TWI460603B

TWI460603B - 在晶體成長期間修正實際與標稱拉升速度之間的速度偏差的方法

Info

Publication number: TWI460603B
Application number: TW099130677A
Authority: TW
Inventors: Benno Orschel; Keiichi Takanashi
Original assignee: Sumco Phoenix Corp; Sumco Corp
Priority date: 2009-09-10
Filing date: 2010-09-10
Publication date: 2014-11-11
Also published as: JP2011057545A; US8496765B2; US20110060467A1; TW201128434A; JP5623837B2

Description

在晶體成長期間修正實際與標稱拉升速度之間的速度偏差的方法

本發明大體上是關於用於半導體晶體之成長(growth)之晶體拉升機構(crystal pulling mechanism)。更具體而言，本發明是關於在此等晶體成長期間修正實際與標稱拉升速度之間的速度偏差(speed deviation)的程序。

用於製造半導體電子組件之大多數製程是基於單晶矽(single crystal silicon)。習知地，由晶體拉升機實施柴氏(Czochralski)製程以製造單晶矽之鑄錠(ingot)。柴氏或CZ製程涉及在位於部分地由一熱屏蔽件(heat shield)包含之專門設計之爐(furnace)中的坩堝(crucible)中熔融高純矽或多晶矽。在坩堝中之矽熔融之後，一晶體起離機構(crystal lifting mechanism)降低種晶(seed crystal)以與矽熔融物接觸。所述機構隨後撤回所述種以自矽熔融物拉升成長晶體。所得晶體實質上不含缺陷，且因此適合於製造現代的半導體裝置，諸如積體電路。諸如砷化鎵、磷化銦等其它半導體可以類似方式處理。

CZ製造通常具有極為嚴格的製程控制要求，以確保所得晶體之品質及均一性。尤其重要的是影響固有材料性質或影響製程穩定性及製程良率的製程參數。拉升速度準確性是此等製程參數中之最重要的參數之一。

在形成晶體頸部(neck)或窄直徑部分之後，習知CZ製程放大成長晶體之直徑。此是藉由調整熔融物之拉升速度或溫度以便維持所需直徑而在自動製程控制下完成的。坩堝之位置經調整以相對於晶體保持熔融物位準(melt level)恆定。藉由控制拉升速度及熔融物溫度，且藉由減小熔融物位準，晶體鑄錠之主體以近似恆定之直徑成長。在成長過程期間，坩堝在一個方向上旋轉熔融物，且晶體起離機構在相反方向上連同所述種及晶體一起旋轉其拉升纜繩或軸。

拉升速度是受緊密控制之參數。諸如個人電腦或可程式化邏輯控制器等控制單元經控制以藉由提供控制信號以控制自熔融物拉升晶體之機電裝置來回應輸入信號。此等裝置包含一或多個電動馬達(electric motor)。

拉升速度準確性部分地由來自控制單元之速度信號轉換為實際機械晶體拉升速度的準確程度決定。控制信號與晶體之間有若干可能引入誤差的組件。眾所周知驅動電動馬達之伺服電子元件易受漂移影響，且因此必須定期校準。然而，機械零件，尤其是將馬達速度減小至晶體拉升速度之齒輪，亦是速度誤差之重要來源。舉例而言，幾乎所有纜繩型CZ拉升器(puller)均使用在減速之最終級使用蝸桿驅動(worm drive)的設計。

蝸桿驅動是蝸桿與蝸齒輪(worm gear)(亦稱為蝸輪(worm wheel))嚙合的齒輪配置。蝸桿是螺桿(screw)形式的齒輪。蝸桿圍繞第一軸旋轉，從而使蝸齒輪圍繞第二大體上垂直的軸旋轉。蝸桿驅動可減小旋轉速度，且將較高扭矩傳輸至輸出軸。而且，蝸齒輪非常適合於起離較重的負載，因為其為自固持的(self holding)，且允許大的減速比。此等特徵是在CZ應用中廣泛採用蝸桿驅動的一些原因。

然而，蝸齒輪在設計上永遠無法產生真正恆定的減速，原因是蝸齒輪之鏈輪齒(sprocket teeth)與蝸桿螺紋之間的接觸點週期性改變。在最佳情況下，當使用高品質或新的齒輪時，結果是大約一百分比之若干分數之減速比的逐齒週期性(tooth-by-tooth periodicity)。在最差情況下，當使用便宜或嚴重磨損之齒輪時，結果可為若干百分比之廣泛變化的減速。

遺憾的是，CZ量產中之現實情況為機械零件確實存在磨損。現實情況亦為許多拉升器並未使用高品質減速器(speed reducer)齒輪。齒輪可能會因例如每圈僅具有30個鏈輪齒而品質較低。而且，在某些應用中磨損可能更加嚴重，因為每當晶體達到其最終重量時，蝸齒輪會定期過載。此情況導致在齒輪之正常壽命內，齒受到顯著磨損。齒磨損表現為齒變薄或變形，而且與蝸桿嚙合之齒表面處的齒之間的間距增加。結果齒輪之實際輸出速度嚴重地逐齒變化。另外，在一圈過程中，減速發生顯著的系統性變化，原因是由於拉升晶體時負載線性增加，所以齒不均勻地受到磨損。

圖1說明每圈具有30個齒之齒輪上的齒輪齒磨損。圖1繪示依據針對標記為#1、#2及#3之三個不同測試行程之齒輪齒而變的相對於標稱速度之輸出速度的相互關係(或校準百分比)。待測齒輪由伺服馬達驅動，且相對於校準值量測輸出速度。由於齒輪磨損，所以相對於校準值存在偏移。

