DE10040970A1

DE10040970A1 - Wärmeschutzvorrichtung und Kristallziehgerät unter Einsatz derselben

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Publication number: DE10040970A1
Application number: DE10040970A
Authority: DE
Inventors: Kazuhiro Harada; Yoji Suzuki; Senlin Fu; Hisashi Furuya
Original assignee: Mitsubishi Materials Silicon Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Silicon Corp
Priority date: 1999-02-26
Filing date: 2000-08-22
Publication date: 2002-03-14
Anticipated expiration: 2020-08-23
Also published as: DE10040970B4; JP3709494B2; JP2000247776A

Abstract

Ein Kristallziehgerät zum Ziehen eines Silicium-Einkristallrohlings aus einer Siliciumschmelze, die sich in einem Quarztiegel, dessen periphere Außenfläche von einem Heizgerät umgeben ist, befindet, ist mit einer Wärmeschutzvorrichtung ausgestattet. Die Wärmeschutzvorrichtung weist ein rohrförmiges Teil zur Verwendung zum Umschließen eines Silicium-Einkristallrohlings, der nach oben gezogen und gezüchtet wird, zur Unterbindung von Strahlungswärme aus dem Heizgerät zu dem Silicium-Einkristallrohling auf. Das rohrförmige Teil weist ein unteres Ende auf, das über einer Oberfläche der Siliciumschmelze in einem bestimmten Abstand dazwischen angeordnet ist. Am unteren Teilabschnitt des rohrförmigen Teils ist ein abstehendes Teil ausgebildet und mit einem wärmedämmenden Element gefüllt. Das abstehende Teil verläuft zur Innenseite des rohrförmigen Teils und besitzt eine Bodenwand, eine vertikale Wand und eine Deckenwand. Die Bodenwand ist wie ein Ring geformt, dessen Außenkante mit einer Unterkante des rohrförmigen Teils verbunden ist und bis in die Nähe einer peripheren Außenfläche des Silicium-Einkristallrohlings verläuft. Die vertikale Wand ist in einem bestimmten Abstand von der peripheren Außenfläche des Siliciumeinkristalls angeordnet und mit einer Innenkante der Bodenwand verbunden. Die Deckenwand weist eine Unterkante, die mit einer Oberkante der vertikalen Wand verbunden ist, und eine Oberkante, die mit einer peripheren Innenfläche des rohrförmigen Teils verbunden ist, ...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Wärmeschutzvorrichtung, die in einem Kristallziehge rät zum Ziehen und Züchten eines Silicium-Einkristallrohlings aus einer Schmelze (im folgenden auch als Kristallziehgerät bezeichnet) vorgesehen ist, und ferner ein Kristallziehgerät unter Einsatz einer solchen Wärmeschutzvorrichtung.

2. Beschreibung der dazugehörigen Technik

Bis jetzt wurden bereits in vielen Veröffentlichungen verschiedene Geräte zum Ziehen und Züchten von Silicium-Einkristallrohlingen beschrieben. Hiervon of fenbart beispielsweise die geprüfte japanische Patentanmeldung Nr. 57-40119 (1982) ein Kristallziehgerät, das eine Kammer mit einem Quarztiegel, in dem sich eine Siliciumschmelze befindet, und eine zwischen einer Außenfläche des Silici um-Einkristallrohlings und einer Innenfläche des Quarztiegels vorgesehene Wär meschutzvorrichtung aufweist, so daß der Rohling von der Wärmeschutzvorrich tung umschlossen ist. D. h. die Wärmeschutzvorrichtung weist ein rohrförmiges Element auf, das die Peripherie des nach oben zu ziehenden Silicium- Einkristallrohlings umgibt, und ist zur Unterbindung der Wärmeabstrahlung von einem Heizgerät über der Oberfläche der Siliciumschmelze in einem bestimmten Abstand dazwischen angeordnet ist. Beim stufenweisen Ziehen des Siliciumkri stalls aus der Siliciumschmelze sinkt der Flüssigkeitsspiegel der Siliciumschmelze unter Exposition einer peripheren Innenwand des Quarztiegels ab. Die Wärmeab strahlung von der peripheren Innenfläche des exponierten Quarztiegels wird an die periphere Außenfläche des Silicium-Einkristallrohlings abgestrahlt. Somit blockiert das wärmedämmende Element eine solche Abstrahlung und verhindert, daß sich die Wärmeabstrahlung bis zur peripheren Außenfläche des Silicium- Einkristallrohlings ausdehnt, so daß der Silicium-Einkristallrohling während des Ziehschrittes unter einer beschleunigten Verfestigung hiervon schnell abgekühlt werden kann.

Zusätzlich offenbart die ungeprüfte japanische Patentanmeldung Nr. 8-325090 (1996) ein rohrförmiges Element in der Art der Wärmeschutzvorrichtung, das als mehrschichtige Struktur ausgelegt ist, die ein Basismaterial und ein Deckelement aufweist. Das Basismaterial ist ein Graphit oder dergleichen mit Hitzebeständig keitseigenschaft bei einer dieser Strahlung entsprechenden Temperatur. Anderer seits ist das Deckelement aus Quarz oder dergleichen mit einem im Vergleich zum Basismaterial geringen thermischen Abstrahlvermögen hergestellt. Ein solcher Aufbau der Wärmeschutzvorrichtung steigert die Effektivität der Unterbindung von Wärmeabstrahlung von Tiegel und Heizgerät zum Silicium-Einkristallrohling durch Bedecken des Basismaterials mit hohem thermischen Abstrahlvermögen mit dem Deckelement, das ein thermisches Abstrahlvermögen aufweist, das ge ringer ist als das Abstrahlvermögen des Basismaterials. Folglich kann die Ziehge schwindigkeit des Silicium-Einkristallrohlings aus der Schmelze durch die be schleunigte Abkühlung des Silicium-Einkristallrohlings erhöht werden, so daß die Produktivität für den Silicium-Einkristallrohling gesteigert werden kann.

Die in der veröffentlichten ungeprüften japanischen Patentanmeldung Nr. 8- 325090 (1996) offenbarte Wärmeschutzvorrichtung des Kristallziehgerätes verur sacht die ungleichmäßige Temperaturverteilung in einem der Siliciumschmelze benachbarten Teil des Silicium-Einkristallrohlings. Das bedeutet, im Zentrum eines solchen Teils kann die maximale Temperatur festgestellt werden, während die Temperatur vom Zentrum nach außen abnimmt und an der äußeren Peripherie dieses Teils ein plötzlicher Temperaturabfall festgestellt wird. Es ist einsehbar, daß die Temperaturdifferenz zwischen Zentrum und äußerer Peripherie des Silicium-Einkristallrohlings durch Vergrößerung des Durchmessers des Silicium- Einkristallrohlings weiter vergrößert werden kann. Darum besteht die Möglich keit, daß als Folge der oben beschriebenen Temperaturdifferenz in dem Silicium- Einkristallrohling eine Wärmespannung hervorgerufen werden kann.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Wärmeschutzvorrichtung bereitzustellen, die in einem Kristallziehgerät zum Ziehen und Züchten eines Siliciumkristalls aus einer Schmelze unter Erhalt eines Silicium-Einkristallrohlings vorgesehen ist. Durch die Wärmeschutzvorrichtung läßt sich der steile Temperaturabfall an der äußeren Peripherie eines Silicium-Einkristallrohlings, der aus der Siliciumschmel ze gezogen wird, verhindern, wobei die Erzeugung von Wärmespannung in dem Silicium-Einkristallrohlings unterbunden wird.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Kristall ziehgerätes zum Ziehen und Züchten eines Siliciumkristalls aus einer Schmelze unter Erhalt eines Silicium-Einkristallrohlings. Das Gerät weist eine Wärme schutzvorrichtung auf, durch die sich der steilen Temperaturabfall an der äußeren Peripherie des Silicium-Einkristallrohlings, der aus der Siliciumschmelze gezogen wird, verhindern läßt, wobei die Erzeugung von Wärmespannung in dem Silici um-Einkristallrohling unterbunden wird.

Beim ersten Aspekt der Erfindung weist eine Wärmeschutzvorrichtung, mit der ein Kristallziehgerät zum Ziehen eines Silicium-Einkristallrohlings aus einer Sili ciumschmelze, die sich in einem Quarztiegel mit einer von einem Heizgerät um gebenen peripheren Außenfläche befindet, ausgestattet ist, folgendes auf: ein rohr förmiges Teil zur Verwendung zum Umschließen eines Silicium- Einkristallrohlings, der nach oben gezogen und gezüchtet wird, zur Verhinderung von Strahlungswärme von dem Heizgerät zu dem Silicium-Einkristallrohling mit einem oberhalb der Oberfläche der Siliciumschmelze in einem bestimmten Ab stand dazwischen angeordneten unteren Ende; und ein an einem unteren Teilschnitt des rohrförmigen Elementes ausgebildetes und mit einem wärmedämmen den Element gefülltes abstehendes Teil, das nach innen ragt und eine zur Silici umschmelze weisende Bodenwand aufweist.

