DE69802707T2 - Hitzeschild für eine kristallziehungsvorrichtung - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kristallziehgerät zum Züchten von Einkristall- Halbleitermaterial und insbesondere ein Hitzeschild zur Verwendung in diesem Kristallziehgerät.
• Einkristall-Halbleitermaterial, das das Ausgangsmaterial zur Herstellung vieler elektronischer Bauteile ist, wird üblicherweise nach dem Czochralski ("CZ")-Verfahren hergestellt. Bei diesem Verfahren wird polykristallines Halbleiter-Ausgangsmaterial, wie polykristallines Silizium ("Polysilizium") in einem Tiegel eingeschmolzen, dann wird ein Keimkristall in das geschmolzene Material abgesenkt und langsam hochgezogen, um einen Einkristallblock zu züchten. Sobald der Block wächst, wird durch Verringerung der Ziehgeschwindigkeit und/oder der Schmelzetemperatur ein oberer Endkonus gebildet, wobei sich der Blockdurchmesser vergrößert, bis ein Zieldurchmesser erreicht ist. Sobald der Zieldurchmesser erreicht ist, wird der zylindrische Hauptkörper des Blocks gebildet, indem die Ziehgeschwindigkeit und die Schmelzetemperatur zum Ausgleich des absinkenden Schmelzeniveaus gesteuert wird. Gegen Ende des Wachstumsprozesses, jedoch bevor der Tiegel leer wird, wird der Blockdurchmesser verringert, um einen unteren Endkonus zu bilden, der von der Schmelze getrennt wird, um einen fertigen Block aus Halbleitermaterial zu bilden.
• Um den Blockdurchmesser zu steuern, muss der aktuelle Blockdurchmesser während des Ziehprozesses gemessen werden. Eine Kamera ist über dem Tiegel montiert, um den Durchmesser der Blöcke bei ihrem Ziehen automatisch zu bestimmen. Die Kamera misst die Positionen von wenigstens drei Punkten auf einem Meniskus, der sich zwischen dem Block und der oberen Oberfläche des geschmolzenen Materials bildet. Die Kamera kann den Meniskus von dem umgebenden Material unterscheiden, weil der Meniskus heller als das umgebende Material erscheint. Der Blockdurchmesser kann aus diesen drei Punkten unter Benutzung geometrischer Formeln berechnet werden, die den Fachleuten bekannt sind.
• Obgleich das herkömmliche CZ-Verfahren für das Züchten von Einkristall-Halbleitermaterialien beim Einsatz bei sehr verschiedenen, Anwendungen zufriedenstellend ist, ist eine weitere Verbesserung der Qualität des Halbleitermaterials erwünscht. Da z. B. Halbleiterhersteller die Breite der auf Halbleitern gebildeten integrierten Schaltungsleitungen verringern, wird die Anwesenheit von Fehlern in dem Material ein größeres Problem. Fehler in Einkristall- Halbleitermaterialien bilden sich beim Erstarren und Abkühlen der Kristalle in dem Kristallziehgerät. Diese Fehler entstehen zum Teil durch Anwesenheit eines Überschusses (d. h. einer Konzentration über der Löslichkeitsgrenze) von Eigenpunktstörstellen, die als Leerstellen und Selbst-Zwischengitteratome bekannt sind. Leerstellen werden, wie ihr Name sagt, durch die Abwesenheit oder "Vakanz" eines oder mehrerer Atome in dem. Kristallgitter verursacht. Selbst-Zwischengitteratome werden durch die Anwesenheit eines oder mehrerer überzähliger Atome in dem Gitter erzeugt. Beide Arten von Störstellen beeinträchtigen die Qualität des Halbleitermaterials.
