CN1020482C - 生长管状晶体的控制设备 - Google Patents

Abstract

一种控制管状晶体生长设备的操作用的控制系统包括一测定晶体重量用的重量传感器、一测量晶体长度用的长度传感器、一测定晶体内部压力用的压力传感器和一耦合到该重量、长度、压力传感器以控制晶体生产设备操作的控制器。控制器耦合到设备的模具加热器上以根据重量、长度和压力传感器的输出控制盛在坩埚中的熔体的温度。为确保晶体壁厚大体均匀，必须精确测定晶体的重量。本发明对管状晶体内部压力波动所引起的重量测定误差进行了补偿。

Description

本发明是关于生长晶体用的设备，特别是关于生长管状晶体用的控制设备系统。

制造半导体器件所用的硅片往往是由具有多个边（例如九边形）的那种管状晶体的平侧面制成的。美国专利4544529中所述的设备迄今是用来按边缘分明的薄膜供料生长法（EFG法）制造这些晶体。简言之，这些设备包括：一个坩埚，用来装载待生长材料（例如硅）的熔体;一个毛细管模具，用来控制被生长晶体的形式和形状;一个加热器，用来控制模具和熔体的温度;一个籽晶支承组件，用来支承生长晶体用的籽晶;和一个与籽晶支承组件连接的提拉机构，用来将管状晶体从熔体中提拉出来。

要生产出令人满意的商品硅基片并确保晶体生长过程不因管状晶体的被摘除或冻结而过早终止，重要的是要严格控制生长中晶体的晶壁厚度。在美国专利4544528所公开的那种毛细管模具装置中，众所周知，生长中晶体的壁厚随模具顶部与生长中晶体的底部之间所形成的新月形体的大小和形状而变化。各种各样装有光学系统的装置，例如美国专利4239583、4267151和4318769所公开的那些装置，即利用新月形体的壁厚和各种几何特性之间的关系研制出来，用以控制晶体生长设备的操作。这些以光学为基础的系统有一个观测新月形体用的光学组件。利用由光学组件获得的有关新月形体构形的资料，操作人员调节晶体生长设备的操作，以生产出所需壁厚的晶体。

虽然用上述光学控制系统可以令人满意地控制壁厚，但这些系统的 用途存在某些局限性。首先，操作人员必须不断地监视着新月形体的构形，并根据观察结果调节晶体生长设备的操作。为避免人为的差错、提高晶体的生产速率并降低与使用技术人员有关的费用，总希望使整个晶体生长操作自动化。其次，使用周知的这种光学控制系统只能观察到整个新月形体较小的一部分。这一小部分的构形未必能代表整个新月形体的构形。

采用美国专利4544528所例举的那种公知的晶体生长设备，要生长出长度大约2米以上的晶体既困难又不实用。造成这个困难的原因，部分是由于需要将管状晶体内部充以氩气之类的惰性气体以便阻止空气进入晶体内部，部分是由于该容积内存在大的温差，因而产生对流。

更具体地说，为了阻止周围空气进入晶体内部，需要往生长中的晶体内部注入惰性气体（一般为氩气）。由于惰性气体比周围的空气重，在长度比大约2米还长的晶体内，惰性气柱的长度和重量足以使气柱往下沉，从而使周围的空气通过晶体顶端被吸入晶体内。

当采取防止周围空气进入晶体内的措施时，例如将晶体顶端覆盖起来，晶体内所产生的对流的有害作用大大增加。盖上空心晶体顶端时，这些对流促使晶体内的压力波动，从而难以控制晶体生产设备的操作。因此要生长出壁厚均匀而且长度大于2米左右的晶体就成问题。

