TW202035804A - 從熔體中提拉圓柱形晶體之方法 - Google Patents

Abstract

一種用於調節晶體(5)之直徑之方法，提供一保持恆定之晶體提取速度(13)，並且為了調節直徑，藉由改變圍繞晶體(5)之隔熱罩(10)與熔體表面之間之環形間隙(12)之高度，來影響晶體(5)外表面下部區域上之熱能照射。此方法不僅影響晶體之直徑，而亦可導致垂直溫度梯度在晶體直徑上之恆定，並增加晶體(5)之均勻性。

Description

從熔體中提拉圓柱形晶體之方法

本發明涉及一種藉由晶體提拉裝置從一熔體中提拉一圓柱形晶體之方法，該方法包括：一可裝盛熔體之坩堝、一環繞坩堝之環型之坩堝加熱器、一用於提起坩堝之坩堝提升裝置、一將晶體從熔體中提取之晶體提拉裝置及一環繞晶體之環型之隔熱罩，其下部邊緣末端部在熔體上方形成一環形間隙。

在使用切克勞斯基方法之晶體生成過程中，從熱熔體中提拉晶體，而熔體之原子在晶體下端形成典型之熔體材料之晶格結構，因此當將晶體由熔體緩慢抽出時，會在冷卻後形成一堅硬之晶格。在晶體之近熔融層中，既有之本質缺陷，即晶格空位(未被佔據之晶格位點)及晶格間隙原子，即晶格位點之間之原子，然而，若採用合適之參數進行提拉過程，則會成對消失，從而形成均勻且基本上無缺陷之晶格。此種晶體生成形式例如可用於生產半導體工業所需之矽晶體。為此目的，從晶體切下薄片，即所謂之晶片，由此產生積體電路。

通常，提拉過程之設計應使所提拉晶體之直徑保持 恆定，並藉由消除本質缺陷達成一高度均勻性。

DE 10 2013 210 687 A1揭露一種調控晶體直徑之方法，其中直接或間接確定熔體表面上之晶體直徑，並將其與所需之預設直徑比較。由此，得出合適之晶體提取速度作為用於晶體提拉裝置之操縱變量，從而設定所需之晶體直徑。可參見在WO 01/57294 A1及US 2011/0126757 A1中所揭露之其他常規直徑調控之實施例。

晶體提拉速度為晶體相對於熔體表面移動之相對速度。通常將熔體表面相對於晶體提拉裝置之絕對高度設置為恆定高度，因此晶體提拉速度對應於晶體提取速度之絕對值，即相較於晶體提拉裝置固定部位之晶體移動速度。

晶體提拉速度亦會影響晶體之均勻性。上述之本質缺陷修復係通過下述方式而實現，即仍然存在於晶體端面上之本質缺陷係通過晶格間隙原子遷移到晶格空位中，而在晶體之下部近熔融層中相互補償。由於晶格間隙原子之擴散速率與晶格空位不同，所以僅當晶體提拉速度與晶體中之垂直溫度梯度成特定比例時，才能獲得幾近完整之補償。由於溫度梯度係取決於特定材料或裝置，因此在使用以晶體提拉速度為操縱變量之直徑調控中，晶體提拉速度與垂直溫度梯度之比例變化會與晶體提拉速度變化之程度相同，因此該比率並無需要維持一特定值而獲得最均勻之晶體。然而，積體電路製造商需要此種均勻性，以保持較低之生產瑕疵率。

切克勞斯基方法之晶體生長過程控制中，有兩特徵性之時間標度：

(A)從數分鐘到數十分鐘之時間範圍內發生熔體對流之波動。由於切克勞斯基方法中熔體非穩定之熱分層，因而存在典型、非穩定且通常甚為湍流之熔體對流，並對熔體之熱量及質量傳遞具有重大影響。結果為產生晶體生長前沿之溫度波動，而實際上在直徑長度標度上導致毫米等級之任意波動。

