CN103814149A - 用于监测和控制硅棒温度的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于监测和控制硅棒温度的系统和方法。一个示例是在化学气相沉积（CVD）过程期间监测CVD反应器中的至少一个硅棒的表面温度的方法。该方法包括捕获CVD反应器的内部的图像。该图像包括硅棒。扫描该图像以识别硅棒的左边缘和硅棒的右边缘。识别在左边缘和右边缘中间的目标区域。确定目标区域中的硅棒的温度。

Description

用于监测和控制硅棒温度的方法和系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2011年7月13日提交的美国临时申请No.61/507,405的优先权，该申请的全部公开内容通过引用全部结合在本文中。

技术领域

本文公开的内容总地涉及用于监控硅棒温度的系统和方法，较具体地，涉及基于数字图像分析监控硅棒表面温度的系统和方法。

背景技术

用在电子和太阳能工业中的超纯多晶硅通常是通过在反应器中进行的化学气相沉积（CVD）过程由气态反应物的沉积生成的。

一种用于在CVD反应器中生产超纯多晶硅的方法被称为Siemens方法。设置在反应器中的硅棒用作开始该方法的籽晶。气态的含硅反应物流经反应器并且使硅沉积在棒的表面上。该气态反应物（即，气态前体）包括卤化硅，例如与合适的载气（通常为氢气）混合的三氯氢硅。因为三氯氢硅是动力学稳定的，所以CVD过程很慢，而且通常利用较高温度，以允许产生沉积。利用大于1000℃的硅棒表面温度并非是不常见的。在这些条件下，气体反应物在硅棒的表面上分解。因此，硅根据下面的总反应式沉积在硅棒上：

SiHCl₃+H₂→Si+3HCl

在硅棒生长至期望的直径后，停止该过程。然后从CVD反应器中抽出硅棒，并从该硅棒上获取硅以进行下一步处理。

在CVD过程期间，通常需要控制硅棒的表面温度。如果表面温度太高，可能会产生过多的硅屑。如果表面温度太低，沉积可能会较慢或者甚至可能不发生。

Siemens方法利用焦耳热来获得期望的表面温度。将电能转换为热能以加热硅棒。通过电源向反应器提供电流，该电源调整供给每个硅棒的电压，以控制电流强度，并且因而控制硅棒的温度。

然而，在沉积过程中，反应器的功率需求不是恒定的。当硅棒的表面积增加时，离开硅棒的热通量随着沉积时间而增加。因此，不断调整通过硅棒的电流，以保持期望的硅棒表面温度。

至少一种已知的控制硅棒温度的方法利用了高温计来监测硅棒表面温度。当监测到的温度偏离期望的设定值时，调整电流强度以试图使硅棒表面温度回到期望的设定值。高温计通常根据普朗克辐射定律，基于在特定波长或波长范围发出的辐射的强度确定硅棒上的目标点的温度。

然而，高温计必须被正确地校准并且瞄准合适的目标，该目标优选地为所关注的硅棒的光滑的同质点。此外，利用高温计监测硅棒表面温度产生了其他困难。这些困难包括局部热点或冷点的存在、高温计未瞄准目标、以及硅棒移出目标区域等等。

此背景技术部分旨在向读者介绍可能与下面将描述和/或要求保护的本申请的各方面相关的本领域的各方面。此部分内容有助于向读者提供背景信息，以便于他们更好地理解本申请的各个方面。因此，应该理解的是，应该基于这种考虑来阅读这些内容，而不能将其视为对现有技术的认可。

发明内容

本发明的一个方面是一种在化学气相沉积（CVD）过程期间监测CVD反应器中的至少一个硅棒的表面温度的方法。该方法包括捕获CVD反应器内部的图像。该图像包括硅棒。该方法包括扫描该图像以识别硅棒的左边缘和硅棒的右边缘、识别在左边缘和右边缘中间的目标区域以及确定目标区域中的硅棒的温度。

本发明的另一方面是一种系统，该系统包括：包含内部的化学气相沉积（CVD）反应器、联接在该CVD反应器的内部的多个硅棒、定位成捕获CVD反应器的内部和所述多个硅棒中的其中一个硅棒的图像的成像装置、以及控制器。该控制器构造成扫描图像以识别硅棒的左边缘和硅棒的右边缘、识别在左边缘和右边缘中间的目标区域并确定目标区域中的硅棒的温度。

与上述各方面相关的特征包含各种改进。上述各方面中也可以结合其他特征。这些改进和附加特征可以单独存在或者以任意组合存在。例如，下面关于任何示出的实施例所讨论的各种特征都可以单独地或以任意组合结合在任意上述方面中。

