DE19712777B4

DE19712777B4 - Vorrichtung zum Verhindern des Schmelzens von Heizelektroden in einer Einkristallziehvorrichtung

Info

Publication number: DE19712777B4
Application number: DE19712777A
Authority: DE
Inventors: Masao Saitoh; Daisuke Wakabayashi; Takashi Atami; Hisashi Furuya
Original assignee: Mitsubishi Materials Silicon Corp; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 1996-04-09
Filing date: 1997-03-26
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2017-03-27
Also published as: DE19712777A1; KR100441359B1; JP3482979B2; JPH09278585A; KR970070256A; CN1168931A; CN1106460C; TW517101B; US5843228A

Abstract

Vorrichtung zum Verhindern des Schmelzens der Elektrode einer Heizvorrichtung einer Einkristallziehvorrichtung, welche aufweist:
einen gasdichten Behälter,
einen Schmelztiegel zur Aufbewahrung einer Halbleiterschmelze im Inneren des gasdichten Behälters,
eine den Schmelztiegel umgebende Heizvorrichtung, und
ein Paar leitfähiger Metallelektroden, die jeweils mit einem Wasserkühlkanal versehen sind, und jeweils durch eine Gewindeverbindung mit einer Graphitzwischenelektrode verbunden sind, die an die Heizvorrichtung angeschlossen ist,
gekennzeichnet durch:
einen Schalter, der in einer Schaltung zwischen zumindest einer leitfähigen Metallelektrode und einer Spannungsquelle zum Liefern von Energie an das Paar leitfähiger Metallelektroden vorgesehen ist,
eine Strommeßvorrichtung zum Messen des Wertes des elektrischen Stroms, der durch die Heizvorrichtung fließt, und
eine Steuerung, in welche der Wert des elektrischen Stroms eingegeben wird, der von der Strommeßvorrichtung gemessen wird, und der den Schalter ausschaltet und so den Stromfluß unterbricht, wenn Schwankungen des Stromwertes außerhalb eines Toleranzbereiches über die Dauer eines ersten vorbestimmten...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einkristallziehvorrichtung, in welcher ein Einkristall aus Halbleitermaterial aus einer Halbleiterschmelze gezogen wird, die in einem Tiegel gespeichert ist, und betrifft inbesondere eine Vorrichtung zum Verhindern des Runterschmelzens (Schmelzens) leitfähiger Metallelektroden einer Heizvorrichtung, die zum Heizens des Tiegels verwendet wird.
Das CZ-Wachstumsverfahren ist ein Beispiel für eines der momentan bekannten Verfahren, um Einkristalle aus Halbleitermaterial wie beispielsweise Silizium (Si) oder Galliumarsenid (GaAs) aufwachsen zu lassen.
Da das CZ-Wachstumsverfahren die einfache Erzeugung von Einkristallen mit großem Durchmesser mit hoher Reinheit ermöglicht, die keine Versetzungen oder extrem niedrige Niveaus an Gitterfehlern aufweisen, wird es beim Aufwachsenlassen verschiedener Halbleiterkristalle häufig eingesetzt.
In den letzten Jahren wurde infolge der Anforderung, Einkristalle mit größerem Durchmesser und höherer Reinheit mit gleichmäßigen Niveaus der Sauerstoffkonzentration und der Verunreinigungskonzentration herzustellen, eine Verbesserung des CZ-Wachstumsverfahrens in verschiedenen Hinsichten durchgeführt, um diese Anforderungen zu erfüllen.
Eine der Verbesserungen, die für das voranstehend geschilderte CZ-Wachstumsverfahren vorgeschlagen wurden, besteht in einem CZ-Verfahren mit angelegtem kontinuierlichem Magnetfeld (nachstehend als CMCZ-Verfahren bezeichnet), bei welchem ein Doppelschmelztiegel verwendet wird. Diese Vorgehensweise ermöglicht das Wachstum von Einkristallen mit guten Schlupffreiheitsverhältnissen und mit einer extrem guten Kontrolle der Sauerstoffkonzentrationniveaus, durch Anlegen eines Magnetfeldes von außen an die Halbleiterschmelze im Inneren des Schmelztiegels, wodurch die Konvektion in der Halbleiterschmelze unterdrückt wird, und dieses Verfahren ermöglicht die einfache Erzeugung langer Einkristalle aus dem Halbleitermaterial, da eine kontinuierliche Zufuhr an Ausgangsmaterialien zu einem Ort möglich ist, der sich zwischen dem äußeren und dem inneren Schmelztiegel befindet. Daher wird dieses Verfahren als eines der besten Verfahren angesehen, um Einkristalle mit großem Durchmesser und erheblicher Länge aus Halbleitermaterialien zu erhalten.
