DE10110635A1 - Verfahren zum automatischen Steuern einer Kristallziehanlage und Kristallziehanlage zur Durchführung dieses Verfahrens - Google Patents

Abstract

Eine Kristallziehanlage hat einen als CCD-Kamera ausgebildeten, optischen Sensor (13), der zur Gewinnung eines Sensorsignals bei Erreichen einer kurz oberhalb der Schmelze (3) befindlichen Position eines Impfkristalls (7) dient. Ein weiterer Sensor (14) ist zum Detektieren des Berührens der Schmelze (3) durch den Impfkristall (7) vorgesehen. Zum Kristallziehen wird der Impfkristall (7) zunächst abgesenkt, bis der optische Sensor (13) eine Position unmittelbar oberhalb der Schmelze (3) meldet. Dann schaltet man auf eine geringe Absenkgeschwindigkeit um. Das anschließende Berühren der Schmelze (3) durch den Impfkristall (7) meldet der weitere Sensor (14), so dass das Eintauchen und anschließende Kristallziehen vollautomatisch und mit hoher Zuverlässigkeit erfolgen kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatischen Steuern einer Kristallziehanlage, bei dem zunächst ein Impfkristall bis in eine sich in einem Tiegel befindliche Schmelze abgesenkt und anschließend mit der Geschwindig­ keit des Kristallwachstums zur Bildung eines Kristall­ blockes aus der Schmelze herausgezogen wird und bei dem zur Steuerung ein in das Innere der Kristallziehanlage zur Schmelze hin gerichteter optischer Sensor dient. Wei­ terhin betrifft die Erfindung eine Kristallziehanlage zur Durchführung dieses Verfahrens.

Ein Verfahren und Kristallziehanlagen der vorstehenden Art sind derzeit bekannt und gebräuchlich. Eine nach dem weit verbreiteten und die vorgenannten Verfahrensmerkmale aufweisenden Czochralski-Prozess arbeitende Kristallzieh­ anlage ist beispielsweise in der DE 28 21 481 A1 be­ schrieben. Diese Schrift erläutert, dass zu Beginn des Kristallziehens zunächst ein Impfkristall bis in die Schmelze abgesenkt und anschließend mit dem Ziehprozess begonnen wird. Da das Kristallziehen mit Geschwindigkei­ ten in der Größenordnung von einigen mm pro Stunde bis zu einigen mm pro Minute erfolgt und die zu erzeugenden Kristallböcke mehrere m lang sein können, dauert der ei­ gentliche Ziehprozess relativ lange. Er erfolgt in der Praxis automatisch, indem man mit einer CCD-Kamera den Durchmesser des Kristallblockes überwacht und zur Erzie­ lung eines gleichmäßigen Durchmessers des Kristallblockes insbesondere die Ziehgeschwindigkeit und die Temperatur der Schmelze in Abhängigkeit vom detektierten Kristall­ blockdurchmesser überwacht.

Das Absenken des Impfkristalls zur Schmelze hin, das er­ forderliche Aufwärmen des Impfkristalls durch Verweilen des Impfkristalls in unmittelbarer Nähe der Schmelze und das Absenken des Impfkristalls in die Schmelze hat man bislang nicht automatisieren können und deshalb diesen Teil des Kristallziehprozesses von Hand gesteuert, indem über ein Schauglas der Vorgang des Absenkens und Eintau­ chens beobachtet wurde. Der Grund für die fehlende Auto­ matisierung dieses Prozessabschnittes liegt darin, dass bisher eine Überwachung der Position des impfkristalls mit der erforderlichen Genauigkeit nicht möglich war. Man könnte zwar daran denken, die Höhe des Schmelzenspiegels optisch zu ermitteln und nach Ermittlung der anfänglichen Position des Impfkristalls den Absenkweg des Impfkris­ talls numerisch zu steuern, jedoch hat sich eine solche Überwachung und Steuerung als zu ungenau erwiesen. Das liegt daran, dass infolge hoher Temperaturen in der An­ lage, des erforderlichen relativ großen Hubes des Impf­ kristalls und anlagebedingter Toleranzen zu große Unge­ nauigkeiten auftreten, um das Eintauchen in die Schmelze und das anschließende Herausziehen ausreichend genau zu überwachen.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren zum vollautomatischen Steuern einer Kristallziehanlage zu entwickeln, welches auch den Vorgang des Vorwärmens und Eintauchens des Impfkristalls in die Schmelze und damit den Startvorgang des Kristallziehens einschließt. Weiter­ hin soll eine Kristallziehanlage zur Durchführung dieses Verfahrens geschaffen werden.

