CN102912429B - 直拉锗单晶直径测量控制系统 - Google Patents
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Abstract
直拉锗单晶直径测量控制系统，其特征在于：系统中有摄像机，图像处理装置和自动控制单元，摄像机采集锗单晶等径生长的图像，图像处理装置识别固液交接面光圈位置和计算固液交接面光圈的曲率半径，使自动控制单元实现锗单晶的等径生长。本发明的有益效果是：图像处理卡只对采集图像的光圈部分进行分析，减少数据传输量，降低系统对硬件的性能要求；无需椭圆到圆的复杂映射，只需采集指定点的曲率半径即可根据曲率半径的变化规律进行等径控制；摄像头可将采集的锗单晶生长图像集中传输到一起进行图像处理和分析，便于生产人员实时监控多台设备，降低锗单晶生长的劳动强度；能够最大限度利用现有的设备装置，避免电气控制系统的重复设计与投资。
Description
技术领域
本发明属于直拉单晶过程中一种基于嵌入式系统的在线控制单晶直径的技术领域。
背景技术
锗单晶是红外领域和半导体工业的重要材料，目前直拉法（Czochralski，CZ法）是制造锗单晶的重要方法。该方法通过设计合理的热场，将多晶锗料投入到坩锅中，并保持一定的温度和压力环境。将籽晶浸入溶液，在合适的热场环境中，溶液中的锗原子会在籽晶与熔液的固液交接面沿籽晶原有的锗原子排列结构继续排列，缓缓将籽晶提升，则可以在籽晶下部形成与籽晶结构一致的单晶体。
加热器的温度，籽晶的提拉速度，籽晶的旋转速度以及坩锅的旋转速度都对所生成的单晶体的直径有一定的影响。在晶体生长初期为了消除机械加工、热冲击等原因对籽晶造成的位错，先生长直径在φ（2～5）mm的一段单晶（这段单晶称为细颈），该过程称为引细颈；引细颈过程结束后，通过控制加热器温度、籽晶的提拉速度、籽晶的旋转速度以及坩锅的旋转速度使单晶直径平缓增长直到接近预设直径，该过程称为放肩和转肩；随后控制这些参数使晶体直径基本保持在预设直径附近直到达到预定的单晶长度，该过程称为等径（这个阶段是晶体生长的主要阶段）；达到预定长度后，控制这些参数使单晶的直径均匀变小直到离开液面，称之为收尾。
作为最重要、最基础的两种半导体材料：单晶硅和锗单晶，其主要生长方法均是直拉法生长。但是由于硅的性质和锗的性质差异，使得单晶硅和锗单晶在生长工艺和直径控制方面差异很大：硅的熔点为1414℃，晶体生长时液面发白发亮，使用Ircon探头能探测到固液交接面光圈的信号，可以使用自动控制单元对硅单晶等径生长进行自动控制；但是，锗的熔点为937℃，晶体生长液面发黄发红，使用Ircon探头无法探测到固液交接面的光圈信号，导致无法使用自动控制单元对锗单晶等径生长进行自动控制，限制了锗单晶的大规模生产。
发明内容
针对现有直拉单晶直径控制系统使用Ircon探头无法探测到锗固液交接面的光圈信号，导致无法使用自动控制单元对锗等径生长进行自动控制的不足，本发明提供一种直拉锗单晶直径控制系统，能够检测锗单晶生长过程中直径的变化，实现锗单晶等径生长过程的自动控制。
本发明的直拉锗单晶直径测量控制系统，其特征在于：系统中有摄像机，图像处理装置和自动控制单元，摄像机置于单晶炉观察窗的位置，用于图像观察和同步采集锗单晶等径生长的图像数据，并将图像数据传给图像处理装置；图像处理装置用于对摄像机采集的图像数据进行分析，识别固液交接面光圈的位置及光圈与三条预设直线的相交点位置，并根据这三个相交点位置的坐标拟合出固液交接面光圈的曲率半径，传输给自动控制单元；自动控制单元根据图像处理装置实时传递来的曲率半径数据，进行比较后，发出加热器功率、晶体生长速度和坩埚转速的自动控制信息，实现锗单晶等径生长。自动控制方法如下：
步骤一，采集图像：通过摄像机观察锗单晶等径生长时的固液交接面光圈图像，调整摄像机的位置，使其能清晰完整的采集到没有被单晶挡住的固液交接面光圈图像，且使其尽可能只包含固液交接面光圈，以减少观察窗和液面杂质等对后续图像处理的干扰；
步骤二，识别光圈位置：图像处理装置对摄像机采集到的固液交接面光圈图像的边缘进行检测，分析出固液交接面光圈的位置，根据从图像处理装置引出的信号，在电脑中预设三条直线，使这三条预设直线满足与固液交接面光圈相交于三点，将三点的位置信息保存到图像处理装置中，图像处理装置记录这三点的坐标；