4 zeigt ein Beispiel für eine Siliziumeinkristall-Ziehvorrichtung, die in der ersten Veröffentlichung der japanischen Patentanmeldung Nr. Hei-4-305091 vorgeschlagen wurde, wobei das voranstehend geschilderte CMCZ-Verfahren verwendet wird. Bei dieser Einkristallziehvorrichtung 101 sind ein Doppelschmelztiegel 103, eine Heizvorrichtung 104 und ein Ausgangsmaterialzufuhrrohr 105 im Inneren einer hohlen gasdichten Kammer 102 angeordnet, und befindet sich ein Magnet 106 außerhalb der Kammer 102.
Wie nachstehend noch genauer erläutert wird, ist die vorliegende Erfindung nicht nur bei einer Einkristallziehvorrichtung einsetzbar, welche das CMCZ-Verfahren verwendet, sondern läßt sich auch bei einer Einkristallziehvorrichtung einsetzen, die das CZ-Verfahren mit kontinuierlicher Beschickung (CCZ-Verfahren) verwendet, bei welchem kein Magnetfeld eingelegt wird, oder auch bei einer Einkristallziehvorrichtung, die nicht mit einem Doppelschmelztiegel versehen ist, sondern einen einzigen Schmelztiegel aufweist.
Der Doppelschmelztiegel 103 umfaßt einen annähernd halbkugelförmigen äußeren Schmelztiegel 111, der aus Quarz (SiO₂) besteht, sowie einen inneren Schmelztiegel 112 aus Quarz, der einen zylindrischen Trennkörper bildet, der in das Innere des äußeren Schmelztiegels 111 eingepaßt ist. Die Seitenwand des Inneren Schmelztiegels 112 enthält mehrere Verbindungsöffnungen 113, welche die Fläche zwischen dem jeweiligen inneren und äußeren Schmelztiegel 112 und 111 (den Ausgangsmaterialschmelzbereich) mit dem Inneren des inneren Schmelztiegels 112 (dem Kristallwachstumsbereich) verbinden.
Dieser Doppelschmelztiegel 103 ist auf einer Aufnahme 115 angebracht, die auf einer Vertikalwelle 114 aufsitzt, die im Zentrum des unteren Abschnitts der Kammer 102 angeordnet ist, und die in der Horizontalebene mit einer festgelegten Winkelgeschwindigkeit um die Achse der Welle 114 gedreht werden kann. Die Halbleiterschmelze 121 (das Ausgangsmaterial für die Erzeugung von Halbleitereinkristallen, welches durch Erwärmung geschmolzen ist) wird innerhalb dieses Doppelschmelztiegels 103 aufbewahrt.
Die im wesentlichen zylindrische Heizvorrichtung 103 erhitzt und schmilzt das Halbleiterausgangsmaterial im Inneren des Schmelztiegels, und hält darüber hinaus die Temperatur der so erzeugten Halbleiterschmelze 121 aufrecht. Es wird eine normale Widerstandsheizung eingesetzt. Der genaue Aufbau der Heizvorrichtung 104 wird nachstehend noch erläutert. Das Ausgangsmaterialzufuhrrohr 105, welches als Ausgangsmaterialzufuhrvorrichtung dient, wird dazu verwendet, kontinuierlich ein bestimmtes Volumen an Halbleiterausgangsmaterial 110 von seiner oberen Endöffnung auf die Oberfläche der Halbleiterschmelze zwischen dem äußeren Schmelztiegel 111 und dem inneren Schmelztiegel 112 einzuspritzen.
Beispiele für Ausgangsmaterialien 110, welche durch das Ausgangsmaterialzufuhrrohr 105 zugeführt werden können, das voranstehend geschildert wurde, umfassen Polysilizium, welches in Flockenform durch Brechen in einem Brechwerk umgewandelt wurde, oder Polysiliziumkörnchen, die aus einem gasförmigen Ausgangsmaterial unter Einsatz thermischer Zersetzung abgelagert werden, wobei zusätzlich, je nach Erfordernis, Zusatzstoffe zugeführt werden können, die als Dotiermittel bekannt sind, beispielsweise Bor (B) (im Falle der Erzeugung von Einkristallen aus Silizium des p-Typs) und Phosphor (P) (im Falle der Erzeugung von Siliziumeinkristallen des n-Typs).
Bei Galliumarsenid (GaAs) ist der Betriebsablauf ebenso wie voranstehend geschildert, jedoch ist in diesem Fall der verwendete Zusatzstoff entweder Zink (Zn) oder Silizium (Si).
Bei der voranstehend geschilderten Einkristallziehvorrichtung 101 läßt man einen Impfkristall 125 von einer Einspannvorrichtung (in den Figuren nicht dargestellt) auf einer Ziehwelle 124 herabhängen, die oberhalb des inneren Schmelztiegels 112 und über der Wellenachsenlinie angeordnet ist, und wächst ein Halbleitereinkristall 126 an der oberen Oberfläche der Halbleiterschmelze 121 um einen Kern des Impfkristalls 125 herum.
