CN117626429A - 单晶生长方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种单晶生长方法及装置，属于半导体制造技术领域。单晶生长方法，应用于单晶生长装置，所述单晶生长装置包括：主腔室，其配置容纳原料熔液的石英坩埚和对该石英坩埚进行加热和保温的加热器；以及提拉腔室，其与该主腔室的上部连接，提拉并收纳生长的单晶硅，所述单晶生长方法包括：获取所述加热器的功率补偿值；根据所述功率补偿值对预设的第一目标温度曲线进行补偿，得到单晶生长过程的第二目标温度曲线；在单晶生长过程中，根据所述第二目标温度曲线控制所述加热器的功率。本发明的技术方案能够对目标温度曲线进行调整，改善晶棒的产品良率。

Description

单晶生长方法及装置

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种单晶生长方法及装置。

背景技术

直拉法是现有的一种常用的单晶生长方法，又称为切克劳斯基法，简称CZ法。CZ法的特点是在一个直筒型的炉体中，进行加热，将装在高纯度石英坩埚中的多晶硅熔化，然后将籽晶插入熔体表面进行熔接，同时转动籽晶，再反转坩埚，籽晶缓慢向上提升，经过引晶、放肩、转肩、等径生长、收尾等过程，最终长成所需直径和长度的晶棒。

在利用CZ工艺生长单晶时，主要关注的是防止在晶格结构中形成位错、空隙或其他缺陷。这是因为如果局部缺陷或位错在单晶内传播，则无法使用整个单晶。特别是直拉法单晶生长过程中，通过固液界面向单晶中引入空位和间隙硅，引入的空位和间隙硅的浓度处于过饱和状态，空位和间隙硅扩散聚集形成空位缺陷(简称V缺陷)和间隙缺陷(简称I缺陷)。

为了抑制V缺陷和I缺陷的产生，需要将单晶提拉速度V与固液界面的温度梯度G之比V/G控制在特定范围内，因此，需要适当控制硅熔体的温度和提拉速度，以抑制晶棒缺陷的产生。

现有技术中，在单晶生长时，设定目标温度曲线，然后以此为指导调整加热器的功率以进行晶棒生长过程。但随着加热器的使用，加热器会发生氧化，加热器的电阻不断升高，但目标温度曲线的设定并未考虑加热器的电阻变化，导致如果仍然以设定的目标温度曲线为指导调整加热器的功率，产品的良率将无法达到预期。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种单晶生长方法及装置，能够对目标温度曲线进行调整，改善晶棒的产品良率。

为了达到上述目的，本发明实施例采用的技术方案是：

一种单晶生长方法，应用于单晶生长装置，所述单晶生长装置包括：主腔室，其配置容纳原料熔液的石英坩埚和对该石英坩埚进行加热和保温的加热器；以及提拉腔室，其与该主腔室的上部连接，提拉并收纳生长的单晶硅，所述单晶生长方法包括：

获取所述加热器的功率补偿值；

根据所述功率补偿值对预设的第一目标温度曲线进行补偿，得到单晶生长过程的第二目标温度曲线；

在单晶生长过程中，根据所述第二目标温度曲线控制所述加热器的功率。

一些实施例中，所述获取所述加热器的功率补偿值包括：

获取单晶生长过程中所述加热器的电阻变化值；

根据单晶生长过程中所述加热器的电阻变化值确定所述加热器的功率补偿值。

一些实施例中，所述根据单晶生长过程中所述加热器的电阻变化值确定所述加热器的功率补偿值包括：

根据以下公式确定所述加热器的功率补偿值：

△P＝U²/△R；

其中，△P为所述加热器的功率补偿值，U为所述加热器的工作电压，

△R为单晶生长过程中所述加热器的电阻变化值。

一些实施例中，所述获取单晶生长过程中所述加热器的电阻变化值包括：

获取之前N次单晶生长过程中所述加热器的电阻值，N为大于1的整数；

根据之前N次单晶生长过程中所述加热器的电阻值拟合得到所述加热器的电阻值变化曲线；

根据所述加热器的电阻值变化曲线预测单晶生长过程中所述加热器的电阻变化值。

一些实施例中，所述根据所述功率补偿值对预设的第一目标温度曲线进行补偿包括：

利用以下公式得到所述第一目标温度曲线的补偿量△Temp；

△Temp＝△P*k0+d0；

根据所述第一目标温度曲线的补偿量对所述第一目标温度曲线进行补偿；

其中，△P为所述加热器的功率补偿值，k0和d0为预设的补偿系数。

本发明实施例还提供了一种单晶生长装置，所述单晶生长装置包括：主腔室，其配置容纳原料熔液的石英坩埚和对该石英坩埚进行加热和保温的加热器；以及提拉腔室，其与该主腔室的上部连接，提拉并收纳生长的单晶硅，所述单晶生长装置还包括：

