專利名稱：晶體生長過程中的液態(tài)硅的電磁抽吸的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及生產(chǎn)可用于制造電子元件等的半導(dǎo)體等級單晶硅。更具體地，本發(fā)明涉及用于通過使用時變磁場在熔體內(nèi)產(chǎn)生抽吸力(pumping force)來控制熔體流動的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：
單晶硅是大多數(shù)用于制造半導(dǎo)體電子元件的工藝中的原料，它通常根據(jù)所謂的直拉法(Czochralski)工藝準備。在此工藝中，將多晶體硅或者多晶硅填充到坩堝內(nèi)并進行熔化，使籽晶與熔融的硅接觸，并通過較緩慢的抽拔來生長單晶體晶錠。在完成頸部的形成之后，減小拉晶速率和/或熔體溫度以使晶體的直徑擴大，直到達到預(yù)期或目標直徑。然后，通過控制拉晶速率和熔體溫度并同時補償降低的熔體液面來生長晶體的大致為圓柱形的具有基本恒定的直徑的主體。在生長過程接近結(jié)束但是坩堝內(nèi)的熔融硅清空之前，使晶體直徑逐漸減小以形成端部圓錐。通常，增加拉晶速率以及提供給坩堝的熱量可形成端部圓錐。然后，當直徑變得足夠小時，使晶體與熔體分離。
如本領(lǐng)域內(nèi)已知的，熔融硅(處于大約1420攝氏度(℃))將使容納熔體的硅石(SiO2)坩堝的表面溶解。一些被溶解的硅石作為SiO(一氧化硅)從熔體的表面蒸發(fā)，而一些被溶解的硅石則結(jié)合在生長的晶體內(nèi)。其余的被溶解的硅石會保留在熔體內(nèi)。這樣，容納硅熔體的坩堝就成為在通過傳統(tǒng)直拉法工藝生長的硅晶體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的氧的來源。
硅晶體內(nèi)的氧既具有有利的也具有不利的影響。在各種電氣設(shè)備的制造期間的各種熱處理過程中，晶體內(nèi)的氧會導(dǎo)致晶體缺陷例如沉淀物、位錯環(huán)和堆垛層錯，或者會引起導(dǎo)致設(shè)備具有較差運行特性的電活性缺陷。但是，晶體內(nèi)的氧固溶體會增加硅晶片的機械強度，并且晶體缺陷可通過俘獲重金屬的污染物提高合格產(chǎn)品的產(chǎn)量。因此，硅晶體內(nèi)的氧含量是影響產(chǎn)品品質(zhì)的重要因素，應(yīng)該根據(jù)硅晶片的最終應(yīng)用小心控制。
在工業(yè)中占主導(dǎo)的直拉法條件下所生長的傳統(tǒng)硅晶體內(nèi)的氧濃度沿晶體的長度改變。例如，在籽晶端部的濃度通常高于在晶體的中部和/或在底部或柄腳端(tang end)的濃度。另外，氧濃度通常沿晶體的橫截面切片的半徑改變。
為了解決氧控制問題，已經(jīng)注意到利用磁場來穩(wěn)定金屬和半導(dǎo)體熔體內(nèi)的對流以便控制氧濃度和徑向分布從而除去摻雜物條痕等。例如，可利用根據(jù)感應(yīng)電流和施加的磁場在導(dǎo)電熔體內(nèi)生成的洛倫茲力來減緩自然對流和湍流。對流是指通過流體自身的運動在流體內(nèi)進行熱傳遞的過程。
通常，存在兩種對流自然對流和強制對流。當熔體的運動例如是由于存在加熱器導(dǎo)致的密度梯度時會發(fā)生自然對流。當熔體的運動是由于外部因素例如坩堝和/或晶體的旋轉(zhuǎn)時會發(fā)生強制對流。在普通直拉法工藝中，熔體流動由坩堝和正在生長的晶體的運動以及系統(tǒng)內(nèi)的熱流控制。由于熔體處于高溫(＞1412C)并且存在大的熱通量，所以熔體內(nèi)的溫度梯度會很大，從而熱對流在確定熔體流動方面起很大作用?？墒褂弥孀鴺讼到y(tǒng)的分量(例如r，θ，z)來描述軸對稱的拉晶機內(nèi)的熔體流動。例如，由于旋轉(zhuǎn)坩堝3導(dǎo)致的強制對流通常會產(chǎn)生在方位角上沿θ方向的熔體運動(見圖1A)，而自然對流通常會產(chǎn)生整體性熱對流滾動(roll)，其中熔體沿r方向徑向移動并且沿z方向垂直移動(見圖1B)。如本領(lǐng)域內(nèi)已知的并且在下文詳細說明的，導(dǎo)電液體(例如熔體)的運動方向以及施加于熔體的磁場的形狀確定了將在熔體內(nèi)感應(yīng)出的電場和/或電流的方向。當電荷(例如電流)移入磁場時，將會有力作用在該移動的電荷上(即楞次定律)。鑒于這些原理，已經(jīng)利用各種磁場形態(tài)在硅熔體內(nèi)產(chǎn)生力以便在晶體生長期間穩(wěn)定對流，控制氧濃度，以及除去摻雜物條痕，等等。
存在三種傳統(tǒng)類型的用于穩(wěn)定導(dǎo)電熔體內(nèi)的對流的磁場形態(tài)，即軸向、水平和會切(cusped)。
軸向(或垂直)磁場形態(tài)(例如見圖2A)具有平行于晶體生長方向的磁場。在此形態(tài)中，熔體沿θ方向的運動會感應(yīng)出沿r方向的電場，然而該電場最小，即使在熔體內(nèi)有任何電流流動。但是，如圖1B內(nèi)所示的熔體在r-z平面內(nèi)的運動會感應(yīng)出沿θ方向的電流，該電流在熔體頂部附近沿逆時針流動并在熔體底部附近沿順時針流動(例如見圖2B)。應(yīng)指出，在坩堝的右側(cè)出現(xiàn)的“X”和左側(cè)出現(xiàn)的對應(yīng)的“.”表示從坩堝頂部看的逆時針方向，在坩堝的左側(cè)出現(xiàn)的“X”和右側(cè)出現(xiàn)的對應(yīng)的“.”表示從坩堝頂部看的順時針方向。由于熔體沿θ方向的運動的結(jié)果是感應(yīng)出最小電流，所以即使存在的話，在熔體內(nèi)也僅產(chǎn)生最小的力以減速沿θ方向的熔體流動。但是，由于在r-z平面內(nèi)的對流而在熔體內(nèi)感應(yīng)出的電流會在熔體內(nèi)產(chǎn)生這樣的力，該力會減速產(chǎn)生該力的熔體流動。
在水平(或橫向)磁場形態(tài)中(見圖3)，兩個磁極(未示出)相對地放置以生成垂直于晶體生長方向的磁場。水平形態(tài)的優(yōu)點是有效地抑制熔體表面處的對流。但是當在大直徑的直拉法生長過程中施加水平磁場形態(tài)時，其軸向和徑向的不均勻性以及復(fù)雜和龐大的設(shè)置會帶來另外的設(shè)計考慮。在此形態(tài)中，減速力不是軸對稱的，從而將失去系統(tǒng)的方位角對稱性。
會切磁場形態(tài)(例如見圖4A)與軸向和水平磁場形態(tài)相比具有一些優(yōu)勢。同軸地放置在熔體-固體界面之上和之下的并且以反向電流模式操作的一對線圈(未示出)生成磁場，該磁場在熔體表面附近具有純徑向場分量并在熔體中心附近具有純軸向場分量。這樣，會切磁場形態(tài)試圖在熔體和晶體之間的界面處保持方位角對稱性。文中使用的“方位角對稱性(azimuthal symmetry)”是指這樣的特性，即具有與方位角位置無關(guān)的相同值同時在不同的徑向位置具有不同的值。在此形態(tài)中，熔體沿θ方向的運動會感應(yīng)出導(dǎo)致電流在熔體邊緣向下流動并且在中心向上流動的電場(見圖4B)，并且如圖1B內(nèi)所示的熔體在r-z平面內(nèi)的運動會感應(yīng)出沿θ方向的電流，該電流在熔體頂部附近沿逆時針方向流動而在熔體底部附近沿順時針方向流動(見圖4C)。由于沿θ方向和在r-z平面內(nèi)的熔體流動而在熔體內(nèi)感應(yīng)出的電流均在熔體內(nèi)產(chǎn)生力。由感應(yīng)電流產(chǎn)生的力會減速產(chǎn)生各個電流的熔體流動。
