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直拉硅單晶爐的硅熔體液面位置及單晶棒直徑的測量方法

文檔序號:5867514閱讀:437來源:國知局
專利名稱:直拉硅單晶爐的硅熔體液面位置及單晶棒直徑的測量方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種硅單晶生產(chǎn)中的測量方法,特別涉及一種基于CCD測量的直拉硅單晶爐的硅熔體液面位置及單晶棒直徑的測量方法。
背景技術(shù)
半導(dǎo)體硅單晶大部分采用切克勞斯基(Czochralski)法制造。在這種方法中,多晶硅被裝進石英坩堝內(nèi),加熱熔化,然后將熔硅略作降溫,給予一定的過冷度,把一支特定晶向的硅單晶體(稱作籽晶)與熔體硅接觸,通過調(diào)整熔體的溫度和籽晶向上提升速度,使籽晶體長大至接近目標直徑時,提高提升速度,使單晶體接近恒定直徑生長。在生長過程的收尾,此時坩堝內(nèi)的硅熔體尚未完全消失,通過增加晶體的提升速度和調(diào)整向坩堝提供的熱量將晶體直徑漸漸減小而形成一個尾形錐體,當錐體的尖端足夠小時,晶體就會與熔體脫離,從而完成晶體的生長過程。在晶體生長過程中,由于潛熱的釋放,在晶體與液面接觸部分會形成一個溫度很高、很亮的光環(huán)。 由原蘇聯(lián)科學(xué)家Voronkov提出的V/G理論,揭示了硅單晶生長條件與晶體內(nèi)的缺陷對應(yīng)的規(guī)律。這里G就是指生長界面處的縱向溫度梯度。而縱向溫度梯度在很大程度上由熔體的位置決定的,所謂熔體的位置是指熱屏裝置的下端面與硅熔體液面的距離,如圖1中D所示。因而控制了該距離就等于控制了晶體的缺陷,對于提高半導(dǎo)體硅單晶的質(zhì)量是很重要的手段。 為了維持晶體生長界面處的溫度梯度,保證晶體晶體生長過程中需要使熔體水平面在熱場中具有固定的高度。傳統(tǒng)的做法有一種是設(shè)置一個坩堝上升同晶體提拉速度的比率e ,俗稱"堝隨比",通過一個稱重裝置獲得熔體重量及已知的坩堝形狀來調(diào)節(jié)e的值。比率的計算假定坩堝外形一致性很好、無變形,并假設(shè)晶體直徑是固定值,而在實際的晶體生長過程中晶體直徑是存在波動,坩堝形狀也變化的,從而造成液面位置控制精度差。還有一種方法是使用一個激光發(fā)生裝置與一個激光接收裝置,通過激光在液面的發(fā)射變化來測量液面的位置值,該方法測量精度高,但是價格昂貴,并對熱場要求高,熱場中不能有擋住激光回路的部件,因此在新型帶熱屏裝置的熱場中,由于熱屏擋住了激光回來,因此該方法幾乎無法使用。
發(fā)明內(nèi)容 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是,克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足,提供一種基于CCD測量的
直拉硅單晶爐的硅熔體液面位置及單晶棒直徑的測量方法。 為了解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的 本發(fā)明提供了一種直拉硅單晶爐的硅熔體液面位置的測量方法,包括步驟 (1)使用安裝在單晶爐觀測窗口的CCD攝像頭獲取單晶棒與硅熔體液面相交形成
的光圈圖像信號,并將信號經(jīng)過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換后傳送至計算機系統(tǒng); (2)計算機系統(tǒng)中的sobel算子模塊提取光圈圖像中的圖像邊緣,得到光圈的橢圓形的像素坐標圖; (3)計算機系統(tǒng)中的正圓擬合模塊根據(jù)公式(1)、 (2),將像素坐標圖橢圓形的邊