Das erstgenannte Problem wird erfindungsgemäß dadurch ge­ löst, dass der optische Sensor beim Absenken des Impfkristalls zur Gewinnung eines Sensorsignals zu einem sol­ chen Zeitpunkt benutzt wird, an dem sich der Impfkristall kurz oberhalb der Schmelze befindet, dass anschließend der Impfkristall mit einer so stark verminderten Ge­ schwindigkeit abgesenkt wird, dass sich der Impfkristall bis zum Eintauchen in die Schmelze ausreichend erwärmt, und dass mittels eines weiteren Sensors das Berührens der Schmelze durch den Impfkristall detektiert und danach das Eintauchen und der automatische Ziehvorgang gestartet wird.

Durch diese Verfahrensweise erkennt die Steuerung der Kristallziehanlage, dass sich der Impfkristall unabhängig von anlagebedingter Toleranzen oder Wärmedehnungen seines Vorschubantriebs unmittelbar vor dem Schmelzenspiegel be­ findet. Die dann erfolgende Absenkung des Impfkristalls mit stark verminderter Geschwindigkeit ermöglicht es dem Impfkristall, aufgrund der geringen Nähe zur Schmelze und der von der Schmelze abgegebenen Wärme sich ausreichend zu erwärmen, um anschließend in die Schmelze eingetaucht zu werden. Die Überwachung des Berührens des Schmelzen­ spiegels durch den Impfkristall ermöglicht es, den Impf­ kristall um einen exakten Betrag in die Schmelze einzu­ tauchen und anschließend automatisch den Ziehvorgang zu starten. Die durch die Erfindung mögliche Automatisierung des Eintauchens und des Startens des Kristallziehens führt zu einer höheren und zuverlässig reproduzierbaren Qualität des erzeugten Kristallblockes und schließt Feh­ ler aus, die bei einer manuellen Steuerung zu Beginn des Prozesses eintreten können. Weiterhin arbeitet das erfin­ dungsgemäße Verfahren durch die Erstreckung der Automati­ sierung auch auf den anfänglichen Prozessverlauf wirt­ schaftlicher als das bisherige manuelle Verfahren.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens besteht darin, dass als optischer Sensor eine CCD-Kamera benutzt und zur Bildauswertung die Helligkeitsverteilung über eine Messlinie ermittelt wird, die der Impfkristall kurz oberhalb der Schmelze erreicht. Eine solche CCD-Kamera als optischer Sensor hat gegenüber anderen optischen Sen­ soren, beispielsweise Lichtschranken, den Vorteil, dass die CCD-Kamera relativ weit von dem Schmelzenspiegel ent­ fernt angeordnet werden kann und lediglich schräg auf die Mitte des Schmelzenspiegels gerichtet sein muss. Deshalb stört die relativ weit nach oben hin den Schmelzenspiegel überragende Tiegelwandung und die den Tiegel zusätzlich nach oben hin überragende, elektrische Beheizung des Tie­ gels nicht den optischen Sensor. Weiterhin vermag eine CCD-Kamera auch dann die Annäherung des Impfkristalls an den Schmelzenspiegel ausreichend genau zu überwachen, wenn der Schmelzenspiegel aufgrund von Prozessen in der Schmelze relativ unruhig ist. Auch kann mittels einer CCD-Kamera die Annäherung des Impfkristalls an den Schmelzenspiegel problemlos auch dann überwacht werden, wenn der Schmelzenspiegel verfahrensbedingt in unter­ schiedlichen Höhenpositionen steht.

Das Berühren der Schmelze kann mit sehr hoher Genauigkeit und ungestört von den für Sensoren ungünstigen Bedingun­ gen unmittelbar oberhalb des Schmelzenspiegels erfasst werden, wenn man gemäß einer anderen Weiterbildung des Verfahrens den Tiegel und den Impfkristall elektrisch voneinander trennt und jeweils an eine Stromquelle an­ schließt und mittels eines Stromsensors den Stromfluss zwischen dem Tiegel und dem Impfkristall überwacht.

Das zweitgenannte Problem, nämlich die Schaffung einer Kristallziehanlage zur Durchführung des Verfahrens, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der optische Sensor zur Gewinnung eines Sensorsignals bei Erreichen einer kurz oberhalb der Schmelze befindlichen Position des Impfkristalls ausgebildet und ein weiterer Sensor zum Detektieren des Berührens der Schmelze durch den Impfkris­ tall vorgesehen ist. Eine solche Anlage ermöglicht es, das Kristallziehen von Anfang an automatisch zu betrei­ ben, so dass das Verfahren besonders wirtschaftlich wird und sich eine besonders gleichmäßige Qualität des erzeug­ ten Kristallblockes ergibt.