附图说明

图1为包括电源和反应器的示例性系统的框图；

图2为图1的系统的成像装置的视场的示意图，该视场包括硅棒；

图3为当硅棒已相对于成像装置移动时图2中示出的视场；

图4为当硅棒尺寸已增加时图2中示出的视场；

图5为图1的系统的成像装置的视场的示意图，该视场包括两个在该视场内重叠的硅棒；以及

图6为图1的系统的成像装置的视场的示意图，该视场包括两个硅棒。

各视图中同样的参考标号表示相同的元件。

具体实施方式

本文中描述的实施例总地涉及用于监测和控制多晶硅反应器中的温度的系统和方法。较具体地，本文描述的实施例涉及利用数字图像分析监测和控制硅棒表面温度。

图1中示出了整体由参考标号100表示的根据本发明的示例性系统的框图。系统100包括具有多个硅棒组104的反应器102。电源106联接到反应器102上。更具体地，电源106联接到硅棒组104上。电源106包括控制器108和记忆装置110。成像装置116例如经由视镜（未示出）联接到反应器102上，以使硅棒组104的一个或多个硅棒成像，并向控制器108提供图像数据。

在一些实施例中，反应器102为化学气相沉积（CVD）反应器。更具体地，在一些实施例中，反应器102为Siemens反应器。在其他实施例中，反应器102可以是任何其他合适的多晶硅反应器。

在所示实施例中，每个硅棒组104都包括一对串联连接的硅棒112。在其他实施例中，硅棒组104可以包括任何数目的串联连接的硅棒112（不管是成对还是非成对连接）。在一些实施例中，每个硅棒组104都包括6个串联连接的硅棒112。控制通过串联连接的硅棒112（即，通过每个硅棒组104）的电流以控制硅棒112的表面温度。系统100可以包括任何合适数目的硅棒112，但是，这些硅棒是成一定构型和/或成组的。例如，系统100可以包括12、18、36、48、54或84个硅棒。

在该示例性实施例中，电源106包括多个功率转换器114。每个功率转换器114被联接为向不同的硅棒组104输出功率。在其他实施例中，电源106可以包括联接到硅棒组104中的两组或更多组（在一些实施例中，包括所有硅棒组104）的单个功率转换器114。在一些实施例中，电源106可以使用一个或多个具有相位控制的可控硅整流器，以调整向一个或多个硅棒组104的输出电流。在一些实施例中，电源106可以包括具有可调直流输出的换流器，以控制向一个或多个硅棒组104的输出电流。功率转换器114可以具有任何合适的拓扑结构，包括例如降压、升压、反激、正向、全桥或其组合。

控制器108可以为模拟控制器、数字控制器或者模拟和数字控制器/组件的组合。在控制器108为数字控制器的实施例中，控制器108可以包括处理器、计算器等。虽然图1中示出的控制器108在电源106内，但是控制器108可以另外地或者可选地位于电源106的外部。例如，所述由控制器108执行的功能可以全部或部分由单独的控制器执行，例如系统控制器。

记忆装置110为能够使诸如可执行指令之类的信息和/或其他数据被存储和检索的一个或多个装置。记忆装置110可以包括一个或多个计算机可读介质，例如但不限于，动态随机存取存储器（DRAM）、静态随机存取存储器（SRAM）、固态盘和/或硬盘。记忆装置110可以构造为存储计算机可执行指令、算法、结果和/或任何其他类型的数据，但不限于此。在一些实施例中，记忆装置110集成在控制器108中。在其他实施例中，记忆装置位于控制器108和/或电源106的外部。

在该示例性实施例中，成像装置116为配置有电荷耦合器件（CCD）传感器的数码相机。成像装置116用于测量从硅棒112发出的辐射的强度，这在下文将进行详细说明。因此，成像装置116可以是构造为感应可见光谱范围内的波长的任何传感器，例如，包括互补金属氧化物半导体（CMOS）成像装置。在另一些实施例中，成像装置116可以是可操作成感应不同波长的光学装置，例如，包括红外波长、紫外线波长等。在该示例性实施例中，成像装置116为面扫描相机。在其他实施例中，成像装置可以为线性相机。面扫描相机聚焦在通常为矩形的二维目标上，该目标的尺寸是可以自定义的。在包括线性相机的实施例中，目标通常为长度可变的线。

