200單晶拉速控制

1、 集成電路的發(fā)展要求硅材料的研究工作能與之同步。MDRAM是當(dāng)前半導(dǎo)體器件的代表產(chǎn)品，其特征尺寸的縮小，芯片面積的增大要求高質(zhì)量大直徑的硅片。國外許多材料廠家已能夠批量生產(chǎn)200mm硅單晶，同時(shí)，近幾年新建成的器件制造線中，絕大多數(shù)是按200mm線設(shè)計(jì)的?？梢灶A(yù)見未來幾年中，200mm硅單晶在整個(gè)世界半導(dǎo)體市場(chǎng)上的比重會(huì)越來越大，可以說，硅單晶的直徑尺寸直接反映著一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的水平。1995年9月，我們通過引進(jìn)設(shè)備，拉制出了我國第一根0200mmp型100硅單晶，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，這標(biāo)志著我國半導(dǎo)體材料的研究上了一個(gè)新臺(tái)階。本文從生長工藝的角度分析拉制0200mm無位錯(cuò)硅單晶的各項(xiàng)條件。1實(shí)

2、驗(yàn)方法在CG-6000型直拉單晶爐上，采用450mm熱場(chǎng)，60kg裝料量拉制0200mmp型100硅單晶，氬氣流量55L/min,爐內(nèi)壓力2.402.93kPa,晶轉(zhuǎn)12r/min,堝轉(zhuǎn)12r/min,拉晶速度在55mm/h30mm/h之間，對(duì)S0P（系統(tǒng)操作參數(shù)）表中的各項(xiàng)用最佳的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)填寫,采用全自動(dòng)拉晶技術(shù),均勻控制拉晶過程中各項(xiàng)參數(shù)的變化。2實(shí)驗(yàn)分析及討論單晶的無位錯(cuò)生長對(duì)于0200mm的硅單晶，保證單晶的無位錯(cuò)生長是很困難的,以下幾個(gè)條件在拉制大直徑單晶的過程中尤其重要。足夠的穩(wěn)定時(shí)間和規(guī)范的縮頸工藝對(duì)于拉制0200mm硅單晶的450mm熱場(chǎng)，裝料量大，化料功率高(150kW)，熱

3、容量相當(dāng)大，化完料后的穩(wěn)定非常重要。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果穩(wěn)定時(shí)間少于兩個(gè)小時(shí)，在放肩過程中能明顯看到由于溫度的波動(dòng)引起的放肩生長速度的突變，容易產(chǎn)生晶變。因此化完料后的穩(wěn)定應(yīng)多于兩個(gè)小時(shí)?？s頸是拉制無位錯(cuò)單晶的基礎(chǔ)，雖然理論上可以計(jì)算出位錯(cuò)排除體外的細(xì)頸長度(L=DctgB)，但實(shí)驗(yàn)表明，理論計(jì)算的縮頸長度還不能確得無位錯(cuò)單晶的生長，拉制大直徑單過程中，嚴(yán)格規(guī)范了工藝，要求縮頸直徑3.54.5mm,長度100mm。這樣可以確保排除籽晶引入的位錯(cuò)。熱場(chǎng)的配置熱場(chǎng)配置是拉制無位錯(cuò)單晶最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，等徑生長過程中經(jīng)常由于晶體中熱應(yīng)力超過了硅的臨界應(yīng)力而產(chǎn)生位錯(cuò)，晶體中的熱應(yīng)力是與晶體生長的環(huán)境-熱場(chǎng)有直接

4、的關(guān)系。軸向溫度梯度和徑向溫度梯度不引起位錯(cuò)的條件分別是1卩/bXdT/dZWTc/Gbr(1)(2)卩/bXdT/drWTc/Gbl式中，卩是硅的熱脹系數(shù)，b是柏格斯矢量的絕對(duì)值，G是切變模量，Tc是硅的臨界應(yīng)力，r是晶體半徑，l是晶體長度。由(1)式可以看出，晶體直徑的增大，必然要求軸向溫度梯度的減小。(2)式則要求晶體的徑向溫度梯度要小，實(shí)驗(yàn)過程中，我們盡量加強(qiáng)熱場(chǎng)的保溫，同時(shí)用合理的工藝參數(shù)控制生長界面的形狀確保生長界面的平坦，減小徑向的熱應(yīng)力，保證單晶的無位錯(cuò)生長。工藝參數(shù)的選擇工藝參數(shù)的選擇除了為控制晶體的質(zhì)量外，還必須有利于晶體的無位錯(cuò)生長。在拉制200mm硅單晶過程中，為盡量保

