DE60001274T2

DE60001274T2 - Verfahren und vorrichtung zur steuerung des durchmessers eines siliziumkristalles in einem züchtungsverfahren

Info

Publication number: DE60001274T2
Application number: DE60001274T
Authority: DE
Inventors: H. Fuerhoff; L. Kimbel
Original assignee: SunEdison Inc
Current assignee: SunEdison Inc
Priority date: 1999-03-22
Filing date: 2000-02-17
Publication date: 2003-09-25
Anticipated expiration: 2020-02-18
Also published as: WO2000056956A9; KR100690218B1; CN1344335A; KR20010113750A; WO2000056956A8; JP4602561B2; WO2000056956A1; EP1171652B1; EP1171652A1; JP2003528017A; US6776840B1; DE60001274D1; TW552324B

Description

Erfindungshintergrund

Diese Erfindung betrifft allgemein Verbesserungen bei der Steuerung von Züchtungsverfahren von Einkristallhalbleitern zur Verwendung bei der Herstellung von elektronischen Bauteilen, und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur akkuraten Steuerung des Durchmessers eines einkristallinen Siliziumrohlings, der aus einer Halbleiterausgangsschmelze mit einem vorher bestimmten Geschwindigkeitsprofil gezogen wird.
Monokristallines oder einkristallines Silizium ist das Ausgangsmaterial in den meisten Verfahren zur Herstellung von elektronischen Halbleiterkomponenten. Die Kristallzüchtungsmaschinen, welche das Czochralski-Kristallzüchtungsverfahren anwenden, produzieren die Mehrheit des Einkristallsiliziums. Kurz beschrieben beinhaltet das Czochralski-Verfahren das Schmelzen einer Charge von hochreinem polykristallinem Silizium in einem Quarztiegel, der in einem besonders dafür ausgestalteten Ofen platziert ist. Nachdem der erhitzte Tiegel die Siliziumcharge geschmolzen hat, senkt ein Kristallanhebemechanismus einen Impikristall bis zum Kontakt mit dem geschmolzenen Silizium ab. Der Mechanismus zieht dann den Impfkristall zurück, um einen wachsenden Kristall aus der Siliziumschmelze zu ziehen. Ein typischer Kristallanhebungsmechanismus lässt den Impfkristall an einem Ende eines Kabels, dessen anderes Ende um eine Trommel gewickelt ist, herabhängen. Mit sich drehender Trommel bewegt sich der Impfkristall auf oder ab, abhängig davon, in welche Richtung die Trommel rotiert wird.
Nach der Ausbildung eines Kristallhalses vergrößert das Züchtungsverfahren den Durchmesser des wachsenden Kristalls durch Verringerung der Ziehgeschwindigkeit und/oder der Temperatur der Schmelze, bis ein gewünschter Durchmesser erreicht ist. Durch Steuern der Ziehgeschwindigkeit und der Temperatur der Schmelze bei gleichzeitiger Kompensierung des fallenden Niveaus der Schmelze wird der Hauptkörper des Kristalls gezüchtet, so dass er einen ungefähr konstanten Durchmesser aufweist (d. h. er ist im allgemeinen zylindrisch). Nahe am Ende des Züchtungsverfahrens, jedoch bevor der Tiegel mit geschmolzenem Silizium geleert ist, verringert das Verfahren schrittweise den Kristalldurchmesser, um einen Endkonus auszubilden. Typischerweise wird der Endkonus durch Erhöhen der Kristallziehgeschwindigkeit und der dem Tiegel zugeführten Wärme ausgebildet. Wenn der Durchmesser klein genug ist, wird der Kristall anschließend von der Schmelze getrennt. Während des Züchtungsverfahrens rotiert der Tiegel die Schmelze in die eine Richtung und der Kristallanhebemechanismus rotiert sein Ziehkabel oder den Schaft zusammen mit dem Impfkristall und dem Kristall in die entgegengesetzte Richtung.
Obwohl gegenwärtig verfügbare Czochralski-Züchtungsverfahren zum Züchten von Einkristallsilizium zufriedenstellend sind, das in einer breiten Vielzahl von Anwendungen verwendbar ist, werden immer weitere Verbesserungen gefordert. Beispielsweise bilden sich in der Kristallwachstumskammer eine Reihe von Defekten im Einkristallsilizium, wenn der Kristallrohling nach der Verfestigung abkühlt. Solche Defekte stammen teilweise aus der Gegenwart eines Überschusses (d. h. einer Konzentration oberhalb der Löslichkeitsgrenze) von intrinsischen Punktdefekten, die als Leerstellen und Selbsteinlagerungsstellen (vacancies and self-interstitials) bekannt sind. Es wurde vorgeschlagen, dass die Art und die Anfangskonzentration dieser Punktdefekte im Silizium die Art und die Gegenwart der agglomerierten Defekte im Endprodukt beeinflussen können. Wenn diese Konzentrationen einen Anteil kritischer Übersättigung im System erreichen und die Mobilität der Punktdefekte ausreichend hoch ist, ist es wahrscheinlich, dass eine Reaktion oder ein Agglomerierungsvorfall auftritt. Agglomerierte intrinsische Punktdefekte im Silizium können das Ausbeutepotential des Materials bei der Produktion von komplexen integrierten Schaltkreisen beträchtlich nachteilig beeinflussen.
Das genaue Ziehen eines einkristallinen Siliziumrohlings aus einer Schmelze gemäß einem vorherbestimmten Geschwindigkeitsprofil oder Sollwert, spezifiziert in einem Kristall- "Rezept" hilft, Verfahrenserfordernisse für die Steuerung der Bildung von Defekten zu befriedigen. Beispielsweise verringert diese Art von Steuerung (hier bezeichnet als ein "gesperrter Impfkristallanhebungsprozess" ("locked seed lift" process)) die Zahl und die Konzentration von intrinsischen Punktdefekten in dem Rohling. Zusätzlich hilft ein gesperrter Impfkristallanhebungsprozess dabei, die Konzentration von Leerstellen und Selbsteinlagerungsstellen zu steuern, um eine Agglomerierung der intrinsischen Punktdefekte in dem Rohling zu verhindern, wenn der Rohling von seiner Verfestigungstemperatur herabkühlt.
Herkömmliche Czochralski-Siliziumzüchtungsverfahren variieren jedoch die Ziehgeschwindigkeit oder die Impfkristallanhebung, um den Durchmesser des wachsenden Kristalls zu steuern. Für Fachleute ist klar, dass eine ansteigende Ziehgeschwindigkeit eine Verringerung des Kristalldurchmessers bewirkt, wohingegen eine Verringerung der Ziehgeschwindigkeit eine Vergrößerung des Durchmessers bewirkt. Es ist ebenfalls gut bekannt, dass eine Erhöhung der Temperatur der Siliziumausgangsschmelze eine Verringerung des Kristalldurchmessers bewirkt, wohingegen eine Verringerung der Temperatur der Schmelze einen Anstieg des Durchmessers bewirkt. Aus diesen Gründen kann die Steuerung der Ziehgeschwindigkeit gemäß einem Sollwertprofil zu Durchmesserfehlern führen, sofern nicht die Temperatur der Schmelze während des Ziehens in genauer Weise eingestellt wird.
Leider ist die Verwendung der Ziehgeschwindigkeit zur Steuerung des Kristalldurchmessers bei herkömmlichen Züchtungsverfahren allgemein bevorzugt, da die Verzögerung beim Wirksamwerden von Temperaturänderungen der Schmelze üblicherweise nicht akzeptabel ist. Mit anderen Worten, die Auswahl der Ziehgeschwindigkeit anstelle der Temperatur, um den Durchmesser zu steuern, basiert auf dem Unterschied bei den Ansprechzeiten, da die Ansprechzeit für Temperaturänderungen viel langsamer ist als die Ansprechzeit für Änderungen bei der Ziehgeschwindigkeit. Beispielsweise erreicht eine Stufenveränderung bei der Ziehgeschwindigkeit typischerweise eine Durchmesserantwort innerhalb von Sekunden, wohingegen eine stufenweise Veränderung bei der Heizleistung oder der Temperatur der Schmelze in einer viel verwascheneren Antwort resultiert, die mehrere zehn Minuten in Anspruch nehmen kann, um einen gleichwirkenden Effekt zu erzielen.
Aus diesen Gründen besteht ein Bedarf nach einer genauen und verlässlichen Vorrichtung und einem Verfahren zum Ziehen eines einkristallinen Siliziumrohlings aus einer Schmelze zur Steuerung des Durchmessers des Siliziumkristalls nur über die Heizerleistung, und wobei die Ziehgeschwindigkeitsvariabilität eliminiert wird, die üblicherweise benötigt wird, um den Durchmesser zu steuern.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung erfüllt den oben genannten Bedarf und überwindet die Nachteile des Standes der Technik durch Bereitstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Einstellen der Leistung für das Aufrechterhalten einer adäquaten Steuerung des Kristalldurchmessers in einem Verfahren mit gesperrter Impfkristallanhebung. Unter den verschiedenen Aufgaben der Erfindung kann die Bereitstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung hervorgehoben werden, die eine genaue Durchmessersteuerung zur Verfügung stellt; die Bereitstellung eines solchen Verfahrens und einer Vorrichtung, welche den Kristalldurchmesser durch Veränderung der Temperatur der Schmelze einstellt; die Bereitstellung eines solchen Verfahrens und einer Vorrichtung, welche relativ schnelle Temperaturveränderungen der Schmelze gewährleistet; die Bereitstellung eines solchen Verfahrens und einer Vorrichtung, welche das Modellieren der Temperaturantwort der Schmelze erlauben; die Bereitstellung eines solchen Verfahrens und einer Vorrichtung, welche das Verändern des Kristalldurchmessers als Funktion der Heizerleistung erlauben; die Bereitstellung eines solchen Verfahrens und einer Vorrichtung, die in existierenden Kristallzüchtungsvorrichtungen eingebaut werden können; und die Bereitstellung eines solchen Verfahrens und einer Vorrichtung, die ökonomisch möglich und kommerziell praktikabel sind.
Kurz beschrieben ist ein Verfahren, welches die Gesichtspunkte der Erfindung verkörpert für die Verwendung in Kombination mit einem Apparat zur Züchtung eines monokristallinen Rohlings nach dem Czochralski-Verfahren vorgesehen. Die Vorrichtung besitzt einen beheizten Tiegel, enthaltend eine Halbleiterschmelze, aus welcher der Rohling auf einem Impfkristall gezüchtet wird, der aus der Schmelze gezogen wird. Das Verfahren umfasst das Ziehen des Rohlings aus der Schmelze mit einer Sollgeschwindigkeit, die im wesentlichen einem vorher bestimmten Geschwindigkeitsprofil folgt. Das Verfahren umfasst auch den Schritt des Definierens eines Temperaturmodells, das für Veränderungen der Temperatur der Schmelze in Erwiderung auf Veränderungen der dem Heizer zum Aufheizen der Schmelze zugeführten Leistung repräsentativ ist. Beim Erzeugen eines Temperatursollwerts, welcher für eine Solltemperatur der Schmelze steht, umfasst das Verfahren als nächstes die Schritte des Erzeugens eines Signals, das für einen Fehler zwischen einem Solldurchmesser und einem gemessenen Durchmesser des Rohlings repräsentativ ist, das Ausführen einer proportional- integral-derivativen (PID) Steuerung auf das Fehlersignal, und Erzeugen eines Temperatursollwerts als eine Funktion davon. Das Verfahren umfasst ferner das Bestimmen eines Leistungssollwertes für die dem Heizer zugeführte Leistung aus dem Temperaturmodell als eine Funktion des von der PID-Steuerung erzeugten Temperatursollwerts, und das Einstellen der dem Heizer zugeführten Leistung gemäß dem Leistungssollwert. Auf diese Weise wird die Temperatur der Schmelze für die Steuerung des Durchmessers des Rohlings verändert.
Eine weitere Ausführungsform von der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verwendung in Kombination mit einer Vorrichtung zum Züchten eines monokristallinen Rohlings gemäß dem Czochralski-Verfahren. Die Vorrichtung besitzt einen beheizten Tiegel, der eine Halbleiterschmelze enthält, aus welcher der Rohling auf einem Impfkristall gezüchtet wird, der aus der Schmelze gezogen wird. Die Vorrichtung umfasst ein vorherbestimmtes Geschwindigkeitsprofil, und der Rohling wird aus der Schmelze mit einer Soll-Geschwindigkeit gezogen, die im wesentlichen dem Geschwindigkeitsprofil folgt. Die Vorrichtung umfasst auch eine PID-Steuerung, die einen Temperatursollwert als Funktion eines Fehlers zwischen dem Solldurchmesser und einem gemessenen Durchmesser des Rohlings erzeugt. Der Temperatursollwert gibt eine Solltemperatur der Schmelze wieder. Ein Temperaturmodell ist repräsentativ für Veränderungen der Temperatur der Schmelze in Erwiderung auf Veränderungen der dem Heizer zum Aufheizen der Schmelze zugeführten Leistung. Das Temperaturmodell bestimmt einen Leistungssollwert für die dem Heizer zugeführte Leistung als Funktion des Temperatursollwerts, der durch die PID-Steuerung erzeugt wird. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Heizung zum Beheizen der Schmelze und eine Stromversorgung, die auf den Leistungssollwert zur Einstellung der dem Heizer zugeführten Leistung anspricht. Auf diese Weise verändert die Vorrichtung die Temperatur der Schmelze, um den Durchmesser des Rohlings zu steuern.
Alternativ dazu kann die Erfindung verschiedenste andere Verfahren und Vorrichtungen umfassen. Andere Aufgaben und Merkmale werden teilweise offensichtlich sein und teilweise im Folgenden erläutert werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Darstellung einer Kristallzüchtungsvorrichtung und einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zur Steuerung der Kristallzüchtungsvorrichtung.
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm der Vorrichtung der Fig. 1 einschließlich einer Steuerungseinheit mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung (PLC).
Fig. 3 ist ein Fließdiagramm, welches den Betrieb der Steuerungseinheit zum Kalibrieren der Vorrichtung der Fig. 1 veranschaulicht.
Fig. 4 ist ein Geschwindigkeitsprofil für das Ziehen eines Kristallrohlings mit einer verringerten Anzahl und Konzentration von intrinsischen Punktendefekten mit der Vorrichtung der Fig. 1.
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm der Vorrichtung der Fig. 1, welche in Betrieb ist, um einen modifizierten Sollwert zu berechnen.
Die Fig. 6A und 6B sind Fließdiagramme, welche den Betrieb des PLC's der Fig. 2 zur Berechnung eines Korrekturfaktors veranschaulichen.
Die Fig. 7, 8 und 9 sind Blockdiagramme, welche die Steuerung des Kristallzüchtungsverfahrens gemäß dem Stand der Technik veranschaulichen.
Die Fig. 10 ist ein Blockdiagramm, welches die Steuerung des Kristallzüchtungsverfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführung von der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Fig. 11 ist ein exemplarisches Temperaturerwiderungsmodell für die Steuerungen der Fig. 7-9.
Fig. 12 ist ein exemplarisches Temperaturerwiderungsmodell für die Steuerung der Fig. 10.
Fig. 13 ist eine exemplarische Zeichnung, welche die Durchmessereigenschaften mit aktiver und gesperrter Ziehgeschwindigkeit gemäß der Vorrichtung der Fig. 1 veranschaulicht. Gleiche Bezugszeichen zeigen gleichbleibende Teile durch die gesamten verschiedenen Ansichten der Zeichnungen an.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen

Bezugnehmend auf Fig. 1 wird eine Vorrichtung, allgemein gezeigt bei 11, wiedergegeben, für die Verwendung mit einem Czochralski-Kristallzüchtungsapparat, der allgemein bei 13 angedeutet ist.
Die Details des Aufbaus der Kristallzüchtungsvorrichtung 13 sind den Durchschnittsfachleuten gut bekannt. Im Allgemeinen umfasst die Kristallzüchtungsvorrichtung 13 eine Vakuumkammer 15, welche einen Tiegel 19 umschließt. Heizmittel wie etwa eine Widerstandsheizung 21 umgeben den Tiegel 19. In einer Ausführungsform kleidet eine Isolierung 23 die innere Wand der Vakuumkammer 15 aus, und ein Kammerkühlmantel (nicht gezeigt) mit Wasserzuleitung umgibt diese. Eine Vakuumpumpe (nicht gezeigt) entfernt typischerweise das Gas aus dem Inneren der Vakuumkammer 15, während eine inerte Atmosphäre aus Argongas dieser zugeführt wird.
Gemäß dem Czochralski-Einkristallzüchtungsverfahren wird eine Menge an polykristallinem Silizium oder Polysilizium in den Tiegel 19 gegeben. Eine Heizerstromquelle 27 gewährleistet durch den Widerstandsheizer 21 einen elektrischen Strom, um die Beladung zu schmelzen und so eine Siliziumschmelze 29 zu bilden, aus welcher ein Einkristall 31 gezogen wird. Vorzugsweise wird ein Temperatursensor 33 wie etwa eine Photozelle oder ein Pyrometer verwendet, um Messungen der Oberflächentemperatur der Schmelze zur Verfügung zu stellen. Der Einkristall 31 beginnt mit einem Impfkristall 35, der an einer Zugstange oder einem Zugkabel 37 befestigt ist. Wie in Fig. 1 gezeigt haben der Einkristall 31 und der Tiegel 19 im Allgemeinen eine gemeinsame Symmetrieachse 39. Ein Ende des Kabels 37 ist mittels eines Flaschenzugs 41 (siehe Fig. 2) mit einer Trommel 43 (siehe Fig. 2) verbunden, und das andere Ende ist mit einer Spannvorrichtung (nicht gezeigt) verknüpft, welche den Impfkristall 35 und den Kristall 31, der aus dem Impfkristall gezüchtet wird, hält.
Während dem Heizen als auch dem Kristallzüchten dreht eine Tiegelantriebseinheit 45 den Tiegel 19 (z. B. in Richtung des Uhrzeigersinns). Die Tiegelantriebseinheit 45 hebt und senkt auch den Tiegel 19, wie dies während des Züchtungsverfahrens nötig ist. Beispielsweise hebt die Tiegelantriebseinheit 45 den Tiegel 19, wenn die Schmelze 29 ausgeschöpft wird, um das Niveau bei einer bestimmten Höhe zu halten, angedeutet mit dem Bezugszeichen 47. Eine Kristallantriebseinheit 49 rotiert in ähnlicher Weise das Kabel 37 in einer Richtung, die entgegengesetzt zu der Richtung ist, in welcher die Tiegelantriebseinheit 45 den Tiegel 19 rotiert. Zusätzlich hebt und senkt die Kristallantriebseinheit 49 den Kristall 31 relativ zum Niveau der Schmelze 47, wie dies während des Züchtungsverfahrens erforderlich ist.
In einer Ausführungsform heizt die Kristallzüchtungsvorrichtung 13 den Impfkristall 35 vor, indem es ihn nahe bis zum Kontakt mit dem geschmolzenen Silizium der Schmelze 29, die in dem Tiegel 19 enthalten ist, absenkt. Nach dem Vorheizen senkt die Kristallantriebseinheit 49 den Impikristall 35 über das Kabel 37 weiter bis zum Kontakt mit der Schmelze an ihrem Schmelzeniveau 47 ab. Wenn der Impfkristall 35 schmilzt, zieht die Kristallantriebseinheit 49 ihn langsam aus der Schmelze 29 zurück oder heraus. Der Impfkristall 35 bezieht Silizium aus der Schmelze 29, um ein Wachstum eines Silizium-Einkristalls 31 zu erzeugen, wenn er zurückgezogen wird. Die Kristallantriebseinheit 49 rotiert den Kristall 31 mit einer Bezugsgeschwindigkeit, während es den Kristall 31 aus der Schmelze 29 zieht. Die Tiegelantriebseinheit 45 rotiert auf ähnliche Weise den Tiegel 19 mit einer anderen Bezugsgeschwindigkeit, üblicherweise jedoch in entgegengesetzter Richtung relativ zum Kristall 31.
Eine Steuerungseinheit 51 steuert anfangs die Rückzieh- oder Ziehgeschwindigkeit und die Leistung, welche die Stromquelle 27 dem Heizer 21 zuführt, um ein Abkragen des Kristalls 31 zu bewirken. Vorzugsweise züchtet die Kristallzüchtungsapparatur 13 den Kristallhals mit einem im wesentlichen konstanten Durchmesser, wenn der Impfkristall 35 aus der Schmelze 29 gezogen wird. Beispielsweise hält die Steuerungseinheit 51 einen im wesentlichen konstanten Halsdurchmesser von etwa 5% des gewünschten Körperdurchmessers aufreicht. Nach einem herkömmlichen Steuerungsschema stellt die Steuerungseinheit 51 die Rotation, die Zieh- und/oder die Heizparameter ein, nachdem der Hals eine gewünschte Länge erreicht hat, um zu bewirken, dass der Durchmesser des Kristalls 31 auf konusförmige Weise ansteigt, bis ein erwünschter Kristallkörperdurchmesser erreicht ist. Beispielsweise verringert die Steuerungseinheit 51 die Ziehgeschwindigkeit, um einen sich auswärts verbreiternden Bereich zu erzeugen, der üblicherweise als der Taper des Kristalls bezeichnet wird.
Sobald der erwünschte Kristalldurchmesser erreicht ist, steuert die Steuerungseinheit 51 die Züchtungsparameter so, dass ein relativ konstanter Durchmesser aufrechterhalten wird, wie mittels der Vorrichtung 11 gemessen, bis das Verfahren sich seinem Ende nähert. An diesem Punkt werden die Ziehgeschwindigkeit und die Heizung üblicherweise erhöht, um den Durchmesser zu verringern, um so einen abgeschrägten Teil am Ende des Einkristalls 31 auszubilden. Das U. S.-Patent Nr. 5,178,720 des gleichen Anmelders, dessen gesamte Offenbarung hiermit per Zitierung einbezogen wird, offenbart ein bevorzugtes Verfahren zur Steuerung der Kristall- und Tiegelrotationsgeschwindigkeiten als Funktion des Kristalldurchmessers. Die U. S.-Patent-Nr. 5,882,402, U. S.-Patent-Nr. 5,846,318, U. S.-Patent-Nr. 5,665,159 sowie U. S.-Patent-Nr. 5,653,799, desselben Anmelders, deren gesamte Offenbarungen hiermit per Zitierung einbezogen sind, gewährleisten akkurate und verlässliche Messungen einer Reihe von Kristallzüchtungsparametern, einschließlich des Kristalldurchmessers. In diesen Patenten verarbeitet eine Bildverarbeitungsvorrichtung Bilder der Kristallgrenzfläche der Schmelze, um den Durchmesser zu bestimmen.
Der Fachmann wird erkennen, dass der Tiegel 19 während des Kristallziehens angehoben werden sollte. Aufgrund der relativ geringen Distanz, um die der Tiegel 19 sich während eines typischen Ziehvorgangs bewegt, ist leicht zu erkennen, dass das Anheben des Tiegels deutlich weniger kritisch für die Verringerung von Defekten ist als das Kristallziehen. Eine geeignete Gleichung zum Anheben des Tiegels 19 während des Ziehens des Kristalls 31 umfasst das Multiplizieren der Kristallziehgeschwindigkeit mit dem Verhältnis der Querschnittsfläche des Rohlings zur Querschnittsfläche des Tiegels (gemessen am Niveau der Schmelze) mal dem Verhältnis der Dichte des Siliziums im Rohling zur Dichte des Siliziums in der Schmelze. Andere Tiegelanhebungsgleichungen können auch innerhalb des Umfangs der Erfindung verwendet werden.
Die Fig. 2 veranschaulicht die elektrische Schaltung, welche durch die Steuerungseinheit 51 verkörpert wird, zum Steuern von u. a. der Kristallantriebseinheit 49. Die Details der Konstruktion der Kristallantriebseinheit 49 sind den Fachleuten gut bekannt. Im Allgemeinen umfasst die Antriebseinheit 49 einen Motor 53, der mit der Trommel 43 gekoppelt ist. Die gestrichelte Linie 55 zeigt die mechanische Kupplung zwischen einer Welle 59 des Motors 53 und der Trommel 43. Obgleich diese mechanische Anbindung eine direkte Verbindung zwischen der Welle 59 und der Trommel 43 umfassen kann, positioniert eine bevorzugte Anordnung eine Reihe von Reduktionsgetrieben (nicht gezeigt) zwischen der Welle 59 und der Trommel 43 zur besseren Steuerung und für einen gleichmäßigeren Betrieb. Der Motor 53 ist dementsprechend dafür da, das Kabel 37 über die Trommel 43 herabzulassen und wieder aufzuwickeln, um den Impfkristall 3S in die Schmelze 2 abzusenken und um den Rohling 31 aus der Schmelze 29 zu ziehen.
Eine gestrichelte Linie 61 in Fig. 2 zeigt die Montage der Trommel 43 auf eine Welle 63 über eine Öffnung 65 in der Trommel 43. Das U. S.-Patent-Nr. 5,935,328 desselben Anmelders, dessen gesamte Offenbarung hiermit per Zitierung einbezogen ist, zeigt eine Trommel- und Kabelanordnung, die zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet ist.
