DE2529329A1

DE2529329A1 - Verfahren zum tiegellosen zonenschmelzen

Info

Publication number: DE2529329A1
Application number: DE19752529329
Authority: DE
Inventors: Hans-Adolf Gerber; Heinz Dipl Chem Dr Herzer; Anton Huber; Volker Ofenmacher
Original assignee: Wacker Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 1975-07-01
Filing date: 1975-07-01
Publication date: 1977-01-13
Also published as: DE2529329B2; GB1561112A; FR2315993B1; JPS5617313B2; FR2315993A1; DK147438B; DE2529329C3; NL7606167A; JPS526309A; BE843542A; DK147438C; IT1066271B; DK294076A

Description

Verfahren zum tiegellosen Zonenschmelzen

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

Es ist bekannt, mit Hilfe einer Fernsehkamera mit einem Vielfachfotozellensystem, auch Videkon genannt, die Schmelzzonenform beim tiegellosen Zonenschmelzen aufzunehmen. Das mit einem Elektronenstrahl zeilenweise abgetastete Abbild der Schraelzzonenform in der Fernsehkamera liefert der Helligkeit des Abbildes proportionale Impulse, denen Informationen über die die Schmelzzonenform charakterisierenden Größen entnomnen 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 dein Sxande dor Technik einfacheres und damit preiswerteres und weniger störanfälliges Verfahren zu entwickeln, welches es erlaubt, die

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für die Charakterisierung der Schrnelszonenforra beim tiegellosen Zonenziehen notwendigen Parameter in Form von analogen oder digitalen Daten zu ex-fassen, die ausreichen, über ein Steuerprograism eines Prozeßrechners ein gegebenenfalls vollautomatisches Zonenziehen zu ermöglichen.

Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zum tiegellosen Zonenschmelzen eines vertikal orientierten Kalbleiterstabes aus insbesondere Silicium, mit einer den Stab koaxial umschließenden und parallel zu seiner Achse verschiebbaren Heilvorrichtung zur Erzeugung einer Schiaelzzone, bei w&lchei» der Durchmesser des aufwachsenden, einkristallinen Stabteiles durch Steuerung der Leistungs zufuhr und/oder Ziehgeschwxndigkext in Abhängigkeit einer oder mehrerer, durch Erfassung der Schmelzzonenform gewonnener Regelgrößen mittels eines Regelsystems bestimmt und gegebenenfalls nachgestellt wird, das dadurch- gekennzeichnet ist, daß d^e räumliche Ausdehnung der Schmelzzone durch die Anzahl der belichteten Dioden einer oder mehrerer Multidiodenarrays 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 Parameter beim tiegellosen Zonenschmelzen von Halbleiterstäben, wie insbesondere Durchmesser und Zonenhöhe der Schmelzzone, sowie die exakte Lage der Erstarrungsfront ,worunter die zuletzt gebildete, an die Schraelzzone 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, mit den erhaltenen Daten direkt und gegebenenfalls kontinuierlich die Leistungszufuhr oder Ziehgeschwxndigkext so zu regeln, daß Abweichungen des gewünschten Stabdurchmessers als auch Änderungen der Zonenhöhe ständig ausgeglichen werden können. Beim indirekten Einsatz der erhaltenen

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Daten wird ein Rechner zwischengeschaltet, der die erhaltenen Daten mit den Sollwerten des eingegebenen Programms vergleicht und über ein Regelsystem gegebenenfalls den gesar.ten 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 gewünscht« Zonenhohenanderungen 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 PoIystabes 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 allgemeinen 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 Dioden gegeben ist, gestaltet sich die exakte Bestimmung der Zonenhöhe ungleich schwieriger, da mehrere Fest-Flüssig-Phaf-:enübergänge in diesem Bereich vorhanden sind. Erfindungsgemäß gelingt es nun, den ersten Fest-Flüssig-Phasenübergang des PoIystabes zur Schmelze eindeutig zu bestimmen und hierdurch exakte reproduzierbare Werte für die Zonenhöhe zu erhalten. Für die eindeutige Erfassung eines Fest—Flüssig-Phasenüberganges ist dabei die Reduktion des Photostronies, die durch die unterschiedliche spektrale Zusammensetzung des beim Übergang von 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 Multidiodenarrays problemlos bestimmen.

