專利名稱：生長處理中控制硅晶體直徑的方法與裝置的制作方法
技術領域：
本發明總體涉及控制用于制作電子元件用的單晶半導體生長處理的改進，詳細地涉及一種按照預定的速度分布精確控制從半導體源熔體中拉升的單晶硅棒的直徑的方法與裝置。
在形成晶體頸部后，生長處理通過減慢拉升速率與/或降低熔體溫度增大生長晶體的直徑直至達到要求的直徑。通過控制拉升速率與熔體溫度同時補償熔體液面的降低，使得生長的晶體主體有一個大致恒定的直徑(即通常它是圓柱形的)。當接近生長處理的終點但坩堝內熔解的硅被抽空之前，逐漸減小晶體直徑以形成一個端部錐體。典型地，端部錐體通過提高拉升速率與增加供給坩堝的熱而形成。當直徑變為足夠小時，使晶體脫離熔體。在生長處理期間，坩堝以某一方向轉動熔體而晶體提升機構以相反的方向轉動它的拉升纜索或軸以及籽晶與晶體。
雖然當前可利用的切氏生長處理已令人滿意地用于生長在多種應用中有用的單晶硅，但仍要求作進一步的改進。例如，在晶體生長室內隨著晶捧凝固后的冷卻形成單晶硅中的許多缺陷。這些缺陷的出現，部分地是由于存在過量(即密度超過溶解度極限)的稱為空位與自填隙的固有的點缺陷。有人認為硅中這些點缺陷的類型與初始密度能影響最后產品中堆積缺陷的類型與存在。如果這些密度達到系統中的臨界過飽和水平且點缺陷的遷移率足夠高，將很可能發生一個反應或一個堆積事件。硅中的堆積固有點缺陷能嚴重影響復雜集成電路生產中材料的屈服勢能。
按照晶體“處方”中規定的預定速度分布或目標速率從熔體中精確拉升單晶硅棒幫助使處理滿足控制缺陷形成的要求。例如，這種控制方法(這里稱為“鎖定的籽晶提升”處理)減小晶棒中固有點缺陷的數量與密度。此外，鎖定的籽晶提升處理幫助控制空位與自填隙的密度以防止隨著晶棒從凝固溫度冷卻晶棒內固有點缺陷的堆積。然而，常規的切氏硅生長處理通過改變拉升速率或籽晶提升速率以控制生長晶體的直徑。本領域內的技術人員都知道提高拉升速率導致晶體直徑的減小而降低拉升速率導致晶體直徑的增大。同樣熟知升高硅源熔體溫度導致晶體直徑的減小而降低熔體溫度導致晶體直徑的增大。監于這些理由，按照目標分布控制拉升速率可能導致直徑誤差，除非在生長期間精確調節熔體的溫度。
可惜的是，在常規的生長處理中通常優選使用拉升速率來控制晶棒直徑，因為實現熔體溫度改變中的延遲常常是不能接受的。換句話說，選擇拉升速率而非溫度來控制直徑是根據響應時間的差別，溫度改變的響應時間大大長于拉升速率改變的響應時間。例如，拉升速率的一個階躍改變典型地在幾秒內得到直徑響應，而加熱器功率或熔體溫度的一個階躍改變導致一個緩慢的響應，得化費幾十分鐘才能得到一個相等的結果。
鑒于這些理由，要求一種只使用加熱器功率而取消為控制直徑所要求的拉升速率改變以控制硅晶體直徑的從熔體拉升單晶硅的精確與可靠的裝置與方法。
本發明通過提供一種在鎖定的籽晶提升處理下調節功率以保持適當控制晶體直徑的方法與裝置以滿足上述要求并克服現有技術的不足。在本發明若干目的中可指出的有提供一種提供精確直徑的方法與裝置；提供通過改變熔體溫度以調節晶體直徑這樣一種方法與裝置；提供能提供較快的熔體溫度改變的這樣一種方法與裝置；提供使能模擬熔體溫度響應的這樣一種方法與裝置；提供使能以加熱器功率的函數形式改變晶體直徑的這樣一種方法與裝置；提供可結合現有的晶體拉升裝置的這樣一種方法與裝置；及提供經濟上行得通與商業上實際可行的這樣一種方法與裝置。
簡言之，提供一種實施本發明各方面的供配合一個按照切氏處理生長單晶棒裝置用的方法。該裝置有一個裝有半導體熔體的坩堝，由此晶棒生長在一個從熔體中拉升的籽晶上。此方法包括以基本上按照預定的速度分布的目標速率從熔體中拉升晶棒。此方法還包括規定代表響應供給加熱熔體的加熱器的功率變化的熔體溫度變化的模型。在產生一個代表一個目標熔體溫度的溫度設定點時，此方法緊接著包括步驟產生一個代表晶棒的目標直徑與測量直徑之間誤差的信號，對誤差信號進行比例積分導數(PID)控制，與由此產生作為直徑誤差的函數的溫度設定點。此方法還包括根據作為由PID控制產生的溫度設定點的函數的溫度模型確定一個供給加熱器功率的功率設定點。以此方式，改變熔體的溫度以控制晶棒的直徑。
本發明的另一個實施例針對一種供配合一個按照切氏處理生長單晶棒的裝置用的裝置。此裝置有一個裝有半導體熔體的加熱的坩堝，由此晶棒生長在從熔體中拉升的籽晶上。此裝置包括預定的速度分布，而晶棒以基本上按照此速率分布的目標速率從熔體中拉升。此裝置還包括產生作為晶棒的目標直徑與測量直徑之間誤差的函數的溫度設定點的PID控制器。溫度設定點代表熔體的目標溫度。一個溫度模型代表響應供給加熱熔體的加熱器的功率變化的熔體的溫度變化。溫度模型確定一個作為由PID控制器產生的溫度設定點的函數的供給加熱器的功率的功率設定點。此裝置還包括一個用于加熱熔體的加熱器與一個響應功率設定點調節供給加熱器功率的電源。以此方式，此裝置通過改變熔體的溫度以控制晶棒的直徑。
另一方面，本發明可包括各種其它的方法與裝置。
其它的目的與特點將部分地明了，部分地將在后面指出。
