[發(fā)明專利]單晶硅直徑控制法及其設(shè)備

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 91102922.2
• 申請(qǐng)日: 1991-04-27
• 公開（公告）號(hào): CN1056138A
• 公開（公告）日: 1991-11-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 川島章潔;佐藤晨夫;大川登志男
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 日本鋼管株式會(huì)社
• 主分類號(hào): C30B15/26
• 分類號(hào): C30B15/26
• 代理公司: 中國專利代理有限公司
• 代理人: 肖掬昌,曹濟(jì)洪

本發(fā)明涉及單晶硅直徑的一種控制法和控制設(shè)備，更具體地說，涉及單晶硅直徑的這樣一種控制法和控制設(shè)備，即在提拉單晶硅時(shí)，單晶硅在邊相對(duì)于坩堝旋轉(zhuǎn)邊連續(xù)形成的過程中控制經(jīng)提拉的單晶的直徑。

參看附圖2這一示意圖，圖中示出了應(yīng)用周知的制造象硅之類的半導(dǎo)體單晶的切克勞斯基法以制造單晶的設(shè)備。應(yīng)該注意的是，切克勞斯基法廣泛稱為CZ法，通常也叫做晶體提拉法。

圖中，在制造單晶硅的過程中，坩堝2中裝有由加熱器4加熱的熔融硅3，借助于圖中未示出的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使單晶硅1以相反于坩堝2的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)逐步由提拉設(shè)備7提拉上來，于是晶體就在熔融硅3與單晶硅1之間的界面區(qū)中生長。單晶硅1是通過晶體生長由籽晶1a生長出來的，籽晶1a則由連接到提拉設(shè)備7的籽晶夾具6加以固定。在下面的討論中，我們把生長過程中的單晶硅叫做提拉單晶。此外提拉設(shè)備7包括單晶硅1的垂直運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和單晶硅1的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，由電動(dòng)機(jī)控制器8、提拉電動(dòng)機(jī)9等組成。因此，這種設(shè)備是眾所周知的，故這里不再詳細(xì)說明其結(jié)構(gòu)。除上述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)外，坩堝2還由提升機(jī)構(gòu)（圖中未示出）支撐著，而且由該提升機(jī)構(gòu)而計(jì)得即使在晶體生長時(shí)液面也保持恒定而不致下降，而且使液面附近的溫度分布不變。

由于CZ法制造出來的提拉單晶1以后就加工成圓柱形的單晶硅錠，因而要求將晶體1提拉得使其整個(gè)晶體部分直徑大致相同。為此，在晶體提拉過程中直接用如視頻測定儀5之類的光學(xué)裝置測定提拉單晶的直徑，而且提拉晶體1是邊調(diào)節(jié)提拉速度邊提拉的，以使直徑保持在所要求的值上。在這種情況下，光學(xué)裝置是固定在晶體提拉設(shè)備上，因而出現(xiàn)在提拉單晶1與液體表面的界面處的熔融環(huán)是由單根測量線從上面傾斜地測定，從而直接測出提拉單晶1的直徑。

通過調(diào)節(jié)提拉速度的上述提拉單晶的直徑控制是這樣進(jìn)行的：將來自光學(xué)裝置的實(shí)際直徑測定值與要求的直徑值進(jìn)行比較，以使得出的偏差值經(jīng)周知的PID（比例積分微分）控制而計(jì)算出作為控制變量的提拉速度，再將此控制變量作為指令加到電動(dòng)機(jī)控制器8，由此控制提拉速度。

在上述單晶硅直徑控制方法和上述設(shè)備的情況下，通常的情況是，例如，當(dāng)晶體提拉設(shè)備的提拉速度發(fā)生變化時(shí)，單晶硅以這樣反應(yīng)或提拉單晶的直徑以這樣變化，使得經(jīng)過相當(dāng)長的時(shí)間之后其產(chǎn)生的影響才起作用（停滯時(shí)間長），而且變化速度小（變化或反應(yīng)速度低）。因此在將直徑測定值與要求的直徑值進(jìn)行比較以進(jìn)行PID控制時(shí)，為精確掌握提拉單晶直徑的變化，需要及時(shí)控制提拉速度，因而需要提前進(jìn)行控制，重點(diǎn)放在導(dǎo)數(shù)控制方面（微商作用）。但光學(xué)裝置測定出來的提拉單晶的直徑測定值中含有大量干擾因素，在這些干擾的影響下，提拉速度有變化過度的危險(xiǎn)，因而不可能著重進(jìn)行導(dǎo)數(shù)控制。因此對(duì)晶體直徑變化的控制是有一定的限度的，而且晶體的產(chǎn)量往往因此而下降。

此外，必須就地調(diào)節(jié)PID參數(shù)，因此僅僅為了調(diào)節(jié)PID參數(shù)就需要白白地提拉單晶硅。

本發(fā)明是為解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題而提出的，本發(fā)明的主要目的是提供一種經(jīng)過如此設(shè)計(jì)的單晶硅直徑控制法和控制設(shè)備，來改進(jìn)在直徑控制中所進(jìn)行的PID處理算法，而且加上停滯時(shí)間補(bǔ)償控制，從而確保在跟蹤要求值方面有所改進(jìn)，而且無需在現(xiàn)場調(diào)節(jié)PID參數(shù)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一種情況，本發(fā)明因此提供了一種經(jīng)過如此設(shè)計(jì)的單晶硅直徑控制法，使得在單晶硅邊相對(duì)于坩堝轉(zhuǎn)動(dòng)邊受提拉的單晶硅制造過程中，將光學(xué)裝置測出的單晶硅直徑測定值與要求的直徑值進(jìn)行比較，以確定與要求值的偏差，再對(duì)得出的偏差進(jìn)行不完全的微分PID處理，以計(jì)算提拉速度，再將提拉速度加到晶體提拉設(shè)備的電動(dòng)機(jī)控制器上，從而通過控制提拉速度控制提拉單晶的直徑。

按照本發(fā)明的另一種情況，本發(fā)明提供單晶硅直徑的這樣一種控制方法，其中的不完全微分PID處理用史密斯法處理代替來計(jì)算提拉速度。

按照本發(fā)明的第三種情況，本發(fā)明提供單晶硅直徑的一種控制設(shè)備，該設(shè)備包括一輸入裝置、一不完全微分PID計(jì)算裝置和一輸出裝置;輸入裝置用以接收光學(xué)裝置測出的提拉單晶的直徑測定值;不完全微分PID計(jì)算裝置用以將提拉單晶的直徑測定值與要求的直徑值進(jìn)行比較，以計(jì)算提拉速度;輸出裝置則用以將提拉速度加到晶體提拉設(shè)備的電動(dòng)機(jī)控制器上。

按照本發(fā)明的第四種情況，本發(fā)明提供這樣一種單晶硅直徑的控制設(shè)備，其中不完全微分PID計(jì)算裝置用史密斯法計(jì)算裝置代替。