由于這些傳統(tǒng)的磁場通常僅限于減速熔體流動，所以需要一種改進的對晶體生長過程的控制，以解決這些傳統(tǒng)磁場形態(tài)不能選擇性地在熔體內(nèi)產(chǎn)生加速熔體流動的力的問題。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過提供一種系統(tǒng)和方法來滿足以上要求并克服現(xiàn)有技術(shù)的一個或多個缺陷，該系統(tǒng)和方法在短期和長期兩種規(guī)模的生長過程期間將時變磁場施加于熔體以便在熔體內(nèi)生成抽吸力從而控制熔體流動。通過在直拉法(Cz)晶體生長過程中影響液態(tài)硅的流動，可以控制熔體內(nèi)的熱傳遞和物質(zhì)傳遞，從而確定從熔體生長出的晶體的成分和特性以及生長過程本身。此外，本發(fā)明提供了所需的具有改進的效率、靈活性和能力的熔體流動控制，其結(jié)合了三種傳統(tǒng)磁場形態(tài)的優(yōu)點并且同時具有另外的優(yōu)點。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種用于控制晶體生長裝置內(nèi)的晶體生長的方法。晶體生長裝置具有容納半導(dǎo)體熔體的被加熱的坩堝，從該熔體根據(jù)直拉法工藝生長單晶體晶錠。該晶錠在從熔體拉出的籽晶上生長。該方法包括將影響熔體內(nèi)的對流的磁場施加于熔體。該方法還包括感測從熔體拉出的晶錠的生長參數(shù)。該方法還包括將感測的生長參數(shù)和目標生長參數(shù)相比較以確定功率調(diào)節(jié)參數(shù)。該方法還包括根據(jù)所確定的功率調(diào)節(jié)參數(shù)在從熔體拉制晶錠的同時改變磁場，以便在熔體內(nèi)生成抽吸力從而改變?nèi)垠w內(nèi)的對流的速度。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種用于控制晶體生長裝置內(nèi)的晶體生長的方法。晶體生長裝置具有容納半導(dǎo)體熔體的被加熱的坩堝，從該熔體根據(jù)直拉法工藝生長單晶體晶錠。該晶體生長裝置還具有第一和第二線圈，該線圈被供電以生成施加于熔體的磁場。該晶錠在從熔體拉出的籽晶上生長。該方法包括存儲電流分布圖(profile)。該電流分布圖限定了用于根據(jù)晶錠的長度向第一和第二線圈供電的電流。該方法還包括分別利用由電流分布圖限定的第一和第二電流向第一和第二線圈供電以生成施加于熔體的磁場。該方法還包括根據(jù)存儲的電流分布圖改變第一和第二電流。改變第一和第二電流會導(dǎo)致施加于熔體的磁場在熔體內(nèi)生成抽吸力。該抽吸力改變?nèi)垠w內(nèi)的對流的速度。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于校正在晶體生長裝置內(nèi)生長的硅晶體失去零位錯生長的方法。晶體生長裝置具有容納半導(dǎo)體熔體的被加熱的坩堝，從該熔體根據(jù)直拉法工藝生長單晶體晶錠。該晶體生長裝置還具有第一和第二線圈，該線圈被供電以生成施加于熔體的磁場。該晶錠在從熔體拉出的籽晶上生長。該方法包括存儲電流分布圖。該電流分布圖根據(jù)晶錠長度限定了第一電流和第二電流，該第一電流具有第一相位并用于向第一線圈供電，該第二電流具有第二相位并用于向第二線圈供電。該第一電流的第一相位與第二電流的第二相位異相。該方法還包括分別利用由電流分布圖限定的第一和第二電流向第一和第二線圈供電以生成施加于熔體的磁場。該方法還包括根據(jù)存儲的電流分布圖改變第一和第二電流。改變第一和第二電流會導(dǎo)致施加于熔體的磁場在熔體內(nèi)生成抽吸力，該抽吸力改變?nèi)垠w內(nèi)的對流的速度。
可選擇地，本發(fā)明可包括多種其他方法和裝置。
其他特征部分將是顯而易見的，部分將在下文指出。



圖1A和1B分別示出強制對流和自然對流導(dǎo)致的在坩堝內(nèi)的示例性的熔體流動的方向。
圖2A是示出施加于晶體生長裝置內(nèi)的容納熔體的坩堝的軸向磁場的簡圖。
圖2B示出對于圖1A內(nèi)所示的熔體流動由圖2A內(nèi)所示的磁場形態(tài)在熔體內(nèi)感應(yīng)出的電流的方向。
圖3A是示出施加于晶體生長裝置內(nèi)的容納熔體的坩堝的水平磁場的簡圖。
圖4A是示出施加于晶體生長裝置內(nèi)的容納熔體的分別具有圖1A和1B內(nèi)所示的熔體流動的坩堝的會切成形磁場的簡圖。
圖4B和4C示出圖4A內(nèi)所示的磁場形態(tài)在熔體內(nèi)感應(yīng)出的電流的方向。
圖5示出用于控制晶體生長裝置的根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的晶體生長裝置。
圖6A是示出根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的構(gòu)造成用于施加時變磁場以在熔體內(nèi)產(chǎn)生抽吸力的晶體生長裝置控制系統(tǒng)的組成部件的框圖。
圖6B-6D示出增加會切成形磁場的軸向分量的效果。
圖7A是示出根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例的構(gòu)造成用于在整個晶體生長過程期間向熔體施加時變磁場的晶體生長裝置控制系統(tǒng)的組成部件的框圖。
圖7B-7D示出增加會切成形磁場的徑向分量的效果。
圖8是示出依照一個示例性電流分布圖在熔體內(nèi)生成的根據(jù)晶體長度而變化的力的示例性圖表。
圖9是示出通過調(diào)節(jié)供給晶體生長裝置內(nèi)的上部和下部線圈的電流之間的相位差對晶體的生長線產(chǎn)生的影響的晶體的輪廓視圖。
圖10是示出用于改變?nèi)垠w內(nèi)的對流的速度的圖7A的系統(tǒng)的操作的流程圖。

具體實施例方式 本發(fā)明的實施例提供了一種在直拉法晶體生長過程期間改進硅熔體內(nèi)的整體性熔體流動型式的控制系統(tǒng)。更具體地，將時變(即動態(tài))磁場施加于熔體以在熔體內(nèi)生成向上或向下的抽吸力。有利地，這些抽吸力可用于根據(jù)需要增加或減小熔體流動的速度。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，控制系統(tǒng)具有兩種操作模式，其中可在熔體內(nèi)生成抽吸力以對熔體流動速度實現(xiàn)預(yù)期效果(即增加或減小)。在第一操作模式中，施加于熔體的磁場針對一段時間期間改變，并且響應(yīng)于控制參數(shù)例如直徑而在熔體內(nèi)生成增加或減小熔體流動速度的抽吸力。在第二操作模式中，施加于熔體的磁場可在整個晶體生長過程期間改變以在熔體內(nèi)生成增加或減小熔體流動速度的抽吸力，直到實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流速。
現(xiàn)在參照圖5，其中示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的與直拉法晶體生長裝置一起使用的系統(tǒng)。通常，晶體生長裝置包括包圍坩堝3的真空室1。在坩堝3內(nèi)是具有熔體液面11的硅熔體9。在操作時，該裝置從熔體中拉制單晶體13，這從附裝到拉晶軸或纜線17上的籽晶15開始。簡單參照圖7A，如果使用纜線17，則拉制軸或纜線17的一端通過滑輪(未示出)連接到滾筒，而另一端連接到保持籽晶15的卡盤(未示出)，從該籽晶15生長晶體13。
加熱裝置例如電阻加熱器5圍繞坩堝3。在加熱和晶體拉制期間，坩堝驅(qū)動單元(例如馬達)7使坩堝3例如沿箭頭所示的順時針方向旋轉(zhuǎn)。坩堝驅(qū)動單元7還可以在生長過程期間根據(jù)需要升高和/或降低坩堝3。
