專利名稱：一種直拉硅單晶爐的硅熔體液面相對位置的測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種直拉硅單晶爐的硅熔體液面相對位置的測量方法。
背景技術(shù)：
制造硅單晶主要采用直拉法(Czochralski法)，在硅單晶的生長過程中需要將硅 單晶的直徑自動控制在目標(biāo)范圍內(nèi)。為了穩(wěn)定的控制硅單晶的直徑和品質(zhì)，在硅單晶的生長過程中硅熔體的液面在爐體內(nèi)的相對高度必須保持不變。通常的做法是設(shè)置一個坩堝上升速度與硅單晶提拉速度的比率，這個比率叫堝比，堝比使由于硅單晶生長導(dǎo)致的熔體表面位置下降被坩堝位置上升彌補。堝比的作用是基于坩堝無變形、外形一致性很好、硅單晶的直徑恒定的假設(shè)，實際上硅單晶生長過程中坩堝高溫下會變形，硅單晶的直徑也是在ー定的范圍內(nèi)波動的，導(dǎo)致使用堝比穩(wěn)定硅單晶生長過程中的硅熔體液面位置時存在精度差的問題，且往往需要人工調(diào)整干預(yù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供ー種直拉硅單晶爐的硅熔體液面相對位置的測量方法。直拉硅單晶爐的硅熔體液面相對位置的測量方法包括步驟如下
(I)安裝在硅單晶爐的爐蓋上的觀察窗ロ的激光源發(fā)射激光，激光光斑直徑O. I-Imm,激光經(jīng)硅熔體表面反射后被安裝在硅單晶爐的爐蓋另ー側(cè)觀察窗ロ的CXD攝像頭獲取，信號經(jīng)過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換后傳送到計算機系統(tǒng)；
(2)硅熔體表面的多方向隨機振動，使CCD攝像頭在設(shè)定的5-20秒的取樣周期內(nèi)獲取到圓形或接近圓形的激光圖像，激光圖像的直徑為激光光斑直徑的5-10倍，計算機系統(tǒng)中的sobel算子提取激光圖像的邊沿，得到激光圖像邊沿的像素坐標(biāo) (3)計算機系統(tǒng)通過正圓擬合將激光圖像邊沿的像素坐標(biāo)圖擬合成正圓，提取圓心A的坐標(biāo)(X，y);
(4)將初始取樣周期內(nèi)激光圖像邊沿像素坐標(biāo)正圓擬合圖的圓心Atl (、，ル)設(shè)為基準(zhǔn)，其它取樣周期內(nèi)提取的激光圖像邊沿像素坐標(biāo)正圓擬合圖的圓心為A(x，y)，A=y-yQ就是該取樣周期坩堝內(nèi)硅熔體表面相對于初始取樣周期硅熔體表面位置的高度差，Λ >0硅熔體表面處于初始取樣周期硅熔體表面位置的上方，Δ〈O硅熔體表面處于初始取樣周期娃熔體表面位置的下方。所述的激光光源、CCD攝像頭、激光光源發(fā)射和硅熔體反射的激光位于同一個平面內(nèi)，該平面與爐體中軸線平行，激光光源發(fā)射和硅熔體反射的激光與爐體中軸線在該平面的投影的夾角α為15-45°，激光光源在硅熔體表面的入射點位于硅單晶和保溫罩下ロ之間間隙的中部。本發(fā)明提供了一種精確的實時測量和控制硅單晶生長過程中石英坩堝內(nèi)硅熔體液面位置相對變化的簡單有效的方法，硅熔體液面的位置變化對應(yīng)于激光圖像在CCD像素矩陣中位置的變化。


圖I是直拉硅單晶爐的硅熔體液面相對位置的測量裝置結(jié)構(gòu)示意 圖2是直拉硅單晶爐的硅熔體液面相對位置的測量方法原理 圖3是在ー個采樣周期內(nèi)CCD攝像頭獲取的激光圖像；
圖4是在不同液面位置CCD攝像頭獲取的激光圖像的位置關(guān)系示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，描述本發(fā)明的具體實施方式
。直拉硅單晶爐的硅熔體液面相對位置的測量方法包括步驟如下
(I)安裝在硅單晶爐的爐蓋12上的觀察窗ロ的激光源2發(fā)射激光，激光光斑直徑O. I-Imm,激光經(jīng)硅熔體11表面反射后被安裝在硅單晶爐的爐蓋12另ー側(cè)觀察窗ロ的CXD攝像頭13獲取，信號經(jīng)過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換后傳送到計算機系統(tǒng)；
(2)硅熔體表面的多方向隨機振動，使CCD攝像頭13在設(shè)定的5-20秒的取樣周期內(nèi)獲取到圓形或接近圓形的激光圖像，激光圖像的直徑為激光光斑直徑的5-10倍，計算機系統(tǒng)中的sobel算子提取激光圖像的邊沿，得到激光圖像邊沿的像素坐標(biāo) (3)計算機系統(tǒng)通過正圓擬合將激光圖像邊沿的像素坐標(biāo)圖擬合成正圓，提取圓心A的坐標(biāo)(X，y);
