CN110004492B - 长晶炉内监测方法及长晶炉 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种长晶炉内监测方法及长晶炉，该方法包括：接收影像设备在各窗口第一图像数据、第二图像数据和第三图像数据；第一图像数据为单晶硅棒的图像数据；第二图像数据为熔融多晶硅的图像数据；第三图像数据为坩埚的图像数据；接收尺寸测量设备在各窗口采集的尺寸数据；尺寸数据包括：单晶硅棒的直径数据；接收位移采集设备采集的拉晶线的位移数据；接收环境监测设备在各窗口采集的环境信息；根据第一图像数据、单晶硅棒的直径数据和位移数据生成单晶硅棒的三维图像；按照三维图像上的各坐标点与环境信息的映射关系，存放各坐标点对应的环境信息。可通过三维立体可视图像观测长晶炉内各个方位的情况，实现全面监测。

Description

长晶炉内监测方法及长晶炉
技术领域
本发明涉及监控技术领域，具体而言，涉及一种长晶炉内监测方法及长晶炉。
背景技术
单晶硅是半导体集成电路、传感器、光伏等领域的重要原材料，单晶硅可以通过长晶炉引晶过程获得。将晶格方向杂乱的多晶硅通过引晶，可获得晶格方向统一的单晶硅。在引晶过程中，长晶炉内的环境对晶格的方向起着至关重要的作用，而晶格的方向直接影响着单晶硅的品质。因此，在制备单晶体的过程中，需实时检测长晶炉内的环境。
目前，通过在长晶炉上开设单个窗口，并且在窗口处设置相机对炉体内的环境进行实时监控。
虽然现有技术对长晶炉内的环境起到了一定的监测作用，但是现有技术设置的相机能够监测的角度有限，由其是在大直径长晶炉中，存在很多监测死角，难以全面监测长晶炉内的结晶环境。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种长晶炉内监测方法及长晶炉，以解决长晶炉内存在监控死角，难以全面监测长晶炉内的结晶环境的问题。
为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种长晶炉内监测方法，单晶硅棒和拉晶线固定设置，熔融多晶硅置于坩埚内，长晶炉包括多个窗口；影像设备、尺寸测量设备、位移采集设备和环境监测设备集成在检测单元内；所述检测单元设置在轨道上；所述轨道固定设置在所述长晶炉的外壁上；所述检测单元通过所述轨道在各窗口之间移动；包括：接收所述影像设备在所述各窗口采集的炉内图像数据；所述炉内图像数据包括：第一图像数据、第二图像数据和第三图像数据；所述第一图像数据为单晶硅棒的图像数据；所述第二图像数据为熔融多晶硅的图像数据；所述第三图像数据为所述坩埚的图像数据；接收所述尺寸测量设备在所述各窗口采集的尺寸数据；所述尺寸数据包括：单晶硅棒的直径数据、长晶炉的直径数据和长晶炉的高度数据；接收所述位移采集设备采集的所述拉晶线的位移数据；接收所述环境监测设备在所述各窗口采集的环境信息；根据所述第一图像数据、所述单晶硅棒的直径数据和所述位移数据生成所述单晶硅棒的三维图像；按照所述三维图像上的各坐标点与所述环境信息的映射关系，存放所述各坐标点对应的所述环境信息。
可选地，所述环境监测设备包括：温度传感器；所述环境信息为所述温度传感器在所述各窗口采集的温度数据。
可选地，所述按照所述三维图像上的各坐标点与所述环境信息的映射关系，存放所述各坐标点对应的所述环境信息，包括：按照所述三维图像上的所述各坐标点与所述温度数据的映射关系，存放所述各坐标点对应的所述温度数据。
可选地，所述环境监测设备包括：激光位移传感器；所述环境信息为所述激光位移传感器在所述各窗口采集的所述单晶硅棒的振动信息。
可选地，所述按照所述三维图像上的各坐标点与所述环境信息的映射关系，存放所述各坐标点对应的所述环境信息，包括：按照所述三维图像上的所述各坐标点与所述振动信息的映射关系，存放所述各坐标点对应的所述振动信息。
