CN117684263A - 硅晶体生长炉的观察与控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种硅晶体生长炉的观察与控制方法，所属硅片加工技术领域，硅晶体生长炉包括坩埚，坩埚外围设有热屏蔽的隔热炉体，坩埚侧边与隔热炉体间设有若干加热器，坩埚下端与隔热炉体间设有与隔热炉体相插嵌固定的坩埚驱动座，隔热炉体上端设有观察炉罩，坩埚内填满硅熔液，坩埚上部设有延伸出观察炉罩上端的提拉架，通过提拉架将硅晶体放置到坩埚内的硅熔液中进行生长工艺，提拉架两侧与观察炉罩间设有延伸至坩埚内的尺寸杆，尺寸杆下端设有间距测定块，尺寸杆上部侧边设有观察照相机。具有结构紧凑、操作便捷和效果好的特点。解决了用相机观察时发生测量或者操纵引起误差的问题。实现利用相机观察后，满足硅晶体在生长炉均匀的生长。
Description
技术领域
本发明涉及硅片加工技术领域，具体涉及一种硅晶体生长炉的观察与控制方法。
背景技术
硅单晶锭可通过czochralski（CZ）法、MCZ法或floating zone（FZ）法等生长。一般来说,可以制造大口径的硅单晶锭,使用工艺费用低廉的czochralski法(CZ)进行生长,还适用利用强磁场的Magnetic-CZ法(MCZ)。
CZ法通过将种子晶体浸入硅熔液中并低速提高来实现。另一方面,只有硅熔液保持在适当的温度,质量优秀的硅单晶锭才能生长。但是由于热量通过硅熔液的表面散发，因此很难将硅熔液保持在适当的温度。利用硅溶液表面和热屏蔽部分之间的熔炉间隙，上下调节热屏蔽部分，使硅熔液保持在适当温度。
因此为了精确地控制热屏蔽部分，必须精确地测量溶炉间隙。随着锭子的生长,在热屏蔽部周围获得的影像亮度发生差异,因此很难准确测定熔炉间隙。因为无法测定熔炉间隙，生长炉内部的加热空间内的温度控制变得不可行，最终导致硅单晶锭的质量缺陷。
现有专利(CN203668555U)有可以观察生长炉内部的贯通型结构、镜头及相机,但缺乏控制(锭)ingot质量的具体结构。这种结构只能进行简单控制,即观察Melting表面的温度，开始和结束加热单元(Heater)和结束(On/Off)。
现有专利(CN216304033U)可以利用测定Melting Gap的石英材料的接触部分和观察用摄像机控制温度及磁场强度，但拉晶初期和末期Melting表面的温度不同，中间阶段发生温度变动的特别事项。 此时，由于高温Melting表面的亮度(Brightness)差异,照相机可能会产生误差,但现有专利存在尚未解决该问题的不足之处。
发明内容
本发明主要解决现有技术中存在的不足，提供了一种硅晶体生长炉的观察与控制方法，其具有结构紧凑、操作便捷和效果好的特点。解决了用相机观察时发生测量或者操纵引起误差的问题。实现利用相机观察后，满足硅晶体在生长炉均匀的生长。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种硅晶体生长炉的观察与控制方法，硅晶体生长炉包括坩埚，所述的坩埚外围设有热屏蔽的隔热炉体，所述的坩埚侧边与隔热炉体间设有若干加热器，所述的坩埚下端与隔热炉体间设有与隔热炉体相插嵌固定的坩埚驱动座，所述的隔热炉体上端设有观察炉罩，所述的坩埚内填满硅熔液，所述的坩埚上部设有延伸出观察炉罩上端的提拉架，通过提拉架将硅晶体放置到坩埚内的硅熔液中进行生长工艺，所述的提拉架两侧与观察炉罩间设有延伸至坩埚内的尺寸杆，所述的尺寸杆下端设有间距测定块，所述的尺寸杆上部侧边设有位于观察炉罩外侧的观察照相机，所述的观察炉罩为隔热耐高温的透明材质。
硅晶体生长炉的观察与控制方法包括如下操作步骤：
第一步：当提拉架将硅晶体放置到坩埚内的过程，通过间距测定块到硅熔液上端的距离控制硅晶体进入坩埚内的硅熔液中。
第二步：通过观察照相机测量间距测定块到硅熔液表面的间距。
第三步：硅熔液上会出现间距测定块的阴影，间距测定块的阴影与间距测定块的呈对称式分布；通过控制观察照相机对阴影的颜色，亮度或辉度差异进行控制调整，消除距离测量中误差发生。
第四步：当提拉架将硅晶体放置到坩埚内要求的位置后，进行硅晶体生长工艺，使得硅晶体在生长初期开始到生长后期对品质维持稳定性。
作为优选，所述的观察照相机在观察炉罩外端具备全方向移动的功能，实现在x轴方向、y轴方向、z轴方向或圆周回转方向的位移，能够观察硅熔液表面的全部领域。
