阅读说明：本技术 直拉法生长硅单晶过程中测量晶体直径的方法 (Method for measuring crystal diameter in process of growing silicon single crystal by Czochralski method ) 是由 傅林坚 高宇 夏泽杰 陈丽婷 叶刚飞 胡建荣 李林 沈文杰 曹建伟 于 2019-10-11 设计创作，主要内容包括：本发明涉及单晶硅生产技术,特别涉及直拉法生长硅单晶过程中测量晶体直径的方法。包括以下步骤：(1)设置CCD摄像机,根据原始热场设计获得参照物直径Ф<Sub>1</Sub>,晶体实际直径,记为Ф；(2)晶体实际生长过程中,CCD摄像机计算得到图像中参照物直径记为φ1,参照物在硅熔体表面的倒影直径φ2,晶体与液面交界面图像,将此时晶体直径记为φ；(3)CCD捕捉到图像中参照物在液面垂直投影直径可近似计算φ<Sub>3</Sub>＝(φ<Sub>1</Sub>+φ<Sub>2</Sub>)/2,直径Ф<Sub>1</Sub>＝Ф<Sub>3</Sub>,图像中φ/φ<Sub>3</Sub>＝Ф/Ф<Sub>3</Sub>＝Ф/Ф<Sub>1</Sub>,即Ф＝Ф<Sub>1</Sub>×(φ/φ<Sub>3</Sub>)＝Ф<Sub>1</Sub>×[2φ/(φ<Sub>1</Sub>+φ<Sub>2</Sub>)]。本发明装置最终实现准确测量晶体直径和实时测量,从而提高晶体直径控制精度和工艺稳定性。(The invention relates to a monocrystalline silicon production technology, in particular to a method for measuring the crystal diameter in the process of growing silicon single crystal by a Czochralski method. The method comprises the following steps: (1) setting a CCD camera to obtain the diameter phi of the reference object according to the original thermal field design 1 The actual diameter of the crystal is recorded as phi; (2) in the actual growth process of the crystal, calculating by a CCD camera to obtain a diameter of a reference object in an image as phi 1, a reflection diameter phi 2 of the reference object on the surface of the silicon melt, and an interface image of the crystal and a liquid level, wherein the diameter of the crystal at the moment is recorded as phi; (3) the diameter of the vertical projection of the reference object on the liquid level in the image captured by the CCD can be approximately calculated 3 ＝(φ 1 +φ 2 ) 2, diameter phi 1 ＝Ф 3 Phi/phi in the picture 3 ＝Ф/Ф 3 ＝Ф/Ф 1 I.e. phi ═ phi- 1 ×(φ/φ 3 )＝Ф 1 ×[2φ/(φ 1 +φ 2 )]. The device of the invention finally realizes the accurate measurement of the crystal diameterAnd the real-time measurement is carried out, so that the control precision of the crystal diameter and the process stability are improved.)

直拉法生长硅单晶过程中测量晶体直径的方法

技术领域

本发明涉及单晶硅生产技术，特别涉及直拉法生长硅单晶过程中测量晶体直径的方法。

背景技术

在直拉法生长硅单晶过程中，为控制产品质量需要经常对从硅熔体生长出来的晶体直径进行校准。通常采用的测量晶体直径的方法是，使用望远镜与卡尺组合而成的测径仪。在将测径仪固定在炉体上的观察窗上后，操作人员将望远镜中的标尺首先对准晶体一侧边缘并读数，然后横向移动望远镜直到标尺对准晶体另一侧边缘，再次读数，两次读数的差值即为晶体直径。但是，该方法受操作人员主观影响和标尺本身误差影响，测量出的单晶直径存在误差，且不能对晶体直径进行实时测量，无法为单晶生产提供实时控制依据。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种直拉法生长硅单晶过程中测量晶体直径的方法。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种直拉法生长硅单晶过程中测量晶体直径的方法，包括以下步骤：

(1)在直拉法生长硅单晶炉的观察窗外设置CCD摄像机，CCD摄像机通过信号线与计算机相连，CCD摄像机可将拍摄到的参照物及硅熔体表面的图像信号传送至计算机，并进行数据转换和图像测量；其中，根据原始热场设计获得参照物直径Ф₁，晶体实际直径，记为Ф；

(2)晶体实际生长过程中，CCD摄像机拍摄硅单晶生长过程中某一时刻的图像后，计算得到图像中参照物直径记为φ1，参照物在硅熔体表面的倒影直径φ2，晶体与液面交界面图像，该交界面直径等于晶体直径，将此时晶体直径记为φ；

(3)CCD捕捉到图像中参照物在液面垂直投影直径可近似计算φ₃＝(φ₁+φ₂)/2，φ₃与晶体与熔体交界位置光圈位于同一平面，参照物在液面投影实际直径等于参照物直径Ф₁＝Ф₃，因此图像中φ/φ₃＝Ф/Ф₃＝Ф/Ф₁，即Ф＝Ф₁×(φ/φ₃)＝Ф₁×[2φ/(φ₁+φ₂)]。

