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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Bereich der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ziehen
eines Einkristalls mit hohem Gewicht durch ein Czochralski-Verfahren
ungeachtet einer mechanischen Festigkeit eines Kristallkeims und
eines Halsteils davon durch mechanisches Halten eines Teils eines
wachsenden Kristalls während
des Wachstums.
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Verwandte
Technik
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Ein
Czochralski-Verfahren ist herkömmlich
als ein Verfahren bekannt, das Halbleitermaterial wie beispielsweise
Silizium produziert, das zum Beispiel, wie in 2(A) gezeigt, folgende Schritte beinhaltet: In-Berührung-Bringen
eines von dem Impfkristallhalter 51 gehaltenen Impfkristalls 52 mit
der Oberfläche
einer Rohmaterialschmelze 54, die in einem Schmelztiegel 53 ist;
dann Ziehen des Impfkristalls 52, wobei seine Geschwindigkeit
angepasst wird, während
sich der Impfkristall 52 um seine Drehachse dreht, um einen
Halsteil 55 unter dem Impfkristall 52 zu bilden,
und in Folge Züchten
eines zylindrischen Körpers 56 eines
Einkristalls mit einem größeren Durchmesser.
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In
dem Czochralski-Verfahren kann der zylindrische Körper 56 eines
gezüchteten
Kristalls unter dem Impfkristall 52 durch das Bilden des
Halsteils 55 versetzungsfrei produziert werden. In den
letzten Jahren hat sich jedoch das Gewicht eines Einkristalls wegen
des Bedarfs an einem Einkristall mit einem größeren Durchmesser oder zum
Zweck der Verbesserung der Produktionseffizienz kontinuierlich vergrößert, wobei
bei dieser Entwicklung oft nahezu unzureichende mechanische Festigkeiten
eines Impfkristalls 52 und eines Halsteils 55 festgestellt
werden konnten. Sollte der Halsteil 55 zerbrochen werden,
um einen wachsenden Einkristall herunterfallen zu lassen, würde ein
ernster Unfall befürchtet
werden müssen.
Um mit einem derartigen Unfall umgehen zu können, sind ein Verfahren und
ein Gerät
zum mechanischen Halten eines Teils eines Kristalls während der
Kristallzüchtung
eingesetzt worden, wie zum Beispiel in 2(B) gezeigt.
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In
dem Gerät
der Figur ist ein gestufter Eingriffsteil 57, der aus einem
Teil mit erweitertem Durchmesser und einem Teil mit reduziertem
Durchmesser zusammengesetzt ist, zwischen einem Halsteil 55 und
einem zylindrischen Körper 56 gebildet,
und der gestufte Eingriffsteil 57 wird zwischen den Hebevorrichtungen 58, 58 gehalten,
um einen wachsenden Einkristall zu ziehen. Für derartige Techniken ist die
folgende Literatur bekannt: zum Beispiel die offengelegten japanischen
Patentanmeldungen 62-288191, 63-252991, 3-285893, 3-295893, EP-A-0449260
und dergleichen. Unter ihnen wird zum Beispiel im Fall der offengelegten
japanischen Patentanmeldung 3-285893 ein Impfkristall gezogen, während der
gestufte Eingriffsteil 57 gebildet wird, und wenn der gestufte
Eingriffsteil 57 eine Position erreicht, an der sich die
Hebevorrichtungen 58, 58 befinden, ergreifen die
Vorrichtungen 58, 58 den gestuften Eingriffsteil 57 und
das Kristallziehen wird fortgesetzt, während er von den Vorrichtungen 58, 58 gehalten
wird.
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In
dem wie oben beschriebenen herkömmlichen
Verfahren wird das Gewicht des wachsenden Einkristalls effektiv
getragen, aber da die Hebevorrichtungen 58, 58 mit
dem Kristall in ihrer Bewegung entlang einer lateralen Richtung
in Berührung
kommen, wenn der Kristall von den Hebevorrichtungen 58, 58 ergriffen
wird, wodurch die Tendenz besteht, dass eine auf den Kristall gerichtete
Kraft in diese Richtung erzeugen wird, entsteht ein Problem, dass
der Einkristall geschwenkt wird, und es besteht die Möglichkeit,
dass dessen Oszillation auftritt.