• Blöcke werden typischerweise mit einem Überschuss an dem einen oder anderen Typ der Eigenpunktstörstellen, d. h.. Kristallgitter-Leerstellen oder Selbst-Zwischengitteratomen gezüchtet. Verständlicherweise wird die Art und die Anfangskonzentration dieser Punktstörstellen in den Blöcken, die beim Erstarren fixiert werden, durch das Verhältnis der Wachstumsgeschwindigkeit (d. h. der Ziehgeschwindigkeit) (v) zu dem augenblicklichen axialen Temperaturgradienten in dem Block zur Zeit der Erstarrung (G&sub0;) kontrolliert. Wenn der Wert dieses Verhältnisses (v/G&sub0;) einen kritischen Wert übersteigt, nimmt die Konzentration der Leerstellen zu. Wenn der Wert von v/G&sub0; unter den kritischen Wert fällt, nimmt die Konzentration der Selbst-Zwischengitteratome zu. Obgleich keine Störstellenart erwünscht ist, werden Wachstumsverhältnisse, die mehr Leerstellen bilden, von der Halbleiterindustrie im Allgemeinen bevorzugt. Die Dichte der Eigenpunktstörstellen kann durch Steuerung von v/G&sub0; verringert werden, um ein Kristallgitter wachsen zu lassen, in dem Leerstellen die dominierende Eigenpunktstörstelle sind. Die Dichte der Eigenpunktstörstellen kann ferner dadurch verringert werden, dass die Keimbildungsgeschwindigkeit agglomerierter Störstellen dadurch vermindert wird, dass man den Temperaturgradienten G&sub0; in dem Siliziumblock verändert (üblicherweise verringert), wenn während des Kristallziehprozesses die Blocktemperatur in einem Bereich von etwa 1150ºC bis 1050ºC liegt.
• Um an Leerstellen reiche Blöcke zu erzeugen und die Anwesenheit eines radialen Leerstelle/Selbst- Zwischengitteratom-Grenzrings in den Blöcken zu vermeiden, wird v/G&sub0; auf einem möglichst hohen Wert eingestellt. Ein Weg, um dieses Verhältnis zu erhöhen, besteht darin, die Ziehgeschwindigkeit (d. h. die Wachstumsgeschwindigkeit (v) des Blocks zu steigern. Die Ziehgeschwindigkeit beeinflusst jedoch andere Parameter, wie z. B. den Blockdurchmesser. Daher ist der Betrag, um den die Ziehgeschwindigkeit erhöht werden kann, begrenzt.
• Der andere Weg zur Erhöhung des Verhältnisses besteht darin, den Temperaturgradienten G&sub0; in dem Block zu verringern. Zu diesem Zweck kann in dem Tiegel über der Schmelzeoberfläche ein Wärmeschild angeordnet werden, um Wärme an der Grenzfläche zwischen dem Block und dem geschmolzenen Material zurückzuhalten, um Wärmeverlust von der Schmelzeoberfläche zu verhindern. Auf diese Weise wird der momentane axiale Temperaturgradient G&sub0; an der Grenzfläche verringert, wodurch das Verhältnis v/G&sub0; vergrößert wird. Diese Wärmeschilde haben im Allgemeinen eine zentrale Öffnung, durch die der Block gezogen wird, wenn er aus der Schmelze gezüchtet wird. Bisher wurde die zentrale Öffnung groß genug gemacht, dass die den Blockdurchmesser bestimmende Kamera durch die Öffnung auf die Punkte auf dem Meniskus blicken konnte. Anderenfalls hätte der Schild die Sicht der Kamera gestört. Da die zentrale Öffnung relativ groß war, um der Kamera Sicht auf die Punkte zu lassen, entwich eine beträchtliche Wärmemenge aufwärts an dem Schild vorbei, wodurch die Wirksamkeit des Wärmeschildes erheblich verringert wurde.
• EP-A-0588355 beschreibt einen Wärmeschild mit einer Nut oder einem Durchgang, damit die Kamera Sicht auf den Meniskus haben konnte.
Abriss der Erfindung
• Unter den verschiedenen Zielen und Merkmalen der vorliegenden Erfindung sind zu nennen die Schaffung eines Wärmeschildes und eines Kristallziehgeräts, die das Wachstum von hochqualitativen Einkristallblöcken erleichtern, die Schaffung eines Wärmeschildes und Kristallziehgeräts, die den augenblicklichen axialen Temperaturgradienten des Kristalls an der Oberfläche der Schmelze verringern, die Schaffung eines solchen Wärmeschildes und Kristallziehgeräts, die die automatisierte Kristalldurchmesser-Messapparatur nicht stören, die Schaffung eines Wärmeschildes, der einen hohen Durchsatz in dem Kristallziehgerät erleichtert, die Schaffung eines solchen Wärmeschildes, der in einem begrenzten Raum innerhalb eines Kristallziehgeräts arbeiten kann, die Schaffung eines Wärmeschildes, der existierenden Kristallziehgeräten leicht angepasst wird, und die Schaffung eines Wärmeschildaggregats und einer Methode, die leicht zu benutzen sind.
