò)冷卻所述氧化硅玻璃坩堝來(lái)產(chǎn)生所述霧。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的方法，通過(guò)使所述氧化硅玻璃坩堝的周圍的空氣中的水蒸 氣量增大，來(lái)產(chǎn)生所述霧。
4. 如權(quán)利要求1?權(quán)利要求3的任一項(xiàng)所述的方法，具備以下工序：按照所述三維形 狀，使內(nèi)部測(cè)距部非接觸地沿著所述坩堝的內(nèi)表面移動(dòng)，在移動(dòng)路徑上的多個(gè)測(cè)量點(diǎn)，通 過(guò)從內(nèi)部測(cè)距部對(duì)所述坩堝的內(nèi)表面斜方向照射激光，并檢測(cè)來(lái)自所述內(nèi)表面的內(nèi)表面反 射光，來(lái)測(cè)量?jī)?nèi)部測(cè)距部與所述內(nèi)表面之間的內(nèi)表面距離，通過(guò)將各測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)與 所述內(nèi)表面距離建立關(guān)聯(lián)，來(lái)求出所述坩堝的內(nèi)表面三維形狀。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，來(lái)自所述內(nèi)部測(cè)距部的激光，對(duì)所述內(nèi)表面以30?60度 的入射角照射。
6. 如權(quán)利要求4或權(quán)利要求5所述的方法，還具備以下工序：所述坩堝在內(nèi)表面?zhèn)染?有透明氧化硅玻璃層，以及在外表面?zhèn)染哂泻袣馀莸难趸璨Ａ?，所述?nèi)部測(cè)距部， 通過(guò)檢測(cè)來(lái)自所述透明氧化硅玻璃層與所述含有氣泡的氧化硅玻璃層的界面的界面反射 光，來(lái)測(cè)量所述內(nèi)部測(cè)距部與所述界面之間的界面距離，通過(guò)將各測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)與所 述界面距離建立關(guān)聯(lián)，來(lái)求出所述坩堝的界面三維形狀。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，還具備輸出所述內(nèi)表面及界面的三維形狀的坐標(biāo)數(shù)據(jù)的 工序。
8. 如權(quán)利要求4?權(quán)利要求7的任一項(xiàng)所述的方法，還具備以下工序：使外部測(cè)距部 沿著所述坩堝的外表面移動(dòng)，在移動(dòng)路徑上的多個(gè)測(cè)量點(diǎn)，通過(guò)從外部測(cè)距部對(duì)所述坩堝 的外表面照射激光，并檢測(cè)來(lái)自所述外表面的外表面反射光，來(lái)測(cè)量所述外部測(cè)距部與所 述外表面之間的外表面距離，通過(guò)將各測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)與所述外表面距離建立關(guān)聯(lián)，來(lái) 求出所述坩堝的外表面三維形狀。
9. 如權(quán)利要求8所述的方法，還具備以下工序：根據(jù)從所述內(nèi)表面三維形狀和所述外 表面三維形狀決定的所述坩堝的形狀是否為公差范圍內(nèi)的壁厚最小的坩堝形狀與公差范 圍內(nèi)的壁厚最大的坩堝形狀之間的形狀，來(lái)進(jìn)行坩堝的評(píng)價(jià)。
10. 如權(quán)利要求4?權(quán)利要求9的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述內(nèi)表面三維形狀的測(cè) 量，在用將所述坩堝搬運(yùn)至測(cè)量區(qū)域的搬運(yùn)用機(jī)械手臂把持住所述坩堝的狀態(tài)下進(jìn)行，通 過(guò)重復(fù)進(jìn)行將所述內(nèi)部機(jī)械手臂的前端移動(dòng)到所述坩堝的圓周方向的某位置上的所述坩 堝的底部與開口部之間并測(cè)量之后、所述搬運(yùn)用機(jī)械手臂使所述坩堝沿圓周方向旋轉(zhuǎn)的工 序，來(lái)測(cè)量所述坩堝的整個(gè)內(nèi)表面。
11. 如權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述機(jī)械手臂進(jìn)行的所述坩堝的旋轉(zhuǎn)的角度為 6. 3度以下。
12. 如權(quán)利要求10或權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述機(jī)械手臂經(jīng)由把持部來(lái)把持 所述坩堝，所述把持部，通過(guò)對(duì)所述坩堝的側(cè)面至少?gòu)乃姆綄⒃谂c所述坩堝接觸的面設(shè)置 有的彈性部件的手臂壓上所述坩堝，來(lái)把持所述坩堝。
13. -種單晶硅的制造方法，具備從所述坩堝內(nèi)保持的硅熔液提拉單晶硅的工序，所 述單晶硅的提拉條件，根據(jù)所述氧化硅玻璃坩堝的三維形狀來(lái)決定，所述三維形狀，根據(jù) 權(quán)利要求1?權(quán)利要求12的任一項(xiàng)所述的方法來(lái)決定。
【文檔編號(hào)】C03B20/00GK104114976SQ201280064551
【公開日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2012年10月31日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月27日
【發(fā)明者】須藤俊明, 佐藤忠廣, 北原賢 申請(qǐng)人:株式會(huì)社Sumco