生长晶体所需要的全部时间，有很大一部分是花在生长工序用的晶体生长设备的准备工作上。因此要提高工艺效率，总希望能生长出长度大于2米左右的晶体。

本发明的主要目的是克服与公知的控制系统有关、控制管状晶体生长设备操作上存在的上述缺点。

本发明的另一主要目的是提供一种控制生长长度约2米以上的晶体用的设备的操作经改进的控制系统。

本发明的另一个目的是提供一种根据传感器所提供的有关晶体的重 量、长度和内压的信息来控制管状晶体生长设备的操作的经改进的控制系统。

本发明的又另一个目的是提供一种控制晶体生长的设备的方法使生产出来的晶体壁厚大体均匀。

本发明的这些和其它目的是提供这样一个控制系统实现的，该控制系统适宜和公知的管状晶体生长设备配用，其中，设备的籽晶夹持器制造得实质上可以防止周围的空气进入晶体内。系统的一个最佳实施例包括一个压力传感器、一个重量传感器、一个长度传感器、一个实际重量电路和一个控制器。压力传感器用以测定管状硅晶体的内部压力，重量传感器用以测定管状硅晶体和支承该晶体的籽晶夹持器的总重量，长度传感器用以测量管状晶体的长度，实际重量电路耦合到压力和重量传感器上，用以计算管状晶体的真实重量，控制器则耦合到长度传感器并耦合到实际重量电路上。控制器利用长度传感器和实际重量电路所提供的信息控制着晶体生长设备坩埚加热器的操作。通过精确调节坩埚加热器的输出功率控制晶体生长设备的操作使得（1）生长中的硅晶体其壁厚基本上均匀，且（2）晶体可以生长到6米或以上的长度。

为更全面理解本发明的性质和目的，应结合附图参阅下面的详细叙述，附图中：

图1是本发明最佳实施例的部分剖视示意图;

图2是本发明的压力传感器和重量传感器的输出，与晶体的实际重量比较，对时间的关系曲线示意图。

图3是本发明的最佳实施例中所采用的实际重量电路图。

图4是本发明的控制系统控制晶体生长设备时所进行的各项操作的软件流程示意图。

参看图1，本发明包括一个控制半导体材料管状晶体22生长设备20的操作用的控制系统。虽然图中没有示出，但应该理解，设备20包括美 国专利4544528、4239583、4267151和4318769所述和例示的那种炉子。更具体地说，设备20包括一个装待结晶化的半导体材料的熔体的坩埚24、一个加热熔体用的加热器26和一个形状合乎要求用以形成晶体22的毛细管模具28。毛细管模具可以取各种形状，但最好是取美国专利4544525的图1所示的形状，只是它所取的形状是用以生长出圆形或某选定的多边形（例如九边形或八角形）的晶体。一对固定着的平行导轨29和在导轨上滑行的支架30是用以从熔体中提拉晶体22而设的。支架30中设有小孔32（见图），小孔附近的支架上固定有附板34。在坩埚24上方在轴向上远离坩埚24的远端的一固定位置支承有本技术领域公知的那种类型的提拉机构35，与支架30相连接，用以将支架30以大致上恒定的速度沿导轨29拉离坩埚24。籽晶夹持器36连接到支架30上。籽晶夹持器36则机械耦合到籽晶39上（图1），晶体22即从籽晶39生长出来。

以上有关设备20的简短叙述足以理解本发明的控制系统与其所控制的设备之间的相互关系。有关设备20一个实例更详细的叙述，请参看前面提到过的颁发给史托蒙特等人的美国专利4544528，本说明书将该美国专利包括进去以供参考。

本发明控制系统的一个最佳实施例包括重量传感器100、长度传感器101、压力传感器102、实际重量电路104和控制器105。在本最佳实施例中，籽晶夹持器36制造得使其可以气封的方式封住晶体的上端，从而限制能通过晶体上端从晶体内部逸出的流体的数量。夹持器36有一个垂直于管状晶体22的轴线延伸的表面37和一个通过流体将晶体22内部与籽晶夹持器外部连接起来的导管38。

