CN116145239B - 单晶硅加料监测方法和单晶硅连续加料装置及其生长装置 - Google Patents

单晶硅加料监测方法和单晶硅连续加料装置及其生长装置 Download PDF

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CN116145239B CN202310443553.3A CN202310443553A CN116145239B CN 116145239 B CN116145239 B CN 116145239B CN 202310443553 A CN202310443553 A CN 202310443553A CN 116145239 B CN116145239 B CN 116145239B
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Abstract

本发明属于单晶硅生长技术领域，具体涉及单晶硅加料监测方法和单晶硅连续加料装置及其生长装置，包括以下步骤：在连续加料时，基于光源经光栅网格发出的光束网格照射到当前时刻硅料上形成的当前时刻网格图案，结合霍夫变换，实时获取各多边形的顶点；实时获取若干单个封闭网格的相应面积Sa1；基于Sa1，实时获取单个封闭网格面积的几何平均值Sa；基于Sa、SL，实时获取当前时刻下|Sa‑SL|的值来判断下次连续加料时机；循环S5‑S9，直至达到拉制单晶硅所需重量时停止加料。本发明通过光束网络形成的矩形的形变量并经特定关系的转化后相应地对硅料熔化情况进行实时准确监测，从而利于获取连续加料的时机和加料次数。

Description

单晶硅加料监测方法和单晶硅连续加料装置及其生长装置
技术领域
本发明属于单晶硅生长技术领域，具体涉及单晶硅加料监测方法和单晶硅连续加料装置及其生长装置。
背景技术
目前，现有单晶硅加料器如图6所示，大致分为石英材质的加料外壳1（石英筒），连接杆2，石英锥11，限位盘7，顶部挂钩五部分，其中连接杆2与石英锥11栓接。进行加料操作时顶部挂钩与单晶炉的副室内钨丝绳连接，加料器上升至副室，随副室与单晶炉结合并完成压力平衡（高真空）；阀仓开启，加料器下降至设定位置，加料器限位盘与单晶炉支撑盘接触石英筒停止移动；连接杆与石英锥继续下降至合适位置（满足料块可通过粒径），硅料落入石英坩埚完成加料操作；加料结束后锥体上升，与石英筒接触后加料器整体提升至副室，随后阀仓关闭，副室与大气压平衡后，副室移开，降下加料器，解开挂钩取下加料器，完成一次加料动作。
然而，在连续加料时，由于固体硅料会同时渐进的熔融，凭肉眼无法量化判断硅料熔融情况，常规视觉系统通过测量液面倒影测量距离，在加入硅料后硅料覆盖液面，常规视觉系统丢会失目标无法测量距离。而且，对于开始再次加料的时间把控需要长期的经验积累，一般难以找准加料时间；过早加入硅料会因温度过低使剩余硅液凝固而体积增大(固体硅密度小于液体硅)而撑破石英坩埚造成事故；过晚加入硅料会因为温度过高，石英坩埚软化变形迫使提前停炉。另一方面加入硅料后操作人员需要密切关注运行情况。因此常规加料器操作难度较大。且后续加入的固体硅料的量会影响硅料熔融的速度等，进而影响单晶硅生长。因此，本领域亟需一种能准确监测硅料熔融情况而实现准确实时判断连续加料时机和加料量的方法。
CN108138353A公开了一种单晶的制造方法，其使用2台平行的CCD相机获得双目视觉，随后使用三角测量法获取液面位置再根据重量和肉眼观察到的硅料堆积情况反推硅料位置，以及通过相机画面肉眼识别激光基准的方法获取硅料位置。其采用肉眼识别硅料堆积情况，无法实现精确判断或量化硅料熔融情况。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的单晶硅连续加料过程中无法精确判断硅料熔融情况的缺陷，提供单晶硅加料监测方法和单晶硅连续加料装置及其生长装置，该单晶硅加料监测方法通过光束网络形成的矩形的形变量并经特定关系的转化后相应地对硅料熔化情况进行实时准确监测，从而利于获取连续加料的时机和加料次数，解决了现有技术中无法判断硅料熔融情况而无法准确加料的问题。
