DE112009000526T5

DE112009000526T5 - Einkristallherstellungsvorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls

Info

Publication number: DE112009000526T5
Application number: DE112009000526T
Authority: DE
Inventors: Takao Annaka-shi ABE
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2008-03-24
Filing date: 2009-02-17
Publication date: 2011-02-17
Anticipated expiration: 2029-02-18
Also published as: US20100319610A1; CN101970728A; JP5186970B2; KR101540225B1; KR20110003322A; WO2009118993A1; CN101970728B; JP2009227520A; DE112009000526B4; US8741059B2

Abstract

Einkristallherstellungsvorrichtung auf der Grundlage des Czochralski-Verfahrens, mindestens umfassend:
eine Hauptkammer, die so ausgelegt ist, dass sie Heißzonenbauelemente, die einen Tiegel umfassen, aufnimmt, und
eine Ziehkammer, die zum Aufnehmen und Herausnehmen eines Einkristalls, der aus der im Tiegel enthaltenen Rohstoffschmelze gezogen wird, ausgelegt ist;
wobei die Vorrichtung weiter umfasst: ein Kühlrohr, das über dem Tiegel angeordnet ist und in dem ein Kühlmittel zirkulieren gelassen wird, und einen Bewegungsmechanismus, der das Kühlrohr nach oben und unten bewegt; und
die Heißzonenbauelemente abgekühlt werden, indem der Bewegungsmechanismus verwendet wird, um das Kühlrohr nachdem Züchten des Einkristalls nach unten zum Tiegel hin zu bewegen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einkristallherstellungsvorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls, mit denen man einen Einkristall mit großem Durchmesser, zum Beispiel mit einem Durchmesser von ungefähr 200 mm (8 Zoll) oder mehr, mittels des Czochralski-Verfahrens (das nachfolgend auch als CZ-Verfahren bezeichnet wird) hochziehen und dann ein Heißzonenbauelement kühlen kann.
STAND DER TECHNIK
Um die Leistung zu verbessern und die Herstellungskosten eines Halbleiterbauelements, wie beispielsweise einer Solarzelle oder eines MOS(Metall-Oxid-Halbleiter)-Transistors, zu verringern, ist in den letzten Jahrender Durchmesser eines Wafers, der zum Beispiel aus Silizium, das als Substrat verwendet wird, ausgebildet ist, immer weiter vergrößert worden. Daher wird ein Einkristallblock hergestellt, der zum Beispiel mittels des CZ-Verfahrens gezüchtet wird und einen Durchmesser von 200 mm (8 Zoll) oder einen Durchmesser von 300 mm (12 Zoll) aufweist, so dass der Durchmesser größer und das Gewicht höher wird.
Ein solcher Einkristallblock wird zum Beispiel mittels einer Einkristallherstellungsvorrichtung produziert, die in der 2 gezeigt ist. Die 2 ist eine schematische Ansicht, die eine allgemeine Einkristallherstellungsvorrichtung, die im CZ-Verfahren verwendet wird, zeigt.
Diese allgemeine Einkristallherstellungsvorrichtung 20 ist eine Vorrichtung zum Züchten eines Einkristalls 31 aus einer Rohstoffschmelze 30 auf der Grundlage des CZ-Verfahrens, und sie ist so ausgelegt, dass sie in einer Hauptkammer 21 einen Tiegel 23, der die Rohstoffschmelze 30 enthält, die durch das Schmelzen eines Polykristall-Rohstoffs erhalten wird, eine Heizeinrichtung 25, die um den Tiegel 23 herum vorgesehen ist, und ein wärmeisolierendes Material 26, das um die Heizeinrichtung 25 herum vorgesehen ist, aufnimmt.
Insbesondere werden Bauelemente, wie der Tiegel 23, die Heizeinrichtung 25 und das wärmeisolierende Material 26, die erwärmt werden, als Heißzonenbauelemente bezeichnet.
Eine Ziehkammer 22, die zum Aufnehmen und Herausnehmen eines gezogenen Einkristalls 31 ausgelegt ist, ist mit einem oberen Ende der Hauptkammer 21 verbunden. Weiter ist ein Schieberventil 28, das einen Öffnungsabschnitt am oberen Ende der Hauptkammer 21 öffnet/schließt, zwischen dem oberen Endabschnitt der Hauptkammer 21 und der Ziehkammer 22 vorgesehen. Außerdemist ein Einkristall-Ziehmechanismus (nicht gezeigt), der so ausgelegt ist, dass ein Draht 34 mit einem Impfhalter 33, der an dessen einem Ende angebracht ist, aufgewickelt ist, über der Ziehkammer 22 vorgesehen.
Zur Verwendung einer solchen Einkristallherstellungsvorrichtung 20 zur Herstellung des Einkristalls 31 ist ein Impfkristall 32 an einem Ende des Impfhalters 33 gehalten, und der Impfkristall 32 wird in die Rohstoffschmelze 30 eingetaucht und unter Drehen sanft nach oben gezogen, um den stabförmigen Einkristall 31 wachsen zu lassen.
Dabei wird ein Edelgas, wie beispielsweise Ar, in der Kammer zirkulieren gelassen, während eine Vakuumevakuierung durchgeführt wird, um ein Oxid, das von der Schmelzoberfläche verdampft, auszutragen.
Wenn das Ziehen des Einkristalls abgeschlossen ist, wird die Heizeinrichtung abgestellt, das Schieberventil geschlossen und der Einkristall, der in der Ziehkammer aufgenommen ist, herausgenommen. Weiter wird, nachdem die Heißzonenbauelemente abgekühlt sind, der Druck in der Kammer wieder auf Normaldruck eingestellt, und dann werden die Heißzonenbauelemente in der Hauptkammer abmontiert. Wenn das Abmontieren der Heißzonenbauelemente abgeschlossen ist, werden ein Reinigungsvorgang, ein Austausch und anderes durchgeführt, danach die Heißzonenbauelemente wieder zusammengebaut, ein Zusammenbauen der Kammern, ein Einlegen des Rohstoffs, ein Vakuumiervorgang und ein Schmelzen eines Polykristall-Rohstoffs durchgeführt, und es wird ein neuer Einkristall hochgezogen.
Bei einer solchen Herstellung des Einkristalls auf der Grundlage des CZ-Verfahrens wird zum Erzielen einer Verbesserung der Produktivität und zur Verringerung der Kosten das Ansteigen der Einkristallwachstumsrate als ein großes Mittel angesehen, um bei herkömmlichen Beispielen viele Verbesserungen zu erzielen. Allerdings umfasst ein Betriebszyklus zur Herstellung eines Einkristalls auf der Grundlage des CZ-Verfahrens das Ziehen des Einkristalls und die obigen vielen Schritte außer dem Ziehen, und weiter ist das weitgehende Reduzieren der Ziehdauer unter den bestehenden Umständen schwer. Daher wird in Betracht gezogen, dass eine Verringerung der Prozesszeit für die Schritte außer dem Ziehen des Einkristalls für das Verbessern der Betriebswirksamkeit, d. h. für das Verbessern der Arbeitsgeschwindigkeit der Einkristallherstellungsvorrichtung zum Steigern der Produktivität wichtig ist.
