[发明专利]提拉法晶体生长的等径控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及提拉法制造半导体单晶的方法，尤其涉及晶体生长过程的不同阶段采用不同的方式获得晶体当前直径信号作为反馈信号，与直径设定信号比较，通过PID控制理论获得晶体拉速或温度控制值，从而对晶体的直径进行控制的方法。

背景技术

提拉法晶体生长方法(切克劳斯基法，Czochralski Method)是一种获取单晶的主要方法之一，如硅单晶、激光晶体、非线性光学晶体。它的工作原理是，首先将原料熔化，然后在合适的温度下将籽晶(一般为单晶)从上面接触到熔体的液面，然后将籽晶慢慢上拉。在晶体上拉的同时控制熔体的温度，熔体在籽晶下面不断凝固，形成晶体并不断从液面拉出。通过有意识的控制，可以调节或控制晶体的形状尺寸，如直径。控制直径的方法称为等径控制技术。

在等径控制技术中，首先需要获得晶体当前直径信号，然后通过与直径设定值的比较来调节熔体温度或晶体提拉速度，从而控制晶体的直径。现有技术中，比较通用的获得直径信号的方法有称重法和成像法。

称重法是采用上称重(或下称重)方法，在籽晶杆上部(或在坩埚下部)加一个称重传感器，实时测量晶体的结晶量，即晶体重量或重量变化率。通过重量的变化率(也称为生长速率)以及坩埚直径尺寸等可以计算出晶体直径。通过与设定晶体生长速率(或重量，或直径)的比较及运算，对熔体温度进行控制，从而对晶体生长直径进行控制。例如：实测晶体生长速率高于设定值，表明固液界面的温度偏低，熔体温度需要调高一些(通常由计算机或控制器自动完成)。反之，熔体温度需调低一些。上述方法的特点是通过称重获得晶体的重量，生长速率或直径信号，通过调节温度来控制晶体生长的直径。

称重法也可以与可变拉速结合控制晶体生长直径，参见申请号为200810155377.9的专利说明书。特点是通过称重法获得晶体的重量，生长速率或直径信号，通过调节晶体拉速来控制晶体生长的直径。例如：如果晶体直径大于设定值，拉速调高一些；反之拉速调低一些。同时熔体加热温度根据拉速的变化量，做调整。例如：拉速大于设定值时，温度适当调高一些。反之，温度调低一些。这种方法通过拉速和温度双重作用控制晶体直径。图1为称重法结合拉速和温度的共同调节实现等径控制的示意图。

称重法的优点是不受材料限制，不受视野限制。缺点是直径信号是通过重量变化率间接计算获得。受到表面张力和浮力等外力的干扰。此外信号灵敏度与测量量程的矛盾。即量程越大，灵敏度越低，相应的噪音背景越大。在实际应用中如果晶体重量较轻或生长速率较低的情况下(如引晶阶段)，直径测量值波动较大，控制难度增加。

成像法是通过成像工具(如CCD或CMOS摄像头)捕捉晶体与熔体接触区的图像。然后通过图像处理获得晶体与熔体接触的轮廓线。该轮廓线既是晶体的直径信号。通过控制温度或拉速即可控制晶体直径。控制过程与上述的称重法类似。图2为成像法结合拉速和温度的共同调节实现等径控制的示意图。

成像法的优点是可以直接获得直径信号，噪音背景较低。缺点是需要较大视野，温场上部需开一个较大的开口使成像装置可以看到晶体与熔体的轮廓线。结果是能量损失较大。此外，由于晶体拉出熔体，坩埚中的熔体量逐渐减少，液面不断降低。为了弥补由于液面下降而引起的图像失真，坩埚位置需不断上升，从而保持液面位置(高度)不变。带来的潜在问题是设备结构复杂，炉体高度增加。

发明内容

针对现有提拉法晶体生长中获得直径信号方法的上述缺点，申请人经过研究改进，提出另外一种提拉法晶体生长的等径控制方法，在晶体生长不同阶段采用不同的方式获得直径信号，属于混合式等径控制方法。

本发明的技术方案如下：

一种提拉法晶体生长的等径控制方法，在晶体生长的不同阶段采用不同的晶体直径信号获取方式，然后将获取的晶体直径值反馈信号与晶体直径设定值进行比较，获得信号误差值，然后通过该信号误差值的PID运算，得到晶体的机械拉速控制值或晶液的温度控制值。

其进一步的技术方案是：在晶体生长的引晶阶段，采用成像法获取晶体的直径信号；在晶体生长的扩肩、等径和收尾阶段，采用称重法获取晶体的直径信号。所述成像法以及称重法的本身为现有技术方法。

本发明突出的实质性特点和显著的进步在于：

本发明在晶体生长过程的不同阶段采用不同的直径信号获取方式。在晶体生长的引晶阶段，采用成像法获取晶体的直径信号；在晶体生长的扩肩、等径和收尾阶段，采用称重法获取晶体的直径信号。