Hier kann die Bodenwand wie ein Ring mit einer Außenkante geformt sein, die mit einem unteren Rand des rohrförmigen Teils verbunden ist, und kann horizon tal bis in die Nähe einer peripheren Außenfläche des Silicium-Einkristallrohlings verlaufen. Das abstehende Teil kann außerdem aufweisen: eine vertikale, in einem bestimmten Abstand von der peripheren Außenfläche des Silicium- Einkristallrohlings angeordnete und mit einer Innenkante der Bodenwand verbun dene Wand, die parallel zu einer Achse des Silicium-Einkristallrohlings oder in einem Winkel von -30 bis +30° bezüglich der Achse des Silicium- Einkristallrohlings verläuft; und eine kegelförmige Deckenwand mit einer Unter kante, die mit einer Oberkante der vertikalen Wand verbunden ist, und einer Oberkante, die an einer peripheren Innenfläche des rohrförmigen Teils angebracht ist und mit stufenweise zunehmendem Durchmesser nach oben verläuft.

Hier kann eine mit stufenweise abnehmendem Durchmesser nach oben verlaufen de schräge Innenwand als Kreuzung zwischen der vertikalen Wand und der Bo denwand ausgebildet und in einem Winkel von 80° oder weniger, allerdings nicht 0, bezüglich einer Unterseite der Bodenwand geneigt sein, um die als 0 ≦ L1 ≦ d/2 dargestellte Beziehung zwischen Durchmesser "d" des Silicium-Ein kristallrohlings und vertikalem Abstand L1 von der Unterkante der vertikalen Wand bis zur Unterseite der Bodenwand zu erfüllen.

Hier kann die Höhe "H" der vertikalen Wand im Bereich von 10 mm bis d/2 lie gen, wobei "d" für den Durchmesser des Silicium-Einkristallrohlings steht.

Hier kann der Abstand zwischen der peripheren Außenfläche des Silicium- Einkristallrohlings und der vertikalen Wand im Bereich von 10 mm bis 30 mm liegen.

Hier kann die Beziehung zwischen dem Durchmesser "D1" der Unterkante des rohrförmigen Teils, dem Innendurchmesser "D2" des Quarztiegels und dem Durchmesser "d" des Silicium-Einkristallrohlings durch 1,65d < D1 < D2 angege ben sein.

Hier kann das rohrförmige Teil mit nach unten stufenweise abnehmendem Durchmesser ausgebildet sein.

Hier kann das rohrförmige Teil ein rohrförmiges Innenteil, ein rohrförmiges Au ßenteil und ein in den Raum zwischen rohrförmigem Innenteil und rohrförmigem Außenteil eingefülltes wärmedämmendes Element aufweisen.

Hier kann mindestens ein ringförmiges Wärmeaustauscherelement mit einer peri pheren Außenkante, die mit dem rohrförmigen Teil der schrägen Außenwand ver bunden ist, und einer peripheren Innenkante, die verbunden ist mit der vertikalen Wand oder der schrägen Innenwand, in Querrichtung im Inneren des abstehenden Teils ausgebildet sein.

Hier kann eine schräge Außenwand, die mit stufenweise abnehmendem Durch messer nach unten verläuft, als Kreuzung zwischen dem rohrförmigen Teil und der Bodenwand ausgebildet und in einem Winkel von 80° oder weniger, aller dings nicht 0, bezüglich einer Unterseite der Bodenwand geneigt sein, so daß die durch 0 ≦ L2 ≦ d/2 dargestellte Beziehung zwischen Durchmesser "d" des Silici um-Einkristallrohlings und vertikalem Abstand "L2" von der Unterkante des rohr förmigen Teils bis zur Unterseite der Bodenwand erfüllt ist.

Hier kann die Bodenwand wie ein Kegel geformt sein, wobei eine Außenkante mit einer Unterkante des rohrförmigen Teils verbunden ist und mit stufenweise abnehmendem Durchmesser in einem Winkel von 80° oder weniger, allerdings nicht 0, bezüglich einer horizontalen Ebene bis in die Nähe einer peripheren Außenfläche des Silicium-Einkristallrohlings nach oben oder unten verläuft. Der abstehende Teil kann außerdem aufweisen: eine vertikale Wand, die in einem be stimmten Abstand von der peripheren Außenfläche des Silicium-Ein kristallrohlings angeordnet und mit einer Innenkante der Bodenwand verbunden ist, die parallel zu einer Achse des Silicium-Einkristallrohlings oder in einem Winkel von -30 bis +30° bezüglich der Achse des Silicium-Einkristallrohlings verläuft; und eine mit stufenweise zunehmendem Durchmesser nach oben verlau fende kegelförmige Deckenwand mit einer Unterkante, die mit einer Oberkante der vertikalen Wand verbunden ist, und einer Oberkante, die an einer peripheren Innenfläche des rohrförmigen Teils angebracht ist.

Hier kann das rohrförmige Teil mit einem nach unten stufenweise abnehmenden Durchmesser ausgebildet sein.

Hier kann im Inneren des abstehenden Teils in Querrichtung mindestens ein ring förmiges Wärmeaustauscherelement ausgebildet sein, das eine mit dem rohrför migen Teil oder der schrägen Außenwand verbundene peripheren Außenkante und eine mit der vertikalen Wand oder der schrägen Innenwand verbundene periphere Innenkante aufweist.

Hier kann die Bodenwand aufweisen: eine in einem Winkel von 80° oder weniger, allerdings nicht 0, bezüglich einer horizontalen Ebene geneigte Boden-Außen wand mit einer Außenkante, die mit einem unteren Rand des rohrförmigen Teils verbunden ist, mit nach unten stufenweise abnehmenden Durchmesser; und eine in einem Winkel von 80° oder weniger, allerdings nicht 0, bezüglich einer hori zontalen Ebene geneigte Boden-Innenwand mit einer Außenkante, die mit einer Unterkante der Boden-Außenwand verbunden ist, und einer Innenkante, die bis in die Nähe der peripheren Außenfläche des Silicium-Einkristallrohlings verläuft, mit nach oben stufenweise abnehmendem Durchmesser. Das abstehende Teil kann außerdem aufweisen: eine vertikale Wand, die in einem bestimmten Abstand von der peripheren Außenfläche des Silicium-Einkristallrohlings angeordnet und mit einer Innenkante der Bodenwand verbunden ist, die parallel zu der Achse des Sili cium-Einkristallrohlings oder in einem Winkel von -30 bis +30° bezüglich der Achse des Silicium-Einkristallrohlings verläuft; und eine mit stufenweise zuneh mendem Durchmesser nach oben verlaufende kegelförmige Deckenwand mit ei ner Unterkante, die mit einer Oberkante der vertikalen Wand verbunden ist, und einer Oberkante, die mit einer peripheren Innenfläche des rohrförmigen Teils ver bunden ist.

Hier kann die Höhe "H" der vertikalen Wand im Bereich von 10 mm bis d/2 lie gen, wobei "d" für den Durchmesser des Silicium-Einkristallrohlings stehen kann.

Hier kann die Beziehung zwischen dem Durchmesser "D1" des unteren Randes des rohrförmigen Teils, dem Innendurchmesser "D2" des Quarztiegels und dem Durchmesser "d" des Silicium-Einkristallrohlings durch 1,65d < D1 < D2 angege ben sein.

Hier kann das rohrförmige Teil ein rohrförmiges Innenteil und ein rohrförmiges Außenteil und ein in den Raum zwischen rohrförmigem Innenteil und rohrförmi gem Außenteil eingefülltes wärmedämmendes Element aufweisen.

Hier ist wenigstens ein ringförmiges Wärmeaustauscherelement mit einer periphe ren Außenkante, die mit dem rohrförmigen Teil oder der schrägen Außenwand verbunden ist, und einer peripheren Innenkante, die mit der vertikalen Wand oder der schrägen Innenwand verbunden ist, in Querrichtung im Inneren des abstehen den Teils ausgebildet.

Bei einem zweiten Aspekt der Erfindung weist ein Kristallziehgerät zum Ziehen und Züchten eines Silicium-Einkristallrohlings aus einer Siliciumschmelze, die sich in einem Quarztiegel mit einer von einer Heizung umgebenen peripheren Außenfläche befindet, eine Wärmeschutzvorrichtung auf, die folgendes aufweist: ein rohrförmiges Teil zur Verwendung zum Umschließen eines Silicium- Einkristallrohlings, der nach oben gezogen und gezüchtet wird, zur Unterbindung von Wärmeabstrahlung von der Heizung zum Silicium-Einkristallrohling, dessen unteres Ende oberhalb einer Oberfläche der Siliciumschmelze in einem bestimm ten Abstand hiervon angeordnet ist; und ein abstehendes Teil, das auf einem unte ren Abschnitt des rohrförmigen Elementes ausgebildet und mit einem wärme dämmenden Element gefüllt ist, welches nach innen ragt und eine zur Silicium schmelze weisende Bodenwand aufweist.

