CN101748478B - 一种测量坩埚中硅熔体水平面相对高度的方法 - Google Patents

Abstract

一种测量坩埚中硅熔体水平面相对高度(指相对于热屏下缘的高度)的方法，方法包括以下步骤：将CCD摄像机安装在硅单晶炉上炉体的观测窗口上，观测单晶炉内热屏下缘和热屏在熔体上的倒影；图像处理系统对CCD拍摄到的图像进行扫描，计算得到热屏在熔体上倒影的半径，将这个半径值代入经推导得到的热屏倒影半径r同液面相对高度H(液面距离热屏下端面高度)关系公式可以计算出液面相对高度。本发明优点是：可以实时监控熔体液面的相对高度变化，通过图像处理软件分析像素值增减来计算液面的高度变化。

Description

一种测量坩埚中硅熔体水平面相对高度的方法

技术领域

本发明涉及一种测量坩埚中硅熔体水平面相对高度的方法

背景技术

半导体硅单晶大部分采用切克劳斯基(Czochralski)法制造。在这种方法中，多晶硅被装进石英坩埚内，加热熔化，然后将熔硅略作降温，给予一定的过冷度，把一支特定晶向的硅单晶体(称作籽晶)与熔体硅接触，通过调整熔体的温度和籽晶向上提升速度，使籽晶体长大至接近目标直径时，提高提升速度，使单晶体接近恒定直径生长。在生长过程的末期，此时坩埚内的硅熔体尚未完全消失，通过增加晶体的提升速度和调整向坩埚提供的热量将晶体直径渐渐减小而形成一个尾形锥体，当锥体的尖端足够小时，晶体就会与熔体脱离，从而完成晶体的生长过程。

晶体生长过程中生长界面处的温度梯度主要由液面在热场中的相对位置决定，通常会在晶体生长之前设定一个起始坩埚位置，随晶体质量增加坩埚逐渐上升，使得液面位置保持基本不变。实际晶体生长过程中，晶体并非完全按照目标直径生长，坩埚上升过度或不足会是液面位置偏离目标位置。

发明内容

本发明目的在于提供一种测量坩埚中硅熔体水平面相对高度的方法，方法中，首先是研制出一种确定CCD像素变化同液面高度变化的相互转换关系，以实现液面高度的测量，并实时监测液面高度变化。

为达到上述的发明目的，本发明采用以下技术方案：

这种测量坩埚中硅熔体水平面相对高度的方法，它包括以下步骤：

(1)、将CCD摄像机安装在硅单晶炉上炉体的观测窗口上，观测单晶炉内热屏下缘和热屏在熔体上的倒影；

(2)、图像处理系统对CCD拍摄到的图像进行扫描；

(3)、将热屏倒影扫描点坐标换算为相应热屏倒影坐标r；

(4)、将r值输入根据液面相对高度H、热屏下缘半径R、热屏倒影半径r、CCD镜头到籽晶提升钢缆的距离k和镜头到热屏下缘的距离b之间空间关系推到的关系函数，计算得到液面距离热屏下端高度H。

所述的在通过像素差值计算液面相对高度变化的计算函数：

$H=\frac{(R-2r)b+{\{{(R-2r)}^2{b}^2-4(2r-R)k^2(r-R)\}}^{1/2}}{2(2r-R)}$

(1)、将CCD摄像机安装在硅单晶炉上炉体的观测窗口上，观测单晶炉内热屏下缘和热屏在熔体上的倒影；

(2)、图像处理系统对CCD拍摄到的图像进行扫描，热屏、熔体和热屏在熔体上倒影在CCD上成像具有明显的亮度差，在不同亮度交界处可以扫描到其交界线移动的信号，当将扫描宽度限制在很小的竖直方向(约跨越5到10个像素点)，可以得到亮度边界横坐标变化，当将扫描宽度限制在很小的水平方向时(约跨越5到10个像素点)，可以得到亮度边界纵坐标变化，每一个坐标值，都唯一对应一个热屏倒影半径r

(3)、根据液面高度测量系统内各个部分的相互关系，推导出热屏倒影半径同液面距离热屏下端面距离关系公式，如(公式1)。

$H=\frac{(R-2r)b+{\{{(R-2r)}^2{b}^2-4(2r-R)k^2(r-R)\}}^{1/2}}{2(2r-R)}$ (公式1)

式中R为热场中热屏下缘的半径，r热屏倒影半径，k为CCD镜头到籽晶提升钢缆的距离，b为镜头到热屏下缘的距离。通过测量可以得到R、k、b，热屏倒影的半径r可通过(2)中扫描到的点坐标计算得到，该计算方法是已经广泛采用的用CCD测量晶体直径的方法的推广应用(见文献《基于CCD测量技术的不完整圆直径测量算法研究》，半导体技术，2007年，第32卷，第07期报导，区别在于本发明方法中所扫描信号为热屏倒影同区域同非倒影区域的亮度边界，非晶体同熔体交界)，本发明中公式1是根据单晶炉及其内部热场结构推导出，经过修正可以应用于具有明显几何边界的物体同具有反射能力另一物体间距离的测量。

当熔体液面下降，则倒影和热屏下端面的距离增大，熔体液面上升，则倒影和热屏的距离减小，采用图像处理系统对CCD拍摄到的图像进行扫描，扫描频率为1次/秒以上。将每次扫描结果输入公式1得到一个液面相对高度值，实现对液面高度测量和实时监控。

