DD273459A1

DD273459A1 - Verfahren und anordnung zur bestimmung von kristallradius, -querschnittsform und vertikaler kristallkeimposition beim kristallzuechtungsverfahren nach czochralski

Info

Publication number: DD273459A1
Application number: DD31731888A
Authority: DD
Inventors: Peter-Timm Scheel; Sabine Hammer; Dieter Kunke; Peter Wiedemuth
Original assignee: Steremat Veb
Priority date: 1988-06-29
Filing date: 1988-06-29
Publication date: 1989-11-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Bestimmung von Kristallradius, -querschnittsform und vertikaler Kristallkeimposition beim Kristallzuechtungsverfahren nach Czochralski, wie sie fuer die Automatisierung des Zuechtungsablaufs benoetigt wird. Durch die Erfindung soll eine Anordnung gefunden werden, mit der die Messwerterfassung waehrend aller Phasen des Zuechtungsablaufs vom Einschmelzen bis zum Herausheben des fertigen Kristalls realisiert werden kann. Ausgehend von der Projektion des wachsenden Kristalls sowie der Schmelze im Bereich der Dreiphasenlinie "fest - fluessig - gasfoermig" auf eine CCD-Zeile, wird die Aufgabe der Erfindung dadurch geloest, dass die Messung n-mal waehrend einer Umdrehung des Kristalls ablaeuft und mit der Rotation der Ziehspindel synchronisiert ist und dass nach erfolgter Digitalisierung und Zwischenspeicherung der Bildinformation eine Auswertung der winkelbezogenen Helligkeitsverteilung vorgenommen wird.

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung von Kristallradius, -querschnittsform und -position beim Tiegelzüchtungsverfahren nach Czochralski. Sie ist anwendbar bei der Kristallzüchtung von Materialien sowie bei Ziehanlagen, bei welchen eine Pi ojektion von Kristall und Schmelze im Gebiet der Phasengrenzo ouf eine optische Sensoranordnung möglich ist und aus gegebenen Helligkeitsunterschieden eine dem Kristallradius bzw. Lage und Form der elliptischen Meniskusreflexion ansprechende Information ableitbar ist,

Charakteristik dos bekannten Standes der Technik

Es sind Anordnungen bekannt, bei denen Position und/oder Intensität des helleuchtenden Meniskusrings mittels optoelektronischer Sensoren in ein durchmesssrpropiTtionales elektrisches Signal umgeformt werden. In der DE-PS 1619967, IPK B01 J,17/18ist eine Anordnung boschrieben, bei derzur Durchmessererfassung ein unter dem Winkela = 5"bisa - 12°auf den Meniskusring ausgerichtetes optisches Pyrometer benutzt wird. Nach Verstärkung wird das Ausgangssignal einer Regeleinrichtung zum Zweck der Konstanthaltung des Kristalldurchmessers zugeführt. Zur Anpassung an Änderungen de^r Schmelzenbadhöhb ;owio Kir unterschiedliche Kristalldurchmesser i?; das Pyrometer mittels Feingdwinde-Stellschraube bzw. ülektrischom Antrieb justierbar. Bedingt durch die nichtlineare Helligkeitsverteilung der Meniskusellipse und die kreisförmige, flächenhafte Ausdehnung des Pyrometer-Meßflecks ist der Meßbereich auf etwa +2mm Abweichung des Kristalldurchmessers begron/t. Größere Abweichungen erfordern Änderungen der mechanischen Justierung, die jedoch durch die gleichzeitig auftretenden Ausqangssignaländerungon zu unverwünschten Stellgrößenauslenkungen mit hoher Amplitude führen können. Mit der Lösung nach US-PS 3692499, IPK B01J, 17/18 werden diese Nachteile weitgehend vermieden. Es kommen drei lineare Sensoranordnungen, nach dem Ausführungsbeispiel bestehend aus jeweils fünf diskreten Elementen, welche unter einen Einblickwinkel von α = 18° bis α = 30° auf verschiedene Positionen des Meniskusrings ausgerichtet, sind zur Anwendung. Eine auf analoger Gchaltungstechnik baisierendo Auswerteeinrichtung ermöglicht dio gegenüber Taumeln des Kristalls sowie Schmelzenbidhöhenänderungen unempfindliche Erfassung des Kristalldurchmessers. Auch bei dieser Anordnung ist zur Sicherung der Meßgenauigkeit eine mechanisch exakte Justierung dsr Sensoranordnung erfordeilich. Der Linearitätsbereichfür die Durchmessererfassung ist auch hier auf wenige mm begrenzt, so daß sich die Anwendbarkeit dieser Anordnung hauptsächlich auf das Ziehen des Kristallrurnpfs erstreckt.

