[发明专利]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

说明书

本发明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，该装置包括石英销和热屏，所述石英销包括水平部分和主体部分，水平部分设置于主体部分上方，并互相垂直，构成“T”字型，主体部分的外立面上设置有反光材料；所述热屏包括导流筒，导流筒底部开设有台阶式通孔，台阶式通孔由第一通孔和第二通孔组成，所述石英销的主体部分穿过第二通孔，并伸出于导流筒底部之下，石英销的水平部分置于第一通孔之中；石英销的主体部分垂直向下伸出导流筒的下沿以作为测量距离的标尺。本发明采用倒影法，由于直拉单晶炉内热屏内边缘在硅熔液液面上产生倒影，倒影法则利用相机采集液面上的倒影，进而检测熔硅液面位置倒影边缘在图像中的位置。

技术领域

本发明涉及一种直拉单晶炉熔硅液面的测距装置，属于半导体材料检测技术领域。

背景技术

单晶硅作为一种良好的半导体材料，是电子信息产业和新能源光伏发电产业中最基本的原材料，广泛应用于功率整流器、大功率晶体管、二极管、开关器件及太阳能电池等产品的生产制造。

当今制备单晶硅的方法主要有直拉法(CZ)、区熔法(FZ)、外延法和水热法等。其中直拉法是单晶硅制备中最常见的方法。在直拉单晶生长期间，随着提拉装置将单晶棒向上旋转提拉，硅熔体体积随着减少，硅熔液液面位置持续下降。坩埚内熔硅液面的变化与晶体熔体中的温度梯度密切相关，根据Voronkov的缺陷理论，晶体熔体界面的温度梯度变化是影响晶体质量和产量的重要因数。因此，精确测量熔硅液面距离对于生产高质量晶体非常重要。

由于直拉单晶炉在工作中始终处于高温密封且负压的恶劣环境，硅熔液液面位置检测只能采用非接触式测量方法。以往的设备在控制熔体的位置时，常采用埚随比法、激光法和倒影法等。

埚随比法是在晶体等直径生长期间，采用埚升速随晶升变化的办法，这种方法的缺点是精度特别差，因为在生长阶段的实际晶体直径是不能准确测量的，故这种方法不能满足现代材料制造的要求。另一种常见方法是用激光控制熔体的位置。这种装置由一个激光发生器和一个激光接受器组成，它两个形成一夹角，在熔硅的表面相交,通过测量激光光强的变化来控制熔体的位置。它有以下缺点,大大地限制了它的使用，缺点是它的价格昂贵、该系统的校准过程太复杂、对热场设计的要求高，因为热场部件不能挡住激光的光路，否则系统将不能工作。

发明内容

本发明的目的提供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，以测量直拉单晶工作时熔硅液面的高度变化。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于检测直拉单晶生长过程中熔硅液面距离的装置，包括石英销和热屏，其中：

所述石英销包括水平部分和主体部分，水平部分设置于主体部分上方，并互相垂直，构成“T”字型，主体部分的外立面上设置有反光材料；

所述热屏包括导流筒，导流筒底部开设有台阶式通孔，台阶式通孔由位于导流筒内侧的第一通孔和位于导流筒外侧的第二通孔组成，第一通孔的内径大于第二通孔的内径；所述石英销的主体部分穿过第二通孔，并伸出于导流筒底部之下，石英销的水平部分置于第一通孔之中；石英销的主体部分垂直向下伸出导流筒的下沿以作为测量距离的标尺。

所述石英销的水平部分上放置有石墨板。

所述石英销的水平部分厚度均匀，以石英销轴线为基准A,水平部分的上端面垂直度0.01,以水平部分的下端面为基准B，水平部分的垂直度0.01。

所述石英销的水平部分的厚度大于第一通孔的深度0.01mm。

所述反光材料为钼条或硅长条。

所述反光材料的周围通过石英包裹。

所述台阶式通孔与单晶炉中晶棒的中心的距离与晶棒最大半径差值不小于30mm。

一种测量单晶炉熔硅液面距离的方法，包括以下步骤：