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专利名称：一种直拉单晶生产中液面距的监测及报警方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202411303953.5

专利申请（专利权）人：山东有研艾斯半导体材料有限公司
权利人地址：山东省德州市天衢新区东方红东路6839号

专利发明（设计）人：宋健,刘树通,王春磊,秦瑞锋,李洋,闫志瑞,肖清华

专利摘要：本发明公开了一种直拉单晶生产中液面距的监测及报警方法，解决在拉晶过程中埚跟比设置不合适导致的生产问题，属于单晶硅棒制造技术领域。该方法中，在单晶炉炉盖两侧视窗处设置两个可移动的非接触式红外比色测温仪；在等径生长开始时，移动两个测温仪对准单晶棒外周与熔体液面交界的固液界面处进行温度测量并固定，从而标定正常温度；随后将两个测温仪分别连接对应的微控制器，两个微控制器分别读取各自连接的红外测温仪输出的温度值，并进行高温和低温判断；两个微控制器的高温和低温报警信号分别连接到逻辑与门，并对逻辑与门进行冗余设计，只有当两个微控制器都检测到异常温度时，逻辑与门才会输出信号，用于驱动蜂鸣器和相应的LED灯，实现准确报警。

主权利要求：
1.一种直拉单晶生产中液面距的监测及报警方法，其特征在于，在单晶炉炉盖两侧视窗处设置两个可移动的非接触式红外比色测温仪；
在等径生长开始时，移动两个测温仪对准单晶棒外周与熔体液面交界的固液界面处进行温度测量并固定，从而标定正常温度；
随后将两个测温仪分别连接对应的微控制器，两个微控制器分别读取各自连接的红外测温仪输出的温度值，并进行高温和低温判断；
两个微控制器的高温和低温报警信号分别连接到逻辑与门，并对逻辑与门进行冗余设计，只有当两个微控制器都检测到异常温度时，逻辑与门才会输出信号，用于驱动蜂鸣器和相应的LED灯，实现准确报警。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，两个测温仪对称设置在单晶炉炉盖两侧，红外线通过导流筒与单晶棒之间的间隙到达固液界面处。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在等径生长开始时，固定测温仪，使其光斑准确定位在固液界面处。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高温为高于正常温度2℃以上；所述低温为低于正常温度2℃以上。 说明书 : 一种直拉单晶生产中液面距的监测及报警方法技术领域[0001] 本发明涉及一种直拉单晶生产中液面距的监测及报警方法，属于单晶硅棒制备技术领域。背景技术[0002] 随着半导体技术的飞速发展，对直拉单晶硅的生产效率及成本提出了更大的挑战，实行“一人多机”可以大幅提高生产效率，降低人工成本。但也由此带来了一些问题，人的精力是有限的，思维集中能力也是有限的，所以无法长时间保持精力集中，这样就可能导致人员看管的一台或多台设备出现问题而无法及时发现。液面距作为直拉单晶生产过程中最重要的工艺参数之一，而液面距则需要靠埚跟比进行控制，即坩埚速度与晶升速度的比值。详细地说，单晶生长过程中，在固液界面处会发生结晶，而晶升会控制单晶向上行进，为使固液界面处有充足的熔体发生结晶，那么承载熔体的坩埚也要相应的向上行进，以保证液面距恒定。埚跟比可以根据晶棒的直径、固体硅的密度以及坩埚的内径和熔体硅的密度进行计算。在拉晶过程中埚跟比设置不合适对单晶的质量有着极其重要的影响，甚至可能导致断苞问题，因此须时刻关注。[0003] 专利文献CN116288662A公开了一种控制直拉单晶液面距的方法，通过设置液位检测装置，通过每次移动装置是否接触液面去判定液面距，步骤较为繁琐。专利文献CN117166043A公开了一种控制直拉单晶液面距的方法，通过对比液面温度与导流筒的位置数据进行计算，从而调整坩埚的位置。专利文献CN112725884A公开了一种用于检测直拉单晶生长过程中熔硅液面距离的装置及方法，通过CCD捕捉的像素值模拟的液面距，实际生产中热屏底部在加料过程中很容易溅硅，导致热屏倒影分辨不清，另外观察窗口氧化物遮挡视野亮度变化，像素值修正等，均有可能导致单品生长过程中实际液面距与像素值模拟的液面距有较大的差异。发明内容[0004] 基于以上现有技术，本发明的目的在于提供一种直拉单晶生产中液面距的监测及报警方法，在提高生产效率的同时保持单晶的质量，避免发生单晶由于埚跟比设置不合适而导致的缺陷甚至断苞问题。[0005] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：[0006] 一种直拉单晶生产中液面距的监测及报警方法，其中，[0007] 在单晶炉炉盖两侧视窗处设置两个可移动的非接触式红外比色测温仪；[0008] 在等径生长开始时，移动两个测温仪对准单晶棒外周与熔体液面交界的固液界面处进行温度测量并固定，从而标定正常温度；[0009] 随后将两个测温仪分别连接对应的微控制器，两个微控制器分别读取各自连接的红外测温仪输出的温度值，并进行高温和低温判断；[0010] 两个微控制器的高温和低温报警信号分别连接到逻辑与门，并对逻辑与门进行冗余设计，只有当两个微控制器都检测到异常温度时，逻辑与门才会输出信号，用于驱动蜂鸣器和相应的LED灯，实现准确报警。