单晶生长方法及单晶生长设备与流程

[0001]
本发明属于硅片制备领域，特别是涉及一种单晶生长方法及单晶生长设备。


背景技术：

[0002]
直拉法是现有的一种常用的单晶生长方法，又称为切克劳斯基法，简称cz法。cz法的 特点是在一个直筒型的炉体中，用石墨电阻加热，将装在高纯度石英坩埚中的多晶硅熔化， 然后将籽晶插入熔体表面进行熔接，同时转动籽晶，再反转坩埚，籽晶缓慢向上提升，经过 引晶、放肩、转肩、等径生长、收尾等过程，最终长成所需直径和长度的晶棒。
[0003]
半导体硅单晶生长过程中，在恒定条件下，随着等径的长度不断增加，导致坩埚的位置 上升，熔融硅减少，拉晶的稳态发生变化，轴向温度梯度也会发生变化，边缘的温度梯度和 中心的温度梯度差异随着等径长度的增加而发生变化。该现象对生长完美单晶有着严重的影 响。液口距(即熔融硅液面至导流筒的距离)对单晶生长界面轴向温度梯度影响较大，在一 定的范围内，液口距越大，轴向温度梯度越平缓。因此在拉晶过程中，在不同的等径长度通 过特殊的控制方式控制液口距来改变轴向温度梯度。发明人在考虑解决该问题的同时，考虑 到现有技术中通过调整坩埚位置改变液口距的同时，也使得设定的晶体提升速度和晶体相对 于液面的提升速度产生差异，影响单晶生长质量，因而发明人提出了一种新的解决方案。


技术实现要素：

[0004]
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种单晶生长方法及单晶生长设 备，用于解决现有的单晶生长过程中，通过调整坩埚位置改变液口距的同时，也使得设定的 单晶提拉速度和晶体相对于液面的提升速度产生差异，影响单晶生长质量等问题。
[0005]
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种单晶生长方法，包括：
[0006]
提供单晶生长设备，所述单晶生长设备包括坩埚、用于提拉坩埚的坩埚提拉装置、用于 提拉单晶的单晶提拉装置、导流筒和用于提拉导流筒的导流筒提拉装置；
[0007]
设定理论液口距，根据坩埚和单晶尺寸确定理论埚跟比后开始单晶生长；
[0008]
在单晶生长过程中调整坩埚、导流筒和单晶中的一个或多个的位置并实时测量得到实际 液口距，计算实际液口距和理论液口距的偏差值并依所述偏差值得到埚跟比变化值，依所述 埚跟比变化值对所述理论埚跟比进行调整；
[0009]
依所述埚跟比变化值对所述单晶提拉装置的拉速进行调整，以使单晶生长过程中的晶体 工艺拉速保持不变，其中，晶体工艺拉速为单晶相对于液面的提升速度。
[0010]
可选地，对所述理论埚跟比进行调整的方法包括调整坩埚提升速度和/或单晶提拉速度。
[0011]
可选地，计算实际液口距和理论液口距的偏差值后还包括对得到的偏差值进行数据滤波 的步骤，依数据滤波后的偏差值得到所述埚跟比变化值。
[0012]
可选地，对所述埚跟比变化值进行数据滤波后，依数据滤波后的埚跟比变化值对所述单 晶提拉装置的拉速进行调整。
[0013]
可选地，所述埚跟比变化值为所述理论埚跟比的-5％～5％。
[0014]
可选地，单晶生长过程中，液口距变化速度斜率的最大值为0.05mm/min。
[0015]
本发明还提供一种控制模块，包括处理器及存储器；所述存储器用于存储计算机程序； 所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述控制模块执行如上述任一方案 中所述的单晶生长方法。
[0016]
本发明还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时 实现如上述任一方案中所述的单晶生长方法。
[0017]
本发明还提供一种单晶生长设备，包括炉体、坩埚、坩埚提拉装置、导流筒及导流筒提 拉装置、单晶提拉装置及plc控制器；坩埚设置于所述炉体内，用于承载熔融硅，单晶一端 与所述熔融硅液面接触；坩埚提拉装置与所述坩埚相连接，用于对所述坩埚进行提拉；所述 导流筒设置于所述炉体内，与所述导流筒提拉装置连接，所述导流筒自所述坩埚的外侧延伸 到所述熔融硅的上方；所述单晶提拉装置与所述单晶的另一端相连接，用于在单晶生长过程 对单晶进行提拉；所述plc控制器与所述坩埚提拉装置、导流筒提拉装置及单晶提拉装置相 连接，在单晶生长过程中通过控制坩埚提拉装置、导流筒提拉装置及单晶提拉装置的提拉速 度以使单晶生长过程中的晶体工艺拉速保持不变，其中，晶体工艺拉速为单晶相对于液面的 提升速度。
[0018]
如上所述，本发明的单晶生长设备及单晶生长方法，具有以下有益效果：本发明对plc 控制器的控制方法和流程进行改善，在通过改变坩埚提拉速度改变液口距的同时，也让坩埚 和晶体提升相联动，从而达到晶体相对于液面的提升速度(晶体工艺拉速)无变化的效果， 有助于稳定单晶生长条件，从而有助于生长出高品质的单晶。
附图说明
