CN116427014A - 一种晶体生长装置、控制方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种晶体生长装置、控制方法及控制系统，所述装置包括：炉体；坩埚，设置于所述炉体的内部，配置为容纳用于晶体生长的硅熔体；加热器，设置于所述坩埚周围，配置为加热所述坩埚；导流筒，在所述硅熔体的上方围绕所述晶体设置，用于阻止硅熔体的热量辐射到晶体表面，提高晶体的纵向温度梯度；水冷装置，设置于所述晶体与所述导流筒之间，用于冷却晶体并提高晶体的纵向温度梯度，所述水冷装置包括冷却水流量调节机构，所述冷却水流量调节机构用于调节所述水冷装置中的冷却水的流量。根据本发明提供的晶体生长装置、控制方法及控制系统，当晶体的实时直径偏离目标直径时，通过调节冷却晶体的水冷装置中的冷却水的流量，改变冷却水的带走热量，匹配熔体对流导致的固液界面下方硅熔体的温度梯度的波动变化，从而降低晶体生长的直径波动，进而降低晶体内原生缺陷的发生率，提高硅片产品的良率。

Description

一种晶体生长装置、控制方法及控制系统

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装置、控制方法及控制系统。

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，如果发生直径偏离目标的波动(如图3所示)，会进一步导致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装置、控制方法及控制系统，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装置，其特征在于，包括：

炉体；

坩埚，设置于所述炉体的内部，配置为容纳用于晶体生长的硅熔体；

加热器，设置于所述坩埚周围，配置为加热所述坩埚；

导流筒，在所述硅熔体的上方围绕所述晶体设置，用于阻止硅熔体的热量辐射到晶体表面，提高晶体的纵向温度梯度；

水冷装置，设置于所述晶体与所述导流筒之间，用于冷却晶体并提高晶体的纵向温度梯度，所述水冷装置包括冷却水流量调节机构，所述冷却水流量调节机构用于调节所述水冷装置中的冷却水的流量。

进一步，所述冷却水流量调节机构包括设置在所述水冷装置出水端的阀门和伺服电机，通过所述伺服电机调节所述阀门的开度来调节所述水冷装置中的冷却水的流量。

进一步，所述水冷装置还包括流量计和温度计，所述流量计至少设置在所述水冷装置的出水端，用于测量所述水冷装置中的冷却水的流量，所述温度计分别设置在所述水冷装置的进水端和出水端，用于分别测量所述水冷装置的进水端和出水端的温度。

进一步，所述晶体生长装置还包括测径装置，所述测径装置设置于所述炉体的炉盖上，用于测量达到晶体的直径。

进一步，当所述晶体的实时直径大于目标直径时，降低所述水冷装置中的冷却水的流量；当所述晶体的实时直径小于目标直径时，提高所述水冷装置中的冷却水的流量。

进一步，所述水冷装置中的冷却水的流量的范围为15L/min～150L/min。

本发明还提供了一种晶体生长的控制方法，包括：

获取晶体的实时直径；

比较所述晶体的实时直径与目标直径；

基于比较结果调节冷却晶体的水冷装置中的冷却水的流量。

进一步，当所述晶体的实时直径大于目标直径时，降低所述水冷装置中的冷却水的流量；当所述晶体的实时直径小于目标直径时，提高所述水冷装置中的冷却水的流量。

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以上方法中任一项所述方法的步骤。

根据本发明提供的晶体生长装置、控制方法及控制系统，当晶体的实时直径偏离目标直径时，通过调节冷却晶体的水冷装置中的冷却水的流量，改变冷却水的带走热量，匹配熔体对流导致的固液界面下方硅熔体的温度梯度的波动变化，从而降低晶体生长的直径波动，进而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装置的示意图；

图2示出了晶体生长时的热量传递示意图；

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晶体生长的控制方法的主要工艺流程示意图；

图5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装置的示意图，如图1所示，所述晶体生长装置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。炉体101侧壁上还设有保温材料，例如碳毡。

石英坩埚102上方设置有导流筒106，所述导流筒106具有下伸的环绕晶体107生长区域的倒锥形屏状物。导流筒106不仅可以改变硅液面上方的惰性气体(例如氩气Ar)的流速，控制硅熔体105中的挥发物的蒸发，还可以阻止硅液面的热量辐射到晶体107表面，提高晶体的纵向温度梯度G，温度梯度G表示单位距离的温度变化(K/mm)。导流筒106的材料包括但不限于石墨材料。

