专利名称：单晶炉非接触式硅料液面位置测量方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及单晶制造技术领域，特别涉及单晶炉非接触式硅料液面位置测量方法及装置。
背景技术：
直拉单晶制造是把原料多硅晶块放入石英坩埚中，在高温负压的环境中加热融化形成液态硅料，使用籽晶插入液态硅料液面完成引晶、放肩、等径生长，最终生产出单晶硅棒。如附图1所示的在单晶炉里生长的单晶硅棒，在该生产过程中，需要液态多晶硅料的液面位置始终位于加热器的加热理想区不变，这样才能保证固体单晶硅棒与液态多晶硅料的固液交界面有合适的生长温度和单晶生长时液面的稳定。图1中，单晶硅棒的生长拉速Vj远远大于或小于液态多晶硅料液面的升速Vg时，都会发生液面离开加热理想区域的情况， 因此，保证Vj和Vg相互匹配，才能使液态多晶硅料的液面位置始终位于加热器的加热理想区。通常将 ' 与Vg的比值称为埚跟比，只有保证了埚跟比，才能保证液态多晶硅料的液面位置始终位于加热器的加热理想区。目前没有任何直接检测液面位置的方法和技术，只能靠人工目测或者采用称重的方法间接估算。如果工人目测到液面上升过快或过慢，则去调整埚跟比参数，以此来保证液态多晶硅料的液面位置始终位于加热器的加热理想区。而称重间接估算法则是称取已经生长成的单晶硅棒总量，然后估算坩埚内剩余液态硅料，根据坩埚容积形状估算判断液态硅料的位置，由于坩埚在高温环境中容易变形，因此在估算过程中容易发生估算误差加大的情况，导致液面位置测量效果很不好。在单晶生长过程中，由于速度误差坩埚变形等因素会造成埚跟比变化，如果不及时发现埚跟比变化，则会导致液面上升过快或者下降过快，如果液面上升过快未发现导致的结果就是液面淹没导流筒，导致事故；如果液面下降过快未发现导致的结果就是晶线断线，大大影响成晶率，而且液面一旦离开了理想加热区，温度无法保证也大大影响成晶率。
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是如何实时准确控制埚跟比。(二)技术方案为解决上述技术问题，本发明提供了一种单晶炉非接触式硅料液面位置测量装置，其特征是，该装置用于通过导流筒下口内侧在硅料液面上的投影在摄像头上的成像来控制埚跟比，该装置包括摄像头，用于采集导流筒下口内侧在硅料液面上投影的图像；和摄像头连接的计算机，用于测量图像上两个点之间的距离和计算图像采集点到硅料液面的距离；和计算机连接的PLC，用于对硅料液面的位置进行调整。
一种单晶炉非接触式硅料液面位置测量方法，其特征是，该方法包括以下步骤S1:通过摄像头采集埚跟比为设定值时导流筒下口内侧在硅料液面的投影图像；S2 :在所述投影图像上测量导流筒下口内侧直径在硅料液面上的投影距离；S3 :计算摄像头到硅料液面的距离；S4:实时采集导流筒下口内侧在硅料液面的投影图像，当实时采集的投影图像计算得到的摄像头到硅料液面的距离和埚跟比为设定值时摄像头到硅料液面的距离不同时，通过计算机控制PLC对硅料液面的位置进行调整，直至和设定的埚跟比相等为止。所述摄像头到硅料液面的距离的计算公式为L= (HXf) /h其中L为摄像头到硅料液面的距离；H为导流筒下口内侧直径值；
f为摄像头的焦距；h为导流筒下口内侧直径在硅料液面上的投影距离。所述步骤S4具体为S41 :摄像头采集导流筒下口内侧在硅料液面的投影图像；S42 :当根据步骤S41采集的投影图像计算的摄像头到硅料液面的距离和埚跟比为设定值时摄像头到硅料液面的距离的差在设定范围内时，返回步骤S41，否则进入步骤S43 ；S43:当所述的差为正值时，控制PLC增加坩埚的上升速度并降低单晶硅棒的生长拉速，返回步骤S41 ；当所述的差为负值时，控制PLC降低坩埚的上升速度并增加单晶硅棒的生长拉速，返回步骤S41。所述增加坩埚的上升速度为使得此刻坩埚的上升速度每小时增加4毫米。所述降低单晶硅棒的生长拉速为使得此刻单晶硅棒的生长拉速每小时降低6毫米。所述降低坩埚的上升速度为使得此刻坩埚的上升速度每小时降低4毫米。所述增加单晶硅棒的生长拉速为使得此刻单晶硅棒的生长拉速每小时增加6毫米。(三)有益效果本发明实时测量硅料液面位置，当发现硅料液面位置有变动就会给PLC发出信号，让PLC自动调整埚跟比，完全不用人工介入，大大减轻了工人的劳动强度。本发明能够直接准确测量在高温负压环境下液态多晶硅料的液面相对位置，减少现场单晶工人的劳动强度，为自动化的单晶炉提供低成本高可靠的液面检测方案。
