一种硅熔液液面位置的检测装置及单晶炉的制作方法

1.本发明涉及单晶制备技术领域，具体涉及一种硅熔液液面位置的检测装置及单晶炉。


背景技术：

2.随着微电子产业制程的不断提高，对硅晶圆材料的品质有了更高的要求，而好的品质意味着要管控好晶棒中的晶体缺陷，这些缺陷的生成与晶棒的轴向温度差g有关，而轴向温度差g可以根据热场(hot zone)的设计和工艺优化进行调节。组合型套筒设计可以调节晶棒g和δg(晶棒边缘处的轴向温度差与晶棒中心处的轴向温度差的差值)、调节硅熔液固液气三相交界点稳定性、调节炉内氩气流动平稳性、有益于晶棒的无缺陷生长(defect-free)。另一方面，可以对拉晶工艺中一些重要参数进行优化和精确化处理，这其中一个重要参数就是熔体间隙(melt gap)，即硅熔液液面与导流筒的底部之间的距离，熔体间隙的测量和控制是拉晶工序中一个重要的参数指标，在化料结束之后要对熔体间隙进行测量，通过调整液面位置将熔体间隙调整到设定值；在后续的晶棒提拉过程中，提拉过程中熔液不断减少，液面会不断下降，与此同时坩埚要不断上升，这要求对熔体间隙要进行实时监控并精确调整。然而，现有技术中，硅熔液液面位置的检测精度较低，无法满足高精度调节拉晶工艺参数的需求，最终制备得到的硅晶圆材料的品质也无法满足如今市场越来越高的要求。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提供一种硅熔液液面位置的检测装置及单晶炉，能够解决现有技术中硅熔液液面位置的检测精度不高，无法满足高品质硅棒制备工艺的控制要求的问题。
4.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
5.本发明一方面实施例提供了一种硅熔液液面位置的检测装置，应用于单晶炉，所述单晶炉包括坩埚和位于坩埚正上方的导流筒和组合套筒，所述组合套筒设置于所述导流筒的内底部的开口处，所述检测装置包括：
6.双头吊钩，所述双头吊钩位于所述组合套筒的内侧，所述双头吊钩的上端与所述组合套筒的侧壁固定连接，所述双头吊钩的下端向下伸出于所述组合套筒的底部，用于在硅熔液液面形成倒影；
7.检测单元，所述检测单元用于捕捉所述双头吊钩的下端在所述硅熔液液面上形成的倒影成像。
8.可选的，所述双头吊钩包括插接头、连接杆和成像体，所述连接杆的两端分别连接所述插接头和所述成像体，所述插接头插设固定于所述组合套筒的侧壁中，所述成像体包括第一接触头和第二接触头，所述第一接触头与所述组合套筒的轴线的水平距离大于所述第二接触头与所述组合套筒的轴线的水平距离。
9.可选的，所述插接头的纵向截面为三角形或多边形，所述组合套筒的侧壁开设有与所述插接头的形状相适配的插接孔。
10.可选的，所述检测单元为ccd相机。
11.可选的，所述第一接触头的底部与所述硅熔液液面的距离大于所述第二接触头的底部与所述硅熔液液面的距离。
12.可选的，所述第一接触头和所述第二接触头形成为圆柱体，所述成像体还包括一连接块，所述连接块与所述连接杆固定连接，所述第一接触头的上端与所述连接块的底面固定连接，所述连接块的底面形成为多边形。
13.可选的，所述连接杆和所述第二接触头为一体结构。
14.可选的，所述组合套筒包括内筒、外筒和隔热层，所述外筒套设于所述内筒外围，所述隔热层设置于所述内筒和所述外筒之间，所述隔热层的侧壁均布有若干导热孔，所述外筒的外周面形成有若干环形凹槽，所述若干环形凹槽沿所述外筒的轴向间隔设置。
15.可选的，所述内筒的材质为石墨材料，所述隔热层的材质为碳纤维隔热毡。