圖2是包括一個有一個可編程的邏輯控制器(PLC)的控制器的

圖1裝置的框圖。
圖3是一個說明用于校準圖1裝置的控制器工作的流程圖。
圖4是一個利用圖1裝置提拉一根含有減小的固有點缺陷數量與密度的晶棒的速度分布圖。
圖5是一個圖1裝置的計算一個修正的設定點的運行框圖。
圖6A與6B是說明用于計算一個校正系數的圖2中PLC運行的流程圖。
圖7、8與9是說明根據現有技術的晶體生長處理控制的框圖。
圖10是一個說明根據本發明的一個實施例的晶體生長處理控制的框圖。
圖11是一個用于圖7-9控制器的舉例的溫度響應模型。
圖12是一個用于圖10控制器的舉例的溫度響應模型。
圖13是一個說明根據圖1裝置的帶有活動的與鎖定的拉升速率的直徑性能的舉例圖。
所有附圖中的相應部分以相應的標記號指示。
按照切氏單晶硅生長處理，把某一數量的多晶硅裝入坩堝19。一個加熱器電源27提供通過電阻加熱器21的電流以熔解裝載的多晶硅，從而形成由它拉升單晶硅31的硅熔體29。最好，使用一個例如光電池或高溫計的溫度傳感器33以提供熔體表面溫度的測量值。單晶體以一個附加在拉軸或纜索37上的籽晶35開始。如圖1中表示，單晶體31與坩堝19通常有一個共同的對稱軸39。纜索37的一端通過滑輪41(參看圖2)連接至鼓43(參看圖2)而另一端連接至一個夾持籽晶35的塊體(未表示)，晶體31從籽晶開始生長。
在加熱與拉升期間，一個坩堝驅動裝置45轉動坩堝19(例如，向順時針方向)。在生長處理期間坩堝驅動裝置45還按要求升高或降低坩堝19。例如，坩堝驅動裝置45隨著熔體29的減少而升起坩堝以保持由標記號47指示的熔體液面處于要求的高度。一個晶體驅動裝置49相似地向同坩堝驅動裝置45轉動坩堝19的方向相反的方向轉動纜索37。此外，在生長處理期間晶體驅動裝置49按要求相對于熔體液面47升高或降低晶體31。
在一個實施例中，晶體生長裝置13通過降低籽晶35至幾乎同容納在坩堝19內的硅熔體29相接觸以預熱籽晶35。在預熱之后，晶體驅動裝置49通過纜索37繼續降低籽晶35使它在熔體液面47同熔體29接觸。隨著籽晶35熔解，晶體驅動裝置49緩慢地把它從熔體29中抽出或拉升。籽晶35從熔體29中抽出以產生隨著它被抽出而生長的單晶體31。晶體驅動裝置49隨著它從熔體29中拉升晶體31以一個基準轉速轉動晶體31。坩堝驅動裝置45相似地以另一個基準轉速但通常向相對于晶體31相反的方向轉動坩堝19。
一個控制器51開始控制抽出或拉升速率與供給加熱器21的電源27以形成晶體31的頸部。最好，晶體生長裝置13以與從熔體29中拉升的籽晶35相同的基本恒定的直徑生長晶體頸部。例如，控制器51保持一個要求的體直徑的約5％的基本恒定的頸直徑。在一個常規的控制方案中，在頸部達到要求長度之后，控制器51調節旋轉、拉升與加熱參數使晶體31的直徑以錐體形式逐漸增大直至達到要求的晶體體直徑。例如，控制器51降低提升速率以形成一個典型地稱為晶體錐的向外張開區域。
一旦達到要求的晶體直徑，控制器51控制生長參數以保持恒定的由裝置11測量的直徑直至處理接近終點。此時，常通過提高拉升速率與加熱以減小直徑從而在單晶體31的終端形成錐形部分。公同轉讓的美國專利No.5178720公開一個用于控制作為晶體直徑的函數的晶體與坩堝的轉速的優選實施例，其全部公開內容引用在此作為參考。共同轉讓的美國專利No.5882402、No.5846318、No.5665159與No.5653799，提供許多晶體生長參數包括晶體直徑的精確與可靠的測量，其全部公開引用在此作為參考，一個圖象處理器處理晶體—熔體界面圖像確定晶體直徑。
本領域內的技術人員知道在拉升晶體期間應提升坩堝19。在典型的拉升期間給定較小的坩堝運動距離，可容易地看到坩堝提升比晶體拉升對于減少缺陷來說其重要性要低得多。一個合適的計算當拉升晶體31時坩堝19的提升的公式包括拉升速率乘以晶棒截面積對坩堝截面積(在熔體液面位置的測量值)的比率再乘以晶棒中硅密度對熔體中硅密度的比率。其它的坩堝提升速率公式也可供本發明之用。
圖2表示實施用于控制其中包括晶體驅動裝置49的控制器51的電路。晶體驅動裝置49的詳細結構為本領域內技術人員所熟知。通常，驅動裝置49包括一臺與鼓43連接的電動機53。虛線55表示電動機53的軸59與鼓43之間的機械聯接。雖然此機械聯接可包括軸59與鼓43之間的直接聯接，優選的布置是在軸59與鼓43之間安插一套減速齒輪(未表示)以便得到更好的控制與更平滑的運轉。于是可運轉電動機53使通過鼓43放出與卷入纜索37以便把籽晶35降入熔體29與從熔體29中拉升晶棒31。
圖2中虛線61表示通過鼓43中的孔65把鼓43裝配在軸63上。共同轉讓美國專利No.5935328表示一個適于供本發明之用的鼓與纜索布置，其全部公開內容以引用在此作為參考。
