DE2143553A1

DE2143553A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ziehen von Kristallstäben

Info

Publication number: DE2143553A1
Application number: DE19712143553
Authority: DE
Inventors: Dmetro Richardson Tex. Andrychuk (V.StA.)
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1970-08-31
Filing date: 1971-08-31
Publication date: 1972-03-09
Also published as: US3692499A; FR2106191A5; CA945043A

Description

unser Zeichen; T 1071

TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED
13 500 North Central Expressway
Dallas« Texas / Y.St.A.

Verfahren und Torrichtung zum Ziehen von Erlstallstäben

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ziehen von Kristallstäben für die Verwendung bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen, .und sie betrifft insbesondere ein System , mit welchem Stäbe mit genau kontrollierten Querschnittsabmessungen erzeugt werden können.

Wenn der Durchmesser von Kristallstäben beim Ziehen aus einer Schmel©nicht genau kontrolliert wird, ergeben sich Unkosten infolge der Notwendigkeit des Abschleifens, des von dem abgeschliffenen Material gebildeten Abfalls, des Verderbens von Produkten beim Schleifen und des Verwerfens von Produkten mit Untergröße. Es besteht daher ein Bedürfnis an einer Vorrich_ tung, mit welcher der Durchmesser eines Kristallstabs beim Ziehen, beispielsweise in einem Czochralski-Kristallziehgerät genau übewacht werden kann. Ein von einer solchen

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Vorrichtung erzeugtes Signal kann dazu verwendet werden, die Parameter zu steuern, die den Durchmesser des Kristallstabs während des Ziehvorgangs beeinflußen.

Es ist bereits ein Versuch in dieser Richtung unternommen worden, der darin bestand, daß eine aktive Lichtquelle und ein Beobachtungsschirm verwendet wurden, um den Stabdurchmesser dadurch zu überwachen, daß der KuppeIförmige Vorsprung beobachtet wurde, der durch eine Öffnung in einer auf der Schmelze schwimmenden Siliziumdioxidscheibe gepreßt wurde. Zu den Nachteilen dieses Verfahrens gehören folgende: Die auf der Schmelze schwimmende Siliziumdioxidscheibe kann eine Quelle von Verunreinigungen sein; in das Durchmesserüberwachungssignal wird ein Fehler eingeführt, wenn der Kristall beim Ziehen und Drehen schwankt;Änderungen des Spiegels der Schmelze in dem Tiegel rufen Fehler hervor; eine zylindrische Unsymmetrie in dem Stab ergibt gleichfalls Fehler.

Ein anderer Versuch bestand in der Verwendung eines Röntgenstrahlgeräts. Das von dieser Vorrichtung erzeugte Überwachungssignal wird durch eine Unsymmetrie des Kristallstabs beeinträchtigt, und die Vorrichtung hat die zusätzliche· unerwünschte Eigenschaft, daß eine Abschirmung erforderlich ist, damit die Bedienungsperson des Kristallziehgeräts vor der Strahlung geschützt 'wird.

Ein weiterer Versuch bestand in der Verwendung eines Strahlungsdetektors, der die Strahlung von einem Punkt auf der Oberfläche der Schmelze in der Nähe des Kristallstabs abfüllt und ein Ausgangssignal liefert, das der Menge der abgefüllten Strahlung proportional ist. Bei dieser Durchmesserüberwachungsvorrichtung werden

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Fehler durch eine Unsymmetrie und ein Schwanken des Kristallstabs verursacht. Wenn sich der Durchmesser des Stabs ändert, ergibt das Ausgngssignal der Vorrichtung eine neue Ablesung, die der neuen Intensität proportional ist, im Gegensatz zu einem echten Fehlersignal. Die Verwendung eines einzigenPrüfpunkts begrenzt den Bereich der Durchmesserkontrolle. Da der Prüfpunkt einen Punkt auf der Intensitätsverteilungskurve darstellt, die radial außerhalb des Kristallstabs gemessen wird, hängt die Linearität des Ausgangssignals von dem gewählten Punkt auf der Kurve ab. Wenn sich die Temperatur der Schmelze ändert, ändert sich die Intensität der Strahlung.Da die Vorrichtung in Bezug auf eine feste Anfangsintensität überwacht, hängt die Genauigkeit dieser Überwachungsvorrichtung in kritischer Weise von der Aufrechterhaltung einer konstanten Temperatur der Schmelze ab.

Ein Lichthof (Halo) erscheint in dem Bereich, in welchem der Kristallstab aus der Schmelze wächst. Bei Siltzium erstreckt sich die spektrale Verteilung der Strahlung des Lichthofs von einer Stelle nahe beim Ultraviolett über den ganzen sichtbaren Bereich weit in den infraroten Bereich, wobei der Höchstwert in der Nähe des Infrarctbereichs liegt. Es wurde festgestellt, daß die Verteilung der relativen Intensität des· Lichts in dem Lichthof beständig genug ist, um die Verwendung ia einer Detektorvorrichtung zuzulassen. Bei Änderungen des Kristallstabdurchmessers ändert sich die Lage des Lichthofs, wodurch die Lage eines Prüfpunkts auf der Verteilungskurve geändert wird. Die Verwendung von mehreren Prüfpunkten macht es möglich, ein Fehlersignal mit einer gewünschtenForm zu simulieren. Weitere Untersuchungen und Versuche haben gezeigt, daß es vorteilhaft ist, Intensitätsänderungen an mehr als einer Stelle rings um den Lichthof festzustellen, und daß dieses Feststellungsverfahren dasu verwendet werden kann, Änderungen des Spiegels der Schmelze zu überwachen.