[0011] 在等径生长过程中，液面距过大或过小都会使红外线光斑偏离光圈，从而导致测量温度有所差异。具体地，液面距过大会导致红外光斑打到单晶晶棒上，此时测得的实际温度比标定正常温度低；反之，测量温度比标定温度高则证明液面过近。因此，通过测温仪测定的温度监测来实现对液面距的监测。[0012] 进一步地，两个测温仪对称设置在单晶炉炉盖两侧，红外线通过导流筒与单晶棒之间的间隙到达固液界面处。[0013] 进一步地，在等径生长开始时，固定测温仪，使其光斑准确定位在单晶外周的固液界面处。[0014] 进一步地，所述高温为高于正常温度2℃以上（即正常温度+2℃以上）；所述低温为低于正常温度2℃以上（即正常温度–2℃以下）。[0015] 本发明的优点在于：[0016] 本发明通过在直拉单晶炉结构中增设红外测温仪装置实现液面距监测，通过设置测量点以及判断测量点温度来实现液面距监控，有效避免了“一人多机”容易产生的生产问题，在提高生产效率的同时也可以保持单晶的质量，避免发生单晶由于液面距不合适而导致的缺陷甚至断苞问题。[0017] 本发明能够实现单晶等径生长过程中液面距的动态全程监控，并且操作简单。附图说明[0018] 图1本发明的方法中增设红外测温仪的单晶炉的局部结构示意图。其中，1红外测温仪、2炉盖观察窗口、3单晶棒、4导流筒、5红外线光斑（固液界面）、6熔体液面。[0019] 图2为对比例1中无液面距监测装置时液面距过近的具体图示。[0020] 图3为实施例1中有液面距监测装置时液面距过近的具体图示。具体实施方式[0021] 下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。[0022] 如图1所示，在本发明中，在单晶炉炉盖两侧的观察窗口分别增设可移动的非接触式红外比色测温仪1，在单晶棒3的外周面与熔体液面6交界处形成固液界面5，测温仪1的红外线通过导流筒4与单晶棒3之间的间隙到达固液界面5形成红外线光斑。[0023] 关于测温仪的可移动设置方式，只要能通过移动实现检测方向的调整即可。例如，该测温仪可以安装在一万向云台之上，以实现手动旋转功能，该万向云台安装在水平导轨的滑块上，允许红外测温仪沿导轨水平移动，水平导轨则安装在一个手动升降支架上，该支架固定在视窗处，使整个系统能够在垂直方向上移动，应用该移动系统可以调整测温仪的监测方向。[0024] 在单晶棒等径生长开始时，将两个测温仪对准单晶外的光圈（即固液界面处）进行温度测量并固定，标定正常温度。单晶生长过程中液面距过大或过小都会使红外线光斑偏离光圈，从而导致测量温度有所差异。[0025] 液面距过大会导致红外光斑打到单晶晶棒上，此时测得的实际温度比标定正常温度低；反之，测量温度比标定温度高则证明液面过近。[0026] 两个测温仪分别连接各自对应的微控制器，两个微控制器分别读取各自连接的红外测温仪输出的温度值，并进行高温（高于正常温度2℃以上）和低温（低于正常温度2℃以上）判断。[0027] 两个微控制器的高温和低温报警信号分别连接到逻辑与门，并对逻辑与门进行冗余设计，只有当两个微控制器都检测到异常温度（高于正常温度2℃以上或低于正常温度2℃以上）时，逻辑与门才会输出信号，用于驱动蜂鸣器和相应的LED灯，实现准确报警。[0028] 本发明中，使用两个微控制器及逻辑与门设计，能够避免由于单个测温仪发生故障（如传感器老化）或测量位置出现偏差产生的误报。[0029] 对比例[0030] 如图2所示，在单晶硅棒等径生长过程中，由于埚跟比设置不合适或者单晶直径误差较大，导致液面距过近，操作人员在观察窗口目视炉内情况不易发现，很容易导致单晶出现缺陷甚至断苞。实施例[0031] 根据本发明的上述方法，在单晶硅棒等径生长过程，通过两个微控制器读取到的温度值在正常温度±2℃的范围内时，视为液面距控制在合理范围内，单晶硅棒等径生长稳定。[0032] 如图3所示，在单晶硅棒等径生长开始时，通过移动系统调整两个红外测温仪的红外线方向，使其通过导流筒与硅棒的间隙到达单晶硅棒外周的固液界面处，生长过程中液面距过近，使得红外线光斑照射在单晶棒附近的熔体处，红外测温仪输出温度信号到微控制器进行温度判断，此时熔体温度高于固液界面处的温度，两个微控制器会输出高温报警信号，此时微控制器后端的逻辑与门接收并输出信号，用于驱动蜂鸣器和相应的LED灯，实现准确报警，通知操作人员进行液面距修正。[0033] 液面距的休整主要通过修改埚跟比进行修正，若发生高温报警则须适当降低埚跟比，反之则须升高埚跟比，直至报警灯不再闪烁，随后再将埚跟比修正为Recipe文件中的原始埚跟比，从而维持合适的液面距，进而保证单晶质量。

专利地区：山东

专利申请日期：2024-09-19

专利公开日期：2024-11-29

专利公告号：CN118814257B