再參看圖2，控制電路51包括一個有一個中央處理器(CPU)71與一個存貯器73的可編程邏輯控制器(PLC)69。PLC 69通過連線79與81接收來自一個500脈沖/轉(ppr)的編碼器77的輸入信號。編碼器77與軸63聯接以產生一個位置信號。在此例中，位置信號由連線79與81上的作為鼓43的旋轉運動的函數的脈沖組成。于是PLC69計數連線79與81上的脈沖以精確確定在考慮的任何時間周期內鼓43轉動了多少轉。編碼器77最好以2X方式運行，其中對應于鼓43的每個360°旋轉編碼器發出1000個離散的脈沖。因此，如果PLC69計數連線79與81上的5500個脈沖，則知道鼓43在產生這些脈沖的時間周期內精確地旋轉了五轉半。另一方案，一個齒輪機構(未表示)驅動鼓43而編碼器77可同齒輪機構中的一個旋轉齒輪聯接。假定容易地知道齒輪的傳動比，可以類似于上面公開的方法計算鼓43的轉數。
在此圖示實施例中，PLC69通過連線87與89同一個60ppr編碼器85連接。編碼器85同電動機53的軸59聯接并產生在連線87與89上的作為軸旋轉運動的函數的脈沖。于是PLC69計數連線87與89上的脈沖以精確確定在考慮的任何時間周期內軸旋轉了多少轉。編碼器85最好以4X方式運行，其中對應于軸59的每360°旋轉發出240個脈沖。因此，如果PLC69計數連線87與89上480個脈沖，則知道在產生這些脈沖的時間周期內電動機53的軸59精確旋轉了兩整轉。
此外還通過常規方法以鼓43的尺寸和聯接電動機53的軸59與鼓43的軸63的齒輪傳動比編程PLC69。假定從連線87與89上的脈沖計數已知軸59的轉數，假定已知聯接軸59與鼓43的齒輪傳動比，并假定已知鼓43的直徑，可通過常規方法容易地編程PLC69以便把從編碼器85接收的脈沖數據換為代表實時內纜索37的直線運動的數值。換句話說，通過計數連線87與89上的脈沖，PLC69容易地計算出纜索37的拉升速度。最好，有一臺顯示器91顯示實時內的這個纜索速度。
一個伺服放大器93以常規的閉路反饋布置方式通過連線95與93同電動機53連接并通過連線103與105同轉速表101連接。轉速表101產生一個連線103與105上的模擬信號，此信號以電壓形式作為電動機53的軸59的轉速的函數而變化。伺服放大器93接收連線103與105上的模擬電壓信號。伺服放大器93還通過連線111與113接收來自一個設定點調節電路109的設定點信號。例如，設定點調節電路109包括一個DC至DC變換器。PLC 69通過連線117與119控制設定點調節電路109并從而控制設定點信號，如下面更充分的說明。以此方式，PLC69控制電動機53的轉速。
更詳細地說，伺服放大器93通過產生一個經過連線95與97供給電動機53的電流信號以響應連線111與113上的設定點信號。此電流信號給電動機供能并確定它的轉速。然后伺服放大器93使用從轉速表101接收到的模擬電壓信號以確定電動機53是否在相應于設定點信號的轉速下運轉。如果不是，伺服放大器93根據具體情況向上或向下調節電流信號，直至來自轉速表101的模擬電壓信號指示電動機正在由設定點信號設定的轉速下運轉。而且，由于PLC69通過連線117與119控制設定點信號，因而PLC69控制電動機53的轉速。
PLC69還同信號修整電路123連接。信號修整電路123同伺服放大器93連接以接收與修整由轉速表101產生的模擬電壓信號。PLC69接收來自電路123的經修整的模擬電壓信號并把它轉換為一個對應于纜索37拉升速度的數值。PLC69通過顯示器125顯示此數值。
雖然看到纜索37的拉升速度冗余地顯示在顯示器91與125上，本領域內技術人員將認識到顯示器91能以比顯示器125更高的精度顯示報告的速度。這是因為顯示器91上報告的速度數據的來源是高度精密與精確的編碼器85以4X方式的運算。相反，顯示器125上報告的速度數據的來源是由轉速表101產生的模擬信號。這種信號先天地較不精確，且除其它以外還易受明顯的溫度變化的影響。簡言之，可不用顯示器125而容易地實施本發明。
給定充足的冷卻時間，假定生長速率或速度v與平均軸向溫度梯度G的比率(v/G)在臨界值(v/G)cr的某個容差T之內，可產生完美的硅。此容差可由下式確定T=12Δ(V/G)(V/G)]]>式中Δ(v/G)是可產生完美的硅的v/G值的范圍。
容差T強烈地依賴于由一個給定的熱區提供的冷卻條件。具體地說，T隨著核化之前冷卻時間的增長而增大。對各種熱區收集的數據給出一個作為較好容差的T＝0.055的值。重新表達為|T|=|ΔVV|+|ΔGG|]]>然而，G通常難以控制。如果G不變，為保證完美的硅生長速度v的最大誤差可等于|T|。對于一個穩固的處理，一個小得多的v的變化(例如等于|T|的10％)較好。
