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基于温度预测补偿的直拉式晶体生长炉制造技术

技术编号:1830807 阅读:323 留言:0更新日期:2012-04-11 18:40
本实用新型专利技术公开了一种基于温度预测补偿的直拉式晶体生长炉。在提升腔内安装有籽晶头,籽晶提升、籽晶旋转控制部件,在炉筒内安装有坩埚、坩埚提升、坩埚旋转控制部件,硅晶体原料放在坩埚内,坩埚外面包有坩埚加热控制部件,冷却水则贯穿炉筒内硅晶体原料液面的上部,以及整个提升腔,炉筒的上方装有单晶直径传感器,对准硅晶体原料液面位置,在炉筒的上部安装有抽真空部件,在提升腔的最上部以及炉筒的最下部装有氩气充气部件。采用带预测补偿功能的晶体生长控制策略,对坩埚内熔液温度、坩埚与籽晶提升速度、旋转速度等参数进行协调控制,在仅采用红外探测型单晶直径传感器的条件下,仍能达到与进口炉相当的晶体产品完整性与均匀性,达到电路级要求。(*该技术在2016年保护过期,可自由使用*)

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种基于温度预测补偿的直拉式晶体生长炉
技术介绍
硅单晶是微电子技术的材料基石,随着我国信息产业的发展,对硅单晶质量要求越来越高,直径也越来越大。可以说硅单晶是现代信息技术、通信技术得以持续发展的材料基础,有不可替代的作用。随着硅单晶在高技术应用领域的不断推广,对单晶体的需求量在不断增加,对晶体质量的要求越来越高,直径越来越大。这无疑对晶体生长技术也提出了更加严格的要求。市场需求高稳定性,全自动控制的硅晶体生长炉。为满足迅速发展的信息技术对硅单晶的需求,国内外晶体生长厂家纷纷投巨资扩大晶体生长,对直拉式硅晶体生长炉的需求量近年来也迅速增加。特别是近年来国家对信息产业(含硅单晶片)的优惠政策使国内硅片生产厂商纷纷扩大生产规模,新的厂家投巨资进入硅单晶片生产领域,成为国内的一个投资热点。尽管制备晶体方法有很多种,但由于全自动控制熔体提拉法生长具有生长速度快、晶体的纯度和完整性高等优点,因而依然是制备高质量大单晶,特别是高质量的IC片硅单晶最常用和最重要的方法。因此直拉式晶体生长炉是最主要的高质量硅晶体生产设备之一。由于全自动控制熔体提拉法生长具有生长速度快、晶体的纯度和完整性高等优点,一直是制备高质量大单晶,特别是高质量的IC片硅单晶最常用和最重要的方法。进入本世纪以来,国内各大硅单晶的生产厂商都成倍地扩大生产规模,需要大量订购直拉式晶体生长炉;还有很多新建的硅单晶生产厂商都需要大批量购置多台晶体生长炉。据不完全统计,国内晶体生长厂家对直拉式晶体生长炉的年需求量超过了110台。然而目前国内有能力生产直拉式硅晶体生长炉的企业仅杭州凯克斯浙大机电有限公司、西安理工大学工厂等少数几家中外合资企业,还有相当大的市场缺口,高质量的晶体生长炉仍只能依赖进口。目前用国产晶体生长炉生产晶体产品,其完整性与均匀性都远远低于进口晶体生长炉或合资企业生产的晶体生长炉,还很难达到电路级的要求,产品大部分只能用于太阳能市场,而不能进入IC行业的芯片市场。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种基于温度预测补偿的直拉式晶体生长炉,采用带预测补偿功能的晶体生长炉通过对坩埚内熔液的温度、坩埚与籽晶提升速度、坩埚与籽晶旋转速度等多个参数的协调控制,在仅采用红外探测型的直径传感器的条件下,仍能达到与进口炉相当的晶体产品完整性与均匀性,使产品达到电路级的要求。