DE69010752T2

DE69010752T2 - Vorrichtung zur Vermeidung der Drahtschwingung in einem Einkristallziehapparat.

Info

Publication number: DE69010752T2
Application number: DE69010752T
Authority: DE
Inventors: Isamu Harada; Yoshihiro Hirano; Koji Mizuishi; Yasushi Nakamura; Michiaki Oda; Seiichiro Ohtsuka; Masahiko Urano
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 1989-04-18
Filing date: 1990-04-18
Publication date: 1995-02-16
Anticipated expiration: 2010-04-19
Also published as: US5089239A; DE69010752D1; EP0396284B1; EP0396284A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vermeidung der Drahtschwingung, die bei einem Einkristallziehapparat zum Einsatz kommt.
Der Einkristallziehapparat ist so konstruiert, daß ein Einkristallstab (-block) aus einer Schmelze einer polykristallinen Substanz wächst und nach oben gezogen wird, basierend auf dem CZ-Verfahren (Czochralski-Verfahren). Ein konventioneller Einkristallziehapparat besteht in der Hauptsache aus einer Hauptkammer, und in dieser Kammer befinden sich ein Tiegel, der die zu kristallisierende polykristalline Substanz (Ausgangsmaterial) aufnimmt, ein Heizkörper, der den Tiegel umgibt, um die polykristalline Substanz zu schmelzen, ein Wärmeisolator, der den Heizkörper umgibt, usw. Der Tiegel ist fest auf einer vertikalen Welle montiert, die so konstruiert ist, daß sie sich um ihre Achse dreht. Oberhalb der Hauptkammer befindet sich eine Ziehkammer, aus der der Einkristallblock, der aus der Hauptkammer nach oben gezogen wird, entfernt wird.
Beim konventionellen Einkristallziehapparat ist der Einkristallblock im gewachsenen Zustand mit einer vertikalen Welle (Ziehwelle) verbunden und wird von dieser nach oben gezogen, wobei diese mit dem Tiegel eine koaxiale Ausrichtung aufweist, und sie ist so konstruiert, daß sie vertikal in der Ziehkammer nach oben geht. Genauer gesagt, ein Kristallkeim, der am unteren Ende der Ziehwelle gehalten wird, wird in der geschmolzenen polykristallinen Substanz im Tiegel getaucht, und das Einkristall wächst aus dem Kristallkeim, während sich die Ziehwelle dreht und gemeinsam mit dem Kristallkeim nach oben geht. Um jedoch die Ausbeute des Einkristallblocks, aus dem Halbleiterchips hergestellt werden, zu verbessern, geht die gegenwärtige Tendenz dahin, die Abmessung des Einkristallblocks zu vergrößern, der beim CZ-Verfahren nach oben gezogen wird. Das erforderte eine Vergrößerung des Einkristallziehapparates, insbesondere in der vertikalen Dimension, ebenso wie einen komplizierten Aufbau des Apparates, so daß bei den meisten der neu konstruierten Apparate die starre Ziehwelle durch einen Draht ersetzt wird, der auf einer Rolle aufgewickelt werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, eine Vergrößerung des konventionellen Ziehapparates zu vermeiden.
Da der Draht jedoch federnd und beim Gebrauch gespannt ist, ist er einer Schwingung als Reaktion auf eine äußere Antriebskraft ausgesetzt, insbesondere eine äußere periodische Antriebskraft, wie beispielsweise das Drehmoment, das durch eine Antriebseinrichtung für die Umlaufbewegung des Drahtes erhalten wird. Die Amplitude der Drahtschwingung wird groß, wenn der Draht in Resonanz kommt, während die natürliche freie Schwingungsfrequenz (Eigenfrequenz) des Drahtes, die als funktion der freien Länge des Drahtes variiert, gleich der Umlauffrequenz (hierin später als "Umlaufgeschwindigkeit" bezeichnet) des Drahtes wird. Der schwingende Draht überträgt die Schwingung auf das hängende Einkristall, das wächst, wodurch ein verformtes Wachstum des Kristalls hervorgerufen wird, und wodurch es schwierig wird, einen versetzungsfreien Einkristallblock zu erhalten. Es ist ebenfalls bekannt, daß die Gleichmäßigkeit der Verteilung des spezifischen elektrischen Widerstandes und der Sauerstoffdichte über dem Querschnitt des Einkristallblocks von der Umlaufgeschwindigkeit des Drahtes abhängig sind, der von der Antriebseinrichtung angetrieben wird. Wenn die optimale Umlaufgeschwindigkeit des Drahtes für eine gleichmäßige Kristallisation der anfänglichen natürlichen freien Schwingungsfrequenz des Drahtes gleicht oder größer ist als diese, die zunimmt, während die freie Länge des Drahtes kürzer wird, ist die unerwünschte Resonanz des Drahtes unvermeidlich, zu der es kommt, wenn die Umlaufgeschwindigkeit und die natürliche freie Schwingungsfrequenz des Drahtes gleich werden. Daher mußte beim konventionellen Einkristallziehapparat, bei dem ein Ziehdraht akzeptiert wird, immer ein Kompromiß derart gemacht werden, daß der Ziehdraht mit einer Umlaufgeschwindigkeit gedreht wurde, die niedriger war als der optimale Wert, so daß es schwierig war, die Gleichmäßigkeit der Verteilung des spezifischen elektrischen Widerstandes und der Sauerstoffdichte über dem Querschnitt des Einkristallblocks zu verbessern.
