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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Herstellung eines
Einkristallstabs aus einem polykristallinen Zuführungsstab, wobei die Vorrichtung
eine geschlossene Kammer enthält,
an der sich der Zuführungsstab
befindet und die eine um den Zuführungsstab
angeordnete ringförmige
Energieversorgung zum Abschmelzen des einen Endes des Stabs enthält, um für Einkristalle
zu sorgen, und die Vorrichtung erste Bewegungsmittel für eine Axialbewegung
des Zuführungsstabs
und zweite Bewegungsmittel für
eine rotierende Relativbewegung zwischen dem Zuführungsstab und der ringförmigen Energieversorgung
enthält.
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Die
Erfindung bezieht sich außerdem
auf ein Verfahren zur Herstellung eines Einkristallstabs aus einem
polykristallinen Zuführungsstab,
wobei der Zuführungsstab
an seinem Ende eine Schmelzzone hat, für die mittels einer um den
Zuführungsstab
angeordneten ringförmigen
Energieversorgung gesorgt wird, und dass in dem Bereich unterhalb
der Schmelzzone für
Einkristalle gesorgt wird, wobei der Zuführungsstab mittels erster Mittel
in Axialrichtung bewegt wird, und dass durch die zweiten Mittel
für eine
rotierende Relativbewegung zwischen der Oberfläche des Zuführungsstabs und der Energieversorgung
gesorgt wird.
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In
Verbindung mit der Herstellung von Einkristallen ist es bekannt,
die sogenannte Zonenschwebetechnik zu verwenden. Diese Technik wird insbesondere
zur Herstellung von Silizium-Einkristallen verwendet.
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Die
Anwendung des auch als Float-Zone-Technik (FZ) bekannten Zonenschwebeverfahrens
zum Züchten
von Siliziumeinkristallen wurde als erstes von Keck and Golay vorgeschlagen.
FZ-Kristalle sind reiner als mit der Czochralsky-Zonentechnik (Cz)
hergestellte Blöcke,
da die zur Kristallzüchtung
verwendete Siliziumschmelze nicht in einem Tiegel gehalten wird.
Siliziumblöcke
großen
Durchmessers lassen sich mit der FZ-Technik schwerer als mit der
Cz-Technik züchten.
Allerdings hat der Fortschritt bei der FZ-Technik mit der Cz-Technik
Schritt halten können
und es sind in F & E
Kristalle mit Durchmessern zwischen 150 und 200 mm gefertigt worden.
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Zunächst wird
das untere Ende eines Polysiliziumstabs vorgeheizt. Dieses Ende
des Stabs wird in eine V-Form geschliffen und in die Mitte einer
wassergekühlten
Einwindungskupferinduktionsspule gesetzt. Unterhalb des Polysiliziumstabs
wird dann mit einem minimalen Spalt ein leitender Suszeptor aus
z. B. Graphit platziert. Wenn an die Kupferspule ein HF-Strom angelegt
wird, wird in dem Suszeptor ein elektrischer Wirbelstrom induziert
und erhöht
sich die Temperatur des Suszeptors. Die Wärme wird dann durch Abstrahlung
auf den Polysiliziumstab übertragen.
Sobald der nahe am Suszeptor befindliche Polysiliziumabschnitt zu
glühen
beginnt, kann durch die HF-Energie in diesem Siliziumsegment der
Wirbelstrom induziert werden. Der Graphitsuszeptor wird nicht länger benötigt und
wird von der HF-Spule entfernt. Die Wärme wird kontinuierlich aufgebracht,
bis das Kegelsegment des Polysiliziumstabs schmilzt. Anschließend wird
in das geschmolzene Silizium von unten ein Keim eingetaucht.
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Sobald
der Keim mit der Siliziumschmelze benetzt ist, kann mit der Kristallzüchtung begonnen werden,
indem der Keim abgesenkt wird. Der Polysiliziumstab muss ebenfalls
abgesenkt werden, wenn auch mit weitaus geringerer Geschwindigkeit.
