CN107208307A - 单晶锭直径的控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的实施方式涉及一种在使用丘克拉斯基方法生长硅锭时用于控制硅锭的直径偏差的系统，所述系统可以包括：晶种夹头，所述晶种夹头用于支撑与也称为籽晶的晶种结合并生长的硅锭；测量单元，所述测量单元通过缆绳与所述晶种夹头的上表面连接，并被配置用于测量施加到所述晶种夹头上的负载；负载控制单元，所述负载控制单元在所述晶种夹头与缆绳连接的状态下，通过使所述晶种夹头的位置向上或向下移动，用于改变施加到硅锭上的负载；和控制单元，所述控制单元用于根据由所述测量单元测量的负载值驱动所述负载控制单元来控制施加到硅锭上的负载。因此，防止了在进行单晶锭生长时晶种的摇晃，由此可以减小生长的单晶锭的直径偏差。

Description

单晶锭直径的控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种单晶锭的直径控制系统，更具体地，涉及一种单晶生长装置，该单晶生长装置通过在使用丘克拉斯基(Czochralski)方法生长单晶锭期间防止包括晶种的部分摇晃而能够均匀地控制单晶锭的直径。

背景技术

通常，通过使用提拉装置将晶种浸入石英坩埚内由熔融多晶硅和掺杂剂形成的硅熔体中，在使晶种和石英坩埚以相反方向旋转的同时缓慢提拉晶种，在硅单晶锭生长装置中生产硅单晶锭。

硅单晶锭生长装置形成为包括：填充有硅熔体的石英坩埚，该石英坩埚在腔室内的热区(H/Z)中；用于包围石英坩埚的石墨坩埚；用于支撑坩埚的支撑板；用于将支撑板联接到外部旋转驱动装置的旋转轴；安装在包围坩埚的结构中以将热量散发到坩埚的加热器；以及用于防止由加热器产生的热量散发到外部和降低硅熔体温度的隔热构件。

晶种夹头设置在腔室内。晶种夹头将通过缆绳与诸如滚筒(drum)等外部提拉驱动装置连接的晶种浸入硅熔体中，然后以预定速度提拉晶种，并且支撑在晶种一端正在生长的硅单晶锭的负载。

当通过如上所述的丘克拉斯基方法生长硅锭时，缆绳与晶种的一端连接，并且通过旋转驱动来生长锭，从而晶种部分特别摇晃。

图1是示出直径随常规单晶锭生长长度变化的曲线图。

参考图1，该图示出生长的硅锭的直径随长度变化的测量结果，其中区域A中硅锭的直径偏差大于区域B中硅锭的直径偏差，并且变化期也表明区域A比区域B短，其中，区域A是锭生长的开始阶段。

如上所述，由于在单晶锭生长开始阶段提拉速度的快速增加和初始锭的重量较轻，发生晶种的摇晃，这导致生长的锭的直径偏差，该直径偏差导致生长的单晶的可用面积减少的问题。

发明内容

[技术问题]

本发明旨在解决上述问题，并且提供一种硅锭的控制系统以及包括该控制系统的单晶锭生长装置，该控制系统能够防止当单晶锭是由缆绳驱动旋转时，在单晶锭初始生长时由于晶种摇晃而导致的生长的锭的直径偏差。

[技术方案]

本发明的实施方式提供一种单晶锭的直径控制系统，该直径控制系统用于在通过丘克拉斯基方法生长硅锭期间控制硅锭的直径偏差，所述系统可以包括：晶种夹头，所述晶种夹头用于支撑与籽晶结合并生长的硅锭；测量部件，所述测量部件通过缆绳与所述晶种夹头的上表面连接并且被配置用于测量施加到所述晶种夹头上的负载；负载调节部件，所述负载调节部件用于使所述晶种夹头的位置竖直移动，同时所述晶种夹头与所述缆绳连接，以改变施加到所述硅锭上的负载；和控制部件，所述控制部件用于根据由所述测量部件测量到的负载值来驱动所述负载调节部件，由此控制施加到硅锭上的负载。

