RU2227819C1 - Method of control of level of melt in crucible in the course of crystal growth - Google Patents
Method of control of level of melt in crucible in the course of crystal growth Download PDFInfo
- Publication number
- RU2227819C1 RU2227819C1 RU2003106320/15A RU2003106320A RU2227819C1 RU 2227819 C1 RU2227819 C1 RU 2227819C1 RU 2003106320/15 A RU2003106320/15 A RU 2003106320/15A RU 2003106320 A RU2003106320 A RU 2003106320A RU 2227819 C1 RU2227819 C1 RU 2227819C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- melt
- angle
- level
- crystal
- video camera
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов и может быть использовано в системах автоматического управления процессом выращивания кристаллов из расплава методом Чохральского.The invention relates to a technology for producing semiconductor materials and can be used in automatic control systems for the process of growing crystals from a melt by the Czochralski method.
Метод Чохральского включает операции загрузки сырья в тигель, расплавления и вытягивания кристалла на затравку из расплава. Устойчивое воспроизведение физико-химических и геометрических свойств кристаллов достигается при постоянном значении уровня расплава относительно внешнего нагревателя в течение всего процесса выращивания. Изменение уровня расплава в процессе выращивания кристалла может быть вызвано уменьшением объема материала вследствие кристаллизации на затравку, колебаниями технологических параметров и свойств расплава, величины диаметра кристалла и конфигурации тигля.The Czochralski method includes the operations of loading raw materials into a crucible, melting and drawing a crystal to seed from the melt. Stable reproduction of the physicochemical and geometric properties of crystals is achieved with a constant value of the melt level relative to an external heater during the entire growing process. A change in the melt level during crystal growth can be caused by a decrease in the volume of the material due to crystallization to seed, fluctuations in the technological parameters and properties of the melt, the diameter of the crystal, and the configuration of the crucible.
Для поддержания постоянного уровня расплава применяют систему управления скоростью подъема тигля.To maintain a constant level of the melt, a crucible lift control system is used.
Наиболее эффективными являются оптические бесконтактные системы измерения и регулирования параметрами процесса выращивания кристаллов.The most effective are non-contact optical systems for measuring and controlling the parameters of the crystal growing process.
Известен способ контроля уровня расплава (патент Германии 3904858, МКИ С 30 В 15/20), в котором на поверхность расплава направляют луч лазера и получают его отражение на фотодетекторе. Положение, в которое попадает луч лазера на фотодетектор, зависит от уровня расплава. Фотодетектор связан с системой непрерывной подачи сырья в тигель, чем обеспечивается постоянство уровня расплава. Недостатком способа является значительная сложность и стоимость управления, невысокая точность измерения, вследствие использования сигнала от поверхности расплава, совершающей колебательные движения.A known method of controlling the level of the melt (German patent 3904858, MKI C 30
Повышение точности измерения достигается использованием дополнительной аппаратуры, например набора линейных детекторов (патент США 5286461, МКИ С 30 В 15/28). Однако это существенно усложняет управление, удорожает стоимость системы контроля.Improving the accuracy of the measurement is achieved using additional equipment, for example a set of linear detectors (US patent 5286461, MKI C 30
Известен аппарат (патент США 6071340, МКИ С 30 В 35/00), в котором для измерения и регулирования уровня расплава используют дальномер. Световой луч направляют на поверхность расплава, улавливают его отражение рефлектором, от поверхности которого луч отражается и совершает обратный путь в датчик.A known device (US patent 6071340, MKI C 30 V 35/00), in which to measure and control the level of the melt using a rangefinder. The light beam is directed to the surface of the melt, its reflection is captured by a reflector, from the surface of which the beam is reflected and makes a return trip to the sensor.
Датчик фиксирует изменение продолжительности движения светового луча при отклонении уровня расплава от заданной величины. Недостатком системы измерения с помощью дальномера является необходимость использования дополнительного аппарата-рефлектора, что усложняет систему измерения и регулирования.The sensor detects a change in the duration of the light beam when the melt level deviates from the set value. The disadvantage of the measuring system using the range finder is the need to use an additional reflector apparatus, which complicates the measurement and regulation system.
