DE2047198B2

DE2047198B2 - Verfahren zum Ziehen von Halblei terkn stallen

Info

Publication number: DE2047198B2
Application number: DE2047198A
Authority: DE
Inventors: Dian Pong Hopewell Junction Jen; Richard Alan Newburgh Slocum
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1969-11-26
Filing date: 1970-09-25
Publication date: 1973-09-13
Also published as: FR2071788A5; US3621213A; GB1311558A; DE2047198C3; DE2047198A1; CA935743A

Description

nechanismus Mild hierzu in einem Ofen angeordnet. ;in kleiner Keimkristall wird in der Kammer herabiiea--en und in die Schmelze getaucht. Anschließend wird ■r lang-am v.ieder herausgezogen. Dabei erstarrt die schmelze auf dem Keimkristall und bildet so einen kri-tall. Der Keimkristall und der Tiegel werden ge-.ireht. während der Kristall gezogen wird. Die Drehung -ci/.i die Schmelze in Bewegung und \erhindert dadurch Temperaturunterschiede, die cm asymmetrisches Krisiallv.achsium bewirken können. Dadurch wird auch eine gleichmäßige Verteilung des Dotierutiüs- -tolTes in der Schmelze erreicht, womit die elektrischen Uigenschaften de- Kristalls verbessert werden. Die Aufw artsbewegung des Tiegels ist einsiellbar. Da- Heranziehen des Kristalls verringert das Volumen der Schmelze, wod/ rch die Oberfläche der Schmelze immer weiter ab-inkt. Damit an der Oberfläche der Schmelze jedoch immer die gleiche Temperatur besteht, soll diese ihre Lage in bezug auf die Heizvorrichtung möglichst nicht verändern. Deshalb wird der Tiegel langs-'.in angehoben, um somit das Absinken der Schmelze zu kompensieren.

Die wesentlichen Teile füreinenach demCzochralski- \ erfahren arbeitende Ziehvorrichtung sind in F i g. 1 enthalten. Ein Keimkristall 1 wird gegenüber einer -■_hinelze2 über einen Schaft 3 hoehgezogen und gedreht. Ein die Schmelze 2 enthaltender Tiegel 4 wird i:ber einen hohlen Schaft 5 angehoben und gedreht. Der Schaft 3 wird durch Motoren 6 und 7 angetrieben und der Schaft 5 durch Motoren 8 und 9. Ein teilweise gezogener Kristall 10 betindet sich zwischen dem Keimkristall 1 und der Schmelze 2. Die Temperatur der schmelze 2 wird durch ein Heizelement 11 gesteuert.

Bei dem vorliegenden Verfahren werden bestimmte Werte von Yerfahrengrößen vorgegeben, während andere beim Ziehvorgang gemessen werden. Vorgegebene Werte betreffen z. B. den gewünschten Kris.i.'.lldurchmesser, den Kristalltyp, die Menge des Silicium;.. die nominelle Ziehgeschwindigkeit und den Durchmesser des Keimkristalls. Die während des Ziehens gemessenen Werte betreffen beispielsweise die Aufv.artsbewegung und die Drehung des Keimkristalls sowie des Tiegels, den Duichmesser des gezogenen Kristails und die Temperatur der Schmelze. Die während des Ziehvorganges gesteuerten Größen sind z. B. die Aufwärtsbewegung und Drehung des Keimkristalls und des Tiegels sowie die Temperatur der Schmelze. Gemäß F i g. 1 werden einer Steuervorrichtung 12 Signale über Leitungen 13 bis 18 zugeführt, die die gemessenen Werte für die Drehung und Aufwärtsbewegung des Keimkristalls, den Kristalldurchmesser, die Drehung und Abwärtsbewegung des Tiegels und die Schmelztemperatur darstellen. Die Steuervorrichtung 12 liefert Signale über die Leitungen 19 bis 23 zur Steuerung der Drehung des KrisuTls. der Ziehgeschwindigkeil, der Drehung und der Aufwärtsbewegung des Tiegels sow ie der I leizenergie. Ein Siclitgla> 24 ist in der Seitenwand der Kammer 25 vorgesehen, durch das die Schmelze 2 beobachtet werden kann.

