DE3414290A1

DE3414290A1 - Kristallhalter

Info

Publication number: DE3414290A1
Application number: DE19843414290
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr. 6454 Bruchköbel Drechsel
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1984-04-14
Filing date: 1984-04-14
Publication date: 1985-10-24
Also published as: JPS60231493A; FI76841C; IT1183296B; DK161156B; IT8519219A0; DK164485D0; DE3414290C2; ES540492A0; FI76841B; DK161156C; FR2562915B1; FI850124A0; ES8606541A1; FR2562915A1; FI850124L; US4738832A; NL8500256A; DK164485A

Description

34H290

84506

LEYBOLD-HERAEUS GmbH
Bonner Straße 504

D-5000 Köln - 51

¹¹ Kristall halter "

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ziehen eines Kristalls aus einer in einem Schmelztiegel enthaltenen Schmelze mittels eines aufwickelbaren Zugorgans, an dessen unterem Ende ein Kristallhalter mit einer Befestigungsvorrichtung für das Zugorgan und einer Einspannvorrichtung für den Kristall befestigt ist.

84506 - 4 -

Die in derartigen Vorrichtungen ausgeübten Prozesse werden auch häufig als Czochralski-Prozesse bezeichnet. Bei der Schmelze handelt es sich meist um Halbleitermaterial wie Silizium,

Durch die DE-OS 31 16 916 ist eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Gattung bekannt, bei dem der Kristallhalter aus einem Stück besteht und eine verhältnismäßig kurze Baulänge aufweist. Der Kristanhalter soll ein gewisses Mindestgewicht besitzen, um das aufwickelbare Zugorgan, das bevorzugt ein Stahlseil ist, zu straffen. Hierbei ist zu beachten, daß das Gewicht des zu ziehenden Kristalls nahezu bei Null anfängt bzw. nur aus dem Gewicht des sogenannten Keimkristalls besteht, so daß die Sei 1 straffung anfänglich ausschließlich durch das Gewicht des Kristallhalters erfolgen kann. Am Ende des Ziehprozesses hat der Kristall ein Gewicht von etwa 60 bis 80 kg und darüber, so daß die Seiistraffung zu diesem Zeitpunkt unproblematisch ist.

Nun hat sich bei der bekannten Vorrichtung herausgestellt, daß die Seilfestigkeit, die bei einem neuen Seil bei ca. 210 kg Reißlast liegt, nach etwa 15 bis 20 Anwendungsfällen drastisch auf eine Reißlast von etwa 100 kg abfällt. Die kritischste Stelle des Seils ist dabei die Teillänge unmittelbar oberhalb

84506 34U290

des Kristall halters und dann auch nur zu Anfang eines Ziehprozesses, weil sich zu diesem Zeitpunkt der Kristallhalter und das untere Seilende im Strahlungsbereich der Schmelze und des Tiegels sowie gegebenenfalls sogar der Heizeinrichtung für den Tiegel befinden. Dort herrschen Temperaturen von über 1200 ⁰C. Temperaturmessungen am Kristallhalter in dieser kritischen Lage haben bei Silizium-Schmelzen mit einer Temperatur von 1450 °C ergeben, daß an dar Einspannstelle des Seils Temperaturen von etwa 900 ⁰C auftreten. Diese hohe Temperatur ist die Ursache für die um mehr als 50 % verringerte Reißlast in kaltem Zustand und es muß vermutet werden, daß die Reißlast im heißen Zustand noch geringer ist.

Es besteht infolgedessen die Gefahr, daß durch thermische Ermüdung des Seilmaterials das Seil während des Ziehprozesses reißt und der Kristall mit dem Kristanhalter in die Schmelze fällt. Dies'führt in der Regel zu einem Verlust des Einsatzmaterials und der gesamten Heizeinrichtung, da beispielsweise eine aus Graphit bestehende Heizeinrichtung sehr heftig mit Silizium zu Siliziumkarbid umgesetzt wird. Da dieses ein größeres Volumen ttat, werden die betreffenden Bauteile durch Spannungen zersprengt. Auch bei kleineren Kristallen ist bereits mit Schaden in der Größenordnung von etwa DM 30.000,-- bis DM 40.000,--zu rechnen.