为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种单晶硅加料监测方法，包括以下步骤：
S1、在未连续加料时，基于光源经光栅网格发出的光束网格照射到硅液余料上形成的基准网格图案，结合霍夫变换，获取所述基准网格图案中各矩形的顶点，进一步获取相应的基准顶点坐标；
S2、基于所述基准顶点坐标，结合格林公式，获取所述基准网格图案中若干单个矩形的相应面积SL1；
S3、基于SL1，以及预设第一关系表，获取所述基准网格图案中单个矩形面积的几何平均值SL；所述预设第一关系表中存储有SL和SL1的对应关系；
S4、基于SL，以及预设第二关系表，获取光栅网格到硅液余料液面之间的距离yL；所述预设第二关系表中存储有yL和SL的对应关系；
S5、在连续加料时，基于光源经光栅网格发出的光束网格照射到当前时刻硅料上形成的当前时刻网格图案，结合霍夫变换，实时获取所述当前时刻网格图案中各多边形的顶点，进一步获取相应的当前时刻顶点坐标；
S6、基于所述当前时刻顶点坐标，结合格林公式，实时获取所述当前时刻网格图案中若干单个封闭网格的相应面积Sa1；
S7、基于Sa1，以及预设第三关系表，实时获取所述当前时刻网格图案中单个封闭网格面积的几何平均值Sa；所述预设第三关系表中存储有Sa和Sa1的对应关系；
S8、基于Sa，以及预设第四关系表，实时获取硅液上的固体硅料堆积高度ya；所述预设第四关系表中存储有ya和Sa的对应关系；
S9、基于Sa、SL，实时获取当前时刻下|Sa-SL|的值，进一步获取该值随时间变化的硅料熔化曲线，并在|Sa-SL|的值在接近0的第一阈值范围时进行下次连续加料；
S10、然后循环S5-S9，直至连续加料量与硅液余料的总重达到拉制单晶硅所需重量时停止加料；且连续加料期间基于ya、yL，同时实时获取相应时刻下|ya-yL|的值，并当|ya-yL|的值在第二临界阈值范围内暂停加料。
在本发明的一些优选实施方式中，S3中所述预设第一关系表为：
Figure SMS_1
，此处n为所述基准网格图案中矩形的数量。
在本发明的一些优选实施方式中，S7中所述预设第三关系表为：
Figure SMS_2
，此处n为所述当前时刻网格图案中封闭网格的数量。
在本发明的一些优选实施方式中，所述单晶硅加料监测方法还包括校准的步骤：
S001、获取光栅网格与预设基准面之间的最短距离ys；
S002、基于光源经光栅网格发出的光束网格照射到预设基准面上形成的标准网格图案，结合霍夫变换，获取所述标准网格图案中各矩形的顶点，进一步获取相应顶点坐标；
S003、基于所述顶点坐标，结合格林公式，获取所述标准网格图案中若干矩形的相应面积Ss1；
S004、基于Ss1，以及预设第五关系表，获取所述标准网格图案中单个矩形面积的几何平均值SS；所述预设第五关系表中存储有SS和Ss1的对应关系；
S005、基于ys、SS，以及预设第六关系表，获取校准系数k；所述预设第六关系表中存储有k和ys、SS的对应关系；
S006、基于k，获取校准后的预设第二关系表和预设第四关系表，进一步获取校准后的yL、ya。
更优选地，S004中所述预设第五关系表为：
Figure SMS_3
，此处n为所述网格图案中矩形的数量。
更优选地，S005中所述预设第六关系表为：
Figure SMS_4
。
在本发明的一些优选实施方式中，所述校准后的预设第二关系表为：
Figure SMS_5
。
在本发明的一些优选实施方式中，所述校准后的预设第四关系表为：
Figure SMS_6
。
在本发明的一些优选实施方式中，所述预设基准面到光栅网格之间的距离为200mm-300mm。
第二方面，本发明提供一种单晶硅连续加料装置，包括设置有加料外壳和连接杆的加料器，加料器用于向单晶炉内加料，所述加料器还包括：
相机，其安装在所述连接杆的下端，用于获取光源经光栅网格发出的光束网格照射在所需成像面上得到的网格图案；
光源，其设置在所述连接杆的下端且靠近相机设置，且其下方固设有光栅网格，用于将光源发出的一束光以网格光束的形式进行照射；
监测分析模块，其与所述相机、光源分别进行连接，用于执行第一方面所述的单晶硅加料监测方法。