Demgemäß vermag die Erfindung die Probleme zu lösen, daß in der herkömmli chen Wärmeschutzvorrichtung die Temperaturverteilung in einem der Silicium schmelze naheliegenden Abschnitt des Silicium-Einkristallrohlings nicht gleich mäßig ist, wobei im Zentrum eines solchen Abschnittes die Maximaltemperatur festgestellt wird, während die Temperatur vom Zentrum zur Außenseite stufen weise abnimmt und eine plötzliche Temperaturabnahme an der äußeren Peripherie dieses Abschnittes festgestellt wird. Erfindungsgemäß kann andererseits die Wärmeabstrahlung von der peripheren Außenfläche des Silicium-Einkristall rohlings durch die vertikale Wand des abstehenden Teils reflektiert oder durch die Temperatur des abstehenden Teils, die durch die Wärmeabstrahlung aus der Sili cium-Hochtemperaturschmelze beträchtlich zunimmt, verhindert werden. Somit verhindert das abstehende Teil die steile Abnahme der Temperaturen des periphe ren äußeren Teilabschnittes des Silicium-Einkristallrohlings. Folglich kann die Temperaturverteilung vom Zentrum zum peripheren äußeren Teilabschnitt eines solchen Rohlings praktisch gleichmäßig sein. D. h. das abstehende Teil gestattet einen vertikalen Wärmegradienten in dem Silicium-Einkristallrohling, wobei die radiale Temperaturverteilung in jedem Teil hiervon im wesentlichen gleichmäßig ist. Somit kann als Ergebnis der Verhinderung der auf den Silicium- Einkristallrohling ausgeübten Wärmespannung, die Erzeugung von Schlupf und erster Platzverschiebung in dem resultierenden Produkt verhindert werden.

Erfindungsgemäß gestattet die kegelförmige Decke, daß ein durch den Raum zwi schen dem äußeren peripheren Teilabschnitt des Silicium-Einkristallrohlings und der peripheren Außenfläche des rohrförmigen Teils nach unten strömendes Inert gases glatt in den Raum zwischen der Siliciumschmelze und dem abstehenden Teil eingeleitet werden kann. Somit verhindert das wärmedämmende Teil effektiv die Temperaturabnahme des äußeren peripheren Teilabschnittes des Silicium- Einkristallrohlings durch Akkumulation von Strahlungswärme aus der Silicium schmelze zu dem abstehenden Teil.

Die obigen und anderen Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden an hand der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen hiervon in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen klarer.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht der Querschnittsansicht eines Kristallziehge rätes zum Ziehen und Züchten eines Siliciumkristalls aus einer Schmelze gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils (angegeben durch den Pfeil "A" in Fig. 1) einer Wärmeschutzvorrichtung des in Fig. 1 gezeigten Kri stallziehgerätes;

Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht eines Teils einer Wärmeschutzvorrichtung eines Kristallziehgerätes zum Ziehen und Züchten eines Siliciumkristalls aus einer Schmelze gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht einer Wärmeschutzvorrichtung mit einem rohrförmigen Element mit in Richtung seines unteren Endes stufenweise abneh mendem Durchmesser;

Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht einer Wärmeschutzvorrichtung mit einem rohrförmigen Element, das mit wärmedämmendem Material gefüllt ist;

Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht einer Wärmeschutzvorrichtung mit einem rohrförmigen Element, wobei ein abstehendes Teil des rohrförmigen Elementes eine vergleichsweise groß bemessene Innenwand, allerdings keinen äußeren Wandabschnitt aufweist;

Fig. 7 ist eine Querschnittsansicht einer Wärmeschutzvorrichtung mit einem rohrförmigen Element, wobei ein abstehendes Teil des rohrförmigen Elementes einen vergleichsweise groß bemessenen äußeren Wandabschnitt, allerdings keinen inneren Wandabschnitt aufweist;

Fig. 8 ist eine Querschnittsansicht einer Wärmeschutzvorrichtung mit rohrförmi gen Element, wobei ein abstehendes Teil des rohrförmigen Elementes weder schräge Innen- noch schräge Außenwände aufweist und mit nach unten stufenwei se abnehmendem Durchmesser entlang einer Bodenwand kegelförmig ausgebildet ist;

Fig. 9 ist eine Querschnittsansicht einer Wärmeschutzvorrichtung mit einem rohrförmigen Element, wobei ein abstehendes Teil des rohrförmigen Elementes weder schräge Innen- noch schräge Außenwände aufweist und nach oben mit stu fenweise abnehmendem Durchmesser entlang einer Bodenwand kegelförmig aus gebildet ist;

Fig. 10 ist eine Querschnittsansicht einer Wärmeschutzvorrichtung, die sowohl Boden-Innenwände als auch Boden-Außenwände aufweist; und

Fig. 11 ist ein Graph, der die Änderung in G/Gc bezüglich des radialen Abstan des vom Zentrum eines Silicium-Einkristallrohlings erläutert, wobei "G" den Mittelwert eines Temperaturgradienten entlang der äußeren Peripherie des Silici um-Einkristallrohlings in vertikaler Richtung von der Oberfläche einer Silicium schmelze bis zu einer Höhe von 30 mm über der Schmelze angibt und "Gc" den Mittelwert eines Temperaturgradienten entlang des Zentrums des Silicium- Einkristallrohlings in vertikaler Richtung von der Oberfläche einer Silicium schmelze bis zu einer Höhe von 30 mm über der Schmelze angibt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen wird nun eine bevorzugte erste Ausführungsform der Erfindung beschrieben.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist ein Kristallziehgerät zum Ziehen und Züchten eines Siliciumkristalls aus einer Schmelze gemäß der ersten bevorzugten Ausfüh rungsform der Erfindung gezeigt. Das Gerät 10 der Ausführungsform weist eine Kammer 11 auf, in der ein Quarztiegel 13 angeordnet ist, in dem sich eine Silici umschmelze 12 befindet. Die Außenfläche des Quarztiegels 13 ist mit einem Gra phitträger 14 bedeckt. Die Unterseite des Quarztiegels 13 ist am oberen Ende ei ner Trägerachse 16 über den Graphitträger 14 koaxial befestigt, während das unte re Ende der Trägerachse 16 an einen Antriebsmechanismus 17 mit einem ersten Drehmotor (nicht gezeigt), der den Quarztiegel 13 in eine Drehbewegung versetzt, und einem Doppelhubmotor (nicht gezeigt), der den Quarztiegel 13 in eine Auf- und Abbewegung versetzt, angeschlossen ist. Darum kann sich der Quarztiegel 13 zuzüglich zu der Auf- und Abbewegung in eine bestimmte Richtung drehen. Die Außenfläche des Quarztiegels 13 ist von einem Heizgerät 18 in einem bestimmten Abstand dazwischen umgeben. Außerdem ist das Heizgerät 18 von einem wärme dämmenden Zylinder 19 umgeben. Bei der Herstellung einer Siliciumschmelze 12 ist das Heizgerät 18 für das Aufheizen und Schmelzen des gesamten hochreinen polykristallinen Siliciummaterials, das sich in dem Quarztiegel 13 befindet, ver antwortlich.

An das obere Ende der Kammer 11 schließt sich ein zylindrisches Gehäuse 21 an, an dem ein Ziehelement 22 vorgesehen ist. Das Ziehelement 22 weist auf: einen Ziehkopf (nicht gezeigt), der in horizontaler Position am oberen Ende des Gehäu ses 21 drehbar angeordnet ist; einen zweiten Drehmotor (nicht gezeigt) zum Dre hen des Ziehkopfes; ein Drahtseil 23, das vom Kopf bis zum Rotationszentrum des Quarztiegels 13 herabhängt; und ein Ziehmotor (nicht gezeigt), der in dem Kopf zum Auf- und Abwickeln des Drahtseils 23 angebracht ist. Am unteren En de des Drahtseils 23 ist ein Kristallkorn 24 befestigt, um das Korn 24 in die Schmelze 12 einzutauchen und das Korn 24 anschließend langsam aus der Schmelze 12 herauszuziehen. Der Kristall, der gezogen wird, wird gedreht, um unter Erhalt eines Silicium-Einkristallrohlings 25 ein gleichmäßiges Kristall wachstum zu gewährleisten.

Außerdem ist die Kammer 11 mit einem Gaszuführ- und Gasabführelement 28 verbunden, das auf der Seite des Silicium-Einkristallrohlings 25 in der Kammer 11 ein Inertgas zuführt und das Inertgas auf der Seite der peripheren Innenfläche des Quarztiegels 13 in der Kammer 11 abführt. Das Gaszuführ- und Abführele ment 28 weist ein Zuführrohr 29 und ein Abführrohr 30 auf. Das Zuführrohr 29 weist ein Ende, das über eine periphere Wand des Gehäuses 21 mit dem Inneren der Kammer 11 in Verbindung steht, und das andere Ende, das an einen Tank (nicht gezeigt) zur Aufnahme des oben beschriebenen Inertgases angeschlossen ist, auf. Andererseits weist das Abführrohr 30 ein Ende, das über den Boden der Kammer 11 mit dem Inneren der Kammer 11 in Verbindung steht, und das andere Ende, das an eine Vakuumpumpe (nicht gezeigt) angeschlossen ist, auf. Sowohl die Zuführ- als auch die Abführrohre 29, 30 sind mit einem ersten und einem zweiten Strömungsventil 31 bzw. 32 zum Regulieren der durch diese Rohre 29, 30 strömenden Inertgasmenge ausgestattet.