16.本发明另一方面实施例还提供了一种单晶炉，所述单晶炉包括坩埚和位于坩埚正上方的导流筒和组合套筒，所述组合套筒设置于所述导流筒的内底部的开口处，还包括如上任一项所述的硅熔液液面位置的检测装置。
17.本发明上述技术方案的有益效果如下：
18.根据本发明实施例的检测装置，通过利用双头吊钩在硅熔液液面形成稳定且清晰的倒影，使检测单元能够通过准确捕捉倒影继而测得硅熔液液面的准确位置，从而确保了拉晶过程中各项参数的调节的准确性，提高了制得的晶棒的品质。
附图说明
19.图1为本发明实施例提供的单晶炉的示意图；
20.图2为本发明实施例提供的检测装置的示意图；
21.图3为本发明实施例提供的双头吊钩的示意图；
22.图4为本发明实施例中的内筒的结构示意图；
23.图5为本发明实施例中的内筒的截面示意图；
24.图6为本发明实施例中的隔热层的示意图；
25.图7为本发明实施例中的外筒的示意图；
26.图8为图7中a部分的放大示意图。
具体实施方式
27.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.请参考图1，为本发明实施例提供的单晶炉的示意图。如图1所示，本发明实施例提供一种硅熔液液面位置的检测装置，应用于单晶炉，所述单晶炉包括坩埚和位于坩埚正上方的导流筒1和组合套筒2，其中，坩埚可以包括石墨坩埚4和位于石墨坩埚4内部的石英坩
埚5，石英坩埚5用于盛放硅熔液6，导流筒1设置在坩埚上方，导流筒1呈上端开口大而下端开口小的形状，组合套筒2则搭设于导流筒1的内底部，组合套筒2的底部伸出于导流筒1的底部。
29.请参考图2，为本发明实施例提供的检测装置的示意图。如图2所示，本发明实施例中的硅熔液液面位置的检测装置包括双头吊钩8和检测单元，其中，双头吊钩8设置于组合套筒2的内侧，在安装状态下，双头吊钩8的上端与组合套筒2的侧壁固定连接，双头吊钩8的下端向下伸出于组合套筒2的底部，双头吊钩8的下端将在硅熔液6的液面形成清晰的倒影，而检测单元则用于捕捉双头吊钩8的下端在硅熔液6的液面上形成的倒影并成像，根据倒影成像即可进一步计算出双头吊钩8的底部与硅熔液6的液面的距离，最终得到准确的硅熔液6的液面位置。
30.在装配了组合套筒2的情况下，使用普通的石英吊钩在硅熔液6的液面形成倒影时，由于石英吊钩与晶棒3之间的距离很近，受晶棒3的干涉作用，石英吊钩在液面上的倒影容易被虚化，很不清晰。在拉晶等径工序阶段，要对硅熔液6的液面进行实时检测并调整，然而由于虚化的倒影很难被实时捕捉，因此很难实现对硅熔液6的液面位置的实时检测和调整。
31.由此，请参考图3，为本发明实施例提供的双头吊钩的示意图。如图3所示，本发明实施例中的双头吊钩8具体可以包括插接头81、连接杆82和成像体83，其中，在安装状态下，连接杆82的上端连接插接头81，而连接杆82的下端则连接成像体83，插接头81、连接杆82和成像体83可以呈一体设置，连接杆82的上部可以弯折呈一定角度，可选的，例如角度为80
°
～90
°
，插接头81的一端则与连接杆82的弯折的端部连接，插接头81插设固定于组合套筒2的侧壁中，从而实现双头吊钩8的空间位置的固定，并且插接头81和连接杆82的弯折部分可以使成像体83在远离位于组合套筒2中间区域的晶棒8，同时也可以使成像体83与组合套筒2的内侧壁之间有一定的距离，从而确保可以在硅熔液6的液面上形成清晰的倒影。可选的，成像体83包括第一接触头81和第二接触头82，其中，在安装状态下，第一接触头81与组合套筒2的轴线的水平距离大于第二接触头82与组合套筒2的轴线的水平距离，也就是说，第一接触头81相对于第二接触头82而言，距离沿组合套筒2的轴线提拉的晶棒3更远，这意味着第一接触头81受晶棒3的干涉作用更小，在硅熔液6的液面的成像更加清晰，不会被虚化，能够保证在拉晶时间内的倒影的完整，从而确保提拉工序阶段对硅熔液6的液面的实时检测以及调整的准确性。