在本发明的一些优选实施方式中，所述加料器还包括：
螺旋叶片，其位于所述加料外壳内，且其沿所述连接杆的轴向外表面螺旋延伸设置并与连接杆固定安装；
驱动机构，其与所述连接杆的上端安装，且其与所述监测分析模块连接，用于根据监测分析模块获得的加料次数，来控制连接杆及螺旋叶片的转动速度进行定量加料。
在本发明的一些优选实施方式中，所述相机为滤光片反射波长大于500nm的CCD相机，所述光源为发射波长小于480nm的固体激光器；和/或，所述加料外壳为金属材质。
在本发明的一些优选实施方式中，所述加料器还包括：
吊环，其设置在所述加料外壳的顶部，用于与单晶炉内的加料挂钩配套挂接；
限位盘，其设置在所述加料外壳的中部或靠近中部处，用于与单晶炉内的支撑盘接触配合以固定加料外壳使其停止移动。
第三方面，本发明提供一种单晶硅生长装置，包括第二方面所述的单晶硅连续加料装置，以及具有副室的单晶炉。
有益效果：
本发明的发明人经过研究发现，加料器的光源经光栅网格照射到单晶炉内的硅料时，光束网格会随加料量的不同发生形变，具体是随着逐渐加料，光束网格由未加料时的最初矩形变为多边形，且多边形面积小于最初矩形面积，之后维持稳定一定时间后又逐渐升高，然后随着硅料的全部熔融而回归到最初的矩形面积；其能与硅料熔融情况相对应以提供后续加料准确判定的依据，基于此而提出本发明。
相比于现有技术（如CN108138353A），本发明的单晶硅加料监测方法，通过上述技术方案，能够自动监测或识别光束网格形成的相应图案的矩形的大小变化，对光束网格的形状变化进行了量化（未融化固体硅密度小于硅液，未熔化的硅料漂浮于硅液表面），通过矩形的形变量并经特定关系的转化后所得|Sa-SL|的值来对硅料熔化情况进行实时监测，并能通过|ya-yL|的值来保证安全连续加料，从而利于获取下次加料的时机和连续加料次数，解决了现有技术中无法判断硅料熔融情况而无法准确加料的问题。
而且，由于硅料会反射、吸收、遮挡硅液发出的红黄光，现有技术的常规视觉方法（亮度滤波后进行边缘检测）仅适用于亮度较均匀的情况，不适用于同时存在反射、吸收、遮挡的应用场景。而本发明通过光束网格的形变来量化硅料的熔化情况，其对热场视野无特殊要求，不会受硅液发出的红黄光的影响，更能准确监测熔化情况，利于后续适时、适量的安全加料。
在本发明的优选方案中，还包括进行校准的步骤，通过事先对预设基准面的标准网格图案进行相应的各参数测定以获得适宜特定关系的k，能够对实时检测的yL、ya进行特定校准，更利于后续加料时机的精准判定。
本发明的加料装置中相机和光源均设置在加料器内，不会被遮挡，配合监测分析模块，能实时准确观测硅料熔化情况。而现有技术中常规视觉系统设置在单晶炉内，在重复加料时会被加料器或升起的热屏遮挡，在光路上不具备识别硅料熔化情况的条件。
本发明的发明人还发现现有技术还存在第二个技术问题：目前现有的加料操作需要多次加料才能将单晶炉内的石英坩埚装满，加料时加料器的石英锥打开后，硅料在重力作用下落入石英坩埚，无法控制整体加料速度。对此，在本发明的优选方案中，加料器内设置螺旋叶片及其驱动机构，通过驱动机构控制螺旋叶片的不同转速实现加料速度的控制，能够实现连续加料时硅料下落速度可控，更利于精确加料。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1是本发明单晶硅加料监测方法的流程图；
图2是本发明单晶硅连续加料装置的部分结构示意图；
图3是图2中螺旋叶片的结构示意图；
图4是本发明光栅网格的一种具体实施方式的结构示意图；
图5是加料器和单晶炉、副室配合的一种结构示意图；
图6是现有技术的加料器的结构示意图。
附图标记说明
A、单晶硅连续加料装置，1、加料外壳，2、连接杆，3、螺旋叶片，4、伺服电机，5、CCD相机，6、固体激光器，7、限位盘，8、单晶炉本体，81、阀仓，9、副室，10、地面，11、石英锥。
具体实施方式
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指结合附图和实际应用中所示的方位理解，“内、外”是指部件的轮廓的内、外。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
