CN105350071B - 一种可抑制波动的直拉硅单晶炉液位检测方法 - Google Patents

一种可抑制波动的直拉硅单晶炉液位检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可抑制波动的直拉硅单晶炉液位检测方法，在单晶炉炉盖上安装线性激光发射装置和面阵CCD摄像机，激光光源发射的激光线在面阵CCD摄像机中成像，利用面阵CCD摄像机拍摄的图像与上一帧图像做差，结果转换为二值化图像，对二值化图像进行8连通区域分析，得到若干个激光光斑的区域，计算每个激光光斑的形心，得到每个激光光斑的形心的纵坐标，利用投票机制对所有光斑形心的纵坐标进行投票，得到票数最多的纵坐标为该帧图像线激光形心的纵坐标，再利用卡尔曼滤波对线激光形心的纵坐标进行修正或者补偿，最后对修正或补偿后的数据进行平滑，并且用坩埚绝对位移进行标定得到液位的位置信息。采用本发明液位检测方法可以提高液位测量的精度。

Description

一种可抑制波动的直拉硅单晶炉液位检测方法
技术领域
本发明属于非接触式高温熔液液位检测方法技术领域，具体涉及一种可抑制波动的直拉硅单晶炉液位检测方法。
背景技术
单晶炉是利用直拉法生产集成电路材料的主要设备，在其产业链中处于首要地位。在单晶炉的工作过程中，熔硅液面位置直接影响着晶体生长界面形状，从而影响着晶体生长的品质。随着大规模低纳米线距集成电路的需求不断提高，对熔硅液面位置控制的精度要求也更为苛刻，熔硅液位测量存在细微的误差都会增加晶体的缺陷甚至导致拉晶失败。因此，如何提高熔硅液位的检测精度，以达到单晶炉熔硅液位控制系统的需求，就显得极其重要了。
由于熔融硅处于高温、密封的炉体中，不能直接进行测量。目前，硅熔融液面检测的方法主要有称重法、倒影检测法和激光三角法。称重法是通过测量硅棒的重量，计算出坩埚内剩余熔融液的质量而得到硅的熔融液面。由于生长硅棒直径存在不均匀性，测出液面位置误差较大。倒影检测法是通过熔体上方物体在熔体表面的倒影成像位移检测液面的位置。激光三角法通过从炉体一侧射入激光，利用另外一侧的感光元件进行接收，最后根据激光光斑的位置得到液面位置。倒影检测法和激光三角法较称重法精度具有较大提高，但由于液面受热对流、坩埚转动等因素的影响，波动较大，导致液面表面的参考物(如倒影和激光光斑)成像变散甚至丢失，严重影响这两种方法的测量精度。随着低纳米线距集成电路的要求不断提高，对硅熔液液面位置提出更为苛刻的需求。因此，提出一种可有效抑制波动的测量方法来提高液面位置测量精度以满足液面位置控制系统的需求是目前亟待解决的重要问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种可抑制波动的直拉硅单晶炉液位检测方法，解决了现有硅熔液液位检测时容易造成测量数据波动甚至丢失，影响测量精度的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种可抑制波动的直拉硅单晶炉液位检测方法，在单晶炉炉盖上安装线型激光发射装置即激光光源和面阵CCD摄像机，激光光源发射的激光线沿预先设定好的光路照射到硅熔液液面，经过硅熔液液面反射在面阵CCD摄像机中成像，调整激光线在面阵CCD摄像机成像的角度，使得激光线与水平方向平行，利用面阵CCD摄像机拍摄的图像与上一帧图像做差，通过阈值分割将做差后的结果转换为二值化图像，然后对二值化图像进行8连通区域分析，得到若干个激光光斑的区域，计算每个激光光斑的形心，得到每个激光光斑的形心的纵坐标，利用投票机制对所有光斑形心的纵坐标进行投票，得到票数最多的纵坐标为该帧图像线激光形心的纵坐标，再利用卡尔曼滤波对线激光形心的纵坐标进行修正或者补偿，最后对修正或补偿后的数据进行平滑，并且用坩埚绝对位移进行标定得到液位的位置信息。
本发明的特点还在于：
利用面阵CCD摄像机拍摄的图像与上一帧图像做差，得到若干个激光光斑的区域具体为：对面阵CCD摄像机采集的激光光斑图像进行帧间差处理，即用第n帧图像减去第n-1帧，然后利用预先设定的阈值对结果进行分割，得到二值化图像，最后利用8连通域分析对二值化图像扫描并标记出每一个光斑的区域，得到若干个激光光斑的区域。