Wie bei der Cz-Technik sollte während
des Impfprozesses ein versetzungsfreies Wachstum eingeleitet werden,
indem hohe Ziehgeschwindigkeiten verwendet werden. Sobald (aufgrund
des Erscheinens von starken Seitenfacetten) die versetzungsfreie
Struktur zu erkennen ist, wird das Verhältnis der Ziehgeschwindigkeit
zwischen dem Keim und dem polykristallinen Stab allmählich verringert,
sodass der Kristalldurchmesser allmählich zunimmt. Während des
Züchtungsprozesses
kann auch ein Dotiergas eingeleitet werden.
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Ein
kritischer Faktor für
eine erfolgreiche Zonenschwebezüchtung
ist die Beibehaltung der Schmelzzonenstabilität. Die Zone ist stabil, wenn
der Einwärtsdruck
der Zone größer als
der Auswärtsdruck
ist. Der Einwärtsdruck
schließt
die Oberflächenspannung,
die Kohäsion
zwischen dem Festkörper
und der Flüssigkeit
und den elektromagnetischen Druck aufgrund des HF-Felds ein. Die
beiden letztgenannten Terme sind verglichen mit der Oberflächenspannung
verhältnismäßig klein.
Der Auswärtsdruck beinhaltet
hauptsächlich
den von der Gravitationskraft der Schmelzzone stammenden hydrostatischen Druck.
Der hydrostatische Druck ist direkt proportional zur Zonenhöhe. Daher
sollte die Schmelzzone so schmal wie möglich gehalten werden.
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Die
Frequenz der HF-Energie ist ebenfalls ein wichtiger Parameter. Sie
ist umgekehrt proportional zu der Eindringtiefe der HF-Energie und
der elektromagnetischen Kraft auf die Schmelze. Es ist darauf hingewiesen
worden, dass die optimale Frequenz zwischen 2 und 3 MHz liegt.
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Wenn
die Frequenz kleiner als 500 kHz ist, kann es zu einem ungewünschten
Oberflächenschmelzen
kommen. Andererseits erhöht
eine Frequenz von mehr als 3 MHz die Wahrscheinlichkeit der Lichtbogenbildung.
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Die
FZ-Technik wird z. B. in der WO 01/06041 genutzt.
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Im
Zusammenhang mit der Herstellung von Einkristallen ist es allerdings
problematisch, dass der Zuführungsstab
als solches, der den Ausgangspunkt für die Bildung des Einkristallstabs
bildet, im Wesentlichen die Form eines Kreiszylinders mit zur Längsachse
des Zylinders parallelen Wänden
haben muss. Außerdem
wird verlangt, dass die Oberfläche
des polykristallinen Zuführungsstabs
glatt ist und eine geringe Rauhigkeit hat. Der Zuführungsstab
muss daher, um anfangs die Grundlage für die Einkristallherstellung
bilden zu können,
einer Bearbeitung unterzogen wird, die neben einem Reinigungsvorgang
auch einen Schleifvorgang beinhaltet, durch den die Oberfläche dazu
gebracht wird, einigermaßen
glatt zu erscheinen, und der Zylinderstab muss ein Kreiszylinder
sein, womit die Fehler beseitigt wären.
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Beim
Stand der Technik können
keine nicht-zylinderförmigen
Stäbe verwendet
werden, wenn sie so weit durchgebogen sind, dass sie eine bananenförmig gekrümmte Form
einnehmen. Es ist daher wünschenswert,
den Stand der Technik auf eine solche Weise zu verbessern, dass
es möglich ist,
Zuführungsstäbe zu verwenden,
die einerseits eine unregelmäßige Oberfläche haben
und andererseits auch andere Formen als die des echten Zylinderstabs
einnehmen, einschließlich
der gekrümmten, ein
wenig bananenförmigen
Form. Dadurch lassen sich bei der Herstellung von Einkristallstäben, die
z. B. in der Halbleiterindustrie oder im Zusammenhang mit der Herstellung
von Halbleiter- Fotovoltaikzellen verwendet
werden, weniger teuere und weniger stark bearbeitete Zuführungsstäbe verwenden.
