DE19780252B4

DE19780252B4 - Verfahren und Vorrichtungen zum (Aus)Ziehen eines Einkristalls

Info

Publication number: DE19780252B4
Application number: DE19780252T
Authority: DE
Inventors: Teruo Izumi
Original assignee: Sumitomo Mitsubishi Silicon Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 1996-02-29
Filing date: 1997-02-27
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2017-02-28
Also published as: US5916364A; KR19990008159A; KR100293095B1; WO1997032059A1; DE19780252T1; JP3245866B2

Abstract

Verfahren zum (Aus)Ziehen eines Silicium-Einkristalls, das die Stufen umfaßt:
Eintauchen eines Silicium-Impfkristalls mit einem Durchmesser von 6mm oder mehr in eine Schmelze innerhalb eines Schmelztiegels und
Ziehen des Impfkristalls, um einen Silicium-Einkristall wachsen zu lassen, wobei der Impfkristall in die Schmelze eingetaucht wird, nachdem die Temperatur des Frontabschnitts des Impfkristalls mittels eines Laserstrahls oder eines inkohärenten Lichts allmählich erhöht worden ist, und wobei der Einkristall ohne Bildung eines Halses (aus gezogen wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum (Aus)Ziehen eines Einkristalls, insbesondere Verfahren und Vorrichtungen zum (Aus)Ziehen eines Einkristalls, bei denen ein Einkristall von Silicium oder dgl. nach einem (Aus)Ziehverfahren (aus)gezogen wird, beispielsweise dem Czochralski-Verfahren (nachstehend als CZ-Verfahren bezeichnet).
Derzeit werden als Silicium-Einkristall-Blöcke, die zur Herstellung eines Substrats für die Bildung einer Schaltungs(Stromkreis)-Komponente einer LSI-Schaltung (eines hochintegrierten Schaltkreises) und dgl. verwendet werden, meistens Silicium-Einkristalle verwendet, die nach dem CZ-Verfahren gezogen worden sind. Die 8 stellt eine schematische Schnittansicht einer konventionellen Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls dar, wie er in dem CZ-Verfahren verwendet wird, und in dieser Figur bezeichnet die Bezugsziffer 61 einen Schmelztiegel.
Der Schmelztiegel 61 umfaßt ineinandergestellt einen zylindrischen Quarz-Schmelztiegel 61a und einen den Quarz-Schmelztiegel 61a auf der Außenseite umgebenden zylindrischen Graphit-Schmelztiegel 61b, der den Quarz-Schmelztiegel 61a trägt. Der Schmelztiegel 61 wird von einer Trägerwelle 68 getragen, die sich durch den in der Figur durch den Pfeil angegebenen Richtung mit einer vorgeschriebenen Geschwindigkeit dreht. Eine zylindrische Heizeinrichtung 62 vom Widerstandsheizungs-Typ und eine zylindrische Wärmeisolierform 67 sind konzentrisch um den Schmelztiegel 61 herum angeordnet. Der Schmelztiegel 61 ist gefüllt mit einer Schmelze 63 aus einem Material für die Bildung eines Kristalls, das durch die Heizeinrichtung 62 geschmolzen wird. Auf der zentralen Achse des Schmelztiegels 61 hängt eine Ziehachse 64 aus einem Ziehstab oder -draht von oben herunter und an ihrem unteren Endabschnitt wird ein Impfkristall 65 durch eine Halteeinrichtung 64a festgehalten. Jedes obengenannte Element ist an einer festgelegten Stelle in einer Kammer 69 vom wassergekühlten Typ angeordnet, in welcher der Druck und die Temperatur eingestellt (kontrolliert) werden können.
Ein Verfahren zum (Aus)Ziehen eines Einkristalls 66 unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Vorrichtung zum (Aus)Ziehen eines Einkristalls wird nachstehend unter Bezugnahme auf die 8 und 9 beschrieben.
Die 9(a)-9(d) sind partiell vergrößerte Frontansichten, die in schematischer Form den Impfkristall und dessen Umgebung bei einem Teil der Stufen beim (Aus)Ziehen eines Einkristalls zeigen.
Obgleich in der 9 nicht dargestellt, wird das Material zur Bildung eines Kristalls durch die Heizeinrichtung 62 aufgeschmolzen. Der Druck in der Kammer 69 wird vermindert und für eine solche Zeitspanne aufrechterhalten, daß eine ausreichende Freisetzung des in der Schmelze 63 enthaltenen Gases erfolgt. Dann wird ein Inertgas in die Kammer 69 durch ihren oberen Ab schnitt so eingeleitet, daß eine Inertgasatmosphäre unter vermindertem Druck innerhalb der Kammer 69 erzeugt wird.
Während die Ziehachse 64 auf der gleichen Achse in umgekehrter Richtung zur Trägerwelle 68 mit einer vorgeschriebenen Geschwindigkeit gedreht wird, wird der Impfkristall 65, der durch die Halteeinrichtung 64a festgehalten wird, veranlaßt, herabzusteigen. Der Frontabschnitt 65a desselben wird mit der Oberfläche der Schmelze 63 in Kontakt gebracht, so daß der Impfkristall 65 in der Schmelze 63 teilweise schmilzt (nachstehend als Impfungsstufe bezeichnet) (9(a)).
Um einen Kristall an der Front des Impfkristalls 65 wachsen zu lassen, wird die Ziehachse 64 mit einer höheren Geschwindigkeit gezogen als die nachstehend beschriebene Ziehgeschwindigkeit bei der Bildung eines Hauptkörpers 66c. Der Kristall wird nach unten enger, bis er einen vorgeschriebenen Durchmesser hat, was zur Bildung eines Halses (einer Verjüngug) 66a führt (nachsthend als Halsbildungsstufe bezeichnet) (9(b)).
Durch Verlangsamung der Ziehgeschwindigkeit der Ziehachse 64 (nachstehend der Einfachheit halber als Ziehgeschwindigkeit bezeichnet) läßt man den Hals 66a wachsen, bis er einen vorgeschriebenen Durchmesser hat, was zur Bildung einer Schulter 66b führt (nachstehend als Schulterbildungsstufe bezeichnet) (9(c)).
Durch Ziehen der Ziehache 64 mit einer festgelegten Geschwindigkeit wird der Hauptkörper 66c, der einen gleichmäßigen Durchmesser und eine vorgeschriebene Länge hat, gebildet (nachstehend als Hauptkörperbildungsstufe bezeichnet) (9(d)).
Obgleich in der 9 nicht dargestellt, wird zur Verhinderung der Induktion einer Dislokation hoher Dichte in dem Einkristall 66 durch einen steilen Temperatur-Gradienten der Durchmesser desselben allmählich verkleinert und die Temperatur des gesamten Einkristalls 66 wird allmählich herabgesetzt, was zur Bildung eines Endkegels und eines Tail-Endes führt. Dann wird der Einkristall 66 von der Schmelze 63 getrennt. Eine Abkühlung des Einkristalls 66 erfolgt am Ende des (Aus)Ziehens des Einkristalls 66.
Eine der wichtigsten Stufen beim (Aus)Ziehen des Einkristalls 66 ist die obengenannte Halsbildungsstufe (9(b)). In der Impfungsstufe (9(a)) wird der Frontabschnitt 65a des Impfkristalls 65 bis zu einem gewissen Grade vorerwärmt und mit der Schmelze 63 in Kontakt gebracht. In der Regel besteht eine Differenz von 100°C oder mehr zwischen der Vorerwärmungs-Temperatur (etwa 1300°C und weniger) und dem Schmelzpunkt des Impfkristalls 65 (etwa 1410°C). Deshalb weist der Impfkristall 65 beim Eintauchen desselben in die Schmelze 63 einen steilen Temperatur-Gradienten auf, der zur Induktion einer Dislokation führt, die durch die thermische Beanspruchung des Frontabschnitts 65a des Impfkristalls 65 hervorgerufen wird. Nach dem Ausschluß der Dislokation, die das Wachstum des Einkristalls hemmt, muß der Einkristall 66 wachsen gelassen werden. Da die Dislokation im allgemeinen dazu neigt, in vertikaler Richtung zu der Wachstumsgrenzfläche des Einkristalls 66 zu wachsen, wird die Gestalt der Wachstums-Grenzfläche (die Frontebene des Halses 66a) in der Halsbildungsstufe nach unten konvex gemacht, um so die Dislokation auszuschließen.
In der Halsbildungsstufe ist der Durchmesser des Halses 66a um so kleiner und die Form der Wachstums-Grenzfläche nach unten ist um so konvexer, je höher die Ziehgeschwindigkeit ist. Als Folge davon wird die Dislokation an der Ausbreitung gehindert und sie kann wirksam ausgeschlossen werden.
