一種測(cè)量單晶爐熔硅液面高度的裝置與方法
【專利摘要】一種測(cè)量單晶爐熔硅液面高度的裝置與方法，屬于半導(dǎo)體材料檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】；其中，坩堝置于拉單晶爐體內(nèi)部；在拉單晶爐體內(nèi)部，坩堝上設(shè)有錐形隔熱屏；所述拉單晶爐體頂部表面設(shè)有觀察孔，用以激光入射和光電傳感器采集圖像；設(shè)置鏡頭光軸與激光條紋在硅液上的投影垂直，求取兩個(gè)參考點(diǎn)與激光條紋的距離之和d′，根據(jù)幾何關(guān)系求取隔熱屏下邊緣與硅液之間的距離d。本發(fā)明采用激光作為測(cè)量的基準(zhǔn)，該激光條紋可以加工的更加狹窄，有利于提高測(cè)量的精度；采用激光雙反射測(cè)量其測(cè)量精度更高；激光入射與CCD采像在同一個(gè)入射孔，且激光與CCD固定在一起，與激光從一個(gè)窗口入射，CCD從另一窗口接受的方法相比，簡(jiǎn)化了裝置復(fù)雜性。
【專利說(shuō)明】一種測(cè)量單晶爐熔硅液面高度的裝置與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種測(cè)量單晶爐熔硅液面高度的裝置與方法，屬于半導(dǎo)體材料檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]單晶硅是制造半導(dǎo)體硅器件的原料，用于制造大功率整流器、大功率晶體管、二極管、開(kāi)關(guān)器件等。單晶硅在開(kāi)發(fā)能源方面也是一種很有前途的材料，晶體硅太陽(yáng)能電池在近年來(lái)得到了迅猛的發(fā)展并實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化。
[0003]單晶硅按晶體生長(zhǎng)方法的不同，分為直拉法(CZ)、區(qū)熔法(FZ)和外延法。直拉法、區(qū)熔法生長(zhǎng)單晶硅棒材，外延法生長(zhǎng)單晶硅薄膜。直拉法生長(zhǎng)的單晶硅主要用于半導(dǎo)體集成電路、二極管、外延片襯底、太陽(yáng)能電池。
[0004]在直拉法生長(zhǎng)單晶硅中，單晶的生長(zhǎng)過(guò)程和長(zhǎng)成單晶的內(nèi)部缺陷限制對(duì)于單晶的生長(zhǎng)環(huán)境提出了比較嚴(yán)格的要求。在晶體提拉的過(guò)程中，存在諸多不確定的因素，例如晶體提拉速度和坩堝上升的精度、晶體直徑和坩堝內(nèi)徑的不一致性，諸多因素都有微小的波動(dòng)，在短時(shí)間內(nèi)，不易產(chǎn)生大的液面偏差，但是單晶的生長(zhǎng)過(guò)程一般是需要在24小時(shí)以上，這些小的波動(dòng)不易被肉眼視覺(jué)發(fā)覺(jué)，但是積累會(huì)使液面位置發(fā)生較大變化，將影響晶體的生長(zhǎng)控制和晶體質(zhì)量。因此，精確測(cè)量單晶爐液面高度，調(diào)整坩堝提升的速度，使得液面高度控制處于閉環(huán)狀態(tài)，從而可以得到更高的液面控制精度。
[0005]由于被測(cè)物處 于熔融狀態(tài)，溫度非常高，因此，高溫熔體液面的檢測(cè)一般采取非接觸的測(cè)量方法。視覺(jué)檢測(cè)是一種信息豐富、非接觸的檢測(cè)方法，因此也被用來(lái)測(cè)量熔硅液面高度，目前常用的方法是觀察隔熱屏倒影法，但該方法精度有待進(jìn)一步提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種測(cè)量單晶爐熔硅液面高度的裝置與方法，本發(fā)明采用激光雙反射法測(cè)量熔硅液面高度，以克服目前常規(guī)檢測(cè)方法算法復(fù)雜，檢測(cè)精度不高等缺陷。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種測(cè)量單晶爐熔硅液面高度的裝置與方法，其中一種測(cè)量單晶爐熔硅液面高度的裝置，該裝置包括線形激光器、窄帶濾光片、鏡頭、圖像傳感器和計(jì)算機(jī)，鏡頭裝在圖像傳感器前方，構(gòu)成視覺(jué)系統(tǒng)，窄帶濾光片放置在鏡頭前方或鏡頭與圖像傳感器之間，線形激光器與圖像傳感器固定在一起，線形激光器的出光軸與鏡頭的光軸平行，計(jì)算機(jī)與圖像傳感器連接在一起，負(fù)責(zé)處理圖像傳感器采集回來(lái)的圖像。