Mit Ausnahme des Einkristall-Ziehschritts sind die Spannen des Schmelzens des Rohstoff-Polykristalls vor dem Ziehen des Einkristalls und der Kühldauer der Heißzonenbauelementelang. Die Kühldauer der Heißzonenbauelemente wird auf der Grundlage eines Zustands bestimmt, bei dem Karbonelemente, wie beispielsweise die Heizeinrichtung, abgekühlt werden, so dass sie nicht verschleißen, obwohl sie mit dem Sauerstoff in der Luft in Kontakt sind, wenn der Druck in der Hauptkammer wieder auf Normaldruck eingestellt wird. Selbst beim Herstellen eines Einkristalls mit einem Durchmesser von 200 mm (8 Zoll) und einer geraden Körperlänge von 1 m, die sich etabliert hat, erreicht diese Kühldauer beim natürlichen Abkühlen ungefähr 8 Stunden, und dauert damit etwas weniger als die halbe Prozesszeit der Schritte außer dem Ziehen.
Die Kühldauer der Heißzonenbauelemente entspricht genau die Ruhezeit der Einkristallherstellungsvorrichtung. Daher wird diese Abkühlzeit schließlich ein Grund für die beträchtliche Reduzierung der Arbeitsgeschwindigkeit der Einkristallherstellungsvorrichtung. Das Erfordernis eines größeren Einkristalldurchmessers weist nicht auf eine Verlangsamung hin, und die Herstellung eines großen Einkristalls mit einem Durchmesser von 300 mm (12 Zoll) oder mehr wird oft durchgeführt. In diesem Fall wird die Wärmekapazität jedes Heißzonenbauelements über die gegenwärtige Kapazität hinaus stark erhöht, und die Kühldauer wird dadurch verlängert, und eine Verringerung der Arbeitsgeschwindigkeit der Vorrichtung aufgrund einer Verlängerung der Kühldauer wird zu einem ernsteren Problem.
Die Druckschrift der internationalen Veröffentlichung Nr. WO 01/057293 offenbart eine Konfiguration, bei der ein Kühlzylinder und ein Kühlhilfselement, die so ausgelegt sind, dass sie einen Einkristall direkt nach dem Ziehen kühlen, so angeordnet sind, dass sie den gezogenen Einkristall umgeben. Da allerdings der Kühlzylinder von einer Rohstoffschmelze, die in einem Tiegel verbleibt, abgesondert ist, trägt diese Konfiguration kaum zu einer Verringerung der Kühldauer jedes Heißschmelzbauelements nach dem Ende des Ziehens des Einkristalls bei.
Weiterhin wird in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 9-235173 (KOKAI) als Verfahren zum Kühlen von Heißzonenbauelementen nach dem Ziehen eines Einkristalls die Kühldauer der Heißzonenbauelemente durch Zirkulation eines Edelgases mit einer üblichen Temperatur oder einer niedrigeren Temperatur in der Hauptkammer reduziert, wodurch die Arbeitsgeschwindigkeit einer Einkristallherstellungsvorrichtung verbessert wird.
Allerdings hat ein Einkristall, der auf der Grundlage der Technologie dieser Zeit hergestellt wird, einen Durchmesser von ungefähr 200 mm und eine gerade Körperlänge von ungefähr 70 cm, und ein Polykristall-Rohstoff, der zur Herstellung des Einkristalls erforderlich ist, hat ein Gewicht von ungefähr 200 kg; heutzutage ist aber die gerade Körperlänge des herzustellenden Einkristalls zur Verbesserung der Ziehwirksamkeit höher, und das Gewicht des erforderlichen Polykristall-Rohstoffs wird auch auf ungefähr 300 kg angehoben.
Wie oben beschrieben, werden die Heißzonenbauelemente, die den Tiegel umfassen, größer und ihre Wärmekapazitäten steigen auch mit der Menge des Polykristall-Rohstoffs, der zur Rohstoffschmelze geschmolzen wird.
Daher kann nicht gesagt werden, dass die Übernahme eines Verfahrens zum Zirkulierenlassen eines Gases mit einer üblichen Temperatur oder einer niedrigeren Temperatur in der Kammer wie bei der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 9-235173 (KOKAI) allein ausreicht, um die Heißzonenbauelemente mit erhöhten Wärmekapazitäten in kurzer Zeit zu kühlen, und es ist eine weitere Reduzierung der Kühldauer geboten.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung erfolgte, um die oben erwähnten Probleme zu lösen, und ihre Aufgabe ist es, eine Einkristallherstellungsvorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls zur Verfügung zu stellen, mit denen ein Heißzonenbauelement in einer Hauptkammer in kurzer Zeit nach dem Ziehen eines Einkristalls mit großem Durchmesser, zum Beispiel etwa 200 mm oder mehr, gekühlt werden kann.
Um die obige Aufgabe zu erzielen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Einkristallherstellungsvorrichtung auf der Grundlage des Czochralski-Verfahrens zur Verfügung gestellt, mindestens umfassend: eine Hauptkammer, die so ausgelegt ist, dass sie Heißzonenbauelemente, die einen Tiegel umfassen, aufnimmt; und eine Ziehkammer, die zum Aufnehmen und Herausnehmen eines Einkristalls, der aus einer im Tiegel enthaltenen Rohstoffschmelze gezogen wird, ausgelegt ist, wobei die Vorrichtung weiter umfasst: ein Kühlrohr, das über dem Tiegel angeordnet ist und in dem ein Kühlmedium zirkulieren gelassen wird; und einen Bewegungsmechanismus, der das Kühlrohr nach oben und nach unten bewegt, und die Heißzonenbauelemente abgekühlt werden, indem der Bewegungsmechanismus verwendet wird, um das Kühlrohr nach dem Züchten des Einkristalls nach unten zum Tiegel hin zu bewegen.
Weiter wird ein Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls auf der Grundlage des Czochralski-Verfahrens zur Verfügung gestellt, mindestens umfassend: den Schritt des Schmelzens eines Rohstoffs, der in einen Tiegel gegeben wurde; den Schritt des Züchtens eines Einkristalls aus der Rohstoffschmelze und das Aufnehmen des Einkristalls in der Ziehkammer; und den Schritt des Kühlens der Heißzonenbauelemente in der Hauptkammer, die den Tiegel umfasst, wobei der Schritt des Kühlens der Heißzonenbauelemente das Zirkulierenlassen eines Kühlmediums in einem Kühlrohr, das über dem Tiegel angeordnet ist, und das Bewegen des Kühlrohrs zum Tiegel hin nach unten zum Kühlen der Heißzonenbauelemente umfasst.
Wie oben beschrieben, wird gemäß der vorliegenden Erfindung im Fall des Kühlens der Heißzonenbauelemente nach dem Züchten des Einkristalls auf der Grundlage des Czochralski-Verfahrens, wenn das Kühlmedium im Kühlrohr, das über dem Tiegel angeordnet ist, zirkulieren gelassen wird, das Kühlrohr nach unten zum Tiegel hin bewegt und so gelassen und die Heißzonenbauelemente werden durch Strahlungskühlung gekühlt. Demgemäß können die Heißzonenbauelemente sicher gekühlt werden und sogar die Kühldauer für die Heißzonenbauelemente kann nach dem Ziehen des Einkristalls mit großem Durchmesser, zum Beispiel ungefähr 200 mm oder mehr, im Vergleich zu einem herkömmlichen Kühlverfahren, zum Beispiel dem natürlichen Kühlen, dem Kühlen mit einem Kühlzylinder zum Kühlen eines Einkristalls und dem Kühlen auf der Grundlage der Zirkulation eines Gases mit einer üblichen Temperatur oder einer niedrigeren Temperatur in der Hauptkammer, weitgehend reduziert werden. Daher kann die Arbeitsgeschwindigkeit der Einkristallherstellungsvorrichtung enorm verbessert werden, wodurch die Rentabilität des Einkristalls verbessert wird.
