DE19781966B4

DE19781966B4 - Vorrichtung zum Ziehen von Einkristallen

Info

Publication number: DE19781966B4
Application number: DE19781966A
Authority: DE
Inventors: Kiyofumi Nishiura
Original assignee: Sumitomo Mitsubishi Silicon Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 1996-09-03
Filing date: 1997-08-29
Publication date: 2008-05-08
Anticipated expiration: 2017-08-30

Abstract

Vorrichtung zum Ziehen von Einkristallen, mit einer Hauptzieheinrichtung (21) vom Drahttyp zum Ausbilden eines gestuften Angreifteils (6) in Form eines umgekehrten Kegels am zu ziehenden Einkristall, während dieser gedreht wird, einem Haltemechanismus (11) zum Angreifen am gestuften Angreifteil des Einkristalls über Angreifelemente und einer Unterzieheinrichtung (22) vom Drahttyp zum Verstellen des Haltemechanismus (11) nach oben und unten, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterzieheinrichtung (22) den Haltemechanismus (11) mittels einer Ausgleichseinrichtung (16) zum Verhindern eines Verkippens des Haltemechanismus (11) nach oben und unten verstellt und ihn synchron mit der Ziehgeschwindigkeit der Hauptzieheinrichtung anhebt und die Ausgleichseinrichtung (16) durch einen Halter (12) mittels Stiften (17) gehalten wird.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Ziehvorrichtung zum Herstellen von Einkristallen durch das Czochralskiverfahren (nachfolgend einfach als "CZ-Verfahren" bezeichnet), und spezieller betrifft sie eine Vorrichtung zum Ziehen von Einkristallen, die auch schwere Einkristalle ziehen kann, ohne dass die Gefahr eines Herabstürzens des Kristalls besteht.
Hintergrundbildende Technik
Es existieren viele Verfahren zum Herstellen von Einkristal len. Unter diesen wird häufig das CZ-Verfahren zum Züchten von Siliziumeinkristallen bei industrieller Massenherstellung verwendet. Bei diesem Verfahren wird ein Einkristall dadurch hergestellt, dass als Erstes ein Kristallkeim in Kontakt mit der Oberfläche der Schmelze eines in einem Tiegel enthaltenen zu kristallisierenden Materials gebracht wird und dann der Tiegel gedreht wird und der Kristallkeim nach oben gezogen wird, während er in der Richtung entgegengesetzt zur Drehrichtung des Tiegels gedreht wird, wobei aufgrund der am unteren Ende des Kristallkeims erstarrenden Schmelze ein Einkristall wächst.
Beim Herstellen eines Einkristalls unter Verwendung des CZ-Verfahrens ist es erforderlich, Versetzungen vollständig zu beseitigen, wie sie durch den Wärmeschock erzeugt werden, wenn der Kristallkeim in Kontakt mit der Schmelze gebracht wird, damit sich keine Versetzungen in das Volumen des Einkristalls ausbreiten. Um diesem Erfordernis zu genügen, wird im Allgemeinen ein sogenannter "Halseinschnürungsprozess" verwendet. Bei diesem Prozess wird der Durchmesser eines Einkristalls auf einen kleinen Wert verringert, um Versetzungen an der Kristalloberfläche zu beseitigen und einen von Versetzungen freien Einkristall zu erhalten. Der Durchmesser der Halseinschnürung, wie zum Entfernen von Versetzungen erforderlich, beträgt ungefähr 3 mm, und seine Länge beträgt 30 mm.
Das Gewicht eines durch das CZ-Verfahren hergestellten Einkristalls war bisher auf ungefähr 20 bis 30 kg begrenzt. Jedoch entstanden in den letzten Jahren starke Forderungen hinsichtlich einer Erhöhung des Wirkungsgrads bei der Herstellung von Halbleitern, was zur Tendenz erhöhter Durchmesser und Längen von Einkristallen führte. Im Ergebnis werden häufig Einkristalle mit 100 kg oder mehr erzeugt. Das Gewicht eines Einkristalls wird durch den schlanken, verjüng ten Halseinschnürungsteil getragen. Jedoch besteht hinsichtlich des Lasthaltevermögens des Halseinschnürungsteils eine Grenze, so dass das Gewicht hergestellter Einkristalle nicht beliebig erhöht werden kann. Wenn ein Einkristall schwer ist und er während des Ziehvorgangs eine Torsionskraft oder eine Biegespannung erfährt, reißt sein Halseinschnürungsteil, und der Einkristall fällt in die Schmelze im Tiegel. Dies führt nicht nur zu Unannehmlichkeiten wie einer Beschädigung der Ziehvorrichtung, einem Überfließen der Schmelze und einer Explosion von Dämpfen, sondern es treten auch Verletzungen und sogar Todesfälle auf.
Um Unfälle wie das Herabstürzen von Einkristallen während des Ziehvorgangs, deren Auftrittswahrscheinlichkeit zunimmt, wenn Einkristalle immer schwerer werden, wurden verbesserte Ziehvorrichtungen vorgeschlagen (siehe z. B. JP-A-3-285893 und JP-A-3-295893 ). Dabei wird das Herabstürzen eines Einkristalls im Verlauf des Ziehvorgangs dadurch verhindert, dass eine Konstruktion verhindert wird, bei der im oberen Teil des Einkristalls ein gestufter Angreifteil ausgebildet wird, der durch mehrere Haken oder mehrere Greifhalter mit jeweils einem Haken ergriffen wird. So kann auch ein schwerer Einkristall zuverlässig und sicher gezogen werden, wenn die vorgeschlagenen Ziehvorrichtungen mit einer derartigen Konstruktion verwendet werden.
