СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ УРОВНЯ РАСПЛАВА В ТИГЛЕ В ПРОЦЕССЕ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ МЕТОДОМ ЧОХРАЛЬСКОГО Российский патент 2004 года по МПК C30B15/26 

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов и может быть использовано в системах автоматического управления процессом выращивания кристаллов из расплава методом Чохральского.

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.

Для поддержания постоянного уровня расплава применяют систему управления скоростью подъема тигля.

Наиболее эффективными являются оптические бесконтактные системы измерения и регулирования параметрами процесса выращивания кристаллов.

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.

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.

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.

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.

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.

В качестве опорной линии используют также границу между расплавом и кристаллом, имеющую вид яркого, светящегося отраженным светом мениска, который в горизонтальном сечении имеет окружность.

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.

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.

Причем указанный угол γ может быть определен путем выделения из общего видеосигнала пикселей, принадлежащих границе кристалл - расплав, и расчета угла γ по уравнению:

γ=α+β×Vo/Vy,

где α - угол между нижней стороной угла охвата видеокамеры в плоскости угла γ и вертикалью;

β - угол охвата видеокамеры в плоскости угла γ;

Vy - число пикселей по вертикали, соответствующее углу 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.

Сущность предложенного способа поясняется чертежами.

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.

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.

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.

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.

Измерение и регулирование уровня расплава ведут следующим образом.

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).

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):

Vy/Vo=β/β’,

где Vy - число пикселей по вертикали, соответствующее углу β;

Vo - число пикселей по вертикали, соответствующее углу 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.

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:

Н=L/tgγ,

где L - расстояние от центральной оси кристалла до фокуса видеокамеры 6.

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.

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.

Экспериментальные данные регулирования уровня расплава.

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.

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.

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:

γ=16,1+12,4×409/480=26,66°.

Определили расстояние от видеокамеры до плоскости расплава:

H=310/tg26,66°=617,4 мм.

Заданное расстояние Н равнялось 616,5 мм на протяжении всего периода выращивания.

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.

Изобретение относится к области получения полупроводниковых материалов. Положение уровня расплава контролируют с помощью видеокамеры, которую устанавливают под углом к вертикали. С помощью непрерывно получаемого видеоизображения определяют угол между вертикалью и лучом, проходящим через фокус оптической системы видеокамеры и центр окружности, образованной выращиваемым кристаллом на границе с расплавом. Исходя из этого угла рассчитывают расстояние от видеокамеры до плоскости расплава и поднимают тигель с расплавом до заданного уровня. Изобретение позволяет упростить процесс и повысить точность регулирования уровня расплава. 5 ил.

Способ 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, отличающийся тем, что видеокамеру устанавливают с наклоном к вертикали, а контроль положения уровня расплава осуществляют путем определения с помощью видеоизображения поверхности расплава и выращиваемого кристалла угла между вертикалью и лучом, проходящим через фокус оптической системы видеокамеры и центр окружности, образованной выращиваемым кристаллом на границе с расплавом, при этом указанный угол γ определяют путем выделения из общего видеосигнала пикселей, принадлежащих границе кристалл - расплав, и рассчитывают угол γ по уравнению

γ=α+β×Vo/Vy,

где α - угол между нижней стороной угла охвата видеокамеры в плоскости угла γ и вертикалью;

β - угол охвата видеокамеры в плоскости угла γ;

Vу - количество пикселей по вертикали, соответствующее углу β;

Vо - количество пикселей по вертикали, соответствующее углу β’ между лучом, проходящим через центр мениска и фокус видеокамеры и нижней стороной угла β.