CN1344335A - 生长处理中控制硅晶体直径的方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种随着从熔体中拉升晶棒通过改变熔体的温度以控制晶棒直径的方法与装置。晶棒以基本上按照预定的速度分布图的目标速率从熔体中拉升。一个温度模型代表响应供给加热熔体的加热器的功率变化的熔体的温度变化。在产生代表目标熔体温度的温度设定点时,确定晶棒的目标直径与测量直径之间的误差并对此误差信号进行比例积分导数(PID)控制。PID控制器产生一个作为误差信号的函数的温度设定点。依次,温度模型确定一个作为由PID控制器产生的温度设定点的函数的供给加热器的功率的功率设定点从而按照此功率设定点调节供给加热器的功率。

Description

生长处理中控制硅晶体直径 的方法与装置

技术领域

本发明总体涉及控制用于制作电子元件用的单晶半导体生长处理的改进，详细地涉及一种按照预定的速度分布精确控制从半导体源熔体中拉升的单晶硅棒的直径的方法与装置。

背景技术

单晶硅是大多数制作半导体电子元件处理中的初始材料。拉晶机使用切氏(Czochralski)晶体生长处理生产大多数单晶硅。简言之，切氏处理包括熔解装在位于专门设计的炉内的石英坩埚中的高纯度多晶硅。在加热坩埚熔解装载的硅之后，晶体拉升机构降下一个籽晶使同熔解的硅接触。然后拉晶机构抽起籽晶从熔解的硅中拉升生长的晶体。典型的晶体拉升机构在缆索的一端悬挂籽晶，缆索的另一端缠绕在一个鼓上。当鼓转动时，取决于鼓的转动方向，籽晶向上或向下运动。

在形成晶体颈部后，生长处理通过减慢拉升速率与/或降低熔体温度增大生长晶体的直径直至达到要求的直径。通过控制拉升速率与熔体温度同时补偿熔体液面的降低，使得生长的晶体主体有一个大致恒定的直径(即通常它是圆柱形的)。当接近生长处理的终点但坩埚内熔解的硅被抽空之前，逐渐减小晶体直径以形成一个端部锥体。典型地，端部锥体通过提高拉升速率与增加供给坩埚的热而形成。当直径变为足够小时，使晶体脱离熔体。在生长处理期间，坩埚以某一方向转动熔体而晶体提升机构以相反的方向转动它的拉升缆索或轴以及籽晶与晶体。

虽然当前可利用的切氏生长处理已令人满意地用于生长在多种应用中有用的单晶硅，但仍要求作进一步的改进。例如，在晶体生长室内随着晶捧凝固后的冷却形成单晶硅中的许多缺陷。这些缺陷的出现，部分地是由于存在过量(即密度超过溶解度极限)的称为空位与自填隙的固有的点缺陷。有人认为硅中这些点缺陷的类型与初始密度能影响最后产品中堆积缺陷的类型与存在。如果这些密度达到系统中的临界过饱和水平且点缺陷的迁移率足够高，将很可能发生一个反应或一个堆积事件。硅中的堆积固有点缺陷能严重影响复杂集成电路生产中材料的屈服势能。

按照晶体“处方”中规定的预定速度分布或目标速率从熔体中精确拉升单晶硅棒帮助使处理满足控制缺陷形成的要求。例如，这种控制方法(这里称为“锁定的籽晶提升”处理)减小晶棒中固有点缺陷的数量与密度。此外，锁定的籽晶提升处理帮助控制空位与自填隙的密度以防止随着晶棒从凝固温度冷却晶棒内固有点缺陷的堆积。然而，常规的切氏硅生长处理通过改变拉升速率或籽晶提升速率以控制生长晶体的直径。本领域内的技术人员都知道提高拉升速率导致晶体直径的减小而降低拉升速率导致晶体直径的增大。同样熟知升高硅源熔体温度导致晶体直径的减小而降低熔体温度导致晶体直径的增大。监于这些理由，按照目标分布控制拉升速率可能导致直径误差，除非在生长期间精确调节熔体的温度。

可惜的是，在常规的生长处理中通常优选使用拉升速率来控制晶棒直径，因为实现熔体温度改变中的延迟常常是不能接受的。换句话说，选择拉升速率而非温度来控制直径是根据响应时间的差别，温度改变的响应时间大大长于拉升速率改变的响应时间。例如，拉升速率的一个阶跃改变典型地在几秒内得到直径响应，而加热器功率或熔体温度的一个阶跃改变导致一个缓慢的响应，得化费几十分钟才能得到一个相等的结果。

鉴于这些理由，要求一种只使用加热器功率而取消为控制直径所要求的拉升速率改变以控制硅晶体直径的从熔体拉升单晶硅的精确与可靠的装置与方法。

发明内容

本发明通过提供一种在锁定的籽晶提升处理下调节功率以保持适当控制晶体直径的方法与装置以满足上述要求并克服现有技术的不足。在本发明若干目的中可指出的有：提供一种提供精确直径的方法与装置；提供通过改变熔体温度以调节晶体直径这样一种方法与装置；提供能提供较快的熔体温度改变的这样一种方法与装置；提供使能模拟熔体温度响应的这样一种方法与装置；提供使能以加热器功率的函数形式改变晶体直径的这样一种方法与装置；提供可结合现有的晶体拉升装置的这样一种方法与装置；及提供经济上行得通与商业上实际可行的这样一种方法与装置。