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In
dem gleichen Fall entsteht ein anderes Problem; wenn ein wachsender
Kristall von mechanischen Mitteln gehalten wird, weist eine zentrale
Drehachse in einem Ziehmechanismus eines Einkristalls, der einen wachsenden
Einkristall in einer früheren
Phase hält,
im praktischen Sinn einen kleinen Fehler, in der Ausrichtung nach
einer zentralen Drehachse eines Haltemechanismus, der den Einkristall
in einer späteren
Phase hält,
auf, obwohl die zentralen Drehachsen eine perfekte Ausrichtung zueinander
aufweisen müssen.
In einer derartigen Situation, wenn der Zusammendrückvorgang
der Hebevorrichtungen 58, 58 ausgeführt wird,
berühren
eine Vielzahl der Spitzen der Vorrichtungen 58, 58 nicht
alle in Übereinstimmung
den Kristall, und eine davon kommt vor den anderen mit ihm in Berührung, so
dass der wachsende Kristall gezwungen wird, zu schwenken und zu
oszillieren.
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Wie
oben beschrieben, ist es im Allgemeinen schwierig, einen Teil eines
wachsenden Kristalls zum mechanischen Halten in einem Czochralski-Verfahren zu ergreifen,
ohne jegliche Oszillation an dem Kristall zu verursachen. Und sobald
der wachsende Kristall schwenkt und die Oszillation auftritt, unterliegt
der Kristall beginnendem Wachstum mit Versetzungen und der Produktion
von Krümmungen
im Kristall, und folglich wird ein Ertrag an Einkristall reduziert
und, wenn die Oszillation außergewöhnlich ist,
bleibt als einzige Wahl das Einstellen des Ziehvorgangs.
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Unter
derartigen Umständen
bestand demgemäß der Wunsch
nach einem effektiven Mittel zum Unterdrücken von Oszillation eines
wachsenden Kristalls in einem Czochralski-Verfahren, in einem Fall,
in dem ein Teil des wachsenden Kristalls mechanisch gehalten wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ziehen
eines Einkristalls in einem Czochralski-Verfahren, wobei ein Impfkristall
gezogen wird, während
er sich dreht, nachdem der Impfkristall mit einer Rohmaterialschmelze
in Berührung
gebracht wurde, wobei ein Teil des wachsenden Einkristalls während des
Ziehens mechanisch gehalten wird und der Einkristall mit hohem Gewicht
ungeachtet einer mechanischen Festigkeit des Impfkristalls oder
eines Halsteils davon gezogen werden kann, dadurch gekennzeichnet,
dass ein Magnetfeld an die Rohmaterialschmelze angelegt wird, wenn
der wachsende Kristall mechanisch gehalten wird, wobei das Magnetfeld
vorübergehend
(i) nur während
der Zeit, in der eine Tätigkeit
durchgeführt wird,
um den wachsenden Kristall mechanisch zu halten, oder (ii) unmittelbar
nach dem tatsächlichen
Auftreten der Oszillation des Kristalls während des Ziehens des wachsenden
Kristalls angelegt wird, um eine solche Oszillation zu unterdrücken; dadurch
dass eine Stärke
des Magnetfelds 500 Gauß oder
mehr in der Nähe
einer Kristallwachstums-Grenze beträgt.
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Wenn
ein Magnetfeld an eine Rohmaterialschmelze angelegt wird, während ein
Teil eines wachsenden Kristalls mechanisch gehalten wird, wird eine
Viskosität
der Schmelze durch das Magnetfeld verstärkt und dadurch wird die Oszillation
des Kristalls unterdrückt.
Wenn ein Einkristall auf eine derartige Weise gezüchtet wird,
treten demgemäß keine
Probleme der Art auf, dass der wachsende Kristall ein Kristall mit
Versetzungen wird oder ein Kristall mit Krümmungen heranwächst.
