CN113302344A - 用于从熔体拉制柱形的晶体的方法 - Google Patents

Abstract

用于调节晶体（5）的直径的方法设置的是，维持恒定的晶体升高速度（13），并且为了调节直径，以如下方式对到晶体（5）的下周侧区域上的热入射产生影响，即改变包围晶体（5）的热屏蔽件（10）和熔体表面之间的环形间隙（12）的高度。这不仅对晶体直径产生影响，而且还导致在晶体的直径上恒定的竖直的温度梯度，这提高晶体（5）的均匀性。

Description

用于从熔体拉制柱形的晶体的方法

技术领域

本发明涉及一种借助拉晶设施用于从熔体拉制柱形的晶体的方法，拉晶设施具有：坩埚，在坩埚中存在熔体；坩埚加热器，其环形地包围坩埚；用于升高坩埚的坩埚升高装置；用于从熔体拉制晶体的晶体升高装置和环形地包围晶体的热屏蔽件，热屏蔽件的下棱边在形成环形间隙的情况下在熔体的上方结束。

背景技术

在根据切克劳斯基方法的晶体生长中，从热的熔体拉制晶体，其中熔体的原子以对于熔体材料来说典型的晶格结构安置在晶体的下端侧，从而在晶体从熔体缓慢拉出时（其中晶体冷却），产生刚性的晶格。在晶体的靠近熔体的层中，首先还存在固有的点缺陷、即空位、即未占据的晶格位置，和中间晶格原子、即晶格位置之间的原子，但是，如果以适当的参数实施拉制过程，那么固有的点缺陷成对湮灭，从而形成均匀的且基本无缺陷的晶格。该形式的晶体生长例如用于制造半导体工业所需的硅晶体。为此，从晶体切割出薄的片、即所谓的晶片，从晶片制造出集成电路。

通常，拉制过程应该设计为，使得被拉制的晶体具有尽可能恒定的直径，并且由于固有的点缺陷的尽可能完全的湮灭而具有高的均匀性。

DE 10 2013 210 687 A1描述了一种用于调节晶体的直径的方法，其中直接或间接在熔体表面上确定晶体的直径，并且将其与期望的额定直径比较。由此推导出适当的拉晶速度作为用于晶体升高装置的控制参量，从而形成期望的晶体直径。在WO 01/57294 A1和US 2011/0126757 A1中找到用于常规的直径调节的另外的示例。

在此，拉晶速度是晶体的相对速度，晶体利用该相对速度相对于熔体表面运动。因为该拉晶速度通常设置为使熔体表面相对于拉晶设施处于恒定高的绝对水平上，所以拉晶速度相应于绝对晶体升高速度、即晶体相对于拉晶设施的位置固定的部件的速度。

但拉晶速度也对晶体的均匀性产生影响。以如下方式导致固有的点缺陷的上述的修复，即在晶体的端侧上还存在的固有的点缺陷在晶体的下方的、靠近熔体的层中相互补偿，其方法是，中间晶格原子迁移到空位中。因为中间晶格原子和空位的扩散速度是不同的，所以只有当拉晶速度与晶体中的竖直的温度梯度处于特定的比例时，才能实现几乎完全的补偿。因为温度梯度是特定于材料和设施的，所以在将拉晶速度用作控制参量的直径调节中，拉晶速度与竖直的温度梯度的比以和拉晶速度相同的程度改变，从而该比例不总是具有为了得到尽可能均匀的晶体而所需的值。但是，集成电路的制造商需要这种均匀性，以便保持其生产废品很少。

在对硅-切克劳斯基过程的控制中，存在两个表征的时间尺度：

（A）几分钟到几十分钟的时间尺度，在该时间尺度上进行熔体对流的波动。由于切克劳斯基布置结构中的熔体的热不稳定的分层，因此存在典型的不稳定的并且经常甚至湍流的熔体对流，该熔体对流对通过熔体导致的热量和材料传输产生决定性的影响。因此，晶体的生长前端处的温度发生波动，这在实践中导致在毫米的长度尺度上的任意的直径波动；

（B）几小时到几十小时的时间尺度，在该时间尺度上，由于连续去除硅，熔体液位由于晶体的生长而发生改变，从在过程开始时的几乎满的坩埚到在过程结束时的几乎空的坩埚。由于熔体液位的连续改变，所以生长布置结构的宏观的几何形状、尤其是坩埚相对于主加热器和底部加热器的位置，以及自由的熔体表面与润湿的坩埚壁面的比例发生改变。

为了可以有针对性地设置一方面晶体直径、另一方面晶体品质、在此尤其是氧气浓度和点缺陷的浓度，在现有技术中总是使用至少两个调节回路，其中具有第一调节器的调节回路在时间尺度（A）上工作，并且因此主要补偿熔体对流的影响，而具有第二调节器的第二调节回路在时间尺度（B）上工作，并且因此主要补偿坩埚中的熔体液位的改变的影响。

第一调节器调整拉晶速度，而第二调节器设置坩埚加热器的功率。

因为根据现有技术借助拉晶速度的调整来进行调节晶体直径，并且拉晶速度由此受到连续的改变，所以被拉制的晶体的均匀性不会是最佳的。

发明内容

因此，本发明的任务是示出一种用于拉晶过程的调节算法，该调节算法提供均匀的和尽可能无缺陷的具有尽可能恒定的直径的晶体。

为了解决该任务，本发明设置的是，在熔体表面上测量晶体直径的实际值，并且将其与晶体直径的额定值比较，并且根据实际值和额定值之间的偏差、利用具有第一再调整时间的第一调节器设置环形间隙的高度，并且使拉晶速度保持恒定。

在现有技术（EP 2 659 031 B1或US 6,458,203 B1）中，虽然通常指出环形间隙的重要性，但并未明确说明在保持拉晶速度的情况下对其高度产生影响，从而将晶体直径调节为恒定的值。

晶体在其直接在熔体表面上方的周侧面上的温度不仅对晶体的均匀性还对形成的直径都有显著影响。如果因此可以通过适当的措施实现，在周侧面的下区域中不发生热放射，那么在晶体直径上的竖直的温度梯度是均匀的，从而在晶体的整个直径上的适当的拉晶速度中，存在拉晶速度和温度梯度的比例的最佳的值，其能够实现晶格空位和中间晶格原子的几乎完全的再结合。

此外示出的是，在侧面的热放射增强的情况下，晶体的边缘区域冷却，并且该晶体因此膨胀，或在热入射到晶体中时，该晶体收缩。因为在环形间隙增大时，通过辐射到达下方的晶体周侧面上的加热功率提高，所以晶体周侧面的表面温度提高，并且因此晶体中的远离相界的竖直的温度梯度/热流减小。因此，较少的潜在的热量可以从相界流走，这在相同的拉制速度的情况下导致晶体直径的减小。

热入射或热放射对晶体的均匀性的影响也已经在DE 10 2013 210 687 A1中被提到。为了可以对均匀性产生影响，除了坩埚加热器以外，还直接在晶体上设置环形加热器。环形加热器同样可以用于调节晶体的直径，其方法是，调节的控制参量旨在影响该环形加热器的电功率。但该处理方式具有以下缺点，即需要附加的环形加热器，附加的环形加热器此外位于热暴露的位置中，并且因此特别有故障危险。

因此，本发明设置的是，不使用附加的环形加热器，而是使用自身存在的坩埚加热器的热放射，坩埚加热器用于将熔体保持在特定的温度上。即坩埚加热器的热放射穿过环形间隙到达晶体的下周侧面，从而可以通过改变环形间隙高度来调节到晶体上的热入射或晶体的热放射。因此可以取消单独的环形加热装置。

优选地，第一再调整时间被选择为，使得在晶体的接触熔体的端面和熔体上的熔体对流的影响被补偿。因此，在时间尺度（A）中发生环形间隙高度的调整。

调节设置的是，在直径实际值小于额定值的情况下，环形间隙高度减小，并且在实际值大于额定值的情况下，环形间隙高度增大。

调节的另外的优点是，拉晶速度、即晶体相对于熔体表面运动的速度保持恒定。为此，考虑到熔体的体积损失的坩埚的升高速度和晶体的升高速度分别相对于设施以相同的程度改变，由此，虽然拉晶速度没有改变，但熔体表面与热屏蔽件的下棱边的距离和进而环形间隙的高度发生改变。

调节为此产生用于环形间隙高度的控制值。为此确定偏置速度。偏置速度不仅添加到坩埚的为了补偿熔体的体积消耗所需的升高速度的基本值，而且添加到晶体升高的在熔体表面的恒定的水平的情况下相应于期望的拉晶速度的速度的基本值。根据环形间隙高度是否应该增大或减小，偏置值是正的或负的。

因为两个速度以相同的程度改变，所以拉晶速度保持不受影响。然而，环形间隙高度被改变，从而熔体表面由于坩埚升高速度的改变而靠近或远离热屏蔽件的下边缘。

内部调节也与针对坩埚加热器的加热功率的外部调节重叠。因此，本发明设置的是，用于环形间隙高度的控制值作为实际值被输送，用于借助具有第二再调整时间的第二调节器调节坩埚加热器的加热功率，其中将平均的环形间隙高度预设为额定值。

