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    本發明提供用於控制矽棒溫度之系統與方法。在一項實例中，呈現一種在一化學汽相沈積(CVD)程序期間控制一CVD反應器中之至少一個矽棒之一表面溫度之方法。該方法包含：判定該至少一個矽棒之一電阻；比較該電阻與一設定點以判定一差；及控制一電源供應器以控制耦合至該至少一個矽棒之一電力輸出以最小化該差之一絕對值。
    公开号:TW201307625A
    申请号:TW101121206
    申请日:2012-06-13
    公开日:2013-02-16
    发明作者:Gianluca Pazzaglia；Matteo Fumagalli；Manuel Poniz
    申请人:Memc Electronic Materials；
    IPC主号:C23C16-00
    专利说明:
    用於控制矽棒溫度之方法與系統
    本發明一般而言係關於用於在一沈積程序期間控制矽棒溫度之系統與方法，且更具體而言係關於藉由控制穿過該棒之電流強度而在一沈積程序期間控制一矽棒表面溫度。
    在電子及太陽能工業中使用之超純多晶矽通常係經由在一反應器內進行之一化學汽相沈積(CVD)程序透過自氣態反應物之沈積而產生。
    一種用以在一CVD反應器中產生超純多晶矽之程序係稱作一西門子程序(Siemens process)。安置於反應器內之矽絲係用作晶種以開始該程序。含氣態矽反應物流動穿過反應器且將矽沈積至該等絲之表面上，由此形成矽棒。該等氣態反應物(亦即，氣態前體)包含諸如與一適合載體氣體(通常為氫氣)混合之三氯矽烷之矽鹵化物。由於三氯矽烷係動力學上穩定的，因此CVD程序相當緩慢且通常利用相對高溫度以准許沈積發生。利用大於1000℃之棒表面溫度並不罕見。在此等條件下，氣態反應物在該等棒之表面上分解。因此根據以下總反應，矽被沈積於該等棒上：SiHCl3+H2 → Si+3 HCl [1]
    該程序在已在該等棒之表面上沈積具有一預定厚度之一矽層之後停止。然後自CVD反應器提取棒且自該等棒收穫矽用於進一步處理。
    在CVD程序期間，通常需要控制矽棒之表面溫度。若表面溫度太高，則可產生過量矽塵且可產生不良矽形貌。若表面溫度太低，則沈積可係緩慢的或甚至可能不發生。
    西門子程序採用焦耳加熱以達成所要表面溫度。將電能轉換為熱能以加熱矽棒。藉由一電源供應器將電流提供至反應器，該電源供應器調整跨越每一棒供應之電壓以控制電流強度。
    然而，在沈積程序期間，反應器之電力需求並不恆定。當棒之表面積增加時，離開矽棒之熱力隨著沈積時間而增加。因此，恆定地調整穿過棒之電流以維持所要棒表面溫度。
    控制棒溫度之至少一種已知方法利用一高溫計來監測棒表面溫度之偏差。當所監測溫度與一所要設定點偏離時，調整電強度以嘗試使棒表面溫度返回至所要設定點。棒表面溫度之量測中不準確性可由高溫計之不良校準及/或不正確安裝所致。此外，棒表面溫度量測可受反應室內部或沈積於窺鏡(高溫計安裝在此處)之表面上之矽塵之存在的影響。來自棒之所發射輻射之強度因矽塵而衰減。因此，堆積之矽粉通常導致所量測溫度低估實際棒表面溫度。通常增加穿過棒之電流以提升表面溫度，從而導致棒表面溫度高於實際所要的溫度且導致產生甚至更多矽塵。此額外矽塵可導致所監測溫度甚至更不準確。此低估棒表面溫度及增加電流之循環可造成棒表面溫度遠大於所要溫度。此等高溫可造成一爆米花式樣形貌且在某些情況下使矽棒熔化。
    用以避免矽塵形成之某些已知技術藉由使用低流率、增強反應器冷卻及/或採用較低棒表面溫度來避免高的三氯矽烷對氫氣莫耳比且維持氣體整體溫度低於某些值。然而，此等措施通常減慢沈積速率且增加反應器之能量消耗。
    此背景部分意欲給讀者介紹可與本發明之各個態樣有關之各個技術態樣，下文將闡述及/或請求各個態樣。據信此論述將有助於給讀者提供背景資訊以促進對本發明之各個態樣之較佳理解。因此，應理解，應以此觀點來閱讀此等敍述，而非作為對現有技術之認可。