坩堝3和單晶體13具有公共對稱軸線19。坩堝驅(qū)動單元7可隨著熔體9的消耗升高坩堝3以將熔體的液面11維持在預(yù)期的高度。類似地，晶體驅(qū)動單元21沿與坩堝驅(qū)動單元7旋轉(zhuǎn)坩堝3的方向相反的方向旋轉(zhuǎn)拉晶軸或纜線17(例如逆方向旋轉(zhuǎn))。在使用相同旋轉(zhuǎn)的實施例中，晶體驅(qū)動單元21可沿與坩堝驅(qū)動單元7旋轉(zhuǎn)坩堝3的方向相同的方向(例如順時針方向)旋轉(zhuǎn)拉制軸或纜線17。另外，晶體驅(qū)動單元21在晶體生長期間根據(jù)需要相對于熔體液面11升高和降低晶體13。
根據(jù)直拉法單晶體生長工藝，向坩堝3內(nèi)填充一定量的多晶體硅或多晶硅。加熱器電源23向電阻加熱器5供電，并且絕緣體25襯在真空室1的內(nèi)壁上。當真空泵31從真空室1中除去氣體時，氣體源(例如瓶子)27經(jīng)由氣體流控制器29向真空室1供給氬氣。從貯液器35被供給冷卻水的室冷卻護套33圍繞真空室1。該冷卻水隨后被排放到冷卻水返回歧管37。通常，溫度傳感器例如光電元件39(或者高溫計)測量在熔體表面處的熔體溫度，直徑轉(zhuǎn)換器/傳感器41測量單晶體13的直徑。處理器例如控制單元43處理光電元件39和直徑轉(zhuǎn)換器41生成的信號?？刂茊卧?3可以是被編程的數(shù)字或模擬計算機；它控制坩堝驅(qū)動單元7和單晶體驅(qū)動單元21、加熱器電源23、泵31和氬氣流控制器29。
上部磁體例如電磁線圈45和下部磁體例如電磁線圈47分別位于硅熔體液面11上方和下方。在所示的實施例中，以橫截面示出的線圈45、47圍繞真空室并且具有公共的對稱軸線19。上部和下部線圈45、47具有單獨的電源，即上部線圈電源49和下部線圈電源51，每個電源均由控制單元43控制。電流在兩個電磁線圈45、47內(nèi)流動并產(chǎn)生磁場。貯液器53在經(jīng)由冷卻水返回歧管37排放之前對上部和下部線圈45、47提供冷卻。在所示的實施例中，鐵屏蔽55圍繞上部和下部線圈以減小雜散磁場并提高所產(chǎn)生的磁場的強度。線圈45、47內(nèi)的電流的方向和幅值確定了磁場的形狀。例如，當電流沿相同方向(即相同極性)提供給每個線圈時，軸向成形磁場被施加于熔體(見圖2A)。相反，當電流沿相反方向(即相反極性)提供給線圈時，會切成形磁場被施加于熔體(見圖4A)。
在晶體拉制過程中，電流流過線圈45、47以在硅熔體9和坩堝3上施加具有預(yù)定強度的磁場。該預(yù)定強度可根據(jù)需要改變。例如，該強度可根據(jù)晶體13的直徑、坩堝3的直徑、裝料量、以及預(yù)期的氧含量而改變。通常，磁場具有小于數(shù)千高斯的最大預(yù)定強度，并且可具有在大約400到1000高斯之間的最大預(yù)定強度。隨著晶體13的長度增加(即，隨著凝固的熔融裝料的比例增加)，控制單元43通過改變流過線圈的電流量(例如通過控制上部和下部線圈電源49和51)、通過相對于坩堝3移動線圈、或者通過移動或除去磁屏蔽來改變磁場強度。
會切成形磁場可施加在熔體9上以沿軸向和徑向方向調(diào)節(jié)具有較大直徑且尤其處于較低氧濃度的單晶體棒材的氧濃度。電流如圖所示通過上部和下部線圈45、47(“.”表示電流流出頁面，“X”表示電流流入頁面)，從而在坩堝3和硅熔體9上施加磁場。該磁場具有與坩堝3的底部和側(cè)壁垂直相交的軸向和徑向分量。另外，該磁場可具有與硅熔體表面11垂直相交的軸向分量。與熔融硅表面11垂直相交的平均磁場分量可小于與接觸熔融硅的坩堝3的底部和側(cè)壁垂直相交的平均磁場分量。
具有中央處理器(CPU)71和存儲器73的控制單元43連接到一個或多個輸入/輸出(I/O)裝置(例如39、41)，以便接收代表所感測的生長參數(shù)例如熔體9的溫度和/或晶體13的直徑的輸入信號。共同轉(zhuǎn)讓的US專利No.5178720公開了一種用于根據(jù)晶體直徑控制晶體和坩堝旋轉(zhuǎn)速度的方法，該專利全文結(jié)合在此作為參考。共同轉(zhuǎn)讓的US專利No.5882402、US專利No.5846318、US專利No.5665159和US專利No.5653799提供了對包括晶體直徑在內(nèi)的多個晶體生長參數(shù)的精確和可靠的測量，這些專利全文結(jié)合在此作為參考。在這些專利中，圖像處理器處理熔體-固體界面的圖像以確定直徑。當直徑變得足夠小時，晶體13隨后與熔體9分離。
存儲器73存儲目標生長參數(shù)數(shù)據(jù)例如目標直徑和/或目標分布圖數(shù)據(jù)。目標分布圖數(shù)據(jù)包括例如與晶體長度有關(guān)的每個磁體電源49、51的輸出電流設(shè)定值。上部和下部線圈45、47經(jīng)由磁體電源49、51被供電以產(chǎn)生具有會切成形磁場的磁場。理想的會切磁場具有在熔體表面處大致水平的徑向分量和在拉晶機的軸線上大致垂直的軸向分量(見圖4A)。會切成形磁場由控制單元43生成，該控制單元43控制電源49、51以分別向上部和下部線圈45、47提供幅值基本相等而極性相反的電流。例如，控制單元43通過控制電源49向上部線圈45提供幅值為-100安培的電流并控制電源51向下部線圈47提供幅值為+100安培的電流來生成會切成形磁場。應(yīng)指出，“-”和“+”用于指示上部線圈和下部線圈內(nèi)的電流沿相反方向流動。應(yīng)理解，在圖7A中放大了包括加熱器線圈45、47和直徑傳感器41的拉晶機的細節(jié)，同時為了清楚起見省略了圖5內(nèi)所示的拉晶機的其他細節(jié)。
上部和下部線圈45、47制造成使得當它們以相同功率分配(即都處于最大功率輸入的相同百分比)操作時，會切點位置保持在熔體液面11(例如熔體-固體界面)處。中央處理器(CPU)71響應(yīng)于經(jīng)由鏈路716、718接收到的生成信號和/或存儲的目標數(shù)據(jù)，修改上部和下部線圈45、47內(nèi)的功率分配以使會切點位置向上或向下移動，并改變磁場的軸向或徑向分量的相對幅值。例如，為了將磁場的徑向分量調(diào)節(jié)到高于或低于熔體液面11(例如熔體-固體界面)，控制單元43控制功率分配以增加或減小磁場的軸向分量。換句話說，控制單元43控制從電源49和51提供給上部和下部線圈的電流，以施加具有傾斜變化的(ramping)(例如增加或減小的)軸向磁場的會切成形磁場。
現(xiàn)在參照圖6A，其示出根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的用于在熔體內(nèi)生成抽吸力的系統(tǒng)600的組成部件?？刂茊卧?3控制電源49、51以沿相同的代數(shù)方向改變提供給上部和下部線圈45、47的電流，以獲得具有增加的軸向磁場分量的會切成形磁場。例如，控制單元43控制上部電源49以將提供給上部線圈45的電流的量從大約-100安培增加到大約-95安培(即較小的負值)，并且控制電源51以將提供給下部線圈47的電流的量從大約+100安培增加到大約+105安培。作為一個可選擇示例，為了獲得具有減小的軸向磁場分量的會切成形磁場，控制單元43控制電源49以將提供給上部線圈45的電流的量從大約-100安培減小到大約-105安培(即更大的負值)，并且控制電源51以將提供給下部線圈47的電流的量從大約+100安培減小到大約+95安培。如下文所述，增加或減小磁場的軸向分量會在熔體9內(nèi)感應(yīng)出電流。感應(yīng)出的電流與施加于熔體9的磁場相互作用以在熔體9內(nèi)產(chǎn)生力，該力促進或者抵抗通常由整體性熱對流導(dǎo)致的熔體的總體滾動運動。
