專利名稱：生長(zhǎng)管狀結(jié)晶體用的控制設(shè)備系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于生長(zhǎng)晶體用的設(shè)備，特別是關(guān)于生長(zhǎng)管狀晶體用的控制設(shè)備系統(tǒng)。
制造半導(dǎo)體器件所用的硅片往往是由具有多個(gè)邊(例如九邊形)的那種管狀晶體的平側(cè)面制成的。美國(guó)專利4544529中所述的設(shè)備迄今是用來(lái)按邊緣分明的薄膜供料生長(zhǎng)法(EFG法)制造這些晶體。簡(jiǎn)言之，這些設(shè)備包括一個(gè)坩堝，用來(lái)裝載待生長(zhǎng)材料(例如硅)的熔體;一個(gè)毛細(xì)管模具，用來(lái)控制被生長(zhǎng)晶體的形式和形狀;一個(gè)加熱器，用來(lái)控制模具和熔體的溫度;一個(gè)籽晶支承組件，用來(lái)支承生長(zhǎng)晶體用的籽晶;和一個(gè)與籽晶支承組件連接的提拉機(jī)構(gòu)，用來(lái)將管狀晶體從熔體中提拉出來(lái)。
要生產(chǎn)出令人滿意的商品硅基片并確保晶體生長(zhǎng)過(guò)程不因管狀晶體的被摘除或凍結(jié)而過(guò)早終止，重要的是要嚴(yán)格控制生長(zhǎng)中晶體的晶壁厚度。在美國(guó)專利4544528所公開(kāi)的那種毛細(xì)管模具裝置中，眾所周知，生長(zhǎng)中晶體的壁厚隨模具頂部與生長(zhǎng)中晶體的底部之間所形成的新月形體的大小和形狀而變化。各種各樣裝有光學(xué)系統(tǒng)的裝置，例如美國(guó)專利4239583、4267151和4318769所公開(kāi)的那些裝置，即利用新月形體的壁厚和各種幾何特性之間的關(guān)系研制出來(lái)，用以控制晶體生長(zhǎng)設(shè)備的操作。這些以光學(xué)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)有一個(gè)觀測(cè)新月形體用的光學(xué)組件。利用由光學(xué)組件獲得的有關(guān)新月形體構(gòu)形的資料，操作人員調(diào)節(jié)晶體生長(zhǎng)設(shè)備的操作，以生產(chǎn)出所需壁厚的晶體。
雖然用上述光學(xué)控制系統(tǒng)可以令人滿意地控制壁厚，但這些系統(tǒng)的用途存在某些局限性。首先，操作人員必須不斷地監(jiān)視著新月形體的構(gòu)形，并根據(jù)觀察結(jié)果調(diào)節(jié)晶體生長(zhǎng)設(shè)備的操作。為避免人為的差錯(cuò)、提高晶體的生產(chǎn)速率并降低與使用技術(shù)人員有關(guān)的費(fèi)用，總希望使整個(gè)晶體生長(zhǎng)操作自動(dòng)化。其次，使用周知的這種光學(xué)控制系統(tǒng)只能觀察到整個(gè)新月形體較小的一部分。這一小部分的構(gòu)形未必能代表整個(gè)新月形體的構(gòu)形。
采用美國(guó)專利4544528所例舉的那種公知的晶體生長(zhǎng)設(shè)備，要生長(zhǎng)出長(zhǎng)度大約2米以上的晶體既困難又不實(shí)用。造成這個(gè)困難的原因，部分是由于需要將管狀晶體內(nèi)部充以氬氣之類的惰性氣體以便阻止空氣進(jìn)入晶體內(nèi)部，部分是由于該容積內(nèi)存在大的溫差，因而產(chǎn)生對(duì)流。
更具體地說(shuō)，為了阻止周圍空氣進(jìn)入晶體內(nèi)部，需要往生長(zhǎng)中的晶體內(nèi)部注入惰性氣體(一般為氬氣)。由于惰性氣體比周圍的空氣重，在長(zhǎng)度比大約2米還長(zhǎng)的晶體內(nèi)，惰性氣柱的長(zhǎng)度和重量足以使氣柱往下沉，從而使周圍的空氣通過(guò)晶體頂端被吸入晶體內(nèi)。
當(dāng)采取防止周圍空氣進(jìn)入晶體內(nèi)的措施時(shí)，例如將晶體頂端覆蓋起來(lái)，晶體內(nèi)所產(chǎn)生的對(duì)流的有害作用大大增加。蓋上空心晶體頂端時(shí)，這些對(duì)流促使晶體內(nèi)的壓力波動(dòng)，從而難以控制晶體生產(chǎn)設(shè)備的操作。因此要生長(zhǎng)出壁厚均勻而且長(zhǎng)度大于2米左右的晶體就成問(wèn)題。
生長(zhǎng)晶體所需要的全部時(shí)間，有很大一部分是花在生長(zhǎng)工序用的晶體生長(zhǎng)設(shè)備的準(zhǔn)備工作上。因此要提高工藝效率，總希望能生長(zhǎng)出長(zhǎng)度大于2米左右的晶體。
本發(fā)明的主要目的是克服與公知的控制系統(tǒng)有關(guān)、控制管狀晶體生長(zhǎng)設(shè)備操作上存在的上述缺點(diǎn)。
