TWI485293B - 於生長製程中用於控制矽晶錠直徑的方法與設備 - Google Patents

Description

於生長製程中用於控制矽晶錠直徑的方法與設備

本發明大體上係有關控制單晶矽錠的生長過程之改良方法且，特別是，有關於該單晶矽錠生長過程期間精確控制單晶矽錠的直徑之方法與設備。

Czochralski(CZ)方法係用於獲得單晶。其最重要的應用為生長單晶矽錠，該單晶矽錠係切成矽晶圓以供於其上裝配半導體電路用。簡而言之，該CZ製程包括將石英坩堝中的單晶矽填料熔融及從該熔融矽表面提起單晶晶種。當此晶種自該熔融矽被提起時，自該晶種長出單晶矽且形成圓柱錠。現代的CZ製程製造出具有像300mm那麼大的直徑之矽錠。

製造具有均勻直徑的矽晶圓的關鍵在於製造沿著長度具有均勻直徑的矽錠。熟於此藝之士眾所周知的是該晶種的牽引速度提高造成由該晶種所長出的矽錠之直徑減小且反之亦然。亦為眾所周知的是該坩堝中的矽熔融物之溫度提高造成正在生長的矽錠之直徑減小且反之亦然。儘管直徑控制看似簡單，但是其需要複雜的反饋控制。

傳統上，該CZ法係以PID(比例-積分-微分)控制法控制正在生長的矽錠之直徑。該PID控制器接受代表長出的矽錠的目標或想要直徑與實際觀察到的矽錠直徑之間的誤差信號。PID控制器接著將該直徑偏差處理成時間的函數而且將其轉換為牽引速度誤差。以該牽引速度誤差用於調整該晶種的牽引速度。

牽引速度單獨控制通常不足以控制充分地控制正在生長的矽錠之直徑。因此，該CZ製程係以專門設計的額外PID控制器進行以控制該坩堝中的矽熔融物之溫度。以上述牽引速度誤差求時間的積分以導出溫度誤差。總結所導出的溫度誤差、來自溫度分佈的目標溫度及實際測得的溫度且提供給第二PID控制器以調整該矽熔融物的溫度。

儘管上述利用兩個PID控制器調整該牽引速度和熔融物溫度二者的CZ製程係廣泛用於製造矽錠，但是仍需要進一步的改善以製造具有夠充分均勻矽錠。最近，有關精確且準確控制矽錠生長期間的矽錠固有性質所要求的標準變得比過去高出許多且更嚴格。眾所周知的是為了控制錠直徑而進行的牽引速度變動對於該錠內的缺陷分佈具有負面效應。另外眾所周知的是牽引速度變動對於經大量摻雜的錠之生長期間的形態安定性具有負面效應。因此當控制矽錠生長期間的矽錠直徑時必須將牽引速度變動最小化。

關於直徑與生長控制，有三類誤差來源，其均會在生長矽錠使其具有均勻直徑時導致牽引速度變動。第一類誤差係由於熔融物中的溫度波動造成。眾所周知的是熔融物中的溫度波動係由於引起該熔融物流擾動之浮力效應造成。此等溫度波動造成結晶化速率變化，此結晶化速率變化接著造成錠直徑變化。直徑控制系統係經設計以經由輸出造成速度變動的牽引速度調整而對這些直徑變化作出反應。

一般知道該熔融物流擾動可經由施與負責降低熔融物溫度波動的磁場而被降低且藉以減少該直徑控制系統的牽引速度調整。該熔融物中的溫度波動所引起之直徑偏差在小直徑錠中比在大直徑錠中更明顯，因為該等溫度波動係位於熔融物中，且若其直徑大的話其效應係平均遍佈於一個錠的斷面。然而，即使是在磁場內生長大直徑錠的情況之下，仍然必須降低該等牽引速度變動。

第二種誤差來源在於直徑反饋控制本身且係由於差的控制模式造成。直徑控制係依客製的方式利用PID控制器進行。熟於控制理論的技藝之士知道PID控制器用於藉由至多2階的線性微分方程式管理的控制系統很理想。某個程度上，PID控制也可用於控制非線性或更高階系統，但是只有在控制效能及穩定性不那麼重要的案例中。當必需在需要高控制效能和高穩定性的情況之下處理遵守非線性或高階方程式的系統時，必須發展出專用的控制器。然而，因為方便且又廣泛應用，所以儘管事實上最近有關控制穩定性或降低牽引速度變動所要求的標準非常嚴格且習用的PID控制器並不符合，但是仍以習用的PID控制器用於該錠直徑控制。

