TWI749487B - 一種控制矽熔體坩堝安全升降的方法和裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種控制矽熔體坩堝安全升降的方法和裝置，所述方法包括：獲取所述坩堝的初始位置高度POS₀ 、所述坩堝中矽熔體的初始液面高度D₀ 以及所述坩堝中矽熔體液面與導流筒之間的初始距離MG₀ ；獲取當前生長的矽晶棒長度為L時的所述坩堝的當前位置高度POS_L 和所述坩堝中矽熔體的當前液面高度D_L ；根據所述初始位置高度POS₀ 、所述當前位置高度POS_L 、所述初始液面高度D₀ 和所述當前液面高度D_L 判斷當前生長的矽晶棒長度為L時所述坩堝的當前位置高度是否安全。

Description

一種控制矽熔體坩堝安全升降的方法和裝置

本發明涉及半導體製造領域，具體而言涉及一種控制矽熔體坩堝安全升降的方法和裝置。

直拉法（Cz）是製備半導體及太陽能用矽單晶的一種重要方法，利用碳素材料組成的熱場對放入坩堝的高純矽料進行加熱使之熔化，之後利用將籽晶浸入熔體當中並經過一系列（引晶、放肩、等徑、收尾、冷卻）製程，最終獲得單晶棒。

參看圖1，其示出了一種半導體晶體生長裝置的示意圖。半導體晶體生長裝置包括爐體1，爐體1內設置有坩堝11，坩堝11外側設置有對其進行加熱的加熱器12，坩堝11內容納有矽熔體13。

在爐體1頂部設置有提拉裝置14，在提拉裝置14的帶動下，籽晶從矽熔體液面提拉拉出矽晶棒10，同時環繞矽晶棒10四周設置熱屏裝置，示例性的，如圖1所示，熱屏裝置包括有導流筒16，導流筒16設置為圓錐桶型，其作為熱屏裝置一方面用以在晶體生長過程中隔離石英坩堝以及坩堝內的矽熔體對晶體表面產生的熱輻射，提升晶棒的冷卻速度和軸向溫度梯度，增加晶體生長數量，另一方面，影響矽熔體表面的熱場分佈，而避免晶棒的中心和邊緣的軸向溫度梯度差異過大，保證晶棒與矽熔體液面之間的穩定生長；同時導流筒還用以對從晶體生長爐上部導入的惰性氣體進行導流，使之以較大的流速通過矽熔體表面，達到控制晶體內氧含量和雜質含量的效果。

為了實現矽晶棒的穩定增長，在爐體1底部還設置有驅動坩堝11旋轉和上下移動的驅動裝置15，驅動裝置15驅動坩堝11在拉晶過程中保持旋轉是為了減少矽熔體的熱的不對稱性，使矽晶柱等徑生長。驅動裝置15驅動坩堝11上下移動是為了保證矽熔體具有穩定的液面位置，保證晶棒生長的穩定性。

然而，在驅動裝置15驅動坩堝11上下移動的過程中，往往發生坩堝位置超出或低於預定位置，使矽熔體液面偏高或者偏低，影響晶體生長質量；更有甚者，在坩堝向上移動超出矽熔體液面一定程度後，與導流筒16接觸，導致裝置毀損。

為此，有必要提出一種新的控制矽熔體坩堝安全升降的方法和裝置，用以解決現有技術中的問題。

在發明內容部分中引入了一系列簡化形式的概念，這將在具體實施方式部分中進一步詳細說明。本發明的發明內容部分並不意味著要試圖限定出所要求保護的技術方案的關鍵特徵和必要技術特徵，更不意味著試圖確定所要求保護的技術方案的保護範圍。

本發明提供了一種控制矽熔體坩堝安全升降的方法，所述方法包括： 獲取所述坩堝的初始位置高度POS₀ 、所述坩堝中矽熔體的初始液面高度D₀ 以及所述坩堝中矽熔體液面與導流筒之間的初始距離MG₀ ； 獲取當前生長的矽晶棒長度為L時的所述坩堝的當前位置高度POS_L 和所述坩堝中矽熔體的當前液面高度D_L ； 根據所述初始位置高度POS₀ 、所述當前位置高度POS_L 、所述初始液面高度D₀ 和所述當前液面高度D_L 判斷當前生長的矽晶棒長度為L時所述坩堝的當前位置高度是否安全。

示例性地，根據以下規則判斷當前生長的矽晶棒長度為L時所述坩堝的當前位置高度是否安全： 當α₀ POS_L -α₁ POS₀ ＜β₀ D₀ -β₁ D_L +β₂ MG₀ +L_S 時，所述坩堝的當前位置高度安全； 當α₀ POS_L -α₁ POS₀ ＞β₀ D₀ -β₁ D_L +β₂ MG₀ +L_S 時，所述坩堝的當前位置高度不安全，所述L_S 為設定安全控制高度餘量。

示例性地，還包括根據所述初始位置高度POS₀ 、所述當前位置高度POS_L 與所述初始液面高度D₀ 和所述當前液面高度D_L 判斷當前生長的矽晶棒長度為L時所述坩堝中的矽熔體液面位置是否穩定。