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Das
Magnetfeld wird nur während
der Zeit an die Schmelze angelegt, in der eine Tätigkeit durchgeführt wird,
um einen wachsenden Kristall, bei dessen Wachstum Oszillation problematisch
ist, mechanisch zu halten oder um die Oszillation eines Kristalls
unmittelbar nach ihrem tatsächlichen
Auftreten zu unterdrücken,
und ist auch auf Oszillation anwendbar, die in anderen Fällen als
dem Halten durch mechanische Mittel, wie oben erwähnt, entsteht.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung beträgt
die Magnetfeldstärke
500 Gauß oder
mehr in der Nähe
einer Kristallwachstums-Grenze, um die Oszillation eines wachsenden
Einkristalls effektiv zu unterdrücken.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun im Detail beschrieben werden, aber
es ist zu beachten, dass die folgende Beschreibung den Bereich der
vorliegenden Erfindung nicht einschränkt.
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Wie
oben beschrieben, ist ein herkömmliches
Verfahren zum mechanischen Halten eines Kristalls das Zusammendrücken eines
wachsenden Kristalls in eine laterale Richtung mit Hebevorrichtungen,
und dadurch empfängt
der Kristall notwendigerweise eine laterale Kraft, die mit Leichtigkeit
bewirkt, dass der Kristall oszilliert, indem er hin und her geschwenkt
wird.
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Außerdem ist
es schwierig, dass eine zentrale Drehachse eines Kristallziehmechanismus,
der einen Kristall in einer früheren
Phase hält,
in perfekter Ausrichtung nach einer zentralen Drehachse eines Haltemechanismus
zum Tragen des Kristalls in einer späteren Phase kommt, was eigentlich
einen, wenn auch kleinen, Fehler verursacht, in der Ausrichtung
zwischen den zentralen Achsen, selbst wenn mechanische Genauigkeit von
beiden Mechanismen weiter erhöht
wird.
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Da
es eine Länge
von einem Halteteil eines Einkristalls zu einer Kristallwachstums-Grenze
gibt, wird selbst eine kleine Schwenkamplitude des Kristalls an
dem Halteteil an der Kristallwachstums-Grenze gemäß der Länge des
wachsenden Kristalls größer, das
heißt,
dass geringes Schwenken, das in einer Haltetätigkeit verursacht wurde, zu
größtenteils
beeinträchtigtem
Kristallwachstum führt.
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Eine
Viskosität
einer Siliziumschmelze ist sehr gering, aus welchem Grund ein wachsender
Kristall mit Leichtigkeit oszilliert wird, selbst wenn eine kleine
Kraft angewendet wird.
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Deshalb
ist es schwierig, eine Haltetätigkeit
auszuführen,
ohne jegliche Oszillation an einem wachsenden Kristall zu verursachen,
wenn der wachsende Kristall zusammengedrückt wird, um in einem Czochralski-Verfahren mechanisch
gehalten zu werden.
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Die
Erfinder haben die vorliegende Erfindung, basierend auf einem erlangten
Konzept, nach ernsthafter Forschung erreicht, die mit dem Verständnis dessen
durchgeführt
wurde, dass Gegenmaßnahmen,
wie beispielsweise weitere erhöhte
Genauigkeit eines Geräts
selbst, das einen wachsenden Kristall und dergleichen mechanisch
hält, eine
Grenze und wenig Effektivität
aufweisen, wobei es das Konzept ist, dass Verstärkung der Viskosität einer
Rohmaterialschmelze die Oszillation des Kristalls erschwert, selbst
unter dem Einfluss einer auf den Kristall gerichteten Kraft bei
einer mechanischen Haltetätigkeit,
oder die Verstärkung
der Viskosität die
Oszillation unterdrückt,
selbst wenn sie auftritt.