In diesem Fall ist es bevorzugt, dass das Kühlrohr durch Winden eines fugenlosen Rohrs in Ringform in mehreren Umdrehungen erhalten wird, und es ist auch bevorzugt, dass das Kühlrohr, das durch Winden eines fugenlosen Rohrs in Ringform in mehreren Umdrehungen erhalten wurde, verwendet wird.
Wenn wie oben beschrieben das Kühlrohr, das zum Kühlen der Heißzonenbauelemente verwendet wird, durch Winden des fugenlosen Rohrs in mehreren Umdrehungen in eine Ringform erhalten wird, leckt das Kühlmedium kaum aus dem Kühlrohr, und die Möglichkeit, dass das Innere der Hauptkammer mit dem Kühlmedium verunreinigt wird, wird reduziert.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass das Rohr ein Kupferrohr ist, und auch bevorzugt, dass das Kupferrohr als Rohr verwendet wird.
Wenn das Kupferrohr als Rohr verwendet wird, das auf diese Weise das Kühlrohr bildet, da Kupfer eine gute thermische Leitfähigkeit hat, kann die Atmosphäre in der Hauptkammer, die mit dem Kühlrohr in Kontakt ist, schnell gekühlt werden, und die Heißzonenbauelemente können in kurzer Zeit gekühlt werden.
Darüber hinaus kann in der vorliegenden Erfindung das Kühlrohr in einer Kühlkammer angebracht werden, die mit der Ziehkammer ausgetauscht werden kann. Beim Schritt des Kühlens der Heißzonenbauelemente kann die Kühlkammer, an der das Kühlrohr angebracht ist, über der Hauptkammer angeordnet werden, indem die Ziehkammer ersetzt wird, und das Kühlrohr kann nach unten zum Tiegel hin bewegt werden.
Wie oben beschrieben wird das Kühlrohr in der Kühlkammer angebracht, die mit der Ziehkammer ausgetauscht werden kann, und wenn diese Kühlkammer über der Hauptkammer angeordnet ist und das Kühlrohr nach unten zum Tiegel hin bewegt wird, können keine Behinderungen beim Einkristallziehen oder ein Einfluss durch Kontamination des Einkristalls aufgrund des Anbringens des Kühlrohrs in der Kammer, die nicht die Ziehkammer ist, auftreten.
Dabei ist es bevorzugt, dass die Kühlkammer eine Gaseinführöffnung umfasst, von der ein Kühlgas eingeführt wird, und es ist auch bevorzugt, dass beim Schritt des Kühlens der Heißzonenbauelemente ein Kühlgas in der Hauptkammer zirkulieren gelassen wird.
Wenn die Gaseinführöffnung in der Kühlkammer, die mit der Ziehkammer ausgetauscht werden kann, vorgesehen ist und das Kühlgas in der Hauptkammer zusätzlich zum Kühlen mit dem Kühlgas im oben beschriebenen Kühlschritt zirkulieren gelassen wird, kann das Kühlen der Heißzonenbauelemente weiter beschleunigt werden.
Darüber hinaus ist es gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt, einen Wärmetauscher einzurichten, der so ausgelegt ist, dass er das Kühlmedium zwangskühlt, und es ist auch bevorzugt, dass das Kühlmedium durch den Wärmeaustauscher zwangsgekühlt wird.
Da das Kühlmedium, das im Kühlrohr zirkuliert, die Wärme absorbiert, die von den Heißzonenbauelementen abgestrahlt wird, wenn es durch die Hauptkammer strömt, ermöglicht die Zwangskühlung des erwärmten Kühlmediums durch den Wärmetauscher trotz des Zirkulierens des Kühlmediums die weitere Reduzierung der Kühldauer der Heißzonenbauelemente, wodurch die Kosten reduziert werden.
Außerdem ist es bevorzugt, das Kühlrohr so nach unten zu bewegen, dass es im Schritt des Kühlens der Heißzonenbauelemente in den Tiegel gelangt.
Wenn das Kühlrohr so nach unten bewegt wird, dass es beim Kühlen der Heißzonenbauelement ein den Tiegel gelangt, kann eine maximale Strahlungskühlwirkung vom Kühlrohr ausgeübt werden.
Die Einkristallherstellungsvorrichtung und das Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglichen das starke Kühlen der Heißzonenbauelemente im Vergleich zu einem herkömmlichen Kühlverfahren, wodurch die Zeit stark verkürzt wird, die nach dem Ziehen eines Einkristalls mit großem Durchmesser, z. B. etwa 200 mm oder mehr, für das Kühlen der Heißzonenbauelemente mit hohen Wärmekapazitäten erforderlich ist, das Verbessern der Arbeitsgeschwindigkeit der Einkristallherstellungsvorrichtung und das Erhöhen der Produktivität bei der Herstellung des Einkristalls.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 sind schematische Ansichten, die eine erste Ausführungsform einer Einkristallherstellungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen, worin (A) die Vorrichtung während des Züchtens eines Einkristalls zeigt, und (B) die Vorrichtung beim Schritt des Kühlens der Heißzonenbauelemente zeigt;
2 ist eine schematische Ansicht, die eine allgemeine Einkristallherstellungsvorrichtung zeigt, die im CZ-Verfahren verwendet wird;
3 ist eine Ansicht, die ein Messergebnis einer Temperatur eines Tiegels zeigt, bei dem es sich in jedem der Beispiele und Vergleichsbeispiele um ein Heißzonenbauelement handelt;
4 sind schematische Ansichten, die eine zweite Ausführungsform der Einkristallherstellungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen, worin (A) die Vorrichtung während des Züchtens eines Einkristalls zeigt, und (B) die Vorrichtung beim Schritt des Kühlens der Heißzonenbauelemente zeigt; und
5 sind Draufsichten auf die 4, worin (A) und (B) Ansichten sind, die mit 4(A) bzw. 4(B) verbunden sind.
BESTE(S) VERFAHREN ZUR DURCHFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Wenn zum Beispiel ein zu züchtender Einkristall eine gerade Körperlänge von etwa 1 m und einen Durchmesser von etwa 200 mm hat, wird davon ausgegangen, dass zum Züchten des Einkristalls eine Wachstumszeit von 24 Stunden erforderlich ist. Bei der Herstellung eines solchen Einkristalls muss ein Rohstoff-Polykristall vor dem Züchten des Einkristalls geschmolzen werden, und die Zeit, die für diesen Schritt erforderlich ist, beträgt ungefähr 12 Stunden. Außerdem gibt es nach dem Züchten des Einkristalls Schritte zum Kühlen von Heißzonenbauelementen, die in der Hauptkammer angebracht sind, des Ausbauens und Reinigens der Heißzonenbauelemente und des Einfüllens eines Rohstoffs zum Züchten des nächsten Einkristalls, und diese Schritte erfordern insgesamt ungefähr 12 Stunden. In diesem Zeitraum erfordert das Kühlen der Heißzonenbauelemente unter natürlichem Kühlen ungefähr 8 Stunden.
