一种非接触式双层复合石英坩埚壁厚检测方法

技术领域

本发明属于双层复合石英坩埚壁厚测量技术领域，具体涉及一种非接触式双层复合石英坩埚壁厚检测方法。

背景技术

拉制单晶硅必须使用双层复合石英坩埚，双层复合石英坩埚作为一种消耗性器皿，对双层复合石英坩埚的外观要求十分严格，出厂前要对其尺寸、外观等参数进行严格地检查，否则会严重影响单晶硅生产质量。

随着半导体工业对单晶硅的需求量与日俱增，双层复合石英坩埚的需求量也有显著增加。双层复合石英坩埚的双层结构为透明层与气泡层，气泡层含有较多气泡，因此控制好双层复合石英坩埚的厚度对保证双层复合石英坩埚质量和性能极其重要。传统的人工检查双层复合石英坩埚侧壁厚度的方法，已经不能满足大规模高效生产需要，人工检测速度慢，检测精度由于人为因素不稳定，检测过程难以记录，后期一旦出现问题难以溯源。因此，现需要有一种非接触式双层复合石英坩埚壁厚检测方法来解决上述问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种非接触式双层复合石英坩埚壁厚检测方法，基于图像识别进行双层复合石英坩埚壁厚的检测，检测速度快、检测精度高，对每个光栅检测点都有视频留存便于溯源，可根据实际需求进行检测精度的调整，大大降低检测成本，提高检测效率。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种非接触式双层复合石英坩埚壁厚检测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一、在双层复合石英坩埚上布设光栅检测点：

步骤101、在双层复合石英坩埚的圆周侧壁上均匀布设多个光栅检测点，每个所述光栅检测点均包括设置在双层复合石英坩埚内侧壁上的内检测点和设置在双层复合石英坩埚外侧壁上且与内检测点对应的外检测点；

步骤102、在所述内检测点上粘贴内条纹光栅贴片，内条纹光栅贴片的中心与内检测点重合，在外检测点上粘贴外条纹光栅贴片，外条纹光栅贴片的中心与外检测点重合，将已粘贴好内条纹光栅贴片和外条纹光栅贴片的双层复合石英坩埚记作待测坩埚；其中，内条纹光栅贴片和外条纹光栅贴片呈正交布设；

步骤二、采集光栅检测点移动时的视频图像：

对任一个光栅检测点移动时的视频图像进行采集的方法均相同，对第j个光栅检测点移动时的视频图像进行采集的具体步骤为：

步骤201、将待测坩埚上的第j个光栅检测点的外检测点正对定焦相机镜头的中心；其中，j=1,2，...，i，i为所述光栅检测点的个数；

步骤202、控制待测坩埚由靠近定焦相机的方向向远离定焦相机的方向水平直线移动，在待测坩埚移动的过程中，使用定焦相机持续采集待测坩埚移动时第j个光栅检测点上的内条纹光栅贴片和外条纹光栅贴片的视频，当待测坩埚的移动距离大于定焦相机的焦距后停止移动，此时定焦相机停止采集图像，并将定焦相机持续采集到的待测坩埚移动时第j个光栅检测点上的内条纹光栅贴片和外条纹光栅贴片的视频记作第j个光栅检测点的信息待提取视频；

步骤三、对信息待提取视频的有效视频段进行选择截取；

步骤四、选择有效视频段中内条纹光栅贴片图像质量最高的一帧图像并将其记做内光栅有效图像，选择有效视频段中外条纹光栅贴片图像质量最高的一帧图像并将其记做外光栅有效图像；

步骤五、根据内光栅有效图像和外光栅有效图像的拍摄时间差以及待测坩埚的移动速度计算待测坩埚在第j个光栅检测点处的厚度。

上述的一种非接触式双层复合石英坩埚壁厚检测方法，其特征在于：步骤二中，将待测坩埚上的第j个光栅检测点的外检测点正对定焦相机镜头的中心的具体步骤为：将待测坩埚吸附在负压旋转安装座上，所述负压旋转安装座安装在移动检测台上，调整所述移动检测台的高度和所述负压旋转安装座的角度，使第j个光栅检测点的外检测点正对定焦相机镜头中心；

所述移动检测台包括台面、用于支撑台面的升降支撑架和设置在台面上的丝杆导轨滑台，所述负压旋转安装座安装在丝杆导轨滑台的滑座上；所述滑座上设置有伸入至待测坩埚内的补光灯；

