CN112522779A - 液位测量方法及拉单晶方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种液位测量方法及拉单晶方法，所述液位测量方法用于探测拉晶设备内的熔体的液位信息，所述液位测量方法包括以下步骤：将探测器配置为设置于所述熔体的熔体液面的上方；利用所述探测器获取所述熔体液面至所述探测器的第一距离的信息；以及，基于所述第一距离的信息获取所述熔体液面至导流筒的熔体液位信息，得到所述熔间隙的距离。如此设置，使得探测器与熔体液面为非接触的形式，在长晶过程中不会带来污染，可以根据实际需求探测不同区域的熔体液位，探测的灵活性高，探测器还可以设置不同的高度，熔体液位不受限制，可以测量的熔体液位范围大，还能够实时地获取熔体液位信息，提高单晶的质量，避免采用靶点材料，减少成本。
Description
技术领域
本发明涉及晶体制备技术领域，特别涉及一种液位测量方法及拉单晶方法。
背景技术
单晶硅的制造方法主要有区熔法和切克劳斯基法，现有技术中通常采用切克劳斯基法(即CZ法，又称为直拉法)制备单晶硅。CZ法是将多晶硅原料收容在设置于拉晶炉炉膛内的石英坩埚里，通过石墨加热器进行加热熔融，再将一根直径只有10mm的棒状晶种(称籽晶)与多晶硅熔体液面接触，在工艺要求合适的温度下，熔体中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，成为单晶体，将晶种一边旋转一边提拉，熔体中的硅原子会在前面形成的单晶体上继续结晶，并延续其规则的原子排列结构，坩埚籽晶同时提升，生产出目标直径和品质的单晶硅棒。
在硅单晶的制备过程中，利用拉晶炉通过直拉法制备大尺寸硅单晶时，随着晶体长度不断增加，坩埚内熔体会逐渐消耗。具体请参考图1，拉晶炉包括坩埚10、导流筒30、磁铁系统50、加热器60、石墨70以及石墨毡80，熔体20容置于坩埚10中、单晶90从熔体20中被提拉出来。为了保证长晶界面的稳定性，必须使坩埚10位置不断上升，进而使得长晶过程固液界面位置始终固定在同一位置，即需要保证熔体的液面21到导流筒30的导流筒底部31的距离保持不变，从而有利于高效稳定的控制热场的温度分布。据此，将熔体的液面21到导流筒底部31的距离定义为熔间隙(Melt Gap)40。在长晶过程中精确地控制熔间隙40是控制晶体质量和保证工艺重复性的关键因素，通常采用反馈调节的方式来控制熔体的液面21(以下简称液面)至导流筒底部31的距离，而液面位置的探测作为反馈调节的核心信号输入，是精确控制熔体的液面21至导流筒底部31距离的关键，因此，液面位置的测量在硅单晶制备的过程中至关重要。
目前采用比较广泛的液面探测方法有：石英销法和倒影法。
石英销法是将一高纯石英销固定在导流筒的底部，在长晶之前将坩埚上升使得液面接触石英销，以液面接触石英销位置为起始点调节坩埚位置达到设定的液面位置，但是该方法在长晶过程中则无法实时获得液面位置的反馈信息，进而不能精确的控制热场的温度分布，从而不能保证长晶过程中硅单晶的质量。
倒影法是在导流筒的底部固定一个靶点，通过电荷耦合器件(CCD)相机捕捉靶点在液面的倒影进而获得液面距离，倒影法可以在长晶全过程实时获得硅熔体液面的信息。但是该方法选用的靶点材料需要同时满足高纯石英和石墨材料在高温时对比度高的特点，并且该方法对热场结构和液面距离的要求较高，超出一定范围则无法使用。
因此，开发出一种在熔体制备晶体的过程中，尤其是制备大尺寸半导体硅单晶过程中，可实时地获取液位信息且不采用靶点材料的液位测量方法，进而提高单晶的质量、减少成本，已成为熔体制备晶体领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种液位测量方法及拉单晶方法，以解决现有液面测量方法中无法实时获得液面位置信息、需要选择靶点材料且对靶点材料的对比度要求高、成本高的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种液位测量方法，用于探测拉晶设备内的熔体的液位信息，所述拉晶设备包括炉体、坩埚、导流筒以及探测器，所述坩埚设置于所述炉体内并用于容置所述熔体，所述导流筒设置于所述炉体内并位于所述坩埚的上方，所述导流筒与所述熔体的熔体液面之间具有熔间隙，所述液位测量方法包括以下步骤：将探测器配置为设置于所述熔体的熔体液面的上方；利用所述探测器获取所述熔体液面至所述探测器的第一距离的信息；以及，基于所述第一距离的信息获取所述熔体液面至导流筒的熔体液位信息，得到所述熔间隙的距离。
