DE2529329B2

DE2529329B2 - Verfahren zum tiegellosen Zonenschmelzen

Info

Publication number: DE2529329B2
Application number: DE19752529329
Authority: DE
Inventors: Hans-Adolf Gerber; Heinz Dipl.-Chem. Dr. Herzer; Anton 8059 Niederwoerth Huber; Volker 8263 Burghausen Ofenmacher
Original assignee: Wacker Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 1975-07-01
Filing date: 1975-07-01
Publication date: 1978-03-02
Also published as: JPS526309A; JPS5617313B2; DK147438B; GB1561112A; BE843542A; NL7606167A; IT1066271B; FR2315993B1; DK294076A; DE2529329C3; FR2315993A1; DK147438C; DE2529329A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum tiegellosen Zonenschmelzen eines vertikal orientierten Halbleiterstabes mit einer den Stab koaxial umschließenden and parallel zu seiner Achse verschiebbaren Heizvorrichtung, bei welchem der Durchmesser des aufwachsenden, einkristallinen Stabteiles durch Steuerung der Leistungszufuhr und/oder Ziehgeschwindigkeit in Abhängigkeit einer oder mehrerer, durch Erfassung der Schmelzzonenform gewonnener Regelgrößen mittels eines Regelsystems bestimmt und nachgestellt wird.

Es ist bekannt, mit Hilfe einer Fernsehkamera mit einem Vielfachphotozellensystem, auch Videkon genannt, die Schmelzzonenform beim tiegellosen Zonenschmelzen aufzunehmen. Das mit einem Elektronenstrahl zeilenweise abgetastete Abbild der Schmelzzonenform in der Fernsehkamera liefert der Helligkeit des Abbildes proportionale Impulse, denen Informationen über die die Schmelzzonenform charakterisierenden Größen entnommen werden können, mit denen sich die Abstände der die Schmelzzone begrenzenden Stabenden und die Leistungszufuhr regeln lassen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe lag darin, ein gegenüber dem Stande der Technik einfacheres und damit preiswerteres und weniger störanfälliges Verfahren zu entwickeln, welches es erlaubt, die für die Charakterisierung der Schmelzzonenform beim tiegellosen Zonenziehen notwendigen Parameter in Form von analogen oder digitalen Daten zu erfassen, die ausreichen, über ein Steuerprogramm eines Prozeßrechners ein gegebenenfalls vollautomatisches Zonenziehen zu ermöglichen.

Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren ίο der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die räumliche Ausdehnung der Schmelzzone durch die Anzahl der belichteten Photodioden einer oder mehrerer Photodiodenkamera(s) zwischen jeweils zwei gegenüberliegenden Hell-Dunkel-Übergängen der freien Schmelzoberfläche und/ oder zwei gegenüberliegenden Fest-Flüssig-Phasenübergängen zwischen den Halbleiterstababschnitten und der Schmelzzone bestimmt wird.

Die Erfindung ermöglicht es, die wesentlichen Pa-

^o rameter beim tiegellosen Zonenschmelzen von Halbleiterstäben, wie insbesondere Durchmesser und Zonenhöhe der Schmelzzone, sowie die exakte Lage der Erstarrungsiront, worunter die zuletzt gebildete, an die Schmelzzone grenzende, feste Oberfläche des einkristallin aufwachsenden Stabteiles verstanden werden soll, in Form von analogen oder digitalen elektrischen Signalen zu erhalten und sie für die Steuerung des weiteren Züchtungsprozesses direkt oder indirekt einzusetzen. Gemäß der Erfindung wird es möglich,

jo mit den erhaltenen Daten direkt oder gegebenenfalls kontinuierlich die Leistungszufuhr oder Ziehgeschwindigkeit so zu regeln, daß sowohl Abweichungen des gewünschten Stabdurchmessers als auch Änderungen der Zonenhöhe ständig ausgeglichen werden können. Beim indirekten Einsatz der erhaltenen Daten wird ein Rechner zwischengeschaltet, der die erhaltenen Daten mit den Sollwerten des eingegebenen Programms vergleicht und über ein Regelsystem gegebenenfalls den gesamten Züchtungsvorgang steuert.