34H290

84506

Man hat sich schon damit beholfen, daß man die Länge des Kristallhalters und damit den Abstand des unteren Seilendes von der Stelle höchster Temperatur vergrößert. Der Erfolg war aber nur sehr begrenzt und von dem erheblichen Nachteil begleitet, daß durch die größere Länge des Kristallhalters ein entsprechender Teil des sogenannten Ziehweges verloren geht, so daß in einer Vorrichtung sonst gleicher Abmessungen nur Kristalle geringerer Länge gezogen werden können. Eine Vergrößerung der Bauhöhe der gesamten Vorrichtung, die regelmäßig ein Mehrfaches der Kristallänge beträgt, verbietet sich häufig aus Gründen der Bauhöhe der zur Verfugung stehenden Fabrikationshalle. Man behilft sich daher

derzeit damit, die Seile ' '

nach etwa 10 bis 15 Ziehprozessen auszuwechseln. Der damit verbundene Stillstand der Vorrichtung führt zu unliebsamen Produktionsausfällen, wird jedoch aus Sicherheitsgründen in Kauf genommen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Gattung mit einem Kristallhalter anzugeben, durch den kein allzu großer Teil des Ziehweges verloren geht und der dennoch die maximale Seiltemperatur auf einem niedrigeren Niveau hält.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei der eingangs beschriebenen Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch, daß der Kristallhalter in Längsrichtung

84506

mindestens eine Stelle mit verringerter Wärmeleitfähigkeit aufweist.

Durch diese Maßnahme wird die Wärmeleitung in Richtung auf das untere Seilende merklich verringert. Messungen an einem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes haben bei einer Verlängerung des Kristallhalters gegenüber dem Stande der Technik von nur 100 mm einerseits in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Maßnahme andererseits zu einer Temperaturabsenkung von etwas über 180 ⁰C geführt. Die Untersuchung der Reißfestigkeit nach 13 Ziehprozessen ergab eine nur unwesentlich verringerte Reißlast von ca. 200 kg, die nahezu den ursprünglichen Wert darstellt.

Bezüglich der Auswirkung der erfindungsgemäßen Maßnahme wäre noch nachzutragen, daß der untere Abschnitt des Kristallhalters unvermeidbar einer beträchtlichen Wärme:belastung ausgesetzt ist und bei durchgehend metallischer Ausbildung die Tendenz hat, die Wärme zumindest zu einem großen Teil an das untere Seilende bzw. an die Einspannstelle des Seils abzugeben. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird die Weiterleitung der Wärme in Längsrichtung stark vermindert. ·

Es hat sich dabei als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn der Kristal 1 halter in Längsrichtung aus mindestens zwei massebehafteten Teilabschnitten besteht, die durch wärmeisolierende Distanzstücke einerseits und Zuganker andererseits miteinander verbunden sind. Die Zuganker, die einen wesentlich geringeren Querschnitt aufweisen als die beschriebenen Teilabschnitte können nur einen geringen Teil der Wärme an den jeweils nächstfolgenden Teilabschnitt weitergeben, und die Abstände zwischen diesen Teilabschnitten können in Richtung einer weiteren Wärmeabfuhr ausgebildet werden.

Eine weitere Wärmesperre in Längsrichtung des Kristanhalters wird gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung dadurch erreicht, daß die Distanzstücke mit Strahlungsschirmen versehen sind. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Außendurchmesser der Strahlungsschirme zumindest nicht wesentlich größer ist als derjenige der benachbarten Teilabschnitte.