Wie oben beschrieben ist mit einem Anstieg des Durchmessers und des Gewichts des Einkristalls auch die Menge des zu schmelzenden Rohstoff-Polykristalls gestiegen. Da es unmöglich ist, einen Anstieg der Wärmekapazitäten der Heißzonenbauelemente über ein herkömmliches Kühlverfahren zu bewältigen, ist daher eine weitere Verringerung der Kühldauer gefordert worden.
Der vorliegende Erfinder hat sich mit einem herkömmlichen Verfahren zum Kühlen jedes Heißzonenbauelements befasst. Gewöhnlich werden nach dem Züchten des Einkristalls die Heißzonenbauelemente im rotglühenden Zustand (z. B. ungefähr 800°C im Fall der Tiegeltemperatur) stehen gelassen, bis sie natürlich auf etwa 50°C abgekühlt sind, oder ist ein Kühlzylinder zum Kühlen des Einkristalls während des Züchtens ständig über einem Quarztiegel angeordnet, und zwar sogar nach dem Züchten des Einkristalls, um das Kühlen der Heißzonenbauelemente zu erleichtern. Weiterhin gibt es auch ein Kühlverfahren, das eine Konvektionskühlung verwendet, z. B. das Strömen eines Gases mit einer üblichen Temperatur oder einer niedrigeren Temperatur durch die Hauptkammer. Allerdings handelt es sich bei allen Verfahren um Methoden, die nicht aktiv genug sind, um die Heißzonenbauelemente drastisch zu kühlen.
Daher hat der vorliegende Erfinder wiederholt und intensiv Untersuchungen durchgeführt, um ein anderes Verfahren zum aktiven Erleichtern des Kühlens der Heißzonenbauelemente als das Verfahren mittels natürlicher Kühlung oder Konvektionskühlung zu finden. Als Ergebnis hat der vorliegende Erfinder ein Konzept zum Erleichtern der Abkühlgeschwindigkeit der Heißzonenbauelemente ersonnen, indem er Strahlungskühlmittel in die heiße Zone eingebaut hat und weiter einen idealen Kühlvorgang erzielt hat, und zwar durch Zirkulierenlassen eines Kühlmediums, wie beispielsweise von Kühlwasser, in einem Kühlrohr, durch Bewegen des Kühlrohrs nach unten zu einem Abschnitt, in dem die Heißzonenbauelemente gesammelt werden, und durch Anordnen des Kühlrohrsin der Nähe der Heißzonenbauelemente, wodurch die vorliegende Erfindung abgeschlossen ist.
Nachfolgend werden nun Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung genauer mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt.
Es wird nun eine Einkristallherstellungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung erläutert.
Die 1 sind schematische Ansichten, die eine erste Ausführungsform einer Einkristallherstellungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen, worin die 1(A) die Vorrichtung zur Zeit des Züchtens eines Einkristalls zeigt und die 1(B) die Vorrichtung zur Zeit des Kühlens der Heißzonenbauelemente zeigt.
Diese Einkristallherstellungsvorrichtung 10 wird beim Czochralski-Verfahren verwendet und umfasst im Allgemeinen eine Hauptkammer 11 und eine Ziehkammer 12; außerdem ist ein Schieberventil 18, das als Deckel zum Öffnen/Schließen eines Öffnungsabschnitts an einem oberen Ende der Hauptkammer 11 dient, zwischen diesen Kammern vorgesehen.
Die Hauptkammer 11 ist so ausgelegt, dass sie einen Tiegel 13 aufnimmt, der eine Rohstoffschmelze 9 enthält, die durch Schmelzen eines Polykristall-Rohstoffs erhalten wird, sowie eine Heizeinrichtung 15, die um den Tiegel 13 herum vorgesehen ist, um den Rohstoff-Polykristall zu schmelzen und die Temperatur der Rohstoffschmelze aufrechtzuerhalten, und ein wärmeisolierendes Material 16, das um die Heizeinrichtung 15 herum vorgesehen ist, um vor der Wärme abzuschirmen, die von der Heizeinrichtung abgestrahlt wird, und die Hauptkammer 11 zu schützen, wie in der 1(A) gezeigt.
Insbesondere wird ein Bereich mit einer hohen Temperatur aufgrund der Wärmeabstrahlung von der Heizeinrichtung während des Züchtens eines Einkristalls als heiße Zone bezeichnet, ein Bauelement, das in der heißen Zone rotglühend wird, wird als Heißzonenbauelement bezeichnet, und typische Beispiele für das Heißzonenbauelement sind zum Beispiel der Tiegel 13, die Heizeinrichtung 15 und das wärmeisolierende Material 16.
Die Ziehkammer 12 ist eine Kammer, die zum Aufnehmen und Herausnehmen eines Einkristalls 6, der aus der im Tiegel 13 enthaltenen Rohstoffschmelze 9 gezogen wird, ausgelegt ist.
Ein Einkristall-Ziehmechanismus 19, der einen Draht aufweist, ist über dieser Ziehkammer 12 angeordnet, und ein Impfkristall 5 kann an einem Ende des Ziehmechanismus 19 unter Verwendung eines Impfkristallhalters 17 gehalten werden.
Außerdem umfasst die Einkristallherstellungsvorrichtung 10 weiter ein Kühlrohr 1, in dem ein Kühlmedium zirkulieren gelassen wird und das über dem Tiegel 13 angeordnet ist, und einen Bewegungsmechanismus 3, der das Kühlrohr 1 nach oben und unten bewegt, wie in der 1(B) gezeigt ist.
Um zum Beispiel die vertikale Bewegung des Kühlrohrs 1 mittels des Bewegungsmechanismus 3 zu ermöglichen, kann das Kühlrohr nach oben und unten bewegt werden, indem ein Rohr 1a, das von außen mit dem Inneren der Ziehkammer 12 in Verbindung steht, mit dem Kühlrohr 1 durch ein flexibles Rohr 1b verbunden wird.
Es ist zu beachten, dass der Bewegungsmechanismus 3, der das Kühlrohr nach oben und unten bewegt, auch als Ziehmechanismus 19 fungieren kann, der den Einkristall zieht.
Im Hinblick auf den Betrieb einer solchen Einkristallherstellungsvorrichtung 10 werden nach dem Züchten des Einkristalls der gezogene Einkristall 6 und das Kühlrohr 1 ersetzt, zirkuliert das Kühlmedium im Kühlrohr 1, wird das Kühlrohr 1 nach unten zum Tiegel 13 hin bewegt und stoppt über der restlichen Rohstoffschmelze durch den Bewegungsmechanismus 3 und wird das Kühlen eingeleitet. Natürlich können das Kühlrohr 1 und der Bewegungsmechanismus 3 vorher in der Ziehkammer angebracht werden.