如圖1中可見，結果齒輪之實際輸出速度嚴重地逐齒變化。齒之間的速度變化可能非常突然。另外，圖1繪示在一圈之過程中減速發生顯著的系統性變化，原因是由於在拉升晶體時負載線性增加，所以齒不均勻地受到磨損。

圖2說明依據針對每圈具有60個齒之新的高品質蝸齒輪之齒輪齒而變的蝸齒輪之速度的相互關係。圖2說明即使具有高負載反轉(load reserve)及極少磨損之優質蝸齒輪亦會產生變化的實際輸出速度。因此，即使是嶄新的高品質蝸齒輪，亦將因蝸齒輪之鏈輪齒與蝸桿螺紋之間的接觸點週期性改變而引起輸出速度變化。

雖然本文結合蝸齒輪磨損及品質描述了輸出速度變化問題，但應注意，任何數目之其它機械或電方面的變化均可產生所描述之類型之類似的輸出速度變化。需要一種可修正此輸出速度變化之改良的晶體拉升系統。

僅作為介紹，本發明在一個實施例中提供一種用於修正晶體拉升機構中之晶體拉升馬達速度偏差的方法。所述方法可包含：當所述晶體拉升機構正在以實際速度移動時，確定所述晶體拉升機構之位置改變；以及基於所偵測到之位置改變，估計在處理器上實施之濾波函數之新濾波器狀態。此外，所述方法包含：使用所述估計之新濾波器狀態來估計所述晶體拉升機構之新位置；確定位置估計誤差以及所述濾波函數之下一濾波器狀態的濾波器增益；以及使用所述下一濾波器狀態之所估計之濾波器增益，修正所述晶體拉升機構在後續時間週期中的實際速度。

本發明進一步在另一實施例中提供一種用於修正晶體拉升機構中之晶體拉升馬達速度偏差的方法。所述方法包含在當前實際馬達速度下且在當前時間間隔期間，確定所述晶體拉升機構之位置改變。所述方法更包含使用所述位置改變，確定所述當前實際馬達速度與所需馬達速度之比。使用所述比，確定後續時間間隔之實際馬達速度。使用所述實際馬達速度針對所述後續時間間隔產生馬達速度信號。

本發明進一步在另一實施例中提供一種晶體拉升機構，包含：馬達，其回應於所接收之馬達信號而在與所述馬達信號相關之速度下自坩堝拉升晶體；以及控制單元，其用以產生所述馬達信號。所述控制單元包含記憶體及處理器，所述處理器結合儲存於所述記憶體中之資料及指令而操作，以致使所述處理器執行若干操作。所述操作包含：確定在最後取樣間隔期間行進之標稱馬達距離；使用所述行進之標稱馬達距離，計算所述濾波函數之估計誤差及濾波器增益。所述操作更包含使用所述估計誤差及所述濾波器增益，更新所述濾波函數之濾波器狀態以在後續時間間隔中使用。所述經更新之濾波器狀態包含界定馬達信號修正之濾波器係數。所述操作更包含使用所述行進之標稱馬達距離來估計濾波器狀態，以及使用所述馬達信號修正，產生所述時間間隔之馬達信號。

在又一實施例中，本發明提供一種用於修正晶體拉升機構中之晶體拉升馬達速度偏差的方法。所述方法包含：當所述晶體拉升機構正在以一速度移動時，偵測所述晶體拉升機構之位置；以及確定所述速度之偏差頻率。所述方法更包含基於所述偏差頻率確定更新向量。所述方法更包含實施濾波函數，包含擷取儲存之濾波器參數；使用所述擷取之儲存之濾波器參數計算預期模型參數；確定所述預期模型參數與所述晶體拉升機構之偵測到之位置之間的偏差；藉由組合所述偏差與所述更新向量而確定誤差向量；藉由組合所述預期模型參數與所述誤差向量而確定新模型參數；以及儲存所述新模型參數。

在又一實施例中，本發明提供一種用於控制具有經配置以拉升晶體之馬達之晶體拉升機構中之晶體拉升馬達速度的方法。所述機構賦予與諧波調變分量疊加之緩慢改變或近似恆定的運動。所述方法包含：確定當前馬達信號、標稱馬達信號以及界定所述晶體拉升機構之當前位置的當前編碼器位置；以及確定所述晶體拉升機構在時間增量期間已移動的標稱距離。所述方法更包含基於所述標稱距離、過去濾波器狀態以及所述諧波分量之週期長度，估計諧波濾波器之新濾波器狀態。所述方法更包含估計編碼器位置；以及基於所估計之編碼器位置及所述當前編碼器位置而計算估計誤差。所述方法更包含基於濾波器常數及所述諧波分量之週期長度，計算所述諧波濾波器之濾波器增益；以及使用所述諧波濾波器之估計之新濾波器狀態、所計算之濾波器增益以及所計算之估計誤差，更新所述諧波濾波器之濾波器狀態。所述方法更包含使用至少一濾波器係數，確定後續時間間隔之新馬達信號；以及將所述新馬達信號提供至所述馬達，以調整所述後續時間間隔之馬達速度。

僅作為介紹而對較佳實施例作出上述論述。此部分中之任何內容均不作為對界定本發明之範疇之所附申請專利範圍之限制。

習知柴氏(Czochralski，以下簡稱為CZ)拉升系統僅具有修正實際拉升速度與標稱拉升速度之偏差的有限能力。此等習知拉升系統不具有補償由減速器齒輪或蝸齒輪引起之近程(即，短持續時間)輸出速度變化的能力。大多數習知CZ系統忽略標稱與實際輸出速度之間的偏差之存在。然而，存在替代於伺服馬達而使用消除伺服漂移之可能性之數位控制高精度馬達的系統。然而，此解決方案無法偵測及修正由諸如減速齒輪等其它組件引起之速度偏差。另外，其亦為昂貴的解決方案，因為其需要硬體上的修改。