    本發明之一項態樣係一種在一化學汽相沈積(CVD)期間控制一CVD反應器中之至少一個矽棒之一表面溫度之方法。該方法包含判定該至少一個矽棒之一電阻及比較該電阻與一設定點以判定一差。該方法包含根據一回饋程序控制方案控制耦合至該至少一個矽棒之一電源供應器以最小化該差之一絕對值。
    本發明之另一態樣係一種系統，該系統包含：一化學汽相沈積(CVD)反應器；複數個矽棒群組，其耦合於該CVD反應器內；一電源供應器，其經耦合以提供電力至複數個矽棒對；及一控制器。該控制器經組態以判定該複數個矽棒群組中之一第一矽棒群組之一第一電阻、比較該第一電阻與一設定點以判定一第一差及控制該電源供應器以最小化該第一差之一絕對值。
    本發明之另一態樣係一種在一反應器中控制一化學汽相沈積(CVD)程序之方法。該方法包含依據在該CVD程序期間輸入至反應器之反應物之一量及一矽棒群組之一電阻而控制提供至反應器中之該矽棒群組之電力之一量。
    關於上述態樣所提及之特徵存在各種精細改進。其他特徵亦可併入於上述態樣中。此等精細改進及額外特徵可個別地或以任何組合形式存在。舉例而言，下文關於所圖解說明實施例中任何實施例論述之各種特徵可單獨或以任何組合形式併入至上述態樣中之任何態樣中。
    在各圖式中，相同參考符號指示相同元件。
    本文所闡述之實施例一般而言係關於用於控制一多晶矽反應器中之棒表面溫度之系統與方法。更具體而言，本文所闡述之實施例係關於藉由控制穿過棒之電流來控制一矽棒表面溫度。
    圖1中圖解說明根據本發明之一例示性系統(一般由元件符號100指示)之一方塊圖。系統100包含具有複數個矽棒群組104之一反應器102。一電源供應器106耦合至反應器102。更特定而言，電源供應器106耦合至矽棒群組104。電源供應器106包含一控制器108及一記憶體裝置110。
    在某些實施例中，反應器102係一化學汽相沈積(CVD)反應器。更具體而言，在某些實施例中，反應器102係一西門子反應器。在其他實施例中，反應器102可係任何其他適合之多晶矽反應器。
    在所圖解說明實施例中，每一矽棒群組104包含一對串聯連接矽棒112。在其他實施例中，矽棒群組104可包含任何數目個串聯連接矽棒112(無論其是否成對連接)。在某些實施例中，每一矽棒群組104包含串聯連接之六個矽棒112。如本文所闡述控制穿過串聯連接矽棒112(亦即，穿過每一矽棒群組104)之電流。系統100可包含任何適合數目個矽棒112，不論其組態及/或分組如何。在各種實施例中，系統100包含12、18、36、48、54或84個矽棒112。
    在例示性實施例中，電源供應器106包含複數個電力轉換器114。每一電力轉換器114經耦合以輸出電力至一不同矽棒群組104。在其他實施例中，電源供應器106可包含耦合至所有矽棒群組104之一單個電力轉換器114。在某些實施例中，電源供應器106可使用具有相位控制之一或多個矽控制整流器以調整至一或多個矽棒群組104之輸出電流。在某些實施例中，電源供應器106可包含具有可調整DC輸出之一換流器以控制至一或多個矽棒群組104之輸出電流。電力轉換器114可具有任何適合之拓撲，舉例而言，包含降壓拓撲、升壓拓撲、反馳拓撲、順向拓撲及全橋拓撲等等。
    控制器108可係一類比控制器、一數位控制器或類比與數位控制器/組件之一組合。在其中控制器108係一數位控制器之實施例中，控制器108可包含一處理器、電腦等等。雖然在例示性實施例中控制器108係在電源供應器106內，但另外或另一選擇，控制器108可在電源供應器106外部。舉例而言，闡述為由控制器108執行之功能可由諸如一系統控制器之一單獨控制器完全地或部分地執行。
    記憶體裝置110係使得能夠儲存及擷取諸如可執行指令及/或其他資料等資訊之一或多個裝置。記憶體裝置110可包含諸如但不限於動態隨機存取記憶體(DRAM)、靜態隨機存取記憶體(SRAM)、一固態磁碟及/或一硬碟等一或多個非暫時性電腦可讀媒體。記憶體裝置110可經組態以儲存但不限於電腦可執行指令、演算法、結果及/或任何其他類型之資料。在某些實施例中，記憶體裝置110整合於控制器108中。在其他實施例中，記憶體裝置在控制器108及/或電源供應器106外部。
    例示性實施例在不依賴於矽棒112之溫度量測之情況下提供對反應器102中矽棒群組104之表面溫度之控制。而是，電源供應器106基於矽棒群組104之電阻使用一回饋控制方案