第三種誤差來源係輸入誤差造成，如指示正在生長的錠之直徑的直徑量測的輸入信號雜訊。此輸入信號雜訊直接影響該直徑控制系統，造成不必要的牽引速度變動。此種誤差在先前技藝控制系統中可能不那麼明顯，因為先前技藝控制系統通常遇到彼內採用差的控制模式所造成的誤差且此等誤差大到足以左右輸入誤差。然而，當使用來自所採用的控制模式之誤差小的專用系統時，該等輸入誤差對於控制穩定性的衝擊將變得明顯。

本發明明確地處理來自第二種誤差來源的誤差且提供一種沿著長度具有均勻直徑的矽晶錠之製造方法與設備。

當今藉由靠軟體演繹運算的數位電腦實施直徑控制，該數位電腦係於類比式PID控制之後問世，該類比式PID控制在該數位電腦出現之前已經存在長久。如上文討論的，PID控制用於藉由至多2階的線性微分方程式管理的控制系統很理想。然而，在犧牲控制效能和穩定性下，該PID控制器也可用於藉由非線性微分方程式或高於2階的線性微分方程式管理的控制系統。

不幸地，並無法正確地瞭解該錠直徑回應到底有多精確。一般的感受為該錠直徑變化為該牽引速度變化的直接結果。因而，在先前技藝直徑控制中，該P-項為主控制因子，其中該牽引速度變化係視為與直徑誤差成正比而計算。然而，這將直徑與牽引速度之間的關係過度簡單化。實際發生的情形為固體錠與液體矽熔融物之間所呈現的彎月面直接回應牽引速度變化而改變其高度以供修正牽引速度誤差。

該牽引速度誤差為零錐度牽引速度與觀察到的實際牽引速度之間的差距。該零錐度牽引速度在此意指晶體生長成圓柱形的牽引速度。該零錐度牽引速度係由該熔融物溫度及其變化決定。在此零錐度牽引速度下，若該熔融物溫度保持不變的話該彎月面將可維持正確高度。當該實際牽引速度偏離該零錐度牽引速度時，該彎月面高度也偏離該正確高度。此彎月面高度的偏差造成3-相邊界處的潤溼角度變化，造成該錠於錐角下生長，而不是理想地垂直或圓柱形生長。除非直徑誤差變成大到足以改變熱條件，否則該錠將持續生長同時保持該錐角。若該直徑誤差可變得夠大，最後將發現該錠能以圓柱形生長的新平衡直徑。然而，若溫度在坩堝中完全均勻，例如若溫度不會隨正在生長的錠之半徑變化，該錠直徑才不會繼續於該牽引速度誤差所決定的錐角下生長。因此，儘管該牽引速度變化造成直徑變化是事實，但是卻誤認為該直徑可直接藉由改變該牽引速度而加以控制。該直徑的變化絕非該牽引速度變化的結果。

重要地，該錠直徑隨時間以與錐度乘以實際牽引速度成正比的速率變化。因為該錐度大約與牽引速度誤差成正比，因此隨時間的直徑變化大約與正比於該牽引速度誤差的項加上正比於該牽引速度誤差平方的項成正比。即使這仍為稍為簡單的模型，但是此模型在於設計能顯著降低牽引速度變動的新直徑控制系統卻非常有用。首先，此模型例示先前技藝控制模式中的誤差成因，亦即，該控制模式中所含的非線性項，或該二次速度項。其另外例示並非直徑而是直徑錐度大約與該牽引速度誤差成正比。

更重要的是，頃亦顯示藉由先前技藝PID控制進行時利用直徑誤差計算積分項非常準確。再者，除非該直徑誤差變成大到能影響熱條件，否則其並非用於導出自動牽引速度補償(積分項)的良好度量法。反而，導出牽引速度補償的是該錐度誤差，因為該錐度誤差與該彎月面高度誤差有關，該彎月面高度誤差與該牽引速度誤差有關，該牽引速度誤差與該熔融物溫度有關。因此，應該使用該錐度誤差以藉由積分導出該自動牽引速度補償。

再者，由該錐度誤差所導出的積分項之計算值為有關用於達到瞬間零錐度生長(圓柱生長)的牽引速度之估計值且因此亦為造成該零錐度牽引速度與其目標值的偏差之溫度誤差的較佳表示方式。

為了評估動態管理該直徑-牽引速度的微分方程式中之二次項所造成的控制誤差，本案的發明人將隨時間的直徑變化與該牽引速度之間的時域之二次關係，其係藉由下列方程予以表示：