所述负压旋转安装座包括设置在滑座顶部的回转驱动和设置在回转驱动顶部的负压吸附台，所述负压吸附台的顶部开设有与真空泵的抽气嘴连通的负压通道；所述回转驱动的内圈与滑座连接，所述回转驱动的外圈与负压吸附台连接。

上述的一种非接触式双层复合石英坩埚壁厚检测方法，其特征在于：步骤三的具体步骤为：

步骤301、根据公式T

步骤302、截取信息待提取视频的第T

上述的一种非接触式双层复合石英坩埚壁厚检测方法，其特征在于：在执行步骤四前，还需要分别对有效视频段的各帧图像中的内条纹光栅贴片和外条纹光栅贴片所在区域进行裁剪，并将裁剪后的区域图像放大为200pixel*200pixel大小的图像，对裁剪和放大后的图像依次进行灰度和降噪处理，将处理后的图像记作待评价图像，再执行步骤四。

上述的一种非接触式双层复合石英坩埚壁厚检测方法，其特征在于：步骤四的具体步骤为：

步骤401、对有效视频段的各帧待评价图像中的相同位置处的第一指定区域进行裁剪，所述第一指定区域仅包含内条纹光栅贴片中的一条完整的光栅条纹，将裁剪出的图像记做内条纹待评价图像，

对内条纹待评价图像进行Tenengrad梯度函数计算，得出内条纹待评价图像的Tenengrad梯度值，选择Tenengrad梯度值最大的一帧内条纹待评价图像对应的待评价图像作为内光栅有效图像；

步骤402、对有效视频段的各帧待评价图像中的相同位置处的第二指定区域进行裁剪，所述第二指定区域仅包含外条纹光栅贴片中的一条完整的光栅条纹，将裁剪出的图像记做外条纹待评价图像，

对外条纹待评价图像进行Tenengrad梯度函数计算，得出外条纹待评价图像的Tenengrad梯度值，选择Tenengrad梯度值最大的一帧外条纹待评价图像对应的待评价图像作为外光栅有效图像。

上述的一种非接触式双层复合石英坩埚壁厚检测方法，其特征在于：步骤五的具体步骤为：根据公式Dj=V*Sj，计算第j光栅检测点处的待测坩埚的厚度Dj，其中，Sj为第j光栅检测点内光栅有效图像和外光栅有效图像的拍摄时间差，V为待测坩埚的移动速度。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明通过在双层复合石英坩埚的侧壁内外对应粘贴两个呈正交布设的光栅贴片，使图像处理的过程中能够快速清楚的区分侧壁内外表面，从而判断侧壁内外表面的间距，即双层复合石英坩埚的侧壁厚度。

2、本发明利用定焦相机采集光栅检测点移动时的视频，从而获取两个光栅贴片在其分别对焦时的图像帧，根据图像帧之间的时间差计算双层复合石英坩埚的侧壁厚度，计算逻辑清晰，且便于对每个光栅检测点的壁厚数据进行后期视频溯源。

3、本发明通过对信息待提取视频截取有效视频段，从而减少后期图像处理的数量，提高检测速度。

4、本发明的光栅检测点的数量和布设位置均可根据实际检测需求调整，检测点位布设灵活可靠，便于满足不同型号尺寸的双层复合石英坩埚进行壁厚检测。

综上所述，本发明基于图像识别进行双层复合石英坩埚壁厚的检测，检测速度快、检测精度高，对每个光栅检测点都有视频留存便于溯源，可根据实际需求进行检测精度的调整，大大降低检测成本，提高检测效率。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明采用的负压旋转安装座和移动检测台的结构示意图。

图2为图1的A处放大图。

图3为本发明方法的流程图。

附图标记说明:

1-1-内条纹光栅贴片； 1-2-外条纹光栅贴片； 2-待测坩埚；

3-定焦相机； 4-台面； 5-丝杆导轨滑台；

6-滑座； 7-升降支撑架； 8-补光灯；

9-回转驱动； 10-负压吸附台； 11-真空泵；

12-负压通道； 13-三角支撑架。

具体实施方式

如图3所示，本发明的一种非接触式双层复合石英坩埚壁厚检测方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、在双层复合石英坩埚上布设光栅检测点：

步骤101、在双层复合石英坩埚的圆周侧壁上均匀布设多个光栅检测点，每个所述光栅检测点均包括设置在双层复合石英坩埚内侧壁上的内检测点和设置在双层复合石英坩埚外侧壁上且与内检测点对应的外检测点；

