TW201600654A

TW201600654A - 用於人工長晶之熔湯表面流速測定方法及應用該方法之長晶設備

Info

Publication number: TW201600654A
Application number: TW103120939A
Authority: TW
Inventors: Bo-Zhong Wang; chong-xian Guo
Original assignee: Bo-Zhong Wang
Priority date: 2014-06-17
Filing date: 2014-06-17
Publication date: 2016-01-01
Also published as: TWI510681B

Abstract

本發明係提供一種用於人工長晶之熔湯表面流速測定方法，包含：(A) 先後攝得熔湯表面的第一影像與第二影像，該二影像攝得之時間間隔為Δt；(B) 將該第一影像中的區塊定義為複數個第一網格區域，並計算該等網格區域各別對應之第一形心座標；(C) 將該第二影像中的區塊定義為複數個第二網格區域，並計算該等網格區域各別對應之第二形心座標；(D) 取得位於該等第一網格區域內的第二形心座標，計算各該等第一網格區域內對應的第二形心座標與第一形心座標間的形心位移，以取得複數個形心位移；(E) 根據該複數個形心位移以及Δt，計算熔湯表面流速。

Description

用於人工長晶之熔湯表面流速測定方法及應用該方法之長晶設備

本發明係關於一種用於人工長晶之熔湯表面流速測定方法，特別關於一種根據熔湯網格之形心位移之熔湯表面流速測定方法，及應用該方法之長晶設備。

凱氏長晶法(Kyropoulos method)被廣泛的應用於藍寶石晶體之生長中。其原理係於坩鍋中將原料加熱至熔點以上，使其成為液態的熔湯，再下降一單晶之晶種使其與熔湯之表面接觸，在晶種與熔湯的固液界面上逐漸生長出與晶種相同晶體結構的單晶。同時，於生長初期以極緩慢的速度向上拉升晶種，於熔湯之液面上形成一圓錐狀的晶頸，待晶頸成長至一定程度後，即停止向上拉升晶種，透過冷卻速率的調控，使單晶逐漸由晶頸形成處向下生長，最後形成一個完整的單晶晶碇。

柴氏拉晶法(Czochralski method)為另一種被廣泛應用的晶體生長法，其方法與凱氏長晶法相似，主要差異在於柴氏拉晶法於長晶的過程中，晶種係不斷地向上拉升，並於拉升的同時，旋轉晶種。

現今的晶體生產製程中，攸關長晶成敗與品質的諸多因素(例如：熔湯溫度、下晶種之時間，拉晶速度，停止拉晶之時點以及溫度之調控等因素)，大量仰賴長晶工程師的技術經驗，晶體生產的良率約有60%~70%取決於長晶工程師的技術經驗。然而，長晶工程師的學習曲線長、技術層次高，需要長時間的學習以及錯誤嘗試以獲得經驗的累積。仰賴長晶工程師的技術經驗的晶體生產製程，約需十天以上，期間需要由長晶工程師耗費數小時的時間，來操作下晶種之程序，該下降晶種之程序需於控制熔湯在一適當的溫度範圍，若該熔湯溫度過高則該晶種將在下降的過程中融化，反之若該熔湯溫度過低則該熔湯表面將產生結塊，上述二者皆不利於後續晶體生產製程的進行。倘若操作不當導致製程失敗，將浪費時間及金錢。因此，傳統的晶體生產製程，具有穩定性較差、重現性較低等缺點。

部分使用於上述晶體生產製程的長晶機中，會安裝例如：影像色溫感測器、紅外線測溫槍、熱影像攝影機或熱電偶之溫度感測器，來輔助溫度判斷。然而，該等溫度感測器具有下列缺點：1.影像色溫感測器判斷溫度的解析度不高，難以判斷下晶種之正確時點；2.紅外線測溫槍會因為觀測鏡口的積碳情形，造成溫度的誤判，且其溫度解析度也不高；3.熱電耦感測器之位置至於單一處，無法準確得知坩堝中熔湯的實際溫度。

