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Hintergrund der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Kristallziehvorrichtung um ein Kristallhalbleitematerial zu züchten und
insbesondere eine Hitzeschildanordnung zur Verwendung in solchen
Kristallziehvorrichtungen.
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Ein Kristallhalbleitermaterial, das
das Startmaterial zur Herstellung vieler elektronischer Komponenten
ist, wird üblicherweise
unter Verwendung des Czochralski ("Cz")-Verfahrens
vorbereitet. In diesem Verfahren wird polykristallines Halbleiterursprungsmaterial,
wie z. B. polykristallines Silizium ("Polysilizium"), in einem Tiegel geschmolzen. Dann
wird ein Keimkristall in das geschmolzene Material abgesenkt und
langsam angehoben, um einen Einkristallrohling zu züchten bzw.
zu ziehen. Zum Züchten
des Rohlings wird ein oberer Endkonus gebildet, in dem die Ziehrate
und/oder die Schmelztemperatur verringert wird, wodurch der Durchmesser
des Rohlings vergrößert wird
bis ein Zieldurchmesser erreicht ist. Wenn der Zieldurchmesser erst
einmal erreicht ist, wird der zylindrische Hauptkörper des
Rohlings gebildet, indem die Ziehrate und die Schmelztemperatur
so gesteuert wird, dass das sich verringernde Niveau der Schmelze
kompensiert wird. Nahe dem Ende des Wachstumsprozesses, bevor der
Tiegel leer wird, wird der Durchmesser des Rohlings reduziert, um
einen unteren Endkonus zu formen, der von der Schmelze getrennt
wird, um einen fertigen Rohling aus Halbleitermaterial herzustellen.
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Obwohl die herkömmliche Cz-Methode ausreichend
ist, um Einkristallhalbleitermaterialien zur Verwendung in einer
weiten Vielfalt von Anwendungen zu züchten, ist eine weitere Verbesserung
der Qualität
des Halbleitermaterials wünschenswert.
Da die Halbleiterhersteller die Dicke der Leitungen von integrierten
Schaltkreisen, die auf den Halbleitern gebildet werden, immer weiter
verringern, wird die Existenz von mikroskopischen Defekten in dem
Material ein immer größeres Anliegen.
Die Defekte in Einkristallhalbleitermaterialien bilden sich beim
Kristallisieren und Abkühlen
der Kristalle in der Kristallziehvorrichtung. Solche Defekte treten
teilweise aufgrund des Vorhandenseins eines Überschusses (d. h. eine Konzentration über dem
Solubilitätslimit)
von intrinsischen Punktdefekten auf, die als Lücken und Zwischengitterplätze bekannt
sind.
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Eine wichtige Messung der Qualität von Wafern,
die von einem Einkristallrohling geschnitten worden sind, ist die
Gate Oxide Integrity ("GIO"). Lücken oder
Fehlstellen werden, wie ihr Name schon nahe legt, durch die Abwesenheit
oder "freie Stelle" eines Siliziumatoms
in dem Kristallgitter bewirkt. Wenn der Kristall aus dem geschmolzenen
Silizium in dem Tiegel nach oben gezogen wird, beginnt es sofort
abzukühlen.
Mit der Verringerung der Temperatur des Kristallrohlings verringert
sich das Solubilitätslimit.
Defekte, die bei hohen Temperaturen existieren, lagern sich dann
in Form von mikroskopischen Defekten (Fehlstellen oder Voids) ab
oder sie bewegen sich zu der seitlichen Oberfläche des Kristalls. Im Allgemeinen
geschieht dies, wenn der Kristall den Temperaturbereich von 1150°C bis 1500°C durchläuft.
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Silikonwafer, die von dem Rohling
abgeschnitten worden sind und gemäß herkömmlichen Prozessen hergestellt
worden sind, weisen häufig eine
Siliziumoxidschicht auf, die auf der Oberfläche des Wafers ausgebildet
ist. Auf dieser Siliziumoxidschicht werden elektronische Schaltungseinrichtungen,
wie beispielsweise MOS-Einrichtungen hergestellt. Defekte in der
Oberfläche
des Wafers, die von den Agglomerationen, die in dem wachsenden Kristall
vorhanden sind, bewirkt werden, führen zu einem schlechten Wachstum
der Oxidschicht. Die Qualität der
Oxidschicht, die häufig
als die dielektrische Durchschlagsstärke des Oxidfilms bezeichnet
wird, kann quantitativ gemessen werden, indem MOS-Einrichtungen
auf der Oxidschicht hergestellt werden und die Einrichtungen getestet
werden. Die Gate Oxide Integrity (GOI) des Kristalls ist der Prozentsatz von
betriebsfähigen
Einrichtungen auf der Oxidschicht des Wafers, der aus dem Kristall
hergestellt worden ist.
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Es ist festgestellt worden, dass
die GOI von Kristallen, die mittels des Czochralski-Verfahrens hergestellt
worden sind, verbessert werden kann, indem der Zeitbetrag die ein
wachsender Rohling in den Temperaturbereich über 1000°C verbringt, und insbesondere
in dem Bereich von 1150°C–1050°C, vergrößert wird.