    使用焦耳加熱來控制矽棒群組104之溫度。焦耳加熱係基於焦耳定律，其可表達為：Q=I 2 Rt [2]其中Q係由一恆定電流I流動穿過電阻R之一導體達一時間t所產生之熱。
    電阻係一可量測量。對於一均勻電阻器，藉由以下方程式闡述電阻： 其中R係電阻器之電阻，ρ係建構電阻器之材料之電阻率，L係電阻器之長度且A係電阻器之橫截面積。對於諸如具有一直徑「d」之一矽棒112之一圓柱固體物而言，方程式[3]可約減為：
    然而在一CVD程序期間，矽棒群組104之電阻率並非恆定。如方程式[4]所展示，當一矽棒112之直徑增加時，矽棒112之電阻將降低。此外，電阻率係闡述電子之移動率之一特性且很大程度上取決於溫度且在矽棒112之情況下取決於矽中之摻雜物之濃度。因此，電阻在一沈積程序期間並非係一恆定值，而是隨著矽棒112之直徑、矽棒112內之溫度梯度及經沈積矽之純度(例如，供體及受體之濃度)而改變。
    對於一矽棒112之任何既定直徑，電阻將隨著矽棒112之溫度而變化。具體而言，一矽棒112之電阻將在矽棒112之溫度增加時降低。因此，對於一既定直徑矽棒112，一較低電阻將指示一較高溫度且一較高電阻將指示一較低溫度。類似地，對於一矽棒112之一既定直徑及電阻，根據方程式[1]，增加穿過棒112之電流將增加所產生之熱且增加棒112之溫度。因此，矽棒群組104之電阻可由電源供應器106用作回饋以在CVD程序中監測及/或控制矽棒112之溫度。
    為利用矽棒群組104之電阻作為電源供應器106之回饋，必須判定矽棒群組104之電阻。可使用歐姆定律判定矽棒群組104之電阻，如藉由以下方程式所闡述： 其中R係矽棒群組104之電阻，V係跨越矽棒群組104所施加之電壓且I係穿過矽棒群組104之電流。因此，簡單地獲得施加至一特定矽棒群組104之電壓與穿過特定矽棒群組104之電流之比提供彼特定矽棒群組104在彼特定時刻之電阻。
    藉由比較經判定電阻與一電阻設定點而利用經判定電阻來控制電源供應器106之電力輸出，且藉此控制矽棒群組104之溫度。對於矽棒群組104之一既定直徑，一經判定電阻大於該設定點指示矽棒群組104之溫度小於所要溫度，而一經判定電阻小於該設定點指示矽棒群組104之溫度大於所要溫度。因此，電源供應器106可調整供應至矽棒群組104之電流以控制矽棒群組104中之所產生熱以嘗試最小化經判定電阻與設定點之間之差的絕對值。
    如上文所闡述，矽棒群組104之直徑在CVD程序期間改變且矽棒群組104之該改變之直徑降低矽棒群組104之電阻。因此，在該程序期間應使電阻設定點變化以計及變化之直徑。
    在例示性實施例中，電阻設定點係一設定點曲線。可藉由對現有CVD程序進行統計分析導出該設定點曲線。在獲取額外資料時，可調整設定點曲線。此外，基於電阻之控制係在某一範圍內進行自調節。若電阻設定點設定得太低，則矽棒群組104將經歷高表面溫度。此高溫度將加速沈積速率且矽棒群組104之直徑將更快地增加直至達到設定點。相比而言，若設定點太高，則矽棒群組104之表面溫度將會太低，此可減慢沈積速率且導致增加之電阻。在其他實施例中，一電阻設定點係自矽棒群組104在沈積程序之每一時刻之精確直徑及依據溫度之電阻率之一精確公式而導出。在其他實施例中，電阻設定點可依據時間而變化。在另一些實施例中，根據另一適合之設定點變化定律選擇電阻設定點。
    圖2以圖形方式圖解說明一例示性以統計方式導出之設定點曲線。依據自一CVD程序開始起已進入反應器102之三氯矽烷(TCS)之量來標繪電阻設定點。在運行之開始處(亦即，當已將少量TCS饋送至反應器102中時)，矽棒群組104係相當小且橫截面積傾向於按百分比快速地增加。在運行之結束處，雖然沈積速率(以kg/hr為單位)可係較高，但矽棒群組104之橫截面積之增量受到更多限制。可將在CVD程序期間沈積於任何一個矽棒群組104上之矽之量約計為饋送至反應器102之TCS總數量之一比例份額。因此，可依據在CVD程序期間已進入反應器102之TCS總量之一比例量，針對CVD程序中之任何時間估計矽棒群組104之直徑及因此在一所要溫度處之所期望電阻。因此，在一例示性實施例中，藉由以下方程式闡述電阻設定點： 其中R係電阻設定點，A、B及C係恆定值，t係時間，且mSiHCl3係TCS之流率。