• Kurz gesagt ist die Vorrichtung der Erfindung ein Wärmeschild zur Benutzung bei einem Kristallziehgerät um einen monokristallinen Block herum, der in dem Kristallziehgerät aus einem Tiegel gezüchtet wird, der mit geschmolzenem Halbleiter-Ausgangsmaterial gefüllt ist. Der Wärmeschild umfasst einen Reflektor mit einer zentralen Öffnung solcher Größe und Form, dass der Block beim Wachsen von ihm umgeben ist, um den Wärmeübergang aus dem Tiegel zu verringern. Der Reflektor ist so eingerichtet, dass er in dem Kristallziehgerät zwischen dem geschmolzenen Material und einer Kamera gehalten wird, die auf wenigstens drei getrennte Punkte auf einem Meniskus gerichtet ist, der sich zwischen dem Block und der oberen Oberfläche des geschmolzenen Materials bildet. Der Reflektor hat wenigstens drei Passagen, die sich durch den Reflektor erstrecken. Jede Passage verläuft längs einer gedächten Linie, die sich zwischen der Kamera und einem der Punkte auf dem Meniskus erstreckt. Dies erlaubt der Kamera die Sicht auf die Punkte, so dass die Positionen der Punkte zwecks Berechnung des Blockdurchmessers von der Kamera bestimmt werden können, während der Wärmeverlust durch die Passagen minimiert wird.
• Bei einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Apparatur der Erfindung ein Kristallziehgerät zur Bildung eines monokristallinen Blocks. Das Kristallziehgerät umfasst einen Tiegel zur Aufnahme von geschmolzenem Halbleiter-Ausgangsmaterial, aus dem der monokristalline Block gezüchtet wird, und einen Heizkörper zur Erhitzung des Tiegels. Das Ziehgerät umfasst auch einen Ziehmechanismus zum Ziehen des Blocks aus dem geschmolzenem Material und eine über dem geschmolzenen Material angeordnete Kamera. Die Kamera zielt auf wenigstens drei getrennte Punkte auf dem Meniskus, der sich zwischen dem Block und einer Oberfläche des geschmolzenen Materials bildet. Ferner umfasst das Ziehgerät einen Wärmeschild, der zwischen dem geschmolzenen Material und der Kamera angeordnet ist. Der Wärmeschild hat eine zentrale Öffnung solcher Größe und Form, dass er den Block beim Wachsen umgibt, um den Wärmeübergang aus dem Tiegel zu verringern. Der Wärmeschild hat wenigstens drei sich durch ihn erstreckende Passagen. Jede der Passagen ist längs einer gedachten Linie angeordnet, die sich zwischen der Kamera und einem der Punkte auf dem Meniskus erstreckt. Dies erlaubt der Kamera die Sicht auf die Punkte, so dass die Positionen der Punkte zur Berechnung des Blockdurchmessers bestimmt werden können, während der Wärmeverlust durch die Passagen minimiert wird.
• Bei noch einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die erfindungsgemäße Apparatur ein Wärmeschild mit einem Reflektor mit einer zentralen kreisförmigen Öffnung, um den Block zu umgeben und den Wärmeübergang aus dem Tiegel zu verringern, wenn der Block wächst. Die zentrale Öffnung hat einen Durchmesser, der über wenigstens etwa 325º des Blockumfangs um nicht mehr als etwa 10% größer als der vorbestimmte maximale Zieldurchmesser des Block ist.
• Andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden weiter unten zum Teil klar und zum Teil näher ausgeführt.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
• Fig. 1 ist ein schematischer vertikaler Teilschnitt eines Wärmeschilds und eines Kristallziehgeräts der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 2 ist eine Aufsicht eines äußeren Reflektors des Wärmeschilds.