Die Steuervorrichtung 12 kann durch einen Prozeßrechner dargestellt sein. Sie empfängt die analogen Signale von den Umdrehungszahlen! 26 bis 29 der Motoren 6 bis ⁽) im,.', von einem Sirahlendeiekior 30. Mit Hilfe der .Ausgangssignale des die Strahlung der Schmelze 2 am Hoden des Tiegels 4 durch de:i hohlen Schachts eri'aver.den Strahlendetektors 30 wird die Temperatur der Schmelze 2 bestimmt. Analog-Digital-Wandler in der Sleuervorrichtu: .: 12 formen die analogen Signale in entsprecher digitale Signale um. Die Steuervorrichtung 12 enth :emer Mittel zum Steuern der Geschwindigkeiten de: Motorin 6 bis 9 und einen magnetischen Verstärker für die Speisung de-Heizelementes 11. Weiterhin ist die manuelle Hingabe von Vorgabewerten in die Steuervorrichtung 12 möglich.

Die Steuervorrichtung ist in der Weise programmiert, daß die von ihr «steuerte Einrichtung Einkristalle nr.t kon-'.antem Durchmesser und gleichmäßiger Struktur erzeugt. Die Bildung der Steuersignale erfolgt mittel· spezieller mathematischer Modelle. Die Steuerung der Temperatur der Schmelze z. B. basiert teilweise auf emem ersten mathematischen Modell, das den Fluß der Heizenergie bei einer idealisierten Ziehemnchiung beschreibt und teilweise auf einem zweiten mathematischen Modell, welche^ die nicrus'.euerbaren Großer., die in dem tatsächlichen Sw.em unvermeidbar sind. berücksichtigt. Es hat sich g-^eigt. daß die besten Ergebnisse beim Ziehen des Einkristalls dann auftreter.. wenn beide Modelle gleichzeitig verwendet werden, während die Verwendung nur eines der beiden Modelle nicht die gewünschten Ergebnisse lieijrt. Ähnliche Fetrachlungen gelten auch für die Steuerung deMotors 6. der die Ziehgeschwindigkeit bestimmt Die Steuerung der weiteren \ erfahrensgrößen. d. n. der Kristalldrehung sowie der Drehung und Aufwärtsbewegung des Tiegels, kann :.uf einfachere Weise erfolgen.

Der Ziehvorgang eines Kristalls wird gewöhnlich ir. vier Abschnitte unterteilt. Beginnend mit dem kleiner, Kristallkeim, der in die Schmelze getaucht und langsam wieder herausgezogen wird, so daß die Schmelze auf ihm erstarren kann, werden die Bedingungen für den Ziehvorgang derart vorgegeben, daß sich zuerst eine Einschnürung, darauf eine Rundung, dann der Hauptteil und schließlich das Endstuck bilden. Die Form eines gezogenen Kristalls ist in F i g. 2 dargestellt. Während der Einschnürungsphase wird der Kristalldurchmesser zuerst verringert und dann wieder vergrößert, um ein versetzungsfreies Kristallwaschtum zu erreichen. Hierzu wird die Heizenergie zuerst gesteigert und dann vermindert. Die Änderung der Heizenergie wird im voraus berechnet und in der Steuervorrichtung gespeichert. Während der Einschnürung-phase werden dann in bestimmten Zeitintervalle!! bestimmte Energiemengen freigegeben. Alle anderen steuerbaren Verfahren.größen bleiben währenddessen konstant. Die Phase der Rundung beginnt, sobald das Signal auf der Leitung 15 einen gewünschten Durchmesser anzeigt. Der Strahlendetektor 31 ist auf die fest-flüssige Grenzfläche des zu ziehenden Kristalls gerichtet und spricht auf Änderungen des Kru-.talldurehmcssers an. Die Phase der Rundung ergibt sich durch die allmähliche Vergrößerung der Ziehgeschwindigkeii und dei Geschwindigkeit der Aufwärtsbewegung des Tiegels A auf die für das Ziehen des Flauptteiles vorgegebener Anfangswerte und durch Erhöhung der I ieizeiieTgie. ilii die weitere Zunahme des Krist llldurchmessers beende; Die Durchmessersteuerung beim Hauptieil de Kristalls erfolgt ebenfalls wie die Steuerung der Heiz energie mit Hilfe eines idealisierten und eines die tat sächlichen Verhältnisse berücksichtigenden mathemati sehen Modell·. Die Krislall- und die Tiegeldrchun werden im vorliegenden Beispiel konstant gehaltei Die Geschwindigkeit der Aufvvärtsbeweguiig des Tu gels 4 ist jedoch veränderlich, damit die Oberfläche dv Schmelze 2 in hezu» auf das Heizelement 11 immer ai

J ie gleiche Höhe gebracht v>erden kann. Auf diese Weise läl.'t sich die Temperatur der Oberfläche besser einhalten. Auch muß für eine einwandfreie Durchmesscrbcstimmung die Entfernung zwischen dem Strahlendetektor 31 und der Oberfläche der Schmelze 2 immer einen vorgegebenen Wert besitzen. Die Steuerung der Tiegelgcsehwindigkeit beruht auf der vorgegebenen /iehgeschwindigkcit und auf der Bewegung der von dieser abhängigen Abnahme der Schmelze während des Ziehvorganges. Bei der Berechnung wird berücksichtigt, ob sich dicObcrflächeder Schmelze noch im zylindrischen Bereich oder bereits im Endbereich des Tiegels, in dem die Oberfläche der Schmelze abnimmt, befindet.

