TWI740665B - 晶棒生長設備及生長方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種晶棒生長設備及生長方法。晶棒生長設備包括生長爐、坩堝、加熱器、提拉機構、紅外探測儀、分度盤、傳感器及控制裝置；坩堝位於生長爐內；提拉機構包括提拉線及驅動裝置，提拉線一端與晶棒的上部相連接，另一端與驅動裝置相連接，晶棒的下部伸入坩堝內，晶棒上具有多根沿縱向延伸的晶線；紅外探測儀位於生長爐的外側；分度盤位於生長爐的上方，且與提拉機構相連接，以在提拉機構的帶動下和晶棒同步旋轉，分度盤的等分線的正投影位於相鄰兩根晶線之間；傳感器位於分度盤的外圍；控制裝置與紅外探測儀及傳感器相連接，用於在傳感器檢測到分度盤的等分線時控制紅外探測儀測量晶棒的直徑。本發明有助於提高晶棒品質，提高生產良率。

Description

晶棒生長設備及生長方法
本發明係關於晶棒生長技術領域，尤其係關於一種晶棒生長設備及生長方法。
柴氏拉晶法（Czochralski method，簡稱CZ法，有時亦稱直拉單晶製造法）是晶棒生長的一種常用方法，其過程通常包括裝料與熔料、熔接、細頸、放肩、轉肩、等徑生長和收尾等幾個階段。具體地，將矽塊等原料投入坩堝中並加熱以使其全部熔化，同時按製程要求調整氣體的流量、壓力、坩堝位置、晶轉、堝轉；待熔體穩定後，降下籽晶至離液面3～5公釐（mm）距離，使粒晶預熱，之後下降籽晶至熔體的表面，讓它們充分接觸後將籽晶插入熔體以進行引細頸，引細頸階段完成後將直徑放大到目標直徑，當細頸生長至足夠長度，並且達到一定的提拉速率，即可降低拉速進行放肩、轉肩，之後進入等徑生長階段直至收尾完成整個生產過程。此過程中，需嚴格監控晶棒的生長直徑以確保最終生長出的晶棒滿足生產要求。現有技術中，晶棒生長過程中的直徑偵測有多種方式，其中有一種稱為IRcon探測方法，其基本原理是通過紅外測溫感知不同的溫度變動來轉換成晶棒直徑。這種方式為單點測量方式，測量非常方便，但最大的缺點是容易受到晶棒外部晶線和晶棒旋轉時的偏擺量的影響。當IRcon探頭照射到晶線時，實際偵測到的數據會產生很大的偏差，且因為晶棒旋轉時無法避免一定量的晃動，同時IRcon探頭無法對照射點進行動態捕捉，所以在這種情況下實際偵測到的數據會產生很大的偏差，導致生產出的晶棒無法滿足所需的規格要求，造成巨大的經濟損失。
鑒於以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種晶棒生長設備及生長方法，用於解決現有技術中的晶棒生長設備採用IRcon探測方法監測晶棒的生長直徑的過程中，因探頭容易接觸到外部晶線，以及/或者晶棒在旋轉時會產生一定量的晃動，IRcon探頭無法對照射點進行動態捕捉，導致檢測出的數據與實際的晶棒直徑有較大誤差，使得生產出的晶棒不符合要求，造成巨大的經濟損失等問題。
為了實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種晶棒生長設備，所述晶棒生長設備包括生長爐、坩堝、加熱器、提拉機構、紅外探測儀、分度盤、傳感器及控制裝置；所述生長爐的上部設置有探測窗口；所述坩堝位於所述生長爐內，用於放置晶棒生長的原料；所述加熱器位於所述生長爐內，且位於所述坩堝的外圍，用於在晶棒生長過程中對所述坩堝內的所述原料進行加熱；所述提拉機構包括提拉線及驅動裝置，所述提拉線一端與晶棒的上部相連接，另一端與所述驅動裝置相連接，所述晶棒的下部伸入所述坩堝內，所述晶棒上具有多根沿所述晶棒的縱向延伸的晶線；所述紅外探測儀位於所述生長爐的外圍，所述紅外探測儀的探測信號經所述探測窗口到達所述晶棒表面以測量所述晶棒的直徑；所述分度盤位於所述生長爐的上方，且與所述提拉機構相連接，以在所述提拉機構的帶動下和所述晶棒同步旋轉，所述分度盤的等分線的正投影位於所述晶棒的相鄰兩根晶線之間；所述傳感器位於所述分度盤的外圍，且與所述分度盤具有間距，所述傳感器用於檢測所述分度盤的等分線；所述控制裝置與所述紅外探測儀及所述傳感器相連接，用於在所述傳感器檢測到所述分度盤的等分線時控制所述紅外探測儀測量所述晶棒的直徑。
