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CN102300809B - 用于测量硅沉积反应器中硅棒的温度和生长厚度的设备和方法 - Google Patents

用于测量硅沉积反应器中硅棒的温度和生长厚度的设备和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于通过位于硅沉积反应器外部的高温计来测量硅沉积反应器中硅棒的温度和生长厚度的设备。本发明的目的是提供一种设备，其允许以足够的精度贯穿整个沉积过程地进行连续的温度测量和生长厚度测量。这被实现是因为无接触操作温度测量装置（4）被设置用于温度测量并被布置在观察窗（2）前面、在硅沉积反应器的外部，而且温度测量装置（4）通过旋转驱动装置（9）可以围绕旋转轴（5）水平枢转，其中枢转轴（5）平行于硅棒（1）的纵轴延伸，并且其中温度测量装置的纵轴（6）延伸穿过枢转轴（5）。

Description

用于测量硅沉积反应器中硅棒的温度和生长厚度的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种通过位于硅沉积反应器外部的温度测量装置来测量硅沉积反应器中硅棒的温度和生长厚度的设备和方法。
背景技术
用于多晶硅的制造过程是基于一种其中气态三氯硅烷与氢一起进入真空反应器的方法，在该真空反应器中，已经被先前布置有细硅棒作为原材料并且所述细硅棒被电加热至大约1100摄氏度的温度。该方法已被已知为所谓的SIEMENS方法。在这种情况中，必须严格注意不达到硅的熔化温度。在这种情况中，沉积硅于硅棒上，其中在来自三氯硅烷的化学反应中生成硅。以这种方式生成的多晶硅柱然后可用于进一步的处理。
硅柱一旦被再次破碎成用于光电工业的相对小的组块，并且然后在石英坩埚中熔化，并且如果需要，被再次成形成单晶或多晶块，然后从所述单晶或多晶块制造用于太阳能模块的坯料。
在该过程中的一个关键因素是涂覆过程期间硅沉积反应器中细硅棒的温度控制，在所述涂覆过程期间，温度必须被保持在大约1100°C的预定温度范围中，并且如果出现过高温度绝对必要停止该步骤，所述过高温度会引起硅棒的断裂，并且必要停止沉积步骤，并且在极低温度的情况中，其不会引起硅的最佳沉积。
用于符合这些条件的一种可能方式是连续的人工视觉检查，这将极其复杂，并将不得不在该过程的至少第一小时期间实施。
为此目的，一个或多个观察窗被定位在硅沉积反应器中，并允许利用通过人工观察和个人估计的近似值进行观测。这必须始终做到，当然这不引起可再生的充分可靠的结果。这是因为毁灭性的后果可起因于短暂地超过标称温度。
发明内容
本发明基于提供一种用于测量硅沉积反应器中硅棒的温度和生长厚度的设备和方法的目的，以允许贯穿整个沉积过程的温度和生长厚度的充分精确的连续测量。
本发明所基于的目的得以实现是因为，无接触操作温度测量装置被设置以用于温度测量并被布置于硅沉积反应器的在观察窗前面的外部，并且通过旋转驱动装置，温度测量装置可以围绕旋转轴水平枢转，其中旋转轴平行于硅棒的纵轴延伸，并且其中温度测量装置的中心轴延伸穿过枢转轴。在该过程期间测量从硅棒出现的热辐射。
在本发明的一个发展中，旋转轴在观察窗前面位于硅沉积反应器的反应器壁外部。
在本发明的一个变型中，枢转轴在观察窗后面布置在硅沉积反应器中，因此能够记录硅沉积反应器中更宽的枢转范围。
此外，通过设置有流体冷却装置来冷却观察窗。通过计算可以完全修正由此引起的温度测量的恶化。
在一个具体发展中，可旋转的偏振滤光器布置在温度测量装置和观察窗之间，或者至少在温度测量装置前面。这使遮蔽或最小化硅沉积反应器的内壁上的反射成为可能。这允许避免不正确的测量，因此提高测量精度。
在本发明的进一步的改进中，温度测量装置是高温计，该高温计的测量数据被存储用于进一步的处理，并显示在监控器上，其中在显示于监控器上的数据上叠加栅格，以用于更好的定向。
温度测量装置也可以是热成像相机。该热成像相机可以枢转或者也可以是静止的，其中测量数据，也就是说关于时间的温度曲线和关于角度的温度曲线在两种情况中都被电子化地评估。
此外，温度测量装置被联接至用于定位观察镜后面的旋转轴的旋转驱动装置，该旋转驱动装置位于管形连接短柱下方，该管形连接短柱从反应器壁突出，并且在该管形连接短柱中定位观察镜。
根据本发明的设备可以有利地用于沉积反应器或其它热涂覆过程。
本发明所基于的目的也通过如下步骤的用于测量硅沉积反应器中细硅棒的温度和生长厚度的方法实现：
-在硅沉积反应器中布置细硅棒，移除氧气并通过将细硅棒集成在电路中以及在硅沉积反应器中引入三氯硅烷来开始沉积步骤，
-通过位于硅沉积反应器外部的温度测量装置扫描细硅棒，并且选择细硅棒中的一个，并使高度计聚焦到选择出的细硅棒上，
-记录关于时间绘制的温度曲线，且通过水平枢转高温计直至识别出突然的亮/暗变化、以及在相反的枢转方向上枢转高温计直至识别出另外的突然的亮/暗变化，同时测量生长厚度，
-从枢转角度计算被涂覆的细硅棒的直径，以及
-以一定间隔重复测量生长厚度，并且在被涂覆的细硅棒已经达到预定厚度之后终止沉积过程。
在该情况中间隔也可以是零，也就是说没有任何中断地实施测量，或者它们可以呈现离散值，因此允许以限定的间隔实施测量。
