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TECHNISCHER
BEREICH
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine Vorrichtung, die zum Züchten von Kristallen durch
das Czochralski (CZ)-Verfahren verwendet wird, und auf ein Verfahren
zur Herstellung von Kristallen durch Verwendung der Vorrichtung.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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In den letzten Jahren hat sich mit
der Erhöhung
des Integrations- und Präzisionsgrads
bei Halbleitervorrichtungen die Tendenz gezeigt, dass die Qualitätsanforderungen
für Halbleiterkristallsubstrate strenger
geworden sind. Halbleiterkristalle werden hauptsächlich im CZ-Verfahren hergestellt,
und es wurde alles getan, um Kristalle mit einer höheren Reinheit,
einer geringeren Fehlerdichte und höherer Einheitlichkeit herzustellen.
Kürzlich
wurde herausgefunden, dass Kristallfehler nicht nur mit der Reinheit
des Rohmaterials, der Reinheit eines verwendeten Bauteils und der
Präzision
einer Vorrichtung verwandt sind, sondern auch mit der thermischen
Vorgeschichte eines Kristalls während
dessen Züchtung. Zum
Beispiel hat die thermische Vorgeschichte für Silizium eine Auswirkung
auf OSF (durch Oxidation hervorgerufene Stapelfehler), Sauerstoffausfällungen,
BMD (Massenfehler im Mikrobereich), FPD (Fließmusterfehler), LSTD (Laserstreutomographiefehler)
und die oxiddielektrische Durchbruchspannung. Außerdem hat für Verbindungshalbleiter
wie GaP, GaAs und InP eine thermische Vorgeschichte eine beträchtliche
Auswirkung auf die Versetzungsdichte und das Maß solcher Fehler, wie das Wirken als
ein Donator oder als ein Akzeptor. Demgemäß wurden Vorrichtungen zur
Herstellung von Kristallen vorgeschlagen, die eine Vielfalt von
Ofenstrukturen aufweisen, die Fehler in Kristallen durch Anpassung einer
thermischen Vorgeschichte während
der Kristallzüchtung
regeln (vergleiche zum Beispiel H. Yamagishi, I. Fusegawa, K. Takano,
E. Iino, N. Fujimaki, T. Ohta und M. Sakurada, Proceedings of the
17th International Symposium on Silicon Materials Science and Technology,
SEMICONDUCTOR SILICON 1994, S. 124–135).
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Gemäß den vorgeschlagenen Vorrichtungen oder
Verfahren kann jedoch lediglich die Temperatur an einer bestimmten
Position in einem Ofen erhöht oder
verringert werden, d. h, die gesamte Temperaturverteilung in einem
Ofen kann nicht angepasst werden. Ferner ist diese Regelung der
Temperatur an einer bestimmten Position innerhalb des Ofens so, dass
die Temperatur eines gesamten gezüchteten Kristalls erhöht oder
verringert wird. Das heißt,
dass diese Temperaturregelung keine Freiheitsgrade besitzt und ihre
Genauigkeit unzureichend ist. Zusätrlich ist das Regeln einer
Temperatur nur in einem spezifischen Temperaturbereich äußerst schwer.
Außerdem
muss, wenn eine Temperaturverteilung geändert werden muss, um eine
neue Anforderung an das Design zu erfüllen, eine Vorrichtung wieder
von Anfang an entworfen werden.
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Die gegenwärtigen Erfinder haben herausgefunden,
dass die thermische Vorgeschichte eines Kristalls und eine Temperaturverteilung
innerhalb eines Ofens geregelt werden können, wenn der einen Tiegel
umgebende und einen in dem CZ-Verfahren verwendete wärmedämmende Zylinder
eine Struktur aufweist, so dass er senkrecht geteilt ist, so dass
ein Spalt zwischen den Aufteilungen geformt ist, wodurch die oben
beschriebenen Probleme gelöst
werden. Auf der Grundlage dieser Erkenntnis haben die gegenwärtigen Erfinder
eine verbesserte Methode vorgeschlagen, die in der japanischen Patentanmeldung
Nr. 7-143586 offenbart ist.
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Die Ergebnisse weiterer durch die
Erfinder durchgeführten
Experimente zeigen jedoch, dass ein regelbarer Temperaturbereich
wegen unzureichender wärmehaltender
Eigenschaften unerwartet eng ist, wenn ein Kristall gezüchtet werden
muss, um eine thermische Vorgeschichte aufzuweisen, so dass die Kühlgeschwindigkeit
in einem spezifischen Temperaturbereich ausreichend verringert wird,
obwohl die obige Erfindung präzise
Regelung der thermischen Vorgeschichte eines Kristalls und eine
Temperaturverteilung innerhalb eines Ofens in den meisten Temperaturbereichen
erlaubt.
