一种晶体生长控制方法、装置、系统及计算机存储介质与流程

本发明涉及晶体生长领域，具体而言涉及一种晶体生长控制方法、装置、系统及计算机存储介质，尤其涉及一种用于放肩过程的晶体生长控制方法、装置、系统及计算机存储介质。

背景技术：

单晶硅作为一种半导体材料，一般用于制造集成电路和其他电子元件。在制备硅单晶过程中，主要是通过将直径较小的籽晶浸入硅熔体中，通过引晶生长出一段直径较细的细晶来排出位错以达到生长零位错晶体的目的。之后会通过放肩过程，使得晶体由细晶长大到目标直径，再通过等径生长获得所需要尺寸的晶体。

放肩过程是长晶过程中较为关键的工艺过程，是获得目标直径晶体的基础。目前，采用的主要方法是采用降拉晶速度与降温度相结合的方法使晶体直径不断增大以达到目标直径。在放肩过程中主要是通过放肩开始时间或者放肩长度来决定拉晶速度和温度的变化，所以在放肩工艺过程中需要匹配好不同阶段的拉晶速度和温度。但是在实际长晶过程中由于热场使用时间、引晶温度、加热器寿命等在每次长晶的时候会存在一些差别，所以如果无法及时调整温度和拉晶速度设定会导致放肩过程失去晶体结构。另外，不同长晶条件的变化也会导致放肩工艺的不同，导致放肩成为长晶工艺开发过程中最为困难的一部分，需要进行很多次的尝试才能找到合适的温度和拉晶速度设定。同时也是长晶过程最难控制的一部分，要使每次放肩都达到一致非常困难。

本发明提供一种用于放肩过程的晶体生长控制方法、装置、系统及计算机存储介质，以解决上述技术问题。

技术实现要素：

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

本发明提供一种用于放肩过程的晶体生长控制方法，所述方法包括：预先设置放肩过程不同阶段的晶体直径变化值的设定值和所述放肩过程不同阶段的晶体生长工艺参数的设定值；获得所述放肩过程不同阶段的晶体直径，并计算所述晶体直径的变化值；将所述晶体直径的变化值与所述晶体直径变化值的设定值进行比较，得到差值，并将所述差值作为pid算法的输入变量；通过pid算法计算晶体生长工艺参数的调节值，作为pid算法的输出变量；将所述晶体生长工艺参数的调节值和所述晶体生长工艺参数的设定值相加，得到实际长晶过程的工艺参数，从而保证每次放肩直径变化的一致性，进而保证不同批次晶体生长质量的稳定。

进一步，所述放肩过程的晶体生长工艺参数包括拉晶速度和/或温度。

进一步，所述放肩过程不同阶段包括不同放肩时间。

进一步，所述放肩过程不同阶段包括不同晶体长度处。

进一步，所述放肩过程不同阶段的晶体直径通过直径测量装置获得。

本发明还提供一种用于放肩过程的晶体生长控制装置，所述装置包括：预先设置模块，用于预先设置放肩过程不同阶段的晶体直径变化值的设定值和所述放肩过程不同阶段的晶体生长工艺参数的设定值；直径测量装置，用于获得所述放肩过程不同阶段的晶体直径，并计算所述晶体直径的变化值；比较模块，用于将所述晶体直径的变化值与所述晶体直径变化值的设定值进行比较，得到差值；pid控制模块，用于将所述差值作为所述pid控制模块的输入变量，并通过pid算法计算晶体生长工艺参数的调节值，作为所述pid控制模块的输出变量；工艺参数设置模块，将所述晶体生长工艺参数的调节值和所述晶体生长工艺参数的设定值相加，得到实际长晶过程的工艺参数。

进一步，所述放肩过程的晶体生长工艺参数包括拉晶速度和/或温度。

进一步，所述放肩过程不同阶段包括不同放肩时间或不同晶体长度处。

本发明还提供一种用于放肩过程的晶体生长控制系统，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上且在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。

