專(zhuān)利名稱(chēng)：由多晶硅裝料制備熔化的硅熔體的方法和裝置的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明一般涉及單晶硅的生產(chǎn)，更具體地說(shuō)，涉及由多晶硅制備熔化的硅熔體的方法和裝置。
大多數(shù)用于微電子電路制造的單晶硅都是用直拉法(CZ)制備。在這種方法中，通過(guò)在坩堝中將多晶硅熔化，將一籽晶浸入熔化的硅中，以一種足以得到晶錠所希望直徑的方式提拉籽晶并在那個(gè)直徑下生長(zhǎng)單晶來(lái)生產(chǎn)單晶硅錠。熔融形成熔化的硅的多晶硅通常是用西門(mén)子(Siemens)法制備的不規(guī)則形狀的塊狀多晶硅，或者可供選擇地，通常是用流化床反應(yīng)法制備的自由流動(dòng)的，一般為球形的粒狀多晶硅。
初始將塊型多晶硅裝入坩堝并將其熔化，可能會(huì)將不想要的雜質(zhì)和缺陷引入單晶硅錠中。例如，當(dāng)坩堝初始完全裝入塊狀多晶硅時(shí)，在完全裝滿料的負(fù)荷下塊體的邊緣可能刮傷和擦傷坩堝壁，產(chǎn)生損傷的坩堝壁和造成坩堝顆粒物漂浮在硅熔體上或懸浮在硅熔體中。這些雜質(zhì)大大增加了在單晶內(nèi)形成位錯(cuò)的可能，降低了無(wú)位錯(cuò)單晶的生產(chǎn)率和產(chǎn)量。在初始裝料過(guò)程中小心配置塊狀多晶硅可以使熱應(yīng)力減至最小。然而，隨著熔化的進(jìn)行，裝料可以移動(dòng)，或者塊狀多晶硅的下部可以熔化掉，并留下未熔化的材料“吊鉤”粘在熔體上方的坩堝壁上，或者未熔化的材料“橋”跨在熔體上方坩堝壁的相對(duì)側(cè)之間。當(dāng)裝料移動(dòng)或者吊鉤或橋坍塌時(shí)，它可能濺起熔化的硅和/或造成對(duì)坩堝的機(jī)械應(yīng)力損傷。此外，初始裝入100％塊狀多晶硅由于這種塊狀材料差的填充密度而限制了可以裝料的材料體積。體積的限制直接影響了單晶產(chǎn)量。
當(dāng)CZ坩堝初始完全用粒狀多晶硅裝料時(shí)問(wèn)題同樣存在。由于粒狀多晶硅熱導(dǎo)率低，所以需要大量功率來(lái)熔化它。由于景露在這種高熔化功率下而在坩堝中誘生的熱應(yīng)力，可能引起坩堝變形及使坩堝的顆粒物松散并懸浮于熔體中。象機(jī)械應(yīng)力一樣，這些熱應(yīng)力導(dǎo)致減少晶體產(chǎn)量。下面相對(duì)于本發(fā)明公開(kāi)了與初始裝料包括100％粒狀多晶硅有關(guān)的另一些問(wèn)題。最后，盡管粒狀多晶硅的初始裝料可以在體積上大于100％塊狀多晶硅的初始裝料，但通常不會(huì)使總產(chǎn)量更高，因?yàn)檑釄迳系臒釕?yīng)力程度隨初始裝料量而增加。
不管坩堝初始是裝塊狀還是裝粒狀多晶硅，在許多方法中都希望用加料/計(jì)量系統(tǒng)加多晶硅到熔體中，以便增加坩堝中熔化的硅量。這種補(bǔ)充裝入添加的多晶硅用于成批、半連續(xù)或連續(xù)方法系統(tǒng)是已知的。在成批生產(chǎn)系統(tǒng)中，例如，鑒于初始的多晶硅原料熔化之后體積減小，可以將補(bǔ)充的多晶硅裝入現(xiàn)存的熔體中，以便達(dá)到滿裝的坩堝容量。
為此，共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專(zhuān)利No.5,588,993公開(kāi)了一種由多晶硅裝料制備熔化的硅的方法，其中將多晶硅，優(yōu)選的是塊狀多晶硅裝入坩堝中并部分熔化，以便形成熔化的硅和未熔化的硅，上述未熔化的硅具有一個(gè)在熔化的硅上方延伸的上表面(或者叫做未熔化的硅島)。粒狀多晶硅加到露出的未熔化的硅上，直至在坩堝中裝入所希望的多晶硅總量。然后將粒狀多晶硅和未熔化的硅完全熔化，以便形成熔化的硅熔體。這種方法導(dǎo)致在生產(chǎn)單晶硅錠過(guò)程中提高了零缺陷生產(chǎn)率、產(chǎn)量及平均熱循環(huán)時(shí)間。
然而，這種方法的成功性能要求操作人員在將粒狀多晶硅加到未熔化的硅上時(shí)用人工觀察，并根據(jù)觀察結(jié)果控制坩堝中未熔化的硅島的尺寸。島的尺寸通過(guò)改變側(cè)面和底部加熱器功率以及將粒狀多晶硅加到島上的加料速率進(jìn)行控制。例如，如果島變得太大，則島與坩堝側(cè)壁的搭橋就成問(wèn)題了，操作人員就要降低加料速率。如果島變得太小，則有粒狀多晶硅不合要求地直接落入熔體中的危險(xiǎn)，操作人員就要增加加料速率。這種作法由于操作人員和在熔化過(guò)程中操作人員注意力程度的不同可能導(dǎo)致晶體質(zhì)量有很大的可變性(變動(dòng))。
在本發(fā)明的一些目的和特點(diǎn)中，可以注意到提供一種用于在拉晶裝置中由多晶硅制備熔化的硅熔體的方法和裝置；提供一種提高晶體質(zhì)量的一致性的方法和裝置；提供一種自動(dòng)控制多晶硅加入拉晶裝置的坩堝中的速率的方法和裝置；提供一種增加拉晶裝置的產(chǎn)量的方法和裝置；及提供一種可以有效而經(jīng)濟(jì)地實(shí)施的方法和一種經(jīng)濟(jì)上適用和商業(yè)上實(shí)用的裝置。
