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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Herstellungsvorrichtung für Halbleiter-Einkristalle, die zum Züchten eines Silizium-Einkristalls oder eines Verbund-Halbleiter-Einkristalls, wie beispielsweise GaAs (Galliumarsenid), mittels des Czochralski-Verfahrens (nachfolgend manchmal als CZ-Verfahren bezeichnet) geeignet ist, und betrifft ein Verfahren zum Herstellen des Halbleiter-Einkristalls mittels der Vorrichtung.
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Stand der Technik
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Bei typischen Herstellungsvorrichtungen für Halbleiter-Einkristalle mittels des CZ-Verfahrens wird ein Tiegel zum Aufnehmen einer Rohstoffschmelze in einem Züchtungsofen-Hauptkörper (manchmal als Hauptkammer bezeichnet) vorgesehen, und eine Heizeinrichtung ist um den Tiegel herum angeordnet, um den Rohstoff im Tiegel zu schmelzen, um einen Impfkristall in die Rohstoffschmelze zu tauchen, während die Temperatur der geschmolzenen Rohstoffschmelze konstant gehalten wird, um den Impfkristall nach oben zu ziehen, während der Impfkristall und der Tiegel in zueinander entgegengesetzten Richtungen gedreht werden, um so einen Halbleiter-Einkristall unter dem Impfkristall wachsen zu lassen. Um dabei ein Erwärmen der Rohstoffschmelze mittels der Heizeinrichtung wirksam durchzuführen und die Ofenwände des metallischen Züchtungsofen-Hauptkörpers vor der Strahlungswärme der Heizeinrichtung zu schützen, sind isolierende Elemente, die aus einem solchen Material, wie Graphit, hergestellt sind, in der Nähe der Innenwände des Züchtungsofen-Hauptkörpers angeordnet. Durch diese isolierenden Elemente wird es möglich, die Wärme innerhalb des Züchtungsofen-Hauptkörpers zu halten und die Ofenwände zu schützen und so ein übermäßiges Erwärmen der Heizeinrichtung zu unterdrücken, damit die Temperatur der Rohstoffschmelze ohne Verschwendung konstant gehalten wird.
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Darüber hinaus ist es in den letzten Jahren beim Züchten von Halbleiter-Einkristallen, insbesondere beim Züchten von Silizium-Einkristallen, die als Material für alle Siliziumwafer dienen, die zum Herstellen von integrierten Schaltungen usw. verwendet werden, notwendig, einen Kristall zu züchten, bei dem eingewachsene Defekte, die während des Züchtens des Einkristalls in das Innere aufgenommen werden, unterdrückt werden, um so eine äußerst niedrige Dichte zu erhalten, weil es die Tendenz gibt, dass Halbleiterbauelemente, die an einer Waferoberflächenschicht ausgebildet werden, immer weiter miniaturisiert werden. Im Hinblick auf die obigen Ausführungen wird häufig ein Verfahren zum Anordnen eines Graphitelements, wie beispielsweise eines Kühlzylinders und eines wärmeisolierenden Rings, über der Rohstoffschmelze verwendet, um den Kristall nach oben zu ziehen, während die Kühlgeschwindigkeit des Kristalls mit hoher Präzision gesteuert wird.
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Allerdings gibt es bei einem solchen Verfahren zum Steuern der Kristallkühlgeschwindigkeit viele Beschränkungen im Hinblick auf die Züchtungsbedingung, zum Beispiel dass die Strahlungswärme, die von der Heizeinrichtung und der Rohstoffschmelze an den zu züchtenden Kristall abgegeben wird, so klein wie möglich gehalten wird und dass eine Ausbildungspräzision des Temperaturgradienten in der Kristallziehachsenrichtung erforderlich ist. Im Ergebnis gab es eine vorbestimmte Begrenzung zum Erhöhen der Ziehgeschwindigkeit, um die Produktivität des Einkristallzüchtens zu verbessern. Insbesondere ist es beim Züchten eines großen Silizium-Einkristalls mit einem Durchmesser von über 200 mm oder 300 mm notwendig, 100 kg oder mehr Rohstoff in einen großen Tiegel zu füllen, um den Rohstoff dann zu schmelzen und so Kristallwachstum zu erzielen, während die Atmosphäre in dem Züchtungsofen-Hauptkörper bei einer Temperatur bis 1400°C oder mehr gehalten wird. Im Ergebnis wird in Betracht gezogen, dass der Heizwert der Heizeinrichtung groß wird und die Strahlungswärme von der Heizeinrichtung ein Hindernis bildet, und zwar auch zur Zeit des Kühlens eines Einkristalls, der von der Rohstoffschmelze hochgezogen wird, so dass das Kühlen des Kristalls behindert wird und es dadurch schwierig wird, eine Beschleunigung der Ziehgeschwindigkeit grundlegend zu realisieren.
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Um einen Einkristall mit einem großen Durchmesser und einem langen konstanten Durchmesserteil, wie zuvor beschrieben, nach oben zu ziehen, wird darüber hinaus auch der Versuch unternommen, eine Vorrichtung zum Herstellen eines Halbleiter-Einkristalls zu verwenden, bei der der Züchtungsofen-Hauptkörper vergrößert ist und eine Ausweitung des Raums, in dem sich Rohstoff befindet, durchgeführt ist. In diesem Fall wird es schwierig, die Wärmeisolierung des Innenraums im Anschluss an die Vergrößerung des Züchtungsofen-Hauptkörpers wirksam durchzuführen. Demgemäß wäre es unausweichlich, die Wärmemenge der Heizeinrichtung zu erhöhen, um eine Rohstoffschmelze beim Schmelzen des polykristallinen Rohstoffs oder beim Züchten eines Einkristalls bei einer hohen Temperatur zu halten.