得到图像中线激光形心的纵坐标具体为：设第n帧图像计算结果标记后的区域分别为i＝1,...,K，(xij,yij)点的像素值为f(xij,yij)，j＝1,...,Ni，其中，(xij,yij)为像素横纵坐标，K为每帧图像结果的光斑总数，Ni为第i个区域的像素点数，计算每一个光斑的形心纵坐标，计算公式如下：
搜索的最大值和最小值设定一个阈值t，利用投票机制计算落入区间[y'k-t,y'k+t]，中的数量，找到包含数量最多的区间[y'k-t,y'k+t]，则第n帧图像线激光光斑形心的纵坐标值y(n)为y'k，若y'k存在多个，取y'k的平均值，若光斑丢失，y(n)标记为空。
利用卡尔曼滤波对线激光形心的纵坐标进行修正或者补偿具体为：定义从面阵CCD采集图像计算得到的激光线纵坐标y(n)为观测变量，定义激光线纵坐标真实值x(n)为状态变量，根据检测原理，观测变量一般会包含观测噪声v(n)，而观测噪声近似服从高斯分布N(0,R)，因此，y(n)可用下式表示：
y(n)＝x(n)+v(n)
由于在晶体生长过程中，液位变化较为缓慢，在短时间内可以看作恒定不变，x(n+1)可看作x(n)与过程噪声w(n)之和，根据对信号的统计特性分析，w(n)近似服从高斯分布N(0,Q)，因此，x(n+1)可用下式表示：
x(n+1)＝x(n)+w(n)
设用n-1时刻状态估计的n时刻x(n)的状态为x(n|n-1)，设n-1时刻经修正后的状态为x(n-1|n-1)，x(n|n-1)对应的协方差为P(n|n-1)，x(n-1|n-1)对应的协方差为P(n-1|n-1)。当n-1＝0时，预先设置初值x(0)，零时刻最优状态x(0|0)，x(0|0)的协方差P(0|0)，过程噪声方差Q和测量噪声方差R；
根据下面两式分别计算x(n|n-1)和P(n|n-1)：
x(n|n-1)＝x(n-1|n-1)
P(n|n-1)＝P(n-1|n-1)+Q
根据下式更新卡尔曼增益K(n)：
K(n)＝P(n|n-1)/(P(n|n-1)+R)
根据下式更新P(n|n)：
P(n|n)＝(1-K(n))P(n|n-1)
判断测量值y(n)是否为空，如果为空按照下式估计x(n|n)：
x(n|n)＝x(n|n-1)
否则按照下式估计x(n|n)：
x(n|n)＝x(n|n-1)+K(n)·(y(n)-x(n|n-1))
将x(n|n)作为线激光形心纵坐标的最优估计值输出。
对修正或补偿后的数据进行平滑，并且用坩埚绝对位移进行标定得到液位的位置信息，具体为：当液位发生变化时，x(n|n)也会发生变化，x(n|n)与液位成正比关系，液位变化为：
L(n)＝M·(x(n|n)-xzero)
其中，xzero为定义的零点位置的线激光形心纵坐标估计值，M为比例系数；
为避免强热对流和坩埚转动的扰动，对输出的L(n)进行滑动平均滤波，滤波公式如下：
本发明的有益效果是：本发明的一种可抑制波动的直拉硅单晶炉液位检测方法，对光斑成像变散后的区域逐个计算形心横纵坐标，然后利用投票机制计算最终的线激光光斑成像形心纵坐标，提高对线激光光斑形心纵坐标检测的鲁棒性，避免液面波动造成线激光光斑变散的影响；并且本发明的一种可抑制波动的直拉硅单晶炉液位检测方法，对检测得到的纵坐标进行卡尔曼滤波，补偿光斑成像丢失的纵坐标，修正波动较大的纵坐标，提高液位测量的精度，抑制波动的影响。
附图说明
图1是本发明检测方法的检测原理图；
图2是本发明检测方法中面阵CCD摄像机采集到的激光光斑图；
图3是本发明检测方法中面阵CCD摄像机采集到图像帧间差后的二值化结果图；
图4是本发明检测方法中液面静止时未经卡尔曼滤波的线激光形心纵坐标采集序列图；
图5是本发明检测方法中液面静止时经过卡尔曼滤波对线激光形心纵坐标进行修正和补偿的数据序列图；
