專利名稱：用于監控晶體生長狀態的方法、探測系統及設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種長晶的方法、探測系統及設備，特別是涉及一種用于探測及控制晶體生長狀態的方法、探測系統及設備。
背景技術：
類單晶(mono like)相較于單晶硅的制造成本低且相較于多晶硅的轉換效率高，而在太陽能產業成為頗受矚目的新材料。然而，目前類單晶的轉換效率與單晶硅的轉換效率相比仍有一段落差，所以還無法取代單晶硅普遍使用。類單晶的轉換效率與其質量有密切的關系，由于現有制造類單晶的長晶制程無法實時監控晶體生長的狀態，因此不能實時調整制程參數，通常只能在晶體生長完成后才能知道晶體的質量，再根據前一次制程的結果調整制程參數，如此需要經過多次的實驗才能調整出優化參數，不僅需要較長的測試時間，也需要較多的物料成本，而且，若使用的原料改變，可能制程參數即需要重新調整。此制造過程的缺點亦存在于一般的長晶制程。此外，現有技術中，若要了解長晶過程中固-液界面的高度，通常是由人工操作探棒伸入長晶腔體內碰觸固-液界面，憑經驗來判斷晶體的生長狀態，判斷結果恐因人而異，較難有統一的標準以控制質量。所以如何在形成晶體的長晶過程中實時監控其生長狀態，并調整制程參數，以提升生產效率及提升晶碇的質量，是需要解決的課題。
發明內容
本發明的一目的在于提供一種可以提升生產效率及提升晶碇的質量的用于監控晶體生長狀態的方法。本發明的另一目的，在于提供一種可以實時監控晶體生長狀態的設備。本發明的又一目的，在于提供一種用于監控晶體生長狀態的探測系統。本發明用于監控晶體生長狀態的方法，是在晶體生長過程中實時測量固-液界面的多個量測點的高度以計算出固-液界面的形狀，并依據所得信息優化制程參數，使固-液界面在晶體生長過程保持中央凸起的形狀并具有預定的曲率。較佳地，測量固-液界面是使用多支探棒分布于不同位置取得多個量測點的高度。較佳地，測量固-液界面是利用一探測系統將一探棒移動至固-液界面的不同位置取得多個量測點的高度。較佳地，該探測系統包括一探棒，該探棒具有一本體部及一由該本體部彎折延伸入該坩堝內的探測部，該本體部可沿一轉動路徑移動并可以自轉，且該探測部的末端與該本體部偏軸并與該本體部連動，使該 探棒的探測部可控制地接觸固-液界面的多個量測點。
此外，本發明可以監控晶體生長狀態的設備，包含:一腔體、一設于該腔體內的坩堝、一設于該腔體內并分布于該坩堝周側的加熱系統、一探測系統及一連接該加熱系統及該探測系統的控制系統。該探測系統固設于該腔體并包括一探棒。該探棒具有一本體部及一由該本體部彎折延伸入該坩堝內的探測部。該本體部可沿一轉動路徑移動并可以自轉，且該探測部的末端與該本體部偏軸并與該本體部連動，使該探測部可控制地在該坩堝內移動。其中，該探測系統還包括一連接該探棒的升降旋轉機構，以控制該探棒上升或下降以及使該探棒自轉。該探測系統還包括一設于該探棒的力量感測裝置，用以感測該探測部的受力變化。該探測系統還包括一固設于該腔體的軸封，該探棒固設于該軸封，且該軸封帶動該探棒沿該轉動路徑轉動。較具體地，該軸封具有一可旋轉的內圓柱，該探棒的本體部設于該軸封的內圓柱，且隨該內圓柱可沿該轉動路徑移動并可以自轉。該升降旋轉機構包括一導·引件、一滑塊、一升降馬達及一旋轉馬達，該導引件設于該軸封且與該探棒并立，該滑塊可滑動地設于該導引件并連接該探棒，該升降馬達設于該軸封并連接該滑塊，該旋轉馬達設于該滑塊并連接該探棒。該升降旋轉機構還包括一連接該軸封與該滑塊的位置量測裝置，用以量測該探棒的升降位置。本發明的有益效果在于:借由實時測量固-液界面的形狀以實時修正制程參數，使固-液界面在晶體生長過程保持中央凸起的形狀并具有預定的曲率，可以提高長晶質量及排雜能力從而提聞晶旋的成品良率。
圖1是一方塊圖，說明本發明用于監控晶體生長狀態的方法的一較佳實施例；圖2是一示意圖，說明本發明可以監控晶體生長狀態的設備的一具體實施方式
；圖3是一立體圖，說明該具體實施方式