[0008]該裝置測(cè)量的對(duì)象為拉單晶爐中熔融硅液的液面高度，測(cè)量方法如圖1所示，其中被測(cè)系統(tǒng)包括容納熔融硅液的坩堝1、拉單晶爐體2、隔熱屏3、觀察孔4、熔融硅液的表面6。
[0009]其中，坩堝I置于拉單晶爐體2內(nèi)部；在拉單晶爐體2內(nèi)部，坩堝I上設(shè)有底部直徑小于頂部直徑的錐形隔熱屏3 ;所述拉單晶爐體2頂部表面設(shè)有觀察孔4，用以激光入射和光電傳感器采集圖像；坩堝I內(nèi)部容納有熔融硅液，所述熔融硅液上表面為熔融硅液的表面6。
[0010]在拉單晶爐體2外部，沿觀察孔4與熔融硅液的表面6方向的L點(diǎn)為線形激光的出射點(diǎn)，AB為i甘禍I內(nèi)容納熔融娃液的熔融娃液的表面6 ;該激光通過(guò)觀察孔4后,一部分落在隔熱屏3的內(nèi)表面底端，另一部分落在熔融硅液的表面6上；落在隔熱屏3內(nèi)表面底端的激光線段最下端為M點(diǎn)，如圖2所示，M點(diǎn)經(jīng)過(guò)熔融硅液的表面6后會(huì)發(fā)生鏡面反射，從而形成一個(gè)虛的像點(diǎn)，即P點(diǎn)，其在主視圖上的投影如圖1所示；由俯視圖可知，落在熔融硅液的表面6的激光條紋為線段N1N2，該線段與熔融硅液的表面6平行，其在主視圖上的投影為N，該條形激光也會(huì)發(fā)生鏡面反射，反射回來(lái)的光會(huì)落在隔熱屏3上，由于隔熱屏3底部直徑小于頂部直徑，因此，此反射光只在隔熱屏3的底部邊緣看到，且其形狀為點(diǎn)狀即Q點(diǎn)。
[0011]圖像傳感器5為面陣CCD、CMOS或其它光電轉(zhuǎn)換器件，其前端安裝一個(gè)鏡頭，若鏡頭的光心為O點(diǎn)，那么P點(diǎn)和Q點(diǎn)通過(guò)光心后其在光電傳感器上的成像點(diǎn)便為P'點(diǎn)和Q'點(diǎn)，可以知道P點(diǎn)和V點(diǎn)分別為PO線與QO線延長(zhǎng)后與感光平面的交點(diǎn)。
[0012]光電傳感器5用以實(shí)時(shí)采集激光條紋及其周圍的圖像，在圖像中，除激光條紋外，還會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)激光的反射點(diǎn)，其一為激光條紋照射在隔熱屏下邊緣處的鏡像點(diǎn)P'，其二為激光條紋由熔融硅液面反射到隔熱屏3底部邊緣上的反射點(diǎn)Q'，通過(guò)圖像處理算法可以求得這兩點(diǎn)在圖像中的位置。
[0013]同樣可以觀察到熔融硅液面上的激光條紋，通過(guò)圖像處理算法求取激光條紋的位置。
[0014]設(shè)置鏡頭光軸與激光條紋在硅液上的投影垂直，求取兩個(gè)參考點(diǎn)與激光條紋的距離之和d'，根據(jù)幾何關(guān)系求取隔熱屏下邊緣與硅液之間的距離d。
[0015]設(shè)鏡頭光軸與硅液液面的夾角為Θ，鏡頭的放大倍率為k，則:
[0016]
【權(quán)利要求】
1.一種測(cè)量單晶爐熔硅液面高度的方法，其特征在于:該裝置測(cè)量的對(duì)象為拉單晶爐中熔融硅液的液面高度，其中被測(cè)系統(tǒng)包括容納熔融硅液的坩堝(1)、拉單晶爐體(2)、隔熱屏(3)、觀察孔(4)、熔融硅液的表面(6)； 其中，坩堝(1)置于拉單晶爐體(2)內(nèi)部；在拉單晶爐體(2)內(nèi)部，坩堝(1)上設(shè)有底部直徑小于頂部直徑的錐形隔熱屏(3);所述拉單晶爐體(2)頂部表面設(shè)有觀察孔(4)，用以激光入射和光電傳感器采集圖像；坩堝(I)內(nèi)部容納有熔融硅液，所述熔融硅液上表面為熔融娃液的表面(6)； 在拉單晶爐體(2)外部，沿觀察孔(4)與熔融硅液的表面(6)方向的L點(diǎn)為線形激光的出射點(diǎn)，AB為坩堝⑴內(nèi)容納熔融硅液的熔融硅液的表面(6);該激光通過(guò)觀察孔(4)后，一部分落在隔熱屏(3)的內(nèi)表面底端，另一部分落在熔融硅液的表面(6)上；落在隔熱屏(3)內(nèi)表面底端的激光線段最下端為M點(diǎn)，M點(diǎn)經(jīng)過(guò)熔融硅液的表面(6)后會(huì)發(fā)生鏡面反射，從而形成一個(gè)虛的像點(diǎn)，即P點(diǎn)；落在熔融硅液的表面(6)的激光條紋為線段N1N2，該線段與熔融硅液的表面(6)平行，其在主視圖上的投影為N，該條形激光也會(huì)發(fā)生鏡面反射，反射回來(lái)的光會(huì)落在隔熱屏(3)上，由于隔熱屏(3)底部直徑小于頂部直徑，因此，此反射光只在隔熱屏3的底部邊緣看到，且其形狀為點(diǎn)狀即Q點(diǎn)； 