圖3表示一個總體以127指示的用于校準圖2裝置11的流程圖。從步驟131開始，流程圖127立即進至步驟133，其中操作者調節PLC69上的外部控制(未表示)至標稱纜索速度0.1mm/min。在步驟135，操作者觀察顯示器91上報告的纜索速度。如果報告的速度不在0.1mm/min的0.002mm/min(即0.1±0.002mm/min)之內，則操作者進至步驟139。操作者在步驟139“旋紐”調節設定點調節電路109的偏置參數然后返回至步驟135。如果顯示的纜索速度仍然不是0.1±0.002mm/min，操作者繼續調節電路109的偏置參數直至顯示器91上報告的纜索速度等于0.1±0.002mm/min。此時，操作者進至步驟141給變量X分配一個“1”值以指示步驟135已成功地完成。
流程圖127繼續步驟143，在此步驟裝置11的操作者調節PLC69的外部控制至標稱纜索速度3.0mm/min。在步驟147，操作者再次觀察顯示器91上報告的纜索速度。如果報告的速度不等于3.0±0.002mm/min，則操作者進至步驟149以調節設定點調節電路109的增益參數。在本例中，操作者在返回步驟147之前在步驟151設定變量X為0。在步驟147，操作者再次觀察顯示器91以了解現在是否報告纜索速度等于3.0±0.002mm/min。如果不是，操作者在步驟149繼續調節電路109的增益參數直至顯示器91上報告的纜索速度等于3.0±0.002mm/min。此時，操作者進至步驟155。由于變量X是0而不是1，流程圖127返回至步驟133。以此方法，操作者繼續細調電路。繼續此校準直至PLC69可在標稱設定值0.1與3.0mm/min之間轉換同時實際纜索速度等于這些標稱設定值±0.002mm/min(且不用進一步調節電路109)為止。此時，變量X將保持在1值，因此容許操作者進至步驟157，在此校準工作成功地結束。
圖4表示一個總體以159指示的用于拉制單晶硅棒31的舉例的速度分布圖。依據規定在晶體“處方”中的速度分布或目標精確地從熔體29中拉升晶體31幫助滿足控制缺陷形成的處理要求。這種“鎖定的籽晶提升”控制減小晶棒中固有的點缺陷的數量與密度。此外，鎖定的籽晶提升處理幫助控制空位與自填隙的密度以防止隨著晶棒從凝固溫度冷卻在晶體31中固有的點缺陷的堆積。應了解本領域內的技術人員將認識到本發明可用任何合適的速度分布實施。
速度分布圖159確定一個作為拉升期間晶體31長度的函數的目標拉升速率。根據本發明的一個優選實施例，依據速度分布圖159拉升晶體31產生具有幾乎完美的晶體結構與含有很少固有點缺陷的硅。在這種硅中在凝固時固有點缺陷的密度無疑地會大大地低于使得很可能發生堆積事件的臨界過飽和值。這種控制空位與自填隙的密度以防止隨著晶棒31從凝固溫度冷卻在晶棒中固有的點缺陷的堆積是十分合乎需要的。共同轉讓美國專利No.5919302提供涉及圖4的速度分布圖與生產具有幾乎完美的晶體結構的硅的進一步資料，此專利的全部公開引用在此作為參考。
在使用中，圖4的速度分布圖159貯存在PLC69的存貯器73中。分布圖159也可貯存在寄存器中或本發明范圍內的CPU71的有關存貯電路中。本領域內的技術人員將認識到這里表示的圖4的速度分布圖159是用于舉例的目的，而本發明可使用任何合適的速度分布圖實施。
在按例如圖4的速度分布圖159工作期間，發現了在拉升全部晶體長度期間晶體31的拉升速率十分精確地按照速度分布圖是重要的。最好，裝置11控制晶體31的拉升速率使得它對于大部分晶體長度在約0.008mm/min或更小誤差內按照速度分布圖159。換句話說，拉升速率近似等于目標速率。雖然目前可做到晶體31的拉升速率按照速度分布圖精確至誤差在±0.008mm/min、±0.006mm/min或±0.004mm/min甚至±0.002mm/min之內，應懂得在精度為±0.002mm/min或更好精度得到最好的結果，比±0.002mm/min更好的精度也在本發明范圍內。
在一個本發明的實施例中，PLC69使用一個12位數-模卡以產生設定點調節電路(即圖2中電路109)的控制信號。本領域內的技術人員將認識到可在本發明范圍內做出改變以改善本實施例的精度。例如，使用一個14位卡以代替12位卡應導致改善的精度。
圖5是一個表示PLC69一旦裝入速度分布曲線159后如何控制晶體拉升速率使在整個拉升期間精確至速度分布曲線159的±0.002mm/min以內的框圖。最好，PLC69執行虛線165內的功能。更詳細地說，PLC69根據編碼器77的輸出計算實際拉升速率并把它同預期值即由貯存在存貯器73中的速度分布曲線159確定的目標速率作比較。然后PLC69使用預期結果與實際結果之間的差別計算校正系數169。PLC69通過確定沿速度分布曲線159的發生拉升當時的點計算一個設定點173。通過設定點173乘以校正系數169，PLC69計算一個經修改的設定點175。PLC69把此經修改的設定點175輸出至設定點調節電路109以控制晶體拉升速率。如上面說明，以這樣的方式調節設定點從而保持在整個拉升期間晶體拉升速率在速率分布曲線159的±0.002mm/min以內。
