CN105821469A - 单晶炉硅溶液液面位置检测方法、装置及调整系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种单晶炉硅溶液液面位置检测方法、装置及对应的调整系统，其中该方法包括：向信号输入端输入电压信号，其中信号输入端的下端面始终位于硅溶液液面的下方；通过检测第一测量端和第二测量端的电压信号，获取第一测量端和第二测量端的电压信号检测状态；根据电压信号检测状态，生成用于指示硅溶液液面是否处于合理位置的检测结果。本发明利用硅溶液的导电性，在向信号输入端输入电压信号后，通过获取第一测量端和第二测量端的电压信号检测状态，自动并精确检测硅溶液液面位置，从而精确判断硅溶液液面是否处于合理位置，并进一步对坩埚位置进行相应调整，使硅溶液液面始终保持在合理位置。

Description

单晶炉硅溶液液面位置检测方法、装置及调整系统

技术领域

本发明涉及单晶硅制备技术领域，尤其涉及一种单晶炉硅溶液液面位置检测方法、装置及调整系统。

背景技术

直拉法单晶炉在生产单晶硅的过程中，要经历抽空检漏、加热化料、引晶、放大转肩、等径、收尾等多个阶段。其中，从引晶过程开始后就需要控制硅溶液液面位置，从而为晶体生长创造一个合适的温度场。

在该过程中，随着硅单晶棒的不断生长，硅溶液液面位置会随之降低，这时就需要通过坩埚升降系统进行调节，来保持液面位置的恒定。在已有的控制系统中，利用坩埚升降进行调节时，是根据坩埚形状、装料量、生长速度等多个变量经过换算而得到的一个理论变化值。所以在实际的生产过程中，利用该理论变化值进行调节后，经常会出现液面位置随着硅单晶棒的生长逐渐变低直至出现较大偏差的情况，这时就需要操作工人实时对设备状态进行修改，从而保证生产过程的顺利进行。因此，自动并精确检测硅溶液液面位置，并在检测出硅溶液液面位置后将硅溶液液面位置精确调整到合理位置，对于预防上述情况的发生和提高设备的自动化水平具有十分重要的意义。

发明内容

本发明提供一种单晶炉硅溶液液面位置检测方法和装置，以解决现有技术中无法自动并精确检测硅溶液液面位置的问题。

本发明还提供一种单晶炉硅溶液液面位置调整系统，以解决现有技术中无法将硅溶液液面精确调整到合理位置的问题。

第一方面，本发明提供一种单晶炉硅溶液液面位置检测方法，所述方法包括：

向信号输入端输入电压信号，其中所述信号输入端的下端面始终位于所述硅溶液液面的下方；

通过检测第一测量端和第二测量端的电压信号，获取所述第一测量端和所述第二测量端的电压信号检测状态，其中所述第一测量端和所述第二测量端的下端面分别与所述硅溶液液面的合理位置的最高位置和最低位置齐平；

根据所述电压信号检测状态，生成用于指示所述硅溶液液面是否处于合理位置的检测结果。

作为本发明第一方面的优选方式，所述根据所述电压信号检测状态，生成用于指示所述硅溶液液面是否处于合理位置的检测结果包括：

若所述第一测量端和所述第二测量端均检测到电压信号，则确定所述硅溶液液面处于合理位置的上方；

若所述第一测量端和所述第二测量端均未检测到电压信号，则确定所述硅溶液液面处于合理位置的下方；

若所述第一测量端未检测到电压信号，所述第二测量端检测到电压信号，则确定所述硅溶液液面处于合理位置。

第二方面，本发明提供一种单晶炉硅溶液液面位置检测装置，所述装置包括：

信号输入端，其中所述信号输入端的下端面始终位于所述硅溶液液面的下方；

第一测量端和第二测量端，其中所述第一测量端和所述第二测量端的下端面分别与所述硅溶液液面的合理位置的最高位置和最低位置齐平；

控制系统，用于向所述信号输入端输入电压信号，并通过检测所述第一测量端和所述第二测量端的电压信号，获取所述第一测量端和所述第二测量端的电压信号检测状态；根据所述电压信号检测状态，生成用于指示所述硅溶液液面是否处于合理位置的检测结果。

