DE60000579T2 - Verfahren und vorrichtung zur steuerung des konuswachstums in einem halbleiterkristallzüchtungsverfahren - Google Patents

Description

ERFINDUNGSHINTERGRUND
• Diese Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Verbesserungen bei der Steuerung des Wachstumsprozesses von Einkristallhalbleitern zur Verwendung bei der Herstellung elektronischer Bauteile und insbesondere auf ein geschlossenes Schleifenverfahren und System zur genauen Steuerung des Taperwachstums bei einem Czochralski-Kristallzüchtungsverfahren.
• Monokristallines oder einkristallines Silizium ist das Ausgangsmaterial bei den meisten Verfahren zur Herstellung von elektronischen Halbleiterbauelementen. Kristallziehmaschinen, welche das Czochralski-Verfahren anwenden, erzeugen den größten Teil des einkristallinen Siliziums. Kurz beschrieben beinhaltet das Czochralski-Verfahren das Schmelzen einer Ladung von hochreinem polykristallinem Silizium in einem Quarztiegel, der in einem speziell dafür gebauten Ofen platziert ist. Nachdem der beheizte Tiegel die Siliziumladung geschmolzen hat, senkt ein Kristallanhebungsmechanismus einen Impfkristall bis zum Kontakt mit dem geschmolzenen Silizium ab. Der Mechanismus zieht anschließend den Impfkristall heraus, um einen wachsenden Kristall aus der Siliziumschmelze zu ziehen.
• Nach der Bildung eines Kristallansatzes vergrößert das Verfahren typischerweise den Durchmesser des wachsenden Kristalls durch Verringerung der Ziehgeschwindigkeit und/oder der Schmelzentemperatur bis ein erwünschter Durchmesser erreicht wird. Durch Steuerung der Ziehgeschwindigkeit und der Schmelzentemperatur und den Ausgleich des abnehmenden Schmelzniveaus wird der Hauptkörper des Kristalls so gezüchtet, dass er einen ungefähr konstanten Durchmesser aufweist (d. h., dass er im allgemeinen zylindrisch ist). Nahe am Ende des Züchtungsverfahrens, jedoch bevor der Tiegel mit geschmolzenem Silizium geleert ist, verringert der Prozess den Kristalldurchmesser graduell, um einen Endkonus auszubilden. Typischerweise wird der Endkonus durch Erhöhen der Kristallziehgeschwindigkeit und der auf den Tiegel übertragenen Wärme ausgebildet. Sobald der Durchmesser schmal genug ist, wird der Kristall anschließend aus der Schmelze entfernt. Während des Wachstumsprozesses rotiert der Tiegel die Schmelze in eine Richtung, und der Kristallhebemechanismus rotiert sein Ziehkabel oder seinen Ziehschaft zusammen mit dem Impfkristall und dem Kristall in die entgegengesetzte Richtung.
• Obwohl die gegenwärtig verfügbaren Czochralski-Züchtungsverfahren zum Züchten von einkristallinem Silizium in einer breiten Vielzahl von Anwendungen verwendbar und zufriedenstellend sind, werden trotzdem weitere Verbesserungen gewünscht. Beispielsweise würde eine konsistente und wiederholbare Taperform am Impfende dabei helfen, einen konsistenten maximalen thermischen Belastungswert aufrecht zu halten, einen konsistenten Wärmeübergang im Frühstadium des Körperwachstums und eine verbesserte Zuverlässigkeit der Durchmesserbestimmungssysteme gewährleisten. Aus diesen Gründen ist eine Steuerung des Taper- Wachstums beim Züchten des Tapers auf eine wiederholbare Form erwünscht, um die Taper- Konsistenz und Wiederholbarkeit zu verbessern. Herkömmliche Taperwachstumssteuerungen beinhalten oft die Steuerung der Wärme in der Schmelze durch Feinabstimmung mittels Versuch und Irrtum. Alternativ dazu wird die Wärme durch ein Steuerungsverfahren gesteuert, wie etwa die Steuerung einer gegebenen Messtemperatur basierend auf einem vorgegebenen Temperaturprofil (d. h. Solltemperatur vs. Taperdurchmesser). Die US Patent Nummern 5,223,078 und 4,973,377 beschreiben herkömmliche Taperwachstumssteuerungen.
• Beispielsweise lehrt Maeda et al., US Patent Nr. 5.223,078, ein Verfahren zur Steuerung des Wachstums des konischen Abschnitts des Kristalls angrenzend an den Impfkristall (d. h. den Taper). Dieses Verfahren benötigt eine aktive Messung und Regelung der Prozessvariablen während des Taperwachstums. Bei dem Maeda-Verfahren werden die Schmelzentemperaturen und der Durchmesser des Tapers des wachsenden Kristalls gemessen. Die Veränderungsgeschwindigkeit des Durchmessers wird berechnet und diese Veränderungsgeschwindigkeit wird zusammen mit der gemessenen Temperatur mit vorgegebenen Solltemperaturen und Veränderungsgeschwindigkeitswerten verglichen. Die Solltemperatur wird anschließend wiederum auf Basis der existierenden Daten aus einem Solltemperatur- Datenfile und einem Solldurchmesserveränderungsgeschwindigkeits-Datenfile bestimmt. Die der Heizvorrichtung zugeführte Elektrizitätsmenge wird anschließend über einen proportional integral-derivativen Regler (PID) gesteuert, um eine korrigierte Solltemperatur zu erhalten. Auf diese Weise versuchten Maeda et al. die Länge des Tapers so kurz wie möglich zu machen.
