TWI802023B

TWI802023B - 製造無缺陷單晶矽結晶的方法和裝置

Info

Publication number: TWI802023B
Application number: TW110135496A
Authority: TW
Inventors: 高梨啓一; 下﨑一平
Original assignee: 日商Ｓｕｍｃｏ股份有限公司
Priority date: 2020-09-29
Filing date: 2021-09-24
Publication date: 2023-05-11
Also published as: KR102592887B1; CN114318511A; JP7452505B2; KR20220043883A; US20230228000A1; US20220098757A1; JP2022058333A; TW202223174A; US11618971B2; DE102021210073A1

Abstract

一種晶體拉伸設備，包括拉伸組件，用於自熔融矽中以一拉伸速度拉伸晶體；坩堝，盛裝熔融矽；遮熱板，位於熔融矽表面的上方；升降機，用於改變遮熱板及熔融矽表面之間的間隙；以及一個或多個運算裝置，回應於拉伸速度的改變，使用Pv-Pi邊緣決定對間隙的調整。

Description

製造無缺陷單晶矽結晶的方法和裝置

總體而言，本揭露係關於晶體成長製程；特定而言，係關於製造無缺陷單晶矽結晶的方法和裝置。

吾人研發Czochralski(CZ)製程，用於製造單晶(monocrystalline)或單晶體材料。在當代的運算世界中，CZ製程其中一種最重要的應用，為成長單晶矽晶體，而單晶矽晶體會被分割為矽晶圓(wafers)，用於製造半導體電路。簡言之，CZ製程包括在石英坩堝(crucible)中熔化一批多晶矽，並自熔融矽表面旋轉拉出晶種(crystal seed)。隨著晶種被拉出熔融矽，可得到由晶種開始延伸的單晶矽，形成圓柱體狀的晶體。當代的CZ製程可產生具有450公釐(mm)或更大直徑的矽晶體。

第1圖所示的典型矽晶體100，具有肩部(shoulder)102，在製程開始時形成，並與晶種連接、體部(body)104，可延伸達2公尺或更長、以及尾部(tail)106，在製程結束時形成。在成長晶體時，體部的直徑均一性十分重要，以便於商業用途使用，並提升產量。本揭露所屬領域具技術之人普遍知悉，增加晶種的拉伸速度，會使晶體的直徑傾向於縮小，而減低晶種的拉伸速度，會使晶體的直徑傾向於增大。然而，對矽晶體直徑的精度控制(precision control)，通常需要成熟的回饋控制系統，其中包括拉伸速度以外的其他因數。

在一實施例中，提供一種晶體拉伸設備。此晶體拉伸設備包括拉伸組件，用於自熔融矽中以一拉伸速度拉伸晶體；坩堝，盛裝熔融矽；遮熱板(heat shield)，位於熔融矽表面上方；升降機(lifter)，用於改變遮熱板及熔融矽表面之間的間隙；以及一個或多個運算裝置，回應於拉伸速度的改變，以Pv-Pi邊緣(Pv-Pi margin)決定間隙的調整。

在一實施例中，Pv-Pi邊緣包括位於Pv區域的第一邊界及位於Pi區域的第二邊界。

在一實施例中，Pv-Pi邊緣更包括中央邊緣，位於第一邊界及第二邊界之間的中間一半之處。

在一實施例中，該一個或多個運算裝置以中央邊緣決定間隙的調整。

在一實施例中，拉伸速度對應於Voronkov比值(v/G)中的晶體成長速率(v)，而間隙構成Voronkov比值(v/G)中的溫度梯度值(G)。

在一實施例中，該一個或多個運算裝置回應於拉伸速度的任何改變而調整間隙，以將Voronkov比值維持在所需的數值。

在一實施例中，其中對間隙的調整被決定，以使Voronkov比值維持在Pv-Pi邊緣之內。

在一實施例中，其中升降機垂直移動坩堝。

在一實施例中，其中在晶體的多種不同長度下皆具有Pv-Pi邊緣。

在一實施例中，提供一種晶體拉伸設備。此晶體拉伸設備包括拉伸組件，用於自熔融矽中，依據提供拉伸速度數值的拉伸速度設定檔(profile)，拉伸具有所需直徑的晶體；坩堝，盛裝熔融矽；遮熱板，位於熔融矽表面上方；升降機，位於坩堝下方，用於垂直移動坩堝，以依據提供間隙數值的間隙設定檔，控制遮熱板及熔融矽表面之間的間隙；測量裝置，用於測量晶體的實際直徑；以及一個或多個運算裝置，改變其中一個拉伸速度數值，以提供不同的拉伸速度，以將晶體的實際直徑維持在所需的直徑，並回應於不同的拉伸速度，使用Pv-Pi邊緣，進一步調整其中一個間隙數值，以提供間隙調整。

在一實施例中，該一個或多個運算裝置使用中央邊緣決定間隙的調整。

在一實施例中，拉伸速度設定檔中的每一拉伸速度對應於Voronkov比值(v/G)中的晶體成長速率(v)，而間隙設定檔中的每一間隙值構成Voronkov比值(v/G)中的溫度梯度值(G)。

在一實施例中，該一個或多個運算裝置回應於其中一個拉伸速度的任何改變而調整其中一個間隙數值，以將Voronkov比值維持在所需的數值。

在一實施例中，該一個或多個運算裝置使用中央邊緣、拉伸速度設定檔及間隙設定檔，進行主動式溫度梯度控制。

在一實施例中，主動式溫度梯度控制基於不同的拉伸速度，使用中央邊緣、拉伸速度設定檔及間隙設定檔，決定間隙的調整。

在一實施例中，提供一種運算裝置。此運算裝置執行指令以進行操作，用以成長晶體，該等操作包括：決定拉伸速度命令訊號，以控制晶體的直徑；決定升降機命令訊號，以控制遮熱板及熔融矽表面之間的間隙，其中晶體自該熔融矽表面成長；並回應於不同的拉伸速度，使用Pv-Pi邊緣決定間隙的調整。

