DE2446293A1

DE2446293A1 - Kristallziehvorrichtung

Info

Publication number: DE2446293A1
Application number: DE19742446293
Authority: DE
Inventors: Donald Thomas James Hurle; Gordon Charles Joyce
Original assignee: National Research Development Corp UK; National Research Development Corp of India
Current assignee: BTG International Ltd
Priority date: 1974-04-03
Filing date: 1974-09-27
Publication date: 1975-10-16
Also published as: DE2446293C2; JPS5848517B2; JPS50131683A; US4258003A

Description

Patentanwalt©
Dlp!.-!n r. R R :·: :~ τ Ζ sen. 2446

Dr.-ir..% R. E3 C 2 γ 2 jr.
M.Qnohen22, Steinedorfetr. 1

293-23.24OP 27«

National Research Development Corporation^ LONDON₁₁ Großbrit,

Kristallzxehvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Kristallziehvorrichtung zum Ziehen von Kristallen aus einer Schmelze, wobei die Messung des Kristallgewichts zum Regeln des Kristallquerschnitts verwendet wird.

Ein Verfahren zum Kristallziehen, das als Tiegelziehverfahren oder "Czochralski"-Verfahren bekannt ist, besteht aus dem Ziehen eines Einkristalls eines Stoffes bzw. Materials aus einer Schmelze dieses Materials. Die Schmelze wird durch Beheizung des Materials in einem Schmelztiegel mit Hochfrequenz- oder ohmscher Energie sus einer den Schmelztiegel umgebenden Heizspule vorgenommen; ein an einem senkrechten Ziehstab befestigter Impfling oder Impfkristall oder Keim wird in die Schmelze eingetaucht und anschließend langsam hochgezogen und gedreht. Eine richtige Temperaturverteilung in"der Schmelze

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und eine geeignete Zieh- und Drehgeschwindigkeit vorausgesetzt, kann ein Einkristall aus der Schmelze gezogen werden,, Durch Veränderung der Temperatur der Schmelzes der Zieh- und Drehgeschwindigkeit läßt sich der Kristallquerschnitt ändern.

Es ist anzustreben, daß sich die Kristallform genau steuern läßt» Häufig muß ein gezogener Kristall in Längsrichtung einen gleichförmigen Querschnitt haben, da sich dadurch ein maximales Kristallvolumen für ein anschließendes Zerschneiden ergibt, um Halbleiterschaltungen herzustellen. Es ist verhältnismäßig einfach, gleichförmige Zieh- und Drehgeschwindigkeiten des Ziehstabs in geeigneter Weise zu erzeugen,, dagegen ist es viel schwieriger, jederzeit während des Kristallziehens die richtige Temperatur einzustellen. Gründe dafür sind LeistungsSchwankungen in der Hochfrequenzspule _s die Oberflächenbewegung der Schmelze, wenn der Kristall wächst und die Empfindlichkeit des gezogenen Kristalls auf sehr geringe Temperatüränderungen«

In einer bereits enwickelten Vorrichtung wird der Ziehstab an einem Lastfühler aufgehängt, der das wachsende Kristallgewicht mißt» Da die Gewichtszunahme des Kristalls bei gleichförmigem Kristallquerschnitt linear ist, kann das Ausgangssignal des Lastfühlers mit einer linear ansteigenden Bezugsspannung verglichen und eine Abweichung dazu verwendet werden, ein Korrektursignal im die Stromversorgung für die Schmelze einzuspeisen. Eine andere Möglichkeit besteht

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darin, die zeltliche Ableitung des Lastfühler-Ausgangssignals, die bei gleichförmigem Kristallquerschnitt konstant ist, mit einer fest eingestellten Bezugsspannung zu vergleichen und die Differenz zum Steuern der Heizer-Stromversorgung zu verwenden. Während des Wachstumsbeginns aus dem Einkristall wird die Bezugsspannung allmählich auf ihren End- v:evt eingestellt, der dem gewünschten Kristallgewicht entspricht.

Diese bereits entwickelten Vorrichtungen ergeben zufriedenstellend gezogene Kristalle aus Stoffen bzw. Materialien, die im festen Zustand dichter als im flüssigen Zustand sind. Kristallziehversuche jedoch für Materialien, die"ihre Festkörper nicht vollständig benetzen und/oder im geschmolzenen Zustand dichter sind (wie bei IV- und III-V-Halbleitern), sind durch Instabilitäten in Rege Hereisen, die das Kristallziehen regeln, gestört.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu vermeiden..