Bei dem vorstehend beschriebenen konventionellen Verfahren zum (Aus)-Ziehen eines Einkristalls wurde bisher allgemein ein Impfkristall 65 mit einem Durchmesser von etwa 12 mm verwendet zum (Aus)Ziehen des Einkristalls 66 mit einem Durchmesser von etwa 150 mm (6 inches) und einem Gewicht von 80 kg oder dgl. Je größer der Durchmesser des Halses 66a ist, um so sicherer wird der Einkristall 66 festgehalten, während die Dislokation um so wirksamer ausgeschlossen wird, je kleiner der Durchmesser des Halses 66a ist. Um beiden Anforderungen zu genügen, wird ein Hals 66a mit einem Durchmesser von etwa 3 mm ausgewählt.
Neuerdings muß jedoch zur Herstellung eines Einkristall-Blockes bei niedrigeren Kosten und auf wirksamere Weise und zur Verbesserung der Chip-Ausbeute der Wafer einen größeren Durchmesser haben. Heute ist beispielsweise die Herstellung eines Einkristalls 66 mit einem Durchmesser von etwa 300 mm (12 inches) und einem Gewicht von 300 kg oder dgl. erwünscht. In diesem Fall kann der Hals 66a mit einem konventionellen Durchmesser (in der Regel 3 mm oder dgl.) dem Gewicht des gezogenen Einkristalls 66 nicht standhalten und bricht, was zum Herabfallen des Einkristalls 66 führt.
Beim Wachsen des obengenannten schweren Einkristalls 66 muß der Durchmesser des Halses 66a etwa 6 mm oder mehr betragen, um das Auftreten von Störungen, beispielsweise ein Herabfallen des Einkristalls 66, zu verhindern und um den Einkristall 66 sicher (aus)ziehen zu können, was sich aus der Siliciumfestigkeit (etwa 16 kgf/mm²) errechnen läßt. Wenn jedoch der Durchmesser des Halses 66a 6 mm oder mehr beträgt, kann eine Dislokation, die beim Eintauchen des Impfkristalls 65 in die Schmelze 63 induziert wird, nicht in zufriedenstellendem Maße ausgeschlossen werden, was zur Induktion einer Dislokation in dem (aus)gezogenen Einkristall 66 führt.
Die CH 416 573 beschreibt eine Vorrichtung zum Aufziehen von Kristallen aus einer Schmelze, wobei die Vorrichtung einen Schmelztiegel und einen sich über diesem Tiegel befindenden in senkrechter Richtung beweglichen Träger mit einem Halter für einen Keimkristall enthält.
Die JP 56-104 794 A beschreibt ein Verfahren zum Ziehen von Einkristallen, bei dem das eine Ende des Impfkristalls geschmolzen wird und mit der Schmelze zum Kristallwachstum in Kontakt gebracht wird.
Die US 5,429,067 A betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls mittels des Czochralski-Verfahrens, wobei die Oberfläche der Schmelze mit einer flüssigen Schutzschicht (Einbettharz) versehen ist.
Die JP 04-704 988 A beschreibt ein Verfahren zum Ziehen von Einkristallen, bei dem eine Apparatur verwendet wird, in der die Erhitzungsvorrichtung in dem Kristallhalter angeordnet ist.
Die JP 60-186 497 A beschreibt ein Verfahren zum Ziehen von Einkristallen, bei dem eine Heizvorrichtung zum Erwärmen des Einkristalls verwendet wird.
Die JP 04-26584 A beschreibt eine Vorrichtung zum Ziehen von Silicium-Einkristallen, bei dem ein Elektronenstrahl verwendet wird, welcher zur Erhitzung des polykristallinen Siliciums im Tiegel verwendet wird.
Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt, um die obengenannten Probleme zu lösen und ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, Verfahren und Vorrichtungen zum (Aus)Ziehen eines Einkristalls bereitzustellen, bei denen selbst ein schwerer Einkristall sicher und bei geringen Kosten unter Verhinderung der Induktion einer Dislokation in einem Impfkristall selbst und unter Weglassung der Halsbildungsstufe beim Eintauchen des Impfkristalls in eine Schmelze (aus)gezogen werden kann, um so den Impfkristall ab dem Frontabschnitt des Impfkristalls wachsen zu lassen.
Um das obengenannte Ziel zu erreichen ist ein Verfahren zum (Aus)Ziehen eines Einkristalls (1), bei dem ein Einkristall durch Eintauchen eines Impfkristalls in eine Schmelze innerhalb eines Schmelztiegels und anschließendes (Aus)Ziehen des Impfkristalls wachsen gelassen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Impfkristall in die Schmelze eingetaucht wird, nachdem die Temperatur des Frontabschnitts des Impfkristalls allmählich erhöht worden ist unter Verwendung eines Laserstrahls oder von inkohärentem Licht und das (Aus)Ziehen des Einkristalls ohne Bildung eines Halses (einer Einschnürung) durchgeführt wird.
Da der Laserstrahl leicht an dem Frontabschnitt des Impfkristalls fokussiert werden kann, kann die Temperatur des Frontabschnitts desselben leicht und wirksam erhöht werden.
Bei dem Verfahren zum (Aus)Ziehen eines Einkristalls (1) wird der Frontabschnitt des Impfkristalls bis nahezu auf die Temperatur der Schmelze erhitzt, bevor der Impfkristall in die Schmelze eingetaucht wird, was dazu führt, daß keine plötzliche Temperatur-Änderung (kein Wärmeschock) auftritt und die Induktion einer Dislokation beim Eintauchen des Impfkristalls in die Schmelze verhindert wird. Da ein Hals nicht gebildet zu werden braucht, kann die Größe des gesamten Impfkristalls kleiner gemacht werden als bei Anwendung des konventionellen Verfahrens, was zur Verwendung eines billigen Impfkristalls und zur Verringerung der Kosten zum (Aus)Ziehen eines Einkristalls führt.
Bevorzugt wird der Impfkristall in die Schmelze eingetaucht, nachdem die Temperatur des Impfkristalls, dessen Frontabschnitt eine Temperatur von 1300°C oder mehr aufweist, mit einer Geschwindigkeit von 0,5 bis 30°C/min auf 1380 bis 1480°C erhöht worden ist.
Da der Impfkristall in die Schmelze erst eingetaucht wird, nachdem die Temperatur des Impfkristalls, dessen Frontabschnitt 1300°C oder mehr hat, mit einer verhältnismäßig niedrigen Geschwindigkeit von 0,5 bis 30°C/min auf 1380 bis 1480°C erhitzt worden ist, braucht bei dem Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls (2) die Temperatur des Impfkristalls keine breite Verteilung aufzuweisen. Als Folge davon kann der Impfkristall mit der Schmelze in Kontakt gebracht werden, ohne daß eine Dislokation in dem Impfkristall induziert wird, der Einkristall kann gezogen werden, ohne daß sich die Dislokation ausbreitet.
Ein Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls (2), bei dem ein Einkristall wachsen gelassen wird durch Eintauchen eines Impfkristalls in eine Schmelze innerhalb eines Schmelztiegels und anschließendes Ziehen des Impfkristalls, ist dadurch gekennzeichnet, daß der Impfkristall in die Schmelze eingetaucht wird, nachdem die Temperatur des Impfkristalls bis auf nahezu diejenige der Schmelze erhöht worden ist durch Vorerwärmen des Impfkristalls mit einem Wärmeisolierrohr, das um denselben herum angeordnet ist, und durch Ziehen des Einkristalls ohne Bildung eines Halses.
Bei dem Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls (2) wird der Impfkristall auf wirksame Weise ausreichend vorerwärmt durch Isolierung eines Stroms eines Inertgases (Ar) in der Umgebung des Impfkristalls unter Verwendung des Wärmeisolierrohres und die Temperatur des Impfkristalls wird erhöht bis auf nahezu diejenige der Schmelze vor dem Eintauchen des Impfkristalls in die Schmelze, was zur Verhinderung der Induktion einer Dislokation, hervorgerufen duch einen Wärmeschock beim Eintauchen des Impfkristalls in die Schmelze, führt.
Das Verfahren zum Ziehen des Einkristalls (3) ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Impfkristall zusätzlich vorerwärmt wird durch Verwendung eines Laserstrahls oder von inkohärentem Licht wie sie in dem Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls (1) beschrieben worden ist.
Da sich die Wärme aus dem Impfkristall aufgrund des Vorhandenseins des Wärmeisolierrohres nicht leicht um dieses herum verteilen kann, kann die Temperatur des Frontabschnittes des Impfkristalls wirksamer erhöht werden.
