DE112008003609B4

DE112008003609B4 - Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls

Info

Publication number: DE112008003609B4
Application number: DE112008003609.8T
Authority: DE
Inventors: Ryoji Hoshi; Kiyotaka Takano
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2008-01-10
Filing date: 2008-12-18
Publication date: 2018-12-20
Anticipated expiration: 2028-12-19
Also published as: US9217208B2; JP4582149B2; CN101910474B; WO2009087724A1; KR20100113510A; KR101473789B1; DE112008003609T5; CN101910474A; JP2009161416A; US20100258050A1

Abstract

Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls, Ziehen des Einkristalls nach der Czochralski-Methode, umfassend mindestens:
eine Hauptkammer, in welcher ein Schmelztiegel zum Unterbringen einer Rohmaterialschmelze und ein Erhitzer zum Erhitzen der Rohmaterialschmelze angeordnet sind;
eine Ziehkammer, in welcher der gezüchtete Einkristall gezogen und untergebracht wird, wobei die Ziehkammer kontinuierlich oberhalb der Hauptkammer vorgesehen ist; und
einen Kühlzylinder, der sich mindestens von einer Decke der Hauptkammer zu einer Fläche der Rohmaterialschmelze derart erstreckt, dass er den Einkristall während des Ziehens umgibt, wobei der Kühlzylinder mit einem Kühlmittel zwangsweise gekühlt wird; wobei
die Vorrichtung ferner umfasst mindestens einen Hilfskühlzylinder, der in einen Innenraum des Kühlzylinders eingepasst ist, und
der Hilfskühlzylinder einen in einer axialen Richtung vordringenden Spalt hat und sich zu der Fläche der Rohmaterialschmelze erstreckt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Herstellung eines Silizium-Einkristalls nach der Czochralski-Methode (in Folgenden die CZ-Methode).
HINTERGRUND
Nachstehend wird eine konventionelle Vorrichtung zur Herstellung eines Silizium-Einkristalls nach der Czochralski-Methode durch Veranschaulichung eines gezüchteten Silizium-Einkristalls erklärt.
4 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Beispiels der konventionellen Vorrichtung zur Herstellung eines Silizium-Einkristalls.
In der Vorrichtung zur Herstellung eines Silizium-Einkristalls 101, die zur Herstellung eines Silizium-Einkristalls nach der CZ-Methode verwendet wird, sind die Schmelztiegel 106 und 107 und ein Erhitzer 108 im Allgemeinen in einer Hauptkammer 102 angeordnet, in welcher der Einkristall 104 gezogen wird, wobei die Schmelztiegel Rohmaterialschmelze 105 enthalten und nach oben und nach unten verschoben werden können und der Erhitzer derart angeordnet ist, dass er die Schmelztiegel 106 und 108 umgibt. Eine Ziehkammer 103 zur Aufnahme und Entfernen des gezüchteten Einkristalls ist kontinuierlich über die Hauptkammer 102 angeordnet. Die Schmelztiegel 106 und 107 sind mit einer Schmelztiegel-Drehwelle 118 gelagert, die durch einen an einem unteren Abschnitt der Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls 101 angebrachten Drehantriebsmechanismus (nicht gezeigt) nach oben und nach unten verschoben und gedreht werden kann.
Ein Wärmedämmelement 109 zum Verhindern, dass die Hauptkammer 102 direkter Hitze aus dem Erhitzer 108 ausgesetzt wird, ist außerhalb des Erhitzers 108 derart angeordnet, dass es einen Umfang des Erhitzers umgibt.
Für das Abführen der Verunreinigungen, die im Ofen, aus dem Ofen usw. erzeugt werden, wird ein Inertgas wie beispielsweise Argon-Gas in die Kammer durch ein Gaseinlass 111 eingeführt, der an einem oberen Abschnitt der Ziehkammer 103 angebracht ist, geht durch den Einkristall 104 während des Ziehens und eine Fläche der Rohmaterialschmelze 105 innerhalb der Kammer durch, um innerhalb der Kammer zu zirkulieren, und wird durch ein Gasauslass 110 abgeführt. Vorgesehen ist ein Gasströmungsführungszylinder 114 zum Leiten des Inertgases derart, dass es nach unten nahe des Kristalls von oberhalb der Schmelze strömt.
Der Kühlzylinder 112 erstreckt sich mindestens von einer Decke der Hauptkammer 102 in Richtung der Fläche der Rohmaterialschmelze 105 derart, dass er den Einkristall 104 während des Ziehens umgibt. Ein Kühlmittel wird in den Kühlzylinder 112 aus einem Kühlmitteleinlass 113 eingeführt, zirkuliert durch das Innere des Kühlzylinders 112, um den Kühizyiinder 112 zwangsläufig zu kühlen, und dann wird nach außen ausgestoßen.
Im Falle der Herstellung des Einkristalls unter Verwendung der Einkristallziehvorrichtung 101, wie oben beschrieben, wird ein Impfkristall 116 in die Rohmaterialschmelze 105 eingetaucht und vorsichtig unter Drehung nach oben gezogen, um einen stabförmigen Einkristall zu züchten, während die Schmelztiegel 106 und 107 nach oben entsprechend dem Wachstum des Kristalls derart bewegt werden, dass die Schmelzoberfläche immer auf konstanter Höhe gehalten wird, um einen gewünschten Durchmesser und gewünschte Kristallqualität zu erhalten.