一般，本發(fā)明的用于在拉晶裝置中由多晶硅制備熔化的硅熔體的方法包括將多晶硅裝入坩堝中。裝入坩堝中的多晶硅量顯著地(明顯地)少于預(yù)定的待在坩堝中熔化的多晶硅總量。然后將坩堝加熱到使坩堝中的多晶硅熔化，以便在坩堝中形成部分熔化的裝料。部分熔化的裝料包括具有上表面的熔化的硅和一個(gè)露在熔化的硅的上表面之上的未熔化的多晶硅島。從一個(gè)加料器將粒狀多晶硅加到坩堝中未熔化的多晶硅島上，直至預(yù)定的多晶硅總量裝入坩堝中為止。未熔化的多晶硅島相對(duì)于坩堝側(cè)壁的位置用電子學(xué)方法(用電子裝置)確定，隨著粒狀多晶硅加到坩堝中未熔化的多晶硅島上進(jìn)行這個(gè)步聚。從加料器將粒狀多晶硅加料到未熔化的多晶硅島上的加料速率，根據(jù)測(cè)得的未熔化的多晶硅島相對(duì)于在熔化的硅的上表面處的坩堝側(cè)壁的位置進(jìn)行控制。
在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明的在用來(lái)按照直拉法生長(zhǎng)單晶硅錠的拉晶機(jī)中用于由多晶硅制備熔化的硅熔體的裝置，包括一個(gè)加熱器，上述加熱器用于將拉晶機(jī)的坩堝加熱到使坩堝中的多晶硅熔化，以便在坩堝中形成部分熔化的裝料，上述部分熔化的裝料包括在坩堝中具有上表面的熔化的硅和一個(gè)露在熔化的硅的上表面之上的未熔化的多晶硅島。一個(gè)加料器適用于將粒狀的多硅加到坩堝中的未熔化的多晶硅島上。安裝一個(gè)攝像機(jī)，用于產(chǎn)生至少一部分坩堝、熔化的硅和未熔化的多晶硅島的視頻圖像信號(hào)。提供一視覺(jué)系統(tǒng)，它能用電學(xué)方法從視頻圖像信號(hào)確定未熔化的多晶硅島相對(duì)于坩堝側(cè)壁的位置。加料器與視覺(jué)系統(tǒng)電通信，并對(duì)側(cè)得的未熔化的多晶硅島相對(duì)于坩堝側(cè)壁的位置作出響應(yīng)，以控制從加料器將粒狀多晶硅加到未熔化的多晶硅島上的加料速率。
附圖簡(jiǎn)介

圖1示意表示出一種拉晶機(jī)，該樣晶機(jī)包括本發(fā)明的用于由多晶硅制備熔化的硅熔體的裝置；圖2是圖1的裝置的一個(gè)控制單元和攝像機(jī)的方框圖；圖3是圖2的控制單元按照本發(fā)明的用于由多晶硅制備熔化的硅熔體的方法的操作流程圖；及圖4是示出將粒狀多晶硅加到多晶硅的部分熔化的裝料上的拉晶機(jī)的局部剖視圖。
在所有附圖中用相應(yīng)的標(biāo)號(hào)表示相應(yīng)的部件。
發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明現(xiàn)在參見(jiàn)附圖，尤其是參見(jiàn)圖1，所示出的本發(fā)明裝置與用來(lái)按照直拉法生長(zhǎng)單晶硅錠的那種拉晶機(jī)一同使用，該拉晶機(jī)總體用標(biāo)號(hào)23表示。拉晶機(jī)23包括一個(gè)外殼，該外殼總體用標(biāo)號(hào)25表示，用于隔離一個(gè)內(nèi)部，上述內(nèi)部包括一個(gè)晶體生長(zhǎng)室27。一個(gè)石英坩堝29支撐在生長(zhǎng)室27中并裝有熔化的半導(dǎo)體源材料M，單晶硅錠由上述半導(dǎo)體源材料M生長(zhǎng)。一個(gè)加熱器電源39使外接坩堝29的電阻加熱器41通電，以便在坩堝中形成熔化的硅M。保溫層43襯在外殼25的內(nèi)壁上。坩堝驅(qū)動(dòng)單元31使坩堝29朝順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，如箭頭所示，并在生長(zhǎng)過(guò)程中升降坩堝，以便隨著晶錠C生長(zhǎng)和源材料M從熔體中移出而保持熔化的源材料M的表面處于基本恒定的水平。
拉晶機(jī)構(gòu)包括一個(gè)提拉軸33，該提拉軸33從晶體驅(qū)動(dòng)單元35向下延伸，晶體驅(qū)動(dòng)單元35能使提拉軸上升、下降和旋轉(zhuǎn)。拉晶機(jī)23可以具有一個(gè)提拉線(未示出)而不是提拉軸33，這取決于拉晶機(jī)的類(lèi)型。提拉軸33收尾于一個(gè)籽晶夾頭37，上述籽晶夾頭37夾持一個(gè)用來(lái)生長(zhǎng)單晶錠C的籽晶(未示出)。按照直拉晶體生長(zhǎng)法，晶體驅(qū)動(dòng)單元35使提拉軸33朝與坩堝29旋轉(zhuǎn)方向相反的方向旋轉(zhuǎn)。如圖1所示，在拉晶機(jī)外殼25的觀察孔47中安裝一個(gè)觀察攝像機(jī)45，用于監(jiān)視晶錠C的生長(zhǎng)。
