DE112009001431B4

DE112009001431B4 - Einkristall-Herstellungsvorrichtung und Einkristall-Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE112009001431B4
Application number: DE112009001431.3T
Authority: DE
Inventors: Satoshi Soeta; Toshifumi Fujii
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2008-07-01
Filing date: 2009-05-08
Publication date: 2019-01-31
Anticipated expiration: 2029-05-09
Also published as: JP2010013300A; JP5092940B2; WO2010001519A1; US20110056427A1; KR20110036896A; DE112009001431T5; KR101563221B1; US8236104B2

Abstract

Einkristall-Herstellungsvorrichtung auf der Grundlage des Czochralski-Verfahrens, zumindest umfassend:
eine Hauptkammer, die so ausgebildet ist, dass sie einen Tiegel zum Unterbringen einer Rohstoffschmelze und eine Heizeinrichtung zum Erwärmen der Rohstoffschmelze aufnimmt;
eine Ziehkammer, die dauerhaft oberhalb der Hauptkammer vorgesehen ist, wobei ein gezüchteter Einkristall in der Ziehkammer gezogen und in dieser aufgenommen wird;
einen Gaseinlass, der in der Ziehkammer vorgesehen ist;
einen Gasströmungsführungszylinder, der sich von einem Deckenbereich der Hauptkammer nach unten erstreckt, wobei der Gasströmungsführungszylinder aus Graphit besteht; und
einen wärmeisolierenden Ring, der sich von einem unteren Endabschnitt des Gasströmungsführungszylinders nach oben erstreckt, wobei der Durchmesser des wärmeisolierenden Rings so erhöht ist, dass er die Außenseite des Gasströmungsführungszylinders umgibt, wobei
in einem Bereich zwischen 50 und 200 mm von einem unteren Ende des Gasströmungsführungszylinders entfernt mindestens ein Fenster vorgesehen ist, und ein Öffnungsbereich des Fensters 50 % oder mehr eines Flächeninhalts des Bereichs ausmacht, der zwischen 50 und 200 mm vom unteren Ende des Gasströmungsführungszylinders entfernt ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einkristall-Herstellungsvorrichtung und ein Verfahren auf der Grundlage des Czochralski-Verfahrens (nachfolgend als CZ-Verfahren bezeichnet).
STAND DER TECHNIK
Nachstehend wird eine herkömmliche Einkristall-Herstellungsvorrichtung auf der Grundlage des Czochralski-Verfahrens erläutert, indem das Züchten eines Siliziumkristalls durch ein Beispiel erläutert wird.
6 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Beispiels der herkömmlichen Einkristall-Herstellungsvorrichtung.
Bei der Einkristall-Herstellungsvorrichtung 101, die zur Herstellung eines Silizium-Einkristalls auf der Grundlage des CZ-Verfahrens verwendet wird, umfasst eine Hauptkammer 105, in der der Einkristall gezüchtet wird, generell die Tiegel 109 und 110, die eine Rohstoffschmelze 106 enthalten und nach oben und unten bewegbar sind, und eine Heizeinrichtung 111, die so angeordnet ist, dass sie die Tiegel 109 und 110 umgibt. Eine Ziehkammer 107 zum Aufnehmen und Herausnehmen des gezüchteten Einkristalls ist dauerhaft über der Hauptkammer 105 vorgesehen. Bei Herstellung eines Einkristalls mittels der vorstehend beschriebenen Einkristall-Herstellungsvorrichtung 101 wird ein Impfkristall 113 in die Rohstoffschmelze 106 eingetaucht und unter Drehung langsam nach oben gezogen, um einen stabförmigen Einkristall 108 zu züchten, während die Tiegel 109 und 110 in Übereinstimmung mit dem Wachstum des Kristalls nach oben bewegt werden, so dass die Oberfläche der Schmelze immer auf einer konstanten Höhe gehalten wird, um einen gewünschten Durchmesser und eine gewünschte Kristallqualität zu erhalten.
Wenn der Einkristall 108 gezüchtet wird, nachdem der an einem Impfkristallhalter 114 angebrachte Impfkristall 113 in die Rohstoffschmelze 106 eingetaucht wurde, wird ein Draht 115 mittels eines Ziehmechanismus (nicht gezeigt) unter Drehung in einer gewünschten Richtung vorsichtig aufgewickelt, um den Einkristall 108 an einem Endabschnitt des Impfkristalls 113 wachsen zu lassen.
Dabei ist im Hinblick auf einen Konstantdurchmesserabschnitt mit konstantem Durchmesser die Geschwindigkeit zum Ziehen des Einkristalls 108 extrem niedrig und beträgt abhängig vom Durchmesser des zu ziehenden Einkristalls zum Beispiel ungefähr 0,4 bis 2,0 mm/min. Wenn zwangsweise schnell gezogen wird, verformt sich der Einkristall während des Züchtens, und demzufolge ist es nicht länger möglich, ein zylindrisches Produkt mit einem konstanten Durchmesser zu erhalten. Andererseits entstehen Probleme dahingehend, dass im Einkristall 108 Stufenversetzungen erzeugt werden und der Einkristall 108 dadurch, dass er von der Schmelze abgetrennt wird und dergleichen, keinen Produktstatus erreicht. Folglich ist die Steigerung der Kristallwachstumsrate begrenzt.
Zur Verbesserung der Produktivität und Verringerung der Kosten bei der vorgenannten Herstellung des Einkristalls 108 auf der Grundlage des CZ-Verfahrens ist jedoch die Steigerung der Wachstumsrate des Einkristalls 108 eine Hauptmaßnahme, und demzufolge wurden bisher verschiedene Verbesserungen vorgenommen, um die Steigerung der Wachstumsrate des Einkristalls 108 zu erzielen.
