DE2332968C3

DE2332968C3 - Vorrichtung zur Steuerung des durchmessers eines Halbleiterstabes

Info

Publication number: DE2332968C3
Application number: DE19732332968
Authority: DE
Inventors: Hans 8031 Groebenzell Stut
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-06-28
Filing date: 1973-06-28
Publication date: 1981-12-10
Also published as: JPS5321728B2; NL7314687A; DE2332968A1; DE2332968B2; BE807674R; JPS5038147A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung des Durchmessers eines Halbleiterstabes beim tiegellosen Zonenschmelzen.

Solche Vorrichtungen sind Q±,m Stand der Technik gemäß der DE-AS 12 31 671 und der DE-PS 12 31 761 entnehmbar bzw. in der DE-OS ί 13 720 vorgeschlagen worden. Sie haben sich beim Zonenschmelzen dann bewährt, wenn der Durchmesser des Ausgangsstabes und der des aus der Schmelzzone auskristallisierenden Stabes einander gleich sind bzw. in einem konstanten Verhältnis zueinander stehen. Ist hingegen in dem auskristallisierenden Stab ein konischer Übergang zwischen Stabteilen unterschiedlichen Durchmessers vorgesehen, so ist eine solche Vorrichtung im allgemeinen nicht mehr ausreichend. Vielmehr muß dann auch der konische Obergang zwischen den beiden Stabteilen, z. B. zwischen dem Keimkristall und einem aus der Schmelzzone wachsenden Dickstab, geregelt werden.

Die vorliegende Erfindung bezweckt eine weitere Ausgestaltung und Verbesserung der im Hauptpatent offenbarten Apparatur zum tiegellosen Zonenschmelzen eines Halbleiterstabes.

Demzufolge betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Steuerung des Durchmessers eines Halbleiterstabes an der Erstarrungsfront der Schmelzzone beim tiegellosen Zonenschmelzen mit einer Fernsehkamera, einem optoelektronischen Bildwandler, einer Auswerteeinrichtung und einem Sollwertgeber für die geometrischen Daten von Schmelzzone und Stabdurchmesser, einem Durchmesserregelkreis, einem Winkelregelkreis und einem Streck-Stauch-Mechanismus, bei der dem Streck-Stauch-Mechanismus ein Volumenregelkreis mit einem Regelverstärker vorgeschaltet ist, der dem Durchmesserregelkreis mit dem Regelverstärker unterlagert ist, und bei der der Durchmesserregelkreis mit dem parallelliegenden, die Energiezufuhr für die Induktionsheizspule regelnden Winkelregelkreis mit dem Regelverstärker über einen weiteren Regelkreis mit dem Programmwerk verknüpft ist, nach Patent 22 47 651,

Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, daß eine die Lage der Erstarrungsfront überwachende optoelektronische oder mechanooptische Einrichtung mit dem Progrsmmwerk verbunden ist

Die Erfindung wird anhand der Figur näher beschrieben, in der ein, der erfindjingsgemäßen Anordnung entsprechendes Blockschaltbild dargestellt ist

Der zu behandelnde Halbleiterstab 1 wird in üblicher Weise in einer - in der Figur nicht dargestellten Zonenschmelzapparatur in vertikaler Lage von Halterungen la, 1ύ an seinen Enden gehaltert und von einer die Schmelzzone 2 erzeugenden Induktionsheizspule 12 koaxial umgeben. Durch eine in Achsenrichtung des Halbleiterstabes 1 erfolgende Relativbewegung zwischen Induktionsheizspule 12 und Halbleiterstab 1 wird die Schmelzzone 2 sukzessive durch den Halbleiterstab 1 geführt Mindestens eine der Halterungen des Halbleiterstabes 1, z.B. die untere Halterung la, ist in Richtung des Doppelpfeiles 9 relativ zu der zweiten Halterung verschiebbar ausgestaltet, so daß bei Vorhandensein einer den gesamten Querschnitt des Halbleiterstabes 1 erfassenden Schmelzzone 2 die beiden von der Schmelzzone 2 getrennten Stabteile einander genähert oder voneinander entfernt werden können. Dies resultiert im Rahmen der Stabilitätsgrenzen in einer Stauchung bzw. einer Streckung der Schmelzzone 2, so daß der diese Bewegung steuernde Mechanismus üblicherweise als »Streck-Stauchmechanismus« bezeichnet wird. Hier sind verschiedene Möglichkeiten bekannt so daß von deren Darstellung in der Zeichnung und in der Beschreibung abgesehen werden kann. Der Antrieb des Streck-Stauchmechanismus wird von einem Motor 8 geliefert, der von dem Ausgang des ersten Kaskadenregelkreises gesteuert wird.

