DE19548845B4

DE19548845B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Ziehen von Einkristallen nach dem Czochralski-Verfahren

Info

Publication number: DE19548845B4
Application number: DE19548845A
Authority: DE
Inventors: Joachim Aufreiter; Dieter BRÜSS; Burkhard Dr. Altekrüger
Original assignee: Crystal Growing Systems GmbH
Current assignee: Crystal Growing Systems GmbH
Priority date: 1995-12-27
Filing date: 1995-12-27
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2015-12-28
Also published as: KR970043343A; JPH09183693A; DE19548845A1; KR100189482B1; US5853479A

Abstract

Vorrichtung zum Ziehen von Einkristallen aus einer im Tiegel befindlichen Schmelze (4) unter Vakuum oder Schutzgas nach dem Czochralski-Verfahren mit optischen Mitteln (12, 24, 24', ...), die den Meniskusring (21) zwischen Kristall (5, 20) und Schmelze (4) oder Ausschnitte davon auf einem Sensor abbilden, dessen elektronische Signalverarbeitung einen Ist-Wert für den Kristalldurchmesser liefert, wobei die Differenz zwischen Ist- und Soll-Wert als Regelabweichung einem Regler mit nachgeschalteten Stellgliedern zur Regelung des Durchmessers zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ist-Wert-Erfassung des Durchmessers optische Mittel (24, 24') für zwei Beobachtungsrichtungen vorgesehen sind, wobei die Hauptachsen (26'', 26''', ...) der Beobachtungsrichtung ihren Fußpunkt (26'', 25''', ...) auf dem Meniskusring (21) haben und in zwei zueinander versetzt angeordneten Ebenen liegen, die zur Kristall-Hauptachse (27) im wesentlichen parallel verlaufen und den Meniskusring (21) tangential berühren.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ziehen von Einkristallen aus einer im Tiegel befindlichen Schmelze unter Vakuum oder Schutzgas nach dem Czochralski-Verfahren mit optischen Mitteln, die den Meniskusring zwischen Kristall und Schmelze oder Ausschnitte davon auf einem Sensor abbilden, dessen elektronische Signalverarbeitung einen Ist-Wert für den Kristalldurchmesser liefert, wobei die Differenz zwischen Ist- und Soll-Wert als Regelabweichung einem Regler mit nachgeschalteten Stellgliedern zur Regelung des Durchmessers zugeführt wird.
Bei diesem Verfahren wird ein Impfling in die Schmelze des Ziehmaterials, im allgemeinen Si, getaucht und unter Drehung bei gleichzeitiger Abkühlung als Einkristall mit fehlerfreiem Kristallwachstum und höchster Reinheit herausgezogen. Der Solldurchmesser der heute in der Produktion gezogenen Einkristalle, richtet sich nach der in der Halbleitertechnik verarbeiteten Wafergröße, die aus wirtschaftlichen Gründen trotz fortschreitender Miniaturisierung der elektronischen Bauelemente in Stufen immer größere Werte annimmt und heute überwiegend bei 150 bis 200 mm liegt.
Für die nächste Generation von Halbleiter-Prozeßanlagen wird bereits mit Scheiben von 300 mm Durchmesser geplant, in der Entwicklung spricht man bereits von 400 mm Durchmesser. Bei diesen Ausmaßen für einen fehlerfreien Einkristall spielt neben der Kristallstruktur und der Reinheit vor allem die Durchmesser-Gleichmäßigkeit längs des zylinderförmigen Kristalls eine wichtige Rolle. Je glatter die Zylinderwand ist, um so weniger Bearbeitungsaufwand und Materialverlust sind zu erwarten. Aus diesem Grund ist die Durchmesserregelung während des Ziehprozesses ein wichtiges Kriterium für die Wirtschaftlichkeit.
