CN112064109A - 一种对半导体硅材料晶体长晶放肩形状的控制方法 - Google Patents

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吴春生
郑锴
穆童
王程平
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    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
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    • C30B15/20—Controlling or regulating
    • C30B15/22—Stabilisation or shape controlling of the molten zone near the pulled crystal; Controlling the section of the crystal
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
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Abstract

本发明公开了一种对半导体硅材料晶体长晶放肩形状的控制方法，通过在放肩阶段增加一项斜率‑SLOP控制，并伴有直径‑拉速和拉速‑温度两个闭环控制体系，完成对放肩阶段晶体形状一致性的控制，可以生长出与配方中的斜率设置相同的晶体。由于放肩过程的严格控制，晶体进入等径后的温度环境更加稳定可控，便于生长出高品质的半导体单晶棒。

Description

一种对半导体硅材料晶体长晶放肩形状的控制方法
技术领域
本发明属于半导体硅材料晶体生长工艺技术领域。
背景技术
硅材料由于具有单方向导电性、热敏特性、光电特性以及掺杂特性等优良性能，可以生长为大尺寸高纯度单晶体，且价格适中，故而成为全球应用广泛的重要集成电路基础材料。
半导体硅材料主要为单晶硅材料，按照应用场景划分，半导体硅材料可以分为芯片用单晶硅材料和蚀刻用硅材料。其中芯片用单晶硅材料是制造半导体器件的基础原材料，芯片用单晶硅材料经过一系列晶圆制造工艺形成极微小的电路结构，再经切割、封装、测试等环节成为芯片，并广泛应用于集成电路下游市场。蚀刻用硅材料则是加工制成半导体级硅部件，用于蚀刻设备上的硅电极，由于硅电极在硅片氧化膜刻蚀等加工工艺过程会逐渐腐蚀并变薄，当硅电极厚度减少到一定程度后，需要更换新的硅电极，因此硅电极是晶圆制造蚀刻环节所需的核心耗材。
全自动直拉单晶生长炉是一种在惰性气体(氩气为主)环境中，用石墨加热器将多晶硅等多晶材料熔化，用直拉法生长无错位单晶的设备。硅材料生长过程中，放肩过程是单晶硅生长工艺的关键。而现有技术方案是按照放肩阶段的拉速和温度设定生长，考虑到长晶过程温度环境等众多因素的干扰，放肩的长度和直径无法做到一致性，影响了晶体质量和晶棒成品率。
故，需要一种新的技术方案以解决上述技术问题。
发明内容
发明目的：本发明使用的是通过斜率-SLOP控制来相应调整拉速和温度，使放肩形状按照参数设置中的斜率生长，以控制晶体形状并提高晶体成品率。
技术方案：为达到上述目的，本发明可采用如下技术方案：
一种对半导体硅材料晶体长晶放肩形状的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、通过斜率值公式SLOP＝Δ直径/Δ长度，取一定时间内的SLOP平均值代表实时斜率值；在单晶炉炉内设置温度传感器探测点用以测量炉内实时温度；预设理论斜率值及预设理论拉速值；
(2)、根据实时斜率值与理论斜率值对比，经过斜率值的PID反馈值来控制籽晶拉速而将实时斜率值向理论斜率值靠拢；根据籽晶拉速与理论拉速值对比，经过温度控制的PID反馈值来控制加热器温度，通过加热器温度调整而将籽晶拉速值逐渐向理论拉速值靠拢。
进一步的，采用PLC中的PID控制器给出关于对拉速和给定温度的修正值。
进一步的，步骤(1)中，Δ直径为直径变化，Δ直径通过CCD相机测量获得；Δ长度为长度变化，Δ长度通过位置编码器获得
进一步的，步骤(2)中，若实际斜率值比理论值大，则籽晶拉速增加，实际斜率值比理论值小，则籽晶拉速会降低。
进一步的，步骤(2)中，给定电信号反馈给伺服电机，通过电机旋转控制籽晶拉速。
有益效果：相对于现有技术，本发明技术方案的优点为：
