（机械电子工程专业论文）基于图像处理的直拉单晶直径测量系统的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 硅单晶是制造l c 集成电路和太阳能电池的关键材料，随着中国半导体产业 的快速发展，中国将成为仅次于美国的世界第二大半导体市场。目前国内单晶硅 的产量仅为需求量的6 ，中国的产量只占了世界产量的l 。直拉单晶炉是制 备硅单晶的主要设备，目前极其紧缺的大直径硅单晶都是国外全自动单晶炉生产 的。基于c c d 的直径测量技术是全自动单晶炉的核心技术，而该技术一直被国外 几家公司所垄断。国内目前使用的半自动单晶炉采用的红外问接测量直径技术无 法获得晶体的真实直径，从而不能完成整个拉晶过程的全自动控制，这就造成了 该技术生产效率低，而且生产出的晶体等径质量差，远不能满足目前市场对大直 径晶体的需求。本论文研究的是基于图像处理的单晶直径测量系统。该系统可整 体提高单晶体尤其是大直径单晶体的制造水平，满足了国内半导体工业市场对单 晶体的快速需求，填补了国内空白，打破了国外技术与产品的市场垄断。 直径测量系统采用双c c d 结构。两个不同焦距的c c d 摄像头透过隔热设施俯 拍单晶，分别捕获引晶和等径阶段的单晶生长图像，图像采集卡将模拟图像信号 转化为数字信号，通过中值滤波进行图像预处理以减少边缘模糊现象，采用s o b e l 边缘检测算子和轮廓跟踪识别技术快速的进行边缘粗定位，最后应用亚像素边缘 检测技术精确获取单晶体的边缘位置。通过编制算法实现引晶过程的晶体图像自 动跟踪和等径过程的非完整圆直径测量，获得硅单晶的真实直径用于实现整个拉 晶过程的全自动控制。 论文共分为五章。第一章为绪论，介绍了课题的研究意义、目的及相关的知 识。第二章为图像测量系统硬件的构成，介绍了c c d 摄像头、镜头、图像采集卡 等部件的工作过程、选取原则和方法。第三章为图像分析和计算。c c d 摄像头捕 获硅单晶生长图像信号，由图像采集卡采集后，通过a d 转换量化为数字信号。 运用图像处理技术对数字信号进行分析和计算，以及图像跟踪技术实现引晶过程 的晶体图像跟踪，采用不完整圆算法对等径过程晶体直径进行测量。第四章为图 像测量系统的软件设计。在v i s u a lc 抖6 0 环境下，应用图像采集卡 m a t r o x m e t e o r i i 配套的m i l s 函数开发库进行软件开发。第五章为总结，对课 题提出了改进和展望。 关键词：单晶炉、图像处理、直径测量、亚像素、c c d 浙江大学硕士学位论文 ab s t r a c t s i l i c o ns i n g l e c r y s t a li st h ev i m lm a t e r i a lo fm a n u f a c t u r i n gi n t e g r a t e dc i r c u i t s a n ds o l a rb a t t e r i e s a st h es e m i c o n d u c t o ri n d u s t r yi nc h i n ad e v e l o p sr a p i d l y , t h e c o n s u m p t i o no fs i l i c o ns i n g l e - c r y s t a li nc h i n aw i l lb et h ew o r l d ss e c o n dl a r g e s t b e h i n du s c u r r e n t l yt h ep r o d u c t i o no fs i l i c o ns i n g l e - c r y s t a ii nc h i n a m e e t so n l y6 d e m a n d so f c h i n a sc o n s u m p t i o n a n di ta c c o u n t sf o rm e r e1 o f w o r l d sp r o d u c t i o n t h ec r y s t a lf u r n a c ei st h em a i ne q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n gs i l i c o ns i n g l e c r y s t a l n o w a d a y sl a r g ed i a m e t e rs i l i c o ns i n g l e - c r y s t a lw h i c hi sh i g h l yn e e d e di nc 】1 i n aj s m a n u f a c t u r e da l lb vt h ef o r e i g na u t o m a t i cc r y s t a lf u r n a c e s t h et e c h n o l o g yo f d i a m e t e rm e a s u r e m e n tb a s e do nc c di st h ec o l et e c h n o l o g yo fa u t o m a t i cc r y s t a l f u r n a c ew h i c hi s m o n o p o l i e db ys e v e r a lf o r e i g nc o m p a n i e s t h eh o m e m a d e s e m i a u t o m a t i cc r y s t a lf u r n a c e s u s i n gt h et e c h n o l o g yo fi n f r a r e dm e a s u r e m e n t i n d i r e c t l ya r eu n a b l et oo b t a i nt h ea u t h e n t i cd i a m e t e ro fs i l i c o ns i n g l e - c r y s t a l w h i c h r e s u l t st ot h el o we f f i c i e n c ya n dt h ep o o rq u a l i t y a st h ec o n s e q u e n c e s ，t h ep r o d u c t i o n o fl a r g ed i a m e t e rs i l i c o ns i n g l e c r y s t a lc a n tm e e tt h eg r e a tn e e d si nc h i n aw h i c hi s g r o w i n gf a s t t h i sp a p e rf o c u s e so nt h et e c h n o l o g yo fd i a m e t e rm e a s u r e m e n tb a s e d o ni m a g ep r o c e s s i n g ，w h i c hw i l li m p r o v et h et e c h n o l o g yo fm a n u f a c t u r i n gs i l i c o n s i n g l e c r y s t a l ，e s p e c i a l l yt h es i l i c o ns i n g l e c r y s t a lo fl a r g ed i a m e t e r a sar e s u l t , t h e d o m e s t i cc o n s u m p t i o no fs e m i c o n d u c t o ri n d u s t r yw h i c hg r o w i n gf a s tc o u l db e f u l f i l l e dc o m p l e t e l y t h i st e c h n o l o g yb r e a k st h em o n o p o l yo ft e c h n o l o g yb yf o r e i g n c o m p a m e s t h ed i a m e t e rm e a s u r e m e n ts y s t e mu s e st h es t r u c t u r e so ft w oc c dc a m e r a s 1 1 1 e i m a g e so fs i l i c o ns i n g l e c r y s t a la r ec a p t u r e db yt w oc c dc a m e r a sw i t hd i f f e r e n t f o c u s e st h r o u g l lt h ee q u i p m e n to fh e a ti s o l a t i o n ，o n eo fw h i c hi st h es e e d i n gs t e po f t h eg r o w i n go fs i n g l e c r y s t a l ，a n dt h eo t h e ri st h ec o n s t a n td i a m e t e rs t e p t h ed i g i t a l s i g n a l sa r et r a n s f e r e df r o mt h ea n a l o gi m a g es i g n a l sb yt h ei m a g ec a p t u r ec a r d ，w h i c h a r ef i l t e r e db yi n t e r m e d i a t ef i l t e rt or e d u c et h ef u z z ye d g ei n f o r m a t i o n t 1 l ei m a g e e d g eo ft l l ec r y s t a li sd e t e c t e db yt h es o b e le d g ed e t e c t i o na l g o r i t h ma n da u t o m a t i c t r a c k i n ga l g o r i t h mr a p i d l ya n dt h e na p p l yt h es u b p i x e le d g ed e t e c t i o nt e c h n o l o g y a c q u i r i n gt h ep r e c i s el o c a t i o no fs i n g l e - c r y s t a le d g e t w of u n c t i o n sa r er e a l i z e d t h r o u g ht h ed e v e l o p m e n to ft h ea l g o r i t h m 。