CN1026134C - 控制晶体生长装置的系统及其熔体再补给系统 - Google Patents

Abstract

一种用以在供生长选定材料的管状晶体用的装置的坩埚中控制再补给熔化物的系统的操作的控制系统。该熔化物再补给系统包含一个用以存贮所述选定材料的固体粒子的容器和一个用以把所述粒子从容器输送给坩埚的配量器。该控制系统根据存贮于容器中硅粒子的重量、晶体的重量和晶体内部压力控制配量器从该容器输送粒子给坩埚的速率。另一方面，该控制系统可适于控制该装置的坩埚加热器的温度。本发明对由于管状晶体之内压力波动而造成的重量测量误差提供补偿。

Description

本发明涉及用以生长晶体的装置，更准确地说，涉及用于控制从熔体生长晶体的装置的熔体再补给系统的控制系统。

这是基于1987年5月5日提出的美国专利申请第046，991号的部分继续申请，当前美国专利号为4，936，947。

在制造半导体器件中所用的硅片可以源出于具有多边形截面形状（例如，空心八边形或九边形）的管状晶体的扁平面。将所述管状体在它们的棱角处剖开以形成若干基本上等同尺寸的平片。

美国专利第4544528号所描述类型的装置已用于按照边缘限定薄膜供料生长工艺（EFG工艺，也叫导模法）制造空心晶体。简略地说，这样的装置通常包含：一个用来容纳待生长材料（例如，硅）的熔体的坩埚，一个用以确定生长晶体的形式和造型的毛细管模具，用来加热坩埚和模具并控制模具及熔体温度的加热装置，用以固定在生长晶体中所用晶种的晶种固定组件，以及一个耦合到晶种固定组件用来把管状晶体拔出熔体的拉晶机构。

为生产一种满足商业需要的硅基片，并确保晶体生长过程不会由于与模具供应的熔体分离、或由于管状晶体凝结而过早终止，对生长体的壁厚加以严密控制是必需的。结合使用在美国专利第4544528号中所公开类型的毛细管模具装置，众所周知生长晶体的壁厚随着在模具顶部和生长晶体底部之间形成的弯月形的尺寸和形状而变化。应用壁厚与弯月形的几何特征之间的这种关系，各种结合光学系统的装 置，诸如在美国专利第4239583号、第4267151号和第4318769号中所公开的那些装置已开发用来控制晶体生长装置的操作。这些基于光学的系统包含用于观察弯月形高度和形状的光学组件。应用有关由基于光学系统获得的弯月形形状的信息，操作员可调整晶体生长装置的操作以便生产具有所要求壁厚的晶体。

就应用这样的光学监控系统而论存在着某些限制。首先，操作员必须连续监视弯月形的形状，并根据他或她所观察到的来调整晶体生长装置的操作。为避免人为误差、增加晶体生长速率，并降低与使用技术人员有关的费用，最好是使整个晶体生长操作自动化。第二，用已知的光学控制系统，整个弯月形中仅比较小的部分是可观察的。而该小部分的形状未必能够反映出整个弯月形的总体形状的特征。

对于在美国专利第4544528号中举例说明的已知类型晶体生长装置，要生长长度大于约2米的晶体是困难而不实际的。这种困难部分地是由于需要从生长管状晶体的内部排除空气、而用象氩气这样的惰性气体充满其中，部分地是由于在生长晶体的内部容积之内存在温差、在其中产生对流而造成的。

更具体地说，将一种隋性气体（一般为氩气）注射进生长晶体的内部，以便从所述晶体内部排除周围空气。因为象氩气这样的惰性气体比周围空气重，在长度大于约2米的晶体中，晶体内惰性气体气柱达到充分长度（因而也有足够的重量），使得气柱趋于下沉，由此允许周围空气通过其顶端被吸入晶体内。

当采取措施（例如，包封晶体顶端）以防止周围空气进入晶体时，在晶体内产生对流的有害效应显著增大。当包封管顶端时，这些对流在晶体内造成压力波动，使得难于控制晶体生长装置的操作。于是，具有均匀壁厚且长度大于约2米晶体的生长就成为悬而未决的问题。生长晶体所需总时间的大部分消耗在为生长过程的制备晶体生长 装置过程中。因此，为提高加工效率最好生长长度大于约2米的晶体。生长长而空心的晶体（例如，长度大于2米的晶体，除非在晶体生长期间采取在坩埚中再补给熔体的措施，否则是不可能实现的。

在美国专利第4544528号已公开类型的晶体生长装置中用以再补给熔体的系统是已知的。由Taylor等人所著题为“用于地面太阳能电池的EFG晶体生长工艺现况”论文（North    Holland出版公司，J.Kalejs，T.Surek和V.Tatarchenko编辑，Amsterdam，1987年）中描晶体领域中有术语粒子效应，所发用粉粒以免混淆述了这种系统。所述Taylor等人的系统包括：一个用以测量生长晶体重量的第一重量传感器，一个用以存贮原料固体颗粒（例如，硅粒）的容器，一个用来有选择地从所述容器提供原材料颗粒给晶体生长装置中坩埚的送料组件，一个用以测量容器中硅粒子重量的第二重量传感器，以及一个用来综合第一和第二重量传感器的输出以便产生一差值信号的控制器。该控制器将所述差值信号与预先设定点比较，并基于该比较，控制器送出一控制信号给送料组件以便使后者在一给定时间间隔内分配一选定量的硅粒子到坩埚内。

Tayor等人所公开类型的熔体再补给系统因上述关于已知晶体生长装置所述压力波动问题而受损害。准确地说，生长晶体中的对流会瞬息间稍微提升晶体，从而使第一重量传感器（它测量生长晶体的重量）提供不足以体现晶体正确重量的输出信号。由于在产生提供给硅送料组件的控制信号中使用该输出信号，常常可能把错误的控制信号提供给送料组件。于是，后者在一给定时间间隔内可能分配过多或过少的硅粒，这本身又会导致晶体的成品不具有最佳性能，在极个别的情况下，会由于不适当的熔体补给速率而造成晶体生长的终止。

