CN110528070B - 直拉单晶直径测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种直拉单晶直径测量方法，包括步骤：提供设置于熔硅液面上方的导流筒；通过视觉系统采集单晶生长图像，所述单晶生长图像包括单晶生长光圈以及导流筒下口在熔硅液面上的投影；以及获取导流筒下口内侧直径实际值，利用导流筒下口内侧直径校准单晶直径。本发明实现了单晶直径的全自动校准，并提高了校准精度，适用于所有单晶炉台。

Description

直拉单晶直径测量方法

技术领域

本发明属于单晶制造技术领域，具体涉及一种直拉单晶直径测量方法。

背景技术

光伏发电作为绿色能源以及人类可持续发展的主要能源的一种，日益受到世界各国的重视并得到大力发展。单晶硅片作为光伏发电的基础材料的一种，有着广泛的市场需求。一种常见的单晶硅生长方法是直拉法，即，在单晶炉中，使籽晶浸入容置于坩埚的熔体，在转动籽晶及坩埚的同时提拉籽晶，以在籽晶下端依次进行引晶、放肩、转肩、等径及收尾，获得单晶硅棒。

为确保单晶质量，在拉单晶过程中要对单晶的直径进行测量及校准。现有的直径测量方法是采用测径仪进行晶体直径实际值的测量。测径仪通过设置在刻度尺上的滑块，以两次读数之差作为晶体直径值。这种直径测量方法的技术缺陷主要表现为：(1)属于人为测量，存在人为误差；(2)测径仪的测量精度为mm级别；(3)测径仪在各炉台上的安装存在不同的误差。因此，采用测径仪进行晶体直径测量的精度不够高，难以实现对晶体直径的精准测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种直拉单晶直径测量方法，以解决现有的直径测量方法存在的精度低的问题。

本发明所采用的技术方案是：一种直拉单晶直径测量方法，包括步骤：

提供设置于熔硅液面上方的导流筒；

通过视觉系统采集单晶生长图像，所述单晶生长图像包括单晶生长光圈以及导流筒下口在熔硅液面上的投影；以及

获取导流筒下口内侧直径实际值，利用导流筒下口内侧直径校准单晶直径。

进一步地，利用导流筒下口内侧直径校准单晶直径，包括步骤：

在所述单晶生长图像上间隔设定相互平行的晶体直径第一测量线和晶体直径第二测量线，所述晶体直径第一测量线和晶体直径第二测量线均与单晶生长光圈相交，根据所述晶体直径第一测量线和晶体直径第二测量线，获得单晶生长图像中的单晶直径像素值；

将所述晶体直径第一测量线和晶体直径第二测量线向所述导流筒下口投影的边缘方向延伸，分别与所述导流筒投影的边缘相交，形成相互平行的导流筒投影第一测量线和导流筒投影第二测量线，根据所述导流筒投影第一测量线和导流筒投影第二测量线，获得导流筒下口内侧直径像素值；以及

