CN116288660A - 一种用于单晶硅棒生长的液面间距的控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种用于单晶硅棒生长的液面间距的控制系统及方法；所述控制系统包括：设置于热屏下部的L型石英硝，所述石英硝的测量端垂直于待测熔体液面且沿竖直向下方向，并且低于所述热屏的最低点；图像检测单元，经配置为获取所述测量端与所述测量端在所述待测熔体液面上形成的倒影之间的像素距离；与所述图像检测单元电连接的埚升校准单元，所述埚升校准单元经配置为根据所述像素距离确定所述测量端与所述待测熔体液面之间的实际距离；与所述埚升校准单元电连接的增益控制单元，所述增益控制单元经配置为基于所述实际距离，按照设定的校准条件来校准埚升速度。

Description

一种用于单晶硅棒生长的液面间距的控制系统及方法

技术领域

本发明实施例涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种用于单晶硅棒生长的液面间距的控制系统及方法。

背景技术

目前，单晶硅棒是大多数半导体元器件的基底材料，其中绝大多数的单晶硅棒都是由切克劳斯基(Czochralski)法，又或被称之为直拉法制造。该方法运用熔体的冷凝结晶驱动原理，在固体和液体的交界面处，由于熔体温度下降产生由液体转换成固态的相变化。具体来说，通过将多晶硅原料放置于石英坩埚内加热熔化，在单晶硅棒制造过程中，首先让籽晶与熔体相接触，使固液界面处的熔体沿着籽晶冷却结晶，并通过缓慢拉出籽晶而生长出单晶硅棒。通常来说，在缩颈工艺完成之后通过降低拉速或熔体温度来放大晶体生长直径直至达到目标直径；在转肩工序之后，通过控制拉速和熔体温度使晶体生长进入“等径生长”阶段，最后，通过增大拉速和提高熔体温度使晶体生长面的直径逐步减小形成尾锥，直至最后晶体离开熔体表面，即完成了整根单晶硅棒的制造。

在单晶硅棒的生长过程中，根据Voronkov的缺陷理论，晶体生长界面附近处的温度梯度是决定晶体内微缺陷形成的关键因素之一。另一方面，由晶体生长界面处温度梯度决定的界面形状也对晶体生长的稳定性、均匀性等起到了关键影响。因此，为生长得到集成电路(Integrated Circuit，IC)用的单晶硅棒，必须严格控制晶体生长界面处的温度梯度。众所周知地，在带有热屏结构的热场中，熔体液面与热屏之间的距离显著影响晶体生长界面处的温度梯度，因此在单晶硅棒生长过程中需要严格控制熔体液面与热屏之间的距离。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例期望提供一种用于单晶硅棒生长的液面间距的控制系统及方法；能够有效降低因液面间距的波动而引起的单晶硅棒品质的变化，提升单晶硅棒的生产品质。

本发明实施例的技术方案是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供了一种用于单晶硅棒生长的液面间距的控制系统，所述控制系统包括：