简言之，提供一种实施本发明各方面的供配合一个按照切氏处理生长单晶棒装置用的方法。该装置有一个装有半导体熔体的坩埚，由此晶棒生长在一个从熔体中拉升的籽晶上。此方法包括以基本上按照预定的速度分布的目标速率从熔体中拉升晶棒。此方法还包括规定代表响应供给加热熔体的加热器的功率变化的熔体温度变化的模型。在产生一个代表一个目标熔体温度的温度设定点时，此方法紧接着包括步骤：产生一个代表晶棒的目标直径与测量直径之间误差的信号，对误差信号进行比例积分导数(PID)控制，与由此产生作为直径误差的函数的温度设定点。此方法还包括根据作为由PID控制产生的温度设定点的函数的温度模型确定一个供给加热器功率的功率设定点。以此方式，改变熔体的温度以控制晶棒的直径。

本发明的另一个实施例针对一种供配合一个按照切氏处理生长单晶棒的装置用的装置。此装置有一个装有半导体熔体的加热的坩埚，由此晶棒生长在从熔体中拉升的籽晶上。此装置包括预定的速度分布，而晶棒以基本上按照此速率分布的目标速率从熔体中拉升。此装置还包括产生作为晶棒的目标直径与测量直径之间误差的函数的温度设定点的PID控制器。温度设定点代表熔体的目标温度。一个温度模型代表响应供给加热熔体的加热器的功率变化的熔体的温度变化。温度模型确定一个作为由PID控制器产生的温度设定点的函数的供给加热器的功率的功率设定点。此装置还包括一个用于加热熔体的加热器与一个响应功率设定点调节供给加热器功率的电源。以此方式，此装置通过改变熔体的温度以控制晶棒的直径。

另一方面，本发明可包括各种其它的方法与装置。

其它的目的与特点将部分地明了，部分地将在后面指出。

附图说明

图1是一个晶体生长装置与一个根据本发明的用于控制此晶体生长装置的装置的一个实例。

图2是包括一个有一个可编程的逻辑控制器(PLC)的控制器的图1装置的框图。

图3是一个说明用于校准图1装置的控制器工作的流程图。

图4是一个利用图1装置提拉一根含有减小的固有点缺陷数量与密度的晶棒的速度分布图。

图5是一个图1装置的计算一个修正的设定点的运行框图。

图6A与6B是说明用于计算一个校正系数的图2中PLC运行的流程图。

图7、8与9是说明根据现有技术的晶体生长处理控制的框图。

图10是一个说明根据本发明的一个实施例的晶体生长处理控制的框图。

图11是一个用于图7-9控制器的举例的温度响应模型。

图12是一个用于图10控制器的举例的温度响应模型。

图13是一个说明根据图1装置的带有活动的与锁定的拉升速率的直径性能的举例图。

所有附图中的相应部分以相应的标记号指示。

具体实施方式

现在参看图1，表示一个通常由11指示的供配合一个总体以13指示的切氏晶体生长装置用的装置。晶体生长装置13的详细结构为本领域内技术人员所熟知。通常，晶体生长装置13包括一个围绕一个坩埚19的真空室15。加热装置例如一个电阻加热器21围绕坩埚19。在一个实施例中，绝热件23衬在真空室15与一个围绕它供水的室冷却套(未表示)的内壁上。一台真空泵(未表示)典型地随着惰性气体氩的供入而从真空室15中抽出气体。

按照切氏单晶硅生长处理，把某一数量的多晶硅装入坩埚19。一个加热器电源27提供通过电阻加热器21的电流以熔解装载的多晶硅，从而形成由它拉升单晶硅31的硅熔体29。最好，使用一个例如光电池或高温计的温度传感器33以提供熔体表面温度的测量值。单晶体以一个附加在拉轴或缆索37上的籽晶35开始。如图1中表示，单晶体31与坩埚19通常有一个共同的对称轴39。缆索37的一端通过滑轮41(参看图2)连接至鼓43(参看图2)而另一端连接至一个夹持籽晶35的块体(未表示)，晶体31从籽晶开始生长。

在加热与拉升期间，一个坩埚驱动装置45转动坩埚19(例如，向顺时针方向)。在生长处理期间坩埚驱动装置45还按要求升高或降低坩埚19。例如，坩埚驱动装置45随着熔体29的减少而升起坩埚以保持由标记号47指示的熔体液面处于要求的高度。一个晶体驱动装置49相似地向同坩埚驱动装置45转动坩埚19的方向相反的方向转动缆索37。此外，在生长处理期间晶体驱动装置49按要求相对于熔体液面47升高或降低晶体31。

在一个实施例中，晶体生长装置13通过降低籽晶35至几乎同容纳在坩埚19内的硅熔体29相接触以预热籽晶35。在预热之后，晶体驱动装置49通过缆索37继续降低籽晶35使它在熔体液面47同熔体29接触。随着籽晶35熔解，晶体驱动装置49缓慢地把它从熔体29中抽出或拉升。籽晶35从熔体29中抽出以产生随着它被抽出而生长的单晶体31。晶体驱动装置49随着它从熔体29中拉升晶体31以一个基准转速转动晶体31。坩埚驱动装置45相似地以另一个基准转速但通常向相对于晶体31相反的方向转动坩埚19。

一个控制器51开始控制抽出或拉升速率与供给加热器21的电源27以形成晶体31的颈部。最好，晶体生长装置13以与从熔体29中拉升的籽晶35相同的基本恒定的直径生长晶体颈部。例如，控制器51保持一个要求的体直径的约5％的基本恒定的颈直径。在一个常规的控制方案中，在颈部达到要求长度之后，控制器51调节旋转、拉升与加热参数使晶体31的直径以锥体形式逐渐增大直至达到要求的晶体体直径。例如，控制器51降低提升速率以形成一个典型地称为晶体锥的向外张开区域。

