TW201333280A - 晶體成長量測補償系統及其方法 - Google Patents

Abstract

一種晶體成長量測補償系統，包含：一控制單元，其儲存有一預定晶體成長資料；一耦接於該控制單元之晶體成長速度量測單元，其至少具有一石英棒；以及一耦接於該控制單元之鑄造單元，其至少具有一坩堝及一對應應該坩堝的溫控模組；其中，其中該晶體成長速度量測單元係裝設於該坩堝上方，該石英棒係相對於該坩堝進行移動，藉此該晶體成長速度量測單元係測得該坩堝中之晶體成長資料，該控制單元可依據該預定晶體成長資料補償該鑄造單元中的晶體成長。

Description

晶體成長量測補償系統及其方法

一種補償系統及其方法，尤指一種針對晶體成長之量測補償系統。

多晶矽材料因為生產速度快與價格低廉，目前廣泛應用在消費性電子產品上，例如太陽能電池產業等，而多晶矽材料的製作方式係利用鑄造的方式，於一大坩堝中將矽原料全部熔融，在透過緩慢冷卻，以形成包含不同晶格方向晶粒的晶碇。

傳統多晶矽成長爐大致可分為三種：第一種是熔融液與結晶過程在不同坩堝中進行的鑄造方式；第二種熔融與結晶過程在同一坩堝中進行；以及第三種無使用坩堝的電磁鑄造法。

定向凝固法(DSS)為目前市場生產多晶矽晶碇的主流，而對於使用坩堝之多晶長晶爐而言，其製程受限於坩堝本質上的物性差異、矽原料種類差異、鑄造爐熱場老化程度、鑄造爐溫控熱電偶老化程度與鑄造爐本身其它變異的問題，使得晶體成長條件出現很大變異，因此導致每次產出之晶碇品質不穩定。一般來說晶體長速會影響到矽碇的雜質等不純物析出程度，且也會影響到晶體生長結構，由於傳統的定向凝固法之多晶矽鑄造爐並無即時監控晶體長速變化的功能，因此增加了製程穩定性的變異。

本發明之目的之一，在於提供一種晶體成長量測補償系統，其可即時監控晶碇生長的長速或晶體變化狀況，並即時地加以補償，使晶碇生長的條件均處在最佳化的參數下，藉以確保晶碇品質的均一性。

本發明實施例提供一種晶體成長量測補償系統，包含：一控制單元，其儲存有一預定晶體成長資料；一耦接於該控制單元之晶體成長速度量測單元，其至少具有一石英棒；以及一耦接於該控制單元之鑄造單元，其至少具有一坩堝及一對應該坩堝的溫控模組；其中，其中該晶體成長速度量測單元係裝設於該坩堝上方，該石英棒係相對於該坩堝進行移動，藉此該晶體成長速度量測單元係測得該坩堝中之晶體成長資料，該控制單元可依據該預定晶體成長資料補償該鑄造單元中的晶體成長。

本發明實施例提供一種晶體成長量測補償方法，包含以下步驟：

1、提供一儲存有一預定晶體成長資料之控制單元、一耦接於該控制單元之晶體成長速度量測單元及一耦接於該控制單元之鑄造單元；

2、進行一長晶步驟：利用該鑄造單元之一坩堝將一晶種及多個長晶原料融熔；

3、進行一量測步驟：利用該晶體成長速度量測單元之一石英棒相對於該坩堝進行移動，藉此該晶體成長速度量測單元係測得該長晶步驟之晶體成長資料；

4、進行一比對步驟：利用該控制單元將該長晶步驟之晶體成長資料與該預定晶體成長資料進行比對；以及

5、進行一補償步驟：利用該控制單元控制該鑄造單元，以補償調整該長晶步驟之晶體成長資料。

在具體實施例中，晶體成長速度量測單元可為一種電控或是人力操作的單元。

本發明具有以下有益的效果：本發明主要利用晶體成長速度量測單元即時地針對晶體生長、矽料融化之速度進行監控，並利用電腦比對的方式找出實際生長條件與最佳化生長條件的差異，進而將實際生長條件調整、補償為最佳化生長條件，藉以避免各種生產條件上的變異所導致晶碇品質不穩定的問題。

為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

本發明主要提供一種晶體成長量測補償系統，其可利用晶體成長速度量測單元檢測鑄造單元中的晶體成長資料，並將所測得之晶體成長資料與控制電腦中所預先輸入的預定晶體成長資料加以比對，以確保長晶條件的控制，藉以提昇製程的穩定性。值得說明的是，上述之預定晶體成長資料與所測得之晶體成長資料均可包括相當多元而廣泛之資料，舉凡晶體長速、長晶原料之融速等等，而本發明亦不限制晶體種類(如單晶、多晶)、長晶製程(如mono-like(類單晶)製程、multicrystalline silicon solar cells等)或是各式長晶爐的應用範疇，而以下係以多晶矽之定向凝固製程(DSS)加以說明本發明。

