190052. lajstromszámú szabadalom • Eljárás és berendezés előre meghatározott alakú kristály növesztésére, valamint mérőegység a berendezéshez
190052 4 A találmány tárgya olyan eljárás és berendezés, valamint mérőegység, mellyel előre meghatározott alakú kristály növeszthető Czochralski módszerrel oly módon, hogy az olvadék súlycsökkenését folya- ■ matosan mérjük egy elektronikus mérleggel, és az 5 így kapott értéket összehasonlítjuk a húzás mértékéből, az alaktényezőből és a fajsúlyból kialakított elméleti kristálysúly értékével, és a különbségi jellel szabályozzuk az olvadék hőmérsékletét. ' Mint ismeretes, jó minőségű, minimális hibahelyet I0í tartalmazó egykristály csak úgy növeszthető, hogy a kristály alakját automatikusan szabályozzuk. A ! Czochralski kristálynövesztési módszer abban áll, hogy olvadékból folyamatos forgatással húzzuk ji kristályt. EbbőTkövetkezik, hogy aTEristály alakja f* 5j szükségszerűen forgástest, tehát az alak meghatáro- , zás átmérőszabályzást jelent. Mielőtt az egyes auto- | matizálási rendszerek tárgyalására rátérnénk, vizsgáljuk meg, hogy a növekedést befolyásoló tényezők közül mit kell szabályozni. Általános esetben a 20 szabályozható paraméterek: — húzássebesség, — fordulatszám, — hőmérséklet (fűtőteljesítmény). Elvben bármelyik szabályozható, hiszen mindegyik 25 hatással van a növekedésre. A gyakorlat azonban azt mutatja, hogy azok a hőmennyiségek, melyeket a húzássebesség, illetve fordulatszám megváltoztatásával befolyásolni lehet, csak kivételes esetben elegendőek a kristálynövesztési folyamat szabályozására. Emiatt 30| ma az átmérő szabályozására szinte kivétel nélkül ' a hőmérséklet, illetve a fűtőteljesítmény változtatását használják. A kristályátmérő automatikus szabályozásához ismerni kell a növesztés alatt a kristály pillanatnyi 35 átmérőjét. Erre többféle módszer van, például az ún. ; „bright ring” módszer (E. J. Patzner, R. G. Dessauer, M. R. Poponiak: SCP and Solid Strte Tech. Okt. 1967. 25.), a lézersugaras meniszkusz-figyelés (H. J. A. van Dijk, J. Goorsien, U. Gross, A. Kersten, J. 40; Pistorius: Acta Electronica 17 1974. 45.), a TV-kamerás profil meghatározás (K. J. Gartner, K. F. Rittinghaus, A. Seeger: J. Crystal Growth 13/14 1972. 619.) stb. A fenti módszerek viszonylag nehéz- ( kesek, ezért a pillanatnyi kristályátmérő meghatáro- 45 zását leggyakrabban a súlymérésre vezetik vissza. Az első ilyen elrendezés leírása még 1959-ből származik (J. Levinston: US Patent No. 2.908.004). Ezt az elvet azóta továbbfejlesztették, így ennek a , témakörnek viszonylag széles irodalma van (T. R. 50 Kyle, G. Zydzik: Mat. Res. Bull. 8 1973. 443.; ; A. J. Valentino, C. D. Bradle: J. Crystal Growth 26 1974. 1.; W. Bradsley, D. T. J. Hurle,G. C. Joyce, G. C. Wilson: J. Crystal Growth 40 1977. 21.). A tégelysúly mérés módszerének nagy előnye, hogy 55 mechanikailag viszonylag egyszerűen megvalósítható, hátránya viszont, hogy a mérlegnek nagyobb méréshatárúnak kell lennie, és gondoskodni kell indukciós fűtés esetén a tégelytekercs kölcsönhatás kompenzálásáról. A sulyméréses eljárás másik megvalósítási 60 módja a kristálysúly mérése (W. Bradsley, G. W. Green, C. H. Holliday, D. T. J. Hurle: J. Crystal Growth 16 1972. 