为了进一步提高晶体的纵向温度梯度G，导流筒106与晶体107之间还设置有水冷装置112(例如水冷屏或水冷套)，所述水冷装置112包括冷却水流量调节机构113，所述冷却水流量调节机构113用于调节所述水冷装置中的冷却水的流量。具体地，所述冷却水流量调节机构113包括设置在所述水冷装置112出水端的阀门和伺服电机，通过所述伺服电机调节所述阀门的开度来调节所述水冷装置中的冷却水的流量。此外，所述水冷装置112流量计和温度计(未示出)，其中，所述流量计至少设置在所述水冷装置的出水端，用于测量所述水冷装置中的冷却水的流量，所述温度计分别设置在所述水冷装置的进水端和出水端，用于分别测量所述水冷装置的进水端和出水端的温度。。

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。

炉体101的外侧还设置有磁场110，通过对坩埚内的硅熔体105施加强磁场，使熔体热对流受到抑制，用于生长低氧浓度的单晶硅晶棒。施加磁场强度大于1000gauss，优选3300guass～4000guass，以抑制熔体对流，提高温度稳定性。

在炉体101的上部，例如炉盖上，还安装有用于测量晶体直径的测径装置(CCD)111。将晶体的直径D反馈到晶体生长的控制中心(PLC/PC)，通过控制中心对水冷装置112中伺服电机的控制，以调整冷却水的流量，从而进行晶体的生长控制。

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晶体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。晶体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。

晶体生长的热平衡和热量传递关系如图2所示。

热量从固液界面到晶体的晶体侧热传出速率Qs和从硅熔体传递到固液界面的熔体侧热传入速率Qm的差值是驱动晶体生长的原动力，若晶体生长速率m(单位时间内生长晶体的质量)，晶体材料的结晶潜热L，则晶体生长的潜热速率Ql，和固液界面两侧的热传递速率Qs同Qm的差值，

满足以下热平衡：

m*L ＝ Ql ＝ Qs- Qm 等式(1)

然后，晶体侧热传出速率Qs，通过晶体的表面，主要以热辐射方式释放热量。其中有相当一部分的热量通过水冷装置112的冷却水带出炉体。因此，存在有以下关系：

Qs ＝ k Qw 等式(2)

其中，k表示比例系数，

Qw表示通过水冷装置的冷却水带离炉体的热量。

热量Qw越大，对晶体固液面传递的热量Qs相应越大。

通过冷却水带走的热量Qw可以通过水冷装置112的流量计和温度计监测记录的冷却水的流量F(单位L/min)和进出端口的温度变化δT，通过以下计算得到：

Qw ＝ F * δT * Cp, 等式(3)

其中，Qw表示冷却水带走的热量；

F表示水冷装置的冷却水的流量；

δT表示水冷装置的出口端温度和入口端的温度变化；

Cp表示水的比热容。

冷却水带走的热量Qw主要来源于晶体的辐射热，以及和导流筒，液面之间的辐射传热。

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，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。而晶体生长直径的波动主要原因，是因为硅熔体的对流，固液界面下方的熔体侧热传入速率Qm存在波动变化有关。

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4所示，其包括以下主要步骤：

步骤S401：获取晶体的实时直径；

步骤S402：比较所述晶体的实时直径与目标直径；

步骤S403：基于比较结果调节冷却晶体的水冷装置中的冷却水的流量。

首先通过CCD测径装置111获得晶体的实时直径。获得的晶体的实时直径将反馈到晶体生长的控制中心(PLC/PC)。

接下来，将晶体的实时直径与目标直径进行比较。当实时直径和目标直径的直径偏差d大于某一临界值时，控制中心开始按直径偏差d，通过PID运算，调整冷却水的流量。

冷却水的流量F，计算方法为F＝F0×(1.0+PID(d))，PID运算值的范围限定在+/-0.5之间，其中F0表示水冷装置112中冷却水的初始流量。

当直径偏差d>0时，PID(d)<0，冷却水的流量F减小。

当直径偏差d<0时，PID(d)>0，冷却水的流量F增大。

在一个实施例中，当降低冷却水的流量时，使得生长中的晶体向水冷装置的辐射热量开始降低，实现降低晶体的生长速率，降低晶体生长直径；反之，当提高冷却水的流量时，可以实现提高晶体的生长速率，扩大晶体生长直径。

