一种长晶炉硅晶加工监控方法、装置及系统

技术领域

本申请涉及长晶炉内硅晶加工的监测领域，特别涉及一种长晶炉硅晶加工监控方法、装置及系统。

背景技术

硅晶是硅的晶体，包括多晶硅和单晶硅，不同方向的硅晶具有不同的性质，是一种良好的半导材料，用于晶体生长的炉子称为长晶炉。长晶炉在用于晶体生长过程中，将硅料置于坩埚内，并将硅料在一定温度下熔化为液态硅后，将具有预定结晶取向的硅晶种下降以接触液态硅的表面，在适当地温度控制下，液态硅在硅晶种上形成具有与硅晶种所具有的预定结晶取向的单晶，接着旋转并慢慢提拉硅晶种及坩埚，以在硅晶种下方形成硅晶棒。以上加工过程中，由于无法对硅晶加工过程中进行实时监控，难以对生长过程进行精准的控制调节，导致得到的硅晶棒不能满足要求的情形出现。

发明内容

本申请要解决的技术问题是现有长晶炉内的硅晶生长过程无法监控的问题，为此，本申请提出了一种长晶炉硅晶加工监控方法、装置及系统。

针对上述技术问题，本申请提供如下技术方案：

本申请技术方案提供一种长晶炉硅晶加工监控方法，包括：

获取长晶炉内部的硅晶生长监测图像；

对所述硅晶生长监测图像进行解析，确定所述硅晶生长监测图像中包括的硅晶的直径和生长高度；

根据所述硅晶的直径和所述生长高度生成硅晶生长图像并显示。

一些方案中所述的长晶炉硅晶加工监控方法，所述对所述硅晶生长监测图像进行解析，确定所述硅晶生长监测图像中包括的硅晶的直径和生长高度，包括：

对所述硅晶生长监测图像进行边缘检测得到检测后图像；

在所述检测后图像中任意选取多组像素点，每组像素点包括不在同一直线上的三个像素点；

根据每组像素点中的三个像素点确定预估圆心点位置和预估直径；

根据多组像素点确定的预估圆心点位置和预估直径，确定实际圆心点位置和实际直径；

所述实际圆心点位置作为所述硅晶的中心位置，所述实际直径作为所述硅晶的直径。

一些方案中所述的长晶炉硅晶加工监控方法，所述对所述硅晶生长监测图像进行解析，确定所述硅晶生长监测图像中包括的硅晶的直径和生长高度，还包括：

所述硅晶生长监测图像包括所述硅晶在液面的倒影；

确定所述倒影的边缘在所述硅晶生长监测图像中的位置变化，根据所述位置变化确定所述硅晶的高度变化值作为所述生长高度。

一些方案中所述的长晶炉硅晶加工监控方法，所述根据每组像素点中的三个像素点确定预估圆心点位置和预估直径中，通过如下方程式确定预估圆心点位置对应的坐标(x

其中，(x

一些方案中所述的长晶炉硅晶加工监控方法，所述根据多组像素点确定的预估圆心点位置和预估直径，确定实际圆心点位置和实际直径，包括：

排除多组像素点确定的预估圆心点位置和预估直径中的最大值和最小值得到剩余预估圆心点位置和剩余预估直径；

以所述剩余预估圆心点位置中的坐标值平均值作为实际圆心点位置的坐标值，以所述剩余预估直径的平均值作为所述实际直径。

一些方案中所述的长晶炉硅晶加工监控方法，还包括：

确定所述硅晶生长监测图像的像素行数和像素列数，以位于中心的一个或多个像素点作为所述硅晶生长监测图像的中点；

根据中点画圆算法和实际圆心点位置、实际直径绘制出硅晶图像。

本申请技术方案还提供一种长晶炉硅晶加工监控装置，包括：

数据获取模块，获取长晶炉内部的硅晶生长监测图像；

解析模块，对所述硅晶生长监测图像进行解析，确定所述硅晶生长监测图像中包括的硅晶的直径和生长高度；

显示控制模块，根据所述硅晶的直径和所述生长高度生成硅晶图像并显示。

本申请技术方案还提供一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有程序信息，计算机读取所述程序信息后执行第一方面任一项技术方案所述的长晶炉硅晶加工监控方法。

本申请技术方案还提供一种电子设备，包括至少一个处理器和至少一个存储器，至少一个所述存储器中存储有程序信息，至少一个所述处理器读取所述程序信息后执行第一方面任一项所述的长晶炉硅晶加工监控方法。