於一實施例中，所述晶棒的晶線為四條，四條所述晶線在所述晶棒的周向上均勻間隔分佈，所述分度盤為四等分分度盤。
於一實施例中，所述分度盤的等分線上的任意一點到相鄰兩條晶線的距離相等。
於一實施例中，所述控制裝置包括存儲單元，所述紅外探測儀測量的數據存儲於所述控制裝置中。
可選地。於一實施例中，所述晶棒生長設備還包括熱屏裝置，位於所述生長爐內，且位於所述晶棒的外圍，並向所述生長爐的內壁方向延伸。
所述控制裝置包括計算機、MCU和PLC中的一種或多種。
於一實施例中，所述分度盤的正投影覆蓋所述晶棒。
所述傳感器包括接觸式傳感器和光電傳感器中的一種或兩種。
於一實施例中，所述晶棒的軸心線與所述分度盤的中心線相重合。
本發明還提供一種晶棒生長方法，所述晶棒生產方法基於上述任一方案中所述的晶棒生長設備進行。
本發明的晶棒生長設備及生長方法具有如下有益效果：本發明經改善的結構設計，可以有效避免因紅外探測儀的探頭照射到晶棒的晶線時導致的測量誤差，有助於提高晶棒直徑的檢測準確性，有助於提高晶棒的品質，提高生產良率。
以下藉由特定的具體實例說明本發明的實施方式，具本領域通常知識者可由本說明書所揭露的內容輕易地瞭解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。
請參閱圖1及圖2。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖示中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪製，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件佈局形態也可能更為複雜。
如圖1及圖2所示，本發明提供一種晶棒生長設備，所述晶棒生長設備包括生長爐11、坩堝12、加熱器、提拉機構、紅外探測儀14、分度盤15、傳感器16及控制裝置17；所述生長爐11的上部設置有探測窗口；所述坩堝12位於所述生長爐11內，用於放置晶棒18生長的原料，比如矽塊等；所述加熱器位於所述生長爐11內，且位於所述坩堝12的外圍，用於在晶棒18生長過程中對所述坩堝12內的所述原料進行加熱，以使原料受熱熔融成液態；所述提拉機構包括提拉線13（所述提拉線13包括但不限於鎢絲繩）及驅動裝置，所述提拉線13一端與晶棒18的上部相連接，另一端與所述驅動裝置（圖式未顯示）相連接（即所述提拉線13一端延伸至生長爐11內，另一端穿過生長爐11頂部的蓋板延伸至生長爐11外部的上方並與驅動裝置相連接），所述晶棒18的下部伸入所述坩堝12內，所述晶棒18上，即晶棒18的表面具有多根沿所述晶棒18的縱向延伸的晶線181；所述紅外探測儀14位於所述生長爐11的外圍，所述紅外探測儀14的探測信號經所述探測窗口到達所述晶棒18表面以測量所述晶棒18的直徑；所述分度盤15位於所述生長爐11的上方（通常位於生長爐11外部的上方），且與所述提拉機構相連接，以在所述提拉機構的帶動下和所述晶棒18同步旋轉，所述分度盤15的等分線151的正投影位於所述晶棒18的相鄰兩根晶線181之間，即所述分度盤15的等分線151的正投影所在的直線和任意一根晶線18都不相交；所述傳感器16位於所述分度盤15的外圍，且與所述分度盤15具有間距，所述傳感器16用於檢測所述分度盤15的等分線151；所述控制裝置17與所述紅外探測儀14及所述傳感器16相連接，用於在所述傳感器16檢測到所述分度盤15的等分線151時控制所述紅外探測儀14測量所述晶棒18的直徑。在晶棒18生長過程中，熔融的原料（即熔體）和晶棒18的下部相接觸（晶棒18生長初始時為籽晶），提拉線13牽引晶棒18旋轉上升，由此實現晶棒18的生長。