根据导流筒下口内侧直径实际值与导流筒下口内侧直径像素值之比，对所述单晶直径像素值进行校准，获得单晶直径校准值。

更进一步地，获得单晶生长图像中的单晶直径像素值包括步骤：

将所述晶体直径第一测量线的长度测量值记为AB、晶体直径第二测量线的长度测量值记为CD、将晶体直径第一测量线和晶体直径第二测量线的间隔长度值记为EF；以及

根据三角变换，获得单晶生长图像中的单晶直径像素值2R，

更进一步地，获得导流筒下口内侧直径像素值包括步骤：

将导流筒投影第一测量线的长度测量值记为MN、导流筒投影第二测量线的长度测量值记为PQ、将导流筒投影第一测量线和导流筒投影第二测量线的间隔长度值记为EF；以及

根据三角变换，获得导流筒下口内侧直径像素值2R’，

再进一步地，所述流筒下口内侧直径实际值为2r，对所述单晶直径像素值进行校准，获得单晶直径校准值Φ，

优选地，校准单晶直径后，还包括通过液口距变化对所述单晶直径校准值进行补偿、获得单晶直径实际值的步骤。

具体地，通过液口距对所述单晶直径校准值进行补偿、获得单晶直径实际值，包括步骤：

利用目标液口距Y1及实时液口距Y2，计算出补偿直径值Δ’，

利用所述视觉系统的取相角度α，α为所述视觉系统的光轴线与所述提拉方向的夹角，获得补偿直径实际值Δ，

Δ＝cosα*Δ’；以及

利用补偿直径实际值Δ对单晶直径校准值Φ进行补偿，获得单晶直径实际测量值D，

D＝Φ+cosα*Δ’。

进一步地，所述取相角度α的取值范围为0-90°。

进一步地，所述导流筒投影第一测量线和导流筒投影第二测量线的间隔长度值设定为10-100像素。

更进一步地，所述导流筒投影第一测量线和导流筒投影第二测量线的间隔长度值设定为40-60像素。

本发明的直拉单晶直径测量方法，借助于安装在炉体上的视觉系统，在实时采集单晶生长图像单晶生长光圈的同时，以相同角度获取导流筒下口在熔硅液面上的投影。导流筒下口内侧直径的实际值是已知且固定的，可根据导流筒的尺寸获知。由于导流筒下口在熔硅液面上的投影与采集单晶生长光圈的相机角度相同，补偿由于坩埚上升导致相机物距差异引起的直径偏差。导流筒投影直径测量线与晶体直径测量线在同一直线上，呈现的视觉效果是导流筒投影直径测量线处于晶体直径测量线的延长线上。

本发明利用导流筒下口内侧直径的测量值与其实际值的比例关系校准单晶直径，实现了单晶直径的实时校准，同时通过液口距的变化进一步对测量结果进行补偿，从而达到替代人工测径仪校准单晶直径的目的，实现全自动校准，并提高了校准精度。对于不同尺寸的直径校准，只需调整相机物距及焦距使直径及坩埚全部清晰在图像视野内即可使用此方法。本发明所述的直拉单晶直径测量方法，克服了测径仪的诸多缺陷，适用于所有单晶炉台。

附图说明

图1为本发明实施例所述直拉单晶直径测量方法流程图；

图2为本发明实施例利用视觉系统采集的单晶生长图像的示意图。

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。

实施例1

本实施例所述单晶炉台附带视觉系统和工控机。视觉系统至少包括CCD摄像头，CCD摄像头以分辨率高的测量精度为佳，优选地，分辨率不低于200万像素。CCD摄像头固定于单晶炉台侧面观察窗，调整CCD摄像头角度及物距使单晶(棒)直径及坩埚全部在单晶生长图像视野内，并调整CCD摄像头(相机)焦距使图像中单晶直径和坩埚及导流筒下口内侧投影(倒影)清晰可见。视觉系统实时采集的单晶生长图像通过电路输入至工控机中，由工控机的图像处理程序对单晶生长图像进行处理。单晶生长图像的处理至少包括使用平滑滤波步骤，以除去图像测量区域内的干扰点。

基于此，本实施例阐述的直拉单晶直径测量方法，通过视觉系统实时采集单晶生长图像，这种单晶生长图像视野内同时含有单晶生长光圈以及导流筒下口内侧直径在熔硅液面上的投影。获取导流筒下口内侧直径实际值，利用导流筒下口内侧直径的测量值与其实际值的比例关系校准单晶直径。具体地，如图1所示，图1给出了一种直拉单晶直径测量方法的优选流程。

利用导流筒下口内侧直径校准单晶直径的方法，包括下述步骤：

第一步，在单晶生长图像上间隔设定相互平行的晶体直径第一测量线和晶体直径第二测量线。晶体直径第一测量线和晶体直径第二测量线均与单晶生长光圈相交。根据晶体直径第一测量线和晶体直径第二测量线，获得单晶生长图像中的单晶直径像素值。

晶体直径第一测量线和晶体直径第二测量线均与单晶的提拉轴方向相正交。晶体直径第一测量线的设置，使晶体直径第一测量线刚好通过单晶生长光圈，且不可超过导流筒的投影位置。也就是说，晶体直径第一测量线与单晶生长光圈相交叉且其端点分别落在单晶生长光圈上。在图像界面调整灰度阈值参数。晶体直径第一测量线分布着该测量线的灰度值，图像算法根据设定阈值，进行单晶生长光圈左右两侧位置截取，计算出晶体直径第一测量线的测量像素值。微调灰度阈值参数，使得晶体直径第一测量线的像素值稳定。

类似地，在图像界面设置晶体直径第二测量线，晶体直径第二测量线与单晶生长光圈相交叉且其端点均落在单晶生长光圈上。如图2所示，晶体直径第二测量线与晶体直径第一测量线间隔设置。在另一优选的实施例中，基于工控机的图像处理程序，晶体直径第二测量线根据间隔的取值而自动生成。需要说明的是，间隔的取值应在适宜的范围内，取值不宜过大，否则导致晶体直径第二测量线没有通过单晶生长光圈，没有直径像素值。优选地，晶体直径第一测量线和晶体直径第二测量线的像素间隔长度值设定为10-100，进一步优选为40-60。调整图像界面灰度阈值参数，使得晶体直径第二测量线的像素值稳定。

