[发明专利]多晶硅还原炉多参量在线监测与优化控制装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及硅还原炉生产领域，具体涉及一种多晶硅还原炉多参量在线监测与优化控制装置及方法。

技术背景

多晶硅是电子工业与太阳能产业的基础原料，广泛用于半导体芯片、高性能传感器、光纤、太阳能电池板等。至2010年，全球多晶硅产量达到12万吨，而中国已占总产量的50％，产值近400亿人民币。预计2011年，全球多晶硅产量将达到16万吨，而中国所占比例则将提高到总产量的60％以上。

还原炉内硅棒表面的温度分布、棒径、生长率等参量是提高硅棒生长质量的关键环节。在多晶硅棒生长过程中，温度增高，硅在硅芯上的沉积速率增加，硅棒生长加快，但耗能过多，温度越高，气相条件越苛刻，硅棒的均匀性越差；温度降低，硅的沉积速率变慢，当温度低于一定值时，硅棒容易断裂，影响生长的继续进行。另外，硅棒的直径随时间的变化是温度调节以及进料气体组分配比的重要依据，不合理的配比会使硅棒生长速率下降，大量消耗能源。因此，就迫切需要一种能在还原炉内在线监测这些参量并进行闭环优化控制的设备。

但是在目前国内外对还原炉内硅棒多参量的在线测量及优化控制都进行的理论研究与探索性的试验，并没有成熟的仪器设备进入生产应用。世界上，即使在多晶硅生产工艺控制方面处于技术领先地位的德国西门子公司、日本三菱电机公司等也均没有成熟的在线监测与控制的设备；在国内更是空白，目前，还原炉内的多参量（如硅棒直径、温度等）的在线监测及优化控制基本上停留在理论研究阶段。

直至目前，在全国千余座多晶硅还原炉的实际生产中，采用的均是以预设经验曲线为基础的开环式控制模式，温度是靠通过观测窗的点测温，以点带面，而直径的测量完全靠工人工作的经验目测大概地进行估计，显然这种方法具有一定主观性与偶然性。

鉴于此，研制了一种可在还原炉内对硅棒表面的温度分布、棒径、生长率等参量进行在线测量并进行闭环优化控制的设备。

发明内容

本发明解决了多晶硅生长过程的多参量实时监测及优化控制的技术难题，研制了一种硅棒表面温度分布、硅棒直径、生长率等参量的在线准确测量并进行闭环优化控制的设备。对节能降耗、提高生产效率、保障生产安全、减轻劳动强度均有极为重要的意义。

本发明采用的技术方案是：

多晶硅还原炉多参量在线监测与优化控制装置，其特征在于，包括有多参量红外监测探头、红外图像处理与视觉测量模块、工艺优化控制模块，所述的多参量红外监测探头包括有近红外光学系统、图像采集模块，多参量红外监测探头外部装有水冷防护罩，水冷防护罩的前端设有水冷型密封耐压观测窗，多参量红外监测探头深入到多晶硅还原炉内；所述的红外图像处理与视觉测量模块包括有红外图像处理模块和视觉测量模块，红外图像处理模块依次相连的数据采集模块、图像处理模块，视觉测量模块包括有比色测温模块、直径测量模块，图像处理模块的输出端分别与比色测温模块、直径测量模块连接，比色测温模块、直径测量模块的输出端均接入数据输出接口、用户接口，数据输出接口外接有工艺优化控制模块，用户接口外接显示器，工艺优化控制模块通过一个数据接口与原控制系统连接。

所述的工艺优化控制模块为闭环优化控制模型。

所述的图像采集模块为红外CCD相机。

多晶硅还原炉多参量在线监测与优化控制的方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

1）多参量红外监测探头通过选取最优红外波段和高灵敏度的红外CCD相机，通过近红外光学系统、红外CCD相机获得炉内硅棒生长的图像信号，并经过数据采集模块进行A/D转换，获得多晶硅硅棒的红外数字图像；

2）将上述获得的红外数字图像送入图像处理模块，并经图像处理模块进行图像预处理与分割，结合具体的图像，通过图像去噪算法和平滑滤波算法，最大限度的保护了图像表面温度分布特征；通过进行轮廓跟踪找出封闭的边缘，并进行亚像素级边缘检测和直线拟合，得到较高精度的图像边缘；

3）将上述处理过的图像输送到视觉测量模块的直径测量模块中，首先进行红外CCD相机的标定得到相机的内外参数，根据Hough直线拟合算法进行最初目标图像边缘的选取，然后对图像进行小区域边缘的跟踪；在鲁棒性估计的基本矩阵指导下进行对应点匹配；最后，根据以上算法将测量的像素值与实际单位制尺度进行换算，得到硅棒的实时直径数据；

4）将步骤2中处理的图像输送到比色测温模块中，利用比色测温模块中的图像处理系统对图像进行坏点的修正，对图像进行分割、平滑、分层、灰度转换，然后调用数据库，对灰度曲线进行拟合，对温度进行标定，完成测温；