DE69112463T2

DE69112463T2 - Vorrichtung zur Herstellung von Monokristallen nach dem Czochralski-Verfahren.

Info

Publication number: DE69112463T2
Application number: DE69112463T
Authority: DE
Inventors: Fumihiko Hasegawa; Koji Mizuishi; Hirotoshi Yamagishi
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 1990-03-30
Filing date: 1991-03-27
Publication date: 1996-02-15
Anticipated expiration: 2011-03-28
Also published as: EP0449260A2; EP0449260B1; EP0449260A3; DE69112463D1; US5126113A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Einzelkristallen, wie beispielsweise Einzelkristallsilizium, die nach dem Czochralski-Verfahren (CZ) gezüchtet werden, das auch als Ziehverfahren bekannt ist. Das heißt, sie betrifft eine Vorrichtung, die in der Lage ist, ein schweres Einzelkristall mit großem Durchmesser nach dem Czochralski-Verfahren mit Sicherheit herzustellen.
Bei der Herstellung von Einzelkristallen, wie beispielsweise Einzel-Siliziumkristallen, die nach dem Czochralski-Verfahren (CZ) gezüchtet werden, wird polykristallines Siliziumpulver in einem Quarztiegel geschmolzen, der in einer Kammer mittels Widerstandsheizen oder Hochfrequenzheizen erhitzt wird. Nachdem ein Saatkristall am unteren Ende einer Ziehwelle oder eines Ziehdrahtes angebracht wurde, der sich über dem Quarztiegel befindet, wird die Ziehwelle oder der Ziehdraht abgesenkt, so daß der Saatkristall in eine Schmelze aus polykristallinem Silizium ein- bzw. untergetaucht wird. Anschließend wird der Saatkristall langsam aus der Siliziumschmelze nach oben gezogen, wobei er mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit gedreht wird, so daß ein Einzel-Siliziumkristall hergestellt wird, der nach dem CZ-Verfahren gezüchtet wird.
Der so hergestellte Einzelkristall hat einen Durchmesser von 12,55-15,24 cm (5-6 Inch) und ein Gewicht von 20-30 kg. In den letzten Jahren gibt es mit dem Ziel der Verbesserung der Ausbeute des gezüchteten Einzelkristalls und der Effektivität der Herstellung von Halbleitern aus dem Kristall eine zunehmende Tendenz zum Einzelkristall mit einem größeren Durchmesser, beispielsweise mehr als 17,78 cm (7 Inch), und einer größeren Länge als der des herkömmlichen Einzelkristalls. Das Gewicht eines derartigen Einzelkristalls mit größerem Durchmesser und größerer Länge übersteigt manchmal 100 kg.
Wenn ein Einzelkristall gezogen wird, wird das Gewicht des Einzelkristalls durch ein Saatkristall und einen an den Saatkristall angrenzenden Dash's-Hals (Dash's neck) gehalten. Da der Dash's-Hals lediglich einen Durchmesser von 1-4 mm aufweist, ist er nur beschränkt in der Lage, darauf ausgeübte Last auszuhalten. Daher ist es wahrscheinlich, daß der Dash's-Hals bricht, wenn er beim Transportvorgang des Einzelkristalls oder während der Einzelkristall gezüchtet wird, einer geringfügigen Drehkraft oder einem Stoß ausgesetzt ist. Der Bruch des Dash's-Halses kann verschiedene Unfälle verursachen, wie beispielsweise die Zerstörung einer Vorrichtung zur Herstellung von Einzelkristallen, das Überlaufen einer polykristallinen Schmelze oder eine phreatische Explosion, die zu Verletzung oder zum Tod führen kann.
Um Gefahr zu vermeiden, ist ein Versuch unternommen worden, bei dem ein Kopf mit großem Durchmesser und ein Hals mit kleinem Durchmesser nacheinander an einem oberen Teil eines schweren Einzelkristalls mit großem Durchmesser, der gezüchtet wird, ausgebildet wurden, um so einen nach unten gerichteten Eingriffsabsatz zu erzeugen. Der abgesetzte obere Teil des gezüchteten Einzelkristalls wird mit einer Vielzahl von Klemmarmen (Greifeinrichtungen) ergriffen, die jeweils einen hakenförmigen Klemmfinger aufweisen, der fest in den Eingriffsabsatz eingreifen kann, oder mit einer Vielzahl von vertikal beweglichen Schaften (Greifeinrichtungen), die einen Haltevorsprung aufweisen, der mit dem Eingriffsabsatz in Eingriff kommt. Dadurch wird das Gewicht des schweren Einzelkristalls mit großem Durchmesser, der gezüchtet wird, durch den abgesetzten oberen Teil gehalten, der einen erheblich größeren Durchmesser aufweist, als der Dash's-Hals und somit in der Lage ist, bei weitem größere Last auszuhalten als der Dash's- Hals. Das oben beschriebene Verfahren ist in den japanischen Patentoffenlegungs-Veröffentlichungen Nr. 55-167200, 62-288191 sowie 63-252991 (EP 0286133) offenbart.
Das oben beschriebene Verfahren ist nicht zufriedenstellend, weil die Greifeinrichtung den Eingriffsabsatz nicht stabil und zuverlässig hält. Das heißt, wenn ein sehr schwerer Einzelkristall mit einem Gewicht von über 100 kg gezogen wird, gibt die Greifeinrichtung dem Gewicht des Einzelkristalls nach und neigt dazu, sich radial nach außen zu spreizen, was dazu führt, daß der Einzelkristall von der Greifeinrichtung getrennt wird.
