TW202132635A - 晶棒生長控制方法以及控制系統 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種晶棒生長控制方法以及控制系統，所述晶棒生長溫度優化方法至少包括：設定目標晶棒直徑、目標提拉速度以及目標生長溫度；檢測實際晶棒直徑並根據所述實際晶棒直徑調整提拉速度，形成實際提拉速度，並將所述實際提拉速度與所述目標提拉速度進行比較；當所述實際提拉速度與所述目標提拉速度的差值超出偏差範圍時，對目標生長溫度進行調整，形成新目標生長溫度；重複以上步驟，直至完成晶棒生長。本發明通過在晶棒生長過程中對晶體生長溫度的實時校正，減小實際生長溫度與目標溫度之間的差距，實現晶體生長過程中的精細化控制，有助於提高晶體生長質量以及產量。

Description

晶棒生長控制方法以及控制系統

本發明涉及工業自動控制技術領域，特別是涉及一種晶棒生長控制方法以及控制系統。

單晶或晶體矽是製造半導體電子部件多數製程中的起始材料，採用晶體提拉機製造大多數的單晶矽。簡單地說，在位於專門設計的爐子裡石英坩堝內熔化一批高純度的多晶矽，加熱的坩堝熔化矽料後，晶體提升機構降低籽晶以接觸熔化的矽。然後，該機構抽拉籽晶以從矽熔體提拉生長晶體。

直拉法提拉矽單晶是目前生產單晶矽應用最廣泛的技術，在提拉法製程中將高純度的多晶矽裝進石英坩堝，由負載高頻波的環繞線圈或電流加熱器來加熱石英坩堝以使多晶矽熔化。然後把一特定晶向的矽單晶（稱作籽晶）與熔融矽接觸，矽在合適的溫度下將順著已知晶向的籽晶上矽原子的排列結構在固液交界面上形成規則的結晶，成為單晶體。在結晶的同時將籽晶向上提升，當籽晶體長大至接近目標直徑時，改變提升速度，使單晶體等徑生長。直至大部分矽溶液都結晶成矽晶錠，只剩少量剩料，通過調整晶體的提升速度和溶液溫度將直徑漸漸減小而形成一個尾形椎體，最後完成矽單晶生長的全過程。

由上面的製程過程可知，在單晶矽生長過程中晶體的生長溫度對晶體的質量影響很大。且在實際的直拉法單晶矽生長過程的動態變化中，溫度由於空間和物質狀態不同而不容易保持穩定，因此需要預設溫度和自動調節過程進行配合才能保持晶體穩定的生長速度，接近預設目標的生長速度以及保持穩定才能保證晶體品質。而使用固定的預設溫度時，在已經參考了之前製程（前一爐溫度設定）的狀態下進行修正，仍然無法準確將現在製程（當前這一爐）運行時條件的微小變化考慮在內而是晶體生長速度偏離目標，晶體質量步伐得到保證。而且，當實際溫度逐漸偏離預設溫度分佈時，如實際溫度不斷增加，系統中自動調節（即時溫度補償）作用增大，導致爐內熱量波動，進而導致晶體結構損失，造成良率和產量損失。

因此，如何進行晶棒生長過程中的精確控制成為本領域技術人員亟需解決的問題。

鑒於以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種優化的晶棒生長控制方法以及控制系統，有助於提高晶體生長質量以及產量。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種晶棒生長控制方法，至少包括以下步驟： 設定目標晶棒直徑、目標提拉速度以及目標生長溫度； 檢測實際晶棒直徑並根據所述實際晶棒直徑調整提拉速度，形成實際提拉速度，並將所述實際提拉速度與所述目標提拉速度進行比較： 當所述實際提拉速度與所述目標提拉速度的差值在偏差範圍內時，繼續執行所述目標生長溫度； 當所述實際提拉速度與所述目標提拉速度的差值超出偏差範圍時，對目標生長溫度進行調整，形成新目標生長溫度，並使實際提拉速度接近目標提拉速度； 重複以上步驟，直至完成晶棒生長； 其中，對目標生長溫度進行調整的方法包括： 識別當前晶棒生長的長度區間； 提取當前長度區間的目標生長溫度與實際生長溫度； 結合所述目標生長溫度與實際生長溫度對下一長度區間的目標生長溫度進行校正，形成下一長度區間的新目標生長溫度。