Wenn der Rohling zu schnell durch diesen Temperaturbereich hindurch
abgekühlt
wird, haben die Fehlstellen oder Lücken nicht genügend Zeit,
sich zusammen anzuhäufen,
was zu einer großen
Anzahl von kleinen Agglomerationen oder Anhäufungen innerhalb des Rohlings
führt.
Dies führt ungewünschterweise
zu einer großen
Anzahl von kleinen Lücken,
die über
die Oberfläche
des Wafers ausgebreitet sind und dadurch die GOI negativ beeinflussen.
Ein Verringern der Abkühlungsrate
des Rohlings, so dass sich seine Temperatur länger in dem Zieltemperaturbereich
aufhält,
ermöglicht,
dass mehrere Lücken
größere Anhäufungen
innerhalb des Rohlings ausbilden. Das Ergebnis ist eine geringe Anzahl
von großen
Anhäufungen,
wodurch die GOI verbessert wird, indem die Anzahl von Defekten,
die in der Oberfläche
des Wafers existieren, auf dem die MOS-Einrichtungen gebildet werden,
verringert wird.
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Ein anderer Weg, um die GOI zu verbessern, ist
die Anzahl von Fehlstellen, die in den Rohling eingezüchtet werden,
zu steuern. Es ist festzustellen, dass der Typ und die ursprüngliche
Konzentration von Lücken
und Selbst-Zwischengitterplätzen,
die in dem Rohling fixiert werden, wenn sich der Rohling verfestigt,
durch das Verhältnis
der Wachsgeschwindigkeit (d. h. die Zielrate) (v) zu dem lokalen
axialen Temperaturgradienten in dem Rohling zum Zeitpunkt der Erstarrung
(G0) gesteuert werden. Wenn der Wert dieses
Verhältnisses
v/G0 über
einen kritischen Wert hinausgeht, steigt die Konzentration von Lücken an. In
gleicher Art und Weise, wenn der Wert von v/G0 unter
den kritischen Wert fällt,
steigt die Konzentration von Selbst-Zwischengitterplätzen (self-interstitials)
an.
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Ein Weg um dieses Verhältnis anzuheben,
ist die Ziehrate (d. h. die Ziehgeschwindigkeit, v) des Rohlings
zu steigern. Jedoch bewirkt eine Erhöhung der Ziehrate eine Verzerrung
des Durchmessers des Rohlings, wenn dem Rohling ausreichend Zeit
zum Abkühlen
und Verfestigen gegeben wird. Diesbezüglich ist es bekannt, eine
Hitzeschildanordnung innerhalb des Tiegels oberhalb der Oberfläche der Schmelze
zwischen der Schmelztiegelseitenwand und dem wachsenden Rohling
zu positionieren, um den Rohling von der Hitze der Tiegelseitenwand
abzuschirmen. Die herkömmliche
Hitzeschildanordnung umfasst typischerweise einen äußeren Reflektor
und einen inneren Reflektor. Einen schematischen Querschnitt der
Wand eines herkömmlichen Hitzeschildes
ist in 2 gezeigt. Der äußere Reflektor OR ist
an dem inneren Reflektor des IR mittels geeigneten Befestigungseinrichtungen
(nicht dargestellt) befestigt, die entlang ringförmiger oberer und unterer Befestigungseinrichtungsorten
beabstandet sind, so dass der äußere Reflektor
direkt den inneren Reflektor an diesen Orten berührt. Der äußere Reflektor OR ist
wesentlich kürzer
als der innere Reflektor IR, so dass ein oberer Abschnitt
der Hitzeschildanordnung eine einzelne, nicht isolierte Schicht
aufweist. Die Reflektoren OR, IR sind so ausgebildet, dass
sie die Isolierkammer dazwischen definieren, die eine Isolation IN enthält, um eine
Wärmeübertragung
von dem äußeren Reflektor
zu dem inneren Reflektor zu unterbinden.
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Die Isolation I ist vorgesehen,
um einen Mittelabschnitt N des inneren Reflektors IR gegen
eine Wärmeübertragung
von dem äußeren Reflektor OR zu
isolieren, so dass eine Hitze von der Tiegelwand nicht zu dem inneren
Reflektor übertragen
wird. Das Vorsehen eines kälteren
Abschnitts des inneren Reflektors IE ermöglicht ein
schnelleres Abkühlen
des Rohlings, wenn der Rohling nach oben in eine radiale Registration
oder Berührung
mit diesem Abschnitt des Wärmeschildes
gezogen wird. Jedoch wird durch den großen Oberflächenkontakt zwischen dem äußeren Reflektor OR und
dem inneren Reflektor IR an den Orten der oberen und unteren
Befestigungseinrichtungen eine wesentliche Wärmemenge von dem äußeren Reflektor
in ungewünschter
Art und Weise direkt zu dem inneren Reflektor geleitet, so dass
der innere Reflektor nicht so gut gekühlt wird wie gewünscht wird.
Dies beschränkt
wesentlich die Ziehrate des wachsenden Rohlings.
