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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Bereich der Erfindung:
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf ein Kristallziehverfahren und eine Vorrichtung, die das
Czochralski-Verfahren (das CZ-Verfahren) einsetzt, und insbesondere
auf Verbesserungen zur sicheren Herstellung von schweren Einkristallen
von hoher Qualität.
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Beschreibung verwandter
Techniken:
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Hinsichtlich eines Verfahrens zum
Ziehen eines Einkristalls aus einer Schmelze eines Halbleitermaterials
wie Silizium, die in einem Tiegel enthalten ist, haben die vorliegenden
Erfinder eine verbesserte Ziehtechnik, wie beispielsweise in der
japanischen Patentanmeldung Nr. 7-256892 beschrieben, vorgeschlagen.
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Wie in 6 gezeigt,
wird gemäß dieser Technik
zum Ziehen eines Einkristalls ein Herstellungsverfahren zum Züchten eines
Einkristallabschnitts 55, das die Schritte des Bringens
eines durch eine Impfkristallspannvorrichtung 51 gehaltenen Impfkristalls 52 in
Kontakt mit einer Materialschmelze 53 beinhaltet, und das
Ziehen der Impfkristallspannvorrichtung 51 durch einen
Mechanismus zum Anheben der Impfkristallspannvorrichtung 54 wird
durch Verwendung einer Vorrichtung, die die folgende Struktur aufweist,
durchgeführt.
Ein um eine senkrechte Achse drehbares Rückhaltegehäuse 58 ist auf einem
Gleitstück 57 montiert,
das von einem Gleitstückbewegungsmechanismus 56 senkrecht
bewegt wird. Der Mechanismus 54 zum Anheben der Impfkristallspannvorrichtung
ist in dem Rückhaltegehäuse 58 bereitgestellt,
um die Impfkristallspannvorrichtung 51 mittels eines Drahts 60 zu
ziehen. Das Rückhaltegehäuse 58 ist
mit Anhebehaltern 61 ausgestattet, die an ihrem unteren
Ende Eingriffsabschnitte 61a aufweisen. Der Einkristallabschnitt 55 wird
daher sowohl durch Verwendung der Impfkristallspannvorrichtung 51 als
auch der Anhebehalter 61 gezogen.
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Das heißt, dass der Impfkristall 52,
der von der Impfkristallspannvorrichtung 51 gehalten wird, anfänglich,
wenn das Gleitstück 57 in
einer bestimmten Position fixiert ist, mit der Materialschmelze 53 in Kontakt
gebracht wird, und anschließend
die Impfkristallspannvorrichtung 51 durch den Mechanismus 54 zum
Anheben der Impfkristallspannvorrichtung gezogen wird, während das
Rückhaltegehäuse 58 gedreht
wird, um dadurch einen Halsabschnitt 62, einen gewellten
Abschnitt 63 und den Einkristallabschnitt 55 in
dieser Reihenfolge anschließend
an den Impfkristall 52 zu bilden. Dann, wenn der gewellte Abschnitt 63 zu
einer vorbestimmten Stellung ansteigt, funktionieren die Anhebehalter 61 so,
dass die Eingriffsabschnitte 61a einen konkaven Bereich
des gewellten Abschnitts 63 eingreifen. Anschließend funktioniert
der Gleitstückbewegungsmechanismus 56,
indem er das Anheben des Gleitstücks 57 einleitet.
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Zu diesem Zeitpunkt wird die Steuerung
so durchgeführt,
dass die Summe der Ansteiggeschwindigkeit des Gleitstücks 57 und
die Ansteiggeschwindigkeit der Impfkristallspannvorrichtung 51 relativ
zu dem Gleitstück 57 mit
der vorherigen Ansteiggeschwindigkeit der Impfkristallspannvorrichtung 51 identisch
wird, wie gemessen wurde, als lediglich mittels der Impfkristallspannvorrichtung 51 gezogen wurde.
Die Ansteiggeschwindigkeit des Gleitstücks 57 steigt allmählich an,
und demgemäß nimmt
die der Impfkristallspannvorrichtung 51 allmählich ab.
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Schließlich wird die Ansteiggeschwindigkeit der
Impfkristallspannvorrichtung 51 relativ zu dem Gleitstück 57 Null,
wonach das Ziehen vollständig von
den Anhebehaltern 61 durchgeführt wird.
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Solch ein Ziehverfahren ermöglicht das
sichere und zuverlässige
Züchten
des Einkristallabschnitts 55 ohne Risse des Halsabschnitts 62,
selbst wenn der Durchmesser und das Gewicht des Einkristallabschnitts 55 ansteigen.
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Da in der oben beschriebenen Technik
jedoch die Anhebehalter 61 dem gewellten Abschnitt 63 in
einer seitlichen Richtung näher
kommen, um ihn zu halten, ist es wahrscheinlich, dass eine seitliche
Kraft auf den gewellten Abschnitt 63 wirkt, was das Schütteln des
Einkristallabschnitts 55 mit einem resultierenden Auftreten
von Versetzung darin verursacht.
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Wenn außerdem die Anhebehalter 61 die Impfkristallspannvorrichtung 51 als
Ziehmittel vollständig
ersetzen und eine auf die Impfkristallspannvorrichtung 51 auferlegte
Last Null wird, ist es wahrscheinlich, dass der Draht, der verwendet
wird, um die Impfkristallspannvorrichtung 51 zu ziehen,
nachgibt, wodurch der Halsabschnitt 62 potentiell beschädigt wird.
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In einer herkömmlichen Vorrichtung zum Ziehen
von Kristallen, die einen einfachen Ziehmechanismus aufweist, zeigt
eine ermittelte Länge
des Ziehens durch den Ziehmechanismus sowohl eine senkrechte Stellung
der Impfkristallspannvorrichtung 51 als auch die Länge eines
gezüchteten
Einkristalls an. Demgegenüber
müssen
in der oben beschriebenen Technik, die zwei Ziehmechanismen einschließt, die jeweiligen
Ziehlängen
durch die zwei Ziehmechanismen addiert werden. Wenn der Draht nachgibt,
ist es außerdem
schwierig, die Ziehlänge
durch die Impfkristallspannvorrichtung 51 genau zu messen.
