專利名稱：多晶硅還原爐多參量在線監(jiān)測與優(yōu)化控制裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及硅還原爐生產(chǎn)領(lǐng)域，具體涉及一種多晶硅還原爐多參量在線監(jiān)測與優(yōu)化控制裝置及方法。
背景技術(shù)：
多晶硅是電子工業(yè)與太陽能產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)原料，廣泛用于半導(dǎo)體芯片、高性能傳感器、光纖、太陽能電池板等。至2010年，全球多晶硅產(chǎn)量達(dá)到12萬噸，而中國已占總產(chǎn)量的50%，產(chǎn)值近400億人民幣。預(yù)計(jì)2011年，全球多晶硅產(chǎn)量將達(dá)到16萬噸，而中國所占比例則將提高到總產(chǎn)量的60%以上。還原爐內(nèi)硅棒表面的溫度分布、棒徑、生長率等參量是提高硅棒生長質(zhì)量的關(guān)鍵 環(huán)節(jié)。在多晶硅棒生長過程中，溫度增高，硅在硅芯上的沉積速率增加，硅棒生長加快，但耗能過多，溫度越高，氣相條件越苛刻，硅棒的均勻性越差；溫度降低，硅的沉積速率變慢，當(dāng)溫度低于一定值時(shí)，硅棒容易斷裂，影響生長的繼續(xù)進(jìn)行。另外，硅棒的直徑隨時(shí)間的變化是溫度調(diào)節(jié)以及進(jìn)料氣體組分配比的重要依據(jù)，不合理的配比會使硅棒生長速率下降，大量消耗能源。因此，就迫切需要一種能在還原爐內(nèi)在線監(jiān)測這些參量并進(jìn)行閉環(huán)優(yōu)化控制的設(shè)備。但是在目前國內(nèi)外對還原爐內(nèi)硅棒多參量的在線測量及優(yōu)化控制都進(jìn)行的理論研究與探索性的試驗(yàn)，并沒有成熟的儀器設(shè)備進(jìn)入生產(chǎn)應(yīng)用。世界上，即使在多晶硅生產(chǎn)工藝控制方面處于技術(shù)領(lǐng)先地位的德國西門子公司、日本三菱電機(jī)公司等也均沒有成熟的在線監(jiān)測與控制的設(shè)備；在國內(nèi)更是空白，目前，還原爐內(nèi)的多參量(如硅棒直徑、溫度等)的在線監(jiān)測及優(yōu)化控制基本上停留在理論研究階段。直至目前，在全國千余座多晶硅還原爐的實(shí)際生產(chǎn)中，采用的均是以預(yù)設(shè)經(jīng)驗(yàn)曲線為基礎(chǔ)的開環(huán)式控制模式，溫度是靠通過觀測窗的點(diǎn)測溫，以點(diǎn)帶面，而直徑的測量完全靠工人工作的經(jīng)驗(yàn)?zāi)繙y大概地進(jìn)行估計(jì)，顯然這種方法具有一定主觀性與偶然性。鑒于此，研制了一種可在還原爐內(nèi)對硅棒表面的溫度分布、棒徑、生長率等參量進(jìn)行在線測量并進(jìn)行閉環(huán)優(yōu)化控制的設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決了多晶硅生長過程的多參量實(shí)時(shí)監(jiān)測及優(yōu)化控制的技術(shù)難題，研制了一種硅棒表面溫度分布、硅棒直徑、生長率等參量的在線準(zhǔn)確測量并進(jìn)行閉環(huán)優(yōu)化控制的設(shè)備。對節(jié)能降耗、提高生產(chǎn)效率、保障生產(chǎn)安全、減輕勞動強(qiáng)度均有極為重要的意義。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是多晶硅還原爐多參量在線監(jiān)測與優(yōu)化控制裝置，其特征在于，包括有多參量紅外監(jiān)測探頭、紅外圖像處理與視覺測量模塊、工藝優(yōu)化控制模塊，所述的多參量紅外監(jiān)測探頭包括有近紅外光學(xué)系統(tǒng)、圖像采集模塊，多參量紅外監(jiān)測探頭外部裝有水冷防護(hù)罩，水冷防護(hù)罩的前端設(shè)有水冷型密封耐壓觀測窗，多參量紅外監(jiān)測探頭深入到多晶硅還原爐內(nèi)；所述的紅外圖像處理與視覺測量模塊包括有紅外圖像處理模塊和視覺測量模塊，紅外圖像處理模塊依次相連的數(shù)據(jù)采集模塊、圖像處理模塊，視覺測量模塊包括有比色測溫模塊、直徑測量模塊，圖像處理模塊的輸出端分別與比色測溫模塊、直徑測量模塊連接，比色測溫模塊、直徑測量模塊的輸出端均接入數(shù)據(jù)輸出接口、用戶接口，數(shù)據(jù)輸出接口外接有工藝優(yōu)化控制模塊，用戶接口外接顯示器，工藝優(yōu)化控制模塊通過一個(gè)數(shù)據(jù)接口與原控制系統(tǒng)連接。