专利名称：单晶硅直径测定法及其设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及单晶硅直径的一种测定法和测定设备，更具体地说，涉及单晶硅直径的这样一种测定法和测定设备，即在提拉单晶硅时单晶硅在边相对于坩埚旋转边连续形成的过程中测出经提拉的单晶的直径。
参看附图2这一示意图，图中示出了应用周知的制造象硅之类的半导体单晶的切克劳斯基法以制造单晶的设备。应该注意的是，切克劳斯基法广泛称为CZ法，通常也叫做晶体提拉法。
图中，在制造单晶硅的过程中，坩埚2中装有由加热器4加热的熔融硅3，借助于图中未示出的旋转机构使单晶硅1以相反于坩埚2的转向转动的同时逐步由提拉设备7从熔融硅3中提拉上来，于是晶体就在熔融硅3与单晶硅1之间的界面区中生长。单晶硅1是通过晶体生长由籽晶1a生长出来的，籽晶1a则由连接到提拉设备7的籽晶夹具6加以固定。在下面的讨论中，我们把生长过程中的单晶硅1叫做提拉单晶。此外提拉设备7包括单晶硅1的垂直运动机构和单晶硅1的旋转机构，由电动机控制器8、提拉电动机9等组成。因此，这种设备是众所周知的，故这里不再详细说明其结构。除上述旋转机构外，坩埚2还由提升机构(图中未示出)支撑着，而且由该提升机构而设计得即使在晶体生长时液面也保持恒定而不致下降，而且使液面附近的温度分布不变。
CZ法制造出来的提拉单晶1以后就加工成圆柱形的单晶硅锭，因而要求将晶体1提拉得使其整个晶体部分直径均匀。为此，在晶体提拉过程中直接用如视频测定仪5之类的光学装置测定提拉单晶的直径，而且晶体是边调节提拉速度边提拉的，以使直径保持在所要求的值上。在这种情况下，光学装置是固定在晶体提拉设备上，因而出现在提拉单晶1与液体表面的界面处的熔融环是由单根测量线从上面倾斜地测定，从而直接测出提拉单晶1的直径。
在上述一般单晶硅直径测定法和测定设备的情况下，由于测定直径的光学装置固定在单晶硅制造设备上，而且熔融环是用单个测量线从上面倾斜地测定，因而在提拉单晶转动和坩埚转动的影响下，得出的直径测定值叠加有低频干扰。该叠加的干扰增加了测定值的误差。此外，如图3的示意图所示，由于晶体惯态线13的影响，提拉单晶1并不呈正圆形，因而晶体1边转动边提拉时，例如若A方向的直径是在某一取样测定时间测定的，而B方向的直径是在另一时间测定的，则即使相对于A方向的直径不变，直径却因测量方向的不同而发生变化。此外，由于电气的影响，不可避免地会有高频干扰叠加到测定值上。结果，这些因素的出现使提拉单晶的直径测定值进一步变化，从而使测定值变得不稳定和不可靠。
例如，用如此测出的不可靠直径值数据来控制直径时，提拉速度就变化，以便维持提拉单晶的直径均匀。但这样做会有缺点，即如果提拉单晶的直径实际上没有变化，则不仅使控制操作失去意义，而且根据这些数据进行的控制会导致错误控制。
本发明是为解决上述问题而提出的，而本发明的主要目的是提供测定单晶硅直径的这样一种方法和设备，其中光学装置的输出得到改善，从而消除了直径测定值任何不希望有的测量误差，测出真实的直径值。
为实现上述目的，本发明提供了测定单晶硅直径的这样一种方法，该方法是在用CZ法提拉单晶硅的过程中，在提拉单晶规定的转动时间每隔一定的时间用光学装置对熔融环的亮度分布进行取样，以此来确定提拉单晶的直径测定值，再用低通滤波器处理该直径测定值，以产生被转换成时序直径数据的滤波器输出值，然后求出该输出值的移动平均值，由此计算出直径值。
