TWI593836B - 熔湯液面位置的控制方法 - Google Patents

Description

熔湯液面位置的控制方法

本發明係與晶棒鑄造有關；特別是指一種熔湯液面位置的控制方法。

習用的長晶爐，包含有一坩堝與複數個加熱器，該坩堝供容裝待熔化之原料，該些加熱器設置於該坩堝周圍，用以對該坩堝加熱使該坩堝內的原料熔化成液態的熔湯。於鑄造晶棒時，係以晶種浸入熔湯，並往將晶種往上拉提而進行引晶，終而製成晶棒。然，在鑄造晶棒的過程中，坩堝內的熔湯將會隨著晶棒的長度增長而減少，亦即熔湯液面位置是持續的下降。

在熔湯液面下降後，液面所處之熱場將會改變而使液面的溫度發生變化，液面溫度變化將會導致晶棒由上到下的品質不一。特別是晶棒的身部，若身部由上到下品質不一時，將使得同一晶棒所切割而得晶圓品質相差太多。因此，必須在鑄造晶棒的過程同時控制坩堝的高度，儘量使熔湯液面維持在穩定的位置。

已知監測熔湯液面之位置的方式，包含有以人員目視、雷射光測距、量測晶棒半徑或直徑來反推液面位置的變化，然而，前述之方式的精確度不足，無法準確地得知液面位置，因此，僅能大概地控制熔湯之液面的位置。

有鑑於此，本發明之目的在於提供一種熔湯液面位置的控制方法，可準確地控制熔湯液面之位置。

緣以達成上述目的，本發明提供的一種熔湯液面位置的控制方法，係應用於一長晶爐，該長晶爐包括一坩堝以及一遮熱罩位於該坩堝上方，該坩堝供容置熔湯，該遮熱罩具有一開口對應該坩堝內部；該控制方法包含下列步驟：A、提供一攝影模組，該攝影模組係自該遮熱罩之該開口斜上方擷取該坩堝中熔湯之液面的影像；B、取得該攝影模組所擷取的影像，並依據所取得的影像，判斷該影像中所包含的至少一陰影區域之面積；C、依據該陰影區域之面積控制該坩堝於垂直方向上的位置，使熔湯之液面與該遮熱罩之底面之間維持於一預定距離。

本發明另提供一種熔湯液面位置的控制方法，包含下列步驟：A、提供一攝影模組，該攝影模組係自該遮熱罩之該開口斜上方擷取該坩堝中熔湯之液面的影像；B、於鑄造該晶棒之身部的過程中，持續取得該攝影模組所擷取的影像，並依據所取得的影像，對應該影像中所包含的至少一陰影區域之面積；C、依據該影像中該陰影區域之面積控制該坩堝於垂直方向上的位置，使該陰影區域之面積維持於一預定面積。

本發明之效果在於，藉由判斷影像中陰影區域的面積，可精確地判斷坩堝中熔湯液面的位置，據以精確地控制坩堝移動，讓液面處於穩定的熱場。

〔本發明〕

100‧‧‧長晶爐

10‧‧‧爐體

102‧‧‧觀測口

20‧‧‧坩堝

30‧‧‧加熱器

40‧‧‧遮熱罩

42‧‧‧通道

44‧‧‧底面

442‧‧‧開口

50‧‧‧第一驅動裝置

52‧‧‧第二驅動裝置

54‧‧‧支撐座

60‧‧‧熔湯

602‧‧‧液面

70‧‧‧拉晶桿

72‧‧‧晶種

74‧‧‧晶棒

80‧‧‧攝影模組

82‧‧‧控制裝置

L1、L2‧‧‧距離

S1、S2、S3‧‧‧陰影區域

圖1為本發明第一較佳實施例之熔湯液面位置的控制方法所應用的長晶爐。

圖2為本發明第一較佳實施例熔湯液面位置的控制方法之流程圖。

圖3、圖4為示意圖，揭示液面與遮熱罩底面之間的距離與影像中陰影區域之關係。

圖5為鑄造晶棒身部過程中，攝影模組擷取之局部影像。

圖6為本發明第二較佳實施例熔湯液面位置的控制方法之流程圖。

為能更清楚地說明本發明，茲舉一較佳實施例並配合圖式詳細說明如後。請參圖1所示，為本發明第一較佳實施例之熔湯液面位置的控制方法所應用的長晶爐100，該長晶爐100包含有一爐體10、一坩堝20、複數個加熱器30、一遮熱罩40、一第一驅動裝置50、一第二驅動裝置52。

