阅读说明：本技术 一种直拉法生产单晶中收尾阶段单晶收放趋势的判断方法 (Method for judging single crystal winding and unwinding trend in ending stage in single crystal production by Czochralski method ) 是由 张欢 连庆伟 李超 王雅楠 吴志强 崔彬 姜舰 于 2020-12-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种直拉硅单晶收尾阶段单晶收放趋势的判断方法,包括以下步骤：(1)按照所生产单晶直径的1-1.3倍预算出收尾长度,结合勾股定理算出收尾的两个角度为63°和69°,根据两个角度分别计算不同长度段内的重量随长度变化斜率,绘制出理论重量随长度变化曲线图；(2)通过单晶炉客户端获得收尾部分任意位置A和重量B；通过单晶炉客户端获得收尾部分位置A下的位置C和重量D；计算位置A到位置C的重量随着长度的变化斜率α＝(D-B)/(C-A)；(3)将理论重量随长度变化曲线图划分成提高拉速区、拉速维持区、降低拉速区,将α放入理论重量随长度变化曲线图中,实时调节拉速。采用本发明能够及时有效的判断出单晶收放趋势,正确的调节拉速,提高单晶的完好率。(The invention discloses a method for judging the monocrystal winding and unwinding trend in the ending stage of Czochralski silicon monocrystal, which comprises the following steps: (1) estimating the ending length according to 1-1.3 times of the diameter of the produced single crystal, calculating two angles of ending as 63 degrees and 69 degrees by combining the pythagorean theorem, respectively calculating the slope of the change of the weight in different length sections along with the length according to the two angles, and drawing a curve graph of the change of the theoretical weight along with the length; (2) acquiring any position A and weight B of the ending part through a single crystal furnace client; obtaining a position C and a weight D below a position A of the ending part through a client of the single crystal furnace; calculating the change slope alpha of the weight from the position A to the position C along the length as (D-B)/(C-A); (3) dividing the curve graph of the theoretical weight changing along with the length into a pulling speed increasing area, a pulling speed maintaining area and a pulling speed reducing area, putting alpha into the curve graph of the theoretical weight changing along with the length, and adjusting the pulling speed in real time. The method can effectively judge the monocrystal winding and unwinding trend in time, correctly adjust the pulling speed and improve the perfectness rate of the monocrystal.)

一种直拉法生产单晶中收尾阶段单晶收放趋势的判断方法

技术领域

本发明涉及一种直拉法生产单晶中收尾阶段单晶收放趋势的判断方法，属于半导体硅材料生产领域。

背景技术

随着信息时代的到来，有效地掌握信息资源变得尤为重要，所以对计算机处理、存储、传输信息的性能要求也越来越高。大规模集成电路的出现为提高计算机的性能提供了发展基础。硅材料表面结构高度稳定的SiO₂钝化层且临界切应力较大、无毒性等优点决定了硅材料是集成电路制造的基础材料。随着集成电路技术的发展，为了控制成本，用于集成电路的硅片尺寸也越来越大，目前市面上主流的是8英寸和12英寸抛光片。大尺寸硅片的应用对单晶硅生产技术要求也越来越高。目前生产单晶硅棒的方法主要有直拉单晶硅法(CZ)、悬浮区熔法(FZ)和外延法。相较于FZ法和外延法，CZ法更受欢迎，广泛应用于半导体生产行业。CZ法是在石英坩埚中熔化多晶硅，经过引晶、放肩、转肩、等径、收尾、停炉等过程获得单晶的过程。生长过程中依靠CCD光学系统获得直径信号，从而控制单晶硅的尺寸为目标尺寸。

对于大直径单晶，由于单晶炉炉筒尺寸固定，随着单晶的生长长度的增加，收尾部分会被前一阶段的等径部分挡住。现场工作人员无法通过肉眼对收尾部分单晶的收放进行直观判段，仅凭个人经验调节收尾拉速。无法准确调节单晶收尾拉速，不及时升降拉速造成收尾卡/断或者形状不好，严重影响了单晶生产的完好率，从而增加生产成本。另外从单晶收尾工艺来讲，如果收尾长度不够则可能产生位错，所以很多厂家对于收尾长度要求在直径的1-1.3倍。既保证了单晶收尾长度足够，保证无位错，又保证了收尾长度不会过长而消耗资源。所以改进收尾工艺来保证单晶的外观和收尾结果的完好对厂家提高利润具有重要意义。

