CN102732960A - 晶体硅生长速度的测试方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种晶体硅生长速度的测试方法及系统。所述测试方法包括：计算多晶炉内硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后固态硅的高度h₂及硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后液态硅表面上升的高度Δh；利用激光测距仪测量出液态硅表面至激光源的第一距离L₁；在测量出L₁后，相隔第一时间段ΔT₁后利用激光测距仪测量出液态硅表面至激光源的第二距离L₂；将h₂、Δh、L₁、L₂和ΔT₁代入公式

中，得出第一时间段ΔT₁内晶体硅的生长速度V₁。通过本发明所提供的晶体硅生长速度的测试方法，能够精确地测试晶体硅的生长速度，且测试过程中不会对晶体硅的品质造成影响。

Description

晶体硅生长速度的测试方法及系统

技术领域

本发明涉及光伏行业技术领域，更具体地说，涉及一种晶体硅生长速度的测试方法及系统。

背景技术

目前，光伏行业的生产链条主要包括：多晶硅→单晶硅→电池片→电池组件→应用系统等。其中，多晶硅一般是在特定的多晶炉中以铸锭的形式由液态的硅(简称液硅)生长成固态的硅(简称固硅)，其形成过程可包括抽真空、熔化、结晶、退火和冷却五个阶段。在上述五个阶段中，所述结晶阶段主要是运用热交换法(即定向凝固法)控制晶体硅的生长。在此阶段中，晶体硅生长的速度直接关系到铸出的多晶硅的品质，如掺杂质量、少子寿命等。为了保证或提高所述多晶硅的品质，应该实时地获取(或测试)晶体硅的生长速度，以便能够针对生长速度不符合要求的情况及时调整工艺参数。

现有工艺中在测试晶体硅生长速度时所用的工具为石英玻璃棒(简称石英棒)，具体测试过程为：通过人工的方式每隔一段时间将石英棒插入液硅中，当所述石英棒接触到固硅(由液硅而生成，位于液硅下面)表面后记录石英棒下移的距离，然后提起石英棒恢复到插入前的位置；相隔固定时间后，重复一次测量，计算相邻两次石英棒下移距离的差值，该差值即为此固定时间段内晶体硅生长的高度，进而可以得出此固定时间段内晶体硅生长的速度。

但是，依照现有方法对晶体硅生长速度进行测试具有如下缺点：第一、由于该测试过程为人工移动石英棒的过程，而人工移动石英棒进行测试的测量精度不高，石英棒伸入到固硅表面的力度、位置等都会影响测量结果；第二、如果石英棒伸至固硅表面后未及时拔出，则会使石英棒被粘住，无法拔出，导致石英棒断裂并残留在硅料中，致使多晶硅中氧含量增加，品质下降；第三、石英棒通过法兰面伸进多晶炉内，在伸入的过程中如果密封性不好，则会将空气带入炉内，继而影响多晶硅的品质。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种晶体硅生长速度的测试方法及系统，该方法能够精确地测试晶体硅的生长速度，且测试过程中不会对晶体硅的品质造成影响。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种晶体硅生长速度的测试方法，该方法包括：

计算多晶炉内硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后固态硅的高度h₂及硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后液态硅表面上升的高度Δh；

利用激光测距仪测量出液态硅表面至激光源的第一距离L₁；

在测量出L₁后，相隔第一时间段ΔT₁后利用激光测距仪测量出液态硅表面至激光源的第二距离L₂；

将h₂、Δh、L₁、L₂和ΔT₁代入公式

中，得出第一时间段ΔT₁内晶体硅的生长速度V₁。

优选的，上述方法中，计算多晶炉内硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后固态硅的高度h₂及硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后液态硅表面上升的高度Δh，具体为：

根据多晶炉内硅料的质量及多晶炉内坩埚的底面积计算得出该多晶炉内硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后固态硅的高度h₂；