Diese Aufgabe wird für eine Kristallziehvorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls aus einer elektrisch beheizten Schmelze mit einem Regelkreis, der das durch einen Lastfühler gemessene Gewicht eines gezogenen Kristalls mit einem Sollwert vergleicht und ein . Stellsignal, zum Regeln der dem Heizer zugeführten'Energie erzeugt, erfindungsgemäß gelöst durch ein Korrekturglied, das ein Signal aus dem Regelkreis entnimmt, verarbeitet und in den .Regelkreis ein Signal einspeist, das aus einem Signal zum Kompensieren eines am Aus-■

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gang des Lastfühlers erzeugten Ausdruck -Aa besteht, mit."' =_>Konstante, a = Differentialquotient der Radiusän..eru.-.

^es Das Korrelcturglied kann vorteilhaft eine Rückkopplungsschaltung sein, bei der ein Signal entnommen, ein- oder zweimal differenziert und in den Regelkreis rückgekoppelt wird, um am Lastfühlerausgang erzeugte Ausdrücke - Aa oder ( m a -Aa) zu kompensieren, pi "} = Konstante '

Das Ausgangssignal des Lastfühlers kann entweder mit einer konstanten Bezugsspannung oder mit einer allmählich ansteigenden Bezugsspannung verglichen werden.

Wenn das Ausgangssignal des Lastfühlers differenziert wird, ftödiert die Rückkopplungsschaltung zum Ausgangssignal eines Differentiators ein Signal der Form - ca oder ba - ca, mit: b = konstant und c = konstant.

Wenn das·Ausgangssignal des Lastfühlers mit einer allmählich ansteigenden Bezugsspannung verglichen wird, addiert die RUckkopplungsschaltung zum Ausgangssignal des Lastfühlers ein Signal - ca oder ba '- ca..

Der Regelkreis kann in einer vorteilhaften Weiterbildung ein Phasenvoreilglied zum Kompensieren.der thermischen Verzögerungen im Heizer und in der Schmelze enthalten, ferner eine simulierte thermische Verzögerung.

Ferner kann der Regelkreis eine Schaltungsanordnung enthalten, die Änderungen des Kristallquerschnitts mit

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BAD ORIGfNAL

der Heizenergie kompensiert.

In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das Korrekturglied andererseits eine Parallelschaltung sein, in der das aitnommene Signal ein- oder zweimal differenziert und zum Regelkreis addiert wird, um entweder den Ausdruck - /La oder (^a- A^a) am Ausgang des Lastfühlers zu kompensieren. Eine derartige Parallelschaltung· erzeugt Differentialquotienten höherer Ordnung von'a, doch sind diese Differentialquotienten für manche- Kristallziehvorrichtungen unwichtig.

Die' Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:'

Pig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Kristallziehvorrichtungj

Fig. 2 Signale für Verläufe des Kristallgewichts; . Pig. J ein anderes erfindungsgemäßes Ausführungs beispie 1;

Fig. 4 eine Abänderung der Vorrichtung nach Fig. ]5; Fig. 5, ein. Ausführungsbeispiel eines in der Vorrichtung nach Fig. 4 verwendeten Differenziergliedes.

Die beim Kristallziehen auf einen Lastfühler ausgeübten Kräfte sind das konstante Gewicht des Ziehstabs, das Eigengewicht des (Festkörper-)Kristalls und von der" Oberflächenspannung der Schmelze und der Kuppe des gezogenen Kristalls herrührende Anteile. Das Eigengewicht des Kristalls steigt im Idealfall linear mit der Zeit, das heißt wenn der effektive Radius r konstant

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bleibt. Wenn sich jedoch der effektive Radius r um eine Größe a ändert, ist das durch den Last-'fühler gemessene Gewicht mit einem Fehler behaftet.

Es läßt sich zeigen,daß das vom Lastfühler gemessene Fehlergewi-cht oder der Gewichtsfehler £w bei einer Änderung a des Radius r gegeben ist durch

adt + 77 a -AA

= Γ adt + 77

mit: ß = konstant, η = konstant, /L = ' konstant, wobei: angenommen ist, daß zur Zeit t = 0 gilt: ' a = a = 0.

Das Fehlergewicht ^: nach einer gegebenen Zeit t ist proportional zum aufsummierten Radiusfehler plus einem Proportionalanteil zum Istfehler und einem Anteil proportional zu seiner zeitlichen Ableitung. Diese beiden letzten Ausdrücke ·η a -/La sind bislang beim Kristallziehen vernachlässigt worden. Für Materialien, die im flüssigen Zustand dichter sind als im festen Zustand und/oder keine vollständige Gesamtbenetzung der Feste-Körperschmelze haben, d. h.

Xj

kann der Anteil -/La nicht vernachlässigt werden, da er eine Instabilität in die selbsttätig geregelte Anordnung einbringt.

Es läßt sich zeigen, daß gilt: A= φ. sin e° ₊-§_₍₍,_L-p_s); ^. Z

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mit: ν = Kristall-Ziehgeschwindigkeit, A, B und C = positive Konstanten für ein gegebenes

Material und einen gegebenen Kristallradius, θ? = Hinkel der^Cuppe zum Kristall am Berührungspunkt mit dem Kristall,
P_T= Dichte des flüssigen Materials, und

P = Dichte des festen Materials.

