DE10111953A1

DE10111953A1 - Steuerbare Kristallunterstützung

Info

Publication number: DE10111953A1
Application number: DE10111953A
Authority: DE
Inventors: Winfried Schulmann; Helmut Kaiser
Original assignee: Crystal Growing Systems GmbH
Current assignee: Crystal Growing Systems GmbH
Priority date: 2001-03-12
Filing date: 2001-03-12
Publication date: 2002-09-19
Also published as: US6758901B2; US20020124795A1

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Halten des Kristallblockes beim Ziehen von Einkristallen, insbesondere solche aus Silizium, nach dem Czochralski-Verfahren. Dazu wird eine Kristallunterstützung vorgeschlagen, die an einer speziellen, am Hals des Einkristallblocks ausgebildeten Wulst, mit der Form eines Bicone 12, mittels Aufnahmen 4 in einem Gehäuse 1 angreift. Dadurch wird eine jederzeit lösbare Unterstüzung des Kristallblocks erreicht, die keine störenden Einflüsse auf das Kristallwachstum ausübt und unabhängig von der Länge des gewachsenen Kristalls wirkt. Die Aufnahmen werden mittels Zentralzugelement 6, das sich relativ zu einem zweiten Zugelement 2 eigenständig bewegen kann, in die Unterstüzungsposition am Bicone 12 gefahren.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entlastung eines Impflings beim Ziehen nach der Czochralski-Methode. Beim eigentlichen "Ziehvorgang" wird zunächst ein stark im Querschnitt verjüngter Hals gezüchtet, um die vom Anschmelzen herrührenden oder aus dem Kristallkeim überkommenen Baufehler wie Subkorngrenzen oder Versetzungen durch eine Art "Herauswachsen" aus dem Hals des Züchtungskristalls weitestgehend zu minimieren.

Danach wird die Züchtung so eingestellt, dass nach einem konusartigen Abschnitt ein zylindrischer Abschnitt mit einem viel größerem, nahezu gleichbleibenden Durchmesser folgt und am Ende wieder ein konusartiger Abschnitt. Als Produkt für eine Anwendung z. B. in der Elektronikindustrie ist üblicherweise nur der zylindrische Abschnitt interessant. Von Seiten der Anwender kommen die Forderungen nach immer größeren Durchmessern und damit auch Massen dieser zylindrischen Einkristallabschnitte (Durchmesser von 300 bis über 400 mm und Massen von 250 bis über 400 Kg).

Das technische und technologische Problem liegt in der Tatsache begründet, dass der züchtungstechnisch sehr dünn gehaltene Hals diese Zuglasten nicht aufnehmen kann. Eine weitere Problematik liegt in der Tatsache begründet, dass in bestimmten Fällen ein zumindest teilweises Wiederaufschmelzen des gerade gezüchteten Kristalls erfolgen muss, so dass auch die Forderung zu stellen ist, eine Lösung der Unterstützung durch deren interne Entriegelung am Kristallhals jederzeit zu ermöglichen. Der Vorgang des Unterstützens am Kristallhals muss sehr langsam und steuerbar beim Übertragen der Last vom Hals auf die Stützvorrichtung erfolgen, da einerseits keine Partikel irgendeiner Art durch z. B. Abrieb in die Schmelze gelangen dürfen, da solche Verunreinigungen sich störend auf die Kristallbildung und auch die Erstarrungsvorgänge an der Schmelzfront auswirken würden und andererseits die Übertragung der Last auch keinerlei Einfluss auf die eigentliche "Ziehgeschwindigkeit" nehmen darf, da sonst ein unkontrolliertes Kristallwachstum einsetzen würde.