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Kürzlich
ist auch berichtet worden, dass während der Kristallzüchtung hervorgerufene
Kristallfehler verschwinden, wenn die Kühlgeschwindigkeit in einem
spezifischen Temperaturbereich ausreichend verringert wird (vergleiche
Fujimaki et al., "Effect
of Micro-Defect
in a Single Crystal of Silicon on Oxide Film", UCS Semiconductor Substrate Technology Workshop,
ULTRACLEAN TECHNOLOGY, Band 7, Ausgabe 3, S. 26–). Folglich besteht Nachfrage
an einer Vorrichtung zur Herstellung von Kristallen gemäß dem CZ-Verfahren,
in dem nur ein spezifischer Temperaturbereich genau bei einer ausreichend
verringerten Geschwindigkeit gekühlt
wird.
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Die vorliegende Erfindung ist geschaffen worden,
um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, und ein Ziel der vorliegenden
Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitrustellen, um
Kristalle herzustellen, wobei die thermische Vorgeschichte während der
Kristallzüchtung
gemäß dem CZ-Verfahren
leicht und genau geregelt werden kann, besonders um eine Vorrichtung
und ein Verfahren zur Herstellung von Kristallen bereitrustellen,
wobei die Kühlgeschwindigkeit
in einem spezifischen Temperaturbereich ausreichend verringert werden kann.
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OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
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Um das obengenannte Ziel zu erreichen, stellt
die in Anspruch 1 der vorliegenden Spezifikation beschriebene Erfindung
eine Vorrichtung zur Herstellung von Kristallen gemäß dem Czochralski-Verfahren
bereit, welches einen Tiegel zum Enthalten eines Rohmaterials, eine
Heizvorrichtung zum Heizen und Schmelzen des Rohmaterials und einen
wärmedämmenden
Zylinder, der angeordnet ist, um den Tiegel und die Heizvorrichtung
zu umgeben, beinhaltet, wobei ein Abschnitt des wärmedämmenden
Zylinders, der über
einem oberen Ende der Heizvorrichtung angebracht ist, so konfiguriert
ist, dass sein Innendurchmesser an seinem unteren Ende größer ist
als der Außendurchmesser
der Heizvorrichtung und sein Innendurchmesser an seinem oberen Ende
gleich wie oder geringer als der Innendurchmesser der Heizvorrichtung
ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand in einem im Wesentlichen
konstanten Winkel verjüngt
ist, so dass der Innendurchmesser schrittweise in Richtung der Spitze
in einer im Wesentlichen konstanten Geschwindigkeit verringert wird.
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Wenn die Innenwand des oberen Abschnitts des
wärmedämmenden
Zylinders auf diese Art so verjüngt
ist, wird durch die Heizvorrichtung erzeugte Wärme wirksam vom Entweichen
senkrecht nach oben abgehalten, und eine Temperaturverteilung in diesem
Bereich einheitlicher ohne einen Wendepunkt.
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EP-A-0504837 offenbart eine Vorrichtung zur
Herstellung von Kristallen gemäß einem Czochralski-Verfahren,
die einen Tiegel zum Enthalten eines Rohmaterials, eine Heizvorrichtung
zum Heizen und Schmelzen des Rohmaterials und einen wärmedämmenden
Zylinder beinhaltet, der angeordnet ist, um den Tiegel und die Heizvorrichtung
zu umgeben. Der Abschnitt des wärmedämmenden
Zylinders, der über
dem oberen Ende der Heizvorrichtung angebracht ist, ist kalottenförmig oder
becherförmig, wobei
sein Innendurchmesser an seinem unteren Ende größer ist als der Außendurchmesser
der Heizvorrichtung, und sein Innendurchmesser an seinem oberen
Ende geringer ist als der Innendurchmesser der Heizvorrichtung.
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Die in Anspruch 2 der vorliegenden
Spezifikation beschriebene Erfindung stellt eine Vorrichtung zur
Herstellung von Kristallen gemäß dem in
Anspruch 1 beschriebenen Czochralski-Verfahren bereit, wobei der
Abschnitt des wärmedämmenden
Zylinders, der über
dem oberen Ende der Heizvorrichtung angebracht ist, so konfiguriert
ist, dass sein Außendurchmesser
an seinem oberen Ende gleich oder größer als der Außendurchmesser
der Heizvorrichtung ist.
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Da zu der Erfindung aus Anspruch
1 ein strukturelles Merkmal zugefügt wird, so dass der Außendurchmesser
des wärmedämmenden
Zylinders an seinem oberen Ende gleich wie oder größer als der
Außendurchmesser
der Heizvorrichtung ist, wird der wärmedämmende Zylinder an seinem oberen Ende
mit einer ausreichenden Stärke
versehen, so dass durch die Heizvorrichtung erzeugte Wärme wirksam
vom Entweichen senkrecht nach oben abgehalten wird, und eine wärmehaltende
Eigenschaft kann in diesem Bereich sichergestellt werden.