示例性地，根據以下規則判斷當前生長的矽晶棒長度為L時所述坩堝中的矽熔體液面位置是否穩定： 當α₀ POS_L -α₁ POS₀ ＜β₀ D₀ -β₁ D_L +β₂ MG₀ +L_U 時以及α₀ POS_L -α₁ POS₀ ＞β₀ D₀ -β₁ D_L +β₂ MG₀ -L_L 時，所述坩堝中的矽熔體液面位置穩定； 當α₀ POS_L -α₁ POS₀ ＞β₀ D₀ -β₁ D_L +β₂ MG₀ +L_U 時或者α₀ POS_L -α₁ POS₀ ＜β₀ D₀ -β₁ D_L +β₂ MG₀ -L_L 時，所述坩堝中的矽熔體液面位置不穩定；其中，α₀ 、α₁ 、β₀ 、β₁ 和β₂ 為係數因子，L_U 和L_L 分別為設定液面上限和設定液面下限控制餘量。

示例性地，獲取所述坩堝中矽熔體液面的當前液面高度D_L 的步驟包括： 獲取所述坩堝中矽熔體的初始質量G₀ 和當前生成長度為L時的矽晶棒的質量G_L ； 根據所述坩堝中矽熔體的初始質量G₀ 和所述當前生成的矽晶棒的質量G_L ，獲得所述坩堝當前剩餘矽熔體的體積V_r ； 根據所述坩堝當前剩餘矽熔體的體積V_r 和所述坩堝的直徑計算得到所述坩堝中矽熔體液面的當前高度D_L 。

示例性地，所述獲取當前生成長度為L時的矽晶棒的質量G_L 係利用下式計算的獲得：

，

為所述矽晶棒的橫截面積，

為所述矽晶體的密度。

示例性地，所述獲取當前生成的矽晶棒的質量G_L 係利用直接測量當前生成的矽晶棒的質量獲得。

本發明還提供了一種控制矽熔體坩堝安全升降的方法，包括： 獲取當前生長的矽晶棒長度為L時的所述坩堝的當前位置高度POS_L ； 獲取N條矽晶棒在生長長度為L時的所述坩堝的位置高度POS_Li ，其中，i=1，2……N； 獲取所述坩堝的位置POS_Li 的位置中位數POSM_L 和位置標準差DEV_L ； 根據所述位置高度POS_L 、所述位置中位數POSM_L 與位置標準差DEV_L 判斷當前生長的矽晶棒長度為L時所述坩堝的當前位置高度是否處安全。

示例性地，根據以下規則判斷當前生長的矽晶棒長度為L時所述坩堝的當前位置高度是否安全： 當γ₀ POS_L -γ₁ POSM_L ＜DEVL×y_S 時，所述坩堝的當前位置高度安全； 當γ₀ POS_L -γ₁ POSM_L ＞DEVL×y_S 時，所述坩堝的當前位置高度不安全；其中，γ₀ 和γ₁ 為係數因子，y_S 為設定安全控制因素。

示例性地，還包括根據所述位置高度POS_L 、所述位置中位數POSM_L 與位置標準差DEV_L 判斷當前生長的矽晶棒長度為L時所述坩堝中的所述矽熔體液面位置是否穩定。

示例性的，根據以下規則判斷當前生長的矽晶棒長度為L時所述坩堝中的所述矽熔體液面位置是否穩定：γ₀ POS_L -γ₁ POSM_L ＜DEV_L ×y_U 和POS_L -POSM_L ＞DEV_L ×y_L 時，所述坩堝中的所述矽熔體液面位置穩定，γ₀ POS_L -γ₁ POSM_L ＞DEV_L ×y_U 或者POS_L -POSM_L ＜DEV_L ×y_L 時，所述坩堝中的所述矽熔體液面位置不穩定；其中，γ₀ 和γ₁ 為係數因子，y_U 和y_L 分別為設定液面最高因素和設定液面最低因素。

示例性地，獲取N條矽晶棒在生長長度為L時的所述坩堝的位置POS_i 的方法包括： 獲取每一矽晶棒在每生長M長度時所述坩堝的位置高度POSiM； 從每一矽晶棒的多個所述位置高度POS_iM 中獲取每一矽晶棒的在生長長度為L時的所述坩堝的位置POS_Li 。

示例性地，獲取所述坩堝的位置POS_i 的位置中位數POSM_L 和位置標準差DEV_L 的方法包括： 根據所述POS_iM 獲取每生長M長度時所述坩堝的位置中位數POSM_M 和位置標準差DEV_L ，並分別繪製成表格或曲線； 從所述表格或曲線中獲取晶棒生長長度為L時所述坩堝的位置中位數POSM_L 和位置標準差DEV_L 。

示例性地，當判斷所述坩堝的位置在安全範圍以外時，使坩堝鎖定在當前位置而不進行上下移動。

示例性地，當判斷所述坩堝中的液面位置不穩定時，發出警報。

本發明還提供了一種控制矽熔體坩堝安全升降的裝置，包括： 存儲有可執行的計算機程序指令的存儲器和處理器，所述處理器在執行所述可執行的計算機程序指令時，執行上述任意一項所述的方法。

示例性地，還包括鎖定裝置，當所述處理器判斷所述坩堝的位置在安全範圍以外時，所述鎖定裝置鎖定所述坩堝在當前位置而不進行上下移動。

示例性地，還包括警報裝置，當所述處理器判斷所述坩堝中的液面位置不穩定時，所述警報裝置發出警報。

根據本發明的控制矽熔體坩堝安全升降的方法和裝置，利用坩堝位置和坩堝中的液面位置判斷拉晶過程中坩堝當前所處的位置是否在安全範圍內，避免拉晶過程中因為坩堝的上下移動超出限度而發生毀損，同時保證了在坩堝上下移動過程中，位於其中的矽熔體液面的穩定性，進一步保證了矽晶棒的穩定生長。