Wenn der Einkristall gezüchtet wird, wird der an einer Impfkristall-Haltung 117 angeordnete Impfkristall 116 in die Rohmaterialschmelze 105 eingetaucht und dann wird ein Draht 115 vorsichtig auf den in eine gewünschte Richtung gedrehten Impfkristall 116 mit einem Ziehmechanismus (nicht gezeigt) aufgewickelt, um den Einkristall 104 an einem Endabschnitt des Impfkristalls 116 zu züchten. Um Versetzungen zu beseitigen, die erzeugt werden, wenn der Impfkristall 116 in Kontakt mit der Schmelze gebracht wird, wird vorliegend der Kristall einmal dünn mit einem Durchmesser von etwa 3 bis 5 mm in einem frühen Stadium des Wachstums gemacht und dann wird der Durchmesser bis zu einem gewünschten Durchmesser erweitert, nachdem die Versetzungen beseitigt wurden, um den Einkristall 104 mit gewünschter Qualität zu züchten.
Hierbei ist eine Ziehgeschwindigkeit für einen Abschnitt mit einem konstanten Durchmesser des Einkristalls 104, obwohl sie von dem Durchmesser des Einkristalls, der gezogen werden soll, abhängt, in der Regel extrem langsam, zum Beispiel etwa 0,4 bis 2,0 mm/min. Wenn der Einkristall schnell mit Zwang gezogen wird, wird er während des Wachstums verformt und dadurch kann ein zylindrisches Produkt mit einem konstanten Durchmesser nicht mehr erhalten werden oder es entstehen Probleme durch die im Einkristall 104 erzeugten verrutschen Versetzungen, wobei der Einkristall 104 nach Ablösen von der Schmelze und dergleichen nicht zu einem Produkt werden kann. Folglich ist die Erhöhung der Wachstumsrate des Einkristalls begrenzt.
Zum Zwecke der Produktivitätsverbesserung und Kostensenkung in der vorangehenden Herstellung von Einkristall 104 nach der CZ-Methode ist jedoch die Erhöhung der Wachstumsrate des Einkristalls 104 eines der wesentlichen Mittel und dementsprechend wurden bislang verschiedene Verbesserungen gemacht, um die Erhöhung der Wachstumsrate des Einkristalls 104 zu erreichen.
Es ist bekannt, dass die Wachstumsrate des Einkristalls 104 durch Wärmebilanz des Einkristalls 104 während des Wachstums bestimmt wird und durch effizientes Abführen der von der Oberfläche des Einkristalls abgegebenen Wärme erhöht werden kann. Hierbei ermöglicht eine Verstärkung einer Kühlwirkung auf den Einkristall 104 eine weiterhin effiziente Herstellung des Einkristalls. Darüber hinaus ist es bekannt, dass eine Abkühlungsgeschwindigkeit des Einkristalls 104 Kristallqualität verändert. Zum Beispiel können eingewachsene Defekte, die im Silizium-Einkristall während des Wachstums des Einkristalls entstehen, durch ein Verhältnis der Ziehgeschwindigkeit (die Wachstumsrate) zu einem Temperaturgradient im Kristall gesteuert werden und ein defektfreier Einkristall kann durch die Steuerung gezüchtet werden (vgl. Offenlegungsschrift der japanischen Patentanmeldung (Kokai) JP H11-157996 A ). Folglich ist die Verstärkung der Kühlwirkung auf den Einkristall während des Wachstums wichtig für die Herstellung des defektfreien Einkristalls und für Verbesserung der Produktivität durch Erhöhung der Wachstumsrate des Einkristalls.
Um den Einkristall 104 bei der CZ-Methode effizient zu kühlen, ist ein Verfahren zur Aufnahme von Strahlungswärme von dem Einkristall 104 in einem zwangsweise gekühlten Objekt, wie beispielsweise der Kammer, effektiv ohne unmittelbarer Aussetzung des Kristalls der Strahlungswärme aus dem Ofen 108. Schirmstruktur ist eine Vorrichtung, die dies umsetzen kann (vgl. japanische Patent-Veröffentlichung JP S57-40119 B2 ). In dieser Struktur wird jedoch zum Vermeiden eines Kontakts durch die Aufwärtsbewegung des Schmelztiegels die Schirmform mit einem kleineren Durchmesser eines oberen Schirmabschnitts benötigt. Die Schirmstruktur hat demnach eine Störstelle, so dass es schwierig ist, den Kristall zu kühlen.
Darüber hinaus besteht auch ein Problem darin, dass die Kühlwirkung auf den Einkristall nicht genutzt werden kann, wobei die Wirkung durch das Strömen des Inertgases während des Kristallziehens herbeigeführt wird, um eine Verunreinigung durch ein oxidierendes Gas zu verhindern.
In Anbetracht dessen gibt es vorgeschlagene Struktur, die einen Gasströmungsführungszylinder zum Leiten des Inertgases und einen Hitzeabschirmungsring zur Abschirmung der direkten Strahlungswärme von dem Ofen und der Rohmaterialschmelze zu dem Gasströmungsführungszylinder umfasst (vgl. Offenlegungsschrift der japanischen Patentanmeldung (Kokai) JP S64-65086 A ). Bei dieser Methode kann die Kühlwirkung des Inertgases auf den Einkristall erwartet werden. Angesichts der Wärmestrahlung, die von dem Einkristall in einer Kühlkammer absorbiert wird, lässt sich jedoch nicht sagen, dass die Kühlleistung hoch ist.
