單晶爐非接觸式硅料液面位置測量方法及裝置制造方法及圖紙

本發明專利技術公開了單晶制造技術領域中的單晶爐非接觸式硅料液面位置測量方法及裝置。本發明專利技術包括用于采集導流筒下口內側在硅料液面上投影圖像的攝像頭、和攝像頭連接的用于測量圖像上兩個點之間的距離和計算圖像采集點到硅料液面的距離的計算機、用于對硅料液面的位置進行調整的PLC。本發明專利技術能夠直接準確測量在高溫負壓環境下液態多晶硅料的液面相對位置，減少現場單晶工人的勞動強度，為自動化的單晶爐提供低成本高可靠的液面檢測方案。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及單晶制造
，特別涉及單晶爐非接觸式硅料液面位置測量方法及裝置。
技術介紹
直拉單晶制造是把原料多硅晶塊放入石英坩堝中，在高溫負壓的環境中加熱融化形成液態硅料，使用籽晶插入液態硅料液面完成引晶、放肩、等徑生長，最終生產出單晶硅棒。如附圖1所示的在單晶爐里生長的單晶硅棒，在該生產過程中，需要液態多晶硅料的液面位置始終位于加熱器的加熱理想區不變，這樣才能保證固體單晶硅棒與液態多晶硅料的固液交界面有合適的生長溫度和單晶生長時液面的穩定。圖1中，單晶硅棒的生長拉速Vj遠遠大于或小于液態多晶硅料液面的升速Vg時，都會發生液面離開加熱理想區域的情況， 因此，保證Vj和Vg相互匹配，才能使液態多晶硅料的液面位置始終位于加熱器的加熱理想區。通常將 ' 與Vg的比值稱為堝跟比，只有保證了堝跟比，才能保證液態多晶硅料的液面位置始終位于加熱器的加熱理想區。目前沒有任何直接檢測液面位置的方法和技術，只能靠人工目測或者采用稱重的方法間接估算。如果工人目測到液面上升過快或過慢，則去調整堝跟比參數，以此來保證液態多晶硅料的液面位置始終位于加熱器的加熱理想區。而稱重間接估算法則是稱取已經生長成的單晶硅棒總量，然后估算坩堝內剩余液態硅料，根據坩堝容積形狀估算判斷液態硅料的位置，由于坩堝在高溫環境中容易變形，因此在估算過程中容易發生估算誤差加大的情況，導致液面位置測量效果很不好。在單晶生長過程中，由于速度誤差坩堝變形等因素會造成堝跟比變化，如果不及時發現堝跟比變化，則會導致液面上升過快或者下降過快，如果液面上升過快未發現導致的結果就是液面淹沒導流筒，導致事故；如果液面下降過快未發現導致的結果就是晶線斷線，大大影響成晶率，而且液面一旦離開了理想加熱區，溫度無法保證也大大影響成晶率。
技術實現思路
(一)要解決的技術問題本專利技術要解決的技術問題是如何實時準確控制堝跟比。(二)技術方案為解決上述技術問題，本專利技術提供了一種單晶爐非接觸式硅料液面位置測量裝置，其特征是，該裝置用于通過導流筒下口內側在硅料液面上的投影在攝像頭上的成像來控制堝跟比，該裝置包括攝像頭，用于采集導流筒下口內側在硅料液面上投影的圖像；和攝像頭連接的計算機，用于測量圖像上兩個點之間的距離和計算圖像采集點到硅料液面的距離；和計算機連接的PLC，用于對硅料液面的位置進行調整。一種單晶爐非接觸式硅料液面位置測量方法，其特征是，該方法包括以下步驟S1:通過攝像頭采集堝跟比為設定值時導流筒下口內側在硅料液面的投影圖像；S2 :在所述投影圖像上測量導流筒下口內側直徑在硅料液面上的投影距離；S3 :計算攝像頭到硅料液面的距離；S4:實時采集導流筒下口內側在硅料液面的投影圖像，當實時采集的投影圖像計算得到的攝像頭到硅料液面的距離和堝跟比為設定值時攝像頭到硅料液面的距離不同時，通過計算機控制PLC對硅料液面的位置進行調整，直至和設定的堝跟比相等為止。所述攝像頭到硅料液面的距離的計算公式為L= (HXf) /h其中L為攝像頭到硅料液面的距離；H為導流筒下口內側直徑值； f為攝像頭的焦距；h為導流筒下口內側直徑在硅料液面上的投影距離。所述步驟S4具體為S41 :攝像頭采集導流筒下口內側在硅料液面的投影圖像；S42 :當根據步驟S41采集的投影圖像計算的攝像頭到硅料液面的距離和堝跟比為設定值時攝像頭到硅料液面的距離的差在設定范圍內時，返回步驟S41，否則進入步驟S43 ；S43:當所述的差為正值時，控制PLC增加坩堝的上升速度并降低單晶硅棒的生長拉速，返回步驟S41 ；當所述的差為負值時，控制PLC降低坩堝的上升速度并增加單晶硅棒的生長拉速，返回步驟S41。所述增加坩堝的上升速度為使得此刻坩堝的上升速度每小時增加4毫米。