该实施方式的所述负载调节部件可以形成为直线运动(LM)引导件，用于根据导螺杆的旋转方向直线升高或降低与所述导螺杆的螺纹表面联接的支撑单元。

该实施方式的所述负载调节部件被联接以被固定至加工腔室内部，并且两个以上的负载调节部件可以设置成以彼此相反的方向与所述晶种夹头连接。而且，在所述导螺杆上设置有电机，并且所述控制部件控制所述电机的旋转方向和旋转量以调节所述支撑单元的位置。

在一个实施方式中，包括：形成为圆筒形以围绕所述晶种夹头的主体部分，并且该主体部分具有被贯穿的中心部分，并且，所述支撑单元与所述主体部分的上端部分联接，并且所述主体部分的位置通过所述支撑单元的向上移动或向下移动而改变，由此可以改变施加到所述晶种夹头上的负载。

而且，在所述晶种夹头和所述主体部分彼此接触的表面上形成轴承，由此使所述晶种夹头旋转，并且包括输入部件，所述输入部件用于设定用户目标锭的负载目标值，并且所述控制部件可以将施加到硅锭上的负载设定为输入到所述输入部件的目标值。

而且，参考在同一生长装置中在先前的运行过程中生长的单晶锭的直径偏差分布，所述目标值可以设定为对应于直径偏差相对减小的锭生长后半阶段的重量。

在该实施方式中，所述控制部件通过对由用户设定的目标值和施加到当前硅锭上的负载的测量值进行比较，可以驱动负载调节部件直至所述目标值等于所述测量值。

本发明的一个实施方式提供一种单晶锭的直径控制方法，用于在通过丘克拉斯基方法生长硅锭时控制硅锭的直径偏差，所述直径控制方法可包括：输入施加到硅锭上的负载的控制目标值的步骤；测量施加到当前硅锭上的负载并得出测量值的步骤；和比较所述目标值和所述测量值并改变施加到硅锭上的负载，使得所述目标值等于所述测量值的步骤，并且，改变施加到硅锭上的负载的步骤可以包括改变与用于支撑硅锭的晶种夹头连接的支撑单元的位置的步骤。

在该实施方式中，改变施加到硅锭上的负载的步骤可以包括：在施加到硅锭上的负载要增加的情况下，向下移动与所述晶种夹头连接的支撑单元的步骤。

在该实施方式中，改变施加到硅锭上的负载的步骤可以包括：在施加到硅锭上的负载要减小的情况下，向上移动与所述晶种夹头连接的支撑单元的步骤。

在该实施方式中，向下移动或向上移动与所述晶种夹头连接的所述支撑单元的步骤包括以预定方向旋转设置在所述支撑单元上部的电机，并且沿竖直方向移动在导螺杆上的所述支撑单元。

[有益效果]

在本发明中，防止了在单晶锭生长过程中晶种的摇晃，可以减小生长的单晶锭的直径偏差。

本发明可以防止晶种部分由于在单晶锭生长期间的快的提拉速度而在单晶锭生长期间掉落，并且通过控制提拉速度可以防止单晶锭的不均匀生长。

附图说明

图1是示出直径随常规单晶锭的生长长度变化的曲线图。

图2是示出根据本发明实施方式的单晶锭生长装置的截面图。

图3是示出根据本发明实施方式的单晶锭直径控制系统的流程图。

图4是示出通过根据本发明实施方式的单晶生长装置直径随生长的锭的长度变化的曲线图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细描述各实施方式。然而，本发明不限于这些实施方式。在描述本发明的实施方式时，可以省略对已知功能或配置的详细描述以使本发明的要点更清楚。

本发明提供了：一种根据本发明实施方式的单晶生长装置，作为一种通过从单晶锭的初始生长过程开始向与晶种连接的晶种夹头施加额外的负载能够生长单晶锭的生长装置；和一种在由于将生长的单晶锭的重量增加到一定程度所以晶种不摇晃的同时控制生长条件的方法。

图2是示出根据本发明的单晶锭生长装置的截面图。参考图2，公开了一种设置在加工腔室内的单晶生长装置的结构，但是未示出该加工腔室，而是仅示出了揭示本发明特征的结构。

通过将作为籽晶的晶种11浸入硅熔体中，然后在以恒定速度旋转的同时提拉晶种11来生长硅锭。为了将晶种11浸入溶解在石英坩埚10内的硅熔体中，提供用于固定和支撑晶种11的晶种夹头12，并且缆绳与晶种夹头12的上表面连接，从而可以根据诸如滚筒19等旋转驱动器19的旋转从硅熔体中提拉晶种11，以此来生长硅锭。