本申请技术方案还提供一种长晶炉硅晶加工监控系统，用于对长晶炉内部的硅晶生长过程进行监控，所述长晶炉包括主炉室，其内部用于硅晶生长，所述主炉室的顶部开设有视镜窗口；所述系统包括：

监测机构，设置于所述主炉室的顶部；所述监测机构包括摄像头，所述摄像头的拍摄面与所述视镜窗口相对；

控制组件，设置于所述主炉室的外部；所述控制组件包括控制器和触摸显示屏；

所述摄像头拍摄长晶炉内部的硅晶生长监测图像并将其发送至所述控制器；所述控制器获取所述硅晶生长监测图像后对所述硅晶生长监测图像进行解析，确定所述硅晶生长监测图像中包括的硅晶的直径和生长高度；根据所述硅晶的直径和所述生长高度生成硅晶生长图像；所述控制器将所述硅晶生长图像发送至所述触摸显示屏进行显示。

一些方案中所述的长晶炉硅晶加工监控系统，所述监测机构还包括安装组件，所述安装组件包括：

安装架，包括垂直连接的横板和立柱，所述立柱设置于所述主炉室的顶部；

安装板，设置于所述横板的下表面，所述安装板与所述视镜窗口相对；所述摄像头设置于所述安装板上。

一些方案中所述的长晶炉硅晶加工监控系统，所述摄像头包括多个；所述安装板为圆形，多个所述摄像头沿所述安装板的圆周均匀设置。

一些方案中所述的长晶炉硅晶加工监控系统，还包括：

激光位移传感器，设置于所述安装板上，所述激光位移传感器的激光收发面与所述视镜窗口相对；所述激光位移传感器向所述视镜窗口内发射第一激光束，第一激光束经液面反射后生成第二激光束，第二激光束由所述激光位移传感器接收，所述激光位移传感器根据所述第一激光束的发射时间、所述第二激光束的接收时间和激光频率确定所述液面与所述激光收发面之间的距离并将其发送至所述控制器。

一些方案中所述的长晶炉硅晶加工监控系统，所述立柱可拆卸地设置于所述主炉室的顶部。

一些方案中所述的长晶炉硅晶加工监控系统，所述控制组件还包括多个散热翅，所述散热翅分布于所述控制器的至少一侧。

本申请的技术方案相对现有技术具有如下技术效果：

本申请提供的长晶炉硅晶加工监控方法、装置及系统，通过拍摄长晶炉内部的硅晶生长监测图像，解析图像后能够识别出硅晶的直径和生长高度，从而利用硅晶的直径和生长高度生成硅晶的生长图像并显示。由此，完成了对长晶炉内的硅晶加工过程的实时监控，便于根据硅晶生长过程对工艺过程进行控制和调节，确保硅晶生长结果满足需求。

附图说明

下面将通过附图详细描述本申请中优选实施例，将有助于理解本申请的目的和优点，其中:

图1为本申请一个实施例所述长晶炉硅晶加工监控方法的流程图；

图2为本申请一个实施例所述长晶炉硅晶加工监控装置的结构框图；

图3为本申请一个实施例所述电子设备的硬件连接关系示意图；

图4为本申请一个实施例所述长晶炉硅晶加工监控方法安装于长晶炉上的结构示意图；

图5为图4所示结构中A处局部放大示意图；

图6为图4所示结构中B处局部放大结构示意图；

图7为本申请一个实施例所述的安装板底侧表面连接结构示意图；

图8为本申请一个实施例所述的连接座表面结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

此外，下面所描述的本申请不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本申请实施例提供一种长晶炉硅晶加工监控方法，应用于具有操作系统的控制器件中，如图1所示，所述方法包括：