o n eo fw h i c hi st h ea c h i e v e m e n to ft h e a u t o m a t i ct r a c ko fs i l i c o ns i n g l e c r y s t r a li m a g ei ns e e d i n gs t e pa n dt h eo t h e ri st h e m e a s u r e m e n to ft h ed i a m e t e ro ft h ep a r t i a lc i r c l ei nc o n s t a n td i a m e t e rs t e p t h e a l g o r i t h mc a no b t a i nt h ea u t h e n t i cd i a m e t e ro fs i l i c o ns i n g l e - e r y s t r a ls oa st or e a l i z e t h ea u t o m a t i cc o n t r o lo f t h ec r y s t a lg r o w i n g t 葡sp a p e rh a sf i v ec h a p t e r s c h a p t e r1i si n t r o d u c t i o n , w h i c hc o n c i u d e st h e p u r p o s eo ft h er e s e a r c ha n dt h eb a s i ck n o w l e d g e c h a p t e r2i st h eh a r d w a r e so ft h e i m a g em e a s u r e m e n ts y s t e m , w h i c hc o n c l u d e st h ep r i n c i p l e so ft h eo p e r a t i o na n dt h e a d o p t i o no f t h ec c d ，l e n sa n di m a g ec o l l e c tc a r d c h a p t e r3i st h ei m a g ea n a l y s i sa n d c a l c u l a t i o n - c c dc a m e r a sc a p t u r et h ei m a g es i g n a l so ft h eg r o w i n gp r o c e s so fs i l i c o n s i n g l e - c r y s t a la n dt h ed i g i t a ls i g n a l sa r et r a n s f e r e df r o mt h ea n a l o gi m a g es i g n a l sb y t h ei m a g ec a p t u r ec a r d t h ed i g i t a ls i g n a l sa r ea n a l y z e da n dc a l c u l a t e d b yt h e l l 浙江大学硕士学位论文 t e c h n o l o g yo fi m a g ep r o c e s s i n g t h ei m a g e so ft h es i l i c o ns i n g l e - e r y t a li ns e e d i n g s t e pa r et r a c k e db yt h et e c h n o l o g yo fi m a g ea u t o m a t i ct r a c k t h ed i a m e t e ro ft h e p a r t i a lc i r c l ei nc o n s t a n td i a m e t e rs t e pi sm e a s u r e db yt h ep a r t i c a lc i r c l ea l g o r i t h m c h a p t e r4i st h ed e v e l o p m e n to ft h es o f t w a r eo fi m a g em e a s u r e m e n ts y s t e m u n d e r t h