Wenn das Kühlmittel für die Heißzonenbauelemente weiter auf diese Weise in der Einkristallherstellungsvorrichtung angebracht wird, können die Heißzonenbauelemente sicher durch die Strahlungskühlwirkung des Kühlrohrs, das in der heißen Zone angeordnet ist, gekühlt werden, und es kann sogar die Kühldauer der Heißzonenbauelemente nach dem Ziehen des Einkristalls mit einem großen Durchmesser von z. B. etwa 200 mm oder mehr, weitgehend im Vergleich zu einem herkömmlichen Kühlverfahren, wie beispielsweise dem natürlichen Kühlen, dem Kühlen unter Verwendung eines Kühlzylinders zum Kühlen eines Einkristalls und dem Kühlen aufgrund der Zirkulation eines Gases mit üblicher Temperatur oder einer niedrigeren Temperatur in der Hauptkammer, verringert werden. Daher kann die Arbeitsgeschwindigkeit der Einkristallherstellungsvorrichtung stark verbessert werden, wodurch die Produktivität des Einkristalls erhöht wird.
Außerdem ist es bevorzugt, dass bei der Einkristallvorrichtung 10 das Kühlrohr 1 durch Winden eines fugenlosen Rohrs zu einer Ringform für mehrere Umdrehungen erhalten wird.
Wenn das Kühlrohr, das zum Kühlen der Heißzonenbauelemente verwendet wird, durch Winden des fugenlosen Rohrs für mehrere Umdrehungen in eine Ringform erhalten wird, leckt das Kühlmedium kaum aus dem Kühlrohr und die Möglichkeit, dass das Innere der Hauptkammer mit dem Kühlmedium kontaminiert wird, ist geringer.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass das Rohr des Kühlrohrs 1 aus einem Kupferrohr ausgebildet ist. Wenn das Material des Kühlrohrs daher Kupfer ist, kann ein Kühlrohr mit ausgezeichneter thermischer Leitfähigkeit vorgesehen werden, kann die Wärmeableitungswirkung verbessert werden und die Atmosphäre in der Hauptkammer, die sich mit dem Kühlrohr in Kontakt befindet, kann schnell abgekühlt werden.
Es ist zu beachten, dass das Kühlmedium, das im Kühlrohr zirkulieren gelassen wird, nicht besonders beschränkt ist, und es kann Kühlwasser, wie beispielsweise reines Wasser, sein. Zusätzlich ist zur Zwangskühlung dieses Kühlmediums, um die Kühlung der Heißzonenbauelemente weiter zu erleichtern, das Anbringen eines Wärmetauschers (nicht gezeigt) in der Einkristallherstellungsvorrichtung bevorzugt. Wenn das Kühlmedium durch das Kühlrohr mittels des Wärmetauschers zwangsgekühlt werden kann, der in der Einkristallherstellungsvorrichtung derart installiert ist, kann während des Kühlschritts eine Kühlwirkung beibehalten werden, selbst wenn das Kühlmedium zirkulieren gelassen wird, um wiederholt durch die heiße Zone geleitet zu werden. Daher kann die verwendete Gesamtkühlwassermenge verringert werden, was für die Kosten von Vorteil ist.
Weiter kann das Kühlrohr 1 in einer Kühlkammer 2 angebracht sein, die mit der Ziehkammer 12 ausgetauscht werden kann, wie in den 4 gezeigt ist.
Bei den 4 handelt es sich um schematische Ansichten, die eine zweite Ausführungsform der Einkristallherstellungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen. Die 4(A) zeigt die Vorrichtung beim Züchten eines Einkristalls, und die 4(B) zeigt die Vorrichtung beim Kühlen der Heißzonenbauelemente. Darüber hinaus sind die 5 Draufsichten auf die 4, und die 5(A) und die 5(B) sind mit der 4(A) bzw. 4(B) verknüpft.
Wie in den 4 und den 5 gezeigt ist, umfasst in der zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung eine Einkristallherstellungsvorrichtung 10 eine Kühlkammer 2, die sich von der Ziehkammer 12 unterscheidet, und ein Kühlrohr 1 ist in der Kühlkammer 2 angebracht. Diese Ziehkammer 12 und die Kühlkammer 2 können zum Beispiel durch eine Hydraulikeinheit 8 angetrieben werden.
Als Ergebnis kann nach dem Züchten des Einkristalls ein Kühlschritt durch einen einfachen Betrieb durchgeführt werden, d. h. das Schieberventil 18 wird geschlossen, um zu verhindern, dass die Hauptkammer 11 mit der Außenluft in Kontakt kommt, die Ziehkammer und die Kühlkammer werden ausgetauscht, das Schieberventil wird geöffnet und das Kühlrohr wird nach unten bewegt.
Darüber hinaus wird, da das Kühlrohr 1 nicht in der Ziehkammer 12 angebracht ist, das Kühlrohr während des Ziehens des Einkristalls nicht zu einem Hindernis, und der gezüchtete Einkristall wird nicht kontaminiert. Außerdem kann ein mühsamer Betrieb, d. h. ein Austausch des gezüchteten Einkristalls und des Kühlrohrs, unterbleiben.
Außerdem ist der Bewegungsmechanismus 3 so an dieser Kühlkammer 2 angebracht, dass ein Bewegen des Kühlrohrs 1 nach oben und unten möglich wird. Weiter ist es bevorzugt, dass eine Gaseinführöffnung 4 ausgebildet ist, von der ein Kühlgas eingeführt wird. Wenn die Gaseinführöffnung 4 an der Kühlkammer 2 ausgebildet ist, wobei hier das Kühlrohr 1 mit umfasst ist, kann eine Konvektionskühlwirkung, die durch das Kühlgas erhalten wird, das von der Gaseinführöffnung 4 eingeführt wird, zusätzlich zu einer Strahlungskühlwirkung für die Heißzonenbauelemente erwartet werden, die durch das Kühlrohr 1 erhalten wird. Daher kann das Kühlen der Heißzonenbauelemente weiter beschleunigt werden. Es ist zu beachten, dass eine Gasabgabeöffnung 14, von der das eingeführte Gas abgeleitet wird, an einem Bodenabschnitt der Hauptkammer vorgesehen ist.
Als Nächstes wird nun ein Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls mittels der oben beschriebenen Einkristallherstellungsvorrichtung nachfolgend beschrieben.
Zuerst wird in der Einkristallherstellungsvorrichtung 10, die in den 1 gezeigt ist, ein Rohstoff-Polykristall in den Tiegel 13 gegeben, und der Rohstoff-Polykristall wird mittels der Heizeinrichtung 15 geschmolzen, um die Rohstoffschmelze 9 zu erhalten, obwohl abhängig vom Schmelzen des Rohstoff-Polykristalls zum Beispiel im Fall eines Durchmessers von ungefähr 200 mm und einer geraden Körperlänge von ungefähr 1 m, ungefähr 300 kg Rohstoff-Polykristall verwendet wird.