機械引入之速度偏差之問題在一種提案中得到解決，所述提案使用輸出側位置編碼器來量測實際輸出速度，且將其與標稱輸出速度進行比較。所參考之提案進而偵測由伺服漂移與減速齒輪中之機械缺陷之組合作用引起的實際速度偏差。所參考之提案使用運行平均(running average)演算法來偵測及修正週期性遠程平均速度偏差。

然而，迄今為止尚未嘗試解決近程速度誤差。通常用作CZ系統中之最終減速器之蝸齒輪總是產生逐齒速度調變。雖然此作用在嶄新的高精度齒輪中相對較小，但其總是存在且其在使用便宜或過載之齒輪時可能較為顯著。其在齒輪在重度使用(在大規模CZ生產中之現實情況)期間磨損時即使對於高品質齒輪而言亦是一般問題。

遺憾的是，所參考之提案不適合於偵測及修正此等近程速度誤差，因為其是基於簡單的運行平均。此運行平均提案將在其與較短平均化時間一起使用時經受若干數值不穩定性。此不穩定性之一個原因是起因於編碼器解析度之數位雜訊。在典型CZ系統中，每齒輪齒之編碼器計數之數目相對較小。所參考之運行平均演算法需要相當大的平均化間隔來使由於編碼器解析度引起之數位化雜訊最小，且因此以相對大的取樣速率操作。

然而，即使對於較高取樣速率及使用較高解析度之編碼器，所參考之提案的效果仍不令人滿意。一個原因是所參考之提案使速度誤差隨時間而平均化，且在標稱速度需要在操作期間顯著上下改變時將不會一致地起作用。在CZ系統中，由於直徑控制，情況通常如此。除此之外，所參考之提案使用的模型缺乏描述改變的輸入/輸出速度比之項。所參考之提案僅將輸入-輸出速度比建模為緩慢改變的常數。因此，即使與較高取樣速率及較高解析度之編碼器一起使用，所述提案仍將不適合於偵測及修正諸如蝸齒輪減速器等機械及電裝置中存在的突然輸出速度誤差。

現參見圖3，其繪示例示性半導體晶體成長設備300之方塊圖。設備300包含控制單元302、加熱器電源304以及晶體成長腔室(chamber)306。設備300更包含晶體驅動單元308、晶體起離纜繩310、坩堝驅動單元312以及坩堝驅動軸314。

包含於腔室306內的是含有熔融物318之坩堝316及加熱器320。在圖3之說明中，半導體晶體322由熔融物318形成。控制單元302與加熱器電源304耦接以控制加熱器電源304。藉由控制加熱器電源304，控制熔融物318之溫度以准許半導體晶體322之受控成長。為進一步控制熔融物之溫度，亦可添加熱量控制器。

晶體驅動單元308操作以沿中心軸324拉升晶體起離纜繩310。晶體驅動單元308亦操作以圍繞中心軸324旋轉晶體起離纜繩310。在圖3中指示逆時針旋轉，但可代之以順時針旋轉，且可藉由晶體驅動單元308之適當控制而達成上述兩種旋轉。晶體起離纜繩310之旋轉或移動引起晶體322之類似旋轉或移動。

晶體驅動單元308在此例示性實施例中包含電動馬達334、蝸桿驅動335以及編碼器337。電動馬達334操作以拉升晶體起離纜繩310及晶體322。單獨的電動馬達旋轉晶體起離纜繩310及晶體322。包含電動馬達334之晶體驅動單元308由經由控制線326自控制單元302提供之信號控制。控制線326可為用於傳遞數位資料或類比資料之資料匯流排或導體群。特定而言，控制單元302提供馬達信號以控制電動馬達334起離晶體起離纜繩310及晶體322的速度。馬達信號在一個實施例中是與馬達之拉升速度成比例的電壓。

在晶體起離纜繩310及晶體322升高時，編碼器337產生指示晶體已由電動馬達334降低或升高之距離的編碼器信號。所述信號可呈表達諸如所行進之角度距離之角度距離的數位資料或數位值的形式，所述角度距離為電動馬達334行進之角度距離之分數，電動馬達334之行進距離由蝸齒輪335減小。編碼器信號可替代地稱為例如編碼器計數，以指示表示由編碼器確定之行進距離的數位資料。在控制線326上將編碼器信號提供至控制單元302。

蝸桿驅動335定位於電動馬達334與晶體起離纜繩310之間。蝸桿驅動335是蝸桿與蝸齒輪嚙合的齒輪配置。蝸桿是呈螺桿之形式的齒輪。蝸桿由電動馬達334圍繞第一軸旋轉，從而使蝸齒輪圍繞第二大體垂直軸(諸如中心軸324)旋轉。蝸桿驅動減小來自電動馬達334之旋轉速度，且將較高扭矩傳輸至連接至晶體起離纜繩310之輸出軸。因此，電動馬達334及蝸桿驅動操作以沿中心軸324移動晶體322。其它機械或機電驅動組件可定位於馬達334與晶體起離纜繩310之間。所有此等組件均易受磨損及變形以及缺陷，且可能會在馬達334在晶體起離纜繩310上強加之拉升速度中引入偏差。

