DE2731250A1 - Verfahren zum tiegellosen zonenschmelzen eines halbleiterstabes - Google Patents
Verfahren zum tiegellosen zonenschmelzen eines halbleiterstabesInfo
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Description
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT . I ^ Unser Zeichen
Berlin und München ' ' VPA 77 P 1 C 3 2 BRD
Verfahren zum tiegellosen Zonenschmelzen eines Halbleiterstabes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum tiegellosen Zonenschmelzen
eines Halbleiterstabes, bei dem die in dem Halbleiterstab mittels einer den Halbleiterstab axial umgebenden Induktionsheizspule
erzeugte Schmelzzone mittels einer Fernsehkamera 5 oder eines anderen geeigneten Sensors überwacht und die mittels
der Fernsehkamera beziehungsweise des Sensors gewonnenen Informationen zur Ermittlung von dem Jeweiligen Durchmesser d der den
Halbleiterstab durchwandernden Schmelzzone an ihrer Kristallisationsgrenze entsprechenden Istwerten verwendet werden, bei dem
ferner die erhaltenen Istwerte mit dem jeweils vorgesehenen und von einem Sollwertgeber gelieferten Sollwert zur Ermittlung der
jeweiligen Regelabweichung A d in einem Komparator verglichen und die am Ausgang des Komparators erscheinenden Informationen
für die Regelung des Durchmessers d der Schmelzzone an ihrer Kristallisationsgrenze und damit des Durchmessers des aus der
Schmelzzone auskristallisierenden Stabquerschnittes herangezogen werden.
Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der US-PS 3 314 827
(VPA 72/1175) beschrieben. Es besteht darin, daß die am Ausgang des Komparators erscheinenden Informationen an den einen Eingang
eines zweiten Komparators gelegt werden, dessen zweiter Eingang mit von der Fernsehkamera gelieferten Informationen über das
Stg 1 Dx / 07.07.1977 - 2 -
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- > - 77 P 1 C 3 2 BRD
Volumen der Schmelzzone beaufschlagt wird. Die am Ausgang des
zweiten Komparators erscheinende Information wird dann zur Steuerung des Abstandes der beiden die Schmelzzone zwischen sich
tragenden festen Teile des zu behandelnden HalbleiterStabes im
Sinne einer Gegenkopplung, also derart verwendet, daß die jeweils vorhandene Abweichung zwischen Sollwert und Istwert reduziert
wird.
Die Erfindung schlägt anstelle des in der US-PS beschriebenen Verfahrens ein Verfahren entsprechend der eingangs gegebenen Definition
vor, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die von dem Komparator gelieferten Informationen ^V d sowie der zur Beaufschlagung
des Komparators verwendete Sollwert d zur Festlegung von neuen Sollwerten de gemäß den Beziehungen
a) d = k . d ί Ä d und
s s
b) 0,3< k < 1,4
sowie konstantem k laufend verwendet, die neuen Sollwerte de in
einem zweiten Komparator mit dem Durchmesser der Schmelzzone in einem zwischen der Aufschmelzgrenze und dem maximalen Querschnitt
liegenden und einen festgehaltenen Abstand von der Induktionsheizspule oder von der Phasengrenze aufweisenden horizontalen
Querschnitt entsprechenden Istwerten d^ verglichen und
die am Ausgang des zweiten Komparators erscheinende Information zur Steuerung eines die Geometrie der Schmelzzone beeinflussenden
Betriebsparameters im Sinne eines Angleiches der Istwerte d^ an die Sollwerte d verwendet wird.
Für ein Verfahren nach der US-PS 3 314 827 wird das Volumen der
Schmelzzone aus den von der Fernsehkamera gelieferten Impulsen abgeleitet und in einer unterlagerten Regelstufe mit der Regelabweichung
des Durchmessers d an der Kristallisationsgrenze verglichen. Im Interesse einer größeren Regelempfindlichkeit ist es
jedoch, wie gemäß der Erfindung erkannt wurde, in vielen Fällen günstiger, wenn man hierzu eine größere relative Änderung /.a/a
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• G-
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aufweisende Regelgröße a verwendet, die im vorliegenden Fall durch den oben definierten Durchmesser d gegeben ist. Dies gilt
auch für den Fall, daß das Volumen der Schmelzzone indirekt über
die Gegeninduktivität zwischen Schmelzzone und Induktionsheizspule erfaßt und als Regelgröße verwendet wird. Hierzu hat sich
aber gerade die Überwachung und Regelung auf einen von der Kristallisationsgrenze
aus gesehen Jenseits des größten Querschnittes - also jenseits der Ausbauchung der Schmelzzone - liegenden
Durchmessers d der Schmelzzone als besonders günstig erwiesen.