圖6B-6D示出會切成形磁場以及當所施加的會切成形磁場具有增加的軸向分量時熔體內(nèi)的感應(yīng)電流和力的方向。如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的，導(dǎo)體內(nèi)的感應(yīng)電流的幅值和方向均可根據(jù)感應(yīng)電場確定，而感應(yīng)電場可根據(jù)由穿過坩堝區(qū)域A(見圖6B)的變化的磁場B(例如增加的軸向分量)導(dǎo)致的變化的磁通量確定。盡管軸向分量可增加或減小，但是為了舉例說明的目的，下文對電磁原理的說明將假設(shè)磁場具有增加的軸向分量。
如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的，對于具有垂直于盤的表面的均勻磁場的半徑為r的盤，磁通量可由下式確定 Φ＝πr2B，(1) 并且當磁場的軸向分量Bz改變時，通過區(qū)域A的磁通量的變化可由下式確定 dΦ/dt＝A dBz/dt，(2) 其中dBz/dt是磁場的軸向分量的變化率。
在熔體液面11的平面內(nèi)的路徑周圍感應(yīng)出電動勢(emf)，該電動勢可通過下式確定 ε＝-dΦ/dt＝-πr2dBz/dt(3) 應(yīng)指出，坩堝3的右側(cè)出現(xiàn)的“X”和左側(cè)出現(xiàn)的對應(yīng)的“.”表示從坩堝3的頂部看的逆時針方向，坩堝3的左側(cè)出現(xiàn)的“X”和右側(cè)出現(xiàn)的對應(yīng)的“.”表示從坩堝3的頂部看的順時針方向。在此情況下，感應(yīng)出的emf沿順時針方向產(chǎn)生電流(見圖6C)。在盤的周邊2πr周圍的電場可由下式確定 Eθ＝-r/2dBz/dt(4) 在橫截面面積為AC的圓環(huán)內(nèi)感應(yīng)出的電流可由下式確定 I＝J·AC(5) 其中J是電流密度。電流密度可使用下式計算 J＝σ·E(6) 其中σ是導(dǎo)電材料(例如硅)的導(dǎo)電率。
通過組合式(4)、(5)和(6)，可得到下式并用該式計算由于凈磁場的增加的軸向分量而在熔體9內(nèi)感應(yīng)出的電流 I＝σAC(r/2)dBz/dt(7) 當電流通過磁場內(nèi)的導(dǎo)體時，在導(dǎo)體上施加力并且該力可用下式計算 F＝I(lXB) (8) 其中是Iθ沿θ方向的感應(yīng)電流，l是導(dǎo)體沿電流方向的長度。因此，當磁場的徑向分量Br與環(huán)內(nèi)的感應(yīng)電流相互作用時，在環(huán)上產(chǎn)生軸向方向的力Fz和徑向方向的力Fr，并且該力可由下式確定 Fz＝-2πrIθBr(9) Fr＝2πrIθBz (10) 將右手規(guī)則原理應(yīng)用于式(9)和(10)可得到在熔體9內(nèi)產(chǎn)生的力的預(yù)期方向(見圖6D)。從圖6D可見，在點P1處在環(huán)上產(chǎn)生向上的力。通過在熔體9內(nèi)生成這種力并控制這種力的方向，本發(fā)明提供了一種改進的用于控制熔體9內(nèi)的整體性熔體流動型式并從而在硅晶錠制造過程期間控制生長參數(shù)(例如直徑、氧含量)的方法。
在此第一操作模式中，不能在較長的一個時間期間內(nèi)維持熔體9的流速的變化。為了舉例說明的目的，假設(shè)由于會切成形磁場的增加的軸向磁場分量產(chǎn)生的力導(dǎo)致的在熔體9內(nèi)的P1處產(chǎn)生向上的速度。如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的，還將響應(yīng)于向上的速度在P1處產(chǎn)生反電動勢。實際上，將在P1處產(chǎn)生方位角電場，并且該電場可由下式確定 Eback＝v×Br(11) 其中v是在P1處的熔體的向上速度。當與反電動勢相關(guān)聯(lián)的此第二電場與dBz/dt產(chǎn)生的電場平衡時，將達到穩(wěn)態(tài)速度v。此關(guān)系由下式表示 vBr＝r/2dBz/dt (12) 或v＝(r/2)(dBz/dt)/Br(13) 從附錄A所述的示例中可見，由于感應(yīng)電場而在熔體9內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)速度所需的時間t與磁場的徑向分量的平方(即Br2)成反比。穩(wěn)態(tài)速度與磁場的軸向分量Bz相對于時間的導(dǎo)數(shù)成正比而與Br成反比。從附錄A可見，達到穩(wěn)態(tài)速度所需的時間可用下式確定 因此，可非常快地達到穩(wěn)態(tài)速度。因此，增加會切成形磁場的軸向分量會導(dǎo)致熔體流動速度變化，但是將較快地達到新的穩(wěn)態(tài)速度。
返回參照圖6A，在此實施例中，控制單元43構(gòu)造成開環(huán)控制系統(tǒng)，并且在有限的一段時間內(nèi)在熔體內(nèi)生成抽吸力以便對生長晶體13內(nèi)的一個或多個生長參數(shù)實現(xiàn)預(yù)期效果。在操作期間，I/O裝置41感測生長參數(shù)例如硅晶體的直徑，并生成代表所感測的直徑的輸出信號。控制單元43將接收到的輸出信號轉(zhuǎn)換成感測的直徑值，并計算感測的直徑值和目標直徑值之間的差值。如果計算的差值超過閾值(例如5％)，則控制單元43使提供給上部和下部線圈45、47的每個電流的相對幅值改變預(yù)定量，以增加或減小由整體性熱對流導(dǎo)致的熔體流動的速度，并從而增加或減小晶體的直徑。例如，如果感測的直徑大于目標直徑且計算的差值超過閾值，則控制單元43控制電源49、51以將提供給上部和下部線圈45、47的電流的幅值增加預(yù)定量(例如+5安培)，以獲得具有增加的軸向磁場分量的會切成形磁場。如上所述，具有增加的軸向磁場分量的會切成形磁場在熔體內(nèi)生成力，該力會增加熔體朝晶體-熔體界面的流動速度，從而減小在晶體-熔體界面處的晶體的直徑。作為一個可選擇示例，如果感測的直徑小于目標直徑并且計算的差值超過閾值，則控制單元43控制電源49、51以將提供給上部和下部線圈45、47的電流的相對幅值減小預(yù)定量(例如-5安培)，以獲得具有減小的軸向磁場分量的會切成形磁場。具有減小的軸向磁場分量的會切成形磁場在熔體內(nèi)生成力，該力會減小熔體朝晶體-熔體界面的流動速度，從而增加在晶體-熔體界面處的晶體的直徑。盡管以上所述生長參數(shù)是直徑，但是應(yīng)理解，本發(fā)明可設(shè)想在熔體內(nèi)生成抽吸力以影響在過程期間可被感測的其他生長參數(shù)(例如溫度和界面高度)。
在一個實施例中，控制單元43沿晶體13的長度以預(yù)定的間隔計算感測的直徑值與目標直徑值之間的差值，并且在必要時使提供給上部和下部線圈45、47的電流的幅值增加或減小預(yù)定量。換句話說，只要計算出的感測的直徑值和目標直徑值之間的差值表明實際的差值大于閾值，則在拉晶期間重復(fù)進行該過程。
現(xiàn)在參照圖7A，其中示出根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例的用于在熔體內(nèi)生成穩(wěn)態(tài)抽吸力的系統(tǒng)700的組成部件。在此實施例中，控制單元43不是改變提供給上部和下部線圈45、47的電流的相對幅值，而是控制電源49、51以改變提供給上部和下部線圈45、47的交變電流信號之間的相對相位差，以獲得具有循環(huán)會切點和軸向磁場分量的會切成形磁場。應(yīng)指出，提供給線圈45、47的電流的增加或減小的量受到限制，但是如果需要的話，交變電流的相位可無限地改變。如下文提到的，使磁場的會切點和軸向磁場分量循環(huán)可在熔體內(nèi)感應(yīng)出電流，該電流與施加于熔體9的磁場相互作用以在熔體9內(nèi)生成促進或抵抗通常由整體性熱對流導(dǎo)致的熔體的總體滾動運動的被時間平均的穩(wěn)態(tài)抽吸力。例如，提供給上部和下部線圈45、47的電流之間的第一相位差在熔體內(nèi)產(chǎn)生促進總體滾動運動的力，而提供給上部和下部線圈45、47的電流之間的第二相位差在熔體內(nèi)產(chǎn)生抵抗總體滾動運動的力。
