CN116145240A - 一种晶体生长的控制方法、装置、系统及计算机存储介质 - Google Patents

一种晶体生长的控制方法、装置、系统及计算机存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种晶体生长的控制方法、装置、系统及计算机存储介质，所示方法包括：获得不同晶体长度下的加热器功率的目标分段曲线，所述目标分段曲线相邻分段的交点为分段点；基于晶体长度值，通过插值计算获得所述长度值处的加热器功率，以作为加热器功率的控制值；基于不同晶体长度处的加热器功率的控制值获得加热器功率的目标控制曲线，所述加热器功率的目标控制曲线在所述分段点处平滑。根据本发明提供的晶体生长的控制方法、装置、系统及计算机存储介质，在加热器功率的目标分段曲线的基础上通过插值计算进一步获得平滑的加热器功率的目标控制曲线，降低晶体生长的直径和拉速的波动，降低晶体内原生缺陷的发生率，提高硅片产品的良率。

Description

一种晶体生长的控制方法、装置、系统及计算机存储介质
技术领域
本发明涉及晶体生长领域，具体而言涉及一种晶体生长的控制方法、装置、系统及计算机存储介质。
背景技术
随着集成电路(Integrated Circuit，IC)产业的迅猛发展，器件制造商对IC级硅单晶材料提出了更加严格的要求，而大直径单晶硅是制备器件所必须的衬底材料。提拉法(Czochralski，CZ法)是现有技术中由熔体生长单晶的一项最主要的方法，其具体做法是将构成晶体的原料放在坩埚中加热熔化，在熔体表面接籽晶提拉熔体，在受控条件下，使籽晶和熔体在交界面上不断进行原子或分子的重新排列，随降温逐渐凝固而生长出单晶体。
在制备硅单晶过程中，将直径较小的籽晶浸入硅熔体中，通过引晶生长出一段直径较细的细晶来排出位错以达到生长零位错晶体的目的。之后会通过放肩过程，使得晶体由细晶长大到目标直径，再通过等径生长获得所需要尺寸的晶体。其中晶体生长的等径过程是最关键的过程，需要在控制晶体的直径保持在恒定区间范围内的同时，限制晶体的提拉速度也在指定的范围内。如果发生直径偏离目标的波动(如图3所示)，在控制过程中该直径波动同时导致晶体的拉速波动，当晶体拉速超出目标拉速的某一范围时，晶体的内部出现空穴相关(COP)或位错族相关(A-defect)的缺陷，影响硅片的良率。
本发明提供一种晶体生长的控制方法、装置、系统及计算机存储介质，以解决上述技术问题。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
本发明提供了一种晶体生长的控制方法，包括：
获得不同晶体长度下的加热器功率的目标分段曲线，所述目标分段曲线相邻分段的交点为分段点；
基于晶体长度值，通过插值计算获得所述长度值处的加热器功率，以作为加热器功率的控制值；
基于不同晶体长度处的加热器功率的控制值获得加热器功率的目标控制曲线，所述加热器功率的目标控制曲线在所述分段点处平滑。
进一步，通过插值计算获得所述长度值处的加热器功率包括采用二次样条曲线的插值计算获得所述长度值处的加热器功率。
进一步，通过插值计算获得所述长度值处的加热器功率包括采用B样条曲线的插值计算获得所述长度值处的加热器功率。
进一步，获得不同晶体长度下的加热器功率的目标分段曲线包括：对历史晶体生长数据进行分析，以逐步迭代出在不同晶体长度下，加热器功率的目标分段曲线。
进一步，所述加热器功率的目标控制曲线在所述分段点处平滑包括在所述分段点前后所述加热器功率的目标控制曲线的一阶导数连续，所述曲线的一阶导数为曲线的斜率。
进一步，在获得所述加热器功率的控制值后，还包括基于晶体的直径偏差，进行所述加热器功率的偏差补正的步骤。
进一步，所述目标分段曲线的分段数量范围为30段至100段。
一种晶体生长的控制装置，所述装置包括：
目标分段曲线获得模块，用于获得不同晶体长度下的加热器功率的目标分段曲线，所述目标分段曲线相邻分段的交点为分段点；
插值计算模块，用于基于晶体长度值，通过插值计算获得所述长度值处的加热器功率，以作为加热器功率的控制值；
目标控制曲线获得模块，用于基于不同晶体长度处的加热器功率的控制值获得加热器功率的目标控制曲线，所述加热器功率的目标控制曲线在所述分段点处平滑。