Ferner wird in Fig. 2 eine Steuerungsschaltung S 1 gezeigt, die eine speicherprogrammierbare Steuerung (PLC) 69 umfasst, der eine zentrale Prozessoreinheit (CPU) 71 und einen Speicher 73 aufweist. Der PLC 69 empfängt ein Eingabesignal von einem 500 Pulse pro Umdrehung (ppr) Kodierer 77 über die Leitungen 79 und 81. Der Kodierer 77 ist mit der Welle 63 gekoppelt, um ein Positionssignal zu erzeugen. In diesem Fall besteht das Positionssignal aus Pulsen auf den Leitungen 79 und 81, die als eine Funktion der Rotationsbewegung der Trommel 43 variieren. Der PLC 69 zählt daher diese Pulse auf den Leitungen 79 und 81, um exakt festzustellen, um wie viel sich die Trommel 43 während jedes beliebigen Zeitraums von Interesse gedreht hat. Der Kodierer 77 wird vorzugsweise in einem 2X-Modus betrieben, wobei der Kodierer 1000 diskrete Pulse für jeweils 360 Grad Rotation der Trommel 43 aussendet. Dementsprechend, wenn der PLC 69 5.500 Pulse auf den Leitungen 79 und 81 zählt, ist dann bekannt, dass die Trommel 43 exakt fünfeinhalb Umdrehungen während des Zeitraums gemacht hat, in dem Pulse erzeugt wurden. Alternativ treibt ein Getriebemechanismus (nicht gezeigt) die Trommel 43 an, und der Kodierer 77 kann an einem der rotierenden Zahnräder in dem Getriebemechanismus angekoppelt sein. Vorausgesetzt dass die Zahnradumsetzungsverhältnisse bekannt sind, kann die Zahl der Rotationen der Trommel 43 auf ähnliche Weise wie oben berechnet werden.
In der gezeigten Ausführungsform ist der PLC 69 auch mit einem 60-ppr-Kodierer 8S über die Leitungen 87 und 89 verknüpft. Der Kodierer 85 ist an die Welle 59 des Motors 53 gekoppelt und erzeugt Pulse auf den Leitungen 87 und 89 als Funktion der Rotationsbewegung der Welle. Der PLC 69 zählt dementsprechend die Pulse auf den Leitungen 87 und 89 um zu bestimmen, um exakt wie viel sich die Welle 59 während jedes beliebigen Zeitraums von Interesse gedreht hat. Der Kodierer 85 wird vorzugsweise dann im 4X-Modus betrieben, wobei der Kodierer 240 Pulse für jede 360-er Umdrehung der Welle aussendet. Dementsprechend, wenn der PLC 69 480 Pulse auf den Leitungen 87 und 89 zählt, ist bekannt, dass die Welle 59 des Motors 53 sich exakt um zwei vollständige Umdrehungen gedreht hat während des Zeitraum, in dem die Pulse erzeugt wurden.
Der PLC 69 ist auch mittels herkömmlicher Mittel programmiert mit der Größe der Trommel 43 und mit den Umsetzungsverhältnissen, die die Welle 59 des Motors 53 mit der Welle 63 verbinden, welche die Trommel 43 dreht. Vorausgesetzt dass die Zahl der Umdrehungen der Welle 59 aus der Zahl von Pulsen auf den Leitungen 87 und 89 bekannt ist, weiterhin vorausgesetzt dass das Umsetzungsverhältnis der Kopplung von Welle 59 zu Trommel 43 bekannt ist und vorausgesetzt dass der Durchmesser der Trommel 43 bekannt ist, wird der PLC 69 leicht mittels herkömmlicher Mittel programmiert, um die Zahl der vom Kodierer 85 empfangenen Pulse in ein numerisches Bild umzusetzen, welches die lineare Bewegung des Kabels 37 in Echtzeit wiedergibt. Mit anderen Worten, durch Zählen der Pulse auf den Leitungen 87 und 89 berechnet der PLC 69 auf einfache Weise die Ziehgeschwindigkeit des Kabels 37. Vorzugsweise zeigt ein Wiedergabemonitor 91 diese Kabelgeschwindigkeit in Echtzeit an.
Ein Servo-Verstärker 93 ist mit dem Motor 53 über Leitungen 95 und 97 verbunden, sowie mit einem Tachometer 101 über die Leitungen 103 und 105 in einer herkömmlichen geschlossenen Regelkreisrückkoppelungsanordnung (closed loop feedback arrangement). Der Tachometer 101 erzeugt ein analoges Signal auf den Leitungen 103 und 105, das in seiner Spannung als Funktion der Rotationsgeschwindigkeit der Welle 59 des Motors 53 variiert. Der Servo-Verstärker 93 empfängt ein analoges Spannungssignal auf den Leitungen 103 und 105. Der Servo-Verstärker 93 empfängt auch ein Sollwertsignal von einem Sollwerteinstellungsschaltkreis 109 über die Leitungen 111 und 113. Beispielsweise umfasst der Sollwerteinstellungsschaltkreis 109 einen Gleichspannungswandler. PLC 69 steuert den Sollwerteinstellungsschaltkreis 109 und somit das Sollwertsignal über die Leitungen 117 und 119, wie unten etwas vollständiger erklärt. Auf diese Weise steuert der PLC 69 die Geschwindigkeit des Motors 53.
Insbesondere erwidert der Servo-Verstärker 93 auf das Sollwertsignal auf den Leitungen 111 und 113 durch Erzeugen eines Stromsignals, das an den Motor 53 über die Leitungen 95 und 97 weitergegeben wird. Das Stromsignal treibt den Motor an und bestimmt dessen Geschwindigkeit. Der Servo-Verstärker 93 verwendet anschließend das analoge Spannungssignal, das er vom Tachometer 101 empfängt, um zu bestimmen, ob der Motor 53 mit der Geschwindigkeit läuft, die dem Sollwertsignal entspricht. Wenn nicht, regelt der Servo-Verstärker 93 das Stromsignal je nachdem rauf oder runter, bis das analoge Spannungssignal aus dem Tachometer 101 anzeigt, dass der Motor 53 bei der Geschwindigkeit läuft, welche das Sollwertsignal gesetzt hat. Nochmals, da der PLC 69 das Sollwertsignal über die Leitungen 117 und 119 steuert, steuert der PLC 69 die Geschwindigkeit des Motors 53.
Der PLC 69 ist auch mit einem Signalaufbereitungsschaltkreis 123 verbunden. Der Signalaufbereitungsschaltkreis 123 ist mit dem Servo-Verstärker 93 verbunden, um das analoge Spannungssignal, das vom Tachometer 101 erzeugt wird, zu empfangen und aufzubereiten. Der PLC 69 empfängt das aufbereitete analoge Spannungssignal vom Schaltkreis 123 und wandelt es in einen numerischen Wert um, der der Ziehgeschwindigkeit des Kabels 37 entspricht. Der PLC 69 zeigt diesen numerischen Wert über das Display 125 an.
Obwohl zu sehen ist, dass die tatsächliche Ziehgeschwindigkeit des Kabels 37 in redundanter Weise auf den Display 91 und 125 angezeigt wird, werden die Fachleute erkennen, dass das Display 91 die wiedergegebene Geschwindigkeit mit deutlich größerer Genauigkeit als das Display 125 anzeigen kann. Dies liegt daran, dass die Quelle der Daten, die der auf dem Display 91 angezeigten zugrundeliegenden Geschwindigkeit der hoch präzise und genaue Kodierer 85, der im 4X-Modus betrieben wird, ist. Im Gegensatz dazu sind die zugrundeliegenden Daten für die Geschwindigkeit, die auf dem Display 125 angezeigt werden, das vom Tachometer 101 erzeugte analoge Signal. Ein solches Signal ist inhärent weniger genau und unter anderem beträchtlichen Temperaturvariationen ausgesetzt. Kurz gesagt, die vorliegende Erfindung kann ebenso auch ohne das Display 125 ausgeführt werden.
Eine ausreichend Abkühlzeit vorausgesetzt kann perfektes Silizium hergestellt werden, vorausgesetzt dass das Verhältnis der Wachstumsgeschwindigkeit oder Geschwindigkeit v und des durchschnittlichen axialen Temperaturgradienten G innerhalb einer bestimmten Toleranz T eines kritischen Wertes (v/G)/cr. liegt. Diese Toleranz kann definiert werden als:
wobei Δ (v/G) der Bereich der Werte von v/G ist, in dem perfektes Silizium erzeugt werden kann.
Die Toleranz hängt in starker Weise von den Abkühlbedingungen ab, die in einer vorgegebenen Heißzone gewährleistet werden. Insbesondere steigt T mit steigender Abkühlzeit vor der Nukleierung an. Gesammelte Daten für eine Vielzahl von Heißzonen ergeben einen Wert von T = 0,055 als eine bevorzugte Toleranz. Nochmals wiedergegeben:
G ist jedoch im Allgemeinen schwer zu steuern. Wenn G nicht variiert, könnte der Maximalfehler von v für die Sicherstellung von perfektem Siliziumwachstum T sein. Für ein unempfindliches Verfahren ist eine viel kleinere Variation von v bevorzugt (z. B. 10% von T ).
Fig. 3 zeigt ein Fließdiagramm, allgemein angedeutet bei 127, zur Kalibrierung der Vorrichtung 11 der Fig. 2. Beginnend mit Schritt 131 geht das Fließdiagram 127 sofort zu Schritt 133, worin eine Bedienperson externe Steuerungen (nicht gezeigt) auf dem PLC 69 für eine nominale Kabelgeschwindigkeit von 0,1 mm/Min. einstellt. Bei Schritt 135 beobachtet der Operator die auf dem Display 91 wiedergegebene Kabelgeschwindigkeit. Wenn die angegebene Geschwindigkeit nicht innerhalb von 0,002 mm/Min. von 0,1 mm/Min. liegt (d. h. 0,1 ± 0,002 mm/Min.), geht der Operator zu Schritt 139 weiter. Der Operator "zwickt" ("tweaks"), verändert den Verzögerungsparameter für den Sollwerteinstellungsschaltkreis 109 im Schritt 139 und kehrt zum Schritt 135 zurück.
Wenn die angezeigte Kabelgeschwindigkeit immer noch nicht bei 0,1 ± 0,002 mm/Min. ist, fährt der Operator mit dem Verändern des Offsetparameters für den Schaltkreis 109 fort, bis die wiedergegebene Kabelgeschwindigkeit auf dem Display 91 0,1 ± 0,002 mm/Min. beträgt. An dieser Stelle fährt der Operator mit Schritt 141 fort, für die Zuordnung eines Wertes von "1" zu einer Variablen x, um anzuzeigen, dass Schritt 135 erfolgreich bewerkstelligt wurde.
