CN103160935A - 用于监控晶体生长状态的方法、探测系统及设备 - Google Patents
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Abstract
一种用于监控晶体生长状态的方法，是在晶体生长过程中实时测量固-液界面的多个量测点的高度以计算出固-液界面的形状，并依据所得信息优化制程参数，使固-液界面在晶体生长过程保持中央凸起的形状并具有预定的曲率；一种监控晶体生长状态的设备，包含一腔体、一设于该腔体内的坩埚、一加热系统、一探测系统及一控制系统；该用于监控晶体生长状态的探测系统，适于设置在用于生长晶体的腔体，包括一轴封、一探棒、一升降旋转机构、一力量感测装置、一位置感测装置。本发明可以提高长晶质量及排杂能力从而提高晶碇的成品良率。
Description
技术领域
本发明涉及一种长晶的方法、探测系统及设备，特别是涉及一种用于探测及控制晶体生长状态的方法、探测系统及设备。
背景技术
类单晶(mono like)相较于单晶硅的制造成本低且相较于多晶硅的转换效率高，而在太阳能产业成为颇受瞩目的新材料。
然而，目前类单晶的转换效率与单晶硅的转换效率相比仍有一段落差，所以还无法取代单晶硅普遍使用。类单晶的转换效率与其质量有密切的关系，由于现有制造类单晶的长晶制程无法实时监控晶体生长的状态，因此不能实时调整制程参数，通常只能在晶体生长完成后才能知道晶体的质量，再根据前一次制程的结果调整制程参数，如此需要经过多次的实验才能调整出优化参数，不仅需要较长的测试时间，也需要较多的物料成本，而且，若使用的原料改变，可能制程参数即需要重新调整。此制造过程的缺点亦存在于一般的长晶制程。
此外，现有技术中，若要了解长晶过程中固-液界面的高度，通常是由人工操作探棒伸入长晶腔体内碰触固-液界面，凭经验来判断晶体的生长状态，判断结果恐因人而异，较难有统一的标准以控制质量。
所以如何在形成晶体的长晶过程中实时监控其生长状态，并调整制程参数，以提升生产效率及提升晶碇的质量，是需要解决的课题。
发明内容
本发明的一目的在于提供一种可以提升生产效率及提升晶碇的质量的用于监控晶体生长状态的方法。
本发明的另一目的，在于提供一种可以实时监控晶体生长状态的设备。
本发明的又一目的，在于提供一种用于监控晶体生长状态的探测系统。
本发明用于监控晶体生长状态的方法，是在晶体生长过程中实时测量固-液界面的多个量测点的高度以计算出固-液界面的形状，并依据所得信息优化制程参数，使固-液界面在晶体生长过程保持中央凸起的形状并具有预定的曲率。
较佳地，测量固-液界面是使用多支探棒分布于不同位置取得多个量测点的高度。
较佳地，测量固-液界面是利用一探测系统将一探棒移动至固-液界面的不同位置取得多个量测点的高度。
较佳地，该探测系统包括一探棒，该探棒具有一本体部及一由该本体部弯折延伸入该坩埚内的探测部，该本体部可沿一转动路径移动并可以自转，且该探测部的末端与该本体部偏轴并与该本体部连动，使该探棒的探测部可控制地接触固-液界面的多个量测点。
此外，本发明可以监控晶体生长状态的设备，包含：一腔体、一设于该腔体内的坩埚、一设于该腔体内并分布于该坩埚周侧的加热系统、一探测系统及一连接该加热系统及该探测系统的控制系统。该探测系统固设于该腔体并包括一探棒。该探棒具有一本体部及一由该本体部弯折延伸入该坩埚内的探测部。该本体部可沿一转动路径移动并可以自转，且该探测部的末端与该本体部偏轴并与该本体部连动，使该探测部可控制地在该坩埚内移动。
其中，该探测系统还包括一连接该探棒的升降旋转机构，以控制该探棒上升或下降以及使该探棒自转。
该探测系统还包括一设于该探棒的力量感测装置，用以感测该探测部的受力变化。
该探测系统还包括一固设于该腔体的轴封，该探棒固设于该轴封，且该轴封带动该探棒沿该转动路径转动。较具体地，该轴封具有一可旋转的内圆柱，该探棒的本体部设于该轴封的内圆柱，且随该内圆柱可沿该转动路径移动并可以自转。