一旦达到要求的晶体直径，控制器51控制生长参数以保持恒定的由装置11测量的直径直至处理接近终点。此时，常通过提高拉升速率与加热以减小直径从而在单晶体31的终端形成锥形部分。公同转让的美国专利No.5178720公开一个用于控制作为晶体直径的函数的晶体与坩埚的转速的优选实施例，其全部公开内容引用在此作为参考。共同转让的美国专利No.5882402、No.5846318、No.5665159与No.5653799，提供许多晶体生长参数包括晶体直径的精确与可靠的测量，其全部公开引用在此作为参考，一个图象处理器处理晶体—熔体界面图像确定晶体直径。

本领域内的技术人员知道在拉升晶体期间应提升坩埚19。在典型的拉升期间给定较小的坩埚运动距离，可容易地看到坩埚提升比晶体拉升对于减少缺陷来说其重要性要低得多。一个合适的计算当拉升晶体31时坩埚19的提升的公式包括拉升速率乘以晶棒截面积对坩埚截面积(在熔体液面位置的测量值)的比率再乘以晶棒中硅密度对熔体中硅密度的比率。其它的坩埚提升速率公式也可供本发明之用。

图2表示实施用于控制其中包括晶体驱动装置49的控制器51的电路。晶体驱动装置49的详细结构为本领域内技术人员所熟知。通常，驱动装置49包括一台与鼓43连接的电动机53。虚线55表示电动机53的轴59与鼓43之间的机械联接。虽然此机械联接可包括轴59与鼓43之间的直接联接，优选的布置是在轴59与鼓43之间安插一套减速齿轮(未表示)以便得到更好的控制与更平滑的运转。于是可运转电动机53使通过鼓43放出与卷入缆索37以便把籽晶35降入熔体29与从熔体29中拉升晶棒31。

图2中虚线61表示通过鼓43中的孔65把鼓43装配在轴63上。共同转让美国专利No.5935328表示一个适于供本发明之用的鼓与缆索布置，其全部公开内容以引用在此作为参考。

再参看图2，控制电路51包括一个有一个中央处理器(CPU)71与一个存贮器73的可编程逻辑控制器(PLC)69。PLC 69通过连线79与81接收来自一个500脉冲/转(ppr)的编码器77的输入信号。编码器77与轴63联接以产生一个位置信号。在此例中，位置信号由连线79与81上的作为鼓43的旋转运动的函数的脉冲组成。于是PLC69计数连线79与81上的脉冲以精确确定在考虑的任何时间周期内鼓43转动了多少转。编码器77最好以2X方式运行，其中对应于鼓43的每个360°旋转编码器发出1000个离散的脉冲。因此，如果PLC69计数连线79与81上的5500个脉冲，则知道鼓43在产生这些脉冲的时间周期内精确地旋转了五转半。另一方案，一个齿轮机构(未表示)驱动鼓43而编码器77可同齿轮机构中的一个旋转齿轮联接。假定容易地知道齿轮的传动比，可以类似于上面公开的方法计算鼓43的转数。

在此图示实施例中，PLC69通过连线87与89同一个60ppr编码器85连接。编码器85同电动机53的轴59联接并产生在连线87与89上的作为轴旋转运动的函数的脉冲。于是PLC69计数连线87与89上的脉冲以精确确定在考虑的任何时间周期内轴旋转了多少转。编码器85最好以4X方式运行，其中对应于轴59的每360°旋转发出240个脉冲。因此，如果PLC69计数连线87与89上480个脉冲，则知道在产生这些脉冲的时间周期内电动机53的轴59精确旋转了两整转。

此外还通过常规方法以鼓43的尺寸和联接电动机53的轴59与鼓43的轴63的齿轮传动比编程PLC69。假定从连线87与89上的脉冲计数已知轴59的转数，假定已知联接轴59与鼓43的齿轮传动比，并假定已知鼓43的直径，可通过常规方法容易地编程PLC69以便把从编码器85接收的脉冲数据换为代表实时内缆索37的直线运动的数值。换句话说，通过计数连线87与89上的脉冲，PLC69容易地计算出缆索37的拉升速度。最好，有一台显示器91显示实时内的这个缆索速度。

一个伺服放大器93以常规的闭路反馈布置方式通过连线95与93同电动机53连接并通过连线103与105同转速表101连接。转速表101产生一个连线103与105上的模拟信号，此信号以电压形式作为电动机53的轴59的转速的函数而变化。伺服放大器93接收连线103与105上的模拟电压信号。伺服放大器93还通过连线111与113接收来自一个设定点调节电路109的设定点信号。例如，设定点调节电路109包括一个DC至DC变换器。PLC 69通过连线117与119控制设定点调节电路109并从而控制设定点信号，如下面更充分的说明。以此方式，PLC69控制电动机53的转速。

更详细地说，伺服放大器93通过产生一个经过连线95与97供给电动机53的电流信号以响应连线111与113上的设定点信号。此电流信号给电动机供能并确定它的转速。然后伺服放大器93使用从转速表101接收到的模拟电压信号以确定电动机53是否在相应于设定点信号的转速下运转。如果不是，伺服放大器93根据具体情况向上或向下调节电流信号，直至来自转速表101的模拟电压信号指示电动机正在由设定点信号设定的转速下运转。而且，由于PLC69通过连线117与119控制设定点信号，因而PLC69控制电动机53的转速。