根据获取的晶体直径第一测量线的长度测量值(即单晶直径第一测量线落在单晶生长光圈上的两交叉点的距离)，记为AB；晶体直径第二测量线的长度测量值(即单晶直径第二测量线落在单晶生长光圈上的两交叉点的距离)，记为CD；以及二者间隔长度值，记为EF。通过三角变换，可以得到晶体在所述图像中的单晶直径像素值2R：

第二步，将晶体直径第一测量线和晶体直径第二测量线向导流筒投影的边缘方向延伸，分别与导流筒投影的边缘相交，形成相互平行的导流筒投影第一测量线和导流筒投影第二测量线，根据导流筒投影第一测量线和导流筒投影第二测量线，获得导流筒下口内侧直径像素值。

沿晶体直径第一测量线所在的直线设置导流筒投影第一测量线，即，将晶体直径第一测量线向两端延长，直至与导流筒下口投影相交，获得导流筒投影第一测量线。调整图像界面灰度阈值参数，使其导流筒投影第一测量线的直径像素值稳定。

类似地，沿晶体直径第二测量线所在的直线设置导流筒投影第二测量线，即，将晶体直径第二测量线向两端延长，直至与导流筒下口在熔硅液面上的投影相交，获得导流筒投影第二测量线。调整图像界面灰度阈值参数，使其导流筒投影第二测量线的像素值稳定。导流筒投影第一测量线和导流筒投影第二测量线的间隔长度值，与晶体直径第一测量线和晶体直径第二测量线的间隔长度值相同。在另一优选的实施例中，基于工控机的图像处理程序，导流筒投影第二测量线根据间隔的取值而自动生成，导流筒投影第一测量线与导流筒投影第二测量线的像素间隔长度值设定为10-100，进一步优选为40-60。

根据第二步获取的导流筒投影第一测量线的长度测量值(即导流筒投影第一测量线落在导流筒下口投影的两交叉点距离)，记为MN；导流筒投影第二测量线的长度测量值(即导流筒投影第二测量线落在导流筒下口投影的两交叉点距离)，记为PQ；以及二者间隔长度值，记为EF。通过三角变换，可以得到在所述图像中导流筒下口内侧直径像素值2R’：

当然，第一步与第二步的顺序不限于此，若先设置导流筒投影第一测量线和导流筒投影第二测量线，使导流筒投影第一测量线经过单晶生长光圈并与单晶生长光圈相交于两个点，并使导流筒投影第二测量线经过单晶生长光圈并与单晶生长光圈相交于两个点也可以。

第三步，根据导流筒下口内侧直径实际值与导流筒下口内侧直径像素值之比，对单晶直径像素值进行校准，获得单晶直径校准值。

具体地，导流筒下口内侧直径实际值与导流筒下口内侧直径像素值之比，与单晶直径校准值及单晶直径像素值2R之比相同。记导流筒下口内侧直径实际值为2r，单晶直径校准值为Φ，存在关系式：

从而，获得单晶直径校准值为Φ：

第四步，通过液口距对单晶直径校准值进行补偿，获得单晶直径实际值。

在单晶炉中，导流筒的安装位置固定不变，相机在侧面观察窗也固定不变。也就是说相机到导流筒的测量物距是固定的。而晶体直径测量亮环随着晶体生长的坩埚上升而测量物距减少。等径前期存在坩埚上升，当坩埚到达一定位置就停止。这样就导致等径前期相机测量物距较等径中后期测量物距大。在图像中，等径前期晶体直径较等径中后期小。因此，需要进行等径前期晶体直径的补偿，才能得到准确的晶体直径。

