DE112014002768T5

DE112014002768T5 - Einkristall-Herstellvorrichtung und Verfahren zum Herstellen eines Einkristalls

Info

Publication number: DE112014002768T5
Application number: DE112014002768.5T
Authority: DE
Inventors: Masanori Takazawa
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2013-06-27
Filing date: 2014-05-28
Publication date: 2016-03-03
Anticipated expiration: 2034-05-29
Also published as: US9738989B2; KR102054184B1; CN105358743B; US20160115620A1; KR20160022830A; JP2015010008A; CN105358743A; JP5942931B2; DE112014002768B4; WO2014208000A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt eine Einkristall-Herstellvorrichtung bereit, umfassend: eine Hauptkammer zur Aufnahme eines Tiegels und einer Heizung; eine Ziehkammer, in der ein gezüchteter Einkristall aufgenommen wird; einen Gasstrom-Führungszylinder, der eine Öffnung aufweist, die der Einkristall passiert, und sich von einer Decke der Hauptkammer nach unten erstreckt; einen zum Halten eines Impfkristalls ausgebildeten Impfkristallhalter; und eine Wärmeisolierplatte, die bündig mit einem unteren Ende der Öffnung des Gasstrom-Führungszylinder ist, wenn das Rohmaterial erwärmt und geschmolzen wird, und zusammen mit dem Impfkristall gezogen wird, wenn der Einkristall gezogen wird. Der Impfkristallhalter umfasst eine Montagevorrichtung zur Montage der Wärmeisolierplatte. Die Montagevorrichtung weist einen Mechanismus auf, der eine Montage der Wärmeisolierplatte auf eine Weise ermöglicht, dass die Wärmeisolierplatte unabhängig von der Drehung des Impfkristallhalters gedreht werden kann. Die vorliegende Vorrichtung kann unmittelbar eingesetzt werden, Rohmaterial mit einer geringen Heizungsleistung schmelzen, das Auftreten von Versetzungen während des Impfens und die Erzeugung von Versetzungen im Einkristall beim Ziehen des Einkristalls verhindern.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einkristall-Herstellvorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen eines Einkristalls mit der Czochralski-Technik.
STAND DER TECHNIK
Das Herstellen von Halbleiter-Einkristallen mit einem Durchmesser von 450 mm oder mehr mit der Czochralski-(CZ-)Technik erfordert eine Einkristall-Herstellvorrichtung mit einer großen Öffnung der Heißzone oder der Vorrichtung selbst, damit jeder einzelne hergestellte Halbleiter-Einkristall das Innere der Vorrichtung passieren kann. Wenn die Fläche dieser Öffnung vergrößert wird, nimmt die freiliegende Fläche des polykristallinen Silicium-Rohmaterials in einem Quarztiegel zu einer Kammer zu. Diese Zunahme erleichtert die Wärmeübertragung aufgrund der Strahlung zwischen dem polykristallinen Silicium-Rohmaterial und der Kammer, wenn das polykristalline Silicium-Rohmaterial geschmolzen wird, wodurch das Erhöhen der Temperatur des polykristallinen Silicium-Rohmaterials erschwert wird.
Entsprechend wird eine Heizung mit einer hohen Leistung zum Schmelzen des polykristallinen Silicium-Rohmaterials benötigt. Dies setzt den Quarztiegel, der das polykristalline Silicium-Rohmaterial enthält, einer hohen Belastung aus, wodurch der Quarztiegel schwer beschädigt wird. Ein langer Betrieb ist daher nicht möglich. Es besteht der Bedarf einer Herstellvorrichtung, die das polykristalline Silicium-Rohmaterial mit einer geringen Heizungsleistung schmelzen kann.
Wenn Kristalle mit einem großen Durchmesser, insbesondere Kristalle mit einem Durchmesser von 450 mm oder mehr, und einer großen Länge hergestellt werden, kann ein Dash-Necking-Verfahren nicht angewendet werden, weil der Halsabschnitt beim Dash-Necking-Verfahren eine geringe Breite von etwa 2 bis 3 mm aufweist und somit zu schwach ist, um einen schweren Kristall zu halten. Dementsprechend ist das Herstellen von Kristallen durch ein versetzungsfreies Impfverfahren erforderlich, bei dem der Kristalldurchmesser optional während des Wachstums nach dem Impfen gewählt werden kann. Bei diesem versetzungsfreien Impfverfahren wird der Kristallmindestdurchmesser nach dem Impfen vorgegeben, so dass dieser Durchmesser das Halten eines Einkristalls mit einem vorgegebenen Gewicht ermöglicht; das Wachstum dieses Einkristalls beginnt, nachdem ein Impfkristall mit dem spitzen Ende langsam in eine Schmelze aus polykristallinem Silicium-Rohmaterial getaucht wird, so dass der Durchmesser des gezüchteten Kristalls innerhalb des Bereichs des Mindestdurchmessers liegt.
Das versetzungsfreie Impfverfahren erfordert aber, wie der Name bereit sagt, ein versetzungsfreies Impfen. Es muss daher verhindert werden, dass der Einkristall wegen der Versetzung im Impfkristall aufgrund des Wärmeschocks durch die Temperaturdifferenz zwischen dem Impfkristall und der Schmelze aus polykristallinen Silicium-Rohmaterial eine Versetzung erzeugt. Der Impfkristall muss erwärmt werden, um diese Temperaturdifferenz zwischen dem Impfkristall und der Schmelze vor dem Impfprozess zu verringern. Ein Verfahren zum Erwärmen des Impfkristalls, das üblicherweise verwendet wird, ist das Bewegen des Impfkristalls bis knapp oberhalb der Schmelze und das Erwärmen des Impfkristalls durch die Strahlungswärme von der Oberfläche der Schmelze.
Eine Vergrößerung des Durchmessers der Öffnung, die der Einkristall während seines Wachstums passiert, ist aber mit einer Zunahme des Durchmessers des herzustellenden Silicium-Einkristalls verbunden und erleichtert die Wärmeübertragung aufgrund der Strahlung zwischen einem Impfkristallhalter und einer Kammer, wodurch ein ausreichendes Erwärmen des Impfkristalls im Prozess der Erwärmung des Impfkristalls vor dem Impfen nicht möglich ist. Die Erfolgsrate beim versetzungsfreien Impfen wird dadurch wesentlich erhöht.
LISTE DER ANFÜHRUNGEN
PATENTLITERATUR

Patentschrift 1: Ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 2012-91942
Patentschrift 2: Ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 2006-44962

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHE AUFGABE
Zum Lösen der Aufgabe wurden verschiedene Verfahren entwickelt. Eines dieser Verfahren ist nachfolgend beschrieben.
Die Patentschrift 1 offenbart eine Wärmeisolierplatte, die sich unabhängig vom Impfkristallhalter auf und ab bewegen kann, während das Impfen in der Nähe der Oberfläche der Schmelze des Rohmaterials erfolgt. Dieses Verfahren erfordert erhebliche Modifizierungen an einer vorhandenen Einkristall-Herstellvorrichtung und weist daher den Nachteil auf, dass es schwierig umzusetzen ist.
Die Patentschrift 2 offenbart eine Wärmeisolierplatte, die am Impfkristallhalter befestigt ist und der Schmelzenoberfläche ein Halten ihrer Temperatur während des Impfens ermöglicht. Wenn allerdings dieses Verfahren zum Herstellen eines Silicium-Einkristalls mit einem großen Durchmesser von 450 mm oder mehr verwendet wird, nehmen Gewicht und Fläche der Wärmeisolierplatte zu, um die Öffnung mit einem größeren Durchmesser, die ein gezüchteter Silicium-Einkristall passiert, abzudecken. Diese Zunahme von Gewicht und Fläche der Wärmeisolierplatte erhöht das Trägheitsmoment der Wärmeisolierplatte, wodurch das Drehen des Silicium-Einkristalls verhindert wird, wenn die Wärmeisolierplatte vom Impfkristallhalter angehoben wird. Dementsprechend kann kein stabiles Kristallwachstum erzielt werden. Im schlimmsten Fall erzeugt der Silicium-Einkristall eine Versetzung während des Wachstums.
Die vorliegende Erfindung wurde aufgrund der genannten Probleme entwickelt. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen einer Einkristall-Herstellvorrichtung, die unmittelbar eingesetzt werden, das Rohmaterial mit einer geringen Heizungsleistung schmelzen, das Auftreten von Versetzungen während des Impfens verringern und ein Erzeugen von Versetzungen durch einen Einkristall beim Ziehen des Einkristalls verhindern kann.
TECHNISCHE LÖSUNG
Zum Lösen dieser Aufgabe stellt die vorliegende Erfindung eine Einkristall-Herstellvorrichtung bereit, umfassend: eine Hauptkammer zur Aufnahme eines zur Aufnahme von Rohmaterial ausgebildeten Tiegels und einer Heizung zum Erwärmen des Rohmaterials zu einer Rohmaterialschmelze; eine Ziehkammer, in der ein gezüchteter Einkristall gezogen wird und aufgenommen wird, wobei die Ziehkammer kontinuierlich oberhalb der Hauptkammer angeordnet ist; einen Gasstrom-Führungszylinder mit einer Öffnung, die der Einkristall passiert, wobei sich der Gasstrom-Führungszylinder von einer Decke der Hauptkammer nach unten erstreckt; eine Wärmeisolierplatte, die mit einem unteren Ende der Öffnung des Gasstrom-Führungszylinders bündig ist, wenn das Rohmaterial erwärmt und geschmolzen wird, und zusammen mit dem Impfkristall gezogen wird, wenn der Einkristall gezogen wird; und einen zum Halten eines Einkristalls ausgebildete Impfkristallhalter, wobei der Impfkristallhalter eine Montagevorrichtung zum Montieren der Wärmeisolierplatte umfasst, wobei die Montagevorrichtung einen Mechanismus aufweist, der das Montieren der Wärmeisolierplatte so ermöglicht, dass die Wärmeisolierplatte unabhängig von der Drehung des Impfkristallhalters gedreht werden kann, wobei die Einkristall-Herstellvorrichtung zum Herstellen des Einkristalls beim Ziehen des Impfkristalls und der Wärmeisolierplatte ausgebildet ist.
Solch eine Einkristall-Herstellvorrichtung kann eine Wärmeübertragung aufgrund der Strahlung vom Rohmaterial zur Kammer beim Erwärmen und Schmelzen des Rohmaterials verhindern und das Rohmaterial auch dann schmelzen, wenn die Heizung eine geringe Leistung aufweist. Ferner kann die Vorrichtung eine Wärmeübertragung aufgrund der Strahlung von Rohmaterialschmelze, Impfkristall und Impfkristallhalter zur Kammer während des Impfens verhindern und eine ausreichende Erwärmungstemperatur des Impfkristalls halten, wodurch das Auftreten von Versetzungen beim Anwenden eines versetzungsfreien Impfverfahrens verhindert wird. Die Vorrichtung kann ebenfalls die vorübergehende Abnahme der Drehzahl des Siliciumkristalls dadurch, dass die Wärmeisolierplatte ein hohes Trägheitsmoment beim Ziehen des Einkristalls aufweist, verhindern, wodurch ein stabiles Kristallwachstum gewährleistet wird. Das Erzeugen von Versetzungen im Einkristall und Verunreinigungen aufgrund von Fremdstoffen kann während des Ziehens wirksam verhindert werden. Die Erfindung erfordert lediglich eine Modifizierung des Impfkristallhalters und kann daher unmittelbar an einer bestehenden Einkristall-Herstellvorrichtung eingesetzt werden.
Die Montagevorrichtung umfasst vorzugsweise einen sich von einer Seitenfläche des Impfkristallhalters erstreckenden ringförmigen unteren Flansch und einen unabhängig von der Drehung des Impfkristallhalters beim Aufsetzen der Wärmeisolierplatte auf diesen drehbaren ringförmigen oberen Flansch, wobei vorzugsweise eine ringförmige Nut auf einer oberen Fläche des unteren Flansches und einer unteren Fläche des oberen Flansches ausgebildet ist, und drei oder mehr Kugeln vorzugsweise zwischen den auf der oberen Fläche des unteren Flansches und der unteren Fläche des oberen Flansches ausgebildeten ringförmigen Nuten angeordnet sind, so dass der obere Flansch durch die Kugeln oberhalb des unteren Flansches angeordnet ist.
Solch eine Vorrichtung ermöglicht es der Wärmeisolierplatte und dem oberen Flansch, sich durch die Kugeln unabhängig vom Körper des Impfkristallhalters zu drehen, und verhindert ein Berühren des Körpers des Impfkristallhalters durch die Wärmeisolierplatte, wobei das Verhindern des Erzeugens von Feinteilen ermöglicht wird. Die Verunreinigung des Einkristalls durch Fremdstoffe kann somit beim Ziehen zuverlässig verhindert werden. Die Montagevorrichtung weist eine einfache Konstruktion auf und kann unmittelbar an einer bestehenden Einkristall-Herstellvorrichtung eingesetzt werden.
Der untere Flansch kann eine am äußersten Umfang des unteren Flansches nach oben vortretende Wand aufweisen.
Dieser untere Flansch kann zuverlässig verhindern, dass Feinteile auf die Oberfläche der Siliciumschmelze fallen, die gegebenenfalls durch den Reibungskontakt zwischen dem oberen Flansch und der Wärmeisolierplatte entstehen. Das Erzeugen von Versetzungen und Verunreinigungen durch Fremdstoffe im Einkristall kann somit zuverlässiger beim Ziehen verhindert werden.
Die Erfindung stellt ebenfalls ein Verfahren zum Herstellen eines Einkristalls durch Verwenden der erfindungsgemäßen Einkristall-Herstellvorrichtung bereit.
Dieses Verfahren zum Herstellen eines Einkristalls kann eine Wärmeübertragung aufgrund der Strahlung vom Rohmaterial zur Kammer beim Erwärmen und Schmelzen des Rohmaterials verhindern und das Rohmaterial auch dann schmelzen, wenn die Heizung eine geringe Leistung aufweist. Ferner kann die Vorrichtung eine Wärmeübertragung aufgrund der Strahlung von Rohmaterialschmelze, Impfkristall und Impfkristallhalter zur Kammer während des Impfens verhindern und eine ausreichende Erwärmungstemperatur des Impfkristalls halten, wodurch das Auftreten von Versetzungen beim Anwenden eines versetzungsfreien Impfverfahrens verhindert wird. Die Vorrichtung kann ebenfalls die vorübergehende Abnahme der Drehzahl des Siliciumkristalls dadurch, dass die Wärmeisolierplatte ein hohes Trägheitsmoment beim Ziehen des Einkristalls aufweist, verhindern, wodurch ein stabiles Kristallwachstum gewährleistet wird. Das Erzeugen von Versetzungen und Verunreinigungen durch Fremdstoffe im Einkristall kann somit beim Ziehen verhindert werden. Die Erfindung erfordert lediglich eine Modifizierung des Impfkristallhalters und kann daher unmittelbar an einer bestehenden Einkristall-Herstellvorrichtung eingesetzt werden.
VORTEILHAFTE WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Eine Einkristall-Herstellvorrichtung gemäß der Erfindung kann das Rohmaterial auch dann schmelzen, wenn die Heizung eine geringe elektrische Leistung aufweist, den Impfkristall ausreichend erwärmen und diese Temperatur während des Impfens halten, wodurch das Auftreten von Versetzungen verhindert wird. Die Vorrichtung kann ebenfalls die vorübergehende Verringerung der Drehzahl des Einkristalls verhindern, wenn die Wärmeisolierplatte auf den Impfkristallhalter montiert wird, wodurch das Verhindern der Erzeugung von Versetzungen im Siliciumkristall ermöglicht wird. Die Erfindung erfordert lediglich eine Modifizierung des Impfkristallhalters und kann daher unmittelbar an einer bestehenden Einkristall-Herstellvorrichtung eingesetzt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Querschnittsansicht zur Darstellung eines Beispiels für eine Einkristall-Herstellvorrichtung gemäß der Erfindung beim Impfen.
2 zeigt eine Querschnittsansicht zur Darstellung eines Beispiels für eine Einkristall-Herstellvorrichtung gemäß der Erfindung beim Ziehen eines Einkristalls.
3 zeigt eine Querschnittsansicht zur Darstellung eines beispielhaften Impfkristallhalters mit einer Montagevorrichtung gemäß der Erfindung.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht zur Darstellung eines beispielhaften Impfkristallhalters mit einer Montagevorrichtung gemäß der Erfindung.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben; die vorliegende Erfindung ist aber nicht auf diese Ausführungsform beschränkt.
In den letzten Jahren erfordert die Herstellung von Einkristallen mit einer großen Länge und einem großen Durchmesser, insbesondere einem Durchmesser von 450 mm oder mehr, dass eine Wärmeisolierplatte die Öffnung des Gasstrom-Führungszylinders abdeckt, um die Temperatur der Heißzone beim Schmelzen des Rohmaterials und Impfen zu halten. Wenn allerdings die Wärmeisolierplatte von einem Impfkristallhalter angehoben wird, wird die Drehung des Silicium-Einkristalls gestört und es wird eine Versetzung im Silicium-Einkristall während seines Wachstums erzeugt.
Dementsprechend führte der Erfinder Untersuchungen durch, um diese Aufgabe zu lösen, und fand schließlich heraus, dass beim Ausstatten einer Montagevorrichtung zum Montieren der Wärmeisolierplatte am Impfkristallhalter mit einem Mechanismus, der eine Montage der Wärmeisolierplatte auf solche Weise ermöglicht, dass die Wärmeisolierplatte unabhängig von der Drehung des Impfkristallhalters gedreht werden kann, die Drehung des Silicium-Einkristalls kaum gestört wird und somit verhindert werden kann, dass der Silicium-Einkristall Versetzungen während seines Wachstums erzeugt. Der Erfinder setzte dadurch die Erfindung um.
Nachfolgend ist ein Beispiel für eine Einkristall-Herstellvorrichtung gemäß der Erfindung in Bezug auf 1, 2, 3 und 4 beschrieben.
Wie in 1 und 2 dargestellt sind in der erfindungsgemäßen Einkristall-Herstellvorrichtung 1 Tiegel 2 und 3 zur Aufnahme des Rohmaterials und eine Heizung 5 zum Erwärmen des Rohmaterials zu einer Schmelze 4 des Rohmaterials in einer Hauptkammer 6 angeordnet. Ein zum Ziehen eines Einkristalls 8 ausgebildeter Draht 9 ist an einem oberen Teil einer Ziehkammer 7 angeordnet, die kontinuierlich oberhalb der Hauptkammer 6 angeordnet ist. Die Tiegel 2 und 3 bestehen aus einem Quarztiegel 2 zur direkten Aufnahme der Rohmaterialschmelze 4 im Inneren und einem Graphittiegel 3 zum Stützen des Quarztiegels 2 an der Außenseite.
Die Vorrichtung umfasst ebenfalls einen Gasstrom-Führungszylinder 10, der eine Öffnung aufweist, die der Einkristall 8 passiert, und sich von der Decke der Hauptkammer 6 nach unten erstreckt, und einen drehbaren Impfkristallhalter 12 zum Halten eines Impfkristalls 11 am Ende des Drahtes 9. Wie in 2 dargestellt wird der am Ende des Impfkristallhalters 12 befestigte Impfkristall 11 in die Rohmaterialschmelze 4 getaucht und der Draht 9 wird zum Ziehen des Impfkristallhalters 12 aufgewickelt, so dass sich unterhalb des Impfkristalls 11 der Einkristall 8 bildet.
Die Heizung 5 ist so angeordnet, dass sie die Tiegel 2 und 3 umgibt. Zwischen der Heizung 5 und der Hauptkammer 6 ist ein Wärmeisoliermaterial 16 so angeordnet, dass es die Heizung 5 umgibt. Dieses Wärmeisoliermaterial 16 kann Strahlungswärme von der Heizung 5 abschirmen. Im Wärmeisoliermaterial 16 ist eine Schutzvorrichtung 17 zum Schutz des Wärmeisoliermaterials angeordnet.
Gemäß der Erfindung umfasst der Impfkristallhalter 12 eine Montagevorrichtung 14 zur Montage einer Wärmeisolierplatte 13. Die Montagevorrichtung 14 weist einen Mechanismus auf, der eine Montage der Wärmeisolierplatte 13 auf eine Weise ermöglicht, dass die Wärmeisolierplatte 13 unabhängig von der Drehung des Impfkristallhalters 12 gedreht werden kann.
Wie in 3 und 4 dargestellt umfasst der Mechanismus der Montagevorrichtung 14 vorzugsweise einen ringförmigen unteren Flansch 18, der sich von einer Seitenfläche des Impfkristallhalters 12 erstreckt, und einen ringförmigen oberen Flansch 19, der unabhängig von der Drehung des Körpers des Impfkristallhalters 12 beim Setzen der Wärmeisolierplatte 13 auf dessen Oberseite drehbar ist. Vorzugsweise sind ringförmige Nuten 20 und 21 jeweils auf der oberen Fläche des unteren Flansches 18 und der unteren Fläche des oberen Flansches 19 ausgebildet. Vorzugsweise sind drei oder mehr Kugeln 22 zwischen den auf der oberen Fläche des unteren Flansches 18 und der unteren Fläche des oberen Flansches 19 ausgebildeten ringförmigen Nuten 20 und 21 angeordnet, so dass der obere Flansch 19 durch die Kugeln 22 oberhalb des unteren Flansches 18 angeordnet ist.
Diese Konfiguration ermöglicht es, dass sich der obere Flansch 19 und die Wärmeisolierplatte 13 durch die Kugeln 22 unabhängig vom unteren Flansch 18 drehen und ein Kontakt zwischen der Wärmeisolierplatte 13 und dem Körper des Impfkristallhalters 12 während des Ziehens verhindert wird, wodurch das Verhindern des Auftretens von Feinteilen aufgrund von Reibung verhindert wird. Die Vorrichtung kann somit verhindern, dass erzeugte Feinteile an der Oberfläche des Einkristalls 8 während dessen Wachstums anhaften und auf die Rohmaterialschmelze 4 fallen, und dadurch zuverlässig das Erzeugen von Versetzungen und Verunreinigung durch Fremdstoffe im Einkristall 8 verhindern. Die Montagevorrichtung 14 weist eine einfache Konfiguration wie in 3 und 4 dargestellt auf und kann dadurch unmittelbar an einer bestehenden Einkristall-Herstellvorrichtung eingesetzt werden.
Die Zahl der Kugeln 22 wird vorzugsweise so gewählt, dass sich die Kugeln 22 drehen und verteilen können, um den oberen Flansch 19 stets horizontal zu halten.
Wie in 3 und 4 dargestellt kann der untere Flansch 18 eine am äußersten Umfang nach oben vortretende Wand 23 aufweisen.
Dieser untere Flansch 18 kann zuverlässig das Fallen von Feinteilen, die durch Reibungskontakt zwischen dem oberen Flansch 19 und der Wärmeisolierplatte 13 erzeugt werden, auf die Rohmaterialschmelze 4 und das Anhaften dieser Feinteile auf der Oberfläche des Einkristalls 8 während des Ziehens verhindern. Das Erzeugen von Versetzungen im Einkristall und Verunreinigungen aufgrund von Fremdstoffen kann während des Ziehens zuverlässiger verhindert werden.
Während des Erwärmens und Schmelzens des Rohmaterials wird der Impfkristallhalter 12, der keinen Impfkristall 11 hält, direkt oberhalb des Rohmaterials bewegt und die Wärmeisolierplatte 13 wird auf einen Wärmeisolierring 15 gesetzt, der am unteren Ende der Öffnung des Gasstrom-Führungszylinders 10 befestigt ist, so dass die Temperatur um das Rohmaterial herum gehalten wird.
Wie in 1 dargestellt wird die Wärmeisolierplatte 13 während des Impfens auf den Wärmeisolierring 15 gesetzt, um die Temperatur des Impfkristalls 11, des Impfkristallhalters 12 und der Rohmaterialschmelze 4 zu halten. Es ist darauf hinzuweisen, dass zwar diese Ausführungsform offenbart, dass beim Erwärmen und Schmelzen des Rohmaterials sowie Anbringen des Impfkristalls an der Schmelze die Wärmeisolierplatte 13 auf den Wärmeisolierring 15 gesetzt wird, der am unteren Ende der Öffnung des Gasstrom-Führungszylinders 10 befestigt ist, die Erfindung aber nicht darauf beschränkt ist. Wenn beispielsweise eine Einkristall-Herstellvorrichtung ohne Wärmeisolierring 15 verwendet wird, ermöglicht die Erfindung das Halten der Temperatur des Rohmaterials, der Rohmaterialschmelze 4, des Impfkristalls 11 und des Impfkristallhalters 12 wie in der vorliegenden Ausführungsform, vorausgesetzt die Wärmeisolierplatte 13 kann auf die gleiche Höhe des unteren Endes der Öffnung des Gasstrom-Führungszylinders 10 bewegt werden.
Wie in 2 dargestellt ist beim Ziehen des Einkristalls 8 die Wärmeisolierplatte 13 am Impfkristallhalter 12 mit der Montagevorrichtung 14 montiert und wird zusammen mit dem Impfkristallhalter 12 und dem Impfkristall 11 gezogen.
Die Einkristall-Herstellvorrichtung 1 in dieser Ausführung ermöglicht es der Wärmeisolierplatte 13, eine Wärmeübertragung aufgrund der Strahlung vom Rohmaterial zur Kammer beim Erwärmen und Schmelzen des Rohmaterials zu verhindern, und kann dadurch das Rohmaterial auch dann schmelzen, wenn die Heizung mit wenig Strom versorgt wird. Ferner verhindert die Wärmeisolierplatte 13 beim Impfen eine Wärmeübertragung von Rohmaterialschmelze 4, Impfkristall 11 und Impfkristallhalter 12 auf die Kammer. Der Impfkristall 11 kann dadurch ausreichend erwärmt werden und dessen Temperatur kann gehalten werden, so dass Versetzungen aufgrund eines Wärmeschocks durch die Temperaturdifferenz zwischen der Rohmaterialschmelze 4 und dem Impfkristall 11 verhindert werden können. Die Erfolgsrate des versetzungsfreien Impfens kann dadurch verbessert werden. Zusätzlich kann eine vorübergehende Abnahme der Drehzahl des Siliciumkristalls 8 aufgrund des Gewichts der Wärmeisolierplatte 13 beim Ziehen des Siliciumkristalls 8 verhindert werden. Somit kann ein Erzeugen von Versetzungen beim Ziehen des Siliciumkristalls 8 verhindert werden. Die Erfindung erfordert lediglich eine Modifizierung des Impfkristallhalters 12 und kann daher unmittelbar an einer bestehenden Einkristall-Herstellvorrichtung eingesetzt werden.
Nachfolgend ist ein Verfahren zum Herstellen eines Einkristalls gemäß der Erfindung anhand eines Beispiels der Erzeugung eines Einkristalls mit der erfindungsgemäßen Einkristall-Herstellvorrichtung beschrieben.
Zunächst wird das Rohmaterial in die Tiegel 2 und 3 gegeben. Zum wirksameren Halten der Temperatur um das Rohmaterial herum wird der Impfkristallhalter 12, der keinen Impfkristall 11 hält, anschließend direkt oberhalb des Rohmaterials bewegt und die Wärmeisolierplatte 13 wird auf den Wärmeisolierring 15 gesetzt, der am unteren Ende des Gasstrom-Führungszylinders 10 befestigt ist. In diesem Zustand wird das Rohmaterial von der Heizung 5 zur Rohmaterialschmelze 4 erwärmt und geschmolzen. Anschließend wird der Impfkristall 11 mit dem spitzen Ende am Impfkristallhalter 12 befestigt und der Draht 9 wird abgewickelt, um den Impfkristall 12 abzusenken und den Impfkristall 11 in die Nähe der Rohmaterialschmelze 4 zu bringen. Der Impfkristall 11 wird direkt oberhalb der Rohmaterialschmelze 4 erwärmt und dessen Temperatur wird durch die Strahlungswärme von der Oberfläche der Rohmaterialschmelze 4 gehalten. Wie in 1 dargestellt wird die Wärmeisolierplatte 13 zu diesem Zeitpunkt auf den Wärmeisolierring 15 gesetzt.
Nach einem ausreichenden Erwärmen des Impfkristalls 11 wird der Impfkristall 11 langsam in Kontakt mit der Rohmaterialschmelze 4 gebracht und bis zu einem vorgegebenen Durchmesser in die Schmelze 4 getaucht. Anschließend wird der Draht 9 unter Drehen aufgewickelt und der Impfkristallhalter 12 wird unter Drehen gezogen, so dass das Wachstum des Einkristalls 8 beginnt. Der Einkristall 8 wird gezogen, während die Ziehgeschwindigkeit des Einkristalls 8 und die Leistung der Heizung 5 gesteuert werden, so dass der gewünschte Durchmesser und die gewünschte Qualität erzielt werden können.
Wie in 2 dargestellt zieht das erfindungsgemäße Einkristall-Herstellverfahren den Impfkristall 11 und die Wärmeisolierplatte 13 mit der Montagevorrichtung 14 des Impfkristallhalters 12 während des Ziehens.
Dieses Einkristall-Herstellverfahren hält die Temperatur um das Rohmaterial herum durch den Impfkristallhalter 12 und die Wärmeisolierplatte 13 wirksamer, wobei ein Schmelzen des Rohmaterials mit einer Heizung mit einer geringen elektrischen Leistung ermöglicht wird. Da der Impfkristall 11 beim Impfen ausreichend erwärmt und dessen Temperatur gehalten werden kann, kann das Auftreten von Versetzungen aufgrund eines Wärmeschocks durch die Temperaturdifferenz zwischen der Rohmaterialschmelze 4 und dem Impfkristall 11 verhindert werden. Da eine vorübergehende Abnahme der Drehzahl des Siliciumkristalls 8 beim Ziehen des Einkristalls 8 verhindert werden kann, kann ein Erzeugen von Versetzungen beim Ziehen des Einkristalls 8 verhindert werden. Die Erfindung erfordert lediglich eine Modifizierung des Impfkristallhalters 12 und kann daher unmittelbar an einer bestehenden Einkristall-Herstellvorrichtung eingesetzt werden.
BEISPIEL
Nachfolgend ist die vorliegende Erfindung spezifischer in Bezug auf ein Beispiel und Vergleichsbeispiele beschrieben; die Erfindung ist aber nicht auf dieses Beispiel beschränkt.
(Beispiel)
Ein Silicium-Einkristall wurde mit der in 1 dargestellten Einkristall-Herstellvorrichtung durch das erfindungsgemäße Einkristall-Herstellverfahren hergestellt. Zunächst wurden 500 kg polykristallines Silicium-Rohmaterial in einen Quarztiegel mit einem Durchmesser von 40 Zoll (1.016 mm) gegeben. Anschließend wurde die Wärmeisolierplatte auf den Wärmeisolierring gesetzt und das polykristalline Silicium-Rohmaterial wurde in diesem Zustand geschmolzen, während die Leistung der Heizung so gesteuert wurde, dass das Schmelzen innerhalb von 30 Stunden abgeschlossen wurde. Nachdem das polykristalline Silicium-Rohmaterial vollständig geschmolzen war, wurde der Durchmesser des Einkristalls durch das versetzungsfreie Impfverfahren auf 450 mm vergrößert und der Silicium-Einkristall wurde gezogen. Bei diesem Ziehen wurde die in 3 und 4 dargestellte Montagevorrichtung verwendet, um die Wärmeisolierplatte zusammen mit dem Impfkristall zu ziehen.
(Vergleichsbeispiel 1)
Ein Silicium-Einkristall mit einem Durchmesser von 450 mm wurde unter den gleichen Bedingungen hergestellt, wobei jedoch eine Einkristall-Herstellvorrichtung ohne Wärmeisolierplatte verwendet wurde.