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Das
heißt,
da, wie oben beschrieben, die Prandtl-Zahl einer Silikonschmelze
sehr klein und die Viskosität
gering ist, ist ein wachsender Kristall leicht durch eine geringe
darauf gerichtete Kraft zu oszillieren. Durch das Verstärken der
offensichtlichen Viskosität
mit einem an die Rohmaterialschmelze angelegten Magnetfeld wird
die Oszillation des wachsenden Kristalls bei einer Haltetätigkeit
unterdrückt,
oder durch vorübergehendes Anlegen
des Magnetfelds kann schon aufgetretene Oszillation des wachsenden
Kristalls unterdrückt
werden.
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Es
ist ausreichend, dass das Anlegen eines Magnetfelds an eine Rohmaterialschmelze
nur ausgeführt wird,
wenn ein wachsender Kristall, dessen Oszillation problematisch ist,
durch ein mechanisches Mittel zum Halten zusammengedrückt wird.
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Das
Anlegen eines Magnetfelds gemäß der vorliegenden
Erfindung wird effektiv angepasst, um die Oszillation eines wachsenden
Kristalls zu unterdrücken,
wenn er tatsächlich
aus dem einen oder anderen Grund oszilliert wird, ohne Einschränkung auf
den Fall, in dem der wachsende Kristall von einem mechanischen Mittel
gehalten wird.
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Ein
in der vorliegenden Beschreibung verwendeter Ausdruck, wann ein
Teil eines wachsenden Kristalls mechanisch gehalten wird, soll nicht
als der Moment, in dem der wachsende Kristall von einer Halteeinrichtung
ergriffen sondern als eine Zeitspanne, einschließlich vor und nach dem Moment
interpretiert werden. Der Ausdruck umfasst insbesondere ein Zeitintervall,
in dem sich der wachsende Kristall unter durch die Tätigkeit
des Haltens verursachter Oszillation befindet.
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Für ein angelegtes
Magnetfeld werden keine speziellen Beschränkungen auf eine Anlegungsform, eine
Art von Gerät
und dergleichen auferlegt, und jede Art von Magnetfeld kann eingesetzt
werden, soweit die Viskosität
einer Rohmaterialschmelze dadurch verstärkt werden kann. Zum Beispiel
kann ein waagerechtes Magnetfeld verwendet werden, bei dem eine
Spule auf eine umgebende Art und Weise außerhalb eines Ziehapparats
eines Czochralski-Verfahrens montiert wird und ein Magnetfeld in
einer waagerechten Richtung angelegt wird, und ein senkrechtes Magnetfeld
kann auch verwendet werden, wobei ein Magnetfeld in einer senkrechten
Richtung auf eine Region in der Nähe einer Kristallwachstums-Grenze
angelegt wird. Zudem kann ein Spitzenmagnetfeld verwendet werden,
wobei zwei Spulen parallel zueinander angeordnet werden und bewirkt wird,
dass Strömungen
in entgegengesetzte Richtungen jeweils darin fließen.
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In
jeder Art Magnetfeld-Anlegung beträgt eine Stärke 500 Gauß oder mehr in der Nähe einer
Kristallwachstums-Grenze. Mit weniger als 500 Gauß kann in
einigen Fällen
Oszillation eines wachsenden Kristalls nicht ausreichend unterdrückt werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Neuartige
Merkmale, welche als die vorliegende Erfindung kennzeichnend erachtet
werden, werden in Einzelheiten in den beigefügten Ansprüchen beschrieben.
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Die
Erfindung selbst sowie zusätzliche
Ziele und Vorteile davon werden jedoch am besten aus der folgenden
Beschreibung davon verstanden, wenn diese gemeinsam mit den beigefügten Zeichnungen
gelesen werden, bei denen:
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1 eine
schematische umfassende Ansicht ist, die ein Beispiel eines Kristallziehapparats
mittels eines Czochralski-Verfahrens zeigt, wobei ein waagerechtes
Magnetfeld an eine Rohmaterialschmelze angelegt werden kann, zum
Ausüben
eines Verfahrens der vorliegenden Erfindung; und
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2(A) und 2(B) schematische
Seitenansichten sind, die ein herkömmliches Verfahren darstellen,
wobei 2(A) Kristallziehen mittels eines
herkömmlichen
Czochralski-Verfahrens zeigt und 2(B) ein herkömmliches
Verfahren zum Halten eines Kristalls zeigt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben
werden, aber es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nicht
auf die folgende Beschreibung beschränkt ist.
