熔体硅液面位置的测量方法和装置.pdf

一种熔体硅液面位置的测量方法和装置，所述的方法是：在单晶炉内，由于面光源照射，使位于反射镜上方、安置在上炉盖上的石墨标记物在反射镜上有一倒影，通过CCD扫描到标记物倒影座标，当反射镜位置上升时，即：坩埚上升，其相应倒影坐标改变，以可编程序控制器PLC记录及计算此时标记物在反射镜上的倒影座标和对应的液面高度。本方法能够检测出在晶体生长过程中随熔体向晶体转变过程中坩埚上升速度过快造成的熔体液面上升的距离或坩埚上升速度过慢造成的熔体液面下降的距离，便于获得稳定的熔体液面，本装置结构简单，使用方便。

1.  一种熔体硅液面位置的测量方法，其特征在于：在单晶炉内，由于面光源照射，使位于反射镜上方、安置在上炉盖上的石墨标记物在反射镜上有一倒影，通过CCD扫描到标记物倒影座标，当反射镜位置上升时，即：坩埚上升，其相应倒影坐标改变，以可编程序控制器PLC记录及计算此时标记物在反射镜上的倒影座标和对应的液面高度。

2.  根据权利要求1所述的一种熔体硅液面位置的测量方法，其特征在于：测量时，将起始反射镜位置作为反射镜位移零点，以调节位于反射镜下方的坩埚支撑轴的升降来调节反射镜的高低；并设定一个液面高度的目标值。

3.  一种熔体硅液面位置的测量方法，其特征在于：实际晶体生长过程中，通过测量得到标记物在熔体表面倒影坐标，根据权利要求1中记录的标记物倒影坐标同对应液面高度关系数据，以得到此时液面高度。

4.  根据权利要求3所述的方法，其特征在于：通过测量得到标记物在熔体表面倒影的坐标为横座标或纵坐标。

5.  一种熔体硅液面位置的测量装置，它包括：
(1)、安放在单晶炉坩埚支撑轴上的石墨支撑柱、安装在石墨支撑柱上的石墨托盘、放置在石墨托盘上的反射镜；
(2)、位于反射镜上方安置在上炉盖上的石墨标记物、悬挂在炉室内反射镜正上方的面光源；
(3)、用于测量反射镜上石墨标记物倒影坐标变化的CCD镜头；
(4)、将标记物倒影坐标变化和硅熔体液面位移进行记录和换算的可编程序控制器(PLC)。

6.  一种熔体硅液面位置的测量装置，其特征在于：它包括：熔体温度在1400℃以上，热辐射发出的光在单晶炉内产生的漫反射将炉室内照亮，将其作为面光源；炉中的硅熔体表面平滑，作为反射镜；用于测量反射镜上石墨标记物倒影坐标变化的CCD镜头；将标记物倒影坐标变化和硅熔体液面位移进行记录和换算的可编程序控制器(PLC)。

7.  根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于：所述的标记物倒影坐标的变化为横坐标或纵坐标。

8.  根据权利要求5或6所述一种熔体硅液面位置的测量装置，其特征在于：所述的标记物处于距轴心距离为L，液面上方距高度零位距离为H的圆周上，L值和H的选择应使CCD可以捕捉到该标记物在液面上的倒影。