控制器108包括信号分析器118，其将成像装置116监测到的辐射强度转换成温度值。虽然是作为控制器108的一部分示出的，但是信号分析器118可以结合在单独的控制器（例如，系统控制器、独立控制器、相机控制器等）中，和/或可以结合在成像装置116中。此外，在系统100中可以利用任何数目的合适的信号分析器118。信号分析器118可以包括用于数字图像分析的任何合适的商业软件包，或者可以包括定制设计的算法和/或软件。在该示例性实施例中，信号分析器118通过比较成像装置116针对一个或多个硅棒112的光谱响应与成像装置116针对已知温度下的电磁辐射的参考源的光谱响应，将从成像装置116接收的辐射强度的信号转换成温度测量值。这种参考源可以是其温度被准确监测的定标黑体。

该示例性实施例在不依靠高温计的情况下监测和控制反应器102中的硅棒112组的表面温度。作为替代，电源106使用反馈控制方案，该方案基于成像装置116监测到的硅棒112发出的辐射。

在经由焦耳加热开始并持续加热到约980℃和约1200℃之间范围内的温度之前，将硅棒112安装在反应器102中。硅棒112用作将电流消耗成热能的电阻。通过反馈控制方案调整电流强度，以保持期望的温度设定值。

在最初安装到反应器102中时，硅棒112（也称作“硅芯”）通常具有呈方形或矩形的横截面，该横截面的特征尺寸在约5毫米至约15毫米之间。在其他实施例中，硅棒可以具有中空圆柱形或长板条形状。这些初始的硅芯用作开始沉积过程的萌芽（germ）。根据多种参数，包括反应器102内的气体的流体动力学和硅棒112的几何形状，硅棒112趋于在几毫米至几厘米的范围内振荡。该振荡通常是由反应器102内的气体施加在硅棒112表面上的剪切应力引起的。这种振荡可以导致由例如高温计瞄准的固定的目标在一段时间内从硅棒112的表面脱离，直到硅棒112返回其静止位置。振荡运动一直持续，直到硅棒112的直径增加、硅棒112的惯性增加和/或硅沉积在各硅棒112插入其中的石墨卡盘（未示出）的顶部。在一些实施例中，根据反应器102的操作参数和硅的沉积速率，瞬变的时间（transitory time），即，硅棒112振荡的时间，可以持续若干小时。在硅棒112的运动停止之前，例如利用高温计在固定的目标位置测到的温度可能是不准确的，并且提供给反应器102的电功率可能不是最佳值。

成像系统100动态地识别硅棒112上的目标区域，而不使用固定目标。参考图2，成像装置116具有视场220。在此视图和后面的视图中，成像装置116为具有矩形目标232的面扫描相机。在图2中，其中一个硅棒112位于视场220内。利用本文所描述的成像装置116和信号分析器118识别硅棒112及其周边的温度场。两个重叠的矩形扫描区222和224被限定在视场220中，并且因此被限定在温度场中，以便无论硅棒112如何运动，都将在扫描区222和224中的至少一个内发现硅棒112。

扫描区222和224的垂直位置主要由视镜（未示出）的位置限定，在该视镜位置处安装有成像装置116。在成像装置116的视场内，所有可以在其中识别目标232的可能的垂直位置都是适合的。目标232的位置沿垂直线最多可以有大约几厘米的变化，这通常不会影响温度测量值的准确性。

每个扫描区222和224都分成较小的区域，称为像素（未示出）。对于每个像素，测得的温度是不变的。成像装置116的像素数（也成为分辨率）可以确定根据本发明的温度测量值的准确度。

为了测量硅棒112的温度，检查扫描区222和224以试图定位硅棒112的垂直左边缘226和垂直右边缘228。将左边缘226和右边缘228中间的位置（即，左边缘226和右边缘228之间的大约一半处）确定为硅棒112的中心230。在目标区域232内确定硅棒112的表面温度，该目标区域232以所确定的硅棒112的中心230为中心。因此，不管硅棒112如何运动，目标232都将保持与硅棒112的实际中心基本对准。虽然目标232在图2中示出为矩形，但是目标232可以具有任何其他合适的形状，包括例如圆形、卵形、方形、六边形等。此外，左边缘226和右边缘228中间的位置被选定为靠近硅棒112的中心，并且无需正好在左边缘226和右边缘228之间的中点。

基于对扫描区222和224内的像素的温度测量值来定位边缘226和边缘228。更具体地，通过识别从指示硅棒112周围的区域的较低温度到指示硅棒112的表面的较高温度的转变来确定边缘226和边缘228。温度阈值可用于识别指示边缘226和边缘228的位置的转变。温度阈值可以是例如温差、固定温度阈值和/或可变温度阈值。例如，可以通过识别大于一定阈值的温差、通过在较高温度超过第二阈值的情况下识别大于第一阈值的温差、通过在较低温度低于第二阈值的情况下识别大于第一阈值的温差等手段来识别边缘。

