Спосіб контролю діаметра монокристала кремнію, вирощуваного з розплаву

1 Спосіб контролю діаметра монокристала кремнію, вирощуваного з розплаву, що включає регулювання температурних і швидкісних параметрів процесу вирощування за допомогою системи автоматичного регулювання діаметра, що має у своєму складі оптичний датчик з чутливим елементом, за допомогою якого реєструють зміну напрямку випромінювання від меніска стовпчика розплаву в підкристальній області під час вирощування монокристала, і визначення моменту виходу на циліндричну частину вирощуваного монокристала, який відрізняється тим, що оптичну вісь датчика розташовують похило до площини, що проходить через вісь вирощуваного монокристала, момент виходу на циліндричну частину вирощуваного монокристала визначають у залежності від зафіксованого на вимірювальній шкалі оптичного датчика положення випромінювання меніска стовпчика розплаву в підкристальній області вирощеного попередньо монокристала порівняння при виході на його циліндричну частину, і при цьому додатково встановлюють початкове положення рівня розплаву вирощуваного монокристала шляхом суміщення випромінювання від меніска стовпчика розплаву в підкристальній області затравки вирощуваного монокристала з зафіксованим на вимірювальній шкалі оптичного датчика положенням випромінювання від меніска стовпчика розплаву затравки при вирощуванні зазначеного монокристала порівняння 2 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що початкове положення рівня розплаву встановлюють шляхом переміщення тигля 3 Спосіб за п 1 або п 2, який відрізняється тим, що кут зазначеного нахилу оптичної осі датчика становить 5-20° 4 Спосіб за будь-яким з пп 1 -3, який відрізняється тим, що при вирощуванні монокристала кремнію з діаметром, рівним діаметру вирощеного попередньо монокристала порівняння, момент виходу на циліндричну частину здійснюють при суміщенні випромінювання від меніска стовпчика розплаву вирощуваного монокристала з зафіксованим на вимірювальній шкалі положенням випромінювання від меніска стовпчика розплаву монокристала порівняння, що відповідає моменту виходу на його циліндричну частину 5 Спосіб за будь-яким з пп 1 -3, який відрізняється тим, що при вирощуванні монокристала кремнію з діаметром, що відрізняється від діаметра вирощеного попередньо монокристала порівняння, момент виходу на циліндричну частину визначають за формулою v _(Ус-Уо)*о; D, О + У, де Уз - потрібне положення випромінювання від меніска стовпчика розплаву вирощуваного монокристала на вимірювальній шкалі оптичного датчика, що відповідає моменту виходу на заданий діаметр його циліндричної частини, мм, Ус - зафіксоване на вимірювальній шкалі оптичного датчика положення випромінювання від меніска стовпчика розплаву монокристала порівняння, що відповідає моменту виходу на його циліндричну частину, мм, Уо - зафіксоване на вимірювальній шкалі оптичного датчика положення випромінювання меніска стовпчика розплаву затравки, що відповідає початковому рівню розплаву, мм, D3 - заданий діаметр циліндричної частини вирощуваного монокристала, мм, Dc - фактичний діаметр циліндричної частини монокристала порівняння, мм О 49104 Винахід відноситься до регулювання росту монокристала кремнію, одержуваного за методом Чохральського, зокрема, до способу контролю діаметра монокристала кремнію, вирощуваного з розплаву При одержанні бездислокаційних монокристалів кремнію за методом Чохральського з розплаву на затравку вирощують спочатку т зв «шийку», потім верхній конус, закінчивши розрощування конічної частини, переходять до вирощування циліндричної частини монокристала і закінчують процес вирощуванням нижнього конуса й охолодженням вирощеного монокристала Одержання монокристала кремнію з заданим діаметром його циліндричної частини є важливим моментом процесу вирощування, тому що безпосередньо зв'язано з виходом придатної продукції Якщо діаметр циліндричної частини монокристала виявиться менше заданого, то весь монокристал або його частина з діаметром менше заданого бракується за діаметром, якщо зазначений діаметр більше заданого, то це