DK147438B - Fremgangsmaade til ved digelfri zonesmeltning af en vertikalt orienteret halvlederstav at styre stavens diameter - Google Patents

Description

147438 o

Den foreliggende opfindelse angår en fremgangsmåde til ved digelfri zonesmeltning af en lodret orienteret halvleder-stav, især af silicium, med et varmeorgan, der omslutter staven koaksialt og kan forskydes parallelt med stavens akse un-5 der frembringelse af en smeltezone, at styre stavens diameter.

Ved denne fremgangsmåde bestemmes den voksende énkrystallinske stavs diameter ved hjælp af et målesystem og efterindstilles eventuelt ved regulering af energitilførselen og/eller trækhastigheden i afhængighed af en eller flere styrestørrelser opnå-10 et ved bestemmelsen af smeltezonens form med målesystemet.

Det er kendt fra f.eks. dansk patent ans. nr. 1320/72 (fremlagt under nr. 140.822), det tilsvarende tyske patentskrift nr. 2.113.729, britisk patentskrift nr. 986.943 og tysk offentliggørelsesskrift nr. 2.220.819, ved hjælp af et fjernsyns-15 kamera med et mangedobbelt fotocellesystem, også kaldet "videkon", at optage billeder af smeltezonens form ved digelfri zonesmeltning. Billedet af smeltezonens form i fjernsynskameraet fås ved linievis afsøgning med en elektronstråle, hvorved fås impulser, hvis højde er proportional med billedets lysstyrke, 20 og af disse impulser kan der udledes informationer om de størrelser, der karakteriserer smeltezonens form. Hermed kan man regulere afstandene i stavenderne, der afgrænser smeltezonen, samt energitilførslen.

Den opgave, der søges løst med opfindelsen, er udviklin-25 gen af en i forhold til den kendte teknik simplere og dermed billigere og over for forstyrrelser mindre følsom fremgangsmåde, som tillader nøjagtig og pålidelig måling af nogle til karakterisering af smeltezonens form ved digelfri zonetrækning nødvendige parametre, så disse fås i form af analog- eller digi-30 taldata, der er tilstrækkelige til via en regnemaskines styringsprogram at muliggøre en, eventuelt fuldautomatisk, zonetrækning .

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen er ejendommelig ved, at smeltezonens rumlige udstrækning bestemmes ved antallet 35 af belyste dioder i et eller flere multifotodiodesæt mellem til enhver tid to horisontalt over for hinanden liggende punkter 2 167638 o af lys-mørke-overgangen på den frie smelteoverflade og/eller to vertikalt over for hinanden liggende punkter af fast-fly-dende-faseovergange mellem halvlederstavens fastafsnit og smelten.

5 Ved den fra ovennævnte patentskrifter kendte anvendelse af videkon benyttes det indfaldende lys til at bestemme, hvorledes et fotoledende halvlederlags modstand ændres, jfr. således f.eks. elektronikleksikon Franck'sche Verlagsbuchhandlung, Stuttgart (1974), side 582-583.

10 Et andet måleprincip benyttes ved den foreliggende op findelse, hvor den ved lysets indfald fremkaldte frekvensafhængige ladningsopdeling bestemmes, idet man på dette grundlag anvender fotodioder til bestemmelse af den ændrede kapacitet.

Som ovennævnte kendte videkonrør kan benyttes et så-15 kaldt multidiodevidekon. Et sådant videkon, der også kan anvendes som fjernsynskamera, udgør et system, ved hjælp af hvilket det fotoelektriske lag består af en matrix af forspændte siliciumdioder i spærreretningen, nemlig af 100.000 planardioder med en flade på 9,6 x 12,8 mm.

20 Ved den foreliggende opfindelse er det imidlertid til strækkeligt at anvende et arrangement af fotodioder kun omfattende 612 fotodioder anbragt i en række med en afstand på 25,4 jim fra centrum til centrum for at frembringe en tilsvarende optisk opløsning. Dette muliggør endvidere, at man via lad-25 ningstiIstanden for de enkelte fotodioder i arrangementet kan konstatere, hvor fast-flydende-faseovergangen befinder sig ved krystaldyrkningen, idet denne bestemmelse endda kan foretages særdeles følsomt.