本发明还提供了一种晶体生长的控制系统，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上且在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
本发明还提供了一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被计算机执行时实现上述方法的步骤。
根据本发明提供的晶体生长的控制方法、装置、系统及计算机存储介质，在加热器功率的目标分段曲线的基础上通过插值计算进一步获得平滑的加热器功率的目标控制曲线，降低晶体生长的直径和拉速的波动，降低晶体内原生缺陷的发生率，提高硅片产品的良率。
附图说明
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。
附图中：
图1示出了本发明实施例所提供的晶体生长的控制方法所使用的长晶炉的示意图；
图2示出了根据本发明实施例的晶体生长的控制方法的主要工艺流程示意图
图3示出了晶体直径发生偏离目标的波动的示意图；
图4示出了根据本发明实施例的不同晶体长度下的加热器功率的目标分段曲线的示意图；
图5示出了根据本发明实施例的采用二次样条曲线的插值计算获得加热器功率的目标控制曲线的示意图；
图6示出了根据本发明实施例的采用B样条曲线的插值计算获得加热器功率的目标控制曲线的示意图；
图7示出了本发明实施例的晶体生长的控制装置的示意性框图；
图8示出了本发明实施例的晶体生长的控制系统的示意性框图
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤，以便阐释本发明提出的晶体生长控制方法。显然，本发明的施行并不限定于半导体领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。
图1示出了本发明实施例所提供的晶体生长的控制方法所使用的长晶炉的示意图，如图1所示，所述长晶炉用于采用直拉法生长硅单晶，包括炉体101，炉体101中设有加热装置和提拉装置。加热装置包括石英坩埚102、石墨坩埚103、加热器104。其中，石英坩埚102用于盛放硅料，例如多晶硅。硅料在其中被加热为硅熔体105。石墨坩埚103包裹在石英坩埚102的外侧，用于在加热过程中对石英坩埚102提供支撑，加热器104设置在石墨坩埚103的外侧。石英坩埚102上方设置有热屏106，所述热屏106具有下伸的环绕硅单晶107生长区域的倒锥形屏状物，可阻断加热器104和高温硅熔体105对生长的单晶硅晶棒107的直接热辐射，降低单晶硅晶棒107的温度。同时，热屏还能够使下吹的保护气集中直接喷到生长界面附近，进一步增强单晶硅晶棒107的散热。炉体101侧壁上还设有保温材料，例如碳毡。
提拉装置包括竖直设置的籽晶轴108和坩埚轴109，籽晶轴108设置在石英坩埚102的上方，坩埚轴109设置在石墨坩埚103的底部，籽晶轴108的底部通过夹具安装有籽晶，其顶部连接籽晶轴驱动装置，使其能够一边旋转一边向上缓慢提拉。坩埚轴109的底部设有坩埚轴驱动装置，使坩埚轴109能够带动坩埚进行旋转。
在进行单晶生长时，首先在石英坩埚102中投放硅料，接着关闭长晶炉并抽真空，在长晶炉中充入保护气体。示例性地，所述保护气体为氩气，其纯度为99.9％以上，压力为5mbar-100mbar，流量为70slpm-200slpm。然后，打开加热器104加热使硅料(熔点温度1420℃)全部熔化为硅熔体105。
接着，将籽晶浸入硅熔体105中，通过籽晶轴108带动籽晶旋转并缓慢提拉，以使硅原子沿籽晶生长为单晶硅晶棒107。所述籽晶是由一定晶向的硅单晶切割或钻取而成，常用的晶向为<100>、<111>、<110>等，所述籽晶一般为圆柱体。单晶硅晶棒107的长晶过程依次包括引晶、放肩、转肩、等径及收尾几个阶段。
具体地，首先进行引晶阶段。即当硅熔体105稳定到一定温度后，将籽晶浸入硅熔体中，将籽晶以一定的拉速进行提升，使硅原子沿籽晶生长为一定直径的细颈，直至细颈达到预定长度。所述引晶过程的主要作用是为了消除因热冲击而导致单晶硅形成的位错缺陷，利用结晶前沿的过冷度驱动硅原子按顺序排列在固液界面的硅固体上，形成单晶硅。示例性地，所述拉速为1.0mm/min-6.0m/min，细颈长度为晶棒直径的0.6-1.4倍，细颈直径为5-7mm。