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Die in Anspruch 3 der vorliegenden
Spezifikation beschriebene Erfindung stellt eine Vorrichtung zur
Herstellung von Kristallen gemäß des in
einem der Ansprüche
1 und 2 beschriebenen Czochralski-Verfahrens bereit, wobei der wärmedämmende Zylinder
aus einem kohlenstofffasergeformten Material gebildet ist.
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Wie oben beschrieben ist die vorliegende
Erfindung durch die Konfiguration des wärmedämmenden Zylinders gekennzeichnet.
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Kohlenstofffasergebildete Materialien
können
aber als Materialien des wärmedämmenden
Zylinders verwendet werden, die im Allgemeinen für bei dem Czochralski-Verfahren
verwendete wärmedämmende Zylinder
verwendet werden. Sie haben den Vorteil, leicht erhältlich und
einfach zu verarbeiten zu sein.
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Die in Anspruch 4 der vorliegenden
Spezifikation beschriebene Erfindung stellt eine Vorrichtung zur
Herstellung von Kristallen gemäß des in
einem der Ansprüche
1–3 beschriebenen
Czochralski-Verfahrens bereit, wobei der wärmedämmende Zylinder senkrecht geteilt
ist, so dass ein Spalt zwischen den Aufteilungen gebildet ist.
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Dieser Spalt erlaubt es der Wärme, in
eine waagerechte Richtung bei einer bestimmten Position zu entweichen,
um dadurch die Regelung einer Temperaturverteilung innerhalb eines
Ofens und die thermische Vorgeschichte eines Kristalls zu ermöglichen.
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Die in Anspruch 5 der vorliegenden
Spezifikation beschriebene Erfindung stellt eine Vorrichtung zur
Herstellung von Kristallen gemäß des in
Anspruch 4 beschriebenen Czochralski-Verfahrens bereit, wobei der
wärmedämmende Zylinder
eine Vielzahl von Spalten aufweist.
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Wenn der wärmedämmende Zylinder eine Vielzahl
von Spalten aufweist, kann eine Temperaturverteilung innerhalb eines
Ofens und die thermische Vorgeschichte eines Kristalls freier geregelt
werden.
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Die in den Ansprüchen 6, 7 und 8 der vorliegenden
Spezifikation beschriebenen Erfindungen stellen die folgenden Verfahren
bereit, die eine in einem der Ansprüche 1–5 der vorliegenden Spezifikation
beschriebene Vorrichtung zur Herstellung von Kristallen gemäß dem Czochralski-Verfahren
verwenden: ein Verfahren zur Herstellung eines Kristalls aus Silizium,
Germanium, GaP, GaAs oder InP; ein Verfahren zur Regelung einer
Temperaturverteilung innerhalb der Vorrichtung zur Herstellung von
Kristallen durch das Czochralski-Verfahren; und ein Verfahren zur
Regelung der thermischen Vorgeschichte eines gemäß des CZ-Verfahrens hergestellten
Kristalls.
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Die Verwendung der in den Ansprüchen 1–5 der vorliegenden
Spezifikation beschriebenen Vorrichtungen zur Herstellung von Kristallen
ermöglicht die
Regelung einer Temperaturverteilung innerhalb des Ofens, um die
thermische Vorgeschichte eines gezüchteten Kristalls zu regeln.
Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist folglich sehr nützlich,
da die Erzeugung von durch eine thermische Vorgeschichte hervorgerufenen
Kristallfehlern unterdrückt oder
geregelt wird, wenn ein Kristall aus Silizium, Germanium, GaP, GaAs
oder InP hergestellt wird.
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Wie oben beschrieben kann die Vorrichtung zur
Herstellung von Kristallen der vorliegenden Erfindung leicht und
genau die thermische Vorgeschichte eines gemäß des CZ-Verfahrens hergestellten
Kristalls ändern
oder regeln.
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Folglich ist es möglich, Kristallfehler durch eine
ausreichende Reduzierung der Kühlgeschwindigkeit
in einem spezifischen Temperaturbereich, der eine starke Auswirkung
auf die Eliminierung von Kristallfehlern hat, zu eliminieren, wodurch
die Qualität der
Kristalle verbessert wird. Durch eine Erhöhung der Kühlgeschwindigkeit in einem
hohen Temperaturbereich, der die Geschwindigkeit der Kristallzüchtung beeinflusst,
wird folglich die Geschwindigkeit der Kristallzüchtung erhöht, um die Produktivität zu verbessern.