傳統上，除了使用上述之溫度感測器之外，長晶工程師會以肉眼觀察熔湯表面流速，憑藉經驗判斷下晶種之正確時點。該熔湯因熱對流會使熔湯表面出現複數個網格，長晶工程師藉由觀察該複數個網格的移動判定熔湯表面流速，該熔湯表面流速與熔湯溫度相關，當熔湯溫度高時流速較快，反之當熔湯溫度低時流速較慢。長晶工程師藉由熔湯表面流速推測熔湯溫度，進而決定下晶種之時間。然而，上述方法係仰賴長晶工程師肉眼以及經驗，耗時長且穩定性不佳。

為解決上述現有技術的缺失，本發明係提供一種用於人工長晶之熔湯表面流速測定方法及應用該方法之長晶設備，以解決傳統上在下晶種程序中耗時長且穩定性不佳的問題。

為達上述目的及其他目的，本發明係提供一種用於人工長晶之熔湯表面流速測定方法，包含：(A) 先後攝得熔湯表面的第一影像與第二影像，該二影像攝得之時間間隔為Δt；(B) 將該第一影像中的區塊定義為複數個第一網格區域，並計算該等網格區域各別對應之第一形心座標；(C) 將該第二影像中的區塊定義為複數個第二網格區域，並計算該等網格區域各別對應之第二形心座標；(D) 取得位於該等第一網格區域內的第二形心座標，計算各該等第一網格區域內對應的第二形心座標與第一形心座標間的形心位移，以取得複數個形心位移；(E) 根據該複數個形心位移以及Δt，計算熔湯表面流速。

較佳地，上述之方法，其中進一步包含：重複多次步驟(A)~(D)，將前次的第二影像，當作下次的第一影像，取得複數個形心在二個以上的影像中的連續形心位移；以及於步驟(E)中，根據該複數個形心的連續形心位移以及Δt，計算二個以上連續影像中的熔湯表面流速。

較佳地，上述之方法，其中進一步包含：於步驟(D)中，根據該複數個形心位移以及Δt，計算該等形心的移動速率，當一形心之移動速率大於15cm/秒時，定義該形心為不信任形心，於後續的計算中移除該不信任形心之形心位移。

較佳地，上述之方法，其中進一步包含：於步驟(B)中，當一網格區域之面積小於25cm² 時，定義該網格區域為不信任區域，於後續的計算中移除該不信任區域。

較佳地，上述之方法，其中進一步包含：當一形心的連續形心位移中的各個形心位移變化過大時，定義該形心為不信任形心，於後續的計算中移除該不信任形心之形心位移。

較佳地，上述之方法，其中進一步包含：於步驟(D)中，假設該等形心位移為常態分佈，計算該等形心位移的標準差及平均值，當一形心的形心位移與平均值相差二個標準差以上時，定義該形心為不信任形心，於後續的計算中移除該不信任形心之形心位移。

較佳地，上述之方法，其中係根據該複數個形心的連續形心位移以及該二影像拍攝之時間間隔，計算該複數個形心的平均移動速率，根據該複數個形心的平均移動速率的平均值定義熔湯表面流速。

較佳地，上述之方法，其中係根據該複數個形心的連續形心位移以及該二影像拍攝之時間間隔，計算該複數個形心的平均移動速度，根據該複數個形心的平均移動速度的平均值定義熔湯表面流速。

較佳地，上述之方法，其中當一形心的平均移動速度與其他形心的平均移動速度差異過大時，定義該形心為不信任形心，於後續的計算中移除該不信任形心之形心位移。

較佳地，上述之方法，其中於步驟(A)中，進一步針對該第一影像及與第二影像進行二值化之影像處理。

較佳地，上述之方法，其中該二影像拍攝之時間間隔Δt係為1/30秒。

為達上述目的及其他目的，本發明亦提供一種人工長晶設備，其係根據上述方法中所述之熔湯表面流速測定方法測定熔湯表面流速。

較佳地，上述之人工長晶設備，其中該人工長晶設備係根據所測得之熔湯表面流速控制一加熱線圈之加熱功率。

較佳地，上述之人工長晶設備，其中該人工長晶設備係根據所測得之熔湯表面流速控制一晶種升降裝置。

本發明之一種用於人工長晶之熔湯表面流速測定方法可有效的測定熔湯表面流速。再者，應用該方法之人工長晶設備可有效的減少下晶種程序中晶種融化或熔湯表面結塊的機率，並有效減少該程序所需耗費的時間。