设置于热屏下部的L型石英硝，所述石英硝的测量端垂直于待测熔体液面且沿竖直向下方向，并且低于所述热屏的最低点；

图像检测单元，经配置为获取所述测量端与所述测量端在所述待测熔体液面上形成的倒影之间的像素距离；

与所述图像检测单元电连接的埚升校准单元，所述埚升校准单元经配置为根据所述像素距离确定所述测量端与所述待测熔体液面之间的实际距离；

与所述埚升校准单元电连接的增益控制单元，所述增益控制单元经配置为基于所述实际距离，按照设定的校准条件来校准埚升速度。

优选地，所述增益控制单元，还经配置为：

当所述实际距离大于设定的液面间距最大值时，所述埚升速度提升设定的第一百分比；或者，

当所述实际距离小于设定的液面间距最小值时，所述埚升速度降低所述设定的第一百分比。

示例性地，所述设定的第一百分比为5％～8％。

优选地，所述增益控制单元，还经配置为：

当所述实际距离小于所述设定的液面间距最大值且大于所述设定的液面间距最小值时：

当所述实际距离大于目标液面间距时，所述埚升速度提升设定的第二百分比；或者，

当所述实际距离小于所述目标液面间距时，所述埚升速度降低所述设定的第二百分比。

示例性地，所述设定的第二百分比为1％～2％。

第二方面，本发明实施例提供了一种用于单晶硅棒生长的液面间距的控制方法，所述控制方法能够应用于第一方面所述的控制系统，所述控制方法包括：

利用图像检测单元获取石英硝的测量端与所述测量端在待测熔体液面上形成的倒影之间的像素距离；

根据所述像素距离确定所述测量端与所述待测熔体液面之间的实际距离；

基于所述实际距离，按照设定的校准条件来校准埚升速度。

优选地，所述基于所述实际距离，按照设定的校准条件来校准埚升速度，包括：

当所述实际距离大于设定的液面间距最大值时，所述埚升速度提升设定的第一百分比；或者，

当所述实际距离小于设定的液面间距最小值时，所述埚升速度降低所述设定的第一百分比。

示例性地，所述设定的第一百分比为5％～8％。

优选地，所述基于所述实际距离，按照设定的校准条件来校准埚升速度，还包括：

当所述实际距离小于所述设定的液面间距最大值且大于所述设定的液面间距最小值时：

当所述实际距离大于目标液面间距时，所述埚升速度提升设定的第二百分比；或者，

当所述实际距离小于所述目标液面间距时，所述埚升速度降低所述设定的第二百分比。

示例性地，所述设定的第二百分比为1％～2％。

本发明实施例提供了一种用于单晶硅棒生长的液面间距的控制系统及方法；通过在现有的单晶炉中设置石英硝、图像检测单元、埚升校准单元以及增益控制单元，以利用图像检测单元获取石英硝的测量端与测量端在待测熔体液面中形成的倒影之间的像素距离，从而通过埚升校准单元根据像素距离获得待测熔体液面的实际位置，进而利用增益控制单元根据待测熔体液面的实际位置来校准埚升速度，实现了对单晶硅棒生长过程中液面间距的稳定控制，以获得高品质的单晶硅棒。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种单晶炉结构示意图；

图2为本发明实施例提供的石英硝结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种用于单晶硅棒生长的液面间距的控制系统组成示意图；

图4为本发明实施例与现有技术中单晶硅棒生长过程中液面间距变化示意图；

图5为本发明实施例提供的一种用于单晶硅棒生长的液面间距的控制方法流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参见图1，其示出了能够实现本发明实施例技术方案的单晶炉1，该单晶炉1可以包括：炉体10；其中，炉体10中设有热屏20，加热系统和提拉系统；其中，

加热系统包括石墨坩埚30、石英坩埚40以及石墨加热器50；其中，石英坩埚40用于盛放多晶硅原料。多晶硅原料在石英坩埚40中被加热熔化为熔体MS，石墨坩埚30包裹在石英坩埚40的外侧，用于在加热过程中对石英坩埚40提供支撑，石墨加热器50设置在石墨坩埚30的外侧。

提拉系统包括竖直设置的坩埚轴60和籽晶缆70；其中，籽晶缆70设置在石英坩埚40的上方，坩埚轴60设置在石墨坩埚30的底部。在具体实施过程中，籽晶缆70的底部通过夹具安装有籽晶，其顶部连接有籽晶驱动装置，使其能够一边旋转一边向上缓慢提拉籽晶；坩埚轴60的底部设置有坩埚驱动装置80，使坩埚轴60能够带动石英坩埚40进行旋转。

需要说明的是，图1所示的单晶炉1的结构并非具体限定，为了清楚地阐述本发明实施例的技术方案从而省略地没有示出用于实施直拉法制备单晶硅棒所需要的其他部件。

基于图1所示的单晶炉1，在炉体10的上方，还可以开设有观测窗口90，以供图像检测单元2，例如电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)摄像机，观察炉体10内部。

此外，参见图1，单晶炉1的热屏20处还设置有一观测参考物，比如图2所示的石英硝3，如图2所示，石英硝3呈“L”型，可以包括固定端31与测量端32，所述固定端31用于将该石英硝3固定于热屏20下部，所述测量端32垂直于熔体液面且沿竖直向下方向，并且低于热屏20的最低点，从而在熔体液面上形成倒影。图像检测单元2，例如CCD摄像机，则可通过调整将石英硝3、石英硝3在熔体液面上所形成的倒影以及热屏20清晰地调整至其拍摄视野内。