Wie jedoch in der ersten Veröffentlichung der japanischen Patentanmeldung Nr. Sho-63-303894 geschildert wurde, ist es bei dieser Art von Einkristallziehvorrichtung beim Wachsenlassen von Einkristallen erforderlich, daß zuerst das polykristalline Ausgangsmaterial, beispielsweise Polysiliziumklumpen, geschmolzen werden, und die sich ergebende Halbleiterschmelze 121 im Inneren des äußeren Schmelztiegels 111 aufbewahrt wird, wobei der Doppelschmelztiegel 103 dann dadurch ausgebildet wird, daß der innere Schmelztiegel 112 oberhalb des äußeren Schmelztiegels 111 angeordnet wird, und dann auf dem äußeren Schmelztiegel 111 angebracht wird.
Der Grund dafür, daß der Doppelschmelztiegel 103 ausgebildet wird, nachdem das polykristalline Ausgangsmaterial geschmolzen wurde, liegt darin, daß zur Erzielung einer vollständigen Schmelze des polykristallinen Ausgangsmaterials, um die Halbleiterschmelze 121 zu erhalten, die Temperatur des Ausgangsmaterials im Inneren des äußeren Schmelztiegels 111 erhöht werden muß, unter Verwendung der Heizvorrichtung 104, und zwar auf eine Temperatur oberhalb der Einkristallwachstumstemperatur. Würde der innere Schmelztiegel 112 auf dem äußeren Schmelztiegel vor der Schmelzstufe angebracht, so würde eine starke Verformung infolge von Wärmeeinwirkung des inneren Schmelztiegels 112 auftreten.
Durch Anbringung des inneren Schmelztiegels 112 auf dem äußeren Schmelztiegel 111 nach dem vollständigen Schmelzen des Ausgangsmaterials, und dementsprechende Absenkung der Wärme, die von der Heizvorrichtung 104 aufgebracht wird, können die hohen Temperaturen vermieden werden, die in der anfänglichen Ausgangsmaterialschmelzstufe erforderlich sind, und kann die Verformung des inneren Schmelztiegels unterdrückt werden.
Weiterhin sind die Verbindungsöffnungen 113 des inneren Schmelztiegels 112 auf eine vorbestimmte Öffnungsfläche eingestellt, die ausreichend klein ist um sicherzustellen, daß bei Zufuhr von Ausgangsmaterial die Halbleiterschmelze 121 nur von dem äußeren Schmelztiegel 111 zum inneren Schmelztiegel 112 fließt. Der Grund für diese Einschränkung besteht darin, daß dann, wenn durch Konvektion die Halbleiterschmelze vom Kristallwachstumsbereich zurück zum Ausgangsmaterialschmelzbereich fließen könnte, die Steuerung der Verunreinigungskonzentrationen während des Einkristallwachstums und die Steuerung der Schmelztemperatur problematisch werden würden.
Die 5A und 5B sind eine Aufsicht bzw. eine Seitenansicht eines Beispiels für die voranstehend geschilderten Heizvorrichtung 104, wogegen 6 eine vergrößerte Ansicht eines Elektrodenabschnitts der Heizvorrichtung 104 darstellt.
Wie aus den 5A und 5B hervorgeht, ist die Form der Heizvorrichtung 104 im wesentlichen zylindrisch, und ist die Heizvorrichtung mit einstückig vorspringenden Abschnitten 1, 2 versehen, die von Abschnitten auf entgegengesetzten Seiten der Bodenkante der Heizvorrichtung 104 aus vorspringen. Weiterhin ist die Heizvorrichtung 104 mit mehreren Schlitzen 3 versehen, die abwechselnd in die Oberkante und dann die Unterkante der Heizvorrichtung 104 eingeschnitten sind, und in Vertikalrichtung verlaufen. Das Anlegen einer Spannung über das Paar der vorspringenden Abschnitte 1, 2 führt daher dazu, daß ein Strom durch die Heizvorrichtung 104 in der Richtung fließt, die in 5B durch die Pfeile D andeutet ist. Weiterhin sind auch Anordnungen möglich, bei welchen die vorspringenden Abschnitte 1, 2 ins Innere der Heizvorrichtung vorspringen.
Bei dem Elektrodenabschnitt der Heizvorrichtung 104 ist, wie in 6 gezeigt, der vorspringende Abschnitt 1 der Heizvorrichtung 104 mit einer Durchgangsöffnung 1a versehen, und ist ein Schraubenabschnitt 6a einer Graphitzwischenelektrode 6 durch die Öffnung 1a eingeführt. Eine Mutter 7 ist auf den Schraubenabschnitt 6a aufgeschraubt, und befestigt so die Elektrode an dem vorspringenden Abschnitt 1.
