Wenn ein Material, beispielsweise Si-Polymaterial, in einem Quarztiegel einge- schmolzen wird, vollzieht sich der Übergang vom festen zum flüssigen Zustand in der Regel nicht abrupt, sondern allmählich. In der Praxis der Herstellung von Kristal- len ist es von großer Bedeutung, den jeweiligen Schmelzzustand genau zu kennen bzw. zu erkennen, weil dieser Zustand die vorzunehmenden Verfahrensschritte be- stimmt.

Es gibt erfahrene Schmelz-Fachleute, die aus dem Oberflächenbild eines Schmelztie- gels exakt auf den Zustand der Schmelze schließen können. Außerdem ist eine auto- matische Erkennung des Zustands einer Schmelze bekannt, bei welcher als Sensoren Pyrometer verwendet werden, was jedoch zu einer unzuverlässigen und mit langen Zeitkonstanten behafteten Regelung führt.

Für eine verbesserte automatische Regelung des Ziehprozesses eines Einkristalls sind schon verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden. So ist beispielsweise ein Ver- fahren zum Ziehen eines Einkristalls aus einer Schmelze bekannt, bei dem die einzel- nen Kristalle hochgezogen werden, während die auf zahlreichen Bedingungen basie- renden Daten, die den Ziehprozeß beeinflussen, erfaßt und mit entsprechenden ande- ren Daten verglichen werden (EP 0 536 405 A1). Hierbei trifft z. B. ein Laserstrahl auf die Oberfläche eines in einem Tiegel befindlichen Schmelzguts. Aufgrund der Er- kennung eines reflektierten Laserstrahls wird die Position der geschmolzenen Ober- fläche ermittelt, und der Tiegel wird entsprechend der Differenz zwischen der gemes- senen Position und einer vorgegebenen Position nach oben gehoben. Mit diesem be- kannten Verfahren ist jedoch keine zuverlässige Prozeßüberwachung während der Einschmelzphase möglich.

Weiterhin ist ein optisches System bzw. ein Verfahren zum Regeln des Wachstums eines Siliziumskristalls bekannt, bei dem mit Hilfe einer Fernsehkamera der Durch- messer eines Siliziumkristalls gemessen wird, der aus einer Schmelze gezogen wird, wobei die Oberfäche dieser Schmelze einen Meniskus aufweist, der als heller Bereich in der Nähe des Siliziumkristalls sichtbar ist (EP 0 745 830 A2). Bei diesem System wird zunächst ein Bildmuster eines Teils des hellen Bereichs in die Nähe des Silizi- umkristalls mittels einer Kamera abgebildet. Sodann werden die Charakteristika des Bildmusters detektiert. Als Charakteristikum eines Bildmusters gilt beispielsweise der Licht-Intensitätsgradient. Hierauf wird eine Kante des hellen Bereichs als Funk- tion der detektierten Charakteristika definiert. Anschließend wird eine Kontur, wel- che die definierte Kante des hellen Bereichs beschließt, definiert, und schließlich wird der Durchmesser der definierten Kontur ermittelt, wobei der Durchmesser des Siliziumkristalls als Funktion des ermittelten Durchmessers der definierten Kontur ermittelt wird. Nachteilig ist bei diesem bekannten System, daß die Genauigkeit bei einigen Anwendungsfällen noch nicht groß genug ist und insbesondere äußere Stör- einflüsse nicht hinreichend berücksichtigt werden.

Um diese Nachteile zu beseitigen, wurde bereits vorgeschlagen, neben einer ersten Kamera, die einen ersten Bereich eines Kristalls abbildet, noch eine zweite Kamera vorzusehen, welche einen zweiten Bereich des Kristalls abbildet, wobei in einer Aus- werteschaltung aus den Abbildungen der beiden Kameras der Durchmesser des Kri- stalls ermittelt wird (nicht veröffentlichte deutsche Patentanmeldung 197 38 438.2).