在一實施例中，目標間隙是基於不同晶體長度下的拉伸速度對間隙的預設函數而決定的，該預設函數位於Pv-Pi邊緣之內，其中Pv-Pi邊緣定義可接受的v/G比值範圍，使晶體大致上無缺陷(defect)地成長，其中v為晶體拉伸速度，而G為晶體的固態-液態介面上的溫度梯度。

在一實施例中，升降機命令訊號是基於間隙測量值與目標間隙之間的比較結果而決定的。

在一實施例中，拉伸速度命令訊號是基於晶體測量直徑與直徑設定檔之間的比較結果而決定的，此一比較結果提供拉伸速度修正值，且拉伸速度命令訊號是基於拉伸速度修正值與拉伸速度設定檔之間的比較結果而決定的。

在一實施例中，直徑設定檔是基於晶體直徑對晶體長度的函數而決定的，且拉伸速度設定檔是基於拉伸速度對晶體長度的函數而決定的。

在一實施例中，拉伸速度命令訊號被用於計算目標間隙。

在一實施例中，其中Pv-Pi邊緣包括位於Pv區域的第一邊界及位於Pi區域的第二邊界、以及中央邊緣，位於第一邊界及第二邊界之間的中間一半之處。

在一實施例中，目標間隙是由下列步驟決定的：由中央邊緣決定虛擬拉伸速度(Sv)，對應於間隙設定檔中的當前間隙數值；基於一給定晶體長度下的拉伸速度命令訊號(Scom)、虛擬拉伸速度(Sv)及拉伸速度設定檔(Sp)，依據下列關係式計算目標拉伸速度(St)：St=Sv*Scom/Sp；並由中央邊緣決定對應於目標拉伸速度(St)的目標間隙(Gt)。

在一實施例中，提供一種成長晶體的方法，其中此方法包括決定拉伸速度命令訊號，以控制晶體的直徑；決定升降機命令訊號，以控制遮熱板及熔融矽表面之間的間隙，其中晶體自該熔融矽表面成長；並回應於不同的拉伸速度，使用Pv-Pi邊緣決定間隙的調整。

在一實施例中，目標間隙是基於不同晶體長度下的拉伸速度對間隙的預設函數而決定的，該預設函數位於Pv-Pi邊緣之內，其中Pv-Pi邊緣定義可接受的v/G比值範圍，使晶體大致上無缺陷地成長，其中v為晶體拉伸速度，而G為晶體的固態-液態介面上的溫度梯度。

在一實施例中，拉伸速度命令訊號被用於計算目標間隙。

上述概要簡介了下文「實施方式」中將進一步詳述的部分概念。上述概要不應用於識別所請標的之關鍵特徵，亦不應用於決定所請標的之範圍。

在本說明書中，涉及「一範例」或「一實施例」之敘述，乃意指某一特定特徵、結構或特性包含於至少一範例或實施例中。因此，「在一範例中」或「在一實施例中」等詞彙，未必皆指稱相同範例或實施例。此外，該等特定特徵、結構或特性可以任何合適之方式，在一個或多個範例或實施例中合併。

100:矽晶體

102:肩部

104:體部

106:尾部

200:剖面圖

A,B:邊界

300:拉晶機

302:外殼

304:石英坩堝

306:熔融矽

308:碳坩堝

310:驅動軸

312:升降機

314:加熱器

316:遮熱板

318:晶體

320:第一環狀區段

322:管狀區段

324:第二環狀區段

326:錐狀區段

328:熔融表面

330:纜線

332:晶種

334:拉伸組件

336:光學裝置

338:窗口

340:間隙

342:底側

344:運算系統

346:伺服馬達

348:孔隙

350:固態-液態介面

402:間隙控制引擎

404:主動式溫度梯度控制引擎(AGC)

406:直徑控制引擎

408:資料儲存處

410:電腦(運算裝置)

416:方塊

502:處理器

504:系統記憶體

506:通訊匯流排

508:儲存媒體

510:網路介面

602:直徑設定檔

604:拉伸速度設定檔

606:間隙設定檔

608:邊緣設定檔

610:方塊(加法器)

612:方塊(轉換器)

614:方塊(加法器)