該爐體10之右上半部具有一觀測口102連通該爐體10內部。該坩堝20設置於該爐體10內的一支撐座54上，該坩堝20供放置待熔化之原料(例如，固態的矽原料)。該些加熱器30設置於該坩堝20外圍，用以加熱該坩堝20，使該坩堝20內部之原料熔化成熔湯60。該遮熱罩40設置於該坩堝20上方，用以防止部分熱能由熔湯60的液面602逸散，該遮熱罩40具有一通道42，該通道42係呈上寬下窄的錐狀，且該通道42於該遮熱罩40的底面44形有一圓形的開口442對應該坩堝20內部。該第一驅動裝置50設置於該爐體10上方，該第一驅動裝置50用以帶動一拉晶桿 70轉動及上下移動，該拉晶桿70的底端設置有一晶種72，該拉晶桿70係自該遮熱罩40的通道42伸入該坩堝20中，使該晶種72接觸熔湯60以供引晶形成晶棒74。該第二驅動裝置52用以帶動該支撐座54上、下移動，進而帶動該坩堝20於垂直方向上位移。

藉由上述之長晶爐100，即可進行圖2所示之下列步驟：首先，提供一攝影模組80與一控制裝置82，將該攝影模組80裝設於該爐體10上且位於對應該觀測口102處，使該攝影模組80由右上往左下的方向傾斜地拍攝下方之影像。該攝影模組80的視角涵蓋該遮熱罩40之通道42的下半部，以及位於該通道42下方的熔湯60之液面602。換言之，該攝影模組80自該遮熱罩40之該開口442斜上方擷取該坩堝20中熔湯60之液面602的影像。該遮熱罩40的底面44將反映在熔湯60的液面602，而形成陰影。該控制裝置82電性連接該攝影模組80及該第二驅動裝置52，用以接收該攝影模組80所擷取之影像，並做後處續的分析及運算，以及令該第二驅動裝置52驅動該坩堝20移動。

請配合圖3與圖4所示，說明熔湯60液面602至該遮熱罩40底面44之距離與該攝影模組80所擷取之影像的關係，為便於理解，圖3與圖4中係以晶種72浸入熔湯60之前的階段說明，因此，圖中無晶棒74存在。由於該攝影模組80係由右上往左下的方向拍攝，且圖3中的遮熱罩40底面44與液面602之間的距離L1較近，該遮熱罩40的底面44反映在熔湯60液面602的陰影被該遮熱罩40遮住的部分較多，因此，圖3中影像中液面602上的陰影區域S1較小。反觀圖4，該遮熱罩40底面44與液面之間的距離L2較遠，該遮熱罩40的底面44反映在液面602的陰影被該遮熱罩40遮住的部分較多，因此，圖4的影像中液面602上的陰影區域S2較大。基於前述之原理，即可由該攝影模組80所擷取之影像分析陰 影區域的面積，而對應熔湯60之液面602至該遮熱罩40底面44之間的距離。

請配合圖5所示，說明在鑄造晶棒74身部的過程中，該攝影模組80所擷取的影像，影像中包含了該遮熱罩40之通道42的下半部、晶棒74的身部、熔湯60之液面602以及該遮熱罩40之底面44反映在液面602的陰影區域S3。在圖5之影像中，位於中間的陰影區域被晶棒的身部所遮擋，因此，在影像中具有二個陰影區域S3。本實施例後續的步驟中即是在鑄造晶棒74身部的過程進行。

在鑄造晶棒74身部的過程中，先設定複數個不同的參考位置，再透過該第二驅動裝置52驅動該坩堝20往上或往下移動使熔湯60之液面602分別移動至各該參考位置，並記錄液面602於各該參考位置時，熔湯60之液面602與該遮熱罩40底面44之間的距離以及該攝影模組80所擷取的影像中該二陰影區域S3的面積，以形成複數個不同的參考距離與複數個不同的參考面積，其中該些參考距離係熔湯60之液面602分別於該些參考位置時，熔湯60之液面602與該遮熱罩40之底面44之間的距離，該些參考面積係熔湯60之液面602分別於該些參考位置時，該遮熱罩40投影於熔湯60之液面602所形成的陰影區域之面積。本實施例中，陰影區域S3之面積是以計算影像中陰影區域S3的像素之數量而得。