本發(fā)明的另一主要目的是提供一種控制生長(zhǎng)長(zhǎng)度約2米以上的晶體用的設(shè)備的操作經(jīng)改進(jìn)的控制系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種根據(jù)傳感器所提供的有關(guān)晶體的重量、長(zhǎng)度和內(nèi)壓的信息來(lái)控制管狀晶體生長(zhǎng)設(shè)備的操作的經(jīng)改進(jìn)的控制系統(tǒng)。
本發(fā)明的又另一個(gè)目的是提供一種控制晶體生長(zhǎng)的設(shè)備的方法使生產(chǎn)出來(lái)的晶體壁厚大體均勻。
本發(fā)明的這些和其它目的是提供這樣一個(gè)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，該控制系統(tǒng)適宜和公知的管狀晶體生長(zhǎng)設(shè)備配用，其中，設(shè)備的籽晶夾持器制造得實(shí)質(zhì)上可以防止周圍的空氣進(jìn)入晶體內(nèi)。系統(tǒng)的一個(gè)最佳實(shí)施例包括一個(gè)壓力傳感器、一個(gè)重量傳感器、一個(gè)長(zhǎng)度傳感器、一個(gè)實(shí)際重量電路和一個(gè)控制器。壓力傳感器用以測(cè)定管狀硅晶體的內(nèi)部壓力，重量傳感器用以測(cè)定管狀硅晶體和支承該晶體的籽晶夾持器的總重量，長(zhǎng)度傳感器用以測(cè)量管狀晶體的長(zhǎng)度，實(shí)際重量電路耦合到壓力和重量傳感器上，用以計(jì)算管狀晶體的真實(shí)重量，控制器則耦合到長(zhǎng)度傳感器并耦合到實(shí)際重量電路上。控制器利用長(zhǎng)度傳感器和實(shí)際重量電路所提供的信息控制著晶體生長(zhǎng)設(shè)備坩堝加熱器的操作。通過(guò)精確調(diào)節(jié)坩堝加熱器的輸出功率控制晶體生長(zhǎng)設(shè)備的操作使得(1)生長(zhǎng)中的硅晶體其壁厚基本上均勻，且(2)晶體可以生長(zhǎng)到6米或以上的長(zhǎng)度。
為更全面理解本發(fā)明的性質(zhì)和目的，應(yīng)結(jié)合附圖參閱下面的詳細(xì)敘述，附圖中

圖1是本發(fā)明最佳實(shí)施例的部分剖視示意圖;
圖2是本發(fā)明的壓力傳感器和重量傳感器的輸出，與晶體的實(shí)際重量比較，對(duì)時(shí)間的關(guān)系曲線示意圖。
圖3是本發(fā)明最佳實(shí)施例中所采用的實(shí)際重量電路圖。
圖4是本發(fā)明的控制系統(tǒng)控制晶體生長(zhǎng)設(shè)備時(shí)所進(jìn)行的各項(xiàng)操作的軟件流程示意圖。
參看圖1，本發(fā)明包括一個(gè)控制半導(dǎo)體材料管狀晶體22生長(zhǎng)設(shè)備20的操作用的控制系統(tǒng)。雖然圖中沒(méi)有示出，但應(yīng)該理解，設(shè)備20包括美國(guó)專利4544528、4239583、4267151和4318769所述和例示的那種爐子。更具體地說(shuō)，設(shè)備20包括一個(gè)裝待結(jié)晶化的半導(dǎo)體材料的熔體的坩堝24、一個(gè)加熱熔體用的加熱器26和一個(gè)形狀合乎要求用以形成晶體22的毛細(xì)管模具28。毛細(xì)管模具可以取各種形狀，但最好是取美國(guó)專利4544528的圖1所示的形狀，只是它所取的形狀是用以生長(zhǎng)出圓形或某選定的多邊形(例如九邊形或八角形)的晶體。一對(duì)固定著的平行導(dǎo)軌29和在導(dǎo)軌上滑行的支架30是用以從熔體中提拉晶體22而設(shè)的。支架30中設(shè)有小孔32(見(jiàn)圖)，小孔附近的支架上固定有附板34。在坩堝24上方在軸向上遠(yuǎn)離坩堝24的遠(yuǎn)端的一固定位置支承有本技術(shù)領(lǐng)域公知的那種類型的提拉機(jī)構(gòu)35，與支架30相連接，用以將支架30以大致上恒定的速度沿導(dǎo)軌29拉離坩堝24。籽晶夾持器36連接到支架30上。籽晶夾持器36則機(jī)械耦合到籽晶39上(圖1)，晶體22即從籽晶39生長(zhǎng)出來(lái)。
以上有關(guān)設(shè)備20的簡(jiǎn)短敘述足以理解本發(fā)明的控制系統(tǒng)與其所控制的設(shè)備之間的相互關(guān)系。有關(guān)設(shè)備20一個(gè)實(shí)例更詳細(xì)的敘述，請(qǐng)參看前面提到過(guò)的頒發(fā)給史托蒙特等人的美國(guó)專利4544528，本說(shuō)明書(shū)將該美國(guó)專利包括進(jìn)去以供參考。