作为优选，所述的观察照相机为CCD相机、红外线相机或X-ray 相机，采用2D方式或者3D方式进行图像采集。
作为优选，所述的坩埚驱动座与观察照相机间设有图像处理器，所述的图像处理器与坩埚驱动座间设有控制器，所述的观察照相机、图像处理器、控制器和坩埚驱动座间相道路连通；通过图像处理器将观察照相机测定的数值从2D结果图像进行视觉化，接着控制器进行运算及数据存储。
作为优选，观察照相机测量间距测定块与间距测定块的阴影之间的距离，像素单位的距离用于实际距离计算得到，这时阴影周边的颜色，亮度或辉度差异会成为距离测量中误差发生的干扰要素；由于如此变动的亮度或辉度成为误差发生的要因，图像处理器会进行亮度或辉度的校准。
作为优选，当观察照相机的影像亮度太亮的情况下，通过控制器降低亮度的方向来维持；当观察照相机的影像亮度太暗的情况下，通过控制器提高亮度的方向来维持。
作为优选，观察照相机增加光圈和 ND滤镜解决调节吸收的光透过量；或观察照相机安装亮度调节镜头，调节光的透过量。
作为优选，加热器对坩埚内的硅熔液进行升温，同时坩埚驱动座运行使得坩埚进行低速旋转，让提拉架上的硅晶体在硅熔液内进行均匀的生长。
本发明能够达到如下效果：
本发明提供了一种硅晶体生长炉的观察与控制方法，与现有技术相比较，具有结构紧凑、操作便捷和效果好的特点。解决了用相机观察时发生测量或者操纵引起误差的问题。实现利用相机观察后，满足硅晶体在生长炉均匀的生长。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中：观察炉罩1，观察照相机2，尺寸杆3，提拉架4，间距测定块5，坩埚6，加热器7，图像处理器8，控制器9，隔热炉体10，坩埚驱动座11。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：如图1所示，一种硅晶体生长炉的观察与控制方法，硅晶体生长炉包括坩埚6，坩埚6外围设有热屏蔽的隔热炉体10，坩埚6侧边与隔热炉体10间设有若干加热器7，坩埚6下端与隔热炉体10间设有与隔热炉体10相插嵌固定的坩埚驱动座11，隔热炉体10上端设有观察炉罩1，坩埚6内填满硅熔液，坩埚6上部设有延伸出观察炉罩1上端的提拉架4，通过提拉架4将硅晶体放置到坩埚6内的硅熔液中进行生长工艺，提拉架4两侧与观察炉罩1间设有延伸至坩埚6内的尺寸杆3，尺寸杆3下端设有间距测定块5，尺寸杆3上部侧边设有位于观察炉罩1外侧的观察照相机2，观察照相机2为CCD相机、红外线相机或X-ray 相机，采用2D方式或者3D方式进行图像采集。观察炉罩1为隔热耐高温的透明材质，观察照相机2在观察炉罩1外端具备全方向移动的功能，实现在x轴方向、y轴方向、z轴方向或圆周回转方向的位移，能够观察硅熔液表面的全部领域。坩埚驱动座11与观察照相机2间设有图像处理器8，图像处理器8与坩埚驱动座11间设有控制器9，观察照相机2、图像处理器8、控制器9和坩埚驱动座11间相道路连通；通过图像处理器8将观察照相机2测定的数值从2D结果图像进行视觉化，接着控制器9进行运算及数据存储。
硅晶体生长炉的观察与控制方法包括如下操作步骤：
第一步：当提拉架4将硅晶体放置到坩埚6内的过程，通过间距测定块5到硅熔液上端的距离控制硅晶体进入坩埚6内的硅熔液中。
第二步：通过观察照相机2测量间距测定块5到硅熔液表面的间距。
第三步：硅熔液上会出现间距测定块5的阴影，间距测定块5的阴影与间距测定块5的呈对称式分布；通过控制观察照相机2对阴影的颜色，亮度或辉度差异进行控制调整，消除距离测量中误差发生。
观察照相机2测量间距测定块5与间距测定块5的阴影之间的距离，像素单位的距离用于实际距离计算得到，这时阴影周边的颜色，亮度或辉度差异会成为距离测量中误差发生的干扰要素；由于如此变动的亮度或辉度成为误差发生的要因，图像处理器8会进行亮度或辉度的校准。
当观察照相机2的影像亮度太亮的情况下，通过控制器9降低亮度的方向来维持；当观察照相机2的影像亮度太暗的情况下，通过控制器9提高亮度的方向来维持。
观察照相机2增加光圈和 ND滤镜解决调节吸收的光透过量；或观察照相机2安装亮度调节镜头，调节光的透过量。
第四步：当提拉架4将硅晶体放置到坩埚6内要求的位置后，加热器7对坩埚6内的硅熔液进行升温，同时坩埚驱动座11运行使得坩埚6进行低速旋转，让提拉架4上的硅晶体在硅熔液内进行均匀的生长。进行硅晶体生长工艺，使得硅晶体在生长初期开始到生长后期对品质维持稳定性。
