CN101008104A

CN101008104A - 直拉法单晶硅生长过程中的熔体液面位置检测方法

Info

Publication number: CN101008104A
Application number: CN 200610105332
Authority: CN
Inventors: 刘丁; 任海鹏; 赵跃; 李琦
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xi'an Xinhui Equipment Technology Co.,Ltd.; Xian Eswin Material Technology Co Ltd
Priority date: 2006-12-28
Filing date: 2006-12-28
Publication date: 2007-08-01
Anticipated expiration: 2026-12-28
Also published as: CN100436658C

Abstract

本发明公开的直拉法单晶硅生长过程中的熔体液面位置检测方法，对激光光束照射到熔体液面后反射的光斑图像进行采集，对采集到的图像通过Sobel算子提取图像边缘，再对边缘图像进行Hough变换和聚类得到激光光斑的中心位置图像，将该中心点与光电码盘的计数位置进行比较，从而得到光斑中心位置变化时相对应的液面高度变化值，进而可以根据光斑中心的变化得到液面位置的变化量，对多次计算的结果取平均可以得到比较准确的液面位置变化量。该检测方法简单、测量精度高。

Description

直拉法单晶硅生长过程中的熔体液面位置检测方法

技术领域

本发明涉及一种非接触式高温熔体液面位置的检测方法，具体涉及一种直拉法单晶硅生长过程中的熔体液面位置的检测方法。

背景技术

直拉法生长单晶硅工艺中，单晶的生长过程和长成单晶的内部缺陷限制对于单晶的生长环境提出了比较严格的要求。随着单晶硅固体不断被从熔融状态的硅中提拉出来，坩埚中的熔体液面将下降，在晶体提拉的过程中，存在很多不确定因素，例如晶体提拉速度和坩埚上升速度的精度、晶体直径和坩埚内径的不一致性，这些因素有微小的波动，在短时间内，不会产生大的液面偏差，但是单晶的生长过程一般是需要24小时以上，这些小的波动的累积会使液面位置发生较大的变化，将影响晶体的生长控制和晶体质量。因此，精确测量单晶炉内液面的高度，调整埚升的速度，使得液面高度控制处于闭环状态，可以得到更高的液面控制精度。

由于被测物处于熔融状态，温度非常高，因此，高温熔体液面的检测一般采用非接触测量方法。常规的高温熔体液面检测方法有：超声波法，γ射线法，电涡流检测方法，电容检测方法。对于直拉法单晶硅生长设备——单晶炉，由于单晶生长要求在真空中进行，电涡流和电容检测方法很难应用于该设备。单晶炉的炉桶要安装大的磁场设备，无法安装γ射线发生和接收装置，同时整个设备的可靠性要求高，使得γ射线法很难应用于硅熔体液面的测量。超声波测量方法的设备比较大，炉盖上空间有限，安装困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种直拉法单晶硅生长过程中的熔体液面位置检测方法，适用于直拉法生长单晶硅工艺中对于熔体液面位置的检测。

本发明所采用的技术方案是，直拉法单晶硅生长过程中的熔体液面位置检测方法，在单晶炉炉盖上安装激光发射装置和面阵CCD，激光光源发射的激光光束沿预先设计好的光路照射到熔体液面，对激光光束照射到熔体液面后反射的激光光斑在面阵CCD上成像，对该激光光斑图像通过Sobel算子提取图像边缘，再对该边缘图像进行Hough变换和聚类得到激光光斑的中心位置图像，将该中心点与光电码盘的计数位置进行比较，从而得到光斑中心位置变化时相对应的液面高度变化值，具体包括以下步骤，

a.在单晶炉盖上成角度设置激光发射器和面阵CCD，使激光发射器发射的激光光束入射液面的位置在晶体边缘与热屏之间，并保证激光光束通过液面反射后的光线能在面阵CCD上成像；在坩埚升降传动机构上设置光电码盘；

b.通过激光发射器发射激光光束，由面阵CCD采集激光光束入射液面反射后的激光光斑图像；

c.将面阵CCD采集到的激光光斑图像经图像预处理和Sobel算子提取得到该光斑边缘；

d.将上述光斑边缘图像经过hough变换和聚类得到该激光光斑的中心位置；

e.根据光斑中心位置变化计算出液面位置的变化量；

f.将计算出的液面位置变化量进行平均值滤波，滤除干扰的信息得到液面位置的变化值。

本发明的检测方法，适用于直拉法生长单晶硅工艺，测量方法简单，测量数据精确。

附图说明

图1是本发明的熔体液面测量原理图；

图2是通过CCD采集到的图像；

图3是经过图像二值化和Sobel算子提取边缘后的图像；

图4是经过Hough变换和聚类得到激光光斑的中心位置图像。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的直拉法单晶硅生长过程中的熔体液面位置检测方法，在单晶炉炉盖上安装激光发射装置(激光光源)和CCD，激光光源发射的激光光束沿预先设计好的光路照射到熔体液面，对激光光束照射到熔体液面后反射的激光光斑在CCD上成像，对该激光光斑图像通过Sobel算子提取图像边缘，再对边缘图像进行Hough变换和聚类得到激光光斑的中心位置图像，将该中心点与光电码盘的计数位置进行比较，从而得到光斑中心位置变化时相对应的液面高度变化值，具体包括以下步骤，