Des weiteren ist der abgesetzte obere Abschnitt des Einzelkristalls, der den Eingriffsabsatz enthält, manchmal asymmetrisch um eine Längsachse des Einzelkristalls herum geformt. Ein derartiger asymmetrischer Eingriffsabsatz kann durch die Greifeinrichtung nicht stabil und zuverlässig gehalten werden, und aufgrund der ungleichmäßigen Verteilung des Gewichts des Einzelkristalls auf die Greifeinrichtung wird der Einzelkristall von der Greifeinrichtung getrennt. In diesem Fall kann es zu einer gefährlichen Störung, wie beispielsweise der Zerstörung der Vorrichtung zur Herstellung des Einzelkristalls, kommen.
Angesichts der obenstehenden Nachteile des Standes der Technik besteht eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung zur Herstellung eines schweren, nach dem Czochralski-Verfahren gezüchteten Einzelkristalls mit großem Durchmesser mit Sicherheit zu schaffen.
Eine speziellere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Herstellung von Einzelkristallen zu schaffen, die konstruktive Merkmale aufweist, durch die ein Eingriffsabsatz eines derartigen schweren Einzelkristalls mit großem Durchmesser stabil und zuverlässig gehalten werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Herstellung eines Einzelkristalls gemäß Anspruch 1 geschaffen, der mit dem Czochralski-Verfahren aus einem Saatkristall gezüchtet wird.
Nachdem der Eingriffsabsatz an einem oberen Abschnitt des Einzelkristalls ausgebildet worden ist, bewegen sich die Greifarme durch ihr eigenes Gewicht nach unten, woraufhin sich die Greiffinger der entsprechenden Greifarme nach innen aufeinander zu bewegen und sich in den Eingriffsabsatz des Einzelkristalls einhaken. Währenddessen gleitet die Halteeinrichtung, die einen Ring umfaßt, durch ihr eigenes Gewicht an den Greifarmen nach unten und hält so die Greifarme in einer Position, in der sie den oberen Abschnitt des Einzelkristalls sicher gegen Abtrennung halten.
Jeder der Greifarme ist ein L-förmiger Hebel, und der Greiffinger ist als Einheit mit einem unteren Ende des Greifarms ausgebildet. Der Greiffinger kann lösbar am unteren Ende des Greifarms angebracht sein, wobei in diesem Fall der Greiffinger vorzugsweise aus Siliziumcarbid oder Silizimnitrid besteht, um zu verhindern, daß der Einzelkristall verunreinigt wird. Die Halteeinrichtung umfaßt einen Ring, der verschiebbar um die Greifarme herum gepaßt ist und in bezug auf die Greifarme vertikal beweglich ist. Der Ring weist einfachen Aufbau und zuverlässige Funktion auf und hält die Greifarme in geschlossenem Zustand.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung sind die Greifarme getrennt voneinander vertikal beweglich, so daß sich die Greiffinger an die Form des Eingriffsabsatzes auch dann anpassen können, wenn der Eingriffsabsatz um eine Längsachse des Einzelkristalls herum asymmetrisch ist. Die unabhängig voneinander beweglichen Greifarme gewährleisten einen stabilen und zuverlässigen Verriegelungseingriff zwischen den Greiffingern und dem Eingriffsabsatz des Einzelkristalls.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Herstellung eines mit dem Czochralski- Verfahren aus einem Saatkristall gezüchteten Einzelkristalls geschaffen, die umfaßt: eine Einrichtung zum Ausbilden eines Kopfes mit großem Durchmesser und eines Halses mit kleinem Durchmesser nacheinander, um so einen nach unten gerichteten Eingriffsabsatz an einem oberen Teil eines aus dem Saatkristall zu züchtenden Einzelkristalls zu schaffen; und eine Einrichtung zum Ergreifen des oberen Teils des Einzelkristalls, der gezüchtet wird, wobei die Greifeinrichtung einen motorgetriebenen zylindrischen Rotor enthält, der vertikal angeordnet ist und ein Außengewinde an seiner Außenumfangsfläche aufweist, einen röhrenförmigen Halter, der an seiner Innenumfangsfläche ein Innengewinde aufweist, das auf das Außengewinde aufgeschraubt wird, wobei der röhrenförmige Halter nicht drehbar und in Reaktion auf Drehung des Rotors vertikal beweglich ist, eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Greiffingern, die schwenkbar an einem unteren Ende des röhrenförmigen Halters angebracht sind und lösbar mit dem Eingriffsabschnitt des Einzelkristalls in Eingriff kommen können, um letzteren festzuhaken, sowie eine Einrichtung, die verhindert, daß die Greiffinger über einen vorgegebenen Winkel hinaus in einer Abwärtsrichtung geschwenkt werden.
Die Verhinderungseinrichtung umfaßt eine Vielzahl von An- schlägen, die vom unteren Ende des röhrenförmigen Halters radial nach innen vorstehen und mit entsprechenden der Greiffinger in Eingriff kommen können, wenn die Greiffinger nach unten geschwenkt werden. Die Anzahl der Greiffinger beträgt vorzugsweise drei, wobei die drei Greiffinger in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandet sind.
Wenigstens ein vorderes Ende jedes der Greiffinger besteht vorzugsweise aus Molybdän, um so den Einzelkristall vor Verunreinigung zu schützen.