ec i r c u m s t a n c eo fv i s u a lc + + 6 o ，t h es o f t w a r ei sd e v e l o p e db yt h ef u n c t i o nl i b r a r y m i l 8a t t a c h e dt om a t r o x m e t e o r 2 c h a p t e r5i ss u m m a r y , w h i c hg i y e sa ne x p e e t i o n o f t h ef u r t h e rr e s e a r c h k e y w o r d s ：c r y s t a lf u r n a c e , d i a m e t e rm e a s u r e m e n t ；i m a g ep r o c e s s i n g ；s u b p i x e l ；c c d 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：亍拿流! i i 字- i i i i ：雌6 月7 e l i f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝江盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印什和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盘 至三盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：臧 导师签名 签字日期：函订年6 月 7 日签字日期：幽7 年6 月7 日 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 本章概述了国内外单晶制备技术以及图像测量技术的发展和研究情况，阐述 本课题的研究背景及意义，给出了本论文所要开展的主要研究工作。 1 1 直拉式单晶炉的发展及研究概况 1 1 1 硅单晶及其市场需求 硅单晶是由硅原子周期性彼此紧密平行排列在一起的单晶体，是一种半导体 材料，它是微电子技术的材料基石，如图1 1 。随着我国信息产业的发展，对硅 单晶质量要求越来越高，直径也越来越大。可以 说硅单晶是现代信息技术、通信技术得以持续发 展的材料基础，有不可替代的作用。 根据硅单晶中各结晶面( 或方向) 不同，它 分 、 及 三类。硅的物理化学性 质在不同晶向有所差异，因此根据器件不同的要 求，对材料提出不同的生长方向。多数硅结型器 件( 如晶体管、集成电路等) ，大都采用 晶 向硅片；对于表面器件如m o s f e t 、c c d 等， 大都采用 晶向，这是因为 晶向界面密 度低。六十年代，人们发展了硅单晶半导体材料， 它一登上半导体材料舞台，就显示了独特优点： 电学性能和热稳定性好，能在较高和较低的温度 图卜1 硅单晶 下稳定的工作，硬度大，原材料来源丰富，地球 上百分之二十五点八是硅，真是取之不尽，用之不竭。因此，硅单晶制备工艺发 展非常迅速，产量成倍增加。就硅晶体生长和制备而言，有天然硅晶体和人工硅 晶体。天然硅晶体的数量很少，一般硅单晶都是人工制造的。为了制备性能良好 的硅单晶，在生产实践中，人们通过不断地研究、实践和探索，不断完善了硅单 晶生长技术1 1 】- 1 3 l 。 对于半导体单晶硅材料而言，其产业链的上游是金属硅，多晶硅的生产制 造，下游则是i c 的设计、加工制造、测试、封装。如下图1 - 2 所示。 浙江大学硕上学位论文 图1 2 单晶硅的生产流程及应用 单晶体切片后主要用于i c 集成电路和太阳能电池制备上。2 0 0 5 年中国半导 体市场( 需求) 总销额达4 0 8 亿美元，为全球集成电路的2 1 ，市场规模超过 美国，成为全球最大的集成电路市场。但是2 0 0 5 年中国国内芯片生长规模仍较 小，集成电路的产值仅为2 6 亿美元，仅为其需求的6 ，如图卜3 所示。 图卜3 需求量生长量对比图 2 浙江大学硕士学位论文 硅片是制造集成电路的关键材料。根据s e m i 最新统计，2 0 0 5 年全球硅片的 产量和销售额分别为6 6 4 5 亿平方英寸和7 9 亿美元。在全球2 0 0 3 年8 英寸硅片 占6 7 ，6 寸硅片占1 8 ，1 2 英寸硅片占7 。由于1 2 寸硅片发展迅速，2 0 0 5 年已占2 0 ，到2 0 0 8 年预计将占3 0 ，而8 英寸将下降到5 4 ，6 英寸将占 1 1 。2 0 0 4 年我国硅单晶产量达1 7 0 0 余吨，其中太阳能用1 1 0 0 吨，半导体用 约5 9 0 吨。但2 0 0 4 年我国半导体需求量约2 8 1 2 吨，半导体用硅单晶的产量仅为 需求的2 0 多。同时大尺寸硅片不足，国内对8 英寸、6 英寸抛光片的需求量大 而产量严重不足。 2 0 0 0 2 0 0 4 中国单晶硅棒市场需求情况如图卜4 所示。 图卜4 半导体需求晕对比图 在太阳能应用上单晶也有着重要作用。我国目前能源生产量仅次美国和俄罗 斯，居世界第三位，基本能源消费占世界总消费量的1 0 4 ，仅次美国居世界第 二位。