    在一個例示性實施例中，方程式[6]中針對饋送至反應器102之TCS總量之三個位準之A、B及C之值係： 其中R係設定點電阻，亦即，每單位長度對應於一個別矽棒之適當表面溫度之所期望電阻。
    在某些實施例中，可使用每一矽棒群組104之電阻及適合電阻設定點單獨地控制至每一矽棒群組104之電力。特定而言，在其中反應器102包含大量矽棒112之實施例中，在反應器102內部之不均勻操作條件可係常見的。反應器102中之不同矽棒群組104可經受不同流動場及氣體混合組合物。儘管矽棒群組104經歷不同條件，但控制至個別矽棒群組104之電力准許在個別矽棒群組104當中之相對勻質生長。此外，藉由以此方式控制至矽棒群組104之電力流，CVD程序可在關閉一或多個矽棒群組104之情況下繼續。
    如本文所闡述之基於電阻之控制及系統可達成超越某些已知控制方法之效果。舉例而言，可連同減少之能量消耗一起達成在沈積速率及形貌方面的增加之效能。不同於某些已知方法，本文所闡述之控制方案並非依賴於適當溫度量測，溫度量測受矽塵、校準、氣體湍流等影響且可係困難且不穩定的。此外，在某些已知方法及系統中，僅在反應器內之一或幾個點處量測溫度。以此等方法，在量測之位置處之條件驅動程序控制，從而影響所有棒而無論任何個別棒之條件如何。此外，在某些已知溫度控制系統之情況下，若關閉一參考棒，則整個反應器可停止及/或反應器可在無回饋控制之情況下運行。
    某些實施例涉及使用一或多個電子或計算裝置。此等裝置通常包含一處理器或控制器，諸如一個一般用途中央處理單元(CPU)、一圖形處理單元(GPU)、一微控制器、一精簡指令集電腦(RISC)處理器、一特殊應用積體電路(ASIC)、一可程式化邏輯電路(PLC)及/或能夠執行本文所闡述之功能之任何其他電路或處理器。可將本文所闡述之方法編碼為可執行指令，該等可執行指令體現於一電腦可讀媒體中，包含但不限於一儲存裝置及/或一記憶體裝置。此等指令在由一處理器執行致使該處理器執行本文所闡述之方法之至少一部分。上述實例僅係例示性的，且因此並不意欲以任何方式來限制術語處理器之定義及/或意義。
    此書面闡述使用實例來揭示本發明(包含最佳模式)且亦使得熟習此項技術者能夠實踐本發明(包含製造及使用任何裝置或系統且執行任何併入之方法)。本發明之可取得專利之範疇由申請專利範圍界定，且可包含熟習此項技術者構想出之其他實例。若此等其他實例具有並非不同於申請專利範圍之字面語言之結構元件，或若此等其他實例包含與申請專利範圍之字面語言並無實質差異之等效結構元件，則該等實例皆意欲在申請專利範圍之範疇內。
    已呈現不同有利實施例之闡述用於圖解說明及闡述之目的，而並非意欲成為排他性的或限定為呈所揭示形式之實施例。熟習此項技術者將顯而易見諸多修改及變化。此外，不同有利實施例可提供與其他有利實施例相比的不同優點。選擇闡述選定實施例以最佳地解釋該等實施例之原理及實務應用，且使得熟習此項技術者能夠瞭解針對各種實施例之揭示涵蓋有適合於特定使用之各種修改。
    不應將以單數形式敍述且以單詞「一」或「一」繼續之一元件或步驟理解為排除複數元件或步驟，除非明確陳述此排除。此外，對本發明之「一項實施例」及/或「例示性實施例」之提及並非意欲解譯為排除亦併入有所敍述特徵之額外實施例之存在。
    100‧‧‧系統
    102‧‧‧反應器
    104‧‧‧矽棒群組
    106‧‧‧電源供應器
    108‧‧‧控制器
    110‧‧‧記憶體裝置
    112‧‧‧矽棒/棒
    114‧‧‧電力轉換器
    圖1係包含一電源供應器及一反應器之一例示性系統之一方塊圖；及圖2係依據一化學汽相沈積程序中所使用三氯矽烷之量標繪一矽棒之一電阻之圖表。
    100‧‧‧系統
    102‧‧‧反應器
    104‧‧‧矽棒群組
    106‧‧‧電源供應器
    108‧‧‧控制器
    110‧‧‧記憶體裝置
    112‧‧‧矽棒/棒
    114‧‧‧電力轉換器
    权利要求:
    Claims (18)
