專利名稱：一種測(cè)量坩堝中硅熔體水平面相對(duì)高度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量坩堝中硅熔體水平面相對(duì)高度的方法
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(jìn)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(guò)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(guò)調(diào)整熔體的溫度和籽晶向上提升速度，使籽晶體長(zhǎng)大至接近目標(biāo)直徑時(shí)，提高提升速度，使單晶體接近恒定直徑生長(zhǎng)。在生長(zhǎng)過(guò)程的末期，此時(shí)坩堝內(nèi)的硅熔體尚未完全消失，通過(guò)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(gè)尾形錐體，當(dāng)錐體的尖端足夠小時(shí)，晶體就會(huì)與熔體脫離，從而完成晶體的生長(zhǎng)過(guò)程。 晶體生長(zhǎng)過(guò)程中生長(zhǎng)界面處的溫度梯度主要由液面在熱場(chǎng)中的相對(duì)位置決定，通常會(huì)在晶體生長(zhǎng)之前設(shè)定一個(gè)起始坩堝位置，隨晶體質(zhì)量增加坩堝逐漸上升，使得液面位置保持基本不變。實(shí)際晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，晶體并非完全按照目標(biāo)直徑生長(zhǎng)，坩堝上升過(guò)度或不足會(huì)是液面位置偏離目標(biāo)位置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種測(cè)量坩堝中硅熔體水平面相對(duì)高度的方法，方法中，首先是研制出一種確定CCD像素變化同液面高度變化的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)液面高度的測(cè)量，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液面高度變化。 為達(dá)到上述的發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案 這種測(cè)量坩堝中硅熔體水平面相對(duì)高度的方法，它包括以下步驟 (1)、將CCD攝像機(jī)安裝在硅單晶爐上爐體的觀測(cè)窗口上，觀測(cè)單晶爐內(nèi)熱屏下緣
和熱屏在熔體上的倒影； (2)、圖像處理系統(tǒng)對(duì)CCD拍攝到的圖像進(jìn)行掃描；
(3)、將熱屏倒影掃描點(diǎn)坐標(biāo)換算為相應(yīng)熱屏倒影坐標(biāo)r ; (4)、將r值輸入根據(jù)液面相對(duì)高度H、熱屏下緣半徑R、熱屏倒影半徑r、 CCD鏡頭到籽晶提升鋼纜的距離k和鏡頭到熱屏下緣的距離b之間空間關(guān)系推到的關(guān)系函數(shù)，計(jì)算得到液面距離熱屏下端高度H。 所述的在通過(guò)像素差值計(jì)算液面相對(duì)高度變化的計(jì)算函數(shù)<formula>formula see original document page 3</formula> (1)、將CCD攝像機(jī)安裝在硅單晶爐上爐體的觀測(cè)窗口上，，和熱屏在熔體上的倒影； (2)、圖像處理系統(tǒng)對(duì)CCD拍攝到的圖像進(jìn)行掃描，熱屏、熔體和熱屏在熔體上倒影在CCD上成像具有明顯的亮度差，在不同亮度交界處可以掃描到其交界線移動(dòng)的信號(hào)，當(dāng)將掃描寬度限制在很小的豎直方向(約跨越5到10個(gè)像素點(diǎn))，可以得到亮度邊界橫坐 標(biāo)變化，當(dāng)將掃描寬度限制在很小的水平方向時(shí)(約跨越5到IO個(gè)像素點(diǎn))，可以得到亮度 邊界縱坐標(biāo)變化，每一個(gè)坐標(biāo)值，都唯一對(duì)應(yīng)一個(gè)熱屏倒影半徑r (3)、根據(jù)液面高度測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)部分的相互關(guān)系，推導(dǎo)出熱屏倒影半徑同液面 距離熱屏下端面距離關(guān)系公式，如(公式1)。 H:^^_^_" ; 、 , 、 ；/ 式中R為熱場(chǎng)中熱屏下緣的半徑，r熱屏倒影半徑，k為CCD鏡頭到籽晶提升鋼纜 的距離，b為鏡頭到熱屏下緣的距離。