Daraufhin wird als eine Methode zur Lösung der Probleme des Schirms und des Gasströmungsführungszylinders und für effiziente Kühlung eine Methode vorgeschlagen, in der ein wassergekühltes Kühlzylinder um den Kristall angebracht wird (vgl. International Publication Druckschrift WO 01/57293 A1 ). Nach dieser Methode wird eine Außenseite des Kühlzylinders durch ein Kühl-Zylinder-Schutzmaterial geschützt, wie beispielsweise eine aus Graphit usw. hergestellte Schutzhülle, und dadurch kann die Wärme des Einkristalls von der Innenseite des Kühlzylinders effizient abgeführt werden. Da jedoch der Kühlzylinder sicherheitshalber sich nicht bis in der Nähe der Schmelzoberfläche erstreckt, ist die Kühlwirkung auf den Einkristall in einem Abschnitt etwas niedrig, bevor der Kühlzylinder erreicht wird.
Darüber hinaus wird ein Verfahren zum Verlängern eines in den Kühlzylinder eingebauten Graphitelements usw. in der Offenlegungsschrift der japanischen Patentanmeldung (Kokai) JP H06-199590 A offenbart. Jedoch kann dieses Verfahren keine ausreichende Kühlwirkung erzielen, da der Kühlzylinder und das verlängernde Graphitelement der Wärme von außen ausgesetzt sind und außerdem ist ein Kontakt zwischen dem Kühlzylinder und dem Graphitelement schwierig. Folglich kann die Wärme nicht vom Graphitelement zum Kühlzylinder effizient geleitet werden.
Die Druckschriften DE 100 58 329 A1 , JP 2005-231 969 A und US 2003/0 070 605 A1 beschreiben weitere Kühlzylinder für Czochralski-Vorrichtungen.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Im Hinblick auf die oben erläuterten Probleme, ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls bereitzustellen, die die Wachstumsrate des Einkristalls durch eine effiziente Kühlung des Einkristalls während des Wachstums erhöhen kann.
Zu diesem Zweck stellt die vorliegende Erfindung bereit eine Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls, Ziehen des Einkristalls nach der Czochralski-Methode, umfassend mindestens: eine Hauptkammer, in welcher ein Schmelztiegel zum Unterbringen einer Rohmaterialschmelze und ein Erhitzer zum Erhitzen der Rohmaterialschmelze angeordnet sind; eine Ziehkammer, in welcher der gezüchtete Einkristall gezogen und untergebracht wird, wobei die Ziehkammer kontinuierlich oberhalb der Hauptkammer vorgesehen ist; und einen Kühlzylinder, der sich mindestens von einer Decke der Hauptkammer zu einer Fläche der Rohmaterialschmelze derart erstreckt, dass er den Einkristall während des Ziehens umgibt, wobei der Kühlzylinder mit einem Kühlmittel zwangsweise gekühlt wird; wobei die Vorrichtung ferner mindestens einen Hilfskühlzylinder umfasst, der in den Innenraum des Kühlzylinders eingepasst ist, und der Hilfskühlzylinder einen in einer axialen Richtung vordringenden Spalt hat und sich zu der Fläche der Rohmaterialschmelze erstreckt.
Da die Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls gemäß der vorliegenden Erfindung mindestens den Hilfskühlzylinder hat, der in den Innenraum des Kühlzylinders eingepasst ist, und der Hilfskühlzylinder einen in einer axialen Richtung vordringenden Spalt hat und sich zu der Fläche der Rohmaterialschmelze erstreckt, gelangt der Hilfskühlzylinder auf diese Weise in dichte Berührung mit dem Kühlzylinder, um sich einzupassen ohne durch Wärmeausdehnungen zu brechen, und die vom Einkristall während des Züchtens mit dem Hilfskühlzylinder aufgenommene Wärme kann von dem Passteil zu dem Kühlzylinder effizient abgeleitet werden. Dadurch kann der Einkristall während des Züchtens effizient gekühlt werden und die Wachstumsrate des Einkristalls kann erhöht werden.
Vorzugsweise sollte hierbei als Material des Hilfskühlzylinders eines von Graphit, Kohlenstoffverbundwerkstoff (C-C-Material), Edelstahl, Molybdän und Wolfram sein.
Wenn das Material des Hilfskühlzylinders eines von solchem Kohlenstoffmaterial wie beispielsweise Graphit und Kohlenstoffverbundwerkstoff (C-C-Material), von solchem metallischen Material wie beispielsweise Edelstahl, Molybdän und Wolfram ist, kann die Wärme auf diese Weise von dem Einkristall effizienter aufgenommen werden. Zusätzlich kann die Wärme zu dem Kühlzylinder effizienter geleitet werden. Auch die hohe Wärmebeständigkeit des Hilfskühlzylinders kann erreicht werden.
Vorzugsweise ist hierbei ein Schutzteil außerhalb des Kühlzylinders vorgesehen.
