DE2208758A1

DE2208758A1 - Vorrichtung zum Ziehen von Halb leiterknstallen

Info

Publication number: DE2208758A1
Application number: DE19722208758
Authority: DE
Inventors: Toshihiko Atsugi Hoshi Kinji Tamate Yasuo Sagmihara Kana gawa Suzuki (Japan)
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1971-02-25
Filing date: 1972-02-24
Publication date: 1972-09-14
Also published as: NL162975C; NL7202422A; FR2126434B1; DE2208758C3; CA971085A; GB1376665A; IT947939B; NL162975B; DE2208758B2; FR2126434A1

Description

It 2062

Sony Corporation, Tokyo / Japan

Vorrichtung zum Ziehen von Halbleiterkristallen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ziehen von Halbleiterkristallen, insbesondere zum Ziehen von stabförmigen Halbleiterkristallen aus einer in einem Tiegel enthaltenen Halbleiterschmelze mit einem vorbestimmten Querschnitt.

Es wurden bereits verschiedene Verfahren vorgeschlagen, um beim Ziehen von Einfachkristallen ("single crystals") den Durchmesser der gezogenen Kristalle automatisch zu steuern. Bei diesen Verfahren wird kontinuierlich das Gewicht des ausgezogenen Einfachkristalles oder das Gewicht der zurückbleibenden Schmelze bestimmt und hiernach die Temperatur der Schmelze gesteuert. Diese Verfahren sind jedoch mit verschiedenen Nachteilen behaftet:

a) Die Gewichtsmessung kann nicht sehr genau durchgeführt werden. Da bei diesen bekannten Verfahren Spannungsmeßelemente (Druckmeßdosen) verwendet werden, treten Probleme der mangelnden Linearität, der Empfindlichkeit und der Temperaturabhängigkeit dieser Elemente auf.

Im allgemeinen besitzt ein Halbleiter-Spannungsmeßelement eine hoche Empfindlichkeit, jedoch eine schlechte Linearität. Um andererseits eine gute Linearität zu erzielen, muß der spezifische Widerstand des Kristalles verringert werden, was die Empfindlichkeit beeinträchtigt. Wird ein Kristall von 75 mm Durchmesser gezogen, so wird eine Empfindlichkeit von 0.1 g oder weniger benötigt, selbst wenn der Durchmesser des Kristalls mit einer Genauigkeit von

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_+ 0.5 nun gemessen wird. Diese Genauigkeit hängt von dem gewünschten Durchmesser des zu ziehenden Kristalles ab. Eine in der Linearität und Empfindlichkeit derart hochqualitative Spannungsmeßdose steht Jedoch nicht zur Verfügung.

b) Es ist sehr schwierig, ein Bezugssignal zu erhalten, das mit einem Ausgangssignal verglichen wird, das von den Spannungsmeßdosen proportional zum Gewicht der gezogenen Kristalle abgeleitet wird. Wird ein Gleitwiderstand verwendet, um die Auszieh-Strecke der Kristalle zu messen, so ergeben sich hierdurch schwer zu verhindernde Störungen. Noch schwieriger erweist sich die Erzeugung des Bezugssignales, wenn man vollautomatisch (nach dem Impfvorgang) Kristalle unterschiedlicher Abmessungen erzeugen will.

Es wurde ferner ein optisches Prüfverfahren vorgeschlagen, bei dem der Durchmesser einer Berührungsfläche zwischen dem wachsenden Kristall und der Schmelze durch eine Strahlung der Berührungsfläche (ermittelt durch einen Strahlungsdetektor) gemessen wird. Dieses optische Prüfverfahren ist jedoch mit mehreren Nachteilen behaftet:

a) Da man den Strahlungsdetektor in einem festen Abstand von der Grenzfläche halten muß, ist eine Bewegung des Detektors erforderlich, um Sprößlingsteile der wachsenden Kristalle zu messen. Es ist unmöglich, die Strahlung speziell von den Sprößlingsteilen der Kristalle festzustellen, da sie hinter den Einfachkristallen verdeckt 1st.

b) Durch die exzentrische Drehung der Einfachkristalle wird ein Fehler verursacht.

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Beim Ausziehen der Kristalle verursacht die nicht gleichförmige Verteilung der Heizleistung eine Vibration des Schmelzspiegels, was einen Meßfehler verursacht.

c) Eine Korrektur der Detektorlage ist erforderlich wegen der Absenkung des Schmelzspiegels beim Kristallziehen. Es muß infolgedessen eine Tiegel-Hubeinrichtung verwendet werden, was die Form des Tiegels begrenzt.

Beim Ziehen von Kristallen ist es erwünscht, daß die Kristalle an den Schulter- und Sproßteilen einen sich allmählich verringernden Durchmesser besitzen, damit Einfachkristalle hoher Qualität mit reduzierten Verwerfungen erzielt werden. Die Kristalle sollen ferner im mittleren Bereich einen gleichförmigen Querschnitt besitzen, da Kristallscheiben, die aus dem mittleren Teil herausgeschnitten werden, leicht verarbeitet werden können und wegen der Gleichförmigkeit der Querschnittsflächen eine geringere Zahl von Arbeitsstufen erfordern. Die Wachstumsgeschwindigkeit von stabförmigen Kristallen ist jedoch sehr klein, üblicherweise in der Größenordnung von 5"/h. Zahlreiche sich ändernde Störungen beim Wachstumsvorgang machen es daher schwierig, Kristalle mit gleichförmigem Querschnitt zu erzeugen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum selbsttätigen Ziehen von Einfachkristallen zu entwickeln, die es insbesondere gestattet, den Querschnitt der Kristalle auf einem gewünschten konstanten Wert zu halten. Hierbei soll das Ziehen der Halbleiterkristalle ohne Verwendung eines speziell programmierten Computers so gesteuert werden, daß sich konstante Querschnittsflächen der Kristalle und eine hohe Qualität dieser Halbleiterkristalle (ohne Verwerfungen und ohne Störungen des spezifischen Widerstandes) ergeben. Eine weitere Auf-

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gäbe der Erfindung besteht darin, die automatisch gesteuerte Vorrichtung so auszubilden, daß der Querschnitt der Kristalle ohne größere Umstellarbeiten auf irgendeinen beliebigen konstanten Wert geändert werden kann.