图1是本发明的示意图；图2是计算投影图像的采集点到硅料液面的距离示意图；图3是埚跟比为设定值时投影图像的测量距离；
图4是硅料液面上升时投影图像的测量距离；图5是硅料液面下降时投影图像的测量距离。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。本发明通过导流筒下口内侧在硅料液面上的投影在摄像头上的成像来控制埚跟比，包括: 摄像头，用于采集导流筒下口内侧在硅料液面上投影的图像；和摄像头连接的计算机，用于测量图像上两个点之间的距离和计算图像采集点到硅料液面的距离；和计算机连接的PLC，用于对硅料液面的位置进行调整。本发明方法包括以下步骤S1:通过摄像头采集埚跟比为设定值时导流筒下口内侧在硅料液面的投影图像；S2 :在所述投影图像上测量导流筒下口内侧直径在硅料液面上的投影距离；S3 :计算摄像头到硅料液面的距离；S4:实时采集导流筒下口内侧在硅料液面的投影图像，当实时采集的投影图像计算得到的摄像头到硅料液面的距离和埚跟比为设定值时摄像头到硅料液面的距离不同时，通过计算机控制PLC对硅料液面的位置进行调整，直至和设定的埚跟比相等为止。S41 :摄像头采集导流筒下口内侧在硅料液面的投影图像；S42 :当根据步骤S41采集的投影图像计算的摄像头到硅料液面的距离和埚跟比为设定值时摄像头到硅料液面的距离的差在设定范围内时，返回步骤S41，否则进入步骤S43 ；S43:当所述的差为正值时，控制PLC增加坩埚的上升速度并降低单晶硅棒的生长拉速，返回步骤S41 ；当所述的差为负值时，控制PLC降低坩埚的上升速度并增加单晶硅棒的生长拉速，返回步骤S41。本发明是在炉体外的一点处安装高像素的相机，使相机能够直接拍摄到炉体内的导流筒下口和下口在液面上的倒影，相机镜头到位于理想加热区液面的距离为L，本发明的示意如图1所示，包括，单晶硅棒1、导流筒2、坩埚3、加热器4、摄像头5、计算机6和PLC7。因为相机成一定的角度(该角度根据单晶炉结构现场确定)从侧面采集图像，所以，导流筒2的下口内侧，以及下口内侧的倒影与液面最终在相机上所成的像便都是椭圆形，该成像的图像显示如图2。在摄像头5上成像的下口内侧的倒影上确定两个距离最远的点A和B (即导流筒2的下口内侧直径的两个端点的倒影点)，测量点A和B之间的距离，这两点之间的距离就是下口内侧直径的倒影值h。在安装导流筒时，使用卡尺实测得到导流筒2的下口内侧的直径值H，然后根据光学成像公式h/H=f/L，推导出摄像头到硅料液面的距离的计算公式为L= (HXf) /h (I)其中
L为摄像头到硅料液面的距离；H为导流筒下口内侧的直径值，在安装导流筒时便可使用卡尺实测得到，为一定值，如图2所示；f为摄像头的焦距，为定值；h为导流筒下口内侧直径在硅料液面上的投影距离，根据硅料液面的位置不同发生变化，为一变量；如图2所示。图3是计算投影图像的采集点到硅料液面的距离示意图。公式(I)说明了摄像头到硅料液面的距离L是一个与相机上的成像长度h成反比的固定比列函数关系，有了这个关系，我们只要检测成像长度h即可准确判定液面相对与镜头的实际位置。
根据以上的推理分析，我们只要确定在理想加热区的液面位置，即可判断在之后的单晶生长过程中硅料液面位置的实际变化情况，以此调整埚跟比。具体方法如下当溶料完成后，硅料液面正好位于理想加热区，在此时相机开始采集图像确定h，如图3，当引晶开始后，如果当埚跟比参数不合适，会产生两种情况1.液面上升此时导流筒倒影的成像就会变大，即导流筒下口内侧在硅料液面上投影的直径值h就会增大为h'，如图4。根据公式1_1，L就会变小，由此可知液面正在上升，计算机根据公式1-1计算出液面上升后的L'，根据之前的L，便可计算出液面的上升量Ax=L-L'为正值，将ΛΧ传送给PLC，PLC依据Λ X，使得单晶硅棒的生长拉速Vj每小时增加6毫米，使得坩埚的上升速度每小时降低4毫米，以降低硅料液面的升速vg，以此来保证合适的埚跟比，使液面始终位于理想加热区。2.液面下降此时导流筒倒影的成像就会变小，即导流筒下口内侧在硅料液面上投影的直径值h就会减小为h"，如图5。根据公式1_1，L就会变大，由此可知液面正在下降，计算机根据公式1-1计算出液面下降后的L'，根据之前的L，便可计算出液面的上升量Ax=L-L'为负值，将ΛΧ传送给PLC，PLC依据Λ X，使得单晶硅棒的生长拉速Vj每小时降低6毫米，使得坩埚的上升速度每小时增加4毫米，以增加硅料液面的升速vg，以此来保证合适的埚跟比，使液面始终位于理想加热区。以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
