專利名稱：提拉法晶體生長的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及提拉法制造半導(dǎo)體單晶的方法，尤其涉及以稱重方法獲得重量 或重量變化率或直徑信號的條件下，主要通過改變拉速來控制提拉法晶體生長 直徑的方法，即可變拉速的控徑方法。
背景技術(shù)：
提拉法晶體生長方法(切克勞斯基法，Czochralski Method)是一種獲取 單晶的主要方法，如硅單晶、激光晶體、非線性光學(xué)晶體。它的工作原理是， 首先將原料熔化，然后在合適的溫度下將籽晶(一般為單晶)從上面接觸到熔 體的液面，將籽晶慢慢上拉。在晶體上拉的同時(shí)控制熔體的溫度，熔體在籽晶 下面不斷凝固，形成晶體并不斷從液面拉出。晶體與液體的界面稱為固液界面。
現(xiàn)有方法中，最通用的方法是通過不斷調(diào)整熔體溫度來控制晶體的直徑。 為控制晶體的直徑，采用上稱重(或下稱重)方法，在籽晶(桿)上部(或在 坩堝下部)加一個(gè)稱重傳感器，實(shí)時(shí)測量晶體的結(jié)晶量，即晶體重量或重量變 化率，在籽晶提拉(生長)速度一定的情況下，計(jì)算出重量變化率(稱為晶體 生長速率)。通過與設(shè)定晶體生長速率的比較及運(yùn)算，對熔體溫度進(jìn)行控制， 從而對晶體生長直徑進(jìn)行控制，稱之為等徑控制。如果實(shí)測晶體生長速率高于 設(shè)定值，表明固液界面的溫度偏低，熔體溫度需要調(diào)高一些(通常由計(jì)算機(jī)或 控制器自動(dòng)完成)。反之，熔體溫度需調(diào)低一些。上述方法的特點(diǎn)是通過稱重 獲得晶體的重量或直徑信號，通過調(diào)節(jié)溫度來控制晶體生長的直徑。圖l為通 過調(diào)節(jié)溫度實(shí)現(xiàn)等徑控制的示意圖。
上述方法中，晶體提拉速度是預(yù)先設(shè)定的，它本身不參與等徑控制。對于 一個(gè)大的系統(tǒng)(如坩堝比較大，熔體比較多的情況下)，熔體溫度響應(yīng)速度很 慢，等徑控制難度很大，晶體拉速也不能太快。
除了改變溫度來控制晶體直徑的方法外，通過改變拉速也可以控制晶體直 徑。現(xiàn)有技術(shù)中這種方法主要用于硅單晶的提拉生長。其原理是如果直徑偏大， 晶體機(jī)械拉速就快一些，反之就慢一些。此時(shí)仍然需要相應(yīng)調(diào)節(jié)熔體的溫度， 但此時(shí)溫度不作為主要的控制手段。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械拉速可以瞬間調(diào)
節(jié)，反應(yīng)速度快，等徑控制相對容易，晶體外表面更平滑。該方法在硅單晶生 長中，直徑的測量是通過對固液輪廓界面的攝像或紅外跟蹤等方法直接獲得 的。但攝像或紅外跟蹤受到晶體材料本身的限制，例如在硅單晶中可以成功使 用，但對于大部分的其它晶體(激光晶體、非線性光學(xué)晶體)固液輪廓界面很 難跟蹤。該方法的特點(diǎn)是晶體直徑信號是通過紅外跟蹤或成像方法獲得的，通 過調(diào)節(jié)機(jī)械拉速來控制直徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出另外一種提拉法晶體生長的等徑控制方法，通過稱重法獲得直 徑信號，主要通過調(diào)節(jié)機(jī)械拉速來控制直徑，稱之為可變拉速控徑方法。 本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種提拉法晶體生長的控制方法，通過計(jì)算機(jī)直接采樣得到晶體生長的重 量信號，將該重量信號按照信號處理方法，換算得出獨(dú)立于生長速率的晶體直 徑的反饋信號；將晶體直徑反饋信號與晶體直徑設(shè)定值比較，獲得信號誤差， 然后通過該信號誤差的PID運(yùn)算，得到籽晶的機(jī)械拉速的計(jì)算值，由此來控制 籽晶的機(jī)械提拉速度，通過拉速改變來控制晶體直徑。
其進(jìn)一步的技術(shù)方案是將所述得到籽晶的機(jī)械拉速計(jì)算值與籽晶的機(jī)械 拉速設(shè)計(jì)值比較，獲得第二信號誤差，通過該信號誤差的PID運(yùn)算，得到晶體 生長溫度的計(jì)算值，由此來控制晶體生長溫度，通過所述控制籽晶的機(jī)械提拉 速度以及控制晶體生長溫度的共同作用，實(shí)現(xiàn)對晶體生長的等徑控制。其中控 制籽晶的機(jī)械提拉速度為所述晶體生長等徑控制的主要控制手段，控制晶體生 長溫度為所述晶體生長等徑控制的次要控制手段。上述重量信號的換算可以根 據(jù)已有的信號處理方法，來獲得晶體直徑的反饋信號。
