提拉法晶體生長的控制方法
2023-07-19 13:56:51
專利名稱：提拉法晶體生長的控制方法
技術領域：
本發明涉及提拉法製造半導體單晶的方法，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：
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，如矽單晶、雷射晶體、非線性光學晶體。它的工作原理是， 首先將原料熔化，然後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。在晶體上拉的同時控制熔體的溫度，熔體在籽晶 下面不斷凝固，形成晶體並不斷從液面拉出。晶體與液體的界面稱為固液界面。
現有方法中，最通用的方法是通過不斷調整熔體溫度來控制晶體的直徑。 為控制晶體的直徑，採用上稱重(或下稱重)方法，在籽晶(杆)上部(或在 坩堝下部)加一個稱重傳感器，實時測量晶體的結晶量，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，計算出重量變化率(稱為晶體 生長速率)。通過與設定晶體生長速率的比較及運算，對熔體溫度進行控制， 從而對晶體生長直徑進行控制，稱之為等徑控制。如果實測晶體生長速率高於 設定值，表明固液界面的溫度偏低，熔體溫度需要調高一些(通常由計算機或 控制器自動完成)。反之，熔體溫度需調低一些。上述方法的特點是通過稱重 獲得晶體的重量或直徑信號，通過調節溫度來控制晶體生長的直徑。圖l為通 過調節溫度實現等徑控制的示意圖。
上述方法中，晶體提拉速度是預先設定的，它本身不參與等徑控制。對於 一個大的系統(如坩堝比較大，熔體比較多的情況下)，熔體溫度響應速度很 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。現有技術中這種方法主要用於矽單晶的提拉生長。其原理是如果直徑偏大， 晶體機械拉速就快一些，反之就慢一些。此時仍然需要相應調節熔體的溫度， 但此時溫度不作為主要的控制手段。該方法的主要優點是機械拉速可以瞬間調
節，反應速度快，等徑控制相對容易，晶體外表面更平滑。該方法在矽單晶生 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，例如在矽單晶中可以成功使 用，但對於大部分的其它晶體(雷射晶體、非線性光學晶體)固液輪廓界面很 難跟蹤。該方法的特點是晶體直徑信號是通過紅外跟蹤或成像方法獲得的，通 過調節機械拉速來控制直徑。
發明內容
本發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，主要通過調節機械拉速來控制直徑，稱之為可變拉速控徑方法。 本發明的技術方案如下
一種提拉法晶體生長的控制方法，通過計算機直接採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，換算得出獨立於生長速率的晶體直 徑的反饋信號；將晶體直徑反饋信號與晶體直徑設定值比較，獲得信號誤差， 然後通過該信號誤差的PID運算，得到籽晶的機械拉速的計算值，由此來控制 籽晶的機械提拉速度，通過拉速改變來控制晶體直徑。
其進一步的技術方案是將所述得到籽晶的機械拉速計算值與籽晶的機械 拉速設計值比較，獲得第二信號誤差，通過該信號誤差的PID運算，得到晶體 生長溫度的計算值，由此來控制晶體生長溫度，通過所述控制籽晶的機械提拉 速度以及控制晶體生長溫度的共同作用，實現對晶體生長的等徑控制。其中控 制籽晶的機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 據已有的信號處理方法，來獲得晶體直徑的反饋信號。
本發明突出的實質性特點和顯著的進步在於
本發明通過計算機直接採樣稱重信號以及與可變拉速的結合，取得如下技 術效果由於拉速可以瞬間變化，所以本發明響應速度快，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，該方法的設計拉速度可以 提高達50%，從而提高生產效率。並且本發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 過調節機械拉速來控制直徑，如此使得本發明不受晶體材料的影響，可以應用 於大多數提拉法晶體生長方法中。
圖1為現有技術通過調節溫度實現晶體生長的等徑控制方法的示意圖。
圖2為本發明方法的示意圖。 圖3為本發明方法中晶體提拉裝置的示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的具體實施方式
