CN112226812A - 一种直拉式单晶硅生产方法和装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直拉式单晶硅生产方法和装置及系统，属于直拉式单晶硅生产领域，通过获取导流筒出口包括液面和倒影的图像，实时调整坩埚和导流筒间的距离，使熔融硅液面与导流筒间距离不变。本发明使用图像测距的方案，无需使用硬件传感器，成本较低。同时能保证相应方法在不同设备条件下均能完成对距离的测量，无须对每个设备都进行精细校准调试。

Description

一种直拉式单晶硅生产方法和装置及系统

技术领域

本发明涉及直拉式单晶硅生产技术，特别地，涉及一种直拉式单晶硅生产方法和装置及系统。

背景技术

直拉法生产过程中，首先多晶硅原料被放入石英坩埚中加热至熔融状态，液面上方通过提拉索悬吊一根通过化学蚀刻制作的单晶硅籽晶，籽晶下降至与液面接触，当温度合适时，籽晶与熔体达到热平衡，液面会在表面张力的支撑下，吸附在籽晶下方；籽晶旋转并缓慢向上提升，吸附熔体也会随之向上运动，从而形成过冷状态，具有过冷态的硅原子会顺着籽晶的排列结构在固液交界面上形成规则的结晶体。若整个生长环境稳定，就可以周而复始地在之前形成的单晶体上继续结晶，最终形成一根圆柱形的硅单晶体。

同时，在生产过程中，工艺气体氩气从单晶硅生长炉顶部充入，为了保证单晶硅的稳定快速生长和挥发物质的及时排出，在坩埚上方安装有导流筒，氩气经过导流筒和保温罩的内壁，再通过真空泵从生长炉下部抽气口排出。生产中随着晶棒的不断提拉生长，坩埚中硅液的质量会逐渐减少，为了保证液面始终与晶体接触，坩埚也会随之上升，此时，为了避免导流筒接触到高温液面，同时也要保证气体流动的稳定，导流筒与液面的相对高度须保持一致，因此需要对导流筒与液面的距离进行测量，并通过PID控制二者距离保持恒定。由于实际生产环境温度极高，无法使用接触式方法对该距离进行测量。目前使用的非接触测量方法有超声波测距和激光测距，对于当前场景来说，这两种方式需要精细校准测距模块角度等参数，且方案成本极高。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种直拉式单晶硅生产方法和装置及系统，以解决在测量导流筒与液面的相对高度时需要精细校准测距模块角度等参数，且方案成本极高的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

