監測用于半導體生長的拉晶機中氣態環境的方法

專利名稱：監測用于半導體生長的拉晶機中氣態環境的方法
技術領域：
本發明一般涉及半導體級材料的生產。更具體地說，本發明針對一種通過定期取樣和分析而用于監測一種如用于單晶硅生長的拉晶機內的氣態環境的方法。這種方法能使生長過程的開始或起動更有效地自動化。此外，所述方法能早期檢測生長過程狀況(條件)的變化，這種變化由例如拉晶機內真空完整性的損失或拉晶機內部件的老化或分解造成。
背景技術：
半導體材料，如用于微電子電路制造的單晶硅，通常是用直拉法(Cz法)制備。在這種方法中，例如單晶硅錠是通過下述步驟在拉晶機的晶體生長爐室內生產將裝入熔結石英坩堝內的多晶硅裝料熔化，將一個籽晶浸入熔化的硅中，提拉籽晶以便開始單晶生長(亦即形成晶頸、晶冠、凸肩等)，及在各生產條件下生長單晶主體，上述生產條件被控制以使由單晶錠得到的晶片的性能特點達到最大。由于集成電路制造廠家對由這些晶錠得到的硅晶片不斷提出更嚴格的限制，所以特別重要的是使在晶錠生長期間拉晶機內的狀況不在合格范圍或界限內的情況減至最小。工藝(過程)控制也很重要，因為這種“超出工藝”的生長條件可能并且的確降低了所生產的單晶硅質量，降低質量反過來又減少了方法的生產率和總的方法效率及經濟效益。
直拉法晶體生長是一種批量生產方法，該方法在于生產一個或多個晶體之后必須中斷生長過程，以便打開拉晶機例如清潔爐子并更換和/或再裝填坩堝。每次打開晶體爐，都有許多真空密封件破裂，這樣就增加了當關閉爐子開始新的生產周期時一個或多個密封件不足以接合成防止漏氣的機會。除了由于打開拉晶機而導致可能發生漏氣之外，在生產周期中拉晶機內連續改變的熱條件也在晶體生長室壁、觀察口和管道連接部分上產生不斷變化的應力水平。偶而，這些改變的應力產生能損害真空密封或在焊接處形成斷裂的條件，因此產生額外的空氣及在某些情況下漏水。
結果，在生產周期開始之前，重要的是進行“預點火”真空檢驗，以便確定拉晶機中是否存在任何漏泄，或者更具體地說，確定是否存在超出正常情況的漏泄，由此保證晶體生長爐的真空完整性。通常應用兩步法來檢驗晶體生長爐的真空完整性。第一步包括在一設定的時段內使拉晶機爐內的壓力降低，以便證實抽氣系統正令人滿意地工作。然后，在第二步中，使爐子與真空抽氣系統隔斷，以便測量爐子如何很好地保持真空并確定是否存在任何超出正常情況的漏泄；也就是說，一旦壓力降低，就測量在一個時段(比如10分鐘)內真空壓力損失的速率，以便確定是否該速率超出正常情況，從而發出存在異常漏泄的信號。盡管這種實際做法能夠鑒別漏泄，但操作需要相當大量的時間來實施，并且不能區別所存在的漏泄類型或者準確地給爐中可疑的漏泄定量。而且，隨著大直徑爐子的使用更為流行，這種實際做法變得甚至更不可靠，因為大體積的爐子使它更難檢測到小但是重要的漏泄。換句話說，對大的拉晶機，可能顯著影響材料生長質量的較小漏泄不容易被檢測到，因為這些漏泄不明顯影響大體積爐子損失真空壓力的速率。
晶體爐中存在的可以讓空氣和/或水或水蒸汽進入晶體熔體上方或附近的氣流中的漏泄，可以造成拉晶機真空完整性的損失，所述真空完整性的損失反過來又導致“超出工藝”條件或在晶體生長期間產生問題。這種“超出工藝”條件也可以在生長過程期間產生，因為拉晶機部件(比如加熱器、熱屏蔽、隔熱部分等)的品質自然變差或老化。如果對這些條件不檢查它們會顯著減少合格硅材料的高效生產。例如，盡管在晶體生長期間拉晶機內通常存在有一氧化碳，(例如，由二氧化硅坩堝和石墨基座之間或硅熔體中分離出的一氧化硅(SiO)和爐中熱石墨部件之間的反應形成)，但升高的一氧化碳濃度可能由拉晶機內的空氣或水蒸汽產生。升高的一氧化碳濃度可以導致(i)在所生產的晶體中產生升高的碳含量水平，這種升高的碳含量水平是有害的，因為這可以導致由此獲得的晶體中氧沉淀物增加，和(ii)在拉晶機內形成的氧化物粒子量增加，氧化物粒子量增加是有害的，因為這些氧化物粒子可以在拉晶機的內表面上積聚到這種程度，以致薄片可以自由斷裂并落入硅熔體中，導致無位錯生長的喪失。
在歷史上，真空完整性的損失，或者“超出工藝”條件的發生，在晶體生長期間都不能可靠地監測或檢測。盡管在晶體生長期間如果拉晶機操作人員觀察到來自硅熔體的氧化物羽狀物的密度增加，和/或在操作人員視野內熱區部件上形成的二氧化硅量增加，可以檢測出大的漏氣或漏水存在，但影響晶體生長的“超出工藝”條件通常直到晶體生長周期完成之后才能檢測出來。例如，硅熔體表面的高一氧化碳含量的存在通常是通過測量單晶硅錠后面部分中的碳含量進行測定或檢測。因此，如果有問題，則直到不合格的產品制造出來之后才能發現。實際上，由于在缺陷生長的晶錠被取樣和檢驗，及將檢查結果與拉晶機操作人員溝通之前可能有相當長的時間延遲，所以第二個不合格晶錠的生長可能發生。結果，在不合格的工藝條件被識別之前可能已生長了多個有缺陷的晶錠，從而造成資源損失，減少了生產率并增加了廢品。
因此，仍然需要一種可以更有效地監測拉晶機內氣態環境的方法。更具體地說，需要一種方法，該方法可以更有效地(i)進行預點火真空完整性檢驗和(ii)在晶體生長過程期間檢測晶體生長室內真空完整性和/或生長條件的異常變化。優選的是，如果各種(比如真空完整性)用于成功生長的條件都合格，則這種方法使晶錠生長自動起動，而當不合格的生長條件產生時，這種方法提供實時通知給拉晶機操作人員。因此在晶體生長之前或生長期間，這種方法能使晶體生長過程改變或緊急停止，從而限制了廢品并增加了生產量或合格率。

發明內容
因此，在本發明的一些特點中，顯著之處在于提供了一種在半導體生長之前和/或生長期間用于監測拉晶機內氣態環境的方法；一種通過取樣和分析拉晶機內氣態環境來監測真空完整性的方法；一種取樣和分析熔體上方的保護氣氛和/或從拉晶機排出的廢氣的方法；一種自動起動晶體生長過程的方法；一種檢測和表征異常漏泄(例如象漏氣、漏水或漏清洗用氣體)的方法；一種表征和定量異常漏泄的大小和位置的方法；一種向拉晶機操作人員提供氣態保護氣氛和/或廢氣的實時反饋的方法；一種在晶體生長期間指示升高的一氧化碳含量水平的方法；及一種增加一給定的拉晶機生產量和合格率的方法的措施。
因此，簡要地說，本發明針對一種用于監測密封式拉晶爐內氣態環境的方法，所述拉晶爐用于在保持負壓(低于大氣壓)的生長室內生長半導體材料錠。該方法包括密封生長室，將密封室內的壓力減至負壓水平，將一種處理氣體(工藝過程氣體)引入生長室中以便清洗(吹掃)生長室并在其中形成氣態環境，以及對生長室內的氣態環境進行存在濃度高于處理氣體中的污染氣體濃度的污染氣體方面的分析。
另外，本發明還針對一種與生長半導體錠的裝置結合使用的系統，其中半導體生長裝置具有一個生長室，所述生長室保持在負壓下并含有一種包括處理清洗用氣體的氣態環境。所述系統包括一個取樣口，一個檢測器，和一個控制電路，上述取樣口用于從生長室抽取氣態環境的樣品；上述檢測器用于對樣品進行濃度超過處理清洗用氣體中污染氣體濃度的污染氣體方面的分析并產生一個代表檢測得到的污染氣體濃度的信號，其中檢測器通過一個連接到取樣口的管道接收來自生長室的樣品；而上述控制電路接收并響應檢測器所產生的信號，用于判定檢測的污染氣體濃度是否超過為污染氣體預先設定的閾濃度，其中控制電路根據判定結果控制半導體生長裝置。
