DE1519881B2

DE1519881B2 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen eines stabfoermigen halbleiterkristalls mit konstantem durchmesser

Info

Publication number: DE1519881B2
Application number: DE19651519881
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dipl Ing 8025 Oberhaching Kappelmeyer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1965-09-24
Filing date: 1965-09-24
Publication date: 1973-06-14
Also published as: FR1515916A; GB1095587A; DE1519881C3; DE1519881A1; NL6611013A

Description

Bei der Herstellung von Kristallen durch Ziehen aus der Schmelze ist es vor allem beim Tiegelziehen erfahrungsgemäß schwierig, den Durchmesser des Kristallstabes während des Ziehvorganges konstant zu halten. Die Schwierigkeit ist darin begründet, daß sich beim Kristallziehen der Tiegel langsam, aber stetig entleert, wodurch sich die Temperaturverhältnisse wegen der. größeren Strahlungsverluste in der Schmelze sprunghaft ändern. Dadurch bedingt treten Störungen im Wachstum des herzustellenden Kristallstabes auf.

Eine Möglichkeit, diesen Temperaturabfall in der Schmelze auszugleichen, ist dadurch gegeben, daß man den Schmelztiegel bei gleichbleibender Kristallziehgeschwindigkeit nach oben bewegt; dadurch wird die Temperatur an der Phasengrenzfläche flüssig-fest konstant gehalten. Diese Maßnahme erhält eine Ein-, schränkung dadurch, daß der Tiegel nur soweit nach oben bewegt werden kann, als sich die oberen Partien des Tiegels noch innerhalb der Heizzonen befinden.

Bei der Herstellung von stabförmigen Siliciumeinkristallen, bei denen das Tiegelzeichen in Schutzgasatmosphäre erfolgen muß, um leicht flüchtige Dotierstoffe, wie beispielsweise metallisches Antimon, einzubringen, ist dieses Verfahren nicht anwendbar, weil sich SiO beim Bewegen des Tiegels nach oben an den relativ kälter-werdenden Tiegelrändern kon-

densiert. Diese SiO-Niederschläge stören in Form von Partikelchen das Kristallwachstum ganz erheblich und führen zu Schwankungen des Stabdurchmessers, die auch eine Änderung der Kristalldaten zur Folge haben.

Eine Möglichkeit, derartige Schwierigkeiten, insbesondere bei der Herstellung von stabförmigen Einkristallen aus Silicium, zu umgehen, bietet das Verfahren nach der Lehre der Erfindung, bei dem zum Herstellen eines stabförmigen Halbleiterkristalls mit konstantem Durchmesser, insbesondere eines SiIiciumeinkristalls, durch Ziehen aus einem Tiegel zur Beheizung der im Tiegel befindlichen Schmelze zwei Wärmequellen verwendet werden, von denen die eine Wärmequelle radial, die andere von unten her auf die Tiegelwandung einwirkt. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wärmequellen getrennt regelbar sind, so daß die Temperatur der Schmelze mittels der beiden Wärmequellen so eingestellt werden kann, daß bei einer vorgegebenen Ziehgeschwindigkeit zum Ausgleich bei angehender ) Veränderung des Stabdurchmessers des aus der Schmelze gezogenen Kristalls das Verhältnis der Heizleistung von radial- zu axialwirkender Wärmequelle entsprechend geändert wird. Durch diese Maßnahme können die durch die stetige Volumenänderung der Schmelze bedingten Wärmeverluste sehr gut ausgeglichen werden.

So ist die Temperatur der Schmelze mittels der beiden Wärmequellen so einzustellen, daß bei einer vorgegebenen Ziehgeschwindigkeit zum Ausgleich bei z. B. angehender Verringerung des Stabdurchmessers des aus der Schmelze gezogenen Kristalls die Heizleistung der radialwirkenden Wärmequelle konstantgehalten und die Heizleistung der von unten auf die Schmelze wirkenden Wärmequelle, abgesenkt wird.

Es kann aber auch der Fall eintreten, daß die Temperatur der Schmelze mittels der beiden Wärmequellen so eingestellt werden muß, daß bei einer vorgegebenen Ziehgeschwindigkeit zum Ausgleich bei ansteigender Vergrößerung des Stabdurchmessers des aus der Schmelze gezogenen Kristalls die Heizleistung der radialwirkenden Wärmequelle konstantgehalten und die Heizleistung der von unten auf die Schmelze wirkenden Wärmequelle erhöht wird.

Bei einer auf dem Erfindungsgedanken beruhenden Ausführungsform erfolgt die Beheizung der Schmelze mittels Strahlungsheizung.

