Спосіб вирощування монокристала та пристрій для його здійснення

1 Спосіб вирощування монокристала шляхом керування параметрами зростаючого кристала, у тому числі параметрами його меніска, що включає відбір відеокамерою відеозображення ділянки росту монокристала та аналіз зазначеного відеозображення з одержанням даних про параметри розплаву, який відрізняється тим, що сформовані відеокамерою відеосигнали перетворюють у цифрову форму з прив'язкою до показника яскравості, розподіляють по кольорах і встановлюють ВІДПОВІДНІСТЬ кожного з кольорів рівню яскравості, далі відеосигнали подають на обробку та обчислення, де зображення розпізнають, і з цифрових даних відеосигналів виділяють характеристики діаметра монокристала, зовнішнього та внутрішнього діаметрів його меніска, а також рівня розплаву 2 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що після встановлення ВІДПОВІДНОСТІ КОЖНОГО З кольорів рівню яскравості відбирають ділянку відеокадру, що містить корисну інформацію 3 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що перед початком процесу визначають і встановлюють рівень розплаву 4 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що ви Винаходи відносяться до одержання напівпровідникових матеріалів, зокрема, вирощування монокристалів, переважно кремнію Велику частину монокристалічного кремнію для інтегральних схем виробляють способом Чохральского, хоча при вирощуванні монокристала з мірюють і підтримують постійним діаметр монокристала з одночасним підтриманням рівня розплаву протягом усього процесу росту монокристала 5 Пристрій для вирощування монокристала, що містить датчик виміру рівня розплаву і вузол розпізнавання та обчислення, який відрізняється тим, що датчик виміру рівня розплаву виконаний у вигляді встановленої на ростовій камері відеокамери з об'єктивом, вихід якої з'єднаний з відеодекодером, вихід якого через контролер зв'язаний з оперативною пам'яттю, а вихід контролера з'єднаний із входом вузла розпізнавання та обчислення 6 Пристрій для вирощування монокристала за п 5, який відрізняється тим, що відеокамера обладнана об'єктивом зі світлофільтром 7 Пристрій для вирощування монокристала за пп 5, 6, який відрізняється тим, що він додатково містить декодер кольору, вхід якого з'єднаний з виходом відеодекодера, вихід зв'язаний із входом контролера пам'яті, а ВХІД-ВИХІД декодера кольору з'єднаний із входом-виходом блока перетворення кольорів 8 Пристрій для вирощування монокристала за пп 5, 6, який відрізняється тим, що він додатково містить блок виділення ділянки відеозображення, входи-виходи якого з'єднані з входами-виходами відеодекодера, декодера кольору та контролера пам'яті 9 Пристрій для вирощування монокристала за п 8, який відрізняється тим, що він додатково містить шинний інтерфейс, входи-виходи якого з'єднані ВІДПОВІДНО з входами-виходами контролера пам'яті і блока виділення ділянки відеозображення, а вихід шинного інтерфейсу з'єднаний із входом вузла розпізнавання та обчислення кварцового тигля кремній насичується киснем і іншими домішками Переваги способу обумовлені можливістю збільшення діаметра кристала при досягненні підвищених вимог до структурної досконалості Реалізація потенційних резервів, закладених у способі, дозволяє посилити вимоги по 00 00 47988 однорідності електрофізичних параметрів розподілу домішок і мікродефектів в обсязі кристала, величині часу життя неосновних носив заряду, нормованому ВМІСТІ кисню, мікророзподілу основної легуючої домішки та кисню, зменшенню концентрації вуглецю й інших фонових домішок, створенню бездефектних приповерхніх зон і ін Відомий спосіб виготовлення монокристала по Чохральскому, що містить контроль і регулювання його діаметра по відхиленню вимірюваної швидкості приросту його ваги від заданої програмованої величини за допомогою керування нагріванням тигля з