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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Feststellen
von Torsionsschwingungen unter anormalen Schwingungen, die in einem
Einkristalls während
des Ziehens eines Silizium-Einkristalls erzeugt werden, und ebenfalls
ein Verfahren zum Herstellen eines Silizium-Einkristalls unter Benutzung
der Vorrichtung und des Verfahrens. Insbesondere betrifft die Erfindung
ein Ziehverfahren, bei dem ein Silizium-Einkristall, der gezogen wird,
an einer Polykristallisation und auch am Herabfallen infolge eines
Bruchs seines Hals- oder Ansatzabschnitts gehindert wird.
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Zum
Herstellen eines Silizium-Einkristalls wird häufig ein Verfahren benutzt,
bei dem ein Siliziummaterial hoher Reinheit unter reduziertem Druck in
einer Argonatmosphäre
geschmolzen wird und das geschmolzene Silizium verfestigt wird,
während
es unter Benutzung eines Impfkristalls nach oben gezogen wird.
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1 zeigt
eine Vorrichtung zum Herstellen eines Silizium-Einkristalls durch
Verfestigen einer Siliziumschmelze während des Ziehens im Längsschnitt.
Eine Kammer 2 ist vorgesehen, um eine Ziehatmosphäre eines
Silizium-Einkristalls 6 hermetisch abzuschließen, wobei
die Atmosphäre
so gesteuert wird, daß ein
reduzierter Druck vorliegt. Ein Schmelztiegel 13 mit einer
Doppelstruktur ist in der Kammer 2 angeordnet, und eine
Heizung 14, die aus einer Induktionsheizspule besteht,
ist um den Schmelztiegel 13 herum vorgesehen. Eine Verkleidungswand 15 aus
wärmeisolierendem
Material in Form eines Hohlzylinders ist um die Heizung 14 herum
angeordnet. Ein mittels einer Heizung geschmolzenes Ausgangsmaterial
für Kristallwachstum,
d.h. eine Schmelze 16 eines Ausgangs-Siliziummaterials,
ist in dem Schmelztiegel 13 aufgenommen. Ein Impfkristall 9, der
mittels eines Impfkristallhalters 10 an der Spitze einer
Ziehwelle 11 befestigt ist, wird mit der Oberfläche der
Schmelze 16 in Kontakt gebracht. Der Impfkristall 9 wird
aufwärts
gezogen, so daß ein
Silizium-Einkristall 6 am unteren Ende des Impfkristalls als
Ergebnis der Verfestigung der Schmelze wächst. Dabei wird der Schmelztiegel 13 um
eine Drehwelle 17 gedreht und der Silizium-Einkristall
wird durch ein Drehantriebsmittel 12 gedreht, so daß die Drehrichtungen
entgegengesetzt zueinander sind.
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Der
Einkristall wird durch ein anfängliches Wachstum
eines Halsabschnitts 8 mit einem Durchmesser von 2 bis
10 mm und einer Länge
von 50 bis 300 mm an der Spitze des Impfkristalls hergestellt, um
einen versetzungsfreien Einkristall zu bilden. Danach wird der Hals
durch geeignete Steuerung der Temperatur der Schmelze, der Hubrate
und der Kristall-Drehrate
bis zu dem gegebenen Durchmesser ausgedehnt, bis er bis zu einer
gegebenen Länge
mit einem gegebenen Durchmesser wächst. Um den Silizium-Einkristall
zu veranlassen, bis zu einem gegebenen Durchmesser und einer gegebenen
Länge zu wachsen,
ist es erforderlich, die Temperatur der Schmelze, die Ziehrate,
die Drehrate des Kristalls und die Drehrate des Schmelztiegels in
geeigneter Weise zu steuern.
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Ungeachtet
der Steuerung dieser Parameter endet das versetzungsfreie Wachstum
des Einkristalls, wenn das Drehzentrum des gezogenen Kristalls exzentrisch
ist, wodurch ein Polykristallisationsphänomen bewirkt wird, also ein
Auftreten von Versetzungen. Somit muß das Ziehen unterbrochen werden.
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Die
Kammer bzw. der Druck darin wird bis auf etwa 10 Torr reduziert
und Argongas wird von einer Gaszuführöffnung zugeführt. Von
der Oberfläche der
Siliziumschmelze erzeugtes SiO-Gas und vom Kohlenstofftiegel und
der Heizung erzeugtes CO-Gas werden zusammen mit dem Argongas durch
eine Gasauslaßöffnung 19 abgeführt. Wenn
die kondensierten Verunreinigungen, wie SiO-Gas und CO-Gas in die
Wachstums-Grenzfläche 7 des
Einkristalls aufgenommen werden, treten ebenfalls Versetzungen auf.