将h₂代入公式

中，得出多晶炉内硅料完全熔化成液体状态时液态硅的高度h₁；其中，ρ₁为液态硅的密度，ρ₂为固态硅的密度；

将h₁及h₂代入公式Δh＝h₂-h₁中，得出多晶炉内硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后液态硅表面上升的高度Δh。

优选的，上述方法中，计算多晶炉内硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后固态硅的高度h₂及硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后液态硅表面上升的高度Δh，具体为：

根据多晶炉内硅料的质量及多晶炉内坩埚的底面积计算得出该多晶炉内硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后固态硅的高度h₂；

利用激光测距仪测量出多晶炉内硅料完全熔化成液体状态时液态硅表面至激光源的距离L₀；

利用激光测距仪测量出多晶炉内硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后固态硅表面至激光源的距离L_N；

将L₀和L_N代入公式Δh＝L₀-L_N中，得出多晶炉内硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后液态硅表面上升的高度Δh。

优选的，上述方法还包括：

在测量出L₂后，相隔第二时间段ΔT₂后利用激光测距仪测量出液态硅表面至激光源的第三距离L₃；

在测量出L₃后，相隔第三时间段ΔT₃后利用激光测距仪测量出液态硅表面至激光源的第四距离L₄；

以此类推，利用激光测距仪测量出液态硅表面至激光源的第n距离L_n；其中，L_n≥L_N，所述L_N为利用激光测距仪测量出的多晶炉内硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后固态硅表面至激光源的距离。

优选的，上述方法还包括：

将h₂、Δh、L₂、L₃和ΔT₂代入公式

中，得出第二时间段ΔT₂内晶体硅的生长速度V₂；

将h₂、Δh、L₃、L₄和ΔT₃代入公式

中，得出第三时间段ΔT₃内晶体硅的生长速度V₃；

以此类推，将h₂、Δh、L_n-1、L_n和ΔT_n-1代入公式

中，得出第n-1时间段ΔT_n-1内晶体硅的生长速度V_n-1。

优选的，上述方法还包括：根据数据V₁、ΔT₁、V₂、ΔT₂、V₃、ΔT₃、......、V_n-1及ΔT_n-1，拟合出多晶炉内硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态过程中晶体硅的生长速度曲线图。

优选的，上述方法中，根据多晶炉的型号及大小、多晶炉内坩埚的型号及坩埚的大小、坩埚支撑板的大小对所述第一时间段ΔT₁内晶体硅的生长速度V₁进行修正。

本发明还提供了一种晶体硅生长速度的测试系统，该系统包括：预计算单元、测距单元和计算单元；

其中：

所述预计算单元用于计算多晶炉内硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后固态硅的高度h₂及硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后液态硅表面上升的高度Δh；

所述测距单元用于测量液态硅表面至激光源的距离；

所述计算单元用于根据所述预计算单元计算出的h₂和Δh、所述测距单元所测量出的数据以及相应的公式计算得出晶体硅的生长速度。

优选的，上述系统还包括：绘图单元；所述绘图单元用于根据所述计算单元所计算出的晶体硅的生长速度绘制出晶体硅生长速度的曲线图。

优选的，上述系统还包括：修正单元；所述修正单元用于对所述计算单元所计算出的晶体硅的生长速度进行修正。

从上述技术方案可以看出，本发明所提供的晶体硅生长速度的测试方法，首先计算出多晶炉内硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后固态硅的高度h₂及硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后液态硅表面上升的高度Δh，然后利用激光测距仪测量出液态硅表面至激光源的第一距离L₁，在相隔第一时间段ΔT₁后再利用激光测距仪测量出液态硅表面至激光源的第二距离L₂，最后将h₂、Δh、L₁、L₂和ΔT₁代入公式

中，得出第一时间段ΔT₁内晶体硅的生长速度V₁。本发明所提供的晶体硅生长速度的测试方法，通过激光照射的方式测量多晶炉内液态硅表面与激光源之间的距离，进而根据所测距离和相关公式计算得出晶体硅的生长速度，由于在测试过程中所用激光测距仪具有较高的测量精度，因此，测量数据较为精确，从而可保证最终所得晶体硅的生长速度较为准确；且由于所述激光测距仪位于所述多晶炉外部，因此，测试过程不会对多晶炉内晶体硅的生长情况造成影响，从而不会影响所述多晶硅的品质。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的一种晶体硅生长速度测试方法的流程示意图；