轉換為該錠隨長度的直徑變化(直徑錐度)與該牽引速度之間的長度域之簡單線性關係，其係由下列方程予以表示：

基於此，新的簡單PID-控制器變得可能，其藉由長度域的線性系統操作，而非藉由時域的非線性系統操作。藉以可評估最大控制模式誤差而不需發展複雜的非線性控制。

更明確地說，本發明提供根據CZ製程由矽熔融物生長單晶矽錠的方法。為了實施以該彎月面錐度與該牽引速度之間的線性關係為底之反饋控制，該方法包含定義彎月面的目標錐度與測量錐度之間的誤差，且接著將該錐度誤差轉換為對於該矽錠的牽引速度之反饋調整。因為控制係根據簡單的線性關係實施，所以本發明可達到該矽錠直徑的準確反饋控制。由於能使用眾所周知且穩健的PID機構，使得本發明非常方便且非常適於工業應用。

本發明的另一個方面也能處理該標準PID控制器增加，而不會限制，與該輸入誤差正相關的輸出之問題。根據本發明的控制器定義斜率範圍以確定該控制器往回朝目標直徑行進的斜率不會超過預定範圍，即使是非常大的直徑誤差亦同。因此，根據本發明的控制器可避免修正大的直徑誤差時生長界面的急遽變化。

在本發明中，該目標錐度可藉由在運動模式濾波器或更複雜的追蹤濾波器中處理這些數據而由該直徑及牽引速度導出。因此，根據本發明的方法可另外包含定義該矽錠的目標直徑與測量直徑之間的誤差，且將該直徑誤差轉換為該系統試圖往回朝該目標直徑行進的目標錐度。將該直徑誤差轉換為該目標錐度可藉由把該直徑誤差乘以一個常數達到。

根據本發明的反饋控制的獨特之處為求該錐度誤差對所牽引之錠長度之積分以導出該反饋調整的i-項，而不像習用直徑控制中進行的一樣求該直徑誤差對時間的積分。該反饋操作也把該錐度誤差乘以一個常數以導出該反饋調整的p-項。

除了該反饋控制以外，本發明也實施前饋控制。根據本發明的前饋控制預告由該目標錐度該牽引速度對作調整。因此根據本發明的方法另外包含將該目標錐度轉換為該牽引速度的前饋調整。由該前饋控制調整及由該反饋控制調整均可用以調整該牽引速度。由該前饋控制調整能迅速回應直徑偏差。

該控制器的積分項產生該零直徑誤差牽引速度或該零錐度牽引速度的良好評估，即使當在目標錐度縮短的條件之下操作亦同。換句話說，該目標牽引速度與該控制器的i-項調整之間的差異為含有較少無關於該熔融物溫度的零件之加熱器控制裝置的理想輸入。這在修正大的直徑誤差時特別有幫助。

本發明實施該矽熔融物的溫度控制。為達此目的，根據本發明的方法另外包含將對於該牽引速度的i-項調整轉換為該矽熔融物的溫度偏差。該i-項調整為溫度偏差的良好表示方式且求其對於時間的積分以導出該溫度偏差。利用該溫度偏差，根據本發明的方法引發PID控制以控制該矽熔融物的溫度。

本發明預期以修正控制器實施，其中PI-控制於長度域以具有直徑偏差所導出的動態錐度調定點或目標錐度方式操作。此修正控制器具有改善的控制穩定性及高調諧順應性之優點。然而，請注意本發明也可在於長度域操作的規律PID控制器中實施。頃發現此於長度域操作的規律PID控制器已經能達到優於先前技藝的顯著改善。

因此，本發明也提供一種根據CZ製程由矽熔融物生長單晶矽錠之方法，其中定義參數的目標值與該參數的測量值之間的誤差，且接著求長度域的誤差之積分以導出該矽錠的牽引速度之反饋調整以使該矽錠的直徑沿著其長度變得均勻。

後文中，將參照附圖給予根據本發明控制單晶矽錠直徑的方法及設備之詳細解釋。

現在參照第1圖，據顯示以根據本發明的設備用於實施CZ晶體生長製程。在此圖式中，該設備包含熔爐1。在該熔爐1內部，裝備盛裝矽熔融物6的石英坩堝2。該石英坩堝2係由石墨承載器3接納，該石墨承載器3係固定於驅動軸4頂端。該驅動軸4垂直移動且旋轉藉以垂直移動該石英坩堝2且使其旋轉。碳加熱器7環繞著該承載器3且將該坩堝2加熱以控制該坩堝2中的矽熔融物6之溫度。將絕緣管8放在該加熱器7與該熔爐壁之間。

