DE102005011109A1

DE102005011109A1 - Manufacture of single crystal, e.g. from silicon, by measuring pressure in chamber and shutting off flow of cooling fluid if pressure exceeds threshold

Info

Publication number: DE102005011109A1
Application number: DE200510011109
Authority: DE
Inventors: Alfred Dipl.-Ing. Pardubitzki (Fh); Rainer Dipl.-Ing. Neumann (FH); Rolf Schmid; Anton Günther
Original assignee: Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 2005-03-10
Filing date: 2005-03-10
Publication date: 2006-09-14

Abstract

Single crystal is grown in a chamber from a melt and cooled by a fluid stream. The pressure in the chamber is measured and the fluid stream is shut off if the pressure exceeds a threshold. The threshold is preferably 10 to 20 mbar above the pressure outside the chamber. The internal pressure is measured using two independent measuring systems, and a pressure-relief valve shuts off the fluid stream if the pressure measurement fails. The crystal may be cooled with water. An independent claim is included for: a method of manufacturing a single crystal.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls, bei dem der Einkristall in einer Kammer aus einer Schmelze gezüchtet und mit Hilfe eines Flüssigkeitsstromes gekühlt wird. Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung, die zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist.object the invention is a method for producing a single crystal, wherein the single crystal grown in a chamber of a melt and with the help of a liquid flow is cooled. The invention also provides a device which is suitable for carrying out the Method is suitable.

Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der EP 725 169 A1 beschrieben. Es wird insbesondere zum Ziehen von Einkristallen aus Silizium oder anderem Halbleitermaterial eingesetzt. Wenn die Schmelze, wie im Fall von Silizium, deutlich heißer als die Flüssigkeit ist, mit der der Einkristall gekühlt wird, besteht ein beträchtliches Sicherheitsrisiko. Es muss unter allen Umständen verhindert werden, dass größere Mengen der Flüssigkeit in die Schmelze gelangen und eine Explosion verursachen können. In der genannten EP 725 169 A1 wird vorgeschlagen, die Leitungen, die die Kühlflüssigkeit führen, derart anzuordnen, dass sie nicht versehentlich in die Schmelze eintauchen können.Such a method is for example in the EP 725 169 A1 described. It is used in particular for pulling single crystals of silicon or other semiconductor material. If the melt, as in the case of silicon, is significantly hotter than the liquid with which the single crystal is cooled, there is a considerable safety risk. It must be prevented under all circumstances that larger quantities of liquid can enter the melt and cause an explosion. In the mentioned EP 725 169 A1 It is proposed to arrange the lines which carry the cooling liquid in such a way that they can not be inadvertently immersed in the melt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, zu verhindern, dass größere Mengen der Flüssigkeit in die Schmelze gelangen können.task The present invention is to prevent larger amounts the liquid in can reach the melt.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls, bei dem der Einkristall in einer Kammer aus einer Schmelze gezüchtet und mit Hilfe eines Flüssigkeitsstromes gekühlt wird, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Druck in der Kammer gemessen wird und der Flüssigkeitsstrom abgestellt wird, falls der Druck einen Schwellenwert überschreitet.object the invention is a method for producing a single crystal, wherein the single crystal grown in a chamber of a melt and with the help of a liquid flow is cooled, characterized in that a pressure in the chamber is measured and the liquid flow is turned off if the pressure exceeds a threshold.