Die Induktionsheizspule 12 ist in üblicher Weise durch einen parallel geschalteten Kondensator 12a zu einem Hochfrequenzschwingkreis mit fester Abstimmung ergänzt. Dieser Hochfrequenzschwingkreis ist an einen Hochfrequenzgenerator 18 über eine Koppelinduktivität 19 lose angekoppelt. Die Frequenz der von diesem Generator 18 gelieferten elektrischen Schwingungen ist in einem die Resonanzfrequenz des aus der Induktionsheizspule 12 und dem Kondensator 12a gebildeten Schwingkreises enthaltenden Frequenzbereich stetig veränderbar, so dbß durch Betätigung der Abstimmung des HF-Generators 18 die auf die Induktionsheizspule 12 übertragene Energie verändert werden kann. Zu bemerken ist, daß auch andere der bekannten Möglichkeiten der Einstellung der Energiezufuhr zu der Induktionsheizspule 12, z. B. durch Verwendung eines Schwingkreiskondensators 12a mit veränderbarer Kapazität und/oder durch Anwendung einer variablen Ankopplung 19 an den HF-Generator 18 angewendet werden kann.

Wie bereits im Patent 22 47 651 angegeben, wird auch im vorliegenden Fall als Regelfühler eine die Schmelzzone 2 überwachende elektronische Kamera 20 (?.. B. eine handelsübliche Fernsehaufnahmekamera, die mit einem Fernsehwiedergabegerät gekoppelt sein kann, um eine visuelle Kontrolle des Fernsehbildes der Schmelzzone 2 zu ermöglichen) verwendet. Man sorgt für geeignete Orientierung der elektronischen Kamera 20 in bezug auf die Schmelzzone 2 und für die Konstanthaltung der Aufnahmebedingungen derart.

daß jeder der von der Kamera 20 pro Abtastzyklus gelieferten Impulse eine definierte Aussage ober je einen bestimmten Durchmesser des von der Kamera 20 aufgenommenen Bildes enthält Das ist genau dann der Fall, wenn die Abtastzeilen auf dem Target der Kamera 20 senkrecht zu dem Bild der Achse des Halbleiterstabes 1 orientiert sind und wenn die auf die Schmelzzone 2 gerichtete optische Achse der Aufnahmeoptik ihre Länge und Neigung zur Stabachse unverändert beibehält Dies bedeutet, daß die Kamera 20 bei nicht ι ο ortsfester Schmelzzone 2 unter Beibehaltung ihrer Orientierung zu sich selbst mit der Geschwindigkeit der Kristallisationsfront verschoben werden muß.