Das Fließdiagramm 127 fährt mit Schritt 143 fort, wo der Operator der Vorrichtung 11 die externen Steuerungen des PLC 69 für eine nominale Kabelgeschwindigkeit von 3,0 mm/Min. einstellt. Bei Schritt 147 beobachtet der Operator wiederum die Kabelgeschwindigkeit, die auf dem Display 91 wiedergegeben wird. Wenn die wiedergegebene Geschwindigkeit nicht gleich 3.0 ± 0,002 mm/Min. ist, geht der Operator zu Schritt 149 weiter zum Verändern des Zielparameters des Sollwerteinstellungsschaltkreises 109. In diesem Fall wird die Variable x bei Schritt 151 auf Null gesetzt, bevor der Operator zu Schritt 147 zurückkehrt. Bei Schritt 147 liest der Operator wieder die Anzeige 91 ab, um zu sehen, ob sie nun eine Kabelgeschwindigkeit von 3,0 ± 0,002 mm/Min. anzeigt. Wenn nicht, setzt der Operator das Verändern des Zielparameters für den Schaltkreis 109 am Schritt 149 fort, bis die auf dem Display 91 wiedergegebene Kabelgeschwindigkeit gleich 3,0 ± 0,02 mm/Min. ist. An diesem Punkt geht der Operator zu Schritt 155 über. Das Fließdiagramm 127 kehrt zu Schritt 133 zurück, da die Variable x Null anstelle von 1 ist. Auf diese Weise fährt der Operator mit der letztendlichen Kalibrierung des Schaltkreises fort.
Diese Kalibrierung wird fortgesetzt, bis der PLC 69 zwischen nominalen Einstellungen von 0,1 und 3,0 mm/Min. geschaltet werden kann, mit dem Ergebnis, dass die tatsächliche Kabelgeschwindigkeit diesen nominalen Einstellungen ± 0,002 mm/Min. entspricht (und ohne eine weitere Feineinstellung des Schaltkreises 109). An diesem Punkt verbleibt die Variable x bei einem Wert von eins und ermöglicht so dem Operator, zu Schritt 157 überzugehen, wenn die Kalibrierung erfolgreich abgeschlossen ist.
Fig. 4 zeigt ein exemplarisches Geschwindigkeitsprofil, allgemein gezeigt bei 159, zum Ziehen eines Einkristallsiliziumsrohlings 31. Das genaue Ziehen des Kristalls 31 aus der Schmelze gemäß einem vorher bestimmten Geschwindigkeitsprofil, oder Sollwert, spezifiziert in einem Kristall-"Rezept", hilft dabei, die Prozesserfordernisse zum Steuern der Bildung von Defekten zu erfüllen. Diese Art von "gesperrter Impfkristallanhebungs"-Steuerung verringert die Zahl und die Konzentration von intrinsischen Punktdefekten in dem Rohling. Zusätzlich hilft ein gesperrtes Impfkristallanhebungsverfahren, die Konzentration von Leerstellen und Selbsteinlagerungsstellen zu steuern, um eine Agglomerierung von intrinsischen Punktdefekten im Kristall 31 zu verhindern, wenn der Rohling von seiner Verfestigungstemperatur abkühlt. Es sollte den Fachleuten klar sein, dass die vorliegende Erfindung mit jedem geeigneten Geschwindigkeitsprofil durchgeführt werden kann.
Das Geschwindigkeitsprofil 159 definiert eine Sollziehgeschwindigkeit als eine Funktion der Länge des Kristalls 31 während des Ziehvorgangs. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erzeugt das Ziehen des Kristall 31 gemäß einem Geschwindigkeitsprofil 159 Silizium mit einer nahezu perfekten Kristallstruktur, welches nur sehr wenige intrinsische Punktdefekte aufweist. Die Konzentration der intrinsischen Punktdefekte in solchem Silizium zum Zeitpunkt der Verfestigung wird sicher deutlich unterhalb des Niveaus der kritischen Übersättigung liegen, was es sehr unwahrscheinlich macht, dass ein Agglomerierungsvorgang auftreten wird. Eine derartige Steuerung der Konzentration von Leerstellen und Selbsteinlagerungsstellen zur Verhinderung einer Aggiomerierung von intrinsischen Punktdefekten in dem Rohling, wenn der Rohling von der Verfestigungstemperatur abgekühlt ist, ist sehr wünschenswert. Das U. S.-Patent Nr. 5,919,302 desselben Anmelders, dessen gesamte Offenbarung hiermit per Zitierung einbezogen ist, stellt weitere Informationen bezüglich des Geschwindigkeitsprofils der Fig. 4 und der Herstellung von Silizium mit nahezu perfekter Kristallstruktur zur Verfügung.
Im Betrieb wird das Geschwindigkeitsprofil 159 der Fig. 4 im Speicher 73 des PLC 69 gespeichert. Das Profil 159 könnte auch in den Registern oder verwandten Speicherschaltkreisen der CPU 71 innerhalb des Umfangs der Erfindung gespeichert werden. Für die Fachleute ist klar, dass das Geschwindigkeitsprofil 159 der Fig. 4 für beispielhafte Zwecke gezeigt ist und dass die vorliegende Erfindung mit jedem geeigneten Geschwindigkeitsprofil ausgeführt werden kann.
Im Zusammenhang mit der Ausführung von Geschwindigkeitsprofilen wie etwa dem Profil 159 der Fig. 4 wurde herausgefunden, dass es wichtig ist, dass die Ziehgeschwindigkeit des Kristalls 31 dem Geschwindigkeitsprofil sehr genau bei allen Kristalllängen während des Ziehvorgangs folgt. Vorzugsweise steuert die Vorrichtung 11 die Ziehgeschwindigkeit des Kristalls 31 so, dass es dem Geschwindigkeitsprofil 159 innerhalb von etwa 0,008 mm/Min. oder weniger für die Mehrheit der Kristalllänge folgt. Mit anderen Worten, die Ziehgeschwindigkeit ist ungefähr gleich der Sollgeschwindigkeit. Obwohl die vorliegende Erfindung ausgeführt werden kann mit Ziehgeschwindigkeiten für den Kristall 31, welche dem Geschwindigkeitsprofil genau innerhalb von ± 0,008 mm/Min., ± 0,006 mm/Min. oder ± 0,004 mm/Min. oder sogar bis zu innerhalb von ± 0,002 mm/Min. folgt, sollte klar sein, dass die besten Ergebnisse mit einer Genauigkeit von ± 0,002 mm/Min. oder besser erreicht werden, und dass eine Genauigkeit von sogar besser als 0,002 mm/Min. in den Umfang der Erfindung fällt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet der PLC 69 eine 12 Bit Digital-Analogkarte zur Erzeugung des Steuerungssignal für den Sollwerteinstellungsschaltkreis (d. h. den Schaltkreis 109 in Fig. 2). Die Fachleute werden erkennen, dass innerhalb des Umfangs der Erfindung Veränderungen gemacht werden können, um die Genauigkeit der vorliegenden Ausführungsform zu verbessern. Beispielsweise sollte die Verwendung einer 14 Bit-Karte anstelle einer 12 Bit-Karte zu einer verbesserten Genauigkeit führen.
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm, welches den PLC 69 zeigt, der, sobald mit dem Profil 159 geladen, die Geschwindigkeit eines Kristallziehvorgangs genau innerhalb von ±0,002 mm/Min. des Profils 159 durch den gesamten Ziehvorgang steuert. Vorzugsweise erfüllt der PLC 69 die Funktionen innerhalb einer gestrichelten Linie 165. Insbesondere berechnet der PLC 69 die tatsächliche Ziehgeschwindigkeit aus der Ausgabe des Kodierers 77 und gleicht sie mit dem ab, was erwartet wird, d. h. der Sollgeschwindigkeit definiert durch das Geschwindigkeitsprofil 159, das im Speicher 73 gespeichert ist. Der PLC 69 verwendet dann die Differenz zwischen den erwarteten Ergebnissen und den tatsächlichen Ergebnissen, um einen Korrekturfaktor 169 zu berechnen. Der PLC 69 berechnet einen Sollwert 173 durch Bestimmen des Punkts entlang des Geschwindigkeitsprofils 159, an dem der Ziehvorgang dann auftritt. Durch Multiplizieren des Korrekturfaktors 169 mit dem Sollwert 173 berechnet der PLC 69 einen modifizierten Sollwert 175. Der PLC 69 gibt den modifizierten Sollwert 175 an den Sollwertregelschaltkreis 109 aus, um die Geschwindigkeit des Kristallziehvorgangs zu steuern. Wie oben erklärt, hält das Einstellen des Sollwerts auf diese Weise die Kristallziehgeschwindigkeit innerhalb von ± 0,002 mm/Min. des Profils 159, über den gesamten Ziehvorgang hinweg.
Die Fig. 6A und 6B zeigen ein Fließdiagramm, allgemein gezeigt bei 177, welches den Betrieb des PLC 69 in größerem Detail zeigt. Insbesondere veranschaulicht das Fließdiagramm 177, wie der PLC 69 den Korrekturfaktor 169 der Fig. 5 berechnet. Das Fließdiagramm 177 beginnt mit dem Schritt 181 und geht direkt weiter zum Schritt 183. Beim Schritt 183 testet der PLC 69, ob ein vorherbestimmtes Zeitintervall (z. B. 15 Sekunden) verstrichen ist, seit zum letzten Mal eine "erwartete Summe - Distanz - zurückgelegt" (E. S. D. T.) Variable aktualisiert wurde. Wenn das 15-Sekundenintervall nicht verstrichen ist, wiederholt der PLC 69 den Schritt 183, bis es soweit ist. Nachdem die 15 Sekunden abgelaufen sind, geht der PLC 69 zu Schritt 185 weiter.