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In
den letzten Jahren gibt es eine große Nachrufe nach der Herstellung
von Silizium-Einkristallen mit großem Durchmesser mit der Tendenz,
daß der
Durchmesser eines zu ziehenden Silizium-Einkristalls groß wird.
Wenn der Einkristall mit einem großen Durchmesser von 20 oder
30 cm (8 oder 12 inch) hergestellt wird, wird das Auftreten von
Versetzungen wahrscheinlicher, wodurch eine Verringerung der Ausbeute
des Einkristalls und ein Herabfallen des Einkristalls infolge des
Bruchs im Halsbereich bewirkt wird.
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Es
ist üblich
während
des Ziehens des Silizium-Einkristalls die Wachstums-Grenzfläche 7 zwischen
der Siliziumschmelze und dem Kristall mittels einer Kameraeinrichtung 1 (d.h.
einer CCD-Kameraeinrichtung in der Figur) von einem Schauglas aus
zu überwachen,
das in einer Seitenwand der Kammer vorgesehen ist. Wenn das Auftreten
von Versetzungen vorkommt, wird das Ziehen gestoppt. Wenn das Ziehen
gestoppt ist, treten Probleme auf, wie die im Schmelztiegel verbliebene
restliche Schmelze zu behandeln ist. Außerdem verringert sich die
Ausbeute des Einkristalls. Somit ist es wichtig, diese Probleme insbesondere
beim Ziehen oder Anheben von Einkristallen mit großen Abmessungen
zu überwinden.
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Um
das Auftreten von Versetzungen zu verhindern, ist es wesentlich,
daß an
der Grenzfläche des
Wachstums des Einkristalls keinerlei fremdes Material aufgenommen
wird. Hierzu wurden viele Versuche vorgeschlagen und tatsächlich in
die Praxis umgesetzt. Bei einem dieser Versuche ist ein Verfahren
bekannt, das so ausgelegt ist, daß die Drehachse eines Kristalls
an der Wachstums-Zwischenfläche des
Kristalls sich nicht ändert
oder schwankt, das heißt,
daß keine
exzentrische Rotation in der Mitte davon auftritt. Zu diesem Zweck
wird, wie in 1 gezeigt, eine Vorrichtung
benutzt, bei der eine starre Ziehwelle 11 zum Anheben des
Einkristalls anstelle einer Drahtziehwelle eingesetzt wird, die
sehr stark dazu neigt zu schwanken. Wenn diese Art von Vorrichtung
benutzt wird, besteht jedoch die Möglichkeit, daß das Auftreten
von Versetzungen stattfindet oder daß der Einkristall infolge eines
Bruchs an seinem Halsabschnitt plötzlich herunterfällt.
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Als
Grund dafür,
warum das Auftreten von Versetzungen vorkommt oder das Herabfall-Problem durch
den Bruch des Halsabschnitts während
des Ziehens eines Siliziumeinkristalls bewirkt wird, obwohl die
mit einer starren Ziehwelle versehene Vorrichtung benutzt wird,
wird darin gesehen, daß Torsionsschwingungen
im Halsabschnitt durch Resonanz bewirkt werden. Die japanische Patentveröffentlichung
Nr. 5-221785 offenbart eine Vorrichtung zum Unterdrücken von
Torsionsschwingungen. Dort ist eine Puffervorrichtung oder eine
Vorrichtung zum Vermeiden von Brüchen
zwischen der Ziehwelle und einem Impfkristall oder einem Impfkristallhalter
vorgesehen, sodass die Schwingungen des gezogenen Kristalls insbesondere
Torsionsschwingungen gemildert werden. Die Puffervorrichtung schlupft,
wenn eine Torsionslast größer als
ein gewisser Wert darauf ausgeübt
wird. Durch Benutzung der Vorrichtung können an einem Resonanzpunkt
bewirkte Torsionsschwingungen vermieden werden. Üblicherweise werden jedoch
eine Vielzahl von Resonanzpunkten in einem gezogenen Einkristall
geschaffen. Die oben beschriebene Puffervorrichtung, die nur dann
effektiv arbeitet, wenn Schwingungen in Übereinstimmung mit der Puffervorrichtung
erzeugt werden, dient nicht als wirksames Unterdrückungsmittel.
