TWI490380B - 半導體晶體生長系統中之反向動作直徑控制 - Google Patents

Description

半導體晶體生長系統中之反向動作直徑控制

本發明係相關於半導體晶體的生長。尤其是，本發明係相關於半導體晶體生長系統中之反向動作直徑控制。

大部分製造半導體電子組件的處理係以單晶矽為基。習知上，藉由晶體拉引機器來實施Czochralski(柴克勞斯基)處理，以產生單晶矽的晶錠。Czochralski或CZ處理包含在位於特別設計的爐之坩堝中熔化高純度的矽或多晶矽。坩堝典型上係由石英或其他適當材料所製成。在將坩堝中的矽熔化之後，晶體舉起機構將晶種下降，以接觸矽熔化物。然後機構抽回晶種，以從矽熔化物拉引生長的晶體。晶體大體上無缺陷，因此適於製造諸如積體電路等現代半導體裝置。儘管矽是此討論中的例示材料，但是仍可以類似方式處理諸如砷化鎵、磷化銦等其他半導體。容許程度因各個材料的特定特徵而定。

重要的製造參數是從熔化物所拉引之晶錠的直徑。在形成晶體頸或狹窄直徑部之後，習知CZ處理放大生長晶體的直徑。藉由減少拉引率或熔化物的溫度，而在自動化處理控制下進行此，以維持想要的直徑。將坩堝的位置調整成使熔化物位準相對於晶體保持固定。藉由控制拉引率、熔化物溫度、及降低的熔化物位準，晶體晶錠的主體以大約恆定的直徑來生長。在生長處理期間，坩堝在一方向旋轉熔化物，而晶體舉起機構在相反方向連同晶種和晶體一起旋轉其拉引纜線或軸。

在習知CZ控制方法中，直徑控制系統監視晶體直徑，及產生校正項λ(Δd,t)當作直徑偏差的函數。在坩堝舉起率受到晶體拉引速度影響的同時，直徑控制操作將此校正加到標稱晶體拉引速度。如此作係為了補償降低的坩堝熔化物位準，使得熔化物位置維持大體上固定。熔化物位置在處理的進程中慢慢改變。

在熔化物位準上方凸起之晶體下方的熔化物之區域被稱作彎月形。直徑偏差係由於彎月形高度偏差所導致。彎月形高度偏差是熔化物中之溫度梯度變化的結果，而後者係由於熔化物中的浮力所導致。由於比其他區域熱之熔化物的天生存在區域因此上升或者較冷因此而下降之區域，而導致浮力發生在熔化物中。若熔化物溫度梯度由於浮力波動而變得較小，則結晶率增加，如此導致縮小的彎月形高度。然後以直徑測量系統偵測，縮小的彎月形高度使晶體的直徑變得較大。控制系統然後產生增加晶體拉引速度的校正項，以使直徑保持固定。

理想上，直徑控制系統使彎月形高度保持在由於圓柱形生長所產生之固定值，使得最後的拉引速度變化反映浮力驅使的熔化物溫度梯度波動。此假設在習知的直徑控制系統上並不完全有效，因為它們遭遇到明顯的控制模型和測量誤差。

一重要的控制參數是v/G，拉引速度v對溫度梯度G的比率。溫度梯度包括G_S ，其為固體或晶體中的溫度梯度；及G_L ，其為液體或熔化物中的溫度梯度。習知系統上有關v/G之問題即為，例如當直徑控制系統偵測晶體的增加直徑時，將偵測到熔化物溫度梯度G_L 的臨時降低。直徑控制系統隨著增加的拉引速度v而回應。結果，已增加的v/G甚至進一步增加。此條件持續存在直到浮力波動消失為止。

一些晶體生長應用旨在產生低缺陷矽，或本質上沒有空隙或空的缺陷之矽晶體。諸如低缺陷矽生長等應用只與晶體中的v/G_S 有關。在此種應用中，在此種波動期間，G_S 保持大約恆定，使得v/G_S 偏差只與拉引速度校正成比例，拉引速度校正係為熔化物梯度偏差的結果。

然而，此情況隨著重摻雜CZ應用變得更糟。在重摻雜矽中，添加摻雜劑以改變矽的電特性。由於重摻雜矽，會發生構造的超冷卻。因為隔離作用，在固態液態邊界前面，具有有著比熔化物的其他部分稍微高的摻雜劑濃度之小的一層熔化物。因為凝固溫度是摻雜劑濃度的函數，所以在那層中的自發性結晶會由於熔化物溫度的下降而產生。此環境被稱作構造的超冷卻，及隨著比率v/G_L 增加，其發生的可能性也提高。重摻雜矽應用必須考慮到熔化物中的v/G_L ，因為它們必須避免此種構造的超冷卻。在此例中，v/G_L 偏差具有兩種貢獻：減少的G_L 和最後增加的v。

