DE102009033667B4

DE102009033667B4 - Verfahren zum Züchten eines Halbleitereinkristalls und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102009033667B4
Application number: DE102009033667.2A
Authority: DE
Inventors: Benno Orschel; Manabu Nishimoto
Original assignee: Sumco Corp; Sumco Phoenix Corp
Current assignee: Sumco Corp; Sumco Phoenix Corp
Priority date: 2008-07-31
Filing date: 2009-07-17
Publication date: 2019-02-07
Anticipated expiration: 2029-07-18
Also published as: JP5481125B2; TWI490380B; KR101398304B1; DE102009033667A1; KR20100014168A; JP2010037192A; US20100024717A1; TW201016903A

Abstract

Verfahren zum Züchten eines Halbleiterkristalls, umfassend folgende Schritte:Ziehen eines Kristalls aus einer Schmelze in einem Tiegel mit einer nominalen Ziehgeschwindigkeit entsprechend einem nominalen Ziehgeschwindigkeitssignal;Erzeugen eines Tiegel-Hebesignals, um eine Senkung des Schmelzelevel im Tiegel zu kompensieren;Heben des Tiegels mit einer Tiegel-Heberate entsprechend dem Tiegel-Hebesignal;Detektieren einer Schwankung des Durchmessers des Kristalls;Erzeugen eines Tiegel-Heberatenkorrektursignals auf der Basis der detektierten Schwankung des Durchmessers des Kristalls undDurchführen einer ersten Steuerung zum Kompensieren der Schwankung des Durchmessers des Kristalls durch Heben des Tiegels mit einer anderen ersten Tiegel-Heberate erhalten durch eine Kombination der Tiegel-Heberate und einer Rate entsprechend dem Tiegel-Heberatenkorrektursignal,wobei als Ergebnis der ersten Steuerung die Position der Schmelze abgesenkt wird und die Position der Schmelze der Position der Grenzfläche zwischen dem Kristall und der Schmelze folgt.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Züchten von Halbleiterkristallen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Umkehrwirkungs-Durchmessersteuerung in einem Halbleiterkristall-Züchtungssystem.
Die meisten Verfahren zur Herstellung von elektronischen Halbleiterkomponenten basieren auf Einkristall-Silicium. Herkömmlichweise wird das Czochralski-Verfahren mit einer Kristall-Ziehvorrichtung durchgeführt, um einem Ingot von Einkristall-Silicium zu produzieren. Das Czochralski- oder CZ-Verfahren involviert das Schmelzen von hochreinem Silicium oder polykristallinem Silicium in einem Tiegel, der sich in einem spezifisch entwickelten Ofen befindet. Der Tiegel besteht typischerweise aus Quarz oder anderem geeigneten Material. Nachdem das Silicium in dem Tiegel geschmolzen ist, senkt ein Kristallhebemechanismus einen Impfkristall in Kontakt mit der Siliciumschmelze. Der Mechanismus zieht dann den Impfkristall heraus, um einen wachsenden Kristall aus der Siliciumschmelze zu ziehen. Der Kristall ist im Wesentlichen frei von Defekten und daher zur Herstellung von modernen Halbleitervorrichtungen, zum Beispiel integrierten Schaltkreisen, geeignet. Während Silicium das Beispielmaterial in dieser Diskussion ist, können auch andere Halbleiter, zum Beispiel Galliumarsenid, Indiumphosphid usw. in ähnlicher Weise verarbeitet werden, wobei besondere Merkmale jedes Materials berücksichtigt werden.
Ein Schlüsselherstellungsparameter ist der Durchmesser des Ingots, der aus der Schmelze gezogen wird. Nach Bildung eines Kristallhalses oder eines Abschnitts mit engem Durchmesser vergrößert das herkömmliche CZ-Verfahren den Durchmesser des wachsenden Kristalls. Dies erfolgt unter automatischer Verfahrenssteuerung, indem die Ziehgeschwindigkeit oder die Temperatur der Schmelze verringert werden, um einen gewünschten Durchmesser aufrecht zu halten. Die Position des Tiegels wird eingestellt, um den Schmelzlevel relativ zum Kristall konstant zu halten. Indem die Ziehgeschwindigkeit bzw. Ziehrate, die Schmelzetemperatur und die Senkung des Schmelzelevels gesteuert werden, wächst der Hauptkörper des Kristallingot mit einem annähernd konstanten Durchmesser. Während des Züchtungsverfahrens bzw. des Wachstumsverfahrens dreht der Tiegel die Schmelze in eine Richtung und der Kristallhebemechanismus dreht sein Ziehkabel oder seinen Ziehschaft zusammen mit dem Impfkristall und dem Kristall in entgegengesetzter Richtung.
Bei herkömmlichen CZ-Steuerungsverfahren überwacht ein Durchmessersteuerungssystem den Kristalldurchmesser und erzeugt einen Korrekturterm λ (Δd, t) als eine Funktion von Durchmesserabweichungen. Der Durchmessersteuerungsvorgang addiert diese Korrektur zu der nominalen Kristallziehgeschwindigkeit, während die Tiegelheberate von der Kristallziehgeschwindigkeit abhängt. Dies geschieht, um die Senkung des Tiegelschmelzelevels zu kompensieren, so dass die Schmelzeposition im Wesentlichen konstant bleibt. Die Schmelzeposition kann sich im Verlauf des Verfahrens langsam ändern.
Der Bereich der Schmelze unterhalb des Kristalls, der über dem Schmelzelevel erhöht ist, wird als der Meniskus bezeichnet. Durchmesserabweichungen werden durch Abweichungen bei der Meniskushöhe verursacht. Meniskushöhenabweichungen sind das Resultat von Temperaturgradientänderungen in der Schmelze infolge des Auftriebs in der Schmelze. Auftrieb tritt in der Schmelze infolge von natürlich vorkommenden Regionen der Schmelze, die heißer sind als andere Regionen und daher hochsteigen, oder von Regionen, die kälter sind und daher absinken, auf. Wenn der Schmelzetemperaturgradient als Resultat einer Auftriebsfluktuation kleiner wird, nimmt die Kristallisationsrate zu, was wiederum zu einer verringerten Meniskushöhe führt. Die reduzierte Meniskushöhe bewirkt dann, dass der Durchmesser des Kristalls größer wird, was durch das Durchmessermesssystem detektiert wird. Das Steuerungssystem produziert dann einen Korrekturterm, der die Kristallziehgeschwindigkeit erhöht, um den Durchmesser konstant zu halten.
Idealerweise hält das Durchmessersteuerungssystem die Meniskushöhe bei einem konstanten Wert, was in einem zylindrischen Wachstum resultiert, so dass die resultierenden Ziehgeschwindigkeitsvariationen den Auftrieb widerspiegeln, der durch Schwankungen beim Schmelztemperaturgradienten bewirkt wird. Diese Annahme trifft bei herkömmlichen Durchmessersteuerungssystemen nicht vollständig zu, da sie an signifikanten Steuerungsmodell- und Messfehlern leiden.
Ein wichtiger Steuerungsparameter ist v/G, das Verhältnis von Ziehgeschwindigkeit v zu dem Temperaturgradienten G. Temperaturgradienten umfassen G_S, welches der Temperaturgradient in dem Feststoff oder dem Kristall ist, und G_L, welches der Temperaturgradient in der Flüssigkeit oder Schmelze ist. Ein Problem bei herkömmlichen Systemen bezüglich v/G ist zum Beispiel, dass eine temporäre Reduktion des Schmelztemperaturgradienten G_L detektiert werden wird, wenn das Durchmessersteuerungssystem eine Zunahme des Durchmessers des Kristalls detektiert. Das Durchmessersteuerungssystem reagiert mit einer erhöhten Ziehgeschwindigkeit, v. Als Resultat vergrößert sich das bereits erhöhte v/G weiter. Dieser Zustand hält an, bis die Auftriebsfluktuation verschwindet.
Einige Kristallzüchtungsanwendungen sind darauf gerichtet, Silicium mit wenig Defekten oder einen Siliciumkristall im Wesentlichen ohne interstitielle oder Leerstellendefekte zu züchten. Anwendungen, wie zum Beispiel Züchtung von Silicium mit wenig Defekten, sind nur mit v/G_S im Kristall befasst. In solchen Anwendungen bleibt G_S mehr oder weniger konstant während solcher Fluktuationen, so dass die v/G_S-Abweichung nur proportional zu der Ziehgeschwindigkeitskorrektur ist, die ein Resultat der Schmelzegradientenabweichung ist.
