Brevet FR2034975A1 — publié le 19701218

-i- 2034975 L'invention concerne un appareil servant à régler le diamètre d'un cristal, du type employé comme semiconducteur dans les circuits électroniques et plus particulièrement, un appareil qui règle les paramètres qui établissent 5 le diamètre du cristal de façon que le diamètre du cristal puisse être maintenu entre des limites ou tolérances très étroites. Dans les appareils de développement de cristaux selon Czochralski, il est courant de prévoir des moyens Xo permettant de surveiller visuellement le cristal pendant qu'il émerge de la masse fondue. Cette surveillance est effectuée par l'opérateur et elle est particulièrement essentielle pendant les processus initiaux d'ensemencement, de rétrécissement et de constitution de l'épaulement cristallin. Cette surveil-15 lance est importante aussi pendant le processus de développement principal, lorsqu'il faut maintenir constant le diamètre du cristal en réglant manuellement ou automatiquement les paramètres du processus. Pour la fabrication en grande série de dis-2o positifs semi-conducteurs, il est important de développer de grands cristaux uniques dans des tolérances très étroites de diamètre. Si l'on peut maintenir un diamètre uniforme de cristal, on peut réaliser une économie de temps, d'outillage, de matière et de main d'oeuvre non seulement dans le processus 25 de développement de cristal mais aussi dans les processus ultérieurs de fabrication. Pour obtenir des diamètres de cristal compris entre des limites acceptables, il est nécessaire que des opérateurs qualifiés surveillent très étroitement et cons-50 tamment la formation des cristaux. On a étudié diverses méthodes de détection et de réglage qui permettent de régler des paramètres tels que la puissance fournie au serpentin chauffant, le débit et la température de l'argon, les vitesses d'élévation du germe et du creuset, pour assurer de petites varia-55 tions du diamètre du cristal de manière à le maintenir entre les limites nécessaires. Dans les appareils usuels de développement de cristaux, on observe le diamètre du cristal à travers un tube viseur qui coupe sous un certain angle la chambre de traction verticale. Si elle est relativement simple, la méthode BAD ORIG'NAL 69 14298 ~2~ 2034975 d'observation directe par tube viseur présente plusieurs défauts, par exemple il est difficile d'assurer une àompensation et de maintenir la symétrie thermique étant donné le trou allongé qui existe dans la chambre de traction à lf intersection 5 de celle-ci et du tube viseur. D'autre part, l'observation est minimale en ce sens que l'on peut seulement observer le cristal depuis un point habituellement éloigné de l'emplacement du tableau de commande. Un autre inconvénient est que l'estimation du diamètre absolu du cristal pendant le développement 10 est effectuée par l'opérateur qui doit y procéder d'une distance d'un mètre ou deux. Dans les systèmes où. l*on tente de régler automatiquement le diamètre du cristal, un orifice spécial d'observation fait un plus petit angle avec la vertical» et 15 on observe une image de la surface de la masse fondue pour détecter toute variation de rayonnement. Le signal de sortie tiré du détecteur est amplifié et sert à régler la vitesse de traction du cristal, la vitesse d'élévation du creuset et/ou la vitesse de rotation du cristal ou du creuset. Toutefois, 20 pour obtenir un signal convenable, il est nécessaire que la fenêtre de l'orifice d'observation soit maintenue exempte de dépôts de silice. On y parvient en amenant de l'argon dans un passage d'un seul tenant qui entoure l'orifice d'observation. 