第一方面，本发明提供了一种单晶硅加料监测方法，包括以下步骤：
S1、在未连续加料时，基于光源经光栅网格发出的光束网格照射到硅液余料上形成的基准网格图案，结合霍夫变换，获取所述基准网格图案中各矩形的顶点，进一步获取相应的基准顶点坐标；
S2、基于所述基准顶点坐标，结合格林公式，获取所述基准网格图案中若干单个矩形的相应面积SL1；
S3、基于SL1，以及预设第一关系表，获取所述基准网格图案中单个矩形面积的几何平均值SL；所述预设第一关系表中存储有SL和SL1的对应关系；
S4、基于SL，以及预设第二关系表，获取光栅网格到硅液余料液面之间的距离yL；所述预设第二关系表中存储有yL和SL的对应关系；
S5、在连续加料时，基于光源经光栅网格发出的光束网格照射到当前时刻硅料上形成的当前时刻网格图案，结合霍夫变换，实时获取所述当前时刻网格图案中各多边形的顶点，进一步获取相应的当前时刻顶点坐标；
S6、基于所述当前时刻顶点坐标，结合格林公式，实时获取所述当前时刻网格图案中若干单个封闭网格的相应面积Sa1；
S7、基于Sa1，以及预设第三关系表，实时获取所述当前时刻网格图案中单个封闭网格面积的几何平均值Sa；所述预设第三关系表中存储有Sa和Sa1的对应关系；
S8、基于Sa，以及预设第四关系表，实时获取硅液上的固体硅料堆积高度ya；所述预设第四关系表中存储有ya和Sa的对应关系；
S9、基于Sa、SL，实时获取当前时刻下|Sa-SL|的值，进一步获取该值随时间变化的硅料熔化曲线，并在|Sa-SL|的值在接近0的第一阈值范围时进行下次连续加料；
S10、然后循环S5-S9，直至连续加料量与硅液余料的总重达到拉制单晶硅所需重量时停止加料；且连续加料期间基于ya、yL，实时获取相应时刻下|ya-yL|的值，并当|ya-yL|的值在第二临界阈值范围内暂停加料。
本发明是针对在首次加料熔融后的连续加料过程进行监测，在监测的初始（也即未连续加料时）存在一定硅液余料。
可以理解的是，SL1为基准网格图案中若干单个矩形的实际面积，SL为基准网格图案中单个矩形的几何平均值。
本发明S5中可以理解的是，在连续加料时，当前时刻硅料的部分熔融、部分未熔融，此时光源照射光栅网格而发出的光束网格照射到硅料上形成的当前时刻网格图案会发生形变，也即网格的部分光束落在液面凸起上，形成立体的网格图案，在立体的网格图案中会存在多边形网格图案，结合霍夫变换，可获得各多边形的若干顶点，进一步获取各顶点坐标。
本发明S2和S6中基于相应顶点坐标，结合格林公式，获取相应面积，其为格林公式应用的现有技术，例如SL1可以通过以下公式获得：
Figure SMS_7
，
其中，（x1，y1）为相应顶点坐标。
在本发明的一些优选实施方式中，S3中所述预设第一关系表为：
Figure SMS_8
，此处n为所述基准网格图案中矩形的数量。
本发明的发明人进一步研究发现，基于相应面积实时获取的yL、ya与实际值存在一定偏差，从而影响后续加料时机的判定。对此，在本发明的一些更优选实施方式中，所述单晶硅加料监测方法还包括校准的步骤：
S001、获取光栅网格与预设基准面之间的最短距离ys；
S002、基于光源经光栅网格发出的光束网格照射到预设基准面上形成的标准网格图案，结合霍夫变换，获取所述标准网格图案中各矩形的顶点，进一步获取相应顶点坐标；
S003、基于所述顶点坐标，结合格林公式，获取所述标准网格图案中若干矩形的相应面积Ss1；
S004、基于Ss1，以及预设第五关系表，获取所述标准网格图案中单个矩形面积的几何平均值SS；所述预设第五关系表中存储有SS和Ss1的对应关系；
S005、基于ys、SS，以及预设第六关系表，获取校准系数k；所述预设第六关系表中存储有k和ys、SS的对应关系；
S006、基于k，获取校准后的预设第二关系表和预设第四关系表，进一步获取校准后的yL、ya。该优选方案下，通过事先对预设基准面的标准网格图案进行相应的各参数测定以获得适宜特定关系的k，能够进行特定校准，更利于后续加料时机的精准判定。
其中，S001-S005的过程，可以在加料器进入单晶炉之前或之后进行，只要在获取yL、ya之前完成k的获取即可。
