DE2332968B2 - Vorrichtung zur Steuerung des durchmessers eines Halbleiterstabes - Google Patents
Vorrichtung zur Steuerung des durchmessers eines HalbleiterstabesInfo
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- 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
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung m
des Durchmessers eines Halbleiterstabes beim tiegellosen Zonenschmelzen.
Solche Vorrichtungen sind dem Stand 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 vorgeschla- r> gen worden. Sie haben sich beim Zonenschmelzen dann
bewährt, wenn der Durchmesser des 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 eine solche Vorrichtung im allgemeinen nicht mehr ausreichend. Vielmehr muß
dann auch der konische Obergang zwischen den beiden Stabteilen, z. B. zwischen dem Keimkristall und einem
aus der Schmelzzone wachsenden Dickstab, geregelt werden.
Die vorliegende Erfindung bezweckt eine weitere Ausgestaltung und Verbesserung der im Hauptpatent
offenbarten Apparatur zum tiegellosen Zonenschmelzen eines Halbleiterstabes.
Demzufolge betrifft die Erfindung eine 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 ao
und einem Streck-Stauch-Mechanismus, bei der dem Streck-Stauch-Mechanismus ein Volumenregelkreis mit
einem Regelverstärker vorgeschaltet ist, der dem Durchmesserregelkreis mit dem Regelverstärker unterlagen
ist, und bei der der Durchmesserregelkreis mit dem parallelliegenden, die Energiezufuhr für die
Induktionsheizspule regelnden Winkelregelkreis mit dem Regelverstärker über einen weiteren Regelkreis
mit dem Programmwerk verknüpft ist, nach Patent 22 47 651.
Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, daß eine die Lage der Erstarrungsfront QOerwachende optoelektronische
oder mechanooptische Einrichtung mit dem Programmwerk verbunden ist
Die Erfindung wird anhand der Figur näher beschrieben, in der ein, der erfindungsgemäßen
Anordnung entsprechendes Blockschaltbild dargestellt ist
Der zu behandelnde Halbleiterstab 1 wird in üblicher
Weise in einer — in der Figur nicht dargestellten Zonenschmelzapparatur in vertikaler Lage von Halterungen
la, \b an seinen Enden gehaltert und von einer
die Schmelzzone 2 erzeugenden Induktionsheizspule 12 koaxial umgeben. Durch eine in Achsenrichtung des
Halbleiterstabes 1 erfolgende Relativbewegung zwischen Induktionsheizspule 12 und Halbleiterstab 1 wird
die Schmelzzone 2 sukzessive durch den Halbleiterstab 1 geführt Mindestens eine der Halterungen des
Halbleiterstabes t, z. B. die untere Halterung la, ist in Richtung des Doppelpfeiles 9 relativ zu der zweiten
Halterung verschiebbar ausgestaltet, so daß bei Vorhandensein einer den gesamten Querschnitt des
Halbleiterstabes 1 erfassenden Schmelzzone 2 die beiden von der Schmelzzone 2 getrennten Stabteile
einander genähert oder voneinander entfernt werden können. Dies resultiert im Rahmen der Stabilitätsgrenzen
in einer Stauchung bzw. einer Streckung der Schmelzzone 2, so daß der diese Bewegung steuernde
Mechanismus üblicherweise als »Streck-Stauchmechanismus« bezeichnet wird. Hier sind verschiedene
Möglichkeiten bekannt, so daß von deren Darstellung in der Zeichnung und in der Beschreibung abgesehen
werden kann. Der Antrieb des Streck-Stauchmechanismus wird von einem Motor 8 geliefert, der von dem
Ausgang des ersten Kaskadenregelkreises gesteuert wird.
Die Induktionsheizspule 12 ist in üblicher Weise durch einen parallel geschalteten Kondensator 12a zu einem
Hochfrequenzschwingkreis mit fester Abstimmung ergänzt. Dieser Hochfrequenzschvvingkreis ist an einen
Hochfrequenzgenerator 18 über eine Koppelinduktivität 19 lose angekoppelt. Die Frequenz der von diesem
Generator 18 gelieferten elektrischen Schwingungen ist in einem die Resonanzfrequenz des aus der Induktionsheizspule 12 und dem Kondensator 12a gebildeten
Schwingkreises enthaltenden Frequenzbereich stetig veränderbar, so daß durch Betätigung der Abstimmung
des HF-Generators 18 die auf die Induktionsheizspule 12 übertragene Energie verändert werden kann. Zu
bemerken ist, daß auch andere der bekannten Möglichkeiten der Einstellung der Energiezufuhr zu der
Induktionsheizspule 12, z. B. durch Verwendung eines Schwingkreiskondensators 12a mit veränderbarer Kapazität
und/oder durch Anwendung einer variablen Ankopplung 19 an den HF-Generator 18 angewendet
werden kann.
