CN112080793A - 用于半导体单晶生长中的温度控制的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于半导体单晶生长的温度控制系统和方法，包括：图像采集装置，用于捕获固液界面处生长的晶棒的棱线的图像，从而确定所述界面处所述棱线的宽度；加热装置，用于对坩埚加热；以及温控装置，用于对所述加热装置的加热功率进行控制，其中所述温控装置根据所述棱线宽度来对所述加热装置进行功率控制。根据本发明的温度控制系统和方法可显著地减少生长的半导体单晶的缺陷，并且可帮助降低生产成本、提高生产效率等。

Description

用于半导体单晶生长中的温度控制的系统和方法

技术领域

本申请涉及半导体单晶生长技术，并且更特别地涉及一种用于半导体单晶生长中的温度控制的系统和方法。

背景技术

直拉法是生长半导体单晶的主要方法。图1是典型的直拉单晶炉的示意图，其中主要包括坩埚、加热组件、吊绳、观察窗和晶体熔液等。以单晶硅为例，单晶硅棒的生长过程如下：在如图1中所示的直拉单晶炉中，首先向盛有硅熔液的坩埚中引入籽晶作为非均匀晶核，然后通过加热组件来控制热场，并通过吊绳将籽晶旋转并缓慢向上提拉，从而生长出结晶方向与籽晶一致的半导体单晶晶棒，其中结晶方向通常为<100>、<110>、<111>方向，并且热场的控制对半导体单晶的生长至关重要。

随着半导体器件变得越来越小，对半导体晶片的品质要求也越来越高，尤其是对晶片的表面缺陷、平坦度及表体金属杂质的要求在不断提高。因此，将固液界面处的轴向温度梯度控制在合理的范围变得越来越重要，因为它与生长晶棒的质量密切相关。近年来，已研究发现在直拉法半导体单晶生长过程中，固液界面处的轴向温度梯度与生长晶棒的棱线宽度有关。作为示例，图2示出了<100>结晶方向的晶棒的截面图。在图2中，可以看到四条棱线在晶体的<110>方向，并且stockmeier等人给出了<100>结晶方向的生长晶棒的棱线宽度与固液界面处的轴向温度梯度之间的关系[1]。此外，对于其他结晶方向生长的晶棒的棱线，虽然生长晶棒的棱线会在不同的位置和取向，但是棱线宽度与固液界面处轴向温度梯度之间也存在对应的关系。尽管如此，到目前为止，还不能准确地确定固液界面处的轴向温度梯度并对其进行有效的控制。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于半导体单晶生长中的温度控制的系统和方法。为此，本发明采用了如下的技术方案。

一种用于半导体单晶生长的温度控制系统，所述系统包括：图像采集装置，用于捕获固液界面处生长的晶棒的棱线的图像，从而确定所述界面处所述棱线的宽度；加热装置，用于对坩埚加热；以及温控装置，用于对所述加热装置的加热功率进行控制，其中所述温控装置根据所述棱线宽度来对所述加热装置进行控制。

一种用于半导体单晶生长的温度控制方法，包括：由图像采集装置捕获固液界面处生长的晶棒的棱线的图像；根据捕获的图像来确定所述棱线的宽度，其中根据所述棱线的宽度来对坩埚进行加热。

附图说明

图1是典型的直拉单晶炉的示意图。

图2示出了<100>结晶方向的晶棒的截面图。

图3（a）是生长中的半导体单晶的2D图像，并且图3（b）是从图3（a）的图像提取出来的固液界面的2D图像。

图4示出了根据本发明的实施例的通过处理固液界面的2D图像来预测棱线对应位置与宽度的原理图。

图5示出了根据本发明的实施例的<100>结晶方向的棱线宽度与界面处轴向温度梯度之间的关系的曲线图。

图6示出了根据本发明的实施例的用于控制固液界面处的轴向温度梯度的加热装置的示意图。

图7是根据本发明的实施例的用于阶梯式领先间隙加热法的加热器上施加的阶梯式加热功率的图示。

具体实施方式

下面结合附图来具体说明本发明的实施例，其中附图和实施例仅仅是为了说明的目的，而不是为了限制的目的。

根据本发明的实施例，为了确定生长中的晶体棱线宽度，首先需要对其进行拍照。相机的图像获取可设定成由外部触发。为了避免亮度过亮或外部光源干扰，可在相机镜头外部加装IR带通滤镜。图3（a）是利用相机拍摄的生长中的半导体单晶的2D图像。优选地，所述相机可置于观察窗处来对生长的晶棒进行拍照。在一个实施例中，相机可采用双线扫相机或任何其它高分辨率相机。在另一个实施例中，在能够得到生长晶棒的直径的情况下，则可采用单一线扫相机，因为此时可结合生长晶棒的直径和晶棒的实时转速来确定棱线的宽度。如在图3（a）中可以看到的，在籽晶被不断旋转上拉的同时，从熔体表面长出半导体晶棒，其中箭头所指的位置为棱线的对应位置。图3（b）是从图3（a）的图像中提取出来的固液界面处的对应2D图像。如在图3（b）中所示，底部的白色部分为固液界面的图像，其由于拍摄的视角而呈大致弧形，并且可以看到在棱线位置处固液界面的曲率有所不同。此外，如图3（b）中所示的固液界面的2D图像可以被进一步截短来简化处理和计算，但是至少要包括棱线位置和其附近区域。