本發明的另一些目的和特點一部分是顯而易見的，一部分將在下面指出。


圖1A是一種直拉晶體生長爐室右側的剖視圖；圖1B是一種直拉晶體生長爐室左側的剖視圖；圖2是用于定量、監測和/或控制直拉晶體生長爐室中半導體材料生長的一個實施例的示意圖；圖3是示出如例2中進一步說明的在晶體生長流程A-S中測得的一氧化碳濃度的曲線圖；圖4是一種如例2中進一步說明的比較在晶體生長流程A-S中爐內和廢氣中測得的一氧化碳濃度的曲線圖；圖5是示出在例2所述晶體生長流程中產生的某些晶體中測得的一氧化碳濃度的曲線圖；圖6a和6b是如例2所述生長的兩個晶錠的照片的復制件，而圖6c是圖6b所示晶錠中一段的顯微照片的復制件；圖7是示出如例3中進一步說明的在晶體生長流程A-P之前預點火檢測期間測得的晶體爐氣體內氮氣濃度的曲線圖；圖8是示出如例3中進一步說明的在晶體生長流程A-P之前預點火檢測期間測得的晶體爐廢氣內氮氣濃度的曲線圖；圖9是示出如例3中進一步說明的晶體生長流程A-P期間測得的晶體爐氣體內氮氣濃度的曲線圖；圖10是示出如例3中進一步說明的晶體生長流程A-P期間測得的晶體爐廢氣內氮氣濃度的曲線圖。
具體實施例方式
按照本發明的方法，已經發現，拉晶機內的氣態環境可以通過對該環境進行取樣和分析而監測，以檢測(i)在半導體材料生長之前或生長期間真空完整性的損失或其中的變化；和/或(ii)在半導體材料生長期間“超出工藝”生長條件的發生。更具體地說，本發明監測拉晶裝置生長爐內和/或生長爐排氣口的氣態環境，以便識別濃度接近或超過某個不合格界限的一種或多種污染氣體的存在。這樣，可以檢測出漏泄的存在，上述漏泄可能導致在生長過程之前或/生長過程期間拉晶機的真空完整性變化和/或生長周期期間生產條件的變化。這種方法可以向拉晶機操作人員提供關于在晶體生長之前和晶體生長期間拉晶機環境內的條件(比如，熔體表面上方的氣態保護保護氣氛或拉晶機廢氣的成分)的實時反饋。
因此本方法可使晶體生長過程自動起動，并且還能更早地檢測到拉晶機環境內可能導致不合格生長條件的變化。這種早期檢測給拉晶機操作人員提供了使生長過程緊急停止的機會，或者在某些情況下，提供在更早期階段開始校正操作的機會，因此限制了生長的不合格硅的數量。此外，隨時監測晶體生長環境能更早和在不合格條件產生之前計劃并完成修理和常規維修，因此有效地防止了不必要地生產停工。結果，本發明增加了整個生產的產量和合格率，并因此增加了整個生產的效率。
在這方面，應該注意，如本文所用的，短語“真空完整性”涉及拉晶機在晶體生長之前和生長期間大致上保持標準真空壓力的能力。換另一種方式說，具有“真空完整性”的拉晶機在其中存在真空密封時基本上沒有異常漏泄，所述漏泄另外造成污染氣體濃度增加到超過合格的含量水平(如本文進一步說明的)，所述污染氣體來自拉晶機外部的大氣。盡管“標準的”真空完整性或真空壓力在不同拉晶機中可能有變化，但這是用該技術中通用的方法如統計過程控制(“SPC”)常規確定的，如下面本文進一步說明的。
還應注意，正如本文所用的，術語“超出工藝”(超出方法)指一種異常的，未預料到的，或超出正常情況的工藝條件。另外，盡管這些條件在不同拉晶機或不同拉晶方法之間可能有變化，但“在該方法范圍內”的條件都是用該技術中通用的方法如統計過程控制常規確定的。這些“超出工藝”條件的示例包括超過如由SPC所建立的上或下控制限的情況，或者根據統計的相當大量的監測周期看來工藝條件似乎是趨向于脫離標準的情況。
另外還應注意，如本文所用的，術語“實時”是用來指一種取樣、分析和結果報告基本上都是同時進行的方法；亦就是說，樣品收集，分析和向操作人員報告在時間上基本上沒有延遲(亦即，少于大約1秒、0.5秒或甚至0.2秒)。結果，在收集樣品時和在報告結果時拉晶機內氣態環境基本上沒有差別。
系統設計概述本發明將在適合于半導體材料生長的示例性拉晶裝置的范圍內進行說明。更具體地說，本發明一般將在直拉式晶體生長爐的范圍內進行說明，如可從Kayex of Rchester，NY得到的直拉式晶體生長爐，所述晶體生長爐設計用于生長300mm標稱直徑的單晶硅錠。然而，在這方面應該注意，本發明同樣可以使用適用于生長各種直徑(比如標稱直徑150mm、200mm和300mm或300mm以上)的硅和其它這樣的半導體材料如化合物半導體(比如GaAs)的直拉式爐結構。
現在參見圖1A和1B，與拉晶裝置一起密封的晶體生長爐包括一個拉晶室50，所述拉晶室50具有一個用于提升并旋轉正生長中晶體55的裝置(未示出)，一個生長室51，其中多晶硅裝料在一熔凝石英坩堝56中熔化，所述熔凝石英坩堝56由一石墨基座57支承并用一電阻石墨加熱器(未示出)加熱。晶體生長爐還包括一個清洗用管60，其中一種惰性清洗用氣體58如氬氣優選地沿拉晶機50中心流動并經過正生長的硅錠55并且主要是周邊受清洗用管60的垂直壁62的內表面61限制。清洗用氣體58與熔體表面53上方的SiO混合，并且該氣體混合物在周邊上向外及然后向上流過一個環形區59，所述環形區59由清洗用管垂直壁62的外表面63和坩堝56的內壁表面57限定。從環形區59出來的氣體混合物及不受清洗用管60限制的清洗用氣體58通過4個排氣出口64a、64b、64c和64d從拉晶機50中除去，上述4個排氣出口64a、64b、64c和64d被配置成沿著生長室底部的周邊等距離。排氣出口64a-64d通過一個真空管路系統與一真空抽氣系統70成流體連通，所述真空管路系統包括兩對真空管道71a和71b。每對真空管道都連接到排氣出口64a-64d的其中兩個，并通過襯有石英玻璃管(未示出)的石墨延伸部分伸入生長室51中。每對真空管道71a和71b都分別歸并成一個右手側(RHS)管道72和一個左手側(LHS)管道73。RHS管道72和LHS管道73接著歸并成一個主排氣管道76，管道76的端部接入真空抽氣系統70。一個主排氣閥77設置在真空抽氣系統70前面的主排氣管道76中。
在操作時，本方法從生長爐內對氣態環境例如熔體表面上方的保護氣氛和/或從拉晶爐室排出的廢氣中的氣體進行取樣，并將樣品傳送到一個用于表征和/或定量的檢測器。更具體地說，在圖1A和1B所示的實施例范圍內，從拉晶機內位于正生長的晶體55附近的一個或多個取樣口10中收集熔體上方氣體的樣品(本文稱之為取樣口1樣品)和從分別位于排氣管71a和71b內的取樣口74和75收集爐廢氣中的氣體樣品(本文稱之為取樣口2和取樣口3樣品)。
在這方面應該注意，取樣口的位置可以與本文所說明的位置不同。例如，一般說來，各取樣口設置在能收集到熔體表面和生長中的晶錠“相遇”的氣體的最有代表性的樣品處。此外，應該注意，盡管在某些實施例中優選采用，但廢氣的取樣和分析是選擇性的。迄今為止經驗表明，在這個位置取樣在例如表征生長室中“超出工藝”生長條件的來源或原因時可能是有利的。