Die in JP-A-3-285893 und JP-A-3-295893 offenbarten Ziehvorrichtungen sorgen dafür, dass die Haken oder die Haken oder die Greifhalter mit Haken am am Einkristall ausgebildeten gestuften Angreifteil angreifen und diesen festhalten, wobei es bei dieser Vorrichtungsart aus Qualitätsgründen wichtig ist, eine Verschiebung des Zentrums eines Einkristalls gegen die Ziehachse während des Ziehvorgangs zu beseitigen. So verfügen die oben genannten Ziehvorrichtungen über mehrere Haken oder mehrere Greifhalter, damit die Verschiebung durch Feineinstellung der einzelnen Haken oder Greifhalter beseitigt werden kann, so dass das Angreifen am gestuften Angreifteil eines Einkristalls sowie das Festhalten desselben zuverlässig werden.
Da jedoch Einkristalle in einer geschlossenen Vakuumkammer gezogen werden, ist es extrem schwierig, die Haken oder Greifhalter von außen durch Fernbetätigung in solcher Weise feineinzustellen, dass sie mit dem gestuften Angreifteil des Einkristalls übereinstimmen, der dauernd angehoben und gedreht wird. Im Ergebnis besteht die Tendenz, dass bei dem Einstellen ihrer Positionen, an denen sie am gestuften Angreifteil angreifen, Fehler auftreten, und wenn einmal eine Verschiebung aufgetreten ist, ergibt sich nicht nur eine deutliche Beeinträchtigung der Qualität eines gezogenen Einkristalls, sondern der Einkristall wird auch aufgrund einer während des Ziehvorgangs wirkenden Torsionskraft so stark gekippt, dass die Haken oder Greifhalter außer Eingriff gelangen können, wodurch der Einkristall herabstürzt.
Die US 5,126,113 A offenbart eine Ziehvorrichtung, die einen Einkristall erzeugt und die eine Hauptziehvorrichtung sowie Unterziehvorrichtungen mit einem Haltemechanismus zum Greifen eines abgestuften Abschnitts des Einkristalls über Eingriffsmittel aufweist. Diese bekannte Vorrichtung offenbart keine Maßnahmen, eine Verkippung des Haltemechanismus zu verhindern. Durch derartige Verkippungen kann es zum Zerstören des Einkristalls während des Ziehvorgangs kommen.
Die JP 05-270 975 A offenbart eine Vorrichtung zum Ziehen von Kristallen, die einen Torsionsverhinderungsring aufweist. Dieser Torsionsverhinderungsring ist als runde Platte ausgebildet, in welcher zwei Führungslöcher an Orten vorgesehen sind, wo zwei Unterziehdrähte durch die Platte hindurchlaufen. Ein Hauptziehdraht ist in der Mitte des Torsionsverhinderungsrings befestigt und die beiden Führungslöcher liegen bezüglich der Mitte des Torsionsverhinderungsrings einander gegenüber. Dieser Aufbau sorgt dafür, dass ein Verdrehen der Unterziehdrähte gegenüber dem Hauptzugdraht zwischen dem Kopf und einem Zugring verhindert wird.
Ein derartiger Torsionsverhinderungsring dient dazu, Hilfs- oder Unterziehdrähte daran zu hindern, sich um den Hauptzugdraht zwischen dem Kopf und dem Zugring torsionsartig zu verdrehen, da der Hauptzugdraht in der Mitte des Torsionsverhinderungsrings fixiert ist, wobei die Unterziehdrähte durch die beiden Führungslöcher hindurchgeführt sind, die auf voneinander abgewandten Seiten gegenüber der Mitte des Torsionsverhinderungsrings vorgesehen sind. Dieser Ring ist nicht in der Lage, ein Verkippen oder eine Neigung des Zugrings zu verhindern.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Ziehen von Einkristallen zu schaffen, mit der Einkristalle wirkungsvoll und sicher hergestellt werden können, ohne dass der Einkristall beim Ziehvorgang herabstürzen kann, und zwar selbst dann, wenn ein schwerer Kristall gezogen wird, d. h., dass die Vorrichtung zuverlässig am am Einkristall vorhandenen gestuften Angreifteil angreifen soll.
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäß vorgesehene Einrichtung zum Verhindern eines Verkippens ist über Verbindungsstifte an einem Halter abgestützt und hängt an den beiden Unterziehdrähten. Aufgrund dieser Ausgestaltung des Haltemechanismus neigt sich die Einrichtung zum Verhindern eines Verkippens wenn die beiden Unterziehdrähte ungleichmäßig auf- oder abgewickelt werden. Eine derartige Neigung der Einrichtung wird jedoch absorbiert, da der Halter, der über die Verbindungsstifte an der Einrichtung angelenkt ist, durch die Erdanziehungskraft stets in vertikaler Richtung gehalten wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Durch Verwenden derartiger Steuerungssysteme kann die Vorrichtung einen Einkristall ziehen, während die Ziehgeschwindigkeit und die Lastverteilung zwischen einer Hauptzieheinrichtung und einer Unterzieheinrichtung eingestellt werden.
Als Angreifelement des Haltemechanismus werden gemäß einer Weiterbildung der Erfindung solche mit Selbstklemmfunktion verwendet, die dazu dient, Ungleichmä ßigkeiten in der Umfangsform des gestuften Angreifteils durch Betätigung von Verbindungshebeln 14 oder Klemmhebeln 15 aufzuheben. Im Ergebnis können die Angreifelemente den gestuften Angreifteil durch Oberflächenkontakt selbst dann sicher halten, wenn der gestufte Angreifteil ungleichmäßige Form aufweist, wodurch Unfälle durch Herabstürzen von Einkristallen vermieden werden können. "Angreifelemente mit Selbstklemmfunktion" soll Angreifelemente bezeichnen, die in zweckdienlicher Weise am Angreifteil angreifen, während sie sich leicht öffnen, wenn sie nach oben gezogen werden, während sie sich schließen, wenn sie nach unten geschoben werden, was durch Betätigen der Verbindungshebel 14 oder der Klemmhebel 15 erfolgt, wie es in den 1, 3 und 6 dargestellt ist, auf die später Bezug genommen wird (die Angreifelemente sind z. B. Klemmhaken 13, Verbindungshebel 14, Stifte 34 und Langlöcher 35 oder Klemmhebel 15).