本发明的一个目的是将生长管状晶体装置中控制熔体再补给机构内公知控制体系所涉及的前述缺点予以克服。

本发明的另一个目的是在用于在生长管状晶体的装置中提供一种用以控制熔体再补给的改进系统。

本发明的再一个目的是为控制（1）用于生长管状晶体的装置、和（2）用于在该装置中再补给熔体的机构的操作，提供一种改进的控制系统。

本发明的再一个目的是在根据由有关晶体重量和晶体内部压力的传感器提供的信息用于生长管状晶体的装置中，为控制用以再补给熔化物的机构的操作提供一种改进的控制系统。

本发明的上述和其他目的通过提供一种晶体生长装置而得以实现，所述晶体生长装置具有补偿在生长空心晶体过程中压力波动的控制系统。在其最佳实施例中，所述控制系统包含：一个用以测量管状硅晶体内部压力的压力传感器，一个用以测量管状硅晶体和固定晶体的籽晶夹具两者综合重量的重量传感器，一个用以测量管状晶体长度的长度传感器，一个连接到压力和重量传感器用以计算管状晶体实际重量的实际重量电路，以及一个为响应由长度传感器和实际重量电路所提供信息而耦合的控制器。

将前述控制系统用于控制将颗粒原料（例如，硅粒）供给晶体生长装置的承载熔体坩埚的熔体再补给系统。该熔体再补给系统包含：用来存贮原料供应的容器或储存装置，用以从所述容器按精确量配给原料的电控送料装置，安排从所述送料装置接纳原料并将所接纳原料传送给所述坩埚的送料机构，用以测量存贮于所述容器中原料的重量并产生一种表示该重量的信号的称重装置，以及用于将所述称重装置的信号输出加给所述控制器的装置。该控制器依次组合实际重量电路和称重装置的信号输出，从而产生用以控制送料装置操作的控制信号。

取决于其结构，该熔体再补给系统可按连续模式或间歇即不连续 模式进行操作。当所述熔体再补给系统按连续模式操作时，产生包含控制送料器配给硅粒子的速率的供料速率信息的控制信号。当熔化物再补给系统按不连续模式操作时，控制信号按一固定时间周期间歇地触发送料器，由此使后者每次受触发时配给固定量的硅粒子。

另外，可将该控制系统用于控制晶体生长装置的加热装置的操作。通过使用该控制系统的信号输出控制加热装置的热量输出，有可能控制延伸在生长晶体和EFG模具之间的弯月形的形状，由此（1）控制生长晶体的壁厚和（2）确保连续生长，使得可以生长比较长的晶体（即，六米或更长）。

为了更充分理解本发明的特性和目的，应该结合附图参照以下详细的说明，附图中：

图1是本发明最佳实施例的部分示意说明图，

图2是以晶体的实际重量为基准说明本发明的压力传感器和重量传感器的输出对时间的曲线图，

图3是在本发明的最佳实施例中采用的实际重量电路的电路图，

图4是在用于控制晶体生长装置的熔体再补给系统的操作中，由本发明的控制系统所使用的一个程序的软件流程图，

图5是在用于控制晶体生长装置的熔体再补给系统的操作中由本发明的控制系统所使用的另一程序的软件流程图，

图6是本发明另一最佳实施例的部分取截面形式的示意图，

图7是在控制一晶体生长装置的操作中，说明由本发明的控制系统实现的各种不同操作的软件流程图。

参照图1，本发明包含一个用以控制（1）在用于生长半导体材料管状晶体22的装置20中，用以再补给熔体的系统18的操作和（2）装置20的坩埚加热器的控制系统。

尽管未予详细示出，但应该很清楚装置20包含在美国专利第 4544528号、第4239583号、第4267151号和第4318769号中所描述和说明类型的炉。更具体地说，装置20包含：一个用以容纳有待形成结晶的半导体材料熔体的坩埚24，一个用来加热熔体的加热线圈26，以及一个用于形成晶体22的要求形状的毛细管模具28。该毛细管模具可取各种不同的形式，但最好是图1所示美国专利第4544528号中的形式，所不同的是造形为生长圆形的或所选多边形、例如九边形或八边形的空心晶体。置备一对固定的平行轨道29和安装于其上可供滑动移动的构架30，用以从熔体拉出晶体22。在构架30中形成一孔径32（参见附图），并将一连接板34邻近该孔径紧固到构架上。本技术领域熟知类型的拉晶机构35支架在坩埚24上方在其轴向顶部固定位置处。并经由连接板34和缆索107连接到构架30上，用于以基本上恒定速率沿轨道29牵引后者离开坩埚24。连接到构架30上的是籽晶夹具36。后者用机械方法耦合到生长晶体22的晶种39（图1）。

将前述对装置20的简略介绍作为对以下本发明的控制系统和熔化物再补给系统18描述的背景。对于适当装置20一个实例的更详细描述来说，涉及的是授与Stormont等人的前述美国专利第4544528号，此处将其结合作为参考。

仍参照图1，本发明的控制系统一最佳实施例包含：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，以及控制器105。在该最佳实施例中，籽晶夹具36的构造要达到基本上气封生长空心晶体顶端的程度，以便限制从晶体内部通过其顶端可能渗出的气流量。籽晶夹具36包含：一个通常延展到管状晶体22中轴的表面37和一根使晶体22内部与籽晶夹具外部气流连接的导管38。