熔体硅液面位置的测量方法和装置
技术领域
本发明涉及到一种使用直拉法生长硅单晶过程中测量熔体硅液面位置的方法和装置。可以通过检测单晶炉内硅熔体上方标记物在本发明的装置上的倒影轨迹点的坐标变化计算出相应的熔体硅表面在竖直方向上的位移。
背景技术
半导体硅单晶大部分采用直拉法制造。在这种方法中，多晶硅被装进石英坩埚内，加热熔化，然后将熔体硅略作降温，给予一定的过冷度，把一支特定晶向的硅单晶体(称作籽晶)与熔体硅接触，通过调整熔体的温度和籽晶向上提升速度，使籽晶体长大至接近目标直径时，提高提升速度，使单晶体接近恒定直径生长。在生长过程的末期，此时坩埚内的硅熔体尚未完全消失，通过增加晶体的提升速度和调整向坩埚提供的热量将晶体直径渐渐减小而形成一个尾形锥体，当锥体的尖端足够小时，晶体就会与熔体脱离，从而完成晶体的生长过程。
硅单晶生产过程中随着熔体转化为晶体，坩埚内熔体液面高度会有所下降，如果不及时将坩埚上升补充熔体那么晶体就有可能通熔体相分离，导致晶体拉制失败。传统的做法是根据拉制晶体的直径计算出一个值，将埚跟比与晶体提拉速度相乘可以得到坩埚上升速率，这可以满足普通品质的硅晶体的生产。实际上由于生产过程中不可能精确的控制晶体直径，坩埚下端直径是变化的，通过设置埚跟比控制坩埚上升不能得到高度稳定的熔体液面。
直拉法生长硅单晶过程中，随着单晶向上提拉，坩埚内的熔体质量减少，熔体液面高度会随之下降，因此在晶体生长过程中会使坩埚按照设定的速率上升，以使熔体液面维持在一个固定高度。坩埚上升的速率是通过生长晶体的直径和坩埚直径换算出来的，是一个固定的值。行业内技术人员所熟知的坩埚上升速度过快，液面上升过快会使晶体直径增大，坩埚上升速度不足，液面高度逐渐降低会使晶体直径减小，另外更重要的是液面高度决定了晶体生长界面处的温度梯度，只有在固定合适的温度梯度下生长硅单晶才能保证晶体的质量。实际晶体生长过程中通过埚跟比难以将液面高度控制得十分精确，误差在±2mm左右。
发明内容
本发明目的在于提供一种硅单晶炉内测量坩埚内熔体硅液面位置的方法和装置，能够检测出在晶体生长过程中随熔体向晶体转变过程中坩埚上升速度过快造成的熔体液面上升的距离或坩埚上升速度过慢造成的熔体液面下降的距离。
本发明的另一个目的就是研制出一种硅熔体液面位置的测量装置，使上述直拉硅晶炉内熔体液面位置测量得到实现。
为达到上述发明目的本发明采用以下技术方案：
本发明的熔体液面位置测量装置包括：安放在单晶炉坩埚支撑轴上的石墨支撑柱、安装在石墨支撑柱上的石墨托盘、放置在石墨托盘上的反射镜、位于反射镜上方安置在上炉盖上的石墨标记物、安放在石墨标物点上方的面光源用于测量反射镜上石墨标记物倒影坐标变化的CCD镜头、将标记物倒影坐标变化和硅熔体液面位移进行记录或换算的PLC。
这种熔体硅液面位置的测量方法是：在单晶炉内，由于面光源照射，使位于反射镜上方、安置在上炉盖上的石墨标记物在反射镜上有一倒影，通过CCD扫描到标记物倒影座标，当反射镜位置上升时，即：坩埚上升，其相应倒影坐标改变，以可编程序控制器PLC记录及计算此时标记物在反射镜上的倒影座标和对应的液面高度。
本发明实施过程中，1)将坩埚位置降到足够低，使其位于实际晶体生长过程中坩埚位移区间之内，将此时坩埚位置处的液面高度设定为上升零点，反射镜的位置为实际坩埚盛装硅熔体状态下液面对应的位置，2)设定足够低的坩埚上升速度，如5mm/hr上升坩埚(实际晶体生长过程中坩埚上升速度大于5mm/hr)，较低的坩埚上升速度可以保证数据记录的精确度，3)坩埚上升过程中PLC记录此时标记物在反射镜上的倒影坐标和对应的相对液面高度，当热场、炉体、标记物等空间位置固定时，倒影坐标和液面高度是一一对应的，PLC以1min为周期记录两数据，生成一个标记物倒影坐标和液面高度关系的数据矩阵；另一种数据矩阵生成方法是，从零位置开始每升高一定距离液面高度，如0.5mm，记录一个相应坐标值，在两组数据之间未记录的坐标和液面高度数据通过插值计算得到；4)晶体生长过程中当CCD扫描到的标记物坐标发生变化时说明液面高度发生变化，PLC根据3步骤中生成的数据矩阵可以输出该时刻该坐标对应的液面高度。最终通过此方法检测到的熔体液面高度变化精度可以达到±0.02mm，配合相应的埚升速度控制系统可以将液面高度变化控制在±0.2mm以内。
本发明的方法中首先测量得到在液面上标记物倒影坐标变化同液面高度改变的关系。在面光源照射下，石墨标记物在反射镜上有一个倒影，并可以通过CCD镜头检测到，CCD镜头成像由象素点组成，每个象素点具有设定的坐标值，当倒影的像位置发生改变反应为象素点坐标的变化。首先将反射镜的初始位置作为反射镜位移的坐标零点；按照设定速度上升坩埚支撑轴，反射镜以相同速度上升，且反射镜位移等于坩埚支撑轴位移。
在反射镜升降过程中CCD镜头检测到的标记点在反射镜上倒影坐标改变，倒影边缘两侧存在亮度差可以被CCD测量到。且当CCD镜头位置固定后，反射镜在任意高度只对应唯一的石墨标记物倒影坐标。
