專利名稱：直拉鍺單晶直徑測量控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于直拉單晶過程中一種基于嵌入式系統(tǒng)的在線控制單晶直徑的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鍺單晶是紅外領(lǐng)域和半導(dǎo)體工業(yè)的重要材料，目前直拉法(Czochralski，CZ法)是制造鍺單晶的重要方法。該方法通過設(shè)計(jì)合理的熱場，將多晶鍺料投入到坩鍋中，并保持一定的溫度和壓力環(huán)境。將籽晶浸入溶液，在合適的熱場環(huán)境中，溶液中的鍺原子會(huì)在籽晶與熔液的固液交接面沿籽晶原有的鍺原子排列結(jié)構(gòu)繼續(xù)排列，緩緩將籽晶提升，則可以在籽晶下部形成與籽晶結(jié)構(gòu)一致的單晶體。加熱器的溫度，籽晶的提拉速度，籽晶的旋轉(zhuǎn)速度以及坩鍋的旋轉(zhuǎn)速度都對所生成的單晶體的直徑有一定的影響。在晶體生長初期為了消除機(jī)械加工、熱沖擊等原因?qū)ψ?晶造成的位錯(cuò)，先生長直徑在Φ (2 5) mm的一段單晶(這段單晶稱為細(xì)頸)，該過程稱為引細(xì)頸；引細(xì)頸過程結(jié)束后，通過控制加熱器溫度、籽晶的提拉速度、籽晶的旋轉(zhuǎn)速度以及坩鍋的旋轉(zhuǎn)速度使單晶直徑平緩增長直到接近預(yù)設(shè)直徑，該過程稱為放肩和轉(zhuǎn)肩；隨后控制這些參數(shù)使晶體直徑基本保持在預(yù)設(shè)直徑附近直到達(dá)到預(yù)定的單晶長度，該過程稱為等徑(這個(gè)階段是晶體生長的主要階段)；達(dá)到預(yù)定長度后，控制這些參數(shù)使單晶的直徑均勻變小直到離開液面，稱之為收尾。作為最重要、最基礎(chǔ)的兩種半導(dǎo)體材料單晶硅和鍺單晶，其主要生長方法均是直拉法生長。但是由于硅的性質(zhì)和鍺的性質(zhì)差異，使得單晶硅和鍺單晶在生長工藝和直徑控制方面差異很大硅的熔點(diǎn)為1414°C，晶體生長時(shí)液面發(fā)白發(fā)亮，使用Ircon探頭能探測到固液交接面光圈的信號，可以使用自動(dòng)控制單元對硅單晶等徑生長進(jìn)行自動(dòng)控制；但是，鍺的熔點(diǎn)為937°C，晶體生長液面發(fā)黃發(fā)紅，使用Ircon探頭無法探測到固液交接面的光圈信號，導(dǎo)致無法使用自動(dòng)控制單元對鍺單晶等徑生長進(jìn)行自動(dòng)控制，限制了鍺單晶的大規(guī)模生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有直拉單晶直徑控制系統(tǒng)使用Ircon探頭無法探測到鍺固液交接面的光圈信號，導(dǎo)致無法使用自動(dòng)控制單元對鍺等徑生長進(jìn)行自動(dòng)控制的不足，本發(fā)明提供一種直拉鍺單晶直徑控制系統(tǒng)，能夠檢測鍺單晶生長過程中直徑的變化，實(shí)現(xiàn)鍺單晶等徑生長過程的自動(dòng)控制。