[0019]
图1显示为本发明的单晶生长设备的结构示意图。
[0020]
图2显示为本发明的单晶生长方法的框架流程图。
[0021]
图3显示为现有的单晶生长过程中的液口距
①
和实际埚跟比
②
的变化曲线示意图。
[0022]
图4显示为本发明的单晶生长方法中，坩埚提拉速度
③
、单晶提拉装置的提拉速度
④
以 及晶体工艺拉速
⑤
的变化曲线示意图。
[0023]
图5显示为本发明提供的控制装置的模块示意图。
[0024]
元件标号说明
[0025]
11
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炉体
[0026]
12
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
坩埚
[0027]
13
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
加热器
[0028]
14
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导流筒
[0029]
141
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水平部
[0030]
142
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倾斜部
[0031]
15
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导流筒提拉装置
[0032]
16
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熔融硅
[0033]
17
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石墨层
[0034]
18
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石墨端盖
[0035]
19
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plc控制器
[0036]
20
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
坩埚提拉装置
[0037]
21
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单晶
[0038]
22
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
单晶提拉装置
[0039]
d
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
液口距
[0040]
31
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处理器
[0041]
32
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存储器
具体实施方式
[0042]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露 的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加 以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精 神下进行各种修饰或改变。
[0043]
请参阅图1至图4，需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明 的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状 及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局 型态也可能更为复杂。
[0044]
如图1所示，本发明提供一种单晶生长设备，包括炉体11、坩埚12、坩埚提拉装置20、 导流筒14及导流筒提拉装置15、单晶提拉装置22及plc控制器19；坩埚12设置于所述炉 体11内，用于承载熔融硅16，单晶21(初始时的单晶通常称为籽晶)一端与所述熔融硅16 的液面相接触(通常要部分伸入到熔融硅16内，在生长过程中逐步提升)；坩埚提拉装置 20与所述坩埚12相连接，用于对所述坩埚12进行提拉；所述导流筒14设置于所述炉体11 内，与所述导流筒提拉装置15连接，所述导流筒14自所述坩埚12的外侧延伸到所述熔融硅 16的上方；所述单晶提拉装置22与所述单晶21的另一端相连接，用于在单晶生长过程对单 晶进行提拉；所述plc控制器19与所述坩埚提拉装置20、导流筒提拉装置15及单晶提拉装 置22相连接，在单晶生长过程中通过控制坩埚提拉装置20、导流筒提拉装置15及单晶提拉 装置22的提拉速度以使单晶生长过程中的晶体工艺拉速保持不变，其中，晶体工艺拉速为单 晶相对于液面的提升速度。