Das durch den Lastfühler gemessene Gewicht w besteht gedanklich aus zwei Komponenten, nämlich dem Gewicht w, das dem Wachstum bei konstantem Radius (r) entspricht, und aus dem Gewicht ύ W, das einem Fehler (falls vorhanden) im Kristallradius entspricht.

Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild einer automatischen Kristallziehvorrichtung. Ein zu ziehendes Material 1 in einem Schmelztiegel 2 ist von einer Hochfrequenzoder Heizspule 3 umgeben. Ein zu ziehender Kristall 4 ist am unteren Ende eines vertikalen Zlehstabes 5 befestigt, der von einem Lastfühler 6 getragen ist. Der Ziehstab 5 wird durch einen Elektromotor 7 gedreht und ist mit Hilfe eines weiteren Elektromotors 8 durch ein (nicht gezeigtes) Getriebe, z. B. ein Spindel- und Schraubengetriebe in axialer Richtung beweglich. Ein elektrisches Ausgangssignal des Lastfühlers, β läuft durch einen Differentiator 9 und zwei Schalter 10 und 11 in einen Vergleicher 12, wo es mit einer festen Bezugsspannung IJ verglichen wird. Das Ausgangssignal des Vergleichers 12 gelangt über ein Phasenvoreil-glied 14 in ein Leistungssteuerglied I5 zum Steuern der Ausgangsleistung- bzw. Energie eines Hochfrequenzheizers 16, der die Heizspule J mit Energie versorgt. Der Lastfühler 6, der Differentiator 9, der Vergleicher -12,

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das Phasenvoreilglied 14 und das Leistungssteuerglied 15 bilden einen Teil des Regelkreises.

Das Phasenvoreilglied 14 kann in üblicher Weise aus einer oder mehreren Phasenvorei!schaltungen aufgebaut sein, z. B. aus einem ersten Widerstand parallel zu einem Kondensator und einem zweiten Widerstand' gefolgt von" einem Operationsverstärker parallel zu einem dritten"Widerstand.

Das Ausgangssignal des Phasenvoreilgliedes 14 kann auch über einen Schalter 17 an eine Rückkopplungsschaltung angeschlossen sein, die enthält eine Serienschaltung aus einem simulierten thermischen Verzögerungsglied 18, einem Heizerleistungs-Radius-Simulator 19 und aus einem Differenzierglied 20, das an einen Eingang eines Addierers 21 angeschlossen ist. Der andere Eingang des Addierers 21 ist an den Schalter 10 und der Ausgang des Addierers 21 an den Schalter 11· angeschlossen.

Wie bereits gesagt, bewirkt ein Fehler im Durchmesser des gezogenen Kristalls ein Fehlersignal £~W. Allgemein gilt, daß das Ausgangssignal W des Lastfühlers in Gedanken besteht aus q W + w, wobei w das Gewicht eines Kristalls mit gleichförmigem Querschnitt ist.

Wenn sich die Schalter 10, 11, I7 in der in Fig. 1 gezeigten Lage befinden, das heißt bei nicht angeschlossenem Rückkopplungskreis, wird der Kristall 4 langsam aus der Schmelze gezogen. Das Ausgangssignal W des Lastfühlers β wird im Differentiator 9 zu W

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differenziert und im Vergleicher 12 mit der festen Be ζ ugs spannung IJ> verglichen. Ein beliebiges Ausgangssignal aus dem Vergleicher 12 stellt einen Fehler beim Kristallziehen dar und wird über das Phasenvoreilglied 14 in das Leistungssteuerglied 15 eingespeist, um die Stromversorgung 16 des Heizers j5 abzuändern. Das Phasenvoreilglied 14 verändert das Stellsignal, um thermische Verzögerungen im Heizer 3 und in der Schmelze 1 zu kompensieren. Wenn der gezogene Kristall eine Festkörperdichte hat, die größer ist als die Flüssigkeitsdichte, und wenn der Kristall durch den Festkörper vollständig benetzt wird, ist diese Art von Regelung des Kristallwachstums ausreichend.

Für ein Material jedoch, dessen Flüssigkeitsdichte größer ist als seine Festkörperdichte und/oder wenn die Schmelze den Festkörper nicht vollständig benetzt, bewirkt der Anteil Aa im Ausgangssignal des Lastfühlers (das heißt Aa¹ aus dem Differentiator 9) eine Instabilität.