32.本发明实施例中，在安装状态下，插接头81的纵向截面为三角形或多边形，也就是说，插接头81可以形成为三棱柱或者多棱柱形状，而在组合套筒2的侧壁上则开设有与插接头81的形状相适配的插接孔，插接头81插设于所述插接孔内实现固定连接，并且由于插接头的纵向截面为三角形或多边形，保证了双头吊钩8在拉晶过程中不会受氩气流的影响而发生偏转，避免了双头吊钩8无法保持竖直稳定而引入测量误差。
33.本发明实施例中，第一接触头831和第二接触头832形成为圆柱体形状，也就是说，在安装状态下，第一接触头831和第二接触头832的横截面形状均为圆形，成像体83还包括一连接块833，连接块833用于连接第一接触头831，具体来说，连接块833嵌设固定在连接杆82，插接头81与连接杆82的竖直部分所成角度和连接块833与连接杆82的竖直部分所成角度相同。
34.本发明实施例中，第一接触头831的底部与硅熔液6的液面之间的距离大于第二接触头832的底部与硅熔液6的液面之间的距离，也就是说，在竖直方向上，第二接触头832更靠近硅熔液6，从而，在硅材料刚完全融化时，可以通过使导流筒1及其下端的组合套筒2下降，使得固定于其上的第二接触头832的底部恰好与硅熔液6的液面发生接触，此时即可确定硅熔液6的初始液面的位置；在确定了初始液面位置后，在后续的晶棒提拉过程中，硅熔液6将不断减少，由此液面会不断下降，与此同时坩埚要不断上升，在这一过程中，需要对硅熔液6的液面位置进行实时监控并精确调整，而此时则可以通过第一接触头831在硅熔液6的液面上形成倒影，利用检测单元捕捉第一接触头831的下端在硅熔液6的液面上形成的倒影并成像，根据倒影成像即可进一步计算出双头吊钩8的底部与硅熔液6的液面的距离，最终得到准确的硅熔液6的液面位置，而且第一接触头81距离沿组合套筒2的轴线提拉的晶棒3更远，意味着第一接触头81受晶棒3的干涉作用更小，在硅熔液6的液面的成像更加清晰，不会被虚化，能够保证在拉晶时间内的倒影的完整，从而确保提拉工序阶段对硅熔液6的液面的实时检测以及调整的准确性。可见，第一接触头831和第二接触头832可以在不同的时刻起到不同的作用。
35.本发明实施例中，第一接触头831的上端与连接块833的底面固定连接，而连接块833的底面形成为多边形，例如为矩形、五边形、六边形等等，由此，连接块833将与第一接触头831一同在硅熔液6的液面上形成倒影，而多边形形状使得第一接触头831的底部在硅熔液6的液面上形成的倒影更加清晰，从而有利于对硅熔液6的液面位置的实时准确检测。
36.本发明实施例中，连接杆82可以和第二接触头832呈一体结构，也就是说，竖直状态下，连接杆82的下端直接形成为圆柱状的第二接触头832；当然，连接块833和第一接触头831也可以是一体结构，第一接触头831和第二接触头832之间具有一定的距离，以确保两者在硅熔液6的液面上所成的倒影不会连成一片，以免增加检测的难度，降低检测的准确性。
37.本发明实施例中，可选的，所述检测单元为ccd相机，检测单元可以通过获取第一接触头831在硅熔液6的液面上的倒影而成像，而后便可以计算分析得到硅熔液6的液面位置。
