DD207937A5

DD207937A5 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von einkristallen

Info

Publication number: DD207937A5
Application number: DD82236798A
Authority: DD
Inventors: Syoichi Washizuka; Jisaburo Ushizawa; Yoshihiro Kokubun; Tsuguo Fukuda
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co; Horikawa Cho
Priority date: 1981-01-17
Filing date: 1982-01-15
Publication date: 1984-03-21
Also published as: JPH024556B2; EP0056572A2; JPS57123892A; PL136194B1; PL234726A1; US4539067A; DE3263601D1; EP0056572B2; EP0056572A3; US4397813A; EP0056572B1

Abstract

DIE ERFINDUNG BEZIEHT SICH AUF DIE HERSTELLUNG VON HALBLEITER-EINKRISTALLEN EINER VERBINDUNG DER GRUPPE III-V DES PERIODENSYSTEMS NACH DEM WIEGEVERFAHREN. DIE NACH DER ERFINDUNG HERGESTELLTEN EINKRISTALLE BESITZEN EINE AUSGEZEICHNETE QUALITAET, WOBEI DIE DURCHMESSERSCHWANKUNGEN UNTER 1 % LIEGEN. DIE KRISTALLE KOENNEN IN JEDER KRISTALLACHSENRICHTUNG GEZOGEN WERDEN. DIE ERFINDUNG VEREINFACHT INSBESONDERE DIE AUTOMATISCHE REGELUNG ODER STEUERUNG BEI INDUSTRIELLER ANWENDUNG. DAS WESEN DER ERFINDUNG BESTEHT IN EINER VERBESSERTEN, VOLLAUTOMATISCHEN PROZESSSTEUERUNG DES GESAMTEN SCHMELZ- UND ZUECHTUNGSPROZESSES.

Description

2367 9 8 8

Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha Kawasaki-shi, Japan

EKH-56P841-3

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Einkristallen

15. . [ ' ' ' ' ——

Anwendungsgebiet der Erfindung;

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich-' tung zur Herstellung von Einkristallen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrich-

'

tung zur Herstellung von (Ein-)Kristallen nach einem

Wiegeverfahren, bei dem Halbleiter-Einkristalle einer Verbindung der Gruppe III - V des Periodensystems mit konstantem Durchmesser mittels des Widerstandsheizsystems hergestellt werden

25

Charakteristik der bekannten technischen lösungen:

Bei einem bisherigen Verfahren zur Herstellung von Halbleiter-Einkristallen aus einer Verbindung der Gruppe III - V des Periodensystems, z.B. aus GaP, GaAs, GaSb oder InP, erfolgt das Ziehen (des Kristalls) -

aus einer Schmelze nach dem Czochralsky-Verfahren, insbesondere dem Flüssigkeitseinschluß-Czochralskiverfahren (im folgenden auch einfach als LEC-Verfahren bezeichnet). Bei dieser Arbeitsweise werden verschiedene Steuerungen oder Regelungen entsprechend den Durchmesserschwänkungen des erhaltenen Kristalls vorgenommen, um Einkristalle eines konstanten Durchmessers.zu erzielen.

236798 8

Die Steuerung der Durchmesserschwankungen von durch Ziehen aus einer Schmelze nach dem LEC-Verfahren hergestellten Einkristallen erfolgt bekanntlich durch Einstellung der Schmelzentemperatur. Bisherige Steuerverfahren umfassen das Röntgen(strahl)verfahren, bei dem zur Durchmesserüberwachung Röntgenstrahlen auf einen gezogenen Einkristall gerichtet werden, oder das Wiegeverfähren, bei dem das Gewicht eines Einkristalls beim Ziehvorgang bestimmt wird, so daß Durchmesserschwankungen des Einkristalls korrigiert und Einkristalle konstanten Durchmessers hergestellt werden können. Das bisherige Wiegeverfahren ist z.B. in der JP-PS 50-131683 beschrieben; bei diesem Verfahren wird das Gewicht eines Einkristalls pro Längeneinheit während des Ziehens aus der in einem Tiegel befindlichen Schmelze ermittelt; in Abhängigkeit von DurchmesserSchwankungen bzw. -änderungen wird eine Steuerschaltung betätigt, und der einer Arbeitsspule zuzuführende Strom wird so geregelt, daß sich Einkristalle eines konstanten Durchmessers herstellen lassen. Dieses Wiegeverfahren beruht auf der Tatsache, daß das bemessene Gewicht eines Einkristalls durch die Höhe des Meniskus beeinflußt wird, der zwischen dem Kristall und der Schmelze entsteht. Bei diesem Verfahren wird das Gewicht dieses Teils (des Kristalls) korrigiert, um den Durchmesser des durch Ziehen geformten Einkristalls konstantzuhalten.

Die genannte JP-PS beschreibt jedoch nur Versuche be-

züglich der Herstellung von Einkristallen mit Durchmessern von 20 - 40 mm; sie gibt jedoch keine Lehre für die Herstellung von Einkristallen mit Durchmessern von etwa 50 - 62 mm, wie sie für industrielle Zwecke

am häufigsten verwendet werden. Offensichtlich scheinen 35

sich bestimmte Probleme speziell dann .zu ergeben, wenn das bisherige Verfahren unmittelbar auf Einkristalle

2367 98 8

größeren Durchmessers angewandt wird.

