CN111593403B - 间接控制拉晶直径的方法及直拉单晶晶棒的生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种间接控制拉晶直径的方法及直拉单晶晶棒的生产方法，在获取到的所述生产状态影像中，获取参考晶棒直径，并对参考晶棒直径进行修正，以修正后参考晶棒直径为参照，控制等径时的单晶直径。一方面，在所述生产状态影像中，能够获取完整的参考晶棒直径，从而解决了由于晶棒直径过大或单晶炉设计缺陷，导致通过传统测径仪无法直接获取拉晶直径，造成拉晶直径失控的技术问题。另一方面，提供了一种新的控制拉晶直径的方式，克服通过传统测径仪无法直接获取拉晶直径的问题的同时，为操作人员测量并控制拉晶直径提供可靠的参考，有利于降低由于测径仪本身、测径仪操作过程及操作人员主观因素引入的测量误差。

Description

间接控制拉晶直径的方法及直拉单晶晶棒的生产方法
技术领域
本发明属于直拉法生产单晶硅的技术领域，具体涉及一种间接控制拉晶直径的方法及直拉单晶晶棒的生产方法。
背景技术
采用直拉法生产单晶硅，其中在等径工序中，必须定时的去测量晶棒直径，以确保拉晶晶棒的直径满足客户规格，直径偏大，容易造成材料浪费，偏小则导致产品报废或降级，给生产造成不必要的损失。一般量取直径是通过主视窗口上的附件，目镜和刻度条确认目测直径，此目测直径受人员差异，目镜移动差异影响，特别新员工，目镜松动，容易造成拉制产品直径不合适。
现有技术中，如专利号为201611116993.4的中国发明专利公开了一种直拉单晶产业化直径生长自控的工艺方法，并具体公开通过固定在单晶炉上的CCD摄像机采集拉晶时的外径尺寸，并结合出炉单晶实际直径，校正CCD摄像机的显示直径。具体地，校正方式为：合炉后开始拉晶作业，单晶拉至转肩后，为等径拉制，从转肩开始到保持长度200mm，每10mm用测径仪测量一次直径，记录每一个测试位置的CCD摄像机显示直径值和测径仪测量值，单晶出炉后，用游标卡尺对等径部分每10mm测量一次直径，对CCD摄像机显示直径值、测径仪测量值及游标卡尺测量值三组数据进行对比分析，在下次单晶保持稳定时校正CCD摄像机的显示直径。
上述工艺方法虽然解决了使用测径仪测量单晶晶棒直径过程时，存在较大的主观性的技术问题。但其校正过程中依然依赖测径仪进行调整，而有些单晶炉炉台因所拉制的晶棒直径太大或原有设计未考虑到拉制大直径的晶棒，通过测径仪直接测量，则无法测量到直径。特别是拉制大直径单晶晶棒，如利用28吋热场拉制直径18.5吋晶棒，本身晶棒拉制难度就大，若无法准确控制住直径，可能就会太大，又增加了拉晶难度，且埚跟比无法准确输入，液面距离热屏底部的距离GAP无法保证，这样可能需要人为干预，致使生长界面上下波动，晶棒失去单晶结构。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种间接控制拉晶直径的方法，以解决现有技术中，拉制大直径晶棒时或由于设计缺陷，通过测径仪无法直径获取拉晶直径的技术问题。
本发明还提供一种直拉单晶晶棒的生产方法，以精准控制拉晶直径，防止拉晶直径过大造成原料浪费，或者拉晶直径过小导致晶棒报废或降级。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种间接控制拉晶直径的方法，包括以下步骤：
a. 获取直拉单晶炉内的生产状态影像；
b. 获取所述生产状态影像中包含的参考晶棒直径；
c. 根据等径后的单晶晶棒的实际直径与需要生产的单晶晶棒的目标直径，对所述参考晶棒直径进行修正，获取修正后参考晶棒直径；
d. 以修正后参考晶棒直径为直拉单晶等径过程开始的晶棒直径的替代参数，投入直拉单晶晶棒的生产。
优选地，步骤c中，所述“对所述参考晶棒直径进行修正，获取修正后参考晶棒直径”的方法包括以下步骤：