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1 ist
eine schematische umfassende Ansicht, die ein Beispiel eines Kristallziehapparats
mittels eines Czochralski-Verfahrens zeigt, wobei ein waagerechtes
Magnetfeld an eine Rohmaterialschmelze angelegt werden kann, zum
Ausüben
eines Verfahrens der vorliegenden Erfindung.
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In 1 bezeichnet 1 einen
Quarzschmelztiegel, der eine Siliziumschmelze 2 enthält, und
der Schmelztiegel 1 kann sich um seine Drehachse 3 drehen.
Zum Beispiel wird eine zylindrische Heizvorrichtung 5 aus
Graphit außerhalb
des Schmelztiegels 1 auf eine umgebende Art und Weise angeordnet.
Wenn es die Umstände
erfordern, wird außerhalb
der Heizvorrichtung 5 ferner ein wärmedämmender Zylinder 4 angeordnet.
Ein Magnetfeldgenerator 7, der Elektromagneten beinhaltet,
wird außerhalb
einer Kammer 6 installiert. 8 bezeichnet einen
Impfkristall, der aus Einkristallsilizium hergestellt ist, und ein
Einkristall wird während
er sich dreht von einem Ziehmechanismus (nicht gezeigt) entlang
einer zentralen Achse davon, nach oben gezogen. 11 bezeichnet
ein Kristallhaltegerät,
das so funktioniert, dass es den wachsenden Kristall mechanisch
ergreift und hält,
wenn er zu einer vorbestimmten Länge
heranwächst.
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Bei
einem derartigen Gerät
wird ein Verfahren der vorliegenden Erfindung auf folgende Weise
ausgeführt:
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Ein
Impfkristall 8, der an einem Impfhalter 13, der
am unteren Ende eines Drahts 12 angehängt wird, fest montiert ist,
wird mit der Oberfläche
der Rohmaterialschmelze 2 in Berührung gebracht und, wenn der Draht 12 mit
einer vorbestimmten Geschwindigkeit nach oben gezogen wird, während er
durch den nicht gezeigten Ziehmechanismus ruhig gedreht wird, wird
ein Einkristall auf dem unteren Ende des Impfkristalls 8 gezüchtet. Nachdem
ein Halsteil 9 gebildet ist, um einen Einkristall zu züchten, wird
ein gestufter Eingriffsteil 14, der verwendet wird, um
den wachsenden Kristall mechanisch zu halten, gebildet, bevor ein
zylindrischer Körper 10 des
Einkristalls gezüchtet
wird. In diesem Fall werden Halteteile 11a, 11a von
Hebevorrichtungen auf entgegengesetzten Seiten eines Kristallhaltegeräts 11 offen
gehalten und das Kristallhaltegerät 11 beginnt zu arbeiten,
so dass der wachsende Einkristall auf eine Weise mechanisch gehalten
wird, um den gestuften Eingriffsteil 14 mit den Halteteilen 11a, 11a der
Hebevorrichtungen auf dem Weg, wo der Einkristall durch den Draht 12 gezogen
wird, zusammenzudrücken,
wenn der gestufte Eingriffsteil 14, der zwischen dem Halsteil 9 und
dem Kopf des zylindrischen Körpers 10 sitzt,
eine vorbestimmte Höhe
in der Nähe
einer Position vor den Halteteilen 11a, 11a der
Hebevorrichtungen erreicht, und ein nicht gezeigten Sensor erfasst
die Situation.
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Bei
dieser Gelegenheit wird ein waagerechtes Magnetfeld vom Magnetfeldgenerator 7 an
die Rohmaterialschmelze 2 angelegt, um eine Viskosität der Schmelze,
insbesondere in der Nähe
einer Kristallwachstums-Grenze, zu verstärken, so dass Oszillation des
wachsenden Kristalls, die durch Schwenken bewirkt wird, unterdrückt wird.
