СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ ИЗ РАСПЛАВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК C30B15/20 C30B15/22 C30B15/26 

Изобретение относится к устройству для управления процессом выращивания монокристаллов из расплава по методу "Чохральского" и может быть использовано в полупроводниковом производстве, для получения монокристаллических слитков германия.

Известно устройство вытягивания монокристаллических стержней постоянного диаметра (I. Патент ФРГ N 2337169, кл. В 01 J 17/18, 1974).

Устройство состоит из вертикального штока, на котором закреплен выращиваемый монокристалл, тигля с расплавом, регулятора мощности, нагревателя, измерителя уровня расплава (лазерный источник света и фотоэлектрическое приемное устройство), а также программирующий задатчик изменения уровня.

При вытягивании монокристалла заданного диаметра происходит убывание расплава в тягле, которое непрерывно контролируется измерителем уровня. Изменение диаметра постоянно компенсируется путем регулирования тепловой мощности проводимого тепла к расплаву или скорости вытягивания в зависимости от величины сигнала, связанного с измерением изменения высоты поверхности расплава во времени. Результаты измерений подаются на регулятор мощности, с которым соединен задатчик, запрограммированный в соответствии с требуемым диаметром монокристалла.

В этом устройстве для измерения и контроля применена блок схема: измеритель уровня расплава, датчик скорости роста, программирующий задатчик скорости изменения уровня расплава, регулятор мощности нагревателя (или скорости вытягивания).

К недостаткам рассматриваемого устройства следует отнести: отсутствие непосредственной связи задатчика с вытягивающим устройством, что приводит к дополнительной погрешности регулирования, так как подаваемый на регулятор мощности нагревателя сигнала разбаланса зависит не только от точности измерения уровня расплава, но и от точности изготовления задатчика и изготовления вытягивающего устройства в целом.

Известно также устройство, прототип (авторское свидетельство СССР N 599403, кл. C 30 В 15/26, 1980), которое наиболее близко по своему техническому решению к предлагаемому изобретению.

Данное устройство представляет собой систему автоматического регулирования диаметра кристалла, выращиваемого из расплава по методу "Чохральского", в которой получение сигнала, пропорционально диаметру выращиваемого кристалла (с блока формирования), основано на проецировании светового кольца вокруг кристалла на чувствительный фотоприемник оптического блока, при условии поддержания системой постоянного уровня расплава в тигле. Далее, после регулятора сигнал, пропорциональный диаметру, поступает на регуляторы перемещения скорости вытягивания кристалла и боковой точки нагревателя с целью уменьшения рассогласования текущего диаметра кристалла от заданного.

Постоянство уровня расплава в данном устройстве (системе) достигается посредством управления регулятором перемещения тигля вверх с выхода вычислителя, на входы которого поступают сигналы, пропорциональные скорости вытягивания кристалла, заданному диаметру и внутреннему диаметру тигля.

К недостаткам известного устройства можно отнести следующее:
1. Применение оптического способа замера диаметра кристалла в целях помехоустойчивости, как правило, требует наличия открытого расплава в тигле с достаточной яркостью светового кольца вокруг кристалла и более круглой его формы, что не позволяет выращивать монокристаллы в малоградиентных условиях (с большой огранкой в полностью закрытой тепловой оснастке).

2. Примененный в данном устройстве способ поддержания уровня расплава на основе вычисления скорости вытягивания кристалла, в связи с суммированием погрешностей по всем трем каналам на входе вычислителя, неизбежно ухудшает точность стабилизации уровня расплава, приводя к его смещению в процессе вытягивания и ошибке в сигнале замера диаметра кристалла оптической системой.

Предложенный способ и устройство управления процессом выращивания монокристаллов из расплавов.

Предлагаемое устройство (см. чертеж) представляет собой микропроцессорную систему управления по выращиванию монокристаллических слитков германия по методу "Чохральского" на базе микроЭВМ 7, под управлением которой (в камере 12) производится вытягивание монокристаллического слитка 13 (диаметром d) со скоростями вытягивания V_з и вращения затравки ω_з, при этом расплавленный металл 14, находящийся в тигле 15 (с внутренним диаметром D) вращается с угловой скоростью ω_т и одновременно поднимается вверх со скоростью V_т (по мере убывания расплава в тигле) при условии размыкания контактного датчика 3 относительно плавающего на поверхности металла экрана 16. Скорость вращения кристалла и тигля изменяют при одновременном измерении высоты подъема затравки и перемещения тигля.

