DE2522611C2 - Vorrichtung zum Ziehen von Einkristallen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ziehen von Kristallen aus einer innerhalb einer Kammer in einem aufheizbaren Tiegel befindlichen Schmelze über einen in der Schmelze eintauchenden, an einem Ziehschaft angebrachten Kristallkeim, bei welcher Ziehschaft und Tiegel unabhängig voneinander rotierbar sind und der Ziehschaft anhebbar ist, wobei der Ziehschaft durch eine Dichtung hindurchgeführt ist, welche in eine Platte eingesetzt ist, die einen mit der Kammer verbundenen Federbalg an seinem oberen Ende verschließt, sowie mit einem den Ziehschaft tragenden, durch Hebeeinrichtungen hebbaren und absenkbaren Wagen.

Eine solche Vorrichtung ist aus der US-Patentschrift 79 370 bekannt. Bis zum Bekanntwerden dieser Vorrichtung bestimmte bei den Kristallziehvorrichtungen, bei denen der Kristall mittels des senkrecht nach oben bewegten Ziehschafts aus der Schmelze herausgezogen wird, die Höhe des Ziehschafts und damit auch die Höhe der Ziehvorrichtung die maximale Länge des herzustellenden Kristalls. Das heißt aber: weil der Ziehschaft für die volle Länge des zu ziehenden Kristalls ausziehbar sein muß, hat jede gewünschte Vergrößerung der Länge der herzustellenden Kristalle nicht nur eine größere Höhe des Ofens für eine Aufnahme der größeren L?nge des Kristalls erforderlich gemacht, sondern auch zu weiteren, entsprechend vergrößerten Abmessungen der Gesamtkonstruktion geführt, um die zusätzliche Länge des Ziehschaftes unterzubringen, der sich über diese zusätzliche Länge des zu ziehenden Kristalls bewegen muß. Soll beispielsweise ein Kristall mit einer Länge von 914,4 mm gezogen werden, dann muß die Gesamtkonstruktion des Ofens so hoch sein, daß dieser etwa 92 cm lange Kristall innerhalb des Ofens bleiben kann, und der Hebemechanismus für den Ziehschaft muß sich um diese Distanz über den Ofen hinaus erheben können. Man benötigt daher einen Raum mit einer relativ hochliegenden Decke, wenn man relativ lange Kristalle von etwa 92 cm Länge ziehen will.

Bei der aus der genannten US-Patentschrift bekannten Vorrichtung kann der Ziehschaft unabhängig von der gewünschten Länge des zu ziehenden Kristalls relativ kurz sein.

Eine Vorrichtung, bei der die Länge des Ziehschafts auch von der Länge des zu ziehenden (Silicium)-Kristalls unabhängig ist, ist beispielsweise in der US-Patentschrift 31 73 765 offenbart In der dort beschriebenen Vorrichtung wird der Ziehschaft festgehalten, während der Tiegel mit dem geschmolzenen Silicium hydraulisch langsam abgesenkt wird, wodurch das Wachsen des Kristalls bewirkt wird. Diese Vorrichtung hat den Nachteil, daß die Oberfläche des geschmolzenen Siiieium:> nicht innerhalb einer isothermischen Aufheizzone gehalten werden kann, und die Patentschrift enthält tatsächlich keinerlei Hinweis auf diese Tatsache.
Es ist nämlich festgestellt worden, daß man nur dann ein gutes Kristallwachstum erhält, wenn die Oberfläche des geschmolzenen Siliciums in einer isothermischen Aufheizzone liegt. Wenn nämlich die Oberfläche des geschmolzenen Siliciums nicht in einer isothermischen Aufheizzone liegt, die relativ klein ist, dann ist es außergewöhnlich schwierig, den Durchmesser des zu ziehenden Kristalls genau zu überwachen und zu steuern, und es bildet sich beispielsweise auf dem Tiegel überschüssiges Siliciumdioxid. Das gewünschte Kristallwachstum wird nicht erreicht Auch bei der Vorrichtung gemäß US-Patent 36 79 370 liegt die Oberfläche des geschmolzenen Siliciums nicht über die Dauer des Aufwachsens in einer isothermischen Aufheizzone.

Ferner ist es mit der bekannten Vorrichtung gemäß der US-Patentschrift 31 73 765 nicht möglich, das geschmolzene Silicium zu rotieren. Durch Rotieren des geschmolzenen Siliciums erhält man eine gleichförmigere Temperatur. Außerdem wird dadurch ein dem Silicium beigemischter Dotierungsstorf umgerührt, so daß man eine gleichmäßigere Verteilung des Dotierungs-Stoffes in dem Silicium erhält.

Eine bereits vorgeschlagene Vorrichtung benutzt sowohl eine Anhebung des Ziehschaftes bei der Bildung des Kristalls und ein Anheben des geschmolzenen Siliciums innerhalb des Ofens, wenn die Oberfläche des geschmolzenen Siliciums absinkt, so daß die Oberfläche des geschmolzenen Siliciums in der isothermischen Aufheizzone gehalten wird. In diesem bereits vorgeschlagenen System wird außerdem auch der Ziehschaft und das

geschmolzene Silicium rotiert, so daß ein gegebenenfalls beigegebener Dotierungsstoff gut durchgemischt und das gewünschte Kristallwachstum erzielt wird.

Diese Vorrichtung verwendet jedoch Schraubenspindeln und einen freitragenden Hebemechanismus zum Anheben der Schmelze in dem Tiegel. Wegen der Benutzung eines freitragenden, mit Schraubenspindel arbeilenden Hebemechanismus ist das Einhalten der kritischen Ausrichtparameter über lange Zeit extrem schwierig, insbesondere dann, wenn man große Blöcke aus entsprechend großen Schmelzen zieht. Daher ergab sich mit zunehmender Länge des Halbleiterkristalls in dem bereits vorgeschlagenen System eine zunehmend exzentrische Belastung. Die dabei gewonnenen Kristalle waren nicht immer zufriedenstellend.