低缺陷矽和重摻雜矽應用二者的產量和生產率分別嚴重遭受到v/G_S 和v/G_L 偏差的問題。此問題會成為諸如較大直徑的CZ晶體生長或增加摻雜等未來應用之障礙，及通常對產量具有負面作用。

為了解決此問題已進行幾個嘗試，但是很少成功。大部分的嘗試使用大量的硬體並且花費不貲。一些建議對付其源頭(即控制系統)的問題。用於晶體生長系統的控制系統通常成本相當低，因為其通常經由控制軟體來實施，而不需要額外的硬體。

解決此問題的一常見的途徑包含施加磁場，以抑制浮力波動。然而，此途徑增加超高成本的磁鐵。另一途徑是使用冷卻罩或熱遮屏，以增加溫度梯度。

解決問題的另一例子(這次在控制系統位準中)建議一固定的晶種舉起裝配，在其中晶體直徑只由加熱器電力控制。藉由使用複雜的熱平衡模組來達成此，以最佳化加熱器控制以及最小化直徑波動。通常，此方法產生固定的v/G_S 和縮小的v/G_L 偏差。

不幸的是，實際上僅藉由固定拉引速度並無法達成固定的v/G_S ，因為介面生長率仍跟隨G_L 波動。由於缺乏立即性的校正動作，此導致彎月形高度偏差和最後的直徑偏差。因為固有的大時間常數，所以無論基本的控制模組有多精密複雜，僅藉由加熱器電力來控制直徑將導致明顯的直徑偏差。

但是這些大的直徑偏差降低產量及生產率，使得固定的拉引速度打算增加。此外，這些直徑偏差又將導致不想要的介面形狀改變，及它們將降低化學計量一致性。

因此，需要有用以解決v/G_L 偏差的問題以及提高半導體晶體的生長之改良系統和方法。

此處所說明的系統和方法以新的方式應用直徑反饋系統，藉以降低或消除晶體生長應用中的v/G偏差。

比率v/G是最重要的晶體生長參數之一。在低缺陷矽的例子中，v/G_S 決定低缺陷矽是否生長，而在重摻雜CZ的例子中，v/G_L 決定構造的超冷卻條件。

習知的CZ控制系統已無法在控制直徑和晶體生長的時又同時穩定v/G。為了解決此重要的問題，本實施例在同時降低或消除v/G偏差時又提供一新的直徑控制方法。

方程式(1)是一維熱平衡方程式，描述結晶率v與固態液態相邊界之固態G_S 及液態G_L 溫度梯度的相依性。方程式(1)中的參數代表固相L的特定潛熱，固相導熱係數Ks，及液相導熱係數K_L 。

L _S v = k _S G _S - k _L G _L 　(1)

在重摻雜CZ材料的例子中此情況更糟，因為直徑控制總是增加v/G_L 偏差，此v/G_L 偏差係由於浮力感應G_L 偏差所自然發生的。例如，若由於浮力，G_L 下降，則結晶率v將增加，進一步增加v/G_L 偏差。再者，G_L 原有的下降和v最後的增加將導致v/G_L 的增加。此迫使系統進入構造的超冷卻更可能發生之危急情況。

若沒有直徑控制(如、固定的拉引速度)，則此情況將只暫時存在，直到彎月形高度足夠改變到增加G_L 和降低G_S ，以足夠再次產生等於拉引速度的v。結果將是稍微增加的v/G_L 和過度生長的直徑。

然而，此情況隨著直徑控制系統的添加而改變。為了防止直徑過度生長，直徑控制系統將增加拉引率，以維持用於圓柱形生長的彎月形高度。結果，將存在延長的時間長度、構造的超冷卻機會明顯增加、及其他相關結構損失的危急情況，導致諸如蜂巢生長等現象。

在生產低缺陷矽時此情況類似。此處，v/G_S 的值決定低缺陷矽條件是否存在。與最佳v/G_S 的偏差將迫使系統變成空的或有空矽的富含缺陷的生長條件。另外在此處，v/G_S 偏差源自於浮力感應G_L 偏差。最初產生直徑控制反作用之偏差不影響v/G_S 控制目的。然而，直徑控制又迫使v/G_S 遠離適合的條件。

現在參考圖式，圖1為例示半導體晶體生長設備100的方塊圖。設備100包括控制單元102、加熱器電力供應104、及晶體生長室106。設備100另外包括晶體驅動單元108、晶體軸110、坩堝驅動單元112、及坩堝驅動軸114。

包含在室106內的是含有熔化物118的坩堝116以及加熱器120。在圖1的圖解中，半導體晶體122係從熔化物118所形成。控制單元102與加熱器電力供應104耦合，以控制加熱器電力供應104。藉由控制加熱器電力供應104，熔化物118的溫度被控制成允許控制半導體晶體122的生長。為了進一步控制熔化物的溫度，加熱器控制器也可被添加有加熱器電力供應104。