然后，进入放肩阶段，当细颈达到预定长度之后，减慢所述籽晶向上提拉的速度，同时略降低硅熔体的温度，进行降温是为了促进所述单晶硅的横向生长，即使所述单晶硅的直径加大，该过程称为放肩阶段，该阶段所形成的锥形晶棒为晶棒的放肩段。
接着，进入转肩阶段。当单晶硅的直径增大至目标直径时，通过提高加热器104的加热功率，增加硅熔体的温度，同时调整所述籽晶向上提拉的速度、旋转的速度以及石英坩埚的旋转速度等，抑制所述单晶硅的横向生长，促进其纵向生长，使所述单晶硅近乎等直径生长。
然后，进入等径阶段。当单晶硅晶棒直径达到预定值以后，进入等径阶段，该阶段所形成的圆柱形晶棒为晶棒的等径段。具体地，调整坩埚温度、拉晶速度、坩埚转速和晶体转速，稳定生长速率，使晶体直径保持不变，一直到拉晶完毕。等径过程是单晶硅生长的主要阶段，长达数几十小时甚至一百多小时的生长。
最后，进入收尾阶段。收尾时，加快提升速率，同时升高硅熔体105的温度，使晶棒直径逐渐变小，形成一个圆锥形，当锥尖足够小时，它最终会离开液面。将完成收尾的晶棒升至上炉室冷却一段时间后取出，即完成一次生长周期。
在长晶炉的炉盖上方，还安装有测量晶体直径的CCD测径装置，通过晶体的提拉机构内部的传感器，可以测量晶体的长度X，将晶体的长度X和直径D反馈到晶体生长的控制中心(PLC/PC)，通过对加热器的功率P(或者加热器的温度)和晶体的提拉速度V的调整，进行晶体的生长控制。
在单晶硅长晶过程的几个阶段中，等径阶段是最关键的过程，需要在控制晶体的直径保持在恒定区间范围内的同时，限制晶体的提拉速度也在指定的范围内。如果发生直径偏离目标的波动(如图3所示)，在控制过程中该直径波动同时导致晶体的拉速波动，当晶体拉速超出目标拉速的某一范围时，晶体的内部出现空穴相关(COP)或位错族相关(A-defect)的缺陷，影响硅片的良率。
鉴于上述问题的存在，本发明提出了一种用于晶体生长控制方法，如图2所示，其包括以下主要步骤：
步骤S201：获得不同晶体长度下的加热器功率的目标分段曲线，所述目标分段曲线相邻分段的交点为分段点；
步骤S202：基于晶体长度值，通过插值计算获得所述长度值处的加热器功率，以作为加热器功率的控制值；
步骤S203：基于不同晶体长度处的加热器功率的控制值获得加热器功率的目标控制曲线，所述加热器功率的目标控制曲线在所述分段点处平滑。
示例性地，获得不同晶体长度下的加热器功率的目标分段曲线包括：对历史晶体生长数据进行分析，以逐步迭代出在不同晶体长度下，加热器功率的目标分段曲线。
晶体生长的控制技术采用模型前馈(inter-batch)控制和实时反馈(in-situ)控制结合的方法。其中，模型前馈是根据历史晶体生长数据，对直径，拉速和加热器功率(或者加热器温度)设计目标值，实现控制的指引(guide)。实时反馈是根据晶体生长中的晶体直径进行实时监测采集数据，采用闭环PID控制实现对直径的偏差控制以及晶体的拉速控制。
进一步，历史晶体生长数据可以包括多个先前批次运行后总结的晶体生长数据。具体地，在晶体生长过程的中，分析发现，随着晶体生长的长度变化，生长装置内的热环境和位置条件在逐步发生变化，包括晶体的长度X和硅熔体的体积V，以及装有硅熔体的坩埚的位置，这样的变化条件下，加热器的功率也需要得到相应的变化，以保证晶体生长界面的晶体生长速率平稳。
在一个实施例中，通过对历史晶体生长数据进行分析，并逐步迭代，可以获得在不同晶体长度下，加热器功率的目标分段曲线，如图4所示。
需要说明的是，尽管图4中仅示出了若干分段，但分段的数量可以根据需要进行设置，通常，加热器功率的目标分段曲线的分段数量范围为30段至100段。
在获得上述加热器功率的目标分段曲线后，如果通过线性插值的方式计算相应长度处的加热器功率(如图4所示)，则获得的加热器功率的目标控制曲线与上述加热器功率的目标分段曲线完全一致。显然，加热器功率的目标分段曲线是不平滑的，在晶体长度在通过分段点时，功率的增减率发生较大变化，具体地，在分段点(以Ti+1为例)前后，所述加热器功率的目标分段曲线的斜率突然发生较大变化(由Ti-Ti+1分段的斜率，突变为Ti+1-Ti+2分段的斜率)。这个变化使得装置内部的加热器输出热量的变化率也相应改变，功率变化的微小偏离，在晶体生长的时间积累下，导致晶体生长界面的晶体生长速率变化，最终使得晶体直径和拉速偏离目标值。