Bei der Herstellung von Halbleiter-Einkristallen aus einer Verbindung der Gruppe III - V des Periodensystems, insbesondere von GaP-Einkristallen, wird der Durchmesser plötzlich klein, nachdem er eine plötzliche Vergrößerung erfahren hat." Wenn derart große Durchmesserschwankungen auftreten, gestaltet sich die Heizungs- bzw. Erwärmungsregelung zur Lieferung von Einkristallen konstanten Durchmessers schwierig.

Die beschriebene Erscheinung wird periodischen Störungen des Gleichgewichts oder Ausgleichs zwischen der Temperatur des Kristalls und der Temperatur des Fest/ Flüssig-Grenzflache oder -schicht infolge von Änderungen des Wärmeleitschemas an der Fest/Flüssig-Grenzschicht zugeschrieben, wenn der Kristall die Flüssigkeitseinkapselung bzw. den -einschluß durchläuft und während des Ziehens eines Einkristalls aus der Schmelze erstmals mit der Atmosphäre in Berührung gelangt.

\ . _. Beim Auftreten einer solchen plötzlichen Durchmesseränderung, insbesondere bei einem Kristall mit einer

(100)-Fläche, ' ändert sich

die Querschnittsform von einer elliptischen auf eine quadratische Form, wobei eine deutliche Facettenbildung auftritt.

Wenn zur Verhinderung dieser großen Durchmesserschwankungen das Temperaturgefälle in Axial-, und Radiälrichtung des die Schmelze enthaltenden Tiegels vergrößert wird, nehmen die Durchmesserschwankungen tatsächlich ab. Andererseits erhöht sich aber die thermische Spannung, was zu einer Vergrößerung der Ätzgrubendichte und einer Rißbildung führt.

236 7 98 8

Beim LEC-Verfahren, wenn dieses für die Herstellung von Halbleiter-Einkristallen aus einer Gruppe III V-Verbindung, insbesonderevon GaP-Einkristallen eingesetzt wird, kann aus den im folgenden angegebenen Gründen eine an sich bekannte automatische Durchmessersteuer-' vorrichtung zur Durchführung einer PID-Regelurig, wie sie üblicherweise bei kristallisierenden Oxiden o.dgl. eingesetzt wird, nicht angewandt werden.

Der erste Grund hierfür ist den Eigenschaften des Kristallwachsprozesses zuzuschreiben und beruht darauf, daß die Temperäturänderung der Schmelze mittels einer Regelung oder Einstellung der Heizvorrichtung mit einer plötzlichen Durchmesseränderung der GaP-Kristalle nicht Schritt zu halten vermag.

Eine solche plötzliche Durchmesseränderung von GaP-. Kristallen erfolgt in etwa 5 - 10 min. Dabei ergeben sich keinerlei Probleme, wenn sich die Schmelzentemperatur mit derselben Geschwindigkeit ändert. In der Praxis betragt jedoch die Zeitkonstante der Temperaturanstiegsrate der Schmelze etwa 4 min. Auch bei der Durchführung einer Temperaturregelung ergibt sich aufgrund einer Regelverzögerung im Rückkopplungssystem eine Verzögerung von etwa 2 min, bis die Schmelzentemperatur der DurchmesserSchwankung nachfolgt.

Der zweite Grund hierfür besteht darin, daß eine plötzliche Vergrößerung oder Verkleinerung des Durchmessers

mit einer scharfen Spitze (peak) verbunden ist. Die differenzierte Größe der Durchmesseränderung an dieser Spitze läßt sich daher nicht ableiten, so daß der Regelvorgang diskontinuierlich wird. ' \ .

Ein dritter Grund besteht darin, daß der gezogene Einkristall dem Auftriebskrafteinfluß des flüssigen Ein-

236798 8

kapselungs- bzw. Einschlußmittels unterworfen ist. Aus diesem Grund ist es schwierig, das tatsächliche Gewicht des Kristalls genau zu bestimmen.

Aus den angegebenen Gründen wird in manchen Fällen der Durchmesser des gezogenen Einkristalls durch ein im Ofen vorgesehenes Fenster beobachtet, wobei die Temperaturregelung der Heizvorrichtung von Hand nach einem vorbestimmten Temperaturprogramm oder -plan vorgenommen wird. Auf diese Weise läßt sich allerdings keine genaue bzw. einwandfreie Einstellung des Durchmessers erreichen; vielmehr nimmt die innere Verzerrung oder Verformung des Kristalls zu, so daß sich keine Einkristalle hoher Güte herstellen lassen. Bisher stand also kein wirksames Verfahren zur Herstellung von Einkristallen, speziell von Halbleiter-Einkristallen aus einer Gruppe III - V-Verbindung, zur Verfugung, welches auf dem Wiegeverfahren beruht und die Herstellung von Einkristallen konstanten Durchmessers mittels automatischer Regelung oder Steuerung erlaubt. Darlegung des Wesens der Erfindung;

Im Hinblick hieiauf liegt der Erfindung insbesondere die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Einkristallen konstanten Durchmessers mittels einer Regelung der Temperatur einer Schmelze in einem Tiegel unter Bestimmung oder Messung des Gewichts eines Einkristalls beim Ziehvorgang zu schaffen.