晶體驅動單元108操作成，沿著中心軸124拉引晶體軸110。晶體驅動單元108又操作成，在中心軸124四周旋轉晶體軸110。在圖1中，指出逆時針方向旋轉，但是可藉由晶體驅動單元108的適當控制以順時針方向旋轉取代，及利用兩種旋轉。晶體驅動軸110的旋轉或移動產生晶體122相似的旋轉或移動。晶體驅動單元108包括一或多個電動馬達或其他裝置，用以拉引和旋轉晶體軸110。藉由證明透過控制線126來自控制單元102的信號來控制晶體驅動單元108。

同樣地，坩堝驅動單元112操作成，沿著中心軸124移動坩堝驅動軸114，及在中心軸124四周旋轉坩堝驅動軸114。在圖1中，指出順時針方向旋轉，但是可藉由坩堝驅動單元112的適當控制可以逆時針方向旋轉取代，及利用兩種旋轉。坩堝驅動軸114的旋轉或移動產生坩堝116相似的旋轉或移動。坩堝驅動單元112包括一或多個電動馬達或其他裝置，用以拉引和旋轉坩堝驅動軸114。藉由證明透過控制線128來自控制單元102的信號來控制坩堝驅動單元112。

室106包括一或多個感測器。在圖1的例示實施例中，這些包括相機130和溫度感測器132。將相機130安裝在室的觀看口附近，旨在觀看熔化物118的表面。相機130在控制線136上產生指示相機影像之信號，及提供信號到控制單元102。溫度感測器132偵測室106中的溫度，及在控制線138上將指示溫度的資料提供到控制單元102。

在圖解的實施例中之控制單元102通常包括中央處理單元(CPU)140、記憶體142、和使用者介面144。CPU 140可以是任何適當的處理裝置，諸如微處理器、數位信號處理器、數位邏輯功能、或電腦等。CPU 140根據儲存在記憶體142中的資料和指令來操作。另外，CPU 140使用諸如透過控制線126、128、136、138等從感測器所接收的資料和其他資訊來操作。另外，CPU 140操作以產生控制信號，藉以控制半導體晶體生長設備100的各部，諸如加熱器電力供應104、晶體驅動單元108、及坩堝驅動單元112等。

記憶體142可以是任何類型的動態或持續性記憶體，諸如半導體記憶體、磁碟或光碟、或這些或其他儲存體的任何組合等。在一些應用中，本發明可被體現作含有資料之電腦可讀式儲存媒體，以使CPU 140能夠連同半導體晶體生長設備100的其他組件一起執行某些特定的功能。

使用者介面144讓使用者能夠控制和監視半導體晶體生長設備100。使用者介面144可包括任何適當的顯示器，用以提供操作資訊給使用者，及可包括任何種類的鍵盤或開關，藉以讓使用者控制和致動半導體晶體生長設備100。

半導體晶體生長設備100能夠根據Czochralski處理來生長單晶半導體晶錠。根據此處理，將諸如矽等半導體材料置放在坩堝116中。加熱器電力供應104致動加熱器120，以加熱矽並且使其熔化。加熱器120將矽熔化物118保持在液體狀態。根據習知處理，晶種146附著到晶體驅動軸110。藉由晶體驅動單元108將晶種146下降到熔化物118內。另外，晶體驅動單元108使晶體驅動軸110和晶種146能夠在諸如逆時針方向等第一方向旋轉，同時坩堝驅動單元112使坩堝驅動軸114和坩堝116能夠在諸如順時針方向等相反方向旋轉。在晶體生長處理期間，坩堝驅動單元112又可視需要上升或下降坩堝116。例如，熔化物118隨著晶體生長而減少，如此上升坩堝驅動單元，以補償和使熔化物位準保持大體上固定。在此處理期間，加熱器電力供應104、晶體驅動單元108、和坩堝驅動單元112全都在控制單元102的控制之下操作。

為了簡化下面討論，將熱平衡方程式，方程式1，公式化：

v = g _S - g _L 　 (2)

取代作

g _S = k _S / L G _S 　 (3a)

g _L = k _L / L G _L 　 (3b)

另外，下面討論係依據下面的公式化比率：

r _S = v / g _S 　 (4a)

r _L = v / g _L 　 (4b)

從方程式2，可推論出下面說明。下面必須是真的，否則晶體將熔化而非生長。

g _S > g _L 　 (5a)

r _S < 1 　 (5b)

另外，可進一步導出r_S 和r_L 之間的關係

r _L = r _S / (1 - r _S ) 　 (6a)

r _S = r _L / (1 + r _L ) 　 (6b)

g _S / g _L = 1 / (1 - r _S ) = 1 + r _L 　 (6c)