可选地，所述环境信息包括：液位信息；所述方法还包括：根据所述激光位移传感器，获取所述各窗口的所述液位信息；所述液位信息为坩埚内熔融多晶硅液位信息。
第二方面，本发明实施例还提供了一种长晶炉，包括：炉体、轨道、检测单元、驱动装置、多个窗口和控制器；所述轨道设置在所述炉体的外壁上；所述检测单元设置在所述轨道上，控制器控制所述驱动装置驱动所述检测单元在所述轨道上移动；所述检测单元通过所述多个窗口检测炉内的炉内信息，并将所述炉内信息发送至所述控制器；其中，所述炉内信息为所述炉体内的工作状况信息。
可选地，所述炉内信息包含：图像数据、直径数据、位移数据和环境信息；所述检测单元包括：影像设备、尺寸测量设备、位移采集设备和环境监测设备；所述影像设备，用于在所述多个窗口采集炉内图像数据；所述尺寸测量设备，用于在所述多个窗口采集的尺寸数据；所述尺寸数据包括：单晶硅棒的直径数据、长晶炉的直径数据和长晶炉的高度数据；所述位移采集设备，用于获取拉晶线的所述位移数据；所述环境监测设备，用于获取所述炉内的所述环境信息。
可选地，所述环境信息包括：温度数据和/或振动信息；所述环境监测设备包括：温度传感器和/或激光位移传感器；所述温度传感器，用于获取所述炉内的所述温度数据；所述激光位移传感器，用于获取所述单晶硅棒的所述振动信息。
可选地，所述长晶炉还包括：坩埚；所述坩埚设置在所述炉体内部。
可选地，所述长晶炉还包括：加热装置；所述加热装置设置在所述坩埚底部。
本申请提供的一种长晶炉内监测方法及长晶炉，通过在各窗口采集炉内图像数据、直径数据，以及采集拉晶线的位移数据，建立单晶硅棒的三维图像，将采集到的环境信息存放在三维图像中，通过对三维图像和采集的长晶炉内信息的观察，可全面监控长晶炉内的结晶环境。
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为本申请一实施例提供的长晶炉结构示意图；
图2为本申请一实施例提供的长晶炉俯视图；
图3为本申请一实施例提供的长晶炉的环境监测设备结构示意图；
图4为本申请一实施例提供的长晶炉内监测方法流程示意图；
图5为本申请另一实施例提供的长晶炉内监测方法流程示意图；
图6为本申请又一实施例提供的长晶炉内监测方法流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
图1为本申请一实施例提供的长晶炉结构示意图，如图1所示，长晶炉包括：炉体1、轨道2、检测单元3、驱动装置4、多个窗口5和控制器6。
轨道2设置在炉体1的外壁上。检测单元3设置在轨道2上，控制器6控制驱动装置4驱动检测单元3在轨道2上移动；检测单元3通过多个窗口5检测炉内的炉内信息，并将炉内信息发送至控制器6。其中，炉内信息为炉体内的工作状况信息。
可选地，图2为本申请一实施例提供的长晶炉俯视图，如图2所示，窗口5可以设置为5个。
可选地，图3为本申请一实施例提供的长晶炉的环境监测设备结构示意图。炉内信息包含：炉内图像数据、直径数据、位移数据和环境信息。炉内图像数据包括：第一图像数据、第二图像数据和第三图像数据。第一图像数据为单晶硅棒的图像数据。第二图像数据为熔融多晶硅的图像数据。第三图像数据为坩埚的图像数据。如图3所示，检测单元3包括：影像设备310、尺寸测量设备320、位移采集设备330和环境监测设备340。
影像设备310，用于在多个窗口采集炉内图像数据。
尺寸测量设备320，用于在多个窗口采集的尺寸数据。尺寸数据包括：单晶硅棒的直径数据、长晶炉的直径数据和长晶炉的高度数据。
位移采集设备330，用于获取拉晶线8的位移数据。
环境监测设备340，用于获取炉内的环境信息。可选地，环境信息包括：温度数据和/或振动信息。如图3所示，环境监测设备340包括：温度传感器341和/或激光位移传感器342。