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Ziehen von Halbleiterkristallen, mit einem Tiegel, enthaltend eine Halbleiterschmelze, ferner mit einer Einrichtung zum Herausziehen der Kristalle aus dem Tiegel.

Hierbei besteht die Erfindung im wesentlichen darin, daß ein mit einer Flüssigkeit gefülltes Rohr sowie ein in diese Flüssigkeit eingetauchter Auftriebskörper vorgesehen sind, ferner eine Einrichtung zum Herausziehen des Auftriebskörpers aus der Flüssigkeit, eine Vergleichseinrichtung zum Vergleich der Gewichte der Kristalle und des Auftriebskörpers sowie eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Ausziehgeschwindigkeit der Kristalle in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal der Vergleichseinrichtung.

Einige Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung veranschaulicht. Es zeigen

Fig.l eine Schemadarstellung eines ersten Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig.2 ein ergänztes Block-Schaltbild der Vorrichtung gemäß Fig.l;

Fig.3 Diagramme zur Erläuterung der Funktion der Vorrichtung gemäß Fig.2;

Fig.4 eine Teilansicht eines weiteres Ausführungsbeispieles der Erfindung.

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Der hermetisch abgeschlossene Ofen 1 (Pig.l) enthält im wesentlichen einen dicken Teil la und einen dünnen Teil Ib.

In dem unteren Bereich des dicken Teiles la des Ofens 1 befindet sich ein Tiegel 2 aus Quarz oder ähnlichem Material. Er wird von einer Tiegelhalterung 3, beispielsweise aus Graphit, getragen. Der Tiegel 2 und die Halterung sind mittels einer Welle ¹J drehbar und vertikal verschiebbar. Zu diesem Zweck wird die Welle 4 von einem vertikal bewegbaren Tisch 7 getragen und von einem Tiegel-Antriebsmotor 5 über ein Schneckenrad 6 angetrieben. Der Tisch 7 kann mittels eines Tiegel-Hubmotors 8 über ein Schneckenrad 9 und eine Gewindespindel 10 in vertikaler Richtung bewegt werden. Der Hubmotor 8 und die Gewindespindel 10 werden von einem stationären Tisch 11 getragen. Der Tiegel 2 enthält ein geschmolzenes Einfach-Halbleitermaterial 12 (im folgenden als Schmelze bezeichnet), beispielsweise eine Silizium-Schmelze. Ein Heizzylinder 13 aus Graphit oder dergleichen ist in einem gewissen Abstand am Umfang der Tiegelhalterung 3 angeordnet, wobei die Halterung 3 und der Tiegel 2 relativ zum Heizzylinder 13 drehbar sind. Der Tiegel 2 wird üblicherweise durch den Heizzylinder 13 auf eine Temperatur in der Größenordnung von l42O°C aufgeheizt.

Am Umfang des Heizzylinders 13 ist in einem gewissen Abstand hiervon ein gleichfalls etwa zylindrischer Isolator 14 vorgesehen, der eine Wärmeabstrahlung nach außen verhindert und die Strahlung in Richtung auf den Tiegel 2 reflektiert.

Im Bereich der Oberseite des dünnen Teiles Ib des Ofens 1 ist durch ein geschlossenes Lager 15 eine äußere Welle 16 eingeführt, durch die eine Kristall-Ziehachse 17 hindurchgeführt ist. Ein Keimfutter 18 und ein Keim 19 sind am unteren Ende der Achse 17 angebracht. Wird der

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Keim 19 In die Schmelze 12 des Tiegels 2 eingetaucht und dann herausgezogen, so wächst er zu einem Einfachkristall 20. Geschlossene Metalldichtungen 21a, 21b sind zwischen der äußeren Welle 16 und der Ziehachse 17 angeordnet und dichten den Ofen 1 vollständig ab.

