集成电路单晶拉速控制.doc

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1、!-集成电路的发展要求硅材料的研究工作能与之同步。 MDRAM是当前半导体器件的代表产品， 其特征尺寸的缩小， 芯片面积的增大要求高质量大直径的硅片。 国外许多材料厂家已能够批量生产200 mm硅单晶， 同时， 近几年新建成的器件制造线中， 绝大多数是按200 mm线设计的。 可以预见未来几年中， 200 mm硅单晶在整个世界半导体市场上的比重会越来越大， 可以说， 硅单晶的直径尺寸直接反映着一个国家经济发展的水平。 1995年9月， 我们通过引进设备， 拉制出了我国第一根200 mm p型 硅单晶， 填补了国内空白， 这标志着我国半导体材料的研究上了一个新台阶。 本文从生长工艺的角度分析拉制

2、200 mm无位错硅单晶的各项条件。 1实验方法在CG-6000型直拉单晶炉上， 采用450 mm热场， 60 kg装料量拉制200 mm p型 硅单晶， 氩气流量55 L/min， 炉内压力2.402.93 kPa， 晶转12 r/min， 埚转12 r/min， 拉晶速度在55 mm/h30 mm/h之间， 对SOP (系统操作参数) 表中的各项用最佳的经验数据填写， 采用全自动拉晶技术， 均匀控制拉晶过程中各项参数的变化。 2实验分析及讨论 2.1单晶的无位错生长对于200 mm的硅单晶， 保证单晶的无位错生长是很困难的， 以下几个条件在拉制大直径单晶的过程中尤其重要。 2.1.1足够的

3、稳定时间和规范的缩颈工艺对于拉制200 mm硅单晶的450 mm热场， 装料量大， 化料功率高 (150 kW)， 热容量相当大， 化完料后的稳定非常重要。 实验发现， 如果稳定时间少于两个小时， 在放肩过程中能明显看到由于温度的波动引起的放肩生长速度的突变， 容易产生晶变。 因此化完料后的稳定应多于两个小时。 缩颈是拉制无位错单晶的基础， 虽然理论上可以计算出位错排除体外的细颈长度 (L=Dctg)， 但实验表明， 理论计算的缩颈长度还不能确得无位错单晶的生长， 拉制大直径单过程中， 严格规范了工艺， 要求缩颈直径3.54.5 mm， 长度100 mm。 这样可以确保排除籽晶引入的位错。 2

4、.1.2热场的配置热场配置是拉制无位错单晶最关键的环节， 等径生长过程中经常由于晶体中热应力超过了硅的临界应力而产生位错， 晶体中的热应力是与晶体生长 的环境-热场有直接的关系。 轴向温度梯度和径向温度梯度不引起位错的条件分别是1/bdT/dZc/Gbr (1)/bdT/drc/Gbl (2) 式中， 是硅的热胀系数， b是柏格斯矢量的绝对值， G是切变模量， c是硅的临界应力， r是晶体半径， l是晶体长度。由 (1) 式可以看出， 晶体直径的增大， 必然要求轴向温度梯度的减小。 (2) 式则要求晶体的径向温度梯度要小， 实验过程中， 我们尽量加强热场的保温， 同时用合理的工艺参数控制生长界

5、面的形状确保生长界面的平坦， 减小径向的热应力， 保证单晶的无位错生长。 2.1.3工艺参数的选择工艺参数的选择除了为控制晶体的质量外， 还必须有利于晶体的无位错生长。 在拉制200 mm硅单晶过程中， 为尽量保持生长界面的平坦， 减少由于界面弯曲产生的应力， 采取了低拉速 (5530 mm/h)、 低晶转 (12 r/min)、 高埚转 (12 r/min) 的拉晶条件。 对于200 mm的硅单晶来说， 界面产生的结晶潜热极易形成凹界面， 而上述三个拉晶条件都能起到抑制凹界面的作用， 实验表明， 上述参数选择在拉制200 mm的单晶中是合理适用的。2.2系统操作参数 (SOP) 表的建立全自

6、动拉晶过程中各步参数的设置是很重要的， 系统操作参数 (SOP) 表实际上是将以往的拉晶经验数据编成程序输入计算机进行自动控制， 它内含许多参数。 拉制200 mm的硅单晶中， 我们精心设计了拉速的设定值和拉晶过程中埚升速度值的变化， 这两个参数在整个拉晶过程是很关键的。 下面是所选用的拉速变化曲线和埚升设定表。 图1拉速设定值随晶体长度的变化 表1拉晶过程中Lc/Ls的变化 ： Lc为坩埚上升的速率； Ls为晶体上升的速率全自动拉晶的好处在于拉晶过程中能均匀地改变某一参数， 如上表拉速可以在设定范围内均匀下降， 而埚升可以随着熔体表面积的减小均匀增加， 保持了拉晶过程中液面位置的恒定， 避免