本發(fā)明控制系統(tǒng)的一個(gè)最佳實(shí)施例包括重量傳感器100、長(zhǎng)度傳感器101、壓力傳感器102、實(shí)際重量電路104和控制器105。在本最佳實(shí)施例中，籽晶夾持器36制造得使其可以氣封的方式封住晶體的上端，從而限制能通過(guò)晶體上端從晶體內(nèi)部逸出的流體的數(shù)量。夾持器36有一個(gè)垂直于管狀晶體22的軸線延伸的表面37和一個(gè)通過(guò)流體將晶體22內(nèi)部與籽晶夾持器外部連接起來(lái)的導(dǎo)管38。
重量傳感器100固定到附板34上并借助于可軸向延伸的桿106連接到籽晶夾持器36上。桿106通過(guò)支架30上的小孔32延伸。重量傳感器100測(cè)定晶體22和籽晶夾持器36(包括籽晶39在內(nèi))的重量。重量傳感器100的輸出在線路108上載送到實(shí)際重量電路104上。重量傳感器100是一個(gè)普通的應(yīng)變計(jì)載荷傳感器。
長(zhǎng)度傳感器101是為測(cè)量支架30相對(duì)于固定著的坩堝24的位移而設(shè)的。長(zhǎng)度傳感器101附在一個(gè)固定的物體上，最好是固定到提拉機(jī)構(gòu)35上，安置在坩堝24上方。長(zhǎng)度傳感器101包括一個(gè)普通的圓筒和纜索長(zhǎng)度測(cè)定變換器。提拉機(jī)構(gòu)35沿導(dǎo)軌29提拉支架30時(shí)，纜索103就卷繞在圓筒上。卷繞在圓筒上的纜索量與晶體的長(zhǎng)度相對(duì)應(yīng)，由裝在圓筒內(nèi)的電位計(jì)測(cè)定。長(zhǎng)度傳感器101電位計(jì)的輸出在線路109上載送到控制器105。
壓力傳感器102是為測(cè)定晶體22內(nèi)部朝上頂住籽晶夾持器表面37的壓力而設(shè)的。壓力傳感器102通過(guò)管116藉流體與導(dǎo)管38連通，因而也與晶體22內(nèi)部相關(guān)連。壓力傳感器102可裝在附板34上或任何其它適當(dāng)?shù)脑?。壓力傳感?02的輸出在線路118上傳送到實(shí)際重量電路104。壓力傳感器102是一個(gè)電容型傳感器。
現(xiàn)在參看圖1-3，實(shí)際重量電路104是為連續(xù)產(chǎn)生表示生長(zhǎng)中的晶體22在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中任何選定的時(shí)間內(nèi)的實(shí)際重量的信號(hào)而設(shè)的。簡(jiǎn)言之，實(shí)際重量電路104結(jié)合重量傳感器100和壓力傳感器102的輸出產(chǎn)生表示生長(zhǎng)中的硅晶體22、籽晶夾持器36和籽晶39的實(shí)際重量的信號(hào)。然后從實(shí)際重量信號(hào)減去補(bǔ)償電壓信號(hào)，以提供表示僅生長(zhǎng)中的晶體22的實(shí)際重量的信號(hào)。
但由于晶體內(nèi)存在著往上頂住籽晶夾持器表面37的壓力，因而生長(zhǎng)中的晶體22的重量不能用重量傳感器100直接測(cè)出。作用在表面37上的力增加時(shí)，生長(zhǎng)中的晶體22在克服重力的拉力的情況下被提升起來(lái)，促使重量傳感器100表示晶體22的重量的輸出信號(hào)下降，如圖2中曲線132朝下的尖鋒所示。同樣，作用在表面37上的力減小時(shí)，重量傳感器100所檢測(cè)出晶體22的重量增加，如圖2中曲線132的朝上尖峰所示。重量傳感器100輸出信號(hào)的這些變化降低了控制器105所產(chǎn)生的控制信號(hào)的準(zhǔn)確性。壓力傳感器102所測(cè)出的晶體22內(nèi)部的壓力波動(dòng)與重量傳感器100所測(cè)出的重量測(cè)定值成直接反比變化。將壓力信號(hào)和重量信號(hào)加起來(lái)(如下面即將詳細(xì)談到的那樣)，就可確定晶體22的實(shí)際重量，如圖2的曲線133所示。實(shí)際重量電路104即為產(chǎn)生此表示實(shí)際重量的信號(hào)而設(shè)的。
將籽晶夾持器36制造得使它和籽晶38大體上完全將晶體22的端部堵住(如上面談過(guò)的那樣)，就可以使晶體內(nèi)部的壓力波動(dòng)比起用上述美國(guó)專利申請(qǐng)書(shū)4544528所公開(kāi)的設(shè)備生長(zhǎng)出來(lái)的那種不密封的晶體內(nèi)部所產(chǎn)生的波動(dòng)大大增加。重量測(cè)定值因這些壓力波動(dòng)所造成的的誤差促使我們采用壓力傳感器102和實(shí)際重量電路104。