^⁰ Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Herstellung von Einkristallen, bei dem ein Einkristall aus einer Schmelze in, einem Gefäß, das die Schmelze und ein flüssiges Einschluß- oder Einkapselungsmittel enthält, gezogen wird, das Gewicht des gezogenen Einkristalls gemessen wird, in Abhängigkeit von einer dabei, festgestellten Durchmesseränderung des Einkristalls ein Heizungs-

23 6 7 98 8

Regelsignal erzeugt wird'und die im Gefäß befindliche Schmelze nach Maßgabe des Heizung-Regelsignals so erwärmt wird, daß ein Einkristall mit konstantem Durchmesser erhalten wird, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei der Erzeugung des Heizung-Regelsignals

1. das bei der Messung des Gewichts des Einkristalls erhaltene Gewichtssignal zur Lieferung eines Gewichtsabweichungssignals mit einem Bezugsgewichtssignal verglichen wird,

2. diese Gewichtsabweichungssignal differenziert wird,

3. eine den gezogenen Einkristall beeinflussende Auf- ] triebskraft des flüssigen Einkapselurigsmittels in

ein entsprechendes Gewichts/Zeit-Signal umgesetzt Und diese als Auftriebskorrektürsignal ausgegeben . ' . ,wird, ';.' - . .: ' ;. _: -.. ,.'

4. dieses Auftriebskorrektursignal vom differenzierten Ausgangssignäl subtrahiert wird, um ein Signal entsprechend einer echten bzw. tatsächlichen Durchmesser-Schwankung des Einkristalls zu liefern,

5. dieses letztere Signal differenziert wird>

6. diese differenzierte Ausgangssignal und das Signal gemäß 4. addiert werden,

7. das addierte Signal einer Phasenkompensation unterworfen wird, um ein phasenkompensiertes Signal zur Beschleunigung der Temperaturanstiegsräte der Schmelze zu erhalten, ·

8. nach Maßgabe dieses phasenkompensierten Signals ein Heizung-Regelsignal für die Schmelze erzeugt wird und

9. die Schmelze nach Maßgabe dieses Heizung-Regelsignals erwärmt wird.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Her_oc. stellung von Einkristallen, mit einer Einrichtung zum Ziehen eines Einkristalls aus einer .Schmelze in einem Gefäß, welches die Schmelze und ein flüssiges Einschluß-

2367 98 8

bzw. Einkapselungsmittel enthält, einer Einrichtung zur Messung bzw. Bestimmung des Gewichts des gezogenen Einkristalls, einer Einrichtung zur Erzeugung eines Heizung-Regelsignals in Abhängigkeit von einer durch die Meßeinrichtung bestimmten Durchmesserschwankung des Einkristalls sowie einer Heizeinrichtung zum Erwärmen der im Gefäß befindlicheji Schmelze nach Maßgabe des Heizung-Regelsignals, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die dasHeizung-Regelsignal erzeugende Einrichtung eine erste Einrichtung zur Erzeugung eines Bezugsgewichtssignals entsprechend einem Bezugsgewicht des Einkristalls, eine zweite Einrichtung zur Erzeugung eines Gewichtsabweichungssignals durch Vergleichen des von der Meßeinrichtung erhaltenen Gewichts-, signals des Einkristalls mit dem von der ersten Einrichtung gelieferten Bezugsgewichtssignal, eine dritte Einrichtung zum Differenzieren des von der zweiten Einrichtung gelieferten Gewichtsabweichungssignals zwecks Lieferung eines differenzierten Ausgangssignals, eine vierte

2" Einrichtung zur Abnahme des Bezugsgewichtssignals von der ersten Einrichtung und des differenzierten Ausgangssignals von der dritten Einrichtung, zur Umsetzung der den gezogenen Einkristall beeinflussenden Auftriebskraft des flüssigen Einkapselungsmittels in ein dieser Auftriebskraft entsprechendes Gewicht/Zeit-Signal und zur Erzeugung eines Auftriebskorrektursignals, eine fünfte Einrichtung zur Abnahme des differenzierten Ausgangssignals von der dritten Einrichtung und des Auftriebskorrektursignals von der vierten Einrichtung, zum Subtrahieren

des Auftriebskorrektursignals vom differenzierten Ausgangssignal und zur Lieferung eines Signals entsprechend einer echten bzw. tatsächlichen Durchmesserschwankung des Einkristalls, eine sechste Einrichtung zum Differenzieren des Signals von der fünften Einrichtung zur Lie-

ferung eines differenzierten Ausgangssi.gnals, eine siebte Einrichtung zum Addieren des differenzierten Aus-

2367 988

gängssignals von der sechsten Einrichtung zum Signal von der fünften Einrichtung, eine achte Einrichtung zum Phasenkompensieren eines von der siebten Einrichtung erhaltenen Signals zwecks Lieferung eines phasenkompensierten Signals zur Beschleunigung (Vorlegung) der Temperaturanstiegsrate der Schmelze, eine neunte Einrichtung zur Abnahme des phasenkompensierten Signals von der achten Einrichtung und zur Erzeugung eines Heizung-Regelsignals für die Schmelze und eine zehnte Einrichtung zur Erwärmung der Schmelze nach Maßgabe des Heizung-Regelsignals von der neunten Einrichtung umfaßt.