Aus diesem Grund wurden verschiedene Vorrichtungen zur Vermeidung der Schwingung des Ziehdrahtes vorgeschlagen, indem der Draht im mittleren Abschnitt der freien Länge des Drahtes begrenzt oder gestützt wird. Beispielsweise zeigt die vorläufige Japanische Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 58-96591 eine Vorrichtung zur Vermeidung der Schwingung einer federnden Zieheinrichtung, die im wesentlichen aus einer Führung (Begrenzungseinrichtung), die die Ziehwelle an einer Stelle oberhalb der Klemmeinrichtung für den Kristallkeim umgibt, einer Führungseinrichtung, die die Führung so hält, daß sich die führung nur in der Richtung parallel zur Ziehwelle bewegen kann, und einer Antriebseinrichtung, die bewirkt, daß sich die Führung längs der Führungseinrichtung bewegt, besteht. Die Japanische Gebrauchsmusterveröffentlichung Nr. 62-26458 zeigt einen Einkristallsiliziumziehapparat, der im wesentlichen aus einer Hauptkammer, einem Tiegel und einer federnden Zieheinrichtung (beispielsweise ein Draht), die einen Kristallkeim am unteren Ende trägt, besteht, und der weiter dadurch gekennzeichnet wird, daß er eine Halterung, die in einer Höhe vorgesehen ist, die dem mittleren Abschnitt der freien Länge der federndem Zieheinrichtung entspricht, und eine Führungseinrichtung (Begrenzungseinrichtung) aufweist, die aus einem Ringkörper, der von der Halterung so gehalten wird, daß der Ringkörper abgetrennt und aus der Halterung hochgehoben werden kann, und einem rohrförmigen Körper besteht, der in der Mitte des Ringkörpers mit Hilfe von Haltestangen befestigt ist und die federnde Zieheinrichtung umgibt.
Bei diesen vorgeschlagenen Vorrichtungen zur Vermeidung der Schwingung des Ziehdrahtes ist die Drahtbegrenzungseinrichtung für die Begrenzung des mittleren Abschnittes der freien Länge des Drahtes jedoch nicht so konstruiert, daß sie sich horizontal bewegen kann, so daß es nicht möglich ist, die Abweichung (Ablenkung) der Begrenzungsstelle von der Drehungsachse des Tiegels zu korrigieren, die auftritt, wenn der Einkristallziehapparat beim Betrieb durch Wärme verformt wird, und das bewirkt, daß der Einkristallblock, der nach oben gezogen wird, um die imaginäre statische Position herumwirbelt und nicht in der richtigen form oder einer versetzungsfreien Weise wächst.
Zu beachten ist ebenfalls die Offenbarung des JP-A-63-64989, die eine Vorrichtung zur Vermeidung der Schwingung eines Einkristalls in einem Einkristallziehapparat zeigt. Der Draht der Zieheinrichtung wird durch die Mitte einer Vorrichtung zur Vermeidung der Schwingung eingesetzt, die mittels eines Gases gestützt wird, das an den äußeren Seitenflächen der Vorrichtung zur Anwendung kommt.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Absicht, die Probleme bei den bisherigen Konstruktionen zu überwinden, und es ist daher ein Ziel der Erfindung, eine Vorrichtung zur Vermeidung der Drahtschwingung vorzulegen, die bei einem Einkristallziehapparat zum Einsatz kommt, wobei die Vorrichtung nicht nur in der Lage ist, die Drahtschwingung infolge der Resonanz zu vermeiden, sondern ebenfalls bewirkt, daß die Drahtbegrenzungsstelle wieder mit der Drehungsachse des Tiegels übereinstimmt, wenn die Begrenzungsstelle von der Achse abweicht, wenn der Einkristallziehapparat, insbesondere die Kammern, thermisch verformt wird, wodurch eine normale Kristallisation erleichtert wird.
Dementsprechend wird eine verbesserte Vorrichtung zur Vermeidung der Drahtschwingungvorgelegt, die bei einem Czochralski-Einkristallziehapparat zum Einsatz kommt, der eine untere Heizkammer und eine obere Ziehkammer aufweist, und der so konstruiert ist, daß ein Einkristallblock erhalten wird, indem ein Kristallkeim, der am unteren Ende eines Drahtes befestigt ist, aus einer polykristallinen geschmolzenen Flüssigkeit, die in einem Tiegel enthalten ist, der in der Heizkammer vorhanden ist, nach oben gezogen wird.
Bei einem Aspekt der Erfindung weist die Vorrichtung zur Vermeidung der Drahtschwingung auf:
zwei Drahtbegrenzungseinrichtungen, die jeweils halbkreisförmige, zylindrische Kerben aufweisen, und die so angeordnet sind, daß sie gemeinsam mit den Kerben einen kreisförmigen, zylindrischen Raum abgrenzen, der einen Durchmesser aufweist, der geringfügig größer ist als der Durchmesser des Drahtes, um den mittleren Abschnitt der anfangs freien Länge des darin befindlichen Drahtes aufzunehmen; und
zwei Druckluftzylinder, die Antriebseinrichtungen aufweisen, die diametral gegenüberliegend zueinander angeordnet sind, um die entsprechenden Drahtbegrenzungseinrichtungen, die an den Enden der entsprechenden Kolbenstangen der Druckluftzylinder befestigt sind, längs einer horizontalen Richtung, die den Draht kreuzt, zu verschieben.
