專利名稱：生長管狀結(jié)晶體用的控制設(shè)備系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于生長晶體用的設(shè)備，特別是關(guān)于生長管狀晶體用的控制設(shè)備系統(tǒng)。
制造半導(dǎo)體器件所用的硅片往往是由具有多個(gè)邊(例如九邊形)的那種管狀晶體的平側(cè)面制成的。美國專利4544529中所述的設(shè)備迄今是用來按邊緣分明的薄膜供料生長法(EFG法)制造這些晶體。簡言之，這些設(shè)備包括一個(gè)坩堝，用來裝載待生長材料(例如硅)的熔體;一個(gè)毛細(xì)管模具，用來控制被生長晶體的形式和形狀;一個(gè)加熱器，用來控制模具和熔體的溫度;一個(gè)籽晶支承組件，用來支承生長晶體用的籽晶;和一個(gè)與籽晶支承組件連接的提拉機(jī)構(gòu)，用來將管狀晶體從熔體中提拉出來。
要生產(chǎn)出令人滿意的商品硅基片并確保晶體生長過程不因管狀晶體的被摘除或凍結(jié)而過早終止，重要的是要嚴(yán)格控制生長中晶體的晶壁厚度。在美國專利4544528所公開的那種毛細(xì)管模具裝置中，眾所周知，生長中晶體的壁厚隨模具頂部與生長中晶體的底部之間所形成的新月形體的大小和形狀而變化。各種各樣裝有光學(xué)系統(tǒng)的裝置，例如美國專利4239583、4267151和4318769所公開的那些裝置，即利用新月形體的壁厚和各種幾何特性之間的關(guān)系研制出來，用以控制晶體生長設(shè)備的操作。這些以光學(xué)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)有一個(gè)觀測新月形體用的光學(xué)組件。利用由光學(xué)組件獲得的有關(guān)新月形體構(gòu)形的資料，操作人員調(diào)節(jié)晶體生長設(shè)備的操作，以生產(chǎn)出所需壁厚的晶體。
雖然用上述光學(xué)控制系統(tǒng)可以令人滿意地控制壁厚，但這些系統(tǒng)的用途存在某些局限性。首先，操作人員必須不斷地監(jiān)視著新月形體的構(gòu)形，并根據(jù)觀察結(jié)果調(diào)節(jié)晶體生長設(shè)備的操作。為避免人為的差錯(cuò)、提高晶體的生產(chǎn)速率并降低與使用技術(shù)人員有關(guān)的費(fèi)用，總希望使整個(gè)晶體生長操作自動(dòng)化。其次，使用周知的這種光學(xué)控制系統(tǒng)只能觀察到整個(gè)新月形體較小的一部分。這一小部分的構(gòu)形未必能代表整個(gè)新月形體的構(gòu)形。
采用美國專利4544528所例舉的那種公知的晶體生長設(shè)備，要生長出長度大約2米以上的晶體既困難又不實(shí)用。造成這個(gè)困難的原因，部分是由于需要將管狀晶體內(nèi)部充以氬氣之類的惰性氣體以便阻止空氣進(jìn)入晶體內(nèi)部，部分是由于該容積內(nèi)存在大的溫差，因而產(chǎn)生對流。
更具體地說，為了阻止周圍空氣進(jìn)入晶體內(nèi)部，需要往生長中的晶體內(nèi)部注入惰性氣體(一般為氬氣)。由于惰性氣體比周圍的空氣重，在長度比大約2米還長的晶體內(nèi)，惰性氣柱的長度和重量足以使氣柱往下沉，從而使周圍的空氣通過晶體頂端被吸入晶體內(nèi)。
當(dāng)采取防止周圍空氣進(jìn)入晶體內(nèi)的措施時(shí)，例如將晶體頂端覆蓋起來，晶體內(nèi)所產(chǎn)生的對流的有害作用大大增加。蓋上空心晶體頂端時(shí)，這些對流促使晶體內(nèi)的壓力波動(dòng)，從而難以控制晶體生產(chǎn)設(shè)備的操作。因此要生長出壁厚均勻而且長度大于2米左右的晶體就成問題。
生長晶體所需要的全部時(shí)間，有很大一部分是花在生長工序用的晶體生長設(shè)備的準(zhǔn)備工作上。因此要提高工藝效率，總希望能生長出長度大于2米左右的晶體。
本發(fā)明的主要目的是克服與公知的控制系統(tǒng)有關(guān)、控制管狀晶體生長設(shè)備操作上存在的上述缺點(diǎn)。
