DE2253789B2 - Vorrichtung zur Überwachung der einen Halbleiterstab beim tiegellosen Zonenschmelzen durchwandernden Schmelzzone - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung der einen Halbleiterstab beim tiegellosen Zonenschmelzen durchwandernden Schmelzzone mit einer Fernsehkamera und einem durch diese gesteuerten Wiedergabegerät.

Eine solche Vorrichtung ist in der DE-OS 21 13 720 beschrieben, in der die Möglichkeit gezeigt wird, aufgrund der am Ausgang der Fernsehkamera erscheinenden elektrischen Signale Informationen über den Durchmesser der Schmelzzone, z. B. an der Rekristallisationsgrenze, zu gewinnen und als Istwerte für die Regelung des Durchmessers der Schmelzzone einzusetzen. Ferner sind aus den US-Patentschriften 29 49 057 und 32 54 560, aus den deutschen Offenlegungsschriften 23 606 und 19 41 547 sowie aus der DE-AS 19 54 847 Vorrichtung bekannt, mit deren Hilfe Objekte mittels einer Fernsehkamera und einem von dieser beaufschlagten Wiedergabegerät überwacht und gemessen werden.

Es ist nun wünschenswert, bei einer der obigen Definition sowie dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechenden Vorrichtung, bewegliche Meßmarken auf dem Bildschirm des Wiedergabegerätes elektronisch zu erzeugen, und aufgrund von deren auf das Bild der Schmelzzone abgestimmter Lage bzw. Bewegung den Durchmesser der Schmelzzone ablesen zu können.

Hierzu sind gemäß der Erfindung zwei Ausgestaltungen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Vorrichtung vorgesehen, von denen die erste dem Kennzeichen des Anspruchs 1 und die zweite dem Kennzeichen des Anspruchs 2 entspricht.

Sie werden nun anhand der Fig. 1—9 näher beschrieben.

Wie aus der durch die Ansprüche 1 und 2 gegebenen Definition hervorgeht, können die die Erfindung betreffenden Maßnahmen im Wiedergabegerät oder in der Fernsehkamera eingesetzt werden. Für den ersten Fall wird die aus der F i g. 1, für den zweiten Fall die aus der F i g. 2 ersichtliche Ausgestaltung angewendet.

Gemäß F i g. 1 ist der von der Kathode 3 zum Bildschirm 1 der Bildwiedergaberöhre des Wiedergabegeräts übergehende Elektronenstrahl 2 Bestandteil eines Stromkreises, der von einer Gleichspannungsquel-Ie 4 mit entsprechend hoher Spannung gespeist und einerseits durch die von der Fernsehkamera 6 gelieferten und über den Eingang 5 zugeführten Signale in üblicher Weise beaufschlagt ist, während andererseits die zur Entstehung von Meßmarken dienenden Impulse über ein Koppelglied 9 zugeführt und von einem Impulsgenerator 7 erzeugt werden. Zwischen dem Koppelglied 9 und dem Impulsgenerator 7 ist ein Verzögerungsglied 8 geschaltet, mit dessen Ausgestaltungen sich die Erfindung befaßt. Der Impulsgenerator 7 liefert eine Folge von einander gleichen Impulsen, die periodisch (gegebenenfalls auch nahezu periodisch) sind und mit deren Hilfe der Elektronenstrahl 2 nach Maßgabe der Einstellung und Beschaffenheit des Verzögerungsgliedes 8 moduliert wird. Wenn die

J5 Periode der vom Impulsgenerator 7 gelieferten Impulse der Dauer Ta des Bildzyklus auf dem Wiedergabeschirm 1 exakt entspricht, dann wird durch die Impulse, je nach deren Vorzeichen, eine ortsfeste Aufhellung oder Abdunkelung, also eine ortsfeste Marke, erzeugt.

Ändert sich die Periode dieser Impulse gegenüber der Dauer Tb, dann wird die Marke sukzessive entweder in Schreibrichtung oder gegen die Schreibrichtung längs

einer Bildzeils nach der anderen verschoben.