可選地，所述調取當前長度區間的目標生長溫度與實際生長溫度的過程還包括：提取當前長度區間之前的若干長度區間的實際生長溫度與目標生長溫度。

可選地，結合所述目標生長溫度與實際生長溫度，對下一長度區間的目標生長溫度進行校正，滿足如下關係式： T_{N (n+1)} = kΔT_{(n, n-1 ,n-2, n-3 …)} +T_(n+1) ； 其中，n為當前長度區間，T_{N (n+1)} 為下一長度區間內的新目標生長溫度，k為校正係數，ΔT_{(n, n-1, n-2, n-3 …)} 為各長度區間的實際生長溫度與目標生長溫度的差值的平均值，T_(n+1) 為下一長度區間的目標生長溫度。

可選地校正係數k設定為[10%，25%]。

可選地，校正係數k設定為[25%，50%]。

可選地，校正係數k設定為[[50%~75%]。

可選地，所述偏差範圍包括所述目標提拉速度的-10%~10%。

可選地，所述長度區間的長度為30~50 mm。

本發明還提供一種採用如上任一項所述的晶棒生長控制方法的晶棒生長控制系統，所述晶棒生長控制系統至少包括：直徑控制模組、長度識別模組、溫度檢測模組、溫度控制模組以及生長控制模組； 所述直徑控制模組用於檢測晶棒直徑，根據晶棒直徑信息調整提拉速度，並將實際提拉速度與所述目標提拉速度進行比較，判斷是否啟動溫度校正； 所述長度識別模組，用於識別當前晶棒生長的長度區間； 所述溫度檢測模組與所示長度識別模組相連，用於檢測晶棒生長中各長度區間的實際生長溫度並保存至溫度控制模組； 所述溫度控制模組與所述溫度檢測模組相連，用於儲存晶棒在各長度區間的目標生長溫度以及晶棒在生長過程中的各長度區間的實際生長溫度，並根據當前長度區間的目標生長溫度控制加熱器的輸出； 所述生長控制模組與所述直徑控制模組以及溫度控制模組相連，用於執行溫度校正形成新的目標生長溫度並保存至所述溫度控制模組。

可選地，所述溫度檢測模組包括光學測溫儀。

如上所述，本發明提供的晶棒生長控制方法以及控制系統，具有以下有益效果： 通過在晶棒生長過程中對晶體生長溫度的實時校正，減小實際生長溫度與目標生長溫度之間的差距，減少拉速偏離目標所需要的溫度補償，減少晶體生長速度偏差； 通過溫度校正使同一晶棒上將來的實際提拉速度保持接近目標提拉速度，保證晶棒品質，減弱溫度補償引起的震盪，減少晶體失去單晶特性的幾率，保證良率； 通過可調節的長度區間以及校正係數，根據實際需要以及經驗對晶體生長溫度以及速度進行調整，實現晶體生長過程中的精細化控制。

以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地瞭解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。

請參閱圖1。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪製，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件佈局型態也可能更為複雜。

本發明提供一種優化的晶棒生長控制方法，所述晶棒生長溫度方法包括步驟： 設定目標晶棒直徑、目標提拉速度以及目標生長溫度； 檢測實際晶棒直徑並根據所述實際晶棒直徑調整提拉速度，形成實際提拉速度，並將所述實際提拉速度與所述目標提拉速度進行比較： 當所述實際提拉速度與所述目標提拉速度的差值在偏差範圍內時，繼續執行所述目標生長溫度； 當所述實際提拉速度與所述目標提拉速度的差值超出偏差範圍時，對目標生長溫度進行調整，形成新目標生長溫度，並使實際提拉速度接近目標提拉速度； 重複以上步驟，直至完成晶棒生長； 其中，對目標生長溫度進行調整的方法包括： 識別當前晶棒生長的長度區間； 提取當前長度區間的目標生長溫度與實際生長溫度； 結合所述目標生長溫度與實際生長溫度，對下一長度區間的目標生長溫度進行校正，形成下一長度區間的新目標生長溫度。