图6是本发明检测方法中液面下降2mm装置测量曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种可抑制波动的直拉硅单晶炉液位检测方法，在单晶炉炉盖上安装线型激光发射装置即激光光源和面阵CCD摄像机，激光光源发射的激光线沿预先设定好的光路照射到硅熔液液面，经过硅熔液液面反射在面阵CCD摄像机中成像，调整激光线在面阵CCD摄像机成像的角度，使得激光线与水平方向平行，利用面阵CCD摄像机拍摄的图像与上一帧图像做差，通过阈值分割将做差后的结果转换为二值化图像，然后对二值化图像进行8连通区域分析，得到若干个激光光斑的区域(由于在晶体生长的过程中强热对流和坩埚转动的扰动，激光线的成像会变成若干个光斑)，计算每个激光光斑的形心，得到每个激光光斑的形心的纵坐标，利用投票机制对所有光斑形心的纵坐标进行投票，得到票数最多的纵坐标为该帧图像线激光形心的纵坐标(激光线与水平线平行，纵坐标直接可以反映液面位置)，再利用卡尔曼滤波对线激光形心的纵坐标进行修正或者补偿(由于在晶体生长的过程中强热对流和坩埚转动的扰动，线激光光斑在图像中丢失，有大量图像没有任何信息)，最后对数据进行平滑，并且用坩埚绝对位移进行标定得到液位的位置信息。
具体实施步骤为：
步骤1、如图1所示，在单晶炉炉盖上设计激光发射器窗口和面阵CCD摄像机接收窗口，窗口为圆形，直径分别为50mm和100mm，窗口安装镀金玻璃，玻璃的固件需要水冷，在激光发射器窗口和面阵CCD摄像机接收窗口分别安装线型激光发射装置即激光光源和面阵CCD摄像机。圆形窗口的中心之间连线距离整个单晶炉中心180mm，激光光束入射角为18度，激光光线入射点距离整个炉体中心的水平距离大于160cm，小于相应热屏半径，激光发射器发射的激光光束入射液面的位置在晶体边缘与热屏之间。上述安装位置和光路设计可以保证激光光束通过液面反射在CCD摄像机中成像；
在坩埚升降传动机构上安装光电码盘，测量坩埚绝对位置。坩埚的升降是通过电动机、蜗轮蜗杆减速器、一级皮带轮减速带动滚轴丝杠转动，控制坩埚的升降。与滚轴丝杠同轴连接一个具有绝对位置计量功能的光电码盘，光电码盘每一个脉冲对应0.002毫米坩埚位移。
步骤2、通过线形激光发射器发射线形激光光束，激光光束经液面反射，在面阵CCD摄像机中成像，由面阵CCD摄像机采集激光光斑图像；由于热对流导致液面抖动，线激光光斑的成像会形成若干个分散的光斑甚至光斑在图像中丢失，面阵CCD摄像机采集图像如图2，图2(a)-2(c)分别是线激光光斑成像受波动影响形成若干个分散光斑的三种典型图像。
步骤3、对面阵CCD摄像机采集的激光光斑图像进行帧间差处理，即用第n帧图像减去第n-1帧，然后利用预先设定的阈值对结果进行分割，得到二值化图像，最后利用8连通域分析对二值化图像扫描并标记出每一个光斑的区域，得到若干个激光光斑的区域；
步骤4、设第n帧图像计算结果标记后的区域分别为(xij,yij)点的像素值为f(xij,yij)，j＝1,...,Ni，其中，(xij,yij)为像素横纵坐标，K为每帧图像结果的光斑总数，Ni为第i个区域的像素点数，当激光光斑在图像中丢失时，K为0，Ii和Ni不存在。由于激光线的成像与水平线平行，只需计算激光线在图像中的纵坐标就可以估计液面位置。计算每一个光斑的形心纵坐标，计算公式如下：
搜索的最大值和最小值设定一个阈值t，利用投票机制计算落入区间[y'k-t,y'k+t]，中的数量，找到包含数量最多的区间[y'k-t,y'k+t]，则第n帧图像线激光光斑形心的纵坐标值y(n)为y'k，若y'k存在多个，取y'k的平均值，若光斑丢失，y(n)标记为空。
步骤5、根据卡尔曼滤波器原理，定义从面阵CCD采集图像计算得到的激光线纵坐标y(n)为观测变量，定义激光线纵坐标真实值x(n)为状态变量，根据检测原理，观测变量一般会包含观测噪声v(n)，而观测噪声近似服从高斯分布N(0,R)，因此，y(n)可用下式表示：
y(n)＝x(n)+v(n) (2)
由于在晶体生长过程中，液位变化较为缓慢，在短时间内可以看作恒定不变，x(n+1)可看作x(n)与过程噪声w(n)之和，根据对信号的统计特性分析，w(n)近似服从高斯分布N(0,Q)，因此，x(n+1)可用下式表示
x(n+1)＝x(n)+w(n) (3)
设用n-1时刻状态估计的n时刻x(n)的状态为x(n|n-1)，设n-1时刻经修正后的状态为x(n-1|n-1)，x(n|n-1)对应的协方差为P(n|n-1)，x(n-1|n-1)对应的协方差为P(n-1|n-1)。当n-1＝0时，预先设置初值x(0)，零时刻最优状态x(0|0)，x(0|0)的协方差P(0|0)，过程噪声方差Q和测量噪声方差R；
