CN115265391B - 一种单晶硅棒制备过程中硅料液距检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种单晶硅棒制备过程中硅料液距检测方法，包括：步骤S1，提供单晶硅棒制备过程中硅料液距检测系统；步骤S2，单晶硅棒的稳温阶段，在液距标定框的框定范围内对硅料液距进行标定，得到标定数据；以及，步骤S3，单晶硅棒的标定后稳温、引晶、放肩、转肩、等径阶段，在液距测量框的框定范围内结合所述标定数据对硅料液距进行测量；其中，所述液距测量框在所述液距标定框的框定范围内活动。本发明的有益效果在于：液距测量框的位置变化不会影响到硅料液距的测量，以此提高硅料液距的测量稳定性，进而提高单晶硅棒的直拉成功率。

Description

一种单晶硅棒制备过程中硅料液距检测方法

技术领域

本发明涉及单晶硅棒制备，特别地是，一种单晶硅棒制备过程中硅料液距检测方法。

背景技术

在单晶硅的制造工艺中，最常使用的是直拉法。在直拉法中，将多晶硅填充在硅料坩埚中，然后加热熔融形成硅料，将籽晶浸入硅料中后向上旋转提拉，硅在籽晶与熔液的界面处凝固结晶，形成单晶硅棒。其中的工序可被分为稳温、引晶、放肩、转肩、等径。该些工序都需要以硅料的液距作为负反馈来引导控制系统控制单晶硅棒生长。可见，硅料液距的检测结果将直接决定硅料的利用率和硅棒的产能。可参见中国发明申请CN105887188A公开的“单晶硅生长方法”。

目前硅料液距的检测方式包括：在炉体观察窗位置设置工业相机，利用工业相机进行视觉检测。由于硅料液面呈现镜面性质，可在视觉检测中同时观察到导流筒及其倒影。在作业过程中，导流筒的位置是固定不变的，若硅料液位升高，视觉检测中导流筒及其倒影之间的像素距离也在减小。反之亦然。现业内进行液距测量的通常做法是先在某一个固定高度放置液距测量框，测量这个区域内导流筒弧和液面弧之间的像素距离，然后进行升降锅实验进行系数校准得到物理距离。然而，在转肩阶段以及等径前期等，由于硅料液面波动变大，部分位置的导流筒倒影无法再被工业相机捕捉到。此时若将液距测量框的位置移动到倒影仍旧存在位置进行测量，虽然能检出液距数值，但由于工业相机是倾斜安装的，导流筒弧和液面弧之间的距离呈现上大下小的趋势，因此此时检出的液距数值不再准确。

发明内容

本发明的目的在于要解决现有技术中当液距测量框位置调整后检测单晶硅棒液距不精确的问题，提供一种新型的单晶硅棒制备过程中硅料液距检测方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种单晶硅棒制备过程中硅料液距检测方法，包括：

步骤S1，提供单晶硅棒制备过程中硅料液距检测系统；

步骤S2，单晶硅棒的稳温阶段，在液距标定框的框定范围内对硅料液距进行标定，得到标定数据；以及，

步骤S3，单晶硅棒的标定后稳温、引晶、放肩、转肩、等径阶段，在液距测量框的框定范围内结合所述标定数据对硅料液距进行测量；

其中，所述液距测量框在所述液距标定框的框定范围内活动。

作为一种单晶硅棒制备过程中硅料液距检测方法的优选方案，步骤S1中，所述单晶硅棒制备过程中硅料液距检测系统包括：硅料坩埚、导流筒、炉体观察窗、工业相机，所述硅料坩埚内有硅料，所述导流筒位于所述硅料上方，所述炉体观察窗在所述导流筒斜上方，所述炉体观察窗布置有所述工业相机，所述工业相机用于拍摄所述导流筒、所述硅料液面、所述导流筒在所述硅料液面的倒影，所述工业相机所拍摄到的图像包括：导流筒部、硅料液面部、导流筒倒影部；其中，所述导流筒部与所述导流筒倒影部的分界定义为导流筒弧段，所述导流筒倒影部与所述硅料液面部的分界定义为液面弧段。