本发明还提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被计算机执行时实现上述方法的步骤。

综上所述，根据本发明的用于放肩过程的晶体生长控制方法、装置、系统及计算机存储介质，采用pid算法对放肩过程的直径变化进行控制调节，通过微调晶体生长工艺参数控制放肩过程的晶体直径变化，克服热场微小变化对放肩过程的影响，使得每次生长出的晶体形状和晶肩形状的重复性高，保证放肩过程晶体直径的变化值一致，提高放肩工艺的可重复性和工艺的稳定性，为整个长晶工艺的稳定性和重复性建立基础，使每次生长出的晶体质量保持一致。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。

附图中：

图1示出了本发明实施例所提供的晶体生长控制方法所使用的长晶炉的示意图；

图2示出了本发明实施例所提供的晶体生长控制方法所获得的单晶硅晶棒的示意图；

图3示出了根据本发明实施例的用于放肩过程的晶体生长控制方法的主要工艺流程示意图；

图4示出了根据本发明实施例的用于放肩过程的晶体生长控制方法的示意图；

图5示出了本发明实施例的用于放肩过程的晶体生长控制装置的示意性框图；

图6示出了本发明实施例的用于放肩过程的晶体生长控制系统的示意性框图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤，以便阐释本发明提出的用于放肩过程的晶体生长控制方法。显然，本发明的施行并不限定于半导体领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。

图1示出了本发明实施例所提供的晶体生长控制方法所使用的长晶炉的示意图，如图1所示，所述长晶炉用于采用直拉法生长硅单晶，包括炉体101，炉体101中设有加热装置和提拉装置。加热装置包括石英坩埚102、石墨坩埚103、加热器104。其中，石英坩埚102用于盛放硅料，例如多晶硅。硅料在其中被加热为硅熔体105。石墨坩埚103包裹在石英坩埚102的外侧，用于在加热过程中对石英坩埚102提供支撑，加热器104设置在石墨坩埚103的外侧。石英坩埚102上方设置有热屏106，所述热屏106具有下伸的环绕硅单晶107生长区域的倒锥形屏状物，可阻断加热器104和高温硅熔体105对生长的单晶硅晶棒107的直接热辐射，降低单晶硅晶棒107的温度。同时，热屏还能够使下吹的保护气集中直接喷到生长界面附近，进一步增强单晶硅晶棒107的散热。炉体101侧壁上还设有保温材料，例如碳毡。

提拉装置包括竖直设置的籽晶轴108和坩埚轴109，籽晶轴108设置在石英坩埚102的上方，坩埚轴109设置在石墨坩埚103的底部，籽晶轴108的底部通过夹具安装有籽晶，其顶部连接籽晶轴驱动装置，使其能够一边旋转一边向上缓慢提拉。坩埚轴109的底部设有坩埚轴驱动装置，使坩埚轴109能够带动坩埚进行旋转。

在进行单晶生长时，首先在石英坩埚102中投放硅料，接着关闭长晶炉并抽真空，在长晶炉中充入保护气体。示例性地，所述保护气体为氮气，其纯度为97％以上，压力为0.05mpa，流量为70l/min。然后，打开加热器104，加热至熔化温度1420℃以上，使硅料在20min内全部熔化为硅熔体105。

接着，将籽晶浸入硅熔体105中，通过籽晶轴108带动籽晶旋转并缓慢提拉，以使硅原子沿籽晶生长为单晶硅晶棒107。所述籽晶是由一定晶向的硅单晶切割或钻取而成，常用的晶向为<100>、<111>、<110>、<511>等，所述籽晶一般为圆柱体或长方体。单晶硅晶棒107的长晶过程依次包括引晶、放肩、转肩、等径及收尾几个阶段。

具体地，首先进行引晶阶段。即当硅熔体105稳定到一定温度后，将籽晶浸入硅熔体中，将籽晶以一定的拉速进行提升，使硅原子沿籽晶生长为一定直径的细颈，直至细颈达到预定长度。所述引晶过程的主要作用是为了消除因热冲击而导致单晶硅形成的位错缺陷，利用结晶前沿的过冷度驱动硅原子按顺序排列在固液界面的硅固体上，形成单晶硅。示例性地，所述拉速为1.5mm/min-2.5mm/min，细颈长度为晶棒直径的1.2-1.4倍，细颈直径为5-7mm。

然后，进入放肩阶段，当细颈达到预定长度之后，减慢所述籽晶向上提拉的速度，同时略降低硅熔体的温度，进行降温是为了促进所述单晶硅的横向生长，即使所述单晶硅的直径加大，该过程称为放肩阶段，如图2所示，该阶段所形成的锥形晶棒为晶棒的放肩段。