c1. 获取所述生产状态影像中包含的第一参考晶棒直径L1；
c2. 以第一参考晶棒直径L1为直拉单晶等径过程开始的参数，并获取第一次等径后的单晶晶棒的实际直径D1；
c3. 根据第一次等径后的单晶晶棒的实际直径D1与需要生产的单晶晶棒的目标直径D0，对第一参考晶棒直径L1进行修正，获取第二参考晶棒直径L2；
c4. 以第二参考晶棒直径L2为直拉单晶等径过程开始的参数，并获取第二次等径后的单晶晶棒的实际直径D2；
c5. 根据第二次等径后的单晶晶棒的实际直径D2与需要生产的单晶晶棒的目标直径D0，对第二参考晶棒直径L2进行修正，获取第三参考晶棒直径L3；
c6. 以此类推，以第N参考晶棒直径LN为直拉单晶等径过程开始的参数，并获取第N次等径后的单晶晶棒的实际直径DN；根据第N次等径后的单晶晶棒的实际直径DN与需要生产的单晶晶棒的目标直径D0，对第N参考晶棒直径LN进行修正，获取第（N+1）参考晶棒直径LN+1，直至第N次等径后的单晶晶棒的实际直径DN与需要生产的单晶晶棒的目标直径D0的差值在可接受范围内；其中，N为≥2的整数；
c7. 以第（N+1）参考晶棒直径LN+1作为所述修正后参考晶棒直径。
优选地，步骤b中，所述“获取所述生产状态影像中包含的参考晶棒直径”的方法为：测量所述生产状态影像中，热屏内壁与结晶面之间的垂直距离。
优选地，步骤c6中，所述“根据第N次等径后的单晶晶棒的实际直径DN与需要生产的单晶晶棒的目标直径D0，对第N参考晶棒直径LN进行修正，获取第（N+1）参考晶棒直径LN+1”的方法为：
c61. 按照lN=（D-DN）/LN计算单位参考直径，其中，lN为单位参考直径，D为热屏内径；
c62. 按照以下过程对LN进行修正：
当DN-D0＜0时，LN+1=LN-（DN-D0）/lN；
当DN-D0＞0时，LN+1=LN+（DN-D0）/lN。
优选地，2≤N≤4。
优选地，采用光学照相机获取直拉单晶炉内的生产状态影像，光学照相机固定安装于直拉单晶炉的主视窗口上，且保持采集角度、焦距不变。
优选地，将获取到的所述生产状态影像投影至一显示屏上，在所述显示屏上测量生产状态影像中，热屏内壁与结晶面之间的垂直距离。
优选地，获取修正参考晶棒直径的过程中，每一次测量在所述显示屏上的位置不变。
一种直拉单晶晶棒的生产方法，利用如上所述的间接控制拉晶直径的方法，控制直拉单晶晶棒直径，进行直拉单晶晶棒的生产。
本发明采用上述技术方案，其有益效果在于：在获取到的所述生产状态影像中，获取参考晶棒直径，并对参考晶棒直径进行修正，获取修正后参考晶棒直径，以此修正后参考晶棒直径为参照，控制等径时的单晶直径。一方面，在所述生产状态影像中，能够获取完整的参考晶棒直径，从而解决了由于晶棒直径过大或单晶炉设计缺陷，导致通过传统测径仪无法直接获取拉晶直径，造成拉晶直径失控的技术问题。另一方面，从所述生产状态影像中获取参考晶棒直径，相当于提供了一种新的控制拉晶直径的方式，克服通过传统测径仪无法直接获取拉晶直径的问题的同时，为操作人员测量并控制拉晶直径提供可靠的参考，有利于降低由于测径仪本身、测径仪操作过程及操作人员主观因素引入的测量误差。
附图说明
图1为获取参考晶棒直径的方法示意图。
图2为显示屏的后视图。
图3为生产状态影像示意图。
图中：热屏影像1、硅熔汤影像2、结晶面影像3。
具体实施方式
请参看图1至图3，一具体实施方式中，一种间接控制拉晶直径的方法，包括以下步骤：
a. 获取直拉单晶炉内的生产状态影像。
例如，利用光学照相机，例如CCD摄像机或普通光学照相机、成像机，通过设置在直拉单晶炉上预留的测径窗口，获取直拉单晶炉内的生产状态影像。该生产状态影像中，包含有热屏影像1、硅熔汤影像2以及呈明显光亮部的结晶面影像3。
一优选实施例中，将获取的生产状态影像投影至一显示屏上，以便于从生产状态影像中，测量获取必需的数据。