本發(fā)明的直拉鍺單晶直徑測量控制系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)中有攝像機(jī)，圖像處理裝置和自動(dòng)控制單元，攝像機(jī)置于單晶爐觀察窗的位置，用于圖像觀察和同步采集鍺單晶等徑生長的圖像數(shù)據(jù)，并將圖像數(shù)據(jù)傳給圖像處理裝置；圖像處理裝置用于對攝像機(jī)采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，識(shí)別固液交接面光圈的位置及光圈與三條預(yù)設(shè)直線的相交點(diǎn)位置，并根據(jù)這三個(gè)相交點(diǎn)位置的坐標(biāo)擬合出固液交接面光圈的曲率半徑，傳輸給自動(dòng)控制單元；自動(dòng)控制單元根據(jù)圖像處理裝置實(shí)時(shí)傳遞來的曲率半徑數(shù)據(jù)，進(jìn)行比較后，發(fā)出加熱器功率、晶體生長速度和坩堝轉(zhuǎn)速的自動(dòng)控制信息，實(shí)現(xiàn)鍺單晶等徑生長。自動(dòng)控制方法如下步驟一，采集圖像通過攝像機(jī)觀察鍺單晶等徑生長時(shí)的固液交接面光圈圖像，調(diào)整攝像機(jī)的位置，使其能清晰完整的采集到?jīng)]有被單晶擋住的固液交接面光圈圖像，且使其盡可能只包含固液交接面光圈，以減少觀察窗和液面雜質(zhì)等對后續(xù)圖像處理的干擾；步驟二，識(shí)別光圈位置圖像處理裝置對攝像機(jī)采集到的固液交接面光圈圖像的邊緣進(jìn)行檢測，分析出固液交接面光圈的位置，根據(jù)從圖像處理裝置引出的信號，在電腦中預(yù)設(shè)三條直線，使這三條預(yù)設(shè)直線滿足與固液交接面光圈相交于三點(diǎn)，將三點(diǎn)的位置信息保存到圖像處理裝置中，圖像處理裝置記錄這三點(diǎn)的坐標(biāo)；步驟三,計(jì)算光圈曲率半徑根據(jù)正弦公式2R=a/sinA=b/sinB=c/sinC,圖像處理裝置計(jì)算出固液交接面光圈與預(yù)設(shè)的三條直線相交的三點(diǎn)所確定的圓的半徑作為曲率半徑; 步驟四，記錄所需的光圈曲率半徑當(dāng)鍺單晶生長達(dá)到所需直徑時(shí)，圖像處理裝置將所需直徑的曲率半徑信息傳輸給自動(dòng)控制單元進(jìn)行存儲(chǔ)；步驟五，控制鍺單晶等徑生長系統(tǒng)切換到自動(dòng)控制模式，圖像處理裝置將實(shí)時(shí)的曲率半徑信息傳遞給自動(dòng)控制單元，自動(dòng)控制單元將實(shí)時(shí)的曲率半徑信息與預(yù)先存儲(chǔ)的所需曲率半徑信息進(jìn)行比較I.當(dāng)生長的單晶直徑變小時(shí)，實(shí)時(shí)的曲率半徑數(shù)值小于所需曲率半徑數(shù)值，自動(dòng)控制單元發(fā)出控制信息，降低加熱器功率和晶體生長速率，提高坩堝轉(zhuǎn)速，阻止單晶直徑變小，并使單晶直徑恢復(fù)到所需直徑；2.當(dāng)生長的單晶直徑變大時(shí)，實(shí)時(shí)的曲率半徑數(shù)值大于所需曲率半徑數(shù)值，自動(dòng)控制單元發(fā)出控制信息，升高加熱器功率和晶體生長速率，降低坩堝轉(zhuǎn)速，阻止單晶直徑變大，并使單晶直徑恢復(fù)到所需直徑；3.當(dāng)生長的單晶直徑不變時(shí)，實(shí)時(shí)的曲率半徑數(shù)值等于所需曲率半徑數(shù)值，自動(dòng)控制單元對加熱器功率、晶體生長速率及坩堝轉(zhuǎn)速的控制維持不變。本發(fā)明的有益效果是攝像頭采集鍺單晶等徑生長圖像，圖像處理卡只對采集圖像的光圈部分進(jìn)行分析，減少數(shù)據(jù)傳輸量，降低系統(tǒng)對硬件的性能要求；無需橢圓到圓的復(fù)雜映射，只需采集指定點(diǎn)的曲率半徑即可根據(jù)曲率半徑的變化規(guī)律進(jìn)行等徑控制；攝像頭可將采集的鍺單晶生長圖像集中傳輸?shù)揭黄疬M(jìn)行圖像處理和分析，便于生產(chǎn)人員實(shí)時(shí)監(jiān)控多臺(tái)設(shè)備，降低鍺單晶生長的勞動(dòng)強(qiáng)度；能夠最大限度利用現(xiàn)有的設(shè)備裝置，避免電氣控制系統(tǒng)的重復(fù)設(shè)計(jì)與投資。