Dann wird, wie in der 1(A) gezeigt ist, ein Impfkristall 5 mit der geschmolzenen Rohstoffschmelze 9 in Kontakt gebracht, um den Einkristall 6 auf der Grundlage des Czochralski-Verfahrens wachsen zu lassen. In diesem Moment wird der Einkristall 6 in einem Züchtverfahren mittels eines Kühlzylinders 7 abgekühlt, während er von der Hauptkammer 11 weg bewegt und in der Ziehkammer 12 aufgenommen wird. Außerdem ist der Einkristall 6, der die gewünschte Länge aufweist, vollständig in der Ziehkammer 12 aufgenommen, ist das Schieberventil 18 geschlossen, um die Hauptkammer 11 hermetisch abzudichten, und wird der gezüchtete Einkristall 6 aus der Ziehkammer 12 herausgenommen.
Anschließend wird das Kühlrohr 1 in der Ziehkammer 12 angebracht, und das Kühlmedium wird im Kühlrohr 1 zirkulieren gelassen, das über dem Tiegel 13 angeordnet ist. Zu dieser Zeit wird das Kühlrohr 1 durch das flexible Rohr 1b mit dem Rohr 1a verbunden, das von außen mit dem Inneren der Ziehkammer 12 in Verbindung steht, und es kann durch den Bewegungsmechanismus 3 nach oben und unten bewegt werden.
Darüber hinaus wird das Kühlrohr 1 durch den Bewegungsmechanismus 3 nach unten zum Tiegel 13 hin bewegt, um die Heißzonenbauelemente in der Hauptkammer 11 zu kühlen.
Wie oben beschrieben, kann im Fall des Kühlens der Heißzonenbauelemente nach dem Züchten des Einkristalls auf der Grundlage des Czochralski-Verfahrens, wenn das Kühlmedium im Kühlrohr zirkulieren gelassen wird, das über dem Tiegel angeordnet ist, das Kühlrohr nach unten zum Tiegel hin bewegt und dort gelassen werden, und die Heißzonenbauelemente werden durch Strahlungskühlung abgekühlt, die Heißzonenbauelemente können sicher gekühlt werden und sogar die Kühldauer der Heißzonenbauelemente nach dem Ziehen des Einkristalls mit großem Durchmesser, z. B. ungefähr 200 mm oder darüber, kann im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren, z. B. dem natürlichen Kühlen, dem Kühlen mit einem Kühlzylinder zum Kühlen eines Einkristalls und dem Kühlen auf der Grundlage der Zirkulation eines Gases mit einer üblichen Temperatur oder einer niedrigeren Temperatur in der Hauptkammer, stark reduziert werden. Daher kann die Arbeitsgeschwindigkeit der Einkristallherstellungsvorrichtung stark verbessert werden, und die Produktivität des Einkristalls kann erhöht werden.
Dabei ist es bevorzugt, dass das Kühlrohr 1 verwendet wird, das durch Winden eines fugenlosen Rohrs in eine Ringform für mehrere Umdrehungen erhalten wird.
Wenn das Kühlrohr zum Kühlen der Heißzonenbauelemente, das durch das Winden des fugenlosen Rohrs in die Ringform für mehrere Umdrehungen erhalten wird, verwendet wird, wie oben beschrieben, leckt das Kühlmedium kaum aus dem Kühlrohr, und die Möglichkeit, dass das Innere der Hauptkammer mit dem Kühlmittel kontaminiert wird, ist geringer.
Außerdem wird, wenn ein Kupferrohr als Rohr verwendet wird, die thermische Leitfähigkeit des Kühlrohrs ausgezeichnet, und die Wärmeableitungswirkung kann verbessert werden, um wirksam eine Strahlungskühlung im Hinblick auf die Atmosphäre in der Hauptkammer durchzuführen, die sich mit dem Kühlrohr in Kontakt befindet, wodurch die Heißzonenbauelemente in kurzer Zeit gekühlt werden.
Wenn weiter ein solches Kühlrohr 1 mittels des Bewegungsmechanismus 3 nach unten bewegt wird, ist es bevorzugt, dass das Kühlrohr nach unten bewegt wird, um in den Tiegel 13 zu gelangen, wie in der 1(B) gezeigt ist.
Wenn das Kühlrohr, um in den Tiegel zu gelangen, zur Zeit des Kühlens der Heißzonenbauelemente auf diese Weise nach unten bewegt wird, kann die Strahlungskühlwirkung vom Kühlrohr maximal ausgeübt werden.
Wenn weiter ein leichteres Kühlen der Heißzonenbauelemente erwünscht ist, kann die Kühlwirkung, die durch das Kühlmedium erhalten wird, während des Kühlschritts mittels des Wärmetauschers beibehalten werden, egal wie oft das Kühlmedium durch die heiße Zone strömt, um das Kühlmedium, das im Kühlrohr strömt, während es zirkulieren gelassen wird, zwangszukühlen, und diese Konfiguration ist auch im Hinblick auf die Kosten von Vorteil.
Es wird nun ein Kühlschritt beschrieben, bei dem die Ziehkammer und die Kühlkammer ausgetauscht werden, wie in den 4 und 5 gezeigt ist.
Wenn das Kühlrohr in der neuen Kühlkammer angebracht wird, ohne in der Ziehkammer angeordnet zu werden, wird nach dem Züchten des Einkristalls das Schieberventil 18 geschlossen und der Einkristall 6, der in der Ziehkammer 12 aufgenommen ist, wird herausgenommen. Außerdem wird, wie in den 5 gezeigt ist, die Hydraulikeinheit 8 verwendet, um die Ziehkammer 12 von oberhalb der Hauptkammer 11 zu entfernen, wird die Kühlkammer 2 in die Position verschwenkt, in der die Ziehkammer 12 angebracht ist und ist die Kühlkammer 2 über der Hauptkammer 11 angeordnet, um mit der Ziehkammer ausgetauscht zu werden, wodurch das Kühlrohr 1 über dem Tiegel 13 angeordnet wird (siehe die 5).
Dann wird das Kühlrohr 1 mittels des Bewegungsmechanismus 3 nach unten zum Tiegel 13 hin bewegt.
Wenn auf diese Weise die Kühlkammer durch die Ziehkammer über der Hauptkammer ausgetauscht wird, kann das Kühlrohr leicht über dem Tiegel angeordnet werden. Da das Kühlrohr 1 nicht in der Ziehkammer 12 angebracht ist, behindert das Kühlrohr nicht das Ziehen des Einkristalls und wird der gezüchtete Einkristall nicht kontaminiert.
Um weiterhin das Kühlen der Heißzonenbauelemente zu erleichtern, ist es bevorzugt, dass das Kühlgas in der Hauptkammer 11 von der Gaseinführöffnung 4, die in der Kühlkammer vorgesehen ist, die mit der Ziehkammer ausgetauscht werden kann, zirkulieren gelassen wird. Zusätzlich zu einer solchen Strahlungskühlung mittels des Kühlrohrs ermöglicht die Kombination der Konvektionskühlung unter Verwendung des Kühlgases eine weitere Beschleunigung des Kühlvorgangs der Heißzonenbauelemente. Die Konvektionskühlung mittels des Kühlgases kann auf natürliche Weise zusätzlich zur Strahlungskühlung durchgeführt werden, obwohl eine solche Kühlkammer, wie in den 1 gezeigt, nicht vorgesehen ist, und die Wirkung kann zur Anwendung kommen.
