Verteidigung der Diplomarbeit "Approaches for model-based observation and model-predictive control of the floating zone crystal growth process" von Herrn Konrad Lange

Monokristallines Silizium ist ein wichtiger Ausgangsstoff, der vor allem in der Elektronik für Halbleiterbauelemente, aber auch für andere Anwendungen wie bestimmte wissenschaftliche Experimente verwendet wird. Bei dem Floating-Zone-Verfahren handelt es sich um ein tiegelfreies Verfahren zur Züchtung solcher Siliziumkristalle mit besonders hoher Reinheit und gleichmäßiger Kristallorientierung. Hierbei wird ein polykristalliner Vorratsstab durch eine Induktionsspule erhitzt, zum Schmelzen gebracht und erstarrt unterhalb der Induktionsspule als Einkristall.

Zur Prozessautomatisierung ist ein Regelungssystem erforderlich, das die Leistung der Induktionsspule und die Bewegungsgeschwindigkeiten des Zuführstabs und des Einkristalls so steuert, dass die gewünschte Kristallform und -struktur erreicht wird. Die Regler benötigt dabei Systemzustände, die bestimmte Prozessgrößen beschreiben und aus Kamerabildern der Schmelzzone rekonstruiert werden. Die Messungen werden derzeit durch Störungen in den Bildern, wie z. B. Reflexionen, beeinträchtigt. Daher ist eine Verbesserung der Genauigkeit und Robustheit der Bestimmung der so gemessenen Größen, insbesondere der freien Schmelzeform, notwendig. Da ein Teil der Schmelzzone durch die Induktionsspule verdeckt wird, wird die Schätzung der verdeckten Schmelzoberfläche aus dem sichtbaren Bereich untersucht. In der Literatur wurde bereits gezeigt, dass der Prozess mittels eines modellbasierten Reglers geregelt werden kann. DAs prinzipielle Prozessmodell ist durch internationale Patente geschützt und kann nicht kommerziell verwendet werden. Im Rahmen dieser Arbeit werden die theoretischen Hintergründe und Implementierungen für das Modell, das Messystem, den Zustandsbeobachter und den Regler dargelegt. Eine echtzeitfähige Implementierung von aktiven Konturen für den Einsatz im FZ-Prozessmesssystem und eine erhöhte Genauigkeit und Robustheit bei der Kantenerkennung wird erreicht. Die Simulation der Form der von der Induktionsspule verdeckten Schmelze unter Verwendung der gemessenen Kontur wird demonstriert. Außerdem werden die Anforderungen an ein Systemmodell, das nicht gegen bestehende Patente verstößt aufgezeigt.