CN109972201B - 用于直拉法硅单晶生长过程的晶体直径控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体晶体制造技术，旨在提供一种用于直拉法硅单晶生长过程的晶体直径控制方法。该方法包括：在直拉法生产硅单晶时使晶体进入等径生长过程，达到稳定状态；将晶体实际提拉速度设定为当前平均提拉速度，按照预定的变化率使实际提拉速度向设定提拉速度靠拢，直至晶体提拉速度恒定不随晶体直径波动变化；在晶体等径生长过程通过调整加热器功率控制晶体直径，具体是在当前加热平均功率基础上附加可变周期脉冲式功率输出。本发明通过对晶体直径变化速度、加速度的计算和临界值控制，使功率输出时间的关键点判断更为合理和准确；可以缩短直径变化对功率调节的响应时间滞后；不会对晶体直径造成较大扰动，不易造成晶体直径大幅度波动。

Description

用于直拉法硅单晶生长过程的晶体直径控制方法

技术领域

本发明专利适用于半导体晶体制造技术，具体涉及一种用于直拉法硅单晶生长过程的晶体直径控制方法。

技术背景

在传统的直拉法硅单晶生长过程中，一般通过调整晶体提拉速度来控制晶体直径。由于晶体直径变化对拉速调节响应速度快，因此可以获得较好的控径效果。为了控制和减少高端半导体级硅单晶内微缺陷，业内共识是通过晶体生长界面处V/G调控来实现。其中，G指晶体生长界面处温度梯度，主要由生长界面在热场内相对位置决定。因为晶体生长过程中生长界面位置受生长方法限制不可能大幅、剧烈波动，所以可认为G值基本不发生改变。V指晶体生长速度，可以通过晶体提拉速度来衡量。传统工艺在使用提拉速度变化控制晶体直径过程中，存在拉速大幅度波动的问题，容易使得晶体生长条件超出复合V/G范围，导致晶体质量下降，成品率低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的缺陷和不足，提供一种用于直拉法硅单晶生长过程的晶体直径控制方法。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种用于直拉法硅单晶生长过程的晶体直径控制方法，是在晶体等径生长过程中将晶体提拉速度设定为固定值，通过调整加热功率实现晶体直径控制；具体包括以下步骤：

(1)在直拉法生产硅单晶时使晶体进入等径生长过程，达到稳定状态；

(2)将晶体实际提拉速度设定为当前平均提拉速度，按照预定的变化率使实际提拉速度向设定提拉速度靠拢，直至晶体提拉速度恒定不随晶体直径波动变化；

(3)在晶体等径生长过程通过调整加热器功率控制晶体直径，具体是在当前加热平均功率基础上附加可变周期脉冲式功率输出；附加功率输出幅度为0±15kw，输出时间小于120s；功率输出结束后回复到平均功率；功率调节周期，即两次附加功率输出起始点的时间间隔小于600s。

本发明中，步骤(1)中所述的达到稳定状态是指，晶体直径波动小于±1mm、晶体提拉速度波动范围±5mm/hr、平均提拉速度与设定提拉速度偏差范围±2mm/hr，以上状态维持时间大于15分钟，且距离最后一次热场温度调节的时间间隔大于20分钟。

本发明中，所述步骤(3)中，在晶体等径生长过程中实时跟踪测量晶体直径，附加功率输出幅度的数值是根据晶体直径偏差、晶体直径变化速度和晶体直径变化加速度影响下的单项功率输出值计算出来的加和值；最终的实际输出功率按下述方式计算：

当T_c＜T＜T_s时，

当0≤T≤T_c时，

当T＝T_s时，开始下一个计算周期，并重新计时；

上述各式中：P为实际输出功率，

为前一控制周期平均功率；T为单个控制周期内附加功率输出时间，T_c为附加功率输出时间闽值，T_s为设定控制周期；K_p、K_i、K_d分别为晶体直径变化速度、晶体直径偏差、晶体直径变化加速度影响下的单项功率输出值；

