CN114908415A - 用于生长硅单晶锭的方法和装置 - Google Patents

Abstract

实施例提供了一种生长硅单晶锭的方法，该方法包括使用提拉法生长晶体取向为(111)的硅单晶锭，测量硅单晶锭的直径，计算硅单晶锭的刻面的长度，基于计算出的刻面长度计算籽晶的旋转速度的校正公式和硅单晶锭的提拉速度的校正公式，并基于计算的结果校正籽晶的旋转速度和硅单晶锭的提拉速度。

Description

用于生长硅单晶锭的方法和装置

本申请要求于2021年2月9日提交的韩国专利申请第10-2021-0018275号的权益，该专利申请通过引用整体并入本文，如在本文中充分阐述的。

发明背景

技术领域

实施例涉及硅单晶锭(ingot)的生长，更具体地，实施例旨在控制在生长晶体取向为(111)的硅单晶锭时出现的刻面(facet)长度和目标直径之间的差。

背景技术

一般硅晶圆是通过以下工艺制造的：生长硅单晶以制备单晶(锭)，将单晶切片以获得薄的盘形晶圆，研磨晶圆以去除因切片的机械加工而残留在晶圆上的损伤，抛光晶圆，以及清洁以对经抛光的晶圆进行镜面抛光并去除附着在晶圆上的磨料或异物。

在上述过程中生长硅单晶的过程中，可以在腔室中以高温加热充满高纯度硅熔体的生长熔炉以熔化原材料后通过提拉法(Czochralski method，以下称为“CZ”法)等生长硅单晶。

影响通过提拉法生长的硅单晶锭的质量的因素是V/G，其是固体-液体界面处的提拉速度(V)和温度梯度(G)的比率。因此，在生长硅单晶锭的整个时间段中控制V/G非常重要。

因此，可使用自动生长控制器(AGC)来控制硅单晶锭的提拉速度。AGC接收当前提拉速度，将设定提拉速度与接收到的当前提拉速度进行比较，然后通过适当的控制逻辑发送反馈控制操作。控制操作的信号与目标温度的轨迹信号相结合，以便调整要传送到自动温度控制器(ATC)的设定值，从而允许设定值跟随设定的目标轨迹。另外，由于提拉速度被指定为控制硅单晶锭直径的自动直径控制器(ADC)的操作变量，因此提拉速度可通过AGC操作在长时间段内进行调整，同时通过ADC控制操作显示短时间的波动。

图1A至图1C分别示出了相对应的晶体取向的硅单晶锭的形状。

参考图1A至图1C，四个节点可以形成在(100)晶体中主体的表面上，两个节点和四个小刻面可以形成在(110)晶体中主体的表面上，并且三个刻面可以形成在(111)晶体中主体的表面上。这里，在(111)晶体中形成的刻面的长度大于在(110)晶体中形成的刻面的长度。例如，在(111)晶体中形成的刻面的长度可以是50毫米或更大。

由于晶体取向为(100)的硅单晶锭没有形成刻面，因此晶体取向为(100)的硅单晶锭可以生长到目标直径。然而，由于晶体取向为(111)的硅单晶锭形成有刻面，因此晶体取向为(111)的硅单晶锭需要生长得大于目标直径，以便具有目标有效直径。这里，可能会出现一个问题，即，除了刻面的硅单晶锭的边缘应在生长后通过研磨去除。

另外，当刻面进入由ADC照明的表面而晶体取向为(111)的硅单晶锭正在生长时，确定锭的直径瞬时减小。然后，确定要减小的锭的直径可被传送到AGC和ATC逻辑，这可能导致硅单晶锭的提拉速度的误差。

上述误差导致生长的硅单晶锭的直径变化并且其主体区域可能减小的问题，从而降低硅单晶锭的制造成品率。

发明内容

因此，本发明涉及一种用于生长硅单晶锭的方法和装置，其基本上避免了由于相关技术的限制和缺点而导致的一个或多个问题。

本发明的目的是提供一种用于生长锭的方法和装置，以通过(特别是在生长晶体取向为(111)的硅单晶锭时)控制刻面的长度使其具有制造晶圆所需的足够的直径。

本发明的附加优点、目的和特征将在下面的描述中部分阐述，并且在对以下内容进行检查后，对于本领域的普通技术人员，部分将变得显而易见，或者可以从本发明的实践中学习。本发明的目的和其他优点可以通过在本发明的书面说明书和权利要求以及附图中特别指出的结构来实现和获得。

为了实现这些目的和其他优点，并根据本发明的目的，如本文所体现和广泛描述的，提供了一种生长硅单晶锭的方法，该方法包括使用提拉法生长晶体取向为(111)的硅单晶锭，测量硅单晶锭的直径，计算硅单晶锭的刻面长度，基于计算出的刻面长度计算籽晶的旋转速度的校正公式和硅单晶锭的提拉速度的校正公式，根据计算的结果校正籽晶的旋转速度和硅单晶锭的提拉速度。

在计算硅单晶锭的刻面长度时，可以通过使用自动直径控制(ADC)传感器在规则间隔处测量由籽晶的旋转引起的硅单晶锭的直径变化。

通过公式S1＝2R×sin(3B)来计算刻面长度S1。此处，B rpm(每分钟转数)表示籽晶的旋转速度，R表示硅单晶锭的直径。ADC传感器每秒可以测量硅单晶锭的直径变化十次。

当计算出的刻面长度S1和预设的刻面长度S0之间的差的绝对值超过5mm时，可以校正籽晶的旋转速度和硅单晶锭的提拉速度中的至少一者。

当计算出的刻面长度S1和预设的刻面长度S0之间的差的绝对值为5mm或更小时，保持籽晶的旋转速度和硅单晶锭的提拉速度而不变化。

当计算出的刻面长度S1大于预设的刻面长度S0时，籽晶的旋转速度可减小通过将S1-S0的值乘以第一校正系数而获得的值。

当计算出的刻面长度S1小于预设的刻面长度S0时，籽晶的旋转速度可增加通过将S1-S0的值乘以第一校正系数而获得的值。

当计算出的刻面长度S1大于预设的刻面长度S0时，硅单晶锭的提拉速度可减小通过将S1-S0的值乘以第二校正系数而获得的值。

当计算出的刻面长度S1小于预设的刻面长度S0时，硅单晶锭的提拉速度可增加通过将S1-S0的值乘以第二校正系数而获得的值。

预设的刻面长度S0可以是硅单晶锭直径R的10％到30％。

在本发明的另一方面，一种用于生长硅单晶锭的装置，所述装置包括腔室；坩埚，所述坩埚放置在所述腔室中，并且在其中包含硅熔体；加热器，所述加热器放置在所述腔室中并且围绕所述坩埚；水冷管，所述水冷管固定在所述腔室的内部上部，并被设置在生长以从所述坩埚中提拉的硅单晶锭周围；隔热件，所述隔热件设置在所述坩埚的上部；自动直径控制(ADC)传感器，所述自动直径控制(ADC)传感器被配置为测量晶体取向为(111)的被生长并从所述硅熔体中提拉的硅单晶锭的直径；以及控制器，所述控制器被配置为基于由所述ADC传感器测量的直径来计算所述硅单晶锭的刻面的长度，以便执行如上所述的方法。

应当理解，本发明的前述一般描述和以下详细描述都是示例性的和解释性的，并且旨在提供如要求保护的本发明的进一步解释。

附图说明

包括附图以提供对本发明的进一步理解，附图并入本申请并构成本申请的一部分，附图示出了本发明的(多个)实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：

图1A至图1C各自示出了相对应的晶体取向的硅单晶锭的形状；

图2示出了用于生长硅单晶锭的装置的实施例；

图3示出了生长硅单晶锭的方法的实施例；

图4示出了使用ADC传感器对刻面的测量结果；

图5示出了获得刻面的长度的过程；以及

图6示出了通过图2的装置和通过图3的方法生长的硅单晶锭的纵向形状。

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细描述本发明的实施例。

本发明的实施例可以被修改为各种形式，并且本发明的范围不应被解释为限于以下实施例。提供这些实施例以使得本公开将是透彻且完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本公开的范围。

另外，以下描述中使用的诸如例如，“第一”、“第二”、“上(on)”/“上部(upper)”/“上方(above)”和“下(beneath)”/“下部(lower)”/“下方(below)”等的相对术语可用于区分任何一种物质或元素与另一种物质或元素，而不需要或包含这些物质或元素之间的任何物理或逻辑关系或顺序。

图2示出了用于生长硅单晶锭的装置的实施例。

根据本实施例的用于生长硅单晶锭的装置1000可包括：腔室100，腔室100中形成用于从硅熔体(Si熔体)生长硅单晶锭的空间；坩埚200和250，被配置为在其中包含硅熔体；加热器400，被配置为加热坩埚200和250；坩埚旋转单元300，被配置为旋转和提升坩埚200和250；隔热件600，位于坩埚200和250上方以阻挡加热器400的热量朝向硅单晶锭；以及水冷管500，被设置在腔室100的内部上部，并被配置为在高温硅单晶被提拉时冷却该高温硅单晶；惰性气体供应单元(未示出)，被配置为向腔室100的内部区域供应惰性气体；自动直径控制(ADC)传感器700，被配置为测量从硅熔体生长和提拉的硅单晶锭的直径；以及控制器800，被配置为基于ADC传感器700测量的直径计算硅单晶锭的刻面的长度，以及基于计算出的刻面长度计算籽晶10的旋转速度的校正公式和硅单晶锭的提拉速度的校正公式。

腔室100提供执行用于从硅熔体(Si熔体)形成硅单晶锭的预定过程的空间。此处，被生长的硅单晶锭可具有(111)晶体。

坩埚200和250可设置在腔室100内，以在其中容纳硅熔体。坩埚200和250可包括与硅熔体直接接触的第一坩埚200和包围并支撑第一坩埚200的外表面的第二坩埚250。第一坩埚200可由石英制成，第二坩埚250可由石墨制成。

可将第二坩埚250分为两块或四块，以准备通过加热使第一坩埚200膨胀。例如，当第二坩埚250分为两块时，在两块之间形成间隙，使得即使第二坩埚250内的第一坩埚200膨胀，也不会损坏第二坩埚250。

可在腔室100中提供绝热材料，以防止加热器400的热量被排出。在本实施例中，仅显示坩埚200和250上方的隔热件600，但可分别在坩埚200和250的侧面以及坩埚200和250下方设置绝热材料。

加热器400可熔化坩埚200和250中供应的多晶硅以形成硅熔体(Si熔体)，并且可以从被设置在加热器400上方的电流供应负载(未示出)来供应电流。

设置在腔室100外部的磁场生成单元(未示出)可向坩埚200和250施加水平磁场。

被设置在坩埚200和250的底面中心的坩埚旋转单元300可支撑坩埚200和250并提升或旋转坩埚200和250。从在坩埚200和250上方的籽晶卡盘10悬浮的籽晶(未示出)可浸入硅熔体(Si熔体)中，并且硅单晶锭可随着硅熔体从籽晶固化而生长。

在生长硅单晶锭的过程中，可向腔室100的内部供应惰性气体，例如，氩气(Ar)。在本实施例中，可从惰性气体供应单元(未示出)供应氩气。

在图示区域中腔室100可部分地开放，并且ADC传感器700可被设置在开放区域中。ADC传感器700可测量硅单晶锭的直径，例如，ADC传感器700可测量在与硅熔体(Si熔体)的界面处生长的硅单晶锭的直径。

可以将来自上述测量的结果传送到控制器800。然后，控制器800可计算籽晶10的旋转速度的校正公式和硅单晶锭的提拉速度的校正公式。控制器800如何执行此类计算可在后面描述。

图3示出了生长硅单晶锭的方法的实施例。根据本实施例的方法是使用图2的装置生长硅单晶锭并且校正籽晶的旋转速度和硅单晶锭的提拉速度以便控制刻面长度的方法。

首先，可在步骤S100中使用提拉法生长晶体取向为(111)的硅单晶锭。可通过将籽晶浸入硅熔体中，从颈部生长肩部和主体，最后生长尾部来生长单晶锭。

在生长硅单晶锭的同时，可以测量单晶锭的直径、测量刻面的长度以及校正籽晶的旋转速度和锭的提拉速度(将在后面描述)。

在步骤S110中使用ADC传感器测量硅单晶锭的直径之后，可以在步骤S120中测量硅单晶锭的刻面长度。这里，可以如下所述通过计算由ADC传感器测量的直径来获得硅单晶锭的刻面长度，并且可以使用ADC传感器以规则的间隔测量由于籽晶旋转引起的硅单晶锭的直径的变化。

图4示出了使用ADC传感器对刻面的测量结果。例如，示出了为了制造半径为200mm的晶圆的硅单晶锭的生长。

当在生长硅单晶锭的同时使用ADC传感器读取晶体取向为(111)的硅单晶锭的直径时，可以读取到在刻面区域中直径相对减小得更多。在图4中，T表示目标刻面测量时间。当实际刻面的长度大于目标刻面的长度时，实际刻面的直径小于目标刻面的直径，并且实际刻面测量时间T’进一步增大。

图5示出了获得刻面的长度的过程。图5是示出在水平方向上切割的旋转锭的视图。

在图5中，例如，当ADC传感器每秒读取硅单晶锭的刻面区域上的数据十次并且籽晶的旋转速度为B rpm(每分钟转数)时，锭的直径可以是2R(mm)，刻面的长度可以是S(mm)，每预定时间锭的旋转角度可以是6B(°/sec)。

此处，公式sin(3B)＝S/2B是根据正弦定理推导出来的，从而推导出公式S＝2R×sin(3B)。

通过ADC传感器测量的值和控制器的计算所获得的上述刻面的值可以是S1。此处，当刻面的长度太大时，不能在硅单晶锭的主体区域中实际制造晶圆，因此有必要调整刻面的长度，使其不变得太大。

另外，当减小籽晶的旋转速度或减小锭的提拉速度时，刻面的长度可以缩短。因此，为了不使刻面的长度增加太多，可执行如下校正。

步骤S130中基于通过测量和计算获得的刻面长度计算籽晶旋转速度的校正公式和硅单晶锭提拉速度的校正公式的过程如下。

当上述计算出的刻面长度S1和预设的刻面长度S0之间的差的值超过预定范围时，可以校正籽晶的旋转速度和硅单晶锭的提拉速度中的至少一者。

例如，当预定范围为5mm并且计算出的刻面长度S1和预设的刻面长度S0之间的差的绝对值超过5mm时，可以校正籽晶的旋转速度和硅单晶锭的提拉速度中的至少一者。另一方面，当计算出的刻面长度S1和预设的刻面长度S0之间的差的绝对值为5mm或更小时，可以保持籽晶的旋转速度和硅单晶锭的提拉速度而不发生变化。

此处，预设的刻面长度S0可以是硅单晶锭直径R的10％到30％。在晶体取向为(111)的硅单晶锭的情况下，S0可以是硅单晶的直径R的10％或更多。当S0超过R的30％时，生长的锭的主体的直径变得太小，从而使得在诸如研磨之类的过程之后难以制造所需尺寸的晶圆。当S0超过R的10％时，晶体取向为(111)的单晶可能无法适当生长，并且硅单晶可能破裂。

下文中，将详细描述校正籽晶的旋转速度和硅单晶锭的提拉速度的方法。首先，将描述校正籽晶的旋转速度的方法作为示例。

当计算出的刻面长度S1大于预设的刻面长度S0时，籽晶的旋转速度可减小通过将S1-S0的值乘以第一校正系数而获得的值。当计算出的刻面长度S1小于预设的刻面长度S0时，籽晶的旋转速度可增加通过将S1-S0的值乘以第一校正系数而获得的值。

此处，第一校正系数可以是例如0.1，并且籽晶的旋转速度可以改变0.2rpm，但不限于此。

下文中，将描述校正锭的提拉速度的方法作为实例。

当计算出的刻面长度S1大于预设的刻面长度S0时，硅单晶锭的提拉速度可减小通过将S1-S0的值乘以第二校正系数而获得的值。当计算出的刻面长度S1小于预设的刻面长度S0时，硅单晶锭的提拉速度可增加通过将S1-S0的值乘以第二校正系数而获得的值。

此处，第二校正系数可以是例如0.0003，并且锭的提拉速度可以改变0.001mm/min，但不限于此。

然后，基于上述计算结果，在步骤S140中校正籽晶的旋转速度和硅单晶锭的提拉速度，使得硅单晶锭的主体区域中的刻面的长度不会变得太大。

图6示出了通过图2的装置和通过图3的方法生长的硅单晶锭的纵向形状。

以从籽晶到尾部的方向，晶体取向为(111)的硅单晶锭的主体可分为A、B、C和D，并且区域A到D中的每个区域中的刻面的长度如图6所示。

在区域B中，可能产生晶花，即，该区域中的直径可能不规则且不均匀。这可能允许研磨过程后直径保持小于晶圆直径，从而难以制造晶圆。

在区域A和D中，刻面的长度可为5到6.5厘米(cm)，由此在研磨后可能存在小于晶圆直径的部分。因此，非常需要执行上述方法中的籽晶旋转和锭的提拉速度的校正。

在区域C中，刻面的长度为约3cm，并且研磨后可以没有小于晶圆直径的部分。

在根据本实施例的用于生长硅单晶锭的方法和装置中，在生长晶体取向为(111)的硅单晶锭主体时测量刻面的长度，使得当刻面长度过短或过长时，调整籽晶的旋转速度和锭的提拉速度。因此，硅单晶锭可生长到足以制造晶圆的直径而不会被损坏。

对本领域技术人员显而易见的是可以对本发明作出各种修改和变化而不背离本发明的精神或范围。因此，本发明旨在涵盖本发明的多种修改和变化，只要这些修改和变化在所附权利要求书及其等效方案的范围内。

Claims (11)

1.一种生长硅单晶锭的方法，所述方法包括：

使用提拉法生长晶体取向为(111)的硅单晶锭；

测量所述硅单晶锭的直径；

计算所述硅单晶锭的刻面的长度；

基于计算出的刻面长度，计算用于籽晶的旋转速度的校正公式和用于所述硅单晶锭的提拉速度的校正公式；以及

基于计算的结果，校正所述籽晶的所述旋转速度和所述硅单晶锭的所述提拉速度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在计算所述硅单晶锭的所述刻面的所述长度时，通过使用自动直径控制(ADC)传感器以规则的间隔测量由所述籽晶的旋转引起的所述硅单晶锭的所述直径的变化。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，通过公式S1＝2R×sin(3B)计算刻面长度S1，B rpm(每分钟转数)表示所述籽晶的旋转速度，并且R表示所述硅单晶锭的所述直径，并且所述ADC传感器每秒测量所述硅单晶锭的直径的变化十次。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，当计算出的刻面长度S1和预设的刻面长度S0之间的差的绝对值超过5mm时，校正所述籽晶的所述旋转速度和所述硅单晶锭的所述提拉速度中的至少一者。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，当计算出的刻面长度S1和预设的刻面长度S0之间的差的绝对值为5mm或更小时，保持所述籽晶的所述旋转速度和所述硅单晶锭的所述提拉速度而不变化。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，当所述计算出的刻面长度S1大于所述预设的刻面长度S0时，所述籽晶的所述旋转速度减小通过将S1-S0的值乘以第一校正系数而获得的值。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，当所述计算出的刻面长度S1小于所述预设的刻面长度S0时，所述籽晶的所述旋转速度增加通过将S1-S0的值乘以第一校正系数而获得的值。

8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，当所述计算出的刻面长度S1大于所述预设的刻面长度S0时，所述硅单晶锭的所述提拉速度减小通过将S1-S0的值乘以第二校正系数而获得的值。

9.如权利要求4所述的方法，其特征在于，当所述计算出的刻面长度S1小于所述预设的刻面长度S0时，所述硅单晶锭的所述提拉速度增加通过将S1-S0的值乘以第二校正系数而获得的值。

10.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述预设的刻面长度S0是所述硅单晶锭的所述直径R的10％到30％。

11.一种用于生长硅单晶锭的装置，所述装置包括：

腔室；

坩埚，所述坩埚放置在所述腔室中，并且在其中包含硅熔体；

加热器，所述加热器放置在所述腔室中并且围绕所述坩埚；

水冷管，所述水冷管固定在所述腔室的内部上部，并被设置在生长以从所述坩埚中提拉的硅单晶锭周围；

隔热件，所述隔热件设置在所述坩埚的上部；

自动直径控制(ADC)传感器，所述自动直径控制(ADC)传感器被配置为测量晶体取向为(111)的硅单晶锭的直径，所述硅单晶锭被生长并从所述硅熔体提拉；以及

控制器，所述控制器被配置为基于由所述ADC传感器测量的直径来计算所述硅单晶锭的刻面的长度，以便执行权利要求1至10中的方法。

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