本發(fā)明突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步在于
本發(fā)明通過計(jì)算機(jī)直接采樣稱重信號以及與可變拉速的結(jié)合，取得如下技 術(shù)效果由于拉速可以瞬間變化，所以本發(fā)明響應(yīng)速度快，等徑控制效果好， 晶體表面更光滑。與通常提拉法晶體生長方法相比，該方法的設(shè)計(jì)拉速度可以 提高達(dá)50%，從而提高生產(chǎn)效率。并且本發(fā)明中直徑的測量不是通過對固液輪 廓界面攝像或紅外跟蹤等方法直接獲得的，而是通過稱重法獲得直徑信號，通 過調(diào)節(jié)機(jī)械拉速來控制直徑，如此使得本發(fā)明不受晶體材料的影響，可以應(yīng)用 于大多數(shù)提拉法晶體生長方法中。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)通過調(diào)節(jié)溫度實(shí)現(xiàn)晶體生長的等徑控制方法的示意圖。
圖2為本發(fā)明方法的示意圖。 圖3為本發(fā)明方法中晶體提拉裝置的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
通過與現(xiàn)有方法的對比做進(jìn)一步 說明。
圖1為現(xiàn)有技術(shù)中通過調(diào)節(jié)溫度實(shí)現(xiàn)晶體生長的等徑控制方法的示意圖， 如圖1所示，該現(xiàn)有技術(shù)方法的步驟如下
1. 首先在合適的溫場下，將需要生長晶體的原料加熱熔化。
2. 在合適的溫度下，將籽晶慢慢接觸液面中心。籽晶裝在籽晶桿底部。籽
晶桿上部與稱重傳感器連接。計(jì)算機(jī)開始周期性采集傳感器的重量信號。
3. 籽晶不斷慢慢上拉，在溫度的不斷調(diào)節(jié)下，晶體在籽晶桿下不斷凝固擴(kuò) 大，形成一個(gè)向下錐體。這個(gè)過程稱為"擴(kuò)肩過程"。
4. 當(dāng)晶體直徑達(dá)到設(shè)定值時(shí)，可以控制晶體保持當(dāng)前直徑，不斷從熔體中 拉出。這個(gè)過程稱為"等徑生長過程"。等徑段的晶體通常是需要的產(chǎn)品。
5. 擴(kuò)肩過程對晶體質(zhì)量至關(guān)重要，等徑過程決定了成品率。
6. 在晶體生長過程中，重量信號是周期性采集的(如采集周期為1秒)， 通過計(jì)算機(jī)可以得到重量變化率(圖中表示為生長速率)。重量、生長速率均 可以作為控制系統(tǒng)的反饋信號。
7. 將上述反饋信號(圖l中為生長速率)與設(shè)定值比較，獲得信號誤差。 然后通過信號誤差的PID運(yùn)算得到溫度設(shè)定值，再通過溫控儀來控制溫場中溫 度，從而實(shí)現(xiàn)等徑控制。
PID運(yùn)算是現(xiàn)有技術(shù)中的運(yùn)算方法，其為比例積分微分運(yùn)算方法，其運(yùn)算 公式如下
<formula>formula see original document page 5</formula> ——公式1
式中各參量的說明
Y:運(yùn)算后的溫度(或功率)值，取決于控制目標(biāo)。 E:信號偏差?？梢允侵亓俊⑸L速率或直徑的偏差。 P:為比例系數(shù)，取英文Proportional的字頭。 Ti:為積分時(shí)間常數(shù)，下標(biāo)i取英文Integral的字頭。 Td:微分時(shí)間常數(shù)，下標(biāo)d取Derivative的字頭。
注P， Ti， Td三個(gè)參數(shù)也被稱為PID參數(shù)。 圖2為本發(fā)明方法的示意圖，如圖2所示
與圖1現(xiàn)有方法比較，圖2中第一個(gè)PID運(yùn)算的前面的步驟，與圖1的不 同之處是，在第一個(gè)PID運(yùn)算前，把生長速率信號換算成晶體直徑信號，然后
本發(fā)明的步驟如下
7A.將反饋信號(晶體直徑)與設(shè)定值比較，獲得信號誤差，然后通過該 信號誤差的第一歩PID運(yùn)算，得到籽晶的機(jī)械拉速的計(jì)算值，由此來控制籽晶 的機(jī)械提拉速度，通過拉速改變來控制晶體直徑。所述第一步PID運(yùn)算公式同 公式l，此處PID運(yùn)算公式中的Y值不再是溫度或功率值，而是機(jī)械拉速值。
