способ измерения уровня расплава при выращивании кристаллов

Формула изобретения

Способ измерения уровня расплава при выращивании кристаллов, в котором формируют зондирующий световой пучок, направляют его под углом к поверхности расплава в точку зондирования, с помощью оптической системы, установленной на пути отраженного от поверхности расплава светового пучка, формируют изображение светового пятна из точки зондирования в плоскости фотоприемного устройства и по положению этого пятна определяют уровень расплава, отличающийся тем, что формируют другие зондирующие световые пучки, направляют их в точку зондирования под разными углами к плоскости падения первого пучка, при этом углы наклона пучков выбирают такими, чтобы каждый из пучков после отражения от поверхности расплава попадал в апертуру оптической системы лишь при определенном, соответствующем данному пучку диапазоне угловых скоростей вращения расплава, поочередно включают световые пучки, из последовательности соответствующих им электрических сигналов фотоприемного устройства выбирают сигналы, удовлетворяющие заданным параметрам, подсчитывают частоту появления выбранных сигналов для каждого из пучков, выбирают измерительный световой пучок, для которого частота появления выбранных сигналов превышает заданное пороговое значение, определяют для измерительного пучка положение светового пятна в изображении, по полученным данным вычисляют уровень расплава, а при снижении частоты появления выбранных сигналов от измерительного пучка ниже заданного порогового значения, выбирают новый измерительный пучок, анализируя электрические сигналы, соответствующие другим пучкам, и выбирая для измерений такой, частота появления выбранных сигналов для которого превышает частоту появления выбранных сигналов для предыдущего измерительного пучка на заданную величину.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области выращивания кристаллов и может быть использовано в ростовых установках для измерения уровня расплава, а также для измерения уровня поверхности вращающейся жидкости.

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

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

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 [1].

Способ и устройство для определения уровня расплава, используемые в автоматически регулируемом процессе выращивания кристаллов [2]. 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. Этот способ [2] принят в качестве ближайшего аналога предлагаемого изобретения.

Способ измерения уровня расплава предложен также в [3], где одним из соавторов является автор настоящей заявки. В этом способе уровень измеряется лазерным триангуляционным измерителем. При этом формируют зондирующий световой пучок, направляют его на поверхность расплава в точку зондирования под углом к поверхности, с помощью проекционной оптической системы, установленной на пути отраженного от поверхности расплава светового пучка, формируют изображение светового пятна из области зондирования в плоскости фотоприемного устройства, определяют положение светового пятна в изображении и по полученным данным вычисляют уровень расплава. В автоматических установках по выращиванию кристаллов одним из важнейших регулируемых параметров, влияющих на рост кристалла (температура, скорость вытягивания кристалла и т.п.), является скорость вращения расплава. При увеличении скорости вращения расплава отраженный от него зондирующий луч из-за искривления поверхности расплава начинает отклоняться от первоначального положения, соответствующего неподвижному расплаву, и при определенной скорости вращения выходит за пределы апертуры проекционной оптической системы, при этом измерения становятся невозможными. Поэтому в способе [3] одновременно с первым формируют второй зондирующий световой пучок, направляют его в ту же точку зондирования, но под некоторым углом к плоскости падения первого пучка. Этот угол выбирают таким, чтобы второй пучок (после отражения от поверхности расплава) начинал попадать в апертуру проекционной оптической системы только при такой скорости вращения расплава, при которой первый пучок начинает выходить за пределы этой апертуры. В результате расширяется диапазон угловых скоростей вращения расплава, при которых возможно измерение его уровня, поскольку при увеличении скорости вращения расплава, когда измерения с первым пучком становятся невозможными, уровень расплава определяется по второму зондирующему пучку.