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Die
DE-OS 1 957 266 betrifft
eine Vorrichtung zur Umwandlung einer mechanischen Schwingung in
ein elektrisches Signal und zeigt ein Torsionspendel, das eine Schwungscheibe
umfasst, die an einer vertikalen Achse angebracht ist. Auf der Schwungscheibe
ist in radialer Richtung eine schwarz-weiße Markierung angebracht, deren Grenzlinie
in der Ruhestellung der Schwungscheibe mit einer Symmetrielinie
einer Lichtmarke zusammenfällt.
Um die mechanische Schwingung der Schwungscheibe in ein elektrisches
Signal umzuwandeln, wird die Oberfläche der Schwungscheibe mit
der Lichtmarke auf eine Fotokathode eines Sekundärelektronenverstärkers abgebildet.
Dadurch, dass während
der Schwingungen der Schwungscheibe die Schwarz-Weiß-Markierung
periodisch durch den Bereich der Lichtmarke läuft, wird die Helligkeit der
Lichtmarke variiert, was zu einer entsprechenden Variation des Ausgangssignals
des Sekundärelektronenverstärkers führt.
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Die
Erfassung von Torsionsschwingungen, die einer umlaufenden Bewegung
der Schwungscheibe überlagert
sind, ist hier nicht gezeigt.
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Die
US 5,170,061 betrifft ein
Verfahren und eine Vorrichtung für
die Messung einer Oszillation des Außendurchmessers einer geschmolzenen Oberfläche und
zeigt eine Kammer zum Ziehen eines Einkristalls aus einer Schmelze
mittels eines Drahtes, an dessen unteren Ende ein Impfkristallhalter zum
Halten eines Impfkristalls angebracht ist. Der zentrale Bereich
der Schmelze, in dem der Impfkristall mit der Schmelze in Kontakt
gebracht ist, wird von einer Ka mera beobachtet, die außen an der
Kammer angebracht ist. An die Kamera ist eine Verarbeitungseinheit
mit einer CPU und Speichern angeschlossen.
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Zum Überwachen
der Herstellung des Einkristalls wird das von der Kamera aufgenommene Bild
so verarbeitet, dass der innere und äußere Durchmesser einer zwischen
der Oberfläche
der Schmelze und dem Einkristall gebildeten Hohlkehle festgestellt
wird. Die Änderung
dieses Durchmessers wird überwacht,
um die Herstellung, also das Ziehen des Einkristalls, zu steuern.
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Dazu
wird außer
der zeitlichen Änderung
des Durchmessers im Bereich der Hohlkehle auch eine Schwingung der
Oberfläche
der Schmelze erfasst, um das Ziehen des Einkristalls zu stoppen,
wenn die Durchmesserabnahme zu schnell erfolgt und die erfasste
Oberflächenschwingung
einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
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Aus
der JP 09-124391 A ist es bekannt, bei der Herstellung von Silizium-Einkristallen
den Bereich zwischen Schmelze und Einkristall mit einer eindimensionalen
CCD Kamera, die außen
an der Ziehvorrichtung angeordnet ist, zu beobachten, um den Durchmesser
des gezogenen Einkristalls zu messen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein für die zuverlässige Überwachung
eines Herstellungsprozesses für
einen Silizium-Einkristall geeignetes Verfahren zum Feststellen
von Torsionsschwingungen bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird durch das Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst.
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Gemäß Patentanspruch
2 lässt
sich dieses Verfahren beim Herstellen eines Silizium-Einkristalls einsetzen,
um insbesondere einen Bruch des Halsabschnitts eines Silizium-Einkristalls,
mit dem dieser an einer starren Ziehwelle befestigt ist, zu verhindern.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Durch
die erfindungsgemäße Feststellung von
Torsionsschwingungen und die Steuerung des Herstellungsprozesses
in Abhängigkeit
von der Erfassung von unerwünschten
Drehschwingungen lässt
sich der Herstellprozess für
einen Silizium-Einkristall so steuern, dass selbst wenn Resonanzen auftreten,
die Schwingungen des Einkristalls so klein gehalten werden können, dass
ein Herabfallen durch Bruch seines Halsabschnitts wirksam verhindert
werden kann. Somit ist es möglich,
die Ausbeute und die Qualität
bei der Silizium-Einkristallherstellung
zu verbessern.
