CN216304033U - 监控单晶炉中硅熔液的液面的状态及坩埚的状态的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种监控单晶炉中硅熔液的液面的状态及坩埚的状态的系统，所述系统包括：设置在所述硅熔液的液面上方的两个石英销、测距器、处理器和控制器。所述测距器测得所述两个石英销与所述两个石英销在所述液面产生的倒影之间的距离、即第一距离和第二距离，所述处理器根据所述第一距离与所述第二距离的平均值和差值向控制器发送控制信号以调控所述硅熔液的液面位置和液面稳定性，另外，所述系统还能监控单晶炉内是否发生鼓包现象。

Description

监控单晶炉中硅熔液的液面的状态及坩埚的状态的系统

技术领域

本实用新型涉及晶体生长技术领域，尤其涉及一种监控单晶炉中硅熔液的液面的状态及坩埚的状态的系统。

背景技术

在直拉法生长单晶硅过程中，为确保生长出缺陷较少的高品质单晶硅棒，对其生长环境必须进行严格控制。这是因为在直拉法生长单晶的过程中，工艺气体从单晶炉的顶部充入，为了保证挥发物质能够及时排出，一般通过在坩埚上方安装有导流筒，工艺气体经过导流筒和炉体内壁。再通过真空泵从单晶炉的底部排气口排出。在晶棒的形成过程中，单晶硅生长在固液交界面处，随着坩埚中的硅熔液不断减少，硅熔液的液面位置也在不断下降，为了保证硅熔液液面始终与晶体接触，需要持续向上提升坩埚，为了避免导流筒与硅熔液液面接触，同时也要保证气体流动的稳定，导流筒与液面的相对高度须要保持一致，故而精准地、实时监控硅熔液界面的状态有利于提高单晶硅棒的质量。

目前，针对硅熔液界面的测量方法主要为热屏倒影法，即在直拉单晶炉内的导流筒边缘上悬挂一只石英销，其在硅熔液液面上会产生倒影，再利用电荷耦合器件采集液面上的倒影，进而检测硅熔液面位置倒影边缘在图像中的位置。然而，该方法在监测石英坩埚内整体硅熔液状态时，仅能对单侧液面情况进行监测，对液面整体波动情况难以准确反馈。如若只监测单侧液面，液面出现波动时所测位置就会偏高或偏低，偏离真实值，从而影响坩埚调整系统的调节，使得坩埚的上升距离产生偏差。单侧液面监控难以反映熔体液面的具体波动情况，会影响单晶硅的生长品质。在长晶的过程中，石英坩埚也有产生鼓包的风险，传统的热屏倒影法未对石英坩埚鼓包情况实施有效监控。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型实施例期望提供一种监控单晶炉中硅熔液的液面的状态及坩埚的状态的系统，能够解决现有技术中无法精确监控硅熔液的液面的状态及坩埚的状态的问题。

本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种监控单晶炉中硅熔液的液面的状态及坩埚的状态的系统，所述系统包括：