在下文的描述中，給出了大量具體的細節以便提供對本發明更為徹底的理解。然而，對於本領域技術人員而言顯而易見的是，本發明可以無需一個或多個這些細節而得以實施。在其他的例子中，為了避免與本發明發生混淆，對於本領域公知的一些技術特徵未進行描述。

為了徹底理解本發明，將在下列的描述中提出詳細的描述，以說明本發明所述的方法。顯然，本發明的施行並不限於半導體領域的技術人員所熟習的特殊細節。本發明的較佳實施例詳細描述如下，然而除了這些詳細描述外，本發明還可以具有其他實施方式。

應予以注意的是，這裡所使用的術語僅是為了描述具體實施例，而非意圖限制根據本發明的示例性實施例。如在這裡所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形式也意圖包括複數形式。此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語“包含”和/或“包括”時，其指明存在所述特徵、整體、步驟、操作、元件和/或組件，但不排除存在或附加一個或多個其他特徵、整體、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組合。

現在，將參照附圖更詳細地描述根據本發明的示例性實施例。然而，這些示例性實施例可以多種不同的形式來實施，並且不應當被解釋為只限於這裡所闡述的實施例。應當理解的是，提供這些實施例是為了使得本發明的公開徹底且完整，並且將這些示例性實施例的構思充分傳達給本領域普通技術人員。在附圖中，為了清楚起見，誇大了層和區域的厚度，並且使用相同的附圖標記表示相同的元件，因而將省略對它們的描述。 實施例一

為了解決現有技術中的技術問題，本發明提供了一種控制矽熔體坩堝安全升降的方法，所述方法包括： 獲取所述坩堝的初始位置高度POS₀ 、所述坩堝中矽熔體的初始液面高度D₀ 以及所述坩堝中矽熔體液面與導流筒之間的初始距離MG₀ ； 獲取當前生長的矽晶棒長度為L時的所述坩堝的當前位置高度POS_L 和所述坩堝中矽熔體的當前液面高度D_L ； 根據所述初始位置高度POS₀ 、所述當前位置高度POS_L 、所述初始液面高度D₀ 和所述當前液面高度D_L 判斷當前生長的矽晶棒長度為L時所述坩堝的當前位置高度是否安全。

下面參看圖1和圖2對本發明所提出的一種控制矽熔體坩堝安全升降的方法進行示例性說明，圖1為根據一種半導體晶體生長裝置的結構示意圖；圖2為根據本發明的一個實施例的一種控制矽熔體坩堝安全升降的方法的流程圖。 首先，參看圖2，執行步驟S201：獲取所述坩堝的初始位置高度POS₀ 、所述坩堝中矽熔體的初始液面高度D₀ 以及所述坩堝中矽熔體液面與導流筒之間的初始距離MG₀ ； 在半導體晶體生長裝置生長矽晶棒之前，對半導體晶體生長裝置內的坩堝初始位置高度POS₀ 、坩堝中矽熔體的初始液面高度D₀ 以及矽熔體與導流筒之間的初始距離MG₀ 分別進行測量獲得各自初始值。這一過程可以利用測量裝置，如紅外測距裝置，直接測量獲得。

隨著半導體晶體生長裝置中矽晶棒的生長，坩堝中矽液面逐漸下降，其中矽熔體液面的高度不斷降低，為了時矽晶棒穩定生長，需要是坩堝向上移動，以保證坩堝中矽熔體液面的穩定，即保證坩堝中矽熔體液面與導流筒之間的距離穩定在一定範圍內。

為了控制拉晶過程中坩堝上下移動的位置不超過安全設定範圍以保證矽熔體液面穩定和半導體生長裝置的安全性，對拉晶過程中坩堝的位置進行監控。

繼續參看圖2，執行步驟S2102：獲取當前生長的矽晶棒長度為L時的所述坩堝的當前位置高度POS_L 和所述坩堝中矽熔體的當前液面高度D_L 。

參看圖1，其示出了在拉晶過程中，生長的矽晶棒長度為L時，坩堝11的當前位置高度POS_L 和坩堝11中矽熔體13的當前液面高度D_L 在圖示中標示出來的示意圖。其中，矽熔體13液面距離導流筒16的距離相對於初始距離MG₀ 未發生改變。

示例性的，坩堝的當前位置高度POS_L 可以利用設置測量裝置（如紅外測距裝置）獲得。示例性的，坩堝中矽熔體的當前液面高度D_L 可以利用設置測量裝置（如紅外測距裝置）獲得也可以利用計算獲得。

示例性的，利用計算方法獲取所述坩堝中矽熔體液面的當前液面高度D_L 的步驟包括：獲取所述坩堝中矽熔體的初始質量G₀ 和當前生成的矽晶棒長度為L時的質量G_L ；根據所述坩堝中矽熔體的初始質量G₀ 和所述當前生成的矽晶棒的質量G_L ，獲得所述坩堝當前剩餘矽熔體的體積V_r ；根據所述坩堝當前剩餘矽熔體的體積V_r 和所述坩堝的直徑計算得到所述坩堝中矽熔體液面的當前高度D_L 。