Vorteilhaft ist es, wenn gemäß einer Weiterbildung der Erfindung der optische Sensor eine CCD-Kamera ist, der eine elektronische Bildauswertung zur Bestimmung der Hel­ ligkeitsverteilung über eine Messlinie zugeordnet ist, die der Impfkristall kurz oberhalb der Schmelze erreicht. Ein solcher optischer Sensor kann relativ weit von der den Kristallblock bildenden Schmelze entfernt angeordnet werden, so dass er durch die Bedingungen in der Kristall­ ziehanlage, insbesondere die hohen Temperaturen, keinen Schaden nimmt, aber dennoch in der Lage ist, den ge­ wünschten Bereich unmittelbar oberhalb des Schmelzenspie­ gels und damit die Annäherung des Impfkristalls an den Schmelzenspiegel im entscheidenden Bereich zu überwachen.

Das Berühren des Schmelzenspiegels durch den Impfkristall lässt sich besonders zuverlässig detektieren, wenn gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung der weitere Sensor dadurch gebildet ist, dass der Tiegel und der Impfkristall elektrisch voneinander getrennt angeordnet sind und wenn eine elektrische Stromquelle einerseits eine elektrische Leitung zu dem Tiegel, andererseits zu einem mit dem Impfkristall elektrisch in Verbindung ste­ henden Bauteil hat und in einer der Leitungen ein Strom­ sensor zum Feststellen eines Stromflusses zwischen dem Tiegel und dem Impfkristall angeordnet ist. Ein solcher Sensor arbeitet sehr zuverlässig und wird durch die Pro­ zessgegebenheiten, insbesondere die hohen Temperaturen und die räumlichen Beschränkungen im Bereich des Tiegels oberhalb des Schmelzenspiegels nicht beeinflusst.

Die Funktionsfähigkeit des Stromsensors als ein weiterer Sensor, welcher das Berühren des Schmelzenspiegels durch den Impfkristall detektiert, lässt sich auf einfache Weise überprüfen, wenn die Stromquelle und der Stromsen­ sor durch eine Nebenschlussleitung überbrückt sind, in welcher ein elektrischer Widerstand und ein Prüfschalter angeordnet sind.

Vor Beginn des Absenkens des Impfkristalls kann man auf einfache Weise prüfen, ob die elektrische Isolation zwi­ schen dem mit dem Impfkristall in Verbindung stehenden Bauteil und dem Tiegel genügend und damit der Sensor für das Detektieren der Berührung des Schmelzenspiegels aus­ reichend empfindlich ist, wenn in einer der beiden elek­ trischen Leitungen von der Stromquelle zu dem Bauteil oder dem Tiegel ein die Verbindung trennender Schalter angeordnet ist.

Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon schematisch in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Kristall­ ziehanlage nach der Erfindung,

Fig. 2 ein von einer CCD-Kamera der Kristallziehan­ lage aufgenommenes Bild,

Fig. 3 ein typischer Helligkeitsverlauf des Bildes der CCD-Kamera entlang einer Maßlinie.

Die Fig. 1 zeigt von einer Kristallziehanlage eine Vaku­ umkammer 1, in der ein Tiegel 2 mit einer Schmelze 3 an­ geordnet ist, die einen Schmelzenspiegel 4 bildet. Der Tiegel 2 wird von einer elektrischen Heizung 5 umschlos­ sen.

Oberhalb des Schmelzenspiegels 4 erkennt man einen Impf­ kristallhalter 6, der einen Impfkristall 7 trägt. Der Impfkristallhalter 6 hängt an einem Seil 8, welches von einer Seiltrommel 9 mehr oder minder weit abgewickelt werden kann, so dass der Impfkristall 7 zur Schmelze 3 hin abgesenkt werden kann. Die Seiltrommel 9 wird von ei­ nem Bauteil 10 gehalten, welches unter Zwischenschaltung einer elektrischen Isolierung 11 auf die Vakuumkammer 1 aufgesetzt ist. Zum Antrieb der Seiltrommel 9 dient ein Seilantrieb 12.