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Im Hinblick auf die vorstehenden Ausführungen wird ein Verfahren zum Verringern des Wärmeabflusses zum unteren Teil des Züchtungsofens mittels einer wärmeisolierenden Platte vorgeschlagen
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Zum Beispiel offenbart die Patentliteratur 1 ein Einkristallziehverfahren zum Steuern der Sauerstoffkonzentration, die in einen Einkristall aufgenommen wird, indem die Zahl der laminierten wärmeisolierenden Platten, die unter einem Tiegel angeordnet werden, geändert wird.
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Darüber hinaus offenbart die Patentliteratur 2 eine Kristallziehvorrichtung, bei der ein Wärmeleitungsstrahlungselement zum Aufnehmen von Strahlungswärme von einer Heizeinrichtung angeordnet ist, um die Wärme mittels Wärmeleitung auf einen Teil unter einem Tiegel zu übertragen und so die Strahlungswärme zum Tiegel hin abzuleiten.
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Weiterhin offenbart die Patentliteratur 3 eine Herstellungsvorrichtung für Halbleiter-Einkristalle mit einer wärmeisolierenden Platte, die unter einem Tiegel angeordnet und in der Lage ist, einen Vertikalbewegungsantrieb mittels eines Hebemechanismus für die wärmeisolierende Platte auszuführen.
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Aus der Patentliteratur 4 ist ein DLCZ-Verfahren (2-Schichten-Czochralski-Verfahren) bekannt, das eine seitliche zylindrische Wärmeisolierung mit einem im unteren Teil größeren Innendurchmesser aufweist.
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Die Patentliteratur 5 beschreibt CZ-Vorrichtungen, die eine seitliche zylindrische Wärmeisolierung und eine höhenverstellbare Wärmeisolierungsplatte aufweisen.
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Entgegenhaltungsliste
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Patentliteratur
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- Patentliteratur 1: ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung JP H09-235181 A
- Patentliteratur 2: ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung JP 2000-53486 A
- Patentliteratur 3: ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung JP 2002-326888 A
- Patentliteratur 4: JP H09-202685 A
- Patentliteratur 5: JP 2002-326888 A
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Zusammenfassung der Erfindung
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Technisches Problem
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Bei einer Herstellungsvorrichtung für Halbleiter-Einkristalle, die eine wärmeisolierende Platte aufweist, wie zuvor beschrieben, sind sowohl im Fall eines individuellen Anhebens der wärmeisolierenden Platte und einer Heizeinrichtung mittels eines Hebemechanismus als auch im Fall des Anhebens der wärmeisolierenden Platte und der Heizeinrichtung mittels eines integrierten Hebemechanismus Zwischenräume zum Ausführen eines mechanischen Vorgangs jeweils zwischen dem wärmeisolierenden Zylinder und der Heizeinrichtung, zwischen dem wärmeisolierenden Zylinder und der wärmeisolierenden Platte und zwischen der Heizeinrichtung und der isolierenden Platte erforderlich. Es bestand das Problem, dass Strahlungswärmeenergie im unteren Teil der Heizeinrichtung leicht durch diese Zwischenräume leicht in den unteren Teil der Kammer durchsickern kann, was zu einer geringeren Wärmewirksamkeit führt.
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Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die zuvor beschriebenen Probleme entwickelt, und eine ihrer Aufgaben besteht darin, eine Herstellungsvorrichtung für Halbleiter-Einkristalle zur Verfügung zu stellen, die in der Lage ist, die wärmeisolierende Wirkung um einen Tiegel zum Aufnehmen einer Rohstoffschmelze zu verstärken und die Realisierung der Steigerung der Wachstumsgeschwindigkeit des Halbleiter-Einkristalls und die Stabilisierung der Qualität des Halbleiter-Einkristalls in ausreichendem Umfang durchzuführen, selbst wenn der Heizwert (d.h. der Stromverbrauch) einer Heizeinrichtung, die außerhalb des Tiegels angeordnet ist, unterdrückt wird.
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Lösung des Problems
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Die vorliegende Erfindung ist entwickelt worden, um die zuvor beschriebenen Probleme zu lösen. Die vorliegende Erfindung stellt eine Herstellungsvorrichtung für Halbleiter-Einkristalle zur Verfügung, die in einem Züchtungsofen-Hauptkörper zumindest einen Tiegel und eine Heizeinrichtung umfasst, die um den Tiegel herum angeordnet ist, um mittels des Czochralski-Verfahrens einen Halbleiter-Einkristall aus einer Rohstoffschmelze nach oben zu ziehen, während die Rohstoffschmelze, die in dem Tiegel enthalten ist, mittels der Heizeinrichtung erwärmt wird, wobei ein wärmeisolierender Zylinder um die Heizeinrichtung in dem Züchtungsofen-Hauptkörper herum angeordnet ist und der wärmeisolierende Zylinder an seiner Innenfläche einen Stufenabschnitt hat, der den wärmeisolierenden Zylinder in einen oberen Teil und einen unteren Teil aufteilt, und der Innendurchmesser des unteren Teils größer als der Innendurchmesser des oberen Teils ist; und wobei eine wärmeisolierende Platte unter der Heizeinrichtung und auf der Innenseite des unteren Teils des wärmeisolierenden Zylinders im Züchtungsofen-Hauptkörper angeordnet ist, und der Außendurchmesser der wärmeisolierenden Platte größer als der Innendurchmesser des oberen Teils des wärmeisolierenden Zylinders und kleiner als der Innendurchmesser des unteren Teils des wärmeisolierenden Zylinders ist.