可选的，在所述基于所述第一距离的信息获取所述熔体液面至导流筒的熔体液位信息，得到所述熔间隙的距离的步骤之前，所述液位测量方法还包括：确定所述导流筒至所述探测器的第二距离，其中，所述第二距离小于所述第一距离。
可选的，所述基于所述第一距离的信息获取所述熔体液面至导流筒的熔体液位信息，得到所述熔间隙的距离的步骤包括：
M＝L-h
其中，M表示所述熔间隙的距离，L表示所述第一距离，h表示所述第二距离。
可选的，所述熔体液面的中心被提拉出一晶体，所述探测器距所述晶体的中心轴的距离在150～400mm之间。
可选的，所述探测器通过电磁波的返回信号获取所述第一距离的信息，或者，所述探测器为激光雷达。
可选的，所述探测器探测的距离精度在0.1mm之内。
可选的，在所述炉体的顶部开设一视窗，所述探测器配置为设置于所述视窗处。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种拉单晶方法，所述拉单晶方法包括以下步骤：采用如上所述的液位测量方法获取所述熔体的熔体液位信息；以及，根据所述熔体液位信息调节坩埚的位置。
可选的，拉晶设备包括控制器，所述根据所述熔体液位信息调节坩埚的位置的步骤包括：所述控制器接收探测器反馈的所述熔体液位信息，并调节所述坩埚的位置。
可选的，所述根据所述熔体液位信息调节坩埚的位置的步骤还包括：预设所述控制器的标准液位信息；将所述控制器接收到的所述熔体液位信息与标准液位信息进行对比；若所述熔体液位信息小于标准液位信息，则执行所述坩埚下降的命令；若所述熔体液位信息大于标准液位信息，则执行所述坩埚上升的命令；若所述熔体液位信息等于标准液位信息，则不执行命令。
本发明提供的液位测量方法用于探测拉晶设备内的熔体的液位信息，所述拉晶设备包括炉体、坩埚、导流筒以及探测器，所述坩埚设置于所述炉体内并用于容置所述熔体，所述导流筒设置于所述炉体内并位于所述坩埚的上方，所述导流筒与所述熔体的熔体液面之间具有熔间隙，所述液位测量方法包括以下步骤：将探测器配置为设置于所述熔体的熔体液面的上方；利用所述探测器获取所述熔体液面至所述探测器的第一距离的信息；以及，基于所述第一距离的信息获取所述熔体液面至导流筒的熔体液位信息，得到所述熔间隙的距离。如此设置，使得探测器与熔体液面为非接触的形式，在长晶过程中不会带来污染，可以根据实际需求探测不同区域的熔体液位，探测的灵活性高，探测器还可以设置不同的高度，熔体液位不受限制，可以测量的熔体液位范围大，还能够实时地获取熔体液位信息，提高单晶的质量，避免采用靶点材料，减少成本。
附图说明
本领域的普通技术人员将会理解，提供的附图用于更好地理解本发明，而不对本发明的范围构成任何限定。其中：
图1为一拉晶炉的示意图；
图2为本发明一实施例的液位测量方法的流程图；
图3为本发明一实施例的拉晶设备的示意图；
图4为本发明一实施例的拉单晶方法的流程图。
附图中：
10-坩埚，20-熔体，21-熔体的液面，30-导流筒，31-导流筒底部，40-熔间隙，50-磁铁系统，60-加热器，70-石墨，80-石墨毡，90-单晶；
M-熔间隙的距离，L-第一距离，h-第二距离，A-中心轴；
100-探测器；
200-熔体，210-熔体液面；
300-导流筒；
400-炉体，410-炉腔；
500-坩埚；
600-视窗。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；本文的框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机程序指令的组合来实现。对于本领域技术人员来说公知的是，通过硬件方式实现、通过软件方式实现以及通过软件和硬件结合的方式实现都是等价的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
如在本说明书中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，除非内容另外明确指出外。如在本说明书中所使用的术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外。
