专利名称：晶体成长测量补偿系统及其方法
技术领域：
本发明涉及一种补偿系统及其方法，具体地说，是涉及一种针对晶体成长的测量补偿系统及方法。
背景技术：
多晶硅材料因为其生产速度快与价格低廉，目前广泛应用在消费性电子产品上，例如太阳能电池产业等，多晶硅材料的制作是利用铸造的方式，于一大坩埚中将硅原料全部熔融，再缓慢冷却，以形成包含不同晶格方向晶粒的晶锭。传统多晶硅成长炉大致可分为三种:第一种是熔融液与结晶过程在不同坩埚中进行的铸造方式；第二种熔融与结晶过程在同一坩埚中进行的方式；以及第三种不使用坩埚的电磁铸造法。定向凝固法(DSS)为目前市场上生产多晶硅晶锭的主要方法，对于使用坩埚的多晶硅成长炉而言，其制备工艺受限于坩埚本身的物理性能差异、硅原料种类差异、铸造炉热场老化程度、铸造炉温控热电偶老化程度与铸造炉本身性质，使得晶体成长条件出现很大变化，因此导致每次产出的晶锭品质不一致。一般来说晶体的成长速度会影响到晶锭的杂质等不纯物析出的数量，也会影响到晶体生长结构，由于传统的定向凝固法的多晶硅成长炉并无实时监控晶体成长速度变化的功·能，因此也会带来制备工艺不稳定的问题。
发明内容
本发明的目的之一，在于提供一种晶体成长测量补偿系统，其可实时监控晶锭的生长速度或晶体变化状况，并实时地加以补偿，使晶锭生长的条件均处在最佳化的参数下，藉以确保晶锭品质的均一性。本发明实施例提供一种晶体成长测量补偿系统，包含:一控制单元，其储存有一预定晶体成长数据；一耦接于所述控制单元的晶体成长速度测量单元，其至少具有一石英棒；以及一耦接于所述控制单元的铸造单元，其至少具有一坩埚及一对应所述坩埚的温控模块；所述晶体成长速度测量单元设置于所述坩埚上方，所述石英棒相对于坩埚进行移动，藉此所述晶体成长速度测量单元系测得坩埚中的晶体成长数据，所述控制单元依据所述预定晶体成长数据补偿所述铸造单元中的晶体成长。本发明实施例提供一种晶体成长测量补偿方法，包含以下步骤:
1、提供一储存有一预定晶体成长数据的控制单元、一耦接于所述控制单元的晶体成长速度测量单元及一耦接于所述控制单元的铸造单元；
2、进行一长晶步骤:利用所述铸造单元的一坩埚将一晶种及多个长晶原料融熔；
3、进行一测量步骤:利用所述晶体成长速度测量单元的一石英棒相对于坩埚进行移动，藉此所述晶体成长速度测量单元测得该长晶步骤的晶体成长数据；
4、进行一比对步骤:利用所述控制单元将所述长晶步骤的晶体成长数据与预定晶体成长数据进行比对；以及5、进行一补偿步骤:利用所述控制单元控制所述铸造单元，以补偿调整该长晶步骤的晶体成长数据。在具体实施例中，晶体成长速度测量单元可为一种电控或是人力操作的单元。本发明具有以下有益的效果:本发明主要利用晶体成长速度测量单元实时地针对晶体生长、硅料融化的速度进行监控，并利用计算机比对的方式找出实际生长条件与最佳化生长条件的差异，进而将实际生长条件调整、补偿为最佳化生长条件，以避免各种生产条件上的变化所导致的晶锭品质不稳定的问题发生。为了能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，所附图式仅提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。
图1为本发明第一实施例的晶体成长测量补偿系统的功能方块 图2为本发明第二实施例的晶体成长测量补偿系统的功能方块 图3为本发明第一实施例的晶体成长测量补偿系统的示意 图3A为图3中的A部分放大图。主要元件符号说明:
1.晶体成长测量补偿系统；11.控制单元；111.储存模块；12.晶体成长速度测量单元；12’.晶体成长速度测量单元；121.驱动模块；122.石英棒夹持模块；123.石英棒；13.铸造单元；131.加热模块；132.冷却模块；1321.冷却流道；133.坩埚；134.炉壁冷却模块。