通過(guò)測(cè)量可以得到R、k、b，熱屏倒影的半徑r可通過(guò) (2)中掃描到的點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算得到，該計(jì)算方法是已經(jīng)廣泛采用的用CCD測(cè)量晶體直徑的方 法的推廣應(yīng)用(見文獻(xiàn)《基于CCD測(cè)量技術(shù)的不完整圓直徑測(cè)量算法研究》，半導(dǎo)體技術(shù)， 2007年，第32巻，第07期報(bào)導(dǎo)，區(qū)別在于本發(fā)明方法中所掃描信號(hào)為熱屏倒影同區(qū)域同非 倒影區(qū)域的亮度邊界，非晶體同熔體交界)，本發(fā)明中公式1是根據(jù)單晶爐及其內(nèi)部熱場(chǎng)結(jié) 構(gòu)推導(dǎo)出，經(jīng)過(guò)修正可以應(yīng)用于具有明顯幾何邊界的物體同具有反射能力另一物體間距離 的測(cè)量。 當(dāng)熔體液面下降，則倒影和熱屏下端面的距離增大，熔體液面上升，則倒影和熱屏 的距離減小，采用圖像處理系統(tǒng)對(duì)CCD拍攝到的圖像進(jìn)行掃描，掃描頻率為1次/秒以上。
將每次掃描結(jié)果輸入公式1得到一個(gè)液面相對(duì)高度值，實(shí)現(xiàn)對(duì)液面高度測(cè)量和實(shí)時(shí)監(jiān)控。
本發(fā)明方法的公式不受CCD攝像機(jī)型號(hào)或結(jié)構(gòu)影B向，主要由本發(fā)明實(shí)施過(guò)程中所
采用的設(shè)備以及設(shè)備內(nèi)所裝配的熱場(chǎng)組建決定，本發(fā)明主要用于直拉法生長(zhǎng)硅單晶過(guò)程 中，CCD設(shè)備采集信號(hào)頻率15次/秒。 本發(fā)明方法的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)時(shí)監(jiān)控熔體液面的相對(duì)高度變化，這一高度變化會(huì) 對(duì)應(yīng)一個(gè)CCD檢測(cè)影像的像素變化，通過(guò)圖像處理軟件分析像素值增減來(lái)判斷液面的高度 變化，最終液面高度測(cè)量精度±0. 02mm ;


圖1 :本發(fā)明測(cè)量、計(jì)算及控制的電路原理圖
圖2 :為本發(fā)明測(cè)量位置示意圖 圖3 :液面相對(duì)高度隨熱屏倒影半徑r的變化曲線(半徑180mm-170mm)
圖4 :液面相對(duì)高度隨熱屏倒影半徑r的變化曲線(半徑140mm-130mm)
圖5 :液面相對(duì)高度隨熱屏倒影半徑r的變化曲線(半徑140mm-170mm)
圖6 :液面相對(duì)高度隨晶體長(zhǎng)度變化曲線。 圖1中，爐上設(shè)有CCD攝像機(jī)，獲得熔體液面上熱屏倒影，圖像處理系統(tǒng)對(duì)CCD拍 攝到的圖像進(jìn)行掃描，將熱屏倒影點(diǎn)座標(biāo)輸入工控機(jī)，經(jīng)工控機(jī)作液面相對(duì)高度計(jì)算。圖2 中，H1、H2為液面相對(duì)高度值，R為熱場(chǎng)中熱屏下緣的半徑，r為拍攝到的熱屏倒影半徑，k 為CCD鏡頭到籽晶提升鋼纜的距離，b為鏡頭到熱屏下緣的距離。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明在Ferrofludics150單晶爐上實(shí)現(xiàn)，CCD信號(hào)采集系統(tǒng)使用UNIQ200，直徑信號(hào)處理工控機(jī)型號(hào)為IPC-6606。 本發(fā)明的方法操作過(guò)程中，1、CCD攝像機(jī)掃描熔體液面上熱屏倒影，工控機(jī)中的直 徑信號(hào)計(jì)算程序計(jì)算出熱屏倒影圓周半徑r ;3、在工控機(jī)中將r值代入已設(shè)定好的熱屏倒 影半徑向液面相對(duì)高度轉(zhuǎn)換程序，該程序執(zhí)行如公式1中計(jì)算得到相應(yīng)液面相對(duì)高度H。
圖2中HI代表了 CCD掃描到熱屏倒影處在1點(diǎn)所處水平面位置時(shí)，液面距離熱屏 下端面的距離，同理H2代表了，CCD掃描到熱屏倒影處在2點(diǎn)所處在的水平面位置時(shí)，液面 距離熱屏下端面的距離；當(dāng)液面由HI下降到H2， CCD掃描熱屏倒影得到1點(diǎn)和2點(diǎn)坐標(biāo)， 從這兩點(diǎn)坐標(biāo)可以很容易計(jì)算得到相應(yīng)rl和r2，將其代入公式1中就計(jì)算得到了 HI和H2 的實(shí)際值，HI與H2的差即為液面高度變化值。

具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1、實(shí)施例2、實(shí)施例3為硅熔體液面穩(wěn)定狀態(tài)下，令坩堝以50mm/hr速度由 液面相對(duì)高度90mm處下降過(guò)程中記錄得到的液面相對(duì)高度同熱屏倒影半徑r關(guān)系曲線。液
