一種單晶硅拉晶爐的熔融硅液面檢測(cè)方法及測(cè)量裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種單晶硅拉晶爐的熔融硅液面檢測(cè)方法及測(cè)量裝置，該方法包括在單晶爐的觀察口上安裝一字線激光器和相機(jī)，將一字線激光光束從拉晶爐的觀察口上斜射入熱屏和熔融硅液面上，熔融硅液面對(duì)打入到其液面上的激光光束產(chǎn)生鏡面反射，反射光束投影到熱屏上，在熱屏上的投影光束同樣會(huì)在熔融硅液面上產(chǎn)生投影。隨著熔融硅液面的變化，激光光束與熔融硅液面的接觸點(diǎn)會(huì)隨之發(fā)生變化，因此熱屏上的反射光束與熔融硅液面上的投影之間的距離也會(huì)隨之變化，最終使得相機(jī)接收到的光束的像素位置產(chǎn)生變化。通過(guò)標(biāo)定圖像上兩投影點(diǎn)之間像素位置的變化與實(shí)際熔融硅液面位置的變化，就可以得到實(shí)際液面變化的信息。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種單晶硅拉晶爐的熔融硅液面檢測(cè)方法及測(cè)量裝置【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種非接觸式拉晶爐熔融硅液面的檢測(cè)方法，具體涉及一種單晶硅拉晶爐的熔融硅液面檢測(cè)方法及基于該方法的測(cè)量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]直拉法是運(yùn)用熔體的冷凝結(jié)晶驅(qū)動(dòng)原理，在固體和液體的交界面處，由于熔體溫度下降產(chǎn)生由液體轉(zhuǎn)換成固態(tài)的相變化。采用直拉法生長(zhǎng)出的單晶硅，其含氧量較高且直徑較大，是目前廣泛采用的一種方法，然而該方法對(duì)單晶的生長(zhǎng)環(huán)境提出了嚴(yán)格的要求。隨著單晶硅固體的不斷生長(zhǎng)，坩堝中的熔融硅的體積逐漸減小，熔融硅液面不斷下降。
[0003]拉晶過(guò)程比較復(fù)雜，存在的不定因素很多如:熔融硅的溫度基本在1450°左右，而晶體硅的溫度要低很多，因此拉晶爐內(nèi)的溫度分布不均勻，爐體內(nèi)存在溫度梯度；在拉晶過(guò)程中，拉晶爐內(nèi)要沖入大量惰性氣體如氬氣等，氬氣的流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致熔融硅液面發(fā)生變化；在拉晶時(shí)，由于拉晶速度控制的不精確等也會(huì)引起熔融硅液面的變化。此外，單晶硅的生長(zhǎng)過(guò)程一般要持續(xù)24小時(shí)以上，液面在各種因素長(zhǎng)時(shí)間的作用下不斷產(chǎn)生波動(dòng)，這將最終會(huì)影響晶體的質(zhì)量。因此需要能夠精確的測(cè)量拉晶爐內(nèi)液面的高度，以便合理的調(diào)整坩堝的升降速度，提高拉晶品質(zhì)。
[0004]常規(guī)測(cè)量拉晶爐內(nèi)液面位置的方法大多采用非接觸測(cè)量法，由于爐體內(nèi)溫度非常高，爐體內(nèi)充滿了大量的紅外射線，采用常用的紅外激光測(cè)距裝置無(wú)法達(dá)到效果，因?yàn)闋t體內(nèi)的紅外線與紅外激光混合在一起，探測(cè)器無(wú)法識(shí)別。此外，由于拉晶爐內(nèi)存在到電流的熱對(duì)流現(xiàn)象，爐體外會(huì)外加一個(gè)磁場(chǎng)來(lái)抑制熔體立的自然對(duì)流、避免產(chǎn)生紊亂現(xiàn)象。因此，常用的電渦流檢測(cè)法以及電容檢測(cè)法等就無(wú)法應(yīng)用到液位檢測(cè)系統(tǒng)中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，提供一種單晶硅拉晶爐的熔融硅液面檢測(cè)方法及基于該方法的測(cè)量裝置，能夠精確的`測(cè)量拉晶爐內(nèi)液面的高度，保證了拉晶品質(zhì)。