Herkömmliche Ziehanlagen für 150 und 200 mm Durchmesser Kristalle sind im allgemeinen mit automatisch arbeitenden Durchmesser-Regel-Einrichtungen ausgestattet. Der Durchmesser des Kristalls wird mit geeigneten elektrooptischen Meßeinrichtungen erfaßt und in Abhängigkeit von der Heizleistung, der Ziehgeschwindigkeit und der Drehgeschwindigkeit mittels geeigneter Stellglieder nach dem Entstehen der sogenannten Schulter auf konstanten Solldurchmesser geregelt. Die Schwankung des Durchmessers über die Länge des Kristalls die her kömmlich bei 1–3 % vom Durchmesser liegt, das sogenannte "Ribble", spiegelt die Genauigkeit der Regeleinrichtung wieder.
Wegen eines allgemeinen Überblicks zu den beim Czochralski-Verfahren angewandten Regelverfahren sei z. B. auf K. TH. Wilke und J. Bohr, Kristall-Züchtung, S. 723 ff, verwiesen.
Zur Erfassung des Durchmessers sind eine Vielzahl von elektrooptischen Meßeinrichtungen vorgeschlagen worden. Allen gemeinsam ist die optische Abbildung des sogenannten "Meniskus" auf einen geeigneten Sensor mit entsprechender Signalverarbeitung zur Ermittlung des Durchmessers. Der Meniskus stellt eine enge ringförmige Zone zwischen erstarrtem Kristall und flüssiger Si-Schmelze dar, die deutlich heller leuchtet als die Schmelze selbst. Der Kristall scheint an der Grenzfläche Kristall-Schmelze von einem hellen Ring umgeben. Das optisch nicht einfach erklärbare Phänomen entsteht durch Reflexion der hauptsächlich von der Tiegelwand ausgehenden Strahlung an dem konkav gewölbten Übergang zwischen Schmelze und Kristall, so daß ein von oben auf die Schmelze und eintauchenden Kristall herabblickender Beobachter einen dunkleren Kristall sieht, der in Höhe der Schmelze von einem helleren Leuchtring umfaßt wird. Im Laufe des Ziehvorganges verbreitert sich der Ring mit Absenken der Schmelze im Tiegel und Herauswachsen des entstehenden Kristalls etwa um das 3-fache. Dies macht es gegen Ende des Ziehvorganges zunehmend schwerer, den Durchmesser durch Abbildung des Leuchtringes auf einen geeigneten Sensor exakt zu bestimmen.
In der DE 21 49 093 A wird eine einfache Meßanordnung beschrieben, bei der das Lichtbündel einer Glühlampe oder eines Lasers auf den Meniskusring praktisch parallel zur Einkristall-Hauptachse eingestrahlt wird und optisch auf 2 Photodioden abgebildet wird. Mittels geeigneter Schaltung läßt sich das Differenzsignal der Dioden zur Durchmesserregelung nutzen.
In der US 3,740,563 wird der vom Meniskusring reflektierte Lichtstrahl so auf eine mehrteilige Sensorfläche abgebildet und aufgeteilt, daß eine Verschiebung der Meßfläche in y-Richtung eine Änderung des Kristalldurchmessers, eine Änderung in x-Richtung die der Schmelzbadhöhe anzeigt.
Jüngere Anmeldungen wie z. B. die EP 0 454 389 A2 , EP 0 450 502 A1 oder JP 02-164,789 A , sowie das Patent EP 0 444 628 B1 (= DE 691 04 517 T2 ) nutzen die Möglichkeiten einer Videokamera und beschreiben elektronische Auswertverfahren zur Ermittlung des Kristalldurchmessers.
In dem US-Patent 3,692,499 ist eine Meßeinrichtung in einem Tubus beschrieben, in dem mit optischem Mittel der Meniskusring abgebildet ist und die Helligkeit der Abbildung an drei Stellen mit Hilfe dreier in dem Tubus untergebrachten Meßeinrichtungen erfasst wird.