5、持生長界面的平坦，減少由于界面彎曲產(chǎn)生的應(yīng)力，采取了低拉速(5530mm/h)、低晶轉(zhuǎn)(12r/min)、高堝轉(zhuǎn)(12r/min)的拉晶條件。對(duì)于0200mm的硅單晶來說，界面產(chǎn)生的結(jié)晶潛熱極易形成凹界面,而上述三個(gè)拉晶條件都能起到抑制凹界面的作用，實(shí)驗(yàn)表明，上述參數(shù)選擇在拉制0200mm的單晶中是合理適用的。2.2系統(tǒng)操作參數(shù)(SOP)表的建立全自動(dòng)拉晶過程中各步參數(shù)的設(shè)置是很重要的，系統(tǒng)操作參數(shù)(SOP)表實(shí)際上是將以往的拉晶經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)編成程序輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制，它內(nèi)含許多參數(shù)。拉制0200mm的硅單晶中，我們精心設(shè)計(jì)了拉速的設(shè)定值和拉晶過程中堝升速度值的變化，這兩個(gè)參數(shù)在整個(gè)拉晶過程是

6、很關(guān)鍵的。下面是所選用的拉速變化曲線和堝升設(shè)定表。單品也度Jnun圖1拉速設(shè)定值隨晶體長度的變化剩余重量佻10.012；014.01&.017.0L兀0.2400.2350邊300.-;2250.222|表1拉晶過程中Lc/Ls的變化：Lc為坩堝上升的速率；Ls為晶體上升的速率全自動(dòng)拉晶的好處在于拉晶過程中能均勻地改變某一參數(shù)，如上表拉速可以在設(shè)定范圍內(nèi)均勻下降，而堝升可以隨著熔體表面積的減小均勻增加，保持了拉晶過程中液面位置的恒定，避免了人為調(diào)節(jié)因素的干擾。石英坩堝的選用拉制大直徑單晶的過程中，除了上述提到的減小熔體溫度的波動(dòng)和晶體熱應(yīng)力外，石英坩堝的選用也很關(guān)鍵。大石英坩堝壁的溫度比小石英

7、堝高很多2，使熔體和石英坩堝的反應(yīng)更為劇烈，增加了坩堝內(nèi)壁方石英層的形成，這種方石英層的粒子容易脫落進(jìn)入熔體中，經(jīng)過熔體輸運(yùn)到生長界面引起位錯(cuò)。這就要求石英坩堝表面的清潔度要好，因?yàn)榉绞唿c(diǎn)往往在表面被污染處開始生長。在拉制大直徑單晶中，我們發(fā)現(xiàn)如果石英坩堝質(zhì)量不好，在坩堝內(nèi)壁會(huì)形成很厚的方石英，這種情況下很難拉出單晶。另外，坩堝的軟化點(diǎn)要高，否則，一旦坩堝變形后熱場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化，造成拉晶困難。因此，應(yīng)選擇純度更高的石英坩堝。3結(jié)論通過分析0200mm硅單晶的工藝生長特點(diǎn)，配置了利于單晶生長的合理熱場(chǎng)，對(duì)SOP表中的各項(xiàng)參數(shù)精確設(shè)置，規(guī)范拉晶工藝，采用全自動(dòng)拉晶技術(shù)拉制出完整的0200mmP1