Wie bereits im Patent 22 47 651 angegeben, wird auch im vorliegenden Fall als Regelfühler eine die Schmelzzone
2 überwachende elektronische Kamera 20 (z. B. eine handelsübliche Fernsehaufnahmekamera, die mit
einem Fernsehwiedergabegerät gekoppelt sein kann, um eine visuelle Kontrolle des Fernsehbildes der
Schmelzzone 2 zu ermöglichen) verwendet. Man sorgt für geeignete Orientierung der elektronischen Kamera
20 in bezug auf die Schmelzzone 2 und für die Konstanthaltung der Aufnahmebedingungen derart.
daß jeder der von der Kamera 20 pro Abtastzykius gelieferten Impulse eine definierte Aussage über je
einen bestimmten Durchmesser des von der Kamera 20 aufgenommenen Bildes enthält Das ist genau dann der
Fall, wenn die Abtastzeilen auf dem Target der Kamera 20 senkrecht zu dem Bild der Achse des Halbleiterstabes
1 orientiert sind und wenn die auf die Schmelzzone 2 gerichtete optische Achse der Aufnahmeoptik ihre
Länge und Neigung zur Stabachse unverändert beibehält Dies bedeutet, daß die Kamera 20 bei nicht
ortsfester Schmelzzone 2 unter Beibehaltung ihrer Orientierung zu sich selbst mit der Geschwindigkeit der
Kristallisationsfront verschoben werden muß.
Da sich der der Kristallisationsfront im Fernsehbild entsprechende Impuls der pro Abtastzyklus gelieferten
Impulsfolge als Grenzimpuls von besonders hoher Amplitude auszeichnet, ist durch eine in der der Kamera
20 nachgeschalteten Auswerte-Rechenanlage 3 eingebaute Filteranlage ohne weiteres möglich, diesen Impuls
Pk aus den einzelnen Impulsfolgen auszusieben und den
seiner Länge proportionalen Wert von dfa) zu
bestimmen. Der hierzu erforderliche Proportionalitätsfaktor wird durch die Eichung der Anordnung erhalten.
Für die Bestimmung des Randwinkels x(xt) benötigt
man noch den Durchmesser dfa+λ). der derjenigen der Kristallisationsgrenze benachbarten Abtastzeile in der
elektronischen Kamera 20 zugeordnet ist, die von der Kristallisationsgrenze aus gesehen bereits den Bild des
flüssigen Materials zuzuordnen ist. Dann wird
α (χ J = arctg
d(xJ-d(x + X) 2λ
wobei λ der dem Abstand zweier benachbarter Abtastzeilen entsprechende Abstand im Maßstab der
wirklichen Schmelzzone ist. Es wird darauf hingewiesen, daß man statt des Winkels oc(xk) auch eine trigonometrische
Funktion dieses Winkels, vorzugsweise tg x(xk), als Regelgröße verwenden kann, weil eine eindeutige
Relation zwischen dem Winkel oc(xk) und seinen trigonometrischen Funktionen besteht.
In einer geeigneten optoelektronischen oder mechanooptischen Überwachungsvorrichtung 21 wird der Ort
Xk der Kristallisationsfront der Schmelzzone 2 überwacht und der der Ortskoordinate Xk (= vorzugsweise
Abstand zwischen Kristallisationsfront der Schmelzzone 2 und dem Keimkristall) in dem Beobachtungsmoment
entsprechende Zahlenwerte an eine als Rechner aufgebaute Datenverarbeitungsanlage 11 gegeben. Da
dann das von der Überwachungsvorrichtung 21 gelieferte Signal ein Maß für den Wert von Ar* darstellt,
ist die Datenverarbeitungsanlage 11 mit einem Gerät ausgerüstet, welches aus dem Signal die Länge von xn als
Zahlenwert entnimmt und mit diesem Zahlenwert den zugehörigen Stellwert von d(xi) bzw. <x(xk), also die
Werte d*(xk) und x*(Xk) ausrechnet.
