晶体生长设备及晶体生长方法 本发明涉及晶体生长设备及晶体生长方法。更具体而言，本发明涉及在晶体生长过程中能自动控制晶体直径的设备和方法。本发明还涉及在晶体生长中使用的坩埚。
低缺陷单晶的生长，一直是例如半导体工业大量研究的课题。这一类晶体是制造各种半导体器件所必不可少的母体。
生长单晶的切尔劳斯基(Czochralski)晶种-拉单晶技术是众所周知的[例如物理化学杂志(Z.Physik.Chem.)(Liebzig)92,219(1918)]。采用这种技术使晶种与熔融的材料(熔料)发生接触，有利于进一步结晶。如此制造地晶体，是在其生长时从熔料中拉出的。已经开发出晶体生长的双坩埚方法[例如，应用物理杂志(Journal of Applied Physics),29no.8(1958)pp1241-1244和美国专利5,047,112]。该设备一般包括一个外坩埚，其中装有与生长晶体组成相同的熔料。一个内坩埚，浮在外坩埚中的熔料上，穿过内坩埚侧壁的底部有一个小通道，使熔料从外坩埚流入内坩埚。
最近叙述了一种改进的双坩埚方法(英国专利9412629.9)，其中采用一个注射器，使熔融材料进入第一个坩埚，第一个坩埚是由导热率高于形成第二个坩埚所用材料的高热导材料形成。注射器的构成，使与第一个坩埚的熔融材料具有较高的热接触，与第二个坩埚的材料具有较低的热接触。
任何晶体生长技术的一个重要方面，就是在整个生长过程中用目视观察、测定和控制晶体的直径。自动控制直径最常采用的方法是称量晶体或称量坩埚重量的方法[例如，H.J.A.van Dick等人，电子学学报(Acta Electronica)17 1 45-55(1974)和美国专利2,908,004]。采用这种方法测定重量的变化率，用其计算晶体的直径。然而，采用这种方法却有几个缺点。
对于某些材料，在熔点液态的密度大于固态的密度。因此，如果熔料的温度升高，由于提高温度的结果，弯液面的高度相应增高，尽管晶体的直径减小，但晶体的重量却似乎在增加。这种作用会提供与所要求的符号相反的控制信号。包括锑化铟在内的大部分Ⅲ-Ⅴ族的半导体，都会出现这种问题。此外，晶体还受一个由表面张力引起的向下的力，该力与相对晶体竖轴接触角的余弦成正比。在某些材料中，其中包括大部分Ⅲ-Ⅴ族的半导体，液体和晶体的有效接触角是正的。在提高温度时，恰好在晶体熔料界面之下的弯液面的直径减小，相对晶体竖轴的有效接触角也减小。因此，由于表面张力，表观重量增加，所以给出与减小直径所要求的相反符号的控制信号。在英国专利1494342和1465191中阐明了这些问题。
自动控制晶体直径的称重方法的另一个问题是，差分有效地放大了重量信号中的噪音。因此，在低生长速率下，差分重量信号小时，噪音在重量信号中的作用增加，差分信号的信噪比变差。实际上，这意味着在生长速率低于2mm/h时，这种方法几乎没有用处。此外，对于较大晶体的生长，称重设备必须具有较大的称重载量，因此不可避免地会使分辨能力降低。这使得在小直径下，控制生长的精确性较小。在密封熔料的情况下，密封剂施加一种浮力，该浮力能有效地减轻晶体的重量。例如，这种影响视密封剂的深度、晶体的直径和从晶体中排出的密封剂量而变化。
也将X-射线图象技术用于晶体直径的自动控制[例如，H.J.A.van Dick等人，电子学学报(Acta Electronica)17 1 45-55(1974)]。然而，这种技术也有几个缺点。有与X-射线相关的受辐射危害的危险，辐射防护的费用可能是很贵的。此外，由于需要的设备尺寸大，并需要将其安装在晶体生长设备的周围，所以这种技术可能是不方便的。还需要X-射线透过的窗口。这种图象设备的费用是较贵的。