приводить до зменшення можливої довжини вирощуваного монокристала і до збільшення безповоротних утрат кремнію при калібруванні циліндричної частини монокристала до заданого діаметра Тому при вирощуванні монокристала потрібно забезпечити максимально можливу точність одержання і підтримки заданого діаметра його циліндричної частини Найбільш близьким до пропонованого способу є спосіб контролю діаметра монокристала кремнію, вирощуваного з розплаву [А Я Нашельский Технология специальных материалов электронной техники - 1993, С 1 6 2 - 1 6 4 ] Відомий спосіб включає регулювання швидкісних і температурних параметрів процесу вирощування за допомогою системи автоматичного регулювання діаметра, що має у своєму складі оптичний датчик з чутливим елементом, за допомогою якого реєструють випромінювання від меніска стовпчика розплаву в підкристальніи області вирощуваного монокристала, і візуальне визначення моменту виходу на циліндричну частину вирощуваного монокристала При цьому оптична вісь датчика розташована у площині, що проходить через вісь вирощуваного монокристала кремнію Однак відомий спосіб не виключає можливість одержання монокристала з діаметром його циліндричної частини як більше, так і менше заданого, тому що оцінка діаметра розрощування конусної частини монокристала і виходу на його циліндричну частину здійснюється візуально Крім того, відомий спосіб не забезпечує високу точність підтримки діаметра по всій довжині циліндричної частини вирощуваного монокристала Задачею винаходу є удосконалення способу контролю діаметра монокристала кремнію, вирощуваного з розплаву, у якому за рахунок виставлення початкового рівня розплаву, виходу на циліндричну частину монокристала за показниками оптичного датчика системи автоматичного регу лювання, розташованого певним чином, і реєстрування випромінювання від більш широкої частини меніска стовпчика розплаву в підкристальніи області вирощуваного монокристала забезпечуються відсутність браку за діаметром і збільшення точності підтримки заданого діаметра монокристала в процесі його вирощування Поставлена задача вирішується запропонованим способом контролю діаметра монокристала кремнію, вирощуваного з розплаву, що включає регулювання температурних і швидкісних параметрів процесу вирощування за допомогою системи автоматичного регулювання діаметра, що має у своєму складі оптичний датчик з чутливим елементом, за допомогою якого реєструють випромінювання від меніска стовпчика розплаву в підкристальніи області, і визначення моменту виходу на циліндричну частину вирощуваного монокристала, у якому оптичну вісь датчика розташовують похило до площини, що проходить через вісь вирощуваного монокристала, момент виходу на циліндричну частину вирощуваного монокристала визначають у залежності від зафіксованого на вимірювальній шкалі оптичного датчика положення випромінювання меніска стовпчика розплаву в підкристальніи області вирощеного попередньо монокристала порівняння при виході на його циліндричну частину, і при цьому додатково встановлюють початкове положення рівня розплаву вирощуваного монокристала шляхом суміщення випромінювання від меніска стовпчика розплаву в підкристальніи області затравки вирощуваного монокристала з зафіксованим на вимірювальній шкалі оптичного датчика положенням випромінювання від меніска стовпчика розплаву затравки при вирощуванні зазначеного монокристала порівняння Початкове положення рівня розплаву встановлюють шляхом переміщення'? тигля Кут нахилу оптичної осі датчика до зазначеної площини становить 5-20° При цьому, при вирощуванні монокристала кремнію з заданим діаметром, що рівний діаметру вирощеного попередньо монокристала порівняння, момент виходу на циліндричну частину здійснюють при суміщенні випромінювання від меніска стовпчика розплаву вирощуваного монокристала з зафіксованим на вимірювальній шкалі положенням випромінювання від меніска стовпчика розплаву монокристала порівняння, що відповідає моменту виходу на його циліндричну частину При вирощуванні монокристала кремнію з заданим діаметром, що відрізняється від діаметра вирощеного