在硅锭生长的初始步骤中，由于包括晶种的锭重量轻，所以会发生由于缆绳驱动而导致的摇晃，并且因为这样的摇晃随着生长的锭的长度而在很大程度上发生直径偏差，但是在锭生长完成时，包括晶种的部分由于锭重量而不摇晃，并且随长度变化的直径偏差显著减小。

如上所述，本发明旨在即使在锭初始生长期间也将转移到与晶种连接的缆绳的负载设定为晶锭生长完成时的负载，来防止包括晶种在内的区域的摇晃。为此，本发明可以包括用于控制施加到生长中的锭上的负载的部件和用于施加或减少施加到单晶锭上的负载的部件。

作为用于控制施加到单晶锭上的负载的部件，可以包括：用于由用户输入要施加到锭上的负载值的输入部件20、用于测量施加到当前生长中的单晶锭上的负载的测量部件22，和控制部件21，该控制部件用于通过对输入到输入部件20的值和由测量部件22测量到的值进行比较来控制用于向单晶锭添加负载和从单晶锭减去负载的操作。

而且，作为用于向单晶锭添加或减少负载的部件，可以配置为：形成为围绕晶种夹头12的圆筒形主体部分18，其中，晶种与该晶种夹头12联接并固定在该晶种夹头12上，并且导螺杆14与主体部分18的上侧表面的一部分联接并通过该主体部分18的上侧表面的一部分固定。导螺杆14被配置为包括在负载调节部件16内，并且负载调节部件16可以形成为用于将旋转运动转换为直线运动(LM)的直线运动引导件。

联接到主体部分18的至少一对导螺杆14可以设置在加工腔室的上部，以使主体部分18的摇晃最小化，并且可以设置为彼此相对，而主体部分18居于它们之间。

导螺杆14是具有螺纹表面的杆状构件，并且螺纹表面与支撑单元15联接，并且电机17与上端连接。此外，由于负载调节部件16固定在加工腔室的一个表面上，所以负载调节部件16的位置也可以是固定的。

在该实施方式中，设置在导螺杆14上的支撑单元15的一端与主体部分18的上表面联接。导螺杆14将旋转运动转换为直线运动，并且它可以根据设置在上表面上的电机17的旋转方向来升高或降低支撑单元15。例如，在电机17以逆时针方向CCW旋转的情况下，由于在导螺杆14处支撑单元15向上直线移动，所以与其连接的晶种夹头12向上移动。另一方面，在电机17以顺时针方向CW旋转的情况下，由于在导螺杆14处支撑单元15向下直线移动，与其连接的晶种夹头12向下移动。

通过改变支撑单元15的位置改变晶种夹头12和围绕晶种夹头的主体部分18的位置，这意味着施加到硅锭上的负载发生改变。在实施方式中，术语“负载”定义为施加到硅锭上的重量。

也就是说，当更详细地描述根据该实施方式的单晶生长装置时，设置有：生长单晶锭的晶种、联接以支撑晶种的晶种夹头和用于提拉晶种夹头的旋转驱动器，并且在该旋转驱动器的一端设置有测量部件22，该测量部件22是用于测量当前单晶锭重量(负载)的部件。

在加工腔室上部的两端设置有一对负载调节部件16，这一对负载调节部件16用于固定晶种夹头的位置，其中，硅锭在该晶种夹头上生长，或者用于使晶种夹头沿竖直方向移动，并且上述负载调节部件16联接在主体部分18上表面部的两点处，该主体部分18设置为围绕晶种夹头12，导螺杆14具有在螺纹表面上沿对角线方向的移动轨道，并且在导螺杆14处支撑单元15能够直线运动。

也就是说，在该实施方式中，在支撑单元15向下移动的情况下，通过提拉与硅锭连接的缆绳来增加负载，而在向上移动的情况下，可以减少施加到缆绳上的负载。

同时，通过旋转晶种夹头12使晶种11旋转来实现硅锭的生长。为了使晶种夹头12在主体部分18内旋转，在晶种夹头12的上表面和下表面，因为在与主体部分18接触的区域内设置有轴承13，通过减小晶种夹头12旋转时的干扰来生长锭。