温度传感器341，用于获取炉内的温度数据。激光位移传感器342，用于获取单晶硅棒7的振动信息。
可选地，当需要采集长晶炉内除温度数据和振动信息之外的环境信息时，位移采集设备330还可以设置其他模块。
可选地，长晶炉还包括：坩埚9。坩埚9设置在炉体1内部。
可选地，长晶炉还包括：加热装置10。加热装置10设置在坩埚9的四周，对坩埚9进行均匀加热。
本申请提供的长晶炉，控制器6控制驱动装置4带动检测单元3在轨道2在各个窗口5之间移动，通过各窗口5采集长晶炉内的环境信息，例如温度数据、振动信息，并且采集第一图像数据、单晶硅棒7的直径数据、拉晶线8的位移数据和炉内的环境信息，实现对长晶炉内结晶环境的监控。
上述长晶炉用于执行下述实施例提供的长晶炉内监测方法。具体的，本申请提供的长晶炉内监测方法，在长晶炉内单晶硅棒和拉晶线固定设置。晶炉包括多个窗口；影像设备、尺寸测量设备、位移采集设备和环境监测设备集成在检测单元内；检测单元设置在轨道上；轨道固定设置在长晶炉的外壁上；检测单元通过轨道在各个窗口之间移动。
可选地，窗口可以设置2～5个，均匀设置在长晶炉的炉壁上。
可选地，温度传感器342，还用于采集熔融多晶硅的液位温度。基于上述实施例中的长晶炉及环境监测设备可能的实现方式，下面给出一种长晶炉内监测方法的可能的实现方式，该方法流程可以由上述图1中的控制器6执行，具体的，图4为本申请一实施例提供的长晶炉内监测方法流程示意图，如图4所示，该方法包括：
S101、接收影像设备在各窗口采集的炉内图像数据。炉内图像数据包括：第一图像数据、第二图像数据和第三图像数据。第一图像数据为单晶硅棒的图像数据。第二图像数据为熔融多晶硅的图像数据。第三图像数据为坩埚的图像数据。
可选地，影像设备可以采用CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)摄像机，因其具备抗强光、体积小等优点，适用于长晶炉内亮度较强的工作环境。
操作人员通过采集的炉内图像数据可实现对炉内的单晶硅棒、熔融多晶硅、坩埚等炉内环境的监测。
S102、接收尺寸测量设备在各窗口采集的尺寸数据。尺寸数据包括：单晶硅棒的直径数据、长晶炉的直径数据和长晶炉的高度数据。
可选地，尺寸测量设备可以为激光位移传感器、光电转速传感器等。
可选地，测量单晶硅的直径数据可以为单晶硅棒在熔融多晶硅处的直径数据。
可选地，当尺寸测量设备为激光位移传感器时，由于长晶炉内的较高温度产生的光会对激光位移传感器的测量造成干扰，难以确认单晶硅棒的实际位置。因此，可以采用影像设备对激光位移传感器采集的单晶硅棒的直径数据进行矫正。具体为，通过影像设备采集单晶硅棒的照片，确定单晶硅棒的直径边界位置，选择激光位移传感器中测量到该直径边界位置的信息为单晶硅棒的直径数据。
S103、接收位移采集设备采集的拉晶线的位移数据。
由于单晶硅棒和拉晶线固定设置，拉晶线的位移数据即单晶硅棒的位移数据。例如，拉晶线的位移数据为5厘米，同样的，单晶硅棒也上移5厘米，即代表单晶硅棒生长5厘米。位移采集设备直接测试拉晶线的位移数据，实际上是间接测试单晶硅棒的位移数据。
可选地，位移采集设备可以为激光位移传感器。
S104、接收环境监测设备在各窗口采集的环境信息。
在上述步骤中的影像设备、尺寸测量设备和环境监测设备均是在各窗口进行采集。检测单元在轨道上移动，实现检测单元在各个窗口进行采集，实现对长晶炉内的环境进行全方位的监控。
S105、根据第一图像数据、单晶硅棒的直径数据和位移数据生成单晶硅棒的三维图像。
根据单晶硅棒的直径数据和位移数据，可确定单晶硅棒的外部结构。结合图像数据，可以更加真实的反映单晶硅棒的外部形貌。