попередньо монокристала порівняння, момент виходу на циліндричну частину визначають по формулі де Уз - потрібне положення випромінювання від меніска стовпчика розплаву вирощуваного монокристала на вимірювальній шкалі оптичного датчика, що відповідає моменту виходу на заданий діаметр його циліндричної частини, мм, 49104 Ус - зафіксоване на вимірювальній шкалі оптичного датчика положення випромінювання від меніска стовпчика розплаву монокристала порівняння, що відповідає моменту виходу на його циліндричну частину, мм, Уо - зафіксоване на вимірювальній шкалі оптичного датчика положення випромінювання меніска стовпчика розплаву затравки, що відповідає початковому рівню розплаву, мм, D3 - заданий діаметр циліндричної частини вирощуваного монокристала, мм, Dc - фактичний діаметр циліндричної частини монокристала порівняння, мм Експериментально авторами було встановлено, що при встановленні оптичної осі датчика похило з утворенням кута 5 - 20° Із площиною, що проходить через вісь вирощуваного монокристала, раніше не видиме випромінювання від меніска стовпчика розплаву затравки попадає на вимірювальну шкалу оптичного датчика, що дозволяє зафіксувати початкове положення рівня розплаву на стадії затравлення Якщо на наступних процесах вирощування шляхом переміщення тигля з розплавом сполучити на вимірювальній шкалі оптичного датчика випромінювання від меніска затравки з зафіксованим положенням випромінювання меніска затравки при вирощуванні монокристала порівняння, то можна встановлювати початкове положення рівня розплаву будьякого наступного процесу вирощування таким же, яким воно було при вирощуванні монокристала порівняння Таким чином, у пропонованому способі контролю початкове положення рівня розплаву процесів вирощування вже не залежить від зміни маси завантаження, коливань геометричних розмірів тигля, його деформації при плавленні завантаження й інших умов У цьому випадку, якщо на вимірювальній шкалі оптичного датчика зафіксувати положення випромінювання меніска стовпчика розплаву вирощуваного монокристала порівняння в момент виходу на його циліндричну частину, то при вирощуванні наступних монокристалів за вимірювальною шкалою оптичного датчика можна визначити потрібне положення випромінювання від меніска стовпчика розплаву в момент виходу на заданий діаметр циліндричної частини вирощуваного монокристала При цьому, зафіксовані початкове положення рівня розплаву І положення випромінювання меніска при виході на один визначений діаметр вирощуваного монокристала дають змогу розрахувати і необхідне положення на вимірювальній шкалі оптичного датчика випромінювання від меніска вирощуваного монокристала іншого заданого діаметра Таким чином, запропонований винахід дозволяє від візуального визначення виходу на заданий діаметр перейти до його визначення за показниками оптичного датчика, що істотно підвищує точність виходу на заданий діаметр циліндричної частини вирощуваного монокристала Крім цього, при нахилі оптичної осі датчика до зазначеної площини ширина випромінюючого меніска стовпчика розплаву, що реєструється чутливим елементом, виявляється більше, ніж у відомому способі, коли чутливим елементом реєструється випромінювання від меніска стовпчика 6 розплаву в підкристальній області в точці, що знаходиться в площині, яка проходить через вісь вирощуваного монокристала кремнію і чутливий елемент За рахунок цього підвищується точність підтримки системою автоматичного регулювання заданого діаметра на всій довжині циліндричної частини вирощуваного монокристала Спосіб здійснюється таким чином Контроль діаметра вирощуваного монокристала кремнію здійснюють шляхом регулювання температурних і швидкісних параметрів процесу вирощування за допомогою системи автоматичного регулювання діаметра, що має у своєму складі оптичний датчик з чутливим елементом, за допомогою якого реєструють випромінювання від меніска стовпчика розплаву в підкристальній області При цьому, на каретку оптичного датчика, по якій переміщається чутливий елемент, наклеюють вимірювальну шкалу, а датчик нахиляють таким чином, що його оптична вісь