CN111733449A - 晶棒生长设备及生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种晶棒生长设备及生长方法。晶棒生长设备包括生长炉、坩埚、加热器、提拉机构、红外探测仪、分度盘、传感器及控制装置；坩埚位于生长炉内；提拉机构包括提拉线及驱动装置，提拉线一端与晶棒的上部相连接，另一端与驱动装置相连接，晶棒的下部伸入坩埚内，晶棒上具有多根沿纵向延伸的晶线；红外探测仪位于生长炉的外侧；分度盘位于生长炉的上方，且与提拉机构相连接，以在提拉机构的带动下和晶棒同步旋转，分度盘的等分线的正投影位于相邻两根晶线之间；传感器位于分度盘的外围；控制装置与红外探测仪及传感器相连接，用于在传感器检测到分度盘的等分线时控制红外探测仪测量晶棒的直径。本发明有助于提高晶棒品质，提高生产良率。

Description

晶棒生长设备及生长方法
技术领域
本发明属于晶棒生长技术领域，具体涉及一种晶棒生长设备及生长方法。
背景技术
CZ法(Czochralski，CZ法，直拉单晶制造法)是晶棒生长的一种常用方法，其过程通常包括装料与熔料、熔接、细颈、放肩、转肩、等径生长和收尾等几个阶段。具体地，将硅块等原料投入坩埚中并加热以使其全部熔化，同时按工艺要求调整气体的流量、压力、坩埚位置、晶转、埚转；待熔体稳定后，降下籽晶至离液面3～5mm距离，使粒晶预热，之后下降籽晶至熔体的表面，让它们充分接触后将籽晶插入熔体以进行引细阱，引细颈阶段完成后将直径放大到目标直径，当细颈生长至足够长度，并且达到一定的提拉速率，即可降低拉速进行放肩、转肩，之后进入等径生长阶段直至收尾完成整个生产过程。此过程中，需严格监控晶棒的生长直径以确保最终生长出的晶棒满足生产要求。现有技术中，晶棒生长过程中的直径侦测有多种方式，其中有一种称为IRcon探测方法，其基本原理是通过红外测温感知不同的温度变动来转换成晶棒直径。这种方式为单点测量方式，测量非常方便，但最大的缺点是容易受到晶棒外部晶线和晶棒旋转时的偏摆量的影响。当IRcon探头照射到晶线时，实际侦测到的数据会产生很大的偏差，且因为晶棒旋转时无法避免一定量的晃动，同时IRcon探头无法对照射点进行动态捕捉，所以在这种情况下实际侦测到的数据会产生很大的偏差，导致生产出的晶棒无法满足所需的规格要求，造成巨大的经济损失。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种晶棒生长设备及生长方法，用于解决现有技术中的晶棒生长设备采用IRcon探测方法监测晶棒的生长直径的过程中，因探头容易接触到外部晶线，以及/或者晶棒在旋转时会产生一定量的晃动，IRcon探头无法对照射点进行动态捕捉，导致检测出的数据与实际的晶棒直径有较大误差，使得生产出的晶棒不符合要求，造成巨大的经济损失等问题。
为了实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种晶棒生长设备，所述晶棒生长设备包括生长炉、坩埚、加热器、提拉机构、红外探测仪、分度盘、传感器及控制装置；所述生长炉的上部设置有探测窗口；所述坩埚位于所述生长炉内，用于放置晶棒生长的原料；所述加热器位于所述生长炉内，且位于所述坩埚的外围，用于在晶棒生长过程中对所述坩埚内的所述原料进行加热；所述提拉机构包括提拉线及驱动装置，所述提拉线一端与晶棒的上部相连接，另一端与所述驱动装置相连接，所述晶棒的下部伸入所述坩埚内，所述晶棒上具有多根沿所述晶棒的纵向延伸的晶线；所述红外探测仪位于所述生长炉的外围，所述红外探测仪的探测信号经所述探测窗口到达所述晶棒表面以测量所述晶棒的直径；所述分度盘位于所述生长炉的上方，且与所述提拉机构相连接，以在所述提拉机构的带动下和所述晶棒同步旋转，所述分度盘的等分线的正投影位于所述晶棒的相邻两根晶线之间；所述传感器位于所述分度盘的外围，且与所述分度盘具有间距，所述传感器用于检测所述分度盘的等分线；所述控制装置与所述红外探测仪及所述传感器相连接，用于在所述传感器检测到所述分度盘的等分线时控制所述红外探测仪测量所述晶棒的直径。