也有采用目视观察晶体生长的光学方法。已知的这类光学技术主要由二种方法组成。一种技术是采用光束，或采用从靠近生长界面的弯液面反射的光束。通过反射光束角度的变化，检测弯液面的移动和直径的变化[例如H.J.A.van Dick等人，电子学学报(ActaElectronica)17 1 45-55(1974)和美国专利3,201,650]。第二种方法是利用晶体生长的视频图象检测弯液面，并通过图象处理确定直径[例如D.F.O’Kane等人，晶体生长杂志(Journal of Crystal Growth)13/14 624-628(1972)]。然而，这些方法具有下列一种或多种缺点。由于熔料的液位随晶体生长和熔料减少而下降，图象中晶体的表观直径受深度变化的影响。此外，如果晶体直径突然显著地下降，在晶体生长时弯液面会从视野中消失，使测定和控制失效。在用液体密封熔料的情况下，密封剂及其弯液面的反射作用可能引起混淆。随着熔料液位的下降，坩埚壁可能使弯液面的图象模糊不清。
可通过外部拉晶机构，研究生长过程中熔料深度的变化。然而，这需要外加设备，而且不能完全克服熔料深度下降的影响。例如，不能克服坩埚壁引起的弯液面图象模糊不清。本发明的目的就是克服这些问题。
在晶体生长杂志(Journal of Crystal Growth)13/14 619-623(1972)中，Gartner等人叙述了一种观测方法，采用这种方法，在与水平面小于15°角的条件下，对着明亮的弯液面观测晶体的生长。这种方法要求使用尽可能大的坩埚，并限制晶体生长到熔料下降约15mm。此外，在晶体生长过程开始时，晶体图象的背景发暗，随后在生长过程中，图象的背景明亮。这种背景的不连续性可能会造成困难，并能造成控制间断。此外，晶体生长的图象随熔料液位的下降而移动，除非调节照相机或反射镜进行补偿，否则图象会在照相机视野中移动。由于晶体生长过程中蒸气的沉积以及挥发材料造成的不良控制，反射镜的反射率也常常降低。
本发明的目的，是提供克服这些问题的晶体生长设备以及晶体生长方法。
根据本发明，晶体的生长设备包括：
一个装有供晶体从其中生长的熔融材料的坩埚，在熔融材料和晶体之间具有一个弯液面区，和
接收沿入射光路射来的光束并反射横向通过生长界面区的光束第一个反射装置，和
接收横向通过生长界面区反射的光束并反射沿射出光路的射出光束的第二个反射装置。
其中，在熔融材料的表面或靠近表面处，配置第一或第二个反射装置，使在晶体生长过程中，使它们相对熔融材料表面的位置基本上保持不变。
这种设备具有一个优点，即由观测第二个反射装置反射的射出光束获得的生长界面区的晶体或任何其它部位的图象，在视野中保持不变，因为第一和第二个反射装置的位置与随着晶体生长出现的熔融材料深度的下降无关。
这种设备可以包括支承第一和第二个反射装置的支承装置，所配置的支承装置浮在熔融的材料上，使晶体生长过程中，第一和第二个反射装置相对熔融材料表面的位置，基本上保持不变。
支承装置可以和第一和第二个反射装置是整体的，或可将第一和第二个反射装置安装在单独的支承装置上。
采用另一种方案，支承装置可以是装有熔融材料的第二个内坩埚，它与第一个坩埚中的熔融材料是流体相通的，使第一和第二个反射装置支承在内坩埚上，内坩埚浮在第一个坩埚中的熔融材料上。这种配置不仅具有常规双坩埚设备的所有优点，而且还具有另一个优点，即通过观测从第二个反射装置反射的射出光束得到的生长界面区的晶体或任何其它部位的图象，在视野中都保持不变，与随着晶体的生长时熔融材料深度的下降无关。
第一和第二个反射装置的配置，使第一个反射装置反射的入射光束，通过熔融材料的表面反射到第二个反射装置。
该设备也可包括图象处理装置，接收射出光束并形成生长界面区的晶体或任何部位的图象。这种设备还可包括加热第一个坩埚中物料的装置。
优选入射和射出光路与竖直方向的角度小于5°，而入射和射出光路基本上是在竖直方向上。