Es ist daher wahrscheinlich, dass die Summe dieser Messungen einen
Fehler einschließt.
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Wenn ferner das Ziehen durch die
Impfkristallspannvorrichtung 51 zum Ziehen durch die Anhebehalter 61 umgeschaltet
wird, wird die Ziehgeschwindigkeit der Impfkristallspannvorrichtung 51 variiert,
um den Durchmesser zu steuern. Funktionsbedingungen wie die erforderliche
Zeit, um das Ziehen durch die Impfkristallspannvorrichtung 51 auf
das Ziehen durch die Anhebehalter 61 umzuschalten, sind
daher nicht stabil.
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Eine andere Vorrichtung zum Anfertigen
eines Einkristalls, der durch das Czochralski-Verfahren gezüchtet wurde,
ist in EP-A2-0449260 offenbart. Ein Abschnitt eines Halses eines
Kristalls wird hier konvex verformt, wobei der konvexe Abschnitt
einen größeren Durchmesser
als der Rest des Halses aufweist, und der Kristall wird an der Unterseite
des konvexen Abschnitts durch Anhebehalter, die seitlich bewegt
werden, um den konvexen Abschnitt zu greifen, gegriffen.
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Unter den obigen Umständen ist
die Nachfrage nach einem Mittel dringend gewesen, das dem Anhebehalter 61 das
leichte Halten des gewellten Abschnitts ermöglicht, ohne eine seitliche
Kraft auf diesen anzuwenden, das den zum Ziehen der Impfkristallspannvorrichtung
verwendeten Draht 51 in einen straften Zustand beibehält, sogar
nachdem das Ziehmittel von der Impfkristallspannvorrichtung 51 in das
Ziehen durch die Anhebehalter 61 umgeschaltet worden ist,
beibehält,
und das die Länge
eines gezüchteten
Einkristalls genau messen kann.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es ist ein Ziel der vorliegenden
Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls
bereitzustellen, die den Anhebehaltern das leichte Halten eines
gewellten Abschnitts des Einkristalls ermöglichen, ohne eine seitliche
Kraft auf diese anzuwenden, die einen zum Ziehen einer Impfkristallspannvorrichtung
verwendeten Draht in einen straften Zustand, sogar nachdem das Ziehmittel
von der Impfkristallspannvorrichtung in das Ziehen durch die Anhebehalter
umgeschaltet worden ist, beibehalten können, und die die Länge des
gezogenen Einkristalls genau messen können.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird ein Kristallziehverfahren bereitgestellt, das die folgenden Schritte
beinhaltet:
Bilden eines ersten Halsabschnitts, eines konvexen Abschnitts
und eines zweiten Halsabschnitts in dieser Reihenfolge unter einem
mittels einer Impfkristallspannvorrichtung gehaltenen Impfkristall;
Züchten, nach
dem zweiten Halsabschnitt, eines Einkristalls, der einen den Durchmesser
ausdehnenden Abschnitt und einen geraden zylindrischen Abschnitt
aufweist; wobei
Anhebehalter mit dem konvexen Abschnitt in
Eingriff gebracht werden, und das anschließende Ziehen mittels der Anhebehalter
durchgeführt
wird; dadurch gekennzeichnet, dass:
die Anhebehalter mit dem
konvexen Abschnitt in Eingriff gebracht werden, indem die Anhebehalter
um den zweiten Halsabschnitt herum und in die Nähe von diesem gebracht werden,
wenn der zweite Halsabschnitt während
des Ziehens mittels der Impfkristallspannvorrichtung zu einer vorbestimmten
Stellung ansteigt; und
Bewegen des Einkristalls und der Anhebehalter
relativ zueinander in der senkrechten Richtung, um dadurch den konvexen
Abschnitt mit den Anhebehaltern in einer ruhenden Weise in Kontakt
zu bringen, so dass eine durch die Impfkristallspannvorrichtung getragene
Last auf die Anhebehalter verlagert wird; und dadurch, dass:
ein
Teil der Last während
des nachfolgenden Ziehens des Kristalls auf der Impfkristallspannvorrichtung
verbleibt, nachdem die von der Impfkristallspannvorrichtung getragene
Last auf die Anhebehalter verlagert worden ist.
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Wie oben beschrieben werden die Anhebehalter
um den zweiten Halsabschnitt herum und in die Nähe von diesem gebracht, wenn
der zweite Halsabschnitt zu einer vorbestimmten Stellung ansteigt.
Als nächstes
wird der über
dem zweiten Halsabschnitt angebrachte konvexe Abschnitt relativ
zu den Anhebehaltern gesenkt, um darauf zu ruhen.
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Daher wird keine seitliche Kraft
auf einen Einkristall angewendet, so dass es weniger wahrscheinlich
ist, dass Fehler wie beispielsweise Versetzung auftreten.
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Während
dieses Verlagerns der Ziehmittel wird nicht die ganze Last auf die
Anhebehalter verlagert, sondern ein Teil der Last verbleibt auf
der Impfkristallspannvorrichtung, um dadurch das Nachgeben des Drahts
zu verhindern. Daher kann ein Riss eines Halsabschnitts oder ein ähnlicher
Schaden vermieden werden.
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Der konvexe Abschnitt und der zweite
Halsabschnitt werden vorzugsweise durch das Steuern der Ziehgeschwindigkeit
des Einkristalls oder der Temperatur einer Schmelze in einem Tiegel
oder durch beides gebildet.
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Um den ersten Halsabschnitt, den
konvexen Abschnitt und den zweiten Halsabschnitt in jeweilige vorbestimmte
Durchmesser zu bilden, werden die Ziehgeschwindigkeit des Einkristalls
oder die Temperatur einer Schmelze in einem Tiegel oder beides vorzugsweise
automatisch gesteuert.
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Der auf den ersten Halsabschnitt
folgende konvexe Abschnitt ist absichtlich in einer Größe gebildet,
die auf den Anhebehaltern ruhen kann. Der zweite Halsabschnitt ist
absichtlich in einen Durchmesser gebildet, der dem Gewicht eines
zu züchtenden
Kristalls Stand halten kann und der von der Größe her kleiner als der konvexe
Abschnitt ist.
