提拉法晶体生长的等径控制方法.pdf

一种提拉法晶体生长的等径控制方法，在晶体生长的不同阶段采用成像方式和称重方式获取晶体直径信号，然后将晶体直径反馈信号与晶体直径设定值比较获得信号误差，通过该信号误差的PID运算得到晶体机械拉速控制值或温度控制值。本发明在引晶阶段采用成像法读取直径信号，精度高，视野小，不需坩埚上升补偿；在随后的扩肩、等径和收尾阶段采用称重法获得直径信号，不需坩埚补偿，不受视野限制，信号稳定。

1.  一种提拉法晶体生长的等径控制方法，在晶体生长的不同阶段采用不同的晶体直径信号获取方式，然后将获取的晶体直径值反馈信号与晶体直径设定值进行比较，获得信号误差值，然后通过该信号误差值的PID运算，得到晶体的机械拉速控制值或晶液的温度控制值。

2.  按权利要求1所述提拉法晶体生长的等径控制方法，其特征是：在晶体生长的引晶阶段，采用成像法获取晶体的直径信号；在晶体生长的扩肩、等径和收尾阶段，采用称重法获取晶体的直径信号。

提拉法晶体生长的等径控制方法
技术领域
本发明涉及提拉法制造半导体单晶的方法，尤其涉及晶体生长过程的不同阶段采用不同的方式获得晶体当前直径信号作为反馈信号，与直径设定信号比较，通过PID控制理论获得晶体拉速或温度控制值，从而对晶体的直径进行控制的方法。
背景技术
提拉法晶体生长方法(切克劳斯基法，Czochralski Method)是一种获取单晶的主要方法之一，如硅单晶、激光晶体、非线性光学晶体。它的工作原理是，首先将原料熔化，然后在合适的温度下将籽晶(一般为单晶)从上面接触到熔体的液面，然后将籽晶慢慢上拉。在晶体上拉的同时控制熔体的温度，熔体在籽晶下面不断凝固，形成晶体并不断从液面拉出。通过有意识的控制，可以调节或控制晶体的形状尺寸，如直径。控制直径的方法称为等径控制技术。
在等径控制技术中，首先需要获得晶体当前直径信号，然后通过与直径设定值的比较来调节熔体温度或晶体提拉速度，从而控制晶体的直径。现有技术中，比较通用的获得直径信号的方法有称重法和成像法。
称重法是采用上称重(或下称重)方法，在籽晶杆上部(或在坩埚下部)加一个称重传感器，实时测量晶体的结晶量，即晶体重量或重量变化率。通过重量的变化率(也称为生长速率)以及坩埚直径尺寸等可以计算出晶体直径。通过与设定晶体生长速率(或重量，或直径)的比较及运算，对熔体温度进行控制，从而对晶体生长直径进行控制。例如：实测晶体生长速率高于设定值，表明固液界面的温度偏低，熔体温度需要调高一些(通常由计算机或控制器自动完成)。反之，熔体温度需调低一些。上述方法的特点是通过称重获得晶体的重量，生长速率或直径信号，通过调节温度来控制晶体生长的直径。
称重法也可以与可变拉速结合控制晶体生长直径，参见申请号为200810155377.9的专利说明书。特点是通过称重法获得晶体的重量，生长速率或直径信号，通过调节晶体拉速来控制晶体生长的直径。例如：如果晶体直径大于设定值，拉速调高一些；反之拉速调低一些。同时熔体加热温度根据拉速的变化量，做调整。例如：拉速大于设定值时，温度适当调高一些。反之，温度调低一些。这种方法通过拉速和温度双重作用控制晶体直径。图1为称重法结合拉速和温度的共同调节实现等径控制的示意图。
称重法的优点是不受材料限制，不受视野限制。缺点是直径信号是通过重量变化率间接计算获得。受到表面张力和浮力等外力的干扰。此外信号灵敏度与测量量程的矛盾。即量程越大，灵敏度越低，相应的噪音背景越大。在实际应用中如果晶体重量较轻或生长速率较低的情况下(如引晶阶段)，直径测量值波动较大，控制难度增加。