розплавом Спосіб передбачає облік і корекцію у вихідному сигналі вагового датчика складової конусної частини монокристала (US № 4 937 813, кп СЗОВ 15/28, 1983) Практична реалізація даного способу зводиться до емпіричного підбору умов охолодження, при яких одержують початкові конуси простих форм Невідтворюваність умов охолодження від процесу до процесу приводить до невідтворюваності геометрії конусів і неточності контролю діаметра кристала Помилки контролю приводять до істотного зменшення довжини циліндричної, частини кристалів Крім того, визначення діаметра злитка шляхом виміру його ваги не дозволяє враховувати величини великої і малої осі злитків, що ростуть в різних орієнтаціях (наприклад, різниця в діаметрі злитка орієнтації може досягати 3 мм при заданому діаметрі 105 мм), цей спосіб не дозволяє також з достатньою точністю контролювати діаметр злитка на різних стадіях технологічного процесу ріст шейки, розрощування прямого конуса, ріст циліндричної частини Відомий також спосіб виготовлення монокристала по Чохральскому шляхом керування діаметром зростаючого кристала, зокрема діаметром його меніска, що включає вибір відеокамерою зображення ділянки росту монокристала, визначення зовнішнього діаметра (Do) яскравого кільцевого зображення з яскравістю не нижче, ніж заздалегідь визначене еталонне значення (Е) ВІДПОВІДНО ДО виходу відеосигналів від камери, і визначення КІЛЬКОСТІ коливань зазначеного зовнішнього діаметра (Do) яскравого кільцевого зображення, як КІЛЬКОСТІ коливань, поверхні розплаву поблизу ділянки росту зазначеного монокристала Зазначені коливання поверхні розплаву, що виявляють, на думку заявників, вплив на процес вирощування шейки і злитка в цілому, мають місце за рахунок введення в зону росту монокристала інертного газу (ЕР № 0 455 186, кл 330В 15/26, 1991) При цьому жоден із зазначених вище способів не дозволяє одержати інформацію про рівень розплаву Відомий пристрій для вирощування великогабаритних лужно-галоідних монокристалів, наприклад сцинтиляційних, що містить електропривод кристалоутримувача, датчик рівня розплаву, зв'язаний із блоком корекції температури розплаву і блоком керування підживленням, що з'єднаний з живильником та блоком завдання часових інтервалів через блок порівняння, датчик переміщення кристалоутримувача, підключений до блоку корекції температури розплаву, обчислювальний блок, входи якого зв'язані з датчиком переміщення кристалоутримувача, датчиком рівня розплаву і блоком завдання тимчасових інтервалів, а виходи підключені до електропривода кристалоутримувача, блоку порівняння, блоку корекції температури розплаву і блоку керування підживленням, для, як указують заявники, підвищення якості монокристалів і надійності системи регулювання (UA № 16 725, кл СЗОВ 15/20, заявл 15 06 83, опубл 29 08 97) Відомий пристрій, так само як і наведені вище технічні рішення, не дозволяє отримати інформацію про рівень розплаву Загальною причиною, що перешкоджає досягненню очікуваного технічного результату у відомих рішеннях, є проведення непрямих вимірів, з недостатньо високою точністю, що призводить до неточності керування параметрами кристала в процесі його росту В основу винаходу поставлена задача, у способі та пристрої для вирощування монокристала, шляхом зміни параметрів процесу і створення нових вузлів і елементів пристрою, досягти подальшого підвищення точності керування параметрами кристала в процесі його вирощування Зазначена задача вирішується тим, що в способі вирощування монокристала шляхом керування параметрами зростаючого кристала, зокрема параметрами його меніска, що містить вибір відеокамерою відеозображення ділянки росту монокристала та аналіз зазначеного відеозображення з отриманням даних про параметри розплаву, згідно з винаходом, зформовані відеокамерою відеосигнали перетворюють у цифрову форму з