Da sich der der Kristallisationsfront im Fernsehbild entsprechende Impuls der pro Abtastzyldus gelieferten Impulsfolge als Grenzimpuls von besonders hoher Amplitude auszeichnet, ist durch eine in der der Kamera 20 nachgeschalteten Auswerte-Rechenanlage 3 eingebaute Filteranlage ohne weiteres möglich, diesen Impuls Pk aus den einzelnen Impulsfolgen auszusieben und den seiner Länge proportionalen Wm von dfa) zu bestimmen. Der hierzu erforderliche Proportionalltätsfaktor wird durch die Eichung der Anordnung erhalten. Für die Bestimmung des Randwinkels »fat) benötigt man noch den Durchmesser d(xk+X), der derjenigen der Kristallisationsgrenze benachbarten Abtastzeile in der elektronischen Kamera 20 zugeordnet ist, die von der Kristallisationsgrenze aus gesehen bereits dem Bild des flüssigen Materials zuzuordnen ist Dann wird

α (χ,J = arctg

d(_Xk)-d(x+k) 2 λ

d*(x_k) = r„+ R-(R-T_n) cos

x_k π

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wobei λ der dem Abstand zweier benachbarter Abtastzeilen entsprechende Abstand im Maßstab der wirklichen Schmelzzone ist Es wird darauf hingewiesen, daß man statt des Winkels ocfa) auch eine trigonometrische Funktion dieses Winkels, vorzugsweise tg <x(xk), als Regelgröße verwenden kann, weil eine eindeutige Relation zwischen dem Winkel oc(Xk) und seinen trigonometrischen Funktionen besteht

In einer geeigneten optoelektronischen oder mechanooptischen Überwachungsvorrichtung 21 wird der Ort Xk der Kristallisationsfront der Schmelzzone 2 überwacht und der der Ortskoordinate Xk (= vorzugsweise Abstand zwischen Kristallisationsfront der Schmelzzone 2 und dem Keimkristall) in dem Beobachtungsmoment entsprechende Zahlenwerte an eine als Rechner aufgebaute Datenverarbeitungsanlage 11 gegeben. Da dann das von der Überwachungsvorrichtung 21 gelieferte Signal ein Maß für den Wert von λ> darstellt, ist die Datenverarbeitungsanlage 11 mit einem Gerät ausgerüstet, welches aus dem Signal die Länge von x* als Zahlenwert entnimmt und mit diesem Zahlenwert den zugehörigen Steüwert von d(xk) bzw. «(**), also die Werte d*(xi) und <x*(Xk) ausrechnet.

Beispielsweise kann hier für die Berechnung von d*(xk) die Formel

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Verwendung finden, die auch als Grundlage für die zugehörigen Werte of(xk) unter Berücksichtigung der Volumenänderung angewendet wird. Cr₀ «· Radius des Keimkristalls, R ■ Radius des dickeren Normstabs, μ und Π sind Konstante). Die Koordinatenüberwachung 21 kann aber auch so arbeiten, daß jedesmal, wenn die Kristallisationsfront eine Strecke s, z, B, s <- 0,5 mm, zurückgelegt hat, ein Signal erscheint, mit dessen Hilfe, die nach einem Programm ermittelten Werte von d*(xk) und ot*(xk) aus der - in diesem Falle als Speicher aufgebauten - Datenverarbeitungsanlage 11 abgerufen werden. Dabei ist es möglich den Signalen bei einer Vorwärtsbewegung der Kristallisationsfront einen anderen Charakter als bei einer Rückwärtsbewegung mitzugeben, so daß bei einer Rückbewegung bereits abgerufene Werte für eine erneute Abrufung bereit gemacht werden können.