第一方面，

一种直拉式单晶硅生产方法，包括以下步骤：

获取导流筒出口的图像，所述图像包括导流筒出口处的液面以及导流筒在液面上的倒影；

根据所述图像实时调整坩埚和所述导流筒间的距离，以使熔融硅液面与导流筒间距离不变。

进一步地，所述根据所述图像实时调整坩埚和所述导流筒间的距离包括：

处理所述图像；

根据处理后的图像得到图像中所述倒影与所述导流筒出口的距离；

根据图像中所述倒影与所述导流筒出口的距离调整所述坩埚和所述导流筒间的当前距离使熔融硅液面与导流筒间距离不变。

进一步地，所述处理所述图像包括：

筛选所述图像的有效区域；

将筛选后的图像分别进行二次分割处理和横向差分处理；

将二次分割处理后得到图像与横向差分处理得到的图像进行逻辑与操作，得到最终的图像。

进一步地，所述筛选所述图像的有效区域采用阈值法进行筛选，阈值化的过程如下：

其中，I_X,Y代表图像，I_x,y是图像中的每个像素，T为阈值。

进一步地，筛选后图像变为黑白两色的图像，所述将筛选后的图像进行二次分割处理包括：

对图像白色区域内的像素进行统计；

根据统计结果确定二次分割的阈值。

进一步地，所述根据统计结果确定二次分割的阈值包括：

分别使用0-255作为阈值进行计算每个阈值的待优化数值g；

选择使待优化数值g最大的阈值作为二次分割的阈值；

计算公式如下：

μ＝ω₀×μ₀+ω₁×μ₁

g＝ω₀×(μ₀-μ)²+ω₁×(μ₁-μ)²

其中，N₀、μ₀、N₁和μ₁分别为任一一个阈值的前景像素数、前景平均灰度、背景像素数和背景平均灰度。

进一步地，所述横向差分处理采用如下公式进行计算：

其中，I_X,Y代表图像，I_x,y为图像上每个像素，

为横向差分结果。

进一步地，所述根据图像中所述倒影与所述导流筒出口的距离调整所述坩埚和所述导流筒间的当前距离使熔融硅液面与导流筒间距离不变包括：

调整所述坩埚和所述导流筒间的当前距离使图像中所述倒影与所述导流筒出口的距离与初始时图像中所述倒影与所述导流筒出口的距离相等。

第二方面，

一种直拉式单晶硅生产装置，包括：

图像获取模块，用于获取导流筒出口的图像，所述图像包括导流筒出口处的液面以及导流筒在液面上的倒影；

高度调整模块，用于根据所述图像实时调整坩埚和所述导流筒间的距离，以使熔融硅液面与导流筒间距离不变。

第三方面，

一种直拉式单晶硅生产系统，包括：

单晶硅生长炉，用于生产单晶硅；

工业相机，用于获取导流筒出口的图像，所述图像包括导流筒出口处的液面以及导流筒在液面上的倒影；

图像处理单元，用于处理所述图像得到所述图像中所述倒影与所述导流筒出口的距离；

控制执行单元，用于调整所述坩埚和所述导流筒间的当前距离使图像中所述倒影与所述导流筒出口的距离与初始时图像中所述倒影与所述导流筒出口的距离相等。

本申请采用以上技术方案，至少具备以下有益效果：

本发明技术方案公开了一种直拉式单晶硅生产方法和装置及系统，通过获取导流筒出口包括液面和倒影的图像，实时调整坩埚和导流筒间的距离，使熔融硅液面与导流筒间距离不变。本发明使用图像测距的方案，无需使用硬件传感器，成本较低。同时能保证相应方法在不同设备条件下均能完成对距离的测量，无须对每个设备都进行精细校准调试。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种直拉式单晶硅生产方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的另一种直拉式单晶硅生产方法的流程图；

图3是本发明实施例提供的一种直拉式单晶硅生长炉的结构示意图；

图4(a)是本发明实施例提供的一种导流筒出口的图像；

图4(b)是图4(a)简化后的图像；

图5是本发明实施例提供的一种图像获取方式示意图；

图6是本发明实施例提供的一种阈值化后的图像；

图7是本发明实施例提供的一种阈值化后的局部图像；

图8是本发明实施例提供的一种二次分割后的图像；

图9是本发明实施例提供的一种二次分割结果与横向差分处理进行逻辑与操作后的图像；

图10是本发明实施例提供的一种直拉式单晶硅生产装置结构示意图；

图11是本发明实施例提供的一种直拉式单晶硅生产系统结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的描述说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本申请所保护的范围。

参照图1，本发明实施例提供一种直拉式单晶硅生产方法，包括以下步骤：

获取导流筒出口的图像，图像包括导流筒出口处的液面以及导流筒在液面上的倒影；

根据图像实时调整坩埚和导流筒间的距离，以使熔融硅液面与导流筒间距离不变。

本发明实施例提供的一种直拉式单晶硅生产方法，通过获取导流筒出口包括液面和倒影的图像，实时调整坩埚和导流筒间的距离，使熔融硅液面与导流筒间距离不变。本发明使用图像测距的方案，无需使用硬件传感器，成本较低。同时能保证相应方法在不同设备条件下均能完成对距离的测量，无须对每个设备都进行精细校准调试。