Die Schaltung des das von einer Optik 10 auf das Vidikon 11 der Bildröhre der Fernsehkamera projizierte Bild der Schmelzzone D abtastenden Elektronenstrahls 12 entspricht im äußeren Stromkreis bezüglich der den Elektronenstrahl erzeugenden Spannungsquelle 4 und des Koppelgliedes 9 der Darstellung gemäß Fig. 1. In diesem Falle geht der Elektronenstrahl 12 von einer Kathode 3 auf das gleichzeitig optisch von der Schmelzzone D beaufschlagte Vidikon 11 der Bildaufnahmeröhre der Fernsehkamera über. Außerdem wird die auf den Elektronenstrahl 12 übertragene Information des Schmelzzonenbildes und der vom Impulsgenerator 7 über das Verzögerungsglied 8 an das Koppelglied 9 gelieferten Information für die Erzeugung der Meßmarken in bekannter Weise am äußeren Stromkreis abgenommen und an den Bildausgang 13 der Fernsehkamera und damit an den Bildeingang 5 des Widergabegerätes gelegt.

Die Ausgestaltungen gemäß Anspruch 1 und Anspruch 2 unterscheiden sich nun hinsichtlich der Ausgestaltung des Verzögerungsgliedes 8. Zunächst wird die Ausgestaltung gemäß Anspruch 1 anhand der F i g. 3 und später die Ausgestaltung gemäß Anspruch 2 anhand der restlichen F i g. 4 — 9 näher beschrieben.
Bei der in Fig.3 dargestellten Ausgestaltung ist

beabsichtigt, die Inpulsfolgen der Generatoren 7 über eine — einen definierten Phasenwinkel ϋ- zwischen dem mit der Periode H=Tb äquidistanten Impulsen der überlagernden Impulsfolge und den die Bildschreibzyklen mit der Dauer Tb festlegenden Organen einstellende — Verzögerungsschaltunf 8 dem den Elektronenstrahl 2 bzw. den Elektronenstrahl 12 enthaltenden Stromkreis zuzuführen.

Hierzu betätigen die von dem Impulsgenerator 7 mit der Frequenz der Bildschreibzyklen Tb~^] abgegebenen Impulse einen dreipoligen elektronischen Schalter 15, z. B. einen Schalttransistor oder einen Schaltthyristor (Triac). Dieser ist in Reihe mit einem Festwiderstand 16 und einem Ladekondensator 17 an eine Gleichspannungsquelle 14 gelegt. Zwischen dem Festwiederstand 16 und dem Ladekondensator 17 ist ein Abgriffpunkt 18 vorgesehen, der an den einen Eingang eines Differenzverstärkers 20 gelegt ist. Der zweite Eingang ist an den Abgriff 21 eines der soeben beschriebenen Serienschaltung parallel gelegten Potentiometers 19 geschaltet, das ebenfalls von der Gleichspannungsquelle 14 gespeist ist. Die Stellung des Potentiometerabgriffs 21 ist der den Phasenwinkel & festlegende Einstellparameter. Je nach Stellung dieses Abgriffs erscheinen die am Ausgang des Differenzverstärkers 20 abzunehmenden Impulse gegenüber den den elektronischen Schalter 15 betätigenden Impulsen des Generators 7 verzögert.

Die am Ausgang des Differenzverstärkers 20 erscheinenden Impulse werden nun zum Tasten des Elektronenstrahls 2 bzw. des Elektronenstrahls 12 über je ein Koppelglied 9 zugeführt. Je nach der eingestellten Verzögerung wird auch der Phasenwinkel # gegenüber dem Bildwiedergabezyklus veränderlich sein und die Meßmarke M, die durch die Impulse auf dem Bildschirm des Wiedergabegerätes erzeugt wird, eine einstellbare Verschiebung längs der einzelnen Zeilen erfahren, die der Stellung des Potentiometerabgriffs 21 eindeutig zugeordnet ist.

Bei einer dem Anspruch 2 entsprechenden Ausgestaltung ist anstelle des Phasenwinkels # die Dauer i,der die Meßmarke M erzeugenden Einzelimpulse für die Einstellung der Meßmarke bestimmend. Dabei ist die Fernsehkamera in bezug auf die zu überwachende Schmelzzone D so eingestellt, daß der zu bestimmende Durchmesser parallel zu den Bildzeilen liegt, während die Meßmarke M als Strich mit einstellbarer Länge längs der die zu überwachende Dimension enthaltenden bzw. ihr unmittelbar benachbarten Bildzeile erscheint und dem zu ermittelnden Durchmesser der Schmelzzone D überlagert werden kann. Eine sich derart verhaltende Vorrichtung wird anhand der Fig.4 beschrieben.

Eine dem Anspruch 2 entsprechende Vorrichtung kann aber auch so ausgestaltet werden, daß als Meßmarken zwei voneinander getrennte Striche auf der gleichen Bildzeile erscheinen. Die auf diese Weise gestalteten Meßmarken M\ und M₂ werden dann in ihrer Länge gerade so eingestellt, daß die gesuchte Dimension sich entsprechend F i g. 5 sich aus dem Abstand der beiden einander zugekehrten Enden der beiden strich- oder balkenföi "nigen Meßmarken Mi und M₂ ergibt.