圖像傳感器(5)為面陣CCD、CMOS或其它光電轉(zhuǎn)換器件，其前端安裝一個(gè)鏡頭，若鏡頭的光心為O點(diǎn)，那么P點(diǎn)和Q點(diǎn)通過(guò)光心后其在光電傳感器上的成像點(diǎn)便為P點(diǎn)和V點(diǎn)，可以知道P點(diǎn)和V點(diǎn) 分別為PO線與QO線延長(zhǎng)后與感光平面的交點(diǎn)； 光電傳感器(5)用以實(shí)時(shí)采集激光條紋及其周圍的圖像，在圖像中，除激光條紋外，還會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)激光的反射點(diǎn)，其一為激光條紋照射在隔熱屏下邊緣處的鏡像點(diǎn)P'，其二為激光條紋由熔融硅液面反射到隔熱屏(3)底部邊緣上的反射點(diǎn)Q'，通過(guò)圖像處理算法可以求得這兩點(diǎn)在圖像中的位置； 同樣可以觀察到熔融硅液面上的激光條紋，通過(guò)圖像處理算法求取激光條紋的位置；設(shè)置鏡頭光軸與激光條紋在硅液上的投影垂直，求取兩個(gè)參考點(diǎn)與激光條紋的距離之和d'，根據(jù)幾何關(guān)系求取隔熱屏下邊緣與硅液之間的距離d ； 設(shè)鏡頭光軸與硅液液面的夾角為Θ，鏡頭的放大倍率為k，則:
2.依權(quán)利要求1所述的一種測(cè)量單晶爐熔硅液面高度的方法，其測(cè)量單晶爐熔硅液面高度的裝置特征在于:該裝置包括線形激光器、窄帶濾光片、鏡頭、圖像傳感器和計(jì)算機(jī)，鏡頭裝在圖像傳感器前方，構(gòu)成視覺(jué)系統(tǒng)，窄帶濾光片放置在鏡頭前方或鏡頭與圖像傳感器之間，線形激光器與圖像傳感器固定在一起，線形激光器的出光軸與鏡頭的光軸平行，計(jì)算機(jī)與圖像傳感器連接在一起，負(fù)責(zé)處理圖像傳感器采集回來(lái)的圖像。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)量單晶爐熔硅液面高度的方法，其特征在于:所述參考點(diǎn)圖像處理算法舉例，激光像點(diǎn)和P會(huì)隨著液面高度的變化移動(dòng)，若液面相對(duì)于隔熱屏底邊的高度移動(dòng)的范圍為35mm± 20mm，可以算出激光點(diǎn)的移動(dòng)范圍，在該范圍內(nèi)，搜尋局部灰度極值點(diǎn)；如極值點(diǎn)為多個(gè)點(diǎn)，則求其幾何質(zhì)心。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)量單晶爐熔硅液面高度的方法，其特征在于:激光條紋圖像處理算法舉例，激光條紋方向與圖像傳感器固定在一起，其方向在圖像中固定不變，在垂直于激光的方向，依次搜尋激光條紋的局部極值點(diǎn)，如極值點(diǎn)為多個(gè)點(diǎn)，則求其位置均值，將這些點(diǎn)通過(guò)直線擬合方式求出激光條紋位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)量單晶爐熔硅液面高度的方法，其特征在于:相機(jī)型號(hào)為SQ-S20C-G30-C，像元尺寸為5.5 μ m，由于拉晶過(guò)程中液面的高度不可直接測(cè)量，用鏡面代替液面，測(cè)得鏡面與隔熱屏距離為37.5mm，通過(guò)標(biāo)定，鏡頭光軸與液面的夾角為22.1度，測(cè)得實(shí)際標(biāo)定物體的尺寸為80mm時(shí)，圖像中該物體的長(zhǎng)度為195像素，可以得到鏡頭的放大倍率k為0.0134倍，此時(shí)測(cè)得的Q'和P'的坐標(biāo)在垂直于激光條紋方向上的投影距離為135像素，根據(jù)C⑶像元尺寸可知，Q'和P'的實(shí)際距離為0.743mm，可以求得液面與隔熱屏底邊之間的距離為37.09mm。
【文檔編號(hào)】C30B15/26GK104005083SQ201410213359
【公開(kāi)日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年5月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月20日
【發(fā)明者】閆志鴻, 白立來(lái), 王凱峰 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)