控制半导体晶体生长的开环方法和系统技术方案

一种用于根据切克劳斯基工艺生长无位错和直径与生长速率均匀性得到了改善的硅单晶的装置的开环控制方法。根据本发明专利技术，基于装载到坩埚的硅的热和质量传送模型被确定为一个或更多个参考参数的函数。从参考硅单晶的生长来确定参考参数的数值。然后确定作为给定提拉速率分布和模型直径分布的热和质量传送模型的函数的功率分布。产生的功率分布是馈送到加热器以便向坩埚提供基本上保持熔体和晶体之间界面处的热平衡的热能的功率的表示。最后，在至少部分硅单晶的生长过程中，借助于根据功率分布而调整加热器提供给坩埚的热能，对晶体生长装置进行控制。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及到对使用切克劳斯基工艺来生长晶体的装置或方法进行控制的改进了的方法和系统。更确切地说，本专利技术涉及到用来自动控制半导体单晶生长过程的开环方法和系统。更加确切地说，本专利技术涉及到能够被用来自动控制硅单晶尾部锥体的生长并保持晶体的无位错状态的开环方法和系统。作为大多数半导体电子元件制造工艺的原材料的单晶硅，通常是用切克劳斯基工艺制备的。在这一工艺中，多晶硅被装载到坩埚中并被熔化，使籽晶与熔融的硅接触，借助于缓慢提拉而生长硅晶体。在完成颈部制作之后，借助于降低提拉速率和/或熔液温度，晶体的直径被放大，直至达到所需的即目标直径，从而形成晶体的锥形即冠顶部分。然后，借助于在补偿不断降低的熔体高度的情况下控制提拉速率和熔体温度而生长直径大致恒定的晶体的圆柱形本体。在快要结束生长工艺和坩埚中的熔融硅还没有用完之前，晶体的直径必须逐渐减小，从而形成尾部锥体。当直径变得足够小时，晶体就与熔体分离。在某些情况下，晶体与硅熔体分离的过程对晶体的质量可能有不利的影响。当晶体与熔体发生分离时，若晶体的直径减小得不充分，或若直径减小得太快或不规则，则晶体会遭受热冲击。这种热冲击能够在尾部锥体中引起滑移位错，它能够传播到晶体的本体中。而且，由于晶体的尾部锥体通常被丢弃，故也希望尽量减小生长在晶体上的尾部锥体的轴向长度。但为了在与硅熔体分离时尽量减小对晶体的热冲击，仍然必须有足够的尾部锥体长度。因此，必须小心地控制尾部锥体的生长过程，以便满足尽量减小尾部锥体浪费、避免在与熔体分离时在晶体中产生位错、以及保持晶体的可接受的热历史这些常常互相冲突的目的。常规地用来控制晶体生长过程的工艺，依赖于熟练的晶体提拉炉操作人员对工艺的准确控制或尖端的闭环控制方案，或二者。例如，此处列为参考的Maeda等人的美国专利5223078描述了一种闭环方法，用来控制邻近籽晶的晶体的圆锥部分(锥体)的生长，并要求在锥体生长过程中主动地测量和调整工艺变量。在Maeda方法中，对熔体的温度和正在生长的晶体的锥体的直径进行测量。对直径的改变速率进行计算，并将此改变速率与测得的温度进行比较以便预定目标温度和改变速率的数值。然后，根据来自目标温度数据文件和目标直径改变速率数据文件的已有数据，重新确定目标温度。然后，最好利用控制器的PID作用，控制馈送到加热器的电量，从而得到改正了的目标温度。此处列为参考的Katsuoka等人的美国专利4973377描述了一种借助于控制熔体温度和坩埚转速而控制锥体直径的闭环方法。此处列为参考的Watanabe等人的美国专利4876438描述了一种借助于控制馈送到加热器的功率和提拉速率而控制晶体直径的装置。此装置工作于闭环反馈过程，其中在晶体生长过程中测量与晶体直径有关的二个工艺变量并采取适当的控制动作来保持所需的直径。此处列为参考的Araki的美国专利5288363描述了一种用来控制锥体生长的闭环方法。在Araki方法中，对晶体直径到所需晶体直径的偏差进行监测。调整提拉速率，以便尽量减小此偏差。此外，根据模糊扰动而计算馈送到熔体加热器的功率数量的改正数值。然后根据此改正数值调整加热器功率。但这些方法都不能完全令人满意。首先，这些方法要求昂贵而复杂的工艺控制设备和技术以及大量的维修。第二，常常还依赖于操作人员对准确操作的控制。第三，还常常降低根据这些工艺生长的晶体的产出。第四，在为了避免晶体或硅熔体被测量设备沾污而对部分闭环系统进行工艺变量测量的情况下，必须小心。第五，控制误差能够引起对晶体提拉速率和功率速率的不正确的调整，这又能够对晶体生长的后续过程发生不利的影响。因此，需要有一种用来控制硅单晶的生长的工艺，此工艺要尽量减少和简化工艺控制设备和操作要求，尽量减少对操作控制的依赖，尽量减少尾部锥体的浪费，改善晶体热历史的均匀性和/或改善工艺成品率而不会损害直径控制。