步骤102、在所述内检测点上粘贴内条纹光栅贴片1-1，内条纹光栅贴片1-1的中心与内检测点重合，在外检测点上粘贴外条纹光栅贴片1-2，外条纹光栅贴片1-2的中心与外检测点重合，将已粘贴好内条纹光栅贴片1-1和外条纹光栅贴片1-2的双层复合石英坩埚记作待测坩埚2；其中，内条纹光栅贴片1-1和外条纹光栅贴片1-2呈正交布设；

本实施例中，在粘贴内条纹光栅贴片1-1和外条纹光栅贴片1-2之前还需对双层复合石英坩埚内外表面进行吹扫，吹扫机风压不大于0.01Mpa，去除双层复合石英坩埚表面的灰尘和微小颗粒异物，保证内条纹光栅贴片1-1和外条纹光栅贴片1-2粘贴牢靠，防止灰尘和微小颗粒异物对内条纹光栅贴片1-1和外条纹光栅贴片1-2之间的间距造成影响。

本实施例中，如图2所示，所述内条纹光栅贴片1-1和外条纹光栅贴片1-2的尺寸均为1cm*1cm，内条纹光栅贴片1-1和外条纹光栅贴片1-2的条纹线宽均为1mm，内条纹光栅贴片1-1和外条纹光栅贴片1-2的栅距均为1mm，内条纹光栅贴片1-1和外条纹光栅贴片1-2的厚度较小可忽略不计；采用较小尺寸的内条纹光栅贴片1-1和外条纹光栅贴片1-2能够减少双层复合石英坩埚侧壁的弧度带来的计算误差，使测量精度符合要求。

本实施例中，内条纹光栅贴片1-1和外条纹光栅贴片1-2均具有五条光栅条纹，内条纹光栅贴片1-1最中心的一条光栅条纹和外条纹光栅贴片1-2最中心的一条光栅条纹组合形成十字交叉线，十字交叉线的交差点与内、外检测点重合即能保证内条纹光栅贴片1-1的中心与内检测点重合，外条纹光栅贴片1-2的中心与外检测点重合。

需要说明的是，在双层复合石英坩埚的侧壁内外对应粘贴两个呈正交布设的内条纹光栅贴片1-1和外条纹光栅贴片1-2，即若内条纹光栅贴片1-1为水平条纹光栅，则外条纹光栅贴片1-2为垂直条纹光栅；若内条纹光栅贴片1-1为垂直条纹光栅，则外条纹光栅贴片1-2为水平条纹光栅；使图像处理的过程中能够快速清楚的区分侧壁内外表面，从而判断侧壁内外表面的间距，即双层复合石英坩埚的侧壁厚度。

步骤二、采集光栅检测点移动时的视频图像：

对任一个光栅检测点移动时的视频图像进行采集的方法均相同，对第j个光栅检测点移动时的视频图像进行采集的具体步骤为：

步骤201、将待测坩埚2上的第j个光栅检测点的外检测点正对定焦相机3镜头的中心；其中，j=1,2，...，i，i为所述光栅检测点的个数；

需要说明的是，光栅检测点正对定焦相机3镜头在实际操作时，调整内条纹光栅贴片1-1最中心的一条光栅条纹和外条纹光栅贴片1-2最中心的一条光栅条纹组合形成的十字交叉线在定焦相机3的显示屏幕中的位置，使十字交叉线与定焦相机3的显示屏幕的中心十字线重合，此时认为该光栅检测点与定焦相机3镜头正对。

本实施例中，i为不小于4的正整数。

本实施例中，所述定焦相机3底部设置有三角支撑架13。

需要说明的是，将光栅检测点正对定焦相机3镜头，能够减少定焦相机3自身的畸变对光栅检测点被摄视频图像的影响，从而提高后续数据处理的准确程度，提高测量精度。

步骤202、控制待测坩埚2由靠近定焦相机3的方向向远离定焦相机3的方向水平直线移动，在待测坩埚2移动的过程中，使用定焦相机3持续采集待测坩埚2移动时第j个光栅检测点上的内条纹光栅贴片1-1和外条纹光栅贴片1-2的视频，当待测坩埚2的移动距离大于定焦相机3的焦距后停止移动，此时定焦相机3停止采集图像，并将定焦相机3持续采集到的待测坩埚2移动时第j个光栅检测点上的内条纹光栅贴片1-1和外条纹光栅贴片1-2的视频记作第j个光栅检测点的信息待提取视频；

