单晶硅生长控制方法、装置、设备及计算机存储介质与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，具体地说是一种单晶硅生长控制方法、装置、设备及计算机存储介质。


背景技术：

2.目前常用的生产单晶硅的方法有直拉法和区熔法等。与区熔法相比，直拉法具备投料量多、可生产的单晶直径大、设备自动化程度高、工艺简单、生产效率高等优点。直拉法的生产流程主要包括：拆炉、装料、熔料、引晶、放肩、转肩、等径、收尾和停炉等工序。其中放肩工序用于使晶体的直径增大到目标直径，之后通过转肩工序让晶体从一个横向生长的趋势变为纵向生长并进入等径工序。
3.现阶段的转肩工序，是在放肩工序阶段晶体直径等于设定的直径阈值时触发转肩工序，通常设定的直径阈值小于目标直径。但目前的转肩工序存在一个问题，转肩结束进入等径工序时，晶体的直径和目标直径之间差距过大，需要人工介入调整晶体的直径。


技术实现要素：

4.本发明针对现有的单晶硅转肩结束进入等径工序时，晶体直径与目标直径差距过大的问题，提供一种误差小的单晶硅生长控制方法、装置、设备及计算机存储介质。
5.第一方面，本发明提供了一种单晶硅生长控制方法，包括：在放肩过程且进入转肩判断流程后，判断是否达到t
i 1
时刻；若达到t
i 1
时刻，获取晶体直径d
i 1
；根据晶体直径d
i 1
、t
i
时刻获取的晶体直径d
i
、以及t
i
时刻与t
i 1
时刻之间的时间间隔，计算晶体直径生长速率v
i
；在晶体直径生长速率v
i
等于预定生长速率阈值时，判断晶体直径d
i 1
是否达到第一预定直径；若晶体直径d
i 1
达到第一预定直径，则启动转肩控制程序。
6.可选地，在判断晶体直径d
i 1
是否达到第一预定直径之后，该方法还包括：若晶体直径d
i 1
未达到第一预定直径，则继续等待晶体生长，直至晶体直径达到第一预定直径后启动转肩控制程序。
7.可选地，该方法还包括：在晶体直径生长速率v
i
大于或小于预定生长速率阈值时，将i 1，继续执行判断是否达到t
i 1
时刻。
8.可选地，在判断是否达到t
i 1
时刻之前，单晶硅生长控制方法还包括：在放肩程序启动后，启动转肩判断流程；或者，在放肩程序启动后，对放肩时长进行计时，在放肩时长达到预定时长时，启动转肩判断流程；或者，在放肩程序启动后，对晶体直径进行测量，在晶体直径达到第二预定直径时，启动转肩判断流程。
9.可选地，根据晶体直径d
i 1
、t
i
时刻获取的晶体直径d
i
、以及t
i
时刻与t
i 1
时刻之间的时间间隔，计算晶体直径生长速率v
i
，包括：
10.将d
i 1
减去d
i
，得到晶体直径差值δd
i
；
11.将t
i 1
减去t
i
，得到时间间隔δt
i
；
12.将晶体直径差值δd
i
除以时间间隔δt
i
，得到晶体直径生长速率v
i
。
13.可选地，随着放肩过程，t
i
时刻与t
i 1
时刻之间的时间间隔δt
i
与i的取值成反向相关性；或者，t
i
时刻与t
i 1
时刻之间的时间间隔δt
i
为固定值。
14.可选地，获取晶体直径d
i 1
，包括：利用直径测量装置对晶体当前的生长直径进行测量，得到晶体直径d
i 1
。
15.第二方面，本发明还提供一种单晶硅生长控制装置，包括：判断模块，用于在放肩过程且进入转肩判断流程后，判断是否达到t
i 1
时刻；获取模块，用于在判断模块判定达到t
i 1
时刻时，获取晶体直径d
i 1
；计算模块，用于根据获取模块获取到的晶体直径d
i 1
、t
i
时刻获取的晶体直径d
i
、以及t
i
时刻与t
i 1
时刻之间的时间间隔，计算晶体直径生长速率v