Allerdings ist der Fall bei stark dotierten CZ-Anwendungen schlimmer. Bei stark dotiertem Silicium ist Dotierungsmittel zugesetzt, um die elektrischen Eigenschaften des Siliciums zu verändern. Bei stark dotiertem Silicium kann eine konstitutionelle Superkühlung auftreten. Infolge des Segregationseffektes gibt es vor der Fest-Flüssig-Grenze eine kleine Schmelzeschicht mit einer leicht höheren Dotierungsmittelkonzentration als im Rest der Schmelze. Da die Erstarrungstemperatur eine Funktion der Dotierungsmittelkonzentration ist, kann in dieser Schicht eine spontane Kristallisation als Resultat eines Abfalls bei der Schmelzetemperatur erfolgen. Dieses Phänomen wird als konstitutionelle Superkühlung bezeichnet und die Wahrscheinlichkeit, dass es auftritt, steigt, wenn das Verhältnis v/G_L ansteigt. Stark dotierte Siliciumanwendungen müssen v/G_L in der Schmelze berücksichtigen, da sie eine solche konstitutionelle Superkühlung vermeiden müssen. In diesem Fall hat die v/G_L-Abweichung zwei Komponenten, der reduzierte G_L und die resultierende erhöhte v.
Ausbeute und Produktivität beider Anwendungen, Silicium mit geringen Defekten und stark dotiertes Silicium, leiden stark unter dem Problem einer v/G_S- bzw. v/G_L-Abweichung. Dieses Problem kann ein Hindernis für zukünftige Anwendungen, zum Beispiel Züchtung eines CZ-Kristalls mit großem Durchmesser oder verstärkter Dotierung, sein und hat einen negativen Einfluss auf Ausbeuten.
Es wurden mehrere Anstrengungen unternommen, um dieses Problem zu lösen, allerdings mit geringem Erfolg. Die meisten Ansätze verwenden substantielle Hardware und sind kostenintensiv. Einige Vorschläge greifen das Problem an seiner Quelle an, welche das Steuerungssystem ist. Das Steuerungssystem für ein Kristallzüchtungssystem ist üblicherweise relativ kostengünstig, da es üblicherweise durch Steuerungssoftware ohne einen Bedarf für zusätzliche Hardware durchgeführt wird.
Ein gängiger Ansatz zur Lösung dieses Problems involviert die Anwendung von Magnetfeldern, um die Auftriebsfluktuationen zu dämpfen. Allerdings addiert dieser Ansatz die hohen zusätzlichen Kosten für Magnete hinzu. Ein anderer Ansatz ist die Verwendung von Kühlungsmänteln oder einem Hitzeschild, um Temperaturgradienten zu erhöhen.
Ein weiteres Beispiel zur Lösung des Problems, diesmal auf dem Steuerungssystemlevel, schlägt ein festgelegtes Impfkristall-Hebesetup vor, indem der Kristalldurchmesser nur durch die Energie der Heizvorrichtung gesteuert wird. Dies wird erreicht, indem ein kompliziertes Wärmeausgleichmodell verwendet wird, um die Heizvorrichtungssteuerung zu optimieren und Durchmesserschwankungen zu minimieren. Nominal resultiert dieses Verfahren in einem konstanten v/G_S und reduzierten v/G_L-Abweichungen.
Unglücklicherweise ist konstantes v/G_S nicht wirklich nur durch Fixieren der Ziehgeschwindigkeit erreichbar, da die Grenzflächenwachstumsrate noch der G_L-Fluktuation folgt. Infolge des Fehlens einer unverzüglichen Korrekturdurchführung resultiert dies in Meniskushöhenabweichungen und folglich Durchmesserabweichungen. Wegen inhärent großer Zeitkonstanten wird eine Steuerung des Durchmessers nur durch die Energie der Heizvorrichtung signifikante Durchmesserabweichungen bewirken; es gibt keine Angaben, wie kompliziert das zugrunde liegende Steuerungsmodell sein kann.
Diese großen Durchmesserabweichungen reduzieren allerdings die Ausbeute und die Produktivität, wobei eine Fixierung der Ziehgeschwindigkeit erzielt werden sollte. Außerdem werden diese Durchmesserabweichungen auch unerwünschte Grenzflächen-Gestaltsveränderungen bewirken und sie werden die stöchiometrische „run-to-run“-Konsistenz verringern.
Aus der JP 2000/335996 A ist es bekannt, einen Kristalldurchmesser zu überwachen. Eine Ziehgeschwindigkeit eines Saatkristalls wird in Abhängigkeit von dem Durchmesser des Kristalls modifiziert.
Auch in der US 5,888,299 wird eine Ziehgeschwindigkeit eines Saatkristalls in Abhängigkeit von einem Durchmesser gesteuert.
Weitere Verfahren und Vorrichtungen zum Züchten eines Halbleiterkristalls sind aus der US 2002/0029738 A1 , der US 2007/0277727 A1 , der US 5,408,952 A oder der DE 11 2006 002 130 T5 bekannt.
Dementsprechend besteht weiterhin ein Bedarf für ein verbessertes System und ein verbessertes Verfahren zum Lösen des Problems einer v/G_L-Abweichung und zur Verbesserung der Züchtung von Halbleiterkristallen.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG
Es werden ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung nach Anspruch 3 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsbeispiele.
Das System und das Verfahren, die hierin beschrieben werden, wenden eine Durchmesserrückkopplungssteuerung in neuer Art an, um v/G-Abweichungen in einer Kristallzüchtungsanwendung zu reduzieren oder zu eliminieren.
Das Verhältnis v/G ist einer der wichtigsten Kristallzüchtungsparameter bzw. Kristallwachstumsparameter. Im Fall von Silicium mit wenigen Defekten bestimmt v/G_S, ob Silicium mit wenigen Defekten oder nicht gezüchtet wird und im Fall von stark dotiertem CZ bestimmt v/G_L konstitutionelle Superkühlungsbedingungen.
Herkömmliche CZ-Steuerungssysteme waren unfähig, gleichzeitig v/G zu stabilisieren, während Durchmesser und Kristallwachstum gesteuert wurden. Um dieses wichtige Problem zu lösen, stellen die vorliegenden Ausführungsformen eines neues Durchmessersteuerungsverfahren bereit, während gleichzeitig v/G-Abweichungen reduziert oder eliminiert werden.
Gleichung (1) ist eine eindimensionale Wärmeausgleichsgleichung, die die Kristallisationsrate v in Abhängigkeit von den Feststoff-G_S- und Flüssigkeits-G_L-Temperaturgradienten an der Feststoff-Flüssigkeits-Phasengrenze beschreibt. Die Parameter in Gleichung (1) stehen für die spezifische latente Wärme der Feststoffphase L, die Feststoffphasenwärmeleitfähigkeit k_S und die Flüssigkeitsphasenwärmeleitfähigkeit k_L. $L_{S} ν = k_{S} G_{S} - k_{L} G_{L}$
Die Situation ist im Fall von stark dotiertem CZ-Material am schlechtesten, da die Durchmessersteuerung immer v/G_L-Abweichungen erhöht, die natürlicherweise als Resultat von Auftrieb-induzierten G_L-Abweichungen auftreten. Wenn zum Beispiel als Resultat des Auftriebs G_L abnimmt, wird die Kristallisationsrate v ansteigen, außerdem wird die v/G-Abweichung zunehmen. Beides, die ursprüngliche Abnahme von G_L und die resultierende Zunahme von v, wird eine Erhöhung von v/G_L bewirken. Dies treibt das System in einen kritischen Zustand, in dem eine konstitutionelle Superkühlung leichter auftritt.
Wenn es keine Durchmessersteuerung gibt (zum Beispiel eine konstante Ziehgeschwindigkeit), so wird dieser Zustand nur temporär existieren, bis die Meniskushöhe ausreichend verändert ist, um G_L zu erhöhen und G_S zu senken, und zwar genügend mit dem Resultat, dass v wieder gleich der Ziehgeschwindigkeit ist. Dieses Resultat wäre ein leicht erhöhtes v/G_L und ein schneller wachsender Durchmesser.