• Katsuoka et al., U.S. Patent Nr. 4,973,377, beschreibt ein Verfahren zu Steuerung des Taperdurchmessers durch Steuerung der Schmelzentemperatur und der Rotationsgeschwindigkeit des Tiegels. Bei diesem Verfahren wird der Steuerungsbereich der Rotationsgeschwindigkeit des Tiegels mit zunehmender Annäherung des Durchmessers des verjüngten Anteils an den des Kristallkörperanteils enger angesetzt, und wird während der Körperanteil gezüchtet wird konstant gehalten.
• Diese Ansätze sind jedoch nicht vollständig zufriedenstellend. Im U.S. Patent 5,223,078 wird uns gelehrt, Strahlungsthermometrie als Sekundärfeedback für die Steuerung der Schmelzentemperatur zu verwenden. Dieses Verfahren wurde ausprobiert und schlug fehl, aufgrund der infrequenten pyrometrischen Blockade während der Anlaufzeit der Maschine SiO- Akkumulation im Strahlungsmessweg und Unterschieden bei der Verstärkung der Temperaturmessung von Gerät zu Gerät, als Beispiel. Zusätzlich zu diesem gleichen Verfahren zur Temperatursteuerung lehrt das U.S. Patent Nr. 4,973,377 ein Verfahren zur Regelung der Tiegelrotationsgeschwindigkeit, um die Schmelzentemperatur einzustellen. Die Regelung der Tiegelrotationsgeschwindigkeit verändert die radiale Fließgeschwindigkeit der Schmelze und führt damit zusätzliche Steuerungsdynamiken ein, die potentiell die Steuerung des Durchmessers destabilisieren. Außerdem wird sich mit Veränderung der Tiegelgeschwindigkeit die Sauerstoffdiffusionsschichtdicke der Schmelze an der Tiegelwand verändern, und die Regelung der Tiegelrotationsgeschwindigkeit wird auch den in den Kristall eingebauten Sauerstoffgehalt bestimmen. Da die Steuerung des Sauerstoffgehaltes im allgemeinen unter Spezifikation eines Kunden erfolgt, ist es nicht erwünscht, den Sauerstoffgehalt zu modifizieren, um die Taperform zu steuern. Im Gegenteil ist es erwünscht, die Taperform unabhängig von Sauerstoffkonzentrationseinstellungen zu steuern. Darüber hinaus versagen die Steuerungstechniken, die von diesen Patenten gelehrt werden, bei der Bereitstellung einer adäquaten Taperwachstumswiederholbarkeit.
• Aus diesen Gründen ist ein Verfahren und ein System zur Steuerung des Taperwachstums erwünscht, das ein vorgegebenes Temperaturprofil in Kombination mit der Regelung der Ziehgeschwindigkeit beinhaltet, um eine Taperwachstumssteuerung beim Züchten des Tapers auf eine wiederholbare Form zur Verfügung zu stellen, um die Taperkonsistenz und Wiederholbarkeit zu verbessern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Die Erfindung erfüllt das oben genannte Bedürfnis und überwindet die Defizite des Standes der Technik, indem sie ein verbessertes Verfahren und System zur Steuerung und zum Betrieb zur Verfügung stellt. Unter den diversen Aufgaben und Merkmalen der vorliegenden Erfindung kann an die Bereitstellung eines derartigen Verfahrens und Systems angemerkt werden, dass den Taperanteil eines wachsenden Kristalls mit einer wiederholbaren Form züchtet; die Bereitstellung eines derartigen Verfahrens und Systems, das einen konsistenten Wert der maximalen thermischen Belastung während des Taperwachstums aufrechterhält; die Bereitstellung eines derartigen Verfahrens und Systems, das einen konstanten Wärmeübergang beim frühen Körperwachstum aufrechterhält; und die Bereitstellung eines derartigen Verfahrens, das in effizienter und ökonomischer Weise durchgeführt werden kann, sowie ein derartiges System, das ökonomisch durchführbar und kommerziell nutzbar ist.