277.). A módszer előnye, hogy kisebb méréstartományú mérlegre van szükség, hátránya viszont, hogy a mechanikai kivitele lényegesen 3 bonyolultabb, mert a növesztőtérbe benyúló egyetlen tengellyel kell megoldani a húzást, a forgatást és a súlymérést is. A súlymérésen alapuló automatikus kristálynövesztési eljárás megvalósításához elő kell állítani minden pillanatban a kívánt alakú kristály súlyának megfelelő jelet. Ez a jel az alaktényező, a fajsúly, a növesztést motiváló tényezők (felületi feszültség, olvadék párolgás), és a húzáshossz (a már megnőtt kristály hossza) figyelembe vételével alakítható ki. A fenti tényezők a húzáshossz aktuális értékének kivételével ismertek, illetve statisztikusan meghatározhatók, a húzáshosszt viszont a kellő pontosság biztosítása érdekében folyamatosan mérni kell. Erre a célra az ismert megoldásokban a húzótengely mentén elhelyezett jeladó, például helikális potenciométer szolgál. A potenciométer csúszkáját a húzómotor forgatja, így - ha egyenszintet adunk a potenciométerre — a csúszkáról a húzáshosszal arányos feszültség vehető le. Ha a helikális potenciométerre adott feszültséget a kívánt kristályalaknak megfelelően változtatjuk, a kristály átmérőjét a kívánalmaknak megfelelően befolyásolhatjuk. A fentiek figyelembevételével vizsgáljuk meg az ismert megoldású tégelysúly mérésen alapuló automatikus kristálynövesztő eljárás hátrányait. Az eljárás megvalósítása a következő: elektronikus mérleggel mérjük az olvadék súlycsökkenését, a húzótengely mentén elhelyezett helikális potenciométerrel mérjük a kristály hossiát, a két jelet összehasonlítjuk, és különbségi jellel szabályozzuk a fűtőelemre jutó teljesítményt, és ezen keresztül az olvadék hőmérsékletét. A tégely, az olvadék, a kristály, a fűtőelem és az elektronikus mérleg a növesztőtérben helyezkedik el, és ide nyúlik be a húzó—forgató tengely is, melyre a kristály föl van erősítve. A növesztő térben lehet vákuum vagy tetszésszerinti összetételű az atmoszférikus nyomást lényegesen meg nem haladó nyomású gáz. Az eljárás megköveteli a kristály forgatását és húzását, tehát a berendezés el van látva húzó és forgató motorokkal és fordulatszám vezérlőkkel. A húzáshossz meghatározására szolgáló helikális potenciométerre egy feszültséggenerátor adja a kívánt kristályalaknak megfelelően a feszültséget. Az ismert megoldás hátránya, hogy a helikális potenciométer csúszkájáról levett feszültségnek arányosnak kell lennie a pillanatnyi kristálysúllyal, és mivel ez a növesztés kezdetén még nagyon kicsi, vagy a helikális potenciométerre adott feszültségértéket kell a_növesztés folyamán ugrásszerűen változtatni, vagy a potmétert meghajtó mechanikai áttételt kell cserélni, Ha ezt nem tesszük meg a növesztés elején — különösen, ha nagy a kristály kezdeti és végső súlya közötti különbség (nagyobb, mint 103) — a kellő átmérőstabilitást nem tudjuk biztosítani. A feszültség ugrásszerű megváltoztatása, vagy a mechanikai áttétel váltása automatikusan csak rendkívül nehézkesen oldható meg, mert ezzel szinkronban kell változtatni az elektronikus mérleg kimeneti jelét is. Ezeket a változtatásokat az ismert megoldásnál kézi üzemmódban végzik el, tehát a berendezés nem automatikus a teljes növesztési tartományban. További hátrányai a helikális potenciométeres hosszmérésnek, hogy egyrészt a hosszmérés pontosságát behatárolja az ellenálláshuzal