通过构造籽晶夹具36使得后者和晶种39几乎完全阻塞晶体22的端头，如上所述，与用前述美国专利申请第4544529号中公开的装置所生长类型的不密封晶体内部发生的压力波动比较，该晶体内部压力波 动的大小大大地增加。这些压力波动所造成重量测量上的误差启发了要求和采用压力传感器102和实际重量电路104。

借助于一根可轴向伸长的杆106将重量传感器100固定到连接板34上，并耦合且固定籽晶夹具36。重量传感器100测量晶体22和包括杆106及晶种39在内的籽晶夹具36的重量。在连线108上将重量传感器100的输出传送给实际重量电路104。重量传感器100可以是一种通用应变仪测力盒。

作为实例但不是限制，置备一长度传感器101用以测量构架30相对于固定坩埚24的位移。长度传感器101被装在一个固定物件上，最好是装到定位于坩埚24之上的拉晶机构35上。长度传感器101包含一个通用卷盘和带有一根连接到构架30的缆索103的缆索长度测量传感器。随着拉晶机构35通过缆索107起作用，沿轨道29牵引构架30，将缆索103缠绕到卷盘上（未示出）。缠绕在卷盘上的缆索量相当于晶体长度，同时由耦合互卷盘上并响应卷盘的旋转的电位计加以测量。长度传感器101电位计的输出在线路109上被传送给控制器105。

置备压力传感器102用以测量晶体内部抗向上方向的晶体22内部的压力。晶体22内部的压力。压力传感器102通过一管路116液态耦合在晶种固定器36中形成的导管38从而通到晶体22的内部。可将压力传感器102，安装到连接板34或任何其他适当的元件上。压力传感器102的输出在接线118上传送到实际重量电路104。最好但并非必需地，压力传感器102是一种电容性类型的传感器，并产生一种供实际重量电路使用的电信号。

下面参照图1-3，置备实际重量电路104用以在晶体生长过程中任何选定时间间隔连续产生代表生长晶体22实际重量的信号。简略地说，实际重量电路104综合重量传感器100和压力传感器102的输出，从而产生代表生长硅晶体22、籽晶夹具36和晶种39的实际重量的一种 “实际重量”信号。然后，从所述实际重量信号中减去调整偏差电压信号（下文描述的）以提供表示仅是生长晶体22的“实际重量”的信号。

由于晶体之内所产生对着籽晶夹具表面37向上作用的气流压力，所以不能通过重量传感器100直接测量生长晶体22的实际重量。当作用在表面37的压力增强时，使生长晶体22反抗重力牵引而提升，使表示晶体22重量的重量传感器100的输出信号减弱，如图2中向下尖峰132A所示。同样，当作用在表面37的压力减弱时，重量传感器100检测到晶体22重量的增大，如图2中向上尖峰132B所示。在重量传感器100的输出信号中的上述变化降低了送给控制器105的控制信息的准确性。由压力传感器102测得的晶体22内部压力波动，与由量量传感器100所进行的重量测定以相反的关系变化。通过把重量和压力传感器100和102各自的信号输出相加，如下文进一步详细描述的，可由实际重量电路104产生由图2中直线133所示代表晶体22实际重量的“实际重量”信号。

下面参照图3，将重量传感器100的输出经由连接线108接到运算放大器134。放大器134由连接线136连接到重量校准电位计138。后者被连接到求和放大器146的负端。电阻148的一端通过连接线152连接到放大器146的正输入端，而电阻148的另一端则与地相连接。电阻150的一端也经由连线152连接到放大器146的正端。电阻150的另一端如下文所述连接到实际重量电路104的另一部分。放大器146的输出通过连接线156连接到滤波器158，而后者的输出则通过连接线160提供给控制器105。将反馈电阻162按求和放大器常规接法连接在输出线156与放大器146的负输入端之间。

正如本技术领域所熟知的前述元件134-162都包括在内构成重量传感器100的输出信号调节。将重量校准电位计138用于校准实际重量 电路104的输出以便适应在重量传感器100灵敏度上的任何变化。

压力传感器102的输出通过连接线118供给运算放大器170。后者通过连接线172连接到压力校准电位计174，该电位计被连接到求和放大器182的负输入端。将放大器182的正端与地相连接。通过电阻186把调整偏差的电压源192连接到求和放大器182的负输入端。调整偏差电压源192包含一个通用电位计193和一适当的电位195。电阻194把电阻186连接到放大器182的输出端，同时还经由电阻150以求和放大器通用接法连接到放大器146的正输入端。这样来选定调整偏差电压源192输出信号的极性使得在将前者信号加到重量传感器100的输出信号时，通过放大器182和关连的电阻186、194和150，降低后者信号大小，如下文进一步详细描述的。放大器182在连接线200上的输出经由连接线202接地，同时还连接到电阻150的一端。如上所述，电阻150的另一端经由连线152连接到放大器146的正端。

从电压源192中得出的调整偏差信号经由电阻186与压力传感器102的输出信号进行组合，其合成信号由放大器182加以放大。放大器182的输出信号与重量传感器100的输出信号在求和放大器146中相加。重量校准电位计138和压力校准电位计174进行调整，以便分别对重量传感器100和压力传感器102的输出信号定标，使得在任何时间点，在连接线172上压力信号的大小同在连接线136上由作用在籽晶夹具表面37上的压力引起的重量信号部分相等而相反。例如，在一选定的测量间隔，由放大器134和电位计138定标的重量传感器100的输出信号可能是+1.5V;而由放大器170和182定标的压力传感器102的输出信号可能是-0.5V。通过在放大器146将重量传感器100和压力传感器102的输出相加，得到输出信号的总和，即，+1.0V，该总和表示在所选定测量间隔晶体22、晶种39和籽晶夹具36的实际重量。

通过放大器182放大的调整偏压电压源192的输出信号形成一个恒 定偏压校正信号，在加到放大器146时，该恒定偏压校正信号使后者的输出减少一个相当于晶种39和籽晶夹具36重量的量值。结果，放大器146的输出信号就代表晶体22的实际重量。