Hierdurch ist es möglich, den tatsächlichen und aktuellen Kristalldurchmesser in allen Phasen des Züchtungsprozesses genau und störungsfrei zu erfassen. Der Ein- schmelzvorgang als solcher ist mit der vorgeschlagenen Einrichtung nicht überwach- bar.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, den Einschmelz-Vorgang von Grundstoffen zu überwachen, aus denen anschließend Einkristalle gezogen werden.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 4 gelöst.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß die Prozeßzeit verkürzt, eine Überhitzung von Schmelze und Tiegel vermieden und der 02-Gehalt der Schmelze minimiert wird. Durch die Verwendung eines speziellen Sensors ist es

somit möglich, bereits vor dem völligen Aufschmelzen des Schmelzguts eine Ein- schmelz-Kontrolle durchzuführen. Außerdem können individuelle Differenzen pro Charge erkannt und berücksichtigt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen : Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ; Fig. 2a eine Draufsicht auf einen Tiegel mit Schmelzgut ; Fig. 2b eine grafische Darstellung der Helligkeitsverteilung entlang einer horizontalen Linie auf dem Tiegel ; Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung eines Meßfensters einer auf die Oberfläche eines Tiegels gerichteten Kamera ; Fig. 4 ein Flußdiagramm betreffend den Prozeßablauf bei der Erkennung von festen bzw. flüssigen Bestandteilen einer Schmelze.

In der Fig. 1 ist eine Vorrichtung 1 dargestellt, mit der es möglich ist, das Aufschmel- zen eines Schmelzguts frühzeitig zu erkennen. Diese Vorrichtung 1 beruht auf einem optischen Prinzip, wonach diejenigen Bereiche einer Schmelze, die flüssig sind, weniger sichtbares Licht aussenden als solche Bereiche, die noch fest sind oder die sich aus der Schmelze heraus verfestigt haben. Statt oder neben diesem Helligkeits- prinzip kann auch das Farbton-und/oder Farbsättigungsprinzip verwendet werden, denn geschmolzene Materialien unterscheiden sich von nicht geschmolzenem Materi- al nicht nur durch die Helligkeit, sondern auch durch Farbton und/oder Farbsättigung.

Zur Erkennung der Helligkeit der Schmelze ist eine Kamera 2 vorgesehen, bei der es sich um eine CCD-Video-Kamera handeln kann. Diese Kamera 2 ist schräg oberhalb eines Tiegels 7 angeordnet, in dem sich eine Schmelze 3 befindet. Mit dieser Kamera 2 wird die Oberfläche 4 der Schmelze 3 oder wenigstens ein Teil von dieser Ober- fläche 4 betrachtet.

Der Tiegel 7 kann über eine Welle 5 und ein Getriebe 6 mit Hilfe eines Motors 9 be- wegt werden, beispielsweise von oben nach unten. Es ist auch möglich, ihn in eine Drehbewegung zu versetzen. Der Tiegel 7 befindet sich in einem Gehäuse, das aus einem oberen Teil 12, einem mittleren Teil 13 und einem unteren Teil 14 besteht. Der untere Teil 14 ist hierbei mit zwei Gasauslaßöffnungen 25,26 versehen. Um den Tie-

gel 7 herum ist eine elektrische Heizung 16 angeordnet, die aus einer Heizstromver- sorgung 17 mit elektrischer Energie versorgt wird. Mit einer Gewindestange 18, die von einem Motor 19 angetrieben wird, können nicht dargestellte Teile in die Nähe der Schmelze 3 gebracht werden. Die Gewindestange 18 ist von einer zylindrischen Ausbuchtung bzw. einem Rohr 23 des oberen Teils 12 umgeben, das mit einer Gas- einlaßöffnung 24 versehen ist.