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In dem Fall, in dem die auf diese Art ausgebildete Herstellungsvorrichtung für Halbleiter-Einkristalle verwendet wird, wird, da die wärmeisolierende Platte mit vorbestimmter Form im unteren Teil der Heizeinrichtung, die um den Tiegel herum vorgesehen ist, im Züchtungsofen-Hauptkörper angeordnet ist, die wärmeisolierende Wirkung um den Tiegel herum verstärkt, wenn der Halbleiter-Einkristall mittels des CZ-Verfahrens zu dessen Herstellung nach oben gezogen und gezüchtet wird, um es möglich zu machen, einen ausreichenden Heizwert in der Rohstoffschmelze zu konzentrieren, selbst wenn eine Ausgangsleistung der Heizeinrichtung in bestimmtem Maße unterdrückt wird. Daher wird eine übermäßige Strahlungswärme von der Heizeinrichtung unterdrückt. Im Ergebnis wird die Kühlwirkung des zu züchtenden Halbleiter-Einkristalls verstärkt. Weiter kann die Verwirklichung einer weiteren Erhöhung der Ziehgeschwindigkeit und Stabilisierung der Qualität des Halbleiter-Einkristalls mit abnehmendem Stromverbrauch durch die Heizeinrichtung ausgeführt werden.
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In diesem Fall ist es bevorzugt, dass der wärmeisolierende Zylinder so aufgebaut ist, dass die Dicke des unteren Teils 30 bis 70 % der Dicke des oberen Teils beträgt.
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Wenn wie zuvor beschrieben die Dicke des unteren Teils des wärmeisolierenden Zylinders 30 bis 70 % der Dicke des oberen Teils des wärmeisolierenden Zylinders beträgt, ist es möglich, die Strahlung vom unteren Teil der Heizeinrichtung wirksamer zu isolieren, um ein Abfließen der Wärmeenergie in den Bodenteil des Züchtungsofen-Hauptkörpers zu verhindern.
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Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die wärmeisolierende Platte mittels eines Hebemechanismus für die wärmeisolierende Platte zusammen mit dem Tiegel nach oben bewegt werden kann.
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In dem Fall, in dem die wärmeisolierende Platte durch den Hebemechanismus für die wärmeisolierende Platte zusammen mit dem Tiegel nach oben bewegt werden kann, wird es möglich, zu jeder Zeit den Zustand aufrechtzuerhalten, in dem der Umfang des Tiegels wirksam wärmeisoliert ist, und zwar ungeachtet der Position des Tiegels. Im Ergebnis wird es möglich, die Temperaturverteilung um den Tiegel herum über das gesamte Einkristall-Züchtungsverfahren hinweg in geeigneter Weise aufrechtzuerhalten.
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In diesem Fall kann die Heizeinrichtung vertikal mittels eines Hebemechanismus für die Heizeinrichtung bewegt werden, und der Hebemechanismus für die Heizeinrichtung kann doppelte Funktion als Hebemechanismus für die wärmeisolierende Platte haben. Daher kann eine Vereinfachung der Vorrichtungskonfiguration realisiert werden.
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Weiter können in diesem Fall die Heizeinrichtung und die wärmeisolierende Platte von einer gemeinsamen Basis aufgenommen sein, und der Hebemechanismus für die wärmeisolierende Platte, der doppelte Funktion als Hebemechanismus für die Heizeinrichtung hat, kann die gemeinsame Basis vertikal bewegen. Daher kann ein noch einfacherer Aufbau realisiert werden.
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Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung ein Herstellungsverfahren für Halbleiter-Einkristalle bereit, welches die folgenden Schritte umfasst: Anordnen eines Tiegels und einer Heizeinrichtung, die um den Tiegel herum angeordnet ist, innerhalb eines Züchtungsofen-Hauptkörpers, Hochziehen eines Halbleiter-Einkristalls mittels des Czochralski-Verfahrens aus der Rohstoffschmelze, während die Rohstoffschmelze, die im Tiegel enthalten ist, mittels der Heizeinrichtung im Züchtungsofen-Hauptkörper erwärmt wird, wobei ein wärmeisolierender Zylinder um die Heizeinrichtung herum im Züchtungsofen-Hauptkörper angeordnet ist und der wärmeisolierende Zylinder an seiner Innenfläche einen Stufenabschnitt hat, der den wärmeisolierenden Zylinder in einen oberen Teil und einen unteren Teil aufteilt, und der Innendurchmesser des unteren Teils größer als der Innendurchmesser des oberen Teils ist; und
wobei eine wärmeisolierende Platte unter der Heizeinrichtung und auf der Innenseite des unteren Teils des wärmeisolierenden Zylinders im Züchtungsofen-Hauptkörper angeordnet ist und der Außendurchmesser der wärmeisolierenden Platte größer als der Innendurchmesser des oberen Teils des wärmeisolierenden Zylinders ist und kleiner als der Innendurchmesser des unteren Teils des wärmeisolierenden Zylinders ist.
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In dem Fall, in dem ein Herstellungsverfahren für Halbleiter-Einkristalle unter Anwendung eines der Herstellungsvorrichtungen für Halbleiter-Einkristalle verwendet wird, wird die wärmeisolierende Wirkung um den Tiegel herum im Herstellungsverfahren für Halbleiter-Einkristalle erhöht, wodurch es möglich wird, einen ausreichenden Heizwert zu konzentrieren, selbst wenn die Ausgangsleistung der Heizeinrichtung bis zu einem bestimmten Grad unterdrückt wird. Daher wird jede übermäßige Strahlungswärme von der Heizeinrichtung unterdrückt, so dass die Kühlwirkung des zu züchtenden Halbleiter-Einkristalls verstärkt wird. Im Ergebnis kann die Realisierung eines weiteren Anstiegs der Ziehgeschwindigkeit und die Stabilisierung der Qualität des Halbleiter-Einkristalls unter abnehmendem Stromverbrauch der Heizeinrichtung durchgeführt werden.