還應注意，根據拉晶機的直徑和/或晶體生長爐的其它尺寸，可以優選的監測在一個以上取樣口10處從晶體生長爐內出來的氣體，尤其是生長室內的氣流在熔體上方不均勻時更是如此。在任何情況下，當取樣口10設置在生長爐內時，取樣口優選的是設置在距清洗用氣體58的直接流動路線或者任何已知的常見漏氣源(例如，多晶硅進料管)足夠遠的地方，以便所收集的樣品不被稀釋否則將不能代表鄰近生長中晶體的氣態環境。在一特別優選的實施例中，取樣口10設置在清洗用管60部分的上方，其中清洗用氣體58的氣流不限制在如上所述的清洗用管60內。這是優選的例如，因為在這個區域中清洗用氣體的氣流往往會產生渦流65，所述渦流65隨時間可以將任何污染氣體進一步集中，所述污染氣體在它們可以輸送到生長爐排出的廢氣中之前可能存在于晶體熔體的上方。因此，在這個意義上，從這個“渦流區”收集的樣品可能更能表明真空完整性的損失或其它超過方法的條件。
現在參見圖2，所收集的樣品通過各單獨的管道90從各取樣口(取樣口10、取樣口74和取樣口75)傳送到檢測器100，上述各單獨管道90通常包括四分之一英寸(約6mm)直徑的撓性不銹鋼管，該鋼管可以選擇性地用加熱帶(未示出)纏繞以防止氣體冷凝。各管道90與取樣口10、74和75成流體連通并適合于和檢測器100成流體連通。盡管各取樣口可以直接連接到檢測器100上，但優選的通過樣品傳輸裝置91或其它用于在多個樣品入口之間連接和轉換的裝置傳輸樣品更方便。
氣體從各取樣口傳輸到檢測器100用真空泵92可能更方便，所述真空泵92具有一抽氣管線93，該抽氣管線93與管道90或樣品傳輸裝置91成流體連通。真空泵92優選的是能抽至低于約10モ(約1.5pa)的真空。抽氣管線93可以從管道90或樣品傳輸裝置91抽氣，以便將樣品傳送到檢測器100。抽氣管線93優選的是在第一和第二檢測器取樣孔94、95之間從樣品傳輸裝置91抽真空，上述取樣孔94、95調節通向檢測器100的樣品流速。盡管可以使用一個取樣孔構形，但在某些實施例中，圖2所示的雙取樣孔構形是一種優選的減壓系統并且優選的與一連續流動的樣品流的旁通管結合使用。第一和第二取樣口94、95之間的壓力優選的是保持在約500毫托(mモ)(約65pa)，以便提供足夠的壓差使檢測器樣品從取樣口10經由管道90傳輸到檢測器100。在第二取樣孔95中可以用約1μm的孔徑。第一取樣孔的孔徑不是關鍵，但優選的是在約10μm-約5mm范圍內。取樣系統優選的是可以進行調節，以便得到一個穿過取樣口10的氣體的恒定質量流速和在取樣孔94、95之間得到一個恒定的壓力。在這些條件下，檢測器樣品用一恒定的體積流速進入檢測器100。
一般說來，取樣系統設計成可以在直拉式單晶硅生長過程中常見的溫度和壓力下，用市售大氣取樣閥對爐氣和廢氣進行取樣。然而，通常，在樣品收集期間拉晶機內的壓力范圍為約2-約50モ、約5-約40モ或甚至約10-約30モ，而溫度范圍為約室溫—約1400℃(或更多，假如在生長室內某些區域中可能出現“局部過熱”，有時會達到1500℃、1600℃或甚至1700℃)。更具體地說，監測熔體上方氣態保護氣氛或晶體生長室中的廢氣的組成和/或定量其中特定氣體的量的檢測器100，包括市售質譜儀和氣體色譜檢測器，在某些實施例中優選的是用質譜儀。一種特別優選的檢測器是封閉式(或閉合式)離子源四極氣體質譜儀，上述離子源四極氣體質譜儀具有質量范圍為約1-約100原子質量單位(amu)，和最小可檢測分壓約5×10-14モ(用一電子乘法器檢測器)。這種氣體質譜儀通常是在它們的電離部分中壓力范圍為約1×10-4モ(1.3×10-2pa)-約1×10-2モ(1.3pa)，及在它們的檢測部分中壓力范圍為約1×10-6モ(1.3×10-4pa)-約1×10-4モ(1.3×10-2pa)的條件下工作。合適的檢測器的一個示例是一種殘留氣體分析儀(RGA)如-Qualitorr Orion四極氣體質譜儀系統(購自MKS，UTI Division ofWalpole，Massachusetts)。
檢測器優選的是適于檢測和定量所收集的樣品內，及因此從中得到樣品的氣態環境內的一種污染氣體(比如氮氣、氧氣、水蒸汽、一氧化碳)的量。此外，對一種處理清洗用氣體(比如氬氣)取樣，尤其是將其作為定量其它存在的氣體量的標準。例如，在一特別優選的實施例中，其中檢測器是如上所述的RGA，優選的是監測原子質量單位(amu)為14的N2，監測amu為32的O2，監測amu為17的H2O，監測amu為28的CO及通過測量amu為36的Ar同位素36Ar監測氬氣。如本文所用的，原子質量單位等特定物質分子量被分子上的電荷除，分子上的電荷用RGA中的催離素測定。催離素還可以在分子進入RGA時的使分子裂解或電荷加倍。在任何情況下，應選擇每個待分析的物質的amu，以便減少爐中和廢氣中其它主要物質之間的任何干擾。在這方面，現已發現，優選的是監測amu為17的而不是amu為18的H2O的存在，以便減少對加倍電荷的36Ar任何可能的干擾。同樣重要的是應該注意amu為14的N2的存在，以便確定是否應在28amu監測CO。如果存在的是amu為14的N2，則重要的是尋找amu為12的C，以便檢測CO的存在，以使在amu為28的N2受到的干擾最小。
檢測器100通過該技術中常用的方法與可編程邏輯控制器(PLC)或程序控制器(PC)爐控制系統通信，如通過一個開放和閉合開關系統或通過RS232或RS485串行口。PLC或PC爐控制系統可以指示檢測器在所希望的時間和地點(如本文所述)處監測氣體。檢測器100輸出一個檢測器信號(比如電流、電壓等)，所述檢測器信號實際上代表、對應于、或者可能相關到爐室中或爐廢氣的樣品中一特定氣體的量。檢測器信號輸出直接或間接地與微處理器200通信。微處理器200可以監測、顯示、記錄或進一步處理檢測器信號。在其中檢測器是如上所述的RGA的特別優選的實施例中，檢測器信號在微處理器中轉變成各取樣氣體的等效分壓或濃度，例如如下N2(ppmv)＝0.042×I14amu/I36amu×1,000,000ppmvO2(ppmv)＝0.0034×I32amu/I36amu×1,000,000ppmvH2O(ppmv)＝0.01478×I17amu/I36amu×1,000,000ppmvCO(ppmv)＝0.0034×I28amu/I36amu×1,000,000ppmv此處Ixxamu是RGA檢測器在xxamu時測得的電流。
優選的是，檢測器信號直接或間接地(比如通過微處理器200)傳送到或以別的辦法傳遞到一個控制器300上，任何標準的控制器都可以應用，包括例如模擬比例(P)、比例積分(PI)或比例-積分-微分(PID)控制器，近似這種模擬P、PI、PID控制器的數字控制器，或更復雜的數字控制器。優選的是數字PID控制器。這種數字控制器300本身可以包括一個微處理器，或者可以包括一個較大的微處理器200的一部分。控制器300還可以直接或間接地與一個單獨的微處理器200通信，以便將用戶輸入提供給控制器、數據收集、報警指示、過程控制跟蹤等。控制器300(或者微處理器200)可以修改所接收的檢測器信號，用于計算生產條件的變化、用于用戶界面或用于數據獲取或顯示。