類似地，坩堝驅動單元312操作以沿中心軸324移動坩堝驅動軸314，且圍繞中心軸324旋轉坩堝驅動軸314。在圖3中指示順時針旋轉，但可代之以逆時針旋轉，且藉由坩堝驅動單元312的適當控制可達成以上兩種旋轉。坩堝驅動軸314之旋轉或移動引起坩堝316之類似旋轉或移動。坩堝驅動單元312包含一或多個電動馬達或用於拉升及旋轉坩堝驅動軸314的其它裝置。坩堝驅動單元312由經由控制線328自控制單元302提供之信號控制。

腔室306包含一或多個感測器。在圖3之例示性實施例中，此等感測器包含相機330及溫度感測器332。相機330安裝於腔室之檢視口附近，且經引導以檢視熔融物318之表面。相機330在控制線336上產生指示相機影像之信號，且將信號提供至控制單元302。溫度感測器332偵測腔室306中之溫度，且在控制線338上將指示溫度之資料提供至控制單元302。

控制單元302在所說明之實施例中大體上包含中央處理單元(CPU)340、記憶體342以及使用者介面344。CPU 340可為任何合適的處理裝置，諸如微處理器、數位信號處理器、數位邏輯功能或電腦。CPU 340根據儲存於記憶體342中之資料及指令而操作。此外，CPU 340使用諸如經由控制線326、328、336、338自感測器接收之資料及其它資訊而操作。再者，CPU 340操作以產生控制信號以控制半導體晶體成長設備300之部分，諸如加熱器電源304、晶體驅動單元308及坩堝驅動單元312。CPU 340可進一步使用內建定時器或回應於由CPU 340或另一裝置產生之計時信號而實施即時功能。

記憶體342可為任何類型之動態或持久記憶體，諸如半導體記憶體、磁碟或光碟或者此等或其它儲存裝置之任何組合。在一些應用中，記憶體342可包含電腦可讀儲存媒體，所述媒體中含有用以致使CPU 340結合半導體晶體成長設備300之其它組件執行某些指定功能的資料。舉例而言，記憶體342中儲存之資料及指令可致使CPU 340使用來自編碼器337之輸入資訊而實施控制程式以控制馬達334之拉升速度。控制程式可實施濾波函數，諸如諧波追蹤濾波器(harmonic tracking filter)或多項式追蹤濾波器(polynomial tracking filter)。界定諸如當前濾波器狀態、過去濾波器狀態及下一或後續濾波器狀態等濾波器狀態的資料儲存於記憶體342中。

使用者介面344准許使用者控制及監視半導體晶體成長設備300。使用者介面344可包含用於向使用者提供操作資訊之任何合適的顯示器，且可包含任何種類之鍵盤或開關以准許使用者控制及致動半導體晶體成長設備300。

半導體晶體成長設備300根據柴氏製程達成單晶半導體鑄錠之成長。根據此製程，將諸如矽之半導體材料放置於坩堝316中。加熱器電源304致動加熱器320以加熱矽且致使其熔融。加熱器320將矽熔融物318維持於液態。根據習知製程，將種晶346附接至晶體起離纜繩310。藉由晶體驅動單元308將種晶346降低至熔融物318中。此外，晶體驅動單元308致使晶體起離纜繩310及種晶346在諸如逆時針之第一方向上旋轉，同時坩堝驅動單元312致使坩堝驅動軸314及坩堝316在諸如順時針之相反方向上旋轉。坩堝驅動單元312亦可按照晶體成長製程期間之需要升高或降低坩堝316。舉例而言，熔融物318在晶體成長時耗盡，因此升高坩堝驅動單元以補償且保持熔融物位準實質上恆定。在此過程期間，加熱器電源304、晶體驅動單元308以及坩堝驅動單元312均在控制單元302之控制下操作。

根據當前實施例，控制單元302操作以偵測由晶體驅動單元308施加於晶體之拉升速度偏差，且修正此等偏差。更特定而言，控制單元302在第一實施例中實施用於追蹤編碼器337的位置的動力學模型濾波器之回歸演算法。編碼器位置由編碼器337產生且提供至控制單元302的數位資料表示，且表示晶體322已由晶體驅動單元308升高或降低的距離。在另一實施例中，控制單元302基於具有諧波分量之濾波器而實施衰退平均追蹤濾波器。任一實施例均可用以實質上減小或消除標稱或所需拉升速度與實際拉升速度之間的偏差。

在第一實施例中，將離散二階多項式選擇為濾波器模型。多項式將編碼器位置近似為當前位置周圍之相鄰部分中之標稱位置的函數。所選擇之多項式具有以下形式：

Y_e =INT(a+bx+cx² )　(1)

其中a、b、c表示濾波器狀態，x表示標稱編碼器位置，且Y_e 表示估計的離散編碼器位置。

INT函數返回其自變數之整數值，其可為實數。此處使用INT函數，因為是對編碼器讀數進行建模。編碼器讀數是真實位置之離散數值。若此處不使用INT函數，則將在估計位置與編碼器讀數之間的差小於一個編碼器計數時由於人工濾波器更新而引入雜訊。在一些應用中，在濾波器模型中使用INT函數可能對於總體準確性而言較為重要。編碼器計數例如每秒一次進行週期性取樣。因此，由編碼器337提供之脈衝在整體步驟中遞增。在脈衝(每秒接收一次)之間，編碼器信號無改變。然而，在經取樣之脈衝之間，晶體驅動單元308前進且實際位置改變。濾波器計算來自編碼器之經取樣之位置與預測位置之間的差。使用INT函數可防止在濾波器輸出之第一導數(等式(1)中之參數b)中引入特殊形式之數位雜訊。此雜訊將在無編碼器計數改變之情況下在取樣間隔期間由濾波器更新引入。在不使用INT函數之情況下，濾波器狀態將連續更新至一表觀恆定位置，直至接收到下一編碼器樣本為止，從而引起第一導數人工鬆弛且隨後在下一編碼器計數增量處跳躍。