Der Rotor wird durch einen Elektromotor angetrieben, der außerordentlich bequem durch einen Empfänger gesteuert wird, der Infrarotstrahlsignale oder Ultraschallsignale empfängt, die von einer Fernsteuerungsbefehlseinrichtung oder einem Sender gesendet werden.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Herstellung eines nach dem Czochralski- Verfahren aus einem Saatkristall gezüchteten Einzelkristall geschaffen, die umfaßt: eine Einrichtung zum Ausbilden eines Kopfes mit großem Durchmesser und eines Halses mit kleinem Durchmesser nacheinander, um so einen nach unten gerichteten Eingriffsabsatz an einem oberen Teil eines aus dem Saatkristall zu züchtenden Einzelkristalls zu schaffen, und eine Einrichtung zum Ergreifen des oberen Teils des Einzelkristalls, der gezüchtet wird, wobei die Greifeinrichtung eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten, vertikalen, länglichen Haltern enthält, die jeweils einen Trageabschnitt aufweisen, eine Vielzahl von Greiffingern, die jeweils schwenkbar mit unteren Enden der Halter verbunden sind, und lösbar mit dem Eingriffsabschnitt des Einzelkristalls in Eingriff kommen können, um letzteren festzuhaken, eine Einrichtung, die verhindert, daß die Greiffinger über einen vorgegeben Winkelbereich hinaus in einer Abwärtsrichtung geschwenkt werden, eine Vielzahl von motorgetriebenen Vorschubspindeln, die durch die Trageabschnitte der entsprechenden Halter hindurchgeschraubt und drehbar sind, um so die entsprechenden Halter in einer vertikalen Richtung zu bewegen, und ein röhrenförmiges Führungselement, das die Halter verschiebbar darin aufnimmt, wobei radiale Bewegung der Halter nach außen eingeschränkt wird, und das Führungselement die Vorschubspindeln daran trägt. Da die Halter unabhängig voneinander vertikal beweglich sind, werden die Greiffinger auch dann stets in stabilem Eingriff mit dem Eingriffsabsatz gehalten, wenn der Eingriffsabsatz um eine Längsachse des Einzelkristalls herum asymmetrisch ist.
Viele andere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann unter Bezugnahme auf die ausführliche Beschreibung und die beigefügten Zeichenblätter ersichtlich, in denen bevorzugte konstruktive Ausführungen, die die Prinzipien der vorliegenden Erfindung beinhalten, als veranschaulichendes Beispiel dargestellt sind.
Fig. 1 ist eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung zur Herstellung eines nach dem Czochralski-Verfahren gezüchteten Einzelkristalls gemäß einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine Vorderansicht, die einen abgewandelten Greiffinger der Vorrichtung zeigt;
Fig. 3 ist eine Fig. 1 ähnelnde Ansicht, die zeigt, wie die Vorrichtung den Einzelkristall zieht;
Fig. 4 ist eine Teilschnittansicht der Vorrichtung, die einen Einzelkristall mit einem oberen Endabschnitt zieht, der einen asymmetrischen Eingriffsabsatz enthält;
Fig. 5 ist eine Teilschnittansicht einer Einzelkristall-Herstellungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 ist eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung zur Herstellung eines nach dem Czochralski-Verfahren gezüchteten Einzelkristalls gemäß einer dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 ist ein Schnitt entlang der Linie VII-VII in Fig. 6;
Fig. 8 ist eine schematische Ansicht, die die Art und Weise veranschaulicht, auf die ein Klemmfinger in einen Eingriffsabsatz an einem oberen Teil eines Einzelkristalls eingreift;
Fig. 9 ist eine schematische Schnittansicht der in Fig. 8 dargestellten Vorrichtung, die einen Einzelkristall mit einem oberen Endabschnitt zieht, der einen asymmetrischen Eingriffsabsatz enthält; und
Fig. 10 ist eine schematische Schnittansicht einer Einzelkristall-Herstellungsvorrichtung gemäß einer vierten Ausführung der vorliegenden Erfindung.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile in allen verschiedenen Ansichten kennzeichnen, ist zu sehen, daß Fig. 1 und 3 schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zur Herstellung eines mit dem Czochralski-Verfahren (CZ), das auch als Ziehverfahren bekannt ist, gezüchteten Einzelkristalls darstellen.
Die Vorrichtung 10 enthält einen Quarztiegel 12 und einen Saatkristallhalter 14, die in einer Kammer (nicht dargestellt) angeordnet sind. Der Quarztiegel 12 wird mit einer Widerstandsheizeinrichtung oder einer Hochfrequenzheizeinrichtung erhitzt, die um den Quarztiegel 12 herum angeordnet ist, um körnige Polykristalle in dem Quarztiegel 12 zu schmelzen.
