DE2247651C3

DE2247651C3 - Vorrichtung zur Steuerung des Durchmessers eines Halbleiterstabes

Info

Publication number: DE2247651C3
Application number: DE19722247651
Authority: DE
Inventors: Hans 8031 Groebenzell Stut
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-09-28
Filing date: 1972-09-28
Publication date: 1979-07-12
Also published as: DE2247651B2; JPS548356B2; BE795488A; SU550958A3; DE2247651A1; JPS4972181A; NL7306684A

Description

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 l\ 13 720 vorgeschlagen worden. Sie haben sich 'o€\m Zonenschmelzen dann bewährt, wenn der Durchmesser v-es Ausgangsstabes 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 sine 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 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 Prognimmwerk 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

jo

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40 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 S.abteiles 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 zugeführte Energie konstant gehalten. Insbesondere das Konstanthalten des Volumens ist für einen quasi-stationE.-en 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 solche- 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-Funktion, die den experimentell ermittelten Werten am nächsten kommt, ergibt sich zu

d = r„ + R - \(R - r₀) · cos —_T--

h^r> 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 Jt die Länge des cos-förmigen Überganges, die vorteilhaft etwa dem Durchmesser des zu erschmelzenden Stabes entspricht.

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Außerdem hat sich gezeigt, daß für ein zylindrisches Wachstum ein bestimmter öffnungswinkel der sehmelzflüssigen 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 Übergangsbereiches 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 Indukticnsheizspule 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 Ober einen zwischengeschalteten Volumenregelkreis mit dem Regelverstärker 4, der dem eigentlichen Durcbmesserregelkreis mit dem Regelverstärker 10 und dem Verstärker 5 zur Anpassung der Durchmesserabweichung an den Volumen-Sollwert unterlagert ist, wird der Streck-Stauch-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 Genera-

is torfrequenz 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. einfrort oder abtropft.

I.ierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Vorrichtung zur Steuerung des Durchmessers eines Halbleiterstabes an der Er&tarrungsfront der ϊ Schmelzzone beim tiegellosen Zonenschmelzen mit einer Fernsehkamera, einem optoelektronischen Bildwandler, einer Auswerteeinrichtung und einem Sollwertgeber für die geometrischen Daten von Schmelzzone und Stabdurchmesser, einem Durch- ι ο messerregelkreis, 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 parallelliegenden, die Energiezufuhr für die Induktionsheizspule (12) regelnden Winkelregelkreis mi\ dem Regelverstärker (6) über einen weiteren Regelkreis mit dem Programmwerk (11) verknüpft ist