一個(gè)裝有粒狀多晶硅的加料器51由拉晶機(jī)23支撐，并具有一個(gè)石英制的加料管53，加料管53懸掛在加料器51上并穿過(guò)拉晶機(jī)外殼25向下延伸到生長(zhǎng)室27內(nèi)，用于將粒狀多晶硅加入坩堝29中。加料管53可在生長(zhǎng)室27內(nèi)運(yùn)動(dòng)，用于選擇性定位在一個(gè)加料位置(圖4)和一個(gè)非加料位置(未示出)之間；在上述加料位置中，加料管的出口55設(shè)置在坩堝29的上方，以將粒狀多晶硅加入坩堝中；而在上述非加料位置中，加料管在晶錠C生長(zhǎng)期間離開(kāi)坩堝設(shè)置?？刂茊卧?7電連接到拉晶機(jī)23的各種操作部件，如坩堝驅(qū)動(dòng)單元31、晶體驅(qū)動(dòng)單元35和加熱器電源39上，以便控制拉晶機(jī)的操作。拉晶機(jī)23的一般結(jié)構(gòu)和操作除了下面更全面說(shuō)明的范圍之外是該技術(shù)人員眾所周知的，因而不再進(jìn)一步說(shuō)明。
仍參見(jiàn)圖1，本發(fā)明的裝置總體用標(biāo)號(hào)61表示并部分地包括加料器51和控制單元57?？刂茊卧?7與加料器51電通信，用于自動(dòng)控制加料器的操作。然而，應(yīng)該理解，在不脫離本發(fā)明范圍情況下，可以用與用來(lái)控制拉晶機(jī)23各種部件操作的控制單元57分開(kāi)的一個(gè)控制單元(未示出)來(lái)控制加料器51的操作。裝置61還包括一個(gè)安裝在拉晶機(jī)23外殼25上的兩維攝像機(jī)63，該攝像機(jī)63與控制單元57電通信，用于在熔化過(guò)程中連續(xù)監(jiān)視坩堝29及其內(nèi)裝物。攝像機(jī)63安裝在拉晶機(jī)外殼25的觀察孔65中，并且基本對(duì)準(zhǔn)拉晶機(jī)的中心軸線X與坩堝中熔化的硅的上表面U的交點(diǎn)處。
例如，攝像機(jī)63可以安裝成與拉晶機(jī)23的中心軸線X成近似15°-34°的角度。攝像機(jī)63優(yōu)選的是一種單色電荷耦合器件(CCD)攝像機(jī)，如具有768×494象素分辨率的Sony XC-75 CCD電視攝像機(jī)。另一種合適的攝像機(jī)63是Javelin SmartCam JE攝像機(jī)。攝像機(jī)63優(yōu)選的是裝備有一種鏡頭(未示出)，該鏡頭提供足夠?qū)挼挠糜诋a(chǎn)生圖像的視野，該視野包括坩堝29的至少一部分側(cè)壁67(圖4)、暴露在熔化的硅的表面U上方的未熔化硅I的周邊邊緣、以及在暴露的未熔化的硅和坩堝側(cè)壁中間的熔化的硅M。作為另一個(gè)例子，下面所述優(yōu)選實(shí)施例的攝像機(jī)63裝備成用于觀察坩堝29及其內(nèi)裝物的約50％-75％。坩堝29及其內(nèi)裝物實(shí)質(zhì)上是自發(fā)光的，因此攝像機(jī)57不需要外部光源。
圖2以方框圖形式示出控制單元57的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。攝像機(jī)63通過(guò)一個(gè)線路69(比如RS-170視頻電纜)將視頻圖像傳送到視覺(jué)系統(tǒng)71上。視覺(jué)系統(tǒng)包括一個(gè)電視圖像幀緩沖器73和一個(gè)用于捕捉和處理視頻圖像的圖像處理器75。作為一個(gè)例子，視覺(jué)系統(tǒng)71是CX-100 ImagenationFrame Grabber或Cognex CVS-4400視覺(jué)系統(tǒng)。進(jìn)而，視覺(jué)系統(tǒng)71通過(guò)線路79與一可編程序的邏輯控制器(PLC)77通信。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，PLC 77是由Texas Instruments制造的575型PLC或545型PLC，而線路79代表一個(gè)通信接口(比如VME底板接口)。
視覺(jué)系統(tǒng)71還通過(guò)線路83(比如RS-170 RGB視頻電纜)與一視頻顯示器81通信用于顯示由攝像機(jī)63所產(chǎn)生的視頻圖像，及通過(guò)線路91(比如RS-232電纜)與計(jì)算機(jī)89通信用于給視覺(jué)系統(tǒng)編程序。如圖2所示，PLC 77通過(guò)線路87(比如RS-485電纜)與一個(gè)或多個(gè)過(guò)程輸入/輸出模塊85通信。過(guò)程輸入/輸出模塊85提供一條往來(lái)加料器51的路線，用于自動(dòng)控制加料器的操作。操作員接口計(jì)算機(jī)93還通過(guò)線路95(比如RS-232電纜)與PLC通信，以便讓拉晶機(jī)操作員在拉晶機(jī)23操作過(guò)程中將所希望的操作程序輸入到PLC和/或從PLC取回操作信息。