作为一种单晶硅棒制备过程中硅料液距检测方法的优选方案，所述导流筒弧段及所述液面弧段均是通过轮廓定位、斑点定位或边缘定位方法得到的图像坐标点集。

作为一种单晶硅棒制备过程中硅料液距检测方法的优选方案，步骤S2包括：

子步骤S21，确定所述液距标定框；

子步骤S22，在所述液距标定框的框定范围，定位所述导流筒弧段及所述液面弧段；以及，

子步骤S23，根据定位到的所述导流筒弧段及所述液面弧段，确定满足标定液距值的标定点对的集合，即所述标定数据。

作为一种单晶硅棒制备过程中硅料液距检测方法的优选方案，子步骤S21中，所述液距标定框在所述导流筒倒影部的端部位置。

作为一种单晶硅棒制备过程中硅料液距检测方法的优选方案，子步骤S23中，所述标定点对包括：标定点对的起点、标定点对的终点，所述标定点对的起点与所述标定点对的终点呈一一对应关系，所述对应关系被配置成：以所述导流筒弧段上的点作为所述标定点对的起点，以所述液面弧段上的点作为所述标定点对的终点，所述标定点对的起点与所述标定点对的终点的直线连线距离为所述标定液距值。

作为一种单晶硅棒制备过程中硅料液距检测方法的优选方案，所述标定点对的确定方法为画圆求交法。

作为一种单晶硅棒制备过程中硅料液距检测方法的优选方案，所述标定数据的标定格式用两个坐标点来表征或用一个坐标点加直线斜率和偏置来表征。

作为一种单晶硅棒制备过程中硅料液距检测方法的优选方案，步骤S3包括：

子步骤S31，确定所述液距测量框；

子步骤S32，在所述液距测量框的框定范围，定位所述液面弧段；

子步骤S33，遍历所述标定数据，确定各所述标定点对的直线连线在所述导流筒弧段与定位到的所述液面弧段间的连线截段；以及，

子步骤S34，以所有的所述连线截段的平均值作为所述硅料液距的测量液距值。

与现有技术相比，本发明的有益效果至少在于：液距测量框的位置变化不会影响到硅料液距的测量，以此提高硅料液距的测量稳定性，进而提高单晶硅棒的直拉成功率。

除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的有益效果之外，本发明所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的有益效果，将连接附图作出进一步详细的说明。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为本发明中单晶硅棒制备过程中硅料液距检测系统的结构示意图。

图3为本发明中工业相机拍摄到的图像的示意图。

图4为本发明中步骤S2的方法流程图。

图5为本发明中步骤S3的方法流程图。

图6为本发明中步骤S2与步骤S3的简要说明示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参见图1，图中示出的是一种单晶硅棒制备过程中硅料液距检测方法。所述单晶硅棒制备过程中硅料液距检测方法包括：

步骤S1，提供单晶硅棒制备过程中硅料液距检测系统。

步骤S2，单晶硅棒的稳温阶段，在液距标定框的框定范围内对硅料液距进行标定，得到标定数据。

步骤S3，单晶硅棒的标定后稳温、引晶、放肩、转肩、等径阶段，在液距测量框的框定范围内结合所述标定数据对硅料液距进行测量。

其中，所述液距测量框在所述液距标定框的框定范围内活动。

步骤S1中，请参见图2，所述单晶硅棒制备过程中硅料液距检测系统包括：硅料坩埚1、导流筒2、工业相机3、炉体观察窗。所述硅料坩埚1内有硅料。所述导流筒2位于所述硅料上方。所述炉体观察窗在所述导流筒斜上方。所述炉体观察窗布置有所述工业相机3。所述工业相机3用于拍摄所述导流筒2、所述硅料液面、所述导流筒2在所述硅料液面的倒影。请参见图3，所述工业相机3拍摄到的图像包括：导流筒部31、硅料液面部32、导流筒倒影部33。所述工业相机3相对于所述硅料液面是斜向的，故所述导流筒倒影部33呈中间宽两端窄的形态。其中，所述导流筒部31与所述导流筒倒影部33的分界定义为导流筒弧段34。所述导流筒倒影部33与所述硅料液面部32的分界定义为液面弧段35。由所述导流筒2是固定的可得出，所述导流筒弧段34也是固定的，所述液面弧段35是随着液面升高更加靠近所述导流筒弧段34。