Der Einkristallstab wird nach seiner Herstellung in Wafer geschnitten.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Verfügung
zu stellen, die die Verwendung der oben angesprochenen unregelmäßigen Zuführungsstäbe erlauben,
die andere Formen als die optimale Zylinderform einnehmen, und die
außerdem
die Verwendung gekrümmter
Zylinder- und Ellipsenstäbe
mit unregelmäßiger Oberfläche erlauben.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
1 gelöst,
wobei die Vorrichtung ein Überwachungssystem
zum Aufzeichnen des Abstands zwischen der Oberfläche des Zuführungsstabs und einer ringförmigen,
radial nach innen gewandten Bezugsfläche, die zur Energieversorgung
gehört,
und dritte Bewegungsmittel zum Verstellen des Abstands umfasst.
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Diese
Aufgabe wird auch durch ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
10 gelöst, bei
dem der Abstand zwischen einer ringförmigen, nach innen gewandten
Bezugsfläche
und der Zuführungsstaboberfläche mittels
eines Überwachungssystems
aufgezeichnet wird und mittels dritter Bewegungsmittel derart verstellt
wird, dass der Abstand zwischen der Oberfläche und der Bezugsfläche gemessen
zu einem gegebenen Zeitpunkt über
den gesamten Umfang des Stabs der gleiche ist.
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In
einer geschlossenen Kammer wird, wie z. B. in der WO 01/06041 beschrieben
ist, ein Zuführungsstab,
in erster Linie ein Silizium-Zuführungsstab,
angeordnet. An dem einen Ende des Stabs wird zunächst eine ringförmige Vertiefung
ausgefräst,
wodurch es z. B. Greifhaken ermöglicht
wird, um diesen Teil des Stabs herumzugreifen. Die Vorrichtung umfasst
einen Aktuator zum Drehen und Verschieben des Zuführungsstabs
in der Vertikalrichtung, wobei unterhalb des Zuführungsstabs in der Kammer ein Keim
angeordnet wird, aus dem die Einkristalle gebildet werden, wenn
darauf mittels der FZ-Technik die Schmelze vom Zuführungsstab
platziert wird. Das Abschmelzen des Zuführungsstabs erfolgt mittels
eines Einwindungsinduktionsrings, der sich gegenüber dem Ende des Zuführungsstabs
befindet, wo die Vertiefung ausgestaltet ist. Dieses Ende, das dem Schmelzende
des Zuführungsstabs
entspricht, kann eine Verjüngung
haben, um eine korrekte Positionierung bezüglich der Induktionsspule zu
ermöglichen. Die
Induktionsspule kann mit einem Hitzereflektor ergänzt werden,
wie er in der DE-19610650 beschrieben ist, dessen technische Merkmale
hier durch Bezugnahme aufgenommen werden. Außerdem umfasst die Kammer ein
Prozessfenster, durch das ein außerhalb der Kammer gelegenes
Kamerasystem Bilder aufnehmen kann, wobei der Brennpunkt der Linse
hierbei auf den Erfassungsbereich eingestellt wird, der der Induktionsspule
entspricht. Die Kamera nimmt mit ungefähr 1–30 Bildern pro Sekunde Bilder auf,
wobei diese Aufzeichnungen zu einer Computereinheit übertragen
werden, die die Position der Induktionsspule bezüglich der Oberfläche des
Zuführungsstabs
aufzeichnet. Diese Aufzeichnungen vom sogenannten Erfassungssystem
werden an ein Verstellsystem weitergeleitet, in dem jeweils die
Werte für
die Position der Induktionsspule bezüglich der nicht-geschmolzenen
Oberfläche
in X- und Y-Richtung berechnet werden, um überall für einen gleichmäßigen Abstand
zwischen dem Umfang des Zuführungsstabs
und der Induktionsspule zu sorgen. Die X-Richtung wird radial und
horizontal auf der Mittellinie des Zuführungsstabs gemessen und die
Y-Richtung senkrecht und horizontal davon in der gleichen Ebene,
wobei die berechneten Werte mit vorher eingegebenen idealen Werten
verglichen werden.