可以理解的是，预设基准面位于光栅网格下方。需要指出的是，预设基准面与光栅网格之间的距离小于光栅网格到未连续加料时硅液余料之间的距离。所述预设基准面可以为光栅网格下方的符合上述与光栅网格之间距离的任一水平面，该水平面与光栅网格之间有一定距离ys。
在本发明的一些优选实施方式中，所述预设基准面到光栅网格之间的距离为200mm-300mm。该优选方案，能够更贴近光栅网格至硅液余料之间的距离，更利于获得精确的k，从而利于精确校准。
更优选地，S004中所述预设第五关系表为：
Figure SMS_9
，此处n为所述网格图案中矩形的数量。
更优选地，S005中所述预设第六关系表为：
Figure SMS_10
。该优选方案下，将光栅网格与预设基准面之间的最短距离ys与所述标准网格图案中单个矩形面积的几何平均值SS建立上述特定联系，更利于后续加料时机的精准判定。
在本发明的一些优选实施方式中，所述校准后的预设第二关系表为：
Figure SMS_11
。
在本发明的一些优选实施方式中，所述校准后的预设第四关系表为：
Figure SMS_12
。
本发明中，在S5至S9中，能实时获取第一次连续加料后的每一时刻下的|Sa-SL|的值，从而获取硅料熔化情况，待基本完全熔融后进行下次连续加料。所述接近0的第一阈值范围，本领域技术人员可以根据实际需求选择，该范围接近0。
本发明S10中循环S5-S9，直至连续加料量（即连续加料总量）与硅液余料的总重达到拉制单晶硅所需重量时停止加料，例如连续加料前，坩埚内剩余约200kg硅液余料，连续加料期间通过|Sa-SL|值确定下次加料的时间，将坩埚装满前大致会进行4-5次连续加料，使坩埚内的硅料总重达到约660kg。
本发明人进一步研究发现，硅料堆积的高度由硅料粒径和重量共同决定，在重量未达到拉制单晶硅所需重量时堆积高度可能较高，而盛硅料的坩埚的体积有限，可能出现掉落等情况而存在安全隐患。对此，本发明在连续加料期间基于ya、yL，同时实时获取相应时刻下|ya-yL|的值，并当|ya-yL|的值在第二临界阈值范围内暂停加料，其能防止连续加料中的硅料堆积高度过高而导致各种安全隐患风险等情况发生，更利于安全精确的连续加料。其中第二临界阈值范围是指|ya-yL|的值在非安全加料范围时的高度，安全加料例如不会造成泄漏或过量滑落等情况，本领域技术人员可以根据需求选择范围。可以理解的是，在|ya-yL|的值不在第二临界阈值范围时继续按照S5-S9中的加料时机进行加料。
第二方面，本发明提供一种单晶硅连续加料装置，包括设置有加料外壳和连接杆的加料器，加料器用于向单晶炉内加料，所述加料器还包括：
相机，其安装在所述连接杆的下端，用于获取光源经光栅网格发出的光束网格照射在所需成像面（如预设基准面、硅液余料表面、含固体硅料和硅液的物料）上得到的网格图案；
光源，其设置在所述连接杆的下端且靠近相机设置，且其下方固设有光栅网格，用于将光源发出的一束光以网格光束的形式进行照射；
监测分析模块，其与所述相机、光源分别进行连接，用于执行第一方面所述的单晶硅加料监测方法。
本发明中，本领域技术人员可以根据监测分析模块的监测过程来通过加料器进行适时、适量加料，加料的方式例如将所需量的硅料固体加到加料器内再加入单晶炉内。
在本发明的一些优选实施方式中，所述加料器还包括：
螺旋叶片，其位于所述加料外壳内，且其沿所述连接杆的轴向外表面螺旋延伸设置并与连接杆固定安装；
驱动机构，其与所述连接杆的上端安装，且其与所述监测分析模块连接，用于根据监测分析模块获得的加料时机和加料次数，来控制连接杆及螺旋叶片的转动速度进行定时定量加料。该优选方案下，螺旋叶片旋转时带动加料外壳内的硅料移动，螺旋叶片通过驱动机构驱动，通过驱动机构控制螺旋叶片的不同转速实现加料速度的控制或停止加料。本领域技术人员可以根据螺旋叶片旋转的角度正比于投放的硅料重量来确定转速。本发明通过驱动机构和监测分析模块能实现自动加料和无人值守。
本发明的光源优选为激光。
在本发明的一些优选实施方式中，所述相机为CCD相机。进一步优选地，CCD相机的滤光片反射波长大于500nm。
在本发明的一些优选实施方式中，所述光源为固体激光器。进一步优选地，固体激光器的发射波长小于480nm。