Die Erfindung ermöglicht im übrigen auch die gleichzeitige Bestimmung mehrerer Ausdehnungsgrößen der Schmelzzone mit mehreren Multidiodenarrays bevorzugt unter Verwendung halbdurchlässiger Spiegel. So erfolgt

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bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform die gleichzeitige Bestimmung der vertikalen und horizontalen Ausdehnung der Schmelzzone mit zwei Multidiodenax-rays, die in Durchlaß- und Reflexionsrichtung eines im Winkel von 45 vor der Schmelzzone des Halbleiterstabes aufgestellten halbdurchlässigon Spiegels parallel der asu messenden Ausdehnungsgrößen angeordnet sind.

Die Multidiodenarrays werden üblicherweise mit einem Linsensystem versehen in Form im Handel erhältlicher Fotodiodenkameras eingesetzt.

Die Meßgenauigkeit richtet sich nach dem gewählten Abbildungsraaß*· stab und der Anzahl der das Multidiodenarray aufbauenden Dioden. Beträgt der Abbildungsmaßstab also beispielsweise 1:1 und werden Multidiodenarrays verwendet, die beispielsweise auf 100 mm 5*2i 1.024 oder 1,872 Dioden enthalten, so lassen sich die Ausdehnungsgrößen der Schrnelzzone 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 ram über der Erstarrungsfront gemessen.' Die Selbst justierung 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 bestimmt wird, wobei die einmal gewählte Stelle natürlich aufgrund der Vergleichbarkeit für den gesamten Zonen zug beibehalten werden soll.

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Die über die Multidiodenarrays erhaltenen Daten über die Schmelzzonenform können als Regelgrößen auf ein Regelsystem gegeben werden, dem ein entsprechend dem jeweilig gewünschten Kristalldurchraesser 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 Multidiodenarrays, des erheblich geringeren elektronischen Schaltaufwandes, der einfachen Positionierung der gesamten Meßanordnung ohne umständliche Nachjustierung und in der einfachen Wartung bei gleichzeitig geringen Kosten liegen.

In den Figuren 1 bis 4 wird der Erfindungsgegenstand näher ausgeführt, ohne darauf beschränkt zu sein.

Figur 1 zeigt die im Verfahren angewandte Meßanordnung. Figur 2 gibt in schematischer Darstellung das Prinzip der Durchmesserbestiraraung wieder.

Figur 3 verdeutlicht das Prinzip der Zonenhöhenmessung. Figur 4 gibt ein Regelschema zur genauen Positionierung des Meßsystems gegenüber der Schmelzzone wieder.

Die Meßanordnung nach Figur 1 besteht aus 2 Diodenkaraeras mit den Multidiodenarrays 1 für die Bestimmung der Zonenhöhe χ und 2 für die Bestimmung des Durchmessers y der Schmelzzone 6. Die beiden Diodenkameras sind auf einen in der Höhe verstellbaren Schlitten 3 so montiert, daß das Multidiodenarray 2 horizontal und das Multidiodenarray 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 Multidiodenarrays wird dabei durch den im Strahlengang angeordneten halbdurchlässigen Spiegel 5 gewährleistet, der in einem Winkel von 45 gegenüber dem Halbleiterstab geneigt ist..

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Hit dem horizontal angeordneten Multidiodenarray 2 wird der Durchmesser y der mit einer Induktionsspule 10 ira Polystab 9 aufgeschmolzenen Schinelzzone 6 in einem genau einstellbaren Abstand Δχ von der Erstarrungsfront 7 des einkristallin aufwachsenden Stabteiles 8 gemessen. Das vertikal angeordnete Multidiodenarray 1 dient erstens zur Messung des Abstandes der die Schmelzzone 6 begrenzenden Halbleiterstäbe 8 und 9 j 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 des vertikal messenden Arrays I abgebildet wird. Um das Keßsystem demgemäß selbst justierend der den Stab durchwandernden Schmelzzone 6 nachzufahren, wird der mit dem vertikal angeordneten Multidiodenarray 1 gemessene Wert für &x als Regelgröße R/Ä. χ an den Sollwertregler 11 weitergegeben und dort mit dem Sollwert für Ax verglichen. Entsprechend der Abweichung der beiden Werte wird mit dem Motoi' 131 gesteuert vom Geschwindigkeitsregler 12, das Meßsystem durch Nachfahren oder gegebenenfalls auch Zurückfahren gegenüber der Schmelzzone 6 auf konstantem Niveau gehalten.