Das Verfahren ermöglicht eine schnelle und sichere Reaktion auf austretende Kühlflüssigkeit, weil der damit verbundene Druckanstieg in der Kammer gemessen und als Auslöser für eine Notabschaltung des Flüssigkeitsstromes herangezogen wird. Auf diese Weise bleibt das Volumen an Kühlflüssigkeit, das schlimmstenfalls noch in die Schmelze gelangen kann, auf das Volumen beschränkt, das sich zum Zeitpunkt der Notabschaltung noch in den Leitungen des Kühlsystems befunden hat. Es ist in der Regel zu gering, um noch eine Explosion auslösen zu können und kann mittels üblicherweise vorhandener Vakuumpumpen abgesaugt werden.The Procedure allows a quick and safe response to leaking coolant because the associated increase in pressure measured in the chamber and as trigger for one Emergency shutdown of the liquid flow is used. In this way, the volume of coolant remains, the worst case can still get into the melt on the Volume limited, at the time of the emergency shutdown is still in the lines of the cooling system has found. It is usually too low to cause another explosion trigger to be able to and can by means of usually be sucked existing vacuum pump.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Messung des Drucks in der Kammer als Indikator für eine Undichtigkeit des Kühlsystems ist wesentlich zuverlässiger, als beispielsweise eine Messung der Differenz des Durchflusses von zu- und abgeführter Kühlflüssigkeit. Letztere reagiert auch auf Schwebstoffe oder Blasen, die von der Kühlflüssigkeit mitgeführt werden, so dass vergleichsweise hohe Toleranzen hingenommen werden müssen, um Fehlabschaltungen zu vermeiden. Ein Druckanstieg in der Kammer weist hingegen in der Regel immer auf eine undichte Kühlleitung hin und kann mittels eines Druckaufnehmers (Drucksensors) mit hoher Genauigkeit mitverfolgt werden. Erfindungsgemäß wird in Bezug auf den Druck in der Kammer ein Schwellenwert definiert, bei dessen Überschreitung eine Notabschaltung des Kühlsystems erfolgt, indem der Zulauf von Kühlflüssigkeit gesperrt wird. Der Schwellenwert wird vorzugsweise so gewählt, dass er im Bereich von 10 bis 20 mbar über dem außerhalb der Kammer herrschenden Druck, in der Regel dem Atmosphärendruck, liegt.The proposed according to the invention Measurement of the pressure in the chamber as an indicator of a leak in the cooling system is much more reliable, as for example a measurement of the difference of the flow of incoming and outgoing Coolant. The latter also responds to suspended matter or bubbles that are released from the coolant be carried along so that comparatively high tolerances must be accepted in order to To avoid false shutdowns. A pressure increase in the chamber points however, usually always on a leaky cooling line and can by means of a pressure transducer (pressure sensor) followed with high accuracy become. According to the invention is in Regarding the pressure in the chamber defines a threshold at its exceeding an emergency shutdown of the cooling system takes place by the inflow of cooling liquid is locked. The threshold is preferably chosen so that he ranged in the range of 10 to 20 mbar above the outside of the chamber Pressure, usually atmospheric pressure, lies.

Zur Erhöhung der Ausfallsicherheit der Druckmessung ist es ferner bevorzugt, den Druck mit mindestens zwei Druckaufnehmern zu messen, die unabhängig voneinander arbeiten. Besonders bevorzugt ist es, darüber hinaus noch eine Notabschaltung des Flüssigkeitsstromes vorzusehen, die nicht in Folge der Druckmessung ausgelöst wird, sondern durch das Öffnen eines Überdruckventils. Damit ist sichergestellt, dass selbst beim Ausfall der redundant ausgeführten Druckmessung eine Notabschaltung erfolgt. Das Überdruckventil spricht vorzugsweise bei einem Druck an, der im Bereich von 40 bis 50 mbar über dem außerhalb der Kammer herrschenden Druck, in der Regel dem Atmosphärendruck, liegt.to increase the reliability of the pressure measurement, it is also preferred to measure the pressure with at least two pressure transducers, which are independent of each other work. It is particularly preferred, moreover, an emergency shutdown of liquid flow which is not triggered as a result of the pressure measurement, but by opening a pressure relief valve. This ensures that even in the event of a failure the redundant executed Pressure measurement is an emergency shutdown. The pressure relief valve preferably speaks at a pressure in the range of 40 to 50 mbar above the outside the chamber prevailing pressure, usually the atmospheric pressure, lies.

