[发明专利]单晶硅直径控制法及其设备

说明书

本发明涉及单晶硅直径的一种控制法和控制设备，更具体地说，涉及单晶硅直径的这样一种控制法和控制设备，即在提拉单晶硅时，单晶硅在边相对于坩埚旋转边连续形成的过程中控制经提拉的单晶的直径。

参看附图2这一示意图，图中示出了应用周知的制造象硅之类的半导体单晶的切克劳斯基法以制造单晶的设备。应该注意的是，切克劳斯基法广泛称为CZ法，通常也叫做晶体提拉法。

图中，在制造单晶硅的过程中，坩埚2中装有由加热器4加热的熔融硅3，借助于图中未示出的旋转机构使单晶硅1以相反于坩埚2的转向转动的同时逐步由提拉设备7提拉上来，于是晶体就在熔融硅3与单晶硅1之间的界面区中生长。单晶硅1是通过晶体生长由籽晶1a生长出来的，籽晶1a则由连接到提拉设备7的籽晶夹具6加以固定。在下面的讨论中，我们把生长过程中的单晶硅叫做提拉单晶。此外提拉设备7包括单晶硅1的垂直运动机构和单晶硅1的旋转机构，由电动机控制器8、提拉电动机9等组成。因此，这种设备是众所周知的，故这里不再详细说明其结构。除上述旋转机构外，坩埚2还由提升机构（图中未示出）支撑着，而且由该提升机构而计得即使在晶体生长时液面也保持恒定而不致下降，而且使液面附近的温度分布不变。

由于CZ法制造出来的提拉单晶1以后就加工成圆柱形的单晶硅锭，因而要求将晶体1提拉得使其整个晶体部分直径大致相同。为此，在晶体提拉过程中直接用如视频测定仪5之类的光学装置测定提拉单晶的直径，而且提拉晶体1是边调节提拉速度边提拉的，以使直径保持在所要求的值上。在这种情况下，光学装置是固定在晶体提拉设备上，因而出现在提拉单晶1与液体表面的界面处的熔融环是由单根测量线从上面倾斜地测定，从而直接测出提拉单晶1的直径。

通过调节提拉速度的上述提拉单晶的直径控制是这样进行的：将来自光学装置的实际直径测定值与要求的直径值进行比较，以使得出的偏差值经周知的PID（比例积分微分）控制而计算出作为控制变量的提拉速度，再将此控制变量作为指令加到电动机控制器8，由此控制提拉速度。

在上述单晶硅直径控制方法和上述设备的情况下，通常的情况是，例如，当晶体提拉设备的提拉速度发生变化时，单晶硅以这样反应或提拉单晶的直径以这样变化，使得经过相当长的时间之后其产生的影响才起作用（停滞时间长），而且变化速度小（变化或反应速度低）。因此在将直径测定值与要求的直径值进行比较以进行PID控制时，为精确掌握提拉单晶直径的变化，需要及时控制提拉速度，因而需要提前进行控制，重点放在导数控制方面（微商作用）。但光学装置测定出来的提拉单晶的直径测定值中含有大量干扰因素，在这些干扰的影响下，提拉速度有变化过度的危险，因而不可能着重进行导数控制。因此对晶体直径变化的控制是有一定的限度的，而且晶体的产量往往因此而下降。

此外，必须就地调节PID参数，因此仅仅为了调节PID参数就需要白白地提拉单晶硅。

本发明是为解决现有技术中的上述问题而提出的，本发明的主要目的是提供一种经过如此设计的单晶硅直径控制法和控制设备，来改进在直径控制中所进行的PID处理算法，而且加上停滞时间补偿控制，从而确保在跟踪要求值方面有所改进，而且无需在现场调节PID参数。

为实现上述目的，按照本发明的一种情况，本发明因此提供了一种经过如此设计的单晶硅直径控制法，使得在单晶硅边相对于坩埚转动边受提拉的单晶硅制造过程中，将光学装置测出的单晶硅直径测定值与要求的直径值进行比较，以确定与要求值的偏差，再对得出的偏差进行不完全的微分PID处理，以计算提拉速度，再将提拉速度加到晶体提拉设备的电动机控制器上，从而通过控制提拉速度控制提拉单晶的直径。

按照本发明的另一种情况，本发明提供单晶硅直径的这样一种控制方法，其中的不完全微分PID处理用史密斯法处理代替来计算提拉速度。

按照本发明的第三种情况，本发明提供单晶硅直径的一种控制设备，该设备包括一输入装置、一不完全微分PID计算装置和一输出装置;输入装置用以接收光学装置测出的提拉单晶的直径测定值;不完全微分PID计算装置用以将提拉单晶的直径测定值与要求的直径值进行比较，以计算提拉速度;输出装置则用以将提拉速度加到晶体提拉设备的电动机控制器上。

按照本发明的第四种情况，本发明提供这样一种单晶硅直径的控制设备，其中不完全微分PID计算装置用史密斯法计算装置代替。