    [1] 一種在一化學汽相沈積(CVD)程序期間控制一CVD反應器中之至少一個矽棒之一表面溫度之方法，該方法包括：判定該至少一個矽棒之一電阻；比較該電阻與一設定點以判定一差；及根據一回饋程序控制方案控制耦合至該至少一個矽棒之一電源供應器以最小化該差之一絕對值。
    [2] 如請求項1之方法，其中比較該電阻與一設定點包括：比較該電阻與一可變設定點，其中該設定點可依據在該CVD程序期間輸入至該反應器之反應物之一量而變化。
    [3] 如請求項2之方法，其中該可變設定點包括一設定點曲線。
    [4] 如請求項3之方法，其進一步包括分析來自至少一個完整CVD程序之資料以導出該設定點曲線。
    [5] 如請求項2之方法，其中：判定至少一個矽棒之一電阻包括：判定一第一矽棒群組之一第一電阻及判定一第二矽棒群組之一第二電阻；比較該電阻與一可變設定點以判定一差包括：比較該第一電阻與該可變設定點以判定一第一差及比較該第二電阻與該可變設定點以判定一第二差；及控制耦合至該至少一個矽棒之一電源供應器包括：控制該電源供應器以最小化該第一差之一絕對值及最小化該第二差之一絕對值。
    [6] 如請求項5之方法，其中：該第一矽棒群組包括串聯連接之六個矽棒；且該第二矽棒群組包括串聯連接之六個矽棒。
    [7] 如請求項1之方法，其中該CVD反應器係一西門子反應器。
    [8] 一種系統，其包括：一化學汽相沈積(CVD)反應器；複數個矽棒群組，其耦合於該CVD反應器內；一電源供應器，其經耦合以提供電力至該複數個矽棒群組；及一控制器，其經組態以：判定該複數個矽棒群組中之一第一矽棒群組之一第一電阻；比較該第一電阻與一設定點以判定一第一差；及控制該電源供應器以最小化該第一差之一絕對值。
    [9] 如請求項8之系統，其中該控制器經組態以比較該第一電阻與一可變設定點以判定該第一差，且其中可變設定點可依據在一CVD程序期間輸入至該反應器之反應物之一量而變化。
    [10] 如請求項9之系統，其中該控制器進一步經組態以：判定該複數個矽棒群組之一第二矽棒群組之一第二電阻；比較該第二電阻與該可變設定點以判定一第二差；及控制該電源供應器以最小化該第二差之一絕對值。
    [11] 如請求項8之系統，其中耦合於該CVD反應器內之該複數個矽棒群組包括二十或更多個矽棒。
    [12] 如請求項8之系統，其中該複數個矽棒群組中之每一群組包括六個矽棒。
    [13] 如請求項12之系統，其中該複數個矽棒群組中之每一群組之該六個矽棒串聯連接。
    [14] 如請求項8之系統，其中該CVD反應器係一西門子反應器。
    [15] 如請求項8之系統，其中耦合於該CVD反應器內之該複數個矽棒群組包括五十四個矽棒。
    [16] 如請求項15之系統，其中該複數個矽棒群組中之每一群組包括六個矽棒。
    [17] 如請求項8之系統，其中該電源供應器包括複數個電力轉換器，每一電力轉換器經耦合以提供電力至該複數個矽棒群組中之一不同群組。
    [18] 如請求項17之系統，其中該複數個電力轉換器包括耦合至該第一矽棒群組之一第一電力轉換器以提供電力至該第一矽棒群組，且其中該控制器經組態以藉由控制該第一電力轉換器來控制該電源供應器以最小化該第一差之一絕對值。
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    TWI527944B|2016-04-01|
    US20120322175A1|2012-12-20|
    WO2012171975A1|2012-12-20|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
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    法律状态:
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    US201161496826P| true| 2011-06-14|2011-06-14||
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