Ziel der Erfindung; Die erfindungsgemäß hergestellten, gezogenen Einkristalle

Ϊ5 besitzen weniger Kristalldefekte; Verzerrung (distortion) sowie Rißbildung treten weniger häufig auf. Das Ziehen von Kristallen mit polykristallinem Gefüge oder Zwillingsgefüge tritt selten auf und das Fertigungsausbringen von Einkristallen ist erheblich verbessert. Das Ziehen kann

2" in jeder Kristallachsenriclrtung erfolgen. Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung vereinfachen insbesondere die automatische Regelung oder Steuerung bei industrieller Anwendung. Die DurchmesserSchwankungen der hergestellten Einkristalle können auf weniger als +1% herabgesetzt werden, so daß sich Einkristalle ausgezeichneter Güte herstellen lassen. Ausfülirungsbe ispiele;

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläu-

tert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnitta'nsicht einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit einem Blockschaltbild eines Steuer- oder

Regelabschnitts,

2367 98 8

Fig. 2A bis 2C graphische Darstellungen der Beziehungen zwischen der Zunahme der Gewichtsabweichung des gezogenen Kristalls und der dem Heizelement während der Temperaturregelung zugeführten Leistung,

Fig. 3A und 3B eine Darstellung der Ziehposition des Kristalls bzw. ein Wellenformdiagramm von Ausgangssignalen eines Auftriebskorrektur-Signalge

nerators gemäß Fig. 1 entsprechend diesen Ziehpositionen,

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwisehen der Lösungstemperatur und der Zeit zur Er

läuterung der Auswirkungen der Temperaturanstiegsrate der Schmelze bei einem phasenkompensierten Heizung-Regelsignal,

Fig. 5 und 6 der Fig. 1 ähnelnde Darstellungen anderer Ausführungsformen der Erfindung und .

• . ^v

Fig. 7 ein Blockschaltbild des Aufbaus eines Auftriebskorrektur-Signalgenerators nach Fig. 1 und 5. . '. ;

Bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung gemäß der Erfindung befindet sich beispielsweise eine GaP-Schmelze

3 in einem Tiegel 2, der mit einem adiabatischen Material 1 gefüllt ist, wobei über der Schmelze ein flüs-

siges Einkapselungs- bzw. Einschlußmittel 4 vorgesehen \ ist. Unmittelbar über der öffnung des Tiegels 2 befindet sich ein Ziehstab 5. Nach Anbringung eines Kristallkeims 6 an der Spitze des Ziehstabes 5 wird letzterer

' auf die in Fig. 1 dargestellte Weise herabgefahren, um

.- . .. ..' '

den Kristallkeim 6 mit der GaP-Schmelze 3 in Berührung zu bringen, und anschließend hochgezogen, so daß sich

2367 98 8

lein GaP-Krisi-all 7 bildet. Außerhalb des Tiegels 2 ist ein Heizelement 8 zum Erwärmen der GaP-Schmelze 3 angeordnet. Die vorstehend genannten Teile befinden sich als integrierte Einheit in einem Hochdruckgefäß 9. In einem Teil des Hochdruckgefäßes 9 ist ein Beobachtungs-Fenster

10 vorgesehen, durch welches der Ziehvorgang des GaP-Kristalls 7 beobachtet werden kann. Mit dem oberen Ende ,des Ziehstabes 5 ist ein Gewichtsdetektor 11 zur Be-Stimmung des-Gewichts des GaP-Kristalls im Verlauf des Ziehvorgangs verbunden. Getrennt vom ,Gewichtsdetektor

11 ist ein Bezugsgewicht-Signalgenerator 12 zur Lieferung eines Bezugsgewichtssignals entsprechend dem Bezugsgewicht des Kristalls vorgesehen. Ein im Verlauf des Ziehvorgangs vom Gewichtsdetektor 11 geliefertes Gewichtssignal für den GaP-Kristall 7 sowie das Bezugsgewichtssignal vom Signälgenerator 12 werden einem Gewichtsabweichungsdetektor 13 eingegeben, welcher eine Gewichtsabweichung berechnet und ein (entsprechendes) Gewichtsabweichungssignal zu einer ersten Differenzierschaltung 14 ausgibt. Ein von dieser Schaltung 14 geliefertes Differenzier-Ausgangssignal wird mit einem vom einem Auftriebskorrektur-Signalgenerator 15 erzeugten Signal zum Kompensieren des Auftriebs des flüssigen - Einkapselungsmittels verglichen. Auf diese Weise werden die Einflüsse des Auftriebs des flüssigen Einkapselungsmittels 4 auf den GäP-Kristall 7 korrigiert bzw. ausgeglichen. Das Korrektur- bzw. Differenzier-Ausgangssignal, welches die Durchmesseränderungen oder -Schwankungen des

^OM Gap-Kriställs angibt, wird durch eine zweite Differenzierschaltung 16 weiter differenziert. Das Ausgangssignal dieser Differenzierschaltung 16 wird dem bezüglich des Auftriebs korrigierten Ausgangssignal hinzu addiert, und das Additionsergebnis wird einer Phasenkompensierschal-

tung 17 eingespeist. Letztere erzeugt ein phasenkompensiertes Signal als Heizung-Regelsignal welches die

236 7 98

Ansprechzeit der Schmelze verkürzt, so daß die Erwärmungstemperatur der Schmelze sich an Durchmesserschwankungen des GaP-Kristalls 7 anzupassen bzw. diesen zu folgen vermag. Das phasenkompensierte Signal wird .einer Heizung-Regelschaltung 18 eingegeben. Hierbei liefert ein Programmsignalgenerator 19 ein Heiztemperatur-Programmsignal, und die Heizung-Regelschaltung 18 erzeugt ein Heizungs- bzw. Erwärmungs r egelsignal zur Ansteuerung einer Heizvorrichtung 20. Bei Ansteuerung der Heizvorrichtung 20 wird das Heizelement 8 im Hochdruckgefäß 9 zur Erhöhung der Temperatur der GaP-Kristallschmelze im Tiegel 2 erwärmt. Die Erzeugung des Heizungsregelsignals für die Herstellung eines GaP-Kristalls mit geregeltem Durchmesser sowie die Bildung des herkömmlichen Heizungsregelsignals mittels der Vorrichtung gemäß Fig. 1 sind anhand der Fig. 2A bis 2C erläutert.