S106、按照三维图像上的各坐标点与环境信息的映射关系，存放各坐标点对应的环境信息。
需要说明的是，影像设备、尺寸测量设备、位移采集设备和环境监测设备集成到同一个检测单元上，以保证采集到的环境信息与坐标点对应。
需要说明的是，由于炉内温度较高，因此，选择可以远程采集直径数据、位移数据和环境信息的设备，以保证设备能正常工作。
本实施例提供的长晶炉内监测方法，通过在各窗口采集第一图像数据、单晶硅棒的直径数据，以及采集拉晶线的位移数据，建立单晶硅棒的三维图像，将采集到的环境信息存放在三维图像中。通过对三维图像、采集的炉内图像数据和尺寸数据的观察，可全面监控长晶炉内的结晶环境。
可选地，环境监测设备包括：温度传感器。环境信息为温度传感器在各窗口采集的温度数据。
其中，温度数据可以包括：长晶炉内部的部件温度、熔融多晶硅液面各处温度、硅棒与熔融硅液面处长晶温度以及已长出的单晶硅各处温度。
可选地，可以采用影像设备对温度传感器采集的温度数据进行校准。具体地，由于长晶炉内不同的温度显示的颜色不同，故，可以采用影像设备对长晶炉内的图像进行采集，根据采集的图像的色彩信息，确定不同色彩区域的温度。如果通过色彩区域获得的温度与温度传感器获得的温度数据的差值在预设差值范围内，则确定温度传感器采集的温度合理。
进一步地，图5为本申请另一实施例提供的长晶炉内监测方法流程示意图，如图5所示，S106包括：
S106-1、按照三维图像上的各坐标点与温度数据的映射关系，存放各坐标点对应的温度数据。
在长晶炉内进行单晶硅棒的结晶时，温度是影响结晶品质的重要因素，对温度进行监控，对提高单晶硅棒的长晶效率，降低晶格缺陷起着至关重要的作用。本实施例是对单一向量温度进行建模，操作人员可以通过查看三维图像上坐标点的温度数据，获取长晶温度，当温度所在的阈值区间不利于单晶硅棒的长晶品质时，可以对长晶炉内的温度进行调控。
将长晶炉内部的部件温度、熔融多晶硅液面各处温度、硅棒与熔融硅液面处长晶温度，存放至对应的位置。操作人员可以通过查看温度传感器采集温度数据，了解长晶炉内各处的温度情况。
可选地，环境监测设备包括：激光位移传感器。环境信息为激光位移传感器在各窗口采集的单晶硅棒的振动信息。
进一步地，图6为本申请又一实施例提供的长晶炉内监测方法流程示意图，如图6所示，S106包括：
S106-2、按照三维图像上的各坐标点与振动信息的映射关系，存放各坐标点对应的振动信息。
当单晶硅棒结晶不均匀，例如，单晶硅棒的一侧结晶速度快，另一侧结晶速度慢，则在拉晶时会导致单晶硅棒发生横向振动。在坐标点上检测到振动信息为横向振动，说明结晶不均匀，造成单晶硅棒晶格缺陷。通过三维图像上各坐标点可以查看各坐标点的振动信息，当发生横向振动时，及时暂停结晶或者调整长晶炉内的拉晶线。
可选地，在同一个坐标点上可以同时存放该坐标点对应的温度数据和振动信息，实现双项建模。当环境监测设备还包括除温度传感器和激光位移传感器外的其他设备时，可以实现多项建模，实现对多个物理量的同时监测。
进一步地，环境信息包括：液位信息。该方法还包括：
根据激光位移传感器，获取各个窗口的液位信息。液位信息为坩埚内熔融多晶硅液位信息。
可选地，由于长晶炉内的较高温度产生的光会对激光位移传感器的测量造成干扰，难以确认液位的实际位置。因此，可以采用影像设备对激光位移传感器采集的液位信息进行矫正。具体为，通过影像设备采集液位与单晶硅棒结晶处的照片，确定液位的边界位置，选择激光位移传感器中测量到该边界位置的信息为液位信息。
可选地，当液位信息中的液位数据低于预设值时，可以通过文字或语音等提示方式，提示操作人员本次结晶结束。
本实施例提供的长晶炉内监测方法，可以通过监测三维模型各坐标点的结晶信息，例如温度数据或振动信息，实现对长晶炉内长晶环境的监控，如果检测的结晶环境不利于单晶硅棒的生长，则需要调整结晶环境，或者重新结晶。通过对长晶炉内结晶环境的监测，确保了单晶硅棒的品质。

