[发明专利]在半导体晶体生长工艺中控制锥体生长的方法与系统

说明书

技术领域

本发明一般涉及到改进用来制造电子元件的单晶半导体生长工艺的控制，确切地说，涉及到切克劳斯基晶体生长工艺中精确控制锥体生长的一种闭环方法与系统。

背景技术

单晶硅是大多数制造半导体电子元件工艺的原料。使用切克劳斯基工艺的拉晶设备生产了大部分的单晶硅。简要地讲，切克劳斯基工艺包括将专门设计的炉内石英坩埚中所装的高纯多晶硅熔融。在加热坩埚使所装的硅熔融后，晶体提升机构使籽晶下降与熔硅接触。该机构然后从硅熔体中提拉籽晶拉出所生长的晶体。

在形成晶体细颈后，典型的工艺用降低拉速和/或熔体温度来增大生长晶体的直径，直至达到所要的直径。在补偿熔体液面降低时控制拉速和熔体温度，使得生长的晶体主体具有近似恒定的直径(即，一般为圆柱状)。在接近生长工艺终了但坩埚中的熔硅尚未用尽之前，工艺过程使晶体直径逐渐减小而形成尾锥。典型地，尾锥是由增加晶体拉速和坩埚供热而形成的。当直径变得足够小时，晶体则与熔硅分离。在生长过程中，坩埚使熔体沿一个方向转动，而晶体提升机构使其拉晶钢索或轴与籽晶和晶体一起沿相反方向转动。

虽然目前采用的切克劳斯基生长工艺已满足了各种广泛应用的单晶硅生长需要，但进一步的改进还是需要的。例如，一致的和可重复的籽晶-尾锥体状将有助于保持一致的最大热应力值，在晶体生长初期有一致的热传输，并改善直径测量系统的可靠性。为此，希望控制锥体生长，使生长的锥体形状可重复，以改善锥体的一致性和可重复性。

常规的锥体生长控制常包括用尝试和误差调节来控制熔体的加热，作为选择，例如通过根据预设的温度曲线来控制给定测量温度(即，目标温度～锥体直径)的控制方法来控制加热。这里引入其全部公开作为参考的美国专利5,223,078号和4,973,377号描述了常规的锥体生长控制。

例如，Maeda等的美国专利5,223,078号讲述了一种控制邻近籽晶(即，锥体)的晶体圆锥部分生长的方法。这种方法要求在锥体生长期间主动测量和调节工艺变量。在Maeda的方法中，对熔体温度和正在生长的晶体锥体直径进行测量。计算直径的变化率，将这一变化率与预设的目标温度和变化率值进行比较。然后根据目标温度数据文件和目标直径变化率数据文件的已有数据再确定目标温度。加热器的供电量则由比例积分微分(PID)控制器来控制，以得到正确目标温度。按照这种方式，Meada等试图使锥体部分的长度做得尽量短。

Katsuoka等的美国专利4,973,377号描述了一种控制熔体温度和坩埚转速来控制锥体直径的方法。在此方法中，坩埚转速的控制范围在锥体部分的直径趋近于晶体的本体部分时变得较窄，而在生长本体部分时变为恒定。

然而，这些办法不能完全令人满意。在美国专利5,223,078号中，告诉我们使用辐射测温计作为控制熔体温度的二次反馈。这种方法已做过尝试，并且失败了，因为在建立设备时辐射高温计偶有阻塞，例如，SiO累积在辐射的视程上，而且高温计的增益彼此有差异。除了这种相同的温度控制方法外，美国专利4,973,377号讲述了一种调节坩埚转速来调节熔体温度的方法。调节坩埚转速改变了熔体的径向流速，因而引入了附加的控制动力学，可能使直径的控制变得不稳定。此外，坩埚转速的改变使得坩埚壁处熔体中氧扩散层的厚度改变，调节坩埚转速也将调节加入晶体的氧含量。由于氧的控制一般是客户的指标，不希望为控制锥体形状而改变氧含量。反过来，希望控制锥体形状而与氧浓度的调节无关。而且，这些专利讲述的控制技术不能提供合适的锥体生长重复性。

为此，希望有一种控制锥体生长的方法与系统，包括预设的温度曲线与调节拉速相结合来控制锥体生长而生长形状可重复的锥体，以改善锥体的一致性和可重复性。

发明内容 

本发明通过提供控制和操作的改进方法与系统，满足了上述需要，克服了现有技术的不足。在本发明的几个目的和特点中可注意到，提供这样的方法与系统能使生长晶体的锥体部分形状可重复；提供这样的方法与系统能使锥体生长期间的最大热应力值保持一致；提供这样的方法与系统能使本体生长的初期保持一致的热传递；以及可有效和经济地实现这种方法，这种系统在经济上是可行的且商业上是实用的。