Wenn der Durchmesser des GaP-Einkristalls 7 nicht konstant ist und sein Gewicht vom Bezugsgewicht mit einer Gewichtsabweichung e abweicht, wird bei der bisherigen Vorrichtung unter Verwendung des PID-Regelsystems die Zunahme der Gewichtsabweichung e zu einem vorbestimmten Zeitpunkt t gemäß Fig. 2A erfaßt, wobei der Erwärmungsvorgang, wie durch die dünne Linie a angedeutet, zürn Zeitpunkt ti eingeleitet wird. Bevor jedoch die Temperatur der Lösung tatsächlich ansteigt, tritt in der Praxis eine Zeitverzögerung von t.2-t1 auf, die auf die Verzögerung in der Temperaturanstiegsrate der Schmelze selbst sowie die erwähnte Verzögerung im Rückkopplungssystern zurückzuführen ist. Die durch die dicke Linie b angedeutete Temperaturerhöhung der Schmelze vermag somit nicht der Durchmesserzunähme des Kristalls zu folgen, wobei die Durchmesserzunähme des Kristalls in einer durch die aus-

. ^u gezogene Linie angegebenen Vergrößerung, der Gewichtsabweichung e resultiert. Wenn die Temperatur der Schmelze

-236 7 98 8

nach dieser Verzögerung einen vorbestimmten Wert erreicht, ist der Durchmesser des Kristalls breits im Abnehmen begriffen, woraus sich eine fehlerhafte Einstellung oder Regelung des Kristalldurchmessers ergibt. Erfindungsgemäß wird dagegen das durch die primäre Differenzierung des Gewichtsabweichungssignals erhaltene Ausgangssignal mit, dein Auftriebskorrektursignal korrigiert. Das hierbei erhaltene Signal wird sodann einer sekundären Differenzierung unterworfen, um ein Heizungsregelsignal zu liefern, bei dessen Eingang die Temperatur der Schmelze auf die in Fig. 2B durch die dicke Linie d angegebene Weise entsprechend der Heizungsregelung des Heizelements (dünne Linie c) geregelt bzw. eingestellt werden kann.

Diese Heizungsregelsignäl ist durch die Phasenkompensierschaltung 17 phasenkompensiert, so daß der Unter- , schied zwischen einer dünnen Linie e und dicken Linie f gemäß Fig. 2C verkleinert und demzufolge die Temperaturanstiegsrate der Schmelze verkürzt wird.

Die Phasenkompensierschaltung 17 kann beispielsweise ein als passive Schaltung ausgelegtes Nacheil- bzw. Nachziehnetzwerk umfassen, wie es in "Control System Design", CJ. Savant Jr., Ph. D., 2. Auflage, McGraw-Hill Book Company, 1964, Seite 221, beschrieben ist. Da das Heizungsregelsignal im Rückkopplungssystem der primären und sekundären Differenzierung sowie der Phasenkompensation unterworfen wird, kann das Steuersystem besser und eindeutiger ansprechen, um die thermische Zeitkonstante der Schmelze schnell zu korrigieren und ihre Temperaturanstiegsrate zu verkürzen.

Der Auftriebskorrektur- Signalgenerator 15 kann ansich eine beliebige Konstruktion besitzen, sofern mit seiner

Hilfe die ungünstigen Auswirkungen des Auftriebs des flüssigen Einkapselungsmittels praktisch ausgeschaltet

236798 8

werden können. Das Ausgangs(signal)schema des Bezugsdurchmesser- bzw. Bezugsgewichtssignalgenerätc-rs 15 bzw. 12 kann ohne weiteres von einem ansich bekannten Programmspannungsgenerator geliefert werden. Wenn beispielsweise ein Kristall mit einem Durchmesser 2r(t) zum Zeitpunkt ti nach dem LEC-Verfahren gezogen wird, läßt sich ^x unter Berücksichtigung des Auftriebs des flüssigen Einkapselungsmittels die scheinbare Gewichtsänderung pro Zeiteinheit, dw¹/dt (g/min), durch folgende Gleichung:

dw'/dt = πνρ r²(t)*F ...(D

ausdrücken, wenn sich der gesamte Kristall im flüssigen Einkapselungs- bzw. Einschlußmittel befindet. Im Allgemeinen läßt sich die scheinbare Gewichtsänderung wie folgt ausdrücken:

dw'dt = irvp r²(t)-F.+ ττνρ r²(t - t')(l - F) ....(2) ^{S S}

mit t¹ = eine Lösung von v/^,{R² - r²(t)}dt = H_B0R² ...(3)

Darin bedeuten: ν = Geschwindigkeit des Kristallwachstums, ^₅= Kristalldichte, R = Tiegelradius, H'= Anfangshöhe des flüssigen Einkapselungsmittels und F = ein für die Auswirkungen des Auftriebs (Auftriebsdraft) des flüssigen Einkapselungsmittels stehender Koeffizient.