圖7B-7D示出成形會切磁場以及當施加的會切成形磁場具有增加的徑向分量時熔體內(nèi)的感應(yīng)電流和力的方向。盡管徑向分量可增加或減小，但是為了舉例說明的目的，下文對電磁原理的說明中將假設(shè)磁場具有增加的徑向分量。
從上文的式(1)可見，當磁場的徑向分量Br改變時，磁通量的改變可由下式確定 dΦ/dt＝AdBr/dt，(15) 為了簡化分析，假設(shè)Br在高度Δh上從切點705朝熔體9的表面11線性改變(見圖7B)。因此，在距離Δh上的Br的平均值為Br/2，并且總的磁通量由下式確定 Φ＝2πrΔhBr/2，(16) 從上文的等式(3)可見，感應(yīng)出的總電動勢為 ε＝-dΦ/dt＝-πrΔhdBr/dt(17) 此總電動勢在包圍變化的磁通量的表面周邊的周圍生成。由于在該表面的邊界即切點705處磁場平行于坩堝的壁，所以在該邊界處磁通量沒有變化，從而圍繞底部邊界的電動勢為零(0)。在坩堝3的側(cè)壁上沒有凈電動勢，所以必然在頂部表面處感應(yīng)出總電動勢。如上文所述，感應(yīng)電動勢在導(dǎo)體內(nèi)生成電流。在此情況下，電流沿逆時針方向生成(見圖7C)。由于在圓周2πγ處感應(yīng)出電動勢，所以電場可由下式確定 Eθ＝(Δh/2)dBr/dt(18) 磁場的徑向分量Br與環(huán)內(nèi)的感應(yīng)電流相互作用以在P1處在環(huán)上生成向下的力，該力可由下式確定 Fz＝2πrI×Br(19) 將右手規(guī)則原理應(yīng)用于式(19)可得到熔體內(nèi)生成的力的預(yù)期方向(見圖7D)。式(4)和(18)的比較表明，對于相同的會切磁場背景，由磁場的變化的軸向分量得到的電場(即Eθ＝-r/2dBz/dt)和由磁場的變化的徑向分量得到的電場(即Eθ＝(Δh/2)dBr/dt)是相似的。此外，由于r和Δh大約為相同值，所以力會非常接近。
如果磁場的徑向和軸向分量同時改變，則沿逆時針方向的總(凈)電場可由下式確定 Eθ＝-(r/2)dBz/dt+(Δh/2)dBr/dt(20) 通過組合式(5)、(6)和(9)，可得到下面的力公式 Fz＝-2πrσEθACBr(21) 合并式(20)，可得到下式 Fz＝πrσACBr[r·dBz/dt-Δh·dBr/dt](22) 因此，如果兩個場均改變，則在熔體9內(nèi)的特定點(例如P1)生成合力，該合力對應(yīng)于改變的軸向分量生成的力和改變的徑向分量生成的力的和。在此情況下，可通過向上部和下部線圈45、47分別提供交變電流來使Br和Bz分量循環(huán)。應(yīng)指出，Br和Bz同相地循環(huán)將產(chǎn)生不具有凈時間均值的振蕩力，從而將對熔體流動沒有凈效應(yīng)。但是，Br和Bz異相地循環(huán)(例如δ＝π/2)使得可以在坩堝壁附近施加向上或向下的方位角對稱的力，該力可被無限地維持。例如，假設(shè)在P1處的磁場的循環(huán)徑向分量由下式確定 Br＝Br0+ΔBrsinωt(23) 其中Br0是磁場的靜止徑向分量。此外，假設(shè)在P1處的磁場的循環(huán)軸向分量由下式確定 Bz＝Bz0+ΔBzcosωt(24) 特別要指出的是，Bz0是磁場的靜止軸向分量，并且在P1處等于零(0)。
因此，通過組合式(22)、(23)和(24)，可得到下式以確定在P1處施加在環(huán)上的力 F＝πrσAC[Br0+ΔBrsinωt][-rωΔBzsinωt-ΔhωΔBrcosωt](25) 其中，該式還可表示為 F＝-πrσACω{Br0[rΔBzsinωt+ΔhΔBrcosωt]+ΔBr[rΔBzsin2ωt+ΔhΔBrsinωtcosωt]}(26) 通過計算力F的時間均值(即長期均值)，可以看到只有sin2ωt項有貢獻，并且由于sin2ωt的時間均值是1/2，所以平均力可表示為 Fav＝-1/2(πr2σACω)ΔBrΔBz(27) 對于選定的Br和Bz的弧分量之間的相位差(例如δ＝π/2)，在P1處的力向下。但是，如果ΔBr或ΔBz中的任何一個的符號改變，則Br和Bz的相對相位改變并且力將向上。例如，在上部線圈內(nèi)的電流(IU)領(lǐng)先下部線圈內(nèi)的電流(IL)90度的情況下，在P1處存在向上的凈力?？蛇x擇地，如果上部線圈內(nèi)的電流落后于下部線圈內(nèi)的電流90度，則在P1處存在向下的凈力。因此，可在熔體內(nèi)沿任一方向生成抽吸力。
再次參照圖7A，在此實施例中，控制單元43控制上部和下部電源49、51以向上部和下部線圈45、47提供交變電流信號，從而在整個晶體生長過程期間磁場的徑向和軸向分量同時改變。此外，控制單元43根據(jù)預(yù)定的電流分布圖74或方案改變提供給上部和下部線圈45、47的電流信號之間的相位差，以防止在晶體生長過程期間形成缺陷。在此實施例中，電流分布圖74限定了在從熔體拉制晶體13時根據(jù)晶體13的長度而變化的提供給上部和下部線圈45、47的電流之間的目標相位差。例如，目標電流分布圖是基于從先前的拉晶過程中的一段時間內(nèi)收集的生長缺陷數(shù)據(jù)(例如氧、生長線偏差等)形成的。通過試驗和/或使用建模軟件，可以確定大大減少這些缺陷的形成的電流分布圖74。例如，假設(shè)分別向上部和下部線圈45、47提供頻率為.25赫茲的24安培的交變電流，該交變電流疊加在產(chǎn)生會切成形磁場的靜態(tài)電流上。如表1所示，電流分布圖可限定根據(jù)晶體長度而變化的上部和下部電流(IU，IL)之間的相對相位差。
表1 PLC 69從晶體驅(qū)動單元702接收輸入信號，該晶體驅(qū)動單元從熔體13拉制出晶體。晶體驅(qū)動單元702的結(jié)構(gòu)的細節(jié)對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員是公知的。通常，驅(qū)動單元702包括聯(lián)接到滾筒706的馬達704。短劃線708表明馬達704的軸710與滾筒706之間的機械聯(lián)接。盡管此機械聯(lián)接可包括軸710和滾筒706之間的直接連接，但是一種優(yōu)選的設(shè)置包括在軸710和滾筒706之間放置一組減速齒輪(未示出)以便更好地進行控制和更平穩(wěn)地操作。因此，馬達704可操作以便經(jīng)由滾筒706釋放和卷繞纜線17，從而將籽晶35降低到熔體9內(nèi)和從熔體11拉制出晶錠13。編碼器714-例如500脈沖/轉(zhuǎn)(ppr)的編碼器-經(jīng)由線路716和718向PLC 69提供輸入信號。編碼器714聯(lián)接到軸710以產(chǎn)生位置信號。在此情況下，位置信號由線路716和718上的脈沖組成，該脈沖根據(jù)滾筒706的旋轉(zhuǎn)運動改變。因此，PLC 69計數(shù)線路716和718上的脈沖以精確地確定在任何給定的時間期間內(nèi)滾筒706已經(jīng)旋轉(zhuǎn)多少(圈)?？蛇x擇地，齒輪機構(gòu)(未示出)驅(qū)動滾筒710，而編碼器704可聯(lián)接到齒輪機構(gòu)中的一個旋轉(zhuǎn)齒輪。鑒于齒輪比可容易地獲知，所以能夠以和上述方式類似的方式計算滾筒710的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。根據(jù)經(jīng)由線路716和718接收的輸入信號，PLC 69通過沿電流分布圖確定發(fā)生拉制的點來調(diào)節(jié)電流之間的相對相位差。應(yīng)指出，為了舉例說明的目的，表1示出距離晶體肩部的晶體長度，但是如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的，在拉制期間晶體的長度還可從籽晶15的位置確定。
