直径检测系统

1、1引言近年来，特别是进入21世纪，国内半导体工业蓬勃发展。其最重要的基本材料硅单晶需求量迅猛 增加，占据了举足轻重的地位5。各地兴建单晶厂和单晶硅片生产线的报道一直不绝于耳。随着单晶硅 片制造向200300mm大直径化发展，直拉法在单晶制造中越来越显示出其主导地位，相应的直径检测 技术也在向适应大直径化发展。2直拉法单晶制造技术直拉单晶制造法（Czochralski，CZ法）是把原料多硅晶块放入石英坩蜗中，在单晶炉中加热融化， 再将一根直径只有10mm的棒状晶种（称籽晶）浸入融液中（图1）。在合适的温度下，融液中的硅原子 会顺着晶种的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，成为单晶体。把晶

2、种微微的旋转向上提升， 融液中的硅原子会在前面形成的单晶体上继续结晶，并延续其规则的原子排列结构。若整个结晶环境稳定， 就可以周而复始的形成结晶，最后形成一根圆柱形的原子排列整齐的硅单晶晶体，即硅单晶锭。当结晶加 快时，晶体直径会变粗，提高升速可以使直径变细，增加温度能抑制结晶速度。反之，若结晶变慢，直径 变细，则通过降低拉速和降温去控制。拉晶开始，先引出一定长度，直径为35mm的细颈，以消除结 晶位错，这个过程叫做引晶。然后放大单晶体直径至工艺要求，进入等径阶段，直至大部分硅融液都结晶 成单晶锭，只剩下少量剩料。控制直径，保证晶体等径生长是单晶制造的重要环节。硅的熔点约为1450 C，拉晶过

3、程始终保持在高 温负压的环境中进行。直径检测必须隔着观察窗在拉晶炉体外部非接触式实现。拉晶过程中，固态晶体与 液态融液的交界处会形成一个明亮的光环，亮度很高，称为光圈。它其实是固液交界面处的弯月面对坩蜗 壁亮光的反射。当晶体变粗时，光圈直径变大，反之则变小。通过对光圈直径变化的检测，可以反映出单 晶直径的变化情况。自动直径检测就是基于这个原理发展起来的。3 Ircon直径检测系统Ircon系统是早期的直径检测技术。它使直拉硅单晶制造从人工手动等径发展为自动等径，使半导体材 料的大规模生产成为可能。Ircon探头实质上是一个能探测极小范围的光学高温计。光学高温计是通过高 温物体表面的光线强度来判

4、断温度的。其内部结构如图2,通过透镜组件，光圈图像投射到暗箱底部的挡 板上。挡板中央有一个针眼大小的孔，只允许光圈图像的极小部分通过。只有通过小孔的光束才能照射到 一个光敏元件上产生电信号，最后电信号经过线性化处理输出。实际通过小孔的光，在光圈上只有直径为 35mm的圆，与光圈环的宽度差不多，我们称之为检测圈。Ircon探头只感应检测圈内的光线变化。工 作时，调节检测圈位置切入光圈1/3 （即相交面积为1/3）。如图3所示，正常时检测圈内1/3面积是光 圈的强光，剩下的2/3面积为较暗的硅融液部分。当单晶直径变粗时，光圈环放大外移，检测圈与明亮的 光圈的相交面积增加，使检测圈内平均亮度增加，反

5、之则说明直径变小了。正景时正景时实践证明，Ircon系统在小直径单晶制造中运用十分有效。在125mm直径以下单晶制造使用非常普 及。通过调节探头位置，无论在等径阶段，还是引晶阶段都能稳定工作。但是，随着也制造的大直径化， Ircon系统的局限性也日益显现。由于单晶外圆的不规则，单晶旋转造成了光圈晃动。直径越大，晃动越 厉害，Ircon系统的稳定性会因此下降。现在一般在125mm直径以上的单晶制造就很少用此方法。另外， Ircon系统只能感知直径的变化，而不能检测出实际直径的读数，这也不能适应高自动化工业的发展要求。4SIMS直径扫描系统SIMS(Scanned Image Measuremen

6、t System)直径系统利用扫描原理检测直径，并可以直观的 测得直径读数。首先利用一个旋转的反射镜，将光圈图像反射到光敏元件上，而光敏元件只接受一点的光 信号。由于反射镜是旋转的，光敏元件接受的是光圈图像上的一条水平横线的光信号，即扫描线。如图4 所示，扫描线由左至右横穿光圈，由此可以产生一条对于时间t的扫描波形。扫描周期即是反射镜的旋转 周期。调节反射镜旋转轴的角度可以调整水平扫描线的高低位置。图4(a)，为等径时的典型扫描波形3。 两侧的两个较低波峰是明亮的坩蜗壁的亮光，中间两个较高的波峰就是光圈的强光所产生的。坩蜗壁与光 圈之间是较暗的溶液光线，光圈波峰之间是结晶了的硅，亮度也较低。两

7、个光圈波峰相距的时间与光圈直 径大小有线性对应关系，可以推算出光圈直径的实际大小。在引晶时，由于光圈又细又小，其波形就变成 了两个小尖峰(如图4(b)所示)。能直观的测得直径的实际数值是SIMS系统的最大进步。但是反射镜旋转是机械运动，需要电机和轴 承，会产生磨损。反射镜旋转速度不稳，会引起扫描波形的畸变，影响最后的计算结果。另一方面，在引 晶时光圈又细又小，其波形变成了两个小尖峰。扫描线位置必须很精确，光圈的轻微晃动就有可能跑出扫 描线以外，造成了引晶的不稳定。5CCD摄像扫描系统因为SIMS系统的种种局限性，一种更先进的技术CCD摄像扫描系统很快替代了 SIMS系统，并且成 为目前大直径直