b. 获取所述生产状态影像中包含的参考晶棒直径。
例如，用测量尺贴近所述显示屏，测量生产状态影像中热屏影像1的内壁任意点至结晶面影像3的垂直距离，并记录被测量点的位置，以测量得到的距离作为拉晶直径的参照，即参考晶棒直径。
一优选实施例中，测量尺为直尺，测量尺上具有测量尺刻度，测量所述参考晶棒直径时，测量尺刻度与热屏影像1的底部的圆弧处相切，则可以直接从测量尺上读出所述参考晶棒直径。
c. 根据等径后的单晶晶棒的实际直径与需要生产的单晶晶棒的目标直径，对所述参考晶棒直径进行修正，获取修正后参考晶棒直径。
例如，对参考晶棒直径进行修正的整体原则是：当等径后的单晶晶棒的实际直径小于需要生产的单晶晶棒的目标直径，则将参考晶棒直径调小，从而使实际晶棒直径变大；当等径后的单晶晶棒的实际直径大于需要生产的单晶晶棒的目标直径，则将参考晶棒直径调大，从而使实际晶棒直径变小。
一具体实施例中，所述“对所述参考晶棒直径进行修正，获取修正后参考晶棒直径”的方法包括以下步骤：
c1. 获取所述生产状态影像中包含的第一参考晶棒直径L1，即，第一次生产时，将用于采集所述生产状态影像的光学摄像机固定在拉晶炉上，光学摄像机通过有线或无线的连接方式，电性连接一显示屏。此时，在所述显示屏上可以观察到包含有热屏影像1、硅熔汤影像2以及呈明显光亮部的结晶面影像3的完整的生产状态影像。在所述热屏影像1的底部弧形处选定一基准测量点，用直尺测量该点到所述结晶面影像3的垂直距离，即为第一参考晶棒直径L1。测量时，直尺的刻度线与所述热屏影像1的底部弧形处相切，以获得固定的测量方向和测量基准点。
c2. 以第一参考晶棒直径L1为直拉单晶等径过程开始的参数，并获取第一次等径后的单晶晶棒的实际直径D1，也就是说，以第一参考晶棒直径L1作为第一次等径的参照数据之一，完成第一次等径，用游标卡尺测量第一次等径后的单晶晶棒的实际直径D1。
c3. 根据第一次等径后的单晶晶棒的实际直径D1与需要生产的单晶晶棒的目标直径D0，对第一参考晶棒直径L1进行修正，获取第二参考晶棒直径L2。其调整的原则为：当第一次等径后的单晶晶棒的实际直径D1小于需要生产的单晶晶棒的目标直径D0，则将参考晶棒直径调小，从而使实际晶棒直径变大。当第一次等径后的单晶晶棒的实际直径D1大于需要生产的单晶晶棒的目标直径D0，则将参考晶棒直径调大，从而使实际晶棒直径变小。
c4. 以第二参考晶棒直径L2为直拉单晶等径过程开始的参数，并获取第二次等径后的单晶晶棒的实际直径D2。也就是说，以第二参考晶棒直径L2作为第一次等径的参照数据之一，完成第二次等径，用游标卡尺测量第二次等径后的单晶晶棒的实际直径D2。
c5. 根据第二次等径后的单晶晶棒的实际直径D2与需要生产的单晶晶棒的目标直径D0，对第二参考晶棒直径L2进行修正，获取第三参考晶棒直径L3。具体修正方式同步骤c3。
c6. 以此类推，以第N参考晶棒直径LN为直拉单晶等径过程开始的参数，并获取第N次等径后的单晶晶棒的实际直径DN；根据第N次等径后的单晶晶棒的实际直径DN与需要生产的单晶晶棒的目标直径D0，对第N参考晶棒直径LN进行修正，获取第（N+1）参考晶棒直径LN+1，直至第N次等径后的单晶晶棒的实际直径DN与需要生产的单晶晶棒的目标直径D0的差值在可接受范围内；其中，N为≥2的整数。
c7. 以第（N+1）参考晶棒直径LN+1作为所述修正后参考晶棒直径。
d. 以修正后参考晶棒直径为直拉单晶等径过程开始的晶棒直径的替代参数，投入直拉单晶晶棒的生产。