圖6A與6B表示一個總體以177指示的提供關于PLC69工作的較詳細情況的流程圖。特別是，流程圖177圖示說明PLC69如何計算圖5的校正系數169。流程圖177從步驟181開始并立即進至步驟183。在步驟183，PLC69檢驗自從最后一次修正“預期的總運動距離”(E.S.D.T.)變量以來預定的時間間隔是否已過。如果15s時間間隔尚未期滿，PLC69重復步驟183直至期滿為止。在15s期滿之后，PLC69進至步驟185。
在步驟185，PLC69通過加上自從最后一次修正至現有的E.S.D.T.值以來預期已拉升晶體31的增加距離以修正E.S.D.T.。注意“設定點分布”是根據作為晶體長度函數的速度分布曲線159確定的瞬時的預期拉升速率。還注意步驟185中提到的系數是一個依賴于設置的、可稍微調節以相對于拉升而移動熔體液面47或保持晶體31的拉升相對于熔體液面47基本恒定的系數。共同轉讓的提交日期為1998年10月14日的美國專利申請序列號No.09/172546較充分地公開了這些研究，其全部公開內容在此作為參考。當晶體提升隨著坩堝19中熔體29將耗盡而接近終點時也可調節步驟185中的系數。在大部分晶體拉升期間當熔體液面47相當恒定時，步驟185中的系數最好為數值“1”。最后，由于相關的時間周期是15s即0.25min，因此步驟185中使用0.25的乘數。
在修正E.S.D.T.值之后，PLC 69在步驟187復位計時器A并進至步驟189以確定自從最后一次修正校正系數A(C.F.A.)以來另一個預定的時間間隔(例如1min)是否已過完。如果1min時間間隔尚未過完，程序返回至開始并等待15s時間間隔以重新修正E.S.D.T.。當1min時間間隔最后過完時，PLC69在步驟191把計時器B復位至0然后進至步驟193。在步驟193，PLC69確定自從最后一次修正以來編碼器77產生了多少個脈沖。已知鼓43的直徑，如上面說明，PLC69把此增加的脈沖計數轉換為增加的晶體31拉升距離。當此增加值等于“實際Δ(n)”值時結束步驟193。
進至步驟197，PLC69計算由“總實際運動距離”變量(S.D.T.A.)代表的當時晶體31已被拉升的距離。PLC69通過簡單地在它的舊值上加上在緊前的步驟193中計算的“實際Δ(n)”值來修正S.D.T.A.值。
現在參看圖6B，流程圖177在步驟199繼續。在步驟199，PLC69通過當前的E.D.S.A.除以當前的S.D.T.A.計算第一校正系數即校正系數A(C.F.A.)。PLC 69進至步驟201以確定自從最后一次修正第二校正系數即校正系數B(C.F.B.)以來第三預定時間間隔(例如10min)是否已過完。如果10min時間間隔尚未期滿，程序返回至步驟183并等待15s時間間隔以重新修正E.S.D.T.值。當10min已最后過完時，PLC69在步驟203通過從當前的C.F.A.減去1然后把此結果除以10再加上以前的C.F.B.以修正C.F.B.。然后PLC 69進至步驟205，在此它把計時器C、E.S.D.T.與S.D.T.A.復位至0。
最好，C.F.B.值接近于1。鑒于這個理由，PLC69在步驟209檢驗當前的C.F.B.是否大于或等于0.75，或小于或等于1.25。如果C.F.B.在此范圍內，在返回流程圖177的開始之前PLC69在步驟211輸出當前的C.F.B.作為圖5中的校正系數169。如果C.F.B.在此范圍以外，PLC69在步驟213根據當前量過高或過低而設定C.F.B.。如果當前的C.F.B.過低，PLC 69輸出0.75作為校正系數169，而如果當前的C.F.B.過高，則PLC69輸出1.25作為校正系數169。然后PLC69返回至流程圖177的開始。
如上述，依據在晶體“處方”中規定的預定的速度分布或目標從熔體29精確拉升單晶硅幫助滿足控制缺陷形成的處理要求。然而，常規的切氏硅生長處理通過變化拉升速率或籽晶提升速率以控制生長晶體31的直徑，這導致在“鎖定的籽晶提升”處理中的問題。本領域內的技術人員知道加快提升速率導致晶體直徑減小而減慢拉升速率導致晶體直徑增大。同樣熟知升高硅源熔體29的溫度導致晶體直徑減小而降低熔體溫度導致晶體直徑增大。鑒于這些理由，依據目標分布控制拉升速率會導致大的直徑誤差或直徑控制不足，除非在拉升期間精確調節熔體的溫度。
圖7說明一個總體以217指示的根據現有技術的直徑控制回路。如圖7中表示，一個比例積分導數(PID)控制回路219從連線221接收一個誤差信號。此誤差信號代表要求的即目標晶體直徑(即設定點)與實際晶體直徑(即處理變量)之間的差別。PID回路219從連線225輸出一個用于調節預期的拉升速率的拉升速率校正，此值從特別的晶體生長處方中得到。控制回路217從連線227輸出一個用于調節拉升速率以改變晶體直徑的籽晶提升設定點。在圖7中控制回路217還包括一個用于防止籽晶提升速率改變量過大的限制器229。如圖示，圖7的控制回路217要求改變籽晶提升以影響晶棒31直徑的改變。