Es ist bekannt, dass die Wachstumsrate des Einkristalls 108 durch die Wärmebilanz des Einkristalls 108 während des Züchtens bestimmt ist und gesteigert werden kann, indem in effizienter Weise die von der Oberfläche des Einkristalls abgegebene Wärme abgeleitet wird. Dabei ermöglicht eine Verbesserung der Kühlwirkung auf den Einkristall 108, dass der Einkristall noch effizienter hergestellt werden kann. Darüber hinaus ist bekannt, dass sich die Kristallqualität abhängig von der Kühlgeschwindigkeit des Einkristalls 108 verändert. So lassen sich zum Beispiel eingewachsene Defektstellen, die im Silizium-Einkristall während des Züchtens des Einkristalls entstehen, durch das Verhältnis der Ziehgeschwindigkeit (Wachstumsrate) des Einkristalls zum Temperaturgradienten im Kristall steuern, und durch eine Steuerung dieses Verhältnisses kann man einen defektfreien Einkristall (Einkristall eines N-Bereichs) züchten (siehe ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. H11-157996). Somit ist die Erhöhung der Kühlwirkung auf den Einkristall während des Züchtens wichtig für die Herstellung eines defektfreien Einkristalls und zur Verbesserung der Produktivität durch Steigerung der Wachstumsrate des Einkristalls.
Als eine Maßnahme zur Erhöhung der Kühlwirkung wird ein Aufbau vorgeschlagen, der einen Gasströmungsführungszylinder 103 zur Strömungsführung eines Inertgases und einen wärmeisolierenden Ring 104 zum Abblocken der direkten Wärmeabstrahlung von der Heizeinrichtung und der Rohstoffschmelze zum Gasströmungsführungszylinder 103 hin umfasst (siehe ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. S64-65086 ). Bei diesem Verfahren kann man durch den wärmeisolierenden Ring und die Kühlwirkung des Inertgases auf den Einkristall eine wärmeisolierende Wirkung erwarten.
Darüber hinaus ist eine Einkristall-Herstellungsvorrichtung offenbart, die mit einer großen wärmeisolierenden Vorrichtung um einen Einkristall herum versehen ist, um die wärmeisolierende Wirkung zu verbessern (siehe japanisches Patent Nr. 3634867 ).
Es ist auch ein Gasströmungsführungszylinder offenbart, der es ermöglicht, die Form des Einkristalls während des Züchtens zu beobachten, indem der Gasströmungsführungszylinder mit einer Quarzfensterplatte versehen ist, und zwar zusätzlich zu dem vorstehend beschriebenen Effekt des Gasströmungsführungszylinders (siehe ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. H3-97688). Der Zweck der Quarzfensterplatte ist jedoch die Beobachtung des Kristalls oder die optische Messung zur Steuerung seines Durchmessers und hat nichts mit dem Gesichtspunkt in Bezug auf die Kühlwirkung zu tun.
Die US 5,788,718 A beschreibt Einkristall-Ziehvorrichtungen für das CZ-Verfahren, die über einen Gaseinführungszylinder verfügen, der einen wärmeisolierenden Ring aufweist, der sich nach oben erstreckt, und dessen Durchmesser sich nach außen hin erhöht.
Die JP H07-33587A und JP H08-319190 A beschreiben konische Wärmeschilde für den Einsatz in CZ-Vorrichtungen, die über Durchbrechungen verfügen.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Allerdings kann im Zusammenhang mit der vorstehend beschriebenen Einkristall-Herstellungsvorrichtung mit dem Gasströmungsführungszylinder 103 und dem wärmeisolierenden Ring 104 nicht behauptet werden, dass deren Kühlleistung hoch wäre in Anbetracht der Tatsache, dass die Strahlungswärme vom Einkristall in eine Kühlkammer absorbiert wird.
Obwohl die von der Heizeinrichtung und der Schmelze ausgehende Strahlung effektiv dadurch abgeblockt werden kann, dass in unmittelbarer Nähe des Kristalls die große wärmeisolierende Vorrichtung vorgesehen wird, wird bei der vorstehend beschriebenen Einkristall-Herstellungsvorrichtung, die mit der großen wärmeisolierenden Vorrichtungausgestattet ist, auch die vom Einkristall ausgehende Strahlung abgeblockt, was zu einer Abnahme einer Kühlwirkung auf den Kristall führt. Bei der vorstehend beschriebenen Einkristall-Herstellungsvorrichtung, bei der der Gasströmungsführungszylinder mit der aus Quarz bestehenden Fensterplatte versehen ist, ist die Kühlwirkung unzureichend, obwohl man durchaus einen wärmeisolierenden Effekt aufgrund des Graphitzylinders und eine Kühlwirkung durch das Inertgas erwarten kann.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der vorstehend erläuterten Probleme ausgeführt, und ihre Aufgabe besteht darin, eine Einkristall-Herstellungsvorrichtung bereitzustellen, mit der man das Blockieren der vom Einkristall ausgehenden Wärmestrahlung unterdrücken kann und sich die Kühlwirkung auf den Einkristall verbessern lässt. Darüber hinaus besteht eine weitere Aufgabe darin, ein Einkristall-Herstellungsverfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem sich unter Verwendung der Einkristall-Herstellungsvorrichtung ein Einkristall eines N-Bereichs unter Verbesserung von dessen Wachstumsrate herstellen lässt und mit dem man die Produktivität verbessern kann.