(B)時間標度係從數小時到數十小時之範圍，在此期間，熔化液位由於生長之晶體無間斷去除矽而發生變化，從過程開始時近滿之坩堝到過程結束時接近清空之坩堝。此類熔化液位之連續變化可改變拉晶裝置之宏觀幾何形狀，特別係相對於主加熱器及底部加熱器之坩堝位置，亦改變自由熔體表面與潤濕之坩堝壁面積之比例。

為達成一面可選擇性設置晶體之直徑，而另一方面能選擇性設置晶體之品質，特別係氧氣濃度及本質缺陷之密度，在現有技術中始終使用至少2組控制迴路，其中一組控制迴路在時間標度(A)內與一第一調節器共同運作，由此補償熔體對流之主要影響，而第二控制電路在時間標度(B)內與一第二調節器共同運作，由此大幅補償坩堝中熔體液位變化之主要影響。

第一調節器用於調節晶體提拉速度，而第二調節器用於調節 坩堝加熱器之功率。

由於根據現有技術係通過調節晶體提拉速度調控晶體直徑，而此過程會不斷變化，因此無法確保所提拉之晶體之最佳均勻性。

因此，本發明之標的係提出一種用於提拉過程之調節控制計算方法，藉由此方法可生成較均勻之晶體，且該晶體不易產生缺陷，並具有較恆定之直徑。

本發明可用於實現測量熔體表面上方晶體直徑之實際值，並將該值與一晶體直徑之預設值進行比較，而環形間隙之高度取決於該實際值與該預設值之間之偏差，並由一具有一第一重置時間之第一調節器進行設定，且可保持晶體提拉速度之恆定。

現有技術之EP 2 659 031 B1或US 6,458,203 B1中，其通常係注重環形間隙之方法，但並無明確說明可在保持晶體提拉速度之情況下影響環形間隙之高度，並由此調節晶體直徑為一恆定值。

熔體外表面上之晶體溫度對晶體之均勻性及所形成之直徑皆具有明顯影響。若可通過適當方法確保外表面之下部區域中不具有熱輻射，則垂直溫度梯度在晶體之整體直徑上可達均勻狀態，因此當晶體整體直徑在一合適之晶體提拉速度之情況下，一晶體提拉速度與溫度梯度之最佳關係值可實現晶格空位及晶格間隙原子接近完全之重組。

此外，其中亦已指出，隨著側向熱輻射之增加，晶體之邊緣區域隨之冷卻並變寬，或當晶體暴露於熱能照射時造成晶體收縮。由於環形間隙之增大會增加下部晶體所照射之熱輻射，晶體表面溫度升高，從而導致晶體中相位邊界之垂直溫度梯度或熱流減少，即較少潛熱可從相位邊 界流失，並導致在相同之提拉速度下晶體直徑減少。

在DE 10 2013 210 687 A1中亦解決熱能照射或熱輻射對晶體均勻性之影響。為此，除使用坩堝加熱器之外，並直接在晶體上設置一環形加熱器。可藉由調控其操縱變量影響該環形加熱器之電功率，用於調控晶體之直徑。然而，此過程之缺點在於需要額外之環形加熱器，而該環形加熱器亦位於熱能暴露點，因此特別容易發生故障。

因此，本發明提供一種無須使用額外之環形加熱器之方法，而是使用本身既有之坩堝加熱器之熱輻射，用於將熔體保持在特定溫度下。該坩堝加熱器之熱輻射通過環形間隙照射晶體之下側表面，並可通過改變環形間隙之高度調節晶體上之熱能照射或其熱輻射，因此無需獨立之環形加熱器。

其中，較佳為可設置第一重置時間，用於補償在晶體表面上之熔體對流及與熔體接觸之影響。因此，可在時間標度(A)上調整環形間隙之高度。

該調控方法係在直徑之實際值小於預設值之情況下減少環形間隙之高度，而在實際值大於預設值之情況下增加環形間隙之高度。

此調控方法之其他優點係晶體提拉速度，即晶體相對於熔體表面之移動速度保持恆定。為此，需在熔體體積損失之情況下，考量坩堝提升速度及相對於裝置之晶體提取速度皆發生相同程度之改變，而並非僅改變晶體之提拉速度，亦會改變熔體表面到隔熱罩下部邊緣末端部之距離，從而改變環形間隙之高度。