第一和第二个反射装置可以是平面反射镜。该装置也可包括沿入射光路直射光束的辐射源。该装置也可包括一个或多个用于引导从辐射源来的沿入射光路的直射的反射镜。其优点为源可定位在更为方便的位置。该设备还可包括一个或多个用于将从第二个反射装置来的反射光束反射到图象处理装置的反射镜。
该设备还可包括根据观测的图象，测定晶体直径或弯液面区直径的至少一个的测定装置。该设备还可包括根据测定的晶体直径或测定的弯液面区直径控制晶体生长的反馈装置。
第一个反射装置标有测量刻度，为晶体直径的测定或弯液面区直径的测定提供标度。采用另一种方案，该设备可以包括反射第一个反射装置中测量刻度的装置，为晶体直径的测定或弯液面区直径的测定提供标度。
根据本发明的另一个方面，浮在一个外坩埚中的熔融材料上的用于从熔融材料中生长晶体的坩埚，其特征在于，它包括第一个反射装置和第二个反射装置，前者接收光束并将其反射横向通过生长界面区，后者接收横向通过生长界面区的反射光束，并将其反射成射出光束。其中配置的第一或第二个反射装置，使在晶体生长过程中，它们位于熔融材料的表面或靠近表面处，以致在晶体生长过程中，它们相对熔融材料表面的位置，基本上保持不变。
这种坩埚可以包括第一和第二个反射表面，它们可以是坩埚整体的一部分，例如，抛光的表面，或者被固定在坩埚上。
根据本发明的另一方面，晶体生长的方法包括以下步骤：
(ⅰ)采用加热装置加热晶体从其中生长的熔融材料，在熔融材料和晶体之间具有弯液面区，
(ⅱ)使光束沿入射光路射到第一个反射装置上，经反射横向通过生长界面区到达第二个反射装置上，
(ⅲ)第二个反射装置接收第一个反射装置反射的光束，并沿射出光路反射出射出光束，和
(ⅳ)第一和第二个反射装置配置在熔融材料的表面或靠近表面处，以致在晶体生长过程中，它们相对熔融材料表面的位置基本上保持不变。
这种方法可以包括在支承装置上支承第一和第二个反射装置的步骤，所配置的支承装置浮在熔融的材料上，以致在晶体生长过程中，第一和第二个反射装置相对熔融材料表面的位置基本上保持不变。
这种方法还可以包括采用图象处理装置获得晶体或生长界面区的任何部位图象的步骤。这种方法还可以包括根据图象处理装置，测定晶体直径或弯液面区直径的至少一个的进一步的测定步骤，根据测定的晶体直径或测定的弯液面区直径，控制晶体的生长。
现在将参照下面的一些附图，通过唯一的实施例说明本发明，其中：
图1示出现有技术已知的测定晶体直径的光学设备，
图2更详细地示出熔料表面的界面图，
图3示出本发明的设备一个实施方案的示意图，
图4示出生长弯液面的示意图，
图5示出图4所示设备部件的另一种配置，
图6示出控制反馈过程的流程图。
参见图1，图1用示意图示出在采用常规切尔劳斯基生长技术生长的过程中测定晶体直径的一种已知光学测定设备。这种设备总体用1表示，其中包括一个装有熔融材料(熔料)3的坩埚2，熔料具有熔料表面4，在加热和冷却后熔料会固化成具有所需组成的晶体5。在这个方案中，通过观测从点源P点射入并从熔料表面4反射的激光束6，测定晶体5的直径。
为了周期地改变输入信号，激光束6通过一个光调制盘7射入，通过透镜L1和L2聚焦，由反射镜8反射到熔料的表面4上。从熔料表面R处反射的光束，通过透镜L1聚焦，并由反射镜M1和M2反射到光电二极管检测器D1和D2上。光强度在光电二极管上的分配比例取决于反射角度，通过测定光束从熔料表面4的反射角度，可以测定表面倾角φ(见图2)。已经知道，表面倾角是固液界面上晶体直径的真实量度[例如H.J.A.van Dij等人，电子学学报(ActaElectronica),17,1,1974 pp45-55]。因而，测定反射角得到晶体直径的度量。
