CN101168848A - 一种直拉硅单晶炉的熔硅液面位置的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种直拉硅单晶炉的熔硅液面位置的控制方法，它包括以下几个步骤：获得热屏倒影的数据；对数据进行处理，得到D；与D₀进行比较D－D₀差值输入模－数转换器，换算成控制埚升电机升速的电信号，提高或降低埚升电机的速度；反馈电路将升速的增量进行积分，并得到实际的D值；计算机计算D－D₀差值，如果它为0，则保持埚升电机的上长速度与晶升速度的比例不变；否则，则增加或降低这个比例(根据D－D₀差值的正负)。该方法操作方便，精度高，使用该方法可以控制直拉硅单晶体内的缺陷的种类以及在晶体内的分布。

Description

一种直拉硅单晶炉的熔硅液面位置的控制方法

技术领域

本发明涉及到制造集成电路和其它电子元件半导体级硅单晶体的制备方法，特别是一种直拉硅单晶炉的熔硅液面位置的控制方法，该方法适用于有热屏(有称做“导流筒“)的单晶炉的熔硅液面位置的控制。

背景技术

半导体硅单晶体约85％均用切克劳斯基(Czochralski)法制造。使用切克劳斯基(直拉)法硅晶体棒的生长工艺，该晶棒是圆形物体，具有一个中心轴，一个籽晶端锥体和一个尾端锥体，在这两个锥体之间是近乎恒定直径的圆柱体。在这种方法中，多晶硅被装进石英埚内，加热熔化，然后，将熔硅略做降温，给予一定的过冷度，把一支特定晶向的硅单晶体(称做籽晶)与熔体硅接触，通过调整熔体的温度和籽晶向上提升速度，使籽晶体长大至近目标直径时，提高提升速度，使单晶体近恒直径生长。在生长过程的尾期，此时埚内的硅熔体尚未完全消失，通过增加晶体的提升速度和调整向埚的供热量将晶体直径渐渐减小而形成一个尾形锥体，当锥体的尖足够小时，晶体就会与熔体脱离，从而完成晶体的生长过程。见图1。

直拉硅单晶在制造时大致分为这么几个阶段：装多晶料、抽空、多晶硅熔化、颈及肩的生长、等直径生长、尾部晶体的生长、晶体冷却，其中大部分过程是吸热过程，也就是说要外部供给热量。单晶炉中一般有一个发热体(石墨制)，在其两端通上直流电，产生热量。发热体处在吸热体的外面，也就是说，热量是由外向内传导(径向)。随着硅单晶直径的加大(Ф200mm，Ф300mm，Ф300mm以上)，对单晶棒的内部缺陷的控制要求也越来越严格，

现在集成电路的线宽已进入了亚微米时代，对作为衬底的硅单晶材料提出了很高的要求，由原苏联科学家Voronkov提出的V/G理论揭示了晶体生长条件与晶体内残存的缺陷对应关糸的规律。这里的V是指晶体生长界面处的微观生长速度，G指该处的纵向温度梯度。而纵向温度梯度在很大程度上由熔体的位置决定的，所谓的熔体位置是指热屏的下端面与硅液面的距离(这里用D表示)，因而，控制了D值就等于控制了晶体的缺陷，这项工作对提高半导体硅单晶的质量是十分有意义的。

以往的设备在控制熔体的位置时，采取以下几种方式：1)在晶体等直径生长期间，采用埚升速随晶升变化的办法，俗称“给定埚随比“。这种方法的缺点是精度特别差，因为在生长阶段的实际晶体直径是不能准确测量的，故这种方法不能满足现代材料制造的要求。2)另一种被广泛采用的方法是用激光控制熔体的位置。这种装置由一个激光发生器和一个激光接受器组成，它两个形成一夹角，在熔硅的表面相交，通过测量激光光强的变化来控制熔体的位置。它有以下缺点，大大地限制了它的使用，缺点1是它的价格昂贵；缺点2是该糸统的校准过程太复杂；缺点3是它对热场设计的要求高，因为热场部件不能挡住激光的光路，否则糸统将不能工作。因此，有必要提供一种新的直拉硅单晶炉的熔硅液面位置的控制方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种直拉硅单晶炉的熔硅液面位置的控制方法，(这里的位置是指液体表面距离石墨加热器上口的距离)，该方法操作方便，精度高，使用该方法可以控制直拉硅单晶体内的缺陷的种类以及在晶体内的分布。