本发明通过在放肩阶段增加一项斜率-SLOP控制，并伴有直径-拉速和拉速-温度两个闭环控制体系，完成对放肩阶段晶体形状一致性的控制，可以生长出与配方中的斜率设置相同的晶体。由于放肩过程的严格控制，晶体进入等径后的温度环境更加稳定可控，便于生长出高品质的半导体单晶棒。
附图说明
图1是本发明中所生产的晶体结构示意图。
图2是本发明中对放肩斜率控制的示意图。
图3是本发明中对放肩拉速控制的示意图。
图4是本发明中采用的PID控制器的示意图。
图5是本发明中形成的斜率-SLOP控制曲线图。
具体实施方式
在单晶炉的生产要求工艺看，引晶、放肩和转肩、等径和收尾这四个阶段构成了单晶炉内晶体的生长全过程，在这四个阶段中，由于工艺参数要求的各个阶段的不同，炉内的环境将随着晶体的变化而变化，也就是说每个阶段的控制要求是不一样的，需要对每个阶段的控制方法进行完善，同时对每个阶段的临界点进行分析与判断，最终使得整个生产过程的控制精度得以保障。
结合图1至图3所示，本发明公开一种对半导体硅材料晶体长晶放肩形状的控制方法。该方法包括：通过放肩斜率控制，形成斜率-拉速(如图1所示)和拉速-温度(如图2所示)两个闭环控制，按照配方设置斜率-SLOP、拉速、温度数值放出形状一致的肩。
本控制方法的具体步骤为：
(1)、通过斜率值公式SLOP＝Δ直径/Δ长度，取一定时间内的SLOP平均值代表实时斜率值；在单晶炉炉内设置温度传感器探测点用以测量炉内实时温度；预设理论斜率值及预设理论拉速值。其中，Δ直径为直径变化，Δ直径通过CCD相机测量获得；Δ长度为长度变化，Δ长度通过位置编码器获得。
(2)、根据实时斜率值与理论斜率值对比，经过斜率值的PID反馈值来控制籽晶拉速而将实时斜率值向理论斜率值靠拢；根据籽晶拉速与理论拉速值对比，经过温度控制的PID反馈值来控制加热器温度，通过加热器温度调整而将籽晶拉速值逐渐向理论拉速值靠拢。
而如图3所示，在步骤(2)中，每个闭环控制都由PID控制，采用PLC中的PID控制器给出关于对拉棒直径和给定温度的修正值。温度传感器探测点在单晶炉炉内的测试，通过炉内实际温度与设计理论温度间的比较分析，并给予事先在PLC中对PID控制算法的设定，最终给出关于对拉棒直径和给定温度的修正值。若实际斜率值比理论值大，则籽晶拉速增加，实际斜率值比理论值小，则籽晶拉速会降低。本步骤中，需要给定电信号反馈给伺服电机，通过电机旋转控制籽晶拉速，可以根据位置编码器进行籽晶生长监测和计算。
该方法形成了斜率-SLOP控制曲线，如图5所示，能够形成如图1中所示的对放肩1的形状控制，使肩膀按照设定的斜率生长，每个肩的长度和形状基本一致。这种控制方法可以使进入等径温度更加稳定，有利于生长出优质的晶体。
本发明具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种对半导体硅材料晶体长晶放肩形状的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、通过斜率值公式SLOP＝Δ直径/Δ长度，取一定时间内的SLOP平均值代表实时斜率值；在单晶炉炉内设置温度传感器探测点用以测量炉内实时温度；预设理论斜率值及预设理论拉速值；
(2)、根据实时斜率值与理论斜率值对比，经过斜率值的PID反馈值来控制籽晶拉速而将实时斜率值向理论斜率值靠拢；根据籽晶拉速与理论拉速值对比，经过温度控制的PID反馈值来控制加热器温度，通过加热器温度调整而将籽晶拉速值逐渐向理论拉速值靠拢。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：采用PLC中的PID控制器给出关于对拉速和给定温度的修正值。
3.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于：步骤(1)中，Δ直径为直径变化，Δ直径通过CCD相机测量获得；Δ长度为长度变化，Δ长度通过位置编码器获得。
4.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于：步骤(2)中，若实际斜率值比理论值大，则籽晶拉速增加，实际斜率值比理论值小，则籽晶拉速会降低。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于：步骤(2)中，给定电信号反馈给伺服电机，通过电机旋转控制籽晶拉速。
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