為充分瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體之實施例，並配合所附之圖式，對本發明做一詳細說明，說明如後：

實施例 1 ：應用二影像之熔湯表面流速測定

使用藍寶石長晶機進行人工長晶製程，將高純度氧化鋁(Al₂ O₃ )原料置於長晶機之坩鍋中，使用線圈加熱坩鍋內之高純度氧化鋁原料使其為熔融狀態。此時，因熔湯內的熱對流使熔湯表面出現複數個網格。本實施例以下列步驟進行熔湯表面流速測定。

步驟 (A) ：攝得熔湯流動影像

使用一攝影機拍攝熔湯表面之流動影像，取得如第1圖所示之第一影像與第二影像，第1圖中左方為第一影像右方為第二影像。本實施例中該二影像拍攝之時間間隔Δt係為1/30秒(30FPS)，該攝影機解析度為1280 x 963像素(pixels)，該攝影機係透過該藍寶石長晶機之觀測窗拍攝熔湯表面。步驟(A)中，攝影機之類型、解析度以及架設位置並不特別限定，只要能有效取得熔湯表面之流動影像即可，由於熔湯表面之亮度會隨著溫度變化，較佳係使用具有自動光圈以及自動對焦功能的攝影機。二影像拍攝之時間間隔Δt並不特別限定為1/30秒，只要該時間間隔不至於過長，導致在後續的步驟中，難以判斷前後二影像之關聯性即可。實施例1中，最初取得之長度或面積皆以像素值作為單位，可使用該二影像中，任一已知長度的物體(例如：位於第1圖中該二影像上方的晶種)作為基準，將像素值換算為實際長度及面積。

步驟(A)中，進一步針對取得之第一影像與第二影像進行二值化之影像處理，經處理後的第一影像與第二影像如第2圖所示，其中左方為經處理之第一影像右方為經處理之第二影像。如第2圖所示，經影像處理後可更為清晰地辨識熔湯表面之網格。上述之影像處理主要是為了於後續步驟中，能夠更為精確地定義網格區域，但並非實施本發明之必要條件。

步驟 (B) ：定義第一影像中之網格區域以及形心座標

應用影像處理軟體，將上述經處理之第一影像中的區塊定義為複數個第一網格區域A¹ ₁ ~A¹ _n ，並計算該等第一網格區域A¹ ₁ ~A¹ _n 之第一形心座標(centroid coordinate)，定義該等第一形心座標為M¹ ₁ ~M¹ _n ，其中該熔湯網格係因熔湯之熱對流形成。

本發明中，「形心」之定義係為一規則或不規則區域的幾何中心(geometric center)。簡言之，假設一片狀物體具有二平面以及一固定厚度且具有一致的密度，則該片狀物體之質量中心在該二平面上的垂直投影座標即為該二平面之形心座標。本發明中，第一影像及第二影像中任一網格區域的形心，可應用習知之影像處理軟體，透過演算法進行運算、分析。

步驟 (C) ：定義第二影像中之網格區域以及形心座標

應用影像處理軟體，將上述經處理之第二影像中的區塊定義為複數個第二網格區域A² ₁ ~A² _m ，並計算該等第二網格區域A² ₁ ~A² _m 之形心座標，定義該等第二形心座標為M² ₁ ~M² _m ，其中該熔湯網格係因熔湯之熱對流形成。

步驟(B)及步驟(C)之計算結果如第3圖所示，第3圖中左方為第一影像右方為第二影像，各個網格區域之形心以圓點標示，並賦予各形心一特定編號。

步驟 (D) ：計算形心位移

步驟(D)係取得位於該等第一網格區域內的第二形心座標，計算各該等第一網格區域內對應的第二形心座標與第一形心座標間的形心位移，以取得複數個形心位移，詳述如下：

當該等第二形心座標M² ₁ ~M² _m 中之任一座標位於第一網格區域A¹ ₁ 內時，計算與該第二形心座標M² _x 與第一形心座標M¹ ₁ 之間的形心位移(其中，1≦x≦m)，並使用相同之方式計算其他第一網格區域A¹ ₂ ~A¹ _n 內之形心位移，以取得複數個形心位移。

