[发明专利]用于人工长晶的熔汤表面流速测定方法及长晶设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于人工长晶的熔汤表面流速测定方法，尤其涉及一种根据熔汤网格的形心位移的熔汤表面流速测定方法，及应用该方法的长晶设备。

背景技术

凯氏长晶法(Kyropoulosmethod)被广泛的应用于蓝宝石晶体的生长中。其原理是在坩锅中将原料加热至熔点以上，使其成为液态的熔汤，再下降一单晶的晶种使其与熔汤的表面接触，在晶种与熔汤的固液界面上逐渐生长出与晶种相同晶体结构的单晶。同时，在生长初期以极缓慢的速度向上拉升晶种，在熔汤的液面上形成一圆锥状的晶颈，待晶颈成长至一定程度后，即停止向上拉升晶种，通过冷却速率的调控，使单晶逐渐由晶颈形成处向下生长，最后形成一个完整的单晶晶碇。

柴氏拉晶法(Czochralskimethod)为另一种被广泛应用的晶体生长法，其方法与凯氏长晶法相似，主要差异在于柴氏拉晶法在长晶的过程中，晶种不断地向上拉升，并于拉升的同时，旋转晶种。

现今的晶体生产制程中，攸关长晶成败与质量的诸多因素(例如：熔汤温度、下晶种的时间，拉晶速度，停止拉晶的时点以及温度的调控等因素)，大量仰赖长晶工程师的技术经验，晶体生产的良率约有60％～70％取决于长晶工程师的技术经验。然而，长晶工程师的学习曲线长、技术层次高，需要长时间的学习以及错误尝试以获得经验的累积。仰赖长晶工程师的技术经验的晶体生产制程，约需十天以上，期间需要由长晶工程师耗费数小时的时间，来操作下晶种的程序，该下降晶种的程序需于控制熔汤在适当的温度范围，若该熔汤温度过高则该晶种将在下降的过程中融化，反之若该熔汤温度过低则该熔汤表面将产生结块，上述二者皆不利于后续晶体生产制程的进行。倘若操作不当导致制程失败，将浪费时间及金钱。因此，传统的晶体生产制程，具有稳定性较差、重现性较低等缺点。

部分使用于上述晶体生产制程的长晶机中，会安装例如：影像色温传感器、红外线测温枪、热影像摄影机或热电偶的温度传感器，来辅助温度判断。然而，这些温度传感器具有下列缺点：1.影像色温传感器判断温度的分辨率不高，难以判断下晶种的正确时点；2.红外线测温枪会因为观测镜口的积碳情形，造成温度的误判，且其温度分辨率也不高；3.热电耦传感器的位置至于单一处，无法准确得知坩埚中熔汤的实际温度。

传统上，除了使用上述的温度传感器之外，长晶工程师会以肉眼观察熔汤表面流速，凭借经验判断下晶种的正确时点。该熔汤因热对流会使熔汤表面出现多个网格，长晶工程师借由观察该多个网格的移动判定熔汤表面流速，该熔汤表面流速与熔汤温度相关，当熔汤温度高时流速较快，反之当熔汤温度低时流速较慢。长晶工程师借由熔汤表面流速推测熔汤温度，进而决定下晶种的时间。然而，上述方法仰赖长晶工程师肉眼以及经验，耗时长且稳定性不佳。

发明内容

为解决上述现有技术的缺陷，本发明提供一种用于人工长晶的熔汤表面流速测定方法及应用该方法的长晶设备，以解决传统上在下晶种程序中耗时长且稳定性不佳的问题。

为达上述目的及其他目的，本发明提供一种用于人工长晶的熔汤表面流速测定方法，包含：(A)先后摄得熔汤表面的第一影像与第二影像，这两个影像摄得的时间间隔为Δt；(B)将该第一影像中的区块定义为多个第一网格区域，并计算这些网格区域分别对应的第一形心坐标；(C)将该第二影像中的区块定义为多个第二网格区域，并计算这些网格区域分别对应的第二形心坐标；(D)取得位于这些第一网格区域内的第二形心坐标，计算这些第一网格区域内对应的第二形心坐标与第一形心坐标间的形心位移，以取得多个形心位移；(E)根据该多个形心位移以及Δt，计算熔汤表面流速。

较佳地，上述方法，其中进一步包含：重复多次步骤(A)～(D)，将前次的第二影像，当作下次的第一影像，取得多个形心在两个以上的影像中的连续形心位移；以及于步骤(E)中，根据该多个形心的连续形心位移以及Δt，计算两个以上连续影像中的熔汤表面流速。

较佳地，上述方法，其中进一步包含：于步骤(D)中，根据该多个形心位移以及Δt，计算这些形心的移动速率，当一个形心的移动速率大于15cm/秒时，定义该形心为不信任形心，于后续的计算中移除该不信任形心的形心位移。

较佳地，上述方法，其中进一步包含：于步骤(B)中，当一个网格区域的面积小于25cm²时，定义该网格区域为不信任区域，于后续的计算中移除该不信任区域。

较佳地，上述方法，其中进一步包含：当一个形心的连续形心位移中的各个形心位移变化过大时，定义该形心为不信任形心，于后续的计算中移除该不信任形心的形心位移。