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Diese Größenbedingungen werden durch das
Steuern von entweder der Ziehgeschwindigkeit eines Einkristalls
oder der Temperatur einer Schmelze in einem Tiegel oder beidem erreicht.
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Während
des Umschaltens von dem Ziehen durch die Impfkristallspannvorrichtung
auf das Ziehen durch die Anhebehalter wird die Ansteiggeschwindigkeit
Vb der Anhebehalter und die Ansteig-/Senkgeschwindigkeit Va der Impfkristallspannvorrichtung
relativ zu den Anhebehaltern so gesteuert, dass die Beziehung „Kristallziehgeschwindigkeit V
= Vb + Va = konstant" beibehalten
wird, wobei Va einen positiven Wert annimmt, wenn die Impfkristallspannvorrichtung
angehoben wird, und einen negativen Wert annimmt, wenn die Impfkristallspannvorrichtung
gesenkt wird.
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Wie oben beschrieben wird sogar während des
Verlagerns der Kristallziehmittel die Ziehgeschwindigkeit auf einer
konstanten Geschwindigkeit beibehalten, wobei ein Einkristall von
stabiler Qualität durch
Einrichtung einheitlicher Bedingungen gezüchtet werden kann.
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Vorzugsweise wird die durch die Impfkristallspannvorrichtung
getragene Last gemessen und, wenn die gemessene Last einen vorbestimmten
Wert oder ein vorbestimmtes Verhältnis
zu der von der Impfkristallspannvorrichtung getragenen Last, so
wie sie vor dem Umschalten des Ziehens durch die Impfkristallspannvorrichtung
auf das Ziehen durch die Anhebehalter gemessen wurde, erreicht,
die Steuerung eingeleitet wird, um die relative Ansteig-/Senkgeschwindigkeit
Va der Impfkristallspannvorrichtung auf Null zu bringen und die
Ansteiggeschwindigkeit Vb der Anhebehalter auf V zu bringen.
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Um den Draht straft zu halten, verbleibt
in diesem Fall eine ausreichende Last auf der Impfkristallspannvorrichtung,
zum Beispiel wird 50% der durch die Impfkristallspannvorrichtung
getragenen Last, die vor dem Ziehen durch die Impfkristallspannvorrichtung
gemessen wird, auf das Ziehen der Anhebehalter umgeschaltet. Aufgrund
des Straffhaltens des Drahts kann die Länge eines gezüchteten
Einkristalls genau erlangt werden.
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Wenn der Einkristall und die Anhebehalter relativ
zueinander in die senkrechte Richtung bewegt werden, wobei die Kristaltziehgeschwindigkeit
V konstant gehalten wird, wird die Ansteiggeschwindigkeit der Anhebehalter
vorzugsweise allmählich
von Null erhöht,
und die Impfkristallvorrichtung wird relativ zu den Anhebehaltern
gesenkt.
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Wenn die Impfkristallspannvorrichtung
relativ zu den Anhebehaltern gesenkt wird, wird die Senkgeschwindigkeit
der Impfkristallspannvorrichtung vorzugsweise unabhängig von
der Kristallziehgeschwindigkeit konstant gehalten.
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Die Geschwindigkeit der Anhebehalter
und die Geschwindigkeit der Impfkristallspannvorrichtung werden
vorzugsweise automatisch gesteuert, um vom Ziehen der Impfkristallspannvorrichtung
auf das Ziehen der Anhebehalter umzuschalten.
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Wie oben beschrieben kann durch Senken der
Impfkristallspannvorrichtung bei einer konstanten Geschwindigkeit
relativ zu den Anhebehaltern die Ziehmittelumschaltzeit konstant
gemacht werden, um dadurch den konvexen Abschnitt gleichmäßig ohne
Aufeinanderprallen auf den Anhebehaltern ruhen zu lassen.
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Die jeweiligen Stellungen der Impfkristallspannvorrichtung
und der Anhebehalter werden vorzugsweise ermittelt, um von diesen
die Stellung und die Länge
des gezogenen Einkristalls genau zu berechnen.
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Da der Draht straft gehalten wird,
kann in diesem Fall die Stellung des Einkristalls genau von der Stellung
der Impfkristallspannvorrichtung erlangt werden. Der auf diese Weise
erhaltene Stellungswert des Einkristalls wird zu dem Stellungswert
der Anhebehalter addiert, um dadurch die Länge des gezogenen Einkristalls
genau zu erlangen.
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Durch das Ermitteln der Stellung
der Impfkristallspannvorrichtung wird vorzugsweise die Tatsache
bestimmt, dass der an der Oberfläche
einer Schmelze gebildete konvexe Abschnitt eine vorbestimmte senkrechte
Stellung erreicht hat, um dadurch einen Umschaltvorgang des Ziehmittels
an der vorbestimmten senkrechten Stellung automatisch einzuleiten.