PLC69还同信号修整电路123连接。信号修整电路123同伺服放大器93连接以接收与修整由转速表101产生的模拟电压信号。PLC69接收来自电路123的经修整的模拟电压信号并把它转换为一个对应于缆索37拉升速度的数值。PLC69通过显示器125显示此数值。

虽然看到缆索37的拉升速度冗余地显示在显示器91与125上，本领域内技术人员将认识到显示器91能以比显示器125更高的精度显示报告的速度。这是因为显示器91上报告的速度数据的来源是高度精密与精确的编码器85以4X方式的运算。相反，显示器125上报告的速度数据的来源是由转速表101产生的模拟信号。这种信号先天地较不精确，且除其它以外还易受明显的温度变化的影响。简言之，可不用显示器125而容易地实施本发明。

给定充足的冷却时间，假定生长速率或速度v与平均轴向温度梯度G的比率(v/G)在临界值(v/G)cr的某个容差T之内，可产生完美的硅。此容差可由下式确定： $T=\frac{1}{2}\frac{\mathrm{\Δ}(V/G)}{(V/G)}$ 式中Δ(v/G)是可产生完美的硅的v/G值的范围。

容差T强烈地依赖于由一个给定的热区提供的冷却条件。具体地说，T随着核化之前冷却时间的增长而增大。对各种热区收集的数据给出一个作为较好容差的T＝0.055的值。重新表达为： $\left|T\right|=\left|\frac{\mathrm{\ΔV}}{V}\right|+\left|\frac{\mathrm{\ΔG}}{G}\right|$ 然而，G通常难以控制。如果G不变，为保证完美的硅生长速度v的最大误差可等于|T|。对于一个稳固的处理，一个小得多的v的变化(例如等于|T|的10％)较好。

图3表示一个总体以127指示的用于校准图2装置11的流程图。从步骤131开始，流程图127立即进至步骤133，其中操作者调节PLC69上的外部控制(未表示)至标称缆索速度0.1mm/min。在步骤135，操作者观察显示器91上报告的缆索速度。如果报告的速度不在0.1mm/min的0.002mm/min(即0.1±0.002mm/min)之内，则操作者进至步骤139。操作者在步骤139“旋纽”调节设定点调节电路109的偏置参数然后返回至步骤135。如果显示的缆索速度仍然不是0.1±0.002mm/min，操作者继续调节电路109的偏置参数直至显示器91上报告的缆索速度等于0.1±0.002mm/min。此时，操作者进至步骤141给变量X分配一个“1”值以指示步骤135已成功地完成。

流程图127继续步骤143，在此步骤装置11的操作者调节PLC69的外部控制至标称缆索速度3.0mm/min。在步骤147，操作者再次观察显示器91上报告的缆索速度。如果报告的速度不等于3.0±0.002mm/min，则操作者进至步骤149以调节设定点调节电路109的增益参数。在本例中，操作者在返回步骤147之前在步骤151设定变量X为0。在步骤147，操作者再次观察显示器91以了解现在是否报告缆索速度等于3.0±0.002mm/min。如果不是，操作者在步骤149继续调节电路109的增益参数直至显示器91上报告的缆索速度等于3.0±0.002mm/min。此时，操作者进至步骤155。由于变量X是0而不是1，流程图127返回至步骤133。以此方法，操作者继续细调电路。继续此校准直至PLC69可在标称设定值0.1与3.0mm/min之间转换同时实际缆索速度等于这些标称设定值±0.002mm/min(且不用进一步调节电路109)为止。此时，变量X将保持在1值，因此容许操作者进至步骤157，在此校准工作成功地结束。

图4表示一个总体以159指示的用于拉制单晶硅棒31的举例的速度分布图。依据规定在晶体“处方”中的速度分布或目标精确地从熔体29中拉升晶体31帮助满足控制缺陷形成的处理要求。这种“锁定的籽晶提升”控制减小晶棒中固有的点缺陷的数量与密度。此外，锁定的籽晶提升处理帮助控制空位与自填隙的密度以防止随着晶棒从凝固温度冷却在晶体31中固有的点缺陷的堆积。应了解本领域内的技术人员将认识到本发明可用任何合适的速度分布实施。

速度分布图159确定一个作为拉升期间晶体31长度的函数的目标拉升速率。根据本发明的一个优选实施例，依据速度分布图159拉升晶体31产生具有几乎完美的晶体结构与含有很少固有点缺陷的硅。在这种硅中在凝固时固有点缺陷的密度无疑地会大大地低于使得很可能发生堆积事件的临界过饱和值。这种控制空位与自填隙的密度以防止随着晶棒31从凝固温度冷却在晶棒中固有的点缺陷的堆积是十分合乎需要的。共同转让美国专利No.5919302提供涉及图4的速度分布图与生产具有几乎完美的晶体结构的硅的进一步资料，此专利的全部公开引用在此作为参考。

在使用中，图4的速度分布图159贮存在PLC69的存贮器73中。分布图159也可贮存在寄存器中或本发明范围内的CPU71的有关存贮电路中。本领域内的技术人员将认识到这里表示的图4的速度分布图159是用于举例的目的，而本发明可使用任何合适的速度分布图实施。

在按例如图4的速度分布图159工作期间，发现了在拉升全部晶体长度期间晶体31的拉升速率十分精确地按照速度分布图是重要的。最好，装置11控制晶体31的拉升速率使得它对于大部分晶体长度在约0.008mm/min或更小误差内按照速度分布图159。换句话说，拉升速率近似等于目标速率。虽然目前可做到晶体31的拉升速率按照速度分布图精确至误差在±0.008mm/min、±0.006mm/min或±0.004mm/min甚至±0.002mm/min之内，应懂得在精度为±0.002mm/min或更好精度得到最好的结果，比±0.002mm/min更好的精度也在本发明范围内。