прив'язкою до показника яскравості, потім їх розділяють по кольорам і встановлюють ВІДПОВІДНІСТЬ кожного з кольорів рівню яскравості, далі відеосигнали подають на обробку та обчислення, де зображення розпізнають, і з цифрових даних відеосигналів виділяють характеристики діаметра монокристала, зовнішнього і внутрішнього діаметрів його меніска, а також рівня розплаву Після встановлення ВІДПОВІДНОСТІ КОЖНОГО З кольорів рівню яскравості відбирають частину відеокадру, що містить корисну інформацію Перед початком процесу визначають і встановлюють рівень розплаву Крім того, вимірюють і підтримають постійним діаметр злитка з одночасною підтримкою рівня розплаву протягом усього процесу росту монокристала У пристрої для вирощування монокристала, що містить датчик виміру рівня розплаву і вузол розпізнання й обчислення згідно з винаходом, датчик виміру рівня розплаву виконаний у вигляді встановленої на ростовій камері відеокамери з об'єктивом, вихід якої з'єднаний з відеодекодером, вихід якого через контролер зв'язаний з оперативною пам'яттю, а вихід контролера з'єднаний із входом вузла розпізнання та обчислення При цьому відеокамера постачена об'єктивом зі світлофільтром Пристрій додатково містить декодер кольору, вхід якого з'єднаний з виходом відеодекодера, вихід пов'язаний із входом контролера пам'яті, а ВХІД-ВИХІД декодера кольору з'єднаний із входомвиходом блока перетворення кольорів Пристрій додатково містить блок виділення ділянки відеозображення, входи-виходи якого 47988 з єднані з входами-виходами відеодекодера, декодера кольору та контролера пам'яті Крім того, пристрій додатково містить шинний інтерфейс, входи-виходи якого з'єднані ВІДПОВІДНО з входами-виходами контролера пам'яті та блока виділення ділянки відеозображення, а вихід шинного інтерфейсу з'єднаний із входом вузла розпізнання та обчислення Винаходи ілюструються прикладеними кресленнями, де на фіг 1 представлене схематичне зображення пристрою, на фіг 2 наведено приклад відеокадру без застосування світлофільтра, на фіг 3 ілюстровано приклад відеокадру з використанням світлофільтра, та ' ' на фіг 4 представлений відеокадр виміру початкового рівня розплаву на фіг 5 наведений графік значень Ріс при різних і для одного рядка (ЛІНІЯ сканування) фази росту монокристала Більш докладно технічна сутність і принцип роботи запропонованих способу та пристрою для вирощування монокристала описані далі Оскільки сутність одержання кристалів по Чохральскому полягає в рості монокристала за рахунок переходу атомів з рідкої чи газоподібної фази речовини у тверду фазу на їх межі розподілу, то стосовно до кремнію цей процес може бути охарактеризований як однокомпонентна ростова система рідина - тверде тіло Тоді швидкість росту злитка визначається числом місць на поверхні зростаючого кристала для приєднання атомів, що надходять з рідкої фази, і особливостями переносу на межі розподілу При цьому швидкість Vs витягування злитка є макроскопічним вираженням сумарної швидкості кристалізації ах залежить від питомої теплоти L плавлення кремнію, коефіцієнта теплопровідності Ks кристала, р значного розкиду концентрації кисню, питомого опору, концентрації легуючої домішки і часу життя неосновних носіїв заряду по довжині злитка, невідтворюваності розподілу цих параметрів від процесу до процесу Зміни температури розплаву, які обумовлює така зміна швидкості росту, полягають у наступному Радіус зростаючого злитка можна визначити за формулою 1 атд - а Т. - • dz (2) Де Ri_ - радіус тигля, PL І PS- ЩІЛЬНІСТЬ розплаву і кристала, q - прихована теплота кристалізації, Vs - середнє значення швидкості витягування, Ts і Т|_- температура твердої та рідкої фаз, As - теплопровідність кристала, Т пл - температура плавлення, a - коефіцієнт теплопередачі на фазовій межі, величина а прямо пропорційна (t| - швидкість обертання кристала