此調控系統為此環形間隙之高度產生一調節變量。因此需確定一偏移速度。將其加入作為一補償熔體體積消耗所需之坩堝提升速度之基本值，以及一用於晶體提取速度之基本值，該基本值對應於在熔體表面恆定高度(Level)之情況下所需之晶體提拉速度。該偏移值可為正值或負值，其取決於環形間隙高度之增加或減少。

由於兩個速度之變化幅度相同，因此晶體之提拉速度並無受影響。然而，由於坩堝提升速度發生改變，進而改變環形間隙之高度，因此使熔體表面接近或遠離隔熱罩下部邊緣末端部。

該內部調控亦可由一用於調控坩堝加熱器之加熱功率之外部調控所實現。因此，本發明係藉一具有一第二重置時間之第二調節器將用於環形間隙之高度之調節變量作為用於調節坩堝加熱器之加熱功率之實際值而執行，其中，將一平均環形間隙之高度設定為預設值。

該第二重置時間可設置成用於補償在提拉過程中發生之坩堝中熔體表面之位置變化之影響。因此，可在時間標度(B)上進行調控。

意即第一重置時間短於第二重置時間。

在外部調控中，將環形間隙之高度之平均時間調節變量作為實際值輸入給加熱功率調節器。其較佳係由PT1-濾波器將調節變量作為已修改之調節變量提供至加熱功率調節器進行實現。

1:裝置外殼體

2:熔體

3:坩堝

4:坩堝加熱器

5:晶體

6:晶體提拉裝置

7:坩堝提升裝置

8:攝影機

9:控制裝置

10:隔熱罩

12:環形間隙

13:晶體提取速度

14:坩堝提升速度

20:直徑調節器

21:輸入端

22:輸入端

23:輸出端

24:PT1-濾波器

25:輸出端

26:調節器

27:輸入端

28:加熱功率調節器

30:直徑調節器

31:輸入端

32:輸入端

33:輸出端

34:環形間隙高度調節器

35:輸出端

36:晶體提拉調節器

37:坩堝提升調節器

40:PT1-濾波器

41:調節器

42:輸入端

50:曲線

51:曲線

52:曲線

53:曲線

54:時間軸

55:指示箭頭

56:指示箭頭

57:指示箭頭

58:指示箭頭

59:指示箭頭

60:時間軸

下列係根據本發明所示之實施例詳細說明：

第1圖 根據切克勞斯基方法之晶體提拉裝置示圖，

第2圖 根據現有技術之一調控方法示圖，

第3圖 根據本發明之一調控方法示圖，以及

第4圖 一以圖表形式所示之拉晶過程紀錄。

首先，參考第1圖中，根據第1圖該晶體提拉裝置由一裝置外殼體1所組成，其中具有一裝填熔體2之坩堝3。該坩堝周圍有一坩堝加熱器4，而坩堝3中之原料借助於該坩堝加熱器被熔化，並隨後保持在特定溫度下。

藉由一晶體提拉裝置6將圓柱形晶體5緩慢從熔體2中拉出，當將晶體從熔體2中拉出時，熔體2之原子與晶體5之下端面接觸並形成晶格。由於坩堝3中材料之耗損，因此晶體提拉裝置通常具有一坩堝提升裝置7，通過該裝置調節坩堝3，而使熔體表面相對於裝置外殼體1始終保持一恆定高度(Level)。

一攝影機8用於記錄晶體直徑，該攝影機設置成在過渡到熔體之過程中，對準晶體之邊緣。而晶體直徑可由攝影機8所拍攝之圖像導出。為此所使用之圖像評估方法係所屬技術領域中具有通常知識者已知之技術，因此在此無需詳細說明。

