DE2149093B2 - Vorrichtung zur Züchtung von Einkristallen durch Ziehen aus einer Schmelze - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Züchtung von Einkristallen durch Ziehen aus einer in einem Tiegel befindlichen Schmelze, mit einer optischen Überwachung und/oder Steuerung des Durchmcsers des anwachsenden Kristalls, enthaltend eine Anordnung zum Einstrahlen eines Lichtbündels auf eine infolge des Kristalls gebogene Stelle der Schmelzoberfläche, zum Auffangen der reflektierter Strahlung bild zum Umwandeln dieser Strahlung in elektrische Signale, die der Durchmesserüberwachung bzw. -steuerung dienen.

Eine Vorrichtung der obenerwähnten Art ist beschrieben in der USA.-Paientschrifi 3 1-ii töG. Der Tiegel enthält dabei eine auf der Schmelze schwimmende Scheibe, die mit einem zentralen Loch versehen ist, in dem die Schmelze etwas emporgepreßt wird mittels auf der Scheibe angeordneten Gewichten, derart, daß die Schmelze etwas aus dem Loch herausragt. An dieser Stelle wird der Kristall durch Ziehen gezüchtet.

Eine seitlich angeordnete optische Vorrichtung enthält eine Anordnung zun. Einsirahlen eines konzentrischen Lichtbündels auf die nach dem Kristall hochgezogene .Schmelzenfläche und eine Anordnung zum Auffangen der reflektierten Strahlung. Das Lichtbündcl wird schräg eingestrahlt und, der ebenfalls schrägen Lage des bestrahlten Oberfiächenteils wegen, wieder schräg zurückgestrahlt. Durch die große Krümmung der Schmclzenfläche an der Reflexionsstclle wird sich bei sehr geringen Änderungen des Umfangs des anwachsenden Kristallteils der Winkel des bestrahlten Schmelzcnflächcntcils mit der waagerechten Lage erheblich ändern. Eine solche erhebliche i igeänderung kann dazu führen, daß die reflektierte Strahlung die F.mpfangsanordnung überhaupt nichi erreicht, und dementsprechend ist es nicht ohne weiteres feststellbar, nach welcher Seite die Reflexionsstrahlung von der ge wünschten Richtung abweicht. Das bedeutet also, daß nicht mehr festzustellen ist. ob der Durchmesser des anwachsenden Kristallteils zu groß oder zu klein geworden ist.

Ein weiterer wichtiger Nachteil der bekannten Vorrichtung ist der, daß bei einer Senkung des Schmelzenvolumens eine ganz andere Stelle der hochgezogenen Schmelzenflächc mit einer anderen Lage durch das eingestrahlte Lichtbündel getroffen wird. Dadurch wird sich die Richtung der reflektierten Strahlung in einem Maß ändern, das größenordnungsmäßig vergleichbar ist mit der Richtungsänderung, die eintritt bei Änderung dps Durchmessers des anwachsenden Kristallteils.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beheben oder wenigstens herabzusetzen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Stelle, auf die das Lichtbündcl trifft, so weit vom Rand des anwachsenden Kristalls entfernt ist, daß die Schmclzenoberflache höchstens geringfügig von der Waagerechten abweicht, daß das eingestrahlte Lichtbündel von der Ziehachse höchstens um einen Winkel von i0° abweicht, daß zum Auffangen der reflektierten Strahlung und Umwandeln in elektrische Si-

f>5 gnale zwei photoelektronische Bauelemente nach einer Trennvorrichtung für die Strahlung in zwei voneinander entfernten Punkten angeordnet sind, auf welche die Trennvorrichtung Strahlungsanteilc beiderseits der

Achse iles Strahlenbündel« fokussiert, und daß ein mis der Different dieser Signale millels eines Proportional-Integral-Differential-Reglers nach zeitlicher Mittelung gebildetes Signal der Durchrnesseriiberwachung bzw. -steuerung dient.