成像法是通过成像工具(如CCD或CMOS摄像头)捕捉晶体与熔体接触区的图像。然后通过图像处理获得晶体与熔体接触的轮廓线。该轮廓线既是晶体的直径信号。通过控制温度或拉速即可控制晶体直径。控制过程与上述的称重法类似。图2为成像法结合拉速和温度的共同调节实现等径控制的示意图。
成像法的优点是可以直接获得直径信号，噪音背景较低。缺点是需要较大视野，温场上部需开一个较大的开口使成像装置可以看到晶体与熔体的轮廓线。结果是能量损失较大。此外，由于晶体拉出熔体，坩埚中的熔体量逐渐减少，液面不断降低。为了弥补由于液面下降而引起的图像失真，坩埚位置需不断上升，从而保持液面位置(高度)不变。带来的潜在问题是设备结构复杂，炉体高度增加。
发明内容
针对现有提拉法晶体生长中获得直径信号方法的上述缺点，申请人经过研究改进，提出另外一种提拉法晶体生长的等径控制方法，在晶体生长不同阶段采用不同的方式获得直径信号，属于混合式等径控制方法。
本发明的技术方案如下：
一种提拉法晶体生长的等径控制方法，在晶体生长的不同阶段采用不同的晶体直径信号获取方式，然后将获取的晶体直径值反馈信号与晶体直径设定值进行比较，获得信号误差值，然后通过该信号误差值的PID运算，得到晶体的机械拉速控制值或晶液的温度控制值。
其进一步的技术方案是：在晶体生长的引晶阶段，采用成像法获取晶体的直径信号；在晶体生长的扩肩、等径和收尾阶段，采用称重法获取晶体的直径信号。所述成像法以及称重法的本身为现有技术方法。
本发明突出的实质性特点和显著的进步在于：
本发明在晶体生长过程的不同阶段采用不同的直径信号获取方式。在晶体生长的引晶阶段，采用成像法获取晶体的直径信号；在晶体生长的扩肩、等径和收尾阶段，采用称重法获取晶体的直径信号。
在引晶阶段，采用成像法读取直径信号，其优点是精度高，视野小，不需坩埚上升来补偿液面的降低。在随后的扩肩、等径和收尾阶段，采用称重法获得直径信号，优点是不需坩埚补偿，不受视野限制，信号稳定；由于坩埚不需上下运动，设备结构变得简单，炉体高度降低；由于不受视野限制，晶体直径可以比通常的成像法大很多；同时，由于不受视野限制，温场上部开口可以相对较小，保温性能好，节约能量。
以硅单晶提拉生长工艺为例，本发明晶体直径只受坩埚限制，不受视野限制，与通常硅单晶生长方法相比在相同坩埚内可以生长出直径更大的晶体。例如同样直径是18英寸的坩埚，通常只能生长6～8英寸的硅单晶棒，而本发明可以生长12英寸晶棒。
附图说明
图1是称重法晶体生长等径控制方法的示意图。
图2是成像法晶体生长等径控制方法的示意图。
图3是本发明方法的示意图。
图4是本发明方法中晶体提拉装置的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，并通过与现有方法的对比，对本发明的具体实施方式做进一步说明。
图1为现有技术中(专利申请号：200810155377.9)通过称重法结合可变拉速控制技术实现晶体生长的等径控制的方法，该方法的步骤如下：
(1)首先在合适的温场下，将需要生长晶体的原料加热熔化。
(2)在合适的温度下，将籽晶慢慢接触液面中心。籽晶装在籽晶杆底部。籽晶杆上部与称重传感器连接。计算机开始周期性采集传感器的重量信号。
(3)籽晶不断慢慢上拉，在温度的不断调节下，晶体在籽晶杆下不断凝固扩大，形成一个向下锥体。这个过程称为“扩肩过程”，扩肩过程对晶体质量至关重要。
(4)当晶体直径达到设定值时，可以控制晶体保持当前直径，不断从熔体中拉出。这个过程称为“等径生长过程”。等径段的晶体通常是需要的产品，等径过程决定了成品率。
(6)在晶体生长过程中，重量信号是周期性采集的(如采集周期为1秒)，通过计算机可以得到重量变化率(图中表示为生长速率)。重量、生长速率均可以作为控制系统的反馈信号。
