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1、多晶硅生长视频监测系统实施方案1、多晶硅生长视频监视系统的需求分析1.1多晶硅生长环境作为半导体材料的多晶硅，工业上制取的方法有多种，目前国内大都采用三氯氢硅在高温下（10001200）用氢气还原的方法在还原炉内实现。还原炉内装有12对多晶硅棒，它们实际上是串联在电路中的，先用高压击穿，后通低压电流升温，当达到反应条件后，将精制并净化后的氢气和三氯氢硅混合气体通入还原炉内进行还原反应，还原析出的高纯硅不断地在硅芯上沉积，同时又作为载体继续在其表面进行还原反应。在生产过程中要根据反应时间和反应情况不断调节通料量和混合气体的配比以及通过硅棒的电流，以保证还原反应在要求的温度范围内进行，从而保证多晶
2、硅的质量。当认为硅棒达到规定的直径后，就停止还原反应并做好出炉的准备工作。1.2多晶硅生长原有的测试方法在生产过程中往往需要根据用户的要求而生产一定直径的多晶硅棒，多年来一直是根据生产工人的经验，用眼睛通过还原炉上的视镜来观察估计炉内硅棒的直径，由于生产工人的经验以及还原炉上视镜透明度的不同，常常造成观察估计的结果和出炉后实测直径有一定的出入，有时误差较大，给用户的使用和加工带来困难。1.3多晶硅生长视频监测系统鉴于现有测量多晶硅生长方法的陈旧和精度不高等问题，我们提出了多晶硅生长视频监测的方法来对多晶硅的生长直径进行测量和过程进行监测，同时能实现以下功能：（1）实现多晶硅生长尺寸测量，测试精
3、度高于10%，建立尺寸-时间关系曲线。（2）工人可在计算机屏幕前观测炉内情况。减轻劳动强度，提高工作效率，保障安全生产。（3）根据每炉反馈的多晶硅质量数据，结合温度测试数据，逐步建立多晶硅生长最优温度场控制模型，并用于指导以后的生产。（4）具备数据存贮、分析输出功能。（5）安装调试的自动指导功能。1.4多晶硅生长视频监测系统环境需求分析多晶硅生长视频监测系统的工作环境恶劣，环境温度高，车间灰尘大，这些都会对镜头和摄像头有很大的影响。我们可以采取以下几点措施来解决这些问题：（1）采用加防护罩和冷却系统的方法。防护罩隔灰尘，隔爆；冷却系统可以采用风冷或水冷的方法。（2）采用间隔拍照的方法。多晶硅的
4、生长速度较缓慢，1分钟拍照一次能足够地满足我们的要求。（3）采用隔热板来进行隔热。在炉壁开孔位置，加一块隔热板，用电磁阀驱动隔热板，让其1分钟打开一次，同时照相机拍照，这样大大减少了辐射到镜头和相机上的热量，提高了镜头和相机的寿命，同时增强了系统的可靠性。 另外，多晶硅生长视频监测系统炉内温度高达10001200，光照度很强，影响成像质量，我们需要对光强进行衰减。 2、多晶硅生长视频监视系统的工作原理2.1 机器视觉的基本原理简述多晶硅生长视频监测系统是以机器视觉方法实现对多晶硅尺寸的测量。机器视觉是研究用相机和计算机来模仿人的眼睛和大脑完成对目标的识别、跟踪和测量等任务的科学。通俗地说，就是
5、用机器代替人眼来做测量和判断。它的工作过程大致为：首先，使用相机将被摄取目标转换成图像信号，传送给图像处理系统，图像系统对这些图像中包含的信息进行处理和计算；然后计算机根据处理的结果做出判断或决策；最后将结果存储、显示或将控制信号传送给执行机构。机器视觉的特点是自动化、客观、非接触和高精度，与一般意义上的图像处理系统相比，机器视觉强调的是精度和速度，以及工业现场环境下的可靠性。2.2 机器视觉系统的基本结构设计典型的PC式机器视觉系统一般由图像采集、图像分析处理、结果输出与执行几个部分组成。其中，图像采集部分的硬件主要包括：光源、镜头、相机、图像采集卡。图像采集部分的任务是将目标物体的特征信息