Bei der in Fig.4 gezeigten Ausgestaltung des Verzögerungsgliedes 8 ist das Koppelglied 9 mit seiner mit den Steuerimpulsen für die Meßmarke M zu beaufschlagenden Seite über einen dreipoligen elektronischen Schalter 22 und einen Vorschaltwiderstand 24 an eine Gleichspannungsquelle 23 gelegt. Der Schalter 22, z. B ein Thyristor, wird nun durch die Impulse eines Impulsgenerator 7 gesteuert. Dabei ist der Impulsgenerator 7 derart ausgebildet, daß er zwei Impulsfolgen — jeweils mit der Periode U=Tb. aber unter definiert einstellbarer Phasenlage zwischen den Impulsen der ersten und den Impulsen der zweiten Impulsfolge — an den Schalter 22 abgibt, wobei dieser durch die erste Impulsfolge jeweils eingeschaltet und durch die zweite Impulsfolge jeweils abgeschaltet wird. Solange der Schalter 22 leitend ist, arbeitet die Stromquelle 23 auf das Koppeglied 9 und moduliert den Elektronenstrahl 2 bzw. 12 mit einem hellen oder einem dunklen Dauer strich, je nachdem, wie die Stromquelle 23 in bezug auf den zu modulierenden Elektronenstrahl gepolt ist.

Die aus F i g. 6 ersichtliche weitere Ausgestaltung der in F i g. 4 dargestellten Vorrichtung dient der Erzeugung von Meßmarkenpaaren Mi und M₂ entsprechend F i g. 5. Sie enthält wiederum eine Gleichspannungsquelle 23, einen Vorschaltwiderstand 24, das die Verbindung mit dem Elektronenstrahl 2 bzw. 12 herstellende Koppelglied 9 und zwei dreipolige elektronische Schalter 22 und 25, z. B. Thyristoren, die sämtlich in bezug auf dei Gleichspannungsquelle 23 in Reihe geschaltet sind. Der Schalter 22 wird von einem entsprechend ausgestalteten Impulsgenerator 7 derart beaufschlagt, daß er von zwei Folgen von jeweils mit der Periode Tb erscheinenden Impulsen derart beaufschlagt ist, daß die Impulse der einen Folge den Schalter 22 leitend, die Impulse der anderen Folge den Schalter 22 nichtleitend machen.

jo Außerdem ist der Phasenwinkel zwischen den beiden Impulsfolgen einstellbar. Der zweite Schalter 25 wird hingegen von Impulsen beaufschlagt, die z. B. mit dem Springen des Elektronenstrahls 2 bzw. 12 aus einer vorgegebenen Zeile verbunden sind bzw. dieses

J5 Springen unmittelbar veranlassen (Zeilenkippimpulse).

So soll der Einschaltimpuls für das Schreiben bzw. Abtasten einer bestimmten Bildzeile, z. B. für die Zeile z,. den Schalter 25 schließen, der darauf folgende und das Springen des Elektronenstrahls 2 bzw. 12 auf die Zeile Zv ₊i veranlassende Impuls den Schalter 25 wieder öffnen. Schließlich ist noch ein Koordinierungsgerät vorgesehen, welches die den Schalter 22 betätigenden Impulse und die den Schalter 25 betätigenden Impulse in eine definiert einstellbare Phasenbeziehung zueinander bringt. Ein Zählglied sorgt dafür, daß die Zeilenkippimpulse für den Elektronenstrahls 2 bzw. 12 den Schalter 25 nur bei dem auf die Zeile a- schaltenden Impuls betätigen. Ferner sollen die Impulse des Impulsgenerators 7 immer nur dann erscheinen, wenn die den Schalter 25 betätigenden Impulse wirksam sind, wenn also mit anderen Worten der Elektronenstrahl 2 die Zeile Zv schreibt und der Elektronenstrahl 12 die Zeile z„ auf dem Vidikon 11 abtastet.