Die Verwendung eines freitragenden, mit Schraubenspindel arbeitenden Antriebsmechanismus hat ein allmähliches Absinken oder Absacken des zum Anheben des Ziehschaftes dienenden Wagens und ein Absacken des Wagens für das Anheben des das geschmolzene Silicium enthaltenden Tiegels zur Folge, wail die verschiedenen Lager und andere Bauteile der beiden Wagen wegen der freitragenden Befestigung einer einseitigen Belastung ausgesetzt sind. Durch dieses allmähliche Absacken der Wagen wird eine präzise Einstellung des Ortes des Endes des Ziehschaftes und der Oberfläche des geschmolzenen Siliciums verhindert. Mit zunehmendem Gewicht des gezogenen Kristalls fangen die Wagen an zu klappern oder zu rattern, was ebenfalls eine präzise Ausrichtung des Endes des gezogenen Kristalls und der Oberfläche des geschmolzenen Siliciums erschwert

Durch die vorliegende Erfindung werden diese Schwierigkeiten dadurch umgangen, daß sowohl der Kristallkeim, aus dem der Kristall gezogen werden soll, angehoben wird und gleichzeitig auch die Oberfläche des geschmolzenen Siliciums innerhalb der isothermischen Aufheizzone gehalten wird, ohne daß durch exzentrisch abgreifende Belastungen ein Absinken der Wagen oder ein Klappern der Wagen eintritt. Somit eignet sich also die vorliegende Erfindung in besonders guter Weise zur Herstellung von einkristallinen Blöcken aus Silicium mit relativ großer Längenausdehnung.

In der bereits vorgeschlagenen Ausführungsform einer Ziehvorrichtung mit einem Anheben des Ziehschaftes und der Siliciumschmelze führt der Ziehschaft eine lineare und eine Drehbewegung in bezug auf eine Dichtung auf der Oberseite des Ofens aus. Wegen der Linearbewegung des Ziehschaftes in bezug auf die Dichtung ist zwischen dem Ziehschaft und der Dichtung eine sehr genaue Ausrichtung erforderlich, damit eine wirksame Abdichtung und ein reibungsloses Arbeiten über die gesamte Länge der Bewegung des Ziehschaftes sichergestellt ist. Ist der Ziehschaft nicht ganz genau über seine gesamte Länge ausgerichtet, dann wird die Dichtung auf einer Seite zusammengedrückt und damit beschädigt.

Diese Schwierigkeiten werden gemäß der Erfindung durch Verwendung eines ausziehbaren Federbalges überwunden, so daß nunmehr keine Notwendigkeit für eine Linearbewegung des Ziehschaftes in bezug auf die Abdichtung besteht, wenn der Ziehschaft den Kristall nach oben anhebt. (Obwohl auch in der Vorrichtung gemäß dem US-Patent 36 79 370 ein Federbalg zur Verlängerung der Kammer mit dem Längerwerden des Kristalls verwendet wird, f'ndet bei dieser Vorrichtung doch eine Linearbewegung zwischen dem Ziehschaft und der Dichtung statt.) Ordnet man die Dichtung am oberen Ende des Federbalges an, so daß keine Relativbewegung zwischen Abdichtung und Ziehschaft bei Anheben des Ziehschaftes eintritt, da der obere Abschnitt des Federbalges und der Ziehschaft sich miteinander linear bewegen, ist die Schwierigkeit einer Abdichtung einer Linearbewegung des Ziehschaftes umgangen.

Da nunmehr keine Linearbewegung zwischen dem Ziehschaft und der Dichtung stattfindet, ist auch keine präzise Ausrichtung der gesamten Länge des Ziehschaftes in bezug auf die Dichtung erforderlich. Es ist dabei lediglich notwendig, eine präzise Ausrichtung zwischen der Dichtung und demjenigen Teil des Ziehschaftes vorzusehen, den die Dichtung umgibt, um eine effektive Abdichtung gegen die Rotationsbewegung des Ziehschaftes sicherzustellen.

Ohne eine Linearbewegung zwischen der Dichtung und dem Ziehschaft wird auch die sonst mögliche Beschädigung der Dichtung durch eine Berührung mit dem sehr heißen Ziehschaft beseitigt, z. B dann, wenn es erforderlich ist. den Ziehschaft und »en Einkristall sehr rasch aus der Siliciumschmelze herauszuziehen, um ein rasches Abbrennen des in dem Tiegel mit der Siliciumschmelze sich bildenden Siliciumoxids durchführen zu können. Da bei der neuen Vorrichtung keinerlei Bewegungdes Ziehschaftes in bezug auf die Dichtung stattfindet, besteht auch keine Gefahr, daß die Abdichtung durch eine rasche Bewegung des Ziehschaftes, der sehr heiß sein kann, beschädigt wird, wenn man den Einkristall aus der Siliciumschmelze rasch herauszieht.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung vermeidet die bei den bekannten und vorgeschlagenen Vorrichtungen auftretenden Schwierigkeiten und hat deren Vorteile. So ist es z. B. auch bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht mehr notwendig, daß die Höhe des Ofens gleich der Länge des zu ziehenden Kristalls ist. Statt dessen liefert der Federbalg gemäß der vorliegenden Erfindung bei wachsendem Kristall eine Art Verlängerung des Ofens. Da der Hebemechanismus unmittelbar mit dem Federbalg verbunden ist, wird kein weiterer zusätzlicher Raum, der etwa dem Kristallwachstum entspricht, für die Hebevorrichtung vorzusehen sein. Somit lassen sich also mit der erfindungsgemäß aufgebauten Vorrichtung relativ lange Kristalle von etwa 92 cm Länge innerhalb der üblicherweise aufgebauten Fabrikgebäude mit einer Deckenhöhe von etwa beispielsweise 3 m herstellen.

