CN101982569A - 直拉单晶炉硅液面位置控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种直拉单晶炉硅液面位置控制方法，包括：步骤A：预先存储直拉单晶炉的观测窗口与硅液面的目标距离值；步骤B：测量所述观测窗口与硅液面的实际距离值；步骤C：比较所述目标距离值和所述实际距离值并得到比较值，根据所述比较值控制马达的速度。本发明实施例中的方法通过检测窗口与硅液面的距离进行实时调整马达的速度进而控制坩埚的跟随比，使得单晶体在生长过程中保持在合适的生长环境，保证晶体质量。本发明实施例还公开了一种直拉单晶炉硅液面位置控制装置。

Description

直拉单晶炉硅液面位置控制方法及装置

技术领域

本发明涉及单晶硅制备领域，更具体地说，涉及直拉单晶炉硅液面位置控制方法及装置。

背景技术

直拉法，也叫切克劳斯基(J.Czochralski)方法。此法早在1917年由切克劳斯基建立的一种晶体生长方法，用直拉法生长单晶的设备和工艺比较简单，容易实现自动控制，生产效率高，易于制备大直径单晶，容易控制单晶中杂质浓度，可以制备低电阻率单晶。

直拉法过程具体为：首先，把高纯度的多晶硅原料放入高纯石英坩埚，通过石墨加热器产生的高温将其熔化；然后，对熔化的硅液稍做降温，使之产生一定的过冷度，再用一根固定在籽晶轴上的硅单晶体(称作籽晶)插入熔体表面，待籽晶与熔体熔和后，慢慢向上拉籽晶，晶体便会在籽晶下端生长；接着，控制籽晶生长出一段长为100mm左右、直径为3～5mm的细颈，用于消除高温溶液对籽晶的强烈热冲击而产生的原子排列的位错，这个过程就是引晶；随后，放大晶体直径到工艺要求的大小，一般为75～300mm，这个过程称为放肩；接着，突然提高拉速进行转肩操作，使肩部近似直角；然后，进入等径工艺，通过控制热场温度和晶体提升速度，生长出一定直径规格大小的单晶柱体；最后，待大部分硅溶液都已经完成结晶时，再将晶体逐渐缩小而形成一个尾形锥体，称为收尾工艺；这样一个单晶拉制过程就基本完成，进行一定的保温冷却后就可以取出。

直拉法生长单晶硅的过程中，随着单晶向上提拉，坩埚的硅溶液质量减少，硅溶液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，以使硅溶液液面维持在一个固定的高度。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少。由于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的单晶硅才能保证晶体的质量。但是实际操作时都是手动驱动电机进行控制坩埚的跟随比，其精度不能得到有效地控制。

因此急需一种液面控制方法控制坩埚的跟随比，以提高单晶硅的质量。

发明内容

有鉴于此，本发明一方面提供一种直拉单晶炉硅液面位置控制方法，另一方面提供一种利用上述方法的装置，以实现提高单晶硅的质量。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种直拉单晶炉硅液面位置控制方法，包括：

步骤A：预先存储直拉单晶炉的观测窗口与硅液面的目标距离值；

步骤B：测量所述观测窗口与硅液面的实际距离值；

步骤C：比较所述目标距离值和所述实际距离值并得到比较值，根据所述比较值控制马达的速度。

优选的，在上述直拉单晶炉硅液面位置控制方法中，所述马达包括低速马达和高速马达。

优选的，在上述直拉单晶炉硅液面位置控制方法中，所述步骤A还包括：预先设定报警位置，所述报警位置根据所述目标距离值进行设定。

优选的，在上述直拉单晶炉硅液面位置控制方法中，所述步骤C具体为：比较目标距离值和实际距离值得到比较值，比较实际距离值是否为报警位置，若是则报警并切换至低速马达驱动；否则继续使用高速马达进行驱动。

本发明实施例还提供了一种直拉单晶炉硅液面位置控制装置，包括：激光测距仪和控制回路，

所述激光测距仪，用于测量直拉单晶炉的观测窗口与硅液面的实际距离值；

所述控制回路，用于预先存储所述直拉单晶炉的观测窗口与硅液面的目标距离值，比较所述实际距离值与所述目标距离值并得到比较值，根据所述比较值控制马达的速度。

优选的，在上述直拉单晶炉硅液面位置控制装置中，所述马达包括低速马达和高速马达。

优选的，在上述直拉单晶炉硅液面位置控制装置中，还包括报警装置，当所述硅液面到达报警位置时，所述报警装置进行报警，且所述控制回路控制所述马达切换至低速马达驱动。

优选的，在上述直拉单晶炉硅液面位置控制装置中，还包括温度检测仪，所述温度检测仪设置在所述报警位置。

从上述技术方案可以看出，本发明实施例中的方法通过检测窗口与硅液面的距离进行实时调整马达的速度进而控制坩埚的跟随比，使得单晶体在生长过程中保持在合适的生长环境，保证晶体质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中提供的直拉单晶炉硅液面位置控制装置的结构示意图。