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Das heißt, dass die Anhebehalter vorher
an einer vorbestimmten senkrechten Stellung positioniert sind, und
wenn der konvexe Abschnitt durch diese vorbestimmte senkrechte Stellung
durchgeführt wird,
werden die Anhebehalter angetrieben, um um den zweiten Halsabschnitt
herum und in die Nähe von
diesem gebracht zu werden.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der
vorliegenden Erfindung ist eine Kristallziehvorrichtung der Art bereitgestellt,
die Mittel, durch die ein erster Halsabschnitt, ein konvexer Abschnitt
und ein zweiter Halsabschnitt in dieser Reihenfolge unter einem
von einer Impfkristallspannvorrichtung gehaltenen Impfkristall gebildet
werden; und Mittel, durch die nach dem zweiten Halsabschnitt ein
Einkristall mit einem den Durchmesser ausdehnenden Abschnitt und
einem geraden, zylindrischen Abschnitt gebildet wird, umfasst; wobei
die Vorrichtung Anhebehalter umfasst, die so angepasst sind, dass
sie während
des Ziehens durch die Impfkristallspannvorrichtung mit dem konvexen
Abschnitt in Eingriff gebracht werden, so dass das anschließende Ziehen
durch die Anhebehalter durchgeführt
wird; dadurch gekennzeichnet, dass:
die Vorrichtung automatische
Steuerungsmittel umfasst, wodurch die Anhebehalter um den zweiten Halsabschnitt
unten herum und in die Nähe
von diesem und außer
Eingriff mit dem konvexen Abschnitt gebracht werden, wenn der zweite
Halsabschnitt zu einer vorbestimmten Stellung während des Ziehens durch die
Impfkristallspannvorrichtung ansteigt; und wodurch der Einkristall
und die Anhebehalter relativ zueinander durch jeweilige Anhebemechanismen
in senkrechter Richtung so senkrecht bewegt werden, dass die Anhebehalter
das Ruhen des konvexen Abschnitts darauf ermöglichen; und dadurch, dass:
das
automatische Steuerungsmittel angepasst ist, um so zu funktionieren,
dass, nachdem der Einkristall und die Anhebehalter relativ zueinander
senkrecht bewegt werden, der konvexe Abschnitt auf den Anhebehaltern
ruht, wobei ein Teil einer Last, die während des Ziehens durch die
Impfkristallspannvorrichtung von der Impfkristallspannvorrichtung
getragen wird, während
des anschließenden
Ziehens des Kristalls durch die Anhebehalter auf der Impfkristallspannvorrichtung
gelassen wird. Durch Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtung
werden die Anhebehalter zu einem vorbestimmten Zeitpunkt um den
zweiten Halsabschnitt herum und in die Nähe von diesem gebracht, und
dann werden der Einkristall und die Anhebehalter relativ zueinander
in die senkrechte Richtung bewegt, damit der konvexe Abschnitt auf
den Anhebehaltern ruht.
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Gemäß einem dritten Aspekt der
vorliegenden Erfindung ist eine Kristallziehvorrichtung der Art bereitgestellt,
die Mittel, durch die ein erster Halsabschnitt, ein konvexer Abschnitt
und ein zweiter Halsabschnitt in dieser Reihenfolge unter einem
von einer Impfkristallspannvorrichtung gehaltenen Impfkristall gebildet
werden; und Mittel, durch die nach dem zweiten Halsabschnitt ein
Einkristall mit einem Durchmesser ausdehnenden Abschnitt und einem geraden,
zylindrischen Abschnitt gebildet wird, umfasst; wobei die Vorrichtung
Anhebehalter umfasst, die angepasst sind, um während des Ziehens durch die
Impfkristallspannvorrichtung mit dem konvexen Abschnitt in Eingriff
gebracht zu werden, so dass das anschließende Ziehen durch die Anhebehalter
durchgeführt
wird, wobei die Kristallziehvorrichtung Folgendes beinhaltet:
einen
Tiegel, um eine Schmelze aus einem Halbleitermaterial zu enthalten;
ein
Gleitstück,
das über
dem Tiegel angeordnet ist und von einem Gleitstückbewegungsmechanismus senkrecht
bewegt wird;
ein Rückhaltegehäuse, das
auf dem Gleitstück
bereitgestellt ist und um eine senkrechte Achse drehbar ist;
einen
Drehmechanismus zum Drehen des Rückhaltegehäuses;
einen
Mechanismus zum Anheben der Impfkristallspannvorrichtung, der auf
der Seite des Rückhaltegehäuses bereitgestellt
ist und zum senkrechten Bewegen der Impfkristallspannvorrichtung
verwendet wird;
ein Lastmessungsmittel zum Messen einer auf
die Impfkristallspannvorrichtung angewendeten Last;
wobei die
Anhebehalter auf der Seite des Rückhaltegehäuses bereitgestellt
sind und um den zweiten Halsabschnitt herum und in die Nähe von diesem
gebracht werden können;
und
einen Anhebehalter-Antriebsmechanismus, um die Anhebehalter
in die Nähe
des zweiten Halsabschnitts zu bringen oder von diesem weg zu bewegen;
gekennzeichnet durch:
eine Steuereinrichtung, die mit dem Gleitstückbewegungsmechanismus,
dem Drehmechanismus, dem Mechanismus zum Anheben der Impfkristallspannvorrichtung,
dem Lastmessungsmittel und dem Anhebehalter-Antriebsmechanismus
verbunden ist, und angepasst ist, dass sie eine synchrone Steuerung davon
durchführt,
wobei die Steuereinrichtung angepasst ist, um die Vorrichtung so
automatisch zu steuern, dass, wenn das Ziehen durch die Impfkristallspannvorrichtung
auf das Ziehen durch die Anhebehalter umgeschaltet wird, die Kristallziehgeschwindigkeit
V bei einer konstanten Geschwindigkeit beibehalten wird, und dass
nach dem Umschalten des Ziehens durch die Impfkristallspannvorrichtung
auf das Ziehen durch die Anhebehalter ein Teil einer Last, die während des
Ziehens durch die Impfkristallspannvorrichtung von der Impfkristallspannvorrichtung
getragen wird, während
des anschließenden Ziehens
des Kristalls durch die Anhebehalter auf der Impfkristallspannvorrichtung
verbleibt.
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Stellungsermittler sind vorzugsweise
bereitgestellt, um die jeweiligen Stellungen der Impfkristallspannvorrichtung
und der Anhebehalter zu ermitteln.
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Basierend auf den jeweiligen Stellungen
der Impfkristallspannvorrichtung und der Anhebehalter, wie sie von
diesen Stellungsermittlern ermittelt worden sind, wird die Länge eines
gezüchteten
Einkristalls berechnet.
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Die Ansteiggeschwindigkeit Vb der
Anhebehalter wird vorzugsweise durch einen Durchmesserregler gesteuert.