接着，进入转肩阶段。当单晶硅的直径增大至目标直径时，通过提高加热器104的加热功率，增加硅熔体的温度，同时调整所述籽晶向上提拉的速度、旋转的速度以及石英坩埚的旋转速度等，抑制所述单晶硅的横向生长，促进其纵向生长，使所述单晶硅近乎等直径生长。

然后，进入等径阶段。当单晶硅晶棒直径达到预定值以后，进入等径阶段，如图2所示，该阶段所形成的圆柱形晶棒为晶棒的等径段。具体地，调整坩埚温度、拉晶速度、坩埚转速和晶体转速，稳定生长速率，使晶体直径保持不变，一直到拉晶完毕。等径过程是单晶硅生长的主要阶段，长达数几十小时甚至一百多小时的生长。

最后，进入收尾阶段。收尾时，加快提升速率，同时升高硅熔体105的温度，使晶棒直径逐渐变小，形成一个圆锥形，当锥尖足够小时，它最终会离开液面。将完成收尾的晶棒升至上炉室冷却一段时间后取出，即完成一次生长周期。

在单晶硅长晶过程的几个阶段中，放肩阶段是长晶过程中较为关键的工艺过程，是获得目标直径晶体的基础。目前，采用的主要方法是采用降拉晶速度与降温度相结合的方法使晶体直径不断增大以达到目标直径。在放肩过程中主要是通过放肩开始时间或者放肩长度来决定拉晶速度和温度的变化，所以在放肩工艺过程中需要匹配好不同阶段的拉晶速度和温度。但是在实际长晶过程中由于热场使用时间、引晶温度、加热器寿命等在每次长晶的时候会存在一些差别，所以如果无法及时调整温度和拉晶速度设定会导致放肩过程失去晶体结构。另外，不同长晶条件的变化也会导致放肩工艺的不同，导致放肩成为长晶工艺开发过程中最为困难的一部分，需要进行很多次的尝试才能找到合适的温度和拉晶速度设定。同时也是长晶过程最难控制的一部分，要使每次放肩都达到一致非常困难。

鉴于上述问题的存在，本发明提出了一种用于放肩过程的晶体生长控制方法，如图3所示，其包括以下主要步骤：

在步骤s301中，预先设置放肩过程不同阶段的晶体直径变化值的设定值和所述放肩过程不同阶段的晶体生长工艺参数的设定值；

在步骤s302中，获得所述放肩过程不同阶段的晶体直径，并计算所述晶体直径的变化值；

在步骤s303中，将所述晶体直径的变化值与所述晶体直径变化值的设定值进行比较，得到差值，并将所述差值作为pid算法的输入变量；

在步骤s304中，通过pid算法计算晶体生长工艺参数的调节值，作为pid算法的输出变量；

在步骤s305中，将所述晶体生长工艺参数的调节值和所述晶体生长工艺参数的设定值相加，得到实际长晶过程的工艺参数，从而保证每次放肩直径变化的一致性，进而保证不同批次晶体生长质量的稳定。