根据晶种的初始位置，支撑晶种夹头12的主体部分18位于距硅熔体一定距离处，并且当通过旋转晶种夹头12来生长单晶时，生长是在向上提拉缆绳的同时进行的。本发明旨在将与在单晶生长的后半时间点测量的锭重量一样大的负载施加到初始点时，以防止在单晶生长初始点时单晶晶种摇晃，并且输入部件20和控制部件21可以设置为控制施加到单晶锭上的负载的部件。

输入部件20是用于输入用户设定值的部件，即用户当前要施加到锭上的负载值，以及控制部件21控制缆绳的移动，从而由输入部件20输入的负载值保持在锭上，并且控制设置在导螺杆14上的电机17的旋转，从而将用户设定的负载施加到单晶锭上。控制部件21通过测量部件22对当前单晶锭的负载值与用户的设定值进行比较，并且控制施加到硅锭上的负载增加或减少，这可以通过以预定方向旋转电机17以使主体部分18向上或向下移动来执行。

图3是示出根据本发明实施方式的单晶锭直径控制系统的流程图。

参考图3，为了控制硅锭初始生长期间锭的直径偏差，开始通过使用根据实施方式的单晶生长装置来控制施加到锭上的负载的步骤(S10)。

用户将控制目标值输入到输入部件(S20)，该控制目标值是在当前硅锭的生长步骤中施加到锭上的负载值。该目标值可以设定为在锭生长的后半阶段生长的锭重量，也可以通过参考在同一加工装置中在先前的运行过程中单晶锭生长的直径偏差分布，设定为直径偏差减小的阶段时的锭重量。在该实施方式中，由目标材料制成的锭的负载描述为例如300kg。

接下来，在测量部件中，执行测量施加到当前硅锭上的负载的步骤(S30)。测量负载可以通过重量测量传感器来执行，该重量测量传感器设置在与硅锭连接的缆绳的一端。

控制部件对由测量部件得出的测量值和由用户设定的目标值进行比较(S40)。在测量值和目标值相同的情况下，结束负载控制步骤(S50)，并且按照施加到当前单晶锭上的负载，继续执行单晶锭的生长。

如果目标值与测量值相比较，在目标值指示为小于测量值的情况下(S60)，为了减少施加到当前硅锭上的负载，则升高与围绕晶种夹头的主体部分联接的支撑单元。由于支撑单元形成为根据设置在导螺杆上的电机的旋转方向沿竖直方向直线移动，因此可以通过驱动设置在导螺杆上的电机以逆时针方向旋转(S70)来升高支撑单元。由于缆绳在支撑单晶锭的同时受到向上的力，当支撑单元升高时，施加到单晶锭上的负载减少。

在通过对目标值和测量值进行比较，目标值指示为大于测量值的情况下，为了增加施加到当前硅锭上的负载，则降低与围绕晶种夹头的主体部分联接的支撑单元。通过驱动设置在导螺杆上的电机以顺时针方向旋转(S80)可以降低支撑单元。由于缆绳在支撑单晶锭的同时受到向上的力，当支撑单元降低时，施加到单晶锭上的负载增加。

因此，通过控制施加到硅锭生长初始部分时锭上的负载，可以将与用户设定的目标值相等的负载施加于硅锭上。也就是说，防止了在单晶锭生长过程中晶种的摇晃，并且可以减小生长中的单晶的直径偏差。

图4是示出通过根据本发明实施方式的单晶生长装置直径随生长的锭的长度变化的曲线图。

参考图4，该图示出，从方法的开始到结束，硅锭的直径范围为305mm至307mm，并且可以看出，直径偏差为约2mm。在图1中，特别是与在锭生长初始部分中硅锭的直径偏差为4mm的情况相比，可以确认，该实施方式有效减小了在锭生长初始部分中单晶锭的直径偏差。

此外，由于本发明在单晶锭的生长过程中不间断地控制施加到锭上的负载，所以可以防止晶种部分在单晶锭生长过程中因单晶锭的快的提拉速度而掉落，并且通过控制提拉速度可以防止单晶锭的不均匀生长。

虽然上文主要描述了各实施方式，但它们仅是示例而不限制本发明，本领域技术人员可以理解，在不脱离上述实施方式基本特征的情况下，可以进行上文未示出的若干变化和应用。例如，可以以改动的方式来实施在实施方式中详细描述的各组件。此外，应当理解，与上述变化和上述应用有关的差异包括在所附权利要求书限定的本发明范围内。

