способ управления процессом выращивания монокристаллов из расплава и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ управления процессом выращивания монокристаллов из расплава, включающий изменение температуры расплава путем управления скоростей вытягивания и вращения кристалла, скоростей подъема и вращения тигля при одновременном измерении высоты подъема кристалла и перемещения тигля при постоянном уровне расплава с введением в периоды разомкнутого состояния датчика уровня расплава скорости подъема тигля вверх большей на величину опережения, чем это необходимо для условия постоянства уровня расплава, при данных параметрах скоростей вытягивания, заданного диаметра кристалла и внутреннего диаметра тигля, отличающийся тем, что в периоды замкнутого состояния датчика уровня расплава скорость подъема тигля вверх снижается на коэффициент снижения по сравнению со скоростью при разомкнутом состоянии датчика уровня расплава и при соблюдении условия стабилизации уровня расплава в тигле, что позволяет при движении тигля с увеличенной и уменьшенной на коэффициент снижения скоростью за время цикла оценки на основе замеренных непосредственных перемещений тигля и кристалла с учетом погрешностей механической системы передач выделить уточненный разностный сигнал управления, пропорциональный отклонению текущего диаметра кристалла от заданного, заведя его в систему управления для стабилизации диаметра вытягиваемого кристалла.

2. Устройство для управления процессом выращивания монокристаллов из расплава, содержащее датчик и регулятор боковой точки нагревателя, датчик перемещения кристалла, датчик уровня расплава, срабатывающий относительно его поверхности, приводы скорости вытягивания и вращения кристалла, приводы скорости перемещения и вращения тигля, соединенные с управляющей микро-ЭВМ, отличающееся тем, что датчик уровня расплава расположен между внутренним и наружным тиглями с расплавом и выполнен с дополнительным подогревом от расположенного на нем нагревателя, питаемого от источника, управляемого микро-ЭВМ, и срабатывает при установлении температуры нижней контактируемой с расплавом части датчика выше температуры кристаллизации расплава, устройство содержит датчик перемещением тигля, причем датчики перемещения кристалла и тигля выполнены фотоэлектрическими и связаны через управляющую микро-ЭВМ с соответствующими механическими редукторами.

Описание изобретения к патенту

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.

Известно устройство (1. Авторское свидетельство СССР 599403, кл. С 30 В 15/26, 1980), которое представляет собой систему автоматического регулирования диаметра кристалла, выращиваемого из расплава по методу "Чохральского", в ней получение сигнала, пропорционального 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 регулятор 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 предлагаемого 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 мало-градиентных условиях (с большой огранкой в полностью закрытой тепловой оснастке).

2. Примененный в данном устройстве способ поддержания уровня расплава, на основе вычисления скорости вытягивания кристалла, внутреннего диаметра тигля и заданного диаметра 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.

Наличие слабой светимости светового кольца (мениска) вокруг кристалла германия (936^oС), а также необходимость для многих марок германия производить выращивание в закрытой тепловой оснастке в малоградиентных условиях, что сопровождается большой огранкой (некруглой формой кристалла), значительно затрудняет применение оптического способа замера диаметра (как в устройстве [1]).

Присутствие вибрации расплава, при выращивании по методу "Чохральского" (с вращающимся тиглем), осложняет использование для германия лазерных измерителей уровня расплава.

Все это привело к поиску нового способа определения сигнала управления по диаметру и создание на его основе устройства (систем) автоматического выращивания монокристаллов германия.

Известно устройство, прототип (2. Патент 2128250 Россия, приоритет 16.01.97), которое представляет собой микропроцессорную систему управления, под управлением которой производят выращивание монокристаллических слитков заданной площади или диаметра, при круглой форме кристалла, с постоянным уровнем расплава в тигле, стабилизируемым за счет управления скоростью подъема тигля вверх, посредством выдачи управляющих импульсов на шаговый привод тигля, в моменты размыкания контактного датчика, относительно плавающего на поверхности металла экрана, что в свою очередь, обуславливает микроприостановки при движении тигля вверх, в периоды замкнутого состояния контактного датчика.

В данном устройстве применен способ определения разностного сигнала управления, как функции отклонения текущей площади или диаметра, при круглой форме, от заданной, на основе замеренных перемещений кристалла и тигля (по выданным суммарным импульсам управления на шаговый привод), за время оценки диаметра, при условии управления выдачей величины скорости подъема тигля вверх (в периоды разомкнутого состояния контактного датчика), большей, чем это требуется исходя из условий постоянства уровня расплава (при заданном диаметре выращиваемого кристалла, его скорости вытягивания и внутреннем диаметре тигля), что, как следствие, приводит к остановке подъема тигля, в момент замыкания контактного датчика.

К недостаткам данного способа и устройства следует отнести следующее:

1. За счет микроприостановок тигля в процессе выращивания ухудшается плавность хода штока тигля и точность определения сигнала управления.

2. Вычисление суммарного перемещения тигля на основе выданных импульсов на шаговый привод тигля (за время оценки диаметра) тaкже дает значительную (периодическую) погрешность в оценке сигнала управления, за счет отсутствия информации о реальном перемещении тигля и кристалла, с учетом погрешностей механических системы передачи движения по штоку тигля и затравки.