Eine spezielle Weiterbildung des Verfahrens gemäß der Erfindung sieht vor, wegen der besseren thermischen Symmetrie die Schmelze und/oder den aus der Schmelze gezogenen Kristall während des Ziehvorgangs in Rotation zu versetzen.

Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Vorrichtung mit einem Tiegel und zwei Wärmequellen benutzt, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die zwei Wärmequellen getrennt regelbar sind, von denen die eine kreiszylinderförmig um den Tiegel angeordnet ist, während sich die andere Wärmequelle in Form eines Flachheizers senkrecht zur Zylinderachse an der Grundfläche der zylinderförmigen Wärmequelle befindet und daß der Flachheizer innerhalb des zylinderförmigen Heizers bewegbar ist. Der Abstand beider Heizer wird dabei so eingestellt, daß er etwa in der Größe der Dicke des Flachheizers liegt.

Es ist besonders vorteilhaft, den Flachheizer aus einer Graphitplatte mit einseitig gewölbter Oberfläche von beispielsweise 0,5 cm Dicke herzustellen und ihn so anzuordnen, daß seine gewölbte Seite dem Schmelztiegel zugewandt ist. Durch diese Maßnahme kann die Temperatur über den ganzen Tiegeldurchmesser sehr gut konstantgehalten werden.

Bei einer besonders günstigen Ausführungsform wird der Abstand zwischen dem Flachheizer und dem Schmelztiegel so gewählt, daß er ungefähr ein Viertel des Tiegeldurchmessers beträgt.

ίο Der Flachheizer kann wegen der besseren Temperaturverteilung mäanderförmig oder auch spiralförmig geschlitzt sein.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, einen kreiszylinderförmigen Heizer aus Graphit zu verwenden, der auch mäanderförmig oder spiralförmig geschlitzt ist.

Bei der auf dem Erfindungsgedanken beruhenden Vorrichtung ist vorgesehen, den von den beiden Wärmequellen umgebenen die Schmelze enthaltenden Tiegel mit Rotationsantrieb zu versehen, wodurch eine weitere Verbesserung der Temperaturkonstanz erzielt wird.

Die Beheizung der Schmelze durch die beiden getrennt regelbaren Wärmequellen erfolgt durch Strahlungsheizung, die durch Widerstandsheizung erzeugt wird.

Durch das nun folgende Ausführungsbeispiel soll das erfindungsgemäße Verfahren, sowie die der Erfindung zugrunde liegende Vorrichtung an Hand der Fig. 1,2 und 3 näher erläutert werden.

In Fig. 1 ist eine zur Durchführung des Verfahrens zum Herstellen von stabförmigen Siliciumeinkristallen dienende Vorrichtung abgebildet, die nur den erfindungsgemäßen Teil zeigt. In einem Tiegel 1 aus Graphit, der mit einem Quarzfutter 2 ausgekleidet ist und auf einer drehbaren Achse 3 steht, befindet sich eine Schmelze 4 aus einem Halbleitermaterial, beispielsweise aus mit einer Dotierung versehenem Silicium. Der Schmelztiegel 1 wird kreiszylinderförmig von einem als Wärmequelle dienenden Heizer 5, beispielsweise aus Graphit umgeben und durch die Stromzuführungen 6 und 7 durch Widerstandsheizung indirekt beheizt. Dieser kreiszylinderförmige Heizer kann wegen der besseren Temperaturverteilung mäanderförmig oder spiralförmig geschlitzt sein. Eine zusätzliche Wärmequelle 8 befindet sich in Form eines getrennt regelbaren Flachheizers senkrecht zur Zylinderachse an der Grundfläche des zylinderförmigen Heizers 5 und wird durch einen separaten Stromkreis durch die Zuleitungen 9 und 10 beheizt.

Nach Maßgabe des Stabdurchmessers des herzustellenden Kristalles kann nun bei Konstanthaltung der Heizleistung der zylinderförmigen Wärmequelle 5 bei vorgegebener Kristallziehgeschwindigkeit eine Verringerung des Stabdurchmessers durch Senkung der Heizleistung des Flachheizers 8 vermieden werden.

Ebenso kann im umgekehrten Sinne eine Vergrößerung des Stabdurchmessers durch Erhöhung der Heizleistung des Flachheizers 8 unter Konstanthaltung der Heizleistung des zylinderförmigen Heizers 5 verhindert oder korrigiert werden.