其中：

(1)对于晶体直径变化速度影响下的单项功率输出值K_p：

当|v_φ|≥v_c时，K_p＝v_φ×k_p；

当|v_φ|＜v_c时，K_p＝0；

v_φ为当前控制周期内直径变化速度，v_c为直径变化速度设定阈值，k_i为计算时K_i使用到的经验参数；

(2)对于晶体直径偏差影响下的单项功率输出值K_i：

当|Δφ|≥φ_c时，K_i＝Δφ×k_i；

当|Δφ|＜φ_c时，K_i＝0；

Δφ为晶体直径偏差，φ_c为设定直径变化阈值，k_i为计算K_i时使用到的经验参数；

(3)对于晶体直径变化加速度影响下的单项功率输出值K_d：

当|a_φ|≥a_c时，K_d＝a_φ×k_d；

当|a_φ|＜a_c时，K_d＝0；

a_φ为当前控制周期内直径变化加速度，a_c为直径变化加速度设定阈值，k_d为计算K_d时使用到的经验参数。

本发明中，晶体直径控制过程中的控制目标为：使晶体实际直径偏差范围为0.01～0.1mm，晶体直径变化速率的偏差范围为0.1～1mm/hr。

本发明中还提供了另一种用于直拉法硅单晶生长过程的晶体直径控制方法，是将前述任意一项晶体直径控制方法中的加热功率这一参数替换为热场温度。改用热场温度作为控制参数时，以K_p、K_i、K_d分别作为晶体直径变化速度、晶体直径偏差、晶体直径变化加速度三个因素作为温度调节附加值的计算结果，K_p+K_i+K_d计算结果作为热场温度调节附加值，且k_p、k_i、k_d作为经验参数进行相适应的调整；在此时，P作为实际输出热场温度，

作为前一控制周期平均热场温度；而K_p、K_i、K_d的计算公式、T为单个控制周期内附加功率输出时间、T_c为附加功率输出时间阈值、T_s为设定控制周期数值，这些均保持不变。

发明原理描述：

在传统的直拉法硅单晶生长过程中面临的最大的困难是，加热器功率变化需要通过硅熔体传到到晶体生长界面；随晶体直径、熔体质量的增大，从加热器功率变化到晶体直径发生响应变化存在较长的时间滞后，通常这一滞后达到10-30分钟。因此在晶体直径偏离目标值时，进行功率调节往往很难及时纠正直径偏差，最终造成系统热震荡，使直径控制偏差较大甚至无法检测到直径信号。

为此，本发明对功率调节方法和直径变化趋势判断策略提出改良，能够在更准确的控制点进行功率调节，脉冲式的功率输出缩短了系统反应时间，最终实现有效直径控制。本发明提出的可变周期脉冲式功率输出，其输出功率附加幅度、输出时间和输出时间间隔均需根据不同热场尺寸、装料量、生长晶体尺寸的实际生产条件进行调整。例如，装料量和磁场增大都会延长反应时间，需要延长控制周期才能避免反应之后造成的过调，当装料量增大或存在磁场等增加直径对功率变化反应时滞性条件时需响应增大输出时间，反之则缩短。

由于在硅单晶生产过程中，加热器的加热功率变化直接导致热场温度的变化，且两者之间的迟滞响应变化情况相似。因此，可以将加热器功率这一参数替换为热场温度作为控制对象，同样适用本发明所述控制原理。

本发明中，晶体等径生长时控制晶体提拉速度恒定，并通过加热功率的变化调整晶体直径，从而使晶体生长条件在G值合适的条件下，始终处于最合适的生长窗口之内，从而提高晶体质量，提高成品率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明通过对晶体直径变化速度、加速度的计算和临界值控制，从而使功率输出时间的关键点判断更为合理和准确。

2、传统控制方法的小幅度长周期的功率调整模式下，直径变化响应时间需要15-30分钟，晶体直径较目标值偏离较大。本发明中控制加热器输出功率的方式是在前一阶段基础功率基础上附加大幅度、短时间的脉冲形式，这种脉冲式输出可以缩短直径变化对功率调节的响应时间滞后。

3、本发明中，脉冲式功率调节能避免功率输出时累加值过大，即每次功率调节单次增加或减少的能量绝对值较小，并不会对晶体直径造成较大扰动，而且不易导致因累积能量输出过大造成晶体直径大幅度波动。

附图说明

图1为晶体生长直径与加热器功率关系曲线。

图2为晶体生长直径与热场温度关系曲线。

图1中各曲线：1晶体直径，2加热器功率。

图2中各曲线：3晶体提拉速度，4热场温度，5加热器功率，6晶体直径。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步说明：

以上以较佳实施例公布了本发明，然其并非用以限制本发名，凡采取等同替换或等效变换的方案所获得的技术方案，均落在本发明专利的保护范围内。

实施例1：

使用24寸热场生长直径210mm晶体，装料量120kg。晶体经过引晶、放肩、转肩步骤后，进入等径生长阶段。晶体等径生长初期，设定直径与目标直径，设定生长速度于实际生长速度等均存在较大偏差，当晶体等径长度达到100mm时，晶体实际直径为210.8mm，偏差小于1mm；晶体平均生长速度33.4-33.8mm/hr，目标生长速度35mm/hr，偏差小于2mm/hr，并维持15分钟，热场温度设定点恒定达到20分钟，判定可执行本发明所述直径控制方法。