Eine Abtriebswelle (nicht gezeigt) des Ziehmotors ist mit einem Drehkodierer (nicht gezeigt) ausgestattet), während der Antriebsmechanismus 17 mit einem Gewichtssensor (nicht gezeigt) und einem Linearkodierer (nicht gezeigt) ausge stattet ist. Der Gewichtssensor weist ein Gewicht der Siliciumschmelze 12 in dem Quarztiegel 13 nach, und der Linearkodierer weist eine Position der Trägerachse 16 während ihrer Auf- und Abbewegung nach. Die Nachweis-Ausgaben des Ro tationskodiereres, des Gewichtssensors und des Linearkodiereres sind mit Kon trolleingaben eines Kontrollers (nicht gezeigt) gekoppelt. Ferner sind die Kon trollausgaben des Kontrollers mit dem Ziehmotor des Ziehelementes 22 bzw. dem Doppelhubmotor des Antriebsmechanismus gekoppelt. Außerdem besitzt der Kontroller einen Speicher (nicht gezeigt), der eine erste und eine zweite Karte speichert. Die erste Karte enthält Daten über eine Länge des Drahtseils 23, das abhängig von der Nachweis-Ausgabe des Drehkodierers aufgewickelt wird (d. h. um eine Länge des durch Ziehen des Kristalls aus der Siliciumschmelze 12 zu bildenden Silicium-Einkristallrohlings 25). Andererseits enthält die zweite Karte Daten über den Flüssigkeitsspiegel der Siliciumschmelze 12 in dem Quarztiegel 13 in Abhängigkeit von der Nachweis-Ausgabe des Gewichtssensors. Um das Niveau der Siliciumschmelze 12 in dem Quarztiegel zu halten, ist der Kontroller zur Kontrolle des Doppelhubmotors der Tiegel-Antriebseinrichtung 17 auf der Basis des Nachweissignals des Gewichtssensors ausgelegt.

Zwischen der peripheren Außenfläche des Silicium-Einkristallrohlings 25 und der peripheren Innenfläche des Quarztiegels 13 ist eine Wärmeschutzvorrichtung 36 angeordnet, so daß der Rohling 25 von der Wärmeschutzvorrichtung 36 einge schlossen ist. Die Wärmeschutzvorrichtung 36 umfaßt: ein rohrförmiges Teil 37 zur Unterbindung der Strahlungswärme von dem zylindrisch geformten Heizgerät 18; einen Flanschabschnitt 38, der mit dem oberen Rand des rohrförmigen Teils 37 verbunden ist und nach außen fast horizontal absteht. Der Flanschabschnitt 38 ist auf dem wärmedämmenden rohrförmigen Teil 19 befestigt, um die Wärme schutzvorrichtung 36 in der Kammer 11 anzubringen. Die Wärmeschutzvorrich tung 38 ist aus einem Material hergestellt, das ausgewählt ist aus Molybdän (Mo), Wolfram (W), und Kohlenstoff (C), SiC-beschichtetem Graphit oder dergleichen. Das rohrförmige Teil 37 kann so sein, daß jeder Teil entlang seiner Achse densel ben Durchmesser aufweist. Alternativ kann das rohrförmige Teil 37 mit einer ke gelförmigen Struktur mit stufenweiser Abnahme seines Durchmessers vorgesehen sein. Bei dieser Ausführung ist das rohrförmige Teil zudem so ausgelegt, daß es die durch 1,65d < D1 < D2 dargestellte Beziehung zwischen Außendurchmesser "D1" des unteren Endes des rohrförmigen Teils 37, Innendurchmesser "D2" des Quarztiegels 13 und Durchmessers "d" des Silicium-Einkristallrohlings erfüllt.

Das in Fig. 2 gezeigte rohrförmige Teil 37 ist so, daß es entlang seiner Achse den gleichen Durchmesser für jeden Abschnitt aufweist und ein nach innen abste hendes Teil 41 aufweist, das an seinem unteren Ende entlang des Randes ausge bildet ist. Das abstehende Teil 41 weist eine Bodenwand 42, eine vertikale Wand 44 und eine Deckenwand 46 auf. Die Bodenwand 42 ist in der Draufsicht wie ein auf den zu züchtenden Kristall passenden Ring geformt. Wie in der Figur gezeigt, ist eine Außenkante der ringförmigen Bodenwand 42 mit dem unteren Rand des rohrförmigen Teils 37 verbunden und verläuft horizontal bis in die Nähe der peri pheren Außenfläche des Silicium-Einkristallrohlings 25. Andererseits ist die In nenkante der Bodenwand 42 mit der vertikalen Wand 44 verbunden. Die Dec kenwand 46 verläuft wie die Oberfläche eines Kegelstumpfes mit stufenweise zunehmendem Durchmesser nach oben. Wie in der Figur gezeigt, ist eine schräge Innenwand 43 als Kreuzung zwischen vertikaler Wand 44 und Bodenwand 42 vorgesehen. Die schräge Innenwand 43 verläuft ebenfalls wie die Oberfläche ei nes Kegelstumpfes mit stufenweise abnehmendem Durchmesser nach oben. An dererseits ist eine schräge Außenwand 45 als Kreuzung zwischen dem rohrförmi gen Teil 37 und der Bodenwand 42 vorgesehen. Die schräge Außenwand 45 ver läuft wie die Oberfläche eines Kegelstumpfes mit stufenweise zunehmendem Durchmesser nach unten. Die Neigung θ bzw. α der schrägen Innen- bzw. Au ßenwand 42 bzw. 45 ist nicht größer als 80° und liegt bezüglich der Unterseite der Bodenwand 42 vorzugsweise im Bereich von 5 bis 30°.

Bei dieser Ausführungsform sind das rohrförmige Teil 37 und die Wände 42, 43 und 45 als einteilige Konstruktionen geformt. Die schrägen Innen- und Außen wände 43, 45 sind so ausgelegt, daß sie jeweils die folgenden Bedingungen erfül len. D. h. die Beziehung zwischen einem Durchmesser "d" des zu ziehenden Sili cium-Einkristallrohlings 25 und einem vertikalen Abstand "L1" von der Unter kante der vertikalen Wand 44 bis zur Unterseite der Bodenwand 42 ist durch 0 < L1 < d/2 dargestellt. Auch die Beziehung zwischen "d" und einem vertikalen Abstand "L2" vom unteren Rand des rohrförmigen Teils 37 bis zur Unterseite der Bodenwand 42 ist durch 0 < L2 < d/2 dargestellt. Außerdem liegt der Abstand "W1" zwischen peripherer Außenfläche des Silicium-Einkristallrohlings 25 und vertikaler Wand 44 im Bereich von 10 bis 30 mm und vorzugsweise im Bereich von 15 bis 20 mm. In diesem Fall ist es bevorzugt, daß eine Breite "W2" des ab stehenden Teils 41 50 mm oder größer ist. Ein horizontaler Abstand "W3" zwi schen der Innenseite der vertikalen Wand 44 und einer Innenkante der Bodenwand 42 ist größer als 0 mm, allerdings kleiner als die Breite "W2" des abstehenden Teils 41. Ebenso ist ein horizontaler Abstand "W4" zwischen der peripheren Au ßenfläche des rohrförmigen Teils 37 und einer Außenkante der Bodenwand 42 größer als 0 mm, allerdings kleiner als die Breite "W2" des abstehenden Teils 41.

Die vertikale Wand 44 ist so geformt, daß sie eine Höhe von 10 bis 100 mm auf weist und parallel zu einer Achse des Silicium-Einkristallrohlings 25 verläuft oder alternativ in einem Winkel von -30 bis +30° bezüglich der Achse geneigt ist. Im letzteren Fall bedeutet "-30°", daß die vertikale Wand 44 mit stufenweise abneh mendem Durchmesser in einem Winkel von 30° bezüglich der Achse nach oben verläuft, und "+30°" bedeutet, daß die vertikale Wand 44 mit stufenweise zuneh mendem Durchmesser in einem Winkel von 30° bezüglich der Achse nach oben verläuft. Bei dieser Ausführungsform ist es bevorzugt, daß die vertikale Wand 44 parallel zur Achse des Silicium-Einkristallrohlings 25 verläuft. Mit anderen Wor ten ist es bevorzugt, die vertikale Wand so auszurichten, daß sie vertikal verläuft. Die vertikalen Abstände L1, L2, der Abstand W1 und die Höhe H, die vorstehend beschrieben sind, sind übrigens in Übereinstimmung mit einem Durchmesser des zu erhaltenen Silicium-Einkristallrohlings 25 entsprechend definiert. Die kegel förmige Deckenwand 46 ist so ausgebildet, daß ihr Durchmesser nach oben stu fenweise zunimmt. Zusätzlich stellt die Oberkante der Wand 46 den Kontakt mit der peripheren Innenfläche des rohrförmigen Teils 37 her. Die Innenseite des ab stehenden Teils 41 ist von dem unteren Teil des rohrförmigen Teils 37, der Bo denwand 42, der vertikalen Wand 44 und der Deckenwand 46 unter Bildung eines abgeschlossenen Raums umschlossen, in den ein wärmedämmendes Element 47, wie aus Kohlefasern hergestelltes Filzmaterial, eingefüllt ist. Die vertikale Wand 44 und die Deckenwand 46 sind als Einstückkonstruktion zur Befestigung an der schrägen Innenwand 43 und dem rohrförmigen Teil 37 durch Schrauben oder Nä gel nach dem Einfüllen des wärmedämmenden Elementes 47 in den durch den unteren Teil des zylindrischen Abschnittes 37, die schräge Außenwand 25, die Bodenwand 42 und die schräge Innenwand 43 definierten Raum ausgebildet.