I forhold til den gængse anvendelse af fjernsynskamera 30 (videkon) udviser fremgangsmåden ifølge opfindelsen, som gennemføres ved hjælp af fotodiodekamera, følgende tekniske fordele: 1) Den er langt gunstigere med hensyn til pris, idet et målevidekons pris p.t. ligger fra ca. 15.000 til ca. 20.000 DM, hvorimod et fotodiodekamera's pris ligger fra 2.000 til 3.000 DM. 35 2) Fremgangsmåden ifølge opfindelsen har større opløs ningsevne, idet den ved brugen af f.eks. 1872 dioder på 100 mm tilvejebringer en opløsning på 50 pm.

3 147438 o 3) Den nøjagtige bestemmelse of overgangen fra hvidligt rødglødende, fast silicium til allerede smeltet fase er først blevet gjort mulig med den foreliggende opfindelse. Spektralsam-mensætningen fra det udstrålede lys, der ændres ved denne over-5 gang, kan nemlig ikke iagttages ved hjælp af et fjernsynskamera, der ikke er i stand til at erkende dette spring. I modsætning hertil kan man ved hjælp af et arrangement af fotodioder bestemme den springvise ændring i fotostrømmen med stor pålidelighed.

Opfindelsen gør det muligt at opnå de væsentlige para-10 metre ved digelfri zonesmeltning af halvleder stave såsom især smeltezonens diameter og zonehøjde samt størkningsfrontens nøjagtige beliggenhed, hvorved der skal forstås den sidst dannede, op til smeltezonen grænsende, faste overflade på den voksende énkrystallinske stav, i form af analoge eller digitale 15 elektriske signaler og anvende dem direkte eller indirekte til styring af den videre krystaldyrkning. Ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen bliver det muligt med de opnåede data direkte og eventuelt kontinuerligt at regulere energitilførsel eller trækhastighed således, at afvigelser i den ønskede stavdiameter 20 samt ændringer i zonehøjden til stadighed kan udlignes. Ved indirekte anvendelse af de indsamlede data indskydes en regnemaskine, der sammenligner de indsamlede data med de tilstræbte værdier i det indkodede program og eventuelt styrer den samlede krystaldyrkning via et styresystem. På denne måde kan man 25 korrigere ikke blot afvigelser fra en fast, i forvejen given diameter og/eller fra en fast, i forvejen given zonehøjdej men man kan også fuldautomatisk styre ændringer i zonehøjde eller diameter efter ønske under den énkrystallinske stavs vækst, f.eks. tilvejebringe den næsten konusformede overgang 30 mellem podekrystal og halvlederstav.

Den smeltezone, der skal fastlægges, opstår ved opsmelt-ning af en polykrystallinsk stav, i reglen ved hjælp af højfrekvensspoler, og opretholdes i almindelighed ved hjælp af det flydende siliciums overfladespænding og de stavdele, der 35 afgrænser smeltezonen. Medens den énkrystallinske del af staven, der dannes ud fra smelten, når den størkner igen, i reg- 4 147438 o len danner en skarpt afgrænset overgang til smelten, iagttages derimod for det meste en uregelmæssig lagdelt opsmeltning af den anden, polykrystallinske del af staven. Medens diametermålingen står i et simpelt forhold til antallet af belyste dio-. 5 der, er den nøjagtige bestemmelse af zonehøjden ulige vanskeligere, da der i dette område findes flere fast-flydende-fase-overgange. Ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen har man nu fundet frem til at bestemme den polykrystallinske stavs første fast-flydende-faseovergang til smelten entydigt og herved få nøj-10 agtige, reproducerbare værdier for zonehøjden. Til en entydig bestemmelse af en fast-flydende-faseovergang tjener her den reduktion af fotostrømmen, som opstår ved den forskellige spek-trale sammensætning af det udstrålede lys ved siliciums overgang fra hvidligrødglødende, endnu netop fast, til flydende 15 tilstand. Stedet for fotostrømmens springvise ændring lader sig uden problemer bestemme ved hjælp af de ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen anvendte multifotodiodesæt.

Ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen muliggøres i øvrigt også en samtidig bestemmelse af flere data for smelte-20 zonens udstrækning med flere multifotodiodesæt, fortrinsvis ved anvendelse af halvgennemsigtige spejle. Således sker ved en særlig fordelagtig udførelsesform ifølge opfindelsen en samtidig bestemmelse af smeltezonens vertikale og horisontale udvidelse med to multifotodiodesæt, der er anbragt parallelt 25 med retningen for den udstrækning, hvis størrelse måles, i gennemgangs- og reflektionsretningen for et halvgennemtrænge-ligt spejl opstillet i en vinkel på 45° foran halvlederstavens smeltezone.

Multifotodiodesættene anvendes normalt forsynet med et 30 linsesystem i form af et i handelen værende fotodiodekamera.

Målenøjagtigheden retter sig efter den valgte afbildningsmålestok og antallet af dioder, hvoraf multifotodiodesæt-tet er opbygget. Hvis afbildningsmålestokken således f.eks. er 1:1, og der anvendes multifotodiodesæt, som f.eks. indeholder 35 512, 1024 eller 1872 dioder på 100 mm, lader smeltezonens udstrækningsdata sig bestemme tilsvarende med ca. 0,2, 0,1 eller 0,05 mm's nøjagtighed.

5 147438 o Målearrangementet følger fortrinsvis selvjusterende smeltezonens vandring gennem staven, ved at et bestemt målesignal fra overgangen mellem fast og flydende fase sammenlignes med en fast tilstræbt værdi, og det herved opnåede signal via 5 en positionsreguleringskreds styrer målearrangementets vertikale position i forhold til smeltezonen, jfr. krav 4.

Til bestemmelse af stavens diameter måles i reglen en diameter i smeltezonen under induktionsspolen til og med størkningsfronten, fortrinsvis i et område på 1-2 mm over størk-10 ningsfronten. Målearrangementets selvjustering giver den sikker hed, at under hele zonevandringen måles diameteren på nøjagtigt det samme sted i smeltezonen. Ved måling af zonehøjden er det derimod mere eller mindre ligegyldigt, på hvilket sted i smeltezonen den bestemmes, idet det engang valgte sted dog 15 naturligvis skal bibeholdes under hensyn til sammenligneligheden for den samlede zonevandring.

De data vedrørende smeltezoneformen, der fås via multidotodiodesættene, kan indgives som styrestørrelser i et reguleringssystem, hvortil er knyttet en programmeret compu-20 ter, som afgiver "tilstræbt værdi" svarende til den til enhver tid ønskede krystaldiameter.

I forhold til de kendte målemetoder, hvor smeltezonen f.eks. fastlægges ved hjælp af et videkon, frembyder fremgangsmåden ifølge opfindelsen principielle forbedringer, som især 25 ligger i den større stedbestemmelsesopløsningsevne, i den praktisk taget ubegrænsede levetid for de ved fremgangsmåden anvendte multifotodiodesæt, i det betydelig mindre opbud af elektronisk kontroludstyr og relæer, i det samlede måleapparaturs simple anbringelse uden omstændelig efterjustering og i 30 den enkle service med deraf samtidig følgende mindre omkostninger .

På tegningen gennemgås fremgangsmåden ifølge opfindelsen nærmere ved illustrationer i fig. 1-4, hvor fig. 1 viser det ved fremgangsmåden anvendte målear-35 rangement, o 6 147438 fig. 2 viser en skematisk gengivelse af princippet i diameterbestemmelsen, fig. 3 tydeliggør princippet i zonehøjdemålingen, og fig. 4 viser et styringsskema til nøjagtig anbringelse 5 af målesystemet i forhold til smeltezonen.