连线156上的所述实际重量信号通过滤波电路158进行处理，该滤波电路衰减重量传感器内产生的电噪声和机械振动形成的不希望有的分量。然后，将该信号经由连接线160导向控制器105。如下文进一步详细描述的，控制器105（它可采用多种形式之一，例如，包括一工业处理数字微型计算机）在控制熔体再补给机构的操作中使用该实际重量信号。

继续参照图1，熔体再补给系统18包含一个用来存贮固体硅粒的容器302。容器302借助其底壁中一孔（未示出）与导管304连接。导管304沿其整个长度都是空心的并在两端开口。

系统18还包含一个与容器302连接的送料器306，用于在一选定时间间隔内使容器中存贮的选定量的硅粒通过容器底孔进入导管304。送料器306可构成，例如，振动供料机，气动供料机或其他已知的供料系统，仅有的要求是要能精确控制在给定时间间隔内由送料器306所配给的颗粒量。送料器306经连线308与控制制105连接。

众所周知，振动供料机用于固体颗粒（例如，硅粒）通常按连续模式运行，单位时间由供料机配给的颗粒量随提供给它的控制信号而变化，即，改变振动供料机电控制信号的振幅以改变其配给颗粒的速率。另一方面，振动供料机也可按间歇模式运行，每次给它提供预定值的启动信号时，由振动供料机配给固定量的硅粒。因此，在间歇模式情况下，在选定的时间间隔内由振动供料机配给的硅粒总量，可取决于在所选定的时间间隔内振动供料机所接收到的启动信号数。

为产生表示存贮于容器302中固体硅粒重量的输出信号而设置电子秤312。由电子秤312支承容器302以及送料器306。电子秤312包括 用以调整其输出信号值的调整装置（未示出），因而后者仅表示存贮于容器302中固体硅粒的重量而不表示容器和送料器306的重量。由电子秤产生的输出信号通过连线314传送给控制器105。

熔体再补给系统18另外还包括一个用于把固体硅粒送进坩埚24的供料机构320。供料机构320有一中空内部322，它经由供料机构侧壁中一孔（未示出）与导管304的内部相连接。供料机构320放置在容器302下方，因而导管304从容器302向下倾斜通往该供料机构。供料机构320包括一根装到供料机构顶壁并经由供料机构顶壁中一孔（未示出）与供料机构内部322接通的空心管324。依一定尺寸制造管324而使供料机构320直接放在坩埚24下面，以便允许该管通过坩埚中心向上延伸并终止在坩埚24中存有的熔体液面以上。

供料机构320通过管324向上输送在其内部322中存在的固体硅粒，以致颗粒从管顶端放射或喷射出。然后，在重力牵引下，排出的颗粒落进坩埚24所存有的熔体中。可将许多不同的设备用作供料机构320，在美国专利第4，661，324号中公开过它的示范性实例（′324供料机）。该′324供料机每隔一定时间用机械方法通过管324向上喷射在其颗粒接收容器中存在的硅粒子。也可以令人满意地使用其他供料机构，只要该机构以与它们从送料器306接收硅粒子的速率一致的速率把硅粒馈给坩埚24。

现借助于图1-5，控制器105用提供给它的输入信号信息，按照两上机器控制软件程序之一控制熔体再补给系统18的操作，以便把固体硅粒以基本上与作为晶体22生长的结果从坩埚24消耗熔化硅的相同速率传递给熔体。分别由图4和图5的流程图说明的这些软件程序为由这些软件程序实现的操作提供了一个逻辑轮廓。本文不说明或描述软件程序的逐行编码，因为这样的编码对熟练的普通专业人员是不成问题的，而且将根据用以执行软件的计算机而各异。

图4所示软件程序预定用于控制按连续模式运行、具有硅送料器的熔体再补给系统。图5所示软件程序预定用于控制按间歇模式运行、具有硅送料器的体化再补给系统。

下面首先描述图4所示的软件流程图，接着对图5所示的软件流程图作一介绍。

当按照图4所示软件流程图操作熔体再补给系统18时，送料器306最好是一台振动供料机，该振动供料机以取决于提供给它的控制信号中供料速率信息的速率连续地从容器102配给原料。用另一种方法，送料器106可以是一台气动供料机，该气动供料机以取决于提供给它的控制信号中供料速率信息的速率连续地从容器302配给原料。

按照图4所示软件流程图中的第一步，启动本发明的控制系统，以便如步骤400所示开始控制熔体再补给系统18的操作。同时，启动装置20，以便开始生长晶体22。

然后，在步骤401，控制器105发送一初始控制信号给送料器306。当收到该控制信号时，送料器306按某一选定速率从容器302配给原料（例如，固体硅粒）。根据在形成晶体22时关于预定装置20消耗熔化硅的速率的经验数据选定在该初始控制信号中的供料速率信息。结果，在步骤401所提供控制信号中包含的供料速率信息是不准确的，于是送料器306以超出或小于装置20消耗熔化硅速率的速率提供原料，如下文所述，这样的不准确在程序的以后步骤中得以校正。

接着，在步骤402、控制器105通过连线160读出由实际重量电路104提供的晶体22的当前实际重量。以上已描述过后者的结构和操作。于是，如步骤403所指出的，将当前实际重量存贮用于下一循环。

其后，如步骤404所指出的，通过连接线314由控制器105读出电子秤312的输出，该输出表示容器302中原料（例如，硅粒）的当前重量。然后，在步骤405，将所述原料的当前重量存贮起来用于下一循环。

步骤402和404是初始化程序的一部分，提供这部分程序是为了保证在如后述及的，在步骤406-420所示软件程序的第一迭代期间，提供有意义的实际重量数据和进给原料重量数据，用于产生控制送料器306操作的控制信号。

