直拉单晶炉晶棒轴向温度梯度测量装置及方法与流程

本发明涉及单晶炉，尤其涉及一种直拉单晶炉晶棒轴向温度梯度测量装置及方法。

背景技术：

1、在直拉法单晶硅生长工艺中，晶棒从硅熔汤中提拉生长，逐渐从0mm生长至2000mm或更长。单晶生长过程中，硅从液态（硅熔汤）凝固成固态（硅单晶晶棒），液面往上位置的温度由高到低逐渐变化——靠近液面处温度接近硅的熔点（约1410℃），而晶棒顶部温度可降至数百摄氏度。

2、半导体级单晶硅产品对缺陷密度（如cop、bmd等）的要求极高，而缺陷的形成与温度梯度有着密切的关系。晶棒生长冷却过程中的轴向温度梯度是一个非常重要的工艺参数——它直接影响晶体缺陷的扩散、氧沉淀、热应力等关键指标。

3、目前，现有技术中通常通过计算机软件模拟来计算晶棒的冷却过程和温度分布，很少对晶棒进行实际温度的实时监控。例如，中国专利cn115216835b公开了一种获取晶棒热历史的方法和单晶炉，通过在单晶炉主炉室和/或副室侧壁开设多个透光窗口，对应设置多个红外测温装置，测定晶棒直拉生长过程中各处的温度，获得时间-温度曲线（热历史曲线）。该方案关注的是某一点位的温度随时间变化（热历史曲线），而非同一时刻不同高度处的温度分布（轴向温度梯度）。此外，现有技术中虽有在单晶炉主炉室内壁设置多个测温探头对热场组件进行温度监测的方案，但这些方案均针对炉体或熔汤，而非晶棒表面本身。

技术实现思路

1、为解决上述技术中存在的技术问题，鉴于此，有必要提供一种直拉单晶炉晶棒轴向温度梯度测量装置。

2、一种直拉单晶炉晶棒轴向温度梯度测量装置，包括测温模块、位置同步模块、控制模块、闭环控制模块、输出模块；

3、所述测温模块安装于单晶炉炉体侧壁的观察窗处，通过电动扫描镜以摆动方式沿晶棒轴向进行扫描，用于非接触式测量晶棒表面沿轴向的连续温度分布；

4、所述位置同步模块与单晶炉的拉速控制器信号连接，用于实时获取晶棒的提拉速度和已生长长度，并将测温模块各测量点位的温度数据与晶棒上对应的物理位置进行时空匹配；

5、所述控制模块分别与测温模块和位置同步模块信号连接，用于根据温度数据和位置数据生成晶棒轴向温度分布数据，并计算轴向温度梯度；

6、所述闭环控制模块与控制模块及单晶炉的拉速控制器和/或加热器功率控制器信号连接，用于根据实测轴向温度梯度与预设目标温度梯度的比较结果，自动调整拉速和/或加热器功率；

7、所述输出模块与控制模块信号连接，用于输出晶棒轴向温度分布数据和轴向温度梯度曲线。

8、优选的，所述控制模块还包括智能分析单元，所述智能分析单元用于：

9、根据轴向温度分布数据中温度梯度发生突变的特征点，自动识别并标记固液界面的实际位置；

10、根据轴向温度分布数据，自动识别晶棒表面温度达到预设特征温度时对应的高度位置；

11、将实测的轴向温度梯度曲线与预设的标准温度梯度曲线进行比对，识别温度场的异常波动或不对称分布并进行标记和报警。

12、优选的，还包括在线校准模块，所述在线校准模块包括：

13、内置参考黑体，设置于测温模块的扫描路径上，用于对测温模块进行自动校准；

14、窗口透过率监测单元，设置于观察窗处，用于实时监测观察窗的红外透过率变化，并根据透过率变化对测温数据进行自动补偿；

15、环境温度补偿单元，用于实时监测测温模块所处环境的温度，并根据环境温度对测温数据进行校正。

16、优选的，所述测温模块在一次扫描中获取晶棒表面沿轴向方向不少于600个连续点位的温度数据，相邻测量点位之间的间距为3～10mm。

17、优选的，所述测温模块的扫描角度为120～180°，测温范围为20～1500℃，响应时间≤10ms。

18、优选的，还包括安装于单晶炉炉体侧壁的观察窗处的调节底座，所述调节底座包括水平摆动座、纵向摆动座；所述水平摆动座安装在观察窗处，沿水平摆动座的纵向方向转动安装第一转杆，第一转杆与单晶炉炉体外部的第一驱动电机连接；所述纵向摆动座的底部与第一转杆固定连接，沿纵向摆动座的水平方向转动安装第二转杆，第二转杆上固定安装测温模块，第二转杆的端部具有传动锥齿轮组，传动锥齿轮组与单晶炉炉体外部的第二驱动电机连接。