Im folgenden werden die Merkmale des so aufgebauten Kristallziehgerätes zum Ziehen eines Siliciumeinkristalles beschrieben.

Bei dem herkömmlichen Kristallziehgerät, wie vorstehend beschrieben, kann die nicht gleichmäßige Verteilung der Temperatur in einem der Siliciumschmelze 12 naheliegenden Teil des Silicium-Einkristallrohlings 25 festgestellt werden, wenn er schrittweise der Siliciumschmelze 12 gezogen wird. Das bedeutet, die maxi male Temperatur kann im Zentrum eines solchen Teilabschnittes festgestellt wer den, während die Temperatur vom Zentrum zur Außenseite in Richtung des Radi us des Rohlings 25 stufenweise abnimmt. Aufgrund einer großen, von der peri pheren Außenfläche des Silicium-Einkristallrohlings 25 abgestrahlten Wärme menge kann auch an der äußeren Peripherie dieses Teilabschnittes eine plötzliche Temperaturabnahme festgestellt werden.

Bei dieser Ausführungsform kann eine solche Störung allerdings wie folgt ver mieden werden. Die Wärmeschutzvorrichtung 36 mit dem abstehenden Teil 41 umschließt den Silicium-Einkristallrohling 25, der aus der Siliciumschmelze 12 gezogen wird.

Insbesondere befinden sich die schräge Innenwand 43 und die vertikale Wand 44 des abstehenden Teils 41 an der Stelle, an der der Teil des Silicium- Einkristallrohlings 25 gerade aus der Oberfläche der Schmelze 25 austritt, so daß die beträchtliche Strahlungswärme von der peripheren Außenfläche eines solchen Teils des Rohlings 25 unterbunden werden kann. Das bedeutet, die Strahlungs wärme von der peripheren Außenfläche des Silicium-Einkristallrohlings 25 kann von der schrägen Innenwand 43 und der vertikalen Wand 44 des abstehenden Teils 41, die in unmittelbarer Nähe zu dieser Fläche angeordnet sind, reflektiert werden. Zusätzlich wird die Temperatur des abstehenden Teils 41 durch die Wärmeabstrahlung aus der Hochtemperatur-Siliciumschmelze 12 beträchtlich erhöht. Folglich kann die drastische Temperaturabnahme des äußeren peripheren Teilbereiches des Silicium-Einkristallrohlings 25 verhindert werden, und die Temperaturverteilung vom Zentrum zum äußeren peripheren Teilbereich kann praktisch gleichmäßig gemacht werden. Mit anderen Worten, gestattet das Kri stallziehgerät der vorliegenden Ausführungsform einen vertikalen Wärmegra dienten in dem Silicium-Einkristallrohling 25, wobei die radiale Temperaturver teilung in jedem beliebigen Teil hiervon praktisch gleichmäßig ist, so daß die Er zeugung von Schlupf und erster Platzveränderung in dem resultierenden Produkt als Ergebnis der Unterbindung von Wärmespannung, der der Silicium- Einkristallrohling 25 ausgesetzt ist, verhindert wird.

Unter Bezugnahme auf Fig. 3 ist eine Wärmeschutzvorrichtung 36 eines Kri stallziehgerätes zum Ziehen eines Siliciumeinkristalls aus einer Schmelze gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. In dieser Fi gur bezeichnen die gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 2 die gleichen Bauteile wie in Fig. 2.

Bei dieser Ausführungsform sind zwei ringförmige Wärmeaustauscherelemente 48 in dem abstehenden Teil angeordnet, so daß eine Außenkante eines jeden Ele mentes 48 mit dem rohrförmigen Teil 37 oder der schrägen Außenwand 45 ver bunden ist, während eine Innenkante hiervon mit der vertikalen Wand 44 oder der schrägen Innenwand 43 verbunden ist. Wenn das wärmedämmende Element 47 in den abstehenden Teil 41 eingefüllt wird, werden mit dem wärmedämmenden Element 47 auch die Wärmeaustauscherelemente 48 in den abstehenden Teil 41 angeordnet. Das bedeutet, die Wärmeaustauscherelemente 48 werden in dem Raum angeordnet, der definiert ist durch den unteren Teilabschnitt des rohrförmi gen Teils 37, die schräge Außenwand 45, die Bodenwand 42 und die schräge In nenwand 43, und dann werden die vertikale Wand 44 und die Deckenwand 46, die aus einem Stück geformt sind, an der schrägen Innenwand 43 und dem rohrförmi gen Teil 37 mit Schrauben ober Nägeln befestigt. Darum queren die Wärmeaus tauscherelemente 48 die Innenseite des abstehenden Teils 41, wobei ihre periphere Außenkante mit dem rohrförmigen Teil 37 und ihre Innenkante jeweils mit der vertikalen Wand 44 oder der schrägen Innenwand 43 verbunden ist.

Die wie vorstehend beschrieben aufgebaute Wärmeschutzvorrichtung 36 verhin dert die steile Temperaturabnahme des äußeren peripheren Teilabschnittes des Silicium-Einkristallrohlings 25. Während des Prozesses des Ziehens eines Silici umkristalls aus einer Schmelze wird die vertikale Wand 44 oder die schräge In nenwand 43 durch Strahlungswärme von der peripheren Innenwand des Quarztie gels 13 oder durch Wärme aus dem Heizgerät 48 aufgeheizt. In diesem Fall ge stattet das Kristallziehgerät der vorliegenden Ausführungsform eine effektive Steigerung der Temperatur sowohl der vertikalen Wand 44 als auch der schrägen Innenwand 43, indem Wärme über die Wärmeaustauscherelemente 48 von dem rohrförmigen Teil 37 oder der schrägen Außenwand 45 zu der vertikalen Wand 44 oder der schrägen Innenwand 43 abgeführt wird. Somit absorbieren die vertikale Wand 44 oder die schräge Innenwand 43, die eine Temperaturerhöhung erfahren, die Strahlungswärme von dem Siliciumeinkristall 25 unter Verhinderung des steilen Temperaturabfalls in dem äußeren peripheren Teilbereich des Silicium- Einkristallrohlings 25. Übrigens kann die Dicke eines jeden Wärmeaustau scherelementes 48 abhängig sein von der Anzahl der Wärmeaustauscherelemente 48. Vorzugsweise allerdings kann sie im Bereich von 6 bis 9 mm liegen. Weitere Angaben über die Betriebsmerkmale des Kristallziehgerätes der vorliegenden Ausführungsform entsprechen fast denjenigen der ersten Ausführungsform, so daß die sich wiederholende Beschreibung weggelassen wird.

Bei den obigen Ausführungsformen liegt übrigens das rohrförmige Teil 37 der Wärmeschutzvorrichtung 36 in Form eines zylindrischen Rohres vor. Wie in Fig. 4 gezeigt, kann es allerdings ein Hohlkörper in Form eines kreisförmigen Ke gelstumpfes mit stufenweise abnehmendem Durchmesser unter stufenweiser Verjüngung nach unten sein. In diesem Fall verbreitert sich der Raum zwischen dem äußeren peripheren Teilbereich des Silicium-Einkristallrohlings 25 und der peripheren Außenfläche des rohrförmigen Teils 37 in Richtung der Silicium schmelze stufenweise, so daß ein durch einen solchen Raum nach unten strömen des Inertgas ohne weiteres in den Raum zwischen Siliciumschmelze 12 und ab stehendem Teil 41 eingeleitet werden kann. Wie in Fig. 5 gezeigt, kann alterna tiv das rohrförmige Teil 37 ein rohrförmiges Innenteil 37a, ein rohrförmiges Au ßenteil 37b und ein in den Raum zwischen rohrförmigem Innen- und Außenteil 37a, 37b eingefülltes wärmedämmendes Material 37 aufweisen. Das in einer Doppelwandstruktur des rohrförmigen Körpers 37 vorgesehene wärmedämmende Material hält Strahlungswärme von der peripheren Innenwand des Quarztiegels 13 in Richtung des Silicium-Einkristallrohlings 25 zurück.

Bei den obigen Ausführungsformen ist außerdem die schräge Innenwand 43 zwi schen der vertikalen Wand 44 und der Bodenwand 42 vorgesehen, und ferner ist die schräge Außenwand 45 zwischen dem rohrförmigen Teil 47 und der Boden wand 42 vorgesehen. Wie in Fig. 6 gezeigt, kann allerdings nur die schräge In nenwand 43 zwischen der vertikalen Wand 44 und der Bodenwand 42 vorgesehen sein, ohne daß die schräge Außenwand vorgesehen ist. Wie in Fig. 7 gezeigt, kann alternativ nur die schräge periphere Außenwand 45 zwischen dem rohrför migen Teil 37 und der Bodenwand 42 vorgesehen sein, ohne daß die schräge In nenwand vorgesehen ist. Außerdem kann alternativ die Bodenwand selbst wie ein Kegel mit einer Außenkante, die an den unteren Rand des rohrförmigen Teils 37 anschließt, und einer Innenkante, die bis in die Nähe der peripheren Außenfläche des Silicium-Einkristallrohlings verläuft, geformt sein, ohne daß die schrägen In nen- und Außenwände 43, 45 vorgesehen sind. Wie in Fig. 8 gezeigt, kann die Bodenwand 42 in einem Winkel α von 80° oder weniger (α < 0) bezüglich einer horizontalen Ebene geneigt sein, wobei der Durchmesser nach unten stufenweise abnimmt. Wie in Fig. 9 gezeigt, kann alternativ die Bodenwand 42 in einem Winkel θ von 80° oder weniger (θ < 0) bezüglich einer horizontalen Ebene geneigt sein, wobei der Durchmesser nach oben stufenweise abnimmt.