25 Dans l'invention, on utilise un système op tique replié pour Obtenir une disposition peu encombrante et pour éliminer le trou allongé mentionné plus haut, de manière à maintenir la symétrie thermique nécessaire. Le système optique est dirigé sur la ligne d'intersection entre le dia-30 mètre du cristal et la surface de la masse fondue, qui est appelée "interface de solidification''. Avec cette disposition, on peut disposer les détecteurs relativement à 1* .image de l'interface et à l'image de la masse fondue sur un écran d'observation, de façon telle que 1*on puisse utiliser toute varia-35 tion du,contraste de l'image pour commander une variation de la vitesse de traction du cristal, de la vitesse d'élévation du creuset et/ou des vitesses de rotation du cristal ©u du creuset. En outre, une fois que le système a été mis au point, ^ original 69 14298 -3- 2034975 l'image sur l'écran reste au point parce que la position de la surface de la masse fondue est maintenue constante dans l'espace par un mouvement approprié du support de creuset pendant que le développement du cristal épuise la masse fondue. Un 5 étalonnage approprié des dimensions de l'image pour le grossissement optique particulier que l'on applique permet de déterminer exactement le diamètre et on peut y parvenir en faisant en sorte que les détecteurs soient réglables sur la surface de la fenêtre d'observation. 10 Le but principal de l'invention est de four nir un appareil permettant de régler le diamètre d'un cristal de façon que l'on puisse mesurer ce diamètre avec précision et continuellement pendant tout le développement du cristal. Un autre but de l'invention est de fournir un appareil permet-15 tant de régler le diamètre d'un cristal et avec lequel il soit possible d'observer le cristal de divers points au cours de son développement. Un autre but est encore de fournir un appareil permettant de régler le diamètre d'un cristal et qui puisse s'adapter à d'autres commandes automatiques de diamètre 20 utilisant des techniques optiques. Les buts ci-dessus sont atteints par un système optique qui est replié de manière à être aussi peu encombrant que possible et qui projette en un poste d'observation une image de l'interface de solidification et de la masse fon-25 ' due. A ce poste, deux détecteurs sont disposés, relativement aux images, de façon telle que toute variation de contraste de l'image entre la position de l'image de l'interface de solidification et l'image de la masse fondue puisse être détectée et qu'une telle variation de contraste engendre un signal. Les 30 détecteurs forment des branches respectives d'un circuit en pont qui est normalement maintenu dans un état d'équilibre tant qu'il n'y a pas de variation dans le contraste de l'image . Quand il se produit une variation de contraste de l'image, le signal de commande qui est engendré est amplifié et appliqué en tant que 35 signal de sortie aux moyens de traction de cristal, aux moyens d'élévation du creuset et/ou aux moyens de rotation du cristal ou du creuset de manière â amener le diamètre du cristal entre les limites de linéarité, en fonction de la disposition ou de BAD ORIGINAL '69 14298 -4- 2034975 la position des détecteurs relativsne nt à l'image, le câblage servant à régler les paramètres ci-dessus varie selon la proportion dans laquelle il faut modifier les paramètres. On se référera maintenant aux dessins annexés 5 sur lesquels les mêmes références désignent les mêmes pièces : - la figure I est une coupe verticale schématique d'un appareil de fabrication de cristaux, montrant la disposition du système optique qui sert à projeter une image sur un écran d'observation, relativement à des détecteurs qui 10 sont disposés sur celui-ci, et - la figure 2 est un schéma de câblage montrant de quelle manière les signaux engendrés sont appliqués aux moyens de réglage de paramètres. Sur la figure I, l'enveloppe 10 d'un .four 15 à cristaux désigné par la référence générale II est représentée en coupepartielle de sorte que l'on voit clairement la relation entre le cristal 12 en cours de formation et le système optique 13. De façon bien connue, le cristal 12 part 20 d'un germe que l'on place sur l'extrémité de la tige 14- et que l'on positionne soigneusement par rapport à la surface 15 d'une masse fondue 16 contenue dans un creuset 17. la tige 14 se dirige verticalement vers le haut et eBt déplacée verticalement par un Bystème d'engrenages indiqué schématiquement 25 et désigné par la référence 18,. qui est entraîné par un moteur 19 ou par un système usuel d'entraînement à vis-mère, la tige 14 est donc déplacée par le moteur et le système d'engrenages à une vitesse uniforme de manière à déplacer le cristal 12 qui se forme, relativement à la masse fondue 16. 