DD161231A1

DD161231A1 - METHOD FOR MONITORING, CONTROL AND CONTROL OF CRYSTAL CROPS PROCESSES

Info

Publication number: DD161231A1
Application number: DD22873481A
Authority: DD
Inventors: Werner Geil; Dietmar Taenzer; Horst Malitzki; Manfred Nerger; Frank Reinhardt
Original assignee: Freiberg Spurenmetalle Veb
Priority date: 1981-03-31
Filing date: 1981-03-31
Publication date: 1985-07-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ueberwachung, Steuerung und Regelung von Kristallzuechtungsprozessen bei der Herstellung von Kristallen, insbesondere von Siliziumeinkristallen, durch Aufnahme des Temperaturfeldes des wachsenden Kristalls mit Hilfe der Thermografie und dessen Vergleich und Einstellung mit einer zuvor ermittelten Vorgabe. Zu diesem Zweck wird das Kristallgebiet in der Naehe der Erstarrungsfront bezueglich seiner Temperaturverteilung sowie deren Veraenderungen waehrend des Wachstumsprozesses messtechnisch erfasst. Das Temperaturfeld ist das Resultat der Gesamtheit aller technologischen Gegebenheiten und Parameter waehrend des Zuechtungsprozesses. Es ist typisch fuer das Kristallmaterial und die verwendete Kristallzuechtungsvorrichtung. Die von den Oberflaechen von Kristall und Schmelze emittierte Waermestrahlung wird ueber optische Mittel auf infrarotempfindliche Wandler uebertragen und in elektrische Bildsignale umgeformt. Ueber ein spezielles Steuergeraet gelangen die Bildsignale zum Bildschreiber. Im Steuergeraet werden durch elektronische Schwellwertschaltungen Isothermensignale erzeugt und bestimmten Temperaturen zugeordnet. Die Isothermensignale ermoeglichen die bildliche Darstellung von Isothermen auf der Kristalloberflaeche. Diese Isothermen sind vergleichbar mit zuvor entweder experimentell oder rechnerisch ermittelten Vorgaben, die den optimalen Bedingungen eines durchzufuehrenden Zuechtungsprozesses entsprechen. Daraus ist die Ableitung von Korrektursignalen fuer den Zuechtungsprozess gegeben.The invention relates to a method for monitoring, control and regulation of Kristallzuechtungsprozessen in the production of crystals, in particular of silicon single crystals, by recording the temperature field of the growing crystal using the thermography and its comparison and adjustment with a previously determined specification. For this purpose, the crystal area near the solidification front is metrologically detected with regard to its temperature distribution and its changes during the growth process. The temperature field is the result of the totality of all technological conditions and parameters during the breeding process. It is typical of the crystal material and crystal growth apparatus used. The thermal radiation emitted by the surfaces of the crystal and the melt is transferred via optical means to infrared-sensitive transducers and converted into electrical image signals. Via a special control unit, the image signals reach the image writer. In the control unit, isotherm signals are generated by electronic threshold value circuits and assigned to specific temperatures. The isothermal signals enable the visualization of isotherms on the crystal surface. These isotherms are comparable to previously determined either experimentally or computational specifications that meet the optimal conditions of a breeding process to be performed. This leads to the derivation of correction signals for the breeding process.

Description

a) Eitel der Erfindunga) Title of the invention

Verfahren zur überwachung, Steuerung und Regelung von KristallzüchtungsprozesseB,.Method for monitoring, controlling and regulating crystal growth processes B ,.

b) iüiwendungsgebiet der Erfindungb) the field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung, Steuerung und Regelung von EristallzuchtungsprozesSen bei der Herstellung von Kristallen, insbesondere von Siliziumeinkristallen.The invention relates to a method for monitoring, controlling and regulating seed growing processes in the production of crystals, in particular of silicon single crystals.

c) Charakteristik der bekannten technischen lösungenc) Characteristic of the known technical solutions