Beispielsweise kann hier für die Berechnung von d*(xk) die Formel
d*(xü = r,,+ R-(R- r„) cos -^- '
Verwendung finden, die auch als Grundlage für die zugehörigen Werte ά*(χι,) unter Berücksichtigung der
Volumenänderung angewendet wird, (n, = Radius des ir,
Keimkristalls, R = Radius des dickeren Normstabs, μ und Π sind Konstante). Die Koordinatenüberwachung
21 kann aber aMch so arbeiten, daß jedesmal, wenn die
Kristallisationsfront eine Strecke s. z. B. s = 0,5 mm, zurückgelegt hat, ein Signal erscheint mit dessen Hilfe,
die nach einem Programm ermittelten Werte von d*(xi) und x*(xk) aus der - in diesem falle als Speicher
aufgebauten — Datenverarbeitungsanlage 11 abgerufen
we.den. Dabei ist es möglich den Signalen bei einer Vorwärtsbewegung der Kristallisationsfront einen anderen
Charakter als bei einer Rückwärtsbewegung mitzugeben, so daß bei einer Rückbtwegung bereits
abgerufene Werte für eine erneute Abrufung bereit gemacht werden können.
Eine dem jeweiligen Wert von d*(xi) proportionale
elektrische Spannung geht von der Datenverarbeitungsanlage 11 über die Leitung 10a an den einen Eingang der
ersten Stufe des ersten Kaskadenreglers 10, der für den Abstand der beiden Stabhalterungen la und Xb
verantwortlich ist Zur selben Zeit geht von dem der Auswertung der Impulse der elektronischen Kamera 20
dienenden Auswerte-Rechner 3 eine dem Istwert von d(xk) proportionale Spannung an den zweiten Eingang
dieser Stufe über die Leitung Wb. Die Eingangsstufe dieses Kaskadenregelkreises ist durch einen Regelverstärker
10 gegeben, an dessen Ausgang eine der Regelabweichung von d(xk) proportionale Spannung
erscheint Diese wird in die zweite Regelstufe dieses Kaskadenregelkreises gegeben. Sie gelangt zunächst in
den Integrator 5, einem Verstärkerelement, welches die Aufgabe hat, das Zeitintegral der Regelabweichung von
d(xk) so zu bilden, daß 1.) dieses sein Vorzeichen mit der Regelabweichung ändert, daß 2.) das Zeitintegral einen
konstanten Wert erhält, sobald die Regelabweichung von d(xk) verschwindet und daß außerdem 3.) das
Zeitintegral unter der Voraussetzung 2.) so normiert ist, daß es dem noch zu beschreibenden Istwert gleich wird,
sobald d*(xk) konstant bleiben soll.
Das von der Inte.grationsstufe 5 gelieferte Signal geht an den einen Eingang des Regelverstärkers 4 über die
Leitung 4b. An den zweiten Eingang des Regelverstärkers 4 wird als Istwert eine ebenfalls eine durch
Integration erhaltene Größe über die Leitung 4a angeliefert, die für den geometrischen Zustand der
Schmelzzone 2 verbindlich ist. Zweckmäßig verwendet man hier das Integral über die Quadratsumme aller
durch die elektronische Kamera 20 ermittelten Durchmesserwerte. In der Praxis bedeutet das, daß man alle
Impulse, soweit sie sich auf das Bild der eigentlichen Schmelzzone 2 in der Kamera 20 beziehen, durch
Multiplikation mit dem oben erwähnten Proportionalitätsfaktor in die entsprechenden Durchmesserwerte
d(zv) umwandelt, und dann von dem Rechner 3 die
Summe
S =
ausrechnen und in eine dem erhaltenen Wert von S proportionale elektrische Spannung umwandeln läßt.
Die Summierung bei der Bildung von S geht über alle Impulse P1-, soweit die korrelierten Bildabtastzeilen z,.,
zu dem Bild der eigentlichen Schmelzzone 2 gehören. Der bereits erwähnte Stellwert für den Regelverstärker
4, der von dem Integrator 5 geliefert wird, ist dann so zu normieren, daß er gleich 5 wird, sobald das Programm
für d*(Xk) einen Ziehbereich konstanter Stabdurchmesse'·
vorschreibt.