In der US-PS 4350557IPK C30B, 15/26 ist eine Anordnung beschtieben, bei der ebenfalls ein optoelektronischer Sensor zur Durchmessererfassung eingesetzt wird. B<a\ der Auswartung erfolgt eine init der Kristeilrotation synchrone Integration der Ausgangsspannung des Sensors zur Unterdrückung des Einflusses dos niciit exakt zylinderförmigen Kristallquerschnitt auf die Maßwerterfassung.

Ziel iler Erfindung

Oio Erfindung bezweckt eine Vereinfachung und Verbesserung der bekannten Meßverfahren, insbesondere die Erweiterung des Maßsystems mit dem Ziel eines durchgängig automatischem Züchtungsablaufes.

Darlegung des Wesens riw Erfindung

Dei Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßwerterfassung und Überwachung des Kristallziehprozesses, beginnend bei der Phase „Stabilisieren der Schmelztomperatur", bis zum Herausheben des fertigen Einkristalls aus der Restschmelze zu realisieren.

Ei findungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eins Bestimmung der charakteristischen Parameter Kristallradius, -querschnittsform und vertikale Kristallposition erfolgt, indem von einer auf der Ziehstange angeordneten Synchronisationseinrichtung in einer festgelegten Winkelstellung β = 0° der Ziehstange, für die gilt: β = 360° - Δβ, wobei die Winkelauflösung Δβ sich aus dem Produkt der Integrationszeit I₁ einer CCD-Zeile einer CCD-Zeilenkamera und der Winkelgeschwindigkeit to_u der Ziehspindel ergibt, ein Impuls an eine Auswerteeinrichtung übertragen wird, danach das auf die Winkelstellung bezogene Abbildung des Kristaüquerschnitts vermessen und in zwei Auswerteeinheiten gespeichert wird. Der Meßablauf wird nach Ablauf der Integrationszeit erneut vorgenommen und insgesamt η-mal während einer Umdrehung der Ziehspindel wiederholt. Dabei ist η das Verhältnis von Gesamtkrois zur Winkelauflösung Δβ. Das winkelbezogene Abbild des Kristallquerschnitts wird ständig mit einem vorgegebenen Modellbild verglichen und die charakteristischen Parameter unmittelbar an der kristallisierenden Phasengrenze werden berechnet.

Dazu wird eine CCD-Zeilenkamera unter einem Winkel α < 90° zur Ziehstange so angeordnet, daß die Schnittpunkte des Strahlenganges der beiden äußeren Sensorelomente der CCD-Zeile einmal auf der Kristallachse in einer Höhe >0,5 Kristallradius über der Schmelzoberfläche und zum anderen auf der Schmelzoberfläche in einer Entfernung > 1,05 · Xristallradius von der Kristallachse liegen. Die CCD-Zeilenkamera ist mit einer die Meßwerterfassung mit der Kristallrotation synchronisierenden Auswerteeinheit und diese mit einer weiteren, die charakteristischen Parameter Kristallradius,-querschnittsform und Position der Schmnlzoberfläche berechnenden elektronischen Auswerteeinheit gekoppelt. Durch die Synchronisation der Meßwerterfassung mit der Kristallrotation wird der durch Facetten bzw. ebei e Flächen am Kristallmantel nicht exakt runde Kristallquerschnitt berücksichtigt. Einflüsse einer exzentrischen oder taumelnden Kristallrotation werden ebenfalls kompensiert.