本发明实施例提供了液位测量方法及拉单晶方法，所述液位测量方法用于探测拉晶设备内的熔体的液位信息，所述拉晶设备包括炉体、坩埚、导流筒以及探测器，所述坩埚设置于所述炉体内并用于容置所述熔体，所述导流筒设置于所述炉体内并位于所述坩埚的上方，所述导流筒与所述熔体的熔体液面之间具有熔间隙，所述液位测量方法包括以下步骤：将探测器配置为设置于所述熔体的熔体液面的上方；利用所述探测器获取所述熔体液面至所述探测器的第一距离的信息；以及，基于所述第一距离的信息获取所述熔体液面至导流筒的熔体液位信息，得到所述熔间隙的距离。如此设置，使得探测器与熔体液面为非接触的形式，在长晶过程中不会带来污染，可以根据实际需求探测不同区域的熔体液位，探测的灵活性高，探测器还可以设置不同的高度，熔体液位不受限制，可以测量的熔体液位范围大，能够实时地获取熔体液位信息，提高单晶的质量，避免采用靶点材料，不用在核心热场区域增加其他结构，减少成本。进一步的，所述探测器探测的距离精度不大于0.1mm，满足长晶对熔体液位的要求，提高了探测器探测熔体液位信息的可靠性和灵敏度。
图2为本发明一实施例的液位测量方法的流程图；图3为本发明一实施例的拉晶设备的示意图；图4为本发明一实施例的拉单晶方法的流程图。
请参考图2至图3，液位测量方法用于探测拉晶设备内的熔体200的液位信息，例如是探测拉晶设备内的硅熔体制备硅单晶时的熔体液位信息。
请参考图3，拉晶设备用于熔体制备晶体，其包括：炉体400、坩埚500、导流筒300以及探测器100。所述坩埚500设置于所述炉体400内，用于容置所述熔体200。所述导流筒300设置于所述炉体400内并位于所述坩埚500的上方。所述坩埚500与导流筒300的结构以及其与炉体400的位置关系、连接关系可以参考现有技术。所述导流筒与所述熔体的熔体液面之间具有熔间隙(Melt Gap)。需理解，熔体液位信息表示熔间隙(Melt Gap)的信息，即熔体液面210至导流筒300的信息，具体可以是熔体液面210至导流筒300的底部的距离。
所述液位测量方法包括以下步骤：
S1：将探测器100配置为设置于所述熔体200的熔体液面210的上方。所述探测器100用于向所述熔体液面210发出信号，并接收所述熔体液面210的反馈信号，具体是，所述探测器100能够实时的向所述熔体210液面发出信号。优选的，所述探测器100例如是电磁波信号的探测器，例如是雷达探测器或者雷达液位计。更佳的，所述探测器为激光雷达，所述激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。其工作原理是向熔体液面210发射探测信号(激光束)，然后将接收到的从熔体液面210反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较，再作适当处理后，获得第一距离L。作为优选，所述上方例如是在熔体制备晶体时，垂直于所述熔体液面210的方位并远离熔体液面210的方向。在其他实施例中，所述探测器100的位置可以根据实际情况进行设定，不限定于垂直于所述熔体液面210，只要能够探测到所述熔体液面210的反馈信号即可。如此设置，探测器100设置于熔体液面210的上方，使得探测的灵活性高，能够全面的探测熔体液面210且探测器100距离熔体液面210的位置不受限制。探测器100与熔体液面210是非接触式的探测，在长晶过程中不会带来污染，提高了探测熔体液位信息的可靠性。所述探测器100优选设置于所述炉体400的炉腔410的外部，进而使得探测器100避免受到炉腔410中的气氛影响，提高探测精度。更优选的，在所述炉体400的顶部开设一视窗600，所述探测器100被配置为设置于所述视窗600处。所述视窗600能够使得探测器100处于炉腔410的外部，并能够探测炉腔410内的熔体液位。所述视窗600优选根据所述探测器100的形状结构进行定制化设置，所述视窗600位于所述炉体400的顶部，并且距离所述中心轴A的距离可以根据探测器100距离中心轴A的距离进行适应性的设置，便于探测器100的安装。在长晶过程中，所述熔体液面的中心被提拉出一晶体，且形成的晶体具有某一直径的圆柱形，所述圆柱形结构晶体具有一中心轴A，为了进一步保证所述探测器100探测的熔体液位信息不被长晶时晶体以及晶体周围熔体液位的变化所影响，所述探测器100距离所述晶体(未图示)的中心轴A的距离大于所述晶体的直径。优选的，所述探测器100距所述晶体的中心轴A的距离在150～400mm之间。例如，所述探测器100距所述晶体的中心轴A的距离可以是170mm。