具体实施例方式本发明主要提供一种晶体成长测量补偿系统，其可利用晶体成长速度测量单元检测铸造单元中的晶体成长数据，并将所测得的晶体成长数据与控制计算机中所预先输入的预定晶体成长数据加以比对，以确保长晶条件的控制，藉此以提升制备工艺的稳定性。值得说明的是，上述的预定晶体成长数据与所测得的晶体成长数据均可包括相当多元而广泛的数据，比如晶体成长速度、长晶原料的融速等，而本发明亦不限制晶体种类(如单晶、多晶)、长晶制备工艺(如类单晶(mono-like)制备工艺、多晶娃太阳能电池(multicrystallinesilicon solar cells)等)或是各式长晶炉的应用范畴,下文以多晶娃的定向凝固制备工艺为例(DSS)说明本发明。请参考图1与图3，其为本发明的晶体成长测量补偿系统I的功能方块图与示意图，其包括控制单元11、晶体成长速度测量单元12及铸造单元13 ;其中控制单元11储存有一预定晶体成长数据，具体而言，控制单元11可为计算机，其具有处理器、储存模块111、显示模块等，储存模块111用于储存所述的预定晶体成长数据，而控制单元11可用于运算比对、输出信号以达到控制的效果。晶体成长速度测量单元12与铸造单元13分别电学耦接于控制单元11，换言之，控制单元11可输出信号控制晶体成长速度测量单元12与铸造单元13，也可接收晶体成长速度测量单元12所测得的铸造单元13中的晶体成长数据。如图1、图3、图3A所示，在本发明的第一实施例中，晶体成长速度测量单元12为一种自动侦测长晶过程中晶体成长数据的单元，晶体成长速度测量单元12包括耦接于控制单元11的驱动模块121、耦接于驱动模块121的石英棒夹持模块122及固定在石英棒夹持模块122上的石英棒123 ;如图3所示，晶体成长速度测量单元12与铸造单元13相连，使石英棒123可移动至铸造单元13中，以利用高度差测量铸造单元13中的晶体成长数据，而晶体成长速度测量单元12可将所测量的晶体成长数据回传至控制单元11，以进行数据比对的作业；驱动模块121可为线性导螺杆、汽缸、线性马达等等。再者，铸造单元13至少具有一坩埚133及一对应坩埚133的温控模块，例如加热模块131、冷却模块132及炉壁冷却模块134，加热模块131、冷却模块132与炉壁冷却模块134的位置均对应于坩埚133 ;坩埚133为一种可容纳晶种及多个长晶原料(例如:蓝宝石(Al203 )、硅(Si )、氟化钙(CaF2 )、碘化钠(NaI)或其它卤化物基团盐晶体等)的容器，其形状可例如D形、圆形等等。如图3所示，坩埚133位于冷却模块132之上，冷却模块132可为一种支撑件，其材质可为石墨(C)、钨(W)、钥(Mo)、铌(Nb)、镧(La)、钽(Ta)、铼(Re)或其合金的高熔点金属或是其它耐高温陶瓷材料，其外型也可具有散热鳍片等构造；而在另一实施例中，冷却模块132的内部可具有空心部分以安装冷却流道1321，以利用冷却流道1321中的冷却流体，例如氦(He)、氖(Ne)、氢(H)或冷却液体流经所述空心部分来冷却坩埚133 ；同样地，炉壁冷却模块134中同样具有冷却流体以提供冷却功能。另外，铸造单元13，如多晶娃铸造炉，其顶部具有孔道，如Pyrometer-Dipping孔道、TC-1孔道、OT等其它孔道,前述的石英棒123即可通过所述的孔道插入，并且其端面接触到晶锭、硅料表面或坩埚133。加热模块131，如热电偶等加热器，其位置大致位于坩埚133上，用来将坩埚133中的长晶原料连同晶种加热至大致高于长晶原料的熔化温度。举例而言，将长晶原料加热至1100°C至2400°C的范围内。而在加热的同时，利用上述流体流过冷却流道1321冷却坩埚133的底部，以使得成核层保持完好无损且不完全熔化，当熔融材料均匀化之后，即可开始晶种的成长。因此，当晶种的生长启动之后，本发明的晶体成长测量补偿系统I就可以进行下述步骤，以实时地监控 并调整晶体的成长参数，例如晶体成长速度、长晶原料的融速，据此将晶体的实际成长参数补偿至操作者所设定的预定晶体成长数据:
步骤一:进行一测量步骤，此步骤中晶体成长速度测量单元12的石英棒123相对于坩埚133进行移动，由此测得上述长晶步骤的晶体成长数据。在本具体实施例中，晶体成长速度测量单元12设置于坩埚133上方，控制单元11可输出信号至晶体成长速度测量单元12的驱动模块121，驱动模块121即可控制石英棒夹持模块122带动石英棒123相对于坩埚133进行垂直移动；当石英棒123的底部接触到融化的长晶原料、坩埚133或晶锭表面时，石英棒夹持模块122即可依据其所移动的距离(即石英棒123移动的高度差)，换算出晶体成长速度、长晶原料的融速等数据。另一方面，控制单元11的储存模块111更储存有一测量频率数据，驱动模块121可依据测量频率数据程序化地驱动石英棒夹持模块122及石英棒123进行上述的测量步骤，举例来说，操作者可预先依据不同的长晶阶段将测量频率数据输入并储存于控制单元11的储存模块111，例如，在长晶过程中的较关键阶段可设定较高频率的测量动作，如在长晶时间约25至40小时之间，设定每十五分钟测量一次；而其它较稳定的长晶过程，则为每一小时测量一次。