紧接着，在步骤306，在某一选定量的晶体生长发生期间，引入一时间延迟。实际上，该时间延迟等于在为送料器产生控制信号中所用重量数据的相继读数之间的测量间隔。该间隔下文称之为“时间间隔X”或“测量间隔X”。

于是，在步骤407读入由实际重量电路104提供的晶体22当前实际重量。因为晶体22在步骤306时间延迟期间发生晶体生长时已获得重量，所以该当前实际重量值将与步骤402读入的实际重量值有所差别。如步骤403所指出的，将步骤407读入的当前实际重量信息存贮起来供下一循环用。在步骤407读入并在步骤403存贮的当前实际重量信息，与在步骤402提供、先前已在步骤403存贮的当前实际一起加以存贮。

其后，在步骤408，读入由电子秤312产生的进给原料重量值。因为在步骤406时间延迟期间发生晶体生长时已消耗某些进给原料，所以上述进给原料与步骤404所产生的进给原料重量会有所差别。如步骤405所指出的，将步骤408产生的进给材料重量信息存贮起来供下一循环用。在步骤408读入并在步骤405存贮的进给原料重量信息，与在步骤404产生并先前在步骤405已予存贮的进给原料重量信息一起加以存贮。

紧接着，在步骤410，计算在测量间隔X内在晶体22实际重量上的 变化。该推导是用步骤407中读入的当前实际重量数据和自步骤402读入的先前测量循环的实际重量数据完成的。当前实际重量数据由实际重量电路104直接供给，而先前循环的实际重量数据是如步骤412所示用在步骤403存贮的数据而读入的。因为晶体22总是在增重，故而在实际重量计算上的这种变化将始终都是正的。测量间隔X最好分布在约10秒与3分钟之间，测量间隔X可存贮在控制器105中作为固定设定点，或可把该间隔在晶体生长操作开始时引入作为一个控制变量。

然后，如步骤414所示，计算在时间间隔X内在容器302中原料重量的变化。该推导是用在步骤408读入的当前原料重量数据和自步骤404读入的先前测量循环的原料重量数据完成的。当前原料重量数据由电子秤312直接供应，而来自先前循环的原料重量数据则是如步骤416所示用在步骤405存贮的数据而读入的。因为在容器302中的原料重量总是在减少，故而在原料重量上这种变化的结果将始终都是负的。步骤414中所用的时间间隔X与步骤410中所用的时间间隔X是相同的，即，X最好从约10秒至3分钟进行分布。

在步骤418，将在步骤414所计算的原料重量上的变化加到在步骤410所计算的实际重量的变化中。当在时间间隔X内晶体22的重量增益等于在时间间隔X内容器302中原料的重量损失时，该计算结果将是零。当在时间间隔X内晶体22获得比时间间隔X内容器302中原料损失更多重量或较少重量时，在步骤418完成的计算结果将有或为正或为负符号且为非零大小。

紧接着，在步骤420，控制器105发送一控制信号给送料器306。该控制信号包含随着在步骤418完成的计算结果的符号和大小变化的供料速率信息。如果在步骤418完成的计算结果等于零，那么提供给送料器306的控制信号中所包含的供料速率信息引导后者继续按当前供料速率分配原料。如果步骤418完成的计算结果有一负符号，那么 在控制信号中所包含的供料速率信息引导送料器306以降低的供料速率配给原料，该降低的供料速率与在步骤418所产生结果的大小成正比。如果在步骤418完成的计算结果有一正符号，那么在控制信号中所包含的供料速率信息引导送料器306以增长的供料速率配给原料，该增长的供料速率与步骤418所产生结果的大小成正比。

由送料器306从容器302配给的进给原料通过导管304向下输送进供料机构320的内部322。然后。迫使颗粒向上通过空心管324并从管的顶端喷射出。在重力牵引下，喷射的颗粒落进坩埚24中承载的熔化硅中。

在步骤420以的，程序循环返回步骤406，并再次引入一个时间延迟。

以上为图4示出软件流程图所说明程序的第一迭代的描述。该程序的第二和接着发生的迭代与第一迭代在几个方面有所差别。第一，在第二和接着发生的迭代期间，在步骤410计算出的实际重量方面的变化是根据在步骤407当前产生的实际重量信息和在步骤407先前产生、在步骤403存贮并在步骤412提供的实际重量信息计算的。第二，在第二和接着发生的迭代期间，在步骤414计算出的进给原料重量方面的变化是根据（1）在步骤408当前产生的进给原料重量信息，和（2）在先前软件迭代期间、在步骤408产生、在步骤405存贮并在步骤416提供的进给原料重量信息计算的。因此，在第二和接着发生的迭代期间，不使用在步骤402和404产生的信息。

当熔体再补给系统18以间歇模式操作时，应用由图5流程图说明的软件程序，当按照图5所示软件流程图操作熔体再补给系统300时，送料器306最好是一台气动供料机，该气动供料机当接收到来自控制器105的启动信号时，从容器302配给某一固定量的原料。用另一种方法，送料器306可以是一台振动供料面，该振动供料机当接收到来自 控制器105的启动信号时，从容器302配给某一固定量的原料。

按照图5所示软件流程图中的第一步，启动本发明的控制系统，以便如步骤400所示，开始控制熔体再补给系统18的操作。该步骤与图4示出和以上述及程序的第一步骤是相同的。同时，启动装置20，以便从坩埚24中的熔体开始生长晶体22。

然后，在步骤501，控制器105发送一初始启动信号给送料器306。当接收到该启动信号时，送料器306从容器302配给某一给定量的原料。该固定量原料的重量是通过考虑坩埚24中熔体的容积、将原料提供给熔体的方法和其他因素而选定的。在任何情况下，所述固定量原料的重量是比较小的，因此，该原料量加到装置20的熔体中不会导致熔体中不能接受的大的热扰乱。