在此過程中，分度盤15在提拉機構的帶動下和晶棒18同步旋轉，當傳感器16檢測到分度盤15的等分線151時觸發控制器發出信號使紅外探測儀14測量晶棒18的直徑。由於分度盤15的等分線151和晶棒18的晶線181沒有交點且分度盤15和晶棒18的旋轉同步，因而傳感器16檢測到分度盤15的等分線151的時刻，紅外探測儀14的探測信號也不會照射到晶棒18周向的晶線181上（需要說明的是，初始安裝時需要將紅外探測儀14的探測信號的照射點設置在晶棒18的非晶線181位置，較佳係設置在晶棒18上相鄰兩條晶線181的中間且靠近熔融液面的位置），由此可以有效避免因紅外探測儀14的探頭照射到晶棒18的晶線181時導致的測量誤差，有助於提高晶棒18直徑的檢測準確性，有助於生產良率的提高。
作為示例，所述分度盤15的等分線151數量較佳係與所述晶棒18的晶線181數量相同。如圖2所示，在一示例中，所述晶棒18的晶線181為四條，四條所述晶線181在所述晶棒18的周向上均勻間隔分佈，且所述晶線181沿晶棒18的縱向延伸，並隨著晶棒18的生長而同步生長，藉由所述晶線181可以判斷單晶取向；相應地，所述分度盤15較佳係為四等分分度盤，即所述分度盤15被四條等分線151分成四個大小形狀完全相同的區域（比如分度盤15為圓盤時，四等分分成了4個大小相同的扇形），四條等分線151沿分度盤15的中心向分度盤15的邊緣延伸而在分度盤15的邊緣相交構成了四個等分點，傳感器16檢測到等分點時，實質也就是檢測到了等分線151。（需要說明的是，所述晶棒18的最上部實際是非等徑的籽晶部分，本實施例中為方便示意出晶線181而未示意出籽晶部分。）在其他示例中，所述晶棒18的晶線也可能為3條，此時所述分度盤15較佳為三等分分度盤。當然，在其他示例中，所述分度盤的等分線的數量也可以與晶棒的晶線數量不相同，重要的是在初始設置時需確保分度盤15的等分線151的正投影位於所述晶棒18的相鄰兩根晶線181之間，即所述分度盤15的等分線151的正投影所在的直線和任意一條晶線18都不相交。本實施例中較佳係兩者的數量一致。
所述紅外探測儀14（IRcon）為基於紅外測溫原理檢測晶棒18直徑的裝置，由於這部分知識為本領域技術人員所習知，出於簡潔的目的，在此不贅述。
作為示例，所述分度盤15的等分線151上的任意一點到相鄰兩條晶線181的距離相等。為了避免對晶棒18的旋轉和升降造成干擾，分度盤15位於晶棒18的上方且與晶棒18有一定距離，因而分度盤15的等分線151與晶棒18的晶線181並不在一個平面上，在實體上也並不相交，因而此處描述“所述分度盤15的等分線151上的任意一點到相鄰兩條晶線181的距離相等”也可以描述為所述分度盤15的等分線151的正投影的延長線上的任意一點到相鄰兩條晶線181的距離相等，也即該點位於相鄰兩條晶線181之間的晶棒18弧面的中間，或者說所述分度盤15的等分線151的正投影所在的直線與相鄰兩根晶線181之間的弧面的等分線重合。通過這樣的設置，使得在從所述傳感器16檢測到所述分度盤15的等分線151到觸發所述控制裝置17發出控制指令這中間即便略有延遲，也能夠有效避免所述紅外探測儀14的探測信號照射到所述晶線181上。
作為示例，所述分度盤15的正投影覆蓋所述晶棒18，即所述分度盤15的表面積大於等於所述晶棒18沿徑向的表面積，且較佳係所述分度盤15的表面積大小和所述晶棒18沿徑向的表面積相同（不包括晶線181區域，且非籽晶區域）。且在進一步的示例中，所述晶棒18的軸心線與所述分度盤15的中心線相重合，即所述提拉線穿過所述分度盤15的中心，以確保分度盤15的旋轉和晶棒18的旋轉完全同步，有助於進一步提高檢測準確性。
作為示例，所述晶棒生長設備還包括熱屏裝置19，位於所述生長爐11內，且位於所述晶棒18的外圍，並向所述生長爐11的內壁方向延伸，所述熱屏裝置19可以改變所述生長爐11的熱場分佈以有效調節晶棒18生長所需的溫度梯度。
