DE2149093C3 - Vorrichtung zur Züchtung von Einkristallen durch Ziehen aus einer Schmelze - Google Patents

Vorrichtung zur Züchtung von Einkristallen durch Ziehen aus einer Schmelze

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DE2149093C3 DE19712149093 DE2149093A DE2149093C3 DE 2149093 C3 DE2149093 C3 DE 2149093C3 DE 19712149093 DE19712149093 DE 19712149093 DE 2149093 A DE2149093 A DE 2149093A DE 2149093 C3 DE2149093 C3 DE 2149093C3
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Description

Achse des Strahlenbündels fokussiert, und daß ein aus der Differenz dieser Signale mittels eines Proportionaltotegral-Differential-Reglers nach zeitlicher Mittelung gebildetes Signal der Durchmesserüberwachung bzw. -steuerung dient
Vorteilhafte weitere Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Wenn bei dem gewünschten Kristal'durchmesser der Abstand zwischen Kristall und Tiegelwand nicht zu groß ist. kann die durch die Anwesenheit des wachsenden Kristalls bedingte Krümmung der Schmelzenooerfläche sofort übergehen in eine Krümmung, die durch die Tiegelward 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 Reflexionsstrahlung zeigen. Vorzugsweise ist die optische Vorrichtung derart angeordnet daß die Einstrahlung parallel zur Ziehachse ist Dabei ist die Lage der beleuchteten Oberflächenstelle der Flüssigkeit in bezug auf den Kristall unabhängig von der Höhe des Flüssigkeitspegels im Tiegel. Der Tiegel hat vorzugsweise eine zylindrische Innenwand.
Zur Erzeugung der Srahluiig kann im Prinzip eine Glühlampe 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 Reflexionsstrahlung ergeben. Insbesondere bei Verwendung einer annähernd punktförmig auf die Schmelzenoberfläche fokussierten Strahlung wird die auf die Stelle der beiden Photozellen fokussierte Reflexionsstrahlung eine Bewegung ausführen, bei der bald die eine, bald die andere Photozelle 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 Reflexionsstrahlung empfangen, gegebenenfalls zu verschiedenen Momenten, während dagegen bei Abweichung dt mittleren Durchmessers vom Sollwert bei einer voi gen Drehung des Kristalls eine Phot< /eile mehr Reflexionsstrahlung empfangen wird als die andere. Die Differenz ergibt sich dann aus der integrierten Reflexionsstrahlung. Eine Differenz ergibt sich auch, wenn bei unrundem Durchmesser eine weniger fokussierte Reflexionsstrahlung die Photozellen treffen würde.
Ein Aubfi'hrungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Die Figur zeigt schematisch in vertikalem Schnitt eine Ausführungsform einer ei findungsgemäßen Vorrichtung zum Züchten eines Einkristalls aus einer Schmelze.
Die Vorrichtung zeigt einen Tiegel 1, z. B. 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 1 befindet sich eine Schmelze 2 aus dem zu kristallisierenden Material oder aus einer Lösung dieses Materials. Zum Ziehen des Kristalls 5 ist eine Ziehstange 3 vertikal über der Schmelze angeordnet, die an ihrem unteren Ende Mittel zur Befestigung eines Keimkristalls 4 aus dem Material des zu züchtenden Einkristalls aufweist Mittels an sich bekannter Antriebsmechanismen kann die Stange 3 mit regelbarer Geschwindigkeit hochgezogen und gleichzeitig um ihre Achse gedreht werden.
Mittels einer geeigneten Ziehgeschwindigkeit und nich» 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 weiterwächbt 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 1 kHz periodisch unterbrochen. Die Zerstreuungslinse 14 macht das Laser-Lichtbündel leicht divergent so daß die Strahlung ihren Ursprung in einem scharf definierten Punkt 15 in einer Entfernung F (Brennpunktsabstand) von der Linse 14 zu haben scheint. Durch eine Öffnung 17 im Spiegel 16 und zwischen zwei Sirahlenteilerplatten 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 Schmelzenfläche 7 ab. Der Abiastpunkt 9 kann dadurch auf verschiedene Kristalldurchmesser eingestellt werden, daß man den Spiegel 21 verschiebt. Der im Punkt 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 Strahlung, welche auf die obere Hälfte der Linsenfläche der Sammellinse 20 fällt, 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 Abtaststelle 9 zurückkehrende und in die Linsenapertur fallende Strahl in einem Zwischenpunkt zwischen den Dioden 25 und 26 abgebildet Die Platten können auch durch zwei Prismen mit kleinem Ablenkungswinkel ersetzt werden, die mit ihrer Spitze aufeinanderstehen.
Die durch die Zerhackerscheibe 12 fortwährend unterbrochene Strahlung erzeugt in den von ihrer Reflexion angeregten Photozellen 25 und 20 Wechselstromsignale. Die von den Photozellen 25 und 26 erhaltenen Signale werden in den Verstärkern 33 bzw. 34 verstärkt. Über einen PID (Proportional-lntegral-Differential)-Regler 32 wird die Differenz der Signale nach zeitlicher Mittelung (Integration) verwendet zur Leistungsregelung des Hochfrequenzgenerators 31.
Beim Sollwert des mittleren Durchmessers des anwachsenden Kristallteils ist die integrierte Differenz gleich Null. Wird der mittlere Durchmesser kleiner als dei Sollwert, so wird die Reflexionsfläche 9 ein wenig gedreht, derart, daß die Photozelle 25 mehr beleuchtet wird als die Photozelle 26, und es wird ein Differenzsignal 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
größer als der Sollwert, wird durch Drehung der Reflexionsfläche 9 die Photozelle 26 mehr beleuchtet, und es wird eine Differenz enigegengesetzter Art gebildet, die eine Leistungserhöhung des HF-Genciators und eine Steigerung der Temperatur der Schmelze erzeugt, wodurch der mittlere Durchmesser zum Sollwert ernied-