可选地，所述晶棒的晶线为四条，四条所述晶线在所述晶棒的周向上均匀间隔分布，所述分度盘为四等分分度盘。
可选地，所述分度盘的等分线上的任意一点到相邻两条晶线的距离相等。
可选地，所述控制装置包括存储单元，所述红外探测仪测量的数据存储于所述控制装置中。
可选地。可选地，所述晶棒生长设备还包括热屏装置，位于所述生长炉内，且位于所述晶棒的外围，并向所述生长炉的内壁方向延伸。
所述控制装置包括计算机、MCU和PLC中的一种或多种。
可选地，所述分度盘的正投影覆盖所述晶棒。
所述传感器包括接触式传感器和光电传感器中的一种或两种。
可选地，所述晶棒的轴心线与所述分度盘的中心线相重合。
本发明还提供一种晶棒生长方法，所述晶棒生产方法基于上述任一方案中所述的晶棒生长设备进行。
本发明的晶棒生长设备及生长方法具有如下有益效果：本发明经改善的结构设计，可以有效避免因红外探测仪的探头照射到晶棒的晶线时导致的测量误差，有助于提高晶棒直径的检测准确性，有助于提高晶棒的品质，提高生产良率。
附图说明
图1显示为本发明提供的晶棒生长设备的结构示意图。
图2显示为本发明的晶棒生长设备中的分度盘和晶棒的位置关系示意图。
元件标号说明
11-生长炉；12-坩埚；13-提拉线；14-红外探测仪；15-分度盘；151-等分线；16-传感器；17-控制装置；18-晶棒；181-晶线；19-热屏装置
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1～图2。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
如图1及图2所示，本发明提供一种晶棒生长设备，所述晶棒生长设备包括生长炉11、坩埚12、加热器、提拉机构、红外探测仪14、分度盘15、传感器16及控制装置17；所述生长炉11的上部设置有探测窗口；所述坩埚12位于所述生长炉11内，用于放置晶棒18生长的原料，比如硅块等；所述加热器位于所述生长炉11内，且位于所述坩埚12的外围，用于在晶棒18生长过程中对所述坩埚12内的所述原料进行加热，以使原料受热熔融成液态；所述提拉机构包括提拉线13(所述提拉线13包括但不限于钨丝绳)及驱动装置，所述提拉线13一端与晶棒18的上部相连接，另一端与所述驱动装置(未图示)相连接(即所述提拉线13一端延伸至生长炉11内，另一端穿过生长炉11顶部的盖板延伸至生长炉11外部的上方并与驱动装置相连接)，所述晶棒18的下部伸入所述坩埚12内，所述晶棒18上，即晶棒18的表面具有多根沿所述晶棒18的纵向延伸的晶线181；所述红外探测仪14位于所述生长炉11的外围，所述红外探测仪14的探测信号经所述探测窗口到达所述晶棒18表面以测量所述晶棒18的直径；所述分度盘15位于所述生长炉11的上方(通常位于生长炉11外部的上方)，且与所述提拉机构相连接，以在所述提拉机构的带动下和所述晶棒18同步旋转，所述分度盘15的等分线151的正投影位于所述晶棒18的相邻两根晶线181之间，即所述分度盘15的等分线151的正投影所在的直线和任意一根晶线18都不相交；所述传感器16位于所述分度盘15的外围，且与所述分度盘15具有间距，所述传感器16用于检测所述分度盘15的等分线151；所述控制装置17与所述红外探测仪14及所述传感器16相连接，用于在所述传感器16检测到所述分度盘15的等分线151时控制所述红外探测仪14测量所述晶棒18的直径。