請參考圖1與圖3，其顯示本發明之晶體成長量測補償系統1的功能方塊圖與示意圖，其包括控制單元11、晶體成長速度量測單元12及鑄造單元13；其中控制單元11儲存有一預定晶體成長資料，具體而言，控制單元11可為電腦，其大致具有處理器、儲存模組111、顯示模組等，儲存模組111用於儲存所述之預定晶體成長資料，而控制單元11可用於運算比對、輸出訊號以達到控制的效果。

晶體成長速度量測單元12與鑄造單元13係分別電性耦接於控制單元11，換言之，控制單元11可輸出訊號控制晶體成長速度量測單元12與鑄造單元13的做動，亦可接收晶體成長速度量測單元12所測得之鑄造單元13中的晶體成長資料。

如圖1、圖3、圖3A所示，在本發明之第一實施例中，晶體成長速度量測單元12係為一種自動偵測長晶過程中晶體成長資料的單元，晶體成長速度量測單元12具有耦接於控制單元11之驅動模組121、耦接於驅動模組121之石英棒夾持模組122及固定於石英棒夾持模組122之石英棒123；如圖3所示，晶體成長速度量測單元12較佳地裝設於鑄造單元13，使石英棒123可移動至鑄造單元13中，以利用高度差量測鑄造單元13中之晶體成長資料，而晶體成長速度量測單元12可將所量測之晶體成長資料回傳至控制單元11，以進行資料比對的作業；驅動模組121則可為線性導螺桿、汽缸、線性馬達等等。

再者，鑄造單元13至少具有一坩堝133及一對應坩堝133的溫控模組，例如加熱模組131、冷卻模組132及爐壁冷卻模組134，加熱模組131、冷卻模組132與爐壁冷卻模組134的位置均對應於坩堝133；坩堝133係為一種可容納晶種及多個長晶原料(例如：藍寶石(Al₂O₃)、矽(Si)、氟化鈣(CaF₂)、碘化鈉(NaI)或其他鹵化物基團鹽晶體等)之容器，其形狀可例如D形、圓形等等。如圖3所示，坩堝133位於冷卻模組132之上，冷卻模組132可為一種支撐件，其材質可為石墨(C)、鎢(W)、鉬(Mo)、鈮(Nb)、鑭(La)、鉭(Ta)、錸(Re)或其合金之高熔點金屬製成或是其他耐高溫陶瓷材料，其外型亦可具有散熱鰭片等構造；而在一變化實施例中，冷卻模組132之內部可具有空心部分以安裝冷卻流道1321，以利用冷卻流道1321中的冷卻流體，例如氦(He)、氖(Ne)、氫(H)或冷卻液體的流動經由所述之空心部分來冷卻坩堝133；同樣地，爐壁冷卻模組134中同樣具有冷卻流體以提供冷卻功用。另外，鑄造單元13，如多晶矽鑄造爐之頂部具有孔道，如Pyrometer-Dipping孔道、TC-1孔道、OT等其它孔道，前述之石英棒123即可藉由所述之孔道而將石英棒123插入，並使其端面接觸到晶碇、矽料表面或坩堝133。

加熱模組131可如熱電偶等加熱器，其位置大致位於坩堝133上，以將坩堝133中之長晶原料連同晶種加熱至大致高於長晶原料之熔化溫度。舉例而言，將長晶原料加熱至大約1100℃至2400℃之範圍內。而在加熱的同時，藉由利用上述流體流過冷卻流道1321冷卻坩堝133之底部，以使得成核層保持完好無損且不完全熔化，當熔融材料均勻化之後，即可起始晶種之成長。

因此，當晶種之生長啟動之後，本發明之晶體成長量測補償系統1就可以進行下述步驟，以即時地監控並調整晶體之成長參數，例如晶體長速、長晶原料之融速，藉以將晶體的實際成長參數補償至操作者所設定的預定晶體成長資料：

步驟一：進行一量測步驟，此步驟在於利用晶體成長速度量測單元12之石英棒123相對於坩堝133進行移動，藉以測得上述長晶步驟之晶體成長資料。在本具體實施例中，晶體成長速度量測單元12係裝設於坩堝133上方，控制單元11可輸出訊號至晶體成長速度量測單元12之驅動模組121，驅動模組121即可控制石英棒夾持模組122帶動石英棒123相對於坩堝133進行垂直移動；當石英棒123之底部接觸到融化之長晶原料、坩堝133或晶碇表面時，石英棒夾持模組122即可依據其所移動的距離(即石英棒123移動的高度差)，換算出晶體長速、長晶原料之融速等資料。

