TWI404837B - 拉伸單晶之裝置 - Google Patents

Description

拉伸單晶之裝置

本發明係關於一種自一熔體拉伸一單晶之裝置，該單晶具有一位於兩個頸部之間的加寬部。

為了降低成本的目的，期望單晶的生產可以達到最大可能的晶體直徑和晶體長度。這對於矽單晶的例子而言尤其明顯，該等矽單晶係根據Czochralski方法並以工業規格之300毫米的標稱直徑(nominal diameter)以及超過300公斤的重量來拉伸。已發展出用以生產具有450毫米的標稱直徑之單晶的對應加工方法。

當晶種被放置在熔體上時，熱衝擊會導致位錯(dislocation)，其必須在拉伸單晶之前被消除。已證明可透過首先拉伸一相對細的頸部來消除位錯，在此過程中，迫使位錯自晶體中消除。在重單晶的情況下，尤其是在重量超過300公斤的矽單晶的情況下，頸部中的抗拉強度通常太弱以至於無法承受負載。因此實際上可以接受的是在負載達到臨界之前對頸部減載(relieve)。為了這個目的，頸部係經加寬並逐漸變細，以便在上頸部和下頸部之間產生一加寬部。下頸部係設計為比上頸部更粗並且相應地具有較大的抗拉強度。為了對上頸部減載，使用一支承裝置，其在加寬部的下方接合並且至少部分地承載單晶的重量。例如，加寬部可塑造為一雙椎體或者球體的形式。

US 2008/0022922 A1描述了一種支承裝置，包含一具有一開口和抓持夾具的支承環，該等抓持夾具係設置為在該支承環上彼此相對並可相對於一軸傾斜。該等抓持夾具可實現自一等待位置至一支持位置(holding position)的傾斜運動，在該支持位置下，該等抓持夾具係延伸至該開口中並位於該加寬部下方。該支承裝置具有該等抓持夾具係不可逆地掉落到該支持位置的缺點。該等落下之夾具之不受抑制的掉落會促進顆粒的產生，該等顆粒會威脅晶體的連續單晶生長。此外，該等抓持夾具無法再移動至該等待位置以在出現位錯之後回熔(back-melt)晶體。

根據US 5,843,229，支承裝置也可以設置為其可在加寬部下方可逆地接合。這可以依靠一具有兩個臂的抓持裝置實現，該等臂在一旋轉點交叉並且借助於液壓操作缸體(cylinder)而彼此相向和彼此遠離移動。此實施態樣的缺點在於該等臂係以剪切的方式彼此經過，因此可預期在生長中單晶的周圍一定會有較高程度的顆粒形成。此外，該等缸體在操作期間同樣會產生顆粒。然而，為了保護單晶而使用一可阻擋顆粒的護罩是不夠的，因為該護罩需要為該等臂保留穿透口。此外，該等穿透口需要有足夠的寬度，以避免阻礙該等臂的側向運動。

因此，本發明之目的係在於提供一種具有一支承裝置之用以拉伸一單晶的裝置，藉由該支承裝置可以可逆地對上頸部減載，因此可預計在生長中單晶的周圍不會有高程度的顆粒形成。

該目的係藉由一種自一熔體拉伸一單晶之裝置而達成的，該單晶具有一位於一上頸部與一下頸部之間的加寬部，該裝置包含一拉伸裝置，用以拉伸該單晶並具有一用以纏繞一拉伸纜線之纜線捲筒；以及一支承裝置，用以減輕該單晶之上頸部的重量，該支承裝置包含一支承環，其具有一開口以及抓持夾具，該等抓持夾具係緊固於該支承環上以使該等抓持夾具彼此相對並可繞一軸承之軸線樞轉，其中該等抓持夾具可實現自一等待位置至一支持位置的可逆樞轉運動，在該支持位置下，該等抓持夾具係延伸至該開口中並位於該加寬部下方；纜線捲筒，用以纏繞軸承纜線以及輔助纜線，該等軸承纜線和輔助纜線在該等抓持夾具之軸承之軸的兩側上被緊固在該等抓持夾具上；以及輔助輥，用以改變該等輔助纜線之纜線路徑，由此實現該等抓持夾具之樞轉運動。

