CN114351247B

CN114351247B - 一种拉晶晃动监测方法、存储介质、终端和拉晶设备

Info

Publication number: CN114351247B
Application number: CN202210033285.3A
Authority: CN
Inventors: 杨君; 董志文; 何开振; 庄再城; 胡方明; 纪步佳; 杨国炜; 马旭; 曹葵康; 薛峰
Original assignee: Suzhou Tztek Precision Co ltd; Tztek Technology Co Ltd
Current assignee: Suzhou Tztek Precision Co ltd; Tztek Technology Co Ltd
Priority date: 2022-01-12
Filing date: 2022-01-12
Publication date: 2023-06-27
Anticipated expiration: 2042-01-12
Also published as: CN114351247A

Abstract

本发明提供了一种拉晶晃动监测方法、存储介质、终端和拉晶设备，属于半导体领域，方法包括采集图像并判定当前拉晶阶段、根据拉晶阶段定位区域R、提取目标轮廓、直线拟、计算晃动值S；拉晶设备包括炉体、旋转坩埚、拉晶单元、状态监测单元、加料器和控制器，拉晶单元根据晃动值S调整拉晶升降速度和转速，以保证拉晶稳定。本发明基于图像处理和直线拟合技术实时计算拉晶的晃动值，从而通过晃动值监测晶棒的状态，以此保证拉晶状态的稳定，并提高拉晶质量，便于在半导体制造领域推广应用。

Description

一种拉晶晃动监测方法、存储介质、终端和拉晶设备

技术领域

本发明属于半导体领域，涉及拉晶控制技术，具体涉及一种拉晶晃动监测方法、存储介质、终端和拉晶设备。

背景技术

单晶硅是目前半导体行业的初始材料，因此其质量控制显得尤为重要。在制备单晶硅的过程中，晶棒拉制需要维持稳定的状态，以保证籽晶长晶不会发生大的晃动。因此，需要在拉晶过程中，实时观测晶棒的空间状态。

然而，目前晶棒的观测主要是靠人工，通过视窗观察籽晶与硅料熔化液面处的空间位置状态判定晶棒是否发生倾斜或晃动。该方法人工疲劳且难于保证持久的稳定高精度观测，这将导致晶棒晃动、尤其是微观晃动漏查或不可查，难于保证拉晶质量。

因此，亟需一种自动化或智能化的晶棒晃动值实时监测方法和系统，以保证拉晶的稳定性和拉晶质量。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种拉晶晃动监测方法、存储介质、终端和拉晶设备，其能解决上述问题。

一种基于直线拟合的拉晶晃动监测方法，方法包括：

S1、采集图像并判定当前拉晶阶段，通过监测相机多次曝光采集拉晶炉内图像；

S2、根据拉晶阶段定位区域R；

S3、提取目标轮廓；

S4、直线拟合，对目标轮廓直线拟合获得拟合直线；

S5、计算晃动值S。

进一步的，晃动值检测的拉晶阶段包括单双光圈阶段、饱满点直径阶段、引晶阶段、放肩阶段和等径阶段。

进一步的，当拉晶阶段判定为单双光圈阶段或饱满点直径阶段，定位区域R为选取粗圆柱区域R₁和其中心(x,y)，目标轮廓为根据粗圆柱区域R₁和筛选出的左侧轮廓C_L和右侧轮廓C_R，晃动值S为根据两侧轮廓获得的两拟合直线与X轴夹角的均值。

进一步的，当拉晶阶段判定为引晶阶段，定位区域R为选取细圆柱区域R₄；提取的轮廓为根据角度筛选的近似垂直轮廓C_v，晃动值S为根据近似垂直轮廓C_v的拟合直线L_v与X轴夹角。

进一步的，当拉晶阶段判定为等径阶段，步骤S2的定位区域包括：S21、粗定位区域R₅；S22、定位亮区域R₆；S23、区域运算获得等径定位区域R₆＝粗定位区域R₅-定位亮区域R₆；S24、去除等径定位区域R₆中间区域干扰；步骤S3为选取去干扰后的等径定位区域R₆的左右内侧轮廓C_L和C_R，晃动值S为左内侧轮廓C_Lin和右内侧轮廓C_Rin的拟合直线与X轴夹角的均值，即

进一步的，当拉晶阶段判定为放肩阶段，则首先提取细圆柱面积A，并与面积阈值Threshold_细比较，当细圆柱面积A小于面积阈值Threshold_细，晃动值的计算与单双光圈阶段晃动值的计算方法相同，当细圆柱面积A大于等于面积阈值Threshold_细，晃动值的计算与引晶阶段晃动值的计算方法相同。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令运行时执行前述方法的步骤。