Allerdings ändert sich die Situation mit der Hinzufügung eines Durchmesserregulierungssystems bzw. Durchmessersteuerungssystems. Um zu verhindern, dass der Durchmesser übermäßig wächst, wird das Durchmessersteuerungssystem die Ziehrate erhöhen, um die Meniskushöhe für ein zylindrisches Wachstum aufrechtzuerhalten. Als Resultat wird der kritische Zustand für einen längeren Zeitraum existieren, was die Chancen für eine konstitutionelle Superkühlung und anderen verwandten Strukturverlust, die Phänomene wie zum Beispiel zelluläres Wachstum bewirken, signifikant erhöht.
Die Situation ist bei der Produktion von Silicium mit wenigen Defekten ähnlich. Hier bestimmt der Wert von v/G_S, ob Bedingungen für Silicium mit geringen Defekten existieren oder nicht. Abweichungen vom optimalen v/G_S werden das System in einen Zustand mit Leerstellen- oder interstitielle Defekte-reichem Wachstum führen. Auch hier haben v/G_S-Abweichungen ihren Ursprung in durch Auftrieb induzierten G_L-Abweichungen. Abweichungen, die zu Anfang die Durchmessersteuerungsreaktionen verursachen, beeinträchtigen das v/G_S-Steuerungsziel nicht. Allerdings führt die Durchmessersteuerung v/G_S auch weg von günstigen Bedingungen.
Figurenliste

1 ist ein Blockdiagramm eines Beispiels für eine Apparatur zum Züchten eines Halbleiterkristalls;
2 - 8 sind eine Serie von Zeichnungen, die den Wärmeausgleich in einer Apparatur zum Züchten eines Halbleiterkristalls darstellen;
9 stellt eine herkömmliche Durchmessersteuerung des Standes der Technik in einer Apparatur zum Züchten eines Halbleiterkristalls dar;
10 stellt eine erste Ausführungsform einer Durchmessersteuerung in einer Apparatur zum Züchten eines Halbleiterkristalls dar; und
11 stellt eine zweite Ausführungsform einer Durchmessersteuerung in einer Apparatur zum Züchten eines Halbleiterkristalls dar;
12 stellt eine Durchmessersteuerung in einer Apparatur zum Züchten eines Halbleiterkristalls dar, die keine beanspruchte Ausführungsform ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN UND DER GEGENWÄRTIG BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Was die Zeichnungen angeht, so ist 1 ein Blockdiagramm eines Beispiels für eine Apparatur 100 zum Züchten eines Halbleiterkristalls. Die Apparatur 100 umfasst eine Steuerungseinheit 102, eine Heizvorrichtungsenergiezuführung 104 und eine Kristallzüchtungskammer 106. Die Apparatur 100 umfasst ferner eine Kristallantriebseinheit 108, eine Kristallwelle 110, eine Tiegelantriebseinheit 112 und eine Tiegelantriebswelle 114.
In der Kammer 106 sind ein Tiegel 116, der eine Schmelze 118 enthält, und eine Heizvorrichtung 120 enthalten. In der Darstellung von 1 wird ein Halbleiterkristall 122 aus der Schmelze 118 gebildet. Die Steuerungseinheit 102 ist mit der Heizvorrichtungsenergiezuführung 104 gekoppelt, um die Heizvorrichtungsenergiezuführung 104 zu steuern. Indem die Heizvorrichtungsenergiezuführung 104 gesteuert wird, wird die Temperatur der Schmelze 118 so gesteuert, dass ein gesteuertes Wachstum des Halbleiterkristalls 122 ermöglicht wird. Um außerdem die Temperatur der Schmelze zu steuern, kann eine Heizvorrichtungssteuereinheit ebenso mit der Heizvorrichtungsenergiezuführung 104 angefügt werden.
Die Kristallantriebseinheit 108 arbeitet, indem sie die Kristallwelle 110 entlang der Mittelachse 124 zieht. Die Kristallantriebseinheit 108 arbeitet auch, indem sie die Kristallwelle 110 um die Mittelachse 124 dreht. In 1 ist eine Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn angezeigt, allerdings kann auch eine Drehung im Uhrzeigersinn eingesetzt werden, und beide können durch geeignete Steuerung der Kristallantriebseinheit 108 verfügbar sein. Eine Drehung oder Bewegung der Kristallantriebswelle 110 bewirkt entsprechend eine Drehung oder Bewegung des Kristalls 122. Die Kristallantriebseinheit 108 umfasst einen elektrischen Motor oder mehrere elektrische Motoren oder andere Vorrichtungen zum Ziehen und Drehen der Kristallwelle 110. Die Kristallantriebseinheit 108 wird durch Signale gesteuert, die über eine Steuerungsleitung 126 von der Steuerungseinheit 102 bereitgestellt werden.
In ähnlicher Weise arbeitet die Tiegelantriebseinheit 112, um die Tiegelantriebswelle 114 entlang der Mittelachse 124 zu bewegen und die Tiegelantriebswelle 114 um die Mittelachse 124 zu drehen. In 1 ist eine Drehung im Uhrzeigerrichtung angezeigt, allerdings kann auch eine Drehung im Gegenuhrzeigersinn eingesetzt werden und beide können durch geeignete Steuerung der Tiegelantriebseinheit 112 verfügbar sein. Eine Drehung oder Bewegung der Tiegelantriebswelle 114 bewirkt eine Drehung oder Bewegung des Tiegels 116. Die Tiegelantriebseinheit 112 umfasst einen elektrischen Motor oder mehrere elektrische Motoren oder andere Vorrichtungen zum Ziehen und Drehen der Tiegelantriebswelle 114. Die Tiegelantriebseinheit 112 wird durch Signale gesteuert, die über eine Steuerungsleitung 128 von der Steuerungseinheit 102 bereitgestellt werden.
Die Kammer 106 umfasst einen oder mehrere Sensor(en). In der beispielhaften Ausführungsform von 1 umfassen diese eine Kamera 130 und einen Temperatursensor 132. Die Kamera 130 ist nahe an einer Betrachtungsöffnung der Kammer montiert und so gerichtet, dass die Oberfläche der Schmelze 118 gesehen wird. Die Kamera 130 erzeugt Signale, die indikativ für ein Kamerabild sind, an einer Steuerungsleitung 136 und überträgt die Signale zu der Steuerungseinheit 102. Der Temperatursensor 132 detektiert die Temperatur in der Kammer 106 und stellt Daten für die Temperatur der Steuerungseinheit 102 über eine Steuerungsleitung 138 bereit.
Die Steuerungseinheit 102 in der dargestellten Ausführungsform umfasst im Allgemeinen eine zentrale Verarbeitungseinheit 140 (central processing unit (CPU)), einen Speicher 142 und eine Benutzerschnittstelle 144. Die CPU 140 kann eine beliebige geeignete Verarbeitungsvorrichtung, zum Beispiel ein Mikroprozessor, ein digitaler Signalprozessor, eine digitale Logikfunktion oder ein Computer, sein. Die CPU 140 arbeitet nach den Daten und Instruktionen, die im Speicher 142 gespeichert sind. Darüber hinaus arbeitet die CPU 140 unter Verwendung von Daten und anderen Informationen, die von einem Sensor zum Beispiel über Steuerungsleitungen 126, 128, 136, 138 empfangen werden. Darüber hinaus arbeitet die CPU 140 derart, dass sie Steuerungssignale für Steuerungsteile der Apparatur 100 zum Züchten eines Halbleiterkristalls wie zum Beispiel die Heizvorrichtungsenergiezuführung 104, die Kristallantriebseinheit 108 und die Tiegelantriebseinheit 112, erzeugt.
Der Speicher 142 kann ein beliebiger Typ eines dynamischen oder persistenten Speicherelements, zum Beispiel Halbleiterspeicher, magnetische oder optische Platte oder eine Kombination dieser, oder ein anderer Speicher sein. In einigen Anwendungen kann die vorliegende Erfindung als ein Computer-lesbares Speichermedium, das Daten enthält, um zu bewirken, dass die CPU 140 bestimmte spezifizierte Funktionen in Verbindung mit anderen Komponenten der Apparatur 100 zum Züchten eines Halbleiterkristalls durchführt, verkörpert sein.
