基于提拉轴运动轨迹估计的单晶炉对中检测系统

摘要

近年来,半导体晶体直径朝着大型化的方向发展,晶体的直径逐渐从6英寸发展到12英寸。晶体直径的大型化发展成为当前的主流趋势。生长出质量好、尺寸大的单晶硅需要非常稳定的运动和对称的热场,所以,CZ生长法中单晶炉提拉头、软轴、坩埚轴三者的旋转中心重合与否对晶体的品质有着至关重要的作用。因此,研究单晶炉的对中检测问题具有十分重要的意义。
　　通过对目前现有的单晶炉对中检测方法仔细研究后,本文以前人的对中检测方法为基础进行深入研究,重新优化设计了硬件,并且在单晶炉内完成了对提拉轴运动轨迹估计的测试。方案中首先提取出激光的运动轨迹,然后采用了二级重心法进行定位,即分别采用重心法定位激光光斑的中心位置和运动轨迹的中心位置。针对对中系统实时检测这一要求,搭建了一套高速嵌入式图像采集与处理平台,以点激光和面阵图像传感器作为检测元件,完成图像的实时采集、传输、处理和终端显示。为了验证上述算法的可行性,需要获得连续的图像数据。因此,搭建了实验装置进行现场测试。
　　在测试中,尝试了不同的图像处理算法与运动轨迹估计算法,并得到了相应的结果。通过对测试结果的综合评价,确定了最终的图像处理算法和运动轨迹及轨迹中心位置估计算法。经测试,该方案的检测精度在0.25mm之内,实现了单晶炉对中问题的精确、高效的检测。最后将轨迹估计的算法移植到嵌入式图像检测平台上,并最终应用于实际的单晶炉自动化工业检测现场。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 课题的研究背景

1.3 单晶炉提拉系统的对中问题对晶体质量的影响

1.4 对中问题的难点

1.5 国内外单晶炉对中方法的研究现状

1.6 本文的主要内容

2 本文提出的对中检测方案

2.1 对中系统简介

2.2 基于提拉轴运动轨迹估计的单晶炉对中检测方案介绍

2.3 对中检测系统提拉轴摆动的原理

2.4 小结

3 图像的采集与处理系统

3.1 图像传感器的选型与介绍

3.2 可编程逻辑器件（CPLD）的选型及介绍

3.3 采集部分的软硬件设计

3.4 处理芯片的选型与介绍

3.5 处理部分的软硬件设计

3.6 处理结果的传输与显示

3.7 图像的处理速度对系统的影响

3.8 嵌入式检测平台实物展示

3.9 小结

4 图像处理和运动轨迹估计的算法研究

4.1 激光光斑的提取

4.2激光光斑中心的定位

4.3 激光光斑运动轨迹的提取和轨迹中心的定位

4.4 小结

5 单晶炉对中检测系统现场测试设计

5.1 激光发射装置的设计

5.2 测试相机及镜头的选型

5.3 运动轨迹测试环境设计

5.4 小结

6 单晶炉对中检测系统提拉轴运动轨迹现场测试及结果分析

6.1 单晶炉抽真空对对中系统的影响

6.2 现场测试及结果

6.3 结果分析

6.4 小结

7 总结和展望

7.1 总结

7.2 展望

7.3 小结

致谢

参考文献