參照圖8，一示例性圖表示出依照表1內(nèi)限定的電流分布圖在熔體內(nèi)生成的根據(jù)晶體長度而變化的力。應(yīng)指出，為了舉例說明的目的，圖8內(nèi)所示的力代表時間平均力，沿豎軸描繪的力的幅值被表述為加速度，并且可通過乘以熔體的密度轉(zhuǎn)化為單位體積的力，同時不會影響所示曲線的相對形狀。盡管上文的簡化分析(對于點P1)示出了操作原理，但是作用在熔體上的力的幅值和方向在熔體內(nèi)的不同點將會不同。這些力可使用數(shù)值模擬計算得出以便理解作用在整個熔體上的徑向和軸向力。盡管所述力在提供給線圈45和47的交變電流的每個周期內(nèi)瞬變，但是在式(27)內(nèi)計算出的時間平均力是用于確定對熔體流動的平均效果的相關(guān)的力。被密度除的單位體積的力等于在所有其他的力都被抵消的情況下將產(chǎn)生的加速度，并且圖8內(nèi)描繪出在熔體內(nèi)的力最大的點處此等效加速度的軸向和徑向分量。熔體內(nèi)的力最大的點通常接近熔體的外圓周，在取決于兩個線圈內(nèi)的交變電流的相對相位的軸向位置處。描繪加速度有助于與其他效果例如浮力和重力進行比較。
在晶體拉制過程開始時，不向上部和下部線圈45、47提供交變電流信號。在已經(jīng)從熔體拉出大約96mm的晶體之后，控制單元43使得向線圈45、47提供具有相對相位差的交變電流信號，從而上部線圈內(nèi)的電流領(lǐng)先下部線圈內(nèi)的電流大約270度。此時，由線802指示的沿z方向的時間平均力Fz大于由線804指示的沿r方向的時間平均力Fr。結(jié)果，在熔體內(nèi)生成向上且稍微向內(nèi)的凈力。在已經(jīng)從熔體拉出大約134mm的晶體之后，控制單元43調(diào)節(jié)相對相位差，從而上部線圈內(nèi)的電流領(lǐng)先下部線圈內(nèi)的電流大約315度，并且在大約172mm之后控制單元43改變相對相位差，從而上部線圈內(nèi)的電流和下部線圈內(nèi)的電流同相(即上部線圈內(nèi)的電流領(lǐng)先下部線圈內(nèi)的電流大約0度)。從線802和線804可以看到，在134mm的長度處Fz仍大于Fr，并且從134mm到172mm將繼續(xù)生成向上且向內(nèi)的凈力。但是，還可明顯看到，在134mm的長度處生成的凈向上力小于在96mm的長度處生成的凈向上力，而凈向上力在134mm的長度處增加，并且，在172mm的長度處生成的凈向上力大約為0，而向內(nèi)的力仍存在。在已經(jīng)從熔體拉出大約210mm的晶體之后，控制單元43將上部和下部線圈內(nèi)的電流之間的相對相位差改變?yōu)榇蠹s45度。從線802和線804可以看到，現(xiàn)在Fz是負值，而Fr仍向內(nèi)，并且在此長度處將生成總體上向下和向內(nèi)的力。在已經(jīng)從熔體拉出大約248mm的晶體之后，控制單元43將上部和下部線圈內(nèi)的電流之間的相對相位差改變?yōu)榇蠹s90度，并且在大約286mm之后，控制單元43將上部和下部線圈內(nèi)的電流之間的相對相位差改變?yōu)榇蠹s135度。從線802和線804可以看到，F(xiàn)z保持負值，而Fr在248mm和286mm的長度處大約為0，并且在這些長度處將生成幾乎凈向下的力。在已經(jīng)從熔體拉出大約324mm的晶體之后，控制單元43將上部和下部線圈內(nèi)的電流之間的相對相位差改變?yōu)榇蠹s180度。從線802和線804可以看到，在324mm的長度處Fz和Fr的幅值彼此相等，結(jié)果在此長度處生成的凈力向上且向內(nèi)成大約45度。在已經(jīng)從熔體拉出大約362mm的晶體之后，控制單元43將上部和下部線圈內(nèi)的電流之間的相對相位差改變?yōu)榇蠹s225度。從線802和線804可以看到，F(xiàn)z遠大于Fr，從而凈力幾乎垂直向上。在已經(jīng)從熔體拉出大約400mm的晶體之后，控制單元43將上部和下部線圈內(nèi)的電流之間的相對相位差改變?yōu)榇蠹s270度，從而重復(fù)在生長96mm之后形成的情況。從線802和804可以看到，F(xiàn)z和Fr與它們在生長96mm處相同。在已經(jīng)從熔體拉出大約438mm的晶體之后，控制單元43使提供給線圈的交變電流的幅值減小到0。
現(xiàn)在參照圖9，其中晶體902的輪廓視圖示出當根據(jù)表1的目標分布圖調(diào)節(jié)上部和下部電流IU、IL之間的相位差時對晶體902的生長線904的影響。通常，生長線904或形態(tài)線(habit line)表現(xiàn)為主結(jié)晶面在晶體902的表面處相交的位置出現(xiàn)的凸起狀特征，并且基本平行于垂直軸線906并沿晶體902的體部間隔開。只要生長線保持基本為直線并且平行于垂直軸線906，則可知晶體具有零位錯，并且在生長界面的周界處的徑向溫度梯度足以支持生長大致為圓形的晶體。生長線904的擴展可表現(xiàn)為晶面908，并且表明失去零位錯或者在生長界面的周界處的徑向溫度梯度的改變，或者表明這兩者。通過調(diào)節(jié)上部和下部電流之間的相位差，可校正檢測到的生長線的偏差。例如，在距晶體的肩部908的距離為L1處，IU和IL之間的相位差被調(diào)節(jié)為大約45度，在此位置形成晶面907。晶面907繼續(xù)變寬直到距肩部908的距離為L2處，在此位置IU和IL之間的相位差改變?yōu)?0度。在距肩部908的距離為L3處，IU和IL之間的相位差改變?yōu)榇蠹s180度并且晶面907消失。參照表1，可以看到L1、L2和L3分別對應(yīng)于210mm、248mm和324mm。參照圖8，可以看到當在熔體的周界附近熔體上的力最大并且主要向下時生長晶面變寬。因此，本發(fā)明可通過控制提供給上部和下部線圈45、47的電流之間的相位差有利地控制硅晶體生長，以便校正缺陷和晶體不規(guī)則物例如晶面的形成。
現(xiàn)在參照圖10，一示例性流程圖示出用于根據(jù)圖7A內(nèi)所示的系統(tǒng)700改變?nèi)垠w內(nèi)的對流的速度的方法。在1002，將電流分布圖存儲在存儲器74內(nèi)。存儲的分布圖74限定了用于根據(jù)晶體13的長度分別向第一和第二線圈45、47供電的第一和第二電流。該電流例如是交變電流信號，其頻率均為大約.25赫茲并且幅值均為大約24安培。在1004確定晶體的當前長度。在1006，根據(jù)所確定的長度和電流分布圖74分別通過第一和第二電流向第一和第二線圈45、47供電，以生成要施加于熔體的磁場。在1008，根據(jù)由電流分布圖74限定的第一和第二電流之間的相位差改變磁場，以便在1010在熔體內(nèi)生成抽吸力，該抽吸力將增加或減小熔體內(nèi)的對流的速度。例如，如果相位差指示第一電流領(lǐng)先于第二電流，則在1010抽吸力將基本向下并且將促進熔體內(nèi)的對流的流速?；蛘撸绻辔徊钪甘镜谝浑娏髀浜笥诘诙娏?，則在1010抽吸力將基本向上并且將減速熔體內(nèi)的對流的速度。