i
；转肩启动模块，用于在计算模块计算得到的晶体直径生长速率v
i
小于预定生长速率阈值时，启动转肩控制程序；判断模块，还用于在计算模块计算得到的晶体直径生长速率v
i
大于或等于预定生长速率阈值时，将i 1，继续执行判断是否达到t
i 1
时刻。
16.第三方面，本发明还提供一种单晶硅生长控制设备，单晶硅生长控制设备包括存储器和处理器，存储器和处理器电性连接，存储器中存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述方法的步骤。
17.第四方面，本发明还提供一种计算机存储介质，计算机存储介质内存储有计算机程序，计算机程序被计算机执行时实现上述方法的步骤。
18.本发明将放肩直径和直径生长速率同时作为转肩工序的触发条件，不同的直径生长速率有各自对应的直径触发阈值，使得触发转肩工序的时机更加准确，提高了转肩工序的准确性，进而可以缩小转肩工序结束时晶体的直径与目标直径之间的差值，减少等径前期直径的波动，增加转肩的准确度，提升成棒率。
附图说明
19.图1为单晶硅晶棒放肩与转肩过程的结构示意图。
20.图2为本发明实施例提供的单晶硅生长控制方法的一种流程示意图。
21.图3为本发明实施例提供的单晶硅生长控制方法的一种流程示意图。
22.图4为图2所示方法中计算晶体直径生长速率的具体流程示意图。
23.图5为本发明实施例提供的单晶硅生长控制装置的结构框图。
24.图6为本发明实施例提供的单晶硅生长控制设备的结构框图。
具体实施方式
25.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
26.图1所示是单晶硅晶棒生长时放肩、转肩、等径状态的示意图。下面以图1为例，说明在现有转肩工艺中单纯以放肩直径作为转肩触发条件时可能出现的问题。
27.以拉制12吋晶棒、最终所需晶棒的晶体直径为305mm为例，需要等径阶段开始时晶体的直径就是305mm，或者说越接近305mm越好，即需要转肩结束后，等径开始时晶体的直径为305mm。
28.按照现阶段的转肩工序，在放肩工序阶段，采用同一转肩触发直径阈值触发不同直径生产速率下的转肩工序，得到等径开始时直径的数据如表1。
29.表1同一转肩触发直径阈值下等径开始时直径
30.直径生长速率(mm/min)11.522.533.5转肩触发直径(mm)301301301301301301等径开始直径(mm)301.5302.1303.0304.1305.5307.1
31.从表1中可以看出，在同一直径阈值即转肩触发直径301mm的条件下，直径生长速率在1mm/min、1.5mm/min、2mm/min、2.5mm/min和3.5mm/min这些条件下，等径开始直径均与目标要达到的等径开始直径305mm，有较大的误差。
32.若按现阶段的转肩工序中的转肩触发条件，会造成等径开始阶段晶体直径与所需直径偏差较大，而晶体直径偏差较大时，会造成原材料的浪费及拉晶过程中的不稳定性。
33.按照现阶段的转肩工序，在放肩工序阶段，采用同一直径阈值触发不同直径生产速率下的转肩工序，得到等径开始时直径与所需直径偏差较大主要是因为在转肩过程中，晶体存在一个直径变化量。
34.下面进行举例说明：
35.假设所需晶体直径为d
末
，开始转肩的设定直径为d
初
，此时开始转肩时的直径生长速率为v，下面对直径生长速率进行说明：假设t1时刻的晶体直径为d1，t2时刻的晶体直径为d2，那么在t1至t2时刻，直径生长速率即为v
12
＝(d2‑
d1)/(t2‑