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Im der nachstehenden Beschreibung wird mit dem Ausdruck "Lichthof" ein schmales Band von hochintensiver Strahlung bezeichnet, das einen Ring rings um efaen Kristallstab an der Grenzfläche der Schmelze bildet.

Bei der Erfindung werden mehrere Monitoren verwendet, von denen jeder mehrere Strahlungsabtastvorrichtungen enthält. Die Abtastvorrichtungen jedes Monitors sind in gleichen festen Abständen voneinander entlang einer radialen Linie angeordnet, die durch den Mittelpunkt eines Bildes des Lichthofs geht. Die AusgangsSignaIe der Abtastvorrichtungen werden zur Erzeugung eines Fehlersignals gewünschter Form vereinigt. Die Verwendung von mehreren Abtastvorrichtungen ergibt ein zuverlässigeres Fehlersignal und ermöglicht die Festlegung des Bereichs der Durchmesserüberwachung durch die Anordnung der Abtastvorrichtungen. Das erzeugte Fehlersignal ist ein echtes Fehlersignal, im Gegensatz zu einem neuen festen Ausgangssignal, wodurch die Überwachung erleichtert wird. Durch die Verwendung von mehreren Prüfpunkten, die über die Verteilungskurve der relativen Intensität verteilt sind, werden die Auswirkungen von Temperaturänderungen der Schmelze auf ein Mindestmaß herabgesetzt. Zusätzlich wird durch die Verwendung von mehreren Monitoren die Zuverlässigkeit des resultierenden Fehlersignals erhöht, und es wird ermöglicht, die Auswirkungen eines Schwanken oder einer Unsymmetrie des Kristallstabs zu verringern oder zu beseitigen.

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines neuen Verfahrens und eines Geräts zur genauen Überwachung von Änderungen des Durchmessers eines Kristallstabs beim Ziehen. Mit dem Verfahren und der Vorrichtung nach dar Erfindung wird ein lineares elektrisches Signal erzeugt, das den Änderungen des Durchmessers eines wachsenden Kristallstabs

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direkt proportional ist. Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung werden durch eine Unsymmetrie des Kristallstabs, Änderungen des Tiegels der Schmelze und ein Schwanken... des Kristallstabs verhältnismäßig wenig beeinträchtigt.

Wenn der Kristallstab aus der Schmelze in einem Tiegel gezogen wird, sinkt der Spiegel der Schmelze ab. Die allmählich nach unten gehende Grenzfläche beeinträchtigt die Wachstumsgeschwindigkeit des Kristalls und ändert auch die Wäfmeverteilung in der Schmelze, wodurch die Güte des Kristalls nachteilig - beeinflußt wird. Änderungen des Spiegels der Schmelze können auch die Wirkung der Überwachungsvorrichtungen für den Kristallstabdurchmesser beeinträchtigen. Es ist deshalb erwünscht, den Spiegel der Schmelze konstant zu halten, beispielsweise durch Steuerung der Gesnhwindigkeit eines Hebemechanismus für den Tiegel. Infolge der starken Hitze im Innern der Ziehkammer, die in der Größenordnung von HOO⁰C liegt, sowie auch wegen des Rauchs und gasförmiger Dämpfe, ist es außerordentlich schwierig, den Spiegel der Schmelze genau zu überwachen.

Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung ermöglichen auch die Überwachung von Änderungen des Spiegels der Schmelze. .

AusführungsbeispiQle der Erfindung werden an Hand der Zeichnung beehhrieben. Darin zeigen:

Fig.1 eine zum Teil aufgeschnittene Ansicht eines Kristallziehgeräts des Ozochralski-Typs , bei dem die Erfindung angewendet wird,

Fig.2 eine schematische Ansicht des optischen Systems , mit welchem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung das Bild-des Lichthofs auf die Monitoren gerichtet werden,

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Fig.2A einen Querschnitt durch die Vorrichtung von Pig.2 , Fig.2B eine vergrößerte Ansicht eines der Monitoren von Fig.2A,

Pig.3 das Schaltschema der bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten elektronischen Schaltung,

Fig.4 die Form des mit der bevorzugten Ausführungsform erhaltenen Fehlersignals,

Pig.5 ein Diagramm der Verteilung der relativen Intensität der Lichthofstrahlung,

Pig.5a das Diagramm von Pig.5» in welches die fünf Abtastdioden eines Monitors eingezeichnet sind,

Pig.5b das Diagramm von Pig.5a, wobei die Lage der Abtastdioden so geändert ist, daß eine Änderung des Durchmessers des Eristallstabs simuliert wird,