Um diese Aufgaben zu lösen, sieht die vorliegende Erfindung eine Einkristall-Herstellungsvorrichtung auf der Grundlage des Czochralski-Verfahrens vor, die mindestens umfasst: eine Hauptkammer, die so ausgebildet ist, dass sie einen Tiegel zum Unterbringen einer Rohstoffschmelze und eine Heizeinrichtung zum Erwärmen der Rohstoffschmelze aufnimmt; eine Ziehkammer, die dauerhaft oberhalb der Hauptkammer vorgesehen ist, wobei ein gezüchteter Einkristall in die Ziehkammer gezogen und darin aufgenommen wird; einen Gaseinlass, der in der Ziehkammer vorgesehen ist; einen Gasströmungsführungszylinder, der sich von einem Deckenbereich der Hauptkammer nach unten erstreckt, wobei der Gasströmungsführungszylinder aus Graphit besteht; und einen wärmeisolierenden Ring, der sich von einem unteren Endabschnitt des Gasströmungsführungszylinders nach oben erstreckt, wobei der Durchmesser des wärmeisolierenden Rings so erhöht ist, dass er die Außenseite des Gasströmungsführungszylinders umgibt, wobei in einem Bereich zwischen 50 und 200 mm von einem unteren Ende des Gasströmungsführungszylinders entfernt mindestens ein Fenster vorgesehen ist, und ein Öffnungsbereich des Fensters 50% oder mehr eines Flächeninhalts des Bereichs ausmacht, der zwischen 50 und 200 mm vom unteren Ende des Gasströmungsführungszylinders entfernt ist.
Wenn mindestens ein Fenster in einem Bereich vorgesehen wird, der zwischen 50 und 200 mm vom unteren Ende des Gasströmungsführungszylinders entfernt ist, und eine Öffnungsfläche des Fensters 50 % oder mehr eines Flächeninhalts des Bereichs ausmacht, der zwischen 50 und 200 mm vom unteren Ende des Gasströmungsführungszylinders entfernt ist, dann kann die Einkristall-Herstellungsvorrichtung auf diese Weise effizient die Wärme des Einkristalls über das im Gasströmungsführungszylinder vorgesehene Fenster abstrahlen, ohne sie teilweise abzublocken, während gleichzeitig eine direkte Wärmestrahlung von der Heizeinrichtung und der Schmelze zum Gasströmungsführungszylinder und zum Einkristall mittels des wärmeisolierenden Rings abgeblockt wird, so dass sich dadurch die Kühlwirkung verbessern lässt. Des Weiteren ermöglicht die Verbesserung der Kühlwirkung eine Erhöhung der Wachstumsrate des Einkristalls, und demzufolge kann die Produktivität verbessert werden.
In diesem Fall kann das Fenster des Gasströmungsführungszylinders mit einer aus Quarz bestehenden Fensterplatte verschlossen sein.
Wenn das Fenster des Gasströmungsführungszylinders mit der aus Quarz bestehenden Fensterplatte verschlossen ist, kann auf diese Weise die vom Einkristall abgestrahlte Wärme über die aus Quarz bestehende Fensterplatte übertragen werden, während gleichzeitig verhindert wird, dass eine Strömungsführungswirkung auf das Inertgas durch den Gasströmungsführungszylinder herabgesetzt ist, und die Kühlwirkung auf den Einkristall kann auf diese Weise noch weiter verbessert werden.
Dabei beträgt der Abstand zwischen dem unteren Ende des Gasströmungsführungszylinders und der Oberfläche der Schmelze vorzugsweise 10 bis 100 mm.
Wenn der Abstand zwischen dem unteren Ende des Gasströmungsführungszylinders und der Oberfläche der Schmelze 10 mm oder mehr beträgt, kann auf diese Weise verhindert werden, dass eine Vibration der Schmelzoberfläche und ein Verblasen der Schmelze auftreten, wobei diese Effekte darauf zurückzuführen sind, dass die Strömungsgeschwindigkeit des in seiner Strömung zu führenden Inertgases zu hoch ist, und wenn er 100 mm oder weniger beträgt, kann die Kühlwirkung auf den Einkristall sicher verbessert werden.
Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung ein Einkristall-Herstellungsverfahren zur Verfügung, bei dem unter Verwendung der Einkristall-Herstellungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ein Silizium-Einkristall eines N-Bereichs hergestellt wird.
Wenn der Silizium-Einkristall des N-Bereichs unter Verwendung der Einkristall-Herstellungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, kann auf diese Weise die Kühlwirkung auf den Einkristall während des Ziehens verstärkt werden, d.h. ein Temperaturgradient im Kristall kann vergrößert werden, und von daher kann der Silizium-Einkristall des N-Bereichs mit einer höheren Wachstumsrate hergestellt werden. Infolgedessen kann die Produktivität verbessert werden.
Die Einkristall-Herstellungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist so ausgebildet, dass in einem Bereich, der zwischen 50 und 200 mm von einem unteren Ende des Gasströmungsführungszylinders entfernt ist, mindestens ein Fenster vorgesehen ist, und ein Öffnungsbereich des Fenster 50 % oder mehr eines Flächeninhalts des Bereichs ausmacht, der zwischen 50 und 200 mm vom unteren Ende des Gasströmungsführungszylinders entfernt ist, und der Einkristall hergestellt wird. Die Einkristall-Herstellungsvorrichtung ist daher in der Lage, die Wärme des Einkristalls über das im Gasströmungsführungszylinder vorgesehene Fenster abzustrahlen, während gleichzeitig eine direkte Wärmeabstrahlung von der Heizeinrichtung und von der Schmelze zum Gasströmungsführungszylinder mittels des wärmeisolierenden Rings abgeblockt wird, wodurch sich die Kühlwirkung verbessern lässt. Des Weiteren ermöglicht die Verbesserung der Kühlwirkung eine Erhöhung der Wachstumsrate des Einkristalls, so dass sich die Produktivität steigern lässt.