(7)将反馈信号(晶体直径)与设定值比较，获得信号误差，然后通过该信号误差的第一步PID运算，得到籽晶的机械拉速的计算值，再通过电机控制器来控制籽晶的机械提拉速度，通过拉速改变来控制晶体直径。
(8)将机械拉速计算值与设计拉速值比较获得第二信号误差，然后通过该信号误差的第二步PID运算，得到温度计算值，再通过温度控制器来控制温场中的温度，通过温度改变来控制晶体直径。
通过机械拉速和温度的共同反馈控制作用，实现晶体等径控制。
图2为现有技术中通过成像法结合可变拉速控制技术实现晶体生长的等径控制的方法，该方法与图1所示方法的不同点在于直径信号是通过成像系统和图像处理获得的，接下来的步骤则与前面所述的步骤一致。
图3为本发明方法的示意图。如图3所示，在籽晶提拉生长(引晶)过程中，由于籽晶的直径相对很小，相应的重量和重量变化率(又称生长速率)很小。如果采用称重法获得直径信号，信号噪音相对很大，如果称重传感器的量程很大，直径信号波动很大。这时采用成像法读取直径信号，精度和稳定度都会很好。同时由于籽晶直径很小，晶体拉出量很少，液面几乎不下降。坩埚位置不必向上运动来补偿液面下降。
当引晶完成，晶体生长转为扩肩、等径和收尾阶段。在等径阶段晶体直径较大，如果采用成像方法，视野需要很大，同时需要坩埚上升来补偿液面的降低；在收尾阶段，晶体直径缩小，晶体与熔体间的轮廓线将被晶体本身挡住，无法看到。这时采用称重法，就不受视野和坩埚补偿的限制。同时由于此时晶体很大，晶体重量和重量的变化率相对很大，相应的噪音背景很小，直径信号稳定。
实测晶体直径信号：引晶阶段读取的是成像法获得的直径信号，引晶阶段结束后，控制程序自动从成像法切换到称重法读取直径信号，同时自动进入扩肩以及后续阶段(转肩、等径和收尾阶段)。
接下来的步骤则与前面所述的现有技术一致。
本发明的具体实施例：硅单晶生长，生长过程如下：
(1)晶体生长装置见图4。坩埚5直径为18英寸，高为14英寸。原料为块状多晶硅，重60Kg。温场6由石墨加热器和石墨保温材料构成。籽晶杆上部与称重传感器1相连，下部与籽晶3连接。籽晶3直径12.5mm。晶体等径段的直径设定为10英寸。籽晶杆可以旋转和向上提拉。坩埚5可以旋转，但不做上下移动。摄像头2安装在系统上部，镜头对准熔体表面的中心位置。镜头与垂直方向的夹角为18度。
(2)炉内抽真空，并通氩气，然后将炉内加热，温度升至1500℃。保温至硅原料全部熔化。然后将温度逐渐降至1425℃(接近硅的熔点)。保温1小时。
(3)将籽晶3通过籽晶杆慢慢下移(同时籽晶旋转，转速每分钟12转)，最终接触熔体液面。观察籽晶直径变化，如果直径变小，温度下调；如果变大，则温度上调。保持半小时。
(4)将控制程序进入引晶阶段。这时由摄像头获得籽晶的实时直径。在本实例中，籽晶的初始直径12.5毫米，目标直径4毫米，目标拉速每小时250毫米。引晶长度180毫米。
(5)引晶阶段结束后，控制程序自动进入扩肩、转肩、等径和收尾阶段。在这些阶段晶体直径由称重传感器获取。等径阶段直径的设定值为12英寸。
(7)在晶体生长过程中，控制过程是周期性的。如每过10秒钟计算机根据直径误差的反馈数据进行一次运算，获得并执行新的拉速值及温度值，具体过程参见申请号为200810155377.9的专利说明书。
(8)当晶体收尾阶段完成后，晶体生长过程结束。晶体4以每小时500mm速度拉出液面。晶体转速降至每分钟4转。
(10)切断加热电源，炉内自然降温至200℃以下。
(11)打开炉体，取出晶体。晶体生长全过程完成。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。