Das untere Ende 22a eines beweglichen Verstellkörpers 22 ist mit dem oberen Ende der äußeren Welle 16 in Eingriff. Der Verstellkörper 22 ist im Bereich des oberen Teiles des Ofens 1 in vertikaler Richtung beweglich. Die äußere Welle 16 kann auf diese Weise mittels des Verstellkörpers 22 axial verschoben werden. Sie kann darüber hinaus durch einen die Kristalldrehung bewirkenden Motor 23 über einen Schneckentrieb 24 mit vorgegebener Drehgeschwindigkeit in entgegengesetzter Richtung zum Tiegel 2 gedreht werden. Gleichzeitig wird die Kristall-Ziehachse in vorbestimmter Geschwindigkeit mit der äußeren Welle 16 gedreht. Die Ziehachse 17 ist mit einem ersten Gewichtsdetektor 25 verbunden und wird an einem oberen Endteil 22b des beweglichen Verstellkörpers 22 durch eine erste Aufhängung 26 gehalten. Die Aufhängung 26 enthält einen Lagerträger 26a und eine untere, konisch geformte Aufhängestange 26b, die in der Aufhängung 26 vorgesehen ist. Am oberen Teil der Stange 26b ist über eine Stahlkugel 26c ein äußerer Lagerrand 26d angebracht. Dieser tragende äußere Rand 26d, der als Schraubkappe wirkt, ist fest mit dem Träger 26a verbunden. Der obere Endteil 22b des Verstellkörpers 22, an dem die Aufhängung 26 befestigt ist, befindet sich in Eingriff mit einer Gewindespindel 27, die drehbar auf einem Ansatz Ic des Ofens 1 angebracht ist. Wird die Gewindespindel 27 durch einen das Ziehen des Kristalls bewirkenden Motor 28 gedreht, so wird der Verstellkörper 22 in vertikaler Richtung verstellt. Die Geschwindigkeit für einen Hauptkörper 35b (Kristall) liegt üblicherweise in der Größenordnung von 25 m/s.

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Ein Rohr 32 , das eine Flüssigkeit 31, wie Wasser, öl oder dergleichen, enthält, ist fest mit einem stationären Tisch 30 verbunden, der beispielsweise mit dem Ofen 1 in Verbindung steht. Das Rohr 32 enthält einen Flüssigkeitseinlaß 33 zur Zuführung der Flüssigkeit 31, ferner einen Flüssigkeitsauslaß 3¹J, der so angebracht ist, daß ein Flüssigkeitsniveau 31 auf einer vorbestimmten Höhe gebildet wird. Ein Auftriebskörper

35 ist in die Flüssigkeit 31 im Rohr 32 eingetaucht und steht mit dem unteren Ende einer Zugstange 38 in Verbindung, die von einer zweiten Aufhängung 36 und einem zweiten Gewichtsdetektor 37 herunterhängt; die Aufhängung

36 und der Detektor 37 sind an dem beweglichen Verstellkörper 22 gehaltert. Sie entsprechen in ihrem Aufbau der ersten Aufhängung 26 und dem ersten Gewichtsdetektor 25.

Der Auftriebskörper 35 ist so ausgebildet, daß er in seinem mittleren Bereich einen Hauptteil 35b mit etwa gleichförmigem Durchmesser, entsprechend einem endgültigen Einfachkristall, aufweist; an den beiden Enden des Auftriebskörpers 35 sind eine Schulter 35a bzw. ein sich im Durchmesser allmählicher verringernder Sproß 35c vorgesehen. Die Länge des Auftriebskörpers ist so gewählt, daß sie etwa der des fertigen Einfachkristalles entspricht. Das Querschnittsverhältnis zwischen dem Auftriebskörper 35 und dem fertigen Einfachkristall entspricht dem Verhältnis der spezifischen Gewichte der Flüssigkeit 31 und des Einfachkristalles 20.

Der Auftriebskörper 35 besteht aus Aluminium, Teflon, Zirkon oder dergleichen; er kann gewünschtenfalls als Hohlkörper ausgebildet sein. Ein Schraubzapfen 39 ist einerseits mit der Schulter 35a des Auftriebskörpers 35 und andererseits mit der Zugstange 38 verschraubt.

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Die beiden Gewichtsdetektoren 25 und 37 sind als Halbleiter-Spannungsmeßelemente ausgebildet; sie wandeln die Gewichtssignale, die von dem Kristall 20 über die Zugstange 17 und vom Schwimmkörper 35 über die Zugstange 38 ausgeübt werden, in elektrische Signale um und stellen diese umgeformten elektrischen Signale fest. Die Ausgangssignale der beiden Gewichtsdetektoren 25, 37 werden durch einen Vergleichskreis 40 verglichen; das Ausgangssignal dieses Vergleichskreises 40 gelangt zu einem Steuerkreis 41. Hiervon gelangen Signale zu einem Leistungs-Steuerglied 42, einem Hubgeschwindigkeits-Steuerglied 43 und einem Ziehgeschwindigkeits-Steuerglied 44. Die Ausgänge dieser Steuerglieder steuern den Heizzylinder 13 bzw. den Tiegel-Hubmotor 8 bzw. den Kristallzieh-Motor 28. Der den Kristall drehende Motor 23 und der den Tiegel drehende Motor 5 werden mit vorbestimmten Drehzahlen, beispielsweise 5 bzw. 10 U/min angetrieben. Die Steuerung des Tiegel-Hubmotors 8, die das Herausziehen des Kristalles 20 aus dem gleichfalls aufwärts bewegten Tiegel 2 beeinflußt, erfolgt derart, daß das Niveau der Schmelze 12 in einer festen Relativlage zum Heizzylinder 13 bleibt. Wird nämlich die Relativlage des Schmelzspiegels gegenüber dem Heizzylinder 13 geändert, so wird hierdurch zugleich der Querschnitt des Einfachkristalles 20 beeinflußt.

Beim Betrieb der Vorrichtung wird zu Beginn des Herausziehens des Einfachkristalles der Keim 19 in die Schmelze 12 eingetaucht oder hiermit in Berührung gebracht, während das obere Ende des Auftriebskörpers 35 mit dem Flüssigkeitsspiegel 31a zusammenfällt. Die Tiegel-Halterung 3 und damit der Tiegel 2 wird durch die Welle 4 relativ zum Heizzylinder 13 gedreht. Die Kristall-Ziehwelle 17 wird mit vorbestimmter Drehzahl

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in entgegengesetzter Drehrichtung zum Tiegel 2 gedreht.