直径补偿与坩埚上升距离有关。可以通过液口距进行直径补偿。

具体地，通过液口距对单晶直径校准值进行补偿、获得单晶直径实际值，可包括以下步骤：

首先，利用目标液口距及实时液口距，计算出补偿直径值Δ'。

假设目标液口距为Y1，即坩埚上升的最终位置与热屏底部的距离。测量到实时的液口距的记为Y2。根据试验测量坩埚补偿直径为Δ'：

然后，利用所述视觉系统的取相角度α，获得补偿直径实际值Δ：

Δ＝cosα*Δ’。

其中，α为所述视觉系统的光轴线与所述提拉方向的夹角，本实施例中，取相角度α的取值范围为0-90°。

最后，利用补偿直径实际值Δ对单晶直径校准值Φ进行补偿，获得单晶直径实际测量值D：

D＝Φ+cosα*Δ’。

实施例2

采用实施例1所述的单晶直径测量方法，以26寸热场直拉单晶直径215mm为例，结合实际操作步骤，对所述单晶直径测量方法作进一步说明。

第一步，提供设置于熔硅液面上方的导流筒。

本实施例采用26寸热场，导流筒下口内侧直径实际值2r为270mm。

第二步，通过视觉系统采集单晶生长图像，单晶生长图像包括单晶生长光圈以及导流筒下口内侧在熔硅液面上的投影。

调整相机的物距和角度，使坩埚及导流筒下口内侧投影全部在相机视野内。调整相机的焦距，使坩埚及导流筒下口内侧投影直径清晰可见。

第三步，获取导流筒下口内侧直径实际值，利用导流筒下口内侧直径校准单晶直径，具体可采取以下操作：

(1)在单晶生长图像上以一定间隔设置相互平行的晶体直径第一测量线及晶体直径第二测量线，根据晶体直径第一测量线和晶体直径第二测量线，获得单晶生长图像中的单晶直径像素值。

晶体直径第一测量线及晶体直径第二测量线均通过单晶生长光圈，且不可超过导流筒的投影位置。晶体直径第一测量线与单晶生长光圈的两侧分别相交于A和B，晶体直径第二测量线与单晶生长光圈的两侧分别相交于C和D。晶体直径第一测量线AB和晶体直径第二测量线CD的间距记为EF。调整图像界面的阈值参数，使其测量数据稳定。试验测得晶体直径第一测量线AB的测量像素为1133.26像素，设定晶体直径第一测量线和第二测量线的间隔EF值为50，晶体直径第二测量线CD的测量像素为1096.53像素。将AB、CD和EF的像素值代入公式：

计算得到，单晶直径像素值2R为1188.92。

(2)沿晶体直径第一测量线所在的直线设置导流筒投影第一测量线，沿晶体直径第二测量线所在的直线设置导流筒投影第二测量线，根据导流筒投影第一测量线和导流筒投影第二测量线，获得导流筒下口内侧直径像素值。

沿晶体直径第一测量线所在的直线设置导流筒投影第一测量线，导流筒投影第一测量线与导流筒投影的两侧分别相较于M和N。沿晶体直径第二测量线所在的直线设置导流筒投影第二测量线，导流筒投影第二测量线与导流筒投影的两侧分别相较于P和Q。导流筒投影第一测量线MN和第二测量线PQ的间距也为EF。调整图像界面灰度阈值参数，使导流筒投影第一测量线MN和第二测量线PQ的测量像素值稳定，试验测得导流筒投影第一测量线的测量像素MN为1452.14像素，导流筒投影第二测量线的测量像素PQ为1426.21像素。将MN、PQ和EF的像素值代入公式：