紧接着，图5中所示的软件程序采用用于图4所示软件程序的所有步骤402-418。对于步骤402-418的描述参见前述图4所示的软件程序的描述。

然后，跟随步骤418，如步骤520所指出的，对在步骤418计算出的总和是否小于或等于零作出判定。如果在步骤418计算出的总和不小于或等于零，那么，如在步骤522所示控制器105就通过连线308发送一启动信号给送料器306，该信号启动送料器，使后者从容器302配给某一固定量的原料进入导管304。如果在步骤418计算出的总和小于或等于零，那么，如在步骤524所示，控制器105就不发送启动信号给送料器306。结果，无原料从容器302进行配给。

最终，图5的软件流程图以图4软件流程图相同的方式结束，即，程序循环返回步骤406并引入一时间延迟。

在图6和图7示出的另一实施例中，本发明的控制系统适合于控制熔体再补给系统18以及装置20的坩埚加热器26。

参照图3、6和7，在另一实施例中，图6说明的坩埚26和一通用的 闭环温度控制系统中作为温度控制器582可经由连线580连接到控制器105。基于连线580上来自控制器105的输出信号，温度控制器582改变输入坩埚加热器26的功率，以便以某一精确的、为确保晶体22基本上具有均匀壁厚而选定的基准值来保持装置20中的温度。

对该最佳实施例来说，输入加热器26的功率也可用一通用功率控制器（未示出）、即可用正比于一控制信号而改变输入加热器26功率的装置加以控制。如果用功率控制器来控制加热器26，则该功率控制器代替温度控制器582，并按与温度控制器相同方式，将其连接到控制器105和加热器26上，功率控制器和温度控制器582两者都达到一相似的结果：它们成为加热器26热量输出的原因，因此使装置20加热部分的温度以控制器105提供的控制信号作为根据而变化，以便保证生长晶体22基本上具有均匀的壁厚。

在本发明该另一实施例中，控制系统以上述图1-5示出最佳实施例有关方式控制熔体再补给系统18的操作。因此，该另一实施例的以下介绍参照以上最佳实施例的操作模式的介绍叙述。

在本发明另一实施例的情况下，拉晶机构35受控以便以恒定速率把晶体22拉出坩埚24。因而，可以只通过调节其本身还控制生长区（即弯月形处）温度的坩埚加热器26的输出来控制晶体从装置20生长晶体的壁厚。控制器105提供用以完成坩埚加热器26这种调节的温度控制信号。

控制器105应用提供给它的输入信号信息，按照机器控制软件程序控制坩埚加热器26的操作。图7所示的软件流程图提供由软件程序实现操作的逻辑轮廓。本文不说明或描述软件程序的逐行编码器，因为这样的编码对熟练的普通专业人员是不成问题的，而且也将根据用以执行软件的计算机而各异。

按照流程图的第一步，启动本发明的控制系统，以便如步骤600 所示开始控制装置20的操作。紧接着，如步骤601所示，控制器105读入晶体22的当前长度。长度传感器101通过连线109给控制器105提供上述当前长度信息。紧接着，在步骤602，为下一循环存贮该当前长度信息。其后，如步骤603所示，控制器105读入晶体22的当前重量。该当前重量信息是由实际重量电路104产生并通过连线160提供给控制器105。然后，在步骤604，为下一循环存贮所述当前重量信息。

步骤601和603是初始化程序的一部分，提供这部分程序是为了保证在如后述及的，在步骤606-628所示软件程序的第一迭代期间，提供有意义的当前长度数据和实际重量数据供产生用以控制坩埚加热器26操作的控制信号之用。

然后，在步骤605，在某一选定量的晶体生长出现时，引入一时间延迟。该时间延迟大致等于测量间隔X，在该测量间隔内，收集用以为坩埚加热产生控制信号的数据。

于是，在步骤606读入晶体22的当前长度。因为晶体22的步骤605时间延迟期间发生晶体生长时已获得长度，所以该当前长度信息将与步骤601读入的长度信息有所差别。如步骤602所指出的，将步骤606读入的当前长度存贮供下一循环用。在步骤606读入并在步骤602存贮的当前长度信息，与在步骤601提供而先前已在步骤602存贮的当前长度信息一起加以存贮。

其后，在步骤608读入晶体22的当前实际重量。因为晶体22的重量在步骤605时间延迟期间发生晶体生长时已增大，所以该当前实际重量将与步骤603产生的实际重量有所差别。如步骤604所指出的，将在步骤608产生的实际重量信息存贮供下一循环用。在步骤608读入并在步骤604存贮的上述实际重量信息，与在步骤603产生而先前在步骤604已予存贮的实际重量信息一起加以存贮。

其后，如步骤612所示，计算在测量间隔X范围内晶体22长度方面 的变化。该推导是用步骤606中读入的当前长度数据和来自在步骤601读入的先前测量循环的长度完成的。当前长度数据由长度传感器101直接供给，而先前循环的长度数据是如步骤614所示，用在步骤602存贮的数据而读入的。测量间隔X最好分布在约30秒与3分钟之间。可将测量间隔X存贮在控制器105中作为固定的设定点，或可把该间隔在晶体生长操作的开始引入作为一个控制变量。

然后，如步骤616所示，计算在测量间隔X内晶体22重量的变化。该推导是用在步骤608读入的当前重量数据和来自在步骤603读入的先前测量循环的重量数据完成的。当前重量数据由实际重量电路104直接提供，而先前循环重量数据则如步骤618所示用在步骤604存贮的数据而读入。步骤616中所用的测量间隔X与步骤612中所用的测量间隔X是相同的，即，X最好从约30秒至3分钟进行分布。