根據本發明之裝置可以可逆地對該單晶的上頸部減載。儘管該等抓持夾具亦被認為是該單晶周圍顆粒的潛在來源，但是該等抓持夾具可以一受控制且仔細的方式調整，以使其僅很少地引起位錯。於該支持位置下，該等抓持夾具係以機械穩定的方式固定，以確保可靠的負載傳遞。

根據本發明，該二或多個抓持夾具之組係被可樞轉地安裝於一支承環上，並且懸掛於用以樞轉運動之軸的兩側上之兩個纜線(一軸承纜線和一輔助纜線)上，從而可使各自的輔助纜線相對於相關的軸承纜線垂直移動，進而導致該等抓持夾具之受控制且可逆的樞轉運動。此外，在該等抓持夾具處於折入(folded-in)的支持位置時，該軸承纜線和輔助纜線相對於該晶種支持器之同步垂直運動可允許一受控制的負載傳遞。於本發明之一較佳實施態樣中，二個抓持夾具係透過二個軸承纜線和二個輔助纜線而移動，該等纜線係纏繞在總計為二個的纜線捲筒上，該等纜線捲筒係在一共用的驅動軸上運轉。因此，僅需要一個驅動電動機來實現所有纜線並因而是整個支承裝置的同步垂直移動。為了完成該等輔助纜線相對於該等軸承纜線的垂直移動，在各種情況下，至少該等輔助纜線在從該等纜線捲筒延伸出之後係經由一引導輥而引導，且二個輔助輥係藉助於一驅動器而以一受控制的方式移動至該等輔助纜線之纜線路徑中，因此使得該等輔助輥的纜線路徑被延長。

於本發明之一特別較佳實施態樣中，該用以纏繞該拉伸纜線之纜線捲筒和其驅動器、該用以纏繞該等軸承纜線和輔助纜線之纜線捲筒及其驅動器、以及該等輔助輥和其驅動器係緊固於一共用的水平工作臺上，該共用水平工作臺可設置為繞該拉伸纜線之軸作旋轉運動。這種結構意味著該晶種支持器和該支承裝置的旋轉僅需要一個驅動電動機，且不會出現使旋轉運動同步的問題。

以下將參照附圖更詳細地說明本發明。

根據第1圖的裝置包含一真空爐1，該真空爐1的內部中，一石墨加熱電阻器2在一石英玻璃坩堝4中產生一矽熔體3。當一纜線捲筒7藉助一行程驅動器(stroke driver)9旋轉時，使用一纏繞在纜線鼓7上之拉伸纜線6自矽熔體3拉伸一矽單晶5。纜線捲筒7和行程驅動器9係位於一單元中，該單元被稱為一纜線旋轉頭部並且可藉助於一旋轉驅動器10而旋轉，從而使拉伸纜線6和單晶5也可繞它們各自的軸連續旋轉。當拉伸具有大約300公斤或者更多重量之重單晶時，當需要消除衝擊位錯的細矽頸部11在引晶之後的承重能力不再足夠時，晶體的重量需要一負載支承。為此，在拉伸細頸部11之後，拉伸一雙錐體13的提拉，接著拉伸一具有相應更高之承重能力的粗頸部12，然後，單晶以更加具體的方式被劃分為一初始錐、一具有恆定直徑的部分以及一錐底。為了在拉伸過程中支承單晶以及以機械方式對細頸部11減載，使用一支承裝置，其中兩個抓持夾具係可樞轉地置於一環形體內，下稱一支承環。承環16和抓持夾具係詳細例示於第2圖和第3圖中。在等待位置之抓持夾具係標示為17，且在支持位置之抓持夾具係標示為18。抓持夾具之朝內的端部係設置為使得抓持夾具18處於支持位置時，該端部可與單晶5的雙錐體13接觸。在各個抓持夾具係緊固於兩個纜線(軸承纜線14，輔助纜線15)以及纜線作用點係位於軸承之軸的兩側之抓持夾具上的情況下，可以受控制且可逆的方式來實現抓持夾具的樞轉運動。透過纜線14、15的相對垂直運動可引起抓持夾具的樞轉運動。當支承裝置處於卸載狀態下時，輔助纜線15可藉助於相對於軸承纜線14的運動而使抓持夾具向外或者向內樞轉。