616:加法器

618:轉換器

Dp:直徑設定檔

Sp:拉伸速度設定檔

Gp:間隙設定檔

Mp:邊緣設定檔

Dd:直徑差

Sc:拉伸速度修正值

Scom:拉伸速度命令訊號

Gm:間隙測量值

Gt:目標間隙

Gc:間隙修正值

Dm:直徑測量值

Lcom:升降機命令訊號

Sv:虛擬拉伸速度

St:目標拉伸速度

802:虛擬速度方塊

804:目標速度方塊

806:目標間隙方塊

1000:程序

1002,1004,1006,1008,1010,1012:步驟

1102,1104,1106,1108:晶體成長曲線

OSF:氧化疊差

LD/L:大型差排

1201,1202:長條

1202a:其他因素

1202b:Voronkov比值的擾動或波動

本發明前述各態樣，及相隨之諸多優點，於參見下文「實施方式」一節，並搭配附隨之圖式一同閱讀後，可達更佳之理解，其中：第1圖為晶體的代表性形狀；第2圖以Voronkov比值(v/G)函數的形式，繪示晶體的缺陷區域及無缺陷區域；第3圖為一示意圖，依據本揭露一實施例，顯示晶體拉伸設備；第4圖為一示意圖，依據本揭露一實施例，顯示運算裝置；第5圖為一示意圖，依據本揭露一實施例，顯示運算裝置；第6圖為製程控制迴圈圖，依據本揭露一實施例繪示；第7圖為一圖表，依據本揭露一實施例，以晶體長度函數的形式，顯示多種設定檔；第8圖為一示意圖，依據本揭露一實施例，顯示主動式溫度梯度控制迴圈；第9圖為一圖表，繪示作為拉伸速度及間隙的函數的中央邊緣設定檔，並繪示作為拉伸速度及間隙的函數的上方限制範圍及下方限制範圍，其中上方限制範圍及下方限制範圍定義了Pv-Pi邊緣的可接受範圍；第10圖為一流程圖，顯示一種以電腦實施的方法，用於決定遮熱板及固態-液態介面之間的目標間隙；第11A圖為一代表性圖表，顯示實際拉伸速度相較於速度命令訊號的波動情形；第11B圖為一代表性圖表，顯示v/G作為與晶體中央的距離的函數的關係圖；第11C圖為一代表性圖表，顯示當間隙改變時，第11B圖中的關係的變化情形；第11D圖為一代表性圖表，顯示v/G作為與晶體中央的距離的函數的關係圖；第11E圖為一代表性圖表，顯示當間隙改變時，第11D圖中的關係的變化情形；以及第12圖顯示本發明一實施例的模擬結果與對照範例的產量損失比較。

傳統上，CZ製程藉由調整坩堝中的熔融矽的拉伸速度及溫度，來維持矽晶體的直徑。然而，吾人已習知，為了控制晶體直徑而進行的拉伸速度變化，會對於晶體內部的缺陷(defect)分佈造成負面影響。吾人亦習知，拉伸速度的變化對於重度摻雜晶體成長時的形態穩定性(morphological stability)會造成負面影響。Voronkov指出，內部成長缺陷(grow-in defects)的分佈，為成長速率(或晶體拉伸速率)v(單位為公釐/分)及固態-液態介面350(見第3圖)上的軸向溫度梯度G(單位為攝氏度/公釐)的比值v/G(稱為Voronkov比值)的函數。參見V.V.Voronkov,J.Crystal Growth,1982,59,625。

第2圖為單晶矽晶體(以下稱「晶體」、「單晶體」、「矽晶體」、「晶錠」(ingot)或「矽晶錠」)的垂直剖面圖200，顯示內部成長缺陷的種類及其分佈。第2圖顯示了當逐漸降低拉伸速度v、進而降低Voronkov比值時，對晶體成長所造成的影響。

當Voronkov比值(v/G)較大時，晶體中會發展出晶格空位(vacancies，或稱「空位缺陷」)的附聚(agglomeration)，稱為晶體源顆粒(COP)。COP是一種晶體學上的缺陷，為在完美晶體中應被矽原子佔據、但在當前晶體中缺失的晶格位置。另一方面，當Voronkov比值較小時，晶體中會發展出差排叢集(dislocation clusters)，稱為大型差排環(L/DL)。差排叢集為在晶格之間過度結合的間質性(interstitial)矽的附聚。L/DL亦代表晶體結構中，由於矽原子佔據不應有原子的位置的間質性缺陷，所造成的晶體學上的缺陷。氧化疊差(OSF)缺陷為常見的有害缺陷，在由CZ方法所獲取的矽晶體沿線上產生。COP、L/DL及OSF可能降低由具有缺陷的矽結晶切割而成的晶圓所製造的積體電路半導體裝置的效能。

另一方面，晶體200包括氧析出促進區(oxygen precipitation promotion region)或稱空位點缺陷區(Pv區域)、以及氧析出抑制區(oxygen precipitation suppression region)或稱間質性點缺陷區(Pi區域)，位於OSF區域及L/DL區域之間。在Pv及Pi區域中，不存在COP及L/DL。Pv區域可視為無缺陷區域，其中以空位種類的點缺陷為主，而Pi區域可視為無缺陷區域，其中以間質性矽種類的點缺陷為主。此等點缺陷被視為非缺陷，因其尺寸較小，且其並不會對由矽晶體切割而成的晶圓所製造的裝置效能造成負面影響。因此，製造無缺陷矽晶體、以及由無缺陷矽晶體製成的晶圓的關鍵，在於成長矽晶體時，將Voronkov比值(v/G)維持在Pv區域及Pi區域之內，稱為Pv-Pi邊緣(Pv-Pi margin)，在第2 圖中以邊界A及B表示。

依據本揭露，以電腦實施的方法及系統，提供一種製程，用於成長晶體，藉由控制拉伸速度(v)及溫度梯度(G)，將Voronkov比值(v/G)維持在Pv-Pi邊緣之內，使該晶體的體部具有大致上為常數的直徑(第1圖中的104)，進而獲得無缺陷的晶圓。

依據本揭露的實施例，在熔融矽上方具有遮熱板，用於控制固態-液態介面上的溫度梯度。特定而言，遮熱板底部與熔融矽之間的距離(亦即間隙(gap)或間隙距離)可變化，以對影響晶體在固態-液態介面上的軸向溫度梯度的熱流量進行控制。因此，在本揭露全文中，控制間隙的操作構成了對晶體在固態-液態介面上的溫度梯度的控制。

一、拉伸裝置

第3圖顯示晶體CZ拉伸裝置(或拉晶機(puller))300的代表性範例，可用於實施本揭露的系統及方法。圖中的拉晶機300為簡化之示意圖，將習知拉晶機中的部分部件略去不繪，以免該等部件的繪示干擾本揭露某些態樣的呈現，而該等部件的省略並不會阻礙理解。一般而言，拉晶機被用於以Czochralski方法成長矽晶體。

在一實施例中，拉晶機300包括外部外殼302，可用於在惰性蒙氣(inert atmosphere，例如氬(Ar))中進行晶體成長。在一實施例中，拉晶機300包括石英坩堝304，用於盛裝熔融矽306。在一實施例中，石英坩堝304為碗狀容器，具有直立的管狀側壁、以及封閉的底部與開放的頂部。

