專利名稱：晶體生長(zhǎng)設(shè)備及晶體生長(zhǎng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及晶體生長(zhǎng)設(shè)備及晶體生長(zhǎng)方法。更具體而言，本發(fā)明涉及在晶體生長(zhǎng)過程中能自動(dòng)控制晶體直徑的設(shè)備和方法。本發(fā)明還涉及在晶體生長(zhǎng)中使用的坩堝。
低缺陷單晶的生長(zhǎng)，一直是例如半導(dǎo)體工業(yè)大量研究的課題。這一類晶體是制造各種半導(dǎo)體器件所必不可少的母體。
生長(zhǎng)單晶的切爾勞斯基(Czochralski)晶種-拉單晶技術(shù)是眾所周知的[例如物理化學(xué)雜志(Z.Physik.Chem.)(Liebzig)92,219(1918)]。采用這種技術(shù)使晶種與熔融的材料(熔料)發(fā)生接觸，有利于進(jìn)一步結(jié)晶。如此制造的晶體，是在其生長(zhǎng)時(shí)從熔料中拉出的。已經(jīng)開發(fā)出晶體生長(zhǎng)的雙坩堝方法[例如，應(yīng)用物理雜志(Journal of Applied Physics),29no.8(1958)pp1241-1244和美國(guó)專利5,047,112]。該設(shè)備一般包括一個(gè)外坩堝，其中裝有與生長(zhǎng)晶體組成相同的熔料。一個(gè)內(nèi)坩堝，浮在外坩堝中的熔料上，穿過內(nèi)坩堝側(cè)壁的底部有一個(gè)小通道，使熔料從外坩堝流入內(nèi)坩堝。
最近敘述了一種改進(jìn)的雙坩堝方法(英國(guó)專利9412629.9)，其中采用一個(gè)注射器，使熔融材料進(jìn)入第一個(gè)坩堝，第一個(gè)坩堝是由導(dǎo)熱率高于形成第二個(gè)坩堝所用材料的高熱導(dǎo)材料形成。注射器的構(gòu)成，使與第一個(gè)坩堝的熔融材料具有較高的熱接觸，與第二個(gè)坩堝的材料具有較低的熱接觸。
任何晶體生長(zhǎng)技術(shù)的一個(gè)重要方面，就是在整個(gè)生長(zhǎng)過程中用目視觀察、測(cè)定和控制晶體的直徑。自動(dòng)控制直徑最常采用的方法是稱量晶體或稱量坩堝重量的方法[例如，H.J.A.van Dick等人，電子學(xué)學(xué)報(bào)(Acta Electronica)17 1 45-55(1974)和美國(guó)專利2,908,004]。采用這種方法測(cè)定重量的變化率，用其計(jì)算晶體的直徑。然而，采用這種方法卻有幾個(gè)缺點(diǎn)。
對(duì)于某些材料，在熔點(diǎn)液態(tài)的密度大于固態(tài)的密度。因此，如果熔料的溫度升高，由于提高溫度的結(jié)果，彎液面的高度相應(yīng)增高，盡管晶體的直徑減小，但晶體的重量卻似乎在增加。這種作用會(huì)提供與所要求的符號(hào)相反的控制信號(hào)。包括銻化銦在內(nèi)的大部分Ⅲ-Ⅴ族的半導(dǎo)體，都會(huì)出現(xiàn)這種問題。此外，晶體還受一個(gè)由表面張力引起的向下的力，該力與相對(duì)晶體豎軸接觸角的余弦成正比。在某些材料中，其中包括大部分Ⅲ-Ⅴ族的半導(dǎo)體，液體和晶體的有效接觸角是正的。在提高溫度時(shí)，恰好在晶體熔料界面之下的彎液面的直徑減小，相對(duì)晶體豎軸的有效接觸角也減小。因此，由于表面張力，表觀重量增加，所以給出與減小直徑所要求的相反符號(hào)的控制信號(hào)。在英國(guó)專利1494342和1465191中闡明了這些問題。
自動(dòng)控制晶體直徑的稱重方法的另一個(gè)問題是，差分有效地放大了重量信號(hào)中的噪音。因此，在低生長(zhǎng)速率下，差分重量信號(hào)小時(shí)，噪音在重量信號(hào)中的作用增加，差分信號(hào)的信噪比變差。實(shí)際上，這意味著在生長(zhǎng)速率低于2mm/h時(shí)，這種方法幾乎沒有用處。此外，對(duì)于較大晶體的生長(zhǎng)，稱重設(shè)備必須具有較大的稱重載量，因此不可避免地會(huì)使分辨能力降低。這使得在小直徑下，控制生長(zhǎng)的精確性較小。在密封熔料的情況下，密封劑施加一種浮力，該浮力能有效地減輕晶體的重量。例如，這種影響視密封劑的深度、晶體的直徑和從晶體中排出的密封劑量而變化。