在一个本发明的实施例中，PLC69使用一个12位数-模卡以产生设定点调节电路(即图2中电路109)的控制信号。本领域内的技术人员将认识到可在本发明范围内做出改变以改善本实施例的精度。例如，使用一个14位卡以代替12位卡应导致改善的精度。

图5是一个表示PLC69一旦装入速度分布曲线159后如何控制晶体拉升速率使在整个拉升期间精确至速度分布曲线159的±0.002mm/min以内的框图。最好，PLC69执行虚线165内的功能。更详细地说，PLC69根据编码器77的输出计算实际拉升速率并把它同预期值即由贮存在存贮器73中的速度分布曲线159确定的目标速率作比较。然后PLC69使用预期结果与实际结果之间的差别计算校正系数169。PLC69通过确定沿速度分布曲线159的发生拉升当时的点计算一个设定点173。通过设定点173乘以校正系数169，PLC69计算一个经修改的设定点175。PLC69把此经修改的设定点175输出至设定点调节电路109以控制晶体拉升速率。如上面说明，以这样的方式调节设定点从而保持在整个拉升期间晶体拉升速率在速率分布曲线159的±0.002mm/min以内。

图6A与6B表示一个总体以177指示的提供关于PLC69工作的较详细情况的流程图。特别是，流程图177图示说明PLC69如何计算图5的校正系数169。流程图177从步骤181开始并立即进至步骤183。在步骤183，PLC69检验自从最后一次修正“预期的总运动距离”(E.S.D.T.)变量以来预定的时间间隔是否已过。如果15s时间间隔尚未期满，PLC69重复步骤183直至期满为止。在15s期满之后，PLC69进至步骤185。

在步骤185，PLC69通过加上自从最后一次修正至现有的E.S.D.T.值以来预期已拉升晶体31的增加距离以修正E.S.D.T.。注意“设定点分布”是根据作为晶体长度函数的速度分布曲线159确定的瞬时的预期拉升速率。还注意步骤185中提到的系数是一个依赖于设置的、可稍微调节以相对于拉升而移动熔体液面47或保持晶体31的拉升相对于熔体液面47基本恒定的系数。共同转让的提交日期为1998年10月14日的美国专利申请序列号No.09/172546较充分地公开了这些研究，其全部公开内容在此作为参考。当晶体提升随着坩埚19中熔体29将耗尽而接近终点时也可调节步骤185中的系数。在大部分晶体拉升期间当熔体液面47相当恒定时，步骤185中的系数最好为数值“1”。最后，由于相关的时间周期是15s即0.25min，因此步骤185中使用0.25的乘数。

在修正E.S.D.T.值之后，PLC 69在步骤187复位计时器A并进至步骤189以确定自从最后一次修正校正系数A(C.F.A.)以来另一个预定的时间间隔(例如1min)是否已过完。如果1min时间间隔尚未过完，程序返回至开始并等待15s时间间隔以重新修正E.S.D.T.。当1min时间间隔最后过完时，PLC69在步骤191把计时器B复位至0然后进至步骤193。在步骤193，PLC69确定自从最后一次修正以来编码器77产生了多少个脉冲。已知鼓43的直径，如上面说明，PLC69把此增加的脉冲计数转换为增加的晶体31拉升距离。当此增加值等于“实际Δ(n)”值时结束步骤193。

进至步骤197，PLC69计算由“总实际运动距离”变量(S.D.T.A.)代表的当时晶体31已被拉升的距离。PLC69通过简单地在它的旧值上加上在紧前的步骤193中计算的“实际Δ(n)”值来修正S.D.T.A.值。

现在参看图6B，流程图177在步骤199继续。在步骤199，PLC69通过当前的E.D.S.A.除以当前的S.D.T.A.计算第一校正系数即校正系数A(C.F.A.)。PLC 69进至步骤201以确定自从最后一次修正第二校正系数即校正系数B(C.F.B.)以来第三预定时间间隔(例如10min)是否已过完。如果10min时间间隔尚未期满，程序返回至步骤183并等待15s时间间隔以重新修正E.S.D.T.值。当10min已最后过完时，PLC69在步骤203通过从当前的C.F.A.减去1然后把此结果除以10再加上以前的C.F.B.以修正C.F.B.。然后PLC 69进至步骤205，在此它把计时器C、E.S.D.T.与S.D.T.A.复位至0。

最好，C.F.B.值接近于1。鉴于这个理由，PLC69在步骤209检验当前的C.F.B.是否大于或等于0.75，或小于或等于1.25。如果C.F.B.在此范围内，在返回流程图177的开始之前PLC69在步骤211输出当前的C.F.B.作为图5中的校正系数169。如果C.F.B.在此范围以外，PLC69在步骤213根据当前量过高或过低而设定C.F.B.。如果当前的C.F.B.过低，PLC 69输出0.75作为校正系数169，而如果当前的C.F.B.过高，则PLC69输出1.25作为校正系数169。然后PLC69返回至流程图177的开始。

