DD253437A1

DD253437A1 - METHOD AND ARRANGEMENT FOR MONITORING AND REGULATING CRYSTAL CROPS PROCESSES

Info

Publication number: DD253437A1
Application number: DD29543686A
Authority: DD
Inventors: Werner Geil; Roland Gruetze; Wolfgang Heinemann; Frank Reinhardt; Gerd Roscher; Klaus Schmugge; Fritz Stiehler; Manfred Vogel
Original assignee: Freiberg Spurenmetalle Veb
Priority date: 1986-10-22
Filing date: 1986-10-22
Publication date: 1988-01-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Ueberwachung und Regelung von Kristallzuechtungsprozessen, insbesondere von Siliciumeinkristallzuechtungsprozessen. Erfindungsgemaess wird die von einem aus einer Schmelze wachsenden Kristall und die von der Schmelze selbst emittierte Temperturstrahlung mittels Photosensoren in Differenzsignale umgewandelt und die so ermittelte Temperaturverteilung mit der fuer den Kristallzuechtungsprozess typischen Temperaturverteilung ueber einen Prozessrechner in Uebereinstimmung gebracht. Zur Durchfuehrung des Verfahrens sind in einem optischen Abbildungssystem mindestens zwei Photosensoren auf einer Geraden, die senkrecht oder in einem Winkel zwischen 0 und 90 zur Erstarrungsfront des Kristalls steht, angeordnet.The invention relates to a method and an arrangement for monitoring and controlling Kristallzuechtungsprozessen, in particular of Siliziumeinkristallzuechtungsprozessen. According to the invention, the crystal growing from a melt and the tempering radiation emitted by the melt itself are converted into differential signals by means of photosensors and the temperature distribution determined in this way is brought into agreement with the temperature distribution typical for the crystal growth process via a process computer. For carrying out the method, in an optical imaging system, at least two photosensors are arranged on a straight line which is perpendicular or at an angle between 0 and 90 to the solidification front of the crystal.

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Überwachung und Regelung von Kristallzüchtungsprozessen, insbesondere von Siliciumeinkristallzüchtungsprozessen.The invention relates to a method and an arrangement for monitoring and controlling crystal growth processes, in particular of silicon monocrystalline growth processes.

Characteristic of the known state of the art

Es ist bekannt, zur Überwachung und Regelung von Kristallzüchtungsprozessen die Oberfläche der Schmelze und/oder die Erstarrungsfront mit einer Fernsehkamera zu erfassen. Des weiteren ist ein Verfahren zur Überwachung, Steuerung und Regelung von Kristallzüchtungsprozessen bekannt, wobei mit Hilfe der Thermografie ein im wachsenden Kristall bestehendes Temperaturfeld mit einem experimentell bzw. rechnerisch ermittelten Temperaturfeld in Übereinstimmung gebracht wird. Die von der Kristalloberfläche und der Schmelzzone ausgehende Wärmestrahlung wird über optische Mittel auf infrarotempfindliche Wandler, z. 8. auf die Fotohalbleiterschicht einer infrarotempfindlichen Bildaufnahmeröhre übertragen und in elektrische Bildsignale umgeformt. In einem speziellen Steuergerät werden Isothermensignale erzeugt, die die bildliche Darstellung von Isothermen der Kristalloberfläche auf einem Bildschreiber und somit die Ableitung von Korrektursignalen für den Züchtungsprozeß gestatten (DD-WP 161231). Nachteilig bei diesem Verfahren ist die komplizierte konstruktive Anordnung zur Durchführung des Verfahrens, so daß die Temperaturverteilung in unmittelbarer Nähe der Erstarrungsfront des Kristalls nicht mit der Genauigkeit ermittelt werden kann, die notwendig ist, um die durch die Änderungen der Züchtungsparameter bedingten Temperaturänderungen entsprechend genau darzustellen. Demzufolge ist auch die Regelung des Züchtungsprozesses nicht umfassend durchführbar.It is known to detect the surface of the melt and / or the solidification front with a television camera for monitoring and control of crystal growth processes. Furthermore, a method for monitoring, control and regulation of crystal growth processes is known, wherein with the aid of thermography an existing in the growing crystal temperature field is brought into agreement with an experimentally or computationally determined temperature field. The emanating from the crystal surface and the melting zone heat radiation is by optical means on infrared sensitive transducer, z. 8. transferred to the photo-semiconductor layer of an infrared-sensitive image pickup tube and converted into electrical image signals. Isothermal signals are generated in a special control unit which permit the visualization of isotopes of the crystal surface on a recorder and thus the derivation of correction signals for the growth process (DD-WP 161231). A disadvantage of this method is the complicated structural arrangement for carrying out the method, so that the temperature distribution in the immediate vicinity of the solidification front of the crystal can not be determined with the accuracy that is necessary to accurately represent the temperature changes caused by the changes in the growth parameters. Consequently, the regulation of the breeding process is not fully feasible.