本發明還提供了一種基於以上晶棒生長控制方法的晶棒生長控制系統，如圖1所示，所述晶棒生長控制系統包括：直徑控制模組11、長度識別模組12、溫度檢測模組13、溫度控制模組14以及生長控制模組15； 所述直徑控制模組11用於檢測晶棒直徑，根據晶棒直徑信息調整提拉速度，並將實際提拉速度與所述目標提拉速度進行比較，判斷是否啟動溫度校正； 所述長度識別模組12，用於識別當前晶棒生長的長度區間； 所述溫度檢測模組13與所示長度識別模組12相連，用於檢測晶棒生長中各長度區間的實際生長溫度並保存至溫度控制模組14； 所述溫度控制模組14與所述溫度檢測模組13相連，用於儲存晶棒在各長度區間的目標生長溫度以及晶棒在生長過程中的各長度區間的實際生長溫度，並根據當前長度區間的目標生長溫度控制加熱器的輸出； 所述生長控制模組15與所述直徑控制模組12以及溫度控制模組14相連，用於執行溫度校正形成新的目標生長溫度並保存至所述溫度控制模組14。

下面結合圖1詳細說明本發明提供的晶棒生長控制方法以及控制系統：

（1）設定目標晶棒直徑、目標提拉速度以及目標生長溫度，所述目標生長溫度為晶棒分佈在各長度區間內的目標溫度。

在進行晶棒之前，將目標晶棒直徑、目標提拉速度輸入直徑控制模組11，將目標生長溫度輸入溫度控制模組14中。目標生長溫度為晶棒分佈在各長度區間的、適於所在長度區間生長的溫度，其可以根據以往晶棒生長在各長度區間的實際生長溫度值進行設定。

需要說明的是，各長度區間的範圍可根據需要進行設置。長度區間的範圍設置的越小，長度劃分的越細，溫度控制的就越精確。在本實施例中，將長度區間範圍設定為20~50 mm。當然，在其他的實施例中，長度區間可以設定為其他範圍，在此不做限制。

(2)檢測實際晶棒直徑並根據所述實際晶棒直徑調整提拉速度，形成實際提拉速度，並將所述實際提拉速度與所述目標提拉速度進行比較。

直徑控制模組11可以根據晶棒直徑調整提拉速度，形成實際提拉速度。並將實際提拉速度與目標提拉速度進行比較，以判斷是否進行啟動溫度校正程序。

當所述實際提拉速度與所述目標提拉速度的差值在偏差範圍內時，繼續執行所述目標生長溫度；

當所述實際提拉速度與所述目標提拉速度的差值超出偏差範圍時，啟動溫度校正程序，對目標生長溫度進行調整，形成新目標生長溫度。

在本實施例中，偏差範圍包括目標提拉速度的-10%~10%，也可以根據需要將偏差範圍擴大或縮小，在此不做限制，可根據需要進行調整。

進行溫度校正的步驟包括：

2-1）識別當前晶棒生長的長度區間。

利用長度識別模組12得到晶棒當前生長的長度區間。作為示例，長度識別模組12可以根據晶棒杆（或晶棒繩）的位移量得到當前晶棒生長的長度區間，也可以採用其他的參數或方法得到當前的長度區間。

2-2）提取當前長度區間的目標生長溫度與實際生長溫度。

利用溫度檢測模組13採集到當前長度區間內的實際生長溫度並保存至溫度控制模組14。

作為示例，溫度檢測模組13可通過測溫儀進行溫度檢測。測溫儀可選用光學測溫儀、也可採用其他的測溫儀器。實際晶體生長中測溫儀通常測量熱場中固件某一位置的溫度，而整體生長過程對於溫度要求是不同的，需要調節加熱器的功率來實現。測溫器的數值可以體現出前後兩爐以及同一爐生長不同階段同一測溫位置的溫度相對偏差，因此通過提前設定目標溫度，以及過程中比較實際生長溫度或目標生長可以作為加熱器功率變化的參考，實現精細控制。