Eine hohe Genauigkeit bei der Erfassung der axialen Helligkeitsverteilung der Meniskusreflexion sichert eine hohe Genauigkeit der Parameterberechnung und ermöglicht die sofortige Erkennung von Lageänderungen des Helligkeitsmaximuu, so daß eventuellen Havariesituationen entgegengewirkt werden kenn.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel mit dem Kristalldurchmesser 150mm erläutert. Fig. 1 zeigt die schematische Übersichtsdarstellung der erfindungsgemäßen Anordnung für die Silizium-Einkristallzüchtung, wobei sich der Züchtungsprozeß in der Anfangsphase des Rumpfziehens befindet.

Hier nicht näher bezeichnete Antriebseinrichtungen gewährleisten Hübe und Rotationen von Ziehspindel und Tiegel in denJn Fig. 1 symbolisierten Richtungen.

Die CCD-Zeilenkamora 1, welche im wesentlichen die CCD-Zeile 2 und eine Optik 3 sowie eine Schaltung zur Steuerung primärer Kamerafunktionen beinhaltet, ist unter einem Winkel α < 90° an der Kristallziehanlage angebracht und optisch sowie mechanisch so justiert, daß sich die Schnittpunkte S₍ und S₂ des Strahlengangs der Projektion auf die beiden äußeren Sensorelemente der CCD-Zeile 2 mit der Kristallachse und der Sc>,melzbadoberflache im Radius-Höhen-Koordinatensystem nach Fig. 1 ergeben und weiterhin die Zeile exakt auf die Achse ζ der Ziehspindel bzw. des Kristalls ausgerichtet ist. Dabei ist S, der Schnittpunkt mit der Kristallachse in der Höhe z_mtn > 0,5 · Kristallradius über der Schmelzenbadoberfläche und S₂ der Schnittpunkt mit der Schmelzenbadoberfläche im Abstand t_min s 1,05 Kristallradius von der Kristallachse. Im Ausführungsbeispiel wurden z_max = 37,5 mm und T_013x = 79 mm gewählt.

In der Prozeßanfangsphase, beim Absenken des Keimkristalls über die Schmelzenoberfläche ist dieser somit in einer Höhe z_max erkennbar und bei ζ < z_max positionierbar. Bedingt durch das temperaturabhängige, unstetige Emissionsvermögen von Silizium am Schmelzpunkt bzw. den bei den gegebenen Einblickverhältnissen und der Züchtung nahezu zylindrischer Kristallabschnitte sichtbaren helleuchtenden Miniskusring sind wurde die stets gegebene Kristallrotation in allen Prozeßphasen, beginnend mit dem Stabilisieren und endend mit dem Herausheben des fertigen Kristalls, die für Meß- und Überwachungszwecke benötigten Informationen über Kristallradius, -querschnitt und -position aus der Helligkeitsverteilung, d.h. aus dem Verlauf des erfaßten Videosignals entnehmbar. Entsprechend der Anzahl lichtempfindlicher Sensoren der CCD-Zeile 2 ergibt sich eine Quantisierung in Richtung der Achse z, weiterhin eine Amplitudenquantisierung des leuchtdichteproportionalen Videosignalverlaufs resulierend aus der Auflösung des Analog-Digital-Wandlers. Die Synchronisationseinrichtung 4 liefert in einer bestimmten Winkelstellung der Ziehspindel einen Impuls an die Ausweiteeinrichtung I, wodurch der Meßvorgang ausgelöst wird. Dabei erfolgt die Übernahme des Videosignals der CCD-Zeile in die Auswerteeinrichtung I. Das digitalisierte Videosignal wird an die Auswerteeinrichtung Il übergeben und in einem Speicher abgelegt. Nach Ablauf der Integrationszeit der CCD-Zeile wird dieser Zyklus wiederholt und läuft insgesamt η-mal während einer Umdrehung der Ziehspindel ab. Nach einer vollständigen Umdrehung der Ziehspindel liegen in der Auswerteeinrichtung Il η winkelbezogene Informationen des entsprechenden Videosignalverlaufs vor.

