TW201326478A - 用於監控晶體生長狀態的方法及探測系統與可以監控晶體生長狀態的設備 - Google Patents

用於監控晶體生長狀態的方法及探測系統與可以監控晶體生長狀態的設備 Download PDF

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Abstract

一種用於監控晶體生長狀態的方法，係在晶體生長過程中即時測量固-液界面的多個量測點的高度以計算出固-液界面的形狀，並依據所得資訊優化製程參數，使固-液界面在晶體生長過程保持中央凸起的形狀並具有預定的曲率，可以提高長晶品質及排雜能力從而提高晶碇的成品良率。

Description

用於監控晶體生長狀態的方法及探測系統與可以監控晶體生長狀態的設備
本發明是有關於一種長晶的方法及設備，特別是指一種用於探測及控制晶體生長狀態的方法與設備。
類單晶(mono like)相較於單晶矽的製造成本低且相較於多晶矽的轉換效率高，而在太陽能產業成為頗受矚目的新材料。
然而，目前類單晶的轉換效率與單晶矽的轉換效率相比仍有一段落差，所以還無法取代單晶矽普遍使用。類單晶的轉換效率與其品質有密切的關係，由於現有製造類單晶的長晶製程無法即時監控晶體生長的狀態，因此不能即時調整製程參數，通常只能在晶體生長完成後才能知道晶體的品質，再根據前一次製程的結果調整製程參數，如此需要經過多次的實驗才能調整出優化參數，不僅需要較長的測試時間，也需要較多的物料成本，而且，若使用的原料改變，可能製程參數即需要重新調整。此製造過程的缺點亦存在於一般的長晶製程。
此外，現有技術中，若要了解長晶過程中固-液界面的高度，通常是由人工操作探棒伸入長晶腔體內碰觸固-液界面，憑經驗來判斷晶體的生長狀態，判斷結果恐因人而異，較難有統一的標準以控制品質。
所以如何在形成晶體的長晶過程中即時監控其生長狀態，並調整製程參數，以提昇生產效率及提昇晶碇的品質，是需要解決的課題。
因此，本發明之一目的，即在提供一種可以提昇生產效率及提昇晶碇的品質的用於監控晶體生長狀態的方法。
本發明之另一目的，在提供一種可以即時監控晶體生長狀態的設備。
本發明之又一目的，在提供一種用於監控晶體生長狀態的探測系統。
於是，本發明用於監控晶體生長狀態的方法，係在晶體生長過程中即時測量固-液界面的多個量測點的高度以計算出固-液界面的形狀，並依據所得資訊優化製程參數，使固-液界面在晶體生長過程保持中央凸起的形狀並具有預定的曲率。
本發明可以監控晶體生長狀態的設備，包含：一腔體、一設於腔體內的坩堝、一設於腔體內並分布於坩堝周側的加熱系統、一固設於腔體的探測系統，及一連接加熱系統及探測系統的控制系統。探測系統包括一探棒，探棒具有一本體部及一由本體部彎折延伸入坩堝內的探測部，本體部可沿一轉動路徑移動並可以自轉，且探測部的末端與本體部偏軸並與本體部連動，使探測部可控制地在坩堝內移動。
本發明之功效，藉由即時測量固-液界面的形狀以即時修正製程參數，使固-液界面在晶體生長過程保持中央凸起的形狀並具有預定的曲率，可以提高長晶品質及排雜能力從而提高晶碇的成品良率。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例及兩個具體例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖1，本發明用於監控晶體生長狀態的方法之一較佳實施例，一般晶體的長晶製程是在長晶爐內將原料置於坩堝中熔融後，再定向凝固生長晶體，在晶體生長過程中利用探測系統即時測量固-液界面的多個量測點的高度，例如以G5六吋WAFER坩堝為例，取點的位置可以在正中間取一點，並以此點為圓心，在半徑390mm圓周上平均取四點，探測系統將測得的多個量測點的位置及高度資訊傳給控制系統，由控制系統計算出固-液界面的形狀，並依據計算所得的固-液界面形狀的資訊調整長晶腔體內的製程參數，例如加熱功率、通入腔體內的氣體流量、冷卻水溫度等，以調整坩堝的環境溫度與壓力及熔體的冷卻速度，利用探測系統即時回饋資訊而將製程參數優化，使固-液界面在晶體生長過程保持中央凸起的形狀並具有預定的曲率。