Der Saatkristallhalter 14 ist über dem Quarztiegel 12 angeordnet und hält einen Saatkristall 16 an seinem unteren Ende. Der Saatkristallhalter 14 ist mit einer Zieheinrichtung 22 verbunden, die aus einem kombinierten Dreh-und-Anhebemechanismus besteht. Der Saatkristall 16 wird durch die Zieheinrichtung 22 abgesenkt, bis sein unteres Ende in eine Schmelze 24 aus Polykristall ein- bzw. untergetaucht wird, die in dem Quarztiegel 12 enthalten ist. Anschließend zieht die Zieheinrichtung 22 den Saatkristall 16 allmählich aus der polykristallinen Schmelze 24 heraus, wobei sie ihn dreht, so daß ein Dash's-Hals 26 eines Einzelkristalls 18 zunächst aus dem Saatkristall 14 gezüchtet wird. Der Dash's-Hals 26 weist einen erheblich kleineren Durchmesser als der Körper des Einzelkristalls 18 auf. Zu diesem Zweck wird während der Anfangsphase des Ziehvorgangs die Temperatur der Schmelze 24 auf einen niedrigen Pegel eingestellt, oder als Alternative dazu wird die Saatkristall-Anhebegeschwindigkeit auf einen hohen Pegel eingestellt.
Anschließend wird die Saatkristall-Anhebegeschwindigkeit auf einen niedrigen Pegel eingestellt, so daß unmittelbar unterhalb des Dash's-Halses 26 ein Kopf 28 mit großem Durchmesser ausgebildet wird. Anschließend wird die Saatkristall-Anhebegeschwindigkeit auf einen höheren Pegel eingestellt, so daß an den Kopf 28 angrenzend ein Hals 30 mit kleinem Durchmesser ausgebildet wird. Der Kopf 28 und der Hals 30 bilden zusammen einen nach unten gerichteten Eingriffsabssatz 32. Danach wird die Saatkristall-Anhebegeschwindigkeit auf einen niedrigeren Pegel eingestellt, so daß ein konischer Absatz 34 mit einem Durchmesser entsteht, der der gleiche ist wie der gewünschte Durchmesser eines Körpers des zu züchtenden Einzelkristalls 18. Diese Saatkristall-Anhebegeschwindigkeit wird beibehalten, so daß der Einzelkristall 18 mit dem gewünschten Durchmesser im CZ-Verfahren gezüchtet wird.
Wenn der Eingriffsabsatz 32 hergestellt ist, hakt eine Greifeinrichtung 20 der Vorrichtung 10 in den Eingriffsabsatz 32 ein und hebt den Einzelkristall 18 synchron zur Funktion der Zieheinrichtung 22 an. Die Greifeinrichtung 20 enthält ein Gleitelement 36, das vertikal beweglich in dem Saatkristallhalter 14 angebracht ist, sowie eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Greifarmen 39, die vertikal angeordnet und schwenkbar an dem Gleitelement 36 angebracht sind. Jeder der Greifarme 39 besteht aus einem L-förmigen Hebel und weist einen Greiffinger 38 auf, der von einem unteren Ende des Greifarms 39 radial nach innen gekrümmt ist. Ein Ring 40 ist verschiebbar um die Greifarme 39 herum gepaßt und vertikal in bezug auf die Greifarme 39 beweglich, so daß die Greifarme 39 in einer Position gehalten werden, in der sie den oberen Abschnitt des Einzelkristalls 18 fest gegen Loslösung halten. Der Ring 40 bildet somit eine Halteeinrichtung. Das obere Ende jedes Greifarms 39 ist über einen Draht 42 mit einem Elektromotor 44 verbunden. Um den Einzelkristall 18 stabil anzuheben, beträgt die Anzahl der Greifarme 39 vorzugsweise drei oder vier. Es können jedoch zwei oder mehr als fünf Greifarme eingesetzt werden. Der Greiffinger 38 bildet eine Einheit mit dem entsprechenden Greifarm 39. Der Saatkristallhalter 14, die Greifarme 39 und der Ring 40 bestehen aus Molybdän oder mit Molybdän plattiertem rostfreien Stahl. Es ist, wie in Fig. 2 dargestellt, möglich, einen Greiffinger 38' zu verwenden, der lösbar mit einer Schraube 46 am unteren Ende eines Greifarms 39' angebracht ist. Der Greiffinger 38 besteht vorzugsweise aus Siliziumcarbid oder Siliziumnitrid, um den Einzelkristall 18 vor Verunreinigung zu schützen.
Die Vorrichtung mit dem oben beschriebenen Aufbau funktioniert wie folgt. Nachdem ein Eingriffsabsatz 32 an einem oberen Teil des Einzelkristalls 18 hergestellt ist, werden die Elektromotoren 44 in einer Richtung angetrieben, in der der Draht 42 abgewickelt wird. Das Gleitelement 36 und die Greifarme 39 der Greifeinrichtung 20 fallen durch ihr eigenes Gewicht nach unten. Dabei werden die Greifarme 39 in einer Richtung geschwenkt, in der sie die entsprechenden Greiffinger 38 radial nach innen aufeinander zu bewegen und so das untere Ende der Greifarme 39 schließen. In Reaktion auf die Schwenkbewegung der Greifarme 39 gleitet der Ring 40 an den Greifarmen 39 durch sein eigenes Gewicht nach unten. Wenn die Greiffinger 38 der Greifarme 39 mit dem Eingriffsabsatz 32 in Eingriff gebracht worden sind, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, werden die Elektromotoren 44 in der entgegengesetzten Richtung angetrieben, so daß der Draht 42 gespannt und bewirkt wird, daß die Greiffinger 38 in den Eingriffsabsatz 32 einhaken. Dabei neigt das Gewicht des Einzelkristalls, der von den Greifarmen 39 gehalten wird, dazu, die Greifarme 39 auseinanderzudrücken. Der Greifarm 39 wird jedoch durch den Ring 40 in seiner geschlossenen Stellung gehalten. Der Verriegelungseingriff zwischen dem Eingriffsabsatz 32 und den Greiffingern 38 kann daher aufrechterhalten werden, so daß der obere Abschnitt des Einzelkristalls 18 durch die Greifarme 39 fest gegen Loslösung gehalten wird. Anschließend werden die Zieheinrichtung 22 und die Elektomotoren 44 synchron zueinander angetrieben und heben den Einzelkristall 18, der im CZ-Verfahren gezüchtet wird, allmählich an.