Wenn der Schutzteil außerhalb des Kühlzylinders vorgesehen ist, kann es auf diese Weise reduziert werden, dass die Außenseite des Kühlzylinders direkt der Strahlungswärme von dem Erhitzer und der Rohmaterialschmelze ausgesetzt ist. Zusätzlich kann ein Spritzen der Rohmaterialschmelze mit Anhaften auf dem Kühlzylinder verhindert werden. Dadurch kann der Kühlzylinder vor Verschlechterung geschützt werden, der Einkristall, der während des Züchtens innerhalb des Kühlzylinders angeordnet ist, kann effizienter gekühlt werden, und die Wirkung der Erhöhung der Wachstumsrate des Einkristalls kann verstärkt werden.
Vorzugsweise sollte hierbei als Material des Schutzteils eines von Graphit, Kohlenstoffsser, Kohlenstoffverbundwerkstoff (C-C-Material), Edelstahl, Molybdän und Wolfram sein.
Wenn das Material des Schutzteils eines von solchem Kohlenstoffmaterial wie beispielsweise Graphit, Kohlenstoffaser und Kohlenstoffverbundwerkstoff (C-C-Material), von solchem metallischen Material wie beispielsweise Edelstahl, Molybdän und Wolfram ist, kann auf diese Weise einen hohen Emissionsgrad des Schutzteils erreicht werden, wobei die Wirkung der Verringerung des Aussetzens des Kühlzylinders der direkten Strahlungswärme von dem Erhitzer und der Rohmaterialschmelze verstärkt werden kann. Auch die hohe Wärmebeständigkeit des Schützteils kann erreicht werden.
Vorzugsweise ist hierbei die Vorrichtung mit einem Gasströmungsführungszylinder ausgestattet, der sich unter dem Kühlzylinder erstreckt.
Wenn die Vorrichtung mit dem Gasströmungsführungszylinder ausgestattet ist, der sich unter dem Kühlzylinder erstreckt, kann auf diese Weise der Einkristall durch Abschirmung der Strahlungswärme von dem Erhitzer und der Rohmaterialschmelze gekühlt werden. Zusätzlich wird der Kühlzylinder am Erreichen einer Position unmittelbar über der Schmelzoberfläche gehindert, so dass Sicherheit gesichert ist. Der Gasströmungsführungszylinder übt zugleich den Effect aus, das nach unten nahe des Kristalls von oberhalb der Rohmaterialschmelze strömende Inertgases zu leiten, und dadurch kann auch die Kühlwirkung des Inertgasses auf den Einkristall erwartet werden. Folglich kann der Einkristall während des Züchtens effizienter gekühlt werden und die Wirkung der Erhöhung der Wachstumsrate des Einkristalls kann verstärkt werden.
Die Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls gemäß der vorliegenden Erfindung hat mindestens den Hilfskühlzylinder, der in den Innenraum des Kühlzylinders eingepasst ist, und der Hilfskühlzylinder hat den in einer axialen Richtung vordringenden Spalt und erstreckt sich zu der Fläche der Rohmaterialschmelze, und der Hilfskühlzylinder gelangt dadurch in dichte Berührung mit dem Kühlzylinder, um sich einzupassen ohne durch Wärmedehnungen zu brechen, und die vom Einkristall während des Züchtens mit dem Hilfskühlzylinder aufgenommene Wärme kann von dem Passteil zu dem Kühlzylinder effizient abgeleitet werden. Dadurch kann der Einkristall während des Züchtens effizient gekühlt werden und die Wachstumsrate des Einkristalls kann erhöht werden.
Figurenliste

1 ist eine schematische Schnittansicht, die eine Darstellung der Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel des Hilfskühlzylinders zeigt, der in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
3 ist eine schematische Schnittansicht, die eine andere Darstellung der Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 ist eine schematische Schnittansicht, die ein Beispiel einer konventionellen Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls zeigt.

BESTE ART UND WEISE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Nachstehend wird eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung erklärt, ohne die Erfindung dabei zu beschränken.
In der konventionellen Herstellung des Einkristalls nach der CZ-Methode ist die Erhöhung der Wachstumsrate des Einkristalls eines der bedeutensten Mittel zur Steigerung der Produktivität und zur Reduzierung der Kosten. Es ist bekannt, dass die Wachstumsrate des Einkristalls durch effizientes Abführen der von der Oberfläche des Einkristalls abgegebenen Wärme erhöht werden kann. Zusätzlich ist die Verstärkung der Kühlwirkung auf den Einkristall während des Züchtens für die Herstellung des defektfreien Einkristalls auch wichtig.
In Anbetracht dessen führte der Erfinder wiederholt sehr genaue Studien durch, um die Kühlwirkung auf den Einkristall während des Züchtens zu erhöhen. Im Ergebnis wurde vom Erfinder herausgefunden, dass die Wärme vom Einkristall während des Züchtens mit dem Hilfskühlzylinder, der in den Innenraum des Kühlzylinders eingepasst ist und der sich zu der Fläche der Rohmaterialschmelze unter dem Kühlzylinder erstreckt, effizient aufgenommen werden kann. Darüber hinaus vermutete der Erfinder Folgendes. Wenn der Hilfskühlzylinder einen in einer axialen Richtung vordringenden Spalt hat, der Hilfskühlzylinder in den Innenraum des Kühlzylinders dicht eingepasst ist, ohne zum Zeitpunkt der Ausdehnung des Hilfskühlzylinders durch die Wärme zu brechen, nimmt eine Kontaktfläche beider Oberflächen zu, und der Hilfskühlzylinder gelangt in ausreichend dichte Berührung mit dem Kühlzylinder. Die vom Einkristall aufgenommene Wärme kann dadurch zu dem zwangsweise gekühlten Kühlzylinder effizient abgeleitet werden. Im Ergebnis vollendete der Erfinder die vorliegende Erfindung.