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Diese
idealen Werte werden ermittelt, indem der Durchmesser und die Durchbiegung
des Stabs erfasst werden und anhand dessen der Mittelpunkt des Stabs
festgelegt wird. Die idealen Werte entsprechen denen, wenn die Mitte
des Stabs mit der berechneten Mitte des Stabs identisch ist, wobei
dies einen Bezugspunkt darstellt.
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Die
Bezugsfläche
ist mit der Innenfläche
der Induktionsspule oder unter gewissen Umständen mit einem Ring identisch,
der mit der Induktionsspule deckungsgleich ist.
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Das
Verstellsystem überträgt dann
die Informationen zu den sogenannten dritten Bewegungsmitteln, die
Aktuatoren/Motoren umfassen, die eine Verstellung der Lage des Zuführungsstabs
in jeweils der X- und Y-Richtung vornehmen. Diese Aktuatoren befinden
sich wie der Aktuator für
die Axialbewegung außerhalb
der Kammer, bilden aber einen integralen Bestandteil der Vorrichtung
als solches. Mittels dieses Regelkreises wird fortlaufend, und zwar
gemessen in der X- und Y-Richtung bezüglich der Mitte der Induktionsspule,
eine kontinuierliche Verstellung der Position des Zuführungsstabs
durchgeführt,
sodass statt dessen der Zuführungsstab
aufgrund der Funktionsweise des Verstellkreises unabhängig davon,
ob er gekrümmt
ist und deswegen während
seiner Rotation die Abstände
zur Bezugsfläche ändert, versetzt wird.
Dabei wird der zwischen der Bezugsfläche und der nicht-geschmolzenen
Oberfläche
des Zuführungsstabs
gemessene Abstand fortlaufend korrigiert, sodass er die vorher eingegebenen Bezugsabstände, die
sogenannten Idealwerte, einnimmt, wodurch ein Ausgleich für die gekrümmte Form
erfolgt und die Oberfläche
fortlaufend, und zwar zu einem gegebenen Zeitpunkt und über den
gesamten Umfang des Stabs gemessen, den gleichen Abstand zur Induktionsspule
einnimmt. Dadurch wird ein gleichmäßiges Abschmelzen des Zuführungsstabs
auf den darunter liegenden Einkristall gewährleistet, wodurch die Qualität des Einkristalls
so weit sichergestellt wird, dass er zu einem einkristallinen Stab
anwächst.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass sich der Bezugspunkt des Zuführungsstabs
in diesem Fall entlang der Mittellinie des Zuführungsstabs befindet. Allerdings
könnten
auch andere Bezugspunkte gewählt
werden. Wichtig ist, dass der Durchmesser und die Durchbiegung des
Stabs vor dem Schmelzen ermittelt werden, um einen Bezugspunkt für den Zuführungsstab
zu ermitteln.
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Wenn
für eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
gesorgt wird, wie sie in den Ansprüchen 2 und 3 beansprucht ist,
wird ein zweckmäßiger Kreis
zum Steuern und Bewegen des Zuführungsstabs
bezüglich
der ringförmigen
Energieversorgung erreicht.
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Wenn
für eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
gesorgt wird, wie sie in den Ansprüchen 4 und 5 beansprucht ist,
wird die Funktionsfähigkeit
der dritten Bewegungsmittel erreicht.
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Wenn
für eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
gesorgt wird, wie sie in Anspruch 6 beansprucht ist, wird zweckmäßig für die Funktionsfähigkeit
der ersten und zweiten Bewegungsmittel gesorgt, wobei es jedoch
auch eine Option ist, andere Arten an Motoren zu verwenden.
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Wenn
für eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
gesorgt wird, wie sie in Anspruch 7 beansprucht ist, wird eine ringförmige Energieversorgung
erreicht. Die Energieversorgung kann einen Hitzereflektor umfassen.
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Wenn
für eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
gesorgt wird, wie sie in Anspruch 8 beansprucht ist, wird für technische
Elemente gesorgt, die für
die FZ-Technik erforderlich sind.
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Wenn
für eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
gesorgt wird, wie sie in Anspruch 9 beansprucht ist, wird eine zweckmäßige Überwachung
etwa des als die Schmelzzone bezeichneten Schmelzbereichs erreicht,
für die
aber auch alternative Erfassungssysteme denkbar sind, z. B. ein
Laserstrahl, elektrische Impulse und dergleichen.