Das Endstück des Kristalls wird geformt, wenn die Schmelze nahezu verbraucht ist. Dies erfolgt durch eine Verringerung der Geschwindigkeit der Aufwärtsbewegung des Tiegels bis zum Stillstand unter Beibehaltung der Zichgeschwindigkeit. durch allmähliche Reduzierung der Kristalldrehung auf den halben Wert noch während des Ziehens des Hauptteiles und durch allmähliche Steigerung der Heizenergie in vorgegebener Weise.

Es wurde bei einein typischen Ausführungsbeispiel der Erfindung für den Zuwachs an Heizenergie innerhalb eines bestimmten Zeitabschnittes während des Ziehens des Hauptteiles. der abhängig ist von der sich ändernden Lage des Tiegels 4 in bezug auf das Heizelement U und von der durch die Erstarrung frei werdenden Schmelzwärme, folgende idealisierte Beziehung gefunden:

10

.ΙΛ

dR

IC-

3414

• ///· F₁,

I/. (1)

Hierin bedeutet

I R den Zuwachs an Heizenergie, ausgedrückt durch eine entsprechende Anzeige des Strahlendetektors 30,

C die Stellung des Tiegels 4 in bezug auf das Heizelement 11.

If das Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abfragen des Strahlendetektors 30 während zwei aufeinanderfolgenden Zeitabschnitten.

Hf die freigegebene Schmelzwärme in Wärmeeinheiten pro Zeiteinheit.

F₁, die Änderung der Anzeige des Strahlendetektors in mV bei einer Änderung der Heizeneraie von 1 kW

fein typischer Wert hierfür ist 2 \,

V kW I

Fi ein empirischer Wert im Bereich von 0.07 bis 0.04. der durch die vom durchströmenden Argon abgeführte Wärme bestimmt wird, und

•j.h den Wirkungsgrad des Heizelementes, der bei etwa 85 bis 9*5% liegt.

schauenden Betrachtung beruhen. Es gilt dann die folgende Beziehung:

worin bedeutet

I Ra-nrn den berichtigten Wert für den erforderlichen Zuwachs in der Anzeige des Strahlendetektors 30.

//·./ die vorherbestimmte Anzeige des Strahlen

detektors 31.

//,■/■ einen Bezugswert der Anzeige des Strahlendetektors 31 (vorherbestimmt an einem ¹S Punkt mit hoher Empfindlichkeit in bezug

auf Temperaturänderungen).

Irr die Anzeige des Strahlendetektors 31 während des laufenden Zeitabschnittes.

li'v die Anzeige des Strahlendetektors 31 während des unmittelbar vorhergehenden Zeitabschnittes.

/, einen Proportionalitätsfaktor mit einem

typischen Wert 0.02.
/", einen Dämpfungsfaktor mit einem typischen

Wert 0.06 und

/, einen S>kalenfaktor mit einem typischen

Won. 0 70

30 Das Problem der durch die thermische Trägheit bedingten Verzögerung wird durch eine Korrektur der Ziehgeschwindigkeit zusätzlich zu der beschriebenen Korrektur der Heizenergie weiter verringert. Ein nsmineller Wert für die Ziehgeschwindigkeit wird zu Beginn des Ziehvorganges von der Steuervorrichtung 12 aus einer W ertetabelle ausgewählt. Die Wahlwirddun.'¹". den Kristalltyp und den gewünschten Durchmesser beeinflußt. Der ausgewählte Wert wird durch ein idealisiertes System bestimmt, in dem keine nichtsteuerbarer: Größen auftreten. Anders als der idealisierte Wert für den Zuwachs an Heizenergie, der wegen der Änderungen im thermischen System laufend neu nach der Beziehung (1) berechnet werden muß. ist der vorgegebene nominelle Wert für die Ziehgeschwindigkeit konstant. Er wird daher in der Steuervorrichtung 12 gespeichert. Wie im Fall der Korrektur der Heizenergie ist es jedoch auch notwendig, den nominellen Wert der Ziehgeschwindigkeit zu korrigieren, damit Instabilitäten während des Ziehvorganges, die den Kristalldurchmesser beeinflussen, kompensiert werden. Die Berichtigung der Ziehgeschwindigkeit wird gemäß folgender Beziehung vorgenommen:

Der Zuwachs an Heizenergie .1 R. der durch die obiee idealisierte Beziehung bestimmt wird, muß noch korrigiert werden, da im System auftretende thermische Instabilitäten noch nicht berücksichtigt wurden. Die Korrektur sollte dabei wegen der beträchtlichen Verzöcerunc. die zwischen einer Änderung der Heizenercie und der von dieser verursachter. Änderung der Temperatur der Schmelze liegt, auf einer zeitlich ν orau-,- XPy = XP₁. . (J pj - I_RF) . fp J- (Ip_T - Ipy) ■ Jl:

worin bedeutet

Λ'Γ.ν die korrigierte Ziehgeschwindigkeit, XPi- die nominelle Ziehgeschwindigkeit,

/;· einen Proportionalitätsfaktor mit einem typ' sehen Wert 1.0 und

/υ einen Proportionalitälsfaktor mit e::*e:.i t>P' sehen Wert 4.0.

Ein Beispiel für eino Instabilität während des Z:e!i vorgances. die fijr die genaue Steuerung des Durcii

mcssers die Korrektur der nominellen Werte für die Ziehgeschwindigkeit und die llei/.encrgie verlangt, ist die Bildung eines flockigen Belages an den inneren Ofenwänden. Dieser wird erzeugt durch die Reaktion der ^ciliciumschmelze mit dem Quarztiegel, der die Schmelze enthält, bei der Siliciummonoxyd entsteht. Dieses ist gasförmig, schlägt sich jedoch als floekenartiger Belag auf den relativ kühlen Innenwänden des Ofens nieder. Dieser Belag wirkt thermisch isolierend und kann daher Instabilitäten im thermischen System verursachen. Dies beeinflußt die Temperatur der Schmelze und damit auch den Kristalldurchmesser.

Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung kann mil Hilfe einer analog arbeitenden Steuervorrichtung durchgeführt werden. Vorteilhaft wird hierfür jedoch ein mit größerer Genauigkeit arbeitender Digitalrechner verwendet. In den F i g. 3 bis 5 ist d is Flußdiagramm eines Programms dargestellt, das in einen den Ziehvorgang steuernden Digitalrechner eingegeben wird.

Der Block 32 in F i g. 3 stellt die manuelle Eingabe des Krislalltyps und des gewünschten Durchmessers dar. Die Blöcke 33 und 34 zeigen den Zugriff dca Rechners zu Datentabellen, wobei er die nominellen Werte für die Kristallziehgeschwindigkeit und die Drehgeschwindigkeiten des Kristalls und des Tiegels in Abhiigigkeit vom Kristalltyp und vorgegebenen Durchmesser sowie empirisch bestimmte Konstanten für die Steuerung des Ziehvorgangcs während der Phase der Einschnürung und der Rundung auswählt. Diese Werte werden gesondert gespeichert, so daß sie für die nachfolgenden Berechnungen leicht zugänglich sind. Der Ziehvorgang kann nun auf ein Startsignal der Bedienungskraft hin beginnen. Dieses Signal wird gegeben, wenn die Schmelze die gewünschte Temperatur erreicht hat.

Bei einer vollständigen Steuerung durch den Rechner tritt das Problem auf, daß ein geeignetes Gerät zum Erfassen der absoluten Temperatur an der Oberfläche der Schmelze und der Temperaturverteilung in der Schmelze nicht vorhanden ist. Es ist daher vorteilhafter, die Bedienungskraft schätzen zu lassen, wann die Temperatur der Schmelze den richtigen Wert für den Beginn des Ziehprozesses besitzt. Hierbei wird die Oberfläche der Schmelze durch das Sichtglas 24 beobachtet, während gleichzeitig die Anzeige des Strahlendetektors 30 geprüft wird. Wenn die Bedienungskraft der Auffassung ist, der richtige Temperatuiwert sei erreicht, dann drückt sie den Startknopf und löst somit den Ziehvorgang aus. Es kann auch die Möglichkeit bestehen, daß während der Phase der Einschnürung und der Rundung die Steuerung durch den Rechner unterdrückt wird und eine Steuerung von Hand erfolgt, wenn dies nach Ansicht der Bedienungskraft bessere Ergebnisse liefert.