在获取了固液界面的2D图像之后，通过利用如下的方法来对图像进行处理，从而确定棱线的位置和宽度。具体地，从图像中确定棱线的位置和宽度包括界面边缘曲线提取、曲率计算和将曲率变化与阈值进行比较的步骤。图4示出了根据本发明的实施例的通过处理固液界面的2D图像来预测棱线对应位置与宽度的原理图。为了便于说明，图4的上部分示出了如图3（b）中的固液界面的2D图像。针对该2D图像，可利用多种搜索方法来寻找界面边缘曲线，并针对寻找的界面边缘曲线来计算曲率。作为示例但并非限制，如图4中所示，可通过多项式来对原始边缘曲线进行拟合并通过对拟合的曲线求解一阶导数来得到边缘曲线的曲率，其中因为多项式拟合的曲线与原始曲线很好地一致，所以它们在图中基本上重合为一条线。另外，从图4中可以看到，该边缘曲线的曲率在非棱线位置处的值较小，而在棱线的对应位置处的值较大，这归因于棱线处的较大曲率。接下来要确定曲率的变化，如图4中所示，通过对边缘曲线进行二阶求导来得到边缘曲线的曲率变化曲线。然后，可根据边缘曲线的曲率变化定义一个阈值线，并确定曲率变化曲线的峰值位置和与所述阈值线的交点位置，其中曲率变化曲线的峰值位置为所确定的棱线位置，并且其与所述阈值线的两个交点位置之间的距离为所确定的棱线宽度w。

棱线宽度并不是不变的，随着晶棒的生长，散热区域越来越大，固液界面处的温度梯度会越来越高，从而导致棱线宽度越来越小。因此，在根据上文确定了棱线宽度之后，为了将棱线宽度保持在合理的范围中，就需要根据预定的棱线宽度而利用理论上已经建立的关系来控制固液界面处的轴向温度梯度。作为示例，图5示出了<100>结晶方向的棱线宽度与界面处轴向温度梯度之间的关系的曲线图。从图5中可以看到，为了将棱线宽度较稳定地维持在2mm-6mm的范围中，需要将固液界面处的温度梯度保持在60-90K/cm。下面针对根据本发明的实施例的温控装置和方法进行说明。

传统加热装置中可包括主加热器和底加热器，所述主加热器被置于坩埚侧壁来从侧壁对坩埚加热，并且要跨过固液界面进行加热，以防止液面凝结。传统的加热装置没有对主加热器和底加热器的加热分别进行控制。本发明考虑了这样的事实，即主加热器跨过固液界面来同时对界面两侧进行加热，对界面处轴向温度梯度的改变不明显，而底加热器离界面较远，对界面处轴向温度梯度的改变更明显。图6示出了根据本发明的一个实施例的用于控制固液界面处的温度梯度的加热装置的示意图，其中为了有效地控制固液界面处的轴向温度梯度，可根据需要来分别对主加热器和底加热器不同地进行控制。优选地，热量是通过电阻式加热产生的，以辐射的方式辐射至坩埚，并且进一步从坩埚传导至熔料来对熔料加热。因为底部处的加热器离液面远，它的功率可以高一点，并且优选地是熔料功率的20~25%，而主加热器离液面较近，功率过高或过低对液面影响很大，所以将它的功率控制在3~10%。

在图6中，侧壁处的加热器以箭头A的方向传热来从侧壁对坩埚内的熔料进行加热，并且底部处的加热器，以箭头B的方向传热来从底部对坩埚内的熔料进行加热。然后，一部分热量经过熔料的对流和扩散传递至熔料表面，被表面的氩气带走（C），并且一部分热量经过固液界面的相变吸收后传递至晶体中（D），再由晶体表面辐射至氩气中（E）。因为底部处的加热器位于固液界面的熔体侧，所以能更有效地改变固液界面处的温度梯度。例如，当棱线的宽度变大时，说明固液界面处的轴向温度梯度变小了，此时需要增加下加热器功率，并且降低侧加热器的功率，让熔料中坩埚的最高温度往下移动，使浮力涡流的路径变长，导致固液界面处的轴向温度梯度变大。相反，当棱线的宽度变小时，说明固液界面处的轴向温度梯度变大了，就是散热变好了，此时需要降低下加热器功率，并且增大侧加热器的功率，让熔料中坩埚壁的最高温度往上移动，使浮力涡流的路径变短，导致固液界面处的轴向温度梯度变小。

