CN109023512B - 长晶炉校验系统和长晶炉校验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种长晶炉校验系统和一种利用所述校验系统的长晶炉校验方法。所述校验系统包括设置于基座上表面中心点的第一激光源以及水平设置于基座上方的半透明挡板，打开第一激光源且令基座绕旋转轴旋转，通过第一激在半透明挡板上形成的第一光斑的运动轨迹来调整基座的水平程度。所述校验系统还可用于校验基座与籽晶夹头的同心程度，设置于籽晶夹头上的第二激光源在半透明挡板上形成第二光斑，通过第一光斑和第二光斑的重合程度调整基座与籽晶夹头的同心程度。本发明的长晶炉校验方法利用上述校验系统，由于激光束的位置和运动轨迹较容易分辨，因而可提高校验的准确性和效率。

Description

长晶炉校验系统和长晶炉校验方法

技术领域

本发明涉及半导体设备技术领域，特别涉及长晶炉校验系统和长晶炉校验方法。

背景技术

长晶炉是一种用于合成晶体的设备，通过在一定温度、真空度等条件下使原料在固相、液相和固相之间转换，形成具有特定线度尺寸的晶体。常用的长晶炉有单晶硅长晶炉、蓝宝石长晶炉等。

图1是现有的一种长晶炉的示意图。如图1所示，所述长晶炉包括腔室(或炉腔)100，在腔室100内部的下方设置有基座110，基座110用于放置盛放原料的坩埚(未示出)，基座110安装于一纵向设置的旋转轴120上。在腔室100内部的上方设置有籽晶夹头130，籽晶夹头130用于固定籽晶，籽晶夹头130与设置于腔室外部的夹头控制机构101连接。以利用直拉法制造硅单晶棒为例，在长晶时，坩埚内的硅原料被熔化成硅熔体，籽晶夹头130在夹头控制机构101的控制下旋转并下降，使籽晶与硅熔体熔接，接着夹头控制机构101控制籽晶夹头130向上进行引晶，最终得到单晶棒产品。

为了获得稳定合格的产品，通常要求放置于基座110中心的坩埚保持水平，即对基座110所在平面的水平度(可反映水平程度)要求较高，在安装基座110之后，基座110的基座轴线110a需与旋转轴120在一条直线上。此外，籽晶夹头130在坩埚上方升降，通常还要求籽晶夹头130的夹头轴线130a与基座110的轴线110a在同一直线上，即对基座110与籽晶夹头130的同心度(可反映同心程度)要求较高，因而需定时校验基座110的水平度以及基座110与籽晶夹头130的同心度。

参照图1，现有校验基座110的水平度的方法通常是在基座上放置一个罗盘水平仪10以校验基座110的水平度，并且，通常需要在腔室100为真空状态下通过外部光源的照射读取罗盘水平仪10的数值，但是，从外部观察罗盘水平仪10的数值由于距离较远以及光线不足，罗盘水平仪10上的刻度较难识别，导致校验过程耗时并容易出错。另外对于基座110与籽晶夹头130的同心度的校验方法仍需人工观察的办法，误差较大，校验准确性较低。因此，关于校验基座的水平度以及基座与籽晶夹头的同心度的方法仍需改进。

发明内容

针对现有校验长晶炉腔室中基座的水平度以及基座与籽晶夹头的同心度的方法所存在的问题，本发明提供了一种长晶炉校验系统及一种长晶炉校验方法，以提高校验准确性和校验效率。

根据本发明的一个方面，本发明提供一种长晶炉校验系统，用于校验位于长晶炉腔室内的基座的水平程度，所述基座可绕纵向设置的旋转轴旋转，所述长晶炉校验系统(简称校验系统)包括：第一激光源，所述第一激光源设置于所述基座的上表面中心点，由所述第一激光源发出的第一激光束沿远离所述基座的方向并与所述基座的上表面垂直；以及半透明挡板，所述半透明挡板沿水平方向设置于所述基座的上方，其中，校验时，打开所述第一激光源，且令所述基座绕所述旋转轴旋转，所述第一激光束在所述半透明挡板上形成第一光斑，通过所述第一光斑的运动轨迹来调整所述基座的水平程度。

