监测用于半导体生长的拉晶机中气态环境的方法技术

本发明专利技术涉及一种用于监测密封式拉晶炉内气态环境的方法，所述密封式拉晶炉用于在保持负压的生长室中的半导体材料锭的生长。该方法包括：密封生长室，将密封室内的压力减少到负压水平，将一种处理气体引入生长室以便清洗生长室并在生长室内形成一个气态环境，以及对生长室内的气态环境进行存在浓度高于处理气体中的污染气体浓度的污染气体方面的分析。（*该技术在2021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半导体级材料的生产。更具体地说，本专利技术针对一种通过定期取样和分析而用于监测一种如用于单晶硅生长的拉晶机内的气态环境的方法。这种方法能使生长过程的开始或起动更有效地自动化。此外，所述方法能早期检测生长过程状况(条件)的变化，这种变化由例如拉晶机内真空完整性的损失或拉晶机内部件的老化或分解造成。
技术介绍
半导体材料，如用于微电子电路制造的单晶硅，通常是用直拉法(Cz法)制备。在这种方法中，例如单晶硅锭是通过下述步骤在拉晶机的晶体生长炉室内生产将装入熔结石英坩埚内的多晶硅装料熔化，将一个籽晶浸入熔化的硅中，提拉籽晶以便开始单晶生长(亦即形成晶颈、晶冠、凸肩等)，及在各生产条件下生长单晶主体，上述生产条件被控制以使由单晶锭得到的晶片的性能特点达到最大。由于集成电路制造厂家对由这些晶锭得到的硅晶片不断提出更严格的限制，所以特别重要的是使在晶锭生长期间拉晶机内的状况不在合格范围或界限内的情况减至最小。工艺(过程)控制也很重要，因为这种“超出工艺”的生长条件可能并且的确降低了所生产的单晶硅质量，降低质量反过来又减少了方法的生产率和总的方法效率及经济效益。直拉法晶体生长是一种批量生产方法，该方法在于生产一个或多个晶体之后必须中断生长过程，以便打开拉晶机例如清洁炉子并更换和/或再装填坩埚。每次打开晶体炉，都有许多真空密封件破裂，这样就增加了当关闭炉子开始新的生产周期时一个或多个密封件不足以接合成防止漏气的机会。除了由于打开拉晶机而导致可能发生漏气之外，在生产周期中拉晶机内连续改变的热条件也在晶体生长室壁、观察口和管道连接部分上产生不断变化的应力水平。偶而，这些改变的应力产生能损害真空密封或在焊接处形成断裂的条件，因此产生额外的空气及在某些情况下漏水。结果，在生产周期开始之前，重要的是进行“预点火”真空检验，以便确定拉晶机中是否存在任何漏泄，或者更具体地说，确定是否存在超出正常情况的漏泄，由此保证晶体生长炉的真空完整性。通常应用两步法来检验晶体生长炉的真空完整性。第一步包括在一设定的时段内使拉晶机炉内的压力降低，以便证实抽气系统正令人满意地工作。然后，在第二步中，使炉子与真空抽气系统隔断，以便测量炉子如何很好地保持真空并确定是否存在任何超出正常情况的漏泄；也就是说，一旦压力降低，就测量在一个时段(比如10分钟)内真空压力损失的速率，以便确定是否该速率超出正常情况，从而发出存在异常漏泄的信号。尽管这种实际做法能够鉴别漏泄，但操作需要相当大量的时间来实施，并且不能区别所存在的漏泄类型或者准确地给炉中可疑的漏泄定量。而且，随着大直径炉子的使用更为流行，这种实际做法变得甚至更不可靠，因为大体积的炉子使它更难检测到小但是重要的漏泄。换句话说，对大的拉晶机，可能显著影响材料生长质量的较小漏泄不容易被检测到，因为这些漏泄不明显影响大体积炉子损失真空压力的速率。晶体炉中存在的可以让空气和/或水或水蒸汽进入晶体熔体上方或附近的气流中的漏泄，可以造成拉晶机真空完整性的损失，所述真空完整性的损失反过来又导致“超出工艺”条件或在晶体生长期间产生问题。这种“超出工艺”条件也可以在生长过程期间产生，因为拉晶机部件(比如加热器、热屏蔽、隔热部分等)的品质自然变差或老化。如果对这些条件不检查它们会显著减少合格硅材料的高效生产。例如，尽管在晶体生长期间拉晶机内通常存在有一氧化碳，(例如，由二氧化硅坩埚和石墨基座之间或硅熔体中分离出的一氧化硅(SiO)和炉中热石墨部件之间的反应形成)，但升高的一氧化碳浓度可能由拉晶机内的空气或水蒸汽产生。