19、优选的，所述水平摆动座与纵向摆动座的内部均具有呈s形分布的降温流道，降温流道的进、出口位于水平摆动座与纵向摆动座的两端，并且分别连通单晶炉炉体外部的冷却介质。

20、另一方面，本发明还提供了一种直拉单晶炉晶棒轴向温度梯度测量方法。

21、一种直拉单晶炉晶棒轴向温度梯度测量方法，使用上述所述的直拉单晶炉晶棒轴向温度梯度测量装置进行测量，包括以下步骤，

22、s1：在晶棒提拉生长过程中，通过测温模块沿晶棒轴向进行连续扫描，获取晶棒表面沿轴向的连续温度分布数据；

23、s2：实时获取晶棒的提拉速度和已生长长度，将各测量点位的温度数据与晶棒上对应的物理位置进行时空匹配；

24、s3：根据匹配后的温度数据和位置数据，生成晶棒轴向温度分布数据；

25、s4：计算并输出轴向温度梯度曲线，所述轴向温度梯度曲线为同一时刻不同高度处的温度分布；

26、s5：将实测轴向温度梯度曲线与预设目标温度梯度曲线进行比较，当实测轴向温度梯度超出目标范围时，自动调整拉速和/或加热器功率，使实测轴向温度梯度趋近目标值。

27、优选的，所述步骤s4中，轴向温度梯度的计算方法为：根据相邻两个测温点的温度差与高度差的比值，计算该区间的温度梯度；将各相邻区间的温度梯度连接，形成完整的轴向温度梯度曲线。

28、优选的，所述步骤s5中，当实测轴向温度梯度大于目标值时，降低拉速和/或增加加热器功率；当实测轴向温度梯度小于目标值时，提高拉速和/或降低加热器功率；

29、控制周期≤1s。

30、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

31、本发明提供一种直拉单晶炉晶棒轴向温度梯度测量装置，包括测温模块、位置同步模块、控制模块、闭环控制模块、输出模块；

32、所述测温模块安装于单晶炉炉体侧壁的观察窗处，通过电动扫描镜以摆动方式沿晶棒轴向进行扫描，用于非接触式测量晶棒表面沿轴向的连续温度分布；

33、所述位置同步模块与单晶炉的拉速控制器信号连接，用于实时获取晶棒的提拉速度和已生长长度，并将测温模块各测量点位的温度数据与晶棒上对应的物理位置进行时空匹配；

34、所述控制模块分别与测温模块和位置同步模块信号连接，用于根据温度数据和位置数据生成晶棒轴向温度分布数据，并计算轴向温度梯度；

35、所述闭环控制模块与控制模块及单晶炉的拉速控制器和/或加热器功率控制器信号连接，用于根据实测轴向温度梯度与预设目标温度梯度的比较结果，自动调整拉速和/或加热器功率；

36、所述输出模块与控制模块信号连接，用于输出晶棒轴向温度分布数据和轴向温度梯度曲线；

37、本发明在单晶炉炉体侧壁布置测温模块，通过电动扫描镜以摆动方式沿晶棒轴向采集多个点位的红外辐射数据，在晶棒提拉生长过程中同步测量各自对应高度处的晶棒表面温度，实现晶棒轴向温度分布的实时、连续测量。相比现有技术中采用多个独立红外测温装置的点式测量方案，本发明在一次扫描中可获得数百至上千个连续点的温度数据，数据连续性更好、成本更低、安装更简单。

38、其次，通过位置同步模块将温度数据与晶棒物理位置进行时空匹配，解决了晶棒持续运动中“温度-位置-时间”三维数据关联的技术难题，使得同一套测量数据可以同时支持空间维度（温度梯度）和时间维度（热历史）的分析；同时通过控制模块根据测温模块各点位的温度数据和位置数据，实时计算并输出轴向温度梯度曲线，即同一时刻不同高度处的温度分布。相比现有技术仅能输出“某一点位温度随时间变化”的热历史曲线，本发明输出的轴向温度梯度是从空间维度表征晶棒的冷却状态，为工程师提供了不同维度的工艺信息。且通过闭环控制模块将实测轴向温度梯度与目标值进行比较，自动调整拉速和/或加热器功率，实现了轴向温度梯度的主动控制而非被动监测，为改善晶体缺陷提供了直接的技术手段。

39、最后，本发明通过降温措施配合调节底座的结构布局将测温仪安装于炉体外部，既避免了炉内高温环境对仪器的损害，又解决了炉内部件遮挡测量路径的问题，可在现有直拉单晶炉上直接加装改造。且智能分析单元实现了固液界面位置的自动识别、特征温度点的自动标记以及温度场异常的自动识别与报警，将测量数据提升为可直接用于工艺分析的高价值信息。同时，通过在线校准模块解决了炉内环境（窗口污染、环境温度波动等）对测量精度的影响，保证了长期运行的测量准确性和可靠性。