作为本发明第二方面的优选方式，所述装置还包括：

机械调整单元，用于调整所述信号输入端、所述第一测量端和所述第二测量端的位置，使所述信号输入端的下端面始终位于所述硅溶液液面的下方，同时使所述第一测量端和所述第二测量端的下端面分别与所述硅溶液液面的合理位置的最高位置和最低位置齐平。

作为本发明第二方面的优选方式，所述信号输入端、所述第一测量端和所述第二测量端均由铼金属材料制成。

作为本发明第二方面的优选方式，所述控制系统包括PLC和工控机，所述PLC与所述工控机连接，所述PLC还分别与所述信号输入端、所述第一测量端和所述第二测量端连接。

第三方面，本发明提供一种单晶炉硅溶液液面位置调整系统，所述系统包括：

坩埚调整单元，用于根据检测到的硅溶液液面位置对坩埚的位置进行调整，使所述硅溶液液面处于合理位置；

以及，如第二方面所述的单晶炉硅溶液液面位置检测装置。

本发明提供的单晶炉硅溶液液面位置检测方法和装置，利用硅溶液的导电性，在向信号输入端输入电压信号后，通过获取第一测量端和第二测量端的电压信号检测状态，自动并精确检测硅溶液液面位置，从而进一步精确判断硅溶液液面是否处于合理位置。另外，本发明提供的单晶炉硅溶液液面位置调整系统，在精确检测出硅溶液液面位置后，通过对单晶炉内的坩埚位置进行相应调整，使硅溶液液面始终保持在合理位置，从而晶体在生长过程中始终保持在最理想、最合适的位置生长，使整个生长过程得以顺利进行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种单晶炉硅溶液液面位置检测方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种单晶炉硅溶液液面位置检测装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种单晶炉硅溶液液面位置检测装置中信号输入端、第一测量端和第二测量端的位置示意图；

图4为本发明实施例提供的一种单晶炉硅溶液液面位置调整系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明利用硅溶液的导电性，在向信号输入端输入电压信号后，通过获取单晶炉内不同位置处的第一测量端和第二测量端的电压信号检测状态，从而判断出这两个测量端与硅溶液液面的接触情况，进一步可判断出硅溶液液面是否处于晶体生长时需要的合理位置内，通常该合理位置为一个高度范围，即硅溶液液面处于该合理位置的高度范围内时晶体均可以正常生长，因此该合理位置包括一个最高位置和一个最低位置。

本发明实施例公开了一种单晶炉硅溶液液面位置检测方法，参照图1所示，该方法包括：

S1、向信号输入端输入电压信号，其中信号输入端的下端面始终位于硅溶液液面的下方；

S2、通过检测第一测量端和第二测量端的电压信号，获取第一测量端和第二测量端的电压信号检测状态，其中第一测量端和第二测量端的下端面分别与硅溶液液面的合理位置的最高位置和最低位置齐平；

S3、根据电压信号检测状态，生成用于指示硅溶液液面是否处于合理位置的检测结果。

具体地，步骤S3中，若第一测量端和第二测量端均检测到电压信号，则确定硅溶液液面处于合理位置的上方；

若第一测量端和第二测量端均未检测到电压信号，则确定硅溶液液面处于合理位置的下方；

若第一测量端未检测到电压信号，第二测量端检测到电压信号，则确定硅溶液液面处于合理位置。

一般地，该合理位置的最高位置和最低位置与该合理位置的距离均优选为2mm，即在该合理位置上下偏差2mm的范围内均可以保证晶体正常生长。具体地，该合理位置根据现场的实际生产情况确定，具体的确定过程为本领域技术人员所公知的方法，在此不再赘述。