Bei einem anderen Aspekt der Erfindung weist die Vorrichtung zur Vermeidung der Drahtschwingung auf:
eine Drahtbegrenzungseinrichtung, die besteht aus:
einem unvollständig geschlossenen Ringkörper, der einen vertikal durchgehenden Raum aufweist, der darin abgegrenzt wird, und der aus einer nach unten zu konisch zulaufenden Kegelstumpfbohrung und einem vertikalen Schlitz, der breiter ist als der Durchmesser des Drahtes, besteht,
einem Kegelstumpfkörper, der ein vertikal durchgehendes Loch mit einem Durchmesser aufweist, der geringfügig größer ist als der Durchmesser des Drahtes, der dort hindurchgeht, und der so konstruiert ist, daß er in die Kegelstumpfbohrung des Ringkörpers paßt, und
einem Anschlagkörper, der am Draht an einer Stelle unterhalb des Kegelstumpfkörpers und in der Nähe des Kristallkeimes befestigt ist, wobei der Anschlagkörper eine Breite aufweist, die im wesentlichen größer ist als der Durchmesser des durchgehenden Loches des Kegelstumpfkörpers; und
einen Druckluftzylinder, der eine Antriebseinrichtung für die Verschiebung des unvollständig geschlossenen Ringkörpers der Drahtbegrenzungseinrichtung, die am Ende der Kolbenstange des Druckluftzylinders befestigt ist, in einer horizontalen Richtung, die den Draht kreuzt, aufweist.
Gemäß der Erfindung wird die freie Länge des Drahtes wesentlich verringert, da der mittlere Abschnitt des Drahtes durch die Drahtbegrenzungseinrichtung begrenzt wird, und daher wird die natürliche Schwingungsfrequenz des Drahtes wesentlich erhöht, wodurch es möglich wird, die Umlaufgeschwindigkeit des Drahtes (Einkristallstab) über die konventionelle resonanzaufhebende kritische Frequenz hinaus zu erhöhen, ohne daß eine Resonanz hervorgerufen wird. Als Ergebnis ist es möglich, die Umlaufgeschwindigkeit des Drahtes auf einen optimalen Wert einzustellen, der die besten Ergebnisse hinsichtlich der Gleichmäßigkeit der Verteilung des spezifischen elektrischen Widerstandes und der Sauerstoffdichte über dem Querschnitt des Einkristallblockes liefert.
Außer dem Erreichen dieses Resultates ähnlich den konventionellen Vorrichtungen zur Vermeidung der Drahtschwingung ist die vorliegende Vorrichtung gemäß der Erfindung so konstruiert, daß die Abweichung der Begrenzungsstelle von der Drehungsachse des Tiegels korrigiert wird, zu der es kommt, wenn der Einkristallziehapparat durch die Wärme beim Betrieb verformt wird, so daß es möglich ist, das Wirbeln des Einkristallblockes, der nach oben gezogen wird, um die imaginäre statische Position herum zu verhindern. Daher wird der Einkristallblock, der in dem Einkristallziehapparat hergestellt wird, der mit der Vorrichtung zur Vermeidung der Drahtschwingung entsprechend der Erfindung ausgestattet ist, eine geringe Versetzung und wenig andere Mängel aufweisen, und er wird eine nahezu perfekte kreisförmige, zylindrische Form zeigen.
Die vorliegende Erfindung wird weiter mit Hilfe des Beispiels und mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, worin sind:
die Fig. 1 eine vertikale Längsschnittdarstellung eines Einkristallziehapparates, der mit einer Vorrichtung zur Vermeidung der Drahtschwingung entsprechend einer ersten Ausführung der Erfindung ausgestattet ist;
die Fig. 2 eine Draufsicht der gleichen Vorrichtung zur Vermeidung der Drahtschwingung aus Fig. 1, die für die Erklärung des Aufbaus und des Betriebes der gleichen Vorrichtung nützlich ist;
die Fig. 3 eine Teilseitenansicht im Schnitt von der gleichen Vorrichtung zur Vermeidung der Drahtschwingung aus Fig. 1, die für die Erklärung des Aufbaus und des Betriebes der gleichen Vorrichtung nützlich ist;
die Fig. 4 eine Draufsicht ähnlich der Fig. 2;
die Fig. 5 eine Teilseitenansicht im Schnitt ähnlich der Fig. 3;
die Fig. 6 eine Draufsicht einer Vorrichtung zur Vermeidung der Drahtschwingung entsprechend einer zweiten Ausführung der Erfindung;
die Fig. 7 eine Teilseitenansicht im Schnitt von der gleichen Vorrichtung zur Vermeidung der Drahtschwingung aus Fig. 6;
die Fig. 8 eine vertikale Längsschnittdarstellung eines Einkristallziehapparates, der mit einer Vorrichtung zur Vermeidung der Drahtschwingung entsprechend einer dritten Ausführung der Erfindung ausgestattet ist;
die Fig. 9 eine Draufsicht der gleichen Vorrichtung zur Vermeidung der Drahtschwingung aus Fig. 8, die für die Erklärung des Aufbaus und des Betriebes der gleichen Vorrichtung nützlich ist;
die Fig. 10 eine Teilseitenansicht im Schnitt von der gleichen Vorrichtung zur Vermeidung der Drahtschwingung aus Fig. 8, die für die Erklärung des Aufbaus und des Betriebes der gleichen Vorrichtung nützlich ist;
die Fig. 11 eine Teilseitenansicht im Schnitt ähnlich der Fig. 10;
die Fig. 12 eine Teilseitenansicht im Schnitt ähnlich der Fig. 10;
die Fig. 13 eine Draufsicht ähnlich der Fig. 9; und
die Fig. 14 eine Teilseitenansicht im Schnitt ähnlich der Fig. 10.
Die Fig. 1 ist eine vertikale Längsschnittdarstellung eines Einkristallziehapparates, der mit einer Vorrichtung zur Vermeidung der Drahtschwingung entsprechend einer ersten Ausführung der Erfindung ausgestattet ist. Die Fig. 2 bis 5 sind Zeichnungen, die für die Erklärung des Aufbaus und des Betriebes der gleichen Vorrichtung zur Vermeidung der Drahtschwingung nützlich sind, wovon die Fig. 2 und 4 Draufsichten und die Fig. 3 und 5 Teilseitenansichten im Schnitt von der Vorrichtung zur Vermeidung der Drahtschwingung sind.