Weitere Nachteile der bekannten Verfahren bestehen darin, daß aus der Abbildung der Schmelzzone bzw. der Erstarrungsfront lediglich geometrische Parameter abgeleitet und zur Regelung des Kristallzüchtungsprozesses verwendet werden und daß die auf dem Kristall gezeichneten Isothermen, besonders in der Nähe der Phasengrenze, durch ihre eigene Ausdehnung in Wachstumsrichtung die Temperaturunterschiede nicht mehr darstellen, weil die Differenzen zu klein sind und damit die Auflösung und Stabilität dieses Verfahrens zu gering ist.Further disadvantages of the known methods are that only geometric parameters are derived from the imaging of the molten zone or the solidification front and used to control the crystal growth process and that the isotherms drawn on the crystal, especially in the vicinity of the phase boundary, are characterized by their own expansion in FIG Growth direction the temperature differences no longer represent, because the differences are too small and thus the resolution and stability of this method is too low.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist ein Verfahren und eine Anordnung zur Überwachung und Regelung von Kristallzüchtungsprozessen, die eine genaue Ermittlung des Temperaturfeldes in der Nähe der Erstarrungsfront des Kristalls gewährleisten und eine umfassende Regelung des Züchtungsprozesses gestatten.The object of the invention is a method and an arrangement for monitoring and control of crystal growth processes, which ensure an accurate determination of the temperature field in the vicinity of the solidification front of the crystal and allow a comprehensive control of the breeding process.

Explanation of the essence of the invention

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Anordnung zu entwickeln zur Überwachung und Regelung von Kristallzüchtungsprozessen, insbesondere zur Züchtung von Siliciumeinkristallen, wobei die Temperaturverteilung sowie deren Veränderungen in der Nähe der Erstarrungsfront des Kristalls meßtechnisch so erfaßt werden, daß eine entsprechende Korrektur nach dem Vergleich mit einer für den jeweiligen Kristallzüchtungsvorgang typischen Temperaturverteilung erfolgen kann.The object of the invention is to develop a method and an arrangement for monitoring and controlling crystal growth processes, in particular for growing silicon single crystals, wherein the temperature distribution and its changes in the vicinity of the solidification front of the crystal are detected by measurement so that a corresponding correction to can be compared with a typical for the respective crystal growth process temperature distribution.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die von einem aus einer Schmelze wachsenden Kristall, insbesondere einem Siliciumeinkristall, und die von der Schmelze selbst emittierte Wärmestrahlung mittels einer linien- oder flächenhaften Photosensorenanordnung, die sich in einem optischen Abbildungssystem befindet und aus mindestens zwei räumlich getrennten Einzelelementen besteht, abgetastet wird, wobei Differenzsignale entstehen, deren Größe proportional der Temperaturänderung in dem begrenzten Bereich ist, und damit Temperaturverteilungen ermittelt werden, die mit der vorgegebenen Temperaturverteilung ständig in Übereinstimmung gebracht werden.According to the invention, the object is achieved in that the crystal growing from a melt, in particular a silicon monocrystal, and the heat radiation emitted by the melt itself by means of a linear or planar photosensor array, which is located in an optical imaging system and at least two spatially separated Consists of individual elements, is scanned, differential signals arise, the size of which is proportional to the temperature change in the limited range, and thus temperature distributions are determined, which are constantly brought into conformity with the predetermined temperature distribution.