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Dieser
Vorgehensweise liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Ziehwelle,
ein Halsabschnitt und ein gerader Zylinderbereich des Silizium-Einkristalls als
eine Art Feder wirken, die Torsionsschwingungen ausführen kann,
welche eine Umfangsgeschwindigkeit ändern, Versetzungen des Einkristalls
und seines Halsabschnitts bewirken können.
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Die
Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Schnittdarstellung einer Vorrichtung zum Herstellen eines Silizium-Einkristalls, der sich
während
des Ziehens bildet oder verfestigt,
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2a und 2b jeweils
e1ne Ansicht zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Steuern der
Drehrate eines Einkristalls durch Feststellen von Nahtabschnitten
des Einkristalls, wobei 2a eine Seitenansicht
darstellt, die einen Zustand des Feststellens des Nahtabschnitts
und ein Blockdiagramm ist, das die Steuerung einer Rotationsrate
des Einkristalls zeigt, während 2b eine
Draufsicht ist, die einen Zustand des Feststellens des Nahtabschnitts zeigt,
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3a und 3b jeweils
die Schwingungsmode eines Einkristalls an einem als Feder wirkenden
Halsabschnitt und insbesondere Torsionsschwingungen im Fall, daß der Halsabschnitt
als Schrauben-Feder wirkt, und
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4a und 4b jeweils
Zeitdiagramme von mit einer CCD-Kamera festgestellten und ausgegebenen
Nahtabschnitten, wobei 4a eine Nahtfeststellausgabe
bei normaler Rotation zeigt und 4b eine
Nahtfeststellausgabe zeigt, wenn infolge von Resonanz eine Torsionsschwingung
auftritt.
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren, das ein Feststellen einer Änderung
der Umfangsgeschwindigkeit einer geraden Schale eines Einkristalls
infolge des Anwachsens der Amplitude von Torsionsschwingungen mit
einer CCD-Kamera, ein Verarbeiten der Feststellsignale, um über das
Vorkommen von Resonanz im Kristall zu entscheiden, ein Eingeben
einer Ausgabe des Entscheidungssignals in einen Drehantrieb und
ein Ändern
der Drehrate des Einkristalls umfaßt, um einen Resonanzpunkt
zu verschieben und dadurch Torsionsschwingungen zu unterdrücken. Die
Drehrate oder Drehgeschwindigkeit des Einkristalls, der gezogen
wird, liegt im Bereich von 1 bis 30 Umdrehungen pro Minute. Für den Versatz oder
die Verschiebung eines Resonanzpunktes ist es ausreichend, die Drehgeschwindigkeit
für einige
Minuten um 1 Umdrehung pro Minute zu ändern (zu vergrößern oder
zu verkleinern).
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Die
in der Zeichnung gezeigte Vorrichtung zum Steuern der Drehrate des
Einkristalls umfaßt eine
CCD-Kamera 3, eine Verarbeitungseinheit 20 bestehend
aus einer Recheneinheit 21 und einem Speicher 22,
und ein Drehantriebssteuerpult bestehend aus einer Ziehwellen-Drehratensteuereinheit 24 und
einer Ziehratensteuereinheit 25.
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Die
CCD-Kameraeinrichtung 1 ist außerhalb einer Kammer 2 angeordnet,
wie insbesondere in 1 gezeigt ist. Die Einrichtung
besteht aus der CCD-Kamera 3 und einem X-Y-Tisch 4.
Die CCD-Kamera 3 tastet einen geraden Abschnitt 62 eines
Einkristalls 6 oder Nahtabschnitte 61 an einer
Wachstums-Grenzfläche 7 durch
ein Schauglas 5 hindurch ab, das an der Schulter der Kammer 2 vorgesehen ist.
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1.) Die durch Resonanz
erzeugte Schwingung wird beschrieben.
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Der
Einkristall 6 wird, während
er um die Achse oder das Zentrum einer Ziehwelle 11 rotiert, über, einen
Halsabschnitt 8 mit einem Durchmesser von 2 bis 10 mm,
einen Impfkristall 9 und einen Halter 10 angehoben.
