用于控制硅晶体生长使生长速率和直径的偏差减至最小的方法技术

一种供拉晶机使用的控制方法，用于按照切克劳斯基工艺从熔体生长单晶形半导体晶体。方法包括限定一个初始时间段用于观察从熔体中提拉的晶体的生长，并测量晶体的直径以便确定在该时段中发生的直径变化。根据晶体直径的变化，该方法定义一个函数ｒ（ｔ）。通过对函数ｒ（ｔ）实施最佳拟合程序，该方法推导出在观察时段结束时晶体半径ｒ↓［ｆ］，弯月面高度ｈ↓［ｆ］和生长速率Ｖ↓［ｇｆ］的现行值。方法还包括确定随生长速率而变的拉速和加热器功率参数，以便控制拉晶机使随后的晶体生长期间晶体直径和生长速率二者的变化减至最小。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
本专利技术一般涉及在控制用于制造电子元件的单晶半导体生长工艺中的改进，而特别是，涉及用于精确控制切克劳斯基(Czochralski)晶体生长工艺中的生长使生长速率和直径的偏差减至最小的方法和装置。单晶形硅，或单晶硅是用于制造半导体电子元件的大多数工艺中的原材料。应用切克劳斯基工艺的拉晶机生产单晶硅的大部分。简短地说，切克劳斯基工艺包括在石英坩埚中熔化高纯多晶硅料，该石英坩埚设置在专门设计的炉中。在加热的坩埚将硅料熔化后，晶体提升机构将籽晶下放到与熔融硅接触。然后该机构拉动籽晶以便从硅熔体中提拉生长的晶体。典型的晶体提升机构将籽晶悬挂在缆索的一端，缆索的另一端卷绕在一个卷筒上。随着卷筒旋转，籽晶根据卷筒旋转的方向上下移动。在形成晶体细颈之后，生长过程通过降低拉速和/或熔化温度来增大正生长的晶体直径，直至达到所希望的直径时为止。通过控制拉速和熔化温度，同时补充下降的熔体液位，使晶体的主体如此生长，以便它具有近似恒定的直径(亦即，它一般是圆柱形的)。在生长过程接近结束但在坩埚排空熔化的硅之前，该过程逐渐减小晶体直径以便形成一个端锥。通常，端锥是通过增加晶体拉速和加到坩埚上的热量形成。当直径变得足够小时，然后使晶体与熔体分离。在生长过程中，坩埚朝一个方向旋转熔体，而晶体提升机构朝相反方向旋转它的提拉缆索，或轴，及籽晶和晶体。尽管目前采用的切克劳斯基生长工艺已经适宜于生长在各种应用中有用的单晶硅，但仍希望有进一步改进。例如，希望在整个生长过程中使直径和生长速率的变化减至最小，以便改善如此生长的晶体的形状和品质。使生长速率偏差减至最小的问题包括可靠地测量生长速率。在常用的生长法中，拉速由籽晶提升设定，拉速是一个已知的参数。如果已知在晶体—熔体界面处弯月面的高度是随时间而变的，则生长速率可以通过检验弯月面动态间接确定。在理想情况下，晶锭具有一种完美无缺的圆柱形状，并且拉速等同于生长速率。把实现比较小的晶体直径和规定值的偏差与实现比较小的生长速率和规定值的偏差二者结合。尽管已尝试利用高温计或弯月面形状的激光反射，但是没有一个可靠的用于测量弯月面高度的系统。还希望用一个控制器来解决不稳定的晶体生长的问题。尤其是，这种控制器必需通过使直径偏差减至最小来保持在生长法持续期间稳定的晶体生长。该领域的技术人员认识到，从熔体中提拉晶体是一种固有不稳定的过程。在不加控制的情况下，晶体将以锥形，而不是通常圆柱形生长。有源控制环对保持圆柱形形状是必要的，还意味着保持拉速接近稳态生长速率。稳态生长速率的波动可能与时间有关，并且可能因不同行程和/或不同拉晶机而不同。常用的生长法采用两个主要的策略来控制晶体生长。第一个策略主要是涉及直径控制，而第二个策略主要是涉及一个“闭锁式籽晶提升”来控制生长速率。然而，目前可用的系统不能同时控制直径和生长速率。作为一个例子，标准直径控制通过两个作用于拉速和加热器功率的比例积分微分(PID)控制环来操纵晶体生长。控制器的主要目的是在直径等于设定值(规定的另一些工艺参数如晶体和坩埚的旋转和磁场的存在)下生长一个晶体。第一个PID控制单元对拉速起作用，以使直径误差减至最小。作为一个次要目的，拉晶机控制器设法使平均拉速和设定值之间的误差减至最小。这是利用对加热器功率起作用的第二个PID控制环完成的。在标准PlD控制系统情况下，直径变化可以设定到约1mm的允差，但与设定值有比较大拉速偏差仍有可能出现(比如，甚至约30～40％)。常用的籽晶提升控制系统的主要目的是生长速率控制。在这种情况下，将拉速设定到一个恒定的规定值Vset。直径控制具有次要的价值，并且一般是利用一个PID控制单元直接作用于加热器功率上完成。尽管这种控制策略精密地相对于设定值控制拉速，但比较大的直径偏差(比如，高达±5-10mm)是有可能的。而且，即使拉速等于Vset，实际生长速率仍有偏差，因此生长速率控制的主要目的未完全达到。通过适当地调整控制器，用目前可用的控制系统得到生长速率合格的性能也许是可能的。在这种情况下，适当的调整意谓着指由一特定的热区构形和一组工艺参数所规定的试验和误差从经验上调整各种控制器系数。