Auf diese Art lassen sich nicht nur Abweichungen von einem fest vorgegebenen Durchmesser und/oder einer fest vorgegebenen Zonenhöhe korrigieren, sondern auch kontinuierliche gewünschte Zonenhöhenänderungen bzw. Durchmesseränderungen beim Aufwachsen des einkristallinen Stabteiles, wie etwa der konusförmig ausgebildete Übergang zwischen Keimkristall und Halbleiterstab, vollautomatisch steuern. Die zu erfassende Schmelzzone entsteht durch Aufschmelzen des Polystabes in der Regel mittels Hochfrequenzspulen und wird im allgemeinen durch die Oberflächenspannung des flüssigen Siliciums und durch die die Schmelzzone begrenzenden Stabteile gehalten. Während der durch Wiedererstarren aus der Schmelze gebildete einkristalline Stabteil im allge-

meinen einen scharf begrenzten Übergang zur Schmelze bildet, wird dagegen meist ein unregelmäßiges schichtenförmiges Aufschmelzen des anderen polykristallinen Stabteiles beobachtet. Während die Durchmessermessung durch die einfache Zuordnung zur Anzahl der belichteten Photodioden gegeben ist, gestaltet sich die exakte Bestimmung der Zonenhöhe ungleich schwieriger, da mehrere Fest-Flüssig-Phasenübergänge in diesem Bereich vorhanden sind. Erfindungsgemäß gelingt es nun, den ersten Fest-Flüssig-Phasenübergang des Polystabes zur Schmelze eindeutig zu bestimmen und hierdurch exakte reproduzierbare Werte für die Zonenhöhe zu erhalten. Für die eindeutige Erfassung eines Fest-FIüssig-Phasen-

Überganges ist dabei die Reduktion des Photostromes, die durch die unterschiedliche spektrale Zusammensetzung des beim Übergang vom weißrot glühenden, gerade noch festen, zum flüssigen Silicium abgestrahlten Lichtes hervorgerufen wird, maßgebend. Der Ort mit sprunghafter Änderung des Photostromes läßt sich mit Hilfe der erfindungsgemäß eingesetzten Photodiodenkameras problemlos bestimmen.

Die Erfindung ermöglicht im übrigen auch die gleichzeitige Bestimmung mehrerer Ausdehnungs- ^|0 größen der Schmelzzone mit mehreren Photodiodenkameras bevorzugt unter Verwendung halbdurchlässiger Spiegel. So erfolgt bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform die gleichzeitige Bestimmung der vertikalen und horizontalen Ausdehnung der Schmelzzone mit zwei Photodiodenkameras, die in Durchlaß- und Reflexionsrichtung eines im Winkel von 45° vor der Schmelzzone des Halbleiterstabes aufgestellten halbdurchlässigen Spiegels parallel zu der zu messenden Ausdehnungsgröße angeord- -⁷O net sind.

Die Meßgenauigkeit richtet sich nach dem gewählten Abbildungsmaßstab und der Anzahl der die Photodiodenkamera aufbauenden Photodioden. Beträgt der Abbildungsmaßstab also beispielsweise 1 : 1 und werden Photodiodenkameras verwendet, die beispielsweise auf 100 mm 512, 1024 oder 1872 Photodioden enthalten, so lassen sich die Ausdehnungsgrößen der Schmelzzone entsprechend mit ca. 0,2, 0,1 respektive 0,05 mm Genauigkeit bestimmen.

Die Meßanordnung wird bevorzugt selbstjustierend der den Stab durchwandernden Schmelzzone nachgeführt, indem ein bestimmtes Meßsignal am Phasenübergang fest-flüssig mit einem festen Sollwert verglichen und hiernach über einen Lageregelkreis die J5 Position der Meßanordnung gegenüber der Schmelzzone gesteuert wird.

