DE2731250C2

DE2731250C2 - Verfahren zur Regelung des Stabquerschnittes beim tiegellosen Zonenschmelzen eines Halbleiterstabes

Info

Publication number: DE2731250C2
Application number: DE2731250A
Authority: DE
Inventors: Hans 8031 Gröbenzell Stut; Friedrich Dipl.-Ing. 8000 München Ticak
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-07-11
Filing date: 1977-07-11
Publication date: 1986-04-17
Also published as: US4162367A; DE2731250A1; JPS5418478A; JPS6049160B2

Description

und

wert für den Durchmesser der Schmelzzone an ihrer Kristallisationsgrenze vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Komparators (A; S) auf einen Rechner (C; 6) zur Bestimmung des Sollwertes df für die Beaufschlagung eines zweiten Komparators (D; 7) gemäß der Beziehung

df = k- d,±Ad

geschaltet ist, daß der den ersten Komparator (A; 5) steuernde Sollwertgeber (B; 3) den an den ersten Komparator gelieferten Sollwert d_s an den Rechner (C; 6) zur Bestimmung des Sollwertes df für den zweiten Komparator gibt, daß der Auswerter (2) derart beschaffen ist, daß er den Istwert df für den Durchmesser d* der Schmelzzone (S) in dem ausgewählten Querschnitt der Schmelzzone ermittelt und an den zweiten Komparator weiterleitet, und daß der Ausgang des zweiten Komparators (D; 7) auf ein Stellglied (8) zur Steuerung der der Induktionsheizspüle (5p) zugeführten Hochfrequenzieistung im Sinne einer Minderung der im zweiten Komparator festgestellten Regelabweichung geschaltet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswerter (2) derart gestaltet ist, daß er das Verhältnis k gleich df Id, ermittelt und an den Rechner (C; 6) gibt.

b) 0,3 < k < 1,4

bei konstantem k ermittelt, df iⁿ. einem zweiten Komparator mit dem Durchmesser der Schmelzzone in einem zwischen der Aufsch^elzgrenze und dem maximalen Querschnitt liegenden und einen festgehaltenen Abstand von der Induktionsheizspuleoder von der Phasengrenze aufweisenden horizontalen Querschnitt entsprechenden Istwerten df verglichen und die am Ausgang des zweiten Komparators erscheinende Größe Δ d* zur Steuerung eines die Geometrie der Schmelzzone beeinflussenden Betriebsparameters im Sinne eines Angleiches der Istwerte df an die Sollwerte df verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß k = df Id, gesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit Δ d* die der Induktionsheizspule (Sp) zugeführte elektrische Leistung geregelt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit Δ d* der axiale Abstand der beiden die Schmelzzone tragenden festen Teile des Halbleiterstabes geregelt 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 Überwachungsbereich eines optoelektronischen Sensors befindet, der Sensor auf einen Auswerter zur Ermittlung des Istwertes rf, für den Durchmesser der Schmelzzone an ihrer Kristallisationsgrenze sowie mindestens eines weiteren Durchmessers der Schmelzzone aus den von der Fernsehkamera gelieferten Signalen geschaltet ist, ein Sollwertgeber für die Vorgabe der Sollwerte für den Durchmesser der Schmelzzone an ihrer Kristallisationsgrenze und ein Komparator zur Vergleichung von Sollwert und Ist-Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Stabquerschnittes beim tiegellosen Zonenschmelzen eines Halbieiterstabes, bei dem die in dem Halbleiterstab mittels einer den Halbleiterstab axial umgebenden Induktionsheizspule erzeugte Schmelzzone mitteis eines Sensors überwacht und die gewonnenen Informationen zur Ermittlung von dem jeweiligen Durchmesser d der den Halbleiterstah durchwandernden Schmelzzone an ihrer Kristallisationsgrenze entsprechenden Istwerten */,· verwendet werden, die Istwerte mit dem von einem Sollwertgeber gelieferten Sollwert d_s zur Ermittlung der jeweiligen Regelabweichung A d = d,- d_s in einem Komparator verglichen und die am Ausgang des Komparators erscheinenden Informationen für die Regelung des Durchmessers d der Schmelzzone an ihrer Kristallisationsgrenze herangezogen werden.

Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der US-PS 38 14 827 beschrieben. Es besteht darin, daß die am Ausgang des Komparators erscheinenden Informationen r.n den einen Eingang eines zweiten Komparators gelegt werden, dessen zweiter Eingang mit von der Fernsehkamera gelieferten Informationen über das 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 gelieferte Größe Δ d sowie der zur Beaufschlagung des Komparators verwendete Sollwerte/, zur Festlegung von Soll-

werten df gemäß den Beziehungen

a) df = k ■ d_s±Ad

und

b) 0,3 < Ar S 1,4

bei konstantem k ermittelt, df in einem zweiten Komparator mit dem Durchmesser der Schmelzzone in einem zwischen der Aulschmelzgrenze und dem maximalen Querschnitt liegenden und einen festgehaltenen Abstand von der Induktionsheizspule oder von der Phasengrenze aufweisenden horizontalen Querschnitt entsprechenden Istwerten df verglichen und die am Ausgang des zweiten !Comparators erscheinende Größe Δ d* zur Steuerung eines die Geometrie der Schmelzzone beeinflussenden Betriebsparameters im Sinne eines Angleiches der Istwerte df an die Sollwerte df verwendet wird. 2U

Für ein Verfahren nach der US-PS 38 14 82? wird das Volumen der Schmelzzone aus den von der Fernsehkamera gelieferten Impulsen abgeleitet und in einer unterlagerten Regejstufe mit der Regelabweichung des Durchmessers d an der Kristallisationsgrenze verglichcn. Im Interesse einer größeren Regelempfindlichkcit ist es jedoch, wie gemäß der Erfindung erkannt wurde, in vielen Fällen günstiger, wenn man hierzu eine größere relative Änderung A da aufweisende Regelgröße α 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 Schmelz-/cne - liegenden Durchmessers d* der Schmelzzone als besonders günstig erwiesen.

Der Mindestwert der oben eingeführten Größe A liegt bei 0,3, dergrößte Wert bei 1,4. A- ist als das Verhältnis des Durchmessers d* in dem ausgewählten Querschnitt der Schmelzzone zum Durchmesser d an der Kristallisationsgrenze der Schmelzzone, also gemäß -45 k = df Id definiert. Der Wert dieses Verhältnisses wird einerseits durch Abmessungen der Induktionsheizspule der verwendeten Zonenschmelztemperatur, andererseits durch den Durchmesser des aufzuschmelzenden Stableiles, den Durchmesser d des auskristallisierenden Stabteiles und durch den Abstand des den Durchmesser d* aufweisenden Querschnittes von der die Schmclzzone erzeugenden Induktionsheizspule beziehungsweise vom Abstand der Phasengrenze bestimmt, wobei die Induktionsheizspule einen kritischen Wert darstellt. Aus diesem Grunde 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 to 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 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 A" = d*ld = d*ld_f folgt unmittelbar, daß im eingeregelten Zustand gemäß a) d_t = d_s sein muß. Andererseits ist im eingeregelten Zustand df = df, wobei die größere Regelgeschwinö'^keit und Regelempfindiichkeil des Angieiches von df 3Π df 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 Ausführungiorm 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 5 in zwei Teile getrennt, nämlich den aus der Schrneizzop.e auskristaüäsierenden Stabteil Si; und den aufzuschmelzenden Stabtei! Si₂. Die die Schmelzzone auf induktivem Wege erzeugende Induktionsheizspule ist Bestandteil eines Schwingkreises 10, der an den Ausgang eines HF-Generators 9 angekoppelt ist.