这组系数限定用于晶体长度的不同部分，以便补偿由工艺的分批性质所造成的热构形的变化。规定了所考虑的不同区数目和控制器类型，则必须适当地调节很大量的系数(比如，50-100或更多)，以便得到合格的生长特性。在热区设计或工艺条件上的任何变化，如坩埚或晶体旋转或一个施加的磁场，都会对控制器性能产生负面影响。更多的反复重新调节因而必需适应这些变化。此外，对直径和生长速率偏差设定最小允差的关键工艺常常必须对每个拉晶机都体现出来。工艺控制参数的调节和优化，控制参数不断更新到新的热区构形或工艺条件，及与拉晶机有关工艺的操纵，都是很麻烦和很费钱的。因此，减少为达到合格工艺性能所必需的重复调节次数或减少用在工艺维护和个性化上的资源，将在生产优质硅晶体中节约大量成本。由于这些原因，希望有一种用于控制硅晶体生长的精确而可靠的装置和方法，以使生长速率和直径的偏差减至最小，上述装置和方法费用更少和调整更容易。专利技术提要本专利技术通过提供一种方法和装置，用于在按照切克劳斯基工艺从熔体中提拉出的晶锭时，使生长速率和直径的偏差减至最小，满足了上述需要并克服了先有技术的缺点。在本专利技术的几个目的中，可以注意到这种方法和装置减少了控制参数数目；这种方法和装置能确定与晶体位置、热区构形、工艺条件和/或拉晶机无关的控制参数；这种方法和装置能根据观察的直径变化确定控制参数；这种方法和装置能预测对拉速和功率理想介入；这种方法和装置能在运转期间调整控制参数；这种方法和装置能从测得的半径动态变化推导出弯月面高度动态变化；这种方法和装置能根据推导出的弯月面高度动态变化确定弯月面高度测量；这种方法和装置可以合并到现有拉晶装置中；以及，这种方法能高效而经济地实施并且这种装置经济上合理和市场上实用。简短地说，实施本专利技术各方面的方法是供拉晶机使用，用于按照切克劳斯基工艺生长单晶形半导体晶体。拉晶机具有一个加热的装半导体熔体的坩埚，晶体从该熔体中生长。拉晶机还具有一个由电源供电的加热器，用于加热坩埚。在一拉速VpF，晶体在从熔体中提拉出的籽晶上生长。该方法包括以下步骤限定观察从熔体提拉出的晶体生长的初始时间间隔；和测量晶体直径，以便确定在观察时段中发生的晶体直径的变化。该方法根据晶体直径的变化，估计晶体生长时的现行生长速率Vg。该方法还包括确定随估计的生长速率Vg而变化的拉速参数和加热器功率参数。拉速参数代表为实施理想的晶体直径向目标直径改变的拉速Vp的增量改变，而加热器功率参数代表为实施理想的晶体生长速率向目标生长速率改变的供给加热器功率的增量改变。该方法还包括按照拉速参数调节拉速Vp和按照加热器功率参数调节由电源供给加热器的功率等步骤。这使在初始的观察时段之后随后的晶体生长期间，晶体直径和生长速率二者的变化减至最小。本专利技术的另一个实施例是针对供拉晶机使用的控制方法，用于按照切克劳斯基工艺生长单晶形半导体晶体。拉晶机具有一个装有半导体熔体的加热的坩埚，晶体从该溶体中生长。拉晶机还具有一个由电源供电的加热器用于加热坩埚。晶体在拉速Vp下在从熔体中提拉出来的籽晶上生长。当从熔体中提拉晶体时本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种供拉晶机使用的控制方法，用于按切克劳斯基工艺生长单晶形半导体晶体，上述拉晶机具有一个内装半导体熔体的加热的坩埚，晶体在生长速率Ｖ↓［ｇ］下从熔体中生长，上述熔体具有一个在晶体附近形成弯月面的表面，上述拉晶机还具有一个加热器，该加热器由电源供电用于加热坩埚，上述晶体在籽晶上生长，该籽晶在拉速Ｖ↓［ｐ］下从熔体中提拉，上述方法包括以下步骤：限定一个时间间隔，用于观察从熔体中提拉的晶体的生长；测量晶体的直径以便确定在观察期间发生的晶体直径变化；估计生长速率Ｖ↓［ｇｆ ］随测定的晶体直径变化而变的现行值；估计在观察期间结束时生长速率Ｖ↓［ｇｓ］随估计的生长速率Ｖ↓［ｇｆ］而变的现行稳定值；确定随估计的稳态生长速率Ｖ↓［ｇｓ］而变的拉速参数，上述拉速参数代表为达到理想的晶体直径向目标直径改变的拉速Ｖ ↓［ｐ］的增量变化；确定随估计的稳态生长速率Ｖ↓［ｇｓ］而变的加热器功率参数，上述加热器功率参数代表为达到理想的晶体生长速率向目标生长速率的变化而加到加热器上功率的增量变化；及按照拉速参数调节拉速Ｖ↓［ｐ］和按照加热器功率参数调节电 源加到加热器上的功率，因而在观察时段之后接下来晶体生长期间使晶体直径和生长速率二者的变化减至最小。...

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：P穆蒂，VV沃罗克诺韦，
申请(专利权)人：MEMC电子材料有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]