• Fig. 3 ist eine Teilansicht des äußeren Reflektors, gesehen aus der durch die Linie 3-3 der Fig. 2 angegebenen Sicht.
• Fig. 4 ist eine Darstellung des axialen Temperaturgradienten in dem Block als Funktion der Oberflächentemperatur des Blocks entlang seiner Länge.
• Fig. 5 ist eine Darstellung des axialen Temperaturgradienten in dem Block an der Erstarrungsgrenzfläche als Funktion des Radius.
• Entsprechende Bezugszahlen bezeichnen in den verschiedenen Ansichten der Zeichnung entsprechende Teile.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
• Bezugnehmend nunmehr auf die Zeichnung und insbesondere auf die Fig. 1 wird das Kristallziehgerät in seiner Gesamtheit durch die Bezugszahl 10 bezeichnet. Das Ziehgerät 10 dient zum Züchten von monokristallinen Blöcken I der Art, die zur Herstellung von Halbleiterscheiben benutzt wird. Das Kristallziehgerät 10 hat einen wassergekühlten Mantel (allgemein mit 10 bezeichnet), dessen Inneres eine Kristallwachstumskammer 14 und eine über der Wachstumskammer angeordnete Ziehkammer 16 enthält. Ein Quarztiegel 20 ist in der Wachstumskammer 14 angeordnet, um geschmolzenes Halbleiter-Ausgangsmaterial S aufzunehmen, aus dem der monokristalline Siliziumblock I gezüchtet wird. Der Tiegel 20 ist auf einem motorangetriebenen Drehtisch 22 montiert, der den Tiegel um eine vertikale Achse dreht und anhebt, um die Oberfläche des geschmolzenen Ausgangsmaterials S auf einem gleichbleibenden Niveau zu halten, wenn der, Block I wächst und das Ausgangsmaterial aus der Schmelze entfernt wird.
• Ein Erhitzer 24 umgibt den Tiegel 20 und schmilzt das Ausgangsmaterial S in dem Tiegel 20. Der Erhitzer 24 wird durch ein äußeres Steuersystem (nicht dargestellt) so gesteuert, dass die Temperatur des geschmolzenen Ausgangsmaterials während des Ziehverfahrens genau gesteuert wird. Eine den Erhitzer 24 umgebende Isolierung 26 vermindert die durch die Seiten des Mantels 12 verlorengehende Wärmemenge und trägt dazu bei, die Aussenwandungen des Ziehgeräts relativ kühl zu halten.
• Ein Ziehmechanismus 30 (von dem in Fig. 1 nur ein Teil gezeigt ist) dreht einen Keimkristall C und bewegt ihn auf und ab durch die Wachstumskammer 14 und die Ziehkammer 16. Zuerst senkt der Mechanismus 30 den Keimkristall C durch die Kammern 14, 16, bis er die Oberfläche des geschmolzenen Ausgangsmaterials S berührt. Dann hebt der Ziehmechanismus 30 den Kristall C durch die Kammern 14, 16 langsam an, um den monokristallinen Block I zu züchten. Die Geschwindigkeit, mit welcher der Ziehmechanismus 30 den Kristall C dreht, und die Geschwindigkeit mit welcher der Ziehmechanismus den Kristall hochfährt (d. h. die Ziehgeschwindigkeit v), werden durch das äußere Steuersystem gesteuert. Das Steuersystem steuert auch die Geschwindigkeit, mit der sich der Tiegel 20 während des Ziehverfahrens bewegt.
• Eine Sichtöffnung 32 erstreckt sich durch den Mantel 12, so dass eine über der Öffnung angebrachte Kamera 34 Sicht auf den wachsenden Block I hat. Die Kamera 34 ist in die Wachstumskammer 16 gerichtet, so dass sie Sicht auf drei getrennte Punkte P (von denen nur einer in Fig. 1 gezeigt ist) auf einem Meniskus M hat, der zwischen dem Block I und der oberen Oberfläche des geschmolzener Ausgangsmaterials S gebildet ist. Die Positionen dieser drei Punkte P werden in einer bekannten Rechenanweisung benutzt, um den Durchmesser des Blocks I zu berechnen, so dass die Betriebsparameter, wie die Ziehgeschwindigkeit und die Materialtemperatur, eingestellt werden können, um den Blockdurchmesser zu steuern. Die allgemeine Konstruktion und Betriebsweise des Kristallziehgeräts 10, soweit sie nicht unten näher erläutert werden, sind herkömmlicher Art und den Fachleuten bekannt.