8. 將機(jī)械拉速計(jì)算值與設(shè)計(jì)拉速值比較獲得第二信號誤差，然后通過該 信號誤差的第二步PID運(yùn)算來控制溫度(或功率)。第二步PID運(yùn)算公式同公 式l，此處公式中的偏差值E不再是直徑偏差，而是拉速偏差，Y值為溫度(或 功率)。
9. 通過拉速和溫度的共同反饋控制作用，實(shí)現(xiàn)晶體等徑控制。由于拉速可 以瞬間變化，其對等徑控制的效果比溫度對等徑控制的效果好得多，所以拉速 控制為本發(fā)明中對晶體生長等徑控制的主控制回路，溫度控制為所述晶體生長 等徑控制的次生或次要控制回路。
本發(fā)明的具體實(shí)施例鈮酸鋰(LiNb03)晶體生長，生長過程如下
1. 晶體生長裝置見圖3。坩堝8直徑為140mm，高為130mm。原料為細(xì)顆粒 狀鈮酸鋰，重6Kg。加熱方式為感應(yīng)加熱，坩堝8通過保溫材料4與感應(yīng)加熱 器5隔離。籽晶桿2上部與稱重傳感器1相連。籽晶3與籽晶桿2下部連接。 籽晶3直徑8-10mm。晶體等徑段的直徑設(shè)定為100mm。籽晶桿2可以旋轉(zhuǎn)和向 上提拉。坩堝8不動(dòng)。
2. 將原料加入坩堝8中，升溫8小時(shí)至1300。 C。保溫8小時(shí)，然后逐漸 降溫至熔點(diǎn)附件，大約IIOO。 C。保溫4小時(shí)。
3. 將籽晶3通過籽晶桿2慢慢下移(同時(shí)籽晶開始旋轉(zhuǎn)，例如轉(zhuǎn)速每分鐘 8轉(zhuǎn))，最終接觸熔體7的液面。觀察籽晶直徑變化，如果直徑變小，溫度下調(diào)； 如果變大，則溫度上調(diào)。
4. 由于有稱重裝置，可以通過觀察稱重信號的變化來判斷溫度是否合適 籽晶剛接觸到液面后，重量信號會(huì)升高大約0. 5-1克；如果籽晶被熔脫，重量 減少O. 5-1克。5. 籽晶能在熔體中保持穩(wěn)定達(dá)0. 5小時(shí)，則進(jìn)入等徑生長的自動(dòng)控制提拉
階段?？刂瞥绦驎?huì)做如下動(dòng)作稱重信號回零，籽晶按設(shè)定值旋轉(zhuǎn)(例如轉(zhuǎn)速
每分鐘8轉(zhuǎn))，并開始提拉，6為提拉中的晶體。對于鈮酸鋰機(jī)械拉速的設(shè)定值 為2mm/小時(shí)。
6. 在本實(shí)施例中，晶體形狀設(shè)計(jì)如下 籽晶段直徑8mm，從熔體拉出長度2ram。
擴(kuò)肩段按130度夾角(全角)逐漸擴(kuò)大至直徑100mm。 等徑段保持100mm直徑，長度100mm。
在不同段，籽晶拉速和轉(zhuǎn)速也需要設(shè)定。在本實(shí)施例中設(shè)定拉速在全過程 為每小時(shí)2mm，轉(zhuǎn)速為每分鐘8轉(zhuǎn)。
7. 在晶體生長過程中，控制過程是周期性的。如每過l分鐘計(jì)算機(jī)根據(jù)反 饋數(shù)據(jù)(如直徑誤差)進(jìn)行一次運(yùn)算，獲得并執(zhí)行新的拉速值及溫度值，具體 過程如下
(1) 直徑信號誤差的獲得方式如下根據(jù)晶體拉出長度，計(jì)算機(jī)根據(jù)設(shè) 定的晶體形狀，不斷給出當(dāng)前直徑設(shè)定值。同時(shí)計(jì)算機(jī)不斷定時(shí)采集重量信號。 重量信號的前后差值除以采樣時(shí)間間隔，可以算出重量的變化率，即生長速率。 通過當(dāng)前提拉速度，生長速率，坩堝內(nèi)壁直徑，晶體密度，熔體密度等參數(shù)可 以計(jì)算出晶體的當(dāng)前直徑值(D—read)(其計(jì)算方法可以參見文獻(xiàn)"Program for Computer-Controlled Czochralski Growth of Gadolinium Gallium Garnet" ，R.D. Pierce, Bell Laboratories, 1983)。用當(dāng)前直徑值(D—read) 減去設(shè)定直徑值(D—set),得到信號誤差E1二D—read-D—set 。