a.如图1原理所示，在单晶炉盖上设计激光发射窗口和CCD图像接收窗口，窗口为圆形，直径分别为8cm和12cm，窗口安装镀金玻璃，玻璃的固定件要进行水冷。圆形窗口的中心之间连线距离整个单晶炉中心18cm。激光光束入射液面的入射角为23度左右，激光光束入射点距离整个炉体中心的水平距离大于160cm，小于相应热屏半径，激光发射器发射的激光光束入射液面的位置在晶体边缘与热屏之间。上述安装位置和光路设计可以保证激光光束通过液面反射光路和透镜***在CCD上成像；

在坩埚升降传动机构上安装光电码盘，测量坩埚绝对位置。坩埚的升降是通过电动机、蜗轮蜗杆减速器、一级皮带轮减速带动滚轴丝杠转动，控制坩埚的升降。与滚轴丝杠同轴连接一个具有绝对位置计量功能的光电码盘，光电码盘每一个脉冲对应0.002毫米坩埚位移。

c.通过面阵CCD将采集到的激光光斑图像经预处理和Sobel算子提取得到该光斑边缘。图像预处理主要是从图像中取出感兴趣的部分。如CCD得到图像如图2所示，选择光斑活动区域作为图像处理区域，得到如图3所示区域。在该区域内运用Sobel算子提取图像边缘。Sobel算子具体的算法如下

设像素点(x，y)的灰度值为f(x，y)则该像素点的梯度计算方法如下：

D_x＝[f(x+1，y-1)-f(x-1，y-1)]+2[f(x+1，y)-f(x-1，y)]+[f(x+1，y+1)-f(x-1，y+1)]

D_y＝[f(x-1，y+1)-f(x-1，y-1)]+2[f(x，y+1)-f(x-1，y-1)]+[f(x+1，y+1)-f(x+1，y-1)]

&dtri; f = \sqrt{{D_{x}}^{2} + {D_{y}}^{2}}

计算出图像的梯度信息后通过设定梯度阈值对图像进行二值化，具体的方法是如果某个像素处的梯度信息大于设定梯度阈值，同时该点的量度大于要求值，则该点的灰度值置1，否则置0，通过上述方法得到光斑的边缘信息如图3所示。

d.由于面阵CCD上采集到的图像是激光光斑，激光光斑本身为比较均匀的圆，由于散斑和物面反射特性不均匀的影响，检测激光光斑一般为接近圆的不规则图形，将上述光斑边缘图像经过Hough变换和聚类得到该激光光斑的中心位置。

具体方法如下：

经过边缘提取后，图像已经变为二值图像，假设图像像素数为(m，n)，下面的处理过程只针对二值化后的图像边缘，设图像边缘的坐标为(x，y)。Hough变换的作用是将(x，y)平面变换到参数空间(a，b，r)，其中a为参数空间中的圆心的横坐标，b为参数空间中圆心的纵坐标，r为圆的半径，其变换公式为

a＝x-r*cos(angle)，b＝y-r*sin(angle)

其中angle为圆心坐标(a，b)与(x，y)的连线与x坐标正方向的夹角。

根据光斑大小的经验值，确定一个光斑半径大小的一个搜索范围r_min和r_max，角度搜索范围为(0，2π)，对于任意一个边缘点和所有直径范围，根据公式计算a和b，如果计算出的a和b在图像内，即a＜m，同时b＜n，则给计数数组hough_space(a，b，ri)加1，其中ri为对应直径r的直径分割数组下标。对于所有边缘点和搜索范围内的所有直径得到一个m×n×rn维的数组，其中rn为半径搜索空间的分级数。寻找数组hough_space中的最大值，数组hough_space中大于最大值乘设定阈值p(0＜p＜1)的所有元素对应的下标值就是圆心集中比较多的点，一般这些点的圆心坐标和半径的方差比较小，取这些圆心坐标的均值作为实际光斑的中心。