緣擬合成正圓; ax = Ax (1) ay= (Ay-fy)/C0Se+fy (2) 上述公式中AX為某一個像素在橢圓上的X坐標值,ax為該像素轉(zhuǎn)換為正圓后的x 坐標值;Ay為某一個像素在橢圓上的Y坐標值,ay為該像素轉(zhuǎn)換成正圓后的y坐標值,fy為 橢圓圖在y坐標上最小的那個像素的y坐標值,e為CCD攝像頭中心線與豎直方向之間的 夾角; (4)計算機系統(tǒng)中的圓心位置計算模塊根據(jù)公式(3)獲取該正圓中心點的像素坐 標位置 r =氺 廣0》2?!? (3) 公式(3)中,r為正圓的半徑,nx為n處像素的X坐標值,ny為n處像素的y坐標 值,ox為正圓中心點像素x坐標值,oy為正圓中心點像素x坐標值;在上述正圓弧上任取n 個點,n > 3,進行圓心位置的計算,并取其平均值作為最終結(jié)果值; (5)計算機系統(tǒng)中的液面高度計算模塊根據(jù)公式(7)獲取硅熔體液面高度數(shù)值 y = A:.^^ + r0 (7) sin 6* 公式(7)中,Y為硅熔體的液面高度值,k為像素轉(zhuǎn)換為實際距離的比例系數(shù),Oy為 計算所得的圓心Y軸坐標位置,Oy。為預(yù)先設(shè)置參考圓的圓心Y軸坐標位置,e為CCD攝像 頭中心線與豎直方向之間的夾角,Y。為預(yù)先設(shè)置參考圓的硅熔體液面高度值。
作為改進,所述CCD攝像頭的中心線與豎直方向呈20度的夾角,且俯視單晶棒與 硅熔體液面相交形成的光圈處。 本發(fā)明還提供了一種直拉硅單晶爐的單晶棒直徑的測量方法,包括步驟 (1)使用安裝在單晶爐觀測窗口的CCD攝像頭獲取單晶棒與硅熔體液面相交形成
的光圈圖像信號,并將信號經(jīng)過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換后傳送至計算機系統(tǒng); (2)計算機系統(tǒng)中的sobel算子模塊提取光圈圖像中的圖像邊緣,得到光圈的橢 圓形的像素坐標圖; (3)計算機系統(tǒng)中的正圓擬合模塊根據(jù)公式(1) 、 (2),將像素坐標圖橢圓形的邊
緣擬合成正圓; ax = Ax (1) ay= (Ay-fy)/C0Se+fy(2) 上述公式中AX為某一個像素在橢圓上的X坐標值,ax為該像素轉(zhuǎn)換為正圓后的x 坐標值;Ay為某一個像素在橢圓上的Y坐標值,ay為該像素轉(zhuǎn)換成正圓后的y坐標值,fy為 橢圓圖在y坐標上最小的那個像素的y坐標值,e為CCD攝像頭中心線與豎直方向之間的 夾角; (4)計算機系統(tǒng)中的圓心位置計算模塊根據(jù)公式(3)獲取該正圓中心點的像素坐 標位置
r =無-0j2+( -0》2 (3) 公式(3)中,r為正圓的半徑,nx為n處像素的X坐標值,ny為n處像素的y坐標 值,ox為正圓中心點像素x坐標值,oy為正圓中心點像素x坐標值;在上述正圓弧上任取n 個點,n > 3,進行圓心位置的計算,并取其平均值作為最終結(jié)果值;
(5)計算機系統(tǒng)中的直徑計算模塊根據(jù)公式(8)獲取單晶棒直徑的數(shù)值
D = 2 k r (8) 公式(8)中,D為單晶棒的直徑,k為像素轉(zhuǎn)換為實際距離的比例系數(shù)。 作為改進,所述CCD攝像頭的中心線與豎直方向呈20度的夾角,且俯視單晶棒與
硅熔體液面相交形成的光圈處。 與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的有益效果是 通過本發(fā)明可以實時監(jiān)控熔體液面的相對位置的變化,這一位置變化會對應(yīng)CCD 檢測影像的像素變化,通過圖像處理軟件分析像素值增減來判斷液面的位置變化,通過獲 得的液面位置值就可以精確控制液面位置值。并同時可實時測量單晶棒的直徑。


圖1為本發(fā)明裝置圖; 圖2是本發(fā)明的原理圖; 圖3是CCD攝像頭獲取的光圈圖像; 圖4是將圖3中光圈圖像轉(zhuǎn)換后得到的正圓的坐標像素圖; 圖5是利用圖4進行圓心位置的計算示意圖。 圖中附圖標記為 圖1中單晶棒1 ;熱屏裝置2 ;光圈3 ;硅熔體4 ;硅熔體液面與熱屏的距離D ;CCD
攝像頭5 ; 圖2中單晶棒1 ;CCD像素矩陣6 ;Y1、Y2為兩個不同高度的硅熔體液面位置;Al、 A2為Y1、Y2高度下,單晶棒的光圈圖像在CCD圖像的矩陣的中心的位置。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖,通過對具體實施例的描述詳細表述本發(fā)明的內(nèi)容。
圖1中直拉硅單晶爐的坩堝爐體中設(shè)置熱屏裝置2,單晶棒1與硅熔體4相接,
單晶棒1與硅熔體液面相交形成的光圈3。硅熔體液面與熱屏裝置2的距離為D,該距離數(shù)