Bevorzugt wird inkohärentes Licht mit einer Wellenlänge von 0,6 μm oder mehr verwendet.
Bei dem Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls (1) oder (2) kann, da der Impfkristall unter Verwendung von inkohärentem Licht erhitzt wird, der Impfkristall wirtschaftlich vorerwärmt werden unter Verwendung einer verhältnismäßig billigen Vorrichtung. Wenn inkohärantes Licht mit einer Wellenlänge von 0,6 μm oder mehr verwendet wird, kann der Impfkristall viel leichter gleichmäßig erhitzt werden.
Eine Vorrichtung (1) zum Ziehen eines Einkristalls, in der eine Halteeinrichtung zum Festhalten eines Impfkristalls mit einer Ziehachse verbunden ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Laserstrahlgenerator außerhalb der Kammer zur Erhöhung der Temperatur des Frontabschnitts des Impfkristalls vor dem Eintauchen des durch die Halteeinrichtung festgehaltenen Impfkristalls in eine Schmelze aufweist, und einen Fensterabschnitt, um einen Laserstrahl, der von dem Laserstrahl-Generator emittiert wird, auf den Impfkristall zu richten.
Bei Verwendung der Vorrichtung (1) zum Ziehen eines Impfkristalls kann die Temperatur des Frontabschnitts des Impfkristalls durch die Hilfs-Heizeinrichtung leicht auf nahezu diejenige der Schmelze erhöht werden, bevor der Impfkristall in die Schmelze eingetaucht wird, und die Induktion einer Dislokation, die durch einen Wärmeschock beim Eintauchen des Impfkristalls in die Schmelze hervorgerufen wird, kann verhindert werden. Deshalb kann der Einkristall (aus)gezogen werden, ohne daß sich die Dislokation ausbreitet, Durch Verwendung der Vorrichtung (1) zum Ziehen eines Einkristalls kann der Impfkristall mit dem Laserstrahl durch den Fensterabschnitt von außerhalb des Körpers der Vorrichtung bestrahlt werden. Als Folge davon kann der Impfkristall gefahrlos und wirksam erhitzt werden, ohne daß eine teure Modifizierung einer konventionellen Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls erforderlich ist.
Eine Vorrichtung (2) zum Ziehen eines Einkristalls ist dadurch gekennzeichnet, daß sie eine inkohärentes Licht erzeugende Induktions-Vorrichtung als Hilfs-Heizeinrichtung enthält, die einen Generator für inkohärentes Licht und eine Induktions-Einrichtung zum Lenken eines inkohärenten Lichts, das durch den Generator für inkohärentes Licht gebildet worden ist, auf die Umgebung des Impfkristalls umfaßt.
Bei Verwendung der Vorrichtung (2) zum Ziehen eines Einkristalls, welche die inkohärentes Licht bildende Induktions-Vorrichtung als Hilfs-Einrichtung aufweist, die den Generator für inkohärentes Licht und die Induktions-Einrichtung umfaßt, kann der Frontabschnitt des Impfkristalls durch die Induktions-Einrichtung auch dann erhitzt werden, wenn der Generator für inkohärentes Licht nicht innerhalb des Körpers der Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls angeordnet ist. Deshalb kann der Impfkristall wirksam und bei niedrigen Kosten erhitzt werden.
Eine Vorrichtung (2) zum Ziehen eines Einkristalls weist bevorzugt einen Generator für infrarote Strahlung auf.
Damit kann der Einkristall bei niedrigeren Kosten gezogen werden wegen der Verwendung der billigen, infrarote Strahlung erzeugenden Induktions-Einrichtung.
Bevorzugt weisen diese Vorrichtungen zum Ziehen eines Einkristalls eine Induktions-Einrichtung auf, die einen zylindrischen Körper aus einem Material, ausgewählt aus der Gruppe Quarz, Saphir, Kovar-Glas, CaF₂, NaCl, KCl, KBr, CsBr und Csl, umfasst.
Dadurch kann der Frontabschnitt des Impfkristalls wirksam erhitzt werden, da der zylindrische Körper von dem inkohärenten Licht (den infraroten Strahlen) passiert werden kann.
Bevorzugt weist der die Induktions-Einrichtung aufbauende zylindrische Körper einen Durchmesser auf, der dem 1- bis 3-fachen desjenigen des Frontabschnitts des Impfkristalls entspricht.
Eine Vorrichtung (3) zum Ziehen eines Einkristalls, in der eine Halte-Einrichtung zum Festhalten eines Impfkristalls mit einer Ziehachse verbunden ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Wärmeisolierrohr aufweist, weiches den Impfkristall umgibt, der an der Halte-Einrichtung befestigt ist.
Die Vorrichtung (3) zum Ziehen eines Einkristalls ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß sie die in der Vorrichtung (1) oder die in der Vorrichtung (2) zum Ziehen eines Einkristalls definierte Hilfs-Heizeinrichtung aufweist.
Bei Verwendung der Vorrichtung (3) zum Ziehen eines Einkristalls kann zusätzlich zu der Vorerwärmung es Impfkristalls mit dem Wärmeisolierrohr der Frontabschnitt des Impfkristalls durch die Hilfs-Heizeinrichtung erhitzt werden. Da sich die Wärme wegen des Vorhandenseins des Wärmeisolierrohres nicht leicht in der Umgebung verteilt, kann der Frontabschnitt des Impfkristalls wirksamer erhitzt werden.
Die Vorrichtung (3) zum Ziehen eines Einkristalls ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Wärmeisolierrohr aufweist, dessen Frontabschnitt sich auf einem niedrigeren Niveau befindet als der Impfkristall, der von der Halteeinrichtung festgehalten wird.
Bei Verwendung der Vorrichtung (3) zum Ziehen eines Einkristalls kann, da der Frontabschnitt des Wärmeisolierrohres auf einem niedrigeren Niveau angeordnet ist als der Impfkristall, der durch die Halteeinrichtung festgehalten wird, vor dem Eintauchen des Impfkristalls. in die Schmelze der Impfkristall wirksamer wärmeisoliert werden in der Atmosphäre, die gegenüber der Umgebung durch das Wärmeisolierrohr isoliert ist, der Impfkristall kann wirksamer vorerwärmt werden und die Induktion der Dislokation, hervorgerufen durch den Wärmeschock, kann zuverlässiger verhindert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 stellt eine schematische Schnittansicht dar, die eine Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls gemäß der Ausführungsform (1) der vorliegenden Erfindung zeigt;
2(a)-2(d) stellen teilweise vergrößerte Frontansichten dar, die in schematischer Form einen Impfkristall und dessen Umgebung bei dem Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls nach der Ausführungsform (1) zeigen;
3 stellt eine schematische Schnittansicht dar, die eine Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls gemäß der Ausführungsform (2) zeigt;
4 stellt eine schematische Schnittansicht dar, die eine Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls gemäß der Ausführungsform (2) zeigt;
5 stellt eine schematische Schnittansicht dar, die eine Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls gemäß der Ausführungsform (3) zeigt;
6(a)-6(d) stellen teilweise vergrößerte Schnittansichten dar, die in schematischer Form einen Impfkristall und dessen Umgebung bei dem Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls nach der Ausführungsform (3) zeigen;
7 stellt eine teilweise vergrößerte Schnittansicht dar, die in schematischer Form eine Halteeinrichtung und einen Impfkristall in einer Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls gemäß der Ausführungsform (3) zeigt;
8 stellt eine schematische Schnittansicht dar, die eine konventionelle Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls bei Anwendung des CZ-Verfahrens zeigt; und
9(a)-9(d) stellen teilweise vergrößerte Frontansichten dar, die in schematischer Form einen Impfkristall und dessen Umgebung in einem Teil der Stufen eines konventionellen Verfahrens zum Ziehen eines Einkristalls zeigen.
Beste Art der Durchführung der Erfindung
Die Ausführungsformen der Verfahren und Vorrichtungen zum Ziehen eines Einkristalls gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf diese Figuren beschrieben. Die Verfahren und Vorrichtungen zum Ziehen eines Einkristalls nach den Ausführungsformen der Erfindung werden beschrieben aufgrund der Annahme, daß ein schwerer Einkristall mit einem großen Durchmesser von 300 mm (12 inches) oder mehr (aus)gezogen wird.
Die 1 stellt eine schematische Schnittansicht dar, die eine Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls nach der Ausführungsform (1) zeigt.