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Eine zusätzliche Messung der Qualität des Wafers,
der von einem Kristallrohling abgeschnitten worden ist, betrifft
sauerstoffinduzierte Stapelfehler: Oxygen Induced Stacking Faults
(OISF). OISF resultieren von Defekten, die in den Rohling einwachsen, wenn
sich der Rohling an der Oberfläche
der Schmelze verfestigt. Die Defekte sind ein Ergebnis eines Unterschieds
zwischen den axialen Temperaturgradienten an dem Mittelpunkt des
Rohlings und an der äußeren Oberfläche des
Rohlings. Ein OISF wird als ein Ring gemessen, der nach Innen eine
Distanz von der Umfangskante eines Wafers beabstandet ist. Die Konzentration
von Stapelfehlern kann auch innerhalb eines besonderen Bereichs
der Waferoberfläche
gemessen werden. Der Gradient der Schnittstelle verändert sich
mit r, was zu unterschiedlichen Konzentrationen von Punkteffekten
führt.
Damit können
mittels Auswahl und der angemessenen Ziehrate Konzentrationen erzielt
werden, was in einer besseren OISF-Leistung resultiert.
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EP 0 591 525 A1 offenbart eine Einrichtung zum
Heraufziehen eines Einkristalls mit einer ersten zylindrischen Blende,
die an oberen und unteren Enden entsprechend einen nach außen gerichteten kreisförmigen Ring
und einen nach innen gerichteten kreisförmigen Ring aufweist und ebenso
einen Eckbereicht aufweist, der zu dem Tiegel hingewendet ist und
in eine gekrümmte
oder polygonale Oberflächenform
aufweist, die um einen Einkristallziehbereich herum angeordnet ist,
wobei der kreisförmige
Ring an dem oberen Ende nahe einem Bereich angeordnet ist, in den
das geschmolzene Material gefüllt
wird. Diese Einrichtung weist ferner eine zweite Blende mit der
Querschnittsform einer Parabel so auf, dass sie sich in einen zentralen
Bereich öffnet,
während
sie den ein Kristallziehbereich umgibt und einen nach außen gerichteten
kreisförmigen
Ring aufweist.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Unter der Vielzahl von Aufgaben und
Merkmalen der vorliegenden Erfindung ist das Vorsehen einer Hitzeschildanordnung
und einer Kristallzieheinrichtung hervorzuheben, die das Züchten von
hochqualitativen Einkristallrohlingen vereinfachen; das Vorsehen
von solch einer Hitzeschildanordnung und einer Kristallzieheinrichtung,
die die radiale Veränderung
des axialen Temperaturgradienten des Kristalls verringen; das Angeben
solch einer Hitzeschildanordnung und einer Kristallzieheinrichtung
mit einer schnelleren Ziehrate, wodurch der Durchsatz der Kristallzieheinrichtung
vergrößert wird;
die Angabe von solch einer Hitzeschildanordnung und einer Kristallzieheinrichtung,
die die GOI verbessern und das Wachstum von OISF unterdrücken, das
Angeben von solch einer Hitzeschildanordnung, die in der Lage ist, in
einem begrenzten Raum innerhalb einer Kristallzieheinrichtung Betrieben
zu werden; und das Angeben von solch einer Wärmeschildanordnung, die leicht
an existierende Kristallzieheinrichtungen anzupassen ist.
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Im allgemeinen umfasst eine Hitzeschildanordnung
zur Verwendung in einer Kristallzieheinrichtung einen äußeren Reflektor
und einen inneren Reflektor. Die Reflektoren sind im allgemeinen
koaxial ausgerichtet und weisen Mittelöffnungen auf, die eine Größe und Form
aufweisen, um den Rohling zu umgeben, wenn der Rohling aus dem geschmolzenen Material
gezogen wird. Die Reflektoren sind im Allgemeinen zwischen dem Rohling
und dem Tiegel angeordnet, wenn der Rohling aus dem Ursprungsmaterial
in der Kristallzieheinrichtung nach oben gezogen wird. Die Reflektoren
weisen eine Form derart auf, dass sie eine Isolationskammer dazwischen
definieren, zur Aufnahme einer Isolation. Der innere Reflektor ist
in der Zieheinrichtung in einer im Allgemeinen beabstandeten Beziehung
zu dem äußeren Reflektor und
Isolierung entlang zumindest einem Abschnitt des inneren Reflektors
gehalten, um eine Wärmeübertragung
von dem äußeren Reflektor
und Isolation zu dem inneren Reflektor zu unterdrücken, so
dass der Abschnitt des inneren Reflektors, der von dem äußeren Reflektor
und die Isolation beabstandet ist, während des Betriebs der Zieheinrichtung
wesentlich kühler
als der äußere Reflektor
ist.
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Ein anderer Aspekt der vorliegenden
Erfindung betrifft eine Kristallzieheinrichtung mit einem Hitzeschild.
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Andere Aufgaben und Merkmale der
vorliegenden Erfindung werden im Folgenden teilweise offensichtlich
und teilweise hervorgehoben.
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Kurze Beschreibung der
Figuren
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1 ist
eine schematische, fragmentarische vertikale Querschnittsansicht
einer Kristallzieheinrichtung und einer Hitzeschildanordnung gemäß einer
ersten Ausführungsform;
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2 ist
eine schematische Querschnittsansicht eines Abschnitts einer Hitzeschildanordnung des
Standes der Technik;
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3 ist
eine schematische Querschnittsansicht eines Abschnitts einer zweiten
Ausführungsform
einer Hitzeschildanordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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4 ist
eine schematische Querschnittsansicht eines Abschnitts einer dritten
Ausführungsform einer
Hitzeschildanordnung der vorliegenden Erfindung;
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5 ist
eine schematische Querschnittsansicht eines Abschnitts einer vierten
Ausführungsform einer
Hitzeschildanordnung der vorliegenden Erfindung.