• Über der oberen Oberfläche des geschmolzenen Ausgangsmaterials S ist ein allgemein mit 40 bezeichneter Wärmeschild angebracht. Der Wärmeschild 40 der bevorzugten Ausführungsform hat im Allgemeinen eine isolierende Schicht 42, die sandwichartig zwischen koaxial positioniertem inneren bzw. äußeren Reflektor 44, 46 angeordnet ist. Der innere Reflektor 44 verjüngst sich konisch nach innen und nach unten, um Wärme nach oben gegen den wachsenden Block I zu reflektieren. Der innere Reflektor 44 hat eine zentrale Öffnung 48, die dem Block I erlaubt, durch den Wärmeschild 40 hindurchzutreten. Ein unterer Rand des inneren Reflektors 44 umgibt die zentrale Öffnung 48 und ruht in einer in dem äußeren Reflektor 46 ausgebildeten Rille 50. Der äußere Reflektor 46 ist schalenförmig, so dass er Wärme nach unten von dem Block I weg reflektiert und Konvektionsluftströme nach außen leitet, wenn sie durch den Tiegel 20 emporsteigen. Ein Rand 52 längs der Oberkante des äußeren Reflektors 46 enthält Löcher 54 zur lösbaren. Anbringung des Wärmeschildes 40 mittels Befestigungselementen 56 an dem Ziehgerät 10. Der innere und der äußere Reflektor 44 bzw. 46 der bevorzugten Ausführungsform sind aus 8 mm dickem Quarz hergestellt. Die bei der bevorzugten Ausführungsform benutzte Isolierschicht. 42 besteht aus einem kohlenstoffgebundenen Kohlenstofffaser-Isoliermaterial.
• Wie in Fig. 2 gezeigt hat der äußere Reflektor 46 eine zentrale Öffnung 60, die mit der zentralen Öffnung 48 des inneren Reflektors 44 ausgefluchtet ist, und nach Größe und Form so ausgebildet ist, dass sie den Block I umgibt, wenn dieser wächst. Beispielsweise ist die zentrale Öffnung 60 der bevorzugten Ausführungsform im Allgemeinen kreisförmig, um sich dem im Allgemeinen kreisförmigen Querschnitt des zylindrischen Blocks I anzupassen. Ferner beträgt der Durchmesser der zentralen Öffnung 60 der bevorzugten Ausführungsform, die für Ziehgeräte 10 zum Wachsen von Blöcken I mit einem maximalen Nenn-Zieldurchmesser von etwa 200 mm dienen soll, etwa 220 mm. Die zentrale Öffnung der am meisten bevorzugten Ausführungsform hat einen Durchmesser, der nicht mehr als etwa 10% größer (d. h. um das 1,1-fache größer) als der vorbestimmte maximale Zieldurchmesser des Blocks I ist. Somit hat die Öffnung 60 des Wärmeschildes einen Durchmesser, der gleich dem maximalen Zieldurchmesser des Blocks plus der zulässigen Abweichung jenes Durchmessers und einer gewissen Sicherheitsreserve ist, um eine Auslauftoleranz des Ziehmechanismus 30 gegenüber der Wärmeschildöffnung zu bilden.
• Wie ferner in Fig. 2 gezeigt, hat der äußere Reflektor 46 drei Passagen 62a-62c, die sich an der zentralen Öffnung 60 durch den Reflektor erstrecken. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist jede dieser Passagen 62a-62c längs einer gedachten Linie L (von denen in Fig. 1 nur eine gezeigt ist) angeordnet, die sich zwischen der Kamera und einem der Punkte auf dem Meniskus M erstreckt, auf den die Kamera gerichtet ist, wenn der Wärmeschild 40 in dem Kristallziehgerät 10 zwischen dem geschmolzenen Material S und der Kamera 34 gehaltert ist. Diese Passagen 62a-62c erlauben der Kamera 34 die Sicht auf die Punkte P, so dass die Positionen der Punkte für die Berechnung des Durchmessers des Blocks I bestimmt werden können. Obgleich die gezeigte Ausführungsform nur drei Passagen 62a-62c hat, kann der Wärmeschild 40 mehr Passagen haben, wenn die Kamera 34 mehr Punkte P auf dem Meniskus M anvisieren soll.
