TW201736649A - 提高長晶成功率的自動長晶方法 - Google Patents

Abstract

一種提高長晶成功率的自動長晶方法，包括下列步驟。調整一坩堝內的一熔湯的一液面的溫度到達預設的一目標溫度。接著，使用一晶種接觸坩堝內的熔湯的液面。然後，進行預拉，使晶種以設定的速度往上移動而離開液面，同時監測晶種與液面之間所形成的一預拉段於液面處的一直徑。當直徑大於一預設直徑時提高熔湯的溫度。當直徑小於預設直徑時降低熔湯的溫度。當預拉段於液面處的直徑保持於預設直徑時，於預拉段下方依長晶程序形成一頸部、一肩部與一本體。

Description

提高長晶成功率的自動長晶方法

本發明是有關於一種長晶方法。

近年來，半導體產業蓬勃發展，其中矽晶圓為半導體產業最基本的必需品。矽晶圓成長的方式包括浮熔帶長晶法（Floating Zone Method）、雷射加熱提拉長晶法（Laser Heated Pedestal Growth）以及柴氏長晶法（Czochralski Method，簡稱CZ method）等。其中柴氏長晶法因具有較佳的經濟效益，故成為目前大尺寸晶圓的主要生長方式。矽熔融液溫度的控制－尤其指液態矽熔湯表面溫度極為重要，其溫度對於長晶晶體的品質與長晶的成功率會有很大的影響。但是一般長晶爐內的熱場會因為使用時間的增長，而導致保溫效果不斷的變化，進而導致每次生長時液面溫度會改變，一般溫度量測方法有熱電偶式量測、紅外線測溫儀等。但礙於儀器在爐內環境下的精確度考量，初步的微調多靠人為或設定一經驗值來控制加熱器輸出功率大小，來達成初步適當的長晶溫度。

而在CZ法的單晶生長（growth of single crystal）中，在維持呈減壓下的惰性氣體環境的腔室內，將晶種（seed crystal）浸漬於坩堝（crucible）內所積存的矽的原料熔湯中。待操作人員判斷晶種與熔湯接觸處所產生的亮點的尺寸到達經驗值時，便操作長晶裝置將所浸漬的晶種緩慢提拉，以於晶種的下方依序生長出單晶矽棒的頸部、肩部與本體。實際上，晶種與熔湯接觸處所產生的亮點的尺寸在某種程度上與熔湯的溫度正相關，因此才會以此作為判斷是否可開始提拉晶種的依據。

但是，這樣的判斷動作交由操作者以個人經驗做人為判斷，會導致每次長晶的初始溫度差異較大，易在形成頸部時產生斷裂或是晶格缺陷的去除效果不佳，導致晶體成晶率較差。而且，當操作人更換時，更存在每個人的主觀標準不一的問題，造成初始溫度的差異，最後使得長成的晶體的品質不一。目前，另一種判斷是否可開始提拉晶種的方式是利用高溫測溫計量測熔湯的溫度。但是，因為長晶裝置的空間限制，高溫測溫計無法量測到熔湯實際與晶種接觸的區域的溫度，而僅能量測到附近區域的溫度，仍有誤差值存在。因此，如何準確判斷出可開始提拉晶種的時機，以提升晶體成晶率以及晶體品質的一致性，就成為值得研究的課題。

本發明提供一種長晶方法，可解決習知技術中晶體的成晶率以及品質一致性不佳的問題。

本發明的提高長晶成功率的自動長晶方法包括下列步驟。調整一坩堝內的一熔湯的一液面的溫度到達預設的一目標溫度。接著，使用一晶種接觸坩堝內的熔湯的液面。然後，進行預拉，使晶種以設定的速度往上移動而離開液面，同時監測晶種與液面之間所形成的一預拉段於液面處的一直徑。當直徑大於一預設直徑時提高熔湯的溫度。當直徑小於預設直徑時降低熔湯的溫度。當預拉段於液面處的直徑保持於預設直徑時，於預拉段下方依長晶程序形成一頸部、一肩部與一本體。