Die Ausgangssignale der Kamera 2 werden einer Bildauswerteeinheit 37 zugeführt, die Daten mit einer Steuerung 38 austauscht. Diese Steuerung 38 kann mittels einer Bedieneinheit 39, beispielsweise einer Tastatur, beeinflußt werden. Mit Hilfe dieser Steuerung 38 ist es möglich, den Antrieb 6,9 für den Tiegel 7 sowie die Heizstrom- versorgung 17 zu steuern.

In der Fig. 2a ist der Tiegel 7 in einer Ansicht von oben gezeigt. In diesem Tiegel 7 befindet sich flüssiges Material 50, z. B. flüssiges Silizium, in dem sich einige Inseln 51 bis 54 aus erstarrtem Material befinden. Die flüssige Schmelze 50 sendet dabei weniger Helligkeit aus als die erstarrten Inseln 51 bis 54, weil das erstarrte Material das sichtbare Licht besser reflektiert als das flüssige Material. Hierdurch erscheinen die Inseln 51 bis 54 heller als das sie umgebende flüssige Material 50.

Mit 55 ist ein Meßfenster bezeichnet, welches dem Blickwinkel der Kamera 2 ent- spricht, d. h. die Kamera 2 erfaßt den durch das Meßfenster 55 definierten Bereich des Tiegels 7. Die Bezugszahl 56 bezeichnet eine Meßlinie, auf deren Bedeutung weiter unten noch eingegangen wird.

In der Fig. 2b ist die Helligkeit des Inhalts des Tiegels in einer x-Koordinaten darge- stellt. Man erkennt hierbei, daß an denjenigen Orten, an denen sich die festen Inseln 51 bis 54 befinden, eine größere Helligkeit B 1... B4 herrscht als an denjenigen Stel- len, wo sich die flüssige Schmelze befindet.

Werden nur diejenigen Inseln 52,53 berücksichtigt, durch welche die Meßlinie 56 geht, so entfallen bei der Darstellung der Fig. 2b die Helligkeiten B 1 und B3.

In der Fig. 3 ist das Meßfenster 55 mit der Schmelze 50 und den darin befindlichen Inseln 51 bis 54 noch einmal im vergrößerten Maßstab dargestellt. Über das Meß-

fenster 55 sind mehrere horizontale und vertikale Meßlinien 60 bis 69 bzw. 70 bis 86 gelegt, die ein Gitter bilden. Diese Meßlinien 60 bis 69,70 bis 86 sind Abtastzeilen und-spalten der CCD-Kamera 2. Das von der CCD-Kamera 2 aufgenommene Meß- fenster wird somit zeilen-und spaltenweise abgetastet, d. h. die in der Fig. 3 darge- stellten Abtastzeilen und-spalten werden zeitmultiplex angesteuert.

Bei einer solchen Abtastung werden die Helligkeitsübergänge zwischen festem Si und flüssigem Si erfaßt, was durch die Punkte P1... Pg bezüglich der Insel 52 mar- kiert ist. Indem diese Helligkeitsübergänge erkannt werden, ist es möglich, den Aggregatzustand der Oberfläche der Si-Schmelze exakt zu erfassen.

Kennt man die einzelnen Punkte P1... Pg, so läßt sich die Fläche der Insel 52 er- rechnen. Auf entsprechende Weise können die Flächen der anderen Inseln 51,53,54 errechnet werden. Dies wiederum schafft die Möglichkeit, das Verhältnis der flüssi- gen Oberfläche zur festen Oberfläche zu ermitteln. Für diese Verhältnisse können verschiedene Werte festgesetzt werden, bei deren Erreichen bestimmte Verfahrens- schritte durchgeführt werden. Von besonderem Interesse ist dabei das Verschwinden des Anteils der festen Oberfläche, weil dieser Zustand eine fertige Schmelze indi- ziert. Da aus verschiedenen Gründen das Verschwinden der festen Körper vorge- täuscht sein kann, wird eine vorgegebene Haltezeit eingehalten, während welcher der Tiegel weitergedreht wird. Erst nach dieser Haltezeit wird davon ausgegangen, daß die festen Teile der Oberfläche tatsächlich verschwunden sind, und der entsprechende Verfahrensschritt wird eingeleitet.