現(xiàn)在參見(jiàn)圖3，本發(fā)明用于制備熔化的硅的方法按照流程圖進(jìn)行，該流程圖總體用標(biāo)號(hào)101表示，利用本發(fā)明的裝置61提供加料器51的閉環(huán)控制。在步驟103處開(kāi)始，拉晶機(jī)23，包括控制單元57，用預(yù)定的參數(shù)設(shè)置初始化，對(duì)這些預(yù)定的參數(shù)設(shè)置下面將更詳細(xì)地計(jì)論。它們或是已經(jīng)編碼到控制單元的PLC 77中，或是通過(guò)操作員接口計(jì)算機(jī)93輸入到PLC上。作為初始化步驟103的一部分，和按照將多晶硅裝入坩堝29中的優(yōu)選方法，如共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專(zhuān)利No.5,588,993中所公開(kāi)的一此處包括其內(nèi)容作為參考文獻(xiàn)，將預(yù)定量的多晶硅裝入坩堝中。盡管無(wú)論是粒狀多晶硅還是塊狀多晶硅都可以用于初始裝料，但塊狀多晶硅一般是優(yōu)選的。初始裝料用粒狀多晶硅會(huì)造成比較差的生產(chǎn)率和在單晶硅錠C中形成的大空隙缺陷的高發(fā)生率。據(jù)信，粒狀多晶硅在坩堝29的底部處吸收氣體如氬氣或氫氣，并且這些氣體以后在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中作為氣泡釋放到硅熔體M中。其中一些氣泡變成在晶體生長(zhǎng)界面處附著到晶體C上，由此形成空隙缺陷。初始裝料用塊狀多晶硅避免了形成這些空隙缺陷，并且一般得到較高的生產(chǎn)率。
初始裝入坩堝29中的多晶硅的預(yù)定量?jī)?yōu)選的是針對(duì)單晶硅錠C的質(zhì)量和生產(chǎn)量進(jìn)行優(yōu)化。如果太多的塊狀多晶硅裝入坩堝29，則產(chǎn)生較高的機(jī)械應(yīng)力，并且還有增加裝料移位或形成搭橋或吊掛的可能性。有利于粒狀多晶硅的經(jīng)濟(jì)、可獲得性或其它因素也可以有助于減少初始裝料中塊狀多晶硅的量。然而，如果裝入坩堝29中的塊狀多晶硅的量太少，則需要大得多的功率來(lái)熔化內(nèi)裝料。與使用這種較高功率有關(guān)的坩堝側(cè)壁67的較高溫度會(huì)造成過(guò)早的坩堝29品質(zhì)惡化。除了這些因素之外，初始裝料量也隨坩堝設(shè)計(jì)、熱區(qū)設(shè)計(jì)及所生產(chǎn)的晶體產(chǎn)品類(lèi)型而變。例如，在用22英寸坩堝29總裝料量為100kg時(shí)，初始裝入40-65kg塊狀多晶硅是優(yōu)選的，裝料50-60kg是更優(yōu)選的，及裝料55kg是最優(yōu)選的。
另外在初始化103過(guò)程中，控制單元51使加熱器電源39通電，以便向拉晶機(jī)外殼25中的加熱器41提供電力，用于開(kāi)始熔化初始裝入坩堝29中的多晶硅。如圖4所示，多晶硅的最初熔化造成在坩堝中形成部分熔化的硅，它包括熔化的硅M和未熔化的多晶硅。由于坩堝輻射熱量，所以多晶硅往往會(huì)在坩堝側(cè)壁附近比坩堝中央處漸漸熔化得更快。結(jié)果，具有熔體表面U或熔體液位的熔化硅M開(kāi)始包圍未熔化的多晶硅，使一個(gè)未熔化的多晶硅島I至少部分地在熔化的硅的熔體表面之上露出。島I從靠近或甚至可以接觸坩堝側(cè)壁處起身，并且隨著島的周邊邊緣熔化并變成熔化的硅的一部分而最終收縮。
在步驟105，當(dāng)多晶硅的初始裝料熔化時(shí)，視覺(jué)系統(tǒng)71的幀緩沖器73捕捉來(lái)自攝像機(jī)63的視頻圖像信號(hào)的圖像，供由圖像處理器75處理。在優(yōu)選實(shí)施例中，圖像由視覺(jué)系統(tǒng)71間歇地獲得和處理，如約每分鐘10次(亦即每六秒鐘一次)，以便隨著坩堝(及坩堝中未熔化的硅)繞拉晶機(jī)23的中心軸線X旋轉(zhuǎn)，監(jiān)測(cè)繞坩堝的各個(gè)周邊位置中熔化的多晶硅。
捕捉的圖像包括許多象素(未示出)，每個(gè)象素都具有一個(gè)代表檢測(cè)的圖像的光學(xué)特征的值。在這種情況下，各象素值，或者灰度級(jí)相當(dāng)于象素的光強(qiáng)。在步驟107和109處，圖像處理器75隨象素值而變地處理圖像，以便確定在熔體表面U處坩堝側(cè)壁67的位置或邊緣，和未熔化的多晶硅島I一般橫向向內(nèi)相對(duì)于已確定的坩堝側(cè)壁位置的周邊邊緣。以這種方式定位邊緣也叫做邊緣檢測(cè)法。邊緣一般定義為圖像在比較小的空間區(qū)域范圍內(nèi)灰度級(jí)有比較大變化的區(qū)域。對(duì)應(yīng)于在熔體表面U處坩堝側(cè)壁67和未熔化的多晶硅島I周邊邊緣的象素，具有比島和坩堝側(cè)壁中間的熔化的硅M以及未熔化的硅島I的中央部分高得多的灰度級(jí)或象素值(亦即它們顯得更亮)。