示例性地，根据本发明实施例的晶体生长控制方法可以在具有存储器和处理器的设备、装置或者系统中实现。

其中，所述放肩过程的晶体生长工艺参数包括拉晶速度和/或温度。

进一步地，所述放肩过程不同阶段包括不同放肩时间或不同晶体长度处。

具体地，在步骤s301中，预先设置放肩过程的不同放肩时间或不同晶体长度处的晶体直径变化值的设定值、拉晶速度的设定值和/或温度的设定值。

在步骤s302中，获得所述放肩过程的不同放肩时间或不同晶体长度处的晶体直径，并计算所述晶体直径的变化值。

在本发明中，通过直径测量装置获得所述放肩过程的不同放肩时间或不同晶体长度处的晶体直径。可利用ccd(chargecoupleddevice，电荷耦合元件)相机采集长晶炉内单晶硅晶棒107与硅熔体105的三相交界处的图像，然后利用计算机对图像进行处理，得出单晶硅晶棒107的直径并反馈回控制系统对长晶进行控制。具体地，晶体生长的过程中，在单晶硅晶棒107与硅熔体105的固液界面处由于潜热的释放而产生亮环。ccd相机获取所述亮环的图像信号，并将信号经过模数转换后传送至计算机系统，由计算机系统中的图像处理程序对单晶生长图像进行处理，以获取单晶硅晶棒107的测量直径。作为示例，根据ccd相机获取的图像信号获取单晶硅晶棒107的测量直径的方法包括：图像处理程序提取固液界面处的亮环以获取晶体轮廓；将晶体轮廓进行拟合，获得椭圆边界；将椭圆边界校正成圆形边界；在圆形边界上任取三个像素点，分别将其坐标值代入圆坐标公式中、组成方程式并求解，即可计算得出圆心坐标和晶体的直径大小。

在步骤s303中，将所述晶体直径的变化值与放肩过程的不同放肩时间或不同晶体长度处的晶体直径变化值的设定值进行比较，得到差值，并将所述差值作为pid算法的输入变量。

需要说明的是，所述晶体直径的变化值及其设定值(所述晶体直径变化值的设定值)是在放肩过程的相同阶段的值，即在相同的放肩时间的值，或者是在相同晶体长度处的值。

在步骤s304中，通过pid算法计算拉晶速度的调节值和/或温度的调节值，作为pid算法的输出变量。

其中，所述pid算法根据偏差的比例(p)、积分(i)、微分(d)进行控制。比例控制能迅速反映误差，从而减小误差，但比例控制不能消除稳态误差，比例增益的加大会引起系统的不稳定；积分控制的作用是，只要系统存在误差，积分控制作用就不断地积累，输出控制量以消除误差，因此只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，但是积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡；微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。

最后，在步骤s305中，将拉晶速度的调节值和拉晶速度的设定值相加，得到实际长晶过程的拉晶速度；将温度的调节值和温度的设定值相加，得到实际长晶过程的温度。

图4示出了本发明的用于放肩过程的晶体生长控制方法的示意图，如图4所示，pid算法的输入为晶体直径的变化值与晶体直径变化的设定值的差值；pid算法的输出为拉晶速度的调节值和温度的调节值，将拉晶速度的调节值与拉晶速度的设定值相加，得到实际拉晶速度，将温度的调节值与温度的设定值相加，得到实际温度。

根据本发明的用于放肩过程的晶体生长控制方法，将晶体直径的变化值与晶体直径变化值的设定值进行比较得到的差值作为pid算法的输入变量，通过pid算法计算晶体生长工艺参数的调节值，作为pid算法的输出变量，采用pid算法对放肩过程的直径变化进行控制调节，通过微调晶体生长工艺参数控制放肩过程的晶体直径变化，克服热场微小变化对放肩过程的影响，使得每次生长出的晶体形状和晶肩形状的重复性高，保证放肩过程晶体直径的变化值一致，提高放肩工艺的可重复性和工艺的稳定性，为整个长晶工艺的稳定性和重复性建立基础，使每次生长出的晶体质量保持一致。

如图5所示，根据本发明实施例的用于放肩过程的晶体生长控制装置500包括预先设置模块501、直径测量装置502、比较模块503、pid控制模块504和工艺参数设置模块505。

预先设置模块501，用于预先设置放肩过程不同阶段的晶体直径变化值的设定值和所述放肩过程不同阶段的晶体生长工艺参数的设定值；

直径测量装置502，用于获得所述放肩过程不同阶段的晶体直径，并计算所述晶体直径的变化值；

比较模块503，用于将所述晶体直径的变化值与所述晶体直径变化值的设定值进行比较，得到差值；

pid控制模块504，用于将所述差值作为所述pid控制模块的输入变量，并通过pid算法计算晶体生长工艺参数的调节值，作为所述pid控制模块的输出变量；

工艺参数设置模块505，将所述晶体生长工艺参数的调节值和所述晶体生长工艺参数的设定值相加，得到实际长晶过程的工艺参数。

其中，所述放肩过程的晶体生长工艺参数包括拉晶速度和/或温度。预先设置模块501预先设置放肩过程的不同放肩时间或不同晶体长度处的晶体直径变化值的设定值、拉晶速度的设定值和/或温度的设定值；pid控制模块504将所述比较模块503经过比较得到的所述差值作为所述pid控制模块的输入变量，并通过pid算法计算拉晶速度的调节值和/或温度的调节值，作为所述pid控制模块的输出变量；工艺参数设置模块505将所述拉晶速度的调节值和所述拉晶速度的设定值相加，得到实际长晶过程的拉晶速度，将所述温度的调节值和所述温度的设定值相加，得到实际长晶过程的温度。