本发明还提供了一种终端，包括存储器和处理器，存储器上储存有能够在所述处理器上运行的计算机指令，所述处理器运行所述计算机指令时执行前述方法的步骤。

本发明还提供了一种拉晶设备，所述拉晶设备包括炉体、旋转坩埚、拉晶单元、状态监测单元、加料器和控制器，所述加料器穿过炉体朝向旋转坩埚设置，所述旋转坩埚、拉晶单元、状态监测单元和加料器与所述控制器电讯可控的连接，所述状态监测单元的监测相机通过多次曝光采集拉炉体内晶棒的图像；所述控制器用于坩埚转速、拉晶绳运动、硅料熔态图像接收处理和加料需求的控制，并通过前述的方法根据不同拉晶阶段计算晶棒的晃动值S，拉晶单元根据晃动值S调整拉晶升降速度和转速，以保证拉晶稳定。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：通过本发明基于图像处理和直线拟合技术实时计算炉内晶棒的晃动值，从而通过晃动值监测拉晶的状态，以此保证拉晶状态的稳定，并提高拉晶质量，便于在半导体制造领域推广应用。

附图说明

图1为本发明基于直线拟合的拉晶晃动监测方法流程图；

图2为单双光圈阶段或饱满点直径阶段晶棒采集图像示意图；

图3为单双光圈阶段或饱满点直径阶段晃动值计算过程图像处理示意图；

图4为引晶阶段炉内晶棒采集图像示意图；

图5为引晶阶段晃动值计算过程图像处理示意图；

图6为引晶阶段拟合直线L_V与X轴夹角示意图；

图7为等径阶段炉内图像采集示意图；

图8为等径阶段晃动值计算过程图像处理示意图；

图9为放肩阶段炉内图像采集示意图；

图10为拉晶设备示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，本说明书中所使用的“系统”、“装置”、“单元”、“终端”、和/或“模组”是用于区分不同级别的不同组件、元件、部件、部分或装配的一种方法。然而，如果其他词语可实现相同的目的，则可通过其他表达来替换所述词语。

本说明书中使用了流程图用来说明根据本说明书的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或后面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各个步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。

第一实施例

一种基于直线拟合的拉晶晃动监测方法，参见图1，方法包括：

S2、根据拉晶阶段定位区域R；

S3、提取目标轮廓；

S4、直线拟合，对目标轮廓直线拟合获得拟合直线；

S5、计算晃动值S。

晃动值检测的拉晶阶段包括单双光圈阶段、饱满点直径阶段、引晶阶段、放肩阶段和等径阶段。

单双光圈阶段或饱满点直径阶段

晃动值S的算法包括以下步骤：

S1、采集晶棒图像，通过监测相机多次曝光采集拉晶炉内晶棒图像。

参见图2，采集规则为保证采集到晶棒与硅料熔液表面接触的整个范围，且至少包含以晶棒为中心的1/2的炉内表面范围，图2中为包含全炉内面积的示例，且图示框内晶棒清晰可见，可以通过调整监测相机多次曝光保证图片质量。

S2、粗圆柱定位，参见图3a，选取晶棒图像中的圆柱区域R₁和其中心(x,y)。该步骤中，可以预先对晶棒图像裁剪，二值化处理获取晶棒的粗圆柱。

S3、定位晶棒的左右两条侧轮廓；具体的，两条侧轮廓的定位方法如下。

S31、截取粗圆柱区域R₁的部分圆柱区域R₃。

S311、根据晶棒图像中心(x,y)生成一个合适的矩形区域R₂。

S312、与运算获得部分圆柱区域R₃，与运算公式为：

R₃＝R₁∩R₂，………………………………式1。

S32、按border样图走线方式得到部分圆柱区域R₃的轮廓C。其中，border样图参见图3b。

S33、根据角度将左侧轮廓C_L和右侧轮廓C_R筛选出来。参见图3c，定位两条侧轮廓的效果图。

S4、直线拟合得到左侧直线L_L和右侧直线L_R，参见图3d。其中，两侧直线的拟合方法包括：

S41、获取左侧轮廓C_L和右侧轮廓C_R上的点(x_i,y_i),i为大于等于2的正整数。

S42、分别对两侧轮廓上的点最小二乘法直线拟合。

S5、计算晃动值S。晃动值S的计算方法为：

S51、计算左侧直线L_L和右侧直线L_R分别与X轴的角度得到左侧夹角Angle_L和右侧夹角Angle_R,。

S52、均值获得晃动值S：

S＝(Angle_L+Angle_R)/2………………………………式2。

引晶阶段

当拉晶阶段判定为引晶阶段，炉内图像如图4所示，需要计算框内细圆柱部分的夹角作为晃动值。定位区域R为选取细圆柱区域R₄；提取的目标轮廓为根据角度筛选的近似垂直轮廓C_v，晃动值S为根据近似垂直轮廓的拟合直线L_v与X轴夹角。参见图5，具体如下。