[0045]
若将单晶提拉装置22的拉速(单晶提拉装置的拉速也即单晶的拉速)定义为sl1，将晶 体相对液面拉速，也即晶体工艺拉速定义为sl2，将液面位置变化速度定义为v，则可得出： sl1＝sl2+v，为了达到预期的液口距，整个单晶生长过程中，v是变化的，而现有技术中单 晶提拉装置的拉速(sl1)通常是预设的定值，所以导致晶体相对液面拉速，也即晶体工艺 拉速(sl2)变化，会对生长完美单晶产生很大的影响。而本发明对plc控制器的控制方法 和流程进行改善，在通过改变坩埚提拉速度改变液口距的同时，也让坩埚和晶体提升相联动， 从而达到晶体相对于液面的提升速度(晶体工艺拉速)无变化的效果，有助于稳定单晶生长 条件，从而有助于生长出高品质的单晶。
[0046]
需要说明的是，坩埚12中的硅料初始状态通常为固态，经受热(由布置在坩埚周向上的 加热器13加热)熔融后变成熔融硅16，而导流筒14与熔融硅16之间的间距是指导流筒14 最低点位置与熔融硅16液面之间的距离，也即业内俗称的液口距d。导流筒14是组成石墨 热场的一部分，在单晶生长过程中通过所述导流筒14将惰性气体，比如将氩气由上而下导入 到熔融硅16上方，可以带走熔融硅16上方的sio，并对单晶硅棒进行降温，增大其轴向温 度梯度(即单晶的纵向生长方向的温度)，使单晶快速生长。液口距d在硅单晶生长等径过 程中是一个很重要的参数，液口距d过大或过小都不利于单晶生长，且等径不同的单晶长度 处对应有不同的液口距d值。单晶生长过程中为确保单晶生长的品质需尽量在等径生长时保 持液口距d不变。现有技术中都是在单晶生长过程中通过提升坩埚改变坩埚位置以弥补因熔 融硅消耗导致液口距d增大的问题，但通过调整坩埚位置改变液口距的同时，也使得设定的 晶体提升速度和晶体相对于液面的提升速度产生差异，使熔体中对流不稳定，即单晶稳定的 生长条件遭到破坏，会造成晶体工艺拉速变化(晶体工艺拉速为单晶相对于液面的提升速度)， 导致生长出的单晶品质下降，而本发明对此提出了改善。
[0047]
作为示例，所述导流筒14包括水平部141及倾斜部142，所述水平部141一端与所述炉 体11的内壁相邻(该端与气体源相连通)，另一端向所述炉体11的中线方向延伸，所述倾 斜部142一端与所述水平部141远离所述炉体11内壁的一端相连接，另一端延伸到所述熔融 硅16的上方，所述连杆151与所述水平部141相连接。所述倾斜部142呈倾斜状，且与水平 面的夹角可为30～75
°
，以将惰性气体均匀输送至熔融硅表面，避免造成液面波动。且所述 倾斜部142的尺寸可沿朝向所述坩埚12的方向逐渐增大，即呈喇叭状，以使惰性气体更加均 匀地供应至熔融硅表面，提高同一平面上的温度均衡性，以确保单晶等径生长过程中的温度 均衡性。
[0048]
作为示例，所述单晶生长设备还包括石墨层17，位于所述炉体11和所述加热器13之间， 所述石墨层17可以实现保温隔热作用。在进一步的示例中，所述单晶生长设备还包括石墨端 盖18，所述石墨端盖18位于所述石墨层17的顶部，且位于所述导流筒14的水平部141的 下部，通过所述石墨层17和石墨端盖18的共同作用，以减少热量散失。
[0049]
作为示例，所述坩埚提拉装置20可以与所述坩埚12的底部和/或顶部相连接，以实现坩 埚的提升。
[0050]
本发明的单晶生长设备重点在于plc控制方法和流程的改善，其他部分与现有技术相差 不大，具体不再详细展开。
[0051]
如图2所示，本发明提供一种单晶生长方法，包括：
[0052]
提供单晶生长设备，所述单晶生长设备包括坩埚、用于提拉坩埚的坩埚提拉装置、用于 提拉单晶的单晶提拉装置、导流筒和用于提拉导流筒的导流筒提拉装置，比如提供如图1所 示的单晶生长设备，或者说本发明的单晶生长方法可基于前述任一项所述的单晶生长设备实 现，故前述对设备的全部描述可完全引用至此，具体请参考前述内容；
[0053]
设定理论液口距(导流筒和熔融硅液面的距离)，根据坩埚和单晶尺寸确定理论埚跟比后 开始单晶生长；具体地，根据坩埚的规格和需生长的单晶尺寸，按理论公式计算出理论埚跟 比，该过程为：
[0054]
根据质量守恒原理，等径生长过程中单位时间δt内增加的质量m
s
应该完全等于单位时间内 熔融硅减少的质量m
l
，即
[0055]
m
s
＝m
l
(1)
[0056][0057][0058]
其中：ρ
s
为常温下单晶的密度；ρ
l
熔点温度时单晶的密度；v
s
为单位时间单晶增加的 体积；v
l
为单位时间内熔融硅减少的体积；u
s
为单晶生长速度；u
c