由於晶體生長過程中保持固-液界面中央凸起並具有預定的曲率，可以使中央區域凝固較快，而使熔體中的雜質往周圍較低的區域移動達到排除雜質的效果，當熔體完全凝固後中間區域的晶體純度較高品質較好，而周圍含有雜質的部分即可切除，如此可以獲得較大體積品質較佳的晶碇以提昇成品良率。
前述方法可在如下說明的兩個設備的具體例中實施。
參閱圖2，可以監控晶體生長狀態的設備之一具體例，包含一腔體1、一長晶平台2、一坩堝3、一加熱系統4、一提籠5、一探測系統6及一控制系統7。長晶平台2、坩堝3、加熱系統4及提籠5設於腔體1內，坩鍋3設於長晶平台2上並由提籠5籠罩，加熱系統4佈設於坩鍋3周側並位於提籠5內，用以加熱熔融坩堝3內的原料，提籠5可以升降，當坩堝3內的原料全部熔融形成液態時，將提籠5緩慢上升，從坩堝3底部開始冷卻，而使液體(熔體)10從坩堝3底部往上定向凝固結晶形成固體20，在凝固過程即產生固-液界面30。
參閱圖2、圖3與圖4，探測系統6包括一固設於腔體1的軸封61，及一固設於軸封61的探棒62。軸封61具有一可旋轉的內圓柱611，探棒62設於內圓柱611而可隨內圓柱611以內圓柱611的軸心為軸轉動。探棒62具有一本體部621及一由本體部621彎折延伸入坩堝3內的探測部622，本體部621可隨內圓柱611沿一轉動路徑601移動並可以自轉(其致動機構將於下文中說明)，且探測部622的末端與本體部621偏軸並與本體部621連動，使探測部622可控制地在坩堝3內移動。詳細而言，參閱圖4，探測部622與本體部621偏軸，當本體部621自轉的時候，探測部622即以本體部621為軸轉動，探測部622的末端可沿第二轉動路徑602移動，而當本體部621沿轉動路徑601移動位置時，探測部622的末端也隨之移動再由本體部621自轉產生新的第二轉動路徑602’，由本體部621沿轉動路徑601移動並自轉，而使探測部622的末端的移動軌跡形成一個圓形範圍603，亦即，在圓形範圍603內的任意位置都是探測部622末端可到達的地方，而能自由選取量測點。因此，只要設計本體部621的轉動路徑601及探測部622的末端與本體部621偏軸的距離與坩堝3大小相配合，即能夠使探測部622的末端到達坩堝3內的任意位置。實際的量測範圍(即圓形範圍603)可以依照實際使用需求而設計，若圓形範圍603的直徑約等於或大於坩鍋3的對角線長度，可以控制探棒62避開與坩鍋3壁干涉的位置即可。
再參閱圖3與圖5，探測系統6還包括一設於探棒62的力量感測裝置63，及一連接探棒62的升降旋轉機構64，以控制探棒62上升或下降以及使探棒62自轉。力量感測裝置63可以是例如應變規、荷重元(load cell)等，用以感測探測部622的末端是否到達固體20表面，在本具體例力量感測裝置63採用應變規。升降旋轉機構64包括一導引件641、一滑塊642、一升降馬達643、一旋轉馬達644及一連接軸封61與滑塊642的位置量測裝置645，導引件641設於軸封61的內圓柱611上且與探棒62並立，用以提供滑塊642移動的軌道，滑塊642可滑動地設於導引件641並連接探棒62，升降馬達643設於軸封61的內圓柱611上並連接滑塊642，利用升降馬達643帶動滑塊642升降並連動探棒62即可使探棒62上下移動，旋轉馬達644連接探棒62並設於滑塊642而能隨探棒62上下移動，利用旋轉馬達644可使探棒62自轉。位置量測裝置645可以是例如電阻尺、光學尺等，用以量測探棒62的升降位置，在本具體例位置量測裝置645是採用電阻尺，其伸縮端固定在滑塊642上而本體固定在軸封61的內圓柱611上，可以測量滑塊642的位置，即可知滑塊642上下移動的距離，而滑塊642升降的距離即為探棒62升降的距離。當探棒62的探測部622末端下降至力量感測裝置63感受到阻力變化時，即可確認固-液界面30(參閱圖2)的高度。在探棒62外套設有一伸縮波紋管65以密封探棒62與軸封61之間的空隙。