Beim Schritt 185 aktualisiert der PLC 69 den E. S. D. T. durch Hinzufügen des Abstandsinkrements, von dem es annimmt, dass der Kristall 31, der seit der letzten Aktualisierung des existierenden E. S. D. T.-Wertes gezogen wurde. Es sollte klar sein, dass das "Sollwertprofil" die momentane erwartete Kristallziehgeschwindigkeit ist, die aus dem Geschwindigkeitsprofil 159 als Funktion der Kristalllänge bestimmt wurde. Es sollte auch klar sein, dass der "Faktor" in Schritt 185 ein Faktor ist, der, abhängig vom Setup, langsam geregelt werden kann, um das Schmelzeniveau 47 relativ zum Ziehvorgang zu bewegen oder das Ziehen des Kristalls 31 im wesentlichen konstant zum Niveau der Schmelze 47 zu halten. Die Anmeldung mit der Seriennummer 09/172,546 desselben Anmelders, eingereicht am 14. Oktober 1998, deren gesamte Offenbarung hiermit per Zitierung einbezogen ist, offenbart diese Erwägungen in vollständigerer Weise. Der Faktor des Schritts 185 kann auch nahe am Ende eines Kristallziehvorgangs eingestellt werden, wenn die Schmelze 29 aus dem Tiegel 19 ausgeschöpft ist. Während fast des gesamten Kristallziehvorgangs, wenn das Niveau der Schmelze 47 relativ konstant ist, hat der Faktor im Schritt 85 vorzugsweise einen numerischen Wert von "eins". Schließlich wird der 0,25 Multiplikator im Schritt 185 verwendet, da der relevante Zeitraum 15 Sekunden beträgt, bzw. 0,25 Minuten.
Nach dem Aktualisieren ist der E. S. D. T.-Wertes setzt der PLC 69 den Zeitgeber A bei Schritt 187 zurück und fährt mit Schritt 189 fort, um zu bestimmen, ob ein weiteres vorherbestimmtes Zeitintervall (z. B. eine Minute) verstrichen ist, seit zum letzten Mal ein Korrekturfaktor A (C. F. A.) aktualisiert wurde. Wenn der Ein-Minuten-Zeitraum nicht so verstrichen ist, kehrt das Verfahren zum Anfang zurück und wartet das 15-Sekundenintervall ab, um den E. S. D. T.- Wert wieder zu aktualisieren. Wenn eine Minute vollständig verstrichen ist, sitzt der PLC 69 den Zeitgeber B auf Null im Schritt 191 und fährt dann mit Schritt 193 fort. Bei Schritt 193 bestimmt der PLC 69, wie viele Pulse der Kodierer 77 seit der letzten Aktualisierung erzeugt hat. In Kenntnis des Durchmessers der Trommel 43 wandelt der PLC 69 diese schrittweise Pulszählung in ein Distanzinkrement um, mit welchem der Kristall 31 wie oben erläutert gezogen wurde. Der inkrementale Wert ist gleich dem "tatsächlichen Delta(n)"-Wert, um den Schritt 193 abzuschließen.
Fortgesetzt mit Schritt 197 berechnet der PLC 69 die Distanz, über welche der Kristall 31 bis jetzt gezogen wurde, wiedergegeben mittels einer "Summe-Distanz-Zurückgelegt-Aktuell"- Variablen (S. D. T. A.). Der PLC 69 aktualisierte den S. D. T. A.-Wert durch einfaches Addieren des alten Wertes auf den "aktuell Delta(n)"-Wert, der im unmittelbar vorhergehenden Schritt 193 berechnet wird.
Bezugnehmend auf Fig. 6B wird das Fließdiagramm 177 bei Schritt 199 fortgesetzt. Beim Schritt 199 berechnet der PLC 69 einen ersten Korrekturfaktor, Korrekturfaktor A (C. F. A.), durch Teilen des gegenwärtigen E. S. D. T. durch den gegenwärtigen S. D. T. A. Der PLC 69 schreitet fort mit Schritt 201 zum Bestimmen, ob ein drittes vorherbestimmtes Zeitintervall (z. B. 10 Minuten) vergangen ist, seitdem beim letzten Mal ein zweiter Korrekturfaktor, Korrekturfaktor B (C. F. B.), aktualisiert wurde. Wenn das 10-Minutenintervall noch nicht abgelaufen ist, kehrt der Prozess zu Schritt 183 zurück und wartet auf das 15-Sekundenintervall zum nochmaligen Aktualisieren des E. S. D. T.-Wertes. Wenn 10 Minuten letztendlich verstrichen sind, aktualisiert der PLC 69 den C. F. B. im Schritt 203 durch Abziehen von eins von dem gegenwärtigen C. F. A., anschließendes Dividieren des Ergebnisses durch 10 und Addieren dessen zum vorherigen C. F. B.. Der PLC 69 fährt dann mit Schritt 205 fort, wo er den Timer C, den E. S. D. T., und den S. D. T. A. auf null zurücksetzt.
Vorzugsweise ist der C. F. B.-Wert relativ nahe bei eins. Aus diesem Grund testet der PLC 69 im Schritt 209, ob der gegenwärtige C. F. B. größer als oder gleich 0,75 ist, oder ob er weniger ist oder gleich 1,25. Wenn der C. F. B. innerhalb dieses Bereiches liegt, gibt der PLC 69 einen gegenwärtigen C. F. B. dem Schritt 211 als Korrekturfaktor 169 in Fig. 5 aus, bevor er an den Anfang des Flussdiagramms 177 zurückkehrt. Wenn der C. F. B. jedoch außerhalb dieses Bereiches liegt, setzt der PLC 69 den C. F. B. im Schritt 213 fest, in Abhängigkeit davon, ob der gegenwärtige Wert zu hoch oder zu niedrig ist. Wenn der gegenwärtige C. F. B. zu niedrig ist, gibt der PLC 69 0,75 als Korrekturfaktor 169 aus, wenn er jedoch zu hoch ist, gibt der PLC 69 1,25 als Korrekturfaktor 169 aus. Der PLC 69 kehrt dann zum Anfang des Flussdiagramms 177 zurück.
Wie oben beschrieben, hilft das genaue Ziehen des Einkristallsiliziumrohlings 31 aus der Schmelze 29 einem vorher bestimmen Geschwindigkeitsprofil oder Sollwert, das in einem Kristall"Rezept" spezifiziert ist, dabei, die Prozesserfordernisse bei der Steuerung der Bildung von Defekten zu erfüllen. Herkömmliche Czochralski-Siliziumzüchtungsverfahren variieren jedoch die Ziehgeschwindigkeit oder die Impfkristallanhebung, um den Durchmesser des wachsenden Kristalls 31 zu steuern, was zu Problemen bei "gesperrten Impfkristallanhebungs"-Prozessen führt. Die Fachleute erkennen, dass das Erhöhen der Ziehgeschwindigkeit eine Verringerung des Kristalldurchmessers bewirkt, wohingegen die Verringerung der Ziehgeschwindigkeit eine Erhöhung des Durchmessers bewirkt. Es ist auch gut bekannt, dass das Erhöhen der Temperatur der Siliziumausgangsschmelze 29 eine Verringerung des Kristalldurchmessers bewirkt, wohingegen eine Verringerung der Temperatur der Schmelze einen Anstieg im Durchmesser zur Folge hat. Aus diesen Gründen kann das Steuern der Ziehgeschwindigkeit gemäß einem Sollwertprofil zu großen Fehlern beim Durchmesser oder einem Fehlen der Durchmessersteuerung führen, sofern nicht die Temperatur der Schmelze während des Ziehens in genauer Weise eingestellt wird.
Die Fig. 7 zeigt eine Durchmessersteuerungsschleife, allgemein angedeutet bei 217, gemäß dem Stand der Technik. Wie in Fig. 7 gezeigt, empfängt eine proportional-integral-derivative (PID)-Steuerungsschleife 219 ein Fehlersignal über die Leitung 221. Das Fehlersignal steht für den Unterschied zwischen dem erwünschten oder Sollkristalldurchmesser (d. h. der Sollwert) und dem tatsächlichen Kristalldurchmesser (d. h. der Prozessvariablen). Die PID- Schleife 219 gibt eine Geschwindigkeitskorrektur über die Leitung 225 zum Einstellen der erwarteten Ziehgeschwindigkeit aus, welche für ein bestimmtes Kristallzüchtungsrezept erhalten wird. Die Steuerungsschleife 217 gibt einen Impfkristallanhebungssollwert über die Leitung 227 aus, um die Ziehgeschwindigkeit einzustellen, um so den Kristalldurchmesser zu verändern. In Fig. 7 umfasst die Steuerungsschleife 217 auch einen Begrenzer 229, um zu verhindern, dass der Impfkristallanhebungssollwert sich um einen zu großen Betrag verändert. Wie gezeigt benötigt die Steuerungsschleife 217 der Fig. 7 eine Veränderung der Impfkristallanhebung, um Veränderungen des Durchmessers des Rohlings 31 zu bewirken.
Fig. 8 zeigt eine herkömmliche kaskadenartige Temperatursteuerung, allgemein angedeutet bei 233, für die Kristallzüchtungsvorrichtung 13. Bei aktiven Impfkristallanhebungsanwendungen, bei welchen der Controller die Ziehgeschwindigkeit variiert, um den Durchmesser zu steuern, ist der Sollwert üblicherweise die Sollimpfkristallanhebung und die Prozessvariable ist üblicherweise die tatsächliche Impfkristallanhebung. Wie in Fig. 8 gezeigt empfängt eine primäre PID-Steuerungsschleife 235 ein Fehlersignal über die Leitung 237, welches für die Differenz zwischen dem Kristalldurchmessersollwert und der Kristalldurchmesserprozessvariablen steht. Die PID-Schleife 235 gibt einen Temperatursollwert über die Leitung 241 aus. Im Gegenzug empfängt eine zweite PID-Steuerungsschleife 243 ein Fehlersignal über die Leitung 245. Das Fehlersignal auf der Leitung 245 steht für den Unterschied zwischen dem Temperatursollwert und der tatsächlichen Temperatur (d. h. der Prozessvariablen). In diesem Fall jedoch empfängt die Sekundär-PID-Schleife 243 ein Heiztemperaturfeedback von dem Pyrometer 33 oder einem Thermoelement (nicht gezeigt) nahe des Isolationsmantels des Kristallzüchtungsvorrichtung 13. Mit anderen Worten, herkömmliche Kristallziehvorrichtungen untersuchen oft nicht die tatsächliche Temperatur der Siliziumschmelze 29, so dass Fehler in die Steuerung 233 eingeführt werden. Die PID-Schleife 243 gibt einen Heizerstromquellensollwert über die Leitung 249 aus, um den