在被集成到电路中之后，优选选择被定位成最靠近观察窗的细硅棒。
在本发明的一个具体改进中，通过偏振滤光器遮蔽扫描过程开始之前可存在于硅沉积反应器的内壁上的任何反射，因为该偏转滤光器被旋转，直至反射消失，或至少已被减小。
根据本发明的设备可以有利地用于具有依赖于热的层生长的沉积反应器。
本发明的具体优点是涂覆过程可以从自动温度检测和厚度测量开始而实施，由此使之能够避免将引起该过程被停止的过高温度。此外，这使之能够避免引起非最佳的沉积的过低的温度。
此外，涂覆过程被最佳化，因为当硅棒达到标称厚度时涂覆过程能够被终止。此外，介质的使用被最佳化，在于利用实现的棒直径自动控制气体过程，因为随着硅棒的厚度增加必须供应相应更多的三氯硅烷，以用于恒定的生长厚度。
根据本发明的设备使得能够利用硅棒的外部圆周上的显著的突然温度变化而没有任何问题地精确确定相对于时间的沉积厚度和层厚度的增加。
附图说明
在参照一个示例性实施例的下文中更详细地解释本发明。
在相关的附图中：
图1示出了根据本发明用于硅棒的温度测量的设备的示意性平面图；
图2示出了如在图1中示出的变型的示意性平面图，其中温度测量装置的枢转轴位于观察镜后面；以及
图3示出了如在图2中示出的变型的示意性平面图，其中增加了偏振滤光器。
具体实施方式
根据图1，用于通过反应器壁3中的观察窗2对硅沉积反应器中的硅棒1进行温度测量的设备包括无接触操作温度测量装置4，所述温度测量装置4可以围绕枢转轴5枢转。枢转轴5平行于硅棒1的纵轴6延伸。此外，温度测量装置4的纵轴6延伸穿过枢转轴5。
图1示出了两个状态中的硅棒1，具体地为细硅棒1.1和在该过程的结束之后的硅棒1.2。
在图1示出的变型中，枢转轴5位于硅沉积反应器的反应器壁3的在观察窗2前面的外部，所述观察窗2容纳于突出于管壁3外部的管形连接短柱8中。
设置具有旋转驱动装置9形式的马达调节装置用于温度测量装置4的枢转驱动。
根据本发明的设备允许硅棒1在沉积过程期间被持久扫描或以简单的方式以一定的时间间隔扫描，以精确确定温度和生长厚度。因为在硅棒1的宽度上扫描是可能的，所以基于硅棒1的侧边缘处的突然温度改变，可以在沉积过程期间连续检查硅棒1的生长厚度。
此外，这允许介质的使用最佳化，在于气体处理可被自动匹配至已经实现的棒直径，因为在恒定生长厚度的情况下，随着硅棒厚度增加，必须供给相应更多的三氯硅烷。因此该过程可以以最小需要的三氯硅烷量开始，在这种情况中，该量于是与硅棒的增加的直径相匹配。
从枢转轴5和硅棒1之间的距离以及确定的枢转角度可以计算所实现的厚度。
图2示出了本发明的变型的示意性平面图，其中枢转轴5位于观察窗2后面，也就是说在硅沉积反应器中，因此使实现更大的枢转角度成为可能。
为了将枢转轴5定位观察镜后面，温度测量装置4被联接至位于观察镜下方的旋转驱动装置9。
其测量数据可被存储和显示于监控器上的高温计特别适用于作为温度测量装置4，在其上可以叠加栅格以便更好地图示所显示的数据及极限值。
作为高温计的替代，也可以使用热成像摄像机，并且如果适当地设计则该热成像相机可被布置成静止的。
此外，可以在高温计和观察窗2之间布置可旋转的偏振滤光器2.1，因此通过适当地旋转偏振滤光器2.1直至反射消失或被最小化而使遮蔽反应器的内壁上的干扰反射、或者至少使它们最小化成为可能（图3）。这使实现特别高的测量精度成为可能。
根据本发明的设备允许测量硅沉积反应器中的细硅棒1的温度和生长厚度的自动方法。
为此目的，细硅棒1.1首先被布置在硅沉积反应器中，并且从硅沉积反应器移除氧气。然后通过将细硅棒1.1集成在电路中以及引入三氯硅烷来开始沉积过程。细硅棒1.1被电加热至大约1100°C的温度，也就是说沉积温度。
然后通过温度测量装置4例如高温计扫描细硅棒1.1，该温度测量装置4位于硅沉积反应器外部，并且选择细硅棒1.1中的一个，其中该高温计聚焦在该细硅棒1.1上。
然后记录相对于时间的温度曲线，并且通过水平枢转温度测量装置4直至识别出突然的亮/暗变化和在相反的枢转方向上枢转温度测量装置4直至识别出另外的突然亮/暗变化，执行细硅棒1.1的生长厚度的同时或随后的测量。然后从枢转轴和硅棒之间的距离以及测量的枢转角度可以容易计算被涂覆的细硅棒1.1的直径。
为了提高测量过程的精度，应当在扫描过程开始之前遮蔽硅沉积反应器的内壁上的反射，并且这可以借助于偏振滤光器通过旋转该偏振滤光器直至该反射已消失或至少已被减少来实现。
以均匀的时间间隔或者连续地测量生长厚度，从而使一旦被涂覆的细硅棒1.2达到预定的厚度就终止硅沉积过程。
当然，原则上也能够在时间上交错地测量多个细硅棒1.1。
该方法一方面确保原则上再也不超过临界温度，同时另一方面通过当硅棒达到标称厚度时停止该过程的能力来最佳化沉积过程。
原则上，也能够围绕水平轴来枢转该温度测量装置4，这优选地应当位于观察窗后面。这使通过稍微向下或向上枢转温度测量装置来遮蔽来自相对反应器壁的反射成为可能。
附图标记列表
1    硅棒
1.1  细硅棒
1.2  沉积结束之后的硅棒
2    观察窗
2.1  偏振滤光器
3    反应器壁
4    温度测量装置
5    枢转轴
6    纵轴
7    旋转角度
8    管形连接短柱
9    旋转驱动装置