在一个实施例中，通过控制中心对水冷装置112的冷却水流量调节机构113中伺服电机的控制，调节阀门的开度来调节冷却水的流量F。所述冷却水的流量的范围为15L/min～150L/min，优选30L/min～100L/min。

需要说明的是，对于所述水冷装置112中的冷却水的流量还设置有限位保护值，当所述冷却水的流量低于预设的限位保护值时，警报机构(未示出)可以发出警报。

在一个实施例中，需确保在晶体生长过程中冷却水在一定的温度范围以内。具体地，冷却水的进水温度范围为20℃～27℃，在晶体生长过程中，冷却水的进水温度的波动范围为+/-0.2℃。通常，冷却水出水端的温度比进水端的温度高5℃～15℃。

通过调节冷却水的流量F，可以进一步调节冷却水带走的热量Qw，进而在较短的时间内调节固液界面的传出热量Qs，实现固液生长界面的晶体生长速率的控制，减少晶体直径的波动。在调节冷却水流量F的同时，监测冷却水的温度变化，可以进一步提高控制的精度。

根据本发明提供的晶体生长的控制方法，当晶体的实时直径偏离目标直径时，通过调节冷却晶体的水冷装置中的冷却水的流量，改变冷却水的带走热量，匹配熔体对流导致的固液界面下方硅熔体的温度梯度的波动变化，从而降低晶体生长的直径波动，进而降低晶体内原生缺陷的发生率，提高硅片产品的良率。

图5示出了根据本发明实施例的晶体生长的控制系统500的示意性框图。晶体生长控制系统500包括存储器510以及处理器520。

所述存储器510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520用于运行所述存储器510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。在一个实施例中，在所述程序代码被所述处理器520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 (9)

1.一种晶体生长装置，其特征在于，包括：

炉体；

坩埚，设置于所述炉体的内部，配置为容纳用于晶体生长的硅熔体；

加热器，设置于所述坩埚周围，配置为加热所述坩埚；

导流筒，在所述硅熔体的上方围绕所述晶体设置，用于阻止硅熔体的热量辐射到晶体表面，提高晶体的纵向温度梯度；

水冷装置，设置于所述晶体与所述导流筒之间，用于冷却晶体并提高晶体的纵向温度梯度，所述水冷装置包括冷却水流量调节机构，所述冷却水流量调节机构用于调节所述水冷装置中的冷却水的流量。

2.根据权利要求1所述的晶体生长装置，其特征在于，所述冷却水流量调节机构包括设置在所述水冷装置出水端的阀门和伺服电机，通过所述伺服电机调节所述阀门的开度来调节所述水冷装置中的冷却水的流量。

3.根据权利要求1所述的晶体生长装置，其特征在于，所述水冷装置还包括流量计和温度计，所述流量计至少设置在所述水冷装置的出水端，用于测量所述水冷装置中的冷却水的流量，所述温度计分别设置在所述水冷装置的进水端和出水端，用于分别测量所述水冷装置的进水端和出水端的温度。

4.根据权利要求1所述的晶体生长装置，其特征在于，还包括测径装置，所述测径装置设置于所述炉体的炉盖上，用于测量达到晶体的直径。

5.根据权利要求4所述的晶体生长装置，其特征在于，当所述晶体的实时直径大于目标直径时，降低所述水冷装置中的冷却水的流量；当所述晶体的实时直径小于目标直径时，提高所述水冷装置中的冷却水的流量。

6.根据权利要求1所述的晶体生长装置，其特征在于，所述水冷装置中的冷却水的流量的范围为15L/min～150L/min。

7.一种晶体生长的控制方法，其特征在于，包括：

获取晶体的实时直径；

比较所述晶体的实时直径与目标直径；

基于比较结果调节冷却晶体的水冷装置中的冷却水的流量。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，当所述晶体的实时直径大于目标直径时，降低所述水冷装置中的冷却水的流量；当所述晶体的实时直径小于目标直径时，提高所述水冷装置中的冷却水的流量。

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7至8中任一项所述方法的步骤。

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