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Verfahren zur Regelung der Ausdehnung der Schmelzzone in einer Richtung
beim tiegelfreien Zonenschmelzen In letzter Zeit ist es in der Kristalltechnik,
insbesondere aber in der Technik der Halbleiter, z. B. des Germaniums, des Siliciums
oder der halbleitenden intermetallischen Verbindung, üblich geworden, Kristalle
von höchster Reinheit und möglichst fehlerfreiem Gitterbau dadurch herzustellen,
daß man einen Stab des Ausgangsmaterials senkrecht an seinen Enden gehalten einspannt
und durch diesen Stab eine Schmelzzone laufen läßt, die lediglich durch ihre Oberflächenspannung
zusammengehalten wird. Die Schmelzzone ist gegen den einen Teil des Stabes durch
eine Einschmelzfront und gegen den anderen Teil durch eine Erstarrungsfront abgegrenzt.
Dieses Verfahren eignet sich besonders für die Bearbeitung solcher Materialien,
die, wie Silicium, sehr reaktionsfreudig sind. In der Praxis wird meist der zu behandelnde
Körper unter Vakuum durch eine feststehende, die Erhitzung bewirkende Induktionsspule
geführt, so daß der Körper bewegt wird, die Schmelzzone aber in dem Wirkungsbereich
der Induktionsspule räumlich festliegt.
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Die Qualität des Gitterbaues und die gleichmäßige Stärke des aus der
Schmelzzone anwachsenden Kristalls und insbesondere der Anteil der in der Schmelzzone
vorhandenen Verunreinigungen, der in den Kristall an der Erstarrungsfront eingebaut
worden ist, sind nun weitgehend von der Wachstumsgeschwindigkeit des Kristalls an
der Erstarrungsfront abhängig. Setzt man erstens voraus, daß der anwachsende Kristallteil
mit der gleichen Geschwindigkeit von der Induktionsspule entfernt wird, mit der
er an der Erstarrungsfront weiterwächst, daß zweitens die an der Erstarrungsfront
vorhandenen Temperaturverhältnisse konstant bleiben und daß drittens von dem abschmelzenden
Kristallteil an der Einschmelzfront in der Zeiteinheit die gleiche Menge Kristallmaterial
abschmilzt, die an der Erstarrungsfront wieder anwächst, so wird die Wachstumsgeschwindigkeit
stets gleich bleiben. Da aber sowohl die Konstanz der heizenden Energiequelle durch
Schwankungen beeinträchtigt wird als auch die Wärmeabstrahlungsverhältnisse sich
fortlaufend ändern und da auch der abschmelzende Teil des Körpers an der Einschmelzfront
nicht immer den gleichen Querschnitt hat, so sind die zweite und die. dritte der
oben angeführten Voraussetzungen nicht immer gegeben. Die Wachstumsgeschwindigkeit
an der Erstarrungsfront ändert sich andauernd und mit ihr nicht nur der Durchmesser,
sondern auch die Verunreinigungskonzentration in dem anwachsenden Kristallteil.
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Die Lage der Erstarrungsfront ist durch die Ziehgeschwindigkeit des
unteren Stabteiles, die Menge des geschmolzenen Materials in der Zone (abhängig
von Dicke ober- und unterhalb der Schmelzzone), die Ziehgeschwindigkeit des oberen
Stabteiles und die Heizleistung, durch die die Schmelzzone erzeugt wird, bedingt.
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Diese Faktoren sind nicht alle unabhängig voneinander. Die untere
Ziehgeschwindigkeit ist als unabhängiger Parameter festgelegt. Die gewünschte Dicke
bestimmt im Zusammenhang mit der oberen Dicke des Nachschubstabes die Heizleistung
und die obere Ziehgeschwindigkeit. Durch alle diese Faktoren wird die Menge des
flüssigen Materials und damit die Lage der Grenze festflüssig an der Erstarrungsfront
bestimmt.
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Beim Ziehvorgang ist besonders bei zu ziehenden dicken Kristallen
(Durchmesser > 22 mm) der Anfang eines jeden Schmelzvorganges schwierig wegen der
unterschiedlichen Dichte des festen und flüssigen Siliciums. Man geht dabei vorteilhaft
von einem dünnen Impfling aus und zieht dann den Kristall dicker. Dann ist dabei
aber zu beachten, daß beim übergang vom dünnen Impfling zum dicken Kristall die
Phasengrenze fest flüssig sich in der Höhenlage verändert.