下面對利用計算的方法獲得矽熔體液面的當前高度D_L 的過程進行進一步詳細說明：

首先，獲取所述坩堝中矽熔體的初始質量G₀ 和當前生成的矽晶棒長度為L時的質量G_L 。其中，坩堝中矽熔體的初始質量可以在半導體生長裝置生長矽晶柱之前從半導體生長裝置中的設置中獲得，其利用直接測量獲得。

根據本發明的一個示例，獲取當前生成的矽晶棒長度為L時的質量G_L 利用直接測量獲得。示例性的，在拉晶裝置上設置秤重裝置，如彈簧秤。在拉晶過程中，隨著矽晶棒的生長，彈簧秤上實時測量出生長的矽晶棒在不同長度L時的質量G_L 。

根據本發明的另一個示例，所述獲取當前生成的矽晶棒長度為L時的質量G_L 利用計算的方法獲得：

。

其中，

為矽晶棒的橫截面積，其可以利用半導體生長裝置在晶體生長之前的設置獲得，

為矽晶體的密度。

接著，利用坩堝中矽熔體的初始質量G₀ 和當前生成的矽晶棒的質量G_L ，獲得所述坩堝當前剩餘矽熔體的體積V₀ 。利用坩堝中矽熔體的初始質量G₀ 和當前生成的矽晶棒的質量G_L 得到坩堝中剩餘矽熔體的質量G_r ，利用質量體積公式：

， 其中，

為液態矽的密度。

最後，根據所述坩堝當前剩餘矽熔體的體積V_r 和所述坩堝的直徑d計算得到所述坩堝中矽熔體液面的當前高度D_L 。

具體的，在坩堝為圓柱形的情況下，採用如下公式計算公式，

， 或者，計算D_L 為滿足

的數值解，其中，

為坩堝在深度為D時的半徑。

至此，完成對獲取所述坩堝的初始位置高度POS₀ 、所述坩堝中矽熔體的初始液面高度D₀ 、所述坩堝中矽熔體液面與導流筒之間的初始距離MG₀ 、當前生長的矽晶棒長度為L時的所述坩堝的當前位置高度POS_L 和所述坩堝中矽熔體的當前液面高度D_L 的方法的示例性介紹。

需要理解的是，本實施例中L代表不確定的數值，在本實施例中表示採用本發明的方法對矽晶棒任意生長長度下的坩堝當前位置高度安全性和/或坩堝中矽熔體液面位置進行判斷。

下面，繼續參看圖2，執行步驟S203：根據所述初始位置高度POS₀ 、所述當前位置高度POS_L 、所述初始液面高度D₀ 和所述當前液面高度D_L 判斷當前生長的矽晶棒長度為L時所述坩堝的當前位置高度是否安全，其中， 當α₀ POS_L -α₁ POS₀ ＜β₀ D₀ -β₁ D_L +β₂ MG₀ +L_S 時，所述坩堝的當前位置高度安全， 當α₀ POS_L -α₁ POS₀ ＞β₀ D₀ -β₁ D_L +β₂ MG₀ +L_S 時，所述坩堝的當前位置高度不安全；其中，α₀ 、α₁ 、β₀ 、β₁ 和β₂ 為係數因子，所述L_S 為設定安全控制高度餘量。

需要理解的是，α₀ 、α₁ 、β₀ 、β₁ 和β₂ 作為係數因子可以取任實數值，其可以由本領域技術人員根據實際應用情況進行設置。Ls作為設定安全控制高度餘量其也是由本領域技術人員啊根據實際應用情況進行設置的值，其最少不低於半導體晶體生產開始時坩堝的位置高度，最大不超過半導體晶體完成時坩堝的位置高度。

示例性的，本實施例中，α₀ 、α₁ 、β₀ 、β₁ 和β₂ 的取值為1。在這一取值下，POS_L -POS₀ 是矽晶棒生長過程中坩堝位置變化的實時測量值。而D₀ -D_L 是矽晶棒生長過程中坩堝位置變化的計算值（也是坩堝內矽熔體液面的變化），在穩定拉晶過程中，坩堝位置變化的實時測量值應當與坩堝位置變化的計算值相差不大。為避免坩堝上升過高而與導流筒發生碰撞危險設定D₀ -D_L +MG₀ 為坩堝位置變化的實際測量值的最大值。由於在實際製程中，無法做到精准計算和測量，設置一個安全控制高度餘量L_S ，設定當POS_L -POS₀ ＜D₀ -D_L +MG₀ +L_S 時，坩堝的位置在安全範圍內，以進一步增加安全判斷的可靠性。

在根據本發明的一個示例中，控制矽熔體坩堝安全升降的方法還包括根據所述初始位置高度POS₀ 、所述當前位置高度POS_L 與所述初始液面高度D₀ 和所述當前液面高度D_L 判斷所述坩堝當前是否處在穩定範圍內。坩堝位置偏高或者偏低會導致製程中坩堝中液面位置的偏高或者偏低而出現不穩定的現象，進一步使生長的矽晶棒的品質受損。為此，增加對坩堝內液面位置的穩定性的判斷。