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Wie
oben erwähnt
wurde, bezieht sich die Erfindung auch auf ein Verfahren, wobei
sich die Ansprüche
11–14
mit zweckmäßigen Ausführungsbeispielen
dieses Verfahrens befassen.
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Schließlich bezieht
sich die Erfindung auch auf eine Vorrichtung zur Ausübung dieses
Verfahrens.
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Im
Folgenden wird die Erfindung weiter anhand einer ausführlichen
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
offenbart. Es wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, die Folgendes
zeigen:
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1 ein
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit verschiedenen Bewegungsmitteln und der Lage der Kamera bezogen auf
die Kammer;
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2 das
Haltesystem für
den Zuführungsstab
zur beweglichen Einheit der Vorrichtung;
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3 einen
Regelkreis zur Korrektur der X-Bewegung des Zuführungsstabs;
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4 eine
Draufsicht auf die Zonenschwebe-Prozesskammer mit X-Y-Spindelaktuatoren;
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5 eine
Draufsicht auf die Induktionsspule, eine obere Spindel und einen
nicht-zylinderförmigen/elliptischen
Polysiliziumstab;
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6 wie
der Siliziumstab während
des FZ-Prozesses einen Rotationsfehler erzeugt;
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7 den
Bereich, wo das Abschmelzen des Zuführungsstabs mittels einer Induktionsspule erfolgt,
sowie die Lage des Hitzereflektors relativ dazu.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit
einer geschlossenen Kammer 4, in der der sogenannte FZ-Prozess bzw.
Zonenschwebeprozess stattfindet. In der Kammer befindet sich über ein
Haltesystem hinweg, das eine Trägergrundplatte 28 umfasst,
die mit einer oberen Spindel 18'' verbunden
ist, die aus der Kammer als solches nach außen ragt, ein polykristalliner
Zuführungsstab 3.
Zwischen dem Abgang der Spindel 18'' und
den Kammerwänden
ist eine flexible Dichtung 19 vorgesehen, damit die Kammer
geschlossen und bezüglich
der Umgebung abgedichtet bleibt. Die obere Spindel 18" ist so aufgehängt, dass
sie über Bewegungsmittel 6 in
Form eines Aktuators 12 axial verschoben werden kann, wobei
der Aktuator außerdem
zweite Bewegungsmittel 7 umfasst, die eine Rotation vornehmen.
Diese Bewegungs mittel gewährleisten,
dass der polykristalline Zuführungsstab 3 während des
Abschmelzens in axialer Bewegungsrichtung nach unten bewegt wird,
während
gleichzeitig eine Rotation stattfindet, was überall um den Zuführungsstab
herum ein kontinuierliches Schmelzen mit sich bringt.
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Darüber hinaus
umfassen die Bewegungsmittel dritte Bewegungsmittel 10,
die ebenfalls in Form von Aktuatoren vorliegen, die für eine Bewegung
des Zuführungsstabs
in translatorischer und horizontaler Richtung, und zwar in X- und
Y-Richtung sorgen, deren Koordinaten senkrecht zueinander sind und
somit auch senkrecht zu der oben beschriebenen Axialbewegung in
Z-Richtung sind.
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In
der Kammer ist um den Zuführungsstab herum
eine Induktionsspule 13 mit einer Einzelwindung vorgesehen.
Die Induktionsspule könnte
so geformt sein, wie es die DE-19610650 lehrt, und umfasst außerdem einen
Hitzereflektor, der auch als Bezugsfläche dienen könnte. Eine
ausführlichere
Beschreibung davon erfolgt im Zusammenhang mit 7.