為開發回歸演算法以用於將等式(1)擬合於編碼器計數資料，使用以下經加權之最小平方誤差假設(ansatz)。平方誤差和由以下等式表示：

其中

x₀ 表示當前編碼器位置

x_i 表示取樣間隔i處之編碼器位置。

L表示濾波器常數(特徵長度)

Y_i 表示取樣間隔i處之編碼器讀數

Y_e,i 表示取樣間隔i處之編碼器近似。

在此模型中，個別錯誤經加權以使得權重函數根據其與當前位置之距離而以指數方式減弱過去之資料。此假設可產生與熟知之α-β-γ濾波器具有某些相似性的濾波器演算法。然而，除濾波器增益中之差異外，最重要差異在於當前濾波器之調諧對於當前應用將是直接的，因為濾波器常數將表達為特徵長度，其在當前情況下為一個齒輪齒之某一部分。與此相比，使α-β-γ濾波器之操縱指數(maneuver index)與此應用關鍵特徵長度相關則較不直接得多。

針對模型常數{a,b,c}對E求導將得到等式系統

0=d/da(E)　(2b)

0=d/db(E)　(2c)

0=d/dc(E)　(2d)

對此等式系統求解將產生模型常數{a,b,c}。

等式(1)之模型形成為回歸演算法，使得在所有過去編碼器位置資料上之此經加權之最小平方擬合可實際上以最少的處理時間及記憶體儲存在每一取樣間隔處實施。

藉由選擇此方法，可獲得以下益處。首先，藉由使用基於二階多項式近似而非簡單運行平均之最小平方擬合，濾波器可準確跟隨馬達速度之突然改變。此等突然改變例如在圖1及圖2中說明。運行平均近似無法準確跟隨且修正此等突然改變。

其次，藉由使用根據距離而非取樣時間來減弱過去資料的加權函數，始終相對於由齒輪齒或其它誤差源引起之速度調變之特徵長度來實施濾波器近似。因此，易於理解濾波器調諧。無論瞬間或突然改變之拉升速度如何，均維持估計之準確性。

再次，藉由對離散誤差以顯式方式執行最小平方擬合，此方法使數位化雜訊最小。無論每樣本間隔之編碼器脈衝的數目如何，此做法均能確保濾波器準確操作。

等式(1)之模型形成為回歸演算法，其藉由基於先前濾波器狀態及自當時起行進之標稱距離Δx來估計新的濾波器狀態，且隨後基於估計誤差及本身為Δx之函數之濾波器增益而更新濾波器狀態來操作。

如前所述，此方法某種程度上類似於α-β-γ濾波器。一個差異在於等式(1)之模型不涉及量測雜訊，其為有意義的假定，因為編碼器讀數在當前應用中實質上不含雜訊，或在將真實與離散值之間的差視為雜訊之情況下將並非白高斯雜訊(white Gaussian noise)，而白高斯雜訊為α-β-γ濾波器及類似濾波器之前提。與較難找到正確的濾波器增益的α-β-γ濾波器相比，所述方法僅僅基於例如齒與齒距離等特徵齒輪幾何形狀，即可達成對濾波器增益之直接選擇。

圖4是說明用於修正半導體晶體成長設備中之速度偏差之方法的流程圖。圖4之方法可例如由控制單元302實施。CPU 340可自記憶體342擷取指令及資料，或自經由控制線326接收之諸如來自編碼器337之信號的控制信號接收資料。可諸如藉由將由編碼器337產生之角位置轉換為線性位置而對控制信號進行預處理。此外，CPU 340藉由處理資料以達成圖4所示之方法步驟以及其它操作來回應所接收之資料及指令。再者，CPU產生輸出資料以用於儲存於記憶體342中，且產生諸如馬達信號之控制信號，將所述控制信號施加於控制線326，以控制電動馬達334起離晶體起離纜繩310及晶體322的速度。

方法在區塊400處開始。在區塊402處，CPU 340進入處理循環，且自記憶體340擷取當前馬達信號S_n-1 及新的標稱馬達信號S_n 。當前馬達信號可為對適合於致使馬達334以用呎/秒表達之指定線性速度或以弧度/秒表達之角速度操作之電壓進行編碼的數位資料。所述資料可在角域與線性域之間轉換以適於減小處理耗用或儲存要求。進一步在區塊402處，處理器擷取當前編碼器位置Y_n 。在自編碼器337接收當前編碼器位置之後，可將當前編碼器位置儲存於記憶體342中，或者可讀取且處理由編碼器337在控制線326上提供之當前值。圖4說明每即時間隔Δt執行一次的回歸演算法。

在區塊402處，如下計算Δx之值

Δx=S_n-1 *Δt　(3)

Δx為在最後取樣間隔期間行進之標稱編碼器計數距離。Δx是非離散值。其是基於最後標稱馬達信號S_n-1 (具有每時間之編碼器計數之單位)及取樣時間間隔Δt而計算。取樣時間間隔Δt由CPU 340諸如藉由經程式化之時脈電路或功能之逝去來確定。標稱馬達信號S_n-1 可為另一演算法之輸出，諸如用於控制晶體322之直徑的直徑控制程序。

在區塊406處，使用以下等式估計新的濾波器狀態。

a_e,n =a_n-1 +b_n-1 *Δx+c_n-1 Δx² 　(4a)

b_e,n =b_n-1 +2*c_n-1 *Δx　(4b)

c_e,n =c_n-1 　(4c)