[0006]本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0007]一種單晶硅拉晶爐的熔融硅液面檢測(cè)方法，包括以下步驟:a.安裝在拉晶爐觀察口處的測(cè)量裝置中的一字線激光器發(fā)射激光光束，使一字線激光器發(fā)射的激光光束入射到拉晶爐的熱屏和熔融硅液體上，安裝在拉晶爐觀察口的測(cè)量裝置中的相機(jī)采集熔融硅液面上的矩形激光反射光斑以及熱屏上的矩形激光反射光斑的投影；
[0008]b.調(diào)整一字線激光器的位置，使得熱屏和熔融硅液面上的矩形激光光斑處于同一條水平線上；調(diào)整相機(jī)鏡頭焦距，使得兩個(gè)反射激光光斑的亮度保持一致，能清晰的呈現(xiàn)在相機(jī)視野中；
[0009]c.對(duì)相機(jī)采集的矩形激光光斑經(jīng)過(guò)圖像處理算法，提取兩個(gè)光斑的邊緣以及光斑的中心點(diǎn)，計(jì)算出兩個(gè)矩形激光光斑的中心的距離，從而得到熱屏下邊緣到熔融硅液面的距離。[0010]所述方法在步驟c后還包括以下步驟:
[0011]d.對(duì)測(cè)量裝置進(jìn)行標(biāo)定，將熔融硅液面位置上升5~10mm，穩(wěn)定后計(jì)算此時(shí)兩個(gè)矩形激光光斑之間像素位置的距離；將熔融硅液面下降5~10mm，穩(wěn)定后計(jì)算此時(shí)兩個(gè)矩形激光光斑之間像素位置的距離，得到兩個(gè)矩形光斑之間的像素值與實(shí)際液面位置數(shù)值之間的關(guān)系；根據(jù)兩個(gè)矩形光斑之間的像素值與實(shí)際液面位置數(shù)值之間的關(guān)系和實(shí)際測(cè)得的兩個(gè)矩形激光光斑中心的距離的像素值，換算出液面位置變化的實(shí)際值。
[0012]重復(fù)步驟f最終得到像素值與實(shí)際液面位置之間的關(guān)系。
[0013]步驟a)包括以下兩步:
[0014]al.在拉晶爐的觀察口處安裝相機(jī)和一字線激光器，并在相機(jī)前方固定濾光片，打開(kāi)一字線激光器，使一字線激光器發(fā)射的激光光束入射到拉晶爐的熱屏和熔融硅液體上，調(diào)整一字線激光器和相機(jī)的角度使通過(guò)熔融硅液面和熱屏反射后的光斑能在相機(jī)上成像；
[0015]a2.通過(guò)一字線激光器發(fā)射激光光束，由相機(jī)米集熔融娃液面上的矩形激光反射光斑以及熱屏上的矩形激光反射光斑的投影。
[0016]所述的一字線激光器發(fā)射的激光光束經(jīng)過(guò)安裝在觀察口上的圓形隔熱玻璃及觀察口照射到拉晶爐的熱屏和熔融硅液面上，高溫熔融硅近似于鏡面，熱屏上的激光在熔融硅液面上產(chǎn)生投影，入射到熔融硅液面上的激光在熱屏上產(chǎn)生投影，相機(jī)采集熔融硅液面上的矩形激光反射光斑以及熱屏上的矩形激光反射光斑的投影；
[0017]步驟c為:對(duì)相機(jī)采集到的矩形激光光斑，利用相機(jī)自帶軟件中的Blob算法獲取矩形光斑的最左側(cè)的點(diǎn) 和最右側(cè)的點(diǎn)，然后再用自帶軟件中的Measurement算法里的點(diǎn)到點(diǎn)的距離，測(cè)出兩個(gè)矩形光斑之間的最短距離。
[0018]所述的隔熱玻璃、觀察口及相機(jī)之間呈一定角度。
[0019]所述的一字線激光器為波長(zhǎng)范圍在405nm~450nm的藍(lán)紫光一字線激光器。
[0020]一種基于所述的單晶硅拉晶爐的熔融硅液面檢測(cè)方法的測(cè)量裝置，包括安裝在拉晶爐觀察口處的一字線激光器和相機(jī)，所述的一字線激光器和相機(jī)兩者之間呈一定角度，相機(jī)前方固定有濾光片。
[0021]所述的拉晶爐觀察口上還安裝有一塊降低觀察口溫度且對(duì)紅外波動(dòng)的光線起抑制作用的圓形隔熱玻璃。
[0022]所述的一字線激光器為波長(zhǎng)范圍在405nm~450nm的藍(lán)紫光一字線激光器。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:
[0024]本發(fā)明提供的單晶硅拉晶爐的熔融硅液面檢測(cè)方法及基于該方法的測(cè)量裝置，通過(guò)采用一字線激光器向拉晶爐的熱屏和熔融硅液面發(fā)射激光，并采用相機(jī)對(duì)熱屏及熔融硅液面反射的激光光斑的投影的采集，來(lái)計(jì)算出拉晶爐中熔融硅液面的實(shí)際液面高度變化，然后根據(jù)拉晶爐中熔融硅液面的實(shí)際高度合理的調(diào)整坩堝的升降速度，并控制拉晶速度，避免由于溶融娃液面的變化，而對(duì)晶體質(zhì)量的影響，提聞了拉晶品質(zhì)。
[0025]同時(shí)本發(fā)明采用一字線藍(lán)紫色激光對(duì)拉晶爐中熔融硅液面進(jìn)行非接觸式測(cè)量，避免了常規(guī)測(cè)量采用的紅外激光測(cè)距裝置中出現(xiàn)的爐體內(nèi)的紅外線與紅外激光混合在一起，探視器無(wú)法識(shí)別的問(wèn)題。
[0026]此外，本發(fā)明在相機(jī)前方固定了一塊濾光片，濾光片帶寬較窄以便盡量減少除藍(lán)紫光以外的干擾光線的進(jìn)入。
[0027]進(jìn)一步地，由于觀察口溫度很高，在觀察口上加裝一塊圓形隔熱玻璃，且保證隔熱玻璃、觀察口、相機(jī)三者之間呈一定角度而不是不在一條直線上。隔熱玻璃在降低觀察口溫度的同時(shí)還能對(duì)紅外波動(dòng)的光線起到抑制作用，減小雜散光進(jìn)入相機(jī)內(nèi)。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0028]圖1為本發(fā)明的熱屏成像示意圖；
[0029]圖2為本發(fā)明的測(cè)量原理圖；
[0030]圖3為本發(fā)明的測(cè)量過(guò)程的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖4為本發(fā)明相機(jī)采集到圖像；
[0032]圖5為經(jīng)過(guò)Sobel算子提取的邊緣圖像以及激光光斑的距離；
[0033]圖6為本發(fā)明提供的單晶硅拉晶爐的熔融硅液面檢測(cè)方法流程示意圖；
[0034]圖7、圖8為本發(fā)明的單晶硅拉晶爐的熔融硅液面檢測(cè)方法中的圖像處理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]下面結(jié)合具體的 實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，所述是對(duì)本發(fā)明的解釋而不是限定。
[0036]三角位移測(cè)量方法是因?yàn)槿肷涔饩€和反射光線形成一個(gè)三角形而得名的，它的原理是從光源發(fā)射出一束光束到被測(cè)物體的表面，并且在另一個(gè)方向和位置上通過(guò)成像觀察反射光點(diǎn)的位置，從而可以得出被測(cè)物體表面的位移。
[0037]參見(jiàn)圖1至圖6，本發(fā)明一種單晶硅拉晶爐的熔融硅液面檢測(cè)方法，在單晶爐的觀察口上安裝一字線激光器和相機(jī)，激光器發(fā)射的激光光束經(jīng)觀察口照射到拉晶爐的熱屏和熔融硅液面上，高溫熔融硅近似于鏡面，熱屏上的激光在熔融硅上產(chǎn)生投影，入射到熔融硅上的激光在熱屏上產(chǎn)生投影，激光光束及其投影在相機(jī)上成像，對(duì)激光投影的光斑進(jìn)行圖像邊緣和中心提取，計(jì)算兩光斑中心的距離，從而得到光斑中心距離相對(duì)液口距的變化關(guān)系，具體包括以下步驟:
[0038]a.安裝測(cè)量裝置，該測(cè)量裝置包含一字線激光器、相機(jī)、鏡頭、濾光片以及隔熱玻璃，測(cè)量時(shí)將相機(jī)和一字線激光器等安裝在拉晶爐的觀察口處，并在相機(jī)前方固定有濾光片，在觀察口上安裝隔熱玻璃，且所述的隔熱玻璃、觀察口及相機(jī)之間呈一定角度。打開(kāi)一字線激光器，使一字線激光發(fā)射的激光光束經(jīng)過(guò)安裝在拉晶爐觀察口上的圓形隔熱玻璃及觀察口入射到拉晶爐的熱屏和熔融硅液體上，高溫熔融硅近似于鏡面，熱屏上的激光在熔融硅液面上產(chǎn)生投影，入射到熔融硅液面上的激光在熱屏上產(chǎn)生投影，調(diào)整一字線激光和相機(jī)的角度使通過(guò)熔融硅液面和熱屏反射后的光斑能在相機(jī)上成像。