作為示例，所述晶棒生長設備還包括惰性氣體供應裝置（圖式未顯示），所述惰性氣體供應裝置與惰性氣體源相連通，用於向所述生長爐11內供應惰性氣體，比如氬氣，以使所述生長爐11內維持惰性氣體氛圍，避免原料和晶棒18的污染。（所述生長爐的底部設置有排氣口，以維持所述生長爐內的惰性氣體的動態平衡）
作為示例，所述控制裝置17包括存儲單元，所述紅外探測儀14測量的數據存儲於所述控制裝置17中。所述控制裝置17可在所述紅外探測儀14每檢測到晶棒18同一水平面的周向上的四個點的數據時計算一個平均值，或者可以計算預定時間內採集數據的平均值，由此可以彌補現有的IRcon單點測量方式的不足，有助於提高檢測的準確性。所述晶體生長設備還可以包括顯示屏，所述控制裝置17與所述顯示屏相連接，以實時顯示所述紅外探測儀14的檢測結果。
作為示例，所述控制裝置17包括電腦、微控制器（microcontroller unit，MCU）、及可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）中的一種或多種。當所述控制裝置17為PLC時，則PLC可以和設備的總控制器整合在一起。或者說，設備的總控制器整合了PLC的控制功能。所述控制裝置17還可以與所述提拉機構的驅動裝置相連接，用於控制提拉速度，還可與所述加熱器相連接，用於控制加熱溫度。在進一步的示例中，所述控制裝置17同時與所述紅外探測儀14、傳感器16、加熱器及提拉機構均相連接，以根據所述紅外探測儀14檢測到的所述晶棒18的直徑控制所述加熱器的加熱溫度和/或提拉機構的提拉速度，由此實現對晶棒18生長直徑的調節。
作為示例，所述晶棒18包括但不限於單晶矽棒，因而相應地，原料包括但不限於矽塊。
作為示例，所述傳感器16包括接觸式傳感器和光電傳感器中的一種或兩種，即所述傳感器16可以為單個或多個，當所述傳感器16為多個時，多個所述傳感器16的類型可以相同或不同。本實施例中，所述傳感器較佳為單個，以簡化設備結構，減少數據干擾。
本發明的晶棒生長設備的使用原理如下：在晶棒18生長過程中，晶棒18在提拉機構的提拉下自坩堝12內的熔體中旋轉上升實現生長，分度盤15在提拉機構的驅動下和晶棒18實現同步旋轉，在傳感器16檢測到分度盤15的等分線151的時刻，控制裝置17觸發紅外探測儀14測量晶棒18的直徑。由於初始設置時分度盤15的等分線151的正投影所在的直線和晶棒18的晶線181沒有交點，此時紅外探測儀14的探測信號的照射點也並不會落在晶棒18的晶線181上，由此可以有效避免因紅外探測儀14的探頭照射到晶棒18的晶線181時導致的測量誤差，可以提高晶棒18直徑檢測的準確性，可以極大提高晶棒的品質，提高生產良率。
本發明還提供一種晶棒生長方法，所述晶棒生產方法基於上述任一方案中所述的晶棒生長設備進行。具體地，本發明的晶棒生長方法在晶棒生長過程中，通過分度盤和紅外探測儀的配合，在傳感器檢測到分度盤的等分線時紅外探測儀才測量晶棒的直徑，且可以對每沿晶棒探測一周後得到的多個數據進行平均（較佳係沿晶棒一周探測的數據個數和晶棒的晶線數量相同），可以有效提高晶棒直徑檢測準確性，有助於提高晶棒生產品質。
綜上所述，本發明提供一種晶棒生長設備及生長方法。所述晶棒生長設備包括生長爐、坩堝、加熱器、提拉機構、紅外探測儀、分度盤、傳感器及控制裝置；所述生長爐的上部設置有探測窗口；所述坩堝位於所述生長爐內，用於放置晶棒生長的原料；所述加熱器位於所述生長爐內，且位於所述坩堝的外圍，用於在晶棒生長過程中對所述坩堝內的所述原料進行加熱；所述提拉機構包括提拉線及驅動裝置，所述提拉線一端與晶棒的上部相連接，另一端與所述驅動裝置相連接，所述晶棒的下部伸入所述坩堝內，所述晶棒表面具有多根沿所述晶棒的縱向延伸的晶線； 所述紅外探測儀位於所述生長爐的外圍，所述紅外探測儀的探測信號經所述探測窗口到達所述晶棒表面以測量所述晶棒的直徑；所述分度盤位於所述生長爐的上方，且與所述提拉機構相連接，以在所述提拉機構的帶動下和所述晶棒同步旋轉，所述分度盤的等分線的正投影位於所述晶棒的相鄰兩根晶線之間；所述傳感器位於所述分度盤的外圍，且與所述分度盤具有間距，所述傳感器用於檢測所述分度盤的等分線；所述控制裝置與所述紅外探測儀及所述傳感器相連接，用於在所述傳感器檢測到所述分度盤的等分線時控制所述紅外探測儀測量所述晶棒的直徑。