可见我国已经成为一个能源生产和消费大国。但我国的能源发展过程中却 存在着两个十分严重的问题：一是优质能源比例很低，绿色能源或再生能源占比 例更低；二是人均能源资源占有量低。这就导致了我国能源产生和消费的结构不 合理，一定程度上制约了我国经济的总体发展。世界上公认的事实是，没有一个 国家是靠煤碳走向现代化的。太阳能是可再生能源，每年投射到地球的太阳能高 达1 0 5 x 1 0 1 8 千瓦时，相当于1 3 1 0 6 亿吨标准煤，按照目前太阳能质量消耗速 率计，太阳内部的热核反应足以维持6 x1 0 1 0 年，可以说是“取之不尽，用之不 竭”的最大清洁能源。利用单晶硅片制备的太阳能光伏电池发电清洁、安全、清 洁、环保、高效、可持续，资源相对广泛充足，长寿命免维护，运行成本低是理 想的再生能源。 根据欧洲j r c 的预测，至u 2 0 3 0 年太阳能发电将在世界电力供应中显现其重要作 用，占到l o 以上。c l s a 的研究报表表明：国际太阳能产业将由2 0 0 4 年的7 0 亿美 浙江= 学硕士学位论文 元增长到2 0 1 0 年的3 0 0 亿美元，年均增长率7 0 。 随着太阳能光伏电池的飞速发展，单晶硅片在国外国内市场上需求剧增，太 阳能用的单晶硅片缺口很大如图卜5 所示。单晶硅片在今后相当长的一段时问内 将仍然处于供不应求的情况。按照世界各国对2 0 1 0 年可再生能源需求量的预测， 世界光伏产业将以每年2 8 5 的平均增长速度发展。我国国家发改委、国家科技 部制定规划在2 0 0 5 年使光伏系统总装机容量达i o o m w ，2 0 1 0 年光伏发电总量 3 0 0 i 唧，可再能源发电到2 0 1 0 年占到发电总量的1 0 ，按照这个计划从现在2 0 1 0 年期间我国光伏，产业发展平均年增长率应大于3 5 。所以紧迫要求硅单晶制备 技术的提高。 图卜5 全球太阳能电池市场历年消耗硅材料量 1 1 2 直拉单晶炉概述 尽管制备晶体的方法有很多种，但由于直拉单晶制造法生长具有生长速度 快、晶体的纯度和完整性高等优点，因而依然是国内外制备高质量大单晶，特别 是高质量的i c 片硅单晶最常用和最重要的方法。 1 9 1 7 年，切克劳斯基( j c z o c h r a l s k i ) 发表了用直拉法从熔体中生长单晶体 的论文，为用直拉法生长硅单晶奠定了理论基础，从此，直拉单晶设备直拉 单晶炉飞速发展。 直拉单晶制造法( c z o c h r m s k i ，c z 法) 是把原料多硅晶块放入石英坩埚中， 在单晶炉中加热融化，再将一根直径只有l o m m 的棒状晶种( 称籽晶) 浸入熔液 中，如图1 - 6 所示。在合适的温度下，熔液中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列 结构在固液交界面上形成规则的结晶，成为单晶体。把晶种微微的旋转向上提升， 熔液中的硅原子会在前面形成的单晶体上继续结晶，并延续其规则的原子排列结 4 浙江大学硕士学位论文 构。若整个结晶环境稳定，就可以周而复始的形成结晶，最后形成一根圆柱形的 原子排列整齐的硅单晶晶体，即硅单晶锭。当结晶加快时，晶体直径会变粗，提 高升速可以使直径变细，增加温度能抑制结晶速度。反之，若结晶变慢，直径变 细，则通过降低拉速和降温去控制。拉晶开始，先引出一定长度，直径为3 5 m m 的细颈，以消除结晶位错，这个过程叫做引晶。然后放大单晶体直径至工艺要求， 进入等径阶段，直至大部分硅熔液都结晶成单晶锭，只剩下少量剩料1 5 j 。 图l 石直拉单晶制造示意图 这种单晶制备方法的主要优点是：在生长过程中，可以方便地观察生长情 况；晶体在熔体的自由表面处生长，而不与坩埚相接触，这样能显著减小晶体的 应力并防止坩埚壁上的寄生成核；可以方便地使用定向籽晶和“缩晶”工业，得 到完整的籽晶和所要取向的晶体。 最初的直拉单晶炉用高频加热，这种形式的单晶炉称为外热式直拉单晶炉。 最初的外热式单晶炉粗糙简单，以后在发展过程中不断改进，增加了坩埚的旋转 和一些附属件，终于使外热式单晶炉初具规模。但是，这种形式的直拉单晶炉对 进一步扩大硅单晶生产阻碍较大，因此，在发展中出现了内热式直拉单晶炉。内 热式单晶炉用高纯石墨作发热体，发热体用保温材料保温，放在密封水冷的不锈 钢炉腔内，发热体通过大电流产生高温使硅多晶熔化。同时直拉硅单晶生长技术 的发展也促进了直拉硅单晶生长设备发展。最初的直拉单晶炉装料量只有一百多 克多晶硅，石英坩埚的直径4 0 毫米至6 0 毫米，拉制的硅单晶长度只有几厘米到 十几厘米，现在，直拉单晶炉一般可装多晶硅4 5 公斤，最多的国外达到3 0 0 公 斤，石英坩埚直径达3 5 0 毫米，单晶直径达1 5 0 毫米，长度近2 米。直拉单晶炉 籽晶轴由硬构件发展成软构件，由手工操作发展成自动操作，并进一步发展成计 算机操作1 4 】- 嘲。 目前，人工晶体材料不断向大直径、高质量、产业化方向发展，这就要求与 之相适应的人工晶体生长设备( 包括直拉式单晶生长炉) 向大型化方向发展，具 备稳定性好、质量高、自动化程度高、操作使用方便等优点。 