DE2247651A1

DE2247651A1 - Verfahren zum tiegellosen zonenschmelzen eines halbleiterstabes

Info

Publication number: DE2247651A1
Application number: DE19722247651
Authority: DE
Inventors: Hans Stut
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-09-28
Filing date: 1972-09-28
Publication date: 1974-04-04
Also published as: JPS548356B2; SU550958A3; JPS4972181A; DE2247651C3; BE795488A; NL7306684A; DE2247651B2

Description

Verfahren zum tiegellosen Zonenschmelzen eines Halbleiterstabes Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum tiegellosen Zonenschmelzen eines Halbleiterstabes, insbesondere aus Silizium, bei dem die Schmelzzone mittels einer Fernsehkammera unter konstant gehaltenen Aufnahmebedingungen überwacht wird und aus den durch die Fernsehkammera von der Schinelzzone aufgenommenen Bildern über die opto-elektrische Bildwandlung elektrische Impulse abgeleitet werden.
Solche Verfahren sind in der deutschen Patentschrift 1 231 761 und der deutschen Patentanmeldung P 21 13 720.2 (VPA 71/1044) beschrieben. Sie haben sich allerdings nur beim Zonenschmelzen im quasi-stationären Zustand, also wird der Durchmesser pes Ausgangsstabes und der des aus der Schmelzzone auskristallisierenden Stabes nur unwesentlich veneinander abweichen, beziehungsweise ein annährend konstantes Verhältnis zueinander aufweisen, bewährt. Ist hingegen in dem auskristallisierenden Stab ein konischer Übergang zwischen Stabteilen unterschiedlichen Durchmessers vorgesehen, so muß die der Schmelzzone zugeführte Energie dem Volumen der jeweils benötigten Schmelzzone sowie den Abkühlbedingungen und den elektrischen Kopplungsverhältnissen zwischen der die Schmelzzone erzeugenden Induktionsspule und der Schmelzzone angepaßt werden. Dies int z. B.
der Fall, wenn man an einen durch das Zonenschmelzen umzuschmelzenden Vorratsstb größeren Durchmessers einen kleinen ein kristall anschmilzt und die Schmelzzone zunächst an der Grenze zwischen dem Kein und dem Vorratsstab erzeugt. Dann muß auch der konische Übergang geregelt werden.
Dieses ist mit den bisher bekanntgewordenen Verfahren zur selbsttätigen Führung des Prozesses nicht möglich.
Aufgabe des der Erfindung zugrunde liegenden Verfahrens ist es, sowohl die konusförmig verlaufende Übergangszone zwischen r:em ar den Vorratsstab angeschmelzenen Impfling und dem Solldurchmesser des zu erschmelzenden Halbleiterstabes, der von dem Durchmesser de@ Vorratsstabes abweichen kann, nach einem vorgegebenen Programm zu ziehen, und gleichzeitig im quasi-stationären Zustand Abweichungen vom Solldurchmesser des zu erschmelzenden Halbleiterstabes Infolge Schwankungen des Durchmessers des Vorratsstabes zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß den von der Fernsehkamera gelieferten Impulsen Informationen über das Volumen der Schmelzzone, ausgezeichnete Winkel an der Schmelz-, der Erstarrungsfront und dem Wendepunkt in Verlauf des schmelzflüssigen Teiles der Schmelzzone u-- den Durch.messer des Halbleiterstabes an der rstarrungsfront entnommen werden, und diese Informationen zur Abstandsänderung der die Schmelzzone begrenzenden Stabenden und zur Änderung der zugeführten Energie benutzt werden, wobei die Abstandsänderung der die Schmelzzone begrenzenden Stabenden zur Erreichung eines vorgegebenen Durchmessers über einen zwischengeschalteten Volumenregelkreis vorgenommen wird, der dem eigentlichen Durchmesserregelkreis unterlagert ist, und daß die Winkelabweichungen der ausgezeichneten Winkel von deren Sollwert zur Korrektur der zugeführten Energie benutzt werden.
Dabei wird zur Erfassung des Volumens der das Wachstum des Halbleiterstabes bestimmenden Teil der Schmelzzone zeilenweise abgeastet, der Durchmesser der Schmelzzone je Zeile ermittelt, quadriert und addiert. Außerdem werden gleichzeitig aus den Impulsen der zeilenweise abgetasteten Schmelzzone der Durchmesser an der Erstarrungsfront und die Winkel an den ausgezeichneten Punkten: Erstarrungsfront, Schmelzfront und Wendepunkt ermittelt. Die geometrische Form des konischen Stabteiles wird durch d.en jeweiligen Durchmesser und den zugeilörigen Winkel oestimmt, wobei der Durchmesser und der zugehörige Winkel eine Funktion des von der Erstarrungsfront zurückgelegten Weges ist.
Der Durchmesser und die ausgezeichneten Winkel sind dabei in Form einer cos-Funktion von dem von der Erstarrungsfront zurückgelegten Weg abhängig. Weiterhin wird der jeweilige Sollwinkel zur Regelung der.Energieæufuhr erfindungsgemäß aus der Verknüpfung des Durchmessers und des dazugehörigen Winkels über die vcr der Erstarrungsfront zurückgelegten Weglänge als Funktion des Durchmessers er;nittelt.
Bei den bislang bekanntgewordenen Verfahren wird im Sinne einer automatischen Regelung entweder das von der Schmelzepule erfaßte Volumen oder die der Schmelzzone zugeführte Energie konstant gehalten. Insbesondere das erste Verfahren (Konstanthalten des Volu:nena) ist ftir einen quasi-stationaren Betrieb, bei dem sich weder die Wanderungsgeschwindigkeit der Schmelzzone noch der Durchmesser bzw. das Durchmesserverhältnis der beiden Stabteile, ch die radiale oder axiale Wärmeabführungsbedingungen ändern, ausreichend.