將管式輻射熱屏11懸於該矽熔融物6上方。該熱屏6預防被舉起的矽錠之熱歷史變化且預防雜質，如來自該加熱器7的CO氣體，進入被舉起的該矽錠。將水冷式冷卻管10接附於該熔爐1的頸部14內側。該冷卻管10控制舉起過程期間的矽錠之熱歷史。在該冷卻管10與該頸部14的內壁之間，形成環形氣體通道，進料管21透過該環形氣體通道將氬氣供應至該熔爐1內。

金屬線9垂直行經該頸部14及該冷卻管10向下至該坩堝2中的矽熔融物6。該金屬線9挽住單晶矽晶種的末端。伺服馬達20拉起該金屬線9且自該矽熔融物6的表面舉起該晶種。第1圖顯示當該伺服馬達20拉起該金屬線9時自該矽熔融物6長出的矽錠。該金屬線9及由此該晶種可藉由另一個此圖式中未顯示的馬達旋轉。

在該熔爐1的肩部形成視窗12及13。ADR感應器15透過該視窗12測量被拉起的矽錠5之直徑。使用直線相機16透過該視窗13觀察該熔爐1內發生的晶體生長過程。在該熔爐1的側壁中形成視窗17，ATC感應器18透過該視窗17監測該加熱器7的溫度。再者，在該熔爐1頂端放置雙色溫度計19且測量該矽熔融物6的溫度。

將感應器15、16、18及19收集到的所有數據供應給控制器22。該控制器22處理所供應的數據且控制該伺服馬達20及加熱器7以便製造沿著長度具有均勻直徑的矽錠。該控制器22也控制該驅動軸4的垂直運動及旋轉。特別是，該控制器22控制該驅動軸4的垂直運動以使該正在生長的矽錠5與該矽熔融物6之間的界面之垂直位置保持固定。

參照第1圖，將對該熔爐1中如何實施CZ製程作解釋。先將多晶矽填料放在該坩堝2中。使氬氣透過該進料管21流入該熔爐1中以利用氬氣填滿該熔爐1。將該加熱器7打開以加熱該坩堝2且使該坩堝內的多晶矽熔融。控制該加熱器7以根據預定的溫度分佈維持該矽熔融物6的溫度。

接下來，驅動該伺服馬達20以降低該金屬線9直到接附於該金屬線9末端的單晶矽晶種局部浸沒於該矽熔融物6中為止。其後，開始依相反方向旋轉該石英坩堝2及該晶種。該伺服馬達20接著根據預定的牽引速度分佈拉起該金屬線9。當該晶種被拉起時，由該晶種長出該錠5。

該控制器22於規律的間距，例如，每1秒，下收集來自該感應器15的直徑資訊及來自該感應器19的溫度資訊。根據所收集到的資訊，該控制器控制該伺服馬達19及該加熱器7。藉由控制該矽熔融物6的牽引速度及溫度，該錠5的直徑自該晶種逐漸加大，藉以形成圓錐形頸部。當該錠長至預期的直徑時，該控制器將改變其控制使得該正在生長的錠5具有固定的直徑。當該錠5長至預定長度時，該控制器22再改變其控制以逐漸降低該錠5的直徑以形成圓錐形尾部。

在該錠生長過程的期間，當該錠5生長時，該矽熔融物表面就降得越低。為了補償該熔融物表面的偏離中心且使該錠5與該矽熔融物6之間的界面之垂直位置保持不變，該控制器藉由該驅動軸4舉起該坩堝2。當該尾部的直徑變成近乎零時，將該錠5舉離該矽熔融物。關掉該加熱器7以終止該CZ製程。

第2圖例示用於製造沿著長度具有均勻直徑的錠之本發明的控制模式。在第2圖中，據顯示流程表100係儲存於該控制器22中。該流程表包括預期的錠長度101之資訊。該流程表100也包括牽引速度分佈表102，該牽引速度分佈表102包括在該CZ製程的期間能達到的目標牽引速度之資訊。直徑分佈表103包括該CZ製程的期間能達到的目標直徑之資訊。溫度分佈表104包括該製程的期間能達到的目標溫度之資訊。

據顯示第2圖的另一側為該熔爐1。據顯示用於拉起該金屬線9的伺服馬達19及用於加熱該坩堝2的加熱器7係於該熔爐1內。為了製造沿著長度具有均勻直徑的矽晶錠，將控制信號供應至該伺服馬達19及該加熱器7以達到想要的矽熔融物之牽引速度及溫度。

用於本發明的控制模式並非於時域而是唯獨於長度域操作。第3圖顯示該正在生長的錠5與該矽熔融物6之間的界面。在該固體錠5與該液體熔融物6之間，形成錐度部分，叫做彎月面。熟於此藝之士明白該彎月面的形狀為該正在生長的晶錠之直徑的重要決定因素。在此圖式中，"α"表示該彎月面錐度的角度且"h"表示該彎月面的高度。