本發(fā)明的另一主要目的是提供一種控制生長長度約2米以上的晶體用的設(shè)備的操作經(jīng)改進(jìn)的控制系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種根據(jù)傳感器所提供的有關(guān)晶體的重量、長度和內(nèi)壓的信息來控制管狀晶體生長設(shè)備的操作的經(jīng)改進(jìn)的控制系統(tǒng)。
本發(fā)明的又另一個(gè)目的是提供一種控制晶體生長的設(shè)備的方法使生產(chǎn)出來的晶體壁厚大體均勻。
本發(fā)明的這些和其它目的是提供這樣一個(gè)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，該控制系統(tǒng)適宜和公知的管狀晶體生長設(shè)備配用，其中，設(shè)備的籽晶夾持器制造得實(shí)質(zhì)上可以防止周圍的空氣進(jìn)入晶體內(nèi)。系統(tǒng)的一個(gè)最佳實(shí)施例包括一個(gè)壓力傳感器、一個(gè)重量傳感器、一個(gè)長度傳感器、一個(gè)實(shí)際重量電路和一個(gè)控制器。壓力傳感器用以測定管狀硅晶體的內(nèi)部壓力，重量傳感器用以測定管狀硅晶體和支承該晶體的籽晶夾持器的總重量，長度傳感器用以測量管狀晶體的長度，實(shí)際重量電路耦合到壓力和重量傳感器上，用以計(jì)算管狀晶體的真實(shí)重量，控制器則耦合到長度傳感器并耦合到實(shí)際重量電路上?？刂破骼瞄L度傳感器和實(shí)際重量電路所提供的信息控制著晶體生長設(shè)備坩堝加熱器的操作。通過精確調(diào)節(jié)坩堝加熱器的輸出功率控制晶體生長設(shè)備的操作使得(1)生長中的硅晶體其壁厚基本上均勻，且(2)晶體可以生長到6米或以上的長度。
為更全面理解本發(fā)明的性質(zhì)和目的，應(yīng)結(jié)合附圖參閱下面的詳細(xì)敘述，附圖中

圖1是本發(fā)明最佳實(shí)施例的部分剖視示意圖;
圖2是本發(fā)明的壓力傳感器和重量傳感器的輸出，與晶體的實(shí)際重量比較，對時(shí)間的關(guān)系曲線示意圖。
圖3是本發(fā)明最佳實(shí)施例中所采用的實(shí)際重量電路圖。
圖4是本發(fā)明的控制系統(tǒng)控制晶體生長設(shè)備時(shí)所進(jìn)行的各項(xiàng)操作的軟件流程示意圖。
參看圖1，本發(fā)明包括一個(gè)控制半導(dǎo)體材料管狀晶體22生長設(shè)備20的操作用的控制系統(tǒng)。雖然圖中沒有示出，但應(yīng)該理解，設(shè)備20包括美國專利4544528、4239583、4267151和4318769所述和例示的那種爐子。更具體地說，設(shè)備20包括一個(gè)裝待結(jié)晶化的半導(dǎo)體材料的熔體的坩堝24、一個(gè)加熱熔體用的加熱器26和一個(gè)形狀合乎要求用以形成晶體22的毛細(xì)管模具28。毛細(xì)管模具可以取各種形狀，但最好是取美國專利4544528的圖1所示的形狀，只是它所取的形狀是用以生長出圓形或某選定的多邊形(例如九邊形或八角形)的晶體。一對固定著的平行導(dǎo)軌29和在導(dǎo)軌上滑行的支架30是用以從熔體中提拉晶體22而設(shè)的。支架30中設(shè)有小孔32(見圖)，小孔附近的支架上固定有附板34。在坩堝24上方在軸向上遠(yuǎn)離坩堝24的遠(yuǎn)端的一固定位置支承有本技術(shù)領(lǐng)域公知的那種類型的提拉機(jī)構(gòu)35，與支架30相連接，用以將支架30以大致上恒定的速度沿導(dǎo)軌29拉離坩堝24。籽晶夾持器36連接到支架30上。籽晶夾持器36則機(jī)械耦合到籽晶39上(圖1)，晶體22即從籽晶39生長出來。
以上有關(guān)設(shè)備20的簡短敘述足以理解本發(fā)明的控制系統(tǒng)與其所控制的設(shè)備之間的相互關(guān)系。有關(guān)設(shè)備20一個(gè)實(shí)例更詳細(xì)的敘述，請參看前面提到過的頒發(fā)給史托蒙特等人的美國專利4544528，本說明書將該美國專利包括進(jìn)去以供參考。