Недостатком известного способа [3] измерения уровня является то, что зондирующие пучки в нем светят непрерывно, в результате существенно снижается точность измерений в случаях, когда в апертуру проекционной системы попадают одновременно оба зондирующих пучка. Этот эффект имеет место в двух ситуациях: во-первых - при угловых скоростях вращения расплава, соответствующих переходному режиму, когда первый пучок еще полностью не вышел за пределы апертуры объектива, а второй уже начал попадать в нее с противоположной стороны; во-вторых - при наличии волн на поверхности расплава, вызванных вибрациями и конвекционными потоками, которые вызывают значительные отклонения световых пучков в соответствии с отклонениями нормали к поверхности в точке зондирования, при этом отклонения могут быть такими, что в апертуру могут попадать одновременно два зондирующих пучка. В рассмотренных ситуациях изображение области зондирования, формируемое оптической системой в плоскости фотоприемного устройства, может сильно искажаться, поскольку оно состоит в этом случае из наложенных друг на друга световых пятен, соответствующих разным световым пучкам. Эти пятна могут отличаться распределениями интенсивности света, а также формой и размерами, вследствие различной степени виньетирования соответствующих световых пучков апертурой оптической системы, кроме того, они могут быть смещены относительно друг друга из-за погрешностей юстировки. В результате результирующее световое пятно может иметь непредсказуемые искажения, что приводит на практике к большим погрешностям определения его положения и, как следствие, к большим погрешностям измерения уровня расплава. Работа датчика уровня при этом становится ненадежной, а результаты измерений - недостоверными.

В предлагаемом изобретении расширяется диапазон скоростей вращения расплава, в котором возможно проведение измерений, по сравнению с [2], и устраняется погрешность измерений уровня расплава, вызванная взаимным влиянием зондирующих световых пучков, по сравнению с [3].

Это достигается за счет использования нескольких зондирующих световых пучков, количество которых определяется предельно допустимой угловой скоростью вращения расплава; за счет поочередного включения световых пучков (применения импульсного режима управления работой лазеров или модуляторов света, формирующих зондирующие световые пучки); за счет коммутации световых пучков, основанной на оперативном статистическом анализе параметров электрических сигналов, соответствующих каждому световому, пучку и выборе для измерений наиболее оптимального из имеющихся зондирующего пучка (измерительного пучка), обеспечивающего минимальную погрешность измерений. Более детально, это достигается за счет того, что в предлагаемом способе измерения уровня расплава формируют зондирующий световой пучок, направляют его под углом к поверхности расплава в точку зондирования, с помощью оптической системы, установленной на пути отраженного от поверхности расплава светового пучка, формируют изображение светового пятна из точки зондирования в плоскости фотоприемного устройства, формируют другие зондирующие световые пучки, направляют их в точку зондирования под разными углами к плоскости падения первого пучка, при этом углы наклона пучков выбирают такими, чтобы каждый из пучков после отражения от поверхности расплава попадал в апертуру оптической системы лишь при определенном, соответствующем данному пучку диапазоне угловых скоростей вращения расплава, поочередно включают световые пучки, из последовательности соответствующих им электрических сигналов фотоприемного устройства выбирают сигналы, удовлетворяющие заданным параметрам, подсчитывают частоту появления выбранных сигналов для каждого из пучков, выбирают измерительный световой пучок, для которого частота появления выбранных сигналов превышает заданное пороговое значение, определяют для измерительного пучка положение светового пятна в изображении, по полученным данным вычисляют уровень расплава, а при снижении частоты появления выбранных сигналов от измерительного пучка ниже заданного порогового значения выбирают новый измерительный пучок, анализируя электрические сигналы, соответствующие другим пучкам, и выбирая для измерений такой, частота появления выбранных сигналов для которого превышает частоту появления выбранных сигналов для предыдущего измерительного пучка на заданную величину.