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Die Steuerung der Ansteiggeschwindigkeit Vb
der Anhebehalter wird natürlich
eingeleitet, nachdem die Anhebehalter das Ansteigen einleiten.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Ansicht, welche die Gesamtstruktur einer Kristallziehvorrichtung
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ist
eine teilweise, senkrechte Schnittansicht, die die detaillierte
Struktur einer Impfkristallspannvorrichtung, Anhebehaltern und benachbarten Abschnitten
zeigt;
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3 ist
eine vergrößerte Ansicht,
die einen konvexen Abschnitt zeigt;
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4A–4C sind Ansichten, die einen
Umschaltvorgang des Ziehmittels zeigen, wobei 4A eine Ansicht ist, die den Zustand,
in dem der Umschaltvorgang des Ziehmittels eingeleitet worden ist, zeigt, 4B eine Ansicht ist, die
den Zustand, in dem der Umschaltvorgang des Ziehmittels gerade durchgeführt wird,
zeigt, und 4C eine Ansicht
ist, die den Zustand zeigt, in dem der Umschaltvorgang des Ziehmittels
beendet ist;
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5 ist
eine Kombination eines Graphs, der Variationen bei den jeweiligen
Geschwindigkeiten der Impfkristallspannvorrichtung und der Anhebehalter
zeigt, und einen Graph, der die Verlagerung der Last zeigt; und
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6 ist
eine schematische Ansicht, die eine herkömmliche Kristallziehvorrichtung
zeigt.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail
beschrieben.
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Die Kristallziehvorrichtung der vorliegenden Erfindung
setzt das Czochralski-Verfahren (CZ-Verfahren) zum Züchten eines
Kristalls aus beispielsweise einem Halbleitermaterial wie Silizium
ein und eignet sich zur sicheren Herstellung von schweren Einkristallen
ohne Auftreten von Versetzung. Zuerst wird die grundlegende Struktur
der Kristallziehvorrichtung unter Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben
werden.
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Die Kristallziehvorrichtung beinhaltet
eine untere Kammer 1, die einen nicht dargestellten Tiegel,
eine fixierte Platte 2, die über der unteren Kammer 1 fixiert
ist und ein Gleitstück 4,
das auf der fixierten Platte 2 mittels einer Blasebalgkammer 3 montiert ist,
enthält.
Das Gleitstück 4 wird
senkrecht durch einen Gleitstückbewegungsmechanismus 5 bewegt. Auf
dem Gleitstück 4 wird
ein Rückhaltegehäuse 7 drehbar
durch einen zylindrischen Halter 6 gestützt.
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Wie in 2 gezeigt,
beinhaltet das Rückhaltegehäuse 7 ein
unteres erstes Rückhaltegehäuse 7a und
ein oberes zweites Rückhaltegehäuse 7b, die
integral verbunden sind. Das untere erste Rückhaltegehäuse 7a ist mit einem
Drehmechanismus 8 zum Drehen des Rückhaltegehäuses 7 um eine senkrechte
Achse ausgestattet. Ein Paar Anhebehalter 9 ist in dem
ersten Rückhaltegehäuse 7a bereitgestellt.
Die oberen Endabschnitte der Anhebehalter 9 sind mit hydraulischen
Zylindereinheiten 10 gekoppelt, die als ein Anhebehalter-Antriebsmechanismus dienen.
Die Anhebehalter 9 kreuzen sich an mittleren Abschnitten
davon, wo die sich kreuzenden Anhebehalter 9 schwenkbar
durch einen Bolzen 11 gestützt werden.
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Das obere zweite Rückhaltegehäuse 7b ist mit
einem Mechanismus zum Anheben der Impfkristallspannvorrichtung 12 und
Lastmessungsmitteln 13 zum Messen einer auf eine Impfkristallspannvorrichtung
angewendeten Last versehen. Der Mechanismus 12 zum Anheben
der Impfkristallspannvorrichtung hält eine an dem unteren Endabschnitt
eines Drahts 14 angefügte
Impfkristallspannvorrichtung 15 in einer senkrecht bewegbaren
Weise zurück.
Die Impfkristallspannvorrichtung 15 hält einen Impfkristall 16.
Während
des Vorgangs des in Kontaktbringens des Impfkristalls 16 mit
einer Materialschmelze und dann dem Ziehen des Impfkristalls 16,
um einen Einkristall zu züchten,
wird ein erster Halsabschnitt 17 gebildet, um das Auftreten
von Versetzung in einem gezüchteten
Einkristall zu verhindern, und dann werden ein konvexer Abschnitt 18 und
ein zweiter Halsabschnitt 20 gebildet, wie in 3 gezeigt. Anschließend wird,
wie in 2 gezeigt, ein
Einkristallabschnitt 21, der einen Durchmesser ausdehnenden Abschnitt 21a und
einen geraden zylindrischen Abschnitt 21b beinhaltet, gebildet.
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Die Blasebalgkammer 3 ist
aus einem gefalteten Metallblech wie Edelstahl oder Titan auf eine senkrecht
dehnbare Weise gebildet, und steht mit der unteren Kammer 1 in
Verbindung, um deren Inneres vom Umgebungsklima zu isolieren. Die
Blasebalgkammer 3 dehnt sich aus, wenn ein Einkristall
gezogen wird. Diese ausdehnbare Eigenschaft der Blasebalgkammer 3 wird
außerdem
eingesetzt, wenn ein gezüchteter Einkristall
aus der Kristallziehvorrichtung herausgenommen wird.
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Der Gleitstückbewegungsmechanismus 5 beinhaltet
einen Anhebeantriebsmotor 22, eine durch den Anhebeantriebsmotor 22 zu
drehende Kugelumlaufspindel 23, und eine Führungswelle 24,
die aufrecht auf der fixierten Platte 2 angeordnet ist.
Die Kugelumlaufspindel 23 greift mit einem Mutterabschnitt 4a des
Gleistücks 4 ein,
und die Führungswelle 24 wird
gleitbar durch ein Führungsloch
in dem Gleistück 4 eingefügt. Während sich
die Kugelumlaufspindel 23 dreht, bewegt sich das Gleitstück 4 senkrecht.
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Ein Gleitstückstellungsermittler 25 ist
in der Nähe
des Anhebeantriebsmotors 22 bereitgestellt, um die Stellung
des Gleitstücks 4 von
zum Beispiel der Anzahl der Umdrehungen des Motors 22 zu
ermitteln.