Yerfahren zur überwachung, Steuerung und Regelung von Züchtungsprozessen sind bekannt. Die bekannten Verfahren gehen davon aus, daß durch die Beobachtung der Oberfläche der Schmelze beziehungsweise der Erstarrungsfront beispielsweise mit Hilfe einer Fernsehkamera die überwachung, Steuerung und Regelung des Züchtungsprozesses erfolgen kann. Bei einem bekannten Verfahren, DE-OS. 22 20 8I9, wird zur- Regelung, des Durchmessers eines, wachsenden Halbleiterstabes an der Srstarrungsfront eine automatische Regelvorrichtung benutzt, bei der das. mit Hilfe einer/ Fernsehkamera aufgenommene Bild der Schmelzzone und ihrer unmittelbaren Umgebung abgetastet wird und die Zahl der dabei zur Abbildung des Halbleiterstabes in Richtung des Durchmessers erforderlichen Impulse als Maß für diesen, das heißt als Regelgröße, genommen werden.Yerfahren for monitoring, control and regulation of breeding processes are known. The known methods assume that by monitoring the surface of the melt or the solidification front, for example with the aid of a television camera, the monitoring, control and regulation of the breeding process can take place. In a known method, DE-OS. 22 20 8I9, to control the diameter of a growing semiconductor rod at the Srstarrungsfront an automatic control device is used in which the. Using a / TV camera recorded image of the melting zone and its immediate surroundings is scanned and the number of thereby imaging the Semiconductor rod in the direction of the diameter required pulses as a measure of this, that is, as a controlled variable, are taken.

ο λ MD7 λ ο ο a u. u ο ~ π r> r: ο λ MD7 λ ο a u. u ο ~ πr> r:

Bei einem, anderen bekannten 7erfahren, DS-OS, 25 34 752, dem. auch, die Erstarrungsfront zwecks Durehmesserkontrol-Ie mit einer- Fernsehkamera beobachtet wird, dient zur Itochführung der Aufnahme der Srstarrungsfront, eine ' spezielle Anordnung von Spiegeln, die die Aufnahme ohne Iageveränderung der Pernsehkamera ermöglichen. Sin wesentlicher' Nachteil der· bekannten Verfahren besteht darin, daß aus. der Abbildung der Schmelzzone beziehungsweise der Srstarrungsfront nur geometrische Parameter abgeleitet und zur Regelung des Kristallzüchtungsproz esses verwendet werden.. Ein weiterer Nachteil ist, daß. bei den bekannten Verfahren nur ein Parameter· des, Z.üchtungsprozesses als·. Regelgröße fungiert: Kristalldurchmesser, Randwinkel der Schmelzzone, Höhe der Schmelz zone und so weiter. Das. Temperaturfeld des wachsenden Kristalls im. Bereich der Srstarrungsfrant wird mit den bekannten Verfahren nicht ermittelt, und die Regelung des Kristallzüchtungsprozesses ist nach den bekannten Verfahren nicht umfassend durchführbar-.In one, other known 7erfahren, DS-OS, 25 34 752, the. Also, the solidification front is observed with a television camera for the purpose of controlling the thickness of the camera, which serves to guide the photograph of the static radiation front, a special arrangement of mirrors which allow the recording to take place without the television camera changing its position. Sin essential 'disadvantage of the known methods is that from. The illustration of the melting zone or the Srstarrungsfront derived only geometric parameters and used to control the crystal growing process esses .. Another disadvantage is that. in the known methods only one parameter of the growth process as. Controlled variable: crystal diameter, contact angle of the melting zone, height of the melting zone and so on. The. Temperature field of the growing crystal in the. Range of Srstarrungsfrant is not determined by the known methods, and the control of the crystal growth process is not comprehensively feasible by the known methods.

d) Ziel der Erfindungd) Object of the invention

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Überwachung, Steuerung und Regelung eines, Züchtungsprozesses zur Herstellung von Halbleiterkristallen, insbesondere von SiIi-ζiumeinkristallen zu schaffen, das fortwährend das Temperaturfeld, des. wachsenden Kristalls nach einer zuvor ermittelten Vorgabe einstellt.The aim of the invention is to provide a method for monitoring, controlling and regulating a cultivation process for the production of semiconductor crystals, in particular of silicon single crystals, which continuously adjusts the temperature field of the growing crystal according to a previously determined specification.

e) Darlegung des Wesens; der Erfindunge) presentation of the essence; the invention

Die Aufgabe der Erfindung ist es, das Kristallgebiet in der Nähe der Srstarrungsfront bezüglich seiner Temperaturverteilung s.owie deren Veränderungen meßtechnisch zu erfassen und mit einer meßtechnisch und/oder rechnerisch ermittelten Vorgabe z.u vergleichen und die erfor-The object of the invention is to detect the crystal region in the vicinity of the solidification front with respect to its temperature distribution and its changes by means of measurement and to compare it with a specification determined by measurement technology and / or computation and to make the necessary measurements.