为熔融硅液面下降速度， 其数值和坩埚上升速度相等；d
s
为单晶直径；d
l
为熔融硅液面的直径，即液面位置的坩埚内 径，根据式(1)，(2)，(3)可以得出理论埚跟比k的表达式
[0059][0060]
计算出理论埚跟比后，将单晶(初始时的籽晶)一端与熔融硅相接触，另一端与单晶提 拉装置相连接，按理论埚跟比和理论液口距进行各结构的初始参数设置，设备启动后开始单 晶生长；
[0061]
在单晶生长过程中调整坩埚、导流筒和单晶中的一个或多个的位置(通过对应的提拉装 置进行各结构位置的调节)并实时测量得到实际液口距，计算实际液口距和理论液口距的偏 差值并依所述偏差值得到埚跟比变化值，依所述埚跟比变化值对所述理论埚跟比进行调整， 而调整理论坩埚比包括调整坩埚提拉速度与单晶提拉速度中的一个或两个；
[0062]
依所述埚跟比变化值对所述单晶提拉装置的拉速进行调整，以使单晶生长过程中的晶体 工艺拉速保持不变，其中，晶体工艺拉速为单晶相对于液面的提升速度，即对原有理论坩埚 比调整后再通过反馈机制进行进一步微调，以使工艺拉速保持不变。
[0063]
本发明在通过改变坩埚提拉速度改变液口距的同时，也让坩埚和晶体提升相联动，从而 达到晶体相对于液面的提升速度(晶体工艺拉速)无变化的效果，有助于稳定单晶生长条件， 从而有助于生长出高品质的单晶。
[0064]
作为示例，对所述理论埚跟比进行调整的方法包括调整坩埚提升速度和/或单晶提拉速 度。
[0065]
作为示例，计算实际液口距和理论液口距的偏差值后还包括对得到的偏差值进行数据滤 波的步骤，依数据滤波后的偏差值得到所述埚跟比变化值。所述数据滤波包括但不限于算术 平均值滤波和滑动平均值滤波等方法中的一种或多种，比如在一段较短的时间内对获得的多 个偏差值进行平均值滤波，以提高调整精度，并减少调整频率，稳定单晶生长条件。
[0066]
作为示例，对所述埚跟比变化值进行数据滤波后，依数据滤波后的埚跟比变化值对所述 单晶提拉装置的拉速进行调整。同样地，所述数据滤波包括但不限于算术平均值滤波和滑动 平均值滤波等方法中的一种或多种，通过数据滤波提高调整精度。
[0067]
为避免较大的调整幅度带来单晶生长条件的巨大波动，埚跟比的调整不宜过大。本实施 例中，作为示例，所述埚跟比变化值为所述理论埚跟比的-5％～5％，或者说，埚跟比的调整幅 度在原定的理论埚跟比的
±
5％的范围内。
[0068]
同样地，在整个单晶生长过程中，液口距的变化也不宜过大。本实施例中，作为示例， 单晶生长过程中，液口距变化速度斜率的最大值为0.05mm/min，液口距的变化速度是
integrated circuit，简称asic)、现 场可编程门阵列(field programmable gate array，简称fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立 门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
[0078]
本发明还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时 实现如前述任一方案中所述的单晶生长方法。
[0079]
优选地，所述存储介质包括rom、ram、磁碟、u盘、存储卡或者光盘等各种可以存储 程序代码的介质。
[0080]
综上所述，本发明提供一种单晶生长方法及单晶生长设备。单晶生长方法包括：提供单 晶生长设备，所述单晶生长设备包括坩埚、用于提拉坩埚的坩埚提拉装置、用于提拉单晶的 单晶提拉装置、导流筒和用于提拉导流筒的导流筒提拉装置；设定理论液口距，根据坩埚和 单晶尺寸确定理论埚跟比后开始单晶生长；在单晶生长过程中调整坩埚、导流筒和单晶中的 一个或多个的位置并实时测量得到实际液口距，计算实际液口距和理论液口距的偏差值并依 所述偏差值得到埚跟比变化值，依所述埚跟比变化值对所述理论埚跟比进行调整；依所述埚 跟比变化值对所述单晶提拉装置的拉速进行调整，以使单晶生长过程中的晶体工艺拉速保持 不变，其中，晶体工艺拉速为单晶相对于液面的提升速度。本发明对plc控制器的控制方法 和流程进行改善，在通过改变坩埚提拉速度改变液口距的同时，也让坩埚和晶体提升相联动， 从而达到晶体相对于液面的提升速度(晶体工艺拉速)无变化的效果，有助于稳定单晶生长 条件，从而有助于生长出高品质的单晶。
[0081]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技 术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡 所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等 效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。