所述的工藝優(yōu)化控制模塊為閉環(huán)優(yōu)化控制模型。 所述的圖像采集模塊為紅外(XD相機(jī)。多晶硅還原爐多參量在線監(jiān)測與優(yōu)化控制的方法，其特征在于，包括以下具體步驟I)多參量紅外監(jiān)測探頭通過選取最優(yōu)紅外波段和高靈敏度的紅外CXD相機(jī)，通過近紅外光學(xué)系統(tǒng)、紅外CCD相機(jī)獲得爐內(nèi)硅棒生長的圖像信號，并經(jīng)過數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換，獲得多晶硅硅棒的紅外數(shù)字圖像；2)將上述獲得的紅外數(shù)字圖像送入圖像處理模塊，并經(jīng)圖像處理模塊進(jìn)行圖像預(yù)處理與分割，結(jié)合具體的圖像，通過圖像去噪算法和平滑濾波算法，最大限度的保護(hù)了圖像表面溫度分布特征；通過進(jìn)行輪廓跟蹤找出封閉的邊緣，并進(jìn)行亞像素級邊緣檢測和直線擬合，得到較高精度的圖像邊緣；3)將上述處理過的圖像輸送到視覺測量模塊的直徑測量模塊中，首先進(jìn)行紅外CCD相機(jī)的標(biāo)定得到相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，根據(jù)Hough直線擬合算法進(jìn)行最初目標(biāo)圖像邊緣的選取，然后對圖像進(jìn)行小區(qū)域邊緣的跟蹤；在魯棒性估計(jì)的基本矩陣指導(dǎo)下進(jìn)行對應(yīng)點(diǎn)匹配；最后，根據(jù)以上算法將測量的像素值與實(shí)際單位制尺度進(jìn)行換算，得到硅棒的實(shí)時(shí)直徑數(shù)據(jù)；4)將步驟2中處理的圖像輸送到比色測溫模塊中，利用比色測溫模塊中的圖像處理系統(tǒng)對圖像進(jìn)行壞點(diǎn)的修正，對圖像進(jìn)行分割、平滑、分層、灰度轉(zhuǎn)換，然后調(diào)用數(shù)據(jù)庫，對灰度曲線進(jìn)行擬合，對溫度進(jìn)行標(biāo)定，完成測溫；5)將步驟3、4中獲得的硅棒直徑和表面溫度數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)輸出接口輸送到工藝優(yōu)化控制模塊中，結(jié)合工況信息建立優(yōu)化控制模型，以反饋指導(dǎo)硅棒在最合理的工藝條件下進(jìn)行生長；6)將上述獲得的硅棒直徑和表面溫度數(shù)據(jù)輸出到終端，得到硅棒的實(shí)時(shí)直徑和生長率，及硅棒表面任一點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度，并在顯示器中顯示。本發(fā)明的工作原理是本發(fā)明通過多參量紅外監(jiān)測探頭(NICXD)獲取爐內(nèi)硅棒紅外圖像，經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊采集、轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像后再由圖像處理模塊進(jìn)行分析、處理，通過視覺測量技術(shù)得到硅棒直徑和生長率，采用比色測溫方法測量硅棒表面的溫度分布，所得數(shù)據(jù)經(jīng)用戶接口接入顯示器通過分析獲取的測量數(shù)據(jù)，建立優(yōu)化控制模型，結(jié)合不同多晶硅還原爐型進(jìn)行閉環(huán)優(yōu)化控制。本發(fā)明的有益效果在于I)本發(fā)明與現(xiàn)有的測溫設(shè)備相比具有測溫范圍大、精度高，長期連續(xù)測量等優(yōu)占.2)本發(fā)明與目前人工經(jīng)驗(yàn)估算硅棒直徑及生長率相比，具有可連續(xù)、精確測量的優(yōu)點(diǎn)；3)本發(fā)明與現(xiàn)有的固定控制模式相比，具有可針對不同爐型及工況，提供相應(yīng)的閉環(huán)優(yōu)化控制模型的優(yōu)點(diǎn)。


