DE1923042A1

DE1923042A1 - Vorrichtung zur selbsttaetigen Regelung des Durchmessers eines Kristalls

Info

Publication number: DE1923042A1
Application number: DE19691923042
Authority: DE
Inventors: Christopher Snelling
Original assignee: Hamco Mach & Elect Co
Current assignee: Hamco Mach & Elect Co
Priority date: 1969-03-17
Filing date: 1969-05-06
Publication date: 1970-10-15
Also published as: FR2034975A1; GB1209580A; DE1923042B2

Description

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_;Hamco Machine & Electronics, Corp. ;Anlage zur Eingabe _vom 24. Juli I970

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HAMOO MACHINE & ELEGTRONIGS, CORP. 1000 Millstead Way, Rochester, New York, V.St.A.

Vorrichtung zur selbsttätigen Regelung ■ des Durchmessers eines Kristalls

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung des Durchmessers eines Kristalls von der Art, wie er als Halbleiter in elektronischen Schaltungen verwendet wird, und insbesondere eine Vorrichtung, welche die Parameter regelt, die für den Kristalldurchmesser bestimmend sind, so dass dieser innerhalb sehr enger Grenzen oder Toleranzen gehalten werden kann.

In einem Gerät für das Ozochralski-Ziehverfahren ist es üblich, Mittel zur visuellen Überwachung des Kristalls beim Heraustreten desselben aus der Schmelze vorzusehen. Diese Überwachung geschieht durch die Bedienungsperson und i3t besonders wesentlich während der anfänglichen Prozesse des Keimziehens, Einschnürens und des Aufbaus der Kristallaetaulter. Ferner ist eine solche Überwachung während des Haupt-

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wachsturnsVorgangs wichtig, während welchem der Kristalldurchmesser entweder durch manuelle oder durch selbsttätige Regelung der Verfahrensparameter konstantgehalten werden muss.

Zur Massenfertigung von Halbleitervorrichtungen ist es wichtig, dass grosse Einkristalle innerhalb sehr enger Durchmessertoleranzen gezüchtet werden. Wenn ein gleichmässiger Kristalldurchmesser aufrechterhalten werden kann, lassen sich Zeit, Werkzeugkosten, Material- und Arbeitseinsparungen, nicht nur während des Kristallwachstumsproze3sea, sondern auch bei den nachfolgenden Herstellungsverfahren erzielen. 0m Kristalldurchmesser innerhalb annehmbarer Grenzen zu erhalten, müssen geschickte Bedienungspersonen der Kristallbildung eine sehr sorgfältige und gleichbleibende Aufmerksamkeit widmen. Es wurde eine Vielfalt von Fühl- und Kontrollverfahren untersucht, bei welchen Parameter wie Heizspulen-EingangsXeistung, Argonströmung und Temperatur, Keim- und Schmelztiegel-Anhebungsgeschwindigkeiten sowie Keim- und Tiegeldrehgeschwindigkeiten gesteuert werden können, um kleine Veränderungen im Kristalldurchmesser zu bewirken, um diesen innerhalb der notwendigen Grenzen zu halten.

Bei den herkömmlichen Kristallziehverfahren wird der Kristalldurchmesser durch ein Sichtrohr beobachtet, welches die vertikale Ziehkammer mit einem Winkel schneidet. Obwohl es verhältnismässig einfach ist, hat das Sichtrohrverfahren zur direkten Beobachtung mehrere Nachteile. Es ist z.B. schwierig, einen Ausgleich zum Erzielen einer thermischen Symmetrie zu schaffen und diese aufrecht zu erhalten, was durch die längliche öffnung in der Ziehkammer bedingt ist, die an der.

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Überschneidung der Kammer und des Sichtrohres besteht. Ferner besteht insofern eine geringe Beobachtungsmöglichkeit, als der Kristall nur von einer Stellung aus beobachtet werden kann, die gewöhnlich von dem Schaltpult entfernt ist. Ein weiteres Problem besteht darin, dass der absolute Durchmesser des Kristalls während des Wachstums durch die Bedienungeperson geschätzt wird, welche Schätzung in einem Abetand von mehreren Fuß vorgenommen werden muss.