的一探測系統，其中一位置量測裝置未示出；圖4是一示意圖，說明該探測系統的一探棒的移動軌跡；圖5是一側視圖，說明該探測系統；圖6是一示意圖，說明本發明可以監控晶體生長狀態的設備的另一具體實施方式
；圖7是一示意圖，說明探棒的分布位置；及圖8是一示意圖，說明本發明可以監控晶體生長狀態的設備的具體實施方式
在使用晶種的長晶制程的應用。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本發明進行詳細說明。參閱圖1，說明本發明用于監控晶體生長狀態的方法的一較佳實施例。一般晶體的長晶制程是在長晶爐內將原料置于坩堝中熔融后，再定向凝固生長晶體。在晶體生長過程中利用探測系統實時測量固-液界面的多個量測點的高度，例如以G5六吋晶圓(WAFER)坩堝為例，取點的位置可以在正中間取一點，并以此點為圓心，在半徑390mm圓周上平均取四點。探測系統將測得的多個量測點的位置及高度信息傳給控制系統，由控制系統計算出固-液界面的形狀，并依據計算所得的固-液界面形狀的信息調整長晶腔體內的制程參數，例如加熱功率、通入腔體內的氣體流量、冷卻水溫度等，以調整坩堝的環境溫度與壓力及熔體的冷卻速度。利用探測系統實時回饋信息而將制程參數優化，使固-液界面在晶體生長過程保持中央凸起的形狀并具有預定的曲率。由于晶體生長過程中保持固-液界面中央凸起并具有預定的曲率，可以使中央區域凝固較快，而使熔體中的雜質往周圍較低的區域移動達到排除雜質的效果。當熔體完全凝固后中間區域的晶體純度較高、質量較好，而周圍含有雜質的部分即可切除，如此可以獲得較大體積質量較佳的晶碇以提升成品良率。 前述方法可在如下說明的兩個設備的具體實施方式
中實施。參閱圖2，可以監控晶體生長狀態的設備的一具體實施方式
，包含一腔體1、一長晶平臺2、一坩堝3、一加熱系統4、一提籠5、一探測系統6及一控制系統7。長晶平臺2、坩堝3、加熱系統4及提籠5設于 腔體I內。坩鍋3設于長晶平臺2上并由提籠5籠罩。加熱系統4布設于坩鍋3周側并位于提籠5內，用以加熱熔融坩堝3內的原料。提籠5可以升降，當坩堝3內的原料全部熔融形成液態時，將提籠5緩慢上升，從坩堝3底部開始冷卻，而使液體(熔體)10從坩堝3底部往上定向凝固結晶形成固體20，在凝固過程即產生固-液界面30。參閱圖2、圖3與圖4，探測系統6包括一固設于腔體I的軸封61，及一固設于軸封61的探棒62。軸封61具有一可旋轉的內圓柱611，探棒62設于內圓柱611而可隨內圓柱611以內圓柱611的軸心為軸轉動。探棒62具有一本體部621及一由本體部621彎折延伸入坩堝3內的探測部622。本體部621可隨內圓柱611沿一轉動路徑601移動并可以自轉(其致動機構將于下文中說明)，且探測部622的末端與本體部621偏軸并與本體部621連動，使探測部622可控制地在坩堝3內移動。詳細而言，參閱圖4，探測部622與本體部621偏軸，當本體部621自轉的時候，探測部622即以本體部621為軸轉動，探測部622的末端可沿第二轉動路徑602移動。而當本體部621沿轉動路徑601移動位置時，探測部622的末端也隨之移動再由本體部621自轉產生新的第二轉動路徑602’。由本體部621沿轉動路徑601移動并自轉，而使探測部622的末端的移動軌跡形成一個圓形范圍603。也就是說，在圓形范圍603內的任意位置都是探測部622末端可到達的地方，而能自由選取量測點。因此，只要設計本體部621的轉動路徑601及探測部622的末端與本體部621偏軸的距離與坩堝3大小相配合，即能夠使探測部622的末端到達坩堝3內的任意位置。實際的量測范圍(即圓形范圍603)可以依照實際使用需求而設計，若圓形范圍603的直徑約等于或大于坩鍋3的對角線長度時，可以控制探棒62避開與坩鍋3壁干涉的位置即可。再參閱圖3與圖5，探測系統6還包括一設于探棒62的力量感測裝置63，及一連接探棒62以控制探棒62上升或下降以及使探棒62自轉的升降旋轉機構64。力量感測裝置63用以感測探棒62的探測部622的受力變化，可以是例如應變規、荷重元(load cell)等，用以感測探測部622的末端是否到達固體20表面。在本具體實施方式