Zuerst wird mit Bezugnahme auf Fig. 1 der allgemeine Aufbau des Einkristallziehapparates 1 erklärt. Die Bezugszahl 2 bezeichnet eine Hauptkammer (untere Heizkammer), die im allgemeinen einen zylindrischen Behälter aus nichtrostendem Stahl aufweist. Im Inneren der Hauptkammer 2 befindet sich eine Tiegelbaugruppe, die aus einem inneren Tiegel 3 aus Quarz und einem äußeren Tiegel 4 aus Graphit besteht. Diese Tiegelbaugruppe ist oben auf einer Trägerwelle 5 befestigt, die so konstruiert ist, daß sie sich um ihre Achse dreht, die von einer Antriebseinrichtung (nicht gezeigt) angetrieben wird. Andere Teile, die innerhalb der Hauptkammer 2 vorhanden sind, die aber nicht in der Fig. 1 der Einfachheit halber gezeigt werden, umfassen einen zylindrischen Heizkörper aus Kohlenstoff, der die Tiegel umgibt, und einen zylindrischen Wärmeisolator, der ebenfalls aus Kohlenstoff besteht und den Heizkörper umgibt.
Oberhalb der Hauptkammer 2 ist eine Ziehkammer 6 (obere Kammer) vorhanden, die einen länglichen, zylindrischen Körper aus nichtrostendem Stahl aufweist. Diese Ziehkammer 6, die Hauptkammer 2, die Tiegel 3, 4 und die Trägerwelle 5 sind alle koaxial ausgerichtet. Oberhalb der Ziehkammer 6 ist eine Aufwickelbaugruppe 10 vorgesehen, die hauptsächlich aus einem zylindrischen Gehäuse 11 besteht, das ebenfalls mit den bereits erwähnten zylindrischen Bauteilen koaxial ist. Das Gehäuse 11 besitzt einen länglichen Teilabschnitt, der sich vom Gehäuseboden aus erstreckt, und dieser Teilabschnitt liegt verschiebbar oben auf der Ziehkammer 6 auf, so daß sich das Gehäuse 11 um seine Achse drehen kann. Die Drehungsrichtung des Gehäuses 11 ist immer entgegengesetzt der der unten angeordneten Tiegel. Eine Scheibe 12 ist um den Teilabschnitt herum und unterhalb des Bodens des Gehäuses 11 befestigt. Eine Drahtaufwickeltrommel 13 ist fest im Gehäuse 11 aufgehängt und so konstruiert, daß sie von einem Elektromotor 15 angetrieben wird, der oben auf dem Gehäuse 11 installiert ist.
Ein Draht 16 wird um die Drahtaufwickeltrommel 13 herum aufgewickelt, und in Fig. 1 ist ein Teil des Drahtes abgewickelt, der vertikal nach unten durch einen Drahthaltering 17, der im Gehäuse 11 vorhanden ist, hindurchgeht. Sie ist so angeordnet, daß der auf diese Weise nach unten geführte Draht 16 mit der Mittellinie des Einkristallziehapparates 1 übereinstimmt. Ein Kristallkeimhalter 18 ist am unteren Ende des Drahtes 16 vorhanden, und ein Kristallkeim 19 wird vertikal durch den Kristallkeimhalter 18 gehalten.
Ein Elektromotor 20 ist am Rand der Ziehkammer 6 so befestigt, daß sich seine Abtriebswelle vertikal nach oben zu erstreckt. Eine Scheibe 21 ist am Ende der Abtriebswelle des Motors 20 befestigt, und ein endloser Riemen 22 wird horizontal über die zwei Scheiben 12 und 21 geführt, wie in Fig. 1 gezeigt wird.
Bei der vorliegenden Ausführung werden jetzt zwei Flansche mit der gleichen Abmessung so gebildet, daß sie aus der Seitenwand der Ziehkammer 6 an einer Stelle etwa in der Mitte der vertikalen Länge der Ziehkammer 6 herausragen, und diese zwei Flansche sind diametral gegenüberliegend zueinander an der Ziehkammer 6 angeordnet. Zwei Druckluftzylinder 23, 24 sind an der Ziehkammer 6 mittels dieser Flansche befestigt, und sie sind so konstruiert, daß sie ihre entsprechenden Kolbenstangen 23a, 24a kontrollierbar durch horizontale Hübe, die die Mittellinie der Ziehkammer 6 kreuzen, hin- und herbewegen. Drahtbegrenzungseinrichtungen 25, 26 sind entsprechend an den Enden der Kolbenstangen 23a, 24a vorhanden. Obgleich diese Druckluftzylinder 23, 24 diametral gegenüberliegend zueinander angeordnet sind, ist der Druckluftzylinder 23 etwas höher als der Druckluftzylinder 24 angeordnet, so daß sich die entsprechenden Drahtbegrenzungseinrichtungen 25, 26 nicht gegenseitig stören, wenn die Kolbenstangen 23a und 24a weit herausgestoßen werden. Die Drahtbegrenzungseinrichtungen 25, 26 besitzen jeweils eine Kerbe 25a, 26a, die die form des Buchstabens "V" aufweist, wenn sie von oben betrachtet werden, außer daß das Innerste der V-Kerbe abgerundet ist, um einen halbkreisförmigen Zylinder (siehe Fig. 4) zu bilden, der einen Durchmesser hat, der etwas größer ist als der Durchmesser des Drahtes 16.