Bei Systemen, mit denen eine selbsttätige Regelung des Kristalldurchmessers versucht wurde, ist eine besondere Betrachtungsöffnung in einem kleineren Winkel zur Vertikalen angeordnet und wird ein Bild der Oberfläche der Schmelze hinsichtlich jeder Veränderung in der Strahlung abgetastet. Sas aus dem Detektor abgeleitete Ausgangesignal wird verstärkt und zur Steuerung der Kristallziehgeschwindigkeit, der Tiegelanhebegeschwindigkeit und/oder der Kristall- oder Tiegeldrehgeschwindigkeit verwendet. Damit jedoch ein einwandfreies Signal erhalten werden kann, muss das Fenster der Betrachtungsöffnung frei τon Silieiumoxydablagerungen gehalten werden. Dies geschieht dadurch, dass Argongas durch einen Kanal zugeführt wird, welcher die Betrachtungsöffnung umgibt. .

Erfindungsgemäsa wird ein gefaltetes optisches System verwendet» um eine gedrängte Anordnung zu erhalten, und die vorerwähnte längliche öffnung zu vermeiden, um dadurch die erfordtrliche thermische Symmetrie aufrecht zu erhalten. Das optische System ist auf die Überschneidungslinie des Kristalldurchmessers mit der Oberfläche der Schmelze gerichtet, für welche die Bezeichnung "Erstarrungsgrenzfläche¹· zur Anwendung

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gekommen ist. Bei dieser Anordnung können die Detektoren mit bezug auf das Bild der Grenzfläche und das Bild der Schmelze auf einem Betrachtungsschirm so angeordnet werden, dass eine Veränderung im Bildkontrast zur Steuerung der Veränderung der Kristallziehgeschwindigkeit, der Tiegelanhebegeschwindigkeit und/oder der Kristall- oder Tiegeldrehgeschwindigkaiten erzielt wird. Ausserdem bleibt, nachdem das System einmal scharf eingestellt worden ist, das Bild auf dem Schirm scharf, da die Lage der Oberfläche der · Schmelze im Raum durch eine entsprechende Bewegung des Tiegelträgers konstant gehalten wird, wenn durch das Kristallwachstum Schmelze verbraucht wird. Eine geeignete Sichung der Bildabmessungen für die verwendete besondere optische Vergrösserung ermöglicht eine genaue Durchmesserbestimmimg, was dadurch erreicht werden kann, dass die Detektoren an der Oberfläche des Betrachtungsfensters verstellbar gemacht werden. · -.■

Hauptaufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung zur Regelung des Durchmessers eines Kristalls, durch welche der Durchmesser während des ganzen Kristallwachstums genau und fortschreitend gemessen werden kann. Desgleichen soll durch die Erfindung eine Vorrichtung zur Regelung des Durchmessers eines Kristalls geschaffen werden, die eine Betrachtung des Kristalls von verschiedenen Stellungen während des Wachstumsvorgangs ermöglicht. Ferner soll die erfindungs«= gemässe Vorrichtung zur Regelung des Durchmessers eines Kristalls auf andere selbsttätige Durchmesserregelungen Ufit@r Verwendung optischer Verfahren anwendbar sein.

Die vorstehenden Ziele werden durch ein optisches System erreicht, das gefaltet ist, um es so gedrängt wie möglich zu

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gestalten und das eine Abbildung der Erstarrungsgrenzfläche und der Schmelze an eine Beobachtungsstation liefert. In dieser Station können zwei Detektoren mit bezug auf die Bilder so ageordnet werden, dass eine Veränderung im Bildkontrast zwischen dem Bild der erstarrenden Grenzfläche und dem Bild der Schmelze festgestellt werden kann und eine solche Veränderung im Kontrast das Entstehen eines Steuersignals verursacht. Die Detektoren bilden Zweige einer Brückenschaltung, die normalerweise in einem Abgleichzustand gehalten wird, so lange keine Änderung im Bildkontrast stattfindet. Wenn eine Änderung des Bildkontrastes eintritt, wird das erzeugte Steuersignal verstärkt und als Ausgangesignal einer der Krisfallzieheinrichtungen, der Tiegelanhebeeinrichtung und/oder der Kristall- oder Tiegeldreheinrichtung zugeführt, um den Durchmesser des Kristalls innerhalb der Linearitätsgrenzen in Übereinstimmung mit der Anordnung oder Stellung der Detektoren mit bezug auf das Bild zu bringen. Die Schaltung zur Steuerung der vorerwähnten Parameter verändert sich in Übereinstimmung mit dem Verhältnis, auf das die Parametergeschwindigkeiten verändert werden müssen.