Bei einer anderen Weiterbildung der Erfindung können solche Angreifelemente vorgesehen sein, die einteilig aus einem Haltehebel 42 und einem Drehhebel 43 bestehen, wie es in den 9 und 11 dargestellt ist, auf die später Bezug genommen wird. Der distale Endteil des Drehhebels 43 innerhalb der das Angreifelement bildenden Komponenten steht in Kontakt mit einer Schubstange 44.
Im Ergebnis kann durch die Erfindung eine Verkippung des Haltemechanismus 11 vermieden werden, wodurch stabiler Ziehbetrieb realisiert wird und die Qualität von Einkristallen verbessert wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine geschnittene Längsansicht zum Veranschaulichen eines beispielhaften allgemeinen Aufbaus einer ersten Ziehvorrichtung gemäß der Erfindung, und 2 ist ein Querschnitt eines Haltemechanismus und einer Einrichtung entlang einer Linie A-A in 1 und in 8 auf die später Bezug genommen wird.
3A bis 3C sind Diagramme zum Veranschaulichen der Konstruktion eines Angreifelements, das am Haltemechanismus der in 1 dargestellten ersten Ziehvorrichtung vorhanden ist, wobei 3A ein Diagramm ist, das die allgemeine Konstruktion veranschaulicht, während die 3B und 3C Diagramme sind, die Details veranschaulichen.
4 ist ein Diagramm zum Veranschaulichen von Steuerungssystemen von Ziehmotoren bei einer erfindungsgemäßen Ziehvorrichtung, und 5 ist ein Diagramm, das die Änderung einer vom Haltemechanismus der Ziehvorrichtung getragenen Last zeigt.
6 ist eine geschnittene Längsansicht, die eine andere beispielhafte Konstruktion der ersten Ziehvorrichtung veranschaulicht, und 7 ist ein Diagramm zum Veranschaulichen der Konstruktion eines Angreifelements, das an einem Ziehmechanismus der in 6 dargestellten Ziehvorrichtung vorhanden ist.
8 ist eine geschnittene Längsansicht zum Veranschauli chen eines beispielhaften allgemeinen Aufbaus einer zweiten Ziehvorrichtung gemäß der Erfindung, und 9 ist eine Draufsicht zum Veranschaulichen einer beispielhaften Konstruktion von Angreifelementen, wie sie an einem Haltemechanismus vorhanden sind, gesehen entlang einer Linie B-B in 8.
10. ist ein Diagramm zum Veranschaulichen, wie die Angreifelemente sich in Zusammenhang mit dem Absenken des Haltemechanismus bei der zweiten Ziehvorrichtung drehen.
Beste Art zum Ausführen der Erfindung
Nun wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ziehen von Einkristallen speziell beschrieben.
1. Erste Ziehvorrichtung
Die erste erfindungsgemäße Ziehvorrichtung unterzieht einen Kristallkeim dadurch einem Halseinschnürungsprozess, dass dafür gesorgt, dass eine Hauptzieheinrichtung als Erstes den Kristallkeim in die Oberfläche einer Schmelze eintaucht und danach einen Kristall zieht, während dieser gedreht wird, und sie dann einen gestuften Angreifteil mit umgekehrter Kegelform am Einkristall ausbildet, woraufhin sie eine Schulter ausbildet und schließlich das Volumen des Einkristalls zieht. Andererseits wird, während das Gewicht des Einkristalls mit fortschreitendem Ziehvorgang zunimmt, der Betrieb einer Unterzieheinrichtung zum Halten des Einkristalls, bevor dessen Gewicht die Lastgrenze erreicht, die durch den Halseinschnürungsteil gehalten werden kann, gestartet.
Ein spezielles Betriebsbeispiel für die Vorrichtung ist das folgende. Wenn ein Haltemechanismus, der in einer oberen Stellung bereitsteht, durch den Absenkvorgang der Unterzieheinrichtung abgesenkt wird, ermöglichen es am Haltemechanismus vorhandene Angreifelemente, dass der Abschnitt des gestuften Angreifteils mit umgekehrter Kegelform mit großem Durchmesser durch die geöffneten Angreifelemente hindurchtreten kann, während sie durch den gestuften Angreifteil nach oben geschoben werden. Wenn die Angreifelemente durch das Gewicht des Einkristalls belastet werden, nachdem der Abschnitt des gestuften Angreifteils mit großem Durchmesser durch sie hindurchgetreten ist, üben diese Angreifelemente durch die Funktion von Verbindungshebeln oder Klemmhebeln eine Selbstklemmfunktion aus. Dabei sorgt eine Verkippungsverhinderungseinrichtung für den Haltemechanismus, wie eine Ausgleichseinrichtung, dafür, dass der Einkristall an seinem gestuften Angreifteil zuverlässig ergriffen wird, und sie beseitigt auch eine Verschiebung des gezogenen Einkristalls.
Wenn der Haltemechanismus seine Funktion des Angreifens am Einkristall sowie des Festhaltens desselben abschließt, wird er mit der Ziehgeschwindigkeit der Hauptzieheinrichtung, synchron mit derjenigen der Unterzieheinrichtung, angehoben. Ferner können die Ziehgeschwindigkeit und die Lastverteilung des Einkristalls dadurch gesteuert werden, dass der Antriebsmotor der Hauptzieheinrichtung durch ein Geschwindigkeitssteuerungssystem betrieben wird und der Antriebsmotor der Unterzieheinrichtung durch ein Zugkraft-Steuerungssystem betrieben wird.