除非另外規(guī)定，否則文中所示和所述的方法執(zhí)行或操作順序并不是必要的。即，發(fā)明人認為，除非另外規(guī)定，否則所述方法的要素可以任何順序執(zhí)行，并且所述方法可包括比文中公開的要素更多或更少的要素。此外，盡管上文所述的本發(fā)明與硅熔體一起使用，但是可設(shè)想本發(fā)明與任何其他液態(tài)半導(dǎo)體一起使用。
當介紹本發(fā)明或其實施例的要素時，冠詞“一”、“該”和“所述”是指存在一個或多個該要素。術(shù)語“包含”、“包括”和“具有”是包容性的，并且是指除了列出的要素之外還可能存在另外的要素。
附錄A 下面的分析說明了通過改變會切成形磁場的軸向分量在熔體內(nèi)在點P1處產(chǎn)生的力的實際效果。假設(shè)在點P1(合理的操作點)處靜止磁場為Br＝1000高斯，并且磁體(即線圈45、47)電流共同向上傾斜變化以便保持Br恒定同時使Bz每秒增加10高斯。那么可獲得多大的力？ 給定在點P1的處于熔體的頂部拐角的圓環(huán)。如上所示，將感應(yīng)出電場Eθ，其中 Eθ＝-r/2dBz/dt(A1) 此電場將在熔體內(nèi)產(chǎn)生電流，同時電阻電壓降等于感應(yīng)電壓。該圓環(huán)具有橫截面面積Ac，熔體具有導(dǎo)電率σ和密度ρ。
環(huán)內(nèi)的電流根據(jù)電流密度確定 I＝JA＝σEA(A2) 環(huán)的質(zhì)量由下式確定 M＝2πrAρ (A3) 并且環(huán)的重量為 W＝2πrAρg(A4) 其中g(shù)是重力加速度。
在環(huán)上的向上力為 F＝2πrIBr(A5) 或者 F＝2πrσA(r/2)dBz/dtBr(A6) 其產(chǎn)生初始加速度 a＝F/M＝σr/(2ρ)BrdBz/dt(A7) 使用上面的值，可得到a＝8×10-3m/sec2，并且將此加速度與重力(加速度)比較可得到a/g＝8.17×10-4。因此，Bz的每秒10高斯的傾斜變化率對熔體有較小的影響。
與熱對流力的比較 如果β是液態(tài)硅的體積熱膨脹系數(shù)，則在比背景高ΔT的溫度下在熔體的一定體積上的浮力為 ΔF＝ρΔVg (A8) 其中ΔV＝β·ΔT·V，ρ＝m/V。因此，加速度是 a＝(βΔT)g (A9) 因此，為了等于上文由傾斜變化的Bz計算的初始加速度， ΔT＝8.17×10-4/β(A10) 假設(shè)β的值等于1.4×10-5/度，則可得到ΔT＝58K。
因此，通過較緩慢的傾斜變化率生成的力將與從熱對流產(chǎn)生的力相當。
加速度將持續(xù)多長時間？如同在任何“電動機(motor)”內(nèi)一樣，將產(chǎn)生反電動勢。對于所考慮的位置(熔體內(nèi)的點P1)，向上速度v將生成方位角磁場E＝vBr。當此磁場與通過dBz/dt生成的磁場抵消時，將達到在速度v的穩(wěn)態(tài)。這在 vBr＝r/2dBz/dt (A11) 或者 v＝(r/2)(dBz/dt)/Br(A12) 時發(fā)生。
對于所給定的值，這在v＝1.5×10-3m/sec時發(fā)生。達到此速度的時間可由下式計算 其計算出Δt＝0.19秒。(這實際上將是指數(shù)地接近上述速度的速度變化的時間常數(shù))。
如果dBz/dt持續(xù)100秒，則對于此示例Bz＝Br。在100秒內(nèi)，熔體將位移0.15m。已經(jīng)證明此位移將由允許的總ΔBz確定而與Bz的改變速率無關(guān)。如果Br減小50％，則時間常數(shù)將仍小于1秒，但是速度將是兩倍大，從而位移將加倍。
總之，對于較大的會切磁場可非常迅速地達到穩(wěn)態(tài)速度，并且穩(wěn)態(tài)速度隨dBz/dt和1/Br成比例變化，而時間常數(shù)隨1/Br2成比例變化。因此，可通過較低的磁場獲得非常大的速度。這種模式使局部熔體流動能夠快速改變，但是改變不能維持較長時間。
附錄B 下面的示例說明了通過改變會切成形磁場的徑向分量在熔體內(nèi)的點P1處產(chǎn)生的力的效果。
使用附錄A所示的總體相關(guān)性(參見式A11-A13)，可確定改變會切成形磁場的徑向分量的效果。與反電動勢相關(guān)聯(lián)的電場將最終抵消通過dBr/dt生成的電場，并且在達到穩(wěn)態(tài)速度v時發(fā)生。換句話說，在 vBr＝h/2dBr/dt (B1) 或者 v＝(h/2)(dBr/dt)/Br(B2) 時發(fā)生抵消，并且達到此速度所需的時間可由下式計算 假設(shè)最初Br＝1000G。如果Br以10G/秒的速率傾斜變化100秒，則Br將加倍(而Bz仍為0)。可見，力(即F＝2πrIBr)將隨時間增大，最終加倍。穩(wěn)態(tài)速度將隨時間減小，最終減小一半，接近此速度的時間常數(shù)將隨時間減小，最終降低到最初時間常數(shù)的25％。
相反，Br可向下傾斜變化。在此情況下，在點P1的力向上，并且該力將隨時間減小最終消失。穩(wěn)態(tài)速度將隨時間增大，可能變得很大，但是接近該速度的時間常數(shù)將增加，從而熔體將不會達到穩(wěn)態(tài)速度。
附錄C 同時循環(huán)的會切和軸向磁場 下面的示例說明通過使會切成形磁場的徑向和軸向分量循環(huán)在熔體內(nèi)在點P1處生成的力的實際效果。
給定的增量體積的質(zhì)量為 M＝2πrACρ(C1) 從而生成的加速度為(見式23) Fav/M＝-(ωσ/4ρ)rΔBrΔBz(C2) 這可與在附錄A的具有傾斜變化的軸向場的會切磁場的情況下的加速度比較 a＝σr/(2ρ)BrdBz/dt(C3) 附錄A內(nèi)所用的示例使用a＝8×10-3m/sec2，并且由于生成的反電動勢穩(wěn)態(tài)速度為v＝1.5×10-3m/sec。通過組合C2和C3可得到下式 ΔBrΔBz＝2/ωBrdBz/dt (C4) 假設(shè)如附錄A所使用的，ω＝2π(10Hz)＝20πsec-1，Br＝1000G且dBz/dt＝10G/sec，則ΔBrΔBz＝3.18×10-6T2。如果ΔBr＝ΔBz，則ΔBr＝ΔBz＝1.78×10-3T＝17.8G，在10Hz被調(diào)制。如果ΔBr＝ΔBz＝100G，則加速度將增加到大約0.25m/sec2。
電磁線圈的感應(yīng)系數(shù)會對ω造成限制。減小ω可以獲得較大的ΔBr和ΔBz，從而將是可獲得最大抽吸作用的移動方向。
權(quán)利要求
1.一種控制晶體生長裝置內(nèi)的晶體生長的方法，所述晶體生長裝置具有容納半導(dǎo)體熔體的被加熱的坩堝，從該熔體根據(jù)直拉法工藝生長單晶體晶錠，所述晶錠在從熔體拉制的籽晶上生長，所述方法包括
將磁場施加于熔體，所述磁場影響熔體內(nèi)的對流；
感測從熔體拉制的晶錠的生長參數(shù)；
將感測的生長參數(shù)和目標生長參數(shù)相比較以確定功率調(diào)節(jié)參數(shù)；以及