щодо розплаву Для підтримки незмінного радіуса злитка Rs повинна виконуватися умова = const (3) -Тпл) dz Збільшення температури розплаву на величиL ну компенсується зменшенням швидкості виs тягування на , що супроводжується збільшенням осьового градієнта температури Градієнт температури зростає пропорційно відносному зменшенню швидкості витягування ЩІЛЬНОСТІ кремнію у твердому стані,—L осьового градієнта температури Оскільки величини швидкості витягування і діаметра злитка впливають на концентрацію мікродефектів і розподіл ДОМІШКІВ, то процес витягування кристала оптимізують Звичайно швидкість витягування злитка кремнію становить величину порядку 1мм/хв , тому що при великих швидкостях витягування відбувається різке зменшення температури кристала, що призводить до конденсації в ньому точкових дефектів, які не встигаютьпіддатися процесу загартування та утворять надалі мікродефекти в кристалі В процесі росту циліндричної частини злитка бажано підтримувати рівень розплаву на незмінному щодо нагрівача рівні, оскільки в цьому випадку забезпечується більш низька концентрація кисню і більш рівномірний його розподіл уздовж злитка в порівнянні з випадком нестабільності рівня розплаву Температуру розплаву при цьому необхідно підтримувати постійною Зміна швидкості росту злитка призводить до dz (4) V s - ДV s Таким чином, можна записати наступне співвідношення, що зв'язує зміни швидкості витягування зі змінами температури розплаву при незмінному радіусі зростаючого злитка VS-AV; v, dz VS-AV ет, dz (5) ЗВІДКИ дт, = a A V B dz VD - ДУП Сч.-т пл )(б) Значення осьового градієнта температури змі aTs 25К/см У центрі злитка до приdz близно 75К/СМ на периферії НЮЄТЬСЯ ВІД 47988 Завдяки тому, що зміни діаметра злитка відбуваються на його периферії, варто прийняти більше значення 75К/СМ Перегрітий розплав під зростаючим у стаціонарному режимі злитком становить відносно невелику величину, отже складовою —-(Т|_ - Т п л ) У формулі (6) можна зневажити, і ЗМІНИ температури розплаву в першому наближенні пропорційні змінам швидкості витягування, що спостерігаються, і зменшуються зі збільшенням коефіцієнта а теплопередачі на фазовій межі, тобто зі збільшенням конвекційних потоків у тиглі Інтенсивність конвекційних потоків у свою чергу залежить як від швидкостей обертання злитка та тигля, так і від КІЛЬКОСТІ розплаву в тиглі, тобто змінюється по ходу процесу вирощування У запропонованому способі інформацію про діаметр злитка, рівень розплаву і параметри меніска отримують з аналізу відеозображення Сформовані відеокамерою відеосигнали перетворюють у цифрову форму з прив'язкою до показника яскравості Потім їх розподіляють по кольорам і встановлюють ВІДПОВІДНІСТЬ кожного з кольорів рівню яскравості, далі відеосигнали подають на обробку та обчислення, де зображення-розпізнають, і з цифрових даних відеосигналів виділяють характеристики діаметра монокристала, зовнішнього та внутрішнього діаметрів його меніска, а також рівня розплаву Після встановлення ВІДПОВІДНОСТІ КОЖНОГО з кольорів рівню яскравості відбирають частину відеокадру, що містить корисну інформацію Перед початком процесу визначають і встановлюють рівень розплаву Крім того, вимірюють і підтримують постійним діаметр злитка з одночасним підтриманням рівня розплаву протягом усього процесу росту монокристала На фіг 1 наведена загальна схема пристрою ВІДПОВІДНО ДО креслення пристрій містить ростову камеру 1 з розплавом 2, монокристал 3, оглядове вікно 4, світлофільтр 5, тигель 6, нагрівач 7, меніск 8 монокристала, відеокамеру 9 з об'єктивом 10, відеодекодер 11, блок 12 перетворення кольорів, декодер 13 кольору, блок 14 виділення зони інтересу на відеокадрі, оперативну пам'ять 15, контролер пам'яті 16, вузол розпізнання та обчислення 17, шинний інтерфейс 18 Прийнявши на відеозображенні будь-яку ЛІНІЮ В ЯКОСТІ базової, можна