再參閱圖2，控制系統7連接加熱系統4、提籠5及探測系統6，用以控制整個設備的製程參數及運作。在晶體生長過程中，藉由控制系統7使軸封61的內圓柱611轉動並啟動或關閉旋轉馬達644以控制探棒62的移動位置，即可選擇所欲的量測點，當探棒62移動至一定點時，由控制系統7啟動升降馬達643使探棒62的探測部622末端下降至力量感測裝置63測知阻力變化並回饋至控制系統7，同時位置量測裝置645也回饋探棒62的移動距離，即可測知固-液界面30在某一位置的量測點的高度資訊，採集多個量測點的高度資訊即可計算出固-液界面30的形狀，控制系統7依據所得固-液界面30的形狀的資訊即時修正製程參數以將參數優化，例如調整提籠5的上升速度、加熱系統4的加熱功率或是通入腔體1內的氣體流量等等，從而使固-液界面30在晶體生長過程保持中央凸起的形狀並具有預定的曲率以提高排除雜質的能力及晶碇的成品良率。
探測系統6除了可以在晶體生長過程監控固-液界面的形狀之外，也可以用來偵測熔化速率及長晶速率，並可判斷長晶是否完成，亦即能夠涵蓋多種晶體在製程中的狀態的檢測。
再者，參閱圖8，除了一般長晶製程之外，需要使用晶種的長晶製程，例如類單晶的長晶製程，亦可利用探測系統6來監控晶種(即圖8所示的固體20)的熔化高度。舉例而言，生長類單晶時，需在坩堝3底部先鋪一層單晶晶種(厚度3cm)，晶種上方裝填矽料，將矽料完全熔化並利用探測系統6偵測固-液界面30高度，控制晶種部分熔化，當晶種熔化至剩下適當高度(例如剩下1.5cm厚度)時，即可將製程步驟由熔料轉換為長晶。而在長晶過程同樣可利用控制固-液界面30形狀來提高晶碇的成品品質。
參閱圖6與圖7，說明可以監控晶體生長狀態的設備之另一具體例，在本具體例中，探測系統6是採用多支探棒62位於固定的位置，探棒62亦可升降，其升降機構可參考前述，於此不再詳述，如圖7所示，多支探棒62分布於坩堝3的中間位置及以中間位置為圓心間隔分布的四個位置，可以取得五個量測點的固-液界面30高度，藉此控制系統7亦可計算出固-液界面30的形狀。當然，使用較多的探棒62可以增加測量的精準度，但是只使用兩支探棒62，一支探棒62位於中間位置，另一支探棒62位於其它與中間探棒62間隔的位置，也可以達到量測固-液界面30曲率的功能。
綜上所述，藉由即時測量固-液界面30的形狀以即時修正製程參數，使固-液界面30在晶體生長過程保持中央凸起的形狀並具有預定的曲率，可以提高長晶品質及排雜能力從而提高晶碇的成品良率。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
1．．．腔體
2．．．長晶平台
3．．．坩堝
4．．．加熱系統
5．．．提籠
6．．．探測系統
61．．．軸封
611．．．內圓柱
62．．．探棒
621．．．本體部
622．．．探測部
63．．．力量感測裝置
64．．．升降旋轉機構
641．．．導引件
642．．．滑塊
643．．．升降馬達
644．．．旋轉馬達
645．．．位置量測裝置
7．．．控制系統
10．．．液體
20．．．固體
30．．．固-液界面
圖1是一方塊圖，說明本發明用於監控晶體生長狀態的方法之一較佳實施例；
圖2是一示意圖，說明本發明可以監控晶體生長狀態的設備之一具體例；
圖3是一立體圖，說明該具體例之一探測系統，其中一位置量測裝置未示出；
圖4是一示意圖，說明該探測系統之一探棒的移動軌跡；
圖5是一側視圖，說明該探測系統；
圖6是一示意圖，說明本發明可以監控晶體生長狀態的設備之另一具體例；
圖7是一示意圖，說明探棒的分布位置；及
圖8是一示意圖，說明本發明可以監控晶體生長狀態的設備之具體例在使用晶種之長晶製程的應用。