图2为本发明实施例所提供的晶体硅生长过程中坩埚内的液面变化情况示意图；

图3为本发明实施例所提供的利用激光测距仪测量液态硅表面变化的高度的原理示意图；

图4为本发明实施例所提供的另一种晶体硅生长速度测试方法的流程示意图；

图5为本发明实施例所提供的一种晶体硅生长过程中的生长速度曲线图；

图6为本发明实施例所提供的一种晶体硅生长速度的测试系统示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例一

参考图1，图1为本发明实施例所提供的一种晶体硅生长速度测试方法的流程示意图，该方法具体包括如下步骤：

步骤S1：计算多晶炉内硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后固态硅的高度h₂及硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后液态硅表面上升的高度Δh。

在晶体硅(多晶硅)的生长过程中，首先需要将用以形成晶体硅的硅料放入多晶炉的坩埚内，然后通过抽真空、熔化(硅料)、结晶、退火和冷却五个工艺过程使多晶炉坩埚内的硅料形成多晶硅。

参考图2，图2为本发明实施例所提供的晶体硅生长过程中坩埚内的液面变化情况示意图。在晶体硅生长过程中，坩埚内的硅料首先通过熔化工艺转变成完全液体状态，即完全熔化状态，图2中示出了完全熔化状态的液态硅(简称液硅)的表面9，且完全熔化状态的液硅的高度(液硅表面至坩埚底部的距离)为h₁；之后，液硅通过结晶工艺逐步转变成固体状的硅(简称固硅)，这个阶段中，所述坩埚底部逐步形成固硅(图中未示出)，所述坩埚上部(固硅的上面)仍然为液硅，图2中液面11为坩埚底部已形成部分固硅后的坩埚内液硅的表面；最后，液硅完全转变成了固硅，表现在图2中为：表面10为坩埚内固硅的表面，且坩埚内固硅的高度(坩埚内硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后固态硅的高度)为h₂。

坩埚内的硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态，对应坩埚内液面的变化情况为：液面由液面9上升至表面10，因此，液硅表面上升的高度为Δh，且Δh＝h₂-h₁，这段时间内固硅的高度由0增加到了h₂，其高度增加了h₂。在多晶硅生长过程中，假定坩埚内液面均为水平面，且忽略坩埚的形变，假定坩埚内部横截面积相同，再者，假定坩埚内液硅与固硅间的转化率不变，因此，如果可获得某个时间段内液硅表面的高度变化，便可计算得出此段时间内固硅所生长的高度(即此段时间内固硅的高度变化)，从而可计算出此段时间内固硅的生长速度。

参考图2，以硅料从液面9(处于完全熔化状态)上升至液面11这段时间为例进行说明，在这段时间内液硅表面上升的高度为Δh′，假设此段时间内固硅所生长的高度为H，则H、Δh′、h₂和Δh之间具有如下关系：

$\frac{\mathrm{\Δh}}{h_2}=\frac{{\mathrm{\Δh}}^{\′}}{H}---\left(1\right)$

由公式(1)可知，当通过测量或计算手段得知h₂、Δh和Δh′时，便可计算出上述时间段内固硅所生长的高度H，从而便可计算出上述时间段内固硅的生长速度。

上述时间段内固硅所生长的高度H可由下面公式而求得：

$H=\frac{{\mathrm{\Δh}}^{\′}}{\mathrm{\Δh}}\×h_2---\left(2\right)$

因此，为了得出上述时间段内固硅的生长速度，首要的任务是测量或计算出h₂、Δh和Δh′。

本步骤中首先计算得出硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后固态硅的高度h₂及硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后液态硅表面上升的高度Δh，具体实施过程为：

