DE2529329C3

DE2529329C3 - Verfahren zum tiegellosen Zonenschmelzen

Info

Publication number: DE2529329C3
Application number: DE19752529329
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl.-Chem. Dr. 8263 Burghausen Herzer; Volker 8263 Burghausen Ofenbacher
Original assignee: Wacker Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 1975-07-01
Filing date: 1975-07-01
Publication date: 1982-06-16
Also published as: JPS526309A; NL7606167A; BE843542A; FR2315993A1; DE2529329A1; IT1066271B; JPS5617313B2; DK294076A; GB1561112A; DK147438B; FR2315993B1; DE2529329B2; DK147438C

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum tiegello sen Zonenschmelzen eines vertikal orientierten Halbleiterstabes mit einer ilen Stub koaxial umschließenden und parallel zu seiner Achse verschiebbaren Heizvorrichtung, bei welchem der Durchmesser des aufwachsenden, einkristallincn Stableiles durch Steuerung der Leistungszufuhr und/oder Ziehgeschwindigkeit in Abhängigkeit einer oder mehrerer, durrh Erfassung der Schmelzzonenform gewonnener Rcgelg, <"^l^*n mittels eines Regelsystems bestimmt und nachgist'/ili wird.

Es ist bekam/, mit Hilfe einer Fernsehkamera mit einem Vielfachphotoi-illensystem, auch Videkon genannt. die Schmclzzonenform beim tiegellosen Zonenschmelzen aufzunehmen. Das mit einem Elektronenstrahl zeilenweise abgelistete Abbild der Schmclzzonenform in der Fernsehkamera liefert der Helligkeit des Abbildes proportionale Impulse, denen Informationen über die die Schmelzzönenföffn 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 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-Übergängcn der freien Schmelzoberfläche und/ oc'er zwei gegenüberliegenden Fest-Flüssig-Phasenübergängen zwischen den Halbleiterstababschnitten und der Schmelzzone bestimmt wird.

Die Erfindung ermöglicht es, die wesentlichen Pa-

^x rameter beim ticgellosen Zonenschmelzen von Halbleiterstäben, wie insbesondere Durchmesser und Zonenhöhe der Schmelzzone, sowie die exakte Lage der Erstarrungsfront, 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 ZüchtuKgsprozesses direkt oder indirekt einzusetzen. Gemäß der Erfindung wird es möglich, 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 Züchtungs Vorgang 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 Zoncnhöhenänderungen bzw. Durchmesseränderungen beim Auf-

wachsen des einkristallincn Stabteiles, wie etwa der konusförmig ausgebildete Übergang zwischen Keim-'

kristall und Halbleitcrstab, vollautomatisch steuern.

Die zu erfassende Schmelzzone entsteht durch

Aufschmelzen des Pnlystabc* in der Regel mittels Hochfrequenzspule und wird im allgemeinen durch die Oberflächenspannung de·. tlUssigcn Siliciums und durch die Jic Schmelzzonc begrenzenden Stabteile gehalten. Während der durch Wiedererstarren aus der Schmelze gebildete einkristalle Stabteil im allgc-

meinen einen scharf begrenzten Übergang zur Schmelze bildet, wird dagegen meist ein unregelmäßiges schichtenförmigcs Aufschm< '/en des anderen polykristallinen Stabtcilcs beobachtet. Während die Durchmessermessung durch die einfache Zuordnung

zxiT Anzahl der belichteten Photodioden gegeben ist. gestaltet sich die exakte Bestimmung der Zo.ienhöhe ungleich schwieriger, da mehrere Fest-Rüssig-Phasenübergängc in diesem Bereich vorhanden sind. Erfindungsgemäß gelingt es nun, den ersten Fcst-Flüssig-Phasenübcrgang des Polystabes /ur Schmelze eindeutig zu bestimmen und hierdurch exakte reproduzierbare Wcric für die Zonenlinhe zu erhalten. Für die eindeutige Erfassung eines Fest-Flüssig-Phascn-

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- >° 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 Ausdeh- '5 nung der Schmelzzone mit zwei Photodiodenkameras, die in Durchlaß- und Reflexionsrichtung eines im Winkel von 45^c vor der Schmelzzone des Halbleiterstabes aufgestellten halbdurchlässigen Spiegels parallel zu der zu messenden Ausdehnungsgröße angeord- -° net sind.

Die Meßgenauigkeit richtet sich nach dem gewählten Abbildungsmaßstab und der Anzahl dcj die Photodiodenkamera aufbauenden Photodioden. Beträgt der Abbildungsmaßstab also beispielsweise i : 1 und werden Photodiodenkameras verwendet, die beispielsweise auf 100mm 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 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 S;elle der Schmelzzone sie besümmt wird, wobei die einmal gewählte Stelle natürlich auf Grund der Vergleichbarkeit für den gesamten Zonenzug beibehalten werden soll.

Die über die l'hotodir.iiicnkaincras erhaltenen Daten über die Sehmclzzonenform können als Regelgrößen auf ein Regelsystem gegeben werden, dem ein entsprechend dem jeweilig gewünschten Kristalldurchmesser programmierter Compuier als Sollwertgeber beigeordnet ist.

Gegenüber den bekannten Meßverfahren, bei denen die Schmclzzone beispielsweise mit Hilfe eines Videkons erfaßt wird, bietet das Verfahren gemäß der Erfindung prinzipielle Verbcsserungen, die insbesondcre in der höheren Ortsauflösung, der praktisch unbegfciulen Lebensdauer der in dem Verfahren eingesetzten Photodiodenkameras, des erheblich geringeren elektronischen Schaltaufwandes, der einfachen Positionierung der gesamten Meßanordnung ohne umständliche Nachjustieruiit; und in der einfachen Wartung bei t'^ich/eitig geringen Kosten liegen.