为达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：这种直拉硅单晶炉的熔硅液面位置的控制方法，它采用CCD成像系统，从直拉硅单晶炉的观测窗口观测到硅单晶炉热屏内口的图像和热屏内口在硅液面上的倒影；经模-数转换，将数据输入计算机并运算，获得热屏底面与该液面的距离D值，经运算、数-模转换，再通过控制电路、驱动电路调节埚升速度，以控制熔硅液面位置。

具体的方法可以是：(1)、采集图像：从直拉硅单晶炉炉盖上的观察孔通过CCD成象仪的光学系统获取图像数据，该图像包括热屏内口的图像和热屏内口在硅液面上的倒影；

(2)、将上述两呈椭圆形的图像与垂直线的交点的座标值的数据输入计算机并运算，获得热屏底面与该液面的距离D值，并显示；

(3)、将D值与原设定的D₀值作比较，得出差值；

(4)、将D-D₀差值输入模-数转换器，换算成控制埚升电机升速的电信号，通过控制电路、驱动电路调节埚升速度；

(5)、埚升速度反馈至反馈电路，并将升速的增量进行积分，并得到实际的D值；

(6)计算机计算D-D₀差值，如果它为0，则保持埚升电机的速度与晶升速度的比例不变；如果不是0，则相应地增加(差值为负时)或降低(差值为正时)这个比例。

本装置的工作原理是，单晶炉的关键部件之一——热屏或称导流筒的内孔的锐边在熔硅的表面会形成一个弯月形的倒影，这个倒影的位置与大小与热屏下口距熔硅液面的距离有关，这种关系可体现出CCD的弯月面的像素图的变化，这种变化可以用函数来表达，实现计算机读取和处理，进而对熔硅液面位置做调节和控制。即在单晶炉的炉盖上增加一个视窗口(也可以利用原有的窗口)，在此窗口的上方安装上CCD成像仪，它观察热屏在液硅面上倒影的像素的变化，进而计算出“熔体位置“的变化，这些变化可以自动输入到控制计算机，由计算机根据预先设计对“熔体的位置“进行控制，以满足硅单晶棒质量控制所需。这里的“熔体的位置“是指多晶硅在石英埚内熔化后，形成的自由表面与石墨加热器上口的相对位置，可以厘米或毫米表示。

附图说明

图1是直拉硅单晶炉的系统结构示意图。

图2是熔硅液面位置控制装置结构示意图。

图3是熔硅液面位置的示意图。

图4

图4是熔硅液面控制装置的工作原理示意图。

图1是切克劳斯基(直拉)法制造的硅单晶炉糸统结构图。它由16个部件构成。包括1籽晶、3硅单晶棒、4上盖板、5保温筒、6测温孔、7石墨加热器、8炉筒、9尾气出口、10下保温、11中轴、12底保温、13硅熔体、14石墨埚、16石英埚、19是熔化了的硅表面、20是称作热屏或导流筒的部件，它的作用是使硅单晶体的上方更冷，气流的流动更集中且有规律。

图2是熔硅液面位置控制装置结构示意图。它由含21窗口、22CCD成像糸统、23计算机后处理糸统组成。

图3是熔硅液面位置的示意图。“H“代表熔体液面的位置，指液体表面距离石墨加热器7上口的距离。

图4是熔硅液面控制装置的工作原理示意图。图中，3是单晶棒；26是热屏内口；25是热屏内口 26在硅液面上的倒影；如果用一根与晶体母线平行的线line切割热屏内口26以及它在硅液面上的倒影25(一般在晶体的固液边界与热屏内口的间隙处园环上取)，线line与两个椭圆的交点的座标为(X1，Y1)和(X₂，Y₂)。