另外，传统的加热器上通常施加恒定变化的功率，其需要较长的时间来将热量传递至固液界面。为了加快热平衡速度并避免失去单晶结构，与传统的加热方法不同，本发明使用阶梯式领先间隙加热法来更快速地达到热平衡。所述阶梯式领先间隙加热法根据加热功率的增加速率而采用增加-减小-增加的交替式加热功率渐进增加，或者根据加热功率的减小速率而采用减小-增加-减小的交替式加热功率渐进减小。

下面结合图7来具体地说明根据本发明的阶梯式领先间隙加热法。图7中示出了应用阶梯式领先间隙加热法时加热功率的阶梯式上升和加热功率的阶梯式下降。下面以图7中的阶梯式降温作为示例来进行说明。当将加热器的功率从84KW降低到72KW时，首先确定功率变化速率和步骤数目，功率变化得太快或太慢都会使晶体生长不顺，并且步骤数目也应合理选择。作为示例，在图7中将功率变化速率确定成1KW/MIN，并且将加热功率的阶梯式下降分成24个步骤，其中图7中的横坐标为步骤数，并且纵坐标为加热功率。其次，将功率变化速率的斜线作为参考线来预估例如第10个步骤的功率值，并且将此值作为第1至第3步骤的固定值。然后，将第6步骤处的参考线的值确定为第4至第6步骤的固定值。接着利用参考线预估第16个步骤的值来作为第6至第9步骤的固定值。以类似的方式来确定后面各步骤的值，从而得到共计24个步骤的加热功率的阶梯式下降。对于加热功率的阶梯式上升，各步骤功率值的确定与阶梯式下降类似，这里不再重复。

综上所述，本发明主要是通过实时地观测生长半导体单晶的棱线宽度来确定固液界面处的轴向温度梯度，并且进而对其进行控制，以达到生产无缺陷半导体单晶的目的。根据本发明的系统和方法生产的半导体单晶没有結晶缺陷，使得半导体芯片厂在器件的制造过程中不会因为硅片表面的結晶缺陷的影响而造成良率的损失。此外，根据本发明的系统和方法还可提高生产效率，降低生产成本。

上述实施例只是本发明的较佳实施，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围之内。

[1]L. Stockmeier, et al., J. Cryst. Growth, 515, 26 (2019)。

Claims (14)

1.一种用于半导体单晶生长的温度控制系统，所述系统包括：

图像采集装置，用于捕获固液界面处生长的晶棒的棱线的图像，从而确定所述界面处所述棱线的宽度；

加热装置，用于对坩埚加热；以及

温控装置，用于对所述加热装置的加热功率进行控制，其特征在于：

所述温控装置根据所述棱线宽度来对所述加热装置进行功率控制。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：晶棒的生长方向为100方向、110方向或111方向。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述加热装置包括分别设置于坩埚侧壁处和底部处的多个加热器，其中侧壁处的加热器从侧壁对坩埚进行加热并且底部处的加热器从底部对坩埚进行加热。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：当所述棱线宽度小于预定范围时，增加侧壁处的加热器的加热功率并且减小底部处的加热器的加热功率，从而减小固液界面处的轴向温度梯度；并且当所述棱线宽度大于预定范围时，减小侧壁处的加热器的加热功率并且增加底部处的加热器的加热功率，从而增加固液界面处的轴向温度梯度。

5.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于：使用阶梯式领先间隙加热法来增加或减小所述加热器的加热功率。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：所述阶梯式领先间隙加热法根据加热功率的增加速率而采用增加-减小-增加的交替式加热功率渐进增加，或者根据加热功率的减小速率而采用减小-增加-减小的交替式加热功率渐进减小。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的系统，其特征在于：所述图像采集装置为观察窗处的双线扫相机或单线扫相机。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：从图像中确定棱线的宽度包括界面边缘曲线提取、曲率计算和将曲率变化与阈值进行比较的步骤。

9.一种用于半导体单晶生长的温度控制的方法，包括：

由图像采集装置捕获固液界面处生长的晶棒的棱线的图像；

根据捕获的图像来确定所述棱线的宽度，

其特征在于：根据所述棱线的宽度来对坩埚进行加热。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：当所述棱线的宽度小于预定范围时，增加坩埚侧壁处的加热功率并且减小坩埚底部处的加热功率，从而减小固液界面处的轴向温度梯度；并且当所述棱线宽度大于预定范围时，减小坩埚侧壁处的加热功率并且增加坩埚底部处的加热功率，从而增加固液界面处的轴向温度梯度。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：使用阶梯式领先间隙加热法来增加或减小所述加热功率。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所述阶梯式领先间隙加热法根据加热功率的增加速率而采用增加-减小-增加的交替式加热功率渐进增加，或者根据加热功率的减小速率而采用减小-增加-减小的交替式加热功率渐进减小。

13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：从图像中确定棱线的宽度包括界面边缘曲线提取、曲率计算和将曲率变化与阈值进行比较。

14.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：晶棒的生长方向为100方向、110方向或111方向。

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