Nachfolgend werden spezielle beispielhafte Konstruktionen (Ausführungsbeispiele 1 bis 2) der ersten Ziehvorrichtung auf Grundlage der Zeichnungen beschrieben.
1-1. Ausführungsbeispiel 1
1 ist eine geschnittene Längsansicht zum Veranschaulichen des allgemeinen Aufbaus des Ausführungsbeispiels 1 der ersten erfindungsgemäßen Ziehvorrichtung. Wie es in 1 dargestellt ist, ist ein Tiegel 1 im Zentrum einer Vakuumkammer (nicht dargestellt) vorhanden, und er enthält eine Schmelze 2 von Polysilizium, das als Ausgangsmaterial dient. Über dem Tiegel 1 befinden sich ein Kristallkeimhalter 10 und ein Haltemechanismus 11. Ferner befinden sich über dem Halter 10 und dem Mechanismus 11 eine Hauptzieheinrichtung 21 und eine Unterzieheinrichtung 22. Die Einrichtung 21 zieht einen Siliziumeinkristall 3 unter Drehung desselben, und die Einrichtung 22 verstellt den Haltemechanismus 11 nach oben und unten. Die Einrichtungen 21 und 22 bilden einen Ziehmechanismus 20.
Beim Ausführungsbeispiel 1 sind ein einzelner Hauptdraht 18, der durch die Hauptzieheinrichtung 21 aufzuwickeln ist, und zwei Unterdrähte 19, die durch die Unterzieheinrichtung 22 aufzuwickeln sind, so aufgehängt, dass sie unabhängig voneinander nach oben und unten verstellbar sind. Ferner wird der Ziehmechanismus 20 mit der Hauptzieheinrichtung 21 und der Unterzieheinrichtung 22 durch eine nicht dargestellte Konstruktion in einer vorbestimmten Richtung gedreht, um ei nen Einkristall während des Ziehvorgangs mit konstanter Geschwindigkeit zu drehen.
Der Kristallkeimhalter 10 ist am unteren Ende des Hauptdrahts 18 befestigt, während der Haltemechanismus 11 an den distalen Enden der zwei Unterdrähte 19 über eine Ausgleichseinrichtung 16 angeordnet ist. Die bei diesem Ausführungsbeispiel verwendete Ausgleichseinrichtung 16 wirkt als Verkippungsverhinderungseinrichtung für den Haltemechanismus 11.
2 ist ein Querschnitt des Haltemechanismus und der Ausgleichseinrichtung entlang der Linie A-A. Die Konstruktion des Haltemechanismus ist bei der ersten Ziehvorrichtung dergestalt, dass, wie es in 2 dargestellt ist, die Ausgleichseinrichtung 16 durch einen Halter 12 mittels Stiften 17 gehalten wird, wobei sie an den zwei Unterdrähten 19 aufgehängt ist. Da der Haltemechanismus eine solche Konstruktion aufweist, verkippt die Ausgleichseinrichtung 16, wenn die zwei Unterdrähte 19 nicht phasengleich auf- oder abgewickelt werden. Jedoch wird eine derartige Verkippung der Ausgleichseinrichtung 16 aufgefangen, da der Halter 12, der sie über die Stifte 17 trägt, durch die Schwerkraft immer in der vertikalen Richtung gehalten wird.
Die 3A, 3B und 3C zeigen Diagramme zum Veranschaulichen der Konstruktion jedes Angreifelements am Haltemechanismus des Ausführungsbeispiels 1, wobei 3A die allgemeine Konstruktion zeigt und die 3B und 3C Einzelheiten in Abschnitten X und Y der allgemeinen Konstruktion zeigen. Wie es aus den 3A, 3B und 3C erkennbar ist, ist das Angreifelement am unteren Ende der Innenfläche des Halters 2 angeordnet, und es umfasst einen einzelnen Klemmhaken 13 sowie einen oberen und einen unteren Verbindungshebel 14 für denselben. Die Verbindungshebel 14 können in beliebiger Wei se am Halter 12 befestigt sein, und der Klemmhaken 13 kann in beliebiger Weise an den Verbindungshebeln 14 befestigt sein, solange die Verbindungshebel 14 und der Haken 13 verdrehbar gelagert sind.
Wie es in den Einzelheiten des Abschnitts X in 3B dargestellt ist, ist ein Langloch 35, dessen Durchmesser größer als der eines Stifts 34 ist, in mindestens einem der Verbindungsabschnitte des oberen und unteren Verbindungshebels 14 angeordnet. Durch diese Anordnung können selbst dann, wenn der gestufte Angreifteil ungleichmäßige Form aufweist, die Angreifflächen der Klemmhaken in eine einzelne Stellung eingestellt werden, um an jede Form des gestuften Angreifteils anpassbar zu sein, weswegen die Angreifelemente selbst einen schweren Einkristall zuverlässig ergreifen können. Ferner kann, wie es in den Einzelheiten zum Abschnitt Y in 3C dargestellt ist, die Angreifelemente einen Einkristall zuverlässiger ergreifen, wenn an der Angreiffläche jedes Klemmhakens viele sägezahnförmige oder gewellte Vorsprünge vorhanden sind. Es ist zu beachten, dass der Klemmhaken wünschenswerterweise aus einem hochschmelzenden Metall, wie Molybdän, das hohe Beständigkeit gegen hohe Temperaturen zeigt und nicht verunreinigend ist, hergestellt ist. Es ist ferner zu beachten, dass der Kontaktwinkel Θ zwischen den gewellten Vorsprüngen und dem gestuften Angreifteil, wie in 3C dargestellt, wünschenswerterweise auf 90° oder mehr eingestellt ist.