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Der Drehmechanismus 8 soll
das Rückhaltegehäuse 7 um
eine senkrechte Achse herum drehen, und beinhaltet, wie in 2 gezeigt, eine Riemenscheibe 26 mit
großem
Durchmesser, die integral auf dem äußeren Umfang des unteren ersten
Rückhaltegehäuses 7a an
einem mittleren Abschnitt davon bereitgestellt ist, einen Motor 27,
der auf dem Gleitstück 4 an
einem Endabschnitt davon bereitgestellt ist, eine Riemenscheibe 28 mit
kleinem Durchmesser, die an der Antriebswelle des Motors 27 angefügt ist,
und ein Endlosband 29, das um die Riemenscheibe 26 mit großem Durchmesser
und die Riemenscheibe 28 mit kleinem Durchmesser angepasst
ist und sich zwischen diesen erstreckt. Während der Motor 27 funktioniert,
dreht sich das Rückhaltegehäuse 7.
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Die oberen Endabschnitte der Anhebehalter 9 sind
schwenkbar mit den hydraulischen Zylindereinheiten 10,
die als ein Anhebehalter-Antriebsmechanismus
dienen, verbunden, und sind an entsprechenden hohlen Bossenabschnitten 30 des
ersten Rückhaltegehäuses 7a fixiert.
Wie bereits erwähnt kreuzen
sich die Anhebehalter 9 an mittleren Abschnitten davon
und sind an den mittleren Abschnitten davon durch das Gleitstück 4 mittels
des Stifts 11 schwenkbar gestützt. Die Halterabschnitte 9a sind
an den unteren Endabschnitten der Anhebehalter 9 gebildet.
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Die Halterabschnitte 9a werden
durch den Betrieb der hydraulischen Zylindereinheiten 10 geöffnet/geschlossen.
Die Innenkanten der Halterabschnitte 9a werden zum Beispiel
halbkreisförmig
gebogen, so dass die Halterabschnitte 9a einen Ring bilden,
wenn sie geschlossen sind, um einander zu kontaktieren. Der Innendurchmesser
des Rings ist festgesetzt, um größer als
der des zweiten Halsabschnitts 20 und kleiner als der des
konvexen Abschnitts 18 zu sein.
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Eine Leitröhre 31, durch die
der Draht 14 durchgeführt
wird, ist senkrecht innerhalb des ersten Rückhaltegehäuses 7a entlang der
Mittelachse davon angeordnet, wodurch verhindert wird, dass der Draht 14 die
Anhebehalter 9 und andere Abschnitte störend beeinflusst.
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Der Mechanismus 12 zum Anheben
der Impfkristallspannvorrichtung beinhaltet eine Riemenscheibe 33,
die von einem auf der unteren Platte des oberen zweiten Rückhaltegehäuses 7b montierten Motor 32 gedreht
wird, einen Hebel 35, der in einer freischwenkenden Weise
durch eine Stütze 34,
die aufrecht auf der unteren Platte montiert ist, schwenkbar gestützt ist,
und eine Führungsriemenscheibe 36, die
durch den Hebel 35 an einem mittleren Abschnitt des Hebels 35 schwenkbar
gestützt
ist. Der Draht 14 ist als Schleife um die Führungsriemenscheibe 36 gelegt
und auf die Riemenscheibe 33 gewickelt. Während der
Motor 32 funktioniert, wird die Impfkristallspannvorrichtung 15 senkrecht
mittels des Drahts 14 bewegt.
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Ein Drahtstellungsermittler 37 ist
in der Nähe der
Führungsriemenscheibe 36 bereitgestellt,
um die Stellung einer Impfkristaltspannvorrichtung 15 durch Ermitteln
von zum Beispiel Umdrehungen der Führungsriemenscheibe 36 zu
ermitteln.
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Das Lastmessungsmittel 13 beinhaltet
eine Schwenkachse 35a, die an der Spitze des Hebels 35 bereitgestellt
ist, und eine Meßdose 38,
die die Schwenkachse 35a stützt, wodurch eine Last, die
einen vorbestimmten Wert zu einem auf die Führungsriemenscheibe 36 auferlegten
Kristallgewicht aufweist, gemessen wird.
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Eine Steuereinrichtung 40 ist
mit dem Anhebeantriebsmotor 22 des Gleitstückbewegungsmechanismus 5,
dem Motor 27 des Drehmechanismus 8, dem Motor 32 des
Mechanismus 12 zum Anheben der Impfkristallspannvorrichtung,
der Meßdose 38 des
Lastmessungsmittels 13 und der hydraulischen Zylindereinheit 10,
die als ein Anhebehalter-Antriebsmechanismus dient, verbunden, um
diese dadurch synchron zu steuern.
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Außerdem sind der in der Nähe des Anhebeantriebsmators 22 angebrachte
Gleitstückstellungsermittler 25 und
der in der Nähe
der Führungsriemenscheibe 36 angebrachte
Drahtsteilungsermittler 37 des Mechanismus 12 zum
Anheben der Impfkristallspannvorrichtung mit der Steuereinrichtung 40 verbunden,
so dass Ermittlungssignale an die Steuereinrichtung 40 gesendet
werden können.
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Ein Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls durch
Verwendung einer Kristallziehvorrichtung mit der oben beschriebenen
Struktur wird nun beschrieben werden.
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Zuerst wird der Impfkristall 16,
der von der Impfkristallspannvorrichtung
15 gehalten wird,
mit der Oberfläche
einer in einem Tiegel enthaltenen Materialschmelze in Kontakt gebracht.
Dann wird der Draht 14 bei einer vorbestimmten Geschwindigkeit durch
den Mechanismus 12 zum Anheben der Impfkristallspannvorrichtung
gezogen, während
das Rückhaltegehäuse 7 durch
den Betrieb des Motors 27 des Drehmechanismus 8 leicht
gedreht wird. Durch Steuerung der Ziehgeschwindigkeit des Impfkristalls 16 oder
der Temperatur der Schmelze in dem Tiegel oder beidem werden der
erste Halsabschnitt 17, der konvexe Abschnitt 18 und
der zweite Halsabschnitt 20 in dieser Reihenfolge nach
dem Impfkristall 16 gebildet, wie in 3 gezeigt. In diesem Fall ist der Durchmesser
des konvexen Abschnitts 18 festgesetzt, um größer als
der Innendurchmesser des durch die geschlossenen Halterabschnitte 9a der
Anhebehalter 9 gebildeten Rings zu sein, und der Durchmesser
des zweiten Halsabschnitts 20 ist festgesetzt, um kleiner
als der Innendurchmesser des durch die geschlossenen Halterabschnitte 9a gebildeten
Rings zu sein. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Durchmesser
des ersten Halsabschnitts 17 ungefähr 4 mm, der maximale Durchmesser
des konvexen Abschnitts 18 ist ungefähr 25 mm, und der Durchmesser
des zweiten Halsabschnitts 20 ist ungefähr 7 mm.