визначити и геометричне положення щодо верхнього торця нагрівача в міліметрах І_р На кресленнях ця величина (І_р) зазначена як 19 Рівень Ні розплаву 2 щодо базової лінії позначений як 20 По вузлах пристрою варто виділити -тепловий вузол у складі - ростова камера 1, оглядове вікно 4, нагрівач 7, тигель 6, -вузол росту зливка в складі - розплав 2, монокристал 3, меніск 8, -оптичний датчик у складі - світлофільтр 5, відеокамера 9, об'єктив 10, -вузол відбору відеозображення в складі - відеодекодер 11, блок 12 перетворення кольорів, декодер 13 кольору, блок 14 виділення ділянки на відеокадрі, оперативна пам'ять 15, контролер 16 пам'яті, шинний інтерфейс 18, -вузол розпізнання та обчислення 17 Пристрій працює наступним чином 8 У процесі вирощування монокристала, наприклад кремнію, злиток 3, розташований у ростовій камері 1, витягається з розплаву 2, що знаходиться в тиглі 6 і нагрівається нагрівачем 7 При рості злитка на межі злиток - розплав утвориться меніск 8 Зображення злитка, розплаву та меніска через оглядове вікно 4, світлофільтр 5 і об'єктив 10 надходить на відеокамеру 9 Сформований відеосигнал надходить на відеодекодер 11 і перетворюється в цифрову форму з прив'язкою до показника яскравості Відеосигнал у цифровому вигляді надходить на пристрій перетворення кольорів 12, декодер кольору 13 та блок 14 виділення ділянки відеокадру, у яких відбувається розподіл колірних сигналів, встановлення ВІДПОВІДНОСТІ кольорів рівням яскравості і виділення частини відеокадру, що містить корисну інформацію Перетворений відеосигнал надходить до оперативної пам'яті 15, керованої контролером 16 пам'яті, і через шинний інтерфейс 18 надходить у міру запиту на вузол 17 розпізнання та обчислення У вузлі 17 розпізнання та обчислення зображення розпізнається, і одночасно з цифрових даних відеосигналів визначаються наступні параметри діаметр монокристалла, наприклад кремнію, ЗОВНІШНІЙ та внутрішній діаметр меніска, рівень розплаву Введений у систему світлофільтр, 5 наприклад типу ЖС 13, підвищує контрастність відеозображення, дозволяє поліпшити відношення сигналшум і підвищити точність виміру параметрів Відеокадри без світлофільтра та зі світлофільтром наведені на фіг 2 і 3 ВІДПОВІДНО Принцип визначення рівня розплаву грунтується на розпізнанні по відеозображенню положення верхнього краю меніска щодо заздалегідь встановленої базової точки, жорстко зв'язаної з верхнім торцем нагрівача Оптичний датчик у складі - світлофільтр 5, об'єктив 10, відеокамера 9, встановлений на ростовій камері 1, геометричне жорстко зв'язаній з верхнім торцем нагрівача 7 Отримуване відеозображення являє собою двомірну проекцію монокристала 3, розплаву 2 і меніска 8 на площину Прийнявши на відеозображенні будь-яку ЛІНІЮ В ЯКОСТІ базової, можна практичним шляхом визначити її геометричне положення щодо верхнього торця нагрівача в міліметрах Позначимо цю величину як І_р Визначивши різницю в положенні базової лінії на відеозображенні і лінії верхньої границі меніска 8 на відеозображенні, знаходимо положення рівня розплаву щодо базової лінії в рядках відеозображення Ні Визначивши геометричну величину в міліметрах, що приходиться на один рядок, знаючи КІЛЬКІСТЬ рядків, що складають різницю між базовою ЛІНІЄЮ і ЛІНІЄЮ верхньої межі меніска, при ВІДОМІЙ І_р, можна визначити рівень розплаву щодо верхнього торця нагрівача Аналогічним чином можна визначити рівень розплаву відносно будь-якого іншого вузла камери Перед початком процесу проводять встановлення рівня розплаву шляхом опускання затравки в розплав, сканування по рядках відеозображення, обчислення різниці між положенням плями яскравості, що виникає в зоні затравки, та базовим рядком відеозображення (базовою ЛІНІЄЮ), обумовле 9 47988 ною при настроюванні печі Приклад відеозображення при визначенні первісного рівня розплаву наведений на