[發明專利]在半導體晶體生長工藝中控制錐體生長的方法與系統

無效

• 申請號: 00807420.8
• 申請日: 2000-03-15
• 公開（公告）號: CN1350602A
• 公開（公告）日: 2002-05-22
• 發明（設計）人: 史蒂文·L·金貝爾;羅伯特·R·萬德三世
• 申請（專利權）人: MEMC電子材料有限公司
• 主分類號: C30B15/20
• 分類號: C30B15/20;C30B15/22
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所
• 代理人: 王永剛

技術領域

本發明一般涉及到改進用來制造電子元件的單晶半導體生長工藝的控制，確切地說，涉及到切克勞斯基晶體生長工藝中精確控制錐體生長的一種閉環方法與系統。

背景技術

單晶硅是大多數制造半導體電子元件工藝的原料。使用切克勞斯基工藝的拉晶設備生產了大部分的單晶硅。簡要地講，切克勞斯基工藝包括將專門設計的爐內石英坩堝中所裝的高純多晶硅熔融。在加熱坩堝使所裝的硅熔融后，晶體提升機構使籽晶下降與熔硅接觸。該機構然后從硅熔體中提拉籽晶拉出所生長的晶體。

在形成晶體細頸后，典型的工藝用降低拉速和/或熔體溫度來增大生長晶體的直徑，直至達到所要的直徑。在補償熔體液面降低時控制拉速和熔體溫度，使得生長的晶體主體具有近似恒定的直徑(即，一般為圓柱狀)。在接近生長工藝終了但坩堝中的熔硅尚未用盡之前，工藝過程使晶體直徑逐漸減小而形成尾錐。典型地，尾錐是由增加晶體拉速和坩堝供熱而形成的。當直徑變得足夠小時，晶體則與熔硅分離。在生長過程中，坩堝使熔體沿一個方向轉動，而晶體提升機構使其拉晶鋼索或軸與籽晶和晶體一起沿相反方向轉動。

雖然目前采用的切克勞斯基生長工藝已滿足了各種廣泛應用的單晶硅生長需要，但進一步的改進還是需要的。例如，一致的和可重復的籽晶-尾錐體狀將有助于保持一致的最大熱應力值，在晶體生長初期有一致的熱傳輸，并改善直徑測量系統的可靠性。為此，希望控制錐體生長，使生長的錐體形狀可重復，以改善錐體的一致性和可重復性。

常規的錐體生長控制常包括用嘗試和誤差調節來控制熔體的加熱，作為選擇，例如通過根據預設的溫度曲線來控制給定測量溫度(即，目標溫度～錐體直徑)的控制方法來控制加熱。這里引入其全部公開作為參考的美國專利5,223,078號和4,973,377號描述了常規的錐體生長控制。

例如，Maeda等的美國專利5,223,078號講述了一種控制鄰近籽晶(即，錐體)的晶體圓錐部分生長的方法。這種方法要求在錐體生長期間主動測量和調節工藝變量。在Maeda的方法中，對熔體溫度和正在生長的晶體錐體直徑進行測量。計算直徑的變化率，將這一變化率與預設的目標溫度和變化率值進行比較。然后根據目標溫度數據文件和目標直徑變化率數據文件的已有數據再確定目標溫度。加熱器的供電量則由比例積分微分(PID)控制器來控制，以得到正確目標溫度。按照這種方式，Meada等試圖使錐體部分的長度做得盡量短。

Katsuoka等的美國專利4,973,377號描述了一種控制熔體溫度和坩堝轉速來控制錐體直徑的方法。在此方法中，坩堝轉速的控制范圍在錐體部分的直徑趨近于晶體的本體部分時變得較窄，而在生長本體部分時變為恒定。

然而，這些辦法不能完全令人滿意。在美國專利5,223,078號中，告訴我們使用輻射測溫計作為控制熔體溫度的二次反饋。這種方法已做過嘗試，并且失敗了，因為在建立設備時輻射高溫計偶有阻塞，例如，SiO累積在輻射的視程上，而且高溫計的增益彼此有差異。除了這種相同的溫度控制方法外，美國專利4,973,377號講述了一種調節坩堝轉速來調節熔體溫度的方法。調節坩堝轉速改變了熔體的徑向流速，因而引入了附加的控制動力學，可能使直徑的控制變得不穩定。此外，坩堝轉速的改變使得坩堝壁處熔體中氧擴散層的厚度改變，調節坩堝轉速也將調節加入晶體的氧含量。由于氧的控制一般是客戶的指標，不希望為控制錐體形狀而改變氧含量。反過來，希望控制錐體形狀而與氧濃度的調節無關。而且，這些專利講述的控制技術不能提供合適的錐體生長重復性。

為此，希望有一種控制錐體生長的方法與系統，包括預設的溫度曲線與調節拉速相結合來控制錐體生長而生長形狀可重復的錐體，以改善錐體的一致性和可重復性。

發明內容?

本發明通過提供控制和操作的改進方法與系統，滿足了上述需要，克服了現有技術的不足。在本發明的幾個目的和特點中可注意到，提供這樣的方法與系統能使生長晶體的錐體部分形狀可重復；提供這樣的方法與系統能使錐體生長期間的最大熱應力值保持一致；提供這樣的方法與系統能使本體生長的初期保持一致的熱傳遞；以及可有效和經濟地實現這種方法，這種系統在經濟上是可行的且商業上是實用的。