In der Patentschrift US 4,973,518 wird bereits darauf hingewiesen, dass der dünne Hals während des Ziehens des Einkristalls axial belastet werden kann, aber jede transversale Krafteinwirkung unterbleiben muss, da schon die geringste seitliche Beanspruchung zum Abbrechen dieses Halses führen kann. Zur Vermeidung dieser Gefahr wird vorgeschlagen, den dünnen Hals an einer bestimmten Position in axialer Richtung so aufzuweiten, dass eine Wulst zur Aufnahme der Last ausgebildet wird, an der die Aufnahmevorrichtung ansetzen kann. Eine ähnliche Ausbildung wird in der Patentschrift US 5,126,113 vorgeschlagen, jedoch ist ein beliebiges Lösen der Aufnahme des Einkristalls nicht möglich und somit das Problem beim Wiederaufschmelzen ungelöst.

Ein anderes Grundprinzip der Kristallunterstützung bei Ziehvorgang wird in der DE 197 37 605 A1 vorgeschlagen. Hierbei wird zwischen dem konusförmigen Abschnitt des Kristallkörpers am Anfang des Einkristalls und einem speziell ausgebildeten Haltekörper eine feste Klebeverbindung angebracht. Damit kann zwar das Problem der Kraftübertragung vom zu ziehenden Einkristall auf eine spezielle Zugvorrichtung gelöst werden, wobei der dünne Hals beim Ziehvorgang von Zugspannungen entlastet wird, aber diese Verbindung ist nicht beliebig lösbar, ein Wiedereinschmelzen somit nicht möglich.

Die genannten Probleme und Aufgaben werden mit der nachfolgend beschriebenen Anordnung und dem vorgestellten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Kristallunterstützung aus einem ringförmigen Gehäuse 1 besteht, das in Achsrichtung zum zu ziehenden Einkristall verschiebbar angeordnet und mit dem unteren Abschnitt des zweiten Zugelementes 2 über ein Gewinde und eine Halterung 3 verbunden ist (Fig. 1 und Fig. 2).

In dem ringförmigen Gehäuse 1 befinden sich in symmetrischer Anordnung und auf gleicher Höhe mindestens zwei vorzugsweise jedoch mehrere Aufnahmen 4 in Form von drehbar gelagerten Hebeln, die in einem Aufnahmelager 5 rechtwinklig zur Zugrichtung des Zentralzugelementes 6 angeordnet sind. Die drehbar angeordneten Hebel 4 werden durch ein aktives Stellelement 7, an dem am vorderen Ende ein aktiv bewegter Druckstift 8 angeordnet ist, gegen ein passives Stellelement 9 in Form einer Feder oder über Gegengewichte bewegt.

Dieses passive Stellelement 9 dient auch zur Rückstellung der drehbar angeordneten Hebel 4 in ihre Ausgangsposition. Das aktive Stellelement kann mechanisch, elektrisch oder hydraulisch bzw. pneumatisch aktiviert werden, wobei eine Betätigung durch Argon als vorteilhaft angesehen wird. Im betätigten, d. h. herunter gekippten Zustand, liegen die drehbar angeordneten Hebel 4 auf einem Gegenlager 10 im ringförmigen Gehäuse 1 auf, die Hebel sind dabei vorteilhaft in Form und Material prozesskompatibel und so ausgelegt, dass sie Lasten bis über 500 Kg aufnehmen können.

Am aktiven vorderen Ende des Hebels 4 wird ein Druckstück 11 angebracht, das die Last des Kristalls über eine spezielle Ausbildung seiner Form (Bicone 12) auf das zweite Zugelement 2 überträgt und so den dünnen Kristallhals entlastet. Das Zugelement 6 kann somit einerseits synchron mit dem bzw. durch das Zugelement 2 bewegt werden (Heben, Senken, Drehen) und andererseits kann es zusätzlich relativ zum Zugelement 2 (Heben, Senken) bewegt werden.

Beim eigentlichen Kristallzüchtungsvorgang wird bei der Herstellung eines Einkristalls im Bereich des Halses zwischen Impfkristall und dem zylindrischen Kristallkörper ein zusätzlicher sogenannter Bicone 12 vorgesehen, an dem der wachsende und damit an Gewicht zunehmende Einkristall unterstützt wird. Damit ist das Anheben des wachsenden Einkristalls auch dann möglich, wenn die Gesamtmasse die Zugfestigkeit des Kristallhalses oberhalb des Bicones 12 übersteigt.