derlichen Korrekturen des Temperaturfeldes auszulösen.derive corrections of the temperature field.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch,, daß mit Hilfe der Thermografie ein in einem, wachsenden Kristall, beispielsweise einem. Halbleiter einkristall bestehendes Teinperaturfeld mit. einem, meßtechnisch und/oder rechnerisch ermittelten Temperaturfeld in Übereinstimmung gebracht wird.This problem is solved by the fact that with the help of thermography in a growing crystal, such as a. Semiconductor single crystal existing temperature field with. a measuring techniques and / or mathematically determined temperature field in Convention s timmung is brought.

Unter- Anwendung der Thermografie wird gemäß der- erfinderischen lösung die von den Oberflächen iron Kristall und Schmelzzone ausgehende Wärmestrahlung bildmäßig erfaßt. Die von den Oberflächen emittierte Wärmestrahlung wird über optische Mittel auf infrarotempfindliche Wandler, zum Beispiel auf die ffotoha]bleiterschicht von . Bildaufnahmeröhren, gegeben und in elektrische Bildsignale umgeformt. Über ein spezielles Steuergerät gelangen die Bildsignale zum Bildschreiber» Im Steuergerät werden durch elektronische Schwellwertschaltungen Isothermensignale erzeugt, die bestimmten Temperaturen an der Kristalloberfläche entsprechen. Die Isothermensignale gestatten die bildliche Darstellung von Isothermen der Kristalloberfläche auf dem Bildschreiber und die Ableitung von Korrektur signal en für den Züchtungsprozeß.Under the application of thermography, according to the inventive solution, the thermal radiation emanating from the surfaces of the iron crystal and the melting zone is detected imagewise. The heat radiation emitted by the surfaces is transmitted via optical means to infrared-sensitive transducers, for example, the photoresist layer of FIG. Image pickup tubes, given and converted into electrical image signals. Via a special control unit, the image signals reach the image writer »In the control unit, isoelectric signals are generated by electronic threshold value circuits that correspond to specific temperatures at the crystal surface. The isotherm signals permit visualization of isotopes of the crystal surface on the image writer and the derivation of correction signals for the growth process.

Durch die lage der Isothermen auf der Kristalloberfläche ist das. Temperaturfeld auch im Kristallvolumen eindeutig bestimmt. Das Temperaturfeld ist das Resultat der Gesamtheit aller technologischen Gegebenheiten und Parameter während des Züchtungsprozesses. Ss. ist typisch für das.Due to the position of the isotherms on the crystal surface, the temperature field is also clearly determined in the crystal volume. The temperature field is the result of the totality of all technological conditions and parameters during the breeding process. Ss. is typical for that.

Kristallmaterial und die verwendete Kristallzüchtungsvorrichtung.Crystal material and crystal growing apparatus used.

f) Ausführungsbeispielf) embodiment

Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel und der zugehörigen Zeichnung Pig. 1 näher erläutert werden. Sine Infrarotfernaehkamera 11 wird so auf das. Einblickfenster 7 eines Kristallzüchtungsvorrichtung 1 gerichtet, daß der wachsende Kristall 4 von der Schmelze 3 an beob-The invention is based on an embodiment and the accompanying drawing Pig. 1 will be explained in more detail. An infrared remote camera 11 is directed onto the viewing window 7 of a crystal growing apparatus 1 in such a way that the growing crystal 4 is observed by the melt 3.