Die Wirkung dieser Instabilität ist aus den in Fig. 2 dargestellten Signalen ersichtlich. Wenn der Radius eines gezogenen Kristalls durch ein zunehmendes r vom konstanten Radius abweicht, ändert sich der Radiusfehler a nach Fig. 2 (i). Es kann gezeigt werden, daß sich die zeitliche Ableitung von a, nämlich a,gemäß Fig. 2 (ii) ändert, während sich die zweite Ableitung "a gemäß Fig. 2 (iii) ändert; das Fehlersignal σ W verläuft nach Fig. 2 (iv) für genügend schnelle Änderungen von a. Das Fehlersignal ο W während einer Änderung des Kristall-

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ίο -

radius hat einen Anfangswert, der umgekehrt ist zu jenem, der benötigt wird, um ein richtiges Stell-.signal für das Leistungssteuerglied I5 zu erzeugen.

Der Grund für die Form der o. W-Kurve ergibt sich aus der Betrachtung der Schnittstelle 22 zwischen dem Pestkörper 4 und der Flüssigkeit 1 im Schmelztiegel 2. Es sei angenommen, daß sich die dem Heizer 5 zugeführte Leistung plötzlich verringert. Dies bewirkt eine verringerte Temperatur im Schmelztiegel 2 und die Schnittstelle 22 -zwischen dem kälteren Kristall 4 und der heißeren Schmelze 1 sinkt, das heißt es wird eine höhere Ziehgeschwindigkeit erzeugt. Durch Verfestigung eines Teiles der Flüssigkeitskuppe 23 des Kristalls wird ein bestimmtes Volumen der Schmelze durch ein ungefähr gleichgroßes Volumen des Festkörpers ersetzt,der weniger dicht ist. Die Änderung in der Gewichtszunahme, die durch den Lastfühler aufgezeichnet wird, ist deshalb kleiner als zuvor, das heißt OW ist negativ. Nachdem sich schließlich ein neuer und größerer Radius eingestellt hat, kehrt die Kuppe ungefähr auf ihre ursprüngliche Lage zurück und 0 W wird wegen der größeren Fläche der Kristallschnittstelle positiv. Ein zusätzlicher Effekt wird durch Oberflächenspannung erzeugt. Wenn die Höhe der Kuppe abnimmt und sich der Kristall auf seinen neuen, größeren Radius auswächst, wird die Oberflächenspannungskraft, die in der Umgebung des Kristalls an der Grenze Kristall-Schmelze wirkt, weiter aus der Vertikalrichtung verschoben (das heißt Q? wächst). Infolgedessen verringert sich die vertikale Komponente der vom Lastfühler aufgenommenen Spannung, was anfänglich ebenfalls eine negative Komponente zu 6W beiträgt. Wenn sich der neue Radius eingestellt hat und der Kristall erneut zylinderförmig wächst, kehrt Θ? auf seinen ursprünglichen Wert zurück,

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Zur Vermeidung dieser Instabilitätsprobleme muß der Ausdruck Ai, im Signal des Lastfühlers und in manchen Fällen auch der Ausdruck ^ ^a kompensiert werden.

Dies wird durch Einstellen der Schalter 10, 11 und 17 nach Fig. 1 derart erreicht, daß das Ausgangssignal des Differentiators 9 über den Addierer in den Vergleicher 12 und das Ausgangssignal des Phasenvoreilgliedes 14 auch in das simulierte thermische Verzögerungsglied 18 eingespeist wird, was durch Strichlinie angezeigt ist. Das Kristallziehen verläuft dann folgendermaßen: Das Ausgangssignal W des Lastfühlers 6 besteht gedanklich aus dem Fehlergewicht c W und dem Gewicht w, und ein Signal Y, das in das Leistungssteuerglied eingespeist werden muß, ist proportional zum Radiusfehler a. Das Ausgangssignal W des Differentiators 9, das heißt £> W + w enthält die Anteile i^a -A_a, so daß das Signal des Differenziergliedes 20 die Form ba - ca haben muß, wobei b und c geeignete Konstanten sind. Diese Ausdrücke werden durch Einspeisen des Ausgangssignals des Phasenvoreilgliedes Ik über das simulierte Verzögerungsglied 18 in das Differenzierglied 20 erzeugt, wo das Signal einmal differenziert wird, um ba zu ergeben, und ein zweites MaI₅ um ca zu erzeugen. Somit kombiniert der Addierer W (das "^ a -AM. enthält) und ba. - ca und erzeugt ein Ausgangssignal für den Vergleicher, das frei ist von den Ausdrücken a - a,das-heißt das gewünschte konstante differenzierte Kristallgewichts — und das Fehlergewichtssignal. Das Ausgangsignal des~Vergleichers ist das gewünschte Signal, das dem Radiusfehler entspricht und wird zum Einstellen der richtigen Leistung im Heizer 3 verwendet. Die Konstanten b und c werden empirisch ermittelt oder berechnet derart eingestellt, daß

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sie gleich 'O und .L sind. Sie sind Funktionen der Ziehgeschwindigkeit und in geringerem Maße des geforderten Radius» Falls eine Kompensation bezüglich ^a nicht gefordert wird, ist die Konstante b = Null und das Ausgangssignal des Differenziergliedes 20 ist -ca.