步骤三，计算光圈曲率半径：根据正弦公式2R=a/sinA=b/sinB=c/sinC，图像处理装置计算出固液交接面光圈与预设的三条直线相交的三点所确定的圆的半径作为曲率半径；
步骤四，记录所需的光圈曲率半径：当锗单晶生长达到所需直径时，图像处理装置将所需直径的曲率半径信息传输给自动控制单元进行存储；
步骤五，控制锗单晶等径生长：系统切换到自动控制模式，图像处理装置将实时的曲率半径信息传递给自动控制单元，自动控制单元将实时的曲率半径信息与预先存储的所需曲率半径信息进行比较：
1. 当生长的单晶直径变小时，实时的曲率半径数值小于所需曲率半径数值，自动控制单元发出控制信息，降低加热器功率和晶体生长速率，提高坩埚转速，阻止单晶直径变小，并使单晶直径恢复到所需直径；
2. 当生长的单晶直径变大时，实时的曲率半径数值大于所需曲率半径数值，自动控制单元发出控制信息，升高加热器功率和晶体生长速率，降低坩埚转速，阻止单晶直径变大，并使单晶直径恢复到所需直径；
3. 当生长的单晶直径不变时，实时的曲率半径数值等于所需曲率半径数值，自动控制单元对加热器功率、晶体生长速率及坩埚转速的控制维持不变。
本发明的有益效果是：摄像头采集锗单晶等径生长图像，图像处理卡只对采集图像的光圈部分进行分析，减少数据传输量，降低系统对硬件的性能要求；无需椭圆到圆的复杂映射，只需采集指定点的曲率半径即可根据曲率半径的变化规律进行等径控制；摄像头可将采集的锗单晶生长图像集中传输到一起进行图像处理和分析，便于生产人员实时监控多台设备，降低锗单晶生长的劳动强度；能够最大限度利用现有的设备装置，避免电气控制系统的重复设计与投资。
附图说明
图1是单晶硅等径生长及检测示意图；
图2是Ircon探头工作原理示意图；
图3是本发明的直拉锗单晶直径控制系统示意图；
图4是锗单晶等径生长时的固液界面图像；
图5是CCD摄像机探测锗单晶等径生长及检测示意图；
图6是固液交接面光圈曲率半径计算示意图。
图中，1.籽晶，2.单晶，3.固液交接面光圈位置，4.CCD摄像机，5.图像处理装置，6.自动控制单元，7.电控柜，8.加热器，9.保温罩，10.炉膛，11. Ircon探头，12. Ircon探头探测的固液交接面光圈，13. Ircon探头探测的检测圈，14.正常时的检测示意图，15.直径变大时的检测示意图，16.直径变小时的检测示意图，17.固液交接面光圈，18.预设直线。
具体实施方式
以下结合附图，通过实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明所述的直拉锗单晶直径测量控制系统（如图3所示），系统中有CCD摄像机4，图像处理装置5和自动控制单元6，CCD摄像机置于单晶炉观察窗的位置，找到固液交接面光圈位置3（如图4所示），同步采集锗单晶等径生长的图像数据，并将图像数据传给图像处理装置5；图像处理装置识别CCD摄像机探测的固液交接面光圈17的图像数据，通过电脑将该光圈与三条预设线18相交（如图5所示），将三个交点A、B、C的位置信息保存到图像处理装置中，图像处理装置记录这三点的坐标并拟合出光圈的曲率半径R（如图6所示）传输给自动控制单元；
自动控制单元根据图像处理装置实时传递来的曲率半径R，进行比较后，发出加热器功率、晶体生长速度和坩埚转速的自动控制信息，实现锗单晶的等径生长。具体步骤如下：
步骤一，采集图像：通过CCD摄像机4观察锗单晶等径生长时的固液交接面图像，调整CCD摄像机的位置，使其能清晰完整的观察到没有被单晶挡住的固液交接面光圈，且光圈图像占显示区域的1/2至2/3；
步骤二，识别光圈位置：图像处理装置5对CCD摄像机采集的图像中的固液交接面光圈边缘进行检测，分析出固液交接面光圈17的位置，根据从图像处理装置引出的视频信号，在电脑中预设三条直线，使这三条预设直线18满足与固液交接面光圈17相交于A（x1,y1），B（x2,y2），C（x3，y3）三点（如图5所示），图像处理装置记录这三点的坐标；