請參下表一，為在二個參考位置時坩堝位置與陰影區域像素數量的對照表，其中，坩堝位置係液面602高度分別於參考位置一與參考位置二時，該支撐座54上光學尺(圖未示)所量得的數據，亦即，坩堝位置是對應液面602的高度。由於參考位置二高於參考位置一，經由坩堝位置的差異及陰影區域像素數量的差異計算後，可知陰影區域S3面積每增加或減少一個像素，則對應坩堝20距離0.6292μm的變化。換言之， 熔湯60之液面602與遮熱罩40底面44之間的距離每增加0.6292μm，影像中陰影區域S3像素的數量便會增加1個，反之亦然。藉此，在鑄造晶棒74身部的階段中，藉由影像中陰影區域S3像素變化即可精確得知熔湯60液面602位置的變化，其解析度可達到0.6292μm/pixel。

由於該些參考距離與該些參考面積是呈正比關係，因此，再以該些參考距離與該些參考面積進行線性回歸運算即可建立一運算式，其中該運算式為：Gap=α×Area+β

其中，Gap為熔湯之液面602與該遮熱罩40之底面之間的距離，Area為該遮熱罩40投影於該液面602所形成的陰影區域之面積，α為比例值，β為常數。

將該運算式建立於該控制裝置82中，以構成一對應關係，該運算式係供後續計算熔湯60之液面602與該遮熱罩40底面44之間的距離。

而後，在長晶爐100每一次鑄造晶棒74身部的階段時，即可進行以下步驟： 由該控制裝置82持續取得該攝影模組80所擷取的影像，並分析所取得的影像，以判斷該影像中所包含的至少一陰影區域S3之面積，本實施例中該控制裝置82係依據該影像中該二陰影區域S3的像素的數量對應該晶棒74身部兩側的該二陰影區域S3的面積。

該控制裝置82依據該二陰影區域S3之面積令該第二驅動裝置52控制該坩堝20於垂直方向上的位置，使熔湯60之液面602與該遮熱罩40之底面44之間維持於一預定距離。本實施例中，係依據該影像中的陰影區域S3之面積代入該運算式，令該運算式中的Area為所取得的陰影區域S3之面積(即陰影區域S3的像素數量)，並進行計算，而取得熔湯60液面602與該遮熱罩40之底面44之間的距離。而後，該控制裝置82再依據計算的距離令該第二驅動裝置52改變該坩堝20於垂直方向上的位置，使熔湯60之液面602與該遮熱罩40之底面44之間維持於該預定距離。

藉由上述之步驟，每次於鑄造晶棒74身部時，該控制裝置82即可持續地取得影像，由影像中的陰影區域面積計算熔湯60之液面602與該遮熱罩40之底面44之間的距離，據以控制該坩堝20，使熔湯60之液面602與該遮熱罩40之底面44之間維持於該預定距離，讓液面602處於穩定的熱場中，藉此，使晶棒74身部的品質由上到下維持一定。

前述中係以運算式計算距離，在實務上，亦可將該些參考距離與該些參考面積建立成一對應表儲存於該控制裝置82中，以構成一對應關係。而後，該控制裝置82依據陰影區域S3之面積與該對應表進行比對，以取得熔湯60液面602與該遮熱罩40之底面44之間的距離。

上述實施例是依據陰影區域S3之面積對應液面602與遮熱罩40底面44之間的距離而控制坩堝20移動，以下再說明本發明第二較佳實施例之熔湯液面位置的控制方法，同樣可以持維液面602的位置。

請配合圖6所示，本實施例之控制方法具有大致相同於第一實施例之步驟，不同的是，本實施例中未建立對應關係，而是於鑄造晶棒74之身部的過程中，由該控制裝置82持續取得該攝影模組80所擷取的影像(同圖5之影像)，並依據所取得的影像，對應該影像所包含的至少一陰影區域S3之面積，本實施例為該二陰影區域S3之面積。

該控制裝置82再依據該二陰影區域S3之面積令該第二驅動裝置52控制該坩堝20於垂直方向上的位置，使該二陰影區域S3之面積的總合維持於一預定面積，其中，在該二陰影區域S3之面積的總合大於該預定面積時，控制該坩堝20往上移動使該二陰影區域S3之面積減少，以維持於該預定面積；在該二陰影區域S3之面積的總合小於該預定面積時，控制該坩堝20往下移動使該二陰影區域S3之面積增加，以維持於該預定面積。換言之，陰影區域S3之面積維持於該預定面積，即代表熔湯60之液面602與遮熱罩40底面44之間的距離維持一定，使液面處於穩定的熱場中。所判斷之液面位置的最小變化量同樣可以達到0.6292μm。

據上所述，本發明熔湯液面位置的控制方法藉由監測影像中的陰影區積之面積，可精確地判斷坩堝中熔湯液面的位置，據以精確地控制坩堝移動，讓鑄造晶棒身部的過程中，液面處於穩定的熱場，以使晶棒身部的品質由上到下維持一定。