在一實施例中，石英坩堝304在碳坩堝308之中被接收。如同石英坩堝304，碳坩堝308具有管狀側壁、封閉的底部與開放的頂部。碳坩堝308的內直徑等於或稍大於石英坩堝304的外直徑，且石英坩堝304的封閉底部置於碳坩堝308的封閉底部之上。

在一實施例中，碳坩堝308置於驅動軸(drive shaft)310的末端之上。升降機312驅動驅動軸310旋轉並移動碳坩堝308，進而垂直延伸石英坩堝304。升降機312可包括具有軸(shaft)的電伺服馬達(servo motor)，該軸連接至齒輪減速器(gear reducer)，該齒輪減速器最終連接至驅動軸310。電伺服馬達可具有變頻器(variable frequency drive)，以控制抬升碳坩堝308的速率，並控制碳坩堝308的升降方向，以抬升或降低碳坩堝308。在其他實施例中，升降機312可以不同方式被配置，以提供用於抬升石英坩堝304的其他機制。

拉晶機300包括碳加熱器314，圍繞碳坩堝308，用於對石英坩堝304提供熱能，以控制石英坩堝304中的熔融矽306的溫度。

在一實施例中，管狀輻射遮熱板316位於熔融矽306的上方。在一實施例中，遮熱板316可減少抵達晶體318處的熱量。在一實施例中，遮熱板316可由金屬、石墨、陶瓷或其他材料製成，且其厚度可依據材料而變化。

在一實施例中，遮熱板316具有第一環狀區段320，直接位於熔融矽306上方，且大致平行於熔融矽306。第一環狀區段320的中央具有孔隙348，以允許晶體318經由孔隙348被拉伸。第一環狀區段320的外圓周連接至具有固定直徑的管狀區段322。管狀區段322的外直徑小於石英坩堝304的內直徑，使第一環狀區段320整體及管狀區段322的一部分位於石英坩堝304頂部開口上緣之內及之下。管狀區段322的末端位於頂部，連接於第二環狀區段324，其中管狀區段322連接至第二環狀區段324中的孔隙的內圓周。第二環狀區段324的外圓周連接至錐狀區段326，錐狀區段326最終固定於拉晶機300的外殼302的內部。在一實施例中，遮熱板316可被配置為具有升降機，用於抬升及降低遮熱板316。遮熱板升降機可替換或附加石英坩堝304的升降機312。

在一實施例中，遮熱板316的第一環狀區段320的底側342及熔融表面328之間的垂直距離(亦即間隙340)，可由升降機312透過驅動軸310及碳坩堝308的垂直移動達成。遮熱板316的底側342為面對熔融表面328的一側。對間隙340的此一調整，會改變晶體318的固態-液態介面350上的溫度梯度G，並在本揭露中用於將Voronkov比值控制在Pv-Pi邊緣之內。

拉晶機300包括拉伸組件334，大致位於外殼302的頂部。拉伸組件334包括伺服馬達346，該伺服馬達346具有滑輪，連接至垂直下垂的纜線330，並與遮熱板316的第一環狀區段320的孔隙348的圓心大致呈同心(concentric)排列。纜線330的下端連接至晶種332。拉伸組件334以伺服馬達346將晶種332透過纜線330 由熔融矽306中垂直向上拉伸。隨著伺服馬達346拉上纜線330，晶體318自晶種332的末端成長，如第3圖所示。

拉晶機300包括光學裝置336(例如電荷耦合元件(CCD)攝影機)，用於透過外部外殼302的窗口338測量晶體318的直徑。光學裝置336亦可用於測量遮熱板316的底側342及熔融矽306的熔融表面328之間的間隙340。

第3圖顯示運算系統344，被配置為用於CZ拉晶機300的製程控制。運算系統344被電性連接，以至少對升降機312、拉伸組件334及加熱器314傳送或接收控制訊號。運算系統344亦至少自光學裝置336接收測量訊號，以測量晶體318的直徑及間隙340。其他的測量可包括CZ拉晶機300上一個或多個位置的一個或多個溫度。下文將敘述製程控制迴圈。

二、運算系統

第4圖為運算系統344的示意圖。在一實施例中，運算系統344可包括中央運算伺服器(server)或個人電腦、或多個電腦(運算裝置)410，經由網路相互連接，例如網際網路(Internet)或內部網路(Intranet)或任何區域網路，該(等)伺服器或電腦執行方塊416中繪示的軟體部件。運算裝置410包括一個或多個處理器、非暫態電腦可讀媒體、以及網路通訊介面，以便在分散式運算(distributed computing)環境中，使運算裝置410得以相互通訊，並與中央運算伺服器通訊。運算裝置410亦可經由暫態電腦可讀媒體接收及傳輸資料，例如通用序列匯流排(USB)隨身碟。

在一實施例中，運算系統344包括引擎(engine)，被配置為進行由電腦實施的方法或常式(routine)。「引擎」一詞，係指稱以硬體或軟體指令實施的邏輯運算，可由程式語言寫成，例如C、C++、COBOL、JAVA^TM、PHP、Perl、HTML、CSS、JavaScript、VBScript、ASPX、微軟.NET^TM、Go等。引擎可被編譯(compile)為可執行程式，或以直譯(interpreted)程式語言寫成。軟體引擎可被其他引擎或其自身呼叫。總體而言，本文所述的引擎，是指稱可與其他引擎融合、或分割為數個子引擎的邏輯模組。引擎可儲存於任何種類的電腦可讀媒體或電腦儲存裝置中，並在一個或多個通用電腦中儲存及執行，進而形成特定用途電腦，被配置為提供此種引擎的功能。