支承環16設有抓持夾具之阻擋物，該等阻擋物可防止抓持夾具18在已經達到支持位置之後繼續樞轉運動。在抓持夾具18已經佔據支持位置之後，開始纜線14、15的同步向上運動，直至抓持夾具之朝內的端部與單晶5的雙錐體13接觸為止。由於纜線14、15的彈性，纜線14、15的進一步輕微向上運動會導致一支承力施加於雙錐體13上，該力會對細頸部11減載。在這種情況下，軸承纜線14實質上係作為一種如下之軸承纜線：單晶的重量係藉助於支承環16之阻擋物以及抓持夾具的軸承而被部分地傳遞至該軸承纜線。

用以纏繞拉伸纜線6之纜線捲筒7以及其行程驅動器9連同用以纏繞軸承纜線14和輔助纜線15之纜線捲筒21及其行程驅動器8係安裝於一共用的水平工作臺19上(第4圖)。工作臺19係設置為藉助於旋轉驅動器10而繞拉伸纜線6的軸旋轉。驅動器8和驅動器9因而可以彼此獨立地驅動拉伸纜線6的垂直運動以及支承裝置之纜線14、15的同步垂直運動。因為細頸部11的減載係在抓持夾具18與單晶5的雙錐體13接觸之後，以受控制之方式開始，所以可在纜線捲筒7、21上方插入引導輥24、25，纜線6、14、15延伸越過該等引導輥且該等引導輥的軸承係分別與負載單元(load cell)相連，因此在任何時間都可以得到因各個纜線的重量所導致之負載有關的電信號。為了確保所有纜線6、14、15各個都是垂直地延伸越過引導輥24、25，將纜線捲筒設置於其之驅動軸22、23上，以使纜線纏繞以及解開時，纜線捲筒可橫向移動且適當時可被調整是有利的。

可透過分別使用一個獨立的驅動器以及一個獨立的纜線捲筒以及一用於各個軸承纜線14和各個輔助纜線15之引導輥來實現纜線14、15彼此相互的移動，從而使抓持夾具樞轉。然而，特別有利的是，在各個情況中各對緊固於相同抓持夾具上之纜線14、15係使用一共用纜線捲筒21。此可確保在相關的纜線捲筒21旋轉時，兩個纜線14、15的完全同步垂直運動。樞轉抓持夾具的相對運動係透過一小輔助輥27而引起，該小輔助輥27係引入輔助纜線15之纜線路徑中並因而延長該纜線路徑(第5圖)。在完全朝內的抓持夾具18與雙錐體13相接觸之負載支承系統的情況中，小輔助輥27係自輔助纜線15的纜線路徑完全移開且因而不會干擾用以確定支承裝置之支承力的重量測量(第4圖)。

所有纜線捲筒21使用一共用的驅動軸23亦是特別有利的，這意味著所有纜線14、15的完全同步垂直運行，且可使用單個驅動器8來使抓持夾具起作用。第二驅動軸22連同纜線捲筒7的獨立驅動器9可用以卷起拉伸纜線6。因此，在考慮到來自引導輥24、25重量之重量信號的情況下，可藉由控制驅動軸22、23之驅動器8和驅動器9來控制自支承裝置內之提拉纜線6轉移負載至軸承纜線14的整個過程。如果支承裝置係處於卸載狀態時(第5圖)，則第三驅動軸26可使用一相對較弱且簡單的驅動器，以使小輔助輥27移動至輔助纜線15的纜線路徑。因此輔助纜線15係相對於軸承纜線14而向上移動一限定的距離，並導致抓持夾具向外樞轉。在抓持夾具17的這個等待位置下，支承裝置可藉助於所有纜線14、15的同步向上運動而移動進入一閒置位置。

