DD258427A1

DD258427A1 - METHOD AND ARRANGEMENT FOR MONITORING AND REGULATING CRYSTAL CROPS PROCESSES

Info

Publication number: DD258427A1
Application number: DD30081787A
Authority: DD
Inventors: Werner Geil; Wolfgang Heinemann; Roland Gruetze; Frank Reinhardt; Klaus Schmugge; Fritz Stiehler; Elke Bormann
Original assignee: Freiberg Spurenmetalle Veb
Priority date: 1987-03-16
Filing date: 1987-03-16
Publication date: 1988-07-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Ueberwachung und Regelung von Kristallzuechtungsprozessen. Erfindungsgemaess wird die von einem aus einer Schmelze wachsenden Kristall und die von der Schmelze selbst emittierte Temperaturstrahlung ueber ein optisches Abbildungssystem mittels pendelnden Photosensors erfasst und in ein Wechselsignal umgewandelt. Sensor und Abbildungssystem sind unabhaengig voneinander bewegbar und ermoeglichen die Abtastung mehrerer raeumlich getrennter Bildpunkte.The invention relates to a method and an arrangement for monitoring and controlling Kristallzuechtungsprozessen. According to the invention, the crystal growing from a melt and the temperature radiation emitted by the melt itself are detected by means of an oscillating photosensor via an optical imaging system and converted into an alternating signal. Sensor and imaging system are independent of each other movable and allow the scanning of several spatially separated pixels.

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Überwachung und Regelung von Kristallzüchtungsprozessen, insbesondere von Siliciumeirikristallzüchtungsprozessen.The invention relates to a method and an arrangement for monitoring and controlling crystal growth processes, in particular of silicon-iron crystal 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 gebrächt wird. Die von der Kristalloberfläche und der Schmelzzone ausgehende Wärmestrahlung wird über optische Mittel auf infrarotempfindliche Wandler, zum Beispiel 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 gebächt with an experimentally or computationally determined temperature field in accordance. The thermal radiation emanating from the crystal surface and the melting zone is transferred via optical means to infrared-sensitive transducers, for example 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

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zu entwickeln zur Überwachung und Regelung von Kristallzüchtungsprozessen, insbesondere von Prozessen der Siliciumeinkristallzüchtung, wobei die Temperaturverteilung sowie deren Veränderungen in der Nähe der Erstarrungsfront des Kristalls meßtechnisch erfaßt und mit einer für den jeweiligen Kristallzüchtungsvorgang typischen Temperaturverteilung verglichen werden. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurchThe invention has for its object to develop a method and an arrangement for monitoring and control of crystal growth processes, in particular of processes of Siliziumeinkristallzüchtung, wherein the temperature distribution and their changes in the vicinity of the solidification front of the crystal detected by measurement and with a typical for the respective crystal growth process Temperature distribution can be compared. According to the invention, this object is achieved

gelöst, daß abwechselnd zwei räumlich getrennte Bildpunkte abgetastet werden und ein Wechselsignal erzeugt wird, dessen Größe der Temperaturdifferenz in dem jeweiligen begrenzten Gebiet entspricht. Durch Überlagerung einer weiteren Bewegung wird die Verteilung der Temperaturgradienten in dem durch die überlagerte Bewegung begrenzten Bereich ermittelt. Zur Durchführung des Verfahrens ist eine Anordnung vorgesehen, die einen punktförmigen Photosensor und ein Abbildungssystem aufweist, wobei der Sensor und das Abbildungssystem unabhängig voneinander bewegbar sind und der Sensor periodisch oszilliert. Darüber hinaus ist ein sich veränderndes lichtbrechendes Medium, zum Beispiel ein schwingender Spiegel, vorgesehen.solved that alternately two spatially separated pixels are sampled and an alternating signal is generated, whose size corresponds to the temperature difference in the respective limited area. By superposing a further movement, the distribution of the temperature gradients in the area bounded by the superimposed movement is determined. To carry out the method, an arrangement is provided which has a punctiform photosensor and an imaging system, wherein the sensor and the imaging system are movable independently of each other and the sensor oscillates periodically. In addition, a changing refractive medium, for example a vibrating mirror, is provided.

Der sich in der Bildebene befindende Photosensor oszilliert periodisch, vorzugsweise in Wachstumsrichtung des Kristalls. Dabei wird ein Wechselsignal erzeugt, das aus einem unteren und einem oberen Grenzwert besteht. Die Größe des Wechselsignals entspricht der Temperaturdifferenz der erfaßten Grenzwerte. Wird das Abbildungssystem mit dem Photosensor entlang einer Meßstrecke am Objekt geführt, so läßt sich die Gradientenfunktion der Temperatur ermitteln. Durch Integration der Gradientenfunktion resultiert die Temperaturverteilung entlang der Meßstrecke. Der Temperaturgradient und die Temperaturverteilung werden mit einer vorgegebenen Führungsgröße, die für den betreffenden Kristallzüchtungsprozeß typisch ist, fortwährend in Übereinstimmung gebracht.The photosensor located in the image plane oscillates periodically, preferably in the growth direction of the crystal. In this case, an alternating signal is generated, which consists of a lower and an upper limit. The size of the alternating signal corresponds to the temperature difference of the detected limit values. If the imaging system is guided with the photosensor along a measuring path on the object, then the gradient function of the temperature can be determined. Integration of the gradient function results in temperature distribution along the measuring path. The temperature gradient and the temperature distribution are continually matched with a given command value typical of the particular crystal growth process.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung wird anhand eines Beispiels und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to an example and accompanying drawings.