如果有彎月面的形狀，正在生長的錠之直徑可藉由下列方程式(1)表示：

此方程式訴說該牽引速度變得越大，隨時間的直徑變化就變得越大。而且，隨時間的直徑變化與該彎月面潤溼角與該錠理想地垂直或圓柱生長的角度之偏成正比。熟於此藝之士也明白該彎月面角度偏差與該牽引速度變化具有近乎線性的關係。

該直徑與該牽引速度之間的關係依下列方式由方程式(1)及(2)導出：

方程式(3)說明能藉由直徑控制器控制的系統。

方程式(3)顯示該直徑與該牽引速度具有於時域的二次關係。PID控制無法靠此非線性系統達到最佳控制，因為經設計的PID控制僅能最佳地補償被至多2級線性微分方程式所管理的系統之誤差。

在該CZ製程中，牽引速度決定錠的彎月面處之生長速度。因此，牽引速度為錠的彎月面處之垂直位置(z)的變化。

方程式(3)及(4)產生下列方程式：

方程式(5)顯示隨牽引長度的直徑變化與該牽引速度變化具有近乎線性的關係。隨牽引長度的直徑變化意指該錠的錐度。因此，方程式(5)訴說該錠錐度與該牽引速度變化具有近乎線性的關係。對方程式(5)的直覺為該直徑與該牽引速度於長度域具有線性關係。因此，藉由於長度域，而非時域應用該PID控制，將可達到該錠生長過程的最佳控制，而不需犧牲控制效能及穩定性。

然而，因為控制電腦仍然靠時標採取輸入樣品且調整輸出，所以實施於長度域操作的PID控制與習用的PID控制相比需要一些額外的測量。回來第2圖，本發明的一個具體實施例包含直徑追蹤濾波器105。在最簡單的形態中，此濾波器可為運動模式濾波器。熟於控制理論及數據追蹤技藝之士明白也可使用其他更複雜的追蹤濾波器，如Kalman-Filter，以產生瞬間的直徑及錐度數據。該濾波器接收指示來自該感應器15的測量直徑之信號及指示該牽引速度之信號，且輸出指示該實際直徑之信號。該濾波器105也由該測量直徑及該牽引速度算出該正在生長的錠隨長度(錐度)的直徑變化，且輸出指示所算出的錐度之信號，該算出的錐度表示該正在生長的晶體的實際錐度。

來自該濾波器105的實際直徑係靠著來自該直徑分佈表103的目標直徑於加法器106處估計。直徑誤差，亦即，該實際直徑與該目標直徑之間的差距，係於錐度剖面儀107處轉換為目標錐度。該錐度剖面儀107使用下列方程式算出目標錐度TP_target 。

其中TP_target 為能達到的目標錐度，TP_limit 為最大絕對錐度(絕對TP_target 不能超過TP_limit )，且Error_diameter 為該實際直徑與目標直徑之間的差距。接著將該目標錐度TP_target 供應給前饋控制裝置108及反饋控制裝置109。

該前饋控制裝置108設定，由該目標錐度TP_target ，能變成牽引速度的FF調整ΔV_M 。根據本發明的控制模式藉由設定習知要達到該目標錐度所需的精確牽引速度補償實施除了錐度反饋以外，還有前饋控制。該FF調整ΔV_M 係由實驗數據算出來。第4圖顯示指示當該牽引速度改變時直徑將如何回應。在第4圖中，先在60mm/h的速度下牽引一錠。當該錠長到長度10.5mm時，將該牽引速度從60mm/h變為120mm/h。在該晶體生長過程的期間測量直徑且相對於所牽引的錠長度給圖以監測其變化。實線顯示實測值且虛線線性地描繪該等實測值。由第4圖之圖形中的直徑斜率算出彎月面錐度。因為第4圖顯示彎月面錐度與牽引速度變化之間的關係，所以可由第4圖決定應該調整多少牽引速度以達到特定的錐度變化。因為錐度與牽引速度變化之間的關係可以實驗的方式輕易決定，此控制模式會引起對於直徑偏差的精確基本回應且改善其對於調諧的順應性。