Der Motor 28, durch den das Ziehen des Kristalls erfolgt, wird - gesteuert durch das Steuerglied 44 mit vorbestimmter Drehzahl angetrieben, über das Schneckengetriebe 29 wird die Spindel 27 gedreht und dadurch der Verstellkörper 22 in vertikaler Richtung bewegt. Die äußere Welle 16 und die Kristall-Ziehachse 17 werden auf diese Weise gemeinsam langsam nach oben bewegt, so daß aus dem Keim 19 ein Einfachkristall 20 wächst. Da der Heizzylinder 13 und der Tiegel 2 relativ zueinander gedreht werden, wird die Wärmeemission des Heizzylinders 13 gleichförmig verteilt und gemittelt, so daß der Einfachkristall 20 in der gewünschten Form gezogen wird. Der Kristall 20 nimmt hierbei an Gewicht zu, so daß der erste Gewichtsdetektor 20 ein entsprechend vergrößertes Gewichts-Ausgangssignal liefert.

Andererseits wird der Auftriebskörper 35 durch die Aufwärtsbewegung des Verstellkörpers 22 gegenüber dem Flüssigkeitsniveau 31a angehoben, so daß die Auftriebswirkung des Körpers 35 verkleinert wird. Da hierdurch das Gewicht des Auftriebskörpers 35 vergrößert wird, liefert der zweite Gewichtsdetektor 37 ein Ausgangssignal proportional dem Gewicht. Wenn das Flüssigkeitsniveau 31a durch das teilweise Herausziehen des Auftriebskörpers 35 absinkt, so strömt eine entsprechende Flüssigkeitsmenge zusätzlich durch den Einlaß 33 ein; überschüssige Flüssigkeit tritt durch den Auslaß 34 aus.

Es sei angenommen, daß zu Beginn des Ziehens des Einfachkristalles 20 die Ausgangssignale der beiden Gewichtsdetektoren 25 und 27 gleich groß sind; der Motor 28 ist auf eine bestimmte Drehgeschwindigkeit eingestellt. Während nun der Einfachkristall 20 herausgezogen wird und wächst, wird das vom zweiten Gewichtsdetektor 37 festge-

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stellte Gewicht des Systems mit dem Auftriebskörper 35 verglichen mit dem vom ersten Gewichtsdetektor 25 ermittelten Gewicht des Systems, in dem der Kristall 20 hängt. Ist das vom ersten Detektor 25 festgestellte Gewicht größer als das vom zweiten Detektor 37 festgestellte Gewicht, so wird die Drehzahl des den Kristall ziehenden Motors 28 dadurch erhöht, daß der Vergleichskreis ¹IO über den Steuerkreis 4l ein Signal an das Steuerglied M liefert. Wird auf diese Weise die Ziehgeschwindigkeit des Einfachkristalles erhöht, so verringert sich damit der Durchmesser des Einfachkristalles 20. Ist dagegen das vom ersten Detektor 25 festgestellte Gewicht kleiner als das des zweiten Detektors 37, so wird die Ausziehgeschwindigkeit des Kristalles 20 verringert, so daß der Kristall einen größeren Durchmesser erhält. Der Kristall 20 wird also in einer der Form des Auftriebskörpers 25 entsprechenden, vorbestimmten Form gezogen. Der gezogene Einfachkristall 20 besitzt eine Schulter 35a und einen Sproß 36c (Fig.3) entsprechend Schulter und Sproß des Auftriebskörpers 35, ferner einen gleichförmigen Hauptteil entsprechend dem Hauptteil 35b im mittleren Bereich des Auftriebskörpers 35.

Werden die Länge und der Durchmesser des Auftriebskörpers 35 entsprechend der gewünschten Endform eines Einfachkristalles gewählt, so läßt sich zuverlässig der Kristall in dieser gewünschten Form herstellen. Um irgendeinen gewünschten Einfachkristall mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung herzustellen, wird der Auftriebskörper gegen einen entsprechend anders ausgebildeten ausgewechselt; a Hein durch Auswechseln des Hauptteiles 35b durch einen anderen Hauptteil im Auftriebskörper 35 lassen sich beliebige Längen erzielen.

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Wenngleich bei dem erläuterten Ausführungsbeispiel die Kristall-Ziehachse 17 gedreht wird, so ist es statt dessen auch möglich, sie stationär anzuordnen und den Heizzylinder 13 zu drehen. Da in diesem Falle mechanische Unregelmäßigkeiten in der Drehbewegung der Kristall-Ziehachse 17 nicht übertragen werden, wird die Genauigkeit in der Gewichtsbestimmung verbessert.

Wenngleich der stationäre Tisch 30, an dem das Rohr 32 befestigt ist, in fester Verbindung mit dem dicht abgeschlossenen Ofen 1 steht, so können doch auch andere (nicht dargestellte) Trägertische mit dem Ofen 1 verbunden werden. Der zweite Gewichtsdetektor 37 ist bei dem erläuterten Ausführungsbeispiel an dem beweglichen Verstellkörper 22 vorgesehen; es versteht sich jedoch, daß dieser zweite Gewichtsdetektor 37 auch an einem gesonderten ( nicht dargestellten) beweglichen Block vorgesehen sein kann, der sich synchron zur Auf- und Abwärtsbewegung des Verstellkörpers 22 so bewegt, daß der Einfachkristall 20 und der Auftriebsk örper 35 herausgezogen werden.