Claims (12)

  1. 一種用於監控晶體生長狀態的方法，係在晶體生長過程中即時測量固-液界面的多個量測點的高度以計算出固-液界面的形狀，並依據所得資訊優化製程參數，使固-液界面在晶體生長過程保持中央凸起的形狀並具有預定的曲率。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之用於監控晶體生長狀態的方法，其中，測量固-液界面是使用多支探棒分布於不同位置取得多個量測點的高度。
  3. 依據申請專利範圍第1項所述之用於監控晶體生長狀態的方法，其中，測量固-液界面是利用一探測系統將一探棒移動至固-液界面的不同位置取得多個量測點的高度。
  4. 依據申請專利範圍第3項所述之用於監控晶體生長狀態的方法，其中，該探測系統包括一探棒，該探棒具有一本體部及一由該本體部彎折延伸入該坩堝內的探測部，該本體部可沿一轉動路徑移動並可以自轉，且該探測部的末端與該本體部偏軸並與該本體部連動，使該探棒的探測部可控制地接觸固-液界面的多個量測點。
  5. 一種可以監控晶體生長狀態的設備，包含：一腔體；一坩堝，設於該腔體內；一加熱系統，設於該腔體內並分布於該坩堝周側；一探測系統，固設於該腔體，並包括一探棒，該探棒具有一本體部及一由該本體部彎折延伸入該坩堝內的探測部，該本體部可沿一轉動路徑移動並可以自轉，且該探測部的末端與該本體部偏軸並與該本體部連動，使該探測部可控制地在該坩堝內移動；及一控制系統，連接該加熱系統及該探測系統。
  6. 依據申請專利範圍第5項所述之可以監控晶體生長狀態的設備，其中，該探測系統還包括一連接該探棒的升降旋轉機構，以控制該探棒上升或下降以及使該探棒自轉。
  7. 依據申請專利範圍第6項所述之可以監控晶體生長狀態的設備，其中，該探測系統還包括一設於該探棒的力量感測裝置。
  8. 依據申請專利範圍第6項所述之可以監控晶體生長狀態的設備，其中，該探測系統還包括一固設於該腔體的軸封，該探棒固設於該軸封，且該軸封帶動該探棒沿該轉動軌道轉動。
  9. 依據申請專利範圍第8項所述之可以監控晶體生長狀態的設備，其中，該升降旋轉機構包括一導引件、一滑塊、一升降馬達及一旋轉馬達，該導引件設於該軸封且與該探棒並立，該滑塊可滑動地設於該導引件並連接該探棒，該升降馬達設於該軸封並連接該滑塊，該旋轉馬達設於該滑塊並連接該探棒。
  10. 依據申請專利範圍第9項所述之可以監控晶體生長狀態的設備，其中，該升降旋轉機構還包括一連接該軸封與該滑塊的位置量測裝置。
  11. 一種用於監控晶體生長狀態的探測系統，適於設置在用以生長晶體的腔體，該探測系統包括：一軸封，具有一可旋轉的內圓柱；一探棒，具有一本體部及一由該本體部彎折延伸的探測部，該本體部設於該軸封的內圓柱，且隨該內圓柱可沿一轉動路徑移動並可以自轉，且該探測部的末端與該本體部偏軸並與該本體部連動；一升降旋轉機構，連接該探棒以控制該探棒上升或下降以及使該探棒自轉；一力量感測裝置，設於該探棒；及一位置量測裝置，連接該軸封與該升降旋轉機構。
  12. 依據申請專利範圍第11項所述之用於監控晶體生長狀態的探測系統，其中，該升降旋轉機構包括一導引件、一滑塊、一升降馬達及一旋轉馬達，該導引件設於該軸封且與該探棒並立，該滑塊可滑動地設於該導引件並連接該探棒，該升降馬達設於該軸封並連接該滑塊，該旋轉馬達設於該滑塊並連接該探棒。
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