重量传感器100固定到附板34上并借助于可轴向延伸的杆106连接到籽晶夹持器36上。杆106通过支架30上的小孔32延伸。重量传感器100测定晶体22和籽晶夹持器36（包括籽晶39在内）的重量。重量传感器100的输出在线路108上载送到实际重量电路104上重量传感器 100是一个普通的应变计载荷传感器。

长度传感器101是为测量支架30相对于固定着的坩埚24的位移而设的。长度传感器101附在一个固定的物体上，最好是固定到提拉机构35上，安置在坩埚24上方。长度传感器101包括一个普通的圆筒和缆索长度测定变换器。提拉机构35沿导轨29提拉支架30时，缆索103就卷绕在圆筒上。卷绕在圆筒上的缆索量与晶体的长度相对应，由装在圆筒内的电位计测定。长度传感器101电位计的输出在线路109上载送到控制器105。

压力传感器102是为测定晶体22内部朝上顶住籽晶夹持器表面37的压力而设的。压力传感器102通过管116藉流体与导管38连通，因而也与晶体22内部相关连。压力传感器102可装在附板34上或任何其它适当的元件上。压力传感器102的输出在线路118上传送到实际重量电路104。压力传感器102是一个电容型传感器。

现在参看图1-3，实际重量电路104是为连续产生表示生长中的晶体22在晶体生长过程中任何选定的时间内的实际重量的信号而设的。简言之，实际重量电路104结合重量传感器100和压力传感器102的输出产生表示生长中的硅晶体22、籽晶夹持器36和籽晶39的实际重量的信号。然后从实际重量信号减去补偿电压信号，以提供表示仅生长中的晶体22的实际重量的信号。

但由于晶体内存在着往上顶住籽晶夹持器表面37的压力，因而生长中的晶体22的重量不能用重量传感器100直接测出。作用在表面37上的力增加时，生长中的晶体22在克服重力的拉力的情况下被提升起来，促使重量传感器100表示晶体22的重量的输出信号下降，如图2中曲线132朝下的尖锋所示。同样，作用在表面37上的力减小时，重量传感器100所检测出晶体22的重量增加，如图2中曲线132的朝上尖峰所示。重量传感器100输出信号的这些变化降低了控制器105所产生的控制信 号的准确性。压力传感器102所测出的晶体22内部的压力波动与重量传感器100所测出的重量测定值成直接反比变化。将压力信号和重量信号加起来（如下面即将详细谈到的那样），就可确定晶体22的实际重量，如图2的曲线133所示。实际重量电路104即为产生此表示实际重量的信号而设的。

将籽晶夹持器36制造得使它和籽晶38大体上完全将晶体22的端部堵住（如上面谈过的那样），就可以使晶体内部的压力波动比起用上述美国专利申请书4544528所公开的设备生长出来的那种不密封的晶体内部所产生的波动大大增加。重量测定值因这些压力波动所造成的的误差促使我们采用压力传感器102和实际重量电路104。

现在详细叙述图3所示的实际重量电路104。重量传感器100的输出端经由线路108连接到放大器134上。放大器134则通过线路136连接到重量校准电位计138上。重量校准电位计138连接到加法放大器146的负接点上。电阻器148的一端由线路152连接到放大器146的正输出接点上，另一端接地。电阻器150的一端也经由线路152连接到放大器146的正接点，另一端连接到实际重量电路104的另一个部分，下面即将谈到。放大器146的输出端经由线路156连接到滤波器158上，滤波器158的输出端则经由线路160连接到控制器105上。电阻器162按加法放大器的普通方式连接在输出线路156与放大器146的负输入端之间。

如本技术领域中所周知的那样，上述134～162的全部元件起调节重量传感器100输出端的信号的作用。重量校准电位计138用以校准实际重量电路104的输出，以适应重量传感器100灵敏度的变化。