Wichtig für die Erfindung ist ein als CCD-Kamera ausge­ bildeter, optischer Sensor 13, der so ausgerichtet ist, dass er beim Absenken des Impfkristalls 7 diesen zu er­ kennen vermag, sobald der Impfkristall 7 sich unmittelbar oberhalb des Schmelzenspiegels 4 befindet. Ist das der Fall, dann wird der Seilantrieb 12 von einem schnellen Vorschub auf eine so geringe Vorschubgeschwindigkeit um­ geschaltet, dass sich der Impfkristall 7 vor Erreichen des Schmelzenspiegels 4 ausreichend erwärmen kann.

Zur weiteren Steuerung des Kristallziehprozesses dient ein zweiter Sensor 14. Dieser hat eine elektrische Strom­ quelle 15, von dem unter Zwischenschaltung eines Strom­ sensors 16 und eines Schalters 17 eine elektrische Lei­ tung 18 zu dem Bauteil 10 führt, so dass an dem Impfkris­ tallhalter 6 und damit auch an dem Impfkristall 7 elek­ trische Spannung anzustehen vermag. Der andere Pol der Stromquelle 15 hat über eine Leitung 19 direkt oder indi­ rekt mit dem Tiegel 2 Verbindung.

Die Stromquelle 15 und der Stromsensor 16 können über eine Nebenschlussleitung 20, in welche ein elektrischer Widerstand 21 und ein Prüfschalter 22 angeordnet sind, überbrückt werden.

Die Fig. 2 zeigt den Impfkristall 7 unmittelbar vor Er­ reichen des Schmelzenspiegels 4 der Schmelze 3. Einge­ zeichnet wurden in Fig. 2 ein Messfenster 23, welches von dem in Fig. 1 gezeigten optischen Sensor 13 über­ wacht wird, und eine Messlinie 24, die der Impfkristall 7 in Fig. 2 gerade erreicht hat.

Die Fig. 3 zeigt den Helligkeitsverlauf entlang der Messlinie 24 in dem Messfenster 23. Zu erkennen ist, dass dieser Helligkeitsverlauf in einem engen Bereich sprung­ artig abnimmt und anschließend entsprechend wieder auf den alten Wert ansteigt. Dieser Helligkeitseinbruch wird durch das in Fig. 2 gezeigte Eindringen des Impfkris­ talls 7 in das Messfenster 23 verursacht.

Zur weiteren Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens wird wieder auf Fig. 1 Bezug genommen. Zu Verfah­ rensbeginn schließt man zunächst den Schalter 17. Wenn dann nur ein kleiner Strom fließt, was am Stromsensor 16 zu erkennen ist, dann ist die elektrische Isolation zwi­ schen dem elektrisch mit dem Impfkristall 7 in Verbindung stehenden Bauteil 10 und dem Tiegel 2 in Ordnung. An­ schließend schließt man den Prüfschalter 22 und kann da­ durch erkennen, ob der Stromsensor 16 richtig arbeitet, weil dann ein maximaler Strom durch den Stromsensor 16 fließen muss. Ist das der Fall, dann öffnet man wieder den Prüfschalter 22. Wenn nun der optische Sensor 13 mel­ det, dass die Schmelze 3 ausreichend hell und somit aus­ reichend heiß ist, kann mit dem Absenken des Impfkris­ talls 7 mit relativ großer Vorschubgeschwindigkeit be­ gonnen werden.

Kommt es zu dem in Fig. 3 gezeigten Helligkeitseinbruch in dem von dem optischen Sensor 13 überwachten Messfens­ ter 23, dann muss sich der Impfkristall 7 sehr nahe ober­ halb des Schmelzenspiegels 4 befinden. Man schaltet dann auf eine geringere Absenkgeschwindigkeit um, so dass der Impfkristall 7 ausreichend Zeit hat, sich genügend zu er­ wärmen.

Berührt der Impfkristall 7 den Schmelzenspiegel 4, dann kommt es zu einem Stromfluss innerhalb des Stromsensors 16, so dass diese Berührung zuverlässig feststellbar ist. Der Impfkristall 7 wird anschließend durch weiteres Ab­ senken definiert in die Schmelze 3 eingetaucht und sorg­ fältig angeschmolzen. Dieser Anschmelzvorgang erfolgt so lange, bis der Impfkristall 7 von der Schmelze 3 gut be­ netzt ist und der Impfkristall 7 ringsherum von einem hell leuchtenden Schmelz-Meniskus umgeben ist. Danach wird mit der Kristallzüchtung begonnen, indem der Impf­ kristall 7 unter Drehung langsam nach oben aus der Schmelze 3 herausbewegt wird, wobei das geschmolzene Aus­ gangsmaterial am kühleren Impfkristall 7 als Mono-Kris­ tall auskristallisiert.