在一實施例中，運算系統344被配置為至少進行多個製程控制迴圈。為達成此一目的，運算系統344可包括：(a)直徑控制引擎406，被配置為基於測量直徑、直徑設定檔及速度設定檔，控制晶體318的拉伸速度，以製造出理想的晶體直徑；(b)間隙控制引擎402，被配置為基於測量間隙及目標間隙值，垂直控制升降機312；以及(c)主動式溫度梯度控制引擎(AGC)404，回應於晶體拉伸速度(v)的任何改變，基於拉伸速度命令訊號、拉伸速度設定檔、間隙設定檔及邊緣設定檔，計算目標間隙值，以達到理想的溫度梯度值(G)，使比值v/G維持在Pv-Pi邊緣之內。應注意，本實施例中的主動式溫度梯度控制引擎(AGC)404與其他實施例中的主動式溫度梯度控制的基礎函數相同。

「資料儲存處」一詞，係指稱被配置為儲存資料，以供運算裝置或引擎存取的任何合適裝置。資料儲存處之一例，為高可靠性、高速的關聯式資料庫管理系統(relational DBMS)，執行於一個或多個運算裝置上，且可經由高速網路存取。資料儲存處的另一範例，為鍵值儲存(key-value store)。然而，任何可快速並可靠地回應查詢(query)提供儲存資料的其他合適儲存技術及/或裝置皆可使用，且運算裝置可為本地(local)可存取、而非可經由網路存取，或可以雲端(cloud)服務的形式提供。資料儲存處亦可包括有組織地儲存在電腦可讀儲存媒體(例如硬碟、快閃記憶體、隨機存取記憶體(RAM)、唯讀記憶體(ROM)或任何其他種類的電腦可讀儲存媒體)上的資料。本揭露所屬領域具技術之人將可認識到，在本文敘述中，分離的資料儲存處可合併為單一資料儲存處，且/或單一資料儲存處可分離為多個資料儲存處，而不偏離本揭露的範圍。

在一實施例中，資料儲存處408被用於儲存設定檔，設定檔中至少包含用於間隙控制引擎402、直徑控制引擎406以及AGC404的數值。在一實施例中，「設定檔」可指稱一變數相對於另外一個或多個變數的函數、列表或關係等。例如，拉伸速度相對於晶體長度的函數、直徑相對於晶體長度的函數、間隙相對於晶體長度的函數、以及拉伸速度相對於間隙的函數，可透過實驗方法及/或理論方法而預先決定，並儲存於資料儲存處408中。

第5圖為一方塊圖，顯示範例運算裝置410的各態樣。

在最基本的配置中，運算裝置410包括至少一處理器 502及系統記憶體504，以通訊匯流排506相互連接。依據運算裝置的實際配置及種類，系統記憶體504可為揮發性(volatile)記憶體或非揮發性記憶體，例如唯讀記憶體(ROM)、動態隨機存取記憶體(DRAM)、電子式可抹除程式化唯讀記憶體(EEPROM)、快閃記憶體(Flash memory)，或類似的記憶體技術。本揭露所屬領域具技術之人及其他人士將可認識到，系統記憶體504通常儲存可立刻由處理器502存取及/或當前正由處理器502運作的資料及/或程式模組。處理器502作為運算裝置410的運算中心，支援指令的執行。

如第5圖所進一步繪示，運算裝置410可包括網路介面510，包括一個或多個部件，用於經由網路與其他裝置通訊。本揭露中的實施例可存取基本服務，使用網路介面510以普遍習知的網路通訊協定進行通訊。網路介面510亦可包括無線網路介面，被配置為經由一個或多個無線通訊協定進行通訊，例如WiFi、2G、3G、長期演進技術(LTE)、WiMAX、藍牙(Bluetooth)、低功耗藍牙等。本揭露所屬領域具技術之人將可注意到，第5圖中的網路介面510可代表前文關於運算裝置410的特定部件的敘述及圖式中，所述的一個或多個無線介面或實體通訊介面。

在第5圖所示的範例實施例中，運算裝置410亦包括儲存媒體508。然而，亦可使用不包括將資料儲存於本地儲存媒體之方法的運算裝置以存取服務。因此，第5圖所示的儲存媒體508為可選的。在任何情況下，儲存媒體508可為揮發性或非揮發性、可卸除或不可卸除，以任何可儲存資訊的技術實施，例如但不限於硬碟、固態硬碟、CD-ROM、DVD或其他碟片儲存裝置、磁帶、磁碟等。

本文中所使用的「電腦可讀媒體」一詞，包括揮發性及非揮發性、可卸除或不可卸除媒體，以任何可儲存資訊的方法或技術實施，例如電腦可讀指令、資料結構、程式模組或其他資料。就此而言，第5圖所示的系統記憶體504及儲存媒體508僅為電腦可讀媒體的範例。

包括處理器502、系統記憶體504、通訊匯流排506、儲存媒體508及網路介面510的運算裝置410的合適實施，為習知且市售。為圖示方便起見，且略去的部件對理解本揭露所請標的而言並非重要，故第5圖並未顯示多種運算裝置中的部分典型部件。就此而言，運算裝置410可包括輸入裝置，例如圖中所繪示的鍵盤，亦可包括數字鍵盤(keypad)、滑鼠、麥克風、觸控式輸入裝置、觸控式螢幕、平板(tablet)等。此等輸入裝置可透過有線或無線連接方式耦接至運算裝置，包括射頻(RF)、紅外線、序列埠、並列埠、藍牙、低功耗藍牙、USB，或其他使用無線或實體連接方式的合適連接通訊協定。相似地，運算裝置410亦可包括輸出裝置，例如圖中所繪示的顯示器，亦可包括揚聲器、印表機等。

三、晶體直徑、晶體長度及間隙距離的測量

在一實施例中，如第4圖所示，直徑控制引擎406使用晶體318在固態-液態介面350附近的直徑測量值，而間隙控制引擎402使用熔融表面328的頂部與遮熱板316的底側342之間的間隙 340的測量值。