現(xiàn)在詳細(xì)敘述圖3所示的實(shí)際重量電路104。重量傳感器100的輸出端經(jīng)由線路108連接到放大器134上。放大器134則通過(guò)線路136連接到重量校準(zhǔn)電位計(jì)138上。重量校準(zhǔn)電位計(jì)138連接到加法放大器146的負(fù)接點(diǎn)上。電阻器148的一端由線路152連接到放大器146的正輸出接點(diǎn)上，另一端接地。電阻器150的一端也經(jīng)由線路152連接到放大器146的正接點(diǎn)，另一端連接到實(shí)際重量電路104的另一個(gè)部分，下面即將談到。放大器146的輸出端經(jīng)由線路156連接到濾波器158上，濾波器158的輸出端則經(jīng)由線路160連接到控制器105上。電阻器162按加法放大器的普通方式連接在輸出線路156與放大器146的負(fù)輸入端之間。
如本技術(shù)領(lǐng)域中所周知的那樣，上述134～162的全部元件起調(diào)節(jié)重量傳感器100輸出端的信號(hào)的作用。重量校準(zhǔn)電位計(jì)138用以校準(zhǔn)實(shí)際重量電路104的輸出，以適應(yīng)重量傳感器100靈敏度的變化。
壓力傳感器102的輸出在線路118上饋送到放大器170，放大器170在線路172上連接到壓力校準(zhǔn)電位計(jì)174上，該電位計(jì)則連接到加法放大器182的負(fù)輸入接點(diǎn)上。放大器182的正接點(diǎn)接地。電阻器186將補(bǔ)償電壓源192連接到加法放大器182的負(fù)接點(diǎn)上。補(bǔ)償電壓源192包括普通電位計(jì)193和適當(dāng)?shù)碾娢?95。電阻器194按加法放大器的普通方式經(jīng)由電阻器150將電阻器186連接到放大器146的正輸入端。補(bǔ)償電壓源192輸出信號(hào)的極性是這樣選擇，使得當(dāng)前一個(gè)信號(hào)通過(guò)放大器182及其有關(guān)電阻器186、194和150加到重量傳感器100的輸出信號(hào)時(shí)，后一個(gè)信號(hào)量減小，這點(diǎn)將在下文詳細(xì)談到。放大器182的輸出端在線路200上經(jīng)由線路202連接到電阻器150的一端。如上所述，電阻器150的另一端系經(jīng)由線路152連接到放大器146的正接點(diǎn)上。
取自電壓源192的補(bǔ)償信號(hào)與壓力傳感器102的輸出信號(hào)結(jié)合，得出的合成信號(hào)由放大器182加以放大。放大器182的輸出信號(hào)與重量傳感器100的輸出在加法放大器146中加在一起。調(diào)節(jié)重量校準(zhǔn)電位計(jì)138和壓力校準(zhǔn)電位計(jì)174以分別標(biāo)定重量傳感器100和壓力傳感器102的輸出信號(hào)的大小，使得在任何時(shí)刻，線路172上壓力信號(hào)的大小，由于作用在籽晶夾持器表面的壓力，與線路136上的重量信號(hào)部分相等且相反。例如，在某一選定的測(cè)量時(shí)間，重量傳感器100的輸出信號(hào)，由放大器134和電位計(jì)138標(biāo)定時(shí)可能為+1.5伏，而壓力傳感器102的輸出信號(hào)，由放大器170和182及其有關(guān)電阻標(biāo)定時(shí)可能為-0.5伏。將重量傳感器100和壓力傳感器102的輸出在放大器146加起來(lái)，獲得輸出信號(hào)的和，即+1.0伏，表示在該選定的測(cè)量時(shí)間晶體22、籽晶39和籽晶夾持器36的實(shí)際重量。
線路156上的實(shí)際重量信號(hào)最后通過(guò)濾波電路158處理，以削弱機(jī)械振動(dòng)和重量傳感器內(nèi)所產(chǎn)生的電干擾所引起的一些不希望有的分量。然后將此信號(hào)經(jīng)由線路160傳送到控制器105。
控制器105是為控制晶體生長(zhǎng)設(shè)備20的操作而設(shè)的。在本發(fā)明的最佳實(shí)施例中，提拉機(jī)構(gòu)35是以恒定的速度將晶體22從坩堝24中提升進(jìn)行工作的。這樣，僅調(diào)節(jié)坩堝加熱器26的輸出即可控制設(shè)備20的操作。控制器105提供進(jìn)行坩堝加熱器26的這種調(diào)節(jié)所用的溫度控制信號(hào)?？刂破?05可以取各種各樣的形式，包括，例如，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程用的數(shù)字式小型電子計(jì)算機(jī)。
現(xiàn)在翻到圖1和4，控制器105利用為其提供的輸入信號(hào)信息按機(jī)器控制軟件程序控制坩堝加熱器26的操作。圖4所示的軟件流程圖提供了軟件程序所進(jìn)行的操作的大致邏輯情況。這里不舉例或說(shuō)明軟件程序逐行的編碼過(guò)程，我們認(rèn)為這是在普通專業(yè)人員應(yīng)有的技術(shù)范圍內(nèi)。