• Kurz erläutert ist ein Verfahren, welches Aspekte der vorliegenden Erfindung verkörpert, für die Verwendung in Kombination mit einem Apparat zum Züchten eines Einkristallhalbleiters nach dem Czochralski-Prozess verwendbar. Der Apparat weist einen beheizten Tiegel auf, welcher eine Halbleiterschmelze enthält, aus der der Kristall auf einem Impfkristall, das aus der Schmelze gezogen wird, gezüchtet wird. Dieses Verfahren umfasst das Ziehen des Kristalls aus der Schmelze mit einer Soll-Ziehgeschwindigkeit, die im wesentlichen einem anfänglichen Geschwindigkeitsprofil zum Züchten eines Taperanteils des Kristalls folgt. Das Verfahren umfasst ebenso die Schritte des Messens einer Steigung des Taperanteils des Kristalls und des Definierens einer Soll-Tapersteigung. Die gemessene Tapersteigung ist eine Funktion der Veränderung im Kristalldurchmesser relativ zur einer Veränderung der Kristalllänge während des Ziehens des Taperanteils des Kristalls. Das Verfahren umfasst ferner die Erzeugung eines Fehlersignals als Funktion der Differenz zwischen der gemessenen Tapersteigung und der Soll-Tapersteigung, das Einstellen der Ziehgeschwindigkeit als Funktion des Fehlersignals, um die Differenz zwischen der gemessenen Tapersteigung und der Soll-Tapersteigung zu verringern, sowie das Ziehen des Kristalls aus der Schmelze mit der eingestellten Soll-Ziehgeschwindigkeit. Auf diese Weise verändert das Verfahren die gemessene Steigung des Taper-Anteil des Kristalls, um das Wachstums des Kristalls zu steuern.
• Ganz allgemein liegt eine andere Ausführungsform der Erfindung in einem System zur Verwendung in Kombination mit einem Apparat zum Züchten eines Einkristallhalbleiters nach dem Czochralski-Verfahren. Der Apparat weist einen erhitzten Tiegel auf, welcher die Halbleiterschmelze enthält, aus der der Kristall auf einem Impfkristall gezüchtet wird, das aus der Schmelze mittels einer Kristallantriebseinheit gezogen wird. Das System umfasst einen Speicher, welcher ein anfängliches Geschwindigkeitsprofil zum Züchten des Taperanteils des Kristalls speichert, und der eine Soll-Tapersteigung speichert. Die Kristallantriebseinheit zieht den Kristall aus der Schmelze mit einer Soll-Ziehgeschwindigkeit, die im wesentlichen dem Geschwindigkeitsprofil folgt. Das System umfasst ebenso einen Regler, der Information über den Kristalldurchmesser und die Kristalllänge während des Ziehens des Taperanteils des Kristalls empfängt und darauf reagiert. Der Regler berechnet eine Taper-Steigungsmessung als Funktion der Veränderung des Kristalldurchmessers relativ zur Veränderung der Kristalllänge. Der Regler erzeugt ebenfalls ein Fehlersignal als Funktion der Differenz zwischen der Taper-Steigungsmessung und der Soll-Tapersteigung und gewährleistet eine Ziehgeschwindigkeitskorrektur an der Kristallantriebseinheit als Funktion des Fehlersignals. Die Kristallantriebseinheit regelt die Ziehgeschwindigkeit gemäß der Ziehgeschwindigkeitskorrektur, um die Differenz zwischen der Taper-Steigungsmessung und der Soll- Tapersteigung zu verringern. Auf diese Weise steuert das System das Wachstum des Taperanteils des Kristalls basierend auf der Taper-Steigung.
• Alternativ hierzu kann die Erfindung verschiedene andere Verfahren und Systeme umfassen. Andere Aufgaben und Merkmale sind teilweise offensichtlich und werden teilweise im folgenden ausgeführt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Fig. 1 ist eine Darstellung eines Kristallzüchtungsapparates und eines Systems zum Steuern des Kristallzüchtungsapparates gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
• Fig. 2 ist ein Blockdiagramm einer Steuerungseinheit des Systems der Fig. 1.
• Fig. 3 ist eine Seitenteilansicht des Taperwachstums eines Halbleiterkristalls, der aus einer Schmelze gezogen wird, die in dem Kristallzüchtungsapparat der Fig. 1 enthalten ist.
• Fig. 4 ist ein exemplarisches Taper-Steigungsprofil θ(D), welches die Taper-Steigung als Funktion des Kristalldurchmessers veranschaulicht.
• Fig. 5 ist ein Blockdiagramm, das die Steuerung des Kristallwachstumsprozesses nach dem Taper-Steigungsprofil θ(D) der Fig. 4 zeigt.
• Gleichlautende Bezugszeichen beziehen sich durchgehend auf die entsprechenden Teile in den Zeichnungen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
• Bezugnehmend auf Fig. 1 wird ein System, allgemein mit 11 bezeichnet, zur Verwendung mit einem Czochralski-Kristallzüchtungsapparat, allgemein mit 13 bezeichnet, gezeigt. Die Details des Aufbaus des Kristallzüchtungsapparates 13 sind dem Durchschnittsfachmann sehr gut bekannt. Im allgemeinen umfasst der Kristallzüchtungsapparat 13 eine Vakuumkammer 15, welche einen Tiegel 19 umschließt. Eine Heizvorrichtung wie etwa ein Widerstandsheizer 21 umgibt den Tiegel 19. In einer Ausführungsform kleidet eine Isolierung 23 die innere Wand der Vakuumkammer 15 aus und ein Kammerkühlmantel (nicht gezeigt), der mit Kühlwasser betrieben wird, umgibt diese. Eine Vakuumpumpe (nicht gezeigt) entfernt üblicherweise das Gas aus dem Inneren der Vakuumkammer 15 während eine Inert- Gasatmosphäre aus Argon eingefüllt wird.
