CN106480496A - 一种用于实现直拉单晶收尾自动化的装置 - Google Patents

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刘大力
常麟
姜舰
赵银光
崔彬
戴小林
吴志强
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You Yan Semi Materials Co Ltd
Grinm Semiconductor Materials Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种用于实现直拉单晶收尾自动化的装置，包括收尾信号窗口、及高像素CCD相机，该收尾信号窗口设置在单晶炉下炉室侧面，该CCD相机可移动的设置在与收尾信号窗口相对应的位置上，该CCD相机的信号输出端连接工控机和PLC。采用本发明的装置，可实现硅单晶收尾全过程可视化及自动化；大幅提高单晶收尾过程的稳定性和成功率，减少因为收尾过程人工操作不当造成的经济损失；大大提高CZ硅单晶的生产效率，节省人力成本。

Description

一种用于实现直拉单晶收尾自动化的装置
技术领域
本发明涉及一种用于实现直拉单晶收尾自动化的装置，属于直拉单晶技术领域。
背景技术
切克劳斯基法(Czochralski method)是利用旋转着的籽晶从坩埚中熔体中提拉制备出单晶的方法，又称直拉法。其原理为：多晶体硅料经加热熔化，待温度合适后，经过将籽晶浸入、熔接、引晶、放肩、转肩、等径、收尾等步骤，完成一根单晶锭的拉制。
收尾的作用是防止位错反延。在拉晶过程中，当无位错生长状态中断或拉晶完成而使晶体突然脱离液面时，已经生长的无位错晶体受到热冲击，其热应力往往超过硅的临界应力。这时会产生位错，并将反延至温度尚处于范性变形最低温度的晶体中去。一般来说，位错反延的距离大约等于生长面的直径。因此，在拉晶结束时，应逐步缩小晶体直径直至最后缩小成为一点，这一过程称为收尾。
目前，国内几乎所有的硅单晶收尾过程均为半自动化配合人工操作的方式完成，即通过PLC(可编程逻辑控制器)控制温度变化，而由操作人员根据当前收尾状态手动设定晶体拉速的方式来完成收尾过程。这种方法具有两个方面的缺点：一方面，收尾过程无法进行可视化。收尾前期和中期只能通过操作人员的经验来判断收尾过程的快慢，进而给定合适的拉速；这样，收尾过程对操作人员的个人技能具很强的依赖性，并且容易产生收尾卡、收尾断等不完整尾现象；另一方面，随着硅单晶不断向着大直径方向发展，收尾时间大幅延长。人工干预的收尾方式所耗费的人力成本持续增加，非完整尾的发生概率也进一步提高，进而降低了直拉硅单晶生产效率，增加了生产成本。因此，随着直拉硅单晶的直径不断增加，实现收尾过程可视化和自动化，对于直拉硅单晶生长过程具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于实现直拉单晶收尾自动化的装置，以实现硅单晶收尾过程可视化和自动化控制，减少人工干预，提高生产效率，降低生产成本。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种用于实现直拉单晶收尾自动化的装置，包括收尾信号窗口、及高像素CCD(charge coupled device，电荷耦合器件)相机，该收尾信号窗口设置在单晶炉下炉室侧面，该CCD相机可移动的设置在与收尾信号窗口相对应的位置上，该CCD相机的信号输出端连接工控机和PLC。
其中，所述收尾信号窗口的视角对准固液界面处。所述CCD相机通过可调节支架设置在与收尾信号窗口相对应的位置上，其扫描区域覆盖单晶收尾过程中光圈的所在区域。
在拉晶过程中，固态晶体与液态融液交界处的弯月面会对坩埚壁亮光的反射形成亮度很高的光圈。当晶体变粗时，光圈直径变大，反之则变小。通过对光圈直径变化的检测，可以反映出单晶直径的变化情况。
CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。本发明将CCD相机用于单晶收尾过程中直径信号的采集，其原理为：采用CCD相机拍摄下光圈的黑白图像，然后对每一帧图像进行扫描，根据图像中黑白灰度像素的分布，选择合适的一行像素作为扫描对象，也就是扫描线的位置，分析扫描线上的黑白灰度像素排列，线上会有两个白色像素集中区域，即光圈所在位置。以这两个白色像素集中区间中心之间的像素数量可以推算出光圈的直径。
采用本发明的装置，当单晶炉开始进入收尾过程时，由PLC自动将工作相机切换至CCD相机，通过收尾信号窗口捕捉收尾过程中单晶的直径信号，实现收尾过程可视化。PLC根据当前直径信号和设定直径的差别自动计算晶升输出速度，从而实现整个收尾过程自动化。
本发明的优点在于：
采用本发明的装置，可实现硅单晶收尾全过程可视化及自动化；大幅提高单晶收尾过程的稳定性和成功率，减少因为收尾过程人工操作不当造成的经济损失；大大提高CZ硅单晶的生产效率，节省人力成本。
附图说明
图1为本发明用于实现直拉单晶收尾自动化的装置的原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
如图1所示，本发明的用于实现直拉单晶收尾自动化的装置，包括收尾信号窗口1、及高像素CCD相机2，该收尾信号窗口1沿单晶炉下炉室侧面垂直方向设置，其视角对准固液界面处3。该CCD相机2通过可调节支架设置在与收尾信号窗口1相对应的位置上，其扫描区域覆盖单晶收尾过程中光圈的所在区域；该CCD相机的信号输出端连接工控机4和PLC5。
当晶体生长进入收尾过程时，PLC模块自动将当前工作相机切换至收尾CCD相机，并由此CCD相机进行收尾过程的画面显示和直径采集。收尾CCD相机通过信号窗口可以轻易扫描到固液界面处晶体生长的光圈，并将采集的画面传送给工控机；工控机根据光圈大小的变化换算成直径信号的变化，然后将直径信号值输入给PLC，由PLC根据程序设定进行运算和响应，从而最终实现收尾过程的自动化控制。

Claims (4)

1.一种用于实现直拉单晶收尾自动化的装置，其特征在于，包括收尾信号窗口、及高像素CCD相机，该收尾信号窗口设置在单晶炉下炉室侧面，该CCD相机可移动的设置在与收尾信号窗口相对应的位置上，该CCD相机的信号输出端连接工控机和PLC。
2.根据权利要求1所述的用于实现直拉单晶收尾自动化的装置，其特征在于，所述收尾信号窗口的视角对准固液界面处。
3.根据权利要求1所述的用于实现直拉单晶收尾自动化的装置，其特征在于，所述CCD相机通过可调节支架设置在与收尾信号窗口相对应的位置上。
4.根据权利要求1所述的用于实现直拉单晶收尾自动化的装置，其特征在于，所述CCD相机的扫描区域覆盖单晶收尾过程中光圈的所在区域。
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