способ измерения уровня расплава и диаметра кристалла в ростовой установке

Формула изобретения

Способ измерения уровня расплава и диаметра кристалла в ростовой установке, в котором с помощью датчика уровня измеряют уровень расплава в тигле на выбранном расстоянии от его оси вращения, с помощью оптической системы измерения диаметра кристалла, установленной под углом к оси кристалла, формируют изображение границы между кристаллом и расплавом, определяют в изображении координаты точек границы, по полученным координатам определяют диаметр кристалла, соответствующий измеренному уровню расплава, измеряют уровень расплава, по крайней мере, еще в одной точке, отстоящей от центра вращения на другом, отличном от ранее выбранного расстоянии, по результатам измерений уровней расплава вычисляют угловую скорость вращения расплава и уровень расплава на требуемом расстоянии от оси вращения, в том числе на границе между кристаллом и расплавом, и вычисляют для этого уровня диаметр кристалла.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области выращивания кристаллов и может быть использовано в ростовых установках для измерения уровня расплава и диаметра кристалла.

Оперативный контроль уровня расплава и диаметра кристалла является одной из важнейших составляющих технологического процесса выращивания кристаллов. Точность измерения этих параметров имеет определяющее значение для обеспечения оптимальных условий роста кристалла и работы автоматизированной системы управления ростовой установкой. При больших погрешностях измерений как уровня, так и диаметра кристалла не удается обеспечить оптимальное и своевременное изменение параметров технологического процесса, что приводит к появлению бракованных кристаллов.

Известны различные способы измерения уровня расплава и диаметра кристалла в процессе выращивания, основанные на разных физических принципах. Ниже рассматриваются способы, являющиеся аналогами данного изобретения.

Способ и устройство для измерения диаметра кристалла, используемые в автоматически регулируемом процессе выращивания кристаллов [1]. Для измерения диаметра кристалла формируют изображение фрагмента растущего кристалла с помощью видеокамеры, измеряют в изображении наружный диаметр светлого кольца и используют полученное значение для регулирования диаметра кристалла.

Способ и устройство для определения уровня расплава, при котором уровень определяется с помощью оптического измерителя расстояний путем измерения длины пути, проходимого зондирующим лазерным импульсом от излучателя до отражателя и обратно с промежуточными отражениями от поверхности расплава [2].

Способ и устройство для определения уровня расплава, используемые в автоматически регулируемом процессе выращивания кристаллов [3]. Для определения уровня расплава используется триангуляционный оптический измеритель, при этом на поверхность расплава под некоторым углом направляют зондирующий световой пучок, а с помощью линейного многоэлементного фотоприемного устройства и оптической системы, установленной на пути отраженного от расплава светового пучка, определяют положение отраженного светового пучка в плоскости фотоприемника, которое используется для определения и автоматического регулирования уровня расплава.

Способ и устройство для измерения и регулирования диаметра кристалла и уровня расплава [4], в котором с помощью видеокамеры формируют изображение зоны кристаллообразования, измеряют в изображении координаты светлой полосы, соответствующей изображению мениска и вычисляют по ним диаметр кристалла, аппроксимируя координаты окружностью. Уровень расплава определяют вычисляя смещение центра аппроксимирующей окружности или используя лазерный датчик уровня. Недостатки способа измерения уровня расплава по величине смещения центра аппроксимирующей окружности - невозможность измерения уровня до начала выращивания кристалла, погрешности в измерении уровня (а значит и диаметра кристалла), обусловленные возможными неконтролируемыми смещениями оси кристалла в процессе выращивания и смещениями центра аппроксимирующей окружности из-за эллиптичности кристалла и наличия на нем граней.

По совокупности существенных признаков наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ регулирования диаметра кристалла [5], позволяющий измерять диаметр кристалла и уровень расплава на различных стадиях выращивания кристалла - от начала затравливания до выращивания кристалла заданного диаметра. В этом способе уровень измеряется лазерным триангуляционным измерителем в точке зондирования, отстоящей от оси вращения тигля на некотором расстоянии. Для определения диаметра кристалла используют видеокамеру, с помощью которой формируют изображение мениска, по которому определяют координаты точек границы между расплавом и кристаллом и по ним вычисляют диаметр кристалла.

Недостатки известного способа [5] связаны с тем, что уровень расплава измеряется в нем лазерным триангуляционным измерителем в точке зондирования, отстоящей от оси вращения тигля и расплава на некотором расстоянии, которое должно быть довольно большим, чтобы растущий кристалл не перекрывал зондирующий световой пучок. В результате измеряемый уровень может существенно отличаться от уровня расплава в зоне затравливания (до начала выращивания кристалла) или зоне кристаллообразования (в зоне мениска), причем эти отличия резко возрастают с увеличением скорости вращения расплава из-за увеличения прогиба его поверхности. Это отличие наиболее существенно до начала процесса выращивания и в процессе выращивания - при небольших диаметрах кристалла. Таким образом, в известном способе [5] отсутствует возможность определения уровня расплава на оси вращения, что не позволяет регулировать уровень расплава в зоне затравливания.