Es wird nunmehr auf die beiliegenden Zeichnungen verwiesen, in welchen gleiche Bezugsziffern gleiche Teile bezeichnen, und zwar zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Ansicht im vertikalen Schnitt durch ein Kristallerzeugungagerät, welche die Anordnung des optischen Systems zur Projektion eines Bildes auf einen Betrachtungsschirm und mit bezug auf die auf diesem angeordneten Detektoren zeigt, und

Flg. 2 in schematischer Darstellung ein Schaltbild, welches die Art und Weise zeigt, in welcher die erzeugten Signale den Parametersteuereinrichtungen zugeführt werden,

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In Fig. 1 bezeichnet 10 das Gehäuse eines Kristallofens, der

allgemein mit 11 bezeichnet ist, welches Gehäuse teilweise

im Schnitt dargestellt ist, so dass das Verhältnis zwischen

dem sich bildenden Kristall 12 und dem optischen .System 15 klar ersichtlich ist.

Bekanntlich entsteht der Kristall 12 aus einem Keim, der am Ende einer Stange H vorgesehen und sorgfältig mit bezug auf die Oberfläche 15 einer Schmelze 16 angeordnet wird, die in einem Tiegel 17 enthalten ist. Die Stange 14 erstreckt sich vertikal nach oben und wird in einer vertikalen Richtung mit Hilfe eines Getriebes bewegt, das schematisch dargestellt und mit 18 bezeichnet ist, welches Getriebe durch einen Motor 19 oder mittels eines herkömmlichen Leitspindel-Antriebssystems angetrieben wird. Die Stange 14 wird daher durch den Motor und das Getriebe mit einer gleichmässigen Geschwindigkeit bewegt, um den sich bildenden Kristall mit bezug auf die Schmelze 16 zu bewegen.

Der Schmelztiegel 17 ist auf einem Träger 20 angeordnet, der drehbar gelagert ist, so dass ein Motor 21 und eine geeignete Kupplung den Tiegel 17 mit einer gleichmässigen Geschwindigkeit drehen kann. In gleicher Weise kann ein Motor 22 mit einer Verlängerung des Trägers 20 so verbunden werden, dass der Tiegel in einer vertikalen Richtung so angetrieben wird, dass die Oberfläche 15 der Schmelze 16 in einer festen Lage gehalten wird, wenn der Kristall 12 infolge seines Wachstums das Volumen der Schmelze verringert« Eine Heizvorrichtung 23 vom Graphit-Typ umgibt den Tiegel 17 in am sieh bekannter und herkömmlicher Weise« Natürlich hängen die gl^&eteüssigen. _f Geschwindigkeiten, mit welchen der Kristall gezogen wird, der Schmelztiegel gedreht wird und der letztere angehoben

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wird, von der Art des zu bildenden Kristalls sowie von anderen Parametern, wie Wärmezufuhr, Gasströmung und Temperatur usw. ab.

