[发明专利]用于半导体单晶生长中的温度控制的系统和方法

说明书

一种用于半导体单晶生长的温度控制系统和方法，包括：图像采集装置，用于捕获固液界面处生长的晶棒的棱线的图像，从而确定所述界面处所述棱线的宽度；加热装置，用于对坩埚加热；以及温控装置，用于对所述加热装置的加热功率进行控制，其中所述温控装置根据所述棱线宽度来对所述加热装置进行功率控制。根据本发明的温度控制系统和方法可显著地减少生长的半导体单晶的缺陷，并且可帮助降低生产成本、提高生产效率等。

技术领域

本申请涉及半导体单晶生长技术，并且更特别地涉及一种用于半导体单晶生长中的温度控制的系统和方法。

背景技术

直拉法是生长半导体单晶的主要方法。图1是典型的直拉单晶炉的示意图，其中主要包括坩埚、加热组件、吊绳、观察窗和晶体熔液等。以单晶硅为例，单晶硅棒的生长过程如下：在如图1中所示的直拉单晶炉中，首先向盛有硅熔液的坩埚中引入籽晶作为非均匀晶核，然后通过加热组件来控制热场，并通过吊绳将籽晶旋转并缓慢向上提拉，从而生长出结晶方向与籽晶一致的半导体单晶晶棒，其中结晶方向通常为100、110、111方向，并且热场的控制对半导体单晶的生长至关重要。

随着半导体器件变得越来越小，对半导体晶片的品质要求也越来越高，尤其是对晶片的表面缺陷、平坦度及表体金属杂质的要求在不断提高。因此，将固液界面处的轴向温度梯度控制在合理的范围变得越来越重要，因为它与生长晶棒的质量密切相关。近年来，已研究发现在直拉法半导体单晶生长过程中，固液界面处的轴向温度梯度与生长晶棒的棱线宽度有关。作为示例，图2示出了100结晶方向的晶棒的截面图。在图2中，可以看到四条棱线在晶体的110方向，并且stockmeier等人给出了100结晶方向的生长晶棒的棱线宽度与固液界面处的轴向温度梯度之间的关系[1]。此外，对于其他结晶方向生长的晶棒的棱线，虽然生长晶棒的棱线会在不同的位置和取向，但是棱线宽度与固液界面处轴向温度梯度之间也存在对应的关系。尽管如此，到目前为止，还不能准确地确定固液界面处的轴向温度梯度并对其进行有效的控制。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于半导体单晶生长中的温度控制的系统和方法。为此，本发明采用了如下的技术方案。

一种用于半导体单晶生长的温度控制系统，所述系统包括：图像采集装置，用于捕获固液界面处生长的晶棒的棱线的图像，从而确定所述界面处所述棱线的宽度；加热装置，用于对坩埚加热；以及温控装置，用于对所述加热装置的加热功率进行控制，其中所述温控装置根据所述棱线宽度来对所述加热装置进行控制。

一种用于半导体单晶生长的温度控制方法，包括：由图像采集装置捕获固液界面处生长的晶棒的棱线的图像；根据捕获的图像来确定所述棱线的宽度，其中根据所述棱线的宽度来对坩埚进行加热。

附图说明

图1是典型的直拉单晶炉的示意图。

图2示出了100结晶方向的晶棒的截面图。

图3（a）是生长中的半导体单晶的2D图像，并且图3（b）是从图3（a）的图像提取出来的固液界面的2D图像。

图4示出了根据本发明的实施例的通过处理固液界面的2D图像来预测棱线对应位置与宽度的原理图。

图5示出了根据本发明的实施例的100结晶方向的棱线宽度与界面处轴向温度梯度之间的关系的曲线图。

图6示出了根据本发明的实施例的用于控制固液界面处的轴向温度梯度的加热装置的示意图。

图7是根据本发明的实施例的用于阶梯式领先间隙加热法的加热器上施加的阶梯式加热功率的图示。

具体实施方式

下面结合附图来具体说明本发明的实施例，其中附图和实施例仅仅是为了说明的目的，而不是为了限制的目的。