1．．．真空爐

2．．．石墨加熱電阻器

3．．．矽熔體

4．．．石英玻璃坩堝

5．．．矽單晶

6．．．拉伸纜線

7、21．．．纜線捲筒

8．．．行程驅動器

9．．．行程驅動器

10．．．旋轉驅動器

11．．．細矽頸部

12．．．粗頸部

13．．．雙錐體

14．．．軸承纜線

15．．．輔助纜線

16．．．支承環

17、18．．．抓持夾具

19．．．共用的水平工作臺

22、23．．．驅動軸

24、25．．．引導輥

26．．．第三驅動軸

27．．．小輔助輥

第1圖所示為本發明用以製造矽單晶之裝置之一較佳結構；

第2圖所示為抓持夾具處於等待位置之支承環；

第3圖所示為抓持夾具處於支持位置之支承環；

第4圖所示為抓持夾具處於支持位置之狀態下之拉伸裝置和支承裝置的各個元件；以及

第5圖所示為抓持夾具處於等待位置之狀態下的拉伸裝置和支承裝置之各個元件。

1．．．真空爐

2．．．石墨加熱電阻器

3．．．矽熔體

4．．．石英玻璃坩堝

5．．．矽單晶

6．．．拉伸纜線

7、21．．．纜線捲筒

8．．．行程驅動器

9．．．行程驅動器

10．．．旋轉驅動器

11．．．細矽頸部

12．．．粗頸部

13．．．雙錐體

14．．．軸承纜線

15．．．輔助纜線

Claims (3)

1. 一種自一熔體拉伸一單晶之裝置，該單晶具有一位於一上頸部與一下頸部之間的加寬部，該裝置包含：一拉伸裝置，用以拉伸該單晶並具有一用以纏繞一拉伸纜線之纜線捲筒；以及一支承裝置，用以減輕該單晶之上頸部的重量，該支承裝置包含一支承環，其具有一開口以及抓持夾具，該等抓持夾具係緊固於該支承環上以使該等抓持夾具彼此相對並可繞一軸承之軸樞轉(pivoted)，其中該等抓持夾具可實現自一等待位置至一支持位置(holding position)的可逆樞轉運動，在該支持位置下，該等抓持夾具係延伸至該開口中並位於該加寬部下方；纜線捲筒，用以纏繞軸承纜線及輔助纜線，該等軸承纜線及輔助纜線在該等抓持夾具之軸承之軸的兩側上被緊固在該等抓持夾具上，其中各纜線捲筒係構形為一共同之纜線捲筒，用以纏繞與同一抓持夾具相關的該軸承纜線及該輔助纜線；用以纏繞該等軸承纜線及輔助纜線之該纜線捲筒的共用驅動器；以及輔助輥，用以改變該等輔助纜線之纜線路徑，由此實現該等抓持夾具之樞轉運動。
2. 如請求項1所述之裝置，其特徵在於一工作臺，其係繞該拉伸纜線之軸旋轉，且於該工作臺上設有該用以纏繞該拉伸纜 線之纜線捲筒、該等用以纏繞該等拉伸纜線及輔助纜線之纜線捲筒、以及該等輔助輥。
3. 一種自一熔體拉伸一單晶之方法，該單晶具有一位於一上頸部與一下頸部之間的加寬部，該方法包含：使用一拉伸裝置纜線捲筒纏繞一拉伸纜線；使用該拉伸纜線拉伸該單晶；以及減輕該單晶之上頸部的重量，其中該減輕包含提供一支承環，該支承環具有一開口以及抓持夾具，該等抓持夾具係彼此相對地位於該支承環上；可逆地使等抓持夾具繞一軸承之軸在一等待位置與一支持位置之間樞轉，其中各抓持夾具係與一軸承纜線及一輔助纜線相關的；延伸該等抓持夾具至該開口中並位於該單晶之加寬部位下方；提供纜線捲筒，各纜線捲筒係構形為與同一抓持夾具相關的該軸承纜線及該輔助纜線之一共同之纜線捲筒；使用該纜線捲筒纏繞該軸承纜線及該輔助纜線；以一共同驅動器驅動該等纜線捲筒；提供輔助輥；以及使用各自的輔助輥改變各自的輔助纜線的路徑，以使各自的抓持夾具樞轉。