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Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
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Gemäß der Herstellungsvorrichtung für Halbleiter-Einkristalle gemäß der vorliegenden Erfindung wird die wärmeisolierende Wirkung um den Tiegel herum bei der Herstellung eines Halbleiter-Einkristalls durch Zieh- und Züchtungsverfahren für den Halbleiter-Einkristall mittels des CZ-Verfahrens erhöht, wodurch es möglich wird, einen ausreichenden Heizwert in einer Rohstoffschmelze zu konzentrieren, selbst wenn eine Ausgangsleistung der Heizeinrichtung bis zu einem bestimmten Grad unterdrückt wird. Auf diese Weise wird jede übermäßige Strahlungswärme von der Heizeinrichtung so unterdrückt, dass die Kühlwirkung eines zu züchtenden Halbleiter-Einkristalls verstärkt wird. Im Ergebnis kann die Realisierung einer weiteren Erhöhung der Züchtungsgeschwindigkeit und die Stabilisierung der Qualität des Halbleiter-Einkristalls mit einem verringerten Stromverbrauch durch die Heizeinrichtung durchgeführt werden. Da eine Ausgangsleistung der Heizeinrichtung bis zu einem bestimmten Grad unterdrückt werden kann, ist es darüber hinaus auch möglich, eine Verschlechterung der Heizeinrichtung und des Tiegels zu unterdrücken, wodurch es möglich wird, eine Verbesserung der Lebensdauer eines jeden Elements zu realisieren.
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel für eine Ausführungsform einer Herstellungsvorrichtung für Halbleiter-Einkristalle gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
- 2 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein anderes Beispiel für die Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung für Halbleiter-Einkristalle gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
- 3 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch eine Herstellungsvorrichtung für Halbleiter-Einkristalle zeigt, die im Vergleichsbeispiel 1 verwendet wird;
- 4 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch eine Herstellungsvorrichtung für Halbleiter-Einkristalle zeigt, die im Vergleichsbeispiel 2 verwendet wird; und
- 5 ist eine Darstellung, die Messergebnisse der Beispiele und der Vergleichsbeispiele zeigt.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Die vorliegende Erfindung wird nun ausführlich mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine solche Ausführung beschränkt. Die vorliegende Erfindung kann auf verschiedene Verfahren zum Hochziehen eines Halbleiter-Einkristalls angewendet werden. Eine Erläuterung wird nun gegeben, indem vor allem als Beispiel der Fall genommen wird, in dem ein Silizium-Einkristall hergestellt wird.
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1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine Ausführungsform einer Herstellungsvorrichtung für Halbleiter-Einkristalle gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, die dazu geeignet ist, einen Halbleiter-Einkristall mittels des CZ-Verfahrens zu züchten. Die in 1 gezeigte Herstellungsvorrichtung für Halbleiter-Einkristalle umfasst einen Züchtungsofen-Hauptkörper (der auch als Hauptkammer bezeichnet ist) 19a zur Aufnahme einer Rohstoffschmelze 13, die als Material für den Halbleiter-Einkristall dient, und einen oberen Züchtungsofen (der auch als Ziehkammer bezeichnet ist) 19b, der mit dem Züchtungsofen-Hauptkörper 19a in Kontakt ist und der zum Halten und Herausnehmen des Halbleiter-Einkristalls, der aus der Rohstoffschmelze 13 gezogen wird, dient.
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Der Tiegel (innerer Tiegel) 11a, in dem die Rohstoffschmelze 13 enthalten ist, ist in der Nähe des Zentrums der Innerseite des Züchtungsofen-Hauptkörpers 19a angeordnet, um zu ermöglichen, dass sich die Heizeinrichtung 12, die um den Tiegel (äußerer Tiegel) 11b herum vorgesehen ist, in einem erwärmten Zustand befindet, um dadurch einen Rohstoff zu schmelzen und ihn als Hochtemperaturschmelze zu halten. In dem Fall, in dem ein zu züchtender Halbleiter-Einkristall 17 ein Silizium-Einkristall ist, ist ein Tiegel, der zum direkten Halten der Rohstoffschmelze 13 geeignet ist, ein Quarztiegel 11a. Da dieser Quarztiegel 11a bei hoher Temperatur erweicht und spröde ist und leicht brechen kann, wird das Äußere des Quarztiegels 11a mit einem Graphittiegel 11b bedeckt. Weiter ist zum Züchten des Einkristalls mittels des CZ-Verfahrens eine Tiegel-Stützwelle 16 am unteren Teil des Graphittiegels 11b angebracht, da ein Kristall gezüchtet wird, während der Quarztiegel 11a und der Halbleiter-Einkristall 17 in zueinander entgegengesetzten Richtungen gedreht werden, so dass diese sich in eine obere und untere Richtung und mittels eines Tiegeldreh-Hebemechanismus 20, der am unteren Teil der Außenseite des Züchtungsofen-Hauptkörpers 19a angebracht ist, drehbar bewegen. Da es bevorzugt ist, ein Arbeiten mit der Schmelzoberfläche der Rohstoffschmelze 13, die auf einem konstanten Niveau gehalten wird, durchzuführen, um die erwünschte Kristallqualität zu ermöglichen, wird darüber hinaus zum Züchten des Einkristalls der Hebemechanismus 20 für die Tiegeldrehung zur Verfügung gestellt, der in der Lage ist, die Schmelzoberfläche der Rohstoffschmelze 13 in einer gewünschten Position zu halten.