Wie bereits gesagt, kompensiert das Phasenvoreilglied thermische Verzögerungen, das heißt die Zeit zwischen einer Änderung der Leistung des Heizers 3 und der Zeit, bei der die Schmelze an der Schnittstelle 22 zwischen Kristall und Schmelze ihre Temperatur ändert.

Es hat sich gezeigt, daß die thermischen Verzögerungszeiten dargestellt werden können durch die Gleichung

1 + ST. 1 + sTp 1 + ST

mit: T₁, Tp, T = Konstanten, die aus einer zuvor durchgeführten Eichung der Vorrichtung bestimmt sind, und s = Laplace-Operator.

Die Ausdrücke auf der rechten Seite dieser Gleichung können voneinander getrennt kompensiert werden durch separate, übliche Phasenvoreilglieder, die in Reihe geschaltet sind.

Bei einer großen Kristallziehvorrichtung sind die thermischen Verzögerungen wichtig und müssen zugelassen werden, ausgenommen der Fa11,daß nur sehr geringe Ziehgeschwindigkeiten eingestellt sind.

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Um ein'richtiges Signal in das Differenzierglied 20 einzuspeisen, muß das Ausgangssignal des Phasenvoreilgliedes 14 um eine Größe phasenverzögert werden, die den thermischen Verzögerungen im Leistungssteuerglied 15, in der Hochfrequenz-Heizerstromversorgung 16, im Heizer 3 und im Schmelztiegel 2 entspricht; dies erfolgt im simulierten.thermischen Verzögerungsglied 18. Derartige Verzögerungen können leicht durch übliche Phasenlauf zeitglieder simuliert werden. Zum Beispiel kann eine Phasenverzögerung erzielt werden, indem ein Signal über einen Widerstand und einen in Reihe geschalteten Gleichstromverstärker übertragen wird, wobei der Gleichstromverstärker zwischen Ein- und Ausgang die Parallelschaltung aus einem Widerstand und einem Kondensator aufweist.

Bei einer kleineren Kristallziehvorrichtung mit entsprechend kleineren thermischen Verzögerungen können das Phasenvoreilglied und das simulierte thermische Verzögerungsglied weggelassen werden.

Mit etwas Aufwand · kann das Phasenvoreilglied 14 sehr genau die Ist-Phasenverzögerung im Schmelztiegel 2 usw. kompensieren. In diesem Fall kann der Schalter 17 an den Eingang des Sinmlators 19 angeschlossen und das simulierte thermische Verzögerungsglied 18 weggelassen werden.

Wenn aus der Heizerstromversorgung 16 Energie in die Heizspule 3 eingespeist wird, wird diese Energie in der Schmelze 1 und im Schmelztiegel 2 verbraucht. Aus diesem Grunde ist es wünschenswert, die Beziehung zwischen einer inkrementeilen Energiezufuhr <i P_g zum Heizer und der effektiven Energieänderung ο P in der Schmelze an der Schnittstelle 22 zu bestimmen, ferner die Beziehung

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ί:

d;
wegen der thermischen Verzögerungen zeitverzögert.

zwischen bP und Änderungen im Kristallradius a. ο P ist direkt proportional zu ο P_, allerdings

6 5

Bisher wurde angenommen, daß ο P₀ proportional zu a ist (der Änderung des Kristallradius). Für bestimmte Ziehbedingungen ist diese Beschreibung jedoch unzureichend und eine allgemeinere Beziehung lautet:

mit: Ic, 1, m = konstant.

Für diese Kompensation kann die Rückkopplungsschaltung den Heizerleistungs-Radius-Simulator 19 enthalten, der den Wert a simuliert,der zu einer gegebenen zeitlichen Änderung von 6 P gehört. Das Eingangssignal des Simulators I9 ist proportional zu ö P_, sein Ausgangssignal ist proportional zu a.

In der obigen, auf Fig.l bezogenen Beschreibung wjrd die zeitliche Ableitung W des A us gangs Signa Is des LaStfühlers 6 mit einer festen Bezugs spannung 1J> verglichen, um ein Signal für das Leistungssteuerglied zu erhalten.