先前針對各別取樣時間而產生之濾波器係數a、b及c是自記憶體342中之儲存擷取。

在區塊408處，CPU 340基於針對當前時間取樣間隔之濾波器係數a使用INT(x)函數來估計新的編碼器位置：

Y_e,n =INT(a_n )　(5)

在區塊410處，CPU 340計算編碼器估計誤差：

E_n =Y_n -Y_e,n =INT(Y_n -a_n )　(6)

在區塊412處，CPU 340使用以下等式系統計算針對下一濾波器更新的濾波器增益：

δ=e^-Δx/L

g_a =1-δ³ 　(7a)

g_b =3/2*(1-δ)² *(1+δ)/Δx　(7b)

g_c =1/2*(1-δ)³ /Δx² 　(7c)

在區塊414處，CPU 340如下更新濾波器狀態：

a_n =a_e,n +g_a *E_n 　(8a)

b_n =b_e,n +g_b *E_n 　(8b)

c_n =c_e,n +g_c *E_n 　(8c)

在每一取樣間隔處，a_n 之新值表示估計之當前位置，其為具有子編碼器準確性之非離散值。同時，在每一取樣間隔處，b_n 表示當前實際與標稱速度比，其理想上為1，但由於齒輪缺陷、伺服漂移等而偏離1。在區塊416處所示之步驟中，b_n 用以修正實際供應至馬達的信號。

S_a =b_n *S_n 　(9)

S_n 為下一時間間隔之標稱馬達信號，且S_a 為將應用之實際馬達信號。針對任何機械或電子缺陷而修正此實際應用之馬達信號S_a ，所述缺陷可在馬達信號與編碼器量測之間的任何地方引起速度誤差。最終，將經修正之馬達信號S_a 應用於馬達，且演算法等待下一即時間隔。回應於經修正之馬達信號S_a ，在隨後之時間間隔期間增加或減小馬達速度以修正諸如磨損齒輪之任何機械或電子異常。

因此，所說明之方法偵測位置改變Δx，且使用所述值來確定當前實際馬達速度與所需或標稱馬達速度之比。所述方法使用所述比來確定在後續時間間隔期間應應用之實際馬達速度，且使用所述實際馬達速度產生馬達速度信號。

圖5為說明用於修正半導體晶體成長設備中之速度偏差之方法之替代實施例的流程圖。所說明之方法可尤其適用於速度偏差本質上部分地或實質上為諧波或為週期性的應用。

許多儀器應用涉及量測上面疊加有諧波調變之信號。傳統上，此量測是藉由以超過若干調製週期之濾波器時間常數對信號進行時間平均化來解決的。然而，此時間平均化方法可能無法完全移除調變。此習知方法可僅將調變減小至某一程度。平均化濾波器之時間常數越長，濾波器輸出中之殘餘調變越少，但濾波器對真實信號改變之回應越慢。在許多情況下，濾波器的緩慢回應是不可接受的，使得此濾波器總是必須在殘餘調製與回應時間之間取得平衡。

幸運的是，在許多情況下，根據其它系統參數即可得知調變週期性。舉例而言，圖2繪示針對新的高品質每圈60個齒之蝸齒輪關於鏈輪齒之輸出速度相互關係。在設計上即使嶄新的高品質蝸齒輪亦展示出輸出速度變化，所述變化是由鏈輪齒與蝸桿螺紋之間的週期性改變的接觸點引起。輸出速度相互關係的頻率由蝸齒輪旋轉頻率決定，而蝸齒輪旋轉頻率為熟知的。

在此情況下，可基於具有諧波分量之濾波器模型來形成衰退平均追蹤濾波器。此濾波器將有效地抑制殘餘調變，同時允許較短的濾波器時間常數，從而得到快速且精確之濾波器回應。若準確地知曉頻率且調變為純諧波的，則濾波器甚至可消除此殘餘調變。

已針對具有常數及一個諧波分量之濾波器模型開發衰退平均最大可能性等式系統。此等式系統已經進一步變換為具有極少數值運算之回歸演算法，其容易在電腦程式中實施以用於諸如圖3之CPU 340之處理裝置中的有效評估。

將濾波器輸入建模為與諧波調變分量疊加之緩慢改變或近似恆定之部分的疊加：

y =a -b sin(ωk )+c cos(ωk )　(10)

其中ω=2Π/L，L為諧波分量之週期長度。

圖5說明此濾波器之實施方案。對濾波器之輸入信號在圖3之例示性實施例中為來自編碼器337之編碼器信號。此信號通常具有如等式(10)中之強加於其上的諧波或週期性調變，且因此易受此濾波器中之處理的影響。圖5之處理可諸如在預定定時器間隔Δt逝去之後週期性重複。定時器間隔可約為若干秒或分鐘。在定時器間隔逝去之後，方法在區塊500處開始。

在區塊502處，例如藉由讀取儲存於諸如記憶體342之記憶體中的資料而獲得當前馬達信號S_n-1 及標稱馬達信號S_n 。此外在區塊502處，例如藉由讀取來自編碼器337之輸出而獲得當前編碼器位置Y_n 。在區塊504處，將馬達在當前時間增量期間已移動之預期距離Δx計算為當前馬達信號S_n-1 與當前時間增量之乘積。

在區塊506處，使用圖中所示之關係估計新的濾波器狀態，且其中a、b及c是等式(10)中之係數，且L為諧波分量之週期長度。在區塊508處，估計當前編碼器位置Y_e,n 。在所說明之實施例中，藉由針對新濾波器狀態之濾波器係數之和評估整數函數來估計當前編碼器位置。在此實例中，第一濾波器係數a_e,n 及c_e,n 用以估計編碼器位置。