38.如图4-8所示，本发明实施例中，组合套筒2设置于导流筒1内，组合套筒2可以包括：内筒21、隔热层22以及外筒23，其中，内筒21的最小内径大于晶棒3的直径，以便晶棒3可以通过内筒21的内部空间；而外筒23则套设于内筒21外，外筒23的一端形成有一圈外凸缘，所述外凸缘用于与导流筒1的底部搭接，也就是说，组合套筒2设置于导流筒1的底部，导流筒1的内径逐渐减少，组合套筒2可以通过外凸缘搭设在导流筒1的内壁实现限位固定；隔热层22则设置在内筒21和外筒23之间，隔热层22具有良好的隔热保温效果。通过设置组合套筒2在导流筒1的内底部，可以使得晶棒的轴向温度差g可调范围变广，继而使得晶棒边缘处的轴向温度差与晶棒中心处的轴向温度差的差值δg接近于理想值，从而获得无缺陷区域较大晶棒，由此提高生长得到的晶棒的整体品质。
39.在本发明的一些实施例中，内筒21的内径自一端向另一端逐渐减小，也就是说，在竖向设置的安装状态下，内筒21的内径自上而下逐渐减小，内筒21的轴向截面成锥形设置，也即内筒21的厚度自上而下逐渐增加，通过将内筒21设置成这样的形状，可以利用内筒21厚度较厚的底部很好的阻挡下方高温熔液所传递的一部分热量，以免晶棒边缘处的轴向温度差变小、而晶棒中心处的轴向温度差却基本不变、进而使得δg增大的问题。
40.在一些可选实施例中，内筒21和外筒23的材质可以为石墨、钼中的任意一者，内筒21和外筒23可以选用相同的材质，也可以选用不同的材质，石墨和钼的化学性质稳定、耐腐蚀、耐高温，可以保证在高温的单晶炉内保持稳定。
41.如图6所示，本发明的一些实施例中，隔热层22设置在内筒21和外筒23之间，隔热层22的侧壁均布有若干导热孔221，由于隔热层22具有较好的隔热保温效果，而一定的热量又可以通过导热孔221传输到晶棒3的表面，从而通过控制导热孔221的数量，可以控制传输到晶棒3的表面的热量值，从而实现对晶棒3的轴向温度差的调节控制，以使晶棒获得更大的无缺陷区域。在可选的实施例中，隔热层22具体可以是碳纤维隔热毡，碳纤维隔热毡具有良好的隔热保温效果，并且耐高温，可以适应单晶炉的炉内高温。
42.如图7-8所示，本发明实施例中，外筒23的外周面形成有若干环形凸纹，若干环形凸纹沿外筒23的轴向间隔设置，这些环形凸纹可以增加热量的轴向传输，从而使得晶棒3的轴向温度差维持在一个较为理想的范围内，以形成利于无缺陷晶棒的生长环境。在一些可选的实施例中，若干环形凸纹可以成波浪状环绕在外筒23的外周，也可以成螺旋状环绕在外筒23的外周。
43.在本发明的一些实施例中，内筒21、隔热层22以及外筒23的同一侧部位开设有一监控缺口，该监控缺口用于为晶棒直径监控单元7(auto diameter control，简称adc)提供监测通道；也就是说，由于组合套筒2设置于导流筒1的底部，包围住了晶棒3，因此，为了方便对晶棒3的直径进行实时的监控，需要在组合套筒2上开设监控缺口，也即在内筒21、隔热层22以及外筒23的同一侧部位开设监控缺口以提供检测通道，从而晶棒直径监控单元7可以通过该监控缺口对晶棒3的直径进行监控。
44.总之，根据本发明实施例的检测装置，通过利用双头吊钩在硅熔液液面形成稳定且清晰的倒影，使检测单元能够通过准确捕捉倒影继而测得硅熔液液面的准确位置，从而确保了拉晶过程中各项参数的调节的准确性，提高了制得的晶棒的品质。
45.本发明另一方面实施例还提供了一种单晶炉，所述单晶炉包括坩埚和位于坩埚正上方的导流筒和组合套筒，所述组合套筒设置于所述导流筒的内底部的开口处，所述单晶炉还包括如上实施例中所述的硅熔液液面位置的检测装置。由于上述实施例中的检测装置具有上述有益效果，本发明实施例中的单晶炉也对应具有上述有益效果，为避免重复，在此不再赘述。
46.以上所述是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。