Das optische System 13 besitzt einen Spiegel 25, einen zweiten Spiegel 26 und einen dritten Spiegel 27, welche Spiegel mit bezug aufeinander im wesentlichen in der in Fig. 1 gezeigten Welse angeordnet sind und ferner so, dass die Linse 28, welche zwischen den Spiegeln 25 und 26 vorgesehen ist, ein Bild von der Überschneidung der Erstarrungsgrenzfläche und der Schmelze, welche allgemein mit 29 bezeichnet ist, auf dem Betrachtungsschirm 30 bildet. Die Linse 28 kann auch zwischen den Spiegeln 26 und 27 angeordnet werden und der letztere vertikal ausgefluchtet sein, um eine weitere Raumeinsparung zu erzielen. Das optische System kann auf vielerlei verschiedene U®ie@ siasammenfaltbar oder dgl. sein, um Raum einzusparen* Ba di<§ Oberfläche 15 der Schmelze in einer bestimmten Stellung gehalten wird, braucht die Scharfeinstellung des Bildes auf eiern Schirm 30 nur Baeh dem anfänglichen Einsetzen des Wachstums des Kristalls aus dem Keim nachgestellt zu werden. Der Schirm 50 bildet daher eine Beobachtungsetation, die einer Bedienungsperson zugänglich und an der Vorderwand 31 des Gehäuses 32 angeordnet ist, das •in feil des Ofengehäuses 10 sein kann.

Der BetrachtungesohiJTB 30 trägt zwei Photozellen oder lichtelektrische Betektoren 35 zur Überwachung einer Veränderung im Kontrast zwischen, den Abbildungen der Erstarrungsgrenzfllohe und der Schmelze. Die Photozellen 35 sind auf dem Bild 30 in einem solchen Abstand angeordnet, dass die Überschneidung 29 bsw. die Überschneidungslinie der Erstarrungs-

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grenzfläche und der Schmelze wie auf dem Schirm 30 gezeigt angeordnet sind. Bei dieser Anordnung von Doppelzellen kann ein Signal erzielt werden, welches von dem festgestellten Bildkontrast zwischen der Erstarrungsgrenzfläche und der Schmelze abhängt. Innerhalb der Linearitätsgrenzen der Photozellen 35 ist diese Veränderung im Bildkontrast unabhängig von der absoluten Helligkeit des Bildes. Dies hat zur Folge, dass die Wirkungen von langzeitigen Veränderungen im Lichtpegel durch eine Siliciumoxydablagerung auf dem ■ Schirm 30 und kurzzeitigen Schwankungen infolge von Gasströmungseffekten zum grossten Teil völlig ausgeschaltet sind» ·

Wie Pig. 2 zeigt, befinden sich die beiden Photozellan_f. die mit 35-1 und 35-2 bezeichnet sind, in einer Schaltung, die. einen Widerstand 36 enthält, derart, dass die Photozellen und die Abschnitte des Widerstandes 36 die vier Zweige einer Brückenschaltung 37 bilden, an welche eine Spannungsquelle 38 angeschaltet ist. Durch Verstellen des Armes 39 des Widerstandes 36 kann die Brückenschaltung 37 in einen abgeglichenen Zustand gebracht werden, wobei die Photozellen gleichmassig beleuchtet werden. Wie in Fig. 2 gezeigt, kann die Photozelle 35-1 auf dem Schirm 30 mit bezug auf das Bild des hellen Ringes der Erstarrungsgrenzfläche angeordnet werden, während die Photozelle 35-2 mit bezug auf das Bild des benachbarten Schmelzebereichs angeordnet werden kann. Das Ausgangssignal aus der Brückenschaltung 37 wird durch einen Funktionsverstärker 40 verstärkt, um ein Signal abzuleiten₉ das zur Steuerung der Geschwindigkeit des Stangenziehmotora 19 geeignet ist. Ein Kondensator 41 verbindet das AusgangB-signal mit der Erde, um irgendwelche kurzzeitige Veränderungen im Signal durch eine mangelhafte Konzentrizität des sich drehenden Signals zu dämpfen bzw. zu unterdrücken.

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Der Motor 22, der die Anhebung des Tiegels 17 regelt, wird mit einer Drehzahl angetrieben, die ein geometrisch bestimmter Verhältnis der Geschwindigkeit des Ziehstangen-Anhebemotors ist. Dieses Verhältnis kann dadurch erzielt werden, dass die Regelung für den Tiegelanhebemotor 22 mit dem Widerstand 42 über eine verstellbare Anzapfung verbunden wird, wie in Fig. 2 gezeigt. Obwohl nicht dargestellt, kann eine ähnliche Regelung zur Veränderung der Geschwindigkeit verwendet werden, mit welcher der Schmelztiegel gedreht wird, dadurch, dass das Steuersignal auch dem den Tiegel antreibenden Motor 21 zugeführt wird.