Wenn der Startknopf gedrückt wird (Block 36), wird gleichzeitig vom Rechner das der Temperatur der Schmelze zugeordnete Ausgangssignal des Strahlendetektors 30 übernommen und gespeichert. Zur gleichen Zeit wird der Keimkristall mit vorgegebener Geschwindigkeit aus der Schmelze gezogen. Die Ziehgeschwindigkeit kann dabei vom Stillstand aus bis auf einen Wert von etwa 7 cm pro Stunde gesteigert werden. Nach bestimmten Zeitabschnitten, beispielsweise nach jeweils 18 Sekunden, bildet der Rechner neue Werte für die Steuerung der Heizenergie, für das Aufwärts- und Drehbewegungen des Kristalls und des Tiegels. Der Block 37 zeigt den Teil des Programms, in dem die Ermittlung der Zeitabschnitte vorgenommen wird.

In jedem Zeitabschnitt erfolgt ein Zugriff des Rechners zu der Speichcrstellc, in der die Signale des Strahlendetcktors 31 gespeichert sind (Block 38). Es ist. wesentlich, daß die Ausgangssignale des Strahlendetektors 31. die den Durchmesser des roiieicnden Kristalls 10 angeben, nur in den Zeitpunkten gespeichert werden, in denen sich der Kristall 10 in einer

ίο bestimmten Winkelstellung bcl'indet. Dies kann in einfacher Weise durch einen nichtgezeigten, nockengestcuerten Schalter erfolgen, der die Signale auf der Leitung 15 nur in einer bestimmten Winkelstellung des Schaftes 3 passieren läßt. Das Programm des Rechners wird dann unterbrochen, so daß der Wert gespeichert weiden kann. Die Programmunterbrechung und Speicherung des Wertes für den Kristalldurchmesscr ist durch Block 29 dargestellt.

Jodesmal, nachdem der Rechner den gespeicherten.

dem Durchmesser entsprechenden Ausgangswert des Detektors 31 abgefragt hat, wird eine Entscheidung darüber getroffen, ob der Kristalldurchmesscr sich dem vorgegebenen nominellen Wert annähert (Block 40). Wenn dies nicht der Fall ist, befindet sich der Kri-

»5 stall noch in der Einschnürungsphase, und ein Signal für einen angemessenen Zuwachs an Heizenergie während des nächsten Zeitabschnittes muß erzeugt werden. Der Zuwachs an Heizenergie wird für jeden Zeitabschnitt mit Hilfe der folgenden, empirisch ermittelten Beziehung bestimmt:

P - F₁ -In(F₂- A ■■ 1).

Hierbei ist

A die gewünschte Änderung des Wachstumswinkels für einen gegebenen Zeitabschnitt (in Grad),

P die erforderliche prozentuale Änderung d<*r Energie, dargestellt durch die /\nzeige des Strahlendetcktors 30 in mV,

F₁ ein empirisch ermittelter Faktor mit einem typischen Wert 1.051 und

F, ein empirisch ermittelter Faktor mit einem typischen Wert 0,201.

Der zu Beginn gespeicherte Anfangstemperaturwert (Block 36) wird in Übereinstimmung mit der gemäß Block 41 durchgeführten Rechnung für den Fall etwas erhöht, daß im Block 40 entschieden wurde, daß der

Durchmesser noch nicht die gewünschte Änderung besitzt. Der erhöhte Temperaturwert wird in die folgende Beziehung eingesetzt, mit der ein digitaler Wert ;?i_n, welcher die an das Heizelement 11 abzugebende elektrische Energie darstellt, berechnet wird (Block 42 in Fi g. 5). Dieser Wert wird einem Digital-Analog-Wandler zugeführt, über den die analoger Speiseschaltungen für das Heizelement 11 angesteuen werden.

m„ = »i₀ — K₂ {e — K₁ Λ V), J V = V_n - Κ,«-,,,

Hl_n =

e = S - V_n.
Es ist

/H_n der digitale Steuerwert für das Heizelement, ή₀ ein digitaler Bezugswert für die Energie bei einet

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Ofensteuerung. Er ist abhängig von dem verwendeten Heizelement und liegt in der Regel im Bereich von 400 bis 600 F.inheitcn.

λ', ein Faktor mit einem typischen Wert 2.5, K₂ ein ."'aktor mit einem typisclicn Wert 4,0,

Kj ein Korrekturfaktor mit dem typischen Wert 0,3 und mit dem gleichen Vorzeichen wie der Ausdruck U- K₁ I I'').

V_n die /i-te Anzeige des Strahlendetektors 30,

S ein gesetzter Wert für \'„ und

e ein Fchlerwert.