Die Benutzerschnittstelle 144 erlaubt dem Benutzer eine Steuerung und Überwachung der Apparatur 100 zum Züchten eines Halbleiterkristalls. Die Benutzerschnittstelle 144 kann ein geeignetes Display zur Bereitstellung von Betriebsinformationen für einen Benutzer umfassen und kann eine beliebige Art einer Tastatur oder eines Schalters umfassen, um dem Benutzer eine Steuerung und eine Betätigung der Apparatur 100 zum Züchten eines Halbleiterkristalls zu erlauben.
Die Apparatur 100 zum Züchten eines Halbleiterkristalls ermöglicht ein Wachstum eines Einkristall-Halbleiteringots nach dem Czochralski-Verfahren. Nach diesem Verfahren wird Halbleitermaterial, zum Beispiel Silicium, in den Tiegel 116 gegeben. Die Heizvorrichtungsenergiezuführung 104 betätigt die Heizvorrichtung 120, um das Silicium zu erhitzen und zu bewirken, dass es schmilzt. Die Heizvorrichtung 120 hält die Siliciumschmelze 118 in einem flüssigen Zustand. Nach dem herkömmlichen Verfahren wird ein Impfkristall 146 an der Kristallantriebswelle 110 befestigt. Der Impfkristall 146 wird durch die Kristallantriebseinheit 108 in die Schmelze 118 abgesenkt. Außerdem bewirkt die Kristallantriebseinheit 108, dass die Kristallantriebswelle 110 und der Impfkristall 146 sich in einer ersten Richtung, zum Beispiel im Gegenuhrzeigersinn, drehen, während die Tiegelantriebseinheit 112 bewirkt, dass sich die Tiegelantriebswelle 114 und der Tiegel 116 in der entgegengesetzten Richtung, zum Beispiel im Uhrzeigersinn, drehen. Die Tiegelantriebseinheit 112 kann den Tiegel 116 auch heben oder senken, wie es während des Kristallzüchtungsprozesses erforderlich ist. Zum Beispiel nimmt die Schmelze 118 ab, wenn der Kristall gezüchtet wird, so dass die Tiegelantriebseinheit angehoben wird, um den Schmelzelevel zu kompensieren und im Wesentlichen konstant zu halten. Während dieses Verfahrens arbeiten die Heizvorrichtungsenergiezuführung 104, die Kristallantriebseinheit 108 und die Tiegelantriebseinheit 112 alle unter Steuerung der Steuerungseinheit 102.
Zur Vereinfachung der folgenden Diskussion wird die Wärmeausgleichsgleichung, Gleichung 1, normalisiert: $v = g_{S} - g_{L}$
durch Einsetzen von $g_{S} = k_{S} / L G_{S}$
$g_{L} = k_{L} / L G_{L}$
Ferner basiert die folgende Diskussion auf den folgenden normalisierten Verhältnissen: $r_{S} = v / g_{S}$
$r_{L} = v / g_{L}$
Aus Gleichung 2 können die folgenden Feststellungen abgeleitet werden. Das Folgende muss wahr sein oder ansonsten würde der Kristall schmelzen anstatt zu wachsen. $g_{S} > g_{L}$
$r_{S} < 1$
Man kann ferner die folgenden Beziehungen zwischen r_S und r_L ableiten: $r_{L} = r_{S} / (1 - r_{S})$
$r_{S} = r_{L} / (1 + r_{L})$
$g_{S} / g_{L} = 1 / (1 - r_{S}) = 1 + r_{L}$
2 - 8 sind eine Reihe von Zeichnungen, die Wärmeausgleich in einer Apparatur zum Züchten eines Halbleiterkristalls darstellen. In jeder dieser Figuren ist die Kristall-Schmelze-Grenzfläche 202 zusammen mit dem Kristall 204 und der Schmelze 206 gezeigt. 2 zeigt die Kristall-Schmelze-Grenzfläche 202 unter idealen Bedingungen. 2 zeigt auch den Kristall 204, die Schmelze 208 und einen Wärmereflektor 210.
2 zeigt die nominale Kristall-Schmelze-Grenzflächen-Position, angegeben als h_l=h_l , die Null-Geschwindigkeit, angegeben als ν₁ = 0. 2 zeigt außerdem die Schmelzeposition, angegeben als h_L=h_L , und Null-Viskosität, angegeben als ν_L = 0. Darüber hinaus zeigt 2 den thermischen Kristallgradienten unter idealen Bedingungen, oder g_S=g_S , und den thermischen Schmelzegradienten unter idealen Bedingungen, oder g_L=g_L . Schließlich zeigt 2 die Wachstumsgeschwindigkeit ν_g=ν und die Ziehgeschwindigkeit ν_P=ν.
3 zeigt die Kristall-Schmelze-Grenzfläche 202 unmittelbar nach Auftreten einer Schmelztemperaturgradientenabweichung. In 3 ist die Kristall-Schmelze-Grenzflächen-Geschwindigkeit in diesem Zustand ν₁ = δ, der thermische Kristallgradient bleibt g_S=g_S , allerdings hat der thermische Schmelzegradient eine Abweichung oder g_l=g_l -δ. Die Wachstumsgeschwindigkeit ist nun ν_g=ν+δ. Ohne Betrieb eines Durchmessersteuerungssystems bleibt die Ziehgeschwindigkeit ν_p=ν.
4 zeigt die Kristall-Schmelze-Grenzfläche 202, nachdem das herkömmliche Durchmessersteuerungssystem auf die Schmelzetemperaturgradientenabweichung, die in 3 dargestellt ist, reagiert hat. Sie zeigt, dass die Kristall-Schmelze-Grenzflächen-Geschwindigkeit nach Anwendung der Korrektur auf ν₁ = 0 zurückgekehrt ist. Der thermische Schmelzegradient hat noch eine Abweichung, g_L=g_L -δ, wie es auch für die Wachstumsgeschwindigkeit der Fall ist, ν_g=ν+δ. Die angewendete Korrektur ist die eingestellte Geschwindigkeit oder ν_P=ν+δ.
5 zeigt die Kristall-Schmelze-Grenzfläche 202 unter Betrieb einer ersten Ausführungsform eines verbesserten Durchmessersteuerungssystems. Das Durchmessersteuerungssystem beginnt auf die Abweichung beim Schmelzetemperaturgradienten zu reagieren. 5 zeigt, dass die Kristall-Schmelze-Grenzflächen-Geschwindigkeit bei ν₁ = δ ist. Die Schmelzeposition ist noch bei h_L=h_L , allerdings ist die korrigierte Schmelzegeschwindigkeit ν_L = δ, folgend der Kristall-Schmelze-Grenzfläche. Der thermische Gradient des Kristalls ist noch bei g_S=g_S und thermische Gradient der Schmelze mit Abweichung verbleibt bei g_L=g_L -δ. Die Wachstumsgeschwindigkeit ist jetzt bei ν_g=ν+δ und die Ziehgeschwindigkeit ν_P=ν.
6 zeigt die Kristall-Schmelze-Grenzfläche 202 bei der ersten Ausführungsform des verbesserten Durchmessersteuerungssystems, das die Schmelztemperaturgradientenabweichung steuert. 6 zeigt die Kristall-Schmelze-Grenzflächen-Position, geändert zu h_l=h_l -Δh, und die Null-Geschwindigkeit ν₁=0. 6 zeigt auch die geänderte Schmelzeposition h_L=h_L -Δh und die Null-Geschwindigkeit ν_L = 0. Der korrigierte thermische Gradient des Kristalls ist nun g_S=g_S -δ und der thermische Gradient der Schmelze mit Abweichung ist nun g_L=g_L -δ. Die Wachstumsgeschwindigkeit und die Ziehgeschwindigkeit sind nun ν_g=ν bzw. ν_p=ν.