权利要求
1.一种单晶炉非接触式硅料液面位置测量装置，其特征是，该装置用于通过导流筒下口内侧在硅料液面上的投影在摄像头上的成像来控制埚跟比，该装置包括 摄像头，用于采集导流筒下口内侧在硅料液面上投影的图像； 和摄像头连接的计算机，用于测量图像上两个点之间的距离和计算图像采集点到硅料液面的距离； 和计算机连接的PLC，用于对硅料液面的位置进行调整。
2.一种利用权利要求1所述装置的单晶炉非接触式硅料液面位置测量方法，其特征是，该方法包括以下步骤 51:通过摄像头采集埚跟比为设定值时导流筒下口内侧在硅料液面的投影图像； 52:在所述投影图像上测量导流筒下口内侧直径在硅料液面上的投影距离； 53:计算摄像头到硅料液面的距离； 54:实时采集导流筒下口内侧在硅料液面的投影图像，当实时采集的投影图像计算得到的摄像头到硅料液面的距离和埚跟比为设定值时摄像头到硅料液面的距离不同时，通过计算机控制PLC对硅料液面的位置进行调整，直至和设定的埚跟比相等为止。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述摄像头到硅料液面的距离的计算公式为L= (HXf) /h 其中 L为摄像头到硅料液面的距离； H为导流筒下口内侧直径值； f为摄像头的焦距； h为导流筒下口内侧直径在硅料液面上的投影距离。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述步骤S4具体为 541:摄像头采集导流筒下口内侧在硅料液面的投影图像； 542:当根据步骤S41采集的投影图像计算的摄像头到硅料液面的距离和埚跟比为设定值时摄像头到硅料液面的距离的差在设定范围内时，返回步骤S41，否则进入步骤S43 ； S43:当所述的差为正值时，控制PLC增加坩埚的上升速度并降低单晶硅棒的生长拉速，返回步骤S41 ； 当所述的差为负值时，控制PLC降低坩埚的上升速度并增加单晶硅棒的生长拉速，返回步骤S41。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征是，所述增加坩埚的上升速度为使得此刻坩埚的上升速度每小时增加4毫米。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征是，所述降低单晶硅棒的生长拉速为使得此刻单晶硅棒的生长拉速每小时降低6毫米。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征是，所述降低坩埚的上升速度为使得此刻坩埚的上升速度每小时降低4毫米。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征是，所述增加单晶硅棒的生长拉速为使得此刻单晶硅棒的生长拉速每小时增加6毫米。
全文摘要
本发明公开了单晶制造技术领域中的单晶炉非接触式硅料液面位置测量方法及装置。本发明包括用于采集导流筒下口内侧在硅料液面上投影图像的摄像头、和摄像头连接的用于测量图像上两个点之间的距离和计算图像采集点到硅料液面的距离的计算机、用于对硅料液面的位置进行调整的PLC。本发明能够直接准确测量在高温负压环境下液态多晶硅料的液面相对位置，减少现场单晶工人的劳动强度，为自动化的单晶炉提供低成本高可靠的液面检测方案。
文档编号C30B29/06GK102995111SQ20121044120
公开日2013年3月27日 申请日期2012年11月7日 优先权日2012年11月7日
发明者陈世斌, 张燕玲, 陶智贵 申请人:北京七星华创电子股份有限公司