Obwohl die Photozellen 35 als auf dem Schirm 30 angeordnet dargestellt sind, kann die Anordnung auch derart sein, dass die Photozellen leicht beweglich sind, um sie mit bezug auf die Bilder anzuordnen, die grössere oder kleinere Durchmesser darstellen, welche Bilder von der Grosse des zu bildenden Kristalls abhängen. Wie erwähnt, bleibt, nachdem das Bild einmal auf dem Schirm 30 scharf eingestellt worden ist, dieses scharf eingestellt, da die Oberfläche 15 der Schmelze im Raum durch eine geeignete Bewegung des Tiegels konstant gehalten wird, wenn der Kristall Schmelze verbraucht. Da dieses konstante räumliche Verhältnis besteht, stellt das Projektionssystem praktisch eine Form einer Lehre mit Optik dar und können für eine besondere optische Vergrösserung genaue Durchmessermessungen vorgenommen werden. Aus diesem Grunde können die Photozellen 35 als selbsttätige Durchmesserregelung verwendet werden, wenn sie auf dem Schirm durch solche Mittel angeordnet sind, dass sie mit bezug auf ©ine geeichte Skala oder den Schirm eingestellt werden können.

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Claims

P atentanaprüche

1. Vorrichtung zur Regelung des Durchmessers eines Kristalls, der fortlaufend geformt wird, mit einer Einrichtung zur Anhebung eines beheizten Schmelztiegels, der eine Schmelze enthält, aus welcher der Kristall mit einer im wesentlichen gleichmässigen Geschwindigkeit geformt wird, einer Einrichtung zum Ziehen dieses Kristalls aus der Schmelze mit einer im wesentlichen gleichmässigen Geschwindigkeit und einer Einrichtung zum Drehen des Tiegels mit einer im wesentlichen gleichmässigen Geschwindigkeit, gekennzeichnet durch ein optisches System zum Projizieren eines Bildes der Erstarrungsgrenzfläche zwischen dem Kristall und der Schmelze in eine Betrachtungsstation; eine Überwachungseinrichtung, die in Verbindung mit der Betrachtungsstation angeordnet ist und auf eine Veränderung im Kontrast dee Bildes der Erstarrungsgrenzfläche und des Bildes der Schmelze anspricht, um ein entsprechendes Steuersignal zu erzeugen;

und eine Einrichtung, die auf das Steuersignal anspricht, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das dazu dient, eine der Einrichtungen, d.h. die Anhebeeinriehtungg die Zieheinrichtung und die Dreheinrichtung, zu verändern,,

2, Vorrichtung nach Anspruch. 1, daäurch gskennzelcto@t, dass die Einrichtung zur Erzeugung dea erwähnten Ausgangssignals umfasst ein erstes Schaltungsglied, welches auf das Steuersignal anspricht, um ein erstes Ausgangssignal zur Steuerung der Zieheinrichtung zu erzeugen, und ein zweites

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Schaltungeglied, das auf das Steuersignal anspricht, um
ein zweites Ausgangssignal zur Steuerung der Anhebeeinrichtung zu erzeugen, wobei die Bewegungsgeschwindigkeit der Anhebeeinrichtung ein bestimmtes geometrisches Verhältnis derjenigen der Zieheinrichtung ist, so dass die Oberfläche der Schmelze und die Erstarrungsgrenzfläche in einer festen Stellung gehalten werden,

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtung zwei lichtelektrische Detektoren aufweist, von denen der eine auf die Veränderung im Bildkontrast der Abbildung der Erstarrungsgrenzfläche anspricht, während der andere Detektor auf die Veränderung
im Bildkontrast der Abbildung der Schmelze anspricht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass jeder der beiden lichtelektrischer Detektoren einen Teil
einer Brückenschaltung bildet, die so lange in einem abgeglichenen Zustand gehalten wird, als die Detektoren durch die jeweilige Abbildung gleichmässig beleuchtet werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch ?, dadurch gekennzeichnet, dass die BrUckenschaltung einen Regelwiderstand enthält, durch den die erwähnte Abgleichbedingung hergestellt werden
kann*

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