В ряде патентов для управления уровнем расплава используют видеокамеру, которую направляют на поверхность расплава и опорную точку, находящуюся вне расплава. Регулирование осуществляют по измерению расстояния между ними, которое анализируют с помощью компьютера. Наиболее близким к предложенному является способ регулирования уровня расплава, (патент Германии 4231162 С2, МКИ С 30 В 15/26), в котором над поверхностью расплава закрепляют тепловой экран типа “колодец” с прорезью на отбортовке в нижней части, на таком расстоянии от расплава, чтобы на нем отражалась прорезь (метка). Видеокамеру направляют на поверхность расплава и метку, получают изображение на дисплее компьютера. На основании различной светимости поверхности расплава и метки определяют расстояние между ними путем компьютерной обработки полученного изображения. Рассчитанное значение сравнивают с заданным и на основе этого сравнения производят управляющее воздействие. Недостатком способа регулирования уровня расплава, описанного в патенте, является необходимость использования дополнительного конструктивного элемента - теплового экрана с меткой и точного фиксирования его на заданном расстоянии от поверхности расплава перед каждой операцией выращивания кристалла, что может снижать точность измерения и регулирования.A number of patents use a video camera to control the level of the melt, which is sent to the surface of the melt and a reference point located outside the melt. Regulation is carried out by measuring the distance between them, which is analyzed using a computer. Closest to the proposed one is a method for controlling the level of the melt, (German patent 4231162 C2, MKI C 30
В качестве опорной линии используют также границу между расплавом и кристаллом, имеющую вид яркого, светящегося отраженным светом мениска, который в горизонтальном сечении имеет окружность.The boundary between the melt and the crystal, which has the form of a bright, meniscus glowing with reflected light meniscus, which has a circle in horizontal section, is also used as a reference line.
Техническим результатом изобретения является упрощение и повышение точности измерения и регулирования уровня расплава в процессе выращивания кристаллов методом Чохральского за счет непосредственного измерения расстояния от видеокамеры до поверхности расплава.The technical result of the invention is to simplify and improve the accuracy of measurement and regulation of the melt level in the process of growing crystals by the Czochralski method by directly measuring the distance from the camera to the surface of the melt.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе регулирования уровня расплава в процессе выращивания кристаллов методом Чохральского путем контроля положения уровня расплава с помощью видеокамеры и подъема тигля до достижения заданного положения уровня расплава видеокамеру устанавливают под углом к вертикали, а контроль положения уровня расплава осуществляют путем определения с помощью видеоизображения поверхности расплава и выращиваемого кристалла угла у между вертикалью и лучом, проходящим через фокус оптической системы видеокамеры и центр окружности, образованной выращиваемым кристаллом на границе с расплавом.The specified technical result is achieved by the fact that in the method of regulating the melt level in the process of growing crystals by the Czochralski method by controlling the position of the melt level using a video camera and raising the crucible to achieve a predetermined position of the melt level, the video camera is installed at an angle to the vertical, and the melt level position is controlled by determining using a video image of the surface of the melt and the grown crystal, the angle y between the vertical and the beam passing through the optical focus video camera systems and the center of the circle formed by the grown crystal at the boundary with the melt.
Причем указанный угол γ может быть определен путем выделения из общего видеосигнала пикселей, принадлежащих границе кристалл - расплав, и расчета угла γ по уравнению:Moreover, the specified angle γ can be determined by extracting from the common video signal pixels belonging to the crystal-melt boundary, and calculating the angle γ according to the equation:
γ=α+β×Vo/Vy,γ = α + β × Vo / Vy,
где α - угол между нижней стороной угла охвата видеокамеры в плоскости угла γ и вертикалью;where α is the angle between the lower side of the angle of the camera in the plane of the angle γ and the vertical;
β - угол охвата видеокамеры в плоскости угла γ;β is the angle of the video camera in the plane of the angle γ;
Vy - число пикселей по вертикали, соответствующее углу β;Vy is the number of vertical pixels corresponding to the angle β;
Vo - число пикселей по вертикали, соответствующее углу β’ между лучом, проходящим через центр мениска и фокус видеокамеры, и нижней стороной угла β, общей с углом α.Vo is the number of vertical pixels corresponding to the angle β ’between the beam passing through the center of the meniscus and the focus of the camera and the lower side of angle β, common with angle α.
Сущность предложенного способа поясняется чертежами.The essence of the proposed method is illustrated by drawings.