Da bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung das Erfordernis einer genauen Ausrichtung in Längsrichtung zwischen Ziehschaft und Dichtung beseitigt ist, ist es auch nicht langer Tiotwendig, die gesamte Länge des Ziehschaftes aus einem Material herzustellen, das zj sehr engen Toleranzen verarbeitet werden kann, wie beispielsweise rostfreier Stahl. Lediglich der Teil des Ziehschaftes, der innerhalb der Dichtung liegt, muß sehr genau gearbeitet sein. Demgemäß kann, da eine präzise Ausrichtung über die gesamte Länge des Ziehschaftes mit der Dichtung nicht mehr erforderlich ist, fast die ganze Länge des 7iehschaftes aus einem Material hergestellt werden, das sich beispielsweise bei den hier

6ö herrschenden sehr höhen Temperaturen von etwa 1990⁰C, denen der Ziehschaft während des Kristallwachstums ausgesetzt ist, nicht verbiegt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein aus Graphit bestehender Zithschaft als Träger für den monokri-

(=5 stallinen Kristallkeim benutzt, da sich ein solcher Schaft bei den hier auftretenden hohen Temperaturen nicht krümmt oder verbiegt. Das obere Ende des aus Graphit bestehenden Ziehschaftes ist mit einem Ziehschaftstut-

zen verbunden, der die gewünschte Ausrichtung mit der Dichtung liefert, da sich über die Rotationsbewegung des Ziehschaftes der Ziehschaftstutzen relativ zur Dichtung dreht.

Durch die Verwendung eines aus Graphit bestehenden Ziehschaftes und dessen Verbindung mit einem aus rostfreiem Stahl bestehenden Ziehschaftstutzen sind die bei einer Rotation dieses Ziehschaftstutzens innerhalb der Dichtung sonst bei aus Stahl bestehenden Ziehächäften auftretenden Schwierigkeiten beseitigt. Das heißt, der Kristallkeim und der daraus gezogene Einkristall führen keine kreisförmigen Bewegungen aus. Dadurch läßt sich auch eine wesentlich genauere Überwachung und Steuerung des Durchmessers des zu ziehenden Einkristallserzielen.

Die hohe Leitfähigkeit des aus Graphit bestehenden Ziehschaftes gestattet ein schnelleres Kristallwachstum als bei der Verwendung eines aus Stahl bestehenden Ziehschaftes. Wegen dieser hohen Wärmeleitfähigkeit des Graphits wird dem Siliciumkristallkeim mehr Wärme entzogen, als ein aus rostfreiem Stahl bestehender Ziehschaft während der gleichen Zeitperiode abzuführen vermag, so daß der gezogene Kristall rascher abkühlt. Da die Erstarrung des Kristalls sein Wachstum bewirkt, ist die Wärmeabfuhr aus dem Kristall durch eine rasche Wärmeübertragung an den aus Graphit bestehenden Ziehschaft gleichbedeutend mit einem beschleunigten Wachstum des Kristalls.

Die Erfindung und ihre weiteren Merkmale und Vorteile werden nunmehr anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben. Die unter Schutz zu stellenden Merkmale der Erfindung sind den Patentansprüchen im einzelnen zu entnehmen, in den Zeichnungen zeigt

Fig. IA und IB eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer eriindungsgemäS aufgebauten Vorrichtung zum Herstellen eines Kristalls aus monokristallinem Silicium, wobei F i g. 1A und 1B zusammen die Gesamtkonstruktion ergeben,

Fig.2 eine Seitenansicht des Hebemechanismus für die eine Seite des den Ziehschaft tragenden Wagens,

Fig.3 eine Teilseitenansicht der Verbindung zwischen dem Ziehschaft und dem Ziehschaftstutzen,

F i g. 4 eine Teilschnittansicht eines Teils des Wagens zum Anheben und Absenken des Ziehschaftes und

F i g. 5 eine Teilschnittansicht eines Teils des Wagens zum Anheben und Absenken des Tiegels.

In den F i g. 1A und 1B ist die gesamte tragende Konstruktion mit einer Grundplatte 10 (F i g. 1 B) gezeigt, auf der drei Stützsäulen 11 (zwei sind gezeigt) im Dreieck angeordnet sind. Die Bodenplatte 10 liegt auf dem Fußboden auf.

Eine Stützplatte 12 (Fig. IB) weist einen gewissen Abstand von der Grundplatte 10 auf und trägt einen Ofen 14. Die Stützplatte 12 ist rechteckig und wird an den Ecken von Trägern 13 getragen, die sich von der Grundplatte 10 nach oben erstrecken.

Der Ofen 14 enthält eine Grundplatte 15, die mit Schrauben 16 an der Stützplatte 12 festgeschraubt ist. An der Grundplatte 15 ist ein Ring 17 befestigt Eine äußere zyiinderförmige Wand 18, die hohl ausgeführt ist, so daß ein Kühlwasser durch die dadurch gebildete ringförmige Kammer 19 hindurchgeleitet werden kann, ersirecki sich von dem Ring 17 nach oben und ist an diesem befestigt, vorzugsweise mit diesem verschweißt

Das obere Ende der zylindrischen Wand 18 geht in einen daran befestigten, vorzugsweise angeschweißten Ring20(Fig. IA)über.