Wenn im Block 40 festgestellt wird, daß der Kristalldurchmesser sich dem vorgegebenen Wert nähert, dann wird im Block 34 an Hand der für den Ziehvorgang bereits verbrauchten Zeit eine weitere Entscheidung darüber getroffen, ob die Phase der Rundung bereits beendet ist. Lautet die Entscheidung »nein", dann werden die Geschwindigkeiten der Aufwärtsbewegungen des Kristalls und des Tiegels in vorgegebener Weise erhöht (Block 44), und der nächste Zuwachs für die Hei/.-energie wird wie beschrieben berechnet (Block 41).

Wenn die während des Ziehvorganges bereits abgelaufene Zeit ergibt, daß die Phase der Rundung bereits beendet ist, dann wird die Länge des bisher gebildeten Kristallteiles berechnet (Block 58 in Fi g. 4) und mit der maximalen Länge, die der gezogene Kristall auf Grund der ursprünglich eingebrachten Siliziummenge erreichen kann, verglichen (Block 56). Wenn der Vergleich zeigt, daß der Kristall die maximale Länge bereits besitzt, wird gemäß Block 57 die Bildung des Endstückes eingeleitet. Dies erfolgt durch Steigerung der Heizenergie, wodurch die Temperatur der Schmelze erhöht wird und verhindert wird, daß der Kristall am Tiegelboden erharrt, durch allmähliche Wiederherstellung der ursprünglich vorgegebenen Ziehgeschwindigkeit und durch allmähliche Verringerung der Drehgeschwindigkeit des Tiegels sowie Verlangsamung seiner Aufwärtsbewegung bis zum Stillstand.

1st die maximale Länge noch nicht erreicht, dann wird eine Berechnung entsprechend Block 45 durchgeführt. Hierzu werden zwei vorhergehende Anzeigewerte des Strahlendetektors 31 nach der folgenden Beziehung miteinander verknüpft, um so eine Vorhersage für einen folgenden Anzeigewert zu erhalten.

sierten Beziehung (1) und der Beziehung (2) [Blöcke 46 und 47], der zu dem bisherigen Vorgabewert für die Hcizcnergic addiert wird (Block 48) und somit einen neuen Vorgabewert schafft, der ebenfalls gespeichert wird. Weiterhin erfolgt die Berechnung eines neuen Wertes für die Ziehgeschwindigkeit entsprechend der Beziehung (3) [Block 49]. Auch dieser Wen wird gespeichert. Wie Block 50 zeigt, wird daraufhin der bisherige Verbrauch der Schmelze bestimmt, damit eine

ίο Entscheidung darüber gefällt werden kann, ob sich die Oberfläche der Schmelze noch im zylindrischen Bereich 32 oder bereits im gekrümmten Bodenbereich 33 des Tiegels 4 befindet (Block 51 in F ι c. 5). Ist die Oberfläche bereits in den Bodenbereich 33 abgesunken,

dann wird die Geschwindigkeit der Aufwärtsbewegung des Tiegels nach folgender Beziehung bestimmt:

UC
d/

D²

d²
- 4 I S-

d.v
άι

Diese Bestimmung ist in Block 52 dargestelli. Im

anderen Fall, in dem sich die Oberfläche noch im zylindrischen Bereich 32 des Tiegels befindet, '-ill für

die Berechnung der Geschwindigkeit der Aufv.artsbewegung des Tiegels die folgende Beziehung (Block 53):

dC
dt

D²

d.v

dt

= 2 -1pt —

Die einzelnen Ausdrücke in dieser Beziehung wurden bereits an Hand der Beziehung (2) definiert. Es werden die beiden zuletzt erhaltenen Anzeigewerte des Strahlendetektors 31 verwendet und hieraus durch lineare Projektion der Vorhersagewert ermittelt. Wie bereits bei dem speziellen Ausführungsbeispiel erwähnt wurde, findet nach jeweils 18 Sekunden eine Auswertung der Ausgangssignale des Strahlendetektors 31 statt, so daß der vorhergesagte Wert beispielsweise für einen Zeitpunkt, der 36 Sekunden nach de' Ablesung des letzten der beiden für die Voraussage verwendeten Anzeigewerte liegt, gelten soll. Die lineare Projektion hat sich als ausreichend erwiesen. Eine nichtlineare Projektion kann natürlich auch durchgeführt werden. Der berechnete Vorhersagewert wird für eine spätere Verwendung gespeichert.

Das Programm bewirkt anschließend die Berechnung des Zuwachses von Heizenergie lach der ideali-Hierbei bedeutet in beiden Beziehungen (7) i:nd ;S): _dt die Absenkgeschwindigkeit der Schmcl/.·; oberfläche,

df ^{die Zieh}g^csctiwindigkeit.
d den Kristalldurchmesser und
D den Tiegeldurchmesser.

