TW201522722A - 自動測量結晶材料的晶種回熔的方法 - Google Patents

Abstract

提供用於測量晶棒中晶種回熔之方法及設備。該方法包含當晶棒已產生，使用致動裝置將晶棒舉升至支承台上，用以自動操作晶棒自爐至支承台。使用視覺系統接著自動測量晶種回熔，視覺系統裝設在設置於晶棒下方之影像裝置上。

Description

自動測量結晶材料的晶種回熔的方法

本申請主張2013年9月30日申請之第61/884,286號美國專利臨時申請案之優先權。該專利申請案之全部內容參照併入本文。

本發明有關於生成結晶材料的晶種回熔的自動測量。

結晶生長設備或爐，如定向固化系統(directional solidification systems，DSS)及熱交換器法(heat exchanger method，HEM)之爐，涉及在坩鍋中用以產生晶錠(ingot)之原料(如氧化鋁或矽)的熔化及經控制之再固化(resolidification)。自熔融原料產生固化晶錠發生在歷時數小時之數個可識別步驟。舉例而言，藉由HEM法產生晶錠(如藍寶石晶錠)，在含有單晶晶種(monocrystalline seed)之坩鍋中提供固體原料(如氧化鋁)，置入固化爐熱區之單晶晶種包含與原料相同但具有整體單一晶向(crystal orientation)之材料。熱交換器(如氦冷卻熱交換器)定位於與坩鍋底部及單晶晶種熱交換處。接著加熱原料至液態原料 熔體，而大致上不熔化單晶晶種，且隨後藉由在熱區中施加溫度梯度將熱自經熔化之原料移除，用以自未熔化之晶種定向固化熔體。藉由控制熔體如何固化，可獲得具有對應單晶晶種之晶向且純度大於起始原料之晶體材料。

然而，於熔化相過程，某些情況中晶種熔化超過預定臨界值，導致不期望或意外的晶形結構。因此，為改善類此意外的晶形結構之錯誤率，通常係測量晶種之回熔。此測量經常被稱為晶種回熔。此測量一般藉由例如自側面、頂部或底部照亮晶棒手動實施，且使用例如游標卡尺(vernier calipers)之工具以估測晶種回熔。然而，手動測量引起人為錯誤，且一般在晶體材料生產中非常無效率。

於本發明之一示範性實施例，自動測量晶棒之晶種回熔，以致動裝置將晶棒舉升至支承台上，用以操作晶棒自爐至支承台。當晶棒升起，晶種回熔可使用裝設在影像裝置之視覺系統自動測量晶棒內之晶種回熔，影像裝置設置於晶棒底部下方。晶種之回熔測量可傳送至控制器，用以調整爐內溫度。此外，響應測量晶種回熔，控制器可判定是否經測量之回熔具有預定直徑。預定直徑可係介於約2.7至約3.1吋之範圍，且當晶種係約3.3吋之直徑，預定直徑較佳可係約2.9吋。響應於判定經測量之回熔為預定直徑，本方法可包含切割晶棒成複數晶圓，且基於經測量之晶種回熔而判定是否晶棒具有確定晶形結構。更具體地，本方法可包含基於經測量之晶種回熔而判定是 否晶棒具有單晶結構。

於本發明之一些實施例中，舉升晶棒之致動裝置可為一對自動化舉升鉗(tong)其能夠舉升重量達650磅之晶棒。此外，在不脫離本發明之整體內涵，晶棒可為藍寶石結晶晶棒或矽晶棒。

於本發明之另一示範性實施例，一種可用以測量晶棒內之晶種回熔之設備，可包含設置於設備內之坩鍋，其組構成接收用以產生晶棒之晶種及固體原料。此外，當晶棒產生，致動裝置可組構成舉升晶棒至支承台，用以自動操作晶棒自爐至支承台。此外，視覺系統可裝設在配置於晶棒底部之影像裝置上，視覺系統接著可組構成自動測量晶棒內之晶種回熔。

100‧‧‧結晶生長設備

105‧‧‧晶棒

110‧‧‧致動裝置

115‧‧‧支承台

120‧‧‧影像裝置

205‧‧‧晶種

210‧‧‧回熔位置

300‧‧‧程序

305、310、315、320‧‧‧步驟

藉由參考下列說明配合所附圖式更能理解本文中實施例，圖式中，相同符號表示相同或功能相似之元件，其中：第1圖示範性繪示依據本發明之一示範性實施例之自動化測量系統；第2圖繪示依據本發明之一示範性實施例之藍寶石晶棒中熔化晶種之示意圖；以及第3圖繪示依據本發明之一示範性實施例之自動測量藍寶石晶棒之晶種回熔之示範性簡化程序。