通過提取保存至溫度控制模組14中的實際生長溫度與目標生長溫度，得到當前長度區間內的實際生長溫度與目標生長溫度。為了計算的更加精確，可以提取當前長度區間之前的若干長度區間的實際生長溫度值與目標生長溫度值，在實際計算中，至少提取當前長度區間之前的3個長度區間的實際生長溫度值與目標生長溫度值。

2-3）結合所述目標生長溫度與實際生長溫度，進行目標生長溫度校正。

生長控制模組15內設有校正算法，用於對目標生長溫度進行校正。在本實施例中，校正算法通過設定校正係數對下一長度區間的目標生長溫度進行校正，具體過程為： 首先計算各長度區間內的實際生長溫度值與目標生長溫度值之差的平均值，然後與校正係數相乘，最後得到新的目標生長溫度，其校正算法滿足如下關係式： T_{N (n+1)} = kΔT_{(n, n-1, n-2, n-3 …)} +T_(n+1) ； 其中，n為當前長度區間，T_{N (n+1)} 為下一長度區間內的新目標生長溫度，k為校正係數，ΔT_{(n, n-1, n-2, n-3 …)} 為各長度區間的實際生長溫度與目標生長溫度的差值的平均值，T_(n+1) 為下一長度區間的目標生長溫度。在其他的實施例中，也可以採用其他的算法關係式進行校正。

作為示例，校正係數k可以設定為[10%，25%]或[25%， 50%]以及[50%~75%]等，也可以根據實際需要或經驗值設定為其他值。

將通過如上算法得到的下一長度區間的新目標生長溫度T_{N (n+1)} 保存至溫度控制模塊14，作為下一長度區間的目標生長溫度，溫度控制模塊14根據新的目標生長溫度控制加熱器的輸出，從而也使得實際提拉速度回歸至目標提拉速度。

（3）重複以上步驟，直至完成晶棒生長後結束。

但也可根據實際需要在晶體生長的過程中隨時啟動或關閉該控制方法和控制系統。

本發明通過優化的晶棒生長控制方法，減小目標生長溫度與實際生長溫度之間的差距，並通過可調節的長度區間以及校正係數，根據實際需要以及經驗對晶體生長溫度進行調整，有助於減少溫度波動，提高晶體生長質量。

需要說明的是，本發明提供的晶棒生長控制方法以及控制系統，不局限於晶棒生長過程的控制，也可以用於其他需要控制溫度或速度的過程。

本發明提供一種晶棒生長溫度優化方法以及優化系統，所述優化方法至少包括以下步驟：設定目標晶棒直徑、目標提拉速度以及目標生長溫度；檢測實際晶棒直徑並根據所述實際晶棒直徑調整提拉速度，形成實際提拉速度，並將所述實際提拉速度與所述目標提拉速度進行比較：當所述實際提拉速度與所述目標提拉速度的差值在偏差範圍內時，繼續執行所述目標生長溫度；當所述實際提拉速度與所述目標提拉速度的差值超出偏差範圍時，對目標生長溫度進行調整，形成新目標生長溫度；重複以上步驟，直至完成晶棒生長；其中，對目標生長溫度進行調整的方法包括：識別當前晶棒生長的長度區間；提取當前長度區間的目標生長溫度與實際生長溫度；對下一長度區間的目標生長溫度進行校正，形成下一長度區間的新目標生長溫度。通過在晶棒生長過程中對晶體生長溫度的實時校正，減小實際生長溫度與目標生長溫度之間的差距，提高晶體生長質量；通過溫度校正使實際提拉速度保持在接近目標提拉速度的範圍，保證晶棒產量；通過可調節的長度區間以及校正係數，根據實際需要以及經驗對晶體生長溫度以及速度進行調整，實現晶體生長過程中的精細化控制。

所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。上述實施例僅示例性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的申請專利範圍所涵蓋。

