直拉硅单晶生长过程可视化系统构建方法

本发明属于半导体行业直拉硅单晶生长，具体涉及一种直拉硅单晶生长过程可视化系统构建方法。

背景技术：

1、硅单晶是制备集成电路芯片的主要原材料。高品质、低纳米制程、高良品率的硅单晶生产技术是决定一个国家集成电路产业水平的首要衡量指标，也是制约我国集成电路产业发展的首道障碍。硅单晶材料是生长设备和生产工艺完美结合的产物。但是，高端的硅单晶生产设备和生长工艺均被国外少数公司垄断，且不断制裁和打压我国民族集成电路工业的发展。我国硅材料生产依旧面临着生长设备价格昂贵、生长工艺难摸索、实验成本高昂、回报率低等显著问题。目前，市场上没有一套成熟的可视化工业仿真系统为硅单晶生产厂商解决上述问题并辅助生产。这也成为我国硅材料产业发展缓慢的一项客观因素。因此研发硅单晶生长过程虚拟可视化仿真系统对全产业界十分必要。工业仿真就是对实体工业的一种虚拟，是将实体工业中的各个模块转化并整合到一个虚拟的体系中。伴随着工业的发展，我国工业仿真软件也经历了长足的发展。传统的工业仿真软件如组态王、mcgs、wincc、力控等，虽然提供了丰富的图形库和功能模块，可根据工业需求进行界面设计，但存在实时性和可拓展性差等缺点。随着工业物联网快速发展，基于unity3d和webgl等新生代3d虚拟仿真技术应运而生。它们具有更高的逼真度、更低的开发时间，更全面的数据和可视化结果，在数字化工业时代占据了不可撼动的地位。但现有一些基于webgl开发的系统五花八门，缺乏统一规范；同时其主要面向地理信息建模、游戏等常见领域开发，缺乏针对特定领域内的系统开发。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种直拉硅单晶生长过程可视化系统构建方法，解决了现有技术中存在的硅单晶生长实验、运维成本高、硅单晶生长工艺过程可视化程度低的问题。

2、本发明所采用的技术方案是，直拉硅单晶生长过程可视化系统构建方法，直拉硅单晶生长过程可视化系统由可视化层、业务层、数据层组成，可视化层包含系统二维浏览器界面设计和三维虚拟场景搭建，三维虚拟场景搭建分为硅单晶生长设备建模、模型渲染、虚拟场景初始化；数据层分为三部分：数据采集、数据分析、数据存储；业务层包括后台管理、数据交互、作业可视化、设备健康管理四个部分。

3、本发明的特点还在于，

4、三维虚拟场景搭建包括硅单晶生长相关设备建模和虚拟场景初始化，三维建模要求按照1:1的比例完成硅单晶生长设备、场景模型的构建。浏览器页面是该层级三维可视化功能模块渲染的载体，同时也是系统的集成页面，旨在以直观、实时的方式完成硅单晶生长虚拟仿真系统的功能展示。

5、构建虚拟场景的基础是进行设备三维建模，根据物理厂区的实际建筑结构1:1进行3d模型构建，实现真实性优和沉浸感强的虚拟场景，系统3d模型通过blender绘制，对实际硅单晶生长环境进行全方位参考，首先对直拉硅单晶生长虚拟厂区进行三维建模，虚拟厂区分为上下两层，上层中央处镂空，再将生产所需的各种设备划分为核心设备和辅助设备，并对这些设备进行三维建模，核心设备即单晶炉，是用于制备硅单晶的主设备，单晶炉从顶部到底部依次为籽晶升降及旋转机构、副炉室、炉盖及隔离阀室、主炉室，主副炉室提升与支撑机构位于左侧与主副炉室相连接，其余作为单晶炉的辅助设备，包括交换机、除尘罐、控制台、电控柜、水凝器、真空泵，交换机通过管线与单晶炉底部左侧专用接口处，保证炉内达到符合工艺要求的真空度；真空泵与除尘罐连接后通过两条管道连接至单晶炉底部右侧专用管道处；水凝器通道多条输水管道连接至单晶炉底部三分之一接口处，控制台位于虚拟场景一层镂空区域左侧角，实现对系统的功能操控。

6、建模步骤如下：

7、步骤1、根据实际设备尺寸数据，新建设备几何体模型；

8、步骤2、渲染设备模型灯光，设置材质纹理贴图；

9、步骤3、将单晶炉各部分设备部件模型导出stl或者gltf或者obj的3d格式文件，其中，籽晶升降及旋转机构、副炉室、主炉室导出obj格式文件；炉盖及隔离阀室导出stl文件；主副炉室提升与支撑机构导出gltf格式文件。