Der Mindestwert der oben eingeführten Größe k liegt bei 0,3, der größte Wert bei 1,4. k ist als das Verhältnis des Durchmessers
d in dem ausgewählten Querschnitt der Schmelzzone zum Durchmesser d an der Kristallisationsgrenze der Schmelzzone, also gemäß
k = d /d definiert. Der Wert dieses Verhältnisses wird einerseits durch Abmessungen der Induktionsheizspule der verwendeten
Zonenschmelzapparatur, anderseits durch den Durchmesser des aufzuschmelzenden Stabteiles, den Durchmesser d des auskristallisierenden
Stabteiles und durch den Abstand des den Durchmesser d aufweisenden Querschnittes von der die Schmelzzone erzeugenden
Induktionsheizspule beziehungsweise vom Abstand der Phasengrenze bestimmt, wobei die Induktionsheizspule einen kritischen
Wert darstellt. Aus diesem Grund muß dieser Abstand während der Durchführung des Verfahrens beibehalten werden.
Wenn man, wie zumeist, die Schmelzzone von unten nach oben durch den zonenzuschmelzenden Siliciumstab führt, so ist die Aufschmelzgrenze
die obere Begrenzung, die Kristallisationsfront die untere Begrenzung der Schmelzzone. Die Schmelzzone weist außerdem
bekanntlich in ihrem unteren Teil eine Ausbauchung, in ihrem oberen Teil eine Taille auf, die jedoch zum größten Teil
von der Induktionsheizspule abgedeckt wird und deshalb in dem von der Fernsehkamera beziehungsweise dem Sensor wahrgenommenen
Bild der Schmelzzone nur teilweise in Erscheinung tritt. Man wird also bei Verwendung einer Fernsehkamera als Sensor vorzugsweise
den mit der ersten oder den mit der zweiten unterhalb des
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unteren Randes des Induktionsheizspulenbildes liegenden Abtastzeile
koinzidierenden Durchmesser des Schmelzzonenbildes beziehungsweise
den entsprechenden Durchmesser der wirklichen Schmelzzone als den Durchmesser d im Sinne der Erfindung definieren,
wobei die optische Abbildung in der Fernsehkamera groß genug sein muß, damit die dem Durchmesser d entsprechende Abtastzeile
nicht unterhalb der größten Ausbauchung der Schmelzzone liegt. In der Praxis dürfte dies infolge eines ausreichenden
Vergrößerungsmaßstabes der optischen Abbildung durch die Fernsehkamera wohl immer realisiert sein.
Wegen k = d /d = di/di folgt unmittelbar, daß im eingeregelten
Zustand gemäß a) d, = d_ sein muß. Andererseits ist im eingere-
♦ *· ♦ s
gelten Zustand d« » d_ , wobei die größere Regelgeschwindigkeit
is * *
und Regelempfindlichkeit des Angleiches von d^ an ds bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren ausgenutzt wird.
Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens setzt auch eine
entsprechende Ausbildung der zu verwendenden Apparatur voraus, welche die weitere Erfindung bildet. Sie wird an Hand der
Zeichnung beschrieben. Dabei ist in Fig. 1 das Schema der Regelabweichungsbildung
in den beiden Regelstufen und in Fig. 2 eine vollständigere Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung
dargestellt.
Zunächst wird auf Fig. 2 Bezug genommen.