更具體地說(shuō)，在步驟107處，圖像處理器75限定至少兩個(gè)被幀緩沖器73所捕捉的圖像中所要研究的(考慮的)界定的區(qū)域(未示出)。這些要研究的區(qū)域也叫做窗口區(qū)域或邊緣定位工具，它們?yōu)橐话阆鄬?duì)于圖像具有已知坐標(biāo)系的矩形窗口形式，以便在所要研究的區(qū)域中包圍一已知數(shù)量的象素。圖像中每個(gè)窗口區(qū)域的位置基于待定位邊緣的估測(cè)位置。例如，本發(fā)明的一個(gè)窗口區(qū)域從坩堝側(cè)壁67外部橫向穿過(guò)該側(cè)壁延伸到坩堝29內(nèi)的熔化硅M中，以便檢測(cè)窗口區(qū)域內(nèi)熔體表面U處坩堝側(cè)壁的坐標(biāo)位置。這個(gè)窗口橫向延伸到熔化的硅M中一定距離，該距離明顯小于島I橫向向內(nèi)的周邊邊緣距坩堝側(cè)壁67的一個(gè)預(yù)定的最小間距，如下要將要進(jìn)一步計(jì)論的，以便在這個(gè)窗口區(qū)域檢測(cè)不出島的周邊邊緣。通過(guò)對(duì)在由已知坐標(biāo)界定的窗口區(qū)域內(nèi)的一個(gè)邊緣(比如在熔體表面處的坩堝側(cè)壁)進(jìn)行定位，可以確定所定位的邊緣的坐標(biāo)。第二窗口區(qū)域從坩堝側(cè)壁67的內(nèi)部橫向延伸，亦即從熔化的硅M內(nèi)橫向向內(nèi)延伸一個(gè)距離，該距離足夠覆蓋上未熔化的硅島I，以便在這個(gè)第二窗口區(qū)域內(nèi)檢測(cè)島的周邊邊緣。盡管用兩個(gè)分立的窗口區(qū)域是優(yōu)選的，然而，可以設(shè)想，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，也可以用一個(gè)尺寸制定成貫穿坩堝29和島I周邊邊緣兩者的單個(gè)窗口區(qū)域。
在步驟109處，邊緣檢測(cè)操作實(shí)施用上述步驟所限定的窗口區(qū)域測(cè)定坩堝側(cè)壁67在熔體表面U處和島I周邊邊緣的坐標(biāo)位置。用于找出圖像中邊緣的各種邊緣檢測(cè)操作或算法是該技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的。例如，合適的邊緣檢測(cè)程序包括Canny或Hough算法。應(yīng)該理解，除了強(qiáng)度(明暗度)之外，在不脫離本發(fā)明范圍情況下，圖像的其它特征如強(qiáng)度梯度，顏色或?qū)Ρ榷龋伎梢杂脕?lái)給坩堝側(cè)壁67和未熔化的硅島I的邊緣光學(xué)定位。
圖像處理器75將測(cè)得的坩堝側(cè)壁67和島I的周邊邊緣的坐標(biāo)位置報(bào)告給PLC 77。在步驟111處，PLC執(zhí)行一程序，以根據(jù)坩堝側(cè)壁67和島I的周邊邊緣坐標(biāo)位置確定未熔化的硅島距坩堝側(cè)壁的橫向間距。然后，在步驟113處，基于一預(yù)定數(shù)目的連續(xù)時(shí)間增量，比如100個(gè)，計(jì)算島I距坩堝側(cè)壁67的時(shí)間平均橫向間距，以便濾出未熔化的硅島的橫向尺寸變化。在所示的實(shí)施例中，橫向間距按照島I的周邊邊緣與坩堝側(cè)壁67之間的象素?cái)?shù)，亦即從島周邊邊緣橫坐標(biāo)減去坩堝側(cè)壁橫坐標(biāo)計(jì)算。在優(yōu)選實(shí)施例中，每個(gè)象素對(duì)應(yīng)于一個(gè)預(yù)定的長(zhǎng)度單位例如約1mm。
在步驟115處，PLC 77確定是否已開(kāi)始將補(bǔ)充的多晶硅加入坩堝29中。如果否，則PLC確定(步驟117)在加熱器41增加電力之后是否經(jīng)過(guò)了一個(gè)預(yù)定的初始熔化時(shí)間周期。初始熔化時(shí)間應(yīng)足夠讓初始裝入坩堝中的多晶硅部分熔化，以便形成被熔化的硅包圍的未熔化的硅島I。在優(yōu)選實(shí)施例中，初始熔化時(shí)間約為3小時(shí)。如果未經(jīng)過(guò)初始熔化時(shí)間，則初始裝入的多晶硅的熔化繼續(xù)進(jìn)行，并且過(guò)程前進(jìn)到步驟119，在此PLC 77在重復(fù)前述步驟之前等待下一個(gè)時(shí)間增量(比如6秒)。
一旦經(jīng)過(guò)了初始熔化時(shí)間，PLC 77在步驟121處確定未熔化的多晶硅島I距坩堝側(cè)壁67的時(shí)間平均橫向間距是否超過(guò)一預(yù)定的最小間距(亦即島I已充分收縮，以使它的周邊邊緣向內(nèi)離開(kāi)坩堝側(cè)壁一個(gè)所希望的距離)，超過(guò)上述預(yù)定的最小間距可以開(kāi)始將補(bǔ)充的多晶硅加入到坩堝29中。例如，在優(yōu)選實(shí)施例中，用于啟動(dòng)加料器51的預(yù)定最小間距是110個(gè)象素(亦即在優(yōu)選實(shí)施例中約110mm)。當(dāng)經(jīng)過(guò)了初始熔化時(shí)間并超過(guò)島I與坩堝側(cè)壁67的預(yù)定最小間距時(shí)，控制單元57在步驟123處通過(guò)輸入/輸出模塊85向加料器51發(fā)出信號(hào)，以便將粒狀多晶硅向下穿過(guò)加料管53加料，用以輸送到未熔化的硅島I上，直至將多晶硅總量全裝入坩堝29中為止。