在本發明的一實施例中，預設直徑為10 mm。

在本發明的一實施例中，直徑為預拉段於液面起算高26mm處的直徑。

在本發明的一實施例中，直徑是以影像擷取方式測得。

在本發明的一實施例中，長晶方法更包括以高溫計(Pyrometer)測量液面的溫度到達一預設溫度後，才使晶種接觸液面。

在本發明的一實施例中，預設溫度為1450°C。

在本發明的一實施例中，直徑與預設直徑的差值相對熔湯的溫度的調整值成正比。

在本發明的一實施例中，晶種為單晶種。

在本發明的一實施例中，判斷直徑與預設直徑的大小關係的方法是由電腦自動判斷。

基於上述，在本發明的長晶方法中，藉由預拉段的直徑來判斷時否需升溫或降溫，以取得一致的形成頸部的時機，進而提升晶體成晶率以及晶體品質的一致性。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1是依照本發明一實施例的長晶方法的流程圖。圖2A至圖2D是依照本發明一實施例的長晶方法的剖面示意圖。請參照圖1與圖2A，在本實施例的不需人員介入操作且可提高長晶成功率的自動長晶方法中，用以執行此自動長晶方法的設備例如包括一基本長晶系統、一紅外線測溫儀、一高解析度光學量測系統與一個可控制晶體上升速度(直徑控制迴圈)與融湯溫度(溫度控制迴圈)之軟體。

首先，調整一坩堝60內的一熔湯70的一液面72的溫度到達預設的一目標溫度，此為步驟S120。調整液面72的溫度例如是使用前述的軟體進行溫度控制迴圈而達成。接著，會使一晶種50接觸坩堝60內的熔湯70的液面72，此為步驟S130。另外，在進行步驟S120之前，也可選擇性地先以高溫計80測量液面72的溫度，以便於設定調整溫度時所使用的功率及所需時間，此為步驟S110。舉例而言，晶種50可以是單晶種，但在其他實施例中晶種也可以是多晶種或其他晶種。坩堝60內的熔湯70例如是多晶矽的半導體材料及例如是硼、磷的摻雜物經高溫熔融成液態所構成，但本發明不侷限熔湯70的材料。在將用以形成熔湯70的材料放入坩堝60內之後，可設定加熱器（未繪示）以例如80KW的功率對坩堝60加熱，並設定加熱器的目標溫度例如介於1250°C至1350°C之間。然後，開啟融湯溫度的自動控制迴圈，當高溫計80測量液面72的溫度到達例如1450°C的預設的目標溫度後，才將吊線40上所吊掛的晶種50下降至接觸液面72的位置。高溫計80可以是紅外線測溫儀或其他高溫計。

接著請參照圖1與圖2B，不同於習知技術的作法是在晶種50接觸液面72後就開始拉高晶種50以形成頸部，本實施例的長晶方法接著是進行一個自動抓溫的控制迴圈控制(預拉一段)，使晶種50以設定的速度往上移動而離開液面72，以於晶種50與液面72之間形成一預拉段110，同時例如使用高解析度的光學影像量測系統監測預拉段110於液面72處的一直徑D10，此為步驟S140。當直徑D10大於一預設直徑時，表示熔湯70的溫度低於理想的溫度，因此需提高熔湯70的溫度，而此升溫的動作可由溫度控制迴圈軟體控制設備自動執行。當直徑D10小於預設直徑時，則表示熔湯70的溫度高於理想的溫度，因此需降低熔湯70的溫度，而此降溫的動作可由溫度控制迴圈軟體控制設備自動執行。

舉例來說，預設直徑可以是10 mm。當監測到預拉段110於液面72處的直徑D10為8.1 mm時，表示晶種50旁的液面72的溫度高於理想的溫度，加熱器的溫度高約6°C，因此必須調整加熱器的設定溫度或是採用其他方式讓加熱器的溫度降低6°C。當監測到預拉段110於液面72處的直徑D10為11.3 mm時，表示晶種50旁的液面72的溫度低於理想的溫度，加熱器的溫度高約4°C，因此必須調整加熱器的設定溫度或是採用其他方式讓加熱器的溫度提高4°C。當監測到預拉段110於液面72處的直徑D10為14.5 mm時，表示晶種50旁的液面72的溫度低於理想的溫度，加熱器的溫度低約14°C，因此必須調整加熱器的設定溫度或是採用其他方式讓加熱器的溫度提高14°C。當監測到預拉段110於液面72處的直徑D10為17.3 mm時，表示晶種50旁的液面72的溫度低於理想的溫度，加熱器的溫度低約24°C，因此必須調整加熱器的設定溫度或是採用其他方式讓加熱器的溫度提高24°C。當監測到預拉段110於液面72處的直徑D10為21.5 mm時，表示晶種50旁的液面72的溫度低於理想的溫度，加熱器的溫度低約34°C，因此必須調整加熱器的設定溫度或是採用其他方式讓加熱器的溫度提高34°C。在本實施例中，預拉段110於液面72處的直徑D10與預設直徑的差值相對熔湯70的溫度的調整值成正比。也就是說，只要監視預拉段110於液面72處的直徑D10，即可大約得知熔湯70的溫度。取得上述數值的實驗參數包括：後續將形成的晶棒的本體的直徑為6英吋；形成的單晶矽的晶格方向為100；熔湯70的摻雜物為硼；坩堝60的直徑為18英吋。

