直拉法单晶制造中的直径检测技术

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 。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200～300mm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埚中，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。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3～5mm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℃，拉晶过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埚壁亮光的反射。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断温度的。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3～5mm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）。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，反之则说明直径变小了。
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，随着单晶制造的大直径化，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 Measurement 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。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。两侧的两个较低波峰是明亮的坩埚壁的亮光，中间两个较高的波峰就是光圈的强光所产生的。坩埚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
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（640×480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3～5mm，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。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。