Måleapparatet i fig. 1 består af to fotodiodekameraer med multifotodiodesæt 1 til bestemmelse af zonehøjden x og multifotodiodesæt 2 til bestemmelse af en smeltezone 6's diameter y. Begge fotodiodekameraer er monteret således på en 10 i højden indstillelig slæde 3, at multifotodiodesættet 2 er horisontalt og miltifotodiodesættet 1 lodret anbragt i forhold til smeltezonen 6, der skal måles. Det samtidige samordnede billede af smeltezonen, som modtages over en linse 4, sendes til begge multifotodiodesæt ved hjælp af et i stråleretningen 15 anbragt halvgennemsigtigt spejl 5, der hælder i en vinkel på 45° i forhold til halvlederstaven.

Med det horisontalt anbragte multifotodiodesæt 2 måles diameteren y af den med en induktionsspole 10 i en polykry-stallinsk stav 9 opsmeltede smeltezone 6 i en nøjagtigt juster-20 bar afstand Ax fra en størkningsfront 7 i den énkrystallinske voksende del af staven 8. Det vertikalt anbragte multifotodiodesæt 1 tjener først og fremmest til måling af afstanden mellem halvlederstaven 8 og 9's mono- og polykrystallinske del, der afgrænser smeltezonen 6, altså til bestemmelse af zonehøj-25 den x, og dernæst til anbringelse af det samlede målesystem i forhold til størkningsfronten 7 sådan, at størkningsfronten 7's stilling altid afbildes på det samme sted i forhold til det vertikalt målende sæt 1. Por at føre målesystemet selvjusterende afsted, så det følger den gennem staven vandrende smeltezone 6, 30 videregives den med det vertikalt målende multidiodesæt 1 målte værdi Ax som styrestørrelsen RAx til et kontrolorgan 11 for tilstræbt værdi og sammenlignes dér med den ønskede værdi for Ax. Svarende til de to værdiers afvigelse holdes målesystemet med en motor 13, der styres som funktion af afvigelsen 35 med en hastighedsregulator 12, i bevægelse fremad eller tilbage, så det forbliver på et konstant niveau i forhold til smel- 7 147438 o tezonen 6, dvs. følger dennes vandring ganske nøje.

Den med multifotodiodesættet 1 ved bestemmelse af zonehøjden x opnåede styrestørrelse Rx og den med multifotodiodesættet 2 ved bestemmelsen af smeltediameteren y opnåede styre-5 størrelse Ry kan anvendes til regulering af afstands- og op-stemningsorganet eller til styring af den tilførte energi, eventuelt på den måde, at der til styringssystemet er knyttet en programmeret computer til angivelse af den tilstræbte værdi svarende til den til enhver tid ønskede krystaldiameter, hvilket 10 gør det muligt at styre hele zonetrækningsfremgangsmåden fra podekrystallets isætning over den koniske overgang til større diameter hos en voksende stav samt hele stavens tilvækst fuldautomatisk.

I fig. 2 er måleprincippet for diametermålingen ved 15 hjælp af det horisontalt arrangerede multifotodiodesæt 2 gengivet skematisk. Diameteren y bestemmes ved den strækning af smeltezonen 6, som ligger mellem overgangen fra lyst til mørkt som afbildet ved punkterne 14 og 15, og svarer på simpel måde til antallet af belyste dioder 17 i multifotodiodesættet 2.

20 Via en tærskelværdi 18 måles overgangen fra ubelyste eller kun svagt belyste fotodioder 19 til fuldt belyste fotodioder 18 nøjagtigt til afstanden mellem to fotodioder. Antallet af belyste fotodioder 17 optælles mellem hver to startimpulser 20 fra et skyderegister, idet tidssignalet 21 styrer det tidsrum, 25 inden for hvilket de enkelte fotodioder aftastes. Antallet af belyste fotodioder 17, som svarer til smeltezonen 6's diameter y, kan bruges i den til enhver tid ønskede form, som styrestørrelse Ry, i serie, parallelt eller analogt som udgangssignalet 22.