Das Ausgangs(signal)schema des Bezugsdurchmesser- bzw. Bezugsgewicht-Signalgenerators 12 bzw..15 läßt sich anhand von Gleichungen (1), (2) und (3) in Abhängig-

keit von der Form der Schulter des Kristalls, dem Kristalldurchmesser, der Kristallänge, dem Tiegel^ \

236 7 98 8

durchmesser usw. ableiten. Dieses Ausgangsschema kann experimentell oder durch Simulation erhalten werden. Wenn bei der beschriebenen Ausführungsform der Erfindung der GaP-Kristall beispielsweise die Form gemäß Fig. 3A besitzt und die Zeitpunkte to, ti und t2 für Zeitpunkte im Verlauf des Ziehvorgangs stehen, läßt sich das Ausgangsschema des genannten Signalgeneratörs 12 bzw. 15 unter Berücksichtigung des Auftriebs des flüssigen Einkapselungsmittels auf die in Fig. 3B gezeigte Weise erhalten bzw. ableiten.

Im folgenden sind spezielle Beispiele für die Herstellung von Einkristallen unter Verwendung der erfindungsgemäßen ^° Vorrichtung im einzelnen beschreiben.

Nachstehend ist die Herstellungeines (100)-GaP-Einkristalls erläutert. .

Als Tiegel 2 wurde ein solcher mit einem Innendurchmesser von 96 mm verwendet. In den Tiegel 2 wurden als Ausgangsmaterial 600 g GaP eingefüllt, über dem Tiegel 2 wurden als flüssiges Einschluß- bzw. Einkapselungsmittel 18OgB₉O, angeordnet. Da Innere des Hochdruck- *** gefäßes 9 wurde mit gasförmigem Stickstoff unter einen Druck von 60 kg/cm² bzw. bar gesetzt, und das Ausgangsmaterial wurde zur Bildung der GaP-Schmelze 3 aufgeschmolzen. Ein Kristallkeim 6 mit einer (100)-Fläche

wurde mit der GaP-Schmelze 3 in Berührung

gebracht. Sodann wurde der Ziehstab 5 angetrieben und mit seiner Hilfe ein Ziehvorgang mit einer Ziehgeschwindigkeit von 13,7 mm/h bei einer Temperaturabfallgröße von 0,3 °C/min durchgeführt/wobei ein Schulterteil

(des Einkristalls) mit einem Durchmesser von 52 mm ge-35

bildet wurde. Das Gewicht pro Längeneinheit des so hergestellten GaP-Einkristalls wurde mit der einem vorge-

23 67.98.8

gebenen Bezugsgewicht von 8,9 g/mm entsprechenden Ausgangsspannung des Bezugsgewicht-Signalgenerators 12 verglichen. Die auf diese Weise ermittelte Gewichtsab-

, 5 weichung e wurde durch den Gewichtsabweichungsdetektor 13 unter Abgabe eines entprechenden Signals bestimmt. Das der Gewichtsabweichung e entsprechende Signal wurde durch die erste Differenzierschaltung 14 mit einer Zeitkonstante von z.B. 60s differenziert; das differenzierte Signal wurde durch den Auftriebskorrektur-Signalgenerator 15 verglichen bzw. kompensiert, um die ungünstigen Auswirkungen der Auftriebskraft des flüssigen Einkapselungsmittels 4 auszuschalten. Das korrigierte Signal wurde hierauf durch die zweite Differenzierschaltung 16 mit einer Zeitkonstante von z.B. 60s differenziert. Das differenziert Signal wurde dem korrigierten Signal hinzu addiert. Das auf diese Weise erhaltene Ausgangssignal wurde durch die Phasenkompensierschaltung 17 mit einer Zeitkonstante von z.B. 20s einer Phasenkom·^

2« pensation unterworfen. In Abhängigkeit von diesem phasenkompensierten Signal bewirkten der Programmsignalgenerator 19, die Heizung-Regelschaltung 18 und die Heizvorrichtung 20 eine entprechende --Regelung bzw. Einstellung der Aktivierung des Heizelements 8. Die mittels der Phasenkompensation des Heizung-Regelsignals bei der vorstehend beschriebenen Ausführungform erzielbären Wirkungen sind in Fig. 4 veranschaulicht. Die Temparaturanstiegsrate der GäP-Schmelze ist darin durch die Kurve A angegeben. Wenn die Temperaturregelung mit

einem nichtphasenkompensierten Heizung-Regelsignal erfolgt, verbessert sich die Temperaturanstiegsrate auf die durch die Kurve B (Fig. 4) angegebene Weise. Mit einer Phasenkompensation des Heizung-Regelsignals kann die Temperaturanstiegsrate der Schmelze auf die

durch die Kurve C angegebene Weise beträchtlich weiter verbessert werden. Auf die beschriebene Weise wurde

236 7 98 8

bei diesem Ausführungsbeispiel das beim Ziehen des GaP-Kristalls ermittelte Kristallgewicht mit dem Bezugsgewicht verglichen. Die dabei ermittelte Gewichts- ** abweichung wurde über das Heizung-Regelschaltungssystem für die Einstellung bzw. Regelung des Heizelements 8 rückgekoppelt, wobei ein 500 g schwerer GaP-Einkristall mit einem Flächenindex von (100) und einem Durchmesser ,von 52 mm mit einer Durchmessergenauigkeit von +1% *" erhalten wurde.