Zur Unterstützung durch den Bicone 12 wird dabei zunächst dieser mit dem zweiten Zugelement 2 unterfahren. Danach werden die aktiven Stellelemente 7 z. B. entgegen der Rückstellkraft der Federkraft im passiven Stellelement 9 bewegt, bis die Hebel 4 am Gegenlager 10 aufliegen.

Durch das Anheben des zweiten Zugelementes mit einer höheren Geschwindigkeit als der Ziehgeschwindigkeit des Zentralzugelementes 6 wird das Druckstück 11 in Kontakt zum Bicone 12 gebracht und die Last somit schrittweise auf das zweite Zugelement übertragen. Beim Entlasten dieses Zugelementes von der Kristalllast, was z. B. beim Wiederaufschmelzen oder Rückschmelzen technologisch bedingt erforderlich werden kann, wird dann das Zentralzugelement 6 relativ zum zweiten Zugelement 2 verfahren.

Dadurch werden die drehbar angeordneten Hebel 4 durch die Feder im passiven Stellelement betätigt und gehen in ihre Ausgangslage zurück oder sie werden durch eine Betätigung (Rückfahren) des aktiven Stellelementes bewegt.

In Fig. 3 wird der Ablauf der Steuerung der Kristallunterstützung bzw. der Lastübertragung vom Zentralzugelement auf das zweite Zugelement dargestellt.

Zum Zeitpunkt t₀ hebt das Zentralzugelement mit der Geschwindigkeit v₁ und das zweite Zugelement mit einer Geschwindigkeit von 0 mm/min. Ab dem Zeitpunkt t₁ wird die Hubgeschwindigkeit des Zentralzugelementes gleichmäßig um x mm/min bis auf 0 mm/min abgesenkt, während gleichzeitig die Hubgeschwindigkeit des zweiten Zugelementes synchron um x mm/min bis auf v₁ erhöht wird, so dass die aus beiden Hubbewegungen resultierende Geschwindigkeit v_res konstant bleibt. Dabei wird ab t₂ für das Zentralzugelement die Hubrichtung umgekehrt, was zur Absenkung führt und ab t₃ wird es konstant mit -v₂ und das zweite Zugelement konstant mit v₃ = v_res + v₂ bewegt. Beim Kontakt der Druckstücke mit dem Bicone zum Zeitpunkt t₄ wird die Zuggeschwindigkeit des Zentralelementes mit y mm/min auf 0 mm/min reduziert und die des zweiten Zugelementes auf v₁ = v_res zurückgeführt, bis beim Zeitpunkt t₅ der Vorgang der Lastübertragung abgeschlossen ist.

Der Zeitpunkt t₁ wird vom Bediener bestimmt, die Steigung der gegenläufigen Relativbewegungen der beiden Zugelemente wird durch die Verfahrens- und Prozessparameter (Stellgrößen der jeweiligen Prozessrezepturen) vorgegeben. Der Zeitpunkt t₂ ergibt sich mathematisch aus den genannten Steigungen und der Zeitpunkt t₃ resultiert aus der vorgegebenen Geschwindigkeit -v₂. Der Zeitpunkt t₄ wird über einen Triggerpunkt des Gewichtssensors bestimmt, die anschließende Rückführung auf 0 mm/min für das Zentralzugelement und v_res für das zweite Zugelement zum Zeitpunkt t₅ wird wiederum von der vorgegebenen Steigung der Änderung der Hubgeschwindigkeiten bestimmt.