(2) 將信號誤差E1代入公式1，可以算出新的拉速值(S一adj)，該新的 拉速值可以通過電機(jī)控制器來達(dá)到，如圖2中所示。對于不同的晶體材料，不 同的溫場和加熱條件，公式1中的PID參數(shù)會(huì)有很大的差別。PID參數(shù)的調(diào)節(jié) 方法為已有技術(shù)，可以從自動(dòng)控制方面的教科書中或相關(guān)文獻(xiàn)中找到(例如文 獻(xiàn)"Advanced PID Control" ， Karl J. Astrom et al， ISA, 2005)。
(3) 將算出新的拉速值(S—adj)與計(jì)算機(jī)設(shè)定拉速值(S—set)進(jìn)行比較， 得出信號誤差E2=S—adj - S_set。將信號誤差E2代入公式1，可以算出新的溫 度值。說明雖然同樣使用公式l，但此時(shí)PID參數(shù)值與上述(2)中的完全不 一樣，其也需要根據(jù)系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果確定。
例如在本實(shí)施例中在等徑段，設(shè)計(jì)直徑為lOOmm，假設(shè)當(dāng)前實(shí)測直徑為
101.5mm。這時(shí)E1 = 101.5-100 = 1.5。代入公式1后，計(jì)算得出的拉速值可 能為每小時(shí)2.45證。計(jì)算機(jī)發(fā)出新的拉速值2.45mm的指令，該新的拉速值可 以通過電機(jī)控制器來調(diào)節(jié)。
如此時(shí)的設(shè)計(jì)拉速為每小時(shí)2mm，拉速誤差為E2 = 2.45-2 = 0.45。代入 公式l，計(jì)算出溫度可能需提高0.341度。計(jì)算機(jī)發(fā)出新的溫度值指令，該新 的溫度值通過溫控儀來調(diào)節(jié)，如圖2所示。
8. 上述控制過程是一個(gè)循環(huán)過程，形成控制回路。計(jì)算機(jī)不斷循環(huán)調(diào)整拉 速和溫度，從而達(dá)到控制晶體生長等徑的目的。
9. 當(dāng)?shù)葟蕉伍L度達(dá)到100mm時(shí)，自動(dòng)控制結(jié)束，晶體以每小時(shí)500mm速度 拉出液面，拉出高度為15mm。晶體轉(zhuǎn)速降至每分鐘4轉(zhuǎn)。
10. 爐內(nèi)降溫，12小時(shí)內(nèi)降至室溫。
11. 晶體上拉，并被拿出，晶體生長全過程完成。
權(quán)利要求
1. 一種提拉法晶體生長的控制方法，其特征是通過計(jì)算機(jī)直接采樣得到晶體生長的重量信號，將該重量信號按照信號處理方法，換算得出獨(dú)立于生長速率的晶體直徑的反饋信號；將晶體直徑反饋信號與晶體直徑設(shè)定值比較，獲得信號誤差，然后通過該信號誤差的PID運(yùn)算，得到籽晶的機(jī)械拉速的計(jì)算值，由此來控制籽晶的機(jī)械提拉速度，通過拉速改變來控制晶體直徑。
2. 按權(quán)利要求1所述的提拉法晶體生長的控制方法，其特征是將所述得到籽晶的機(jī)械拉速計(jì)算值與籽晶的機(jī)械拉速設(shè)計(jì)值比較，獲得第二信號誤差，通過該信號誤差的PID運(yùn)算，得到晶體生長溫度的計(jì)算值，由此來控制晶體生長溫度，通過所述控制籽晶的機(jī)械提拉速度以及控制晶體生長溫度的共同 作用，實(shí)現(xiàn)對晶體生長的等徑控制。
全文摘要
一種提拉法晶體生長的控制方法，通過計(jì)算機(jī)直接采樣得到晶體生長的重量信號，將該重量信號根據(jù)信號處理方法，換算得出獨(dú)立于生長速率的晶體直徑反饋信號；將晶體直徑反饋信號與晶體直徑設(shè)定值比較獲得信號誤差，然后通過該信號誤差的PID運(yùn)算得到控制籽晶的機(jī)械拉速計(jì)算值；將機(jī)械拉速計(jì)算值與機(jī)械拉速設(shè)計(jì)值比較獲得新的信號誤差，通過該新的信號誤差的PID運(yùn)算來控制溫度(或功率)。拉速為主控制回路，溫度為次生控制回路。通過拉速和溫度兩個(gè)回路的共同作用，實(shí)現(xiàn)晶體生長的等徑控制。本發(fā)明響應(yīng)速度快，等徑控制效果好，晶體表面更光滑，晶體生長速度高，生產(chǎn)效率高。該方法的使用不受晶體材料的影響，可以應(yīng)用于大多數(shù)提拉法晶體生長過程中。
文檔編號C30B15/20GK101392404SQ20081015537
公開日2009年3月25日 申請日期2008年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月28日
發(fā)明者惠夢君 申請人:惠夢君