圖2-圖8為半導體晶體生長設備中的熱平衡之一連串圖式。在這些圖式的每一個中，連同晶體204和熔化物206一起圖示晶體熔化物介面202。圖2圖示在理想條件之下的晶體熔化物介面202。圖2又圖示晶體204、熔化物208、及熱反射器210。

圖2又圖示標稱晶體熔化物介面位置，以表示，及零速率，以v₁ =0表示。圖2另外圖示熔化物位置，以表示，及零速率，以v_L =0表示。另外，圖2圖示在理想條件下的晶體熱梯度，或，及在理想條件下的熔化物熱梯度，或。最後，圖2圖示生長速率及拉引速度。

圖3圖示剛好在熔化物溫度梯度偏差已出現之後的晶體熔化物介面202。在圖3中，在此條件下的晶體熔化物介面速率現在是v₁ =δ，晶體熱梯度維持在，但是熔化物熱梯度具有偏差，或。生長速率現在是。在未操作直徑控制系統下，拉引速度維持在。

圖4圖示在習知直徑控制系統對圖3所示的熔化物溫度梯度偏差作用之後的晶體熔化物介面202。其圖示在施加校正之後，晶體熔化物介面速率已回到v₁ =0。熔化物熱梯度仍舊具有偏差，生長速率也一樣，。施加的校正是已調整拉引速度，或。

圖5圖示在已改良直徑控制系統的第一實施例之操作下的晶體熔化物介面202。直徑控制系統開始對熔化物溫度梯度偏差作用。圖5圖示晶體熔化物介面速率是在v₁ =δ。熔化物位置仍舊在，但是已校正熔化速率是v_L =δ，跟隨著晶體熔化物介面。晶體熱梯度仍舊在，而具有偏差的熔化物熱梯度維持在。生長速率現在是及拉引速度是在。

圖6圖示利用已改良直徑控制系統的第一實施例控制熔化物溫度梯度偏差之晶體熔化物介面202。圖6圖示改變成及零速率v₁ =0之晶體熔化物介面位置。圖6又圖示已改變熔化物位置和零速率v_L =0。已校正晶體熱梯度現在是，及具有偏差的熔化物熱梯度現在是。生長速率和拉引速度現在分別是和。

圖7圖示具有已改良直徑控制系統的第二實施例之晶體熔化物介面。在圖7中，已改良直徑控制系統繼續對熔化物溫度梯度偏差作用，當晶體熱梯度改變時，調整拉引速度以使r_S 保持固定。圖7圖示在位置但是介面位置速率現在是的晶體熔化物介面。熔化物位置是在和已校正速率是v_L =v₁ ，跟隨著晶體熔化物介面。晶體熱梯度現在是。具有偏差的熔化物熱梯度現在是。生長速率現在是，及已調整拉引速度是，其中△g _S =f (△h )。

圖8圖示利用第二實施例的直徑控制系統控制熔化物溫度梯度偏差之晶體熔化物介面。圖8圖示位置在及零速率v₁ =0之晶體熔化物介面。圖8亦圖示熔化物位置及零速率v_L =0。已校正晶體熱梯度現在 是。具有偏差的熔化物熱梯度是。生長 速率是及已調整拉引速度是。

圖9圖解實施習知技術直徑控制之習知半導體晶體生長設備900。設備900包括拉引室902，其包括從坩堝906 拉引出的晶體904。熔化物908包含在坩堝906中。系統900另外包括熱反射器910、晶種舉起馬達912、和坩堝舉起馬達914。系統900另外包括晶體直徑測量裝置916和相關直徑控制系統918。坩堝熔化物位準下降補償機構920控制坩堝舉起馬達914。系統900另外包括加熱器922和加熱器反饋控制系統924，其被設計成藉由經由供應的加熱器電力來調整熔化物溫度，以使直徑控制系統的平均速度校正為零。

通常，晶體生長設備900包括上面結合圖1所說明的類型之控制系統。控制系統產生目標拉引速度輸出926，產生用於晶種舉起馬達912的標稱拉引速度信號。同樣地，控制系統產生控制信號，以控制坩堝熔化物位準下降補償機構920，產生利用坩堝舉起馬達914之坩堝舉起，坩堝舉起馬達914被設計成補償下降坩堝熔化物位準。

就直徑控制而言，設備900的控制系統包括直徑控制系統918。此系統產生用於晶種舉起馬達912的拉引速度校正信號。拉引速度校正信號被設計成為晶體904維持一恆定的晶體直徑。

當從熔化物908拉引出晶體904時，坩堝906中的熔化物位準下降。同時，以坩堝舉起馬達914提高坩堝906，以補償下降的坩堝熔化物位準，使得熔化物位置以及熔化物表面和熱反射器910之間的間隙維持固定，晶體904中的熱梯度g_s 也一樣。