首先，测量多晶炉内硅料的质量m，测量(或计算)多晶炉内坩埚的底面积S₂(本步骤中粗略认为该底面积即为所生长的多晶硅的横截面积)，当多晶炉内硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后且固态硅的高度为h₂时，有

m＝S₂×h₂×ρ₂                      (3)

其中，ρ₂为固态硅的密度，ρ₂＝2.33g/cm³，根据公式(3)便可计算得出当硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后固态硅的高度h₂。

参考图2，对于硅料完全转变成液体状态时，液硅的高度为h₁，此时，假设液面9为一水平面，且液硅的横截面积为S₁，考虑到硅料质量的不变性，则有

m＝S₁×h₁×ρ₁                         (4)

其中，ρ₁为液态硅的密度，ρ₁＝2.52g/cm³，由公式(3)和(4)可得

S₁×h₁×ρ₁＝S₂×h₂×ρ₂                     (5)

由于液硅向固硅转变均在多晶炉内的坩埚内进行，而坩埚在多晶硅的生长过程中会产生轻微的形变，本发明实施例中将坩埚所产生的轻微形变忽略，进而可认为液硅的横截面积和固硅的横截面积相等，即近似认为：S₁＝S₂，因此，有

h₁×ρ₁＝h₂×ρ₂                        (6)

将ρ₁＝2.52g/cm³，ρ₂＝2.33g/cm³代入公式(6)中，并变形得出

$h_1=\frac{2.33{\×h}_2}{2.52}---\left(7\right)$

由于根据公式(3)可得出硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后固态硅的高度h₂，因此，将由公式(3)所得出的h₂代入公式(7)中即可求出硅料处于完全熔化状态时液态硅的高度h₁。

将所求出的h₁及h₂代入公式Δh＝h₂-h₁中，得出多晶炉内硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后液态硅表面上升的高度Δh。

步骤S2：利用激光测距仪测量出液态硅表面至激光源的第一距离L₁。

步骤S1中给出了计算h₂及Δh的过程，由公式(2)可知，只需再测量出某段时间内液态硅表面变化的高度(或上升的高度)，就能得出所述某段时间内固态硅所生长的高度，进而可得出所述某段时间内固态硅的生长速度。本步骤及步骤S3具体介绍如何测量某特定时间段内液态硅表面变化的高度。

参考图3，图3为本发明实施例所提供的利用激光测距仪测量液态硅表面变化的高度的原理示意图。图中示出了多晶炉体8，位于多晶炉体8内的坩埚4，位于坩埚4外侧对所述坩埚4起到支撑、保护作用的支撑板5，位于坩埚4内底部已经转变成固体状态的固态硅7，位于坩埚4内覆盖所述固态硅7的液态硅6，液面31指的是某一时刻(假设为t₁)液态硅的表面，液面32指的是另一时刻(假设为t₂，且t₂＞t₁)液态硅的表面，t₂时刻所对应的液面32高于t₁时刻所对应的液面31，因此，t₂时刻所对应的坩埚4内底部固态硅的高度大于t₁时刻所对应的坩埚4内底部固态硅的高度(图中未示出)。

本步骤中首先利用激光测距仪1测量出t₁时刻液面31至激光源的第一距离L₁，具体测量过程为：在t₁时刻，由激光测距仪1内的激光源(图中未示出)发出一束激光(简称发射光，参见图3中标有指向液面31方向的箭头的实线)，该发射光通过多晶炉体8上的玻璃观察口2入射到多晶炉体8内，并照射到坩埚4内的液面31上，当所述发射光照射到液面31上时其将产生反馈信号，所述反馈信号以激光(简称反馈光，参见图3中标有指向玻璃观察口2方向的箭头的实线)的形式沿原路(图3中为了便于观察特意将发射光与反馈光分开来画)返回到激光测距仪1内的激光源处(可假定所述激光源即位于激光测距仪1的底部)。所述激光测距仪1根据激光源发出发射光的时间、接收到反馈光的时间以及激光束的速度可计算出t₁时刻液面31至激光源的第一距离L₁。