如圖4所示，隨著島與坩堝聯(lián)合旋轉(zhuǎn)，粒狀多晶硅一般朝向島的周邊邊緣加到未熔化的多晶硅島I上。盡管將粒狀多晶硅加到島I的中央上是可接受的，但現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)將粒狀多晶硅加到周邊邊緣上導(dǎo)致形成更理想的較寬、較平坦的島，因此是優(yōu)選的。在本發(fā)明的方法中，粒狀多晶硅是在10kg/hr的初始加料速率下加到島I上的。初始加到坩堝29中的多晶硅與待要加到島I上的粒狀多晶硅二者的重量比優(yōu)選是在約2∶3和約2∶1之間，而更優(yōu)選的是在約1∶1和3∶2之間。在上述例子中，對(duì)22英寸坩堝的100kg總裝料量，裝入55kg塊狀多晶硅是最優(yōu)選的，總裝料量的余量(例如45kg)以粒狀多晶硅加到露出的未熔化的多晶硅島I上。與塊狀多晶硅相比，粒狀多晶硅一般更容易加料并產(chǎn)生更均勻的滯留時(shí)間。優(yōu)選的是，粒狀多晶硅沒(méi)有粉塵，并且90％(按重量計(jì))的顆粒的粒徑分布在約400μm-約1400μm范圍內(nèi)。
隨著坩堝29中的硅繼續(xù)熔化，在顆粒變得浸入熔化的硅M中之前，從加料器51出來(lái)的粒狀多晶硅繼續(xù)在熔體表面U上方形成島I。盡管粒狀多晶硅的顆粒滯留在島I上，但當(dāng)它滯留在未熔化的多晶硅表面上時(shí)和在它變成浸沒(méi)在熔化的硅M中之前，顆粒的溫度以一種足以讓粒狀多晶硅脫氫的方式迅速上升。在將粒狀多晶硅加到未熔化的硅島I上的整個(gè)過(guò)程中，控制單元57都持續(xù)以一預(yù)定的時(shí)間間隔獲取圖像(步驟105)，并按照步驟107-113處理這些圖像，以便確定島I的周邊邊緣距在熔化的硅M上表面U處的坩堝側(cè)壁67的平均橫向間距。
在步驟125處，PLC 77確定島I的周邊邊緣與坩堝側(cè)壁67之間的平均橫向間距是否在一預(yù)定的合格范圍內(nèi)，例如100-120象素(比如100mm-120mm)。如果該平均橫向間距超出這個(gè)范圍，島I變成不合要求的小，因而增加了粒狀多晶硅直接落入熔體中或者不然熔化太快以致不發(fā)生脫氫的危險(xiǎn)。PLC 77前進(jìn)到步驟127，以便確定目前從加料器51排放粒狀多晶硅的加料速率是否已經(jīng)達(dá)到一預(yù)定的最大加料速率，比如25kg/hr。如果已達(dá)到了，則對(duì)加料速率不進(jìn)行調(diào)節(jié)。否則，PLC 77通過(guò)輸入/輸出模塊85催促加料器51(步驟129)按一預(yù)定的增量如5kg/hr增加加料速率。倘若橫向間距落到低于合格的范圍，正如步驟131所確定的，則島I變成不合要求的大。PLC 77在步驟133確定目前從加料器51排放粒狀多晶硅的速率是否已達(dá)到加料器的最小加料速率。如果已達(dá)到了，則對(duì)加料速率不進(jìn)行調(diào)節(jié)。否則，PLC 77通過(guò)輸入/輸出模塊85催促加料器51(步驟135)按一預(yù)定的增量如5kg/hr降低加料速率。
加料持續(xù)至已將最終硅熔體中所希望的硅質(zhì)量總量全裝入坩堝29中，此時(shí)指示加料器中斷將粒狀多晶硅加到坩堝中。按照步驟137，只要加料繼續(xù)，邏輯就返回步驟119，直至達(dá)到下一個(gè)時(shí)間增量并重復(fù)該流程。在粒狀多晶硅的加料完成之后，坩堝29中的大部分硅都是熔化的硅M，而留下較少量固化的硅質(zhì)量。一同包括留下的固化的硅質(zhì)量的粒狀多晶硅和未熔化的多晶硅，然后進(jìn)一步熔化以便形成熔化的硅熔體。
在如上所述本發(fā)明的裝置61和方法中，實(shí)施邊緣檢測(cè)，以便用電子學(xué)方法確定未熔化的多晶硅島I相對(duì)于在熔體表面U處的坩堝側(cè)壁67的位置。然而，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，也可以用其它合適的方法確定島I相對(duì)于坩堝側(cè)壁67的相對(duì)位置，或者用別的辦法確定粒狀多晶硅加料到坩堝中的速率是否應(yīng)該增加或減少?？梢栽O(shè)想，這些另外的方法可以用作邊緣檢測(cè)方法的替代方法，或者與之結(jié)合作為島I相對(duì)于坩堝側(cè)壁67相對(duì)位置的雙重校核。
例如，一種這樣的方法是定位在熔化的硅M上表面U處的坩堝側(cè)壁67并限定多個(gè)(比如10個(gè))界定的區(qū)域，或框格，它們以并排關(guān)系從坩堝側(cè)壁橫向向內(nèi)延伸一定距離，該距離近似是島I距坩堝側(cè)壁最大的所希望的橫向間距(比如120mm)。每個(gè)框格橫向跨過(guò)一預(yù)定數(shù)目的象素。圖像處理器75檢測(cè)未熔化的多晶硅島I周邊邊緣位于哪個(gè)框格中。將對(duì)應(yīng)于在坩堝側(cè)壁67和其中檢測(cè)有島I周邊邊緣的框格中間的每個(gè)框格的象素?cái)?shù)加和，以便確定該島距坩堝側(cè)壁的橫向間距。