來自該錐度剖面儀107的目標錐度TP_target 係於該反饋控制裝置109中的加法器110處估計與該直徑追蹤濾波器所算出的實際錐度對照以決定錐度誤差E_Tpr ，或所算出的錐度與該目標錐度TP_target 的偏差。在該反饋控制裝置109中，錐度誤差E_Tpr 同時藉由比例運算子111與積分運算子112以成比例及積分的方式調整，且於加法器113處轉換為該牽引速度的FB調整(i-項調整及p-項調整)。請注意在本發明中，該錐度誤差E_Tpr 係藉由積分運算子112對所牽引的錠長度(z)，而不是對時間(t)求積分，且轉換為該牽引速度的調整ΔV₀ (i-項調整)。該FB調整係接著於加法器114處與來自該前饋控制裝置108的FF調整ΔV_M 加在一起。來自該牽引速度分佈表102的目標牽引速度係接著於加法器115處利用來自該前饋控制裝置108與反饋控制裝置109的牽引速度調整之總和加以調整且供應以控制該伺服馬達19。將經調整的牽引速度也供應給該直徑追蹤濾波器105。

如上文討論的，求該錐度誤差E_Tpr 對所牽引的錠長度的積分且轉換為該i-項調整ΔV₀ 。該i-項調整ΔV₀ 為整個經牽引的錠長度之錐度誤差總和。ΔV₀ 與該目標牽引速度之閶的差距為該矽熔融物6中的溫度偏差之良好表示方式，即使是當修正大直徑誤差時亦同，附帶條件為該錐度限制係有效的。該i-項調整ΔV₀ 係接著藉由積分運算子116對時間求積分且轉換為溫度調整。來自該i-項調整ΔV₀ 的溫度調整係於加法器117處與來自該溫度分佈表104的目標溫度及來自該感應器19的測量溫度加在一起以導出溫度誤差。該溫度誤差行經該PID控制器118以控制該加熱器7。

第5圖顯示源於(1)習用PID控制器的實施方式及本發明的實施方式之牽引速度變化的比較。在習用PID控制器的控制之下的牽引速度變化以虛線顯示。在本發明的控制之下的牽引速度變化以固線顯示。如第5圖所示，該牽引速度變化在習用PID控制器的控制之下比在本發明的控制之下更明顯。清楚地說該習用控制使該等目標往返重複超限。這些"顛簸的"控制本身也沿著錠長度顯露出相當大的直徑偏差。比起習用的PID控制，根據本發明的控制沿著長度引起相當小的直徑偏差，而同時使為了控制該直徑所應用的牽引速度變動量顯著降低了。

第6及7圖也顯示本發明與習用PID控制之間的比較。第6及7圖顯示在本發明中直徑及牽引速度的變化比起受習用PID控制裝置控制的變化顯著地降低了。

在上述的具體實施例中，使用修正控制器，其中PI-控制於長度域以具有直徑偏差所導出的動態錐度調定點或目標錐度方式操作。此修正控制器具有改善的控制穩定性及高調諧順應性之優點。然而，熟於控制理論技藝之士可明白本發明也可在於長度域操作的規律PID控制器中實施。此於長度域操作的規律PID控制器已經能達到優於先前技藝的顯著改善。

本發明能有益地用於生長無論是具有晶體產生的粒子(COP或COPS)或位錯團簇之單晶矽錠。在實行該Czochralski方法以生長單晶矽時，可能在該矽中發展的缺陷之類型及分佈取決於G與V的比例，其中G為於晶體生長方向的溫度梯度，且V為該晶體的牽引速度。

第8圖為顯示與V/G比例相關的缺陷之類型及分佈的示意圖。在第8圖中，該單晶矽係於熔點與1370℃之間的溫度在Gc/Ge<1的條件之下被牽引，其中Gc表示於該晶體中心的溫度梯度，且Ge表示於該晶體周圍的溫度梯度。如第8圖所示，當該V/G為大的時候，將過度形成空缺，且發展出微小的空隙，其為空缺的黏聚物且被叫做晶體產生的粒子(COPS)。另一方面，當V/G為小的時候，該間隙中的矽原子變得過多，且發展出位錯團簇，其為間隙中的矽原子之黏聚物。因此，為了製造不含COP且不含位錯團簇的單晶矽，該V/G必須被控制而落在該晶體的徑向和生長方向之最佳範圍以內。

為了將該V/G控制於該徑向的最佳範圍以內，因為該牽引速度係沿著徑向保持不變，所以該單晶生長設備的內部結構(熱區)必須加以設計以使G保持在預定範圍以內。為了將該V/G控制在該生長方向的最佳範圍以內，因為G取決於該晶體的長度，所以在生長的期間必須調整V。最近，藉由適當控制該V/G，變得可製造不含COP且不含位錯團簇的單晶矽，其具有像300mm那麼大的直徑。