在利用激光测距仪1测量t₁时刻液面31至激光源的第一距离L₁时，考虑到激光束的速度很大，因此，所述激光源接收到反馈光的时间与激光源发出发射光的时间之差很小，可以忽略不计，因此，仍可认为激光源在t₁时刻就完成了发出发射光并接收反馈光的过程，即：最终所得第一距离L₁为t₁时刻液面31至激光源的距离。

步骤S3：在测量出L₁后，相隔第一时间段ΔT₁后利用激光测距仪测量出液态硅表面至激光源的第二距离L₂。

参考图3，步骤S2给出了利用激光测距仪1测量出了t₁时刻液面31至激光源的第一距离L₁，与测量L₁的过程相类似，本步骤中利用激光测距仪1测量t₂时刻(与t₁时刻相隔第一时间段ΔT₁，即t₂-t₁＝ΔT₁)液面32至激光源的第二距离L₂。图3中示出了t₂时刻激光源所发出的发射光和接收到的反馈光(如图中虚线所示)。

需要注意的是，在利用激光测距仪1进行测距时，所述激光源每次发出发射光的路径和接收到反馈光的路径均是一致的，本发明实施例中为了便于区分t₁时刻和t₂时刻激光测距仪1的测试过程，特意在图3中以分开的实线和虚线来示意。

步骤S4：将h₂、Δh、L₁、L₂和ΔT₁代入公式

中，得出第一时间段ΔT₁内晶体硅的生长速度V₁。

步骤S2和S3中分别测量出了t₁时刻和t₂时刻液态硅表面至激光源的距离，这两个距离之差即为t₁时刻到t₂时刻这一时间段内(即第一时间段ΔT₁内)液态硅表面上升的距离，即：在第一时间段ΔT₁内液态硅表面上升的距离为L₁-L₂，根据公式(2)可知在第一时间段ΔT₁内固态硅生长的高度为

再根据速度公式可得在第一时间段ΔT₁内固态硅的生长速度

本发明实施例所使用的激光测距仪，依靠激光发出发射光并接收反馈光的原理来测量距离，由于激光的速度异常快，这就使得所述激光测距仪的测量结果较为精确，一般能达到0.01mm的精度。而在实际测量过程中所要满足的测量精度一般为0.1mm，因此，本发明采用激光测距仪来测量液态硅表面至激光源的距离，所测数据比较精确，进而为准确计算晶体硅的生长速度奠定了基础。

本发明实施例中虽然具体描述了第一时间段ΔT₁内晶体硅的生长速度，但人们由此可测量出晶体硅生长过程中任一时间段内的生长速度，因此，本实施例中所述第一时间段ΔT₁并不对本发明构成任何限制。

由上可知，本发明所提供的晶体硅生长速度的测试方法，首先计算出多晶炉内硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后固态硅的高度h₂及硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后液态硅表面上升的高度Δh，然后利用处于多晶炉外部的激光测距仪测量出两个不同时刻多晶炉内液态硅表面至激光源的距离，最后根据h₂、Δh、激光测距仪所测距离、两个不同时刻的时间间隔及相关公式就能得出所述两个不同时刻之间晶体硅的生长速度。本发明所提供的晶体硅生长速度的测试方法，由于在测试过程中利用了激光测距仪进行相关数据的测量，而激光测距仪具有较高的测量精度，因此，所测相关数据比较准确，进而使得最终所得晶体硅的生长速度较为准确。除此之外，由于所述激光测距仪位于所述多晶炉的外部，因此，相比现有技术来说，本发明所提供的测试方法，其在测试过程不会对多晶炉内晶体硅的生长情况造成影响，从而不会影响所述多晶硅的品质。