也將X-射線圖象技術(shù)用于晶體直徑的自動(dòng)控制[例如，H.J.A.van Dick等人，電子學(xué)學(xué)報(bào)(Acta Electronica)17 1 45-55(1974)]。然而，這種技術(shù)也有幾個(gè)缺點(diǎn)。有與X-射線相關(guān)的受輻射危害的危險(xiǎn)，輻射防護(hù)的費(fèi)用可能是很貴的。此外，由于需要的設(shè)備尺寸大，并需要將其安裝在晶體生長(zhǎng)設(shè)備的周圍，所以這種技術(shù)可能是不方便的。還需要X-射線透過的窗口。這種圖象設(shè)備的費(fèi)用是較貴的。
也有采用目視觀察晶體生長(zhǎng)的光學(xué)方法。已知的這類光學(xué)技術(shù)主要由二種方法組成。一種技術(shù)是采用光束，或采用從靠近生長(zhǎng)界面的彎液面反射的光束。通過反射光束角度的變化，檢測(cè)彎液面的移動(dòng)和直徑的變化[例如H.J.A.van Dick等人，電子學(xué)學(xué)報(bào)(ActaElectronica)17 1 45-55(1974)和美國(guó)專利3,201,650]。第二種方法是利用晶體生長(zhǎng)的視頻圖象檢測(cè)彎液面，并通過圖象處理確定直徑[例如D.F.O’Kane等人，晶體生長(zhǎng)雜志(Journal of Crystal Growth)13/14 624-628(1972)]。然而，這些方法具有下列一種或多種缺點(diǎn)。由于熔料的液位隨晶體生長(zhǎng)和熔料減少而下降，圖象中晶體的表觀直徑受深度變化的影響。此外，如果晶體直徑突然顯著地下降，在晶體生長(zhǎng)時(shí)彎液面會(huì)從視野中消失，使測(cè)定和控制失效。在用液體密封熔料的情況下，密封劑及其彎液面的反射作用可能引起混淆。隨著熔料液位的下降，坩堝壁可能使彎液面的圖象模糊不清。
可通過外部拉晶機(jī)構(gòu)，研究生長(zhǎng)過程中熔料深度的變化。然而，這需要外加設(shè)備，而且不能完全克服熔料深度下降的影響。例如，不能克服坩堝壁引起的彎液面圖象模糊不清。本發(fā)明的目的就是克服這些問題。
在晶體生長(zhǎng)雜志(Journal of Crystal Growth)13/14 619-623(1972)中，Gartner等人敘述了一種觀測(cè)方法，采用這種方法，在與水平面小于15°角的條件下，對(duì)著明亮的彎液面觀測(cè)晶體的生長(zhǎng)。這種方法要求使用盡可能大的坩堝，并限制晶體生長(zhǎng)到熔料下降約15mm。此外，在晶體生長(zhǎng)過程開始時(shí)，晶體圖象的背景發(fā)暗，隨后在生長(zhǎng)過程中，圖象的背景明亮。這種背景的不連續(xù)性可能會(huì)造成困難，并能造成控制間斷。此外，晶體生長(zhǎng)的圖象隨熔料液位的下降而移動(dòng)，除非調(diào)節(jié)照相機(jī)或反射鏡進(jìn)行補(bǔ)償，否則圖象會(huì)在照相機(jī)視野中移動(dòng)。由于晶體生長(zhǎng)過程中蒸氣的沉積以及揮發(fā)材料造成的不良控制，反射鏡的反射率也常常降低。
本發(fā)明的目的，是提供克服這些問題的晶體生長(zhǎng)設(shè)備以及晶體生長(zhǎng)方法。
根據(jù)本發(fā)明，晶體的生長(zhǎng)設(shè)備包括一個(gè)裝有供晶體從其中生長(zhǎng)的熔融材料的坩堝，在熔融材料和晶體之間具有一個(gè)彎液面區(qū)，和接收沿入射光路射來的光束并反射橫向通過生長(zhǎng)界面區(qū)的光束第一個(gè)反射裝置，和接收橫向通過生長(zhǎng)界面區(qū)反射的光束并反射沿射出光路的射出光束的第二個(gè)反射裝置。
其中，在熔融材料的表面或靠近表面處，配置第一或第二個(gè)反射裝置，使在晶體生長(zhǎng)過程中，使它們相對(duì)熔融材料表面的位置基本上保持不變。