Für die Durchmesserbestimmung wird üblicherweise ein Durchmesser der Schmelzzone unterhalb der Induktionsspule bis einschließlich Erstarrungsfront, vorzugsweise im Bereich von 1 bis 2 mm über der Erstarrungsfront gemessen. Die Selbstjustierung der Meßanordnung bietet die Gewähr, daß während des gesamten Zonenzuges der Durchmesser der exakt gleichen Stelle der Schmelzzone bestimmt wird. Bei der Messung der Zonenhöhe ist es dagegen mehr oder minder gleichgültig, an welcher Stelle der Schmelzzone sie bestimm i wird, wobei die einmal gewählte Stelle natürlich auf Grund der Vergleichbarkeit für den gesamten Zonenzug beibehalten werden soil.

Die über die Photodiodenkameras erhaltenen Daten über die Schmelzzonenform können als Regelgrößen auf ein Regelsystem gegeben werden, dom ein entsprechend dem jeweilig gewünschten Kristalldurchmesser programmierter Computer als Sollwertgeber beigeordnet ist.

Gegenüber den bekannten Meßverfahren, bei denen die Schmelzzone beispielsweise mit Hilfe eines Videkons erfaßt wird, bietet das Verfahren gemäß der Erfindung prinzipielle Verbesserungen, die insbesondere in der höheren Ortsauflösung, der praktisch unbegrenzten Lebensdauer der in dem Verfahren eingesetzten Photodiodenkameras, des erheblich geringeren elektronischen Schaltaufwandes, der einfachen Positionierung der gesamten Meßanordnung ohne 6ί umständliche Nachjustierung und in der einfachen Wartung bei gleichzeitig geringen Kosten liegen.

In den Fig. 1 bis 4 wird der Erfindungsgegenstand schematisch dargestellt.

Fig. 1 zeigt die im Verfahren angewandte Meßanordnung;

Fig. 2 gibt in schematischer Darstellung das Prinzip der Durchmesserbestimmung wieder;

Fig. 3 verdeutlicht das Prinzip der Zonenhöhenmessung;

Fig. 4 gibt ein Regelschema zur genauen Positionierung des Meßsystems gegenüber der Schmelzzone wieder.

Die Meßanordnung nach Fig. 1 besteht aus 2 Photodiodenkameras mit der Photodiodenkamera 1 für die Bestimmung der Zonenhöhe χ und 2 für die Bestimmung des Durchmessers y der Schmelzzone 6. Die beiden Photodiodenkameras sind auf einem in der Höhe verstellbaren Schlitten 3 so montiert, daß die Photodiodenkamera 2 horizontal und die Phofodiodenkamera 1 vertikal bezüglich der zu messenden Schmelzzone 6 angeordnet sind. Die gleichzeitige Zuordnung des über die Linse 4 einfallenden Bildes der Schmelzzone 6 zu den beiden Photodiodenkameras wird dabei durch den im Strahlengang angeordneten halbdurchlässigen Spiegel 5 gewährleistet, der in einem Winkel von 45° gegenüber dem Halbleiterstab geneigt ist.

Mit der horizontal angeordneten Photodiodenkamera 2 wird der Durchmesser y der mit einer Induktionsspule 10 im Polystab 9 aufgeschmolzenen Schmelzzone 6 in einem genau einstellbaren Abstand Ax von der Erstarrungsfront 7 des einkristallin aufwachsenden Stabteiles 8 gemessen. Die vertikal angeordnete Photodiodenkamera 1 dient erstens zur Messung des Abstandes der die Schmelzzone 6 begrenzenden Halbleiterstäbe 8 und 9, also der Zonenhöhe χ und zweitens der Positionierung des gesamten Meßsystems bezüglich der Erstarrungsfront 7 derart, daß die Lage der Erstarrungsfront 7 immer an der gleichen Stelle bezüglich der vertikal messenden Kamera 1 abgebildet wird. Um das Meßsystem demgemäß selbstjustierend der den Stab durchwandernden Schmelzzone 6 nachzuführen, wird der mit der vertikal angeordneten Photodiodenkamera 1 gemessene Wert für Δ* als Regelgröße RAx an den Sollwertregler 11 weitergegeben und dort mit dem Sollwert für Δα: verglichen. Entsprechend der Abweichung der beiden Werte wird mit dem Motor 13, gesteuert vom Geschwindigkeitsregler 12, das Meßsystem durch Nachfahren oder gegebenenfalls auch Zurückfahren gegenüber der Schmelzzone 6 auf konstantem Niveau gehalten.