下面以另一实施例详细描述本发明所提供的晶体硅生长速度的测试方法，具体如下：

实施例二

参考图4，图4为本发明实施例所提供的另一种晶体硅生长速度测试方法的流程示意图，该方法具体包括如下步骤：

步骤S101：将激光测距仪安装于多晶炉的玻璃观察口上方，并对其进行标定。

参考图3，首先将激光测距仪1安装于多晶炉的玻璃观察口2上方，使得从激光测距仪1内发出的激光能够通过所述玻璃观察口2进入到多晶炉内；然后对激光测距仪1进行标定，即：通过相应的预测量来判断所述激光测距仪1的测量精度是否满足要求，如果不满足，则需要重新调整激光测距仪1的位置。在对所述激光测距仪1标定完后，应保证激光测距仪1与多晶炉的玻璃观察口2之间的距离不再变化。

步骤S102：当多晶炉内硅料完全熔化成液体状态时，利用激光测距仪测量液态硅表面至激光源的距离L₀并记录。

本步骤中利用激光测距仪测量液态硅表面至激光源的距离L₀，具体过程可参见实施例一中步骤S2所述，在此不再赘述。

步骤S103：在测量出L₀后，相隔ΔT时间后再次利用激光测距仪测量液态硅表面至激光源的距离L₁并记录。

由于在多晶硅的生长过程中，液态硅的表面是逐渐上升的，因此，本步骤中所测L₁小于步骤S102中所测L₀。且本步骤中所述ΔT为比较短的时间间隔，一般可取1min左右，因此，本发明实施例中可近似认为在所述ΔT时间段内晶体硅是匀速生长的。

步骤S104：在测量出L₁后，相隔ΔT时间后再次利用激光测距仪测量液态硅表面至激光源的距离L₂并记录。

本发明实施例中在测量出L₁后，相隔ΔT时间后再测量L₂，其他实施例中，测量L₂与测量L₁所间隔的时间可以不为ΔT，即：使得每两个相邻的测量的时间间隔可以不相等。本实施例中为了方便起见，使每两个相邻的测量的时间间隔均相等。

步骤S105：在测量出L₂后，相隔ΔT时间后再次利用激光测距仪测量液态硅表面至激光源的距离L₃并记录。

步骤S106：按照上述步骤以此类推，直至测量出液态硅表面至激光源的距离L_n。

本步骤中所测L_n可能为液态硅表面至激光源的距离，即：测量L_n后至多晶炉内硅料转变成完全固体状态时的时间间隔小于ΔT，此种情况下，当多晶炉内硅料转变成完全固体状态时，再利用激光测距仪测量固态硅表面至激光源的距离L_N并记录，此时有L_n＞L_N；当然，所测L_n也可能为固态硅表面至激光源的距离，即：最后一次测量时多晶炉内的硅料刚好完全转变成固体状态，此时L_n＝L_N。总之，本步骤中所测L_n≥L_N，其中，L_N为利用激光测距仪测量出的多晶炉内硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后固态硅表面至激光源的距离。

步骤S107：计算多晶炉内硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后固态硅的高度h₂及硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后液态硅表面上升的高度Δh。

本步骤的具体实施过程可参见实施例一中步骤S1所述。

当然，本实施例中还可以用上述步骤中所测L₀和L_N之差L₀-L_N来得到Δh，即Δh＝L₀-L_N，也可以用此来检验按照实施例一中步骤S1所得Δh。

步骤S108：计算晶体硅生长过程中每一个ΔT时间段内的生长速度。

由上述测量数据可知，从硅料处于完全熔化状态时开始，每隔ΔT时间后液态硅表面的高度变化值依次为：L₁-L₂、L₂-L₃、......、L_n-1-L_n；因此，根据公式(2)可知，从硅料处于完全熔化状态时开始，每隔ΔT时间后固态硅所生长的高度依次为：