本發(fā)明控制系統(tǒng)的一個(gè)最佳實(shí)施例包括重量傳感器100、長度傳感器101、壓力傳感器102、實(shí)際重量電路104和控制器105。在本最佳實(shí)施例中，籽晶夾持器36制造得使其可以氣封的方式封住晶體的上端，從而限制能通過晶體上端從晶體內(nèi)部逸出的流體的數(shù)量。夾持器36有一個(gè)垂直于管狀晶體22的軸線延伸的表面37和一個(gè)通過流體將晶體22內(nèi)部與籽晶夾持器外部連接起來的導(dǎo)管38。
重量傳感器100固定到附板34上并借助于可軸向延伸的桿106連接到籽晶夾持器36上。桿106通過支架30上的小孔32延伸。重量傳感器100測定晶體22和籽晶夾持器36(包括籽晶39在內(nèi))的重量。重量傳感器100的輸出在線路108上載送到實(shí)際重量電路104上。重量傳感器100是一個(gè)普通的應(yīng)變計(jì)載荷傳感器。
長度傳感器101是為測量支架30相對于固定著的坩堝24的位移而設(shè)的。長度傳感器101附在一個(gè)固定的物體上，最好是固定到提拉機(jī)構(gòu)35上，安置在坩堝24上方。長度傳感器101包括一個(gè)普通的圓筒和纜索長度測定變換器。提拉機(jī)構(gòu)35沿導(dǎo)軌29提拉支架30時(shí)，纜索103就卷繞在圓筒上。卷繞在圓筒上的纜索量與晶體的長度相對應(yīng)，由裝在圓筒內(nèi)的電位計(jì)測定。長度傳感器101電位計(jì)的輸出在線路109上載送到控制器105。
壓力傳感器102是為測定晶體22內(nèi)部朝上頂住籽晶夾持器表面37的壓力而設(shè)的。壓力傳感器102通過管116藉流體與導(dǎo)管38連通，因而也與晶體22內(nèi)部相關(guān)連。壓力傳感器102可裝在附板34上或任何其它適當(dāng)?shù)脑稀毫鞲衅?02的輸出在線路118上傳送到實(shí)際重量電路104。壓力傳感器102是一個(gè)電容型傳感器。
現(xiàn)在參看圖1-3，實(shí)際重量電路104是為連續(xù)產(chǎn)生表示生長中的晶體22在晶體生長過程中任何選定的時(shí)間內(nèi)的實(shí)際重量的信號而設(shè)的。簡言之，實(shí)際重量電路104結(jié)合重量傳感器100和壓力傳感器102的輸出產(chǎn)生表示生長中的硅晶體22、籽晶夾持器36和籽晶39的實(shí)際重量的信號。然后從實(shí)際重量信號減去補(bǔ)償電壓信號，以提供表示僅生長中的晶體22的實(shí)際重量的信號。
但由于晶體內(nèi)存在著往上頂住籽晶夾持器表面37的壓力，因而生長中的晶體22的重量不能用重量傳感器100直接測出。作用在表面37上的力增加時(shí)，生長中的晶體22在克服重力的拉力的情況下被提升起來，促使重量傳感器100表示晶體22的重量的輸出信號下降，如圖2中曲線132朝下的尖鋒所示。同樣，作用在表面37上的力減小時(shí)，重量傳感器100所檢測出晶體22的重量增加，如圖2中曲線132的朝上尖峰所示。重量傳感器100輸出信號的這些變化降低了控制器105所產(chǎn)生的控制信號的準(zhǔn)確性。壓力傳感器102所測出的晶體22內(nèi)部的壓力波動(dòng)與重量傳感器100所測出的重量測定值成直接反比變化。將壓力信號和重量信號加起來(如下面即將詳細(xì)談到的那樣)，就可確定晶體22的實(shí)際重量，如圖2的曲線133所示。實(shí)際重量電路104即為產(chǎn)生此表示實(shí)際重量的信號而設(shè)的。
將籽晶夾持器36制造得使它和籽晶38大體上完全將晶體22的端部堵住(如上面談過的那樣)，就可以使晶體內(nèi)部的壓力波動(dòng)比起用上述美國專利申請書4544528所公開的設(shè)備生長出來的那種不密封的晶體內(nèi)部所產(chǎn)生的波動(dòng)大大增加。重量測定值因這些壓力波動(dòng)所造成的的誤差促使我們采用壓力傳感器102和實(shí)際重量電路104。