其中，所述导流筒弧段34及所述液面弧段35是通过轮廓定位、斑点定位或边缘定位等方法得到的图像坐标点集。这些点集可以是原始数据集合，也可以是对原始数据进行平滑之后的数据集合，或者是用原始数据进行圆拟合、椭圆拟合之后对部分弧线进行离散采样获得的点集，以及其它所有为了滤波或者近似而进行数据处理之后获得的点集。

请参见图3和图4，步骤S2具体包括：

子步骤S21，确定所述液距标定框36：所述液距标定框36的大小及位置均固定。所述液距标定框36的框定范围是所述液距测量框37的活动范围，满足所述液距测量框37活动需要。较佳地，所述液距标定框36在所述导流筒倒影部33的端部。所述端部可以是仅左端，仅右端，或左右两端。

子步骤S22，在所述液距标定框36的框定范围，定位所述导流筒弧段及所述液面弧段。

子步骤S23，根据定位到的所述导流筒弧段34及所述液面弧段35，确定满足标定液距值的标定点对的集合，即所述标定数据。其中，所述标定点对包括：标定点对的起点、标定点对的终点。所述标定点对的起点与所述标定点对的终点呈一一对应关系。所述对应关系被配置成：以所述导流筒弧段34上的点作为所述标定点对的起点，以所述液面弧段35上的点作为所述标定点对的终点，所述标定点对的起点与所述标定点对的终点的直线连线距离为所述标定液距值。若所述导流筒弧段34上的某一个点与所述液面弧段35上的两个以上点的直线连线距离均为所述标定液距值，则以最为远离所述导流筒倒影部33中间的点为所述标定点对的终点。其中，所述标定液距值可选用所述导流筒倒影部33在单晶硅棒的稳温阶段的中间宽度或由经验法得出。

本实施例中，所述标定点对的确定方法为画圆求交法。即，以所述导流筒弧段上的某一点为圆心，以所述标定液距值为半径，绘制整圆。所述整圆与所述液面弧段的相交点即所述标定点对的终点。若所述相交点的数量有两个以上，则以最为远离所述导流筒倒影部33呈中间（即靠近所述导流筒倒影部33端部）的相交点为所述标定点对的终点。

在其他实施例中，所述标定点对的确定方法也可采用其他方法。

较佳地，所述标定数据的标定格式可以用两个坐标点来表征（两点式），也可以用一个坐标点加直线斜率和偏置（点斜式）来表征，还可以用其他方式表征。

请参见图3和图5，步骤S3具体包括：

子步骤S31，确定所述液距测量框37：所述液距测量框37是在所述液距标定框36的框定范围内活动。所述液距测量框37用于捕捉所述液面弧段35。

子步骤S32，在所述液距测量框37的框定范围，定位所述液面弧段35。

子步骤S33，遍历所述标定点对的集合的所有标定点对，确定各所述标定点对的直线连线在所述导流筒弧段34与定位到的所述液面弧段35间的连线截段。

子步骤S34，以所有的所述连线截段的平均值确定所述硅料液距的测量液距值。

所述液距测量框37的位置变化不会影响到所述硅料的当前液距的测量，以此提高所述硅料的当前液距的测量稳定性，进而提高单晶硅棒的直拉成功率。

为了更为方便地理解步骤S2，步骤S3，现以三个标定点对（a1，b1）（a2，b2）（a3，b3）为例作简要说明。

请参见图6，图中弧线段a为所述导流筒弧段，在弧线段a上选取三个点a1、a2、a3。弧线段b为在单晶硅棒的稳温阶段的所述液面弧段，在弧线段b上选取三个点b1、b2、b3。其中，线段a1b1、线段a2b2、线段a3b3的长度均为所述标定液距值。所述标定液距值为所述导流筒倒影部33在单晶硅棒的稳温阶段的中间宽度。