再根据速度公式可知，从硅料处于完全熔化状态时开始，每隔ΔT时间后固态硅的生长速度依次为：

步骤S109：对所计算出来的晶体硅生长过程中每一个ΔT时间段内的生长速度进行修正。

由于本发明实施例中在对晶体硅生长速度的测试过程中，很多条件、因素都是假设的，例如：假设晶体硅生长过程中液态硅的表面是水平面，而实际上所述液态硅的表面不可能非常平整；假设坩埚内部横截面积相同，而实际在液硅向固硅转变的过程中，坩埚会发生轻微的形变，这将导致坩埚内部横截面积不同；假设硅料完全转变成固态硅时固硅的高度h₂及坩埚内液硅与固硅间的转化率不变，而实际上对于不同的多晶炉、多晶炉内坩埚的型号及大小、坩埚支撑板的松紧程度及厂家等因素都可能会影响固硅的高度h₂及液硅与固硅间的转化率。

因此，本发明实施例中为了减小测试结果的误差，对步骤S108中所计算得出的晶体硅生长过程中每一个ΔT时间段内的生长速度进行修正，具体修正过程可依据多晶炉的型号及大小、多晶炉内坩埚的型号及坩埚的大小、坩埚支撑板的大小及松紧程度、厂家等因素来进行。

步骤S110：根据修正后的晶体硅每一个ΔT时间段内的生长速度，拟合出晶体硅生长过程中的生长速度曲线图。

由于激光测距仪测量用时非常短，因此，可以认为其测试前后晶体硅处于连续生长状态，故根据步骤S109修正后的晶体硅生长过程中每一个ΔT时间段内的生长速度和各个ΔT时间段之间的关系，可以拟合得出晶体硅生长过程中的生长速度曲线图。

参考图5，图5为本发明实施例按照上述测试步骤得到晶体硅的生长速度、并对其生长速度进行拟合所得出的晶体硅生长过程中的生长速度曲线图。曲线的横坐标表示晶体硅生长过程中的时间，曲线的纵坐标表示在某一时刻晶体硅的生长速度。由图可知，晶体硅的整个生长过程并非匀速，其生长速度先是由小逐渐增大，当达到一定速度时，其生长速度又由大逐渐减小。

根据晶体硅生长速度的曲线图，或者根据晶体硅生长过程中所测的实时生长速度，人们可以在晶体硅生长速度不符合要求的时候及时调整工艺参数，以使所述晶体硅按符合预期要求的速度进行生长，从而可保证并提高晶体硅的品质。

由上可知，本发明实施例所提供的晶体硅生长速度的测试方法，在多晶炉的玻璃观察口上方设置激光测距仪，从而采用激光束照射液硅表面，测试液硅表面至激光源的距离，每隔一段时间测试一次，根据相邻两次所测距离的差值及相应换算公式可得出这段时间内晶体硅的生长速度。由于晶体硅生长初始阶段液硅表面的温度可达1500℃以上，因此，运用激光束照射可以保证在高温情况下测量的精度。且由于激光测距仪位于多晶炉外部，因此，测试过程中不会影响多晶炉内晶体硅的生长，也不会带入杂质，从而可保证多晶炉内晶体硅的品质。

上面两个实施例详细描述了本发明所提供的晶体硅生长速度的测试方法，下面介绍本发明所提供的晶体硅生长速度的测试系统。

实施例三

参考图6，图6为本发明实施例所提供的一种晶体硅生长速度的测试系统示意图，该系统具体包括：预计算单元201、测距单元202和计算单元203；其中：所述预计算单元201用于计算多晶炉内硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后固态硅的高度h₂及硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后液态硅表面上升的高度Δh；所述测距单元202用于测量液态硅表面至激光源的距离；所述计算单元203用于根据所述预计算单元201计算出的h₂和Δh、所述测距单元202所测量出的数据以及相应的公式计算得出晶体硅的生长速度。

本发明实施例所提供的测试系统还包括：修正单元204和绘图单元205；其中，所述修正单元204用于对所述计算单元203所计算出的晶体硅的生长速度进行修正；所述绘图单元205用于根据所述修正单元204所修正后的晶体硅的生长速度绘制出晶体硅生长速度的曲线图。

本发明实施例中所述测距单元202具体为激光测距仪，可参见图3所示。本发明实施例所提供的晶体硅生长速度的测试系统，其工作过程可参见上述两个实施例的描述，在此不再详细介绍。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，相关、相似之处可相互参考。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种晶体硅生长速度的测试方法，其特征在于，包括：