30 X tegningens fig. 3 er målingen af zonehøjden, som foretages ved hjælp af det vertikalt arrangerede multifotodiodesæt 1, gengivet skematisk. I modsætning til diameterbestemmelsen, ved hvilken smeltezonens billede fremtræder skarpt mod en mørk baggrund, er lysstyrkens forløb langs stavens akse 35 og dermed også fotostrømmen kontinuerlig. Ved overgangen fra hvidtrødt glødende, netop størknet silicium 7 på den voksende 147438 ο δ monokrystallinske del af staven 8 til det netop smeltede flydende silicium 6 finder der dog en udpræget formindskelse af fotostrømmen sted, nemlig i form af en skarp tærskel 25. Årsagen hertil er at se i ændringen af spektret for det udsendte lys 5 og den dermed forbundne ændring af fotostrømudbyttet fra de enkelte siliciumfotodioder. Derimod bliver det især vanskeligt på den anden side af smeltezonen 6, da den polykrystallinske del af staven sædvanligvis ikke smelter skarpt op, men der tværtimod fra staven løsnes enkelte, endnu faste flager 23, 10 som svømmer rundt i smeltezonen 6 og dermed giver anledning til flere fast-flydende-faseovergange i smeltezonen 6. Målingen af zonehøjden sker derfor i to trin. Ved det første gennemløb optælles kun antallet af fastflydende-faseovergange eller tærsklerne i fotostrømmen, dvs. antallet af de synkende spring 15 i udgangssignalet 30. Ved det andet gennemløb tælles kun tidsimpulserne 29 fra det første 31 - svarende til tærskelværdien 25 for fotostrømmen 24 - til det sidste 32 - svarende til tærskelværdien 26 for fotostrømmen 24 - oplagrede antal spring i udgangsudgangssignalet 30, og såfremt dette antal af fast-fly-20 dende-faseovergange inden for to startimpulser 28 stemmer overens med den oplagrede forudgående måleværdi, bruges signalet .

For det tilfælde, at antallet af spring har ændret sig, slukkes for begge tælleværker, og operationen begynder 25 på ny. Herved undgås, at et endnu ikke opsmeltet og omkring i smeltezonen svømmende lag skulle kunne føre til en forkert måling af zonehøjden.

Målesystemets selvjusterende positionsvalg i forhold til smeltezonen 6 fremgår af fig. 3 - da den er en bestanddel 30 af zonehøjdemålingen - og af fig. 4. Via et skyderegister aftastes de enkelte fotodioder i multidiodesættet 1, og disses tilstande konstateres. Ved hjælp af en tærskelværdi 27 kan niveauet for en fast-flydende-faseovergang herved konstateres med meget stor følsomhed. Til målesystemets posi-35 tionsanbringelse optælles nu antallet af tidsimpulser 29 fra startimpulsen 28 og indtil det første synkende spring 31 i 147 43 8 o 9 udgangssignalet 30, som svarer til den nederste faseovergang fra fast til flydende ved fronten 7 og den herved fremkaldte tærskelværdi 25 i fotostrømmen 24, og denne målestørrelse føres via en omsætter 33 til et tælleværk 35, hvori den sam-5 menlignes med en fast indkodet normværdi 34. Den forskel, som herved optræder, føres via et mellemlager 36 og en digital--analogomregner 37 til en operationsforstærker 38, som forstærker størrelsen og fører den videre til en positionsstyrekreds 39, som ved hjælp af motoren 13 holder hele målesystemet 10 på en bestemt position i forhold til smeltezonen 6, således at faseovergangen fra fast til flydende tilstand af størkningsfronten 6 og smeltezonen 7 til stadighed afbildes på samme sted i det vertikalt målende multidiodesæt 1.