Eine ringförmige Platte 21 liegt auf der oberen Oberfläche des Ringes 20 auf und ist mit diesem, beispielsweise durch Klammern (nicht gezeigt) verbunden. Dadurch wird für den Ofen innerhalb der zylinderförmigen Wund und den Platten 15 und 21 eine Kammer 22 gebildet.

Ein Hohlzylinder 23 erstreckt sich von der Platte 21 nach oben und bildet damit einen Teil 24 der Kammer 22 des Ofens mit verringertem Durchmesser. Das obere

ίο Ende des hohlwandigen Hohlzylinders 23 trägt eine kreisförmige Platte 25, die daran befestigt, vorzugsweise damit verschweißt ist.

Mit der obenliegenden kreisförmigen Platte 25 des Ofens 14 ist ein unterer Ring 26 eines Fedcrbalges 27 lösbar befestigt, beispielsweise durch Klammern (nicht gezeigt). An dem Ring 26 ist das untere Ende des Fedcrbalges 27, der aus einem geeigneten Material, wie z. B. dehnbarem Stahl besteht, beispielsweise durch Verschweißen, befestigt. Das obere Ende des Federbalges 27 ist ebenfalls an einem oberen Ring 28, beispielsweise durch Verschweißen, befestigt. Der obere Ring 28 ist beispielsweise durch Schrauben (nicht gezeigt) mit einer Abschlußplatte 29 verbunden. Die Abschlußplatte 29 des Federbalges ist mit Schrauben 31 an einem in senkrechter Richtung beweglichen oberen Wagen 30 befestigt und kann sich zusammen mit diesem bewegen.

Der obere Wagen 30 ist auf einem Paar Führungsstangen 32 gleitend angebracht, die sich von einer dazwischenliegenden Stützplatte 33 nach oben erstrecken.

Die Stützplatte 33 ist mit den drei Stützsäulen 11, beispielsweise durch Klammern oder Schrauben verbunden. Die Platte 33 ist dreieckig und wird durch die Stützsäulen 11 an ihren Ecken abgestützt.
Das obere Ende jeder der Führungsstangen 32 erstreckt sich in die Platte 34. Die Platte 34 und die Führungsstangen 32 sind beispielsweise mittels Schrauben an einer oberen Stützpiatte 35 befestigt. Die obere Stützplatte 35 wird von den Stützsäulen 11 getragen und ist ebenfalls dreieckig, so daß die Stützsäulen 11 die Platte 35 jeweils an den Ecken unterstützen. Die obere Stützplatte 35 ist an den Stützsäulen 11 durch Klammern oder Schrauben befestigt

Der untere Ring 26 des Federbalges 27 ist ebenfalls auf den Führungsstangen 32 gleitend gelagert Der Ring 26 ist mit einem Ring 36 beispielsweise durch Verschweißen verbunden. Der Ring 36 ist beispielsweise durch Schrauben mit einem Paar einander gegenüberliegend angeordneten Streben 37 verbunden. Die Streben 37 erstrecken sich durch eine Öffnung 38 durch die Stützplatte 33, genauso wie der Federbalg 27.

Das obere Ende der Streben 37 ist an einem Schultcrring 39, beispielsweise mittels Schrauben befestigt Jeder der Schulterringe 39 ist auf einer der Führungsstangen 32 gleitend angeordnet Die Schulterringe 39 können in einer beliebigen Stellung auf den Führungsstangen 32 durch Einstellschrauben 40 festgehalten werden. An dem oberen Wagen 30 ist nicht nur der Federbalg 27 befestigt sondern auch der Ziehschaft 41, der an seinem unteren Ende einen Kristallkeim 42 (F i g. 1 B) aus monokristallinem Silicium trägt Der Ziehschaft 41, der vorzugsweise aus Graphit besteht, ist mit einem Ziehschaftstutzen 43, der vorzugsweise aus rostfreiem Stahl besteht, lösbar verbunden. Vorzugsweise ist der Ziehschaft 41 mit dem Ziehschaftstutzen 43 durch einen SteUstifi 44 verbunden, der sich durch eine Nut 45 des Ziehschaftes 41 hindurch erstreckt Der Stellstift 44 erstreckt sich durch ein Paar Bohrungen im Ziehschaftstutzen 43. Diese Bohrungen sind nicht diametral ange-

ordnet, sondern liegen auf einer Seite der Mittellinie des Zichschaftstutzens 43. Der Ziehschaftstutzen 43 ist durch Schrauben 47 mit dem Flansch einer Spindel 48 verbunden, die an dem oberen Wagen 30 befestigt ist. Somit ist der Zichschaft 41 für eine senkrechte Bewegung mit dem oberen Wagen 30 verbunden.

Der Ziehschaftstutzen 43 erstreckt sich durch eine Dichtung49 hindurch, die von der Abschlußplatte 29 des Fcderbalges 27 getragen ist. Eine Halteplatte 50 für die Dichtung ist mit der Abschlußplatte 29 des Federbalges 27 durch Schrauben 51 verbunden und hält die Dichtung 49 in der Abschlußplatte 29 fest. Die Dichtung 49 bildet zusammen mit dem Ziehschaftstutzen 43 eine Dichtung, die das obere Ende der Kammer 22 gegen die Atmosphäre abdichtet, wobei das obere Ende der Kammer mit dem Innenraum des Federbalgs 2/ über den Abschnitt 24 mit verringertem Durchmesser der Kammer 22 in Verbindung steht.