Das ist die Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls gemäß der vorliegenden Erfindung, die mindestens den Hilfskühlzylinder hat, der in den Innenraum des zwangsweise gekühlten Kühlzylinders eingepasst ist, und der Hilfskühlzylinder, der den in einer axialen Richtung vordringenden Spalt hat und sich zu der Fläche der Rohmaterialschmelze erstreckt, wodurch der Einkristall während des Züchtens effizient gekühlt werden kann und die Wachstumsrate des Einkristalls erhöht werden kann.
1 ist eine schematische Schnittansicht, die ein Beispiel der Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 1 gezeigt, sind in der Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls 1 die Schmelztiegel 6 und 7 zur Aufnahme der Rohmaterialschmelze 5, der Erhitzer 8 zum Erhitzen und Schmelzen eines polykristallinen Silizium-Rohmaterials und dergleichen in der Hauptkammer 2 angeordnet. Ein Ziehmechanismus (nicht gezeigt) zum Ziehen des gezüchteten Einkristalls 4 ist an einem oberen Abschnitt der Ziehkammer 3 vorgesehen, die kontinuierlich über die Hauptkammer 2 angeordnet ist.
Ein Ziehdraht 15 ist von dem Ziehmechanismus ausgerollt, der an dem oberen Abschnitt der Ziehkammer 3 angebracht ist, und eine Impfkristall-Halterung 17 zum Anbringen eines Impfkristalls 16 ist mit dem Ende des Ziehdrahtes verbunden. Der Einkristall 4 ist unter dem Impfkristall 16 durch Eintauchen des Impfkristalls 16, der an das Ende der Impfkristall-Halterung 17 angebunden ist, in die Rohmaterialschmelze 5 und durch Aufwickeln des Ziehdrahtes 15 mit dem Ziehmechanismus gebildet.
Es sei darauf hingewiesen, dass die vorstehenden Schmelztiegel 6 und 7 aus einem inneren Quarztiegel 6 zum Unterbringen der Rohmaterialschmelze 5 und einem äußeren Graphittiegel 7 zum Stützen des Quarztiegels 6 bestehen. Die Schmelztiegel 6 und 7 sind mit einer Schmelztiegel-Drehwelle 18 gestützt, die durch einen an einem unteren Abschnitt der Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls 1 angebrachten Drehantriebsmechanismus (nicht gezeigt) nach oben und nach unten gedreht und verschoben werden kann. Die Schmelztiegel 6 und 7 sind nach oben verschoben innerhalb eines Abstands, der einer Abnahme in der Schmelze gemäß dem Ziehen des Einkristalls 4 entspricht, und werden in die entgegengesetzte Richtung zu einer Drehung des Kristalls derart gedreht, dass die Schmelzoberfläche auf konstanter Höhe gehalten wird, um Änderungen in Kristalldurchmesser und Kristallqualität zu verhindern, die durch die Änderung der Schmelzoberfläche in der Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls 1 herbeigeführt werden.
Der Erhitzer 8 ist derart angeordnet, dass er die Schmelztiegel 6 und 7 umgibt. Ein Wärmedämmelement 9 zum Verhindern, dass die Hauptkammer 2 direkter Hitze aus dem Erhitzer 8 ausgesetzt wird, ist außerhalb des Erhitzers 8 derart angeordnet, dass es einen Umfang des Erhitzers umgibt.
Zum Zweck des Abführens der Verunreinigungen, die im Ofen, aus dem Ofen usw. erzeugt werden, wird ein Inertgas wie beispielsweise Argon-Gas in die Kammer durch ein Gaseinlass 11 eingeführt, der an einem oberen Abschnitt der Ziehkammer 3 angebracht ist, geht durch den Einkristall 4 während des Ziehens und die Fläche der Rohmaterialschmelze 5 durch, um innerhalb der Kammer zu zirkulieren, und wird durch ein Gasauslass 10 abgeführt.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Hauptkammer 2 und die Ziehkammer 3 aus einem Metall gebildet sind, das eine ausgezeichnete Wärmebeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit aufweist, wie beispielsweise Edelstahl, und mit Wasser durch eine Kühlleitung (nicht gezeigt) gekühlt werden.
Der Kühlzylinder 12 erstreckt sich mindestens von der Decke der Hauptkammer 2 in Richtung der Fläche der Rohmaterialschmelze 5 derart, dass er den Einkristall 4 während des Ziehens umgibt. Ein Kühlmittel wird in den Kühlzylinder 12 aus einem Kühlmitteleinlass 13 eingeführt, zirkuliert durch das Innere des Kühlzylinders 12, und wird dann nach außen ausgestoßen.