6、进行光学成像，然后通过图像传感器将光信号转换为电信号传递给计算机的图像数据采集卡；图像分析处理部分由基于个人计算机平台上的图像处理分析软件实现；处理结果的输出可以利用计算机的通信接口也可以通过附加的硬件I/O设备来实现。机器视觉系统的硬件组成结构如图1所示。图1 机器视觉系统的硬件组成基本结构3、多晶硅生长视频监视系统的方案设计3.1多晶硅视频监测位置设计如图2所示是多晶硅在还原炉（外壳直径为1544mm，内壳直径为1440mm）内的布局（俯视图），最初多晶硅直径为8mm（图中24个小圆），两两间相距230mm。经过高温加热，多晶硅的直径随时间增长，长到150mm（图中24个大圆）时，需要停止
7、加热。 图2 多晶硅还原炉俯视图 图3 外圈多晶硅棒的关系示意图根据前述的已知参数，我们可以计算出多晶硅棒在还原炉内的确切位置。如图3所示，O和O1分别是外圈相邻两个多晶硅棒的圆心，即：C为还原炉的圆心，CD和OO1垂直，D为交点。因为所有多晶硅棒的间距相等，所以图3中的OO1是正十六边型的一条边，D为OO1中点则有：则得到：同理，参考上述R的计算方法，可以求得内圈（正十六边形变为正八边型）多晶硅棒圆心到还原炉圆心的距离为R1=。根据工程要求，现只能在炉壁上开孔观察炉内多晶硅棒的生长情况。由于高温辐射，热量损失，所以开孔直径较小，为68mm。开孔位置为炉壁的开孔中心在外圈硅棒中心与还原炉中心的
8、连线上，如图4中所示的1、4点位置所示。图4 多晶硅还原炉开孔位置示意图为了得到此方案中多晶硅棒生长直径成像的情况，我们有必要知道镜头放置的位置。如图5所示，当多晶硅棒的直径生长到150mm时，设摄像头到还原炉外壳的距离为A，所观测的多晶硅棒圆心到还原炉内壳的距离为B，以下给出A和B的具体计算方法：图5 方案一测量位置示意图由图2中的几何关系不难得到B+R等于还原炉内壳半径720mm，R=589.5mm，所以，。因此，当摄像头的距离达最远时，即有Amax时，有如下比例关系：将B代入上式可以求得：考虑多晶硅棒生长有5的误差，则当多晶硅棒生长到150mm时，即实际尺寸可能为150（15）158（m
9、m），根据上式求出A=46mm，这时，视场角为：2arctg34/(46+52) =38。由于A=46mm尺寸安装非常困难，实际系统可能需要采用相机扫描方式才能看全最大尺寸的棒。根据成像距离的需要，这个扫描机构必须有一个以硅棒中心为圆心的圆弧导轨。如图6所示为相机的扫描机构示意图。图6 相机的扫描机构示意图由于镜头离炉壁的距离很近，这样起炉的时候容易损坏系统，再者距离太近给维修和更换设备带来麻烦，鉴于此，我们需要一个移动机构，在起炉和维修时，我们的整个系统在移动机构的作用下直线向后移动。3.2系统硬件设计系统硬件主要包括耐高温的镜头，图像传感器，视频处理系统和监视器组成。图7所示是多晶硅生长视
10、频监测系统的基本组成框图。 图7 系统基本组成框图由于系统是工作在60左右的车间环境中，温度较高，灰尘较大，因此还需要一些隔热、防尘和冷却装置，因此，本系统的硬件组成结构如图8所示。在炉壁外靠近炉壁的地方安装一个隔热板，隔热板上开一个孔，当拍照的时候，孔打开，平常就关闭，这样减少了炉孔向镜头辐射的热量，提高镜头的使用寿命。孔的开闭由电磁阀控制，如图9是隔热板打开和闭合时的状况。图8 多晶硅生长视频监测系统的硬件组成结构图图9 隔热板关闭和打开结构图本系统中使用可见光成像，炉内直射到镜头的热量太大，环境温度高，需要加冷却系统。我们采用风冷系统。下面通过对一系列相机、镜头硬件资料的分析总结后，根据