Pig.6 das Diagramm des Fehlersignals, das von einem der Monitoren erzeugt wird,

Fig.7 eine Ansicht des den Kristallstab umgebenden Lichthofs, mit Angabe der Lagen der drei Überwachungspunkte gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Fig.8 die allgemeine Form der Fehlersignale .von zwei Monitoren bei der bevorzugten Ausführungsform,

Fig.9 die einer Querschnittsacsicht eines Kristallstabs überlagerten Fehlersignale von Fig.8,

Fig.10 eine Querschnittsansicht eines Kristallstabs, tier eine Unsymmetrie aufweist,

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Pig.11 eine Ansicht des Kristallstabs an der Grenzfläche der Schmelze zur Darstellung der Auswirkungen von Änderungen des Spiegels der Schmelze auf die Überwachungseinrichtungen und

Pig.12 eine graphische Darstellung der Auswirkungen von Änderungen des Spiegels der Schmelze auf das zusammengesetzte Pehlersignal von zwei Monitoren nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

In Pig.t ist ein Kristallziehgerät des Czochralski-Typs dargestellt. Geschmolzenes Silizium 1 ist in einem Quarz- i tiegel 3 enthalten, der von einer Aufnahmevorrichtung 5 aus Graphit umgeben ist. Die Wärme wird mit Hilfe einer HF-Induktorspule 7 erzeugt, die an einen HP-Generator 9 angeschlossen ist. Ein Kristallziehmechanismus 11 dient zum Ziehen eines Kristallstabs 13 aus der Schmelze 1. Ein Hebemechanismus 10 für den Tiegel hat den Zweck, den Tiegel 3 so anzuheben, daß der Spiegel der Schmelze auf konstanter Höhe gehalten wird, während der Kristallstab 13 gezogen wird. Eine Überwachungsvorrichtung 15 ist in einem verhältnismäßig kleinen Winkel gegen die Vertikale geneigt und auf die Grenzfläche 12 zwischen dem Kristallstab 13 und der Siliziumschmelze 1 , d.h. auf den Ort des Lichthofs gerichtet. Die Überwachungyorrichtung 15 erzeugt zwei f elektrische Steuersignale, von denen das eine Änderungen des Durchmessers des Kristallstabs proportional ist, während das andere Änderungen des Spiegels der Siliziumschmelze proportional ist. Diese Signale können dazu verwendet werden, den Kristallziehvorgang automatisch zu steuern oder die Handsteuerung des Kristallziehvorgangs zu erleichtern. Ein Steuertcechanismus 20 spricht auf das Durchmessest euersignal 16 der Überwachungsvorrichtung 15 an, um den Ziehmechanismus 11 so zu steuern, daß ein konstanter Kristalldurchmescer erhalten wird. Ein Steuermechanisinus H spricht auf das Schmelzspiegelsteuersignal 12 an, um den Hebe-

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mechanismus 10 so zu steuern, daß der Spiegel der Schmelze konstant gehalten wird. Die Steuermechanismen 14 und 20 · können von jeder geeigneten Art sein, beispielsweise elektromechanische Torrichtungen oder ein geeignet programmiertes Digitalrechengerät mit den erforderlichen Peripheriegeräten. Es ist zu bemerken, daß eine andere Maßnahme zur- Steuerung des Durchmessers in einer Änderung der Temperatur der Schmelze besteht, doch soll bei der folgenden Beschreibung angenommen werden, daß die Temperatur der Schmelze konstant gehalten wird.

Die Überwachungsvorrichtung 15 besteht in der Darstellung aus drei Punktionaabschnitten 17» 18 und 19· Der optische Abschnitt 17 fokussiert die Strahlung von dem an der Grenzfläche 12 liegenden Lichthof auf opto-elektrische Abtastvorrichtungen im Abschnitt 18. Die elektrischen Ausgangssignale dieser Abtestvorrichtungen werden in dem elektrischen Abschnitt 19 zur Erzeugung der gewünschten Steuersignale vereinigt.

Fig.2 zeigt eine schematische Ansicht des bei der bevorzugten Ausführungsform verwendeten optischen Systems. Die JFeldlinsen 21 und 23 haben geeignete Brennweiten, um die Lichthofstrahlung zu fokussieren und ein Bild des Lichthofß auf den Abschnitt 18 zu werfen. Eine einstellbare Blende 22 dient zur Steuerung der auf die Linse 23 gerichteten Lichtmenge. Das aus den Teilen 27 bis 33 bestehende Linsensystem ermöglicht die Beobachtung des Lichthofsbilds auf Abtastern, die in einstellbaren Halterungen 25 itn Abschnitt 18 angeordnet sind. Die Linse 28 fokussiert das vom Lichthofbild kommende Licht auf den Spiegel 27. Das vom Spiegel 27 reflektierte Licht wird durch die Linsen 29, 30 , 31 auf einen Spiegel 32 fokussiert. Das am Spiegel 32 erzeugte Bild wird durch ein einstellbares Okular 33 beobachtet.