如上述，依据在晶体“处方”中规定的预定的速度分布或目标从熔体29精确拉升单晶硅帮助满足控制缺陷形成的处理要求。然而，常规的切氏硅生长处理通过变化拉升速率或籽晶提升速率以控制生长晶体31的直径，这导致在“锁定的籽晶提升”处理中的问题。本领域内的技术人员知道加快提升速率导致晶体直径减小而减慢拉升速率导致晶体直径增大。同样熟知升高硅源熔体29的温度导致晶体直径减小而降低熔体温度导致晶体直径增大。鉴于这些理由，依据目标分布控制拉升速率会导致大的直径误差或直径控制不足，除非在拉升期间精确调节熔体的温度。

图7说明一个总体以217指示的根据现有技术的直径控制回路。如图7中表示，一个比例积分导数(PID)控制回路219从连线221接收一个误差信号。此误差信号代表要求的即目标晶体直径(即设定点)与实际晶体直径(即处理变量)之间的差别。PID回路219从连线225输出一个用于调节预期的拉升速率的拉升速率校正，此值从特别的晶体生长处方中得到。控制回路217从连线227输出一个用于调节拉升速率以改变晶体直径的籽晶提升设定点。在图7中控制回路217还包括一个用于防止籽晶提升速率改变量过大的限制器229。如图示，图7的控制回路217要求改变籽晶提升以影响晶棒31直径的改变。

图8表示一个总体以223指示的用于晶体生长装置13的常规的温度串级控制。在其中控制器改变拉升速率以控制晶体直径的活动的籽晶提升应用中，设定点通常是目标籽晶提升而处理变量通常是实际籽晶提升。如图8表示，一个初级PID控制回路235从连线237接收一个代表晶体直径设定点与晶体直径处理变量之间差别的误差信号。PID回路235从连线241输出一个温度设定点。依次，一个次级PID控制回路243从连线245接收一个误差信号。连线245上的误差信号代表温度设定点与实际温度(即处理变量)之间的差别。然而在此例中，次级PID243接收来自晶体生长装置13的绝热封装附近的高温计33或热电偶(未表示)的加热器温度反馈信号。换句话说，常规的拉晶机通常不检验硅熔体29的实际温度因而把误差引入控制器233。PID回路243从连线249输出一个加热器功率设定点以改变晶体直径。此控制回路233的串级方案的优点是可调节包括PID243的次级回路以较快地响应加热器温度设定点的改变而使功率典型地将超过它的最后稳定值。这个加热器功率与温度的较快改变提高系统的总响应。然而，提高直径对功率改变的响应是不必要的，因为熔体中保持一个占优势的滞后作用。而且在实践中高温计窗时常被弄脏或遮挡或热电偶测量绝热封装的不同部分。这会导致各次运行与各台拉晶机产生明显的增益与偏置的变化。结果，预定的温度分布导致晶体质量与产量的变化。此外，带有常规的控制回路233的直径控制由于慢的响应速度与熔解体表面对加热器的温度关系的易变性因而通常是不能接受的。

图9说明总体以251指示的另一个常规的功率控制回路。在此例中，回路251的控制方案比控制回路233的串级方案慢一些但不要求一个控制加热器温度用的例如PID243的次级PID回路。一个PID控制回路253从连线257接收误差信号。此误差信号代表晶体直径的设定点与处理变量之间的差别。PID回路251从连线259输出调节熔体温度的加热器功率设定点以控制直径。在控制回路251中，加热器功率趋向于各次运行有很高的可重复性而各台拉晶机有较低程度的可重复性。当同图7与图8的控制方案比较时，控制回路251提供改进的晶体质量与产量并消除由于高温计与热电偶故障引起的运行故障。然而，功率控制回路251有这样长的响应时间以致此方案对直径控制是不能接受的。本领域内技术人员认识到PID增益加上处理的动态特性确定控制回路的输出(即拉升速率校正，温度设定点式功率设定点)。

现在参看图10，一个总体以261指示的功率控制回路体现本发明的各方面用以一个锁定的籽晶提升处理控制晶体直径。一个PID控制回路265从连线267接收代表晶体直径设定点与晶体直径处理变量之间差别的误差信号。依次，PID回路265从连线269输出温度设定点。根据本发明，控制回路261包括一个接收温度设定点并从连线275输出加热器功率设定点以实现晶体直径所需要的改变的温度模型273。在一个本发明的优选实施例中，温度模型273估算加热器功率与硅熔体29的表面温度之间的关系。设计温度模型273可用于提供一个直径斜率即直径改变速率的模型。通常，熔体表面温度的高温计测量提供用于产生温度模型273的数据。虽然通过控制熔体温度来控制晶体直径不如通过控制拉升速率的控制方案那样强力，但控制回路261有利地提供有较快的、精确的直径控制的固定籽晶提升处理的益处。

一个加热器功率对熔体表面温度关系的简化模型包括空载时间、增益与一阶滞后。图11说明一个常规的控制方案例如图8或图9中表示的方案的举例的温度响应。图11中，一个在时间t＝1时开始的单位阶跃输入277引起一个近似于下面的指数函数的输出279：

f(t)＝1-exp(-(t-t_d)/τ)在图11例子中，输出279跟随一个空载时间t_d＝5min并包括一个具有时间常数τ＝30min的一阶滞后。在空载时间或延时周期内，对输入277没有响应。输出279的滞后导致一个达到最后值(例如最后温度)的指数改变，响应速度由它的时间常数τ确定。