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Entsprechende Bezugsziffern bezeichnen entsprechende
Teile in den verschiedenen Ansichten der Figuren.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Mit Verweis auf die Figuren und insbesondere
auf 1 wird nun eine
Kristallzieheinrichtung in ihrer Gesamtheit mittels der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
Die Zieheinrichtung wird verwendet, um monokristalline Rohlinge I des
Typus herzustellen, der verwendet wird, um Halbleiterwafer herzustellen.
Die Kristallzieheinrichtung 10 umfasst eine wassergekühlte Schale
(die im Allgemeinen mit 12 bezeichnet wird) mit einem Innenraum,
der eine Kristallwachstumskammer 14 und eine Ziehkammer 16 aufweist, die über der
Wachstumskammer angeordnet ist. Ein Quarztiegel 20 ist
innerhalb der Wachsturskammer 14 angeordnet, um das geschmolzene
Halbleiterursprungsmaterial S aufzunehmen, aus dem der
monokristalline Siliziumrohling I gezogen wird. Der Tiegel 20 ist
auf einem motorisierten Drehtisch 22 angebracht, der den
Tiegel um eine Vertikalachse dreht, und den Tiegel anhebt, um die
Oberfläche
des geschmolzenen Ursprungsmaterials S auf einem konstanten
Niveau zu halten, wenn der Rohling I wächst und Ursprungsmaterial
aus der Schmelze entnommen wird.
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Eine Widerstandsheizeinrichtung 24,
die den Tiegel 20 umfasst, schmilzt das Ursprungsmaterial S in
dem Tiegel 20. Die Heizeinrichtung 24 wird mittels einer
externen Steuereinrichtung (nicht dargestellt) so gesteuert, dass
die Temperatur des geschmolzenen Ursprungsmaterialspräzise während des
gesamten Wachstumsprozesses gesteuert wird. Eine Isolation 26,
die die Heizeinrichtung 24 umgibt, reduziert die Menge
der Wärmeverluste
durch die Seiten der Schale 12 und hilft, die Wärmelast
an den Außenwänden der
Zieheinrichtung zu verringern, während ermöglicht wird,
dass die Prozesstemperatur bei einer niedrigeren Heizleistung aufrechterhalten
werden kann.
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Eine Zieheinrichtung (von der nur
ein abhängiger
Ziehschaft 30 dargestellt ist) zieht einen Saat- oder Keimkristall C und
versetzt ihn durch die Wachstumskammer 14 und die Ziehkammer 16 nach
oben und nach unten. Zuerst lässt
der Ziehmechanismus den Keimkristall C durch die Kammern 14, 16 ab,
bis er die Oberfläche
des geschmolzenen Ursprungsmaterials S berührt. Wenn
der Keimkristall zu schmelzen beginnt, hebt der Ziehmechanismus
den Keim C langsam durch die Kammern 14 und 16 an,
um den monokristallinen Rohling I zu züchten. Die Geschwindigkeit
mit der der Ziehmechanismus den Keim C rotiert und die
Geschwindigkeit mit der der Ziehmechanismus den Keim (d. h. die
Ziehrate v) anhebt, wird mittels des externen Steuersystems gesteuert.
Das Steuersystem steuert ebenso die Geschwindigkeit mit der sich
des Tiegel 20 während
des Ziehprozesses bewegt. Der allgemeine Aufbau und Betrieb der Kristallzieheinrichtung 10,
außer
dem was im Folgenden ausführlicher
beschrieben wird, ist konventionell und dem Fachmann auf diesem
Gebiet bekannt.
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2 ist
ein schematischer Vertikalschnitt von einer Seite einer Hitzeschildanordnung A des Standes
der Technik, die ausgebildet ist um in der Wachstumskammer der Kristallzieheinrichtung
angebracht zu werden, um thermisch den wachsenden Rohling von einer
Hitze abzuschirmen, die von der Tiegelseitenwand 34 ausgestrahlt
wird. Diese frühere Hitzeschildanordnung A umfasst
einen äußeren Reflektor
UR und einen inneren Reflektor IR. Der äußere Reflektor UR ist
an dem inneren Reflektor IR mittels geeigneten Befestigungseinrichtungen
(nicht dargestellt) dergestalt befestigt, dass der äußere Reflektor
den inneren Reflektor jeweils entlang kreisförmigen oberen und unteren Befestigungseinrichtungsorten
F1, F2 berührt.
Die Befestigungseinrichtungen sind nicht in der Figur dargestellt.
Der äußere Reflektor UR ist
wesentlich kürzer
als der innere Reflektor IR, so dass ein oberer Abschnitt U der
Hitzeschildanordnung A eine einzelne nicht isolierte Schicht
aufweist. Die Reflektoren UR, IR sind so geformt,
dass sie eine Isolierkammer IC zwischen ihnen definieren, die
eine Isolierung IN enthält,
um eine Wärmeübertragung
von dem äußeren Reflektor UR zu
dem inneren Reflektor IR zu unterbinden. Die Anordnung A ist frustokonisch
und weist eine Mittelöffnung
auf (nicht dargestellt) die eine Größe aufweist, um den Rohling (nicht
dargestellt) zu umgeben, wenn der Rohling durch die Anordnung nach
oben gezogen wird.