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Fig.2A zeigt einen Querschnitt entlang der Schnittlinie 24 von Fig.2. Die einstellbaren Halterungen 25 werden durch Mikrometerschrauben 35» 37 und 39 gesteuert. Dies ermöglicht eine Einstellung der Abtaatvorrichtungen genau über dem Lichthofbild, wodurch eine Justierung auf Kristallstäbe von einem gewünschten Nenndurchmesser ermöglicht wird. Die anfängliche Einstellung erfolgt so, daß für den gewünschten Durchmesser das Pehlersignal Null erhalten wird. Die Lage des LichthofbiIds 34 auf den Monitoren 36, 38 und 40 ist zu beachten.

Pig.2B zeigt eine vergrößerte Ansicht des Monitors 36 und des entsprechenden Abschnitts des Lichthofbilds Die Anordnung der Abtastvorrichtungen 56 bis 60 des Monitors 36 ist zu beachten. Die Verwendung von drei Monitoren, von denen jeder fünf Abtastvorrichtungen enthält, ist etwas willkürlich, wird jedoch nachstehend aus noch ersichtlictm Gründen.als die Anordnung bei der bevorzugten Ausführungsform beschrieben.

Pig.3 zeigt das Schaltschema der bei der bevorzugten Ausfuhrungsform verwendeten elektronischen Schaltung. Die Schaltung besteht aus funktionell gleichen Abschnitten 41, 43 , 45 und einem geraeinsamen Abschnitt 47. Die Anzahl und Anordnung der einzelnen Schaltungselemente bei der Schaltung von Pig.3 hängt weitgehend von dem zu simulierenden Fehlersignal ab. Eine genauere Beschreibung der Schaltung von Pig.3 soll deshalb später erfolgen.

Wenn sich der Kristallstabdurchmesser ändert, wird die Lage des Lichthofs relativ zu der festen Lage einer opto-elektrigchen Abtastvorrichtung verändert, die Intensität des auf die Abtastvorrichtung fallenden Lichts ändert sich ebenfalls, und als Polge davon ändert sich auch das elektrische Ausgangssignal. Die Ausgangssignale mehrerer Abtastvorrichtungen können zur Erzeugung

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eines Fehlersignals von nahezu jeder gewünschten Form vereinigt werden. Die bei der bevorzugten Ausführungsform gewählte Form des Fehlersignals ist in Fig.4 gezeigt. Aus Fig.4 ist zu erkennen, daß das Fehlersignal in dem Bereich von E bis C linear und Änderungen des Kristalldurchmessers direkt proportional ist. Die Ausgangssignale der fünf Abtastvorrichtungen jedes Monitors werden zur Erzeugung dieses Fehlersignals vereinigt.

Die Intensitätsverteilung der Strahlung des Lichthofbilds wurde für Silizium gemessen und in Form der Kurve von Fig.5 aufgetragen. In Fig.5 stellt die Abszisse den Abstand quer durch den Lichthof in Millimetern von dem als Bezugspunkt gewählten Lichthofrand auf der Seite der Schmelze dar. Die Ordinate zeigt die relative Intensität der Strahlung. In Fig.5a ist die Kurve von Fig.5 wieder gezeigt, jedoch nun mit der Lage der fünf Abtaster entlang der Abszisse, wodurch die geomirlache Lage der Abtaster quer über das Bild dargestellt wird. Die Orte der Abtaster sind in Fig.5a mit 91 bis 95 bezeichnet. Für die in Fig, 5 gezeigte Lage der Abtaster werden die Ausgangssignale der Abtaster folgendermaßen bezeichneti

X₁₁, X₂₁, X₅₁, X₄₁, X₅₁

Darin bezieht sich die erste Indexziffer auf den Abtaster, von links nach rechts numeriert, und die zweite Indexziffer bezeichnet die Lage des Lichthofs in Bezug auf den Abtaster. Somit entspricht X₁₁ dem Abtaster 91 an der Stelle 3mm, Xp₁ entspricht dem Abtaster 92 an der Stelle 3,75 mm usw. Der Bruchteil des Ausgangsaignals jedes Abtasters, der mit den Ausgangssignalen der übrigen Abtaster vereinigt werden muß, ist durch einen Bewertungsfaktor Wj bestimmt, wobei sich der Index i auf den i-ten Abtaster bezieht. Somit stellen die vereinigten bewerteten Abtaatsignale das Fehlersignal dar.

209811/1591 *

Für die in Pig.5a gezeigte Lage der Abtaster quer über den Lichthof sei das Pehlersignal Null, was dem Punkt A auf der Kurve von Fig. 4 entspricht. Daraus ergibt sich die folgende Gleichung :

W₁X₁₁ + W₂X₂₁ * W₃X₅₁ + W₄X₄₁ + W₅X₅₁ =0 (1)

Die Werte von X^₁ werden aus der Kurve von Pig.5a entnommen« Aus Pig.5a ist zu erkennen, daß für den Abtaster 91 die relative Intensität 2,31 Einheiten beträgt, für den Abtaster 92 den Wert 3,40 Einheiten hat usw. Die Gleichung (1) lautet dann :

w₁(2,31)+w₂(3,4O)+w₃(4,3O)+w₄(3_f56)+w₅(2,53) = O (2)