Eine dem jeweiligen Wert von d*(xk) proportionale elektrische Spannung geht von der Datenverarbeitungsanlage 11 über die Leitung 10s an den einen Eingang der ersten Stufe des ersten Kaskadenreglers 10, der für den Abstand der beiden Stabhalterungen la und ib verantwortlich ist Zur selben Zeit geht von dem der Auswertung der Impulse der elektronischen Kamera 20 dienenden Auswerte-Rechner 3 eine dem Istwert von d(xk) proportionale Spannung an den zweiten Eingang dieser Stufe über die Leitung 10^·. Die Eingangsstufe dieses Kaskadenregelkreises ist durch sinen Regelverstärker 10 gegeben, an dessen Ausgang eine der Regelabweichung von d(xi) proportionale Spannung erscheint Diese wird in die zweite Regelstufe dieses Kask:'.denregelkreises gegeben. Sie gelangt zunächst in den Integrator 5, einem Verstärkerelement, welches die Aufgabe hat, das Zeitintegral der Regelabweichung von d(xk) so zu bilden, daß 1.) dieses sein Vorzeichen mit der Regelabweichung ändert, daß 2.) das Zeitintegral einen konstanten Wert erhält, sobald die Regelabweichung von d(xk) verschwindet und daß außerdem 3.) das Zeitintegral unter der Voraussetzung 2.) so normiert ist, daß es dem noch zu beschreibenden Istwert gleich wird, sobald d*(xk) konstant bleiben soll.

Das von der Integrationsstufe 5 gelieferte Signal geht an den einen Eingang des Regelverstärkers 4 über die Leitung 4b. An den zweiten Eingang des Regelverstärkers 4 wird als Istwert eine ebenfalls eine durch Integration erhaltene Größe über die Leitung 4a angeliefert, die für den geometrischen Zustand der Schmelzzone 2 verbindlich ist Zweckmäßig verwendet man hier das Integral über die Quadratsumme aller durch die elektronische Kamera 20 ermittelten Durchmesserwerte. In der Praxis bedeutet das, daß man alle Impulse, soweit sie sich auf das Bild der eigentlichen Schmelzzone 2 in der Kamera 20 beziehen, durch Multiplikation mit dem oben erwähnten Proportionalitätsfaktor in die entsprechenden Durchmesserwerte d(zv) umwandelt, und dann von dem Rechner 3 die Summe

S =^(d(zj)²

ausrechnen und in eine dem erhaltenen Wert von S proportionale elektrische Spannung umwandeln läßt. Die Summierung bei der Bildung von S geht über alle Impulse P_n soweit die korrelierten Bildabtastzeilen z_r, zu dem Bild der eigentlichen Schmelzzone 2 gehören. Der bereits erwähnte Stellwert für den Regelverstärker 4, der von dem Integrator 5 geliefert wird, ist dann so zu normieren, daß er gleich S wird, sobald das Programm für d*(xk) einen Ziehbereich konstanter Stabdurchmesser vorschreibt.

Das von dem Rpgelverstärker 4 gelieferte Ausgangssignal geht an die von dem rückgekoppelten Regelverstärker 7 gebildete dritte Regelstufe der den ersten Regelkreis bildenden Kaskade. Zum Zwecke der

Rückkopplung ist die Welle des von der dritten Regelstufe betriebenen Antriebsmotors 8 des Streckstauchmechanismus mit einem Tachometergenerator 8« fest gekoppelt, und die von diesem gelieferte Spannung an den freien zweiten Eingang des Regelverstärkers 7 gelegt. Man erhält auf diese Weise stabile Drehzahlen des Motors 8 und einen definierten Einsatz des Streck-Stauchmechanismus.

An den Eingang des zweiten Kaskadenregelkreises der erfindungsgemäßen Anordnung ist als Stellwert die bereits erwähnte Stellgröße t'fti) über die Leitung 6i> und der zugehörige Istwert über die Leitung 6a in Form zu den tatsächlichen Werten proportioneilen Spannungen gelegt. Die erste Stufe dieses /weiten Kaskadenregelkreises ist durch den Regelverstärker 6 gegeben, der ein der Regelabweichung von \(xi) proportionales ' ignal erzeugt. Dieses geht an die zweite Stufe der Kegelkaskade. Diese wird durch einen Stellmotor 13.