Zusätzlich kann die Bodenwand wie ein Kegel geformt sein, wie er als Kombina tion der in Fig. 8 und Fig. 9 gezeigten Konfigurationen vorgesehen ist. D. h. die Bodenwand 42 kann eine äußere Bodenwand 42a, wobei ihre Kante mit dem rohr förmigen Teil 36 verbunden ist, und eine innere Bodenwand 42, wobei ihre Kante mit dem vertikalen Element 44 verbunden ist, aufweisen. Die äußere Bodenwand 42a kann in einem Winkel α von 80° oder weniger (α < 0) bezüglich einer hori zontalen Ebene geneigt sein, wobei der Durchmesser nach unten stufenweise ab nimmt. Andererseits kann die innere Bodenwand 42b in einem Winkel θ von 80° oder weniger (θ < 0) bezüglich einer horizontalen Ebene geneigt sein, wobei der Durchmesser nach oben stufenweise abnimmt. Jede in den Fig. 4 bis 10 ge zeigte Wärmeschutzvorrichtung vermag die steile Temperaturabnahme in dem äußeren peripheren Teilabschnitt des Siliciumeinkristalls 25 durch Reflektieren der Wärmeabstrahlung von dem Rohling 25 auf die vertikale Wand 44 des abste henden Teils 41 oder durch Erhöhung der Temperatur des abstehenden Teils 41 mit der Hochtemperaturheizung 18 und der Siliciumschmelze zu verhindern.

Im folgenden werden konkrete Beispiele für die Erfindung und die Vergleichsbei spiele ausführlich erläutert.

Beispiel 1

Eine Wärmeschutzvorrichtung 36 eines Kristallziehgerätes zum Ziehen eines Sili ciumkristalls aus einer Siliciumschmelze mit der gleichen Konfiguration wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, war wie folgt aufgebaut.

Ein rohrförmiges Teil 37 der Wärmeschutzvorrichtung 36 wies einen Innen durchmesser von 410 mm und eine Höhe von 420 mm auf. Ein abstehendes Teil 41, das eine schräge Außenwand 45, eine Bodenwand 42, eine schräge Innenwand 43, eine vertikale Wand 44 und eine Deckenwand 46 aufweist, war am unteren Endabschnitt des rohrförmigen Teils 37 ausgebildet. Das abstehende Teil 41 war als rohrförmige Struktur vorgesehen, in der die vertikale Wand 44 die Neigung Null (d. h. parallel zur peripheren Fläche des rohrförmigen Teils 37), einen Innen durchmesser von 250 mm und eine Höhe von 40 mm aufwies. Ein unteres Ende der schrägen Innenwand 43 war so geformt, daß es einen Innendurchmesser von 330 mm, eine Neigung "α" von 45° und einen vertikalen Abstand "L" von 40 mm aufwies. Außerdem betrug der Raum zwischen einer unteren Fläche der Boden wand 42 und einer Fläche der Siliciumschmelze 12 35 mm, während der Raum "W1" zwischen der vertikalen Wand 44 20 mm betrug. In diesem Beispiel waren zudem sämtliche strukturellen Bauteile 37, 45, 42, 43, 44 und 46 aus einem Koh lenstoffmaterial hergestellt. Darum war das Kristallziehgerät zum Ziehen eines Siliciumkristalls aus einer Schmelze mit dem so erhaltenen Wärmeschutzelement ausgestattet, und ein solches Kristallziehgerät wurde als Beispiel 1 bezeichnet und einem Vergleichstest und der Bewertung, die nachstehend beschrieben sind, un terzogen.

Beispiel 2

Eine Wärmeschutzvorrichtung 36 eines Kristallziehgerätes zum Ziehen eines Sili ciumkristalls aus einer Siliciumschmelze derselben Konfiguration wie in Fig. 3 gezeigt, war auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 aufgebaut, mit folgender Ausnahme: Zwei ringförmige Wärmeaustauscherelemente 48 waren nämlich so vorgesehen, daß sie die Innenseite eines abstehenden Teils 41 querten, wobei die äußere periphere Kante von jedem von ihnen mit einem rohrförmigen Teil 37 ver bunden war und die Innenkante von jeden von ihnen mit einer schrägen Innen wand 43 verbunden war. Darum war das Kristallziehgerät zum Ziehen eines Sili ciumkristalls aus einer Schmelze mit dem so erhaltenen Wärmeschutzelement ausgestattet, und ein solches Kristallziehgerät wurde als Beispiel 2 bezeichnet und dem Vergleichstest und der Bewertung, die nachstehend beschrieben sind, unter zogen.

Vergleichsbeispiel 1

Eine Wärmeschutzvorrichtung 36 eines Kristallziehgerätes zum Ziehen eines Sili ciumkristalls aus einer Siliciumschmelze war auf die gleiche Art wie in Beispiel 1 aufgebaut, mit der Ausnahme, daß kein abstehendes Teil 41 am unteren Endab schnitt eines rohrförmigen Teils 37 vorgesehen war (nicht in der Figur gezeigt). Darum war das Kristallziehgerät zum Ziehen eines Siliciumkristalls aus einer Schmelze mit dem erhaltenen Wärmeschutzelement ausgestattet, und ein solches Kristallziehgerät wurde als Vergleichsbeispiel 1 bezeichnet und dem Vergleich stest und der Bewertung, die nachstehend beschrieben sind, unterzogen.

Vergleichstest und Bewertung

Unter Anwendung eines analytischen Wärmeleitfähigkeitsprogramms wurde eine Computersimulation vorgenommen.

Zuerst simulierte der Computer die folgenden Bedingungen. D. h., die Kristall ziehgeräte von Beispiel 1, Beispiel 2 und Vergleichsbeispiel 1 wurden jeweils zum Ziehen eines Silicium-Einkristallrohlings mit einem Durchmesser von 210 mm aus einer Siliciumschmelze verwendet. Zu dem Zeitpunkt wurde der obere Abschnitt des Rohlings 400 mm von der Oberfläche der Schmelze herausgezogen, die Temperaturverteilung in dem Silicium-Einkristallrohlings wurde simuliert und unter Anwendung des analytischen Wärmeleitfähigkeitsprogramms berechnet. Anschließend berechnete der Computer die Änderungen G/Gc bezüglich des Ab standes vom Zentrum des Silicium-Einkristallrohlings bis zur peripheren Außen fläche hiervon in radialer Richtung. In diesem Fall steht "G" für einen Mittelwert der vertikalen Temperaturverteilung bezüglich eines jeden Teils des Silicium- Einkristallrohlings bis zu einer Höhe von 30 mm von der Oberfläche der Silicium schmelze. Ferner steht "Gc" für einen Mittelwert der vertikalen Temperaturver teilung bezüglich des Zentrums des Silicium-Einkristallrohlings bis zu einer Höhe von 30 mm von der Oberfläche der Siliciumschmelze. Die durch die obige Be rechnung erhaltenen Ergebnisse wurden in Fig. 11 aufgetragen.

Wie aus Fig. 11 hervorgeht, waren die Kurven, die durch Auftrag der erhaltenen G/Gc-Werte von Beispiel 1 und Beispiel 2 gebildet wurden, im Vergleich mit dem Vergleichsbeispiel 1 leicht ansteigend. Bezogen auf Beispiel 1 bzw. Beispiel 2, konnte ferner keine steile Änderung des G/Gc-Wertes an der peripheren Außen fläche des Silicium-Einkristallrohlings festgestellt werden. D. h. die radiale Tem peraturverteilung des vertikalen Temperaturgradienten gestaltete sich fast gleich mäßig. Beispiel 1 bzw. Beispiel 2 vermögen jeweils die steile Temperaturabnah me im äußeren peripheren Teilabschnitt des Siliciumeinkristalls durch Reflexion der Wärmestrahlung von dem Rohling auf die vertikale Wand des abstehenden Teils 41 oder durch Erhöhen der Temperatur des abstehenden Teils durch das Hochtemperaturheizgerät 18 und die Siliciumschmelze zu unterbinden.

Zusätzlich gestaltete sich die radiale Temperaturverteilung des vertikalen Tempe raturgradienten von Beispiel 2 gleichmäßiger als diejenige von Beispiel 1.