Vorteilhafte weitere Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Wenn bei dem gewünschten Kristalldurchmesser der Abstand /wischen Kris'all und Tiegelwand nicht zu groß ist, kann die durch die Anwesenheit des wachsen- to den Kristalls bedingte Krümmung der Schmelzenoberfläche sofort übergehen in eine Krümmung, die durch die Tiegelwand bedingt ist. Die Schmelzenoberfläche ist dabei an jenen Stellen, wo sie horizontal ist, trotzdem gebogen, und demzufolge wird sich eine Änderung des Durchmessers des anwachsenden Kristalls in einer Richtungsänderung der Refiexionsstrahlung zeigen. Vorzugsweise ist die optische Vorrichtung derart angeordnet, daß die Einstrahlung parallel zur Ziehachse lsi. Dabei ist die Lage der beleuchteten Oberflächen Stelle tier Flüssigkeil in bezug auf den Kristall unabhängig von der Höhe des Flüsr.igkeitspegels im Tiegel. Der Tiegel hat vorzugsweise eine zylindrische innenwand.

Zur Erzeugung der Srahlung kann im Prinzip eine filühlampc verwendet werden. Zum Erhalten einer annähernd punktförmigen Strahlungsquelle ist eine Bogenlampe besser geeignet. Vorzugsweise wird Laserstrahlung verwendet. Laserstrahlung ist kohärente Strahlung, wodurch ein praktisch ideales Bündel paralleler Strahlung hoher Intensität erhältlich ist.

Bei Drehung des Kristalls wird sich bei Abweichung vom völlig runden Querschnitt eine fortwährende Richtungsänderung der Reflcxionsslrahlung ergeben. Insbesondere bei Verwendung einer annähernd punktförmig luf die Schmel/enobcrflächc fokussicrtcn Strahlung ;,;, tvird die auf die Stelle der beiden Pholozellen fokussierte Reflexionsstrahlung eine Bewegung ausführen, bei der bald die eine, bald die andere Phoio/.cllc vom reflektierten Strahl getroffen wird. Beim mittleren Sollwert des Durchmessers des anwachsenden Kristallteils wird in der Zeit einer völligen Drehung des Kristalls jede Photozelle eine gleiche Beleuchtung durch Reflclionsstrahlung empfangen, gegebenenfalls zu verschiedenen Momenten, während dagegen bei Abweichung lies minieren Durchmessers vom Sollwert bei einer Völligen Drehung des Kristalls eine Photozelle mehr Reflexionsstrahlung empfangen wird als die andere. |)ie Differenz ergibt sich dann aus der integrierten Rellexionsstrahlung. Eine Differenz ergibi sich auch, wenn bei iinrundcm Durchmesser eine weniger fokussierte Heflexionsstrahlung die Pholozellen treffen würde.

Ein Ausführungsbeispicl der Erfindung ist in tier Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Die Figur zeigt schematisch in vertikalem .Schnitt eine Aiisführungsform einer 'jrfindungsgemäßen Vorrichtung zum /lichten eines Einkristalls aus einer Schmelze.

Die Vorrichtung /cig! einen Tiegel I. /. IJ. aus Graphit, auf einem Träger 40. Der Tiegel 1 ist von einer Hochfrequenzspule 30 umgeben. Die Hochfrequenzspule 30 wird von einem Hochfrequenzgenerator 31 gespeist. Durch Hochfrequenzinduktion wird der Tiegel geheizt. In dem Tiegel I befindet sich eine Schmelze 2 aus dem zu kristallisierenden Material oder aus einer Lösung dieses Materials. Zum Ziehen les Kristalls 5 ist eine ZiehsUingc 3 vertikal über der Schmelze angeordnet, die an ihrem untren Ende Mittel zur Befestigung eines. Keimkristalls 4 nus dem Mnterinl des zu züchtenden Einkristalls aufweist. Mittels an sich bekannter Antriebsmechanismen kann die Stange 3 mit regelbarer Gescnwindigkeit hochgezogen und gleichzeitig um ihre Achse gedreht werden.