[工业实用性]

在上述实施方式中，通过将施加到晶种初始生长阶段中的晶种上的负载改变为长成的锭的负载来生长硅单晶锭可以生长单晶锭而不摇晃晶种，由此可以生产直径偏差得以控制的单晶锭，这在工业上是实用的。

Claims (15)

1.一种单晶锭的直径控制系统，作为一种在通过丘克拉斯基方法生长硅锭期间控制硅锭的直径偏差的系统，所述系统包括：

晶种夹头，所述晶种夹头被配置用于支撑与籽晶结合并生长的硅锭；

测量部件，所述测量部件通过缆绳与所述晶种夹头的上表面连接并且被配置用于测量施加到所述晶种夹头上的负载；

负载调节部件，所述负载调节部件被配置用于使所述晶种夹头的位置竖直移动，同时所述晶种夹头与所述缆绳连接，并且改变施加到所述硅锭上的负载；和

控制部件，所述控制部件被配置用于根据由所述测量部件测量到的负载值来驱动所述负载调节部件，并控制施加到所述硅锭上的负载。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述负载调节部件由直线运动(LM)引导件形成，用于根据导螺杆的旋转方向直线升高或降低与所述导螺杆联接的支撑单元。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述负载调节部件被联接以被固定在加工腔室内，并且两个以上的负载调节部件定位成彼此以相反的方向与所述晶种夹头连接。

4.根据权利要求2所述的系统，其中，在所述导螺杆的上部设置有电机，并且所述控制部件通过控制所述电机的旋转方向和旋转量来调节所述支撑单元的位置。

5.根据权利要求2所述的系统，进一步包括形成为圆筒形以围绕所述晶种夹头的主体部分，并且该主体部分具有被贯穿的中心部分。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述支撑单元与所述主体部分的上端部分联接，并且所述主体部分的位置通过所述支撑单元的向上移动或向下移动而改变，并且施加到所述晶种夹头上的负载被改变。

7.根据权利要求5所述的系统，其中，在所述晶种夹头和所述主体部分彼此接触的表面上形成轴承，并且所述晶种夹头旋转。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，进一步包括输入部件，所述输入部件被配置用于由用户设定目标锭负载的目标值，并且所述控制部件将施加到硅锭上的负载设定为输入到所述输入部件的所述目标值。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，参考在同一锭生长装置中在先前的运行过程中生长的单晶锭的直径偏差分布，将所述目标值设定为对应于直径偏差相对减小的锭生长后半阶段的重量。

10.根据权利要求8所述的系统，其中，所述控制部件单元对由用户设定的所述目标值和当前硅锭的测量值进行比较，并驱动所述负载调节部件直至所述目标值等于所述测量值。

11.一种单晶锭的直径控制方法，作为一种通过丘克拉斯基方法使用单晶生长装置来控制硅锭的直径偏差以生长硅锭的方法，该单晶生长装置设置有用于将一定负载施加到用于支撑晶种的晶种夹头上的部件，所述方法包括以下步骤：

输入施加到硅锭上的负载的控制目标值；

测量施加到当前硅锭上的负载并得出测量值；和

比较所述目标值和所述测量值，并改变施加到硅锭上的负载，使得所述目标值等于所述测量值，并且

其中，改变施加到硅锭上的负载的步骤包括固定用于支撑硅锭的晶种夹头的位置并改变支撑单元的位置的步骤，所述支撑单元能够向上移动和向下移动并与主体部分连接，所述主体部分设置为围绕所述晶种夹头。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，改变施加到硅锭上的负载的步骤包括：在施加到硅锭上的负载要增加的情况下，向下移动与所述晶种连接的支撑单元的步骤。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，向下移动所述支撑单元的步骤包括以预定方向旋转设置在支撑单元上部的电机，并且在导螺杆上向下移动所述支撑单元。

14.根据权利要求11所述的方法，其中，改变施加到硅锭上的负载的步骤包括：在施加到硅锭上的负载要减小的情况下，向上移动与所述晶种夹头连接的支撑单元。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，向上移动所述支撑单元的步骤包括以预定方向旋转设置在支撑单元上部的电机，并且在导螺杆上向上移动所述支撑单元。