(4)將初始取樣周期內(nèi)激光圖像邊沿像素坐標(biāo)正圓擬合圖的圓心Atl (、，ル)設(shè)為基準(zhǔn)，其它取樣周期內(nèi)提取的激光圖像邊沿像素坐標(biāo)正圓擬合圖的圓心為A(x，y)，A=y-yQ就是該取樣周期坩堝內(nèi)硅熔體表面相對于初始取樣周期硅熔體表面位置的高度差，Λ >0硅熔體表面處于初始取樣周期硅熔體表面位置的上方，Δ〈O硅熔體表面處于初始取樣周期娃熔體表面位置的下方。激光光源2、CXD攝像頭13、激光光源發(fā)射和硅熔體反射的激光位于同一個平面內(nèi)，該平面與爐體5中軸線平行，激光光源發(fā)射和硅熔體反射的激光與爐體5中軸線在該平面的投影的夾角α為15-45°，激光光源在硅熔體表面的入射點位于硅單晶I和保溫罩下ロ 4之間間隙的中部。如圖I所示，直拉硅單晶爐的硅熔體液面相對位置的測量裝置包括硅單晶I、激光源2、保溫罩3、保溫罩下ロ 4、爐體5、坩堝軸6、保溫筒7、加熱器8、石墨坩堝9、石英坩堝10、硅熔體11、爐蓋12、CXD攝像頭13、CXD像素矩陣14 ;直拉硅單晶爐的下半部分從上到下順次包括激光光源2、CXD攝像頭13、爐蓋12、爐體5、坩堝軸6，爐體5內(nèi)從上到下順次包括保溫罩3、加熱器8，加熱器8的外面是保溫筒7，加熱器8的內(nèi)部順次是石墨坩堝9、石英坩堝10和硅熔體11。如圖3所示，計算機系統(tǒng)通過正圓擬合將激光圖像邊沿的像素坐標(biāo)圖擬合成正圓，提取圓心A的坐標(biāo)(x，y)，圖中的圓形陰影區(qū)為取樣周期內(nèi)獲取的激光圖像。如圖2所示，L0為初始液面位置，L1為高液面位置，L2為低液面位置。(XD像素矩陣14上的ApA^A2分別為Ltl山、L2位置對應(yīng)的激光圖像擬合圓的圓心。附圖4中，Λ i和Δ2為Lp L2液面位置相對于初始液面位置的高度差。計算機系統(tǒng)獲取該高度差后，驅(qū)動娃單晶爐的坩堝升降機構(gòu)降低或升高石英坩堝10的位置，將硅熔體的液面位置穩(wěn)定到初始 位置。
權(quán)利要求
1.一種直拉硅單晶爐的硅熔體液面相對位置的測量方法，其特征在于包括步驟 (O安裝在硅單晶爐的爐蓋12上的觀察窗口的激光源2發(fā)射激光，激光光斑直徑O.I-Imm,激光經(jīng)硅熔體11表面反射后被安裝在硅單晶爐的爐蓋12另一側(cè)觀察窗口的CXD攝像頭13獲取，信號經(jīng)過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換后傳送到計算機系統(tǒng)； (2)硅熔體表面的多方向隨機振動，使CCD攝像頭13在設(shè)定的5-20秒的取樣周期內(nèi)獲取到圓形或接近圓形的激光圖像，激光圖像的直徑為激光光斑直徑的5-10倍，計算機系統(tǒng)中的sobel算子提取激光圖像的邊沿，得到激光圖像邊沿的像素坐標(biāo)圖； (3)計算機系統(tǒng)通過正圓擬合將激光圖像邊沿的像素坐標(biāo)圖擬合成正圓，提取圓心A的坐標(biāo)(X，y); (4)將初始取樣周期內(nèi)激光圖像邊沿像素坐標(biāo)正圓擬合圖的圓心Atl(Χ(ι，％)設(shè)為基準(zhǔn)，其它取樣周期內(nèi)提取的激光圖像邊沿像素坐標(biāo)正圓擬合圖的圓心為AU，y), Δ =y-y0就是該取樣周期坩堝內(nèi)硅熔體表面相對于初始取樣周期硅熔體表面位置的高度差，Λ >0硅熔體表面處于初始取樣周期硅熔體表面位置的上方，Δ〈O硅熔體表面處于初始取樣周期硅熔體表面位置的下方。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種直拉硅單晶爐的硅熔體液面相對位置的測量方法，其特征在于所述的激光光源2、CCD攝像頭13、激光光源發(fā)射和硅熔體反射的激光位于同一個平面內(nèi)，該平面與爐體5中軸線平行，激光光源發(fā)射和硅熔體反射的激光與爐體5中軸線在該平面的投影的夾角α為15-45°，激光光源在硅熔體表面的入射點位于硅單晶I和保溫罩下口 4之間間隙的中部。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種直拉硅單晶爐的硅熔體液面相對位置的測量方法。CCD攝像頭獲取硅熔體液面反射的激光得到激光圖像，通過邊沿像素坐標(biāo)正圓擬合得到激光圖像的圓心，比較任一液面位置激光圖像正圓擬合圖的圓心與初始液面位置擬合圖的圓心的y坐標(biāo)差值就可以得到該液面位置的相對高度。本發(fā)明提供了一種精確的實時測量和控制硅單晶生長過程中石英坩堝內(nèi)硅熔體液面位置相對變化的簡單有效的方法。
文檔編號C30B15/26GK102677157SQ201210179898
公開日2012年9月19日 申請日期2012年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月4日
發(fā)明者曾澤斌 申請人:曾澤斌