在一實施例中，光學裝置336可用於晶體直徑及間隙距離的測量。在一實施例中，晶體直徑是以美國專利第8,414,701號中所述的技術測量的。在一實施例中，間隙距離是以美國專利第9,567,692號中所述的技術測量的。由於對理解本揭露的系統及方法而言並非必要，故此處不再贅述上述測量技術；若需詳細資訊，請參見上述專利文件。

本揭露中的製程控制實施例，可使用當前晶體318長度的測量值，自直徑設定檔、拉伸速度設定檔、間隙設定檔及邊緣設定檔中決定數值。在一實施例中，「晶體長度」意指自肩部102(參見第1圖)的最高點至固態-液態介面350之間的長度。在一實施例中，晶體318的長度由一編碼器決定，該編碼器對例如伺服馬達346的馬達轉數進行計數。隨後，編碼器將轉數轉譯為晶體318的對應長度。在一實施例中，晶體318的長度是基於晶體318的重量、密度及幾何構造或形狀而決定的。在一實施例中，晶體318的長度可以光學裝置直接測量，例如光學裝置336。

四、製程控制模型

第6圖顯示製程控制迴圈的一實施例，用於CZ拉晶機300。製程控制迴圈可使用測量變數，包括自設定檔得出的設定點(setpoint)變數，隨後操縱變數，以獲取所欲的製程輸出。製程擾動(process disturbances)，例如晶種332實際速度的不準確性，可能影響製程輸出。在一實施例中，本揭露透過將比值v/G控制在Pv-Pi邊緣之內，來解決製程擾動的問題，以將晶體中因實際速度的變化等因素而造成的缺陷減到最少。

在第6圖中，來自光學裝置336的測量變數，包括晶體直徑測量值(Dm)及間隙測量值(Gm)。應注意，晶體長度亦透過間接方法被測量或計算。命令變數包括傳送至拉伸組件334的拉伸速度命令訊號(Scom)，其影響晶體318的直徑，以及傳送至升降機312的升降機命令訊號(Lcom)，其改變熔融表面328與遮熱板316之間的間隙340。拉伸速度命令訊號(Scom)為直徑控制引擎406的輸出，而升降機命令訊號(Lcom)為AGC 404及間隙控制引擎402的運算結果。在本文中，「命令訊號」代表受控裝置的理想目標輸出。命令訊號可以數值代表，例如公釐/分(mm/min)。在物理學上，命令訊號可為例如具有電壓變化的電訊號，或氣動(pneumatic)訊號。

在一實施例中，間隙控制引擎402與AGC 404形成串級控制(cascade control)，而AGC 404與直徑控制引擎406形成串級控制。換言之，來自直徑控制引擎406的輸出在AGC 404中被使用，且來自AGC 404的輸出在間隙控制引擎402中被使用。AGC 404及間隙控制引擎402對間隙340進行調整。在本文中，命令訊號(Scom及Lcom)代表受控裝置(分別包括拉伸組件334及升降機312)的理想輸出。

製程控制迴圈(亦即引擎)亦使用來自直徑設定檔602、拉伸速度設定檔604、間隙設定檔606及邊緣設定檔608的預設輸入值。由二個測量變數(Dm及Gm)、晶體長度、二個命令變數(Scom及Lcom)及預設設定檔，可得到具有預設直徑的無缺陷製程輸出。特定而言，透過AGC 404提供目標間隙(Gt)至間隙控制引擎402，Voronkov比值(v/G)被維持在Pv-Pi邊緣之內。

在第6圖中，繪示了直徑控制引擎406、間隙控制引擎402及AGC 404之間的關係。光學裝置336實時(real time)測量晶體的實際直徑(Dm)，並將該資訊傳入直徑控制引擎406。隨後，在方塊610中，直徑控制引擎406透過比較測量直徑(Dm)與直徑設定檔602中對應於晶體318當前長度的直徑數值，計算直徑差(Dd)。基於Dd，在方塊612中，直徑控制引擎406決定拉伸速度修正值(Sc)。例如，若直徑差(Dd)指示晶體318的實際直徑小於理想值，則拉伸速度修正值(Sc)降低。反之，若直徑差(Dd)指示晶體318的實際直徑大於理想值，則拉伸速度修正值(Sc)升高。

在方塊612中，進行轉換操作，將Dd轉換為以公釐表示，例如轉換為Sc，單位為公釐/分。隨後，在方塊614中，直徑控制引擎406將Sc套用至拉伸速度輸入值、或來自拉伸速度設定檔(Sp)中對應於當前晶體直徑的數值，以決定垂直拉伸速度命令訊號(Scom)，並將Scom傳送至拉伸組件334。然而，由於Scom之故，晶體318所經受的實際拉伸速度不僅會影響直徑，亦會導致Voronkov比值(v/G)的擾動，並導致超出Pv-Pi邊緣的缺陷。因此，為了避免缺陷產生，本揭露一實施例可使用來自直徑控制引擎406的Scom，將決定目標間隙(Gt)的AGC 404觸發。AGC 404的運作方式，將於下文「五、主動式溫度梯度控制引擎」一節中詳述。

隨後，間隙控制引擎402計算升降機命令訊號(Lcom)，並傳送Lcom至升降機312，垂直移動坩堝304，以控制熔融表面328及遮熱板316的底側342之間的間隙340。間隙340影響固態-液態介面350上的溫度梯度G。因此，間隙340亦影響晶體中的缺陷構造。在本揭露中，對拉伸速度及間隙的合併控制，是用於減少及/或消除晶體中的缺陷。依據本揭露，當拉伸速度改變時，AGC 404計算目標間隙(Gt)，以將v/G維持在Pv-Pi邊緣之內。