Die vorteile des erfindungsgemä-ßen Verfahrens gegenüber der bisher bekanntgewordenen sind, daß unabhängig von der eben erwähnten Konstanz die Regelung des gesamten Prozesses so geführt werden kann, daß sowohl die Energiezufuhr, als auch der Abstand der die Schmelzzone begrenzenden Stabenden den jeweils optimalen Stabilitäts- bzw. Wachstumsbedingungen entsprechen. Ein solcher Fall liegt z.B. vor, wenn ein Silizium-3inkristall ausgehend von einem dünnen Impfkristall auf einen vorgegebenen Durchmesser erschmolzen werden soll, wobei sich im wesentlichen die geometrisehen Abmessungen ändern und damit die in der Jeweiligen Position der Schmelzpulse notwendige Energie.
Zur Verwirklichung des Programms für den Übergang vom Yeimkristai zum Solldurchmesser des zu erschmelzenden Stabes ist auf Grund der Ziehbedingungen, der Anfangs- und Endbedingungen ein stetiger Verlauf des Durchmessers über der Stablänge vorzusehen. Es wird deshalb erfindungsgemäß vargeschlagen, das Programm auf einer cos-Punktion des Durchmessers und des dazugehbrigen inkels vom durchlaufenen Weg aufzubauen, die in erster Näherung den experimentell ermittelten Verlauf des "cos-förmigen" Überganges entspricht.
Die cos-Funktion, die den experimentell ermittelten Werten am nächsten kommt, ergibt sich zu Hierbei ist d der dem jeweiligen Weg zugeordnete Durchmesser, rO der Radius des T/ei:flkristalles, R der Radius des zu erschmelzenden fertigen, zylindrischen Stabes, 1 der von der Phasengrenze festflüssig zurückgelegte eg und k die Länge des cos-förmigen Überganges, die vorteilhaft etwa dem Durchmesser des zu erschmelzenden Stabes entspricht.
AuBerdem hat sich gezeigt, daß für ein zylindrisches Wachstum ein bestimmter Öffnungswinkel der schmelzflüssigen Zone an der Erstarrungsfront notwendig ist, wobei dieser wiederum vom Durchmesser der Erstarrungsfront in gewissen Grenzen abhängt; es läßt sich auch ein Verlauf des Öffnungswinkels über die Lange des bergangsbereiches festlegen, der z.B. mathematisch aus der obengenantnen Durchmesserfunktion durch Differenzieren abgeleitet werden kann.
Aus den beiden Funktionen des Durchnessers und des dazugehörigen Winkels in Abhängigkeit von der zurückgelegten Weglänge d = f (e) und a - f (1) läßt sich auch die Funktion des Winkels vom Durch messer a= f (d) ableiten. Die Verwendung dieser'Funktion zur Regelung des Winkels a läßt sich dann vorteilhaft anwenden, wenn durch Störungen und Unstetigkeiten im Wachstrum die als ideal an gesehene Funktion d = f (1) nicht genau eingehalten werden kann.
be sind Änderungen der geometrischen und thermischen Bedingunggen zu erwarten, wenn sich die Schmelzzone dem Stabende nähert, oder der Vorratsstab ungleichmäßige Durchmesser aufweist, oder sich die umgebende Atmosphäre ändert oder gewechselt wird. z.3.
Schutzgas oder Vakuum, oder wenn ein Dotiergasstrom auf die schmelzflüssige Zone trifft.
Ausgehend von den z.3. in einer Datenverarbeitungsanlage gesnreicherten Programm, das die Abhängigkeit des Stabdurchmessers, beginnend am Impfkristall, wiedergibt, und von dem von der Phasengrenze bzw. der Induktionsheispule zurückgelegten Weg abhängig ist, soll anhand der Fig. 1 der Funktionsablauf des Verfahrens geschildert werden.
Neue Seite 6 der Beschreibung Ausgehend von dem z.B. in einer Datenverarbeitugnsanlage 11 gespeicherten Programm, das die Abhängigkeit des Stabdurchmessers, beginnend am Impfkristall, wiedergibt, und von dem vor der Phasengrenze bzw. der Induktionsheizspule 12 zurückgelegten Weg abhänig ist, soll snhand der Figur der Funktionsablauf des Verfahrens geschildert werden.
In der Fernsehkamerä 1, mit welcher die Schmelzzone 2 des Male leiterstabes aufgenommen wird, wird das Abbild der Schmelzzone abgetastet. Die elektrischen Impulse werden in der nachfolgenden elektronischen Einrichtung 3 ausgewertet und dabei das Volumen der Schmelzzone, die ausgezeichneten Winkel an der Oberfläche der Schmelzzoneund der Durchmesser des Erstarrenden Stabendes ermittelt- Über einen zwischengeschalteten Volumenregelkreis mit dem Regelverstärker 4, der dem eigentlichen Durchmesserregelkreis mit dem Regelverstärker 10 und dem Verstärker 5 zur Anpassung der Durchmesserabweichung an den Volumen-Sollwert unterlagert ist, wird der Streck Stauchenmechanismus 7,8,8a,9 der Zonenziehanlage betötigt. Mit einem parallel liegenden Winkelregelkreis, mit welchem der @um jeweiligen Durchmesser gehörende Winkel auf den Sollwert geregelt wird, wird über de@ Regelverstärker 6 die Energiezuführ über die Generatorfrequenz geregelt.
Diese beideen Regelkreise werden über einen dritte "Geometrie-Regelkreis mit dem Programmwerk 14 so miteinander verk@@@@@, daß die gewünschte geometrische Form des überganges@@@@teh@ ohne daß die Schmelzzone instabil wird, d.h. einf@@ert @d@r abtropft.
n ur Patentansprüche