從熔化物908拉引出晶體904之速度係藉由目標拉引 速度加上來自直徑控制系統918的校正項λ所決定。

理想上，校正項λ是零，如圖2以及相關內文所指出一般。然而，由於熔化物流中的浮力波動，所以晶體熔化物介面中的熔化物溫度梯度也遇到波動。熔化物溫度梯度波動-δ將使晶體熔化物介面能夠以速率v₁ =δ改變，其為拉引速度和生長率之間的差，如圖3所示。結果，濕潤角改變，使晶體的直徑能夠開始變化。

直徑控制系統918，回應於觀察到的直徑變化，然後產生速度校正λ，其被施加到拉引速度以回應原有干擾，使得直徑維持固定。再者，晶體熔化物介面的位置維持固定，如圖4所示。直徑控制系統918實施閉合廻路反饋控制系統。其輸出信號將大體上為使直徑保持固定的信號，在目前的例子中λ=v₁ 。

就此習知直徑控制例子而言，能夠經由平均值及δ來表示比率r_s 及r_L ，如下(參考圖4)： 以及

自此，由於浮力驅使熔化物溫度梯度波動δ所導致之這些比率的偏差以及對其做出回應的控制系統能夠被估算如下。

以及

圖10為半導體晶體生長設備1000中之直徑控制的第一實施例圖。設備1000包括拉引室1002，其包括從坩堝1006拉引的晶體1004。熔化物1008包含在坩堝1006中。系統1000另外包括熱反射器1010、晶種舉起馬達1012、及坩堝舉起馬達1014。系統1000另外包括晶體直徑測量裝置1016和相關直徑控制系統1018。坩堝熔化物位準下降補償機構1020控制坩堝舉起馬達1014。控制系統目標拉引速度輸出1022是諸如圖1的控制系統102等控制系統的一部位。系統1000另外包括裝置1024，其估計梯度變化△g_s ，其為熔化物位置變化的結果，其為供應校正項到坩堝舉起之直徑控制系統的結果。系統1000另外包括加熱器1026和加熱器反饋控制系統1028，其被設計成藉由經由所供應的加熱器電力來調整熔化物溫度，而使平均梯度調整△g_s 為零。

控制系統的目標拉引速度輸出1022產生用於晶種舉起馬達1012的標稱拉引速度信號。控制系統坩堝熔化物位準下降補償機構1020產生欲施加到坩堝舉起馬達1014的坩堝舉起信號，以補償下降的坩堝熔化物位準。控制系統直徑控制系統1018產生坩堝舉起率校正信號，其被設計用以維持固定的晶體直徑。

以預定的拉引速度將晶體1004從熔化物1008拉引出。同時，以補償由於以速度拉引晶體所導致之坩堝1006中的熔化物位準下降之速度減掉直徑控制系統1018之輸出的校正項λ的組合之速度，由坩堝舉起馬達1014提高坩堝1006。

理想上，校正項是零，如連同圖2所圖解說明一般。然而，由於熔化物流中的浮力波動，所以當熔化物溫度梯度波動-δ發生時，晶體熔化物介面開始以速率v₁ =δ改變(見圖3)。彎月形高度和濕潤角的最後變化最終產生直徑變化，由直徑控制系統1018偵測此變化。然後直徑控制系統1018產生從坩堝舉起減掉的輸出項λ。因為直徑控制系統1018是閉合廻路反饋控制系統的一部分；所以直徑控制輸出信號將使熔化物位置以相同速率v_L =v₁ =δ跟隨晶體熔化物介面(見圖5)，使彎月形高度、濕潤角、及直徑保持固定。

結果是，熱反射器1010和熔化物表面之間的加寬間隙。此接著使晶體1004中的熱梯度能夠改變。結果，一旦晶體中的熱梯度已變成，則最後晶體熔化物介面將停止改變，因為熱平衡方程式產生等於拉引速率的生長速率(見圖6)。在那點，直徑控制系統1018的輸出信號將變成零，因為其將不再偵測直徑變化。

在此種系統中，經由平均值及δ所表示之比率r_s 及r_L 將變成

及這些比率與其理想值的最後偏差可被估計如下。

因為總是小於1，所以此方法將總是比習知系統更能降低r_S 偏差。

在低缺陷矽生產的例子中，其中最小的可能偏差具有最高的優先順序，典型上在0.5附近。此意謂著，在此種例子中，此處所說明之改良的系統和方法將以比習知技術的r_S 偏差小50%來提供相同的直徑控制性能。

與習知直徑控制系統比較，改良的控制系統和方法以因子來降低r_L 偏差。在重摻雜矽生產的例子中，其中最小的可能和最小的可能r_L 偏差是最重要的，典型上小於1。在此種例子中，改良的控制設備和方法將以比習知系統的r_L 偏差小50%以上來提供相同的直徑控制性能。