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Die Isolierung IN ist vorgesehen,
um einen Abschnitt M des inneren Reflektors IR gegen
eine Wärmeübertragung
von dem äußeren UR zu
isolieren, so dass eine Wärmeübertragung
von der Tiegelseitenwand 34 (1)
zu dem inneren Reflektor unterbunden wird. Das Zurverfügungstellen
eines kühleren
Abschnitts M des inneren Reflektors IR steigert eine
Wärmeübertragung
weg von dem Rohling, wenn der Rohling radial den inneren Reflektor
berührt,
bzw. in Registrierung kommt, wodurch die Abkühlungsrate des Rohlings gesteigert wird.
Die Hitzeschildanordnung A erlaubt eine schnellere Ziehrate
ohne eine sich ergebenden Verzerrung des wachsenden Rohlings. Durch
den großen
Flächenkontakt
zwischen dem äußeren Reflektor
UR und dem inneren Reflektor IR an den Orten der oberen
und unteren Befestigungseinrichtungen F1, F2 wird jedoch ein wesentlicher
Wärmebetrag
von dem äußeren Reflektor
in ungewünschter
Art und Weise direkt zu dem inneren Reflektor übertragen, wodurch die Effektivität der Hitzeschildanordnung A wesentlich
verringert wird und die Ziehrate beschränkt wird.
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Mit Verweis auf l ist
eine Hitzeschildanordnung der vorliegenden Erfindung, die im Allgemeinen
mit 50 bezeichnet ist, in der Wachstumskammer 14 über der
Oberfläche
des geschmolzenen Ursprungsmaterials S angebracht. In der
dargestellten Ausführungsform
umfasst die Hitzeschildanordnung 50 im Allgemeinen eine
Isolierung 52, die zwischen koaxial positionierten inneren
und äußeren Reflektoren 54 und 56 angeordnet
ist. Der äußere Reflektor 56 ist
im Allgemeinen konisch ausgebildet und weist einen kreisförmigen Flansch 58 auf,
der sich von dem Oberteil des Reflektors radial nach außen erstreckt. Der
Flansch 58 weist eine Größe dergestalt auf, dass er über einem
kreisförmigen
Haltering 52 sitzt, der in der Wachstumskammer 14 zum
Halten der Hitzeschildanordnung 50 (1) angeordnet ist. Der äußere Reflektor 56 neigt
sich von dem kreisförmigen Flansch 58 nach
innen und unten und erstreckt sich nach unten in den Tiegel 20 zu
einer Position über der
Oberfläche
der Schmelze, so dass der äußere Reflektor
zumindest teilweise zwischen der Tiegelseitenwand 34 und
dem wachsenden Rohling I angeordnet ist.
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Ein zweiter, oder unterer kreisförmiger Flansch 34 erstreckt
sich radial von einem Boden des unteren Reflektors 56 nach
innen, um einen Boden der Hitzeschildordnung 50 zu definieren.
Ein kreisförmige
Haltevorsprung 68 erstreckt sich vertikal von einer inneren
peripheren Kante des unteren Flanschs 64 nach oben, um
den inneren Reflektor 54 zu halten, wie im Folgenden unten
weiter beschrieben wird. Der äußere Reflektor 56 ist
vorzugsweise aus einem Graphitmaterial ausgestaltet und insbesondere
aus einem mit Siliziumkarbid beschichteten Graphit. Der äußere Reflektor 56 weist
eine Mittelöffnung 72 auf, die
eine Mittelöffnung
der Hitzeschildanordnung 50 definiert. Die mittlere Öffnung 72 weist
eine Größe und Form
dergestalt auf, um den Rohling I zu umgeben, wenn der Rohling
in der Wachstumskammer 14 gezüchtet wird und an der Hitzeschildanordnung 50 nach
oben vorbeigezogen wird. Beispielsweise ist die Mittelöffnung 72 der
dargestellten Ausführungsform im
Allgemeinen kreisförmig,
um den im Allgemeinen kreisförmigen
Querschnitt des zylindrischen Rohlings I aufzunehmen.
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Der innere Reflektor 54 ist
im Allgemeinen frustokonisch mit einem kegeligen Hauptabschnitt 74 und
einem Befestigungsabschnitt 76, der sich im Allgemeinen
vertikal von dem Boden des kegeligen Hauptabschnitts des inneren
Reflektors nach unten erstreckt. Wie in 1 dargestellt, umfasst der Befestigungsabschnitt 76 des
inneren Reflektors 54 eine kreisförmige Lippe 78, die
sich im Allgemeinen radial von dem oberen Bereich des Befestigungsabschnitts
nach innen erstreckt, um auf dem Haltervorsprung 68 des äußeren Reflektors 56 zu
sitzen. Der innere Reflektor 54 stützt sich damit auf dem Haltervorsprung 68 des äußeren Reflektors 56 ab,
wobei der Boden des Befestigungsabschnitts 76 des inneren
Reflektors leicht über
dem oberen Flansch 64 des äußeren Reflektor 56 beabstandet
ist.