浙江大学硕士学位论文 1 1 3 国内外研究现状 图l - 7 直拉单晶炉结构简图 在晶体生长过程中，为了最大限度地免除人为因素对生长过程的干扰，必 须最大限度地提高生长设备的稳定性、精确性和自动化程度。在这方面，国内外 生产厂家都作了大量的技术改进和提高。 目前国内外晶体生长设备的现状如下刚： 6 浙江大学硕士学位论文 1 国外的以美国k a y e x 公司为代表，生产全自动硅单晶体生长炉。k a y e x 公司是目前世界上最大，最先进的硅单晶体生长炉制造商之一，它是专业生产直 拉单晶炉的厂商，隶属于美国通用信号集团。该公司拥有4 0 多年的历史，在单 晶炉制造业中一直处于领先地位，是世界上第一个拉出8 ”单晶硅的公司，其产 品行销世界各地。k a y e x 的产品早在8 0 年代初就进入中国市场，产品为国内众 多半导体材料生产厂家广泛使用。 h e m c o k a y e x 已成为中国半导体行业使用最多的品牌，深得用户好评。 k a y e x 公司一直致力于开发新技术以更好地服务于用户。其研制成功的半连续加 料系统和带磁场、大容量、大直径单晶炉已经被证实是卓有成效的。该公司生长 的硅晶体生长炉从抽真空一检漏一熔料一引晶一放肩一等径一收尾到关机的全 过程由计算机实行全自动控制。晶体产品的完整性与均匀性相当好，等径生长时 直径偏差在单晶全长内仅_ + l m m 。主要产品有c g 3 0 0 0 、c g 6 0 0 0 、k e y e x l 5 0 、 v i s i o n 3 0 0 型，投料量分别为3 0 k g 、6 0 k g 、1 5 0 k g 、3 0 0 k g “”。 北京有色金属总院、浙大海纳公司、洛阳麦斯克硅材料厂、上海硅材料厂、 浙江硅峰公司、浙江湖州新元泰微电子有限公司等硅单晶生产厂商都采用k a y e x 的炉子。但其价格相当昂贵。以k a y e x c g 6 0 0 0 型为例，每台售价在3 0 一3 8 万美 元左右( 折合人民币约2 5 0 3 1 0 万元左右) 。 k a y e x c g 3 0 0 0 、k a y e x c g 6 0 0 0 型系统如图卜8 、图1 9 所示。 图卜8k a y e xc g 3 0 0 0 型图卜9k a y e xk x l 5 0 型 2 国内以西安理工大学的晶体生长设备研究所为代表。自1 9 6 1 年起开始 生产晶体生长设备。主要产品有t d r 一6 2 b 、t d r 一7 0 b 、t d r 一8 0 ，投料量分别为3 0 k g 、 4 5 k g 、6 0 k g 。开封太阳能电池厂、秦皇岛太阳能电池厂、云南半导体材料厂、宁 7 浙江大学硕士学位论文 波太阳能电池厂等太阳能电池生产厂商都采用西安理工大学的炉子。但其产品属 于普及型。目前产品大部分用于太阳能电池市场。国内晶体生长炉的自动化程度 远远不及国外的产品，不能满足现在我国市场上大直径、自动化程度高的要求。 西安理工大学生产的t d r 一7 0 、t d r 一8 0 单晶炉如图卜l o 、卜1 1 所示。 图卜1 01 1 ) 1 1 7 0 型单晶炉图卜1 1 r d r 一8 0 型单晶炉 3 浙江大学机械厂与美国k a y e x 公司合作( 美方控股) 成立中美k a y e x 一浙 大机电有限公司，利用引进k a y e x 公司的c g 3 0 0 0 、c g 6 0 0 0 硅单晶生长设备制造 技术，生产全自动硅单晶生长设备4 0 余台。产品主要销往台湾、香港、美国等 地。但由于美国k a y e x 公司在技术方面的保密要求，中方只能进行设备机械部分 制造、装配与调试，所有设备的材料都需要从美国引进，连一个螺钉螺母都不例 外，全自动控制软件全由美方控制。从技术层面上讲，与引进设备是一致的，属 同一水准。 表1 1 单晶炉对比表 生产厂家投料量k g自动程度应用 k a y e x 单晶炉3 0 3 0 0全自动集成电路级单晶硅 中美k a y e x 浙大机电有 3 0 6 0全自动集成电路级单晶硅 限公司 西安理工大学单晶炉3 0 8 0 k g手动、半自动太阳能级单晶硅 由于国内无法生产生长大直径单晶的单晶炉，因此国内大直径( 8 英寸以上) 8 浙江大学硕士学位论文 单晶炉完全被国外所控制，由于价格昂贵，国内仅仅北京有色金属总院7 台制备 大直径的单晶炉，一直高负荷运转。 与半自动、手动的晶体生长炉相比，生产大规模集成电路单晶硅基材的全自 动晶体生长炉在产品的大直径、稳定性、均匀性、电阻率、体缺陷、无位错等方 面优势显著，大幅度提高单晶硅生产的合格率。更重要的是能有效摆脱大规模集 成电路单晶硅基材完全依赖于进口的受控现状。a y e xc g 6 0 0 0 型和k a y e x l 5 0 型单 晶炉可以实现从抽真空一检漏一熔料一引晶一放肩一转肩一等径一收尾直到关 机全过程的自动化控制，而国产单晶炉仅能实现等径一收尾过程的自动化控制。 k a y e xc g 6 0 0 0 型单晶炉采用基于c c d 直径测量的全自动技术生产出的大直径单晶 如图1 - 1 l 所示，单晶表面光洁，等径度高。而国内的半自动单晶炉采用红外间接 测量直径技术，无法获得晶体的真实直径信号从而不能完成整个拉晶过程的全自 动控制。国产炉生长的硅单晶如图卜1 2 所示，晶体外表不平整，等径质量差，生 产效率低。 