t1)，直径生长速率即晶体直径在对应时间差内的变化速率。在转肩过程中，因为拉速的提高，直径生长速率会逐渐减小，当直径生长速率为0时，即认为转肩结束，开始等径。因此，我们假设直径生长速率的变化率为a，下面对直径生长速率的变化率进行说明：假设t1时刻的晶体直径生长速率为v1，t2时刻的晶体直径生长速率为v2，那么在t1至t2时刻，直径生长速率的变化率即为a
12
＝(v2‑
v1)/(t2‑
t1)，直径生长速率的变化率即为直径生长速率在对应时间差内的变化速率。那么在转肩过程中，直径的变化量为δd＝v2/2a。所以，d
末
＝d
初
δd＝d
初
v2/2a。从该公式可以发现，等径开始阶段的直径d
末
与转肩触发直径d
初
和放肩后期的直径生长速率v都有关系。
36.本发明针对上述现有的转肩工艺存在的问题，提供了一种单晶硅生长控制方法。图2为该单晶硅生长控制方法的一种可选的实施例的流程图。
37.如图2所示，该单晶硅生长控制方法包括以下步骤：
38.s100，在放肩过程且进入转肩判断流程后，判断是否达到t
i 1
时刻；
39.s200，若达到t
i 1
时刻，获取晶体直径d
i 1
；
40.s300，根据晶体直径d
i 1
、t
i
时刻获取的晶体直径d
i
、以及t
i
时刻与t
i 1
时刻之间的时间间隔，计算晶体直径生长速率v
i
；
41.s400，在晶体直径生长速率v
i
等于预定生长速率阈值时，判断晶体直径d
i 1
是否达到第一预定直径；s500，若晶体直径d
i 1
达到第一预定直径，则启动转肩控制程序。
42.上述步骤中的i为自然数，即取值为1、2、3、
……
。
43.具体地，为与表1所对应的转肩触发条件做对比，采用本发明所提出的方法，仍以拉制晶体直径为305mm的硅棒为例，将转肩触发条件设置为：预定生长速率阈值为1mm/min，第一预定直径为304.5mm，当i取1时：
44.s100，在放肩过程且进入转肩判断流程后，判断是否达到t
i 1
时刻；
45.在放肩过程且进入转肩判断流程后，经判断达到t2时刻。
46.s200，若达到t
i 1
时刻，获取晶体直径d
i 1
；
47.达到t2时刻，获取t2时刻所对应的晶体直径d2。
48.s300，根据晶体直径d
i 1
、t
i
时刻获取的晶体直径d
i
、以及t
i
时刻与t
i 1
时刻之间的时间间隔，计算晶体直径生长速率v
i
；
49.根据所获取的t2时刻的晶体直径d2、t1时刻获取的晶体直径d1、t1时刻与t2时刻之间的时间间隔，计算得出晶体直径生长速率v1。
50.s400，在晶体直径生长速率v
i
等于预定生长速率阈值时，判断晶体直径d
i 1
是否达到第一预定直径；
51.经对比，由步骤s300计算得出的晶体直径生长速率v1等于预定生长速率阈值为1mm/min；此时则判断晶体直径d2是否达到第一预定直径304.5mm。
52.s500，若晶体直径d
i 1
达到第一预定直径，则启动转肩控制程序。
53.经过判断，晶体直径d2和第一预定直径304.5mm相等，则说明此时已同时满足转肩触发条件预定生长速率阈值为1mm/min和第一预定直径为304.5mm。进而启动转肩控制程序，并在转肩后，得到等径开始直径为305.0mm。
54.为了验证本发明所提出的控制方法的效果，采用本发明所提出的控制方法，采用直径变化速率与转肩触发直径(即本发明中的第一预定直径)相结合的转肩触发条件，对晶体生长进行控制，而不是单一的以转肩触发直径作为转肩触发条件。
55.采用本发明的控制方法，同样拉制12吋、最终所需晶棒的晶体直径为305mm的晶棒。对与表1中对应直径生长速率下的单晶硅进行了拉制。