7、了人为调节因素的干扰。 2.3石英坩埚的选用拉制大直径单晶的过程中， 除了上述提到的减小熔体温度的波动和晶体热应力外， 石英坩埚的选用也很关键。 大石英坩埚壁的温度比小石英埚高很多2， 使熔体和石英坩埚的反应更为剧烈， 增加了坩埚内壁方石英层的形成， 这种方石英层的粒子容易脱落进入熔体中， 经过熔体输运到生长界面引起位错。 这就要求石英坩埚表面的清洁度要好， 因为方石英斑点往往在表面被污染处开始生长。 在拉制大直径单晶中， 我们发现如果石英坩埚质量不好， 在坩埚内壁会形成很厚的方石英， 这种情况下很难拉出单晶。 另外， 坩埚的软化点要高， 否则， 一旦坩埚变形后热场会发生变化， 造成拉晶困难。

8、 因此， 应选择纯度更高的石英坩埚。3结论通过分析200 mm硅单晶的工艺生长特点， 配置了利于单晶生长的合理热场， 对SOP表中的各项参数精确设置， 规范拉晶工艺， 采用全自动拉晶技术拉制出完整的200 mm P硅单晶。1 引言 随着IT产业的迅速发展，生产集成电路所需要的半导体材料单晶硅急剧增长。单晶硅的提拉速度控制，是在硅结晶生长开始时，用低速提拉，生长过程中匀速提拉 的办法制成的。提拉速度的控制性能将直接影响到晶体的质量。因此其速度的稳定性的控制显得相当重要，本文设计了一种混合式自调整模糊控制的单晶炉提拉速度 控制系统，可达到很好的速度控制效果。 2 工艺要求 单晶炉提拉工艺示意图如图

9、1。提拉控制系统的驱动电机转速n经减速器、齿轮齿条减速后带动提拉杆上下运动。根据硅单晶工艺，要求提拉速度 V能在0.210.0 mm/h内无级调节,它相对于给定信号的线性精度 2% 。驱动电机的转速变化范围n 为0.08334.167 r/min。在如此低速的情况下既保证系统具有宽调速范围，又要有良好的线性度、稳定度和精度。当提拉负载增大引起线速度为零时，提拉杆能保持其最后位置 而不上下滑动，也就是说在整个调速范围内，当驱动电机堵转时，还必须能输出足够大的力矩。 3 混合式自调整模糊控制器原理与设计 3.1 混合式模糊PID控制原 在一般的模糊控制系统中，考虑到模糊控制器实现的简易性和快速性，

10、通常采用二维模糊控制器 的结构形式，该类控制器具有PD控制器的作用，可以获得良好的动态性能，但静态性能却不能令人满意。由线性控制理论可知，积分控制作用能消除稳态误差，因 此，把积分控制引入FUZZY控制器，构成FUZZY PID混合控制器，可大大改善模糊控制器的稳态性能。 FUZZY PID混合模糊控制器控制的单晶炉提拉速度控制系统如图2所示。其核心部分FUZZY PID混合模糊控制器由一个常规积分控制器和一个二维模糊控制器并联而成。常规积分控制器输出 Ui和模糊控制器输出Uf 相叠加，作为混合模糊PID的总输出，即U=U i+Uf，可使系统成为无差模糊控制系统。 3.2 模糊控制器的自调整因

11、子的设计 设误差E、误差变化EC及控制量 U的论域选取为E=EC=U=-6，+6，它们的模糊集均为 NB，NM，NS，O，PS，PM，PB，隶属函数采用对称三角形，则基于专家知识和经验，以及模糊推理建立控制规则，如表1所示。 模糊控制系统在不同的状态下，对控制规则中误差E及其变化EC的加权程度有不同的要求，须考虑对不同的误差等级引入不同的加权因子，以实现对模糊控制的自调整。带自调整因子的控制规则可由下式表示： 式中 00s1； 0，s ；c为误差变化EC的加权因子。 通过调整值，可以改变对误差和误差变化的不同加权程度。该控制规则的特点式调整因子在 0至s之间随着误差绝对值 E的大小呈线性变化。量化控制规则体现了按误差的大小自动调整误差对控制作用的权重，因为这种自动调整是在整个误差领域内进行的，所以称之为在全论域范围 内带有自调整因子的模糊量化控制规则。该控制规则具有可优化、易于通过微机实时实现控制算法的特点。实现控制规则的软件流程如图3所示。 4 硬件实现 混合模糊PID控制器的硬件结构图如图4所示。采用INTEL196KC单片处理器，主要用来实现模糊控制算法和参数的自整定；数据存储器2732存储一些规则参数、控制参数及控制算法的结果；C (u)为混合模糊PID控制器的输出。