Eine Gewindelochöffnung 6b ist im unteren Ende der Zwischenelektrode 6 vorgesehen, und ein Gewindeabschnitt 5a einer Elektrode 5 aus einem leitfähigen Metall ist in diese Gewindeöffnung 6b eingeschraubt. Die leitfähige Metallelektrode 5 umfaßt den Gewindeabschnitt 5a am oberen Ende, einen Flanschabschnitt 5b, und einen Hauptkörperabschnitt 5c mit geringem Durchmesser. Der Hauptkörperabschnitt 5c ist mit einem Wasserkühlkanal 5d versehen, der in Axialrichtung durch den Hauptkörper verläuft. Die leitfähige Metallelektrode 5 wird typischerweise aus einem Metall wie beispielsweise Kupfer, einer Kupferlegierung, oder Edelstahl hergestellt, obwohl sie nicht auf diese Materialien beschränkt ist.
Ein unteres Ende der Zwischenelektrode 6 steht in Berührung mit einer oberen Oberfläche des Flanschabschnitts 5b der leitfähigen Metallelektrode 5. Der Hauptkörperabschnitt 5c mit geringem Durchmesser ragt durch einen Basisabschnitt 102a der Kammer 102 (vergleiche 4), und weiterhin ist um sicherzustellen, daß der Hauptkörperabschnitt 5c nicht den Basisabschnitt 102a berührt, eine Muffe 4 aus Isoliermaterial in dem Basisabschnitt 102a eingepaßt.
Die Konstruktion der Elektrode an dem anderen vorspringenden Abschnitt 2 der Heizvorrichtung 104 ist identisch zur Konstruktion der Elektrode an dem vorspringenden Abschnitt 1, so daß insoweit hier nicht erneut dargestellt und beschrieben wird.
Unter Verwendung der voranstehend geschilderten Anordnung wird eine Spannung über die beiden leitfähigen Metallelektroden 5, 5 angelegt (wobei eine Elektrode in den Figuren nicht dargestellt ist, und eine Elektrode positiv, die andere negativ ist), was es ermöglicht, daß ein elektrischer Strom mit vorbestimmter Stärke (beispielsweise 1500 Ampere) durch die Heizvorrichtung 104 hindurchgeht.
Bei den in 6 dargestellten Fällen, in welchen infolge von Faktoren wie beispielsweise Vibrationen der Heizvorrichtung 104 oder Verschleiß der Zwischenelektrode 6 ein Spalt 8 im unteren Abschnitt der Zwischenelektrode 6 (dem Gewindeöffnungsabschnitt) auftritt, konzentriert sich die Zufuhr des elektrischen Stroms von der leitfähigen Metallelektrode 5 zur Zwischenelektrode 6 auf den Gewindeabschnitt 6b oberhalb des Spalts 8. Dies führt dazu, daß die Temperatur des Wassers im Wasserkühlkanal 5d ansteigt, und ein Teil des Wassers zu sieden beginnt, was zu einem mit Dampf gefüllten Raum im oberen Abschnitt des Wasserkühlkanals 5d führt. Wenn die elektrische Stromzufuhr zur Heizvorrichtung in diesem Zustand fortgesetzt wird, nimmt der Kühlwirkungsgrad jener Abschnitte der leitfähigen Metallelektrode 5 ab, die nicht in direkter Berührung mit dem Wasser als Kühlmittel stehen, was zu möglichen Schmelzen oder Herunterschmelzen der leitfähigen Metallelektrode 5 führen kann. Wenn die leitfähige Metallelektrode zu schmelzen beginnt, beginnt das Wasserkühlmittel aus dem Inneren des Wasserkühlkanals 5d damit, blasenförmig ins Innere der Kammer 102 einzudringen (vergleiche 4), was zu Kontaminierungsschwierigkeiten führt.
Die vorliegende Erfindung berücksichtigt die voranstehend geschilderten Schwierigkeiten, die bei der momentan eingesetzten Technik auftreten, und hat als Ziel die Bereitstellung einer Vorrichtung zum Verhindern des Schmelzens einer Elektrode einer Heizvorrichtung in einer Einkristallziehvorrichtung, wodurch das Schmelzen der leitfähigen Metallelektroden der Heizvorrichtung verhindert werden kann.
Um das voranstehend geschilderte Ziel zu erreichen weist die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Verhindern des Schmelzens der Elektrode einer Heizvorrichtung in einer Einkristallziehvorrichtung auf:
einen gasdichten Behälter,
einen Schmelztiegel zur Aufbewahrung einer Halbleiterschmelze im Inneren des gasdichten Behälters,
eine den Schmelztiegel umgebende Heizvorrichtung,
ein Paar leitfähiger Metallelektroden, die jeweils einen Wasserkühlkanal aufweisen, und jeweils über eine Gewindeverbindung mit einer Graphitzwischenelektrode verbunden sind, die an die Heizvorrichtung angeschlossen ist,
einen Schalter, der in einer Schaltung zwischen zumindest einer leitfähigen Metallelektrode und einer Spannungsquelle zum Liefern von Energie an das Paar der leitfähigen Metallelektroden vorgesehen ist,
eine Strommeßvorrichtung zur Messung der Stärke des elektrischen Stroms, der durch die Heizvorrichtung fließt, und
eine Steuerung, in welche der Wert des elektrischen Stroms eingegeben wird, der von der Strommeßvorrichtung gemessen wird, und der den Schalter ausschaltet und so den Stromfluß unterbricht, falls Schwankungen des Stromwerts außerhalb eines Toleranzbereiches über die Dauer eines ersten vorbestimmten Zeitraums andauern, und
wobei der erste vorbestimmte Zeitraum kürzer ist als die Zeit kontinuierlicher Schwankungen des gemessenen Stromwerts außerhalb des Toleranzbereiches, die für das Auftreten des Schmelzens der leitfähigen Metallelektrode erforderlich ist.