S1、采集图4所示的图像。

S2、定位区域R为选取细圆柱区域R₄；参见图5a。

S3、提取目标轮廓；具体为：

S31、计算细圆柱区域R₄骨骼，参见图5b，获得轮廓集合C_s；

S32、角度筛选，参见图5c，轮廓集合C_s得到与X轴的近似垂直轮廓C_v。

S4、直线拟合，参见图5d，对轮廓C_v直线拟合，获得拟合直线L_v。

S5、计算晃动值S，参见图6，以拟合直线L_v与X轴角度θ作为晃动值S。

等径阶段

当拉晶阶段判定为等径阶段。晃动值的算法过程如下。

S1、采集图像，通过监测相机多次曝光采集拉晶炉内图像；参见图7的等径阶段炉内状态图，计算框内中间晶棒相对于X轴的角度作为晃动值。

S2、根据拉晶阶段定位区域R；参见图8a,定位区域包括：

S21、粗定位区域R₅；

S22、定位亮区域R₆；

S23、区域运算获得等径定位区域R₇＝粗定位区域R₅-定位亮区域R₆；

S24、去除等径定位区域R₇中间区域干扰，参见图8b。

S3、提取目标轮廓；参见图8c,选取去干扰后的等径定位区域R₇的左右内侧轮廓、即左内侧轮廓C_Lin和右内侧轮廓C_Rin。

S4、直线拟合，参见图8d,对目标轮廓-左内侧轮廓C_Lin和右内侧轮廓C_Rin直线拟合，获得拟合直线。

S5、计算晃动值S。取左内侧轮廓C_Lin和右内侧轮廓C_Rin的拟合直线与X轴夹角的均值，即

放肩阶段

当拉晶阶段判定为放肩阶段，晃动值的算法过程如下。

S1、采集图像，通过监测相机多次曝光采集拉晶炉内图像，参见图9。计算框内中间晶棒相对于X轴的角度。

首先提取细圆柱面积A，再将细圆柱面积A与面积阈值Threshold_细比较，当细圆柱面积A小于面积阈值Threshold_细，晃动值的计算与单双光圈阶段晃动值的计算方法相同，当当细圆柱面积A大于等于面积阈值Threshold_细，晃动值的计算与引晶阶段晃动值的计算方法相同。

第二实施例

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令运行时执行前述方法的步骤。其中，所述方法请参见前述部分的详细介绍，此处不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于计算机可读存储介质中，计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

第三实施例

本发明还提供了一种终端，包括存储器和处理器，所述存储器上储存有能够在所述处理器上运行的计算机指令，所述处理器运行所述计算机指令时执行前述方法的步骤。其中，所述方法请参见前述部分的详细介绍，此处不再赘述。

第四实施例

一种拉晶设备，参见图7，拉晶设备包括炉体100、旋转坩埚200、拉晶单元300、状态监测单元400、加料器500和控制器600。

布置关系：加料器500穿过炉体100朝向旋转坩埚200设置，所述旋转坩埚200、拉晶单元300、状态监测单元400和加料器500与所述控制器600电讯可控的连接，所述状态监测单元400的监测相机通过多次曝光采集拉炉体100内晶棒的图像。

其中，控制器600用于坩埚转速、拉晶绳运动、硅料熔态图像的接收处理和加料需求的控制，并通过第一实施例的拉晶晃动监测方法根据不同拉晶阶段计算晶棒的晃动值S，拉晶单元300根据晃动值S调整拉晶升降速度和转速，以保证拉晶稳定。

本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、装置、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种基于直线拟合的拉晶晃动监测方法，其特征在于，方法包括：

S2、根据拉晶阶段定位区域R；

当拉晶阶段判定为单双光圈阶段或饱满点直径阶段，定位区域R为选取粗圆柱区域R₁和其中心(x,y)；

当拉晶阶段判定为引晶阶段，定位区域R为选取细圆柱区域R₄；

当拉晶阶段判定为等径阶段，等径阶段的定位区域包括：S21、粗定位区域R5；S22、定位亮区域R₆；S23、区域运算获得等径定位区域R₇＝粗定位区域R₅-定位亮区域R₆；S24、去除等径定位区域R中间区域干扰；