現(xiàn)在詳細(xì)敘述圖3所示的實(shí)際重量電路104。重量傳感器100的輸出端經(jīng)由線路108連接到放大器134上。放大器134則通過線路136連接到重量校準(zhǔn)電位計(jì)138上。重量校準(zhǔn)電位計(jì)138連接到加法放大器146的負(fù)接點(diǎn)上。電阻器148的一端由線路152連接到放大器146的正輸出接點(diǎn)上，另一端接地。電阻器150的一端也經(jīng)由線路152連接到放大器146的正接點(diǎn)，另一端連接到實(shí)際重量電路104的另一個(gè)部分，下面即將談到。放大器146的輸出端經(jīng)由線路156連接到濾波器158上，濾波器158的輸出端則經(jīng)由線路160連接到控制器105上。電阻器162按加法放大器的普通方式連接在輸出線路156與放大器146的負(fù)輸入端之間。
如本技術(shù)領(lǐng)域中所周知的那樣，上述134～162的全部元件起調(diào)節(jié)重量傳感器100輸出端的信號的作用。重量校準(zhǔn)電位計(jì)138用以校準(zhǔn)實(shí)際重量電路104的輸出，以適應(yīng)重量傳感器100靈敏度的變化。
壓力傳感器102的輸出在線路118上饋送到放大器170，放大器170在線路172上連接到壓力校準(zhǔn)電位計(jì)174上，該電位計(jì)則連接到加法放大器182的負(fù)輸入接點(diǎn)上。放大器182的正接點(diǎn)接地。電阻器186將補(bǔ)償電壓源192連接到加法放大器182的負(fù)接點(diǎn)上。補(bǔ)償電壓源192包括普通電位計(jì)193和適當(dāng)?shù)碾娢?95。電阻器194按加法放大器的普通方式經(jīng)由電阻器150將電阻器186連接到放大器146的正輸入端。補(bǔ)償電壓源192輸出信號的極性是這樣選擇，使得當(dāng)前一個(gè)信號通過放大器182及其有關(guān)電阻器186、194和150加到重量傳感器100的輸出信號時(shí)，后一個(gè)信號量減小，這點(diǎn)將在下文詳細(xì)談到。放大器182的輸出端在線路200上經(jīng)由線路202連接到電阻器150的一端。如上所述，電阻器150的另一端系經(jīng)由線路152連接到放大器146的正接點(diǎn)上。
取自電壓源192的補(bǔ)償信號與壓力傳感器102的輸出信號結(jié)合，得出的合成信號由放大器182加以放大。放大器182的輸出信號與重量傳感器100的輸出在加法放大器146中加在一起。調(diào)節(jié)重量校準(zhǔn)電位計(jì)138和壓力校準(zhǔn)電位計(jì)174以分別標(biāo)定重量傳感器100和壓力傳感器102的輸出信號的大小，使得在任何時(shí)刻，線路172上壓力信號的大小，由于作用在籽晶夾持器表面的壓力，與線路136上的重量信號部分相等且相反。例如，在某一選定的測量時(shí)間，重量傳感器100的輸出信號，由放大器134和電位計(jì)138標(biāo)定時(shí)可能為+1.5伏，而壓力傳感器102的輸出信號，由放大器170和182及其有關(guān)電阻標(biāo)定時(shí)可能為-0.5伏。將重量傳感器100和壓力傳感器102的輸出在放大器146加起來，獲得輸出信號的和，即+1.0伏，表示在該選定的測量時(shí)間晶體22、籽晶39和籽晶夾持器36的實(shí)際重量。
線路156上的實(shí)際重量信號最后通過濾波電路158處理，以削弱機(jī)械振動(dòng)和重量傳感器內(nèi)所產(chǎn)生的電干擾所引起的一些不希望有的分量。然后將此信號經(jīng)由線路160傳送到控制器105。
控制器105是為控制晶體生長設(shè)備20的操作而設(shè)的。在本發(fā)明的最佳實(shí)施例中，提拉機(jī)構(gòu)35是以恒定的速度將晶體22從坩堝24中提升進(jìn)行工作的。這樣，僅調(diào)節(jié)坩堝加熱器26的輸出即可控制設(shè)備20的操作?？刂破?05提供進(jìn)行坩堝加熱器26的這種調(diào)節(jié)所用的溫度控制信號?？刂破?05可以取各種各樣的形式，包括，例如，工業(yè)生產(chǎn)過程用的數(shù)字式小型電子計(jì)算機(jī)。