Nach einer Notabschaltung sollte verhindert werden, dass der Flüssigkeitsstrom unabsichtlich wieder in Gang gesetzt werden kann, beispielsweise durch eine Sicherheitsschaltung (sicherheitsgerichtete Bauteile innerhalb einer Kontrolleinheit), die eine Inbetriebnahme des Kühlsystems nur gestattet, wenn eine Überprüfung des Systems erfolgt ist und das System wieder freigeschaltet wird.To An emergency shutdown should prevent the fluid flow unintentionally restarted, for example by a safety circuit (safety-related components within a control unit), which is a commissioning of the cooling system only permitted if a review of the System is done and the system is re-enabled.

Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe einer Figur an einem Beispiel näher erläutert.The Invention will be described below with reference to a figure by way of example explained in more detail.

Die Figur zeigt die aus der EP 725 169 A1 bekannte Kammer 1, die einen mit schmelzflüssigem Halbleitermaterial 2 gefüllten Tiegel 3 beherbergt. Der Tiegel 3 und ein ihn stützender Suszeptor 4 werden von einer drehbaren und axial beweglichen Welle 5 getragen. Seitlich des Tiegels 3 befinden sich Heizelemente 6, die zum Schmelzen des Halbleitermaterials eingesetzt werden. Der stabförmige Einkristall 7, der aus der Schmelze 2 gezogen wird, ist von einem Hitzeschild 8 umgeben. Der Hitzeschild 8 besteht aus einem Rohr, das koaxial zum Einkristall angeordnet ist und bis nahe an die Oberfläche der Schmelze heranreicht. Des Weiteren ist im gezeigten Beispiel ein zweiteiliges Kühlsystem zum Kühlen des Einkristalls vorgesehen. Den oberen Teil des Kühlsystems bildet eine Leitung 9a, die von einer Kühlflüssigkeit, vorzugsweise Wasser, durchströmt wird. Die Kühlflüssigkeit tritt durch einen Zulauf 10 in die Leitung 9a ein und verlässt sie wieder durch den Rücklauf 11. Der mit der Leitung flächig in Kontakt stehende Kühlkörper 9b ist aus einem hitzebeständigen, gut wärmeleitenden Feststoff gefertigt. Er bildet den unteren, bis nahe an die Oberfläche der Schmelze weisenden Teil des Kühlsystems. Der durch die Leitung fließende Flüssigkeitsstrom wird von einem zentralen Versorgungssystem 13 (Zulauf) entnommen und kann über Ventile 14, 14a abgetrennt werden. Eine Rückströmung von Kühlmittel aus dem zentralen Versorgungssystem 13a (Rücklauf) wird durch Rückflussverhinderer 15, 15a gesperrt. Zur Erhöhung der Ausfallsicherheit sind sowohl die Abschaltventile 14, 14a wie auch die Rückflussverhinderer 15, 15a in doppelter Ausführung vorhanden. Eine Messeinrichtung umfassend zwei Druckaufnehmer 16, 16a überwacht den Druck in der Kammer. Tritt in Folge einer Undichtigkeit der Leitung Kühlflüssigkeit aus, registrieren die Druckaufnehmer 16, 16a einen Druckanstieg. Sobald der Kammerdruck über den festgelegten Schwellenwert gestiegen ist, werden die Abschaltventile 14, 14a von einer Kontrolleinheit 19 geschlossen und damit der Zulauf von Kühlflüssigkeit gesperrt. Für den Fall, dass beide Druckaufnehmer ausfallen und der Druck in der Kammer weiter ansteigt, öffnet sich schließlich ein Überdruckventil 17, das mit einem Schalter 18 gekoppelt ist. Die Druckaufnehmer 16, 16a, der Schalter 18 des Überdruckventils 17 und die Abschaltventile 14, 14a sind mit der Kontrolleinheit 19 verbunden, die das von den Druckaufnehmern 16, 16a oder dem Schalter 18 des Überdruckventils 17 übermittelte Signal umsetzt und das Abschalten der Ventile 14, 14a auslöst. Ein unabsichtliches Wiedereinschalten des Kühlmittelstromes wird durch diese Kontrolleinheit 19 verhindert.The figure shows the from the EP 725 169 A1 known chamber 1 One with molten semiconductor material 2 filled crucible 3 houses. The crucible 3 and a susceptor supporting it 4 be of a rotatable and axially movable shaft 5 carried. Side of the crucible 3 there are heating elements 6 , which are used for melting the semiconductor material. The rod-shaped single crystal 7 that melted out 2 being pulled is from a heat shield 8th surround. The heat shield 8th consists of a tube that is coaxial with the single crystal and is located close to the surface of the Melt reaches. Furthermore, in the example shown, a two-part cooling system is provided for cooling the single crystal. The upper part of the cooling system forms a pipe 9a , which is flowed through by a cooling liquid, preferably water. The cooling liquid passes through an inlet 10 into the pipe 9a and leaves again through the return 11 , The area in contact with the cooling body heat sink 9b is made of a heat-resistant, highly thermally conductive solid. It forms the lower part of the cooling system, which points almost to the surface of the melt. The liquid flow flowing through the conduit is from a central supply system 13 (Inlet) taken and can via valves 14 . 14a be separated. A backflow of coolant from the central supply system 13a (Rewind) is by backflow preventer 15 . 15a blocked. To increase the reliability, both the shut-off valves 14 . 14a as well as the backflow preventers 15 . 15a available in duplicate. A measuring device comprising two pressure transducers 16 . 16a monitors the pressure in the chamber. If coolant escapes as a result of a line leak, the pressure transducers register 16 . 16a a pressure increase. Once the chamber pressure has risen above the set threshold, the shut-off valves become 14 . 14a from a control unit 19 closed and thus blocked the inflow of coolant. In the event that both pressure transducers fail and the pressure in the chamber continues to rise, finally opens a pressure relief valve 17 that with a switch 18 is coupled. The pressure transducer 16 . 16a , the desk 18 the pressure relief valve 17 and the shut-off valves 14 . 14a are with the control unit 19 connected to that of the pressure transducers 16 . 16a or the switch 18 the pressure relief valve 17 transmits transmitted signal and switching off the valves 14 . 14a triggers. An inadvertent reconnection of the coolant flow is through this control unit 19 prevented.