Im folgenden ist anhand von Fig. 5 eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert, ν In Fig. 5 sind den Teilen von Fig. 1 entsprechende Teile mit den selben Bezugsziffern wie vorher bezeichnet und daher nicht mehr im einzelnen erläutert.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 ist zwischen dem

Tiegel 2 und dem Heizelement 8 ein Hilfs-Heizelement

21 angeordnet, an das eine Hilfs-Heizvorrichtugn 22 angeschlossen ist, die ihrerseits mit einer zusätzlichen bzw. Hilfs-Heizungsregelschaitung 23 verbunden ist, deren Heizung-Regeloperation nach Maßgabe eines vom Programmsignalgenerator 19 gelieferten Programmbefehlssignals erfolgt. Aufgrund der Anordnung des Hilfs-Heizelements 21 zur feinfühligeren Einstellung oder Regelung der Erwärmungstemperatur der Schmelze kann der Durchmesser des Einkristalls mit noch größerer Genauigkeit vergleichmäßigt werden.

In Fig. 6 ist noch eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt.

Bei dieser Ausführungsform sind die beider Differenzier-35

schaltungen 14 und 16, der Bezugsdurchmesser- bzw. Bezugsgewicht-Signalgenerator 12 bzw. 15 und die Phasen-

236 79 8 8

kompensierschaltung 17 im Regelkreis gemäß Fig. 1 durch einen elektronischen Rechner 25 zur Lieferung desselben Heizung-Regelsignals ersetzt. Das Gewichtsabweichung-Ausgangssignal vom Gewichtsabweichungsdetektor 13 wird zur Analog/Digital-Umwandlung einem Analog/Digital- bzw. A/D-Wandler 24 eingespeist. Das so umgewandelte Gesichtsabweichungssignal wird dem Rechner 25 eingegeben, der ein Heizung-Regelsignal liefert, welches dem mit den Vorrichtungen gemäß Fig. 1 und 5 erzielbaren Signal entspricht. Das auf diese Weise erhaltene Heizung-Regelsignal wird durch einen Digital/Analogbzw. D/A-Wandler 26 einer Digital/Analog-Umsetzung unterworfen und dann zur Ansteuerung der Heizvorrichtung 20 über die Heizungsregelschaltung benutzt. In Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Heizvorrichtung 20 wird das Heizelement 28 auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt.

In Fig. 6 sind die den Teilen von Fig. 1 entsprechenden Teile mit den selben Bezugsziffern wie vorher bezeichnet und daher nicht mehr im einzelnen erläutert.

Der Auftriebskorrektur-Signalgenerator 15 zum Korrigieren der Auftriebskraft des flüssigen Einschluß- bzw. Einkapselungsmittels gemäß Fig. 1 und 5 besitzt den in Fig. 7 dargestellten Schaltungsaufbau.

Ein Eingabeabschnitt 70 umfaßt beispiesweise einen Ä/D-Wandler und dient zur Abnahme des Bezugsgewichtsginals

vom Bezugssignalgenerator 12 sowie des differenzierten Signals von der ersten Differenzierschaltung 14. Der Eingabeabschnitt 70 gibt ein Digitalsignal an eine Operationseinheit 71 ab. Ein Speicher 72 dient zur Vor-

, abspeicherung des Tiegeldurchmessers, der Anfangshöhe

des flüssligen Einkapselungsmittels, des Auftriebs-

ν korrekturkoeffizienten usw. als Konstanten. Nach Maßgabe

236 7 98 8

eines Befehlssignals von einer Zentraleinheit 73 nimmt die Operationseinheit 71 das Digitalsignal vom Eingabeabschnitt 70 sowie ein dem Auftriebs-korrektur-.* koeffizienten entsprechendes Signal vom Speicher 72 ab. Die Operationseinheit 71 führt die Operationen entsprechend Gleichungen (1), (2) und (3) zum Kompensieren der Auftriebskraft durch. Ein Ausgabeabschnitt 74, beispielsweise in Form eines D/A-Wandlers, erzeugt das Auftriebs-Korrektursignal als Analogsignal.

Selbstverständlich ist die Erfindung keineswegs auf die vorstehend beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern innerhalb des erweiterten Schutzumfangs verschiedenen weiteren Änderungen und Abwandlungen zugängig.

Claims

236 7 98 8 Erfindungsanspruch

1. das bei der Messung des Gewichts des Einkristalls erhaltene Gewichtssignal zur Lieferung eines Ge-Wichtsabweichungssignals mit einem Bezugsgewichtsignal verglichen wird,

1. Verfahren zur Herstellung von Einkristallen, bei dem ein Einkristall aus einer Schmelze in einem Gefäß, das die Schmelze und ein flüssiges Einschluß- oder Einkapselungsmittel enthält, gezogen wird, das Gewicht des gezogenen Einkristalls gemessen wird, in Abhängigkeit von einer dabei festgestellten Durchmesseränderung des Einkristalls ein Heizung-Regelsignal erzeugt wird und die im Gefäß befindliche Schmelze nach Maßgabe des Heizungr-Regelsignals so , erwärmt wird, daß ein Einkristall mit konstantem Durchmesser erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Erzeugung des Heizung-Regelsignals