Wenn das obere Ende des Wagens 30 sich in seiner untersten, in F i g. 1A gezeigten Position befindet, dann taucht der Kristallkeim 42 des Ziehschaftes 41 in die Siliciumschmelze 52 in einem Tiegel 53 ein, der beispielsweise aus Quarz besteht. Der Tiegel 53 wird von einer Halterung 54 getragen, die auf einem Rotor 55 befestigt ist, so daß sich der Tiegel 53 zusammen mit dem Rotor 55 drehen läßt. Die Halterung 54 und der Rotor 55 bestehen vorzugsweise aus Graphit. Heizelemente 56 aus Graphit umgeben die Halterung 54 für den Tiegel und geben an die Siliciumschmelze 52 in dem Tiegel 53 Wärme ab und halten diesen auf der gewünschten Temperatur. Drei Elektroden (zwei sind gezeigt) sind mit den Heizelementen 56 verbunden und dienen der Stromzufuhr.

Eine zylindrische Auskleidung 58, die vorzugsweise aus Graphit besteht, ist in einem Abstand um die Heizelemente 56 herum angeordnet und trägt an ihrer Außenseite drei aus Graphiifiiz besiehende Schichten 59. Durch diese Wärmeisolation verbleibt die vom Heizelement 56 abgegebene Wärme innerhalb der Auskleidung 58, so daß die Wärme nur der Siliciumschmelze 52 in dem Tiegel 53 zugeführt wird.

Der Rotor 55 wird von dem oberen Ende einer Hohlwelle 60 getragen, die sich vom Rotor 55 aus durch eine in der Grundplatte 15 des Ofens 14 angebrachte Dichtung hindurch nach unten erstreckt. Die Hohlwelle 60 ist mit einem in senkrechter Richtung verfahrbaren unteren Wagen 62 verbunden.

Wie in F i g. 5 gezeigt, ist am unteren Ende der Hohlwelle 60 ein Ring 63 befestigt, vorzugsweise angeschweißt. Dieser Ring 63 ist beispielsweise mittels Schrauben 64 an einer Hohlwelle 65 befestigt, die in dem unteren Wagen 62 drehbar gelagert ist. Die Hohlwelle 65 wird im unteren Wagen 62 gegen eine in senkrechter Richtung mögliche Verschiebung durch einen Haltering 66 festgehalten.

Ein Rohr 67 erstreckt sich durch die Hohlwelle 65 und die Hohlwelle 60 nach oben und weist einen kleineren Durchmesser auf als der Innendurchmesser der Hohlwelle 60 oder der Hohlwelle 65 und bildet damit einen ringförmigen Zwischenraum. Über das obere Ende des Rohres 67, das am oberen Ende der Hohlwelle 60 endet, wird Wasser zugeführt, das dann über den ringförmigen Zwischenraum zwischen dem Rohr 67 und den inneren Oberflächen der Hohlwelle 60 und der Hohlwelle 65 zurückfließt und diese beiden Hohlwellen kühlt

Der unlere Wagen 62 ist auf einem Paar Führungsstangen 68, die sich von einer Platte 69 nach oben erstrecken, gleitend angeordnet. Die Platte 69 liegt auf der Grundplatte 10 auf und ist an dieser, beispielsweise mittels Schrauben, befestigt. An den oberen Enden der Führungsstangen 68 ist eine obere Stützplatte 70. beispielsweise mittels Schrauben, befestigt.

Wie in F i g. 2 gezeigt, trägt der obere Wagen 30 eine obere Leerlaufrolle 74 und eine senkrecht in einem Abstand darunterliegende untere Leerlaufrollc 75, wobei deren Rotationsachsen auf der gleichen senkrechten Linie oder Ebene liegen. Die Leerlaufrollen 74 und 75 gehören zu dem Hebemechanismus des oberen Wagens 30. Der Hebemechanismus dient nicht nur zum Anheben und Absenken des oberen Wagens 30, sondern trägt auch diesen.

Der Hebemechanismus enthält ferner zwei Antriebsrollen 76 und 77, die in der Nähe der oberen Stützplatte 35 angeordnet sind. Ferner sind zwei Leerlaufrollen 78 und 79 an einem Lagerbock 78' drehbar befestigt. Der Lagerbock 78' ist auf der Stdtzplatte 33 befestigt.

Die Rotationsachsen der Antriebsrolle 76 und der Leerlaufrolle 78 liegen in der gleichen vertikalen Ebene. In gleicher Weise liegen die Rotationsachsen der Antriebsrolle 77 und der Leerlaufrolle 79 in der gleichen senkrechten Ebene. Die senkrechte Linie oder Ebene, die durch die Rotationsachsen der Leerlaufrollen 74 und 75 am oberen Wagen 30 verläuft, liegt parallel zu den senkrechten Linien oder Ebenen, die die Rotationsachsen der Rollen 76 und 78 und die Rotationsachsen der Rollen 77 und 79 verbinden.

Ein Zahnriemen 80 läuft über die Antriebsrolle 76 und unten um die Leerlaufrolle 74 auf dem oberen Wagen 30 herum und wiederum über die Antriebsrolle 77, um die Unterseite der unteren Leerlaufrolle, die Oberseite der unteren Leerlaufrolle 75 am oberen Wagen 30 und die Unterseite der Leerlaufrolle 78 und von dort wieder an die Antriebsrolle 76. Die Zähne des Zahnriemens 80 sind mit den Zähnen der Antriebsrollen 76, 77, 78 und 79 in Eingriff. Die giatte Rückseite des Zahnriemens 80 läuft dagegen um die Leerlaufrollen 74 und 75, so daß hierbei keine feste zeitliche Zuordnung besteht. Dies ist ein zeitgesteuerter Antrieb für den Wagen 30.

Die Antriebsrolle 77 ist an einer Welle 81 befestigt, die in Lagerböcken 82 und 83 drehbar gelagert ist, die sich von der oberen Stützplatte 35 nach unten erstrekken. Ein Zahnrad 84 ist an einem Ende der Welle 81 befestigt und ist in Eingriff mit einem Zahnrad 85.