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Die
Induktionsspule, die auch als ringförmige Energieversorgung 5 bezeichnet
wird, nimmt Energie von einer außerhalb der Kammer angeordneten
Energieversorgung 22 auf. Auch hier ist die Verbindung der
in der Innenkammer 4 gelegenen Induktionsspule von einer
flexiblen Dichtung 19 umgeben, damit die Kammer gegenüber der
Umgebung abgedichtet ist. Unterhalb des Zuführungsstabs 8 wird
zu Beginn des Prozesses ein Keim 35 angeordnet, der die
Grundlage für
die Züchtung
eines Einkristallstabs 2 bilden soll. Der Keim befindet
sich an der Oberseite einer unteren Spindel 18', die ebenfalls
mittels außerhalb der
Kammer angeordneter Mittel in Form eines Aktuators eine Axialversetzung
des Keims und des anschließend
gebildeten Einkristallstabs 2 erfährt, sodass er während seines
Wachstums den geeigneten Abstand zur Induktionsspule 13 beibehält.
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Außerdem befindet
sich außerhalb
der Kammer 4 ein Überwachungssystem 8 in
Form eines Kamerasystems, das einzelne Bilder aufnehmen kann. Es
zeichnet typischerweise 1–30
Bilder pro Sekunde auf. Die Linse der Kamera ist zu einem in der
Kammer 4 gelegenen Prozessfenster 20 gewandt,
durch das die Kamera Bilder des Bereichs aufnimmt, in dem das Schmelzen
stattfindet und der als die Schmelzzone 16 bezeichnet wird.
Die Kamera zeichnet daher den Abstand zwischen der Induktionsspule oder
dem Hitzereflektor 17 und der nicht-geschmolzenen oder
geschmolzenen Oberfläche 9 des
Zuführungsstabs 3 auf
bzw. erfasst ihn.
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Die
Aufzeichnungen erfassen den Abstand in sowohl der X- als auch der Y-Richtung,
wobei die Rotation des Zuführungsstabs
gewährleistet,
dass die Informationen über
die Lage des Zuführungsstabumfangs
bezüglich
des Hitzereflektors oder der Induktionsspule fortlaufend verfügbar sind,
wobei der Hitzereflektor ebenfalls kreisförmig ist und einen größeren Durchmesser
als der Zuführungsstab
als solches hat. Das Abschmelzen des Zuführungsstabs findet gegenüber dem
Aufhängungssystem
an seinem oberen Ende 23 statt.
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2 zeigt
die Verbindung zwischen der oberen Spindel 18'' und dem anderen Ende des Zuführungsstabs 3 als
solches, wobei an dem anderen Ende des Zuführungsstabs eine ringförmig verlaufende
Vertiefung 26 vorgesehen ist und entgegengesetzt zum Schmelzbereich
orientiert ist, in der Greifhaken 27 montiert sind. Diese
Greifhaken stehen über
Gewinde 29 mit einer Trägergrundplatte 28 in Verbindung
und sind über
Schrauben 30 gesichert und befestigt, wodurch der nach
innen ragende Teil der Greifhaken in dem auf dem Zuführungsstab
ausgebildeten Kragen 34 gesichert ist, und die Basis des Zuführungsstabs
fest gegen die Unterseite der Trägergrundplatte 28 stößt, wenn
die Schrauben 30 festgezogen werden. Die Oberseite der
Trägergrundplatte 28 ist
mit einem Stift ausgestattet, der ein Außengewinde 31 hat,
das mit einem Innengewinde 32 verbunden wird, das an dem
einen Ende der oberen Spindel 18'' angeordnet
ist und einer allgemein bekannten Spindelanordnung entspricht.
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Wie
oben erwähnt
wurde, kann der eingesetzte Zuführungsstab 3 eine
gekrümmte
Form einnehmen, was recht neu ist, wobei das Verstellsystem – wie unten
beschrieben wird – berücksichtigt,
dass der Abstand zwischen dem Schmelzende des kurvenförmigen/bananenförmigen Zuführungsstabs
und der Induktionsspule über
den gesamten Umfang des Stabs hinweg konstant den gleichen Wert
einnimmt. Vor dem Schmelzen des Zuführungsstabs erfolgt eine Erfassung
der Mitte der Induktionsspule und eine Erfassung des Durchmessers
und der Durchbiegung des Stabs. Dies geschieht, indem der Stab einmal
gedreht wird und indem über
während
dieses Vorgangs aufgenommene Bilder oder eine Messreihe die Abmessungen
berechnet und erfasst werden.