可选的，所述旋转轴的延长线与所述半透明挡板所在平面相交于一垂点，所述半透明挡板上设置有以所述垂点为中心的对位标记。

可选的，所述对位标记包括三角形、方形、菱形、五边形、六边形、十字形、米字形、弧形、圆形、椭圆形中的一个或者多个的组合。

可选的，所述对位标记为以所述垂点为圆心的圆形，在校验时，当所述第一光斑的运动轨迹位于所述圆形范围内时，判断所述基座的水平程度通过校验。

可选的，还用于校验所述基座与位于长晶炉腔室内的籽晶夹头的同心程度，所述半透明挡板位于所述籽晶夹头的下方，所述校验系统还包括：第二激光源，所述第二激光源设置于所述籽晶夹头上，所述第二激光源所发出的第二激光束沿所述籽晶夹头的纵向轴线朝向所述半透明挡板，所述第二激光束在所述半透明挡板上形成第二光斑；其中，校验时，打开所述第一激光源和所述第二激光源，通过所述第一光斑和所述第二光斑的重合程度调整所述基座与所述籽晶夹头的同心程度。

可选的，所述第二光斑与所述第一光斑均位于所述半透明挡板的远离所述基座的表面。

可选的，所述第一激光束和所述第二激光束的波长差大于或等于30nm。

可选的，所述第一激光源和所述第二激光源均为激光笔。

可选的，所述半透明挡板对于所述第一激光束和/或所述第二激光束的透光率为40％～60％。

根据本发明的另一方面，本发明还提供一种长晶炉校验方法，利用上述校验系统，用于校验所述基座的水平程度以及所述基座与所述籽晶夹头的同心程度，其特征在于，所述校验方法包括：

打开所述第一激光源，且令所述基座绕所述旋转轴旋转，以在所述半透明挡板上显示出所述第一光斑的运动轨迹，通过所述第一光斑的运动轨迹来调整所述基座的水平程度；以及令所述基座停止旋转，打开所述第二激光源，以在所述半透明挡板上同时显示出所述第一光斑和所述第二光斑，通过所述第一光斑和所述第二光斑的重合程度调整所述基座与所述籽晶夹头的同心程度。

本发明的长晶炉校验系统中，长晶炉腔室内的基座可绕纵向设置的旋转轴旋转，在所述基座上表面中心设置第一激光源以及在所述第一激光源上方设置半透明挡板，可以获得对应于所述第一激光源的第一光斑，由于激光束方向性强且亮度较高，即使腔室为真空状态，从外部也可以较容易分辨出光斑的位置和运动轨迹，本发明的长晶炉校验系统可通过所述第一光斑的运动轨迹高效准确地调整所述基座的水平程度。

进一步的，长晶腔室室内还设置有籽晶夹头，位于所述半透明挡板上方，上述校验系统还可以用于校验所述基座与所述籽晶夹头的同心程度(即在竖直方向上二者轴线的重合程度)，所述第二激光源发出的第二激光束沿所述籽晶夹头的纵向轴线朝向所述半透明挡板并形成第二光斑；校验时，打开所述第一激光源和所述第二激光源，通过所述第一光斑和所述第二光斑的重合程度来调整所述基座与所述籽晶夹头的同心程度。由于激光束方向性强且亮度较高，利用本发明的长晶炉校验系统可高效准确地获得基座与籽晶夹头的同心程度。

本发明提供的长晶炉校验方法，利用上述长晶炉校验系统，先打开第一激光源且令设置有所述第一激光源的基座绕纵向设置的旋转轴旋转，利用第一激光束在半透明挡板上形成的第一光斑的运动轨迹来调整基座的水平程度，在基座的水平程度校验完成之后，接着打开第二激光源(此时第一激光源可以是旋转状态或者静止状态)，以在半透明挡板上同时形成第一光斑和第二光斑，通过所述第一光斑和所述第二光斑的重合程度可调整所述基座与所述籽晶夹头的同心程度。所述长晶炉校验方法判断过程简便，并且校验的准确性和效率较高。