Die Vorrichtung 10 zum Ziehen eines Einkristalls nach der Ausführungsform (1) ähnelt der konventianellen Vorrichtung 60 zum Ziehen eines Einkristalls, wie sie in 8 dargestellt ist, jedoch mit der Ausnahme, daß sie einen La serstrahl-Generator 11 als eine Hilfs-Heizeinrichtung und einen Fensterabschnitt 12 auf der Vorrichtung 10 zum Ziehen eines Einkristalls zum Lenken eines Laserstrahls 13, der von dem Laserstrahl-Generator 11 emittiert wird, auf einen Impfkristall 15 aufweist. Daher werden hier nur die Teile beschrieben, die sich auf den Laserstrahl-Generator 11 beziehen.
Der Laserstrahl-Generator 11 ist außerhalb einer Kammer 69 angeordnet und auf einer Seitenwand 69a derselben ist der Fensterabschnitt 12 zum Richten des Laserstrahls 13, der von dem Laserstrahl-Generator 11 emittiert wird, in die Kammer 69 angeordnet. Auf einer Wärmeisolierform 17 ist ein Fenster (durchgehendes Loch) 17a vorgesehen, das den Laserstrahl 13 passieren läßt. Der von dem Laserstrahl-Generator 11 emittierte Laserstrahl 13 passiert den Fensterabschnitt 12 und das Fenster (durchgehende Loch) 17a, das auf der Wärmeisolierform 17 gebildet worden ist, und der Frontabschnitt 15a des Impfkristalls 15 wird mit dem Laserstrahl 13 bestrahlt und erhitzt.
Beispiele für einen Laser, der in dem Laserstrahl-Generator 11 verwendet wird, sind ein Excimer-Laser, beispielsweise ein ArF-Laser und ein KrF-Laser, ein CO₂-Laser und ein YAG-Laser, und die Energie beträgt vorzugsweise 0,05-500 W oder dgl. Beim Erhitzen des Impfkristalls 15 mit dem Laserstrahl 13 wird der Impfkristall 15 mit einer Geschwindigkeit von etwa 20 UpM gedreht, um zu verhindern, daß nur ein Punkt des Impfkristalls 15 erhitzt wird. Außerdem wird der Laserstrahl 13 vorzugsweise in einem festgelegten Feld des Frontabschnitts 15a des Impfkristalls 15 abgetastet, um den Frontabschnitt 15a desselben gleichmäßiger zu erhitzen. Das Material für die Bildung des Fensterabschnitts 12, der auf der Seitenwand 69a der Kammer 69 angeordnet ist, unterliegt keinen speziellen Beschränkungen, sofern es eine ausgezeichnete Luftdichtheit und Wärmebeständigkeit aufweist und für den Laserstrahl 13 durchlässig ist, unter diesen Materialien erwünscht ist jedoch ein glasartiges Siliciumdioxid, das die Bedingungen ausreichend erfüllt.
Ein Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls nach der Ausführungsform (1) wird nachstehend beschrieben.
Die 2(a)-2(d) stellen teilweise vergrößerte Frontansichten dar, die in schematischer Form einen Impfkristall und dessen Umgebung in einem Teil der Stufen in dem Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls nach der Ausführungsform (1) zeigen. Ein Einkristall wird unter Verwendung der Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls 10, wie in 1 dargestellt, gezogen.
Die Stufen vor den nachstehend beschriebenen Stufen werden auf die gleiche Weise wie beim Stand der Technik beschrieben durchgeführt.
Während eine Ziehachse 14 auf der gleichen Achse in der umgekehrten Richtung zu einer Trägerwelle 68 mit einer vorgeschriebenen Geschwindigkeit gedreht wird, wird der Impfkristall 15, der durch eine Halte-Einrichtung 14a festgehalten wird, dazu veranlaßt, bis nahe zu einer Schmelze 63 abzusteigen, und vorerwärmt. Dann wird der Frontabschnitt 15a des Impfkristalls 15 durch den Laserstrahl 13 erhitzt und die Temperatur desselben wird erhöht (1 und 2(a)).
Der Durchmesser des Impfkristalls 15 beträgt vorzugsweise 6-30 mm. Wenn der Durchmesser desselben weniger als 6 mm beträgt, ist es schwierig, einen Einkristall 16 mit einem Durchmesser von etwa 300 mm (12 inches) und einem Gewicht von mehr als 300 kg zu tragen. Wenn andererseits der Durchmesser desselben mehr als 30 mm beträgt, ist er groß genug, um den Einkristall 16 zu tragen, er ist jedoch so groß, daß die Verwendung des Impfkristalls 15 wirtschaftlich nachteilig ist.
Durch 5 bis 120 min oder dgl. langes Vorerwärmen wird die Temperatur des Frontabschnitts 15a des Impfkristalls 15 auf etwa 1200 bis 1300°C erhöht. Der Abstand zwischen der Schmelze 63 und dem unteren Ende des Impfkristalls 15 zu diesem Zeitpunkt beträgt vorzugsweise 1 bis 30 mm oder dgl. Nach dem Vorerwärmen wird der Frontabschnitt 15a des Impfkristalls 15 mit dem Laserstrahl 13 bestrahlt und die Temperatur des Frontabschnitts 15a steigt. Wenn eine hohe Energie des Laserstrahls 13 ab Beginn emittiert wird, besteht hier die Möglichkeit der Induktion einer Dislokation, hervorgerufen durch einen Wärmeschock, an dem Impfkristall 15 als Folge einer partiellen plötzlichen Änderung der Temperatur. Deshalb wird die Energie des Laserstrahls 13 zuerst auf einen niedrigen Wert eingestellt und allmählich erhöht, so daß die Temperatur allmählich erhöht werden kann. Schließlich wird die Temperatur des Frontabschnitts 15a des Impfkristalls 15 auf 1380 bis 1480°C erhöht. Die Zeit für die Erhöhung der Temperatur beträgt vorzugsweise 10 bis 120 min und die Geschwindigkeit der Temperatursteigerung beträgt vorzugsweise 0,5 bis 30°C/min. Wenn die Geschwindigkeit weniger als 0,5°C/min beträgt, ist die Zeit für die Temperaturerhöhung des Frontabschnitts 15a zu lang, was zu einer Abnahme der Produktivität führt. Wenn andererseits die Geschwindigkeit mehr als 30°C/min beträgt, wird leicht eine Dislokation in dem Impfkristall 15 durch den Wärmeschock induziert als Folge der plötzlichen Änderung der Temperatur des Frontabschnitts 15a. Wenn die Temperatur des Frontabschnitts 15a weniger als 1380°C beträgt, wird die durch die Wärmebeanspruchung verursachte Dislokation an dem Impfkristall 15 induziert durch Inkontaktbringen des Impfkristalls 15 mit der Schmelze 63. Andererseits nimmt dann, wenn die Temperatur des Frontabschnitts 15a mehr als 1480°C beträgt, die Viskosität des geschmolznenen Frontabschnitts 15a ab, was zu einem Herabfallen des Frontabschnitts 15a führt. Wenn die Zeit für die Temperatur-Steigerung weniger als 10 min beträgt, wird leicht eine Dislokation induziert, hervorgerufen durch die thermische Beanspruchung bei der Steigerung der Temperatur des Impfkristalls 15. Wenn andererseits die Zeit für die Temperatur-Steigerung mehr als 120 min beträgt, ist die Zeit für die Temperatur-Steigerung zu lang, was zu einer Abnahme des Produktions-Wirkungsgrades führt.
Dann wird der Impfkristall 15 veranlaßt herabzusteigen und der Frontabschnitt 15a desselben taucht in die Schmelze 63 ein (2(b)). Beim Eintauchen tritt, da die Differenz zwischen der Temperatur des Frontabschnitts 15a des Impfkristalls 15 und derjenigen der Schmelze 63 gering ist, keine thermische Beanspruchung, hervorgerufen durch die Temperatur-Differenz, in dem Impfkristall 15 auf, so daß keine Induktion einer Dislokation resultiert. Deshalb wird der Impfkristall 15 mit einer vorgeschriebenen Geschwindigkeit ohne Bildung eines Halses 66a gezogen (9) und der Einkristall 16 wird so wachsen gelassen, bis er einen vorgeschriebenen Durchmesser (300 mm (12 inches) oder dgl. aufweist), was zur Bildung einer Schulter 16a führt (2(c)).
Dann wird der Einkristall 16 mit einer vorgeschriebenen Geschwindigkeit gezogen, was zur Bildung eines Hauptkörpers 16b führt (2(d)).
Danach wird der Einkristall 16 auf die gleiche Weise wie beim Stand der Technik beschrieben gezogen, von der Schmelze 63 getrennt und gekühlt, wonach das Ziehen des Einkristalls 16 beendet ist.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls nach der Ausführungsform (2) werden nachstehend unter Bezugnahme auf die 3 beschrieben.