Mit anderen Worten, die radiale Ausdehnung der Strahlungs schirme liegt innerhalb der Projektionsfläche des Kristallhalters auf eine waagrechte Ebene. Hierdurch wird sehr weitgehend vermieden, daß die Strahlungsschirme selbst Wärme durch Strahlung von unten aufnehmen können.

■^: 84506 3AU290

Schließlich ist es besonders vorteilhaft, wenn mindestens der untere Teilabschnitt von einer Folienisolation umgeben ist.

Ein Ausfiihrungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachfolgend anhand der Figuren 1 und 2 näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 einen Vertikalschnitt durch eine Schema-

darstellung einer vollständigen Kristallin, ziehvorrichtung und

Figur 2 den Kristall halter aus Figur 1 in vergrößertem Maßstab.

In Figur 1 ist eine Kristallziehvorrichtung 1 dargestellt, die eine Vakuumkammer 2 mit einer Saugleitunc, für den Anschluß an einen nicht dargestellten Satz von Vakuumpumpen besitzt. Zur Vakuumkammer 2 gehört ein Kammeroberteil 4 mit einem rohrförmigen Aufsatz 5, der am Ende des Ziehprozesses den Kristall umschließt. Am oberen Ende des Aufsatzes 5 ist eine drehbare Plattform 6 gelagert, die eine Aufwickeltrommel 7 für ein aufwickelbares Zugorgan 8 enthält. Durch Rotation der

Plattform 6 mit der Aufwickeltrommel 7 wird dem Zugorgan 8 eine Drehung aufgezwungen, die sich einem Kristallhalter 9 mitteilt. Einzelheiten dieses Kristanhalters werden in Verbindung mit Figur 2 noch näher erläutert.

Innerhalb der Vakuumkammer 2 befindet sich ein Schmelztiegel 10, in dem sich eine Schmelze 11 aus einem Halbleiterwerkstoff befindet. Aus dieser Schmelze wird durch gezielte Erstarrung ein Kristall 12 gezogen, und zwar ausgehend von einem zu Anfang in die Schmelze eingetauchten Keimkristall 13, der in das untere Ende des Kristall halters 9 eingespannt ist. Durch allmähliche Aufwärtsbewegung in Richtung des Pfeils kann so ein Kristall 12 definierten Durchmessers erzeugt werden, der je nach Bauhöhe der Anlage eine Länge bis zu 2 m und ein Gewicht von etwa 80 kg und darüber aufweisen kann.

Der Schmelztiegel 10 ist in einem Tiegelhalter 15 gelagert, der wiederum am oberen Ende einer Hubstange 16 befestigt ist. Durch entsprechende Nachführung der Hubstange 16 kann für eine konstante Lage des Schmelzenspiegels Sorge getragen werden. Tiegel und Tiegelhalter sind von einer Heizeinrichtung 17 umgeben, die als mäanderförmig geschlitzter Hohlzylinder ausgebildet ist und aus Graphit besteht. Die StromanschVüsse sind der Einfachheit halber nicht dargestellt. Die gesamte Anordnung ist einschließlich der Heizeinrichtung 17 von einer Wärmedämmung 18 umgeben,

34H290

84506

- 11 -

die in der Regel aus Graphitfilz besteht. Der Raum um den Schmelztiegel 10 ist nach oben hin durch eine kreisringförmige Trennwand 19 abgegrenzt. Der Boden der Vakuumkammer 2 ist gleichfalls mit einer Wärmedämmung 20 belegt. Es ist aus Figur 1 erkennbar, daß die unvermeidbare Wärmeabstrahlung vom Schmelzen-spiegel und von der inneren Oberfläche des Schmelztiegels 10 den Kristallhalter 9 thermisch hoch belastet.