фіг 4 Величина рівня розплаву щодо верхнього торця нагрівача визначиться як bb=k*n+LF Pic=f(lc) U) де k - ваговий коефіцієнт, який визначає різницю в міліметрах рівня розплаву, що приходиться на один рядок (визначається практичним шляхом на етапі настроювання системи), П-КІЛЬКІСТЬ ЛІНІЙ від базової лінії до лінії верхньої межі меніска, Lp-відстань від базової лінії до верхнього торця нагрівача (мм) Вимір діаметра циліндричної частини монокристала, наприклад кремнію, зовнішнього та внутрішнього діаметра меніска базується на аналізі відеозображення зони переходу меніскмонокристал Отримане відеозображення через оптичний датчик у складі - світлофільтр 5, об'єктив 10, відеокамера 9, встановлений на ростовій камері 1, надходить на відеодекодер 11 і перетворюється в цифрову - форму з прив'язкою до показника яскравості Відеосигнал у цифровому вигляді надходить на блок перетворення кольорів 12, декодер кольору 13 і блок 14 виділення ділянки відеокадру, у яких відбувається розподіл колірних сигналів, встановлення ВІДПОВІДНОСТІ кольорів рівням яскравості і виділення частини відеокадру, що містить корисну інформацію Перетворений видеосигнал надходить до оперативної пам'яті 15, керованої контролером 16 пам'яті, і через шинний інтерфейс 18 з частотою, наприклад ЗО кадрів за hp(p o +th)=Ap o 2t - 1 Де Рг значення яскравості в і-го пікселя в рядку сканування, Дро=Рі+і-Рі, Д ро=Рі+2-2рі+і+Рі, 3 Д ро=Рі+з-ЗрІ+2+ЗрІ+і-Рі, Д4ро=р, 4-4р, з+6р, 2-4р і і+рі, h- крок інтерполяції (рівний 1), t- постійна часу (рівна 0,1с) Задача зводиться до визначення кроків, при яких похідна має максимальне і мінімальне значення Різниця МІЖ мінімальними значеннями з правої і лівої межі видимої частини монокристала визначить діаметр монокристала, різниця між мак 10 секунду, вводиться до вузла 17 розпізнання та обчислення, де перетворюється в числовий масив, і сканується по рядках Одержувані лінії є дискретними функціями, що залежать від освітленості об'єкта Можна записати, що (8) де Іс - рівень яскравості точки елемента відеозображення, Рі - дискретизований рівень яскравості в точці і с - індекс колірного каналу Величина Ріс мЬжб лежати в діапазоні 0 - 255, причому значення О відповідає мінімальній яскравості, а значення 255 - максимальній яскравості З ЛІНІЙ сканування можна визначити, що зоні росту кристала відповідає різке наростання яскравості та наступний за ним спад яскравості, обумовлені зміною температур різних зон Для фази росту шийки характерні два чітко виражених максимуми з незначним проміжком між ними Значення Ріс при різних і для одного рядка (ЛІНІЯ сканування) фази росту монокристала наведена на фіг 5 Для визначення діаметра циліндричної частини монокристала, наприклад кремнію, зовнішнього і внутрішнього діаметрів меніска необхідно аналізувати характер функції Рі Зручніше за все це робити за допомогою визначення значення похідної Дану функцію можна розглядати-як табличну, з рівно стоячими інтервалами Тоді похідну можна визначити відомим способом, за допомогою формули Ньютона для інтерполяції та обчислення похідної при чотирьох членах д Ро 4r-18f 22t - 6 л4 А4р0 (9) симальними значеннями з правої і лівої межі видимої частини меніска визначить діаметр меніска, різниця між діаметром монокристала та діаметром меніска визначить внутрішній діаметр меніска Для виключення ефекту прецесії сканування проводять по горизонтальних ЛІНІЯХ відеозображення, від лінії, на якій починається меніск, до лінії, де меніск закінчується, і знаходять ЛІНІЮ З максимальним значенням ширини меніска, по якій і обчислюють всі шукані параметри Робота способу та пристрою в цілому спрямована на рішення проблеми подальшого підвищення точності керування параметрами кристала в процесі його вирощування 11 47988 Фіг.2 Фіг.З 12 13 47988 Фіг.4 Фіг.5 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 14