压力传感器102的输出在线路118上馈送到放大器170，放大器170在线路172上连接到压力校准电位计174上，该电位计则连接到加法放大器182的负输入接点上。放大器182的正接点接地。电阻器186 将补偿电压源192连接到加法放大器182的负接点上。补偿电压源192包括普通电位计193和适当的电位195。电阻器194按加法放大器的普通方式经由电阻器150将电阻器186连接到放大器146的正输入端。补偿电压源192输出信号的极性是这样选择，使得当前一个信号通过放大器182及其有关电阻器186、194和150加到重量传感器100的输出信号时，后一个信号量减小，这点将在下文详细谈到。放大器182的输出端在线路200上经由线路202连接到电阻器150的一端。如上所述，电阻器150的另一端系经由线路152连接到放大器146的正接点上。

取自电压源192的补偿信号与压力传感器102的输出信号结合，得出的合成信号由放大器182加以放大。放大器182的输出信号与重量传感器100的输出在加法放大器146中加在一起。调节重量校准电位计138和压力校准电位计174以分别标定重量传感器100和压力传感器102的输出信号的大小，使得在任何时刻，线路172上压力信号的大小，由于作用在籽晶夹持器表面的压力，与线路136上的重量信号部分相等且相反。例如，在某一选定的测量时间，重量传感器100的输出信号，由放大器134和电位计138标定时可能为+1.5伏，而压力传感器102的输出信号，由放大器170和182及其有关电阻标定时可能为-0.5伏。将重量传感器100和压力传感器102的输出在放大器146加起来，获得输出信号的和，即+1.0伏，表示在该选定的测量时间晶体22、籽晶39和籽晶夹持器36的实际重量。

线路156上的实际重量信号最后通过滤波电路158处理，以削弱机械振动和重量传感器内所产生的电干扰所引起的一些不希望有的分量。然后将此信号经由线路160传送到控制器105。

控制器105是为控制晶体生长设备20的操作而设的。在本发明的最佳实施例中，提拉机构35是以恒定的速度将晶体22从坩埚24中提升进行工作的。这样，仅调节坩埚加热器26的输出即可控制设备20的操作。控 制器105提供进行坩埚加热器26的这种调节所用的温度控制信号。控制器105可以取各种各样的形式，包括，例如，工业生产过程用的数字式小型电子计算机。

现在翻到图1和4，控制器105利用为其提供的输入信号信息按机器控制软件程序控制坩埚加热器26的操作。图4所示的软件流程图提供了软件程序所进行的操作的大致逻辑情况。这里不举例或说明软件程序逐行的编码过程，我们认为这是在普通专业人员应有的技术范围内。

在流程图的第一步中，本发明的控制系统经起动后开始控制着设备20的操作，如步骤200所示。下一步，控制器105读取晶体22的现行长度，如步骤204所示。长度变换器101将该现行长度的信息经线路109提供给控制器105。接着在步骤206，现行长度的信息被存储起来，供下一次循环使用。这之后，控制器105读取晶体的现行重量，如步骤208所示。此现行重量的信息由实际重量电路104产生，并经线路160上提供给控制器105。接着在步骤210，现行重量的信息被存储起来，供下一个循环使用。

然后计算在测量时间X内晶体22长度的变化，如步骤212所示。此运算是采用现行长度数据和上一次测量循环的长度数据进行的。现行长度数据直接由长度变换器101提供，上一循环的长度数据则采用存储在步骤206的数据读入，如步骤214所示。显然，在第一次迭代流程图的过程中，所产生的长度推导信息是没有什么意义的，因为不存在上一个循环所已产生的长度数据。测量时间X最好大约在30秒和3分钟之间。测量时间X可以作为固定的调定值存储在控制器105中，或在晶体生长操作开始时作为控制参数输入。

下一步是计算在测量时间X内晶体22的重量变化，如步骤216所示。此推算采用现行重量数据和上一个测量循环获得的重量数据。现行重量数据直接由实际重量电路104提供，上一循环的重量数据则采用存储在 步骤210的数据读入，如步骤218所示。至于在步骤212的情况下，第一次迭代所产生的重量推算信息没有什么意义。步骤216中所使用的测量时间X与步骤212中所使用的测量时间X完全相同，即最好在大约30秒至3分钟的范围内。