拉晶過程係借助於控制裝置9而被調節。其中包括來自攝影機8之訊息，並將操縱變量發送至晶體提拉裝置6及坩堝提升裝置7。

為使從熔體中取出之晶體能逐漸冷卻，需要一圍繞晶體之隔熱罩10，該隔熱罩可保持坩堝加熱器4之輻射及熱熔體遠離晶體5外表面之上部區域。

隔熱罩10之下部邊緣末端部終止於熔體2之表面上方，從而 在隔熱罩10之邊緣與熔體之間存在一環形間隙12。該環形間隙12將熱能照射到晶體5外表面之下部區域上。

控制提拉過程中需注意下列參數：最終之決定性因素仍取決於晶體提拉速度，即晶體相對於熔體表面之速度。此係由晶體之提取速度13之絕對值決定，即晶體相對於裝置移動之速度以及熔體表面相對於裝置之速度。若將該速度設置為零，則熔體表面相對於裝置保持在一恆定高度(Level)，晶體提拉速度對應於晶體之提取速度13之絕對值。

熔體表面相對於裝置之速度取決於坩堝之提升速度14之絕對值，其中需考量由於坩堝內材料之消耗，所導致熔體表面之下降。而坩堝之提升速度可以被決定，例如藉由根據晶體提拉速度所決定之晶體5之材料吸收，從而通過坩堝3之相應提升補償相對於坩堝3之熔體表面下降，使熔體表面仍可處於一與裝置相對之恆定高度(Level)。

第2圖所示為一種現有技術之調控方法，根據該方法可控制拉晶過程，以僅可能實現晶體直徑之恆定。該方法可通過一直徑調節器20進行實現，在其中之一第一輸入端21接收一實際之直徑值，而在一第二輸入端22接收一預設之直徑值。在直徑調節器20之輸出端23輸出用於晶體提拉裝置6之一調節變量。

為避免晶體提拉速度之偏移過大，該調節變量亦被饋送到PT1-濾波器24，該濾波器之輸出端25被饋送到一調節器26，用於平均晶體提拉速度作為實際值。為此，在一輸入端27會輸入平均晶體提拉速度之預設值。藉由比較實際值及預設值，產生一用於坩堝加熱器4之加熱功率之調節變量，該變量被饋送到加熱功率調節器28。

第3圖中本發明之控制方法則與上述方法相反，其中，本發明包括一直徑調節器30，將晶體直徑之實際值輸入至一第一輸入端31，而將晶體直徑之預設值輸入至一第二輸入端32。環形間隙之高度之調節變量由直徑調節器30在輸出端33產生，而該變量可供環形間隙高度調節器34進行應用。

在其輸出端35產生一偏移值，該值可同時饋送到晶體提拉調節器36及坩堝提升調節器37。在調節器36、37中，將偏移值與坩堝提升速度14之基本值及晶體提取速度13之基本值相加，而使晶體提取速度13及坩堝提升速度14在沒有改變晶體提拉速度之情況下，變化至相同程度。坩堝提升基本值需考慮在材料消耗之情況下，使熔體表面保持恆定之高度。而晶體提取之基本值則係所需之晶體提拉速度之值。

因此，本發明決定性之特徵為，晶體提取速度13發生改變，但晶體5自熔體2提升之晶體提拉速度則保持不變。當以改變坩堝3位置之方法，使熔體表面相對於隔熱罩10下部邊緣末端部移動，而導致環形間隙12之高度發生改變。因此，從坩堝加熱器4到晶體下部外表面之熱能照射可被維持成無熱輻射之狀態，至少在晶體之下部區域，從而在恆定之晶體提拉速度下維持一晶體5之恆定直徑，以及溫度梯度與晶體提拉速度之最佳比例關係。

在內部控制迴路上同樣疊加一較緩慢之外部控制迴路。間隙高度調節器之調節變量通過PT1-濾波器40饋送到一用於平均環形間隙之高度之調節器41。將該值與輸入端42上之一預設值進行比較，而得出平均環形間隙之高度，並將所得之調節變量用於加熱功率調節器28。由於PT1-濾 波器40會根據環形間隙高度調節器34之調節變量隨時間變化而按比例改變與加熱功率調節器28相關之實際值，因此導致外部控制迴路之調節過程變慢。