圖I是單晶娃等徑生長及檢測不意圖；圖2是Ircon探頭工作原理示意圖；圖3是本發(fā)明的直拉鍺單晶直徑控制系統(tǒng)示意圖；圖4是鍺單晶等徑生長時(shí)的固液界面圖像；圖5是CXD攝像機(jī)探測鍺單晶等徑生長及檢測示意圖6是固液交接面光圈曲率半徑計(jì)算示意圖。圖中，I.籽晶，2.單晶，3.固液交接面光圈位置，4. C⑶攝像機(jī)，5.圖像處理裝置，
6.自動(dòng)控制單元,7.電控柜,8.加熱器,9.保溫罩，10.爐膛，11. Ircon探頭，12. Ircon探頭探測的固液交接面光圈，13. Ircon探頭探測的檢測圈，14.正常時(shí)的檢測示意圖，15.直徑變大時(shí)的檢測示意圖，16.直徑變小時(shí)的檢測示意圖，17.固液交接面光圈，18.預(yù)設(shè)直線。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖，通過實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明所述的直拉鍺單晶直徑測量控制系統(tǒng)(如圖3所示)，系統(tǒng)中有CCD攝像機(jī) 4，圖像處理裝置5和自動(dòng)控制單元6，CXD攝像機(jī)置于單晶爐觀察窗的位置，找到固液交接面光圈位置3 (如圖4所示)，同步采集鍺單晶等徑生長的圖像數(shù)據(jù)，并將圖像數(shù)據(jù)傳給圖像處理裝置5 ;圖像處理裝置識(shí)別CXD攝像機(jī)探測的固液交接面光圈17的圖像數(shù)據(jù)，通過電腦將該光圈與三條預(yù)設(shè)線18相交(如圖5所示)，將三個(gè)交點(diǎn)A、B、C的位置信息保存到圖像處理裝置中，圖像處理裝置記錄這三點(diǎn)的坐標(biāo)并擬合出光圈的曲率半徑R (如圖6所示)傳輸給自動(dòng)控制單兀；自動(dòng)控制單元根據(jù)圖像處理裝置實(shí)時(shí)傳遞來的曲率半徑R，進(jìn)行比較后，發(fā)出加熱器功率、晶體生長速度和坩堝轉(zhuǎn)速的自動(dòng)控制信息，實(shí)現(xiàn)鍺單晶的等徑生長。具體步驟如下步驟一，采集圖像通過CXD攝像機(jī)4觀察鍺單晶等徑生長時(shí)的固液交接面圖像，調(diào)整CCD攝像機(jī)的位置，使其能清晰完整的觀察到?jīng)]有被單晶擋住的固液交接面光圈，且光圈圖像占顯示區(qū)域的1/2至2/3 ；步驟二，識(shí)別光圈位置圖像處理裝置5對CXD攝像機(jī)采集的圖像中的固液交接面光圈邊緣進(jìn)行檢測，分析出固液交接面光圈17的位置，根據(jù)從圖像處理裝置引出的視頻信號，在電腦中預(yù)設(shè)三條直線，使這三條預(yù)設(shè)直線18滿足與固液交接面光圈17相交于A(xl，yl)，B (x2，y2)，C (x3，y3)三點(diǎn)(如圖5所示)，圖像處理裝置記錄這三點(diǎn)的坐標(biāo)；步驟三,計(jì)算光圈曲率半徑根據(jù)正弦公式2R=a/sinA=b/sinB=c/sinC,圖像處理裝置5計(jì)算出固液交接面光圈17與三條預(yù)設(shè)直線18相交的三點(diǎn)所確定的圓的半徑作為曲率半徑R，其中，a表示A、B、C三點(diǎn)所組成三角形中A點(diǎn)的對邊，A還表示三角形中以A為頂點(diǎn)的三角形內(nèi)角；b表示A、B、C三點(diǎn)所組成三角形中B點(diǎn)的對邊，B還表示三角形中以B為頂點(diǎn)的三角形內(nèi)角；c表示A、B、C三點(diǎn)所組成三角形中C點(diǎn)的對邊，C還表示三角形中以C為頂點(diǎn)的三角形內(nèi)角(如圖6所示)；步驟四，記錄所需的光圈曲率半徑當(dāng)鍺單晶生長達(dá)到所需直徑時(shí)，圖像處理裝置5將所需直徑的曲率半徑信息R0傳輸給自動(dòng)控制單元6進(jìn)行存儲(chǔ)；步驟五，控制鍺單晶等徑生長系統(tǒng)切換到自動(dòng)控制模式，圖像處理裝置5將實(shí)時(shí)的曲率半徑信息R傳遞給自動(dòng)控制單元6，自動(dòng)控制單元將實(shí)時(shí)的曲率半徑信息R與預(yù)先存儲(chǔ)的所需曲率半徑信息R0進(jìn)行比較I.當(dāng)生長的單晶直徑變小時(shí)，實(shí)時(shí)的曲率半徑數(shù)值R小于所需曲率半徑數(shù)值Rtl,自動(dòng)控制單元6發(fā)出控制信息，降低加熱器功率和晶體生長速率，提高坩堝轉(zhuǎn)速，阻止單晶直徑變小，并使單晶直徑恢復(fù)到所需直徑；2.當(dāng)生長的單晶直徑變大時(shí)，實(shí)時(shí)的曲率半徑數(shù)值R大于所需曲率半徑數(shù)值Rtl, 自動(dòng)控制單元6發(fā)出控制信息，升高加熱器功率和晶體生長速率，降低坩堝轉(zhuǎn)速，阻止單晶直徑變大，并使單晶直徑恢復(fù)到所需直徑；3.當(dāng)生長的單晶直徑不變時(shí)，實(shí)時(shí)的曲率半徑數(shù)值R等于所需曲率半徑數(shù)值Rtl,自動(dòng)控制單元6對加熱器功率、晶體生長速率及坩堝轉(zhuǎn)速的控制維持不變。
權(quán)利要求
1.直拉鍺單晶直徑測量控制系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)中有攝像機(jī)⑷，圖像處理裝置(5)和自動(dòng)控制單元(6)，攝像機(jī)⑷置于單晶爐觀察窗的位置，用于圖像觀察和同步采集鍺單晶等徑生長的圖像數(shù)據(jù)，并將圖像數(shù)據(jù)傳給圖像處理裝置(5);圖像處理裝置(5)用于對攝像機(jī)采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，識(shí)別固液交接面光圈(17)的位置及光圈與三條預(yù)設(shè)直線(18)的相交點(diǎn)位置，并根據(jù)這三個(gè)相交點(diǎn)位置的坐標(biāo)擬合出固液交接面光圈(17)的曲率半徑，傳輸給自動(dòng)控制單元(6);自動(dòng)控制單元(6)根據(jù)圖像處理裝置(5)實(shí)時(shí)傳遞來的曲率半徑數(shù)據(jù)，進(jìn)行比較后，發(fā)出加熱器功率、晶體生長速度和坩堝轉(zhuǎn)速的自動(dòng)控制信息，實(shí)現(xiàn)鍺單晶等徑生長。
2.按照權(quán)利要求I所述的直拉鍺單晶直徑測量控制系統(tǒng)，其特征在于自動(dòng)控制方法如下 步驟一，采集圖像通過攝像機(jī)⑷觀察鍺單晶等徑生長時(shí)的固液交接面光圈(17)的圖像，調(diào)整攝像機(jī)的位置，使其能清晰完整的采集到?jīng)]有被單晶擋住的固液交接面光圈圖像，且使其盡可能只包含固液交接面光圈(17); 