Jetzt wird die Betriebsweise dieser Ausführung mit Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 5 beschrieben. Das Innere des Einkristallziehapparates 1 ist mit einem inerten Gas gefüllt, wie beispielsweise Ar-Gas. Die Bezugszahl 27 kennzeichnet eine geschmolzene polykristalline Substanz, beispielsweise Silizium, die durch Schmelzen der polykristallinen Substanz im Tiegel 3 mit Hilfe des Heizkörpers hergestellt wird. Der Motor 15 wird angelassen, um die Drahtaufwickeltrommel 13 in einer Richtung zu drehen, in der der Draht 16 abgewickelt wird, wodurch der Draht 16 nach unten bewegt wird. Wenn der Kristallkeim 19, der vom Kristallkeimhalter 18 gehalten wird, der am unteren Ende des Drahtes 16 befestigt ist, teilweise in der Schmelze 27 im Tiegel 3 getaucht wird, wird der Motor 15 ausgeschaltet. Zu diesem Zeitpunkt werden die Druckluftzylinder 23 und 24 angetrieben, um eine vorgegebene Länge der betreffenden Kolbenstangen 23a, 24a herauszudrücken, so daß sich die Drahtbegrenzungseinrichtungen 25 und 26 einander in einem Ausmaß überlappen, daß die abgerundeten innersten Aussparungen der Kerben 25a und 26a gemeinsam ein vertikal durchgehendes Loch 28 bilden, das beobachtet wird, wenn man es von oben betrachtet, wie in der Fig. 2 gezeigt wird. Da der Draht 16 mit der Mittellinie der Ziehkammer 6 übereinstimmt, und die Hübe der Stangen 23a und 24a die Mittellinie der Ziehkammer 6 kreuzen, ergibt sich jetzt bei dieser Gelegenheit, daß der mittlere Abschnitt des hängenden Drahtes 16 zwischen de Drahtbegrenzungseinrichtungen 25, 26 abgestützt wird und durch das kleine kreisförmige Loch 28 hindurchgeht, das durch die Kerben 25a, 26a gebildet wird, wodurch es nicht möglich ist, daß der Draht 16 schwingt oder pendelt, da er im unterstützten mittleren Abschnitt beruhigt wird (Begrenzungsstelle).
Danach wird die Trägerwelle 5 angetrieben, um sich gemeinsam mit den Tiegeln 3, 4 zu drehen, und der Motor 20 wird ebenfalls angelassen, um die Scheibe 21 zu drehen, die wiederum den Riemen 22 antreibt, damit die Scheibe 12 gemeinsam mit dem Gehäuse 11 dadurch gedreht wird. Sie ist so angeordnet, daß die Drehungsrichtung des Gehäuses 11 der der Tiegel 3, 4 entgegengesetzt ist. Während sich das Gehäuse 11 um seine Drehungsachse dreht, dreht sich der Draht 16 ebenfalls mit der vorgegebenen gewünschten Umlaufgeschwindigkeit (Frequenz), ohne daß eine Abweichung von der Mittellinie des Einkristallziehapparates 1 erfolgt, wenn der gesamte Apparat 1 nicht durch die Wärme verformt wird. Gleichzeitig mit dem Anlassen des Motors 20 wird ebenfalls der Motor 15 angelassen, um zu bewirken, daß die Drahtaufwickeltrommel 13 damit beginnt, den Draht 16 mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit aufzuwickeln. Während der sich drehende Draht 16 nach oben bewegt wird, nimmt auf diese Weise der Kristallkeim 19 einen Einkristallstab 30 auf, der daraus nach unten zu wächst, wie in der Fig. 1 gezeigt wird.
Unter der Annahme, daß der Abstand zwischen dem Schwerpunkt G des Einkristallstabes 30 und dem Drahthaltering 17 l&sub1; beträgt, und daß der Abstand zwischen dem Schwerpunkt G und der Begrenzungsstelle des Drahtes 16, wo der Draht 16 durch die Drahtbegrenzungseinrichtungen 25, 26 gestützt wird, l&sub2; beträgt, der kleiner ist als l&sub1;, wird dann die Resonanzfrequenz f&sub1; des Drahtes 16 in dem Fall, wo die Vorrichtung zur Vermeidung der Drahtschwingung nicht eingesetzt wird, durch die folgende Gleichung (1) angegeben:
f&sub1; = 1/2π) (g/l&sub1;) 1/2 ...(1)
worin g die Gravitationsbeschleunigung ist. Andererseits, im Falle der vorliegenden Ausführung, bei der die Vorrichtung zur Vermeidung der Drahtschwingung eingesetzt wird, wird die Resonanzfrequenz f&sub2; des Drahtes 16 durch die folgende Gleichung (2) angegeben:
f&sub2; = 1/2π) (g/l&sub1;) 1/2 ...(2)
Da l&sub2; kleiner ist als l&sub1;, wird f&sub2; größer als f&sub1;. Daher ist es ähnlich den konventionellen Vorrichtungen zur Vermeidung der Drahtschwingung durch Anwendung der Vorrichtung zur Vermeidung der Drahtschwingung entsprechend der vorliegenden Erfindung möglich, die Schwingung des Drahtes 16 zu verhindern ebenso wie eine höhere Umlaufgeschwindigkeit für den Draht 16 (Einkristallstab 30) auszuwählen, weil die kritische Umlaufgeschwindigkeit, die die Resonanz hervorruft, erhöht wird. folglich wird die Gleichmäßigkeit der Verteilung des spezifischen elektrischen Widerstandes und der Sauerstoffdichte über den Querschnitt des Einkristallblockes 30 verbessert. Übrigens, da sich die Abstände l&sub1; und l&sub2; mit der Zeit verändern, variieren ebenfalls die Resonanzfrequenzen f&sub1; und f&sub2; mit der Zeit.
