专利名称：直拉硅单晶炉的硅熔体液面位置及单晶棒直径的测量方法
技术领域：
本发明涉及一种硅单晶生产中的测量方法，特别涉及一种基于CCD测量的直拉硅单晶炉的硅熔体液面位置及单晶棒直径的测量方法。
背景技术：
半导体硅单晶大部分采用切克劳斯基(Czochralski)法制造。在这种方法中，多晶硅被装进石英坩埚内，加热熔化，然后将熔硅略作降温，给予一定的过冷度，把一支特定晶向的硅单晶体(称作籽晶)与熔体硅接触，通过调整熔体的温度和籽晶向上提升速度，使籽晶体长大至接近目标直径时，提高提升速度，使单晶体接近恒定直径生长。在生长过程的收尾，此时坩埚内的硅熔体尚未完全消失，通过增加晶体的提升速度和调整向坩埚提供的热量将晶体直径渐渐减小而形成一个尾形锥体，当锥体的尖端足够小时，晶体就会与熔体脱离，从而完成晶体的生长过程。在晶体生长过程中，由于潜热的释放，在晶体与液面接触部分会形成一个温度很高、很亮的光环。 由原苏联科学家Voronkov提出的V/G理论，揭示了硅单晶生长条件与晶体内的缺陷对应的规律。这里G就是指生长界面处的纵向温度梯度。而纵向温度梯度在很大程度上由熔体的位置决定的，所谓熔体的位置是指热屏装置的下端面与硅熔体液面的距离，如图1中D所示。因而控制了该距离就等于控制了晶体的缺陷，对于提高半导体硅单晶的质量是很重要的手段。 为了维持晶体生长界面处的温度梯度，保证晶体晶体生长过程中需要使熔体水平面在热场中具有固定的高度。传统的做法有一种是设置一个坩埚上升同晶体提拉速度的比率e ，俗称"埚随比"，通过一个称重装置获得熔体重量及已知的坩埚形状来调节e的值。比率的计算假定坩埚外形一致性很好、无变形，并假设晶体直径是固定值，而在实际的晶体生长过程中晶体直径是存在波动，坩埚形状也变化的，从而造成液面位置控制精度差。还有一种方法是使用一个激光发生装置与一个激光接收装置，通过激光在液面的发射变化来测量液面的位置值，该方法测量精度高，但是价格昂贵，并对热场要求高，热场中不能有挡住激光回路的部件，因此在新型带热屏装置的热场中，由于热屏挡住了激光回来，因此该方法几乎无法使用。
发明內容 本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种基于CCD测量的
直拉硅单晶炉的硅熔体液面位置及单晶棒直径的测量方法。 为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的 本发明提供了一种直拉硅单晶炉的硅熔体液面位置的测量方法，包括步骤 (1)使用安装在单晶炉观测窗口的CCD摄像头获取单晶棒与硅熔体液面相交形成
的光圈图像信号，并将信号经过模拟数字转换后传送至计算机系统； (2)计算机系统中的sobel算子模块提取光圈图像中的图像边缘，得到光圈的椭圆形的像素坐标图； (3)计算机系统中的正圆拟合模块根据公式(1)、 (2)，将像素坐标图椭圆形的边
缘拟合成正圆； ax = Ax (1) ay= (Ay-fy)/C0Se+fy (2) 上述公式中AX为某一个像素在椭圆上的X坐标值，ax为该像素转换为正圆后的x 坐标值；Ay为某一个像素在椭圆上的Y坐标值，ay为该像素转换成正圆后的y坐标值，fy为 椭圆图在y坐标上最小的那个像素的y坐标值，e为CCD摄像头中心线与竖直方向之间的 夹角； (4)计算机系统中的圆心位置计算模块根据公式(3)获取该正圆中心点的像素坐 标位置 r =氺 广0》2。》2 (3) 公式(3)中，r为正圆的半径，nx为n处像素的X坐标值，ny为n处像素的y坐标 值，ox为正圆中心点像素x坐标值，oy为正圆中心点像素x坐标值；在上述正圆弧上任取n 个点，n > 3，进行圆心位置的计算，并取其平均值作为最终结果值； (5)计算机系统中的液面高度计算模块根据公式(7)获取硅熔体液面高度数值 y = A:.^^ + r0 (7) sin 6* 公式(7)中，Y为硅熔体的液面高度值，k为像素转换为实际距离的比例系数，Oy为 计算所得的圆心Y轴坐标位置，Oy。为预先设置参考圆的圆心Y轴坐标位置，e为CCD摄像 头中心线与竖直方向之间的夹角，Y。为预先设置参考圆的硅熔体液面高度值。
作为改进，所述CCD摄像头的中心线与竖直方向呈20度的夹角，且俯视单晶棒与 硅熔体液面相交形成的光圈处。 本发明还提供了一种直拉硅单晶炉的单晶棒直径的测量方法，包括步骤 (1)使用安装在单晶炉观测窗口的CCD摄像头获取单晶棒与硅熔体液面相交形成