使用於本文之用語僅為說明特定實施例之 目的，非用以限制本發明。除非文中另有說明，本文所使用之單數形「一」及「該」亦包含複數形。更應瞭解的是，本說明書中使用之用語「包括」及/或「包含」，其指定所述特徵、數字、步驟、操作、元件及/或組件之存在，但非排除一或更多其他特徵、數字、步驟、操作、元件、組件及/或其群組之存在或增加。於此使用之用語「及/或」包含相關所列項目之一或更多之任一或全部組合。

除非特別說明或從上下文顯而易見，本文中之用語「約」應理解為本領域內正常公差之範圍內，舉例而言，平均值之2個標準差以內。「約」可理解為在一給定值的10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、1%、0.5%、0.1%、0.05%、或0.01%之內。除非本文特別說明，在此給定的數量內含「約」之用語的數量。

於以下詳細說明，參照所附圖式。於圖式中，除非文中另有指出，相同符號通常標示相同之構件。詳細說明、圖式及申請專利範圍中所描述之說明性實施例不意於限制。於不脫離本文所呈現之技術特徵之精神或範圍，可採用其他實施方式或做其他改變。應可理解的是，如文中一般性描述及圖中所例示，本發明之面向可在本文明確預期所有各種各類之不同配置做安排、取代、結合、分離及設計。再者，於以下說明中，闡述許多細節以進一步說明及解釋一或更多實施方式。此等細節包含系統配置、方塊模組圖、線路圖、流程圖，並附書面說明。此等細節將有助於解釋本發明之一或更多實施方式，本領域技 藝者不需實行實施方式即可理解此等具體細節。

本文之一示範性實施例提供一種用於自動測量晶棒之晶種回熔之技術。晶棒(例如藍寶石晶棒)可於測量晶棒之晶種回熔之前在結晶生長爐中產生，結晶生長設備可為加熱並熔化固體原料且隨後再固化熔融原料形成結晶晶棒之高溫爐。具體而言，可熔化材料可為固體原料(如氧化鋁)及晶種(例如單晶晶種)，用以產生單晶或大致單晶結構之晶體材料。晶種自身可放置於爐內不可旋轉且固定之坩鍋之大致中間處。坩鍋可由各種耐熱材料所製成，如：石英(二氧化矽)、石墨、矽碳化物、矽氮化物與二氧化矽、熱分解氮化硼(pyrolytic boron nitride)、氧化鋁、或氧化鋯及，視需要可塗布如氮化矽以防止於再固化過程中沾黏(sticking)。坩鍋可具有各種具有至少一側面及一底部之形狀，如圓柱、立方體、長方體(如正方形截面)、或錐形形狀。

特別而言，依據本發明之一示範性實施例，如第1圖所示，結晶生長設備100(如爐)可包含設置於其中而組構成接收晶種用以產生晶棒105之坩鍋。致動裝置110可組構成將例如結晶生長設備(如爐)中產生之晶棒105舉升至支承台115，結晶生長設備包含設置於其內用於接收晶種結晶之坩鍋。致動裝置110例如可為一對自動化舉升鉗，其能夠舉升重量達到650磅之晶棒。此外，當晶棒105已被舉升至支承台115，影像裝置120設置於晶棒下方，裝設於影像裝置120(如攝影機、影像記錄器等)之視 覺系統可組構成自動測量晶種回熔。視覺系統可為本領域技藝者熟知之任何視覺軟體，且可包含能夠辨識剩餘晶種之形狀及/或面積之軟體。

再者，測量晶棒內晶種回熔係藉由降低晶種熔化超過預定範圍所導致之任何碎裂或變形以改善隨後產生之晶棒品質。控制器(未示出)亦可使用於判定是否經測量之回熔為預定直徑，且亦可組構成判定是否晶棒具有基於經測量之回熔之確定晶形結構。具體而言，當晶種熔化不足，碎裂可能因晶棒結晶結構中產生之裂隙而發生。因此，晶棒不再具有單晶結構。此外，當晶種回熔超過預定範圍(如晶種已回熔超過充分點)，晶種可形成半球形(dome shape)而導致晶粒差排(grain dislocation)及晶棒內缺陷。通常，使用於晶體生長設備之晶種具有約3.3吋之直徑。於生長過程中，較佳是，晶種回熔停留於約2.7至約3.1吋之範圍內，更佳是，晶種回熔係約2.9吋。

第2圖顯示藉由視覺系統觀察晶種205之回熔測量之一示範性結果。顯示晶種205於晶棒生產過程中已回熔至位置210。如此，可藉由視覺系統測量位置210作為晶種回熔205。自此，控制器可組構成判定是否經測量之回熔210係可接受的回熔測量之預定範圍內，接著控制器可據以組構成調整爐內熔化條件。

本發明之另一示範性實施例提供自動測量晶棒之晶種回熔之方法。特別而言，此方法可包含使用自動裝置將晶棒舉升至支承板上，用以自動化操作晶棒自爐 至支承台。可使用視覺系統(如任何已知視覺軟體)自動測量晶種回熔，視覺系統裝設在位於晶棒底部下方之影像裝置(如攝影機、影像記錄器等)上。若需要，回熔測量可接著被傳送至控制器，用以修正隨後爐內之熔化條件。