S110：获取长晶炉内部的硅晶生长监测图像。

可通过摄像头、工业相机等具有拍摄功能的器件拍摄长晶炉内部的环境图像，拍摄到的图像发送到控制器件中即可。

S120：对所述硅晶生长监测图像进行解析，确定所述硅晶生长监测图像中包括的硅晶的直径和生长高度。

解析方法可以为常见的图像处理算法，将图中涉及到的图像的边缘进行分析，确定出硅晶的边缘后就能够确定出其直径和生长高度。

S130：根据所述硅晶的直径和所述生长高度生成硅晶生长图像并显示。

根据硅晶的直径和生长高度生成的图像能够只包括硅晶生长的具体信息，显示出来后能够供工作人员对硅晶生长过程进行监控。

上述实施例中的各步骤，是实时进行的，在实际应用时会获取大量的硅晶生长监测图像，在解析时，可以逐帧进行，每一帧图像的处理方式均相同。

以上方案，通过拍摄长晶炉内部的硅晶生长监测图像，解析图像后能够识别出硅晶的直径和生长高度，从而利用硅晶的直径和生长高度生成硅晶的生长图像并显示。由此，完成了对长晶炉内的硅晶加工过程的实时监控，便于根据硅晶生长过程对工艺过程进行控制和调节，确保硅晶生长结果满足需求。

一些方案中，上述方法的步骤S120中，可以通过如下方式实现：

S201：对所述硅晶生长监测图像进行边缘检测得到检测后图像。

S202：在所述检测后图像中任意选取多组像素点，每组像素点包括不在同一直线上的三个像素点。

S203：根据每组像素点中的三个像素点确定预估圆心点位置和预估直径。

S204：根据多组像素点确定的预估圆心点位置和预估直径，确定实际圆心点位置和实际直径。

S205：所述实际圆心点位置作为所述硅晶的中心位置，所述实际直径作为所述硅晶的直径。

S206：所述硅晶生长监测图像包括所述硅晶在液面的倒影；确定所述倒影的边缘在所述硅晶生长监测图像中的位置变化，根据所述位置变化确定所述硅晶的高度变化值作为所述生长高度。

具体实现时，可以采用中点画圆算法(如Bresenham算法)获取直径。对采集到的每帧硅晶生长监测图像进行预处理和边缘检测，然后对每帧硅晶生长监测图像采用中点画圆算法。采用中点画圆算法进行亚像素逼近之前粗略估计圆的圆心点位置和直径大小，设圆心点位置的坐标为(x

为了能对缺陷圆(实际拍摄的硅单晶棒图像并非规整的圆，称为“缺陷圆”)进行检测，可通过选择至少三组像素点，计算多个预估圆心点位置对应的坐标(x

以上方案中，中点画圆算法之外，还可以确定所述硅晶生长监测图像的像素行数和像素列数，以位于中心的一个或多个像素点作为所述硅晶生长监测图像的中点；根据中点画圆算法和实际圆心点位置、实际直径绘制出硅晶图像。

本申请提供的上述方案，能够通过实时拍摄长晶炉内部图像并解析出硅晶生长图像，从而对长晶炉的硅晶加工过程进行实时监控。

本申请实施例还提供一种长晶炉硅晶加工监控装置，如图2所示，包括：

数据获取模块210，获取长晶炉内部的硅晶生长监测图像。可通过摄像头、工业相机等具有拍摄功能的器件拍摄长晶炉内部的环境图像，拍摄到的图像发送到控制器件中即可。

解析模块220，对所述硅晶生长监测图像进行解析，确定所述硅晶生长监测图像中包括的硅晶的直径和生长高度。解析方法可以为常见的图像处理算法，将图中涉及到的图像的边缘进行分析，确定出硅晶的边缘后就能够确定出其直径和生长高度。

显示控制模块230，根据所述硅晶的直径和所述生长高度生成硅晶图像并显示。根据硅晶的直径和生长高度生成的图像能够只包括硅晶生长的具体信息，显示出来后能够供工作人员对硅晶生长过程进行监控。

以上装置，能够对长晶炉内的硅晶加工过程的实时监控，便于根据硅晶生长过程对工艺过程进行控制和调节，确保硅晶生长结果满足需求。

一些方案中，解析模块220，用于对所述硅晶生长监测图像进行边缘检测得到检测后图像。在所述检测后图像中任意选取多组像素点，每组像素点包括不在同一直线上的三个像素点。根据每组像素点中的三个像素点确定预估圆心点位置和预估直径。根据多组像素点确定的预估圆心点位置和预估直径，确定实际圆心点位置和实际直径。所述实际圆心点位置作为所述硅晶的中心位置，所述实际直径作为所述硅晶的直径。所述硅晶生长监测图像包括所述硅晶在液面的倒影；确定所述倒影的边缘在所述硅晶生长监测图像中的位置变化，根据所述位置变化确定所述硅晶的高度变化值作为所述生长高度。