步骤二:进行一比对步骤，控制单元11将长晶步骤的晶体成长数据与预定晶体成长数据进行比对。具体而言，在此步骤中，操作者可预先将实际晶体成长数据与预定晶体成长数据之间的最大允许偏差值输入、储存于控制单元11的储存模块111，控制单元11可将实际晶体成长数据与预定晶体成长数据的变化曲线进行比对，以检视实际晶体成长数据与预定晶体成长数据之间的偏差值是否大于该最大允许偏差值，如前文所述，在此步骤中，控制单元11可将实际的晶体成长速度、长晶原料的融速数据与储存模块111所预先输入的晶体成长速度、长晶原料的融速等数据进行比对。步骤三:进行一补偿步骤:利用控制单元11控制所述铸造单元13，补偿地调整所述长晶步骤的晶体成长数据。在具体实施例中，晶体成长速度测量单元12可为一种电控或是人力操作的单元；而在一较佳实施例中，当步骤二的长晶步骤的晶体成长数据与预定晶体成长数据之间的偏差值大于操作者所输入的最大允许偏差值时，控制单元11可控制铸造单元13的温控模块，如加热模块131、冷却模块132、炉壁冷却模块134或绝缘笼开度等，将长晶步骤的晶体成长数据补偿至两者的差值小于最大允许偏差值。具体而言，当长晶原料的融速过慢时，控制单元11可控制铸造单元13的加热模块131提高其加热功率，或是同时降低冷却模块132、炉壁冷却模块134的冷却速度(如降低冷却流体的流量或温度等)，以提高坩埚133的温度曲线；又如晶体成长速度过慢时，控制单元11可控制铸造单元13的加热模块131降低其加热功率，或是同时提高冷却模块132的冷却速度(如提高冷却流体的流量或温度等)，更或是开启绝缘笼的开度；由此，制备工艺中晶体成长速度或是长晶原料的融速均可依照预定晶体成长数据而受到控制。在一具体实施例中，加热模块131的温度可被控制在±10度，冷却液体流量可被控制在±20LPM，而冷却气体流量可被控制在±50LPM。请参考图2，其显示的是本发明的第二实施例，其中与第一实施例的差异在于:本实施例的晶体成长速度测量单元12'为一种人工方式驱动石英棒123的方式来达到测量长晶步骤的晶体成长数据的目的。换言之，在本实施例中，操作者直接以人工方式带动石英棒123，以测量目标物的高度，石英棒123移 动时可透过光学、磁性或电气信号做移动行程的测量，例如当石英棒123接触到硅料或晶锭，石英棒123因接触产生一反作用力时，即可立即送出信号，警示已经到达测量面并同时进行位置测量，以避免石英棒123接触硅料太久而与晶锭产生沾粘之现象，而操作者再将高度数据输入控制单元11，控制单元11即可依据其所输入的数据(即石英棒123移动的高度差)换算出晶体成长速度、长晶原料的融速等资料。同样地，控制单元11可针对实际晶体成长数据与预定晶体成长数据进行比对，并由此控制铸造单元13进行补偿步骤。综上所述，本发明至少可达到以下目的:
1、当本发明应用于多晶硅长晶制备工艺时，可实时监控多晶硅碇的每次晶锭生长的成长速度或晶体变化状况。2、本发明可利用程序化设计、编辑与定义驱动模块驱动石英棒测量时间、位置，以作为不同单位时间的晶体成长速度、硅料融化的测量数据。3、本发明可预先将最佳化的晶体生长、硅料融化速度输入控制单元，当晶体成长速度测量单元所测得的实际速度变化与输入值有偏差时，可实时调整多晶炉中可影响晶体速度变化的装置(如上述的温控装置)进行补偿，以控制晶体生长、硅料融化的速度，进而使得生长晶体的品质均一。4、本发明的晶体成长速度测量单元可应用自动、半自动或手动的方式控制石英棒的移动，故其应用范围非常广泛。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用于限制本发明的专利保护范围，故凡是运用本发明说明书 及图示内容所做的等效技术变化，均包含于本发明的范围内。