Während der Ausbildung des Eingriffsabsatzes 32 können der Kopf 28 und der Hals 30 asymmetrisch um eine Längsachse des Einzelkristalls 18 ausgebildet werden, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. In diesem Fall können die Greiffinger 38 nicht mehr einheitlich in den Eingriffsabschnitt 32 eingreifen. Das bedeutet, daß das Gewicht des Einzelkristalls 18 nur durch einen oder einige der Greifarme 39 getragen wird, und aufgrund der ungleichen Verteilung der Last können der betreffende Greifarm oder die Arme schließlich beschädigt werden oder abbrechen.
Das erwähnte Problem tritt nicht auf, wenn eine abgewandelte Greifeinrichtung eingesetzt wird. Die abgewandelte Greifeinrichtung, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist, enthält eine Vielzahl von Greifarmen 39, die jeweils vertikal in bezug auf ein Gleitelement 36 beweglich sind. Die Greifarme 39 können in ihrer vertikalen Stellung unabhängig voneinander eingestellt werden. Zu diesem Zweck enthält die Greifeinrichtung eine Vielzahl von Gleitteilen 48, die beweglich an dem Gleitelement 36 angebracht sind und schwenkbar mit den entsprechenden Greifarmen 39 verbunden sind. Wenn ein Eingriffsabsatz 32, der an einem oberen Teil des Einzelkristalls 18 ausgebildet ist, unregelmäßige Form aufweist, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist, wird der Greiffinger 38 des linken Greifarms 39 in Verriegelungseingriff mit einem linken Teil des unregelmäßig geformten Eingriffsabsatzes 32 gehalten, während der Greiffinger 38 des rechten Greifarms 39 nicht in Eingriff mit einem rechten Teil des unregelmäßig geformten Eingriffabsatzes 32 ist. In diesem Fall wird ein Elektromotor (nicht dargestellt, jedoch identisch mit dem in Fig. 1 dargestellten Elektromotor 44), der funktionell mit dem rechten Greifarm 39 verbunden ist, angetrieben und zieht den rechten Greifarm 38 über die Gleiteinrichtung 48 nach oben, bis der Greiffinger 38 des rechten Greifarms 39 mit dem rechten Teil des unregelmäßig geformten Eingriffsabsatzes 32 in Eingriff kommt. Diese Einstellung der vertikalen Position der Greifarme 39 gewährleistet, daß der unregelmäßig geformte Eingriffsabsatz 32 gleichmäßig von den Greiffingern 38 aller Greifarme 39 ergriffen werden kann. Anschließend wird der Einzelkristall 18, der gezüchtet wird, allmählich nach oben gezogen. Dadurch, daß die Greifeinrichtung unabhängig voneinander bewegliche Greifarme 39 aufweist, kann ein schwerer Einzelkristall mit großem Durchmesser auch dann sicher hergestellt werden, wenn ein an einem oberen Teil des Einzelkristalls ausgebildeter Eingriffsabsatz unregelmäßige Form aufweist.
Fig. 6 zeigt eine Vorrichtung zum Herstellen eines mit dem CZ-Verfahren gezüchteten Einzelkristalls gemäß einer dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung.
Die Vorrichtung 100 enthält einen Quarztiegel 112 und einen Saatkristallhalter 114, die in einer Kammer (nicht dargestellt) angeordnet sind. Der Quarztiegel 112 wird mit einer Widerstandsheizeinrichtung oder eine Hochfrequenzheizeinrichtung erhitzt, die um den Quarztiegel 112 herum angeordnet ist, um körnige Polykristalle in dem Quarztiegel 112 zu schmelzen.
Der Saatkristallhalter 114 ist über dem Quarztiegel 112 angeordnet und hält ein Saatkristall 116 an seinem unteren Ende. Der Saatkristallhalter 114 ist mit einer Zieheinrichtung 112 verbunden, die aus einem kombinierten Dreh-und-Anhebemechanismus besteht. Der Saatkristall 116 wird durch die Zieheinrichtung 112 abgesenkt, bis sein unteres Ende in eine Schmelze 124 aus Polykristall ein- bzw. untergetaucht wird, die in dem Quarztiegel 112 enthalten ist. Anschließend zieht die Zieheinrichtung 122 den Saatkristall 116 allmählich aus der polykristallinen Schmelze 124 heraus, wobei sie ihn dreht, so daß ein Dash's-Hals 126 eines Einzelkristalls 118 zunächst aus dem Saatkristall 114 gezüchtet wird. Der Dash's-Hals 126 weist einen erheblichen kleineren Durchmesser als der Körper des Einzelkristalls 118 auf. Zu diesem Zweck wird während der Anfangsphase des Ziehvorgangs die Temperatur der Schmelze 124 auf einen niedrigen Pegel eingestellt, oder als Alternative dazu wird die Saatkristall-Abhebegeschwindigkeit auf einen hohen Pegel eingestellt.
Anschließend wird die Saatkristall-Anhebegeschwindigkeit auf einen niedrigen Pegel eingestellt, so daß unmittelbar unterhalb des Dash's-Halses 126 ein Kopf 128 mit großem Durchmesser ausgebildet wird. Anschließend wird die Saatkristall-Anhebegeschwindigkeit auf einen höheren Pegel eingestellt, so daß an den Kopf 128 angrenzend ein Hals 130 mit kleinem Durchmesser ausgebildet wird. Der Kopf 128 und der Hals 130 bilden zusammen einen nach unten gerichteten Eingriffsabsatz 132. Danach wird die Saatkristall-Anhebegeschwindigkeit auf einen niedrigeren Pegel eingestellt, so daß ein konischer Absatz 134 mit einem Durchmesser entsteht, der der gleiche ist wie der gewünschte Durchmesser eines Körpers des zu züchtenden Einzelkristalls 118. Diese Saatkristall-Anhebegeschwindigkeit wird beibehalten, so daß der Einzelkristall 118 mit dem gewünschten Durchmesser im CZ-Verfahren gezüchtet wird.