该升降旋转机构包括一导引件、一滑块、一升降马达及一旋转马达，该导引件设于该轴封且与该探棒并立，该滑块可滑动地设于该导引件并连接该探棒，该升降马达设于该轴封并连接该滑块，该旋转马达设于该滑块并连接该探棒。
该升降旋转机构还包括一连接该轴封与该滑块的位置量测装置，用以量测该探棒的升降位置。
本发明的有益效果在于：借由实时测量固-液界面的形状以实时修正制程参数，使固-液界面在晶体生长过程保持中央凸起的形状并具有预定的曲率，可以提高长晶质量及排杂能力从而提高晶碇的成品良率。
附图说明
图1是一方块图，说明本发明用于监控晶体生长状态的方法的一较佳实施例；
图2是一示意图，说明本发明可以监控晶体生长状态的设备的一具体实施方式；
图3是一立体图，说明该具体实施方式的一探测系统，其中一位置量测装置未示出；
图4是一示意图，说明该探测系统的一探棒的移动轨迹；
图5是一侧视图，说明该探测系统；
图6是一示意图，说明本发明可以监控晶体生长状态的设备的另一具体实施方式；
图7是一示意图，说明探棒的分布位置；及
图8是一示意图，说明本发明可以监控晶体生长状态的设备的具体实施方式在使用晶种的长晶制程的应用。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
参阅图1，说明本发明用于监控晶体生长状态的方法的一较佳实施例。一般晶体的长晶制程是在长晶炉内将原料置于坩埚中熔融后，再定向凝固生长晶体。在晶体生长过程中利用探测系统实时测量固-液界面的多个量测点的高度，例如以G5六吋晶圆(WAFER)坩埚为例，取点的位置可以在正中间取一点，并以此点为圆心，在半径390mm圆周上平均取四点。探测系统将测得的多个量测点的位置及高度信息传给控制系统，由控制系统计算出固-液界面的形状，并依据计算所得的固-液界面形状的信息调整长晶腔体内的制程参数，例如加热功率、通入腔体内的气体流量、冷却水温度等，以调整坩埚的环境温度与压力及熔体的冷却速度。利用探测系统实时回馈信息而将制程参数优化，使固-液界面在晶体生长过程保持中央凸起的形状并具有预定的曲率。
由于晶体生长过程中保持固-液界面中央凸起并具有预定的曲率，可以使中央区域凝固较快，而使熔体中的杂质往周围较低的区域移动达到排除杂质的效果。当熔体完全凝固后中间区域的晶体纯度较高、质量较好，而周围含有杂质的部分即可切除，如此可以获得较大体积质量较佳的晶碇以提升成品良率。
前述方法可在如下说明的两个设备的具体实施方式中实施。
参阅图2，可以监控晶体生长状态的设备的一具体实施方式，包含一腔体1、一长晶平台2、一坩埚3、一加热系统4、一提笼5、一探测系统6及一控制系统7。长晶平台2、坩埚3、加热系统4及提笼5设于腔体1内。坩锅3设于长晶平台2上并由提笼5笼罩。加热系统4布设于坩锅3周侧并位于提笼5内，用以加热熔融坩埚3内的原料。提笼5可以升降，当坩埚3内的原料全部熔融形成液态时，将提笼5缓慢上升，从坩埚3底部开始冷却，而使液体(熔体)10从坩埚3底部往上定向凝固结晶形成固体20，在凝固过程即产生固-液界面30。
参阅图2、图3与图4，探测系统6包括一固设于腔体1的轴封61，及一固设于轴封61的探棒62。轴封61具有一可旋转的内圆柱611，探棒62设于内圆柱611而可随内圆柱611以内圆柱611的轴心为轴转动。探棒62具有一本体部621及一由本体部621弯折延伸入坩埚3内的探测部622。本体部621可随内圆柱611沿一转动路径601移动并可以自转(其致动机构将于下文中说明)，且探测部622的末端与本体部621偏轴并与本体部621连动，使探测部622可控制地在坩埚3内移动。详细而言，参阅图4，探测部622与本体部621偏轴，当本体部621自转的时候，探测部622即以本体部621为轴转动，探测部622的末端可沿第二转动路径602移动。而当本体部621沿转动路径601移动位置时，探测部622的末端也随之移动再由本体部621自转产生新的第二转动路径602’。由本体部621沿转动路径601移动并自转，而使探测部622的末端的移动轨迹形成一个圆形范围603。也就是说，在圆形范围603内的任意位置都是探测部622末端可到达的地方，而能自由选取量测点。因此，只要设计本体部621的转动路径601及探测部622的末端与本体部621偏轴的距离与坩埚3大小相配合，即能够使探测部622的末端到达坩埚3内的任意位置。实际的量测范围(即圆形范围603)可以依照实际使用需求而设计，若圆形范围603的直径约等于或大于坩锅3的对角线长度时，可以控制探棒62避开与坩锅3壁干涉的位置即可。