于是，在步骤620，通过把常数K乘以在步骤616中计算出的晶体重量的变化，然后用在步骤612计算出的晶体22长度的变化除以上述乘积来计算晶体22的实际壁厚。正如熟悉本技术领域的人员所公认的，K是在材料密度、生长晶体的环境以及长度传感器100和实际重量电路104的输出信号大小等基础上选定的壁厚转换常数。

然后，如步骤622所示，从存储器读出要求的壁厚信息。其后，在步骤624，将在步骤620计算出的实际壁厚与在步骤622读入的要求壁厚比较，以决定实际壁厚是否大于或等于要求的壁厚。假如实际壁厚是大于或等于要求的壁厚，流程图进行到步骤626，在那里控制器105产生由连线580提供给坩埚加热器26的一个温度增大信号。一旦接收到该增大信号，坩埚加热器26即进行操作以便升高熔体温度，这依次将导致晶体22的壁厚减小。假如实际壁厚不大于或等于要求的壁厚，流程图进到步骤628，在那里控制器产生由连线580提供给坩埚加热26的一个温度降低信号。当接收到该降低信号时，坩埚加热26即进 行操作以便允许熔体温度降低，这依次将导致晶体22的壁厚增大。

在步骤626或628之后，视情况而定，程序循环返回步骤605并引入另一时间延迟。

以上为图7示出软件流程图所说明程序的第一迭代描述。该程序的第二和接着发生的迭代与第一迭代在几个方面有所差别。第一，在第二和接着发生的迭代期间，在步骤612计算出的长度变化是根据在步骤606当前产生的长度信息和当先前的软件迭代期间在步骤606产生、在步骤602存贮并在步骤614提供的长度信息计算的。第二，在第二和接着发生的迭代期间，在步骤616计算出的当前重量变化是根据在步骤608当前产生的实际重量信息和在先前的软件迭代期间在步骤608产生、在步骤604存贮并在步骤618提供的实际重量信息计算的，因此，在第二和接着发生的迭代期间，不使用在步骤601和603产生的信息。

当将由Taylor等人公开的熔体再补给系统连接到在美国专利第4544528号中所描述类型的晶体生长装置（该装置已加修改、因此，籽晶夹具基本上用气动堵塞住生长空心晶体的顶端）上时，在极大多数情况下要把固体硅按熔化硅正被消耗的同样速率加到熔体中几乎是不可能的。由于用以测量生长晶体重量的传感器产生的错误重量信息，所以这样的熔体再补给是成问题的。如上所述，这样的错误信息是由于生长晶体内压力波动而造成的。既然由重量传感器产生的重量信息是用于计算由送料器306每单位时间配给固体硅的量值的，那么当该重量信息不准确时，送进熔体内的硅量也将不是合乎要求的。象这样，可能加进比需要更多或更少的硅，结果在熔体中形成不能接受的大的热偏差。众所周知，热偏差会导致比最佳物理和电特性差的晶体成品，在极个别的情况下，可引起晶体生长过程的终止。

作为对比，在本发明的情况下，以从熔体消耗熔化硅相同速率将 硅粒送进坩埚24。象这样，使热扰乱的形成减为最小，结果使晶体的物理和电特性得到优化。

除控制熔体再补给系统18之外，图6和图7示出的本发明另一实施例还适于控制已知晶体生长装置20的操作，且比一般用已知控制系统可得到的具有更大的准确性。通过精确地控制已知晶体生长装置的操作，获得若干重要的优点。第一，大大降低生长晶体和模具分离或冻结的次数。第二，更准确地控制管状晶体的壁厚。第三，可使用由本发明控制、并为了基本上气封住生工晶体的顶端而经修改的已知晶体生长装置，以相对恒定壁厚来生长高达6米或更长的晶体22。由于相对于晶体生长的长度装置中启动时间缩短，因此，由长晶体（例如，6米长晶体）生产的硅片的材料成本显著小于用已知晶体生长装置生长的比较短晶体生产硅片的材料成本。

尽管图6和图7示出的本发明另一实施例预定可变化坩埚的加热，以便控制壁厚（拉晶速度基本保持恒定），但本发明也可设计成使加热或温度保持恒定而拉晶速度加以变化以控制壁厚。另一方面，也可使加热和拉晶速度两者都变化，以便生产具有基本均匀壁厚的晶体。

本发明的主要和有利特征是控制熔体再补给系统，以便在基本恒定尺寸和壁厚的管状晶体生长期间，使坩埚中熔体的长度可保持在预定限度之内。

由于在不违背本发明范围的情况下可作出某些变化，所以要注意在以上说明中所包含或在附图中所示出的全部内容应当解释为举例说明而非限制意义。

Claims (11)

1、一种用EFG方法在生长选定材料的管状晶体的装置中控制再补给熔体的熔体再补给系统，所述装置属于这样的类型，该装置包括：用以容纳所述选定材料的熔体的坩埚/模具、用来对所述坩埚/模具加热的加热装置、和用以从所述熔体生长管状晶体的生长装置，所述生长装置包括(1)用于固定籽晶(所述管状晶体即在该籽晶上生长)的籽晶夹具装置和(2)用以从所述坩埚/模具拉出所述籽晶夹具装置和所述管状晶体的拉晶装置，所述熔体的再补给系统包含一个用以存贮所述选定材料固体颗粒的容器，其特征在于还设有：

与容器连接，用于响应控制信号从所述容器中配制出选定量的所述选定材料的颗粒并输送给所述坩埚的送料器装置；

用于产生一输出信号的重量值产生装置，该输出信号代表存贮在所述容器中的一堆所述选定材料颗粒的重量；

用于产生一输出信号的重量传感器装置，该输出信号代表所述生长管状晶体、所述籽晶和所述籽晶夹具装置的重量；

用于产生一输出信号的压力传感器装置，该输出信号代表所述管状晶体内部压力；以及

与所述选定材料的重量值产生装置、所述重量传感器装置、所述压力传感器装置和所述送料器装置连接的控制器装置，该控制器装置用于(i)对该选定材料的重量值产生装置、该重量传感器装置和该压力传感器装置的各相应输出信号进行组合，从而产生一个控制信号；和(ii)响应所述重量值产生装置、所述重量传感器装置和所述压力传感器装置的输出信号，从而以所产生的该控制信号控制所述熔体再补给系统的操作，以便在所述管状晶体的生长期间保证在所述坩埚中熔体的高度保持在预定限度之内。