3. Оценка сигнала управления на основе срабатывания контактного датчика, относительно плавающего экрана, выдвигает трудно выполнимые требования к точности геометрической формы изготовления плавающего экрана, от которой также зависит точность оценки сигнала управления.

Сущность данного изобретения заключается в следующем:

1. Способ управления процессом выращивания монокристаллов из расплава, включающий изменение температуры расплава Т_з, путем управления скоростей вытягивания V_з и вращения кристалла ₃, скоростей подъема V_т и вращения тигля _T, при одновременном измерении высоты подъема кристалла Х_зц и перемещения тигля Х_ТЦС, при постоянном уровне расплава, с введением в периоды разомкнутого состояния датчика уровня расплава скорости подъема тигля вверх V_N, большей на величину N опережения, чем это необходимо для условия постоянства уровня расплава, при данных параметрах скоростей вытягивания V_з, заданного диаметра кристалла d_з и внутреннего диаметра тигля D, отличающийся тем, что в периоды замкнутого состояния датчика уровня расплава, скорость подъема тигля вверх снижается на коэффициент снижения М, по сравнению со скоростью при разомкнутом состоянии датчика уровня расплава и при соблюдении условия стабилизации уровня расплава в тигле, что позволяет, при движении тигля, с увеличенной V_N и уменьшенной на коэффициент снижения М скоростью V_М, за время цикла оценки Т_ц, на основе замеренных непосредственных перемещений тигля Х_ТЦС и кристалла Х_зц, с учетом погрешностей механической системы передач, выделить уточненный разностный сигнал Y управления, пропорциональный отклонению текущего диаметра кристалла d от заданного d_з, заведя его в систему управления для стабилизации площади или диаметра вытягиваемого кристалла, при его круглой форме.

2. Устройство для управления процессом выращивания монокристаллов из расплава, содержащее датчик 5 и регулятор 6 боковой точки Т_з нагревателя, датчик перемещения кристалла 11, датчик уровня расплава 3, срабатывающий относительно его поверхности, приводы скорости вытягивания 2 и вращения кристалла 1, приводы скорости перемещения 10 и вращения тигля 8, соединенные с управляющей микроЭВМ 7, отличающееся тем, что датчик уровня расплава 3 расположен между внутренним 20 и наружным тиглями 15 с расплавом и выполнен с дополнительным подогревом 19, от расположенного на нем нагревателя, питаемого от источника 18, управляемого микроЭВМ 7, и срабатывает при установлении температуры нижней, контактируемой с расплавом части датчика, выше температуры кристаллизации расплава, устройство содержит датчик перемещения тигля 4, причем датчики перемещения кристалла 11 и тигля 4 выполнены фотоэлектрическими и связаны через управляющую микроЭВМ 7, с соответствующими механическими редукторами 16 и 9.

Предлагаемое устройство и способ выращивания монокристаллов позволяют значительно улучшить точность оценки сигнала управления, создать более плавное и безостановочное движение штока тигля вверх, в процессе выращивания и тем самым повысить точность стабилизации диаметра выращиваемых слитков.

Предлагаемое устройство, основанное на данном способе (фиг.1), представляет собой микропроцессорную систему управления по выращиванию монокристаллических слитков германия по методу "Чохральского", на базе микроЭВМ 7, под управлением которой (в камере 12) производится выращивание монокристаллического слитка 13 (диаметром d) со скоростями вытягивания V_з и вращения ₃ кристалла, при этом расплавленный металл 14, находящийся в тигле 15 (с внутренним диаметром D) вращается с угловой скоростью _T и одновременно поднимается вверх со скоростью V_т (по мере убывания расплава в тигле).

Слиток 13 (диаметром d) вытягивается из дополнительного промежуточного тигля 20 (с отверстием подпитки d_п), что, кроме обеспечения необходимой чистоты расплава в промежуточном тигле и равномерности легирования выращиваемого слитка, позволяет расположить датчик уровня 3 в более перегретой зоне расплава и использовать для автоматического подогрева нижней части датчика дополнительный нагреватель 19, расположенный вокруг датчика расплава и питаемый от источника 18, с заданием минимального тока подогрева I от ЭВМ, что позволяет гарантировать температуру нижней контактируемой с расплавом части датчика, выше возможной температуры его кристаллизации и обеспечить отсутствие намерзания расплава на датчик в процессе работы.

Сигнал УН с датчика уровня 3 подается через сглаживающую цепочку C1, R1, R2 и ЭВМ 7 для принятия решения об управлении подъемом тигля вверх.

Управление от ЭВМ 7 скоростями вытягивания кристалла V_з, вращения кристалла ₃, вращения тигля _T и перемещения v_т тигля, осуществляется через аналоговые приводы 1, 2, 8, 10, а управление температурой боковой точки нагревателя 17 посредством датчика температуры 5 и регулятора температуры 6 по заданию Т_з ЭВМ.