56.具体地，预定生长速率阈值(与表1中直径生长速率相等)分别设定为1mm/min、1.5mm/min、2mm/min、2.5mm/min、3mm/min、3.5mm/min；相对应地，第一预定直径分别为304.5mm、304mm、303mm、302mm、300.5mm、299mm。下表2为单晶硅生长时根据本发明方法得到的等径开始的具体数据。
57.表2本发明控制方法下等径开始时直径
[0058][0059]
从上表2可以看出，将放肩直径和直径生长速率同时作为转肩工序的触发条件，不同的直径生长速率有各自对应的直径触发阈值，使得触发转肩工序的时机更加准确，提高了转肩工序的准确性，进而可以缩小转肩工序结束时晶体的直径与目标直径之间的差值，减少等径前期直径的波动，提高转肩的准确度，实现完美转肩，提升成棒率。由于人工介入少，有效地降低了人力成本；由于无需人工干预，还提高了晶体硅制造的效率。
[0060]
可选地，在步骤s400中，在判断晶体直径d
i 1
是否达到第一预定直径之后，该方法还包括以下步骤：若晶体直径d
i 1
未达到第一预定直径，则继续等待晶体生长，直至晶体直径达到第一预定直径后启动转肩控制程序。还是以上面的例子为例，在晶体直径生长速率为1mm/min时，当晶体直径d
i 1
没有达到304.5时，则不启动转肩工序，直至晶体直径生长到304.5mm时再启动转肩。
[0061]
可选地，在步骤s400中，在晶体直径生长速率v
i
大于或小于预定生长速率阈值时，
将i 1，继续执行判断是否达到t
i 1
时刻。例如，当预定生长速率阈值为1mm/min时，当晶体实际直径生长速率大于该阈值比如为1.1mm/min时，提高晶棒的拉速，降低直径生长速率，继续让晶棒生长，使直径生长速率趋近阈值1mm/min；或者当实际直径生长速率小于该阈值比如为0.9mm/min时，降低晶棒的拉速，提高直径生长速率，继续让晶棒生长，使直径生长速率趋近1mm/min。
[0062]
对于何时启动转肩判断流程，本发明提供了以下三种时机，如图3所示：
[0063]
(1)可选地，在步骤s100中，在判断是否达到t
i 1
时刻之前，该方法还包括以下步骤：s010，在放肩程序启动后，启动转肩判断流程。
[0064]
该启动转肩判断流程的时机，在放肩程序启动后，即开始启动转肩判断流程，即进入放肩程序后，便开始判断何时启动转肩流程，方式简单易实现。
[0065]
(2)可选地，在步骤s100中，在判断是否达到t
i 1
时刻之前，该方法还包括以下步骤：s020，在放肩程序启动后，对放肩时长进行计时，在放肩时长达到预定时长时，启动转肩判断流程。
[0066]
该方式和方式(1)的区别是，在进入放肩程序后，放肩预定时长后，再启动转肩判断流程。比如放肩5min后需要启动转肩判断流程，先对放肩时长进行计时，当放肩时长计时到5min后进入到转肩判断流程。通过对放肩时长进行预定时长的设定，待达到预定时长后进行转肩流程的判断，可以减少转肩流程的判断次数，提高判断效率。
[0067]
(3)可选地，在步骤s100中，在判断是否达到t
i 1
时刻之前，该方法还包括以下步骤：s030，在放肩程序启动后，对晶体直径进行测量，在晶体直径达到第二预定直径时，启动转肩判断流程。需要注意的是，在对晶体直径进行测量时，测量的是晶体放肩阶段锥体的最粗处，即锥体的最大直径，如图1所示。
[0068]
该方式不同于方式(1)和方式(2),而是通过对晶体直径的测量，判断放肩阶段锥形晶体的直径是否到达第二预定直径，第二预定直径和本方法中的第一预定直径不同，第二预定直径需要是晶体转肩之前的锥体直径，故第二预定直径的取值是要小于第一预定直径的取值。
[0069]
