[发明专利]单晶炉非接触式硅料液面位置测量方法及装置

说明书

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v_j远远大于或小于液态多晶硅料液面的升速v_g时，都会发生液面离开加热理想区域的情况，因此，保证v_j和v_g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v_j与v_g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=(H×f)/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