第4圖係為形心位移計算方式之示意圖，以該圖為例進一步說明步驟(D)之形心座標計算。第4圖中實線所圍之區域為第一影像中的一網格區域A¹ ₁ ，網格區域A¹ ₁ 之形心座標為圖中實心圓點所示之M¹ ₁ ；虛線所圍之區域為第二影像中的一網格區域A² ₃ ，網格區域A² ₃ 之形心座標為圖中空心圓點所示之M² ₃ 。第4圖中，形心座標M² ₃ 位於網格區域A¹ ₁ 內，符合步驟(D)所設定之條件，可藉由此一條件判斷網格區域A¹ ₁ 與網格區域A² ₃ 為二影像中相同的網格區域。當符合上述條件時，計算形心座標M² ₃ 與M¹ ₁ 之間的形心位移，所得之形心位移將用於後續步驟之熔湯表面流速測定。

步驟 (E) ：計算熔湯表面流速

步驟(E)係根據該複數個形心位移以及Δt，計算熔湯表面流速。定義二影像拍攝之時間間隔為Δt、形心位移為Δs、形心之移動速度為v，根據v=Δs/Δt之關係計算出複數個形心的移動速度。計算該複數個形心的移動速度的平均值，取得一平均移動速度。以該平均移動速度定義熔湯表面流速。

上述複數個形心的移動速度係為一具有方向性的物理量，若該複數個形心的移動速度方向不同，求取平均值時可能會有相互抵銷的情況。考量此一情況，可改為計算複數個形心的移動速率，亦即可根據一形心位移Δs之向量大小求得一形心的移動距離定義為Δx，該移動距離Δx係為一不具有方向性的純量，根據v=Δx/Δt之關係計算出複數個形心的移動速率。計算該複數個形心的移動速率的平均值，取得一平均移動速率。以該平均移動速率定義熔湯表面流速。

實施例 2 ：應用複數影像之熔湯表面流速測定

重複多次實施例1之步驟(A)~(D)，將前次的第二影像，當作下次的第一影像，取得複數個形心在二個以上的影像中的連續形心位移；以及於實施例1之步驟(E)中，根據該複數個形心的連續形心位移以及Δt，定義熔湯表面流速。其中，重複實施例1之步驟(A)~(D)的次數並不特別限定，

實施例2係每隔1/30秒拍攝熔湯表面之流動影像，共拍攝6次，取得第一至第六影像，重複5次實施例1之步驟(A)~(D)，針對各個形心取得5個連續的形心位移。

針對各個形心計算5個連續的形心位移的平均值，取得複數個形心的平均連續位移。定義二影像拍攝之時間間隔為Δt、平均連續位移為Δs、形心之連續移動速度為v，根據v=Δs/Δt之關係計算出複數個形心的連續移動速度。計算該複數個形心的連續移動速度的平均值，取得一平均連續移動速度。以該平均連續移動速度定義熔湯表面流速。

與實施例1相同地，可改為計算複數個形心的連續移動速率，亦即可根據一平均連續位移Δs之向量大小求得一形心的平均連續移動距離定義為Δx，該平均移動距離Δx係為一不具有方向性的純量，根據v=Δx/Δt之關係計算出複數個形心的連續移動速率。計算該複數個形心的連續移動速率的平均值，取得一平均連續移動速率。以該平均連續移動速率定義熔湯表面流速。

實施例 3 ：不信任形心之形心位移以及不信任區域之移除

由於熔湯為一非固定方向、非固定大小的流體觀測物。進一步定義不信任形心以及不信任區域，並於後續的計算中移除該不信任形心之形心位移以及不信任區域，將有助於取得可信度較高的計算結果。

實施例3中，依照實施例2中所述的方法定義熔湯表面流速，其中進一步根據形心之移動速率、移動速度以及網格區域之面積等因素，定義不信任形心以及不信任區域。本實施例中，係以影像中已知的晶種尺寸作為基準，將像素值換算為實際長度或面積作為判斷條件，但本發明不限於此，在固定影像解析度的情況下，亦可直接以像素值作為判斷條件。