10、设备模型构建好后，需要将模型按照实际物理机房的布局进行排列，采用场景树作为模型管理的方法，场景树包含根节点、枝节点和叶节点；

11、根节点为系统虚拟厂区，枝节点由厂区环境、资产设备和水电气三部分组成，枝节点上挂载各个叶节点，其中厂区环境包含地板、窗户、围墙；资产设备包含核心设备单晶炉和辅助设备；

12、设备三维模型构建好以后，使用three.js三维引擎将不同3d格式的三维模型添加到canvas画布上进行场景搭建，并将虚拟场景渲染至浏览器上，呈现机设备模型可视化界面。

13、业务层中后台管理模块为独立的模块，数据交互贯穿整个业务层，作业可视化作为数据显示和设备健康管理模块的载体，与数据交互和设备健康管理模块相融合，其中，后台管理模块部分包括用户管理和系统功能，用户管理分为普通用户和管理者，在显示用户信息的同时对用户进行系统功能的权限管理，普通用户仅可进行场景预览及包含缩放、平移、旋转在内的人机交互操作，管理者除以上权限外还可进行硅单晶生长模拟作业和工艺参数监控；数据交互模块分为数据读取和数据显示，读取和显示的数据均为直拉硅单晶生长各工艺流程中的实时工艺数据，作业可视化是业务层的核心部分，包括硅单晶生长阶段引晶、放肩、转肩、等径、收尾的工艺流程可视化、设备运行过程中实时数据的可视化及第一人称漫游操作；设备健康管理包含状态监控、故障报警、设备运维三部分，以视频流的形式对硅单晶生长厂区进行远程监控，及时发现水温、厂区温度和设备电压电流异常的故障并报警通知工作人员进行处理。

14、数据交互模块实现用户与三维场景的基础交互功能，通过配置orbitcontrols实现场景缩放、旋转和移动功能，即通过改变场景中摄影机位置、方向以及控制不同角度的旋转，从而实现显示器中对场景不同区域的显示，场景漫游通过firstpersoncontrols实现，通过键盘控制、asdw键控制视角移动、方向键旋转。

15、状态监控模块对直拉硅单晶生长过程中的设备实时运行状态进行监控，分状态看板、视频监控、移动端三种方式。状态看板通过echarts以图表的形式在虚拟场景中实时显示硅单晶生长过程的相关工艺参数即晶体直径、进/出水口冷却水温度、主加热器功率、晶转、晶升、氩气流量化料时间、放肩时间、稳定时间、收尾时间；视频监控部分引入flv.js以直观的视频流形式对物理厂区进行监控，并将监控视频流集成至浏览器界面，移动端管理员在手机端登录ip，进行远程实时监控，监控设备运行状况和当前工艺流程及运行时间。

16、故障报警由页面弹窗和音频信息两种途径实现，页面弹窗根据实时工艺过程中的异常数据进行渲染，显示故障部位、故障数据以及故障类型，常见故障包括进输水管路漏水、厂区温度湿度异常、设备电压电流异常、氩气流量异常，从而提醒工作人员及时处理，用户进行报警查询后，根据实际情况选择是否进行三维场景提示，如需提示，以页面弹窗和音频播报完成；如不需要，则添加报警记录并存入数据库。

17、数据层的功能是管理和提供系统中的数据，为业务层和可视化层提供数据支持，并保证数据的安全和可靠性，数据层包括数据采集、数据分析和数据存储三个部分；

18、数据采集通过plc连接硅单晶生长物理设备及各类传感器采集相关工艺数据，根据tcp/ip通讯协议以数据流的方式通过wincc上传至云端服务器；

19、数据分析选用无监督的som人工神经网络算法，通过将上传至云端服务器的输入数据映射到低维的拓扑结构上，实现数据的可视化和聚类分析，系统选用关系型数据库mysql存储和管理系统数据；

20、数据显示通过数据获取和前端页面渲染两步实现，数据获取通过node-red完成，在node-red中部署ui builder模块，设置访问数据库账号、密码、数据库名称在内的参数，即可访问数据库读取数据，将读取到的数据以echarts方式渲染至前端系统ui集成界面，基于以上内容最后完成直拉硅单晶生长虚拟系统ui界面的集成。

21、本发明的有益效果是，直拉硅单晶生长过程可视化系统构建方法，对直拉硅单晶生长物理生产具有一定指导意义。系统对硅单晶生长过程进行实时状态监控，可以提高决策、避免出现重大故障或安全事故。设计实现的直拉硅单晶生长三维可视化系统可以模拟直拉硅单晶生长全工艺过程，有利于降低硅单晶生长实验成本，在优化生长工艺、提高晶体品质良率方面具有一定的指导意义。本发明设计的系统将webgl技术应用于硅单晶生长领域，具有可视化程度高、交互能力强等特点。对于设计和开发复杂工业对象的数字仿真系统具有一定的推广和借鉴。