附图说明

图1是现有的一种长晶炉的剖面示意图。

图2是本发明实施例的长晶炉以及长晶炉校验系统的剖面示意图。

图3(a)和图3(b)是本发明实施例中在半透明挡板上形成的第一光斑的示意图。

图4是本发明实施例中在半透明挡板上形成的的第一光斑和第二光斑的示意图。

图5是本发明实施例的长晶炉校验方法的示意图。

附图标记说明：

100、200-腔室；300-长晶炉校验系统；110、210-基座；110a-基座轴线；120、220-旋转轴；130-籽晶夹头；130a-夹头轴线；101、203-夹头控制机构；10-罗盘水平仪；201-基座控制装置；202-侧壁部件；203-夹头控制机构；230-籽晶夹头；310-第一激光源；31-第一光斑；320-半透明挡板；32-对位标记；330-第二激光源；33-第二光斑。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的长晶炉校验系统及长晶炉校验方法作进一步详细说明。根据下面的说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例。为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……下方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在附图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置或者以其他不同方式定位(如旋转)，示例性术语“在……上方”也可以包括“在……下方”和其他方位关系。

如背景技术所述，目前在长晶炉腔室为真空状态下利用罗盘水平仪校验基座的水平度，由于罗盘水平仪距离腔室外部较远以及光线不足等原因，罗盘水平仪上的刻度较难分辨，而且罗盘水平仪不能检测腔室内基座与籽晶夹头的同心度，影响了校验准确性，并且校验效率较低。

经过深入研究，发明人提出了本发明的长晶炉校验系统和长晶炉校验方法。图2是本发明实施例的腔室以及长晶炉校验系统的剖面示意图。以下参照图2对本实施例的长晶炉校验系统进行描述。

本实施例中，长晶炉具有一腔室200，在腔室200内设置有基座210，基座210安装于一竖直方向的旋转轴220上，长晶炉校验系统300用于在旋转轴220上设置基座210后，校验基座210的水平程度，也即校验基座210的上表面是不是水平的。

基座210通常位于腔室200的下方中部，例如为托盘形状，基座210上方可用于放置(或固定)诸如坩埚等部件以在坩埚内制备硅熔体，腔室200外部可设置有基座控制装置201，以控制旋转轴220旋转并带动基座210旋转。旋转轴220可以是设置于长晶炉腔室下方的石墨连杆。

本发明实施例的长晶炉校验系统300包括第一激光源310和半透明挡板320，第一激光源310设置于基座210的上表面中心点，由第一激光源310发出的第一激光束沿远离基座210的方向并与基座210的上表面垂直。半透明挡板320沿水平方向设置于基座210上方，所述第一激光束在半透明挡板320上形成第一光斑31。

第一激光源310优选尺寸较小的激光装置，以方便安装于基座210的上表面中心点。第一激光源310可以通过一卡位装置(未示出)固定。第一激光源310可以是激光笔或者激光指示器，所发出的所述第一激光束的颜色可以是红光(λ＝650nm～660nm)、绿光(λ＝515nm～520nm)、蓝光(λ＝445nm～450nm)或蓝紫光(如λ＝405nm)等(括号内为对应的激光波长)。

本实施例中，基座210可以通过基座控制装置201以旋转轴220为轴线旋转，从而第一激光源310所发出的第一激光束在半透明挡板320上形成的第一光斑31在半透明挡板320上具有一环形的运动轨迹。图3(a)和图3(b)是本发明实施例中在半透明挡板上形成的第一光斑的示意图。图3(a)和图3(b)示意地表示了基座在不同的水平程度下旋转时第一光斑的运动轨迹。本领域技术人员容易理解，当第一光斑的运动轨迹的平均径向尺寸越小，基座210的水平状态越高，以图3(a)和图3(b)的情形为例，图3(b)所对应的基座210的水平状态高于图3(a)所对应的基座210的水平状态。因而，长晶炉校验系统300可以通过第一光斑31的运动轨迹调整基座210的水平程度，例如，可以通过校验第一光斑31的环状运动轨迹的平均径向尺寸的大小以判断基座210的水平程度。

