基于界面形态实时调控的重掺锑单晶硅生长系统及其方法与流程

本发明涉及半导体单晶硅晶棒制备，具体涉及一种基于界面形态实时调控的重掺锑单晶硅生长系统及其方法。

背景技术：

1、重掺锑单晶硅因其具有极低的电阻率和良好的电学性能，被广泛应用于半导体功率器件、集成电路外延衬底等领域。然而，在<111>晶向重掺锑单晶硅的直拉（cz）法制备过程中，存在一个长期困扰行业的严重技术难题：由于锑元素在硅中的平衡分凝系数极小（约为0.023），在晶体生长时，锑杂质极易在固液生长界面处发生偏析富集。当生长界面形态呈现凸向熔体的状态时，受<111>晶向固有的“小平面效应”影响，锑杂质会在晶棒中心线区域发生异常聚集，进而形成纵向贯穿的“杂质管道”缺陷。该缺陷在后续切割的硅片上表现为中心区域的异常色差圆，并导致该中心区域的电阻率显著偏低，严重破坏了器件的电学性能均匀性，属客户完全不可接受的致命缺陷。

2、为了消除上述“杂质管道”缺陷，现有技术（如公开号cn114381799a及相关的对比文件1、对比文件2）通常提出以下改进方案：1、将传统的定速拉晶改为变速拉晶；2、增大拉晶间隙值以获得较大的纵向温度梯度；3、定性描述将生长界面由凸状控制为凹状。然而，上述现有技术在实际生产应用中存在以下根本性缺陷：

3、一、开环控制，缺乏实时反馈机制。现有技术的所有工艺参数（如预设的拉速下降曲线、温度设定值）均为预先设定的静态参数。但在实际长达数十小时的拉晶过程中，单晶炉内的热场环境会发生缓慢且不可逆的漂移（例如：随着硅料不断凝固，熔体液面逐渐下降；坩埚需持续上升以维持液面位置；加热器在高温下发生老化等）。这些动态扰动导致预设的“最优参数”根本无法在实际生长过程中始终将界面维持在理想的微凹形态。

4、二、控制精度不足，缺乏量化目标。现有技术仅停留在“将凸状改变为凹状”的定性描述层面，未给出可量化的界面形态控制目标（如具体的曲率半径范围或曲率绝对值）。这导致在实际操作中，界面形态的评判与控制极度依赖操作人员的个人经验，不同批次、不同炉台之间重现性极差，无法满足规模化量产的良率要求。

5、三、未解决动态稳定性问题，存在技术偏见。对比文件2指出“平坦界面和微凹界面”均可消除杂质管道，但实际上，在长晶环境中平坦界面处于临界失稳状态，极难稳定维持；而即便初始设定为微凹界面，也会因前述热场漂移因素在中后期逐渐转变为凸界面。现有技术未提供任何主动维持微凹界面的动态调控手段，存在“静态配置即可维持微凹界面”的技术偏见。

技术实现思路

1、本发明主要解决现有技术中存在的不足，提供了一种基于界面形态实时调控的重掺锑单晶硅生长系统及其方法，其克服了长晶过程中热场漂移导致的开环控制失效问题，通过量化曲率目标与动态双向调整，主动维持界面始终处于微凹形态，彻底消除了重掺锑单晶硅的中心杂质管道缺陷，使径向电阻率均匀性小于5%，显著提升了产品良率。

2、本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

3、一种基于界面形态实时调控的重掺锑单晶硅生长方法，包括以下步骤：

4、s1：在单晶炉内设置红外热像仪，镜头对准固液界面区域，以固定频率持续采集生长界面的热场图像。

5、 s2：控制器接收所述热场图像，通过图像处理算法识别固液交界等温线，并采用曲线拟合方法计算所述等温线的实时曲率半径rreal；其中，定义界面凹向熔体时曲率半径为负值，凸向熔体时为正值。

6、s3：将所述实时曲率半径rreal与预设的目标曲率半径范围[rmin，rmax]进行比较；其中，所述目标曲率半径范围根据晶体直径d设定为：rmin=-3d，rmax=-1.5d。

7、 s4：根据比较结果动态调整工艺参数，具体包括：

8、若rreal>-1.5d，判定为界面过凸，控制器输出指令提高拉速和/或提高加热器功率。

9、若rreal<-3d，判定为界面过凹，控制器输出指令降低拉速和/或降低加热器功率。

10、若rreal处于[-3d,-1.5d]范围内，判定为界面形态符合目标，维持当前工艺参数。

11、重复步骤s1至s4，形成闭环控制，以在整个等径生长阶段动态维持生长界面处于微凹形态。

12、作为优选，在所述步骤s4中，所述提高拉速的增量为0.05～0.1mm/min，所述提高加热器功率的增量为当前功率的1～3%；所述降低拉速和降低加热器功率的调整步长与提高时的步长相对应。