30 le creuset 17 est disposé sur un support 20 et ce support est monté de manière, à pouvoir tourner de sorte que le moteur 21 et un mécanisme d'accouplement approprié peuvent fai£e.tourner le creuset 17 à une vitesse uniforme. De même, un moteur 22 peut être relié à un prolongement du 55 support 20 de manière à entraîner le creuset en direction verticale afin que la surface 15 de la masse fondue 16 se maintienne en une position fixe péndant que le cristal 12 diminue le volume de la masse fondue à cause de sa croissance. Un disposi- CCPV 69 14298 -5- 2034975 tif de chauffage du type à graphite 23 entoure le creuset 17 de façon bien connue et usuelle. Il est entendu que les vitesses uniformes de traction du cristal, de rotation du creuset et d'élévation du creuset dépendant du type de cristal à former 5 ainsi que d'autres paramètres comme l'apport de chaleur, le débit de gaz, la température etc.. Le système optique 13 comprend un-miroir 25, un deuxième miroir 26 et un troisième miroir 27 qui ont une disposition relative générale comme celle de la figure I, de façon 10 que la lentille 28, disposée entre les miroirs 25 et 26, forme sur l'écran d'observation 30 une image de l'intersection entre l'interface de solidification et la masse fondue, désignée par la référence générale 29. La lentille 28 peut aussi être disposée entre les miroirs 26 et 27, ces derniers étant alignés ver-15 tioalement en vue d'une nouvelle économie de place. En fait, on peut replier de nombreuses façons le système optique 13 pour assurer cette économie de place. Etant donné que la surface 15 de la masse fondue 16 est maintenue dans une position prédéterminée, il faut seulement ajuster la mise au point de l'image 20 sur l'écran 30 lors du démarrage initial du dévéloppement du cristal à partir du germe. L'écran 30 constitue donc un poste d'observation qui est accessible à un opérateur et qui est disposé sur la paroi antérieure 31 du boîtier 32 qui peut faire partie de l'enveloppe 10 du four. 25 L'écran d'observation 30 porte deux cellules photoélectriques ou détecteurs photosensibles 35 servant à surveiller toute variation de contraste entre l'image de l'interface de solidification et celle de la masse fondue. Les cellules photoélectriques 35 sont espacées sur l'écran 30 de sorte 30 que l'intersection 29 ou la ligne d'intersection entre l'interface de solidification et la masse fondue est dans la position indiquée sur l'écran 30. Avec cette disposition à deux cellules, on peut obtenir un signal qui dépend' du contraste de l'image détectée entre l'interface de solidification et la masse fon-35 due. Dans les limites de linéarité des cellules photoélectriques 35, cette variation de contraste de l'image est indépendante de l'intensité absolue de l'image. Par suite, les effets des variations à long terme de la luminosité due au dépôt de COP^ 14298 -6- 2034975 silice sur l'écran 30 et des fluctuations à court terme dues aux effets de l'écoulement du gaz sont en majeure partie éliminés complètement. Comme le montre la figure 2, les deux cellules photoélectriques 35-1 et 35-2 sont branchées dans un circuit qui comprend une résistance '36 de sorte que les cellules \ photoélectriques et les branches respectives de la résistance 36 forment les quatre branches d'un circuit en pont 37» sur lequel est branchée une source de potentiel 38. En ajustant le bras 39 de la résistance 36, on peut mettre le circuit en pont 37 dans un état équilibré tandis que les cellules photoélectriques sont éclairées uniformément. Comme le montre la figure 2, on peut- positionner la cellule photoélectrique 35-1 sur l'écran 30 relativement à l'image de l'anneau brillant de l'interface de solidification et on peut positionner la cellule photoélectrique 35-2 relativement à l'image de la zone adjacente de la masse fondue, le signal de sortie du pont 37 est amplifié par un amplificateur opérationnel 40 de manière à donner un signal qui permet de régler la vitesse du moteur 19 de la tige de traction. Un condensateur 41 relie le signal de sortie à la terre de manière à amortir toutes variations à court terme du signal dues à un défaut de