本实施例的长晶炉校验系统300在校验基座210的水平程度时，腔室200中可以是大气或者真空状态，优选在腔室为真空状态下进行校验以准确判断基座的水平程度。获取第一光斑31的方法可以是人工从腔室200外部观察，也可以在腔室200内设置拍摄装置获取。利用激光束方向性强、不易发散的特点，第一光斑31在半透明挡板320上的位置和/或运动轨迹即使从腔室200外部也可以观察到。腔室200在基座210上方的腔壁上可设置有观察窗，为了观察方便，优选的，第一光斑31位于半透明挡板320的远离基座210一侧的表面上。

半透明挡板320的形状可以根据腔室200内部水平面的形状设置，例如可以是正方形、圆形或椭圆形等，半透明挡板320的材质可以是玻璃、半透明纸或塑料材质，此处“半透明”指的是可透光但不完全透明的特性。为了使第一光斑31清楚而容易分辨，以便于根据第一光斑的运动轨迹对基座210的水平程度进行判断，优选的，半透明挡板320对于所述第一激光束的透光率为40％～60％。

参照图2，半透明挡板320沿水平方向设置于基座210上方，具体的，可以将半透明挡板320与腔室200内侧的侧壁部件202连接，侧壁部件202例如是位于长晶炉腔室侧面的加热部件。侧壁部件202的上表面是水平的情况下，可将半透明挡板320设置于侧壁部件202的上表面。优选的，在侧壁部件上设置有卡位装置(未示出)，以避免半透明挡板320滑动，以提高校验的准确性。

由于激光束的方向性强，不易发散，从而所述第一激光束在半透明挡板320上形成的第一光斑31的半径受第一激光源310与半透明挡板320的距离影响较小，因而半透明挡板320的水平高度可以根据观察的需要调节。此外，在半透明挡板320上形成的第一光斑31的半径越小，亮度越高，越有利于观测，优选的，第一光斑31的半径小于或等于5mm。

参照图3(a)和图3(b)，半透明挡板320上还可以设置有对位标记32，对位标记32可设置于旋转轴220的延长线与半透明挡板320所在平面相交的垂点所在区域，对位标记32的中心点为垂点，有利于较为直观地获取第一光斑31的位置和/或运动轨迹的偏离情况，也即有利于较精准地判断基座210的水平偏离值，以对基座210的安装情况进行调整，有利于提高校验效率。对位标记32可包括三角形、正方形、菱形、六边形、十字形、米字形、弧形、圆形、椭圆形和其他多边形中的一个或者多个的组合。对位标记32的尺寸可以根据对基座210的水平偏离值的误差容许范围设置。需要说明的是，对位标记32应根据旋转轴220的标准位置确定，如果旋转轴220歪斜或者偏离了其标准位置(所述标准位置例如是在腔室200底壁的中心线上)，应先调整旋转轴至标准位置，然后再确定上述垂点及对位标记32的位置。在利用对位标记32调整基座210的水平程度时，如果第一光斑31运动轨迹的中心明显偏离对应的对位标记32，可以先对旋转轴220的位置及竖直程度进行调整，再调整基座210上表面提高其水平程度。

作为示例，对位标记32包括一以所述垂点为圆心的圆形，所述圆形的半径可根据人工设定，在校验时，当第一光斑31的运动轨迹位于该圆形范围外时，判断基座210的水平偏离值较大，可通过调整旋转轴220和/或基座210以改变第一光斑31的运动轨迹，当第一光斑31的运动轨迹位于该圆形图案范围内时，判断基座210的水平偏离值较小，判断其水平程度通过校验。利用对位标记32进行判断有助于减小人眼判断误差。