圖8表示一個總體以223指示的用于晶體生長裝置13的常規的溫度串級控制。在其中控制器改變拉升速率以控制晶體直徑的活動的籽晶提升應用中，設定點通常是目標籽晶提升而處理變量通常是實際籽晶提升。如圖8表示，一個初級PID控制回路235從連線237接收一個代表晶體直徑設定點與晶體直徑處理變量之間差別的誤差信號。PID回路235從連線241輸出一個溫度設定點。依次，一個次級PID控制回路243從連線245接收一個誤差信號。連線245上的誤差信號代表溫度設定點與實際溫度(即處理變量)之間的差別。然而在此例中，次級PID243接收來自晶體生長裝置13的絕熱封裝附近的高溫計33或熱電偶(未表示)的加熱器溫度反饋信號。換句話說，常規的拉晶機通常不檢驗硅熔體29的實際溫度因而把誤差引入控制器233。PID回路243從連線249輸出一個加熱器功率設定點以改變晶體直徑。此控制回路233的串級方案的優點是可調節包括PID243的次級回路以較快地響應加熱器溫度設定點的改變而使功率典型地將超過它的最后穩定值。這個加熱器功率與溫度的較快改變提高系統的總響應。然而，提高直徑對功率改變的響應是不必要的，因為熔體中保持一個占優勢的滯后作用。而且在實踐中高溫計窗時常被弄臟或遮擋或熱電偶測量絕熱封裝的不同部分。這會導致各次運行與各臺拉晶機產生明顯的增益與偏置的變化。結果，預定的溫度分布導致晶體質量與產量的變化。此外，帶有常規的控制回路233的直徑控制由于慢的響應速度與熔解體表面對加熱器的溫度關系的易變性因而通常是不能接受的。
圖9說明總體以251指示的另一個常規的功率控制回路。在此例中，回路251的控制方案比控制回路233的串級方案慢一些但不要求一個控制加熱器溫度用的例如PID243的次級PID回路。一個PID控制回路253從連線257接收誤差信號。此誤差信號代表晶體直徑的設定點與處理變量之間的差別。PID回路251從連線259輸出調節熔體溫度的加熱器功率設定點以控制直徑。在控制回路251中，加熱器功率趨向于各次運行有很高的可重復性而各臺拉晶機有較低程度的可重復性。當同圖7與圖8的控制方案比較時，控制回路251提供改進的晶體質量與產量并消除由于高溫計與熱電偶故障引起的運行故障。然而，功率控制回路251有這樣長的響應時間以致此方案對直徑控制是不能接受的。本領域內技術人員認識到PID增益加上處理的動態特性確定控制回路的輸出(即拉升速率校正，溫度設定點式功率設定點)。
現在參看圖10，一個總體以261指示的功率控制回路體現本發明的各方面用以一個鎖定的籽晶提升處理控制晶體直徑。一個PID控制回路265從連線267接收代表晶體直徑設定點與晶體直徑處理變量之間差別的誤差信號。依次，PID回路265從連線269輸出溫度設定點。根據本發明，控制回路261包括一個接收溫度設定點并從連線275輸出加熱器功率設定點以實現晶體直徑所需要的改變的溫度模型273。在一個本發明的優選實施例中，溫度模型273估算加熱器功率與硅熔體29的表面溫度之間的關系。設計溫度模型273可用于提供一個直徑斜率即直徑改變速率的模型。通常，熔體表面溫度的高溫計測量提供用于產生溫度模型273的數據。雖然通過控制熔體溫度來控制晶體直徑不如通過控制拉升速率的控制方案那樣強力，但控制回路261有利地提供有較快的、精確的直徑控制的固定籽晶提升處理的益處。
一個加熱器功率對熔體表面溫度關系的簡化模型包括空載時間、增益與一階滯后。圖11說明一個常規的控制方案例如圖8或圖9中表示的方案的舉例的溫度響應。圖11中，一個在時間t＝1時開始的單位階躍輸入277引起一個近似于下面的指數函數的輸出279f(t)＝1-exp(-(t-td)/τ)在圖11例子中，輸出279跟隨一個空載時間td＝5min并包括一個具有時間常數τ＝30min的一階滯后。在空載時間或延時周期內，對輸入277沒有響應。輸出279的滯后導致一個達到最后值(例如最后溫度)的指數改變，響應速度由它的時間常數τ確定。
圖12說明一個圖10中表示的控制回路261的舉例的溫度響應。為獲得熔體溫度較大改變，一個“功率間隙”是有用的。一個具有預定的幅值與持續時間的功率脈沖形式的輸入281后隨一個穩態的功率改變，提供這樣一個功率間隙。輸入281在時間t＝1時開始，引起一個近似于下面的指數函數的輸出283f(t)＝k*(1-exp(-(t-td)/τ))如同前面，輸出283跟隨一個空載時間(td＝5min)，在此期間沒有響應。輸出283還有一個時間常數τ＝30min的一階滯后。乘數k確定作為穩態功率改變的函數的脈沖幅值。為得到一個等于穩態響應(例如單位響應)的響應，施加脈沖的持續時間由下式確定t＝-τ*ln(1-1/k)注意由于輸出283直至空載時間完畢為止不響應輸入281，因此式中時間不包括空載時間。空載時間只是簡單的延遲。作為一個例子，τ＝30min與k＝10得到脈沖持續時間等于為3.16min。因此，在延遲時間后3.16min時，預期溫度達到要求水平并保持在由穩態功率值引起的水平。圖12的溫度模型有利地導致一個成功的晶體直徑控制，在此控制中可以約等于空載時間的時間間隔進行功率改變。