7 zeigt die Kristall-Schmelze-Grenzfläche bei einer zweiten Ausführungsform eines verbesserten Durchmessersteuerungssystems. In 7 reagiert das verbesserte Durchmessersteuerungssystem weiter auf eine Abweichung des Temperaturgradienten der Schmelze, wobei die Ziehgeschwindigkeit unter Konstanthaltung von r_S, wenn sich der thermische Gradient des Kristalls ändert, eingestellt wird. 7 zeigt die Kristall-Schmelze-Grenzfläche in der Position h_l=h_l-Δh, allerdings liegt die Grenzflächenpositionsgeschwindigkeit nun bei ν_l=δ-(l-r_S )Δg_S. Die Schmelzeposition ist bei h_L=h_L -Δh und die korrigierte Geschwindigkeit ist ν_L = ν₁, folgend der Kristall-Schmelze-Grenzfläche. Der thermische Gradient des Kristalls ist nun g_S=g_S -Δg_S. Der thermische Gradient der Schmelze mit Abweichung ist nun g_L=g_L -δ. Die Wachstumsgeschwindigkeit ist nun ν_g=ν+δ-Δg_S und die eingestellte Ziehgeschwindigkeit ist ν_P=ν-r_S Δg_S worin Δg_s=f(Δh).
8 zeigt die Kristall-Schmelze-Grenzfläche bei der zweiten Ausführungsform des Durchmessersteuerungssystems, das die Abweichung des Schmelztemperaturgradienten steuert. 8 zeigt die Position der Kristall-Schmelze-Grenzfläche bei h_l=h_l -Δh und Null-Geschwindigkeit, ν₁ = 0. 8 zeigt auch die Schmelzeposition h_L=h_L -Δh und die Null-Geschwindigkeit ν_L = 0. Der korrigierte thermische Gradient des Kristalls ist nun $g_{S} = {\bar{g}}_{S} - \frac{δ}{1 - \bar{r_{s}}} .$
Der thermische Gradient der Schmelze mit Abweichung ist g_L=g_L -δ. Die Wachstumsgeschwindigkeit ist $ν_{g} = \bar{ν} - \bar{r_{S}} \frac{δ}{1 - \bar{r_{S}}}$
und die eingestellte Ziehgeschwindigkeit ist $ν_{P} = \bar{ν} - \bar{r_{S}} \frac{δ}{1 - \bar{r_{s}}} .$
9 stellt eine herkömmliche Apparatur 900 zum Züchten eines Halbleiterkristalls dar, die eine Durchmessersteuerung des Standes der Technik verwendet. Die Apparatur 900 umfasst eine Ziehkammer 902, die einen Kristall 904 umfasst, der aus einem Tiegel 906 gezogen wird. Schmelze 908 ist in dem Tiegel 906 enthalten. Das System 900 umfasst außerdem einen Wärmereflektor 910, einen Impfkristallhebemotor 912 und einen Tiegelhebemotor 914. Das System 900 umfasst außerdem eine Vorrichtung 916 zum Messen des Kristalldurchmessers und ein assoziiertes Durchmessersteuerungssystem 918. Ein Mechanismus 920 zur Kompensierung einer Senkung des Schmelzelevels im Tiegel steuert den Tiegelhebemotor 914. Das System 900 umfasst außerdem eine Heizvorrichtung 922 und ein Heizvorrichtungsrückkoppelungssteuerungssystem 924, das so konzipiert ist, dass die Korrektur des Durchmessersteuerungssystems Null gemacht wird, indem die Schmelztemperatur durch die zugeführte Heizvorrichtungsenergie eingestellt wird.
Im Allgemeinen umfasst die Apparatur 900 zum Züchten eines Kristalls ein Steuerungssystem des oben in Verbindung mit 1 beschriebenen Typs. Das Steuerungssystem produziert einen Zielgeschwindigkeits-Output 926, der das nominale Ziehgeschwindigkeits-Signal für den Impfkristallhebemotor 912 erzeugt. In entsprechender Weise erzeugt das Steuerungssystem ein Steuerungssignal, um den Mechanismus 922 zur Kompensierung der Senkung des Schmelzelevels im Tiegel zu steuern, wodurch ein Heben des Tiegels mit dem Tiegelhebemotor 914 durchgeführt wird, wobei dieser so konzipiert ist, dass er die Senkung des Schmelzelevels im Tiegel kompensiert.
Zur Durchmessersteuerung umfasst das Steuerungssystem der Apparatur 900 ein Durchmessersteuerungssystem 918. Dieses System erzeugt ein Ziehgeschwindigkeitskorrektursignal für den Impfkristallhebemotor 912. Das Ziehgeschwindigkeitskorrektursignal ist so konzipiert, dass ein konstanter Kristalldurchmesser für den Kristall 904 aufrechterhalten wird.
Wenn der Kristall 904 aus der Schmelze 908 aufgezogen wird, sinkt der Schmelzelevel im Tiegel 906. Gleichzeitig wird der Tiegel 906 durch den Tiegelhebemotor 914 angehoben, um die Senkung des Schmelzelevels im Tiegel zu kompensieren, so dass die Schmelzeposition und damit der Zwischenraum zwischen der Schmelzeoberfläche und dem Wärmereflektor 910 konstant bleibt und damit der thermische Gradient g_S im Kristall 904.
Die Geschwindigkeit, mit der der Kristall 904 aus der Schmelze 908 gezogen wird, wird durch die Zielziehgeschwindigkeit ν plus eines Korrekturterms A, der vom Durchmessersteuerungssystem 918 kommt, bestimmt.
Idealerweise ist der Korrekturterm A Null, wie es in 2 und dem dazugehörigen Text angegeben ist. Durch Auftriebsfluktuationen im Schmelzfluss unterliegt der Schmelztemperaturgradient an der Kristall-Schmelze-Grenzfläche ebenfalls Fluktuationen. Eine Fluktuation bzw. Schwankung des Schmelztemperaturgradienten -δ wird bewirken, dass sich die Kristall-Schmelze-Grenzfläche mit einer Rate ν₁ = δ ändert, die die Differenz zwischen Ziehgeschwindigkeit und Wachstumsrate ist, wie es in 3 dargestellt ist. Als Resultat ändert sich der Kontaktwinkel, was bewirkt, dass der Durchmesser des Kristalls sich zu ändern beginnt.
Das Durchmessersteuerungssystem 918 erzeugt dann als Reaktion auf die beobachtete Durchmesseränderung eine Geschwindigkeitskorrektur λ, die auf die Ziehgeschwindigkeit angewendet wird, um unmittelbar auf die ursprüngliche Störung zu reagieren, so dass der Durchmesser konstant bleibt. Die Position der Kristall-Schmelze-Grenzfläche bleibt ebenfalls konstant, wie es in 4 dargestellt ist. Das Durchmessersteuerungssystem 918 verwendet ein Rückkopplungssteuerungssystem mit geschlossenem Regelkreis. Sein Output-Signal wird im Wesentlichen das Signal sein, das den Durchmesser konstant hält, was im vorliegenden Fall A = ν₁ ist.
Für dieses herkömmliche Durchmessersteuerungsbeispiel können die Verhältnisse r_S und r_L als Durchschnittswerte ν, g _S, g _L und δ wie folgt ausgedrückt werden (unter Bezugnahme auf 4): $r_{S} = \frac{ν}{g_{S}} = \frac{\bar{ν} + δ}{{\bar{g}}_{S}}$

und $r_{L} = \frac{ν}{g_{L}} = \frac{\bar{ν} + δ}{{\bar{g}}_{L} - δ}$
Daraus folgend können die Abweichungen dieser Verhältnisse, die durch Auftrieb verursachten Schwankungen des Schmelztemperaturgradienten und das Steuerungssystem, das darauf reagiert, wie folgt bestimmt bzw. geschätzt werden. $Δ r_{S} = \frac{δ}{{\bar{g}}_{S}}$

und $Δ r_{L} = (1 + \bar{r_{L}}) \frac{δ}{{\bar{g}}_{L}}$
10 stellt eine erste Ausführungsform der Durchmessersteuerung in einer Apparatur 1000 zum Züchten eines Halbleiterkristalls dar. Die Apparatur 1000 umfasst eine Ziehkammer 1002, die einen Kristall 1004 umfasst, der aus einem Tiegel 1006 gezogen wird. In dem Tiegel 1006 ist Schmelze 1008 enthalten. Das System 1000 umfasst außerdem einen Wärmereflektor 1010, einen Impfkristallhebemotor 1012 und einen Tiegelhebemotor 1014. Das System 1000 umfasst außerdem eine Kristalldurchmessermessvorrichtung 1016 und ein damit verbundenes Durchmessersteuerungssystem 1018. Ein Mechanismus 1020 zur Kompensierung einer Senkung des Schmelzelevels steuert den Tiegelhebemotor 1014. Ein Steuerungssystem-Zielziehgeschwindigkeits-Output 1022 ist ein Teil eines Steuerungssystems, zum Beispiel des Steuerungssystems 102 von 1. Das System 1000 umfasst außerdem eine Vorrichtung 1024, die die Gradientenänderung Δg_S bestimmt, welche ein Resultat einer Schmelzepositionsänderung ist, welche das Resultat des Durchmessersteuerungssystems ist, das einen Korrekturterm zu dem Tiegelheber liefert. Das System 1000 umfasst außerdem eine Heizvorrichtung 1026 und ein Heizvorrichtungsrückkopplungssteuerungssystem 1028, das so konzipiert ist, dass es die durchschnittliche Gradienteneinstellung Δg_S Null macht, indem die Schmelztemperatur durch die der Heizvorrichtung zugeführte Energie eingestellt wird.
