[发明专利]控制半导体晶体生长的开环方法和系统

说明书

本发明一般涉及到对使用切克劳斯基工艺来生长晶体的装置或方法进行控制的改进了的方法和系统。更确切地说，本发明涉及到用来自动控制半导体单晶生长过程的开环方法和系统。更加确切地说，本发明涉及到能够被用来自动控制硅单晶尾部锥体的生长并保持晶体的无位错状态的开环方法和系统。

作为大多数半导体电子元件制造工艺的原材料的单晶硅，通常是用切克劳斯基工艺制备的。在这一工艺中，多晶硅被装载到坩埚中并被熔化，使籽晶与熔融的硅接触，借助于缓慢提拉而生长硅晶体。在完成颈部制作之后，借助于降低提拉速率和/或熔液温度，晶体的直径被放大，直至达到所需的即目标直径，从而形成晶体的锥形即冠顶部分。然后，借助于在补偿不断降低的熔体高度的情况下控制提拉速率和熔体温度而生长直径大致恒定的晶体的圆柱形本体。在快要结束生长工艺和坩埚中的熔融硅还没有用完之前，晶体的直径必须逐渐减小，从而形成尾部锥体。当直径变得足够小时，晶体就与熔体分离。

在某些情况下，晶体与硅熔体分离的过程对晶体的质量可能有不利的影响。当晶体与熔体发生分离时，若晶体的直径减小得不充分，或若直径减小得太快或不规则，则晶体会遭受热冲击。这种热冲击能够在尾部锥体中引起滑移位错，它能够传播到晶体的本体中。

而且，由于晶体的尾部锥体通常被丢弃，故也希望尽量减小生长在晶体上的尾部锥体的轴向长度。但为了在与硅熔体分离时尽量减小对晶体的热冲击，仍然必须有足够的尾部锥体长度。因此，必须小心地控制尾部锥体的生长过程，以便满足尽量减小尾部锥体浪费、避免在与熔体分离时在晶体中产生位错、以及保持晶体的可接受的热历史这些常常互相冲突的目的。

常规地用来控制晶体生长过程的工艺，依赖于熟练的晶体提拉炉操作人员对工艺的准确控制或尖端的闭环控制方案，或二者。例如，此处列为参考的Maeda等人的美国专利5223078描述了一种闭环方法，用来控制邻近籽晶的晶体的圆锥部分(锥体)的生长，并要求在锥体生长过程中主动地测量和调整工艺变量。在Maeda方法中，对熔体的温度和正在生长的晶体的锥体的直径进行测量。对直径的改变速率进行计算，并将此改变速率与测得的温度进行比较以便预定目标温度和改变速率的数值。然后，根据来自目标温度数据文件和目标直径改变速率数据文件的已有数据，重新确定目标温度。然后，最好利用控制器的PID作用，控制馈送到加热器的电量，从而得到改正了的目标温度。

此处列为参考的Katsuoka等人的美国专利4973377描述了一种借助于控制熔体温度和坩埚转速而控制锥体直径的闭环方法。

此处列为参考的Watanabe等人的美国专利4876438描述了一种借助于控制馈送到加热器的功率和提拉速率而控制晶体直径的装置。此装置工作于闭环反馈过程，其中在晶体生长过程中测量与晶体直径有关的二个工艺变量并采取适当的控制动作来保持所需的直径。

此处列为参考的Araki的美国专利5288363描述了一种用来控制锥体生长的闭环方法。在Araki方法中，对晶体直径到所需晶体直径的偏差进行监测。调整提拉速率，以便尽量减小此偏差。此外，根据模糊扰动而计算馈送到熔体加热器的功率数量的改正数值。然后根据此改正数值调整加热器功率。

但这些方法都不能完全令人满意。首先，这些方法要求昂贵而复杂的工艺控制设备和技术以及大量的维修。第二，常常还依赖于操作人员对准确操作的控制。第三，还常常降低根据这些工艺生长的晶体的产出。第四，在为了避免晶体或硅熔体被测量设备沾污而对部分闭环系统进行工艺变量测量的情况下，必须小心。第五，控制误差能够引起对晶体提拉速率和功率速率的不正确的调整，这又能够对晶体生长的后续过程发生不利的影响。

因此，需要有一种用来控制硅单晶的生长的工艺，此工艺要尽量减少和简化工艺控制设备和操作要求，尽量减少对操作控制的依赖，尽量减少尾部锥体的浪费，改善晶体热历史的均匀性和/或改善工艺成品率而不会损害直径控制。