In einer (nicht gezeigten) Abänderung wird das Ausgangssignal W des Lastfühlers 6 mit dem Ausgangssignal eines linearen Potentiometers verglichen, dessen Abgriff sich vertikal mit dem Ziehstab bewegt. Somit ist für einen gleichförmigen Kristallquerschnitt das

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allmählich ansteigende Gewicht des Kristalls exakt an das allmählich ansteigende Ausgangssignal des linearen Potentiometers angepaßt. Der Differentiator am lastfühler 6 nach Fig. 1 wird nicht benötigt, . und der Lastfühler ist über die Schalter 10 und 11 mit einer Seite des Vergleichers 12 verbunden. Die Kons tantspannungsque He 13 ist durch das lineare Potentiometer ersetzt. Das Ausgangssignal des Lastfühlers 6 ist W (es enthält die Ausdrücke T?a -/ta) und muß kompensiert werden. Das Differenzierglied wird zu diesem Zweck derart angeordnet, daß es ein ' Ausgangssignal ba - ca für den Addierer 21 erzeugt. Jeder Fehler beim Kristallziehen, das heißt das Ausgangssignal des Vergleichers 12 (das proportional ist zu J adt), wird in das Leistungssteuerglied eingespeist. Da dieses Fehlersignal ein Integral ist, enthält es die Vergangenheit über das Kristallwachstum. Somit wird ein zunehmender Kristalldurchmesser durch einen nachfolgenden, kurzen Kristallteil von verringertem Durchmesser kompensiert. Bei sehr langsamen Ziehgeschwindigkeiten jedoch, bei denen der Differentiator 9 ^a^s Fig. 1 unzureichend arbeitet (schlechter Signal-Geräusch-Abstand), ist die Verwendung eines linearen Potentiometers nützlich. Wie bereits gesagt, muß der Ausdruck 'TTa nicht kompensiert werden, so daß in diesem Fall die Konstante b Null ist, das heißt das Ausgangssignal des Differenziergliedes ist - ca.

Fig. 3 zeigt das Blockschaltbild eines weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels mit identischen Blöcken wie in Fig. 1, die deshalb mit denselben Be-

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zugszeichen versehen sind. Ein Kristall 4 ist an einem Ziehstab 5 befestigt und wird aus einer Schmelze 1 in einem durch einen Heizer 3 beheizten Schmelztiegel 2 gezogen. Ein Motor 7 und ein Motor 8 bewegen den Stab 5 axial und in Drehrichtung. Das Gewicht des Kristalls 4 wird durch einen Lastfühler 6 gemessen, dessen Ausgangssignal über einen Differentiator 9 ^an einen Eingang eines Vergleichers 12 übertragen wird. Ein zweites Eingangssignal des Vergleichers 12 ist eine Spannung V. Das Ausgangssignal des Vergleichers 12 wird über ein Phasenvoreilglied 14 und anschließend sowohl direkt in einen Eingang eines Addierers 26 als auch über einen weiteren Differentiator 25 in einen weiteren Eingang des Addierers 26 eingespeist. Das Ausgangs signal des Addierers 26 wird in ein Heizerleistungs-Steuerglied 15 eingepeist, das eine Heizer-Stromversorgung 16 steuert.

Wie bereits gesagt, besteht das Ausgangsigna.l W des Lastfühlers 6 aus 0 W + w und der Ausdruck ο W ist proportional zu J adt + (^a -/La). Die genannten Instabilitäten werden durch Addieren eines Ausdrucks, der gleich und entgegengesetzt zu -/lä ist, zum Regelkreis (das heißt zur Schaltung zwischen dem Lastfühler 6 und der Heizer-Stromversorgung 16) in folgender Weise verhindert^

Das Ausgangssignal W des Lastfühlers 6 wird im Differentiator 9 differenziert, um W zu ergeben, und im Vergleicher 12 mit V verglichen;, bei konstantem Kristalldurchmesser ist V = w und das Ausgangssignal des

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Vergleichers 12 ist b w. Dieses Signal οw wird im Differentiator 25 zu einem Ausdruck differenziert, der proportional ist zu S w und im Addierer 2β zu öw addiert. Der Addierer 26 addiert dann a +T^a -/ta zu Aa + )iAa" -.'LAa', wobei A eine Konstante ist. Durch geeignete Einstellungen kann -/la gleich rj_Aa gemacht werden. Das A us gangs signal des Addierers 26 ist damit proportional zu a + (A +'^ä was vom Heizersteuerglied 15 zum Einstellen des Heizers 3 verwendet wird. Für manche Kristallziehvorrichtungen kann der Ausdruck (A +rQ a -/1,Aa" vernachlässigt werden* da er keine Instabilität bewirken kann.

Fig. 4 ist eine Abänderung von Fig. 3, wobei identischen Blöcken gleiche Bezugszeichen gegeben sind. Das Ausgangssignal des Lastfühlers 6 wird mit einer Rampenspannung Vr aus dem Abgriff eines linearen Potentiometers 27 anstatt mit einer konstanten Spannung V verglichen; der Abgriff ist am Ziehstab 5 angebracht und mit diesem beweglich. Das Ausgangssignal des Ver- · gleichers 12 kann im Differentiator 25 entweder einmal oder zweimal differenziert werden.