Allen diesen Meßeinrichtungen ist gemeinsam, daß die Punkt- oder flächenhafte Abbildung des Meniskusringes oder besser des sichtbaren Teils des Ringes durch ein Objektiv oder eine Linse erfolgt, wobei die Beobachtungsrichtung wegen der Heiz- und Tiegeleinbauten schräg von oben mit einem Winkel zur senkrechten Kristallachse von etwa 5 bis 30° zu erfolgen hat.
Für Kristalldurchmesser bis zu 200 mm können mit derartigen Meßeinrichtungen Durchmesserschwankungen über die Länge eines Kristalls von etwa +/– 2 erzielt werden. Für noch größere Durchmesser ergeben sich prinzipielle Probleme. Bei herkömmlichen Ziehanlagen wird der Durchmesser eines 100 mm Kristalls im Bereich des Meniskus durch das Einblickfenster (1) unter einem Öffnungswinkel von etwa 8° gesehen. Kristalle von 300 mm Durchmesser werden zwar in größeren Kesseln gezogen, jedoch hat die Bildweite nicht den 3-fachen Wert. Der Durchmesser eines 300 mm Kristalls erscheint durch das Einblickfenster unter einem etwa 2,5-fach größerem, ein 400 mm Kristall unter einem bereits mehr als 3-fach größerem Öffnungswinkel. Durch den ungünstigen Beobachtungswinkel werden mit steigendem Kristalldurchmesser immer größere Teile des äußeren Meniskusringes vom Kristall abgedeckt. Dies kann noch dadurch verstärkt werden, daß die Durchmesserregelung außer Kontrolle gerät und eine wulstförmige Durchmesservergrößerung entsteht. Durch den vorspringenden Wulst wird die äußere Begrenzung des Ringes abgedeckt, so daß die elektronische Auswertung einen falschen Durchmesser anzeigt. Hinzu kommt, daß für ungünstige Beobachtungsrichtungen unter großem Öffnungswinkel die Intensität und der Kontrast des Meniskusringes nach den Seiten hin abnimmt. Aus Kontrastgründen wäre die stirnseitige Beobachtungsrichtung in der Ebene der Kristall-Hauptachse am besten. Jedoch sind auch bei dieser Blickrichtung Nachteile gegeben.
Im Falle einer Einschnürung des Kristalls wird der Meniskusring bei Schrägbeobachtung von oben durch den aus der Schmelze herauswachsenden Kristall abgedeckt. Im Extremfall geht die Ist-Wert-Erfassung für die Regelung ganz verloren.
Auch im Hinblick auf eine mögliche Pendelbewegung des Kristalls, die durch ungenaue Zentrierung, Temperatureffekte oder Wachstumsfehler ausgelöst werden kann, ist die stirnseitige Beobachtungsrichtung ungünstig, da eine Ortsverschiebung des Meniskusringes eine Durchmesserveränderung oder eine Pendelbewegung sein kann. Beide Einflüsse können bei dieser Beobachtungsrichtung nicht voneinander unterschieden werden.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, für Ziehprozesse nach dem Czochralski-Verfahren eine Meßanordnung vorzuschlagen, mit der Kristalldurchmesser größer 200 mm mit ausreichender Genauigkeit kontrolliert und geregelt werden können.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit der Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 so gelöst, daß zur Erfassung des Kristalldurchmessers der Meniskusring unter zwei verschiedenen Blickrichtungen mit optischen Mitteln auf den jeweiligen Sensor abgebildet wird, wobei die Hauptachsen der Beobachtungsrichtung ihren Fußpunkt auf dem Meniskusring haben und in zwei zueinander um vorzugsweise 90° versetzt angeordneten Ebenen, die zur Kristall-Hauptachse im wesentlichen parallel verlaufen und den Meniskusring tangential berühren, liegen. Der Winkel zwischen Beobach tungsrichtung und Kristall-Hauptachse ist durch die Lage des Einblickfensters vorgegeben und liegt bei etwa 20–30°.