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Der kegelige Hauptabschnitt 74 des
inneren Reflektors 54 neigt sich von dem Befestigungsabschnitt 76 nach
oben und außen.
Der obere Abschnitt des inneren Reflektors 54 ist im Allgemeinen
in einer bündigen
Ausrichtung mit dem oberen Flansch 58 des äußeren Reflektors.
In der bevorzugten Ausführungsform
ist der kegelige Hauptabschnitt 74 des inneren Reflektors 54 radial
um eine geringe Distanz von dem äußeren Reflektor 56 beabstandet,
so dass der einzige Kontakt zwischen dem inneren und dem äußeren Reflektor
da auftritt, wo die Lippe 78 des inneren Reflektors auf
dem Vorsprung 68 des äußeren Reflektors
sitzt. Die Beabstandung erlaubt ebenfalls eine Dehnung und ein Zusammenziehen
des äußeren Reflektors 56 bei
einer Erwärmung
und einer Abkühlung
während
des Betriebs der Zieheinrichtung ohne ein Eindrückung und Zusammenpressen des inneren
Reflektors 54. Ein Beabstanden des inneren Reflektors 54 von
dem äußeren Reflektors 56 in
dieser Art und Weise reduziert den Hitzebetrag, der von dem äußeren Reflektor
zu dem inneren Reflektor übertragen
wird. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
von 1 und 3 weist der äußere Reflektor 56 eine
Form dergestalt auf, dass er eine kreisförmige Isolierkammer 80 zwischen
dem inneren und dem äußeren Reflektor
definiert. Die Isolation 52 ist vorzugsweise aus einem
Material ausgebildet, das eine geringe thermische Leitfähigkeit
aufweist und ist in der Isolierkammer 80 untergebracht,
um einen Abschnitt des inneren Reflektors 54 gegen eine
Hitzeübertragung
von dem äußeren Reflektor 56 zu
dem inneren Reflektor zu isolieren. Der innere Reflektor 54 ist
in beabstandeter Beziehung zu der Isolation 52 in der Kammer 80,
um eine Wärmeübertragung
von der Isolation zu dem inneren Reflektor zu vermeiden. Der innere Reflektor 54 ist
vorzugsweise aus dem gleichen Material wie der äußere Reflektor ausgebildet. Es
ist jedoch offensichtlich, dass der innere Reflektor 54 und
der äußere Reflektor 56 aus
anderen Materialien ausgebildet werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden
Erfindung abzuweichen.
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Beim Betrieb wird polykristallines
Silizium in dem Tiegel 20 abgelagert und mittels Hitze,
die von der Tiegelheizeinrichtung 24 ausgestrahlt wird,
geschmolzen. Ein Keimkristall C wird mit dem geschmolzenen
Silizium Ursprungsmaterial F in Berührung gebracht und mittels
langsamen Herausziehens mit dem Ziehmechanismus 30 wird
ein Kristallrohling gezogen. Wenn der wachsende Rohling I innerhalb der
Wachstumskammer 14 nach oben gezogen wird, wird die Tiegelwand 34 von
der Heizeinrichtung 24 und von dem geschmolzenen Ursprungsmaterial S in den
Tiegel 20 geheizt. Von der Tiegelwand 34 wird von
der Hitzeschildanordnung 50 Wärme zu dem äußeren Reflektor 56 übertragen.
Jedoch verhindert die Isolierung 52 in der Isolationskammer 80 und
die Minimierung des direkten Kontakts zwischen dem inneren Reflektor 54 und
dem äußeren Reflektor 56 eine Wärmeübertragung
von dem äußeren Reflektor
zu dem inneren Reflektor, so dass der innere Reflektor entlang im
wesentlichen der gesamten Länge
des inneren Reflektors wesentlich kühler ist, als der äußere Reflektor.
Die Beabstandung des inneren Reflektors 54 von der Isolierung 52 verhindert
weiter eine Wärmeübertragung
von der Isolierung zu dem inneren Reflektor. Wenn der Rohling I nach
oben in radialer Berührung
oder Registrierung mit den kühleren
inneren Reflektor 54 gezogen wird, wird Wärme von
dem Rohling schneller zu dem inneren Reflektor übertragen. Da der Rohling I schneller
abgekühlt
wird, kann die Ziehrate der Zieheinrichtung 10 wesentlich
erhöht werden,
ohne den wachsenden Rohling zu verziehen.
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3 stellt
eine zweite Ausführungsform
einer Hitzeschildanordnung 150 der vorliegenden Erfindung
dar, in der der äußere Reflektor 156 die
gleiche Form aufweist, wie der innere Reflektor 154 und parallel
in einer Abstandsbeziehung zu dem inneren Reflektor entlang im wesentlichen
der gesamten Länge
des inneren Reflektors beabstandet ist. Die Isolationskammer 80 und
die Isolierung 52 der ersten Ausführungsform wurden weggelassen.
Die Beabstandung zwischen dem inneren Reflektor 154 und
dem äußeren Reflektor 156 verhindert
die Wärmeübertragung
von dem äußeren Reflektor
zu dem inneren Reflektor, wodurch ein kühlerer innerer Reflektor entlang
im wesentlichen der Gesamtlänge
des inneren Reflektors zur Verfügung
gestellt wird.