判斷條件如下：

於步驟(D)中，根據該複數個形心位移以及Δt，計算該等形心的移動速率，當一形心之移動速率大於15cm/秒時，定義該形心為不信任形心，於後續的計算中移除該不信任形心之形心位移。

於步驟(B)中，進一步應用影像處理軟體，計算各個網格區域之面積，當一網格區域之面積小於25cm² 時，定義該網格區域為不信任區域，於後續的計算中移除該不信任區域。

在重複多次步驟(A)~(D)的過程中，當一形心前後二次之間形心位移的夾角大於60˚時，定義該形心為不信任形心，於後續的計算中移除該不信任形心之形心位移。

於步驟(D)中，根據該複數個形心位移計算出複數個形心移動距離，假設該複數個形心移動距離為常態分佈，計算該複數個形心移動距離的標準差及平均值，當一形心的移動距離與該平均值相差二個標準差以上時，定義該形心為不信任形心，於後續的計算中移除該不信任形心之形心位移。

實施例 4 ：較佳熔湯表面流速範圍之測量

於藍寶石長晶機中，使用線圈加熱坩鍋內之長晶原料使其為熔融狀態，以0.5mm/分鐘之速率下降一晶種，在該晶種下降的過程中，持續使用實施例3之方法測定熔湯表面流速。當觀察到該晶種有熔化現象時，代表熔湯之溫度過高，亦即熔湯表面流速過快，在此情況下，降低線圈之加熱功率並上升該晶種，當熔湯表面流速達到一較低的速率時，再次下降該晶種。重複上述之步驟，直到該晶種與熔湯表面接觸，記錄此時之熔湯表面流速。

重複上述步驟，取得多次晶種與熔湯表面接觸時之熔湯表面流速，根據該流速定義一較佳熔湯表面流速範圍為2cm/秒~4cm/秒。

實施例 5 ：應用實施例 3 之人工長晶設備

實施例5之人工長晶設備係一包含熔湯表面流速測定裝置之藍寶石長晶機，其係使用實施例3之方法進行熔湯表面流速測定，該藍寶石長晶機包含：一攝影機，用於取得連續的熔湯表面影像，並將該影像傳輸至一計算單元；一計算單元，用於接收該影像，進行影像處理以及實施例3中之熔湯表面流速測定計算，並將熔湯表面流速資訊傳輸至一控制單元；一控制單元，用於接收該計算單元傳輸之熔湯表面流速資訊，並根據該流速資訊控制一加熱線圈之加熱功率以及一晶種升降裝置；一坩鍋，用於乘載氧化鋁原料；一加熱線圈，其係圍繞於該坩鍋，用於加熱該坩鍋內之氧化鋁原料，使該原料熔融；以及一晶種升降裝置，用於下降或上升一晶種，其中當該控制單元所接受之熔湯表面流速資訊係低於一較佳熔湯表面流速範圍時，該控制單元將提高該加熱線圈之加熱功率，反之當該控制單元所接受之熔湯表面流速資訊係高於一較佳熔湯表面流速範圍時，該控制單元將降低該加熱線圈之加熱功率，藉此使熔湯表面流速維持在該較佳熔湯表面流速範圍，以及當該控制單元所接受之熔湯表面流速資訊係穩定維持於該較佳熔湯表面流速範圍時，則控制該晶種升降裝置下降一晶種。其中，該較佳熔湯表面流速範圍可應用如實施例4之方法測定，並定義該較佳熔湯表面流速範圍為2cm/秒~4cm/秒。

經測試，實施例5之藍寶石長晶機應用實施例3之方法進行熔湯表面流速控制，可有效的避免晶種融化或熔湯表面結塊的現象，相較於傳統方法，平均可減少下晶種程序所花費的時間達2小時。

綜合上述實施例1~5，本發明之一種用於人工長晶之熔湯表面流速測定方法可有效的測定熔湯表面流速。再者，應用該方法之人工長晶設備可有效的減少下晶種程序中晶種融化或熔湯表面結塊的機率，並有效減少該程序所需耗費的時間。