Wenn der Einkristall gezüchtet wird, wird der an einer Impfkristall-Haltung 17 angeordnete Impfkristall 16 in die Rohmaterialschmelze 5 eingetaucht, und dann wird der Draht 15 vorsichtig auf den in eine gewünschte Richtung gedrehten Impfkristall 16 mit einem Ziehmechanismus (nicht gezeigt) aufgewickelt, um den Einkristall 4 an einem Endabschnitt des Impfkristalls 16 zu züchten. Um Versetzungen zu beseitigen, die erzeugt werden, wenn der Impfkristall 16 in Kontakt mit der Schmelze gebracht wird, wird vorliegend der Kristall einmal dünn mit einen Durchmesser von etwa 3 bis 5 mm in einem frühen Stadium des Wachstums gemacht, und dann wird der Durchmesser bis zu einem gewünschten Durchmesser erhöht, nachdem die Versetzungen beseitigt wurden, um den Einkristall 4 mit gewünschter Qualität zu züchten. Stattdessen kann der Einkristall 4 gezüchtet werden, ohne eine Querschnittverminderung durchzuführen unter Verwendung eines Verfahrens zum Erzeugen versetzungsfreien Impfkristallen, bei welchem der Impfkristall 16 mit einer Punktspitze verwendet wird, wobei der Impfkristall 16 vorsichtig in Kontakt mit der Rohmaterialschmelze 5 gebracht wird, um den Impfkristall bis zu einem vorgegebenen Durchmesser einzutauchen, und dann wird der Impfkristall gezogen.
Die Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls gemäß der vorliegenden Erfindung ist mit dem Hilfskühlzylinder 19 ausgestattet, der in den Innenraum des Kühlzylinders 12 eingepasst ist. Der Hilfskühlzylinder erstreckt sich zu der Fläche der Rohmaterialschmelze 5 unter dem Kühlzylinder 12.
Wenn der Hilfskühlzylinder 19 derart angeordnet ist, dass er in den Innenraum des Kühlzylinders eingepasst ist und sich zu der Fläche der Rohmaterialschmelze 5 unter dem Kühlzylinder 12 erstreckt, wie oben beschrieben, kann der Hilfskühlzylinder 19 bis unterhalb des Einkristalls 4 während des Züchtens umgeben und dadurch kann die Wärme von dem Einkristall 4 effizient aufgenommen werden.
2 zeigt ein Beispiel des Hilfskühlzylinders, der in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
Wie in 2 gezeigt, hat der Hilfskühlzylinder 19 den in einer axialen Richtung vordringenden Spalt 20.
Falls ein Innendurchmesser des Kühlzyliners 12 und ein Außendurchmesser des Hilfskühlzylinders 19 lediglich angegliechen sind, um den Hilfskühlzylinder 19 in den Innenraum des Kühlzylinders 12 einzupassen, ist der Hilfskühlzylinder 19 schwer anzubringen und zu entfernen. Wenn der Hilfskühlzylinder 19 jedoch den in einer axialen Richtung vordringenden Spalt 20 hat, lässt sich der Hilfskühlzylinder 19 einfach anbringen oder entfernen. Außerdem kann ein Bruch in dem Hilfskühlzylinder 19, welcher infolge einer Differenz in Wärmeausdehnung zwischen dem Kühlzylinder 12 und dem unterstützenden Kühlzylinder 19 während des Züchtens des Einkristalls 4 hervorgerufen wird, verhindert werden. Das bedeutet, dass da der Kühlzylinder 12 mit dem Kühlmittel zwangsweise gekühlt wird, der Kühlzylinder 12 nicht ausgedehnt wird. Andererseits wird der Hilfskühlzylinder 19 ausgedehnt. Darüber hinaus ist der Hilfskühlzylinder 19 in den Innenraum des Kühlzylinders 12 aufgrund der Wärmeausdehnung des Hilfskühlzylinders 19 dicht eingepasst, so dass eine Kontaktfläche beider Oberflächen zunimmt und der Hilfskühlzylinder in ausreichend dichte Berührung mit dem Kühlzylinder gelangt. Dadurch kann die Wärme von dem Hilfskühlzylinder 19 zu dem Kühlzylinder 12 effizient abgeleitet werden.
Wenn eine Breite des Spalts 20 weniger als 180° beträgt, gelangt hierbei der Hilfskühlzylinder 19 aufgrund der Wärmeausdehnung in dichte Berührung mit dem Kühlzylinder 12, und dadurch kann die Steigerung von Effizienz der Wärmeleitung von dem Hilfskühlzylinder 19 zu dem Kühlzylinder 12 erreicht werden. Darüber hinaus ist eine kleinere Breite des Spalts 20 vorzuziehen, vorausgesetzt, dass diese nicht weniger als die Breite ist, bei welcher der Hilfskühlzylinder 19 aufgrund der Wärmeausdehnung nicht bricht.
Vorzugsweise sollte hierbei als Material des Hilfskühlzylinders 19 eines von Graphit, Kohlenstoffverbundwerkstoff (C-C-Material), Edelstahl, Molybdän und Wolfram sein.
Wenn das Material des Hilfskühlzylinders 19 eines von solchem Kohlenstoffmaterial wie beispielsweise Graphit und Kohlenstoffverbundwerkstoff (C-C-Material), von solchem metallischen Material wie beispielsweise Edelstahl, Molybdän und Wolfram ist, kann die Wärme auf diese Weise von dem Einkristall 4 effizienter aufgenommen werden. Zusätzlich kann die Wärme zu dem zwangsweise gekühlten Kühlzylinder 12 effizienter geleitet werden. Auch die hohe Wärmebeständigkeit des Hilfskühlzylinders kann erreicht werden. Das Material des Hilfskühlzylinders 19 ist nicht hierauf beschränkt und sämtliche Materialien mit einer hohen Wärmebeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit können verwendet werden.