Mit Ausnahme der Zeit, in der die Zeile z, geschrieben bzw. abgetastet wird, soll der in F i g. 6 dargestellte und das Verzögerungsglied 8 bildende Schaltkreis so eingestellt sein, daß der Schalter 25 offen, der Schalter 22 hingegen geschlossen ist. Beim Einschalten der Zeile Zv wird dann ein Schließimpuls auf den Schalter 25 gegeben, der dann die Stromquelle 23 auf das Koppelglied 9 schaltet. Es fließt dann ein Dauerstrom, der den Elektronenstrahl 2 entweder direkt oder — falls die Anordnung gemäß F i g. 6 nicht mit dem Widergabegerät, sondern mit der Fernsehkamera 6 gekoppelt ist — indirekt in Form eines Dauerstriches tastet, der erst beim Öffnen des Schalters 22 durch einen von dem Impulsgenerator 7 erzeugten Öffnungsimpuls unterbrochen wird. Auf diese Weise entsteht die Marke Mi (vgl.

Fig. 5). Da nun der Impulsgenerator 7 nach einer der Phasenverschiebung φ seiner beiden Impulsfolgen entsprechenden Zeitspanne einen zweiten, nunmehr als Schließimpuls wirksamen Impuls auf den Schalter 22 gibt, wird dieser wieder geschlossen, so daß wieder Dauerstrom fließt und die Marke Mi geschrieben werden kann. Schließlich wird der die Zeile z_r abschaltende Kippimpuls des Widergabegeräts (bzw. der Fernsehkamera 6) neben seiner Funktion im Widergabegerät (bzw. in der Fernsehkamera) den Schalter 25 öffnen und auf diese Weise die ursprüngliche Situation wieder herstellen. Sie wird erneut unterbrochen, wenn beim Schreiben des folgenden Bildzyklus die Zeile z„ erneut erreicht wird. !;

Als Einstellparameter hat man hier die Phasenverschiebung φ zwischen den Impulsen der beiden von dem Impulsgenerator 7 erzeugten Impulsfolgen. Man kann diesen Einstellparameter z. B. steuern, indem man die Öffnungsimpulse direkt, die Schüeßimpulse über eine einstellbare Verzögerungsschaltung dem Schalter 22 zugibt oder umgekehrt.

Die Tatsache, daß man bei üblichen Fernsehgeräten die Rückführung der Elektronenstrahlen 2 bzw. 12 aus der jeweils vorangehenden Zeile in die jeweils folgende Zeile bei abgeschaltetem Elektronenstrahl 2 bzw. 12 vornimmt, ermöglicht bei Verwendung solcher Geräte, die Meßmarken M\ und Mi auch während der Rückführphasen zu schreiben. Es wird also, wenn der Durchmesser des Schmelzzonenbildes an der v-ten Bildzeile gemessen werden soll, der Elektronenstrahl 2 beim Zurückführen aus der (v— l)-ten in die v-te Zeile und aus der v-ten Zeile in die (v+ I)-Ie Zeile mit die Meßmarken erzeugenden (und nicht etwa zugleich mit einer das Bild der Schmelzzone D beireffenden Information) Information getastet. Im übrigen werden die der Rückführung des Elektronenstrahles dienenden Kippphasen bei abgeblendetem Elektronenstrahl 2 gehalten.

Während des Betriebes der Anlage wird der Impulsgenerator 7 so eingestellt bzw. betrieben, daß einander zugekehrten Enden der beiden Mcßmarkcn M] und Mi an je eine Kontur des Bildes D' der Schmelzzone D auf dem Bildschirm 1 angelegt sind, wie dies auch in Fig. 5 dargestellt ist. Man kann nun auf diese Weise auch einen bestimmten Sollwert des Durchmessers der Schmelzzone D vorgeben. Abweichungen der Geometrie der Schmelzzone vom Sollwert und damit die hierdurch bedingten Verschiebungen der Konturen des Schmelzzonenbildes auf dem Bildschirm 1 von den Enden der Meßmarken M\ und Mi sorgen dann für die Einleitung eines den Sollzustand wieder herstellenden Regelvorgangs.

Ändert sich der Durchmesser des Schmelzzonenbildes am Ort der beiden Meßmarken Mi und Mi, so wandert entweder mindestens eine der Meßmarken in das Schmelzzonenbild hinein oder es entsteht ein dunkler Zwischenraum zwischen Meßmarke und Schmelzzonenbild. Dieser Zustand läßt sich beispielsweise mit optoelektronischen Überwachungsgeräten abtasten und zur Betätigung von Mitteln verwenden, welche die Schmelzzone wieder in den Sollzustand zurückbringen.