在本发明的更优选方案中，所述相机为滤光片反射波长大于500nm的CCD相机，所述光源为发射波长小于480nm的固体激光器、集中在紫光波段，更利于排除高温硅液发出红黄光对熔料检测的干扰，更利于精准识别光束网格形成的对应图案的形变量来精准体现对应硅料的熔化情况。
发明人还发现，现有技术中行业内普遍通过增加石英材质的加料外壳的高度、直径等方式增大容积，减少加料次数缩短加料时间；但石英材质的加料外壳最大高度受限于承重极限（石英材质加料器长度一般小于3000mm，长度过长则无法承受硅料重量），加料外壳最大直径受限于热场型号，另一方面由于石英材质强度有限，当石英筒尺寸过大时会因为无法承受硅料的重量而断裂，造成事故。对此，本发明优选地，所述加料外壳为金属材质。该优选方案下，其承重性能和耐热性能优于常规的石英材质，其容积可通过增加总高而不受常规石英材料承重的限制，例如可设置满足一次复投所需硅料的容积(例如长度约4000mm，内径约240mm)，更利于本发明的精准连续加料。本领域技术人员可以根据实际所需复投的量来调整加料外壳的尺寸。
本发明所述驱动机构可以为伺服电机。
在本发明的一些优选实施方式中，所述加料器还包括：
吊环，其设置在所述加料外壳的顶部，用于与单晶炉内的加料挂钩也即单晶炉的副室内设置的挂钩）配套挂接；
限位盘，其设置在所述加料外壳的中部或靠近中部处，用于与单晶炉内的支撑盘接触配合以固定加料外壳使其停止移动。
本发明中加料器通过吊环、限位盘分别与单晶炉吊装挂接、承接固定，从而进行单晶炉的单晶硅生长，均为本领域的现有技术，在此不再赘述。
本发明所述限位盘的结构可以如现有技术的图6中所示，包括沿加料外壳圆周方向套接的圆盘，其与单晶炉内的支撑盘配套使用，例如配套方式可以为限位盘支撑接触在支撑盘上。
第三方面，本发明提供一种单晶硅生长装置，包括第二方面所述的单晶硅连续加料装置，以及具有副室的单晶炉。
本发明的单晶硅生长装置应用时，地面配套设置有容纳腔和窗口，先打开地面的窗口，将单晶硅连续加料装置下降至地面的容纳腔内的适宜位置，将单晶硅连续加料装置的吊环挂接到副室的加料挂钩后上升至副室内，再与副室一起安装到单晶炉本体上，进行常规的单晶生长操作，待生长完成后取下单晶硅连续加料装置的操作与上述安装过程相对应的适应调整即可。当然，若加料器长度小于副室离地面的高度，则在地面进行吊环挂钩操作即可，无需打开地面的窗口。
下面结合具体实施例对本发明进行进一步详细阐述。
示例1
一种单晶硅连续加料装置A，如图2和图3所示，包括设置有加料外壳1（金属材质）和连接杆2的加料器，加料器用于向单晶炉内加料，所述加料器还包括：
相机，其安装在所述连接杆2的下端，用于获取光源经光栅网格发出的光束网格照射在所需成像面上得到的网格图案；所述相机为滤光片反射波长大于500nm的CCD相机5；
光源，其设置在所述连接杆2的下端且靠近相机设置，且其下方固设有光栅网格，用于将光源发出的一束光以网格光束的形式进行照射；所述光源为发射波长小于480nm的固体激光器6；
监测分析模块，其与所述相机、光源分别进行连接，用于执行下述的单晶硅加料监测方法；
螺旋叶片3，其位于所述加料外壳1内，且其沿所述连接杆2的轴向外表面螺旋延伸设置并与连接杆2固定安装；
伺服电机4，其与所述连接杆2的上端安装，且其与所述监测分析模块连接，用于根据监测分析模块获得的加料时机进行适量加料，来控制连接杆2及螺旋叶片3的转动速度进行定量加料；
吊环，其设置在所述加料外壳1的顶部，用于与单晶炉内的加料挂钩配套挂接；
限位盘7，其设置在所述加料外壳1的中部或靠近中部处，用于与单晶炉内的支撑盘接触配合以固定加料外壳1使其停止移动。
如图1所示，单晶硅加料监测方法包括以下步骤：
S001、获取光栅网格与预设基准面之间的最短距离ys；
S002、基于光源经光栅网格发出的光束网格照射到预设基准面上形成的标准网格图案（如图4所示），结合霍夫变换，获取所述标准网格图案中各矩形的顶点，进一步获取相应顶点坐标；
S003、基于所述顶点坐标，结合格林公式，获取所述标准网格图案中若干矩形的相应面积Ss1；
S004、基于Ss1，以及预设第五关系表，获取所述标准网格图案中单个矩形面积的几何平均值SS；
