DE2247651B2 - Vorrichtung zur Steuerung des Durchmessers eines Halbleiterstabes - Google Patents
Vorrichtung zur Steuerung des Durchmessers eines HalbleiterstabesInfo
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B13/00—Single-crystal growth by zone-melting; Refining by zone-melting
- C30B13/28—Controlling or regulating
- C30B13/30—Stabilisation or shape controlling of the molten zone, e.g. by concentrators, by electromagnetic fields; Controlling the section of the crystal
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Description
25
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung des Durchmessers eines Halbleiterstabes beim tiegellosen
Zonenschmelzen entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Solche Vorrichtungen sind dem Stande der Technik gemäß der DE-AS 12 31 671 und der DE-PS 12 31 761
entnehmbar bzw. in der DE-OS 21 13 720 vorgeschlagen worden. Sie haben sich beim Zonenschmelzen dann
bewährt, wenn der Durchmesser des Ausgangsstabes J5 und der des aus der Schmelzzone auskristallisierenden
Stabes einander gleich sind bzw. in einem konstanten Verhältnis zueinander stehen. Ist hingegen in dem
auskristallisierenden Stab ein konischer Übergang zwischen Stabteilen unterschiedlichen Durchmessers
vorgesehen, so ist eine solche Vorrichtung im allgemeinen nicht mehr ausreichend. Vielmehr muß
dann auch der konische Übergang zwischen den beiden Stabteilen, z. B. zwischen dem Keimkristall und einem
aus der Schmelzzone wachsenden Dickstab, geregelt 4r>
werden.
Deshalb wird erfindungsgemäß die eingangs definierte Vorrichtung zur Steuerung des Durchmessers eines
Halbleiterstabes beim tiegellosen Zonenschmelzen entsprechend dem Kennzeichen des Anspruchs weiter
ausgestaltet.
Beim Betrieb einer solchen Vorrichtung hat man dann die im folgenden beschriebenen Vorgänge. Den von der
Fernsehkamera gelieferten Impulsen werden Informationen über das Volumen der Schmelzzone, über
ausgezeichnete Winkel an der Schmelz- und der Erstarrungsfront am vertikalen Schmelzzonenprofil
sowie an dessen Wendepunkt und dem Durchmesser des Halbleiterstabes an der Erstarrungsfront entnommen
und als Istwerte mit den von einem Programmwerk t>n
gelieferten entsprechenden Sollwerten zur Beaufschlagung der entsprechenden Regelkreise verwendet. Dabei
soll die Abstandsänderung der die Schmelzzone tragenden festen Stabteile über den zwischengeschalteten
Volumenregelkreis, die Korrektur für die zugeführte Heizenergie über den Winkelregelkreis erfolgen.
Dabei wird zur Erfassung des Volumens der das Wachstum des Halbleiterstabes aus der Schmelzzone
bestimmende Teil der Schmelzzone (das von diesem Teil in der Fernsehkamera projizierte Bild) zeilenweise
abgetastet, 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 den jeweiligen Durchmesser und den zugehörigen Winkel bestimmt, 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
Energiezufuhr erfindungsgemäß aus der Verknüpfung des Durchmessers und des dazugehörigen Winkels über
die von der Erstarrungsfront zurückgelegte Weglänge als Funktion des Durchmessers ermittelt
Mit den bislang bekanntgewordenen Vorrichtungen wird im Sinne einer automatischen Regelung entweder
das von der Schmelzspule erfaßte Volumen oder die der Schmelzzone zugefühirte Energie konstant gehalten.
Insbesondere das Konstanthalten des Volumens ist für einen quasi-stationären Betrieb, bei dem sich weder die
Wanderungsgeschwindigkeit der Schmelzzone noch der Durchmesser bzw. das Durchmesserverhältnis der
beiden Stabteile, noch die radiale oder axiale Wärmeabführungsbedingungen ändern, ausreichend.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber den 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 Silicium-Einkristall ausgehend von einem dünnen Impfkristall auf einen vorgegebenen Durchmesser
erschmolzen werden soll, wobei sich im wesentlichen die geometrischen Abmessungen ändern und
damit die in der jeweiligen Position der Schmelzspule notwendige Energie.