Новизна предлагаемого способа заключается:

- в формировании нескольких зондирующих световых пучков, направляемых в точку зондирования под разными углами, совместно обеспечивающих требуемый диапазон допустимых угловых скоростей вращения расплава;

- в использовании импульсного режима управления зондирующими световыми пучками;

- в автоматическом выборе измерительного пучка, наиболее оптимального для проведения измерений, основанном на поочередном включении зондирующих пучков, анализе соответствующих им электрических сигналов фотоприемного устройства, выборе сигналов, удовлетворяющих заданным параметрам, подсчете частоты появления выбранных сигналов для каждого из пучков и определении пучка, частота появления выбранных сигналов для которого превышает заданное пороговое значение;

- в коммутации измерительных пучков, основанной на проверке пороговых условий, задаваемых для частоты появления выбранных сигналов, как для начала процедуры поиска нового измерительного пучка, так и для реализации гистерезисной характеристики переключения на измерения с новым измерительным пучком.

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

На фиг.1 показана схема измерения уровня расплава в ростовой установке: а - вид сбоку, б - вид сверху.

На фиг.2 - схематическое изображение расположения зондирующих световых пучков в плоскости апертуры проекционной оптической системы при разных скоростях вращения расплава.

В соответствии с предлагаемым способом (фиг.1) формируют зондирующий лазерный световой пучок L₁ и направляют его под углом к поверхности расплава 1, находящегося в тигле, в точку зондирования Р на поверхности расплава с координатой Y₁ (под углом к вертикальной оси Z). Координатная плоскость XY совпадает с поверхностью расплава при отсутствии вращения. С помощью проекционной оптической системы 2, установленной на пути отраженного от поверхности расплава светового пучка, формируют изображение светового пятна из точки зондирования (т.Р) в плоскости фотоприемного устройства 3. В качестве фотоприемного устройства может быть использована, например, многоэлементная линейка ПЗС фотоприемников, установленная в плоскости Y=Y₁. Электрический сигнал фотоприемного устройства в этом случае пропорционален распределению интенсивности светового распределения в одном сечении изображения светового пятна (положение сечения определяется положением и ориентацией ПЗС линейки) и представляет собой узкий импульс, ширина которого определяется шириной светового пятна, амплитуда импульса - максимальной интенсивностью светового распределения в пятне, а положение импульса зависит от расположения светового пятна относительно линейки фотоприемников, которое определяется уровнем расплава. Обрабатывая, например цифровым способом, электрический сигнал фотоприемного устройства, измеряют координату x₁ светового пятна в плоскости фотоприемного устройства, которая изменяется при изменении уровня расплава h, и по величине х₁ вычисляют уровень расплава. В частности, если плоскость фотоприемного устройства ортогональна оптической оси проекционной системы, уровень расплава h определяется из выражения:

X₁=2hM sin( ),

где x₁ - координата центра светового пятна, М - увеличение оптической системы [3-5]. (Положение нулевого уровня h=0 и начало координат в плоскости фотоприемного устройства x₁=0 выбираются на этапе настройки и калибровки системы измерения уровня.) Если плоскость фотоприемного устройства наклонена к оси оптической системы (для устранения влияния дефокусировки при изменении уровня расплава на точность измерений), уровень вычисляется по результатам измерений в соответствии с формулами (2), (4), полученными автором настоящей заявки и приведенными в [4].

Отраженный от поверхности расплава световой пучок L₁ попадает в апертуру 4 оптической системы (фиг.2), которую устанавливают таким образом, что при отсутствии вращения расплава отраженный пучок (световое пятно L'₁) попадает на линию АА и при изменении уровня расплава смещается вдоль этой линии от точки h₁ до точки h₂ , соответствующих границам диапазона измерений по уровню расплава. При увеличении скорости вращения расплава световое пятно в плоскости апертуры начинает смещаться по направлению к линии ББ, поскольку нормаль к поверхности расплава в точке зондирования начинает наклоняться к центру вращения. При дальнейшем увеличении скорости вращения расплава световое пятно выходит за пределы апертуры оптической системы и движется по направлению к линии СС. Когда световой пучок L₁ после отражения от расплава перестает попадать в апертуру оптической системы, измерения с этим зондирующим пучком становятся невозможными. Предельная угловая скорость вращения расплава , соответствующая моменту выхода светового пятна L ₁ за пределы апертуры, может быть оценена из полученного автором настоящей заявки выражения b [6]:

где D - размер апертуры оптической системы, g - ускорение свободного падения, Z₁ - расстояние оптической системы от расплава по вертикали, Y₁ - расстояние точки зондирования от центра вращения (центра тигля). Для увеличения допустимой угловой скорости вращения расплава в известном способе [3], предложенном автором настоящей заявки, формируют второй зондирующий световой пучок L₂, а в предлагаемом изобретении формируют другие зондирующие световые пучки L₂, L₃, L₄ и т.д. (фиг.1), направляют их в точку зондирования Р под разными углами к плоскости падения первого пучка, при этом количество пучков и углы наклона пучков выбирают такими, чтобы каждый из пучков после отражения от поверхности расплава попадал в апертуру оптической системы лишь при определенном, соответствующем данному пучку диапазоне угловых скоростей вращения расплава, а объединение отдельных диапазонов для каждого из пучков составляло общий требуемый диапазон допустимых угловых скоростей вращения. Для двух зондирующих пучков это поясняется фиг.2, где показаны световые пятна L' ₁ и L'₂, формируемые пучками L₁ и L₂ в плоскости апертуры оптической системы после отражения их от поверхности расплава. В исходном положении, соответствующем неподвижному расплаву, пятно L'₁ находится на линии АА, а пятно L'₂ - вне апертуры 4 оптической системы. С увеличением скорости вращения расплава пятно L' ₁ смещается вниз и занимает место на линии ББ, а пятно L'₂, - на линии АА, где было пятно от пучка L ₁. При дальнейшем увеличении скорости вращения расплава пятно L'₁ выходит за пределы апертуры оптической системы, измерения при этом осуществляются с пучком L₂ , световое пятно от которого смещается к линии ББ, а затем также выходит за пределы апертуры. Таким образом, зондирующие пучки настраиваются так, что с увеличением скорости вращения расплава при выходе светового пятна Z от текущего зондирующего пучка L ₁ за пределы апертуры, с противоположной стороны в апертуру начинает попадать следующий зондирующий пучок L₂, формирующий световое пятно L'₂, а при выходе из апертуры пятна L'₂ в нее должен начинать попадать пучок L₃ и т.д. Каждый из пучков попадает в апертуру лишь при определенном диапазоне угловых скоростей вращения расплава, а все пучки задают общий заданный диапазон угловых скоростей вращения расплава, в котором возможно измерение уровня (для обеспечения общего непрерывного диапазона измерений отдельные диапазоны, соответствующие каждому из пучков, должны примыкать друг к другу или частично перекрываться). Общий диапазон допустимых угловых скоростей вращения расплава _k может быть оценен из полученного автором настоящей заявки выражения [7, 8]:

где k - количество зондирующих пучков.