预设第五关系表为：
Figure SMS_13
，此处n为所述网格图案中矩形的数量；
S005、基于ys、SS，以及预设第六关系表，获取校准系数k；
所述预设第六关系表为：
Figure SMS_14
；
S1、在未连续加料时，基于光源经光栅网格发出的光束网格照射到硅液余料上形成的基准网格图案，结合霍夫变换，获取所述基准网格图案中各矩形的顶点，进一步获取相应的基准顶点坐标；
S2、基于所述基准顶点坐标，结合格林公式，获取所述基准网格图案中若干单个矩形的相应面积SL1；
S3、基于SL1，以及预设第一关系表，获取所述基准网格图案中单个矩形面积的几何平均值SL；所述预设第一关系表中存储有SL和SL1的对应关系；
所述预设第一关系表为：
Figure SMS_15
，此处n为所述基准网格图案中矩形的数量；
S4、基于SL，以及预设第二关系表，获取光栅网格到硅液余料液面之间的距离yL；所述预设第二关系表中存储有yL和SL的对应关系；
预设第二关系表为：
Figure SMS_16
；
S5、在连续加料时，基于光源经光栅网格发出的光束网格照射到当前时刻硅料上形成的当前时刻网格图案，结合霍夫变换，实时获取所述当前时刻网格图案中各多边形的顶点，进一步获取相应的当前时刻顶点坐标；
S6、基于所述当前时刻顶点坐标，结合格林公式，实时获取所述当前时刻网格图案中若干单个封闭网格的相应面积Sa1；
S7、基于Sa1，以及预设第三关系表，实时获取所述当前时刻网格图案中单个封闭网格面积的几何平均值Sa；所述预设第三关系表中存储有Sa和Sa1的对应关系；
所述预设第三关系表为：
Figure SMS_17
，此处n为所述当前时刻网格图案中封闭网格的数量；
S8、基于Sa，以及预设第四关系表，实时获取硅液上的固体硅料堆积高度ya；所述预设第四关系表中存储有ya和Sa的对应关系；
预设第四关系表为：
Figure SMS_18
；
S9、基于Sa、SL，实时获取当前时刻下|Sa-SL|的值，进一步获取该值随时间变化的硅料熔化曲线，并在|Sa-SL|的值在接近0的第一阈值范围时进行下次连续加料；
S10、然后循环S5-S9，直至连续加料量与硅液余料的总重达到拉制单晶硅所需重量时停止加料；且连续加料期间基于ya、yL，同时实时获取相应时刻下|ya-yL|的值，并当|ya-yL|的值在第二临界阈值范围内暂停加料。
在应用时，如图5所示，地面10配套设置有容纳腔和窗口，先打开地面10的窗口，将单晶硅连续加料装置A下降至地面10的容纳腔内的适宜位置，将单晶硅连续加料装置A的吊环挂接到副室9的加料挂钩后上升至副室9内，再打开阀仓81，与副室9一起安装到单晶炉本体8上，进行常规的单晶生长操作。
本发明通过上述方案，能够自动监测或识别光束网格形成的相应图案的矩形的大小变化，对光束网格的形状变化进行了量化（未融化固体硅密度小于硅液，未熔化的硅料漂浮于硅液表面，引起光束网格变化），通过矩形的形变量，并经特定关系的转化后相应地对硅料熔化情况进行实时监测，从而利于获取下一时刻加料次数，解决了现有技术中无法判断硅料熔融情况而无法准确加料、无法定量加料的问题。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种单晶硅加料监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在未连续加料时，基于光源经光栅网格发出的光束网格照射到硅液余料上形成的基准网格图案，结合霍夫变换，获取所述基准网格图案中各矩形的顶点，进一步获取相应的基准顶点坐标；
S2、基于所述基准顶点坐标，结合格林公式，获取所述基准网格图案中若干单个矩形的相应面积SL1；
S3、基于SL1，以及预设第一关系表，获取所述基准网格图案中单个矩形面积的几何平均值SL；所述预设第一关系表中存储有SL和SL1的对应关系；所述预设第一关系表为：
Figure QLYQS_1
，此处n为所述基准网格图案中矩形的数量；
S4、基于SL，以及预设第二关系表，获取光栅网格到硅液余料液面之间的距离yL；所述预设第二关系表中存储有yL和SL的对应关系；