• Gemäß dem Einkristallzüchtungsverfahren nach Czochralski wird eine bestimmte Menge an polykristallinem Silizium oder Polysilizium in den Tiegel 19 eingefüllt. Eine Heizvorrichtungsstromquelle 27 stellt einen elektrischen Strom für den Widerstandsheizer 21 zur Verfügung, um die Tiegelbeladung zu schmelzen und so eine Siliziumschmelze 29 zu bilden, aus der der Einkristall 31 gezogen wird. Wie im Stand der Technik bekannt, beginnt der Einkristall 31 mit einem Impfkristall 35, der an einem Ziehschart oder Kabel 37 befestigt ist. Wie in Fig. 1 gezeigt, haben der Einkristall 31 und der Tiegel 19 im allgemeinen eine gemeinsame Symmetrieachse 39. Ein Ende des Kabels 37 ist mit einer Trommel (nicht gezeigt) verbunden, und das andere Ende ist mit einer Aufspannvorrichtung (nicht gezeigt) verbunden, welche den Impfkristall 35 und den Kristall 31 der an dem Impfkristall gezogen wird, trägt.
• Sowohl während des Heizens als auch des Kristallziehens rotiert eine Tiegelantriebseinheit 43 den Tiegel 19 (beispielsweise im Uhrzeigersinn). Die Tiegelantriebseinheit 43 kann ferner den Tiegel 19 anheben und absenken, je nach Notwendigkeit während des Züchtungsverfahrens. Beispielsweise hebt die Tiegelantriebseinheit 43 den Tiegel 19 an, während die Schmelze 29 abgereichert wird, um deren Niveau, angezeigt beim Bezugszeichen 45, auf einer bestimmten Höhe zu halten. Eine Kristallantriebseinheit 47 rotiert auf ähnliche Weise das Kabel 37 in einer entgegengesetzten Richtung zur Richtung in der die Tiegelantriebseinheit 43 den Tiegel 19 rotiert. Zusätzlich hebt und senkt die Kristallantriebseinheit 47 den Kristall 31 bezüglich des Schmelzenniveaus 45, wie während des Wachstumsprozesses erwünscht.
• Bei einer Ausführungsform heizt der Kristallzüchtungsapparat 13 den Impfkristall 35 vor durch Absenken bis es nahezu in Kontakt tritt mit dem geschmolzenen Silizium der Schmelze 29 enthalten in dem Tiegel 19. Nach dem Vorheizen senkt die Kristallantriebseinheit 47 den Impfkristall 35 über das Kabel 37 weiter bis zum Kontakt mit der Schmelze 29 an deren Schmelzenniveau 45 ab. Während der Impfkristall 35 schmilzt, zieht die Kristallantriebseinheit 47 ihn langsam aus der Schmelze 29 zurück. Der Impfkristall 35 entzieht Silizium aus der Schmelze 29, um bei dem Zurückziehen ein Wachstum des Siliziumeinkristalls 31 zu erzeugen. Die Tiegelantriebseinheit 43 rotiert auf ähnliche Weise den Tiegel 19 mit einer Bezugsgeschwindigkeit, üblicherweise jedoch in die entgegengesetzte Richtung bezüglich des Kristalls 31.
• Eine Steuerungseinheit 51 steuert anfänglich die Rückziehgeschwindigkeit und die Leistung, welche die Stromquelle 27 an den Heizer 21 abgibt, um ein Abkragen des Kristalls 31 zu bewirken. Vorzugsweise züchtet der Kristallzüchtungsapparat 13 den Kristallansatz mit einem im wesentlichen konstanten Durchmesser, wenn der Impfkristall 35 aus der Schmelze 29 gezogen wird. Beispielsweise hält die Steuerungseinheit 51 einen im wesentlichen konstanten Halsdurchmesser von etwa 5% des gewünschten Körperdurchmessers aufrecht. Nachdem der Hals die gewünschte Enge erreicht hat, regelt die Steuerungseinheit 51 die Rotations-, Zieh- und/oder Heizparameter so, dass der Durchmesser des Kristalls 31 auf konusförmige Weise ansteigt, bis der gewünschte Kristallkörperdurchmesser erreicht ist. Beispielsweise verringert die Steuerungseinheit 51 die Ziehgeschwindigkeit, um eine auswärts gerichtete verbreiterte Region zu erzeugen, die üblicherweise als der Taper des Kristalls bezeichnet wird.
• Sobald der erwünschte Kristalldurchmesser erreicht ist, steuert die Steuerungseinrichtung 51 die Wachstumsparameter, um einen relativ konstanten Durchmesser aufrecht zu erhalten, wie durch das System 11 gemessen, bis der Prozess sich an sein Ende nähert. An diesem Punkt werden die Ziehgeschwindigkeit und die Heizung üblicherweise gesteigert, um den Durchmesser zu verringern und einen abgeschrägten Bereich am Ende des Einkristalls 31 auszubilden. Das U.S. Patent Nr. 5,178,720 offenbart ein bevorzugtes Verfahren zur Steuerung der Kristall- und Tiegelrotationsgeschwindigkeiten als Funktion des Kristalldurchmessers.
