一種單晶硅拉晶爐的熔融硅液面檢測方法及測量裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種單晶硅拉晶爐的熔融硅液面檢測方法及測量裝置，該方法包括在單晶爐的觀察口上安裝一字線激光器和相機(jī)，將一字線激光光束從拉晶爐的觀察口上斜射入熱屏和熔融硅液面上，熔融硅液面對打入到其液面上的激光光束產(chǎn)生鏡面反射，反射光束投影到熱屏上，在熱屏上的投影光束同樣會在熔融硅液面上產(chǎn)生投影。隨著熔融硅液面的變化，激光光束與熔融硅液面的接觸點會隨之發(fā)生變化，因此熱屏上的反射光束與熔融硅液面上的投影之間的距離也會隨之變化，最終使得相機(jī)接收到的光束的像素位置產(chǎn)生變化。通過標(biāo)定圖像上兩投影點之間像素位置的變化與實際熔融硅液面位置的變化，就可以得到實際液面變化的信息。
【專利說明】—種單晶硅拉晶爐的熔融硅液面檢測方法及測量裝置【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種非接觸式拉晶爐熔融硅液面的檢測方法，具體涉及一種單晶硅拉晶爐的熔融硅液面檢測方法及基于該方法的測量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]直拉法是運用熔體的冷凝結(jié)晶驅(qū)動原理，在固體和液體的交界面處，由于熔體溫度下降產(chǎn)生由液體轉(zhuǎn)換成固態(tài)的相變化。采用直拉法生長出的單晶硅，其含氧量較高且直徑較大，是目前廣泛采用的一種方法，然而該方法對單晶的生長環(huán)境提出了嚴(yán)格的要求。隨著單晶硅固體的不斷生長，坩堝中的熔融硅的體積逐漸減小，熔融硅液面不斷下降。
[0003]拉晶過程比較復(fù)雜，存在的不定因素很多如:熔融硅的溫度基本在1450°左右，而晶體硅的溫度要低很多，因此拉晶爐內(nèi)的溫度分布不均勻，爐體內(nèi)存在溫度梯度；在拉晶過程中，拉晶爐內(nèi)要沖入大量惰性氣體如氬氣等，氬氣的流動會導(dǎo)致熔融硅液面發(fā)生變化；在拉晶時，由于拉晶速度控制的不精確等也會引起熔融硅液面的變化。此外，單晶硅的生長過程一般要持續(xù)24小時以上，液面在各種因素長時間的作用下不斷產(chǎn)生波動，這將最終會影響晶體的質(zhì)量。因此需要能夠精確的測量拉晶爐內(nèi)液面的高度，以便合理的調(diào)整坩堝的升降速度，提高拉晶品質(zhì)。
[0004]常規(guī)測量拉晶爐內(nèi)液面位置的方法大多采用非接觸測量法，由于爐體內(nèi)溫度非常高，爐體內(nèi)充滿了大量的紅外射線，采用常用的紅外激光測距裝置無法達(dá)到效果，因為爐體內(nèi)的紅外線與紅外激光混合在一起，探測器無法識別。此外，由于拉晶爐內(nèi)存在到電流的熱對流現(xiàn)象，爐體外會外加一個磁場來抑制熔體立的自然對流、避免產(chǎn)生紊亂現(xiàn)象。因此，常用的電渦流檢測法以及電容檢測法等就無法應(yīng)用到液位檢測系統(tǒng)中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問題，提供一種單晶硅拉晶爐的熔融硅液面檢測方法及基于該方法的測量裝置，能夠精確的`測量拉晶爐內(nèi)液面的高度，保證了拉晶品質(zhì)。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0007]一種單晶硅拉晶爐的熔融硅液面檢測方法，包括以下步驟:a.安裝在拉晶爐觀察口處的測量裝置中的一字線激光器發(fā)射激光光束，使一字線激光器發(fā)射的激光光束入射到拉晶爐的熱屏和熔融硅液體上，安裝在拉晶爐觀察口的測量裝置中的相機(jī)采集熔融硅液面上的矩形激光反射光斑以及熱屏上的矩形激光反射光斑的投影；