Der berechnete neue Wert für die AufwärtsecM hwindigkeit des Tiegels wird ebenfalls gespeichert". iJie Bestimmung der bereits verbrauchten Schmelze (Hh>ck50) beruht auf der Ausgangsmenge des Silicium*, der nominellen Ziehgeschwindigkeir und der abgelaufenen Zeit seit Beginn des Ziehvorganges.
Die bei dem einen Durchlauf des Proeranims berechneten Werte für die einzelnen Verfahrensiirößen werden für den nächsten Zeitabschnitt als neue Vorgabewerte verwendet. Zuerst wird der digitale Wert fur die Heizenergie aus Block 42 einem Digital-A nalog-Wandler zugeführt, über den das Heizelement 11 gesteuert wird. Als nächstes erfolgt die Berechnung der digitalen Ausgangswerte (Block 54) für die einzelnen Motoren, wobei die folgende Beziehung verwendet wird:

^mn = /«(„-,) -f e/2, (9)

e = S-V_n,
wobei

m„ der dem Motor zugeführte Ausgangswert,

.'S(Ii-J) der vorhergehende, dem Motor zugeführte Ausgangswert,

e der Fehlerwert,
5 der Vorgabewert bei V_n und

^vn die n-te Anzeige des Umdrehungszählers sind.

η ^Dlv ^Vo^^abewerte für die Drehgeschwindigkeiten -es .^rista.is und des liegeis sind in der Regel Kon-

staut, -ο daß diese während des Programmablaufes nicht berechnet zu werden brauchen. Die Vorgabewerte für die Aufwärtsgeschwindigkeiten des Kristalls und des Tiegels werden in den Blöcken 49 und 52 bzw. 53 gebildet. Die berechneten digitalen Ausgangswerte werden den zugeordneten Motorsteucrcinnchtungen über Digital-Analog-Wandler zugeführt.

Als Folge der neuen Vorg.i λ orte werden neue Werte der Verfahrensgrößen, d. h. der Temperatur der Schmelze, der Geschwindigkeiten der Aufwärtsbewegungen und der Drehgeschw.ndigkciten des Kristalls und des Tiegels, gemessen und gespeichert (Block 55). Ein neuer Umlauf des Programms wird durch den Eintritt in Block 37 eingeleitet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 schmelze oder der Zieh^esch^indigkeit der Durehme>- Paiemansnrüche: scr des Einkristalle verändert. Auch der elektrische Widerstand des Einkristalls in Längsrichtung ändert

1. Verfahren zum Ziehen von HalhleiterkrisiaHen sich ir^;t der Ziehgeschwindigkeit, während der Widermil gesteuertem Durchmesser aus einer in einem 5 stand in radikaler Richtung \ on den Drehgeschwindigbeheizien. bewegbaren Tiegel beiindlichen Schmel- keilen des Kristalls und des Behälters abhängt. Das ze. wobei die Temperatur der Schmelze. Ziehen eines Hinkristalls mit gewünschten Eigenschafder Krisiaildurchmesser und die Geschwindigkeit ien erfordert daher einen Fachmann mit großer Erder Bewegungen \on Kristal! und Tiegel erfaßt wer- fanning. Diener beobachtet den Einkristall während den. die Ziehgeschwindigkeit einstellbar ist und die -.o des Ziehens durch ein Sichifenster. Er muß den Durc'n-Heizung der Schmelze in Abhängigkeit \on einem messer schätzen jiid bei Abweichungen von Sollwert gegenüber der erfaßten Temperatur korrigierten die notwendigen Korrekturen vornehmen. Hierfür Temperaturwert geregelt wird, d a α υ r ,■ .". ge- erhält er keine Instruktionen, sondern er muß diese kennzeichnet, daß der korrigierte Tempe- auf Grund seiner Erfahrung vornehmen. Den Fähigraturwert aus der erfaßten Temperatur und einem 15 keilen eines solchen Fachmannes sind jedoch auch aus vorhergehenden gemessener, Werten extrapolier- Grenzen geseizi. zumal immer größere Kristalle gezoten We.ι für den Kristalldurchmesser ermittelt gen werden, die Ziehgeschwindigkeit erhöht wird, wird. neue Materialien verwendet und größere Anforderun-