2® aus einer Schmelze in einem Gefäß, welches die Schmelze und ein flüssiges Einschluß- bzw. Einkapselungsmittel enthält, einer Einrichtung zur Messung bzw. Bestimmung des Gewichts des gezogenen Einkristalls, einer Einrichtung zur Erzeugung eines Heizung-Regelsignals in Abhängigkeit von einer durch die Meßeinrichtung bestimmten DurchmesserSchwankung des Einkristalls sowie einer Heizeinrichtung zum Erwärmen der im Gefäß befindliehen Schmelze nach Maßgabe des Heizung-Regelsignals, so daß der Einkristall mit konstantem Durchmesser ziehbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die das Heizung-Regelsignal erzeugende Einrichtung eine erste Einrichtung zur Erzeugung eines Bezugsgewichtssignals entsprechend einem Bezugsgewicht des Einkristalls, eine zweite

Einrichtung zur Erzeugung eines Gewichtsabweichungssignals durch Vergleichen des von der Meßeinrichtung

2367 98 8

erhaltenen Gewichtssignals des Einkristalls mit dem von der ersten Einrichtung gelieferten Bezugsgewichtssignal, eine dritte Einrichtung zum Differenzieren des von der zweiten Einrichtung gelieferten Gewichtsabweichungssignals zwecks Lieferung eines differenzierten Ausgangssignals, eine vierte Einrichtung zur Abnahme des Bezugsgewichtssignals von der ersten Einrichtung und des differenzierten Aus- > gangssignals von der dritten Einrichtung, zur Umsetzung der den gezogenen Einkristall beeinflussenden Auftriebskraft des flüssigen Einkapselungsmittels in e%n dieser Auftriebsdraft entsprechendes Gewicht/Zeit-Signal und zur Erzeugung eines Auftriebskorrektursignals, eine fünfte Einrichtung zur Abnahme des differenzierten Ausgangssignals von der dritten Einrichtung und des Auftriebs^korrektursignals von der vierten Einrichtung, zum Subtrahieren des Auftriebskorrektursignals vom differenzierten Ausgangssignal und zur Lieferung eines Signals entsprechend einer echten bzw. tatsächlichen DurchmesserSchwankung des Einkristalls, eine sechste Einrichtung zum Differenzieren des Signals Von der fünften Einrichtung zur Lieferung eines differenzierten Ausgangssignals, eine siebte Einrichtung zum Addieren des differenzierten Ausgangssignals vom der sechsten Einrichtung zum Signal von der fünften Einrichtung, eine achte Einrichtung zum Phasenkompensieren eines von der siebten Einrichtung erhaltenen Signals zwecks

Lieferung eines phasenkompensierten Signals zur Beschleunigung (Vorlegung) der Temperaturanstiegsrate der Schmelze, eine neunte Einrichtung zur Abnahme des phasenkompensierten Signals von der achten Einrichtung und zur Erzeuauno eines Heizung-Regelsi-

gnals für die Schmelze und eine zehnte Einrichtung zur Erwärmung der Schmelze nach Maßgebe des Heizung-

- 236798 8

Regelsignals von der neunten Einrichtung umfaßt.

2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Schmelze einmal nach Maßgabe des Heizung-RegelEignals und zum anderen nach Maßgabe eines Heizung-Regelsignals von einer getrennten Heizvorrichtung erwärmt wird.

2. diese Gewichtsabweichungssignal differenziert wird, *

3. Vorrichtung zur Herstellung von Einkristallen, mit einer Einrichtung zum Ziehen eines Einkristalls

3. eine den gezogenen Einkristall beeinflussende

Auftriebskraft des flüssigen Eirikapselungsmittels in ein entsprechendes Gewichts/Zeit-Signal umgesetzt und diesesals Auftriebskorrektursignal ι ausgegeben wird,

4. dieses Auftriebskorrektursignal vom differen-

zierten Ausgangssignal subtrahiert wird, um ein *'

Signal entsprechend einer echten bzw. tatsächlichen Durchmesserschwankung des Einkristalls zu liefern,

5. dieses letztere Signal differenziert wird,

' ' ' >'

6. dieses differenzierte Ausgangssignal und das

Signal gemäß 4. addiert werden,

2367 9 8 8

.7. das addierte Signal einer Phasenkompensation unterworfen wird, um ein phasenkompensiertes Signal zur Beschleunigung der Temperaturanstiegsrate der Schmelze zu erhalten,

8. nach Maßgabe diese phasenkompensierten Signals ein Regelsignal für die Schmelze erzeugt wird und

9. die Schmelze nach Maßgabe dieses Heizung-Regelsignals erwärmt wird.

4. Vorrichtung nach Punkt 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zehnte Einrichtung zur Erwärmung der Schmelze ein erstes Heizelement, welches die Schmelze nach Maßgabe des Heizung-Regelsignals erwärmt, und ein zwischen dem ersten Heizelement und dem Gefäß angeordnetes zweites Hilfsheizelement aufzweist und daß die neunte

Einrichtung eine mit dem ersten Heizelement verbundene erste Heizvorrichtung, eine erste Heizung-Regelschaltung, welche das phasenkompensierte Signal und ein Heizung-Regelsignal entsprechend einem Heizungsöder Erwärmungsprogramm zur ersten Heizvorrichtung liefert, eine mit dem zweiten Hilfsheizelement verbundene zweite Heizvorrichtung, eine zweite Heizung-Regelschaltung, welche das Heizung- Regelprogramm nach Maßgabe des Programms zur zweiten Heizvorrichtung liefert, und eine mit erster und zweiter Heizung-Regelschaltung verbundene Heizprogramm-Erzeugungseinrichtung zur Lieferung eines Programmsignals nach Maßgabe des Heizprogramms für die Schmelze aufweist.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen 30