控制器300根據檢測器信號(或是從檢測器100接受的信號，或是經過微處理器200或控制器300修改的信號)產生一個控制信號。在一優選應用中，控制器根據控制單晶爐加熱器自動起動所必需的條件通過應用一控制定律把檢測器信號轉變成控制信號。一般，這個控制定律可以基于理論考慮和/或經驗考慮。在一特定情況下所用的控制定律根據工藝條件和使用的生產控制元件的類型而改變。由控制器300所產生的控制信號可以是各種類型(比如氣動控制信號或電控制信號)，并可以直接或間接地傳送或用別的辦法傳遞到生產控制元件400，所述生產控制元件改變至少一個工藝條件。控制信號還可以通過微處理器200(圖2中的虛線)傳遞到生產控制元件400。
鑒于上述情況，本發明將在下面特別詳細地討論操作協議，所述操作協議涉及進行自動預點火真空完整性檢驗并用于晶體生長過程中的一般監測，以便檢測超過工藝條件。然而，應該注意，本發明的方法可以用本文所述之外的系統設計進行。例如，可以將多個(比如，2、3、4或更多)拉晶機連接到一個單個RGA監測系統上。
預點火真空完整性檢查在本發明一個實施例的實際操作中，本生長過程是通過將半導體原材料(比如塊狀和/或粒狀多晶硅)的初始裝料裝入坩堝并將一個籽晶固定到拉晶系統上開始的，所述坩堝裝在拉晶裝置的生長爐或生長室內，然后將生長爐關閉并密封。然后，爐控制系統被指示開始預點火真空檢查。關閉惰性清洗用氣體(比如氬氣)入口和打開主排氣閥及從爐中抽出空氣。當壓力充分下降，一般降到低于約200mモ(比如約190、170、150モ或更低)的壓力時，關閉主排氣閥，打開清洗氣入口并使爐內充滿一種處理清洗用氣體，例如氬氣(Ar)，以使壓力達到約100モ(比如75、85、95、105、115或約125モ)。再重復減壓和然后回充惰性處理氣體的循環大約2次。在第三次循環之后，將爐回充到壓力在約2-約50モ(比如約5、10、15、20、25モ或更高)的范圍內，并使處理氣體入口和主排氣閥平衡，以使通過拉晶室，生長室和排氣管道的氣體流速保持在約15-約100slm(標準升分或被調節以適合于標準溫度和壓力的升每分)，通常是約20、40、60或甚至約80slm。
一般說來，一旦生長室進行了充分通氣清洗，就約每隔20分鐘、15分鐘、10分鐘、5分鐘或甚至每分鐘對氣態環境進行一次取樣和分析。然而，優選的是連續進行取樣和分析。在一特別優選的實施例中，這通過自動裝置實現。例如，當自動進行時，爐控制系統命令檢測器在每個取樣口(根據檢測器數和/或系統配置按順序或者同時進行)監測拉晶機內的氣態環境(比如硅熔體上方保護氣氛和/或拉晶機廢氣)。如果待分析的污染氣體(比如N2、O2和/或H2O)中的一種或多種的分壓及通常是所有污染氣體的分壓低于合格界限，或可擇選地是在合格范圍內，則爐控制系統能使生長室中的加熱器通電，以便開始加熱/熔化多晶硅裝料。一般說來，這種“預點火”檢查可以持續幾分鐘(比如約2、4、8、10分鐘或更多)、幾十分鐘(比如約10、20、30、40分鐘)，或是在樣品收集和分析的整個時間范圍內連續進行，或者只是在其中一部分時間內進行。
氣態環境取樣和分析一般持續至已確定氣態環境適合于晶體開始生長(亦即適合于爐加熱器“點火”)時為止。根據迄今為止的經驗，現已發現，當位于坩堝(取樣口1)之上或附近的生長室內的氣態環境具有例如以下濃度的污染氣體時，即，低于約100ppmv的N2(比如低于約80ppmv、60ppmv、40ppmv或甚至20ppmv)；低于約30ppmv的O2(比如25ppmv、20ppmv、15ppmv或甚至10ppmv)；和/或低于約200ppmv的H2O(比如175ppmv、150ppmv、125ppmv或甚至100ppmv)，爐加熱器通常可以自動起動。然而，在污染氣體的濃度超過上述界限(即自動起動值)的那些情況下，晶體爐操作人員可以選擇性地不考慮監測系統并人工起動晶體爐加熱器。例如，當N2的濃度在約100-約600ppmv(比如約150-550ppmv、約200-約500ppmv或約250-450ppmv)范圍內，O2的濃度在約30-約100ppmv(比如約40-90ppmv或約50-80ppmv)范圍內，及H2O的濃度在約200-約1000ppmv(比如約300-900ppmv、約400-800ppmv或約500-700ppmv)范圍內時，可以采取這些動作。對于N2的濃度高于約600ppmv、O2的濃度高于約100ppmv和H2O的濃度高于約1000ppmv的情況，爐控制系統通常要求重新開始預點火真空檢查。
盡管在某些實施例中是任選的，但當應用廢氣取樣(比如來自于RHS管(取樣口2)和LHS管(取樣口3))時，如果N2的濃度低于約50ppmv(比如低于40、30或甚至20ppmv)，O2的濃度低于約10ppmv(比如低于約8、6或甚至4ppmv)，及H2O的濃度低于約200ppmv(比如低于約175ppmv、150ppmv、125ppmv或甚至100ppmv)時，爐控制系統通常將自動起動爐加熱器。對于超過這些自動起動值的濃度，當N2的濃度在約50-約100ppmv(比如約60-90ppmv，或約70-80ppmv)范圍內，O2的濃度在約10-約20ppmv(比如約12-18ppmv，或約14-16ppmv)范圍內，及H2O的濃度在約200-約1000ppmv(比如約300-900ppmv、約400-800ppmv或約500-700ppmv)范圍內時，晶體爐操作人員可以不考慮監測系統并人工起動晶體爐加熱器。對于N2的濃度高于100ppmv，O2的濃度高于20ppmv和H2O的濃度高于1000ppmv的情況，爐控制系統通常要求重新開始預點火真空檢查。
在這方面應該注意，在某些情況下，初始水濃度(亦即加熱器“點火”之前的水濃度)可以忽略不計；也就是說，在某些情況下，當水蒸汽濃度超過1000ppmv時，生長過程可以開始。一般說來，這是由于在室溫下的拉晶機中，在例如各石墨部件的表面上可以存在相當大量的水蒸汽。倘若將拉晶機快速加熱到一個超過使水蒸發的溫度，則初始存在的水就可以迅速減少。
還應注意，在某些情況下，拉晶機的真空完整性可以通過對拉晶機內的氣態環境就所有上述污染氣體的存在進行分析而進行監測，而在另一些情況下，將對環境就只有一或兩種氣體的存在進行分析。此外，應該注意，所用的惰性處理或清洗用氣體可能含有痕量水平的一種或一種以上污染氣體，所述痕量水平對于本發明的目的來說是合格的。因而，一般說來，當氮濃度在約5ppmv-低于約50ppmv或100ppmv(取決于是否分別考慮了廢氣中或在熔體表面的上方/附近的濃度)范圍內時，當氧的濃度在約2ppmv-低于約10ppmv或30ppmv(也是取決于是否分別考慮了廢氣中或在熔體表面的上方/附近的濃度)范圍內時，及當水的濃度是在約2ppmv-低于約200ppmv時，本發明的方法能使拉晶機自動“點火”。
