专利名称：基于温度预测补偿的直拉式晶体生长炉的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种基于温度预测补偿的直拉式晶体生长炉。
背景技术：
硅单晶是微电子技术的材料基石，随着我国信息产业的发展，对硅单晶质量要求越来越高，直径也越来越大。可以说硅单晶是现代信息技术、通信技术得以持续发展的材料基础，有不可替代的作用。
随着硅单晶在高技术应用领域的不断推广，对单晶体的需求量在不断增加，对晶体质量的要求越来越高，直径越来越大。这无疑对晶体生长技术也提出了更加严格的要求。市场需求高稳定性，全自动控制的硅晶体生长炉。
为满足迅速发展的信息技术对硅单晶的需求，国内外晶体生长厂家纷纷投巨资扩大晶体生长，对直拉式硅晶体生长炉的需求量近年来也迅速增加。特别是近年来国家对信息产业(含硅单晶片)的优惠政策使国内硅片生产厂商纷纷扩大生产规模，新的厂家投巨资进入硅单晶片生产领域，成为国内的一个投资热点。
尽管制备晶体方法有很多种，但由于全自动控制熔体提拉法生长具有生长速度快、晶体的纯度和完整性高等优点，因而依然是制备高质量大单晶，特别是高质量的IC片硅单晶最常用和最重要的方法。因此直拉式晶体生长炉是最主要的高质量硅晶体生产设备之一。由于全自动控制熔体提拉法生长具有生长速度快、晶体的纯度和完整性高等优点，一直是制备高质量大单晶，特别是高质量的IC片硅单晶最常用和最重要的方法。
进入本世纪以来，国内各大硅单晶的生产厂商都成倍地扩大生产规模，需要大量订购直拉式晶体生长炉；还有很多新建的硅单晶生产厂商都需要大批量购置多台晶体生长炉。据不完全统计，国内晶体生长厂家对直拉式晶体生长炉的年需求量超过了110台。然而目前国内有能力生产直拉式硅晶体生长炉的企业仅杭州凯克斯浙大机电有限公司、西安理工大学工厂等少数几家中外合资企业，还有相当大的市场缺口，高质量的晶体生长炉仍只能依赖进口。
目前用国产晶体生长炉生产晶体产品，其完整性与均匀性都远远低于进口晶体生长炉或合资企业生产的晶体生长炉，还很难达到电路级的要求，产品大部分只能用于太阳能市场，而不能进入IC行业的芯片市场。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种基于温度预测补偿的直拉式晶体生长炉，采用带预测补偿功能的晶体生长炉通过对坩埚内熔液的温度、坩埚与籽晶提升速度、坩埚与籽晶旋转速度等多个参数的协调控制，在仅采用红外探测型的直径传感器的条件下，仍能达到与进口炉相当的晶体产品完整性与均匀性，使产品达到电路级的要求。
利用直拉式晶体生长炉生产硅单晶，主要依靠将普通硅材料进行熔化-重新结晶来完成的。根据硅单晶的结晶规律，制造一个熔化和结晶的环境将原材料放在坩埚中加热熔化，控制温度比硅单晶的结晶温度略高，确保熔化后的硅材料在熔液表面可以结晶。结晶出来的单晶通过直拉炉的提升系统提出液面，在惰性气体的保护下冷却、成形，最后结晶成一个主体为圆柱体、尾部为圆椎体的晶体。晶体产品的完整性与均匀性是晶体生长炉最关键的技术指标，要求在长达30~40个小时的成晶过程中确保晶体的无错位生长，同时尽可能避免晶体的内应力与微缺陷；因此需要让硅单晶按要求进行有规律地生长，这就对晶体的圆柱直径、生长速度的均匀性提出了很高的要求。另外，在整个过程中，渗杂剂在轴向以及径向分布的均匀性、氧含量的均匀性也都直接影响了产品的质量。因此，需要有一套相应的自动控制方法及系统自动完成引晶-放肩-等径-收尾的全过程，并确保最终晶体产品的完整性与均匀性，同时最大限度地免除人为因素对生长过程的干扰。