11:直徑控制模組 12:長度識別模組 13:溫度檢測模組 14:溫度控制模組 15:生長控制模組

圖1顯示為本發明的晶棒生長控制系統的工作原理圖。

無

11:直徑控制模組

12:長度識別模組

13:溫度檢測模組

14:溫度控制模組

15:生長控制模組

Claims (10)

1. 一種晶棒生長控制方法，包括至少包括以下步驟： 設定目標晶棒直徑、目標提拉速度以及目標生長溫度； 檢測實際晶棒直徑並根據所述實際晶棒直徑調整提拉速度，形成實際提拉速度，並將所述實際提拉速度與所述目標提拉速度進行比較： 當所述實際提拉速度與所述目標提拉速度的差值在偏差範圍內時，繼續執行所述目標生長溫度； 當所述實際提拉速度與所述目標提拉速度的差值超出偏差範圍時，對目標生長溫度進行調整，形成新目標生長溫度，並使實際提拉速度接近目標提拉速度； 重複以上步驟，直至完成晶棒生長； 其中，對目標生長溫度進行調整的方法包括： 識別當前晶棒生長的長度區間； 提取當前長度區間的目標生長溫度與實際生長溫度； 結合所述目標生長溫度與實際生長溫度，對下一長度區間的目標生長溫度進行校正，形成下一長度區間的新目標生長溫度。
2. 如請求項1所述的晶棒生長控制方法，其中，所述提取當前長度區間的目標生長溫度與實際生長溫度的過程還包括：提取當前長度區間之前的若干長度區間的實際生長溫度與目標生長溫度。
3. 如請求項2所述的晶棒生長控制方法，其中，結合所述目標生長溫度與實際生長溫度，對下一長度區間的目標生長溫度進行校正，滿足如下關係式： T_{N (n+1)} = kΔT_{(n, n-1, n-2, n-3 …)} +T_(n+1) ； 其中，n為當前長度區間，T_{N (n+1)} 為下一長度區間內的新目標生長溫度，k為校正係數，ΔT_{(n, n-1, n-2, n-3…)} 為各長度區間的實際生長溫度與目標生長溫度的差值的平均值，T_(n+1) 為下一長度區間的目標生長溫度。
4. 如請求項3所述的晶棒生長控制方法，其中，校正係數k設定為[10%，25%]。
5. 如請求項3所述的晶棒生長控制方法，其中，校正係數k設定為[25%， 50%]。
6. 如請求項3所述的晶棒生長控制方法，其中，校正係數k設定為[50%~75%]。
7. 如請求項1~6任意一項所述的晶棒生長控制方法，其中，所述偏差範圍包括所述目標提拉速度的-10%~10%。
8. 如請求項1~6任意一項所述的晶棒生長控制方法，其中，所述長度區間的長度為30~50 mm。
9. 一種採用如請求項1~8任意一項所述的晶棒生長控制方法的晶棒生長控制系統，其中，所述晶棒生長控制系統至少包括：直徑控制模組、長度識別模組、溫度檢測模組、溫度控制模組以及生長控制模組； 所述直徑控制模組用於檢測晶棒直徑，根據晶棒直徑信息調整提拉速度，並將實際提拉速度與所述目標提拉速度進行比較，判斷是否啟動溫度校正； 所述長度識別模組，用於識別當前晶棒生長的長度區間； 所述溫度檢測模組與所示長度識別模組相連，用於檢測晶棒生長中各長度區間的實際生長溫度並保存至溫度控制模組； 所述溫度控制模組與所述溫度檢測模組相連，用於儲存晶棒在各長度區間的目標生長溫度以及晶棒在生長過程中的各長度區間的實際生長溫度，並根據當前長度區間的目標生長溫度控制加熱器的輸出； 所述生長控制模組與所述直徑控制模組以及溫度控制模組相連，用於執行溫度校正形成新的目標生長溫度並保存至所述溫度控制模組。
10. 如請求項9所述的晶棒生長控制系統，其中，所述溫度檢測模組包括光學測溫儀。

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