一种测量单晶炉熔硅液面高度的装置与方法
【专利摘要】一种测量单晶炉熔硅液面高度的装置与方法，属于半导体材料检测【技术领域】；其中，坩埚置于拉单晶炉体内部；在拉单晶炉体内部，坩埚上设有锥形隔热屏；所述拉单晶炉体顶部表面设有观察孔，用以激光入射和光电传感器采集图像；设置镜头光轴与激光条纹在硅液上的投影垂直，求取两个参考点与激光条纹的距离之和d′，根据几何关系求取隔热屏下边缘与硅液之间的距离d。本发明采用激光作为测量的基准，该激光条纹可以加工的更加狭窄，有利于提高测量的精度；采用激光双反射测量其测量精度更高；激光入射与CCD采像在同一个入射孔，且激光与CCD固定在一起，与激光从一个窗口入射，CCD从另一窗口接受的方法相比，简化了装置复杂性。
【专利说明】一种测量单晶炉熔硅液面高度的装置与方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种测量单晶炉熔硅液面高度的装置与方法，属于半导体材料检测【技术领域】。
【背景技术】
[0002]单晶硅是制造半导体硅器件的原料，用于制造大功率整流器、大功率晶体管、二极管、开关器件等。单晶硅在开发能源方面也是一种很有前途的材料，晶体硅太阳能电池在近年来得到了迅猛的发展并实现了大规模的产业化。
[0003]单晶硅按晶体生长方法的不同，分为直拉法(CZ)、区熔法(FZ)和外延法。直拉法、区熔法生长单晶硅棒材，外延法生长单晶硅薄膜。直拉法生长的单晶硅主要用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底、太阳能电池。
[0004]在直拉法生长单晶硅中，单晶的生长过程和长成单晶的内部缺陷限制对于单晶的生长环境提出了比较严格的要求。在晶体提拉的过程中，存在诸多不确定的因素，例如晶体提拉速度和坩埚上升的精度、晶体直径和坩埚内径的不一致性，诸多因素都有微小的波动，在短时间内，不易产生大的液面偏差，但是单晶的生长过程一般是需要在24小时以上，这些小的波动不易被肉眼视觉发觉，但是积累会使液面位置发生较大变化，将影响晶体的生长控制和晶体质量。因此，精确测量单晶炉液面高度，调整坩埚提升的速度，使得液面高度控制处于闭环状态，从而可以得到更高的液面控制精度。
[0005]由于被测物处 于熔融状态，温度非常高，因此，高温熔体液面的检测一般采取非接触的测量方法。视觉检测是一种信息丰富、非接触的检测方法，因此也被用来测量熔硅液面高度，目前常用的方法是观察隔热屏倒影法，但该方法精度有待进一步提高。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种测量单晶炉熔硅液面高度的装置与方法，本发明采用激光双反射法测量熔硅液面高度，以克服目前常规检测方法算法复杂，检测精度不高等缺陷。
[0007]为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种测量单晶炉熔硅液面高度的装置与方法，其中一种测量单晶炉熔硅液面高度的装置，该装置包括线形激光器、窄带滤光片、镜头、图像传感器和计算机，镜头装在图像传感器前方，构成视觉系统，窄带滤光片放置在镜头前方或镜头与图像传感器之间，线形激光器与图像传感器固定在一起，线形激光器的出光轴与镜头的光轴平行，计算机与图像传感器连接在一起，负责处理图像传感器采集回来的图像。
[0008]该装置测量的对象为拉单晶炉中熔融硅液的液面高度，测量方法如图1所示，其中被测系统包括容纳熔融硅液的坩埚1、拉单晶炉体2、隔热屏3、观察孔4、熔融硅液的表面6。
[0009]其中，坩埚I置于拉单晶炉体2内部；在拉单晶炉体2内部，坩埚I上设有底部直径小于顶部直径的锥形隔热屏3 ;所述拉单晶炉体2顶部表面设有观察孔4，用以激光入射和光电传感器采集图像；坩埚I内部容纳有熔融硅液，所述熔融硅液上表面为熔融硅液的表面6。
[0010]在拉单晶炉体2外部，沿观察孔4与熔融硅液的表面6方向的L点为线形激光的出射点，AB为i甘祸I内容纳熔融娃液的熔融娃液的表面6 ;该激光通过观察孔4后,一部分落在隔热屏3的内表面底端，另一部分落在熔融硅液的表面6上；落在隔热屏3内表面底端的激光线段最下端为M点，如图2所示，M点经过熔融硅液的表面6后会发生镜面反射，从而形成一个虚的像点，即P点，其在主视图上的投影如图1所示；由俯视图可知，落在熔融硅液的表面6的激光条纹为线段N1N2，该线段与熔融硅液的表面6平行，其在主视图上的投影为N，该条形激光也会发生镜面反射，反射回来的光会落在隔热屏3上，由于隔热屏3底部直径小于顶部直径，因此，此反射光只在隔热屏3的底部边缘看到，且其形状为点状即Q点。
[0011]图像传感器5为面阵CCD、CMOS或其它光电转换器件，其前端安装一个镜头，若镜头的光心为O点，那么P点和Q点通过光心后其在光电传感器上的成像点便为P'点和Q'点，可以知道P点和V点分别为PO线与QO线延长后与感光平面的交点。