通過與現有方法的對比做進一步 說明。
圖1為現有技術中通過調節溫度實現晶體生長的等徑控制方法的示意圖， 如圖1所示，該現有技術方法的步驟如下
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。籽晶裝在籽晶杆底部。籽
晶杆上部與稱重傳感器連接。計算機開始周期性採集傳感器的重量信號。
3. 籽晶不斷慢慢上拉，在溫度的不斷調節下，晶體在籽晶杆下不斷凝固擴 大，形成一個向下錐體。這個過程稱為"擴肩過程"。
4. 當晶體直徑達到設定值時，可以控制晶體保持當前直徑，不斷從熔體中 拉出。這個過程稱為"等徑生長過程"。等徑段的晶體通常是需要的產品。
5. 擴肩過程對晶體質量至關重要，等徑過程決定了成品率。
6. 在晶體生長過程中，重量信號是周期性採集的(如採集周期為1秒)， 通過計算機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 可以作為控制系統的反饋信號。
7. 將上述反饋信號(圖l中為生長速率)與設定值比較，獲得信號誤差。 然後通過信號誤差的PID運算得到溫度設定值，再通過溫控儀來控制溫場中溫 度，從而實現等徑控制。
PID運算是現有技術中的運算方法，其為比例積分微分運算方法，其運算 公式如下
formula see original document page 5 ——公式1
式中各參量的說明
Y:運算後的溫度(或功率)值，取決於控制目標。 E:信號偏差。可以是重量、生長速率或直徑的偏差。 P:為比例係數，取英文Proportional的字頭。 Ti:為積分時間常數，下標i取英文Integral的字頭。 Td:微分時間常數，下標d取Derivative的字頭。
注P， Ti， Td三個參數也被稱為PID參數。 圖2為本發明方法的示意圖，如圖2所示
與圖1現有方法比較，圖2中第一個PID運算的前面的步驟，與圖1的不 同之處是，在第一個PID運算前，把生長速率信號換算成晶體直徑信號，然後
本發明的步驟如下
7A.將反饋信號(晶體直徑)與設定值比較，獲得信號誤差，然後通過該 信號誤差的第一歩PID運算，得到籽晶的機械拉速的計算值，由此來控制籽晶 的機械提拉速度，通過拉速改變來控制晶體直徑。所述第一步PID運算公式同 公式l，此處PID運算公式中的Y值不再是溫度或功率值，而是機械拉速值。
8. 將機械拉速計算值與設計拉速值比較獲得第二信號誤差，然後通過該 信號誤差的第二步PID運算來控制溫度(或功率)。第二步PID運算公式同公 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，實現晶體等徑控制。由於拉速可 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 控制為本發明中對晶體生長等徑控制的主控制迴路，溫度控制為所述晶體生長 等徑控制的次生或次要控制迴路。
本發明的具體實施例鈮酸鋰(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。原料為細顆粒 狀鈮酸鋰，重6Kg。加熱方式為感應加熱，坩堝8通過保溫材料4與感應加熱 器5隔離。籽晶杆2上部與稱重傳感器1相連。籽晶3與籽晶杆2下部連接。 籽晶3直徑8-10mm。晶體等徑段的直徑設定為100mm。籽晶杆2可以旋轉和向 上提拉。坩堝8不動。
2. 將原料加入坩堝8中，升溫8小時至1300。 C。保溫8小時，然後逐漸 降溫至熔點附件，大約IIOO。 C。保溫4小時。
3. 將籽晶3通過籽晶杆2慢慢下移(同時籽晶開始旋轉，例如轉速每分鐘 8轉)，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； 如果變大，則溫度上調。
4. 由於有稱重裝置，可以通過觀察稱重信號的變化來判斷溫度是否合適 籽晶剛接觸到液面後，重量信號會升高大約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定達0. 5小時，則進入等徑生長的自動控制提拉
階段。控制程序會做如下動作稱重信號回零，籽晶按設定值旋轉(例如轉速
每分鐘8轉)，並開始提拉，6為提拉中的晶體。對於鈮酸鋰機械拉速的設定值 為2mm/小時。
6. 在本實施例中，晶體形狀設計如下 籽晶段直徑8mm，從熔體拉出長度2ram。
擴肩段按130度夾角(全形)逐漸擴大至直徑100mm。 等徑段保持100mm直徑，長度100mm。
在不同段，籽晶拉速和轉速也需要設定。在本實施例中設定拉速在全過程 為每小時2mm，轉速為每分鐘8轉。