具体实施方式

直拉法，也叫切克劳斯基(J.Czochralski)方法。此法早在1917年由切克劳斯基建立的一种晶体生长方法，用直拉法生长单晶的设备和工艺比较简单，容易实现自动控制，生产效率高，易于制备大直径单晶，容易控制单晶中杂质浓度，可以制备低电阻率单晶。包括以下几个阶段：装多晶料、抽空、多晶硅熔化、颈及肩的生长、等直径生长、尾部晶体的生长、晶体冷却等几个阶段，其中在等直径生长过程中坩埚的跟随比与单晶硅的质量密切相关。本发明实施例中就是通过控制坩埚的跟随比进而控制单晶硅的质量的。

激光测距仪是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器。激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种直拉单晶炉硅液面位置控制方法：请参照图1，其中，1为直拉单晶炉；12为观测窗口；2为热屏；3为坩埚；4为主轴；5为马达；61为籽晶；62为硅单晶棒；63为硅溶液；7为激光测距仪；71为光束；8为控制回路；9为温度检测仪。

预先存储直拉单晶炉的观测窗口与硅液面的目标距离值；由于晶体生长质量与晶体所处的纵向温度梯度有关，因此，在实际生产中通过控制硅液面与热屏2的距离来实现对单晶硅质量的控制。首先，确定硅液面与热屏最合适的距离为M0，此距离本领域技术人员通过经验获得，此时，直拉单晶炉1的观测窗口12与硅液面的距离为L0，并将此距离作为目标距离值存储起来，在后续工作中通过测量直拉单晶炉1的观测窗口12与硅液面的实际距离即可得知硅液面与热屏的距离是否处于最理想状态。

测量观测窗口与硅液面的实际距离值；在本发明实施例中，由于预先存储理想状态下观测窗口12与硅液面的目标距离值，只需要测量出该实际距离值就可以比较出热屏与硅液面的距离。

比较所述目标距离值和所述实际距离值并得到比较值，根据所述比较值控制马达的速度。通过比较目标距离值和实际距离值，比较值＝实际距离值-目标距离值，当比较值为正值时，说明坩埚还未到目标位置，通过控制马达加快速度提高坩埚的跟随比；当比较值为零时，说明坩埚到达目标位置，马达停止工作。通过上述控制最终将硅液面维持在最理想的晶体生长状态。

为了更准确的调控马达的速度，该马达包括低速马达和高速马达，在运行时通过切换高低速马达来改变坩埚的跟随比。

为了安全起见，请参照图1，其中，O0为目标位置，即硅液面处于理想状态时的位置，此时，热屏与硅液面的距离为M0，观测窗口与硅液面的距离为L0；O1为报警位置，此时，热屏与硅液面的距离为M1，观测窗口与硅液面的距离为L1。该报警位置是根据目标距离值L0进行设定。

当设置有报警位置O1时，比较目标距离值和实际距离值得到比较值，比较实际距离值是否为报警位置，若是则报警并切换至低速马达驱动；否则继续使用高速马达进行驱动。

本发明实施例中的方法通过检测窗口与硅液面的距离进行实时调整马达的速度进而控制坩埚的跟随比，使得单晶体在生长过程中保持在合适的生长环境，保证晶体质量。

本发明实施例还提供了一种直拉单晶炉硅液面位置控制装置，请参照图1，包括：激光测距7和控制回路8，其中，

激光测距仪7，用于测量直拉单晶炉1的观测窗口12与硅液面的实际距离值；

控制回路8，用于预先存储直拉单晶炉1的观测窗口12与硅液面的目标距离值，比较所述实际距离值与所述目标距离值并得到比较值，根据所述比较值控制马达的速度。

由于晶体生长质量与晶体所处的纵向温度梯度有关，因此，在实际生产中通过控制硅液面与热屏2的距离来实现对单晶硅质量的控制。首先，确定硅液面与热屏最合适的距离为M0，此距离本领域技术人员通过经验获得，此时，直拉单晶炉1的观测窗口12与硅液面的距离为L0，并将此距离作为目标距离值存储起来，在后续工作中通过测量直拉单晶炉1的观测窗口12与硅液面的实际距离即可得知硅液面与热屏的距离是否处于最理想状态。

为了更准确的调控马达的速度，该马达包括低速马达和高速马达，在运行时通过切换高低速马达来改变坩埚的跟随比。

为了安全起见，请参照图1，其中，O0为目标位置，即硅液面处于理想状态时的位置，此时，热屏2与硅液面的距离为M0，观测窗口与硅液面的距离为L0；O1为报警位置，此时，热屏与硅液面的距离为M1，观测窗口与硅液面的距离为L1。该报警位置是根据目标距离值L0进行设定。