为了使获得的加热器功率的目标控制曲线在所述分段点处平滑，在一个实施例中，通过插值计算获得所述长度值处的加热器功率包括采用二次样条曲线的插值计算获得所述长度值处的加热器功率，如图5所示。进一步，在获得所述加热器功率的控制值后，还包括基于晶体的直径偏差，进行所述加热器功率的偏差补正的步骤。
具体地，在插值计算中，不采用线性插值而是按照二次样条曲线的插值方法，二次样条曲线的函数表示为：P＝aiX2+biX2+ci。根据二次样条曲线的插值方法，其曲线的参数(ai，bi，ci)可以按照分段节点(i)和(i+1)坐标和端点的斜率计算得出。通过不断计算分段的二次样条曲线，实施插值计算，可以获得在分段点处平滑的加热器功率的目标控制曲线，这样，在所述分段点前后所述加热器功率的目标控制曲线的一阶导数连续，其中，所述曲线的一阶导数为曲线的斜率，从而保证功率的变化是连续平稳的，符合拉晶炉内的热量变化的需要。
为了使获得的加热器功率的目标控制曲线在所述分段点处平滑，在另一个实施例中，通过插值计算获得所述长度值处的加热器功率包括采用B样条曲线的插值计算获得所述长度值处的加热器功率，如图6所示。
类似地，在插值计算中，不采用线性插值而是按照B样条曲线(即，Bezier样条曲线)的插值方法，根据B样条曲线的插值方法，同样可以获得在分段点处平滑的加热器功率的目标控制曲线，这样，在所述分段点前后所述加热器功率的目标控制曲线的一阶导数连续，其中，所述曲线的一阶导数为曲线的斜率，从而保证功率的变化是连续平稳的，符合拉晶炉内的热量变化的需要。
在本发明实施例中，按照通过采用二次样条曲线或B样条曲线的插值方法获得的在分段点处平滑的加热器功率的目标控制曲线来进行加热器功率控制，与按照采用线性插值获得的加热器功率的目标分段曲线来进行热器功率控制相比，晶体直径最大波动率明显降低，其中，所述晶体直径最大波动率表示晶体的最大直径或最小直径与目标直径的偏差与目标直径的比值。具体地，晶体头部直径最大波动率由±2％降至±0.5％，晶体中部直径最大波动率由±0.3％降至±0.1％，晶体尾部直径最大波动率由±0.6％降至±0.2％。综上，晶体直径最大波动率降低使得晶体良率升高，具体地，晶体的平均良率由80％上升至90％。
根据本发明提供的晶体生长的控制方法，在加热器功率的目标分段曲线的基础上通过插值计算进一步获得平滑的加热器功率的目标控制曲线，降低晶体生长的直径和拉速的波动，降低晶体内原生缺陷的发生率，提高硅片产品的良率。
如图7所示，根据本发明实施例的晶体生长的控制装置700包括目标分段曲线获得模块701、插值计算模块702和目标控制曲线获得模块703。
目标分段曲线获得模块701，用于获得不同晶体长度下的加热器功率的目标分段曲线，所述目标分段曲线至少包括第一长度分段和第二长度分段，所述第一长度分段与所述第二长度分段的交点为分段点；
插值计算模块702，用于基于晶体长度值，通过插值计算获得所述长度值处的加热器功率，以作为加热器功率的控制值；
目标控制曲线获得模块703，用于基于不同晶体长度处的加热器功率的控制值获得加热器功率的目标控制曲线，所述加热器功率的目标控制曲线在所述分段点处平滑。
其中，通过插值计算获得所述长度值处的加热器功率包括采用二次样条曲线的插值计算获得所述长度值处的加热器功率；通过插值计算获得所述长度值处的加热器功率包括采用B样条曲线的插值计算获得所述长度值处的加热器功率；获得不同晶体长度下的加热器功率的目标分段曲线包括：对历史晶体生长数据进行分析，以逐步迭代出在不同晶体长度下，加热器功率的目标分段曲线；所述加热器功率的目标控制曲线在所述分段点处平滑包括在所述分段点前后所述加热器功率的目标控制曲线的一阶导数连续，其中，所述曲线的一阶导数为曲线的斜率；在获得所述加热器功率的控制值后，还包括基于晶体的直径偏差，进行所述加热器功率的偏差补正的步骤；所述目标分段曲线的分段数量范围为30段至100段。
图8示出了根据本发明实施例的晶体生长的控制系统800的示意性框图。晶体生长控制系统800包括存储器810以及处理器820。
所述存储器810存储用于实现根据本发明实施例的晶体生长的控制方法中的相应步骤的程序代码。
所述处理器820用于运行所述存储器810中存储的程序代码，以执行根据本发明实施例的晶体生长的控制方法的相应步骤，并且用于实现根据本发明实施例的晶体生长的控制装置中的目标分段曲线获得模块701、插值计算模块702和目标控制曲线获得模块703。