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Demgemäß können reduzierte oder geregelte
durch die thermische Vorgeschichte hervorgerufene Kristallfehler
vorliegen, die in Kristallen aus durch das CZ-Verfahren hergestelltem
Silizium, Germanium, GaP, GaAs, InP oder dergeichen erzeugt werden.
Ferner kann die Verteilung solcher Kristallfehler vereinheitlicht
werden. Die vorliegende Erfindung verbessert deswegen die Kristallqualität, den Ertrag und
die Produktivität
erheblich. Die vorliegende Erfindung ist folglich in der Industrie
sehr nützlich.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1A–1D sind schematische Schnittansichten
einer Vorrichtung zur Herstellung von Kristallen gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wobei 1A eine
beispielhafte Form eines Abschnitts des wärmedämmenden Zylinders zeigt, der über einem
oberen Ende der Heizvorrichtung (dem oberen wärmedämmenden Zylinder der vorliegenden
Erfindung) angebracht ist; 1B eine schematische
Schnittansicht einer Vorrichtung zur Herstellung von Kristallen
gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist; und 1D eine schematische
Schnittansicht einer Vorrichtung zur Herstellung von Kristallen
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist, in der der wärmedämmende Zylinder einen Spalt
zwischen den Aufteilungen aufweist.
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2 ist
ein Graph, der gemessene thermische Vorgeschichten für Beispiele
und Vergleichsbeispiele aufzeichnet.
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3A und 3B sind schematische Schnittansichten
herkömmlicher
Vorrichtungen zur Herstellung von Kristallen, wobei 3A eine Art schnell kühlende Vorrichtung zur Herstellung
von Kristallen zeigt und 3B eine
Art langsam kühlende
Vorrichtung zur Herstellung von Kristallen zeigt.
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BESTE AUSFÜHRUNGSFORM
ZUR DURCHFÜHRUNG
DER ERFINDUNG
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Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung werden als nächstes
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die vorliegende
Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen begrenzt.
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Die Erfinder der vorliegenden Erfindung
haben die Struktur eines wärmedämmenden
Zylinders zur Verwendung als eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Änderung
oder Anpassung der thermischen Vorgeschichte eines Kristalls, der
gemäß dem Czochralski-Verfahren
gezüchtet
wurde, bedacht, wobei der wärmedämmende Zylinder
den Tiegel zum Enthalten eines Rohmaterials und eine Heizvorrichtung
zum Heizen und Schmelzen des Rohmaterials zu einem wärmehaltenden
Zweck umgibt. 3A und 3B zeigen herkömmliche
Vorrichtungen zur Herstellung von Kristallen gemäß dem CZ-Verfahren. Ein wärmedämmender
Zylinder 5 ist normalerweise aus einem kohlenstofffasergebildeten
Material hergestellt und ist angeordnet, um einen Tiegel 3 zum
Enthalten eines Rohmaterials und eine Heizvorrichtung 4 zum Heizen
und Schmelzen des Rohmaterials zu umgeben.
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Herkömmlicherweise wird, um die
thermische Vorgeschichte eines Kristalls oder einer Temperaturverteilung
innerhalb eines Ofens zu ändern,
die Struktur des wärmedämmenden
Zylinders auf folgende Weise geändert.
Ein oberer wärmedämmender Zylinder 6 ist
auf der Oberseite des wärmedämmenden
Zylinders 5 bereitgestellt, um dadurch den wärmedämmenden
Zylinder 5 nach oben zu erweitern, wie in 3B gezeigt. Hitze in einem oberen Raum 7 des
Ofens zur Herstellung von Kristallen wird folglich gehalten, um
die Hitze eines Kristalls 2 zu halten. Alternativ dazu
wird der wärmedämmende Zylinder 5 gekürzt, um
dadurch den Kristall 2 schnell zu kühlen. Diese Verfahren stellen
jedoch lediglich eine Wahl zwischen dem Halten der Wärme eines
Kristalls und der Kühlung
des Kristalls bereit, und können
keine Regelung innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs ausführen. Dieses
Verfahren hat auch einen Nachteil einer unzureichenden Regelungsgenauigkeit.
Sogar wenn es zum Beispiel bekannt ist, dass in einem Kristall während dessen
Züchtung
hervorgerufene Kristallfehler durch eine ausreichende Reduzierung
der Kühlgeschwindigkeit
in einem bestimmten Temperaturbereich verschwinden, können die
oben beschriebenen Verfahren die Kühlgeschwindigkeit in dem bestimmten
Temperaturbereich nicht ausreichend verringern.