該圖所示為用一攝影機測量之晶體直徑實際值(曲線50)、晶體提拉速度(曲線51)、環形間隙之高度(曲線52)及坩堝加熱器之溫度(曲線53)數小時時間之變化。

第一階段生成過程中，所示為第一時間軸54，通過內部控制迴路中之提拉速度及外部控制迴路中主加熱器之溫度用常規之串接式控制以調控晶體直徑。由此可清楚觀察到時間標度(A)上之提拉速度(指示箭頭55)之波動，伴隨晶體直徑之明顯變化(指示箭頭56)。

隨後(從第一時間軸54開始)，將晶體提拉裝置之控制轉換成根據本發明之調控方法，其中內部控制迴路中環形間隙之高度及主加熱器之溫度繼續用作為外部控制迴路中之操縱變量。在轉換後可觀察到，提拉速度保持完全恆定(指示箭頭57)，而此時環形間隙之高度在時間標度(A)上之波動(指示箭頭58)。通過此調控方法可實現基本恆定之晶體直徑(指示箭頭59)。此生成過程終止於第二時間軸60。

1:裝置外殼體

2:熔體

3:坩堝

4:坩堝加熱器

5:晶體

6:晶體提拉裝置

7:坩堝提升裝置

8:攝影機

9:控制裝置

10:隔熱罩

12:環形間隙

13:晶體提取速度

14:坩堝提升速度

Claims (9)

1. 一種藉由一晶體提拉裝置從一熔體(2)中提拉一圓柱形晶體(5)之方法，其包括：一可裝盛該熔體(2)之坩堝(3)、一環繞該坩堝(3)之環型之坩堝加熱器(4)、一用於提起該坩堝(3)之坩堝提升裝置(7)、一將該晶體(5)從該熔體(2)中提拉之晶體提拉裝置(6)及一環繞該晶體(5)之環型之隔熱罩(10)，其下部邊緣末端部在該熔體(2)上方形成一環形間隙(12)，其特徵為，在該熔體之表面測量該晶體之直徑之實際值，並將其與該晶體之直徑之一預設值進行比較，而該環形間隙(12)之高度取決於該實際值及該預設值之間之偏差，並由一具有一第一重置時間之第一調節器進行設定。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之方法，其特徵為，可設置該第一重置時間，用於補償在該晶體之表面上之熔體對流及與熔體接觸之影響。
3. 根據申請專利範圍第1項或第2項所述之方法，其特徵為，在一實際值小於預設值之情況下減少該環形間隙之高度，而在一實際值大於預設值之情況下增加該環形間隙之高度。
4. 根據前述申請專利範圍中任一項所述之方法，其特徵為，為改變該環形間隙之高度，可藉由改變該坩堝(3)之提升速度及同樣程度之該晶體(5)之提取速度，從而使晶體提拉速度保持恆定。
5. 根據申請專利範圍第4項所述之方法，其特徵為，設置該坩堝之提升速度(14)之一基本值，以補償該熔體(2)之體積消耗，及設置該晶體提取之速度(13)之一基本值，並為兩組基本值加上相同之偏移值以調節該環形間隙之高度。
6. 根據前述申請專利範圍中任一項所述之方法，其特徵為，藉由一具有一第二重置時間之第二調節器將用於該環形間隙之高度之調節變量作為用於調節該坩堝加熱器(4)之加熱功率之一實際值而執行，其中，將平均環形間隙之高度設定為預設值。
7. 根據申請專利範圍第6項所述之方法，其特徵為，該第二重置時間可設置成用於補償在提拉過程中發生之該坩堝中該熔體之表面之位置變化之影響。
8. 根據申請專利範圍第7項所述之方法，其特徵為，該第一重置時間短於該第二重置時間。
9. 根據申請專利範圍第7項或第8項所述之方法，其特徵為，可將用於該環形間隙之高度之調節變量作為實際值通過一PT1-濾波器(40)饋送到一加熱功率調節器(28)。

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