[0008]b.調(diào)整一字線激光器的位置，使得熱屏和熔融硅液面上的矩形激光光斑處于同一條水平線上；調(diào)整相機(jī)鏡頭焦距，使得兩個反射激光光斑的亮度保持一致，能清晰的呈現(xiàn)在相機(jī)視野中；
[0009]c.對相機(jī)采集的矩形激光光斑經(jīng)過圖像處理算法，提取兩個光斑的邊緣以及光斑的中心點，計算出兩個矩形激光光斑的中心的距離，從而得到熱屏下邊緣到熔融硅液面的距離。[0010]所述方法在步驟c后還包括以下步驟:
[0011]d.對測量裝置進(jìn)行標(biāo)定，將熔融硅液面位置上升5~10mm，穩(wěn)定后計算此時兩個矩形激光光斑之間像素位置的距離；將熔融硅液面下降5~10mm，穩(wěn)定后計算此時兩個矩形激光光斑之間像素位置的距離，得到兩個矩形光斑之間的像素值與實際液面位置數(shù)值之間的關(guān)系；根據(jù)兩個矩形光斑之間的像素值與實際液面位置數(shù)值之間的關(guān)系和實際測得的兩個矩形激光光斑中心的距離的像素值，換算出液面位置變化的實際值。
[0012]重復(fù)步驟f最終得到像素值與實際液面位置之間的關(guān)系。
[0013]步驟a)包括以下兩步:
[0014]al.在拉晶爐的觀察口處安裝相機(jī)和一字線激光器，并在相機(jī)前方固定濾光片，打開一字線激光器，使一字線激光器發(fā)射的激光光束入射到拉晶爐的熱屏和熔融硅液體上，調(diào)整一字線激光器和相機(jī)的角度使通過熔融硅液面和熱屏反射后的光斑能在相機(jī)上成像；
[0015]a2.通過一字線激光器發(fā)射激光光束，由相機(jī)米集熔融娃液面上的矩形激光反射光斑以及熱屏上的矩形激光反射光斑的投影。
[0016]所述的一字線激光器發(fā)射的激光光束經(jīng)過安裝在觀察口上的圓形隔熱玻璃及觀察口照射到拉晶爐的熱屏和熔融硅液面上，高溫熔融硅近似于鏡面，熱屏上的激光在熔融硅液面上產(chǎn)生投影，入射到熔融硅液面上的激光在熱屏上產(chǎn)生投影，相機(jī)采集熔融硅液面上的矩形激光反射光斑以及熱屏上的矩形激光反射光斑的投影；
[0017]步驟c為:對相機(jī)采集到的矩形激光光斑，利用相機(jī)自帶軟件中的Blob算法獲取矩形光斑的最左側(cè)的點 和最右側(cè)的點，然后再用自帶軟件中的Measurement算法里的點到點的距離，測出兩個矩形光斑之間的最短距離。
[0018]所述的隔熱玻璃、觀察口及相機(jī)之間呈一定角度。
[0019]所述的一字線激光器為波長范圍在405nm~450nm的藍(lán)紫光一字線激光器。
[0020]一種基于所述的單晶硅拉晶爐的熔融硅液面檢測方法的測量裝置，包括安裝在拉晶爐觀察口處的一字線激光器和相機(jī)，所述的一字線激光器和相機(jī)兩者之間呈一定角度，相機(jī)前方固定有濾光片。
[0021]所述的拉晶爐觀察口上還安裝有一塊降低觀察口溫度且對紅外波動的光線起抑制作用的圓形隔熱玻璃。
[0022]所述的一字線激光器為波長范圍在405nm~450nm的藍(lán)紫光一字線激光器。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:
[0024]本發(fā)明提供的單晶硅拉晶爐的熔融硅液面檢測方法及基于該方法的測量裝置，通過采用一字線激光器向拉晶爐的熱屏和熔融硅液面發(fā)射激光，并采用相機(jī)對熱屏及熔融硅液面反射的激光光斑的投影的采集，來計算出拉晶爐中熔融硅液面的實際液面高度變化，然后根據(jù)拉晶爐中熔融硅液面的實際高度合理的調(diào)整坩堝的升降速度，并控制拉晶速度，避免由于溶融娃液面的變化，而對晶體質(zhì)量的影響，提聞了拉晶品質(zhì)。
[0025]同時本發(fā)明采用一字線藍(lán)紫色激光對拉晶爐中熔融硅液面進(jìn)行非接觸式測量，避免了常規(guī)測量采用的紅外激光測距裝置中出現(xiàn)的爐體內(nèi)的紅外線與紅外激光混合在一起，探視器無法識別的問題。
[0026]此外，本發(fā)明在相機(jī)前方固定了一塊濾光片，濾光片帶寬較窄以便盡量減少除藍(lán)紫光以外的干擾光線的進(jìn)入。
[0027]進(jìn)一步地，由于觀察口溫度很高，在觀察口上加裝一塊圓形隔熱玻璃，且保證隔熱玻璃、觀察口、相機(jī)三者之間呈一定角度而不是不在一條直線上。隔熱玻璃在降低觀察口溫度的同時還能對紅外波動的光線起到抑制作用，減小雜散光進(jìn)入相機(jī)內(nèi)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明的熱屏成像示意圖；
[0029]圖2為本發(fā)明的測量原理圖；
[0030]圖3為本發(fā)明的測量過程的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖4為本發(fā)明相機(jī)采集到圖像；
[0032]圖5為經(jīng)過Sobel算子提取的邊緣圖像以及激光光斑的距離；
[0033]圖6為本發(fā)明提供的單晶硅拉晶爐的熔融硅液面檢測方法流程示意圖；
[0034]圖7、圖8為本發(fā)明的單晶硅拉晶爐的熔融硅液面檢測方法中的圖像處理示意圖。
【具體實施方式】
[0035]下面結(jié)合具體的 實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。
[0036]三角位移測量方法是因為入射光線和反射光線形成一個三角形而得名的，它的原理是從光源發(fā)射出一束光束到被測物體的表面，并且在另一個方向和位置上通過成像觀察反射光點的位置，從而可以得出被測物體表面的位移。
[0037]參見圖1至圖6，本發(fā)明一種單晶硅拉晶爐的熔融硅液面檢測方法，在單晶爐的觀察口上安裝一字線激光器和相機(jī)，激光器發(fā)射的激光光束經(jīng)觀察口照射到拉晶爐的熱屏和熔融硅液面上，高溫熔融硅近似于鏡面，熱屏上的激光在熔融硅上產(chǎn)生投影，入射到熔融硅上的激光在熱屏上產(chǎn)生投影，激光光束及其投影在相機(jī)上成像，對激光投影的光斑進(jìn)行圖像邊緣和中心提取，計算兩光斑中心的距離，從而得到光斑中心距離相對液口距的變化關(guān)系，具體包括以下步驟:
[0038]a.安裝測量裝置，該測量裝置包含一字線激光器、相機(jī)、鏡頭、濾光片以及隔熱玻璃，測量時將相機(jī)和一字線激光器等安裝在拉晶爐的觀察口處，并在相機(jī)前方固定有濾光片，在觀察口上安裝隔熱玻璃，且所述的隔熱玻璃、觀察口及相機(jī)之間呈一定角度。打開一字線激光器，使一字線激光發(fā)射的激光光束經(jīng)過安裝在拉晶爐觀察口上的圓形隔熱玻璃及觀察口入射到拉晶爐的熱屏和熔融硅液體上，高溫熔融硅近似于鏡面，熱屏上的激光在熔融硅液面上產(chǎn)生投影，入射到熔融硅液面上的激光在熱屏上產(chǎn)生投影，調(diào)整一字線激光和相機(jī)的角度使通過熔融硅液面和熱屏反射后的光斑能在相機(jī)上成像。