在晶棒18生长过程中，熔融的原料(即熔体)和晶棒18的下部相接触(晶棒18生长初始时为籽晶)，提拉线13牵引晶棒18旋转上升，由此实现晶棒18的生长。在此过程中，分度盘15在提拉机构的带动下和晶棒18同步旋转，当传感器16检测到分度盘15的等分线151时触发控制器发出信号使红外探测仪14测量晶棒18的直径。由于分度盘15的等分线151和晶棒18的晶线181没有交点且分度盘15和晶棒18的旋转同步，因而传感器16检测到分度盘15的等分线151的时刻，红外探测仪14的探测信号也不会照射到晶棒18周向的晶线181上(需要说明的是，初始安装时需要将红外探测仪14的探测信号的照射点设置在晶棒18的非晶线181位置，优选设置在晶棒18上相邻两条晶线181的中间且靠近熔融液面的位置)，由此可以有效避免因红外探测仪14的探头照射到晶棒18的晶线181时导致的测量误差，有助于提高晶棒18直径的检测准确性，有助于生产良率的提高。
作为示例，所述分度盘15的等分线151数量优选与所述晶棒18的晶线181数量相同。如图2所示，在一示例中，所述晶棒18的晶线181为四条，四条所述晶线181在所述晶棒18的周向上均匀间隔分布，且所述晶线181沿晶棒18的纵向延伸，并随着晶棒18的生长而同步生长，通过所述晶线181可以判断单晶取向；相应地，所述分度盘15优选为四等分分度盘，即所述分度盘15被四条等分线151分成四个大小形状完全相同的区域(比如分度盘15为圆盘时，四等分分成了4个大小相同的扇形)，四条等分线151沿分度盘15的中心向分度盘15的边缘延伸而在分度盘15的边缘相交构成了四个等分点，传感器16检测到等分点时，实质也就是检测到了等分线151。(需要说明的是，所述晶棒18的最上部实际是非等径的籽晶部分，本实施例中为方便示意出晶线181而未示意出籽晶部分。)在其他示例中，所述晶棒18的晶线也可能为3条，此时所述分度盘15优选为三等分分度盘。当然，在其他示例中，所述分度盘的等分线的数量也可以与晶棒的晶线数量不相同，重要的是在初始设置时需确保分度盘15的等分线151的正投影位于所述晶棒18的相邻两根晶线181之间，即所述分度盘15的等分线151的正投影所在的直线和任意一条晶线18都不相交。本实施例中优选两者的数量一致。
所述红外探测仪14(IRcon)为基于红外测温原理检测晶棒18直径的装置，由于这部分知识为本领域技术人员所熟知，出于简洁的目的不赘述。
作为示例，所述分度盘15的等分线151上的任意一点到相邻两条晶线181的距离相等。为了避免对晶棒18的旋转和升降造成干扰，分度盘15位于晶棒18的上方且与晶棒18有一定距离，因而分度盘15的等分线151与晶棒18的晶线181并不在一个平面上，在实体上也并不相交，因而此处描述“所述分度盘15的等分线151上的任意一点到相邻两条晶线181的距离相等”也可以描述为所述分度盘15的等分线151的正投影的延长线上的任意一点到相邻两条晶线181的距离相等，也即该点位于相邻两条晶线181之间的晶棒18弧面的中间，或者说所述分度盘15的等分线151的正投影所在的直线与相邻两根晶线181之间的弧面的等分线重合。通过这样的设置，使得在从所述传感器16检测到所述分度盘15的等分线151到触发所述控制装置17发出控制指令这中间即便略有延迟，也能够有效避免所述红外探测仪14的探测信号照射到所述晶线181上。
作为示例，所述分度盘15的正投影覆盖所述晶棒18，即所述分度盘15的表面积大于等于所述晶棒18沿径向的表面积，且优选所述分度盘15的表面积大小和所述晶棒18沿径向的表面积相同(不包括晶线181区域，且非籽晶区域)。且在进一步的示例中，所述晶棒18的轴心线与所述分度盘15的中心线相重合，即所述提拉线穿过所述分度盘15的中心，以确保分度盘15的旋转和晶棒18的旋转完全同步，有助于进一步提高检测准确性。