作为对上述实施例的一种改进说明，如图2所示，本发明实施例还提供了另一种直拉式单晶硅生产方法，包括以下步骤：

获取导流筒出口的图像，图像包括导流筒出口处的液面以及导流筒在液面上的倒影；

处理图像；

根据处理后的图像得到图像中倒影与导流筒出口的距离；

根据图像中倒影与导流筒出口的距离调整坩埚和导流筒间的当前距离使熔融硅液面与导流筒间距离不变。

首先，如图3所示，本发明实施例中单晶硅的生产设备为生长炉，氩气从上方氩气口301进入，经过类似倒放的圆锥状的导流筒302；坩埚304中盛放有熔融的液体；籽晶303通过接触坩埚内液体生成单晶硅。具体的生产过程在本申请背景技术中已记载，在此不再赘述。工业相机305获取倒流筒出口的图像。如图4(a)所示，本发明提供了获取的导流筒出口的图像，其中外面黑色部分是导流筒内壁，大的圆形白色部分是液面，白色部分上方一部分月牙状的是倒影，白色部分内的黑色部分是垂吊籽晶的线，中间小圆形是籽晶，再大一些的是生产的单晶硅，为了更清楚的表述，特将图4(a)简化为图4(b)，其中导流筒出口处的液面401是整个白色圆形区域；导流筒在液面上的倒影402位于白色圆形区域内，呈月牙状。下面介绍一下获取图像的形成原理；首先由于整个生长炉是密闭的，坩埚内液体提供唯一光源；因此图像中黑色的是无法获得液体的光线，白色的是能够获取液体的光线。如图5所示，坩埚内液面501相当于镜子，导流筒502在液面上会有倒影503，由于工业相机504在导流筒一侧拍摄，此时拍摄的图像倒影只有一部分，即图4月牙状的部分，而且由于有倒影部分在液面的亮度与无倒影部分亮度不同，可以清楚的分辨出月牙状的部分。

需要说明的是在生产过程中，对液面和导流筒之间的高度具体数值没有要求，只要求其在生产过程中从始至终保持一个高度即可。而本申请的原理即当液面高度和导流筒一定时，月牙状的部分完全相同，如果月牙状的部分不同，则说明液面高度和导流筒与初始时不一致。因此在计算时只需要选定月牙状的部分任一部分的宽度即可，当然，必须保证的是，每次对比调整时都需要选定同意部分的宽度进行对比。

作为本发明实施例一种可选的实现方式，理图像包括：

筛选图像的有效区域；

将筛选后的图像分别进行二次分割处理和横向差分处理；

将二次分割处理后得到图像与横向差分处理得到的图像进行逻辑与操作，得到最终的图像。

一些实施例中，筛选图像的有效区域采用阈值法进行筛选，阈值化的过程如下：

其中，I_X,Y代表图像，I_x,y是图像中的每个像素，T为阈值。筛选后的图像如图6所示；为便于处理和计算选用带月牙状部分的局部区域，如图7所示。

筛选后图像变为黑白两色的图像，将筛选后的图像进行二次分割处理包括：

对图像白色区域内的像素进行统计；根据统计结果确定二次分割的阈值。根据统计结果确定二次分割的阈值包括：分别使用0-255作为阈值进行计算每个阈值的待优化数值g；选择使待优化数值g最大的阈值作为二次分割的阈值；

计算公式如下：

μ＝ω₀×μ₀+ω₁×μ₁

g＝ω₀×(μ₀-μ)²+ω₁×(μ₁-μ)²

其中，N₀、μ₀、N₁和μ₁分别为任一一个阈值的前景像素数、前景平均灰度、背景像素数和背景平均灰度。二次分割处理后的图像如图8所示。

在某些情况下，如导流筒下方有较大的被腐蚀区域，二次分割结果与预期结果相比面积更大甚至覆盖整个区域，为了保证导流筒倒影区域边界正确，除了二次分割之外又引入边缘信息对边界进行修正。即横向差分处理。

由于目标区域形式特殊，对于不同的边缘，当前任务仅需要考虑竖直边缘，直接采用并行横向差分能大幅减小计算量，提高运算速度。横向差分处理采用如下公式进行计算：

其中，I_X,Y代表图像，I_x,y为图像上每个像素，

为横向差分结果。

横向差分结果经过开操作和膨胀处理，与二次分割结果进行逻辑与操作得到如图9所示的图像。根据图9的图像选择与初始时的相同位置的宽度进行计算，计算选定位置的宽度由电脑软件自动计算，是本领域常用的技术手段，在此不在详述。

若计算得到宽度与初始时的宽度相同则不调整坩埚和导流筒间的当前距离；若不一致，则调整坩埚和导流筒间的当前距离使图像中倒影与导流筒出口的距离与初始时图像中倒影与导流筒出口的距离相等。