对于上述石英硝3，在一些示例中，其测量端32可以为一球体，从而能够增加其反射面，以在熔体液面上提供更加清晰的倒影；而且如果测量端32的形状为球体，那么就可以在CCD摄像机内呈现出近似规则的形状，便于更加准确地进行拍摄获取。

需要说明的是，利用CCD摄像机进行图像检测是控制熔体液面与热屏20之间的距离所广泛采用的方法。具体是通过实时监测熔体液面中参考物，例如石英硝，倒影坐标的变化来间接获得熔体液面的位置，并通过相应的控制系统实现对熔体液面位置的控制。但是在实际应用中，因为系统算法问题和图像采集的问题导致熔体液面位置的控制变得比较困难，控制后的熔体液面位置与目标位置差距较大。

需要说明的是，在本发明实施例中将熔体液面与热屏之间的距离统称为液面间距(melt gap)。

基于上述阐述，本发明实施例期望提供一种精确地控制液面间距的技术方案，能够不断修正和控制改变单晶硅棒生长时的埚升速度，以使得实际液面间距更接近于目标液面间距；同时能够在单晶硅棒生长过程中提供控制液面间距的稳定性，有效降低因液面间距的波动而引起的单晶硅棒产品品质的变化。参见图3，其示出了本发明实施例提供的一种用于单晶硅棒生长的液面间距的控制系统4，所述控制系统4包括：

设置于热屏20下部的L型石英硝3，所述石英硝3的测量端32垂直于待测熔体液面且沿竖直向下方向，并且低于所述热屏20的最低点；

图像检测单元2，经配置为获取所述测量端32与所述测量端32在所述待测熔体液面上形成的倒影之间的像素距离；

与所述图像检测单元2电连接的埚升校准单元41，所述埚升校准单元41经配置为根据所述像素距离确定所述测量端与所述待测熔体液面之间的实际距离；

与所述埚升校准单元41电连接的增益控制单元42，所述增益控制单元42经配置为基于所述实际距离，按照设定的校准条件来校准埚升速度。

对于图3所示的控制系统4，通过在现有的单晶炉1中设置石英硝3、图像检测单元2、埚升校准单元41以及增益控制单元42，以利用图像检测单元2获取石英硝3的测量端32与测量端32在待测熔体液面中形成的倒影之间的像素距离，从而通过埚升校准单元41根据像素距离获得待测熔体液面的实际位置，进而利用增益控制单元42根据待测熔体液面的实际位置来校准埚升速度，实现了对单晶硅棒生长过程中液面间距的稳定控制，以获得高品质的单晶硅棒。

需要说明的是，在本发明实施例中采用石英硝3的测量端32与待测熔体液面之间的距离来表征待测熔体液面与热屏20之间的距离，也即液面间距。因此上述的待测熔体液面的实际位置指的是待测熔体液面石英硝3的测量端32与待测熔体液面之间的实际距离。

可以理解地，在具体实施过程中，图像检测单元2与埚升校准单元41相连接；埚升校准单元41又连接至增益控制单元42，实现了待测熔体液面位置数据的快速传递，且在增益控制单元42对埚升速度进行校准后再次通过埚升校准单元41传递至坩埚驱动装置80，以驱动坩埚轴60使得熔体液面进行上升或下降。