在區塊510處，方法將估計誤差確定為估計編碼器位置Y_e,n 與當前編碼器位置Y_n 之間的差。

在區塊512處，使用圖中所示之關係計算諧波濾波器增益g_a 、g_b 及g_c ，其中N為有效點之數目或濾波器常數。隨後在區塊514處，使用先前濾波器狀態、經計算諧波濾波器增益以及估計誤差來更新濾波器狀態。

在區塊516處確定經修正馬達信號，且在區塊518處，將經修正馬達信號S_a 提供至馬達。處理隨後等待下一定時器間隔Δt逝去。經修正馬達信號設定後續定時器間隔期間之馬達速度以控制所述定時器間隔期間晶體之拉升速度。

一般熟習濾波器設計、控制系統及資料處理領域之技術者非常瞭解本文描述之使用資料處理系統對所接收資料進行操作且產生輸出控制信號的等式及處理的實施方案。此外，本文描述之等式及其它關係可容易適於其它系統、其它輸入及其它輸出。

自上述內容可見，本發明之實施例提供用於在晶體拉升機構中修正拉升速度與標稱拉升速度之偏差的經改良的系統及方法。由於非最佳或磨損組件引起之偏差實質上或完全消除。因此可獲得精確得多的受控拉升速度。由於拉升速度會影響晶體拉升過程中之其它品質因數，諸如直徑控制及晶體品質，因此結果無需添加硬體即可獲得實質上改良的製程。所述系統及方法可藉由修改晶體拉升設備之控制軟體，基於現存實施方案使用習知硬體來實施。

因此既定將上述詳細描述視為說明性而不是限制性的，且應瞭解以下申請專利範圍(包含所有均等物)意欲界定本發明之精神及範疇。

為了簡單，在說明書及申請專利範圍中使用術語「控制單元」、「CPU」、「處理器」及「編碼器」來廣義指代可用以執行上文所述功能之硬體及/或軟體。重要的是應注意，可使用任何適當軟體語言及任何適當硬體(類比或數位，現在存在或以後待開發)。實施有電腦可讀程式碼之電腦可用媒體可用以執行上文所述之功能，且上文描述之功能亦可專門以硬體來實施。另外，與每一元件相關聯之功能性可與其它元件組合或分配於其它元件。而且，可能並非所有實施例中均需要上文所述元件中之一些元件。