Für die Lastübertragung zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₅ beim Verfahren des Kristallziehens nach dem Czochralski-Prozess wird die absolute Hubgeschwindigkeit v_res für den gezüchteten Kristall, die aus einer Closed-Loop Steuerung mit dem Durchmesser des Kristalls als Stellgröße resultiert und die o. g. Open-Loop Steuerung mit Festwerten in Form von Prozessparametern, die zur Steuerung der Relativbewegungen der beiden Zugelemente zueinander dient, aus einer Überlagerung von zwei Bewegungen realisiert, die sich kompensieren und wobei die anfängliche Funktion des Zentralzugelementes als Master sich umkehrt in eine Slave-Funktion während dieses Zeitraumes.

Die Lastverteilung auf die beiden Zugelemente ist durch entsprechende Positionierung der beiden Zugelemente relativ zueinander einstellbar und wird durch eine Messgröße gesteuert, die aus dem Gewicht des Kristalls mit einem Gewichtssensor für die Last am Zentralzugelement bestimmt wird.

Diese Art der Kristallunterstützung während des Züchtungsprozesses hat gegenüber den herkömmlichen Ausführungen den Vorteil, dass durch die Relativbewegung der beiden Zugelemente bei jeder beliebigen Kristalllänge eine Unterstützung erfolgen kann, gegenüber einer festen Auflage für die Kristallunterstützung wird eine Unabhängigkeit von der Kristallgeometrie erzielt. Da der Unterstützungsvorgang reversibel ist, sind alle verfahrensbedingten Abläufe beim technologisch bedingten Rückschmelzen des Kristalls einfacher durchführbar, da die Kristallunterstützung nicht selbsthemmend wirkt und keine unlösbare Verbindung zwischen Kristall und Unterstützungseinrichtung besteht. Die Lastverteilung zwischen den zwei Zugelementen, die relativ zueinander verfahrbar angeordnet sind, kann einfach durch die Gewichtsmessung des wachsenden Kristalls erfolgen.

Bezugszeichenliste

1

Gehäuse

2

zweites Zugelement

3

Verbindungselement

4

Aufnahme

5

Aufnahmelager

6

Zentralzugelement

7

aktives Stellelement

8

Druckstift

9

passives Stellelement

10

Gegenlager

11

Druckstück

12

Bicone

Claims

1. Steuerbare Kristallunterstützung für das Ziehen von Einkristallen nach dem Czochalski- Verfahren, mit einem verschiebbar zum zweiten Zugelement angeordneten Zentralzugelement, mit dem unteren Ende des zweiten Zugelementes verbunden, mit mindestens zwei symmetrisch, sich auf gleicher Höhe befindenden, drehbar gelagerten Aufnahmen, dadurch gekennzeichnet, dass die drehbaren Aufnahmen über ein aktives Stellelement gegen ein passives Stellelement bewegt werden können.

2. Kristallunterstützung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentralzugelement synchron mit dem zweiten Zugelement bewegt wird und zusätzlich eine Relativbewegung der beiden Zugelement in axialer Richtung ausgeführt werden kann.

3. Kristallunterstützung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Relativbewegung der Zugelemente zueinander, das zweite Zugelement von der Kristalllast entlastet wird und so die Aufnahmen gelöst werden, wodurch ein Wiedereinschmelzen des gezogenenen Kristalls möglich ist.

4. Kristallunterstützung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Stellelement mechanisch, elektrisch oder hydraulisch bzw. pneumatisch betätigt wird.

5. Kristallunterstützung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das passive Stellelement die Rückstellung der drehbaren Aufnahmen in die Ausgangsposition bewirkt.

6. Kristallunterstützung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die drehbaren Aufnahmen im betätigten Zustand auf einem Gegenlager aufliegen.

7. Aufnahmen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie in Form und Material prozesskompatibel ausgeführt sind.

8. Aufnahmen nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass Lasten über 500 Kg in ein Zugelement eingeleitet werden können.

9. Aufnahme nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Aufnahmen die Gesamtlast des zu hebenden Körpers über eine spezielle Ausformung als Bicone an diesem Körper eingeleitet wird.