Сигнал с контактного датчика 3 подается через сглаживающую цепочку CI, RI, R2 и блок согласования 4 в ЭВМ 7 для принятия решения об управлении подъемом тигля вверх, которое осуществляется посредством шагового двигателя 9 через блок управления шаговым двигателем 10 на каждый шаг двигателя 9 (при условии разомкнутого состояния датчика 3), в результате чего, кроме скорости подъема тигля вверх V_т в системе формируется информация и о перемещении тигля вверх X_т с дискретностью Δ_т, при этом информация о перемещении затравки вверх X_з (с дискретностью Δ_з) снимается с ЭВМ 7 с датчика 11.

Управление от ЭВМ 7 скоростями вытягивания затравки V_з, вращения затравки ω_з, вращения тигля ω_т осуществляют через приводы 1, 2, 8, а управление температурой нагревателя 17 посредством датчика температуры 5 и регулятора температуры 6 по заданию ЭВМ Т_з. Измеритель температуры определяет температуру боковой точки
В данной микропроцессорной системе управления, найден новый принцип определения разности сигнала управления Δ_у, - как функции отклонения текущего диаметра от заданного, при постоянном уровне расплава, за счет ввода в систему управления скорости подъема тигля вверх, несколько большей - на величину опережения (N), чем это необходимо для условия поддержания, за счет подъема тигля, постоянства уровня расплава (при заданном d_з диаметре кристалла, внутреннем D диаметре тигля и текущей V скорости вытягивания), что позволяет периодически, за время цикла замера системы T_ц, на основе замеренных перемещений тигля (в период разомкнутого состояния датчика 3) и перемещений затравки, выделить разносный сигнал управления Δ_у, заведя его в систему автоматического регулирования для уменьшения разбаланса диаметра, по каналам T_з - температура, V_з - скорость вытягивания, ω_з - скорость вращения затравки, ω_т - скорость вращения тигля (с соответствующими законами регулирования), что обеспечивает стабилизацию площади или диаметра (при круглой форме) растущего кристалла в процессе всего технологического цикла выращивания кристалла, без использования побочных оптических систем для стабилизации уровня расплава и определения текущего диаметра слитка, а также без применения резистивных измерителей перемещения затравки и уровня расплава.

Основные соотношения для определения сигнала разбаланса по данному методу сводятся к следующему.

При фиксированной (по программе) величине перемещения затравки вверх X_зц (с дискретностью Δ_з) в системе определяется время цикла замера (оценки) диаметра T_ц, зависящее только от текущей скорости перемещения затравки по ф-ле (2)

где T_ц - время периодической оценки сигнала y в мин.;
V_з - текущая скорость вытягивания затравки в мм/мин.;
X_зц - величина перемещения затравки за время T_ц (фик. величина);
Δ_з - дискрета(цена) одного импульса перемещения затравки в мм.

Величина скорости подъема тигля вверх V_т (с опережением N), при разомкнутом датчике 3, задается из соотношений, определяемых по ф-лам (3), (4)


где N - величина опережения скорости тигля;
K_з - условия уставка диаметра системы;
Δ_т, Δ_з - дискрета (цена) одного импульса перемещения тигля и затравки в мм;
q_ж, q_т - плотности жидкой и твердой фаз кристалла в г/см³;
D - внутренний диаметр тигля в мм;
d_з - заданный диаметр кристалла в мм;
При таком управлении подъемом тигля вверх система регулирования должна обеспечивать разращивание диаметра слитка не больше некоторого максимального значения d_m, определяемого по ф-ле (5), выход за которое недопустим из-за возможного отставания тигля от датчика касания 3

где, d_m - максимальный возможный диаметр разращивания в мм.