升高的一氧化碳浓度可以导致(i)在所生产的晶体中产生升高的碳含量水平，这种升高的碳含量水平是有害的，因为这可以导致由此获得的晶体中氧沉淀物增加，和(ii)在拉晶机内形成的氧化物粒子量增加，氧化物粒子量增加是有害的，因为这些氧化物粒子可以在拉晶机的内表面上积聚到这种程度，以致薄片可以自由断裂并落入硅熔体中，导致无位错生长的丧失。在历史上，真空完整性的损失，或者“超出工艺”条件的发生，在晶体生长期间都不能可靠地监测或检测。尽管在晶体生长期间如果拉晶机操作人员观察到来自硅熔体的氧化物羽状物的密度增加，和/或在操作人员视野内热区部件上形成的二氧化硅量增加，可以检测出大的漏气或漏水存在，但影响晶体生长的“超出工艺”条件通常直到晶体生长周期完成之后才能检测出来。例如，硅熔体表面的高一氧化碳含量的存在通常是通过测量单晶硅锭后面部分中的碳含量进行测定或检测。因此，如果有问题，则直到不合格的产品制造出来之后才能发现。实际上，由于在缺陷生长的晶锭被取样和检验，及将检查结果与拉晶机操作人员沟通之前可能有相当长的时间延迟，所以第二个不合格晶锭的生长可能发生。结果，在不合格的工艺条件被识别之前可能已生长了多个有缺陷的晶锭，从而造成资源损失，减少了生产率并增加了废品。因此，仍然需要一种可以更有效地监测拉晶机内气态环境的方法。更具体地说，需要一种方法，该方法可以更有效地(i)进行预点火真空完整性检验和(ii)在晶体生长过程期间检测晶体生长室内真空完整性和/或生长条件的异常变化。优选的是，如果各种(比如真空完整性)用于成功生长的条件都合格，则这种方法使晶锭生长自动起动，而当不合格的生长条件产生时，这种方法提供实时通知给拉晶机操作人员。因此在晶体生长之前或生长期间，这种方法能使晶体生长过程改变或紧急停止，从而限制了废品并增加了生产量或合格率。
技术实现思路
因此，在本专利技术的一些特点中，显著之处在于提供了一种在半导体生长之前和/或生长期间用于监测拉晶机内气态环境的方法；一种通过取样和分析拉晶机内气态环境来监测真空完整性的方法；一种取样和分析熔体上方的保护气氛和/或从拉晶机排出的废气的方法；一种自动起动晶体生长过程的方法；一种检测和表征异常漏泄(例如象漏气、漏水或漏清洗用气体)的方法；一种表征和定量异常漏泄的大小和位置的方法；一种向拉晶机操作人员提供气态保护气氛和/或废气的实时反馈的方法；一种在晶体生长期间指示升高的一氧化碳含量水平的方法；及一种增加一给定的拉晶机生产量和合格率的方法的措施。因此，简要地说，本专利技术针对一种用于监测密封式拉晶炉内气态环境的方法，所述拉晶炉用于在保持负压(低于大气压)的生长室内生长半导体材料锭。该方法包括密封生长室，将密封室内的压力减至负压水平，将一种处理气体(工艺过程气体)引入生长室中以便清洗(吹扫)生长室并在其中形成气态环境，以及对生长室内的气态环境进行存在浓度高于处理气体中的污染气体浓度的污染气体方面的分析。另外，本专利技术还针对一种与生长半导体锭的装置结合使用的系统，其中半导体生长装置具有一个生长室，所述生长室保持在负压下并含有一种包括处理清洗用气体的气态环境。所述系统包括一个取样口，一个检测器，和一个控制电路，上述取样口用于从生长室抽取气态环境的样品；上述检测器用于对样品进行浓度超过处理清洗用气体中污染气体浓度的污染气体方面的分析并产生一个代表检测得到的污染气体浓度的信号，其中检测器通过一个连接到取样口的管道接收来自生长室的样品；而上述控制电路接收并响应检测器所产生的信号，用于判定检测的污染气体浓度是否超过为污染气体预先设定的阈浓度，其中控制电路根据判定结果控制半导体生长装置。本专利技术的另一些目的和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于监测拉晶炉中气态环境的方法，所述拉晶炉用于在保持负压的生长室中的半导体材料锭的生长，所述方法包括：密封生长室；将密封室内的压力减少到负压水平；将一种处理气体引入生长室中，以便清洗生长室并在生长室内形成一个气态环境；及， 对气态环境进行超过处理气体中污染气体浓度的污染气体方面的分析。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：JD霍尔德，SK麦夸尔，MJ伯格，
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]