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Beispiele
und Vergleichsbeispiele
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Die
Beispiele und Vergleichsbeispiele werden unten beschrieben werden:
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Ein
wie in 1 gezeigtes Gerät wurde verwendet, und ein
Verhältnis
zwischen der Oszillation eines wachsenden Kristalls und der Stärke eines
Magnetfelds, das einen Fall von keiner Anlegung des Magnetfelds umfasst,
wurde untersucht, wobei ein wachsender Kristall von 6 Inch im Durchmesser
von einem Kristallhaltegerät
bei einer Länge
eines 80 cm gezüchteten
zylindrischen Körpers
mechanisch gehalten wurde.
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Eine
Richtung des Magnetfelds war eine waagerechte Richtung und die Stärken des
Magnetfelds waren jene in der Nähe
eines Berührungspunkts
(eine Kristallwachstums-Grenze) der Peripherie des wachsenden Kristalls
mit der Rohmaterialschmelze. Unter Oszillation versteht man die
in mm gemessene maximale Amplitude, nachdem 5 Sekunden von einem
Moment des Berührens
der Haltehebel vergangen sind, und es wurde als keine Oszillation
erachtet, wenn die Oszillation innerhalb von 5 Sekunden des Berührungsmoments der
Halteteile der Hebevorrichtungen aufhörte. Die Ergebnisse sind in
Tabelle 1 gezeigt.
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Wenn
das Magnetfeld nicht angelegt wird, wird, wie deutlich in Tabelle
1 erkennbar ist, ein wachsender Kristall 5 Sekunden lang oder mehr
kontinuierlich geschwenkt und die Amplituden seiner Oszillation
sind groß, was
befürchten
lässt,
dass ein Kristall mit Versetzungen wächst und außerdem der Kristall in einer
gekrümmten Form
wächst.
In den Fällen,
in denen Magnetfelder angelegt werden, wird die Oszillation vermindert
und insbesondere wird die Oszillation mit einer Magnetfeldstärke von
500 Gauß effektiv
unterdrückt.
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Hier
sollte abermals bestätigt
werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die obige Ausführungsform
beschränkt
ist und die obige Ausführungsform
lediglich als Beispiel angegeben worden ist.
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Zum
Beispiel ist der Fall, in dem ein Siliziumeinkristall mittels eines
Czochralski-Verfahrens gezüchtet wurde,
in der obigen Ausführungsform
beschrieben worden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch grundsätzlich auf
jeden Fall anwendbar, in dem ein Czochralski-Verfahren zur Züchtung eines
Kristalls verwendet und ein wachsender Kristall mechanisch gehalten
wird, und seine Anwendung ist nicht nur auf die obige Ausführungsform
beschränkt.
Zum Beispiel liegen Fälle,
in denen ein Verbindungshalbleiter oder ein Oxideinkristall gezüchtet werden,
auch im Bereich der Anmeldung der vorliegenden Erfindung auf eine ähnliche
Weise wie die oben beschriebene.
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Wie
oben beschrieben, wird in einem Verfahren der vorliegenden Erfindung,
in dem Kristallzüchten mittels
eines Czochralski-Verfahrens ausgeführt wird, um einen Einkristall
mit hohem Gewicht ungeachtet der Festigkeiten eines Impfkristalls
und eines Halsteils danach zu ziehen, während ein Teil des wachsenden
Einkristalls mechanisch gehalten wird, eine Viskosität der Schmelze
durch einen Magnetfeldeffekt verstärkt und dadurch kann Oszillation
des wachsenden Kristalls unterdrückt
werden, da ein Magnetfeld an eine Rohmaterialschmelze angelegt wird,
wenn ein Teil des wachsenden Kristalls mechanisch gehalten wird.
Wenn ein Kristall gemäß einem
derartigen Verfahren gezüchtet
wird, können
deshalb Probleme des Kristallwachstums mit Versetzungen oder Krümmung eines
gezüchteten
Kristalls entlang seiner Länge
gelöst
werden, so dass ein Kristallertrag verbessert wird.