Kristalldurchmesser zu verändern. Der Vorteil des kaskadenartigen Schemas der Steuerungsschleife 233 ist, dass die Sekundärschleife, umfassend PID 243, abgestimmt werden kann, um relativ schnell auf Veränderungen des Heizertemperatursollwertes zu reagieren, so dass die Leistung typischerweise über ihren Endgleichgewichtswert hinausschießt. Diese relativ schnelle Veränderung der Heizerleistung und der Temperatur verbessert die Gesamtreaktion des Systems. Es verbessert jedoch nicht notwendigerweise auch die Reaktion des Durchmessers auf Leistungsveränderungen, da eine dominante Verzögerung in der Masse der Schmelze verbleibt. Darüber hinaus wird in der Praxis das Pyrometerfenster oft schmutzig oder belegt oder das Thermoelement misst einen unterschiedlichen Teil des Isolationsmantels. Dies kann zu einer beträchtlichen Verstärkungs- und Verzögerungsschwankung (gain and offset variability) von Durchlauf zu Durchlauf und von Ziehvorrichtung zu Ziehvorrichtung führen. Im Ergebnis bewirken vorher bestimmte Temperaturprofile eine Variabilität sowohl bei der Kristallqualität als auch beim Durchsatz. Ferner ist die Durchmessersteuerung im Allgemeinen mit der herkömmlichen Steuerungsschleife 233 nicht akzeptabel, aufgrund der langsamen Ansprechgeschwindigkeit und der Variabilität in der Beziehung zwischen Oberfläche der Schmelze und Heizertemperatur.
Fig. 9 veranschaulicht wiederum eine andere herkömmliche Leistungssteuerungsschleife, allgemein angedeutet bei 251. In diesem Fall ist das Steuerungsschema der Schleife 251 ein bisschen langsamer als das kaskadenartige Schema der Steuerungsschleife 233, aber es benötigt keine sekundäre PID-Schleife, wie etwa den PID 235, für die Heizertemperatur. Eine PID-Steuerungsschleife 253 empfängt ein Fehlersignal über die Leitung 257. Das Fehlersignal steht für den Unterschied zwischen dem Kristalldurchmessersollwert und der Prozessvariablen. Die PID-Schleife 251 gibt einen Heizerstromquellensollwert über die Leitung 259 aus, um die Temperatur der Schmelze einzustellen, um den Durchmesser zu steuern. Bei der Steuerungsschleife 251 neigt die Heizerleistung dazu, sehr gut wiederholbar von Durchlauf zu Durchlauf zu sein, und in geringerem Umfang von Ziehvorrichtung zu Ziehvorrichtung. Verglichen mit den Steuerungsschemata der Fig. 7 und 8 gewährleistet die Steuerungsschleife 251 eine verbesserte Kristallqualität und einen besseren Durchsatz, und eleminiert Betriebsfehler aufgrund von Pyrometer- und Thermoelementmessausfällen. Die Leistungssteuerungsschleife 251 hat jedoch eine so langsame Ansprechzeit, dass dieses Schema für die Durchmessersteuerung nicht akzeptabel ist. Die Fachleute erkennen, dass die PID-Verstärkung und die Triebkraft des Prozesses den Ausgang der Steuerungsschleifen bestimmen (d. h. Ziehgeschwindigkeitskorrektur, Temperatursollwert oder Stromquellensollwert).
Bezugnehmend auf Fig. 10 wird eine Leistungssteuerungsschleife gezeigt, allgemein angedeutet bei 261, welche Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung zur Steuerung des Kristalldurchmessers in einem gesperrten Impfkristallanhebungsverfahren verkörpert. Eine PID- Steuerungsschleife 265 empfängt ein Fehlersignal auf der Leitung 267, welches den Unterschied zwischen dem Kristalldurchmessersollwert und der Kristalldurchmesserprozessvariablen repräsentiert. Im Gegenzug gibt die PID-Schleife 265 einen Temperatursollwert über die Leitung 269 aus. Gemäß der Erfindung umfasst die Steuerungsschleife 261 ein Temperaturmodell 273, welches den Temperatursollwert empfängt und auf der Leitung 275 einen Heizerstromquellensollwert ausgibt, um die erwünschten Veränderungen des Kristalldurchmessers zu bewirken. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schätzt das Temperaturmodell 273 die Beziehung zwischen Heizleistung und der Temperatur der Oberfläche der Siliziumsschmelze 29 ab. Es wird beabsichtigt, dass das Temperaturmodell 273 verwendet werden kann, um ein Modell der Durchmessersteigung bereitzustellen, d. h. die Geschwindigkeit der Durchmesserveränderung. Im Allgemeinen gewährleisten die Pyrometermessungen der Schmelze-Oberflächentemperatur die Daten zur Erzeugung des Temperaturmodells 273. Obwohl die Steuerung des Kristalldurchmessers durch Steuerung der Temperatur der Schmelze im Allgemeinen nicht so robust ist wie das Steuern durch die Ziehgeschwindigkeit, gewährleistet die Steuerungsschleife 261 in vorteilhafter Weise die Vorteile eines gesperrten Impfkristallanhebungsverfahrens mit einer schnelleren, genaueren Durchmessersteuerung.
Ein vereinfachtes Modell der Beziehung von Heizerleistung zur Oberflächentemperatur der Schmelze umfasst eine Totzeit, eine Verstärkung und eine Verzögerung erster Ordnung. Die Fig. 11 veranschaulicht eine exemplarische Temperaturantwort für ein herkömmliches Steuerungsschema wie etwa das in den Fig. 8 oder 9 gezeigte. In der Fig. 11 führt eine Einheitsschritteingabe 277, beginnend zum Zeitpunkt t = 1, zu einer Ausgabe 279, angenähert durch eine Exponentialfunktion:
f(t) = 1 - exp(-(t - td)τ)
Im Beispiel der Fig. 11 folgt die Ausgabe 279 einer Totzeit von td = 5 Minuten und besteht aus einer Verzögerung erster Ordnung mit einer Zeitkonstante τ = 30 Minuten. Während der Totzeit oder dem Verzögerungszeitraum gibt es keine Antwort auf die Eingabe 277. Die Verzögerung der Ausgabe 279 führt zu einer exponentiellen Veränderung auf einen Endwert (z. B. eine Endtemperatur), wobei die Geschwindigkeit der Antwort durch deren Zeitkonstante τ bestimmt wird.
Die Fig. 12 veranschaulicht eine exemplarische Temperaturantwort für die Steuerungsschleife 261, die in Fig. 10 gezeigt ist. Eine "Leistungslücke" ist dabei nützlich, relativ große Veränderungen der Temperatur der Schmelze zu erreichen. Eine Eingabe 281 in Form eines Leistungspulses mit einer vorherbestimmten Amplitude und Dauer, die ferner gefolgt ist von einer Leistungsveränderung im Gleichgewichtszustand, gewährleistet eine derartige Leistungslücke. Die Eingabe 281, beginnend zum Zeitpunkt t = 1, führt zu einer Ausgabe 283, die durch eine Exponentialfunktion angenähert wird:
f(t) = k·(1 - exp(-(t - td)/τ))
Wie vorher folgt die Ausgabe 2283 einer Totzeit (td = 5 Minuten) während der keine Antwort erfolgt. Die Ausgabe 283 hat ebenso eine Verzögerung erster Ordnung mit einer Zeitkonstante von τ = 30 Minuten. Der Multiplikator k definiert die Pulsamplitude als eine Funktion der Leistungsveränderung im Gleichgewichtszustand. Um eine Antwort zu erreichen, die gleich der Gleichgewichtsantwort (z. B. Einheitlichkeit), wird der Puls für eine Dauer angewendet, die definiert ist durch:
t = -τ·ln(l - l/k)
Zu beachten ist, dass hier eine Totzeit nicht enthalten ist, da die Ausgabe 283 nicht auf die Eingabe 281 erwidert, bis die Totzeit vervollständigt ist. Sie wird einfach verzögert. Zum Beispiel beträgt die Pulsdauer 3,16 Minuten bei τ = 30 Minuten und k = 10. Daher wird erwartet, dass nach 3,16 Minuten nach der Totzeit die Temperatur das erwünschte Niveau erreicht und auf diesem Niveau durch den Gleichgewichtsleistungswert gehalten wird. Das Temperaturmodell der Fig. 12 führt vorteilhafter Weise zu einer erfolgreichen Steuerung des Kristalldurchmessers, bei der Leistungsveränderungen bei Intervallen vorgenommen werden können, die grob der Prozesstotzeit entsprechen.
Die Fig. 11 und 12 zeigen einen Vergleich der Schrittantwort und der Pulsantwort. In Fig. 12 steigt jedoch die Ausgabe 283 (gemäß der Exponentialfunktion) relativ schnell an, aufgrund des Leistungspulses der Eingabe 281 und erreicht die erwünschte Größe in einem Bruchteil der Zeit, wie sie für die Ausgabe 279 in Fig. 11 nötig ist, um die erwünschte Höhe zu erreichen. Der Durchmesser des wachsenden Rohlings 31 und dessen Veränderungsgeschwindigkeit bestimmt die Höhe des Leistungspulses wie auch die Gleichgewichtsleistungsveränderungen.