在流程圖的第一步中，本發(fā)明的控制系統(tǒng)經(jīng)起動(dòng)后開(kāi)始控制著設(shè)備20的操作，如步驟200所示。下一步，控制器105讀取晶體22的現(xiàn)行長(zhǎng)度，如步驟204所示。長(zhǎng)度變換器101將該現(xiàn)行長(zhǎng)度的信息經(jīng)線路109提供給控制器105。接著在步驟206，現(xiàn)行長(zhǎng)度的信息被存儲(chǔ)起來(lái)，供下一次循環(huán)使用。這之后，控制器105讀取晶體的現(xiàn)行重量，如步驟208所示。此現(xiàn)行重量的信息由實(shí)際重量電路104產(chǎn)生，并經(jīng)線路160上提供給控制器105。接著在步驟210，現(xiàn)行重量的信息被存儲(chǔ)起來(lái)，供下一個(gè)循環(huán)使用。
然后計(jì)算在測(cè)量時(shí)間X內(nèi)晶體22長(zhǎng)度的變化，如步驟212所示。此運(yùn)算是采用現(xiàn)行長(zhǎng)度數(shù)據(jù)和上一次測(cè)量循環(huán)的長(zhǎng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行的?，F(xiàn)行長(zhǎng)度數(shù)據(jù)直接由長(zhǎng)度變換器101提供，上一循環(huán)的長(zhǎng)度數(shù)據(jù)則采用存儲(chǔ)在步驟206的數(shù)據(jù)讀入，如步驟214所示。顯然，在第一次迭代流程圖的過(guò)程中，所產(chǎn)生的長(zhǎng)度推導(dǎo)信息是沒(méi)有什么意義的，因?yàn)椴淮嬖谏弦粋€(gè)循環(huán)所已產(chǎn)生的長(zhǎng)度數(shù)據(jù)。測(cè)量時(shí)間X最好大約在30秒和3分鐘之間。測(cè)量時(shí)間X可以作為固定的調(diào)定值存儲(chǔ)在控制器105中，或在晶體生長(zhǎng)操作開(kāi)始時(shí)作為控制參數(shù)輸入。
下一步是計(jì)算在測(cè)量時(shí)間X內(nèi)晶體22的重量變化，如步驟216所示。此推算采用現(xiàn)行重量數(shù)據(jù)和上一個(gè)測(cè)量循環(huán)獲得的重量數(shù)據(jù)?，F(xiàn)行重量數(shù)據(jù)直接由實(shí)際重量電路104提供，上一循環(huán)的重量數(shù)據(jù)則采用存儲(chǔ)在步驟210的數(shù)據(jù)讀入，如步驟218所示。至于在步驟212的情況下，第一次迭代所產(chǎn)生的重量推算信息沒(méi)有什么意義。步驟216中所使用的測(cè)量時(shí)間X與步驟212中所使用的測(cè)量時(shí)間X完全相同，即最好在大約30秒至3分鐘的范圍內(nèi)。
然后在步驟220計(jì)算晶體22的實(shí)際壁厚，即將步驟216計(jì)算得出的晶體重量變化乘以常數(shù)K，再將此乘積除以步驟212計(jì)算出來(lái)的晶體22長(zhǎng)度的變化。熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人士都知道，K是壁厚換算常數(shù)，是根據(jù)待生長(zhǎng)的晶體所要求的壁厚以及長(zhǎng)度傳感器100的實(shí)際重量電路104的輸出信號(hào)的大小選取的。
下一步是從存儲(chǔ)器讀取壁厚信息，如步驟222所示。這之后，在步驟224將在步驟220計(jì)算出來(lái)的實(shí)際壁厚與在步驟222讀入的所要求的壁厚加以比較，以確定實(shí)際壁厚是大于或等于所要求的壁厚，若實(shí)際壁厚大于或等于所要求的壁厚，流程圖就進(jìn)行到步驟226。在步驟226，控制器105產(chǎn)生升溫信號(hào)，經(jīng)線路230加到坩堝加熱器26上。坩堝加熱器26一收到該溫升信號(hào)便投入工作，使熔體的溫度升高，從而使晶體22的壁厚減少。若實(shí)際壁厚不大于或等于所要求的壁厚，流程圖就進(jìn)行到步驟228。在步驟228，控制器產(chǎn)生降溫信號(hào)，經(jīng)線路230上加到坩堝加熱器26上。坩堝加熱器26一收到此降溫信號(hào)就投入工作，使熔體的溫度下降，從而使晶體22的壁厚增加。實(shí)際上，由于晶體22的壁厚在晶體增長(zhǎng)時(shí)會(huì)變薄，因而減少坩堝加熱器26的輸出使晶體增長(zhǎng)時(shí)，模具28的溫度一般下降。