面相對(duì)高度反映了熔體水平面距離熱屏下端面所在平面的距離。
實(shí)施例1 圖3為在設(shè)備為Ferrofludics150單晶爐，采用24in熱場(chǎng)時(shí)，根據(jù)本發(fā)明中方法 計(jì)算得到的液面相對(duì)高度隨熱屏倒影半徑r在180mm-170mm變化曲線。其中，為熱場(chǎng)中熱屏 下緣的半徑R為200mm，CCD鏡頭到籽晶提升鋼纜的距離k為80mm，鏡頭到熱屏下緣的距離 b為110mm。 r在180mm-170mm范圍變化時(shí)，H波動(dòng)范圍44. 6mm_50. 6mm，波動(dòng)距離6mm。實(shí) 際晶體生長(zhǎng)過(guò)程中液面距離熱屏下端面的距離為40mm-100mm，液面波動(dòng)范圍士2mm以內(nèi)。
實(shí)施例2 圖4為在設(shè)備為Ferrofludicsl50單晶爐，采用24in熱場(chǎng)時(shí)，根據(jù)本發(fā)明中方法 計(jì)算得到的液面相對(duì)高度隨熱屏倒影半徑r在140mm-130mm變化曲線。其中，為熱場(chǎng)中熱 屏下緣的半徑R為200mm，CCD鏡頭到籽晶提升鋼纜的距離k為80mm，鏡頭到熱屏下緣的距 離b為110mm。 H的變化范圍為77. 40mm_93. 04mm。
實(shí)施例3 圖5為在設(shè)備為Ferrofludics150單晶爐，采用24in熱場(chǎng)時(shí)，根據(jù)本發(fā)明中方法 計(jì)算得到的液面相對(duì)高度隨熱屏倒影半徑r在140mm-170mm變化曲線。其中，為熱場(chǎng)中熱 屏下緣的半徑R為200mm，CCD鏡頭到籽晶提升鋼纜的距離k為80mm，鏡頭到熱屏下緣的距 離b為110mm。 H的變化范圍為77. 40mm_93. 04mm。
實(shí)施例4 圖6所示為在設(shè)備為Ferrofludicsl50單晶爐，采用24in熱場(chǎng)時(shí)，應(yīng)用本發(fā)明中 方法測(cè)量得到的晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，液面相對(duì)高度隨晶體長(zhǎng)度變化曲線。曲線中高度縱坐標(biāo) 零點(diǎn)表示本方法中液面相對(duì)高度50mm時(shí)的高度。
權(quán)利要求
一種測(cè)量坩堝中硅熔體水平面相對(duì)高度的方法，其特征在于它包括以下步驟(1)、將CCD攝像機(jī)安裝在硅單晶爐上爐體的觀測(cè)窗口上，觀測(cè)單晶爐內(nèi)熱屏下緣和熱屏在熔體上的倒影；(2)、圖像處理系統(tǒng)對(duì)CCD拍攝到的圖像進(jìn)行掃描；(3)、將熱屏倒影掃描點(diǎn)坐標(biāo)換算為相應(yīng)熱屏倒影坐標(biāo)r；(4)、將r值輸入根據(jù)液面相對(duì)高度H、熱屏下緣半徑R、熱屏倒影半徑r、CCD鏡頭到籽晶提升鋼纜的距離k和鏡頭到熱屏下緣的距離b之間空間關(guān)系推到的關(guān)系函數(shù)，計(jì)算得到液面距離熱屏下端高度H。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述的在通過(guò)像素差值計(jì)算液面相對(duì)高度變化的計(jì)算函數(shù) <formula>formula see original document page 2</formula>
全文摘要
一種測(cè)量坩堝中硅熔體水平面相對(duì)高度(指相對(duì)于熱屏下緣的高度)的方法，方法包括以下步驟將CCD攝像機(jī)安裝在硅單晶爐上爐體的觀測(cè)窗口上，觀測(cè)單晶爐內(nèi)熱屏下緣和熱屏在熔體上的倒影；圖像處理系統(tǒng)對(duì)CCD拍攝到的圖像進(jìn)行掃描，計(jì)算得到熱屏在熔體上倒影的半徑，將這個(gè)半徑值代入經(jīng)推導(dǎo)得到的熱屏倒影半徑r同液面相對(duì)高度H(液面距離熱屏下端面高度)關(guān)系公式可以計(jì)算出液面相對(duì)高度。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)時(shí)監(jiān)控熔體液面的相對(duì)高度變化，通過(guò)圖像處理軟件分析像素值增減來(lái)計(jì)算液面的高度變化。
文檔編號(hào)C30B15/20GK101748478SQ20081023991
公開日2010年6月23日 申請(qǐng)日期2008年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月15日
發(fā)明者吳志強(qiáng), 崔彬, 戴小林, 高宇 申請(qǐng)人:北京有色金屬研究總院;有研半導(dǎo)體材料股份有限公司