На фиг.1 изображен общий вид установки для выращивания кристалла спереди и сбоку; на фиг.2 - нижняя камера с тиглем, схема измерений и система управления перемещением тигля; на фиг.3 - схема определения числа пикселей и углов β и β’; на фиг.4 - схема определения координат центра мениска; на фиг.5А, В - результаты определения уровня расплава в процессе выращивания кристалла без регулирования (А) и при регулировании (В) уровня расплава.Figure 1 shows a General view of the installation for growing a crystal in front and side; figure 2 - the lower chamber with the crucible, the measurement circuit and the control system for the movement of the crucible; figure 3 - scheme for determining the number of pixels and angles β and β ’; figure 4 is a diagram for determining the coordinates of the center of the meniscus; on figa, In - the results of determining the level of the melt in the process of growing the crystal without regulation (A) and when regulating (B) the level of the melt.
Установка для выращивания кристаллов (фиг.1) включает верхнюю камеру 1 с установленными на ней приводом вращения и перемещения верхнего штока 2, нижнюю камеру 4 и блок приводов перемещения и вращения нижнего штока 5. Камеры 1 и 4 соединены колпаком 3, на котором размещена под углом к вертикали видеокамера 6, т.е. оптическая ось видеокамеры 6 расположена под углом к вертикали. Нижняя камера 4 содержит тепловые экраны 7 (фиг.2), нагреватель 8, в котором размещен тигель 9 с расплавом 10. Подъем тигля 9 осуществляют перемещением штока 11, соединенного с приводом 18. Блок перемещения верхнего штока 2 посредством троса 13 соединен с затравочным кристаллом 12. На затравочном кристалле 12 осуществляют выращивание кристалла 14.Installation for growing crystals (figure 1) includes an
Видеокамера 6 расположена на расстоянии L по горизонтали до оси установки Z, угол обзора видеокамеры 6, зависящий от применяемой оптической системы, в вертикальной плоскости, проходящей через оптическую ось видеокамеры и ось кристалла, ограничен лучами 15 и 16 и представляет собой в поперечном и в горизонтальном сечении прямоугольник. В указанной плоскости, проходящей через ось кристалла и оптическую ось видеокамеры 6, сектор ее обзора между лучами 15 и 16 имеет угол β.The
Выращивание кристалла осуществляют следующим образом. В кварцевый тигель 9, имеющий цилиндрическую и донную сферическую части, загружают сырье и с помощью нагревателя 8 расплавляют. На поверхность расплава опускают затравочный кристалл 12, приплавляют и выращивают кристалл из расплава. Выращивание ведут при непрерывном вращении затравки 12 и тигля 9. Тигель 9 и кристалл 14 перемещают вверх по заданной программе, уровень расплава 10 поддерживают постоянным по отношению к верхней кромке нагревателя 8.Crystal growth is as follows. Raw materials are loaded into a
Измерение и регулирование уровня расплава ведут следующим образом.Measurement and regulation of the level of the melt are as follows.
Перед загрузкой сырья в тигель и его тепловой обработкой осуществляют юстировку видеокамеры 6, которая заключается в следующем. На расстоянии Н (фиг.2) от фокуса оптической системы видеокамеры 6 в нижнюю камеру 4 горизонтально устанавливают шаблон с масштабной сеткой и замеряют расстояние А между вертикальной осью, проходящей через фокус видеокамеры 6, и линией пересечения нижней стороны угла β с шаблоном. Замеряют расстояние В между вертикальной осью видеокамеры 6 и пересечением второй верхней противоположной стороны угла β с шаблоном. Вычисляют значения угла β и углов α и γ между вертикалью и соответствующими нижней и верхней сторонами угла β (лучи 15 и 16).Before loading the raw materials into the crucible and its heat treatment carry out the alignment of the
Извлекают шаблон из камеры 4, устанавливают тигель 9, загружают сырье и выращивают кристалл 14. Регулирование уровня расплава осуществляют путем непрерывного измерения угла γ (фиг.2) между вертикалью и лучом К, проходящим через фокус оптической системы видеокамеры 6 и центр О мениска D границы расплава и растущего кристалла, который в горизонтальном сечении является окружностью. Угол γ, равный сумме угла α и угла β’, непрерывно отслеживают путем вычисления на компьютере 17 угла β’ между лучом К, проходящим через центр О мениска и фокус видеокамеры, 6 и нижней стороной угла β, общей с углом α, исходя из пропорции (фиг.3):The template is removed from the chamber 4, the
Vy/Vo=β/β’,Vy / Vo = β / β ’,
где Vy - число пикселей по вертикали, соответствующее углу β;where Vy is the number of vertical pixels corresponding to the angle β;
Vo - число пикселей по вертикали, соответствующее углу β’.Vo is the number of vertical pixels corresponding to the angle β ’.