在此，第二再调整时间被选择为，使得坩埚中的熔体表面的位置的在拉制过程期间形成的改变的影响被补偿。因此在时间尺度（B）上发生调节。

这意味着，第一再调整时间小于第二再调整时间。

在外部调节中，用于环形间隙高度的随时间平均的控制值作为实际值输送至加热功率控制器。这优选以如下方式实现，即控制值经由PT1过滤器作为经修改的控制值输送至加热功率控制器。

附图说明

随后，应该根据实施例详细阐述本发明。为此：

图1示出了根据切克劳斯基方法的拉晶设施的示意图；

图2示出了根据现有技术的调节系统；

图3示出了根据本发明的调节系统；并且

图4以图表形式示出了拉晶过程的记录。

具体实施方式

首先参考图1。根据图1，拉晶设施由设施壳体1构成，在设施壳体中存在被填充以熔体2的坩埚3。坩埚加热器4位于坩埚周围，借助坩埚加热器熔化坩埚3中的材料，并且随后保持温度。

柱形的晶体5借助晶体升高装置6缓慢地从熔体2拉出，其中熔体2的原子安置到晶体5的下端侧处，并且在晶体从熔体2拉出时形成晶格。在此，坩埚3中的材料被消耗，从而拉晶设施通常设置坩埚升高装置7，利用坩埚升高装置跟踪坩埚3，从而熔体表面相对于设施壳体1始终位于恒定的水平上。

晶体直径借助照相机8检测，照相机在过渡为熔体的过程中朝晶体的边缘指向。从由照相机8获得的图像可以推导出晶体直径。为此使用的图像评估方法对于本领域技术人员来说是已知的，并且因此在此不需要详细阐述。

借助控制装置9调节拉晶过程。控制装置包含照相机8的信息，并且将控制参量发送到晶体升高装置6和坩埚升高装置7。

为了可以使从熔体拉出的晶体逐渐冷却，需要包围晶体的热屏蔽件10，热屏蔽件使坩埚加热器4和热熔体的放射远离晶体5的周侧面的上区域。

热屏蔽件10的下棱边在熔体2的表面上方结束，从而在热屏蔽件10的棱边和熔体之间存在环形间隙12。通过环形间隙12，进行到晶体5的周侧面的下区域上的热入射。

为了控制拉晶过程要注意随后的参量：最终决定性的是拉晶速度，这是晶体相对于熔体表面的速度。该速度由晶体的绝对升高速度13、即晶体相对于设施运动的速度和熔体表面相对于设施的速度确定。如果该速度设置为零，熔体表面因此相对于设施保持在恒定的水平，那么拉晶速度相应于晶体的绝对升高速度13。

熔体表面相对于设施的速度在考虑到坩埚内的熔体表面基于材料消耗而下降的情况下、通过坩埚的绝对升高速度14确定。可以例如以如下方式确定坩埚的升高速度，即根据拉晶速度获知晶体5的材料消耗，从而通过坩埚3的相应的升高来补偿熔体表面相对于坩埚3的下降，从而使熔体表面相对于设施保持在恒定的水平。

图2中示出了一种调节系统，利用该调节系统根据现有技术调节拉晶过程，以便实现晶体的尽可能恒定的直径。该调节系统由直径调节器20构成，直径调节器在第一输入端21上得到直径实际值并且在第二输入端22上得到直径额定值。在直径调节器20的输出端23上输出用于晶体升高装置6的控制值。

为了阻止拉晶速度的太大的漂移，控制值也输送至PT1过滤器24，PT1过滤器的输出端25输送至调节器26用于作为实际值的平均拉晶速度。为此，在输入端27上存在用于平均拉晶速度的额定值。通过比较实际值和额定值，产生用于坩埚加热器4的加热功率的控制值，该控制值被输送至加热功率控制器28。

与之不同地，根据图3，根据本发明的调节系统由直径调节器30构成，在第一输入端31上，将用于晶体直径的实际值输送至该直径调节器，并且在第二输入端32上，将用于晶体直径的额定值输送至该直径调节器。在输出端33上，由直径调节器30产生用于环形间隙高度的控制值，该控制值被提供给环形间隙高度控制器34。

该环形间隙高度控制器在其输出端35上产生偏置值，偏置值不仅输送至晶体升高控制器36，而且还输送至坩埚升高控制器37。在控制器36、37中，偏置值被添加到坩埚升高速度14的基本值或晶体升高速度13的基本值，从而晶体升高速度13和坩埚升高速度14以相同的程度改变，而不用改变拉晶速度。坩埚升高基本值是以下值，利用该值，在考虑到消耗的情况下将熔体表面保持在恒定的水平。晶体升高基本值是期望的拉晶速度的值。