的光圈图像信号，并将信号经过模拟数字转换后传送至计算机系统； (2)计算机系统中的sobel算子模块提取光圈图像中的图像边缘，得到光圈的椭 圆形的像素坐标图； (3)计算机系统中的正圆拟合模块根据公式(1) 、 (2)，将像素坐标图椭圆形的边
缘拟合成正圆； ax = Ax (1) ay= (Ay-fy)/C0Se+fy(2) 上述公式中AX为某一个像素在椭圆上的X坐标值，ax为该像素转换为正圆后的x 坐标值；Ay为某一个像素在椭圆上的Y坐标值，ay为该像素转换成正圆后的y坐标值，fy为 椭圆图在y坐标上最小的那个像素的y坐标值，e为CCD摄像头中心线与竖直方向之间的 夹角； (4)计算机系统中的圆心位置计算模块根据公式(3)获取该正圆中心点的像素坐 标位置
r =無-0j2+( -0》2 (3) 公式(3)中，r为正圆的半径，nx为n处像素的X坐标值，ny为n处像素的y坐标 值，ox为正圆中心点像素x坐标值，oy为正圆中心点像素x坐标值；在上述正圆弧上任取n 个点，n > 3，进行圆心位置的计算，并取其平均值作为最终结果值；
(5)计算机系统中的直径计算模块根据公式(8)获取单晶棒直径的数值
D = 2 k r (8) 公式(8)中，D为单晶棒的直径，k为像素转换为实际距离的比例系数。 作为改进，所述CCD摄像头的中心线与竖直方向呈20度的夹角，且俯视单晶棒与
硅熔体液面相交形成的光圈处。 与现有技术相比，本发明的有益效果是 通过本发明可以实时监控熔体液面的相对位置的变化，这一位置变化会对应CCD 检测影像的像素变化，通过图像处理软件分析像素值增减来判断液面的位置变化，通过获 得的液面位置值就可以精确控制液面位置值。并同时可实时测量单晶棒的直径。


图1为本发明装置图； 图2是本发明的原理图； 图3是CCD摄像头获取的光圈图像； 图4是将图3中光圈图像转换后得到的正圆的坐标像素图； 图5是利用图4进行圆心位置的计算示意图。 图中附图标记为 图1中单晶棒1 ;热屏装置2 ;光圈3 ;硅熔体4 ;硅熔体液面与热屏的距离D ;CCD
摄像头5 ; 图2中单晶棒1 ;CCD像素矩阵6 ;Y1、Y2为两个不同高度的硅熔体液面位置；Al、 A2为Y1、Y2高度下，单晶棒的光圈图像在CCD图像的矩阵的中心的位置。
具体实施例方式
下面结合附图，通过对具体实施例的描述详细表述本发明的内容。
图1中直拉硅单晶炉的坩埚炉体中设置热屏装置2，单晶棒1与硅熔体4相接，
单晶棒1与硅熔体液面相交形成的光圈3。硅熔体液面与热屏装置2的距离为D，该距离数
值的变化将直接影响单晶的品质，也是本发明测量液面位置后进行控制的所在点。CCD摄像
头5安装在单晶炉观测窗口处，用于图像的特征捕捉，其安装位置是使中心线与竖直方向
呈20度的夹角，且俯视光圈3处。 图2中Y1、 Y2是两个不同高度的硅熔体液面位置；A1、 A2是在Yl、 Y2高度下，单 晶棒1的光圈3的图像在CCD图像的矩阵的中心的位置。其具体原理为当硅熔体液面位 置从Y1处下降到Y2处后，单晶棒1的光圈3的图像位置在CCD图像的矩阵的位置也会相 应地发生变化，光圈3的中心位置会从A1变化到A2。而该中心位置的变化不会受到直径值 变化的影响，因此具有与液面位置变化固有的关系。 在通过CCD摄像头5获得的图像中，由于单晶棒1的遮挡，光圈3呈现为一段圆弧，由于光圈3的平面与CCD摄像头5呈一定的角度，因此该圆弧是一个椭圆形的弧，如图3所示。 本发明中，硅熔体液面位置与单晶棒直径测量的前面几个步骤是相同的 (1)使用安装在单晶炉观测窗口的CCD摄像头6获取单晶棒1与硅熔体液面相交
形成的光圈3的图像信号，并将信号经过模拟数字转换后传送至计算机系统； (2)计算机系统中的sobel算子模块提取光圈3图像中的图像边缘，得到光圈3的
椭圆形的像素坐标图； 由于光圈3亮度大大于周围液面的亮度，因此边缘界限很明显，可以通过sobel算 子提取出光圈3的图像边缘。 索贝尔算子(Sobel operator)是图像处理中的算子之一，主要用作边缘检测。在 技术上，它是一离散性差分算子，用来运算图像亮度函数的梯度之近似值。在图像的任何一 点使用此算子，将会产生对应的梯度矢量或是其法矢量。该算子包含两组3x3的矩阵，分别 为横向及纵向，将之与图像作平面巻积，即可分别得出横向及纵向的亮度差分近似值。