• Vorzugsweise operiert die Steuerungseinheit 51 in Kombination mit mindestens einer zweidimensionalen Kamera 53, um eine Vielzahl von Parametern des Züchtungsprozesses einschließlich des Schmelzenniveaus 45 zu bestimmen. Die Kamera 53 ist oberhalb eines Sichtfensters (nicht gezeigt) der Kammer 15 montiert und zielt im allgemeinen auf den Schnittpunkt der Längsachse 39 und des Schmelzniveaus 45 (siehe Fig. 3). Die U.S. Patente Nr. 5,882,402, U.S. Patent Nr. 5,846,318, U.S. Patent Nr. 5,665,159 und U.S. Patent Nr. 5,653,799 gewährleisten akurate und verlässliche Messungen einer Reihe von Kristallwachstumsparametern (einschließlich des Kristalldurchmessers). In diesen Patenten verarbeitet ein Bildprozessor Bilder der Kristall-Schmelzengrenzfläche aus der Kamera 53, um den Durchmesser zu bestimmen.
• Zusätzlich zu den Prozesssignalen aus der Kamera 53 verarbeitet die Steuerungseinrichtung 51 Signale anderer Sensoren. Beispielsweise kann ein Temperatursensor 59, wie etwa eine Photozelle, verwendet werden, um die Oberflächentemperatur der Schmelze zu messen.
• Fig. 2 veranschaulicht eine bevorzugte Ausführungsform der Steuerungseinheit 51 in Form eines Blockdiagramms. Die Steuerungseinheit 51 umfasst einen programmierten digitalen oder analogen Rechner 61 für die Verwendung bei der Steuerung von unter anderem der Tiegelantriebseinheit 43, der Einkristallantriebseinheit 47 und der Heizerstromquelle 27 als Funktion der verarbeiteten Signale aus der Kamera 53 und von anderen Sensoren. Wie in Fig. 2 gezeigt, kommuniziert ein programmierbarer Logic-Controller (PLC) 63 mit dem Rechner 61 über die Leitung 67 (z. B. RS-232 Kabel), sowie mit einem oder mehreren Input/Output Prozessmodulen 69 über die Leitung 71 (z. B. ein RS-485 Kabel). Gemäß der Erfindung gewährleistet der Rechner 61 eine Operator-Schnittstelle, die der Bedienperson des Kristallzüchtungsapparates 13 die Eingabe eines Satzes gewünschter Parameter für den einzelnen gezüchteten Kristall ermöglicht.
• Das Input/Output Prozessmodul 69 gewährleistet einen Weg zu und von dem Kristallzüchtungsapparat 13 zur Steuerung des Wachstumsprozesses. Zum Beispiel empfängt der PLC 63 Informationen über die Schmelzentemperatur vom Temperatursensor 59 und gibt ein Steuerungssignal an die Heizerstromquelle 27 über das Input/Output Prozessmodul 69, um die Schmelzentemperatur zu steuern, wobei auch der Züchtungsprozess gesteuert wird.
• Auf ähnliche Weise empfängt der PLC 63 ein Inputsignal von einem Encoder 75, welcher Pulse erzeugt, die als Funktion der Rotationsbewegung der Trommel in der Kristallantriebseinheit 47 schwanken. Der PLC 63 ist mittels herkömmlicher Mittel so programmiert, das er die Anzahl der vom Encoder 75 empfangenen Pulse in ein numerisches Bild umwandelt, welches die lineare Bewegung des Kabels 37 in Echtzeit darstellt. Mit anderen Worten, der PLC 63 berechnet die Geschwindigkeit des Kabels 37, und damit die Ziehgeschwindigkeit des Kristalls 31. Die Kristallantriebseinheit 47 umfasst vorzugsweise einen Motor (nicht gezeigt) zum Antrieb der Trommel, welche das Ziehkabel 37 auf und ab rollt. In einer Ausführungsform kommunizieren ein Servoverstärker (nicht gezeigt) und ein Motorengeschwindigkeitstachometer (nicht gezeigt) mit dem Motor in einer auf herkömmliche Weise geschlossenen Schleifenfeedbackanordnung. Der PLC 63 gewährleistet vorzugsweise ein Soll-Wert-Signal für den Servoverstärker der Kristallantriebseinheit 47 zur Einstellung der Geschwindigkeit des Motors als Funktion des Signals, welches vom Encoder 75 zur Verfügung gestellt wird.
• In Fig. 2 kommuniziert die Kamera 53 Videobilder des Inneren des Tiegels 19 über die Leitung 77 (z. B. ein RS-170 Videokabel) zu einem Visionssystem 79, welches die Kantendetektions- und Durchmesserbestimmungsberechnungen zur Verfügung stellt. Das Visionssystem 79 kommuniziert wiederum mit dem PLC 63 über eine Leitung 83. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das PLC 63 ein Modell TI 575 PLC, hergestellt von Siemens, oder ein Modell 545 PLC, hergestellt von Texas Instruments, und die Leitung 83 stellt eine Kommunikationsschnittstelle (z. B. eine VME Rückwandschnittstelle) dar. In Abhängigkeit von dem spezifischen Controller, der das PLC 63 verkörpert, kann die Kommunikationsschnittstelle 83 beispielsweise ein gebräuchlicher VME-Einschubschrank sein, welcher ein zusätzliches Kommunikationsbord umfasst (z. B. Modell 2571 Programm Port Expander Modul unter Verwendung des RS-422 seriellen bidirektionalen PLC-Ports). Obwohl in Zusammenhang mit dem Visionssystem 79 beschrieben, sollte klar sein, dass Kristalldurchmesserbestimmungen mittels anderer Verfahren durchgeführt werden können. Beispielsweise sind verschiedene Technologien zur Bereitstellung von Kristalldurchmessermessungen bekannt, einschließlich Verfahren zur Messung der Weite des Blankrings. Der Blankrings ist ein Charakteristikum der Reflexion der Tiegelwand in den Meniskus, der an der Fest-Flüssig-Schnittstelle des Kristalls 31 gebildet wird. Herkömmliche Blankring- und Meniskussensoren verwenden optische Pyrometer, Photozellen, Rotationsspiegel mit Photozellen, Rotationsspiegel mit Photozellen, Lichtquellen mit Photozellen, Line-Scan-Kameras und zweidimensionale Gruppenkameras.
• Die Fig. 3 veranschaulicht eine relativ frühe Phase des Kristallwachstumsprozesses im Anschluss an die Einschmelzung und das Eintauchen des Impfkristalls 35. Nach der Bildung des Kristallansatzes 85 vergrößert der typische Prozess den Durchmesser des wachsenden Kristalls 31 durch Verringerung der Ziehgeschwindigkeit und/oder der Schmelzentemperatur, bis ein erwünschter Durchmesser erreicht ist. Dieser Anteil mit zunehmendem Durchmesser wird als Taper oder Scheitel 87 bezeichnet. Wenn der Taper 87 sich auf einen erwünschten Durchmesser vergrößert hat, bildet der Kristall 31 eine Schulter, allgemein gezeigt bei 91, gefolgt von dem Hauptkörper (in Fig. 3 nicht gezeigt). Wenn die Schmelze 29 sich der Entleerung annähert, wird der Kristalldurchmesser graduell verringert, was zur Ausbildung eines im allgemeinen konischen Endkonus (nicht gezeigt in Fig. 3) des Kristalls 31 führt. Sobald der Durchmesser des Endkonus ausreichend klein ist, (z. B. 2 mm bis 4 mm) kann der Kristall 31 aus der Schmelze 29 entfernt werden, ohne dass sich Versetzungen im Kristallgitter auf den Hauptkörper des Kristalls 31 ausbreiten. Der Kristall 31 wird dann aus der Vakuumkammer 15 für die Weiterverarbeitung zu Wafern entfernt. Durch Steuerung der Ziehgeschwindigkeit und der Schmelzentemperatur und gleichzeitiger Kompensation des abnehmenden Schmelzenniveaus wird der Körper des Kristalls 31 so gezüchtet, dass er einen ungefähr konstanten Durchmesser aufweist und einen im allgemeinen zylindrischen Körper aus kristallinem Silizium (d. h. einem Rohling) darstellt. Es sollte klar sein, dass der so gezüchtete Kristallkörper keinen insgesamt gleichmäßigen Durchmesser aufweisen wird, obwohl er im allgemeinen zylindrisch ist. Außerdem variiert der Durchmesser des Kristalls 31 in den verschiedenen Phasen des Kristallwachstums (d. h. Impfkorn 35, Ansatz 85, Taper, Körper und Endkonus).
• Mit dem Züchten des Tapers 87 wird die Durchmesserinformation und Information über den vertikalen Abstand, der gewonnen wird, in den PLC 63 übertragen. Unter Verwendung der Durchmesseränderung und der Längenänderung kann der Winkel? unter Verwendung der folgenden Formel berechnet werden:
• θ = tan&supmin;¹(2ΔL/ΔD),
• wobei ΔL die Längenänderung und ΔD die Durchmesseränderung ist.
• Bezugnehmend auf Fig. 4 neigt die auf dem berechneten Winkel basierende Steuerung dazu erratisch zu sein, wenn jedoch das inverse Verhältnis (d. h. ΔD/2ΔL anstelle von 2ΔL/ΔD) verwendet wird, ist die Steuerung viel glatter. Zusätzlich kann die Variation der Durchmesserbestimmung dazu führen, dass ΔD null ist, was rechnerisch zu einer Undefinierten Bedingung führt. Gemäß der Erfindung führt der PLC 63 eine Steuerungsroutine aus, um die gemessene Taper-Steigung bei oder nahe bei der Soll-Steigung zu halten. Die Soll-Steigung bei einem gegebenen Durchmesser wird aus einer Steigungsfunktion wie in Fig. 4 gezeigt, berechnet. Diese Funktion enthält sowohl eine exponentielle als auch eine lineare Komponente und wird durch die folgende Formel wieder gegeben:
• θ(D) = (θi - b)e-D/λ + mD + b,