concentricité du cristal en rotation. le moteur 22 qui commande l'élévation du creuset 17 est entraîné à une vitesse qui est dans un rapport déterminé géométriquement avec la vitesse du moteur d'élévation de tige de traction. On peut obtenir ce rapport en reliant la commande du moteur d'élévation de creuset 22 à la résistance 42 par une prise réglable comme le montre la figure 2. Bien qu'on ne l'ait pas représentée, on peut utiliser une commande similaire pour faire varier la vitesse à laquelle le creuset est mis en rotation, en reliant aussi ce signal de commande au moteur 21 qui entraîne le creuset. les cellules photoélectriques 35 sont représentées montées sur l'écran 30 mais le montage peut être tel que les cellules photoélectriques puissent se mouvoir facilement et que l'on puisse les positionner relativement aux images présentant des diamètres plus ou moins grands et qui COPV 69 14298 -7- 2034975 dépendent de la grandeur du cristal à former. Comme indiqué plus haut, une fois que l'image a été mise au point sur l'écran 30, elle reste au point parce que la surface 15 de la masse fondue est maintenue constante dans l'espace par tin mou-5 vement approprié du creuset à mesure que le cristal épuise la masse fondue. Etant donné qu'il existe cette relation constante dans l'espace, le système de projection représente en fait une forme de comparateur optique et pour un grossissement optique particulier, on peut effectuer des mesures préci-10 ses de diamètre. C'est pour cette raison que l'on peut utiliser les cellules photoélectriques 35-comme commande automatique de diamètre lorsqu'on les positionne sur l'écran par des moyens tels que l'on puisse les positionner relativement à une échelle étalonnée prévue sur l'écran. 69 14298 -8- 2034975 ■ REVENDICATIONS 1°) - Appareil servant à régler le diamètre d'un cristal en formation continue et qui comprend des moyens • 5 permettant d'élever à une vitesse généralement uniforme un creuset chauffé contenant une masse fondue à partir de laquelle on forme le cristal, et des moyens permettant de tirer le cristal de la masse fondue à une vitesse généralement uniforme, appareil caractérisé par le fait qu'il comporte un système op-;0 tique servant à projeter en un poste d'observation une image de l'interface de solidification entre le cristal et la masse fondue, des moyens de surveillance disposés au poste d'observation et qui engendrent un signal respectif de commande lorsqu' il se produit une variation de contraste de l'image de l'inter-5 face de solidification et de l'image de la masse fondue, et des moyens qui, en réponse à ce signal de commande, engendrent un signal de sortie .servant à faire varier l'action des moyens d'élévation, des moyens de traction et des moyens de rotation. 2°) - Appareil selon revendication I, ea- ■ 0 ractérisé par le fait que les moyens propres à engendrer le signal de sortie comprennent un premier composant électrique qui engendre en fonction du signal de commande un premier signai de sortie commandant les moyens de traction et un deuxième composant électrique qui engendre en fonction du signal de comman-5 de un deuxième signal de sortie commandant les moyens d'élévation, la vitesse de mouvement des moyens de levage étant dans un rapport géométrique prédéterminé avec celle des moyens de traction de manière à maintenir en position fixe la surface de la masse fondue et l'interface de solidification. D 3°) - Appareil selon revendication I, carac térisé par le fait que les moyens de surveillance comprennent deux détecteurs photosensibles dont l'un réagit à la variation du contraste de l'image de l'interface de solidification tandis que l'autre réagit à la variation de contraste de l'image 5 de la masse fondue. 4°) - Appareil selon revendication 3, caractérisé par le fait qùe chacun des deux détecteurs photosensibles forme une partie d'un circuit en pont qui est maintenu à. l"état équilibré tant que les détecteurs sont éclairés uniforCOPY 69 14298 -9- 2034975 mément par leur image respective. 5°) - Appareil selon revendication 3» caractérisé par le fait que le circuit en pont comprend une résistance variable permettant d'établir l'état éqiilibré» \ eopt