因此，对于本发明来说决定性的是，虽然晶体升高速度13发生改变，但拉晶速度不改变，晶体5利用该拉晶速度从熔体2升高。在此，坩埚3改变其位置，从而使熔体表面相对于热屏蔽件10的下棱边移位，由此，环形间隙12的高度发生改变。从坩埚加热器4到晶体的下方的周侧面中的热入射因此可以保持在一个值上，其中至少在晶体的下区域中不存在热放射，从而在恒定的拉晶速度中实现晶体5的恒定的直径和温度梯度与拉晶速度的最佳的比例。

在此，内部调节回路也与缓慢的外部调节回路重叠。用于间隙高度控制器的控制值通过PT1过滤器40输送至用于平均的环形间隙高度的调节器41。该值与额定值在用于平均的环形间隙高度的输入端42处比较，并且由此提供用于加热功率控制器28的相应的控制值。因为PT1过滤器40与用于环形间隙高度控制器34的控制值的随时间的改变成比例地改变对于加热功率控制器28来说重要的实际值，所以得到针对外部调节回路的缓慢的调节过程。

该图表在几个小时中示出利用照相机测得的晶体直径实际值（曲线50）、拉晶速度（曲线51）、环形间隙的高度（曲线52）和坩埚加热器的温度（曲线53）的随时间的改变过程。

在生长试验的第一阶段中（示出直到第一时间线54），晶体直径利用常规的调节器级联装置，通过内部调节回路中的拉制速度和外部调节回路中的主加热器的温度来调节。人们清楚地看到时间尺度（A）上的拉制速度（指示箭头55）的波动，波动与晶体直径（指示箭头56）的明显的改变有关。

随后（从第一时间线54开始），将拉晶设施的控制切换到根据本发明的调节，其中在内部调节回路中使用环形间隙高度，而此外在外部调节回路中使用主加热器的温度作为控制参量。可以看到，在切换之后，拉制速度完全保持恒定（指示箭头57），而现在环形间隙高度在时间尺度（A）上波动（指示箭头58）。在该调节中实现基本恒定的晶体直径（指示箭头59）。在第二时间线60上中断试验。

附图标记列表

1设施壳体

2熔体

3坩埚

4坩埚加热器

5晶体

6晶体升高装置

7坩埚升高装置

8照相机

9控制装置

10热屏蔽件

12环形间隙

13晶体升高速度

14坩埚升高速度

20直径调节器

21输入端

22输入端

23输出端

24 PT1过滤器

25输出端

26调节器

27输入端

28加热功率控制器

30直径调节器

31输入端

32输入端

33输出端

34环形间隙高度控制器

35输出端

36晶体升高控制器

37坩埚升高控制器

40 PT1过滤器

41调节器

42输入端

50曲线

51曲线

52曲线

53曲线

54时间线

55指示箭头

56指示箭头

57指示箭头

58指示箭头

59指示箭头

60时间线。

Claims (9)

1.借助拉晶设施用于从熔体（2）拉制柱形的晶体（5）的方法，所述拉晶设施具有：坩埚（3），在所述坩埚中存在熔体（2）；坩埚加热器（4），所述坩埚加热器环形地包围坩埚（3）；用于升高坩埚（3）的坩埚升高装置（7）；用于从熔体（2）拉制晶体（5）的晶体升高装置（6）和环形地包围晶体（5）的热屏蔽件（10），所述热屏蔽件的下棱边在形成环形间隙（12）的情况下在熔体（2）的上方结束，其特征在于，在熔体表面上测量晶体直径的实际值，并且将其与晶体直径的额定值比较，并且根据实际值和额定值之间的偏差、利用具有第一再调整时间的第一调节器设置环形间隙（12）的高度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一再调整时间被选择为，使得在晶体的接触熔体的端面和熔体上的熔体对流的影响被补偿。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在实际值小于额定值的情况下，环形间隙高度减小，并且在实际值大于额定值的情况下，所述环形间隙高度增大。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为了改变环形间隙高度，坩埚（3）的升高速度和晶体（5）的升高速度以相同的程度改变，从而拉晶速度保持恒定。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，针对坩埚的升高速度（14）设置一基本值，所述基本值补偿熔体（2）的体积消耗，针对晶体升高的速度（13）设置一基本值，并且为了调节环形间隙高度，将相同的偏置值添加到两个基本值。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，用于环形间隙高度的控制值作为实际值被输送，用于借助具有第二再调整时间的第二调节器调节坩埚加热器（4）的加热功率，其中将平均的环形间隙高度预设为额定值。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第二再调整时间被选择为，使得坩埚中的熔体表面的位置的在拉制过程期间形成的改变的影响被补偿。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一再调整时间小于所述第二再调整时间。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，用于环形间隙高度的控制值作为实际值经由PT1过滤器（40）输送至加热功率控制器（28）。

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