[0039]具體的，將一字線激光光束從拉晶爐的觀察口上斜射入熱屏和熔融硅液面上，由于熱屏和熔融硅液面有高度差，因而投射的一字線激光會被分成兩部分，投射到熔融硅液面的激光光束會在熔融硅表面產(chǎn)生鏡面反射，反射光束投影到熱屏上，熱屏邊緣經(jīng)人工打磨形成倒角，熔融硅液面的反射光束在熱屏倒角部分形成一個矩形光斑；照射在熱屏上的那部分激光光束在熱屏倒角上也會形成一個矩形光斑，這個矩形光斑會在熔融硅液面上產(chǎn)生投影。如果相機(jī)和一字線激光光源的安裝位置合適，相機(jī)正好能拍到這兩個投影矩形光斑，經(jīng)過幾何計算，當(dāng)兩個矩形光斑在同一水平線上時，這兩個矩形光斑之間的距離正好等于熱屏下邊緣到熔融硅液面的距離，因此測量了這兩個光斑的距離，相當(dāng)于測量了熱屏下邊緣到熔融硅液面的距離。
[0040]b.通過一字線激光器發(fā)射激光光束，由相機(jī)采集熔融硅液面上的矩形激光反射光斑以及熱屏上的矩形激光反射光斑的投影。
[0041]c.調(diào)整一字線激光器的位置，使得熱屏和熔融硅液面上的激光光斑處于同一條水平線上；調(diào)整相機(jī)鏡頭焦距，使得兩個反射激光光斑的亮度保持一致，能清晰的呈現(xiàn)在相機(jī)視野中。
[0042]d.對相機(jī)采集的矩形激光光斑經(jīng)過圖像處理算法，提取兩個光斑的邊緣以及光斑的中心點，計算出兩個矩形激光光斑的中心的距離，從而得到熱屏下邊緣到熔融硅液面的距離。
[0043]具體的，對矩形激光光斑進(jìn)行圖像處理采用以下的步驟:
[0044]首先，對采集到的光斑進(jìn)行去噪處理，具體為:采用邊緣檢測算法對圖像中局部強(qiáng)度變化最為顯著地部分進(jìn)行提取，對目標(biāo)與目標(biāo)，目標(biāo)與背景中感興趣部分提取。Sobel算子是一種一階微分算子或梯度算子。通過該方法求出圖像灰度變化的方向趨勢，增強(qiáng)灰度劇烈變化的區(qū)域，然后根據(jù)一定的閾值進(jìn)行取舍。梯度的大小表示了圖像邊緣的強(qiáng)度，梯度的方向為沿圖像邊緣的發(fā)現(xiàn)方向。Sobel算子對噪聲具有平滑作用，能夠提供較為精確的邊緣信息。Sobel邊緣算子包括兩個核，分別對垂直的邊緣和水平的邊緣的響應(yīng)最大。
【權(quán)利要求】
1.一種單晶硅拉晶爐的熔融硅液面檢測方法，其特征在于，包括以下步驟:a.安裝在拉晶爐觀察口處的測量裝置中的一字線激光器發(fā)射激光光束，使一字線激光器發(fā)射的激光光束入射到拉晶爐的熱屏和熔融硅液體上，安裝在拉晶爐觀察口的測量裝置中的相機(jī)采集熔融硅液面上的矩形激光反射光斑以及熱屏上的矩形激光反射光斑的投影； b.調(diào)整一字線激光器的位置，使得熱屏和熔融硅液面上的矩形激光光斑處于同一條水平線上；調(diào)整相機(jī)鏡頭焦距，使得兩個反射激光光斑的亮度保持一致，能清晰的呈現(xiàn)在相機(jī)視野中； c.對相機(jī)采集的矩形激光光斑經(jīng)過圖像處理算法，提取兩個光斑的邊緣以及光斑的中心點，計算出兩個矩形激光光斑的中心的距離，從而得到熱屏下邊緣到熔融硅液面的距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單晶硅拉晶爐的熔融硅液面檢測方法，其特征在于，所述方法在步驟c后還包括以下步驟: d.