Die Erfinder konnten bestätigen, daß gemäß der vorliegenden Erfindung, wie in den 2 und 4 gezeigt ist, in solchen Fällen, in welchen sich ein Spalt 8 im unteren Abschnitt (dem Gewindeöffnungsabschnitt 6b) der Zwischenelektrode 6 entwickelt, ein elektrischer Entladungseffekt in dem Spaltabschnitt 8 auftritt, bevor ein Schmelzen der leitfähigen Metallelektrode 5 erfolgt, was zu kleinen Schwankungen (Vibrationen) Z des Meßwertes A₁ des elektrischen Stroms führt, der durch die Heizvorrichtung 104 fließt. Weiterhin wurde beobachtet, daß die Dauer der Schwankungen Z annähernd konstant war (beispielsweise 10 Minuten).
Daher wurde der durch die Heizvorrichtung 104 fließende elektrische Strom ständig unter Verwendung eines Amperemeters 10a gemessen, und wenn Schwankungen Z in dem Meßwert A₁ außerhalb eines Toleranzbereiches H über die Dauer eines ersten vorbestimmten Zeitraums T₁ (beispielsweise 5 Minuten) andauerten, wie in 2 gezeigt, schaltet die Steuerung 12 den Schalter 11 aus, und unterbricht so den Stromfluß von der Spannungsquelle 9 zu dem Paar der leitfähigen Metallelektroden 5, 5, wodurch ein Schmelzen der leitfähigen Metallelektroden verhindert wird.
Eine weitere Ausbildung der vorliegenden Erfindung ist mit einem Alarm versehen, und falls Schwankungen des Stromwerts außerhalb des Toleranzbereichs über die Dauer eines zweiten vorbestimmten Zeitintervalls andauern, welches kürzer als das erste Zeitintervall ist, so aktiviert die Steuerung zuerst den Alarm.
Wenn bei dieser Ausbildung der Erfindung Schwankungen Z außerhalb des Toleranzbereiches H für die Dauer des zweiten vorbestimmten Zeitraums T₂ (beispielsweise 1 Minute) andauern, der kürzer ist als der erste vorbestimmte Zeitraum T₁, dann aktiviert zuerst die Steuerung 12 den Alarm 13, und informiert so unmittelbar den Benutzer über das Vorhandensein des voranstehend geschilderten Spaltes.
Eine weitere Ausbildung der vorliegenden Erfindung ist mit einem Meßgerät für die elektrische Leistung versehen, um die der Heizvorrichtung zugeführte elektrische Leistung zu messen, und es werden der Wert des elektrischen Stroms, gemessen von der Meßvorrichtung für den elektrischen Strom, und der Wert der elektrischen Leistung, gemessen von der Meßvorrichtung für die elektrische Leistung, ständig in die Steuerung eingegeben, welche einen Widerstandswert berechnet, und wenn Schwankungen des Widerstandswerts außerhalb des Toleranzbereiches über die Dauer des ersten vorbestimmten Zeitraums andauern, schaltet die Steuerung den Schalter aus.
Die Erfindung ist nicht auf Anordnungen beschränkt, bei welchen Schwankungen des elektrischen Stroms als Grundlage zur Aktivierung eines Alarms oder zur Unterbrechung des Stromflusses zur Heizvorrichtung verwendet werden, und es sind ebenfalls Anordnungen möglich, bei welchen ein Widerstandswert aus dem Wert des elektrischen Stroms und der elektrischen Leistung berechnet wird, die der Heizvorrichtung zugeführt wird, und Schwankungen dieses Widerstandswertes dann als Grundlage zur Aktivierung eines Alarms oder zur Unterbrechung des Stromflusses zur Heizvorrichtung verwendet werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:
1 ein Steuerblockschaltbild einer Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Verhindern des Schmelzens der Elektrode einer Heizvorrichtung in einer Einkristallziehvorrichtung;
2 ein Diagramm, in welchem die Zeit (t) auf der Horizontalachse und der gemessene Wert des elektrischen Stroms (A₁) auf der Vertikalachse aufgetragen ist;
3A eine Darstellung von Schwankungen des gemessenen Wertes des elektrischen Stroms infolge eines Spaltes, während 3B Schwankungen des gemessenen Wertes des elektrischen Stroms infolge eines Meßgerätefehlers und anderer externer Störungen zeigt;
4 eine Querschnittsansicht eines Beispiels für eine Siliziumeinkristallziehvorrichtung, bei welcher das CMCZ-Verfahren verwendet wird;
5A eine Aufsicht auf ein Beispiel für die Heizvorrichtung, wogegen 5B eine Seitenansicht dieses Beispiels für die Heizvorrichtung zeigt; und
6 eine vergrößerte Ansicht eines Elektrodenabschnitts der Heizvorrichtung.