值的變化將直接影響單晶的品質(zhì),也是本發(fā)明測量液面位置后進行控制的所在點。CCD攝像
頭5安裝在單晶爐觀測窗口處,用于圖像的特征捕捉,其安裝位置是使中心線與豎直方向
呈20度的夾角,且俯視光圈3處。 圖2中Y1、 Y2是兩個不同高度的硅熔體液面位置;A1、 A2是在Yl、 Y2高度下,單 晶棒1的光圈3的圖像在CCD圖像的矩陣的中心的位置。其具體原理為當硅熔體液面位 置從Y1處下降到Y(jié)2處后,單晶棒1的光圈3的圖像位置在CCD圖像的矩陣的位置也會相 應(yīng)地發(fā)生變化,光圈3的中心位置會從A1變化到A2。而該中心位置的變化不會受到直徑值 變化的影響,因此具有與液面位置變化固有的關(guān)系。 在通過CCD攝像頭5獲得的圖像中,由于單晶棒1的遮擋,光圈3呈現(xiàn)為一段圓弧,由于光圈3的平面與CCD攝像頭5呈一定的角度,因此該圓弧是一個橢圓形的弧,如圖3所示。 本發(fā)明中,硅熔體液面位置與單晶棒直徑測量的前面幾個步驟是相同的 (1)使用安裝在單晶爐觀測窗口的CCD攝像頭6獲取單晶棒1與硅熔體液面相交
形成的光圈3的圖像信號,并將信號經(jīng)過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換后傳送至計算機系統(tǒng); (2)計算機系統(tǒng)中的sobel算子模塊提取光圈3圖像中的圖像邊緣,得到光圈3的
橢圓形的像素坐標圖; 由于光圈3亮度大大于周圍液面的亮度,因此邊緣界限很明顯,可以通過sobel算 子提取出光圈3的圖像邊緣。 索貝爾算子(Sobel operator)是圖像處理中的算子之一,主要用作邊緣檢測。在 技術(shù)上,它是一離散性差分算子,用來運算圖像亮度函數(shù)的梯度之近似值。在圖像的任何一 點使用此算子,將會產(chǎn)生對應(yīng)的梯度矢量或是其法矢量。該算子包含兩組3x3的矩陣,分別 為橫向及縱向,將之與圖像作平面巻積,即可分別得出橫向及縱向的亮度差分近似值。
(3)計算機系統(tǒng)中的正圓擬合模塊根據(jù)公式(1) 、 (2),將像素坐標圖橢圓形的邊 緣擬合成正圓; ax = Ax (1) ay = (Ay-fy)/cos e +fy (2) 上述公式中AX為某一個像素在橢圓上的X坐標值,ax為該像素轉(zhuǎn)換為正圓后的x 坐標值;Ay為某一個像素在橢圓上的Y坐標值,ay為該像素轉(zhuǎn)換成正圓后的y坐標值,fy為 橢圓圖在y坐標上最小的那個像素的y坐標值,e為CCD攝像頭中心線與豎直方向之間的 夾角; (4)計算機系統(tǒng)中的圓心位置計算模塊根據(jù)公式(3)獲取該正圓中心點的像素坐 標位置r = -ox)2 +( -o》2 (3) 公式(3)中,r為正圓的半徑,nx為n處像素的X坐標值,ny為n處像素的y坐標 值,ox為正圓中心點像素x坐標值,oy為正圓中心點像素x坐標值;在上述正圓弧上任取n 個點,n > 3,進行圓心位置的計算,并取其平均值作為最終結(jié)果值; 如圖5所示,取圓弧上e、f、g不同的3個點。通過公式(4) 、 (5) 、 (6)的求解就可 以得到r和 ,Oy,為了減少計算誤差,可以取多組數(shù)據(jù),獲得多組結(jié)果,然后進行平均,將平 均值做為最終的結(jié)果。r = #廣oj2+(e廣o》2 (4) r—o;—0,)2+(力— )2 (5)
"如廣oj2+(g廣o》2 (6)
進而,可以根據(jù)公式(7)得到液面位置值為 y4.0y- +y。 (7) sin夕 公式(7)中,Y為硅熔體的液面高度值,k為像素轉(zhuǎn)換為實際距離的比例系數(shù),Oy為計算所得的圓心Y軸坐標位置,Oy。為預(yù)先設(shè)置參考圓的圓心Y軸坐標位置,e為CCD攝像 頭中心線與豎直方向之間的夾角,Y。為預(yù)先設(shè)置參考圓的硅熔體液面高度值。
還可以根據(jù)公式(8)得到液面位置值為
單晶棒的直徑值為D = 2 k r (8) 公式(8)中,D為單晶棒的直徑,k為像素轉(zhuǎn)換為實際距離的比例系數(shù)。 在得到硅熔體液面位置值和單晶棒的直徑值后,計算機系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)置的條件,