计算得到，导流筒下口内侧直径像素值2R'为1487.68。

(3)根据导流筒下口内侧直径实际值与导流筒下口内侧直径像素值之比，对单晶直径像素值进行校准，获得单晶直径校准值。

将导流筒下口内侧直径实际值2r＝270mm、单晶直径像素值2R＝1188.92，导流筒下口内侧直径像素值2R'＝1487.68代入公式：

计算得到，单晶直径校准值Φ为215.79。

第四步，通过液口距对单晶直径校准值进行补偿，获得单晶直径实际值。具体地，可包括以下步骤：

(1)利用目标液口距及实时液口距，计算出补偿直径值Δ'。

本实施例中，目标液口距为20mm,当前测量液口距为35mm，代入补偿直径Δ'的公式：

计算得到，补偿直径Δ'为0.27mm。

(2)利用所述视觉系统的取相角度α，获得补偿直径实际值Δ。

本实施例中，测得视觉系统的取相角度α为15°，代入公式：Δ＝cosα*Δ’。

计算得到补偿直径实际值Δ为0.26mm。

(3)利用补偿直径实际值Δ对单晶直径校准值Φ进行补偿，获得单晶直径实际测量值D。

本实施例中，将前序步骤中得到的单晶直径校准值Φ、215.79，以及补偿直径实际值Δ、0.26，代入单晶直径实际测量值公式：

D＝Φ+Δ

计算得出单晶直径实际值D为216.05mm。

实施例3

针对单晶直径为其他尺寸的情形，在单晶炉台内的导流筒未改变的情况下，实施例1和2所述的导流筒下口内侧直径实际值保持不变，只需重新获得晶体直径第一测量线的测量像素AB和晶体直径第二测量线的测量像素CD，导流筒直径第一测量线的测量像素MN和导流筒第二测量线的测量像素PQ，分别计算出单晶生长图像中的单晶直径2R和导流筒直径像素2R′，根据所述比例关系即可得到单晶直径实际值。对于同一图像界面，在晶体直径第一测量线的测量像素AB、导流筒直径第一测量线的测量像素MN确定的前提下，当间隔EF取值发生变化时，晶体直径第二测量线的测量像素CD和导流筒第二测量线的测量像素PQ的值跟着变化。间隔EF取值为40或60时，采用所述单晶直径校准方法，得出校准后的单晶直径的实际值分别为216.09mm、216.19mm，直径补偿为0.27mm，补偿系数为0.966。相关计算(测量)数值参见表1。

表1不同间隔EF取值下的单晶直径实际值校准结果

EF	AB	CD	2R	MN	PQ		Φ	D
									40	1133.26	1104.83	1188.35	1452.14	1432.26	1486.63	215.83	216.09
60	1133.26	1087.98	1188.79	1452.14	1420.61	1486.42	215.93	216.19

Claims (7)

1.直拉单晶直径测量方法，其特征在于，包括步骤：

提供设置于熔硅液面上方的导流筒；

通过视觉系统采集单晶生长图像，所述单晶生长图像

包括单晶生长光圈以及导流筒下口在熔硅液面上的投影；以及

获取导流筒下口内侧直径实际值，利用导流筒下口内侧直径校准单晶直径；

利用导流筒下口内侧直径校准单晶直径，包括步骤：

在所述单晶生长图像上间隔设定相互平行的晶体直径第一测量线和晶体直径第二测量线，所述晶体直径第一测量线和晶体直径第二测量线均与单晶生长光圈相交，根据所述晶体直径第一测量线和晶体直径第二测量线，获得单晶生长图像中的单晶直径像素值；

将所述晶体直径第一测量线和晶体直径第二测量线向所述导流筒下口投影的边缘方向延伸，分别与所述导流筒投影的边缘相交，形成相互平行的导流筒投影第一测量线和导流筒投影第二测量线，根据所述导流筒投影第一测量线和导流筒投影第二测量线，获得导流筒下口内侧直径像素值；以及

根据导流筒下口内侧直径实际值与导流筒下口内侧直径像素值之比，对所述单晶直径像素值进行校准，获得单晶直径校准值；

获得单晶生长图像中的单晶直径像素值包括步骤：

将所述晶体直径第一测量线的长度测量值记为AB、晶体直径第二测量线的长度测量值记为CD、将晶体直径第一测量线和晶体直径第二测量线的间隔长度值记为EF；以及

根据三角变换，获得单晶生长图像中的单晶直径像素值2R，

获得导流筒下口内侧直径像素值包括步骤：

将导流筒投影第一测量线的长度测量值记为MN、导流筒投影第二测量线的长度测量值记为PQ、将导流筒投影第一测量线和导流筒投影第二测量线的间隔长度值记为EF；以及

根据三角变换，获得导流筒下口内侧直径像素值2R’，

2.根据权利要求1所述的直拉单晶直径测量方法，其特征在于，所述流筒下口内侧直径实际值为2r，对所述单晶直径像素值进行校准，获得单晶直径校准值Φ，

3.根据权利要求1或2中任一项所述的直拉单晶直径测量方法，其特征在于，校准单晶直径后，还包括通过液口距变化对所述单晶直径校准值进行补偿、获得单晶直径实际值的步骤。

4.根据权利要求3所述的直拉单晶直径测量方法，其特征在于，通过液口距对所述单晶直径校准值进行补偿、获得单晶直径实际值，包括步骤：

利用目标液口距Y1及实时液口距Y2，计算出补偿直径值Δ’，

利用所述视觉系统的取相角度α，α为所述视觉系统的光轴线与所述提拉方向的夹角，获得补偿直径实际值Δ，

Δ＝cosα*Δ’；以及

利用补偿直径实际值Δ对单晶直径校准值Φ进行补偿，获得单晶直径实际测量值D，

D＝Φ+cosα*Δ’。

5.根据权利要求4所述的直拉单晶直径测量方法，其特征在于，所述取相角度α的取值范围为0-90°。

6.根据权利要求1所述的直拉单晶直径测量方法，其特征在于，所述导流筒投影第一测量线和导流筒投影第二测量线的间隔长度值设定为10-100像素。

7.根据权利要求6所述的直拉单晶直径测量方法，其特征在于，所述导流筒投影第一测量线和导流筒投影第二测量线的间隔长度值设定为40-60像素。

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