圖I為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能框圖。圖2本發(fā)明的優(yōu)化控制模型示意圖，圖3為硅棒生長過程中表面溫度監(jiān)測結(jié)果示意圖。圖4為硅棒生長過程中硅棒直徑監(jiān)測結(jié)果示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說時(shí)，但不應(yīng)該以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)組成如圖I所示。多晶硅還原爐多參量在線監(jiān)測與優(yōu)化控制裝置，其特征在于，包括有多參量紅外監(jiān)測探頭I、紅外圖像處理與視覺測量模塊2、工藝優(yōu)化控制模塊3，多參量紅外監(jiān)測探頭I包括有近紅外光學(xué)系統(tǒng)4、圖像采集模塊5，多參量紅外監(jiān)測探頭外部裝有水冷防護(hù)罩，水冷防護(hù)罩的前端設(shè)有水冷型密封耐壓觀測窗，多參量紅外監(jiān)測探頭深入到多晶硅還原爐內(nèi)；紅外圖像處理與視覺測量模塊2包括有紅外圖像處理模塊和視覺測量模塊，紅外圖像處理模塊依次相連的數(shù)據(jù)采集模塊6、圖像處理模塊7，視覺測量模塊包括有比色測溫模塊8、直徑測量模塊9，圖像處理模塊7的輸出端分別與比色測溫模塊8、直徑測量模塊9連接，比色測溫模塊8、直徑測量模塊9的輸出端均接入數(shù)據(jù)輸出接口 12、用戶接口 10，數(shù)據(jù)輸出接口外接有工藝優(yōu)化控制模塊3，用戶接口外接顯示器11，工藝優(yōu)化控制模塊3通過一個(gè)數(shù)據(jù)接口與原控制系統(tǒng)連接。工藝優(yōu)化控制模塊3為閉環(huán)優(yōu)化控制模型。圖像采集模塊5為紅外CXD相機(jī)。多晶硅還原爐多參量在線監(jiān)測與優(yōu)化控制的方法，包括以下具體步驟I)多參量紅外監(jiān)測探頭I通過選取最優(yōu)紅外波段和高靈敏度的紅外CXD相機(jī)，通過近紅外光學(xué)系統(tǒng)4、紅外CXD相機(jī)獲得爐內(nèi)硅棒生長的圖像信號，并經(jīng)過數(shù)據(jù)采集模塊6進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，獲得多晶硅硅棒的紅外數(shù)字圖像；2)將上述獲得的紅外數(shù)字圖像送入圖像處理模塊7，并經(jīng)圖像處理模塊7進(jìn)行圖像預(yù)處理與分割，結(jié)合具體的圖像，通過圖像去噪算法和平滑濾波算法，最大限度的保護(hù)了圖像表面溫度分布特征；通過進(jìn)行輪廓跟蹤找出封閉的邊緣，并進(jìn)行亞像素級邊緣檢測和直線擬合，得到較高精度的圖像邊緣；3)將上述處理過的圖像輸送到視覺測量模塊的直徑測量模塊9中，首先進(jìn)行紅外CCD相機(jī)的標(biāo)定得到相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，根據(jù)Hough直線擬合算法進(jìn)行最初目標(biāo)圖像邊緣的選取，然后對圖像進(jìn)行小區(qū)域邊緣的跟蹤；在魯棒性估計(jì)的基本矩陣指導(dǎo)下進(jìn)行對應(yīng)點(diǎn)匹配；最后，根據(jù)以上算法將測量的像素值與實(shí)際單位制尺度進(jìn)行換算，得到硅棒的實(shí)時(shí)直徑數(shù)據(jù)；
4)將步驟2中處理的圖像輸送到比色測溫模塊8中，利用比色測溫模塊中的圖像處理系統(tǒng)對圖像進(jìn)行壞點(diǎn)的修正，對圖像進(jìn)行分割、平滑、分層、灰度轉(zhuǎn)換，然后調(diào)用數(shù)據(jù)庫，對灰度曲線進(jìn)行擬合，對溫度進(jìn)行標(biāo)定，完成測溫；5)將步驟3、4中獲得的硅棒直徑和表面溫度數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)輸出接口輸送到工藝優(yōu)化控制模塊3中，結(jié)合工況信息建立優(yōu)化控制模型，以反饋指導(dǎo)硅棒在最合理的工藝條件下進(jìn)行生長；6)將上述獲得的硅棒直徑和表面溫度數(shù)據(jù)輸出到終端，得到硅棒的實(shí)時(shí)直徑和生長率，及娃棒表面任一點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度，并在顯不器11中顯不。本發(fā)明的發(fā)明原理如下在視覺測量模塊中，根據(jù)所拍攝的硅棒生長圖像測出量硅棒的實(shí)時(shí)生長直徑。