设置在所述硅熔液上方的两个石英销，所述两个石英销用于在所述液面产生倒影，其中，所述两个石英销的底部处于同一水平面中；

测距器，所述测距器用于测量第一石英销的底部与该底部的倒影之间的第一距离以及测量第二石英销的底部与该底部的倒影之间的第二距离；

处理器，所述处理器用于计算所述第一距离和所述第二距离的平均值；

控制器，所述控制器用于根据所述平均值控制所述液面的高度处于设定位置处。

优选的，所述处理器还用于计算所述第一距离与所述第二距离之间的差值，并且所述控制器还用于根据所述差值控制所述液面的波动满足要求。

优选的，所述两个石英销设置在关于所述液面的中心对称的位置处，并且所述两个石英销之间的距离不小于所述液面的半径。

优选的，所述单晶炉包括用于将保护性气体引导至所述液面的导流筒，所述两个石英销设置在所述导流筒的底部并且在直径方向上对置。

优选的，所述控制器包括驱动单元，所述驱动单元用于驱动所述坩埚移动以使所述液面的高度发生改变。

优选的，在所述平均值不落在设定范围内时，所述驱动单元驱动所述坩埚移动。

优选的，所述控制器还包括磁场控制单元，所述磁场控制单元用于对所述熔液的磁场强度进行调整以使所述液面的波动发生改变。

优选的，当所述差值大于设定值的时长大于设定时长时，所述磁场控制单元对所述熔液的磁场强度进行调整。

优选的，所述控制器还用于当所述平均值在半小时内持续减小时使所述单晶炉停止拉晶。

优选的，所述测距器包括CCD相机，所述CCD相机用于拍摄所述两个石英销和所述两个石英销的倒影的图像，所述第一距离和所述第二距离根据所述图像确定。

本实用新型实施例提供了一种监控单晶炉中硅熔液的液面的状态及坩埚的状态的系统，通过采集两个石英销与所述两个石英销在所述液面产生的倒影之间的距离、即第一距离和第二距离，通过处理器获得第一距离和第二距离的平均值、差值的方式判断硅溶液的液面的状态以及坩埚的状态，进而对硅溶液的液面进行精确调控。通过上述调控能够减小硅熔液的液面变化对晶棒生长的影响，获得更高品质的单晶硅棒，同时也可对炉体内部的坩埚使用状态进行监控，防止石英坩埚发生鼓包。

附图说明

图1为现有技术中用于直拉法生长单晶硅的单晶炉的示意图；

图2为具有本实用新型的监控装置的单晶炉的示意图；

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参见附图1，用于直拉法生长单晶硅的单晶炉100包括坩埚1，坩埚1包括收容硅原料的石英坩埚11以及支撑石英坩埚11的石墨坩埚12；坩埚1外周围设置有加热器2，加热器2将容置在石英坩埚11内的硅原料加热成硅熔液，在所述硅熔液的上方拉制单晶硅棒；坩埚1的上方设置有呈倒圆锥台状的导流筒3，导流筒3围绕拉制的单晶硅棒设置，导流筒3的下端伸入石英坩埚11与所述硅熔液的液面保持固定距离。

石英坩埚11用于盛放硅原料以及硅原料熔化之后形成的硅熔液，其主要材质由石英构成，因此对热的稳定性很好，具有高纯度、耐高温、尺寸大、精度高等优点，石英坩埚11主要成分为二氧化硅，可在1450摄氏度下使用，因此尽管在高温下石英坩埚11的一部分被融化进入到其承载的硅熔液当中也不会影响单晶硅棒的品质。石墨坩埚12容置石英坩埚11，其主要以石墨为主体材料，具有耐高温、导热性能好的特点，因此在高温下石墨坩埚12也能维持原有形状。

在坩埚1外周设置有用于加热石英坩埚11内硅原料的加热器2，进一步地，加热器2除了布置在坩埚1的外周之外，还可以布置在坩埚1的底部以更均匀地对坩埚1进行加热。当加热器2通电对坩埚1进行加热时，硅原料在石英坩埚11中受热融化形成硅熔液，将籽晶浸入硅熔液，通过与籽晶固定连接的籽晶轴旋转并缓慢提升，使硅原子沿籽晶生长形成单晶硅棒。在上述单晶硅棒的生长过程中具体包括引晶、放肩、转肩、等径收尾等几个阶段，上述几个阶段对本领域技术人员来说属于本领域的公知常识，在此不再多赘述。

在通过籽晶拉制晶棒的过程中，围绕晶棒设置有导流筒3，该导流筒3位于坩埚1上方，具体呈上大下小的倒圆锥台状，其主要作用为隔绝加热器2对晶棒的热辐射，保证晶棒生长所需的温度梯度，提高单晶硅棒的生长的提拉速度。此外还可以保证单晶炉100内保护气体的流动方向，加速硅熔液液面的气体流速，带走挥发的杂质，例如可快速带走挥发的氧，有效降低单晶硅棒的氧含量，提高单晶硅棒品质。

在晶棒的拉制过程中，为了保证导流筒3与硅熔液的液面相对高度一致、即硅熔液的液面与导流筒3之间的间距保持不变是十分重要的，因此本实用新型提供一种监控单晶炉中硅熔液的液面的状态及坩埚的状态的系统，参见附图2，该系统包括：

至少两个石英销，如图2中示例性地示出的第一石英销4和第二石英销5，所述两个石英销用于在所述液面产生倒影，其中，所述两个石英销的底部处于同一水平面中；

测距器6，所述测距器6用于测量第一石英销4的底部与该底部的倒影41之间的第一距离d1以及测量第二石英销5的底部与该底部的倒影51之间的第二距离d2；

处理器7，所述处理器7用于计算所述第一距离d1与所述第二距离d2的平均值d；

控制器8，所述控制器8用于根据所述平均值d控制所述液面的高度处于设定位置处。

在本实施例中示例性地示出该装置具有两个石英销即第一石英销4和第二石英销5，所述两个石英销设置在关于所述液面的中心对称的位置处，并且所述两个石英销之间的距离不小于所述液面的半径。该实施例中，所述两个石英销设置在所述导流筒3的底部并且在直径方向上对置。所述两个石英销采用高纯度石英制成，可用于在高温环境下工作。进一步地，石英销可以通过螺纹连接在导流筒3底部以方便更换，也可以与导流筒3一体成型。