计算多晶炉内硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后固态硅的高度h₂及硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后液态硅表面上升的高度Δh；

利用激光测距仪测量出液态硅表面至激光源的第一距离L₁；

在测量出L₁后，相隔第一时间段ΔT₁后利用激光测距仪测量出液态硅表面至激光源的第二距离L₂；

将h₂、Δh、L₁、L₂和ΔT₁代入公式

中，得出第一时间段ΔT₁内晶体硅的生长速度V₁。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算多晶炉内硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后固态硅的高度h₂及硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后液态硅表面上升的高度Δh，具体为：

根据多晶炉内硅料的质量及多晶炉内坩埚的底面积计算得出该多晶炉内硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后固态硅的高度h₂；

将h₂代入公式

中，得出多晶炉内硅料完全熔化成液体状态时液态硅的高度h₁；其中，ρ₁为液态硅的密度，ρ₂为固态硅的密度；

将h₁及h₂代入公式Δh＝h₂-h₁中，得出多晶炉内硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后液态硅表面上升的高度Δh。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算多晶炉内硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后固态硅的高度h₂及硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后液态硅表面上升的高度Δh，具体为：

根据多晶炉内硅料的质量及多晶炉内坩埚的底面积计算得出该多晶炉内硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后固态硅的高度h₂；

利用激光测距仪测量出多晶炉内硅料完全熔化成液体状态时液态硅表面至激光源的距离L₀；

利用激光测距仪测量出多晶炉内硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后固态硅表面至激光源的距离L_N；

将L₀和L_N代入公式Δh＝L₀-L_N中，得出多晶炉内硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后液态硅表面上升的高度Δh。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

在测量出L₂后，相隔第二时间段ΔT₂后利用激光测距仪测量出液态硅表面至激光源的第三距离L₃；

在测量出L₃后，相隔第三时间段ΔT₃后利用激光测距仪测量出液态硅表面至激光源的第四距离L₄；

以此类推，利用激光测距仪测量出液态硅表面至激光源的第n距离L_n；其中，L_n≥L_N，所述L_N为利用激光测距仪测量出的多晶炉内硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后固态硅表面至激光源的距离。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括：

将h₂、Δh、L₂、L₃和ΔT₂代入公式

中，得出第二时间段ΔT₂内晶体硅的生长速度V₂；

将h₂、Δh、L₃、L₄和ΔT₃代入公式中，得出第三时间段ΔT₃内晶体硅的生长速度V₃；

以此类推，将h₂、Δh、L_n-1、L_n和ΔT_n-1代入公式

中，得出第n-1时间段ΔT_n-1内晶体硅的生长速度V_n-1。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：根据数据V₁、ΔT₁、V₂、ΔT₂、V₃、ΔT₃、......、V_n-1及ΔT_n-1，拟合出多晶炉内硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态过程中晶体硅的生长速度曲线图。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据多晶炉的型号及大小、多晶炉内坩埚的型号及坩埚的大小、坩埚支撑板的大小对所述第一时间段ΔT₁内晶体硅的生长速度V₁进行修正。

8.一种晶体硅生长速度的测试系统，其特征在于，包括：预计算单元、测距单元和计算单元；

其中：

所述预计算单元用于计算多晶炉内硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后固态硅的高度h₂及硅料由完全熔化状态转变成完全固体状态后液态硅表面上升的高度Δh；

所述测距单元用于测量液态硅表面至激光源的距离；

所述计算单元用于根据所述预计算单元计算出的h₂和Δh、所述测距单元所测量出的数据以及相应的公式计算得出晶体硅的生长速度。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，还包括：绘图单元；所述绘图单元用于根据所述计算单元所计算出的晶体硅的生长速度绘制出晶体硅生长速度的曲线图。

10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，还包括：修正单元；所述修正单元用于对所述计算单元所计算出的晶体硅的生长速度进行修正。

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