achtbar ist. Die von der Oberfläche der· Schmelze 3 und des Kristalls 4 emittierte Wärmestrahlung gelangt über das Einblickfenster 7, dem Spiegel 8 und das infrarottransparente Filter 9 ^auf das Objektiv 10 und wird von diesem, auf der Fotohalbleiterschicht einer infrarotempfindlichen Bildaufnahmeröhre abgebildet, die sich in der-Infrarotfernsehkamera 11 befindet. Bei der Bildzerlegung· über den elektronischen Abtaststrahl der Bildaufnahmeröhre wird ein Bildsignal gewonnen,., in dem die gesamte Strahlungsinformation enthalten ist. Das. Bildsignal wird von der Infrarotfernsehkamera 11 über das Eernsehbetriebsgerät 12 einem speziellen Steuergerät 13 zugeführt, in dem durch elektronische Schwellwertschaltungen Isothermensignale gewonnen werden, die bestimmten Temperaturen an der. Oberfläche von Kristall 4 und Schmelze 3-entsprechen. Das Bildsignal und. die Isothermensignale werden dem Bildschreiber 14 und einem Datenspeichergerät 15 zugeführt. Auf dem BiId-Schreiber 14 können wahlweise drei verschiedene Bilder sichtbar gemacht werden:is respectable. The thermal radiation emitted by the surface of the melt 3 and the crystal 4 passes through the viewing window 7, the mirror 8 and the infrared transparent filter 9 ^a on the lens 10 and is imaged by this, on the photo semiconductor layer of an infrared-sensitive image pickup tube, which in the Infrared television camera 11 is located. In the image decomposition · over the electronic scanning beam of the image pickup tube, an image signal is obtained,., Containing all the radiation information. The. Image signal is supplied from the infrared television camera 11 via Eernsehbetriebsgerät 12 a special controller 13 in which are obtained by electronic threshold value switching isotherm signals, the specific temperatures at the. Surface of crystal 4 and melt 3-match. The picture signal and. the isotherm signals are supplied to the image writer 14 and a data storage device 15. On the pen recorder 14, three different images can be made visible:

1. das Temperaturbild (schwarz-weiß-Bild, dessen Helligkeitswerte der Temp er aturver teilung in der Meßfläche entsprechen);1. the temperature image (black and white image whose brightness values correspond to the temperature distribution in the measuring surface);

2. das Isothermenbild (weiße Linienzüge, die Gebiete2. the isothermal picture (white lines, the areas

gleicher Temperatur in der Meßfläche kennzeichnen); 3. das. Temperaturbild mit überlagerten Isothermen. Durch Vergleich des durch den wachsenden Kristall hervorgerufenen Temperaturfeldes mit dem Temperaturfeld,indicate the same temperature in the measuring surface); 3. the temperature image with superimposed isotherms. By comparing the temperature field produced by the growing crystal with the temperature field,

12.0 das den optimalen Bedingungen des Wachstumsprozesses eines Kristalls in Verbindung mit der dabei benutzten Kristallzüchtungs Vorrichtung entspricht, wird der ablaufende Züchtungsprozeß gesteuert, beziehungsweise geregelt. Die Regelung kann manuell durch, Veränderung bestimmter ZüchtongsiDar.ameter oder durch Automation erfolgen,. Bei der automatischen Variante werden die gewonnenen Isothermen- und Bildsignale im Datenspeichergerät 1512.0, which corresponds to the optimum conditions of the growth process of a crystal in conjunction with the crystal growing apparatus used therein, the running growth process is controlled. The control can be done manually by changing certain breeding values or by automation. In the automatic variant, the obtained isothermal and image signals in the data storage device 15

mit Vorgabed.at.en verglichen und aus dem Vergleich Korrektursignale abgeleitet, die den Stelleinrichtungen 16 zur Korrektur der 2Iüchtungsparaiaeter zum Beispiel HeizJ.eistung, Ziehgeschwindigkeit, Rotationsgeschwindigkeit, des Kristallstabes zugeführt werden.compared with Vorgabed.at.en and derived from the comparison correction signals which are the adjusting means 16 for correcting the 2iungungsparaiaeter for example HeizJieistung, drawing speed, rotation speed, the crystal rod supplied.

Claims

Srfjjidungsanspruch

1. A method for monitoring, control and regulation of a EEistallzücntungsprozesses, in particular for the Zücntung of semiconductor erkr stallen, characterized in that using the thermography in the. growing crystal existing temperature field is continuously brought into agreement with an experimentally or computationally determined temperature field of this crystal growing process,

Z. Procedure for monitoring ¹ , control and regulation of a crystal growth process according to item 1, characterized in that the thermography is carried out with television technical means.

3. Method for monitoring, controlling and regulating a crystal growth process, according to items 1 and 2, characterized in that the image signal of a television camera is calibrated for temperatures of the eristal surface.

4. A method for monitoring, control and regulation of a crystal growing process according to item 1, 2 and 3, characterized in that the image signals of a plurality of different radiation converter, in different spectral ranges of the. growing crystal emitted heat radiation record, be used in their relation to each other for the determination of temperatures of the crystal surface.

See 1 Saüa drawings