Vorzugsweise führt der PLC 69 eine Software aus, welche das Temperaturmodell 273 implementiert hat (wie durch die Temperaturantwort der Fig. 12 entwickelt). Die Durchmessersteuerungsschleife 261 gewährleistet eine Steuerungswirkung über den PID 265, um den Temperatursollwert zu erzeugen, welcher bewirkt, dass die Pulse automatisch erzeugt werden. Dieser Sollwert wird ausgedrückt in dimensionslosen Temperatureinheiten, die auf die Heizerleistung skaliert wurden (z. B. 10#'/kW). Wenn beispielsweise der PID-Controller 265 dem Modell 273 eine Veränderung des Sollwertes von 5#' sendet, resultiert ein Puls von 5 kW (d. h. 10·5#'s·1 kW/10#'s) für 3,16 Minuten, gefolgt von einer Gleichgewichtsleistungsveränderung von 0,5 kW. Der Faktor k (k = 10) bewirkt, dass die Leistung überschießt (ähnlich wie beim kaskadenartigen Steuerungsschema 233 der Fig. 8), jedoch sind der Faktor k und die Pulsmenge so berechnet, dass sie eher eine erwünschtere Stufenveränderung der Temperatur als bei der Heizertemperatur erzielen. Die Geschwindigkeit der Veränderung des Durchmessers (d. h. die Steigung) erwidert schnell auf diese Veränderung der Oberfläche der Schmelze. Um die Auswirkungen der Totzeit zu verringern, wird die PID-Probengeschwindigkeit auf einen Wert festgesetzt, der ungefähr gleich zu dem der Totzeit ist, was in diesem Beispiel 5 Minuten sind. Dies führt dazu, dass die Wirkung des Controllers sich auf den gesamten Zyklus auswirkt. Die wiederholten Korrektureingriffe, die durch die PID- Schleife 265 unternommen werden, kompensieren Ungenauigkeiten des Modells. Dies führt zu einer beträchtlich verbesserten Antwortzeit auf Durchmesserfehler gegenüber der kaskadenartigen Steuerung 233, und eliminiert die Variabilität und Unzuverlässigkeit, die durch Heizertemperaturmeßelemente wie etwa Pyrometer- und Thermoelemente verursacht werden.
Als Beispiel für einen Kristallzüchtungsapparat 13 wird ein Ferrofluidics CZ-150 Kristallzieher genannt, der eine Steuerungssystem-Hardwarekonfiguration aufweist, welche zur Ausführung der vorliegenden Erfindung geeignet ist. Das vom PLC 69 auf der Steuerungseinheit 51 ausgeführte Programm umfasst vorzugsweise das Temperaturmodell 273 in seinen Temperatursteuerungsberechnungen. Wie oben beschrieben berechnet das Temperaturmodell 273 Leistungspulse, um die erwünschten Veränderungen in der Temperatur der Schmelze zu erzielen. Die Modellfunktion wird initialisiert, sobald der Ziehvorrichtungsmodus eine Leistungssteuerung zum Schmelzen und Stabilisieren der Schmelze 29 zur Verfügung stellt. Im Allgemeinen ist eine direkte Steuerung der Heizleistung während dieses Modus erwünscht. Während der Leistungssteuerung werden der Temperatursollwert und die Prozessvariable im mittleren Bereich angesetzt (z. B. 1000 Einheiten), während die Heizerleistung manipuliert wird. Nachdem der Temperaturmodus ausgewählt ist, wird der Temperatursollwert bei 1000 Einheiten initialisiert und kann dann manipuliert werden. Er wird dann verwendet, um die Heizerleistung zu berechnen, die auf dem letzten Wert initialisiert wurde, der im Leistungssteuerungsmodus ausgewählt war.
Wenn die Leistungssteuerungsschleife 261 verwendet wurde, um die Temperatur der Schmelze zu steuern, führt der PLC 69 die Modellberechnungen in regelmäßigen Intervallen (z. B. alle 6 Sekunden oder 0,1 Minuten) durch. Immer dann, wenn der PLC 69 die Berechnung durchführt, speichert ein Anhebungsregister den gegenwärtigen Temperatursollwert. Das Anhebungsregister beendet die Leistungspulse am Ende ihrer programmierten Dauer. Gemäß der Erfindung führt der PLC 69 die folgende Gleichung zur Berechnung der Leistungsausgabe aus:
P&sub1; = P&sub0; + G·[k· Tn - (k - 1)· Tn - m]
wobei:
P&sub1; die gegenwärtige Leistung ist;
P&sub0; die anfängliche Leistung beim Start des Temperatursteuerungsmodus ist;
G ist die Umwandlung von Temperatureinheiten nach kW (z. B. 10#'s/kW);
k ist die Pulsamplitude;
Tn ist der Temperatursollwert zum Zeitpunkt t = n; und
Tn - m' ist der Temperatursollwert zum Zeitpunkt t = n - m, wobei m die Pulslänge in Abfragen ist (z. B. 32 Abfragen bei 0,1 Minuten pro Frage).
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gewährleistet eine Kombination von aktiven und gesperrten Impfkristallanhebungssteuerungsstrategien eine widerstandsfähige Kristallsteuerung. Wie oben beschrieben, summiert die Durchmessersteuerungsschleife 217 die erwartete Ziehgeschwindigkeit mit der Ziehgeschwindigkeitskorrektur, die von der PID- Schleife 219 über die Leitung 225 abgegeben wird. Während des frühen Wachstums des Kristallrohlings 31 werden die proportionale und derivative Wirkung abgestimmt, um eine wirksame Durchmessersteuerung durch variierende Impfkristallanhebung zu erzielen. Die integrale Wirkung wird nicht verwendet, um sicher zu stellen, dass der Durchmesserfehler nicht vollständig eliminiert wird durch Impfkristallanhebungswerte, die durch eine Akkumulation des Durchmesserfehlers bewirkt werden. Die Aufgabe des aktiven Impfkristallanhebungsschemas der Fig. 7 ist es, relativ große Durchmesserstauchungen zu steuern, die oft auf dem Schulterteil des Kristalls 31 auftreten, durch Einstellen der Impikristallanhebung oder der Ziehgeschwindigkeit. Gleichzeitig kann die Temperatur der Schmelze durch schnelle PID-Regelung eingestellt werden, um auch den anfänglichen Durchmesserfehler zu verringern. Nach dem Ziehen der ersten 50 mm des Kristallrohlings 31, zum Beispiel, wird angenommen, dass die Temperatur der Schmelze 29 und der Kristalldurchmesser relativ stabil und unter Kontrolle sind. Zu diesem Zeitpunkt geht die Steuerung vorzugsweise von einer aktiven Impfkristallanhebungsphase zu einer gesperrten Impfkristallanhebungsphase über. Die PID-Schleife 265 der Leistungssteuerungsschleife 261 gewährleistet eine Korrektur für den Durchmesserfehler, die nicht durch Einstellen der Impfkornanhebung korrigiert ist. Die PID-Verstärkung in der Impfkristallanhebungsschleife 17 geht auf Null zurück und die PID-Verstärkung in der Leistungssteuerungsschleife 261 wird für den Rest des Rohlingswachstums auf angemessene Werte eingestellt.
Die Fig. 13 zeigt Durchmessereigenschaften mit aktiver und gesperrter Ziehgeschwindigkeit gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. In diesem exemplarischen Diagramm zeigt eine erste Kurve 287 einen Kristalldurchmesser über die Länge des Rohlings und eine zweite Kurve 289 zeigt die entsprechende Ziehgeschwindigkeit. Wie oben beschrieben verwendet dieses Beispiel eine Kombination von aktiver und gesperrter Ziehgeschwindigkeit zum Erreichen optimaler Ergebnisse.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung gewährleistet eine Impulsweise, nur Leistungs-Durchmessersteuerung für das Kristallkörperwachstum Vorteile bei einem perfekten Siliziumzüchtungsverfahren. Die Erfindung gewährleistet nämlich eine gesperrte Impfkristallanhebungssteuerung in Kombination mit einer stabilen Durchmessersteuerung durch Regeln der Durchmessersteuerung. Eine solche Steuerungsstrategie gewährleistet Verbesserungen bei der Durchmessersteuerung nicht nur auf der Stufe des Körperwachstums, sondern auch am Kristallhals, der Krone, dem frühen Körper und den späten Endkonusstufen. In vorteilhafter Weise gewährleistet die vorliegende Erfindung eine PID-Steuerung nach einem Impuls oder Leistungspuls und funktioniert, um einen strafferen Feedback zu gewährleisten, wenn Modelingfehler in dem "Impuls" bestehen.
Es ist beabsichtigt, dass der gesperrte Impfkristallanhebungsprozess der vorliegenden Erfindung auch die Verwendung von ansteigenden Prozessparameterschätzungen umfassen kann, die zu ansteigenden (ramped) Leistungspulshöhen und/oder ansteigenden Pulsbreiten während des Durchlaufs führen. Durch Veränderung der Parameter der Leistungspulse während der verschiedenen Stufen des Wachstums gewährleistet die vorliegende Erfindung eine bessere Steuerung, die besser auf die Verfahrenserfordernisse angepasst ist, um die Gesamtsteuerung zu verbessern.
In der Praxis ist wichtig, dass die verwendeten Bestandteile beim Aufbau der Vorrichtung 11 (wie auch der Kristallzüchtungsvorrichtung 13) in relativ engen Toleranzen gemacht werden. Die folgende Teileliste stellt eine Auflistung exemplarischer Bestandteile bereit, die zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet sind:
PLC 69: Siemens Model TI 575
Sollwertregler 109: Ferrofluidics Teile No. 207683
Servoverstärker 93: Advanced Motion Controls-Model AMC 10A8
Tachometer und Servo Motor 53: Max-00 Motomatic II-Part Nr. 284-001-109
Kodierer 85: Accu-Coder-Teile No. 755A-01-0060-PU
Kodierer 77: Ferrofluidics-Teile No. 080010
Flaschenzug 41: Ferrofluidics-Zeichnung No. 206886A
Trommel 43: Ferrofluidics-Zeichnung No. 206075D
Kabel 37: Wolfram Kabel 10 inch im Durchmesser.
Angesichts des oben Genannten wird deutlich, dass die verschiedenen Aufgaben der Erfindung erfüllt und weitere vorteilhafte Ergebnisse erzielt werden.