一方面，在所述生产状态影像中，能够获取完整的参考晶棒直径，从而解决了由于晶棒直径过大或单晶炉设计缺陷，导致通过传统测径仪无法直接获取拉晶直径，造成拉晶直径失控的技术问题。另一方面，从所述生产状态影像中获取参考晶棒直径，相当于提供了一种新的测量拉晶直径的方式，克服通过传统测径仪无法直接获取拉晶直径的问题的同时，为操作人员测量并控制拉晶直径提供可靠的参考，有利于降低由于测径仪本身、测径仪操作过程及操作人员主观因素引入的测量误差。同时，操作人员可以通过监控参考晶棒直径，替代或辅助监控直接由测径仪测量的直径，监控过程更加准确便捷，降低了由于操作人员专业技能、主观判断等引入的测量误差。值得指出的是，将所述生产状态影像投射到所述显示屏上，显示屏可以设置在远离生产车间、远离拉晶炉的地方，如此则可以显著降低操作人员进入生产车间的频次，显著降低操作人员靠近拉晶炉进行操作的频次，实现本质安全生产。
一优选实施例中，为简化调整过程，减少调整次数，加快调整进度，步骤c6中，所述“根据第N次等径后的单晶晶棒的实际直径DN与需要生产的单晶晶棒的目标直径D0，对第N参考晶棒直径LN进行修正，获取第（N+1）参考晶棒直径LN+1”的方法为：
c61. 按照lN=（D-DN）/LN计算单位参考直径，其中，lN为单位参考直径，D为热屏内径。也就是说，首先根据第N参考晶棒直径LN，结合热屏内径D以及第N次等径后的单晶晶棒的实际直径DN，计算确定单位参考直径lN，即每一个单位参考直径代表晶棒实际直径变化量的数值，即每1mm距离变化转化成晶棒直径变化的数值。
确定单位参考直径lN后，不仅能够根据从所述生产状态影像中测量得到的参考晶棒直径中，直接估算出实际晶棒直径，而且为修正参考晶棒直径，控制拉晶直径的过程提供参考。
c62. 按照以下过程对LN进行修正：
当DN-D0＜0时，LN+1=LN-（DN-D0）/lN；
当DN-D0＞0时，LN+1=LN+（DN-D0）/lN。
为便于理解，以下通过实际修正示例，进一步解释说明上述对参考晶棒直径的修正过程。
例如，请参看表1，表1为参考晶棒直径的修正过程的统计表。如采用28吋炉台拉制Φ450+10mm规格左右晶棒，第一次等径时，估算结晶面影像3距离热屏影像1的垂直距离，即第一参考晶棒直径L1为7mm，第一次等径结束后，晶棒的实际直径D1为468mm，根据l1=（D-D1）/L1，代入即可计算l1=（490-468）/7≈3.14。也就是说，每1mm第一参考晶棒直径变化代表实际晶棒直径变化3.14mm。
根据当D1-D0＞0时，L2=L1+（D1-D0）/l1，代入即可计算L2=7+（468-460）/3.14≈9.5，确认第二炉等径开始前，结晶面影像3距离热屏影像1的垂直距离，即第二参考晶棒直径L2为9.5mm。测量第二次等径结束后，晶棒的实际直径D2为463mm，则根据l2=（D-D2）/L2，代入即可计算l2=（490-463）/9.5≈2.84，即每1mm第二参考晶棒直径变化代表实际晶棒直径变化2.84mm。
依次类推，则L3=L2+（D2-D0）/l2，代入即可计算L3≈10.5。确认第二炉等径开始前，结晶面影像3距离热屏影像1的垂直距离，即第三参考晶棒直径L3为10.5mm。测量第三次等径结束后，晶棒的实际直径D2为461mm。则l3=（490-461）/10.5≈2.76。
则后续此炉台拉制Φ450+10mm规格晶棒时，按照结晶面影像3距离热屏影像1的垂直距离为10.5mm控制，此时，需要调整拉晶直径时，则每调整结晶面影像3距离热屏影像1的垂直距离1mm，实际晶棒直径可能变化2.7～3mm。
表1 参考晶棒直径的修正过程的统计表
Figure DEST_PATH_IMAGE001
可见，经过三次修正，即可通过结晶面影像3距离热屏影像1的垂直距离，间接判断并控制拉晶直径，而一般地，2≤N≤6，即经过2～4次的修正，即可获得较为满意的修正后参考晶棒直径。
值得注意得是，采用光学照相机获取直拉单晶炉内的生产状态影像，光学照相机固定安装于直拉单晶炉的主视窗口上，且保持采集角度、焦距在整个修正以及生产控制过程中保持不变，如有变动，可重新进行修正，二次修正时，可以第一次修正数据作为参考，快速获得较为满意的修正后参考晶棒直径。