Figurenliste

1 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel für die Einkristall-Herstellungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Zustand zeigt, in dem der Gasströmungsführungszylinder der Einkristall-Herstellungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit Fenstern versehen ist;
3 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Zustand zeigt, in dem die aus Quarz bestehende Fensterplatte in dem Fenster des Gasströmungsführungszylinders der Einkristall-Herstellungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist;
4 ist ein Diagramm, das Veränderungen einer Wärmeabführmenge an einem oberen Abschnitt der Hauptkammer während des Züchtens des Einkristalls im Beispiel 1 und im Vergleichsbeispiel zeigt;
5 ist eine Ansicht, die die Ergebnisse der Wachstumsrate und der Kristalldefektstellenverteilung in den Beispielen und im Vergleichsbeispiel zeigt; und
6 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel einer herkömmlichen Einkristall-Herstellungsvorrichtung zeigt.

BESTE ART ZUR DURCHFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert, wobei die vorliegende Erfindung aber nicht darauf beschränkt ist.
Es ist üblicherweise bekannt, dass die Wachstumsrate eines Einkristalls durch die Wärmebilanz des Einkristalls während des Züchtens bestimmt wird und erhöht werden kann, indem die von einer Oberfläche des Einkristalls abgestrahlte Wärme effizient abgeleitet wird. Dabei ermöglicht die Erhöhung einer Kühlwirkung auf den Einkristall, dass dieser Einkristall noch wirtschaftlicher hergestellt werden kann.
Darüber hinaus können eingewachsene Defektstellen, die in einem Silizium-Einkristall während des Züchtens des Einkristalls entstehen, durch ein Verhältnis der Ziehgeschwindigkeit (Wachstumsrate) des Einkristalls zu einem Temperaturgradienten im Kristall gesteuert werden, und durch Steuerung dieses Verhältnisses kann man einen defektfreien Einkristall wachsen lassen.
Somit ist also die Steigerung der Kühlwirkung auf den Einkristall während des Züchtens ein wichtiger Punkt bei der Herstellung eines defektfreien Einkristalls und der Erhöhung der Wachstumsrate des Einkristalls, um die Produktivität zu verbessern.
Bei der vorstehend genannten Aufgabe haben die vorliegenden Erfinder demgemäß das Hauptaugenmerk darauf gelegt, dass üblicherweise vor allem die Maßnahme für das teilweise Abblocken der von der Heizeinrichtung und der Schmelze zum Einkristall hin abgestrahlten Wärme ergriffen wird und dass die Wärmeabstrahlung vom Einkristall nicht in ausreichendem Maße berücksichtigt wird, und haben wiederholt und gründlich Untersuchungen durchgeführt. Im Ergebnis sind die vorliegenden Erfinder zu dem Schluss gekommen, dass durch eine effiziente Abstrahlung der Wärme vom Einkristall eine weitere Verbesserung der Kühlwirkung möglich wird, und dass die Wärme vom Einkristall effizient abgestrahlt werden kann, indem man an einem Teil des Gasströmungsführungszylinders ein Fenster vorsieht, das größer ist, als es jemals zuvor verwendet wurde. Die vorliegenden Erfinder haben auch die beste Art und Weise zur Ausführung dieser Maßnahmen untersucht und dadurch die vorliegende Erfindung zur Vollendung gebracht.
1 ist eine Schnittansicht, die ein Beispiel der Einkristall-Herstellungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Bei der in 1 gezeigten Einkristall-Herstellungsvorrichtung 1 sind die Tiegel 9 und 10 zum Aufnehmen der Rohstoffschmelze 6, die Heizeinrichtung 11 zum Erwärmen und Schmelzen eines Rohstoffs und dergleichen in der Hauptkammer 5 untergebracht. Ein Ziehmechanismus (nicht gezeigt) zum Ziehen eines gezüchteten Einkristalls 8 ist an einem oberen Abschnitt der Ziehkammer 7 vorgesehen, die dauerhaft über der Hauptkammer 5 angeordnet ist.
Ein Ziehdraht 15 wird vom Ziehmechanismus, der am oberen Abschnitt der Ziehkammer 7 angebracht ist, abgespult, und ein Impfkristallhalter 14 zum Anbringen eines Impfkristalls 13 ist am Ende des Ziehdrahts befestigt. Der Einkristall 8 wird unterhalb des Impfkristalls 13 gebildet, indem der Impfkristall 13, der am Ende des Impfkristallhalters 14 angebracht ist, in die Rohstoffschmelze 6 eingetaucht und der Ziehdraht 15 mittels des Ziehmechanismus aufgewickelt wird.