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Wenn der wärmedämmende Zylinder nur nach oben
erweitert wird, wird die Hitze eines Kristalls zusätzlich gehalten
und der Kristall wird dadurch weniger wirksam gekühlt, so
dass die Geschwindigkeit der Kristallzüchtung verringert wird, und
die Produktivität
wird verringert sich beträchtlich.
Andererseits verschlechtert das reine Kürzen des wärmedämmenden Zylinders die wärmehaltende
Eigenschaft des Ofens zur Herstellung von Kristallen, was in einem
erhöhten
Verbrauch von elektrischer Leistung, Beschädigung des Ofens, und Verschlechterung
in der Wirksamkeit bei der Herstellung von Kristallen resultiert.
Demgemäß sind Vorrichtungen
zur Herstellung von Kristallen entworten worden, die eine Vielfalt
von Ofenstrukturen aufweisen, in denen die thermische Vorgeschichte
eines Kristalls nicht durch Verwendung eines wärmedämmenden Zylinders, sondern
durch Verwendung anderer Komponenten im Inneren des Ofens angepasst
wird, wie in der bereits erwähnten
Literatur von H. Yamagishi et al. (1994) beschrieben.
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Da ein wärmedämmender Zylinder herkömmlicherweise
einen solch niedrigen Freiheitsgrad beim Ändern seiner Struktur aufweist,
um dadurch die thermische Vorgeschichte eines Kristalls anzupassen,
ist er außer
in Bezug auf sein Erweitern nach oben oder sein Kürzen nicht besonders
untersucht oder verbessert worden.
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In Anbetracht der Tatsache, dass
der wärmedämmende Zylinder 5 – der die
Heizvorrichtung 4 (zum Beispiel eine Kohtenstoffheizvorrichtung,
eine Hochfrequenz-Induktionsspule, etc.) und den Tiegel 3 (zum
Beispiel aus Quarz, Graphit, oder PBN gebildet) zum Schutz einer
wassergekühlten
Kammer 1 umgibt – eine
bestimmende Auswirkung auf eine Temperaturverteilung in einem Ofen
des CZ-Verfahrens hat, haben die Erfinder den vorliegenden wärmedämmenden
Zylinder entwickelt.
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Um die thermische Vorgeschichte eines
Kristalls durch Hatten von Hitze in einem spezifischen Temperaturbereich
in der in 3A gezeigten
Vorrichtung zur Herstellung eines Kristalls, die eine herkömmliche
Struktur im Inneren des Ofens aufweist, zu ändern, wird der wärmedämmende Zylinder
wie in 3B gezeigt nach
oben erweitert, um dadurch die Hitze eines Kristalls zu halten.
Diese Erweiterung nach oben resultiert jedoch im Haltender Hitze
in allen Temperaturbereichen und erzielt keine thermische Vorgeschichte,
in der Hitze nur in einem als Ziel gesetzten spezifischen Temperaturbereich
erhalten werden kann. Da die durch die Heizvorrichtung 4 erzeugte
Hitze zusätzlich
senkrecht nach oben entweicht, ist es unmöglich, die Kühlgeschwindigkeit
in einem spezifischen Temperaturbereich, der eine starke Auswirkung
auf die Eliminierung von Kristallfehlern hat, ausreichend zu verringern.
Wenn der wärmedämmende Zylinder
zudem nur nach oben erweitert wird, um dadurch den wärmedämmenden
Zylinder zu verlängern,
ist die auf dem Kristallzüchtungszwischenniveau
steigende Temperatur zu klein, um dadurch die Geschwindigkeit der
Kristallzüchtung
abzusenken und die Produktivität
des Kristalls erheblich zu verschlechtern.
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Wenn die thermische Vorgeschichte
eines Kristalls nur durch ausreichendes Halten der Hitze in einem
als Ziel gesetzten spezifischen Temperaturbereich geändert werden
kann, um dadurch Kristallfehler zu reduzieren und es vom Beeinflussen
eines hohen Temperaturbereichs in der Nähe des Kristallzüchtungszwischenniveaus,
das eine Kristallzüchtungsgeschwindigkeit
beeinflusst, abgehalten wird, können
Kristalle von hoher Qualität
mit reduzierten Kristallfehlern mit hoher Geschwindigkeit und hoher Produktivität erhalten
werden.