本發明經改善的結構設計，可以有效避免因紅外探測儀的探頭照射到晶棒的晶線時導致的測量誤差，有助於提高晶棒直徑的檢測準確性，有助於提高晶棒品質，提高生產良率。
上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。
11:生長爐 12:坩堝 13:提拉線 14:紅外探測儀 15:分度盤 151:等分線 16:傳感器 17:控制裝置 18:晶棒 181:晶線 19:熱屏裝置
圖1顯示為本發明提供的晶棒生長設備的結構示意圖。
圖2顯示為本發明的晶棒生長設備中的分度盤和晶棒的位置關係示意圖。
11:生長爐
12:坩堝
13:提拉線
14:紅外探測儀
15:分度盤
151:等分線
16:傳感器
17:控制裝置
18:晶棒
19:熱屏裝置

Claims (10)

  1. 一種晶棒生長設備，包括： 生長爐，所述生長爐的上部設置有探測窗口； 坩堝，位於所述生長爐內，用於放置晶棒生長的原料； 加熱器，位於所述生長爐內，且位於所述坩堝的外圍，用於在晶棒生長過程中對所述坩堝內的所述原料進行加熱； 提拉機構，所述提拉機構包括提拉線及驅動裝置，所述提拉線一端與晶棒的上部相連接，另一端與所述驅動裝置相連接，所述晶棒的下部伸入所述坩堝內，所述晶棒具有多根沿所述晶棒的縱向延伸的晶線； 紅外探測儀，位於所述生長爐的外側，所述紅外探測儀的探測信號經所述探測窗口到達所述晶棒表面以測量所述晶棒的直徑； 分度盤，位於所述生長爐的上方，且與所述提拉機構相連接，以在所述提拉機構的帶動下和所述晶棒同步旋轉，所述分度盤的等分線的正投影位於所述晶棒的相鄰兩根晶線之間； 傳感器，位於所述分度盤的外圍，且與所述分度盤具有間距，所述傳感器用於檢測所述分度盤的等分線； 控制裝置，所述控制裝置與所述紅外探測儀及所述傳感器相連接，用於在所述傳感器檢測到所述分度盤的等分線時控制所述紅外探測儀測量所述晶棒的直徑。
  2. 如申請專利範圍第1項的晶棒生長設備，其中，所述晶棒的晶線為四條，四條所述晶線在所述晶棒的周向上均勻間隔分佈，所述分度盤為四等分分度盤。
  3. 如申請專利範圍第1項的晶棒生長設備，其中，所述分度盤的等分線上的任意一點到相鄰兩條晶線的距離相等。
  4. 如申請專利範圍第1項的晶棒生長設備，其中，所述控制裝置包括存儲單元，所述紅外探測儀測量的數據存儲於所述控制裝置中。
  5. 如申請專利範圍第1項的晶棒生長設備，其中，所述晶棒生長設備還包括熱屏裝置，位於所述生長爐內，且位於所述晶棒的外圍，並向所述生長爐的內壁方向延伸。
  6. 如申請專利範圍第1項的晶棒生長設備，其中，所述控制裝置包括計算機、微控制器（MCU）、及可編程邏輯控制器（PLC）中的一種或多種。
  7. 如申請專利範圍第1項的晶棒生長設備，其中，所述分度盤的正投影覆蓋所述晶棒。
  8. 如申請專利範圍第1項的晶棒生長設備，其中，所述傳感器包括接觸式傳感器和光電傳感器中的一種或兩種。
  9. 如申請專利範圍第1至8項中任一項的晶棒生長設備，其中，所述晶棒的軸心線與所述分度盤的中心線相重合。
  10. 一種晶棒生長方法，其中，所述晶棒生產方法基於如申請專利範圍第1至9項中任一項的晶棒生長設備進行。
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