Es ist zu beachten, dass die vorgenannten Tiegel 9 und 10 aus einem inneren Quarztiegel 9, der die Rohstoffschmelze 6 direkt enthält, und einem äußeren Graphittiegel 10 zum Haltern des Quarztiegels 9 bestehen. Die Tiegel 9 und 10 sind mittels einer Tiegeldrehwelle 18 gehaltert, die durch einen Drehantriebsmechanismus (nicht gezeigt), der am unteren Abschnitt der Einkristall-Herstellungsvorrichtung 1 angebracht ist, gedreht sowie nach oben und unten bewegt werden können. Die Tiegel 9 und 10 werden über eine Strecke nach oben bewegt, die dem Abnahmebetrag der Schmelze in Übereinstimmung mit dem Ziehen des Einkristalls 8 entspricht, wobei sie in Bezug auf die Rotation des Kristalls in die Gegenrichtung gedreht werden, so dass die Oberfläche der Schmelze auf einer konstanten Höhe gehalten wird, um Änderungen des Kristalldurchmessers und der Kristallqualität zu verhindern, die durch eine Veränderung der Oberfläche der Schmelze in der Einkristall-Herstellungsvorrichtung 1 verursacht werden könnte.
Die Heizeinrichtung 11 ist so angeordnet, dass sie die Tiegel 9 und 10 umgibt. Ein wärmeisolierendes Element 12 ist, um zu verhindern, dass die Hauptkammer 5 der Wärme von der Heizeinrichtung 11 direkt ausgesetzt ist, so außerhalb der Heizeinrichtung 11 vorgesehen, dass es den Umfang der Heizeinrichtung umgibt.
Ein zylindrischer Gasströmungsführungszylinder 3 ist so vorgesehen, dass er den zu züchtenden Einkristall 8 umgibt.
Hier wird für den Gasströmungsführungszylinder 3 Graphit verwendet, und die Strahlungswärme von der Heizeinrichtung und der Schmelze zum Einkristall 8 kann abgeblockt werden.
Um Oxide, die im Inneren eines Ofens entstehen, nach außerhalb des Ofens abzuleiten, wird ein Inertgas, wie zum Beispiel Argongas, über den Gaseinlass 16, der am oberen Bereich der Ziehkammer 7 vorgesehen ist, eingeleitet und strömt durch das Innere des Gasströmungsführungszylinders 3. Danach wird es in seiner Strömung so geführt, dass es während des Ziehens nahe am Einkristall 8 vorbeifließt, die Oberfläche des Rohstoffschmelze 6 überstreicht, über einen oberen Endrand der Tiegel 9 und 10 gelangt und durch einen Gasauslass 17 abströmt. Dies ermöglicht, dass der Einkristall 8 während des Ziehens durch das Gas gekühlt wird, und verhindert auch die Abscheidung von Oxiden an der Innenseite des Gasströmungsführungszylinders 3, am oberen Endrand der Tiegel 9 und 10 und dergleichen.
Es ist ein wärmeisolierender Ring 4 vorgesehen, der sich vom unteren Endabschnitt des Gasströmungsführungszylinders 3 nach oben erstreckt, wobei der Durchmesser des wärmeisolierenden Rings 3 so vergrößert ist, dass er die Außenseite des Gasströmungsführungszylinders 3 umgibt. Mittels des wärmeisolierenden Rings 4 kann die Wärme von der Heizeinrichtung 11 und der Rohstoffschmelze 6 abgeblockt werden, und es wird verhindert, dass der Gasströmungsführungszylinder 3 und der Einkristall 8 der Wärme direkt ausgesetzt werden.
Es ist zu beachten, dass die Hauptkammer 5 und Ziehkammer 7 aus Metall bestehen, das über eine ausgezeichnete Wärmebeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit verfügt, wie beispielsweise rostfreiem Stahl, und über ein Kühlrohr (nicht gezeigt) mit Wasser gekühlt werden.
Des Weiteren ist, wie in 1 und 2 gezeigt ist, mindestens ein Fenster 2 vorgesehen, und zwar in einem Bereich, der zwischen 50 und 200 mm in der Höhe gemessen vom unteren Ende des Gasströmungsführungszylinders 3 entfernt ist. Die Öffnungsfläche des Fensters 2 macht 50 % oder mehr des Flächeninhalts des Bereichs aus, der zwischen 50 und 200 mm in der Höhe gemessen vom unteren Ende des Gasströmungsführungszylinders 3 entfernt ist.
In 2 bezeichnet „A“ eine Ansicht, in der eine Außenumfangsfläche des Gasströmungsführungszylinders 3 in einer Ebene liegend dargestellt ist. Wie in „A“ veranschaulicht ist, zeigt der Gasströmungsführungszylinder 3 in 2 ein Beispiel, bei dem drei Fenster 2 vorgesehen sind. Die Summe der Öffnungsflächen der drei Fenster 2 macht 50 % oder mehr des Flächeninhalts des Bereichs aus, der zwischen 50 und 200 mm in der Höhe gemessen vom unteren Ende des Gasströmungsführungszylinders 3 entfernt ist.
Wie vorstehend beschrieben ist, kann die Wärme vom Einkristall 8 abgestrahlt werden, ohne dass sie teilweise abgeblockt wird, wenn der Gasströmungsführungszylinder 3 mit dem Fenster 2 versehen ist. Diese abgestrahlte Wärme wird in der Hauptkammer absorbiert und abgeführt. Dabei wird die Wärmeabstrahlwirkung in einem Hochtemperaturbereich in einem unteren Abschnitt des Einkristalls 8 größer, und der Effekt wird insbesondere in einem Bereich zwischen dem unteren Ende des Gasströmungsführungszylinders 3 und 200 mm von dem unteren Ende entfernt noch ausgeprägter. Ein unterer Endabschnitt des wärmeisolierenden Rings 4 ist jedoch in einem Bereich angeordnet, der zwischen dem unteren Ende des Gasströmungsführungszylinders 3 und 50 mm (ausschließlich) vom unteren Ende entfernt liegt, und um die zur Halterung des wärmeisolierenden Rings 4 erforderliche Festigkeit sicherzustellen, ist das Fenster 2 dementsprechend nicht in diesem Bereich vorgesehen.