Cie Schmelzzone S weist zwei für den vorliegenden Fall wichtige Durchmesser d und d* auf. d ist der Durchmesser der Schmelzzone an ihrer Rckristallisationsgrenze, die sie mit dem auskristallisierenden Stabteil 5/| gemeinsam hat. Erfahrungsgemäß hat die Schmelzzone - unabhängig davon, ob die Schmelzzone 5 unterhalb oder oberhalb des auskristallisierenden Stabteiles Si; angeordnet ist - eine Ausbauchung und somit einen Querschnitt mit maximalem Durchmesser. Oberhalb dieses Querschnittes nimmt der Durchmesser der Schmelzzone 5 wieder ab. In dem in F i g. 2 dargestellten Ausrührungsbeispiel bildet die Kristalli'Jitionsgrenze die untere Grenze der Schmelzzone. Folglich muß der anzuwendende Durchmesser d* oberhalb der Ausbauchung liegen. Gemäß der lirfmdung 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! 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_t beziehungsweise d* bezeichnet. Außerdem ist ein Sollwertgeber 3 für den Sollwert d, und eine Programmsieuerung 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 Δ d dient nun zur Beaufschlagung eines Rechners 6, der außerdem von der Auswertung der Signale der Fernsehkamera 1 von dem Wert k = in d*/d = d*/d, und von dem Sollwertgeber 3 mit dem Sollwert d_t beaufschlagt wird. Der Rechner 6 ist so beschaffen, daß er den Sollwert d* = k ■ d,±A d aus den ihm jeweils zugeleiteten Informationen ermitteln kann. Dabei kann man entweder »+ A d« oder »- A d« nehmen. Es ist jedoch ersichtlich angebracht, bei dem einmal gewählten Vorzeichen zu bleiben. Der im Rechner 6 ermiUeiie Soiiwcfi u* wird ίπί zweiten Komparator 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 Sl· festlegende Stauch-Streckanlage,

2. die Stärke des der Induktionsheizspule Sp zügeführten HF-Stromes.

Es empfiehlt sich nun bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn die Regelabweichung Δ d* dazu verwendet wird, um über einen Stellmotor 8 die Frscjuep.z des den Schwingkreis 10 und damit die Induktionsheizspule Sp mit Hochfrequenzenergie versorgenden HF-Generators 9 derart zu beeinflussen, daß d:e Regelabweichung Δ 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 Halbleiierstabes über eine Stauch-Streckanlage verwenden. Schließlich steht auch die Mögl'ch-keit offen, das erfindungsgemäße Verfahren zusätzlich zu einer anderen Regelung des Durchmessers d, zum Beispiel nach der DE-PS 11 53 908 beziehungsweise der DE-PS 11 98 324 beziehungsweise dtr US-PS 38 14 827 anzuwenden.

In Fig. i 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 zweite 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_n d* und k in digitaler Form zur Verfugung stellt, so daß sie unmittelbar in die Rechner 5,6 und 7 beziehungsweise A. C und D eingegeben werden können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Regelung des Stabquerschnittes beim tiegellosen Zonenschmelzen eines Halbleiter-Stabes, bei dem die in dem Halbleiterstab mittels einer den Halbleiterstab axial umgebenden Induktionsheizspule erzeugte Schmelzzone mittels eines Sensors überwacht und die gewonnenen Informationen zur Ermittlung von dem jeweiligen Durchmesser d der den Halbleiterstab durchwandernden Schmelzzone an ihrer Kristallisationsgrenze entsprechenden Istwerten d-, verwendet werden, die Istwerte mit dem von einem Sollwertgeber gelieferten Sollwert d_s zur Ermittlung der jeweiligen Regelab- is weichung A d = d_t - d_s in einem Komparator verglichen und die am Ausgang des Komparators erscheinenden Informationen für die Regelung des Durchmessers d der Schmelzzone an ihrer Kristallisationsgrenze herangezogen werden, dadurch ge- kennzeichnet, daß die von dem Komparator gelieferte Größe A d sowie der zur Beaufschlagung des Komparators verwendete Sollwert d_s zur Festlegung von Sollwerten df gemäß den Beziehungen

25 a) d* = k- d_s±Ad