這種設(shè)備具有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即由觀測(cè)第二個(gè)反射裝置反射的射出光束獲得的生長(zhǎng)界面區(qū)的晶體或任何其它部位的圖象，在視野中保持不變，因?yàn)榈谝缓偷诙€(gè)反射裝置的位置與隨著晶體生長(zhǎng)出現(xiàn)的熔融材料深度的下降無關(guān)。
這種設(shè)備可以包括支承第一和第二個(gè)反射裝置的支承裝置，所配置的支承裝置浮在熔融的材料上，使晶體生長(zhǎng)過程中，第一和第二個(gè)反射裝置相對(duì)熔融材料表面的位置，基本上保持不變。
支承裝置可以和第一和第二個(gè)反射裝置是整體的，或可將第一和第二個(gè)反射裝置安裝在單獨(dú)的支承裝置上。
采用另一種方案，支承裝置可以是裝有熔融材料的第二個(gè)內(nèi)坩堝，它與第一個(gè)坩堝中的熔融材料是流體相通的，使第一和第二個(gè)反射裝置支承在內(nèi)坩堝上，內(nèi)坩堝浮在第一個(gè)坩堝中的熔融材料上。這種配置不僅具有常規(guī)雙坩堝設(shè)備的所有優(yōu)點(diǎn)，而且還具有另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即通過觀測(cè)從第二個(gè)反射裝置反射的射出光束得到的生長(zhǎng)界面區(qū)的晶體或任何其它部位的圖象，在視野中都保持不變，與隨著晶體的生長(zhǎng)時(shí)熔融材料深度的下降無關(guān)。
第一和第二個(gè)反射裝置的配置，使第一個(gè)反射裝置反射的入射光束，通過熔融材料的表面反射到第二個(gè)反射裝置。
該設(shè)備也可包括圖象處理裝置，接收射出光束并形成生長(zhǎng)界面區(qū)的晶體或任何部位的圖象。這種設(shè)備還可包括加熱第一個(gè)坩堝中物料的裝置。
優(yōu)選入射和射出光路與豎直方向的角度小于5°，而入射和射出光路基本上是在豎直方向上。
第一和第二個(gè)反射裝置可以是平面反射鏡。該裝置也可包括沿入射光路直射光束的輻射源。該裝置也可包括一個(gè)或多個(gè)用于引導(dǎo)從輻射源來的沿入射光路的直射的反射鏡。其優(yōu)點(diǎn)為源可定位在更為方便的位置。該設(shè)備還可包括一個(gè)或多個(gè)用于將從第二個(gè)反射裝置來的反射光束反射到圖象處理裝置的反射鏡。
該設(shè)備還可包括根據(jù)觀測(cè)的圖象，測(cè)定晶體直徑或彎液面區(qū)直徑的至少一個(gè)的測(cè)定裝置。該設(shè)備還可包括根據(jù)測(cè)定的晶體直徑或測(cè)定的彎液面區(qū)直徑控制晶體生長(zhǎng)的反饋裝置。
第一個(gè)反射裝置標(biāo)有測(cè)量刻度，為晶體直徑的測(cè)定或彎液面區(qū)直徑的測(cè)定提供標(biāo)度。采用另一種方案，該設(shè)備可以包括反射第一個(gè)反射裝置中測(cè)量刻度的裝置，為晶體直徑的測(cè)定或彎液面區(qū)直徑的測(cè)定提供標(biāo)度。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，浮在一個(gè)外坩堝中的熔融材料上的用于從熔融材料中生長(zhǎng)晶體的坩堝，其特征在于，它包括第一個(gè)反射裝置和第二個(gè)反射裝置，前者接收光束并將其反射橫向通過生長(zhǎng)界面區(qū)，后者接收橫向通過生長(zhǎng)界面區(qū)的反射光束，并將其反射成射出光束。其中配置的第一或第二個(gè)反射裝置，使在晶體生長(zhǎng)過程中，它們位于熔融材料的表面或靠近表面處，以致在晶體生長(zhǎng)過程中，它們相對(duì)熔融材料表面的位置，基本上保持不變。