Während der Ziehbetrieb des Einkristallblockes 30 fortschreitet, nähert sich jetzt der Kristallkeimhalter 18 den Drahtbegrenzungseinrichtungen 25, 26, wie in der Fig. 3 gezeigt wird. Um eine Störung der Drahtbegrenzungseinrichtungen 25, 26 mit dem sich nach oben bewegenden Kristallkeimhalter 18 zu vermeiden, werden die Druckluftzylinder 23 und 24 angetrieben, um die Kolbenstangen 23a, 24a ausreichend zurückzuziehen, um dadurch den Durchgang für den Kristallkeimhalter 18 und den Einkristallblock 30 freizumachen, wie in der Fig. 5 gezeigt wird. Als Ergebnis dessen bewegen sich der Kristallkeimhalter 18 und der Einkristallblock 30 nach oben, ohne daß sie durch die Drahtbegrenzungseinrichtungen 25, 26 gestört werden, so daß schließlich der Einkristallblock 30 nach oben in die Ziehkammer gebracht und daraus entfernt wird.
Bei der vorliegenden Ausführung können die Druckluftzylinder 23, 24 zusammenwirken, um die Begrenzungsstelle des Drahtes 16 in der horizontalen Richtung durch Verschieben der Drahtbegrenzungseinrichtungen 25, 26 kontrollierbar zu verschieben. Wenn die Hauptkammer 2 und die Ziehkammer 6 thermisch verformt werden, und folglich die Begrenzungsstelle des Drahtes 16, der durch die Drahtbegrenzungseinrichtungen 25, 26 gestützt wird, von der Drehungsachse der Tiegel 3, 4 abweicht und der Draht 16 damit beginnt, um seine statische Position herumzuwirbeln, wobei er eine Bahn verfolgt, die mit einem Kreiskegel verwandt ist, ist es daher möglich, die Begrenzungsstelle des Drahtes 16 in die Drehungsachse der Tiegel 3, 4 zurückzuführen, indem die Drahtstützen 25, 26 in der Richtung der Verringerung der Wirbelbewegung des Drahtes 16 verschoben werden. Auf diese Weise werden die Unannehmlichkeiten, wie beispielsweise das Wirbeln des Einkristallstabes 30 während des Hochziehens des Blockes, gelöst, wodurch ein wünschenswertes Kristallwachstum in beständiger Weise erreicht werden kann.
Als folge davon bewirkt die thermische Verformung der Kammern ebenfalls, daß sich die Achse der Drahtaufwickeltrommel 13 aus ihrer horizontalen Position neigt, wodurch bewirkt wird, daß der Draht 16 von der Drehungsachse der Tiegel 3, 4 abweicht. Diese Abweichung wird durch ein geeignetes Drehen einer Justierschraube, die in der Drahtaufwickeltrommel 13 vorhanden ist, während des Betriebes oder sogar vor dem Einkristallziehbetrieb, basierend auf dem erwarteten Ausmaß der Abweichung, das erfahrungsgemäß bekannt ist, korrigiert.
Das Material für die Drahtbegrenzungseinrichtungen ist vorzugsweise ein Material, das kein Pulver erzeugt, wenn es durch den Draht 16 gescheuert wird, und die Reinheit des Materials, aus dem die Drahtbegrenzungseinrichtungen bestehen, muß so hoch sein, daß so geringe Mengen an Verunreinigungen wie möglich in die Schmelze gelangen.
Obgleich bei der ersten Ausführung der Vorrichtung zur Vermeidung der Drahtschwingung die Drahtbegrenzungseinrichtungen 25, 26 so angeordnet sind, daß sie in unterschiedlichen Ebenen liegen, so daß sie sich einander überlappen, wenn sie sich einander kreuzen, ist es ebenfalls möglich, die Vorrichtung zur Vermeidung der Drahtschwingung in einer Weise anzuordnen, wie sie in den Fig. 6 und 7 gezeigt wird, bei der die Drahtbegrenzungseinrichtungen 35, 36 in der gleichen Ebene liegen, so daß sie direkt gegenüber miteinander in Berührung kommen, während sie sich in der Mitte treffen. Die Drahtbegrenzungseinrichtungen 35, 36 besitzen die entsprechenden Aussparungen 35a und 36a, die halbkreisförmig sind, wenn man sie von oben betrachtet, und wenn die Drahtstützen 35 und 36 miteinander in Berührung sind, wirken diese halbkreisförmigen Aussparungen zusammen, um ein kreisförmiges, zylindrisches durchgehendes Loch 38 zu bilden, durch das der Draht 16 hindurchgeht.
Als nächstes wird eine dritte Ausführung der Erfindung mit Bezugnahme auf die Fig. 8 bis 14 beschrieben.
Die Fig. 8 ist eine vertikale Längsschnittdarstellung eines Einkristallziehapparates, der mit einer Vorrichtung zur Vermeidung der Drahtschwingung entsprechend einer dritten Ausführung der Erfindung ausgestattet ist. Die Fig. 9 bis 14 sind Zeichnungen, die für die Erklärung des Aufbaus und des Betriebes der gleichen Vorrichtung zur Vermeidung der Drahtschwingung nützlich sind, wobei die Fig. 9 und 13 Draufsichten und die Fig. 10, 11, 12 und 14 Teilseitenansichten im Schnitt von der Vorrichtung zur Vermeidung der Drahtschwingung sind. In der Fig. 8 und den folgenden Fig. werden die Elemente, die gleiche Abmessungen und funktionen wie ihre Gegenstücke in Fig. 1 aufweisen, mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, wie beispielsweise die Tiegel 3, 4 und die Ziehkammer 6, und die Beschreibung jener Elemente wird hierbei weggelassen, um eine Wiederholung zu vermeiden. Die Beschreibung der Elemente, die nicht in Fig. 1 eingeschlossen sind, folgt.