然而，來自單晶矽的晶圓，儘管不含COP且不含位錯團簇，但是可能在其整個區域並不均勻且含有在熱處理之下表現不同的區域。如第8圖所示，當該V/G變小時，該單晶矽內部將發展出三個區域，OSF區、Pv區及Pi區。該OSF區含有在長成狀態下的板狀氧沈澱物，其為氧化誘發堆疊錯誤(oxidation induced stacking faults)(OSF)的核心，在該長成狀態下尚未進行熱處理且於像，例如，介於1000℃與1200℃之間那麼高溫的熱氧化處理期間產生OSFs。該Pv區含有於長成狀態下的氧沈澱物成核中心且傾向於，例如，800℃的低溫及，例如，1000℃的高溫下進行兩階段熱處理時產生氧沈澱物。該Pi區很少含有於長成狀態下的氧沈澱物成核中心且在熱處理之下產生非常有限的氧沈澱物。

如第8圖所示，該V/G的上方值，其中該COP開始發展，及該V/G的下方值，其中該等位錯團簇開始發展，彼此非常接近。因此，V必須被精確控制使得該V/G落在上方值與下方值之間的狹窄範圍以內以製造具有均勻織構之不含COP且不含位錯團簇的單晶矽。本發明降低該牽引速度的波動且因此能精確控制V。

本發明也能有益地生長經大量摻雜的單晶矽。經大量摻雜的晶體由於結構的過冷現象而傾向於發展出位錯。下列方程式表示用於預防該結構的過冷現象發生之理論條件。

G_melt ：該矽熔融物中的溫度梯度

V_growth ：該晶體的生長(牽引)速度

m：液相線梯度

C_∞ ：雜質濃度

D：擴散常數

k_eff ：有效偏析常數

k：偏析常數。

為了預防該結構過冷現象發生，必須符合上述方程式的條件。如此方程式所示，當該牽引速度波動時，該結構過冷現象可能發生。因為對該牽引速度的反饋係廣泛地被用於控制直徑，所以本發明能降低該牽引速度的波動，藉以改善該直徑控制的準確度。因此，本發明能有益地用於製造經大量摻雜的晶體。

上述構造及方向可進行不同變化而不會悖離本發明的範圍，預期上述說明所含有或附圖所示的所有物質均以例示的方式作解釋且沒有限制的意思。

1．．．熔爐

2．．．石英坩堝

3．．．石墨承載器

4．．．驅動軸

5．．．正在生長的錠

6．．．矽熔融物

7．．．碳加熱器

8．．．絕緣管

9．．．金屬線

10．．．水冷式冷卻管

11．．．管式輻射熱屏

12．．．視窗

13．．．視窗

14．．．頸部

15．．．ADR感應器

16．．．直線相機

17．．．視窗

18．．．ATC感應器

19．．．伺服馬達

20．．．進料管

21．．．進料管

22．．．控制器

100．．．流程表

101．．．預期的錠長度

102．．．牽引速度分佈表

103．．．直徑分佈表

104．．．溫度分佈表

105．．．直徑追蹤濾波器

106．．．加法器

107．．．錐度剖面儀

108．．．前饋控制裝置

109．．．反饋控制裝置

110．．．加法器

111．．．比例運算子

112．．．積分運算子

113．．．加法器

114．．．加法器

115．．．加法器

116．．．積分運算子

117．．．加法器

118．．．PID控制器

第1圖為顯示根據本發明的矽晶生長設備之示意圖。

第2圖為顯示根據本發明的控制模式之圖式，該控制模式係用於第1圖所示的設備中。

第3圖為顯示正在生長的矽錠與矽熔融物之間的界面處所形成的彎月面之示意圖。

第4圖為顯示實驗數據的圖形，該實驗數據例示正在生長的矽錠之直徑變化與牽引速度變化之間的關係。

第5圖為比較由本發明所進行的牽引速度控制與習用PID控制之追蹤的圖形。

第6圖為顯示根據本發明控制直徑及牽引速度的圖形。

第7圖為顯示根據習用PID控制控制直徑及牽引速度的圖形。

第8圖為顯示與V/G比相關的缺陷類型與分佈之示意圖。

7．．．碳加熱器

19．．．伺服馬達

100．．．流程表

101．．．預期的錠長度

102．．．牽引速度分佈表

103．．．直徑分佈表

104．．．溫度分佈表

105．．．直徑追蹤濾波器

106．．．加法器

107．．．錐度剖面儀

108．．．前饋控制裝置

109．．．反饋控制裝置

110．．．加法器

111．．．比例運算子

112．．．積分運算子

113．．．加法器

114．．．加法器

115．．．加法器

116．．．積分運算子

117．．．加法器

118．．．PID控制器

Claims (26)