Die von der Photodiodenkamera 1 durch Bestimmung der Zonenhöhe χ erhaltene Regelgröße Rx und die von der Photodiodenkamera 2 durch Bestimmung des Schmelzdürchmessers y erhaltene Regelgröße Ry lassen sich zur Regelung der Streck- und Staucheinrichtung bzw. zur Steuerung der Leistungszufuhr heranziehen, gegebenenfalls derart, daß dem Regelsystem ein entsprechend dem jeweils gewünschten Kristalldurchmesser programmierter Computer als Sollwertgeber beigeordnet ist, der es ermöglicht, den gesamten Zonenziehvorgang vom Ansetzen des Keimkristalls über den konischen Übergang zum größeren Durchmesser des aufwachsenden Stabes vollautomatisch zu steuern.

In Fig. 2 ist das Meßprinzip für die Durchmessermessung mit Hilfe der horizontal angeordneten Photodiodenkamera 2 schematisch dargestellt. Der Durchmesser y wird durch die zwischen den Hell-

Dunkel-Übergängen 14 und 15 der Schmelzzone 6 ausgebildete Strecke bestimmt und entspricht in einfacher Weise der Anzahl der belichteten Photodioden 17 der Photodiodenkamera 2. Durch eine Triggerschwelle 18 wird der Übergang von unbelichteten bzw. ' nur wenig belichteten 19 zu belichteten Photodioden 17 auf einen Photodiodenabstand genau gemessen. Die Anzahl der belichteten Photodioden 17 wird zwischen je zwei Startimpulsen 20 eines Schieberegisters gezählt, wobei das Clocksignal 21 die Zeit steuert, in der die einzelnen Photodiode, abgetastet werden. Die Anzahl der belichteten Photodioden 17, die dem Durchmesser y der Schmelzzone 6 entsprechen, kann in der jeweils gewünschten Form als Regelgröße Ry seriell, parallel oder analog als Ausgangssignal 22 aus- '⁵ gegeben werden.

In F i g. 3 ist die Zonenhöhenmessung, die mit Hilfe der vertikal angeordneten Photodiodenkamera 1 vorgenommen wird, schematisch dargestellt. Im Gegensatz zur Durchmesserbestimmung, bei der das Bild der ²⁽⁾ Schmelzzone sich scharf gegen einen dunklen Hintergrund abhebt, ist der Helligkeitsverlauf über die Stabachse kontinuierlich und damit auch der Photostrom. Beim Übergang von weißrot glühendem, gerade erstarrtem Silicium 7 des aufwachsenden einkristallinen Stabteiles 8 zum eben geschmolzenen flüssigen Silicium 6 findet jedoch eine ausgeprägte Reduktion des Photostromes in Form einer scharfen Schwelle 25 statt. Die Ursache hierfür ist in der Änderung des Spektrums des emittierten Lichtes zu sehen und der damit verbundenen Änderung in der Photostromausbeute der einzelnen Siliciumphotodioden. Schwierig wird es insbesondere auf der anderen Seite der Schmelzzone 6, da der Polystab gewöhnlich nicht scharf aufschmilzt, sondern vielmehr sich einzelne J5 noch feste Schollen 23 vom Stab lösen, die in der Schmelzzone 6 schwimmen und somit Anlaß zu mehreren Fest-Flüssig-Übergängen in der Schmelzzone 6 geben. Die Messung der Zonenhöhe erfolgt daher in zwei Schritten. Beim ersten Durchlauf werden nur die -4ο Anzahl der Fest-Flüssig-Phasenübergänge bzw. die Schwellen im Photostrom gezählt, d. h. die Anzahl der abfallenden Flanken im Ausgangssignal 30. Beim zweiten Durchlauf werden nun die Clockimpulse 29 von der ersten 31 - entsprechend dem Schwellenwen 25 des Photostromes 24 - bis zur letzten 32 - entspre chend dem Schwellenwert 26 des Photostromes 24 eingespeicherten Anzahl der Flanken im Ausgangssi gnal 30 gezählt und, falls innerhalb von zwei Startim pulsen 28 diese Anzahl von Fest-Flüssig-Übergänger mit dem gespeicherten vorhergehenden Meßwer übereinstimmen, ausgegeben.