Eine konventionelle Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls weist ein Problem auf, dass wenn die Außenseite des Kühlzylinders 12 der Strahlungswärme von dem Erhitzer 8, der Rohmaterialschmelze 5 und dergleichen ausgesetzt ist, die Aufnahmefähigkeit des Kühlzylinders zur Wärme von dem Einkristall 4 nimmt in seinem Innenraum ab. In Anbetracht dessen kann die Kühlwirkung auf den im Innenraum angebrachten Kristall durch Bereitstellung des Schutztteils zum Schutz des Kühlzylinders 12 von der Wärme und dergleichen und zum Verhindern der Verringerung der Kühlwirkung des Kühlzylinders auf der Außenseite des Kühlzylinders 12 noch verstärkt werden.
3 zeigt ein Beispiel der Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls gemäß der vorliegenden Erfindung, die mit dem Schutzteil ausgestattet ist.
Wie in 3 gezeigt, ist die Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls 1' gemäß der vorliegenden Erfindung mit dem Schutzteil 21 ausserhalb des Kühlzylinders 12 ausgestattet, und auf diese Weise kann es reduziert werden, dass die Außenseite des Kühlzylinders 12 direkt der Strahlungswärme von dem Erhitzer 8 und der Rohmaterialschmelze 5 ausgesetzt ist. Folglich kann der innerhalb des Kühlzylinders angeordnete Einkristall 4 während des Züchtens effizienter gekühlt werden und die Wirkung der Erhöhung der Wachstumsrate des Einkristalls 4 kann verstärkt werden. Darüber hinaus können Brüche, erschmelzungsbedingte Beschädigungen und dergleichen des Kühlzylinders 12 verhindert werden, die durch Spritzen der Rohmaterialschmelze 5 mit Anhaften auf der Außenseite des Kühlzylinders 12 verursacht werden, beispielsweise während das Rohmaterial geschmolzen wird.
Vorzugsweise sollte das Schutzteil 21 nicht in Berührung mit dem Kühlzylinder 12 kommen und dadurch die Wärme zu dem Kühlzylinder 12 nicht zu leiten. Die vorliegende Erfindung ist jedoch darauf nicht beschränkt.
Vorzugsweise sollte hierbei als das Material des Schutzteils 21 eines von Graphit, Kohlenstoffaser, Kohlenstoffverbundwerkstoff (C-C-Material), Edelstahl, Molybdän und Wolfram sein.
Wenn das Material des Schutzteils 21 eines von solchem Kohlenstoffmaterial wie beispielsweise Graphit, Kohlenstoffaser und Kohlenstoffverbundwerkstoff (C-C-Material), von solchem metallischen Material wie beispielsweise Edelstahl, Molybdän und Wolfram ist, wie oben beschrieben, kann einen hohen Emissionsgrad des Schutzteils 21 erreicht werden, wobei die Wirkung der Verringerung des Aussetzens des Kühlzylinders 12 der direkten Strahlungswärme von dem Erhitzer 8 und der Rohmaterialschmelze 5 verstärkt werden kann. Auch die hohe Wärmebeständigkeit des Schützteils kann erreicht werden.
Vorzugsweise ist hierbei die Vorrichtung mit einem Gasströmungsführungszylinder 14 ausgestattet, der sich unter dem Kühlzylinder 12 erstreckt.
Wenn die Vorrichtung mit dem Gasströmungsführungszylinder 14 ausgestattet ist, der sich unter dem Kühlzylinder 12 erstreckt, wie oben beschrieben, kann der Einkristall 4 durch Abschirmung der Strahlungswärme von dem Erhitzer 8 und der Rohmaterialschmelze 5 gekühlt werden. Zusätzlich wird der Kühlzylinder 12 am Erreichen einer Position unmittelbar über der Schmelzoberfläche gehindert, so dass Sicherheit gesichert ist. Der Gasströmungsführungszylinder übt zugleich den Effekt aus, das nach unten nahe des Kristalls von oberhalb der Rohmaterialschmelze strömende Inertgases zu leiten, das die Verunreinigung durch ein während des Ziehens des Einkristalls erzeugtes oxidierendes Gas verhindert, und dadurch kann auch die Kühlwirkung des Inertgases auf den Einkristall 4 erwartet werden. Folglich kann der Einkristall 4 während des Züchtens effizienter gekühlt werden und die Wirkung der Erhöhung der Wachstumsrate des Einkristalls 4 kann verstärkt werden.
Darüber hinaus kann der Kühlzylinder 12 in ausreichendem Abstand von der Schmelzoberfläche mit sehr hoher Temperatur gehalten werden, wodurch die Brüche, die erschmelzungsbedingten Beschädigungen und dergleichen des Kühlzylinders 12 verhindert werden, die durch Spritzen der Rohmaterialschmelze 5 mit Anhaften auf dem Kühlzylinder 12 verursacht werden, beispielsweise während das Rohmaterial geschmolzen wird. Im Ergebnis kann der Einkristall 4 äußerst sicher gezüchtet werden.
Wie bereits ausgeführt, da die Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, dass sie mindestens den Hilfskühlzylinder 19 umfasst, der in den Innenraum des Kühlzylinders 12 eingepasst ist, und der Hilfskühlzylinder 19 den in einer axialen Richtung vordringenden Spalt 20 hat und sich zu der Fläche der Rohmaterialschmelze erstreckt, kann die Vorrichtung den Einkristall 4 während des Züchtens effizient kühlen und die Wachstumsrate des Einkristalls 4 erhöhen.