本发明提供的单晶炉硅溶液液面位置检测方法，利用硅溶液的导电性，在向信号输入端输入电压信号后，通过获取第一测量端和第二测量端的电压信号检测状态，自动并精确检测硅溶液液面位置，从而进一步精确判断硅溶液液面是否处于合理位置。

本发明实施例还公开了一种单晶炉硅溶液液面位置检测装置，参照图2所示，该装置20包括：

信号输入端21，其中信号输入端的下端面始终位于硅溶液液面的下方；

第一测量端22和第二测量端23，其中第一测量端22和第二测量端23的下端面分别与硅溶液液面的合理位置的最高位置和最低位置齐平；

机械调整单元24，用于调整信号输入端21、第一测量端22和第二测量端23的位置，使信号输入端21的下端面始终位于硅溶液液面的下方，同时使第一测量端22和第二测量端23的下端面分别与硅溶液液面的合理位置的最高位置和最低位置齐平；

控制系统25，用于向信号输入端21输入电压信号，并通过检测第一测量端22和第二测量端23的电压信号，获取第一测量端22和第二测量端23的电压信号检测状态；根据电压信号检测状态，生成用于指示硅溶液液面是否处于合理位置的检测结果。

在初始状态时，硅溶液液面处于晶体生长时需要的合理位置内，通过机械调整单元24预先调整信号输入端21的位置，确保信号输入端21的下端面始终位于硅溶液液面的下方，然后再调整第一测量端22和第二测量端23的位置，使第一测量端22和第二测量端23的下端面分别与该合理位置的最高位置和最低位置齐平，此时第一测量端22和第二测量端23的下端面分别位于该硅溶液液面的上方和下方，具体参照图3所示。一般地，该合理位置的最高位置和最低位置与该合理位置的距离均优选为2mm。

具体地，控制系统25包括PLC和工控机，通常设置在远离单晶炉的外部。信号输入端21、第一测量端22和第二测量端23分别通过耐高温导线引至单晶炉外部，再进一步与PLC连接。在向信号输入端21输入电压信号后，在一定的间隔时间内，PLC通过检测第一测量端22和第二测量端23的电压信号，来判断硅溶液液面位置。

PLC还与工控机连接，利用该工控机可以实现操作人员与控制系统25之间的交互。

此外，由于硅溶液温度较高，且导电性能较差，因此信号输入端21、第一测量端22和第二测量端23均由均由铼金属材料制成，具有较好的耐高温和导电性能。

本发明提供的单晶炉硅溶液液面位置检测装置，利用硅溶液的导电性，在向信号输入端输入电压信号后，通过获取第一测量端和第二测量端的电压信号检测状态，自动并精确检测硅溶液液面位置，从而进一步精确判断硅溶液液面是否处于合理位置。

本发明实施例还提供一种单晶炉硅溶液液面位置调整系统，参照图4所示，该系统包括：

坩埚调整单元41，用于根据检测到的硅溶液液面位置对坩埚的位置进行调整，使硅溶液液面处于合理位置；

以及，如上述实施例中所述的单晶炉硅溶液液面位置检测装置42。

其中，坩埚调整单元41与所述的单晶炉硅溶液液面位置检测装置42中控制系统的PLC连接，从而在PLC的控制下实现对坩埚的位置进行调整。

在整个调整系统运行前，先在PLC中预设单次向上或向下调整坩埚时的调整行程和运行速度。在向信号输入端输入电压信号后，在一定的间隔时间内，PLC通过检测第一测量端和第二测量端的电压信号，来判断硅溶液液面位置。在PLC判断出硅溶液液面位置后，进一步判断出需要调整的状态，并输出相应的信号控制坩埚调整单元41对坩埚的位置进行调整。此时PLC仍会通过检测第一测量端和第二测量端的电压信号，来判断硅溶液液面实时调整后的位置，一旦检测到硅溶液液面处于合理位置时则停止调整。