如第6圖所示，資料儲存處408可包括資料設定檔，包括直徑設定檔602、拉伸速度設定檔604、間隙設定檔606及邊緣設定檔608。設定檔可為例如拉伸速度對晶體長度、直徑對晶體長度、間隙對晶體長度、以及拉伸速度對間隙的函數、相關性(correlation)或關係，其可透過實驗方法或理論方法而預先決定。設定檔亦可被建構為多維度陣列，在多於二個變數之間具有相關性。設定檔可基於晶體大小的不同及拉晶機的不同而變化。

在一實施例中，直徑設定檔602針對晶體長度提供一組理想直徑數值(亦即晶體長度的函數)。拉伸速度設定檔604亦針對晶體長度提供一組理想拉伸速度數值。間隙設定檔606針對晶體長度提供一組理想間隙數值。一般而言，直徑設定檔602及拉伸速度設定檔604皆支援第1圖中所示的晶體形狀。在一實施例中，數值可包括變異量，以處理熱能傳遞、壓力及拉晶機環境中的其他化學與物理特性，此種變異量可由模擬及/或測試晶體成長而得。

邊緣設定檔608提供每一給定晶體長度的Pv-Pi邊緣。Pv-Pi邊緣包括(或可用於計算)中央邊緣(MC)，以一組拉伸速度數值及對應的間隙數值來代表，該等數值被選取為將Voronkov比值(v/G)維持在Pv-Pi邊緣之內。在一實施例中，此等數值是透過晶體的模擬及/或測試成長而選取的。在測試成長中，晶體的多個區段被分析，並進行測定，以識別可提供無缺陷晶體區域(亦即Pv-Pi邊緣)的拉伸速度及熱力學條件。吾人可將此等資料對應於晶體的不同長度進行彙編及製表。此一(已製表的)邊緣設定檔可作為AGC 404中的查找表(look-up table)，以決定間隙控制引擎402所用的理想目標間隙。

第7圖為圖表，依據本揭露，顯示一實施例中的直徑設定檔、拉伸速度設定檔及間隙設定檔隨矽晶體長度變化的情形。在一實施例中，直徑設定檔、拉伸速度設定檔及間隙設定檔可透過模擬、晶體成長學習試驗(learning trial)、或將相似直徑及長度的晶體的多次試驗的歷史資料的平均值結合而決定。在另一實施例中，歷史資料的平均值提供了初始條件，使額外的微調及選擇得以進行，以獲取更為優化的數值。

第6圖繪示了直徑控制引擎406如何針對晶體長度進行動態直徑控制。在加法器610中，直徑控制引擎406將來自直徑設定檔(Dp)的數值與來自光學裝置336的直徑測量值(Dm)比較，以計算直徑差(Dd)。直徑控制引擎406經由例如轉換器612將Dd轉換為以公釐為單位，並決定例如將晶體直徑轉換為滿足Dd的拉伸速度值所需的對應拉伸速度修正值(Sc)，其單位為公釐/分。在一實施例中，由直徑至速度的轉換方式可為預先決定的，並編寫在一查找表中。在加法器614中，直徑控制引擎406進一步比較Sc與拉伸速度設定檔(Sp)在給定晶體長度上的數值，以計算拉伸速度命令訊號(Scom)。隨後，直徑控制引擎406將拉伸速度命令訊號傳送至拉伸組件334，特定而言為伺服馬達，執行拉伸速度命令訊號(Scom)，使矽晶體維持理想的直徑。

在直徑控制引擎406的一實施例中，輸入的理想直徑可被設定為單一常數值，而非使用直徑設定檔中的數值。

製程控制迴圈使用AGC 404防止缺陷形成於晶體318中。AGC 404回應於拉伸速度命令訊號(例如Scom)計算直徑控制引擎406所需的目標間隙(Gt)。如第6圖所示，AGC 404基於邊緣設定檔(Mp)、間隙設定檔(Gp)、拉伸速度設定檔(Sp)及拉伸速度命令訊號(Scom)，輸出目標間隙(Gt)。

間隙控制引擎402使用目標間隙(Gt)決定升降機命令訊號Lcom。在加法器616中，間隙控制引擎402比較目標間隙(Gt)與間隙測量值(Gm)，以產生間隙修正值(Gc)。轉換器618將單位為公釐的間隙修正值(Gc)轉換為升降機的動態位移值，例如公釐/分。此一動態位移值代表了升降機命令訊號(Lcom)，該升降機命令訊號(Lcom)垂直移動升降機312，以造成間隙340的變化。

五、主動式溫度梯度控制引擎

第8圖依據本揭露顯示AGC 404的一實施例。AGC 404包括虛擬速度方塊802，使用來自邊緣設定檔(Mp)608及間隙設定檔(Gp)606的數值。

第9圖依據本揭露繪示Mp的一實施例。在給定的晶體長度下，Mp包括Pv-Pi邊緣，而Pv-Pi邊緣進一步包括中央邊緣(MC)，被選取在Pv-Pi邊緣之內的中間一半之處。Pv-Pi邊緣提供空位點缺陷區(Pv區域)的邊界，以及間質性點缺陷區(Pi區域)的另一邊界，亦即第2圖中以A及B所示的邊界線。在第9圖中，Pv-Pi邊緣在晶體的每一不同區段中定義了無缺陷區域。Mp的數值可儲存於以多個列表(或其他資料結構，例如圖表、方程式等)所代表的三維陣列中。該等數值可透過對矽晶體及其成長參數的模擬及/或實驗研究而獲取。在一實施例中，如第9圖所示，中央邊緣(MC)被選取在Pv-Pi邊緣之內的中間一半之處(或Pv邊界及Pi邊界之間的中間一半之處)。此種選擇使Pv-Pi邊緣的二個邊界方向具有同等足夠的邊緣值。在另一實施例中，可使用較偏向Pv區域或較偏向Pi區域的不同邊緣值。