通过对放肩阶段的晶体直径进行实时测量，判断当前的晶体直径是否达到第二预定直径的取值，进而判断是否开始转肩流程的判断，这种方式不会局限于放肩时间，不受放肩时间，以及晶体直径在不同时间段的变化情况的不同等因素的影响，转肩流程判断时机精确，有利于转肩后等径阶段的生长。
[0070]
上述(1)、(2)、(3)三种启动转肩判断流程的方式，可根据实际情况选择不同的方式，使本发明方法适应性强。
[0071]
如图4所示，可选地，在步骤s300中，根据晶体直径d
i 1
、t
i
时刻获取的晶体直径d
i
、以及t
i
时刻与t
i 1
时刻之间的时间间隔，计算晶体直径生长速率v
i
，包括以下步骤：
[0072]
s310，将d
i 1
减去d
i
，得到晶体直径差值δd
i
；即，δd
i
＝d
i 1
‑
d
i
；
[0073]
s320，将t
i 1
减去t
i
，得到时间间隔δt
i
；即，δt
i
＝t
i 1
‑
t
i
；
[0074]
s330，将晶体直径差值δd
i
除以时间间隔δt
i
，得到晶体直径生长速率v
i
；即，v
i
＝δd
i
/δt
i
。
[0075]
晶体直径生长速率v
i
＝δd
i
/δt
i
＝(d
i 1
‑
d
i
)/(t
i 1
‑
t
i
)，采用该方法计算，操作方便，简单直观。
[0076]
可选地，随着放肩过程，t
i
时刻与t
i 1
时刻之间的时间间隔δt
i
与i的取值成反向相关性；或者，t
i
时刻与t
i 1
时刻之间的时间间隔δt
i
为固定值。
[0077]
δt
i
为固定值时，简单，便于计算，操作性强。
[0078]
δt
i
与i的取值成反向相关性，随着放肩过程的进行，晶体的直径也越来越开始接近转肩判断时的第一预定直径，在放肩过程的后期，随着i取值的增大，δt
i
取值变小，将δt
i
的取值越取越小，在相同时间段内，对直径生长速率的计算次数就越来越多，从而在直径生长速率快接近阈值时，进行更精确的计算，提高直径生长速率判断的准确性。
[0079]
可选地，在步骤s200中，获取晶体直径d
i 1
，包括：利用直径测量装置对晶体当前的生长直径进行测量，得到晶体直径d
i 1
。可选地，直径测量装置采用ccd相机。利用ccd相机采集长晶炉内单晶硅晶棒与硅熔体的三相交界处的图像，然后利用计算机对图像进行处理，得出单晶硅晶棒的直径并反馈回控制系统对长晶进行控制。
[0080]
如图5所示，本发明还提供一种单晶硅生长控制装置600。该单晶硅生长控制装置600包括判断模块601、获取模块602、计算模块603及转肩启动模块604。
[0081]
判断模块601，用于在放肩过程且进入转肩判断流程后，判断是否达到t
i 1
时刻；
[0082]
获取模块602，用于在判断模块601判定达到t
i 1
时刻时，获取晶体直径d
i 1
；
[0083]
计算模块603，用于根据获取模块602获取到的晶体直径d
i 1
、t
i
时刻获取的晶体直径d
i
、以及t
i
时刻与t
i 1
时刻之间的时间间隔，计算晶体直径生长速率v
i
；
[0084]
转肩启动模块604，用于在计算模块603计算得到的晶体直径生长速率v
i
小于预定生长速率阈值时，启动转肩控制程序；
[0085]
判断模块601，还用于在计算模块603计算得到的晶体直径生长速率v
i
大于或等于预定生长速率阈值时，将i 1，继续执行判断是否达到t
i 1
时刻。
[0086]
可选地，在判断模块601判断晶体直径d
i 1
是否达到第一预定直径之后，若晶体直径d
i 1
未达到第一预定直径，则继续等待晶体生长，直至晶体直径达到第一预定直径后启动转肩控制程序。
[0087]
可选地，在判断模块601判断晶体直径生长速率v
i
大于或小于预定生长速率阈值时，将i 1，继续执行判断是否达到t