Wenn der Eingriffsabsatz 132 hergestellt ist, hakt eine Greifeinrichtung 120 der Vorrichtung 10 in den Eingriffsabsatz 132 ein und hebt den Einzelkristall 118 synchron zur Funktion der Zieheinrichtung 122 an. Die Greifeinrichtung 120 enthält einen zylindrischen Rotor 138, der in bezug auf eine Ziehwelle 136 drehbar ist, die in Stoßverbindung mit dem Saatkristallhalter 114 verbunden ist, sowie einen Elektromotor 140, der den Rotor 138 antreibt. Der Rotor 138 weist ein Außengewinde 142 an seiner Außenumfangsfläche auf und ist über ein Paar Rollenlager 144 drehbar auf der Ziehwelle 136 angebracht. Der Motor 140 ist mit einem Empfänger 146 verbunden. Der Empfänger 146 kann ein Fotodetektor sein, der Infrarotstrahlungssignale empfängt, oder ein Ultraschallempfänger der Ultraschallsignale empfängt. Der Empfänger 146 wird betätigt, wenn er Infrarotstrahlungssignale oder Ultraschallsignale von einem Sender (nicht dargestellt) empfängt. Der Sender besteht vorzugsweise aus einer/einem Fernsteuerungsbefehlseinrichtung oder -sender. Wenn die Infrarotstrahlungssignale eingesetzt werden, müssen sie eine bestimmte Intensität aufweisen, um Fehlfunktion des Motors 140 auch beim Einwirken von Rauschen zu verhindern. Die Ultraschallsignale sind vorzuziehen, da sie Rauschen gegenüber unempfindlich sind. Der Empfänger 146 weist vorzugsweise gerichteten Empfang auf. Durch das Vorhandensein des Empfängers 146 kann der Motor 140 so von einer entfernten Position durch die Fernsteuerungsbefehlseinrichtung gesteuert werden.
Die Greifeinrichtung 120 enthält des weiteren einen röhrenförmigen Halter 148, der vertikal beweglich an dem Rotor 138 angebracht ist. Der röhrenförmige Halter 148 enthält einen radial nach innen vorstehenden oberen Halteabschnitt 150, der ein Innengewinde 152 aufweist, das auf das Außengewinde 142 des Rotors 138 aufgeschraubt ist. Durch diesen Aufbau ist der Halter 148 in Reaktion auf Drehung des Rotors 138 vertikal beweglich. Der Saatkristallhalter 114 enthält ein Paar seitlicher Vorsprünge 154, die in einander entgegensetzten Richtungen von einem unteren Ende des Saatkristallhalters 114 radial nach außen vorstehen. Die seitlichen Vorsprünge 154 sind, wie in Fig. 7 dargestellt, verschiebbar in Keilnuten 156 aufgenommen, die an einander diametral gegenüberliegenden Abschnitten der Innenumfangsfläche des röhrenförmigen Halters 148 ausgebildet sind. Der Halter 148 kann, wenn er in einer vertikalen Richtung bewegt wird, nicht um seine eigene Achse gedreht werden.
Eine vielzahl von Greiffingern 158 sind mit Wellen 160 schwenkbar an einem unteren Ende des Halters 148 angebracht und stehen von dem Halter 148 radial nach innen vor. Die Greiffinger 158 sind in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandet. Um den Einzelkristall stabil zu halten, beträgt die Anzahl der Greiffinger 158 vorzugsweise drei. Es ist jedoch möglich, zwei oder mehr als drei Greiffinger einzusetzen. Die Greiffinger 158 können in einer Aufwärtsrichtung geschwenkt werden, bis sie eine im wesentlichen aufrechtstehende Position einnehmen. Die Abwärtsschwenkbewegung der Greiffinger 158 über einen vorgegebenen Winkelbereich hinaus wird jedoch durch Anschläge 162 verhindert, die vom unteren Ende des röhrenförmigen Halters 148 radial nach innen vorstehen.
Im folgenden wird die Funktion der Vorrichtung mit dem obenbeschriebenen Aufbau beschrieben. Der röhrenförmige Halter 148 ist normalerweise in einer oberen Bereitschaftsstellung angeordnet, in der der Rotor 138 im wesentlichen durch den röhrenförmigen Halter 148 verdeckt ist. Dabei werden die Greiffinger 158 an den entsprechenden Anschlägen 162 gehalten. Wenn die nicht dargestellte Fernsteuerungsbefehlseinrichtung betätigt wird und ein Signal zu dem Empfänger 146 sendet, wird der Motor 140 angetrieben, so daß er den Rotor 138 in einer Richtung in bezug auf die Ziehwelle 136 dreht. In Reaktion auf die Drehung des Rotors 140 bewegt sich der röhrenförmige Halter 148 an dem Rotor 140 linear nach unten, wobei er durch Gleiteingriff zwischen den seitlichen Vorsprüngen 154 des Saatkristallhalters 114 und den Keilnuten 156 in dem röhrenförmigen Halter 148 nicht drehbar geführt wird. Die Abwärtsbewegung des röhrenförmigen Halters 148 bewirkt, daß die Greiffinger 158 zunächst mit dem Kopf 128 des Einzelkristalls 118, der gezüchtet wird, in Kontakt kommen und dann nach oben geschwenkt werden, wie