[發明專利]液位測量方法及拉單晶方法

在審

• 申請號: 202011299514.3
• 申請日: 2020-11-18
• 公開（公告）號: CN112522779A
• 公開（公告）日: 2021-03-19
• 發明（設計）人: 鄧先亮
• 申請（專利權）人: 上海新昇半導體科技有限公司
• 主分類號: C30B15/20
• 分類號: C30B15/20;C30B29/06;G01F23/292
• 代理公司: 上海思捷知識產權代理有限公司 31295
• 代理人: 王宏婧

本發明提供了一種液位測量方法及拉單晶方法，所述液位測量方法用于探測拉晶設備內的熔體的液位信息，所述液位測量方法包括以下步驟：將探測器配置為設置于所述熔體的熔體液面的上方；利用所述探測器獲取所述熔體液面至所述探測器的第一距離的信息；以及，基于所述第一距離的信息獲取所述熔體液面至導流筒的熔體液位信息，得到所述熔間隙的距離。如此設置，使得探測器與熔體液面為非接觸的形式，在長晶過程中不會帶來污染，可以根據實際需求探測不同區域的熔體液位，探測的靈活性高，探測器還可以設置不同的高度，熔體液位不受限制，可以測量的熔體液位范圍大，還能夠實時地獲取熔體液位信息，提高單晶的質量，避免采用靶點材料，減少成本。

技術領域

本發明涉及晶體制備技術領域，特別涉及一種液位測量方法及拉單晶方法。

背景技術

單晶硅的制造方法主要有區熔法和切克勞斯基法，現有技術中通常采用切克勞斯基法(即CZ法，又稱為直拉法)制備單晶硅。CZ法是將多晶硅原料收容在設置于拉晶爐爐膛內的石英坩堝里，通過石墨加熱器進行加熱熔融，再將一根直徑只有10mm的棒狀晶種(稱籽晶)與多晶硅熔體液面接觸，在工藝要求合適的溫度下，熔體中的硅原子會順著晶種的硅原子排列結構在固液交界面上形成規則的結晶，成為單晶體，將晶種一邊旋轉一邊提拉，熔體中的硅原子會在前面形成的單晶體上繼續結晶，并延續其規則的原子排列結構，坩堝籽晶同時提升，生產出目標直徑和品質的單晶硅棒。

在硅單晶的制備過程中，利用拉晶爐通過直拉法制備大尺寸硅單晶時，隨著晶體長度不斷增加，坩堝內熔體會逐漸消耗。具體請參考圖1，拉晶爐包括坩堝10、導流筒30、磁鐵系統50、加熱器60、石墨70以及石墨氈80，熔體20容置于坩堝10中、單晶90從熔體20中被提拉出來。為了保證長晶界面的穩定性，必須使坩堝10位置不斷上升，進而使得長晶過程固液界面位置始終固定在同一位置，即需要保證熔體的液面21到導流筒30的導流筒底部31的距離保持不變，從而有利于高效穩定的控制熱場的溫度分布。據此，將熔體的液面21到導流筒底部31的距離定義為熔間隙(Melt Gap)40。在長晶過程中精確地控制熔間隙40是控制晶體質量和保證工藝重復性的關鍵因素，通常采用反饋調節的方式來控制熔體的液面21(以下簡稱液面)至導流筒底部31的距離，而液面位置的探測作為反饋調節的核心信號輸入，是精確控制熔體的液面21至導流筒底部31距離的關鍵，因此，液面位置的測量在硅單晶制備的過程中至關重要。

目前采用比較廣泛的液面探測方法有：石英銷法和倒影法。

石英銷法是將一高純石英銷固定在導流筒的底部，在長晶之前將坩堝上升使得液面接觸石英銷，以液面接觸石英銷位置為起始點調節坩堝位置達到設定的液面位置，但是該方法在長晶過程中則無法實時獲得液面位置的反饋信息，進而不能精確的控制熱場的溫度分布，從而不能保證長晶過程中硅單晶的質量。

倒影法是在導流筒的底部固定一個靶點，通過電荷耦合器件(CCD)相機捕捉靶點在液面的倒影進而獲得液面距離，倒影法可以在長晶全過程實時獲得硅熔體液面的信息。但是該方法選用的靶點材料需要同時滿足高純石英和石墨材料在高溫時對比度高的特點，并且該方法對熱場結構和液面距離的要求較高，超出一定范圍則無法使用。

因此，開發出一種在熔體制備晶體的過程中，尤其是制備大尺寸半導體硅單晶過程中，可實時地獲取液位信息且不采用靶點材料的液位測量方法，進而提高單晶的質量、減少成本，已成為熔體制備晶體領域亟待解決的問題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種液位測量方法及拉單晶方法，以解決現有液面測量方法中無法實時獲得液面位置信息、需要選擇靶點材料且對靶點材料的對比度要求高、成本高的問題。