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

Fig, 1 zeigt die im Verfahren angewandte Meßanordnung;

Fig. 2 gibt in schematischerDarstellung 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 ?. 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 Photodiodenkamera 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 P^h Modiodenkameras wird dabei durch den im Strahlengang angeordneter, halbdurchlässigen Spiegel 5 gewährleistet, der in einem Winkel von 45° gegenüber dem Halbleiterstab geneigt ist.

Mit der horizontal angeordneten Photodiodcnkamera 2 wird der Durchmesser ν der mit einer Induktionsspule 10 im Polystab 9 aufgeschmolzenen Schmelzzonc 6 in einem genau einstellbaren Abstand Δχ von der Erstarrungsfront 7 des ".inkristallin aufwachsenden Stabteilcs 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 Ax als Regelgröße RAx an den Sollwertregler 11 weitergegeben und dort mit dem Sollwert für Δχ 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 found die von der Photodiodenkamera 2 durch Bestimmung des Schmelzdurchmessers 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 Kristalldurchmesscr programmierter Computer als Sollwertgeber beigeordnet ist, der es ermöglicht, den gesamten Zoncnzichvorgang vom Ansetzen des Keimkristalls über den konischen Übergang zum größeren Durchmesser des aufwachsender Svabes vollautomatisch zu steuern.

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

Dunkel-Übergängen 14 und IS 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 vier die einzelnen Photodioden abgetastet werden. Die Anzahl der belichteten Photodioden 17, die dem Durchmesser y der Schmclz/nnc 6 entsprechen, kann in der jeweils gewünschten Form als Regelgroße Ry seriell, parallel oder analog als Ausgangssignal 22 ausgegeben werden.

In Fig. 3 ist die Zonenhöhenmessung. die mit Hilfe der vertikal angeordneten Pholodiodcnkamera 1 vorgenommen wird, schematisch dargestellt. Im Gegensatz zur Durchmesserbestimmung, bei der das Bild der 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 ein?.clnen Siliciumphotodioden. Schwierig wird es insbesondere auf der anderen Seite der Schmelzzone 6, da der Polystab gewöhnlich nicht scharf aufschmilzt, sondern vielmehr sich einzelne noch feste Schollen 23 vom Stab lösen, die in der Schmelzzonc 6 schwimmen und somit Anlaß zu mehreren Fest-Flüssig-Ubergängen in der Schmelzzone 6 geben. Die Messung der Zonenhöhe erfolgt daher in zwei Schritten. Beim ersten Durchlauf werden nur die 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 Schwellenwert 25 des Photostromes 24 - bis zur letzten 32 - entsprechend dem Schwellenwert 26 des Photostromes 24 - eingespeicherten Anzahl der Flanken im Ausgangssignal 30 gezählt und, falls innerhalb von zwei Startimpulsen 28 diese Anzahl von Fest-Flüssig-Übergängen mit dem gespeicherten vorhergehenden Meßwert übereinstimmen, ausgegeben.

Für den Fall, daß sich die Anzahl der Flanken geändert hat. werden die beiden Zähler gelöscht und der Vorgang beginnt neu. Hierdurch wird vermieden, daß eine noch nicht aufgeschmolzene, in der Schmelzzonc

'ί schwimmende Schicht zu einer Verfälschung der Zonenhöhenmessung führen könnte.

Die sclbstjustiercnde Positionierung des Meßsystems gegenüber der Schmelzzone 6 ergibt sich aus Fig. 3 - da sie Bestandteil der ZonenhöhcnmcssunR

-¹⁰ ist - und Fig. 4. Über ein Schieberegister werden die einzelnen Photodioden der Photodiodenkamera 1 abgetastet und deren Zustände ermittelt. Mit Hilfe einer Triggerschwclle 27 kann dabei die Lage eines Fcst-Flüssig-Phasenübergangs sehr empfindlich ermittelt

.'5 werden. Zur Positionierung des Meßsystems wird nun die Anzahl der Clockimpulse 29 vom Startimpuls 28 bis zur ersten abfallenden Flanke 31 des Ausgangssignals 30 welche dem unteren Fest-Flüssig-Phasenübergang an der Erstarrungsfront 7 und dem dadurch

ίο hervorgerufenen Schwellenwert 25 des Photostromes 24 entspricht, gezählt, über einen Wandler 33 geführt und mit einem fest eingegebenen Sollwert 34 in einem Rechenwerk 35 verglichen. Die dabei auftretende Differenz wird über einen Zwischenspeicher 36 und einen Digital-Analog-Umwandler 37 geführt, in einem Operationsverstärker 38 verstärkt und einem Lageregelkreis 39 zugeführt, der mit Hilfe des Motors 13 das gesamte Meßsystem in einer Position gegenüber der Schmelzzone 6 hält, so daß der Phascnüber- gang fest-flüssig von Erstarrungsfront 7 und Schmelzzone 6 immer an der gleichen Stelle der vertikal 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 tue 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-Phasenübergingen 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 Schmelzzonc des Halbleiterstabes aufgestellten halbdurchlässigen Spiegels, parallel der zu messenden Ausdehnungsgröße angeordneten Photodiodenkamcras durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2. dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßsignal am Phasenübergang festflüssigmit einem festen Sollwert verglichen und hiernach ü!)cr :incn Lageregelkrcis die Position der Meßanordnung gegenüber der Schmelzzone gesteuert wird.