Das Zahnrad 85 wird von einem Elektromotor 86 über ein Getriebe 87 angetrieben. Auf der Abtriebswelle des Getriebes 87 ist eine Riemenscheibe 88 angebracht, die über einen Zahnriemen 89 in zeitlich genau abgestimmter Weise eine Antriebsscheibe 90 auf einer Welle 91 antreibt, auf der außerdem das Zahnrad 85 angebracht ist.

Der Motor 86 und der Getriebekasten 87 wird von einem an einer der Stutzsäulen 11 befestigten Träger 92 getragen. Die Welle 91 ist in dem Lagerbock 82 drehbar gelagert

Das Zahnrad 85 ist außerdem mit einem Zahnrad 95 in Eingriff, das an einem Ende eine Welle 96 befestigt ist Die Welle 96, die in den Lagerböcken 82 und 83 in gleicher Weise wie die Welle 81 drehbar gelagert ist trägt neben dem Zahnrad 95 die Antriebsrolle 76.

Wenn das Zahnrad 95 einen Zahn mehr hat als das Zahnrad 84, dann ergibt sich ein geringfügiger Unterschied in der Rotation der Antriebsrollen 76 und 77 während jeder Umdrehung des Zahnrades 85. Das heißt, wenn das Zahnrad 85 sich im Uhrzeigersinne dreht dann läuft während einer Umdrehung des Zahnrades 85 ein etwas längeres Stück des Zahnriemens 80 von der

ίο

Antriebsrolle 77 nach der Leerlaufrolle 74 als von der Leerlaufrolle 74 nach der Antriebsrolle 76. In gleicher Weise läuft während einer Umdrehung des Zahnrades 85 ein etwas größeres Stück des Zahnriemens 80 von der Leerlaufrolle 75 nach der Leerlaufrolle 79, als von der Leerlaufrolle 78 nach der Leerlaufrolle 75. Daher wird sich der Wagen 30 langsam nach unten bewegen. Eine Drehung cL-s Zahnrades 85 im Gegenuhrzeigersinn hebt dagegen den oberen Wagen 30 längs der Führungsstangen 32 an.

Selbstverständlich ist klar, daß der obere Wagen auf der diametral gegenüberliegenden Seite einen gleichartigen Hebemechanismus besitzt, so daß die sich ergebende, ein Anheben oder Absenken des Wagens 30 bewirkende Kraft in Längsrichtung der Achse des Ziehschaftes übertragen wird. Wie aus F i g. 1A zu erkennen, weist die Welle 81 an ihrem der Antriebsrolle 77 entgegengesetzten Ende eine Antriebsrolle 97 auf, die mit einem Zahnriemen 98 des Hebemechanisrnus auf der dem Hebemechanismus mit dem Zahnriemen 80 gegenüberliegenden Seite des oberen Wagens 30 zusammenwirkt. Die Welle % weist ebenfalls an ihrem entgegengesetzten Ende eine Antriebsrolle (nicht gezeigt) auf, die in gleicher Weise mit dem Zahnriemen 98 zusammenwirkt, wie die Welle 81 mit der Antriebsrolle 97.

Der untere Wagen 62 weist auf seinen einander gegenüberliegenden Seiten einen ähnlichen Hebemechanismus auf. Der eine Hebemechanismus für den unteren Wagen 62 arbeitet mit einem Zahnriemen 99 und der andere Hebemechanismus für den unteren Wagen 62 arbeitet mit einem Zahnriemen 100. Dafür ist selbstverständlich ein gesonderter Antriebsmotor vorgesehen, der auf der Grundplatte 10 montiert ist und den Hebemechanismus für den unteren Wagen in gleicher Weise antreibt, wie der Motor 86 den Hebemechanismus für den oberen Wagen antreibt. Dadurch kann man die Geschwindigkeit des Anhebens oder Absenkens der beiden Wagen 30 und 62 unabhängig voneinander steuern.

Für die Steuerung des Kristallwachstums sind unabhängige Hebe- oder Absenkgeschwindigkeiten des oberen Wagens 30 und des unteren Wagens 62 notwendig. Der obere Wagen wird angehoben und steuert damit das Wachstum des Durchmessers des zu ziehenden Kristalls. Die Hebegeschwindigkeit des oberen Wagens 30 und des daran befestigten Ziehschaftes ist dem Durchmesser des zu ziehenden Kristalls umgekehrt proportional. Wenn daher der Durchmesser des gezogenen Kristalls nicht mehr konstant bleibt, dann muß die Hebegeschwindigkeit des oberen Wagens 30 geändert werden.

Nimmt die Masse der Siliciumschmelze wegen der Bildung eines Teils des Kristalls ab, dann ändern sich die thermischen Bedingungen des Ofens 22. Zur Kompensation dieser veränderten Bedingungen beim gleichzeitigen Aufrechterhalten eines im wesentlichen konstanten Durchmessers des Kristalls muß die Geschwindigkeit, mit der der obere Wagen 30 angehoben wird, geändert werden.

Die Hebegeschwindigkeit des unteren Wagens 62 bestimmt die Höhe der Siliciumschmelze 52 im Tiegel 53 und stellt dabei sicher, daß die Oberfläche der Siliciumschmelze 52 sich in der isothermischen Aufheizzone befindet Ein optisches Pyrometer mißt die Temperatur des Heizelementes 56 und regelt damit die zugeführte Leistung, um eventuelle Änderung der thermischen Bedingungen auszukompensieren.