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Im Hinblick auf das Vorhergehende
haben die Erfinder durch Berechnung die Kristalltemperaturen in
Vorrichtungen zur Herstellung von Kristallen, die eine Vielfalt
von Strukturen im Inneren des Ofens aufweisen, geschätzt. Infolgedessen
haben die Erfinder herausgefunden, dass Hitze vom Entweichen senkrecht
nach oben abgehalten werden muss, um ausreichend Hitze in einem
spezifischen Temperaturbereich zu haften, wobei die Temperatur nicht
höher als
der Schmelzpunkt der Kristalle ist. Im Hinblick auf die oben beschriebene
Erkenntnis gebraucht die vorliegende Erfindung Strukturen wie in 1B und 1D gezeigt, wobei ein Abschnitt des wärmedämmenden Zylinders 5,
der über
einem oberen Ende der Heizvorrichtung 4 angebracht ist,
so konfiguriert ist, dass sein Innendurchmesser größer als
der Außendurchmesser
der Heizvorrichtung 4 an seinem unteren Ende ist, und dass
sein Innendurchmesser an seinem oberen Ende gleich wie oder geringer
als der Innendurchmesser der Heizvorrichtung 4 ist. Diese Konfiguration
hält durch
die Heizvorrichtung 4 erzeugte Hitze angemessen vom Entweichen
senkrecht nach oben ab und reduziert das Entweichen von strahlender
Hitze, die von der Kristalloberfläche abgeführt wird, so dass die Kühlgeschwindigkeit
in einem spezifischen Temperaturbereich ausreichend verringert werden
kann.
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In diesem Fall ist der Außendurchmesser des
wärmedämmenden
Zylinders (des oberen wärmedämmenden
Zylinders 10) an seinem oberen Ende vorzugsweise gleich
wie oder größer als
der Außendurchmesser
der Heizvorrichtung 4. Diese Struktur stellt eine ausreichende
Stärke
für den
wärmedämmenden
Zylinder an seinem oberen Ende bereit, so dass die durch die Heizvorrichtung
erzeugte Hitze wirksam vom Entweichen senkrecht nach oben abghalten
wird, und ein guter Grad an Halten der Hitze wird in diesem Bereich
bereitgestellt.
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Wenn ein Abschnitt des wärmedämmenden Zylinders,
der über
einem oberen Ende der Heizvorrichtung (dem oberen wärmedämmenden
Zylinder 10) angebracht ist, wie in 1B gezeigt so konfiguriert ist, dass
seine Innenwand verjüngt
ist, d. h. der Innendurchmesser des Abschnitts des wärmedämmenden
Zylinders sich schrittweise in Richtung der Spitze verringert, wird
durch die Heizvorrichtung 4 erzeugte Hitze wirksam vom
Entweichen senkrecht nach oben abgehalten, und eine Temperaturverteilung
in diesem Bereich kann ohne einen Wendepunkt einheitlicher gemacht
werden.
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Außerdem ist herausgefunden worden,
dass die Kühlgeschwindigkeit
in einem hohen Temperaturbereich, die eine Kristallzüchtungsgeschwindigkeit beeinflusst,
erhöht
werden kann, wenn der die Heizvorrichtung 4 umgebende wärmedämmende Zylinder senkrecht
geteilt wird, so dass ein Spalt 8 gebildet wird, wie in 1D gezeigt. Folglich kann
die Kühlgeschwindigkeit
nur in einem spezifischen Temperaturbereich ausreichend verringert
werden, um dadurch Kristallfehler zu reduzieren. Da die Kühlgeschwindigkeit
in allen anderen Temperaturbereichen nicht verringert wird, besonders
einem Temperaturbereich in der Nähe
des Schmelzpunkts, der eine Kristallzüchtungsgeschwindigkeit beeinflusst,
kann die Geschwindigkeit der Kristallzüchtung ausreichend hoch sein,
und die Produktivität
verschlechtert sich nicht.
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Die oben beschriebene Wirkung wird
durch die folgenden Abläufe erreicht.
Da der Innendurchmesser des wärmedämmenden
Zylinders an seinem oberen Ende gleich wie oder geringer als der
Innendurchmesser der Heizvorrichtung 4 ist, kann durch die
Heizvorrichtung erzeugte Hitze vom Entweichen senkrecht nach oben
abgehalten werden, so dass das Entweichen von strahlender Hitze,
die von der Kristalloberfläche
abgeführt
wird, verringert wird, was in einem ausreichenden Verringern der
Kühlgeschwindigkeit
in einem spezifischen Temperaturbereich resultiert. Ferner entweicht
Hitze in einer waagerechten Richtung an dem Spalt 8, und
daher erhöht
sich die strahlende Hitze, die von der Kristalloberfläche in der
Nähe des
Spalts 8 abgeführt
wird.
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Die Anzahl der Spalten und die Position
und Breite jeder Spalte sind daher wichtige Faktoren und können gemäß einem
Anpassung unterworfenen Temperaturbereich bestimmt werden. Es können zum
Beispiel zwei oder mehr Spalten bereitgestellt sein. Wenn der wärmedämmende Zylinder
in senkrechte Aufteilungen geteilt wird, um einen Spalt zu bilden,
um dadurch die thermische Vorgeschichte eines gemäß des CZ-Verfahrens
gezüchteten
Kristalls zu regeln, wird der Spalt vorzugsweise über der Oberfläche einer
Schmelze eines in dem Tiegel enthaltenen Rohmaterials gebildet,
so dass die Wirkung der Spalte direkter auf einen Kristall einwirkt.