本发明方法的公式不受CCD摄像机型号或结构影响，主要由本发明实施过程中所采用的设备以及设备内所装配的热场组建决定，本发明主要用于直拉法生长硅单晶过程中，CCD设备采集信号频率15次/秒。

本发明方法的优点是：可以实时监控熔体液面的相对高度变化，这一高度变化会对应一个CCD检测影像的像素变化，通过图像处理软件分析像素值增减来判断液面的高度变化，最终液面高度测量精度±0.02mm；

附图说明

图1：本发明测量、计算及控制的电路原理图

图2：为本发明测量位置示意图

图3：液面相对高度随热屏倒影半径r的变化曲线(半径180mm-170mm)

图4：液面相对高度随热屏倒影半径r的变化曲线(半径140mm-130mm)

图5：液面相对高度随热屏倒影半径r的变化曲线(半径140mm-170mm)

图6：液面相对高度随晶体长度变化曲线。

图1中，炉上设有CCD摄像机，获得熔体液面上热屏倒影，图像处理系统对CCD拍摄到的图像进行扫描，将热屏倒影点座标输入工控机，经工控机作液面相对高度计算。图2中，H1、H2为液面相对高度值，R为热场中热屏下缘的半径，r为拍摄到的热屏倒影半径，k为CCD镜头到籽晶提升钢缆的距离，b为镜头到热屏下缘的距离。

具体实施方式

本发明在Ferrofludics150单晶炉上实现，CCD信号采集系统使用UNIQ200，直径信号处理工控机型号为IPC-6606。

本发明的方法操作过程中，1、CCD摄像机扫描熔体液面上热屏倒影，工控机中的直径信号计算程序计算出热屏倒影圆周半径r；3、在工控机中将r值代入已设定好的热屏倒影半径向液面相对高度转换程序，该程序执行如公式1中计算得到相应液面相对高度H。

图2中H1代表了CCD扫描到热屏倒影处在1点所处水平面位置时，液面距离热屏下端面的距离，同理H2代表了，CCD扫描到热屏倒影处在2点所处在的水平面位置时，液面距离热屏下端面的距离；当液面由H1下降到H2，CCD扫描热屏倒影得到1点和2点坐标，从这两点坐标可以很容易计算得到相应r1和r2，将其代入公式1中就计算得到了H1和H2的实际值，H1与H2的差即为液面高度变化值。

具体实施方式

实施例1、实施例2、实施例3为硅熔体液面稳定状态下，令坩埚以50mm/hr速度由液面相对高度90mm处下降过程中记录得到的液面相对高度同热屏倒影半径r关系曲线。液面相对高度反映了熔体水平面距离热屏下端面所在平面的距离。

实施例1

图3为在设备为Ferrofludics150单晶炉，采用24in热场时，根据本发明中方法计算得到的液面相对高度随热屏倒影半径r在180mm-170mm变化曲线。其中，为热场中热屏下缘的半径R为200mm，CCD镜头到籽晶提升钢缆的距离k为80mm，镜头到热屏下缘的距离b为110mm。r在180mm-170mm范围变化时，H波动范围44.6mm-50.6mm，波动距离6mm。实际晶体生长过程中液面距离热屏下端面的距离为40mm-100mm，液面波动范围±2mm以内。

实施例2

图4为在设备为Ferrofludics150单晶炉，采用24in热场时，根据本发明中方法计算得到的液面相对高度随热屏倒影半径r在140mm-130mm变化曲线。其中，为热场中热屏下缘的半径R为200mm，CCD镜头到籽晶提升钢缆的距离k为80mm，镜头到热屏下缘的距离b为110mm。H的变化范围为77.40mm-93.04mm。

实施例3

图5为在设备为Ferrofludics150单晶炉，采用24in热场时，根据本发明中方法计算得到的液面相对高度随热屏倒影半径r在140mm-170mm变化曲线。其中，为热场中热屏下缘的半径R为200mm，CCD镜头到籽晶提升钢缆的距离k为80mm，镜头到热屏下缘的距离b为110mm。H的变化范围为77.40mm-93.04mm。

实施例4

图6所示为在设备为Ferrofludics150单晶炉，采用24in热场时，应用本发明中方法测量得到的晶体生长过程中，液面相对高度随晶体长度变化曲线。曲线中高度纵坐标零点表示本方法中液面相对高度50mm时的高度。

Claims (1)

1.一种测量坩埚中硅熔体水平面相对高度的方法，其特征在于：它包括以下步骤：

(1)、将CCD摄像机安装在硅单晶炉上炉体的观测窗口上，观测单晶炉内热屏下缘和热屏在熔体上的倒影；

(2)、图像处理系统对CCD拍摄到的图像进行扫描；

(3)、将热屏倒影扫描点坐标换算为相应热屏倒影半径r；

(4)、将r值输入根据硅熔体水平面相对高度H、热屏下缘半径R、热屏倒影半径r、CCD镜头到籽晶提升钢缆的距离k和镜头到热屏下缘的距离b之间空间关系推到的关系函数，计算得到硅熔体水平面相对高度H；所述的关系函数是：

$H=\frac{(R-2r)b+\{{(R-2r)}^2{b}^2-4(2r-R)k^2(r-R){\}}^{1/2}}{2(2r-R)}$

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