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Darüber hinaus wird ein Ziehelement-Wickelmechanismus (nicht gezeigt) zum Abwickeln und Aufwickeln eines Ziehelements 15, wie beispielsweise eines Drahts, für das Hochziehen des Einkristalls 17 in einem Deckenteil des oberen Züchtungsofens 19b vorgesehen, und es ist ein Impfkristallhalterhalter 15a zum Halten eines Impfkristalls 14 am vorderen Endteil des Ziehelements 15 vorgesehen, das vom Ziehelement-Wickelmechanismus abgewickelt wurde. Zum Züchten des Einkristalls 17 wird das Ziehelement 15 vom Ziehelement-Wickelmechanismus abgewickelt, um zu ermöglichen, dass der vordere Endteil des Impfkristalls 14 mit der Schmelzoberfläche der Rohstoffschmelze 13 in Kontakt kommt, um diesen in ruhiger Weise nach oben zu ziehen und so den Einkristall 17 unter den Impfkristallen 14 wachsen zu lassen. Weiter wird bewirkt, dass der obere Züchtungsofen 19b eine inaktive, in den Ofen einzuführende Gasmenge mittels eines Gaszuführrohrs (nicht gezeigt) zum Einführen von inaktivem Gas in den Ofen und einer Gasströmungsraten-Steuereinrichtung, die an das Gaszuführrohr (nicht gezeigt) angebracht ist, einstellt, und inaktives Gas, das in den Ofen eingeführt wird, wird mittels eines Gasabführungsrohrs (nicht gezeigt) abgeführt, das am Bodenteil des Züchtungsofen-Hauptkörpers 19a angebracht ist.
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Demgegenüber wird ein wärmeisolierender Zylinder 21 zum Schützen der Ofenwände vor Strahlungswärme einer hohen Temperatur durch die Heizeinrichtung 12 zum wirksamen Durchführen der Wärmeisolierung der Innenseite des Züchtungsofen-Hauptkörpers 19a zwischen der Heizeinrichtung 12 und den Ofenwänden des Züchtungsofen-Hauptkörpers 19a vorgesehen. Darüber hinaus wird auch ein wärmeisolierendes Bodenelement 23 auf dem Bodenteil des Züchtungsofen-Hauptkörpers 19a im Hinblick darauf vorgesehen, dass die Ofenwände vor der Hochtemperaturstrahlungswärme geschützt werden, dass eine Wärmeisolierung der Innenseite des Züchtungsofen-Hauptkörpers 19a durchgeführt wird und dass die Rohstoffschmelze 13 derart gehalten wird, dass die Rohstoffschmelze nicht zur Außenseite des Züchtungsofen-Hauptkörpers 19a strömt, selbst wenn die Rohstoffschmelze 13 vom Tiegel 11a ausströmen sollte. Weiter wird eine wärmeisolierende Platte 22 zwischen dem wärmeisolierenden Bodenelement 23 und der Heizeinrichtung 12 vorgesehen. Daher wird Wärme isoliert, die vom Tiegel 11a oder der Heizeinrichtung 12 in Richtung auf den unteren Teil des Züchtungsofen-Hauptkörpers 19a oder dem wärmeisolierenden Bodenelement 23 abgestrahlt wird. Die wärmeisolierende Platte 22 kann in einer oberen und unteren Richtung durch den Hebemechanismus 41 für die wärmeisolierende Platte bewegt werden. Um eine gewünschte Kristallqualität während des Züchtens des Einkristalls zu erhalten, wird weiter ein Mechanismus verwendet, der in der Lage ist, die wärmeisolierende Platte 22 durch eine Hebebasis 42 für die wärmeisolierende Platte mittels des Wärmeisolierungs-Hebemechanismus 41 in einer gewünschten Position zu halten.
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Weiter kann die Herstellungsvorrichtung für Halbleiter-Einkristalle gemäß der vorliegenden Erfindung einen Stufenabschnitt 21a aufweisen, der den wärmeisolierenden Zylinder 21 an seiner Innenfläche in den oberen Teil und den unteren Teil unterteilt, wobei bewirkt wird, dass der Innendurchmesser des unteren Teils 21b größer als der Innendurchmesser des oberen Teils 21c ist. Außerdem ist es besonders bevorzugt, dass der wärmeisolierende Zylinder 21 so konfiguriert ist, dass bewirkt wird, dass sein Körperteil 80 mm oder größer ist. Weiterhin ist es bevorzugt, dass eine Stufe 21a am wärmeisolierenden Zylinder 21 ausgebildet wird, so dass bewirkt wird, dass die Dicke des unteren Teils 21b des wärmeisolierenden Zylinders 21 30 bis 70 % der Dicke des oberen Teils 21c des wärmeisolierenden Zylinders 21 beträgt. Es wird dafür gesorgt, dass die Position, an der die Stufe 21a gebildet ist, eine Position der höchsten Position oder höher bezüglich der Position der wärmeisolierenden Platte 22 während der Zeit ist, in der der Kristall von dem Zeitpunkt an gezüchtet wird, wenn der Rohstoff geschmolzen ist.
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Es ist zu beachten, dass es erwünscht ist, dass der wärmeisolierende Zylinder 21 einen Körperteil umfasst, der aus Carbonfaser hergestellt ist.
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Darüber hinaus kann der Außendurchmesser der wärmeisolierenden Platte 22 größer als der Innendurchmesser des oberen Teils 21c des wärmeisolierenden Zylinders 21 sein und kann kleiner als der Innendurchmesser des unteren Teils 21b des wärmeisolierenden Zylinders 21 sein. Außerdem ist es besonders bevorzugt, dass die Dicke der wärmeisolierenden Platte 50 mm oder mehr beträgt. Es ist wünschenswert, dass die wärmeisolierende Platte 22 einen Körperteil umfasst, der aus Carbonfaser hergestellt ist.
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Weiter entsteht beim Ziehen des Halbleiter-Einkristalls 17 der Zustand, in dem die wärmeisolierende Platte 22 in den Stufenabschnitt 21a des wärmeisolierenden Zylinders 21 eingepasst wird, wie in 1 gezeigt ist, d.h. die wärmeisolierende Platte 22 wird unterhalb der Heizeinrichtung und auf der Innenseite des unteren Teils 21b (unter dem Stufenabschnitt 21a) des wärmeisolierenden Zylinders 21 angeordnet, um so zu verhindern, dass Strahlungswärme vom unteren Teil der Heizeinrichtung 12 während des Züchtens des Kristalls direkten zum wärmeisolierenden Bodenelement 23 gelangt. Es ist daher möglich, die Heizleistung wirksam auf die Rohstoffschmelze 13 zu übertragen.