7. 在晶體生長過程中，控制過程是周期性的。如每過l分鐘計算機根據反 饋數據(如直徑誤差)進行一次運算，獲得並執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晶體拉出長度，計算機根據設 定的晶體形狀，不斷給出當前直徑設定值。同時計算機不斷定時採集重量信號。 重量信號的前後差值除以採樣時間間隔，可以算出重量的變化率，即生長速率。 通過當前提拉速度，生長速率，坩堝內壁直徑，晶體密度，熔體密度等參數可 以計算出晶體的當前直徑值(D—read)(其計算方法可以參見文獻"Program for Computer-Controlled Czochralski Growth of Gadolinium Gallium Garnet" ，R.D. Pierce, Bell Laboratories, 1983)。用當前直徑值(D—read) 減去設定直徑值(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控制器來達到，如圖2中所示。對於不同的晶體材料，不 同的溫場和加熱條件，公式1中的PID參數會有很大的差別。PID參數的調節 方法為已有技術，可以從自動控制方面的教科書中或相關文獻中找到(例如文 獻"Advanced PID Control" ， Karl J. Astrom et al， ISA, 2005)。
(3) 將算出新的拉速值(S—adj)與計算機設定拉速值(S—set)進行比較， 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PID參數值與上述(2)中的完全不 一樣，其也需要根據系統調試結果確定。
例如在本實施例中在等徑段，設計直徑為lOOmm，假設當前實測直徑為
101.5mm。這時E1 = 101.5-100 = 1.5。代入公式1後，計算得出的拉速值可 能為每小時2.45證。計算機發出新的拉速值2.45mm的指令，該新的拉速值可 以通過電機控制器來調節。
如此時的設計拉速為每小時2mm，拉速誤差為E2 = 2.45-2 = 0.45。代入 公式l，計算出溫度可能需提高0.341度。計算機發出新的溫度值指令，該新 的溫度值通過溫控儀來調節，如圖2所示。
8. 上述控制過程是一個循環過程，形成控制迴路。計算機不斷循環調整拉 速和溫度，從而達到控制晶體生長等徑的目的。
9. 當等徑段長度達到100mm時，自動控制結束，晶體以每小時500mm速度 拉出液面，拉出高度為15mm。晶體轉速降至每分鐘4轉。
10. 爐內降溫，12小時內降至室溫。
11. 晶體上拉，並被拿出，晶體生長全過程完成。
權利要求
1. 一種提拉法晶體生長的控制方法，其特徵是通過計算機直接採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，換算得出獨立於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定值比較，獲得信號誤差，然後通過該信號誤差的PID運算，得到籽晶的機械拉速的計算值，由此來控制籽晶的機械提拉速度，通過拉速改變來控制晶體直徑。
2. 按權利要求1所述的提拉法晶體生長的控制方法，其特徵是將所述得到籽晶的機械拉速計算值與籽晶的機械拉速設計值比較，獲得第二信號誤差，通過該信號誤差的PID運算，得到晶體生長溫度的計算值，由此來控制晶體生長溫度，通過所述控制籽晶的機械提拉速度以及控制晶體生長溫度的共同 作用，實現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，通過計算機直接採樣得到晶體生長的重量信號，將該重量信號根據信號處理方法，換算得出獨立於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定值比較獲得信號誤差，然後通過該信號誤差的PID運算得到控制籽晶的機械拉速計算值；將機械拉速計算值與機械拉速設計值比較獲得新的信號誤差，通過該新的信號誤差的PID運算來控制溫度(或功率)。拉速為主控制迴路，溫度為次生控制迴路。通過拉速和溫度兩個迴路的共同作用，實現晶體生長的等徑控制。本發明響應速度快，等徑控制效果好，晶體表面更光滑，晶體生長速度高，生產效率高。該方法的使用不受晶體材料的影響，可以應用於大多數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 優先權日2008年10月28日
發明者惠夢君 申請人:惠夢君