• Wie in Fig. 2 gezeigt, sind die Passagen 62a-62c der bevorzugten Ausführungsform U-förmige Kerben, die sich zur zentralen Öffnung 60 des äußeren Reflektors 46 hin öffnen. Jede der Passagen 62a-62c ist so auf einem Bogen positioniert, dass die Endpassagen 62a und 62c unter einem Winkel A von etwa 15º bis etwa 50º zu der mittleren Passage 62b stehen, und insbesondere stehen sie unter einem Winkel von etwa 35º zu der mittleren Passage. Wie dem Fachmann verständlich ist, erlaubt diese Passagenausrichtung der Kamera 34 die Sicht auf drei Punkte P auf dem Meniskus M, die in 45º-Intervallen beabstandet sind. Die Erfahrung hat gezeigt, dass dieser Punkteabstand zu einer genauen Messung des Durchmessers des Blocks I führt.
• Wie in Fig. 3 gezeigt, haben die Passagen 62a-62c wirksame Sichtbreiten W, gemessen senkrecht zu der entsprechenden gedachten Linie L, die weit genug sind, dass die Kamera 34 Sicht auf einen genügenden Bereich entlang des Meniskus M haben kann, so dass sie den Meniskus von dem Block I und der Oberfläche des geschmolzenen Materials S unterscheiden kann und die Positionen der Punkte P genau bestimmt werden können. Die Breiten W der Passagen 62a-62c müssen jedoch minimiert werden, um den Wärmeverlust durch die Passagen zu verringern. Die Passagen 62a-62c der bevorzugten Ausführungsform haben wirksame Sichtbreiten W von etwa 10 mm. Dies führt dazu, dass jede der Endpassagen 62a, 62c breiter als die mittlere Passage 62b ist, wie in Fig. 2 gezeigt, um der perspektivischen Verkürzung Rechnung zu tragen, die entlang den durch die Endpassagen gehender gedachten Linien L auftritt. Außerdem führt dies bei Wärmeschilden 40 mit zentralen Öffnungen 60 für aufgenommene Blöcke I mit Durchmessern von 200 mm oder mehr dazu, dass der Durchmesser der zentralen Öffnung längs wenigstens etwa 325º ihres Umfangs um nicht mehr als etwa 10% größer ist als der vorbestimmte maximale Zieldurchmesser des Blocks. Somit wird der Wärmeverlust durch die zentrale Öffnung 60 und die Passagen 62a-62c minimiert. Die radial äußeren Enden der Passagen 62a-62c sind abgerundet, um Spannungskonzentrationen in dem Reflektor 46 zu verringern. Alle Passagen 62a-62c haben eine Länge D von etwa 40 mm, um der perspektivischen Verzerrung längs der gedachten Linien L Rechnung zu tragen und der Kamera die Sicht auf die Punkte P zu erlauben, selbst wenn das Niveau der Oberfläche S des geschmolzenen Materials variiert. Bei der bevorzugten Ausführungsform haben die Passagen 62a-62c eine vereinigte Fläche von weniger als etwa 30,4 cm². Die so ausgebildeten Passagen erlauben der Kamera 34 die Sicht auf vorgewählte Punkte P auf dem Meniskus M, so dass der Durchmesser des Blocks I berechnet werden kann, verhindern jedoch einen signifikanten Wärmeverlust von dem geschmolzenem Material S.