在本實施例中，直徑D10例如是預拉段110於液面72起算高26mm處的直徑。監視以取得直徑D10的方式例如是以影像擷取方式測得，也就是利用CCD或其他元件取得預拉段110於液面72處的影像，並由電腦軟體對影像進行判讀以得出直徑D10的值。另外，判斷直徑D10與預設直徑的大小關係的方法例如是由電腦自動判斷，藉此避免人為的主觀判斷誤差。當電腦自動判斷直徑D10大於或小於預設直徑時，便可自動對加熱器加熱功率作相應的調整，而調整量可以是預先載入於電腦的資料庫中的。

當監控確認預拉段110於液面72處的直徑D10保持於預設直徑時，設備就會自動地進行下一階段的動作，也就是於預拉段110下方依長晶程序形成一頸部120、一肩部130與一本體140，此為步驟S150。另外，本體140下方還可形成尾部150。根據上述可知，以本實施例的長晶方法所形成的晶棒與採用習知技術所形成的晶棒的差異在於，本實施例的長晶方法所形成的晶棒在晶種50與頸部120之間還存在預拉段110。在大部分狀況下，預拉段110的直徑在長度方向上的變化量較小，且預拉段110的直徑遠大於頸部120的直徑。由於本實施例的長晶方法包括了預拉段110的形成，因此可藉由監測預拉段110的直徑而確實掌握熔湯70與預拉段110的交界處的液面72的溫度，進而在每次長晶的過程中都控制開始形成頸部120時的液面72的溫度一致。如此一來，不僅可以提高形成頸部120時的成功率，整個晶棒的成晶率也可以提高，且每個晶棒形成時的啟始溫度一致也可獲得品質一致的晶棒，不會受到操作者的人為判斷誤差的影響。在形成頸部120時的參數例如是：晶種50的轉速為14 rpm；坩堝60的轉速為-8 rpm；頸部120的成長速度為200 mm/hr；頸部120的直徑為6 mm；頸部的長度為200 mm。

綜上所述，在本發明的長晶方法中，在形成頸部之前進行了預拉的步驟，因此可從預拉段的直徑準確判斷開始形成頸部的時機，進而提升晶體成晶率以及晶體品質的一致性。

另外，本發明的長晶方法是自動熔湯溫度控制與自動預拉調整的結合，可以達到無須人為判斷與調整溫度的自動長晶方法，並具有高的引晶成功率及穩定度。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

S110~S150‧‧‧步驟
40‧‧‧吊線
50‧‧‧晶種
60‧‧‧坩堝
70‧‧‧熔湯
72‧‧‧液面
80‧‧‧高溫計
110‧‧‧預拉段
120‧‧‧頸部
130‧‧‧肩部
140‧‧‧本體
150‧‧‧尾部
D10‧‧‧直徑

圖1是依照本發明一實施例的長晶方法的流程圖。 圖2A至圖2D是依照本發明一實施例的長晶方法的剖面示意圖。

S110~S150‧‧‧步驟

Claims (9)

1. 一種長晶方法，包括： 調整一坩堝內的一熔湯的一液面的溫度到達預設的一目標溫度； 使用一晶種接觸該坩堝內的該熔湯的該液面； 進行預拉，使該晶種以設定的速度往上移動而離開該液面，同時監測該晶種與該液面之間所形成的一預拉段於該液面處的一直徑，當該直徑大於一預設直徑時提高該熔湯的溫度，當該直徑小於該預設直徑時降低該熔湯的溫度；以及 當該預拉段於該液面處的該直徑保持於該預設直徑時，於該預拉段下方依長晶程序形成一頸部、一肩部與一本體。
2. 如申請專利範圍第1項所述的長晶方法，其中該預設直徑為10 mm。
3. 如申請專利範圍第1項所述的長晶方法，其中該直徑為該預拉段於該液面起算高26 mm處的直徑。
4. 如申請專利範圍第1項所述的長晶方法，其中該直徑是以影像擷取方式測得。
5. 如申請專利範圍第1項所述的長晶方法，更包括以高溫計測量該液面的溫度到達一預設溫度後，才使該晶種接觸該液面。
6. 如申請專利範圍第5項所述的長晶方法，其中該預設溫度為1450°C。
7. 如申請專利範圍第1項所述的長晶方法，其中該直徑與該預設直徑的差值相對該熔湯的溫度的調整值成正比。
8. 如申請專利範圍第1項所述的長晶方法，其中該晶種為單晶種。
9. 如申請專利範圍第1項所述的長晶方法，其中判斷該直徑與該預設直徑的大小關係的方法是由電腦自動判斷。