Die Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls 20 gemäß der Ausführungsform (2) ähnelt der konventionellen Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls 60, wie sie in 8 dargestellt ist, jedoch mit der Ausnahme, daß sie eine infrarote Strahlung erzeugende Induktions-Vorrichtung 21 als Hilfs-Heizeinrichtung, die umfaßt einen Infrarot-Strahlungs-Generator 22a, der ein inkohärentes Licht innerhalb des Wellenlängen-Bereiches von etwa 0,6 bis 1000 μm (Infrarotbereich) bildet, und einen Quarzstab 22b, bei dem es sich um eine Induktions-Einrichtung zur Induktion (zum Lenken) einer infraroten Strahlung 25, die durch den Infrarot-Strahlungs-Generator 22a gebildet wird, auf die Umgebung eines Impfkristalls 15 handelt, und einen Abdichtungs-Abschnitt 23, der auf der Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls 20 zur Abdichtung des Einsatzes aus dem Quarzstab 22b vorgesehen ist, aufweist. Daher werden hier nur die Teile beschrieben, die sich auf die infrarote Strahlung erzeugende Induktions-Vorrichtung 21 beziehen.
Der Infrarot-Strahlungs-Generator 22a ist außerhalb einer Kammer 69 angeordnet und der Quarzstab 22b, der die von dem Infrarot-Strahlungs-Generator 22a emittierte infrarote Strahlung 25 auf die Umgebung des Impfkristalls 15 richtet, ist an dem Infrarot-Strahlungs-Generator 22a befestigt. Die infrarote Strahlung erzeugende Induktions-Vorrichtung 21 umfaßt den Infrarot-Strahlungs-Generator 22a und den Quarzstab 22b. Der Abdichtungsabschnitt 23 ist auf einer Seitenwand 69a der Kammer 69 vorgesehen, der Quarzstab 22b wird in den Abdichtungsabschnitt 23 eingesetzt und ein Abdichtungsmaterial 24 zum Abdichten des Einsatzes des Quarzstabes 22b ist auf der Seitenwand 69a angeordnet, um diese luftdicht zu halten. Auf einer Wärmeisolierform 27 ist eine Kerbe 27a ausgebildet, die den Quarzstab 22b passieren läßt. Wie in 3 dargestellt, kann dadurch, daß man den Quarzstab 22b abschrägt, um dafür zu sorgen, daß der Frontabschnitt 220b des Quarzstabes 22b unterhalb des Basisabschnittes desselben angeordnet ist, der Impfkristall 15 unmittelbar oberhalb einer Schmelze 63 erhitzt werden, selbst wenn die Höhe des Randes eines Schmelztiegels 61 viel höher ist als derjenige der Schmelze 63. Als Material für das Dichtungsmaterial 24 werden beispielsweise anorganische Klebstoffe und wärmebeständige Harze verwendet.
Das durch den Infrarot-Strahlungs-Generator 22a erzeugte inkohärente Licht hat vorzugsweise eine Wellenlänge von 0,6 μm oder mehr. Wenn die Wellenlänge weniger als 0,6 μm beträgt, werden nur die Oberfläche des Impfkristalls 15 und seine Umgebung erhitzt. Als Folge davon wird durch eine thermische Beanspruchung leicht eine Dislokation induziert. Als Quelle für die infrarote Strahlung wird beispielsweise verwendet eine Wolframhalogenlampe, eine Wolframfadenlampe, eine Globar-Lampe und eine Nernst-Glimmlampe. Die Energie beträgt vorzugsweise 0,5 bis 5 kW oder dgl.
Beim Erhitzen des Impfkristalls 15 durch die infrarote Strahlung 25 wird der Impfkristall 15 mit einer Geschwindigkeit von etwa 20 UpM gedreht, so daß nicht nur ein Punkt des Impfkristalls 15 erhitzt wird. Um den Frontabschnitt 15a des Impfkristalls 15 gleichmäßiger zu erhitzen, wird der Frontabschnitt 15a des Impfkristalls 15 besonders bevorzugt mit infraroten Strahlen 25 aus mehreren Richtungen (nicht dargestellt) bestrahlt unter Verwendung mehrerer die Bildung von infraroter Strahlung induzierender Einrichtungen 21.
Das Verhältnis zwischen dem Durchmesser des Quarzstabes 22b und demjenigen des Impfkristalls 15 beträgt vorzugsweise 1 bis 3. Wenn das Verhältnis des Durchmessers des Quarzstabes 22b zu demjenigen des Impfkristalls 15 weniger als 1 beträgt, ist es schwierig, den Impfkristall 15 gleichmäßig zu erhitzen. Infolgedessen hat die Temperatur des Impfkristalls 15 eine breite Verteilung und es wird leicht eine Dislokation induziert. Wenn andererseits das Verhältnis zwischen dem Durchmesser des Quarzstabes 22b und demjenigen des Impfkristalls 15 den Wert 3 übersteigt, nimmt die Energiedichte der auftreffenden Infrarotstrahlung 25 ab und die infrarote Strahlung 25, mit welcher der Impfkristall 15 nicht bestrahlt worden ist, nimmt zu, was wirtschaftlich nachteilig ist.
Ein Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls 16 unter Verwendung der Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls 20 ist sehr ähnlich demjenigen gemäß der Ausführungsform (1) mit Ausnahme der Verwendung der die Bildung von infraroter Strahlung induzierenden Einrichtung 21 als Hilfs-Heizeinrichtung. Daher wird hier eine detaillierte Beschreibung desselben weggelassen.
Bei der Ausführungsform (2) wird das Verfahren beschrieben, bei dem der Infrarotstrahlungs-Generator 22a, der ein inkohärentes Licht mit einer Wellenlänge von etwa 0,6 bis 1000 μm erzeugt, verwendet wird in einer Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls nach einer anderen Ausführungsform kann jedoch auch eine die Bildung von inkohärentem Licht induzierende Einrichtung angeordnet sein, die einen Generator für inkohärentes Licht, der ein inkohä rentes Licht innerhalb des Wellenlängenbereiches ausgenommen des obengenannten erzeugt, und eine Induktionseinrichtung, die das inkohärente Licht, das durch den Generator für inkohärentes Licht erzeugt wird, auf die Umgebung des Impfkristalls 15 auftreffen läßt, umfaßt.
Bei der Ausführungsform (2) wird der Quarzstab 22b als Induktionseinrichtung verwendet, bei einer anderen Ausführungsform kann aber auch ein zylindrischer Körpers aus Saphir, Kovar-Glas, CaF₂, NaCl, KCl, KBr, CsBr, Csl oder dgl. verwendet werden. In diesem Fall muß die Umgebung des zylindrischen Körpers mit einem Kühlmittel abgekühlt werden, da der zylindrische Körper eine geringere Wärmebeständigkeit aufweist als der Quarzstab 22b. Daher wird eine Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls wie nachstehend beschrieben verwendet.
Die 4 stellt eine schematische Schnittansicht dar, die eine Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls 30 gemäß der Ausführungsform (2) zeigt.
Die Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls 30 nach der Ausführungsform (2) ist ähnlich der Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls 20, wie sie in 3 dargestellt ist, mit Ausnahme der Verwendung eines Kovar-Glasstabes 32b als Induktions-Einrichtung, die eine Hilfs-Heizeinrichtung darstellt, die ein Schutzrohr 33 aufweist, das um den Kovar-Glasstab 32b herum angeordnet ist, um zu verhindern, daß die Temperatur des Kovar-Glasstabes 32b übermäßig stark ansteigt, und wobei der Kovar-Glasstab 32b und die damit verbundenen Teile nahezu horizontal eingesetzt werden. Daher werden nur die Teile beschrieben, die sich auf den Kovar-Glasstab 32b und das Schutzrohr 33 beziehen.
Der Kovar-Glasstab 32b, der eine infrarote Strahlung 25 induziert, die von einem Infrartostrahlungs-Generator 22a emittiert wird, so daß sie auf die Umgebung eines Impfkristalls 15 auftrifft, ist an dem Infrartostrahlungs-Generator 22a auf der Außenseite einer Kammer 69 befestigt und eine die infrarote Strahlung bildende Induktions-Einrichtung 31 umfaßt den Infrartostrahlungs-Generator 22a und den Kovar-Glasstab 32b. Das Schutzrohr 33 ist um den Kovar-Glasstab 32b herum angeordnet und hat einen Doppelaufbau, wobei ein äußeres Rohr 33d ein inneres Rohr 33c umgibt und ein durchgehendes Loch 33e, das auf dem Frontabschnitt desselben vorgesehen ist, das innere Rohr 33c mit dem äußeren Rohr 33d verbindet. Ein Kühlmittel-Einlaß 33a und ein Kühlmittel-Auslaß 33b sind in der Nähe des Infrarotstrahlungs-Generators 22a angeordnet. Deshalb fließt das Kühlmittel nach dem Einführen durch den Kühlmittel-Einlaß 33a durch das innere Rohr 33c zu dem Frontabschnitt, um den Kovar-Glasstab 32b zu kühlen. Dann passiert das Kühlmittel das durchgehende Loch 33e und das äußere Rohr 33d und strömt durch den Kühlmittel-Auslaß 33b nach außen.