Lim.ni an cmc IIH.III udigcsicmc vjici

angeschlossenen Potentiometer 14 und einem Regelverstärker 15 gebildet. Der Pl-Regelcharakter dieser Stufe ist durch den Stellmotor 13 gegeben, der den Abgriff des Potentiometers 14 und damit die als Stellwert über das Potentiometer 14 gelieferte Gleichspannung verändert. Der Istwert wird von dem den Kondensator I2<i und die Induktionsheizspule enthaltenden Schwingkreis geliefert. Er soll ein Maß für die dem Schwingkreis und damit der Induktionsheizspule 12 zugeführte Energie sein.

Die am Kondensator 12a liegende hochfrequente Wechselspannung liefert nach Gleichrichtung und ggf. Glättung durch die Anlage 24 eine Spannung Uc welche an dem Voltmeter 22 abgelesen wenden kann und die ein Maß für die vom Schwingkreis aufgenommene Energie bildet. Sie wird über die Leitung 15i> an den einen Eingang des Regelverstärkers 15 gelegt. An den anderen Eingang 15a liegt die vom Potentiometer 14 gelieferte Spannung als Stellwert.

Der Motor 13 gerät in Aktion, sobald eine Regelabweichung von 'x(Xk) auftritt. Ist diese gleich Null, so soll am Verstärker 15 Gleichgewicht zwischen dem vom Potentiometer 14 gelieferten Stellwert und dem von der Anlaee 24 Belieferten SDannuneswert U. als Istwert gegeben sein, was durch entsprechende Einstellung des Potentiometerabgriffs leicht zu erreichen ist. Ändert sich die die Energiezufuhr vom Generator 18 bzw. die Kopplung zwischen Schmelzzone 2 und [nduktionsheizspule 12. so ändert sich Spannung L> und außerdem auch der Istwert von χ(χι,). Es treten dann die Regelstufen 6 und 15 in Aktion so lange, bis wieder Gleichgewicht an 15 herrscht und die Regelabweichung von x(Xk) verschwunden ist

Der Ausgang der zweiten Regelstufe 15 des zweiten Kaskadenregelkreises geht wiederum an eine rückgekoppelte dritte Regelstufe mit dem Regelverstärker 16, deren Ausgang auf den die Einstellung des Generators 18 beeinflussenden Stellmotor 17 arbeitet Die Rückkopplung ist durch den Widerstand 23 gegeben, der den Ausgang des Regelverstärkers 16 an den noch freien zweiten Eingang des Regelverstärkers 16 legt Hier hat man im Gegensatz zu den Rückkopplungsverhältnissen des ersten Kaskadenregelkreises keine Tachometergeneratorrückkopplung sondern eine Ankerspannungsrückführung, die in diesem Falle ausreicht

Zusammenfassend soll die in der Figur dargestellte Anordnung in ihrer Wirkungsweise nochmals kurz beschrieben werden.

In der elektronischen Kamera (Fernsehkamera) 20, mit welcher ein Bild der Schme'lzzone 2 aufgenommen

wird, erfolgt eine elektronische Abtastung dieses Bildes. Man erhält pro Abtastzyklus eine Folge diskreter elektrischer Impulse (Rechteckimpulse), die den einzelnen Bildabtastzeilen zugeordnet sind. Diese Impulse werden auf eine elektronische Auswertevorrichtung 3 gegeben, in der die zur Ermittlung des Durchmessers d(Xk) (Istwert) der Kristallisationsfront der Schmelzzone, des Randwinkels <x(xk) und der zur Beaufschlagung des Regelverstärkers 4 benötigten Summe

S = V (ftf; ))-'

erforderlichen Rechenoperationen mit den genannten Impulsen als Ausgangsgrößen geleistet werden. Dabei ist die Länge der Impulse P₁ (Zeitdauer) die entscheidende Größe; die Amplituden (Impulshöhen) dienen lediglich dazu, um die verschiedenen Impulse, insbesondere den der Knstallisationsfront und damit dem Durchmesset u(\Ci /.ugtrnöfCIiUfIi impuls Py und den oben erwähnten, dem Durchmesser ά(\^ + λ) entsprechenden Nachbarimpuls aussuchen zu können.