знаходилась під кутом 5 - 20° до площини, що проходить через вісь вирощуваного монокристала У цьому випадку вже на стадії затравлення на вимірювальну шкалу оптичного датчика попадає випромінювання від меніска стовпчика розплаву в підкристальній області затравки При вирощуванні монокристала порівняння на вимірювальній шкалі оптичного датчика фіксують положення випромінювання від меніска стовпчика розплаву в підкристальній області затравки, що відповідає початковому положенню рівня розплаву(Уо), а також положення випромінювання від меніска стовпчика розплаву і відповідне йому положення чутливого елемента на вимірювальній шкалі оптичного датчика в момент виходу на його циліндричну частину(Ус) Після вирощування монокристала порівняння вимірюють фактичний діаметр циліндричної частини монокристала(Ос) При наступному вирощуванні монокристала з заданим діаметром циліндричної його частини(Оз) установлюють початкове положення рівня розплаву по зафіксованому на вимірювальній шкалі оптичного датчика положенню випромінювання від меніска стовпчика розплаву на стадії затравлення зазначеного процесу вирощування монокристала порівняння - Уо Суміщення випромінювання від меніска стовпчика розплаву на стадії затравлення вирощуваного монокристала з Уо здійснюють переміщенням тигля Момент виходу на циліндричну частину вирощуваного монокристала визначають у залежності від зафіксованого на вимірювальній шкалі оптичного датчика положення випромінювання меніска від стовпчика розплаву в підкристальній області зазначеного монокристала порівняння при виході на його циліндричну частину - Ус Якщо заданий діаметр вирощуваного монокристала збігається з фактичним діаметром монокристала порівняння, тобто D3 = Dc, то вихід на циліндричну частину вирощуваного монокристала здійснюють при суміщенні випромінювання від меніска стовпчика розплаву вирощуваного монокристала з Ус - зафіксованим на вимірювальній шкалі положенням випромінювання від меніска стовпчика розплаву монокристала порівняння/ 49104 Якщо заданий діаметр вирощуваного монокристала відрізняється від фактичного діаметра монокристала порівняння (D3 ± Dc), то необхідне положення випромінювання від меніска стовпчика розплаву верхнього конуса вирощуваного монокристала на вимірювальній шкалі оптичного датчика визначають за отриманою експериментальним шляхом формулою де Уз - потрібне положення випромінювання від меніска стовпчика розплаву вирощуваного монокристала на вимірювальній шкалі оптичного датчика, що відповідає моменту виходу на заданий діаметр його циліндричної частини, мм, Ус - зафіксоване на вимірювальній шкалі оптичного датчика положення випромінювання від меніска стовпчика розплаву монокристала порівняння, що відповідає моменту виходу на його циліндричну частину.мм, Уо - зафіксоване на вимірювальній шкалі оптичного датчика положення випромінювання меніска стовпчика розплаву затравки, що відповідає початковому рівню розплаву, мм, D3 - заданий діаметр циліндричної частини вирощуваного монокристала, мм, Dc - фактичний діаметр циліндричної частини монокристала порівняння, мм Приклад 1 Оптичну вісь датчика печі «Редмет-30» розташовують похило до площини, що проходить через вісь вирощуваного монокристала, кут нахилу 7° При вирощуванні монокристала порівняння на вимірювальній шкалі оптичного датчика фіксують положення випромінювання від меніска стовпчика розплаву в підкристальній області затравки, що відповідає початковому положенню рівня розплаву, Уо = 11,5мм, а також положення випромінювання від меніска стовпчика розплаву і відповідне йому положення чутливого елемента на вимірювальній шкалі оптичного датчика в момент виходу на його циліндричну частину, Ус = 42мм Фактичний діаметр циліндричної частини монокристала порівняння Dc = 153мм Наступне вирощування монокристалів із заданим діаметром циліндричної частини D3 = 153мм проводять таким чином На стадії затравлення, шляхом переміщення тигля з розплавом суміщають на вимірювальній шкалі оптичного датчика випромінювання від меніска затравки вирощуваного монокристала з зафіксованим положенням випромінювання меніска затравки