Der in einer üblichen Zonenschmelzanordnung befindliche Halbleiterstab,
insbesondere Siliciumstab, wird durch eine auf induktivem Wege erzeugte Schmelzzone S in zwei Teile getrennt, nämlich
den aus der Schmelzzone auskristallisierenden Stabteil Si«, und den aufzuschmelzenden Stabteil Sig. Die die Schmelzzone auf induktivem
Wege erzeugende Induktionsheizspule ist Bestandteil eines Schwingkreises 10, der an den Ausgang eines HF-Generators 9
angekoppelt ist.
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Die Schmelzzone S weist zwei für den vorliegenden Fall wichtige Durchmesser d und d auf. d ist der Durchmesser der Schmelzzone
an ihrer Rekristallisationsgrenze, die sie mit dem auskristallisierenden Stabteil Si1 gemeinsam hat. Erfahrungsgemäß hat die
Schmelzzone - unabhängig davon, ob die Schmelzzone S unterhalb oder oberhalb des auskristallisierenden Stabteiles Si1 angeordnet
ist - eine Ausbauchung und somit einen Querschnitt mit maximalem Durchmesser. Oberhalb dieses Querschnittes nimmt der
Durchmesser der Schmelzzone S wieder ab. In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel bildet die Kristallisationsgrenze
die untere Grenze der Schmelzzone. Folglich muß der anzuwendende Durchmesser d oberhalb der Ausbauchung liegen. Gemäß der Erfindung
ist vorgesehen, daß der ausgewählte Querschnitt mit dem Durchmesser d seinen Abstand von der Induktionsheizspule Sp
nicht ändern soll.
Eine Fernsehkamera 1 ist auf einen Auswerter 2 geschaltet. Dieser Auswerter ermittelt aus den von der Fernsehkamera 1 gelieferten
elektrischen Signalen die Istwerte für den Durchmesser d und den Durchmesser d . Sie werden mit d, beziehungsweise d^ bezeichnet.
Außerdem ist ein Sollwertgeber 3 für den Sollwert dg
und eine Programmsteuerung 4 vorgesehen, die unter anderem auch die Geschwindigkeit, mit der der zonenzuschmelzende Siliciumstab
durch den Bereich der Induktionsheizspule gezogen wird, kontrolliert.
Die von dem Auswerter 2 gelieferten Istwerte d., für den Durchmesser
der Schmelzzone an ihrer Kristallisationsfront gelangen an einen ersten Komparator 5. Dieser wird zugleich vom Sollwertgeber
3 mit dem Sollwert d für den Durchmesser d der Schmelzzone S an ihrer Kristallisationsfront beaufschlagt. Im Komparator
5 findet der Vergleich von Soll- und Istwerten für d sowie die Ermittlung der Regelabweichung Δ d statt.
Die Regelabweichung A d dient nun zur Beaufschlagung eines Rechners
6, der außerdem von der Auswertung der Signale der Fernsehkamera 1 von dem Wert k = d /d » dj/di u*1*1 von dem Sollwertge-
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ber 3 mit dem Sollwert d beaufschlagt wird. Der Rechner 6 ist
* + so beschaffen, daß er den Sollwert d » k . d - A d aus den ihm
S S
jeweils zugeleiteten Informationen ermitteln kann. Dabei kann man entweder "+ Ad" oder "- Δ, d" nehmen. Es ist jedoch ersichtlieh
angebracht, bei dem einmal gewählten Vorzeichen zu bleiben.
Der im Rechner 6 ermittelte Sollwert d_ wird im zweiten Kompara-
tor 7 mit dem vom Auswerter 2 der von der Fernsehkamera gelieferten
Signale gewonnenen Wert d* verglichen. Die hierbei erhaltene
Regelabweichung Δ d dient zur Beaufschlagung eines die
Geometrie der Schmelzzone S steuernden Betriebsparameters der eigentlichen Apparatur für das Zonenschmelzen. Hierfür kommt in
Betracht:
1. Die den Abstand der beiden festen Teile des Halbleiterstabes
Si1 und Si~ festlegende Stauch-Streckanlage,
2. die Stärke des der Induktionsheizspule Sp zugeführten HF-Stromes.