需要说明的是，信息待提取视频中的内条纹光栅贴片1-1和外条纹光栅贴片1-2会依次呈现失焦、对焦、再失焦的整个过程，整个信息待提取视频中的内条纹光栅贴片1-1和外条纹光栅贴片1-2的中心位置不变，仅存在大小和清晰度的变化。

需要说明的是，控制待测坩埚2由靠近定焦相机3的方向向远离定焦相机3的方向水平直线移动，是依靠丝杆导轨滑台5实现的，待测坩埚2通过负压吸附台10安装在丝杆导轨滑台5的滑座6上，初始状态时，滑座6位于丝杆导轨滑台5最靠近定焦相机3的一端，随后滑座6带动待测坩埚2向丝杆导轨滑台5最远离定焦相机3的一端匀速移动。本实施例中，滑座6的最大移动距离为30cm～45cm，滑座6的移动速度不大于0.05mm/ms，相对应的，定焦相机3的焦距为10cm～20cm，滑座6的最大移动距离越大，定焦相机3的焦距就可设置的越大。

为提高检测精度，可以尝试不同的滑座6移动速度和更高帧率的定焦相机3的视频拍摄。例如：定焦相机3以60fps的帧率进行拍摄，每帧时长16.7ms，假设滑座6的移动速度为0.05mm/ms，那么相邻的两帧图像之间的长度间隔就是0.835mm，此时双层复合石英坩埚壁厚的检测精度可以达到100μm；

步骤三、对信息待提取视频的有效视频段进行选择截取；

步骤四、选择有效视频段中内条纹光栅贴片1-1图像质量最高的一帧图像并将其记做内光栅有效图像，选择有效视频段中外条纹光栅贴片1-2图像质量最高的一帧图像并将其记做外光栅有效图像；

步骤五、根据内光栅有效图像和外光栅有效图像的拍摄时间差以及待测坩埚的移动速度计算待测坩埚在第j个光栅检测点处的厚度。

需要说明的是，通过在双层复合石英坩埚的侧壁内外对应粘贴两个呈正交布设的内条纹光栅贴片1-1和外条纹光栅贴片1-2，使图像处理的过程中能够快速清楚的区分侧壁内外表面，从而判断侧壁内外表面的间距，即双层复合石英坩埚的侧壁厚度；

利用定焦相机3采集待测坩埚2移动时的视频，从而获取内条纹光栅贴片1-1和外条纹光栅贴片1-2在其分别对焦时的图像帧，根据图像帧之间的时间差换算双层复合石英坩埚的侧壁厚度，计算逻辑清晰，且便于对每个光栅检测点的壁厚数据进行后期视频溯源；

通过对信息待提取视频截取有效视频段，从而减少后期图像处理的数量，提高检测速度；

光栅检测点的数量和布设位置均可根据实际检测需求调整，检测点位布设灵活可靠，便于满足不同型号尺寸的双层复合石英坩埚进行壁厚检测；

综上所述，本发明基于图像识别进行双层复合石英坩埚壁厚的检测，检测速度快、检测精度高，对每个光栅检测点都有视频留存便于溯源，可根据实际需求进行检测精度的调整，大大降低检测成本，提高检测效率。

本实施例中，如图1所示，步骤二中，将待测坩埚2上的第j个光栅检测点的外检测点正对定焦相机3镜头的中心的具体步骤为：将待测坩埚2吸附在负压旋转安装座上，所述负压旋转安装座安装在移动检测台上，调整所述移动检测台的高度和所述负压旋转安装座的角度，使第j个光栅检测点的外检测点正对定焦相机3镜头中心；

所述移动检测台包括台面4、用于支撑台面4的升降支撑架7和设置在台面4上的丝杆导轨滑台5，所述负压旋转安装座安装在丝杆导轨滑台5的滑座6上；所述滑座6上设置有伸入至待测坩埚2内的补光灯8；

所述负压旋转安装座包括设置在滑座6顶部的回转驱动9和设置在回转驱动9顶部的负压吸附台10，所述负压吸附台10的顶部开设有与真空泵11的抽气嘴连通的负压通道12；所述回转驱动9的内圈与滑座6连接，所述回转驱动9的外圈与负压吸附台10连接。

需要说明的是，由于待测坩埚2的双层结构除透明层外还有一层气泡层，因此设置补光灯8，提高定焦相机3中内条纹光栅贴片1-1的成像清晰度，有利于提高测量精度；

此外，补光灯8包括可弯折变形的灯杆和设置在顶杆顶端的灯泡，在不同型号大小的待测坩埚2进行检测时，可通过弯折变形灯杆将灯泡送入待测坩埚2内，位置灵活，操作方便。

本实施例中，根据待测坩埚2的重量选择真空泵11的吸力，一般控制真空泵11的吸力为0.1MPa～0.2MPa即可将待测坩埚2稳定的吸附在负压吸附台10上，防止待测坩埚2在视频图像采集的过程中与负压吸附台10产生相对运动。