Видеосигнал с выхода видеокамеры 6 поступает в компьютер 17. Видеоизображение обрабатывают и из общего сигнала выделяют пиксели Dn, принадлежащие мениску D растущего кристалла. Так как видеокамера 6 расположена под углом к поверхности расплава и воображаемые лучи видеокамеры 6 не параллельны, то выбранные пиксели Dn, принадлежащие мениску, на видеоизображении в плоскости расплава XY нельзя описать непосредственно уравнением окружности, что упростило бы обработку видеоизображения.The video signal from the output of the
Для описания семейства точек Dn уравнением окружности проводят отображение плоскости расплава перпендикулярно центральной оси Р видеокамеры 6 (фиг.4). Получают семейство точек Dn’ в новой системе координат X’Y’, принадлежащих мениску и описываемых уравнением окружности с центром в точке О’. Путем обратного преобразования координат видеоизображения из плоскости X’Y’ в плоскость расплава XY находят искомые координаты точки О - центра окружности, образованной кристаллом на границе с расплавом, т.е. центра мениска D. По полученным координатам центра рассчитывают требуемый угол γ. Расчетное положение уровня расплава Н относительно горизонтального уровня, на котором расположен фокус видеокамеры 6, вычисляют по формуле:To describe the family of points Dn by the equation of the circle, the melt plane is perpendicular to the central axis P of the video camera 6 (Fig. 4). Get a family of points Dn ’in the new coordinate system X’Y’ belonging to the meniscus and described by the equation of a circle centered at point O ’. By reverse transforming the coordinates of the video image from the X’Y ’plane to the XY melt plane, the coordinates of the point O are found - the center of the circle formed by the crystal at the boundary with the melt, i.e. of the meniscus center D. Based on the obtained coordinates of the center, the required angle γ is calculated. The estimated position of the melt level H relative to the horizontal level at which the focus of the
Н=L/tgγ,H = L / tgγ,
где L - расстояние от центральной оси кристалла до фокуса видеокамеры 6.where L is the distance from the Central axis of the crystal to the focus of the
В результате по координатам центра О мениска D и углу γ между вертикалью и лучом К, проходящим через фокус оптической системы видеокамеры 6 и центр окружности мениска, осуществляют регулирование уровня расплава.As a result, according to the coordinates of the center O of the meniscus D and the angle γ between the vertical and the beam K passing through the focus of the optical system of the
В процессе роста кристалла положение уровня расплава сравнивают с заданным уровнем. При изменении положения уровня расплава сигнал от компьютера 17 поступает в систему 18 управления, которая выдает управляющий сигнал в канал управления перемещением тигля 9 (фиг.2), для возвращения уровня расплава в заданное положение путем изменения скорости перемещения тигля 9.During crystal growth, the position of the melt level is compared with a predetermined level. When changing the position of the melt level, the signal from the
Экспериментальные данные регулирования уровня расплава.Experimental data on the regulation of the melt level.
На фиг.5 представлены результаты измерения расстояния по вертикали от фокуса оптической системы видеокамеры 6 до плоскости поверхности расплава двух процессов выращивания монокристаллов кремния. Процесс “А” (фиг.5А) проводили без регулирования уровня расплава, процесс “В” (фиг.5В) проводили при включенной системе автоматического поддерживания уровня расплава.Figure 5 presents the results of measuring the vertical distance from the focus of the optical system of the
Выращивание проводили из тигля диаметром 406 мм, масса загрузки 43 кг, диаметр выращенных кристаллов 158 мм. Рассчитанное расстояние по вертикали от видеокамеры до поверхности расплава в начале выращивания цилиндрической части составило 617,5 мм. В процессе “А”, на длине кристалла 750 мм, среднее отклонение от первоначального уровня расплава составило 4 мм, в случае процесса “В” на той же длине среднее отклонение составило 1 мм.Cultivation was carried out from a crucible with a diameter of 406 mm, a loading mass of 43 kg, and a diameter of the grown crystals of 158 mm. The calculated vertical distance from the camera to the surface of the melt at the beginning of the cultivation of the cylindrical part was 617.5 mm In the process “A”, at a crystal length of 750 mm, the average deviation from the initial level of the melt was 4 mm; in the case of process “B”, the average deviation at the same length was 1 mm.