S5、在连续加料时，基于光源经光栅网格发出的光束网格照射到当前时刻硅料上形成的当前时刻网格图案，结合霍夫变换，实时获取所述当前时刻网格图案中各多边形的顶点，进一步获取相应的当前时刻顶点坐标；
S6、基于所述当前时刻顶点坐标，结合格林公式，实时获取所述当前时刻网格图案中若干单个封闭网格的相应面积Sa1；
S7、基于Sa1，以及预设第三关系表，实时获取所述当前时刻网格图案中单个封闭网格面积的几何平均值Sa；所述预设第三关系表中存储有Sa和Sa1的对应关系；所述预设第三关系表为：
Figure QLYQS_2
，此处n为所述当前时刻网格图案中封闭网格的数量；
S8、基于Sa，以及预设第四关系表，实时获取硅液上的固体硅料堆积高度ya；所述预设第四关系表中存储有ya和Sa的对应关系；
S9、基于Sa、SL，实时获取当前时刻下|Sa-SL|的值，进一步获取该值随时间变化的硅料熔化曲线，并在|Sa-SL|的值在接近0的第一阈值范围时进行下次连续加料；
S10、然后循环S5-S9，直至连续加料量与硅液余料的总重达到拉制单晶硅所需重量时停止加料；且连续加料期间基于ya、yL，同时实时获取相应时刻下|ya-yL|的值，并当|ya-yL|的值在第二临界阈值范围内暂停加料；
所述单晶硅加料监测方法还包括校准的步骤：
S001、获取光栅网格与预设基准面之间的最短距离ys；
S002、基于光源经光栅网格发出的光束网格照射到预设基准面上形成的标准网格图案，结合霍夫变换，获取所述标准网格图案中各矩形的顶点，进一步获取相应顶点坐标；
S003、基于所述顶点坐标，结合格林公式，获取所述标准网格图案中若干矩形的相应面积Ss1；
S004、基于Ss1，以及预设第五关系表，获取所述标准网格图案中单个矩形面积的几何平均值SS；所述预设第五关系表中存储有SS和Ss1的对应关系；所述预设第五关系表为：
Figure QLYQS_3
，此处n为所述网格图案中矩形的数量；
S005、基于ys、SS，以及预设第六关系表，获取校准系数k；所述预设第六关系表中存储有k和ys、SS的对应关系；所述预设第六关系表为：
Figure QLYQS_4
；
S006、基于k，获取校准后的预设第二关系表和预设第四关系表，进一步获取校准后的yL、ya；
所述校准后的预设第二关系表为：
Figure QLYQS_5
；
所述校准后的预设第四关系表为：
Figure QLYQS_6
。
2.根据权利要求1所述的单晶硅加料监测方法，其特征在于，所述预设基准面到光栅网格之间的距离为200mm-300mm。
3.一种单晶硅连续加料装置，包括设置有加料外壳和连接杆的加料器，加料器用于向单晶炉内加料，其特征在于，所述加料器还包括：
相机，其安装在所述连接杆的下端，用于获取光源经光栅网格发出的光束网格照射在所需成像面上得到的网格图案；
光源，其设置在所述连接杆的下端且靠近相机设置，且其下方固设有光栅网格，用于将光源发出的一束光以网格光束的形式进行照射；
监测分析模块，其与所述相机、光源分别进行连接，用于执行如权利要求1或2所述的单晶硅加料监测方法。
4.根据权利要求3所述的单晶硅连续加料装置，其特征在于，所述加料器还包括：
螺旋叶片，其位于所述加料外壳内，且其沿所述连接杆的轴向外表面螺旋延伸设置并与连接杆固定安装；
驱动机构，其与所述连接杆的上端安装，且其与所述监测分析模块连接，用于根据监测分析模块获得的加料次数，来控制连接杆及螺旋叶片的转动速度进行定量加料。
5.根据权利要求3所述的单晶硅连续加料装置，其特征在于，所述相机为滤光片反射波长大于500nm的CCD相机，所述光源为发射波长小于480nm的固体激光器；和/或，所述加料外壳为金属材质。
6.根据权利要求3所述的单晶硅连续加料装置，其特征在于，所述加料器还包括：
吊环，其设置在所述加料外壳的顶部，用于与单晶炉内的加料挂钩配套挂接；
限位盘，其设置在所述加料外壳的中部或靠近中部处，用于与单晶炉内的支撑盘接触配合以固定加料外壳使其停止移动。
7.一种单晶硅生长装置，其特征在于，包括如权利要求3-6中任一项所述的单晶硅连续加料装置，以及具有副室的单晶炉。
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