所述测距器6可以包括CCD相机，所述CCD相机用于拍摄所述两个石英销和所述两个石英销的倒影的图像，根据所拍摄的图像分别测出第一石英销4的底部与该底部的倒影41之间的第一距离d1以及第二石英销5的底部与该底部的倒影51之间的第二距离d2。用于拍摄的CCD相机设置在单晶炉100外，通过在单晶炉100的炉体上开设的拍摄窗口对两个石英销及其在硅熔液液面的倒影进行拍摄，测距器6将测得的第一距离d1以及第二距离d2传输至处理器7。所述CCD相机包括任何能够用于光学成像的设备，包括但不限于数码相机、高清摄像机等。

处理器7内的计算逻辑单元接收到第一距离的d1和第二距离d2后，通过公式d＝(d1+d2)/2获得第一距离d1和第二距离d2的平均值d，通过公式Δd＝|d2-d1|获得第一距离的d1和第二距离d2的差值Δd。接着，处理器将平均值d与硅熔液的液面位置的系统设定范围进行比对，当平均值d不落在该系统设定范围内时，处理器产生一个坩埚调整信号。同时，处理器将差值Δd与硅熔液的液面高度差异的系统设定值ΔD进行校对，当差值Δd大于ΔD的时长大于系统规定的时间长度后，说明硅熔液的液面长时间处于差异过大的状态，表明硅熔液的液面产生了波动需要进行干预调节，因此处理器7产生一个磁场强度调整信号。

控制器8可以包括磁场控制单元81和驱动单元82，该控制器8在接收到处理器7发出的调整信号后，通过驱动单元82驱动所述坩埚1移动，使得所述液面的高度发生改变，当平均值d大于系统设定范围的最大值时，驱动单元82驱动坩埚1上移，当平均值d小于系统设定范围的最小值时，驱动单元82驱动坩埚1下移。此外，该控制器8根据磁场强度调整信号控制磁场控制单元81对硅熔液的液面的磁场强度进行调整，使得差值Δd等于系统设定值ΔD。

在拉晶过程中，石英坩埚11在旋转的同时缓慢上升，导流筒3是静止不动的，单晶炉100内的反应会生成一些气体，当气体积聚到石英坩埚11与埚帮中间时，随着温度的升高气体膨胀，将变软的石英撑起一个鼓包，导致硅熔液的液面异常升高。因此当处理器8监测到某一时刻的平均值d突然减小或者某一时间段内的各平均值d持续小于前半小时内的d的平均值时，说明硅熔液的液面异常上升，判定坩埚1发生鼓包现象，立刻停止拉晶工作，向操作人员发出警报信号。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种监控单晶炉中硅熔液的液面的状态及坩埚的状态的系统，其特征在于，所述系统包括：

设置在所述硅熔液上方的两个石英销，所述两个石英销用于在所述液面产生倒影，其中，所述两个石英销的底部处于同一水平面中；

测距器，所述测距器用于测量第一石英销的底部与该底部的倒影之间的第一距离以及测量第二石英销的底部与该底部的倒影之间的第二距离；

处理器，所述处理器用于计算所述第一距离和所述第二距离的平均值；

控制器，所述控制器用于根据所述平均值控制所述液面的高度处于设定位置处。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述处理器还用于计算所述第一距离与所述第二距离之间的差值，并且所述控制器还用于根据所述差值控制所述液面的波动满足要求。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述两个石英销设置在关于所述液面的中心对称的位置处，并且所述两个石英销之间的距离不小于所述液面的半径。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述单晶炉包括用于将保护性气体引导至所述液面的导流筒，所述两个石英销设置在所述导流筒的底部并且在直径方向上对置。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器包括驱动单元，所述驱动单元用于驱动所述坩埚移动以使所述液面的高度发生改变。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，在所述平均值不落在设定范围内时，所述驱动单元驱动所述坩埚移动。

7.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述控制器还包括磁场控制单元，所述磁场控制单元用于对所述熔液的磁场强度进行调整以使所述液面的波动发生改变。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，当所述差值大于设定值的时长大于设定时长时，所述磁场控制单元对所述熔液的磁场强度进行调整。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器还用于当所述平均值在半小时内持续减小时使所述单晶炉停止拉晶。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述测距器包括CCD相机，所述CCD相机用于拍摄所述两个石英销和所述两个石英销的倒影的图像，所述第一距离和所述第二距离根据所述图像确定。

Images