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Bei einem Verfahren zur Regelung der Ausdehnung der Schmelzzone in
einer Richtung beim tiegelfreien Zonenschmelzen von festen Körpern, insbesondere
zur Herstellung von Halbleitereinkristallen großer Reinheit, mit photoelektrischer
Erfassung des Istwertes der Regelgröße mit Ziehmotoren für beide an die Schmelzzone
angrenzende, feste Stabteile und mit einer elektrischen Heizeinrichtung für die
Schmelzzone können die sich auf Grund der vielseitigen Abhängigkeiten ergebenden
Schwierigkeiten
überwunden werden, wenn erfindungsgemäß die Erstarrungsfront der Schmelzzone oder
ihre seitlichen Begrenzungen in an sich bekannter Weise über eine Optik und einen
Drehspiegel periodisch auf einem photoelektrischen Empfänger abgebildet werden,
in dem ihre Bilder elektrische Impulse hervorrufen, welche als Istwerte einer an
sich bekannten, z. B. aus Programmgeber, Sollwertgeber, Soll-Ist-Vergleichseinrichtung
und einem Regler für die Stellgröße bestehenden elektrischen Regelschaltung zugeführt
werden, derart, daß die zeitlichen Abstände zwischen diesen Impulsen und Vergleichsimpulsen
(Sollwert) in eine elektrische Größe umgeformt werden, die ein Maß für die Regelgröße
darstellt, und daß als Stehgröße die Drehzahl des Ziehmotors vor oder hinter der
Schmelzzone und/oder die elektrische Leistung für die Heizeinrichtung benutzt wird.
Der Sollwert wird dabei entsprechend einer zeitabhängigen oder von der Lage der
Schmelzzone innerhalb des Körpers abhängigen Programmführungsgröße verändert. Erfolgt
die Regelung eines Ziehmotors durch die Stellgröße, so kann eine von der Stellgröße
abgeleitete Hilfsstellgröße die elektrische Leistung für die Heizeinrichtung und
die Drehzahl des anderen Ziehmotors steuern. In diesem Fall können Heizleistung
und Drehzahl des anderen Ziehmotors durch eigene Regelkreise auf ihren Sollwert
geregelt werden.
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Da die seitlichen Begrenzungen der Schmelzzone und die Lage der Erstarrungsfront
in einer festen Beziehung zueinander stehen, kann man die eine oder die andere Größe
der Istwertbildung zugrunde legen. Um unabhängig von Helligkeitsschwankungen zu
werden, ist es vorteilhaft, zur Bildung der Regelgröße eine dem Zeitintervall zwischen
der Abbildung der seitlichen Begrenzungen bzw. zwischen der Erstarrungsfront und
einem Vergleichssignal entsprechende elektrische Größe (Strom oder Spannung) zu
erzeugen.
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Durch Verwendung von Trigger- und Kippschaltungen, die durch die bei
Beleuchtungsänderungen der photoelektrischen Empfänger auftretenden Impulse angestoßen
werden, erreicht man, daß die Helligkeit der einzelnen Bereiche an sich nicht als
Meßgröße auftritt. Das Programm für den Anschmelzvorgang vom Impfling bis zur gewünschten
Kristalldicke kann man entweder durch die programmierte Lage der Erstarrungsfront
oder durch die programmierte Dicke vorgeben. Durch Kurvenscheiben, Servomotoren
oder andere an sich bekannte Informationsgeber läßt sich das Programm in den Regelkreis
einsteuern. Die programmabhängige Führungsgröße bewirkt eine entsprechende Verstellung
des Sollwertes. Diese Sollwertverstellung kann darin bestehen, daß die Lage der
optischen Achse der Eintrittsöffnung der abbildenden Optik verstellt wird.
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Dieses Verfahren ist besonders dann angebracht, wenn die Lage der
Erstarrungsfront als Istwert dient. Man kann aber auch eine Einstellung des Sollwertes
dadurch bewirken, daß die Lage der Bilder von der Erstarrungsfront oder ihren seitlichen
Begrenzungen innerhalb der abbildenden Optik zueinander verschoben wird. Rein elektrisch
läßt sich der Sollwert einstellen, indem man die die Regelgröße bestimmenden Impulse
elektrisch verzögert. Dies sind jedoch nur Beispiele für mögliche Sollwerteinstellungen.
Damit ist es möglich, jeden Unterschied zwischen der Wachstumsgeschwindigkeit und
der Geschwindigkeit, mit der der wachsende Kristall von der Wärmequelle entfernt
wird, festzustellen und dem geforderten Programm anzupassen.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens nach der
Erfindung dargestellt.