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Auf diese Weise wird eine solche Anordnung verwendet, dass der Stufenabschnitt 21a des wärmeisolierenden Zylinders 21 und die wärmeisolierende Platte 22 miteinander so eingepasst werden, dass bewirkt wird, dass die wärmeisolierende Platte 22 größer als die Öffnung der Heizeinrichtung 12 ist. Im Ergebnis gibt es keine Möglichkeit, dass die Strahlungswärme vom unteren Teil der Heizeinrichtung 12 direkt zum unteren Kammerteil gelangen kann, um eine solche Strahlungswärme durch den wärmeisolierenden Zylinder 21 und die wärmeisolierende Platte 22 direkt aufzunehmen, wodurch eine wirksame Reflexion zu einem Teil unter dem Tiegel möglich wird.
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Darüber hinaus ist es in der vorliegenden Erfindung bevorzugt, dass während des Hochziehens des Halbleiter-Einkristalls die Heizeinrichtung 12 durch die Heizeinrichtungs-Hebebasis 32 mittels des Heizeinrichtungs-Hebemechanismus 31 zusammen mit den Tiegeln 11a, 11b und der wärmeisolierenden Platte 22 nach oben bewegt werden kann. Daher werden die Tiegel 11a, 11b in Übereinstimmung mit einem Absinken der Rohstoffschmelze 13 aufgrund des Kristallzüchtens angehoben und die Wärmekapazität im gesamten Tiegel, in dem die Rohstoffschmelze 13 enthalten ist, wird auch weiter geändert. Allerdings wird bewirkt, dass die Heizeinrichtung 12 den Tiegeln 11a, 11b folgend angehoben wird, wodurch es möglich wird, das Wärmezentrum der Heizeinrichtung 12 in Übereinstimmung mit der Bewegung der Tiegel 11a, 11b im Gegenzug zum Absinken der Rohstoffschmelze 13 zu bewegen. Demgemäß kann ein geeigneteres Erwärmen der Rohstoffschmelze 13 durchgeführt werden.
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Weiter werden Bewegungen der wärmeisolierenden Platte 22 und der Heizeinrichtung 12 kombiniert, um so die Möglichkeit zu haben, die Temperaturatmosphäre im Ofen mit höherer Präzision einzustellen. Daher kann eine wirksame Erwärmung der Rohstoffschmelze 13 erreicht werden.
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2 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine Ausführungsform, bei der die Heizeinrichtung 12 und die wärmeisolierende Platte 22 durch die gemeinsame Basis integriert sind, als weiteres Beispiel der Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung für Halbleiter-Einkristalle gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Bei dieser Ausführungsform werden die wärmeisolierende Platte 22 und die Heizeinrichtung 12 durch eine gemeinsame Basis (gemeinsame Vertikalhebebasis) 52 mittels des integrierten Hebemechanismus 51 bewegt. Die wärmeisolierende Platte 22 wird durch den Stützisolierer 53 für die wärmeisolierende Platte gestützt, der aus Isolatoren, wie beispielsweise Aluminiumoxid und Quarzglas, besteht. Daher wird eine Einrichtung hergestellt, bei der ein Versorgungsstrom zur Heizeinrichtung 12 nicht zur Seite der wärmeisolierenden Platte 22 fließt. Andere Komponenten sind ähnlich denen der Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung für Halbleiter-Einkristalle, die in 1 gezeigt ist.
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In dem Fall, in dem, wie in 1 gezeigt, eine solche Konfiguration zum vertikalen Bewegen der Heizeinrichtung 12 unabhängig von der wärmeisolierenden Platte 22 mittels des Heizeinrichtungs-Hebemechanismus 31 verwendet wird, der separat vom Hebemechanismus 41 der wärmeisolierenden Platte vorgesehen ist, ist es demgegenüber möglich, zum Beispiel der Wärmekapazitätsänderung der ganzen Tiegel dem Absinken der Rohstoffschmelze 13 folgend genau zu entsprechen. Es wird daher möglich, die atmosphärische Temperatur mit hoher Präzision zu steuern, um den Halbleiter-Einkristall 17 hoher Qualität hochzuziehen.
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In der Herstellungsvorrichtung für die Halbleiter-Einkristalle der vorliegenden Erfindung können eine Speichereinrichtung (nicht gezeigt) zum Speichern von verschiedenen Ziehmustern des Halbleiter-Einkristalls 17, ein Tiegelhub-Steuerteil (nicht gezeigt) zum Durchführen der Betriebssteuerung der Tiegeldrehung und ein Hebemechanismus 20 vorgesehen werden, so dass der Tiegel dem Ziehen des Halbleiter-Einkristalls 17 auf der Grundlage der in der Speichereinrichtung gespeicherten Ziehmusterdaten folgend angehoben wird, sowie ein Steuerteil für den wärmeisolierenden Plattenhub (nicht gezeigt) zum Durchführen der Betriebssteuerung des Hebemechanismus 41 für die wärmeisolierende Platte, so dass die wärmeisolierende Platte 22 dem Hub der Tiegel 11a, 11b folgend angehoben wird. Weiter kann ein Heizeinrichtungshubsteuerteil (nicht gezeigt) zum Durchführen der Betriebssteuerung des Heizeinrichtungs-Hebemechanismus 31 vorgesehen werden, um die Heizeinrichtung 12 damit zu kombinieren und zu bewegen. Selbst in dem Fall, in dem dieselbe Vorrichtung verwendet wird, kann jede unterschiedliche Art von Ziehmuster des Halbleiter-Einkristalls 17 abhängig z.B. von der Größe oder dem Qualitätsniveau des benötigten Halbleiter-Einkristalls 17 verwendet werden. Wenn ein Schema verwendet wird, bei dem verschiedene Ziehmuster des Halbleiter-Einkristalls 17 in einer Speichereinrichtung gespeichert sind und eines der notwendigen Ziehmuster ausgelesen wird, wie erforderlich, und das Ziehmuster angewendet wird, das zum Vorrichtungsantrieb ausgelesen wurde, und bei dem der Hubantrieb der Tiegel 11a, 11b oder die wärmeisolierende Platte 22 und die Heizeinrichtung 12 auf der Grundlage eines der ausgelesenen Ziehmusterdaten gesteuert wird, ist es im Hinblick auf die obigen Ausführungen möglich, dadurch die Möglichkeit zu haben, selbst in dem Fall, in dem viele herzustellende Einkristalle geändert werden, dieses leicht zu erfüllen, wobei es im Gegenzug möglich ist, verschiedene Arten von Einkristallen unter Verwendung derselben Vorrichtung in angenehmer Weise herzustellen.