[0039]具體的，將一字線激光光束從拉晶爐的觀察口上斜射入熱屏和熔融硅液面上，由于熱屏和熔融硅液面有高度差，因而投射的一字線激光會(huì)被分成兩部分，投射到熔融硅液面的激光光束會(huì)在熔融硅表面產(chǎn)生鏡面反射，反射光束投影到熱屏上，熱屏邊緣經(jīng)人工打磨形成倒角，熔融硅液面的反射光束在熱屏倒角部分形成一個(gè)矩形光斑；照射在熱屏上的那部分激光光束在熱屏倒角上也會(huì)形成一個(gè)矩形光斑，這個(gè)矩形光斑會(huì)在熔融硅液面上產(chǎn)生投影。如果相機(jī)和一字線激光光源的安裝位置合適，相機(jī)正好能拍到這兩個(gè)投影矩形光斑，經(jīng)過(guò)幾何計(jì)算，當(dāng)兩個(gè)矩形光斑在同一水平線上時(shí)，這兩個(gè)矩形光斑之間的距離正好等于熱屏下邊緣到熔融硅液面的距離，因此測(cè)量了這兩個(gè)光斑的距離，相當(dāng)于測(cè)量了熱屏下邊緣到熔融硅液面的距離。
[0040]b.通過(guò)一字線激光器發(fā)射激光光束，由相機(jī)采集熔融硅液面上的矩形激光反射光斑以及熱屏上的矩形激光反射光斑的投影。
[0041]c.調(diào)整一字線激光器的位置，使得熱屏和熔融硅液面上的激光光斑處于同一條水平線上；調(diào)整相機(jī)鏡頭焦距，使得兩個(gè)反射激光光斑的亮度保持一致，能清晰的呈現(xiàn)在相機(jī)視野中。
[0042]d.對(duì)相機(jī)采集的矩形激光光斑經(jīng)過(guò)圖像處理算法，提取兩個(gè)光斑的邊緣以及光斑的中心點(diǎn)，計(jì)算出兩個(gè)矩形激光光斑的中心的距離，從而得到熱屏下邊緣到熔融硅液面的距離。
[0043]具體的，對(duì)矩形激光光斑進(jìn)行圖像處理采用以下的步驟:
[0044]首先，對(duì)采集到的光斑進(jìn)行去噪處理，具體為:采用邊緣檢測(cè)算法對(duì)圖像中局部強(qiáng)度變化最為顯著地部分進(jìn)行提取，對(duì)目標(biāo)與目標(biāo)，目標(biāo)與背景中感興趣部分提取。Sobel算子是一種一階微分算子或梯度算子。通過(guò)該方法求出圖像灰度變化的方向趨勢(shì)，增強(qiáng)灰度劇烈變化的區(qū)域，然后根據(jù)一定的閾值進(jìn)行取舍。梯度的大小表示了圖像邊緣的強(qiáng)度，梯度的方向?yàn)檠貓D像邊緣的發(fā)現(xiàn)方向。Sobel算子對(duì)噪聲具有平滑作用，能夠提供較為精確的邊緣信息。Sobel邊緣算子包括兩個(gè)核，分別對(duì)垂直的邊緣和水平的邊緣的響應(yīng)最大。
【權(quán)利要求】
1.一種單晶硅拉晶爐的熔融硅液面檢測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟:a.安裝在拉晶爐觀察口處的測(cè)量裝置中的一字線激光器發(fā)射激光光束，使一字線激光器發(fā)射的激光光束入射到拉晶爐的熱屏和熔融硅液體上，安裝在拉晶爐觀察口的測(cè)量裝置中的相機(jī)采集熔融硅液面上的矩形激光反射光斑以及熱屏上的矩形激光反射光斑的投影； b.調(diào)整一字線激光器的位置，使得熱屏和熔融硅液面上的矩形激光光斑處于同一條水平線上；調(diào)整相機(jī)鏡頭焦距，使得兩個(gè)反射激光光斑的亮度保持一致，能清晰的呈現(xiàn)在相機(jī)視野中； c.對(duì)相機(jī)采集的矩形激光光斑經(jīng)過(guò)圖像處理算法，提取兩個(gè)光斑的邊緣以及光斑的中心點(diǎn)，計(jì)算出兩個(gè)矩形激光光斑的中心的距離，從而得到熱屏下邊緣到熔融硅液面的距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單晶硅拉晶爐的熔融硅液面檢測(cè)方法，其特征在于，所述方法在步驟c后還包括以下步驟: d.