Es empfiehlt sich nun bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn die Regelabweichung ^ d dazu verwendet wird,
um über einen Stellmotor 8 die Frequenz des den Schwingkreis 10 und damit die Induktionsheizspule Sp mit Hochfrequenzenergie
versorgenden HF-Generators 9 derart zu beeinflussen, daß die Regelabweichung & d verkleinert, also sukzessive zum Verschwinden
gebracht wird. Andererseits kann man als Stellglied bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch den Abstand
der beiden die Schmelzzone zwischen sich tragenden festen Teile des Halbleiterstabes über eine Stauch-Streckanlage verwenden.
Schließlich steht auch die Möglichkeit offen, das erfindungsgemäße
Verfahren zusätzlich zu einer anderen Regelung des Durchmessers d, zum Beispiel nach der DT-PS 1 153 908 beziehungsweise
der DT-PS 1 198 324 beziehungsweise der US-PS 3 814 827 anzuwenden.
In Fig. 1 sind die für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wesentlichen Komparatoren A und D, der Sollwertgeber
B für die erste Regelstufe und der Sollwertgeber C für die zwei-
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-/- 77 P 1 CC 2 BRD
te Regelstufe mit den von ihnen ausgeübten Funktionen dargestellt.
Sie können sämtlich durch Rechner realisiert werden. In diesem Falle empfiehlt es sich, wenn der Auswerter 2 mit einem
Analog-Digitalwandler versehen ist, welcher die Werte von
d^, d^ und k in digitaler Form zur Verfügung stellt, so daß sie
unmittelbar in die Rechner 5, 6 und 7 beziehungsweise A, C und D eingegeben werden können.
6 Patentansprüche
2 Figuren
2 Figuren
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Claims (6)
1. Verfahren zua tiegellosen Zonenschmelzen eines Halbleiterstabes,
bei dem die in dem Halbleiterstab mittels einer den Halbleiterstab
axial umgebenden Induktionsheizspule erzeugte Schmelzzone mittels einer Fernsehkamera oder eines anderen geeigneten
Sensors überwacht und die mittels der Fernsehkamera beziehungsweise des Sensors gewonnenen Informationen zur Ermittlung
von dem Jeweiligen Durchmesser d der den Halb!eiterstab
durchwandernden Schmelzzone an ihrer Kristall!sationsgrenze entsprechenden
Istwerten verwendet werden, bei dem ferner die erhaltenen Istwerte mit dem jeweils vorgesehenen und von einem
Sollwertgeber gelieferten Sollwert zur Ermittlung der jeweiligen Regelabweichung d in einem Komparator verglichen und die am
Ausgang des Komparators erscheinenden Informationen für die Regelung
des Durchmessers d der Schmelzzone an ihrer Kristallisationsgrenze und damit des Durchmessers des aus der Schmelzzone
auskristallisierenden Stabquerschnittes herangezogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem
Komparator gelieferten Informationen d sowie der zur Beaufschlagung des Komparators verwendete Sollwert de zur Festlegung
♦ s
von neuen Sollwerten d gemäß den Beziehungen
a) d* = k . d ± .A d und
S S
b) 0,3 < k -C 1,4
sowie konstantem k laufend verwendet, die neuen Sollwerte d in
einem zweiten Komparator mit dem Durchmesser der Schmelzzone in einem zwischen der Aufschmelzgrenze und dem maximalen Querschnitt
liegenden und einen festgehaltenen Abstand von der Induktionsheizspule oder von der Phasengrenze aufweisenden hori-
* zontalen Querschnitt entsprechenden Istwerten di verglichen und
die am Ausgang des zweiten Komparators erscheinende Information zur Steuerung eines die Geometrie der Schmelzzone beeinflussenden
Betriebsparameters im Sinne eines Angleiches der Istwerte
d4 an die Sollwerte d verwendet wird,
ι s
ι s
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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein einen festzuhaltenden Abstand von der Induktionsheizspule Sp
aufweisender und zwischen der Aufschmelzgrenze und dem Querschnitt mit dem größten Durchmesser der Schmelzzone liegender
Querschnitt ausgewählt und das Verhältnis k seines Durchmessers d zum Durchmesser d der Kristallisationsgrenze bestimmt
und mit Hilfe des ermittelten Wertes dieses Verhältnisses k der Sollwert d zur Beaufschlagung des zweiten Komparators berechnet
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die im zweiten Komparator ermittelte Abweichung zur Regelung des
Durchmessers d der Schmelzzone über die der Induktionsheizspule Sp zugeführte elektrische Leistung herangezogen wird..