Claims

1. Verfahren zur Verwendung in Kombination mit einem Kristallzüchtungsapparat zum Züchten eines einkristallinen Rohlings nach dem Czochralski-Verfahren, wobei der Kristallzüchtungsapparat einen beheizten Tiegel aufweist, der eine Halbleiterschmelze enthält, aus welcher der Rohling gezogen wird, wobei der Rohling auf einem Impfkristall gezüchtet wird, der aus der Schmelze gezogen wird, und das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

Definieren eines für Veränderungen in der Temperatur der Schmelze repräsentativen Temperaturmodells in Erwiderung auf Veränderungen der dem Heizer zum Erhitzen der Schmelze zugeführten Leistung;

Ziehen des Rohlings aus der Schmelze mit einer Sollgeschwindigkeit, wobei die Sollgeschwindigkeit im wesentlichen einem vorherbestimmten Geschwindigkeitsprofil folgt;

Erzeugen eines Signals, dass für einen Fehler zwischen einem Solldurchmesser des Rohlings und einem gemessenen Durchmesser des Rohlings repräsentativ ist;

Ausführen einer proportional-integral-derivativen (PID)-Steuerung auf das Fehlersignal und Erzeugen eines Temperatursollwerts als eine Funktion davon, wobei der Temperatursollwert eine Zieltemperatur der Schmelze darstellt;

Bestimmen eines Leistungssollwertes für die dem Heizer zugeführte Leistung aus dem Temperaturmodell als eine Funktion des von der PID-Steuerung erzeugten Temperatursollwerts; und

Einstellen der dem Heizer zugeführten Leistung gemäß dem Leistungssollwert, wodurch die Temperatur der Schmelze für die Steuerung des Durchmessers des Rohlings verändert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Einstellens der Leistung das Anlegen eines Leistungspulses beim Heizer einschließt, wobei der Leistungspuls eine vorherbestimmte Dauer und eine Amplitude größer als ein Gleichgewichtszustandswert aufweist, der direkt dem Temperatursollwert entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt des Bestimmens des Leistungssollwertes das Berechnen der Leistungsabgabe wie folgt umfasst:

P&sub1; = P&sub0; + G·[k· Tn - (k - 1)· Tn - m]

worin P&sub1; die Stromstärke, P&sub0; die Anfangsleistung, G eine Umwandlungsgröße von Temperatureinheiten in kW, k die Amplitude des Leistungspulses, Tn der Temperatursollwert zum Zeitpunkt t = n, Tn - m der Temperatursollwert zum Zeitpunkt t = n - m ist und m für die Dauer des Strompulses steht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bestimmens des Leistungssollwerts aus dem Temperaturmodell das Definieren einer Eingabe in das Temperaturmodell umfasst, wobei die Eingabe in das Temperaturmodell einen Pulsanteil gefolgt von einem Gleichgewichtszustandsanteil umfasst.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Pulsanteil der Eingabe in das Temperaturmodell eine Amplitude aufweist, die größer ist als ein Gleichgewichtszustandswert der direkt dem Temperatursollwert entspricht.

6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Pulsanteil der Eingabe in das Temperaturmodell eine Dauer aufweist, die definiert ist durch:

t = -τ·ln(l - l/k)

worin τ eine Zeitkonstante einer Exponentialfunktion ist, welche das Temperaturmodell definiert, und k für die Amplitude des Pulsanteils der Eingabe in das Temperaturmodell steht.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Definierens des Temperaturmodells das Definieren eines Verzögerungszeitraums, Verstärkung und Verzögerungsfunktionsantwort erster Ordnung.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt des Definierens des Temperaturmodells das Definieren einer Verzögerungsfunktionsantwort erster Ordnung mittels einer exponentiellen Funktion der Zeit die folgt umfasst:

f(t) = k·(1 - exp(-(t - td)/τ)

worin td der Verzögerungszeitraum ist, der vor der Verzögerungsfunktionsantwort erster Ordnung auftritt, τ eine Zeitkonstante der Funktion ist und k für die Amplitude eines Leistungseingangs in das Temperaturmodell steht.

9. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend den Schritt des Variierens der Geschwindigkeit, mit der der Rohling aus der Schmelze gezogen wird, um den Durchmesser des Rohlings zu steuern, wobei der Schritt des Variierens der Ziehgeschwindigkeit während des Züchtens eines ersten Teils des Rohlings erfolgt und der Schritt des Ziehens des Rohlings mit der im wesentlichen dem vorherbestimmten Geschwindigkeitsprofil folgenden Sollgeschwindigkeit während des Züchtens eines zweiten Teils des Rohlings erfolgt.

10. Vorrichtung zur Verwendung in Kombination mit einem Kristallzüchtungsapparat zum Züchten eines einkristallinen Rohlings gemäß dem Czochralski-Verfahren, wobei der Kristallzüchtungsapparat einen beheizten Tiegel aufweist, der eine Halbleiterschmelze enthält, aus welcher der Rohling gezogen wird, wobei der Rohling auf einem Impfkristall gezüchtet wird, der aus der Schmelze gezogen wird, und die Vorrichtung umfasst:

ein vorherbestimmtes Geschwindigkeitsprofil, wobei der Rohling aus der Schmelze mit einer Sollgeschwindigkeit, die im wesentlichen dem Geschwindigkeitsprofil folgt, gezogen wird;

eine proportional-integral-derivative (PID)-Steuerung, die einen Temperatursollwert als Funktion eines Fehlers zwischen einem Solldurchmesser des Rohlings und einem gemessenen Durchmesser des Rohlings erzeugt, wobei der Temperatursollwert eine Solltemperatur der Schmelze wiedergibt;

ein Temperaturmodell, welches für Veränderungen der Temperatur der Schmelze in Erwiderung auf Veränderungen der dem Heizer zum Aufheizen der Schmelz zugeführten Leistung repräsentativ ist, wobei das Temperaturmodell einen Leistungssollwert für die dem Heizer zugeführte Leistung als Funktion des Temperatursollwerts, der durch die PID-Steuerung erzeugt wird, bestimmt;

eine Heizung zum Beheizen der Schmelze; und

eine Stromversorgung, die auf den Leistungssollwert zur Einstellung der dem Heizer zugeführten Leistung anspricht, wodurch die Temperatur der Schmelze zur Steuerung des Durchmessers des Rohlings verändert wird.