根据下面两式分别计算x(n|n-1)和P(n|n-1)：
x(n|n-1)＝x(n-1|n-1) (4)
P(n|n-1)＝P(n-1|n-1)+Q (5)
根据下式更新卡尔曼增益K(n)
K(n)＝P(n|n-1)/(P(n|n-1)+R) (6)
根据下式更新P(n|n)：
P(n|n)＝(1-K(n))P(n|n-1) (7)
判断测量值y(n)是否为空，如果为空按照下式估计x(n|n)
x(n|n)＝x(n|n-1) (8)
否则按照下式估计x(n|n)
x(n|n)＝x(n|n-1)+K(n)·(y(n)-x(n|n-1)) (9)
将x(n|n)作为线激光形心纵坐标的最优估计值输出；
步骤6、当液位发生变化时，x(n|n)也会发生变化，x(n|n)与液位成正比关系，液位变化为
L(n)＝M·(x(n|n)-xzero) (10)
其中，xzero为定义的零点位置的线激光形心纵坐标估计值，M为比例系数，可以通过光电码盘的计数位置和x(n|n)相对xzero的变化得出；
步骤7、为避免强热对流和坩埚转动等的扰动，对输出的L(n)进行滑动平均滤波，滤波公式如下
实施例
采用波长为650nm的线形半导体激光器作为激光光源，面阵CCD摄像机作为接收装置。
通过CCD摄像机采集的图像如图2所示，图2(a)-2(c)分别是线激光光斑成像受波动影响形成若干个分散光斑的三种典型图像；经过帧间差和阈值分割的结果如图3所示，图3(a)-3(c)分别是线激光光斑成像受波动影响形成若干个分散光斑的三种典型图像经过帧间差和阈值分割后的结果，经过帧间差和阈值分割后的结果，液面静止时未经卡尔曼滤波的线激光形心纵坐标采集序列如图4所示，未用直线连接的点表示两个点之间存在丢失的数据点，液面静止时经过卡尔曼滤波对线激光形心纵坐标进行修正和补偿的数据序列如图5所示。
首先标定比例系数M，具体方法为：设液面零点线激光形心纵坐标xzero为400.4，根据光电码盘指示使得液位下降1mm，线激光形心纵坐标为410.6，根据上面公式计算得M≈-0.098。
经过标定后，激光形心纵坐标从400.4移动到420.8，则可得到液面位置变化量为
L＝-0.098×(420.8-400.4)＝-2mm
图6为液面位置从0开始下降2mm的测量曲线。根据图6的原始数据和液位实际移动的数据结果，计算所有数据点的平均测量绝对误差为0.02mm，最大测量绝对误差为0.07mm，满足大规模电子级集成电路液位控制系统的要求(0.2mm以内)。

Claims (5)

1.一种可抑制波动的直拉硅单晶炉液位检测方法，其特征在于，在单晶炉炉盖上安装线型激光发射装置即激光光源和面阵CCD摄像机，激光光源发射的激光线沿预先设定好的光路照射到硅熔液液面，经过硅熔液液面反射在面阵CCD摄像机中成像，调整激光线在面阵CCD摄像机成像的角度，使得激光线与水平方向平行，利用面阵CCD摄像机拍摄的图像与上一帧图像做差，通过阈值分割将做差后的结果转换为二值化图像，然后对二值化图像进行8连通区域分析，得到若干个激光光斑的区域，计算每个激光光斑的形心，得到每个激光光斑的形心的纵坐标，利用投票机制对所有光斑形心的纵坐标进行投票，得到票数最多的纵坐标为该帧图像线激光形心的纵坐标，再利用卡尔曼滤波对线激光形心的纵坐标进行修正或者补偿，最后对修正或补偿后的数据进行平滑，并且用坩埚绝对位移进行标定得到液位的位置信息。
2.根据权利要求1所述的一种可抑制波动的直拉硅单晶炉液位检测方法，其特征在于，所述利用面阵CCD摄像机拍摄的图像与上一帧图像做差，得到若干个激光光斑的区域具体为：对面阵CCD摄像机采集的激光光斑图像进行帧间差处理，即用第n帧图像减去第n-1帧，然后利用预先设定的阈值对结果进行分割，得到二值化图像，最后利用8连通域分析对二值化图像扫描并标记出每一个光斑的区域，得到若干个激光光斑的区域。