Es sei nun angenommen, daß sich der Lichthof nach rechts um eine Strecke bewegt, die gleich dem Abstand zwischen zwei Abtastern ist. Bei dem gewählten Beispiel beträgt dieser Abstand 0,75 mm, wie aus Pig.5a zu erkennen ist. In Pig.5b ist die neue Lage der Abtaster in die Kurve von Pig.5 eingezeichnet. Die Ausgangssignale der Abtaster können wie zuvor von der Kurve abgelesen werden. Es sei angenommen, daß das Pehlersignal für diese Lage den Wert -0,5 hat, was der Lage D auf der Kurve von Pig.4 entspricht. Die Gleichung (1) wird dann :

w₁(1,89)+w₂(2,31)+w₃(3,4O)+w₄(4,3O)+w₅(3,56) = 0,5 (3)

Auf analoge Weise können weitere Gleichungen erhalten werden, die den übrigen Lagen B , C und E des Fehlersignals in Pig.4 entsprechen. Das Gleichung3syctem lautet dann:

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" ¹² " 2H3553

w₁(1,75)+w₂(1,89)+w₃(2,3i)+w₄(3,4O)+w₅(4,3O) = 1,0 (E)

w₁(.t,89)+w₂(2,3i)+w₃(3,40)+w₄(4,39)+w₅(3,56) =0,5 (D)

_Wi(2,31)+w₂(3,4O)+w₃(4,3O)+w₄(3,56)+w₅(2,53) =0 -(A)' (4)

w₁(3,40)+w₂(4,30)+w₃(3,56)+w₄(2,53)+w₅(1,80) = 0,5 (B)

w₁(4,3O)+w₂(3,56)+w₃(2,53)+w₄(1,8O)+w₅(1,3O) = 1,0 (C)

Die Auflösung dieses Gleichungssystems ergibt Werte von w.. Diese Lösung ergibt das Fehlersignal im Bereich von C bis E in Fig.4» wenn sich das Lichthofbild über die Abtaster bewegt:

Fehlersignal = 0,374x₁-0,1O1x₂+0,O65x₃+O,O95x₄-0,451x₅ (5)

Die Gleichung (5) wurde zur Erzeugung der allgemeinen Form des Fehlersignals durch Abtastung des Lichthofsbilds verwendet. Der mittlere Abschnitt des resultierenden Fehlersignals ist in Fig.6 dargestellt. In Fig.6 ist auf der Abszisse die Verschiebung des Lichthofs aus der Bezugsstellung und auf der Ordinate der Wert des Fehlersignals aufgetragen.

Für die opto-elektrischen Abtastvorrichtungen wurden bei der beschriebenen Ausführungsfcrm photoelektrische Siliziumdioden gewählt. Diese Dioden erzeugen ein elektrisches Ausgang3signal, das der Intensität der darauf gerichteten Strahlung proportional ist.

Die Verwirklichung der Bewertungsfaktoren, mit denen die einzelnen Ausgangssignale der Photodioden multipliziert werden, und deren Suramierung erfolgt mit Hilfe eines Differenzverstärkers, Die in Fig.3 gezeigten Dioden 61 bis 65 sind photoelektrische Siliziumdioden. Die elektrischen Ausgangssignale der einzelnen Dioden werden jeweilc durch einen Verstärker 51 bis 55 verstärkt,

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und die Ausgangssignale dieser Verstärker werden über Widerstände 71 bis 75 einem Differenzverstärker 80 zugeführt. Die Werte der Widerstände 71 bis 75 sind den jeweiligen Bewertungsfaktoren w^ proportional. Es ist zu bemerken, daß die den Paktoren X₂ und Xr entsprechenden Signale dem negativen Eingang des Differenzverstärkers 80 zugeführt werden. In entsprechender Weise werden die den Faktoren X₁, x, und x. entsprechenden Signale dem positiven Eingang des Differenzverstärkers 80 zugeführt, wodurch die Vorzeichen in der Gleichung (5) berücksichtigt werden.

Jeder der Abschnitte 41« 43 und 45 stellt einen einzelnen Monitor dar. Die Abschnitte 43 und 45 sind funktionsmäßig dem Abschnitt 41 gleich. Jeder Monitor erzeugt ein '

elektrisches Fehlersignal der in Fig.6 gezeigten allgemeinen Form. Die drei Monitoren sind rings um das Lichthofbild 34 in der in Fig.2A gezeigten Weise angeordnet. In Fig.7 ist die Lage der Monitor-Detektorpunkte A, B und C auf dem den Kristallstab 103 umgebenden Lichthof 101 gezeigt. Die Gründe für die Wahl von drei Monitoren und ihrer gegenseitigen Lage werden im Lauf der folgenden Beschreibung erkennbar werden.