控制器105所提供的信號(hào)的性質(zhì)以及坩堝加熱器26處理控制器所提供的信號(hào)的方式，致使調(diào)節(jié)模具和熔體的溫度對(duì)本發(fā)明無(wú)關(guān)重要。雖然如此，坩堝加熱器26還是可以，例如，包括一個(gè)級(jí)調(diào)式加熱器，即加熱器的輸出可分級(jí)調(diào)節(jié)。這樣，一旦從控制器105收到正值信號(hào)時(shí)，加熱器26的熱輸出會(huì)增加一個(gè)Y值，一旦從控制器105收到負(fù)值信號(hào)時(shí)加熱器26的熱輸出就會(huì)減少一個(gè)Y值。作為一個(gè)可供選擇的作法，可以在坩堝加熱器26與輸出線路230之間接上一個(gè)普通的溫度控制器232，如圖1所示。根據(jù)從控制器105出來(lái)的經(jīng)線路230加到溫度控制器232所輸出的輸出信號(hào)，溫度控制器232改變著輸入到坩堝加熱器26的功率，以確保生長(zhǎng)出壁厚大致均勻的晶體22。
在最后步驟232中，在讀入下一個(gè)現(xiàn)有長(zhǎng)度和重量值之前，引入一個(gè)時(shí)延。由于步驟204～228一般是在短于測(cè)量時(shí)間的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，因此步驟232是為使在讀入下一個(gè)長(zhǎng)度和重量值之前可以消磨掉測(cè)量時(shí)間里剩下的時(shí)間而設(shè)的。
在時(shí)延終了時(shí)，從步驟204開(kāi)始重復(fù)軟件流程圖的上述各步驟。
本發(fā)明適宜以較高于一般可由公知的控制系統(tǒng)獲得的精確度來(lái)控制公知晶體生長(zhǎng)設(shè)備的操作。通過(guò)準(zhǔn)確控制公知的晶體生長(zhǎng)設(shè)備的操作，可以獲得若干重要的優(yōu)點(diǎn)。第一，大大減少了生長(zhǎng)中的晶體22與模具分離或凍結(jié)在模具上的次數(shù)。第二，可以更準(zhǔn)確地控制管狀晶體的壁厚。第三，采用以本發(fā)明的方法控制的公知的晶體生長(zhǎng)設(shè)備，可以生長(zhǎng)出長(zhǎng)度達(dá)6米以上壁厚相當(dāng)均勻的晶體22，而且該晶體可改進(jìn)得使其在生長(zhǎng)過(guò)程中可大體上氣封其頂端。由長(zhǎng)晶體(例如6米長(zhǎng))制成的硅片，由于避免了因凍結(jié)和脫落所造成的損失，由于減少了設(shè)備相對(duì)于晶體生長(zhǎng)長(zhǎng)度的起動(dòng)時(shí)間，因而其材料成本比起用公知的晶體生長(zhǎng)設(shè)備生長(zhǎng)出來(lái)的較短的晶體制成的硅片低得多。
雖然本發(fā)明是為控制上述美國(guó)專利4544528所公開(kāi)的那種類型的EFG晶體生長(zhǎng)爐設(shè)備的操作而設(shè)計(jì)的，但應(yīng)該理解，本發(fā)明也可使其適宜控制其它生長(zhǎng)空心晶體的爐子設(shè)備的操作。
本發(fā)明最好是設(shè)計(jì)成改變坩堝的加熱速度來(lái)控制晶體的壁厚(保持提拉速度基本不變)，但本發(fā)明也可以設(shè)計(jì)成保持加熱速度不變，改變提拉速度來(lái)控制晶體的壁厚。不然也可以改變加熱速度和提拉速度以制造壁厚大致均勻的晶體。
鑒于在不脫離本發(fā)明范圍的前提下是可以對(duì)上述設(shè)備進(jìn)行某些修改的，因此我們的意圖是，上述介紹所包含的或附圖中所展示的一切資料應(yīng)理解為舉例性質(zhì)的，而不應(yīng)理解為是對(duì)本發(fā)明的限制。
權(quán)利要求
1.一種控制管狀晶體生長(zhǎng)設(shè)備的操作用的系統(tǒng)，該設(shè)備包括一盛熔體用的坩堝、一加熱所述坩堝用的加熱裝置，一包括從所述熔體生長(zhǎng)出管狀晶體用的生長(zhǎng)裝置的裝置，所述生長(zhǎng)裝置包括(1)籽晶夾持器，用以支承所述在其上生長(zhǎng)出晶體的籽晶，和(2)提拉裝置，用以將所述管狀晶體和所述籽晶夾持器提拉離所述坩堝，該系統(tǒng)的特征在于，該系統(tǒng)包括長(zhǎng)度傳感器，用以產(chǎn)生表示所述生長(zhǎng)中的管狀晶體的長(zhǎng)度的輸出信號(hào)；重量傳感器，用以產(chǎn)生表示所述生長(zhǎng)中的管狀晶體、所述籽晶和所述籽晶夾持裝置的重量的輸出信號(hào)；壓力傳感器，用以產(chǎn)生表示所述晶體內(nèi)部壓力的輸出信號(hào)；和控制裝置，與所述長(zhǎng)度傳感裝置、所述重量傳感裝置、所述壓力傳感裝置和所述加熱裝置耦合，用以響應(yīng)所述長(zhǎng)度傳感裝置、所述重量傳感裝置和所述壓力傳感裝置的輸出信號(hào)控制所述設(shè)備的操作，以確保所述生長(zhǎng)中的管狀晶體的壁厚大致均勻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制裝置控制著所述加熱裝置的操作。