Der Zielziehgeschwindigkeits-Output 1022 des Steuerungssystems erzeugt das nominale Ziehgeschwindigkeitssignal für den Impfkristallhebemotor 1012. Der Mechanismus 1020 des Kontrollsystems zur Kompensierung einer Senkung des Tiegelschmelzelevels erzeugt ein Tiegel-Hebesignal, das auf den Tiegelhebemotor 1014 anwendet wird, um die Senkung des Tiegelschmelzelevels zu kompensieren. Das Steuerungssystem des Durchmessersteuerungssystems 1018 erzeugt ein Tiegel-Heberatenkorrektursignal, das konzipiert ist, um einen konstanten Kristalldurchmesser aufrechtzuerhalten.
Der Kristall 1004 wird mit einer vorbestimmten Ziehgeschwindigkeit ν aus der Schmelze 1008 gezogen. Gleichzeitig wird der Tiegel 1006 durch den Tiegelhebemotor 1014 mit einer Geschwindigkeit angehoben, die eine Kombination aus einer Geschwindigkeit, die den Schmelzelevelabfall im Tiegel 1006, der durch Ziehen des Kristalls mit Geschwindigkeit ν verursacht wird, kompensiert, minus dem Korrekturterm λ, der den Output des Durchmessersteuerungssystems 1018 ist, ist.
Idealerweise ist der Korrekturterm Null, wie es in Verbindung mit 2 dargestellt ist. Wenn allerdings als Resultat einer Auftriebsfluktuation im Schmelzefluss eine Schmelztemperaturgradientenfluktuation -δ auftritt, beginnt sich die Kristall-Schmelze-Grenzfläche mit einer Rate ν₁ = δ zu ändern (siehe 3). Die resultierende Änderung in der Meniskushöhe und beim Kontaktwinkel verursacht gegebenenfalls eine Durchmesseränderung, die durch das Durchmessersteuerungssystem 1018 detektiert wird. Das Durchmessersteuerungssystem 1018 erzeugt dann einen Output-Term λ, der von der Tiegelanhebung subtrahiert wird. Da das Durchmessersteuerungssystem 1018 Teil eines geschlossenen Rückkopplungsströmungssystems ist, wird das Durchmessersteuerungs-Outputsignal die Schmelzeposition der Kristall-Schmelze-Grenzfläche mit derselben Rate ν_L = ν_l = δ folgen lassen, (siehe 5), wodurch Meniskushöhe, Kontaktwinkel und der Durchmesser konstant gehalten werden.
Das Resultat ist eine Vergrößerung des Zwischenraums zwischen dem Wärmereflektor 1010 und der Schmelzeoberfläche. Dies wiederum bewirkt, dass sich der thermische Gradient im Kristall 1004 ändert. Als Resultat wird gegebenenfalls die Kristall-Schmelze-Grenzfläche mit der Änderung aufhören, sobald sich der thermische Gradient im Kristall zu g_S=g _S-δ geändert hat, da dann die Wärmeausgleichsgleichung in einer Wachstumsrate resultiert, die gleich der Ziehrate ist ν_P=ν_g=g_S-g_L=ν (siehe 6). An diesem Punkt wird das Output-Signal des Durchmessersteuerungssystems 1018 Null werden, da es nicht länger eine Durchmesseränderung detektieren wird.
In einem solchen System werden die Verhältnisse r_S und r_L, ausgedrückt als Durchschnittswerte ν, g _S, g _L und δ, $r_{S} = \frac{ν}{g_{S}} = \frac{\bar{ν}}{{\bar{g}}_{S} - δ}$

und $r_{L} = \frac{ν}{g_{L}} = \frac{\bar{ν}}{{\bar{g}}_{L} - δ}$
werden
und die resultierenden Abweichungen dieser Verhältnisse von ihren Idealwerten können wie folgt bestimmt werden: $Δ r_{S} = \bar{r_{S}} \frac{δ}{{\bar{g}}_{S}}$

und $Δ r_{L} = \bar{r_{L}} \frac{δ}{{\bar{g}}_{L}}$
Da r _S immer kleiner als 1 ist, wird dieses Verfahren r_S-Schwankungen im Vergleich zu herkömmlichen Systemen immer verringern.
Im Fall einer Produktion von Silicium mit wenig Defekten, in der eine kleinstmögliche r _S-Schwankung höchste Priorität hat, ist r _S typischerweise in der Nachbarschaft von 0,5. Dies bedeutet, dass in einem solchen Fall das verbesserte System und das verbesserte Verfahren, die hierin beschrieben werden, dieselbe Durchmessersteuerungsleistungsfähigkeit bei 50% weniger r_S-Schwankungen im Vergleich zum Stand der Technik bereitstellen werden.
Das verbesserte Steuerungssystem und -verfahren reduziert r_L-Schwankungen um einen Faktor $\frac{\bar{r_{L}}}{1 + \bar{r_{L}}}$
verglichen mit herkömmlichen Durchmessersteuerungssystemen. Im Fall der Herstellung von stark dotiertem Silicium, bei der eine kleinstmögliche r _L- und kleinstmögliche r _L-Schwankung äußerst wichtig ist, ist r _L typischerweise kleiner als 1. In einem solchen Fall wird die verbesserte Steuerungsvorrichtung und das verbesserte Verfahren dieselbe Durchmessersteuerungsleistungsfähigkeit mit mehr als 50% geringeren r_L-Schwankungen verglichen mit herkömmlichen Systemen bereitstellen.
11 stellt eine zweite Ausführungsform der Durchmessersteuerung in einer Apparatur zum Züchten eines Halbleiterkristalls 1100 dar. Die Apparatur 1100 umfasst eine Ziehkammer 1102, die einen Kristall 1104 umfasst, der aus einem Tiegel 1106 gezogen wird. In dem Tiegel 1106 ist Schmelze 1108 enthalten. Das System 1100 umfasst außerdem einen Wärmereflektor 1110, einen Impfkristallhebemotor 1112 und einen Tiegelhebemotor 1114. Das System 1100 umfasst außerdem eine Kristalldurchmesser-Messvorrichtung 1116 und ein angeschlossenes Durchmessersteuerungssystem 1118. Ein Mechanismus 1120 zum Kompensieren der Senkung beim Schmelzelevel im Tiegel steuert den Tiegelhebemotor 1114. Ein Steuerungssystem-Zielziehgeschwindigkeits-Output 1122 ist ein Teil eines Steuerungssystems, zum Beispiel des Steuerungssystems 102 von 1. Das System 1100 umfasst außerdem eine Vorrichtung 1124, die die Gradientenänderung Δg_S bestimmt, welche das Resultat einer Schmelzepositionsänderung ist, welche das Resultat des Durchmessersteuerungssystems ist, das einen Korrekturterm für die Tiegelhebung liefert. Das System 1100 umfasst auch eine v/G-Korrekturkomponente 1125. Das System 1100 umfasst außerdem eine Heizvorrichtung 1126 und ein Heizvorrichtungs-Rückkopplungssteuerungssystem 1128, das so konzipiert ist, dass es die durchschnittliche Gradienteneinstellung Δg_S Null macht, indem es die Schmelztemperatur durch die der Heizvorrichtung zugeführte Energie einstellt.