這種坩堝可以包括第一和第二個(gè)反射表面，它們可以是坩堝整體的一部分，例如，拋光的表面，或者被固定在坩堝上。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，晶體生長(zhǎng)的方法包括以下步驟(ⅰ)采用加熱裝置加熱晶體從其中生長(zhǎng)的熔融材料，在熔融材料和晶體之間具有彎液面區(qū)，(ⅱ)使光束沿入射光路射到第一個(gè)反射裝置上，經(jīng)反射橫向通過生長(zhǎng)界面區(qū)到達(dá)第二個(gè)反射裝置上，(ⅲ)第二個(gè)反射裝置接收第一個(gè)反射裝置反射的光束，并沿射出光路反射出射出光束，和(ⅳ)第一和第二個(gè)反射裝置配置在熔融材料的表面或靠近表面處，以致在晶體生長(zhǎng)過程中，它們相對(duì)熔融材料表面的位置基本上保持不變。
這種方法可以包括在支承裝置上支承第一和第二個(gè)反射裝置的步驟，所配置的支承裝置浮在熔融的材料上，以致在晶體生長(zhǎng)過程中，第一和第二個(gè)反射裝置相對(duì)熔融材料表面的位置基本上保持不變。
這種方法還可以包括采用圖象處理裝置獲得晶體或生長(zhǎng)界面區(qū)的任何部位圖象的步驟。這種方法還可以包括根據(jù)圖象處理裝置，測(cè)定晶體直徑或彎液面區(qū)直徑的至少一個(gè)的進(jìn)一步的測(cè)定步驟，根據(jù)測(cè)定的晶體直徑或測(cè)定的彎液面區(qū)直徑，控制晶體的生長(zhǎng)。
現(xiàn)在將參照下面的一些附圖，通過唯一的實(shí)施例說明本發(fā)明，其中

圖1示出現(xiàn)有技術(shù)已知的測(cè)定晶體直徑的光學(xué)設(shè)備，圖2更詳細(xì)地示出熔料表面的界面圖，
圖3示出本發(fā)明的設(shè)備一個(gè)實(shí)施方案的示意圖，圖4示出生長(zhǎng)彎液面的示意圖，圖5示出圖4所示設(shè)備部件的另一種配置，圖6示出控制反饋過程的流程圖。
參見圖1，圖1用示意圖示出在采用常規(guī)切爾勞斯基生長(zhǎng)技術(shù)生長(zhǎng)的過程中測(cè)定晶體直徑的一種已知光學(xué)測(cè)定設(shè)備。這種設(shè)備總體用1表示，其中包括一個(gè)裝有熔融材料(熔料)3的坩堝2，熔料具有熔料表面4，在加熱和冷卻后熔料會(huì)固化成具有所需組成的晶體5。在這個(gè)方案中，通過觀測(cè)從點(diǎn)源P點(diǎn)射入并從熔料表面4反射的激光束6，測(cè)定晶體5的直徑。
為了周期地改變輸入信號(hào)，激光束6通過一個(gè)光調(diào)制盤7射入，通過透鏡L1和L2聚焦，由反射鏡8反射到熔料的表面4上。從熔料表面R處反射的光束，通過透鏡L1聚焦，并由反射鏡M1和M2反射到光電二極管檢測(cè)器D1和D2上。光強(qiáng)度在光電二極管上的分配比例取決于反射角度，通過測(cè)定光束從熔料表面4的反射角度，可以測(cè)定表面傾角φ(見圖2)。已經(jīng)知道，表面傾角是固液界面上晶體直徑的真實(shí)量度[例如H.J.A.van Dij等人，電子學(xué)學(xué)報(bào)(ActaElectronica),17,1,1974 pp45-55]。因而，測(cè)定反射角得到晶體直徑的度量。
然而，這種方法確實(shí)有幾個(gè)缺點(diǎn)。例如，由于熔料的液位隨晶體的生長(zhǎng)和熔料的減少而下降，晶體的表觀直徑受深度變化的影響。此外，如果晶體直徑突然明顯減小，彎液面就從視野中消失，則測(cè)定和控制失效。對(duì)于某些材料，在需要采用液體密封熔料的情況下，從密封劑和其彎液面上反射的光束，可能引起混淆。
在另一種方法(例如Gartner等人，晶體生長(zhǎng)雜志(Journal ofCrystal Growth)13/14 619-623(1972))中，由于熔料的液位隨晶體的生長(zhǎng)而下降，熔料深度的變化也是個(gè)問題，因?yàn)樵谡障鄼C(jī)的視野中，晶體的圖象會(huì)移動(dòng)。因此，為了進(jìn)行補(bǔ)償，在這種方法中采用的反射鏡或照相機(jī)必須能夠移動(dòng)。