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Als nächstes wird durch Einstellung
der Ziehgeschwindigkeit, der Temperatur einer Schmelze usw. der
Einkristallabschnitt 21, der den Durchmesser ausdehnenden
Abschnitt 21a und den geraden zylindrischen Abschnitt 21b beinhaltet,
gezüchtet, und
der Motor 32 des Mechanismus 12 zum Anheben der
Impfkristallspannvorrichtung wird betrieben, um die Impfkristallspannvorrichtung 15 bei
einer vorbestimmten Kristallziehgeschwindigkeit V anzuheben.
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Wenn die Impfkristallspannvorrichtung 15 zu einer
vorbestimmten Stellung angehoben wird, wie von einem Punkt gemessen,
an dem der konvexe Abschnitt 18 gebildet wurde, bringt
die Steuereinrichtung 40 die hydraulischen Zylindereinheiten 10 dazu so
zu funktionieren, dass die Anhebehalter 9 um den Bolzen 11 schwingen,
um dadurch die Halterabschnitte 9a zu schließen. Zu
diesem Zeitpunkt werden die Halterabschnitte 9a um den
zweiten Halsabschnitt 20 herum und in die Nähe von diesem
gebracht, wie in 4A gezeigt.
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Wenn die Halterabschnitte 9a geschlossen sind,
wird der Umschaltvorgang des Ziehmittels eingeleitet. Daher beginnt
der Anhebeantriebsmotor 22 des Gleitstückbewegungsmechanismus 5 zu
funktionieren, und folglich fangen die Anhebehalter 9 allmählich an,
anzusteigen, und zur gleichen Zeit fängt die Impfkristallspannvorrichtung 15 an,
allmählich
zu verlangsamen. Variationen in der Geschwindigkeit, nachdem der
Umschaltvorgang des Ziehmittels begonnen worden ist, werden im oberen
Graph von 5 gezeigt.
In 5 zeigt Punkt A einen
Startpunkt des Umschaltvorgangs des Ziehmittels an.
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5 zeigt
Variationen in den jeweiligen Bewegungsgeschwindigkeiten der Impfkristallspannvorrichtung 15 und
der Anhebehalter 9 (oberer Graph) und das Verlagern der
Last (unterer Graph). In 5 bildet
die Abszissenachse Zeit (min) ab, während die Ordinatenachse eine
Geschwindigkeit in mm/min. in dem oberen Graph und eine Last in
kg im unteren Graph abbildet.
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In der vorliegenden Ausführungsform
nimmt die Bewegungsgeschwindigkeit Va der Impfkristallspannvorrichtung 15 relativ
zu den Anhebehaltern 9 allmählich von der anfänglichen
Ziehgeschwindigkeit, v = 1.0 (mm/min.), ab, so dass sie bei Punkt
B Null wird. Anschließend
wird die Impfkristallspannvorrichtung 15 relativ zu dem
Anhebehalter 9 gesenkt, und die Bewegungsgeschwindigkeit
Va wird erhöht,
bis die Bewegungsgeschwindigkeit –3,0 (mm/min.) bei Punkt C
erreicht. Nach dem Punkt C wird die Senkgeschwindigkeit Va bei –3,0 (mm/min.) beibehalten.
Demgegenüber
steigt die Ansteiggeschwindigkeit Vb der Anhebehalter 9 allmählich von Null
an, so dass sie bei Punkt C 4,0 (mm/min.) wird, und sie wird anschließend bei
4,0 (mm/min.) beibehalten. Während
dieser Periode, die von dem Punkt A bis zu dem Punkt C reicht, wird
das Verhältnis
zwischen der Ansteiggeschwindigkeit Vb der Anhebehalter 9 und
der relativen Bewegungsgeschwindigkeit Va der Impfkristallspannvorrichtung 15 gesteuert, so
dass deren Summe V (V = Vb + Va) konstant wird, wobei Va einen positiven
Wert annimmt, wenn die Impfkristallspannvorrichtung 15 angehoben
wird, und einen negativen Wert annimmt, wenn die Impfkristallspannvorrichtung 15 gesenkt
wird. Diese Geschwindigkeit V ist die absolute Ziehgeschwindigkeit
eines Einkristalls und entspricht der Ziehgeschwindigkeit eines
Einkristalls wie sie beobachtet wurde, bevor der Umschaltvorgang
des Ziehmittels eingeleitet wurde. Die Beziehung „Vb + Va
= V – konstant" wird natürlich nach
dem Punkt C, bis der Umschaltvorgang des Ziehmittels beendet ist,
beibehalten.
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Während
des Umschaltvorgangs des Ziehmittels weisen die Impfkristallspannvorrichtung 15 und
die Anhebehalter 9 eine Positionsbeziehung untereinander
auf, wie in 4B gezeigt.
In diesem Fall kann während
der Periode, die von dem Punkt A zu dem Punkt C in 5 reicht, der Anteil des Geschwindigkeitswechsels
(d. h. der erforderlichen Zeit, um einen Geschwindigkeitswechsel
zu beenden) frei ausgewählt
werden, solange die Bedingung „V
= konstant" erfüllt wird.
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Im Verlauf des Senkens der Impfkristallspannvorrichtung 15 relativ
zu den Anhebehaltern 9 kontaktiert der konvexe Abschnitt 18 die
oberen Bereiche der Anhebehalter 9a (bei Punkt D) und ruht
auf diesen.