示例性地，根據以下規則判斷當前生長的矽晶棒長度為L時所述坩堝中的矽熔體液面位置是否穩定： 當α₀ POS_L -α₁ POS₀ ＜β₀ D₀ -β₁ D_L +β₂ MG₀ +L_U 時以及α₀ POS_L -α₁ POS₀ ＞β₀ D₀ -β₁ D_L +β₂ MG₀ -L_L 時，所述坩堝中的液面位置穩定； 當α₀ POS_L -α₁ POS₀ ＞β₀ D₀ -β₁ D_L +β₂ MG₀ +L_U 時或者α₀ POS_L -α₁ POS₀ ＜β₀ D₀ -β₁ D_L +β₂ MG₀ -L_L 時，所述坩堝中的液面位置不穩定； 其中，α₀ 、α₁ 、β₀ 、β₁ 和β₂ 為係數因子，L_U 和L_L 分別為設定液面上限和設定液面下限控制餘量。

同樣，α₀ 、α₁ 、β₀ 、β₁ 和β₂ 作為係數因子可以取任實數值，其可以由本領域技術人員根據實際應用情況進行設置。L_U 和L_L 作為設定液面上限和設定液面下限控制餘量其也是由本領域技術人員根據實際應用情況進行設置的值，其為為控制半導體晶體穩定生長，矽熔體液面可以浮動的上限值和下限值。

示例性的，本實施例中，α₀ 、α₁ 、β₀ 、β₁ 和β₂ 的取值為1。在這一取值下，同安全判斷一樣，將坩堝位置變化的實時測量值POS_L -POS₀ 與坩堝內矽熔體液面的變化的控制上線D₀ -D_L +MG₀ +L_U 和控制下線D₀ -D_L +MG₀ -L_L 分別進行對比，以判斷坩堝內液面位置的穩定性。當坩堝位置變化的實時測量值POS_L -POS₀ 高於坩堝內矽熔體液面的變化的控制上線D₀ -D_L +MG₀ +L_U 或者低於控制下線D₀ -D_L +MG₀ -L_L 時，判斷坩堝中的液面位置不穩定。

在根據本發明的一個示例中，當判斷所述坩堝的位置在安全範圍以外時，使坩堝鎖定在當前位置而不進行上下移動。以避免坩堝與導流筒相撞，從而避免產生安全事故。

在根據本發明的一個示例中，當判斷所述坩堝中的液面位置不穩定時，發出警報。此時製程操作人員可以根據警報對半導體晶體生長裝置進行調整，以避免生長出質量受損的矽晶棒。 實施例二

在實施例一中描述了根據測量和計算的坩堝位置、坩堝中矽熔體液面的位置進行坩堝位置安全性、矽熔體液面穩定性判定的方法。本實施例中，將提供一種統計的方法，採用具有安全坩堝位置和穩定矽熔體液面的多次試驗下矽晶棒的生長過程中的統計數據對後續矽晶棒生長過程中的安全性和穩定性進行判斷。

具體的，參看圖3，對根據本實施例的一種控制矽熔體坩堝安全升降的方法進行示例性描述。

首先，參看圖3，執行步驟S301：獲取當前生長的矽晶棒長度為L時的所述坩堝的當前位置高度POS_L 。

示例性的，坩堝的當前位置高度POS_L 可以利用設置測量裝置（如紅外測距裝置）獲得。在半導體晶體生長過程中，實時測量坩堝的位置高度，從而對坩堝的位置進行實時監控，有效避免半導體晶體生長過程中因為坩堝位置偏差導致坩堝碰撞導流筒而發生安全事故，同時也可以避免坩堝中矽熔體液面不穩定而噪聲半導體晶體的生長缺陷。

接著，繼續參看圖3，執行步驟S302：獲取N條矽晶棒在生長長度為L時的所述坩堝的位置高度POS_Li ，其中，i=1，2……N。

這一步驟可以利用統計方法獲得。在實際操作過程中，對多次生長矽晶棒的過程進行實時監控，獲取矽晶棒穩定生長過程中的坩堝位置高度的數據。例如，對N條矽晶棒生長過程進行監控，監控過程中，每條矽晶棒每生長L長度時獲取依次坩堝位置高度。示例性的，對100條矽晶棒的生長過程進行監控，其中每條矽晶棒的長度為1000mm。在每條矽晶棒的生長過程中，從最初生長開始，每生長50mm獲取一次坩堝位置高度。因而，每條矽晶棒將獲取20次矽晶棒的位置。設置每條矽晶棒每生長50mm獲取一次坩堝位置高度，是基於晶棒直徑，坩堝直徑以及實際使用中的液面與導流筒之間的距離進行的設置，以保證每條矽晶棒的生長過程中獲取的坩堝位置具有足夠的密度。

需要理解的是，上述實施例中，將矽晶棒的條數設置為100，對每條矽晶棒每生長50mm獲取一次坩堝位置高度僅僅是示例性的。任何數量的矽晶棒，以及每生長任何數量長度下獲取坩堝位置均適用於本發明。

在統計了上述N條矽晶棒生長過程中各個不同生長長度下坩堝的位置之後，在針對當前正在製程的矽晶棒的生長過程，獲取上述N條矽晶棒在生長長度為L時的所述坩堝的位置高度POS_Li 。