为了达到上述目的本实用新型采用的技术方案如下1.直拉式晶体生长炉自动控制方法1)加料将硅晶体原材料放到坩埚内；2)氩气保护控制利用氩气保护控制模块进行控制，即启动真空泵对炉筒与提升腔1抽真空到10-6bar～10-5bar→氩气充气部件向炉筒与提升腔内充氩气到常压→再抽真空到10-6bar～10-5bar→再充氩气到常压，反复6～8次后停止；3)熔晶启动坩埚加热控制部件与冷却水，并利用坩埚加热与冷却控制模块控制坩埚加热控制部件的功率和冷却水的流量，综合控制坩埚内的普通硅原材料加热熔化，以及对炉筒外壳的冷却，避免高温影响安装在炉筒上的其他部件和传感器；4)引晶放肩硅晶体原材料全部熔化后，启动坩埚与籽晶升降控制模块，综合控制将结晶的硅单晶拉出液面的速度，使籽晶以每小时1cm～2cm的低速上升，并确保单晶直径测量传感器始终对准液面结晶位置，同时启动坩埚与籽晶旋转控制模块，使籽晶与坩埚以每分钟10～20转的速度旋转，提高单晶产品的均匀性，最终使得单晶硅在籽晶周围形成一个圆锥；5)等径控制拉出来的单晶直径到达标准直径时，启动单晶直径控制模块，利用CCD摄像或红外测量仪获得晶体在结晶点上的直径大小，以便控制算法实时调节籽晶提升速度，并综合考虑加热温度、坩埚提升、坩埚与籽晶旋转四个方面因素的影响，进行协调控制；6)收尾晶体生长完成后，关闭单晶直径控制模块、坩埚与籽晶旋转控制模块、坩埚与籽晶升降控制三个模块，坩埚下降到底；7)冷却关闭坩埚加热与冷却控制模块中的加热部分；8)取出产品等炉筒内温度降到常温后，关闭坩埚加热与冷却控制模块17)中的冷却部分，打开炉筒，取出单晶硅产品。
2.直拉式晶体生长炉包括1)在提升腔内安装有籽晶头，籽晶提升控制部件、籽晶旋转控制部件，在炉筒内安装有坩埚、坩埚提升控制部件、坩埚旋转控制部件，硅晶体原料放在坩埚内，在坩埚外面包有坩埚加热控制部件，冷却水则贯穿炉筒内硅晶体原料液面的上部，以及整个提升腔，炉筒的上方装有单晶直径传感器，对准了硅晶体原料液面位置，在炉筒的上部安装有抽真空部件，在提升腔的最上部以及炉筒的最下部装有氩气充气部件。
2)坩埚加热与冷却控制模块、坩埚与籽晶升降控制模块、坩埚与籽晶旋转控制模块、氩气保护控制模块、单晶直径控制模块均采用商用的工控机专用I/O输入输出模块、A/D模拟量输入模块、D/A模拟量输出模块组成；其中，坩埚加热控制部件、冷却水内的供水流量接坩埚加热与冷却控制模块；籽晶提升控制部件、坩埚提升控制部件接坩埚与籽晶升降控制模块；籽晶旋转控制部件、坩埚旋转控制部件接坩埚与籽晶旋转控制模块；抽真空部件、氩气充气部件接氩气保护控制模块；单晶直径传感器的输出信号、坩埚加热与冷却控制模块输出的坩埚内温度信号均接到单晶直径控制模块的输入端，单晶直径控制模块的输出信号接到坩埚与籽晶升降控制模块的输入端。
本实用新型具有的有益的效果是在单晶的生长过程中存在一个“固冷点”，作为每层晶体向前铺设的起点。在固冷点处会释放出大量的结晶热，需要通过冷却水迅速带走，形成新一层的“固冷点”，同时晶体上提一层。如果在结晶过程中不能对其固冷行为进行很好地控制，必然会导致晶体的错位生长，使整炉晶体全部报废。因此，单晶的完整性与均匀性受坩埚内熔液的温度、坩埚与籽晶提升速度、坩埚与籽晶旋转速度等参数的影响严重。本发明专利提出一套适用于国产化晶体生长炉的控制策略，综合分析炉筒内的热场分布及流动情况、晶体的固冷行为过程、结晶热的散发过程以及被冷却水吸收的情况等等，对上述参数进行多变量协调控制，大幅度提高目前国产炉产品的完整性与均匀性。另外，国产化晶体生长炉出于成本的考虑，其直径传感器一般都采用红外探测方案，性能方面较进口炉较差，也给等晶控制提出了更高的要求。在上述参数中，坩埚内熔液的温度对等晶度的影响最大，但同时它又是最难控制的一个量，响应速度很慢，因此只能进行宏观控制；坩埚与籽晶提升速度虽然对等晶度的影响熔液温度来得那么明显，但对它的控制相对比较容易，响应速度快，可以对等晶度进行微调；坩埚与籽晶的旋转则可以提高单晶产品的均匀性，但同时对等晶控制来说又是一个干扰量，需要在确保等径控制许可的范围内最大限度地利用坩埚与籽晶的旋转来提高单晶产品的均匀性。