Der Flachheizer 8 besteht aus einer Graphitplatte von beispielsweise 0,5 cm Dicke mit einseitig gewölbter Oberfläche, wie in Fig. 2 im Längsschnitt dargestellt. Er kann der besseren Temperaturverteilung wegen sowohl mäanderförmig als auch spiralförmig geschlitzt sein. Innerhalb des kreiszylinderförmigen

Heizers 5 ist er bewegbar angeordnet. Der Abstand zum Schmelztiegel 1 wird so gewählt, daß er ungefähr ein Viertel des Tiegeldurchmessers beträgt.

Der Abstand der beiden als Wärmequellen dienenden, in F i g. 1 mit 5 und 8 bezeichneten Heizer entspricht etwa der Dicke des Flachheizers.

Bei einer besonders günstigen Ausführungsform ist der Flachheizer so angeordnet, daß seine gewölbte Seite dem Schmelztiegel zugewandt ist; dadurch kann die Temperatur über den ganzen Durchmesser des Tiegels sehr gut konstantgehalten werden.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf einen Flachheizer 8 aus Graphit, der der besseren Wärmeverteilung wegen mäanderförmig geschlitzt ist. In der Mitte des Flachheizers 8 befindet sich eine Bohrung 11 für den auf einer Achse stehenden Schmelztiegel; an den beiden Seiten sind die Stromzuführungen 9 und 10 angebracht (siehe auch Fig. 1).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines stabförmigen Halbleiterkristalls mit konstantem Durchmesser, insbesondere eines Siliciumeinkristalls, durch Ziehen aus einem Tiegel, bei dem zur Beheizung der im Tiegel befindlichen Schmelze zwei Wärmequellen verwendet werden, von denen die eine Wärmequelle radial, die andere von unten her auf die Tiegelwandung einwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wärmequellen getrennt regelbar sind, so daß die Temperatur der Schmelze mittels der beiden Wärmequellen so eingestellt werden kann, daß bei einer vorgegebenen Ziehgeschwindigkeit zum Ausgleich bei angehender Veränderung des Stabdurchmesser des aus der Schmelze gezogenen Kristalls das Verhältnis der Heizleistung von radial- zu axialwirkender Wärmequelle entsprechend geändert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Schmelze mittels der beiden Wärmequellen so eingestellt wird, daß bei einer vorgegebenen Ziehgeschwindigkeit zum Ausgleich bei angehender Verringerung des Stabdurchmessers des aus der Schmelze gezogenen Kristalls die Heizleistung der von unten auf die Schmelze wirkenden Wärmequelle abgesenkt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Schmelze mittels der.. beiden Wärmequellen so eingestellt wird, daß bei einer vorgegebenen Ziehgeschwindigkeit zum Ausgleich bei angehender Vergrößerung des Stabdurchmessers des aus der Schmelze gezogenen Kristalls die Heizleistung der radialwirkenden Wärmequelle konstantgehalten und die Heizleistung der von unten auf die Schmelze wirkenden Wärmequelle erhöht wird.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beheizung der Schmelze mittels Strahlungsheizung erfolgt.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze während des Ziehvorgangs in Rotation versetzt wird.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der aus der Schmelze gezogene Kristall in Rotation versetzt wird.

7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze und der aus der Schmelze gezogene Kristall während des Ziehvorgangs in Rotation versetzt werden.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem Tiegel und zwei Wärmequellen dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Wärmequellen getrennt regelbar sind, von denen die eine kreiszylinderförmig um den Tiegel und die andere Wärmequelle in Form eines Flachheizers senkrecht zur Zylinderachse an der Grundfläche der zylinderförmigen Wärmequelle angeordnet ist und der Flachheizer innerhalb des zylinderförmigen Heizers bewegbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand beider Heizer etwa in der Größe der Dicke des Flachheizers liegt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 und/oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Flachheizer aus einer Graphitplatte von vorzugsweise 0,5 cm Dicke mit einseitig gewölbter Oberfläche besteht.

11. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem Flachheizer und dem Schmelztiegel so gewählt ist, daß er ungefähr ein Viertel des Tiegeldurchmessers beträgt.

12. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Flachheizer so angeordnet ist, daß seine gewölbte Seite dem Schmelztiegel zugewandt ist.

13. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Flachheizer mäanderförmig geschlitzt ist.

14. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Flachheizer spiralförmig geschlitzt ist.

15. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der kreiszylinderförmige Heizer aus Graphit besteht und mäanderförmig geschlitzt ist.

16. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der kreiszylinderförmige Heizer spiralförmig geschlitzt ist.

17. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel Rotationsantrieb besitzt.

18. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsheizung durch Widerstandsheizung erzeugt wird.