直徑檢測(cè)系統(tǒng)

1、1引言近年來(lái)，特別是進(jìn)入21世紀(jì)，國(guó)內(nèi)半導(dǎo)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(jù)了舉足輕重的地位5。各地興建單晶廠和單晶硅片生產(chǎn)線的報(bào)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(lái)越顯示出其主導(dǎo)地位，相應(yīng)的直徑檢測(cè) 技術(shù)也在向適應(yīng)大直徑化發(fā)展。2直拉法單晶制造技術(shù)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(huì)順著晶種的硅原子排列結(jié)構(gòu)在固液交界面上形成規(guī)則的結(jié)晶，成為單晶體。把晶

2、種微微的旋轉(zhuǎn)向上提升， 融液中的硅原子會(huì)在前面形成的單晶體上繼續(xù)結(jié)晶，并延續(xù)其規(guī)則的原子排列結(jié)構(gòu)。若整個(gè)結(jié)晶環(huán)境穩(wěn)定， 就可以周而復(fù)始的形成結(jié)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(dāng)結(jié)晶加 快時(shí)，晶體直徑會(huì)變粗，提高升速可以使直徑變細(xì)，增加溫度能抑制結(jié)晶速度。反之，若結(jié)晶變慢，直徑 變細(xì)，則通過(guò)降低拉速和降溫去控制。拉晶開(kāi)始，先引出一定長(zhǎng)度，直徑為35mm的細(xì)頸，以消除結(jié) 晶位錯(cuò)，這個(gè)過(guò)程叫做引晶。然后放大單晶體直徑至工藝要求，進(jìn)入等徑階段，直至大部分硅融液都結(jié)晶 成單晶錠，只剩下少量剩料?？刂浦睆剑ＷC晶體等徑生長(zhǎng)是單晶制造的重要環(huán)節(jié)。硅的熔點(diǎn)約為1450 C，拉晶過(guò)

3、程始終保持在高 溫負(fù)壓的環(huán)境中進(jìn)行。直徑檢測(cè)必須隔著觀察窗在拉晶爐體外部非接觸式實(shí)現(xiàn)。拉晶過(guò)程中，固態(tài)晶體與 液態(tài)融液的交界處會(huì)形成一個(gè)明亮的光環(huán)，亮度很高，稱為光圈。它其實(shí)是固液交界面處的彎月面對(duì)坩蝸 壁亮光的反射。當(dāng)晶體變粗時(shí)，光圈直徑變大，反之則變小。通過(guò)對(duì)光圈直徑變化的檢測(cè)，可以反映出單 晶直徑的變化情況。自動(dòng)直徑檢測(cè)就是基于這個(gè)原理發(fā)展起來(lái)的。3 Ircon直徑檢測(cè)系統(tǒng)Ircon系統(tǒng)是早期的直徑檢測(cè)技術(shù)。它使直拉硅單晶制造從人工手動(dòng)等徑發(fā)展為自動(dòng)等徑，使半導(dǎo)體材 料的大規(guī)模生產(chǎn)成為可能。Ircon探頭實(shí)質(zhì)上是一個(gè)能探測(cè)極小范圍的光學(xué)高溫計(jì)。光學(xué)高溫計(jì)是通過(guò)高 溫物體表面的光線強(qiáng)度來(lái)判

4、斷溫度的。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2,通過(guò)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(gè)針眼大小的孔，只允許光圈圖像的極小部分通過(guò)。只有通過(guò)小孔的光束才能照射到 一個(gè)光敏元件上產(chǎn)生電信號(hào)，最后電信號(hào)經(jīng)過(guò)線性化處理輸出。實(shí)際通過(guò)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(cè)圈。Ircon探頭只感應(yīng)檢測(cè)圈內(nèi)的光線變化。工 作時(shí)，調(diào)節(jié)檢測(cè)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(shí)檢測(cè)圈內(nèi)1/3面積是光 圈的強(qiáng)光，剩下的2/3面積為較暗的硅融液部分。當(dāng)單晶直徑變粗時(shí)，光圈環(huán)放大外移，檢測(cè)圈與明亮的 光圈的相交面積增加，使檢測(cè)圈內(nèi)平均亮度增加，反

