直拉单晶外径测量.doc

自动直径控制(ADC)是直拉法单晶制造中的重要环节。
直拉法单晶制造技术
直拉单晶制造法(Czochralski,CZ法)是把原料多硅晶块放入石英坩埚中,在单晶炉中加热融化,再将一根直径只有10mm的棒状晶种(称籽晶)浸入融液中(图1)。在合适的温度下,融液中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶,成为单晶体。把晶种微微的旋转向上提升,融液中的硅原子会在前面形成的单晶体上继续结晶,并延续其规则的原子排列结构。若整个结晶环境稳定,就可以周而复始的形成结晶,最后形成一根圆柱形的原子排列整齐的硅单晶晶体,即硅单晶锭。当结晶加快时,晶体直径会变粗,提高升速可以使直径变细,增加温度能抑制结晶速度。反之,若结晶变慢,直径变细,则通过降低拉速和降温去控制。拉晶开始,先引出一定长度,直径为3~5mm的细颈,以消除结晶位错,这个过程叫做引晶。然后放大单晶体直径至工艺要求,进入等径阶段,直至大部分硅融液都结晶成单晶锭,只剩下少量剩料。
控制直径,保证晶体等径生长是单晶制造的重要环节。硅的熔点约为1450℃,拉晶过程始终保持在高温负压的环境中进行。直径检测必须隔着观察窗在拉晶炉体外部非接触式实现。拉晶过程中,固态晶体与液态融液的交界处会形成一个明亮的光环,亮度很高,称为光圈。它其实是固液交界面处的弯月面对坩埚壁亮光的反射。当晶体变粗时,光圈直径变大,反之则变小。通过对光圈直径变化的检测,可以反映出单晶直径的变化情况。自动直径检测就是基于这个原理发展起来的。
3 Ircon直径检测系统
Ircon系统是早期的直径检测技术。它使直拉硅单晶制造从人工手动等径发展为自动等径,使半导体材料的大规模生产成为可能。Ircon探头实质上是一个能探测极小范围的光学高温计。光学高温计是通过高温物体表面的光线强度来判断温度的。其内部结构如图2,通过透镜组件,光圈图像投射到暗箱底部的挡板上。挡板中央有一个针眼大小的孔,只允许光圈图像的极小部分通过。只有通过小孔的光束才能照射到一个光敏元件上产生电信号,最后电信号经过线性化处理输出。实际通过小孔的光,在光圈上只有直径为3~5mm的圆,与光圈环的宽度差不多,我们称之为检测圈。Ircon探头只感应检测圈内的光线变化。工作时,调节检测圈位置切入光圈1/3(即相交面积为1/3)。如图3所示,正常时检测圈内1/3面积是光圈的强光,剩下的2/3面积为较暗的硅融液部分。当单晶直径变粗时,光圈环放大外移,检测圈与明亮的光圈的相交面积增加,使检测圈内平均亮度增加,反之则说明直
径变小了。
实践证明,Ircon系统在小直径单晶制造中运用十分有效。在125mm直径以下单晶制造使用非常普及。通过调节探头位置,无论在等径阶段,还是引晶阶段都能稳定工作。但是,随着单晶制造的大直径化,Ircon系统的局限性也日益显现。由于单晶外圆的不规则,单晶旋转造成了光圈晃动。直径越大,晃动越厉害,Ircon系统的稳定性会因此下降。现在一般在125mm直径以上的单晶制造就很少用此方法。另外,Ircon系统只能感知直径的变化,而不能检测出实际直径的读数,这也不能适应高自动化工业的发展要求。
4SIMS直径扫描系统
SIMS(Scanned Image Measurement System)直径系统利用扫描原理检测直径,并可以直观的测得直径读数。首先利用