具体实现时，可以采用中点画圆算法(如Bresenham算法)获取直径。设圆心点位置的坐标为(x

为了能对缺陷圆进行检测，在求平均值前，排除多组像素点确定的预估圆心点位置和预估直径中的最大值和最小值得到剩余预估圆心点位置和剩余预估直径；以所述剩余预估圆心点位置中的坐标值平均值作为实际圆心点位置的坐标值，以所述剩余预估直径的平均值作为所述实际直径。然后再采用Bresenham方法进行画圆计算，利用Bresenham画圆算法进行圆的亚像素最佳逼近，通过判断最佳逼近圆和拍摄到的图像的重合程度来确定目标圆的准确位置。如此排除干扰误差，得到更加准确的单晶生长的直径值，能得到单晶的准确直径。

一些方案中，解析模块220，还可以确定所述硅晶生长监测图像的像素行数和像素列数，以位于中心的一个或多个像素点作为所述硅晶生长监测图像的中点；根据中点画圆算法和实际圆心点位置、实际直径绘制出硅晶图像。

本申请提供的上述方案，能够通过实时拍摄长晶炉内部图像并解析出硅晶生长图像，从而对长晶炉的硅晶加工过程进行实时监控。

本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有程序信息，计算机读取所述程序信息后执行以上方法实施例任一项方案所述的长晶炉硅晶加工监控方法。

本申请实施例还提供一种电子设备，如图3所示，所述电子设备包括至少一个处理器310和至少一个存储器320，至少一个所述存储器320中存储有程序信息，至少一个所述处理器310读取所述程序信息后执行以上方法实施例任一项方案所述的长晶炉硅晶加工监控方法。所述设备还可以包括：输入装置330和输出装置340。处理器310、存储器320、输入装置330和输出装置340可以通信连接。存储器320作为一种非易失性计算机可读存储介质，可用于存储非易失性软件程序、非易失性计算机可执行程序以及模块。处理器310通过运行存储在存储器320中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理，即实现上述任一方案提供的长晶炉硅晶加工监控方法。存储器320可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据长晶炉硅晶加工监控方法的使用所创建的数据等。此外，存储器320可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实施例中，存储器320可选包括相对于处理器310远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至执行长晶炉硅晶加工监控方法的装置。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。输入装置330可接收输入的用户点击，以及产生与长晶炉硅晶加工监控方法的用户设置以及功能控制有关的信号输入。输出装置340可包括显示屏等显示设备。在所述一个或者多个模块存储在所述存储器320中，当被所述一个或者多个处理器310运行时，执行上述任意方法实施例中的长晶炉硅晶加工监控方法。

本申请实施例还提供一种长晶炉硅晶加工监控系统，如图4-图8所示，所述系统用于对长晶炉内部的硅晶生长过程进行监控，所述长晶炉包括主炉室401，其内部用于硅晶生长。所述主炉室401的顶部开设有视镜窗口412；所述系统包括：监测机构，设置于所述主炉室401的顶部；所述监测机构包括摄像头418，所述摄像头418的拍摄面与所述视镜窗口412相对；控制组件，设置于所述主炉室401的外部；所述控制组件包括控制器405和触摸显示屏410；所述摄像头418拍摄长晶炉内部的硅晶生长监测图像并将其发送至所述控制器405；所述控制器405获取所述硅晶生长监测图像后对所述硅晶生长监测图像进行解析，确定所述硅晶生长监测图像中包括的硅晶的直径和生长高度；根据所述硅晶的直径和所述生长高度生成硅晶生长图像；所述控制器405将所述硅晶生长图像发送至所述触摸显示屏410进行显示。

如图所示，主炉室401顶侧安装有副室417，视镜窗口12位于主炉室401与副室417连接处的主炉室401的顶端侧表面。所述主炉室401的底侧表面通过支撑架固定连接有底座402，主炉室401顶端正侧表面固定连接有安装座404，安装座404底侧设置有铰接在主炉室401正侧的密封门403，主炉室401顶侧安装所述监测机构，安装座404表面安装有安装机构。