• wobei θ = Taper-Steigungswinkel; D = Taperdurchmesser; λ = Zerfallskonstante der exponentiellen Komponente; und m und b = Steigung und Achsenabschnitt der linearen Komponente. Bei drei gegebenen Punkten in der Kurve, nämlich (Di, θi), (Dmin, θmin) und (Df, θf) und einem gegebenen λ kann die Gleichung nach m und b aufgelöst werden, um die vollständige Gleichung zu ergeben. Die exponentielle Komponente der Steigungsfunktion wird benötigt, da die Taperform auf eine Stufenänderung bei der Ziehgeschwindigkeit mit einer exponentiellen Form antworten wird, wie bei Kim et al., "Computer Simulation and Controlled Growth of Large Diameter CZ Silicon Crystals", J. Electrochem. Soc.: SOLID- STATE SCIENCE AND TECHNOLOGY, pp. 1156-60 (Mai 1983) beschrieben. Regelungen der Ziehgeschwindigkeit während der aktiven Steuerung des Tapers 87 sollten sich daher der exponentiellen Form in natürlicherer Weise anpassen. In Fig. 4 ist der Anteil der Kurve von Punkt (Di, θi) bis Punkt (Dmin, θmin) größtenteils exponentiell und der Anteil der Kurve von (Dmin, θmin) bis Punkt (Df, θf) größtenteils linear.
• Bei bestimmten herkömmlichen Züchtungsverfahren zieht die Kristallhebeeinrichtung 47 den Taperanteil des Einkristalls 31 gemäß einem vorherbestimmten Geschwindigkeitsprofil aus der Schmelze 29. Dieses Geschwindigkeitsprofil wird in einem Kristall-"Rezept" spezifiert und wird oft als "gesperrte" oder "fixierte" Impfkornanhebung bezeichnet. Im Gegensatz dazu variieren herkömmliche Czochralski-Silizium-Züchtungsverfahren üblicherweise die Impfkornanhebung oder die Ziehgeschwindigkeit, um den Durchmesser des Hauptkörpers des wachsenden Kristalls 31 zu steuern. Fachleute erkennen, dass eine Erhöhung der Ziehgeschwindigkeit eine Verringerung des Kristalldurchmessers bewirkt, wohingegen eine Verringerung der Ziehgeschwindigkeit eine Erhöhung des Durchmessers zur Folge hat. Es ist ebenso gut bekannt, dass eine Erhöhung der Temperatur der Siliziumschmelze 14 eine Verringerung des Kristalldurchmessers bewirkt, während eine Verringerung der Schmelzentemperatur eine Vergrößerung des Durchmessers bewirkt.
• Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst vorteilhafter Weise ein vorher bestimmtes Temperaturprofil, gewährleistet jedoch eine Einstellung der Ziehgeschwindigkeit während der Taper 87 des Kristalls 31 gezüchtet wird. Fig. 5 ist ein Blockdiagramm einer Kontrollschleife, allgemein gekennzeichnet mit 93, welches die Steuerung des Kristallzüchtungsprozesses entsprechend des Taper-Steigungsprofils θ(D), wie in Fig. 4 gezeigt, darstellt. Wie oben beschrieben, empfängt der PLC 63 Informationen über den Durchmesser des wachsenden Kristalls 31 wie auch über dessen Länge. In dieser Ausführungsform stellen das Visionssystem 79 und der Kabel-Encoder 75 die Kristalldurchmesser- bzw. Längeninformation zur Verfügung. Basierend auf dieser Information berechnet der PLC 63 eine gemessene Taper-Steigung θ als Funktion der Durchmesser- und Längenänderungen (d. h. θ = tan&supmin;¹(2ΔL/ΔD)). Da die auf den berechneten Winkel basierende Steuerung erratisch zu sein beliebt, verwendet Kontrollschleife 93 das Inverse der gemessenen Steigung als Prozessvariable entsprechend der Steigung des Tapers 87 an einer bestimmten Stelle.
• Wie in Fig. 5 gezeigt, empfangt eine proportional integral derivative (PID) Kontrollschleife 95 ein Fehlersignal auf der Leitung 97. Das Fehlersignal steht für die Differenz zwischen dem Inversen der gewünschten oder Soll-Tapersteigung (d. h. dem Soll-Wert) und dem Inversen der tatsächlichen Taper-Steigung (d. h. der Prozessvariablen). Somit wird die Steigung des wachsenden Tapers 87 gemessen und mit einem vorher bestimmten Soll-Wert der aus der Funktion der Fig. 4 abgeleitet ist, verglichen. Die Steigungs-PID-Schleife 95 gibt eine Ziehgeschwindigkeitskorrektur an der Leitung 99 zum Einstellen der Ziehgeschwindigkeit ab, die wiederum aus einem bestimmten Kristallzüchtungsrezept erhalten wird. Dementsprechend wird die Ziehgeschwindigkeit so eingestellt, dass sie den Taper 87 an diese Funktion anpasst, und sie hält die gemessene Tapersteigung nahe an der Soll-Steigung.
• Angesichts des oben beschriebenen kann man erkennen, dass die verschiedenen Aufgaben der Erfingung erreicht werden und andere vorteilhafte Ergebnisse gewonnen werden.
• Da diverse Veränderungen bei den oben genannten Konstruktionen und Verfahren gemacht werden können, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen, ist es beabsichtigt, dass der gesamte in der obigen Beschreibung enthaltene Gegenstand oder in den beigefügten Zeichnungen gezeigte Gegenstand nur als veranschaulichend und nicht in einem beschränkenden Sinne verstanden werden soll.