Dabei werden die Ziehwelle 11, der Halsabschnitt 8 und
der gerade Abschnitt des Einkristalls in Schwingungen versetzt,
während
der Halsabschnitt als Federwirkt. Insbesondere wird der Einkristall
um das Zentrum der Ziehwelle herum drehend angetrieben, so daß auf den
Einkristall durch den Halsabschnitt eine Drehantriebskraft in einer Richtung
ausgeübt
wird. Wenn jedoch die charakteristische Frequenz oder die Eigenfrequenz
des Schwingungssystems aus Halsabschnitt und Einkristallabschnitt
und die Drehrate der Ziehwelle miteinander koinzidieren, tritt Resonanz
auf und der Einkristall wird in Torsionsschwingungen versetzt.
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Wenn
der Einkristall Schwingungen ausführt, wobei der Halsabschnitt 8 als
Feder wirkt, wie in 3a und 3b gezeigt, ändert sich
die Umfangsgeschwindigkeit der Schale des drehenden Einkristalls
entsprechend. Dies bewirkt Störungen
an der Grenzfläche
der Schmelze, wodurch es zu Versetzungen kommt. 3a zeigt
einen Zustand unmittelbar nach der Bildung des Halsabschnitts. Wenn das
Wachstum des Kristalls fortschreitet und die Länge des geraden Abschnitts
des Einkristalls, wie in 3 gezeigt, so groß ist, daß ein zum
Halsabschnitt hinzugefügtes
Gewicht ansteigt, wird nicht nur der Kristall versetzt, sondern
der Kristall fällt
auch herab, infolge des Bre chens am Halsabschnitt.
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Das
Resonanzphänomen
kann im Laufe des Ziehens des Einkristalls maximal drei Mal auftreten. Insbesondere
kann das Phänomen
zwei Mal vor oder nach dem Wachsen zu einem gegebenen Durchmesser
vom Halsabschnitt und ein Mal stattfinden, wenn die Länge der
Schale im wesentlichen eine vorbestimmte Länge erreicht. Bei der vor oder
nach dem Wachstum des Halsabschnitts bis zu einer gegebenen Länge erzeugten
Resonanz neigen Versetzungen dazu zu entstehen. Andererseits ist
die Resonanz, die vorkommt, wenn der Kristall fast bis zu einer
vorbestimmten Länge
des geraden Abschnitts gewachsen ist, dazu geeignet, das Auftreten
von Versetzungen des Kristalls und das Abfallen durch Brechen des
Kristalls zu bewirken.
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2.) Ein Feststellverfahren
zu der Zeit, wenn die Resonanz auftritt, wird beschrieben.
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In
den 2a und 2b ist
die Naht 61 eine Gestaltslinie, die in dem Einkristall
gebildet ist und sich in Form einer Finne von der Schulter des Einkristalls
zu dem geraden Schalenabschnitt entwickelt. Vier bis sechs Linien
sind in im wesentlichen gleichen Abständen ausgebildet.
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Die
Feststellung der Nahtabschnitte kann, wie durch den Pfeil der gebrochenen
Linie in 2b gezeigt, durch ein Verfahren
ausgeführt
werden, bei dem der Fokus der CCD-Kamera 3 direkt auf den Nahtabschnitt 61 gelegt
wird, der an dem geraden Schalenabschnitt 62 erzeugt ist,
oder durch ein Verfahren, bei dem auf einem Meniskusringabschnitt 63, der
an der Grenze zwischen dem Einkristall 6 und der Schmelze
gebildet ist und relativ hell ist, scharfgestellt wird. Bei jedem
Verfahren werden durch die CCD-Kamera viele Spitzensignalausgaben
festgestellt, so daß ein
stroboskopisches System verwendet wird, um beispielsweise eine Ausgabe
unter ihnen speziell zu identifizieren.
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Dort
wo eine CCD-Kamera zum Feststellen benutzt wird, wird der äußere periphere
Abschnitt des zylindrischen Silizium-Einkristalls, der mit der CCD-Kamera 8 abgebildet
wird, Kantenabschnitt 64 genannt (der Kantenabschnitt 64 ist
beispielsweise an gegenüberliegenden
Stellen des äußeren peripheren
Abschnitts in 2b ausgebildet). Dort wo der
Nahtabschnitt mit der CCD-Kamera festgestellt wird, ist es bevorzugt,
die Erfassung durchzuführen, wenn
der Nahtbereich in einem der Eckabschnitte 64 positioniert
ist. Dies erfolgt, da das Erfassen des Nahtbereichs einfach wird
bei einfachen Scharfstellen. Die CCD-Kamera kann entweder eine ein- oder eine zweidimensionale
CCD-Kamera sein.