Der obere Wagen 30 trägt einen Motor 110 (Fig. 2), der sich zusammen mit dem oberen Wagen 30 bewegt. Der Motor 110 treibt über ein Getriebe 112 eine Zahnriemenscheibe 111 an. Ein Zahnriemen 113 verbinde! die Zahnriemenscheibe 111 mit der Antriebsscheibe 114, die an dem Ziehschaftstutzen 43 befestigt ist. Die Rotation des Motors 110 bewirkt daher eine Rotation des Zichschaftes 41 und des durch den Kristallkeim 42 am Ende des Ziehschaftes 41 gezogenen Kristalls in der gewünschten Richtung und Geschwindigkeit. Die Rotation des Ziehschaftes 41 und des an dessen Ende aufwachsenden Kristalls ergibt eine bessere Wärmeverteilung in dem Kristall.

Der Ziehschaftstutzen 43 ist mit der Antriebsscheibe 114 mittels der Spindel 48 verbunden, die sich durch den oberen Wagen 30 hindurch erstreckt. Das obere Ende der Spindel 48 trägt eine Feder 116, die in einer Nut 117 der Antriebsscheibe 114 liegt, so daß dadurch die Rotation der Antriebsscheibe 114 auf die Spindel 48 übertragen wird.

Das obere Ende der Spindel 48 ist mit einem Gewinde yprsphpn auf r!ip pinp Kontermutter oder Steürnutter 118 aufgeschraubt wird, die den sich nach unten erstrekkenden Flansch 119 am unteren Ende der Antriebsscheibe 114 gegen den inneren Ring eines oberen Kugellagers 120 preßt. Das obere Kugellager 120 wird durch einen Abstandsring 121 und einer Abstandshülse 122 gehalten, die auf dem inneren Ringeines unteren Kugellagers 123 aufsitzt. Eine Platte 124 ist am unteren Ende des oberen Wagens 30 angebracht und trägt das untere Ende des unteren Kugellagers 123 und verhindert damit eine Vertikalbewegung des unteren Kugellagers 123, der Abstandshülse 122, des Abstandsriiiges 121, des Kugellagers 120 und der Antriebsscheibe 114. Daher kann sich der Ziehschaftstutzen 43 nicht in Längsrichtung in bezug auf den oberen Wagen 30 bewegen, ist in diesem jedoch drehbar gelagert.

Der untere Wagen 62 trägt einen Elektromotor für die Drehung einer auf der Hohlwelle 6ii befestigten Antriebsscheibe. Die Antriebsscheibe wind durch den Motor in gleicher Weise angetrieben, wie die Antriebsscheibe 114 durch den Motor 112 auf dem oberen Wagen 30. Dadurch läßt sich der Tiegel mit einer gewünschten Geschwindigkeit drehen, und zwar entweder in der gleichen oder in der der Rotation des Ziehschaftes 41 entgegengesetzten Richtung, was von den gegebenen Bedingungen abhängt.

Der untere Ring 26 des Federbalgs 27 ist mit der ringförmigen Deckelplatte 25 des Ofi;ns 14 verklammert Dadurch, daß der Ring 26 an der ringförmigen Deckelplatte 25 des Ofens mit Klammern befestigt ist, entsteht eine geschlossene Kammer 22, in die ein inertes

so Gas eingeleitet und daraus abgesaugt werden kann, so daß für das Heizelement 56 die gewünschte Atmosphäre gebildet ist (Fig. IB). Für die Kühlung des Ofens 14 wird Wasser nicht nur in die Kammer 19, sondern auch in den Raum 127 an der Unterseite des Ofens 14 unterhalb der Grundplatte 15 in einen Zwischenraum 128 (Fig. IA) auf der Oberseite des Ofens 14 oberhalb der ringförmigen Platte 21 und in eine Kammer 129 in der Wand 23 eingeleitet, die den Abschnitt 24 mit verringertem Durchmesser bildet

Der obere Wagen 30 wird so weit abgesenkt daß der Kristallkeim 42 am unteren Ende des Ziehschaftes 41 in die Siliciumschmelze 52 eintaucht (F i g. 1 B). Die Ofenkammer 14 wird durch das Heizelement auf die gewünschte Temperatur aufgeheizt und hält das Silicium 52 im geschmolzenen Zustand.

Der Tiegel 53 wird in der gewünschten Richtung mit der gewünschten Geschwindigkeit durch den vom unteren Wagen 62 getragenen Motor über die Hohlwelle 60

und den Rotor 65 gedreht. Zur gleichen Zeit wird der Zichschaft 4) durch den Motor 110 in der gewünschten Richtung gedreht, die die gleiche sein kann wie die Drehrichtung des Tiegels 53 oder dieser entgegengesetzt.

Die Geschwindigkeit, mit der der obere Wagen 30 /um Anheben des Ziehschaftes 41 nach oben angehoben wird, wird durch die Geschwindigkeit des Wachstums des Siliciumkristalls auf dem Kristallkeim 42 bestimmt. Selbstverständlich nimmt durch das Aufwachsen des Kristalls auf dem Kristallkeim 42 der Pegel der Siliciumschmelze 52 ab. Demgemäß wird der untere Wagen 62 mit einer solchen Geschwindigkeit angehoben, daß die Oberfläche der Siliciumschmelze 52 in der isothermischen Aufheizzone des Heizelements 56 verbleibt.

Wird der Ziehschaft 41 angehoben, dann dehnt sich der Federbalg 27 aus, so daß damit auch die Länge und das Volumen der Giciikaiiiiiier 22 während des Längenwachstums des Kristalls zunimmt. Damit bleibt aber der Zichschaft 4r und der an seinem Ende befindliche Kristall immer innerhalb der Kammer 22, da die Abschlußplatte 29 des Federbalges 27 an dem oberen Wagen 30 befestigt ist und sich mit diesem bewegt, so daß es keine Relativbewegung zwischen dem Ziehschaft 41 und dem oberen Ende des Federbalgs 27 gibt, da die obere Abschlußplatte 29 des Federbalges 27 gleichzeitig die Oberseite der Kammer 22 bildet.