图1是直拉式晶体生长炉机械部分结构图；图2是直拉式晶体生长炉控制模块与机械部分的连接图，图3是直拉式晶体生长炉自动控制方法流程图。
图中1、提升腔，2、炉筒，3、籽晶头，4、籽晶提升控制部件，5、籽晶旋转控制部件，6、坩埚，7、坩埚提升控制部件，8、坩埚旋转控制部件，9、硅晶体原料，10、硅晶体原料液面位置，11、硅单晶(圆柱形)，12、坩埚加热控制部件，13、冷却水，14、单晶直径传感器，15、抽真空部件，16、氩气充气部件，17、坩埚加热与冷却控制模块，18、坩埚与籽晶升降控制模块，19、坩埚与籽晶旋转控制模块，20、氩气保护控制模块，21、单晶直径控制模块。
具体实施方式
如图1所示，在外观上由提升腔1与炉筒2组成。在提升腔1内安装有籽晶头3(用来引晶)、籽晶提升控制部件4、籽晶旋转控制部件5，在炉筒2内安装有坩埚6、坩埚提升控制部件7、坩埚旋转控制部件8。硅晶体原料9放在坩埚6内，其液面位置10在炉筒2内相对固定。拉出来的硅单晶11成圆柱形，位于硅晶体原料液面位置10的正上方，并通过籽晶头3引出。在坩埚6外面包有坩埚加热控制部件12(用来熔化硅晶体原料)，冷却水13则贯穿炉筒2内硅晶体原料液面10的上部，以及整个提升腔1。在炉筒2的上方装有单晶直径传感器14，对准了硅晶体原料液面位置10。在炉筒2的上部安装有抽真空部件15，确保晶体生长环境的氧含量低于要求值。在提升腔1的最上部以及炉筒2的最下部装有氩气充气部件16，确保硅单晶在惰性气体的保护下生长。
上述部件均由相应的自动控制模块控制，确保硅单晶能按要求生长。其中，坩埚加热控制部件12、冷却水13内的供水流量由坩埚加热与冷却控制模块17控制；籽晶提升控制部件4、坩埚提升控制部件7由坩埚与籽晶升降控制模块18控制；籽晶旋转控制部件5、坩埚旋转控制部件8由坩埚与籽晶旋转控制模块19控制；抽真空部件15、氩气充气部件16由氩气保护控制模块20控制；单晶直径传感器14的输出信号、坩埚加热与冷却控制模块17输出的坩埚内温度信号均接到单晶直径控制模块21的输入端，单晶直径控制模块21的输出信号则接到坩埚与籽晶升降控制模块18的输入端，作为一个补偿量给出，以控制拉出来的硅单晶11的直径。
如图2、图3所示，控制系统软件包括坩埚加热与冷却控制模块17、坩埚与籽晶升降控制模块18、坩埚与籽晶旋转控制模块19、单晶直径控制模块21四大主模块，以及氩气保护控制模块20、电源及故障自保护控制模块、液压油源控制模块等辅助模块。各模块均采用商用的工控机专用I/O输入输出模块、A/D模拟量输入模块、D/A模拟量输出模块组成，配以响应的控制方法。要提高晶体产品的完整性与均匀性，关键就在于自动控制系统如何对坩埚内熔液的温度、单晶直径、坩埚加热控制部件功率、籽晶提升速度、坩埚与籽晶旋转速度等多个参数的协调控制，即等径阶段的自动控制策略。各主模块的主要特征如下(1)坩埚加热与冷却控制模块17坩埚加热和冷却控制模块17用来综合控制坩埚内的普通硅原材料加热熔化，以及对炉筒外壳的冷却，避免高温影响安装在炉筒上的其他部件和传感器。其控制目标包括三部分坩埚内的温度、结晶面上的温度以及炉筒内的温度场，相应的控制输入量则为坩埚加热控制部件功率、冷却水的流量。
假定硅单晶的结晶温度为TO，则将坩埚内温度的控制目标值设定为比硅单晶的结晶温度TO略高的一个值TO+TH，其中TH可由操作人员自由设定，以确保熔化后的硅材料在熔液表面可以结晶。