本發(fā)明的目的，是提供在晶體生長(zhǎng)過程中，能夠觀測(cè)晶體的晶體生長(zhǎng)設(shè)備以及晶體生長(zhǎng)方法，其中晶體圖象的位置與熔料深度的下降無關(guān)，因此不需要外部的補(bǔ)償裝置。該設(shè)備很容易與常規(guī)切爾勞斯基晶體生長(zhǎng)設(shè)備一起配合使用。該設(shè)備特別適合晶體生長(zhǎng)的雙坩堝技術(shù)。關(guān)于這類系統(tǒng)的詳細(xì)情況可在應(yīng)用物理雜志(Journal of AppliedPhysics),29,no.8(1958)pp1241-1244、美國(guó)專利5,047,112和英國(guó)專利申請(qǐng)9412629.9中找到。
圖3示出本發(fā)明設(shè)備的雙坩堝實(shí)施方案，該設(shè)備總體用10表示。該設(shè)備一般包括一個(gè)內(nèi)坩蝸11，其中所裝的材料在加熱制成熔料12之后會(huì)固化以形成具有所需組成的晶體1。設(shè)備10還包括二個(gè)支承在坩堝11上的反射鏡14和15，坩堝11位于熔料的表面或靠近表面處。還可包括支承在坩堝11外的二個(gè)反射鏡16和17。該設(shè)備還包括一個(gè)外坩堝50。
該設(shè)備特別適用于雙坩堝方法，該方法用于其中主要是慢生長(zhǎng)的晶體生長(zhǎng)，以避免例如成分冷卻引起的生長(zhǎng)缺陷。在前述的參考文獻(xiàn)中敘述了晶體生長(zhǎng)使用的常規(guī)雙坩堝系統(tǒng)。內(nèi)坩堝11位于外坩堝50內(nèi)。晶體13從內(nèi)坩堝中的熔料12a中拉出，在平衡條件下，其組成與外坩堝中的熔料12b相同。在內(nèi)坩堝11中的熔料，通過通道21從外坩堝50得到補(bǔ)充。
在圖5中示出晶體生長(zhǎng)界面區(qū)的放大示意圖。該圖示出晶體13、生長(zhǎng)界面20(即熔料/晶體界面)、在熔料和生長(zhǎng)的晶體之間形成的彎液面19，熔料表面23以及生長(zhǎng)晶體13最靠近生長(zhǎng)界面的部分。對(duì)本說明書而言，所述的“生長(zhǎng)界面區(qū)”系指包括生長(zhǎng)界面20、彎液面19、熔料表面23以及在生長(zhǎng)界面區(qū)20內(nèi)正在生長(zhǎng)的晶體的區(qū)域。
從光源進(jìn)來的光束18(未示出)直接投射到反射鏡16上，再從反射鏡16反射到反射鏡14上。反射鏡16和14是這樣配置的，使從反射鏡16向反射鏡14反射的光束，基本上是在豎直方向上。在圖4所示的實(shí)施方案中，反射鏡14和15是這樣配置的，使它們之間反射光束的光路，橫向通過熔料表面23。反射鏡17相對(duì)反射鏡15配置，使從反射鏡15反射的光束，基本上是豎直向上的，與反射鏡17成一角度，使從設(shè)備反射出來的射出光束18b，投向目視觀測(cè)方便的位置。然后使射出的光束18b射入圖象處理裝置(未示出)。圖象處理裝置可以是人的眼睛，直接通過望遠(yuǎn)鏡觀察晶體。然而，實(shí)際上優(yōu)選采用照相機(jī)觀察晶體。然后采用軟件分析照相機(jī)得到的圖象，在后面將更詳細(xì)地說明這一點(diǎn)。
在晶體生長(zhǎng)過程中，坩堝11內(nèi)熔料的液位12a下降。因此，在外坩堝50內(nèi)的熔料12b的液位也隨晶體的生長(zhǎng)而下降，內(nèi)坩堝11的豎直高度隨熔料深度的下降而下降。本發(fā)明的一個(gè)重要特性在于，彎液面圖象的位置與熔料深度(即外坩堝中的熔料)的下降無關(guān)。這種情況的出現(xiàn)，是由于反射鏡14和15支承在內(nèi)坩堝11內(nèi)，內(nèi)坩堝11浮在外坩堝50中的熔料上。因?yàn)閺澮好鎴D象的位置在視野中固定不動(dòng)，這是有利的。對(duì)于圖象處理而言，這有利于捕捉圖象。這并不是常規(guī)光學(xué)測(cè)定方法的情況，在常規(guī)方法中，需要有外加的裝置來補(bǔ)嘗熔料深度的下降。
在圖4所示的雙坩堝設(shè)備的實(shí)施方案中，反射鏡14和15位于熔料23的表面上。在本發(fā)明的雙坩堝設(shè)備的另一個(gè)實(shí)施方案中，反射鏡14和15不是位于熔料23的表面上，而是配置在靠近熔料表面23的位置上。在圖6中舉出這種配置的一個(gè)實(shí)例。在這種配置中，反射鏡14和15可支承在內(nèi)坩堝11上。使反射鏡14和15成一角度，以致入射光束從反射鏡14反射到熔料表面23上，再將光束從表面23反射到反射鏡15上。在這種配置中，反射鏡14和15相對(duì)熔料表面23的位置基本上保持不變，使彎液面圖象的位置與熔料深度的下降無關(guān)。