Claims

P a t e n t 5 n s p r ü. c h e 1. Verfahren zum tiegellosen Zonenschmelzen eines Halbleiterstabes, insbesondere aus Silizium, bei dem die Schmelzzone mittels einer Fernsehkamera unter konstant gehaltenen Aufnahmenbedingungen überwacht wird und aus den durch die Fernsehkamera von der Schmelzzone aufgenommenen Bildern über die optp-elektrische Bildwandlung elektrische Impulse abgeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, da3 den von der Fernsehkamera gelieferten Impulsen Informationen über das Volumen der Schmelzzone, ausgezeichnete Winkel an der Schmelz- der trstarrungsfront und dem Wendepunkt im Verlauf des schmelzflüssigen Teiles der Schmelzzone und den Durchmesser des Halbleiterstabes an der Erstarrungsfront entnommen werden, und diese Informationen zur Abstandsänderung der die Schmelzzone begrenzenden Stabenden und zur Änderung der zugeführten Energie benutzt werden,wobei die Abstandsänderung der die Schmelzzone begrenzenden Stabenden zur Erreichung eines vorgegebenen Durchmessers über einen zwischengeschalteten Volumenregelkreis vorgenommen wird, der dem eingentlichen Durchmesserregelkreis unterlagert ist, und daß die Winkelabweichungen der ausgezeichneten Winkel von deren Sollwert zur Korrektur der zugeführten Energie benutzt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung des Volumens des das Wachstum des Halbleiterstabes bestimmenden Teiles der Schmelzzone dieser Teil zeilenweise abgetastet, der Durchmesser der Schmelzzone je Zeile ermittelt, quadriert und addiert wird, und daß gleichzeitig aus den Impulsen der zeilenweise abgetasteten Schmelzzone der Durchmesser an der Erstarrungsfront und die Winkel an den ausgezeichneten Stellen der Schmelzzone: Erstarrungsfront, Schmelzfront und Wendepunkt ermittelt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, a2 die vorgegebene geometrische Form des konischen Statteiles durch den jeweiligen Durchmesser und den zugehdrigen Winkel bestimmt wird, und daß der Durchmesser und der zugehörige Winkel eine Funktion des von der Erstarrungsfront zurückgelegten Weges ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daB der Durchmesser und der zugehörige ausgezeichnete Winkel in Form einer cos-Funktion von dem von der Erstarrungsfront zurückgelegten Weg abhängig ist.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Jeweilige Soll-Winkel zur Regelung der Energie Zufuhr aus der Verknüpfung des Durchmessers und des zugehörigen ausgezerchneten Winkels über die von der Erstarrungsfront zurückgeführte Weglänge als Funktion des Durchmessers ermittelt wird.