Die Überwachungsanordnung erzeugt auf die folgende Weise ein Shlersignal, das dem Kristallstabdurchmesser proportional ist. Die Monitoren A und B (Fig.7) erzeugen Fehler- | signale, wie sie in Fig.8 dargestellt sind. Es ist zu beachten, daß das vom Monitor A erzeugte Fehlersignal bei einer positiven Verschiebung zunimmt, während das vom Monitor B erzeugte Fehlersignal bei einer positiven Verschiebung abnimmt. In Fig.9 sind die Fehlersignale der Monitoren A und B einer Querschnittsansicht des Kristallstabs 105 überlagert. Es ist zu beachten, daß der Abstand /.wischen den Monitoren A und B gleich dem Nenndurchmesser des Stabs ist. Wenn die durch die Veränderliche χ bezeichneten Radiuswerte an.f der rechten

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Seite positiv und die durch die Veränderliche y. bezeichneten Radius werte auf der linken Seite negativ gezählt werden, kann das Fehlersignal jedes Monitors in polarer Darstellung folgendermaßen geschrieben werden :

E_A=fc(x-r₀)

Darin ist r der Nennradius des Stabs, und k ist die Neigung des F eh le rs ig na Is. Die Vereinigung dieser Signale ergibt:

E⁴⁺² = k(x - y) - 2kr₀ (6)

Wenn der Durchmesser des Stabs richtig ist, gilt χ = r und y = - r_· Durch Einsetzen erhält man :

~ = *(r₀ + r_o> - 2kr₀ = 0

Es besteht kein Fehlersignal·

Nun soll der Stabradius um Δ zunehmen; dann gilt:

r = r₀ + Δ
y = -(r₀ + Δ )

Die Gleichung (6) ergibt dann :

= k(r₀ + Δ + r₀ +Δ) -2kr_Q

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Eb wird ein Fehlersignal des Wertes 2kA erzeugt. In entsprechender Weise wird ein Fehlersignal des Wertes ~2kA erzeugt, wenn der Durchmesser um Δ abnimmt.

Während der Kristallstab aus der Schmelze gezogen wird, kann er manchmal etwas schwanken. Der Durchmesser des Kristalls braucht sich bei diesen Schwankungen nicht zu ändern, und deshalb ist es erwünscht, die Auswirkungen des Schwankens auf einen Durchmesserabtaster zu unterdrücken. Es sei der Fall betrachtet, daß der Mittelpunkt des Stabs um den Betrag^nach rechts schwankt; dann gilt:

χ = r + A

ο
y =-r₀ + Δ

Die Gleichung (6) ergibt dann :

= k(r₀ + Δι- *₀ -A)-2kr₀ = 0

Es wird kein Fehlersignal erzeugt. In gleicher Weise wird kein Fehlersignal erzeugt, wenn die Schwankung um den gleichen Betrag Δ oach links erfolgt. Das System mit zwei Monitoren erzeugt also ein Fehlersignal, das von Änderungen des Kristalldurchmessers abhängt, aber nicht von Schwankungen des Kristalls.

Ein guter Kristall braucht nicht zylinder symmetrisch zu sein. In diesem Fall ändert sich der Radiusvektor des Kristalldurchmessers als Funktion von 9 , wenn θ der Winkel ist, um den sich der Kristall während des Ziehens gegenüber einer Bezugsrichtung gedreht hat. Diese BezugsrichtuGg kann in der in Fig.10 gezeigten Weise gewählt werden. Die Änderung des Radiusvektors läßt sich dann als Funktion von θ durch folgende Fourierreihe ausdrücken:

r = r_Q + a₁ sin 1Θ + a₂ sin 2Θ + a₃ sin 3Θ + ... (7)

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Die Gleichung (7) ergibt auch den Wert von χ :

χ = r₀ + a.j sin 10 + agSin 20 + a, sin 30 + ... (8)

Der Wert von y wird dadurch erhalten, daß O gleich O +fr gemacht wird, da der Monitor B gegen den Monitor A um den WinkeliTum die Kristallachse versetzt ist. Wenn O +TTfür O in die Gleichung (7) eingesetzt wird und in Betracht gezogen wird, daß der Wert von y negativ sein muß, erhält man:

y = -Cr^a₁SInI (0+te )+a₂sin2(0+tr )+a₅sin3(O+-^)+ ...) (9) y = -(r -a-jSiniO+agSinaO-a^sinSO+....)

Durch Einsetzen der durch die Gleichungen (8) und (9) gegebenen Werte von χ und y in die Gleichung (6) erhält man das Fehlersignal :

A+B
E₅ = 2ka₂sin 20 + 2ka, sin 40 + ... (10)

Dies bedeutet, daß die um 180° gegeneinander um die Kristallachse versetzten Monitoren die ungeraden Harmonischen der Kristal!-Unsymmetrie beseitigen, aber nicht die geraden Harmonischen.