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制裝置包括計(jì)算所述管狀晶體的實(shí)際重量用的計(jì)算裝置，而且其中所述控制裝置響應(yīng)所述長(zhǎng)度傳感裝置和所述計(jì)算裝置的輸出信號(hào)控制所述坩堝加熱裝置的操作。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述計(jì)算裝置包括信號(hào)組合裝置，用以將所述重量傳感裝置和所述壓力傳感裝置的輸出信號(hào)組合起來(lái)，以產(chǎn)生表示所述管狀晶體和所述籽晶夾持裝置的實(shí)際重量的合成信號(hào);補(bǔ)償輸出信號(hào)發(fā)生裝置，用以產(chǎn)生表示所述籽晶夾持裝置的實(shí)際重量的補(bǔ)償輸出信號(hào);和信號(hào)組合裝置，用以將所述合成信號(hào)和所述補(bǔ)償輸出信號(hào)組合起來(lái)，以產(chǎn)生表示所述管狀晶體實(shí)際重量的經(jīng)校正的輸出信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制裝置包括一計(jì)算裝置，用以計(jì)算所述管狀晶體在任一選定的測(cè)量時(shí)間的實(shí)際壁厚。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器包括壁厚值給定裝置，用以給定所要求的晶體壁厚值;比較裝置，用以將所述所要求的壁厚值與所述實(shí)際壁厚值加以比較，并用以(1)在所述所要求的壁厚值小于所述實(shí)際壁厚值時(shí)將第一信號(hào)加到所述加熱裝置上，和(2)在所述所要求的壁厚值大于或等于所述實(shí)際壁厚值時(shí)將第二信號(hào)加到所述加熱裝置上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述籽晶夾持裝置系制造得使其能大致上氣封所述管狀晶體的上端，且所述壓力傳感裝置適宜測(cè)量所述管狀晶體內(nèi)朝上作用于所述籽晶夾持裝置的壓力。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制裝置控制著所述坩堝加熱裝置的操作，使所述管狀晶體可長(zhǎng)成6米或以上的長(zhǎng)度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述提拉系統(tǒng)還以大體上均勻的速度將所述管狀晶體、所述籽晶和所述籽晶夾持器提拉離所述熔體。
10.一種管狀晶體生長(zhǎng)設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備包括一坩堝，供盛熔體之用;坩堝加熱裝置;管狀晶體成形裝置，用以從所述熔體形成所述管狀晶體，該裝置包括(1)籽晶夾持裝置，用以支承長(zhǎng)出所述晶體的籽晶，并用以大體上氣封所述籽晶的頂端，和(2)提拉裝置，用以從所述坩堝提拉所述晶體、所述籽晶和所述籽晶夾持器;長(zhǎng)度測(cè)量裝置，連接到所述成形裝置上，用以提供表示所述生長(zhǎng)中的管狀晶體的長(zhǎng)度的輸出信號(hào);壓力測(cè)定裝置，連接到所述成形裝置上，用以提供表示所述生長(zhǎng)中的管狀晶體內(nèi)朝上頂住所述籽晶夾持器的壓力的輸出信號(hào);重量測(cè)定裝置，連接到所述成形裝置上，用以提供表示所述生長(zhǎng)中的管狀晶體重量的輸出信號(hào);控制裝置，連接到所述長(zhǎng)度測(cè)量裝置、所述壓力測(cè)定裝置、所述重量測(cè)定裝置和所述加熱裝置上，用以根據(jù)所述長(zhǎng)度測(cè)量裝置、所述壓力測(cè)定裝置和所述重量測(cè)定裝置的輸出信號(hào)控制所述加熱裝置的操作，以確保所述晶體的壁厚大致均勻。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的設(shè)備，其特征在于，所述控制裝置包括實(shí)際壁厚計(jì)算裝置，用以在所述晶體形成過(guò)程中任意測(cè)量時(shí)間內(nèi)計(jì)算所述管狀晶體的實(shí)際壁厚。