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In
diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass, um die Stabqualität zu ermitteln,
eine Messung des Zwischenraums erfolgt, der entsteht, wenn ein Zylinderstab
mit seiner Achse parallel zu einer glatten Oberfläche angeordnet
wird und der größte Abstand zwischen
dem höchsten
Punkt der Kurve und der Basis gemessen wird. Bislang ist es möglich gewesen, mit
einem Bogen von bis zu 3–4
mm ein Abschmelzen zu bewerkstelligen. Mit der neuen Vorrichtung und
dem neuen Verfahren ist es möglich,
ein Abschmelzen mit einem Zwischenraum von bis zu 15–20 mm zu
bewerkstelligen.
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Es
sollte ebenfalls erwähnt
werden, dass es möglich
ist, einen Zuführungsstab
mit einer sehr verschrumpelten und wie gewachsenen Oberfläche zu verwenden,
also mit einer Oberfläche,
die im Prinzip in etwa wie die von dicht aneinanderstoßendem Popcorn
aussieht, wobei eine Induktionsspule verwendet wird, die außerdem einen
Reflektor enthält.
Der Reflektor wird verwendet, um den Wärmeausgleich zu erleichtern.
Für den
Fall, dass ein Zuführungsstab verwendet
wird, der keine raue, sondern eine glatte Oberfläche hat, der Zuführungsstab
aber gekrümmt ist,
reicht die Induktionsspule selbst nicht aus. Der Zuführungsstab
hat typischerweise einen Durchmesser von 90–160 mm und eine Länge von
bis zu 2,5 m. Außerdem
können
typische Querschnitte des Zuführungsstabs
elliptisch sein, was ebenfalls von der Vorrichtung und dem Verfahren
berücksichtigt
wird.
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Mit
anderen Worten lösen
die Vorrichtung und das Verfahren die Probleme, die auftreten können aufgrund
von:
- – Oberflächen-Morphologie,
- – bananenförmig gekrümmter Zylinderform
und
- – eines
von der Kreisform zur Ellipsenform abweichenden Querschnitts des
Zuführungsstabs.
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3 zeigt
nun ein Prinzip für
das Regelsystem, das für
die Regelung des Prozesses verantwortlich ist und verschiedene Vorrichtungsteile
umfasst. Der FZ-Prozess findet als solches in der geschlossenen
Kammer 4 statt. Ein Überwachungssystem 8 in Form
eines Kamerasystems 14 oder dergleichen vollzieht durch
das Prozessfenster hindurch eine Echtzeitschilderung des Prozesses.
Diese Bilder werden zu einem Erfassungssystem 15 in Form
einer Computereinheit übertragen,
das die Lage des Zuführungsstabs
bezogen auf die ringförmige
Energieversorgung aufzeichnet und berechnet und sie in Daten umwandelt,
die zu dem Verstellsystem 11 weitergeleitet werden, in
dem eine Berechnung der Anpassung erfolgt, die der Zuführungsstab
bezüglich
der ringförmigen
Energieversorgung durchführen
muss, wenn der zwischen der nicht-geschmolzenen Oberfläche und der Induktionsspule
gemessene Abstand überall
um seinen Umfang herum bezogen auf die Induktionsspule 13 den
gleichen Wert einnehmen soll, um ein gleichmäßiges Abschmelzen sicherzustellen.
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Das
Verstellsystem berücksichtigt
somit die idealen Werte, die für
die Zuführungsstablage
in der X-Y-Richtung gelten, die mit den von der Computereinheit
weitergeleiteten Zahlen verglichen werden, welche wirklich zählen. Darüber hinaus
werden von dem Aktuator Eingangssignale 35 über die
Winkelpositionierung der oberen Spindel 18'' erzeugt.
Auf dieser Grundlage werden Ausgangssignale in Form von Aktuatorantriebssignalen
zu den dritten Bewegungsmitteln 10 übertragen, die Signale über die
Anpassung der X- und Y-Richtung des Zuführungsstabs zu den Aktuatoren 12 weiterleiten,
sodass er bezüglich der
Induktionsspule richtig und gleichmäßig positioniert wird.