• Um die Wirksamkeit des oben beschriebenen Wärmeschildes 40 zu belegen, wurden Analysen von Temperaturgradienten Go des Blocks I für einen Wärmeschild der vorliegenden Erfindung und für einen Wärmeschild nach dem Stand der Technik durchgeführt. Der bekannte Wärmeschild hatte keine Passagen. Der bekannte Wärmeschild hatte vielmehr eine zentrale Öffnung, die groß genug war, dass die Kamera durch die Öffnung den Meniskus anvisieren konnte. Daher war der Durchmesser der zentralen Öffnung des bekannten Wärmeschildes etwa 1,5 mal so groß wie der Zieldurchmesser des Blocks verglichen mit der analysierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeschildes, dessen Öffnung etwa 1, 1 mal so groß wie der Zieldurchmesser des Blocks war. Die Ergebnisse der Analysen sind in den Fig. 4 und 5 gezeigt.
• Fig. 4 zeigt den axialen Temperaturgradienten G&sub0; durch den Block als Funktion der Oberflächentemperatur des Blocks. Im Allgemeinen sollte der mittlere maximale Temperaturgradient minimiert werden, aber der Block sollte auf die Erstarrung schnell abgekühlt werden, bis er einen Temperaturbereich erreicht, in dem Störstellenkeimbildung auftritt (z. B. zwischen etwa 1150ºC und etwa 1050ºC bei Silizium), so dass die Dauer des Verfahrens minimiert wird. In dem Bereich, wo Keimbildung von Störstellen auftritt, muss der Temperaturgradient G&sub0; möglichst klein sein, um die Auslösung von Störstellen zu vermeiden. Nachdem die Oberflächentemperatur unter die Keimbildungstemperatur fällt, sollte der Block wieder schnell abgekühlt werden, um die Zeitdauer zu minimieren, während der eine Agglomerierung von Störstellen auftreten kann. Ein Vergleich der Ergebnisse für den bekannten Wärmeschild (die ausgezogene Linie in Fig. 4) und den Wärmeschild der vorliegenden Erfindung (die gestrichelte Linie in Fig. 4) zeigt, dass der Wärmeschild der vorliegenden Erfindung wirksamer als der bekannte Wärmeschild ist.
• Wie aus den Maxima an dem rechten Ende der Kurven in Fig. 4 ersichtlich ist, ist der mittlere maximale axiale Gradient, der an der Erstarrungsgrenzfläche (d. h. im Allgemeinen an der Oberfläche der Schmelze von 1425ºC) auftritt, bei dem Wärmeschild der vorliegenden Erfindung niedriger als bei dem bekannten Wärmeschild. Außerdem ist der axiale Gradient über den Oberflächentemperaturbereich von etwa 1400ºC bis etwa 1250ºC bei dem erfindungsgemäßen Wärmeschild höher als bei dem bekannten Wärmeschild. Dies resultiert in einer schnelleren Abkühlung des Blocks, was die Zeitdauer des Ziehprozesses verringert. In den Temperaturbereichen, wo Keimbildung und Agglomeration von Störstellen auftritt (d. h. unter etwa 1150ºC), ergeben der bekannte Wärmeschild und der Wärmeschild der vorliegenden Erfindung etwa die gleichen axialen Gradienten. Somit reduziert der Wärmeschild der vorliegenden Erfindung den mittleren Temperaturgradienten, die Anzahl der Störstellen und die Verfahrensdauer im Vergleich zu dem bekannten Wärmeschild.
• Wie ferner in Fig. 5 gezeigt ist, führt der erfindungsgemäße Wärmeschild zu einem tieferen axialen. Temperaturgradienten G&sub0; in dem Außenbereich des Blocks. Infolge der Wirkungen der Konvektions- und Strahlungskühlung an der Blockoberfläche tendiert die Oberfläche dazu, schneller abzukühlen, und demzufolge ist der Temperaturgradient von der äußeren Oberfläche tendenziell höher. Da der Gradient an der Oberfläche höher ist, bilden sich mehr Störstellen in dem äußeren Bereich des Blocks. Idealerweise würde der Temperaturgradient an irgendeinem Radius der gleiche sein, d. h. die Kurve in Fig. 5 würde flach verlaufen. Durch Verringerung des mittleren Temperaturgradienten wie in Fig. 4 gezeigt, wird der mittlere Temperaturgradient an der Oberfläche verringert, wodurch sich die Anzahl der Störstellen an der Oberfläche verringert. Daher ist die Störstellenverteilung für mit dem erfindungsgemäßen Wärmeschild hergestellte Blöcke überall in dem Block gleichmäßiger als bei mit bekannten Wärmeschilden hergestellten Blöcken.
