基于功率拉晶的晶体直径控制方法

技术领域

本发明属于半导体晶体制造技术领域，具体涉及一种基于功率拉晶的晶体直径控制方法。

背景技术

对于半导体单晶硅而言，直径的控制尤为重要，直径小则导致无法滚磨，硅片无法满足当前产品要求，报废；直径大则导致产出小，收率低。目前的晶体直径控制方法是通过相机采集晶体直径，并按照设定的周期反馈到程序中，程序会对反馈的相机信号进行计算并输出为拉速（晶体提拉速度）和温度的操作量，该操作量反馈到实时的拉速与温度值，从而参与晶体直径的控制，使直径偏差控制在±1mm之内。

拉速、温度、直径都存在设定值，且拉速偏差设定为±0.2 mm/min以内。三者的关系如下：拉速-直径互相影响；温度-直径互相影响；拉速影响温度，其中拉速的控制方式称为ADC1，温度的控制方式称为ADC2，ADC1的原理为直径信号通过一个设定周期连续读取，在每个周期的起末点根据实时直径与设定直径的差值输出一个操作量，操作量的大小可设定，方向与差值为反向，作用于实时拉速上；ADC2的原理为输出一个操作时间，在一个操作时间结束后，增减一个设定的温度，根据一个设定周期的拉速的差值，决定操作时间是否被执行，同时拉速对应的直径的差值，决定操作量的方向。

但是，当存在需求使得拉速偏差需要达到±0.01mm/min以内时，例如，COP Free单晶对于拉速偏差的要求在±0.005mm/min，由于加热器温度变化到响应直径变化具有延时性，延时性通常会大于25min，导致当晶体直径偏离设定值时，通过上述温度控制方式往往很难及时纠正直径偏差，从而致使直径出现过大或过小的情况，超出±1mm的偏差范围，对产品的品质造成了一定的影响。因此，需要开发一种新的晶体直径控制方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于功率拉晶的晶体直径控制方法，该方法实现了在较窄的拉速范围下使晶体直径仍能够处于可控范围内。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种基于功率拉晶的晶体直径控制方法，包括以下步骤：

S1：在PLC控制模块内将晶体拉速偏差范围设定为±0.01mm/min以内，并设定晶体直径、晶体直径偏差范围、加热器功率及上述参数对应的动作判断条件；

S2：通过相机采集晶体直径信号，并将晶体直径信号反馈至PLC控制模块，PLC控制模块对晶体直径信号进行转换得到晶体实时直径，并判断晶体实时直径是否大于晶体设定直径，根据判断结果采用ADC1控制模式来调整晶体拉速和加热器功率；

S3：通过PLC控制模块计算晶体实时直径与设定直径的差值得到晶体直径偏差，并判断晶体直径偏差是否在设定的晶体直径偏差范围内，根据判断结果决定是否启用判断干预模式以控制功率的增加或降低，使晶体直径偏差处于设定的晶体直径偏差范围内。

优选的，步骤S2中，若晶体实时直径大于晶体设定直径，PLC控制模块采用ADC1控制模式来调整晶体拉速和加热器功率上升；若晶体实时直径小于晶体设定直径，PLC控制模块采用ADC1控制模式来调整晶体拉速和加热器功率下降。

优选的，步骤S3中，所述判断干预模式为在PLC控制模块内设有判断时间和执行时间，在判断时间内，若晶体直径偏差值在设定的晶体直径偏差范围内，则不满足干预条件，ADC1控制模式继续运行；若直径偏差值不在设定的晶体直径偏差范围内，则满足干预条件，ADC1控制模式继续运行，PLC控制模块输出执行时间，在该执行时间内，由PLC控制模块控制加热器功率增加或降低，使晶体直径偏差值处于设定的晶体直径偏差范围内。

优选的，若晶体直径偏差大于设定的晶体直径偏差范围的上限，PLC控制模块在执行时间控制加热器功率增加；若晶体直径偏差小于设定的晶体直径偏差范围的下限，PLC控制模块在执行时间控制加热器功率降低。

由上述技术方案可知，本发明提供了一种基于功率拉晶的晶体直径控制方法，相比现有技术其有益效果是：本发明在现有的晶体直径控制方法上进行改进，通过将现有的温度替换为功率后，功率与拉速均采用ADC1控制模式去控制晶体直径，解决了温度控制的延时性问题，并通过增加判断干预模式进行控制，解决了直径持续位于设定值同侧导致直径出现过大或过小的问题，该方法对于程序的更改量较小，变量较少，控制难度低，采用本发明的方法使拉速偏差达到±0.01mm/min以内时，直径偏差仍可以控制在±1.0mm之内。