然而，这种方法确实有几个缺点。例如，由于熔料的液位随晶体的生长和熔料的减少而下降，晶体的表观直径受深度变化的影响。此外，如果晶体直径突然明显减小，弯液面就从视野中消失，则测定和控制失效。对于某些材料，在需要采用液体密封熔料的情况下，从密封剂和其弯液面上反射的光束，可能引起混淆。
在另一种方法(例如Gartner等人，晶体生长杂志(Journal ofCrystal Growth)13/14 619-623(1972))中，由于熔料的液位随晶体的生长而下降，熔料深度的变化也是个问题，因为在照相机的视野中，晶体的图象会移动。因此，为了进行补偿，在这种方法中采用的反射镜或照相机必须能够移动。
本发明的目的，是提供在晶体生长过程中，能够观测晶体的晶体生长设备以及晶体生长方法，其中晶体图象的位置与熔料深度的下降无关，因此不需要外部的补偿装置。该设备很容易与常规切尔劳斯基晶体生长设备一起配合使用。该设备特别适合晶体生长的双坩埚技术。关于这类系统的详细情况可在应用物理杂志(Journal of AppliedPhysics),29,no.8(1958)pp1241-1244、美国专利5,047,112和英国专利申请9412629.9中找到。
图3示出本发明设备的双坩埚实施方案，该设备总体用10表示。该设备一般包括一个内坩蜗11，其中所装的材料在加热制成熔料12之后会固化以形成具有所需组成的晶体1。设备10还包括二个支承在坩埚11上的反射镜14和15，坩埚11位于熔料的表面或靠近表面处。还可包括支承在坩埚11外的二个反射镜16和17。该设备还包括一个外坩埚50。
该设备特别适用于双坩埚方法，该方法用于其中主要是慢生长的晶体生长，以避免例如成分冷却引起的生长缺陷。在前述的参考文献中叙述了晶体生长使用的常规双坩埚系统。内坩埚11位于外坩埚50内。晶体13从内坩埚中的熔料12a中拉出，在平衡条件下，其组成与外坩埚中的熔料12b相同。在内坩埚11中的熔料，通过通道21从外坩埚50得到补充。
在图5中示出晶体生长界面区的放大示意图。该图示出晶体13、生长界面20(即熔料/晶体界面)、在熔料和生长的晶体之间形成的弯液面19，熔料表面23以及生长晶体13最靠近生长界面的部分。对本说明书而言，所述的“生长界面区”系指包括生长界面20、弯液面19、熔料表面23以及在生长界面区20内正在生长的晶体的区域。
从光源进来的光束18(未示出)直接投射到反射镜16上，再从反射镜16反射到反射镜14上。反射镜16和14是这样配置的，使从反射镜16向反射镜14反射的光束，基本上是在竖直方向上。在图4所示的实施方案中，反射镜14和15是这样配置的，使它们之间反射光束的光路，横向通过熔料表面23。反射镜17相对反射镜15配置，使从反射镜15反射的光束，基本上是竖直向上的，与反射镜17成一角度，使从设备反射出来的射出光束18b，投向目视观测方便的位置。然后使射出的光束18b射入图象处理装置(未示出)。图象处理装置可以是人的眼睛，直接通过望远镜观察晶体。然而，实际上优选采用照相机观察晶体。然后采用软件分析照相机得到的图象，在后面将更详细地说明这一点。
在晶体生长过程中，坩埚11内熔料的液位12a下降。因此，在外坩埚50内的熔料12b的液位也随晶体的生长而下降，内坩埚11的竖直高度随熔料深度的下降而下降。本发明的一个重要特性在于，弯液面图象的位置与熔料深度(即外坩埚中的熔料)的下降无关。这种情况的出现，是由于反射镜14和15支承在内坩埚11内，内坩埚11浮在外坩埚50中的熔料上。因为弯液面图象的位置在视野中固定不动，这是有利的。对于图象处理而言，这有利于捕捉图象。这并不是常规光学测定方法的情况，在常规方法中，需要有外加的装置来补尝熔料深度的下降。