步驟二，識(shí)別光圈位置圖像處理裝置(5)對攝像機(jī)⑷采集到的固液交接面光圈圖像的邊緣進(jìn)行檢測，分析出固液交接面光圈(17)的位置，根據(jù)從圖像處理裝置(5)引出的信號，在電腦中預(yù)設(shè)三條直線，使這三條預(yù)設(shè)直線(18)滿足與固液交接面光圈(17)相交于三點(diǎn)，將三點(diǎn)的位置信息保存到圖像處理裝置(5)中，圖像處理裝置記錄這三點(diǎn)的坐標(biāo)； 步驟三,計(jì)算光圈曲率半徑根據(jù)正弦公式2R=a/sinA=b/sinB=c/sinC,圖像處理裝置(5)計(jì)算出固液交接面光圈(17)與預(yù)設(shè)的三條直線相交的三點(diǎn)所確定的圓的半徑作為曲率半徑; 步驟四，記錄所需的光圈曲率半徑當(dāng)鍺單晶生長達(dá)到所需直徑時(shí)，圖像處理裝置(5)將所需直徑的曲率半徑信息傳輸給自動(dòng)控制單元進(jìn)行存儲(chǔ)； 步驟五，控制鍺單晶等徑生長系統(tǒng)切換到自動(dòng)控制模式，圖像處理裝置(5)將實(shí)時(shí)的曲率半徑信息傳遞給自動(dòng)控制單元(6)，自動(dòng)控制單元(6)將實(shí)時(shí)的曲率半徑信息與預(yù)先存儲(chǔ)的所需曲率半徑信息進(jìn)行比較 ①當(dāng)生長的單晶直徑變小時(shí)，實(shí)時(shí)的曲率半徑數(shù)值小于所需曲率半徑數(shù)值，自動(dòng)控制單元(6)發(fā)出控制信息，降低加熱器功率和晶體生長速率，提高坩堝轉(zhuǎn)速，阻止單晶直徑變小，并使單晶直徑恢復(fù)到所需直徑； ②當(dāng)生長的單晶直徑變大時(shí)，實(shí)時(shí)的曲率半徑數(shù)值大于所需曲率半徑數(shù)值，自動(dòng)控制單元(6)發(fā)出控制信息，升高加熱器功率和晶體生長速率，降低坩堝轉(zhuǎn)速，阻止單晶直徑變大，并使單晶直徑恢復(fù)到所需直徑； ③當(dāng)生長的單晶直徑不變時(shí)，實(shí)時(shí)的曲率半徑數(shù)值等于所需曲率半徑數(shù)值，自動(dòng)控制單元(6)對加熱器功率、晶體生長速率及坩堝轉(zhuǎn)速的控制維持不變。
全文摘要
直拉鍺單晶直徑測量控制系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)中有攝像機(jī)，圖像處理裝置和自動(dòng)控制單元，攝像機(jī)采集鍺單晶等徑生長的圖像，圖像處理裝置識(shí)別固液交接面光圈位置和計(jì)算固液交接面光圈的曲率半徑，使自動(dòng)控制單元實(shí)現(xiàn)鍺單晶的等徑生長。本發(fā)明的有益效果是圖像處理卡只對采集圖像的光圈部分進(jìn)行分析，減少數(shù)據(jù)傳輸量，降低系統(tǒng)對硬件的性能要求；無需橢圓到圓的復(fù)雜映射，只需采集指定點(diǎn)的曲率半徑即可根據(jù)曲率半徑的變化規(guī)律進(jìn)行等徑控制；攝像頭可將采集的鍺單晶生長圖像集中傳輸?shù)揭黄疬M(jìn)行圖像處理和分析，便于生產(chǎn)人員實(shí)時(shí)監(jiān)控多臺(tái)設(shè)備，降低鍺單晶生長的勞動(dòng)強(qiáng)度；能夠最大限度利用現(xiàn)有的設(shè)備裝置，避免電氣控制系統(tǒng)的重復(fù)設(shè)計(jì)與投資。
文檔編號C30B15/26GK102912429SQ20121040725
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月23日
發(fā)明者趙逸群, 張二平, 賈鈺超, 程海娟, 李洪兵, 姜杰, 陳驥, 劉建紅, 莫文聰, 許紅 申請人:云南北方馳宏光電有限公司