Es ist zu beachten, dass das Kühlgas, das von der Gaseinführöffnung 4 eingeführt wird, durch die Gasauslassöffnung 14 abgeleitet wird, die am Bodenabschnitt der Hauptkammer 11 in der Einkristallherstellungsvorrichtung vorgesehen ist. Weiter ist die Kühlgasart nicht besonders beschränkt, solange es sich dabei um ein Gas handelt, das das Innere der Einkristallherstellungsvorrichtung nicht kontaminiert, zum Beispiel kann dasselbe Gas, das beim Züchten des Einkristalls zirkulieren gelassen wird, verwendet werden. Als zur Verfügung stehendes Gas gibt es beispielsweise ein Argongas, bei welchem es sich um ein Edelgas handelt, oder ein Stickstoffgas. Ein einzuführendes Gas kann auf Raumtemperatur oder eine niedrigere Temperatur gekühlt werden.
Wenn dasselbe Gas wie das während des Züchtens des Einkristalls verwendete genommen wird, kann die mühsame Herstellung des Kühlgases oder die Anbringung einer zusätzlichen Vorrichtung unterbleiben.
Da sich außerdem im Kühlschritt die Rohstoffschmelze schnell verfestigt, obwohl das Kupferkühlrohr 1 mit der im Tiegel 13 verbliebenden Rohstoffschmelze 9 in Kontakt gelangt, reagiert es nicht mit dem Kupferkühlrohr 1.
Wenn darüber hinaus das Kühlen der Heißzonenbauelemente abgeschlossen ist, wird das Kühlrohr 1 durch den Bewegungsmechanismus 3 nach oben bewegt, werden die Heißzonenbauelemente gereinigt und ersetzt, wird der Rohstoff in den Tiegel gegeben und kehrt der Verarbeitungsablauf zum Schritt des Schmelzens des Rohstoff-Polykristalls zurück. Wenn im Kühlschritt die Kühlkammer verwendet wird, wird sie durch die Ziehkammer ausgetauscht, um mit dem Züchten des nächsten Einkristalls zu beginnen.
Es ist zu beachten, dass zur Steigerung der Kühlwirkung eine Gefriermaschine mit einem Frostschutzmittel kombiniert werden kann, um das Kühlmittel, das im Kühlrohr zirkuliert, abzukühlen, wodurch das Kühlen der Heißzonenbauelemente erleichtert wird.
Die vorliegende Erfindung wird nun nachfolgend ausführlicher in Verbindung mit Beispielen der vorliegenden Erfindung beschrieben, wobei diese Beispiele die vorliegende Erfindung aber nicht beschränken.
(Beispiel 1)
Bei der Einkristallherstellungsvorrichtung 10, die in den 1 gezeigt ist, gemäß der vorliegenden Erfindung wurde die Kühldauer für Heißzonenbauelemente wie folgt gemessen.
Als Tiegel in der Einkristallherstellungsvorrichtung, die in diesem Beispiel 1 verwendet wird, wurde ein Tiegel mit einem Durchmesser von ungefähr 600 mm zum Ziehen eines Einkristalls mit einem Durchmesser von 200 mm benutzt. Weiterhin wurde ein Quarztiegel dieser Größe zum Schmelzen eines Rohstoff-Polykristalls für 12 Stunden verwendet, und ein Einkristall mit einem Durchmesser von ungefähr 200 mm und einer geraden Körperlänge von ungefähr 1 m wurde für 24 Stunden wachsen gelassen. Nach dem Ende des Züchtens des Einkristalls wurde die Heizeinrichtung abgestellt, der Kristall wurde aus der Ziehkammer entnommen, dann die Temperatur des Graphittiegels, der den Quarztiegel hält, gemessen und das Ergebnis war ungefähr 800°C.
Danach wurde Kühlwasser mit einer Temperatur von ungefähr 20°C im Kühlrohr zirkulieren gelassen und das Kühlrohr wurde nach unten in eine Position bewegt, die direkt über der im Tiegel verbliebenen Rohstoffschmelze ist und bei der das Kühlrohr kaum die Rohstoffschmelze berührt, um eine Strahlungskühlung im Hinblick auf die Heißzonenbauelemente durchzuführen. Zu dieser Zeit wurde das Kühlen mit einem Kühlzylinder zum Kühlen des Einkristalls fortgesetzt.
Die 3 zeigt ein Ergebnis des Messens einer Temperatur des Graphittiegels 13, der für die Heißzonenbauelemente typisch ist.
Als Ergebnis erreichte die Temperatur des Tiegels in ungefähr 4 Stunden ungefähr 50°C, und das Kühlen der Heißzonenbauelemente wurde erfolgreich beendet.
(Beispiel 2)
Im Hinblick auf die Schmelzzeit und das Schmelzen des Rohstoffs, den Durchmesser und die Länge eines geraden Körpers eines gezüchteten Einkristalls sowie die Wachstumsdauer wurden dieselben Bedingungen wie im Beispiel 1 verwendet.
Dann wurde das Kühlwasser mit einer Temperatur von ungefähr 20°C in einem Kühlrohr zirkulieren gelassen, das Kühlrohr wurde nach unten in eine Position bewegt, die direkt über einer in einem Tiegel verbliebenen Rohstoffschmelze ist, und in der das Kühlrohr kaum die Rohstoffschmelze berührt, und ein Argongas mit einer üblichen Temperatur wurde von einer Gaseinführöffnung zirkulieren gelassen. Demgemäß wurde die Strahlungskühlung mittels des Kühlrohrs mit der Konvektionskühlung unter Verwendung eines Kühlgases kombiniert, um die Heißzonenbauelemente abzukühlen. Es wurde dieselbe Einkristallherstellungsvorrichtung wie im Beispiel 1 verwendet, und das Kühlen unter Verwendung eines Kühlzylinders zum Kühlen des Einkristalls wurde fortgesetzt.
Die 3 zeigt ein Ergebnis des Messens einer Temperatur eines Graphittiegels 13 als typisches Beispiel für die Heißzonenbauelemente.
Als Ergebnis erreichte die Temperatur des Tiegels in etwa 2 Stunden ungefähr 50°C, und das Kühlen der Heißzonenbauelemente wurde erfolgreich beendet.
(Vergleichsbeispiel 1)
Zum Vergleich wurden im Hinblick auf die Schmelzdauer und das Schmelzen eines Rohstoffs, den Durchmesser und die Länge eines geraden Körpers eines gezüchteten Einkristalls sowie die Züchtdauer dieselben Bedingungen wie im Beispiel 1 verwendet.
Dann wurde ein natürliches Kühlen im Hinblick auf Heißzonenbauelemente unter denselben Bedingungen wie im Beispiel 1 durchgeführt, mit der Ausnahme, dass das Kühlrohr nicht verwendet wurde, das Kühlgas nicht zirkulieren gelassen wurde und das Kühlen mittels des Kühlzylinders zum Kühlen des Einkristalls angehalten wurde.
Die 3 zeigt ein Ergebnis des Messens einer Temperatur eines Graphittiegels, der ein typisches Beispiel für die Heißzonenbauelemente ist.
Als Ergebnis erreichte die Temperatur des Tiegels ungefähr 50°C in etwa 8 Stunden, und das Kühlen der Heißzonenbauelemente wurde abgeschlossen.