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet,
daß die im zweiten Komparator ermittelte Abweichung zur Regelung des Durchmessers d der Schmelzzone über den axialen
Abstand der beiden die Schmelzzone tragenden festen Teile des Halbleiterstabes herangezogen wird.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3» bei der die in dem zonenzuschmelzenden Halbleiterstab
mittels einer den Halbleiterstab axial umgebenden Induktionsheizspule erzeugte Schmelzzone sich im Aufnahmebereich
einer Fernsehkamera beziehungsweise im Überwachungsbereich eines anderen optoelektronischen Sensors befindet, bei der die Fernsehkamera
beziehungsweise der Sensor auf einen Auswerter zur Ermittlung des Istwertes für den Durchmesser d der Schmelzzone an
ihrer Kristallisationsgrenze sowie mindestens eines weiteren Durchmessers der Schnelzzone aus den von der Fernsehkamera gelieferten
Signalen geschaltet ist, bei der außerdem ein Sollwertgeber für die Vorgabe der Sollwerte für den Durchmesser der
Schmelzzone an ihrer Kristallisationsgrenze vorgesehen ist, bei der schließlich ein erster Komparator zur Vergleichung von Sollwert und Istwert für den Durchmesser d der Schmelzzone an ihrer
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Kristallisationsgrenze vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des ersten Komparators (A; 5) auf einen Rechner
(C; 6) zur Bestimmung des Sollwertes d_ für die Beaufschlagung eines zweiten Komparators (D; 7) gemäß der Beziehung
a) d* = k . ds t Ad
geschaltet ist, daß außerdem der den ersten Komparator (A; 5) steuernde Sollwertgeber (B; 3) den an den ersten Komparator gelieferten
Sollwert de zugleich auch an den Rechner (C; 6) zur
s ♦
Bestimmung des Sollwertes d für den zweiten Komparator gibt, und daß schließlich der Auswerter (2) derart beschaffen ist, daß er den Istwert d^^ für den Durchmesser d der Schmelzzone (S) in dem ausgewählten Querschnitt der Schmelzzone ermittelt und an den zweiten Komparator weiterleitet, und daß außerdem der Ausgang des zweiten Komparators (D; 7) auf ein Stellglied (8) zur Steuerung der der Induktionsheizspule (Sp) zugefUhrten Hochfrequenzleistung im Sinne einer Minderung der im zweiten Komparator festgestellten Regelabweichung geschaltet ist.
Bestimmung des Sollwertes d für den zweiten Komparator gibt, und daß schließlich der Auswerter (2) derart beschaffen ist, daß er den Istwert d^^ für den Durchmesser d der Schmelzzone (S) in dem ausgewählten Querschnitt der Schmelzzone ermittelt und an den zweiten Komparator weiterleitet, und daß außerdem der Ausgang des zweiten Komparators (D; 7) auf ein Stellglied (8) zur Steuerung der der Induktionsheizspule (Sp) zugefUhrten Hochfrequenzleistung im Sinne einer Minderung der im zweiten Komparator festgestellten Regelabweichung geschaltet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
der Auswerter (2) derart ausgestattet ist, daß er aus den von der Fernsehkamera (1) beziehungsweise einem optoelektronischen
Sensor übermittelten Informationen das Verhältnis k des Durchmessers d der Schmelzzone (S;in dem ausgewählten Querschnitt zum
Durchmesser d der Schmelzzone (S) an der Kristallisationsgrenze ermittelt und an den zur Bestimmung des Sollwertes d für den
zweiten Komparator (D; 7) vorgesehenen Rechner (C; 6) weitergibt.
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| EP0319858A3 (de) * | 1987-12-05 | 1991-04-10 | Shin-Etsu Handotai Company, Limited | Verfahren zur Kontrolle einer Schmelzzone |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| JPS5418478A (en) | 1979-02-10 |
| US4162367A (en) | 1979-07-24 |
| DE2731250C2 (de) | 1986-04-17 |
| JPS6049160B2 (ja) | 1985-10-31 |
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