作为一种改进，参照物为导流筒。

发明原理描述：

本发明中，导流筒下沿直径Ф₁为已知参数，通过对测量图像中相关尺寸与晶体尺寸对应关系，可换算出晶体直径。

1、数据准备

根据原始热场设计获得导流筒下沿直径Ф₁，计算机处理CCD捕捉到的图像，获得图像中的导流筒下沿直径φ₁，导流筒在液面倒影直径φ₂，导流筒在液面垂直投影直径φ₃，晶体直径φ。

2、原理解释

在实际的空间位置中，导流筒在液面垂直投影与晶体光圈都位于熔体表面所处的平面。因此CCD捕捉到图像中投影与晶体光圈的直径比(φ/φ₃)，等于其实际直径比Ф/Ф₃。同时投影实际直径等于导流筒实际直径(Ф₁＝Ф₃)，依据以上比例关系，可计算出晶体实际直径。

3、测量过程

方法中，在上述关系基础上：Ф＝Ф₁×(φ/φ₃)＝Ф₁×[2φ/(φ₁+φ₂)]

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明以晶体生长热场内具有固定直径的导流筒下沿为参照物，通过该数值校准CCD扫描得到的晶体直径，最终实现准确测量晶体直径和实时测量，从而提高晶体直径控制精度和工艺稳定性。

附图说明

图1为现有技术中常见的直拉法生长硅单晶的设备示意图；

图2为CCD摄像机拍摄的硅熔体表面图像。

图3为本发明中晶体直径测量与计算的原理示意图。

图中的附图标记：1-晶体、2-导流筒、3-石英坩埚、4-石墨坩埚、5-硅熔体；6-晶体与熔体交界位置，7-导流筒下沿在熔体表面倒影，8-导流筒下沿，9-CCD摄像机，11-导流筒在液面投影，12-导流筒倒影，13-晶体光圈，14-CCD图像。

具体实施方式

下面结合附图1-3与实施例，对本发明的实现方式进行详细描述。

本发明中的晶体直径测量方法用于热场结构中的直拉法硅单晶生长过程，使用CCD9捕捉参照物图像、参照物倒影图像、晶体1与硅熔体5交界位置光圈图像，并通过对图像处理，获得准确的晶体1直径数值。本实施例中所用的参照物为导流筒2，在具体应用中还可采用如图1部件中的石英坩埚3、石墨坩埚4等已知尺寸的部件。

该方法具体包括以下步骤：

(1)在直拉法生长硅单晶炉的观察窗外设置CCD摄像机9，CCD摄像机9通过信号线与计算机相连，将拍摄到的导流筒2及硅熔体5表面的图像信号传送至计算机，并进行数据转换和图像测量，导流筒下沿8实际直径记为Ф₁，晶体1与熔体交界位置6光圈13约等于晶体1实际直径，记为Ф；

(2)晶体1实际生长过程中，CCD摄像机9拍摄硅单晶生长过程中某一时刻的CCD图像14后，计算得到图像中导流筒2直径记为φ₁，导流筒下沿在熔体表面的倒影7直径φ₂，晶体1与液面交界面图像，该交界面直径等于晶体1直径，将此时晶体1直径记为φ；

(3)由镜面反射原理，熔体液面相当于镜面，CCD摄像机9捕捉到图像中导流筒2在液面垂直投影直径可近似计算φ₃＝(φ₁+φ₂)/2，φ₃与(1)中光圈位于同一平面，导流筒2在液面投影实际直径等于导流筒2直径Ф₁＝Ф₃，因此图像中φ/φ₃＝Ф/Ф₃＝Ф/Ф₁，即Ф＝Ф₁×(φ/φ₃)＝Ф₁×[2φ/(φ₁+φ₂)]

下面以引入具体数据的方式举例说明具体计算过程。

(1)已知导流筒下沿8实际直径Ф₁＝270mm；

(2)对CCD摄像机9捕捉的图像进行计算，φ₁＝162.24mm、φ₂＝161.03mm、φ＝126.31mm；

(3)近似计算φ₃＝(φ₁+φ₂)/2＝(162.24mm+161.03)/2＝161.635mm

(4)以CCD摄像机9拍摄硅单晶生长过程中某一时刻的图像后，测量图像中φ₁、φ₂和φ的尺寸分别为162.24mm、161.03mm、126.31mm；

(5)晶体1实际直径计算Ф＝Ф₁×(φ/φ₃)＝162.24mm×(126.31mm/161.635mm)＝207.61mm

(6)晶体1生长完成后，相同位置实际测量晶体1直径为207.85mm。

还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。