然后在步骤220计算晶体22的实际壁厚，即将步骤216计算得出的晶体重量变化乘以常数K，再将此乘积除以步骤212计算出来的晶体22长度的变化。熟悉本技术领域的人士都知道，K是壁厚换算常数，是根据待生长的晶体所要求的壁厚以及长度传感器100的实际重量电路104的输出信号的大小选取的。

下一步是从存储器读取壁厚信息，如步骤222所示。这之后，在步骤224将在步骤220计算出来的实际壁厚与在步骤222读入的所要求的壁厚加以比较，以确定实际壁厚是大于或等于所要求的壁厚，若实际壁厚大于或等于所要求的壁厚，流程图就进行到步骤226。在步骤226，控制器105产生升温信号，经线路230加到坩埚加热器26上。坩埚加热器26一收到该温升信号便投入工作，使熔体的温度升高，从而使晶体22的壁厚减少。若实际壁厚不大于或等于所要求的壁厚，流程图就进行到步骤228。在步骤228，控制器产生降温信号，经线路230上加到坩埚加热器26上。坩埚加热器26一收到此降温信号就投入工作，使熔体的温度下降，从而使晶体22的壁厚增加。实际上，由于晶体22的壁厚在晶体增长时会变薄，因而减少坩埚加热器26的输出使晶体增长时，模具28的温度一般下降。

控制器105所提供的信号的性质以及坩埚加热器26处理控制器所提供的信号的方式，致使调节模具和熔体的温度对本发明无关重要。虽然如此，坩埚加热器26还是可以，例如，包括一个级调式加热器，即加热器的输出可分级调节。这样，一旦从控制器105收到正值信号时，加热器26的热输出会增加一个Y值，一旦从控制器105收到负值信号时加热 器26的热输出就会减少一个Y值。作为一个可供选择的作法，可以在坩埚加热器26与输出线路230之间接上一个普通的温度控制器231，如图1所示。根据来自控制器105的在线路230上的输出信号，温度控制器231改变输入到坩埚加热器26的功率，以确保生长出壁厚实质上是均匀的晶体22。

在最后步骤232中，在读入下一个现有长度和重量值之前，引入一个时延。由于步骤204～228一般是在短于测量时间的时间内进行，因此步骤232是为使在读入下一个长度和重量值之前可以消磨掉测量时间里剩下的时间而设的。

在时延终了时，从步骤204开始重复软件流程图的上述各步骤。

本发明适宜以较高于一般可由公知的控制系统获得的精确度来控制公知晶体生长设备的操作。通过准确控制公知的晶体生长设备的操作，可以获得若干重要的优点。第一，大大减少了生长中的晶体22与模具分离或冻结在模具上的次数。第二，可以更准确地控制管状晶体的壁厚。第三，采用以本发明的方法控制的公知的晶体生长设备，可以生长出长度达6米以上壁厚相当均匀的晶体22，而且该晶体可改进得使其在生长过程中可大体上气封其顶端。由长晶体（例如6米长）制成的硅片，由于避免了因冻结和脱落所造成的损失，由于减少了设备相对于晶体生长长度的起动时间，因而其材料成本比起用公知的晶体生长设备生长出来的较短的晶体制成的硅片低得多。

虽然本发明是为控制上述美国专利4544528所公开的那种类型的EFG晶体生长炉设备的操作而设计的，但应该理解，本发明也可使其适宜控制其它生长空心晶体的炉子设备的操作。

本发明最好是设计成改变坩埚的加热速度来控制晶体的壁厚（保持提拉速度基本不变），但本发明也可以设计成保持加热速度不变，改变提拉速度来控制晶体的壁厚。不然也可以改变加热速度和提拉速度以制 造壁厚大致均匀的晶体。