5、之則說(shuō)明直徑變小了。正景時(shí)正景時(shí)實(shí)踐證明，Ircon系統(tǒng)在小直徑單晶制造中運(yùn)用十分有效。在125mm直徑以下單晶制造使用非常普 及。通過(guò)調(diào)節(jié)探頭位置，無(wú)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(xiàn)。由于單晶外圓的不規(guī)則，單晶旋轉(zhuǎn)造成了光圈晃動(dòng)。直徑越大，晃動(dòng)越 厲害，Ircon系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)因此下降?，F(xiàn)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(cè)出實(shí)際直徑的讀數(shù)，這也不能適應(yīng)高自動(dòng)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(cè)直徑，并可以直觀的 測(cè)得直徑讀數(shù)。首先利用一個(gè)旋轉(zhuǎn)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(diǎn)的光 信號(hào)。由于反射鏡是旋轉(zhuǎn)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(hào)，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(chǎn)生一條對(duì)于時(shí)間t的掃描波形。掃描周期即是反射鏡的旋轉(zhuǎn) 周期。調(diào)節(jié)反射鏡旋轉(zhuǎn)軸的角度可以調(diào)整水平掃描線的高低位置。圖4(a)，為等徑時(shí)的典型掃描波形3。 兩側(cè)的兩個(gè)較低波峰是明亮的坩蝸壁的亮光，中間兩個(gè)較高的波峰就是光圈的強(qiáng)光所產(chǎn)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(jié)晶了的硅，亮度也較低。兩

7、個(gè)光圈波峰相距的時(shí)間與光圈直 徑大小有線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以推算出光圈直徑的實(shí)際大小。在引晶時(shí)，由于光圈又細(xì)又小，其波形就變成 了兩個(gè)小尖峰(如圖4(b)所示)。能直觀的測(cè)得直徑的實(shí)際數(shù)值是SIMS系統(tǒng)的最大進(jìn)步。但是反射鏡旋轉(zhuǎn)是機(jī)械運(yùn)動(dòng)，需要電機(jī)和軸 承，會(huì)產(chǎn)生磨損。反射鏡旋轉(zhuǎn)速度不穩(wěn)，會(huì)引起掃描波形的畸變，影響最后的計(jì)算結(jié)果。另一方面，在引 晶時(shí)光圈又細(xì)又小，其波形變成了兩個(gè)小尖峰。掃描線位置必須很精確，光圈的輕微晃動(dòng)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?yàn)镾IMS系統(tǒng)的種種局限性，一種更先進(jìn)的技術(shù)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(cè)的主流技術(shù)。CCD系統(tǒng)也是基于掃描的工作原理，所不同的是它用一個(gè) CCD攝像頭拍攝下光圈的黑白圖像，然后對(duì)每一幀圖像進(jìn)行掃描，而不是直接掃描光圈。根據(jù)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(duì)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(huì)有兩個(gè)白色像素集中區(qū)間，即光圈所在位置。 以這兩個(gè)白色像素集中區(qū)間中心之間的像素?cái)?shù)量可以推算出光圈的直徑。一般對(duì)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(duì)于 現(xiàn)在的CPU速度是易于實(shí)現(xiàn)的。隨著直拉

9、單晶的大直徑化和工藝要求的復(fù)雜化，為了使結(jié)晶過(guò)程更穩(wěn)定，進(jìn)一步提高對(duì)工藝參數(shù)的控制 精度，基于CCD攝像掃描的各種改進(jìn)技術(shù)也在不斷發(fā)展。下面就介紹幾種典型的實(shí)用技術(shù)。5.1采用變焦鏡頭引晶的質(zhì)量直接影響后面整根單晶的成功率。在引晶過(guò)程中，提高對(duì)引晶速度、直徑和溫度的可控制性 顯得尤為必要。在引晶過(guò)程中，晶種直徑只有35mm，反映到圖像上也只有二三十個(gè)像素，精度大約為 5%。為了進(jìn)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(guó)外的單晶爐廠家s就采用變焦改進(jìn)的CCD系統(tǒng)，自動(dòng)化程度非常高，能自動(dòng)完成引晶和等徑過(guò)程。在 一套成熟的工藝下，從裝多晶料開(kāi)始到拉晶