Die Einstellung des Flüssigkeitsniveaus 31a kann in der Weise erfolgen, daß das Rohr 32 wie bei Einstellung des Quecksilberspiegels eines Quecksilberbarometers angehoben wird. In diesem Falle ist eine kontinuierliche Flüssigkeitszufuhr nicht erforderlich. Wenngleich ferner bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Auftriebskörper 35 hochgezogen wird, so kann man statt dessen auch das Rohr 32 nach unten ziehen und den Auftriebskörper 35 über den zweiten Gewichtsdetektor 37 und die zweite Aufhängung 36 fest an einer stationären, nicht dargestellten Zahnstange anbringen. Auch in diesem Falle wird das Gewicht des Auftriebskörpers 35 gemessen.

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Da das Ausgangssignal gewonnen wird aus dem Vergleich der Signale von zwei Wandlern (wie Spannungsmeßdosen)) die Jeweils ein Gewichtssignal in ein elektrisches Signal umwandeln, bestehen keine Probleme hinsichtlich der Linearität und des Temperaturverhaltens der einzelnen Wandler. Si-Spannungsmeßdosen mit gleichen Charakteristiken kann man beispielsweise durch Bearbeiten benachbarter Teile eines identischen Si-Elementes erhalten. Haben ferner das Rohr 32 und der Tiegel 2 dieselbe Form, so ist eine Korrektur der Absenkung des Flüssigkeitsniveaus 31a nicht erforderlich, da sich das Flüssigkeitsniveau im Rohr 32 und der Schmelzspiegel im Tiegel 2 synchron absenken.

Vom Ausführungsbeispiel der Fig.2 braucht der Hauptteil nicht erläutert zu werden, da er mit Fig.l identisch ist. Das Gewicht des gezogenen Einfachkristalles 20 wird jedoch durch den essten Detektor 25 bestimmt; das Ausgangssignal wird einem Eingang eines Polarisations-Fehlerverstärkers 47 zugeführt, während das Gewicht des Auftriebskörpers 35 durch den zweiten Detektor 37 ermittelt und dessen Ausgangssignal einer Null-Einstelleinrichtung 45 zugeleitet wird. Der Null-Einstelleinrichtung

45 wird ferner von einer Durchmesser-Einstelleinrichtung

46 ein Signal zugeführt, das einem vorgegebenen Durchmesser des gezogenen Einfachkristalles 20 entspricht. Das Ausgangssignal der Null-Einstelleinrichtung 45 gelangt zu dem anderen Eingang des Polarlsations-Fehlerverstärkers 47. Zu Beginn des Ziehens des Einfachkristalles 20 ist das Ausgangssignal der Null-Einstelleinrichtung 45 so eingestellt, daß ein Fehler-Ausgangssignal des Polarisations-Fehlerverstärkers 47 gleich Null ist. Dann wird das Fehler-Ausgangssignal des Polarisations-Fehlerverstärkers 47 über die Länge des Krlstalles differenziert durch einen Differentiationskreis einer PID-Steuerschaltung 48, die einen Differentiationskreis, inen Integrationskreis usw.

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enthält. Auf diese Weise wird ein Signal entsprechend der Differenz des vorgegebenen Querschnitts des Auftriebskörpers 35 gegenüber dem Querschnitt des gezogenen Kristalles ermittelt. Dieses Ausgangssignal gelangt über einen Verstärker 49 zum Kristall-Ziehmotor 28 und weiterhin über ein Tiegelhub-Steuerglied 50 zum Tiegel-Hubmotor 8.

Es ist ferner eine Programm-Steuersignalquelle 51 vorgesehen, die in Abhängigkeit von der Länge des vorgegebenen und gezogenen Einfachkristalles 20 ein veränderliches Steuersignal erzeugt. Dieses Steuersignal wird dann über eine Addierstufe 52 einem Konstantleistungs-Steuerglied 53 zugeführt; die dem Heizelement 13 von dem Steuerglied 53 zugeführte Leistung wird durch das Steuersignal, d.h. durch die Länge des Einfachkristalles 20, gesteuert.

In diesem Fall besteht zwischen der Länge des Einfachkristalles 20 und der Größe des Steuersignales E eine solche Beziehung, daß dieses Steuersignal E gleich Null ist, wenn die Länge des Kristalls in der Größenordnung der halben Gesamtlänge ist; das Steuersignal steigt proportional an, wenn die Länge des Kristalles größer als der vorstehend genannte Wert ist. Das vorgegebene Steuersignal kann dann abgenommen werden, um aufeinanderfolgend die Länge des Einfachkristalles 20 zu bestimmen. Dem Heizelement 13 kann eine konstante Leistung zugeführt werden, wenn das Steuersignal E gleich Null ist.

Änderungen der Ausziehgeschwindigkeit des Einfachkristalles 20 können dadurch kleiner gemacht werden, daß die dem Heizelement 13 zugeführte Heizleistung gesteuert wird in Abhängigkeit von der festgestellten Differenz zwischen dem vorgegebenen Querschnitt des Auftriebskörpers 35 und dem Querschnitt des Kristalles, abgenommen von der PID-Steuerschaltung 48. In diesem Falle wird das Ausgangssignal der PID-Steuerschaltung 48 mit einem Be-

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zugssignal einer Programm-Bezugsquelle 55 in einer Vergleichsschaltung 5¹J verglichen. Ist die Differenz zwischen dem vorgegebenen Querschnitt des Auftriebskörpers 35 und dem Querschnitt des Kristalles größer als ein vorgegebener Wert, so liefert das Vergleichsglied 5^ ein Ausgangssignal. Es wird dann durch einen Differentiationskreis 56 über die Länge des Kristalles differenziert; das differenzierte Signal wird einem Steuersignal der Programm-Steuersignalquelle 51 oder eines Hand-Leistungsreglers 57 in einer Addierstufe 52 addiert. Die dem Heizelement 13 vom Konstantleistungs-Steuerglied 53 zugeführte Heizleistung wird dann von dem Additions-Ausgangssignal gesteuert.