具体实施方式

以下对计算机操作流程的说明

操作流程如下：

◆判断晶体生长过程是否处于等直径阶段？如果是，启动CCD控制液面位置的环路；如果不是，则停止此环路的工作；

◆从CCD获得热屏倒影的数据；

◆对数据进行处理，得到D；

◆与D₀进行比较；

◆将D-D₀差值由于模-数转换器，换算成控制埚升电机升速的电信号，提高或降低埚升电机的速度；

◆反馈电路将升速的增量进行积分，并得到实际的D值；

◆计算机计算D-D₀差值，如果它为0，则停止埚升电机的速度增加或降低。

本方法发明的工作原理如下：

一.CCD成像：当CCD成像器22从窗口21的方面观看晶体3时，在CCD观察到的是如图4-b的像，在图4-b中，3是晶体，26热屏内口，25是热屏内口26在硅液面上的倒影。

二.成像数据的读取：如果用一根与晶体母线平行的线line切割热屏内口26以及它在硅液面上的倒影25，线line与两个椭圆的交点的座标分别为(X1，Y1)和(X₂，Y₂)，如果用D表示晶体生长的重要的参数之一热屏底面与硅液面的距离，则D与(Y₂-Y₁)存在函数关糸，

表达式为：

D＝f(Y₂-Y₁)

它也可由(22)读取像素值，然后由计算机计算出来。

上面公式中的Y₂-Y₁值可以由计算机自动计算获得。利用这个原理，可以得到任一时刻的D值。

如果工艺要求液面位置控制在D₀，这时，计算机后处理系统将对实测到的D与D₀进行比较，将D-D₀差值输入模-数转换器，换算成控制埚升电机升速的电信号，再输入至埚提升控制糸统，如果差值为正，则说明熔体液面位置下降了，计算机会指示“降低埚提升速度“；反之，则指示“增加埚提升速度“。

将D值转换成液体表面距石墨加热器上口的距离X的公式为：

X＝D+Y    其中，Y为热场固有的特征值。

上述的控制糸统包括控制电路及驱动机构，驱动电路所采用的电机可以是直流电机及交流电机。

实施例：

例一.在KAYEX CG6000型单晶炉上，用16英寸热场，装料50KG，告诉计算机一个D₀值是10毫米，用计算机工作站的自动数据计算功能，测得实际D的数值为9.6-10.48毫米。

例二.在KAYEX MCZ150型单晶炉上，用24英寸热场，装料150KG，告诉计算机一个D₀值是20毫米，用计算机工作站的自动数据计算功能，测得实际D的数值为19.52-20.41毫米。埚的提升速度正如要求的一样工作，如果D实际值大于20毫米，则计算机会自动增加埚(14)上升的速度，使D值减小至20毫米左右；相反，如果D实际值小于20毫米，则计算机会自动减小埚(14)上升的速度，使D值增加至20毫米左右。

Claims (2)

1.一种直拉硅单晶炉的熔硅液面位置的控制方法，其特征在于：

它采用CCD成像系统，从直拉硅单晶炉的观测窗口观测到硅单晶炉热屏内口的图像和热屏内口在硅液面上的倒影；经模-数转换，将数据输入计算机并运算，获得热屏底面与该液面的距离D值，经运算、数-模转换，再通过控制电路、驱动电路调节埚升速度，以控制熔硅液面位置。

2.根据权利要求1所述的一种直拉硅单晶炉的熔硅液面位置的控制方法，其特征在于：

(1)、采集图像：从直拉硅单晶炉炉盖上的观察孔通过CCD成象仪的光学系统获取图像数据，该图像包括热屏内口的图像和热屏内口在硅液面上的倒影；

(2)、将上述两呈椭圆形的图像与垂直线的交点的座标值的数据输入计算机并运算，获得热屏底面与该液面的距离D值，并显示；

(3)、将D值与原设定的D₀值作比较，得出差值；

(4)、将D-D₀差值输入模-数转换器，换算成控制埚升电机升速的电信号，通过控制电路、驱动电路调节埚升速度；

(5)、埚升速度反馈至反馈电路，并将升速的增量进行积分，并得到实际的D值；

(6)计算机计算D-D₀差值，如果它为0，则保持埚升电机的速度与晶升速度的比例不变；如果不是0，则相应地增加(差值为负时)或降低(差值为正时)这个比例。

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