[发明专利]控制硅单晶生长的方法与系统

说明书

发明背景

本发明一般涉及一种用来对采用恰克拉斯基工艺生长硅单晶的装置和方法进行控制的改进方法和系统，尤其涉及一种用来测量硅单晶参量的观察系统和方法以及用于根据测量参数自动控制生长过程的硅单晶生长工艺。

绝大多数单晶体或单晶、即在微电子工业中用来制作硅片的硅是通过单晶拉制机采用恰克拉斯基工艺生产的。简单地说，恰克拉斯基工艺涉及到在位于为了形成熔融硅特别设计的炉子中的石英坩锅内熔化高纯度多晶体硅即多晶硅的块或颗粒。通常，多晶硅是用例如Siemens工艺制备的形状不规则的多晶硅块。任选地，可以使用由相对更简单和更高效的液态床反应工艺制备的自由流动的一般球状颗粒多晶体硅。多晶硅块或颗粒的制备及其特性在F.Shimura，半导体硅晶体技术，116-121页，学术出版社(San Diego CA，1989)及其中引用的参考文献中已有进一步的详述，。

特别是一整埚多晶硅料块，在熔融时料块可以移动，或其较低部分熔化而留下一个位于熔融液上面粘贴到坩埚壁的未熔化材料的“悬挂块”。当料块移动或悬挂块倒塌时，可能溅起熔融硅并引起对坩埚有破坏的机械应力。然而，通过适当控制熔化时的坩埚温度，悬挂块效应及类似现象是可以减少的。

根据恰克拉斯基工艺，一根相当小的籽晶被悬挂在坩埚上方的一根提拉缆绳或杆子的底端上，这根提拉缆绳或杆子挂在用于升高和降低籽晶的晶体升降装置上。在熔化结束后，晶体升降装置降低，使籽晶与坩埚内的熔融硅接触。当籽晶开始熔化时，这个装置以满足得到所期望晶体直径的方法从熔融硅中拉晶，从而生长出这种直径的单晶硅。随着籽晶的拉出，从熔融液中拉制出硅。在这个生长过程中，坩埚按某一方向旋转，而且单晶升降装置、缆绳、籽晶和晶体则按相反方向旋转。

当单晶体开始生长时，与熔融液接触的籽晶的热震动可能引起单晶中的位错。如果不是将其限制在籽晶和主体单晶之间的颈部，这种位错会传播到整个生长晶体并得以放大。在硅单晶体内所熟知的限制位错的方法涉及要以相当高的拉晶速度生长小直径的颈部，来完全在单晶主体生长前消除位错。在位错被限制在颈部后，单晶直径被放大，直到达到主单晶体所要求的直径。

将恰克拉斯基至少部分地工艺控制成为开始生长晶体主体直径的函数。共同转让的申请序列号08/459、765和08/620、137分别描述方法和系统，用于精确可靠地测量晶体直径，探测零位错生长和确定硅熔体高度。

几个因素，包括晶体直径和熔体高度，影响和表示晶体生长过程中的单晶尺寸和质量。例如提供给坩埚的热量，熔融硅的温度，熔融液中或坩埚壁附近未熔的或再结晶的多晶硅的存在，坩埚的直径，熔融液中的石英的存在以及晶体-熔体交界处弯月的大小和形状都会影响这个过程并提供有关单晶的信息。因此，需要确定与这些因素相关的几个参数的精确和可靠的系统用于控制单晶生长过程。发明概要

在本发明的目的和特点中可以注意到提供了一种克服上述不利条件的控制和运作的改进方法和系统；这种方法和系统用于按照恰克拉斯基工艺运行的单晶生长装置；用这种方法和系统测量多晶硅料在坩埚内熔化形成硅熔体的速度；用这种方法和系统确定完全熔化；用这种方法和系统测量熔体温度；用这种方法和系统探测坩埚内固态多晶硅；用这种方法和系统探测籽晶晶体和熔体间的接触；这种方法能有效而经济地实现以及这种系统经济上可行而商业上实用。

简单地说，体现本发明目标的闭环控制方法是配合生长硅单晶晶体的装置使用的。单晶体生长装置有一加热坩埚用来熔化固态硅以形成拉制单晶的熔融液。直到被全部熔融，这种熔融液上部会显露高出上表面的未熔融硅。该方法包括一个产生坩埚内部的一部分的图象的步骤。这些图象每个都包括多个像素，而这些像素每个都具有一个表示图象光学特性的值。该方法还包括将图象处理成为一个像素值的函数来探测图象边缘，并将探测的边缘组合成为图象中的位置函数来确定图象中的目标。其确定的目标每个包括一个或多个像素，而至少一个所确定的目标代表在熔融硅表面可见的固态硅的一部分。这个方法还包括一个根据所确定的目标至少确定一个代表单晶生长装置条件的参数，以及响应所定义的参数控制单晶生长装置。