Bei dieser dritten Ausführung wird nur ein Flansch gebildet, der aus der Seitenwand der Ziehkammer 6 an einer Stelle etwa in der Mitte der vertikalen Länge der Ziehkammer 6 herausragt, und es wird ein Druckluftzylinder an der Ziehkammer mit Hilfe dieses Flansches befestigt. Der Druckluftzylinder 23 ist so konstruiert, daß seine Kolbenstange 23a durch einen horizontalen Hub, der die Mittellinie der Ziehkammer 6 kreuzt, kontrollierbar hin- und herbewegt wird. Eine Drahtbegrenzungseinrichtung 40 ist am freien Ende der Kolbenstange 23a vorhanden.
Wie im Detail in den Fig. 9 und 10 gezeigt wird, besteht die Drahtbegrenzungseinrichtung 40 aus einem Hauptkörper 40a, der eine Form aufweist, die wie der Buchstabe C ausgeführt ist, wenn man ihn von oben betrachtet. Ein konisches, halbkreisförmiges Loch 40a-1 wird vertikal durch den Hauptkörper 40a gebildet und öffnet sich seitlich durch eine konische Ausschnittöffnung 40a-2, die an einer Stelle ausgeschnitten ist, die vom Druckluftzylinder 23 am entferntesten ist, und die als Drahtaustritt dient. Das halbkreisförmige Loch 40a-1 zeigt die Form eines Kegelstumpfes und wird nach unten zu enger. Ein weiteres Bauelement der Drahtbegrenzungsstütze 40 ist ein kegelstumpfartiges Gleitstück 40b, das so konstruiert ist, daß es in das konische, halbkreisförmige Loch 40a-1 paßt, und es weist ein vertikal durchgehendes Loch 40b-1 in der Mitte auf, durch das der Draht 16 hindurchgeht, so daß das Gleitstück 40b ungehindert längs des Drahtes 16 gleiten kann. In Fig. 10 ist das Gleitstück 40b in das halbkreisförmige Loch 40a-1 eingepaßt, und in dieser Lage stützt die Drahtbegrenzungseinrichtung 40 den mittleren Abschnitt der freien Länge des Drahtes 16, der durch das Loch 40b-1 hindurchgeht (Fig. 8).
Ein kugelförmiger Anschlagkörper 41 ist am Draht 16 an einer Stelle oberhalb des Kristallkeimhalters 18 angebracht, aber unterhalb des Gleitstückes 40b. Der Durchmesser des kugelförmigen Anschlagkörpers 41 ist größer als der Durchmesser des durchgehenden Loches 40b-1, das im Gleitstück 40b vorhanden ist.
Jetzt wird die Betriebsweise dieser Ausführung mit Bezugnahme auf die Fig. 8 bis 14 beschrieben. Das Innere des Einkristallziehapparates 1 ist mit einem inerten Gas gefüllt, wie beispielsweise Ar-Gas. Der Motor 15 wird angelassen, um die Drahtaufwickeltrommel 13 in einer Richtung zu drehen, in der der Draht 16 abgewickelt wird, wodurch der Draht 16 nach unten bewegt wird, und der Kristallkeim 19, der durch den Kristallkeimhalter 18 gehalten wird, der am unteren Ende des Drahtes 16 befestigt ist, wird teilweise in der Schmelze 27 im Tiegel 3 getaucht. Zu diesem Zeitpunkt stützt die Drahtbegrenzungseinrichtung 40 den mittleren Abschnitt des hängenden Drahtes 16, wodurch es unmöglich wird, daß der Draht 16 im begrenzten mittleren Abschnitt schwingt oder pendelt.
Danach wird die Trägerwelle 5 angetrieben, um sich gemeinsam mit den Tiegeln 3, 4 zu drehen, und der Motor 20 wird ebenfalls angelassen, um die Scheibe 21 zu drehen, die wiederum den Riemen 22 antreibt, wodurch die Scheibe 12 zusammen mit dem Gehäuse 11 gedreht wird. Während sich das Gehäuse 11 um seine Drehungsachse dreht, dreht sich der Draht 16 ebenfalls mit der vorgegebenen gewünschten Frequenz. Gleichzeitig mit dem Anlassen des Motors 20 wird ebenfalls der Motor 15 angelassen, um zu bewirken, daß die Drahtaufwickeltrommel 13 mit dem Aufwickeln des Drahtes 16 mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit beginnt. Während sich der drehende Draht 16 nach oben bewegt, befördert auf diese Weise der Kristallkeim 19 einen Einkristallstab 30 nach oben, der daraus nach unten zu wächst, wie in Fig. 8 gezeigt wird.
Aus dem gleichen Grund, wie an früherer Stelle in Verbindung mit den Gleichungen (1) und (2) diskutiert wurde, ist es möglich, die Schwingung des Drahtes 16 zu verhindern, ebenso wie eine höhere Umlauffrequenz für den Draht 16 (Einkristallstab 30) ähnlich den konventionellen Vorrichtungen zur Vermeidung der Drahtschwingung auszuwählen, indem die Vorrichtung zur Vermeidung der Drahtschwingung entsprechend der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, weil die kritische Umlauffrequenz erhöht wird. Folglich wird die Gleichmäßigkeit des spezifischen elektrischen Widerstandes und der Sauerstoffdichte über dem Querschnitt des Einkristallblockes 30 verbessert.