Для устранения взаимного влияния зондирующих пучков, одновременно попадающих в апертуру оптической системы, имеющего место в известном способе [3] (для режима непрерывного формирования зондирующих пучков это влияние имеет место при определенных скоростях вращения расплава, соответствующих стыковке отдельных выше упомянутых диапазонов скоростей вращения, соответствующих каждому из зондирующих пучков, или при наличии волн на поверхности расплава, отклоняющих световые пучки в различных направлениях вне зависимости от текущей угловой скорости вращения расплава), используется поочередное включение световых пучков, обеспечиваемое применением импульсного режима работы модуляторов или источников света, формирующих зондирующие световые пучки (поочередное включение лазеров или модуляторов световых пучков). При этом поочередно включают световые пучки и анализируют соответствующие им изображения световых пятен, измеряя амплитуду и ширину импульса электрического сигнала фотоприемного устройства (ПЗС линейки), пропорциональные, соответственно, максимальной интенсивности светового распределения в световом пятне и ширине светового пятна для каждого из пучков. Существенно, что при поочередном импульсном включении зондирующих пучков в апертуру оптической системы может попасть только один пучок. В этом случае, в отличие от непрерывно светящих световых пучков в известном способе [3], исключаются какие-либо искажения световых распределений в анализируемых изображениях световых пятен, формируемых в плоскости фотоприемного устройства, обусловленные взаимным влиянием нескольких зондирующих пучков. В результате непрерывных поочередных переключений световых пучков (вслед за импульсным включением последнего светового пучка вновь включается первый, затем второй и т.д.) и следующего за каждым переключением считывания данных с фотоприемного устройства формируется последовательность электрических сигналов фотоприемного устройства, состоящая из сигналов, соответствующих различным световым пучкам. Сигналы с фотоприемного устройства непрерывно анализируются (например, оцифровываются и поступают в микропроцессор, где производится численный анализ). В результате из последовательности соответствующих зондирующим световым пучкам электрических сигналов фотоприемного устройства выбирают сигналы, пригодные для проведения измерений, то есть сигналы, удовлетворяющие заданным параметрам, и подсчитывают частоту появления выбранных сигналов для каждого из пучков. В качестве анализируемых параметров сигналов могут использоваться, например, амплитуда и ширина импульса. Дополнительным параметром может быть также форма огибающей импульса сигнала.

Например, при использовании одномерного фотоприемного устройства - линейки фотоприемников, электрический сигнал, соответствующий сканированию изображения зондирующего светового пятна вдоль одной линии, представляет собой узкий импульс на постоянной составляющей (которая может быть исключена путем вычитания фонового сигнала, получаемого при выключенных зондирующих пучках). Амплитуда, ширина и форма импульса могут существенно изменяться, когда зондирующий пучок начинает виньетироваться апертурой оптической системы, при этом могут возникать значительные погрешности в определении положения импульса, и, следовательно, - в измерении уровня расплава. Поэтому перечисленные параметры сигналов (амплитуда, ширина и форма импульса) могут использоваться для выбора сигналов, пригодных для измерения уровня расплава. В частности, сигналами, пригодными для измерений, могут быть признаны, например, такие, амплитуда которых превышает заданный пороговый уровень, а ширина импульса не превосходит заданного значения. Может анализироваться также и форма сигнала (например, импульс должен быть одиночным, не содержать дополнительных экстремумов и т.д.). На практике для выбора сигналов достаточно контролировать амплитуду и ширину импульса. Допустимые изменения параметров сигналов зависят от требуемой точности измерения уровня расплава. В частности, допустимое снижение амплитуды сигнала вследствие виньетирования отраженного зондирующего пучка апертурой объектива при возможных угловых отклонениях пучка выбирается экспериментально на этапе настройки и калибровки измерительной системы и ограничивается допустимой погрешностью измерений уровня расплава, которая возрастает при увеличении степени виньетирования пучка апертурой объектива (при виньетировании происходит искажение светового распределения в изображении светового пятна в плоскости фотоприемного устройства, в том числе снижение его интенсивности и уширение светового пятна, приводящее к уменьшению амплитуды и увеличению ширины импульса соответствующего электрического сигнала фотоприемного устройства, например ПЗС линейки). На практике допустимое снижение амплитуды сигнала может превышать 50% от максимально возможного значения, определяемого при настройке системы измерения и зависящего от мощности используемого для формирования светового пучка источника света (лазера), времени накопления фотоприемника и его чувствительности. Допустимое уширение импульса сигнала с фотоприемного устройства, которое пропорционально уширению изображения светового пятна в плоскости фотоприемного устройства, также определяется экспериментально на этапе настройки. На практике допустимое изменение ширины импульса может составлять 200-300% от неискаженного виньетированием сигнала.