Im Betrieb wird das Ausgangssignal W des Lastfühlers 6 im Vergleicher 12 mit Vr verglichen. Bei konstantem Kristalldurchmesser wird Vr = w. Das Ausgangssignal des Vergleichers ist ο w, das proportional ist zu /adt +7{_a -J^.. Das Signal £w wird differenziert und ergibt am Differentiator 25 einen zu ο w proportionalen Ausdruck, der im Addierer 26 zuow addiert wird, so daß für sein A us gangs signal gilt: ö w + Bö w,

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das heißt fadt + ^a -/ta wird zu Ba + fjJBa. -/£Ba addiert, wobei B eine Konstante ist.

Zur Kompensation von Instabilitäten wird gewählt: -57B a = -/{ a, das heißt das A us gangs signal des Addierers 26 ist proportional zuj'adt + (B +^)a dieser Ausdruck enthält das geforderte Signal J"adt zum Steuern der Heizerleistung. Andernfalls wird das Ausgangssignal 0w des Vergleichers 12 zweimal differenziert, um Ausdrücke proportional zuow und zu ο w zu bilden, und zui w, das heißt zu fadt + ?|a -/ta addiert; es ergeben sich also folgende Ausdrücke: Ca + C-T^a - C/ta plus DCa +r^DCa - A-DCa*. Zum Vermeiden von Instabilitäten" wird gewählt: - A,a = (Cn + DC) a, und für manche Kristallziehvorrichtungen ist die Beziehung ^a = - Ca anzustreben.

Das Ausgangssignal des Addierers 26 ist somit J adt + Ea + Ga + Ha'mit: C, D, G und. H = konstant, wobei E gleich Null sein kann. Es ist ersichtlich,d^aß das Ausgangssignal des Addierers 26 Ausdrücke für a und ä" enthält, doch bewirken diese höheren Ableitungen bei manchen Kristallziehvorrichtungen keine Instabilität.

Für einige Kristallziehvorrichtungen wurde jedoch gefunden, daß die höheren Ableitungen der größe a die Stabilität beeinflussen, so daß die in Fig. 1 gezeigte Anordnung derart verwendet werden muß,daß das Eingangssignal für das HeizIeistungs-Steuerglied I5 den Ausdruck a oder Γadt enthält.

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Die Kompensation- der thermischen Verzögerungen im Heizer 3 und in der Schmelze 1 können durch ein Phasenvoreilglied 14 kompensiert werden, das im Regelkreis zwischen dem Addierer 26 und dem Heizer-Ieistungs-Steuerglied 15 aus den Fig. J und 4 angeordnet ist.

Eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen von Ausdrücken proportional zuiw und ο w im Regelkreis 25₃ das heißt eine Ausführungsform des Differentiators 25* ist in Fig. 5 dargestellt. Das Fehlersignal Sw aus dem Vergleicher 12 wird zuerst in einen Widerstand Rl in Reihe mit einem Operationsverstärker 01 eingespeist, der zwischen Ein- und Ausgang einen Widerstand R2 hat, sowie in die-Reihenschaltung aus einem. Kondensator Cl mit einem Widerstand R3 und in einen Operationsverstärker 02 mit einem Widerstand R4 zwischen seinem Ein- und Ausgang. Die AusgangsSignaIe der Operationsverstärker 01 bzw. 02 werden über Widerstände R5 bzw. r6 in einen gemeinsamen Punkt S eingespeist. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers wird ferner in die Reihenschaltung eines Kondensators C2 mit einem Widerstand R7 und in einen Operationsverstärker 03 eingespeist, der einen Widerstand R8 zwischen Ein- und Ausgang besitzt. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 03 wird über einen Widerstand R9 in den gemeinsamen Punkt S eingespeist. Schließlich speist das Signal am gemeinsamen Punkt S, das aus drei Beiträgen von den Operationsverstärkern 01, 02 und 03 besteht, einen Operationsverstärker 04 mit einem Widerstand RIO zwischen Ein- und Ausgang.

Die Operationsverstärker 01, 02, 03 und 04 haben jeweils negative Verstärkung und polen deshalb die in sie eingespeisen Signale um. Die Kombination des Kon-

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densators Cl mit dem Widerstand r4 und die Kombination des Kondensators 02 mit dem Widerstand RS ergeben jeweils einen Differentiator zum Differenzieren der in sie eingespeisten Signale; die letztere Kombination arbeitet außerdem als Differentiator zweiter Ordnung für das Eingangssignal des Operationsverstärkers OJ. Die Widerstände RJ und R7 dienen zum Begrenzen der Hochfrequenzverstärkung der Schaltungsanordnung, sie müssen jedoch klein gewählt sein (nicht größer als der 0,1-fache Wert von R4 bzw. R8), so daß das Ausgangssignal der Schaltungsanordnung in der gewünschten Form entsteht. Die Widerstandswerte der Widerstände Rl und R2 sind derart gewählt, daß das Ausgangssignal des Operationsverstärkers Ol - ο w ist. Die Werte des Kondensators Cl und der Widerstände RJ und r4 sind derart gewählt, daß das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 02 näherungsweise gleich - Cow ist, wobei C die oben definierte Konstante ist.