Das vom Polarisations-Fehlerverstärker ^7 gelieferte Fehlerausgangssignal wird über die Länge des Einfachkristalles 20 durch den Differentiationskreis 58 differenziert, wodurch die Differenz zwischen dem vorgegebenen Querschnitt und dem tatsächlichen Querschnitt festgestellt wird; das so gewonnene Ausgangssignal wird einem Schreiber 60 über einen Gleichstromverstärker 59 zugeführt. Die Aufzeichnung dieses Signales ist für eine folgende Kristallanalyse äußerst nützlich.

Um nun eine gewünschte Form eines Einfachkristalles zu erzielen, muß das Verhältnis der .Ausziehgeschwindigkeit des Kristalles 20 zur Hubgeschwindigkeit des Tiegels 2 stets gleich dem Verhältnis des Querschnitts des Tiegels 2 zu dem des Kristalles 20 sein. Ist der Durchmesser des Einfachkristalles 20 konstant, so ist das Verhältnis der Ausziehgeschwindigkeit des Kristalles 20 zur Hubgeschwindigkeit des Tiegels 2 konstant. Vergrößert oder verkleinert sich dagegen der Durchmesser des Kristalles 20 allmählich, so muß die Hubgeschwindigkeit des Tiegels 2 proportional zur Änderung des Querschnittes des Kristalles 20 geändert werden, falls die Ausziehgeschwindigkeit des Kristalles 20 konstant 1st.

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Bezeichnet man eine kleine Änderung der Ausziehgeschwindigkeit des Kristalles 20 mit Δ V, eine Änderung des Querschnitts des Kristalles 20 mit Δ ^A» ^s0 besteht die Beziehung Δ A = Κ·Λ V, wobei K eine Variable ist; je größer der Durchmesser des Kristalles 20 ist und damit sein Querschnitt, um so größer ist der Koeffizient K. Anders ausgedrückt: Je größer der Querschnitt des Kristalles 20 bei einer bestimmten Änderung der Ausziehgeschwindigkeit ist, um so größer ist unter diesen Umständen Δ A. Die Übertragungsfunktionen der Motoren 8 und 28 müssen jedoch stets konstant gehalten werden, damit das Steuersystem für die Motoren 8 und 28 stabil arbeitet. Zu diesem Zweck muß das Produkt aus dem Koeffizienten K und der Proportional-Empfindlichkeit der PID-Steuerschaltung M8 stets konstant sein. Wird der Koeffizient K bei einer Änderung des Querschnittes des Kristalles 20, wie oben erwähnt, geändert, so muß die Proportional-Empfindlichkeit im umgekehrten Verhältnis zum Koeffizient K geändert werden. Zu diesem Zweck werden das Tiegelhub-Steuerglied 50 und die Proportional-Empfindlichkeit der PID-Steuerschaltung 48 für das oben erwähnte Steuersystem durch ein Steuersignal gesteuert, das durch Änderung des Gewichtes des Kristalles 20 aufgrund einer Längenänderung gewonnen wird. Die Proportional-Empfindlichkeit des Tiegelhub-Motors 8 und des Kristall-Ziehmotors 28 wird also durch das Steuersignal gesteuert.

Ein Ausgangssignal E₁ des einen Gewichtsdetektors, nämlich des ersten Detektors 25, wird über die Länge I des Kristalles 20 durch einen Differentiationskreis 61 differenziert. Pig.3B zeigt den grundsätzlichen Verlauf des Ausgangssignales E₁ in Abhängigkeit von ί in den Kurven a, b und c. Kurve a zeigt die Abhängigkeit zwischen E₁ und t im Bereich der Schulter 35a des Auftriebskörpers 35· Kurve b gibt die Abhängigkeit zwischen E₁ und ί im mittleren

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Bereich 35b des Auftriebskörpers wieder und Kurve c schließlich die Abhängigkeit; zwischen E₁ und C im Bereich des Sprosses 35c des Auftriebskörpers 35· Pig.3C zeigt in den Kurven a, b und c die differenzierten Signale dEj (geliefert durch den Kreis 6l), und zwar jeweils d I wieder für den Bereich der Schulter 35a (Kurve a), für den mittleren Teil 35b (Kurve b) bzw. für den Sproß 35c (Kurve c). Das differenzierte Ausgangssignal wird über einen Verstärker 62 einem Vergleichsglied 63 zugeführt, wo es mit einem Bezugssignal verglichen wird, das von einer Programm-Bezugsquelle 64 geliefert wird.

Das Vergleichs-Ausgangssignal gelangt zum Hubtiegel-Steuerglied 50 und beeinflußt die Größe von dessen Ausgangssignal; der Tiegel-Hubmotor 8 wird hierdurch.so gesteuert, daß die Hubgeschwindigkeit des Tiegels 2 im Bereich der Schulter 35a, des mittleren Teiles 35b und des Sprosses 35c des Auftriebskörpers 35 den Kurven a, b bzw. c in Fig.3C entspricht. Das Vergleichs-Ausgangssignal des Vergleichsgliedes 63 wird ferner der PID-Steuerschaltung 48 zugeführt, so daß die Proportlonal-Empfindlichkeit im umgekehrten Verhältnis zu den Kurven a, b und c (Fig.3C) im Bereich der Schulter, des mittleren Teiles bzw. des Sprosses des gezogenen Kristalles 20 gesteuert wird.