如图所示，所述监测机构还包括安装组件，所述安装组件包括安装架411，包括垂直连接的横板和立柱，所述立柱设置于所述主炉室401的顶部；安装板414，设置于所述横板的下表面，所述安装板414与所述视镜窗口412相对；所述摄像头418设置于所述安装板414上。进一步地，如图6所示，安装组件还包括连接座413和连接螺栓415，连接座413通过连接螺栓415固定在主炉室401顶部，连接座413顶侧固定连接有安装架411。在监测过程中，通过连接螺栓415将连接座413稳定固定在主炉室41顶端表面，摄像头418设置在视镜窗口412顶侧，摄像头418透过视镜窗口412后，对主炉室401内的硅晶液状态进行拍摄，具有极高的拍摄精度，摄像头18将拍摄结果传递至控制器405，通过控制器405将信息传递到触摸显示屏410上进行显示。优选地，连接螺栓415数目为两个，连接螺栓415末端贯穿连接座413表面，连接螺栓415末端与主炉室401顶侧表面螺纹连接。连接螺栓415将连接座413稳定固定在主炉室401的安装以及便于后续的连接座413拆卸。主炉室1底侧表面通过多个支撑架固定连接有底座402，主炉室401正侧表面通过合页与密封门403铰接，密封门403表面固定连接有把手。上述结构便于主炉室401通过支撑架稳定支撑，便于把手将密封门403打开。

如图7所示，所述摄像头408包括多个；所述安装板414为圆形，多个所述摄像头418沿所述安装板414的圆周均匀设置。其还包括激光位移传感器416，设置于所述安装板414上，所述激光位移传感器416的激光收发面与所述视镜窗口412相对；所述激光位移传感器416向所述视镜窗口412内发射第一激光束，第一激光束经液面反射后生成第二激光束，第二激光束由所述激光位移传感器412接收，所述激光位移传感器412根据所述第一激光束的发射时间、所述第二激光束的接收时间和激光频率确定所述液面与所述激光收发面之间的距离并将其发送至所述控制器405，激光位移传感器416可设置在摄像头418的中间。摄像头418以及激光位移传感器416透过视镜窗口412后，通过激光位移传感器416，能够检测主炉室401内硅晶熔融后硅晶液的液位信息，通过摄像头418以环形的方式设置多个，便于对主炉室401内的硅晶液状态进行拍摄，提高拍摄精度，便于信息传递。

以上方案中，控制组件除了包括控制器405和触摸显示屏410之外，还包括固定座406、螺纹柱408、以及锁紧螺母407，控制器405贴合在安装座404正侧表面，控制器405侧表面固定连接有固定座406，固定座406表面滑动贯穿有螺纹柱408，螺纹柱408末端与安装座404正侧表面固定连接，固定座406正侧贴合有螺纹连接在螺纹柱408表面的锁紧螺母407，控制器405正侧表面固定连接有触摸显示屏410，控制器405侧表面固定连接有散热翅409。通过上述结构，通过锁紧螺母407设置，便于将固定座406固定安装在螺纹柱408表面，便于控制器405的安装稳定，通过拆卸锁紧螺母407，便于控制器405的拆卸，通过散热翅409的设置下，提高控制器405的散热效果，利于控制器5的稳定使用。触摸显示屏410与控制器405电性连接，控制器405与摄像头418以及激光位移传感器416电性连接。工作者操作触摸显示屏410通过控制器405控制摄像头418以及激光位移传感器416工作。

上述方案中，所述控制组件还包括多个散热翅409，所述散热翅409分布于所述控制器405的至少一侧，提高控制器405的散热效果。

所述固定座406数目可以为四个，四个固定座406对称固定连接在控制器405的侧表面，固定座406的背侧表面与安装座404的表面贴合。通过本方案，便于固定座406的设置以及固定座406的后续安装。

本申请提供的上述实施例中，控制器405获取硅晶生长图像，通过触摸显示屏410中设置的视觉软件调用图像处理的相关算法(图像处理的相关算法用于识别硅晶的直径和生长高度，采用预处理及边缘检测等算法即可实现)，触摸显示屏410的视觉软件从主炉室401的摄像头418中获取主炉室401中硅晶生长监测影像，触摸显示屏410中的视觉软件利用调用出的算法对长晶监测影像进行处理，通过摄像头418观察主炉室401内坩埚液面上长晶的倒影并检测倒影的边缘在图像中的位置变化来计算坩埚的高度变化值c，因为测试组件长晶在液面上的倒影的边缘较为清晰、明显，以此为基准能提高识别精度，通过高度变化值c和液口距校准值(b-a)得到实际值d，a为允许校准误差，实际值d满足：d＝c+(b-a)，实际值d为液口距校准值(b-a)与坩埚404的高度变化值c求和，得到硅生长图像；监控软件获取并控制触摸显示屏410显示硅晶生长图像。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本申请的保护范围之中。