圖11與圖12提供一個階躍響應與脈沖響應的比較。然而在圖12中，輸出283由于功率脈沖輸入281而上升(按指數曲線)較快，因而在圖11的輸出279達到要求幅值所化費時間的一部分時就達到要求的幅值。生長晶棒31的直徑與它的速率改變確定脈沖功率與穩態功率改變。
最好，PLC69執行實現溫度模型273的軟件(按圖12的溫度響應開發)。直徑控制回路261通過PID265提供控制動作以產生引起自動產生脈沖的溫度設定點。此設定點用由定標到加熱器功率的無量綱溫度單位數表示(例如10#′s/kW)。例如，如果PID控制器265向模型273發出一個5#′s設定點的改變，即表示一個5kW(即10*5#′s*1kW/10H′s)3.16min的脈沖，后繼一個0.5kW的穩態功率改變。系數k(k＝10)引起功率過度調節(類似于圖8的串級控制方案233)而計算系數k與脈沖持續時間以得到一個要求的溫度而非加熱器溫度的階躍變化。直徑改變速率(即斜率)快速響應此熔體表面的改變。為了減弱空載時間的作用，把PID的采樣速率設定至一個約等于空載時間值的值，在此實例中為5min。這導致控制器的動作變為對后面的周期有效。PID回路265產生的重復校正動作補償模型中的不精確。這導致明顯改善的對直徑誤差的響應時間而優于串級控制233的響應時間，并消除由加熱器溫度測量部件例如高溫計與熱電偶造成的易變性與不可靠性。
作為一個例子，晶體生長裝置13是一臺Ferrofluidics CZ-150拉晶機，它提供一個適于執行本發明的控制系統硬件配置。由控制器51的PLC69執行的程序最好在它的溫度控制計算中包括溫度模型273。如上述，溫度模型273計算功率脈沖以得到要求的熔體溫度改變。當拉晶方式提供用于熔解與穩定熔體29的功率控制時此模型作用開始。通常，在此方式期間要求直接控制加熱器功率。在功率控制期間，溫度設定點與處理變量設定至中間范圍(例如1000單位)而操縱加熱器功率。在選定溫度控制方式后，溫度設定點初始化于1000單位并可操縱。然后使用它以計算已初始化至在功率控制方式時選定的最后值的加熱器功率。
當功率控制回路261用于控制熔體29溫度時，PLC69以有規則的時間間隔(例如每6s即0.1min)進行模型計算。PLC69每次進行計算時，一個移位寄存器貯存當前的溫度設定點。此移位寄存器在被編程的期間的終點終止功率脈沖。根據本發明，PLC69執行下面等式以計算功率輸出P1=P0+G*[k*Σn=0iTn-(k-1)*Σn=0iTn-m]]]>式中P1是當前功率；P0是溫度控制方式開始時的初始功率；G是從溫度單位至kW的轉換(例如10#′s/kW)；k是脈沖幅值；Tn是時間t＝n時的溫度設定點；Tn-m是時間t＝n-m時的溫度設定點，其中m是采樣中的脈沖持續時間(例如以每采樣0.1min的32個采樣)。
在一個本發明的優選實施例中，一個活動的與鎖定的籽晶提升控制方案的組合提供強力的晶體控制。如上述，直徑控制回路217求和預期的拉升速率與PID回路219經連線225的拉升速率校正輸出。在晶棒31的生長早期，調節比例與微分作用通過改變籽晶提升以有效控制直徑。不使用積分作用以保證直徑誤差不完全由直徑誤差的積累引起的籽晶提升值來消除。圖7的活動的籽晶提升方案的目的是通過調節籽晶提升或拉升速率控制較大的直徑擾動，這種直徑擾動常發生在晶體31的肩體部分范圍內。同時還可通過快速的PID調節以調節熔體溫度使減小初始的直徑誤差。例如，在生長晶棒31的最初50mm之后，預期熔體29的溫度與晶體直徑較穩定并在控制之下。這時，最好控制從活動的籽晶提升狀態過渡至鎖定的籽晶提升狀態。功率控制回路261中的PID265提供未被調節籽晶提升所校正的直徑誤差的校正。籽晶提升回路217中的PID的增益回復至0而功率控制回路中的PID的增益設定至合適值以用于剩余的晶棒生長。
圖13說明一個根據本發明的優選實施例的帶有活動的與鎖定的拉升速率的直徑性能。在此例圖中，第一條曲線287表示晶棒長度范圍上的直徑而第二條曲線289表示相應的拉升速率。如上述，此例為得到最佳結果而使用一個活動的與鎖定的拉升速率的組合。
根據本發明的一個優選實施例，一個對晶體本體生長只使用沖擊功率的直徑控制提供完善的硅生長處理的好處。即，本發明提供鎖定的籽晶提升控制連同一個通過調節直徑控制的穩定的直徑控制。這種控制對策不但在晶體生長的本體階段而且在頸部、冠部、早期的本體及后來的錐形端部階段提供直徑控制方面的改進。本發明有利地在沖擊即功率脈沖作用后提供PID控制，以便當“沖擊”中存在建模誤差時提供更緊密的反饋。
考慮到本發明的鎖定的籽晶提升處理還可包括使用在運行期間產生斜升功率脈沖幅值與/或斜升脈沖寬度的斜升處理參數估算。通過在不同的生長階段改變功率脈沖的參數，本發明提供使同為改進全面控制所需要的處理相匹配的更好的控制。
在實踐中，使構造控制裝置11(以及晶體生長裝置13)中使用的部件有十分精密的公差是非常重要的。下列部件表提供一個適用于本發明的示例性部件清單PLC69Siemens Model TI575設定點調節109Ferrofluidics-零件號207683伺服放大器93Advanced Motion Controls-型號AMC 10A8轉速表與伺服電動機53Max-00 Motomatic II-零件號284-001-109編碼器85Accu-Coder-零件號755A-01-0060-PU編碼器77Ferrofluidics-零件號080010滑輪41Ferrofluidics-圖號206886A鼓43Ferrofluidics-圖號206075D纜索37鎢纜。直徑10英寸。
鑒于上述情況，可看到已達到了本發明的幾個目的并得到了其它有利的結果。
由于在上述結構與方法中可做各種改變而不違背本發明的范圍，因此意在表明包括在以上描述與附圖中表示的所有內容應解釋為是說明性的而不是限制性的。
權利要求
1.一種用于配合按照切氏處理生長單晶棒的晶體生長裝置的方法，所述晶體生長裝置有一個內裝用來生長晶棒的半導體熔體的加熱的坩堝，所述晶棒生長在一個從熔體中拉升的籽晶上，所述方法包括以下步驟確定一個代表響應供給加熱熔體的加熱器的功率變化的熔體溫度變化的溫度模型；以目標速率從熔體中拉升晶棒，所述目標速率基本上按照一個預定的速度分布；產生一個代表晶棒的目標直徑與測量直徑之間誤差的信號；對此誤差信號進行比例積分導數(PID)控制并產生一個作為它的函數的溫度設定點，所述溫度設定點代表熔體的一個目標溫度；從作為由PID控制產生的溫度設定點的函數的溫度模型確定供給加熱器功率的功率設定點；與根據功率設定點調節供給加熱器的功率從而改變熔體的溫度以控制晶棒的直徑。
2.根據權利要求1的方法，其中調節功率的步驟包括向加熱器供給一個功率脈沖，所述功率脈沖有一個預定的持續時間與一個比直接對應于溫度設定點的穩態值較大的幅值。
3.根據權利要求2的方法，其中確定功率設定點的步驟包括按下式計算功率輸出P1=P0+G*[k*Σn=0iTn-(k-1)*Σn=0iTn-m]]]>式中P1是當前功率，P0是初始功率，G是從溫度單位至kW的轉換，k是功率脈沖的幅值，Tn是時間t＝n時的溫度設定點，Tn-m是時間t＝n-m時的溫度設定點而m代表功率脈沖的持續時間。
4.根據權利要求1的方法，其中從溫度模型確定功率設定點的步驟包括確定一個接至溫度模型的輸入，所述接至溫度模型的輸入包括一個脈沖部分后隨一個穩態部分。
5.根據權利要求4的方法，其中接至溫度模型的輸入的脈沖部分有一個比直接對應于溫度設定點的穩態值較大的幅值。
6.根據權利要求4的方法，其中接至溫度模型的輸入的脈沖部分有一個由下式確定的持續時間t＝-τ*ln(1-1/k)式中τ是確定溫度模型的指數函數的時間常數，而k是代表接至溫度模型的輸入的脈沖部分的幅值。
7.根據權利要求1的方法，其中確定溫度模型的步驟包括確定一個延遲期、增益與一階滯后函數響應。
8.根據權利要求7的方法，其中確定溫度模型的步驟包括由下面的時間的指數函數確定一階滯后函數響應f(t)＝k*(1-exp(-(t-td)/τ)式中Td是一階滯后函數響應發生之前的延遲期，τ是此函數的時間常數，而k代表接至溫度模型的功率輸入的幅值。
9.根據權利要求1的方法還包括改變從熔體中拉升晶棒的速率以控制晶棒直徑的步驟，所述改變拉升速率的步驟發生在第一部分晶棒的生長期間，而所述以基本上按照預定的速度分布的目標速率拉升晶棒的步驟發生在第二部分晶棒的生長期間。
10.一種用于配合按照切氏處理生長晶棒的晶體生長裝置的裝置，所述晶體生長裝置有一個內裝用來生長晶棒的半導體熔體的加熱的坩堝，所述晶棒生長在一個從熔體中提升的籽晶上，所述裝置包括一個預定的速度分布圖，所述晶棒以基本上按照此速度分布圖的目標速率從熔體中拉升；一個產生作為晶棒的目標直徑與測量直徑之間誤差的函數的溫度設定點的比例積分導數(PID)控制器，所述溫度設定點代表一個熔體的目標溫度；一個溫度模型，代表響應供給加熱熔體的加熱器的功率變化的熔體的溫度變化，所述溫度模型確定作為由PID控制產生的溫度設定點的函數的供給加熱器的功率的功率設定點；一個用于加熱熔體的加熱器；與一個響應功率設定點以調節供給加熱器的功率從而改變熔體溫度以控制晶棒直徑的功率源。
全文摘要
一種隨著從熔體中拉升晶棒通過改變熔體的溫度以控制晶棒直徑的方法與裝置。晶棒以基本上按照預定的速度分布圖的目標速率從熔體中拉升。一個溫度模型代表響應供給加熱熔體的加熱器的功率變化的熔體的溫度變化。在產生代表目標熔體溫度的溫度設定點時,確定晶棒的目標直徑與測量直徑之間的誤差并對此誤差信號進行比例積分導數(PID)控制。PID控制器產生一個作為誤差信號的函數的溫度設定點。依次,溫度模型確定一個作為由PID控制器產生的溫度設定點的函數的供給加熱器的功率的功率設定點從而按照此功率設定點調節供給加熱器的功率。
文檔編號C30B15/22GK1344335SQ00805352
公開日2002年4月10日 申請日期2000年2月17日 優先權日1999年3月22日
發明者羅伯特·H·福爾霍夫, 斯蒂芬·L·基伯爾 申請人:Memc電子材料有限公司