中，力量感測裝置63采用應變規。升降旋轉機構64包括一導引件641、一滑塊642、一升降馬達643、一旋轉馬達644及一連接軸封61與滑塊642的位置量測裝置645。導引件641設于軸封61的內圓柱611上且與探棒62并立，用以提供滑塊642移動的軌道。滑塊642可滑動地設于導引件641并連接探棒62。升降馬達643設于軸封61的內圓柱611上并連接滑塊642，利用升降馬達643帶動滑塊642升降并連動探棒62即可使探棒62上下移動。旋轉馬達644連接探棒62并設于滑塊642而能隨探棒62上下移動，利用旋轉馬達644可使探棒62自轉。位置量測裝置645可以是例如電阻尺、光學尺等，用以量測探棒62的升降位置。在本具體實施方式
中位置量測裝置645是采用電阻尺，其伸縮端固定在滑塊642上而本體固定在軸封61的內圓柱611上，可以測量滑塊642的位置，即可知滑塊642上下移動的距離，而滑塊642升降的距離即為探棒62升降的距離。當探棒62的探測部622末端下降至力量感測裝置63感受到阻力變化時，即可確認固-液界面30 (參閱圖2)的高度。而在探棒62外，套設有一伸縮波紋管65以密封探棒62與軸封61之間的空隙。再參閱圖2，控制系統7連接加熱系統4、提籠5及探測系統6，用以控制整個設備的制程參數及運作。在晶體生長過程中，借由控制系統7使軸封61的內圓柱611轉動并啟動或關閉旋轉馬達644以控制探棒62的移動位置，即可選擇所欲測量的量測點，當探棒62移動至一定點時，由控制系統7啟動升降馬達643，使探棒62的探測部622末端下降至力量感測裝置63測知阻力變化，并回饋至控制系統7，同時位置量測裝置645也回饋探棒62的移動距離，即可測知固-液界面30在某一位置的量測點的高度信息。采集多個量測點的高度信息即可計算出固-液界面30的形狀。控制系統7依據所得固-液界面30的形狀的信息實時修正制程參數以將參數優化，例如調整提籠5的上升速度、加熱系統4的加熱功率或是通入腔體I內的氣體流量等等，從而使固-液界面30在晶體生長過程保持中央凸起的形狀并具有預定的曲率以提聞排除雜質的能力及晶旋的成品良率。探測系統6除了可以在晶體生長過程監控固-液界面的形狀之外，也可以用來偵測熔化速率及長晶速率，并可判斷長晶是否完成，也就是說能夠涵蓋多種晶體在制程中的狀態的檢測。再者，參閱圖8，除了一般長晶制程之外，需要使用晶種的長晶制程，例如類單晶的長晶制程，亦可利用探測系 統6來監控晶種(即圖8所示的固體20)的熔化高度。舉例而言，生長類單晶時，需在坩堝3底部先鋪一層單晶晶種(厚度3cm)，晶種上方裝填硅料，將硅料完全熔化并利用探測系統6偵測固-液界面30高度，控制晶種部分熔化。當晶種熔化至剩下適當高度(例如剩下1.5cm厚度)時，即可將制程步驟由熔料轉換為長晶。而在長晶過程同樣可利用控制固-液界面30形狀來提高晶碇的成品質量。參閱圖6與圖7，說明可以監控晶體生長狀態的設備的另一具體實施方式
，在本具體實施方式
中，探測系統6是采用多支探棒62位于固定的位置，探棒62亦可升降，其升降機構可參考前述，于此不再詳述，如圖7所示，多支探棒62分布于坩堝3的中間位置及以中間位置為圓心間隔分布的四個位置，可以取得五個量測點的固-液界面30高度，借此控制系統7亦可計算出固-液界面30的形狀。當然，使用較多的探棒62可以增加測量的精準度，但是只使用兩支探棒62，一支探棒62位于中間位置，另一支探棒62位于與中間位置的探棒62間隔的位置，也可以達到量測固-液界面30曲率的功能。綜上所述，借由實時測量固-液界面30的形狀以實時修正制程參數，使固-液界面30在晶體生長過程保持中央凸起的形狀并具有預定的曲率，可以提高長晶質量及排雜能力從而提1 晶旋的成品良率 。
權利要求
1.一種用于監控晶體生長狀態的方法，其特征在于:在晶體生長過程中實時測量固-液界面的多個量測點的高度以計算出固-液界面的形狀，并依據所得信息優化制程參數，使固-液界面在晶體生長過程保持中央凸起的形狀并具有預定的曲率。