综上所述，该硅晶体生长炉的观察与控制方法，具有结构紧凑、操作便捷和效果好的特点。解决了用相机观察时发生测量或者操纵引起误差的问题。实现利用相机观察后，满足硅晶体在生长炉均匀的生长。
以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的结构特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。
Claims (8)
1.一种硅晶体生长炉的观察与控制方法，其特征在于：硅晶体生长炉包括坩埚（6），所述的坩埚（6）外围设有热屏蔽的隔热炉体（10），所述的坩埚（6）侧边与隔热炉体（10）间设有若干加热器（7），所述的坩埚（6）下端与隔热炉体（10）间设有与隔热炉体（10）相插嵌固定的坩埚驱动座（11），所述的隔热炉体（10）上端设有观察炉罩（1），所述的坩埚（6）内填满硅熔液，所述的坩埚（6）上部设有延伸出观察炉罩（1）上端的提拉架（4），通过提拉架（4）将硅晶体放置到坩埚（6）内的硅熔液中进行生长工艺，所述的提拉架（4）两侧与观察炉罩（1）间设有延伸至坩埚（6）内的尺寸杆（3），所述的尺寸杆（3）下端设有间距测定块（5），所述的尺寸杆（3）上部侧边设有位于观察炉罩（1）外侧的观察照相机（2），所述的观察炉罩（1）为隔热耐高温的透明材质；
硅晶体生长炉的观察与控制方法包括如下操作步骤：
第一步：当提拉架（4）将硅晶体放置到坩埚（6）内的过程，通过间距测定块（5）到硅熔液上端的距离控制硅晶体进入坩埚（6）内的硅熔液中；
第二步：通过观察照相机（2）测量间距测定块（5）到硅熔液表面的间距；
第三步：硅熔液上会出现间距测定块（5）的阴影，间距测定块（5）的阴影与间距测定块（5）的呈对称式分布；通过控制观察照相机（2）对阴影的颜色，亮度或辉度差异进行控制调整，消除距离测量中误差发生；
第四步：当提拉架（4）将硅晶体放置到坩埚（6）内要求的位置后，进行硅晶体生长工艺，使得硅晶体在生长初期开始到生长后期对品质维持稳定性。
2.根据权利要求1所述的硅晶体生长炉的观察与控制方法，其特征在于：所述的观察照相机（2）在观察炉罩（1）外端具备全方向移动的功能，实现在x轴方向、y轴方向、z轴方向或圆周回转方向的位移，能够观察硅熔液表面的全部领域。
3.根据权利要求1或2所述的硅晶体生长炉的观察与控制方法，其特征在于：所述的观察照相机（2）为CCD相机、红外线相机或X-ray 相机，采用2D方式或者3D方式进行图像采集。
4.根据权利要求1所述的硅晶体生长炉的观察与控制方法，其特征在于：所述的坩埚驱动座（11）与观察照相机（2）间设有图像处理器（8），所述的图像处理器（8）与坩埚驱动座（11）间设有控制器（9），所述的观察照相机（2）、图像处理器（8）、控制器（9）和坩埚驱动座（11）间相道路连通；通过图像处理器（8）将观察照相机（2）测定的数值从2D结果图像进行视觉化，接着控制器（9）进行运算及数据存储。
5.根据权利要求4所述的硅晶体生长炉的观察与控制方法，其特征在于：观察照相机（2）测量间距测定块（5）与间距测定块（5）的阴影之间的距离，像素单位的距离用于实际距离计算得到，这时阴影周边的颜色，亮度或辉度差异会成为距离测量中误差发生的干扰要素；由于如此变动的亮度或辉度成为误差发生的要因，图像处理器（8）会进行亮度或辉度的校准。
6.根据权利要求5所述的硅晶体生长炉的观察与控制方法，其特征在于：当观察照相机（2）的影像亮度太亮的情况下，通过控制器（9）降低亮度的方向来维持；当观察照相机（2）的影像亮度太暗的情况下，通过控制器（9）提高亮度的方向来维持。
7.根据权利要求5所述的硅晶体生长炉的观察与控制方法，其特征在于：观察照相机（2）增加光圈和 ND滤镜解决调节吸收的光透过量；或观察照相机（2）安装亮度调节镜头，调节光的透过量。
8.根据权利要求1所述的硅晶体生长炉的观察与控制方法，其特征在于：加热器（7）对坩埚（6）内的硅熔液进行升温，同时坩埚驱动座（11）运行使得坩埚（6）进行低速旋转，让提拉架（4）上的硅晶体在硅熔液内进行均匀的生长。
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