坩埚调整单元41根据预设的调整行程和运行速度对坩埚进行调整，在达到预设的单次向上或向下的调整行程后，仍检测到硅溶液液面未处于合理位置时，PLC停止对坩埚的调整，并通过工控机提醒操作人员对硅溶液液面位置进行人工确认，然后再根据人工确认后的实际情况进行相应操作，从而可有效防止系统因判断错误而出现操作事故。具体地，需要进行人工确认的情况有以下两种，一种是当第一测量端和第二测量端均未检测到电压信号，在达到预设的单次向上的调整行程后，第二测量端仍未检测到电压信号时，此种检测结果表明硅溶液液面仍处于合理位置的下方；另一种是当第一测量端和第二测量端均检测到电压信号，在达到预设的单次向下的调整行程后，第一测量端仍检测到电压信号时，此种检测结果表明硅溶液液面仍处于合理位置的上方。

此外，PLC可以结合晶体生长速度、晶体直径、单晶炉炉内温度、晶升速度等变量进行自适应调整，从而提高整个调整系统的自动化水平。

本发明提供的单晶炉硅溶液液面位置调整系统，在精确检测出硅溶液液面位置后，通过对单晶炉内的坩埚位置进行相应调整，使硅溶液液面始终保持在合理位置，从而晶体在生长过程中始终保持在最理想、最合适的位置生长，使整个生长过程得以顺利进行。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种单晶炉硅溶液液面位置检测方法，其特征在于，所述方法包括：

向信号输入端输入电压信号，其中所述信号输入端的下端面始终位于所述硅溶液液面的下方；

通过检测第一测量端和第二测量端的电压信号，获取所述第一测量端和所述第二测量端的电压信号检测状态，其中所述第一测量端和所述第二测量端的下端面分别与所述硅溶液液面的合理位置的最高位置和最低位置齐平；

根据所述电压信号检测状态，生成用于指示所述硅溶液液面是否处于合理位置的检测结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述电压信号检测状态，生成用于指示所述硅溶液液面是否处于合理位置的检测结果包括：

若所述第一测量端和所述第二测量端均检测到电压信号，则确定所述硅溶液液面处于合理位置的上方；

若所述第一测量端和所述第二测量端均未检测到电压信号，则确定所述硅溶液液面处于合理位置的下方；

若所述第一测量端未检测到电压信号，所述第二测量端检测到电压信号，则确定所述硅溶液液面处于合理位置。

3.一种单晶炉硅溶液液面位置检测装置，其特征在于，所述装置包括：

信号输入端，其中所述信号输入端的下端面始终位于所述硅溶液液面的下方；

第一测量端和第二测量端，其中所述第一测量端和所述第二测量端的下端面分别与所述硅溶液液面的合理位置的最高位置和最低位置齐平；

控制系统，用于向所述信号输入端输入电压信号，并通过检测所述第一测量端和所述第二测量端的电压信号，获取所述第一测量端和所述第二测量端的电压信号检测状态；根据所述电压信号检测状态，生成用于指示所述硅溶液液面是否处于合理位置的检测结果。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

机械调整单元，用于调整所述信号输入端、所述第一测量端和所述第二测量端的位置，使所述信号输入端的下端面始终位于所述硅溶液液面的下方，同时使所述第一测量端和所述第二测量端的下端面分别与所述硅溶液液面的合理位置的最高位置和最低位置齐平。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述信号输入端、所述第一测量端和所述第二测量端均由铼金属材料制成。

6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述控制系统包括PLC和工控机，所述PLC与所述工控机连接，所述PLC还分别与所述信号输入端、所述第一测量端和所述第二测量端连接。

7.一种单晶炉硅溶液液面位置调整系统，其特征在于，所述系统包括：

坩埚调整单元，用于根据检测到的硅溶液液面位置对坩埚的位置进行调整，使所述硅溶液液面处于合理位置；

以及，如权利要求3至6中任一项所述的单晶炉硅溶液液面位置检测装置。