直徑檢測系統(tǒng)

1、1引言近年來，特別是進入21世紀，國內半導體工業(yè)蓬勃發(fā)展。其最重要的基本材料硅單晶需求量迅猛 增加，占據了舉足輕重的地位5。各地興建單晶廠和單晶硅片生產線的報道一直不絕于耳。隨著單晶硅 片制造向200300mm大直徑化發(fā)展，直拉法在單晶制造中越來越顯示出其主導地位，相應的直徑檢測 技術也在向適應大直徑化發(fā)展。2直拉法單晶制造技術直拉單晶制造法（Czochralski，CZ法）是把原料多硅晶塊放入石英坩蝸中，在單晶爐中加熱融化， 再將一根直徑只有10mm的棒狀晶種（稱籽晶）浸入融液中（圖1）。在合適的溫度下，融液中的硅原子 會順著晶種的硅原子排列結構在固液交界面上形成規(guī)則的結晶，成為單晶體。把晶

2、種微微的旋轉向上提升， 融液中的硅原子會在前面形成的單晶體上繼續(xù)結晶，并延續(xù)其規(guī)則的原子排列結構。若整個結晶環(huán)境穩(wěn)定， 就可以周而復始的形成結晶，最后形成一根圓柱形的原子排列整齊的硅單晶晶體，即硅單晶錠。當結晶加 快時，晶體直徑會變粗，提高升速可以使直徑變細，增加溫度能抑制結晶速度。反之，若結晶變慢，直徑 變細，則通過降低拉速和降溫去控制。拉晶開始，先引出一定長度，直徑為35mm的細頸，以消除結 晶位錯，這個過程叫做引晶。然后放大單晶體直徑至工藝要求，進入等徑階段，直至大部分硅融液都結晶 成單晶錠，只剩下少量剩料。控制直徑，保證晶體等徑生長是單晶制造的重要環(huán)節(jié)。硅的熔點約為1450 C，拉晶過

3、程始終保持在高 溫負壓的環(huán)境中進行。直徑檢測必須隔著觀察窗在拉晶爐體外部非接觸式實現。拉晶過程中，固態(tài)晶體與 液態(tài)融液的交界處會形成一個明亮的光環(huán)，亮度很高，稱為光圈。它其實是固液交界面處的彎月面對坩蝸 壁亮光的反射。當晶體變粗時，光圈直徑變大，反之則變小。通過對光圈直徑變化的檢測，可以反映出單 晶直徑的變化情況。自動直徑檢測就是基于這個原理發(fā)展起來的。3 Ircon直徑檢測系統(tǒng)Ircon系統(tǒng)是早期的直徑檢測技術。它使直拉硅單晶制造從人工手動等徑發(fā)展為自動等徑，使半導體材 料的大規(guī)模生產成為可能。Ircon探頭實質上是一個能探測極小范圍的光學高溫計。光學高溫計是通過高 溫物體表面的光線強度來判

4、斷溫度的。其內部結構如圖2,通過透鏡組件，光圈圖像投射到暗箱底部的擋 板上。擋板中央有一個針眼大小的孔，只允許光圈圖像的極小部分通過。只有通過小孔的光束才能照射到 一個光敏元件上產生電信號，最后電信號經過線性化處理輸出。實際通過小孔的光，在光圈上只有直徑為 35mm的圓，與光圈環(huán)的寬度差不多，我們稱之為檢測圈。Ircon探頭只感應檢測圈內的光線變化。工 作時，調節(jié)檢測圈位置切入光圈1/3 （即相交面積為1/3）。如圖3所示，正常時檢測圈內1/3面積是光 圈的強光，剩下的2/3面積為較暗的硅融液部分。當單晶直徑變粗時，光圈環(huán)放大外移，檢測圈與明亮的 光圈的相交面積增加，使檢測圈內平均亮度增加，反