Während das Ziehen des Einkristallblockes 30 fortschreitet (Fig. 10), kommt jetzt der Anschlagkörper 41 mit dem Boden des Gleitstückes 40b der Drahtbegrenzungseinrichtung 40 in Berührung, wie in Fig. 11 gezeigt wird, und ein weiteres Ziehen des Drahtes 16 bewirkt, daß der Anschlagkörper 41 das Gleitstück 40b vom Hauptkörper 40a trennt, wodurch der Anschlagkörper 41 und das Gleitstück 40b sich als ein Körper nach oben bewegen, wie in der Fig. 12 gezeigt wird. In diesem Moment wird der Draht 16 nicht mehr durch die Drahtbegrenzungseinrichtung 40 gestützt. Wie in Fig. 14 gezeigt wird, wird danach der Druckluftzylinder 23 angetrieben, um die Kolbenstange 23a zusammen mit dem Hauptkörper 40a zurückzuziehen, um eine Störung der Drahtbegrenzungseinrichtung 40 mit dem sich nach oben bewegenden Kristallkeimhalter 18 zu vermeiden. Als folge davon wird das Zurückziehen des Hauptkörpers 40a der Begrenzungseinrichtung infolge der Ausschnittöffnung 40a-2 möglich. Im Ergebnis dessen bewegen sich der Kristallkeimhalter 18 und der Einkristallblock 30 nach oben, ohne daß sie durch die Drahtbegrenzungseinrichtung 40 gestört werden, so daß schließlich der Einkristallblock 30 in die Ziehkammer gebracht und aus dieser entfernt wird.
Obgleich bei den vorangehend angeführten Ausführungen die Anzahl der Druckluftzylinder eins oder zwei beträgt, ist es möglich, mehr Druckluftzylinder zur Verfügung zu stellen, und dadurch den mittleren Abschnitt des Drahtes an mehr als einer Stelle zu stützen.

Claims

1. Czochralski-Einkristallziehappart (1), der eine untere Heizkammer (2) und eine obere Ziehkammer (6) aufweist, und der so konstruiert ist, daß ein Einkristallblock (30) erhalten wird, indem ein Kristallkeim (19), der am unteren Ende eines Drahtes (16) befestigt ist, aus einer polykristallinen geschmolzenen Flüssigkeit (27), die in einem Tiegel (3,4) enthalten ist, der in der Heizkammer (2) vorhanden ist, nach oben gezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zur Vermeidung der Drahtschwingung vorhanden ist, die aufweist:

zwei Drahtbegrenzungseinrichtungen (25,26; 35,36), die jeweils halbkreisförmige, zylindrische Kerben (25a,26a; 35a,36a) aufweisen, und die so angeordnet sind, daß sie gemeinsam mit den Kerben einen kreisförmigen, zylindrischen Raum (28; 38) abgrenzen, der einen Durchmesser aufweist, der geringfügig größer ist als der Durchmesser des Drahtes (16), um den mittleren Abschnitt der anfangs freien Länge des darin befindlichen Drahtes aufzunehmen; und

zwei Druckluftzylinder (23,24), die Antriebseinrichtungen aufweisen, die diametral gegenüberliegend zueinander angeordnet sind, um die entsprechenden Drahtbegrenzungseinrichtungen, die an den Enden der entsprechenden Kolbenstangen (23,24a) der Druckluftzylinder befestigt sind, längs einer horizontalen Richtung, die den Draht kreuzt, zu verschieben.

2. Czochralski-Einkristallziehapparat (1), der eine untere Heizkammer (2) und eine obere Ziehkammer (6) aufweist, und der so konstruiert ist, daß ein Einkristallblock (30) erhalten wird, indem ein Kristallkeim (19), der am unteren Ende eines Drahtes (16) befestigt ist, aus einer polykristallinen geschmolzenen Flüssigkeit (27), die in einem Tiegel (3,4) enthalten ist, der in der Heizkammer (2) vorhanden ist, nach oben gezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zur Vermeidung der Drahtschwingung vorhanden ist, die aufweist:

eine Drahtbegrenzungseinrichtung, die aufweist:

einen unvollständig geschlossenen Ringkörper (40a), der einen vertikal durchgehenden Raum besitzt, der darin abgegrenzt wird, und der aus einer nach unten zu konisch zulaufenden Kegelstumpfbohrung (40a-1) und einem vertikalen Schlitz (40a-2), der breiter ist als der Durchmesser des Drahtes (16), besteht,

einen Kegelstumpfkörper (40b), der ein vertikal durchgehendes Loch (40b-1) mit einem Durchmesser aufweist, der geringfügig größer ist als der Durchmesser des Drahtes, der dort hindurchgeht, und der so konstruiert ist, daß er in die Kegelstumpfbohrung (40a-1) des Ringkörpers (40a) paßt, und

einen Anschlagkörper (41), der am Draht (16) an einer Stelle unterhalb des Kegelstumpfkörpers (40b) und in der Nähe des Kristallkeimes befestigt ist, wobei der Anschlagkörper eine Breite aufweist, die im wesentlichen größer ist als der Durchmesser des durchgehenden Loches (40b- 1) des Kegelstumpfkörpers; und

einen Druckluftzylinder (23), der eine Antriebseinrichtung für die Verschiebung des unvollständig geschlossenen Ringkörpers (40a) der Drahtbegrenzungseinrichtung, die am Ende der Kolbenstange (23a) des Druckluftzylinders befestigt ist, in einer horizontalen Richtung, die den Draht kreuzt, aufweist.