(I)相機(jī)系統(tǒng)的標(biāo)定將在圖像處理中得到的像素值轉(zhuǎn)化為實(shí)際單位制尺度值，需要標(biāo)定系統(tǒng)，即確定相機(jī)的幾何攝像模型。已知空間靶標(biāo)三維點(diǎn)齊次坐標(biāo)為說=[U，Al]"，其對應(yīng)的二維像點(diǎn)
齊次坐標(biāo)為m = [m, Vjjr，空間點(diǎn)沿與圖像點(diǎn)沿之間的射影關(guān)系為sm = A[R /}\7利用最小二乘法解超定線性方程組，給出外部參數(shù)；求解內(nèi)部參數(shù)，如果攝像機(jī)無透鏡畸變，可由一個(gè)超定線性方程解出，如果存在徑向畸變，則通過一個(gè)三變量的優(yōu)化搜索求解。最終求解出內(nèi)部和外部參數(shù)，焦距f，徑向畸變系數(shù)k，旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量T。( 2 )邊緣檢測與Hough直線擬合邊緣檢測根據(jù)檢測亮度值的不連續(xù)性，利用一階和二階導(dǎo)數(shù)檢測。二維函數(shù)f(x，y)的梯度定義為向量
「Gx"| \df !dx[。。49] v/=k]=k_該向量的幅值是▽/ = magiVf) = [(；； +(；；]' : = [((y/rx): + ((y/o')'T :一般簡化為V/ = G； + G;或 V/ = |Cz I + 卜 I它們在不變亮度區(qū)中的值為零。使用Hough變換進(jìn)行線檢測和鏈接首先要做峰值檢測，找到包含有最大值的Hough變換單元，將找到的最大值點(diǎn)的鄰域中的Hough變換單元設(shè)為0，重復(fù)此步驟，直到找到需要的峰值數(shù)為止。對于每一個(gè)峰值，找到位置相關(guān)的像素組合成線段。(3)圖像對應(yīng)點(diǎn)匹配將上述檢測出的特征點(diǎn)進(jìn)行匹配，即找出對應(yīng)同一空間點(diǎn)的不同圖像中的像點(diǎn)。假設(shè)對于冋一時(shí)刻的娃棒拍攝兩幅圖片，兩幅圖像內(nèi)對應(yīng)的特征點(diǎn)集為.X ,x(x, y, I) (X' , j'，I)分別表示左、右攝像機(jī)的對應(yīng)點(diǎn)的齊次坐標(biāo)。由基本矩陣H勺足義可知，
Jr y, ； = Q 即= q其中，； = (&,” F22,，滿足約束 I Ifl I = I ;
權(quán)利要求
1.一種多晶硅還原爐多參量在線監(jiān)測與優(yōu)化控制裝置，其特征在于，包括有多參量紅外監(jiān)測探頭、紅外圖像處理與視覺測量模塊、工藝優(yōu)化控制模塊，所述的多參量紅外監(jiān)測探頭包括有近紅外光學(xué)系統(tǒng)、圖像采集模塊，多參量紅外監(jiān)測探頭外部裝有水冷防護(hù)罩，水冷防護(hù)罩的前端設(shè)有水冷型密封耐壓觀測窗，多參量紅外監(jiān)測探頭深入到多晶硅還原爐內(nèi)；所述的紅外圖像處理與視覺測量模塊包括有紅外圖像處理模塊和視覺測量模塊，紅外圖像處理模塊依次相連的數(shù)據(jù)采集模塊、圖像處理模塊，視覺測量模塊包括有比色測溫模塊、直徑測量模塊，圖像處理模塊的輸出端分別與比色測溫模塊、直徑測量模塊連接，比色測溫模塊、直徑測量模塊的輸出端均接入數(shù)據(jù)輸出接口、用戶接口，數(shù)據(jù)輸出接口外接有工藝優(yōu)化控制模塊，用戶接口外接顯示器，工藝優(yōu)化控制模塊通過一個(gè)數(shù)據(jù)接口與原控制系統(tǒng)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多晶硅還原爐多參量在線監(jiān)測與優(yōu)化控制裝置，其特征在于，所述的工藝優(yōu)化控制模塊為閉環(huán)優(yōu)化控制模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多晶硅還原爐多參量在線監(jiān)測與優(yōu)化控制裝置，其特征在于，所述的圖像采集模塊為紅外CCD相機(jī)。