象單晶爐提拉控制系統(tǒng)發(fā)出控制信號,實現(xiàn)精確控制。 本發(fā)明中,前面提到的sobel算子模塊、正圓擬合模塊、圓心位置計算模塊、液面 高度計算模塊、直徑計算模塊均為內(nèi)置于計算機系統(tǒng)存儲器上的軟件功能模塊,在接收到 相關(guān)數(shù)據(jù)信息并完成計算后,根據(jù)本發(fā)明設(shè)定步驟將相關(guān)結(jié)果傳遞至下一個功能模塊。其 軟件實現(xiàn)方式系本領(lǐng)域技術(shù)人員的基本技能,因此不再贅述。 最后,還需要注意的是,以上列舉的僅是本發(fā)明的具體實施例。顯然,本發(fā)明不限 于以上實施例,還可以有許多變形。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本發(fā)明公開的內(nèi)容直接導(dǎo) 出或聯(lián)想到的所有變形,均應(yīng)認為是本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
一種直拉硅單晶爐的硅熔體液面位置的測量方法,包括步驟(1)使用安裝在單晶爐觀測窗口的CCD攝像頭獲取單晶棒與硅熔體液面相交形成的光圈圖像信號,并將信號經(jīng)過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換后傳送至計算機系統(tǒng);(2)計算機系統(tǒng)中的sobel算子模塊提取光圈圖像中的圖像邊緣,得到光圈的橢圓形的像素坐標圖;(3)計算機系統(tǒng)中的正圓擬合模塊根據(jù)公式(1)、(2),將像素坐標圖橢圓形的邊緣擬合成正圓;ax=Ax (1)ay=(Ay-fy)/cosθ+fy (2)上述公式中Ax為某一個像素在橢圓上的X坐標值,ax為該像素轉(zhuǎn)換為正圓后的x坐標值;Ay為某一個像素在橢圓上的Y坐標值,ay為該像素轉(zhuǎn)換成正圓后的y坐標值,fy為橢圓圖在y坐標上最小的那個像素的y坐標值,θ為CCD攝像頭中心線與豎直方向之間的夾角;(4)計算機系統(tǒng)中的圓心位置計算模塊根據(jù)公式(3)獲取該正圓中心點的像素坐標位置 <mrow><mi>r</mi><mo>=</mo><msqrt> <msup><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>n</mi><mi>x</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>o</mi><mi>x</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>n</mi><mi>y</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>o</mi><mi>y</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mn>2</mn> </msup></msqrt><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>公式(3)中,r為正圓的半徑,nx為n處像素的X坐標值,ny為n處像素的y坐標值,ox為正圓中心點像素x坐標值,oy為正圓中心點像素x坐標值;在上述正圓弧上任取n個點,n>3,進行圓心位置的計算,并取其平均值作為最終結(jié)果值;(5)計算機系統(tǒng)中的液面高度計算模塊根據(jù)公式(7)獲取硅熔體液面高度數(shù)值 <mrow><mi>Y</mi><mo>=</mo><mi>k</mi><mo>&CenterDot;</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>o</mi> <mi>y</mi></msub><mo>-</mo><msub> <mi>o</mi> <mrow><mi>y</mi><mn>0</mn> </mrow></msub> </mrow> <mrow><mi>sin</mi><mi>&theta;</mi> </mrow></mfrac><mo>+</mo><msub> <mi>Y</mi> <mn>0</mn></msub><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