对于图3所示的控制系统4，在一些可能的实施方式中，所述增益控制单元42，还经配置为：

当所述实际距离大于设定的液面间距最大值时，所述埚升速度提升设定的第一百分比；或者，

当所述实际距离小于设定的液面间距最小值时，所述埚升速度降低所述设定的第一百分比。

对于上述的实施方式，在一些示例中，所述设定的第一百分比为5％～8％。

可以理解地，在单晶硅棒生长初期，图像检测单元2通过采集石英硝3的测量端32在待测熔体液面上的倒影，并获取测量端32与待测熔体液面之间的像素距离，同时将获得的像素距离反馈至埚升校准单元41；埚升校准单元41进一步通过像素距离数据获得测量端32与待测熔体液面之间的实际距离，并将实际距离数据传递至增益控制单元42；可以理解地，当测量端32与待测熔体液面之间的实际距离超出预设的液面间距控制范围时，也就是说测量端32与待测熔体液面之间的实际距离大于设定的液面间距最大值或者实际距离小于设定的液面间距最小值时，此时增益控制单元42会根据上述的实际距离对埚升速度进行重新校准，具体的校准方法即为：当实际距离大于设定的液面间距最大值时，埚升速度提升5％～8％；或者，当实际距离小于设定的液面间距最小值时，埚升速度降低设定的5％～8％。可以理解地，埚升速度具体的校准百分比可以根据实际情况而定。最后通过埚升校准单元41将校准后的埚升速度数据传递至坩埚驱动装置80，坩埚驱动装置80驱动坩埚轴60转动以使得待测熔体液面上升或下降从而使得测量端32与待测熔体液面之间的实际距离处于预设的液面间距控制范围内。

通过上述的校准方法，在单晶硅棒生长初期当实际距离超出预设的液面间距控制范围时，通过校准埚升速度能够减小实际距离与目标液面间距之间的差异。

对于图3所示的控制系统4，在一些可能的实施方式中，所述增益控制单元42，还经配置为：

当所述实际距离小于所述设定的液面间距最大值且大于所述设定的液面间距最小值时：

当所述实际距离大于目标液面间距时，所述埚升速度提升设定的第二百分比；或者，

当所述实际距离小于所述目标液面间距时，所述埚升速度降低所述设定的第二百分比。

对于上述的实施方式，在一些示例中，所述设定的第二百分比为1％～2％。

可以理解地，在单晶硅棒生长稳定后，利用图像检测单元2实时获取测量端32与待测熔体液面之间的像素距离；并基于埚升校准单元41进一步通过像素距离数据获得测量端32与待测熔体液面之间的实际距离，并将实际距离数据传递至增益控制单元42；可以理解地，当测量端32与待测熔体液面之间的实际距离处于预设的液面间距控制范围时但是并不等于目标液面间距时，也就是说测量端32与待测熔体液面之间的实际距离小于设定的液面间距最大值且大于设定的液面间距最小值时，此时增益控制单元42会根据上述的实际距离对埚升速度进行重新校准，具体的校准方法即为：当实际距离大于目标液面间距时，埚升速度提升1％～2％；或者，当实际距离小于目标液面间距时，埚升速度降低1％～2％。最后通过埚升校准单元41将校准后的埚升速度数据传递至坩埚驱动装置80，坩埚驱动装置80驱动坩埚轴60转动使得待测熔体液面按照校准后的埚升速度上升或下降。通过上述的校准方法，能够在实际距离处于预设的液面间距控制范围内时，对埚升速度进行微小地调整，使得实际距离无限趋近于目标液面间距，从而保证了单晶硅棒生长过程中液面间距的稳定性，提升了单晶硅棒的品质。

参见图4，其示出了本发明实施例与其他现有技术在单晶硅棒生长过程中液面间距控制效果的比较示意图，其中横坐标表示单晶硅棒的生长长度(mm)，纵坐标表示实际距离与目标液面间距之间的差值。其中，图4中的A表示现有技术中采用“二分法”算法实时控制的单晶硅棒生长过程中液面间距的变化示意图；B表示传统技术中采用CCD相机实时控制的单晶硅棒生长过程中液面间距的变化示意图；C表示本发明实施例中单晶硅棒生长过程中液面间距的变化示意图。由图4可以看出，本发明实施例提供的控制系统4相较于传统技术控制方法能够使得单晶硅棒生长过程中液面间距的变化更加稳定，测量数据更加精确；而相较于现有技术中采用“二分法”的控制算法，本发明实施例提供的控制系统4能够使得单晶硅棒生长过程中液面间距的变化数据测量更加精确。

基于上述阐述，本发明实施例提供的控制系统4能够在单晶硅棒的生长初期以及等径生长阶段不断修正和直接控制单晶硅棒生长过程中的埚升速度，以使得实际液面间距更接近于目标液面间距；同时在单晶硅棒生长阶段液面间距变化稳定性控制得更好，有效降低了因液面间距的波动引起的产品品质的变化，为后续完美晶体生长提供基础条件。