接著，繼續參看圖3，執行步驟S303：獲取所述坩堝的位置POS_Li 的位置中位數POSM_L 和位置標準差DEV_L 。

坩堝的位置POS_Li 的位置中位數POSM_L 代表N條晶棒在生長長度為L時的坩堝位置的中值。

坩堝的位置POS_Li 的位置標準差DEV_L 代表N條晶棒在生長長度為L時的坩堝位置離散程度。採用中位數和標準差作為比較標準，將當前矽晶棒生長製程中生長的矽晶棒在生長長度為L時的坩堝當前位置高度POS_L 與坩堝的位置POS_Li 的位置中位數POSM_L 的差值和位置標準差DEV_L 相比較，利用判斷當前矽晶棒生長製程中生長的矽晶棒在生長長度為L時的坩堝當前位置高度POS_L 偏離位置中位數POSM_L 的程度，判斷當前位置高度下的坩堝是否處於安全範圍內。實現了利用統計學方法判斷當前坩堝位置高度下的坩堝是否處於安全範圍內，使得比較結果考慮了實際製程中的環境因素和零元件因素，增加判斷結果的準確性。

上述根據坩堝的位置POS_Li 獲取所述坩堝的位置POS_Li 的位置中位數POSM_L 和位置標準差DEV_L 採用數學上求中位數和標準差的公式進行，是本領域技術人員所熟知的技術，在此不再贅述。

根據本發明的一個示例，獲取N條矽晶棒在生長長度為L時的所述坩堝的位置POS_i 的方法包括： 獲取每一矽晶棒在每生長M長度時所述坩堝的位置高度POS_iM ； 從每一矽晶棒的多個所述位置高度POS_iM 中獲取每一矽晶棒的在生長長度為L時的所述坩堝的位置POS_Li 。

根據本發明的一個示例，獲取所述坩堝的位置POS_i 的位置中位數POSM_L 和位置標準差DEV_L 的方法包括： 根據所述POSi_M 獲取每生長M長度時所述坩堝的位置中位數POSM_M 和位置標準差DEV_M ，並分別繪製成表格或曲線。

在上述獲取N條矽晶棒在生長長度為L時的所述坩堝的位置POS_i 的方法和獲取所述坩堝的位置POS_i 的位置中位數POSM_L 和位置標準差DEV_L 的方法中，利用前期獲取的數據集獲取判斷實際生長製程中正在生長的矽晶棒在生長長度為L時的坩堝當前位置高度POS_L 是否安全，使得判斷過程中獲取數據的方法簡便、高效。

從所述表格或曲線中獲取晶棒生長長度為L時所述坩堝的位置中位數POSM_L 和位置標準差DEV_L 。將前期N條矽晶棒的監控過程數據收集後形成表格或曲線，使之在後續矽晶棒的生長製程中隨時取用，簡化後續矽晶棒生長過程中各生長長度下坩堝當前位置高度安全性和坩堝內矽熔體液面穩定性的判斷過程。

接著，繼續參看圖3，執行步驟S304：根據所述位置高度POS_L 、所述位置中位數POSM_L 與位置標準差DEV_L 判斷當前生長的矽晶棒長度為L時所述坩堝的當前位置高度是否處安全。

示例性地，根據以下規則判斷當前生長的矽晶棒長度為L時所述坩堝的當前位置高度是否安全： 當γ₀ POS_L -γ₁ POSM_L ＜DEVL×y_S 時，所述坩堝的位置在安全範圍以內， 當γ₀ POS_L -γ₁ POSM_L ＞DEVL×y_S 時，所述坩堝的位置在安全範圍以外，γ₀ 和γ₁ 為係數因子，y_S 為設定安全控制因素。

γ₀ 和γ₁ 為任意實數，本領域技術人員可以根據實際應用情況設定。y_S 可以由製程操作人員根據實際製程環境、晶體生長設置條件等進行設定。示例性的，0＜y_S ＜10，γ₀ 和γ₁ 均為1。

在根據本發明的一個示例中，控制矽熔體坩堝安全升降的方法還包括根據所述位置高度POS_L 、所述位置中位數POSM_L 與位置標準差DEV_L 判斷當前生長的矽晶棒長度為L時所述坩堝中所述矽熔體液面是否穩定。

示例性地，根據以下規則判斷當前生長的矽晶棒長度為L時所述坩堝中的所述矽熔體液面位置是否穩定： γ₀ POS_L -γ₁ POSM_L ＜DEV_L ×y_U 和γ₀ POS_L -γ₁ POSM_L ＞DEV_L ×y_L 時，所述坩堝中的液面位置穩定， γ₀ POS_L -γ₁ POSM_L ＞DEV_L ×y_U 或者γ₀ POS_L -γ₁ POSM_L ＜DEV_L ×y_L 時，所述坩堝中的液面位置不穩定。

γ₀ 和γ₁ 為係數因子，y_U 和y_L 分別為設定液面最高因素和設定液面最低因素。

同樣，γ₀ 和γ₁ 為任意實數，本領域技術人員可以根據實際應用情況設定。y_U 和y_L 可以由製程操作人員根據實際製程環境、晶體生長設置條件等進行設定。示例性的，0＜y_U ＜10，0＜y_L ＜10，其中，y_U 小於y_S ，γ₀ 和γ₁ 均為1。

同樣，將當前矽晶棒生長製程中生長的矽晶棒在生長長度為L時的坩堝當前位置高度POS_L 與坩堝的位置POS_Li 的位置中位數POSM_L 的差值和位置標準差DEV_L 相比較，利用判斷當前矽晶棒生長製程中生長的矽晶棒在生長長度為L時的坩堝當前位置高度POS_L 偏離位置中位數POSM_L 的程度，判斷當前位置高度下的坩堝中的矽熔體液面位置是否穩定。實現了利用統計學方法判斷當前坩堝位置高度下的坩堝中的矽熔體液面位置是否穩定，使得比較結果考慮了實際製程中的環境因素和零元件因素，增加判斷結果的準確性。