Пример. Использовали видеокамеру 6 с 16-миллиметровым объективом и плату захвата видеоизображения с разрешающей способностью 640×480 пикселей. Видеокамеру 6 зафиксировали на колпаке 3 установки выращивания на расстоянии L=310 мм от геометрической оси Z. Угол видеокамеры по вертикали β составил 12,4°, а угол его наклона α 16,1°. В процессе выращивания монокристалла кремния диаметром 158 мм получили видеоизображение мениска цилиндрической части растущего кристалла. Координаты центра окружности О в плоскости расплава составили (318, 409). Вычислили угол γ между вертикалью и лучом, проходящим через фокус оптической системы видеокамеры 6 и центр окружности О выращиваемого кристалла на границе с расплавом:Example. We used a
γ=16,1+12,4×409/480=26,66°.γ = 16.1 + 12.4 × 409/480 = 26.66 °.
Определили расстояние от видеокамеры до плоскости расплава:Determined the distance from the camcorder to the melt plane:
H=310/tg26,66°=617,4 мм.H = 310 / tg26.66 ° = 617.4 mm.
Заданное расстояние Н равнялось 616,5 мм на протяжении всего периода выращивания.The set distance H was 616.5 mm over the entire growing period.
Тигель 6 был поднят на расстояние 102 мм за этот же период.
На завершающем этапе проводили отрыв кристалла от расплава по заданной программе и осуществляли охлаждение слитка.At the final stage, the crystal was separated from the melt according to a predetermined program and the ingot was cooled.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003106320/15A RU2227819C1 (en) | 2003-03-06 | 2003-03-06 | Method of control of level of melt in crucible in the course of crystal growth |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003106320/15A RU2227819C1 (en) | 2003-03-06 | 2003-03-06 | Method of control of level of melt in crucible in the course of crystal growth |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2227819C1 true RU2227819C1 (en) | 2004-04-27 |
RU2003106320A RU2003106320A (en) | 2004-09-27 |
Family
ID=32466075
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2003106320/15A RU2227819C1 (en) | 2003-03-06 | 2003-03-06 | Method of control of level of melt in crucible in the course of crystal growth |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2227819C1 (en) |
-
2003
- 2003-03-06 RU RU2003106320/15A patent/RU2227819C1/en not_active IP Right Cessation
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN1202290C (en) | Method and system for controlling growth of a silicon crystal | |
KR101028684B1 (en) | Silicon single crystal pulling method | |
CN1079847C (en) | System and method for controlling growth of silicon crystal | |
US9708731B2 (en) | Method of producing silicon single crystal | |
CN1205361C (en) | Method and system for controlling growth of silicon crystal | |
JP4561513B2 (en) | Liquid surface position adjusting mechanism and liquid surface position adjusting method of single crystal pulling apparatus, liquid surface position adjusting mechanism and liquid surface aligning method of single crystal pulling apparatus | |
US5656078A (en) | Non-distorting video camera for use with a system for controlling growth of a silicon crystal | |
CN1323364A (en) | Method and system for controlling growth of a silicon crystal | |
KR19990029481A (en) | Apparatus and method for measuring crystal diameter | |
JPH0649631B2 (en) | Crystal size measuring device | |
US6030451A (en) | Two camera diameter control system with diameter tracking for silicon ingot growth | |
JPH08133887A (en) | Apparatus for detecting diameter of semiconductor single crystal | |
RU2200776C2 (en) | Crystal growing apparatus and method | |
RU2227819C1 (en) | Method of control of level of melt in crucible in the course of crystal growth | |
EP2321617B1 (en) | Method and device for continuously measuring silicon island elevation | |
US5853479A (en) | Apparatus for drawing single crystals by the czochralski method | |
JPH07277879A (en) | Apparatus for producing single crystal by cz method and melt level control method | |
TWI593836B (en) | A method of controlling a liquid level of a melt flow | |
GB1561112A (en) | Zone melting | |
JPH0565478B1 (en) | ||
JPH06316484A (en) | Melt level controller in cz process | |
JPS60112687A (en) | Method for controlling melting condition of molten zone in infrared heating manufacturing device of single crystal | |
JPS63238430A (en) | Method for measuring position of liquid level in cz furnace |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20050307 |
|
NF4A | Reinstatement of patent | ||
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20070307 |