圖11圖解半導體晶體生長系統1100中的第二習知技術直徑控制。系統1100包括拉引室1102，其包括從坩堝1106拉引的晶體1104。熔化物1108包含在坩堝1106中。系統1100另外包括熱反射器1110、晶種舉起馬達1112、和坩堝舉起馬達1114。系統1100另外包括晶體直徑測量裝置1116和相關直徑控制系統1118。坩堝熔化物位準下降補償機構1120控制坩堝舉起馬達1114。

圖11圖解半導體晶體生長設備1100中的直徑控制之第二實施例。設備1100包括拉引室1102，其包括從坩堝1106拉引的晶體1104。熔化物1108包含在坩堝1106中。系統1100另外包括熱反射器1110、晶種舉起馬達1112、和坩堝舉起馬達1114。系統1100另外包括晶體直徑測量裝置1116和相關直徑控制系統1118。坩堝熔化物位準下降補償機構1120控制坩堝舉起馬達1114。控制系統目標拉引速度輸出1122是諸如圖1的控制系統102等控制系統的一部位。系統1100另外包括裝置1124，其估計梯度變化Δg_s ，其為熔化物位置變化的結果，其為供應校正項到坩堝舉起之直徑控制系統的結果。系統1100又包括v/G校正成分1125。系統1100另外包括加熱器1126和加熱器反饋控制系統1128，其被設計成藉由經由所供應的加熱器電力來調整熔化物溫度，而使平均梯度調整Δg_s 為零。

在操作時，控制系統目標拉引速度輸出1122產生用於晶種舉起馬達1112的標稱拉引速度信號。坩堝熔化物位準下降補償機構1120產生坩堝舉起信號，以當從坩堝1106拉引晶體1104時補償下降的坩堝熔化物位準。直徑控制系統1118產生拉引速度校正信號，其被設計用以維持固定的晶體直徑。根據裝置1124所估計的梯度變化，v/G校正成分1125，產生速度校正項，以利用變化的晶體溫度梯度來修正v，藉以使r_S =v/g_S 準確地保持在想要的值。校正項與標稱拉引速度信號組合。

如同圖10所圖解的系統1000一般，從熔化物1108拉引出晶體1104，同時，以補償由於拉引晶體1104所導致之坩堝1106中的熔化物位準下降之速度減掉直徑控制系統1118之輸出的校正項λ的組合之速度，由坩堝舉起馬達1114提高坩堝1106。

與圖10所示之系統1000相反地，圖11的系統1110之拉引速度包括預定速度加上校正項。此校正項衍生自熔化物位置的變化(關於施加到坩堝舉起之直徑控制系統輸出的積分)，其被用於估計由於熔化物位置變化之晶體溫度梯度的變化。就小的熔化物位置變化而言，晶體溫度梯度的變化差不多與熔化物位置變化成比例，及可從電腦模擬估算出此二者之間的關係。

再者，如同圖10所示之系統1000一般，開始於未受干擾狀態(見圖2)，熔化物溫度梯度波動-δ使晶體熔化物介面能夠以速率v₁ =δ改變(見圖5)。此直徑的最後變化係藉由直徑控制系統1118所偵測，產生輸出項λ，其係從坩堝舉起信號減掉者。因為是使直徑保持固定之閉合廻路反饋控制系統的一部分，所以直徑控制輸出λ將是使熔化物位置以速率λ=v_L =v₁ 跟隨晶體熔化物介面之值(見圖5)，使濕潤角、及直徑保持固定(見圖6)。

當熔化位置改變時，依據累積的熔化物位置變化△h來估計晶體溫度梯度的變化△g_S 。以項來校正拉引速 度，使得實際比率r_S 維持固定在(見圖7)。

如同圖10所示之系統1000一般，結果是，熱反射器1110和熔化物表面之間的加寬間隙，其使晶體1104中的熱梯度能夠改變。一旦晶體1104中的熱梯度已變成足以使拉引速度和生長率相等v_p =v_g ，則晶體熔化物介面將停止改變。

然而，與圖10的系統1000相反地，在圖11的系統 1100中，現在將在及時發生，因為未改變的晶體溫度梯度調整拉引速度。

在受控的狀態下，利用動作直徑控制，能夠經由平均值及δ表示比率r_s 及r_L 。

以及

自此，經由設計r_S 偏差現在為零。

以及r_L 偏差將是

其中，藉由使用上述的方程式(4b)及(6a)，結果也是零。

圖12圖解半導體晶體生長系統1200中之第三習知技術的直徑控制。系統1200包括拉引室1202，其包括從坩堝1206拉引的晶體1204。熔化物1208包含在坩堝1206中。系統1200另外包括熱反射器1210、晶種舉起馬達1212、及坩堝舉起馬達1214。系統1200另外包括晶體直徑測量裝置1216和相關直徑控制系統1218。坩堝熔化物位準下降補償機構1220控制坩堝舉起馬達1214。