Gemäß Figur 2 ist der Kristallhalter 9 in Längsrichtung aus insgesamt drei massebehafteten Teilabschnitten 21, 22 .und 23 zusammengesetzt, die durch wärmeisolierende Distanzstücke 24, die aus schlecht wärmeleitendem Material bestef im Abstand voneinander gehalten werden und durch Zuganker 25 miteinander verbunden sind. Dadurch, daß die Zuganker 25 einen wesentlich geringeren Querschnitt aufweisen als die Teilabschnitte 21 bis 23, werden in Längsrichtung des Kristallhalters 9 zwei Stellen 26 und 27 mit verringerter Wärmeleitfähigkeit gebildet.

Die Distanzstücke 24 sind mit Strahlungsschirme 28 versehen, die aus kreisringförmigen Blechscheiben bestehen und durch nicht näher bezeichnete Metall ringe auf Distanz voneinander und von den Teilabschnitten 21 bis 23 gehalten werden. Der äußere Umfang der Strahl.ungsschirme liegt innerhalb der Projektionsfläche der Teilabschnitte 21 bis 23 auf eine waagrechte Ebene, d.h. die Strahlungsschirme

84506 34U290

stehen nicht nach außen über die Kontur der Teilabschnitte hervor. Auf die Bedeutung dieser Maßnahme wurde bereits weiter oben näher eingegangen.

Gemäß Figur 2 besitzt der untere Teilabschnitt eine Einspannvorrichtung 29 für den Keimkristall 13 (Figur 1), der mittels einer Klemmschraube 30 festlegbar ist. Die Einspannvorrichtung 29 trägt ein Innengewinde 31 und ist hiermit über einen komplementären Gewindezapfen 32 auswechselbar mit dem unteren Teilabschnitt verbunden.

Dieser untere Teilabschnitt 21 ist von einer Folienisolation 33 umgeben, die aus einer Blechwicklung bestehtj deren einzelne Lagen durch Distanzhalter 34'im Abstand voneinander gehalten werden. Die Befestigung erfolgt durch Paßstifte 34.

Der obere Teilabschnitt 23 besitzt eine Befestigungsvorrichtung 35 für das Zugorgan 8, das an seinem unteren Ende mit einer auf dem Zugorgan festgelegten Hülse 36 und einer Kugel 37 versehen ist, die mittels einer diametralen Bohrung auf das Zugorgan 8 aufgeschoben ist. Zur Befestigungsvorrichtung 35 gehört eine Tragplatte 38, die durch Schrauben. 39 befestigt ist und an der Stelle der Kugel 37 eine komplementäre kartenförmige Ausdrehung aufweist. Auf diese Weise kann der Kristallfilter 9 um den Mittelpunkt der Kugel 37 Schwenkbewegungen ausführen, ohne das Zugorgan 8 auf Biegung zu beanspruchen. Dies hat zur

84506 - 13 -

Folge, daß sich der Kristallfilter 9 unter seinem Eigengewicht stets senkrecht ausrichtet. Im vorliegenden Fall ist auch der obere Teilabschnitt 23 von einer Folienisolation 40 umgeben, die einen analogen Aufbau aufweist, wie die Folienisolation 33

Claims

34U290 84506 ANSPRÜCHE:

1. Vorrichtung zum Ziehen eines Kristalls aus einer in einem Schmelztiegel enthaltenen Schmelze mittels eines aufwickelbaren Zugorgans, an dessen unterem Ende ein Kristallhalter mit einer Befestigungsvorrichtung für das Zugorgan und einer Einspannvorrichtung für den Kristall befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristallhalter (9) in Längsrichtung mindestens eine Stelle (26, 27) mit' verringerter WärmeTeitfähigkeit aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristallhalter (9) in Längsrichtung aus mindestens zwei massebehafteten Teilabschnitten (21, 22, 23) besteht, die durch wärmeisolierende Distanzstücke (24) einerseits und Zuganker (25) andererseits verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzstücke (24) mit Strahlungsschirme (28) versehen sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der untere Teilabschnitt (21) von einer Folienisolation (33) umgeben ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser der Strahlyngsschirme (28) zumindest nicht wesentlich größer ist als derjenige der benachbarten Teilabschnitte (21» 22> 23)·