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4 ist
eine Draufsicht auf die Zonenschwebeprozesskammer mit der oberen
Spindel 18'' und den beiden
Aktuatoren auf der Spindel in einer Form an der Stelle der dritten
Bewegungsmittel, damit sie die translatorische Bewegung in die X-
und Y-Bewegung vollführen
können,
durch die eine oszillierende Bewegung erfolgt. Ebenso zeigt die
Draufsicht die Lage des Über wachungssystems
in Form der Kamera 14, deren Linse 33 durch ein
Prozessfenster 20 Zugang zum kritischen Zonenschwebebereich
hat.
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Darüber hinaus
ist auf der gegenüberliegenden
Seite eine Energieversorgung 22 zur Versorgung der Induktionsspule
gezeigt.
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5 zeigt
die Abstützung
zwischen der oberen Spindel 18'' und
dem Zuführungsstab 3 als solches
und die kreisförmige
Trägergrundplatte 28, wobei
klar die elliptische Form des Zuführungsstabs 3 zu erkennen
ist. Die Induktionsspule 13 ist um den Zuführungsstab
als solches dermaßen
angeordnet, dass sich zu diesem ein gleichmäßiger Abstand ergibt.
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6 zeigt
ein typisches Beispiel eines gekrümmten Zuführungsstabs 3, wobei
die fehlerhaften Rotationen skizziert sind, die im Fall einer solchen gekrümmten Form
auftreten. Der Zuführungsstab 3 ist über die
Trägergrundplatte 28 an
der oberen Spindel 18'' befestigt.
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Wie
oben erwähnt
wurde, kann es in den Fällen,
in denen der Zuführungsstab 3 eine
verschrumpelte Oberfläche
hat, notwendig sein, die Induktionsspule mit einem Hitzereflektor 17 zu
versehen. In den Fällen,
in denen die Staboberfläche
glatt ist, kann auch die Induktionsspule selbst ausreichen.
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7 zeigt
den angesprochenen Fall, dass die Induktionsspule 13 mit
einem Hitzereflektor 17 ausgestattet ist. Der Hitzereflektor 17 ist
kreisförmig und
konzentrisch um den Zuführungsstab 3 herum gelagert.
Der Zuführungsstab
hat an seinem unteren Ende eine nicht-geschmolzene Oberfläche 9, wobei es der
Abstand zwischen dieser nicht-geschmolzenen Oberfläche 9 und
der Innenfläche
des Hitzereflektors 17 ist, der von der Kamera aufgezeichnet wird
und Änderungen
im X-Y-System zur Folge hat, damit der Abstand zwischen der nicht-geschmolzenen
Oberfläche 9 und
der Innenfläche
des Hitzereflektors 17 zu einem gegebenen Zeitpunkt überall den
gleichen Wert einnimmt.
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Dabei
wird auch eine Schmelzzone 16 erzielt, die konzentrisch
um sowohl den Zuführungsstab 3 als
auch die Mittelachse des Einkristalls 2 gelagert ist, weswegen
ein gleichmäßiger Aufbau
des Einkristalls 2 erreicht wird.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass das Zuführungsstabmaterial ein Halbleitermaterialist,
das ein Element oder eine Mischung aus Elementen umfasst, die aus
der Elementengruppe gewählt
ist, die aus einem Einzelelement der Gruppe IV, zwei Elementen der
Gruppe IV, zwei Elementen der Gruppe III und der Gruppe V, zwei
Elementen der Gruppe II und der Gruppe VI und zwei Elementen der
Gruppe IV und der Gruppe VI des Periodensystems der Elemente besteht.
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Genauer
gesagt wird das Halbleitermaterial bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
aus der aus Si, Ge, C und SiC bestehenden Gruppe oder einer Kombination
davon gewählt.
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In
einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel
umfasst das Zuführungsstabmaterial im
Wesentlichen Silizium.
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Der
Ausdruck „umfasst
im Wesentlichen" soll bedeuten,
dass das Zuführungsstabmaterial
neben dem Hauptbestandteil auch andere Bestandteile wie z. B. Verunreinigungen oder
Additive wie Dotierstoffe umfassen kann, die für andere gewünschte Eigenschaften
sorgen.