現(xiàn)在翻到圖1和4，控制器105利用為其提供的輸入信號信息按機(jī)器控制軟件程序控制坩堝加熱器26的操作。圖4所示的軟件流程圖提供了軟件程序所進(jìn)行的操作的大致邏輯情況。這里不舉例或說明軟件程序逐行的編碼過程，我們認(rèn)為這是在普通專業(yè)人員應(yīng)有的技術(shù)范圍內(nèi)。
在流程圖的第一步中，本發(fā)明的控制系統(tǒng)經(jīng)起動(dòng)后開始控制著設(shè)備20的操作，如步驟200所示。下一步，控制器105讀取晶體22的現(xiàn)行長度，如步驟204所示。長度變換器101將該現(xiàn)行長度的信息經(jīng)線路109提供給控制器105。接著在步驟206，現(xiàn)行長度的信息被存儲起來，供下一次循環(huán)使用。這之后，控制器105讀取晶體的現(xiàn)行重量，如步驟208所示。此現(xiàn)行重量的信息由實(shí)際重量電路104產(chǎn)生，并經(jīng)線路160上提供給控制器105。接著在步驟210，現(xiàn)行重量的信息被存儲起來，供下一個(gè)循環(huán)使用。
然后計(jì)算在測量時(shí)間X內(nèi)晶體22長度的變化，如步驟212所示。此運(yùn)算是采用現(xiàn)行長度數(shù)據(jù)和上一次測量循環(huán)的長度數(shù)據(jù)進(jìn)行的。現(xiàn)行長度數(shù)據(jù)直接由長度變換器101提供，上一循環(huán)的長度數(shù)據(jù)則采用存儲在步驟206的數(shù)據(jù)讀入，如步驟214所示。顯然，在第一次迭代流程圖的過程中，所產(chǎn)生的長度推導(dǎo)信息是沒有什么意義的，因?yàn)椴淮嬖谏弦粋€(gè)循環(huán)所已產(chǎn)生的長度數(shù)據(jù)。測量時(shí)間X最好大約在30秒和3分鐘之間。測量時(shí)間X可以作為固定的調(diào)定值存儲在控制器105中，或在晶體生長操作開始時(shí)作為控制參數(shù)輸入。
下一步是計(jì)算在測量時(shí)間X內(nèi)晶體22的重量變化，如步驟216所示。此推算采用現(xiàn)行重量數(shù)據(jù)和上一個(gè)測量循環(huán)獲得的重量數(shù)據(jù)。現(xiàn)行重量數(shù)據(jù)直接由實(shí)際重量電路104提供，上一循環(huán)的重量數(shù)據(jù)則采用存儲在步驟210的數(shù)據(jù)讀入，如步驟218所示。至于在步驟212的情況下，第一次迭代所產(chǎn)生的重量推算信息沒有什么意義。步驟216中所使用的測量時(shí)間X與步驟212中所使用的測量時(shí)間X完全相同，即最好在大約30秒至3分鐘的范圍內(nèi)。
然后在步驟220計(jì)算晶體22的實(shí)際壁厚，即將步驟216計(jì)算得出的晶體重量變化乘以常數(shù)K，再將此乘積除以步驟212計(jì)算出來的晶體22長度的變化。熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人士都知道，K是壁厚換算常數(shù)，是根據(jù)待生長的晶體所要求的壁厚以及長度傳感器100的實(shí)際重量電路104的輸出信號的大小選取的。
下一步是從存儲器讀取壁厚信息，如步驟222所示。這之后，在步驟224將在步驟220計(jì)算出來的實(shí)際壁厚與在步驟222讀入的所要求的壁厚加以比較，以確定實(shí)際壁厚是大于或等于所要求的壁厚，若實(shí)際壁厚大于或等于所要求的壁厚，流程圖就進(jìn)行到步驟226。在步驟226，控制器105產(chǎn)生升溫信號，經(jīng)線路230加到坩堝加熱器26上。坩堝加熱器26一收到該溫升信號便投入工作，使熔體的溫度升高，從而使晶體22的壁厚減少。若實(shí)際壁厚不大于或等于所要求的壁厚，流程圖就進(jìn)行到步驟228。在步驟228，控制器產(chǎn)生降溫信號，經(jīng)線路230上加到坩堝加熱器26上。坩堝加熱器26一收到此降溫信號就投入工作，使熔體的溫度下降，從而使晶體22的壁厚增加。實(shí)際上，由于晶體22的壁厚在晶體增長時(shí)會變薄，因而減少坩堝加熱器26的輸出使晶體增長時(shí)，模具28的溫度一般下降。