图12说明一个图10中表示的控制回路261的举例的温度响应。为获得熔体温度较大改变，一个“功率间隙”是有用的。一个具有预定的幅值与持续时间的功率脉冲形式的输入281后随一个稳态的功率改变，提供这样一个功率间隙。输入281在时间t＝1时开始，引起一个近似于下面的指数函数的输出283：

f(t)＝k^*(1-exp(-(t-t_d)/τ))如同前面，输出283跟随一个空载时间(t_d＝5min)，在此期间没有响应。输出283还有一个时间常数τ＝30min的一阶滞后。乘数k确定作为稳态功率改变的函数的脉冲幅值。为得到一个等于稳态响应(例如单位响应)的响应，施加脉冲的持续时间由下式确定：

t＝-τ^*ln(1-1/k)注意由于输出283直至空载时间完毕为止不响应输入281，因此式中时间不包括空载时间。空载时间只是简单的延迟。作为一个例子，τ＝30min与k＝10得到脉冲持续时间等于为3.16min。因此，在延迟时间后3.16min时，预期温度达到要求水平并保持在由稳态功率值引起的水平。图12的温度模型有利地导致一个成功的晶体直径控制，在此控制中可以约等于空载时间的时间间隔进行功率改变。

图11与图12提供一个阶跃响应与脉冲响应的比较。然而在图12中，输出283由于功率脉冲输入281而上升(按指数曲线)较快，因而在图11的输出279达到要求幅值所化费时间的一部分时就达到要求的幅值。生长晶棒31的直径与它的速率改变确定脉冲功率与稳态功率改变。

最好，PLC69执行实现温度模型273的软件(按图12的温度响应开发)。直径控制回路261通过PID265提供控制动作以产生引起自动产生脉冲的温度设定点。此设定点用由定标到加热器功率的无量纲温度单位数表示(例如10#′s/kW)。例如，如果PID控制器265向模型273发出一个5#′s设定点的改变，即表示一个5kW(即10^*5#′s^*1kW/10H′s)3.16min的脉冲，后继一个0.5kW的稳态功率改变。系数k(k＝10)引起功率过度调节(类似于图8的串级控制方案233)而计算系数k与脉冲持续时间以得到一个要求的温度而非加热器温度的阶跃变化。直径改变速率(即斜率)快速响应此熔体表面的改变。为了减弱空载时间的作用，把PID的采样速率设定至一个约等于空载时间值的值，在此实例中为5min。这导致控制器的动作变为对后面的周期有效。PID回路265产生的重复校正动作补偿模型中的不精确。这导致明显改善的对直径误差的响应时间而优于串级控制233的响应时间，并消除由加热器温度测量部件例如高温计与热电偶造成的易变性与不可靠性。

作为一个例子，晶体生长装置13是一台Ferrofluidics CZ-150拉晶机，它提供一个适于执行本发明的控制系统硬件配置。由控制器51的PLC69执行的程序最好在它的温度控制计算中包括温度模型273。如上述，温度模型273计算功率脉冲以得到要求的熔体温度改变。当拉晶方式提供用于熔解与稳定熔体29的功率控制时此模型作用开始。通常，在此方式期间要求直接控制加热器功率。在功率控制期间，温度设定点与处理变量设定至中间范围(例如1000单位)而操纵加热器功率。在选定温度控制方式后，温度设定点初始化于1000单位并可操纵。然后使用它以计算已初始化至在功率控制方式时选定的最后值的加热器功率。

当功率控制回路261用于控制熔体29温度时，PLC69以有规则的时间间隔(例如每6s即0.1min)进行模型计算。PLC69每次进行计算时，一个移位寄存器贮存当前的温度设定点。此移位寄存器在被编程的期间的终点终止功率脉冲。根据本发明，PLC69执行下面等式以计算功率输出： $P_1=P_0+G^{*}\[k^{*}\underset{n=0}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{T}_n-{(k-1)}^{*}\underset{n=0}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{n-m}\]$ 式中：P₁是当前功率；P₀是温度控制方式开始时的初始功率；G是从温度单位至kW的转换(例如10#′s/kW)；k是脉冲幅值；T_n是时间t＝n时的温度设定点；T_n-m是时间t＝n-m时的温度设定点，其中m是采样中的脉冲持续时间(例如以每采样0.1min的32个采样)。

在一个本发明的优选实施例中，一个活动的与锁定的籽晶提升控制方案的组合提供强力的晶体控制。如上述，直径控制回路217求和预期的拉升速率与PID回路219经连线225的拉升速率校正输出。在晶棒31的生长早期，调节比例与微分作用通过改变籽晶提升以有效控制直径。不使用积分作用以保证直径误差不完全由直径误差的积累引起的籽晶提升值来消除。图7的活动的籽晶提升方案的目的是通过调节籽晶提升或拉升速率控制较大的直径扰动，这种直径扰动常发生在晶体31的肩体部分范围内。同时还可通过快速的PID调节以调节熔体温度使减小初始的直径误差。例如，在生长晶棒31的最初50mm之后，预期熔体29的温度与晶体直径较稳定并在控制之下。这时，最好控制从活动的籽晶提升状态过渡至锁定的籽晶提升状态。功率控制回路261中的PID265提供未被调节籽晶提升所校正的直径误差的校正。籽晶提升回路217中的PID的增益回复至0而功率控制回路中的PID的增益设定至合适值以用于剩余的晶棒生长。

图13说明一个根据本发明的优选实施例的带有活动的与锁定的拉升速率的直径性能。在此例图中，第一条曲线287表示晶棒长度范围上的直径而第二条曲线289表示相应的拉升速率。如上述，此例为得到最佳结果而使用一个活动的与锁定的拉升速率的组合。