Ein Steuerblockschaltbild einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Verhindern des Schmelzens einer Elektrode einer Heizvorrichtung in einer Einkristallziehvorrichtung ist in 1 dargestellt, wogegen ein Diagramm, in welchem die Zeit (t) entlang der Horizontalachse und der gemessene Wert für den elektrischen Strom (A₁) entlang der Vertikalachse aufgetragen ist, in 2 dargestellt ist.
Der Aufbau dieser Ausführungsform ist identisch zu jenem, der in den 4 bis 6 gezeigt ist, und bereits voranstehend erläutert wurde, so daß hier insoweit keine erneute Beschreibung erfolgt.
Wie in den 1 und 4 gezeigt ist, liegt eine Spannungsquelle 9 eine Spannung über ein Paar von Kupferelektroden (leitfähigen Metallelektroden) 5, 5 an, was dazu führt, daß ein Strom durch eine Heizvorrichtung 104 fließt. Wärme von der Heizvorrichtung 104 erwärmt und schmilzt dann ein Halbleiterausgangsmaterial im Inneren eines Schmelztiegels, und hält dann die Temperatur der sich ergebenden Halbleiterschmelze 121 aufrecht. Ein Schalter 11 ist in der Schaltung zwischen der Spannungsquelle 9 und einer der Kupferelektroden 5 vorgesehen. Wenn der Schalter eingeschaltet ist, fließt Strom von der Spannungsquelle 9 zu dem Paar der Kupferelektroden 5, 5, wogegen dann, wenn der Schalter ausgeschaltet ist, der Stromfluß unterbrochen ist. Das Einschalten und Ausschalten des Schalters 11 wird von einer Steuerung 12 durchgeführt, die nachstehend genauer erläutert ist. Ein Amperemeter 10a dient als Meßgerät für den elektrischen Strom, welches ständig den elektrischen Strom erfaßt oder mißt, der durch die Heizvorrichtung 104 fließt (vergleiche 2 bezüglich der Meßergebnisse).
Ein Wattstundenmeßgerät 10b, welches als Meßgerät für die elektrische Leistung bei einer nachstehend geschilderten, unterschiedlichen Ausführungsform dient, ist bei der vorliegenden Ausführungsform unnötig.
Die Steuerung 12 wird ständig mit einer Eingabe von dem Amperemeter 10a in Bezug auf den gemessenen elektrischen Strom A₁ versorgt, der durch die Heizvorrichtung fließt, und in solchen Fällen, in welchen Schwankungen Z des Meßwertes A₁ außerhalb des Toleranzbereiches H für die Dauer eines ersten vorbestimmten Zeitraums T₁ (beispielsweise 5 Minuten) andauern, der nachstehend noch genauer erläutert wird, schaltet die Steuerung 12 den Schalter 11 aus und unterbricht so den Stromfluß zur Heizvorrichtung 104. Wenn daher der Meßwert A₁ über den Toleranzbereich H schwankt, über die Dauer des vorbestimmten Zeitraums T₁, so schaltet die Steuerung 12 den Schalter 11 aus. Der erste vorbestimmte Zeitraum T₁ ist ein Zeitraum, der kürzer ist als die Zeit andauernder Schwankungen des ständig gemessenen Stromwertes A₁ außerhalb des Toleranzbereiches H, die für das Auftreten des Schmelzens der Kupferelektrode 5 erforderlich ist (beim vorliegenden Beispiel annähernd 10 Minuten). Wenn der Meßwert A₁ außerhalb des Toleranzbereiches H über die Dauer eines zweiten vorbestimmten Zeitraums T₂ schwankt (beispielsweise 1 Minute), der kürzer ist als der erste vorbestimmte Zeitraum T₁, so aktiviert die Steuerung 12 zuerst einen Alarm 13. Dieser Alarm (Alarmvorrichtung) 13 ist beispielsweise an einem Bedienungsfeld der Einkristallziehvorrichtung angebracht. Die Werte für den ersten vorbestimmten Zeitraum T₁ und den zweiten vorbestimmten Zeitraum T₂ sind in der Steuerung 12 voreingestellt.
Nunmehr erfolgt eine Erläuterung des Betriebs dieser Ausführungsform der Vorrichtung zum Verhindern des Schmelzens einer Elektrode der Heizvorrichtung.