参照图2，长晶炉的腔室200内部还设置有与上方腔壁连接的籽晶夹头230，在长晶工艺中，籽晶夹头230在设置于腔室200外部的夹头控制机构203的控制下可以沿竖直方向运动，并与放置于基座210上的坩埚内硅熔体接触，因而籽晶夹头与基座在竖直方向上的轴线的同心程度较为重要。本实施例的长晶炉校验系统300还可以用于校验基座210与籽晶夹头230同心程度。

参照图2，为了校验基座210与籽晶夹头230的同心程度，本实施例的长晶炉校验系统300还包括设置于籽晶夹头230的纵向轴线上的第二激光源330，籽晶夹头230位于半透明挡板320上方。第二激光源330所发出的第二激光束的方向朝向半透明挡板320并与半透明挡板320垂直，从而所述第二激光束在半透明挡板320上会形成第二光斑33。优选的，第二光斑33与第一光斑31显示于半透明挡板320的同一表面。由于基座210的水平程度较高，所述第一激光束和所述第二激光束平行照射到半透明挡板320上，从而可以通过判断第一光斑31和第二光斑33的重合程度，以获得基座210与籽晶夹头230的同心程度。图4是利用本发明实施例的第一光斑和第二光斑的示意图。

为了便于区分分别对应于第一激光源310的第一光斑31和对应于第二激光源330的第二光斑33，所述第一激光束和所述第二激光束可选择为不同的颜色(即发光波长不同)，优选的，所述第一激光束和所述第二激光束的波长差大于或等于30nm，以便于区分第一光斑31和第二光斑33。第二激光源330可以是激光笔，关于第二激光源330的激光波长、透光率以及第二光斑33的半径等参数可以参照对第一激光源310的说明。

第一激光源310和第二激光源330上可以设置开关以使其发光或者不出光，本发明实施例中，长晶炉校验系统300还可以包括与第一激光源310和第二激光源330连接的激光源控制装置(未示出)，以控制第一激光源310和/或第二激光源330的打开和关闭。激光源控制装置可设置于腔室200外部，激光源控制装置也可以包括控制第一激光源310和第二激光源330开关的遥控器。关于第一激光源310和第二激光源330的控制方法，本领域技术人员可以参照公开技术实施，此处不再赘述。

本实施例还包括一种利用上述长晶炉校验系统300的长晶炉校验方法，用于校验基座210的水平程度以及基座210与籽晶夹头230的同心程度。

图5是本发明实施例的长晶炉校验方法的示意图。参照图2和图5，本实施例的激光校验方法包括以下步骤：

S1：打开第一激光源310，且令基座210绕旋转轴220旋转，以在半透明挡板320上显示出第一光斑31的运动轨迹，通过第一光斑31的运动轨迹来调整基座210的水平程度；

S2：打开第二激光源330，以在半透明挡板320上同时显示出第一光斑31和第二光斑33的位置，通过第一光斑31和第二光斑33的重合程度调整基座310与籽晶夹头230的同心程度。

作为示例，步骤S1可包括以下过程：观察/测量第一光斑31的运动轨迹，当其平均径向尺寸超出第一预设值时，对基座210的安装情况进行调整，再利用步骤S1进行校验，当第一光斑31的运动轨迹的平均径向尺寸小于第一预设值时，判断基座210的水平程度满足要求，即完成了基座210水平程度的校验。所述第一预设值可人工设定，例如可设置第一预设值为2mm～5mm。此处“平均径向尺寸”指的是第一光斑31的运动轨迹上的任意两点间的平均距离。

在基座210的水平程度通过校验之后，本实施例的长晶炉校验方法还可以进一步校验基座210与籽晶夹头230的同心程度。参照图4，作为示例，步骤S2可包括以下过程：观察/测量第一激光源310对应的第一光斑31和第二激光源330对应的第二光斑33的中心点距离，当二者的中心点距离小于第二预设值时，判断基座210与籽晶夹头230之间的同心程度满足要求，即通过了所述同心程度的校验。所述第二预设值可以人工设定，例如可设置第二预设值为1mm～3mm。