Bei Betrieb erzeugt der Steuerungssystem-Zielziehgeschwindigkeits-Output 1122 das nominale Ziehgeschwindigkeitssignal für den Impfkristallhebemotor 1112. Das Kompensierungssystem 1120 für die Senkung beim Schmelzelevel im Tiegel erzeugt ein Tiegel-Hebesignal, um die Senkung des Schmelzelevels im Tiegel, wenn der Kristall 1104 aus dem Tiegel 1106 gezogen wird, zu kompensieren. Die Durchmessersteuerung 1118 erzeugt ein Ziehgeschwindigkeitskorrektursignal, das so konzipiert ist, dass es einen konstanten Kristalldurchmesser aufrechterhält. Die v/G-Korrekturkomponente 1125 erzeugt entsprechend der Gradientenänderung, die in der Vorrichtung 1124 bestimmt wird, einen Geschwindigkeitskorrekturterm, um v mit der Änderung des Kristalltemperaturgradienten zu modifizieren, um r_S=ν/g_S exakt bei dem gewünschten Wert von r _S=ν/g _S zu halten. Der Korrekturterm wird mit dem nominalen Ziehgeschwindigkeitssignal kombiniert.
Wie in dem System 1000, das in 10 dargestellt ist, wird der Kristall 1104 aus der Schmelze 1108 gezogen und gleichzeitig wird der Tiegel 1106 durch den Tiegelhebemotor 1114 mit einer Geschwindigkeit angehoben, die eine Kombination einer Geschwindigkeit, die die Senkung des Schmelzelevels in dem Tiegel 1106 kompensiert, die durch Ziehen des Kristalls 1104 bewirkt wird, minus dem Korrekturterm λ, der der Output des Durchmessersteuerungssystems 1118 ist, ist.
Im Gegensatz zu dem System 1000, das in 10 dargestellt ist, umfasst die Ziehgeschwindigkeit in dem System 1100 von 11 die vorbestimmte Geschwindigkeit ν plus einem Korrekturterm. Dieser Korrekturterm ist von der Änderung in der Schmelzeposition abgeleitet (das Integral über dem Durchmessersteuerungssystem-Output, das auf den Tiegelheber angewendet wurde), der verwendet wird, um die Änderung im Kristalltemperaturgradienten zu bestimmen, die das Resultat der Schmelzepositionsänderung ist. Für kleine Schmelzepositionsänderungen ist die Änderung beim Kristalltemperaturgradienten nahezu proportional zu der Schmelzepositionsänderung, und die Relation zwischen den beiden kann aus Computersimulationen bestimmt werden.
Auch wie in System 1000, das in 10 dargestellt ist, das mit dem ungestörten Zustand beginnt (siehe 2) bewirkt eine Schmelztemperaturgradientenfluktuation -δ, dass sich die Kristall-Schmelze-Grenzfläche mit einer Rate ν₁ = δ ändert (siehe 5). Diese resultierende Änderung beim Durchmesser wird durch das Durchmessersteuerungssystem 1118 detektiert, welches einen Output-Term λ erzeugt, der von dem Tiegel-Hebesignal subtrahiert wird. Es handelt sich um eine Rückkopplungssteuerung mit geschlossener Schleife, die den Durchmesser konstant hält, wobei der Output λ der Durchmessersteuerung ein Wert ist, der bewirkt, dass die Schmelzeposition der Kristall-Schmelze-Grenzfläche mit einer Rate von λ = ν_L = ν₁ folgt (siehe 5), wodurch der Kontaktwinkel und mit ihm der Durchmesser konstant gehalten wird (siehe 6).
Wenn sich die Schmelzeposition ändert, wird die Änderung beim Kristalltemperaturgradienten Δg_S auf der Basis der akkumulierten Schmelzepositionsänderungen Δh bestimmt. Die Ziehgeschwindigkeit wird durch dem Term r _S·Δg_S korrigiert, so dass das tatsächliche Verhältnis r_S konstant bei $r_{S} = \frac{\bar{ν} + \bar{r_{S}} \cdot Δ g_{S}}{{\bar{g}}_{S} + Δ g_{S}} = \bar{r_{S}}$
bleibt (siehe 7).
Wie im System 1000, das in 10 dargestellt ist, ist das Resultat eine Vergrößerung des Zwischenraums zwischen dem Wärmereflektor 1110 und der Schmelzeoberfläche, was bewirkt, das sich der thermische Gradient im Kristall 1104 ändert. Die Kristall-Schmelze-Grenzfläche wird eine Änderung stoppen, sobald der thermische Gradient im Kristall 1104 sich ausreichend geändert hat, so dass die Ziehgeschwindigkeit und die Wachstumsrate gleich ν_p = ν_g sind.
Im Gegensatz zu System 1000 von 10 gilt im System 1100 von 11 $g_{S} = {\bar{g}}_{S} - \frac{δ}{1 - \bar{r_{S}}} und ν_{p} = ν_{g} = \bar{ν} - \bar{r_{S}} \frac{δ}{1 - \bar{r_{S}}},$
da die Ziehgeschwindigkeit bezüglich der Änderung des Kristalltemperaturgradienten eingestellt wird.
Im gesteuerten Zustand mit aktiver Durchmessersteuerung können die Verhältnisse r_S und r_L als Durchschnittswerte ν, g _S, g _L und δ ausgedrückt werden. $r_{S} = \frac{ν}{g_{S}} = \frac{\bar{ν} - \bar{r_{S}} \frac{δ}{1 - \bar{r_{S}}}}{{\bar{g}}_{S} - \frac{δ}{1 - \bar{r_{S}}}}$

und $r_{L} = \frac{ν}{g_{L}} = \frac{\bar{ν} - \bar{r_{S}} \frac{δ}{1 - \bar{r_{S}}}}{{\bar{g}}_{L} - δ}$
Daraus folgend ist die r_S-Abweichung gemäß Plan nun Null $Δ r_{S} = 0 = (\frac{\bar{ν}}{{\bar{g}}_{S}} \frac{1}{1 - \bar{r_{S}}} - \frac{\bar{r_{S}}}{1 - \bar{r_{S}}}) \frac{δ}{{\bar{g}}_{S}}$

und die r_L-Abweichung wird $Δ r_{L} = \frac{\bar{ν}}{{\bar{g}}_{L}} \frac{δ}{{\bar{g}}_{L}} - \frac{\bar{r_{S}}}{1 - \bar{r_{S}}} \frac{δ}{{\bar{g}}_{L}},$

welche durch Anwendung der Gleichungen (4b) und (6a) oben Null wird. $Δ r_{L} = 0 = \bar{r_{L}} \frac{δ}{{\bar{g}}_{L}} - \bar{r_{L}} \frac{δ}{{\bar{g}}_{L}}$
12 stellt eine Durchmessersteuerung in einem System 1200 zum Züchten eines Halbleiterkristalls dar, welche keine beanspruchte Ausführungsform ist. Das System 1200 umfasst eine Ziehkammer 1202, die einen Kristall 1204 enthält, der aus einem Tiegel 1206 gezogen wird. In dem Tiegel 1206 ist eine Schmelze 1208 enthalten. Das System 1200 umfasst außerdem einen Wärmereflektor 1210, einen Impfkristallhebemotor 1212 und einen Tiegelhebemotor 1214. Das System 1200 umfasst außerdem eine Kristalldurchmesser-Messvorrichtung 1216 und ein damit verbundenes Durchmessersteuerungssystem 1218. Ein Mechanismus zur Kompensierung einer Senkung des Schmelzelevels im Tiegel 1220 steuert den Tiegelhebemotor 1214.
Das System 1200 umfasst ein Steuerungssystem, das ähnlich dem Steuerungssystem 102 von 1 ist. Das Steuerungssystem hat einen Zielziehgeschwindigkeits-Output 1222, der ein nominales Ziehgeschwindigkeits-Signal für den Impfkristallhebemotor 1212 erzeugt. Das Steuerungssystem umfasst außerdem einen Mechanismus 1220 zur Kompensierung einer Senkung des Schmelzelevels im Tiegel, der ein Tiegel-Hebesignal erzeugt, um eine Senkung des Schmelzelevels im Tiegel zu kompensieren. Das Steuerungssystem umfasst auch einen Durchmessersteuerungsmechanismus 1218, der ein Ziehgeschwindigkeitskorrektursignal erzeugt, das so entwickelt ist, dass ein konstanter Kristalldurchmesser aufrechterhalten wird.