Съем показаний по перемещению кристалла Х_з (с дискретностью ₃) и перемещению тигля Х_т (с дискретностью _T) производится с фотоэлектрических датчиков перемещения 11 и 4 соответственно, которые связаны через управляющую микроЭВМ соответствующими механическими редукторами 16 и 9, что позволяет достичь высокой точности замера перемещений кристалла и тигля, учитывающую погрешность механической системы передачи движения.

В данной микропроцессорной системе управления определяется уточненный разностный сигнал управления Y, как функция отклонения текущей площади или диаметра кристалла от заданной, на основе замеренных датчиков отсчета непосредственных перемещений кристалла и тигля, за время цикла оценки сигнала управления, при условии поддержания постоянства уровня расплава в тигле, за счет того, что в периоды разомкнутого состояния датчика уровня расплава, скорость подъема тигля вверх устанавливается большей на величину опережения (N), чем это необходимо для условия постоянства уровня расплава (при заданном d_з диаметре кристалла, внутреннем диаметре тигля D и текущей скорости вытягивания кристалла V_з), а в периоды замкнутого состояния датчика, скорость подъема тигля вверх снижается на величину снижения (в М раз), по сравнению со скоростью в разомкнутом состоянии датчика, расплава, сохраняя при этом условия стабилизации уровня расплава в тигле.

Далее уточненный разностный сигнал управления Y используется в системе регулирования для уменьшения разбаланса диаметра растущего кристалла, по каналам Т_з - температура боковой точки нагревателя, V_з - скорость вытягивания, ₃- скорость вращения кристалла, ₁- скорость вращения тигля (с соответствующими законами регулирования), что обеспечивает стабилизацию диаметра растущего кристалла в процессе всего технологического цикла выращивания кристалла, без использования оптических и других способов, для стабилизации уровня расплава и определения текущего диаметра слитка.

Основные соотношения для определения сигнала разбаланса по данному способу (при условно круглом кристалле) сводятся к следующему:

При фиксированной (по программе) величине перемещения кристалла вверх Х_зц (с дискретностью ₃) в системе определяется время цикла замера (оценки) диаметра Т_ц, зависящее только от текущей скорости перемещения кристалла по ф-ле (1):



где Т_ц - время периодической оценки сигнала Y, мин;

V_з - текущая скорость вытягивания кристалла, мм/мин;

₃ - дискрета (цена) одного импульса перемещения кристалла, мм;

Х_зц - величина перемещения кристалла за время Т_ц в импульсах отсчета системы (фиксированная величина).

Величина скорости подъема тигля вверх V_N (с опережением N), при разомкнутом датчике 3, задается из соотношений, определяемых по формулам (2-4):





,

где К_у - уставка диаметра системы;

_T, ₃ - дискрета (цена) одного импульса перемещения тигля и кристалла, мм;

q_ж, q_т - плотности жидкой и твердой фаз кристалла, г/см³;

D - внутренний диаметр тигля, мм;

d_з - заданный диаметр кристалла, мм;

V_N - скорость подъема тигля вверх с опережением, мм/мин;

N - величина опережения скорости тигля;

В - коэффициент умножения уставки;

С - коэффициент опережения скорости.

При таком управлении подъемом тигля вверх система регулирования должна обеспечивать разращивание диаметра кристалла не больше некоторого максимального значения, определяемого по формуле (5), выход за которое недопустим из-за возможного отставания тигля от датчика уровня 3:



где d_max - максимальный возможный диаметр разращивания, мм.

В период замкнутых состояний датчика уровня 3 вводится пониженная скорость подъема тигля вверх V_М (с понижением в М раз), которая определяется по формуле (6):



где V_М - минимальная скорость подъема тигля вверх с понижением в М раз, мм/мин;

М - коэффициент снижения скорости.

При соблюдении условия (6) система управления не должна допускать снижение диаметра кристалла менее некоторого минимального значения, которое определяется по формуле (7):



где d_min - минимальный диаметр выращиваемого кристалла, мм.

Соотношение коэффициентов М и С должно удовлетворять условиям (8-9):



C4. (9)

Суммарное время движения тигля Т_м с пониженной скоростью за время цикла замера Т_ц и уточненный разностный сигнал управления у определяются по формулам (10-11):





Т_M - время движения тигля вверх суммарное со сниженной скоростью за время Т_ц, мин;

d - текущий диаметр слитка, мм;

Y - уточненный разностный сигнал управления;

Х_ТЦС - суммарное перемещение тигля за время Т_ц в импульсах отсчета;

А - коэффициент деления импульсов перемещения.

Соотношение (11) можно представить в виде формул (12-15):



d_зу=Ld_з, (13)





где d_зу - уточненный заданный диаметр выращиваемого слитка, мм.

Соотношения (12-13) дают непосредственную функциональную связь уточненного разностного сигнала управления, как функции отклонения текущего диаметра от заданного.

Данный способ позволяет, одновременно со стабилизацией площади растущего кристалла или его диаметра, при круглой форме, при любых текущих значениях всех четырех каналов управления T_з, V_з, ₃,_т, вводить по ним так же систематические, то есть по графику, изменения в процессе роста, а также помещать весь кристалл в закрытый цилиндрический экран или закрытую тепловую оснастку, без визуального просмотра слитка.