Die Hubgeschwindigkeit des Tiegels 12 wird somit an der Schulter und am Sproß des Einfachkristalles in Abhängigkeit von der Änderung des Querschnittes des Kristalles 20 geändert, so daß der Spiegel der Schmelze 12 im Tiegel 2 in der Höhe im Bereich der Schulter und des Sprosses des Einfachkristalles konstant gehalten wird; weiterhin werden die Übertragungsfunktionen des Steuersystems für die Motoren 8 und 28 stets konstant gehalten, so daß das Steuersystem stabil arbeitet.

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Liegt die Länge des zu ziehenden Einfachkristalles 20 über einem vorgegebenen Wert und ist die Menge der Schmelze 12 unter einem vorbestimmten Wert, so sinkt die Schmelze 12 in der Temperatur ab; der Querschnitt des zu ziehenden Einfachkristalles wird vergrößert, woraus eine höhere Ausziehgeschwindigkeit des Kristalles 20 resultiert. Wird jedoch die Ausziehgeschwindigkeit des Kristalles 20 wesentlich höher, so kann man einen Einfachkristall hoher Qualität nicht erzielen, da nachteilige Erscheingungen auftreten, die zu einem ungleichmäßigen spezifischen Widerstand des Kristalles führen. Im Hinblick hierauf wird ein beträchtliches Ansteigen des Querschnitts des Einfachkristalles 20 verhindert, d.h. ein beträchtliches Ansteigen der Ausziehgeschwindigkeit des Einfachkristalles 20, indem die Heiztemperatur des Tiegels 2 durch das Heizelement 13 in Abhängigkeit von der Länge des zu ziehenden Einfachkristalles 20 gesteuert wird. Dies erreicht man dadurch, daß die dem Heizelement 13 zugeführte Heizleistung mittels des Ausgangssignales der Programm-Steuersignalquelle 51 in Abhängigkeit von der Länge des Einfachkristalles 20 gesteuertwird. Ein Eingangssignal des Differentiationskreises 6l kann vom Ausgangssignal des zweiten Gewichtsdetektors 37 abgenommen werden.

Liegt die Länge des zu ziehenden Einfachkristalles 20 über einem vorbestimmten Wert und ist die Menge der Schmelze 12 im Tiegel 2 unter einem vorbestimmten Wert, so besteht die Tendenz einer starken Absenkung der Temperatur der Schmelze 12. Wird jedoch die dem Heizelement 13 von dem Konstantleistungs-Steuerglied 53 zugeführte Leistung durch das Steuersignal des Steuersignal-Generators 51 allmählich vergrößert, so wird die Heiztemperatur des Tiegels 2 allmählich höher. Der Querschnitt des Einfachkristalles 20 wird infolgedessen nicht so stark vergrößert, so daß die Ausziehgeschwindigkeit des Einrachkristalles 20 nicht so

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-lösehr erhöht wird. Die Ausziehgeschwindigkeit des Einfachkristalles 20, gesteuert durch die obige Steuerung der Motoren 28, 8, wird also nicht so stark vergrößert.

Fig.4 zeigt ein weiteres Merkmal des erfindungsgemäßen Schmelzofens.

Der Ofen verhindert einen Temperaturdrift und einen Druckdrift als äußere Störungen auf ein Temperatur-Steuersystem einer Kristallschmelze.

Da ein Schmelzofen zum Ziehen eines Elnfachkristalles mit einer hohen Temperatur von über I¹IOO⁰C betrieben wird, besitzt ein solcher Ofen eine doppelte Ofenwand, wobei Kühlwasser durch den Zwischenraum hindurchströmt. Die Außenflächen der Wände sind so gesteuert, daß dort keine solchen hohen Temperaturen auftreten, daß bei Berührungen durch eine Bedienungsperson Verbrennungserscheinungen auftreten können. Es wird ferner darauf geachtet, daß Klima-Anlagen nicht durch eine zu große Wärmeabstrahlung von den Ofenwänden überlastet werden.

Wird das Kühlwasser verhältnismäßig rasch gewechselt, so wird hierdurch der Kühleffekt geändert. Dies beeinträchtigt einen Tiegel, der für eine äußerst genaue Temperatursteuerung unerläßlich ist. Aus diesen Gründen ist es bei allen Temperatur-Steuersystemen eines Ofens zum Ziehen von Einfachkristallen erforderlich, einen durch das Kühlwasser bedingten Temperaturdrift und Druckdrift zu vermeiden.

Bei der folgenden Beschreibung des Ofens 1 gemäß Pig.4 ist eine Beschreibung des Antriebes des Tiegels 2 und des Kristalles 20 weggelassen.

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Eine Kühleinrichtung 65 ist außerhalb des Heizelementes 5 in einem gewissen Abstand hiervon angeordnet und verhindert, daß Heizenergie in größerem Umfang nach außen gelangt. In der Nähe des unteren Endes der Kühleinrichtung 65 ist ein Einlaß 66 vorgesehen, der von außen durch die Ofenwand hindurchführt. In der Nähe der Kühleinrichtung 65 befindet sich eine Steuerleitung 67, die die Menge des durch die Kühleinrichtung 65 fließenden Kühlmittels, beispielsweise Kühlwasser, überwacht. Ein Auslaß 68 führt vom oberen Ende der Kühleinrichtung 65 durch die Ofenwände nach außen.