Wie in 2 gezeigt ist, schaltet zum Erwärmen und Schmelzen des Halbleiterausgangsmaterials im Inneren des Schmelztiegels und zur nachfolgenden Aufrechterhaltung der Temperatur der daraufhin erzeugten Halbleiterschmelze 121 (vergleiche 4) die Steuerung 12 den Schalter 11 ein, wodurch eine Spannung über das Paar der Kupferelektroden 5, 5 angelegt wird, und ein konstanter elektrischer Standardstrom A1 (beispielsweise 1500 Ampere) der Heizvorrichtung 104 zugeführt wird. Darüber hinaus wird der elektrische Strom, der durch die Heizvorrichtung 104 fließt, ständig von dem Amperemeter 10a überwacht.
In solchen Fällen, in denen infolge verschiedener Faktoren sich Spalte 8 in dem unteren Abschnitt (Gewindeabschnitt) der Zwischenelektroden 6 entwickeln (vergleiche 6), tritt der Effekt einer elektrischen Entladung in den Spalten 8 auf, und entwickeln sich kleine Schwankungen (Vibrationen) Z in dem Meßwert A₁ für den elektrischen Strom.
Liegt diese Schwankung Z außerhalb des Toleranzbereiches, der durch eine Obergrenze X und eine Untergrenze Y festgelegt ist, wie in 3A gezeigt, und dauert darüber hinaus über die Dauer des zweiten vorbestimmten Zeitraums T₂ an (beim vorliegenden Beispiel: eine Minute), dann aktiviert die Steuerung 12 den Alarm 13. Hierdurch kann der Benutzer der Einkristallziehvorrichtung dahingehend informiert werden, daß sich die voranstehend geschilderten Spalten entwickeln. Wenn sich daher eine Schwankung Z außerhalb des Toleranzbereiches H in dem Wert des elektrischen Stroms einstellt, so führt die Aktivierung des Alarms am Anfang dazu, daß der Benutzer sofort bezüglich der Entwicklung von Spalten 8 in einer der Zwischenelektroden 6 informiert werden kann (vergleiche 6), und daher beispielsweise sofort die Zwischenelektrode 6 austauschen kann, so daß eine Verringerung des Produktionswirkungsgrades verhindert wird. Eine Schwankung Z außerhalb des Toleranzbereiches H ist so festgelegt, daß entweder der Maximalwert der Schwankung Z oberhalb des oberen Grenzwertes X des Toleranzbereiches H liegt, oder der Minimalwert der Schwankung Z unterhalb des unteren Grenzwertes Y des Toleranzbereiches liegt.
Wenn die Art der Schwankungen Z, die in 3A gezeigt sind, länger andauern als der erste vorbestimmte Zeitraum T₁ lang ist (beim vorliegenden Beispiel: 5 Minuten), schaltet die Steuerung 12 sofort den Schalter 11 aus. Dies ermöglicht es, ein Schmelzen der Kupferelektroden 5, wie sie beispielsweise in 6 gezeigt sind, zu verhindern. In solchen Fällen, in welchen sich eine vorbestimmte Schwankung des Wertes des elektrischen Stroms entwickelt, der durch die Heizvorrichtung 104 fließt, wird daher durch Unterbrechung der Stromzufuhr zu dem Paar der Kupferelektroden 5, 5 der Heizvorrichtung 104 ein Schmelzen der Kupferelektroden verhindert, kann eine Blasenbildung des Wasserkühlmittels in das Innere der Kammer 102 herein (vergleiche 4) vermieden werden. Beim vorliegenden Beispiel stellen der obere Grenzwert X und der untere Grenzwert Y jeweils eine Abweichung von ±5% gegenüber dem Standardwert A₁ für den elektrischen Strom dar.
In solchen Fällen, in welchen sich infolge von Faktoren wie Meßgerätefehlern und externen Störungen Schwankungen Z entwickeln, wie sie in 3B gezeigt sind, wobei die Schwankungen innerhalb des Toleranzbereiches bleiben, der durch den oberen Grenzwert X und den unteren Grenzwert Y begrenzt ist, erkennt die Steuerung diese Schwankungen Z nicht als solche, die infolge der Entwicklung von Spalten auftreten, und läßt den Schalter 11 eingeschaltet. In solchen Fällen, in welchen Fehler der Meßgeräte wie beispielsweise des Amperemeters 10a oder externe Störungen Schwankungen des Stromwertes und des Widerstandswertes hervorrufen, dauert daher der Stromfluß an, ohne eine Herabsetzung des Produktionswirkungsgrades der Einkristallziehvorrichtung.
Bei der voranstehenden Ausführungsform wurden Schwankungen des Wertes des elektrischen Stroms als Grundlage zur Aktivierung des Alarms und zur Unterbrechung des Stromflusses zur Heizvorrichtung verwendet. Allerdings ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt, und auf dieselbe Weise, auf welche die Steuerung des Stromflusses auf der Grundlage von Schwankungen des Wertes des elektrischen Stroms bei dem voranstehend geschilderten Beispiel durchgeführt wurde, kann der Widerstand durchgehend aus dem Wert des elektrischen Stroms und dem Wert der elektrischen Leistung berechnet werden, die der Heizvorrichtung 104 zugeführt wird, und werden dann Schwankungen dieses Widerstandswertes als Grundlage zur Aktivierung des Alarms und zur Unterbrechung des Stromflusses zur Heizvorrichtung verwendet.