Außerdem werden ggf. die in der Auswertevorrichtung 3 ermittelten »Istwerte« zur Kontrolle des Programms auch in die Datenverarbeitungsanlage 11 eingegeben, was durch die Verbindungsleitung 3a angedeutet ist.

Von der Datenverarbeitungsanlage 11 werden die für die Ei; vangsstufen der beiden Kaskadenregelkreise erforderlichen Stellwerte d'(Xk) und >\*(xk) zur Verfügung gestellt, die nach Maßgabe des Orts x_k der Kristallisationsfroni der Schmolzzone 2 abgerufen werden. Die Regelabweichung wird in dem ersten Kaskadenregelkreis, der der Regelung des Abstandes der beiden Halterungen la und lfedes zonenzuschmelzenden Halbleiterstabes 1 dient, durch Zeitintegration zu einer Stellgröße aufgebaut, die die Bewegung des Stellmotors 8 nur dann zum Verschwinden bringt, wenn der Durchmesser des aus der Schmelzzone 2 wachsenden Stabes konstant bleiben soll und keine Regelabweichung vorhanden ist. Der zugehörige Istwert ist die dem Volumen der Schmelzzone 2 (bzw. einem beobachtbaren Anteil dieses Volumen«;, der an Hip Krictallicatinnc. front angrenzen soll) proportionale Summe

In ähnlicher Weise erfolgt die Beeinflussung der Energiezufuhr zu der Induktionsheizspule 12 durch den zweiten Kaskadenregelkreis der erfindungsgemäßen Anordnung. Er steuert die an dessen Eingangsverstärker gelegte Regelabweichung des Randwinkels <x(xi) einen zweiten Regelkreis über einen dem Integrator in der Integrationswirkung ähnlichen Stellmotor 13, wobei als Regelgröße für die zweite Stufe dieser Kaskade die Energieversorgung der Induktionsheizspule 12 verwen det ist Während als Regelfühler für die Ermittlung der Summe S die elektronische Kamera 20 verwendet wird, hat man hier einen anderen Regelfehler, nämlich die gleichrichtende und spannungsglättende Anlage: Auch hier hat man eine rückgekoppelte Ausgangsstufe 16, die durch den Motor 17 auf die Regelstrecke, also in diesem Fall die Frequenz des Generators 18, einwirkt Auch hier wird die Drehzahl des Stellmotors 17 infolge der durch den Widerstand 23 gegebenen Rückkopplung etwa proportional der Regelabweichung der Energie.

Das Programm für die Stellwerte d*(xi) und et'fa) wird auf jeden Fall so gewählt, daß es mit der Stabilität der Schmelzzone 2 im Einklang ist

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Vorrichtung zur Steuerung des Durchmessers eines Halbleiterstabes an der Erstarrungsfront der Schmelzzone beim tiegellosen Zonenschmelzen mit einer Fernsehkamera, einem optoelektronischen Bildwandler, einer Auswerteeinrichtung und einem Sollwertgeber für die geometrischen Daten von Schmelzzone und Stabdurchmesser, einem Durch- ι ο messerregelkreis, einem Winkelregelkreis und einem Streck-Stauch-Mechanismus, bei der dem Streck-Stauch-Mechanismus ein Volumenregelkreis mit einem Regelverstärker vorgeschaltet ist, der dem Durchmesserregelkreis mit dem Regelverstär- ii ker unterlagert ist, und bei der der Durchmesserregelkreis mit dem parallelliegenden, die Energiezufuhr für die Induktionsheizspule regelnden Winkelregelkreis mit dem Regelverstärker über einen weiteren Regelkreis mit dem Programmwerk verknüpft ist nach Patent 22 47 651, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Lage der Erstarrungsfront überwachende optoelektronische oder mechanooptische Einrichtung (21)' mit dem Programmwerk (11) verbunden ist