5、之則說明直徑變小了。正景時正景時實踐證明，Ircon系統(tǒng)在小直徑單晶制造中運用十分有效。在125mm直徑以下單晶制造使用非常普 及。通過調節(jié)探頭位置，無論在等徑階段，還是引晶階段都能穩(wěn)定工作。但是，隨著也制造的大直徑化， Ircon系統(tǒng)的局限性也日益顯現。由于單晶外圓的不規(guī)則，單晶旋轉造成了光圈晃動。直徑越大，晃動越 厲害，Ircon系統(tǒng)的穩(wěn)定性會因此下降?，F在一般在125mm直徑以上的單晶制造就很少用此方法。另外， Ircon系統(tǒng)只能感知直徑的變化，而不能檢測出實際直徑的讀數，這也不能適應高自動化工業(yè)的發(fā)展要求。4SIMS直徑掃描系統(tǒng)SIMS(Scanned Image Measuremen

6、t System)直徑系統(tǒng)利用掃描原理檢測直徑，并可以直觀的 測得直徑讀數。首先利用一個旋轉的反射鏡，將光圈圖像反射到光敏元件上，而光敏元件只接受一點的光 信號。由于反射鏡是旋轉的，光敏元件接受的是光圈圖像上的一條水平橫線的光信號，即掃描線。如圖4 所示，掃描線由左至右橫穿光圈，由此可以產生一條對于時間t的掃描波形。掃描周期即是反射鏡的旋轉 周期。調節(jié)反射鏡旋轉軸的角度可以調整水平掃描線的高低位置。圖4(a)，為等徑時的典型掃描波形3。 兩側的兩個較低波峰是明亮的坩蝸壁的亮光，中間兩個較高的波峰就是光圈的強光所產生的。坩蝸壁與光 圈之間是較暗的溶液光線，光圈波峰之間是結晶了的硅，亮度也較低。兩

7、個光圈波峰相距的時間與光圈直 徑大小有線性對應關系，可以推算出光圈直徑的實際大小。在引晶時，由于光圈又細又小，其波形就變成 了兩個小尖峰(如圖4(b)所示)。能直觀的測得直徑的實際數值是SIMS系統(tǒng)的最大進步。但是反射鏡旋轉是機械運動，需要電機和軸 承，會產生磨損。反射鏡旋轉速度不穩(wěn)，會引起掃描波形的畸變，影響最后的計算結果。另一方面，在引 晶時光圈又細又小，其波形變成了兩個小尖峰。掃描線位置必須很精確，光圈的輕微晃動就有可能跑出掃 描線以外，造成了引晶的不穩(wěn)定。5CCD攝像掃描系統(tǒng)因為SIMS系統(tǒng)的種種局限性，一種更先進的技術CCD攝像掃描系統(tǒng)很快替代了 SIMS系統(tǒng)，并且成 為目前大直徑直

8、拉單晶直徑檢測的主流技術。CCD系統(tǒng)也是基于掃描的工作原理，所不同的是它用一個 CCD攝像頭拍攝下光圈的黑白圖像，然后對每一幀圖像進行掃描，而不是直接掃描光圈。根據圖像中黑白 灰度像素的分布，先選擇合適的一行像素作為掃描對象（也就是掃描線的位置），其位置與SIMS系統(tǒng)的 掃描線位置相同。分析掃描線上的黑白灰度像素排列，線上會有兩個白色像素集中區(qū)間，即光圈所在位置。 以這兩個白色像素集中區(qū)間中心之間的像素數量可以推算出光圈的直徑。一般對于等徑，普通VGA圖像 （640 x480像素）就可以得到足夠的精度。一秒刷新一次直徑值，也就是一秒處理一幀掃描圖像，對于 現在的CPU速度是易于實現的。隨著直拉

9、單晶的大直徑化和工藝要求的復雜化，為了使結晶過程更穩(wěn)定，進一步提高對工藝參數的控制 精度，基于CCD攝像掃描的各種改進技術也在不斷發(fā)展。下面就介紹幾種典型的實用技術。5.1采用變焦鏡頭引晶的質量直接影響后面整根單晶的成功率。在引晶過程中，提高對引晶速度、直徑和溫度的可控制性 顯得尤為必要。在引晶過程中，晶種直徑只有35mm，反映到圖像上也只有二三十個像素，精度大約為 5%。為了進一步提高精度，采用變焦鏡頭放大引晶圖像，提高圖像的分辨率是很好的辦法。90年代中期， 國外的單晶爐廠家s就采用變焦改進的CCD系統(tǒng)，自動化程度非常高，能自動完成引晶和等徑過程。在 一套成熟的工藝下，從裝多晶料開始到拉晶

