[发明专利]一种直拉硅单晶炉的硅熔体液面相对位置的测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种直拉硅单晶炉的硅熔体液面相对位置的测量方法。

背景技术

制造硅单晶主要采用直拉法（Czochralski法），在硅单晶的生长过程中需要将硅单晶的直径自动控制在目标范围内。为了稳定的控制硅单晶的直径和品质，在硅单晶的生长过程中硅熔体的液面在炉体内的相对高度必须保持不变。通常的做法是设置一个坩埚上升速度与硅单晶提拉速度的比率,这个比率叫埚比,埚比使由于硅单晶生长导致的熔体表面位置下降被坩埚位置上升弥补。埚比的作用是基于坩埚无变形、外形一致性很好、硅单晶的直径恒定的假设，实际上硅单晶生长过程中坩埚高温下会变形，硅单晶的直径也是在一定的范围内波动的，导致使用埚比稳定硅单晶生长过程中的硅熔体液面位置时存在精度差的问题，且往往需要人工调整干预。

发明内容

本发明是为了克服现有技术的不足，提供一种直拉硅单晶炉的硅熔体液面相对位置的测量方法。

直拉硅单晶炉的硅熔体液面相对位置的测量方法包括步骤如下:

 (1)安装在硅单晶炉的炉盖上的观察窗口的激光源发射激光,激光光斑直径0.1-1mm, 激光经硅熔体表面反射后被安装在硅单晶炉的炉盖另一侧观察窗口的CCD摄像头获取,信号经过模拟数字转换后传送到计算机系统;

(2)  硅熔体表面的多方向随机振动,使CCD摄像头在设定的5-20秒的取样周期内获取到圆形或接近圆形的激光图像,激光图像的直径为激光光斑直径的5-10倍,计算机系统中的sobe1算子提取激光图像的边沿,得到激光图像边沿的像素坐标图;

(3)  计算机系统通过正圆拟合将激光图像边沿的像素坐标图拟合成正圆，提取圆心A的坐标（x,y）;

(4)  将初始取样周期内激光图像边沿像素坐标正圆拟合图的圆心A₀（x₀,y₀）设为基准，其它取样周期内提取的激光图像边沿像素坐标正圆拟合图的圆心为A（x,y），△=y-y₀就是该取样周期坩埚内硅熔体表面相对于初始取样周期硅熔体表面位置的高度差，△>0硅熔体表面处于初始取样周期硅熔体表面位置的上方，△<0硅熔体表面处于初始取样周期硅熔体表面位置的下方。

所述的激光光源、CCD 摄像头、激光光源发射和硅熔体反射的激光位于同一个平面内，该平面与炉体中轴线平行，激光光源发射和硅熔体反射的激光与炉体中轴线在该平面的投影的夹角α为15-45°，激光光源在硅熔体表面的入射点位于硅单晶和保温罩下口之间间隙的中部。

本发明提供了一种精确的实时测量和控制硅单晶生长过程中石英坩埚内硅熔体液面位置相对变化的简单有效的方法，硅熔体液面的位置变化对应于激光图像在CCD像素矩阵中位置的变化。

附图说明

图1 是直拉硅单晶炉的硅熔体液面相对位置的测量装置结构示意图;

图2 是直拉硅单晶炉的硅熔体液面相对位置的测量方法原理图;

图3是在一个采样周期内CCD 摄像头获取的激光图像;

图4是在不同液面位置CCD摄像头获取的激光图像的位置关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图,描述本发明的具体实施方式。

直拉硅单晶炉的硅熔体液面相对位置的测量方法包括步骤如下:

 (1)安装在硅单晶炉的炉盖12上的观察窗口的激光源2发射激光,激光光斑直径0.1-1mm, 激光经硅熔体11表面反射后被安装在硅单晶炉的炉盖12另一侧观察窗口的CCD摄像头13获取,信号经过模拟数字转换后传送到计算机系统;

(2)  硅熔体表面的多方向随机振动,使CCD摄像头13在设定的5-20秒的取样周期内获取到圆形或接近圆形的激光图像,激光图像的直径为激光光斑直径的5-10倍,计算机系统中的sobe1算子提取激光图像的边沿,得到激光图像边沿的像素坐标图;

(3)  计算机系统通过正圆拟合将激光图像边沿的像素坐标图拟合成正圆，提取圆心A的坐标（x,y）;