Auf einer Seitenwand 69a der Kammer 69 ist ein Dichtungsabschnitt 34 angeordnet und der Kovar-Glasstab 32b und das Schutzrohr 33, das um diesen herum angeordnet ist, werden horizontal in den Dichtungsabschnitt 34 eingesetzt. Ein Dichtungsmaterial 35 zum Abdichten des Einsatzes in das Schutzrohr 33 ist auf der Seitenwand 69a so angeordnet, daß die Kammer 69 luftdicht gehalten wird. Als Bestandteil des Schutzrohres 33 werden beispielsweise Glas-Materialien wie glasartiges Siliciumdioxid verwendet und als Kühlmittel werden beispielsweise ein wärmebeständiges Öl, Wasser und dgl. verwendet.
Ein Verfahren gemäß der Ausführungsform (2) und eine Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls gemäß der Ausführungsform (3) werden nachstehend unter Bezugnahme auf die 5 und 6 beschrieben. Die Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls ähnelt der konventionellen Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls 60, wie sie in 8 dargestellt ist, mit Ausnahme eines Quarz-Wärmeisolierrohres 41, das an einer Halteeinrichtung 44 befestigt ist. In dieser Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls sind der Laserstrahl-Generator 11, die die Bildung von infraroter Strahlung induzierende Einrichtung 21 oder 31, wie sie in den Ausführungsformen (1)-(3) beschrieben worden sind, zusätzlich zu der Halteeinrichtung 44 oder 52 mit dem daran befestigten Wärmeisolierrohr 41 oder 51 befestigt, was in 5 nicht dargestellt ist. Daher wird hier nur der Aufbau des Wärmeisolierrohres 41 und der Umgebung desselben beschrieben. Wie in 6(a) dargestellt, ist das Wärmeisolierrohres 41 zylindrisch und auf dem oberen Abschnitt desselben sind zwei durchgehende Löcher 41a vorgesehen, so daß sie die zentrale Achse vertikal durchdringen. Die Graphit-Halteeinrichtung 44 ist ebenfalls nahezu zylindrisch, in dem Hohlraum des unteren Abschnitts der Halteeinrichtung 44 ist jedoch eine schräge Ebene 44a als Trägerebene vorgesehen, um einen Impfkristall 45 so festzuhalten, daß der Durchmesser des Hohlraums allmählich abnimmt. In dem Mittelabschnitt der Halteeinrichtung 44 sind zwei durchgehende Löcher 44b vorgesehen, so daß sie die zentrale Achse vertikal durchdringen. Auf dem oberen Abschnitt der Halteeinrichtung 44 (nicht dargestellt) ist eine Rille vorgesehen und eine Ziehachse 14 ist angeschraubt. Das Wärmeisolierrohr 41 wird an der Halteeinrichtung 44 dadurch befestigt, daß man dafür sorgt, daß eine verbindende Befestigung 42 die durchgehenden Löcher 41a des Wärmeisolierrohres 41, das an der Halteeinrichtung 44 befestigt ist, und die durchgehenden Löcher 44b der Halteeinrichtung 44 durchdringen. Die verbindende Befestigungs-Einrichtung 42 ist aus Graphit hergestellt und hat die Form eines Bolzens mit einer Nut (Rille), die auf seinem Endabschnitt vorgesehen ist, und eine Schraubenmutter 43 aus Graphit wird aufgeschraubt.
Der Impfkristall 45 umfaßt den oberen Abschnitt 45a, bei dem es sich um einen zylindrischen Abschnitt mit nahezu dem gleichen Durchmesser wie der Hohlraum der Halteeinrichtung 44 handelt, den unteren Abschnitt 45c, bei dem es sich um einen zylindrischen Abschnitt mit einem geringeren Durchmesser als der obere Abschnitt 45a handelt, und den mittleren Abschnitt 45b mit einer schrägen Ebene, der zwischen dem oberen Abschnitt 45a und dem unteren Abschnitt 45c angeordnet ist. Durch Einsetzen des Impfkristalls 45 von dem Hohlraum des oberen Abschnitts der Halteeinrichtung 44 her wird der Impfkristall 45 durch die Halteeinrichtung 44 in dem Zustand festgehalten, in dem der untere Abschnitt 45c aus der Halteeinrichtung 44 herausragt. Der untere Endabschnitt 41b des Wärmeisolierrohrs 41 ist auf einem niedrigeren Niveau angeordnet als der untere Endabschnitt 45d des Impfkristalls 45, der von der Halteeinrichtung 44 festgehalten wird. Das Material für die Herstellung des Wärmeisolierrohrs 41 ist nicht auf Quarz beschränkt, Quarz, welcher der glei che ist wie das Material für den Quarztiegel 61a, hat jedoch vorzugsweise wenige Effekte auf die Schmelze 63.
Das Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls gemäß der Ausführungsform (2) wird nachstehend beschrieben.
Die Stufen vor der nachfolgend beschriebenen Stufe werden auf die gleiche Weise durchgeführt wie beim Stand der Technik beschrieben. Vor der Impfungsstufe ist der untere Endabschnitt 41b des Wärmeisolierrohrs 41 oberhalb der Schmelze 63 angeordnet, wie in 5 dargestellt.
Während die Ziehachse 14 auf der gleichen Achse in der umgekehrten Richtung zu einer Trägerwelle 68 mit einer vorgeschriebenen Geschwindigkeit gedreht wird, wird der Impfkristall 45, der von der Halteeinrichtung 44 festgehalten wird, veranlaßt, nach unten zu steigen bis in die Nähe der Schmelze 63 und er wird vorerwärmt. Zu diesem Zeitpunkt taucht der untere Endabschnitt 41b des Wärmeisolierrohrs 41 in die Schmelze 63 ein (6(a)).
In einer Kammer 69, wie sie in 5 dargestellt ist, strömt Ar-Gas in Richtung auf einen Schmelztiegel 61 aus einer Ziehkammer 69b. Da der Impfkristall 45 durch den Ar-Gasstrom gekühlt worden ist, war es bisher schwierig, die Temperatur des Impfkristalls 45 auf nahezu diejenige der Schmelze 63 zu erhöhen lediglich durch Vorerwärmen des Impfkristalls 45, der nahe bei der Schmelze 63 angeordnet ist. Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform ist jedoch, wie in 6(a) dargestellt, der Impfkristall 45 gegenüber der umgebenden Atmosphäre durch das Wärmeisolierrohr 41 vollständig isoliert und ein Teil der Wärmestrahlung ist ebenfalls isoliert. Durch Vorerwärmen unter diesen Bedingungen kann die Temperatur des Impfkristalls 45 erhöht werden, bis sie ausreichend nahe bei derjenigen der Schmelze 63 ist. Der untere Endabschnitt 41b des Wärmeisolierrohrs 41 befindet sich vorzugsweise auf einem Niveau, das 2 bis 30 mm niedriger ist als der untere Endabschnitt 45d des Impfkristalls 45. Wenn der untere Endabschnitt 41b des Wärmeisolierrohrs 41 weniger als 2 mm tiefer liegt als der untere Endabschnitt 45d des Impfkristalls 45, ist es schwierig, nur den unteren Endabschnitt 41b des Wärmeisolierrohrs 41 in die Schmelze 63 einzutauchen, ohne den Impfkristall 45 mit der Schmelze 63 in Kontakt zu bringen. Wenn andererseits der untere Endabschnitt 41b des Wärmeisolierrohrs 41 mehr als 30 mm tiefer liegt als der untere Endabschnitt 45d des Impfkristalls 45, ist es schwierig, den unteren Abschnitt 45c des Impfkristalls 45 ausreichend vorzuerwärmen, wegen des großen Abstandes zwischen dem unteren Endabschnitt 45d des Impfkristalls 45 und der Schmelze 63, selbst in einem Zustand, in dem der untere Endabschnitt 41b des Wärmeisolierrohrs 41 in die Schmelze 63 eintaucht. Außerdem hat vom Standpunkt der wirksamen Vorerwärmung aus betrachtet das Wärmeisolierrohr 41 vorzugsweise einen inneren Durchmesser von etwa 8 bis 70 mm und eine Dicke von etwa 0,5 bis 3 mm.