权利要求
1.一种晶体成长测量补偿系统，包含: 一控制单元，其储存有一预定晶体成长数据； 一耦接于所述控制单元的晶体成长速度测量单元，其至少具有一石英棒；以及 一耦接于所述控制单元的铸造单元，其至少具有一坩埚及一对应所述坩埚的温控模块； 其特征在于，所述晶体成长速度测量单元设置于所述坩埚上方，所述石英棒相对于坩埚进行移动，藉此所述晶体成长速度测量单元测得坩埚中的晶体成长数据，所述控制单元依据所述预定晶体成长数据补偿所述铸造单元中的晶体成长。
2.如权利要求1中所述的晶体成长测量补偿系统，其特征在于，所述晶体成长速度测量单元进一步包括一耦接于所述控制单元的驱动模块及一耦接于所述驱动模块的石英棒夹持模块，所述石英棒夹固于石英棒夹持模块。
3.如权利要求2所述的晶体成长测量补偿系统，其特征在于，所述控制单元进一步储存有一测量频率数据 ，所述驱动模块依据所述测量频率数据以程序化的方式驱动所述石英棒夹持模块及石英棒。
4.如权利要求3所述的晶体成长测量补偿系统，其特征在于，所述控制单元至少具有一储存模块，所述预定晶体成长数据与所述测量频率数据均储存于所述储存模块中。
5.如权利要求1所述的晶体成长测量补偿系统，其特征在于，所述温控模块至少包括一对应所述坩埚的加热模块及对应所述坩埚的冷却模块及炉壁冷却模块。
6.如权利要求1所述的晶体成长测量补偿系统，其特征在于，所述晶体成长测量补偿系统应用于类单晶制备工艺中。
7.一种晶体成长测量补偿方法，包含以下步骤: 提供一储存有一预定晶体成长数据的控制单元、一耦接于所述控制单元的晶体成长速度测量单元及一耦接于所述控制单元的铸造单元； 进行一长晶步骤:利用所述铸造单元的一坩埚将一晶种及多个长晶原料融熔； 进行一测量步骤:利用所述晶体成长速度测量单元的一石英棒相对于所述坩埚进行移动，藉此所述晶体成长速度测量单元测得所述长晶步骤的晶体成长数据； 进行一比对步骤:利用所述控制单元将所述长晶步骤的晶体成长数据与所述预定晶体成长数据进行比对；以及 进行一补偿步骤:利用所述控制单元控制所述铸造单元，补偿地调整所述长晶步骤的晶体成长数据。
8.如权利要求7所述的晶体成长测量补偿方法，其特征在于，所述晶体成长速度测量单元进一步包括一耦接于所述控制单元的驱动模块及一耦接于所述驱动模块的石英棒夹持模块，该石英棒夹固于所述石英棒夹持模块上，在所述测量步骤中，所述驱动模块驱动所述石英棒夹持模块相对于坩埚进行垂直移动，以测得所述长晶步骤的晶体成长数据。
9.如权利要求8所述的晶体成长测量补偿方法，其特征在于，所述控制单元进一步储存有一测量频率数据，在所述测量步骤中，所述控制单元依据所述测量频率数据控制驱动模块，以程序化地方式驱动石英棒夹持模块及石英棒。
10.如权利要求7所述的晶体成长测量补偿方法，其特征在于，所述控制单元进一步储存有一最大允许偏差值，在所述比对步骤中，所述长晶步骤的晶体成长数据与所述预定晶体成长数据之间的偏差值大于该最大允许偏差值时，则进行所述补偿步骤。
11.如权利要求10所述的晶体成长测量补偿方法，其特征在于，在所述补偿步骤中，利用所述控制单元控制所述铸造单元的一加热模块、一冷却模块及一炉壁冷却模块中的至少其中之一，补偿调整所述长晶步骤的晶体成长数据。
12.如权利要求7所述的晶体成长测量补偿方法，其特征在于，在所述测量步骤中，以自动、 半自动或手动的方式控制所述石英棒的移动。
全文摘要
本发明提供一种晶体成长测量补偿系统，其包含一控制单元，其储存有一预定晶体成长数据；一耦接于所述控制单元的晶体成长速度测量单元，其至少具有一石英棒；以及一耦接于所述控制单元的铸造单元，其至少具有一坩埚及一对应所述坩埚的温控模块；其中，所述晶体成长速度测量单元设置于所述坩埚上方，所述石英棒相对于所述坩埚进行移动，据此所述晶体成长速度测量单元测得所述坩埚中的晶体成长数据，所述控制单元可依据所述预定晶体成长数据补偿所述铸造单元中的晶体成长。
文档编号C30B35/00GK103243384SQ20121004971
公开日2013年8月14日 申请日期2012年3月1日 优先权日2012年2月3日
发明者姜侑宗, 张仲升, 余文怀, 许松林, 徐文庆 申请人:昆山中辰矽晶有限公司