Misurazione della temperatura nella crescita del polisilicio

Controllo preciso della temperatura per garantire qualità e stabilità del processo

Nella produzione del polisilicio con il processo Siemens, il silicio metallurgico viene trasformato in triclorosilano, purificato per distillazione e infine depositato in un reattore CVD su filamenti di silicio riscaldati elettricamente fino a 1150 °C, che crescono fino a formare barre di 150-200 mm di diametro. Durante tutta la crescita la temperatura delle barre deve restare costante: un surriscaldamento può fondere le barre e interrompere il processo, mentre una temperatura non uniforme compromette la qualità e la purezza del materiale. Sulla barra in crescita non si possono usare sensori a contatto, e la misura deve fare i conti con l'ambiente ostile del reattore e con l'emissività del silicio, che varia con temperatura, lunghezza d'onda e stato della superficie.

Per questo si impiegano pirometri a infrarossi a fibra ottica con tecnologia a due colori, come i CTratio. La testa di rilevamento è passiva e può essere installata nelle zone difficili del reattore, mentre l'elettronica resta all'esterno. La misura a rapporto confronta due lunghezze d'onda e riduce gli errori dovuti alle variazioni di emissività, ai disturbi ottici e all'attenuazione nel percorso ottico; inoltre la barra non deve riempire completamente il campo visivo. Per il silicio è indicata una lunghezza d'onda corta, intorno a 1 µm, dove l'emissività è più stabile.

Il CTratio 1M misura da 450 °C a 3000 °C nella banda 0,8-1,1 µm, il CTratio 2M da 250 °C a 3000 °C nella banda 1,45-1,75 µm; entrambi hanno un tempo di risposta di 1 ms e un rapporto distanza/spot fino a 100:1. Nelle aree con presenza di idrogeno si possono adottare custodie antideflagranti. Il controllo continuo della temperatura consente una deposizione uniforme, riduce i difetti strutturali e previene il surriscaldamento delle barre. Nella deposizione di film sottili sui wafer si veda anche il controllo della temperatura nel processo CVD con pirometri monocolore.

 

Un pirometro monocolore misura l'intensità della radiazione a una sola lunghezza d'onda: se l'emissività del target è sconosciuta, variabile con la temperatura o cambia con lo stato superficiale, quella misura porta errori sistematici. Un pirometro bicolore misura invece il rapporto tra le intensità a due lunghezze d'onda ravvicinate: finché l'emissività influenza entrambi i canali allo stesso modo - condizione vera per la grande maggioranza dei metalli ad alta temperatura - il rapporto rimane stabile e la misura è affidabile indipendentemente dall'emissività esatta del target.

Negli ambienti industriali più impegnativi - fonderie con vapori, impianti con polveri, processi dove la finestra di osservazione si sporca rapidamente - un pirometro monocolore perde affidabilità: non è in grado di distinguere un calo di temperatura da un'attenuazione del segnale. Il CTratio 2M risolve questo problema misurando il rapporto tra la radiazione a due lunghezze d'onda ravvicinate attorno a 1,6 µm: finché l'attenuazione colpisce entrambi i canali proporzionalmente, il rapporto - e quindi la misura - rimane stabile. Fino al 90% di attenuazione del segnale tollerata senza perdere affidabilità.

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