根据本发明的一个优选实施例，一个对晶体本体生长只使用冲击功率的直径控制提供完善的硅生长处理的好处。即，本发明提供锁定的籽晶提升控制连同一个通过调节直径控制的稳定的直径控制。这种控制对策不但在晶体生长的本体阶段而且在颈部、冠部、早期的本体及后来的锥形端部阶段提供直径控制方面的改进。本发明有利地在冲击即功率脉冲作用后提供PID控制，以便当“冲击”中存在建模误差时提供更紧密的反馈。

考虑到本发明的锁定的籽晶提升处理还可包括使用在运行期间产生斜升功率脉冲幅值与/或斜升脉冲宽度的斜升处理参数估算。通过在不同的生长阶段改变功率脉冲的参数，本发明提供使同为改进全面控制所需要的处理相匹配的更好的控制。

在实践中，使构造控制装置11(以及晶体生长装置13)中使用的部件有十分精密的公差是非常重要的。下列部件表提供一个适用于本发明的示例性部件清单：

PLC69：Siemens Model TI575

设定点调节109：Ferrofluidics-零件号207683

伺服放大器93：Advanced Motion Controls-型号AMC 10A8

转速表与伺服电动机53：Max-00 Motomatic II-零件号284-001-109

编码器85：Accu-Coder-零件号755A-01-0060-PU

编码器77：Ferrofluidics-零件号080010

滑轮41：Ferrofluidics-图号206886A

鼓43：Ferrofluidics-图号206075D

缆索37：钨缆。直径10英寸。

鉴于上述情况，可看到已达到了本发明的几个目的并得到了其它有利的结果。

由于在上述结构与方法中可做各种改变而不违背本发明的范围，因此意在表明包括在以上描述与附图中表示的所有内容应解释为是说明性的而不是限制性的。

Claims (10)

1.一种用于配合按照切氏处理生长单晶棒的晶体生长装置的方法，所述晶体生长装置有一个内装用来生长晶棒的半导体熔体的加热的坩埚，所述晶棒生长在一个从熔体中拉升的籽晶上，所述方法包括以下步骤：

确定一个代表响应供给加热熔体的加热器的功率变化的熔体温度变化的温度模型；

以目标速率从熔体中拉升晶棒，所述目标速率基本上按照一个预定的速度分布；

产生一个代表晶棒的目标直径与测量直径之间误差的信号；

对此误差信号进行比例积分导数(PID)控制并产生一个作为它的函数的温度设定点，所述温度设定点代表熔体的一个目标温度；

从作为由PID控制产生的温度设定点的函数的温度模型确定供给加热器功率的功率设定点；与

根据功率设定点调节供给加热器的功率从而改变熔体的温度以控制晶棒的直径。

2.根据权利要求1的方法，其中调节功率的步骤包括向加热器供给一个功率脉冲，所述功率脉冲有一个预定的持续时间与一个比直接对应于温度设定点的稳态值较大的幅值。

3.根据权利要求2的方法，其中确定功率设定点的步骤包括按下式计算功率输出： $P_1=P_0+G^{*}\[k^{*}\underset{n=0}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{T}_n-{(k-1)}^{*}\underset{n=0}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{n-m}\]$ 式中P₁是当前功率，P₀是初始功率，G是从温度单位至kW的转换，k是功率脉冲的幅值，T_n是时间t＝n时的温度设定点，T_n-m是时间t＝n-m时的温度设定点而m代表功率脉冲的持续时间。

4.根据权利要求1的方法，其中从温度模型确定功率设定点的步骤包括确定一个接至温度模型的输入，所述接至温度模型的输入包括一个脉冲部分后随一个稳态部分。

5.根据权利要求4的方法，其中接至温度模型的输入的脉冲部分有一个比直接对应于温度设定点的稳态值较大的幅值。

6.根据权利要求4的方法，其中接至温度模型的输入的脉冲部分有一个由下式确定的持续时间：

t＝-τ^*ln(1-1/k)式中τ是确定温度模型的指数函数的时间常数，而k是代表接至温度模型的输入的脉冲部分的幅值。

7.根据权利要求1的方法，其中确定温度模型的步骤包括确定一个延迟期、增益与一阶滞后函数响应。

8.根据权利要求7的方法，其中确定温度模型的步骤包括由下面的时间的指数函数确定一阶滞后函数响应：

f(t)＝k^*(1-exp(-(t-t_d)/τ)式中T_d是一阶滞后函数响应发生之前的延迟期，τ是此函数的时间常数，而k代表接至温度模型的功率输入的幅值。

9.根据权利要求1的方法还包括改变从熔体中拉升晶棒的速率以控制晶棒直径的步骤，所述改变拉升速率的步骤发生在第一部分晶棒的生长期间，而所述以基本上按照预定的速度分布的目标速率拉升晶棒的步骤发生在第二部分晶棒的生长期间。

10.一种用于配合按照切氏处理生长晶棒的晶体生长装置的装置，所述晶体生长装置有一个内装用来生长晶棒的半导体熔体的加热的坩埚，所述晶棒生长在一个从熔体中提升的籽晶上，所述装置包括：

一个预定的速度分布图，所述晶棒以基本上按照此速度分布图的目标速率从熔体中拉升；

一个产生作为晶棒的目标直径与测量直径之间误差的函数的温度设定点的比例积分导数(PID)控制器，所述温度设定点代表一个熔体的目标温度；

一个温度模型，代表响应供给加热熔体的加热器的功率变化的熔体的温度变化，所述温度模型确定作为由PID控制产生的温度设定点的函数的供给加热器的功率的功率设定点；

一个用于加热熔体的加热器；与

一个响应功率设定点以调节供给加热器的功率从而改变熔体温度以控制晶棒直径的功率源。

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