本发明实施例提供的另一种直拉式单晶硅生产，通过获取导流筒出口的图像，计算得到图像上导流筒出口处液面和导流筒在液面上的倒影间的距离，与初始时距离比较，通过比较结果调整坩埚和导流筒间的距离，使熔融硅液面与导流筒间距离不变。本方法并不直接计算液面到导流筒内的距离而是通过控制图像中倒影与导流筒出口的距离不变，实现稳定液面与导流筒间距离的目的。无需硬件传感器，计算简单，成本较低。

一个实施例中，本发明还提供了一种直拉式单晶硅生产装置，如图10所示，包括：

图像获取模块1001，用于获取导流筒出口的图像，图像包括导流筒出口处的液面以及导流筒在液面上的倒影；

高度调整模块1002，用于根据图像实时调整坩埚和导流筒间的距离，以使熔融硅液面与导流筒间距离不变。

具体地，高度调整模块还用于处理图像；根据处理后的图像得到图像中倒影与导流筒出口的距离；根据图像中倒影与导流筒出口的距离调整坩埚和导流筒间的当前距离使熔融硅液面与导流筒间距离不变。

其中，处理图像包括：

筛选图像的有效区域；将筛选后的图像分别进行二次分割处理和横向差分处理；将二次分割处理后得到图像与横向差分处理得到的图像进行逻辑与操作，得到最终的图像。筛选图像的有效区域采用阈值法进行筛选，阈值化的过程如下：

其中，I_X,Y代表图像，I_x,y是图像中的每个像素，T为阈值。

作为本发明实施例一种可选的实现方式，筛选后图像变为黑白两色的图像，将筛选后的图像进行二次分割处理包括：

对图像白色区域内的像素进行统计；根据统计结果确定二次分割的阈值。

一些可选实施例中，根据统计结果确定二次分割的阈值包括：

分别使用0-255作为阈值进行计算每个阈值的待优化数值g；

选择使待优化数值g最大的阈值作为二次分割的阈值；

计算公式如下：

μ＝ω₀×μ₀+ω₁×μ₁

g＝ω₀×(μ₀-μ)²+ω₁×(μ₁-μ)²

其中，N₀、μ₀、N₁和μ₁分别为任一一个阈值的前景像素数、前景平均灰度、背景像素数和背景平均灰度。

可选地，横向差分处理采用如下公式进行计算：

其中，I_X,Y代表图像，I_x,y为图像上每个像素，

为横向差分结果。

一些可选实施例中，根据图像中倒影与导流筒出口的距离调整坩埚和导流筒间的当前距离使熔融硅液面与导流筒间距离不变包括：

调整坩埚和导流筒间的当前距离使图像中倒影与导流筒出口的距离与初始时图像中倒影与导流筒出口的距离相等。

本发明实施例提供的一种直拉式单晶硅生产装置，图像获取模块获取导流筒出口的图像；高度调整模块根据图像实时调整坩埚和导流筒间的距离以使熔融硅液面与导流筒间距离不变。本装置通过采集熔融硅液表面图像，根据导流筒在液面的倒影，使用图像和图形学的方法对硅液于导流筒之间的距离进行计算。本装置并不直接计算液面到导流筒内的距离而是通过控制图像中倒影与导流筒出口的距离不变，实现稳定液面与导流筒间距离的目的。计算简单，成本较低。

一个实施例中，本发明还提供了一种直拉式单晶硅生产系统，如图11所示，包括：

单晶硅生长炉1101，用于生产单晶硅；

工业相机1102，用于获取导流筒出口的图像，图像包括导流筒出口处的液面以及导流筒在液面上的倒影；

图像处理单元1103，用于处理图像得到图像中倒影与导流筒出口的距离；

控制执行单元1104，用于调整坩埚和导流筒间的当前距离使图像中倒影与导流筒出口的距离与初始时图像中倒影与导流筒出口的距离相等。

需要说明的是，图像处理单元为工业控制计算机上安装的处理软件，控制执行单元为PLC控制器和生长炉内的执行器。

一些实施例中，工业相机使用德国BASLER巴斯勒acA4024-8hm面阵相机，Sony IMX226CMOS芯片，帧率8fps，分辨率1220万像素。

运算设备采用MIC-7700工业控制计算机，支持英特尔第七代Core I台式机CPU，2xRS-232/422/485和4x RS232串口(预留可扩展)，1x 2.5"HDD,1x CFast,1x mSATA和1xmini-PCIe带SIM插槽，支持2LAN,带隔离COM,32-bit GPIO模块，2个千兆网口和8x USB3.0，支持VGA和DVI输出，支持研华i-module扩展模块,SUSIAccess和嵌入式软件APIs，宽电压输入9～36V DC，支持宽温。

