一种双层复合石英坩埚表面缺陷检测装置及方法

本发明属于石英坩埚表面缺陷检测，具体涉及一种双层复合石英坩埚表面缺陷检测装置及方法。

背景技术：

1、拉制单晶硅必须使用双层复合石英坩埚，双层复合石英坩埚作为一种消耗性器皿，对双层复合石英坩埚的外观要求十分严格，出厂前要对其尺寸、外观等参数进行严格地检查，否则会严重影响单晶硅生产质量。

2、随着半导体工业对单晶硅的需求量与日俱增，双层复合石英坩埚的需求量也有显著增加。在生产过程中，双层复合石英坩埚的内壁会由于原材料纯度的影响产生黑点、白点、附着物等缺陷，影响双层复合石英坩埚的质量，因此测量统计出双层复合石英坩埚内壁表面缺陷分布等信息，对单晶硅质量评价、双层复合石英坩埚质量评价具有重要意义。传统的人工检查双层复合石英坩埚内壁表面缺陷的方法，已经不能满足大规模高效生产需要，人工检测劳动强度大、工作效率低，检测结果易受检测人员技术水平、经验和疲劳程度等主观因素的影响，缺乏准确性和规范性，无法保证正常的产品质量。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种双层复合石英坩埚表面缺陷检测装置。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种双层复合石英坩埚表面缺陷检测装置，其特征在于：包括用于盛放双层复合石英坩埚的承重底板、安装在承重底板上且位于双层复合石英坩埚外侧的框架结构和安装在所述框架结构上部且用于带动检测设备移动的滑台，承重底板内设置有用于带动双层复合石英坩埚自转的转盘，所述框架结构的空档区间设置有面光源，所述检测设备包括工业相机和激光测量仪。

3、上述的一种双层复合石英坩埚表面缺陷检测装置，其特征在于：所述框架结构包括多个装置支柱，沿周向相邻的两个装置支柱之间设置有面光源。

4、上述的一种双层复合石英坩埚表面缺陷检测装置，其特征在于：所述转盘上设置有用于支撑双层复合石英坩埚的坩埚夹具。

5、上述的一种双层复合石英坩埚表面缺陷检测装置，其特征在于：所述滑台包括两个相平行设置的第一滑轨底座，第一滑轨底座上设置有第一滑轨和用于带动安装在第一滑轨上的第一滑块移动的第一伺服电机，两个第一滑块之间安装有第二滑轨底座，第二滑轨底座上设置有第二滑轨和用于带动安装在第二滑轨上的第二滑块移动的第二伺服电机，第二滑块底部安装有电动伸缩杆，电动伸缩杆的伸缩端安装有用于带动检测设备变换角度的云台；

6、两个第一滑轨底座均安装在所述框架结构顶部。

7、上述的一种双层复合石英坩埚表面缺陷检测装置，其特征在于：所述转盘上安装有转盘电机，工业相机的信号输出端和激光测量仪的信号输出端均与工控机的信号输入端连接，第一伺服电机的信号输入端、第二伺服电机的信号输入端、电动伸缩杆的信号输入端、云台的信号输入端和转盘电机的信号输入端均与工控机的信号输出端连接。

8、上述的一种双层复合石英坩埚表面缺陷检测装置，其特征在于：所述工控机上连接有存储器。

9、同时，本发明还公开了一种方法步骤简单、设计合理、可进行双层复合石英坩埚表面缺陷检测的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

10、步骤一、构建并训练双层复合石英坩埚表面缺陷检测模型，过程如下：

11、步骤101、获取包含多种缺陷类型的双层复合石英坩埚内表面图像，并对双层复合石英坩埚内表面图像进行图像增强，构建图像数据库，对图像数据库进行随机分类，获得图像训练数据集合和图像测试数据集合；

12、步骤102、构建双层复合石英坩埚表面缺陷检测模型，所述双层复合石英坩埚表面缺陷检测模型包括backbone网络、neck网络以及head网络，backbone网络包括csp结构和sppf结构，用于提取图像高层、中层和低层的特征；neck网络包括panet结构，通过生成特征金字塔处理多尺度特征；head网络生成检测结果，包括目标的边界坐标和类别概率；

13、其中，panet结构包含全维动态卷积odconv和eca注意力机制；

14、步骤103、从图像训练数据集合中依次调取图像增强后的双层复合石英坩埚内表面图像输入至双层复合石英坩埚表面缺陷检测模型，采用二元交叉熵函数来计算分类损失，输出带有边界坐标和类别概率的分类预测结果，直至双层复合石英坩埚表面缺陷检测模型收敛，完成双层复合石英坩埚表面缺陷检测模型训练过程；

15、步骤104、在图像测试数据集合中调取样本图像，对双层复合石英坩埚表面缺陷检测模型进行测试，直至测试完毕，获取训练并测试完成的双层复合石英坩埚表面缺陷检测模型；

16、步骤二、设定框选坩埚缺陷类型的锚框：使用kmeans聚类算法生成框选坩埚缺陷类型的锚框；

17、步骤三、利用双层复合石英坩埚表面缺陷检测装置获取双层复合石英坩埚的一张实际采集图像；

18、步骤四、将步骤三中的实际采集图像输入双层复合石英坩埚表面缺陷检测模型，输出带有边界坐标和类别概率的分类预测结果；

19、所述缺陷类型包括气泡、杂质黑点、附着物、白斑、凹坑、裂纹、表面污渍和析晶点；

20、步骤五、判断分类预测结果中是否存在附着物、白斑和凹坑；当分类预测结果中存在附着物、白斑和凹坑时，执行步骤六；当分类预测结果中不存在附着物、白斑和凹坑时，执行步骤三和步骤四，直至双层复合石英坩埚内表面检测完毕；