dies durch die mit (a) in Fig. 8 gekennzeichnete Strich-Punkt-Linie dargestellt ist. Eine weitere Abwärtsbewegung des röhrenförmigen Halters 148 bewegt die Greiffinger 158 aus der durch die Strich-punkt-Linie (a) angedeuteten geneigten Stellung in eine im wesentlichen aufrechtstehende Stellung, die durch die Strich-Punkt-Linien (b) in der gleichen Fig. angedeutet ist, woraufhin sich die Greiffinger 158 von dem Kopf 128 lösen und durch ihr eigenes Gewicht in eine im wesentlichen horizontale Position nach unten geschwenkt werden, die durch die Strich-Punkt-Linien (c) angedeutet ist, in der die Greiffinger 158 mit dem Hals 130 des Einzelkristalls 118 in Kontakt kommen. Anschließend wird die Fernsteuerungsbefehlseinrichtung betätigt und dreht den Motor 140 in der entgegengesetzten Richtung, so daß der röhrenförmige Halter 148 so weit angehoben wird, daß die Greiffinger 158 in Verriegelungseingriff mit dem Eingriffsansatz 132 des Einzelkristalls 118 gebracht werden, wie dies durch die Strich- Punkt-Linien dargestellt ist, die in Fig. 8 mit (d) bezeichnet sind. Dabei werden die Greiffinger 158 an den Anschlägen 162 gehalten und können das Gewicht des Einzelkristalls 118 aushalten, ohne daß sich der Einzelkristall 118 von den Greiffingern 158 löst. Anschließend wird die Zieheinrichtung 122 angetrieben, so daß sie den Einzelkristall 118, der im CZ-Verfahren gezüchtet wird, allmählich anhebt.
Bei der Ausbildung des Eingriffsabsatzes 132 können der Kopf 128 und der Hals 130 asymmetrisch um eine Längsachse des Einzelkristalls 118 ausgebildet werden, wie dies in Fig. 9 dargestellt ist. In diesem Fall sind die Greiffinger 158 nicht mehr in der Lage, den Eingriffsabschnitt 132 gleichmäßig zu ergreifen. Das bedeutet, daß das Gewicht des Einzelkristalls 118 nur durch einen oder einige der Greiffinger 158 getragen wird. Dadurch kommt es leicht dazu, daß der Greiffinger oder die Finger aufgrund der ungleichmäßigen Verteilung der Last beschädigt werden oder brechen.
Das obengenannte Problem tritt nicht auf, wenn eine in Fig. 10 dargestellte abgewandelte Greifeinrichtung eingesetzt wird. Die abgewandelte Greifeinrichtung unterscheidet sich dahingehend von der Greifeinrichtung 120 der ersten Ausführung, daß die Greiffinger 158 unabhängig voneinander vertikal beweglich sind. Zu diesem Zweck enthält die Greifeinrichtung eine Vielzahl vertikaler länglicher Halter 164, deren Anzahl der Anzahl der Greiffinger 158 entspricht. Die Halter 164 sind in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandet und um die Ziehwelle 136 herum angeordnet. Jeder der Greiffinger 158 ist auf die gleiche Weise schwenkbar an einem unteren Ende eines entsprechenden Halters 164 angebracht wie die Greiffinger 158 der dritten, oben beschriebenen Ausführung. Jeder Halter 164 weist einen Trageabschnitt 166 auf, der von einem oberen Ende des Halters 164 seitlich nach innen vorsteht. Eine vertikale Vorschubspindel 168 ist durch den Halteabschnitt 166 hindurchgeschraubt. Das obere Ende der Vorschubspindel 168 ist mit einem Antriebsmotor 170 gekoppelt, der an einem röhrenförmigen Führungselement 172 befestigt ist. Das röhrenförmige Führungselement 172 nimmt verschiebbar die Halter 164 auf und verhindert radiale Bewegung der Halter 164 nach außen. Durch diesen Aufbau können die vertikalen Halter 164 getrennt voneinander vertikal bewegt werden, wenn der entsprechende Antriebsmotor 170 angetrieben wird. Wenn ein Eingriffsabsatz 132, der an einem Oberteil des Einzelkristalls 118 ausgebildet ist, unregelmäßige Form aufweist, wie dies in Fig. 10 dargestellt ist, wird der Greiffinger 158 des linken Halters 164 in Verriegelungseingriff mit einem linken Teil des unregelmäßig geformten Eingriffsabsatzes 132 gehalten, während der Greiffinger 158 des rechten Halters 164 nicht in Eingriff mit einem rechten Teil des unregelmäßig geformten Eingriffsabsatzes 132 ist. In diesem Fall wird der Antriebsmotor 170, der zu dem rechten Halter 164 gehört, angetrieben und dreht die entsprechende Vorschubspindel 168 in einer Richtung, in der der rechte Halter 164 an dem Führungselement 172 nach oben gezogen wird, bis der Greiffinger 158 des rechten Halters 164 mit dem rechten Teil des unregelmäßig geformten Eingriffsabsatzes 132 in Eingriff ist. Diese Einstellung der vertikalen Position der Halter 164 gewährleistet, daß der unregelmäßig geformte Eingriffsabsatz 132 durch die Greiffinger 158 aller Halter 164 gleichmäßig ergriffen werden kann. Anschließend wird der Einzelkristall 118, der gezüchtet wird, allmählich nach oben gezogen. Da die Greiffeinrichtung unabhängig voneinander bewegliche Halter 164 aufweist, kann ein schwerer Einzelkristall mit großem Durchmesser auch dann sicher hergestellt werden, wenn ein an einem oberen Teil des Einzelkristalls ausgebildeter Eingriffsabsatz unregelmäßige Form hat.