(Vergleichsbeispiel 2)
Zum Vergleich wurden im Hinblick auf die Schmelzdauer und das Schmelzen eines Rohstoffs, den Durchmesser und die Länge eines geraden Körpers eines gezüchteten Einkristalls sowie die Züchtdauer dieselben Bedingungen wie im Beispiel 1 verwendet.
Dann wurden die Heißzonenbauelemente unter denselben Bedingungen wie im Beispiel 1 gekühlt, mit der Ausnahme, dass das Kühlrohr nicht verwendet wurde. Das bedeutet, dass das Kühlen allein mittels eines Kühlzylinders zum Kühlen des Einkristalls durchgeführt wurde.
Die 3 zeigt ein Ergebnis des Messens einer Temperatur eines Graphittiegels, der ein typisches Beispiel für die Heißzonenbauelemente ist.
Als Ergebnis erreichte die Temperatur des Tiegels in etwa 6 Stunden ungefähr 50°C, und das Kühlen der Heißzonenbauelemente war abgeschlossen.
Auf der Grundlage der Ergebnisse der Beispiele 1 und 2 und der Vergleichsbeispiele 1 und 2 ist die Gesamtbetriebszeit bei herkömmlichen Beispielen 24 Stunden für das Züchten des Einkristalls + 8 Stunden als Kühlzeit (natürliches Kühlen) für die Heißzonenbauelemente + 4 Stunden zum Reinigen, Austauschen und Einfüllen des Rohstoffs + 12 Stunden zum Schmelzen des Rohstoffs = 48 Stunden. Das Kühlen der Heißzonenbauelemente kann auf 4 Stunden verkürzt werden, wenn das Kühlverfahren gemäß Beispiel 1 angewendet wird, d. h. die Strahlungskühlung unter Verwendung des Kühlrohrs, und das Kühlen der Heißzonenbauelemente kann durch das Kühlverfahren gemäß Beispiel 2 auf 2 Stunden verkürzt werden, d. h. eine Kombination der Strahlungskühlung unter Verwendung des Kühlrohrs und der Konvektionskühlung unter Verwendung des Kühlgases. Daher kann die Gesamtbetriebsdauer um 8 bis 10% reduziert werden, um so die Produktionskosten zu senken.
Es ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehenden Ausführungsformen beschränkt ist. Die vorstehenden Ausführungsformen sind nur Veranschaulichungen, und alle Beispiele, die weitgehend dieselben Konfigurationen haben und dieselben Funktionen und Wirkungen wie das technische Konzept ausüben, das in den Ansprüchen der vorliegenden Erfindung beschrieben ist, sind vom technischen Konzept der vorliegenden Erfindung umfasst.
Zusammenfassung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Einkristallherstellungsvorrichtung 10 auf der Grundlage des Czochralski-Verfahrens vorgesehen, mindestens umfassend: eine Hauptkammer 11, die so ausgelegt ist, dass sie Heißzonenbauelemente, die einen Tiegel 13 umfassen, aufnimmt; und eine Ziehkammer 12, die zum Aufnehmen und Herausnehmen eines Einkristalls, der aus einer im Tiegel 13 enthaltenen Rohstoffschmelze gezogen wird, ausgelegt ist; wobei die Vorrichtung weiter umfasst: ein Kühlrohr 1, das über dem Tiegel angeordnet ist und in dem ein Kühlmittel zirkulieren gelassen wird; und einen Bewegungsmechanismus 3, der das Kühlrohr 1 nach oben und unten bewegt; und die Heißzonenbauelemente abgekühlt werden, indem der Bewegungsmechanismus 3 verwendet wird, um das Kühlrohr 1 nachdem Züchten des Einkristalls nach unten zum Tiegel hin zu bewegen, und ein Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls wird auch vorgesehen. Als Ergebnis können die Einkristallherstellungsvorrichtung und das Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls vorgesehen werden, mit denen das Kühlen der Heißzonenbauelemente in der Hauptkammer in kurzer Zeit nachdem Ziehen des Einkristalls mit großem Durchmesser, z. B. ungefähr 200 mm oder mehr, möglich ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 01/057293 [0013]
- JP 9-235173 [0014, 0017]

Claims

Einkristallherstellungsvorrichtung auf der Grundlage des Czochralski-Verfahrens, mindestens umfassend: eine Hauptkammer, die so ausgelegt ist, dass sie Heißzonenbauelemente, die einen Tiegel umfassen, aufnimmt, und eine Ziehkammer, die zum Aufnehmen und Herausnehmen eines Einkristalls, der aus der im Tiegel enthaltenen Rohstoffschmelze gezogen wird, ausgelegt ist; wobei die Vorrichtung weiter umfasst: ein Kühlrohr, das über dem Tiegel angeordnet ist und in dem ein Kühlmittel zirkulieren gelassen wird, und einen Bewegungsmechanismus, der das Kühlrohr nach oben und unten bewegt; und die Heißzonenbauelemente abgekühlt werden, indem der Bewegungsmechanismus verwendet wird, um das Kühlrohr nachdem Züchten des Einkristalls nach unten zum Tiegel hin zu bewegen.
Einkristallherstellungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Kühlrohr durch Winden eines fugenlosen Rohrs in Ringform für mehrere Umdrehungen erhalten wird.
Einkristallherstellungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Rohr ein Kupferrohr ist.
Einkristallherstellungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Kühlrohr in einer Kühlkammer angebracht ist, die mit der Ziehkammer ausgetauscht werden kann.
Einkristallherstellungsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Kühlkammer eine Gaseinführöffnung umfasst, von der ein Kühlgas eingeführt wird.
Einkristallherstellungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Wärmetauscher, der so ausgelegt ist, dass das Kühlmittel zwangsgekühlt wird, angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls auf der Grundlage des Czochralski-Verfahrens, mindestens umfassend: den Schritt des Schmelzens eines Rohstoffs, der in einen Tiegel gegeben wurde; den Schritt des Züchtens eines Einkristalls aus der Rohstoffschmelze und des Aufnehmens des Einkristalls in einer Ziehkammer; und den Schritt des Kühlens der Heißzonenbauelemente in der Hauptkammer, die den Tiegel umfasst, wobei der Schritt des Kühlens der Heißzonenbauelemente das Zirkulieren eines Kühlmediums in einem Kühlrohr, das über dem Tiegel angeordnet ist, und, zum Kühlen der Heißzonenbauelemente, das Bewegen des Kühlrohrs nach unten zum Tiegelhin umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls nach Anspruch 7, wobei das Kühlrohr, das durch Winden eines fugenlosen Rohrs in Ringform für mehrere Umdrehungen erhalten wird, verwendet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls nach Anspruch 8, wobei ein Kupferrohr als Rohr verwendet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei beim Schritt des Kühlens der Heißzonenbauelemente eine Kühlkammer, an der das Kühlrohr angebracht ist, über der Hauptkammer angeordnet wird, indem die Ziehkammer ausgetauscht wird, und das Kühlrohr nach unten zum Tiegel hin bewegt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei beim Schritt des Kühlens der Heißzonenbauelemente ein Kühlgas in der Hauptkammer zirkulieren gelassen wird.
Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei das Kühlmittel durch einen Wärmetauscher zwangsgekühlt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei beim Schritt des Kühlens der Heißzonenbauelemente das Kühlrohr nach unten bewegt wird, um in den Tiegel zu gelangen.