又一具体实施方式中，一种直拉单晶晶棒的生产方法，利用如上所述的间接控制拉晶直径的方法，控制直拉单晶晶棒直径，进行直拉单晶晶棒的生产。以精准控制拉晶直径，防止拉晶直径过大造成原料浪费，或者拉晶直径过小导致晶棒报废或降级。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种间接控制拉晶直径的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.获取直拉单晶炉内的生产状态影像；
b.获取所述生产状态影像中包含的参考晶棒直径；
c.根据等径后的单晶晶棒的实际直径与需要生产的单晶晶棒的目标直径，对所述参考晶棒直径进行修正，获取修正后参考晶棒直径；
d.以修正后参考晶棒直径为直拉单晶等径过程开始的晶棒直径的替代参数，投入直拉单晶晶棒的生产；
其中，步骤b中，所述“获取所述生产状态影像中包含的参考晶棒直径”的方法为：
测量所述生产状态影像中，热屏内壁与结晶面之间的垂直距离；
步骤c中，所述“对所述参考晶棒直径进行修正，获取修正后参考晶棒直径”的方法包括以下步骤：
c1.获取所述生产状态影像中包含的第一参考晶棒直径L1；
c2.以第一参考晶棒直径L1为直拉单晶等径过程开始的参数，并获取第一次等径后的单晶晶棒的实际直径D1；
c3.根据第一次等径后的单晶晶棒的实际直径D1与需要生产的单晶晶棒的目标直径D0，对第一参考晶棒直径L1进行修正，获取第二参考晶棒直径L2；
c4.以第二参考晶棒直径L2为直拉单晶等径过程开始的参数，并获取第二次等径后的单晶晶棒的实际直径D2；
c5.根据第二次等径后的单晶晶棒的实际直径D2与需要生产的单晶晶棒的目标直径D0，对第二参考晶棒直径L2进行修正，获取第三参考晶棒直径L3；
c6.以此类推，以第N参考晶棒直径LN为直拉单晶等径过程开始的参数，并获取第N次等径后的单晶晶棒的实际直径DN；根据第N次等径后的单晶晶棒的实际直径DN与需要生产的单晶晶棒的目标直径D0，对第N参考晶棒直径LN进行修正，获取第(N+1)参考晶棒直径LN+1，直至第N次等径后的单晶晶棒的实际直径DN与需要生产的单晶晶棒的目标直径D0的差值在可接受范围内；其中，N为≥2的整数；
c7.以第(N+1)参考晶棒直径LN+1作为所述修正后参考晶棒直径。
2.如权利要求1所述的间接控制拉晶直径的方法，其特征在于，步骤c6中，所述“根据第N次等径后的单晶晶棒的实际直径DN与需要生产的单晶晶棒的目标直径D0，对第N参考晶棒直径LN进行修正，获取第(N+1)参考晶棒直径LN+1”的方法为：
c61.按照lN＝(D-DN)/LN计算单位参考直径，其中，lN为单位参考直径，D为热屏内径；
c62.按照以下过程对LN进行修正：
当DN-D0＜0时，LN+1＝LN-(DN-D0)/lN；
当DN-D0＞0时，LN+1＝LN+(DN-D0)/lN。
3.如权利要求2所述的间接控制拉晶直径的方法，其特征在于，2≤N≤4。
4.如权利要求1所述的间接控制拉晶直径的方法，其特征在于，采用光学照相机获取直拉单晶炉内的生产状态影像，光学照相机固定安装于直拉单晶炉的主视窗口上，且保持采集角度、焦距不变。
5.如权利要求4所述的间接控制拉晶直径的方法，其特征在于，将获取到的所述生产状态影像投影至一显示屏上，在所述显示屏上测量生产状态影像中，热屏内壁与结晶面之间的垂直距离。
6.如权利要求5所述的间接控制拉晶直径的方法，其特征在于，获取修正参考晶棒直径的过程中，每一次测量在所述显示屏上的位置不变。
7.一种直拉单晶晶棒的生产方法，其特征在于，利用如权利要求1-6中任意一项中所述的间接控制拉晶直径的方法，控制直拉单晶晶棒直径，进行直拉单晶晶棒的生产。
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