Mittels einer geeigneten Ziehgeschwindigkeit und nicht zu starker Heizung der Schmelze 2 wird zuerst an dem Keimkristall ein konischer Teil gezüchtet, bis der gewünschte Durchmesser erreicht ist. Alsdann wird die Heizung der Schmelze 2 so genau wie möglich auf einen Wert gebracht, derart, daß der Kristall 5 etwa mit konstantem Durchmesser weiterwächst. Zur automatischen Überwachung des Durchmessers durch Einregeln des, Hochfrequenzstroms in der Spule 30 ist eine optische Vorrichtung vorgesehen, die mittels örtlicher Reflexion der Schmelzenoberfläche 7 die Überwachung des Durchmessers ermöglicht Ein Helium Neon-Laser 11 (1 mW Dauerstrichleistung) wird als Strahlungsquelle verwendet. Der aus dem Laser 11 tretende Lichtstrahl wird durch eine Zerhackerscheibe 12 mit einer Frequenz von I kHz. p^nodisch unterbrochen. Die Zerstreuungslinse 14 macrn das Laser-Lichibündcl leicht divergent, so daß die Strahlung ihren Ursprung in einem scharf definierten Punkt 15 in einer rintfernung F (ßrennp'jp.ktsabsland) von der Linse 14 zu haben scn"int. Durch eine Öffnung 17 im Spiegel 16 und zwischen zwei Strahlenteilerplatlen 18 und 19 erreicht die Strahlung die Sammellinse 20. Die Sammellinse 20 bildet den Punkt 15 mittels des Spiegels 21 in der Abtaststelle 9 auf der Schmelzcnflächc 7 ab. Der Abtastpunkt 9 kann dadurch auf verschiedene Kristalldurchmesser eingestellt werden, daß man den Spiegel 21 verschiebt. Der im "unkt 9 reflektierte Laserstrahl wird wieder über den Spiegel 21 durch die Sammellinse 20 mittels des Spiegels 16 auf die Photodioden 25 oder 26 fokussiert, je nachdem ob der Kristalldurchmesser zu groß oder zu klein im Vergleich zum gewünschten Wert ist. Dies wird durch die Strahlenteilerplatten 18 und 19 erreicht, die die gesamte zurückkehrende Snahlung. welche auf die obere Hälfte der I .inscnfläche der Sammellinse 20 fiii!(, einige Millimeter nach oben und die durch die untere Hälfte der Linse gehenden Strahlen einige Millimeter nach unten versetzt. Ohne die Platten 18 und 19 würde jeder von der Ab'iststelle 9 zurückkehrende und in die Linsenapertur fallende Sirahl in einem Zwischenpunkt zwischen den Dioden 25 und 26 abgebildet. Die Platten können auch durch zwei Prismen mil kleinem Ablenkungswinkel ersetzt werden, die mit ihrer Spitze aufeinanderstellen.

Die durch die Zerhackerscheibe 12 fortwährend unterbrochene Strahlung erzeugt in den von ihrer Reflexion angeregten Pholozellen 25 und 26 Wechselstromsignale. Die von den Pho'.ozellen 25 und 26 erhaltenen Signale werden in den Verstärke! η 33 bzw. 34 verstärkt. Über einen PID (Proportionvl-Intcgral-Differenlial)-Rcglcr 12 wird die Differenz der Signale nach zeitlicher Mittelung (Integration) verwendet zur Leistungsregelung des I loehfrcquenzgciierators 31.