目前各厂家使用的主流单晶炉可用重量变化来模拟单晶收尾大概趋势，这种方法有一定的局限性，对于短时间内单晶尾部收放无法做出准确的分析，也无法判断单晶收尾实时的变化趋势。

对于生产部门来讲，单晶收尾形状美观度以及单晶的完好程度对公司收益至关重要。如何快速的判断出单晶收尾部分的收放状态，并及时有效的调节收尾拉速对节约生产成本以及提高单晶的完好率有重要意义。

发明内容

基于以上现有技术中所存在的问题，本发明的目的在于提供一种直拉法生产单晶中收尾阶段单晶收放趋势的判断方法，采用该方法能够及时有效的判断出单晶收放趋势，帮助操作人员正确的调节拉速，提高单晶的完好率。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种直拉法生产单晶中收尾阶段单晶收放趋势的判断方法，包括以下步骤：

(1)按照所生产单晶直径的1-1.3倍预算出同一炉次的收尾长度，结合勾股定理算出收尾的两个角度(即收尾生长面与单晶斜面所围成的角度)为63°和69°，根据两个角度分别计算不同长度段内的重量随长度变化斜率，绘制出理论重量随长度变化曲线图；

(2)通过单晶炉客户端获得收尾部分任意位置A和重量B；然后，通过单晶炉客户端获得收尾部分位置A下的位置C和重量D；计算位置A到位置C的重量随着长度的变化斜率α＝(D-B)/(C-A)；

(3)将理论重量随长度变化曲线图划分成提高拉速区、拉速维持区、降低拉速区，将α放入理论重量随长度变化曲线图中，若斜率α落在提高拉速区内则及时提升拉速；若斜率α落在拉速维持区内则拉速不做调整；若斜率落在降低拉速区内则及时降低拉速。

其中，所述步骤(2)中位置A与位置C之间的距离C-A优选为5-10mm。

其中，所述步骤(1)中，理论重量随长度变化曲线图的绘制过程为：

1)理论计算h长度内单晶收尾重量W1＝1/3*π*(R1²+R1*r1+r1²)*h*ρ，其中R1、r1分别为收尾长度段内收尾部分的上、下直径，h为收尾长度，ρ为单晶硅密度；

2)理论计算下一个h段内收尾重量W2＝1/3*π*(R2²+R2*r2+r2²)*h*ρ；其中R2、r2分别为收尾长度段内收尾部分的上、下直径，h为收尾长度，ρ为单晶硅密度；

3)理论计算两个h段内重量变化ΔW＝W2-W1；

4)计算变化两个h段的重量随长度斜率l＝ΔW/h；以此类推算出不同长度段内重量随长度变化斜率；

5)根据得到的两个收尾角度不同长度段内的重量随长度变化斜率，绘制出理论重量随长度变化曲线图。

优选地，在所述步骤(3)中，调节拉速过程中同时改变温补来协助调整。

优选地，在收尾过程中保持收尾斜率在理论重量随长度变化曲线附近震荡，以保证单晶尾部的美观。

本发明的有益效果：

本发明通过提供理论重量随长度的变化斜率图，为收尾拉速调整提供了理论参考，解决了大直径单晶无法肉眼观察到尾部收放状态的问题。

本发明通过控制重量随长度的变化斜率在理论重量随长度的变化斜率周围波动，基本可实现定角度收尾，使得收尾角度在63°-69°之间波动，保证了收尾形状的美观。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为实施例1中理论重量随长度变化斜率图，其中标识出了提高拉速区、拉速维持区、降低拉速区的位置。