對(duì)測(cè)量裝置進(jìn)行標(biāo)定，將熔融硅液面位置上升5~10mm，穩(wěn)定后計(jì)算此時(shí)兩個(gè)矩形激光光斑之間像素位置的距離；將熔融硅液面下降5~10mm，穩(wěn)定后計(jì)算此時(shí)兩個(gè)矩形激光光斑之間像素位置的距離，得到兩個(gè)矩形光斑之間的像素值與實(shí)際液面位置數(shù)值之間的關(guān)系；根據(jù)兩個(gè)矩形光斑之間的像素值與實(shí)際液面位置數(shù)值之間的關(guān)系和實(shí)際測(cè)得的兩個(gè)矩形激光光斑中心的距離的像素值，換算出液面位置變化的實(shí)際值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單晶硅拉晶爐的熔融硅液面檢測(cè)方法，其特征在于，重復(fù)步驟f最終得到像素值與實(shí)際液面位置 之間的關(guān)系。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單晶硅拉晶爐的熔融硅液面檢測(cè)方法，其特征在于，步驟a)包括以下兩步: al.在拉晶爐的觀察口處安裝相機(jī)和一字線激光器，并在相機(jī)前方固定濾光片，打開(kāi)一字線激光器，使一字線激光器發(fā)射的激光光束入射到拉晶爐的熱屏和熔融硅液體上，調(diào)整一字線激光器和相機(jī)的角度使通過(guò)熔融硅液面和熱屏反射后的光斑能在相機(jī)上成像； a2.通過(guò)一字線激光器發(fā)射激光光束，由相機(jī)米集熔融娃液面上的矩形激光反射光斑以及熱屏上的矩形激光反射光斑的投影。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單晶硅拉晶爐的熔融硅液面檢測(cè)方法，其特征在于，所述的一字線激光器發(fā)射的激光光束經(jīng)過(guò)安裝在觀察口上的圓形隔熱玻璃及觀察口照射到拉晶爐的熱屏和熔融硅液面上，高溫熔融硅近似于鏡面，熱屏上的激光在熔融硅液面上產(chǎn)生投影，入射到熔融硅液面上的激光在熱屏上產(chǎn)生投影，相機(jī)采集熔融硅液面上的矩形激光反射光斑以及熱屏上的矩形激光反射光斑的投影； 步驟c為:對(duì)相機(jī)采集到的矩形激光光斑，利用相機(jī)自帶軟件中的Blob算法獲取矩形光斑的最左側(cè)的點(diǎn)和最右側(cè)的點(diǎn)，然后再用自帶軟件中的Measurement算法里的點(diǎn)到點(diǎn)的距離，測(cè)出兩個(gè)矩形光斑之間的最短距離。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的單晶硅拉晶爐的熔融硅液面檢測(cè)方法，其特征在于，所述的隔熱玻璃、觀察口及相機(jī)之間呈一定角度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單晶硅拉晶爐的熔融硅液面檢測(cè)方法，其特征在于，所述的一字線激光器為波長(zhǎng)范圍在405nm~450nm的藍(lán)紫光一字線激光器。
8.一種基于權(quán)利要求1所述的單晶硅拉晶爐的熔融硅液面檢測(cè)方法的測(cè)量裝置，其特征在于，包括安裝在拉晶爐觀察口處的一字線激光器和相機(jī)，所述的一字線激光器和相機(jī)兩者之間呈一定角度，相機(jī)前方固定有濾光片。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的測(cè)量裝置，其特征在于，所述的拉晶爐觀察口上還安裝有一塊降低觀察口溫度且對(duì)紅外波動(dòng)的光線起抑制作用的圓形隔熱玻璃。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的測(cè)量裝置，其特征在于，所述的一字線激光器為波長(zhǎng)范圍在.405nm~450nm的藍(lán)紫光一字線激光器。
【文檔編號(hào)】C30B15/26GK103628131SQ201310660636
【公開(kāi)日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年12月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月6日
【發(fā)明者】楊欣, 王軍會(huì), 何茜, 奈斌 申請(qǐng)人:西安德伍拓自動(dòng)化傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司