8、00硅單晶。引言隨著IT產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，生產(chǎn)集成電路所需要的半導(dǎo)體材料單晶硅急劇增長。單晶硅的提拉速度控制，是在硅結(jié)晶生長開始時(shí)，用低速提拉，生長過程中勻速提拉的辦法制成的。提拉速度的控制性能將直接影響到晶體的質(zhì)量。因此其速度的穩(wěn)定性的控制顯得相當(dāng)重要，本文設(shè)計(jì)了一種混合式自調(diào)整模糊控制的單晶爐提拉速度控制系統(tǒng)，可達(dá)到很好的速度控制效果。工藝要求單晶爐提拉工藝示意圖如圖1。提拉控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速n經(jīng)減速器、齒輪齒條減速后帶動(dòng)提拉桿上下運(yùn)動(dòng)。根據(jù)硅單晶工藝要求提拉速度V能在0.210.0mm/h內(nèi)無級(jí)調(diào)節(jié),它相對(duì)于給定信號(hào)的線性精度2%。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化范圍n為0.08334.167r/m

9、in。在如此低速的情況下既保證系統(tǒng)具有寬調(diào)速范圍，又要有良好的線性度、穩(wěn)定度和精度。當(dāng)提拉負(fù)載增大引起線速度為零時(shí)，提拉桿能保持其最后位置而不上下滑動(dòng)，也就是說在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)，還必須能輸出足夠大的力矩?；旌鲜阶哉{(diào)整模糊控制器原理與設(shè)計(jì)3.1混合式模糊PID控制原在一般的模糊控制系統(tǒng)中，考慮到模糊控制器實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)易性和快速性，通常采用二維模糊控制器的結(jié)構(gòu)形式，該類控制器具有PD控制器的作用，可以獲得良好的動(dòng)態(tài)性能，但靜態(tài)性能卻不能令人滿意。由線性控制理論可知，積分控制作用能消除穩(wěn)態(tài)誤差，因此，把積分控制引入FUZZY控制器，構(gòu)成FUZZYPID混合控制器，可大大改善模糊控制器的

10、穩(wěn)態(tài)性能。FUZZYPID混合模糊控制器控制的單晶爐提拉速度控制系統(tǒng)如圖2所示。其核心部分FUZZYPID混合模糊控制器由一個(gè)常規(guī)積分控制器和一個(gè)二維模糊控制器并聯(lián)而成。常規(guī)積分控制器輸出Ui和模糊控制器輸出Uf相疊加，作為混合模糊PID的總輸出，即U=Ui+Uf,可使系統(tǒng)成為無差模糊控制系統(tǒng)。單LJ匚外星f衛(wèi)3.2模糊控制器的自調(diào)整因子的設(shè)計(jì)設(shè)誤差E、誤差變化EC及控制量U的論域選取為E=EC=U=-6，+6，它們的模糊集均為NB，NM，NS，O，PS，PM,PB，隸屬函數(shù)采用對(duì)稱三角形，則基于專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，以及模糊推理建立控制規(guī)則，如表1所示。pin二tfirfiw沖耿呂惱椰耳*ft廿H

11、肌模糊控制系統(tǒng)在不同的狀態(tài)下，對(duì)控制規(guī)則中誤差E及其變化EC的加權(quán)程度有不同的要求，須考慮對(duì)不同的誤差等級(jí)引入不同的加權(quán)因子，以實(shí)現(xiàn)對(duì)模糊控制的自調(diào)整。帶自調(diào)整因子的控制規(guī)則可由下式表示：U也*(1什盤二打曲Of,岸“式中OWaOWasWl；aea0,as；c為誤差變化EC的加權(quán)因子。iISMSMA通過調(diào)整a值，可以改變對(duì)誤差和誤差變化的不同加權(quán)程度。該控制規(guī)則的特點(diǎn)式調(diào)整因子a在a0至as之間隨著誤差絕對(duì)值020E的大小呈線性變化。量化控制規(guī)則體現(xiàn)了按誤差的大小自動(dòng)調(diào)整誤差對(duì)控制作用的權(quán)重，因?yàn)檫@種自動(dòng)調(diào)整是在整個(gè)誤差領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行的，所以稱之為在全論域范圍內(nèi)帶有自調(diào)整因子的模糊量化控制規(guī)則。該控制規(guī)則具有可優(yōu)化、易于通過微機(jī)實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)控制算法的特點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)控制規(guī)則的軟件流程如圖3所示。.晝:4|卅耳c比iA實(shí)垃丄，-計(jì)