本实施例中，在将待测坩埚2吸附在负压旋转安装座上时，保证待测坩埚2位于负压吸附台10正中心，便于后续测量计算；

本实施例中，多个光栅检测点位于同一高度，因此，当需要测量其他光栅检测点处的待测坩埚2壁厚时，只需控制回转驱动9的外圈旋转，从而带动待测坩埚2旋转，使下一个光栅检测点正对定焦相机3镜头即可进行后续的视频图像采集过程；

若多个光栅检测点位于不同高度，则在控制回转驱动9的外圈旋转之外还需控制升降支撑架7抬高台面4或降低台面4，整体流程清晰可控，对正精度高。

本实施例中，步骤三的具体步骤为：

步骤301、根据公式T

步骤302、截取信息待提取视频的第T

需要说明的是，对信息待提取视频的有效视频段进行选择的实际意义在于，减少后期图像处理的数量，提高检测速度；σ的意义在于取待测坩埚2外条纹光栅贴片1-2的对焦时间点前后各50帧图像组成有效视频段，使待测坩埚2的内条纹光栅贴片1-1和外条纹光栅贴片1-2均可在有效视频段内呈现由失焦到对焦再到失焦的过程。

本实施例中，在执行步骤四前，还需要分别对有效视频段的各帧图像中的内条纹光栅贴片1-1和外条纹光栅贴片1-2所在区域进行裁剪，并将裁剪后的区域图像放大为200pixel*200pixel大小的图像，对裁剪和放大后的图像依次进行灰度和降噪处理，将处理后的图像记作待评价图像，再执行步骤四。

需要说明的是，对有效视频段的各帧图像均进行裁剪放大，在放大后的多帧图像中内条纹光栅贴片1-1和外条纹光栅贴片1-2的条纹位置相同，仅清晰度不同。

需要说明的是，执行步骤四前对有效视频段中的各帧图像进行预处理，能够极大地减少图像质量评价时的数据处理流程，并能够极大地提高图像质量评价的准确性，从而保证坩埚壁厚检测的准确性。

本实施例中，步骤四的具体步骤为：

步骤401、对有效视频段的各帧待评价图像中的相同位置处的第一指定区域进行裁剪，所述第一指定区域仅包含内条纹光栅贴片1-1中的一条完整的光栅条纹，将裁剪出的图像记做内条纹待评价图像，

对内条纹待评价图像进行Tenengrad梯度函数计算，得出内条纹待评价图像的Tenengrad梯度值，选择Tenengrad梯度值最大的一帧内条纹待评价图像对应的待评价图像作为内光栅有效图像；

步骤402、对有效视频段的各帧待评价图像中的相同位置处的第二指定区域进行裁剪，所述第二指定区域仅包含外条纹光栅贴片1-2中的一条完整的光栅条纹，将裁剪出的图像记做外条纹待评价图像，

对外条纹待评价图像进行Tenengrad梯度函数计算，得出外条纹待评价图像的Tenengrad梯度值，选择Tenengrad梯度值最大的一帧外条纹待评价图像对应的待评价图像作为外光栅有效图像。

本实施例中，内条纹光栅贴片1-1为水平条纹光栅，则外条纹光栅贴片1-2为垂直条纹光栅，内条纹光栅贴片1-1具有五条水平光栅条纹，外条纹光栅贴片1-2具有五条垂直光栅条纹；

本实施例中，所述第一指定区域仅包含内条纹光栅贴片1-1中由上向下数第三条完整的水平光栅条纹，第三条完整的水平光栅条纹位于内条纹光栅贴片1-1中心区域，能够更好地代表内条纹光栅贴片1-1；

所述第二指定区域仅包含外条纹光栅贴片1-2中由左向右数第三条完整的垂直光栅条纹，第三条完整的垂直光栅条纹位于外条纹光栅贴片1-2中心区域，能够更好地代表外条纹光栅贴片1-2。

本实施例中，步骤五的具体步骤为：根据公式Dj=V*Sj，计算第j光栅检测点处的待测坩埚2的厚度Dj，其中，Sj为第j光栅检测点内光栅有效图像和外光栅有效图像的拍摄时间差，V为待测坩埚2的移动速度。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。