控制器105所提供的信號的性質(zhì)以及坩堝加熱器26處理控制器所提供的信號的方式，致使調(diào)節(jié)模具和熔體的溫度對本發(fā)明無關(guān)重要。雖然如此，坩堝加熱器26還是可以，例如，包括一個(gè)級調(diào)式加熱器，即加熱器的輸出可分級調(diào)節(jié)。這樣，一旦從控制器105收到正值信號時(shí)，加熱器26的熱輸出會增加一個(gè)Y值，一旦從控制器105收到負(fù)值信號時(shí)加熱器26的熱輸出就會減少一個(gè)Y值。作為一個(gè)可供選擇的作法，可以在坩堝加熱器26與輸出線路230之間接上一個(gè)普通的溫度控制器232，如圖1所示。根據(jù)從控制器105出來的經(jīng)線路230加到溫度控制器232所輸出的輸出信號，溫度控制器232改變著輸入到坩堝加熱器26的功率，以確保生長出壁厚大致均勻的晶體22。
在最后步驟232中，在讀入下一個(gè)現(xiàn)有長度和重量值之前，引入一個(gè)時(shí)延。由于步驟204～228一般是在短于測量時(shí)間的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，因此步驟232是為使在讀入下一個(gè)長度和重量值之前可以消磨掉測量時(shí)間里剩下的時(shí)間而設(shè)的。
在時(shí)延終了時(shí)，從步驟204開始重復(fù)軟件流程圖的上述各步驟。
本發(fā)明適宜以較高于一般可由公知的控制系統(tǒng)獲得的精確度來控制公知晶體生長設(shè)備的操作。通過準(zhǔn)確控制公知的晶體生長設(shè)備的操作，可以獲得若干重要的優(yōu)點(diǎn)。第一，大大減少了生長中的晶體22與模具分離或凍結(jié)在模具上的次數(shù)。第二，可以更準(zhǔn)確地控制管狀晶體的壁厚。第三，采用以本發(fā)明的方法控制的公知的晶體生長設(shè)備，可以生長出長度達(dá)6米以上壁厚相當(dāng)均勻的晶體22，而且該晶體可改進(jìn)得使其在生長過程中可大體上氣封其頂端。由長晶體(例如6米長)制成的硅片，由于避免了因凍結(jié)和脫落所造成的損失，由于減少了設(shè)備相對于晶體生長長度的起動(dòng)時(shí)間，因而其材料成本比起用公知的晶體生長設(shè)備生長出來的較短的晶體制成的硅片低得多。
雖然本發(fā)明是為控制上述美國專利4544528所公開的那種類型的EFG晶體生長爐設(shè)備的操作而設(shè)計(jì)的，但應(yīng)該理解，本發(fā)明也可使其適宜控制其它生長空心晶體的爐子設(shè)備的操作。
本發(fā)明最好是設(shè)計(jì)成改變坩堝的加熱速度來控制晶體的壁厚(保持提拉速度基本不變)，但本發(fā)明也可以設(shè)計(jì)成保持加熱速度不變，改變提拉速度來控制晶體的壁厚。不然也可以改變加熱速度和提拉速度以制造壁厚大致均勻的晶體。
鑒于在不脫離本發(fā)明范圍的前提下是可以對上述設(shè)備進(jìn)行某些修改的，因此我們的意圖是，上述介紹所包含的或附圖中所展示的一切資料應(yīng)理解為舉例性質(zhì)的，而不應(yīng)理解為是對本發(fā)明的限制。
權(quán)利要求
1.一種控制管狀晶體生長設(shè)備的操作用的系統(tǒng)，該設(shè)備包括一盛熔體用的坩堝、一加熱所述坩堝用的加熱裝置，一包括從所述熔體生長出管狀晶體用的生長裝置的裝置，所述生長裝置包括(1)籽晶夾持器，用以支承所述在其上生長出晶體的籽晶，和(2)提拉裝置，用以將所述管狀晶體和所述籽晶夾持器提拉離所述坩堝，該系統(tǒng)的特征在于，該系統(tǒng)包括長度傳感器，用以產(chǎn)生表示所述生長中的管狀晶體的長度的輸出信號；重量傳感器，用以產(chǎn)生表示所述生長中的管狀晶體、所述籽晶和所述籽晶夾持裝置的重量的輸出信號；壓力傳感器，用以產(chǎn)生表示所述晶體內(nèi)部壓力的輸出信號；和控制裝置，與所述長度傳感裝置、所述重量傳感裝置、所述壓力傳感裝置和所述加熱裝置耦合，用以響應(yīng)所述長度傳感裝置、所述重量傳感裝置和所述壓力傳感裝置的輸出信號控制所述設(shè)備的操作，以確保所述生長中的管狀晶體的壁厚大致均勻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制裝置控制著所述加熱裝置的操作。