Durch Verwenden der in den 3A bis 3C dargestellten Konstruktion für jedes Angreifelement üben die Angreifelemente, wenn das Gewicht eines Einkristalls an den Klemmhaken 13 und den Verbindungshebeln 14 hängt, durch die Funktion der oben beschriebenen Verbindungshebel eine Selbstklemmfunktion aus, weswegen sie den gestuften Angreifteil eines Einkristalls angemessen halten können. Ferner müssen mehrere Angreifele mente am Innenumfang des Halters 12 vorhanden sein, und beim Ausführungsbeispiel wurden mindestens drei Angreifelemente angebracht, um eine Positionsverschiebung zu verhindern.
Als Nächstes wird ein spezieller Betriebsablauf beschrieben. Zu Beginn des Ziehens eines Einkristalls steht die Unterzieheinrichtung 22 bereit, wobei der Haltemechanismus 11 in seiner oberen Stellung gehalten ist. Andererseits wird am Kristallkeimhalter 10, der am distalen Ende der Hauptzieheinrichtung 21 vorhanden ist, ein Kristallkeim 9 befestigt, der dann im zentralen Teil einer Siliziumschmelze 2 in Kontakt mit der Oberfläche derselben gebracht wird. Danach wird die Hauptzieheinrichtung 21 so betrieben, dass sie den Kristallkeim 9 unter Drehung desselben langsam anhebt, um dadurch eine Halseinschnürung (eingeschnürter Keimabschnitt) 8 auszubilden. Dann wird die Ziehgeschwindigkeit für den Einkristall verringert, um seinen Durchmesser zu erhöhen, um dadurch einen Abschnitt 7 mit großem Durchmesser auszubilden. Danach wird der Durchmesser des Einkristalls allmählich so verringert, dass er so klein wie der eingeschnürte Abschnitt 5 ist, um dadurch einen gestuften Angreifteil 6 auszubilden, dessen Querschnitt derjenige eines umgekehrten Kegels ist.
Nachdem der gestufte Angreifteil 6 ausgebildet wurde, wird der Durchmesser des Einkristalls erneut erhöht, um dadurch eine Schulter 4 auszubilden. Danach werden die Zieh- und Drehgeschwindigkeiten auf reguläre Bedingungen eingestellt, so dass der Ablauf zum nächsten Schritt des Ziehens eines Volumeneinkristalls 3 mit vorbestimmtem Durchmesser übergeht.
Nachdem der reguläre Einkristall-Ziehvorgang gestartet wurde, wird der Haltemechanismus 11, der in seiner oberen Stellung bereitstand, abgesenkt, wenn das Gewicht des gezogenen Einkristalls einen vorbestimmten Wert erreicht hat, z. B. dann, wenn der Volumeneinkristall 3 eine Länge von 1 m erreicht hat. Während des Absenkens des Mechanismus 11 werden die Klemmhaken 13, die in Kontakt mit dem Abschnitt 7 großen Durchmessers des Einkristalls treten, nach oben geschoben, wobei sie diesen Abschnitt 7 großen Durchmessers hindurchlaufen lassen, wie oben beschrieben. Danach greifen die Klemmhaken 13 durch die Selbstklemmfunktion aufgrund der Funktion der Verbindungshebel, der Stifte und der Langlöcher zuverlässig am gestuften Angreifteil 6 an. Dann hebt die Unterzieheinrichtung 22 den Haltemechanismus 11 synchron mit der Ziehgeschwindigkeit der Hauptzieheinrichtung 21 an. Es ist zu beachten, dass der Zeitpunkt, zu dem die Unterzieheinrichtung 22 den Haltemechanismus 11 mit dem durch die Klemmhaken 13, die die Angreifelemente bilden, ergriffenen Einkristall anhebt, nach dem Zeitpunkt liegen kann, zu dem das Gewicht des Einkristalls einen vorbestimmten Wert erreicht hat, d. h. zumindest in der zweiten Hälfte des Ziehvorgangs.
4 ist ein Diagramm zum Veranschaulichen von Ziehmotor-Steuerungssystemen bei einer drahtbetriebenen Ziehvorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel. Zum Anheben des Haltemechanismus 11, wobei die Unterzieheinrichtung 22 mit der Hauptzieheinrichtung 21 synchronisiert ist, ist es erwünscht, dass ein Hauptmotor 23 der Hauptzieheinrichtung 21 auf Grundlage einer Drehzahlsteuerung betrieben wird und ein Untermotor 24 der Unterzieheinrichtung 22 auf Grundlage einer Zugkraftsteuerung betrieben wird.
Durch Verwenden derartiger Steuerungssysteme für die Ziehmotoren kann das Gewicht eines Einkristalls teilweise vom Haltemechanismus der Unterzieheinrichtung aufgenommen werden, wie es in 5 dargestellt ist. Daher kann eine Wechselwirkung zwischen den Ziehmotor-Steuerungssystemen verhindert werden, und es können die Ziehgeschwindigkeit und das Lastverhältnis zwischen dem Hauptmotor und dem Untermotor genau eingestellt werden, wodurch ein Einkristall-Ziehvorgang frei von Stößen realisierbar ist.
1-2. Ausführungsbeispiel 2
6 ist eine geschnittene Längsansicht zum Veranschaulichen eines beispielhaften Aufbaus des Ausführungsbeispiels 2 der ersten Ziehvorrichtung. Im Vergleich mit dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel 1 unterscheidet sich das Ausführungsbeispiel 2 im Aufbau der Klemmhebel 15, die als Angreifelemente am Haltemechanismus 11 vorhanden sind, jedoch ist der andere Teil der Konstruktion ähnlich dem beim Ausführungsbeispiel 1.