Da sich der wärmeisolierende Ring 4 im Nahbereich außerhalb des Bereichs befindet, der zwischen dem unteren Ende des Gasströmungsführungszylinders 3 und 50 mm (ausschließlich) vom unteren Ende entfernt liegt, kann man ferner kaum eine Wärmeabstrahlwirkung erwarten, wenn man das Fenster in diesem Bereich vorsieht.
Wenn die Öffnungsfläche des Fensters 2 50 % oder mehr des Flächeninhalts des Bereichs ausmacht, der zwischen 50 und 200 mm vom unteren Ende des Gasströmungsführungszylinders 3 entfernt liegt, lässt sich die Kühlwirkung mit Sicherheit verbessern.
Es ist allgemein bekannt, dass die Herstellung eines defektfreien Kristalls mit einem N-Bereich eine Steuerung in der Art erfordert, dass V/G konstant wird, wobei die Herstellungsgeschwindigkeit des Kristalls durch V [mm/min] ist und ein Temperaturgradient an einer Fest-Flüssig-Trennfläche durch G [°C/mm] dargestellt ist.
Wie vorstehend erwähnt, kann mit der Einkristall-Herstellungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die Kühlwirkung auf den Einkristall verbessert werden, und dadurch kann der Temperaturgradient an einer Fest-Flüssig-Trennfläche höher ausfallen. Der Einkristall 8 kann dementsprechend mit einer höheren Wachstumsrate hergestellt werden und infolgedessen lässt sich die Produktivität verbessern.
In diesem Fall kann, wie in 3 gezeigt ist, das Fenster 2 des Gasströmungsführungszylinders 3 mit einer aus Quarz bestehenden Fensterplatte 19 verschlossen sein.
Wenn, wie oben beschrieben, das Fenster 2 des Gasströmungsführungszylinders 3 mit der aus Quarz bestehenden Fensterplatte 19 verschlossen ist, kann die vom Einkristall 8 abgestrahlte Wärme über die Fensterplatte 19 aus Quarz übertragen werden, während gleichzeitig verhindert wird, dass aufgrund des Fensters 2 eine Strömungsführungswirkung auf das Inertgas durch den Gasströmungsführungszylinder 3 abnimmt, und die Kühlwirkung kann weiter verbessert werden.
Hierbei kann außer Quarz als Material für die Fensterplatte 19 des Gasströmungsführungszylinders 3 auch ein Werkstoff verwendet werden, der wärmebeständig ist und Infrarotstrahlen durchlässt.
Dabei beträgt der Abstand zwischen dem unteren Ende des Gasströmungsführungszylinders 3 und der Oberfläche der Schmelze 6 vorzugsweise 10 bis 100 mm.
Wenn, wie oben beschrieben, der Abstand zwischen dem unteren Ende des Gasströmungsführungszylinders 3 und der Oberfläche der Schmelze 6 10 mm oder mehr beträgt, kann verhindert werden, dass eine Vibration der Oberfläche der Schmelze und ein Verblasen der Schmelze auftritt, wobei diese Effekte darauf zurückzuführen sind, dass die Strömungsgeschwindigkeit des in seiner Strömung zu führenden Inertgases zu hoch ist, und wenn er 100 mm oder weniger beträgt, kann die Kühlwirkung mit Sicherheit verbessert werden.
Hier wird der Abstand zwischen dem unteren Ende des Gasströmungsführungszylinders 3 und der Oberfläche der Schmelze 6 vorzugsweise auf einen geeigneten Abstand innerhalb des Bereichs von 10 bis 100 mm eingestellt, und zwar entsprechend den technischen Vorgaben des Ofens oder der beabsichtigten Qualität des herzustellenden Einkristalls 8.
Als Nächstes wird das Einkristall-Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Silizium-Einkristalls eines N-Bereichs unter Verwendung der Einkristall-Herstellungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Zuerst wird ein polykristalliner Siliziumrohstoff hoher Reinheit auf die Schmelzpunkttemperatur (ungefähr 1.420 °C) oder darüber im Tiegel 9 und 10 erwärmt und geschmolzen, so dass sich die Schmelze 6 ergibt. Dann wird durch Abwickeln des Drahtes 15 ein Ende des Impfkristalls 13 mit der Oberfläche der Schmelze in Kontakt gebracht oder in diese eingetaucht, und zwar ungefähr in einem mittleren Bereich von diesem.
Um Versetzungen zu eliminieren, die entstehen, wenn der Impfkristall 13 mit der Rohstoffschmelze 6 in Kontakt gebracht wird, wird hier der Kristall in einem frühen Stadium des Züchtens zuerst in dünner Form auf einen Durchmesser von ca. 3 bis 5 mm eingestellt, und wenn die Versetzungen beseitigt sind, lässt man den Durchmesser bis auf einen gewünschten Durchmesser ansteigen, um so den Einkristall 8 mit der beabsichtigten Qualität zu züchten. Ohne die wie vorstehend beschriebene Querschnittsverminderung auszuführen, kann man alternativ dazu den Einkristall 8 züchten, indem man das versetzungsfreie Impfverfahren verwendet, bei welchem der Impfkristall 13 mit einer zulaufenden Spitze verwendet wird, der Impfkristall 13 vorsichtig mit der Rohstoffschmelze 6 in Kontakt gebracht wird, um den Impfkristall bis auf einen vorbestimmten Durchmesser einzutauchen, und danach wird der Impfkristall gezogen.