DLe vom Multidiodenarray 1 durch Bestimmung der Zonenhöhe χ erhaltene Regelgröße Rx und die vom Multidiodenarray 2 durch Bestimmung des Schraelzdurchraessers 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 Kristalldurchraesser 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 Figur 2 ist das Meßprinzip für die Durchmessermessung mit Hilfe des horizontal angeordneten Multidiodenarrays 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 Dioden 17 des Multidiodenarrays 2. Durch eine Triggerschwelle 18 wird der

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Übergang von unbelichteten bzw, nur wenig belichteten 19 zsu belichteten Dioden 17 auf einen Diodenabstand genau gemessen. Die Anzahl der belichteten Dioden 17 wird zwischen je zwei Startimpulsen 20 eines Schieberegisters gezählt, wobei das Clocksignal 21 die Zeit steuert, in der die einzelnen Dioden abgetastet werden. Die Anzahl der belichteten Dioden 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 ausgegeben werden*

In Figur 3 ist die Zonenhöhenmessung, die mit Hilfe des vertikal, angeordneten Multidiodenarrays 1 vorgenommen wird, schematisch dargestellt. Im Gegensatz zur Durchmesserbestimmung, bei der das Bild der Schmelzzone sich scharf gegen einen dunklen Hintergrund abhebt, ist der Htilligkeitsverlauf 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 dss Spektrums des emittierten Lichtes zu sehen und der damit verbundenen Änderung in der Photostromausbeute der einzelnen Siliciumphotodxoden. 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 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 Anzahl der Fest-Flüssig-Phasenübergänge bzw. die Schwellen im Photostrom gezählt, d.h. die Anzahl der abfallenden Flanken im Ausgartgssignal 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.

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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 Schmelz-, zone schwimmende Schicht zu einer Verfälschung der Zonenhöhemnessung führen könnte.

Die selbstjustierende Positionierung des Meßsystems gegenüber der
Schnelzzone 6 ergibt sich aus Figur 3 - da sie Bestandteil der Zonenhöhenmessung ist - und Figur 4. Über ein Schieberegister werden
die einzelnen Photodioden des Multidiodenarrays 1 abgetastet und deren Zustände ermittelt. Mit Hilfe einer Triggerschwelle 27 kann dabei die Lage eines Fest-Flüssig-Phasenübcrgangs sehr empfindlich ermittelt werden. Zur Positionierung des Meßsystems wird nun die Anzahl der Clockirapulse 29 vom Startirapuls 28 bis zur ersten abfallenden Flanke 31 des Ausgangssignals 3O, welche dem unteren*Fest-Flüssig Phasenübergang an der Erstarrungsfront 7 und dem dadurch 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 I3 das gesamte Meßsystem in einer Position gegenüber der Schraelzzone 6 hält, so daß der Phasenübergang fest-flüssig von Erstarrungsfront 7 und Schmelzzone 6 immer an der gleichen Stelle des vertikal messenden Multidiodenarrays 1 abgebildet wird.

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Claims

Patentansprüche

1) Verfahren zum tiegellosen Zonenschmelzen eines vertikal orientierten Halbloiterstabes aus insbesondere Silicium, mit einer den Stab koaxial umschließenden und parallel zu seiner Achse verschiebbaren Heizvorrichtung zur Erzeugung einer Schmelzzone, 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 Regelsystoms bestimmt und gegebenenfalls nachgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die räumliche Ausdehnung der Schmelzzone durch die Anzahl der belichteten Dioden eines oder mehrerer Multidiodenarrays zwischen jeweils zwei gegenüberliegenden Hell-Dunkel-Übergängen der freien Schinelzoberfläche 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 mehrerer Ausdehnungsgrößen der Schmelzzone mit mehreren Multidiodenarrays unter Verwendung halbdurchlässiger Spiegel erfolgt.

3) Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennz e i c h η e t , daß die gleichzeitige Bestimmung der vertikalen und horizontalen Ausdehnung der Schmelzzone mit zwei Multidiodenarrays erfolgt, die in Durchlaß- und Reflexionsrichtung eines im Vinlcsl von 45 vor der Schmelzzone des Halbleiterstabes aufgestellton halbdurchlässigen Spiegels parallel der zu messenden Ausdehnungsgröße angeordnet sind.

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4) Verfahren nach Anspruch 1 bis 3i dadurch gekennzeichnet , daß die Meßanordnung selbstjustierend der den Stab durchwandernden Schraelzzone nachgeführt wird, indem ein bestimmtes Meßsignal am Phasenübergang fest-flüssig rait einem festen Sollwert verglichen und hiernach über einen Lageregelkreis die Position der Meßanordnung gegenüber der Schmelzzone gesteuert wird»

5) Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Regelgrößen auf ein Regelsystem gegeben weiden, dem ein entsprechend dem jeweilig ge- , wünschten Kristalldurchmesser programmierter Computer als Sollwertgeber beigeordnet ist.

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