10、結束，無需人工操作。5.2雙CCD系統(tǒng)半導體工業(yè)的發(fā)展使電子產品CCD的成本迅速下降，而變焦鏡頭作為高檔光學產品，其價格始終居高 不下。另一方面，變焦鏡頭需要一個擰變焦環(huán)動作，一般由氣動元件來完成。這在很大程度上增加了機構 的復雜性3。雙CCD系統(tǒng)采用兩個不同焦距的小型攝像頭。長焦距CCD用于引晶階段，可以得到放大 的引晶圖像，提高精度；等晶時，使用普通焦距的CCD。這里只有圖像信號的切換，整個過程都由電子設 備完成，無機械運動，結構簡單。5.3多線掃描自適應系統(tǒng)在拉晶過程中，由于某些原因會引起單晶的擺動（圓錐擺），光圈也會隨之晃動，掃描結果也因此形成 誤差。因此，一方面要采取措施抑制擺動，另

11、一方面提高直徑檢測系統(tǒng)的抗擺動性成為衡量系統(tǒng)性能的重 要指標。自適應掃描技術應運而生，并且在實用中得到很好的運用。這里就以美國Kayex公司的四線掃描 自適應系統(tǒng)為例，提供一個改進思路。根據光圈圖像，先確定光圈在圖像中的位置，把光圈圓弧的最低點 定為基準點。處理每一幀圖像時，都先確定基準點。如圖5,掃描線位置始終在基準點上方，并與基準點 距離保持相對固定。當單晶輕微晃動時，基準點隨之跟蹤光圈的晃動，而掃描線始終被確定在基準點上方 的一個相對固定位置。系統(tǒng)能自動跟隨光圈晃動變化，自動調整掃描線的位置。在此基礎上更進一步，在 垂直距離上每隔若干像素增加一行掃描線，共四條掃描線一起工作。計算結果排除

12、特異值后，取平均值。 這可以大大減少由于圖像干擾引起的突發(fā)誤差?？煽毓杞涣髡{壓器電路可控硅是一種新型的半導體器件，它具有體積小、重量輕、效率高、壽命長、動作快以及使用方便等優(yōu)點，目前交流調壓器多采用可 控硅調壓器。這里介紹一臺電路簡單、裝置容易、控制方便的可控硅交流調壓器，這可用作家用電器的調壓裝置，進行照明燈調光，電風扇調速、電熨斗調溫等控制。這臺調壓器的輸出功率達00W，一般家用電器都能使用。1：電路原理：電路圖如下可控硅交流調壓器由可控整流電路和觸發(fā)電路兩部分組成，其電路原里圖如下圖所示。從圖中可知極管D1D4組成橋 式整流電路，雙基極二極管?1構成張弛振蕩器作為可控硅的同步觸發(fā)電路。當

13、調壓器接上市電后220V交流電通過負載電阻RL經 二極管D1D4整流，在可控硅SCR的A、K兩端形成一個脈動直流電壓，該電壓由電阻1降壓后作為觸發(fā)電路的直流電源。在交 流電的正半周時，整流電壓通過R4、W1對電容C充電。當充電電壓Uc達到T1管的峰值電壓Up時，T1管由截止變?yōu)閷?，于?電容C通過T1管的e、b1結和R2迅速放電，結果在R2上獲得一個尖脈沖。這個脈沖作為控制信號送到可控硅CR的控制極，使 可控硅導通?？煽毓鑼ê蟮墓軌航岛艿停话阈∮赩，所以張弛振蕩器停止工作。當交流電通過零點時，可控硅自關斷。當交流電 在負半周時，電容C又從新充電.如此周而復始，便可調整負載RL上的功率了。2 :元器件選擇調壓器的調節(jié)電位器選用阻 值為470KQ的WH114-1型合成碳膜電位器，這種電位器可以直接焊在電路板上，電阻除1要用功率為1W的金屬膜電阻外，其 余的都用功率為1/8W的碳膜電阻。D1D4選用反向擊穿電壓大于300V、最大整流電流大于0.3A的硅整流二極管如2CZ21B、2CZ83E、2DP3B等。SCR選用正向與反向電壓大于300V、額定平均電流大于1