另一方面，控制單元11之儲存模組11更儲存有一量測頻率資料，驅動模組121可依據量測頻率資料以程式化地驅動石英棒夾持模組122及石英棒123進行上述之量測步驟，舉例來說，操作者可預先依據不同的長晶階段將量測頻率資料輸入、儲存於控制單元11之儲存模組111，例如，在長晶過程中之較關鍵階段可設定較高頻率的量測動作，如在長晶時間約25至40小時之間，設定每十五分鐘量測一次；而其他較穩定的長晶過程，則為每一小時量測一次。

步驟二：進行一比對步驟，控制單元11將長晶步驟之晶體成長資料與預定晶體成長資料進行比對。具體而言，在此步驟中，操作者可預先將實際晶體成長資料與預定晶體成長資料之間的最大允許偏差值輸入、儲存於控制單元11之儲存模組111，控制單元11可將實際晶體成長資料與預定晶體成長資料之變化曲線進行比對，以檢視實際晶體成長資料與預定晶體成長資料之間的偏差值是否大於該最大允許偏差值，如前文所述，在此步驟中，控制單元11可將實際之晶體長速、長晶原料之融速等資料與儲存模組111所預先輸入之晶體長速、長晶原料之融速等資料進行比對。

步驟三：進行一補償步驟：利用控制單元11控制該鑄造單元13，以補償地調整該長晶步驟之晶體成長資料。在具體實施例中，晶體成長速度量測單元12可為一種電控或是人力操作的單元；而在一較佳實施例中，當步驟二之長晶步驟之晶體成長資料與預定晶體成長資料之間的偏差值大於操作者所輸入之最大允許偏差值時，控制單元11可控制鑄造單元13之溫控模組，如加熱模組131、冷卻模組132、爐壁冷卻模組134或絕緣籠開度等等，將長晶步驟之晶體成長資料補償至兩者之差值小於最大允許偏差值。具體而言，當長晶原料之融速過慢時，控制單元11可控制鑄造單元13之加熱模組131提高其加熱功率，或是同時降低冷卻模組132、爐壁冷卻模組134的的冷卻速度(如降低冷卻流體的流量或溫度等)，以提高坩堝133之溫度曲線；又如晶體長速過慢時，控制單元11可控制鑄造單元13之加熱模組131降低其加熱功率，或是同時提高冷卻模組132的冷卻速度(如提高冷卻流體的流量或溫度等)，更或是開啟絕緣籠的開度；藉此，製程中晶體長速或是長晶原料之融速均可依照預定晶體成長資料而受到控制。

在一具體實施例中，加熱模組131的溫度可被控制在±10度，冷卻液體流量可被控制在±20LPM，而冷卻氣體流量可被控制在±50LPM。

請參考圖2，其顯示本發明之第二實施例，其中與第一實施例的差異在於：本實施例之晶體成長速度量測單元12’係為一種人工方式驅動石英棒123的方式來達到量測長晶步驟之晶體成長資料。換言之，在本實施例中，操作者直接以人工方式帶動石英棒123，以量測目標物的高度，石英棒123移動時可透過光學、磁性或電氣訊號做移動行程之量測，例如當石英棒123接觸到矽料或晶錠，石英棒123因接觸產生一反作用力時，即可立即送出訊號，警示已經到達量測面並同時進行位置量測，以避免石英棒123接觸矽湯太久而與晶錠產生沾粘之現象，而操作者再將高度數據輸入控制單元11，控制單元11即可依據其所輸入的數據(即石英棒123移動的高度差)換算出晶體長速、長晶原料之融速等資料。同樣地，控制單元11可針對實際晶體成長資料與預定晶體成長資料進行比對，並據以控制鑄造單元13進行補償步驟。

綜上所述，本發明至少可達到以下目的：

1、當本發明應用於多晶矽長晶製程時，可即時監控多晶矽碇之每次晶碇生長的長速或晶體變化狀況。

2、本發明可利用程式化設計、編輯與定義驅動模組驅動石英棒進行量測之時間、位置，以作為不同單位時間的晶體長速、矽料融化之量測。

3、本發明可預先將最佳化的晶體生長、矽料融化速度輸入控制單元，當晶體成長速度量測單元所測得之實際速度變化與輸入值有偏差時，可即時調整多晶爐中可影響晶體速度變化的裝置(如上述之溫控裝置)進行補償，以控制晶體生長、矽料融化之速度，進而獲致生長晶體之品質的均一。

4、本發明之晶體成長速度量測單元可應用自動、半自動或手動的方式控制石英棒的移動，故具有非常廣泛的應用範圍。

以上所述僅為本發明之較佳可行實施例，非因此侷限本發明之專利範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖示內容所為之等效技術變化，均包含於本發明之範圍內。