7 ist ein Diagramm zum Veranschaulichen der Konstruktion jedes Angreifelements am Haltemechanismus des Ausführungsbeispiels 2. Die Angreifelemente sind am unteren Endteil der Innenfläche des Halters 12 vorhanden, und es sind mehrere Klemmhebel 15 drehbar gelagert. Im Ergebnis können sich die Klemmhebel 15 um Drehpunkte, die seitens des Halters 12 vorhanden sind, im Wesentlichen senkrecht nach oben verdrehen. Wenn sie jedoch einmal in Abwärtsrichtung belastet sind, können die Klemmhebel 15 am gestuften Angreifteil eines Einkristalls aufgrund ihrer Selbstklemmfunktion angreifen. So ist der Klemmmechanismus unter Verwendung der Angreifelemente des Ausführungsbeispiels 2 einfach ausgebildet. Außerdem kann, da ein Einkristall durch die Endfläche der Klemmhebel geklemmt wird, die Länge des verjüngten Abschnitts des gestuften Angreifteils des Einkristalls relativ kurz sein.
Hinsichtlich der Funktion der Vorrichtung des Betriebsverfahrens derselben, was z. B. die in 4 veranschaulichten und oben genannten Ziehmotor-Steuerungssysteme beim Einkristall-Ziehvorgang betrifft, können diejenigen des Ausführungsbeispiels 1 in ähnlicher Weise angewandt werden.
2. Zweite Ziehvorrichtung
Eine zweite Ziehvorrichtung gemäß der Erfindung, die der ersten Ziehvorrichtung ähnlich ist, führt den Halseinschnürungsprozess mit der Hauptzieheinrichtung aus, erzeugt dann einen gestuften Angreifteil mit umgekehrter Kegelform an einem Einkristall, bildet dann eine Schulter aus und zieht schließlich den Volumeneinkristall. Andererseits beginnt, während das Gewicht des Einkristalls im Verlauf des Ziehvorgangs zunimmt, die Unterzieheinrichtung ihren Betrieb des Haltens des Einkristalls, bevor das Gewicht desselben die Grenze der Belastung erreicht hat, die der Halseinschnürungsteil halten kann.
Der spezielle Betrieb der Vorrichtung ist der folgende. Ein Haltemechanismus, der in einer oberen Stellung bereitsteht, wird durch den Absenkvorgang der Unterzieheinrichtung abgesenkt. Für den Absenkvorgang fahren am unteren Ende des Haltemechanismus vorhandene Schubstangen hoch, während sie durch die Schulter eines Einkristalls an einer vorbestimmten Position nach oben gedrückt werden. Durch diesen Hochfahrvorgang werden nicht nur drehbare Hebel der Angreifelemente, die in Kontakt mit den Schubstangen stehen, nach oben gedrückt, sondern es verdrehen sich auch Haltehebel, um dadurch am gestuften Angreifteil des Einkristalls anzugreifen. Die Aufnahmeflächen der Haltehebel, die durch Verdrehen geschlossen wurden, bilden eine Ringform ohne Unterbrechungslinie, wodurch sie zuverlässig am Einkristall angreifen und diesen festhalten können.
Wenn die Haltehebel des Haltemechanismus ihre Funktion des Ergreifens und Festhaltens des Einkristalls beenden, wird der Haltemechanismus mit der Ziehgeschwindigkeit der Hauptzieheinrichtung synchron mit der Unterzieheinrichtung angehoben. Dabei ist es wünschenswert, eine Verkippungsverhinderungseinrichtung wie eine Ausgleichseinrichtung bereitzustellen, um eine Verkippung des Haltemechanismus zu beseitigen. Unten wird ein spezieller beispielhafter Aufbau der zweiten Ziehvorrichtung auf Grundlage der Zeichnungen beschrieben.
8 ist eine geschnittene Längsansicht zum Veranschaulichen eines beispielhaften allgemeinen Aufbaus der zweiten Ziehvorrichtung der Erfindung. Wie es in 8 dargestellt ist, ist ein Tiegel 1 im Zentrum einer Vakuumkammer (nicht dargestellt) vorhanden, der eine Schmelze 2 enthält. Über dem Tiegel 1 befinden sich ein Keimkristallhalter 10 und ein Haltemechanismus 11. Ferner befinden sich über dem Halter 10 und dem Mechanismus 11 eine Hauptzieheinrichtung 21 und eine Unterzieheinrichtung 22. Die Hauptzieheinrichtung 21 zieht einen Siliziumeinkristall 3 unter Drehen desselben, und die Unterzieheinrichtung 22 verstellt den Haltemechanismus 11 nach oben und unten. Die Einrichtungen 21 und 22 bilden einen Ziehmechanismus 20.
Bei der zweiten Ziehvorrichtung sind ein durch die Hauptzieheinrichtung 21 aufzuwickelnder einzelner Hauptdraht 18 sowie zwei durch die Unterzieheinrichtung 22 aufzuwickelnde Unterdrähte 19 so aufgehängt, dass sie unabhängig voneinander nach oben und unten verstellt werden können. Ferner wird der Ziehmechanismus 20 mit der Hauptzieheinrichtung 21 und der Unterzieheinrichtung 22 durch eine nicht dargestellte Konstruktion in einer vorbestimmten Richtung gedreht, um einen Einkristall während des Ziehvorgangs mit konstanter Drehzahl zu drehen.
Der Kristallkeimhalter 10 ist am unteren Ende des Hauptdrahts 18 befestigt, während der Haltemechanismus 11 an den distalen Enden der zwei Unterdrähte 19 über eine Ausgleichseinrichtung 16 angeordnet ist. Die bei dieser Vorrichtung verwendete Ausgleichseinrichtung 16 wirkt als Verkippungsverhinderungseinrichtung für den Haltemechanismus 11.
Wie es in der oben genannten 2 dargestellt ist, wird die Ausgleichseinrichtung 16 durch einen Halter 12 mittels Stiften 17 gehalten, und sie ist an den zwei Unterdrähten 19 aufgehängt. Im Ergebnis neigt sich selbst dann, wenn die zwei Unterdrähte 19 nicht in Phase miteinander aufgewickelt werden, nur die Ausgleichseinrichtung 16, wobei der Haltemechanismus 11 vom außer Phase erfolgenden Aufwickeln unbeeinflusst bleibt, ähnlich wie dies bei der ersten Ziehvorrichtung der Fall ist. Daher besteht keine Wahrscheinlichkeit, dass die zentrale Achse des Haltemechanismus 11 von der zentralen Achse des Einkristalls 3 abweicht, wodurch der Haltemechanismus 11 den Einkristall zuverlässig halten kann.