S2：利用所述探测器100获取所述熔体液面210至所述探测器100的第一距离的信息。具体的，所述探测器100向所述熔体液面210发出信号，熔体液面210将信号再返回至探测器100，探测器100接收返回的信号，进而得到熔体液面210至探测器100的第一距离的信息，从而得到熔体液面210至探测器100的第一距离L，使得探测器100能够实时的获取第一距离L，为得到实时的熔体液位信息做准备工作。优选的，所述探测器100采用电磁波信号，探测器100接收电磁波的返回信号获取所述第一距离的信息。例如，所述探测器100是一雷达探测器，进而使得探测器100能够具有电磁波的反应速度快、不需要介质传播等特性。在其他实施例中，所述探测器100可以得到熔体液面210至探测器100的距离的其他的探测器件，例如是超声探测器。优选的，所述探测器探测的距离精度在0.1mm之内，得到的所述第一距离L的精度亦在0.1mm之内，从而满足长晶对熔体液位的要求，提高了探测器100探测熔体液位信息的灵敏度。
S3：基于所述第一距离的信息获取所述熔体液面210至导流筒300的熔体液位信息，得到所述熔间隙的距离M。通过探测器100实时的获取第一距离的信息，进而能够实时的获取所述熔体液位信息，得到熔间隙的距离M，提高了探测熔体液位信息的灵敏度和精度，进而能够精确的控制热场的温度分布，提高了单晶的质量。并且，本实施例的液面探测方法与倒影法不同，其不采用靶点材料便可以得到熔体液面的位置，减少了对靶点材料选择这一重要的程序，节省了生产成本以及人工成本，同时，本实施例对热场结构没有额外的工艺要求，不用在核心热场区域增加其他的结构，进而减少了工艺成本。
作为优选，在步骤S3基于所述第一距离的信息获取所述熔体液面210至导流筒300的熔体液位信息，得到所述熔间隙的距离M的步骤之前，所述液位测量方法还包括，如图3所示，将所述探测器100优选设置于所述熔体液面210的正上方，即所述探测器100的本质是与熔体液面210垂直，或者与被提拉出的晶体(晶棒)平行，进而使得采用一个探测器100即可以得到熔体液位信息，不需要另外的探测器100协同测量。进一步的，确定所述导流筒300至所述探测器100的第二距离h。所述第二距离h优选是拉晶设备的器械设计时预先设定好的距离，获取第二距离h为得到熔体液位信息做准备工作。由于熔体液面210在导流筒300的下方，所述第二距离h需小于熔体液面210至所述探测器100的第一距离L，故所述第二距离h小于所述第一距离L。此外，所述探测器100可以设定熔体液位的上下限的位置，若熔体液位超过上下限的位置，则发出报警信号，进一步保证了熔体液位的精度。
更进一步的，所述步骤S3基于所述第一距离的信息获取所述熔体液面210至导流筒300的熔体液位信息，得到所述熔间隙的距离的步骤包括：
M＝L-h
其中，M表示所述熔间隙的距离，L表示所述第一距离，h表示所述第二距离，通过上述逻辑运算得到实时的熔体液位信息。
基于同一发明构思，如图4所示，本实施例还提供一种拉单晶方法，所述拉单晶方法包括以下步骤：
S1：采用如上所述的液位测量方法获取所述熔体200的熔体液位信息；以及，
S2：根据所述熔体液位信息调节坩埚500的位置。优选的，在所述探测器100获取所述熔体200的熔体液位信息之后，需要调节所述坩埚500的位置，使得所述熔体200至所述导流筒300的距离保持预设距离，进而使得所述熔体液面210始终处于一个位置。优选的，所述拉晶设备还包括控制器(未图示)，所述控制器接收所述探测器100反馈的所述熔体液位信息，并调节所述坩埚500的位置，所述控制器与所述探测器100信号连接，可实时地将熔体液位信息发送给控制器。具体的，所述控制器将接收到的熔体液位信息与之前预先设置好的标准液位信息(标准液位信息可表示预设距离)作对比，若熔体液位信息小于标准液位信息，则执行坩埚500下降的命令，使得坩埚500下降；若熔体液位信息大于标准液位信息，则执行坩埚500上升的命令，使得坩埚500上升；若熔体液位信息等于标准液位信息，则不执行任何命令，保证坩埚500处于静止状态，从而实时的调节坩埚500的位置。
所述拉单晶方法具备所述液位测量方法所带来的有益效果，此处不再赘述。所述拉单晶方法中涉及的拉晶设备的其它部件的结构和原理，可参考现有技术，此处不再展开说明。