當控制器接收到晶種之回熔測量，控制器判定是否經測量之回熔係在約2.7至3.1吋之預定直徑範圍內，較佳是，是否經測量之回熔係2.9吋之預定直徑。響應判定經測量之回熔為預定直徑(或預定直徑範圍內)，可切割晶棒成複數晶圓。如上所述，當經測量之回熔不在預定直徑內時，碎裂或其他缺陷可能發生於晶棒內，且經測量之回熔可使用於調整爐內溫度設定(如調整必要熔化條件)。因此，測量盡可能準確是必要的。此外，當晶種回熔已測量時，控制器亦可組構成判定是否晶棒具有基於測量之確定晶形結構。具體而言，確定之晶形結構可為單晶結構。因此，基於經測量之晶種回熔，控制器可組構成判定是否確定晶形結構已產生且可切割晶棒成複數晶圓。

第3圖繪示依據本文說明之本發明之一示範性實施例之用於測量晶棒之晶種回熔之示範性簡化程序300。程序可開始於步驟305，繼續至步驟310，晶棒係由致動裝置舉升至支承台，用以自動操作晶棒自爐至支承台。當晶棒升起，從而位於晶棒底部之晶種成為可見，步驟315中可使用裝設在影像裝置之視覺系統自動測量晶種回熔，影像裝置設置於如第1圖所示之晶棒及支承台下方。之後此過程可在步驟320說明性結束。

因此，由於舉升晶棒至支承台之自動化及使用裝設於影像裝置之視覺軟體測量晶種回熔，本文所說明之技術能使晶種回熔之測量更快速且準確。因此，本文提供更有效率的測量系統，用以測量藍寶石晶棒之晶種回熔。

具體實施例已說明如上。然而，明顯可見的是，以實現上述實施例之部分或全部優點，可對上述實施例做其他變化及修飾。據此，此說明僅作為實例而不做其他限制實施例之範圍。因此，所附申請專利範圍之目的為涵蓋如本文實施例之真實範圍內所有變化及修飾。

100‧‧‧結晶生長設備

105‧‧‧晶棒

110‧‧‧致動裝置

115‧‧‧支承台

120‧‧‧影像裝置

Claims (21)

1. 一種測量晶種的回熔之方法，該方法包含：以致動裝置將晶棒舉升至支承台上，用以自動操作該晶棒自爐至該支承台；以及使用裝設在影像裝置之視覺系統自動測量該晶種的該回熔，該影像裝置設置於該晶棒底部下方。
2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，復包含：傳送該晶種之該回熔測量至控制器，用以調整該爐之溫度設定。
3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，復包含：判定是否該經測量之回熔為預定直徑。
4. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中，該預定直徑係介於自約2.0至約3.0吋之範圍。
5. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中，該晶種係約3.3吋直徑，且該預定直徑係約2.6吋。
6. 如申請專利範圍第3項所述之方法，復包含：響應判定該經測量之回熔為該預定直徑，將該晶棒切割成複數晶圓。
7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該致動裝置能夠舉升重量達650磅之晶棒。
8. 如申請專利範圍第1項所述之方法，復包含：基於該經測量之晶種回熔，判定是否該晶棒具有確定晶形結構。
9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，復包含： 基於該經測量之晶種回熔，判定是否該晶棒具有單晶結構。
10. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該晶棒為矽晶棒。
11. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該晶棒為藍寶石結晶晶棒。
12. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該致動裝置為一對自動化舉升鉗。
13. 一種測量晶棒內回熔之設備，該裝置包含：致動裝置，當晶棒產生，自坩鍋自動舉升該晶棒至支承台上；以及視覺系統，裝設在設置於該晶棒下方之影像裝置上，該視覺系統自動測量該晶棒內之該晶種回熔。
14. 如申請專利範圍第13項所述之設備，復包含控制器，組構成用以判定是否該經測量之回熔為預定直徑。
15. 如申請專利範圍第14項所述之設備，其中，該預定直徑係介於自約2.0至約3.0吋之範圍。
16. 如申請專利範圍第14項所述之設備，其中，該晶種係約3.3吋直徑，且該預定直徑係約2.6吋。
17. 如申請專利範圍第14項所述之設備，其中，該控制器復組構成：基於該經測量之晶種回熔，判定是否該晶棒具有確定晶形結構。
18. 如申請專利範圍第13項所述之設備，其中，該晶棒係 於爐中產生。
19. 如申請專利範圍第13項所述之設備，其中，該致動裝置能夠舉升重量達650磅之晶棒。
20. 如申請專利範圍第13項所述之設備，其中，該晶棒為藍寶石結晶晶棒。
21. 如申請專利範圍第13項所述之設備，其中，該致動裝置為一對自動化舉升鉗。