获取模块，用于获取所述加热器的功率补偿值；

补偿模块，用于根据所述功率补偿值对预设的第一目标温度曲线进行补偿，得到单晶生长过程的第二目标温度曲线；

控制模块，用于在单晶生长过程中，根据所述第二目标温度曲线控制所述加热器的功率。

一些实施例中，所述获取模块包括：

获取单元，用于获取单晶生长过程中所述加热器的电阻变化值；

处理单元，用于根据单晶生长过程中所述加热器的电阻变化值确定所述加热器的功率补偿值。

一些实施例中，所述处理单元具体用于根据以下公式确定所述加热器的功率补偿值：

△P＝U²/△R；

其中，△P为所述加热器的功率补偿值，U为所述加热器的工作电压，

△R为单晶生长过程中所述加热器的电阻变化值。

一些实施例中，所述获取单元具体用于获取之前N次单晶生长过程中所述加热器的电阻值，N为大于1的整数；根据之前N次单晶生长过程中所述加热器的电阻值拟合得到所述加热器的电阻值变化曲线；根据所述加热器的电阻值变化曲线预测单晶生长过程中所述加热器的电阻变化值。

一些实施例中，所述补偿模块具体用于利用以下公式得到所述第一目标温度曲线的补偿量△Temp；

△Temp＝△P*k0+d0；

根据所述第一目标温度曲线的补偿量对所述第一目标温度曲线进行补偿；

其中，△P为所述加热器的功率补偿值，k0和d0为预设的补偿系数。

本发明的有益效果是：

本实施例中，在设定单晶生长过程的第二目标温度曲线之前，获取加热器的功率补偿值，根据功率补偿值对预设的第一目标温度曲线进行补偿，得到单晶生长过程的第二目标温度曲线，在单晶生长过程中，根据第二目标温度曲线控制加热器的功率。本实施例的技术方案考虑了加热器的电阻变化情况，根据加热器的电阻变化情况对目标温度曲线进行调整，能够改善晶棒的产品良率。

附图说明

图1表示本发明实施例单晶生长装置的结构示意图；

图2表示本发明实施例单晶生长方法的流程示意图。

附图标记

1 加热器

2 获取单元

3 处理单元

4 主腔室

5 石英坩埚

6 提拉腔室

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有技术中，设定目标温度曲线，以此为指导调整加热器的功率以进行单晶生长过程。然而，当使用设计的目标温度曲线执行单晶生长过程时，实际温度无法精确控制到所需的目标温度。这是因为目标温度曲线的设计仅考虑了加热器功率与实际温度之间的关系，并没有反映其他因素的变化，如加热器的氧化导致其电阻不断升高，将导致控制的实际温度产生偏离。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种单晶生长方法及装置，能够对目标温度曲线进行调整，改善晶棒的产品良率。

本发明实施例提供一种单晶生长方法，应用于单晶生长装置，如图1所示，所述单晶生长装置包括：主腔室4，其配置容纳原料熔液的石英坩埚5和对该石英坩埚5进行加热和保温的加热器1；以及提拉腔室6，其与该主腔室4的上部连接，提拉并收纳生长的单晶硅，如图2所示，所述单晶生长方法包括：

步骤101：获取所述加热器的功率补偿值；

随着加热器的使用时长的增加，加热器会发生氧化，加热器的电阻随之增高，如果加热器的功率保持不变，那么主腔室内的温度将不能达到预期，主腔室内的实际温度曲线与目标温度曲线偏离，将无法按照目标温度曲线执行单晶生长过程，导致晶棒产品的良率降低。本实施例中，可以根据加热器的电阻变化情况对加热器的功率进行补偿。

具体地，可以获取单晶生长过程中所述加热器的电阻变化值；根据单晶生长过程中所述加热器的电阻变化值确定所述加热器的功率补偿值。

由于单晶生长过程还未执行，因此无法通过测量的方式获得单晶生长过程中所述加热器的电阻变化值。可以获取之前N次单晶生长过程中所述加热器的电阻值，N为大于1的整数；根据之前N次单晶生长过程中所述加热器的电阻值拟合得到所述加热器的电阻值变化曲线；根据所述加热器的电阻值变化曲线预测单晶生长过程中所述加热器的电阻变化值。