当热场结构、单晶炉结构或CCD位置发生改变时，液面高度和倒影坐标的关系会发生变化，这时需要重新建立两者关系的数据矩阵。
本发明中使用CCD对熔体表面进行扫描的方法与常规的直拉硅单晶炉中使用CCD扫描熔体与晶体界面光圈信号以测量硅单晶半径的使用方法相同，该方法广泛应用在全自动硅单晶炉上，为业内所熟知(见文献《基于CCD测量技术的不完整圆直径测量算法研究》，半导体技术，2007年，第32卷，第07期报导)。区别在于，本发明方法中并不需要计算得到标记物所在的以单晶炉轴心为中心的圆周半径，只需要检测到标记倒影的坐标即可，因此是对该CCD测量晶体直径方法的推广应用。
本发明的优点是能够检测出在晶体生长过程中随熔体向晶体转变过程中坩埚上升速度过快造成的熔体液面上升的距离或坩埚上升速度过慢造成的熔体液面下降的距离，便于获得稳定的熔体液面，本装置结构简单，使用方便。
附图说明
图1：本发明提供的一种测量装置示意图。
图2：一种倒影座标变化与同反射镜高度改变的关系图
图3：另一种倒影座标变化与同反射镜高度改变的关系图
图4：另一种倒影座标变化与同反射镜高度改变的关系图
图5：晶体长度与液面相对高度的关系图
表1：倒影横坐标随反射镜高度变化关系数据
图1中，1为CCD镜头，2为为反射镜，3为石墨托盘，4为石墨支撑柱，5为标记物倒影，6为标记物。
当反射镜沿竖直方向移动时，反射点A在反射镜平面上的位置会随之变化，CCD镜头捕捉到A点坐标变化后将信号传输到PLC中，通过PLC换算得到相应的反射镜在竖直方向位移。
在实际应用中，首先在单晶炉内放置一个标定物，在一个漫反射光源照射下，可以观测到标记物在反射镜中的倒影，通过升降反射镜记录在特定反射镜位置处A点坐标，将其存储到PLC中，在晶体生长过程中，熔体表面起到反射镜的作用，同样可以通过CCD设备检测到标记物的倒影，并实时将检测到的A点坐标传输到PLC中，PLC将其换算为相应的液面高度。
具体实施方式
记录扫描点的横坐标或纵坐标同液面位置的对应关系都可以实现对液面高度的测量，在本实施例中都以记录横坐标为例，但采用记录纵坐标变化同液面高度对应关系实现对液面高度测量仍是本专利的保护范围。
实施例1：
工艺条件：设备为Ferrofludics150单晶炉，采用24in热场，数据记录设备为IPC-6606，CCD设备(UNIQ-201)。如图所示为以坩埚位置上升行程共10mm(即相当于液面高度变化10mm)过程中记录的倒影坐标同反射镜高度变化关系曲线，反射镜起始高度设定为零点，坩埚上升起始高度距为230mm，终点高度235mm；埚升电机控制精度可以达到0.1mm/hr，坩埚上升速度设定为5mm/hr，采样时间为1min，标记物位于距轴心200mm，液面上方距高度零位40mm的圆周上。
如图2所示，横坐标表示扫描点的横坐标，纵坐标表示液面高度。
实施例2：
工艺条件：设备为Ferrofludics150单晶炉，采用24in热场，数据记录设备为IPC-6606，CCD设备(UNIQ-201)。图3为坩埚位置上升行程共60mm(即相当于液面高度变化60mm)过程中记录的倒影坐标同反射镜高度变化关系曲线，反射镜起始高度设定为零点，坩埚上升起始高度距为180mm，终点高度240mm；埚升电机控制精度可以达到0.1mm/hr，坩埚上升速度设定为5mm/hr，采样时间为1min，标记物位于距轴心200mm，液面上方距高度零位40mm的圆周上。
如图3所示，横坐标表示扫描点的横坐标，纵坐标表示液面高度。
实施例3：
工艺条件：设备为Ferrofludics150单晶炉，采用24in热场，数据记录设备为IPC-6606，CCD设备(UNIQ-201)。如图所示为以坩埚位置上升行程共250mm(即相当于液面高度变化250mm)过程中记录的倒影坐标同反射镜高度变化关系曲线，反射镜起始高度设定为零点；埚升电机控制精度可以达到0.1mm/hr，坩埚上升速度设定为5mm/hr，采样时间为1min，标记物位于距轴心200mm，液面上方距高度零位40mm的圆周上。
本发明中，在可测量距离范围内(-100mm＜ΔH＜100mm)，使反射镜从位移零点开始升降，PLC记录这一过程中每一反射镜高度对应标记物倒影坐标；反之，当PLC收到CCD扫描得到的标记物倒影坐标后，对照标记物倒影坐标和反射镜位移关系记录得到反射镜距位移零点的高度变化。
实施例4：
工艺条件：设备为Ferrofludics150单晶炉，采用24in热场，数据记录设备为IPC-6606，CCD设备(UNIQ-201)。表5所示为通过本发明方法记录得到晶体生长过程中液面相对高度随晶体长度变化曲线，曲线中液面高度为经校正过的实际液面位置同液面高度零位置的相对高度。
实施例5：
实施例1中应用到液面高度153.0mm到154.0mm区间液面高度和扫描点坐标关系数据，为减少数据数量，表中列出每0.02mm高度变化的数据。
表1