图卜1 1 国外炉生长的硅单晶 图卜1 2 国产炉生长的硅单晶 1 2 直拉单晶的直径测量技术 控制直径，保证晶体等径生长是单晶制造的重要环节。硅的熔点约为1 4 5 0 ，拉晶过程始终保持在高温负压的环境中进行。直径测量必须隔着观察窗在拉 晶炉体外部非接触式实现。拉晶过程中，固态晶体与液态熔液的交界处会形成一 个明亮的光环，亮度很高，称为光圈。它其实是固液交界面处的弯月面对坩埚壁 亮光的反射。当晶体变粗时，光圈直径变大，反之则变小。通过对光圈直径变化 一的测量，可以反映出单晶直径的变化情况。自动直径测量就是基于这个原理发展 起来的【l l l 。 9 浙江大学硕士学位论文 1 2 1i r c o n 直径测量系统 l r c o n 系统是早期的直径测量技术。它使直拉硅单晶制造从人工手动等径发 展为自动等径，使半导体材料的大规模生产成为可能。i r c o n 探头实质上是一个 能探测极小范围的光学高温计。光学高温计是通过高温物体表面的光线强度来判 断温度的。其内部结构如图1 1 3 所示。 图1 1 3i r c o n 直径测量系统示意图 通过透镜组件，光圈图像投射到暗箱底部的挡板上。挡板中央有一个针眼大 小的孔，只允许光圈图像的极小部分通过。只有通过小孑l 的光束才能照射到一个 光敏元件上产生电信号，最后电信号经过线性化处理输出。实际通过小孔的光， 在光圈上只有直径为3 5 m m 的圆，与光圈环的宽度差不多，称之为测量圈。i r c o n 探头只感应测量圈内的光线变化。工作时，调节测量圈位置切入光圈1 3 ( 即相 交面积为1 3 ) 。如图1 1 4 所示，正常时测量圈内1 3 面积是光圈的强光，剩下 的2 3 面积为较暗的硅熔液部分。当单晶直径变粗时，光圈环放大外移，测量圈 与明亮的光圈的相交面积增加，使测量圈内平均亮度增加，反之则说明直径变小 了。 正常时 直径变大时直径变小时 图1 1 4 调节测量圈位置图示 环圉 测圉 实践证明，i r c o n 系统在小直径单晶制造中运用十分有效。在1 2 5 m m 直径以 1 0 浙江大学硕士学位论文 下单晶制造使用非常普及。通过调节探头位置，无论在等径阶段，还是引晶阶段 都能稳定工作。但是，随着单晶制造的大直径化，i r c o n 系统的局限性也日益显 现。由于单晶外圆的不规则，单晶旋转造成了光圈晃动。直径越大，晃动越厉害， i r c o n 系统的稳定性会因此下降。现在一般在1 2 5 m m 直径以上的单晶制造就很少 用此方法。另外，i r c o n 系统只能感知直径的变化，而不能测量出实际直径的读 数，这也不能适应高自动化工业的发展要求。 1 2 2s i m s 直径扫描系统 s i m s ( s c a n n e di m a g em e a s u r e m e n t s y s t e m ) 直径系统利用扫描原理测量直径， 并可以直观的测得直径读数。首先利用一个 旋转的反射镜，将光圈图像反射到光敏元件 上，而光敏元件只接受一点的光信号。由于 反射镜是旋转的，光敏元件接受的是光圈图 像上的一条水平横线的光信号，即扫描线。 如图1 1 5 所示，扫描线由左至右横穿光圈， 由此可以产生一条对于时间t 的扫描波形。 扫描周期即是反射镜的旋转周期。调节反射 镜旋转轴的角度可以调整水平扫描线的高 低位置。图1 - 1 5 ( a ) ，为等径时的典型扫描 波形。两侧的两个较低波峰是明亮的坩埚壁 的亮光，中间两个较高的波峰就是光圈的强 光所产生的。坩埚壁与光圈之间是较暗的溶 液光线，光圈波峰之问是结晶了的硅，亮度 ( a ) 典型等径波形 ( b ) 典型引晶波形 图l 一1 5s i m s 直径扫描系统示意图 位置 也较低。两个光圈波峰相距的时间与光圈直径大小有线性对应关系，可以推算出 光圈直径的实际大小。在引晶时，由于光圈又细又小，其波形就变成了两个小尖 峰( 如图1 1 5 ( b ) 所示) 。能直观的测得直径的实际数值是s i m s 系统的最大进步， 但是反射镜旋转是机械运动，需要电机和轴承，会产生磨损。反射镜旋转速度不 稳，会引起扫描波形的畸变，影响最后的计算结果。另一方面，在引晶时光圈又 细又小，其波形变成了两个小尖峰。扫描线位置必须很精确，光圈的轻微晃动就 有可能跑出扫描线以外，造成了引晶的不稳定。 1 2 3c c d 摄像扫描系统 随着直拉单晶的大直径化和工艺要求的复杂化，为了使结晶过程更稳定，进 浙江大学硕士学位论文 一步提高对工艺参数的控制精度，基于c c d 摄像扫描的各种改进技术也在不断 发展。下面就介绍几种典型的实用技术： 1 ) 采用变焦镜头 引晶的质量直接影响后面整根单晶的成功率。在引晶过程中，提高对引晶速 度、直径和温度的可控制性显得尤为必要。在引晶过程中，晶种直径只有3 5 m m ，反映到图像上也只有二三十个像素，精度大约为5 。为了进步提高精 度，采用变焦镜头放大引晶图像，提高图像的分辨率是很好的办法。9 0 年代中 期，国外的单晶炉厂家就采用变焦改进的c c d 系统，自动化程度非常高，能自 动完成引晶和等径过程。在一套成熟的工艺下，从装多晶料开始到拉晶结束，无 需人工操作。 2 ) 双c c d 系统 半导体工业的发展使电子产品c c d 的成本迅速下降，而变焦镜头作为高档 咣学产品，其价格始终居高不下。