附图说明

图1是本发明的控制逻辑图。

图2是采用本发明后的拉速控制示意图。

图3是采用本发明后的直径控制示意图。

具体实施方式

以下结合本发明的附图，对本发明实施例的技术方案以及技术效果做进一步的详细阐述。

参看图1，D

本发明提供的一种基于功率拉晶的晶体直径控制方法，包括以下步骤：

S1：在PLC控制模块内将晶体拉速偏差范围设定为±0.01mm/min以内，并设定晶体直径、晶体直径偏差范围、加热器功率及上述参数对应的动作判断条件；

S2：通过相机采集晶体直径信号，并将晶体直径信号反馈至PLC控制模块，PLC控制模块对晶体直径信号进行转换得到晶体实时直径，并判断晶体实时直径是否大于晶体设定直径，根据判断结果采用ADC1控制模式来调整晶体拉速和加热器功率；具体的，当相机采集晶体直径信号，并将晶体直径信号反馈至PLC控制模块后，若晶体实时直径大于晶体设定直径，PLC控制模块采用ADC1控制模式来调整晶体拉速和加热器功率上升；若晶体实时直径小于晶体设定直径，PLC控制模块采用ADC1控制模式来调整晶体拉速和加热器功率下降；上升或下降的操作量是通过PID算法得到对应的拉速和功率的操作量。

由于温度控制的局限性表现在温度反应具有延时性，实验表面，延时性通常会大于25min，而温度反馈的信号是通过加热器的功率来体现的，功率反应的延时性大大减少，因此将温度替换为功率来控制直径具有很高的可执行性，且因功率的延时性较轻，将功率和拉速都采取ADC1的控制模式进行控制，解决了温度控制的延时性问题，以及时纠正直径偏差。

S3：通过PLC控制模块计算晶体实时直径与设定直径的差值得到晶体直径偏差，并判断晶体直径偏差是否在设定的晶体直径偏差范围内，根据判断结果决定是否启用判断干预模式以控制功率的增加或降低，使晶体直径偏差处于设定的晶体直径偏差范围内。具体的，所述判断干预模式为在PLC控制模块内设有判断时间和执行时间，在判断时间内，若晶体直径偏差值在设定的晶体直径偏差范围内，则不满足干预条件，ADC1控制模式继续运行；若直径偏差值不在设定的晶体直径偏差范围内，则满足干预条件，此时，ADC1控制模式继续运行，PLC控制模块输出执行时间，在该执行时间内，由PLC控制模块控制加热器功率增加或降低，使晶体直径偏差值处于设定的晶体直径偏差范围内。满足干预条件后，若晶体直径偏差大于设定的晶体直径偏差范围的上限，PLC控制模块在执行时间内控制加热器功率增加；若晶体直径偏差小于设定的晶体直径偏差范围的下限，PLC控制模块在执行时间控制加热器功率降低，上升或下降的操作量通过PID算法计算得到。

由于在稳定运行的程序下，虽然拉速偏差的上下限较现有技术得到了显著降低，但是同时也面临着继续降低的困难，从而导致参数设定的单位周期内晶体生长时间长，对于不稳定的直径参数起到的控制作用小，无法有效或者及时的解决直径持续位于设定值同侧（直径持续变大或变小）致使直径过大或过小的问题。因此，在步骤3中，在PLC控制模块内增加判断干预的功能，即设定两个时间，一为判断时间，一为执行时间，在一个判断时间结束后，根据晶体实时直径的大小输出增减一个设定的功率的操作量，该操作量被执行一个执行时间的长度，当下一个判断时间内的晶体直径偏差位于设定的晶体直径偏差范围内时，该操作量仍被执行，判断干预做循环执行，通过设置判断干预的控制模式，以使晶体直径偏差值处于设定的晶体直径偏差范围内，极大的解决了直径过大或过小的问题，使直径处于可控范围内。

参看图2至图3，图2中纵轴表示实时拉速偏差值（mm/min）、横轴表示晶棒长度（mm），可以看出，在晶棒生长过程中，采用本发明后，晶体实际拉速范围成功降低在±0.01mm/min以内；图3中纵轴表示实时直径偏差值（mm/min）、横轴表示晶棒长度（mm），采用本发明后，晶体实时直径偏差范围仍可以控制在±1mm之内，达到了预期的效果，表明本发明的控制方法可行有效。

综上，本发明通过在现有的晶体直径控制方法上进行改进，将现有的温度替换为功率后，功率与拉速均采用ADC1控制模式去控制晶体直径，解决了温度控制的延时性问题，并通过增加判断干预模式进行控制，解决了直径持续位于设定值同侧导致直径出现过大或过小的问题，本发明的控制方法是在设定参数的基础上结合ADC1控制模式与判断干预控制模式，三者独立执行，实现了在较窄的拉速范围下使晶体直径仍能够处于可控范围内的目的。该方法对于程序的更改量较小，变量较少，控制难度低。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。