以上所述僅為本發明較佳可行實施例而已，舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為之等效變化，理應包含在本發明之專利範圍內。

Claims (10)

1. 一種熔湯液面位置的控制方法，係應用於一長晶爐，該長晶爐包括一坩堝以及一遮熱罩位於該坩堝上方，該坩堝供容置熔湯，該遮熱罩具有一開口對應該坩堝內部；該控制方法包含下列步驟：A、提供一攝影模組，該攝影模組係自該遮熱罩之該開口斜上方擷取該坩堝中熔湯之液面的影像，且影像中包含有該遮熱罩投影於熔湯之液面所形成的至少一陰影區域；B、取得該攝影模組所擷取的影像，並依據所取得的影像，判斷該影像中所包含的該陰影區域之面積，其中該陰影區域之面積係對應熔湯之液面與該遮熱罩之底面之間的距離；C、依據該陰影區域之面積控制該坩堝於垂直方向上的位置，使熔湯之液面與該遮熱罩之底面之間維持於一預定距離。
2. 如請求項1所述之熔湯液面位置的控制方法，其中步驟C係依據該陰影區域的面積對應該遮熱罩之底面與熔湯液面之間的一距離，再依據該距離控制該坩堝於垂直方向上的位置，使熔湯之液面與該遮熱罩之底面之間維持於該預定距離。
3. 如請求項2所述之熔湯液面位置的控制方法，其中步驟B之前更包含建立複數個不同的參考距離與複數個不同的參考面積的一對應關係，其中該些參考距離係熔湯之液面分別於不同的參考位置時，熔湯之液面與該遮熱罩之底面之間的距離，且該些參考面積係熔湯之液面分別於該些參考位置時，該遮熱罩投影於熔湯之液面所形成的陰影區域之面積；步驟C中係依據該陰影區域之面積與該對應關係，取得熔湯液面與該遮熱罩之底面之間的該距離。
4. 如請求項3所述之熔湯液面位置的控制方法，其中步驟B之前包含以該些參考距離與該些參考面積進行線性回歸運算，以建立一運算式，該運算式構成該對應關係，其中該運算式為：Gap=α×Area+β，其中，Gap為熔湯之液面與該遮熱罩之底面之間的距離，Area為該遮熱罩投影於該液面所形成的陰影區域之面積，α為比例值，β為常數；步驟C中係令該運算式中的Area為該影像中該陰影區域之面積以計算該距離。
5. 如請求項3所述之熔湯液面位置的控制方法，其中步驟B之前係將該些參考距離與該些參考面積建立成一對應表，該對應表構成該對應關係；步驟C中係將該影像中該陰影區域之面積與該對應表進行比對，以取得該距離。
6. 如請求項1所述之熔湯液面位置的控制方法，其中步驟B中係依據該影像中該陰影區域的像素的數量對應該陰影區域的面積。
7. 一種熔湯液面位置的控制方法，係應用於一長晶爐，該長晶爐包括一坩堝以及一遮熱罩位於該坩堝上方，該坩堝供容置熔湯，該遮熱罩具有一開口對應該坩堝內部，該坩堝中的熔湯用以供鑄造一晶棒；該控制方法包含下列步驟：A、提供一攝影模組，該攝影模組係自該遮熱罩之該開口斜上方擷取該坩堝中熔湯之液面的影像，且影像中包含有該遮熱罩投影於熔湯之液面所形成的至少一陰影區域；B、於鑄造該晶棒之身部的過程中，持續取得該攝影模組所擷取的影像，並依據所取得的影像，對應該影像中所包含的該陰影區域之面積， 其中該陰影區域之面積係對應熔湯之液面與該遮熱罩之底面之間的距離；C、依據該影像中該陰影區域之面積控制該坩堝於垂直方向上的位置，使該陰影區域之面積維持於一預定面積。
8. 如請求項7所述之熔湯液面位置的控制方法，其中步驟B中係依據該影像中該陰影區域的像素的數量對應該陰影區域的面積。
9. 如請求項7所述之熔湯液面位置的控制方法，其中步驟C中係將該影像中該陰影區域之面積與該預定面積比對，在該陰影區域之面積大於該預定面積時，控制該坩堝往上移動使該陰影區域之面積減少，以維持於該預定面積。
10. 如請求項7所述之熔湯液面位置的控制方法，其中步驟C中係將該影像中該陰影區域之面積與該預定面積比對，在該陰影區域之面積小於該預定面積時，控制該坩堝往下移動使該陰影區域之面積增加，以維持於該預定面積。