9 ist eine Draufsicht zum Veranschaulichen einer beispielhaften Konstruktion der am Haltemechanismus vorhandenen Angreifelemente, und zwar entlang der Linie B-B in der oben genannten 8. Wie es aus den 8 und 10 erkennbar ist, ist ein Angreifelemente 41 einstückig aus einem Haltehebel 42 und einem Drehhebel 43 gebildet. Die Angreifelemente 41 sind drehbar am unteren Endabschnitt der Innenfläche des Halters 12 befestigt, und jeder Haltehebel 42 kann sich um 90° um die Drehachse auf der Seite des Halters 12 zwischen einer geöffneten Stellung, in der der Hebel 42 nach oben steht, und einer geschlossenen Stellung, in der er sich horizontal erstreckt, verdrehen.
10 ist ein Diagramm zum Veranschaulichen, wie sich die Angreifelemente in Zusammenhang mit dem Absenken des Haltemechanismus verdrehen. Wie oben beschrieben, wird der Haltemechanismus 11, der in seiner oberen Stellung bereitstand, durch den Absenkvorgang der Unterzieheinrichtung abgesenkt, bevor das Gewicht des Einkristalls die Grenze der Belastung erreicht, die von der Hauptzieheinrichtung getragen werden kann. Zum Absenken des Haltemechanismus werden die am unteren Ende desselben vorhandenen Schubstangen 44 hochgefahren, während sie durch die Schulter 4 des Einkristalls hochgeschoben werden, nachdem der am gestuften Angreifteil des Einkristalls vorhandene Abschnitt 7 mit großem Durchmesser am unteren Endteil des Haltemechanismus 11 vorbeigelaufen ist. Im Ergebnis des Hochfahrvorgangs der Schubstangen 44 werden die Drehhebel 43, die in Kontakt mit diesen Schubstangen 44 stehen, nach oben gedrückt, so dass sich die einstückig mit den Drehhebeln 43 ausgebildeten Haltehebel 42 so verdrehen, dass sie schließen, wodurch sie am gestuften Angreifteil des Einkristalls angreifen. Die geschlossenen Haltehebel 42 werden durch Anschläge 45 abgestützt, und sie bilden ein Loch mit vorbestimmtem Durchmesser, wie es in der oben genannten 9 dargestellt ist. Der Durchmesser des Lochs ist kleiner als derjenige des Teils des Einkristalls mit großem Durchmesser, und außerdem bilden die Aufnahmeflächen der Haltehebel eine Ringform ohne Unterbrechungslinie. Daher besteht, wenn die Haltehebel einmal geschlossen haben, keine Wahrscheinlichkeit, dass sie außer Eingriff gelangen, und demgemäß können sie selbst dann, wenn am gestuften Angreifteil des Einkristalls Durchmesserfehler vorliegen, zuverlässig am gestuften Angreifteil angreifen und diesen festhalten.
Bei der zweiten Ziehvorrichtung, bei der das Angreifelement 41 den Haltehebel 42 und den Drehhebel 43 aufweist, ändert sich, wenn sich die Drehhebel 43 um ungefähr 30° gegenüber ihrer horizontalen Stellung verdrehen, wenn sie durch die Schubstangen 44 nach oben gedrückt werden, der Schwerpunkt jedes Angreifelements 41, woraufhin sich die Drehhebel 43 durch ihr Eigengewicht weiter verdrehen und die Haltehebel 42 schließen. Die Haltehebel 42 bilden in geschlossener Form eine ringförmige Haltefläche, wobei ihre Aufnahmeflächen aneinanderstoßen.
Die Anzahl der am Innenumfang des Halters 12 vorhandenen Angreifelemente ist beim in 9 dargestellten Beispiel vier, jedoch besteht keine Beschränkung auf diese Anzahl, solange die ausgewählte Anzahl von Angreifelementen eine ringförmige Haltefläche bilden kann.
Als Nächstes wird ein spezieller Betriebsablauf beschrieben. Zu Beginn des Ziehens eines Einkristalls steht die Unterzieheinrichtung 22 bereit, wobei der Haltemechanismus 11 in seiner oberen Stellung gehalten ist. Andererseits wird am Kristallkeimhalter 10 am distalen Ende der Hauptzieheinrichtung 21 ein Kristallkeim 9 befestigt, der dann mit dem zentralen Teil der Oberfläche einer Siliziumschmelze 2 in Kontakt gebracht wird. Danach wird die Hauptzieheinrichtung 21 so betrieben, dass sie den Kristallkeim 9 unter Drehung des Kristalls langsam anhebt, um dadurch eine Halseinschnürung (eingeschnürter Keimabschnitt) 8 auszubilden. Dann wird die Ziehgeschwindigkeit des Einkristalls verringert, um den Durchmesser desselben zu erhöhen, um dadurch den Abschnitt 7 mit großem Durchmesser auszubilden. Danach wird der Durchmesser des Einkristalls allmählich so verringert, dass er so klein wie der eingeschnürte Abschnitt 5 ist, um dadurch einen gestuften Angreifteil 6 auszubilden, der die Form eines umgekehrten Kegels aufweist.
Nachdem der gestufte Angreifteil 6 ausgebildet wurde, wird der Durchmesser des Einkristalls erneut erhöht, um dadurch die Schulter 4 auszubilden. Danach werden die Zieh- und Drehgeschwindigkeiten auf reguläre Bedingungen eingestellt, so dass der Vorgang zum nächsten Schritt des Ziehens eines Volumeneinkristalls 3 mit vorbestimmtem Durchmesser übergeht.