基于同一发明构思，本实施例还提供一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时能够实现如上所述的液位测量方法。所述存储介质可以是能够保持和存储由指令执行设备使用的有形设备，例如可以是但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。用于执行本实施例操作的计算机程序可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如Smalltalk、C++等，以及常规的过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编程语言。所述计算机程序可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。所述存储介质具备所述液位测量方法所带来的有益效果，此处不再赘述。
综上所述，在本发明提供的液位测量方法及拉单晶方法中，所述液位测量方法用于探测拉晶设备内的熔体的液位信息，所述拉晶设备包括炉体、坩埚、导流筒以及探测器，所述坩埚设置于所述炉体内并用于容置所述熔体，所述导流筒设置于所述炉体内并位于所述坩埚的上方，所述导流筒与所述熔体的熔体液面之间具有熔间隙，所述液位测量方法包括以下步骤：将探测器配置为设置于所述熔体的熔体液面的上方；利用所述探测器获取所述熔体液面至所述探测器的第一距离的信息；以及，基于所述第一距离的信息获取所述熔体液面至导流筒的熔体液位信息，得到所述熔间隙的距离。如此设置，使得探测器与熔体液面为非接触的形式，在长晶过程中不会带来污染，可以根据实际需求探测不同区域的熔体液位，探测的灵活性高，探测器还可以设置不同的高度，熔体液位不受限制，可以测量的熔体液位范围大，还能够实时地获取熔体液位信息，提高单晶的质量，避免采用靶点材料，减少成本。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (10)
1.一种液位测量方法，其特征在于，用于探测拉晶设备内的熔体的液位信息，所述拉晶设备包括炉体、坩埚、导流筒以及探测器，所述坩埚设置于所述炉体内并用于容置所述熔体，所述导流筒设置于所述炉体内并位于所述坩埚的上方，所述导流筒与所述熔体的熔体液面之间具有熔间隙，所述液位测量方法包括以下步骤：
将探测器配置为设置于所述熔体的熔体液面的上方；
利用所述探测器获取所述熔体液面至所述探测器的第一距离的信息；以及，
基于所述第一距离的信息获取所述熔体液面至导流筒的熔体液位信息，得到所述熔间隙的距离。
2.根据权利要求1所述的液位测量方法，其特征在于，在所述基于所述第一距离的信息获取所述熔体液面至导流筒的熔体液位信息，得到所述熔间隙的距离的步骤之前，所述液位测量方法还包括：
将所述探测器设置于所述熔体液面的正上方，确定所述导流筒至所述探测器的第二距离，其中，所述第二距离小于所述第一距离。
3.根据权利要求2所述的液位测量方法，其特征在于，所述基于所述第一距离的信息获取所述熔体液面至导流筒的熔体液位信息，得到所述熔间隙的距离的步骤包括：
M＝L-h
其中，M表示所述熔间隙的距离，L表示所述第一距离，h表示所述第二距离。
4.根据权利要求1所述的液位测量方法，其特征在于，所述熔体液面的中心被提拉出一晶体，所述探测器距所述晶体的中心轴的距离在150～400mm之间。
5.根据权利要求1所述的液位测量方法，其特征在于，所述探测器通过电磁波的返回信号获取所述第一距离的信息，或者，所述探测器为激光雷达。
6.根据权利要求1所述的液位测量方法，其特征在于，所述探测器探测的距离精度在0.1mm之内。
7.根据权利要求1所述的液位测量方法，其特征在于，在所述炉体的顶部开设一视窗，所述探测器配置为设置于所述视窗处。
8.一种拉单晶方法，其特征在于，所述拉单晶方法包括以下步骤：
采用权利要求1～7中任一项所述的液位测量方法获取所述熔体的熔体液位信息；以及，
根据所述熔体液位信息调节坩埚的位置。
9.根据权利要求8所述的拉单晶方法，其特征在于，拉晶设备包括控制器，所述根据所述熔体液位信息调节坩埚的位置的步骤包括：
所述控制器接收探测器反馈的所述熔体液位信息，并调节所述坩埚的位置。
10.根据权利要求9所述的拉单晶方法，其特征在于，所述根据所述熔体液位信息调节坩埚的位置的步骤还包括：
预设所述控制器的标准液位信息；
将所述控制器接收到的所述熔体液位信息与标准液位信息进行对比；
若所述熔体液位信息小于标准液位信息，则执行所述坩埚下降的命令；
若所述熔体液位信息大于标准液位信息，则执行所述坩埚上升的命令；
若所述熔体液位信息等于标准液位信息，则不执行命令。
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