Bezugszeichenliste

1

Vakuumkammer

2

Tiegel

3

Schmelze

4

Schmelzenspiegel

5

Heizung

6

Impfkristallhalter

7

Impfkristall

8

Seil

9

Seiltrommel

10

Hauteil

11

Isolierung

12

Seilantrieb

13

optischer Sensor

14

zweiter Sensor

15

Stromquelle

16

Stromsensor

17

Schalter

18

Leitung

19

Leitung

20

Nebenschlussleitung

21

Widerstand

22

Prüfschalter

23

Messfenster

24

Messlinie

Claims (8)

1. Verfahren zum automatischen Steuern einer Kristall­ ziehanlage, bei dem zunächst ein Impfkristall bis in eine sich in einem Tiegel befindlichen Schmelze abgesenkt und anschließend mit der Geschwindigkeit des Kristallwachs­ tums zur Bildung eines Kristallblockes aus der Schmelze herausgezogen wird und bei dem zur Steuerung ein in das Innere der Kristallziehanlage zur Schmelze hin gerichte­ ter optischer Sensor dient, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor beim Absenken des Impfkristalls zur Gewinnung eines Sensorsignals zu einem solchen Zeitpunkt benutzt wird, an dem sich der Impfkristall kurz oberhalb der Schmelze befindet, dass anschließend der Impfkristall mit einer so stark verminderten Geschwindigkeit abgesenkt wird, dass sich der Impfkristall bis zum Eintauchen in die Schmelze ausreichend erwärmt, und dass mittels eines weiteren Sensors das Berührens der Schmelze durch den Impfkristall detektiert und danach das Eintauchen und der automatische Ziehvorgang gestartet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als optischer Sensor eine CCD-Kamera benutzt und zur Bildauswertung die Helligkeitsverteilung über eine Mess­ linie ermittelt wird, die der Impfkristall kurz oberhalb der Schmelze erreicht.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Berühren der Schmelze durch den Impfkristall dadurch ermittelt wird, dass man den Tiegel und den Impfkristall elektrisch voneinander trennt und jeweils an eine Stromquelle anschließt und mittels eines Stromsensors den Stromfluss zwischen dem Tiegel und dem Impfkristall überwacht.

4. Kristallziehanlage mit einem zum Halten eines Impf­ kristalls ausgebildeten Impfkristallhalter, welcher mit­ tels eines Antriebs zu einer sich in einem Tiegel befind­ lichen Schmelze abgesenkbar ist und die für die automati­ sche Steuerung des Kristallziehvorgangs einen in das In­ nere der Kristallziehanlage zur Schmelze hin gerichteten optischen Sensor hat, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor (13) zur Gewinnung eines Sensorsignals bei Erreichen einer kurz oberhalb der Schmelze (3) be­ findlichen Position des Impfkristalls (7) ausgebildet und ein weiterer Sensor (14) zum Detektieren des Berührens der Schmelze (3) durch den Impfkristall (7) vorgesehen ist.

5. Kristallziehanlage nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der optische Sensor (13) eine CCD-Kamera ist, der eine elektronische Bildauswertung zur Bestimmung der Helligkeitsverteilung über eine Messlinie (24) zuge­ ordnet ist, die der Impfkristall (7) kurz oberhalb der Schmelze (3) erreicht.

6. Kristallziehanlage nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der weitere Sensor (14) dadurch gebildet ist, dass der Tiegel (2) und der Impfkristall (7) elek­ trisch voneinander getrennt angeordnet sind und dass eine elektrische Stromquelle (15) einerseits eine elektrische Leitung (18, 19) zu dem Tiegel (2), andererseits zu einem mit dem Impfkristall (7) elektrisch in Verbindung stehen­ den Bauteil (10) hat und in einer der Leitungen (18) ein Stromsensor (16) zum Feststellen eines Stromflusses zwi­ schen dem Tiegel (2) und dem Impfkristall (7) angeordnet ist.

7. Kristallziehanlagen nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Stromquelle (15) und der Stromsensor (16) durch eine Nebenschlussleitung (20) überbrückt sind, in Welcher ein elektrischer Widerstand (21) und ein Prüf­ schalter (22) angeordnet sind.

8. Kristallziehanlage nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, dass in einer der beiden elektrischen Leitungen (18, 19) von der Stromquelle (15) zu dem Bauteil (10) oder dem Tiegel (2) ein die Verbindung trennender Schal­ ter (17) angeordnet ist.