Die Position des Spalts ist jedoch nicht darauf begrenzt. Die Anzahl
der Spalten und die Position und Breite jeder Spalte können angemessen
bestimmt werden, um eine Temperaturverteilung im Inneren des Ofens
zu ändern
und zu regeln, was eine Wirkung auf die Wirksamkeit der Herstellung
von Kristallen hat.
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Der wärmedämmende Zylinder kann aus herkömmlichem
kohlenstofffasergebildeten Material oder jedem anderen wärmedämmenden
Material hergestellt werden.
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Herkömmlicherweise wird der wärmedämmende Zylinder
vollständig
aus einer einzigen Art von Material gemacht und wird mit einer gleichförmigen Stärke erzeugt.
In der vorliegenden Erfindung können
die senkrechten Aufteilungen des wärmedämmenden Zylinders jedoch aus
verschiedenen Materialien gemacht sein und können verschiedene Stärken aufweisen.
Diese Anordnung ermöglicht
es einem Benutzer, eine Temperaturverteilung genau zu regeln, um
dadurch die thermische Vorgeschichte eines Kristalls zu regeln.
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Der erfindungsgemäße wärmedämmende Zylinder kann aus einem
Fasermaterial wie kohlenstofffasergebildetem Material gemacht sein,
das als Material für
herkömmliche
wärmedämmende Zylinder
verwendet wird. Ein derartiges Fasermaterial kann leicht verarbeitet
werden, und folglich kann der wärmedämmende Zylinder
leicht erzeugt werden. Ein wärmedämmender
Zylinder gemäß der vorliegenden
Erfindung kann zum Beispiel durch Erzeugen eines oberen wärmedämmenden
Zylinders, der die Form eines oberen Abschnitts des wärmedämmenden
Zylinders der vorliegenden Erfindung wie in 1A gezeigt aufweist, und dem Platzieren
von diesem auf der Spitze eines herkömmlichen wärmedämmenden Zylinders erhalten
werden.
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Der Spalt 8 in 1D kann offen gelassen oder
mit einem Material, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, wie Graphit,
gefüllt
werden..
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Die Verwendung der Vorrichtung der
vorliegenden Erfindung zur Herstellung von Kristallen, die einen
einmaligen strukturierten wärmedämmenden Zylinder
aufweist, ermöglicht
die Regelung einer Temperaturverteilung innerhalb des Ofens, so
dass die thermische Vorgeschichte eines gezüchteten Kristalls geregelt
werden kann. Demgemäß kann die Vorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung auf die Herstellung verschiedener Kristalle angewandt werden,
die normalerweise durch das CZ-Verfahren hergestellt werden. Die
Vorrichtung der Erfindung ist besonders nützlich für die Herstellung von Kristallen aus
Silizium, bei denen die thermische Vorgeschichte eines Kristalls
eine große
Auswirkung auf OSF, Sauerstoffausfällung, BMD, FPD, LSTD und die
oxiddielektrische Durchbruchspannung hat, und für die Herstellung von Verbindungshalbleitern,
wie GaP, GaAs, und InP, bei denen die thermische Vorgeschichte eines
Kristalls eine große
Auswirkung auf die Versetzungsdichte und ein Niveau von Fehlern,
die als Donator oder als Akzeptor dienen, hat.
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Demgemäß weisen gemäß der vorliegenden Erfindung
hergestellte Kristalle aus Silizium, Germanium, GaP, GaAs und InP
eine ziemlich hohe Qualität und
genau geregelte Kristallfehler auf, die durch präzises Regeln der thermischen
Vorgeschichte während
der Kristallzüchtung
erlangt werden.
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Beispiele der vorliegenden Erfindung
werden als nächstes
beschrieben.
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50 kg Polysiliziummaterial wurde
in einen Quarztiegel mit einem Durchmesser von 18 Inch gegeben,
und ein Siliziumeinkristall mit einem Durchmesser von 6 Inch und
einer <100>-Ausrichtung wurde
gemäß dem CZ-Verfahren
gezogen. Die thermische Vorgeschichte eines Kristalls; hergestellt
durch Verwendung einer Vorrichtung zur Herstellung von Kristallen,
die einen herkömmlichen
wärmedämmenden
Zylinder aufweist, und die thermische Vorgeschichte eines Kristalls,
hergestellt durch Verwendung einer Vorrichtung zur Herstellung von
Kristallen, die einen wärmedämmenden
Zylinder der vorliegenden Erfindung aufweist, wurden gemessen. Eine Kohlenstoffheizvorrichtung
(Widerstandserwärmung) wurde
verwendet. 2 zeigt die
Messergebnisse der thermischen Vorgeschichte eines jeden Kristalls. In 2 zeigt die senkrechte Achse
die Durchgangszeit jedes Temperaturbereichs an, während die
waagerechte Achse die Temperatur anzeigt.