(3)计算机系统中的正圆拟合模块根据公式(1) 、 (2)，将像素坐标图椭圆形的边 缘拟合成正圆； ax = Ax (1) ay = (Ay-fy)/cos e +fy (2) 上述公式中AX为某一个像素在椭圆上的X坐标值，ax为该像素转换为正圆后的x 坐标值；Ay为某一个像素在椭圆上的Y坐标值，ay为该像素转换成正圆后的y坐标值，fy为 椭圆图在y坐标上最小的那个像素的y坐标值，e为CCD摄像头中心线与竖直方向之间的 夹角； (4)计算机系统中的圆心位置计算模块根据公式(3)获取该正圆中心点的像素坐 标位置r = -ox)2 +( -o》2 (3) 公式(3)中，r为正圆的半径，nx为n处像素的X坐标值，ny为n处像素的y坐标 值，ox为正圆中心点像素x坐标值，oy为正圆中心点像素x坐标值；在上述正圆弧上任取n 个点，n > 3，进行圆心位置的计算，并取其平均值作为最终结果值； 如图5所示，取圆弧上e、f、g不同的3个点。通过公式(4) 、 (5) 、 (6)的求解就可 以得到r和 ，Oy，为了减少计算误差，可以取多组数据，获得多组结果，然后进行平均，将平 均值做为最终的结果。r = #广oj2+(e广o》2 (4) r—o;—0,)2+(力— )2 (5)
"如广oj2+(g广o》2 (6)
进而，可以根据公式(7)得到液面位置值为 y4.0y- +y。 (7) sin夕 公式(7)中，Y为硅熔体的液面高度值，k为像素转换为实际距离的比例系数，Oy为计算所得的圆心Y轴坐标位置，Oy。为预先设置参考圆的圆心Y轴坐标位置，e为CCD摄像 头中心线与竖直方向之间的夹角，Y。为预先设置参考圆的硅熔体液面高度值。
还可以根据公式(8)得到液面位置值为
单晶棒的直径值为D = 2 k r (8) 公式(8)中，D为单晶棒的直径，k为像素转换为实际距离的比例系数。 在得到硅熔体液面位置值和单晶棒的直径值后，计算机系统可根据预置的条件，
象单晶炉提拉控制系统发出控制信号，实现精确控制。 本发明中，前面提到的sobel算子模块、正圆拟合模块、圆心位置计算模块、液面 高度计算模块、直径计算模块均为内置于计算机系统存储器上的软件功能模块，在接收到 相关数据信息并完成计算后，根据本发明设定步骤将相关结果传递至下一个功能模块。其 软件实现方式系本领域技术人员的基本技能，因此不再赘述。 最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限 于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导 出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
权利要求
一种直拉硅单晶炉的硅熔体液面位置的测量方法，包括步骤(1)使用安装在单晶炉观测窗口的CCD摄像头获取单晶棒与硅熔体液面相交形成的光圈图像信号，并将信号经过模拟数字转换后传送至计算机系统；(2)计算机系统中的sobel算子模块提取光圈图像中的图像边缘，得到光圈的椭圆形的像素坐标图；(3)计算机系统中的正圆拟合模块根据公式(1)、(2)，将像素坐标图椭圆形的边缘拟合成正圆；ax＝Ax (1)ay＝(Ay-fy)/cosθ+fy (2)上述公式中Ax为某一个像素在椭圆上的X坐标值，ax为该像素转换为正圆后的x坐标值；Ay为某一个像素在椭圆上的Y坐标值，ay为该像素转换成正圆后的y坐标值，fy为椭圆图在y坐标上最小的那个像素的y坐标值，θ为CCD摄像头中心线与竖直方向之间的夹角；(4)计算机系统中的圆心位置计算模块根据公式(3)获取该正圆中心点的像素坐标位置 <mrow><mi>r</mi><mo>=</mo><msqrt> <msup><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>n</mi><mi>x</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>o</mi><mi>x</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>n</mi><mi>y</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>o</mi><mi>y</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mn>2</mn> </msup></msqrt><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>公式(3)中，r为正圆的半径，nx为n处像素的X坐标值，ny为n处像素的y坐标值，ox为正圆中心点像素x坐标值，oy为正圆中心点像素x坐标值；在上述正圆弧上任取n个点，n＞3，进行圆心位置的计算，并取其平均值作为最终结果值；(5)计算机系统中的液面高度计算模块根据公式(7)获取硅熔体液面高度数值 <mrow><mi>Y</mi><mo>=</mo><mi>k</mi><mo>&CenterDot;</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>o</mi> <mi>y</mi></msub><mo>-</mo><msub> <mi>o</mi> <mrow><mi>y</mi><mn>0</mn> </mrow></msub> </mrow> <mrow><mi>sin</mi><mi>&theta;</mi> </mrow></mfrac><mo>+</mo><msub> <mi>Y</mi> <mn>0</mn></msub><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>7</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>公式(7)中，Y为硅熔体的液面高度值，k为像素转换为实际距离的比例系数，oy为计算所得的圆心Y轴坐标位置，oy0为预先设置参考圆的圆心Y轴坐标位置，θ为CCD摄像头中心线与竖直方向之间的夹角，Y0为预先设置参考圆的硅熔体液面高度值。
2. 根据权利要求1所述直拉硅单晶炉的硅熔体液面位置的测量方法，其特征在于，所 述CCD摄像头的中心线与竖直方向呈20度的夹角，且俯视单晶棒与硅熔体液面相交形成的 光圈处。
3. —种直拉硅单晶炉的单晶棒直径的测量方法，包括步骤(1) 使用安装在单晶炉观测窗口的CCD摄像头获取单晶棒与硅熔体液面相交形成的光 圈图像信号，并将信号经过模拟数字转换后传送至计算机系统；(2) 计算机系统中的sobel算子模块提取光圈图像中的图像边缘，得到光圈的椭圆形 的像素坐标图；(3) 计算机系统中的正圆拟合模块根据公式(1)、 (2)，将像素坐标图椭圆形的边缘拟 合成正圆；<formula>formula see original document page 2</formula>上述公式中AX为某一个像素在椭圆上的X坐标值，ax为该像素转换为正圆后的x坐标值；Ay为某一个像素在椭圆上的Y坐标值，ay为该像素转换成正圆后的y坐标值，fy为椭圆图在y坐标上最小的那个像素的y坐标值，e为CCD摄像头中心线与竖直方向之间的夹角；(4) 计算机系统中的圆心位置计算模块根据公式(3)获取该正圆中心点的像素坐标位置公式(3)中，r为正圆的半径，r^为n处像素的X坐标值，riy为n处像素的y坐标值， 为正圆中心点像素x坐标值，0y为正圆中心点像素x坐标值；在上述正圆弧上任取n个点，n > 3，进行圆心位置的计算，并取其平均值作为最终结果值；(5) 计算机系统中的直径计算模块根据公式(8)获取单晶棒直径的数值D = 2 k r (8)公式(8)中，D为单晶棒的直径，k为像素转换为实际距离的比例系数。
4.根据权利要求1所述直拉硅单晶炉的单晶棒直径的测量方法，其特征在于，所述CCD摄像头的中心线与竖直方向呈20度的夹角，且俯视单晶棒与硅熔体液面相交形成的光圈处。
全文摘要
本发明涉及一种硅单晶生产中的测量方法，旨在提供一种基于CCD测量的直拉硅单晶炉的硅熔体液面位置及单晶棒直径的测量方法。该方法包括使用CCD摄像头获取单晶棒与硅熔体液面相交形成的光圈图像信号，并将信号经过模拟数字转换后传送至计算机系统；提取光圈图像中的图像边缘，得到光圈的椭圆形的像素坐标图；将像素坐标图椭圆形的边缘拟合成正圆；获取该正圆中心点的像素坐标位置；获取硅熔体液面高度数值和单晶棒直径的数值。通过本发明可以实时监控熔体液面的相对位置的变化，这一位置变化会对应CCD检测影像的像素变化，通过图像处理软件分析像素值增减来判断液面的位置变化，通过获得的液面位置值就可以精确控制液面位置值。
文档编号G01B11/08GK101782414SQ20101010418
公开日2010年7月21日 申请日期2010年1月28日 优先权日2010年1月28日
发明者傅林坚, 张俊, 曹建伟, 邱敏秀 申请人:杭州慧翔电液技术开发有限公司