另外還應注意，盡管上面所提供的濃度水平一般可用于半導體生長過程，但在不脫離本發明的情況下，用于開始生長的“臨界”濃度水平可以與本文所述的不同。具體地說，在不同的拉晶機或拉晶過程之間，一種或一種以上污染氣體的不合格濃度水平可以變化。結果，優選的是應用該技術中通用的手段如統計過程控制來確定每個工藝條件或“典型的”污染氣體含量水平的“基線”。這種方法一般包括進行一系列的預點火檢驗，和選擇性地包括一系列完整的生長周期，而同時監測生長條件以便確定標準的或普通的條件。然后建立合格條件的“窗口”；也就是說，然后允許某種程度的變化(比如約2％、4％、6％、8％、10％等)，超過上述程度就通知拉晶機操作人員異常狀態存在。例如一種通用的方法是進行一系列統計學上的大量檢驗，以便確立每種待分析的污染氣體的中值含量水平，和然后允許一個含量水平，所述含量水平為(i)中值加上或者在某些情況下減去標準偏差的2倍，(ii)中值加上或者在某些情況下減去標準偏差的3倍，或(iii)中值加上或者在某些情況下減去標準偏差的超過3的某一倍數(比如4、5或5以上倍數)。這樣，本方法可以“調整”到使任何拉晶機或拉晶過程的預點火或生長條件最佳。
在一優選實施例中，在拉晶機的加熱器“點火”和熔化開始之前，在多個位置(比如在熔體表面的上方和/或附近和/或在一個或多個廢氣取樣口中)測定污染氣體的濃度。如下面進一步說明的，由于許多原因，在多個地點取樣是有益的。例如，根據生長室的結構，穿過生長室的氣流可能不均勻。結果，在生長室內可能存在一些具有不同氣體成份的區域。此外，拉晶機的真空完整性可以通過許多不同的方式被損壞，其中每種方式都可能在一局部區域出現，同時損壞還取決于拉晶機/晶體生長室的結構。當優化(無論是用經驗方法還是用該技術中通用的氣流模型)取樣口布置，待應用的取樣口數目、取樣頻率等時，應注意這些因素。
晶體生長期間的監測在本發明一個第二實施例中，在半導體生長過程期間(亦即一旦熔化開始)，對生長室內硅熔體表面上方和/或附近的氣體，和/或從生長室排出的廢氣中的氣體，周期地進行取樣和分析以便監測拉晶機的真空完整性，及對生長室存在其它在生長過程期間可能產生的問題(比如一種清洗用氣體閥故障、水套斷裂或漏泄、由氧化硅與各種石墨部件之間的反應而形成一氧化碳等)進行監測。對生長室內的氣態環境進行取樣并分析濃度超過某一預定界限的污染氣體(比如氧氣、氮氣、水蒸汽、一氧化碳)的存在。
樣品收集的時間安排，(比如取樣開始、結束的時間，每次取樣之間的時間間隔，生長過程中的取樣數等)，以及取樣點的位置和數量，一般將能充分保證提供整個生長過程中拉晶機環境的有代表性的數據。然而，更具體地說，本方法這一階段的取樣通常是加熱器“點火”和熔化一開始時就開始，以便確保在半導體生長過程開始之前沒有漏泄。取樣可以在整個晶體生長過程中持續進行(比如從熔化開始直至端錐與熔體分離，或時間更長如直至拉晶機開始變冷時為止)。可供選擇地，取樣可只在這段時間范圍(比如在熔化期間，晶頸或晶冠的生長期間，主體的約20％、40％、60％、80％或大約全部的生長期間，端錐的生長期間等)內的一部分中進行。不管進行取樣的時間范圍，在生長過程期間，樣品收集和分析通常是在取樣口1處和選擇性地在取樣口2和3處約每20分鐘、每15分鐘、每10分鐘、每5分鐘或每分鐘取樣一次，或甚至連續進行。
在這方面應該注意，在不脫離本發明范圍的情況下，取樣的時間安排可以與本文所述的不同。例如，樣品收集/分析可以隨所采用生長條件，待形成的半導體材料類型、拉晶裝置的結構等而改變。然而，一般說來，對于一種給定的拉晶機、方法、類型等，時間安排可以通過例如生長許多不同的晶體和改變樣品收集的開始和結束點而經驗地優化。
一般說來，當檢測出存在一種其濃度超過“本底”濃度的污染氣體(亦即濃度超過如本文進一步說明的標準濃度，如在處理或清洗用氣體中存在的待分析的特定污染物濃度)，或者可替代地當檢測出所述污染氣體濃度等于或者接近某個不合格濃度時，可以使生長過程停止，以避免生長一段不適合使用的半導體晶錠(比如單晶硅錠)。在這些情況下，生長的晶錠可以被進一步處理，而不涉及由于“超出工藝”條件或異常拉晶機漏泄而造成的不合格晶段。然后可以立即檢查拉晶機，以便確定污染氣體源，因此限制了拉晶機的“停機時間”。
此外，如果將“超出工藝”污染物含量水平設定得足夠低，則生長過程可以繼續進行，而同時監測該氣體含量水平直至剛好達到一個“臨界”含量水平之前時為止，在“臨界”含量水平這一點處生長必須停止，以防形成不合格的材料。在這些情況下，在生長過程期間，可以嘗試校正操作(比如可以查找并修理一漏泄源)。可供選擇地，可以采取另一些嘗試，例如象通過增加惰性清洗用氣體流入拉晶機的流量和/或由此增加廢氣流出拉晶機的流量來延長生長周期。這樣，污染氣體的濃度可以被稀釋或抑制一段時間。
按照本發明的方法，晶體生長室真空完整性的損失(如由于漏泄)，及此外由其它來源(比如在生長室內氧化硅與石墨部件反應)所造成的工藝條件(亦即“超出工藝”條件)的變化，是通過嚴密監測和優選的是連續監測生長室內氣態環境的組成和/或從生長室排出的廢氣的組成來進行檢測。更具體地說，如上所述，在拉晶機密封之后，降低其中的壓力，并將密封室用惰性處理氣體或清洗用氣體反復清洗，以便把污染氣體的濃度降低到某個合格的含量水平之下。例如，系統可以被清洗從而使氮氣的濃度降到低于約600ppmv、400ppmv、200ppmv或甚至100ppmv；使氧氣的濃度降低到低于約100ppmv、90ppmv、60ppmv或甚至30ppmv；及使水的濃度降低到低于約1000ppmv、800ppmv、600ppmv、400ppmv或甚至200ppmv。一旦達到這個濃度，并且硅熔化和/或晶錠生長已開始，將對拉晶機內的氣態環境中超過這些量的氣體濃度進行監測。
在這方面應該注意，所用的惰性處理氣體或清洗用氣體可能含有痕量水平的一種或一種以上污染氣體，所述痕量水平對于本發明的目的來說是合格的。因而，一般說來，當氣態環境中氮氣的濃度是在約5ppmv-低于約600ppmv(比如約25-400ppmv，約50-200ppmv，或甚至約75-100ppmv)范圍內時，當氧氣濃度在約2ppmv-低于約100ppmv(比如約10-90ppmv，約15-60ppmv，或甚至約20-30ppmv)范圍內時，及當水蒸汽濃度在約2ppmv-低于約1000ppmv(比如約25-800ppmv，約50-600ppmv，約75-400ppmv，或甚至約100-200ppmv)范圍內時，本發明的方法允許晶錠生長繼續。