10、結(jié)束，無(wú)需人工操作。5.2雙CCD系統(tǒng)半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展使電子產(chǎn)品CCD的成本迅速下降，而變焦鏡頭作為高檔光學(xué)產(chǎn)品，其價(jià)格始終居高 不下。另一方面，變焦鏡頭需要一個(gè)擰變焦環(huán)動(dòng)作，一般由氣動(dòng)元件來(lái)完成。這在很大程度上增加了機(jī)構(gòu) 的復(fù)雜性3。雙CCD系統(tǒng)采用兩個(gè)不同焦距的小型攝像頭。長(zhǎng)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(shí)，使用普通焦距的CCD。這里只有圖像信號(hào)的切換，整個(gè)過(guò)程都由電子設(shè) 備完成，無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。5.3多線掃描自適應(yīng)系統(tǒng)在拉晶過(guò)程中，由于某些原因會(huì)引起單晶的擺動(dòng)（圓錐擺），光圈也會(huì)隨之晃動(dòng)，掃描結(jié)果也因此形成 誤差。因此，一方面要采取措施抑制擺動(dòng)，另

11、一方面提高直徑檢測(cè)系統(tǒng)的抗擺動(dòng)性成為衡量系統(tǒng)性能的重 要指標(biāo)。自適應(yīng)掃描技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并且在實(shí)用中得到很好的運(yùn)用。這里就以美國(guó)Kayex公司的四線掃描 自適應(yīng)系統(tǒng)為例，提供一個(gè)改進(jìn)思路。根據(jù)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(diǎn) 定為基準(zhǔn)點(diǎn)。處理每一幀圖像時(shí)，都先確定基準(zhǔn)點(diǎn)。如圖5,掃描線位置始終在基準(zhǔn)點(diǎn)上方，并與基準(zhǔn)點(diǎn) 距離保持相對(duì)固定。當(dāng)單晶輕微晃動(dòng)時(shí)，基準(zhǔn)點(diǎn)隨之跟蹤光圈的晃動(dòng)，而掃描線始終被確定在基準(zhǔn)點(diǎn)上方 的一個(gè)相對(duì)固定位置。系統(tǒng)能自動(dòng)跟隨光圈晃動(dòng)變化，自動(dòng)調(diào)整掃描線的位置。在此基礎(chǔ)上更進(jìn)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(jì)算結(jié)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{(diào)壓器電路可控硅是一種新型的半導(dǎo)體器件，它具有體積小、重量輕、效率高、壽命長(zhǎng)、動(dòng)作快以及使用方便等優(yōu)點(diǎn)，目前交流調(diào)壓器多采用可 控硅調(diào)壓器。這里介紹一臺(tái)電路簡(jiǎn)單、裝置容易、控制方便的可控硅交流調(diào)壓器，這可用作家用電器的調(diào)壓裝置，進(jìn)行照明燈調(diào)光，電風(fēng)扇調(diào)速、電熨斗調(diào)溫等控制。這臺(tái)調(diào)壓器的輸出功率達(dá)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(diào)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(gòu)成張弛振蕩器作為可控硅的同步觸發(fā)電路。當(dāng)

13、調(diào)壓器接上市電后220V交流電通過(guò)負(fù)載電阻RL經(jīng) 二極管D1D4整流，在可控硅SCR的A、K兩端形成一個(gè)脈動(dòng)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(shí)，整流電壓通過(guò)R4、W1對(duì)電容C充電。當(dāng)充電電壓Uc達(dá)到T1管的峰值電壓Up時(shí)，T1管由截止變?yōu)閷?dǎo)通，于是 電容C通過(guò)T1管的e、b1結(jié)和R2迅速放電，結(jié)果在R2上獲得一個(gè)尖脈沖。這個(gè)脈沖作為控制信號(hào)送到可控硅CR的控制極，使 可控硅導(dǎo)通?？煽毓鑼?dǎo)通后的管壓降很低，一般小于V，所以張弛振蕩器停止工作。當(dāng)交流電通過(guò)零點(diǎn)時(shí)，可控硅自關(guān)斷。當(dāng)交流電 在負(fù)半周時(shí)，電容C又從新充電.如此周而復(fù)始，便可調(diào)整負(fù)載RL上的功率了。2 :元器件選擇調(diào)壓器的調(diào)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