Время приостановки тигля при движении вверх T_о за время T_ц и разностный сигнал управления определяются по ф-лам (6) и (7)

Δ_у = X_тц•K_з-K_зц, (7)
где d - текущий диаметр слитка в мм;
X_тц - величина перемещения тигля за время T_ц в дискретах отсчета;
Δ_у - разностный сигнал управления;
Разностный сигнал управления Δ_у можно представить также в виде формулы (8), что показывает пропорциональную связь отклонения текущего диаметра d от заданного d_з

Чем меньше N (d_m ближе к d_з), тем меньше время приостановки тигля T_о, а математическая обработка (усреднение сигнала Δ_у и применение CI, RI, R2 фильтра позволяет получить отфильтрованный и сглаженный от помех сигнал управления Δ_у.
Данный метод позволяет одновременно со стабилизацией заданной площади растущего кристалла (диаметра), при любых текущих значениях всех четырех каналов управления (T_з, V_з, ω_з, ω_т), вводить по ним также систематические (по графику) изменения в процессе роста слитка, а также помещать весь кристалл в закрытый цилиндрический экран (практически без визуального просмотра слитка), что явилось одним из основных преимуществ данной системы управления, внедренной в производство монокристаллических слитков германия.

Основанная на данном методе данная система управления может быть успешно применена и для выращивания других металлов.

Использование: изобретение относится к производству для управления процессом выращивания монокристаллов из расплава по методу "Чохральского" и может быть использовано в полупроводниковом производстве, для получения монокристаллических слитков германия. Устройство состоит из вертикального штока, на котором закреплен выращиваемый монокристалл, тигля с расплавом, регулятора мощности, нагревателя, измерителя уровня расплава (лазерный источник света и фотоэлектрическое приемное устройство), а также программирующий задатчик изменения уровня. При вытягивании монокристалла заданного диаметра происходит убывание расплава в тигле, которое непрерывно контролируется измерителем уровня. Изменение диаметра постоянно компенсируется путем регулирования тепловой мощности подводимого тепла к расплаву или скорости вытягивания в зависимости от величины сигнала, связанного с измерением изменения высоты поверхности расплава во времени. Результаты измерений подаются на регулятор мощности, с которым соединен задатчик, запрограммированный в соответствии с требуемым диаметром монокристалла. В этом устройстве для измерения и контроля применена блок-схема: измеритель уровня расплава, датчик скорости роста, программирующий задатчик скорости изменения уровня расплава, регулятор мощности нагревателя (или скорости вытягивания). Данные способ и устройство позволяют стабилизировать заданную площадь растущего кристалла и регулировать процесс роста. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ управления процессом выращивания монокристаллов из расплава, включающий изменение температуры расплава за счет управления, скоростей вытягивания кристалла и подъема тигля, отличающийся тем, что изменяют скорости вращения кристалла и тигля при одновременном измерении высоты подъема затравки и перемещения тигля при постоянном уровне расплава, вводится величина скорости подъема тигля, большая на величину опережения, чем это необходимо для условия постоянства уровня расплава при данных параметрах скоростей вытягивания, заданного диаметра кристалла и внутреннего диаметра тигля, что позволяет периодически за время цикла замера диаметра, осуществляя управление подъемом тигля вверх при разомкнутом контактном датчике расплава на основе вычисленных перемещений тигля и затравки, выделить разностный сигнал управления, пропорциональный отклонению текущего диаметра от заданного, заведя его в систему автоматического регулирования по каналам температуры боковой точки нагревателя, скорости вытягивания и вращения затравки и тигля, осуществляя тем самым в течение всего цикла вытягивания кристалла стабилизацию заданной площади (диаметра) растущего кристалла. 2. Устройство для управления процессом выращивания монокристаллов из расплава, содержащее датчик и регулятор температуры, приводы скорости вытягивания кристалла и перемещения тигля, управляющую микроЭВМ, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит контактный датчик уровня расплава с преобразователем, приводы вращения затравки и тигля, шаговый двигатель, измеритель температуры выполнен в виде измерителя температуры боковой точки нагревателя и при разомкнутом контактном датчике уровня расплава осуществляется управление подъемом тигля вверх одновременно со стабилизацией уровня расплава с несколько большей скоростью, чем это необходимо для стабилизации уровня расплава, в результате чего при микроприостановках тигля за время цикла работы системы по оценке диаметров на основе замеренных перемещений затравки и тигля определяется сигнал рассогласования по отклонению диаметра от заданного, на основе которого в микроЭВМ вырабатываются управляющие воздействия для стабилизации заданной площади растущего кристалла.