Zum Verständnis der Auswirkungen von Änderungen des Spiegels der Schmelze auf die von den Monitoren A und B erzeugten Signale soll nun auf Fig.11 Bezug genommen werden. Die scheinbare Änderung S des Lichthofradius r infolge einer Änderung m des Spiegels der Schmelze ist durch die folgende Gleichung gegeben:

S rr r₀ - r₀ cos O (11)

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Darin sind :

θ β sin

^ro

Y = Blickwinkel
Durch Einsetzen und Erweitern erhält man

Γ_ (m tgY)² 1 L ^ro J

0,5

Die Gleichung (12) wurde dazu verwendet, die von Änderungen des Spiegels der Schmelze verursachten scheinbaren Fehler für verschiedene Blickwinkel aufzutragen. Zwei repräsentative Kurven sind in Fig.12 dargestellt. Dabei ist auf der Abszisse die Änderung des Spiegels der Schmelze aufgetragen, während die Ordinate die scheinbare Änderung des Radius des Kristallstabs darstellt. Die Kurve 111 ist für einen Blickwinkel von 30° aufgetragen, und die Kurve gilt für einen Blickwinkel von 18°26·. . . Es ist zu beachten, daß für kleine Blickwinkel praktisch kein Radiusfehler bei kleinen Änderungen des Spiegels der Schmelze auftritt. Deshalb kann die Auswirkung von Änderungen des Spiegels der Schmelze auf das Fehlersignal der Monitoren A und B vernachlässigt werden.

Für den Monitor in der Stellung O ist der von einer Änderung des.Spiegels der Schmelze verursachte Fehler S_Q des scheinbaren Radius :

S₀ = m tgY

Dieser Fehler ist der Änderung des Spiegels der Schmelze direkt proportional. Das gesamte von Monitor C erzeugte Fehler signal ist

E^C = k(4r + ο
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Durch Abziehen von E ⁺ /2 vom Ausgangs signal des Monitors C

. wird der Beitrag der Radiusänderung zu dem Signal E beseitigt, bo daß nur das von der Änderung des Spiegels der Schmelze verursachte Signal übrigbleibt. Das Pehlersignal für die Änderung des Spiegels der Schmelze lautet somit:

^ESchraelze^{= E} ~ ^⁺ ^/2

In Fig. 3 sind die Schaltungen zur Erzeugung der Fehle rs ig na Ie ir⁺ und ^schmelze gezeigt. Die Signale 44 und 46 von den Ausgängen der Differenzverstärker der Monitoren A bzw. B w werden über gleiche Widerstände 81 bzw. 82 dem Eingang

eines Verstärkers 83 zugeführt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 83 ist das gewünschte Fehlersignal ίΓ⁺ . Dieses Signal wird über den Spannungsteiler 84, 85 dem negativen Eingang eines Differenzverstärkers 86 zugeführt. Das Eingangssignal 88, das vom Ausgang des Differenzverstärkers des Monitors C kommt, wird über den Widerstand dem Differenzverstärker 86 zugeführt. Das Ausgangesignal des Differenzverstärkers 86 ist das Fehlersignal ^ESchmelze"

Experimentelle Ergebnisse zeigen, daß das durch die Überwachungsvorrichtung erzeugte Durchmessersteuersignal sehr α genau ist. Es wurden Kristallstäbe mit einem Nenndurchmesser von 50 mm gezogen, und die Varianz zwischen der wirklichen Durchmesseränderung und dem Fehlersignal wurde zur Berechnung der mittleren Abweichung verwendet. Es wurde gefunden, daß die mittlere Abweichung 0,3 mm betrug .

Die Erfindung ist natürlich nicht auf das dargestellte und beschriebene Ausführung3beispiel beschränkt. Insbesondere eignet sich die Erfindung nicht nur zum Ziehen von Siliziumkristallen, sondern auch zum Ziehen von Kristallstäben aus anderen Materialien, beispielsweise Germanium.

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Claims

Pate ntansprüohe

1. Verfahren zum Ziehen von Kristallstäben mit kontrolliertem Durchmesser aus einer in einem Tiegel enthaltenen Schmelze, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung eines den Kristallstab beim Ziehen aus der Schmelze umgebenden Lichthofs auf wenigstens einen Monitor fokussiert wird, der eine opto-r eleketrische Abtastvorrichtung enthält, welche ein Durchmessersteuersignal in Abhängigkeit von der festgestellten Lichthofstrahlung erzeugt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswirkungen von Änderungen des Kristallstabdurchmessers auf das elektrische Ausgangssignal des Monitors entfernt werden, damit ein Schmelzspiegelsteuersignal erzeugt wird, mit welchem der Spiegel der Schmelze in dem Tiegel geregelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung des den Kristallstab umgebenden Lichthofs auf mehrere opto-elektrische Abtastvorrichtungen fokussiert wird, die rings um das durch die Fokussierung gebildete Bild des Lichthofs angeordnet sind, und daß die elektrischen A us gangs Signa Ie der opto-elektrische η Abtast vorrichtungen zur Erzeugung des Durchras ssersteuersignals vereinigt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die opto-elektrischen Abtastvorrichtungen auf einer radialen Linie angeordnet sind, die durch den Mittelpunkt des durch die Fokussierung gebildeten Bilds des Lichthofs geht.

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5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung von dem den Kristallstab umgebenden Lichthof auf mehrere Monitoren fokussiert wird, die rings um das Bild des Lichthofs angeordnet sind, und von denen jedes mehrere opto-elektrische Abtastvorrichtungen enthält.