2. Verfahren nach Anspruch ';. dadurch gekenn- gen an die elektrischen Eigenschaften gestellt werden, zeichnet, daß ein nomineller Wert für die Kristall- 20 So ist es ihm nicht möglich, einen Einkristall mit einem ziehge^chwindigkeit vorgegeben wird und dieser über die ganze Länge konstanten Durchmesser zu Wert mit Hilfe des vorausbestimmten Wertes für ziehen. Auch wird er Kristallversetzungen nicht verdienen Kristalldurchmesser korrigiert wird und meiden können, die bei schnellen Änderungen der daß die Ziehgeschwindigkeit in Abhängigkeit der den Ziehvorgang beeinflussenden Größen auftreten. Differenz aus dem korrigierten Wert der nominellen 25 Es ist auch bekannt, den Ziehvorgang nicht durch Zichgeschwindigkeit und der erfaßten Ziehge- eine Bedienungsperson, sondern durch eine RegeleinschwindS'.keit gesteuert wird. richtung zu steuern. Hierbei werden die Temperatur der

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und Schmelze sowie der Durchmesser des gerade gezogenen 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Kristaiidurch- Teils des Kristalls ermittelt und zu einem die Heizung messer jeweils in einer bestimmten Winkellage des 30 der Schmelze, aus der der Kristall gezogenwird, steicrn-Kristalls erfaßt wird. den Signal kombiniert. Es besteht jedoch eine nicht zu

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3. vernachlässigende zeitliche Differenz zwischen einer dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturen und Änderung der Energiezufuhr für die Heizung und ihrer Änderungen der einzelnen Werte von einem Einwirkung auf den Kristalldurchmesser. Es treten Digitalrechner durchgeführt werden. 35 daher auch hier noch relativ große .Abweichungen vom

gewünschten Durchmesser auf.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe

zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem hochwertige Einkristalle gezogen werden können, sie sowohl 4° in bezug auf den Durchmesser als auch die Kristall-

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ziehen struktur gleichförmig sind.

von Halbleiterkristallen mit gesteuertem Durchmesser Diese Aufgabe wird bei dem anfangs genannten Ver-

aus einer in einem beheizten, bewegbaren Tiegel be- fahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der korri-

findlichen Schmelze, wobei die Temperatur der gierte Temperature ert aus der erfaßten Temperatur

Schmelze, der Krislalldurchmesser und die Geschwin- 45 und einem aus vorhergehenden gemessenen Werten

digkeit der Bewegungen von Kristall und Tiegel erfaßt extrapolierten Wert für den Kristalldurchmesser er-

wei !cn. die Ziehgeschwindigkeit einstellbar ist und die mittelt wird. Hierzu wird vorteilhaft ein nomineller Wert

Heizung der Schmelze in Abhängigkeit von einem ge- für die Kristallziehgeschwindigkeii vor: jgeben und

genüber der erfaßten Temperatur korrigierten Tempe- dieser Wert mit Hilfe des vorausbestimmten Wertes

raturwert geregelt wird. 50 für den Kristalldurchmesser korrigiert und eine Steue-

Ein bekanntes Verfahren zum Ziehen von Ein- rung der Ziehgeschwindigkeit in Abhängigkeit der

kristallen ist das Czochralski-\ erfahren. Hierbei Differenz aus dem korrigierten Wert der nominellen

wird hochreines Halbleitermaterial in einem Behälter Ziehgeschwindigkeit und der erfaßten Ziehgcschwin-

gcschmolzen und die Temperatur anschließend etwas digkeit vorgenommen.

Über dem Erstarrungspunkt des Materials gehalten. 55 Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in

Ein Keimkristall wird dann in die Schmelze getaucht den Figuren dargestellten Ausführungsheispieles naher

und langsam wieder aus dieser heraiisge/.og;n. Vom erläutert. Es zeigt

Keimkristall ausgehend, bildet sich dann mil der glei- F i g. 1 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung

ehen Struktur der Einkristall. Damit dieser gewünschte zum Ziehen von Kristallen,

elektrische Eigenschaften erhält, werden der Schmelze 5c. F i g. 2 einen Kristall nach Beendigung des Ziehvor-

bestimnUe Mengen von Dotierungsstoffen beigegeben. ganges und

Für die Kristallbildung ist die genaue Einhaltung be- F" i g. 3 bis 5 ein Flußdiagramm für das Verfahren

sonderer Bedingungen erforderlich. DieTemperaturder nach der Erfindung, das beispielsweise durch einen

Schmelze, die Ziehgeschwindigkeit, die Geschwindigkeit Digitalrechner gesteuert wird.

der Aufwärtshewegung des Behälters für die Schmelze 65 Im gezeigten Beispiel wird eine Siliciummenge von

sowie die Drehgeschwindigkeiien des Kristalls und ties HX)O g in einem Ouarztiegel geschmolzen und auf einer

Behälters müssen bestimmte Werte besitzen. Zum Bei- Temperatur von etwas mehr als 1400 C gehalten. Eine

sniel wird durch Änderungen der Temperatur der luftdichte zylindrische Kammer und ein Kristallzieh-