加热功能由中频电极加热控制单元实现。因此，对坩埚内温度的控制可以通过对坩埚加热控制部件功率的调节来实现。具体的控制方法为温度偏差ΔT＝TO+TH-T，其中T为坩埚内温度传感器的检测值。
坩埚加热控制部件输出功率设定值P分三段控制，当温度偏差小于允许偏差下限时，P＝Pmax，即以最大输出功率加热；当温度偏差大于允许的偏差上限时，P＝0，即关闭坩埚加热控制部件。当温度偏差在允许偏差内时，P＝P0+KPT*ΔT+KIT*∑ΔT，其中P0为坩埚加热控制部件输出功率的初始设定值，KPT与KIT为坩埚加热控制部件功率的控制参数，三个参数均由操作人员自由设定。∑ΔT为温度偏差进入允许范围内后的累计值。
结晶面上的温度和炉筒内的温度场均通过温度传感器检测得到，分别用TF、T1、T2、……Tn表示。对上述温度点进行加权求和处理，权值分别为M0、M1、M2、……Mn，即M0+M1+M2+……+Mn＝1。具体数值均可由操作人员自由设定。则温度场偏差ΔTF＝T0-(M0*TF+2*M1*T1+2*M2*T2+……+2*Mn*Tn)。
冷却水贯穿炉筒上的所有主要受热部位，对结晶面和炉筒内的温度场进行控制。与坩埚加热控制部件输出功率的控制相对应，其流量设定值Q也分三段控制，当温度偏差小于允许偏差下限，即坩埚加热控制部件以最大输出功率加热时，Q＝Qmax，即以最大流量冷却；当温度偏差大于允许的偏差上限，即系统超温时，Q＝Qmax，即仍以最大流量冷却。当温度偏差在允许偏差内时，Q＝Q0+KPF*ΔTF+KIF*∑ΔTF，其中Q0为冷却水流量的初始设定值，KPF与KIF为冷却水流量的控制参数，三个参数均可由操作人员自由设定。∑ΔTF为温度偏差进入允许范围内后温度场偏差的累计值。
(2)坩埚与籽晶升降控制模块18坩埚与籽晶升降控制模块18用来综合控制将结晶的硅单晶拉出液面的速度，是晶体生长炉最主要的功能。其控制目标包括两部分籽晶提升速度和坩埚行程，相应的控制输入量则为籽晶提升用直流电机的转速与坩埚提升用直流电机的转速。
籽晶的提升是将结晶的硅单晶拉出液面的执行主体。假定晶体生产炉的投料量为G，结晶状态下硅单晶的密度为ρs，结晶后晶体的直径为d0，拉晶时间设定为t0，直流电机驱动籽晶提升绞盘的直径为dz，则籽晶提升速度的设定值Vzt＝4*G/(ρs*π*d02*t0)+ΔV；其中ΔV为晶体直径控制模块给出的直径补偿量。籽晶提升直流电机的转速设定值ωzt＝Vzt/(π*dz)。
坩埚成半球形，它的提升主要用来补偿拉晶过程中熔化态硅单晶液面的降低，确保单晶直径测量传感器始终对准液面结晶位置。假定熔化状态下硅单晶的密度为ρl，坩埚的半径为R，拉出单晶长度为L，直流电机驱动坩埚提升绞盘的直径为dg，则坩埚行程的设定值可通过以下迭代公式计算获得，并取迭代初值为零H0=3·R·H02-3(G-L·ρs·π·d02/4)ρl·π3·]]>假定坩埚行程的实测值为H，行程偏差ΔH＝HO-H，则坩埚提升直流电机的转速设定值ωgt＝[KPH*ΔH+KIH*∑ΔH]/(π*dz)。其中KPH与KIH为坩埚行程的控制参数，两个参数均可由操作人员自由设定。∑ΔTF为拉晶全过程中坩埚行程偏差的累计值。
(3)坩埚与籽晶旋转控制模块19坩埚与籽晶旋转控制模块19用来提高单晶产品的均匀性。其中单晶本体的旋转可以保证单晶产品在圆周方向上的均匀性，而坩埚旋转则可以保证坩埚内熔液受热的均匀性。坩埚与籽晶的旋转也都通过直流电机驱动，籽晶与坩埚旋转驱动直流电机的转速设定值ωzz、ωgz均可由操作人员自由设定。
(4)晶体直径控制模块21晶体的直径控制模块21是影响晶体生长炉质量最关键的指标，利用CCD摄像或红外测量仪获得晶体在结晶点上的直径大小，以便控制算法实时调节籽晶提升速度，并综合考虑加热温度、坩埚提升、坩埚与籽晶旋转等多方面因素的影响，进行协调控制。其控制目标是给籽晶提升速度控制模块的直径补偿量ΔV，而其控制输入则为CCD摄像头或者红外测量仪获得的图像信号。