利用直拉式晶体生长炉生产硅单晶,主要依靠将普通硅材料进行熔化-重新结晶来完成的。根据硅单晶的结晶规律,制造一个熔化和结晶的环境将原材料放在坩埚中加热熔化,控制温度比硅单晶的结晶温度略高,确保熔化后的硅材料在熔液表面可以结晶。结晶出来的单晶通过直拉炉的提升系统提出液面,在惰性气体的保护下冷却、成形,最后结晶成一个主体为圆柱体、尾部为圆椎体的晶体。晶体产品的完整性与均匀性是晶体生长炉最关键的技术指标,要求在长达30~40个小时的成晶过程中确保晶体的无错位生长,同时尽可能避免晶体的内应力与微缺陷;因此需要让硅单晶按要求进行有规律地生长,这就对晶体的圆柱直径、生长速度的均匀性提出了很高的要求。另外,在整个过程中,渗杂剂在轴向以及径向分布的均匀性、氧含量的均匀性也都直接影响了产品的质量。因此,需要有一套相应的自动控制方法及系统自动完成引晶-放肩-等径-收尾的全过程,并确保最终晶体产品的完整性与均匀性,同时最大限度地免除人为因素对生长过程的干扰。为了达到上述目的本技术采用的技术方案如下1.直拉式晶体生长炉自动控制方法1)加料将硅晶体原材料放到坩埚内;2)氩气保护控制利用氩气保护控制模块进行控制,即启动真空泵对炉筒与提升腔1抽真空到10-6bar~10-5bar→氩气充气部件向炉筒与提升腔内充氩气到常压→再抽真空到10-6bar~10-5bar→再充氩气到常压,反复6~8次后停止;3)熔晶启动坩埚加热控制部件与冷却水,并利用坩埚加热与冷却控制模块控制坩埚加热控制部件的功率和冷却水的流量,综合控制坩埚内的普通硅原材料加热熔化,以及对炉筒外壳的冷却,避免高温影响安装在炉筒上的其他部件和传感器;4)引晶放肩硅晶体原材料全部熔化后,启动坩埚与籽晶升降控制模块,综合控制将结晶的硅单晶拉出液面的速度,使籽晶以每小时1cm~2cm的低速上升,并确保单晶直径测量传感器始终对准液面结晶位置,同时启动坩埚与籽晶旋转控制模块,使籽晶与坩埚以每分钟10~20转的速度旋转,提高单晶产品的均匀性,最终使得单晶硅在籽晶周围形成一个圆锥;5)等径控制拉出来的单晶直径到达标准直径时,启动单晶直径控制模块,利用CCD摄像或红外测量仪获得晶体在结晶点上的直径大小,以便控制算法实时调节籽晶提升速度,并综合考虑加热温度、坩埚提升、坩埚与籽晶旋转四个方面因素的影响,进行协调控制;6)收尾晶体生长完成后,关闭单晶直径控制模块、坩埚与籽晶旋转控制模块、坩埚与籽晶升降控制三个模块,坩埚下降到底;7)冷却关闭坩埚加热与冷却控制模块中的加热部分;8)取出产品等炉筒内温度降到常温后,关闭坩埚加热与冷却控制模块17)中的冷却部分,打开炉筒,取出单晶硅产品。2.直拉式晶体生长炉包括1)在提升腔内安装有籽晶头,籽晶提升控制部件、籽晶旋转控制部件,在炉筒内安装有坩埚、坩埚提升控制部件、坩埚旋转控制部件,硅晶体原料放在坩埚内,在坩埚外面包有坩埚加热控制部件,冷却水则贯穿炉筒内硅晶体原料液面的上部,以及整个提升腔,炉筒的上方装有单晶直径传感器,对准了硅晶体原料液面位置,在炉筒的上部安装有抽真空部件,在提升腔的最上部以及炉筒的最下部装有氩气充气部件。