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制裝置包括計(jì)算所述管狀晶體的實(shí)際重量用的計(jì)算裝置，而且其中所述控制裝置響應(yīng)所述長度傳感裝置和所述計(jì)算裝置的輸出信號控制所述坩堝加熱裝置的操作。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述計(jì)算裝置包括信號組合裝置，用以將所述重量傳感裝置和所述壓力傳感裝置的輸出信號組合起來，以產(chǎn)生表示所述管狀晶體和所述籽晶夾持裝置的實(shí)際重量的合成信號;補(bǔ)償輸出信號發(fā)生裝置，用以產(chǎn)生表示所述籽晶夾持裝置的實(shí)際重量的補(bǔ)償輸出信號;和信號組合裝置，用以將所述合成信號和所述補(bǔ)償輸出信號組合起來，以產(chǎn)生表示所述管狀晶體實(shí)際重量的經(jīng)校正的輸出信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制裝置包括一計(jì)算裝置，用以計(jì)算所述管狀晶體在任一選定的測量時(shí)間的實(shí)際壁厚。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器包括壁厚值給定裝置，用以給定所要求的晶體壁厚值;比較裝置，用以將所述所要求的壁厚值與所述實(shí)際壁厚值加以比較，并用以(1)在所述所要求的壁厚值小于所述實(shí)際壁厚值時(shí)將第一信號加到所述加熱裝置上，和(2)在所述所要求的壁厚值大于或等于所述實(shí)際壁厚值時(shí)將第二信號加到所述加熱裝置上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述籽晶夾持裝置系制造得使其能大致上氣封所述管狀晶體的上端，且所述壓力傳感裝置適宜測量所述管狀晶體內(nèi)朝上作用于所述籽晶夾持裝置的壓力。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制裝置控制著所述坩堝加熱裝置的操作，使所述管狀晶體可長成6米或以上的長度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述提拉系統(tǒng)還以大體上均勻的速度將所述管狀晶體、所述籽晶和所述籽晶夾持器提拉離所述熔體。
10.一種管狀晶體生長設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備包括一坩堝，供盛熔體之用;坩堝加熱裝置;管狀晶體成形裝置，用以從所述熔體形成所述管狀晶體，該裝置包括(1)籽晶夾持裝置，用以支承長出所述晶體的籽晶，并用以大體上氣封所述籽晶的頂端，和(2)提拉裝置，用以從所述坩堝提拉所述晶體、所述籽晶和所述籽晶夾持器;長度測量裝置，連接到所述成形裝置上，用以提供表示所述生長中的管狀晶體的長度的輸出信號;壓力測定裝置，連接到所述成形裝置上，用以提供表示所述生長中的管狀晶體內(nèi)朝上頂住所述籽晶夾持器的壓力的輸出信號;重量測定裝置，連接到所述成形裝置上，用以提供表示所述生長中的管狀晶體重量的輸出信號;控制裝置，連接到所述長度測量裝置、所述壓力測定裝置、所述重量測定裝置和所述加熱裝置上，用以根據(jù)所述長度測量裝置、所述壓力測定裝置和所述重量測定裝置的輸出信號控制所述加熱裝置的操作，以確保所述晶體的壁厚大致均勻。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的設(shè)備，其特征在于，所述控制裝置包括實(shí)際壁厚計(jì)算裝置，用以在所述晶體形成過程中任意測量時(shí)間內(nèi)計(jì)算所述管狀晶體的實(shí)際壁厚。