Fig. 1: zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung.Fig. 1: shows a schematic representation of the arrangement according to the invention.

Sie besteht aus dem optischen Abbildungssystem 3, der Bildebene 4 und dem Photosensor 6. Fig. 2: sieht zusätzlich einen Schwingspiegel? vor.It consists of the optical imaging system 3, the image plane 4 and the photosensor 6. FIG. 2: additionally sees a vibrating mirror? in front.

Die Temperaturstrahlung des Kristalls 1 und der Schmelze 2 wird über ein optisches Abbildungssystem 3 auf einen in der Bildebene 4 befindlichen punktförmigen Photosensor 6, der in der Wachstumsrichtung des Kristalls periodisch um einen konstanten Betrag pendelt, übertragen. Der Photosensor 6 liefert dann ein Signal, das der mittleren Temperatur im periodisch abgetasteten Temperaturbereich entspricht. Mit dem Photosensor 6 wird genau ein Bildpunkt 5 gemessen. Um weitere Meßpunkte 5 zu erfassen, wird die Lage des Sensors 6 durch mechanische oder elektromechanisch^ Bewegung verändert oder eine Bildüberlagerung durch die Bewegung des Sensors 6 und des optischen Abbildungssystems 3 erzeugt. Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung, wonach die Übertragung der Bildpunkte 5 mittels eines schwingenden Spiegels 7 erfolgt. Die Verwendung eines pendelnden Photosensors hat den Vorteil, daß bei einem Einblick in den Rezipienten unter ungünstigem Winkel, wie zum Beispiel beim Züchten von Einkristallen nach dem Czochralskiverfahren, mehrere Meßpunkte an der Oberfläche des Kristalls und/oder der Schmelze erfaßt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet, kleinste Temperaturdifferenzen mit großer Genauigkeit und Stabilität zu ermitteln und räumlich sehr eng beieinanderliegende Gebiete aufzulösen. Veränderungen im abgetasteten Oberflächengebiet des Kristalls sind sofort erkennbar und entsprechend regelbar.The temperature radiation of the crystal 1 and the melt 2 is transmitted via an optical imaging system 3 to a point-shaped photosensor 6 located in the image plane 4, which oscillates periodically in the growth direction of the crystal by a constant amount. The photosensor 6 then provides a signal corresponding to the mean temperature in the periodically sampled temperature range. With the photosensor 6, exactly one pixel 5 is measured. In order to detect further measuring points 5, the position of the sensor 6 is changed by mechanical or electromechanical movement or an image overlay is generated by the movement of the sensor 6 and of the optical imaging system 3. FIG. 2 shows a further embodiment of the arrangement according to the invention, according to which the transmission of the pixels 5 takes place by means of an oscillating mirror 7. The use of a pendulum photosensor has the advantage that when a view into the recipient at an unfavorable angle, such as when growing single crystals according to the Czochralskiverfahren, several measuring points on the surface of the crystal and / or the melt are detected. The method according to the invention makes it possible to determine the smallest temperature differences with great accuracy and stability and to dissolve regions which are very close to each other in space. Changes in the scanned surface area of the crystal are instantly recognizable and controllable accordingly.

Claims

Method for monitoring and controlling crystal growth processes, in particular of silicon monocrystalline growth processes, in which an actual value is detected and compared with a desired value and matched by means of a computer, characterized in that the crystal growing from a melt (2) (1) and the temperature radiation emitted by the melt (2) itself is scanned alternately at two spatially separated pixels (5) with the aid of a point-shaped photosensor (6) and converted into an alternating signal whose magnitude corresponds to the temperature difference in the respective limited range.

2. The method according to claim 1, characterized in that by superimposing a further movement, for example of the imaging system (3), the distribution of the temperature gradient is determined in the limited by the superimposed movement area.

3. Arrangement for monitoring and control of crystal growth processes using a point-shaped photosensor and an optical imaging system, characterized in that the photosensor (6) arranged movably and the imaging system (3) independently of the photosensor (6) is movable.

4. Arrangement according to claim 3, characterized in that the photosensor (6) oscillates periodically.

5. "Arrangement according to claim 3, characterized in that in the image plane (4) a movable refractive medium (7) is provided.