将单晶直径控制为给定直径的方法技术

在由熔体提拉单晶期间将单晶直径控制为给定直径的方法，该熔体包含在坩埚中并且在单晶边缘的相界处形成弯月面，其中所述弯月面的高度对应于在相界与弯月面之外的熔体表面水平之间的距离，所述方法包括重复地实施以下步骤：确定弯月面上的亮环的直径；在考虑亮环直径及考虑亮环直径与弯月面高度及与单晶直径本身的相关性的情况下计算单晶直径；及基于所计算的单晶直径与单晶的给定直径之差计算至少一个用于控制单晶直径的操纵变量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及在由坩埚中所包含的熔体提拉单晶期间。
技术介绍
CZ法是一种在工业规模上采用的例如用于制造硅单晶的方法，硅单晶被进一步加工成为晶片。需要晶片作为用于制造电子元件的基材。为了根据CZ法制造硅单晶，使硅在坩埚中熔化，将晶种浸入熔体中，并由熔体提起。在消除位错之后，在晶种的下端生长所期望的单晶。单晶的生长包括起始阶段和结束阶段，在此期间单晶直径分别增大和减小。这通常是通过改变提拉晶种的提拉速率实现的。在起始阶段与结束阶段之间的阶段中努力保持单晶直径尽可能地恒定，因为只有在此阶段中提拉的单晶的区段被进一步加工成为晶片。 在单晶边缘的相界处，熔体形成弯月面。该弯月面是熔体以特定的曲率由单晶边缘处的相界向下延伸至弯月面之外的熔体表面水平的区域。弯月面的外边缘是弯月面达到熔体表面水平的位置。弯月面高度是在相界与弯月面之外的熔体表面水平之间的垂直距离。单晶边缘处的相界是生长的单晶、熔体和周围的气氛相遇的位置。该相界和弯月面的切线与竖直方向的夹角的数值取决于弯月面高度。 在以单晶的恒定的给定直径实现单晶的圆柱体生长的理想条件下，单晶以生长速率进行生长，生长速率对应于提拉速率的数值，但是与提拉速率的方向相反。在此条件下，弯月面高度对应于高度Ζο。在此条件下，弯月面和相界的切线与竖直方向的夹角的数值为 β O。 若弯月面高度ζ或弯月面角β相对于Ztl或Ptl发生偏离，则单晶向内或者向外生长，单晶的实际直径Dra相对于给定直径发生偏离。在Ζ>Ζ(Ι或3〈^的情况下，直径相对于时间的导数dDra/dt〈0,或反之亦然。 已知用于控制单晶直径的不同方法。这些方法例如可以根据用于控制的操纵变量加以区分。在此借助提拉速率Vp作为操纵变量或以环状包围单晶的热源的电功率L作为操纵变量进行控制是突出的。这两个变量的优点在于，能够以比较迅速的响应时间对单晶直径相对于给定直径的偏离作出反应。JP1096089A2、W001/57294A1和US2011/0126757A1包含这些方法的实例。 US2009/0064923A1描述了一种将弯月面高度用于控制直径的方法，其中弯月面高度是通过在观察亮环时评估亮度分布得出的。该亮环是在弯月面上的反射，其是通过提拉单晶的装置的相邻组件反射在弯月面中而产生的。这些组件特别是通常包围着单晶的坩埚壁和挡热板下端，以及若存在以环状包围单晶的热源。根据US2009/0064923A1，假设亮环的具有最大亮度的位置代表单晶边缘处的相界的位置，而弯月面之外的熔体表面水平则可以根据所观察到的亮度分布进行检测。 但是这一假设仅仅是对于物理状态的近似。此外，也没有意识到短时间改变弯月面高度对于单晶的生长速率没有明显的影响。因此，基于上述方法控制单晶直径是不精确的。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供将单晶直径控制为给定直径的改进的方法，其涉及更少地改变用于控制的操纵变量。 该目的是通过在由熔体提拉单晶期间实现的，该熔体包含在坩埚中并且在单晶边缘的相界处形成弯月面，其中所述弯月面的高度对应于在相界与弯月面之外的熔体表面水平之间的距离，所述方法包括重复地实施以下步骤: 确定弯月面上的亮环的直径； 在考虑亮环直径及考虑亮环直径与弯月面高度及与单晶直径本身的相关性的情况下计算单晶直径；及 基于所计算的单晶直径与单晶的给定直径之差计算至少一个用于控制单晶直径的操纵变量。 重复地实施上述步骤，其中每次重复之间的时间间隔可以相等，虽然不必相等。作为用于控制的操纵变量，优选考虑提拉速率Vp或以环状包围生长的单晶的热源的电功率Lr,或者考虑两者。 该方法优选用于制造硅单晶。 单晶的生长速率Ver及差值Λ β (ζ) = (β (ζ) - β。)是随时间改变单晶直径的关键性变量: dDcr/dt = vcrX 2tan Δ β (ζ) (I) 弯月面角β与之差Λ β取决于弯月面高度ζ。 单晶的生长速率Vra主要取决于结晶边界处的温度场。因此其主要受围绕坩埚设置的热源的电功率Lf以及由于通过热源供应热量产生的在熔体中的温度波动的影响。 根据方程式⑵给出弯月面高度ζ随时间的改变，其中假设，由于单晶的生长使熔体体积减少从而导致熔体表面水平的下降通过升起坩埚而精确地加以补偿: dz/dt = Vp-Vcr (2) 若情况并非如此，则必须将表面水平改变的速率与坩埚移动的速率之差加至该方程式的右侧。 提拉速率Vp的改变直接导致弯月面高度ζ和弯月面角β也发生改变。生长速率最初保持不受所述提拉速率Vp的改变的影响。本专利技术考虑了这一情况以及亮环直径取决于单晶直径及弯月面高度的情况。若忽略级数展开的更高阶项，则亮环直径Dfc及生长的单晶的直径Dra通过方程式(3)相互关联。 Dbr = Dcr+fcr (Dcr) +fz (ζ) (3) 因此，其他两项对于计算Dra具有重要性，即涉及亮环直径的分量f?(Dj，其数值取决于单晶直径及由此取决于弯月面的径向位置，以及涉及亮环直径的分量fz(z)，其数值取决于弯月面高度及由此取决于弯月面的形状。 若将方程式(3)相对于时间求导，则由方程式(4a)通过重排获得方程式(4b)，及通过将方程式(I)和方程式(2)代入方程式(4b)中获得方程式(5)。 CiDflr dDCT ■ iVcr(Dcr) I dfz(z)/ I _、 ~ =~+ ^T- + ITUd；dD^r dDcr crcr) (IDcr d/^(z) dz/ λλ、 — = — + —-X —+ —^ X T(4b) dtdtciD^dtdz dt =(1+ “ X vcr X 2?αηΛβ(ζ) + ,々)x (v — vCT) O ) dt \dD ζ^γ./dz 可以假设,生长速率vcr对应于提拉速率的给定值vps, dfra (Dra)/dDra = dfcr (Dcrs) /dD。,是针对单晶直径的小幅改变，其中Dras代表单晶的给定直径。然而替代性地，dfra(D。,)/dDra项也可以迭代计算。 根据本专利技术，方程式(5)作为基础用于最初确定弯月面高度ζ。其取决于弯月面高度的改变考虑了涉及取决于弯月面高度的亮环直径的分量的改变，并对其以取决于提拉速率Vp和生长速率Vra的因子进行加权。 为了确定亮环直径，观察亮环，进行光学记录，并对图像在至少一个位置、优选至少三个位置上进行电子评估。这三个位置优选均匀地分布在围绕单晶的半圆上。在所记录的图像中由暗至亮的外部过渡被解释为直径对应于亮环直径Dfc的圆的线段的一部分。若在不同的位置进行评估获得不同的直径，则对其求平均从而获得亮环直径。 亮环直径随时间的改变dDbydt是通过确定亮环直径及随后相对于时间进行数字微分从而获得的。 基于方程式(5)确定弯月面高度ζ的一个优选的方式是使用基于模拟数据的查找表。其是预先地即在提拉单晶之前编制的，并在距离Λ ζ例如为0.1mm的情况下例如在Immi^ ζ彡Ilmm的范围内，将弯月面的不同的高度ζ分别指定给tanA β (ζ)的对应的数值或dfz(z)/dz的对应的数值。模拟(射线追踪模拟)包括由照相机到达弯月面并由此处反射到环境中的射线路本文档来自技高网...