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Wie
durch den Pfeil der gebrochenen Linie in 2a und 2b gezeigt,
tritt eine Leuchtdichtedifferenz infolge der Variation des reflektierten
Lichts auf, die durch das Schwingen des Kristalls und die Fluktuation
oder Änderung
der Oberfläche
der Schmelze erzeugt wird, so daß sich Ausgangssignale voneinander
unterscheiden, wie in 4a und 4b gezeigt,
wenn der Nahtabschnitt 61 mit der CCD-Kamera 3 erfaßt wird.
Wenn der Einkristall normal rotiert erscheinen die Zeitabstände der
Nahterfassungsausgaben oder -Signale A, B, C, D von der CCD-Kamera
im wesentlichen mit gleichen Abständen, wie in 4a gezeigt.
Wenn der Einkristall jedoch infolge von Resonanz eine Torsionsschwingung ausführt, werden
die Abstände
der Nahterfassungssignale der CCD-Kamera bei A-B und C-D kürzer, wie in 4b gezeigt,
und länger
bei B-C und D-A, und werden somit unregelmäßig. Auf diese Weise wird entschieden,
daß Resonanz
zu der Zeit auftritt, wenn die Zeitabstände der Nahterfassungssignale
unregelmäßig werden.
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3.) Ein Verfahren zum
Vermeiden von Resonanz nach der Entscheidung über das Auftreten von Resonanz
in einem Einkristall wird beschrieben.
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In 2a und 2b ist
der Fokus oder der Bildschärfenbereich
der CCD-Kamera auf den geraden Abschnitt des bis zu einem bestimmten
Durchmesser gewachsenen Einkristalls gerichtet, wie durch den Pfeil
dergebrochenen Linie dargestellt ist, um den Nahtabschnitt zu erfassen.
Die Zeitabstände der
festgestellten oder erfaßten
Ausgänge
bzw. der erfaßten
Signale werden im Speicher 22 der Verarbeitungseinheit 20 gespeichert.
Das Diagramm in 4a zeigt beispielsweise den
Fall, in dem der Einkristall vier Nähte aufweist. In dem Fall,
daß die
Zeitabstände
der entsprechenden Ausgangssignale im wesentlichen in gleichen Intervallen
auftreten, wird in der Verarbeitungseinheit entschieden, daß der Einkristall
normal rotiert. Hier ist festzustellen, daß in 4a und 4b die
Größen der
Ausgangswerte absichtlich variiert und mit jeweiligen Symbolen A
bis D bezeichnet wurden, um die Ausgaben für die entsprechenden Nähte zu unterscheiden.
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Die
Zeitabstände
der nacheinander einzugebenden Nahtfeststellsignale werden in die
arithmetische Einheit eingegeben, wo sie mit den im Speicher gespeicherten
Abständen
verglichen werden. Wenn der Zeitabstand des festgestellten Ausgangssignals klein
ist, wie im Fall A-B, wie in 4b gezeigt,
oder wenn der Abstand größer ist,
wie im Fall B-C, wird entschieden, daß die Torsionsschwingung im
Einkristall auftritt und Resonanz stattfindet.
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Wenn
in der Verarbeitungseinheit entschieden wurde, daß Resonanz
im Einkristall auftritt, wird ein Signal zu der Rotationsratensteuervorrichtung 24 der
Drehantriebssteuervorrichtung 23 übertragen und ein Steuersignal
wird von der Rotationsratensteuervorrichtung zum Drehantrieb 12 ausgegeben, um
die Rotationsrate des Einkristalls um 1 oder 2 Umdrehungen pro Minute
gegenüber
der gegenwärtigen
Rotationsrate zu ändern,
(d.h. die Rotationsrate kann vergrößert oder verkleinert werden)
um Resonanz zu vermeiden. Wenn dieser Zustand über etwa fünf Minuten aufrecht erhalten
wird, schreitet das Wachstum des Einkristals fort, wonach häufig festgestellt
wurde, daß die
Resonanz bei der ursprünglichen
Rotationsrate nicht vorkommt. Entsprechend ist es bevorzugt die
Rotationsrate zu der ursprünglichen zurückzuführen.
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4.) Ein anderes Verfahren
zum Bestimmen des Auftretens von Resonanz wird beschrieben.