Claims (17)

1.用于通过观察窗测量硅沉积反应器中硅棒的温度和生长厚度的设备，其特征在于：无接触操作的温度测量装置（4）被设置用于温度测量并且被布置在观察窗（2）的前面、所述硅沉积反应器的外部，并且所述温度测量装置（4）能够通过旋转驱动装置（9）而围绕枢转轴（5）水平地枢转，其中所述枢转轴（5）平行于所述硅棒（1）的纵轴延伸，并且其中所述温度测量装置的纵轴（6）延伸穿过所述枢转轴（5）。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述枢转轴（5）布置在所述观察窗（2）的前面、所述硅沉积反应器的反应器壁（3）的外部。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述枢转轴（5）布置在所述观察窗（2）的后面、所述硅沉积反应器内。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的设备，其特征在于：所述观察窗（2）被冷却。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于：所述观察窗（2）设置有液体冷却装置。
6.根据权利要求1至3中的任一项所述的设备，其特征在于：在所述温度测量装置（4）和所述观察窗（2）之间布置可旋转的偏振滤光器（2.1）。
7.根据权利要求1至3中的任一项所述的设备，其特征在于：所述温度测量装置（4）是高温计。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于：所述高温计的测量数据存储在存储器中并且显示在监控器上。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于：在显示在所述监控器上的数据上叠加栅格。
10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述温度测量装置（4）是热成像相机。
11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于：所述热成像相机是静止的。
12.根据权利要求1至3中的任一项所述的设备，其特征在于：所述温度测量装置（4）在所述观察镜（2）后面联接至旋转驱动装置（9）以定位所述枢转轴（5），所述旋转驱动装置（9）位于所述观察镜（2）下方，其中所述观察镜（2）布置在位于所述反应器壁（3）上的管形连接短柱（8）中。
13.根据权利要求1至10中的任一项所述的设备用于沉积反应器或其它热涂覆过程的用途。
14.用于测量硅沉积反应器中细硅棒的温度和生长厚度的方法，其特征在于：
在硅沉积反应器中布置细硅棒、移除氧气并且通过将所述细硅棒（1.1）集成在电路中和引入三氯硅烷来开始沉积过程，
通过位于所述硅沉积反应器外部的温度测量装置（4）扫描所述细硅棒（1.1），并且选择所述细硅棒（1.1）中的一根细硅棒，且使所述温度测量装置聚焦到选出的细硅棒（1.1）上，
记录相对于时间绘制的温度曲线，且通过水平地枢转所述温度测量装置（4）直至识别出突然的亮/暗变化和在相反的枢转方向上枢转所述温度测量装置（4）直至识别出另外的突然的亮/暗变化，同时测量所述生长厚度，
从枢转角度和在枢转轴（5）和所述硅棒（1）之间的距离来计算被涂覆的细硅棒的直径，以及
以预定间隔重复测量所述生长厚度，并且在所述被涂覆的细硅棒（1.2）已经达到预定厚度之后终止所述沉积过程。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于：所述间隔≥0。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于：在时间上交错地选择和测量多根细硅棒（1.1）。
17.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于：通过偏振滤光器来遮蔽在扫描过程开始前在所述硅沉积反应器的内壁上的反射。
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