【技术保护点】
在由熔体提拉单晶期间将单晶直径控制为给定直径的方法，该熔体包含在坩埚中并且在单晶边缘的相界处形成弯月面，其中所述弯月面的高度对应于在相界与弯月面之外的熔体表面水平之间的距离，所述方法包括重复地实施以下步骤：确定弯月面上的亮环的直径；在考虑亮环直径及考虑亮环直径与弯月面高度及与单晶直径本身的相关性的情况下计算单晶直径；及基于所计算的单晶直径与单晶的给定直径之差计算至少一个用于控制单晶直径的操纵变量。

【技术特征摘要】
2013.06.07 DE 102013210687.41.在由熔体提拉单晶期间将单晶直径控制为给定直径的方法，该熔体包含在坩埚中并且在单晶边缘的相界处形成弯月面，其中所述弯月面的高度对应于在相界与弯月面之外的熔体表面水平之间的距离，所述方法包括重复地实施以下步骤: 确定弯月面上的亮环的直径； 在考虑亮环直径及考虑亮环直径与弯月面高度及与单晶直径本身的相关性的情况下计算单晶直径；及 基于所计算的单晶直径与单晶的给定直径之差计算至少一个用于控制单晶直径的操纵变量。2.根据权利要求1的方法，该方法包括形成查找表，该查找表是基于模拟数据并且将弯月面高度指定给亮环直径相对于时间的导数。3.根据权利要求1的方法，该方法包括由线性化的...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·施罗克，
申请(专利权)人：硅电子股份公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE