DE19621351A1 - Kristallhaltevorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kristallhaltevorrich­ tung zur Verwendung während des Züchtungsprozesses nach dem Czochralski-Ziehverfahren.

Vorrichtungen für die Züchtung von Einkristallen mittels des Czochralski-Verfahrens sind bekannt. Bei derartigen Vorrichtungen wird der zu züchtende Kristall ausgehend von einem in einer Schmelze eintauchenden Impfling entweder durch Absenken des Schmelzbades oder durch eine aufwärts gerichtete Verschiebung des Impflings aus der Schmelze ge­ züchtet. Die derartig z. B. aus einer Silizium­ schmelze gezogenen Einkristalle bilden das Aus­ gangsmaterial für die Herstellung von sogenannten Wafern.

Mit den bekannten Vorrichtungen konnten durch ständige Verbesserungen des Züchtungsverfahrens und der hierzu eingesetzten Vorrichtungen die Kri­ stallgewichte in den letzten Jahren bis auf 300 kg Kristallgewicht heraufgesetzt werden. Die Herstel­ lung von Einkristallen nach dem Czochrals­ ki-Verfahren mit größeren Durchmessern hat sich als außerordentlich schwierig herausgestellt. Ein wesentlicher Grund hierfür ist, daß bei Abschluß dem Ziehprozesses das gesamte Kristallgewicht von dem verfahrensbedingt einen nur 4-5 mm Durchmesser aufweisenden Impfling gehalten wird. Ein Abreißen des Kristalls von dem Impfling und eine dadurch bedingte Zerstörung der Kristallziehvorrichtung ist aber zu vermeiden. Da dieser nur mit einer ma­ ximalen Zugspannung belastet werden kann, sind bei den bekannten Kristallziehvorrichtungen somit nur Kristalle von begrenzten Abmessungen mit einem li­ mitierten Maximalgewicht herstellbar.

Als zusätzliches Problem kommt während des Zieh­ prozesses hinzu, daß durch die Drehung des Kri­ stalls während des Ziehprozesses in dem Impfling eine Kerbspannung aufgebaut wird, die die maximale Gewichtsbelastung durch den Einkristall weiter verringert. Zur Gewährleistung eines sicheren Züchtungsprozesses, bei welchem ein Abreißen des Kristalls vom Impfling vermieden wird, werden die Prozeßparameter während des Ziehprozesses zwangs­ läufig derartig gewählt, daß die an dem Impfling angreifende Zugspannung somit deutlich unterhalb der maximalen zulässigen Zugspannung bleibt.

Die bekannten Kristallzuchtvorrichtungen weisen somit den entscheidenden Nachteil auf, daß nur Kristalle mit einem limitierten Gesamtgewicht und damit begrenztem Kristallvolumen herstellbar sind. Dieser Nachteil schränkt die Wirtschaftlichkeit der Herstellung mit den bekannten Kristallziehvor­ richtungen nachteilig ein.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung bereitzustellen, mit wel­ cher Kristalle nach dem Czochralski-Verfahren her­ stellbar sind, welche ein größeres Kristallvolumen bzw. Kristallgewicht als das durch die auf den Impfling ausgeübte Zugspannung maximal zulässige Gewicht aufweisen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Kristallkörper nach Erreichen einer be­ stimmten Kristallänge mittels auf dessen Umfangs­ fläche andrückenden Greifvorrichtungen abgestützt wird und die weiter zunehmende Gewichtslast des Kristalls während des Ziehvorgangs vollständig oder zum Teil übernehmen. Hierdurch wird vorteil­ haft gewährleistet, daß die maximal an dem Impfling angreifende Zugspannung auf das zulässige Maß reduziert wird und verhindert wird, daß der weiterwachsende Kristall bei Überschreiten des bei den bekannten Verfahren zulässigen Gesamtgewichtes von dem Impfling abreißt. Vorteilhaft sind durch diese erfindungsgemäßen Maßnahmen Kristalle mit Durchmessern von < 300 mm bzw. 400 mm bei Längen von mehr als 2 m herstellbar bzw. mit Kristallge­ wichten < 300 kg. Durch die Erfindung wird damit die Wirtschaftlichkeit bei der Produktion von Ein­ kristallen deutlich erhöht.

Zum Erfassen des Kristalls während des Ziehprozes­ ses ist eine Haltevorrichtung vorgesehen, die nach Erreichen einer ausreichenden Kristallänge eine auf diesen mit einer ausschließlich radial auf den Kristallkörper gerichteten Andruckkraft einwirkt. Der Kristall wird nach Ausbilden einer an dem Kri­ stallhals angezüchteten Schulter mit im wesentli­ chen konstantem Durchmesser über seine gesamte Länge gezüchtet. Durch die vorzugsweise paarweise und diametral an dem Kristallumfang anliegenden Haltevorrichtungen wird vorteilhaft verhindert, daß eine radial gerichtete Kraftkomponente den Kristall aus seiner axialen Ziehrichtung ver­ schiebt und das Kristallwachstum durch eine Verän­ derung der im Erstarrungsbereich zwischen Schmelze und Kristall herrschenden Prozeßparameter gestört wird. Weiterhin ist vorgesehen, daß die Haltevor­ richtungen sich konzentrisch und gleichgerichtet zur Rotationsbewegung des Einkristalls drehen, wo­ bei die erfindungsgemäßen Haltevorrichtungen und der Einkristall dieselbe Winkelgeschwindigkeit aufweisen. Hierdurch wird vorteilhaft gewährlei­ stet, daß an dem Kristall, während die Haltevor­ richtungen an diesem angelegt werden, keine tan­ gential gerichtete Kraft bzw. ein Drehmoment auf diesen ausgeübt wird, welches die Ortslage des Kristalls in Bezug zum Schmelzbad und damit das einkristalline Wachstum nachteilig beeinflussen könnte.

Weitere vorteilhafte erfindungsgemäße Merkmale sind in den Unteransprüchen ausgeführt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird im weiteren anhand eines besonders vorteilhaften und in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemä­ ßen Kristallhaltevorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1 in Schnittansicht,

Fig. 3 einen in Fig. 1 dargestellten Druckring mit Rollenmagazin und Kristallkörper in vergrößerter Darstellung,

Fig. 4 einen Druckring und ein Rollenmagazin mit Kristallkörper in vergrößerter Dar­ stellung,

Fig. 5 einen Schnitt durch eine Anordnung einer Kristallhaltevorrichtung und zugeordne­ tem Kristall und

Fig. 6 einen vergrößerten Teilausschnitt einer in Fig. 5 dargestellten Haltevorrich­ tung.

In den Fig. 1 bis 6 ist eine Kristallhaltevor­ richtung dargestellt, mit welcher Einkristalle nach dem Czochralski-Ziehverfahren herstellbar sind. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, besteht die Kristallhaltevorrichtung 1 im wesentlichen aus ei­ ner Ziehwelle 2, an welche ein Impfkristallhalter mit in diesem eingesetzten Impfkristall 36 mit an­ gezüchtetem Einkristall 3 hängend befestigt ist. Axial und konzentrisch zur Ziehwelle 2 bzw. der axialen Erstreckungsrichtung des Kristalls 3 ist die Kristallhaltevorrichtung 1 mit jeweils paar­ weise diametral angeordneten Tragbügeln 16, 16′ an einem die Ziehwelle 2 umgebenden Aufnahmering 4 hängend angeordnet. Der Aufnahmering 4 wird von einem vorzugsweise hitzebeständigen Kugellager 6 getragen, welches sich auf dem zweiteiligen Klemm­ ring 8, der in eine Nut 9 der Ziehwelle 2 einge­ setzt ist, abstützt. Die jeweils paarweise in dem Aufnahmering 4 eingehängten Tragbügel 16, 16′ er­ strecken sich mit den endseitig angeordneten Greifvorrichtungen 18, 18′ über die axiale Ausdeh­ nung des Impfkristalls 36 und des an dem Impfkri­ stall 36 angezüchteten Kristallhalses 38 und über den unterhalb der angezüchteten Kristallschulter 39 ausgebildeten Kristallkörper 3. Die Haltevor­ richtung 1 umfaßt mindestens zwei oder mehr Trag­ bügel 20, 20′, an welchen endseitig jeweils ein Druckring 28, 28′ befestigt ist. In dem einzelnen Druckring 28, 28′ sind Nuten ausgebildet, in denen drei oder mehr sogenannte Rollenmagazine 24, 24′ vorgesehen sind, welche mittels Stegen 34, 34′ mit den Tragbügeln 20, 20′ verbunden sind. Jedes Rol­ lenmagazin 24, 24′ ist vorzugsweise mit zwei unter­ schiedlich großen und übereinander angeordneten Druckrollen 26, 27 bzw. 26′, 27′ bestückt. Jedem Rollenmagazin 24, 24′ ist ein Sperrhaken 32, 32′ zu­ geordnet. Dieser ist an dem Druckring 28, 28′ seit­ lich zum Rollenmagazin 24 angeordnet und nur um einen limitierten Winkelbereich schwenkbar. Die Sperrhaken 22, 22′ tragen die Druckrollen 26, 27 bzw. 26′, 27′ vor dem Einfahren des Kristalls in die Haltevorrichtung 1. Einer der Sperrhaken 22, 22′ weist eine über die radiale Ausdehnung des Druckringes 28 sich erstreckende Verlängerung 29 auf. Die über diese Verlängerung 29 ausgelöste Be­ wegung wird mittels beweglicher Stangen 30, 30′ auf die übrigen Sperrhaken 22a, 22b bzw. 22′a, 22′b übertragen. Um eine durch thermische Belastung hervorgerufene Verformung der an dem Kristallkör­ per 3 anlagernden Greifvorrichtungen 18 bzw. 18′ zu vermeiden, sind die Druckrollen 26, 27 bzw. 26′, 27′ aus einem druckfesten und hitzebeständigen Material gefertigt.

Im folgenden wird die Funktion der Kristallhalte­ vorrichtung 1 näher beschrieben. Vor Beginn des Ziehprozesses wird die Haltevorrichtung 1 mit den Tragbügeln 16, 16′ auf die Auflage 32, 32′ gelagert. Dabei ist die axiale Position der Ziehwelle 2 der­ artig zu wählen, daß sich der Aufnahmering 4 eini­ ge Millimeter bzw. Zentimeter unterhalb der Haken 17, 17′ der Tragbügel 16, 16′ befindet. Der Dreh­ punkt der Tragbügel 16, 16′ ist so gewählt, daß diese durch die angreifende Schwerkraft von dem Kristallkörper 3 nach außen weg kippen. Nach dem Aufsetzen der Haltevorrichtung 1 auf die Auflage 32, 32′ umschließen die Haken 17, 17′ den Aufnahme­ ring 4 an der Ziehwelle 2. Eine Berührung der Tragbügel 16, 16′ mit dem Kristallkörper 3 wird durch die Begrenzung der Kippbewegung der Tragbü­ gel 16, 16′ verhindert.

Durch die axiale Positionierung der Haltevorrich­ tung 1 im Prozeßraum ist definiert, wann der Auf­ nahmering 4 beim Hochfahren die Haken 17, 17′ der Tragbügel 16, 16′ erreicht (siehe Fig. 1) und de­ ren Mitnahme bewirkt. Dabei wird die Drehbewegung der Ziehwelle 2 entsprechend der Reibung im Kugel­ lager 6 auf die Haltevorrichtung 1 übertragen. Nach einem festgelegten axialen Hub der Ziehwelle 2 wird ein ebenfalls im Prozeßraum angeordnetes Auslöseelement 17 erreicht, welches bei Berührung des Sperrbolzens 12 diesen soweit um dessen Achse verkippt, bis die Klinke 10a, 10b durch die Schwer­ kraft in die Verzahnung des Klemmrings 8 ein­ taucht. Damit wird eine Rotationsrelativbewegung zwischen der Ziehwelle 2 und der Haltevorrichtung 1 verhindert. Die Verzahnung des Klemmrings 8 und der Klinke 10a, 10b sind jeweils stirnseitig ko­ nisch zulaufend ausgebildet, so daß eine Verzah­ nung in jeder Relativposition zueinander erfolgen kann. Das Auslöseelement 14 ist außerhalb des Drehbereichs der Greifvorrichtungen 18, 18′ ange­ ordnet.

Erreicht beim weiteren Hochfahren der Ziehwelle 2 das überstehende Ende des Sperrhakens 22, 22′ die Auflage 32, so wird dieser gedreht, wobei diese Drehung durch die beweglichen Stangen 30, 30′ gleichzeitig auf die übrigen Sperrhaken 22, 22′ übertragen wird. Die Druckrollen 26, 27; 26′, 27′ gleiten in der Führungsnut des Rollenmagazins 24, 24′ nach unten und setzen sich in dem zwischen dem Druckring 28, 28′ und dem Kristallkörper 3 aus­ gebildeten konischen Spalt unter radialem Druck auf den Kristall 3 fest. Durch den Freiraum, den die Druckrollen 27, 27′ in der Führung des Rollen­ magazins 24, 24′ aufweisen, können Durchmesser- und Rundheitsabweichungen des Kristallkörpers 3 ausge­ glichen werden. Durch die weitgehend geschlossene Form des Rollenmagazins 24, 24′ werden eventuell frei werdende Metallpartikel von der Schmelze zu­ rückgehalten.

Um die Klemmwirkung der Druckrolle 27, 27′ zu ver­ größern, ist der Impfkristallhalter 40 über Tel­ lerfedern (siehe Fig. 3), die sich im wasserge­ kühlten Bereich der Ziehwelle 2 befinden, derartig befestigt, daß bei Vergrößerung der Last des wach­ senden Kristalls 3 eine Axialbewegung gegenüber der Haltevorrichtung 1 ermöglicht ist.

Weiterhin wird vorgeschlagen, den Ziehprozeß der­ artig zu steuern, daß im Bereich der Druckrollen 27, 27′ eine Rille oder eine leichte Konizität mit einer Durchmesserverkleinerung am Kristall 3 ange­ züchtet wird, wodurch die Funktionssicherheit der Kristallhaltevorrichtung weiter verbessert wird.

Nach Abschluß des Ziehvorganges ist der Kristall 3 in der üblichen Weise von der Ziehwelle 2 und nach Entfernen der Kristallhaltevorrichtung 1 in der üblichen Weise entnehmbar. Die Trennung des Kri­ stalls 3 vom Impfkristall 30 hat so zu erfolgen, daß dabei auch ein Stück des Kristallhalses 38 entfernt wird. Nach dem Erfassen des Kristalls 3 durch eine in den Figuren nicht dargestellte Ent­ nahmevorrichtung wird die Ziehwelle 2 nach unten gefahren, bis die Tragbügel 20, 20′ der Haltevor­ richtung 1 die Schulter 39 des Kristalls 3 errei­ chen. Hierdurch wird das Öffnen der Tragbügel 16, 16 ausgelöst. Anschließend wird die Ziehwelle 2 so weit nach oben gefahren, bis der Kristall 3 mit der Haltevorrichtung 1 entnommen werden kann. Das Abheben der Haltevorrichtung 1 vom Kristall 3 er­ folgt, nachdem die einzelnen Rollenmagazine 24, 24′ angehoben und damit die Druckrollen 26, 27 bzw. 26′, 27′ entspannt worden sind.

Bezugszeichenliste

1 Kristallhaltevorrichtung
2 Ziehwelle
3 Kristall
4 Aufnahmering
6 Kugellager
8 Klemmring
9 Nut
10a, 10b Klinke
12 Sperrbolzen
14 Auslöser
16, 16′ Tragbügel
17, 17′ Haken
18, 18′ Greifvorrichtung
19, 19′ Greifvorrichtung
20, 20′ Tragbügel
21, 21′ Haltevorrichtung
22, 22a, 22b Sperrhaken
24, 24′ Magazin, Rollenmagazin
26, 26′, 26′ ′ Druckrollen
27, 27′ Druckrollen
28, 28′ Druckring
29 Verlängerung
30 Stange
31 Anschmelzstelle
32, 32′ Auflage
34, 34′ Steg
36 Impfkristall
38 Hals
39 Schulter
40 Impfkristallhalter
42 Tellerfeder
44, 44′ Auslöser
D, D′ Drehpunkt

Claims (2)

1. Vorrichtung zur Herstellung eines nach dem Czochralski-Ziehschmelzverfahren aus einem Keimkristall (36) gezogenen Einkristalls (3) mit einer Vorrichtung zum Ergreifen und Hal­ tern des Einkristalls (3) während der Kri­ stallwachstumsphase, wobei die Greifvorrich­ tung (1) mindestens zwei in Umfangsrichtung des Kristalls (3) zueinander beabstandete und vorzugsweise paarweise gegenüber liegend an­ geordnete Tragbügel (16, 16′) zum Haltern des Kristalls (3) aufweist, gekennzeichnet da­ durch, daß die Tragbügel (16, 16′) an ihrem unteren, dem Kristall (3) zugewandten Ende jeweils eine auf der gezüchteten Kristallman­ telfläche anliegende Greifvorrichtung (18, 18′) aufweisen, mittels welcher der Kri­ stall (3) während der Kristallwachstumsphase kraftschlüssig greifbar und gegen Loslösung gesichert, parallel zu dessen Wachstumsrich­ tung verfahrbar ist, wobei durch die Greif­ vorrichtung (18, 18′) ein ausschließlich radi­ al gerichteter Haltedruck auf den Kristall (3) ausgeübt wird, wodurch zwischen der Kri­ stallmantelfläche und der Haltevorrichtung (18, 18′) ein das Gewicht des vollständig ge­ züchteten Kristalls (3) übersteigender Reib­ widerstand erzeugt wird, wodurch der Kristall (3) mittels Reibschlußwirkung von der Halte­ vorrichtung (18, 18′) getragen wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kristall (3) nach Ausbilden einer ersten gezüchteten Schulter (39) einen über die anschließende gezüchtete Kristallän­ ge konstanten Durchmesser aufweist.