图3为实施例1中实际收尾重量随长度变化在理论重量随长度变化斜率图中的分布情况。

图4为实施例1中单晶尾部形状全貌图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例来详细说明本发明。所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明的方法实施过程如下：

a：按照所生产单晶直径的1-1.3倍预算出同一炉次的收尾长度，结合勾股定理算出收尾的两个角度为63°和69°。根据两个角度分别计算出个长度段内，重量随长度的变化斜率。

b：理论计算h长度内单晶收尾重量W1＝1/3*π*(R1²+R1*r1+r1²)*h*ρ，其中R1、r1分别为收尾长度段内收尾部分的上、下直径，h为收尾长度，ρ为单晶硅密度；

c：理论计算下一个h段内收尾重量W2＝1/3*π*(R2²+R2*r2+r2²)*h*ρ；其中R2、r2分别为收尾长度段内收尾部分的上、下直径，h为收尾长度，ρ为单晶硅密度；

d：理论计算两个h段内重量变化ΔW＝W2-W1；

e：计算变化两个h段的重量随长度斜率l＝ΔW/h；以此类推算出不同长度段内重量随长度变化斜率；

f：根据得到的两个收尾角度不同长度段内的重量随长度变化斜率，绘制出理论重量随长度变化曲线图；

g：通过单晶炉客户端获得收尾部分任意位置A和重量B；

h：通过单晶炉客户端获得收尾部分位置A下的位置C和重量D；

i：使收尾部分位置A和位置C的距离Δd尽可能小，即C-A的值尽可能小；

j：计算位置A到位置C的重量随着长度的变化斜率α＝(D-B)/(C-A)；

k：根据实际收尾重量斜率落在理论重量随长度变化曲线图不同区域，把理论重量随长度变化曲线图分成提高拉速区，该区域认为是收尾放出状态，若斜率落在此范围内要及时提升拉速；拉速维持区，该区域认为是收尾正常，不收也不放出状态，若斜率落在此范围内拉速可不做调整；降低拉速区，该区域认为是收尾处于收的状态，若斜率落在此范围内要及时降低拉速。

l：随着单晶尾部长度的增加，以此按步骤a-k及时调节拉速，调节拉速过程中可改变温补来协助调整；

m：收尾过程中尽量保持收尾斜率在理论重量随长度变化曲线附近震荡，以保证单晶尾部的美观。

实施例1

以本发明方法来对一根直径为208mm的硅单晶进行实验收尾。首先通过理论计算得出理论重量随长度的变化斜率图，如图2所示。

按照步骤g取收尾初始位置为位置A为10mm，记录此时的尾部重量B为0.784012kg。

取Δd为10mm。

按照步骤h在收尾部位置A下长度为10mm处为位置C。位置C为10mm，记录此时的尾部重量D为0.815994kg。

按照步骤j，α＝(D-B)/(C-A)。得到AC段尾部重量随着长度的变化斜率α为0.031982。

理论计算得到20mm处，63°和69°重量变化斜率分别为-0.06898和-0.05682。把0.031982带入到理论重量随长度变化斜率图中，发现该斜率落在提升拉速区，所以以3mm/hr为固定增量渐增加拉速，并增加2sp/hr的补温。

重复步骤g-1即在收尾部分位置C下长度为10mm处为位置E，位置E为30mm，记录此时的尾部重量F为0.651001kg。得到CE段尾部重量随着长度的变化斜率β为-0.164993。

理论计算得到30mm处，63°和69°重量变化斜率分别为-0.07032和-0.05463。把-0.164993带入到理论重量随长度变化斜率图中，发现该斜率落在降低拉速区，所以以2mm/hr为固定增量逐渐降低拉速，并降低2sD/hr温度。

随着收尾长度的增加，重复g-1步骤，随着拉速的不断调整，收尾的形状会不断接近63°-69°。

为了验证本发明的可靠性，记录下收尾过程中调整后的每段重量随长度的变化斜率，并绘制实际收尾重量随长度变化在理论重量随长度变化斜率图中的分布情况，使用Origin拟合成一条线，如图3所示。通过分析曲线的起伏来判断各段晶体斜率的变化以及收放趋势。

实验单晶单晶生长完成后，待停炉冷却后取出。直观观察尾部收放变化趋势(如图4所示)并与图3重量随长度变化斜率曲线所判断的收放趋势进行比较。发现通过曲线判断单晶尾部收放趋势与实际单晶生长收放趋势吻合较好。说明本发明的方法可以准确的对收尾收放趋势进行判断，并可做出及时的调整，保证了收尾的完好和收尾形状的完美。该方法稳定可靠且及时有效。