300．．．半導體晶體成長設備

302．．．控制單元

304．．．加熱器電源

306．．．晶體成長腔室

308．．．晶體驅動單元

310．．．晶體起離纜繩

312．．．坩堝驅動單元

314．．．坩堝驅動軸

316．．．坩堝

318．．．熔融物

320．．．加熱器

322．．．半導體晶體

324．．．中心軸

326．．．控制線

328．．．控制線

330．．．相機

332．．．溫度感測器

334．．．電動馬達

335．．．蝸桿驅動

336．．．控制線

337．．．編碼器

338．．．控制線

340．．．中央處理單元

342．．．記憶體

344．．．使用者介面

346．．．種晶

400~418、500~518．．．方法步驟之區塊

圖1說明具有30個齒之齒輪上的蝸桿蝸齒輪的速度相互關係。

圖2說明每圈具有60個齒之新的高品質蝸齒輪之蝸齒輪的速度相互關係。

圖3為例示性半導體晶體成長設備之方塊圖。

圖4為說明用於修正半導體晶體成長設備中之速度偏差之方法的流程圖。

圖5為說明用於修正半導體晶體成長設備中之速度偏差之替代方法的流程圖。

400~418．．．方法步驟之區塊

Claims

一種用於修正晶體拉升機構中之晶體拉升馬達速度偏差的方法，所述方法包括：在處理器處，當所述晶體拉升機構正在以實際速度移動時確定所述晶體拉升機構之位置改變；在所述處理器上實施濾波函數；基於所偵測到之位置改變，在所述處理器處，估計所述濾波函數之新濾波器狀態；在所述處理器處，使用所估計之新濾波器狀態來估計所述晶體拉升機構之新位置；在所述處理器處，確定位置估計誤差；在所述處理器處，確定所述濾波函數之下一濾波器狀態的濾波器增益；以及在所述處理器處，使用所述下一濾波器狀態之所述估計之濾波器增益中的一或多者，修正後續時間週期中所述晶體拉升機構之所述實際速度。
如申請專利範圍第1項所述之用於修正晶體拉升機構中之晶體拉升馬達速度偏差的方法，更包括使用所述濾波器增益及所估計之新濾波器狀態來確定新濾波器狀態。
如申請專利範圍第2項所述之用於修正晶體拉升機構中之晶體拉升馬達速度偏差的方法，其中確定新濾波器狀態包括確定表示所述晶體拉升機構之估計位置之第一值，以及表示所述晶體拉升機構之當前實際速度與所述晶體拉升機構之所需速度之比的第二值。
如申請專利範圍第3項所述之用於修正晶體拉升機構中之晶體拉升馬達速度偏差的方法，其中修正所述晶體拉升機構之所述實際速度包括在所述處理器處，組合所述第二值與表示所述晶體拉升機構之所述所需速度之信號值以產生表示下一時間間隔中所述晶體拉升機構之所述實際速度的信號值。
如申請專利範圍第1項所述之用於修正晶體拉升機構中之晶體拉升馬達速度偏差的方法，其中修正所述晶體拉升機構之所述實際速度包括將經修正馬達信號提供至自坩堝拉升晶體鑄錠之馬達，所述馬達回應於所述經修正馬達信號以在與所述經修正馬達信號之電壓值成比例之經修正速度下拉升所述晶體鑄錠。
如申請專利範圍第1項所述之用於修正晶體拉升機構中之晶體拉升馬達速度偏差的方法，其中估計所述晶體拉升機構之新位置包括確定僅表示所述晶體拉升機構之當前位置之值的整數部分。
一種用於修正晶體拉升機構中之晶體拉升馬達速度偏差的方法，所述方法包括：在處理器處，在當前時間間隔期間，確定在當前實際馬達速度下所述晶體拉升機構之位置改變；在所述處理器處，使用所述位置改變，確定所述當前實際馬達速度與所需馬達速度之比；在所述處理器處，使用所述比，確定後續時間間隔之實際馬達速度；以及使用所述後續時間間隔之所述實際馬達速度產生馬達速度信號。
如申請專利範圍第7項所述之用於修正晶體拉升機構中之晶體拉升馬達速度偏差的方法，更包括：使用所確定之位置改變來估計由所述處理器實施之濾波函數之新濾波器狀態；使用所估計之新濾波器狀態更新所述濾波函數之所述濾波器狀態，所更新之濾波器狀態包含對應於所述比之濾波器係數。
如申請專利範圍第7項所述之用於修正晶體拉升機構中之晶體拉升馬達速度偏差的方法，其中產生所述馬達速度信號包括產生與所述後續時間間隔之所述實際馬達速度成比例的電壓。
一種晶體拉升機構，包括：馬達，其回應於所接收馬達信號以在與所述馬達信號相關之速度下自坩堝拉升晶體；以及控制單元，其用以產生所述馬達信號，所述控制單元包含記憶體及處理器，所述處理器結合儲存於所述記憶體中之資料及指令操作以致使所述處理器在時間間隔期間執行以下操作：確定在最後取樣間隔期間行進之標稱馬達距離；使用所述行進之標稱馬達距離，估計濾波函數之濾波器狀態；使用所述行進之標稱馬達距離，計算所述濾波函數之估計誤差及濾波器增益；使用所述估計誤差及所述濾波器增益，更新所述濾波函數之所述濾波器狀態以在後續時間間隔中使用，所經更新之濾波器狀態包含界定馬達信號修正之濾波器係數；以及使用所述馬達信號修正，產生所述時間間隔之所述馬達信號。
如申請專利範圍第10項所述之晶體拉升機構，更包括：儲存於所述記憶體中之指令，用以致使所述處理器使用先前時間間隔之所述濾波器狀態來估計新的馬達位置。
如申請專利範圍第11項所述之晶體拉升機構，更包括：用以致使所述處理器藉由評估所述先前時間間隔之濾波器係數之整數函數而估計所述新的馬達位置的指令。
如申請專利範圍第10項所述之晶體拉升機構，更包括：編碼器，用以產生指示所述馬達或晶體之位置的編碼器信號，所述控制單元操作以在每一時間間隔期間對所述編碼器信號進行取樣；以及用以致使所述處理器藉由評估先前時間間隔之濾波器係數與所述時間間隔之由所述經取樣編碼器信號指示之位置之間的差之整數函數來計算所述估計誤差的指令。
如申請專利範圍第10項所述之晶體拉升機構，更包括：用以致使所述處理器藉由將所述後續時間間隔之新濾波器係數確定為所估計之濾波器狀態之估計之濾波器係數與所述時間間隔之所計算之估計誤差及所述濾波器增益之乘積的和來更新所述濾波器狀態的指令。
一種用於修正晶體拉升機構中之晶體拉升馬達速度偏差的方法，所述方法包括：在處理器處，當所述晶體拉升機構正在以一速度移動時偵測所述晶體拉升機構之位置；在所述處理器處，確定所述速度之偏差頻率；基於所述偏差頻率，確定所述處理器處之更新向量；在所述處理器上實施濾波函數，包含擷取儲存之濾波器參數；在所述處理器處，使用所擷取之儲存之濾波器參數計算預期模型參數；在所述處理器處，確定所述預期模型參數與所述晶體拉升機構之所偵測到之位置之間的偏差；在所述處理器處，藉由組合所述偏差與所述更新向量而確定誤差向量；在所述處理器處，藉由組合所述預期模型參數與所述誤差向量而確定新模型參數；以及儲存所述新模型參數。
一種用於控制具有經配置以拉升晶體之馬達之晶體拉升機構中之晶體拉升馬達速度的方法，所述機構賦予與諧波調變分量疊加之緩慢改變或近似恆定的運動，所述方法包括：確定當前馬達信號、標稱馬達信號以及界定所述晶體拉升機構之當前位置的當前編碼器位置；確定所述晶體拉升機構在時間增量期間已移動的標稱距離；基於所述標稱距離、過去濾波器狀態以及所述諧波分量之週期長度，估計諧波濾波器之新濾波器狀態；估計編碼器位置；基於所估計之編碼器位置及所述當前編碼器位置而計算估計誤差；基於濾波器常數及所述諧波分量之所述週期長度，計算所述諧波濾波器之濾波器增益；使用所述諧波濾波器之所估計之新濾波器狀態、所述計算之濾波器增益以及所述計算之估計誤差，更新所述諧波濾波器之所述濾波器狀態；使用至少一濾波器係數，確定後續時間間隔之新馬達信號；以及將所述新馬達信號提供至所述馬達以調整所述後續時間間隔之所述馬達的速度。
如申請專利範圍第16項所述之用於控制具有經配置以拉升晶體之馬達之晶體拉升機構中之晶體拉升馬達速度的方法，其中估計所述編碼器位置包括評估所述新濾波器狀態之濾波器係數之和的整數函數。