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F i g. 1 zeigt den entsprechenden Regelkreis, F i g. 2 in schematischer
Darstellung die Möglichkeit zu seiner Verwirklichung.
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Die aus der Regelstrecke 1 austretende Regelgröße wird in dem Meßglied
2 gemessen und dem Soll-Ist-Vergleichsglied 3 zugeführt. Der Programmgeber 4 liefert
eine Führungsgröße, die den Sollwertgeber 5 entsprechend dem Programm steuert. Der
Sollwert wird gleichfalls dem Soll-Ist-Vergleichsglied 3 zugeführt. In dem Regler
6 wird die zur Behebung der festgestellten Regelabweichung erforderliche Stellgröße
ermittelt.
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Entsprechend den obigen Ausführungen kann der Stelleingriff an der
Heizleistung an dem oberen Ziehmotor oder dem unteren Ziehmotor erfolgen. Die Stellglieder
für die Heizleistung, den oberen Ziehmotor und den unteren Ziehmotor sind mit 7
bis 9 bezeichnet. Die Einwirkung auf die Regelgröße erfolgt über die Stellorte
10 bis 12. Es sei entsprechend den ausgezogenen Wirkungslinien angenommen,
daß das Stellglied 9 des unteren Ziehmotors keinen äußeren Einwirkungen unterliege,
so daß eine Änderung der Drehzahl des unteren Ziehmotors nicht auftritt. Auf das
Stellglied 8 des oberen Ziehmotors wirkt der Ausgang des Reglers 6 ein. Entsprechend
der Regelabweichung wird die Drehzahl des oberen Ziehmotors verändert und über den
Stellort 11 die Ge>-. schwindigkeit des oberhalb der Schmelzzone liegenden Körperteiles
beeinflußt. Um das vorgegebene Programm fahren zu können, führt das Stellglied
8
dem Stellglied 7 für die Heizleistung eine Führungsgröße zu, so daß auch
die Heizleistung dem vorgegebenen Programm angepaßt wird. Die nicht mit dem Ausgang
des Reglers 6 verbundenen Stellglieder können dabei einen eigenen Regelkreis enthalten,
der bewirkt, daß ihre Ausgangsgröße konstant bleibt. Durch die gestrichelten Verbindungslinien
zwischen dem Regler 6 und den Stellgliedern 7 und 9 ist angedeutet, daß in entsprechender
Weise die Beseitigung der Regelabweichung auch über die anderen Stellglieder vorgenommen
werden kann.
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F i g. 2 zeigt nun, wie der in F i g. 1 dargestellte Regelkreis bewirkt
werden kann. In dieser Figur ist die Schmelzzone des Kristalls 13 mit 14 bezeichnet.
Als Istwert dient die Lage der Erstarrungsfront 15.
Diese wird über eine Optik
16 und einen Drehspiegel 17 auf einem photoelektrischen Empfänger 18
abgebildet.
In dem Soll-Ist-Vergleichsglied 19 wird eine Spannung gewonnen, die der Zeit entspricht,
die zwischen dem von dem photoelektrischen Empfänger 18 ausgehenden Signal und dem
Signal des Sollwertgebers 20 liegt, der entsprechend der von dem Programmgeber 21
ausgehenden Führungsgröße gesteuert wird. Die Regelabweichung erzeugt dann in dem
Regler 22 eine Stellgröße, die die Geschwindigkeit des oberen Ziehmotors 23 entsprechend
verändert. Die Bewegung des Kristalls 13 erfolgt durch den oberen Ziehmotor
23 und den unteren Ziehmotor 24. Da eine Übertragung der den Kristall nach oben
oder unten bewegenden Kräfte durch die Schmelzzone hindurch nicht möglich ist,
ist
ein Stellmotor für den oberhalb dieser Zone liegenden Teil und ein Stellmotor für
den unterhalb von ihr liegenden Teil erforderlich.
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Die Erwärmung des Kristalls erfolgt über die Induktionswicklung 25,
die von einem HF-Generator 26 gespeist wird. Entsprechend der Drehzahl des oberen
Ziehmotors 23 wird über ein Steuerglied 27 die HF-Leistung beeinfiußt. Durch den
gestrichelt angedeuteten Regelkreis mit dem Regler 28 kann man eine zusätzliche
Konstanthaltung der Heizleistung erreichen.