Zur Verwirklichung des Programms für den Übergang vom Keimkristall 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 mit der beanspruchten Vorrichtung
das Programm auf einer cos-Funktion des Durchmessers und des dazugehörigen Winkels vom durchlaufenen
Weg aufgebaut, die in erster Näherung dem experimentell ermittelten Verlauf des »cos-förmigen« Überganges
entspricht.
Die cos-Funklion, die den experimentell ermittelten Werten am nächsten kommt, ergibt sich zu
d = r0 + R -
. - r0) ■ cos
Hierbei ist d der dem jeweiligen Weg zugeordnete
Durchmesser, r0 der Radius des Keimkristalles, R der
Radius des zu erschmelzenden fertigen, zylindrischen Stabes, / der von der Phasengrenze festflüssig
zurückgelegte Weg und k die Länge des cos-förmigen Überganges, die vorteilhaft etwa dem Durchmesser des
zu erschmelzenden Stabes entspricht.
Außerdem hat sich gezeigt, daß für ein zylindrisches
Wachstum ein bestimmter öffnungswinkel der schmelzflüssigen
Zone an der Erstarrungsfront notwendig ist, wobei dieser wiederum vom Druchmesser der Erstarrungsfront
in gewissen Grenzen abhängt; es läßt sich auch ein Verlauf des Öffnungswinkels über die Länge
des Obergangsbereiches festlegen, der z. B. mathematisch aus der obengenannten Durchmesserfunktion
durch Differenzieren abgeleitet werden kann.
Ausgehend von dem z. B. in einer Datenverarbeitungsanlage
11 gespeicherten Programm, das die Abhängigkeit des Stabduchmessers, beginnend am
Impfkristall, wiedergibt, und von dem von der Phasengrenze bzw. der Induktionsheizspule 12 zurückgelegten
Weg abhängig ist, soll anhand der Figur der Funktionsablauf geschildert werden.
In der Fernsehkamera 1, mit welcher die Schmelzzone 2 des Halbleiterstabes 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 Schmelzzone und der Durchmesser des erstarrenden Stabendes ermittelt Über einen zwischen-
> geschalteten 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-Stauch-
H) Mechanismus 7, 8, 8a, 9 der Zonenziehanlage betätigt
Mit einem parallelliegenden Winkelregelkreis, mit welchem der zum jeweiligen Durchmesser gehörende
Winkel auf den Sollwert geregelt wird, wird über den Regelverstärker 6 die Energiezufuhr über die Generatorfrequenz
geregelt
Diese beiden Regelkreise werden über einen dritten »Geometrie«-Regelkreis mit dem Programmwerk 11 so
miteinander verknüpft, daß die gewünschte geometrische Form des Überganges entsteht ohne daß die
Schmelzzone instabil wird, d. h. einfriert oder abtropft
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentanspruch:Vorrichtung zur Steuerung des Durchmessers eines Halbleiterstabes an der Erstarrungsfront der Schmelzzone beim tiegellosen Zonenschmelzen mit einer Fernsehkamera, einem optoelektronischen Bildwandler, einer Auswerteeinrichtung und einem Sollwertgeber für die geometrischen Daten von Schmelzzone und Stabdurchmesser, einem Durchmesserregelkreis, einem Winkelregelkreis und einem Streck-Stauch-Mechanismus, dadurch gekennzeichnet, daß dem Streck-Stauch-Mechanismus (7, 8, 8a, 9) ein Volumenregelkreis mit dem Regelverstärker (4) vorgeschaltet ist, der dem Durchmesserregelkreis mit dem Regelverstärker (10) unterlagen ist, und daß der Durchmesserregelkreis mit dem parallelliegender., die Energiezufuhr für die Induktionsheizspule (12) regelnden Winkelregelkreis mit dem Regelverstärker (6) über einen weiteren Regelkreis mit dem Programmwerk (11) verknüpft ist
Priority Applications (12)
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---|---|---|---|
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Legal Events
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