再參見第8圖，在一實施例中，虛擬速度方塊802由對應於間隙設定檔(Gp)606的當前間隙值的中央邊緣(MC)識別拉伸速度(虛擬拉伸速度(Sv))。為進行此一任務，虛擬速度方塊802首先自間隙設定檔(Gp)606中擷取對應於給定晶體長度的間隙值。隨後，虛擬速度方塊802參考邊緣設定檔608中的中央邊緣(MC)，以決定(亦即查找)對應於間隙設定檔(Gp)中的當前間隙值的虛擬拉伸速度(Sv)。在理想狀況下，Sv及對應的Gp數值會提供無缺陷區域內或Pv-Pi邊緣內的Voronkov比值(v/G)。此一Sv隨後被用於決定目標拉伸速度(St)，詳見下文。

目標速度方塊804基於拉伸速度命令訊號(Scom)、虛擬拉伸速度(Sv)及給定晶體長度下的拉伸速度設定檔(Sp)數值，以下列關係式計算目標拉伸速度(St)：St=Sv*Scom/Sp，其中St代表由拉伸速度命令訊號(Scom)所導致的拉伸速度估計值。此一關係式亦可見於第9圖中。此處，若Scom=Sp，則比值Scom/Sp為1，而目標拉伸速度St即等於Sv。該比值(Scom/Sp)在中央邊緣(MC)曲線的拉伸速度(Y軸)上，相對於Sv有百分之1的增加或減少。

隨後，目標間隙方塊806透過參考邊緣設定檔608的中央邊緣，查找對應於目標拉伸速度(St)的間隙值，以決定目標間隙(Gt)。目標間隙(Gt)隨後被間隙控制引擎402用於計算間隙修正值(Gc)，如前文所述。

第10圖為一流程圖，依據本揭露另一實施例，顯示AGC 404的程序1000。在步驟1002中，虛擬速度方塊802讀入(read in)包括Pv-Pi邊緣的邊緣設定檔(Mp)。在步驟1004中，虛擬速度方塊802基於給定晶體長度下的Pv-Pi邊緣，計算中央邊緣(MC)。在步驟1006中，虛擬速度方塊802自間隙設定檔(Gp)讀入間隙值，並在步驟1008中，虛擬速度方塊802自中央邊緣(MC)查找對應的虛擬拉伸速度(Sv)。在步驟1010中，目標速度方塊804計算目標拉伸速度(St)，該目標拉伸速度(St)為由拉伸速度命令訊號(Scom)所導致的拉伸速度的估計值，由Scom及取自拉伸速度設定檔(Sp)的拉伸速度的比值計算而得，如下式：St=Sv*Scom/Sp。

在步驟1012中，目標間隙方塊806以目標拉伸速度(St)自中央邊緣(MC)查找對應於目標拉伸速度(St)的目標間隙值(Gt)。

六、模擬結果

第11A至11E圖係依據本揭露，輔以實驗模擬，繪示AGC 404的發明範例。

第11A圖的頂部繪示實際拉伸速度(測量值)相對於拉伸速度設定檔(亦即系統輸入)的變化情形。此一曲線顯示了實際拉伸速度隨著晶體成長相對於設定檔拉伸速度輸入值的波動情形。第11A圖的底部繪示實際拉伸速度與設定檔拉伸速度之間的比值，以顯示拉伸速度變化的的程度或敏感度。

一般而言，直徑控制所需的拉伸速度變化，會影響Voronkov比值(v/G)，並可能導致晶體形成空位缺陷或間質性缺陷。為了在速度變化時將v/G維持在理想的水準，溫度梯度(G)亦必須變化。依據本揭露的系統及方法，會變化遮熱板底側及熔融矽頂部之間的間隙距離，以造成溫度梯度的變化，進而將比值v/G維持在Pv-Pi邊緣(如第11B至11E圖中的邊界A及B)之內，以減少晶體中的缺陷。

第11B至11E圖繪示回應於拉伸速度變化，調整間隙340，將晶體成長維持在無缺陷區域(邊界A及B)內的模擬結果。

在第11B圖中，拉伸速度的上升會使Voronkov比值 (v/G)上升，並傾向於導致晶體成長(以晶體成長曲線1102顯示)進入氧化疊差(OSF)區域。為了補償此一效應，必須使溫度梯度(G)對應上升。

AGC 404會被用於減少間隙340，進而減少固態-液態介面上的熱能，並使G上升。如第11C圖所示，回應於拉伸速度對間隙進行的變化，會導致Voronkov比值(v/G)維持在理想的水準，並將晶體成長曲線1104維持在無缺陷區域(邊界A及B)之內。

相似地，在第11D圖中，拉伸速度的下降會導致晶體成長曲線1106進入大型差排(LD/L)區域。為了補償此一效應，AGC 404會增加間隙值，以使更多熱能得以到達固態-液態介面350，並使G下降。如第11E圖所示，對間隙的此一修正，同樣會導致Voronkov比值(v/G)維持在理想的水準，以將晶體成長曲線1108維持在無缺陷區域(邊界A及B)之內。

七、比較

第12圖繪示使用及不使用本發明中的主動式溫度梯度控制引擎(AGC)404的系統的標準化比較。此處，下方長條1202代表不使用本發明中的AGC 404的系統的晶體總晶圓損失，標準化為1或100%。此一損失中約有66%歸因於Voronkov比值的擾動或波動(1202b)。其他因素(1202a)，包括測量誤差，造成剩餘的34%損失。上方長條1201顯示使用本發明中的AGC 404的系統的晶體總晶圓損失的模擬結果。長條1202顯示了明顯減少的晶圓損失(整體減少約37%)，皆由減少因v/G波動導致的晶圓損失所致。此處，在使用本發明的AGC 404後，因v/G波動導致的晶圓損失差異為自66%減少至29%，淨減少37%，而晶圓產量增加了54%。

本揭露中敘述及繪示了說明性實施例，然而應注意，吾人可對該等實施例進行多種變化，而不偏離本發明的精神及範圍。