另一方面，变焦镜头需要一个拧变焦环动作， 一般由气动元件来完成。这在很大程度上增加了机构的复杂性。双c c d 系统采 用两个不同焦距的小型摄像头。长焦距c c d 用于引晶阶段，可以得到放大的引 晶图像，提高精度；等径时，使用普通焦距的c c d 。这里只有图像信号的切换， 整个过程都由电子设备完成，无机械运动，结构简单。 3 ) 多线扫描自适应系统 在拉晶过程中，由于某些原因会引起单晶的摆动( 圆锥摆) ，光圈也会随之 晃动，扫描结果也因此形成误差。因此，一方面要采取措施抑制摆动，另一方面 提高直径测量系统的抗摆动性成为衡量系统性能的重要指标。自适应扫描技术应 运而生，并且在实用中得到很好的运用。这里就以美国k a y e x 公司的四线扫描 自适应系统为例，提供一个改进思路。根据光圈图像，先确定光圈在图像中的位 置，把光圈圆弧的最低点定为基准点。处理每一帧图像时，都先确定基准点。扫 描线位置始终在基准点上方，并与基准点距离保持相对固定。当单晶轻微晃动时， 基准点随之跟踪光圈的晃动，而扫描线始终被确定在基准点上方的一个相对固定 位置。系统能自动跟随光圈晃动变化，自动调整扫描线的位置。在此基础上更进 一步，在垂直距离上每隔若干像素增加一行扫描线，共四条扫描线一起工作。计 算结果排除特异值后，取平均值。这样可以大大减少由于图像干扰引起的突发误 差。 1 3 图像测量技术的研究现状和优势 图像测量技术是图像分析和处理的个分支。利用光学成像技术对目标成 像，然后对图像中目标的位置、尺寸、形状、方位和目标问相互关系等参数进行 1 2 浙江丈学硕士学位论文 测量，是图像处理分析的重要研究应用领域。同时国际上还有一个学科是摄影测 量。可以说光学图像测量与摄影测量在许多方面是相互覆盖的，甚至是相同的。 特别是在中近景摄影测量方面，相同和相通的地方就更多。但在某些特定的方面 两者是有区别的。例如摄影测量学通常不包括利用特殊光学手段，如全息干涉法、 栅格线法等进行的光学测量。而用航空或卫星照片进行的大地测量习惯上称为摄 影测量。 图像测量技术具有非接触、全场测量和高精度的三大重要特点。非接触测量 使得对被测物不用加以任何约束限制，因此可以独立地、客观地对被测物进行静 态或动态的测量。这使得许多不能在被测物上附加传感器的测量成为可能，且更 客观和直观。对于许多动态测量，人们最关心的是失效破坏过程，但是如果传感 器随着对象的失效破坏其本身也发生失效和破坏的话，就会导致动态测量的失 败。而利用光学图像测量可以完好地测量整个过程，因此光学图像测量具有不可 替代的优势。 图像测量技术的全场测量特点使得可对整个视场中目标的特性进行测量。传 统测量中，图像测量信息源是一幅图像或图像序列，其记录介质为胶片、干板等。 以往对光学图像测量图像主要是人工进行处理。例如直接在照片上用直尺、脚规 等工具进行测量，或用投影仪将胶片放大到屏幕上再对目标进行判读测量。这种 采用人工判读处理的方式，不但需要专门的判读设备，而且耗时耗力，易出错， 精度低，从而限制了光学图像测量的应用。 利用计算机数字图像处理分析技术对图像测量图像进行处理和分析就形成 了光学图像测量数字图像处理分析技术。该技术使得光学图像测量方法有了质的 飞跃，增强了光学测量的手段，扩大了光学测量的应用范围，有效提高了测量精 度。光学图像测量数字图像处理分析技术与传统光学图像测量方法相比，有以下 几个突出的优点： ( 1 ) 提高图像的质量。利用数字图像处理技术可以对图像进行各种处理。例 如图像增强、边缘锐化、滤除噪声等。这些处理可以有效地增强待测物体的有用 信息，抑制无用的噪声信息。通常可明显改善图像的质量，甚至使得传统方法无 法测量到的物理量可测。 ( 2 ) 提高测量的精度。首先利用提高摄像机、扫描仪等图像采集设备的硬件 分辨率，或调整光学镜头放大倍数等方法，使获得的图像信息比传统方法更多、 更精确。同时利用各种图像目标模式定位方法，特别是亚象素定位技术，可以明 显地提高图像目标的定位精度。 ( 3 ) 可测量传统方法不易测量的物理量。许多肉眼无法分辨的物理量，例如 某异形区域的面积，连续变化的亮度场、色彩场、条纹方位场等，都可以利用光 学图像测量数字图像处理分析技术来测量。 浙江大学硕士学位论文 ( 4 ) 对成象系统的高精度标定和误差修正。成象系统的标定和误差修正是高 精度光学测量的重要环节之一。利用数字图像处理技术可以实现对摄像系统高精 度的标定和误差修正，为高精度光学测量提供坚实的基础。 ( 5 ) 自动化程度高。随着计算机技术的不断发展，各类图像采集、处理新硬 件的出现为光学图像测量技术发展提供了新的方法和手段，再加上处理算法自动 化程度和效率的提高，使光学图像测量图像处理分析的自动化程度大大提高，这 样极大地减少了处理的工作量和时间。 由于上述的优势，将数字图像处理分析技术广泛应用于光学测量己是必然趋 势。了解和掌握光学图像测量数字图像分析的基本原理和方法具有重要的理论和 应用意义。 1 4 论文研究的目的、意义及内容 1 4 1 研究目标和意义 本论文将研制一套基于图像处理的直拉单晶直径测量系统，采用双c c d 系 统。c c d 摄像头和图像采集卡获取单晶体生长图像，并用图像处理技术对直径 值进行识