弧线段c为在单晶硅棒的转肩阶段的所述液面弧段。弧线段c上的三个点c1、c2、c3分别为线段a1b1、线段a2b2、线段a3b3在弧线段c的交点。其中，d1，d2，d3分别为线段a1c1、线段a2c2、线段a3c3的长度。单晶硅棒的转肩阶段的测量液距值d=（d1+d2+d3）/3。当前硅料液距可由测量液距值d确定。

以上仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但且不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的后提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种单晶硅棒制备过程中硅料液距检测方法，其特征在于，包括：

步骤S1，提供单晶硅棒制备过程中硅料液距检测系统；

步骤S2，单晶硅棒的稳温阶段，在液距标定框的框定范围内对硅料液距进行标定，得到标定数据；以及，

步骤S3，单晶硅棒的标定后稳温、引晶、放肩、转肩、等径阶段，在液距测量框的框定范围内结合所述标定数据对硅料液距进行测量；

其中，所述液距测量框在所述液距标定框的框定范围内活动；

步骤S1中，所述单晶硅棒制备过程中硅料液距检测系统包括：硅料坩埚、导流筒、炉体观察窗、工业相机，所述硅料坩埚内有硅料，所述导流筒位于所述硅料上方，所述炉体观察窗在所述导流筒斜上方，所述炉体观察窗布置有所述工业相机，所述工业相机用于拍摄所述导流筒、所述硅料液面、所述导流筒在所述硅料液面的倒影，所述工业相机所拍摄到的图像包括：导流筒部、硅料液面部、导流筒倒影部；其中，所述导流筒部与所述导流筒倒影部的分界定义为导流筒弧段，所述导流筒倒影部与所述硅料液面部的分界定义为液面弧段；

步骤S2包括：

子步骤S21，确定所述液距标定框；

子步骤S22，在所述液距标定框的框定范围，定位所述导流筒弧段及所述液面弧段；以及，

子步骤S23，根据定位到的所述导流筒弧段及所述液面弧段，确定满足标定液距值的标定点对的集合，即所述标定数据；

步骤S3包括：

子步骤S31，确定所述液距测量框；

子步骤S32，在所述液距测量框的框定范围，定位所述液面弧段；

子步骤S33，遍历所述标定数据，确定各所述标定点对的直线连线在所述导流筒弧段与定位到的所述液面弧段间的连线截段；以及，

子步骤S34，以所有的所述连线截段的平均值作为所述硅料液距的测量液距值。

2.根据权利要求1所述的一种单晶硅棒制备过程中硅料液距检测方法，其特征在于，所述导流筒弧段及所述液面弧段均是通过轮廓定位、斑点定位或边缘定位方法得到的图像坐标点集。

3.根据权利要求1所述的一种单晶硅棒制备过程中硅料液距检测方法，其特征在于，子步骤S21中，所述液距标定框在所述导流筒倒影部的端部位置。

4.根据权利要求1所述的一种单晶硅棒制备过程中硅料液距检测方法，其特征在于，子步骤S23中，所述标定点对包括：标定点对的起点、标定点对的终点，所述标定点对的起点与所述标定点对的终点呈一一对应关系，所述对应关系被配置成：以所述导流筒弧段上的点作为所述标定点对的起点，以所述液面弧段上的点作为所述标定点对的终点，所述标定点对的起点与所述标定点对的终点的直线连线距离为所述标定液距值。

5.根据权利要求4所述的一种单晶硅棒制备过程中硅料液距检测方法，其特征在于，所述标定点对的确定方法为画圆求交法。

6.根据权利要求1所述的一种单晶硅棒制备过程中硅料液距检测方法，其特征在于，所述标定数据的标定格式用两个坐标点来表征或用一个坐标点加直线斜率和偏置来表征。

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