還應該注意，不像“預點火檢查”，氣態環境還被取樣和分析一氧化碳的存在；也就是說，由于一氧化碳只是在生長室加熱之后才開始形成，所以只有在“預點火檢驗”完成之后拉晶機內氣態環境中的一氧化碳濃度才是一種影響。一般說來，由于一氧化碳主要是生長過程的一種副產品(比如二氧化硅坩堝和石墨基座之間反應的結果)，所以將對氣態環境就其超過一個“本底”(背景)濃度的一氧化碳濃度進行監測，同時當達到將造成熔體的“碳雜質”的濃度時采取校正操作或停止生長過程。盡管濃度隨取樣口P1(亦即對熔體上方或附近的保護氣氛取樣的口)的位置而改變，但一氧化碳的“本底”濃度通常是在幾ppmv(比如約2、4、6、8、10ppmv或更高)-幾十ppmv(比如約15、20、25、30ppmv或更高)的范圍內。相反，在熔體下方(亦即在晶體生長室的下部分區域，一般是在坩堝下方)的一氧化碳濃度通常十分高。因此，在排氣口樣品中的一氧化碳濃度通常為幾十ppmv(比如約20、40、60、80、100ppmv或更高)。正如當熔體上方的一氧化碳濃度升高(比如超過約30或40ppmv的濃度)時熔體雜質可能是一種影響一樣，熔體下面升高的濃度(比如在超過約100或150ppmv的濃度下)可能是拉晶室內的問題(如水從坩堝下方漏泄)的強烈指示，即使當熔體上方的濃度不超過普通濃度或低于合格的界限時也是如此。這個信息在例如更準確地確定什么時候拉晶機需要維修時是有益的。
還應注意，盡管上面所提供的濃度范圍一般可用于半導體生長過程，但在不脫離本發明范圍的情況下，用于生長過程的“臨界”濃度水平可以與本文所說明的不同。具體地說，在不同的拉晶機或拉晶過程之間，一種或一種以上污染氣體的不合格濃度水平可以改變。結果，優選的是應用該技術中通用的水平如統計過程控制，來確定每個工藝條件的“基線”或“標準的”污染氣體濃度水平。這種方法一般包括進行一系列生長周期，同時監測生長條件以便確定標準的或普通的條件。然后建立一個合格條件的“窗口”；也就是說，然后允許某種變化程度(如約2％、4％、6％、8％、10％等)，超過所述變化程度就通知拉晶機操作人員存在一種異常條件。例如，一種通用的方法是進行一系列統計學上的大量檢驗，以便對每種待分析的污染氣體建立一個中值含量水平，和然后允許一個含量水平，所述含量水平為(i)中值加上或者在某些情況下減去標準偏差的2倍，(ii)中值加上或者在某些情況下減去標準偏差的3倍，或(iii)中值加上或者在某些情況下減去標準偏差的超過3倍的某一倍數。這樣，本方法可以“調整”到使任何拉晶機或拉晶過程的生長條件最佳。
這種方法由于許多原因是有利的。例如，所涉及的特定的一種或一種以上氣體可以根據例如生長的材料類、拉晶機的類型、拉晶機的位置、所應用的處理清洗用氣體的來源或類型等而改變。各生長條件也可以是一個因素。例如，較高的生長溫度往往使拉晶機中的一氧化碳產生較高的“標準的”濃度水平(較高的溫度增加了產生一氧化碳的那些反應的反應速率)。結果，較高的生產溫度意味著與應用較低的生產溫度時相比，整體較高的一氧化碳的“在該方法范圍內”的濃度水平是合格的。
漏泄的類型和/或來源的確定應該注意，本發明的方法由于許多原因而優于半導體生長法中常用的一些方法。例如，本發明不僅能減少用于“預點火”檢驗的時間及早期檢測拉晶機中的一些污染氣體，而且還提供有關拉晶機內漏泄的性質或污染物源的信息。例如，如果只發現氮氣處于升高的濃度水平，則可以推測清洗用氣體受到了污染，因為漏空氣會導致氧氣及可能還有水蒸汽存在。同樣，如果只檢測出水蒸汽處于升高的濃度水平，則可以推測是漏水，因為漏泄空氣會導致氮氣也存在。如此，本發明可以起進一步減少設備“停機時間”的作用，因為可以以優先順序處理產生問題的可能來源。
此外，也可以控制收集樣品的采樣口位置及分析那些樣品的時間安排，以便提供有益的信息。例如，在某些實施例中常常優選的是取樣和分析排出的廢氣，因為所得結果當與熔體上方或生長中的晶錠附近收集的樣品的分析結果相比時，有助于確定“超出工藝”條件的可能原因或進行“故障檢修”，以便確定拉晶機是否存在其它問題(比如一些不造成“超出工藝”條件的問題)。例如，通過監測在熔體上方或生長中晶錠附近的氣體和廢氣，1.如果在熔體上方收集和分析的樣品未表明漏氧跡象，則升高了的一氧化碳含量水平(當通過取樣口2和/或3檢測時)的原因可被確定為是由不良的加熱器(即一種具有“過熱點”的加熱器，所述“過熱點”增加了氣態環境中的SiO與石墨加熱器中的碳之間的反應)引起的；或2.在沒有氧氣或水時熔體上方升高了的氮濃度水平(當用取樣口1檢測時)的原因可被確定是在拉晶機爐底部附近漏空氣，同時氧轉變成一氧化碳或二氧化硅(它們也可以通過取樣口1取樣檢測，或者可供選擇地在檢測之前從拉晶機中清除干凈)。
在任何情況下，根據存在的污染氣體含量水平，在小心觀注含量水平并采取校正操作的同時拉晶可以繼續進行。這樣，可以進行“故障檢修”而同時半導體繼續生長。“故障檢修”也可以通過例如比較兩個不同位置處一特定污染氣體的濃度的差別來實現。這樣可以監測在濃度上差別或異常的差別的存在。一個有益的實際做法是將在取樣口2和3處收集的樣品中所存在的一氧化碳濃度水平進行比較。通常，任何差別都將低于約20ppmv、15ppmv、10ppmv、5ppmv或甚至低于約2ppmv(具有較低的差值對應在爐中存在較低的“標準的”一氧化碳濃度水平，比如低于約100ppmv、80ppmv、60ppmv、40ppmv、20ppmv或更低)。這樣，可以檢測出拉晶機中存在的問題，如一堵塞的排氣出口。
碳含量置換的碳，當在單晶硅中作為雜質存在時，具有催化氧沉淀物成核中心形成的能力。因此，在某些實施例中，本發明的方法能嚴密監測拉晶機內的氣態環境，以致所形成的半導體材料的碳含量具有低的碳濃度；也就是說，半導體材料通常具有低于約5×1016原子/cm3、低于約1×1016原子/cm3或甚至低于約5×1015原子/cm3的碳濃度。
示例下面一些示例說明一種可用來實現本發明方法的途徑。因而，這些示例不應是限制性的說明。
示例1這個示例說明按照本發明的方法在開始晶體生長過程之前進行自動預點火檢查以檢驗拉晶機真空完整性的好處。
晶體生長發展流程通過將多晶硅原料裝入坩堝并將一籽晶固定到拉晶系統上開始，所述拉晶系統安裝在一如圖1和2所示300mm直拉法晶體生長爐內，如從Kayex of Rochester，NY購買的晶體生長爐。將晶體生長爐關閉和密封，并且爐控制系統通過關閉惰性清洗用氣體入口和打開主排氣閥開始預點火真空檢查。晶體生長爐通過抽吸晶體生長環境內的空氣而抽空并處于真空條件下。當壓力降到約200mモ時，關閉主排氣閥，打開清洗用氣體入口，并使爐內充滿氬氣(Ar)使壓力達到約100モ、再重復這種減壓然后回充惰性處理氣體的循環兩次，在第三次循環之后，將晶體生長爐回充氣體到壓力為約15モ。并使處理氣體入口和主排氣閥平衡，以使通過拉晶室、生長室和排氣管道的氣體流速約為100slm(標準升分或被調節的適合標準溫度和壓力的升每分)。在樣品以約每分鐘一個的速率從取樣口1、取樣口2和取樣口3收集的情況下，拉晶機內氣態環境被監測約10分鐘。然后將樣品傳遞到作為檢測器的Qualitorr Orion四極氣體質譜儀系統(購自Walpole，MA的UTI Division of MKS)。監測的樣品結果列于下面表1中。
參見表1，從晶體生長室(取樣口1)和LHS廢氣(取樣口3)中所取的樣品很好地位于對自動起動爐加熱器來說是合格的氧氣和氮氣含量水平內。然而，取自RHS廢氣(取樣口2)中的N2和O2的監測結果超出了自動起動的范圍。由于經驗表明，RHS和LHS廢氣樣品差值大于約10％很罕見，所以拉晶機操作人員選擇緊急停止晶體生產流程并檢修晶體生長室，其中發現，一個氧化硅堵塞物積聚在RHS排氣管中。取出堵塞物并重新起動流程便平安無事。