2)坩埚加热与冷却控制模块、坩埚与籽晶升降控制模块、坩埚与籽晶旋转控制模块、氩气保护控制模块、单晶直径控制模块均采用商用的工控机专用I/O输入输出模块、A/D模拟量输入模块、D/A模拟量输出模块组成;其中,坩埚加热控制部件、冷却水内的供水流量接坩埚加热与冷却控制模块;籽晶提升控制部件、坩埚提升控制部件接坩埚与籽晶升降控制模块;籽晶旋转控制部件、坩埚旋转控制部件接坩埚与籽晶旋转控制模块;抽真空部件、氩气充气部件接氩气保护控制模块;单晶直径传感器的输出信号、坩埚加热与冷却控制模块输出的坩埚内温度信号均接到单晶直径控制模块的输入端,单晶直径控制模块的输出信号接到坩埚与籽晶升降控制模块的输入端。本技术具有的有益的效果是在单晶的生长过程中存在一个“固冷点”,作为每层晶体向前铺设的起点。在固冷点处会释放出大量的结晶热,需要通过冷却水迅速带走,形成新一层的“固冷点”,同时晶体上提一层。如果在结晶过程中不能对其固冷行为进行很好地控制,必然会导致晶体的错位生长,使整炉晶体全部报废。因此,单晶的完整性与均匀性受坩埚内熔液的温度、坩埚与籽晶提升速度、坩埚与籽晶旋转速度等参数的影响严重。本专利技术专利提出一套适用于国产化晶体生长炉的控制策略,综合分析炉筒内的热场分布及流动情况、晶体的固冷行为过程、结晶热的散发过程以及被冷却水吸收的情况等等,对上述参数进行多变量协调控制,大幅度提高目前国产炉产品的完整性与均匀性。另外,国产化晶体生长炉出于成本的考虑,其直径传感器一般都采用红外探测方案,性能方面较进口炉较差,也给等晶控制提出了更高的要求。在上述参数中,坩埚内熔液的温度对等晶度的影响最大,但同时它又是最难控制的一个量,本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种基于温度预测补偿的直拉式晶体生长炉,其特征在于包括:1)在提升腔(1)内安装有籽晶头(3),籽晶提升控制部件(4)、籽晶旋转控制部件(5),在炉筒(2)内安装有坩埚(6)、坩埚提升控制部件(7)、坩埚旋转控制部件(8),硅晶体原 料(9)放在坩埚(6)内,在坩埚(6)外面包有坩埚加热控制部件(12),冷却水(13)则贯穿炉筒(2)内硅晶体原料液面(10)的上部,以及整个提升腔(1),炉筒(2)的上方装有单晶直径传感器(14),对准了硅晶体原料液面位置(10),在炉筒(2)的上部安装有抽真空部件(15),在提升腔(1)的最上部以及炉筒(2)的最下部装有氩气充气部件(16);2)坩埚加热与冷却控制模块(17)、坩埚与籽晶升降控制模块(18)、坩埚与籽晶旋转控制模块(19)、氩气保护控制模块(20) 、单晶直径控制模块(21)均采用商用的工控机专用I/O输入输出模块、A/D模拟量输入模块、D/A模拟量输出模块组成;其中,坩埚加热控制部件(12)、冷却水(13)内的供水流量接坩埚加热与冷却控制模块(17);籽晶提升控制部件(4)、坩埚提升控制部件(7)接坩埚与籽晶升降控制模块(18);籽晶旋转控制部件(5)、坩埚旋转控制部件(8)接坩埚与籽晶旋转控制模块(19);抽真空部件(15)、氩气充气部件(16)接氩气保护控制模块(20);单晶直径传感器(14)的输出信号、坩埚加热与冷却控制模块(17)输出的坩埚内温度信号均接到单晶直径控制模块(21)的输入端,单晶直径控制模块(21)的输出信号接到坩埚与籽晶升降控制模块(18)的输入端。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员:曹建伟张俊顾临怡邱敏秀
申请(专利权)人:浙江大学
类型:实用新型
国别省市:86[中国|杭州]

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