Второй недостаток известного способа [5] - отсутствие возможности определения уровня расплава в зоне кристаллообразования, что не позволяет регулировать уровень расплава в этой зоне и приводит к погрешностям измерения диаметра кристалла. Измеренное значение уровня расплава используется для определения увеличения оптической системы видеокамеры, применяемой для формирования изображения мениска и измерения диаметра кристалла, и непосредственно сказывается на величине измеренного диаметра. В результате отличия значений уровня расплава в зоне кристаллообразования от его значений в точке зондирования приводят к погрешностям измерения диаметра кристалла.

В предлагаемом изобретении уровень расплава определяется непосредственно в зоне затравливания (при отсутствии кристалла) или зоне кристаллообразования, что устраняет погрешность измерения диаметра кристалла, вызываемую отличием измеряемого (как в [5]) уровня расплава от его уровня в зоне кристаллообразования, и позволяет регулировать уровень расплава непосредственно в зоне затравливания (при отсутствии кристалла) или зоне кристаллообразования.

Это достигается за счет измерения уровня расплава в нескольких точках (по крайней мере двух), расположенных на различных расстояниях от оси вращения расплава, и за счет вычисления угловой скорости вращения расплава, что позволяет однозначно определить пространственное положение поверхности расплава, представляющей собой параболоид вращения; за счет вычисления уровня расплава на требуемом расстоянии от оси вращения, в том числе - непосредственно на границе между кристаллом и расплавом, а при отсутствии кристалла - на оси вращения расплава; за счет вычисления диаметра кристалла, соответствующего уровню расплава в зоне кристаллообразования, который отличается от диаметра, измеренного с помощью видеокамеры для значения уровня расплава вне зоны кристаллообразования. В предлагаемом способе измерения уровня расплава и диаметра кристалла в ростовой установке с помощью датчика уровня измеряют уровень расплава в тигле на выбранном расстоянии от его оси вращения, с помощью оптической системы измерения диаметра кристалла, установленной под углом к оси кристалла, формируют изображение границы между кристаллом и расплавом, определяют в изображении значения координат точек границы, по полученным координатам определяют диаметр кристалла, соответствующий измеренному уровню расплава, измеряют уровень расплава по крайней мере еще в одной точке, отстоящей от оси вращения на другом, отличном от ранее выбранного, расстоянии, по результатам измерений вычисляют угловую скорость вращения расплава и уровень расплава на требуемом расстоянии от оси вращения, в том числе - на границе между кристаллом и расплавом, и вычисляют для этого уровня диаметр кристалла.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1, 2.

На фиг.1 показано схематическое изображение кристалла в ростовой установке. На фиг.2 - расположение точек измерения уровня расплава в тигле (вид сверху). В соответствии с предлагаемым способом с помощью датчика уровня измеряют уровень h₁ (отрезок 0h₁ на фиг.1) расплава 1 в тигле 2 в точке M₁ , находящейся на некотором расстоянии r₁ от оси вращения О тигля (фиг, 2) вне зоны, занимаемой выращиваемым кристаллом 3. Для этого могут быть использованы различные способы и устройства, например - триангуляционный лазерный измеритель, зондирующий световой пучок которого направляют под некоторым углом к поверхности расплава в точку M₁, a с помощью многоэлементного фотоприемного устройства и проекционной оптической системы, установленной на пути отраженного от расплава светового пучка, формируют изображение точки M₁ в плоскости фотоприемника и определяют ее координаты, по которым и вычисляют уровень расплава. С помощью другой оптической системы 4 (фиг.1) измерения диаметра кристалла, установленной под углом к оси кристалла 3, формируют изображение границы между кристаллом и расплавом, определяют в изображении значения координат точек границы, по полученным координатам определяют диаметр кристалла D₁ , соответствующий измеренному уровню расплава h₁ в точке M₁. Способы вычисления диаметра кристалла по измеренным координатам точек границы также могут быть различными, в частности, за диаметр кристалла может быть принят диаметр окружности, проходящей через три любые точки границы, или диаметр окружности, аппроксимирующей существенно большее количество точек границы. Можно показать, что диаметр кристалла D, определяемый по формируемому оптической системой изображению, зависит от увеличения оптической системы и изменяется в зависимости от изменения уровня расплава h:

где K=D₁/(1-h₁/H),

а Н - расстояние от центра объектива оптической системы измерения диаметра кристалла до горизонтальной плоскости, соответствующей началу отсчета уровня расплава h=0 (фиг.1). Начало отсчета уровня расплава выбирается при калибровке датчика уровня и оптической системы измерения диаметра кристалла и обычно соответствует положению поверхности расплава при затравливании. Из выражения (1) следует, что диаметр кристалла D_м, соответствующий уровню расплава на границе между расплавом и кристаллом (в зоне мениска) h_м, может существенно отличаться от измеренного значения D₁ , соответствующего измеренному уровню расплава в точке M ₁. Непосредственно измерять уровень расплава в зоне мениска или вблизи кристалла, диаметр которого в процессе роста изменяется в широких пределах (от единиц до сотен мм), достаточно сложно - для этого необходимы специальные высокоточные системы сканирования зондирующего светового пучка, которые практически невозможно использовать на реальной ростовой установке. Для того чтобы определить уровень расплава в зоне мениска (или в любой точке, отстоящей на требуемом расстоянии от оси вращения), одновременно измеряют уровень расплава h₂, по крайней мере, еще в одной точке М₂, отстоящей от оси вращения на другом расстоянии r₂ (фиг.2). Угловое расположение точек зондирования (M_i и М₂) не имеет принципиального значения, поэтому на фиг.2 эти точки расположены на различных радиус-векторах, исходящих от оси вращения О, а на фиг.1, для наглядности, - на одном радиус-векторе. Измерение уровня расплава в точке М ₂ может быть выполнено аналогичным образом с помощью второго триангуляционного лазерного измерителя или при использовании одного измерителя, но с двумя зондирующими пучками, направленными в точки M₁ и М₂. По результатам измерений вычисляют угловую скорость вращения расплава :

где g - ускорение свободного падения. Соотношение (2) получено из известного выражения, описывающего форму свободно вращающейся поверхности жидкости [6]:

где R - радиус тигля, а h_T - его координата.

Если уровень расплава измеряется в большем количестве точек, тогда угловая скорость вращения расплава может быть определена с большей точностью в результате статистической обработки результатов измерений.

В результате вычисления угловой скорости вращения расплава однозначно определяется пространственное положение его поверхности (3):

позволяющее определять уровень расплава на любом расстоянии r от оси вращения. В частности, уровень расплава h_м на границе между кристаллом и расплавом определяют из (1) для радиуса кристалла r=D(h)/2, используя соотношение (4):

Диаметр кристалла, соответствующий уровню расплава на границе между расплавом и кристаллом (в зоне мениска), вычисляется затем из (1) и (5):

При отсутствии кристалла уровень расплава на требуемом расстоянии r от центра вращения определяется из соотношения (4).

Преимущества предложенного способа измерения уровня расплава и диаметра кристалла в ростовой установке по сравнению с известным заключаются в том, что он позволяет определять уровень расплава непосредственно в зоне затравливания (при отсутствии кристалла) или на границе между расплавом и кристаллом (в зоне кристаллообразования или зоне мениска) при различных скоростях вращения расплава по результатам измерений уровня вне этих зон, что позволяет регулировать уровень расплава непосредственно в этих зонах, применять для измерений высокоточные лазерные датчики уровня и устраняет погрешность измерения диаметра кристалла по формируемому оптической системой изображению, вызываемую отличием измеряемого уровня расплава от его уровня в зоне кристаллообразования.

Благодаря указанным достоинствам предлагаемый способ может быть применен в любой действующей ростовой установке для измерения и регулирования уровня расплава и диаметра кристалла.

В подтверждение возможности реализации предлагаемого изобретения и корректности приведенных формул рассмотрим пример конкретного расчета по ним уровня расплава и диаметра кристалла.

Исходные данные для расчета:

1. Расстояние (по вертикали) от центра объектива оптической системы измерения диаметра кристалла до горизонтальной плоскости, соответствующей началу отсчета уровня расплава Н=700 мм.

2. Расстояния двух точек измерения уровня расплава от оси вращения расплава r₁=220 мм, r₂=200 мм и измеренные в этих точках значения уровней расплава h₁=1 мм, h₂ =-1 мм.

3. Значение диаметра кристалла, измеренное по изображению, сформированному оптической системой измерения диаметра, при значении уровня h₁, D₁=100 мм.

Из соотношения (2) определяем угловую скорость вращения расплава N=30/:

N=20.63 (об/мин).

Уровень расплава в центре тигля h₀ (точке затравливания) определяется из (4) при r=0:

h₀=-10.507 мм.

Значение коэффициента К находится из (1):

K=100.15 мм.

Подставляя полученные значения в (5) и (6), определяем уровень расплава в зоне мениска и соответствующий этому уровню диаметр кристалла, который отличается от предварительно измеренного D₁ более, чем на 1.5 мм:

h_м=-9.89 мм, D(h_м)=101.56 мм.

Использованные источники

1. Европейский патент №450502, кл. С 30 В 15/26, опубл. 1991 (Method of and device for diameter measurement used in automatically controlled crystal growth.)

2. Патент США №6071340, кл. С 03 В 035/00, опубл. 2000. (Apparatus for melt-level detection in Czochralski crystal growth systems.)

3. Патент США №6077345, кл. С 30 В 015/20, опубл. 2000. (Silicon crystal growth melt level control system and method.)

4. Патент США №5665159, кл. С 30 В 035/00, опубл. 1997. (System for controlling growth of a silicon crystal.)

5. Патент США №6226032, кл. H 04 N 007/18, C 30 B 015/00, опубл. 2001. (Crystal diameter control system.)

6. С.В.Михляев. Применение методов оптической триангуляции для измерения уровня расплава при выращивании кристаллов. - Автометрия, т.39, №5, 2003, с.30-41.