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Beispiele
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Die vorliegende Erfindung wird nun ausführlicher mit Bezug auf die Beispiele und die Vergleichsbeispiele erläutert, aber es ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung dadurch nicht eingeschränkt wird.
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Um vorteilhafte Wirkungen der vorliegenden Erfindung zu bestätigen, wurden die folgenden Versuche durchgeführt.
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(Beispiel 1, Beispiel 2)
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Die Wachstumsbedingungen für die Einkristalle
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Es wurde die in 2 gezeigte Herstellungsvorrichtung für Halbleiter-Einkristalle der vorliegenden Erfindung verwendet, um die Silizium-Einkristalle gemäß den folgenden Bedingungen zu züchten.
- a) Rohstoff: 200 kg polykristallines Silizium wurde in einen Quarztiegel 11a mit einer Öffnung von 650 mm gefüllt.
- b) Züchtungskristall: Der Durchmesser wurde auf 200 mm eingestellt. Als Impfkristall 14 wurde ein Impfkristall mit einer Ausrichtung in der Kristallachsenrichtung von <100> verwendet.
- c) Es wurde eine wärmeisolierende Platte 22 mit einer Dicke von 80 mm verwendet. Der Außendurchmesser der wärmeisolierenden Platte 22 erfüllt die Bedingung von Beispiel 1 und Beispiel 2, wie in Tabelle 1 beschrieben.
- d) Heizeinrichtung 12: Es wurde eine Heizeinrichtung mit der Länge des schlitzüberlappenden Abstands (Wärmeteil) von 200 mm verwendet.
- e) Es wurde ein wärmeisolierender Zylinder 21 mit einer Dicke des oberen Teils von 90 mm verwendet. Es wird vorgesehen, dass der Innendurchmesser des oberen Teils des wärmeisolierenden Zylinders und der Innendurchmesser des unteren Teils des wärmeisolierenden Zylinders jeweils die Bedingungen von Beispiel 1 und Bespiel 2 erfüllen, wie in Tabelle 1 beschrieben.
- f) Ein horizontales Magnetfeld mit einer zentralen Magnetflussdichte von 4000 G wurde angelegt, um einen Einkristall zu züchten.
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Unter diesen Bedingungen wurden Einkristalle wiederholt hergestellt, während die wärmeisolierende Platte
22 und die Heizeinirchtung 12 in Übereinstimmung mit den Bewegungen der Tiegel
11a,
11b bewegt wurden.
[Tabelle 1]
| | Beispiel 1 | Beispiel 2 | Vergleichsbeispiel 1 | Vergleichsbeispiel 2 |
| Innendurchmesser des oberes Teil des wärmeisolierenden Zylinders | 840 | 840 | 840 | 840 |
| Innendurchmesser des unteren Teils des wärmeisolierenden Zylinders | 960 | 900 | Keine Stufe | 860 |
| Außendurchmesser des wärmeisolierenden Zylinders | 920 | 860 | 760 | 820 |
| Überlappung des oberen Teils des wärmeisolierenden Zylinders und der wärmeisolierenden Platte | 40 | 10 | -40 (keine Überlappung) | -10 (keine Überlappung) |
(Einheit: mm)
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In dem zuvor erwähnten Herstellungsverfahren für Silizium-Einkristalle konnte im Hinblick auf den Strom, der zum Züchten eines Silizium-Einkristallteils mit konstantem Durchmesser (durchschnittlicher Stromwert zum Bilden des Kristallteils mit konstantem Durchmesser) verbraucht wurde, ein Einkristall mittels eines Stromverbrauchs gezüchtet werden, der sowohl im Beispiel 1 als auch im Beispiel 2 verglichen mit dem Fall, in dem die herkömmliche wärmeisolierende Platte verwendet wurde (Vergleichsbeispiel 1, das nachfolgend beschrieben wird), um etwa 10 % niedriger lag. Weiterhin wurde auch kaum das Stattfinden einer Deformation des Tiegels beobachtet, die aus der Tatsache resultiert, dass der Quarztiegel 11a bei einer hohen Temperatur über einen langen Zeitraum erwärmt wurde. Daher wurde bestätigt, dass die durch das Erwärmen hervorgerufene Belastung des Tiegels reduziert wurde.
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(Vergleichsbeispiel 1)
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Durch die Verwendung der in 3 gezeigten Herstellungsvorrichtung für Halbleiter-Einkristalle wurde ein Silizium-Einkristall mit einem Durchmesser von 200 mm gemäß den Bedingungen hochgezogen, die weitgehend dieselben wie die des Beispiels 1 und 2 waren, mit Ausnahme der Bedingung, die auch in Tabelle 1 gezeigt ist. Die in 3 gezeigte Herstellungsvorrichtung für Halbleiter-Einkristalle ist eine Herstellungsvorrichtung, die von der in 2 gezeigten Herstellungsvorrichtung zu einer Herstellungsvorrichtung geändert wurde, bei der eine wärmeisolierende Platte und ein wärmeisolierender Zylinder (wärmeisolierende Platte 72 und wärmeisolierender Zylinder 71) nicht zu der Anordnung gehören, bei er sie aneinander angepasst sind. Es gibt keine Stufe am wärmeisolierenden Zylinder 71, und sein Innendurchmesser und der Außendurchmesser der wärmeisolierenden Platte 72 wurden auf die Bedingung des in Tabelle 1 gezeigten Vergleichsbeispiels 1 eingestellt.