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Vergleichsbeispiel:
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Ein Kristall wurde in einer herkömmlichen Vorrichtung
zur Herstellung eines Kristalls mit einer langsam kühlenden
Ofenstruktur gezogen, wie in 3B gezeigt.
Ein wärmedämmender
Zylinder war vollständig
aus einem kohlenstofffasergebildeten Material gemacht und wies eine
Stärke
von 7 cm auf. Das Ergebnis der Messung der thermischen Vorgeschichte
des Kristalls wird durch die Kurve A in 2 dargestellt.
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Beispiel 1:
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Ein Kristall wurde in der Vorrichtung
zur Herstellung eines Kristalls der vorliegenden Erfindung wie in 1B gezeigt, gezogen. Ein über dem
oberen Ende der Heizvorrichtung angebrachter Abschnitt des wärmedämmenden
Zylinders war so konfiguriert, dass seine Innenwand verjüngt war,
und sein Innendurchmesser an dem unteren Ende war um 60 mm größer als
der Außendurchmesser
der Heizvorrichtung, und sein Innendurchmesser an dem oberen Ende
war 20 mm kleiner als der Innendurchmesser der Heizvorrichtung.
Das Ergebnis der Messung der thermischen Vorgeschichte des Kristalls
wird durch die Kurve B in 2 dargestellt.
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Aus den Ergebnissen geht hervor,
dass sich die Kühlgeschwindigkeit
in allen Temperaturbereichen verringert und im Vergleich zu dem
Fall der herkömmlichen
langsam kühlenden
Vorrichtung zur Herstellung von Kristallen mehr Hitze gehalten wird. Folglich
kann die Kühlgeschwindigkeit
in dem Temperaturbereich, der eine starke Wirkung auf die Eliminierung
von Kristallfehlern hat, ausreichend verringert werden, so dass
die Kristallqualität
verbessert werden kann.
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Beispiel 2:
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Ein Kristall wurde in der Vorrichtung
der vorliegenden Erfindung zur Herstellung von Kristallen gezogen,
die einen wärmedämmenden
Zylinder mit einem Spalt wie in 1D gezeigt,
beinhaltet. Die in diesem Beispiel verwendete Vorrichtung war die
gleiche wie die in Beispiel 1 verwendete, mit der Ausnahme, dass
ein Spalt in dem wärmedämmenden
Zylinder gebildet war. Der Spalt wurde an dem unteren Ende des verjüngten Abschnitts
des wärmedämmenden
Zylinders mit einer Breite von 3 cm gebildet. Das Ergebnis der Messung
der thermischen Vorgeschichte des Kristalls wird durch die Kurve
C in 2 dargestellt.
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Wie aus 2 ersichtlich ist, wird im Vergleich
zu dem Fall der herkömmlichen
langsam kühlenden
Vorrichtung zur Herstellung von Kristallen die Kühlgeschwindigkeit in dem Temperaturbereich
von 1050°C –1200°C ausreichend
verringert, während die
Kühlgeschwindigkeit
in Temperaturbereichen nicht niedriger als 1200°C erhöht wird. Ferner betrug die
durchschnittliche Kristallzüchtungsgeschwindigkeit
im Vergleichsbeispiel 0,9 mm/min. während in Beispiel 2 der Kristall
bei einer hohen Geschwindigkeit von 1,2 mm/min. gezogen werden konnte.
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Demgemäß könnte die Kühlgeschwindigkeit in einem
spezifischen Temperaturbereich ausreichend verringert werden, was
eine starke Auswirkung auf die Eliminierung von Kristallfehlern
hat (in diesem Fall 1050°C–1200°C), und im
Gegensatz könnte
die Kühlgeschwindigkeit
in einem hohen Temperaturbereich erhöht werden, was eine starke
Auswirkung auf die Kristallzüchtungsgeschwindigkeit hat.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht
auf die oben beschriebene Ausführungsform
beschränkt. Die
oben beschriebene Ausführungsform
ist lediglich ein Beispiel, und diejenigen, die im Wesentlichen
die gleiche Struktur wie die Beschriebene aufweisen und einen ähnlichen
Ablauf und ähnliche
Auswirkungen bereitstellen, sind im Bereich der vorliegenden Erfindung,
wie in den anhängenden
Ansprüchen
festgelegt, eingeschlossen.