Während die Tiegeldrehwelle 18 in einer entsprechenden Richtung gedreht wird, wird daraufhin der Draht 15 unter Drehung aufgewickelt, um den Impfkristall 13 zu ziehen, und damit beginnt das Züchten des Einkristalls 8.
Während des Ziehens lässt man den Einkristall 8 des N-Bereichs wachsen, wobei der V/G-Wert entsprechend gesteuert wird.
Wenn der Silizium-Einkristall des N-Bereichs unter Einsatz der Einkristall-Herstellungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, kann, wie vorstehend beschrieben ist, die Kühlwirkung auf den Einkristall während des Ziehens verstärkt werden, d.h. ein Temperaturgradient an einer Fest-Flüssig-Trennfläche kann größer werden, und der Silizium-Einkristall des N-Bereichs kann daher mit einer höheren Wachstumsrate hergestellt werden. Infolgedessen kann die Produktivität gesteigert werden.
Wie vorstehend erläutert ist, ist die Einkristall-Herstellungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung so ausgebildet, dass mindestens ein Fenster in einem Bereich vorgesehen ist, der zwischen 50 und 200 mm von einem unteren Ende des Gasströmungsführungszylinders entfernt ist, und eine Öffnungsfläche des Fensters 50 % oder mehr eines Flächeninhalts des Bereichs ausmacht, der zwischen 50 und 200 mm vom unteren Ende des Gasströmungsführungszylinders entfernt ist, und der Einkristall hergestellt wird. Bei der Einkristall-Herstellungsvorrichtung kann daher die Wärme des Einkristalls über das im Gasströmungsführungszylinder vorgesehene Fenster abgestrahlt werden, während eine direkte Wärmeabstrahlung von der Heizeinrichtung und der Schmelze zum Gasströmungsführungszylinder mittels des wärmeisolierenden Rings abgeblockt wird, wodurch sich die Kühlwirkung verbessern lässt. Darüber hinaus ermöglicht die Verbesserung der Kühlwirkung eine Erhöhung der Wachstumsrate des Einkristalls, und demzufolge kann die Produktivität gesteigert werden.
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung ausführlicher auf der Grundlage von Beispielen und eines Vergleichsbeispiels erläutert, wobei die vorliegende Erfindung aber nicht darauf beschränkt ist.
(Beispiel 1)
Die in 1 gezeigte Einkristall-Herstellungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wurde dazu verwendet, einen N-Bereich-Silizium-Einkristall mit einem Durchmesser von 200 mm herzustellen. Es wurden die Wärmeabführmenge am oberen Bereich der Hauptkammer sowie die Herstellungsdauer ermittelt.
Es wurde ein Tiegel mit einem Durchmesser von 650 mm verwendet. Drei wie in 2 gezeigte Fenster waren in dem Bereich vorgesehen, der zwischen 50 und 200 mm vom unteren Ende des Gasströmungsführungszylinders entfernt war. Das Verhältnis der Öffnungsfläche dieser Fenster zum Flächeninhalt des Bereichs zwischen 50 und 200 mm betrug 72 %. Der Abstand zwischen dem unteren Ende des Gasströmungsführungszylinders und der Oberfläche der Schmelze betrug 50 mm.
Zuerst wurde ein polykristalliner Siliziumrohstoff mit hoher Reinheit und einem Gewicht von 180 kg in den Tiegel gegeben und auf die Schmelzpunkttemperatur (ca. 1.420 °C) oder darüber erwärmt, so dass sich die Schmelze ergab. Der Einkristall wurde gezüchtet, wobei während des Ziehens der V/G-Wert gesteuert wurde, so dass sich ein Einkristall eines N-Bereichs ergab.
4 zeigt eine Veränderung der Wärmeabführmenge am oberen Abschnitt der Hauptkammer während des Züchtens des Einkristalls in diesem Fall.
Wie in 4 dargestellt ist, zeigte sich, dass die Wärmeabführmenge größer war als bei dem Ergebnis des nachfolgend beschriebenen Vergleichsbeispiels und dass die Kühlwirkung somit verbessert war.
Die Verbesserung der Kühlwirkung erbrachte die Erhöhung der Wachstumsrate, und im Vergleich zum Ergebnis des Vergleichsbeispiels konnte die Herstellungsdauer um 16 % verkürzt werden.
Es wurde somit bestätigt, dass mit der Einkristall-Herstellungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung die Kühlwirkung während des Züchtens des Einkristalls verbessert werden kann und dass die Produktivität durch Erhöhung der Wachstumsrate des Einkristalls gesteigert werden kann.
Ferner wurde diese Einkristall-Herstellungsvorrichtung dazu verwendet, einen Silizium-Einkristall mit einem Durchmesser von 200 mm herzustellen. Während des Ziehens wurde die Wachstumsrate nach und nach gesenkt. Es wurde die Defektstellenverteilung des erhaltenen Einkristalls ermittelt.
Das Ergebnis ist in 5 gezeigt. Die vertikale Achse der 5 zeigt die relative Rate, bei der die Wachstumsrate, bei welcher OSF verschwand, im nachfolgend beschriebenen Vergleichsbeispiel 1,0 betrug. Wie durch 5 bestätigt ist, war die Wachstumsrate eines Bereichs, in dem eine jeweilige Defektstelle erzeugt wurde, höher als bei dem nachfolgend beschriebenen Vergleichsbeispiel.
(Beispiel 2)
Mit derselben Einkristall-Herstellungsvorrichtung wie bei Beispiel 1, mit der Ausnahme, dass der Abstand zwischen dem unteren Ende des Gasströmungsführungszylinders und der Oberfläche der Schmelze 58 mm betrug, wurde die Wachstumsrate während des Ziehens wie bei Beispiel 1 allmählich verringert, und es wurde die Defektstellenverteilung des erhaltenen Einkristalls ermittelt.