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BEISPIEL 1
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Kristallrohlinge weisen Durchmesser
von ungefähr
200 mm auf, wenn sie in Kristallzieheinrichtungen gezüchtet werden,
mit Hitzeschildanordnungen, die entsprechend entweder der Hitzeschildanordnung A des
Standes der Technik von 2 oder
den Hitzeschildanordnungen 50, 150 der ersten
(1) und zweiten (4) Ausführungsform aufgebaut sind.
Eine maximale Ziehrate wurde für
jede der Ausführungsformen
bestimmt, indem die schnellste Ziehrate bestimmt worden ist, bei
der keine Verzehrung des wachsenden Rohlings auftrat. Die maximalen
Ziehraten bei Verwendung der Hitzeschildanordnungen der ersten und
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung waren 0,90 mm pro Minute und 0,80 mm
pro Minute. Dies ist mit einer maximalen Ziehrate von ungefähr 0,65
mm pro Minute zu vergleichen, wenn die Hitzeschildanordnung A des Standes
der Technik verwendet wird.
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4 zeigt
ein drittes Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung, in der die Hitzeschildanordnung 250 weiter
ausgestaltet ist, um eine gute GOI zu erzielen und um OISF zu verringern
oder zu verhindern, während
nach wie vor die Ziehrate über die
maximale Ziehrate der Hitzeschildanordnung A des Standes
der Technik hinaus vergrößert wird.
Der innere Reflektor 254 weist eine Länge auf, die wesentlich kürzer ist,
als die des äußeren Reflektors 256,
so dass ein oberer Abschnitt 282 der Hitzeschildanordnung 250 durch
den äußeren Reflektor
definiert ist. Ein kreisförmiger
Ring 262, der aus einem Material mit einer geringen thermischen
Leitfähigkeit ausgestaltet
ist, sitzt auf dem Vorsprung 268 des äußeren Reflektors 256.
Das Material weist ebenso vorzugsweise eine hohe Reinheit auf und
eine geringe Partikelerzeugung. Ein besonders bevorzugtes Material
ist Quarz. Die Lippe 278 des inneren Reflektors 154 sitzt
eher auf dem kreisförmigen
Ring 262 als auf dem Vorsprung 268 des äußeren Reflektors 256,
um den inneren Reflektor 54 weiter von dem äußeren Reflektor
thermisch zu isolieren. Die untere Flanke 264 des äußeren Reflektors 256 ist
wesentlich dicker als die der ersten und zweiten Ausführungsformen um
eine gesteigerte Wärmeübertragung
von dem Tiegel zu dem Boden der Hitzeschildanordnung 250 zu
ermöglichen.
Der untere Flansch 264 ist wesentlich dicker als irgendein
anderer Abschnitt des äußeren Reflektors 256 und
vorzugsweise zumindest zweimal so dick wie die verbleibenden Bereiche
des äußeren Reflektors.
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Im Betrieb wird die Wärme von
der Tiegelwand 34 zu dem äußeren Reflektor 256 übertragen, wenn
der wachsende Rohling I aus dem Ursprungsmaterial S gezogen
wird. Die Beabstandung des inneren Reflektors 254 von dem äußeren Reflektor 256 wie
auch das Platzieren des kreisförmigen
Rings 262 zwischen die Reflektoren verhindert eine Wärmeübertragung
von dem äußeren Reflektor
zu dem inneren Reflektor. Damit ist ein Mittelabschnitt 249 der Hitzeschildanordnung 250,
der von der Länge
des inneren Reflektors 254 definiert ist, kälter als
die ausgesetzten Segmente des inneren Reflektors 256, die über und
unter dem inneren Reflektor angeordnet sind. Somit nimmt die Hitzeschildanordnung 250 ein Profil
vom Boden nach oben an, mit einer heißeren Zone an dem Boden der
Anordnung, einer mittelkalten Zone und wieder einer heißeren Zone
Richtung dem oberen Bereich der Anordnung.
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Wenn der wachsende Rohling aus dem
Ursprungsmaterial S durch eine zentrale Öffnung (nicht dargestellt,
jedoch gleich der zentralen Öffnung 72 der
ersten Ausführungsform,
die in 1 gezeigt ist) der
Hitzeschildanordnung 250 nach oben gezogen wird, steigt
der Rohling in eine radiale Berührung oder
Registrierung mit dem kühleren,
inneren Reflektor 254 der Hitzeschildanordnung. Somit kühlt der Rohling I schneller
auf eine Temperatur von ungefähr 1150°C ab. Wenn
der Rohling I den Abschnitt des äußeren Reflektors 256 berührt, der über den
inneren Reflektor hinaus steht, verhindert die Hitze des äußeren Reflektors
ein schnelles Abkühlen
des Rohlings, wodurch sich der axiale Temperaturgradient des Rohlings
wesentlich verringert, wenn der Rohling durch einen Temperaturbereich
von ungefähr
1150°C bis
1050°C abkühlt.
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Ein Erhöhen der Abkühlungsrate des Rohlings I oberhalb
von 1150°C
erlaubt ein Anheben der Ziehrate ohne ein Verzerren des wachsenden
Rohlings zu bewirken. Das Vorsehen der heißeren Zone an dem Boden oder
unteren Abschnitt des Hitzeschildes verhindert ein Abkühlen des
Rohlings I nahe der Oberfläche des Ursprungsmaterials S.