在一个实施例中，在所述程序代码被所述处理器820运行时执行上述的晶体生长的控制方法。
此外，根据本发明实施例，还提供了一种存储介质，在所述存储介质上存储了程序指令，在所述程序指令被计算机或处理器运行时用于执行本发明实施例的晶体生长的控制方法的相应步骤，并且用于实现根据本发明实施例的晶体生长的控制装置中的相应模块。所述存储介质例如可以包括平板电脑的存储部件、个人计算机的硬盘、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、便携式紧致盘只读存储器(CD-ROM))、USB存储器、或者上述存储介质的任意组合。所述计算机可读存储介质可以是一个或多个计算机可读存储介质的任意组合，例如一个计算机可读存储介质包含用于随机地生成动作指令序列的计算机可读的程序代码，另一个计算机可读存储介质包含用于进行晶体生长的控制的计算机可读的程序代码。
在一个实施例中，所述计算机程序指令在被计算机运行时可以实现根据本发明实施例的晶体生长的控制装置的各个功能模块，并且/或者可以执行根据本发明实施例的晶体生长的控制方法。
在一个实施例中，所述计算机程序指令在被计算机运行时执行以上晶体生长的控制方法。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (10)

1.一种晶体生长的控制方法，其特征在于，包括：
获得不同晶体长度下的加热器功率的目标分段曲线，所述目标分段曲线相邻分段的交点为分段点；
基于晶体长度值，通过插值计算获得所述长度值处的加热器功率，以作为加热器功率的控制值；
基于不同晶体长度处的加热器功率的控制值获得加热器功率的目标控制曲线，所述加热器功率的目标控制曲线在所述分段点处平滑。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过插值计算获得所述长度值处的加热器功率包括采用二次样条曲线的插值计算获得所述长度值处的加热器功率。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过插值计算获得所述长度值处的加热器功率包括采用B样条曲线的插值计算获得所述长度值处的加热器功率。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，获得不同晶体长度下的加热器功率的目标分段曲线包括：对历史晶体生长数据进行分析，以逐步迭代出在不同晶体长度下，加热器功率的目标分段曲线。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加热器功率的目标控制曲线在所述分段点处平滑包括在所述分段点前后所述加热器功率的目标控制曲线的一阶导数连续，所述曲线的一阶导数为曲线的斜率。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在获得所述加热器功率的控制值后，还包括基于晶体的直径偏差，进行所述加热器功率的偏差补正的步骤。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标分段曲线的分段数量范围为30段至100段。
8.一种晶体生长的控制装置，其特征在于，所述装置包括：
目标分段曲线获得模块，用于获得不同晶体长度下的加热器功率的目标分段曲线，所述目标分段曲线相邻分段的交点为分段点；
插值计算模块，用于基于晶体长度值，通过插值计算获得所述长度值处的加热器功率，以作为加热器功率的控制值；
目标控制曲线获得模块，用于基于不同晶体长度处的加热器功率的控制值获得加热器功率的目标控制曲线，所述加热器功率的目标控制曲线在所述分段点处平滑。
9.一种晶体生长的控制系统，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上且在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。
10.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被计算机执行时实现权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。
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