Nachdem der reguläre Einkristall-Ziehvorgang gestartet wurde, wird der Haltemechanismus 11, der in seiner oberen Stellung bereitstand, abgesenkt, wenn das Gewicht des gezogenen Einkristalls einen vorbestimmten Wert erreicht hat, z. B. dann, wenn der Volumeneinkristall 3 eine Länge von 1 m erreicht hat. Während des Absenkens des Mechanismus 11 lassen die Haltehebel 42 den Abschnitt 7 großen Durchmessers des Einkristalls hindurchtreten, wenn sie geöffnet werden, wie dies oben unter Bezugnahme auf 10 beschrieben wurde, und danach werden sie durch die Betätigung der Schubstangen geschlossen, die durch die Schulter 4 des Einkristalls nach oben geschoben wurden.
Nachdem die Angreifelemente 41 des Haltemechanismus 11 am gestuften Angreifteil 6 angegriffen haben, hebt die Unterzieheinrichtung 22 den Haltemechanismus 11 synchron mit der Ziehgeschwindigkeit der Hauptzieheinrichtung 21 an. Es wird darauf hingewiesen, dass der Zeitpunkt, zu dem die Unterzieheinrichtung 22 den Haltemechanismus 11 mit dem durch die Haltehebel 42, die die Angreifelemente sind, festgehaltenen Einkristall hochzieht, ein Zeitpunkt sein kann, nach dem das Gewicht des Einkristalls einen vorbestimmten Wert erreicht hat, d. h. zumindest in der zweiten Hälfte des Ziehvorgangs.
Hinsichtlich des Anhebens des Haltemechanismus 11, wobei die Hauptzieheinrichtung 21 und die Unterzieheinrichtung 22 synchronisiert sind, ist es wünschenswert, dass der Hauptmotor 23 der Hauptzieheinrichtung 21 auf Grundlage einer Drehzahlsteuerung betrieben wird und der Untermotor 24 der Unterzieheinrichtung 22 auf Grundlage einer Zugkraftsteuerung betrieben wird.
Durch Verwenden derartiger Ziehmotor-Steuerungssysteme kann das Gewicht eines Einkristalls vom Haltemechanismus der Unterzieheinrichtung mit getragen werden. Daher kann eine Wechselwirkung zwischen den Ziehmotor-Steuerungssystemen verhindert werden, und es können die Ziehgeschwindigkeit und das Lastverhältnis zwischen dem Hauptmotor und dem Untermotor genau eingestellt werden, wodurch ein stabiler Einkristall-Ziehvorgang frei von Stößen realisierbar ist.
Industrielle Anwendbarkeit
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ziehen von Einkristallen umfasst eine Zieheinrichtung zum Ausbilden eines gestuften Angreifteils an einem Einkristall sowie einen Haltemechanismus zum Ergreifen des gestuften Angreifteils des Einkristalls. Die Vorrichtung sorgt dafür, dass der Haltemechanismus seine Funktion des Haltens des Einkristalls startet, bevor das Gewicht des Einkristalls die Grenze der Belastung erreicht hat, die von der Halseinschnürung getragen werden kann, während das Gewicht des Einkristalls in Verbindung mit dem Fortschritt des Ziehvorgangs zunimmt. So kann die Vorrichtung selbst beim Ziehen eines schweren Einkristalls zuverlässig an diesem angreifen, um dadurch eine sichere Herstellung von Einkristallen ohne Unfälle durch Herabstürzen zu realisieren.
Daher sind die erfindungsgemäßen Vorrichtungen zum Ziehen von Einkristallen für eine Ziehtechnologie geeignet, die den Erfordernissen erhöhten Wirkungsgrads bei der Herstellung von Halbleitern genügt, weswegen sie auf dem Gebiet der Herstellung von Siliziumeinkristallen für Halbleiter verwendbar sind.

Claims

Vorrichtung zum Ziehen von Einkristallen, mit einer Hauptzieheinrichtung (21) vom Drahttyp zum Ausbilden eines gestuften Angreifteils (6) in Form eines umgekehrten Kegels am zu ziehenden Einkristall, während dieser gedreht wird, einem Haltemechanismus (11) zum Angreifen am gestuften Angreifteil des Einkristalls über Angreifelemente und einer Unterzieheinrichtung (22) vom Drahttyp zum Verstellen des Haltemechanismus (11) nach oben und unten, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterzieheinrichtung (22) den Haltemechanismus (11) mittels einer Ausgleichseinrichtung (16) zum Verhindern eines Verkippens des Haltemechanismus (11) nach oben und unten verstellt und ihn synchron mit der Ziehgeschwindigkeit der Hauptzieheinrichtung anhebt und die Ausgleichseinrichtung (16) durch einen Halter (12) mittels Stiften (17) gehalten wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor entweder der Hauptzieheinrichtung (21) oder der Unterzieheinrichtung (22) gemäß einem Drehzahlsteuerungssystem betrieben wird, während der andere gemäß einem Zugkraft-Steuerungssystem betrieben wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Haltemechanismus Angreifelemente aufweist, die sich an die Form des gestuften Angreifteils des Einkristalls anpassen und durch die Funktion von Verbindungshebeln (14) oder Klemmhebeln (15) eine Selbstklemmfunktion ausüben.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass an Angreifflächen der Angreifelemente viele zahnsägeförmige oder gewellte Vorsprünge (36) ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Haltemechanismus Schubstangen (44) zum Auf- und Abbewegen zwischen vorbestimmten Stellungen, in die der Haltemechanismus nach oben und unten läuft, und Angreifelemente (41, 42, 43) zum Angreifen am gestuften Angreifteil des Einkristalls, welche durch die Aufwärtsbewegung der Schubstangen gedreht werden, aufweist.