在這方面應該注意，相對于水含量水平，如上所述的這些含量在環境條件下的拉晶機中可能是高的。結果，使用一給定的拉晶機的經驗可以導出這樣的結論，即超過1000ppmv的含量水平對起動來說是合格的，因為一旦加熱器“點火”含量水平就迅速降低(水迅速蒸發并被處理清洗用氣流吹出拉晶機)。
表1.預先點火監測結果

如果不是使用本發明的方法監測預點火真空檢查條件，在開始晶體生長過程之前就不能發現堵塞的RHS排氣管，并且流程將開始并極可能不能生產出任何可用的晶體。堵塞的排氣管會造成流過生長室的清洗用氣體很不均勻地分布在晶體周圍。大部分氣流將會到達爐子的左手側。這種情況的常見結果是在右手側的熔體上方形成氧化物粒子。隨著大部分小粒子聚集在一起并生長，將形成較大的粒子并且許多較大的粒子將被分離。偶而，這些粒子的其中之一可能會被不對稱的清洗用氣體流動所形成的氣流吹入熔體中。在晶體生長期間熔體表面上的大的氧化硅粒子一般將附著于生長中的晶體上，并造成零位錯結構的損失。
此外，清洗用氣體繞晶體的不對稱流動一般將造成晶體中碳含量增加。發生這種情況是由于不對稱氣流在生長室的下面流動側上形成一個較低的壓力，并通過抽吸將含一氧化碳(CO)的氣體從生長室的下面部分吸到熔體表面上。CO很容易與液態硅反應并增加熔體的碳含量。
示例2用購自Kayex of Rochester，NY的300mm晶體生長爐按直拉法完成19個單晶硅的生長流程，以便說明自動一氧化碳(CO)監測和報警系統的實用性和價值。該監測系統如上所述及如圖1和2所示應用一臺QualitorrOrion四極氣體質譜儀系統(RGA)(購自Walpole，MA的UTI Division ofMKS)。根據上述協議，樣品在整個晶錠主體的長度上以每隔約5分鐘收集一個。然后將每個晶錠的所有收集的數據平均，以便對每個晶錠確定一單個數據點(如圖3和4所示，下面進一步說明)。
在實驗開始時，高CO報警系統還沒有自動工作；因此，要求拉晶機操作人員在觀察RGA視頻監視器上顯示的氣體組成時提高警惕。在圖3和4上用標有A-K的流程表示的11個流程之后，報警界限(上控制限或UCL)根據在取樣口1(P1)處測得的熔體上方和附近的CO濃度及取樣口2(P2)和取樣口3(P3)處測得的廢氣中的CO濃度設定。如圖3和圖4所示，基于控制圖或統計過程控制，通過將每個取樣口的UCL設定為一個等于在頭11個流程中觀察到的平均CO濃度加上在同樣11個流程中觀察到的標準偏差的3倍的數值而在每一個取樣口設定報警界限。
圖4圖示出P2和P3處CO濃度與P1處CO濃度相比的差值。給出P2和P3處CO的差值以便確定穿過晶體生長室和尤其是晶體周圍的不平衡清洗用氣流的狀況。在頭11個流程之后，設定P2和P3處CO濃度差值和P1處CO濃度的UCL。再按頭11個流程平均值加上同樣11個流程的標準偏差的3倍計算UCL。圖4的結果表明，在流程M中晶體主體生長期間，在P2和P3處的CO濃度差超過UCL。因為這是第一次發生，所以沒有指示校正操作。然而，在M之后的流程期間，P2和P3間的CO濃度差繼續增加。另外，從流程N開始，在P1處熔體上方測得的氣體中CO增加到高于UCL。這是一種預計將由于熔體表面處氣體中的CO與熔化的硅反應而使硅熔體中碳的成份增加的狀況。為了證明這點，碳測量是從O流程的晶體和幾個CO低于UCL的流程的晶體中得到。如圖5所示，流程O的晶體中的碳含量高于其它晶體中的碳含量。
典型的硅晶體當從晶體生長爐中取出時具有很有光澤的(高度反射的)表面。在流程M和P之間生產的晶體各部分都具有一平坦的(無反射的)灰色表面。圖6示出流程E(在P1處低CO含量)和流程N(在PL處高CO含量)生產的晶體的表面照片及在與流程N生產的晶體相似的晶體表面上形成的SiC晶粒的顯微照片。
流程N的監測數據表明在引起晶體周圍的氬清洗用氣體不平衡的流程中，RHS排氣口(P2)中的氬氣的流動受到了限制。不平衡的清洗用氣體稀釋了由P3監測的LHS排出的氣流中的CO。由于晶體周圍的不平衡的清洗用氣體，含有高濃度CO的氣體通過LHS排氣管和RHS排氣管之間增加的流量差被從晶體生長爐的下面部分抽吸到晶體生長爐的上面部分中。在流程Q之前采取校正操作，所述校正操作包括更換排氣管的石墨質的上面部分的保護襯層。如圖3和4所示，在所有三個取樣口處的CO濃度在流程R及以后流程中回到正常值。流程S的碳含量數據表明是標準的。
由于獲得了有關如本示例所代表的不受控制的情況方面的經驗，可以研究校正操作或預防性維修作業表，以便優化方法性能，提高晶體質量和降低制造成本。
例3用一購自Kayex of Rochester，NY的300mm晶體生長爐按照直拉法進行16個晶體生長流程，以便證明用于檢測由于例如漏泄而產生的氮氣和/或氧氣的自動監測和報警系統的實用性和價值。監測系統如上所述及如圖1和2所示應用一臺Qualitorr Orion四極氣體質譜儀(RGA)系統(購自Walpole，MA的UTI Division of MKS)。根據上述協議，在生長過程期間，樣品每隔約5分鐘收集一個。然后將每個晶錠的所有收集的數據平均，以便對每個晶錠確定一單個數據點(如圖7-10所示，下面進一步說明)。
在這個示例中，報警系統仍不自動操作；因此，要求操作人員在觀察RGA視頻監視器上顯示的氣體組成時提高警惕。在圖7-10上用標有A-K的流程表示的11個流程之后，根據在取樣口1(P1)測得的熔體上方和附近的氮氣濃度和在取樣口2(P2)和取樣口3(P3)處測得的廢氣的氮氣濃度設定報警限(上控制限或UCL)。如圖7-圖10所示，基于控制圖表或統計過程控制，通過把每個取樣口的UCL設定為一個等于在頭11個流程中所觀察的平均氮氣濃度加上在同樣11個流程中所觀察到的標準偏差的3倍的數值在每一個取樣口設定報警界限。
各流程平安無事地完成直至流程L。在流程L期間，拉晶機在預點火檢查時是密封不漏泄的，如圖7和8中點數4處所示。然而，在晶體生長期間，操作人員應注意，在晶體主體生長期間漏泄是存在的。當監測取樣口1而不是取樣口2時，觀察到漏泄，如在圖9和10中點數4所表示的。N2的含量水平在取樣口1處高于預期值而在取樣口2處不高于預期值。也監測取樣口3，但與取樣口2相同。在取樣口1處N2濃度高而在取樣口2處N2濃度不高表明在取樣口1附近漏泄。推測漏泄是在取樣口1附近的粒狀多元進給機構中。曾作出努力來阻止漏泄但不成功。決定讓晶體周期繼續以便確定這種程度的漏氣對零缺陷生長的影響。很快就判斷出由于漏泄零缺陷晶體不會產生并且周期被終止。
在L之前的三個和L后面的一個晶體生長周期中，注意到N2在用RGA進行預點火檢查期間高于預期值(見圖7和8中的點1、2、3和5)。在晶體生長之前采取校正操作，而作為校正操作的結果，在晶體生長期間未觀察到漏泄，如圖9和10中點1、2、3和5所示。