Das von dem Regelverstärker 4 gelieferte Ausgangssignal geht an die von dem rückgekoppelten Regelverstärker
7 gebildete dritte Regelstufe der den ersten Regelkreis bildenden Kaskade. Zum Zwecke der
Rückkopplung ist die Welle des von der dritten Regelstufe betriebenen Antriebsmotors 8 des Streckstauchmechanismus
mit einem Tachometergenerator 8a fest gekoppelt, und die von diesem gelieferte Spannung
an den freien zweiten Eingang des Regelverstärkers 7 <■■,
gelegt. Man erhält auf diese Weise stabile Drehzahlen des Motors 8 und einen definierten Einsatz des
Streck-Stauchmechanismus.
An den Eingang des zweiten Kaskadenregelkreises der erfindungsgemäßen Anordnung ist als Stellwert die i<
> bereits erwähnte Stellgröße a.*(xk) über die Leitung 6b
und der zugehörige Istwert über die Leitung 6a in Form zu den tatsächlichen Werten proportionellen Spannungen
gelegt. Die erste Stufe dieses zweiten Kaskadenregelkreises ist durch den Regelverstärker 6 gegeben, der r>
ein der Regelabweichung von tx(xk) proportionales Signal erzeugt. Dieses geht an die zweite Stufe der
Regelkaskade. Diese wird durch einen Stellmotor 13, einem an eine nicht dargestellte Gleichspannungsquelle
angeschlossenen Potentiometer 14 und einem Regelverstärker 15 gebildet. Der Pl-Regelcharakter dieser Stufe
ist durch den Stellmotor 13 gegeben, der den Abgriff des Potentiometers 14 und damit die als Stellwert über das
Potentiometer 14 gelieferte Gleichspannung verändert. Der Istwert wird von dem den Kondensator 12a und die
Induktionsheizspule enthaltenden Schwingkreis geliefert. Er soll ein Maß für die dem Schwingkreis und damit
der Induktionsheizspule 12 zugeführte Energie sein.
Die am Kondensator 12a liegende hochfrequente Wechselspannung liefert nach Gleichrichtung und ggf. j<
> Glättung durch die Anlage 24 eine Spannung Un welche
an dem Voltmeter 22 abgelesen werden kann und die ein Maß für die vom Schwingkreis aufgenommene Energie
bildet. Sie wird über die Leitung 156 an den einen Eingang des Regelverstärkers 15 gelegt. An den
anderen Eingang 15a liegt die vom Potentiometer 14 gelieferte Spannung als Stellwert.
Der Motor 13 gerät in Aktion, sobald eine Regelabweichung von x(xk) auftritt. Ist diese gleich Null,
so soll am Verstärker 15 Gleichgewicht zwischen dem -to
vom Potentiometer 14 gelieferten Stellwert und dem von der Anlage 24 gelieferten Spannungswert Ue als
Istwert gegeben sein, was durch entsprechende Einstellung des Potentiometerabgriffs leicht zu erreichen
ist. Ändert sich die die Energiezufuhr vom Generator 18 bzw. die Kopplung zwischen Schmelzzone
2 und Induktionsheizspule 12, so ändert sich Spannung Uc und außerdem auch der Istwert von <χ(χι).
Es treten dann die Regelstufen 6 und 15 in Aktion so lange, bis wieder Gleichgewicht an 15 herrscht und die so
Regelabweichung von ot(xk) verschwunden ist.
Der Ausgang der zweiten Regelstufe 15 des zweiten Kaskadenregelkreises geht wiederum an eine rückgekoppelte
dritte Regelstufe mit dem Regel verstärker 16, deren Ausgang auf den die Einstellung des Generators
18 beeinflussenden Stellmotor 17 arbeitet. Die Rückkopplung ist durch den Widerstand 23 gegeben, der den
Ausgang des Regelverstärkers 16 an den noch freien zweiten Eingang des Regelverstärkers 16 legt Hier hat
man im Gegensatz zu den Rückkopplungsverhältnissen des ersten Kaskadenregelkreises keine Tachometergeneratorrückkopplung
sondern eine Ankerspannungsrückführung, die in diesem Falle ausreicht
Zusammenfassend soll die in der Figur dargestellte Anordnung in ihrer Wirkungsweise nochmals kurz
beschrieben werden.