步骤三，计算光圈曲率半径：根据正弦公式2R=a/sinA=b/sinB=c/sinC，图像处理装置5计算出固液交接面光圈17与三条预设直线18相交的三点所确定的圆的半径作为曲率半径R，其中，a表示A、B、C三点所组成三角形中A点的对边，A还表示三角形中以A为顶点的三角形内角；b表示A、B、C三点所组成三角形中B点的对边，B还表示三角形中以B为顶点的三角形内角；c表示A、B、C三点所组成三角形中C点的对边，C还表示三角形中以C为顶点的三角形内角（如图6所示）；
步骤四，记录所需的光圈曲率半径：当锗单晶生长达到所需直径时，图像处理装置5将所需直径的曲率半径信息R0传输给自动控制单元6进行存储；
步骤五，控制锗单晶等径生长：系统切换到自动控制模式，图像处理装置5将实时的曲率半径信息R传递给自动控制单元6，自动控制单元将实时的曲率半径信息R与预先存储的所需曲率半径信息R0进行比较：
1. 当生长的单晶直径变小时，实时的曲率半径数值R小于所需曲率半径数值R0，自动控制单元6发出控制信息，降低加热器功率和晶体生长速率，提高坩埚转速，阻止单晶直径变小，并使单晶直径恢复到所需直径；
2. 当生长的单晶直径变大时，实时的曲率半径数值R大于所需曲率半径数值R0，自动控制单元6发出控制信息，升高加热器功率和晶体生长速率，降低坩埚转速，阻止单晶直径变大，并使单晶直径恢复到所需直径；
3. 当生长的单晶直径不变时，实时的曲率半径数值R等于所需曲率半径数值R0，自动控制单元6对加热器功率、晶体生长速率及坩埚转速的控制维持不变。
Claims (1)
1.一种直拉锗单晶直径测量控制方法，其特征在于：系统中有摄像机（4），图像处理装置（5）和自动控制单元（6），摄像机（4）置于单晶炉观察窗的位置，用于图像观察和同步采集锗单晶等径生长的图像数据，并将图像数据传给图像处理装置（5）；图像处理装置（5）用于对摄像机采集的图像数据进行分析，识别固液交接面（17）光圈的位置及光圈与三条预设直线（18）的相交点位置，并根据这三个相交点位置的坐标拟合出固液交接面（17）的曲率半径，传输给自动控制单元（6）；自动控制单元（6）根据图像处理装置（5）实时传递来的曲率半径数据，进行比较后，发出加热器功率、晶体生长速度和坩埚转速的自动控制信息，实现锗单晶等径生长，具体自动控制方法如下：
步骤一，采集图像：通过摄像机⑷观察锗单晶等径生长时的固液交接面光圈⒄的图像，调整摄像机的位置，使其能清晰完整的采集到没有被单晶挡住的固液交接面光圈图像，且使其尽可能只包含固液交接面光圈⒄；
步骤二，识别光圈位置：图像处理装置⑸对摄像机⑷采集到的固液交接面光圈图像的边缘进行检测，分析出固液交接面光圈⒄的位置，根据从图像处理装置⑸引出的信号，在电脑中预设三条直线，使这三条预设直线⒅满足与固液交接面光圈⒄相交于三点，将三点的位置信息保存到图像处理装置⑸中，图像处理装置记录这三点的坐标；
步骤三，计算光圈曲率半径：根据正弦公式2R=a/sinA=b/sinB=c/sinC，图像处理装置⑸计算出固液交接面光圈⒄与预设的三条直线相交的三点所确定的圆的半径作为曲率半径；
步骤四，记录所需的光圈曲率半径：当锗单晶生长达到所需直径时，图像处理装置⑸将所需直径的曲率半径信息传输给自动控制单元进行存储；
步骤五，控制锗单晶等径生长：系统切换到自动控制模式，图像处理装置⑸将实时的曲率半径信息传递给自动控制单元⑹，自动控制单元⑹将实时的曲率半径信息与预先存储的所需曲率半径信息进行比较：
①当生长的单晶直径变小时，实时的曲率半径数值小于所需曲率半径数值，自动控制单元⑹发出控制信息，降低加热器功率和晶体生长速率，提高坩埚转速，阻止单晶直径变小，并使单晶直径恢复到所需直径；
②当生长的单晶直径变大时，实时的曲率半径数值大于所需曲率半径数值，自动控制单元⑹发出控制信息，升高加热器功率和晶体生长速率，降低坩埚转速，阻止单晶直径变大，并使单晶直径恢复到所需直径；
③当生长的单晶直径不变时，实时的曲率半径数值等于所需曲率半径数值，自动控制单元⑹对加热器功率、晶体生长速率及坩埚转速的控制维持不变。
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