Eine einfache Möglichkeit zur Auswertung besteht darin, daß die Nummer des Sensorelementes, bei welchom die Differenz der Helligkeitswerte zwischen dem Bezugspegel Schmelze und dem Meniskusring einen festgelegten Wert, beispielsweise 40% übersteigt, als Maß für den winkelbozogenon Krist.illradius bzw. die Position dt Meniskusellipse registriert wird. Diese Werte ergeben in Ihrer Gesamthoit ein Abbild des Kristallquerschnitts. Mittels der Auswerteeinrichtung Il können in einfacher Weise charakteristische Daten, wie z. B. mittlerer Radius, minimaler Radius und Wachstumsfacetten der Kristallsymmetrie berechnet und zur weiteren Verarbeitung an die Steuereinrichtung dor Kristallziehanlage übergeben werden.

Claims

1. Verfahren zur Be timmung von Kristallradius, -querschnittsform und vertikaler Kristallkeimpositiorι beim Kristallzüchtungsverfahren nach Czochralski, gekennzeichnet dadurch, daß von einer auf der Kristallziehstange angeordneten Synchronisationseinrichlung (4) in einer festgelegten Winkelstellung der Ziehstange β = 0 ein Impuls an eine Auswerteeinrichtung (I) angegeben wird, wodurch der Meßvorgang, nämlich das zu dieser Winkelstellung β = 0 gehörige Abbild des Kristallquerschnittes in einer CCD-Zeile (2)einerZeilenkamera (1) durch eine Auswerteinrichtung (I) ausgelesen und in den Speicher einer Auswerteinrichtung (II) übernommen wird, ausgelöst wird und nach Ablauf der Integrationszeit t| der CCD-Zeile (2) sich der Meßzyklus bei der Winkelstellung der Ziehspindel β = 360° - ω_κ · ti wiederholt, wenn ωχ die Winkelgeschwindigkeit der Ziehspindel ist, wobei der Meßzyklus bei eine·· Umdrehung der Ziehspindel n-mal = 3607ω_κ · t| wiederholt wird, weiterhin gekennzeichnet t dadurch, daß das t>rhaltene winkelbezogene Abbild des Kristallquerschnitts mit einem eingegebenen Modelbild durch die Auswerteeinrichtungen (I; II) verglichen wird, um Aussagen zum Zustand des Kristallwachstums unmittelbar an der Phasengrenze zu erhalten.

2. Anordnung zur Bestimmung von Kristallradius, -querschnittsform und vertikaler Kristallkeimposition beim Kristallzüchtungsverfahren nach Czochralski, dadurch gekennzeichnet, daß eine CCD-Zeilenkamera (1) unter einem Winkel (α) <90° zur Achse der Kristallziehstange so angeordnet ist, daß die Schnittpunkte (Si; S₂) des Strahlenganges der beiden äußeren Sensorelemente der CCD-Zeile (2) einmal auf der Kristallachse in eine Höhe (Zmox) ^0,5 · Kristallradius über der Schmelzoberfläche und 7um anderen in der Entfernung (iw) — 1 <05 · Kristallradius von der Kristallachse auf der Schmelzoberfläche liegen und daß die CCD-Zeilenkamera (1) mit einer durch die Kristallrotation synchronisierten Auswerteeinrichtung (I) zur Übernahme des Videosignals der CCDZeile (2) und diesen Auswerteeinrichtung (I) mit einer weiteren die charakteristischen Parameter Kristallradius, -querschnittsform und vertikale Kristallposition ermittelnden elektronischen Auswerteeinheit (II) gekoppelt ist.