In der elektronischen Kamera (Fernsehkamera) 20, mit welcher ein Bild der Schmelzzone 2 aufgenommen
wird, erfolgt eine elektronische Abtastung dieses Bildes. Man erhält pro Abtastzyklus eine Folge diskreter
elektrischer Impulse (Rechteckimpulse), die den einzelnen Bildablastzeilen zugeordnet sind. Diese Impulse
werden auf eine elektronische Auswertevorrichtung 3 gegeben, in der die zur Ermittlung des Durchmessers
d(\k) (Istwert) der Kristallisationsfront der Schmelzzone, des Randwinkels tx(xi) und der zur Beaufschlagung
des Regelverstärkers 4 benötigten Summe
S = £ (7/(T, A/:
erforderlichen Rechenoperationen mit den genannten Impulsen als Ausgangsgrößen geleistet werden. Dabei
ist die Länge der Impulse /',■(Zeitdauer) die entscheidende
Größe; die Amplituden (Impulshöhen) dienen lediglich dazu, um die verschiedenen Impulse, insbesondere
den der Kristallisationsfront und damit dem Durchmesser d(xk) zugehörenden Impuls Pk und den
oben erwähnten, dem Durchmesser dfxk + λ) entsprechenden
Nachbarimpuls aussuchen zu können.
Außerdem werden ggf. die in der Auswertevorrichtung 3 ermittelten »Istwerte« zur Kontrolle des
Programms auch in die Datenverarbeitungsanlage 11 eingegeben, was durch die Verbindungsleitung 3a
angedeutet ist.
Von der Datenverarbeitungsanlage 11 werden die für
die Eingangsstufen der beiden Kaskadenregelkreise erforderlichen Stellwerte d*(xi) und <x*(xk) zur Verfügung
gestellt, die nach Maßgabe des Orts xk der Kristallisationsfront der Schmelzzone 2 abgerufen
werden. Die Regelabweichung wird in dem ersten Kaskadenregelkreis, der der Regelung des Abstandes
der beiden Halterungen la und \b des zonenzuschmeizenden Halbleiterstabes 1 dient, durch Zeitintegration
zu einer Stellgröße aufgebaut, die die Bewegung des Stellmotors 8 nur dann zum Verschwinden bringt, wenn
der Durchmesser des aus der Schmelzzone 2 wachsenden Stabes konstant bleiben soll und keine Regelabweichung
vorhanden ist Der zugehörige Istwert ist die dem Volumen der Schmelzzone 2 (bzw. einem beobachtbaren
Anteil dieses Volumens, der an die Kristallisationsfront angrenzen soll) proportionale Summe
S =^
In ähnlicher Weise erfolgt die Beeinflussung der Energiezufuhr zu der Induktionsheizspule 12 durch den
zweiten Kaskadenregelkreis der erfindungsgemäßen Anordnung. Er steuert die an dessen Eingangsverstärker
gelegte Regelabweichung des Randwinkels x(xk) einen zweiten Regelkreis über einen dem Integrator in
der Integrationswirkung ähnlichen Stellmotor 13, wobei als Regelgröße für die zweite Stufe dieser Kaskade die
Energieversorgung der Induktionsheizspule 12 verwendet ist Während als Regelfühler für die Ermittlung der
Summe S die elektronische Kamera 20 verwendet wird, hat man hier einen anderen Regelfühler, nämlich die
gleichrichtende und spannungsglättende Anlage: Auch hier hat man eine rückgekoppelte Ausgangsstufe 16, die
durch den Motor 17 auf die Regelstrecke, also in diesem Fall die Frequenz des Generators 18, einwirkt Auch hier
wird die Drehzahl des Stellmotors 17 infolge der durch den Widerstand 23 gegebenen Rückkopplung etwa
proportional der Regelabweichung der Energie.
Das Programm für die Stellwerte d*(xk) und <x.*(xk)
wird auf jeden Fall so gewählt daß es mit der Stabilität der Schmelzzone 2 im Einklang ist
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, bei der dem Streck-Stauch-Mechanismus ein Volumenregelkreis mit einem Regelverstärker vorgeschaltet ist, der dem Durchmesserregelkreis mit dem Regelverstärker unterlagert ist, und bei der der Durchmesserregelkreis mit dem parallelliegenden, die Energiezufuhr für die Induktionsheizspale regelnden Winkelregelkreis mit dem Regelverstärker über einen weiteren Regelkreis mit dem Programmwerk verknüpft ist, nach Patent 22 47 651, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Lage der Erstarrungsfront überwachende optoelektronische oder mechanooptische Einrichtung (21) mit dem Programmwerk (11) verbunden ist
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
8340 | Patent of addition ceased/non-payment of fee of main patent |