作为示例，所述晶棒生长设备还包括热屏装置19，位于所述生长炉11内，且位于所述晶棒18的外围，并向所述生长炉11的内壁方向延伸，所述热屏装置19可以改变所述生长炉11的热场分布以有效调节晶棒18生长所需的温度梯度。
作为示例，所述晶棒生长设备还包括惰性气体供应装置(未图示)，所述惰性气体供应装置与惰性气体源相连通，用于向所述生长炉11内供应惰性气体，比如氩气，以使所述生长炉11内维持惰性气体氛围，避免原料和晶棒18的污染。(所述生长炉的底部设置有排气口，以维持所述生长炉内的惰性气体的动态平衡)
作为示例，所述控制装置17包括存储单元，所述红外探测仪14测量的数据存储于所述控制装置17中。所述控制装置17可在所述红外探测仪14每检测到晶棒18同一水平面的周向上的四个点的数据时计算一个平均值，或者可以计算预定时间内采集数据的平均值，由此可以弥补现有的IRcon单点测量方式的不足，有助于提高检测的准确性。所述晶体生长设备还可以包括显示屏，所述控制装置17与所述显示屏相连接，以实时显示所述红外探测仪14的检测结果。
作为示例，所述控制装置17包括计算机、MCU(单片机)和PLC(可编程逻辑控制器)中的一种或多种。当所述控制装置17为PLC时，则PLC可以和设备的总控制器集成在一起。或者说，设备的总控制器集合了PLC的控制功能。所述控制装置17还可以与所述提拉机构的驱动装置相连接，用于控制提拉速度，还可与所述加热器相连接，用于控制加热温度。在进一步的示例中，所述控制装置17同时与所述红外探测仪14、传感器16、加热器及提拉机构均相连接，以根据所述红外探测仪14检测到的所述晶棒18的直径控制所述加热器的加热温度和/或提拉机构的提拉速度，由此实现对晶棒18生长直径的调节。
作为示例，所述晶棒18包括但不限于单晶硅棒，因而相应地，原料包括但不限于硅块。
作为示例，所述传感器16包括接触式传感器和光电传感器中的一种或两种，即所述传感器16可以为单个或多个，当所述传感器16为多个时，多个所述传感器16的类型可以相同或不同。本实施例中，所述传感器优选为单个，以简化设备结构，减少数据干扰。
本发明的晶棒生长设备的使用原理如下：在晶棒18生长过程中，晶棒18在提拉机构的提拉下自坩埚12内的熔体中旋转上升实现生长，分度盘15在提拉机构的驱动下和晶棒18实现同步旋转，在传感器16检测到分度盘15的等分线151的时刻，控制装置17触发红外探测仪14测量晶棒18的直径。由于初始设置时分度盘15的等分线151的正投影所在的直线和晶棒18的晶线181没有交点，此时红外探测仪14的探测信号的照射点也并不会落在晶棒18的晶线181上，由此可以有效避免因红外探测仪14的探头照射到晶棒18的晶线181时导致的测量误差，可以提高晶棒18直径检测的准确性，可以极大提高晶棒的品质，提高生产良率。
本发明还提供一种晶棒生长方法，所述晶棒生产方法基于上述任一方案中所述的晶棒生长设备进行。具体地，本发明的晶棒生长方法在晶棒生长过程中，通过分度盘和红外探测仪的配合，在传感器检测到分度盘的等分线时红外探测仪才测量晶棒的直径，且可以对每沿晶棒探测一周后得到的多个数据进行平均(优选沿晶棒一周探测的数据个数和晶棒的晶线数量相同)，可以有效提高晶棒直径检测准确性，有助于提高晶棒生产品质。