另外，在所示實(shí)施例中，通過(guò)定位與坩堝側(cè)壁基本橫向向內(nèi)間隔開(kāi)的島的周邊邊緣來(lái)確定未熔化的多晶硅島I的相對(duì)位置。然而，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，可以用其它方法確定島I相對(duì)于坩堝29的側(cè)壁67的位置。例如，島I的橫截面寬度可以被確定并與坩堝側(cè)壁67的內(nèi)徑比較。坩堝側(cè)壁67的內(nèi)徑可以被預(yù)定并編碼存入PLC 77中，或者它可以作為時(shí)間的函數(shù)(隨時(shí)間而變)被計(jì)算，或者它可以用邊緣檢測(cè)法或其它合適方法在每個(gè)時(shí)間步驟處確定。作為另一個(gè)例子，未熔化的多晶硅島I的表面積可以被確定并與坩堝29的橫截面積進(jìn)行比較。坩堝29的橫截面積可以被預(yù)定并編碼存入PLC 77中，或者它可以作為時(shí)間的函數(shù)被計(jì)算，或者它可以在每個(gè)時(shí)間步驟處確定。
鑒于上述情況，可以看出，本發(fā)明的幾個(gè)目的都達(dá)到了并得到另一些有利的結(jié)果。
當(dāng)介紹本發(fā)明或其優(yōu)選實(shí)施例的各部件時(shí)，冠詞“一個(gè)”“一種”“該”，“上述”意圖是指有一個(gè)或一個(gè)以上提及的部件。術(shù)語(yǔ)“包含”，“包括”和“具有”意圖是包括在內(nèi)的并且意思是指可以有所列元件之外另一些元件。
因?yàn)樵诓幻撾x本發(fā)明范圍的情況下可以在上述的構(gòu)造中進(jìn)行各種改變，所以打算把上述說(shuō)明中所包含的和附圖所示的所有東西都應(yīng)理解為是示例性的和沒(méi)有限制的意義。
權(quán)利要求
1.一種用于在拉晶裝置中由多晶硅制備熔化的硅熔體的方法，該方法包括將多晶硅裝到一個(gè)坩堝中，裝入坩堝中的多晶硅的量顯著地少于要在坩堝中熔化的預(yù)定的多晶硅總量；將坩堝加熱到使坩堝中的多晶硅熔化，以便在坩堝中形成部分熔化的裝料，該部分熔化的裝料包括具有上表面的熔化的硅和一個(gè)暴露在熔化的硅的上表面之上的未熔化的多晶硅島；從一個(gè)加料器以一個(gè)加料速率有選擇地將粒狀多晶硅加到坩堝中未熔化的多晶硅島上，直至已將該預(yù)定的多晶硅總量裝入坩堝為止；用電子學(xué)方法確定未熔化的多晶硅島相對(duì)于坩堝側(cè)壁的位置，上述確定步驟是隨著粒狀多晶硅加到坩堝中未熔化的多晶硅島上而進(jìn)行的；和根據(jù)所確定的未熔化的硅島相對(duì)于在熔化的硅的上表面處的坩堝側(cè)壁的位置，控制從加料器將粒狀多晶硅加到未熔化的多晶硅島上的加料速率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，上述用電子學(xué)方法確定未熔化的多晶硅島相對(duì)于坩堝側(cè)壁的位置的步驟包括獲取至少一部分坩堝、坩堝中熔化的硅和未熔化的多晶硅島的圖像；用電子學(xué)方法處理上述圖像，以便確定在坩堝側(cè)壁和與坩堝側(cè)壁成基本橫向間隔關(guān)系設(shè)置的未熔化的多晶硅島的周邊邊緣之間的橫向間距。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征是，用電子學(xué)方法處理圖像的步驟包括，用電子學(xué)方法確定坩堝側(cè)壁的坐標(biāo)位置和相對(duì)于坩堝側(cè)壁的坐標(biāo)位置基本橫向間隔開(kāi)的未熔化的硅島的周邊邊緣的坐標(biāo)位置；和利用上述島的周邊邊緣和坩堝側(cè)壁的坐標(biāo)位置，用電子學(xué)方法確定未熔化的多晶硅島的周邊邊緣與坩堝側(cè)壁之間的橫向間距。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征是，控制從加料器將粒狀多晶硅加到未熔化的多晶硅島上的加料速率的步驟包括將未熔化的多晶硅島與坩堝側(cè)壁的橫向間距同一預(yù)定的橫向間距范圍進(jìn)行比較；根據(jù)上述橫向間距高于上述預(yù)定的橫向間距范圍來(lái)控制加料器增加加料速率；及根據(jù)上述橫向間距低于上述預(yù)定的橫向間距范圍來(lái)控制加料器降低加料速率。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征是，控制加料器有選擇地增加和降低粒狀多晶硅的加料速率的步驟包括，根據(jù)相對(duì)于預(yù)定的橫向間距范圍的上述未熔化的硅島與坩堝側(cè)壁的橫向間距，用電子學(xué)方法控制上述加料器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，上述用電子學(xué)方法確定的未熔化的多晶硅島相對(duì)于坩堝側(cè)壁的位置是對(duì)一預(yù)定數(shù)目的上述位置的間歇測(cè)定值取平均值。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是還包括，在從加料器將粒狀多晶硅加到未熔化的多晶硅島上之前，用電子學(xué)方法確定未熔化的多晶硅島相對(duì)于坩堝側(cè)壁的位置的步驟，上述確定步驟是隨著裝到坩堝中的多晶硅熔化以在坩堝中形成部分熔化的裝料而進(jìn)行的，上述從加料器將粒狀多晶硅加到坩堝中未熔化的多晶硅島上的步驟包括，根據(jù)未熔化的多晶硅島相對(duì)于坩堝側(cè)壁處于坩堝中預(yù)定位置開(kāi)始上述加料。