Claims (10)

1. Steuerungsverfahren zur Verwendung in Kombination mit einer Kristallzüchtungsapparatur zum Züchten eines Halbleitereinkristalls nach dem Czochralski-Verfahren, wobei die Kristallzüchtungsapparatur einen beheizten Tiegel aufweist, der eine Halbleiterschmelze enthält, aus welcher der Kristall gezüchtet wird, wobei der Kristall auf einem Impfkristall gezüchtet wird, der aus der Schmelze gezogen wird, und das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

Ziehen des wachsenden Kristalls aus der Schmelze mit einer Soll-Ziehgeschwindigkeit, wobei die Soll-Ziehgeschwindigkeit im wesentlichen einem anfänglichen Geschwindigkeitsprofil zum Züchten eines Konusanteils (taper portion) des Kristalls folgt;

Messen einer Steigung des Konusanteils des Kristalls, wobei die gemessene Konussteigung eine Funktion der Veränderung im Kristalldurchmesser relativ zu einer Veränderung der Kristalllänge während des Ziehens des Konusanteils des Kristalls ist;

Definieren einer Soll-Konussteigung;

Erzeugung eines Fehlersignals als Funktion der Differenz zwischen der gemessenen Konussteigung und der Soll-Konussteigung;

Einstellen der Ziehgeschwindigkeit als Funktion des Fehlersignals um die Differenz zwischen der gemessenen Konussteigung und der Soll-Konussteigung zu verringern; sowie

Ziehen des Kristalls aus der Schmelze mit der eingestellten Soll-Ziehgeschwindigkeit, wodurch die gemessene Steigung des Konusanteils des Kristalls verändert wird, um das Wachstum des Kristalls zu steuern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend die Schritte des Ausführens einer Proportional-Integral-Differential-(PID)-Regelung des Fehlersignals und Erzeugen einer Ziehgeschwindigkeitskorrektur als Funktion davon, und wobei der Schritt des Einstellens der Ziehgeschwindigkeit das Einstellen der Ziehgeschwindigkeit gemäß der Ziehgeschwindigkeitskorrektur umfasst.

3. Verfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend die Schritte des Definierens einer Prozessvariablen der PID-Regelung als inverse Funktion der gemessenen Konussteigung, und Definieren eines Sollwertes der PID-Regelung als inverse Funktion der Soll- Konussteigung, und wobei der Schritt des Erzeugens des Fehlersignals das Erzeugen des Fehlersignals als Funktion der Differenz zwischen der Prozessvariablen und dem Sollwert umfasst.

4. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend die Schritte des Messens des Kristalldurchmessers und der Kristallänge, und Definieren der gemessenen Konussteigung als Funktion davon.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die gemessene Konussteigung definiert wird durch:

θ = tan&supmin;¹(2ΔL/ΔD)

wobei θ die gemessene Konussteigung ist, ΔL die Veränderung der Kristalllänge, und ΔD die Veränderung im Kristalldurchmesser ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Soll-Konussteigung durch eine Funktion definiert ist, die eine im allgemeinen exponentielle Komponente und eine im allgemeinen lineare Komponente aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Soll-Konussteigungsfunktion wie folgt ist:

θ(D) = (θi - b)e-D/λ + mD + b

wobei θi ein anfänglicher Konussteigungswinkel ist, D der Konusdurchmesser ist; λ eine Fallkonstante für die exponentielle Komponente der Funktion ist, und m und b die Steigung bzw. der Achsenabschnitt der linearen Komponente der Funktion sind.

8. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend den Schritt des Heizens des Tiegels gemäß einem vorherbestimmten Leistungsprofil der Schmelzenheizung.

9. Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend den Schritt des Einstellens der Schmelzenheizerleistung in Erwiderung auf Fehler bei der Ziehgeschwindigkeit gegenüber einem vorherbestimmten Ziehgeschwindigkeits-Sollprofil.

10. Steuerungssystem zur Verwendung in Kombination mit einer Kristallzüchtungsapparatur zum Züchten eines Halbleitereinkristalls nach dem Czochralski-Verfahren, wobei die Kristallzüchtungsapparatur einen beheizten Tiegel aufweist, der eine Halbleiterschmelze enthält, aus welcher der Kristall gezogen wird, wobei der Kristall auf einem Impfkristall gezüchtet wird, der aus der Schmelze mittels einer Kristallantriebseinheit gezogen wird, und das System umfasst:

einen Speicher, der ein anfängliches Geschwindigkeitsprofil zum Züchten eines Konusanteils des Kristalls und eine Soll-Konussteigung speichert, und die Kristallantriebseinheit den wachsenden Kristall aus der Schmelze mit einer Soll-Ziehgeschwindigkeit herauszieht, die im wesentlichen dem Geschwindigkeitsprofil folgt;

eine Steuereinheit, die empfängt und auf Information ansprechbar ist, die repräsentativ für den Kristalldurchmesser und die Kristalllänge während des Ziehens des Konusanteils des Kristalls ist, wobei diese Steuereinheit:

eine Konussteigungsmessung als Funktion der Veränderung des Kristalldurchmessers relativ zur Veränderung der Kristalllänge berechnet;

ein Fehlersignal als Funktion der Differenz zwischen der Konussteigungsmessung und der Soll-Konussteigung erzeugt; und

eine Ziehgeschwindigkeitskorrektur bei der Kristallantriebseinheit als Funktion des Fehlersignals bereitstellt, wobei die Kristallantriebseinheit die Ziehgeschwindigkeit gemäß der Ziehgeschwindigkeitskorrektur einstellt, um die Differenz zwischen der Konussteigungsmessung und der Soll-Konussteigung zu verringern, wodurch das Wachstum des Konusanteils des Kristalls basierend auf der Konussteigung gesteuert wird.