Selbstverständlich ist der We^-, über den sich der obere Wagen 30 und der untere Wager 62 bewegen kann, in Aufwärts- und in Abwärtsrichtung begrenzt. Der obere Wagen 30 trägt einen oberen Anschlag 130 und einen unteren Anschlag 131, die beide einstellbar sind.

Wenn der obere Wagen 30 seine höchste Position erreicht hat, kommt der obere Anschlag 130 mit einem Schaller 132 in Eingriff, der auf einer Halterung 133 befestigt ist, die an der Deckplatte 34 angebracht ist ür.d schaltet den Motor 86 ab und beendet damit die Aufwärtsbewegung des oberen Wagens. Wenn in gleicher Weise der obere Wagen 30 seine unterste Po· "on erreicht hat, dann kommt der untere Anschlag λ Eingriff mit einem Schalter 134, der auf einem Träger 135 auf der Stützplatte 33 befestigt ist und schaltet den Motor 86 ab.

Der untere Wagen 62 weist eine ähnliche Anordnung mit einem oberen Schalter 136 auf der Platte 70, die die oberen Enden der Führungsstangen 68 miteinander verbindet und einem auf der Platte 69 angebrachten unteren Schalter 138 auf. Anschläge auf dem unteren Wagen 62 wirken mit den Schaltern 136 und 138 zusammen.

Die vorliegende Erfindung ist zwar im Zusammenhang mit der Herstellung von Siliciumeinkristallen beschrieben worden, selbstverständlich läßt sich die Erfindung auch bei anderen Materialien einsetzen, aus denen ein einkristalliner Block gezogen werden kann. Selbstverständlich würde der Kristallkeim 42 dann aus einem anderen Material bestehen und der Tiegel 53 würde das gleiche Material als Schmelze enthalten wie das Material des Kristallkeims 42.

In der vorliegenden Erfindung ist eine Zahnradanordnung für die differentielle Beziehung für den Hebemechanismus für den oberen Wagen 30 und den unteren Wagen 62 beschrieben worden. Selbstverständlich könnte auch jede andere geeignete Antriebsanordnung gewählt werden, sofern sie den selben Erfolg zeitigt. Beispielsweise könnte jedes der mit den Antriebsrollen verbundenen Zahnräder durch eine differentielle Antriebsrolle ersetzt werden, wobei der Antriebszahnriemen um zwei Antriebsrollen herumläuft, die verschiedene Durchmesser aufweisen und einen Antrieb über nur eine der beiden diffcrcnticllcn Antriebsrollen erfolgt.
Ein ganz wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Gesamthöhe der Konstruktion z-ur Erzeugung eines Einkristalls verringert wird, wobei jedoch gleichzeitig der Ziehschaft sich über eine relativ große Strecke bewegen kann und einen relativ langen Kristall zu ziehen vermag. Ein weiterer Vorteil der Erfindung

in besteht darin, daß der Ziehschaft keiner exzentrischen Belastung ausgesetzt ist. Ferner ist es ein Vorteil der Erfindung, daß die Höhe des Raumes für eine größere Länge des zu ziehenden Kristalls nicht vergrößert werden muß. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sich ein monokristalliner Block eines Kristalls schneller ziehen läßt, während gleichzeitig immer noch die gewünschten Parameter des Kristalls kontrolliert und überwacht werden können. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die obere Dichtung des Ziehschafts nicht einer möglichen Beschädigung ausgesetzt wird, da hierin keine Linearbewegung des Ziehschaftes stattfindet.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Ziehen von Kristallen aus einer innerhalb einer Kammer in einem aufheizbaren Tiegel befindlichen Schmelze über einen in der Schmelze eintauchenden, an einem Ziehschaft angebrachten Kristallkeim, bei welcher Ziehschaft und Tiegel unabhängig voneinander rotierbar sind und der Ziehschaft anhebbar ist, wobei der Ziehschaft durch eine Dichtung hindurchgeführt ist, welche in eine Platte eingesetzt ist, die einen mit der Kammer verbundenen Federbalg an seinem oberen Ende verschließt, sowie mit einem den Ziehschaft tragenden, durch Hebeeinrichtungen hebbaren und absenkbaren Wagen, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (29) und der Ziehschaft (41) so an dem Wagen (30) befestigt ist, daß eine lineare Relativbewegung zwischen der Dichtung (49) und dem Ziehschaft (41) verhindert wird, und daß der Tiegel (53) zur Kompensation des Absinkens der Schmelzenoberfläche mit dem Fortschritt des Kristallziehens anhebbar ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wagen (30) in senkrechter Richtung gleitend gelagert ist unc"t an seinem unteren Ende den Ziehschaft (41) und die Platte (29) mit dem an ihr hängenden Federbalg (27) trägt

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen Federbalg (27) u.<d Kammer (22,24) lösbar ist

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gleitend gelagerte Wagen durch zwei zu beiden Seiten des Wagens angreifende miteinander synchronisierte Antriebe nur in Längsrichtung des Zichschaftcs anhebbar und absenkbar ist, und daß die beiden Antriebe an diametral einander gegenüberliegenden Seiten des Wagens (30) angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das obere, mit der Dichtung (49) verbundene Ende des Ziehschafts (41) durch einen Ziehschaftstutzen gebildet wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ziehschaftstutzen (43) aus rostfreiem Stahl und der Ziehschaft (41) im übrigen aus Graphit besteht.