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Zu diesem Zeitpunkt kontaktiert die
Impfkristallspannvorrichtung 15 die Anhebehalter 9 bei
einer Geschwindigkeit, die der Senkgeschwindigkeit –Va der
Impfkristallspannvorrichtung 15 entspricht, d. h. der konvexe Abschnitt 18 kontaktiert
die Halterabschnitte 9a bei dieser Geschwindigkeit. Da
die Richtung des Kontakts jedoch senkrecht ist, wirkt keine seitliche
Kraft auf den Einkristallabschnitt 21, und daher ist es
weniger wahrscheinlich, dass Fehler wie beispielsweise Versetzung
auftreten.
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Nach dem Kontakt des konvexen Abschnitts 18 mit
den Halterabschnitten 9a werden die vorherigen Bewegungsbedingungen
beibehalten, um die durch die Impfkristallspannvorrichtung 15 getragene Last
auf die Halterabschnitte 9a zu verlagern. Daraufhin fängt die
auf die Impfkristallspannvorrichtung 15 auferlegte Last
(eine durch die Meßdose 38 ermittelte Last
(kg)) an, abzunehmen, um dadurch einen Teil der Last auf die Halterabschnitte 9a zu
verlagern, wie im unteren Graph von 5 gezeigt.
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Anschließend wird, wenn die auf die
Impfkristallspannvorrichtung 15 auferlegte Last um einen Betrag
von 50% abnimmt, d. h. das Lastverhältnis zwischen der Impfkristallspannvorrichtung 15 und den
Anhebehaltern 9 5 : 5 wird (bei Punkt E), Steuerung eingeleitet,
um sowohl die Ansteiggeschwindigkeit Vb der Anhebehalter 9 von
der Geschwindigkeit am Punkt E an die Kristallziehgeschwindigkeit
V (= 1,0 mm/min.) abzunehmen als auch die Senkgeschwindigkeit –Va der
Impfkristallspannvorrichtung 15 zurück auf Null zu bringen. Während dieser
Steuerung werden außerdem
die Geschwindigkeiten Vb und –Va
gesteuert, so dass die Bedingung „V = konstant" beibehalten wird.
Während
der Periode, die von dem Punkt E zu Punkt F reicht, kann ferner
der Anteil des Geschwindigkeitswechsels für Va und Vb frei ausgewählt werden,
solange die Bedingung „V
= konstant" erfüllt wird.
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Anschließend am Punkt F, wo der Umschaltvorgang
des Ziehmittels wie in 4C gezeigt
beendet worden ist, wird ein Einkristall durch die Anhebehalter 9 gezogen,
während
die auf die Impfkristallspannvorrichtung 15 am Punkt E
auferlegte Last beibehalten wird. Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Kristallziehvorrichtung
gibt der mit der Impfkristallspannvorrichtung 15 verbundene
Draht 14 daher nicht nach, wodurch Schaden an dem ersten
Halsabschnitt 17 verhindert wird, der sich ansonsten von dem
nachgegebenen Draht 14 ergeben würde.
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Die oben beschriebene Verlagerung
der Ziehmittel wurde experimentiell bestätigt. Das Experiment hat ergeben,
dass die Beziehung „Vb ± Va =
V = konstant" genaugenommen
in manchen Fällen nicht
eingerichtet werden kann, wenn Vb und Va während der Periode, die von
dem Punkt D zu dem Punkt E (5)
reicht, konstant gehalten werden, wobei das Lastverhältnis zwischen
der Impfkristallspannvorrichtung 15 und den Anhebehaltern 9 auf
5 : 5 verlagert wird. In solch einem Fall muss die Ansteiggeschwindigkeit
Vb der Anhebehalter 9 korrigiert werden, um die Kristallziehgeschwindigkeit
V bei einer konstanten Geschwindigkeit beizubehalten. Ein Beispiel
der so korrigierten Vb ist durch die in dem oberen Graph von 5 gezeigte gestrichelte Linie
abgebildet.
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Während
des oben beschriebenen Verlagerns der Ziehmittel, wenn die Notwendigkeit
auftritt, die Kristallziehgeschwindigkeit V gemäß einem Signal von einem Kristalldurchmesserregler
zu verändern,
um den Durchmesser eines Kristalls konstant beizubehalten, wird
die Ansteiggeschwindigkeit Vb der Anhebehalter 9 entsprechend
variiert. Die relative Bewegungsgeschwindigkeit ±Va der Impfkristallspannvorrichtung 15 wird
daher immer konstant gehalten, so dass Funktionsbedingungen wie
verstrichene Zeit während
der Periode, die von dem Punkt A, wo der Umschaltvorgang des Ziehmittels
beginnt, zu dem Punkt D, wo die Anhebehalter einen Kristall halten,
konstant wiedergegeben werden können.
Der konvexe Abschnitt 18 kann infolgedessen gleichmäßig ohne
Aufeinanderprallen auf den Halterabschnitten 9a ruhen.
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Da der Draht 14 straft gehalten
wird, können die
jeweiligen Stellungen der Impfkristallspannvorrichtung 15 und
der Anhebehalter 9 durch Verwendung des Drahtstellungsermittlers 37 und
des Gleitstückstellungsermittlers 25 genau
ermittelt werden. Die Länge
eines gezüchteten
Kristalls kann daher genau von diesen ermittelten Werten gemessen
werden.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht
auf die oben beschriebenen Ausführungsformen
beschränkt.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen
sind lediglich Beispiele, und diejenigen, die im wesentlichen dieselbe
Struktur wie in den beigelegten Ansprüchen beschrieben aufweisen
und einen ähnlichen
Betrieb sowie eine ähnliche
Wirkungsweise haben, sind in dem Bereich der vorliegenden Erfindung
eingeschlossen.
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Wenn zum Beispiel in den oben beschriebenen
Ausführungsformen
die durch die Impfkristallspannvorrichtung getragene Last auf die
Anhebehalter verlagert wird, verbleibt die Hälfte der Last auf der Impfkristallspannvorrichtung,
um dadurch das Nachgeben des Drahts zu verhindern. Die vorliegende
Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Jede Last kann auf der
Impfkristallspannvorrichtung verbleiben, solange der Draht straft
gehalten wird, um dadurch Schaden an einem Halsabschnitt zu verhindern,
der sich ansonsten von dem nachgegebenen Draht ergeben würde.