Für den Fall, daß sich die Anzahl der Flanken geän dert hat, werden die beiden Zähler gelöscht und de Vorgang beginnt neu. Hierdurch wird vermieden, da[ eine noch nicht aufgeschmolzene, in der Schmelzzoni schwimmende Schicht zu einer Verfälschung der Zo nenhöhenmessung führen könnte.

Die selbstjustierende Positionierung des Meßsy stems gegenüber der Schmelzzone 6 ergibt sich au; Fig. 3 -da sie Bestandteil der Zonenhöhenmessunj ist- und Fig. 4. Über ein Schieberegister werden die einzelnen Photodioden der Photodiodenkamera 1 ab getastet und deren Zustände ermittelt. Mit Hilfe eine Triggerschwelle 27 kann dabei die Lage eines Fest Flüssig-Phasenübergangs sehr empfindlich ermittel werden. Zur Positionierung des Meßsystems wird nur die Anzahl der Clockimpulse 29 vom Startimpuls 2J bis zur ersten abfallenden Flanke 31 des Ausgangssignals 30, welche dem unteren Fest-Flüssig-Phasen· übergang an der Erstarrungsfront 7 und dem dadurch hervorgerufenen Schwellenwert 25 des Photostrome! 24 entspricht, gezählt, über einen Wandler 33 geführ und mit einem fest eingegebenen Sollwert 34 in einem Rechenwerk 35 verglichen. Die dabei auftretende Differenz wird über einen Zwischenspeicher 36 unc einen Digital-Analog-Umwandler 37 geführt, in ei nem Operationsverstärker 38 verstärkt und einerr Lageregelkreis 39 zugeführt, der mit Hilfe des Motors 13 das gesamte Meßsystem in einer Position gegen über der Schmelzzone 6 hält, so daß der Phasenübergang fest-flüssig von Erstarrungsfront 7 und Schmelz zone 6 immer an der gleichen Stelle der vertika messenden Photodiodenkamera 1 abgebildet wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum tiegellosen Zonenschmelzen eines vertikal orientierten Halbleiterstabes mit einer den Stab koaxial umschließenden und parallel zu seiner Achse verschiebbaren Heizvorrichtung, bei welchem der Durchmesser des aufwachsenden, einkristallinen Stabteiles durch Steuerung der Leistungszufuhr und/oder Ziehgeschwindigkeit in Abhängigkeit einer oder mehrerer, durch Erfassung der Schmelzzonenform gewonnener Regelgrößen mittels eines Regelsystems bestimmt und nachgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die räumliche Ausdehnung der Schmelzzone durch die Anzahl der belichteten Photodioden einer oder mehrerer Photodiodenkamera(s) zwischen jeweils zwei gegenüberliegenden Hell-Dunkel-Übergängen der freien Schmelzoberfläche und/oder zwei gegenüberliegenden Fest-Flüssig-Phasenübergängen zwischen den Halbleiterstababschnitten und der Schmelze bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichzeitige Bestimmung der vertikalen und horizontalen Ausdehnung der Schmelzzone mit zwei in Durchlaß- und Reflexionsrichtung eines im Winkel von 45° vor der Schmelzzone des Halbleiterstabes aufgestellten halbdurchlässigen Spiegels, parallel der zu messenden Ausdehnungsgröße angeordneten Photodiodenkameras durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßsignal am Phasenübergang festflüssig mit einem festen Sollwert verglichen und hiernach über einen Lageregelkreis die Position der Meßanordnung gegenüber der Schmelzzone gesteuert wird.