DEAJ009 多晶硅生长视频监测系统实施方案.docx

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DEAJ009多晶硅生长视频监测系统实施方案

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（1000～1200℃）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1000～1200℃，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（1＋5％）＝158（mm），根据上式求出A=46mm，这时，视场角为：

2arctg34/（46+52）=38º。

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1000～1200℃，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1MVC1800DA-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

􀁺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：

6.45μm*6.455μm

􀁺光学尺寸：

2/3英寸

􀁺最小照度：

0.02lux（Mono）/0.5lux（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：

1/15～1/32000秒

􀁺镜头接口：

C/CS

􀁺CPU占用：

<1%（传输）

􀁺种类：

彩色（BayerRGB），黑白

􀁺供电方式：

单独+12V供电

􀁺工作温度：

0°C～50°C

􀁺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：

MVCAP

3.2.2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，镜头和相机的联接接口形式应该尽量相同；镜头的视场和景深应该满足被测物体的尺寸要求。

3.2.2.1镜头离炉外壁的距离计算

对某一物点而言，只有它所发出的所有光线经过光学系统后全部成像在CCD感光面上，成像质量才最好。

但在实际光学系统中光线经过折射、反射等最后到达像面，在这个传输过程中，并不是所有进入系统的光线最后都能通过，而是有一部分被遮挡了；同时由于镜头口径的限制，也不是所有的光线都能进入光学系统。

如图10所示，是炉内硅棒上两点出射光线的示意图。

图10炉内硅棒上两点出射光线的示意图

从图10可以看出，要使A、B两点成像质量都好，希望从两点分别发出的光通过还原炉上的开孔后，尽可能地都照射到镜头上，这样就要求镜头必须安装在还原炉壁上，这在实际中是不可能实现的；同时炉内温度太高，对镜头有高温辐射，需要镜头离炉壁远一点；为了保证成像质量，在本项目中要求镜头尽可能地离炉壁近一点。

所以综合考虑安装需求，我们确定镜头离炉外壁的距离为25mm当然，根据镜头的冷却系统，我们还可以适当调整距离。

3.2.2.1镜头焦距的计算

如果被测物体的视场（大小）已知，被测物体离镜头的距离已确定，CCD的靶面尺寸也知道了，那么焦距就可以由下列公式计算。

f=hD/H

或f=vd/V

公式中，D为镜头中心到被摄物体的距离；H和V分别为被摄物体的水平尺寸和垂直尺寸；v为靶面成像的高度；h为靶面成像的水平宽度。

根据前面选择的相机，已知CCD感光靶面尺寸h=8.8mm；D=25+52+131=208mm；多晶硅直径最大为150mm时，H＝150mm，则

f=hD/H＝8.8×208/150=12.2（mm）

3.2.2.1镜头的定型

如上所述，考虑到在工业现场中需要监视系统使用方便，运行可靠等特点，本文初步选用了性价比较高的COMPUTAR公司的M1214-MP百万像素固定焦距镜头，如图11所示，其主要性能参数见表2所示。

镜头采用C型接口可以与相机配套使用。

成像尺寸满足相机的CCD传感器尺寸要求。

另外，该镜头分辨率较高，适合高精度的尺寸检测。

手动的光圈和焦距调节可以满足本课题的要求。

图11M1214-MP的外形

表2COMPUTAR公司的M1214-MP性能参数

3.3系统软件设计

机器视觉系统要实现预定的功能离不开相应的计算机软件，图像处理软件要

实现图像数据的采集，并且进一步通过特定的算法对采集的数字图像进行分析、

处理，最终将结果显示或根据需要传送给执行机构的控制部分。

系统软件的设计在整个系统的设计中占有重要的地位，是提升机器视觉系统性能的重要保障。

软

件系统的设计应合理高效和简洁，以保证整个检测系统运作的稳定和可靠。

本项目拟采用VisualC++6.0作为程序的开发平台。

选用这一开发工具的主要原因在于：

●C++语言具有灵活性强，可以方便的实现自己的算法，便于软件功能的扩展；

●C++编程语言可以方便的操作内存，可以提高程序的运行速度，适合图像处理；

●VisualC++拥有众多使用者和爱好者，方便研究学习和交流。

本项目的软件大致可包括三个部分：

软件界面模块、图像采集模块、图像处理与分析模块。

本项目软件的界面是基于VisualC++的MFC对话框的程序。

程序的各种函数和功能通过菜单操作来实现，采集或者打开的图像和处理结果在同一界面显示，结构简单清晰。

图像采集模块是利用图像采集卡（这里是网卡）提供的驱动程序动态链接库便可以控制相机的动作，进而进行图像采集操作。

图像处理和分析模块是整个软件的核心，其中的函数包括：

图像预处理、特

征提取、轮廓增强、尺寸测量、参数计算和系统标定。

利用这些函数完成本项目的测量任务。

4、经费预算

1、设计费（一次性）4万

2、材料费12.36万

●工业镜头、工业摄像头3.5万

●图像采集卡1.44万

●高性能工控机1.8万

●工业显示屏0.72万

●风冷防护罩及隔热板伺服机构1.7万

●相机扫描机构2.2万

●相机移动机构（用于起炉时、维修时将相机移开）1万

3、软件开发费（一次性）5万

4、定位（安装）支架设计与制造4.5万

5、调试试验、差旅费2-4万

6、管理费10%

合计（每套）：

32.85万（首套）

16.8万（后续配套）

5、需要说明的问题

（1）在安装过程中，我们需要在现场反复来调整镜头、相机的位置，才能找到一个最佳的成清晰像的位置。

（2）在测量过程中，我们需要对系统进行定标，需要反复测试实际尺寸与测量尺寸之间的误差，以便修正测量误差。

（3）本设计不包含现场安装支架等结构施工设计。

6、项目进度计划

多晶硅生长视频监测系统项目时间安排如下：

（1）2007年9月中旬完成详细方案设计；

（2）2007年10月中旬完成系统硬件平台的设计和搭建；

（3）2007年12月中旬完成软件的编制和调试，以及与硬件的连调；

（4）2008年1月上旬现场安装调试；

（5）2008年1月底完成文档整理及交付用户。