参见图5，本发明实施例还提供了一种用于单晶硅棒生长的液面间距的控制方法，所述控制方法能够应用于前述技术方案所述的控制系统4，所述控制方法包括：

S501、利用图像检测单元获取石英硝的测量端与所述测量端在待测熔体液面上形成的倒影之间的像素距离；

S502、根据所述像素距离确定所述测量端与所述待测熔体液面之间的实际距离；

S503、基于所述实际距离，按照设定的校准条件来校准埚升速度。

对于图5所示的技术方案，在一些可能的实施方式，所述基于所述实际距离，按照设定的校准条件来校准埚升速度，包括：

当所述实际距离大于设定的液面间距最大值时，所述埚升速度提升设定的第一百分比；或者，

当所述实际距离小于设定的液面间距最小值时，所述埚升速度降低所述设定的第一百分比。

对于上述的实施方式，在一些示例中，所述设定的第一百分比为5％～8％。

对于图5所示的技术方案，在一些可能的实施方式，所述基于所述实际距离，按照设定的校准条件来校准埚升速度，还包括：

当所述实际距离小于所述设定的液面间距最大值且大于所述设定的液面间距最小值时：

当所述实际距离大于目标液面间距时，所述埚升速度提升设定的第二百分比；或者，

当所述实际距离小于所述目标液面间距时，所述埚升速度降低所述设定的第二百分比。

对于上述的实施方式，在一些示例中，所述设定的第二百分比为1％～2％。

需要说明的是：本发明实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于单晶硅棒生长的液面间距的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：

设置于热屏下部的L型石英硝，所述石英硝的测量端垂直于待测熔体液面且沿竖直向下方向，并且低于所述热屏的最低点；

图像检测单元，经配置为获取所述测量端与所述测量端在所述待测熔体液面上形成的倒影之间的像素距离；

与所述图像检测单元电连接的埚升校准单元，所述埚升校准单元经配置为根据所述像素距离确定所述测量端与所述待测熔体液面之间的实际距离；

与所述埚升校准单元电连接的增益控制单元，所述增益控制单元经配置为基于所述实际距离，按照设定的校准条件来校准埚升速度。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述增益控制单元，还经配置为：

当所述实际距离大于设定的液面间距最大值时，所述埚升速度提升设定的第一百分比；或者，

当所述实际距离小于设定的液面间距最小值时，所述埚升速度降低所述设定的第一百分比。

3.根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述设定的第一百分比为5％～8％。

4.根据权利要求1或2所述的控制系统，其特征在于，所述增益控制单元，还经配置为：

当所述实际距离小于所述设定的液面间距最大值且大于所述设定的液面间距最小值时：

当所述实际距离大于目标液面间距时，所述埚升速度提升设定的第二百分比；或者，

当所述实际距离小于所述目标液面间距时，所述埚升速度降低所述设定的第二百分比。

5.根据权利要求4所述的控制系统，其特征在于，所述设定的第二百分比为1％～2％。

6.一种用于单晶硅棒生长的液面间距的控制方法，其特征在于，所述控制方法能够应用于权利要求1至5任一项所述的控制系统，所述控制方法包括：

利用图像检测单元获取石英硝的测量端与所述测量端在待测熔体液面上形成的倒影之间的像素距离；

根据所述像素距离确定所述测量端与所述待测熔体液面之间的实际距离；

基于所述实际距离，按照设定的校准条件来校准埚升速度。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述基于所述实际距离，按照设定的校准条件来校准埚升速度，包括：

当所述实际距离大于设定的液面间距最大值时，所述埚升速度提升设定的第一百分比；或者，

当所述实际距离小于设定的液面间距最小值时，所述埚升速度降低所述设定的第一百分比。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述设定的第一百分比为5％～8％。

9.根据权利要求6或7所述的控制方法，其特征在于，所述基于所述实际距离，按照设定的校准条件来校准埚升速度，还包括：

当所述实际距离小于所述设定的液面间距最大值且大于所述设定的液面间距最小值时：

当所述实际距离大于目标液面间距时，所述埚升速度提升设定的第二百分比；或者，

当所述实际距离小于所述目标液面间距时，所述埚升速度降低所述设定的第二百分比。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述设定的第二百分比为1％～2％。

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