Claims

A process for producing a single crystal in which the monocrystal is grown in a chamber from a melt and cooled by means of a liquid stream, characterized in that a pressure in the chamber is measured and the liquid flow is stopped if the pressure exceeds a threshold value.

Method according to claim 1, characterized in that that the threshold is in the range of 10 to 20 mbar above a outside the chamber prevailing pressure lies.

A method according to claim 1 or claim 2, characterized characterized in that the internal pressure with at least two measuring systems is measured independently work from each other.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized that the liquid flow with Help of a pressure relief valve is turned off if the pressure measurement fails.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized that prevents unintentional start the parked liquid flow becomes.

Method according to one of claims 1 to 5, characterized that the single crystal is cooled with water.

Device for producing a single crystal a melt comprising a chamber for growing the single crystal cooling system for cooling the Single crystal by means of a liquid flow, characterized by a measuring device for measuring the pressure in the chamber and to transmit one Shutdown signal, and by a control unit for switching off the liquid flow upon receipt of a shutdown signal.

Device according to claim 7, characterized in that that the measuring device comprises at least two pressure sensors, the independent from each other measure the pressure in the chamber and if exceeded a threshold value to transmit a shutdown signal to the control unit.

Apparatus according to claim 7 or claim 8, characterized through a pressure relief valve, that when opening a shutdown signal is transmitted to the control unit.

Device according to one of claims 7 to 10, characterized by means that prevent the flow of liquid after shutdown unintentionally be restarted.

Device according to one of claims 7 to 11, characterized through non-return valves, the one afterflow of coolant from a central supply system after switching off the liquid flow prevent.