需要理解的是，本實施例中L代表不確定的數值，在本實施例中表示採用本發明的方法對矽晶棒任意生長長度下的坩堝當前位置高度安全性和/或坩堝中矽熔體液面位置進行判斷。

在根據本發明的一個示例中，當判斷所述坩堝的位置在安全範圍以外時，使坩堝鎖定在當前位置而不進行上下移動。以避免坩堝與導流筒相撞，從而避免產生安全事故。

在根據本發明的一個示例中，當判斷所述坩堝中的液面位置不穩定時，發出警報。此時製程操作人員可以根據警報對半導體晶體生長裝置進行調整，以避免生長出質量受損的矽晶棒。 實施例三

本發明還提供一種控制矽熔體坩堝安全升降的裝置，包括： 存儲有可執行的計算機程序指令的存儲器和處理器，所述處理器在執行所述可執行的計算機程序指令時，執行如實施例一或實施例二所述的方法。

在半導體晶體生長裝置中設置控制矽熔體坩堝安全升降的裝置，利用坩堝位置和坩堝中的液面位置判斷拉晶過程中坩堝當前所處的位置是否在安全範圍內，避免拉晶過程中因為坩堝的上下移動超出限度而發生毀損，同時保證了在坩堝上下移動過程中，位於其中的矽熔體液面的穩定性，進一步保證了矽晶棒的穩定生長。

示例性的，所述控制矽熔體坩堝安全升降的裝置還包括鎖定裝置，當所述處理器判斷所述坩堝的位置在安全範圍以外時，所述鎖定裝置鎖定所述坩堝在當前位置而不進行上下移動。

示例性的，所述控制矽熔體坩堝安全升降的裝置還包括警報裝置，當所述處理器判斷所述坩堝中的液面位置不穩定時，所述警報裝置發出警報。

綜上所述，根據本發明的控制矽熔體坩堝安全升降的方法和裝置，利用坩堝位置和坩堝中的液面位置判斷拉晶過程中坩堝當前所處的位置是否在安全範圍內，避免拉晶過程中因為坩堝的上下移動超出限度而發生毀損，同時保證了在坩堝上下移動過程中，位於其中的矽熔體液面的穩定性，進一步保證了矽晶棒的穩定生長。

本發明已經利用上述實施例進行了說明，但應當理解的是，上述實施例只是用於舉例和說明的目的，而非意在將本發明限制於所描述的實施例範圍內。此外本領域技術人員可以理解的是，本發明並不局限於上述實施例，根據本發明的教導還可以做出更多種的變型和修改，這些變型和修改均落在本發明所要求保護的範圍以內。本發明的保護範圍由附屬的發明申請專利範圍及其等效範圍所界定。

1:爐體1 10:矽晶棒 11:坩堝 12:加熱器 13:矽熔體 14:提拉裝置 15:驅動裝置 16:導流筒 L:矽晶棒長度 D_L:當前液面高度 POS_L:坩堝當前位置高度 MG₀:坩堝中矽熔體液面與導流筒之間的初始距離 S201～S203:控制矽熔體坩堝安全升降的方法的流程步驟 S301～S304:控制矽熔體坩堝安全升降的方法的流程步驟

本發明的下列附圖在此作為本發明的一部分用於理解本發明。附圖中示出了本發明的實施例及其描述，用來解釋本發明的原理。

附圖中： 圖1為根據一種半導體晶體生長裝置的結構示意圖； 圖2為根據本發明的一個實施例的一種控制矽熔體坩堝安全升降的方法的流程圖； 圖3為根據本發明的一個實施例的一種控制矽熔體坩堝安全升降的方法的流程圖。

無

S201~S203:控制矽熔體坩堝安全升降的方法的流程步驟

Claims (16)