8.在用來(lái)按照直拉法生長(zhǎng)單晶硅錠的拉晶機(jī)中用于由多晶硅制備熔化的硅熔體的裝置，上述拉晶機(jī)具有一個(gè)外殼、一個(gè)在外殼中用于裝熔化的硅的坩堝及一個(gè)用于從熔化的硅向上提拉生長(zhǎng)的晶錠的拉晶機(jī)構(gòu)，上述裝置包括一個(gè)加熱器，該加熱器用于將坩堝加熱到使坩堝中的多晶硅熔化，以便在坩堝中形成部分熔化的裝料，上述部分熔化的裝料包括在坩堝中具有上表面的熔化的硅和暴露在熔化的硅的上表面之上的未熔化的多晶硅島；一個(gè)加料器，該加料器適合于將粒狀多晶硅加到坩堝中未熔化的多晶硅島上；一個(gè)攝像機(jī)，該攝像機(jī)安設(shè)成用于產(chǎn)生至少一部分坩堝、熔化的硅和未熔化的多晶硅島的視頻圖像信號(hào)；及一個(gè)視覺(jué)系統(tǒng)，該視覺(jué)系統(tǒng)能用電子學(xué)方法由上述視頻圖像信號(hào)確定未熔化的多晶硅島相對(duì)于坩堝側(cè)壁的位置；上述加料器與視覺(jué)系統(tǒng)電通信并響應(yīng)于所確定的未熔化的多晶硅島相對(duì)于坩堝側(cè)壁的位置，以控制從加料器將粒狀多晶硅加到未熔化的多晶硅島上的加料速率。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征是還包括一個(gè)控制單元，該控制單元與該加料器電通信，用于控制加料器的操作，該控制單元還與該視覺(jué)系統(tǒng)電通信，用于操縱視覺(jué)系統(tǒng)并從該視覺(jué)系統(tǒng)接收所確定的未熔化的多晶硅島相對(duì)于坩堝側(cè)壁的位置，該控制單元能根據(jù)所確定的未熔化的多晶硅島相對(duì)于坩堝側(cè)壁的位置控制加料器的操作，以便控制從加料器將粒狀多晶硅加到未熔化的多晶硅島上的加料速率。
10.根據(jù)如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征是，該視覺(jué)系統(tǒng)包括一個(gè)圖像緩沖器，該圖像緩沖器與該攝像機(jī)電通信，用于獲取來(lái)自攝像機(jī)視頻圖像信號(hào)的電子圖像；和一個(gè)圖像處理器，該圖像處理器用于處理該電子圖像，以便確定未熔化的多晶硅島相對(duì)于坩堝側(cè)壁的位置。
11.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其特征是，該視覺(jué)系統(tǒng)的圖像處理器能處理圖像，以便確定未熔化的多晶硅島的周邊邊緣的坐標(biāo)位置和坩堝側(cè)壁的坐標(biāo)位置。
12.根據(jù)如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征是，該控制單元包括一個(gè)PLC，該P(yáng)LC與該視覺(jué)系統(tǒng)電通信，以便接收由圖像處理器所確定的坐標(biāo)位置，該P(yáng)LC具有一個(gè)程序，該程序能根據(jù)上述坐標(biāo)位置來(lái)確定未熔化的多晶硅島的周邊邊緣距坩堝側(cè)壁的橫向間距。
13.根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其特征是，該控制單元的PLC還包括一個(gè)程序，該程序能確定是否需要調(diào)節(jié)從加料器將粒狀多晶硅加到未熔化的多晶硅島上的加料速率，并能在確定需要調(diào)節(jié)加料速率的情況下產(chǎn)生一個(gè)傳送到該加料器的信號(hào)，加料器根據(jù)上述信號(hào)調(diào)節(jié)該加料器的加料速率。
全文摘要
用于在拉晶裝置中由多晶硅制備熔化的硅熔體的方法和裝置，要求裝入坩堝中的多晶硅裝置少于要熔化的預(yù)定的多晶硅總量。將坩堝加熱，以便在坩堝中形成具有暴露于熔化的硅的上表面之上的未熔化的多晶硅島的部分熔化的裝料。從加料器將粒狀多晶硅加到未熔化的多晶硅島上，直至已將預(yù)定的多晶硅總量裝入坩堝為止。隨著將粒狀多晶硅加到上述島上，用電子學(xué)方法確定該島相對(duì)于坩堝側(cè)壁的位置。根據(jù)所確定的該島相對(duì)于坩堝側(cè)壁的位置，控制從加料器將粒狀多晶加到未熔化的多晶硅島上的加料速率。
文檔編號(hào)C30B29/06GK1473212SQ01818537
公開(kāi)日2004年2月4日 申請(qǐng)日期2001年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月9日
發(fā)明者R·H·菲爾克霍夫, M·巴納, J·D·霍爾德, R H 菲爾克霍夫, 霍爾德 申請(qǐng)人:Memc電子材料有限公司