13、作为优选，在所述步骤s1中，所述红外热像仪的采集频率不低于1帧/秒；在所述步骤s2中，所述图像处理算法包括边缘检测算法与最小二乘拟合算法。

14、作为优选，当所述晶体直径d为200mm时，所述目标曲率半径范围[-3d,-1.5d]对应为-300mm～-600mm。

15、作为优选，所述方法应用于<111>晶向重掺锑单晶硅的等径生长阶段，通过动态维持所述微凹形态，抑制因锑元素分凝系数极小及小平面效应导致的中心杂质管道缺陷。

16、一种基于界面形态实时调控的重掺锑单晶硅生长系统，包括单晶炉主体，所述单晶炉主体内部设有熔体、晶体、生长界面、引晶机构、红外热像仪、控制器及加热器。

17、引晶机构设置于熔体上方，包含伺服电机，用于提拉晶体。

18、红外热像仪设置于熔体的侧上方观察窗，镜头对准固液界面区域，用于实时采集生长界面的热场图像。

19、控制器分别与红外热像仪、引晶机构及加热器电性连接；所述控制器包括：图像处理模块，用于接收热场图像，识别固液交界等温线并计算实时曲率半径rreal，其中定义凹向熔体的曲率半径为负值。

20、比较模块，用于将实时曲率半径rreal与预设的目标曲率半径范围[rmin,rmax]进行比较，其中rmin=-3d，rmax=-1.5d，d为晶体直径。

21、控制信号生成模块，用于根据所述比较模块的结果生成控制指令。

22、当rreal>-1.5d时，生成提高拉速和/或提高加热器功率的指令发送至所述引晶机构和/或加热器。

23、当rreal<-3d时，生成降低拉速和/或降低加热器功率的指令发送至所述引晶机构和/或加热器。

24、当rreal在[-3d,-1.5d]内时，生成维持当前参数的指令。

25、作为优选，所述控制器为plc与工控机的组合架构；所述红外热像仪的采集频率不低于1hz。

26、作为优选，所述加热器包括主加热器及可选的副加热器，所述控制信号生成模块能够独立或协同控制主加热器和副加热器的功率输出。

27、作为优选，所述图像处理模块采用边缘检测结合最小二乘拟合算法计算所述实时曲率半径rreal。

28、作为优选，所述系统用于执行基于界面形态实时调控的重掺锑单晶硅生长方法，在长达数十小时的拉晶过程中，克服热场漂移，使生长界面动态维持在微凹形态，以彻底消除重掺锑杂质管道缺陷并使径向电阻率均匀性小于5%。

29、本发明能够达到如下效果：

30、本发明提供了一种基于界面形态实时调控的重掺锑单晶硅生长系统及其方法，与现有技术相比较，具有以下显著的有益效果和创造性突破：

31、一、、创造性突破：首次构建闭环反馈控制逻辑。摒弃了现有技术单纯依赖预设参数的开环控制模式，首次将“实时曲率监测—比例范围判定—动态双向调整”的闭环控制逻辑应用于重掺锑单晶硅的界面控制中。在长达数十小时的等径生长阶段，系统以高频（如1hz）实时采集界面热场并计算曲率，主动对抗热场漂移，确保界面形态全程受控。

32、二、消除技术偏见：以动态维持取代静态预设。通过实施例与对比例的对比数据确证：即使初始设定为凹状界面，静态开环控制在晶棒中后期也会因热场漂移使界面转为凸状，导致杂质管道重新爆发；仅依靠静态配置无法维持微凹形态。本发明打破了“静态配置即可”的技术偏见，通过实时反馈与动态微调，证明了唯有“动态维持的微凹界面”才能在整根晶棒长度上彻底消除杂质管道。

33、三、实现定量化控制：提出量化的曲率目标函数。首次提出并界定了生长界面曲率半径与晶体直径的量化比例关系，即将目标曲率半径范围设定为 [-1.5d, -3d]（负值代表凹向熔体）。这一量化指标的提出，使“微凹界面”这一模糊概念转变为可计算、可比较、可复现的精确控制目标，彻底消除了操作经验依赖，保证了不同批次产品的高度一致性。

34、四、显著提升良率与电学性能均匀性。采用闭环控制系统及方法后，晶棒整棒的杂质管道不良率由现有技术的60%以上降至0%（整棒无管道缺陷）。同时，硅片中心与边缘的径向电阻率均匀性（rrg）得到显著改善，偏差控制在严苛的5%以内，有效满足了高端半导体器件对重掺锑衬底电学性能均匀性的严苛要求，具有极高的工业应用价值与经济效益。