Die Werte des Kondensators C2 und der Widerstände R7 und r8 sind derart gewählt, daß das Ausgangssignal des Operationsverstärkers OJ ungefähr den Wert + CD' b w hat, wobei - D' ebensogroß ist wie + D, die oben definierte Konstante. Die Widerstandswerte der Widerstände R5, Ro, RO/ und Rio sind derart gewählt, daß das Eingangssignal des Operationsverstärkers 04, das aus den Beiträgen - ύ w, - c 6~w und + CD' ^w besteht, durch den Operationsverstärker 04 lediglich umgepolt wird, um ein endgültiges Ausgangssignal zu erhalten, das für kleine Werte von RJ und R7 die Punktion iw + Cü w + Cd£w erfüllt. Die Widerstände R5, R6 und R9 sind vorzugsweise einstellbar.

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In der Schaltungsanordnung von Fig. 5 bilden der Punkt S und der Operationsverstärker 04 den Addierer und die anderen Teile der Schaltungsanordnung, mit Ausnahme des Operationsverstärkers 01 und der Widerstände Rl und R2 (die nur zum Einspeisen von ο w in den Punkt S mit umgekehrtem Vorzeichen dienen), bilden den Differentiator 25 nach Fig. 4.

Der Lastfühler aus den Fig. 1, 3 und 4 kann durch einen Lastfühler ersetzt werden, der den Schmelztiegel und dessen Inhalt wiegt, so daß das Kristallgewicht durch Subtraktion von einem Anfangswert bestimmbar ist. In diesem Fall kann eine Schwebekompensation des SchmelztiegeIs wegen der Hochfrequenz-Beheizung notwendig sein und in üblicher Weise durchgeführt werden.

Alle Operationen können mit Hilfe von analogen Ein richtungen wie in Fig.4 durchgeführt werden,aber auch durch digitale Einrichtungen.

Mit Hilfe der Vorrichtung von Fig. 1 wurde ein Germaniumkristall gezogen,, wobei ein Rückkopplungssignal nur zur Kompensation des Ausdrucks 'la eingespeist wurde. Der Kristall wurde mit j5 Zoll/Std gezogen und hatte einen Radius von 1 cm. Unter dieser Bedingung waren die Konstante \? 6,1 χ 10 sec

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und die Konstante Λ-- 3,6 χ 10 sec ,

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Claims

- 22 Patentansprüche

1. Eristallziehvorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls aus einer elektrisch beheizten Schmelze mit einem Regelkreis, der ein durch einen Lastfühler gemessenes Gewicht des gezogenen Kristalls mit einer Führungsgröße vergleicht und ein Stellsignal zum Steuern der einem Heizer zugeführten Leistung erzeugt,

gekennzeichnet durch

ein Korrekturglied (20, 21 oder 25, 26) zum Addieren eines Signals zum Kompensieren einer am Ausgang des Lastfühlers (6) erzeugten Größe - /ta in den Regelkreis (6, 9, 12, 15 oder 6, 12, 15), mit

/L= Konstante und a = Differentialquotient der Radiusänderung (a) des Kristalls (FIg. 1 oder Fig.^).

2. Kristallziehvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrekturglied eine Rückkopp lungs se haltung (20, 21) ist (FIg. 1).

^. Eristallziehvorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein Phasenvorei!glied (14) im Regelkreis und durch ein simuliertes thermisches Verzögerungsglied (18) In der Rückkopplungsschaltung (Fig.l)

4. Kristallziehvorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Simulator (19) In der Rückkopplungsschaltung zur Simulation des Zusammenhangs zwischen einer Änderung In der dem Heizer (3) zugeführten Leistung und einer Radiusänderung des Kristalls (Fig. 1).

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5. Kristallziehvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsschaltung zum Regelkreis auch ein Signal zum Kompensieren einer am Ausgang des Lastfühlers (6) erzeugten Größe -"] a hinzu addiert, mit -?7 = Konstante.

6. Kristallziehvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrekturglied eine Parallelschaltung (25, 26) ist (Fig. 3).

7. Kristallziehvorriehtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein Phasenvoreilglied (14) im Regelkreis.

8. Kristallziehvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Parallelschaltung zum Regelkreis auch ein Signal zum Kompensieren einer am Ausgang des Lastfühlers (6) erzeugten Größe-na hinzu addiert.

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