系統1200包括類似於圖1的控制系統102之控制系統。控制系統具有目標拉引速度輸出1222，其產生用於晶種舉起馬達1212的標稱拉引速度信號。控制系統另外包括坩堝熔化物位準下降補償機構1220，其產生坩堝舉起信號，以補償下降的坩堝熔化物位準。控制系統又包括直徑控制機構1218，以產生拉引速度校正信號，藉以維持固定的晶體直徑。

系統1200另外包括裝置1224，其估計熔化物位置變化的結果之梯度變化Δgs。控制系統另外包括v/G校正系統1225。控制系統的v/G校正系統1225根據參數x來操作，x決定上文連同圖10所說明的第一實施例和上文連同圖11所說明的第二實施例之間的組合。控制系統回應參數x的值，及利用乘上參數x的變化晶體溫度梯度來產生速度校正項。另外，參數y決定傳統控制和根據本文所說明之實施例的控制之間的組合。

從上文，能夠看出，本發明提供一改良的方法和系統，用於控制半導體晶體的生長。本文所說明的實施例提供可靠的晶體直徑控制。此外，這些實施例也降低諸如熔化物中的浮力等因素對熔化物中和晶體中的溫度梯度之影響。重要參數v/G受到精確控制。

因此，希望上述詳細說明被視作圖解說明而非限制，及應明白，欲以下面的申請專利範圍，包括所有同等物，定義本發明的精神和範疇。

100．．．設備

102．．．控制單元

104．．．加熱器電力供應

106．．．晶體生長室

108．．．晶體驅動單元

110．．．晶體軸

112．．．坩堝驅動單元

114．．．坩堝驅動軸

116．．．坩堝

118．．．熔化物

120．．．加熱器

122．．．半導體晶體

124．．．中心軸

126．．．控制線

128．．．控制線

130．．．相機

132．．．溫度感測器

136．．．控制線

138．．．控制線

140．．．中央處理單元

142．．．記憶體

144．．．使用者介面

146．．．晶種

202．．．晶體熔化物介面

204．．．晶體

206．．．熔化物

210．．．熱反射器

900．．．半導體晶體生長設備

902．．．拉引室

904．．．晶體

906．．．坩堝

908．．．熔化物

910．．．熱反射器

912．．．晶種舉起馬達

914．．．坩堝舉起馬達

916．．．晶體直徑測量裝置

918．．．相關直徑控制系統

920．．．坩堝熔化物位準下降補償機構

922．．．加熱器

924．．．加熱器反饋控制系統

926．．．目標拉引速度輸出

1000．．．半導體晶體生長設備

1002．．．拉引室

1004．．．晶體

1006．．．坩堝

1008．．．熔化物

1010．．．熱反射器

1012．．．晶種舉起馬達

1014．．．坩堝舉起馬達

1016．．．晶體直徑測量裝置

1018．．．相關直徑控制系統

1020．．．坩堝熔化物位準下降補償機構

1022．．．目標拉引速度輸出

1024．．．裝置

1026．．．加熱器

1028．．．加熱器反饋控制系統

1100．．．半導體晶體生長系統

1102．．．拉引室

1104．．．晶體

1106．．．坩堝

1108．．．熔化物

1110．．．熱反射器

1112．．．晶種舉起馬達

1114．．．坩堝舉起馬達

1116．．．晶體直徑測量裝置

1118．．．相關直徑控制系統

1120．．．坩堝熔化物位準下降補償機構

1122．．．控制系統目標拉引速度輸出

1124．．．裝置

1125．．．v/G校正成分

1126．．．加熱器

1128．．．加熱器反饋控制系統

1200．．．半導體晶體生長系統

1202．．．拉引室

1204．．．晶體

1206．．．坩堝

1208．．．熔化物

1210．．．熱反射器

1212．．．晶種舉起馬達

1214．．．坩堝舉起馬達

1216．．．晶體直徑測量裝置

1218．．．相關直徑控制系統

1220．．．坩堝熔化物位準下降補償機構

1222．．．目標拉引速度輸出

1224．．．裝置

1225．．．v/G校正系統

1226．．．加熱器

1228．．．加熱器反饋控制系統

圖1為例示半導體晶體生長設備的方塊圖；

圖2-圖8為半導體晶體生長設備中之一連串熱平衡圖；

圖9為半導體晶體生長設備中之習知技術的直徑控制圖；

圖10為半導體晶體生長設備中之直徑控制的第一實施例圖；

圖11為半導體晶體生長設備中之直徑控制的第二實施例圖；及

圖12為半導體晶體生長設備中之直徑控制的第三實施例圖。

1000．．．半導體晶體生長設備

1002．．．拉引室

1004．．．晶體

1006．．．坩堝

1008．．．熔化物

1010．．．熱反射器

1012．．．晶種舉起馬達

1014．．．坩堝舉起馬達

1016．．．晶體直徑測量裝置

1018．．．相關直徑控制系統

1020．．．坩堝熔化物位準下降補償機構

1022．．．目標拉引速度輸出

1024．．．裝置

1026．．．加熱器

1028．．．加熱器反饋控制系統

Claims (8)