执行本发明所述直径控制方法，晶体提拉速度35mm/hr，速度波动范围限定为±1％，功率附加幅度为0±8kw，输出时间120s，两次功率调节周期360s。直径偏差阈值φ_c＝0.05mm，直径变化速度阈值v_c＝0.01mm/hr，直径变化加速度阈值a_c＝0.004mm/hr²，k_p＝45，k_i＝0.4，k_d＝20；

曲线1所示控径过程部分输出计算过程及结果如下：

1、晶体实际直径210.74mm，晶体直径偏差Δφ＝0.74mm，晶体直径变化速度(控制周期内直径变化)0.053mm/hr，直径变化加速度0.01067mm²/hr

(1)晶体直径变化速度影响下的单项功率输出值K_p：

|0.0533|≥0.01，所以K_p＝0.0533×45＝2.3985；

(2)晶体直径偏差影响下的单项功率输出值K_i：

|0.74|≥0.05，所以K_i＝0.74×0.4＝0.296；

(3)对于晶体直径变化加速度影响下的单项功率输出值K_d：

|0.01067|≥0.01，所以K_d＝0.01067×20＝0.2134；

功率输出附加值计算结果为：

Kp+Ki+Kd＝2.3985+0.296+0.2134＝2.9079Kw

2、晶体实际直径209.43mm，晶体直径偏差Δφ＝-0.57mm，晶体直径变化速度0.0421mm/hr，直径变化加速度-0.02878mm²/hr

(1)对于晶体直径变化速度影响下的单项功率输出值K_p：

|0.0421|≥0.01，所以K_p＝0.0421×45＝1.8945；

(2)晶体直径偏差影响下的单项功率输出值K_i：

|-0.57|≥0.05，所以K_i＝-0.57×0.4＝-0.228；

(3)对于晶体直径变化加速度影响下的单项功率输出值K_d：

|-0.2878|≥0.01，所以K_d＝-0.2878×20＝-5.756；

功率输出附加值计算结果为：

Kp+Ki+Kd＝1.8945+(-0.228)+(-5.756)＝-4.0895Kw

3、晶体实际直径209.97mm，并处于持续缩小阶段，晶体直径偏差Δφ＝-0.03mm，晶体直径变化速度0.0083mm/hr，直径变化加速度-0.04939mm²/hr

(1)晶体直径变化速度影响下的单项功率输出值K_p：

|0.0083|＜0.01，所以K_p＝0；

(2)晶体直径偏差影响下的单项功率输出值K_i：

|-0.03|≥0.05，所以K_i＝0；

(3)晶体直径变化加速度影响下的单项功率输出值K_d：

|-0.04939|≥0.01，所以K_d＝-0.04939×20＝-0.8978；

功率输出附加值计算结果为：

Kp+Ki+Kd＝0+0+(-0.8978)＝-0.8978Kw

实施例2：热场温度的控制示例

使用24寸热场生长直径210mm晶体，装料量120kg。晶体经过引晶、放肩、转肩步骤后，进入等径生长阶段。晶体等径生长初期，设定直径与目标直径，设定生长速度于实际生长速度等均存在较大偏差，当晶体等径长度达到100mm时，晶体实际直径为210.8mm，偏差小于1mm；晶体平均生长速度33.4-33.8mm/hr，目标生长速度35mm/hr，偏差小于2mm/hr，并维持15分钟，热场温度设定点恒定达到20分钟，判定可执行本发明所述直径控制方法。

执行本发明所述直径控制方法，晶体提拉速度35mm/hr，速度波动范围限定为±1％，功率附加幅度为0±8kw，输出时间120s，两次功率调节周期360s。控制周期内直径变化阈值0.05mm，直径变化速度阈值0.01mm/hr，直径变化加速度阈值0.004mm/hr²。因热场温度与加热器功率之间存在控制闭环(全自动直拉硅单晶生长炉控制系统普遍应用该功能)，晶体直径变化满足控制调节要求时，热场温度设定改变，通过控制闭环调整加热器功率改变，完成控制过程。与实施例1相比，控制系统内热场温度对直径变化的响应以及加热器功率对热场温度设定的响应时间间隔约几毫秒，可认为是在同一时间发生，