Die um 90° zueinander versetzten Blickrichtungen können dabei entweder nach Anspruch 1 mit zwei getrennten Einblickfenstern oder nach Anspruch 2 in gekreuzter Blickrichtung mit einem Einblickfenster verwirklicht werden.
Mit dieser Anordnung ergeben sich folgende Vorteile:
Der Meniskusring ist auch bei starken Durchmesserveränderungen immer sichtbar. Im Gegensatz zur stirnseitigen Beobachtung liefert die vorgeschlagene Vorrichtung den Ist-Wert für den wahren Kristalldurchmesser.
Durch die um 90° versetzte Meßanordnung kann eine Pendelbewegung des Kristalls von einer Durchmesseränderung meßtechnisch getrennt erfaßt werden.
Die Erfindung wird an Hand von 1 bis 4 näher beschrieben, wobei
1 eine konventionelle Kristallziehanlage nach dem Czochralski-Verfahren
2 die perspektivische Darstellung des Kristalls bei Beobachtung durch das Einblickfenster in der Ebene der Kristall-Hauptachse
3 die perspektivische Darstellung des Kristalls bei Beobachtung durch das Einblickfenster in einer zur Hauptachse parallelen, um den halben Durchmesser versetzten Ebene
4a und b Meßanordnungen für die Durchmesserkontrolle darstellen.
Die Kristallziehanlage gemäß 1 ist als 3-teiliger Vakuumkessel aufgebaut. Er besteht aus einer feststehenden Basiskammer 16 mit integriertem Tiegelantrieb 1 und Pumpstützen 2 zum Abpumpen des Schutzgases. Die Ofenkammer 14 mit aufgesetztem Kammerdeckel 13 können angehoben oder weggeschwenkt werden. In der Ofenkammer 14 wird mit einem Heizer 15 das Schmelzgut in einem Tiegel 3 aus Quarzglas zum Schmelzen gebracht. Durch die über ein Schleusenventil 11 aufgesetzte Schleusenkammer 10 wird der Impfkristall 6 unter kontinuierlichem Drehen in die Schmelze 4 eingetaucht und langsam wieder herausgezogen. Die Ziehgeschwindigkeit in Verbindung mit Drehzahl und Heizung bestimmen den Durchmesser. Zunächst wird eine fehlerfreie Verjüngung, der sogenannte Hals 19 gezogen, der dann in die flache Schulter übergeht, die den endgültigen Durchmesser des Kristalls 5 abdeckt. Der Durchmesser wird an Hand des hellen Ringes 21 zwi schen Kristall 5 und Schmelze 4 über eine optische Meßeinrichtung 12 bestimmt.
In 2 ist der im Hals 19 hängende Kristall 20 mit bei Beobachtung von oben durch einen Fensterrahmen 18 in einem Winkel von etwa 25° in der Ebene durch die Zentralachse dargestellt. Durch die perspektivische Verzerrung werden die äußeren Randbereiche des Meniskusringes 21 durch den Kristall 20 abgedeckt.
3 zeigt den Meniskusring 21 bei seitlicher Versetzung der Beobachtungsebene um den halben Durchmesser parallel zur Hauptachse des Kristalls unter Beibehaltung der Einblickrichtung von oben. Der Meniskusring 21 kann an der senkrechten Kristallmantellinie besser beobachtet werden, da er nicht abgedeckt wird.
In 4a und 4b sind die Meßanordnungen schematisch dargestellt, wobei die Beobachtungsrichtungen auf eine gedachte Ebene durch den Meniskusring 21 projiziert sind. Jeweils zwei optische Meßeinrichtungen, z. B. Pyrometer, Linien- oder Matrixkameras, Videokameras 24', ... zielen auf den Meniskusring 21 durch die Einblickfenster 23, 23', 23''. Besonders die Anordnung nach 4b ist von wirtschaftlichem Interesse, da sie bei konventionellen Ziehanlagen mit einem Einblickfenster 23'' nachträglich ohne Änderungen am Kessel 24 adaptiert werden kann.