11、各个硬件的参数及其选用原则选择了一套适合本项目需要的硬件，包括相机、镜头和图像采集卡。并使用这些硬件搭建了机器视觉系统。3.2.1 相机的选择3.2.1.1相机的选择依据本项目拟选择工业相机，因为工业相机是专门用于工业领域的，为适合工程应用要求而设计制造的。与普通数码相机相比有许多优点：（1）工业相机的快门时间非常短，可以抓拍快速运动的物体。例如，可以拍摄一个酒杯被打碎的过程，记录破碎后的碎片的运动轨迹；（2）工业相机的图像传感器是逐行扫描的，而一般相机的图像传感器是隔行扫描的，甚至是隔3行扫描的。（3）工业相机输出的是没有经过处理的图像数据，其光谱范围也较宽，比较适合进行高质量的图像处理算法
12、的机器视觉工程应用。一般的数码相机拍摄的图像光谱范围只适合人眼视觉，并且经过了图像数据的压缩操作，降低了图像质量。相机的选择要根据系统的要求综合考虑镜头和图像采集卡的情况来选择相机的参数。相机的选择除了考虑选择黑白/彩色、数字/模拟、面阵/线阵、精度、速度外，还要考虑的因素有：相机与图像采集卡之间的数据输出接口、相机与镜头之间的联接接口等。数据输出接口主要有视频制式模拟信号、CameraLink, LVDS ，IEEE1394，USB等。在系统的硬件选择时要注意相机和图像采集卡之间的接口的类型，尽量选用相同接口，如果接口不同要考虑相机和图像采集卡之间的接口转换问题；根据相机和镜头间的联接支座的
13、螺纹的不同可以分为C接口和CS接口。3.2.1.2 本项目选择相机的依据由于我们最后对硅棒的直径测量精度要求为10，当硅棒直径从8mm生长到150mm时，实际上对它的绝对测量精度要求为0.8mm，综合考虑各种对精度影响的因素，在选择CCD时，当我们要求它对测量精度的影响至多为0.1mm时，即一个CCD象素所对应的长度值为0.1mm。当150mm的硅棒在CCD上成像时，需要的象素数为：150mm/0.1mm=1500，则我们选择的CCD水平方向的有效象素数为1500个。当150mm硅棒成像占满整个CCD时，即1500个象素，则8mm的物体只占80个象素。 本项目主要测试的是多晶硅的生长直径，但硅
14、棒在生长过程中，可能会有倾斜和成像质量的影响，导致直径不是水平地成像在CCD上，所以我们有必要选择面阵CCD，但对于垂直方向而言，分辨率要求不高，象素数量不作过多的要求。另外，我们每分钟只需获得1帧图片，需要帧速较小；炉内温度高达10001200，照度较高，对相机照度灵敏度没有过多的要求。根据本文的要求结合今后研究工作的进一步开展，我们选择微视公司新推出的高清晰CCD 数字摄像机MVC1800DA-GE15。其主要参数如表1所示。最后相机定型将根据现场测试确定。表1 MVC1800DA-GE15CCD数字相机规格指标 传输方式： 千兆以太网（无Hub，100m） 幅 面： 1390*1037
15、采样位数： 10bit/12bit 最高帧率： 15fps 动态范围： 58dB(10bit,Mono)/ 56dB(10bit,Color)/66dB(12bit) 象元尺寸： 6.45m*6.455m 光学尺寸： 2/3 英寸 最小照度： 0.02 lux (Mono)/0.5 lux(Color) 采集方式： 连续采集，异步复位 快门方式： 电子快门 快门速度： 1/151/32000 秒 镜头接口： C/CS CPU 占用： 1%（传输） 种 类： 彩色（Bayer RGB），黑白 供电方式： 单独+12V 供电 工作温度： 0C 50C 扩展功能： 闪光灯控制输出，用户触发输入，长时间积分控制输入，看门狗 软件支持： MVCAP3.2.2镜头的选择镜头选择要根据相机的传感器尺寸、被测物体的尺寸，物体离镜头的距离以及支座接口形式等进行综合考虑。镜头的成像应能够完全覆盖镜头的传感器表面，镜头和相机的