根據(jù)所確定的功率調(diào)節(jié)參數(shù)在從熔體拉制晶錠的同時改變磁場，以便在熔體內(nèi)生成抽吸力以改變?nèi)垠w內(nèi)的對流的速度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，改變磁場包括相對于晶錠增加磁場的軸向分量，以在熔體內(nèi)生成用于增加對流的速度的抽吸力。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，改變磁場包括相對于晶錠減小磁場的軸向分量，以在熔體內(nèi)生成用于減小對流的速度的抽吸力。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，施加磁場包括向位置高于熔體和晶錠之間的熔體-固體界面的第一線圈供電和向位置低于該熔體-固體界面的第二線圈供電，并且，改變磁場包括根據(jù)所確定的功率調(diào)節(jié)參數(shù)調(diào)節(jié)供給第一和第二線圈中的每一個的電流。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其特征在于，將磁場施加于熔體包括最初向第一和第二線圈提供幅值基本相等而極性相反的電流。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其特征在于，調(diào)節(jié)電流包括沿相同代數(shù)方向增加供給第一和第二線圈中的每一個的電流以相對于晶錠增加磁場的軸向分量，以便生成增加熔體內(nèi)的對流的速度的抽吸力。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其特征在于，調(diào)節(jié)電流包括沿相同代數(shù)方向減小供給第一和第二線圈中的每一個的電流以相對于晶錠減小磁場的軸向分量，以便生成減小熔體內(nèi)的對流的速度的抽吸力。
8.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其特征在于，感測生長參數(shù)包括感測從熔體拉制的晶錠的直徑，并且所述調(diào)節(jié)包括當感測的直徑小于目標直徑時，沿相同代數(shù)方向減小供給第一和第二線圈中的每一個的電流以生成減小熔體內(nèi)的對流的速度的抽吸力。
9.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其特征在于，感測生長參數(shù)包括感測從熔體拉制的晶錠的直徑，并且所述調(diào)節(jié)包括當感測的直徑大于目標直徑時，沿相同代數(shù)方向增加供給第一和第二線圈中的每一個的電流以生成增加熔體內(nèi)的對流的速度的抽吸力。
10.一種控制晶體生長裝置內(nèi)的晶體生長的方法，所述晶體生長裝置具有容納半導(dǎo)體熔體的被加熱的坩堝，從該熔體根據(jù)直拉法工藝生長單晶體晶錠，所述晶體生長裝置還具有第一和第二線圈，這些線圈被供電以生成施加于熔體的磁場，所述晶錠在從熔體拉制的籽晶上生長，所述方法包括
存儲電流分布圖，所述電流分布圖限定了用于根據(jù)晶錠的長度向第一和第二線圈供電的電流；
利用由電流分布圖限定的第一和第二電流分別向第一和第二線圈供電，以生成施加于熔體的磁場；以及
根據(jù)所存儲的電流分布圖改變第一和第二電流，所述改變第一和第二電流導(dǎo)致施加于熔體的磁場在熔體內(nèi)生成抽吸力，所述抽吸力改變?nèi)垠w內(nèi)的對流的速度。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其特征在于，改變第一和第二電流包括相對于晶錠使磁場的軸向和徑向分量循環(huán)，以產(chǎn)生用于增加熔體內(nèi)的對流的速度的抽吸力。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其特征在于，改變第一和第二電流包括相對于晶錠使磁場的軸向和徑向分量循環(huán)，以產(chǎn)生用于減小熔體內(nèi)的對流的速度的抽吸力。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其特征在于，所存儲的電流分布圖限定了根據(jù)晶錠長度而變化的在第一和第二電流之間的相位差，并且，磁場根據(jù)所限定的相位差改變以在熔體內(nèi)生成抽吸力，以改變?nèi)垠w內(nèi)的對流的速度。
14.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其特征在于，第一線圈的位置高于熔體和晶錠之間的熔體-固體界面，第二線圈的位置低于熔體和晶錠之間的熔體-固體界面，并且，改變第一和第二電流包括根據(jù)所限定的相位差調(diào)節(jié)供給第一和第二線圈中的每一個的電流。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其特征在于，所存儲的電流分布圖限定了根據(jù)晶錠長度而變化的具有第一相位的第一電流和具有第二相位的第二電流，并且，改變第一和第二電流使得在第一相位領(lǐng)先于第二相位時生成增加熔體內(nèi)的對流的速度的抽吸力，并且在第一相位落后于第二相位時生成減小熔體內(nèi)的對流的速度的抽吸力。
16.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其特征在于，第一和第二電流均是交變電流信號。
17.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其特征在于，所存儲的電流分布圖限定了根據(jù)晶錠長度而變化的第一和第二電流之間的相位差，以便在熔體內(nèi)生成抽吸力，以校正在晶體生長裝置內(nèi)生長的硅晶體的表面上的生長晶面的寬度的增加。
18.一種用于校正在晶體生長裝置內(nèi)生長的硅晶體的表面上的生長晶面的寬度增加的方法，所述晶體生長裝置具有容納半導(dǎo)體熔體的被加熱的坩堝，從該熔體根據(jù)直拉法工藝生長單晶體晶錠，所述晶體生長裝置還具有第一和第二線圈，這些線圈被供電以生成施加于熔體的磁場，所述晶錠在從熔體拉制的籽晶上生長，所述方法包括
存儲電流分布圖，所述電流分布圖根據(jù)晶錠長度限定了用于向第一線圈供電的具有第一相位的第一電流，和用于向第二線圈供電的具有第二相位的第二電流，所述第一電流的第一相位與第二電流的第二相位異相；
利用該電流分布圖限定的第一和第二電流分別向第一和第二線圈供電，以生成施加于熔體的磁場；以及
根據(jù)所存儲的電流分布圖改變第一和第二電流，所述改變第一和第二電流導(dǎo)致施加于熔體的磁場在熔體內(nèi)生成抽吸力，所述抽吸力改變?nèi)垠w內(nèi)的對流的速度。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其特征在于，第一線圈的位置高于熔體和晶錠之間的熔體-固體界面，第二線圈的位置低于熔體和晶錠之間的熔體-固體界面。
20.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其特征在于，改變第一和第二電流使得在第一相位領(lǐng)先于第二相位時生成增加熔體內(nèi)的對流的速度的抽吸力，并且在第一相位落后于第二相位時生成減小熔體內(nèi)的對流的速度的抽吸力。
21.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其特征在于，第一和第二電流均是交變電流信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種與根據(jù)直拉法工藝生長單晶體晶錠的晶體生長裝置一起使用的方法和系統(tǒng)。晶體生長裝置具有容納半導(dǎo)體熔體的被加熱的坩堝，從該熔體拉制晶錠。晶錠在從熔體拉制的籽晶上生長。在晶錠拉制期間在熔體上施加時變的外部磁場。該磁場被選擇性地調(diào)節(jié)以在熔體內(nèi)生成抽吸力，以便在從熔體拉制晶錠的同時控制熔體流動速度。
文檔編號C30B29/06GK101133192SQ200580048843
公開日2008年2月27日 申請日期2005年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月30日
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