本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以申請專利範圍所界定者為準。

A¹ ₁‧‧‧第一網格區域A¹ ₁
A² ₃‧‧‧第一網格區域A² ₃
M¹ ₁‧‧‧第一形心座標M¹ ₁
M² ₃‧‧‧第二形心座標M² ₃

第1圖係為本發明實施例1之第一影像與第二影像。第2圖係為本發明實施例1中，經影像處理之第一影像與第二影像。第3圖係為本發明實施例1中，複數個第一形心座標與第二形心座標的計算結果。第4圖係為本發明實施例1中，形心位移計算方式之示意圖。

A¹ ₁‧‧‧第一網格區域A¹ ₁

A² ₃‧‧‧第一網格區域A² ₃

M¹ ₁‧‧‧第一形心座標M¹ ₁

M² ₃‧‧‧第二形心座標M² ₃

Claims

一種用於人工長晶之熔湯表面流速測定方法，包含： (A) 先後攝得熔湯表面的第一影像與第二影像，該二影像攝得之時間間隔為Δt； (B) 將該第一影像中的區塊定義為複數個第一網格區域，並計算該等網格區域各別對應之第一形心座標； (C) 將該第二影像中的區塊定義為複數個第二網格區域，並計算該等網格區域各別對應之第二形心座標； (D) 取得位於該等第一網格區域內的第二形心座標，計算各該等第一網格區域內對應的第二形心座標與第一形心座標間的形心位移，以取得複數個形心位移； (E) 根據該複數個形心位移以及Δt，計算熔湯表面流速。
如請求項第1項所述之熔湯表面流速測定方法，其中進一步包含：重複多次步驟(A)~(D)，將前次的第二影像，當作下次的第一影像，取得複數個形心在二個以上的影像中的連續形心位移；以及於步驟(E)中，根據該複數個形心的連續形心位移以及Δt，計算二個以上連續影像中的熔湯表面流速。
如請求項第2項所述之熔湯表面流速測定方法，其中進一步包含：於步驟(D)中，根據該複數個形心位移以及Δt，計算該等形心的移動速率，當一形心之移動速率大於15cm/秒時，定義該形心為不信任形心，於後續的計算中移除該不信任形心之形心位移。
如請求項第3項所述之熔湯表面流速測定方法，其中進一步包含：於步驟(B)中，當一網格區域之面積小於25cm² 時，定義該網格區域為不信任區域，於後續的計算中移除該不信任區域。
如請求項第4項所述之熔湯表面流速測定方法，其中進一步包含：當一形心的連續形心位移中的各個形心位移變化過大時，定義該形心為不信任形心，於後續的計算中移除該不信任形心之形心位移。
如請求項第5項所述之熔湯表面流速測定方法，其中進一步包含：於步驟(D)中，假設該等形心位移為常態分佈，計算該等形心位移的標準差及平均值，當一形心的形心位移與平均值相差二個標準差以上時，定義該形心為不信任形心，於後續的計算中移除該不信任形心之形心位移。
如請求項第6項所述之熔湯表面流速測定方法，其中係根據該複數個形心的連續形心位移以及該二影像拍攝之時間間隔，計算該複數個形心的平均移動速率，根據該複數個形心的平均移動速率的平均值定義熔湯表面流速。
請求項第6項所述之熔湯表面流速測定方法，其中係根據該複數個形心的連續形心位移以及該二影像拍攝之時間間隔，計算該複數個形心的平均移動速度，根據該複數個形心的平均移動速度的平均值定義熔湯表面流速。
請求項第8項所述之熔湯表面流速測定方法，其中當一形心的平均移動速度與其他形心的平均移動速度差異過大時，定義該形心為不信任形心，於後續的計算中移除該不信任形心之形心位移。
如請求項第9項所述之熔湯表面流速測定方法，其中於步驟(A)中，進一步針對該第一影像及與第二影像進行二值化之影像處理。
如請求項第10項所述之熔湯表面流速測定方法，其中該二影像拍攝之時間間隔Δt係為1/30秒。
一種人工長晶設備，其係根據如請求項第1項至第10項中任一項所述之熔湯表面流速測定方法測定熔湯表面流速。
如請求項第12項所述之人工長晶設備，其中該人工長晶設備係根據所測得之熔湯表面流速控制一加熱線圈之加熱功率。
如請求項第13項所述之人工長晶設備，其中該人工長晶設備係根據所測得之熔湯表面流速控制一晶種升降裝置。