通过对图像信号中温度最高点的预测，可间接地获取晶体的实际直径预测值d。直径偏差预测值Δd＝d0-d。
根据实际直径与设定直径的偏差，同时考虑温度偏差的影响，其直径补偿量ΔV＝KPd*Δd+KId*∑Δd+KTd*ΔT，其中KPd与KId为直径偏差的控制参数，KTd为温度预测补偿参数，三个参数均由操作人员自由设定。∑Δd为进入等径阶段后直径偏差的累计值。
通过对坩埚内熔液的温度、籽晶提升速度、坩埚与籽晶旋转速度、生长单晶的直径等多个参数的协调控制，大幅度提高了国产晶体生长炉晶体产品的完整性与均匀性，产品已达到了电路级的要求。
30kg投料量的直拉式晶体生长炉，具体的指标如下(1)直拉式晶体生长炉投料量规格30kg；(2)可完成引晶-放肩-等径-收尾全过程的自动化控制；(3)晶体生长直径4”；(4)晶体生长的完整性成晶全过程晶体无位错、内应力低、微缺陷数量少；
(5)晶体生长的均匀性渗杂剂在轴向与径向分布均匀、氧含量均匀；(6)等径生长时的直径偏差在单晶全长内小于±1mm。
权利要求1.一种基于温度预测补偿的直拉式晶体生长炉，其特征在于包括1)在提升腔(1)内安装有籽晶头(3)，籽晶提升控制部件(4)、籽晶旋转控制部件(5)，在炉筒(2)内安装有坩埚(6)、坩埚提升控制部件(7)、坩埚旋转控制部件(8)，硅晶体原料(9)放在坩埚(6)内，在坩埚(6)外面包有坩埚加热控制部件(12)，冷却水(13)则贯穿炉筒(2)内硅晶体原料液面(10)的上部，以及整个提升腔(1)，炉筒(2)的上方装有单晶直径传感器(14)，对准了硅晶体原料液面位置(10)，在炉筒(2)的上部安装有抽真空部件(15)，在提升腔(1)的最上部以及炉筒(2)的最下部装有氩气充气部件(16)；2)坩埚加热与冷却控制模块(17)、坩埚与籽晶升降控制模块(18)、坩埚与籽晶旋转控制模块(19)、氩气保护控制模块(20)、单晶直径控制模块(21)均采用商用的工控机专用I/O输入输出模块、A/D模拟量输入模块、D/A模拟量输出模块组成；其中，坩埚加热控制部件(12)、冷却水(13)内的供水流量接坩埚加热与冷却控制模块(17)；籽晶提升控制部件(4)、坩埚提升控制部件(7)接坩埚与籽晶升降控制模块(18)；籽晶旋转控制部件(5)、坩埚旋转控制部件(8)接坩埚与籽晶旋转控制模块(19)；抽真空部件(15)、氩气充气部件(16)接氩气保护控制模块(20)；单晶直径传感器(14)的输出信号、坩埚加热与冷却控制模块(17)输出的坩埚内温度信号均接到单晶直径控制模块(21)的输入端，单晶直径控制模块(21)的输出信号接到坩埚与籽晶升降控制模块(18)的输入端。
专利摘要本实用新型公开了一种基于温度预测补偿的直拉式晶体生长炉。在提升腔内安装有籽晶头，籽晶提升、籽晶旋转控制部件，在炉筒内安装有坩埚、坩埚提升、坩埚旋转控制部件，硅晶体原料放在坩埚内，坩埚外面包有坩埚加热控制部件，冷却水则贯穿炉筒内硅晶体原料液面的上部，以及整个提升腔，炉筒的上方装有单晶直径传感器，对准硅晶体原料液面位置，在炉筒的上部安装有抽真空部件，在提升腔的最上部以及炉筒的最下部装有氩气充气部件。采用带预测补偿功能的晶体生长控制策略，对坩埚内熔液温度、坩埚与籽晶提升速度、旋转速度等参数进行协调控制，在仅采用红外探测型单晶直径传感器的条件下，仍能达到与进口炉相当的晶体产品完整性与均匀性，达到电路级要求。
文档编号C30B15/20GK2900558SQ20062010223
公开日2007年5月16日 申请日期2006年3月31日 优先权日2006年3月31日
发明者曹建伟, 张俊, 顾临怡, 邱敏秀 申请人:浙江大学