本发明实施例提供的通过控制执行器调整埚位和导流筒高度使得图像中倒影与导流筒出口的距离不变，即可确保液面与导流筒相对距离不变，本系统并不直接计算液面到导流筒内的距离而是通过控制图像中倒影与导流筒出口的距离不变，实现稳定液面与导流筒间距离的目的。本发明成本远低于硬件传感器，与以往类似方法相比，本方法适用范围更广，对各种特殊情况应对能力更强，计算量更小，通过现场表现来看，本发明以更低的成本达到了比以往方法更加良好的效果。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种直拉式单晶硅生产方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取导流筒出口的图像，所述图像包括导流筒出口处的液面以及导流筒在液面上的倒影；

根据所述图像实时调整坩埚和所述导流筒间的距离，以使熔融硅液面与导流筒间距离不变。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述根据所述图像实时调整坩埚和所述导流筒间的距离包括：

处理所述图像；

根据处理后的图像得到图像中所述倒影与所述导流筒出口的距离；

根据图像中所述倒影与所述导流筒出口的距离调整所述坩埚和所述导流筒间的当前距离使熔融硅液面与导流筒间距离不变。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述处理所述图像包括：

筛选所述图像的有效区域；

将筛选后的图像分别进行二次分割处理和横向差分处理；

将二次分割处理后得到图像与横向差分处理得到的图像进行逻辑与操作，得到最终的图像。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述筛选所述图像的有效区域采用阈值法进行筛选，阈值化的过程如下：

其中，I_X，Y代表图像，I_x，y是图像中的每个像素，T为阈值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：筛选后图像变为黑白两色的图像，所述将筛选后的图像进行二次分割处理包括：

对图像白色区域内的像素进行统计；

根据统计结果确定二次分割的阈值。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述根据统计结果确定二次分割的阈值包括：

分别使用0-255作为阈值进行计算每个阈值的待优化数值g；

选择使待优化数值g最大的阈值作为二次分割的阈值；

计算公式如下：

μ＝ω₀×μ₀+ω₁×μ₁

g＝ω₀×(μ₀-μ)²+ω₁×(μ₁-μ)²

其中，N₀、μ₀、N₁和μ₁分别为任一一个阈值的前景像素数、前景平均灰度、背景像素数和背景平均灰度。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述横向差分处理采用如下公式进行计算：

其中，I_X，Y代表图像，I_x，y为图像上每个像素，

为横向差分结果。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述根据图像中所述倒影与所述导流筒出口的距离调整所述坩埚和所述导流筒间的当前距离使熔融硅液面与导流筒间距离不变包括：

调整所述坩埚和所述导流筒间的当前距离使图像中所述倒影与所述导流筒出口的距离与初始时图像中所述倒影与所述导流筒出口的距离相等。

9.一种直拉式单晶硅生产装置，其特征在于，包括：

图像获取模块，用于获取导流筒出口的图像，所述图像包括导流筒出口处的液面以及导流筒在液面上的倒影；

高度调整模块，用于根据所述图像实时调整坩埚和所述导流筒间的距离，以使熔融硅液面与导流筒间距离不变。

10.一种直拉式单晶硅生产系统，其特征在于，包括：

单晶硅生长炉，用于生产单晶硅；

工业相机，用于获取导流筒出口的图像，所述图像包括导流筒出口处的液面以及导流筒在液面上的倒影；

图像处理单元，用于处理所述图像得到所述图像中所述倒影与所述导流筒出口的距离；

控制执行单元，用于调整坩埚和所述导流筒间的当前距离使图像中所述倒影与所述导流筒出口的距离与初始时图像中所述倒影与所述导流筒出口的距离相等。

Images