综上所述，本发明实施例提供了长晶炉校验系统以及利用所述长晶炉校验系统的长晶炉校验方法，在长晶炉腔室内下方安装基座后，校验所述基座的水平程度和所述基座与位于腔室内上方的籽晶夹头之间的同心程度。由于激光束方向性强、不易发散且亮度较高，即使腔室为真空状态，从外部也可以清楚分辨出光斑的位置和/或运动轨迹，进而获得基座的水平偏离情况或者基座与籽晶夹头之间的偏离情况并进行调整，可以提高校验准确性和校验效率。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明权利范围的任何限定，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种长晶炉校验系统，用于校验位于长晶炉腔室内的基座的水平程度以及所述基座与位于长晶炉腔室内的籽晶夹头的同心程度，所述基座可绕纵向设置的旋转轴旋转，其特征在于，所述校验系统包括：

第一激光源，所述第一激光源设置于所述基座的上表面中心点，由所述第一激光源发出的第一激光束沿远离所述基座的方向并与所述基座的上表面垂直；

半透明挡板，所述半透明挡板沿水平方向设置于所述基座的上方且位于所述籽晶夹头的下方；其中，校验所述基座的水平程度时，打开所述第一激光源，且令所述基座绕所述旋转轴旋转，所述第一激光束在所述半透明挡板上形成第一光斑，通过所述第一光斑的运动轨迹来调整所述基座的水平程度；以及

第二激光源，所述第二激光源设置于所述籽晶夹头上，所述第二激光源所发出的第二激光束沿所述籽晶夹头的纵向轴线朝向所述半透明挡板，所述第二激光束在所述半透明挡板上形成第二光斑；其中，校验所述基座与所述籽晶夹头的同心程度时，打开所述第一激光源和所述第二激光源，通过所述第一光斑和所述第二光斑的重合程度来调整所述基座与所述籽晶夹头的同心程度。

2.如权利要求1所述的校验系统，其特征在于，所述旋转轴的延长线与所述半透明挡板所在平面相交于一垂点，所述半透明挡板上设置有以所述垂点为中心的对位标记。

3.如权利要求2所述的校验系统，其特征在于，所述对位标记包括三角形、方形、菱形、五边形、六边形、十字形、米字形、弧形、圆形、椭圆形中的一个或者多个的组合。

4.如权利要求2所述的校验系统，其特征在于，所述对位标记为以所述垂点为圆心的圆形，在校验时，当所述第一光斑的运动轨迹位于所述圆形范围内时，判断所述基座的水平程度通过校验。

5.如权利要求1所述的校验系统，其特征在于，所述第二光斑与所述第一光斑均位于所述半透明挡板的远离所述基座的表面。

6.如权利要求1所述的校验系统，其特征在于，所述第一激光束和所述第二激光束的波长差大于或等于30nm。

7.如权利要求1所述的校验系统，其特征在于，所述第一激光源和所述第二激光源均为激光笔。

8.如权利要求1所述的校验系统，其特征在于，所述半透明挡板对于所述第一激光束和/或所述第二激光束的透光率为40％～60％。

9.一种长晶炉校验方法，利用如权利要求1、权利要求5至8中的任一项所述的校验系统，用于校验所述基座的水平程度以及所述基座与所述籽晶夹头的同心程度，其特征在于，所述校验方法包括：

打开所述第一激光源，且令所述基座绕所述旋转轴旋转，以在所述半透明挡板上显示出所述第一光斑的运动轨迹，通过所述第一光斑的运动轨迹来调整所述基座的水平程度；以及

打开所述第二激光源，以在所述半透明挡板上同时显示出所述第一光斑和所述第二光斑，通过所述第一光斑和所述第二光斑的重合程度来调整所述基座与所述籽晶夹头的同心程度。

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