其中，N的取值越多，获取的电阻值数据越多，则拟合得到的所述加热器的电阻值变化曲线越精准，因此，N的取值可以大于5，比如可以为6、8、10、12、15、20、30等。优选地，可以从单晶生长装置第一次执行单晶生长过程开始，在执行每次单晶生长过程时，均对加热器的电阻进行测量，得到每一次执行单晶生长过程时加热器的电阻值以及电阻变化情况，根据每一次执行单晶生长过程时加热器的电阻值拟合得到所述加热器的电阻值变化曲线，根据所述加热器的电阻值变化曲线即可预测单晶生长过程中所述加热器的电阻值，将单晶生长过程中所述加热器的电阻值与当前单晶生长过程中所述加热器的电阻值进行比较，即可得到单晶生长过程中所述加热器的电阻变化值△R。

一些实施例中，拟合得到的所述加热器的电阻值变化曲线可以用以下公式表示：Res_N+1＝K₀*X+Res_N，其中，K₀为电阻值变化曲线的斜率，Res_N+1为第N+1次单晶生长过程中所述加热器的电阻值，Res_N为第N次单晶生长过程中所述加热器的电阻值。

在得到单晶生长过程中所述加热器的电阻变化值△R后，可以根据以下公式确定所述加热器的功率补偿值：

△P＝U²/△R；

其中，△P为所述加热器的功率补偿值，U为所述加热器的工作电压，在加热器的工作过程中，工作电压保持不变，因此可以根据工作电压和所述加热器的电阻变化值△R计算得到加热器的功率补偿值。

步骤102：根据所述功率补偿值对预设的第一目标温度曲线进行补偿，得到单晶生长过程的第二目标温度曲线；

本实施例中，第一目标温度曲线可以为上次单晶生长过程中的目标温度曲线，还可以为预设的目标温度曲线，第二目标温度曲线为本次单晶生长过程的目标温度曲线。

具体地，可以利用以下公式得到所述第一目标温度曲线的补偿量△Temp；

△Temp＝△P*k0+d0；

之后根据所述第一目标温度曲线的补偿量△Temp对所述第一目标温度曲线进行补偿；其中，△P为所述加热器的功率补偿值，k0和d0为预设的补偿系数，k0和d0可以根据需要进行调整。

单晶生长过程包括装料、熔料、熔接、细颈、放肩、转肩、等径生长和收尾等多个生长阶段，第一目标温度曲线包括单晶生长过程中多个生长阶段对应的温度值，比如包括熔料阶段对应的温度T1、熔接阶段对应的温度T2、细颈阶段对应的温度T3、放肩阶段对应的温度T4、转肩阶段对应的温度T5、等径生长阶段对应的温度T6、收尾阶段对应的温度T7。根据补偿量△Temp对熔料阶段对应的温度T1进行补偿，得到熔料阶段对应的补偿温度T1’；根据补偿量△Temp对熔接阶段对应的温度T2进行补偿，得到熔接阶段对应的补偿温度T2’；根据补偿量△Temp对细颈阶段对应的温度T3进行补偿，得到细颈阶段对应的补偿温度T3’；根据补偿量△Temp对放肩阶段对应的温度T4进行补偿，得到放肩阶段对应的补偿温度T4’；根据补偿量△Temp对转肩阶段对应的温度T5进行补偿，得到转肩阶段对应的补偿温度T5’；根据补偿量△Temp对等径生长阶段对应的温度T6进行补偿，得到等径生长阶段对应的补偿温度T6’；根据补偿量△Temp对收尾阶段对应的温度T7进行补偿，得到收尾阶段对应的补偿温度T7’。根据熔料阶段对应的补偿温度T1’、熔接阶段对应的补偿温度T2’、细颈阶段对应的补偿温度T3’、放肩阶段对应的补偿温度T4’、转肩阶段对应的补偿温度T5’、等径生长阶段对应的补偿温度T6’、收尾阶段对应的补偿温度T7’可以生成第二目标温度曲线。