因此，本专利技术的几个目的是，提供克服上述不利情况的一种改进了的控制和操作方法和系统；提供用于根据切克劳斯基工艺而运行的晶体生长装置的方法和系统；提供用来对开环操作中的至少一部分硅单晶的生长进行自动控制的方法和系统；提供根据基于系统的适当的热和质量传输模型的功率分布而对加热器向装载有固体硅的坩埚馈送的热能进行控制的方法和系统；提供借助于调整热通量而基本上保持熔体与晶体之间的界面处的热平衡的方法和系统；提供在晶体生长过程中尽量减少或消除操作人员的卷入的方法和系统；提供用来控制晶体尾部锥体的生长和/或形状的方法和系统；提供尽量减小(或基本上消除)晶体与硅熔体分离时对晶体的热冲击的方法和系统；提供用来重复地生长无位错和具有所需直径分布的晶体部分的方法和系统；提供保持最小产出并缩短根据工艺生长的晶体的工艺时间的方法和系统；提供能够有效而经济地实行的方法以及经济上合理且商业上可行的系统；以及提供可重复的且各个批次之间产生质量可比拟的晶体的方法。简而言之，本专利技术的一个实施例是一种用与根据切克劳斯基工艺从硅熔体生长硅单晶的装置组合的开环方法。此晶体生长装置具有盛放硅装料的坩埚。还具有用来熔化坩埚中的硅以形成从中提拉单晶的熔体的加热器。单晶与熔体形成界面。根据此方法，首先确定基于一开始装载到坩埚中的硅的热和质量传输模型。此模型是从参考硅单晶的生长过程中确定的一个或多个参考参数的函数。然后产生功率分布。此功率分布是加热器为了向坩埚馈送足以基本上保持熔体与晶体之间界面处的热平衡的热能所要求的功率的量的表示。此功率分布是热和质量传输模型的函数。最后，借助于根据功率分布而调整馈送到加热器的功率，在至少一部分硅单晶的生长过程中，对晶体生长装置进行控制。本专利技术的另一种形式是一种用于与根据切克劳斯基工艺从硅熔体生长硅单晶的装置组合的系统。此系统包括根据切克劳斯基方法生长硅单晶的装置，它包含盛放硅装料的坩埚、用来向坩埚提供足够的热能以形成熔体的加热器、用来从坩埚中的熔体提拉晶体的晶体提拉机构、以及用来确定功率分布并根据此功率分布而控制加热器的控制电路。此功率分布是加热器为了向坩埚馈送足以基本上保持熔体与晶体之间界面处的热平衡的热能所要求的功率的量的表示。此功率分布是热和质量传输模型的函数。热和质量传输模型本身是从参考硅单晶的生长过程中确定的一个或多个参考参数的函数。加热器响应于控制电路，并根据功率分布向熔体提供热能。以下将部分地明了和指出其它的目的和特点。此方法和系统一般能够被用来从硅和其它特定的半导体以及从其它的材料生长单晶。但为简化起见，本专利技术以硅单晶来进行说明。附图说明图1示出了根据本专利技术最佳实施例的晶体生长装置和用来控制晶体生长装置的系统。图2示出了图1的晶体生长装置的操作的实施例的流程图。图3示出了(ⅰ)例1的参考晶体的尾部锥体的生长、(ⅱ)例3的晶体的尾部锥体的生长的提拉速率增量分布。图4示出了(ⅰ)例1的参考晶体的尾部锥体的生长、(ⅱ)例3的晶体的尾部锥体的生长的加热器功率增量分布。图5示出了(ⅰ)例1的参考晶体的尾部锥体的生长、(ⅱ)例3的晶体的尾部锥体的生长的晶体旋转速率分布。图6示出了(ⅰ)例1的参考晶体的尾部锥体的生长、(ⅱ)例3的晶体的尾部锥体的生长的坩埚旋转速率分布。图7(a)是生长在例1的参考晶体上的尾部锥体的图象；而图7(b)是生长在例3的晶体上的尾本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于硅单晶生长装置的开环控制方法，所述晶体生长装置具有盛放硅装料的坩埚和使坩埚中的硅熔化以形成熔体的加热器，从熔体拉制单晶，所述单晶与熔体形成界面，所述方法包含下列步骤：确定基于装载到坩埚的硅的热和质量传送模型，所述模型是从参考硅单 晶的生长确定的一个或更多个参考参数的函数；产生表示加热器为了向坩埚馈送足以基本上保持熔体与晶体之间界面处的热平衡的热能所要求的功率数量的功率分布，所述功率分布是热和质量传送模型的函数；以及在至少部分硅单晶的生长过程中，借助于根据功率 分布而调整馈送到加热器的功率，对晶体生长装置进行控制。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：S格罗佛，SL金贝尔，
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]