只要反射鏡對(duì)16/14和15/17之間光束的光路與豎直方向偏離的角度小，這種方法就與熔料深度的下降無關(guān)。就偏離角度θ而言，測(cè)量誤差與tan2θ成正比，當(dāng)角度θ≥5°時(shí)，誤差可以忽略。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，坩堝沒有通道，該坩堝被用在常規(guī)切爾勞斯基晶體生長(zhǎng)的單坩堝系統(tǒng)中。在這個(gè)實(shí)施方案中，反射鏡可位于浮在熔料表面上的支架上。支架可以是反射鏡整體的一部分，例如在其上施加反射鏡反射覆層的基體。支承裝置可以是任何支架，例如環(huán)狀支架，支架可以單獨(dú)制造，再將反射鏡14和15安裝在支架上，使其浮在熔料上。
可在反射鏡14的反射表面上標(biāo)度分度的測(cè)量刻度。這可用于晶體直徑的準(zhǔn)確測(cè)量或用于調(diào)節(jié)圖象獲取硬件(如照相機(jī)的鏡頭)以自動(dòng)或手動(dòng)地使變焦鏡頭的聚焦長(zhǎng)度最佳化，以致圖象能盡可能高倍地放大，而不超過可用的光圈。這保證了最大的分辨和控制的準(zhǔn)確性，這在通常困難的引晶生長(zhǎng)期間特別有用。另外，分度的測(cè)量刻度可反射到反射鏡14中，而不是在反射鏡上標(biāo)刻度。
圖3所示的上部反射鏡16、17并不是不可缺少的。在另一個(gè)實(shí)施方案中，反射鏡16和17可用放在反射鏡16位置上的光源和放在反射鏡17位置上的檢測(cè)裝置來代替(或者反過來，視優(yōu)選的觀測(cè)位置而定)。此外，在偏離角θ小時(shí)，彎液面圖象的位置與熔料高度的下降無關(guān)，這可通過使光源和檢測(cè)裝置位于適宜的位置來實(shí)現(xiàn)。
在常規(guī)的光學(xué)測(cè)定方案中，在晶體生長(zhǎng)過程下晶體直徑的突然減小可能引起彎液面從視野中消失，使測(cè)定和控制失效。采用本發(fā)明，在晶體直徑減小后，彎液面不會(huì)模糊不清，因而避免了這個(gè)問題。
本發(fā)明也比在晶體生長(zhǎng)過程中用于測(cè)定和自動(dòng)控制晶體直徑的常規(guī)稱重技術(shù)有一些優(yōu)點(diǎn)。在這類方法中，由于晶體材料的生長(zhǎng)性質(zhì)，偶而可能獲得與需要方向相反的控制信號(hào)。特別是對(duì)Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體材料，例如InSb，這是個(gè)問題。本發(fā)明的測(cè)定方法消除了這個(gè)問題，可以普遍地應(yīng)用于適合切爾勞斯基方法的任何材料，與密封劑的反射可能引起問題的常規(guī)方法不同，這種技術(shù)也可應(yīng)用于采用沒有任何有害作用的密封材料密封的熔料。
此外，常規(guī)的稱重技術(shù)依賴于測(cè)定重量的變化率。因此，如果晶體不在生長(zhǎng)，這種技術(shù)就不能用于測(cè)定晶體的直徑。本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，如果晶體不在生長(zhǎng)，也能直接測(cè)定晶體的直徑。在引晶生長(zhǎng)階段，這是特別有用的，采用本發(fā)明，能使從通常很困難的晶種浸漬階段自動(dòng)地生長(zhǎng)。
改善晶體生長(zhǎng)及其彎液面的圖象，容許采用手工非常容易地控制晶體的生長(zhǎng)，特別是在通常晶體生長(zhǎng)很困難的引晶生長(zhǎng)階段。因能以輪廓影象或X光照片的形式得到圖象，這在隨后的圖象處理中，能比較容易地區(qū)別圖象中的晶體和背景。這意味著可以更準(zhǔn)確地測(cè)定晶體的直徑。對(duì)于自動(dòng)控制晶體生長(zhǎng)過程的任何反饋控制過程，高度準(zhǔn)確是重要的。
在晶體生長(zhǎng)過程中，可以采用常規(guī)的視頻照相機(jī)和幀接收器獲取生長(zhǎng)界面區(qū)的晶體生長(zhǎng)或任何部位的圖象。然后可以采用常規(guī)可利用的工業(yè)上的方法分析這種圖象，這些方法能夠提供對(duì)圖象具體特征的線性測(cè)定。通過選擇能代表晶體直徑或能代表就在生長(zhǎng)晶體下面的彎液面直徑的圖象的一部分，可以測(cè)定正在生長(zhǎng)的晶體的有效直徑。
所得的值可用于確定在控制反饋過程中采用的任何偏差或誤差，以相應(yīng)地調(diào)節(jié)熔料的溫度、向坩堝加熱器提供的電力、或晶體拉出的速率，以適宜改變生長(zhǎng)速率得到所需晶體。圖6示出構(gòu)成本發(fā)明一部分的典型自動(dòng)反饋控制過程，從圖象獲取到溫度控制步驟的流程圖。
本發(fā)明的方法，可應(yīng)用于任何常規(guī)切爾勞斯基晶體生長(zhǎng)技術(shù)或雙坩堝技術(shù)中，以在晶體生長(zhǎng)過程中測(cè)定和控制晶體的直徑。
權(quán)利要求
1．一種晶體生長(zhǎng)的設(shè)備，其中包括一個(gè)裝有供晶體從其中生長(zhǎng)的熔融材料的坩堝，在熔融材料和晶體之間具有彎液面區(qū)，第一個(gè)反射裝置，接收沿入射光路射來的光束，并反射橫向通過生長(zhǎng)界面區(qū)的光束，和第二個(gè)反射裝置，接收橫向通過生長(zhǎng)界面區(qū)的反射光束，并反射沿射出光路的射出光束，其中第一和第二個(gè)反射裝置配置在熔融材料的表面或靠近表面處，以使在晶體生長(zhǎng)過程中，它們相對(duì)于熔融材料表面的位置基本上保持不變。
2．權(quán)利要求1的設(shè)備，還包括支持第一或第二個(gè)反射裝置的支承裝置，所配置的支承裝置浮在熔融材料的表面上，以使晶體生長(zhǎng)過程中，第一和第二個(gè)反射裝置相對(duì)于熔融材料表面的位置基本上保持不變。
3．權(quán)利要求2的設(shè)備，其中支承裝置是裝有熔融材料的第二個(gè)內(nèi)坩堝，它與第一個(gè)坩堝中的熔融材料流體相通，以致第一和第二個(gè)反射裝置支承在內(nèi)坩堝上，內(nèi)坩堝浮在第一個(gè)坩堝中的熔融材料上。
4．權(quán)利要求2的設(shè)備，其中支承裝置與第一和第二個(gè)反射裝置是整體的。
5．權(quán)利要求1的設(shè)備，其中第一和第二個(gè)反射裝置的配置，使從第一個(gè)反射裝置反射到第二個(gè)反射裝置的入射光束，經(jīng)反射經(jīng)由熔融材料的表面橫向通過生長(zhǎng)界面區(qū)。
6．權(quán)利要求1的設(shè)備，還包括接收射出光束并形成晶體或生長(zhǎng)界面區(qū)的任何部位的圖象的圖象處理裝置。
7．權(quán)利要求1的設(shè)備，還包括加熱第一個(gè)坩堝中物料的裝置。
8．權(quán)利要求1的設(shè)備，其中入射和射出光路與豎直方向的角度小于5°。
9．權(quán)利要求1的設(shè)備，其中入射和射出光路基本上是豎直方向。
10．權(quán)利要求1的設(shè)備，其中第一和第二個(gè)反射裝置是平面反射鏡。
11．權(quán)利要求1的設(shè)備，其中包括一個(gè)沿入射光路直射的輻射源。
12．權(quán)利要求1的設(shè)備，其中包括一個(gè)輻射源、一個(gè)或多個(gè)指向沿入射光路輻射的反射鏡。
13．權(quán)利要求1的設(shè)備，還包括一個(gè)或多個(gè)反射鏡，反射從第二個(gè)反射裝置反射到圖象處理裝置的光束。
14．權(quán)利要求13的設(shè)備，還包括根據(jù)觀測(cè)的圖象，測(cè)定晶體直徑或彎液面區(qū)直徑的至少一個(gè)的測(cè)定裝置。
15．權(quán)利要求14的設(shè)備，還包括根據(jù)晶體直徑的測(cè)定或彎液面區(qū)直徑的測(cè)定，控制晶體生長(zhǎng)的反饋裝置。
16．權(quán)利要求1的設(shè)備，其中第一個(gè)反射裝置具有測(cè)量刻度，為晶體直徑的測(cè)定或彎液面區(qū)直徑的測(cè)定提供標(biāo)度。
17．權(quán)利要求1的設(shè)備，還包括反射第一個(gè)反射裝置中測(cè)量刻度的裝置，為晶體直徑的測(cè)定或彎液面區(qū)直徑的測(cè)定提供標(biāo)度。
18．一個(gè)用于從熔融材料中生長(zhǎng)晶體的坩堝，其中該坩堝浮在外坩堝中熔融的材料上，其特征在于，該坩堝包括第一個(gè)反射裝置和第二個(gè)反射裝置，前者接收光束并將其反射橫向通過生長(zhǎng)界面區(qū)，后者接收橫向通過生長(zhǎng)界面區(qū)反射的光束，并反射出射光束，其中第一和第二個(gè)反射裝置的配置，使在晶體生長(zhǎng)過程中，它們位于熔融材料的表面或靠近表面處，以使在晶體生長(zhǎng)過程中，它們相對(duì)熔融材料表面的位置基本上保持不變。
19．權(quán)利要求18的坩堝，其中包括是坩堝整體的一部分的第一和第二個(gè)反射表面。
20．權(quán)利要求18的坩堝，其中包括固定在坩堝上的第一和第二個(gè)反射表面。
21．一種生長(zhǎng)晶體的方法，其中包括以下步驟(ⅰ)采用加熱裝置加熱晶體從其中生長(zhǎng)的熔融材料，在熔融材料和晶體之間具有彎液面區(qū)，(ⅱ)沿入射光路直射到第一個(gè)反射裝置上的光束，經(jīng)反射橫向通過生長(zhǎng)界面區(qū)到達(dá)第二個(gè)反射裝置，(ⅲ)接收從第一個(gè)反射裝置反射到第二個(gè)反射裝置的光束，并沿射出光路反射射出光束，和(ⅳ)將第一和第二個(gè)反射裝置配置在熔融材料的表面或靠近表面處，使在晶體生長(zhǎng)過程中，它們相對(duì)熔融材料表面的位置基本上保持不變。
22．權(quán)利要求21的方法，其中包括將第一和第二個(gè)反射裝置支承在支承裝置上的步驟，所配置的支承裝置，浮在熔融材料的表面上，使在晶體生長(zhǎng)過程中，第一和第二個(gè)反射裝置相對(duì)熔融材料表面的位置基本上保持不變。
23．權(quán)利要求21或22的方法，其中還包括采用圖象處理裝置，獲得晶體或生長(zhǎng)界面區(qū)的任何部位圖象的步驟。
24．權(quán)利要求23的方法，其中還包括根據(jù)圖象處理裝置，測(cè)定晶體直徑或彎液面區(qū)直徑的至少一個(gè)的測(cè)定步驟，根據(jù)測(cè)定的晶體直徑或彎液面區(qū)直徑，控制晶體的生長(zhǎng)。
全文摘要
晶體生長(zhǎng)設(shè)備,包括一個(gè)裝有供晶體從其中生長(zhǎng)的熔融材料的坩堝,和接收沿入射光路直射的光束并將其反射到第二個(gè)反射裝置的第一個(gè)反射裝置,借此第二個(gè)反射裝置沿射出光路反射射出光束。第一和第二個(gè)反射裝置配置在熔融材料的表面或靠近表面處,使在晶體生長(zhǎng)過程中,它們相對(duì)熔融材料表面的位置基本上保持不變。該設(shè)備可以包括支承第一和第二個(gè)反射裝置的支承裝置,所置配的支承裝置浮在熔融的材料上。該設(shè)備可以是單坩堝設(shè)備或雙坩堝設(shè)備。在雙坩堝設(shè)備中,支承裝置可以是裝有熔融材料的第二個(gè)內(nèi)坩堝,它與第一個(gè)坩堝中的熔融材料是流體相通的,內(nèi)坩堝浮在第一個(gè)坩堝中的熔融材料上,第一和第二個(gè)反射裝置支承在內(nèi)坩堝上。該設(shè)備還可包括圖象處理裝置,用于形成晶體或生長(zhǎng)界面區(qū)的任何部位的圖象,并在生長(zhǎng)過程中測(cè)定晶體的直徑或彎液面的直徑。該設(shè)備還可包括根據(jù)測(cè)定的晶體或彎液面區(qū)的直徑,控制晶體生長(zhǎng)的裝置。本發(fā)明還涉及用于生長(zhǎng)晶體和晶體生長(zhǎng)方法中使用的坩堝。
文檔編號(hào)C30B15/12GK1309728SQ9980855
公開日2001年8月22日 申請(qǐng)日期1999年4月29日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月14日
發(fā)明者J·A·貝斯維克 申請(qǐng)人:英國(guó)國(guó)防部