(Vergleichsbeispiel 2)
Ein Silicium-Einkristall mit einem Durchmesser von 450 mm wurde unter den gleichen Bedingungen hergestellt, wobei jedoch eine Einkristall-Herstellvorrichtung mit einer Montagevorrichtung ohne Mechanismus verwendet wurde, die ein Montieren der Wärmeisolierplatte so ermöglicht, dass die Wärmeisolierplatte unabhängig von der Drehung des Impfkristallhalters gedreht werden kann.
Das Ergebnis war, dass die erforderliche Leistung zum vollständigen Schmelzen des polykristallinen Rohmaterials beim Beispiel und Vergleichsbeispiel 2 151 kW betrug, aber beim Vergleichsbeispiel 1 192 kW betrug. Die erforderliche Leistung zum vollständigen Schmelzen des polykristallinen Silicium-Rohmaterials beim Beispiel und Vergleichsbeispiel 2 lag im Vergleich zum Vergleichsbeispiel 1 um 21% niedriger. Wenn das versetzungsfreie Impfen bei einem Kristallwachstum ohne Versetzung, bis die Länge des geraden Körpers 10 cm erreichte, als ein Erfolg bewertet wurde, betrug die Erfolgsrate des versetzungsfreien Impfens 79% beim Beispiel, 54% beim Vergleichsbeispiel 1 und 67% beim Vergleichsbeispiel 2. Das Verhältnis, mit dem die Erzeugung von Versetzungen im Silicium-Einkristall auftrat, war beim Beispiel 12% niedriger als beim Vergleichsbeispiel 2. Das Verunreinigungsverhältnis durch Fremdstoffe war beim Beispiel 8% niedriger als beim Vergleichsbeispiel 2.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die zuvor beschriebene Ausführungsform beschränkt ist. Die Ausführungsform ist lediglich ein Beispiel und Beispiele, die im Wesentlichen die gleichen Merkmale aufweisen und die gleichen Funktionen und Wirkungen als die im technischen Konzept, das in den Ansprüchen der vorliegenden Erfindung beschrieben ist, sind im technischen Umfang der vorliegenden Erfindungen enthalten.

Claims

Einkristall-Herstellvorrichtung, umfassend: eine Hauptkammer zur Aufnahme eines zur Aufnahme von Rohmaterial ausgebildeten Tiegels und einer Heizung zum Erwärmen des Rohmaterials zu einer Rohmaterialschmelze; eine Ziehkammer, in der ein gezüchteter Einkristall gezogen und aufgenommen wird, wobei die Ziehkammer kontinuierlich oberhalb der Hauptkammer angeordnet ist; einen Gasstrom-Führungszylinder mit einer Öffnung, die der Einkristall passiert, wobei sich der Gasstrom-Führungszylinder von einer Decke der Hauptkammer nach unten erstreckt; eine Wärmeisolierplatte, die mit einem unteren Ende der Öffnung des Gasstrom-Führungszylinders bündig ist, wenn das Rohmaterial erwärmt und geschmolzen wird, und zusammen mit dem Impfkristall gezogen wird, wenn der Einkristall gezogen wird; und einen zum Halten eines Impfkristalls ausgebildeten drehbaren Impfkristallhalter, wobei der Impfkristallhalter eine Montagevorrichtung zum Montieren der Wärmeisolierplatte umfasst, wobei die Montagevorrichtung einen Mechanismus aufweist, der eine Montage der Wärmeisolierplatte so ermöglicht, dass die Wärmeisolierplatte unabhängig von der Drehung des Impfkristallhalters gedreht werden kann, wobei die Einkristall-Herstellvorrichtung zum Herstellen des Einkristalls beim Ziehen des Impfkristalls und der Wärmeisolierplatte ausgebildet ist.
Einkristall-Herstellvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Montagevorrichtung einen ringförmigen unteren Flansch, der sich von einer Seitenfläche des Impfkristallhalters erstreckt, und einen ringförmigen oberen Flansch, der unabhängig von der Drehung des Impfkristallhalters beim Setzen der Wärmeisolierplatte darauf drehbar ist, eine ringförmige Nut auf einer oberen Fläche des unteren Flansches und einer unteren Fläche des oberen Flansches ausgebildet ist, und drei oder mehr Kugeln zwischen den auf der oberen Fläche des unteren Flansches und der unteren Fläche des oberen Flansches ausgebildeten ringförmigen Nuten angeordnet sind, so dass der obere Flansch durch die Kugeln oberhalb des unteren Flansches angeordnet ist.
Einkristall-Herstellvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der untere Flansch eine an einem äußersten Umfang des unteren Flansches nach oben vortretende Wand aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines Einkristalls, wobei der Einkristall mit einer Einkristall-Herstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 hergestellt wird.