Ausserdem kann die Vorrichtung die Wachstumsrate des Einkristalls 4 erhöhen, wenn ein defektfreier Einkristall gezüchtet wird.
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung insbesondere mit den Beispielen und Vergleichsbeispiel erläutert, die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf diese Beispiele.
(Beispiel 1)
Ein Silizium-Einkristall mit einem Durchmesser von 12 inches (300 mm) wurde durch die Czochralski-Methode mit Magnetfeldanwendung (die MCZ-Methode) unter Verwendung der Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls, wie in 1 gezeigt, hergestellt. Ein Durchmesser des Schmelztiegels 6 betrug 32 inches (800 mm).
Der Hilfskühlzylinder 19 wurde verwendet, in welchem die Breite des Spalts 20 1,5° betrug, wie in 2 gezeigt, und als Material des Hilfskühlzylinders wurde Graphit verwendet, der die Wärmeleitfähigkeit, die der Wärmeleitfähigkeit von Metall entspricht, und einen höheren Emissionsgrad, als der von Metall, aufweist.
Der Einkristall 4 wurde mittels der Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls 1 gezüchtet, wie oben beschrieben, und die Wachstumsrate wurde gesucht, die bei sämtlichen Einkristallen ermöglicht, dass diese defektfrei sind. Da die zum Erhalten des defektfreien Einkristalls notwendige Wachstumsrate eine äußerst enge Spanne hat, war eine geeignete Wachstumsrate einfach auszuwählen. Danach wurde der Einkristall in Proben geschnitten und anhand der Probe wurde durch bevorzugtes Ätzen bestätigt, ob der Einkristall defektfrei oder nicht ist.
Im Ergebnis konnte die Wachstumsrate auf ungefähr 5,5 % erhöht werden, verglichen mit dem Fall, wenn die konventionelle Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls verwendet wird.
Wie oben beschrieben, wurde bestätigt, dass die Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls 1 der vorliegenden Anwendung den Einkristall während des Züchtens effizient kühlen kann und die Wachstumsrate des Einkristalls erhöhen kann.
(Beispiel 2)
Der Einkristall wurde unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 hergestellt, mit Ausnahme von Verwendung der Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls 1', die mit dem Graphit-Schutzteil 21 außerhalb des Kühlzylinders 12 wie in 3 ausgestattet ist, und die gleiche Auswertung wie in Beispiel 1 wurde durchgeführt.
Im Ergebnis konnte die Wachstumsrate auf ungefähr 4 % verglichen mit Beispiel 1 erhöht werden.
Wie oben beschrieben, wurde bestätigt, dass die Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls 1' der vorliegenden Anwendung den Einkristall während des Züchtens effizient kühlen kann und die Wirkung der Erhöhung der Wachstumsrate des Einkristalls verstärken kann.
(Vergleichsbeispiel)
Der Einkristall wurde unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 hergestellt, mit Ausnahme von Verwendung der konventionellen Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls wie in 4 gezeigt, und die gleiche Auswertung wie in Beispiel 1 wurde durchgeführt. Im Ergebnis wurde bestätigt, dass die Wachstumsrate auf ungefähr 5,5 % verglichen mit Beispiel 1 erhöht wurde.
Es sei darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die vorangehende Ausführungsform beschränkt wird. Die Ausführungsform stellt eine Erläuterung dar, und alle Beispiele, die im Wesentlichen die gleichen Merkmale und die gleichen Funktionen und Wirkungen aufweisen, wie der in den Patentansprüchen der vorliegenden Erfindung beschriebene technische Grundgedanke, fallen unter den technischen Bereich der vorliegenden Erfindung.

Claims

Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls, Ziehen des Einkristalls nach der Czochralski-Methode, umfassend mindestens: eine Hauptkammer, in welcher ein Schmelztiegel zum Unterbringen einer Rohmaterialschmelze und ein Erhitzer zum Erhitzen der Rohmaterialschmelze angeordnet sind; eine Ziehkammer, in welcher der gezüchtete Einkristall gezogen und untergebracht wird, wobei die Ziehkammer kontinuierlich oberhalb der Hauptkammer vorgesehen ist; und einen Kühlzylinder, der sich mindestens von einer Decke der Hauptkammer zu einer Fläche der Rohmaterialschmelze derart erstreckt, dass er den Einkristall während des Ziehens umgibt, wobei der Kühlzylinder mit einem Kühlmittel zwangsweise gekühlt wird; wobei die Vorrichtung ferner umfasst mindestens einen Hilfskühlzylinder, der in einen Innenraum des Kühlzylinders eingepasst ist, und der Hilfskühlzylinder einen in einer axialen Richtung vordringenden Spalt hat und sich zu der Fläche der Rohmaterialschmelze erstreckt.
Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls nach Anspruch 1, wobei als Material des unterstützenden Kühlzylinders eines von Graphit, Kohlenstoffverbundwerkstoff, Edelstahl, Molybdän und Wolfram ist.
Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei ein Schutzteil außerhalb des Kühlzylinders vorgesehen ist.
Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls nach Anspruch 3, wobei als Material des Schutzteils eines von Graphit, Kohlenstoffaser, Kohlenstoffverbundwerkstoff, Edelstahl, Molybdän und Wolfram ist.
Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ferner ein Gasströmungsführungszylinder umfasst ist, der sich unter dem Kühlzylinder erstreckt.