Das System 1200 umfasst außerdem eine Vorrichtung 1224, die die Gradientenänderung Δg_S bestimmt, welche ein Resultat einer Schmelzepositionsänderung ist. Das Steuerungssystem umfasst außerdem ein v/G-Korrektursystem 1225. Das v/G-Korrektursystem 1225 des Steuerungssystems arbeitet gemäß einem Parameter x, der eine Kombination zwischen der ersten Ausführungsform, die oben in Verbindung mit 10 beschrieben wurde, und der zweiten Ausführungsform, die oben in Verbindung mit 11 beschrieben wurde, bestimmt. Das Steuerungssystem reagiert auf den Wert des Parameters x und erzeugt einen Geschwindigkeitskorrekturterm mit der Änderung des Kristalltemperaturgradienten, multipliziert mit dem Parameter x. Außerdem bestimmt ein Parameter y eine Kombination zwischen traditioneller Steuerung und Steuerung gemäß den hierin beschriebenen Ausführungsformen.
Aus dem Vorstehenden kann ersehen werden, dass die vorliegende Erfindung ein verbessertes Verfahren und System zur Steuerung des Wachstums eines Halbleiterkristalls bereitstellt. Die hierin offenbarten Ausführungsformen stellen eine zuverlässige Steuerung des Durchmessers des Kristalls bereit. Zusätzlich verringern diese Ausführungsformen auch den Effekt von Faktoren, zum Beispiel Auftrieb in der Schmelze bei Temperaturgradienten in der Schmelze und im Kristall. Der wichtige Parameter v/G wird präzise gesteuert.
Es ist daher vorgesehen, dass die vorstehende detaillierte Beschreibung als Erläuterung anstatt als Beschränkung zu sehen ist und dass zu verstehen ist, dass die folgenden Ansprüche, einschließlich aller Äquivalente, dazu bestimmt sind, den Geist und den Rahmen dieser Erfindung zu definieren.

Claims

Verfahren zum Züchten eines Halbleiterkristalls, umfassend folgende Schritte: Ziehen eines Kristalls aus einer Schmelze in einem Tiegel mit einer nominalen Ziehgeschwindigkeit entsprechend einem nominalen Ziehgeschwindigkeitssignal; Erzeugen eines Tiegel-Hebesignals, um eine Senkung des Schmelzelevel im Tiegel zu kompensieren; Heben des Tiegels mit einer Tiegel-Heberate entsprechend dem Tiegel-Hebesignal; Detektieren einer Schwankung des Durchmessers des Kristalls; Erzeugen eines Tiegel-Heberatenkorrektursignals auf der Basis der detektierten Schwankung des Durchmessers des Kristalls und Durchführen einer ersten Steuerung zum Kompensieren der Schwankung des Durchmessers des Kristalls durch Heben des Tiegels mit einer anderen ersten Tiegel-Heberate erhalten durch eine Kombination der Tiegel-Heberate und einer Rate entsprechend dem Tiegel-Heberatenkorrektursignal, wobei als Ergebnis der ersten Steuerung die Position der Schmelze abgesenkt wird und die Position der Schmelze der Position der Grenzfläche zwischen dem Kristall und der Schmelze folgt.
Verfahren zum Züchten eines Halbleiterkristalls gemäß Anspruch 1, umfassend, anschließend an die erste Steuerung, folgende Schritte: Erzeugen eines Ziehgeschwindigkeitskorrektursignals derart, dass das Verhältnis einer Ziehgeschwindigkeit zu einem Kristalltemperaturgradienten (v_P/g_s) sich nicht verändert, basierend auf einer Änderung des Kristalltemperaturgradienten (g_s) aufgrund einer Veränderung der Position der Schmelze, welche durch die erste Steuerung verursacht wird, und Erzeugen eines zweiten Tiegel-Heberatenkorrektursignals basierend auf der Schwankung des Durchmessers des Kristalls nach der ersten Steuerung; und Durchführen einer zweiten Steuerung zur fortwährenden Kompensation der Schwankung des Durchmessers des Kristalls durch Ziehen des Kristalls bei einer anderen Ziehgeschwindigkeit, welche durch eine Kombination der nominalen Ziehgeschwindigkeit und einer dem Ziehgeschwindigkeitskorrektursignal entsprechenden Geschwindigkeit erhalten wird, und durch Heben des Tiegels mit einer anderen zweiten Tiegel-Heberate, welche durch eine Kombination der ersten Tiegel-Heberate und einer Rate entsprechend dem zweiten Tiegel-Heberatenkorrektursignal erhalten wird.
Vorrichtung zum Herstellen eines Kristalls, umfassend: einen Tiegel, um Schmelze aufzunehmen; einen Impfkristallhebemotor, um einen Kristall als Reaktion auf ein Geschwindigkeitssignal aus der Schmelze zu ziehen; einen Tiegelhebemotor, um den Tiegel als Reaktion auf ein Hebesignal zu heben; ein Steuerungssystem, umfassend: ein Zielmodul zum Erzeugen eines nominalen Ziehgeschwindigkeitssignals zum Ziehen des Kristalls bei einer nominalen Ziehgeschwindigkeit unter Benutzung des Impfkristallhebemotors, und ein Modul für die Kompensation des Tiegelschmelzelevelabfalls zum Erzeugen eines Tiegel-Hebesignals, um eine Senkung des Schmelzelevel im Tiegel in Folge eines Ziehens des Kristalls aus der Schmelze zu kompensieren, um den Tiegel mit einer Tiegel-Heberate entsprechend dem Tiegel-Hebesignal unter Benutzung des Tiegel-Hebemotors zu heben, weiter umfassend ein Kristalldurchmesser-Messsystem zum Detektieren einer Schwankung des Durchmessers des Kristalls und zum Erzeugen eines Durchmessersignals, wobei das Steuersystem weiter ein Durchmessersteuermodul beinhaltet, um ein Tiegel-Heberatenkorrektursignal basierend auf dem Durchmessersignal zu erzeugen, und wobei das Steuersystem eine erste Steuerung zum Kompensieren der Schwankung des Durchmessers des Kristalls durch Heben des Tiegels bei einer anderen ersten Tiegel-Heberate erhalten durch eine Kombination der Tiegel-Heberate mit einer Rate entsprechend dem Tiegel-Heberatenkorrektursignal unter Benutzung des Tiegel-Hebemotors durchführt, wobei als Ergebnis der ersten Steuerung die Position der Schmelze abgesenkt wird und die Position der Schmelze der Position der Grenzfläche zwischen dem Kristall und der Schmelze folgt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei das Steuersystem weiter ein Ziehgeschwindigkeitskorrekturmodul beinhaltet, um ein Ziehgeschwindigkeitskorrektursignal derart zu erzeugen, dass ein Verhältnis einer Ziehgeschwindigkeit zu einem Kristalltemperaturgradienten (v_P/g_s) sich nicht verändert, basierend auf einer Veränderung des Kristalltemperaturgradienten (g_s) aufgrund einer Änderung der Position der Schmelze, welche durch die erste Steuerung verursacht wird, wobei das Durchmessersteuermodul ein zweites Tiegel-Heberatenkorrektursignal basierend auf einer Schwankung des Durchmessers des Kristalls nach der ersten Steuerung, welche durch das Kristalldurchmesser-Messsystem detektiert wird, erzeugt und wobei das Steuersystem eine zweite Steuerung zur fortdauernden Kompensation der Schwankung des Durchmessers des Kristalls durch Ziehen des Kristalls bei einer anderen Ziehgeschwindigkeit, welche durch eine Kombination der nominellen Ziehgeschwindigkeit und einer Geschwindigkeit entsprechend dem Ziehgeschwindigkeitskorrektursignal erhalten wird, und durch Heben des Tiegels mit einer anderen zweiten Tiegel-Heberate, welche durch eine Kombination der ersten Tiegel-Heberate und einer Rate entsprechend dem zweiten Tiegel-Heberatenkorrektursignal erhalten wird, durchführt.
Vorrichtung zum Herstellen eines Kristalls gemäß Anspruch 3, wobei das Steuersignal die Veränderung der Position der Schmelze aus einem Integral einer Tiegel-Hebeausgabe, welche sich aus der ersten Steuerung ergibt, berechnet, um eine Änderung des Kristalltemperaturgradienten (g_s) als Funktion der Änderung der Position der Schmelze auszugeben.