rigt wird.
Der Reflexionsstrahl kann beim Sollwert« scr auch in anderen Richtungen als gemäß des Eingangsstrahls gehen, wobei die Ausbi optischen Vorrichtung entsprechend ange würde.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche: engen Lächtbündels derart ausgerichtet ist, daß die Einstrahlung parallel zur Ziehachse erfolgt
1. Vorrichtung air Züchtung von Einkristallen durch Ziehen aus einer in einem Tiegel befindlichen Schmelze, mit einer optischen Überwachung und/oder Steuerung des Durchmessers des anwachsenden Kristalls, enthaltend eine Anordnung zum Einstrahlen eines Lichtbündels auf eine infolge des Kristalls gebogene Stelle der Schmelzenoberfläche, zum Auffangen der reflektierten Strahlung und zum Umwandeln dieser Strahlung in elektrische Signale, die der Durchmesserüberwachung bzw. -steuerung diesen, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelle, auf die das Lichtbündel trifft, so weit vom Rand des anwachsenden Kristalls entfernt ist, daß die Schmelzenoberfläche höchstens geringfügig von der Waagerechten abweicht, daß das eingestrahlte Lichtbündel von der Ziehachse höchstens um einen Winkel von )0° abweicht, daß zum Auffangen der reflektierten Strahlung und Umwandeln in elektrische Signale zwei photoelektronische Bauelemente nach einer Trennvorrichtung für die Strahlung in zwei voneinander entfernten Punkten angeordnet sind, auf welche die Trennvorrichtung Strahlungsanteile beiderseits der Achse des Strahlenbündels fokussiert, und daß ein aus der Differenz dieser Signale mittels eines Proportional-Integral-Differential-Reglers nach zeitlicher Mittelung gebildetes Signal der Durchmesserüberwachung bzw. -steuerung dient.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eingestrahlte Lichtbündel auf eine Stelle der Schmelzenoberfläche 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 Schmelzenoberfläche gerichtet ist, die beim Sollwertdurchmesser mindestens 3 mm vom Rand des anwachsenden Kristallteils entfernt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zum Einstrahlen eines engen Lichtbündels ein Laser ist
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zum Umwandeln der reflektierten Strahlung in elektrische Signale Photozellen sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zum Umwandeln der reflektierten Strahlung in elektrische Signale Photodioden sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Photozellen oder Photodioden derart angeordnet sind, daß sie beim Sollwertdurchmesser des anwachsenden Kristallteils die reflektierte Strahlung mit gleicher Intensität empfangen und bei Abweichung von diesem Durchmesser durch die Änderung der Orientierung der Auftreffstelle auf der Schmelzenoberfläche Strahlung mit verschieden starker Intensität empfangen, wobei die Steuerung des Kristallwachsvorganges über die Differenz der von den beiden Photozellen oder Photodioden herrührenden elektrischen Signale erfolgt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zum Einstrahlen eines Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Züchtung von Einkristallen durch Ziehen aus tiner in einem Tiegel befindlichen Schmelze, mit einer optischen Überwachung und/uder Steuerung des Durchmessers des anwachsenden Kristalls, enthaltend eine Anordnung zum Einstrahlen eines Lichtbündels auf eine infolge des Kristalls gebogene Stelle der Schmelzoberfläche, zum Auffangen der reflektierten Strahlung und zum Umwandeln dieser Strahlung in elektrische Signale, die der Durchmesserüberwachung bzw. -steuerung dienen.
Eine Vorrichtung der obenerwähnten Art ist beschrieben in der USA.-Patentschrift 3 291 650. Der Tiegel enthält dabei eine auf der Schmelze schwimmende
Scheibe, die mit einem zentralen Loch versehen ist in dem die Schmelze etwas empo.-gepreßt 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 zum Einstrahlen eines konzentrischen Lichtbücdels auf die nach dem Kristall hochgezogene Schmelzenfläche und eine Anordnung zum Auffangen der reflektierten Strahlung. Das Lichtbündel wird schräg eingestrahlt und. der ebenfalls schrägen Lage des bestrahlten Oberflächenteils wegen, wieder schräg zurückgestrahlt. Durch die große Krümmung der Schmelzenfläche an der Reflexionsstelle wird sich bei sehr geringen Änderungen des Umfangs des an wach-
senden Kristallteils der Winkel des bestrahlten Schmelzenflächenteils mit der waagerechten Lage erheblich ändern. Eine solche erhebliche Lageänderung kann dazu führen, daß die reflektierte Strahlung die Empfangsanordnung überhaupt nicht 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 Schmelzenfläche 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 des 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 Lichtbündel trifft, so weit vom Rand des anwachsenden Kristalls entfernt ist, daß die Schmelzenoberfläche höchstens geringfügig von der Waagerechten abweicht, daß das eingestrahlte Lichtbündel von der Ziehachse höchstens um einen Winkel von 10° abweicht, daß zum Auffangen der reflektierten Strahlung und Umwandeln in elektrische Signale zwei photoelektronische Bauelemente nach einer Trennvorrichtung für die Strahlung in zwei voneinander entfernten Punkten angeordnet sind, auf welche die Trennvorrichtung Strahlungsanteile beiderseits der
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