6. Verfahren nach Aispruch 5, .dadurch gekennzeichnet, daß' die elektrischen Ausgangssignale der optp-elektrischen Abtastvorrichtungen jedes der Monitoren zur Erzeugung von gewünschten Pehlersignalen vereinigt werden, und daß das Durchmessersteuersignal durch Vereinigung der Fehlersignale aller Monitoren erzeugt wird.

7«. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung von dem den Kristallstab umgebenden Lichthof auf drei Monitoren fokussiert wird, von denen jeder mehrere opto-elektrische Abtastvorrichtungen enthält, daß zwei dieser Monitoren in einem Abstand von 180° und der dritte Monitor in einem Abstand von 90° dazwischen angeordnet sind, daß die AusgangsSignaIe der beiden im Abstand von 180° angeordneten Monitoren zur Erzeugung des Durchmessersteuersignals zusammengefaßt werden,und daß die Hälfte des Durchmessersteuersignals von dem Ausgangssignal des dritten Monitors zur Erzeugung des SchmelzspiegeisteuerSignaIs abgezogen wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Kristallstabs beim Ziehen des Kristallstabs aus der Schmelze in Abhängigkeit von dem Durchmessersteuersignal geregelt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8 unter Rückbeziehung auf Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel der Schmelze in dem Tiegel in Abhängigkeit von dem Schmelzspiegel steuersignal geregelt wird.

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10.Vor richtung zum Ziehen von Kristallstäben mit kontrolliertem Durchmesser aus einer in einem !Tiegel enthaltenen Schmelze nach dem Verfahren gemäß Anspruch 3_t gekennzeichnet durch eine optische Anordnung (17) zur Fokussierung der Strahlung eines den Kristallstab (13) umgebenden Lichthofs, eine Anzahl von opto-elektrischen Abtastvorrichtungen (18), die der optischen Anordnung so zugeordnet sind,, daß sie die von dieser fokussierte Strahlung empfangen und elektrische Aus gangs signa Ie erzeugen, die der Intensität der Strahlung proportional sind, und durch elektrische Schaltungen (19) zum Vereinigen der elektrischen A us gangs signa Ie der optoelektrischen Abtast vorrichtungen zur Erzeugung eines Durchmesser Steuersignals (16).

11. Vor richtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (20) zur Steuerung des Durchmessers des Kristallstabs in Abhängigkeit von dem Durchmessersteuersignal·

12.Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die opto-elektrischen Abtastvorrichtungen rings um das durch die Fokussierung gebildete Bild des Lichthofs angeordnet sind.

13.Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ä

die opto-elektrischen Abtastvorrichtungen auf einer radialen Liuie angeordnet sind, die durch den Mittelpunkt des durch die Fokussierung gebildeten Bilds des Lichthofs geht.

14.Vorriehtu ng nach einem der Ansprüche 10 bis 13, gekennzeichnet durch mehrere Monitoren (36, 38, 40; Fig.2A) , von denen jede mehrere opto-elektrische Abtastvorrichtungen (56 bis 60; Fig.2B) enthält, eine elektrische Schaltungsanordnung (4-1, 43, 45» Fig.3) , welche die elektrischen A us gangs signale der opto-elektrischen Vorrichtungen jedes dor Monitoren zur Erzeugung von Fehlersignalen vereinigt, und durch eine

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elektrische Schaltungsanordnung (47; Fig.3), welche die von den verschiedenen Monitoren erzeugten Fehlersignale zur Erzeugung des Durchmessersteuersignals vereinigt.

15«Vorrichtung nach Anspruch 14,dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Schaltungsanordnung die elektrischen Ausgangssignale der Monitoren zur Erzeugung eines Schmelzspiegels te ue rs ig na Is (12) zusammenfaßt.

16.Vorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (14) zur Steuerung des Spiegels der Schmelze in dem Tiegel (3) in Abhängigkeit von dem Schmelzspiegelsteuersignal.

17«Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß drei Monitoren (36, 38, 40) vorgesehen sind, von denen zwei (36, 40) im Abstand von· 180° und der dritte (38) in einem Abstand von 90° dazwischen angeordnet sind.

18.Vorrichtung nach Anspruch 17» dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Schaltungsanordnung (47) so ausgeführt ist, daß sie die AusgangsSignaIe der beiden im Abstand von 180° angeordneten Monitoren (36, 40) zur Erzeugung des Durchmessersteuersignals vereinigt, und das Ausgangssignal des drittenMonitors (38) mit dem Durchiaessersteuersignal zur Erzeugung des Schmelzspiegelsteuersignals vere inigt.

19.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet,daß die optische A_nordnung eine optische Betrachtungsvorrichtung (33) zur Betrachtung des Bilds des Lichthofs auf den opto-elektrisehen Abtastvorrichtungen

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enthält, und daß eine mechanische Anordnung (25, 35, 37» 39) zur Einstellung der Lage der opto-elektrischen Abtastvorrichtungen für einen gewünschten Nenndurchmesser vorgesehen ist.

20.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die opto-elektrisehen Abtastvorrichtungen photoelektrische Siliziumdioden sind.

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