Iteim Suilwcrt des minieren Durchmessers des anwachsenden Kristallteils ist die integrierte Differenz gleich Null. Wird der mittlere Durchmesser kleiner als der Sollwert, so wird die Reflexionsflächc 9 ein wenig gedreht, derart, daß die Photozelle 25 mehr beleuchtet wird als die Phr>to/.eMc 26, und es wird ein Differcnzsignal erhalten, das die Leistung des HF-Generators 31 herabsetzt, wodurch die Temperatur der Schmelze etwas erniedrigt wird und der mittlere Durchmesser zum Sollwert steigen wird. Ist der mittlere Durchmesser

Jcr als der Sollwert, wird durch Drehung der Reflcsfläche 9 die Photozclle 26 mehr beleuchtet, und es I eine Differenz entgegengesetzter ΛΠ gebildet, die Leistungserhöhung des HF-Generators und eine gerung der Temperatur der Schmelze erzeugt, wort der mittlere Durchmesser zum Sollwert ernied

rigt wird.

Der ReNcxionsstrahl kann beim ,Sollwertclurclimesscr auch in anderen Richtungen als gcmaü der Hahn des Hingangsstrahls gehen, wobei die Ausbildung der optischen Vorrichtung entsprechend angepaßt sein würde.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Züchtung von Einkristallen durch Ziehen aus einer in einem Tiegd befindlichen Schmelze, mit einer optischen Überwachung und/oder Steuerung des Durchmessers des anwachienden Kristalls, enthaltend eine Anordnung zum Einstrahlen eines Uchtbündels auf eine infolge des Kristalls gebogene Stelle der Schmetzenoberflüche, ium Auffangen der reflektierten Strahlung und zum Umwandeln dieser Strahlung in elektrische Signale, die der Durchmesserüberwachung bzw. -steuerung dienen, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelle, auf die das Lichtbündel trifft, so weit vom Rnnd des anwachsenden Kristalls entfernt ist. daß die Schnielzenoberfläche höchstens geringfügig von der Waagerechten abweicht, daß das eingestrahlte Lichtbündcl von der Ziehachse höchstens um einen Winkel von 10° abweicht, daß /um Auffangen der reflektierten Strahlung ii il Umwandeln in elektrische Signale zwei photoelektronische Bauelemente nach einer Trennvorrichtung für die Strahlung in zwei voneinander entfernten Punkten angeordnet sind, auf welche die Trennvorrichtung Sirahlungsantcile beiderseits der Achse des Strahlenbündels fokussiert, und daß ein aus der Differenz dieser Signale mittels .'.nes Proportional-Integral-Differential-Reglers nach zeitlicher Mittelung gebildetes Signal der Durchmesseriibvrwach .ng bzw. -steuerung dient.

2. Vorrichtung nach Anspruch ! dadurch gekennzeichnet, daß das eingestrahlte Lichtbündcl auf eine Stelle der Schmelzcnobcrfläche gerichtet ist, die unter einem Winkel von maximal 5° von der Waagerechten abweicht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eingestrahlte Lichtbündel auf eine Stelle der Schmclzenoberfläche gerichtet ist, die beim Sollwertdurchmesscr mindestens 3 mm vom Rand des anwachsenden Kristalllcils entfernt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zum Einstrahlen eines engen t.ichtbündcls ein Laser ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zum Umwandeln der reflektierten Strahlung in elektrische Signale Photozellcn sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zum Umwandeln der reflektierten Strahlung in elektrische Signale Photodioden sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder b. dadurch gekennzeichnet, daß zwei Photozcllcn oder Photodioden derart angeordnet sind, daß sie beim Sollwertdurchmesser des anwachsenden Kristalllcils die reflektierte Strahlung mit gleicher Intensität empfangen und bei Abweichung von diesem Durchmesser durch die Änderung der Orientierung der Auftreffstelle auf der Schmclzenoberflache Strahlung mit verschieden starker Intensität empfangen, wobei die Steuerung des Kristallwachsvorgangcs über die Differenz der von den beiden Photozcllcn oder Photodioden herrührenden elektrischen Signale erfolgt.

8. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zum Einstrahlen eine¹· engen Liehtböndels derart ausgerichtet ist, dnß die Einstrahlung parallel zur Ziehachse erfolgt.