所述降低單晶硅棒的生長拉速為使得此刻單晶硅棒的生長拉速每小時降低6毫米。所述降低坩堝的上升速度為使得此刻坩堝的上升速度每小時降低4毫米。所述增加單晶硅棒的生長拉速為使得此刻單晶硅棒的生長拉速每小時增加6毫米。(三)有益效果本專利技術實時測量硅料液面位置，當發現硅料液面位置有變動就會給PLC發出信號，讓PLC自動調整堝跟比，完全不用人工介入，大大減輕了工人的勞動強度。本專利技術能夠直接準確測量在高溫負壓環境下液態多晶硅料的液面相對位置，減少現場單晶工人的勞動強度，為自動化的單晶爐提供低成本高可靠的液面檢測方案。附圖說明圖1是本專利技術的示意圖；圖2是計算投影圖像的采集點到硅料液面的距離示意圖；圖3是堝跟比為設定值時投影圖像的測量距離；圖4是硅料液面上升時投影圖像的測量距離；圖5是硅料液面下降時投影圖像的測量距離。具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本專利技術的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本專利技術，但不用來限制本專利技術的范圍。本專利技術通過導流筒下口內側在硅料液面上的投影在攝像頭上的成像來控制堝跟比，包括: 攝像頭，用于采集導流筒下口內側在硅料液面上投影的圖像；和攝像頭連接的計算機，用于測量圖像上兩個點之間的距離和計算圖像采集點到硅料液面的距離；和計算機連接的PLC，用于對硅料液面的位置進行調整。本專利技術方法包括以下步驟S1:通過攝像頭采集堝跟比為設定值時導流筒下口內側在硅料液面的投影圖像；S2 :在所述投影圖像上測量導流筒下口內側直徑在硅料液面上的投影距離；S3 :計算攝像頭到硅料液面的距離；S4:實時采集導流筒下口內側在硅料液面的投影圖像，當實時采集的投影圖像計算得到的攝像頭到硅料液面的距離和堝跟比為設定值時攝像頭到硅料液面的距離不同時，通過計算機控制PLC對硅料液面的位置進行調整，直至和設定的堝跟比相等為止。S41 :攝像頭采集導流筒下口內側在硅料液面的投影圖像；S42 :當根據步驟S41采集的投影圖像計算的攝像頭到硅料液面的距離和堝跟比為設定值時攝像頭到硅料液面的距離的差在設定范圍內時，返回步驟S41，否則進入步驟S43 ；S43:當所述的差為正值時，控制PLC增加坩堝的上升速度并降低單晶硅棒的生長拉速，返回步驟S41 ；當所述的差為負值時，控制PLC降低坩堝的上升速度并增加單晶硅棒的生長拉速，返回步驟S41。本專利技術是在爐體外的一點處安裝高像素的相機，使相機能夠直接拍攝到爐體內的導流筒下口和下口在液面上的倒影，相機鏡頭到位于理想加熱區液面的距離為L，本專利技術的示意如圖1所示，包括，單晶硅棒1、導流筒2、坩堝3、加熱器4、攝像頭5、計算機6和PLC7。因為相機成一定的角度(該角度根據單晶爐結構現場確定)從側面采集圖像，所以，導流筒2的下口內側，以及下口內側的倒影與液面最終在相機上所成的像便都是橢圓形，該成像的圖像顯示如圖2。在攝像頭5上成像的下口內側的倒影上確定兩個距離最遠的點A和B (即導流筒2的下口內側直徑的兩個端點的倒影點)，測量點A和B之間的距離，這兩點之間的距離就是下口內側直徑的倒影值h。在安裝導流筒時，使用卡尺實測得到導流筒2的下口內側的直徑值H，然后根據光學成像公式h/H=f/L，推導出攝像頭到硅料液面的距離的計算公式為L= (HXf) /h (I)其中L為攝像頭到硅料液面的距離；H為導流筒下口內側的直徑值，在安裝導流筒時便可使用卡尺實測得到，為一定值，如圖2所示；f為攝像頭的焦距，為定值；h為導流筒下口內側直徑在硅料液面上的投影距離，根據硅料液面的本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種單晶爐非接觸式硅料液面位置測量裝置，其特征是，該裝置用于通過導流筒下口內側在硅料液面上的投影在攝像頭上的成像來控制堝跟比，該裝置包括：攝像頭，用于采集導流筒下口內側在硅料液面上投影的圖像；和攝像頭連接的計算機，用于測量圖像上兩個點之間的距離和計算圖像采集點到硅料液面的距離；和計算機連接的PLC，用于對硅料液面的位置進行調整。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳世斌，張燕玲，陶智貴，
申請(專利權)人：北京七星華創電子股份有限公司，
類型：發明
國別省市：