Из зондирующих пучков выбирают измерительный световой пучок, для которого частота появления выбранных сигналов превышает заданное пороговое значение, определяют для измерительного пучка положение светового пятна в изображении, по полученным данным вычисляют уровень расплава. При снижении частоты появления выбранных сигналов от измерительного пучка ниже заданного порогового значения выбирают новый измерительный пучок, анализируя электрические сигналы, соответствующие другим пучкам, и выбирая для измерений такой, частота появления выбранных сигналов для которого превышает частоту появления выбранных сигналов для предыдущего измерительного пучка на заданную величину. Эта величина может быть небольшой (единицы процентов) и необходима для обеспечения гистерезиса при автоматическом переключении между измерительными пучками - новый измерительный пучок должен быть "заметно лучше" предыдущего (на указанную заданную величину), чтобы исключить частые переключения между измерительными пучками из-за незначительных случайных вариаций параметров анализируемых сигналов.

Преимущества предложенного способа измерения уровня расплава в ростовой установке по сравнению с известным [2] заключаются в том, что он позволяет измерять уровень в значительно большем диапазоне скоростей вращения расплава и, кроме того, в нем, по сравнению с предложенным автором настоящей заявки способом [3], отсутствуют погрешности измерений уровня, вызванные взаимным влиянием зондирующих световых пучков.

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

Подтверждением возможности реализации предлагаемого изобретения являются выполненные автором расчеты траектории отраженного от расплава зондирующего пучка, учитывающие геометрию взаимодействия пучка с поверхностью расплава во вращающемся тигле [6-8]. Расчеты подтверждают возможность расширения диапазона скоростей вращения расплава, при которых возможно измерение его уровня, за счет многолучевого зондирования, а также справедливость полученной оценки допустимой скорости вращения (1). Кроме того, возможность реализации предлагаемого изобретения подтверждена созданием в ИАиЭ СО РАН датчика уровня, предназначенного для измерения уровня расплава при выращивании монокристаллов кремния. В датчике используются два зондирующих световых пучка, обеспечивающих расширение диапазона скоростей вращения расплава, при которых возможно измерение уровня, и реализован алгоритм их коммутации, обеспечивающий автоматический выбор измерительного пучка, наиболее оптимального для проведения измерений, в соответствии с предлагаемым изобретением.

Источники информации

1. Патент США №6071340, кл. С 30 В 15/20, опубл. 2000. (Apparatus for melt-level detection in Czochralski crystal growth systems.)

2. Патент США №6077345, кл. С 30 В 15/20, опубл. 2000. (Silicon crystal growth melt level control system and method.)

3. S.V.Mikhlyaev, E.S.Nejevenko. Metrological problems of melting level and crystal geometry measurement during crystal growing. - Proc. of SPIE Vol. 4900, 2002. Seventh Int. Symposium on Laser Metrology Applied to Science, Industry, and Everyday Life, pp. 572-578.

4. S.V.Mikhlyaev. Laser Triangulation Systems for Sensing Mirror Surface. - Proc. of SPIE Vol. 4900, 2002. Seventh Int. Symposium on Laser Metrology Applied to Science, Industry, and Everyday Life, pp. 519-524.

5. С.В.Михляев. Триангуляционное зондирование нестационарной поверхности. - Автометрия, №1, 2001, с.67-74.

6. S.V.Mikhlyaev. Optical Systems for Melt Level Measurement in the Process of Crystal Growth. - Proc. of SPIE Vol. 4900, 2002. Seventh Int. Symposium on Laser Metrology Applied to Science, Industry, and Everyday Life, pp.586-591.

7. C.B.Михляев. Применение методов оптической триангуляции для измерения уровня расплава при выращивании кристаллов. - Автометрия, №5, 2003, с.30-41.

8. C.B. Михляев. Метрологические особенности лазерных триангуляционных систем контроля уровня расплава при выращивании кристаллов. - Актуальные проблемы электронного приборостроения. Материалы VII международной конференции АПЭП-2004 в 7 томах, т.3, Новосибирск, НГТУ, 2004, с.317-323.