對測量裝置進(jìn)行標(biāo)定，將熔融硅液面位置上升5~10mm，穩(wěn)定后計算此時兩個矩形激光光斑之間像素位置的距離；將熔融硅液面下降5~10mm，穩(wěn)定后計算此時兩個矩形激光光斑之間像素位置的距離，得到兩個矩形光斑之間的像素值與實際液面位置數(shù)值之間的關(guān)系；根據(jù)兩個矩形光斑之間的像素值與實際液面位置數(shù)值之間的關(guān)系和實際測得的兩個矩形激光光斑中心的距離的像素值，換算出液面位置變化的實際值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單晶硅拉晶爐的熔融硅液面檢測方法，其特征在于，重復(fù)步驟f最終得到像素值與實際液面位置 之間的關(guān)系。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單晶硅拉晶爐的熔融硅液面檢測方法，其特征在于，步驟a)包括以下兩步: al.在拉晶爐的觀察口處安裝相機(jī)和一字線激光器，并在相機(jī)前方固定濾光片，打開一字線激光器，使一字線激光器發(fā)射的激光光束入射到拉晶爐的熱屏和熔融硅液體上，調(diào)整一字線激光器和相機(jī)的角度使通過熔融硅液面和熱屏反射后的光斑能在相機(jī)上成像； a2.通過一字線激光器發(fā)射激光光束，由相機(jī)米集熔融娃液面上的矩形激光反射光斑以及熱屏上的矩形激光反射光斑的投影。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單晶硅拉晶爐的熔融硅液面檢測方法，其特征在于，所述的一字線激光器發(fā)射的激光光束經(jīng)過安裝在觀察口上的圓形隔熱玻璃及觀察口照射到拉晶爐的熱屏和熔融硅液面上，高溫熔融硅近似于鏡面，熱屏上的激光在熔融硅液面上產(chǎn)生投影，入射到熔融硅液面上的激光在熱屏上產(chǎn)生投影，相機(jī)采集熔融硅液面上的矩形激光反射光斑以及熱屏上的矩形激光反射光斑的投影； 步驟c為:對相機(jī)采集到的矩形激光光斑，利用相機(jī)自帶軟件中的Blob算法獲取矩形光斑的最左側(cè)的點和最右側(cè)的點，然后再用自帶軟件中的Measurement算法里的點到點的距離，測出兩個矩形光斑之間的最短距離。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的單晶硅拉晶爐的熔融硅液面檢測方法，其特征在于，所述的隔熱玻璃、觀察口及相機(jī)之間呈一定角度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單晶硅拉晶爐的熔融硅液面檢測方法，其特征在于，所述的一字線激光器為波長范圍在405nm~450nm的藍(lán)紫光一字線激光器。
8.一種基于權(quán)利要求1所述的單晶硅拉晶爐的熔融硅液面檢測方法的測量裝置，其特征在于，包括安裝在拉晶爐觀察口處的一字線激光器和相機(jī)，所述的一字線激光器和相機(jī)兩者之間呈一定角度，相機(jī)前方固定有濾光片。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的測量裝置，其特征在于，所述的拉晶爐觀察口上還安裝有一塊降低觀察口溫度且對紅外波動的光線起抑制作用的圓形隔熱玻璃。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的測量裝置，其特征在于，所述的一字線激光器為波長范圍在.405nm~450nm的藍(lán)紫光一字線激光器。
【文檔編號】C30B15/26GK103628131SQ201310660636
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月6日
【發(fā)明者】楊欣, 王軍會, 何茜, 奈斌 申請人:西安德伍拓自動化傳動系統(tǒng)有限公司