12.一種用這樣一種設(shè)備生長壁厚基本均勻的管狀晶體的方法，該設(shè)備包括一盛熔體用的坩堝、一加熱所述坩堝用的加熱裝置、一包括一用以從所述熔體生長出管狀晶體用的生長裝置的裝置，所述生長裝置包括(1)成形裝置，在所述坩堝中與所述熔體連通，(2)籽晶夾持器，用以支承在其上生長出晶體的籽晶，和(3)提拉裝置，用以將所述管狀晶體、所述籽晶和所述籽晶夾持器提拉離所述成形裝置，該方法的特征在于，該方法包括操作所述設(shè)備，使所述管狀晶體開始從所述成形裝置所支承的所述熔體生長出來;測量所述管狀晶體的現(xiàn)行長度，并提供表示在某一測量時(shí)間X內(nèi)所述管狀晶體的長度變化的長度變化值;測定所述管狀晶體的現(xiàn)行重量，并提供表示在某一測量時(shí)間X內(nèi)所述管狀晶體的重量變化的重量變化值;利用所述長度變化值、所述重量變化值和換算系數(shù)常數(shù)K計(jì)算和提供表示所述管狀晶體實(shí)際壁厚的壁厚值;將所述壁厚值與所要求的壁厚值加以比較;若實(shí)際壁厚值大于所述所要求的壁厚值，則提高所述加熱裝置的溫度;若實(shí)際壁厚值小于所述所要求的壁厚值，則降低所述加熱裝置的溫度。
13.一種管狀晶體生長設(shè)備的操作控制系統(tǒng)，該設(shè)備包括一裝熔體用的坩堝、一加熱所述坩堝用的加熱裝置、一包括從所述熔體生長管狀晶體用的成形裝置的裝置，所述生長裝置包括(1)籽晶夾持裝置，用以支承在其上生長所述晶體的籽晶，和(2)提拉裝置，用以將所述管狀晶體、所述籽晶和所述籽晶夾持器以某一選定速度提拉離所述成形裝置，所述籽晶夾持裝置構(gòu)制得使其可大致上能氣封所述管狀晶體的頂端，所述系統(tǒng)的特征在于，所述系統(tǒng)包括長度傳感裝置，用以產(chǎn)生表示所述生長中的管狀晶體的長度的輸出信號;重量傳感裝置，用以產(chǎn)生表示所述管狀晶體、所述籽晶和籽晶夾持裝置的重量的輸出信號，壓力傳感裝置，用以產(chǎn)生表示所述管狀晶體內(nèi)部朝上作用于所述籽晶夾持器的壓力的輸出信號;控制裝置，連接到所述長度傳感裝置、所述重量傳感裝置和所述加熱裝置上，用以響應(yīng)所述長度傳感裝置、所述重量傳感裝置和所述壓力傳感裝置的輸出信號控制所述加熱裝置的操作，以確保所述生長中的管狀晶體的壁厚大體均勻;所述控制裝置則包括一計(jì)算裝置，用以響應(yīng)所述重量傳感裝置和所述壓力傳感裝置的輸出信號產(chǎn)生表示所述管狀晶體、所述籽晶和所述籽晶夾持器的實(shí)際重量的合成信號;補(bǔ)償輸出信號發(fā)生裝置，用以產(chǎn)生表示所述籽晶和所述籽晶夾持器實(shí)際重量的補(bǔ)償輸出信號;信號組合裝置，用以將所述合成信號和所述補(bǔ)償輸出信號組合起來，以產(chǎn)生表示所述管狀晶體實(shí)際重量的校正輸出信號;實(shí)際壁厚信號發(fā)生裝置，用以響應(yīng)所述校正輸出信號和所述長度傳感裝置的輸出信號產(chǎn)生表示所述管狀晶體在某一選定時(shí)間的實(shí)際壁厚的實(shí)際壁厚信號;參考信號發(fā)生裝置，用以提供表示所要求的壁厚值的參考信號;和信號比較裝置，用以將所述參考壁厚信號與所述實(shí)際壁厚信號進(jìn)行比較，并用以(1)在所述要求的壁厚值小于所述實(shí)際壁厚值時(shí)將第一控制信號加到所述加熱裝置上，和(2)在所述所要求的壁厚值大于所述實(shí)際壁厚時(shí)將第二信號加到所述加熱裝置上。
全文摘要
一種控制管狀晶體生長設(shè)備的操作用的控制系統(tǒng)包括一測定晶體重量用的重量傳感器、一測量晶體長度用的長度傳感器、一測定晶體內(nèi)部壓力用的壓力傳感器和一耦合到該重量、長度、壓力傳感器以控制晶體生產(chǎn)設(shè)備操作的控制器。控制器耦合到設(shè)備的模具加熱器上以根據(jù)重量、長度和壓力傳感器的輸出控制盛在坩堝中的熔體的溫度。為確保晶體壁厚大體均勻，必須精確測定晶體的重量。本發(fā)明對管狀晶體內(nèi)部壓力波動(dòng)所引起的重量測定誤差進(jìn)行了補(bǔ)償。
文檔編號H01L21/208GK1031404SQ8810235
公開日1989年3月1日 申請日期1988年5月5日 優(yōu)先權(quán)日1987年5月5日
發(fā)明者布賴恩·H·麥金托什 申請人:無比太陽能公司