步骤103：在单晶生长过程中，根据所述第二目标温度曲线控制所述加热器的功率。

本实施例中，根据所述第二目标温度曲线控制所述加热器的功率，由于考虑了加热器的电阻变化情况，能够使得主腔室内的实际温度更加贴近第二目标温度曲线。

本实施例中，在设定单晶生长过程的第二目标温度曲线之前，获取加热器的功率补偿值，根据功率补偿值对预设的第一目标温度曲线进行补偿，得到单晶生长过程的第二目标温度曲线，在单晶生长过程中，根据第二目标温度曲线控制加热器的功率。本实施例的技术方案考虑了加热器的电阻变化情况，根据加热器的电阻变化情况对目标温度曲线进行调整，能够改善晶棒的产品良率。

本发明实施例还提供了一种单晶生长装置，如图1所示，所述单晶生长装置包括：主腔室4，其配置容纳原料熔液的石英坩埚5和对该石英坩埚5进行加热和保温的加热器1；以及提拉腔室6，其与该主腔室4的上部连接，提拉并收纳生长的单晶硅，所述单晶生长装置还包括：

获取模块，用于获取所述加热器的功率补偿值；

补偿模块，用于根据所述功率补偿值对预设的第一目标温度曲线进行补偿，得到单晶生长过程的第二目标温度曲线；

控制模块，用于在单晶生长过程中，根据所述第二目标温度曲线控制所述加热器的功率。

本实施例中，在设定单晶生长过程的第二目标温度曲线之前，获取加热器的功率补偿值，根据功率补偿值对预设的第一目标温度曲线进行补偿，得到单晶生长过程的第二目标温度曲线，在单晶生长过程中，根据第二目标温度曲线控制加热器的功率。本实施例的技术方案考虑了加热器的电阻变化情况，根据加热器的电阻变化情况对目标温度曲线进行调整，能够改善晶棒的产品良率。

随着加热器的使用时长的增加，加热器会发生氧化，加热器的电阻随之增高，如果加热器的功率保持不变，那么主腔室内的温度将不能达到预期，主腔室内的实际温度曲线与目标温度曲线偏离，将无法按照目标温度曲线执行单晶生长过程，导致晶棒产品的良率降低。本实施例中，可以根据加热器的电阻变化情况对加热器的功率进行补偿。

一些实施例中，如图1所示，所述获取模块包括：

获取单元2，用于获取单晶生长过程中所述加热器的电阻变化值；

处理单元3，用于根据单晶生长过程中所述加热器的电阻变化值确定所述加热器的功率补偿值。

一些实施例中，所述处理单元具体用于根据以下公式确定所述加热器的功率补偿值：

△P＝U²/△R；

其中，△P为所述加热器的功率补偿值，U为所述加热器的工作电压，

△R为单晶生长过程中所述加热器的电阻变化值。

一些实施例中，所述获取单元具体用于获取之前N次单晶生长过程中所述加热器的电阻值，N为大于1的整数；根据之前N次单晶生长过程中所述加热器的电阻值拟合得到所述加热器的电阻值变化曲线；根据所述加热器的电阻值变化曲线预测单晶生长过程中所述加热器的电阻变化值。

由于单晶生长过程还未执行，因此无法通过测量的方式获得单晶生长过程中所述加热器的电阻变化值。可以获取之前N次单晶生长过程中所述加热器的电阻值，N为大于1的整数；根据之前N次单晶生长过程中所述加热器的电阻值拟合得到所述加热器的电阻值变化曲线；根据所述加热器的电阻值变化曲线预测单晶生长过程中所述加热器的电阻变化值。

其中，N的取值越多，获取的电阻值数据越多，则拟合得到的所述加热器的电阻值变化曲线越精准，因此，N的取值可以大于5，比如可以为6、8、10、12、15、20、30等。优选地，可以从单晶生长装置第一次执行单晶生长过程开始，在执行每次单晶生长过程时，均对加热器的电阻进行测量，得到每一次执行单晶生长过程时加热器的电阻值以及电阻变化情况，根据每一次执行单晶生长过程时加热器的电阻值拟合得到所述加热器的电阻值变化曲线，根据所述加热器的电阻值变化曲线即可预测单晶生长过程中所述加热器的电阻值，将单晶生长过程中所述加热器的电阻值与当前单晶生长过程中所述加热器的电阻值进行比较，即可得到单晶生长过程中所述加热器的电阻变化值△R。

一些实施例中，所述补偿模块具体用于利用以下公式得到所述第一目标温度曲线的补偿量△Temp；

△Temp＝△P*k0+d0；

根据所述第一目标温度曲线的补偿量对所述第一目标温度曲线进行补偿；

其中，△P为所述加热器的功率补偿值，k0和d0为预设的补偿系数。

需要说明，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于实施例而言，由于其基本相似于产品实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见产品实施例的部分说明即可。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