>7</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>公式(7)中,Y為硅熔體的液面高度值,k為像素轉(zhuǎn)換為實際距離的比例系數(shù),oy為計算所得的圓心Y軸坐標位置,oy0為預(yù)先設(shè)置參考圓的圓心Y軸坐標位置,θ為CCD攝像頭中心線與豎直方向之間的夾角,Y0為預(yù)先設(shè)置參考圓的硅熔體液面高度值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述直拉硅單晶爐的硅熔體液面位置的測量方法,其特征在于,所 述CCD攝像頭的中心線與豎直方向呈20度的夾角,且俯視單晶棒與硅熔體液面相交形成的 光圈處。
3. —種直拉硅單晶爐的單晶棒直徑的測量方法,包括步驟(1) 使用安裝在單晶爐觀測窗口的CCD攝像頭獲取單晶棒與硅熔體液面相交形成的光 圈圖像信號,并將信號經(jīng)過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換后傳送至計算機系統(tǒng);(2) 計算機系統(tǒng)中的sobel算子模塊提取光圈圖像中的圖像邊緣,得到光圈的橢圓形 的像素坐標圖;(3) 計算機系統(tǒng)中的正圓擬合模塊根據(jù)公式(1)、 (2),將像素坐標圖橢圓形的邊緣擬 合成正圓;<formula>formula see original document page 2</formula>上述公式中AX為某一個像素在橢圓上的X坐標值,ax為該像素轉(zhuǎn)換為正圓后的x坐標值;Ay為某一個像素在橢圓上的Y坐標值,ay為該像素轉(zhuǎn)換成正圓后的y坐標值,fy為橢圓圖在y坐標上最小的那個像素的y坐標值,e為CCD攝像頭中心線與豎直方向之間的夾角;(4) 計算機系統(tǒng)中的圓心位置計算模塊根據(jù)公式(3)獲取該正圓中心點的像素坐標位置公式(3)中,r為正圓的半徑,r^為n處像素的X坐標值,riy為n處像素的y坐標值, 為正圓中心點像素x坐標值,0y為正圓中心點像素x坐標值;在上述正圓弧上任取n個點,n > 3,進行圓心位置的計算,并取其平均值作為最終結(jié)果值;(5) 計算機系統(tǒng)中的直徑計算模塊根據(jù)公式(8)獲取單晶棒直徑的數(shù)值D = 2 k r (8)公式(8)中,D為單晶棒的直徑,k為像素轉(zhuǎn)換為實際距離的比例系數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述直拉硅單晶爐的單晶棒直徑的測量方法,其特征在于,所述CCD攝像頭的中心線與豎直方向呈20度的夾角,且俯視單晶棒與硅熔體液面相交形成的光圈處。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種硅單晶生產(chǎn)中的測量方法,旨在提供一種基于CCD測量的直拉硅單晶爐的硅熔體液面位置及單晶棒直徑的測量方法。該方法包括使用CCD攝像頭獲取單晶棒與硅熔體液面相交形成的光圈圖像信號,并將信號經(jīng)過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換后傳送至計算機系統(tǒng);提取光圈圖像中的圖像邊緣,得到光圈的橢圓形的像素坐標圖;將像素坐標圖橢圓形的邊緣擬合成正圓;獲取該正圓中心點的像素坐標位置;獲取硅熔體液面高度數(shù)值和單晶棒直徑的數(shù)值。通過本發(fā)明可以實時監(jiān)控熔體液面的相對位置的變化,這一位置變化會對應(yīng)CCD檢測影像的像素變化,通過圖像處理軟件分析像素值增減來判斷液面的位置變化,通過獲得的液面位置值就可以精確控制液面位置值。
文檔編號G01B11/08GK101782414SQ20101010418
公開日2010年7月21日 申請日期2010年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月28日
發(fā)明者傅林堅, 張俊, 曹建偉, 邱敏秀 申請人:杭州慧翔電液技術(shù)開發(fā)有限公司
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