при вирощуванні монокристала порівняння, тобто на значенні 11,5мм Таким чином установлюють початкове положення рівня розплаву таке ж, яким воно було при вирощуванні монокристала порівняння Чутливий елемент переміщують по каретці оптичного датчика до встановлення його в положення 42мм Вихід на циліндричну частину вирощуваного монокристала здійснюють при досягненні випромінюванням меніска стовпчика розплаву в підкристальній області вирощуваного верхнього конуса встановленого положення чутливого елемента оптичного датчика, що відповідає зафіксованому положен 8 ню випромінювання меніска стовпчика розплаву в момент виходу на діаметр монокристала порівняння Діаметр циліндричної частини вирощеного монокристала D = 153, тобто D3 Максимальне відхилення від заданого діаметра по довжині циліндричної частини монокристала ± 2,0мм Аналогічно було отримано 14 монокристалів кремнію, діаметр у МІСЦІ переходу від верхнього конуса до циліндричної частини кожного з монокристалів знаходиться в діапазоні 153 - 155мм Браку за діаметром по всій довжині циліндричної частини монокристалів немає Максимальне відхилення від фактичного діаметра по довжині циліндричної частини монокристала ± 2,0мм Приклад 2 Вирощування монокристала порівняння здійснюють, як описано в прикладі 1 Потрібно перейти до вирощування монокристалів із заданим діаметром циліндричної частини D 3 = 138мм Вирощування монокристалів проводять таким чином На стадії затравлення, шляхом переміщення тигля з розплавом суміщають на вимірювальній шкалі оптичного датчика випромінювання від меніска затравки вирощуваного монокристала з Уо зафіксованим положенням випромінювання меніска затравки при вирощуванні монокристала порівняння, тобто на значенні 11,5мм Таким чином установлюють початкове положення рівня розплаву таке ж, яким воно було при вирощуванні монокристала порівняння Розраховують необхідне для одержання заданого діаметра циліндричної частини вирощуваного монокристала 138мм положення випромінювання від меніска стовпчика розплаву на вимірювальній шкалі оптичного датчика за формулою У 3 = (у с - У 0 ) х D 3 / D c + У 0 = (42 -11,5)х 138 /153 +11,5 = 39,0 Чутливий елемент переміщують по каретці оптичного датчика до установлення його в положення 39мм Вихід на циліндричну частину вирощуваного монокристала здійснюють при досягненні випромінюванням меніска вирощуваного верхнього конуса розрахованого за формулою встановленого положення чутливого елемента оптичного датчика, що відповідає розрахованому положенню випромінювання меніска стовпчика розплаву в момент виходу на діаметр монокристала з заданим діаметром його циліндричної частини Діаметр циліндричної частини вирощеного монокристала D = 138, тобто D3 Максимальне відхилення від заданого діаметра по довжині циліндричної частини монокристала ±2,0мм Аналогічно було отримано 9 монокристалів кремнію, діаметр циліндричної частини в МІСЦІ переходу від верхнього конуса до циліндричної частини кожного з монокристалів знаходиться в діапазоні 137 - 139мм Браку за діаметром по всій довжині циліндричної частини монокристалів немає Максимальне відхилення від фактичного діаметра по довжині циліндричної частини монокристалів ± 2,0мм 9 49104 10 Таким чином, запропонований винахід доза рахунок підвищення точності підтримки систезволяє мою автоматичного регулювання заданого діамеперейти від візуального визначення діаметра тра на всій довжині циліндричної частини вировирощуваного монокристала до його виміру за щуваного монокристала, підвищити вихід придапоказниками вимірювальної шкали оптичного тної продукції за рахунок збільшення можливої датчика, що забезпечує можливість усунення довжини вирощуваного монокристала і зменшенбраку за діаметром в момент виходу на циліндня безповоротних утрат кремнію при калібруванні ричну частину вирощуваного монокристала, циліндричної частини монокристала до заданого зменшити імовірність одержання браку за дідіаметра аметром при вирощуванні циліндричної частини ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна ( 0 4 4 ) 4 5 6 - 2 0 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71