可以理解，当诸如层、膜、区域或基板之类的元件被称作位于另一元件“上”或“下”时，该元件可以“直接”位于另一元件“上”或“下”，或者可以存在中间元件。

在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开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公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种单晶生长方法，其特征在于，应用于单晶生长装置，所述单晶生长装置包括：主腔室，其配置容纳原料熔液的石英坩埚和对该石英坩埚进行加热和保温的加热器；以及提拉腔室，其与该主腔室的上部连接，提拉并收纳生长的单晶硅，所述单晶生长方法包括：

获取所述加热器的功率补偿值；

根据所述功率补偿值对预设的第一目标温度曲线进行补偿，得到单晶生长过程的第二目标温度曲线；

在单晶生长过程中，根据所述第二目标温度曲线控制所述加热器的功率。

2.根据权利要求1所述的单晶生长方法，其特征在于，所述获取所述加热器的功率补偿值包括：

获取单晶生长过程中所述加热器的电阻变化值；

根据单晶生长过程中所述加热器的电阻变化值确定所述加热器的功率补偿值。

3.根据权利要求2所述的单晶生长方法，其特征在于，所述根据单晶生长过程中所述加热器的电阻变化值确定所述加热器的功率补偿值包括：

根据以下公式确定所述加热器的功率补偿值：

△P＝U²/△R；

其中，△P为所述加热器的功率补偿值，U为所述加热器的工作电压，△R为单晶生长过程中所述加热器的电阻变化值。

4.根据权利要求2所述的单晶生长方法，其特征在于，所述获取单晶生长过程中所述加热器的电阻变化值包括：

获取之前N次单晶生长过程中所述加热器的电阻值，N为大于1的整数；

根据之前N次单晶生长过程中所述加热器的电阻值拟合得到所述加热器的电阻值变化曲线；

根据所述加热器的电阻值变化曲线预测单晶生长过程中所述加热器的电阻变化值。

5.根据权利要求1所述的单晶生长方法，其特征在于，所述根据所述功率补偿值对预设的第一目标温度曲线进行补偿包括：

利用以下公式得到所述第一目标温度曲线的补偿量△Temp；

△Temp＝△P*k0+d0；

根据所述第一目标温度曲线的补偿量对所述第一目标温度曲线进行补偿；

其中，△P为所述加热器的功率补偿值，k0和d0为预设的补偿系数。

6.一种单晶生长装置，其特征在于，所述单晶生长装置包括：主腔室，其配置容纳原料熔液的石英坩埚和对该石英坩埚进行加热和保温的加热器；以及提拉腔室，其与该主腔室的上部连接，提拉并收纳生长的单晶硅，所述单晶生长装置还包括：

获取模块，用于获取所述加热器的功率补偿值；

补偿模块，用于根据所述功率补偿值对预设的第一目标温度曲线进行补偿，得到单晶生长过程的第二目标温度曲线；

控制模块，用于在单晶生长过程中，根据所述第二目标温度曲线控制所述加热器的功率。

7.根据权利要求6所述的单晶生长装置，其特征在于，所述获取模块包括：

获取单元，用于获取单晶生长过程中所述加热器的电阻变化值；

处理单元，用于根据单晶生长过程中所述加热器的电阻变化值确定所述加热器的功率补偿值。

8.根据权利要求7所述的单晶生长装置，其特征在于，

所述处理单元具体用于根据以下公式确定所述加热器的功率补偿值：

△P＝U²/△R；

其中，△P为所述加热器的功率补偿值，U为所述加热器的工作电压，△R为单晶生长过程中所述加热器的电阻变化值。

9.根据权利要求7所述的单晶生长装置，其特征在于，

所述获取单元具体用于获取之前N次单晶生长过程中所述加热器的电阻值，N为大于1的整数；根据之前N次单晶生长过程中所述加热器的电阻值拟合得到所述加热器的电阻值变化曲线；根据所述加热器的电阻值变化曲线预测单晶生长过程中所述加热器的电阻变化值。

10.根据权利要求6所述的单晶生长装置，其特征在于，

所述补偿模块具体用于利用以下公式得到所述第一目标温度曲线的补偿量△Temp；

△Temp＝△P*k0+d0；

根据所述第一目标温度曲线的补偿量对所述第一目标温度曲线进行补偿；

其中，△P为所述加热器的功率补偿值，k0和d0为预设的补偿系数。