为了定位边缘226和边缘228，分析左扫描区222和右扫描区224中的像素。具体地，从左到右扫描左扫描区222。当发现从暗像素（代表低温）到亮像素（代表较高温度）的转变时，已经定位了硅棒112的左边缘226。针对右扫描区224重复该过程，但是从右到左扫描以识别右边缘228。

一旦通过定位左和右边缘226和228确立了硅棒112的空间界限，则将用于温度测量的目标232的位置计算为边缘226和228之间的中点，即中心230。

重复执行寻找硅棒112的边缘226和228的这一过程，并且该过程适合以较高频率执行。因此，计算目标232的位置，以便根据流动气体施加的剪切应力所引起的硅棒112的运动定期调整该位置。通常，定位边缘226和228的频率越高，目标232可以更准确地放置在硅棒112的实际中心附近。在一些实施例中，以高于硅棒112的振荡频率的频率重复该过程。在其他实施例中，每次检查边缘226和228间隔的时间可以是用于系统100中的硬件的能力范围内的任何合适的时间间隔。

参考图3，有时可能在扫描区222和224的其中一个中没有检测到转变。当硅棒112的位置超出特定扫描区222或224的界限时可能发生这种情况。这尤其可能在CVD过程的早期发生，此时硅棒112易于发生大的偏移。在这种情况下，系统100使用最后的记录位置作为未检测到的边缘。因此，在图3中，硅棒112的右边缘228位于扫描区224的外部。当扫描所述扫描区222和224时，没有检测到右边缘。因此，由最后的边缘334指示的右边缘228的最后记录位置用于指示右边缘228。因为最后的边缘334没有与右边缘228对准，计算的中心230不是硅棒112的实际中心336。但是，中心230足以靠近实际中心336，使得目标232保持在硅棒112上并且离实际中心336较近。因此，即使在硅棒112的较大偏移期间，也可以获得准确的温度测量值。

如图4所示，在发生充分沉积以后，硅棒112的直径已增加，使得成像装置116的几乎整个视场220都被硅棒112的表面占据。更特别地，硅棒112完全填满扫描区222和224。当这种状态发生时，在扫描区222或224中都没有观察到从暗像素到亮像素的转变。由于没有检测到边缘，用最后的边缘334指示左和右边缘226和228的位置。因此，基于最后的边缘334计算中心230和放置目标232。在这一阶段，追踪目标的位置不再是必需的，并且可以终止本文描述的追踪。在该示例性实施例中，当在一百秒内没有发现从亮像素到暗像素的转变时，即，没有发现边缘时，目标232追踪算法可以终止操作，并进入待机模式。在其他实施例中，没有观察到转变的时间量可以是任何其他合适的时间长度。在另一些实施例中，即使没有观察到转变，追踪算法也继续操作，而不会终止。

在具有可以在成像装置116的视场220内重叠的硅棒的情况下，仍然可以使用本文所述的方法。为了定位期望的硅棒112的边缘226和228，可能需要微调温度阈值。如图5所示，硅棒112与第二硅棒538在视场220内重叠。相比于例如具有单个硅棒112的视场220（例如图2-4），在左边缘226处从暗像素到亮像素的转变被限制在更窄的范围内。硅棒538通常定位成距离成像装置116比硅棒112更远。因此，测量到的硅棒538的温度通常稍低于硅棒112的温度。通过限定更接近前景（foreground）中的硅棒112的温度的阈值，背景中的硅棒538可以被视为暗区域的一部分。因此，可以基于硅棒538和硅棒112之间的温差检测左边缘226。

此外，本文描述的方法可用于监测一个成像装置112的单个视场内的多个硅棒112的温度，而不管这些硅棒重叠与否。图6示出了成像装置116的视场640，其中可以看到两个未重叠的硅棒112。在该实施例中，如上所述地使用四个扫描区222和224，每个硅棒112使用一个左扫描区222和一个右扫描区224。因此，可以监测视场640内的两个不同硅棒112的表面温度。可以在一个视场内被监测的硅棒112的数目不限于两个，可以通过单个成像装置116监测更多或更少的硅棒112的温度。如果硅棒112重叠，或者振荡至出现重叠的程度，则可以对用于识别边缘226和/或228的阈值进行如上所述的调整，以考虑在边缘226和/或228处的观察到的更小的温差。此外，每个扫描区222和224可以使用相同或不同的阈值，并且用于每个硅棒112的扫描区222和224的阈值可以是相同或不同的。