4.一種多晶硅還原爐多參量在線監(jiān)測與優(yōu)化控制的方法，其特征在于，包括以下具體步驟 多參量紅外監(jiān)測探頭通過選取最優(yōu)紅外波段和高靈敏度的紅外CXD相機(jī)，通過近紅外光學(xué)系統(tǒng)、紅外CCD相機(jī)獲得爐內(nèi)硅棒生長的圖像信號，并經(jīng)過數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，獲得多晶硅硅棒的紅外數(shù)字圖像；2)將上述獲得的紅外數(shù)字圖像送入圖像處理模塊，并經(jīng)圖像處理模塊進(jìn)行圖像預(yù)處理與分割，結(jié)合具體的圖像，通過圖像去噪算法和平滑濾波算法，最大限度的保護(hù)了圖像表面溫度分布特征；通過進(jìn)行輪廓跟蹤找出封閉的邊緣，并進(jìn)行亞像素級邊緣檢測和直線擬合，得到較高精度的圖像邊緣； 3)將上述處理過的圖像輸送到視覺測量模塊的直徑測量模塊中，首先進(jìn)行紅外CXD相機(jī)的標(biāo)定得到相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，根據(jù)Hough直線擬合算法進(jìn)行最初目標(biāo)圖像邊緣的選取，然后對圖像進(jìn)行小區(qū)域邊緣的跟蹤；在魯棒性估計(jì)的基本矩陣指導(dǎo)下進(jìn)行對應(yīng)點(diǎn)匹配；最后，根據(jù)以上算法將測量的像素值與實(shí)際單位制尺度進(jìn)行換算，得到硅棒的實(shí)時(shí)直徑數(shù)據(jù)； 4)將步驟2中處理的圖像輸送到比色測溫模塊中，利用比色測溫模塊中的圖像處理系統(tǒng)對圖像進(jìn)行壞點(diǎn)的修正，對圖像進(jìn)行分割、平滑、分層、灰度轉(zhuǎn)換，然后調(diào)用數(shù)據(jù)庫，對灰度曲線進(jìn)行擬合，對溫度進(jìn)行標(biāo)定，完成測溫； 5)將步驟3、4中獲得的硅棒直徑和表面溫度數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)輸出接口輸送到工藝優(yōu)化控制模塊中，結(jié)合工況信息建立優(yōu)化控制模型，以反饋指導(dǎo)硅棒在最合理的工藝條件下進(jìn)行生長； 6)將上述獲得的硅棒直徑和表面溫度數(shù)據(jù)輸出到終端，得到硅棒的實(shí)時(shí)直徑和生長率，及娃棒表面任一點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度，并在顯不器中顯不。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多晶硅還原爐多參量在線監(jiān)測與優(yōu)化控制裝置及方法，包括有多參量紅外監(jiān)測探頭、紅外圖像處理與視覺測量模塊、工藝優(yōu)化控制模塊，通過多參量紅外監(jiān)測探頭獲取爐內(nèi)硅棒紅外圖像，經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊采集、轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像后再由圖像處理模塊進(jìn)行分析、處理，通過視覺測量技術(shù)得到硅棒直徑和生長率，采用比色測溫方法測量硅棒表面的溫度分布，所得數(shù)據(jù)經(jīng)用戶接口接入顯示器通過分析獲取的測量數(shù)據(jù)，建立優(yōu)化控制模型，結(jié)合不同多晶硅還原爐型進(jìn)行閉環(huán)優(yōu)化控制。本發(fā)明可對硅棒生長工藝過程進(jìn)行優(yōu)化控制，對節(jié)能降耗、提高生產(chǎn)效率、保障生產(chǎn)安全、減輕勞動強(qiáng)度均有極為重要的意義。
文檔編號C30B25/16GK102795627SQ201210203820
公開日2012年11月28日 申請日期2012年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月19日
發(fā)明者吳海濱, 倉亞軍, 唐磊, 陳新兵, 劉純紅, 周英蔚, 鐘核俊, 王鵬, 周雨潤 申請人:合肥瑞石測控工程技術(shù)有限公司, 安徽大學(xué)