12.一種用這樣一種設(shè)備生長(zhǎng)壁厚基本均勻的管狀晶體的方法，該設(shè)備包括一盛熔體用的坩堝、一加熱所述坩堝用的加熱裝置、一包括一用以從所述熔體生長(zhǎng)出管狀晶體用的生長(zhǎng)裝置的裝置，所述生長(zhǎng)裝置包括(1)成形裝置，在所述坩堝中與所述熔體連通，(2)籽晶夾持器，用以支承在其上生長(zhǎng)出晶體的籽晶，和(3)提拉裝置，用以將所述管狀晶體、所述籽晶和所述籽晶夾持器提拉離所述成形裝置，該方法的特征在于，該方法包括操作所述設(shè)備，使所述管狀晶體開(kāi)始從所述成形裝置所支承的所述熔體生長(zhǎng)出來(lái);測(cè)量所述管狀晶體的現(xiàn)行長(zhǎng)度，并提供表示在某一測(cè)量時(shí)間X內(nèi)所述管狀晶體的長(zhǎng)度變化的長(zhǎng)度變化值;測(cè)定所述管狀晶體的現(xiàn)行重量，并提供表示在某一測(cè)量時(shí)間X內(nèi)所述管狀晶體的重量變化的重量變化值;利用所述長(zhǎng)度變化值、所述重量變化值和換算系數(shù)常數(shù)K計(jì)算和提供表示所述管狀晶體實(shí)際壁厚的壁厚值;將所述壁厚值與所要求的壁厚值加以比較;若實(shí)際壁厚值大于所述所要求的壁厚值，則提高所述加熱裝置的溫度;若實(shí)際壁厚值小于所述所要求的壁厚值，則降低所述加熱裝置的溫度。
13.一種管狀晶體生長(zhǎng)設(shè)備的操作控制系統(tǒng)，該設(shè)備包括一裝熔體用的坩堝、一加熱所述坩堝用的加熱裝置、一包括從所述熔體生長(zhǎng)管狀晶體用的成形裝置的裝置，所述生長(zhǎng)裝置包括(1)籽晶夾持裝置，用以支承在其上生長(zhǎng)所述晶體的籽晶，和(2)提拉裝置，用以將所述管狀晶體、所述籽晶和所述籽晶夾持器以某一選定速度提拉離所述成形裝置，所述籽晶夾持裝置構(gòu)制得使其可大致上能氣封所述管狀晶體的頂端，所述系統(tǒng)的特征在于，所述系統(tǒng)包括長(zhǎng)度傳感裝置，用以產(chǎn)生表示所述生長(zhǎng)中的管狀晶體的長(zhǎng)度的輸出信號(hào);重量傳感裝置，用以產(chǎn)生表示所述管狀晶體、所述籽晶和籽晶夾持裝置的重量的輸出信號(hào)，壓力傳感裝置，用以產(chǎn)生表示所述管狀晶體內(nèi)部朝上作用于所述籽晶夾持器的壓力的輸出信號(hào);控制裝置，連接到所述長(zhǎng)度傳感裝置、所述重量傳感裝置和所述加熱裝置上，用以響應(yīng)所述長(zhǎng)度傳感裝置、所述重量傳感裝置和所述壓力傳感裝置的輸出信號(hào)控制所述加熱裝置的操作，以確保所述生長(zhǎng)中的管狀晶體的壁厚大體均勻;所述控制裝置則包括一計(jì)算裝置，用以響應(yīng)所述重量傳感裝置和所述壓力傳感裝置的輸出信號(hào)產(chǎn)生表示所述管狀晶體、所述籽晶和所述籽晶夾持器的實(shí)際重量的合成信號(hào);補(bǔ)償輸出信號(hào)發(fā)生裝置，用以產(chǎn)生表示所述籽晶和所述籽晶夾持器實(shí)際重量的補(bǔ)償輸出信號(hào);信號(hào)組合裝置，用以將所述合成信號(hào)和所述補(bǔ)償輸出信號(hào)組合起來(lái)，以產(chǎn)生表示所述管狀晶體實(shí)際重量的校正輸出信號(hào);實(shí)際壁厚信號(hào)發(fā)生裝置，用以響應(yīng)所述校正輸出信號(hào)和所述長(zhǎng)度傳感裝置的輸出信號(hào)產(chǎn)生表示所述管狀晶體在某一選定時(shí)間的實(shí)際壁厚的實(shí)際壁厚信號(hào);參考信號(hào)發(fā)生裝置，用以提供表示所要求的壁厚值的參考信號(hào);和信號(hào)比較裝置，用以將所述參考壁厚信號(hào)與所述實(shí)際壁厚信號(hào)進(jìn)行比較，并用以(1)在所述要求的壁厚值小于所述實(shí)際壁厚值時(shí)將第一控制信號(hào)加到所述加熱裝置上，和(2)在所述所要求的壁厚值大于所述實(shí)際壁厚時(shí)將第二信號(hào)加到所述加熱裝置上。
全文摘要
一種控制管狀晶體生長(zhǎng)設(shè)備的操作用的控制系統(tǒng)包括一測(cè)定晶體重量用的重量傳感器、一測(cè)量晶體長(zhǎng)度用的長(zhǎng)度傳感器、一測(cè)定晶體內(nèi)部壓力用的壓力傳感器和一耦合到該重量、長(zhǎng)度、壓力傳感器以控制晶體生產(chǎn)設(shè)備操作的控制器?？刂破黢詈系皆O(shè)備的模具加熱器上以根據(jù)重量、長(zhǎng)度和壓力傳感器的輸出控制盛在坩堝中的熔體的溫度。為確保晶體壁厚大體均勻，必須精確測(cè)定晶體的重量。本發(fā)明對(duì)管狀晶體內(nèi)部壓力波動(dòng)所引起的重量測(cè)定誤差進(jìn)行了補(bǔ)償。
文檔編號(hào)H01L21/208GK1031404SQ8810235
公開(kāi)日1989年3月1日 申請(qǐng)日期1988年5月5日 優(yōu)先權(quán)日1987年5月5日
發(fā)明者布賴恩·H·麥金托什 申請(qǐng)人:無(wú)比太陽(yáng)能公司