鉴于在不脱离本发明范围的前提下是可以对上述设备进行某些修改的，因此我们的意图是，上述介绍所包含的或附图中所展示的一切资料应理解为举例性质的，而不应理解为是对本发明的限制。

Claims (11)

1、一种控制管状晶体(22)生长装置的操作用的设备(20)，该装置包括：盛熔体用的坩埚(24)、加热坩埚(24)用的加热器(26)、从该熔体生长管状晶体用的生长装置，该生长装置包括用以支承其上生长晶体的籽晶(39)的籽晶夹持器(36)、和用以将管状晶体(22)、籽晶(39)和籽晶夹持器(36)拉离坩埚(24)的提拉装置(35)，该籽晶夹持器(36)构造得实际上靠空气将管状晶体的上端封闭；

其特征在于，该设备包括：

一长度传感器，用以产生表示生长中的管状晶体的长度的输出信号；

一重量传感器(100)，用以产生表示生长中的管状晶体(22)、籽晶(39)和籽晶夹持器(36)重量的输出信号；

一压力传感器(102)，产生一个表示生长中的管状晶体(22)里面的压力的输出信号；

一控制器，适合于接收来自长度传感器(101)、重量传感器(100)和压力传感器(102)的信号；

所说控制器包括适于将上述三个输出信号结合起来的计算装置，以便产生一个反映管状晶体(22)实际重量的，并也反映生长中的管状晶体里面压力的合成控制信号；

所说控制器还连接到加热器(26)和/或提拉装置(35)，应用所说合成控制信号以控制该管状晶体生长装置的操作，以便确保该生长中的管状晶体的壁厚实质上是均匀的。

2、根据权利要求1的设备，其特征在于该计算装置构制得使它：首先将重量传感器（100）和压力传感器（102）的输出信号结合起来，以产生一个表示管状晶体（22）和籽晶夹持器（36）的实际重量的合成信号;其次产生一个表示籽晶夹持器（36）实际重量的偏移输出信号;以及最后将该合成信号和偏移输出信号结合起来，以便产生输出信号。

3、根据权利要求1或2的设备，其特征在于，该控制器包括在任何一个选定的测量时间间隔计算管状晶体实际壁厚的装置。

4、根据权利要求3的设备，其特征在于该控制器包括提供所需壁厚值的装置，以及将所需壁厚值与实际壁厚作比较的装置，当所需壁厚小于实际壁厚时将第一信号加到加热器（26），而当所需壁厚值大于或等于实际壁厚时将第二信号加到加热器（26）。

5、根据权利要求1-4中任一权利要求的设备，其特征在于该压力传感器（102）适用以测量在管状晶体里向上作用到籽晶夹持器（36）上的压力。

6、根据权利要求1-4中任一权利要求的设备，其特征在于该控制器适用以控制坩埚加热器（26）的操作，以便允许管状晶体（22）能生长到6米或以上的长度。

7、根据权利要求5的设备，其特征在于该控制器适用以控制坩埚加热器（26）的操作，以便允许管状晶体（22）能生长到6米或以上的长度。

8、根据权利要求1-4中任一权利要求的设备，其特征在于，提拉装置（35）可用来将管状晶体（22）、籽晶（39）和籽晶夹持器（36）以一实质上是均匀的速率拉离熔体。

9、根据权利要求5的设备，其特征在于，提拉装置（35）可用来将管状晶体（22）、籽晶（39）和籽晶夹持器（36）以一实质上是均匀的速率拉离熔体。

10、根据权利要求6的设备，其特征在于，提拉装置（35）可用来将管状晶体（22）、籽晶（39）和籽晶夹持器（36）以一实质上是均匀的速率拉离熔体。

11、根据权利要求7的设备，其特征在于，提拉装置（35）可用来将管状晶体（22）、籽晶（39）和籽晶夹持器（36）以一实质上是均匀的速率拉离熔体。

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