Claims (9)

1.一种长晶炉内监测方法，单晶硅棒和拉晶线固定设置，熔融多晶硅置于坩埚内，其特征在于，长晶炉包括多个窗口；影像设备、尺寸测量设备、位移采集设备和环境监测设备集成在检测单元内；所述检测单元设置在轨道上；所述轨道固定设置在所述长晶炉的外壁上；所述检测单元通过所述轨道在各窗口之间移动；包括：
接收所述影像设备在所述各窗口采集的炉内图像数据；所述炉内图像数据包括：第一图像数据、第二图像数据和第三图像数据；所述第一图像数据为单晶硅棒的图像数据；所述第二图像数据为熔融多晶硅的图像数据；所述第三图像数据为所述坩埚的图像数据；
接收所述尺寸测量设备在所述各窗口采集的尺寸数据；所述尺寸数据包括：单晶硅棒的直径数据、长晶炉的直径数据和长晶炉的高度数据；
接收所述位移采集设备采集的所述拉晶线的位移数据；
接收所述环境监测设备在所述各窗口采集的环境信息；
根据所述第一图像数据、所述单晶硅棒的直径数据和所述位移数据生成所述单晶硅棒的三维图像；
按照所述三维图像上的各坐标点与所述环境信息的映射关系，存放所述各坐标点对应的所述环境信息。
2.如权利要求1所述的长晶炉内监测方法，其特征在于，所述环境监测设备包括：温度传感器；所述环境信息为所述温度传感器在所述各窗口采集的温度数据。
3.如权利要求2所述的长晶炉内监测方法，其特征在于，所述按照所述三维图像上的各坐标点与所述环境信息的映射关系，存放所述各坐标点对应的所述环境信息，包括：
按照所述三维图像上的所述各坐标点与所述温度数据的映射关系，存放所述各坐标点对应的所述温度数据。
4.如权利要求1所述的长晶炉内监测方法，其特征在于，所述环境监测设备包括：激光位移传感器；所述环境信息为所述激光位移传感器在所述各窗口采集的所述单晶硅棒的振动信息。
5.如权利要求4所述的长晶炉内监测方法，其特征在于，所述按照所述三维图像上的各坐标点与所述环境信息的映射关系，存放所述各坐标点对应的所述环境信息，包括：
按照所述三维图像上的所述各坐标点与所述振动信息的映射关系，存放所述各坐标点对应的所述振动信息。
6.如权利要求4所述的长晶炉内监测方法，其特征在于，所述环境信息包括：液位信息；还包括：
根据所述激光位移传感器，获取所述各窗口的所述液位信息；所述液位信息为坩埚内熔融多晶硅液位信息。
7.一种长晶炉，其特征在于，包括：炉体、轨道、检测单元、驱动装置、多个窗口和控制器；
所述轨道设置在所述炉体的外壁上；所述检测单元设置在所述轨道上，控制器控制所述驱动装置驱动所述检测单元在所述轨道上移动；所述检测单元通过所述多个窗口检测炉内的炉内信息，并将所述炉内信息发送至所述控制器；其中，所述炉内信息为所述炉体内的工作状况信息；
所述炉内信息包含：图像数据、直径数据、位移数据和环境信息；所述检测单元包括：影像设备、尺寸测量设备、位移采集设备和环境监测设备；
所述影像设备，用于在所述多个窗口采集炉内图像数据；
所述尺寸测量设备，用于在所述多个窗口采集的尺寸数据；所述尺寸数据包括：单晶硅棒的直径数据、长晶炉的直径数据和长晶炉的高度数据；
所述位移采集设备，用于获取拉晶线的所述位移数据；
所述环境监测设备，用于获取所述炉内的所述环境信息。
8.如权利要求7所述的长晶炉，其特征在于，所述环境信息包括：温度数据和/或振动信息；所述环境监测设备包括：温度传感器和/或激光位移传感器；
所述温度传感器，用于获取所述炉内的所述温度数据；
所述激光位移传感器，用于获取所述单晶硅棒的所述振动信息。
9.如权利要求7所述的长晶炉，其特征在于，还包括：坩埚；
所述坩埚设置在所述炉体内部。
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