1. 一種根據CZ製程由矽熔融物生長單晶矽錠之方法，其包含：定義彎月面的目標錐度與測量錐度之間的誤差；且將該錐度誤差轉換為對於該矽錠的牽引速度之反饋調整，其中將該錐度誤差轉換為反饋調整包含求該錐度誤差對該長成錠長度的長度之積分以導出該反饋調整的i-項。
2. 如申請專利範圍第1項之方法，其另外包含：定義該矽錠的目標直徑與測量直徑之間的誤差；且將該直徑誤差轉換為該目標錐度。
3. 如申請專利範圍第2項之方法，其中將該直徑誤差轉換為該目標錐度包含把該直徑誤差乘以預定錐度範圍內的常數。
4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該測量錐度係由該牽引速度及該測量直徑算出來。
5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中將該錐度誤差轉換為反饋調整包含把該錐度誤差乘以一個常數以導出該反饋調整的p-項。
6. 如申請專利範圍第1項之方法，其另外包含將該目標錐度轉換為該牽引速度的前饋調整。
7. 如申請專利範圍第1項之方法，其另外包含將該牽引速度的i-項調整轉換為該矽熔融物的溫度偏差。
8. 如申請專利範圍第7項之方法，其中轉換該牽引速度的i-項調整包含求該i-項調整對時間之積分以導出該溫 度偏差。
9. 如申請專利範圍第7項之方法，其另外包含利用該溫度偏差達到PID控制以控制該矽熔融物的溫度。
10. 如申請專利範圍第1項之方法，其中將該錐度誤差轉換為反饋調整包含利用下列方程式： 其中，r表示該錠的直徑，z表示該長成錠的長度且△v表示牽引速度誤差。
11. 一種根據CZ製程由矽熔融物生長單晶矽錠之設備，其包含：錐度誤差偵測器，其係經配置以定義彎月面的目標錐度與測量錐度之間的誤差；及反饋控制器，其係經配置以將該錐度誤差轉換為對於該矽錠的牽引速度之反饋調整，其中該反饋控制器係經配置以求該錐度誤差對該長成錠的長度之積分以導出該反饋調整的i-項。
12. 如申請專利範圍第11項之設備，其另外包含：直徑誤差偵測器，其係經配置以定義該矽錠的目標直徑與測量直徑之間的誤差；及錐度剖面儀，其係經配置以將該直徑誤差轉換為該目標錐度。
13. 如申請專利範圍第12項之設備，其中該錐度剖面儀係經配置以把該直徑誤差乘以預定錐度範圍內的常數。
14. 如申請專利範圍第11項之設備，其中該測量錐度係由該牽引速度及該測量直徑算出來。
15. 如申請專利範圍第11項之設備，其中該反饋控制器係經配置以把該錐度誤差乘以一個常數以導出該反饋調整的p-項。
16. 如申請專利範圍第11項之設備，其另外包含前饋控制器，該前饋控制器係經配置以將該目標錐度轉換為該牽引速度的前饋調整。
17. 如申請專利範圍第11項之設備，其另外包含積分器，該積分器係經配置以求該i-項調整對時間之積分以導出該溫度偏差。
18. 如申請專利範圍第17項之設備，其另外包含PID控制器，該PID控制器係經配置以利用該溫度偏差達到PID控制以控制該矽熔融物的溫度。
19. 一種根據CZ製程由矽熔融物生長單晶矽錠之方法，其包含：定義參數的目標值與該參數的測量值之間的誤差；且求長度域的誤差之積分以導出該矽錠的牽引速度之反饋調整以使該矽錠的直徑沿著其長度變得均勻。
20. 如申請專利範圍第19項之方法，其中該參數為錠的錐度。
21. 如申請專利範圍第19項之方法，其中該參數為該矽錠的直徑。
22. 如申請專利範圍第19項之方法，其中求長度域的 誤差之積分包含求該誤差對該長成矽錠的長度之積分。
23. 一種根據CZ製程由矽熔融物生長單晶矽錠之設備，其包含：誤差偵測器，其係經配置以定義參數的目標值與該參數的測量值之間的誤差；及積分器，其係經配置以求長度域的誤差之積分以導出該矽錠的牽引速度之反饋調整以使該矽錠的直徑沿著其長度變得均勻。
24. 如申請專利範圍第23項之設備，其中該參數為錠的錐度。
25. 如申請專利範圍第23項之設備，其中該參數為該矽錠的直徑。
26. 如申請專利範圍第23項之設備，其中該積分器求該誤差對該長成矽錠的長度之積分。