系统100的附加的或可选的特征是量化正被监测的硅棒112的直径的能力。当如上所述寻找目标时，计算硅棒112的边缘226和228的位置。边缘226和228之间的差提供了正被监测的特定硅棒112的直径的测量值。

本文描述的基于图像的系统以及监测和控制方法可以获得比一些已知方法更优越的结果。例如，可以通过更准确地定位硅棒和感应硅棒中心周围的温度来实现更准确的温度监测。更准确的温度测量可以改善对沉积过程的控制，从而在沉积速率和形态方面获得提高的性能。此外，更准确的温度测量可以导致能量消耗减少。而且，可以获得硅棒的直径的准确测量值。在任何给定时间了解硅棒的实际直径可以改善对CVD过程的控制、提高能效和/或改善获得的硅的品质。

一些实施例涉及使用一个或多个电子或计算装置。这些装置通常包括处理器或控制器，例如通用中央处理单元（CPU）、图形处理单元（GPU）、微控制器、精简指令集计算机（RISC）处理器、特定应用集成电路（ASIC）、可编程逻辑电路（PLC）和/或任何其他能够执行本文描述的功能的电路或处理器。本文描述的方法可以编码为收录在计算机可读介质中的可执行指令，该介质包括但不限于存储装置和/或记忆装置。这些指令在由处理器执行时会使处理器执行本文所述方法中的至少一部分。上述示例仅是示例性的，因而并非旨在以任何方式限制术语“处理器”的定义和/或含义。

当介绍本发明或本发明的实施例中的元件时，冠词“一”、“该”和“所述”是指有一个或多个该元件。术语“包含”、“包括”和“具有”是指包含在内的，并且意味着除了列出的元件以外可以有其他元件。

由于可以在不偏离本发明的范围的情况下对上文的方案进行各种改变，因此上文描述中包含的和附图中示出的所有内容都应理解为示例性的，而非进行限制。

Claims (20)

1.一种在化学气相沉积（CVD）过程期间监测CVD反应器中的至少一个硅棒的表面温度的方法，所述方法包括：

捕获CVD反应器的内部的图像，所述图像包括硅棒；

扫描所述图像以识别所述硅棒的左边缘和所述硅棒的右边缘；

识别在所述左边缘和所述右边缘中间的目标区域；以及

确定所述目标区域中的所述硅棒的温度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述CVD反应器为Siemens反应器。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，捕获图像包括捕获所述CVD反应器的内部的数字图像。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，扫描图像包括分析图像的单独的像素以发现从较低温度到较高温度的转变。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，捕获数字图像包括捕获所述CVD反应器内的可见波长辐射的数字图像。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定目标区域中的硅棒的温度包括比较在所述图像中捕获的硅棒的辐射强度与参考图像的辐射强度。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

基于所确定的目标区域内的硅棒的温度控制所述硅棒的表面温度。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，控制表面温度包括利用所确定的温度作为给电源的反馈，该电源联接为向所述硅棒提供电功率。

9.一种系统，包括：

包含内部的化学气相沉积（CVD）反应器；

联接在所述CVD反应器的内部的多个硅棒；

定位成捕获所述CVD反应器的内部和所述多个硅棒中的至少一个硅棒的图像的成像装置；

控制器，所述控制器配置成：

扫描所述图像以识别所述硅棒的左边缘和所述硅棒的右边缘；

识别在所识别的所述左边缘和右边缘中间的目标区域；

确定所述目标区域中的所述硅棒的温度。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述CVD反应器为Siemens反应器。

11.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述系统还包括联接到硅棒的电源，所述电源向硅棒提供电功率以控制所述硅棒的温度，其中，所述控制器还配置成利用所确定的温度作为给电源的反馈。

12.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述成像装置包括数字成像装置。

13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述控制器配置成扫描所述图像，以便通过分析所述图像的单独的像素来发现从较低温度到较高温度的转变，从而识别所述硅棒的左边缘和所述硅棒的右边缘。

14.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述数字成像装置包括可见波长数字成像装置。

15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述成像装置包括电荷耦合器件（CCD）传感器。

16.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述控制器配置成：通过比较在所述图像中捕获的所述硅棒的辐射强度与参考图像的辐射强度，确定所述目标区域内的硅棒的温度。

17.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述控制器配置成：

当所述控制器没有识别到所述硅棒的左边缘或右边缘时，将先前识别的所述硅棒的左边缘或右边缘用作所述硅棒的被识别的左边缘或右边缘。

18.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述多个硅棒包括20个或更多的硅棒。

19.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述多个硅棒包括54个硅棒。

20.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述控制器还配置为确定所述图像中的硅棒的直径。

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