Dies fördert einen
gleichförmigeren
axialen Temperaturgradienten durch den Durchmesser des Rohlings
I an der Oberfläche
der Schmelze, wodurch das Wachstum der UISFs unterbunden wird. Letztlich
reduziert das Vorsehen einer heißen Zone in Richtung des oberen Bereichs
der Hitzeschildanordnung die Kühlrate
des Rohlings I, wenn er nach oben in Berührung mit
der heißeren
Zone gezogen wird, wodurch sich der axiale Temperaturgradient des
Rohlings verringert, wenn der Rohling von 1150°C auf 1050°C abkühlt, wodurch die GOI verbessert
wird.
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5 stellt
eine fünfte
Ausführungsform
eines Hitzeschildes 350 der vorliegenden Erfindung, ähnlich der
dritten Ausführungsform,
dar. In dieser vierten Ausführungsform
weist der äußere Reflektor 356 eine
Form ähnlich
dem äußeren Reflektor 56 der ersten
Ausführungsform
(siehe 1) auf, um eine Isolationskammer 380 zu
definieren. Die Isolierung 352 gleicht der, die mit Verweis
auf die erste Ausführungsform
diskutiert worden ist und ist in der Isolationskammer 380 enthalten.
Diese Ausführungsform stellt
einen kühleren
Mittelabschnitt der Hitzeschildanordnung 350 im Vergleich
zu der Hitzeschildanordnung 250 zur Verfügung, wie
in 5 gezeigt ist.
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BEISPIEL 2
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Kristallrohlinge weisen Durchmesser
von ungefähr
200 mm auf, wenn sie in Kristallzieheinrichtungen gezüchtet worden
sind, mit Hitzeschildanordnungen, die in Übereinstimmung mit den vorliegenden Hitzeschildanordnungen
der dritten (4) und
vierten (5) Ausführungsform
250 und 350 ausgebildet sind. Es wurde eine maximale Ziehrate für jede der
Ausführungsformen
durch Messung der schnellsten Ziehrate bestimmt, bei der keine Verzerrung
des wachsenden Rohlings auftrat. Die maximale Ziehrate unter Verwendung
der Hitzeschildanordnung 250 der dritten Ausführungsform
war ungefähr
0,7 mm/min. Für
die Hitzeschildanordnung 350 der vierten Ausführungsform
war die maximale Ziehrate ungefähr 0,8
mm/min. Diese Raten sind mit einer maximalen Ziehrate von ungefähr 0,5 mm/min
zu vergleichen, wenn eine Hitzeschildanordnung A des Standes
der Technik verwendet wird, wie sie obenstehend mit Verweis auf
Beispiel 1 diskutiert worden ist.
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BEISPIEL 3
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Kristallrohlinge weisen Durchmesser
von ungefähr
200 mm auf, wenn sie in Kristallzieheinrichtungen gezüchtet worden
sind, die Hitzeschildanordnungen aufweisen, die in Übereinstimmung
der vorliegenden Hitzeschildanordnung 350 der vierten Ausführungsform
aufgebaut sind und in Übereinstimmung
mit der Hitzeschildanordnung A des Standes der Technik.
OISF wurde bestimmt, indem ein Ring von Defekten der Sauerstoffablagerungen
in dem Rohling verursacht worden ist, lokalisiert wurde und die
Anzahl von Defekten in einem vorgegebenen Bereich gemessen wurde.
Kristalle, die unter Verwendung der Hitzeschildanordnung des Standes
der Technik gezüchtet
worden sind, hatten einen OISF-Ring, der ungefähr 5 mm bis 10 mm radial nach innen
von der Seitenkante des Rohlings angeordnet war und eine Sauerstoffablagerungskonzentration von
1000/cm2 aufwies. Kristalle, die unter Verwendung
der Hitzeschildanordnung 350 der vierten Ausführungsform
gezüchtet
worden sind, hatten keinen messbaren Ring von Defekten und eine
Gesamtdefektkonstellation nur geringer als 1/cm2.
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Zusätzlich wurden die axialen Temperaturgradienten
der Rohlinge in dem gewünschten
Temperaturbereich von 1150°C
bis 1050°C
gemessen. Der axiale Temperaturgradient in diesem Bereich für Rohlinge,
die unter Verwendung der Hitzeschildanordnung A gemäß des Standes
der Technik gezüchtet
wurden, war ungefähr
0,74°C/mm,
wohingegen der axiale Temperaturgradient in diesem Bereich für Rohlinge,
die unter Verwendung der Hitzeschildanordnung 350 der vierten
Ausführungsform
gezüchtet worden
sind, 0,48°C/mm
war.
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Aus dem oben stehenden ist ersichtlich,
dass verschiedene Aufgabe der vorliegenden Erfindung erzielt und
andere vorteilhafte Ergebnisse erzielt wurden.
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Da verschiedene Änderungen innerhalb der obigen
Aufbauten ausgeführt
werden können,
ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wird gewünscht, dass
jeglicher Gegenstand der in der obigen Beschreibung beschrieben
worden ist oder in den begleitenden Figuren gezeigt worden ist,
als der Darstellung dienend zu interpretieren ist und nicht in einem
beschränkenden
Sinne.