再参阅图3与图5，探测系统6还包括一设于探棒62的力量感测装置63，及一连接探棒62以控制探棒62上升或下降以及使探棒62自转的升降旋转机构64。力量感测装置63用以感测探棒62的探测部622的受力变化，可以是例如应变规、荷重元(load cell)等，用以感测探测部622的末端是否到达固体20表面。在本具体实施方式中，力量感测装置63采用应变规。升降旋转机构64包括一导引件641、一滑块642、一升降马达643、一旋转马达644及一连接轴封61与滑块642的位置量测装置645。导引件641设于轴封61的内圆柱611上且与探棒62并立，用以提供滑块642移动的轨道。滑块642可滑动地设于导引件641并连接探棒62。升降马达643设于轴封61的内圆柱611上并连接滑块642，利用升降马达643带动滑块642升降并连动探棒62即可使探棒62上下移动。旋转马达644连接探棒62并设于滑块642而能随探棒62上下移动，利用旋转马达644可使探棒62自转。位置量测装置645可以是例如电阻尺、光学尺等，用以量测探棒62的升降位置。在本具体实施方式中位置量测装置645是采用电阻尺，其伸缩端固定在滑块642上而本体固定在轴封61的内圆柱611上，可以测量滑块642的位置，即可知滑块642上下移动的距离，而滑块642升降的距离即为探棒62升降的距离。当探棒62的探测部622末端下降至力量感测装置63感受到阻力变化时，即可确认固-液界面30(参阅图2)的高度。而在探棒62外，套设有一伸缩波纹管65以密封探棒62与轴封61之间的空隙。
再参阅图2，控制系统7连接加热系统4、提笼5及探测系统6，用以控制整个设备的制程参数及运作。在晶体生长过程中，借由控制系统7使轴封61的内圆柱611转动并启动或关闭旋转马达644以控制探棒62的移动位置，即可选择所欲测量的量测点，当探棒62移动至一定点时，由控制系统7启动升降马达643，使探棒62的探测部622末端下降至力量感测装置63测知阻力变化，并回馈至控制系统7，同时位置量测装置645也回馈探棒62的移动距离，即可测知固-液界面30在某一位置的量测点的高度信息。采集多个量测点的高度信息即可计算出固-液界面30的形状。控制系统7依据所得固-液界面30的形状的信息实时修正制程参数以将参数优化，例如调整提笼5的上升速度、加热系统4的加热功率或是通入腔体1内的气体流量等等，从而使固-液界面30在晶体生长过程保持中央凸起的形状并具有预定的曲率以提高排除杂质的能力及晶碇的成品良率。
探测系统6除了可以在晶体生长过程监控固-液界面的形状之外，也可以用来侦测熔化速率及长晶速率，并可判断长晶是否完成，也就是说能够涵盖多种晶体在制程中的状态的检测。
再者，参阅图8，除了一般长晶制程之外，需要使用晶种的长晶制程，例如类单晶的长晶制程，亦可利用探测系统6来监控晶种(即图8所示的固体20)的熔化高度。举例而言，生长类单晶时，需在坩埚3底部先铺一层单晶晶种(厚度3cm)，晶种上方装填硅料，将硅料完全熔化并利用探测系统6侦测固-液界面30高度，控制晶种部分熔化。当晶种熔化至剩下适当高度(例如剩下1.5cm厚度)时，即可将制程步骤由熔料转换为长晶。而在长晶过程同样可利用控制固-液界面30形状来提高晶碇的成品质量。
参阅图6与图7，说明可以监控晶体生长状态的设备的另一具体实施方式，在本具体实施方式中，探测系统6是采用多支探棒62位于固定的位置，探棒62亦可升降，其升降机构可参考前述，于此不再详述，如图7所示，多支探棒62分布于坩埚3的中间位置及以中间位置为圆心间隔分布的四个位置，可以取得五个量测点的固-液界面30高度，借此控制系统7亦可计算出固-液界面30的形状。当然，使用较多的探棒62可以增加测量的精准度，但是只使用两支探棒62，一支探棒62位于中间位置，另一支探棒62位于与中间位置的探棒62间隔的位置，也可以达到量测固-液界面30曲率的功能。