1．．．晶體成長量測補償系統

11．．．控制單元

111．．．儲存模組

12．．．晶體成長速度量測單元

12’．．．晶體成長速度量測單元

121．．．驅動模組

122．．．石英棒夾持模組

123．．．石英棒

13．．．鑄造單元

131．．．加熱模組

132．．．冷卻模組

1321．．．冷卻流道

133．．．坩堝

134．．．爐壁冷卻模組

圖1係為本發明第一實施例之晶體成長量測補償系統的功能方塊圖。

圖2係為本發明第二實施例之晶體成長量測補償系統的功能方塊圖。

圖3係為本發明第一實施例之晶體成長量測補償系統的示意圖。

圖3A顯示圖3中之A部分放大圖。

1．．．晶體成長量測補償系統

12．．．晶體成長速度量測單元

121．．．驅動模組

122．．．石英棒夾持模組

123．．．石英棒

13．．．鑄造單元

131．．．加熱模組

132．．．冷卻模組

1321．．．冷卻流道

133．．．坩堝

134．．．爐壁冷卻模組

Claims (12)

1. 一種晶體成長量測補償系統，包含：一控制單元，其儲存有一預定晶體成長資料；一耦接於該控制單元之晶體成長速度量測單元，其至少具有一石英棒；以及一耦接於該控制單元之鑄造單元，其至少具有一坩堝及一對應應該坩堝的溫控模組；其中，其中該晶體成長速度量測單元係裝設於該坩堝上方，該石英棒係相對於該坩堝進行移動，藉此該晶體成長速度量測單元係測得該坩堝中之晶體成長資料，該控制單元可依據該預定晶體成長資料補償該鑄造單元中的晶體成長。
2. 如申請專利範圍第1項所述之晶體成長量測補償系統，其中該晶體成長速度量測單元更包括一耦接於該控制單元之驅動模組及一耦接於該驅動模組之石英棒夾持模組，該石英棒係夾固於該石英棒夾持模組。
3. 如申請專利範圍第2項所述之晶體成長量測補償系統，其中該控制單元更儲存有一量測頻率資料，該驅動模組依據該量測頻率資料以程式化地驅動該石英棒夾持模組及該石英棒。
4. 如申請專利範圍第3項所述之晶體成長量測補償系統，其中該控制單元至少具有一儲存模組，該預定晶體成長資料與該量測頻率資料均儲存於該儲存模組。
5. 如申請專利範圍第1項所述之晶體成長量測補償系統，其中該溫控模組至少包括一對應該坩堝的加熱模組及對應應該坩堝的冷卻模組及爐壁冷卻模組。
6. 如申請專利範圍第1項所述之晶體成長量測補償系統，其中該晶體成長量測補償系統係應用於類單晶製程。
7. 一種晶體成長量測補償方法，包含以下步驟：提供一儲存有一預定晶體成長資料之控制單元、一耦接於該控制單元之晶體成長速度量測單元及一耦接於該控制單元之鑄造單元；進行一長晶步驟：利用該鑄造單元之一坩堝將一晶種及多個長晶原料融熔；進行一量測步驟：利用該晶體成長速度量測單元之一石英棒相對於該坩堝進行移動，藉此該晶體成長速度量測單元係測得該長晶步驟之晶體成長資料；進行一比對步驟：利用該控制單元將該長晶步驟之晶體成長資料與該預定晶體成長資料進行比對；以及進行一補償步驟：利用該控制單元控制該鑄造單元，以補償地調整該長晶步驟之晶體成長資料。
8. 如申請專利範圍第7項所述之晶體成長量測補償方法，其中該晶體成長速度量測單元更包括一耦接於該控制單元之驅動模組及一耦接於該驅動模組之石英棒夾持模組，該石英棒係夾固於該石英棒夾持模組，在該量測步驟中，該驅動模組係驅動該石英棒夾持模組相對於該坩堝進行垂直移動，以測得該長晶步驟之晶體成長資料。
9. 如申請專利範圍第8項所述之晶體成長量測補償方法，其中該控制單元更儲存有一量測頻率資料，在該量測步驟中，該控制單元係依據該量測頻率資料控制該驅動模組，以程式化地驅動該石英棒夾持模組及該石英棒。
10. 如申請專利範圍第7項所述之晶體成長量測補償方法，其中該控制單元更儲存有一最大允許偏差值，在該比對步驟中，該長晶步驟之晶體成長資料與該預定晶體成長資料之間的偏差值大於該最大允許偏差值時，則進行該補償步驟。
11. 如申請專利範圍第10項所述之晶體成長量測補償方法，其中在該補償步驟中，係利用該控制單元控制該鑄造單元之一加熱模組、一冷卻模組及一爐壁冷卻模組的至少其中之一，以補償地調整該長晶步驟之晶體成長資料。
12. 如申請專利範圍第7項所述之晶體成長量測補償方法，其中在該量測步驟中，係以自動、半自動或手動的方式控制該石英棒的移動。