Dann wird der Impfkristall 45 veranlaßt, weiter herabzusteigen und der untere Endabschnitt 45d desselben wird mit der Schmelze 63 in Kontakt gebracht (6(b)). Hier und nach der 6(b) ist die Halteeinrichtung 44 weggelassen und nur der untere Abschnitt 45c des Impfkristalls 45, das Wärmeisolierrohr 41, das um diesen herum angeordnet ist, und die Schmelze 63 sind dargestellt.
Wenn man den Impfkristall 45 mit der Schmelze 63 in Kontakt bringt, ist die Differenz zwischen der Temperatur des unteren Abschnitts 45c des Impfkristalls 45 und derjenigen der Schmelze 63 gering, so daß keine Wärmebeanspruchungen, hervorgerufen durch eine Temperatur-Differenz, den Impfkristall 45 beeinflussen, so daß keine Dislokation induziert wird. Es ist deshalb nicht erforderlich, einen Hals 66a (9) zu bilden, wenn jedoch die Stufe der Bildung einer Schulter 46b direkt darauf folgt, stößt die Schulter 46b manchmal an das Wärmeisolierrohr 41 an, da das Wärmeisolierrohr 41 um den unteren Endabschnitt 45d des Impfkristalls 45 herum angeordnet ist.
Wenn dann einmal der Impfkristall 45 mit einer vorgeschriebenen Geschwindigkeit gezogen worden ist, wird ein Einkristall (verlängerter Abschnitt 46a) mit nahezu dem gleichen Durchmesser wie der untere Abschnitt 45c des Impfkristalls 45 wachsen gelassen bis fast auf die gleiche Höhe wie der untere Endabschnitt 41b des Wärmeisolierrohrs 41 (6(c)).
Durch Ziehen des Impfkristalls 45 mit einer vorgeschriebenen Geschwindigkeit läßt man einen Einkristall 46 so wachsen, daß er einen vorgeschriebenen Durchmesser (etwa 300 mm = 12 inches) hat zur Bildung der Schulter 46b, und dann läßt man den Einkristall 46 mit einer vorgeschriebenen Zieh-Geschwindigkeit wachsen, so daß der Hauptkörper 46c gebildet wird ( 6(d)).
Danach wird auf die gleiche Weise wie beim Stand der Technik beschrieben der Einkristall 46 gezogen, von der Schmelze 63 getrennt und abgekühlt, wonach das Ziehen des Einkristalls 46 beendet ist.
Die 7 stellt eine schematische Schnittansicht dar, die eine weitere Ausgestaltung der Anordnung des Wärmeisolierrohres und der Halteeinrichtung zeigt, die Bestandteile einer Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls gemäß der Ausführungsform (4) darstellen. Daher wird hier nur der Aufbau des Wärmeisolierrohres 51 und der Halteeinrichtung 52 beschrieben.
Die Halteeinrichtung 52, die einen Hakenabschnitt 52a an ihrem unteren Ende aufweist, hält das Wärmeisolierrohr 51, das einen Hakenabschnitt 51a an seinem oberen Ende aufweist, fest durch Einhaken des Wärmeisolierrohrs 51 in den Hakenabschnitt 52a der Halteeinrichtung 52. Auf dem oberen Abschnitt der Halteeinrichtung 52 ist eine Rille (nicht dargestellt) vorgesehen und eine Ziehachse 14 ist angeschraubt. Die Form des Impfkristalls 45 ist ähnlich derjenigen bei der Ausführungsform (4).
Insbesondere dann, wenn das Wärmeisolierrohr 41 oder 51 aus Quarz besteht, das für den Laserstrahl 13 und die infrarote Strahlung 25 durchlässig ist, kann der Impfkristall 15 durch den Laserstrahl-Generator 11 oder die die Bildung von infraroter Strahlung induzierende Einrichtung 21 oder 31 erhitzt werden und die Temperatur des Impfkristalls 15 kann wirksamer erhöht werden wegen des Wärmeisolierrohrs 41 oder 51, das eine ausgezeichnete Wärmeisolierung ergibt.
Beispiele
Die Verfahren und Vorrichtungen zum Ziehen eines Einkristalls werden in den nachfolgenden Beispielen beschrieben. Als Vergleichsbeispiele werden die Fälle beschrieben, bei denen ein Einkristall unter Anwendung eines konventionellen Verfahrens unter Verwendung der konventionellen Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls, wie sie bei dem CZ-Verfahren (8) verwendet wird, beschrieben. Die Bedingungen und die Ergebnisse sind nachstehend angegeben.
Beispiele 1 und 2 und Vergleichsbeispiele 1 und 2
Gemeinsame Bedingungen für die Beispiele 1 und 2 und die Vergleichsbeispiele 1 und 2

Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls, wie sie in den Beispielen 1 und 2 verwendet wird:
Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls 10, wie in 1 dargestellt
Form des gezogenen Einkristalls 16 oder 66

Durchmesser:	etwa 300 mm (12 inches)
Länge:	etwa 1000 mm
Gewicht:	etwa 270 kg
bereitgehaltene Materialmenge für den Kristall:	300 kg
Atmosphäre in der Kammer 69:	Ar-Atmosphäre
Ar-Strom:	80 l/min
Druck:	1,33 × 10³ Pa
Drehgeschwindigkeit der Ziehachse 14 oder 64:	20 UpM
Drehgeschwindigkeit des Schmelztiegels 61:	5 UpM
Anzahl der Ziehversuche:	10 mal in jedem Beispiel und Vergleichsbeispiel

Prüfung der DF (Dislokationsfreiheits)-Rate des gezogenen Einkristalls
Die gezogenen Einkristalle 16 oder 66 wurden parallel zur Wachstumsrichtung (Längenrichtung) zerschnitten und es wurden die Röntgentopographien der erhaltenen Einkristalle 16 oder 66 bestimmt, aus denen die DF-Rate ermittelt wurde. Das heißt, die Einkristalle 16 oder 66, in denen eine Dislokation, auch wenn sie nur geringfügig war, bei den Röntgentopographien gefunden wurde, wurden als solche mit einer Dislokation beurteilt. Die Rate der Dislokationsfreiheit der Einkristalle (DF) bei 10 gezogenen Einkristallen wurde unter Anwendung der obengenannten Messung bestimmt.
Ergebnisse der Beispiele 1 und 2 und der Vergleichsbeispiele 1 und 2
Die Bedingungen der Beispiele 1 und 2 und der Vergleichsbeispiele 1 und 2 sind in den Tabellen 1 und 2 angegeben und die DF-Raten und die Häufigkeit des Herabfallens der Einkristalle 16 und 66 sind in der Tabelle 3 angegeben.
Tabelle 3 Ergebnisse
Wie aus den in der Tabelle 3 angegebenen Ergebnissen ersichtlich, betrug in den Beispielen 1 und 2 jede DF-Rate der gezogenen Einkristalle 16 90% (9/10). Es trat nur eine geringe Dislokation auf, da keine Induktion der Dislokation an den Impfkristallen 15 vorhanden war, obgleich die Einkristalle 16 ohne Bildung eines Halses 66a gezogen wurden (9). Da die Durchmesser der Frontabschnitte 15a der Impfkristalle 15 ausreichend groß waren, 10 mm bzw. 6 mm in den Beispielen 1 und 2, betrug die Häufigkeit des Herabfallens 0/10.
Andererseits betrug in dem Vergleichsbeispiel 1, da die Durchmesser der Impfkristalle 15 verkleinert wurden, so daß sich ein Hals 66a mit einem Durchmesser von 4 mm bildete, die DF-Rate in vorteilhafter Weise 90 % (9/10). Die Einkristalle 66 konnten jedoch nicht ausreichend getragen werden, so daß die Häufigkeit des Herabfallens 8/10 betrug, d.h. die meisten der Einkristalle 66 fielen herab. In dem Vergleichsbeispiel 2 betrug die Häufigkeit des Herabfallens 0/10, da die Durchmesser der Hälse 66a ausreichend groß waren. Da jedoch die Induktion einer Dislokation in den Impfkristallen 65 nicht ausgeschlossen werden konnte, betrug die DF-Rate 0 % (0/10), d.h. in allen Einkristallen 66 trat eine Dislokation auf.