此外，本发明还提供这样一种单晶硅直径测定设备，该设备包括一光学装置、一低通滤波器和一计算装置;光学装置是在用CZ法提拉单晶硅的过程中，在提拉单晶规定的转动时间，每隔一定的时间用以对熔融环的亮度分布进行取样，以此来产生提拉单晶直径的测定值;低通滤波器用以滤除直径测定值的低频分量，从而以转换成时序数据的形式产生滤波器输出值;计算装置则用以求滤波器输出值的移动平均值，从而计算出提拉单晶的直径值。
在上述单晶硅直径测定方法和测定设备中，低通滤波器是个递归式低通数值滤波器，它能用其第(n-1)个输出值表示下列(Ⅰ)式，其中Xn表示滤波器的第n个输入值，Yn表示滤波器的第n个输出值。
Yn＝(1-A)·Xn+A Yn-1 (Ⅰ)其中，A＝exp(-2π·△t·fc)△t＝取样时间间隔fc＝截止频率。
此外，在上述单晶硅直径测定法和测定设备中，移动平均值用低通滤波器的输出值Yn以下列(Ⅱ)式的形式计算单晶硅在给定转数(m个输出)下的硅直径值Zn
按照本发明单晶硅直径的测定法和测定设备，一锭主要因存在如图3所示的晶体惯态线而变得不圆的提拉单晶，开始时是用光学装置从许多不同的方向上在给定转动时间间隔(例如每一转)取样许多次(例如几十次)求出直径测定值，然后令这些测定值通过低通滤波器，从而用移动平均法计算直径值。这样就将电气影响所引起的低频干扰从通过低通滤波器的直径测定值消除掉，然后计算移动平均值以除去因提拉单晶转动和坩埚转动的影响所产生的低频干扰，从而得出测量误差减少了的平稳的直径值数据。这样，在提拉单晶提拉方向的整个面积的所有方向上所测的直径值就不会有估计过高或过低的危险，从而提高了直径测定值的可靠性。
图1是本发明一个实施例的单晶硅直径测定设备结构的示意图。
图2是切克劳斯基法的一般单晶硅制造设备结构的示意图。
图3示出了普通提拉晶体的一剖面和直径测定法的示意图。
图4是说明求移动平均值之前数据存储方式的示意图。
图5是说明普通提拉单晶实际测定值的剖面图。
图6是实际测量数据的一部分的曲线，有助于说明本发明直径测定法的滤波效果。
参看图1，图中表明本发明单晶硅直径测定设备一个实施例结构的示意图。现在说明图1实施例设备的结构以及本发明应用该设备的直径测定法的一个实施例。
图1中，编以1至9的编号的各零部件与图2一般设备所用的零部件完全相同或等效，因此这里不再说明。编号10表示低通滤波器，利用它可以消除视频测定仪5所输出的取样的直径测定值X中的高频干扰分量以产生滤波输出值Y。编号11表示直径计算装置，该装置用以求出时序滤波器输出值的移动平均值，从而产生没有低频干扰分量的直径值Z。编号12表示用以根据直径值Z进行指示的直径指示器。应该指出的是，低通滤波器10是个递归式低通数字滤波器。单晶硅直径测定设备20的结构如刚谈到的那样。
如上述构成的单晶硅直径测定设备是通过往图2的普通晶体提拉设备中加入低通滤波器10、直径计算装置11等构成的，其特征在于，应用了下面将谈到的直径测定法从而消除了光学装置所产生的直径测定值中难免有的测量误差，进而产生可靠性高的直径值。
下面介绍与本发明直径测定法的实施例有关的低通滤波器10和直径计算装置11中的算法。这里基本上利用了由普通光学装置或光学照相机组成的视频测定仪5测出的直径测定值X。如图1实施例所示，经取样和测定的直径测定值Xn通过递归式低通滤波器10之后产生(Ⅰ)式所示作为无高频干扰的直径数据的滤波器输出值Yn。(Ⅰ)式中，滤波器的第(n-1)个输出值用Yn-1表示Yn＝(1-A)·Xn+A Yn-1 (I)其中，A＝exp(-2π·△t·fc)△t＝取样时间间隔fc＝截止频率在此情况下，滤波器输出值Yn系存储在图中未示出的直径计算装置11的内存储器中。存储的方式如图4的示意图所示。存储容量足以存储对应于几百个转速值(M输出值)的多个Yn，从而如图4所示，和第n至第(n+1)个测定情况一样每次测定Yn时就对各数据依次进行更新，从而删除最老的直径数据。也就是说，最后m个时序直径数据系存入存储器中。