1. 一種控制矽熔體坩堝安全升降的方法，包括：獲取所述坩堝的初始位置高度POS₀、所述坩堝中矽熔體的初始液面高度D₀以及所述坩堝中矽熔體液面與導流筒之間的初始距離MG₀；獲取當前生長的矽晶棒長度為L時的所述坩堝的當前位置高度POS_L和所述坩堝中矽熔體的當前液面高度D_L；根據所述初始位置高度POS₀、所述當前位置高度POS_L、所述初始液面高度D₀和所述當前液面高度D_L根據以下規則判斷當前生長的矽晶棒長度為L時所述坩堝的當前位置高度是否安全：當α₀POS_L-α₁POS₀<β₀D₀-β₁D_L+β₂MG₀+L_S時，所述坩堝的當前位置高度安全；當α₀POS_L-α₁POS₀>β₀D₀-β₁D_L+β₂MG₀+L_S時，所述坩堝的當前位置高度不安全；其中，α₀、α₁、β₀、β₁和β₂為係數因子，L_S為設定安全控制高度餘量。
2. 如請求項1所述的方法，還包括根據所述初始位置高度POS₀、所述當前位置高度POS_L與所述初始液面高度D₀和所述當前液面高度D_L判斷當前生長的矽晶棒長度為L時所述坩堝中的矽熔體液面位置是否穩定。
3. 如請求項2所述的方法，根據以下規則判斷當前生長的矽晶棒長度為L時所述坩堝中的矽熔體液面位置是否穩定：當α₀POS_L-α₁POS₀<β₀D₀-β₁D_L+β₂MG₀+L_U時以及α₀POS_L-α₁POS₀>β₀D₀-β₁D_L+β₂MG₀-L_L時，所述坩堝中的矽熔體液面位置穩定； 當α₀POS_L-α₁POS₀>β₀D₀-β₁D_L+β₂MG₀+L_U時或者α₀POS_L-α₁POS₀<β₀D₀-β₁D_L+β₂MG₀-L_L時，所述坩堝中的矽熔體液面位置不穩定；其中，α₀、α₁、β₀、β₁和β₂為係數因子，L_U和L_L分別為設定液面上限和設定液面下限控制餘量。
4. 如請求項3所述的方法，其中獲取所述坩堝中矽熔體液面的當前液面高度D_L的步驟包括：獲取所述坩堝中矽熔體的初始質量G₀和當前生成長度為L時的矽晶棒的質量G_L；根據所述坩堝中矽熔體的初始質量G₀和所述當前生成的矽晶棒的質量G_L，獲得所述坩堝當前剩餘矽熔體的體積V_r；根據所述坩堝當前剩餘矽熔體的體積V_r和所述坩堝的直徑計算得到所述坩堝中矽熔體液面的當前高度D_L。
5. 如請求項求4所述的方法，其中所述獲取當前生成長度為L時的矽晶棒的質量G_L係利用下式計算的獲得：G _L =(ʃ Area _L dL) * ρ _Si ，其中Area _L 為所述矽晶棒的橫截面積，ρ _Si 為所述矽晶體的密度。
6. 如請求項4所述的方法，其中所述獲取當前生成的矽晶棒的質量G_L係利用直接測量當前生成的矽晶棒的質量獲得。
7. 一種控制矽熔體坩堝安全升降的方法，包括：獲取當前生長的矽晶棒長度為L時的所述坩堝的當前位置高度POS_L；獲取N條矽晶棒在生長長度為L時的所述坩堝的位置高度POS_Li，其中，i=1，2．．．．．．N； 獲取所述坩堝的位置POS_Li的位置中位數POSM_L和位置標準差DEV_L；根據所述位置高度POS_L、所述位置中位數POSM_L與位置標準差DEV_L根據以下規則判斷當前生長的矽晶棒長度為L時所述坩堝的當前位置高度是否處安全：γ₀POS_L-γ₁POSM_L<DEVL×y_S時，所述坩堝的當前位置高度安全；γ₀POS_L-γ₁POSM_L>DEVL×y_S時，所述坩堝的當前位置高度不安全；其中，γ₀和γ₁為係數因子，y_S為設定安全控制因素。
8. 如請求項7所述的方法，還包括根據所述位置高度POS_L、所述位置中位數POSM_L與位置標準差DEV_L判斷當前生長的矽晶棒長度為L時所述坩堝中的所述矽熔體液面位置是否穩定。
9. 如請求項8所述的方法，根據以下規則判斷當前生長的矽晶棒長度為L時所述坩堝中的所述矽熔體液面位置是否穩定：當γ₀POS_L-γ₁POSM_L<DEV_L×y_U和γ₀POS_L-γ₁POSM_L>DEV_L×y_L時，所述坩堝中的所述矽熔體液面位置穩定；當γ₀POS_L-γ₁POSM_L>DEV_L×y_U或者γ₀POS_L-γ₁POSM_L<DEV_L×y_L時，所述坩堝中的所述矽熔體液面位置不穩定；其中，γ₀和γ₁為係數因子，y_U和y_L分別為設定液面最高因素和設定液面最低因素。
10. 如請求項7所述的方法，其中獲取N條矽晶棒在生長長度為L時的所述坩堝的位置POS_Li的方法包括：獲取每一矽晶棒在每生長M長度時所述坩堝的位置高度POS_iM； 從每一矽晶棒的多個所述位置高度POS_iM中獲取每一矽晶棒的在生長長度為L時的所述坩堝的位置POS_Li。
11. 如請求項10所述的方法，其中所述獲取所述坩堝的位置POS_i的位置中位數POSM_L和位置標準差DEV_L的方法包括：根據所述POS_iM獲取每生長M長度時所述坩堝的位置中位數POSM_M和位置標準差DEV_L，並分別繪製成表格或曲線；從所述表格或曲線中獲取晶棒生長長度為L時所述坩堝的位置中位數POSM_L和位置標準差DEV_L。
12. 如請求項1或7所述的方法，當判斷所述坩堝的位置在安全範圍以外時，使所述坩堝鎖定在當前位置而不進行上下移動。
13. 如請求項3或9所述的方法，當判斷所述坩堝中的液面位置不穩定時，發出警報。
14. 一種控制矽熔體坩堝安全升降的裝置，包括：存儲有可執行的計算機程序指令的存儲器和處理器，所述處理器在執行所述可執行的計算機程序指令時，執行如請求項1、2、3、7、8、或9所述的方法。
15. 如請求項14所述的裝置，還包括鎖定裝置，當所述處理器判斷所述坩堝的位置在安全範圍以外時，所述鎖定裝置鎖定所述坩堝在當前位置而不進行上下移動。
16. 如請求項14所述的裝置，還包括警報裝置，當所述處理器判斷所述坩堝中的液面位置不穩定時，所述警報裝置發出警報。

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