3.根据权利要求1所述的一种可抑制波动的直拉硅单晶炉液位检测方法，其特征在于，所述得到图像线激光形心的纵坐标具体为：设第n帧图像计算结果标记后的区域分别为Ii{(xi1,yi1),...,(xiNi,yiNi)}，i＝1,...,K，(xij,yij)点的像素值为f(xij,yij)，j＝1,...,Ni，其中，(xij,yij)为像素横纵坐标，K为每帧图像结果的光斑总数，Ni为第i个区域的像素点数，计算每一个光斑的形心纵坐标，计算公式如下：
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搜索的最大值和最小值设定一个阈值t，利用投票机制计算落入区间[y'k-t,y'k+t]，中的数量，找到包含数量最多的区间[y'k-t,y'k+t]，则第n帧图像线激光光斑形心的纵坐标值y(n)为y'k，若y'k存在多个，取y'k的平均值，若光斑丢失，y(n)标记为空。
4.根据权利要求1所述的一种可抑制波动的直拉硅单晶炉液位检测方法，其特征在于，所述利用卡尔曼滤波对线激光形心的纵坐标进行修正或者补偿具体为：定义从面阵CCD采集图像计算得到的激光线纵坐标y(n)为观测变量，定义激光线纵坐标真实值x(n)为状态变量，根据检测原理，观测变量一般会包含观测噪声v(n)，而观测噪声近似服从高斯分布N(0,R)，因此，y(n)可用下式表示：
y(n)＝x(n)+v(n)
由于在晶体生长过程中，液位变化较为缓慢，在短时间内可以看作恒定不变，x(n+1)可看作x(n)与过程噪声w(n)之和，根据对信号的统计特性分析，w(n)近似服从高斯分布N(0,Q)，因此，x(n+1)可用下式表示：
x(n+1)＝x(n)+w(n)
设用n-1时刻状态估计的n时刻x(n)的状态为x(n|n-1)，设n-1时刻经修正后的状态为x(n-1|n-1)，x(n|n-1)对应的协方差为P(n|n-1)，x(n-1|n-1)对应的协方差为P(n-1|n-1)；当n-1＝0时，预先设置初值x(0)，零时刻最优状态x(0|0)，x(0|0)的协方差P(0|0)，过程噪声方差Q和测量噪声方差R；
根据下面两式分别计算x(n|n-1)和P(n|n-1)：
x(n|n-1)＝x(n-1|n-1)
P(n|n-1)＝P(n-1|n-1)+Q
根据下式更新卡尔曼增益K(n)：
K(n)＝P(n|n-1)/(P(n|n-1)+R)
根据下式更新P(n|n)：
P(n|n)＝(1-K(n))P(n|n-1)
判断测量值y(n)是否为空，如果为空按照下式估计x(n|n)：
x(n|n)＝x(n|n-1)
否则按照下式估计x(n|n)：
x(n|n)＝x(n|n-1)+K(n)·(y(n)-x(n|n-1))
将x(n|n)作为线激光形心纵坐标的最优估计值输出。
5.根据权利要求1所述的一种可抑制波动的直拉硅单晶炉液位检测方法，其特征在于，所述对修正或补偿后的数据进行平滑，并且用坩埚绝对位移进行标定得到液位的位置信息，具体为：当液位发生变化时，x(n|n)也会发生变化，x(n|n)与液位成正比关系，液位变化为：
L(n)＝M·(x(n|n)-xzero)
其中，xzero为定义的零点位置的线激光形心纵坐标估计值，M为比例系数；
为避免强热对流和坩埚转动的扰动，对输出的L(n)进行滑动平均滤波，滤波公式如下：
<mrow> <mover> <mi>L</mi> <mo>^</mo> </mover> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <munderover> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mi>m</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <mi>L</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mi>m</mi> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow> 2
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