1. 一種半導體晶體生長方法，包含以下步驟：以相應於標稱拉引速度信號之標稱拉引速度從坩堝中的熔化物拉引晶體；產生坩堝舉起信號，以補償該坩堝中的熔化物位準之降低；以相應於該坩堝舉起信號之坩堝舉起率舉起該坩堝，偵測在該晶體的直徑中之變化，依據該偵測的晶體的直徑中之變化，產生坩堝舉起率校正信號；及藉由該坩堝舉起率和相應於該坩堝舉起率校正信號的速率組成而獲得的另一第一坩堝舉起率舉起該坩堝以執行用於補償該晶體的直徑中之變化的第一控制。
2. 根據申請專利範圍第1項之半導體晶體生長方法，其中該第一控制降低該熔化物之位置。
3. 根據申請專利範圍第1項或第2項之半導體晶體生長方法，其中產生該坩堝舉起校正信號之步驟包含：產生坩堝舉起率校正信號，以使該熔化物的該位置跟隨該晶體和該熔化物之間的該介面之該位置。
4. 根據申請專利範圍第1項或第2項之半導體晶體生長方法，接續該第一控制，其步驟包含：產生拉引速度校正信號，以使拉引速度對晶體溫度梯度的比率(v _p /g _S )不改變，依據在該晶體溫度梯度(g _S )中的改變係由於第一控制所導致的熔化物位置中的 改變，以及依據在該第一控制後該晶體的直徑中之變化產生第二坩堝舉起率校正信號，執行第二控制，用於該晶體的直徑中之變化的持續補償，其藉由標稱拉引速度和相應於該拉引速度校正信號的速度組成而獲得的另一標稱拉引速度拉引該晶體，且藉由該第一坩堝舉起率和相應於該第二坩堝舉起率校正信號的速率組成而獲得的另一第二坩堝舉起率舉起該坩堝。
5. 一種晶體製造設備，包含：坩堝，用以支托熔化物；晶種舉起馬達，用以從該熔化物拉引晶體，以回應速度信號；坩堝舉起馬達，用以舉起坩堝，以回應舉起信號；控制系統，包括目標模組以產生標稱拉引速度信號，用以使用該晶種舉起馬達的標稱拉引速度拉引該晶體，及坩堝熔化物位準下降補償模組，用以產生坩堝舉起信號，以補償該坩堝中的熔化物位準之降低，其係由於從該熔化物拉引該晶體所導致，以相應於使用該坩堝舉起馬達的該坩堝舉起信號之坩堝舉起率舉起該坩堝，更包含晶體直徑測量系統，以偵測該晶體的直徑中之變化且產生一直徑信號，其中該控制系統更包括直徑控制模組，其依據該直徑信號產生坩堝舉起率校正信號，且其中該控制系統執行第一控制，用於補償該晶體的直 徑中之變化，其係藉由該坩堝舉起率和相應於該坩堝舉起率校正信號的速率組成而獲得的另一第一坩堝舉起率舉起該坩堝。
6. 根據申請專利範圍第5項之晶體製造設備，其中該第一控制降低該熔化物之位置。
7. 根據申請專利範圍第5項或第6項之晶體製造設備，其中該控制系統更包括拉引速度校正模組以產生拉引速度校正信號，以使拉引速度對晶體溫度梯度的比率(v _p /g _S )不改變，依據在該晶體溫度梯度(g _S )中的改變係由於第一控制所導致的熔化物位置中的改變，該直徑控制模組依據在第一控制後該晶體的直徑中之變化產生第二坩堝舉起率校正信號，其係藉由該晶體直徑測量系統所偵測，且該控制系統執行第二控制，其用於該晶體的直徑中之變化的持續補償，其藉由一標稱拉引速度和相應於該拉引速度校正信號的速度組成而獲得的另一拉引速度拉引該晶體，以及藉由該第一坩堝舉起率和相應於該第二坩堝舉起率校正信號的速率組成而獲得的另一第二坩堝舉起率舉起該坩堝。
8. 根據申請專利範圍第7項之晶體製造設備，其中該控制系統計算該熔化物位置中的改變，其係從該第一控制導出的坩堝舉起輸出之積分，用以輸出晶體溫度梯度(g _S )中的改變，當成熔化物位置中的改變的函數。