In der Fig. 4 ist der erfindungsgemäße Prozeßablauf in Form eines Flußdiagramms dargestellt. Hiernach wird nach dem Start-Block 100-die von der CCD-Kamera 2 abgebildete Oberfläche der Schmelze als Abbildung in digitaler Form in einen nicht dargestellten Speicher eingelesen, was durch den Block 101 angedeutet ist. Die ein- gelesene Abbildung wird nun, vgl. Block 102, zeilenweise und/oder spaltenweise ab- getastet und helligkeitsmäßig überprüft. Immer dann, wenn der Helligkeitsunter- schied zwischen benachbarten Punkten einer Zeile und/oder einer Spalte einen vorge- gebenen Schwellenwert überschreitet, wird die Ortskoordinate der Übergangsstelle- die sogenannte Kante-ermittelt und abgespeichert, vgl. Block 103.

Auf diese Weise können z. B. die Punkte P1 bis Pq der Insel 52 aufgefunden werden.

Durch geeignete Interpolationsverfahren läßt sich ein Kurvenzug durch diese Punkte Pi bis Pq legen, so daß die Kontur der Insel 52 bekannt ist. Hieraus kann die Fläche der Insel 52 berechnet werden.

Werden die Inseln 51 bis 54 größer oder nehmen sie zahlenmäßig zu, wird auch die Zahl der erfaßten Kanten größer. Die Anzahl der erfaßten Kanten ist somit ein Maß für den Schmelzzustand der Oberfläche der Schmelze. Legt man einen bestimmten Schmelzwert für die Zahl der Kanten fest-vgl. Block 104-, kann man ein vorgege- benes Schmelze-Festkörper-Verhalten definieren, bei dessen Erreichen ein bestimm- ter Prozeßschritt durchgeführt werden soll. Dies ist durch Block 105 angedeutet. Ein derartiger Prozeßschritt kann beispielsweise in der Reduzierung der Heizleistung für das Heizelement 16 oder in der Erhöhung der Drehzahl des Tiegels bestehen. Sind alle Prozeßschritte ausgeführt, kann der Vorgang beendet werden.

Der Schwellwert für die Anzahl der Kanten kann z. B. über die Bedieneinheit 39 ein- gegeben werden.

Mit der Erfindung ist es somit möglich, schon zu einem sehr frühen Zeitpunkt die einzelnen Schritte bei der Herstellung eines Kristalls zu überwachen und zu beein- flussen. Bleiben z. B. feste Halbleiterbrocken an der Tiegelwand hängen oder drohen die in der Schmelze treibenden Brocken die über der Schmelze befindlichen Geräte zu berühren und damit zu beschädigen, kann beispielsweise die Heizleistung und/oder die Drehzahl des Tiegels entsprechend verändert werden, um den Schmelz- vorgang zu beschleunigen.

Wurde aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens festgestellt, daß das Verhältnis fest/flüssig = 0 ist, wird noch eine Haltezeit in der Größenordnung von 1 bis 5 Minu- ten eingelegt, bis mit dem nächsten Prozeßschritt begonnen wird, denn durch ver- schiedene Störeinflüsse, wie bereits oben erwähnt, kann eine vollständige Verflüssi- gung der Schmelze vorgetäuscht werden, obgleich sich noch einige ungeschmolzene Teile in ihr befinden. Durch diese Haltezeit wird sichergestellt, daß tatsächlich alle Materialien geschmolzen sind und nun mit dem Ziehen eines Kristalls begonnen wer- den kann. Die gewählte Haltezeit hängt von der Zahl der Umdrehungen des Tiegels ab. Wird der Tiegel schnell gedreht, kann die Haltezeit verkürzt werden, weil durch die erhöhte Drehungszahl die eventuell noch vorhandenen nicht geschmolzenen Brocken schneller in einen Bereich gelangen, wo sie geschmolzen werden.