Claims

1. Vorrichtung (10) zur Herstellung eines mit dem Czochralski-Verfahren aus einem Saatkristall (16) gezogenen Einzelkristalls (18), die umfaßt:

(a) eine Einrichtung (22) zum Ausbilden eines Kopfes (28) mit großem Durchmesser und eines Halses (30) mit kleinem Durchmesser nacheinander, um so einen nach unten gerichteten Eingriffsabsatz (32) an einem oberen Teil eines aus dem Saatkristall (16) zu züchtenden Einzelkristalls (18) zu schaffen;

(b) eine Einrichtung (20) zum Ergreifen des oberen Teils des Einzelkristalls (18), der gezüchtet wird, wobei die Greifeinrichtung (20) eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Greifarmen (39;39') enthält, die jeweils einen Greiffinger (38;38') aufweisen, der lösbar mit dem Eingriffsabschnitt (32) des Einzelkristalls (18) in Eingriff kommen kann, um letzteren festzuhaken, wobei die Greifarme (39,39') vertikal beweglich sind, um die entsprechenden Greiffinger (38;38') aufeinander zu und voneinander weg zu bewegen; und

(c) eine Einrichtung (40) zum Halten der Greifeinrichtung (20) in einer Position, in der der obere Abschnitt des Einzelkristalls (18) zuverlässig gegen Loslösung ergriffen wird,

dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Kopfes (28) mit großem Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser des Körpers des Einzelkristalls (18).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jeder der Greifarme (39) ein L-förmiger Hebel ist, wobei der Greiffinger (38) als Einheit mit einem unteren Ende des Greifarms (39) ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Greiffinger (38') lösbar an einem oberen Ende jedes der Greifarme (39') angebracht ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Greiffinger (38) aus Siliziumcarbid besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Greiffinger (38') aus Siliziumnitrid besteht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Halteeinrichtung (40) einen Ring umfaßt, der verschiebbar um die Greifarme (39,39') herum gepaßt ist und in bezug auf die Greifarme (39,39') vertikal beweglich ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, die des weiteren eine Antriebseinrichtung (44,42) enthält, die die Greifeinrichtung (20) vertikal bewegt und den Einzelkristall (18) anhebt, wobei die Antriebseinrichtung (44,42) einen Elektromotor (44) und einen Draht (42) enthält, der den Motor (44) und die Greifeinrichtung (20) funktionell miteinander verbindet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Greifarme (39,39') getrennt voneinander vertikal beweglich sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, die des weiteren einen Saatkristallhalter (14) zum Halten des Saatkristalls (16) hält, wobei die Greifeinrichtung (20) des weiteren ein Gleitelement (36) enthält, das vertikal beweglich an dem Saatkristallhalter (14) angebracht ist und eine Vielzahl von Gleiteinrichtungen (48) aufweist, die in einer vertikalen Richtung verschiebbar sind, wobei jeder der Greifarme (39,39') an einer entsprechenden der Gleiteinrichtungen (48) schwenkbar angebracht ist.

10. Vorrichtung (100) zur Herstellung eines mit dem Czochralski-Verfahren aus einem Saatkristall (116) gezüchteten Einzelkristalls (118), die umfaßt:

(a) eine Einrichtung (122) zum Ausbilden eines Kopfes (128) mit großem Durchmesser und eines Halses (130) mit kleinem Durchmesser nacheinander, um so einen nach unten gerichteten Eingriffsabsatz (132) an einem oberen Teil eines aus dem Saatkristall (116) zu züchtenden Einzelkristalls (118) zu schaffen; und

(b) eine Einrichtung (120) zum Ergreifen des oberen Teils des Einzelkristalls (118), der gezüchtet wird, wobei die Greifeinrichtung (120) enthält:

i) einen motorgetriebenen zylindrischen Rotor (138), der vertikal angeordnet ist und ein Außengewinde (142) an seiner Außenumfangsfläche aufweist,

ii) einen röhrenförmigen Halter (148), der an seiner Innenumfangsfläche ein Innengewinde (152) aufweist, das auf das Außengewinde (142) aufgeschraubt ist, wobei der röhrenförmige Halter (148) nicht drehbar und in Reaktion auf Drehung des Rotors (138) vertikal beweglich ist,

iii) eine vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Greiffingern (158), die schwenkbar mit einem unteren Ende des röhrenförmigen Halters (148) verbunden sind und lösbar mit dem Eingriffsabschnitt (132) des Einzelkristalls (18) in Eingriff kommen können, um letzteren festzuhaken, sowie

iv) eine Einrichtung (162), die verhindert, daß die Greiffinger (158) über einen vorgegebenen Winkel hinaus in einer Abwärtsrichtung geschwenkt werden.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Verhinderungseinrichtung (162) eine Vielzahl von Anschlägen umfaßt, die vom unteren Ende des röhrenförmigen Halters (148) radial nach innen vorstehen und mit entsprechenden der Greiffinger (158) in Eingriff kommen können, wenn die Greiffinger (158) nach unten geschwenkt werden.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Anzahl der Greiffinger (158) drei beträgt, wobei die drei Greiffinger (158) in Umfangsrichtung gleichmäßig voneinander beabstandet sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei wenigstens ein vorderes Ende jedes der Greiffinger (158) aus Molybdän besteht.

14. Vorrichtung nach Anspruch 10, die des weiteren einen Elektromotor (140) zum Drehen des Rotors (138) enthält, sowie einen mit dem Motor (140) verbundenen Empfänger (146), der Infrarotstrahlungssignale oder Ultraschallsignale empfängt, um die Funktion des Motors (148) zu steuern.

15. Vorrichtung zur Herstellung eines mit dem Czochralski- Verfahren aus einem Saatkristall (116) gezüchteten Einzelkristalls (118), die umfaßt:

(a) eine Einrichtung (122) zum Ausbilden eines Kopfes (128) mit großem Durchmesser und eines Halses (130) mit kleinem Durchmesser nacheinander, um so einen nach unten gerichteten Eingriffsabsatz (132) an einem oberen Teil eines aus dem Saatkristall zu züchtenden Einzelkristalls (118) zu schaffen; und

i) eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten, vertikalen, länglichen Haltern (164), die jeweils einen Trageabschnitt (166) aufweisen,

ii) eine Vielzahl von Greiffingern (158), die jeweils schwenkbar mit unteren Enden der Halter (164) verbunden sind, und lösbar mit dem Eingriffsabschnitt (132) des Einzelkristalls in Eingriff kommen können, um letzteren festzuhaken,

iii) eine Einrichtung (162), die verhindert, daß die Greiffinger (158) über einen vorgegeben Winkelbereich hinaus in einer Abwärtsrichtung geschwenkt werden,

iv) eine Vielzahl von motorgetriebenen Vorschubspindeln (168), die durch die Trageabschnitte (166) der entsprechenden Halter (164) hindurchgeschraubt und drehbar sind, um so die entsprechenden Halter (164) in einer vertikalen Richtung zu bewegen, und

v) ein röhrenförmiges Führungselement (172), das die Halter (164) verschiebbar darin aufnimmt, wobei radiale Bewegung der Halter (164) nach außen eingeschränkt wird, und das Führungselement (172) die Vorschubspindeln (168) daran trägt.