如果不是用RGA監測取樣口1處氣體，漏泄就不會被識別為晶體生長周期失敗的原因。在這種情況下，來自RGA有關漏氣的信息及生長零缺陷晶體的失敗，導致決定縮短該周期并節約有用時間用來開始下一個周期。
鑒于上述情況，可以看出，本發明的幾個目的都達到了。因為在不脫離本發明范圍的情況下上述材料和方法可以作各種改變，所以上述描述中所包括的所有內容都應是示例性的而非限制性的。
權利要求
1.一種用于監測拉晶爐中氣態環境的方法，所述拉晶爐用于在保持負壓的生長室中的半導體材料錠的生長，所述方法包括密封生長室；將密封室內的壓力減少到負壓水平；將一種處理氣體引入生長室中，以便清洗生長室并在生長室內形成一個氣態環境；及，對氣態環境進行超過處理氣體中污染氣體濃度的污染氣體方面的分析。
2.一種根據權利要求1所述的方法，其中污染氣體從包括氮氣、氧氣、一氧化碳和水蒸汽的一組氣體中選定。
3.一種根據權利要求1或2所述的方法，其中一批熔化的半導體材料在生長室中形成，分析是在形成熔體之前進行的。
4.一種根據權利要求3所述的方法，其中在形成熔體之前分析氣態環境，以便確定氮氣濃度是否低于約600ppmv、400ppmv、200ppmv或100ppmv。
5.一種根據權利要求3所述的方法，其中在形成熔體之前，分析氣態環境以便確定氧氣的濃度是否低于約100ppmv、90ppmv，60ppmv，或30ppmv。
6.一種根據權利要求3所述的方法，其中在形成熔體之前，分析氣態環境以便確定水蒸汽的濃度是否低于約100ppmv，800ppmv、400ppmv或200ppmv。
7.一種根據權利要求4、5或6所述的方法，其中約每20分鐘、15分鐘、10分鐘、5分鐘、1分鐘或更短時間分析氣態環境1次。
8.一種根據權利要求4、5或6所述的方法，其中持續分析氣態環境。
9.一種根據權利要求1-8其中之一所述的方法，其中通過收集生長室中形成的熔化物的熔化表面的上方或附近的氣態保護氣氛的樣品來分析氣態環境。
10.一種根據權利要求1-8其中之一所述的方法，其中通過收集密封的生長室中的廢氣的樣品來分析氣態環境。
11.一種根據權利要求3所述的方法，其中形成一批熔化的半導體材料，并且晶錠從生長室中形成的熔化物中生長，同時在晶錠生長期間進行分析。
12.一種根據權利要求11所述的方法，其中是通過收集在生長室中形成的熔化物熔化表面的上方或附近的氣態保護氣氛的樣品來分析氣態環境。
13.一種根據權利要求11所述的方法，其中通過收集密封的生長室中的廢氣的樣品來分析氣態環境。
14.一種根據權利要求11、12或13所述的方法，其中分析氣態環境以便確定是否氮氣的濃度低于約600ppmv、400ppmv、200ppmv或100ppmv。
15.一種根據權利要求11、12和13所述的方法，其中分析氣態環境以便確定是否氧氣的濃度低于約100ppmv、90ppmv、60ppmv或30ppmv。
16.一種根據權利要求11、12或13所述的方法，其中分析氣態環境以便確定是否水蒸汽的濃度低于約1000ppmv、800ppmv、400ppmv或200ppmv。
17.一種根據權利要求12所述的方法，其中分析氣態環境以便確定是否一氧化碳的濃度低于約30ppmv、20ppmv、10ppmv或5ppmv。
18.一種根據權利要求13所述的方法，其中分析氣態環境以便確定是否一氧化碳的濃度低于約100ppmv、80ppmv、60ppmv、40ppmv或20ppmv。
19.一種根據權利要求11-18其中之一所述的方法，其中約每20分鐘、15分鐘、10分鐘、5分鐘、1分鐘或更短時間分析氣態環境一次。
20.一種根據權利要求11-18其中之一所述的方法，其中持續分析氣態環境。
21.一種根據權利要求11所述的方法，其中分析是在生長過程中的下列步驟中的一個或多個步驟期間進行熔化物的形成、晶錠的晶頸部分的生長、晶錠的籽晶錐的生長、晶錠主體的約20％、40％、60％、80％或約全部的生長，及晶錠的端錐的生長。
22.一種根據權利要求11所述的方法，其中當晶錠的主體開始生長時開始分析，并且其中分析持續至端錐生長開始時為止。
23.一種根據權利要求11所述的方法，其中在生長所述晶錠主體的約前一半的期間進行分析。
24.一種根據權利要求11所述的方法，其中在生長所述晶錠主體的約后一半的期間進行分析。
25.一種根據權利要求11所述的方法，其中在熔態硅熔化物開始形成時開始分析，并且其中分析持續至生長室開始冷卻時為止。
26.一種根據上述權利要求其中之一所述的方法，其中對所分析的污染氣體的濃度進行實時報告。
27.一種根據上述權利要求其中之一所述的方法，其中用殘留氣體質譜儀或氣相色譜儀來分析氣態環境。
28.一種根據上述權利要求其中之一所述的方法，其中晶錠具有至少約150mm、200mm、300mm或300mm以上的標稱直徑。
29.一種根據上述權利要求其中之一所述的方法，其中晶錠具有低于約5×1016原子/cm3、1×1016原子/cm3或甚至5×1015原子/cm3的碳濃度。
30.一種用于和生長半導體錠的裝置結合使用的系統，所述半導體生長裝置具有一個生長室，所述生長室保持在負壓下并包含一個包括一種處理清洗用氣體的氣態環境，所述系統包括一個取樣口，用于從生長室抽取氣態環境樣品；一個檢測器，用于對樣品進行濃度超過處理清洗用氣體中污染氣體濃度的污染氣體方面的分析，并產生一個代表所檢測到的污染氣體濃度的信號，所述檢測器通過一個連接到取樣口的管道接收來自生長室的樣品；及一個控制電路，所述控制電路接收并響應由檢測器產生的信號，用于判定檢測到的污染氣體濃度是否超過為所述污染氣體預先設定的閾濃度，所上述控制電路根據所述判定控制半導體生長裝置。
31.根據權利要求30所述的系統，所述系統還包括一個響應于上述控制電路的用于指示檢測到的污染氣體濃度是否超過所述閾濃度的報警裝置。
32.一種用于和生長半導體錠的裝置結合使用的方法，所述生長裝置具有一生長室，所述生長室保持在負壓下并包含一個包括處理清洗用氣體的氣態環境，所述方法包括將一氣態環境的樣品通過一個管道從生長室傳送到用于分析所述樣品的檢測器；分析上述樣品以便判定是否存在有其濃度超過處理氣體中污染氣體的濃度的污染氣體；確定至少一個參數，所述參數代表一個以對樣品中污染氣體濃度是否超過處理氣體中所述污染氣體濃度的判定為基礎的生長過程的條件；及根據判定的參數控制半導體生長裝置。
全文摘要
本發明涉及一種用于監測密封式拉晶爐內氣態環境的方法，所述密封式拉晶爐用于在保持負壓的生長室中的半導體材料錠的生長。該方法包括密封生長室，將密封室內的壓力減少到負壓水平，將一種處理氣體引入生長室以便清洗生長室并在生長室內形成一個氣態環境，以及對生長室內的氣態環境進行存在濃度高于處理氣體中的污染氣體濃度的污染氣體方面的分析。
文檔編號C30B15/00GK1486374SQ01822052
公開日2004年3月31日 申請日期2001年12月3日 優先權日2000年12月22日
發明者J·D·霍爾德, S·K·麥夸爾, M·J·伯格, J D 霍爾德, 伯格, 麥夸爾 申請人:Memc電子材料有限公司