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Im Ergebnis war der Stromverbrauch zur Zeit des Bildens des Kristallteils mit konstantem Durchmesser um etwa 10 % im Vergleich zum Beispiel 1 erhöht. Weiter wird aufgrund der Tatsache, dass der Zustand des Quarztiegels 11a beobachtet wurde, nachdem der Kristall hochgezogen wurde, eine Verzerrung, die als Resultat des Erwärmens angesehen wird, an einem Teil des oberen Teils des Tiegels 11a festgestellt, was auf eine Erhöhung der Strahlungswärme von der Heizeinrichtung 12 zurückzuführen ist. Es wird ins Auge gefasst, dass dies daran liegt, dass der Heizwert der Heizeinrichtung 12 erhöht wird, was darauf zurückzuführen ist, dass die Abflussmenge der Wärmeenergie zum Bodenteil der Kammer (wärmeisolierendes Bodenelement 23) durch einen Spalt zwischen der wärmeisolierenden Platte 72 und dem wärmeisolierenden Zylinder 71 erhöht wurde, so dass bewirkt wird, dass die Atmosphärentemperatur direkt über der Rohstoffschmelze 13 hoch ist.
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(Vergleichsbeispiel 2)
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Mittels der in 4 gezeigten Herstellungsvorrichtung für Halbleiter-Einkristalle wurde ein Silizium-Einkristall mit einem Durchmesser von 200 mm gemäß den Bedingungen hochgezogen, die weitgehend dieselben wie die der Beispiele 1 und 2 sind, mit der Ausnahme der Bedingung, die auch in Tabelle 1 gezeigt ist. Die in 4 gezeigte Herstellungsvorrichtung für die Halbleiter-Einkristalle ist eine Herstellungsvorrichtung, die von der in 2 gezeigten Herstellungsvorrichtung zu einer Herstellungsvorrichtung geändert ist, bei der ein wärmeisolierender Zylinder 81 eine Stufe hat, aber die Außenform einer wärmeisolierenden Platte 82 kleiner als der Innendurchmesser des oberen Teils des wärmeisolierenden Zylinders 81 ist; außerdem gibt es keine Überlappung am dem wärmeisolierenden Zylinder 81 und der wärmeisolierenden Platte 82. Der Innendurchmesser des wärmeisolierenden Zylinders 81 und der Außendurchmesser der wärmeisolierenden Platte 82 werden auf die Bedingungen des in Tabelle 1 gezeigten Vergleichsbeispiels 2 eingestellt.
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Im Ergebnis wird der Stromverbrauch zur Zeit des Bildens des Kristallteils mit konstantem Durchmesser um etwa 9 % im Vergleich zum Beispiel 1 erhöht, und es gab ein Ergebnis ähnlich dem von Vergleichsbeispiel 1. Weiter wird nach dem Vollenden des Ziehens des Kristalls ähnlich zum Vergleichsbeispiel 1 im Hinblick auf den Zustand des Quarztiegels 11a eine Verzerrung, die als Resultat des Erwärmens angesehen wird, an einem Abschnitt des oberen Teils des Tiegels 11a beobachtet. Es wird ins Auge gefasst, dass dies daran liegt, dass selbst wenn die wärmeisolierende Platte 22 vergrößert ist, der Außendurchmesser der wärmeisolierenden Platte 22 kleiner als der Innendurchmesser des oberen Teils des wärmeisolierenden Zylinders ist, und in dem Fall, in dem ein Spalt ausgebildet wird, es unmöglich war, ein Abfließen der Wärmeenergie zum Bodenteil der Kammer (wärmeisolierendes Bodenelement 23) zu verhindern.
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Die gemessenen Ergebnisse dieser Beispiele und der Vergleichsbeispiele wurden verglichen, indem die Werte zusammengeschrieben wurden und der Wert des Vergleichsbeispiels 1 als 100 % angenommen wird, und sind in 5 gezeigt. Aufgrund dieser Figur wird ins Auge gefasst, dass durch das Vorsehen eines Teils, das am Außendurchmesser der wärmeisolierenden Platte und am Innendurchmesser des oberen Teils des wärmeisolierenden Zylinders überlappt, vorteilhaft die Strahlung vom Bodenteil der Wärmeeinrichtung isoliert wird, um ein Abfließen der Wärmeenergie zum Bodenteil der Kammer zu verhindern. Darüber hinaus ist es im Hinblick auf die Dicke des wärmeisolierenden Zylinders erwünscht, die Stufe am wärmeisolierenden Zylinder so auszubilden, dass bewirkt wird, dass die Dicke des oberen Teils des wärmeisolierenden Zylinders 80 mm ist, und dass bewirkt wird, dass die Dicke des unteren Teils des wärmeisolierenden Zylinders 30 bis 70 % der Dicke des oberen Teils des wärmeisolierenden Zylinders ist, und zwar unter Berücksichtigung des Außendurchmessers der wärmeisolierenden Platte, des Innendurchmessers des wärmeisolierenden Zylinders, des Einpassbetrags (Unterschied zwischen dem Innendurchmesser des oberen Teils des wärmeisolierenden Zylinders und dem Innendurchmesser des unteren Teil des wärmeisolierenden Zylinders) und der Dicke des Stufenabschnitts des wärmeisolierenden Zylinders.