2、按照权利要求1的系统，其特征在于：所述控制器装置包含用以计算所述管状晶体的实际重量的装置，该重量传感器输出信号是代表所述管状晶体的实际重量的经校正的输出信号，所述控制器装置响应所述选定材料重量值产生装置的输出信号和所述经校正的输出信号，从而产生所述控制信号。

3、按照权利要求2的系统，其特征在于：所述计算装置包含：

用于综合所述重量传感器装置和所述压力传感器装置的输出信号以便产生一合成信号的装置，该合成信号代表所述管状晶体和所述籽晶夹具装置的实际重量;

用以产生一调整偏差输出信号的装置，该调整偏差输出信号代表所述籽晶夹具装置的实际重量;以及

用以综合所述合成信号和所述调整偏差输出信号以便产生所述经校正的输出信号的装置，该经校正的输出信号代表所述管状晶体的实际重量。

4、按照权利要求2的系统，其特征在于所述控制器装置包含：（a）用以计算作为在所述选定时间间隔X内由所述选定材料重量值产生装置产生的所述输出信号变化的函数在选定时间间隔X内存贮于所述容器中的所述颗粒重量的变化的装置;（b）用以计算作为在所述选定时间间隔X内所述经校正输出信号变化的函数在某一选定时间间隔X内所述管状晶体重量的变化的装置;以及（c）用以将所述颗粒重量的所述变化与所述管状晶体重量的所述变化相加，以便产生在重量值上的总变化的装置。

5、按照权利要求4的系统，其特征在于：设定所述送料器装置以便当接收到所述控制信号时从所述容器输送固定量的颗粒给所述坩埚，所述控制器包含：

用于将重量值上的所述总变化与零值进行比较、并仅在所述重量值上的所述总变化大于所述零值时把所述控制信号提供给所述送料器装置的装置。

6、按照权利要求4的系统，其特征在于：在所述选定时间间隔X内由所述送料器装置从所述容器传输给所述坩埚的所述选定量的颗粒作为包含在所述控制信号中的供料速率信息的函数而变化，并且所述控制器装置产生所述控制信号，使得它包含作为在重量值上所述总变化的符号和大小的函数而变化的供料速率信息。

7、按照权利要求1-6中任一项的系统，其特征在于，所述选定材料是固体硅颗粒。

8、按照权利要求1-7中任一项的系统，其特征在于，该系统还控制所述用于生长选定材料的管状晶体的生长装置的操作，在该生长装置中包括用于产生代表所述生长的管状晶体长度的输出信号的长度传感器装置;和

所述控制器装置联接到所述长度传感器装置和所述坩埚加热装置，以便响应所述重量值产生装置、所述长度传感器装置、所述重量传感器装置、和所述压力传感器装置的输出信号，以而控制所述晶体生长装置和所述熔体再补及组合件的操作，以便保证（a）所述生长的晶体具有基本上均匀的壁厚和（b）被传输到所述坩埚的所述颗粒的选定的量将维持连续的晶体生长和不致在该熔体中引起不可接受的大的热偏差。

9、按照权利要求8的系统，其特征在于：所述控制器装置包含用以计算所述管状晶体在任何选定测量间隔的实际壁厚的装置，所述控制器装置包含：

用以提供一希望壁厚值的装置，以及

用于将所述希望壁厚值与所述实际壁厚进行比较、并（1）当所述希望壁厚值小于所述实际壁厚时，把第一信号加给所述加热装置和（2）当所述希望壁厚值大于或等于所述实际壁厚时，把第二信号加给所述加热装置的装置。

10、一种控制用于再补给权利要求1限定的类型的晶体生长装置中的熔体的熔体再补及系统的操作的方法，所述方法包括以下步骤：

操纵所述晶体生长装置，以便从所述坩埚/模具中开始生长所述管状晶体;

操纵所述管状晶体重量测量装置，以便测量所述管状晶体的重量;

操纵所述压力传感器装置，以便测量所述管状晶体的内部压力;

操纵所述控制器装置，以便根据所测量的所述晶体的重量和所测量的所述晶体的内部压力计算所述管状晶体的实际重量，以及提供出代表在时间间隔X内的所述管状晶体真实重量变化的真实重量值变化;

操纵所述重量值产生装置，以便测量所述熔体再补给系统的容器内存贮的所述固体颗粒的重量，以及提供出代表在所述时间间隔X内所述容器内存贮的所述颗粒的重量变化的颗粒重量值变化;

操纵所述控制器装置，以便将所述实际重量值变化附加到所述颗粒重量值变化中去，从而产生总值;

再操纵所述控制器装置，以便将所述总值与一零值相比较;

再操纵所述控制器装置，以便产生启动信号，并仅在所述总值大于所述零值时将该启动信号提供给所述送料器装置;和

操纵所述送料器装置，以便当其接收到所述启动信号时输送所述固定量的颗粒。

11、按照权利要求10的方法，其特征在于，在选定的时间间隔内输送所述固定量的颗粒;所述产生启动信号的步骤包括产生一控制信号，该信号包括作为所述总值的符号和大小的函数而改变的供料率信息;并且这样地执行所述操纵送料器装置的步骤，使得在所述选定时间间隔内由所述送料器装置输送的所述固定量的颗粒的量作为所述控制信号中所包含的所述供料率信息的函数而改变。

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