然后在直径计算装置11中按(Ⅱ)式求出时序直径数据Yn的移动平均值，由此产生真实的直径值Zn
上面所说的是体现出本发明直径测定法特点的一些算法，因此按照此测定法，直径测定值Xn产生不存在高频干扰的滤波器输出值Yn，滤波器输出值Yn则产生不存在低频干扰的直径值Zn。因此按照本直径测定法，对提拉单晶1的直径测定值Xn既不会估计得过高，也不会估计得过低，而且能进行真实性高的直径值Zn的测定。
下面说明用上述直径测定设备实际测定提拉单晶的直径值的操作实例。按照本实施例，每隔0.1秒钟测定一次以20转/分的转速转动的提拉单晶的直径，然后令直径测定值通过对高于0.16赫的高频干扰起衰减作用的低通滤波器10。通过100次测定或大约3转得出的时序直径值每隔1.0秒顺序地求出其移动平均值，由此计算出直径值。现在说明选取0.16赫作为低通滤波器10的截止频率fc的原因。单晶硅是在结晶轴线取向100的方向提拉时，如图3所示，四个晶体惯态线13以每隔90度的等间距出现。单晶硅以20转/分的转速转动时，因四个结晶惯态线13而产生的干扰其频率为1.3赫。此外，由于提拉单晶本身以20转/分的转速转动，因而产生0.3赫的干扰，坩埚3以10转/分的转速转动引起了0.16赫的干扰。通过对视频测定仪5输出信号的实际频率分析可以看出，频谱分别在0.16、0.33和1.3赫时达到峰值。有鉴于此，因而选取这些频率中的最低频率，即0.16赫，作为截止频率fc。现在说明在上述测定条件下测定提拉单晶直径的实际例子。
先参看图5，图中示出了单晶硅1生长到规定的长度之后从提拉设备上卸下时在其实际截面进行设备内(设备外)测定的参考结果。从图中可以看出，直径在各方向的值以157.6毫米为中心彼此有小小的变化，还可以看到直径为159.0毫米的晶体惯态线。然则，除晶体惯态线部分处的直径值外，可以说真正提拉出圆形的晶体，偏差值在给定的容差(例如±0.5毫米)内。
另一方面，图6是一部分实际测量数据的曲线，特别用以说明按照本发明的直径测定法所提供的滤波作用。图6中，(a)示出了视频测定仪5的输出或直径测定值X;(b)是低通滤波器10的输出或滤波器输出值Y，(c)则为直径计算装置11的输出，或求出移动平均值之后的直径值Z，其中横坐标表示测定时间，纵坐标表示以提拉单晶的真实直径值为中心的偏差值。
从图6可以看出，显然晶体惯态线和电气影响所引起的高频干扰叠加到视频测定仪5所产生的提拉晶体1的直径测定值X上，如图6(a)所示。此外，因提拉单晶转动和坩埚3转动的影响所引起的低频干扰也叠加上去，从而使相对于157.6毫米直径的偏差(最大值与最小值之间的差值)达±1.6毫米。但滤波器的输出值Y其偏差达±1.1毫米，因而将高频干扰加以除去，如图6(b)所示。可是提拉单晶转动和坩埚转动所引起的低频干扰仍然没有除去。这时可以看出，求出移动平均值之后，得出的数据稳定，偏差仅为±0.3毫米，如图6(c)所示;这样就测出了真正的数值Z，其偏差小于给定值。
虽然在上述实施例中，单晶硅是在结晶轴线取向方向或方向100上提拉的，但即使单晶是在结晶轴线取向方向以外的方向上或111方向上提拉的，从上面的说明显然本发明的直径测定法也可加以应用而没有什么不方便的地方。