曲线2所示控径过程部分输出计算过程如实施例1所示，计算结果如下表所示：

目标直径(mm)	210	210	210
				当前实际直径(mm)	210.58	209.12	210.31
参数名称
				k<sub>p</sub>	42	42	42
k<sub>i</sub>	0.02	0.02	0.02
				k<sub>d</sub>	17	17	17
K<sub>p</sub>	2.2386	1.7682	2.2386
				K<sub>i</sub>	0.0116	0.0116	0.0116
K<sub>d</sub>	0.18139	-4.8926	-4.8926
				控制周期内直径变化	0.0533	0.0421	0.0533
直径偏差	0.58	-0.88	0.31
				直径变化加速度	0.01067	-0.2878	-0.2878
热场温度设定点变化	2.43159	-3.1128	-2.6424
				Kp+Ki+Kd＝	3.039488	-3.891	-3.303

其中，K_p、K_i、K_d的计算公式同实施例1，T为单个控制周期内附加功率输出时间，T_c为附加功率输出时间阈值，T_s为设定控制周期数值均不变；不同的是K_p、K_i、K_d分别作为晶体直径变化速度、晶体直径偏差、晶体直径变化加速度，并将这三个因素作为温度调节附加值的计算结果，K_p+K_i+K_d计算结果作为热场温度调节附加值，且k_p、k_i、k_d作为经验参数进行了相应调整。公式中P在此处为实际输出热场温度，公式中的

在此处为前一控制周期平均热场温度。

Claims (3)

1.一种用于直拉法硅单晶生长过程的晶体直径控制方法，其特征在于，是在晶体等径生长过程中将晶体提拉速度设定为固定值，通过调整加热功率实现晶体直径控制；具体包括以下步骤：

(1)在直拉法生产硅单晶时使晶体进入等径生长过程，达到稳定状态；

所述的达到稳定状态是指，晶体直径波动小于±1mm、晶体提拉速度波动范围±5mm/hr、平均提拉速度与设定提拉速度偏差范围±2mm/hr，以上状态维持时间大于15分钟，且距离最后一次热场温度调节的时间间隔大于20分钟；

(2)将晶体实际提拉速度设定为当前平均提拉速度，按照预定的变化率使实际提拉速度向设定提拉速度靠拢，直至晶体提拉速度恒定不随晶体直径波动变化；

(3)在晶体等径生长过程通过调整加热器功率控制晶体直径，具体是在当前的加热平均功率基础上附加可变周期脉冲式功率输出；附加的功率输出幅度为0±15kw，输出时间小于120s；功率输出结束后回复到加热平均功率；功率调节周期，即两次附加的功率输出起始点的时间间隔小于600s；

所述步骤(3)中，在晶体等径生长过程中实时跟踪测量晶体直径，附加的功率输出幅度的数值是根据晶体直径偏差、晶体直径变化速度和晶体直径变化加速度影响下的单项功率输出值计算出来的加和值；最终的实际输出功率按下述方式计算：

当T_c<T<T_s时，

当0≤T≤T_c时，

当T＝T_s时，开始下一个计算周期，并重新计时；

上述各式中：P为实际输出功率，

为前一控制周期的加热平均功率；T为单个控制周期内附加的功率输出时间，T_c为附加的功率输出时间阈值，T_s为设定控制周期；K_p、K_i、K_d分别为晶体直径变化速度、晶体直径偏差、晶体直径变化加速度影响下的单项功率输出值；

其中：

(1)对于晶体直径变化速度影响下的单项功率输出值K_p：

当|v_φ|≥v_c时，K_p＝v_φ×k_p；

当|v_φ|<v_c时，K_p＝0；

v_φ为当前控制周期内直径变化速度，v_c为直径变化速度设定阈值，k_p为计算K_p时使用到的经验参数；

(2)对于晶体直径偏差影响下的单项功率输出值K_i：

当|△φ|≥φ_c时，K_i＝△φ×k_i；

当|△φ|<φ_c时，K_i＝0；

△φ为晶体直径偏差，φ_c为设定直径变化阈值，k_i为计算K_i时使用到的经验参数；

(3)对于晶体直径变化加速度影响下的单项功率输出值K_d：

当|a_φ|≥a_c时，K_d＝a_φ×k_d；

当|a_φ|<a_c时，K_d＝0；

a_φ为当前控制周期内直径变化加速度,a_c为直径变化加速度设定阈值，k_d为计算K_d时使用到的经验参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，晶体直径控制过程中的控制目标为：使晶体实际直径偏差范围为0.01～0.1mm，晶体直径变化速率的偏差范围为0.1～1mm/hr。

3.一种用于直拉法硅单晶生长过程的晶体直径控制方法，其特征在于，是将权利要求1所述晶体直径控制方法中的加热功率这一参数替换为热场温度。

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