Zusammenfassend wird, wie in 1 gezeigt, die der Heizvorrichtung 104 zugeführte elektrische Leistung ständig durch das Wattstundenmeßgerät 10b gemessen, und wird der Wert des elektrischen Stroms, gemessen von dem Amperemeter 10a, und der Wert der elektrischen Leistung, gemessen von dem Wattstundenmeßgerät 10b, ständig in die Steuerung 12 eingegeben, welche ständig einen Widerstandswert berechnet, und in solchen Fällen, in welchen Schwankungen des Widerstandswertes außerhalb des Toleranzbereiches über die Dauer des ersten vorbestimmten Zeitraums andauern, schaltet die Steuerung 12 den Schalter 11 aus. Weiterhin aktiviert, wenn der Widerstandswert über den Toleranzbereich hinaus über die Dauer des zweiten vorbestimmten Zeitraums schwankt, der kürzer als der erste vorbestimmte Zeitraum ist, die Steuerung 12 den Alarm 13.
Die bei diesen Ausführungsformen eingesetzte Einkristallziehvorrichtung verwendete das CMCZ-Verfahren. Allerdings ist auch der Einsatz anderer Einkristallerzeugungsverfahren möglich. Beispielsweise ist es ebenfalls möglich, das CZ-Verfahren mit ständiger Beschickung (CCZ-Verfahren) einzusetzen, oder eine Einkristallziehvorrichtung, die nicht mit einem Doppelschmelztiegel versehen ist.

Claims

Vorrichtung zum Verhindern des Schmelzens der Elektrode einer Heizvorrichtung einer Einkristallziehvorrichtung, welche aufweist: einen gasdichten Behälter, einen Schmelztiegel zur Aufbewahrung einer Halbleiterschmelze im Inneren des gasdichten Behälters, eine den Schmelztiegel umgebende Heizvorrichtung, und ein Paar leitfähiger Metallelektroden, die jeweils mit einem Wasserkühlkanal versehen sind, und jeweils durch eine Gewindeverbindung mit einer Graphitzwischenelektrode verbunden sind, die an die Heizvorrichtung angeschlossen ist, gekennzeichnet durch: einen Schalter, der in einer Schaltung zwischen zumindest einer leitfähigen Metallelektrode und einer Spannungsquelle zum Liefern von Energie an das Paar leitfähiger Metallelektroden vorgesehen ist, eine Strommeßvorrichtung zum Messen des Wertes des elektrischen Stroms, der durch die Heizvorrichtung fließt, und eine Steuerung, in welche der Wert des elektrischen Stroms eingegeben wird, der von der Strommeßvorrichtung gemessen wird, und der den Schalter ausschaltet und so den Stromfluß unterbricht, wenn Schwankungen des Stromwertes außerhalb eines Toleranzbereiches über die Dauer eines ersten vorbestimmten Zeitraums andauern, und wobei der erste vorbestimmte Zeitraum kürzer ist als die Zeit ständiger Schwankungen des Wertes des gemessenen Stroms außerhalb des Toleranzbereiches, die zum Auftreten des Schmelzens der leitfähigen Metallelektrode erforderlich ist.
Vorrichtung zum Verhindern des Schmelzens der Elektrode einer Heizvorrichtung in einer Einkristallziehvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Alarm vorgesehen ist, und daß dann, wenn Schwankungen des Stromwertes außerhalb des Toleranzbereiches über die Dauer eines zweiten vorbestimmten Zeitraums andauern, der kürzer ist als der erste Zeitraum, die Steuerung zuerst den Alarm aktiviert.
Vorrichtung zum Verhindern des Schmelzens der Elektrode einer Heizvorrichtung in einer Einkristallziehvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Meßvorrichtung für die elektrische Leistung zum Messen der der Heizvorrichtung zugeführten elektrischen Leistung vorgesehen ist, und daß der Wert des elektrischen Stroms, gemessen von der Meßvorrichtung für den elektrischen Strom, und der Wert der elektrischen Leistung, gemessen von der Meßvorrichtung für die elektrische Leistung, in die Steuerung eingegeben werden, die einen Widerstandswert berechnet, und dann, wenn Schwankungen des Widerstandswertes außerhalb des Toleranzbereiches für die Dauer des ersten vorbestimmten Zeitraums andauern, den Schalter ausschaltet.
Vorrichtung zum Verhindern des Schmelzens der Elektrode einer Heizvorrichtung in einer Einkristallziehvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Alarm vorgesehen ist, und daß dann, wenn Schwankungen des Stromwertes außerhalb des Toleranzbereiches für die Dauer eines zweiten vorbestimmten Zeitraums andauern, der kürzer als der erste Zeitraum ist, die Steuerung zuerst den Alarm aktiviert.