• Aus dem Obigen ist ersichtlich, dass die verschiedenen Ziele der Erfindung erreicht werden und andere vorteilhafte Ergebnisse erzielt werden.

Claims (11)

1. Wärmeschild zur Verwendung in einem Kristallziehgerät (10) um einen monokristallinen Block (I) herum, der aus einem mit geschmolzenem Halbleiter-Ausgangsmaterial (S) gefüllten Tiegel (20) in dem Kristallziehgerät (10) gezüchtet wird, wobei der Wärmeschild (40) einen Reflektor (46) mit einer zentralen Öffnung (60) umfasst, die nach Größe und Gestalt so ausgebildet ist, dass sie den Block (I) bei seinem Wachsen umgibt, um den Wärmeübergang aus dem Tiegel (20) zu verringern, wobei der Reflektor (46) für seine Halterung in dem Kristallziehgerät (10) zwischen dem geschmolzenen Material (S) und einer Kamera (34) eingerichtet ist, die auf wenigstens drei getrennte Punkte (P) auf einem zwischen dem Block (I) und einer oberen Oberfläche des geschmolzenen Materials (S) gebildeten Meniskus (M) zielt, und der Reflektor (46) wenigstens drei sich durch ihn erstreckende Passagen (62a, 62b, 62c) hat, und jede der Passagen (62a, 62b, 62c) längs einer sich zwischen der Kamera (34) und einem der Punkte (P) auf dem Meniskus (M) erstreckenden gedachten Linie (L) angeordnet ist, wodurch die Kamera (34) Sicht auf die Punkte (P) haben kann, so dass die Positionen der Punkte (P) für die Berechnung des Durchmessers des Blocks (I) durch die Kamera (34) bestimmt werden können, während der Wärmeverlust durch die Passagen (62a, 62b, 62c) minimiert wird.

2. Wärmeschild nach Anspruch 1, bei dem die Passagen (62a, 62b, 62c) Kerben sind, die sich zu der zentralen Öffnung (60) des Reflektors (46) hin öffnen.

3. Wärmeschild nach Anspruch 2, bei dem die Passagen (62a, 62b, 62c) eine mittlere Passage (62b) und aufeinander gegenüberliegenden Seiten der mittleren Passage (62b) angeordneten Endpassagen 62a, 62c) umfassen.

4. Wärmeschild nach Anspruch 3, bei dem jeder der Passagen (62a, 62b, 62c) auf einem Bogen positioniert ist und jede der Endpassagen (62a, 62c) von der mittleren Passage (62b) unter einem längs des Bogens gemessenen Winkel von 15º bis 50º getrennt ist.

5. Wärmeschild nach Anspruch 4, bei dem jede der Endpassagen (62a, 62c) unter einem längs des Bogens gemessenen Winkel von etwa 35º von der mittleren Passage (62b) getrennt ist.

6. Wärmeschild nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem jede der Endpassagen (62a, 62c) breiter als die mittlere Passage (62b) ist.

7. Wärmeschild nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Reflektor (46) ein erster Reflektor ist und der Wärmeschild (40) ferner einen zweiten Reflektor (44) umfasst, der im Allgemeinen koaxial zu dem ersten Reflektor (46) ist und eine mit der zentralen Öffnung (60) des ersten Reflektors (46) ausgefluchtete zentrale Öffnung (48) hat.

8. Wärmeschild nach Anspruch 8, ferner mit einer zwischen dem ersten Reflektor (46) und dem zweiten Reflektor (44) angeordneten Isolierschicht (42).

9. Wärmeschild nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die zentrale Öffnung (60) kreisförmig ist und einen Durchmesser hat, der um etwa das 1,1-fache größer als der Durchmesser des Blocks (I) ist.

10. Wärmeschild nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem jede der Passagen (62a, 62b, 62c) eine senkrecht zu der entsprechenden gedachten Linie (L) gemessene wirksame Sichtbreite (W) von etwa 10 mm hat.

11. Wärmeschild nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in Verbindung mit dem genannten Kristallziehgerät (10).