21、步骤六、记录附着物、白斑或凹坑的位置信息：将附着物、白斑或凹坑视为目标物，将当前双层复合石英坩埚表面缺陷检测装置中的工业相机的位置状态信息记作初始状态，调节云台转动角度，使目标物位于工业相机视野中心位置，记录此时工业相机的位置信息后，复原工业相机至初始状态，然后执行步骤三；

22、步骤七、获取附着物、白斑或凹坑的深度信息：待双层复合石英坩埚内表面检测完毕后，将工业相机更换成激光测量仪，根据步骤六中记录的附着物、白斑或凹坑的位置信息，依次获取各个目标物的深度信息。

23、上述的方法，其特征在于：所述csp结构包括依次连接的第一卷积模块、第二卷积模块、第一c3模板、第三卷积模块、第二c3模板、第四卷积模块、第三c3模板、第五卷积模块和第四c3模板，第四c3模板和sppf结构连接；

24、所述panet结构包括与sppf结构连接的第六卷积模块，第六卷积模块上采样得到第一concat模块，第一concat模块经过第五c3模板和第七卷积模块后上采样得到第二concat模块，第二concat模块经过第六c3模板和全维动态卷积odconv后上采样得到第三concat模块，第三concat模块经第七c3模板特征提取后再引入eca注意力模块和第八卷积模块得到第四concat模块，第四concat模块依次经第八c3模板、第九卷积模块、第五concat模块、第九c3模板、第十卷积模块、第六concat模块和第十c3模板连接head网络；其中，第一concat模块与第三c3模板连接，第二concat模块与第二c3模板连接，第三concat模块与第一c3模板连接，第四concat模块与全维动态卷积odconv连接，第五concat模块与第七卷积模块连接，第六concat模块与第六卷积模块连接；

25、head网络包括与eca注意力模块连接的第十一卷积模块、与第八c3模板连接的第十二卷积模块、与第九c3模板连接的第十三卷积模块和与与第十c3模板连接的第十四卷积模块。

26、上述的方法，其特征在于：所述第十一卷积模块输出特征图尺寸为160×160，其对应的锚框尺寸包括(5，5)、(10，10)和(21，21)；所述第十二卷积模块输出特征图尺寸为80×80，其对应的锚框尺寸包括(14，14)、(18，18)和(30，30)；所述第十三卷积模块输出特征图尺寸为40×40，其对应的锚框尺寸包括(30，61)、(62，45)和(59，119)；所述第十四卷积模块输出特征图尺寸为20×20，其对应的锚框尺寸包括(116，90)、(156，198)和(373，326)。

27、上述的方法，其特征在于：所述工业相机的位置信息包括工业相机的坐标和镜头旋转角度。

28、本发明与现有技术相比具有以下优点：

29、1、本发明采用的装置通过在承重底板上设置转盘，可任意转动双层复合石英坩埚角度，便于检测设备对双层复合石英坩埚进行全方位检测；通过在承重底板上设置框架结构，框架结构可以给滑台提供安装基础的同时给面光源提供安装支架，面光源可全方位给双层复合石英坩埚进行打光，双层复合石英坩埚内层为透明结构，外层为透光的磨砂结构，面光源覆盖坩埚侧面，避免内部打光导致坩埚底部通过四周的漫反射照亮，影响拍照结果；利用工业相机获取坩埚表面结果，坩埚表面缺陷类型包括气泡、杂质黑点、附着物、白斑、凹坑、裂纹、表面污渍、析晶点，拍摄的图像难以确定凹坑、附着物和白斑深度信息，再利用激光测量仪二次检测，根据参考距离数据确定凹坑、附着物和白斑缺陷的深度信息。

30、2、本发明采用的方法，使用kmeans聚类算法生成适合坩埚缺陷数据集的锚框，然后增加小目标检测层提升小目标检测效果，使用全维动态卷积odconv和eca注意力机制让网络更加关注待检测目标，同时不会增加太多的计算量，c3模块和eca注意力模块融合，c3模块先应用于特征提取，然后再引入eca注意力模块以增强网络的注意力机制。

31、3、本发明采用的方法，步骤简单，在坩埚缺陷检测过程中，目标缺陷点往往只占据画面中非常小的部分，这些小目标往往具有低分辨率和模糊的特征，现有模型针对小目标容易漏检，本技术专门设置小目标检测头可以帮助模型更好地捕获并理解这些细微的特征，从而提高对小目标的感知能力，增强模型在复杂场景下的综合性能，提高整体的目标检测精度和鲁棒性；通过增加特征图尺寸为160×160的检测头，较大的特征图意味着每个单元格的感受野也相对较大，对于小目标，其特征往往分布在图像的不同区域，因此具有更大感受野的特征图能够更全面地捕捉到小目标的信息；eca注意力机制可以有效地增强图像特征表示，尤其是对于小目标而言，能够提高网络对细微特征的感知能力，从而更好地检测小目标；此外eca注意力机制有助于捕捉空间上下文信息，提高特征的丰富性，从而在复杂背景下提高对小目标的检测准确性；该注意力机制可以帮助模型更好地理解不同通道之间的关联性，有助于提高对小目标特征的提取和区分能力。

32、综上所述，本发明设计新颖合理，利用转盘转动双层复合石英坩埚，保证全方位检测钳锅，提供面光源辅助，利用滑台携带检测设备，基于图像和测距进行双层复合石英坩埚表面缺陷的检测，检测速度快、检测精度高，对每种缺陷的数量都有数据留存便于溯源，大大降低检测成本，提高检测效率，便于推广使用。

33、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。