综上所述，本发明提供一种晶棒生长设备及生长方法。所述晶棒生长设备包括生长炉、坩埚、加热器、提拉机构、红外探测仪、分度盘、传感器及控制装置；所述生长炉的上部设置有探测窗口；所述坩埚位于所述生长炉内，用于放置晶棒生长的原料；所述加热器位于所述生长炉内，且位于所述坩埚的外围，用于在晶棒生长过程中对所述坩埚内的所述原料进行加热；所述提拉机构包括提拉线及驱动装置，所述提拉线一端与晶棒的上部相连接，另一端与所述驱动装置相连接，所述晶棒的下部伸入所述坩埚内，所述晶棒表面具有多根沿所述晶棒的纵向延伸的晶线；所述红外探测仪位于所述生长炉的外围，所述红外探测仪的探测信号经所述探测窗口到达所述晶棒表面以测量所述晶棒的直径；所述分度盘位于所述生长炉的上方，且与所述提拉机构相连接，以在所述提拉机构的带动下和所述晶棒同步旋转，所述分度盘的等分线的正投影位于所述晶棒的相邻两根晶线之间；所述传感器位于所述分度盘的外围，且与所述分度盘具有间距，所述传感器用于检测所述分度盘的等分线；所述控制装置与所述红外探测仪及所述传感器相连接，用于在所述传感器检测到所述分度盘的等分线时控制所述红外探测仪测量所述晶棒的直径。本发明经改善的结构设计，可以有效避免因红外探测仪的探头照射到晶棒的晶线时导致的测量误差，有助于提高晶棒直径的检测准确性，有助于提高晶棒品质，提高生产良率。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种晶棒生长设备，其特征在于，所述晶棒生长设备包括：
生长炉，所述生长炉的上部设置有探测窗口；
坩埚，位于所述生长炉内，用于放置晶棒生长的原料；
加热器，位于所述生长炉内，且位于所述坩埚的外围，用于在晶棒生长过程中对所述坩埚内的所述原料进行加热；
提拉机构，所述提拉机构包括提拉线及驱动装置，所述提拉线一端与晶棒的上部相连接，另一端与所述驱动装置相连接，所述晶棒的下部伸入所述坩埚内，所述晶棒具有多根沿所述晶棒的纵向延伸的晶线；
红外探测仪，位于所述生长炉的外侧，所述红外探测仪的探测信号经所述探测窗口到达所述晶棒表面以测量所述晶棒的直径；
分度盘，位于所述生长炉的上方，且与所述提拉机构相连接，以在所述提拉机构的带动下和所述晶棒同步旋转，所述分度盘的等分线的正投影位于所述晶棒的相邻两根晶线之间；
传感器，位于所述分度盘的外围，且与所述分度盘具有间距，所述传感器用于检测所述分度盘的等分线；
控制装置，所述控制装置与所述红外探测仪及所述传感器相连接，用于在所述传感器检测到所述分度盘的等分线时控制所述红外探测仪测量所述晶棒的直径。
2.根据权利要求1所述的晶棒生长设备，其特征在于：所述晶棒的晶线为四条，四条所述晶线在所述晶棒的周向上均匀间隔分布，所述分度盘为四等分分度盘。
3.根据权利要求1所述的晶棒生长设备，其特征在于：所述分度盘的等分线上的任意一点到相邻两条晶线的距离相等。
4.根据权利要求1所述的晶棒生长设备，其特征在于：所述控制装置包括存储单元，所述红外探测仪测量的数据存储于所述控制装置中。
5.根据权利要求1所述的晶棒生长设备，其特征在于：所述晶棒生长设备还包括热屏装置，位于所述生长炉内，且位于所述晶棒的外围，并向所述生长炉的内壁方向延伸。
6.根据权利要求1所述的晶棒生长设备，其特征在于：所述控制装置包括计算机、MCU和PLC中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的晶棒生长设备，其特征在于：所述分度盘的正投影覆盖所述晶棒。
8.根据权利要求1所述的晶棒生长设备，其特征在于：所述传感器包括接触式传感器和光电传感器中的一种或两种。
9.根据权利要求1-8任一项所述的晶棒生长设备，其特征在于：所述晶棒的轴心线与所述分度盘的中心线相重合。
10.一种晶棒生长方法，其特征在于：所述晶棒生产方法基于权利要求1-9任一项所述的晶棒生长设备进行。
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