1: Tiegelantrieb
2: Pumpstutzen
3: Tiegel
4: Schmelze
5: Kristall
6: Impfkristall
7: Impfkristallhalter
8: Kristall-Hub-Dreheinrichtung
9: Schutzgaseinlaß
10: Schleusenkammer
11: Schleusenventil
12: Optischer Sensor
13: Kammerdeckel
14: Ofenkammer, Kessel
15: Heizer
16: Basiskammer
17: Stromdurchführung
18: Fensterrahmen
19: Hals
20: Kristall
21: Meniskusring
22: Begrenzungslinie Schmelze-Tiegelwand
23, 23', 23'': Einblickfenster
24: Videokamera, optischer Sensor
25, 25', ...: Fußpunkt
26, 26', ...: Hauptachse der Beobachtungsrichtung
27: Kristall-Hauptachse

Claims

Vorrichtung zum Ziehen von Einkristallen aus einer im Tiegel befindlichen Schmelze (4) unter Vakuum oder Schutzgas nach dem Czochralski-Verfahren mit optischen Mitteln (12, 24, 24', ...), die den Meniskusring (21) zwischen Kristall (5, 20) und Schmelze (4) oder Ausschnitte davon auf einem Sensor abbilden, dessen elektronische Signalverarbeitung einen Ist-Wert für den Kristalldurchmesser liefert, wobei die Differenz zwischen Ist- und Soll-Wert als Regelabweichung einem Regler mit nachgeschalteten Stellgliedern zur Regelung des Durchmessers zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ist-Wert-Erfassung des Durchmessers optische Mittel (24, 24') für zwei Beobachtungsrichtungen vorgesehen sind, wobei die Hauptachsen (26'', 26''', ...) der Beobachtungsrichtung ihren Fußpunkt (26'', 25''', ...) auf dem Meniskusring (21) haben und in zwei zueinander versetzt angeordneten Ebenen liegen, die zur Kristall-Hauptachse (27) im wesentlichen parallel verlaufen und den Meniskusring (21) tangential berühren.
Vorrichtung zum Ziehen von Einkristallen aus einer im Tiegel (3) befindlichen Schmelze (4) unter Vakuum oder Schutzgas nach dem Czochralski-Verfahren mit optischen Mitteln (12, 24, 24', ...), die den Meniskusring (21) zwischen Kristall (5, 20) und Schmelze (4) oder Ausschnitte davon auf einem Sensor abbilden, dessen elektronische Signalverarbeitung einen Ist-Wert für den Kristalldurchmesser liefert, wobei die Differenz zwischen Ist- und Soll-Wert als Regelabweichung einem Regler mit nachgeschalteten Stellgliedern zur Regelung des Durchmessers zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ist-Wert-Erfassung des Durchmessers optische Mittel für zwei Beobachtungsrichtungen vorgesehen sind, wobei die Hauptachsen (26', 26''', ...) der Beobachtungsrichtung ihren Fußpunkt (25'', 25''', ...) auf dem Meniskusring (21) haben und in zwei zueinander versetzt angeordneten Ebenen liegen, die zur Kristall-Hauptachse (27) im wesentlichen parallel verlaufen und den Meniskusring (21) tangential berühren, und die beiden Beobachtungsrichtungen oder Ebenen zueinander versetzt so angeordnet sind, daß ihr Schnittpunkt im Einblickfenster (23'') liegt.
Vorrichtung zum Ziehen von Einkristallen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Beobachtungsrichtungen oder Ebenen um 90° zueinander versetzt sind.
Verfahren zum Ziehen von Einkristallen aus einer im Tiegel befindlichen Schmelze unter Vakuum oder Schutzgas nach dem Czochralski-Verfahren unter Verwendung der Vorrichtung gemäß Anspruch 1, 2 oder 3.