[0012]光电传感器5用以实时采集激光条纹及其周围的图像，在图像中，除激光条纹外，还会出现两个激光的反射点，其一为激光条纹照射在隔热屏下边缘处的镜像点P'，其二为激光条纹由熔融硅液面反射到隔热屏3底部边缘上的反射点Q'，通过图像处理算法可以求得这两点在图像中的位置。
[0013]同样可以观察到熔融硅液面上的激光条纹，通过图像处理算法求取激光条纹的位置。
[0014]设置镜头光轴与激光条纹在硅液上的投影垂直，求取两个参考点与激光条纹的距离之和d'，根据几何关系求取隔热屏下边缘与硅液之间的距离d。
[0015]设镜头光轴与硅液液面的夹角为Θ，镜头的放大倍率为k，则:
[0016]
【权利要求】
1.一种测量单晶炉熔硅液面高度的方法，其特征在于:该装置测量的对象为拉单晶炉中熔融硅液的液面高度，其中被测系统包括容纳熔融硅液的坩埚(1)、拉单晶炉体(2)、隔热屏(3)、观察孔(4)、熔融硅液的表面(6)； 其中，坩埚(1)置于拉单晶炉体(2)内部；在拉单晶炉体(2)内部，坩埚(1)上设有底部直径小于顶部直径的锥形隔热屏(3);所述拉单晶炉体(2)顶部表面设有观察孔(4)，用以激光入射和光电传感器采集图像；坩埚(I)内部容纳有熔融硅液，所述熔融硅液上表面为熔融娃液的表面(6)； 在拉单晶炉体(2)外部，沿观察孔(4)与熔融硅液的表面(6)方向的L点为线形激光的出射点，AB为坩埚⑴内容纳熔融硅液的熔融硅液的表面(6);该激光通过观察孔(4)后，一部分落在隔热屏(3)的内表面底端，另一部分落在熔融硅液的表面(6)上；落在隔热屏(3)内表面底端的激光线段最下端为M点，M点经过熔融硅液的表面(6)后会发生镜面反射，从而形成一个虚的像点，即P点；落在熔融硅液的表面(6)的激光条纹为线段N1N2，该线段与熔融硅液的表面(6)平行，其在主视图上的投影为N，该条形激光也会发生镜面反射，反射回来的光会落在隔热屏(3)上，由于隔热屏(3)底部直径小于顶部直径，因此，此反射光只在隔热屏3的底部边缘看到，且其形状为点状即Q点； 图像传感器(5)为面阵CCD、CMOS或其它光电转换器件，其前端安装一个镜头，若镜头的光心为O点，那么P点和Q点通过光心后其在光电传感器上的成像点便为P点和V点，可以知道P点和V点 分别为PO线与QO线延长后与感光平面的交点； 光电传感器(5)用以实时采集激光条纹及其周围的图像，在图像中，除激光条纹外，还会出现两个激光的反射点，其一为激光条纹照射在隔热屏下边缘处的镜像点P'，其二为激光条纹由熔融硅液面反射到隔热屏(3)底部边缘上的反射点Q'，通过图像处理算法可以求得这两点在图像中的位置； 同样可以观察到熔融硅液面上的激光条纹，通过图像处理算法求取激光条纹的位置；设置镜头光轴与激光条纹在硅液上的投影垂直，求取两个参考点与激光条纹的距离之和d'，根据几何关系求取隔热屏下边缘与硅液之间的距离d ； 设镜头光轴与硅液液面的夹角为Θ，镜头的放大倍率为k，则:
2.依权利要求1所述的一种测量单晶炉熔硅液面高度的方法，其测量单晶炉熔硅液面高度的装置特征在于:该装置包括线形激光器、窄带滤光片、镜头、图像传感器和计算机，镜头装在图像传感器前方，构成视觉系统，窄带滤光片放置在镜头前方或镜头与图像传感器之间，线形激光器与图像传感器固定在一起，线形激光器的出光轴与镜头的光轴平行，计算机与图像传感器连接在一起，负责处理图像传感器采集回来的图像。
3.根据权利要求1所述的一种测量单晶炉熔硅液面高度的方法，其特征在于:所述参考点图像处理算法举例，激光像点和P会随着液面高度的变化移动，若液面相对于隔热屏底边的高度移动的范围为35mm± 20mm，可以算出激光点的移动范围，在该范围内，搜寻局部灰度极值点；如极值点为多个点，则求其几何质心。
4.根据权利要求1所述的一种测量单晶炉熔硅液面高度的方法，其特征在于:激光条纹图像处理算法举例，激光条纹方向与图像传感器固定在一起，其方向在图像中固定不变，在垂直于激光的方向，依次搜寻激光条纹的局部极值点，如极值点为多个点，则求其位置均值，将这些点通过直线拟合方式求出激光条纹位置。
5.根据权利要求1所述的一种测量单晶炉熔硅液面高度的方法，其特征在于:相机型号为SQ-S20C-G30-C，像元尺寸为5.5 μ m，由于拉晶过程中液面的高度不可直接测量，用镜面代替液面，测得镜面与隔热屏距离为37.5mm，通过标定，镜头光轴与液面的夹角为22.1度，测得实际标定物体的尺寸为80mm时，图像中该物体的长度为195像素，可以得到镜头的放大倍率k为0.0134倍，此时测得的Q'和P'的坐标在垂直于激光条纹方向上的投影距离为135像素，根据C⑶像元尺寸可知，Q'和P'的实际距离为0.743mm，可以求得液面与隔热屏底边之间的距离为37.09mm。
【文档编号】C30B15/26GK104005083SQ201410213359
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年5月20日 优先权日:2014年5月20日
【发明者】闫志鸿, 白立来, 王凯峰 申请人:北京工业大学