Ein Temperaturdetektor 69 (beispielsweise ein Thermoelement) ist an einer geeigneten Stelle, etwa dem Zentrum des Tiegels 2 gegenüber, an der Innenseite der Kühleinrichtung 65 angebracht. Der Temperaturdetektor 69 ist mit einem Eingang eines Steuergliedes 70 verbunden, der die Differenz zwischen einer vorgegebenen Temperatur und der Temperatur an der Innenseite der Kühleinrichtung 65 gegenüber dem Tiegel 2 (festgestellt durch den Detektor 69) verstärkt, differenziert, integriert und die Steuerleitung 67 in Abhängigkeit von dem so gebildeten Steuersignal steuert.

Weiterhin ist eine äußere Kühleinrichtung 71 vorgesehen, die als äußeres Kühlelement und als Ofenwand wirkt. Ein Einlaß 72 für das Kühlwasser ist in der Nähe eines unteren Endes der Kühleinrichtung 71 vorgesehen. Ein Steuerventil 76 befindet sich in der Nähe des Einlasses 72 und steuert die Menge des der äußeren Kühleinrichtung 71 durch den Einlaß 72 zufließenden Kühlwassers.

Ein Auslaß 73 ist in der Nähe des oberen Endes der äußeren Kühleinrichtung 71 vorgesehen. Weiterhin ist ein Temperaturdetektor 7*1» beispielsweise ein Thermoelement, an der Innenseite der Kühleinrichtung 71 angebracht,

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Der Detektor 7^ ist mit dem Eingang eines Steuergliedes 75 verbunden, der im Aufbau dem Steuerglied 70 entspricht. Das Steuerventil 76 wird durch das Steuerglied 75 gesteuert.

Da die Heizeinrichtungen und die Kühleinrichtungen am Umfang des Einfachkristalles angeordnet sind, da ferner die Temperaturdifferenz zwischen den festgestellten Temperaturen und den vorgegebenen Temperaturen zu Steuergliedern übertragen wird und da schließlich die Kühlmittelmenge und/ oder die Kühlmitteltemperatur durch das Steuerglied geregelt wird, kann die Temperatur der Kühleinrichtungen automatisch konstant gehalten und eine hohe Qualität des erzeugten Einfachkristalles erzielt werden.

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Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Ziehen von Halbleiterkirstallen, mit einem Tiegel, enthaltend eine Halbleiterschmelze, ferner mit einer Einrichtung zum Herausziehen der Kristalle aus dem Tiegel, dadurch gekennzeichnet , daß ein mit einer Flüssigkeit gefülltes Rohr sowie ein in diese Flüssigkeit eingetauchter Auftriebskörper vorgesehen sind, ferner eine Einrichtung zum Herausziehen des Auftriebskörpers aus der Flüssigkeit, eine Vergleichseinrichtung zum Vergleich der Gewichte der Kristalle und des Auftriebskörpers sowie eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Ausziehgeschwindigkeit der Kristalle in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal der Vergleichseinrichtung '.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Form des Auftriebskörpers der Form der aus dem Tiegel zu ziehenden Kristalle entspricht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung zugleich die Ausziehgeschwindigkeit des Tiegels steuert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung zugleich die Heiztemperatur für den Tiegel steuert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung einen ersten und einen zweiten Gewichtsdetektor enthält, von denen der eine mit der den Kristall ziehenden Einrichtung und der andere mit der den Auftriebskörper ziehenden Einrichtung verbunden ist.

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6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel und die Ziehkristalle In entgegengesetzter Richtung zueinander gedreht werden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung durch die elektrischen Signale proportional zum Verhältnis der Gewichtsänderung zur Längenänderung der Kristalle gesteuert wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr kontinuierlich mit Flüssigkeit gespeist wird, so daß ein konstantes Flüssigkeitsniveau aufrechterhalten wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Form des Rohres der Form des Tiegels ähnlich ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr angehoben wird, um ein äquivalentes Flüssigkeitsniveau konstant zu halten.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Beheizung des Tiegels vorgesehen ist, die In entgegengesetzter Richtung zum Tiegel relativ hierzu drehbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Beheizung des Tiegels, ein Ofen zur Unterbringung des Tiegels und der Heizeinrichtung sowie eine Kühleinrichtung für den Ofen vorgesehen sind.

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13· Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor zur Messung der Ofentemperatur vorgesehen ist, ferner eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Kühleinrichtung in Abhängigkeit vom Steuersignal des Sensors.

IH. Vorrichtung zum Ziehen von Halbleiterkristallen, mit einem Tiegel, enthaltend eine Halbleiterschmelze, ferner mit einer Einrichtung zum Ziehen der Kristalle aus dem Tiegel, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohr vorgesehen ist, das mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, in die ein Auftriebskörper eingetaucht ist, daß weiterhin eine Einrichtung zur Absenkung des Rohres vorgesehen ist, ferner eine Vergleichseinrichtung zum Vergleich der Gewichte der Kristalle und des Auftriebskörpers, weiterhin eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Ausziehgeschwindigkeit der Kristalle in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Vergleichseinrichtung.

15. Vorrichtung nach Anspruch I¹I, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Abwärtsbewegung des Rohres durch die Steuereinrichtung gesteuert ist.

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