综上所述，借由实时测量固-液界面30的形状以实时修正制程参数，使固-液界面30在晶体生长过程保持中央凸起的形状并具有预定的曲率，可以提高长晶质量及排杂能力从而提高晶碇的成品良率。
Claims (12)
1.一种用于监控晶体生长状态的方法，其特征在于：在晶体生长过程中实时测量固-液界面的多个量测点的高度以计算出固-液界面的形状，并依据所得信息优化制程参数，使固-液界面在晶体生长过程保持中央凸起的形状并具有预定的曲率。
2.根据权利要求1所述的用于监控晶体生长状态的方法，其特征在于：测量固-液界面是使用多支探棒分布于不同位置来取得多个量测点高度。
3.根据权利要求1所述的用于监控晶体生长状态的方法，其特征在于：测量固-液界面是利用一探测系统将一探棒移动至固-液界面的不同位置取得多个量测点的高度。
4.根据权利要求3所述的用于监控晶体生长状态的方法，其特征在于：该探测系统包括一探棒，该探棒具有一本体部及一由该本体部弯折延伸入一原料坩埚内的探测部，该本体部可沿一转动路径移动并可以自转，且该探测部的末端与该本体部偏轴并与该本体部连动，使该探棒的探测部可控制地接触固-液界面的多个量测点。
5.一种可以监控晶体生长状态的设备，包含：一腔体、一设于该腔体内的坩埚及一设于该腔体内并分布于该坩埚周侧的加热系统；其特征在于：该设备还包含一探测系统及一连接该加热系统及该探测系统的控制系统；该探测系统固设于该腔体并包括一探棒，该探棒具有一本体部及一由该本体部弯折延伸入该坩埚内的探测部，该本体部可沿一转动路径移动并可以自转，且该探测部的末端与该本体部偏轴并与该本体部连动，使该探测部可控制地在该坩埚内移动。
6.根据权利要求5所述的可以监控晶体生长状态的设备，其特征在于：该探测系统还包括一连接该探棒的升降旋转机构，以控制该探棒上升或下降以及使该探棒自转。
7.根据权利要求6所述的可以监控晶体生长状态的设备，其特征在于：该探测系统还包括一设于该探棒的力量感测装置，用以感测该探测部的受力变化。
8.根据权利要求6所述的可以监控晶体生长状态的设备，其特征在于：该探测系统还包括一固设于该腔体的轴封，该探棒固设于该轴封，且该轴封带动该探棒沿该转动路径转动。
9.根据权利要求8所述的可以监控晶体生长状态的设备，其特征在于：该升降旋转机构包括一导引件、一滑块、一升降马达及一旋转马达，该导引件设于该轴封且与该探棒并立，该滑块可滑动地设于该导引件并连接该探棒，该升降马达设于该轴封并连接该滑块，该旋转马达设于该滑块并连接该探棒。
10.根据权利要求9所述的可以监控晶体生长状态的设备，其特征在于：该升降旋转机构还包括一连接该轴封与该滑块的位置量测装置，用以量测该探棒的升降位置。
11.一种用于监控晶体生长状态的探测系统，适于设置在用以生长晶体的腔体，其特征在于：该探测系统包括：一轴封、一探棒、一升降旋转机构、一力量感测装置及一位置量测装置；该轴封具有一可旋转的内圆柱；该探棒具有一本体部及一由该本体部弯折延伸的探测部，该本体部设于该轴封的内圆柱，且随该内圆柱可沿一转动路径移动并可以自转，且该探测部的末端与该本体部偏轴并与该本体部连动；该升降旋转机构连接该探棒以控制该探棒上升或下降以及使该探棒自转；该力量感测装置设于该探棒，用以感测该探测部的受力变化；该位置量测装置连接该轴封与该升降旋转机构，用以量测该探棒的升降位置。
12.根据权利要求11所述的用于监控晶体生长状态的探测系统，其特征在于：该升降旋转机构包括一导引件、一滑块、一升降马达及一旋转马达，该导引件设于该轴封且与该探棒并立，该滑块可滑动地设于该导引件并连接该探棒，该升降马达设于该轴封并连接该滑块，该旋转马达设于该滑块并连接该探棒。
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