进一步地，所述放肩过程不同阶段包括不同放肩时间或不同晶体长度处。所述晶体直径的变化值及其设定值(所述晶体直径变化值的设定值)是在放肩过程的相同阶段的值，即在相同的放肩时间的值，或者是在相同晶体长度处的值。

示例性地，所述直径测量装置502为ccd相机。利用ccd相机采集长晶炉内单晶硅晶棒107与硅熔体105的三相交界处的图像，然后利用计算机对图像进行处理，得出单晶硅晶棒107的直径并反馈回控制系统对长晶进行控制。具体地，晶体生长的过程中，在单晶硅晶棒107与硅熔体105的固液界面处由于潜热的释放而产生亮环。ccd相机获取所述亮环的图像信号，并将信号经过模数转换后传送至计算机系统，由计算机系统中的图像处理程序对单晶生长图像进行处理，以获取单晶硅晶棒107的测量直径。作为示例，根据ccd相机获取的图像信号获取单晶硅晶棒107的测量直径的方法包括：图像处理程序提取固液界面处的亮环以获取晶体轮廓；将晶体轮廓进行拟合，获得椭圆边界；将椭圆边界校正成圆形边界；在圆形边界上任取三个像素点，分别将其坐标值代入圆坐标公式中、组成方程式并求解，即可计算得出圆心坐标和晶体的直径大小

图6示出了根据本发明实施例的用于放肩过程的晶体生长控制系统600的示意性框图。晶体生长控制系统600包括存储器610以及处理器620。

所述存储器610存储用于实现根据本发明实施例的用于放肩过程的晶体生长控制方法中的相应步骤的程序代码。

所述处理器620用于运行所述存储器610中存储的程序代码，以执行根据本发明实施例的用于放肩过程的晶体生长控制方法的相应步骤，并且用于实现根据本发明实施例的用于放肩过程的晶体生长控制装置中的预先设置模块501、直径测量装置502、比较模块503、pid控制模块504和工艺参数设置模块505。

在一个实施例中，在所述程序代码被所述处理器620运行时执行上述的用于放肩过程的晶体生长控制方法。

此外，根据本发明实施例，还提供了一种存储介质，在所述存储介质上存储了程序指令，在所述程序指令被计算机或处理器运行时用于执行本发明实施例的用于放肩过程的晶体生长控制方法的相应步骤，并且用于实现根据本发明实施例的用于放肩过程的晶体生长控制装置中的相应模块。所述存储介质例如可以包括平板电脑的存储部件、个人计算机的硬盘、只读存储器(rom)、可擦除可编程只读存储器(eprom)、便携式紧致盘只读存储器(cd-rom))、usb存储器、或者上述存储介质的任意组合。所述计算机可读存储介质可以是一个或多个计算机可读存储介质的任意组合，例如一个计算机可读存储介质包含用于随机地生成动作指令序列的计算机可读的程序代码，另一个计算机可读存储介质包含用于进行用于放肩过程的晶体生长控制的计算机可读的程序代码。

在一个实施例中，所述计算机程序指令在被计算机运行时可以实现根据本发明实施例的用于放肩过程的晶体生长控制装置的各个功能模块，并且/或者可以执行根据本发明实施例的用于放肩过程的晶体生长控制方法。

在一个实施例中，所述计算机程序指令在被计算机运行时执行以上用于放肩过程的晶体生长控制方法。

综上所述，根据本发明的用于放肩过程的晶体生长控制方法、装置、系统及计算机存储介质，采用pid算法对放肩过程的直径变化进行控制调节，通过微调晶体生长工艺参数控制放肩过程的晶体直径变化，克服热场微小变化对放肩过程的影响，使得每次生长出的晶体形状和晶肩形状的重复性高，保证放肩过程晶体直径的变化值一致，提高放肩工艺的可重复性和工艺的稳定性，为整个长晶工艺的稳定性和重复性建立基础，使每次生长出的晶体质量保持一致。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。