在图4所示的双坩埚设备的实施方案中，反射镜14和15位于熔料23的表面上。在本发明的双坩埚设备的另一个实施方案中，反射镜14和15不是位于熔料23的表面上，而是配置在靠近熔料表面23的位置上。在图6中举出这种配置的一个实例。在这种配置中，反射镜14和15可支承在内坩埚11上。使反射镜14和15成一角度，以致入射光束从反射镜14反射到熔料表面23上，再将光束从表面23反射到反射镜15上。在这种配置中，反射镜14和15相对熔料表面23的位置基本上保持不变，使弯液面图象的位置与熔料深度的下降无关。
只要反射镜对16/14和15/17之间光束的光路与竖直方向偏离的角度小，这种方法就与熔料深度的下降无关。就偏离角度θ而言，测量误差与tan2θ成正比，当角度θ≥5°时，误差可以忽略。
在另一个实施方案中，坩埚没有通道，该坩埚被用在常规切尔劳斯基晶体生长的单坩埚系统中。在这个实施方案中，反射镜可位于浮在熔料表面上的支架上。支架可以是反射镜整体的一部分，例如在其上施加反射镜反射覆层的基体。支承装置可以是任何支架，例如环状支架，支架可以单独制造，再将反射镜14和15安装在支架上，使其浮在熔料上。
可在反射镜14的反射表面上标度分度的测量刻度。这可用于晶体直径的准确测量或用于调节图象获取硬件(如照相机的镜头)以自动或手动地使变焦镜头的聚焦长度最佳化，以致图象能尽可能高倍地放大，而不超过可用的光圈。这保证了最大的分辨和控制的准确性，这在通常困难的引晶生长期间特别有用。另外，分度的测量刻度可反射到反射镜14中，而不是在反射镜上标刻度。
图3所示的上部反射镜16、17并不是不可缺少的。在另一个实施方案中，反射镜16和17可用放在反射镜16位置上的光源和放在反射镜17位置上的检测装置来代替(或者反过来，视优选的观测位置而定)。此外，在偏离角θ小时，弯液面图象的位置与熔料高度的下降无关，这可通过使光源和检测装置位于适宜的位置来实现。
在常规的光学测定方案中，在晶体生长过程下晶体直径的突然减小可能引起弯液面从视野中消失，使测定和控制失效。采用本发明，在晶体直径减小后，弯液面不会模糊不清，因而避免了这个问题。
本发明也比在晶体生长过程中用于测定和自动控制晶体直径的常规称重技术有一些优点。在这类方法中，由于晶体材料的生长性质，偶而可能获得与需要方向相反的控制信号。特别是对Ⅲ-Ⅴ族半导体材料，例如InSb，这是个问题。本发明的测定方法消除了这个问题，可以普遍地应用于适合切尔劳斯基方法的任何材料，与密封剂的反射可能引起问题的常规方法不同，这种技术也可应用于采用没有任何有害作用的密封材料密封的熔料。
此外，常规的称重技术依赖于测定重量的变化率。因此，如果晶体不在生长，这种技术就不能用于测定晶体的直径。本发明的一个优点在于，如果晶体不在生长，也能直接测定晶体的直径。在引晶生长阶段，这是特别有用的，采用本发明，能使从通常很困难的晶种浸渍阶段自动地生长。
改善晶体生长及其弯液面的图象，容许采用手工非常容易地控制晶体的生长，特别是在通常晶体生长很困难的引晶生长阶段。因能以轮廓影象或X光照片的形式得到图象，这在随后的图象处理中，能比较容易地区别图象中的晶体和背景。这意味着可以更准确地测定晶体的直径。对于自动控制晶体生长过程的任何反馈控制过程，高度准确是重要的。
在晶体生长过程中，可以采用常规的视频照相机和帧接收器获取生长界面区的晶体生长或任何部位的图象。然后可以采用常规可利用的工业上的方法分析这种图象，这些方法能够提供对图象具体特征的线性测定。通过选择能代表晶体直径或能代表就在生长晶体下面的弯液面直径的图象的一部分，可以测定正在生长的晶体的有效直径。
所得的值可用于确定在控制反馈过程中采用的任何偏差或误差，以相应地调节熔料的温度、向坩埚加热器提供的电力、或晶体拉出的速率，以适宜改变生长速率得到所需晶体。图6示出构成本发明一部分的典型自动反馈控制过程，从图象获取到温度控制步骤的流程图。
本发明的方法，可应用于任何常规切尔劳斯基晶体生长技术或双坩埚技术中，以在晶体生长过程中测定和控制晶体的直径。