i 1
时刻。
[0088]
可选地，在判断模块601在放肩过程且进入转肩判断流程后，判断是否达到t
i 1
时刻之前，还包括以下判断：在放肩程序启动后，启动转肩判断流程；或者，在放肩程序启动后，对放肩时长进行计时，在放肩时长达到预定时长时，启动转肩判断流程；或者，在放肩程序启动后，对晶体直径进行测量，在晶体直径达到第二预定直径时，启动转肩判断流程。
[0089]
可选地，计算模块603根据晶体直径d
i 1
、t
i
时刻获取的晶体直径d
i
、以及t
i
时刻与t
i 1
时刻之间的时间间隔，计算晶体直径生长速率v
i
，包括以下步骤：
[0090]
将d
i 1
减去d
i
，得到晶体直径差值δd
i
；即，δd
i
＝d
i 1
‑
d
i
；
[0091]
将t
i 1
减去t
i
，得到时间间隔δt
i
；即，δt
i
＝t
i 1
‑
t
i
；
[0092]
将晶体直径差值δd
i
除以时间间隔δt
i
，得到晶体直径生长速率v
i
；即，v
i
＝δd
i
/δt
i
。
[0093]
可选地，随着放肩过程，t
i
时刻与t
i 1
时刻之间的时间间隔δt
i
与i的取值成反向相关性；或者，t
i
时刻与t
i 1
时刻之间的时间间隔δt
i
为固定值。
[0094]
可选地，获取模块602获取晶体直径d
i 1
，是利用直径测量装置对晶体当前的生长
直径进行测量，然后得到晶体直径d
i 1
。
[0095]
如图6所示，本发明还提供一种单晶硅生长控制设备700，包括存储器701和处理器702，存储器701和处理器702电性连接。
[0096]
存储器701中存储有根据本发明实施例的单晶硅生长控制方法中的相应步骤的计算机程序。
[0097]
处理器702用于运行存储器701中存储的计算机程序，以执行根据本发明实施例的单晶硅生长控制方法的相应步骤，并且用于实现本发明实施例的单晶硅生长控制装置中的判断模块601、获取模块602、计算模块603及转肩启动模块604。
[0098]
此外，本发明还提供一种计算机存储介质，计算机存储介质内存储有计算机程序，计算机程序被计算机执行时实现上述方法的步骤。可选地，计算机存储介质可以包括平板电脑的存储部件、个人计算机的硬盘、只读存储器(rom)、可擦除可编程只读存储器(eprom)、便携式紧致盘只读存储器(cd
‑
rom))、usb存储器、或者上述存储介质的任意组合。计算机可读存储介质可以是一个或多个计算机可读存储介质的任意组合，例如一个计算机可读存储介质包含用于随机地生成动作指令序列的计算机可读的程序代码，另一个计算机可读存储介质包含用于进行用于转肩过程的晶体生长控制的计算机可读的程序代码。
[0099]
在一个实施例中，计算机程序指令在被计算机运行时可以实现根据本发明实施例的用于转肩过程的晶体生长控制装置的各个功能模块，和/或可以执行根据本发明实施例的用于转肩过程的晶体生长控制方法。
[0100]
在一个实施例中，计算机程序指令在被计算机运行时执行以上用于放肩过程的晶体生长控制方法。
[0101]
综上所述，根据本发明的单晶硅生长控制方法、装置、设备及计算机存储介质，在制造单晶硅晶棒时，转肩等径开始阶段晶体直径与所需直径偏差较小，不会造成原材料的浪费，并且拉晶过程比较稳定，生成的晶棒质量较好。
[0102]
上文对本发明进行了足够详细的具有一定特殊性的描述。所属领域内的普通技术人员应该理解，实施例中的描述仅仅是示例性的，在不偏离本发明的真实精神和范围的前提下做出所有改变都应该属于本发明的保护范围。本发明所要求保护的范围是由所述的权利要求书进行限定的，而不是由实施例中的上述描述来限定的。