8、拉单晶直径检测的主流技术。CCD系统也是基于扫描的工作原理，所不同的是它用一个 CCD摄像头拍摄下光圈的黑白图像，然后对每一帧图像进行扫描，而不是直接扫描光圈。根据图像中黑白 灰度像素的分布，先选择合适的一行像素作为扫描对象（也就是扫描线的位置），其位置与SIMS系统的 扫描线位置相同。分析扫描线上的黑白灰度像素排列，线上会有两个白色像素集中区间，即光圈所在位置。 以这两个白色像素集中区间中心之间的像素数量可以推算出光圈的直径。一般对于等径，普通VGA图像 （640 x480像素）就可以得到足够的精度。一秒刷新一次直径值，也就是一秒处理一帧扫描图像，对于 现在的CPU速度是易于实现的。随着直拉

9、单晶的大直径化和工艺要求的复杂化，为了使结晶过程更稳定，进一步提高对工艺参数的控制 精度，基于CCD摄像扫描的各种改进技术也在不断发展。下面就介绍几种典型的实用技术。5.1采用变焦镜头引晶的质量直接影响后面整根单晶的成功率。在引晶过程中，提高对引晶速度、直径和温度的可控制性 显得尤为必要。在引晶过程中，晶种直径只有35mm，反映到图像上也只有二三十个像素，精度大约为 5%。为了进一步提高精度，采用变焦镜头放大引晶图像，提高图像的分辨率是很好的办法。90年代中期， 国外的单晶炉厂家s就采用变焦改进的CCD系统，自动化程度非常高，能自动完成引晶和等径过程。在 一套成熟的工艺下，从装多晶料开始到拉晶

10、结束，无需人工操作。5.2双CCD系统半导体工业的发展使电子产品CCD的成本迅速下降，而变焦镜头作为高档光学产品，其价格始终居高 不下。另一方面，变焦镜头需要一个拧变焦环动作，一般由气动元件来完成。这在很大程度上增加了机构 的复杂性3。双CCD系统采用两个不同焦距的小型摄像头。长焦距CCD用于引晶阶段，可以得到放大 的引晶图像，提高精度；等晶时，使用普通焦距的CCD。这里只有图像信号的切换，整个过程都由电子设 备完成，无机械运动，结构简单。5.3多线扫描自适应系统在拉晶过程中，由于某些原因会引起单晶的摆动（圆锥摆），光圈也会随之晃动，扫描结果也因此形成 误差。因此，一方面要采取措施抑制摆动，另

11、一方面提高直径检测系统的抗摆动性成为衡量系统性能的重 要指标。自适应扫描技术应运而生，并且在实用中得到很好的运用。这里就以美国Kayex公司的四线扫描 自适应系统为例，提供一个改进思路。根据光圈图像，先确定光圈在图像中的位置，把光圈圆弧的最低点 定为基准点。处理每一帧图像时，都先确定基准点。如图5,扫描线位置始终在基准点上方，并与基准点 距离保持相对固定。当单晶轻微晃动时，基准点随之跟踪光圈的晃动，而扫描线始终被确定在基准点上方 的一个相对固定位置。系统能自动跟随光圈晃动变化，自动调整扫描线的位置。在此基础上更进一步，在 垂直距离上每隔若干像素增加一行扫描线，共四条扫描线一起工作。计算结果排除

12、特异值后，取平均值。 这可以大大减少由于图像干扰引起的突发误差。可控硅交流调压器电路可控硅是一种新型的半导体器件，它具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、动作快以及使用方便等优点，目前交流调压器多采用可 控硅调压器。这里介绍一台电路简单、装置容易、控制方便的可控硅交流调压器，这可用作家用电器的调压装置，进行照明灯调光，电风扇调速、电熨斗调温等控制。这台调压器的输出功率达00W，一般家用电器都能使用。1：电路原理：电路图如下可控硅交流调压器由可控整流电路和触发电路两部分组成，其电路原里图如下图所示。从图中可知极管D1D4组成桥 式整流电路，双基极二极管?1构成张弛振荡器作为可控硅的同步触发电路。当

13、调压器接上市电后220V交流电通过负载电阻RL经 二极管D1D4整流，在可控硅SCR的A、K两端形成一个脉动直流电压，该电压由电阻1降压后作为触发电路的直流电源。在交 流电的正半周时，整流电压通过R4、W1对电容C充电。当充电电压Uc达到T1管的峰值电压Up时，T1管由截止变为导通，于是 电容C通过T1管的e、b1结和R2迅速放电，结果在R2上获得一个尖脉冲。这个脉冲作为控制信号送到可控硅CR的控制极，使 可控硅导通。可控硅导通后的管压降很低，一般小于V，所以张弛振荡器停止工作。当交流电通过零点时，可控硅自关断。当交流电 在负半周时，电容C又从新充电.如此周而复始，便可调整负载RL上的功率了。2 :元器件选择调压器的调节电位器选用阻 值为470KQ的WH114-1型合成碳膜电位器，这种电位器可以直接焊在电路板上，电阻除1要用功率为1W的金属膜电阻外，其 余的都用功率为1/8W的碳膜电阻。D1D4选用反向击穿电压大于300V、最大整流电流大于0.3A的硅整流二极管如2CZ21B、2CZ83E、2DP3B等。SCR选用正向与反向电压大于300V、额定平均电流大于1