Das Ergebnis ist in 5 gezeigt. Wie in 5 dargestellt ist, zeigte sich, dass, obwohl die Wachstumsrate etwas niedriger lag als im Beispiel 1, die Wachstumsrate, bei der ein N-Bereich erhalten werden kann, höher war als bei dem nachfolgend beschriebenen Vergleichsbeispiel. Zum Beispiel in Bezug auf den N-Bereich genau unterhalb eines OSF-Bereichs nahe einer Mittelachse des Kristalls war die Wachstumsrate von Beispiel 2 um 12 % besser als bei dem Vergleichsbeispiel.
Im Vergleich mit dem Ergebnis von Beispiel 1 zeigte sich, dass in Bezug auf eine Bandbreite der Wachstumsrate, in der alle Bereiche in einem Kristalldurchmesser zu einem N-Bereich werden können (Bereich A in der Figur), das Beispiel 2 eine größere Bandbreite aufwies. Verglichen mit dem Vergleichsbeispiel zeigte sich, dass bei Beispiel 2 nahezu dieselbe Formverteilung bestand, mit Ausnahme des Unterschieds in der Wachstumsrate.
Es bestätigte sich somit, dass die Defektstellenverteilung je nach Wachstumsrate durch ein Einstellen des Abstands zwischen dem unteren Ende des Gasströmungsführungszylinders und der Oberfläche der Schmelze verbessert werden kann. Es bestätigte sich auch, dass sich die Wachstumsrate verbessern lässt, ohne dass sich dabei eine Verschlechterung der Defektstellenverteilung im Vergleich zu dem Fall ergab, bei dem eine herkömmliche Einkristall-Herstellungsvorrichtung verwendet wurde.
(Vergleichsbeispiel)
Ein Silizium-Einkristall eines N-Bereichs wurde unter denselben Bedingungen wie bei Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die in 6 gezeigte, herkömmliche Einkristall-Herstellungsvorrichtung verwendet wurde, und es wurde dieselbe Auswertung wie bei Beispiel 1 durchgeführt.
4 zeigt das Ergebnis der Wärmeabführmenge am oberen Abschnitt der Hauptkammer in diesem Fall.
Wie in 4 dargestellt ist, zeigte sich, dass die Wärmeabführmenge kleiner war als beim Ergebnis von Beispiel 1.
Ferner wurde diese herkömmliche Einkristall-Herstellungsvorrichtung dazu verwendet, einen Silizium-Einkristall mit einem Durchmesser von 200 mm herzustellen. Während des Ziehens wurde die Wachstumsrate nach und nach reduziert. Es wurde die Defektstellenverteilung des erhaltenen Einkristalls ermittelt.
Das Ergebnis ist in 5 gezeigt. Wie durch 5 bestätigt wird, liegt die Wachstumsrate, bei der ein N-Bereich erhalten werden kann, nieder als bei den Beispielen.
Es ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehenden Ausführungsformen beschränkt ist. Bei der Ausführungsform handelt es sich lediglich um ein erläuterndes Beispiel, und alle Beispiele, die im Wesentlichen dieselben Merkmale aufweisen und dieselben Funktionen und Wirkungen zeigen wie diejenigen in dem technischen Konzept, das in den Ansprüchen der vorliegenden Erfindung beschrieben ist, sind im technischen Umfang der vorliegenden Erfindung enthalten.

Claims

Einkristall-Herstellungsvorrichtung auf der Grundlage des Czochralski-Verfahrens, zumindest umfassend: eine Hauptkammer, die so ausgebildet ist, dass sie einen Tiegel zum Unterbringen einer Rohstoffschmelze und eine Heizeinrichtung zum Erwärmen der Rohstoffschmelze aufnimmt; eine Ziehkammer, die dauerhaft oberhalb der Hauptkammer vorgesehen ist, wobei ein gezüchteter Einkristall in der Ziehkammer gezogen und in dieser aufgenommen wird; einen Gaseinlass, der in der Ziehkammer vorgesehen ist; einen Gasströmungsführungszylinder, der sich von einem Deckenbereich der Hauptkammer nach unten erstreckt, wobei der Gasströmungsführungszylinder aus Graphit besteht; und einen wärmeisolierenden Ring, der sich von einem unteren Endabschnitt des Gasströmungsführungszylinders nach oben erstreckt, wobei der Durchmesser des wärmeisolierenden Rings so erhöht ist, dass er die Außenseite des Gasströmungsführungszylinders umgibt, wobei in einem Bereich zwischen 50 und 200 mm von einem unteren Ende des Gasströmungsführungszylinders entfernt mindestens ein Fenster vorgesehen ist, und ein Öffnungsbereich des Fensters 50 % oder mehr eines Flächeninhalts des Bereichs ausmacht, der zwischen 50 und 200 mm vom unteren Ende des Gasströmungsführungszylinders entfernt ist.
Einkristall-Herstellungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Fenster des Gasströmungsführungszylinders mit einer aus Quarz bestehenden Fensterplatte verschlossen ist.
Einkristall-Herstellungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei ein Abstand zwischen dem unteren Ende des Gasströmungsführungszylinders und der Oberfläche der Schmelze 10 bis 100 mm beträgt.
Einkristall-Herstellungsverfahren, wobei ein Silizium-Einkristall eines N-Bereichs unter Verwendung der Einkristall-Herstellungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 hergestellt wird.