上述过程实际上是对每一个边缘点，按照变换方程和对应的直径分割，计算合理的圆心坐标(位于图像内部)，然后将计算圆心聚类点的坐标，作为真实的光斑中心位置。

e.当液面高度发生变化时，激光光斑的中心位置也发生变化，计算出变化的像素数，该像素数与液面位置的变化量成正比，液面位置变化量

{Ls}_{i} = K \sqrt{{(x_{1} - x_{0})}^{2} + {(y_{1} - y_{0})}^{2}}

其中(x₀，y₀)和(x₁，y₁)分别为液面位置变化前后图像中心位置的坐标，K为一比例系数，该系数可以通过光电码盘计数的位置和变化前后光斑中心的距离得到。

f.在实际运行过程中，由于坩埚的转动和熔融液面的翻滚，当液面位置不变时，激光光斑中心的位置可能发生变化，因此，要对上一步中得到的液面位置变化量进行滑动平均值滤波，根据如下公式：

ΔLs = Σ_{i = 1}^{N} L s_{i}

液面位置变化的平均值可以用来进行进一步的液面控制。

将该像素数与光电码盘的计数位置进行比较，从而得到光斑中心位置变化时对应的液面高度变化。

实施例

采用650nm半导体激光器作为激光光源，采用面阵CCD作为接收装置。

通过CCD采集到的图像如图2所示，经过图像预处理和Sobel算子提取边缘得到如图3所示。在经过hough变换和聚类得到激光光斑的中心位置如图4所示。

首先标定变换系数K，具体方法如下：设液面位置为初始位置时激光光斑的中心坐标为(120，80)，液面上升后，激光光斑中心位置变为(120，90)，此时，光电码盘的计数指示，液面升高1mm，则上面公式中的系数K＝0.1。

经过标定后，如果图像中心由初始位置(120，80)变化到新位置(120，65)，则可以得到液面位置变化量

{Ls}_{1} = K \sqrt{{(x_{1} - x_{0})}^{2} + {(y_{1} - y_{0})}^{2}} = 0.1 \sqrt{{(120 - 120)}^{2} + {(80 - 65)}^{2}} = 1.5 mm

在通过多次计算液面位置变化取平均值就可以得到比较准确的液面位置变化。

Claims

1.一种直拉法单晶硅生长过程中的熔体液面位置检测方法，在单晶炉炉盖上安装激光发射装置和面阵CCD，激光光源发射的激光光束沿预先设计好的光路照射到熔体液面，对激光光束照射到熔体液面后反射的激光光斑在面阵CCD上成像，对该激光光斑图像通过Sobel算子提取图像边缘，再对该边缘图像进行Hough变换和聚类得到激光光斑的中心位置图像，将该中心点与光电码盘的计数位置进行比较，从而得到光斑中心位置变化时相对应的液面高度变化值，其特征在于，具体包括以下步骤，

e.根据光斑中心位置变化计算出液面位置的变化量；

2.按照权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述对激光光斑图像进行图像预处理和Sobel算子提取光斑边缘是采用以下步骤：

&dtri; f = \sqrt{{D_{x}}^{2} + {D_{y}}^{2}}

计算出图像的梯度信息后通过设定梯度阈值对图像进行二值化，具体的方法是如果某个像素处的梯度信息大于设定梯度阈值，同时该点的量度大于要求值，则该点的灰度值置1，否则置0。

3.按照权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述对光斑边缘图像经过hough变换和聚类得到该激光光斑的中心位置是采用以下步骤：经过边缘提取后的图像为二值图像，假设图像像素数为(m，n)，设图像边缘的坐标为(x，y)，Hough变换的作用是将(x，y)平面变换到参数空间(a，b，r)，其中a为参数空间中的圆心的横坐标，b为参数空间中圆心的纵坐标，r为圆的半径，其变换公式为

a＝x-r*cos(angle)，b＝y-r*sin(angle)

其中angle为圆心坐标(a，b)与(x，y)的连线与x坐标正方向的夹角；

根据光斑大小的经验值，确定一个光斑半径大小的一个搜索范围r_min和r_max，角度搜索范围为(0，2π)，对于任意一个边缘点和所有直径范围，根据公式计算a和b，如果计算出的a和b在图像内，即a＜m，同时，b＜n，则给计数数组hough_space(a，b，ri)加1，其中ri为对应直径r的直径分割数组下标，对于所有边缘点和搜索范围内的所有直径得到一个m×n×rn维的数组，其中rn为半径搜索空间的分级数，寻找数组hough_space中的最大值，数组hough_space中大于最大值乘设定阈值p(0＜p＜1)的所有元素对应的下标值就是圆心集中比较多的点，一般这些点的圆心坐标和半径的方差比较小，取这些圆心坐标的均值作为实际光斑的中心。

4.按照权利要求1所述的检测方法，其特征在于，根据激光光斑的中心位置计算出液面位置变化量是根据：

{Ls}_{i} = K \sqrt{{(x_{1} - x_{0})}^{2} + {(y_{1} - y_{0})}^{2}}

其中(x₀，y₀)和(x₁，y₁)分别为液面位置变化前后图像中心位置的坐标。