Die Anordnung der Photosensoren in der Bildebene erfolgt auf einer Geraden, die senkrecht oder in einem Winkel zwischen 0° und 90° zur Erstarrungsfront des Kristalls steht. Die Photosensoren sind untereinander beliebig verschiebbar. Als Photosensoren werden Photodiodenzeilen verwendet.The arrangement of the photosensors in the image plane takes place on a straight line which is perpendicular or at an angle between 0 ° and 90 ° to the solidification front of the crystal. The photosensors are mutually displaceable. Photodiode lines are used as photosensors.

Die Erfindung wird anhand eines Beispiels und einer Zeichnung näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to an example and a drawing.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung bestehend aus der Linse 3, Photosensoren 4.1, 4.2,4.3,4.4 und 4.5, dem Verstärker 5, dem Multiplexer 6, dem Analog-Digital-Wandler 7 und dem Prozeßrechner 8.Figure 1 shows a schematic representation of the inventive arrangement consisting of the lens 3, photosensors 4.1, 4.2.4.3, 4.4 and 4.5, the amplifier 5, the multiplexer 6, the analog-to-digital converter 7 and the process computer. 8

Die emittierte Wärmestrahlung des Siliciumeinkristallsi und der Schmelze 2 wird über das optische Abbildungssystem 3 auf die infrarotempfindlichen Photosensoren 4.1 bis 4.5, die in der Bildebene 4 angeordnet sind, übertragen. Die Signalströme der Photosensoren werden mittels Verstärker 5 in verarbeitbare Signalspannungen verstärkt. Der Zeitmultiplexer 6 führt diese Signalspannungen über den Analog-Digital-Wandler 7 dem Prozeßrechner 8 zu. Der Rechner 8 ermöglicht die Korrektur des nichtlinearen Zusammenhangs zwischen Temperatur und Größe des elektrischen Signals, so daß jedem Signalwert eine reale Temperatur entspricht.The emitted thermal radiation of the silicon monocrystal i and the melt 2 is transmitted via the optical imaging system 3 to the infrared-sensitive photosensors 4.1 to 4.5, which are arranged in the image plane 4. The signal currents of the photosensors are amplified by amplifier 5 into processable signal voltages. The time multiplexer 6 supplies these signal voltages to the process computer 8 via the analog-to-digital converter 7. The computer 8 allows the correction of the non-linear relationship between temperature and magnitude of the electrical signal, so that each signal value corresponds to a real temperature.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch die Anordnung der Photosensoren die relevanten Meßorte an der Oberfläche des Kristalls und/oder der Schmelze erfaßt werden. Darüber hinaus gestattet die Anordnung der Photosensoren auch das gleichzeitige Abtasten einer homogen emittierenden Linie in einem zu untersuchenden Temperaturgebiet. Dadurch ist es möglich, die Empfindlichkeit der Photosensorelemente sehr genau abzugleichen.The advantage of the invention is that the relevant measuring locations on the surface of the crystal and / or the melt are detected by the arrangement of the photosensors. In addition, the arrangement of the photosensors also allows the simultaneous scanning of a homogeneous emitting line in a temperature range to be investigated. This makes it possible to adjust the sensitivity of the photosensor elements very accurately.

Insgesamt wird mit der Erfindung eine hohe Auflösung und Stabilität der Meßwerte erzielt und dadurch eine exakte Regelung des Kristallzüchtungsprozesses durchführbar.Overall, a high resolution and stability of the measured values is achieved with the invention and thereby an exact control of the crystal growing process feasible.

Claims

A method for monitoring and controlling crystal growth processes, in particular of silicon monocrystalline growth processes, wherein an actual value is detected and compared with a desired value and matched by a computer, characterized in that the of a melt from a melt (2) growing crystal (1) and by the melt (2) itself emitted temperature radiation by means of at least two spatially separated photosensors (4.1, 4.2) in difference signals whose size is proportional to the change in temperature in the respective limited area is converted.

2. Arrangement for monitoring and controlling crystal growth processes, characterized in that in an optical imaging system (3) at least two photosensors (4.1,4.2) on a straight line perpendicular or at an angle between 0 ° and 90 ° to the solidification front of the crystal ( 1), are arranged.

3. Arrangement according to item 2, characterized in that the photosensors (4.1,4.2) are arranged freely displaceable with each other.

4. Arrangement according to item 2 and 3, characterized in that are used as photosensors (4.1, 4.2) photodiode cells.