2.根據權利要求1所述的用于監控晶體生長狀態的方法，其特征在于:測量固-液界面是使用多支探棒分布于不同位置來取得多個量測點高度。
3.根據權利要求1所述的用于監控晶體生長狀態的方法，其特征在于:測量固-液界面是利用一探測系統將一探棒移動至固-液界面的不同位置取得多個量測點的高度。
4.根據權利要求3所述的用于監控晶體生長狀態的方法，其特征在于:該探測系統包括一探棒，該探棒具有一本體部及一由該本體部彎折延伸入一原料坩堝內的探測部，該本體部可沿一轉動路徑移動并可以自轉，且該探測部的末端與該本體部偏軸并與該本體部連動，使該探棒的探測部可控制地接觸固-液界面的多個量測點。
5.一種可以監控晶體生長狀態的設備，包含:一腔體、一設于該腔體內的坩堝及一設于該腔體內并分布于該坩堝周側的加熱系統；其特征在于:該設備還包含一探測系統及一連接該加熱系統及該探測系統的控制系統；該探測系統固設于該腔體并包括一探棒，該探棒具有一本體部及一由該本體部彎折延伸入該坩堝內的探測部，該本體部可沿一轉動路徑移動并可以自轉，且該探測部的末端與該本體部偏軸并與該本體部連動，使該探測部可控制地在該樹禍內移動。
6.根據權利要求5所述的可以監控晶體生長狀態的設備，其特征在于:該探測系統還包括一連接該探棒的升降旋轉機構，以控制該探棒上升或下降以及使該探棒自轉。
7.根據權利要求6所述的可以監控晶體生長狀態的設備，其特征在于:該探測系統還包括一設于該探棒的力量感測裝置，用以感測該探測部的受力變化。
8.根據權利要求6 所述的可以監控晶體生長狀態的設備，其特征在于:該探測系統還包括一固設于該腔體的軸封，該探棒固設于該軸封，且該軸封帶動該探棒沿該轉動路徑轉動。
9.根據權利要求8所述的可以監控晶體生長狀態的設備，其特征在于:該升降旋轉機構包括一導引件、一滑塊、一升降馬達及一旋轉馬達，該導引件設于該軸封且與該探棒并立，該滑塊可滑動地設于該導引件并連接該探棒，該升降馬達設于該軸封并連接該滑塊，該旋轉馬達設于該滑塊并連接該探棒。
10.根據權利要求9所述的可以監控晶體生長狀態的設備，其特征在于:該升降旋轉機構還包括一連接該軸封與該滑塊的位置量測裝置，用以量測該探棒的升降位置。
11.一種用于監控晶體生長狀態的探測系統，適于設置在用以生長晶體的腔體，其特征在于:該探測系統包括:一軸封、一探棒、一升降旋轉機構、一力量感測裝置及一位置量測裝置；該軸封具有一可旋轉的內圓柱；該探棒具有一本體部及一由該本體部彎折延伸的探測部，該本體部設于該軸封的內圓柱，且隨該內圓柱可沿一轉動路徑移動并可以自轉，且該探測部的末端與該本體部偏軸并與該本體部連動；該升降旋轉機構連接該探棒以控制該探棒上升或下降以及使該探棒自轉；該力量感測裝置設于該探棒，用以感測該探測部的受力變化；該位置量測裝置連接該軸封與該升降旋轉機構，用以量測該探棒的升降位置。
12.根據權利要求11所述的用于監控晶體生長狀態的探測系統，其特征在于:該升降旋轉機構包括一導引件、一滑塊、一升降馬達及一旋轉馬達，該導引件設于該軸封且與該探棒并立，該滑塊可滑動地設于該導引件并連接該探棒，該升降馬達設于該軸封并連接該滑塊，該旋轉馬達設于 該滑塊并連接該探棒。
全文摘要
一種用于監控晶體生長狀態的方法，是在晶體生長過程中實時測量固-液界面的多個量測點的高度以計算出固-液界面的形狀，并依據所得信息優化制程參數，使固-液界面在晶體生長過程保持中央凸起的形狀并具有預定的曲率；一種監控晶體生長狀態的設備，包含一腔體、一設于該腔體內的坩堝、一加熱系統、一探測系統及一控制系統；該用于監控晶體生長狀態的探測系統，適于設置在用于生長晶體的腔體，包括一軸封、一探棒、一升降旋轉機構、一力量感測裝置、一位置感測裝置。本發明可以提高長晶質量及排雜能力從而提高晶碇的成品良率。
文檔編號C30B35/00GK103160935SQ20121020470
公開日2013年6月19日 申請日期2012年6月20日 優先權日2011年12月16日
發明者謝佳穎, 張祁豪, 扈醒華 申請人:志圣工業股份有限公司