Es empfiehlt sich für diesen Fall, die Meßmarken M\ und Mi hell zu tasten, so daß sie sich gegen die dunkle Umgebung des unmittelbaren Bildes der Schmelzzone D hell abheben. Dann entspricht das Bild D' der hellen Schmelzzone D und der hellen Meßmarken M₁ und M2 einer hohen Spannung bzw. einem starken Strom im Elektronenstrahl 2, das Bild der dunklen Umgebung einem niedrigen Strom bzw. einer niedrigen Spannung. Die Spannung fVlängsder v-ten Bildzeile, die sowohl die Meßmarken M\ und Mi als auch den zu messenden Durchmesser des Schmelzzonenbildes D'enthalten soll, hat dann qualitativ einen der aus den Fig. 7-9 ersichtlichen Verlauf, wenn sie über der Zeit / als Abszisse während der derr-ten Bildzeile zugeordneten Periodendauer τ_ν aufgetragen wird.

Man kann also die Information, die der Elektronenstrahls 2 aufgrund der Wirkung der Fernsehkamera 6, sowie der die Meßmarken M₁ und Mi erzeugenden Anlage gemäß F i g. 6 trägt, ihrerseits abtasten, um den richtigen und in Fig. 8 dargestellten Zustand einzuregeln. Solange dieser Zustand noch nicht vorliegt, hat man zwischen den Impulsen der Meßmarken Mi und M₂

J₀ und denen des Schmelzzonenbildes D' entweder ein ausgeprägtes Minimum der Spannung U längs des Elektronenstrahls 2 (Fig. 7) oder eine starke Überhöhung an den Konturen des Bildes D'der Schmelzzone D (F ig. 9).

Zu bemerken ist noch, daß man die Meßmarken M| und Mi gleichzeitig auf mehreren benachbarten Zeilen des Fernsehbildes tasten kann, so daß eine schneiden- oder eine balkenförmige Gestalt der Meßmarken M| und Mi entsteht. Um das zu erreichen, braucht man einen Impulsgenerator 7 derart, daß er jeweils um die Periode verschobene Impulsfolgen erzeugt, deren Einzelimpulse mit der Periode Tb wiederkehren, so daß der anhand von F i g. 6 beschriebene Vorgang sich nicht nur bei der v-ten Zeile sondern bei mehreren der v-ten Zeile benachbarten Zeilen bei jedem Bildzyklus abspielt.

Schließlich ist es möglich, die den Impulsgenerator 7

bei einer Vorrichtung gemäß Fig.4 und 6 bzw. die Stellung des Potentiometerabgriffs 21 überwachenden Mittel mit einem elektronischen Zählwerk zu verbinden derart, daß dieses Zählwerk direkt den Wert des aufgrund der Meßmarkcn festgestellten Durchmessers der Schmelzzone angibt, der gegebenenfalls unmittelbat in das Bild auf dem Widergabeschirm eingeblendei werden kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Überwachung der einen Halbleiterstab beim tiegellosen Zonenschmelzen durchwandernden Schmelzzone mit einer Fernsehkamera und einem durch diese gesteuerten Wiedergabegerät, dadurch gekennzeichnet, daß ein Impulsgenerator (7) an einen 3poligen elektronischen Schalter (15) liegt, der in Serie mit einem Festwiderstand (16) und einem Ladekondensator (17) an eine Gleichspannungsquelle (14) geschaltet ist, wobei zwischen dem Festwiderstand (16) und dem Ladekondensator (17) ein Abgriffpunkt (18) vorgesehen ist, der an den einen Eingang eines Differenzverstärkers (20), der zweite Eingang des Differenzverstärkers (20) an den Abgriff (21) eines der Serienschaltung parallelgelegten Potentiometers (19) und der Ausgang des Differenzverstärkers (20) an ein in den, den Elektronenstrahl der Fernsehkamera (6) bzw. des Wiedergabegeräts enthaltenden Stromkreis gelegtes Koppelglied (9) gelegt ist.

2. Vorrichtung zur Überwachung der einen Halbleiterstab beim tiegellosen Zonenschmelzen durchwandernden Schmelzzone mit einer Fernsehkamera und einem durch diese gesteuerten Wiedergabegerät, dadurch gekennzeichnet, daß ein in den, den Elektronenstrahl der Fernsehkamera (6) bzw. des Wiedergabegeräts enthaltenden Stromkreis gelegtes Koppelglied (9) über einen, von einem Impulsgenerator (7) beaufschlagten 3poligen elektronischen Schalter (22) und einen Vorschaltwiderstand (24) an eine Gleichspannungsquelle (23) geschaltet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den 3poligen elektronischen Schalter (22) und das Koppelglied (9) ein von Zeilenkippimpulsen beaufschlagter 3poliger elektronischer Schalter (25) gelegt ist.