In diesem Fall ist es verständlich, daß sich mit dem Kristallziehgerät von Beispiel 2 die Temperatur sowohl der vertikalen Wand 44 als auch der schrägen Innen wand 43 durch Abführen von Wärme aus dem rohrförmigen Teil 37 oder der schrägen Außenwand 45 zu der vertikalen Wand 44 oder der schrägen Innenwand 43 über die Wärmeaustauscherelemente 48 effektiv erhöhen läßt. Somit unterbin det die vertikale Wand 44 oder die schräge Innenwand 43, deren Temperatur er höht wird, ferner die Wärmeabstrahlung von dem Silicium-Einkristallrohling 25 unter Vermeidung einer steilen Temperaturabnahme in dem peripheren äußeren Teilabschnitt des Siliciumeinkristalls 25.

Erfindungsgemäß bestehen, wie vorstehend beschrieben, die Vorteile der Erfin dung darin, daß eine Wärmeschutzvorrichtung mit einem abstehenden Teil, der an einem unteren Teilabschnitt eines rohrförmigen Teils ausgebildet und mit einem wärmedämmenden Element gefüllt ist, aufgebaut ist. Das abstehende Teil steht nach innen ab und besitzt eine in Richtung der Siliciumschmelze weisende Bo denwand. Das abstehende Teil kann eine Bodenwand, eine vertikale Wand und eine Deckenwand aufweisen. Die Bodenwand kann ring- oder kegelförmig ge formt sein, wobei eine Außenkante mit einem unteren Rand des rohrförmigen Teils verbunden ist. Die Bodenwand kann horizontal oder in einer bestimmten Neigung bis zu einer peripheren Außenfläche des Silicium-Einkristallrohlings verlaufen. Die vertikale Wand kann in einem bestimmten Abstand von der peri pheren Außenfläche des Silicium-Einkristallrohlings angeordnet und mit einer Innenkante der Bodenwand verbunden sein. Die vertikale Wand kann parallel zu einer Achse des Silicium-Einkristallrohlings verlaufen oder kann in einem zuvor festgelegten Winkel bezüglich der Achse des Silicium-Einkristallrohlings verlau fen. Die Deckenwand kann eine Unterkante, die mit einer Oberkante der vertika len Wand verbunden ist, und eine Oberkante, die mit einer peripheren Innenfläche des rohrförmigen Teils in Verbindung steht, aufweisen. Die Deckenwand kann nach oben mit stufenweise zunehmendem Durchmesser verlaufen. Darum kann die Wärmestrahlung von der peripheren Außenfläche des Silicium- Einkristallrohlings durch die vertikale Wand des abstehenden Teils reflektiert oder durch die Temperatur des abstehenden Teils, die sich durch die Wärmeab strahlung von der Hochtemperatur-Siliciumschmelze beträchtlich erhöht, unter bunden werden. Somit verhindert die Konfiguration des abstehenden Teils die steile Temperaturabnahme des äußeren peripheren Teilabschnittes des Silicium- Einkristallrohlings. Folglich kann die Temperaturverteilung vom Zentrum zum äußeren peripheren Teilabschnitt eines solchen Rohlings im wesentlichen gleich mäßig gestaltet werden. Zusätzlich gestattet das abstehende Teil einen vertikalen Wärmegradienten in dem Silicium-Einkristallrohlings, wobei die radiale Tempe raturverteilung in jedem Teil hiervon praktisch gleich ist. Somit kann die Erzeu gung von Schlupf und erster Platzverschiebung in dem resultierenden Produkt als Ergebnis der Unterbindung der Wärmespannung, der der Silicium- Einkristallrohling ausgesetzt ist, verhindert werden.

Es ist zudem von Vorteil, daß eine schräge Innenwand, die mit stufenweise ab nehmendem Durchmesser nach oben verläuft, als Kreuzung zwischen der verti kalen Wand und der Bodenwand ausgebildet ist. In diesem Fall kann die Wär mestrahlung von der peripheren Außenfläche des Silicium-Einkristallrohlings durch die schräge Innenwand reflektiert werden. Als Ergebnis kann die steile Ab nahme der Temperatur des äußeren peripheren Teilbereiches des Silicium- Einkristallrohlings, insbesondere der Temperatur in der Nähe der fest-/flüssig Grenzfläche eines solchen Rohlings unterbunden werden. Alternativ kann eine kegelförmige schräge Außenwand, die mit stufenweise abnehmendem Durchmes ser nach unten verläuft, als Kreuzung zwischen dem rohrförmigen Teil und der Bodenwand ausgebildet sein. In diesem Fall kann die Wärmestrahlung von der Siliciumschmelze oder dem Quarztiegel durch die schräge Innenwand reflektiert werden. Als Ergebnis kann die Temperatur des abstehenden Teils weiter erhöht werden.

Es ist ferner von Vorteil, daß der Abstand zwischen peripherer Außenfläche des Silicium-Einkristallrohlings und vertikaler Wand im Bereich von 10 bis 30 mm liegt. In diesem Fall kann die Wärmestrahlung von einem solchen Rohling effek tiv ohne Kontakt zwischen ihnen reflektiert werden.

Es ist zweckmäßig, daß mindestens ein ringförmiges Wärmeaustauscherelement, wovon eine periphere Außenkante mit dem rohrförmigen Teil oder der schrägen Außenwand verbunden ist und eine periphere Innenkante mit der vertikalen Wand oder der schrägen Innenwand verbunden ist, im Inneren des abstehenden Teils in Querrichtung ausgebildet ist. In diesem Fall gestattet die Konfiguration eine ef fektive Zunahme der Temperatur sowohl der vertikalen Wand als auch der schrä gen Innenwand, indem über die Wärmeaustauscherelemente Wärme von dem rohrförmigen Teil oder der schrägen Innenwand, die durch Strahlungswärme von der peripheren Innenwand des Quarztiegels oder durch Wärme aus dem Heizgerät erhitzt wird, zu der vertikalen Wand oder der schrägen Innenwand abgeführt wird. Somit vermindert die vertikale Wand oder die schräge Innenwand, die eine Tem peraturerhöhung erfahren, außerdem die Wärmeabstrahlung von dem Silicium- Einkristallrohlings unter Verhinderung der steilen Temperaturabnahme des äuße ren peripheren Teilbereiches des Silicium-Einkristallrohlings. Folglich kann die Erzeugung von Wärmespannung in dem Silicium-Einkristallrohling wirksam ver hindert werden, da die steile Temperaturabnahme der peripheren Außenfläche des Silicium-Einkristallrohlings, der aus einer Siliciumschmelze gezogen wird, durch das abstehende Teil, dessen Temperatur vergleichsweise hoch ist, unterbunden werden kann.

Die vorliegende Erfindung wurde ausführlich unter Bezugnahme auf die bevor zugten Ausführungsformen beschrieben, und der Fachwelt ist klar, daß Änderun gen und Modifikationen ohne Abeichen von der Erfindung in ihrem breiteren Aspekten vorgenommen werden können, und darum besteht die Absicht, daß mit den beigefügten Ansprüchen sämtliche derartigen Änderungen und Modifikatio nen, die im Geist und Umfang der Erfindung liegen, abzudecken.

Claims

1. Wärmeschutzvorrichtung, mit der ein Kristallziehgerät zum Ziehen eines Silicium-Einkristallrohlings aus einer Siliciumschmelze, die sich in einem Quarztiegel mit einer von einem Heizgerät umgebenen peripheren Außen fläche befindet, ausgestattet ist, die aufweist:
ein rohrförmiges Teil zur Verwendung zum Umschließen eines Silicium- Einkristallrohlings, der nach oben gezogen und gezüchtet wird, zur Unter bindung von Strahlungswärme aus dem Heizgerät zu dem Silicium- Einkristallrohling, wovon ein unteres Ende über einer Oberfläche der Silici umschmelze in einem bestimmten Abstand dazwischen angeordnet ist; und
ein am unteren Teilabschnitt des rohrförmigen Teils ausgebildetes und mit einem wärmedämmenden Element gefülltes abstehendes Teil, das nach in nen absteht und eine in Richtung der Siliciumschmelze weisende Boden wand aufweist.

2. Wärmeschutzvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Bodenwand wie in Ring, wovon eine Außenkante mit einer Unterkante des rohrförmigen Teils verbunden ist, geformt ist und horizontal bis zu einer peripheren Außenflä che des Silicium-Einkristallrohlings verläuft, und das abstehende Teil aufweist:
eine in einem bestimmten Abstand von der peripheren Außenfläche des Si licium-Einkristallrohlings angeordnete und mit einer Innenkante der Bo denwand verbundene vertikale Wand, die parallel zu einer Achse des Silicium-Einkristallrohlings oder in einem Winkel von -30 bis +30° bezüglich der Achse des Silicium-Einkristallrohlings verläuft; und
eine kegelförmige Deckenwand, wovon eine Unterkante mit einer Ober kante der vertikalen Wand verbunden ist und eine Oberkante mit einer peri pheren Innenfläche des rohrförmigen Teils verbunden ist, die mit stufenwei se zunehmendem Durchmesser nach oben verläuft.

3. Wärmeschutzvorrichtung nach Anspruch 2, wobei eine schräge Innenwand, die mit stufenweise abnehmendem Durchmesser nach oben verläuft, als Kreuzung zwischen der vertikalen Wand und der Bodenwand ausgebildet und in einem Winkel von 80° oder weniger, allerdings nicht 0, bezüglich ei ner unteren Fläche der Bodenwand geneigt ist, so daß die durch 0 ≦ L1 ≦ d/2 angegebene Beziehung zwischen Durchmesser "d" des Silicium-Ein kristallrohlings und vertikalem Abstand L1 von der Unterkante der vertika len Wand zu der unteren Fläche der Bodenwand erfüllt ist.

4. Wärmeschutzvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Höhe "H" der vertikalen Wand im Bereich von 10 mm bis d/2 liegt, wobei "d" für den Durchmesser des Silicium-Einkristallrohlings steht.

5. Wärmeschutzvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Abstand zwi schen der peripheren Außenfläche des Silicium-Einkristallrohlings und der vertikalen Wand im Bereich von 10 bis 30 mm liegt.

6. Wärmeschutzvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Beziehung zwischen Durchmesser "D1" des unteren Randes des rohrförmigen Teils, Innendurchmesser "D2" des Quarztiegels und Durchmesser "d" des Silici um-Einkristallrohlings durch 1,65d < D1 < D2 angegeben ist.

7. Wärmeschutzvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei das rohrförmige Teil mit nach unten stufenweise abnehmendem Durchmesser ausgebildet ist.

8. Wärmeschutzvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei das rohrförmige Teil ein rohrförmiges Innenteil, ein rohrförmiges Außenteil und ein in den Raum zwischen rohrförmigem Innenteil und rohrförmigem Außenteil einge fülltes wärmedämmendes Element aufweist.

9. Wärmeschutzvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei mindestens ein ringförmiges Wärmeaustauscherelement mit einer peripheren Außenkante, die mit dem rohrförmigen Teil oder der schrägen Außenwand verbunden ist, und einer peripheren Innenkante, die mit der vertikalen Wand oder der schrägen Innenwand verbunden ist, im Inneren des abstehenden Teils in Querrichtung ausgebildet ist.

10. Wärmeschutzvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei eine schräge, nach unten unter stufenweise abnehmendem Durchmesser verlaufende Außen wand als Kreuzung zwischen dem rohrförmigen Teil und der Bodenwand ausgebildet und in einem Winkel von 80° oder weniger, allerdings nicht 0, bezüglich einer unteren Fläche der Bodenwand geneigt ist, so daß die Be ziehung zwischen Durchmesser "d" des Silicium-Einkristallrohlings und vertikalem Abstand "L2" von der Unterkante des rohrförmigen Teils zu der unteren Fläche der Bodenwand durch 0 ≦ L2 ≦ d/2 angegeben ist.

11. Wärmeschutzvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Bodenwand wie ein Kegel geformt ist, wovon eine Außenkante mit einem unteren Rand des rohrförmigen Teils verbunden ist und nach oben mit stufenweise abneh mendem Durchmesser oder nach unten in einem Winkel von 80° oder weni ger, allerdings nicht 0, bezüglich einer horizontalen Ebene bis in die Nähe einer peripheren Außenfläche des Silicium-Einkristallrohlings verläuft; und das abstehende Teil aufweist:
eine in einem bestimmten Abstand von der peripheren Außenfläche des Si licium-Einkristallrohlings angeordnete und mit einer Innenkante der Bo denwand verbundene vertikale Wand, die parallel zu einer Achse des Silici um-Einkristallrohlings oder in einem Winkel von -30° bis +30° bezüglich der Achse des Silicium-Einkristallrohlings verläuft; und
eine kegelförmige Deckenwand, wovon eine Unterkante mit einer Ober kante der vertikalen Wand verbunden ist und eine Oberkante an eine peri phere Innenfläche des rohrförmigen Teils anschließt, die mit stufenweise zunehmendem Durchmesser nach oben verläuft.

12. Wärmeschutzvorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Höhe "H" der verti kalen Wand im Bereich von 10 mm bis d/2 liegt, wobei "d" für den Durch messer des Silicium-Einkristallrohlings steht.

13. Wärmeschutzvorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Abstand zwischen peripherer Außenfläche des Silicium-Einkristallrohlings und vertikaler Wand im Bereich von 10 bis 30 mm liegt.

14. Wärmeschutzvorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Beziehung zwischen Durchmesser "D1" des unteren Randes des rohrförmigen Teils, Innen durchmesser "D2" des Quarztiegels und Durchmesser "d" des Silicium- Einkristallrohlings durch 1,65d < D1 < D2 angegeben ist.

15. Wärmeschutzvorrichtung nach Anspruch 11, wobei das rohrförmige Teil mit nach unten stufenweise abnehmendem Durchmesser geformt ist.

16. Wärmeschutzvorrichtung nach Anspruch 11, wobei das rohrförmige Teil ein rohrförmiges Innenteil, ein rohrförmiges Außenteil und ein in den Raum zwischen rohrförmigem Innenteil und rohrförmigem Außenteil eingefülltes wärmedämmendes Element aufweist.

17. Wärmeschutzvorrichtung nach Anspruch 11, wobei mindestens ein ringför miges Wärmeaustauscherelement, wovon eine periphere Außenkante mit dem rohrförmigen Teil oder der schrägen Innenwand verbunden ist und eine periphere Innenkante mit der vertikalen Wand oder der schrägen Innenwand verbunden ist, im Inneren des abstehenden Teils in Querrichtung ausgebil det ist.

18. Wärmeschutzvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Bodenwand aufweist:
eine Boden-Außenwand, wovon eine Außenkante mit einer Unterkante des rohrförmigen Teils verbunden ist, die in einem Winkel von 80° oder weni ger, allerdings nicht 0, bezüglich einer horizontalen Ebene geneigt ist, mit nach unten stufenweise abnehmendem Durchmesser; und
eine Boden-Innenwand, wovon eine Außenkante mit einer Unterkante der Boden-Außenwand verbunden ist und eine Innenkante bis in die Nähe der peripheren Außenfläche des Siliciumeinkristalls verläuft, die in einem Win kel von 80° oder weniger, allerdings nicht 0, bezüglich einer horizontalen Ebene geneigt ist, mit nach oben stufenweise abnehmendem Durchmesser, und
wobei das abstehende Teil aufweist:
eine in einem bestimmten Abstand von der peripheren Außenfläche des Si licium-Einkristallrohlings angeordnete und mit einer Innenkante der Bo denwand verbundene vertikale Wand, die parallel zu einer Achse des Silici umeinkristalls oder in einem Winkel von -30° bis +30° bezüglich der Achse des Silicium-Einkristallrohlings verläuft; und
eine kegelförmige Deckenwand, wovon eine Unterkante mit einer Ober kante der vertikalen Wand verbunden ist und sich eine Oberkante an eine periphere Innenfläche des rohrförmigen Teils anschließt, die mit stufenwei se zunehmendem Durchmesser nach oben verläuft.

19. Wärmeschutzvorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Höhe "H" der verti kalen Wand im Bereich von 10 mm bis d/2 liegt, wobei "d" für den Durch messer des Silicium-Einkristallrohlings steht.

20. Wärmeschutzvorrichtung nach Anspruch 18, wobei der Abstand zwischen der peripheren Außenfläche des Silicium-Einkristallrohlings und der verti kalen Wand im Bereich von 10 bis 30 mm liegt.

21. Wärmeschutzvorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Beziehung zwischen Durchmesser "D1" des unteren Randes des rohrförmigen Teils, Innen durchmesser "D2" des Quarztiegels und Durchmesser "d" des Silicium- Einkristallrohlings durch 1,65d < D1 < D2 angegeben ist.

22. Wärmeschutzvorrichtung nach Anspruch 18, wobei das rohrförmige Teil mit nach unten stufenweise abnehmendem Durchmessers geformt ist.

23. Wärmeschutzvorrichtung nach Anspruch 18, wobei das rohrförmige Teil ein rohrförmiges Innenteil, ein rohrförmiges Außenteil und ein in den Raum zwischen rohrförmigem Innenteil und rohrförmigem Außenteil eingefülltes wärmedämmendes Element aufweist.

24. Wärmeschutzvorrichtung nach Anspruch 18, wobei mindestens ein ringför miges Wärmeaustauscherelement, wovon eine periphere Außenkante mit dem rohrförmigen Teil oder der schrägen Außenwand und eine periphere Innenkante mit der vertikalen Wand verbunden ist, im Inneren des abste henden Teils ausgebildet ist.

25. Kristallziehgerät zum Ziehen und Züchten eines Silicium-Einkristallrohlings aus einer Siliciumschmelze, die sich in einem Quarztiegel, wovon eine peri phere Außenfläche von einem Heizgerät umgeben ist, befindet, das eine Wärmeschutzvorrichtung enthält, die aufweist: ein rohrförmiges Teil zur Verwendung zum Umschließen eines Silicium-Einkristallrohlings, der nach oben gezogen und gezüchtet wird, zur Unterbindung von Strahlungswärme aus dem Heizgerät zu dem Silicium-Einkristallrohling, wovon ein unteres Ende über einer Oberfläche der Siliciumschmelze in einem bestimmten Ab stand dazwischen angeordnet ist; und ein an einem unteren Teilabschnitt des rohrförmigen Teils ausgebildetes und mit einem wärmedämmenden Element gefülltes abstehendes Teil, das nach innen absteht und eine in Richtung der Siliciumschmelze weisende Bodenwand aufweist.