Beispiele 3 bis 5
In den Beispielen 3 bis 5 wurde die in der 3 dargestellte Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls 20 als Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls verwendet. In diesem Fall waren die Gestalt des gezogenen Einkristalls 16, die bereitgehaltene Materialmenge zur Bildung eines Einkristalls, die Atmosphäre in der Kammer 69, die Drehgeschwindigkeit der Ziehachse 14, die Drehgeschwindigkeit des Schmelztiegels 61 und die Anzahl der Ziehversuche ähnlich denjenigen in den Beispielen 1 und 2. Die Bestimmung der DF-Rate (der Dislokationsfreiheit) der gezogenen Einkristalle erfolgte ebenfalls ähnlich derjenigen in den Beispielen 1 und 2.
Ergebnisse der Beispiele 3 bis 5 und der Vergleichsbeispiele 3 und 4
Die übrigen Bedingungen der Beispiele 3 bis 5 mit Ausnahme der obengenannten sind in der Tabelle 4 angegeben und die DF-Raten und die Häufigkeit des Herabfallens der Einkristalle 16 sind in der Tabelle 5 angegeben.
Wie aus den in der Tabelle 5 angegebenen Ergebnissen hervorgeht, betrug in den Beispielen 3 bis 5 jede DF-Rate der gezogenen Einkristalle 16 90% (9/10). Da keine Induktion einer Dislokation in den Impfkristallen 15 vorlag, trat nur eine geringe Dislokation auf, obgleich die Einkristalle 16 ohne Bildung eines Halses 66a gezogen wurden (9). Da die Durchmesser der Frontabschnitte 15a der Impfkristalle 15 ausreichend groß waren, jeweils 10 mm, 6 mm und 6 mm in den Beispielen 3 bis 5, betrug die Häufigkeit des Herabfallens 0/10.
Referenz-Beispiele 6 bis 8
In den Referenz-Beispielen 6 bis 8 wurde die Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls 40, wie in der 5 dargestellt ist, als Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls verwendet. In diesem Fall waren die Gestalt des gezogenen Einkristalls 46, die bereitgehaltene Materialmenge für die Bildung eines Einkristalls, die Atmosphäre in der Kammer 69, die Drehgeschwindigkeit der Ziehachse 14, die Drehgeschwindigkeit des Schmelztiegels 61 und die Anzahl der Zieharbeitsgänge ähnlich denjenigen in den Beispielen 1 und 2. Auch die Bestimmung der DF-Rate (Dislokationfreiheit) der gezogenen Einkristalle erfolgte ähnlich derjenigen in den Beispielen 1 und 2.
Ergebnisse der Referenz-Beispiele 6 bis 8
Die übrigen Bedingungen der Referenz-Beispiele 6 bis 8 mit Ausnahme der oben angegeben sind in den Tabellen 6 und 7 angegeben und die DF-Raten und die Häufigkeit des Herabfallens der Einkristalle 46 sind in der Tabelle 8 angegeben.
Tabelle 8 Ergebnisse
Wie aus den in der Tabelle 8 angegebenen Ergebnissen hervorgeht, betrug in den Referenz-Beispielen 6 bis 8 jede DF-Rate der gezogenen Einkristalle 46 90% (9/10). Da keine Induktion einer Dislokation an den Impfkristallen 45 vorlag, trat nur eine geringe Dislokation auf, obgleich die Einkristalle 46 ohne Bildung eines Halses 66a gezogen wurden (9). Da die Durchmesser der unteren Abschnitte 45c der Impfkristalle 45 ausreichend groß waren, jeweils 10 mm, 6 mm und 6 mm in den Referenz-Beispielen 6 bis 8, betrug die Häufigkeit des Herabfallens 0/10.
Industrielle Anwendbarkeit
Die erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen zum Ziehen eines Einkristalls sind anwendbar zum Ziehen eines Einkristall-Blockes, beispielsweise eines größeren Silicium-Einkristalls.

Claims

Verfahren zum (Aus)Ziehen eines Silicium-Einkristalls, das die Stufen umfaßt: Eintauchen eines Silicium-Impfkristalls mit einem Durchmesser von 6mm oder mehr in eine Schmelze innerhalb eines Schmelztiegels und Ziehen des Impfkristalls, um einen Silicium-Einkristall wachsen zu lassen, wobei der Impfkristall in die Schmelze eingetaucht wird, nachdem die Temperatur des Frontabschnitts des Impfkristalls mittels eines Laserstrahls oder eines inkohärenten Lichts allmählich erhöht worden ist, und wobei der Einkristall ohne Bildung eines Halses (aus gezogen wird.
Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls nach Anspruch 1, bei dem der Impfkristall in die Schmelze eingetaucht wird, nachdem die Temperatur des Impfkristalls, dessen Frontabschnitt 1300°C oder mehr hat, unter Verwendung eines Laserstrahls oder eines inkohärenten Lichts mit einer Geschwindigkeit von 0,5 bis 30°C/min auf 1380 bis 1480°C erhöht worden ist.
Verfahren zum Ziehen eines Silicium-Einkristalls, das die Stufen umfaßt: Eintauchen eines Silicium-Impfkristalls mit einem Durchmesser von 6mm oder mehr in eine Silicium-Schmelze innerhalb eines Schmelztiegels und Ziehen des Impfkristalls, um einen Silicium-Einkristall wachsen zu lassen, wobei der Impfkristall in die Schmelze eingetaucht wird, nachdem die Temperatur des Impfkristalls bis nahezu auf die Temperatur der Schmelze erhöht worden ist durch Vorerwärmen mit einem Wärmeisolierrohr, das um den Impfkristall herum angeordnet ist, und zusätzlich mit einem Laserstrahl oder einem inkohärenten Licht und wobei der Einkristall ohne Bildung eines Halses (aus gezogen wird.
Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls nach Anspruch 1, 2 oder 3, worin inkohärentes Licht mit einer Wellenlänge von 0,6 μm oder mehr zur Erhöhung der Temperatur des Impfkristalls verwendet wird.
Vorrichtung zum (Aus)Ziehen eines Einkristalls mit einer Halteeinrichtung zum Festhalten eines Impfkristalls, der mit einer Ziehachse ver bunden ist, und einem Laserstrahlgenerator außerhalb der Kammer zur Erhöhung der Temperatur des Frontabschnitts des Impfkristalls, bevor der von der Halteeinrichtung festgehaltene Impfkristall in eine Schmelze eingetaucht wird, und mit einem Fensterabschnitt, der zum Lenken eines von dem Laserstrahl-Generator emittierten Laserstrahls auf den Impfkristall vorgesehen ist.
Vorrichtung zum (Aus)Ziehen eines Einkristalls mit einer Halteeinrichtung zum Festhalten eines Impfkristalls, der mit einer Ziehachse verbunden ist, und einem Generator für inkohärentes Licht außerhalb der Kammer zur Erhöhung der Temperatur des Frontabschnitts des Impfkristalls, bevor der von der Halteeinrichtung festgehaltene Impfkristall in eine Schmelze eingetaucht wird, und einer Induktions-Einrichtung zum Einführen (Lenken) eines inkohärenten Lichtes, das durch den Generator für inkohärentes Licht erzeugt worden ist, in die Umgebung des Impfkristalls.
Vorrichtung zum (Aus)Ziehen eines Einkristalls nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator für inkohärentes Licht ein Generator für infrarotes Licht ist.
Vorrichtung zum (Aus)Ziehen eines Einkristalls nach Anspruch 6 oder 7, worin die Induktions-Einrichtung umfaßt einen zylindrischen Körper aus einem Material, ausgewählt aus der Gruppe Quarz, Saphir, Kovar-Glas, CaF₂, NaCl, KCl, KBr, CsBr und CsI.
Vorrichtung zum (Aus)Ziehen eines Einkristalls nach Anspruch 8, worin das Verhältnis zwischen dem Durchmesser des die Induktions-Einrichtung aufbauenden zylindrischen Körpers und dem Durchmesser des Frontabschnitts des Impfkristalls 1 bis 3 beträgt.
Vorrichtung zum (Aus)Ziehen eines Einkristalls mit einer Halteeinrichtung zum Festhalten eines Impfkristalls, der mit einer Ziehachse verbunden ist, die ein Wärmeisolierrohr aufweist, das den Impfkristall umgibt, der an der Halteeinrichtung befestigt ist, worin der untere Endabschnitt des Wärmeisolierrohrs auf einem tieferen Niveau angeordnet ist als der untere Endabschnitt des durch die Halteeinrichtung festgehaltenen Impfkristalls, und mit einem Laserstrahlgenerator außerhalb der Kammer zur Erhöhung der Temperatur des Frontabschnitts des Impfkristalls oder einem Generator für inkohärentes Licht außerhalb der Kammer zur Erhöhung der Temperatur des Frontabschnitts des Impfkristalls.