如上所述，按照本发明的单晶硅直径测定法和测定设备，由于作为为控制CZ法晶体提拉设备的提拉晶体直径而设的光学装置的输出而产生的取样直径测定值是令其通过低通滤波器并从该低通滤波器产生出来的，而且得出的时序输出值是经过求移动平均值的过程计算直径值的，因而不存在对所测定的直径估计过高或估计过低的危险，而且可以测定在提拉中的不存在低频和高频干扰的单晶硅的直径值。
此外，在应用这些直径数据来控制单晶硅的直径使其保持恒定从而控制提拉速度时，还有这样的附带作用，即可以平稳提拉而不致促使提拉速度受控制的变量迅速变化，从而生产出材质均匀的晶体。
权利要求
1.一种单晶硅直径测定法，用以测定相对于坩埚转动的提拉单晶的直径，其特征在于，该方法包括下列各步骤所述提拉单晶在一规定时间转动时，每隔一段时间用光学装置对熔融环的亮度分布进行取样，以获取所述提拉单晶的直径测定值；用低通滤波器处理所述直径测定值，以产生转换成时序直径数据的滤波器输出值；求出所述滤波器输出值的移动平均值，以计算出所述提拉单晶的直径。
2.根据权利要求1所述的单晶硅直径测定法，其特征在于，所述低通滤波器是个递归式低通数字滤波器，利用该滤波器可以下式(Ⅰ)式表示，其中Xn表示第n个直径测定值，Yn表示滤波器的第n个输出值，以及Yn-1表示滤波器的第(n-1)个输出值Yn＝(1-A)Xn+A Yn-1 (Ⅰ)其中，A＝exp(-2π·△t·fc)△t＝取样时间间隔fc＝截止频率。
3.根据权利要求1或2所述的单晶硅直径测定法，其特征在于，所述滤波器输出值的移动平均值是这样计算，即用滤波器的第n个输出值Yn按下面的(Ⅱ)式计算从所述提拉单晶转动时间的规定值选取的n个输出的直径值ZnZn=Σi=n-m-1nYi/m(II)]]>
4.一种单晶硅直径测定设备，用以测定相对于坩埚转动的提拉单晶的直径，其特征在于，所述设备包括光学装置，用以在所述提拉单晶在某规定时间转动时，每隔一段时间对熔融亮度分布进行取样和测定，并输出所述提拉单晶的直径测定值;一低通滤波器，用以滤除所述直径测定值的低频分量，从而产生转换成时序数据的滤波器输出值;和计算装置，用以求出所述滤波器输出值的移动平均值，从而计算所述提拉单晶的直径值。
5.根据权利要求4所述的单晶硅直径测定设备，其特征在于，所述低通滤波器是个递归式低通滤波器，并能用下面的(Ⅰ)式表示，其中Xn表示第n个直径测定值，Yn表示滤波器的第n个输出值，以及Yn-1表示滤波器的第(n-1)个输出值Yn＝(1-A)Xn+A Yn-1 (Ⅰ)其中，A＝exp(-2π·△t·fc)△t＝取样时间间隔fc＝截止频率。
6.根据权利要求4或5的单晶硅直径测定设备，其特征在于，所述计算装置按下面的(Ⅱ)式应用滤波器从第(n-m-1)至n阶的输出值Y计算第n个直径值Zn
全文摘要
本发明涉及一种测定单晶硅直径的方法和设备。在用CZ法提拉单晶的一规定转动周期的间隔内，用光学装置对熔融环的亮度分布进行取样，由此得出该提拉单晶的直径测定值，再用低通滤波器处理该直径测定值，以产生转换成时序直径数据的滤波器输出值，然后求出滤波器输出值的移动平均值，从而计算出直径值。本发明涉及的设备包括能完成上述测定方法的光学装置、一低通滤波器和计算装置。
文档编号G01B11/10GK1056165SQ9110292
公开日1991年11月13日 申请日期1991年4月27日 优先权日1990年4月27日
发明者川岛章浩, 佐藤晨夫, 大川登志男 申请人:日本钢管株式会社