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- A) Die Zeitabstände der Nahtfeststellsignale
basierend auf der Rotation des Kristalls werden jeweils in der Verarbeitungseinheit 20 und
dem Speicher 22 gespeichert. Die Nahtfeststellsignal-Zeitabstände, die
nachfolgend eingegeben wurden, werden mit den gespeicherten Abständen (d.h.
mit einem später
beschriebenen Durchschnittswert) verglichen. Wenn die resultierende Differenz
innerhalb von ±10%
liegt, wird entschieden, daß der
Kristall normal rotiert. Die Daten, die als normale Rotation bewertet
wurden, werden zu den gespeicherten Daten hinzugefügt, aus
welchen der Durchschnittswert erhalten wird.
- B) Ein später
eingegebener Nahtfeststellsignal-Zeitabstand wird verglichen mit dem
gespeicherten durchschnittlichen Zeitabstand. Wenn die Differenz
einen Bereich von ±10% übersteigt,
wird entschieden, daß der
Kristall zu einer Torsionsschwingung angeregt ist und daß Resonanz
auftritt. Um die Resonanz zu vermeiden, wird die beschriebene Vorgehensweise
von 3.) angewendet.
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Ein
spezielles Verfahren zum Feststellen und Vermeiden von Torsionsschwingungen
während
der Herstellungsschritte eines Silizium-Einkristalls wird beschrieben.
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100
kg Polysilizium wurden geschmolzen, um einen Einkristall mit einem
Durchmesser von 220 mm und einer Länge von 1000 mm herzustellen
unter Benutzung der in 2a gezeigten Torsionssignalfeststellvorrichtung,
d.h. der Silizium-Einkristall-Herstellvorrichtung einschließlich der
Verarbeitungseinheit 20 und der Drehantriebssteuertafel
bzw. -einheit 23. Eine Ziehwelle der Einkristallfertigungsvorrichtung
hatte einen Durchmesser von 70 mm. Der gewachsene Einkristall hatte
einen Halsabschnitt mit einem beabsichtigten Durchmesser von 6 mm,
einer beabsichtigten Länge
von 20 mm und einem beabsichtigten vergrößerten Durchmesser an einem Schulterabschnitt
von 260 mm, unter welchem eine erwünschte Form durch die Steuerung
eines Computers gebildet wurde. Danach wurde ein eine CCD-Kamera
benutzender Torsionsschwingungsdetektor bei einer Rotationsrate
von 15 min–1 bei
einer Ziehrate von 0,8 mm/min betrieben. Dadurch wurde ein Ziehtest
eines rechten Schalenabschnitts begonnen.
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Eine
Stunde und drei Stunden nach dem Betrieb der CCD-Kamera erfaßte die
CCD-Kamera zwei Auftreten von Torsionsschwingungen bei welchen die Rotationsrate
der Ziehwelle automatisch auf 16 min–1 geändert wurde.
Zu der Zeit als die Länge
der geraden Schale 800 mm erreichte, wurde ein drittes Auftreten
von Torsionsschwingungen festgestellt und die Drehzahl der Ziehwelle
wurde auf 16 min–1 geändert.
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Zum
Vergleich wurde ein Ziehtest ohne den Betrieb einer CCD-Kamera wiederholt,
woraufhin es mittels einer Fernsehüberwachung durch das Schauglas
hindurch bestätigt
wurde, daß Polykristallisation
zwei Stunden nach Ausbilden des Schulterabschnitts auftrat und das
Ziehen somit gestoppt wurde.
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Auf
diese Weise wurde bestätigt,
daß wenn der
erfindungsgemäße Schwingungsdetektor
benutzt wird, auf Resonanz basierende Torsionsschwingungen eines
Einkristalls festgestellt werden und die Rotationsrate des Einkristalls
in geeigneter Weise geändert
wird, das Auftreten von Versetzungen im Kristall oder das durch
Brechen des Halsabschnitts bewirkte Abfallen verhindert werden können.
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Wie
aus dem vorstehenden ersichtlich wird, kann das Auftreten von Versetzungen
im Kristall und das Abfallen des Einkristalls durch Brechen am Halsabschnitt
in geeigneter Weise verhindert werden, wenn ein Torsionsschwingungserfassungsverfahren unter
Benutzung einer Torsionsschwingungserfassungsvorrichtung mit einer
CCD-Kamera beim Herstellen eines Silizium-Einkristalls angewendet
wird.