当设置有报警位置O1时，比较目标距离值和实际距离值得到比较值，比较实际距离值是否为报警位置O1，若是则报警并切换至低速马达驱动；否则继续使用高速马达进行驱动。

本发明实施例中的装置通过检测窗口与硅液面的距离进行实时调整马达的速度进而控制坩埚的跟随比，使得单晶体在生长过程中保持在合适的生长环境，保证晶体质量。

为了便于检测，在报警位置O1出设置有温度检测仪，当硅液面到达此处，报警装置就会进行报警。

首先，把高纯度的多晶硅原料放入高纯石英坩埚3，通过石墨加热器(图中未标出)产生的高温将其熔化；然后，对熔化的硅溶液稍做降温，使之产生一定的过冷度，再用一根固定在籽晶轴上的硅单晶体(称作籽晶61)插入硅溶液63表面，待籽晶61与熔体熔合后，慢慢向上拉籽晶61，晶体62便会在籽晶61下端生长；接着，控制籽晶生长出一段长为100mm左右、直径为3～5mm的细颈，用于消除高温溶液对籽晶61的强烈热冲击而产生的原子排列的位错，这个过程就是引晶；随后，放大晶体直径到工艺要求的大小，一般为75～300mm，这个过程称为放肩；接着，突然提高拉速进行转肩操作，使肩部近似直角；然后，进入等径工艺，通过控制热场温度和晶体提升速度，生长出一定直径规格大小的单晶柱体；最后，待大部分硅溶液都已经完成结晶时，再将晶体逐渐缩小而形成一个尾形锥体，称为收尾工艺；这样一个单晶拉制过程就基本完成，进行一定的保温冷却后就可以取出。

在上述过程中直拉单晶炉硅液面位置控制装置工作过程为：把激光测距仪7固定安装于直拉单晶炉的观测窗口12，并与控制回路8通信连接，通电后调整角度和位置，激光测距仪7通过激光光束71作用测得观测窗口12与硅液面的距离并显示该距离，此时该距离为目标距离值，并将该值存储在控制回路8中。通常该目标距离值所对应的硅液面与热屏2的距离锁定在20-25mm；将温度将侧仪9设置在报警位置。

马达5带动主轴4旋转，主轴带动其上的坩埚3向上运动，当硅液面到达报警位置O1时，有报警提示功能，通过自动切换马达在低速状态目标位置O0。当激光测距仪7检测到硅液面达到目标位置O0，马达5停止上升动作。

由于在晶体生长工序时，硅单晶棒62直径的变化，会改变坩埚2跟随比，因而，造成坩埚2位置偏离目标位置O0，相应的硅液面与热屏2距离会产生变化，导致熔硅液面热对流产生变化，破坏了稳定的晶体生长环境，易造成断棱或者晶体缺陷，在激光测距仪7的控制，对坩埚2位置可以做到精确控制，因为实时的数据交换控制坩埚的跟随比，可将硅液面保持在目标位置O0，更有利于保证晶体生长环境。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种直拉单晶炉硅液面位置控制方法，其特征在于，包括：

步骤A：预先存储直拉单晶炉的观测窗口与硅液面的目标距离值；

步骤B：测量所述观测窗口与硅液面的实际距离值；

步骤C：比较所述目标距离值和所述实际距离值并得到比较值，根据所述比较值控制马达的速度。

2.根据权利要求1所述的直拉单晶炉硅液面位置控制方法，其特征在于，所述马达包括低速马达和高速马达。

3.根据权利要求2所述的直拉单晶炉硅液面位置控制方法，其特征在于，所述步骤A还包括：预先设定报警位置，所述报警位置根据所述目标距离值进行设定。

4.根据权利要求3所述的直拉单晶炉硅液面位置控制方法，其特征在于，所述步骤C具体为：比较目标距离值和实际距离值得到比较值，比较实际距离值是否为报警位置，若是则报警并切换至低速马达驱动；否则继续使用高速马达进行驱动。

5.一种直拉单晶炉硅液面位置控制装置，其特征在于，包括：激光测距仪和控制回路，

所述激光测距仪，用于测量直拉单晶炉的观测窗口与硅液面的实际距离值；

所述控制回路，用于预先存储所述直拉单晶炉的观测窗口与硅液面的目标距离值，比较所述实际距离值与所述目标距离值并得到比较值，根据所述比较值控制马达的速度。

6.根据权利要求5所述的直拉单晶炉硅液面位置控制装置，其特征在于，所述马达包括低速马达和高速马达。

7.根据权利要求6所述的直拉单晶炉硅液面位置控制装置，其特征在于，还包括报警装置，当所述硅液面到达报警位置时，所述报警装置进行报警，且所述控制回路控制所述马达切换至低速马达驱动。

8.根据权利要求7所述的直拉单晶炉硅液面位置控制装置，其特征在于，还包括温度检测仪。

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