S3、提取目标轮廓；

当拉晶阶段判定为单双光圈阶段或饱满点直径阶段，目标轮廓为根据粗圆柱区域R₁和筛选出的左侧轮廓C_L和右侧轮廓C_R，其中，两条侧轮廓的提取方法包括：S31、截取粗圆柱区域R₁的部分圆柱区域R₃：首先根据晶棒图像中心(x,y)生成一个合适的矩形区域R₂，粗圆柱区域R₁与运算矩形区域R₂，获得部分圆柱区域R₃，与运算公式为：R₃＝R₁∩R₂；S32、按border样图走线方式得到部分圆柱区域R₃的轮廓C；S33、根据角度将左侧轮廓C_L和右侧轮廓C_R筛选出来；

当拉晶阶段判定为引晶阶段，提取的目标轮廓为根据角度筛选的近似垂直轮廓C_v，近似垂直轮廓C_v的提取方法包括：S31、计算细圆柱区域R₄骨骼，获得轮廓集合C_s；S32、角度筛选轮廓集合C_s得到与X轴的近似垂直轮廓C_v；

当拉晶阶段判定为等径阶段，选取去干扰后的等径定位区域R₇的左内侧轮廓C_Lin和右内侧轮廓C_Rin；

S4、直线拟合，对目标轮廓直线拟合获得拟合直线；

当拉晶阶段判定为单双光圈阶段或饱满点直径阶段，两侧直线的拟合方法包括：S41、获取左侧轮廓C_L和右侧轮廓C_R上的点(x_i,y_i),i为大于等于2的正整数；S42、分别对两侧轮廓上的点最小二乘法直线拟合，获得左侧直线L_L和右侧直线L_R；

当拉晶阶段判定为引晶阶段，对轮廓C_v直线拟合，获得拟合直线L_v；

当拉晶阶段判定为等径阶段，对目标轮廓-左内侧轮廓C_Lin和右内侧轮廓C_Rin直线拟合，获得拟合直线；

S5、计算晃动值S；

当拉晶阶段判定为单双光圈阶段或饱满点直径阶段，晃动值S为根据两侧轮廓获得的两拟合直线与X轴夹角的均值，具体包括：S51、计算左侧直线L_L和右侧直线L_R分别与x轴的角度得到左侧夹角Angle_L和右侧夹角Angle_R,；S52、均值获得晃动值S：S＝(Angle_L+Angle_R)/2；

当拉晶阶段判定为引晶阶段，晃动值S为根据近似垂直轮廓的拟合直线L_v与X轴夹角；

当拉晶阶段判定为等径阶段，晃动值S为左内侧轮廓C_Lin和右内侧轮廓C_Rin的拟合直线与X轴夹角的均值，即

当拉晶阶段判定为放肩阶段，则首先提取细圆柱面积A，并与面积阈值Threshold_细比较，当细圆柱面积A小于面积阈值Threshold_细，晃动值的计算与单双光圈阶段晃动值的计算方法相同，当细圆柱面积A大于等于面积阈值Threshold_细，晃动值的计算与引晶阶段晃动值的计算方法相同。

2.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于：所述计算机指令运行时执行权利要求1所述方法的步骤。

3.一种终端，包括存储器和处理器，其特征在于：所述存储器上储存有能够在所述处理器上运行的计算机指令，所述处理器运行所述计算机指令时执行权利要求1所述方法的步骤。

4.一种拉晶设备，其特征在于：所述拉晶设备包括炉体(100)、旋转坩埚(200)、拉晶单元(300)、状态监测单元(400)、加料器(500)和控制器(600)，所述加料器(500)穿过炉体(100)朝向旋转坩埚(200)设置，所述旋转坩埚(200)、拉晶单元(300)、状态监测单元(400)和加料器(500)与所述控制器(600)电讯可控的连接，所述状态监测单元(400)的监测相机通过多次曝光采集拉炉体(100)内晶棒的图像；所述控制器(600)用于坩埚转速、拉晶绳运动、硅料熔态图像接收处理和加料需求的控制，并通过权利要求1所述的方法并根据不同拉晶阶段计算晶棒的晃动值S，拉晶单元(300)根据晃动值S调整拉晶升降速度和转速，以保证拉晶稳定。