DE1769935B2

DE1769935B2 - Verfahren zum ziehen eines einkristalls aus einer schmelze

Info

Publication number: DE1769935B2
Application number: DE19681769935
Authority: DE
Inventors: Charles Wendell Hunt Charles dAncona Orinda Calif Hanks (V St A)
Original assignee: AIRCO, Ine , New York, N Y (V St A)
Priority date: 1967-08-08
Filing date: 1968-08-08
Publication date: 1973-02-08
Also published as: DE1769935A1; DE1769935C3; GB1225405A; FR1583109A; SE352249B; BE719229A; JPS4832913B1

Description

3 4

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich tung sind die Strahlen derart ausgerichtet oder ausaus den nachfolgenden Erläuterungen sowie aus der gelenkt, daß sie einen nahezu ringförmigen Auftreff-Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der bereich überstreichen, wie das aus F i g. 2 ersichtlich

F i g. 1 bis 9. ist. Der Innendurchmesser des ringförmigen Auftreff-

F i g. 1 zeigt eine schematische Teildarstellung 5 bereichs ist größer als der des zu ziehenden Kristalls, einer Vorrichtung zum Durchführen des erfindungs- und der Außendurchmesser ist kleiner als der der

gemäßen Verfahrens. Schmelze. Vorzugsweise wird die Differenz zwischen

F i g. 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf Innen- und Außendurchmesser so klein wie möglich

einen Teil der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung. gehalten, um der Schmelze genügend Energie zuzu-

F i g. 3 bis 7 zeigen schematische Seitenaufrisse, io führen.

die die Schritte eines speziellen Weges des Durch- Als Elektronenstrahlkanonen 22 können an sich

führens des erfindungsgemäßen Verfahrens dar- bekannte Typen verwendet werden, die es gestatten,

stellen. die Strahlstellung bezüglich des Einkristalls 11 zu

F i g. 8 zeigt eine schematische perspektivische variieren. Die Details eines verwendeten Elektronen-Darstellung eines alternativen Typs einer Vorrichtung 15 strahlkanonentyps sind in F i g. 1 dargestellt. Die zum Durchführen des Verfahrens gemäß der Er- Elektronenstrahlkanonen 22 sind innerhalb der Einfindung, und fassung 16 angeordnet, und jede enthält eine direkt

F i g. 9 zeigt eine schematische Darstellung einer geheizte Kathode 23 und eine beschleunigende Anode

weiteren Alternative einer Vorrichtung zum Durch- 24. Die von der Kathode 23 emittierten Elektronen

führen des erfindungsgemäßen Verfahrens. 20 werden von einer Ablenkelektrode 26 zu einem

Ganz allgemein ausgedrückt, dient die Erfindung Strahl ausgerichtet, und der ausgerichtete Strahl wird dazu, einen Einkristall 11 aus einer Schmelze 12 aus von der beschleunigenden Anode 24 beschleunigt, kristallinem Material zu züchten. Die Schmelze wird Zu diesem Zweck werden die Kathode 23 und die durch Bombardierung ihrer Oberfläche mit mindestens Ablenkelektrode 26 auf einem gegenüber der Anode 24 einem Elektronenstrahl 13 erhitzt. Der Einkristallkeim 25 negativen Potential gehalten. Zum Ablenken des 25 wird in die Schmelze getaucht und aus dieser her- Elektronenstrahls auf die Oberfläche des Materials ausgezogen, um den Einkristall zu ziehen. Das Quer- in der Schmelze 12 dient ein transversales Magnetschnittsformat des zu ziehenden Kristalls wird durch feld, das mittels eines geeignet angeordneten Elek-Steuerung der Lage des Bereichs 14 des Strahlaufpralls tronenmagneten 27 erzeugt wird. Zum Heizen der auf der Oberfläche der Schmelze relativ zum Ein- 30 Kathode und zum Aufrechterhalten der gewünschten kristall gesteuert. Spannungen an den beschriebenen Elementen sind

An Hand der F i g. 1 und 2 soll nun die zum Durch- geeignete, nicht dargestellte Vorrichtungen vorgesehen, führen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete Der Einkristall 11 wird durch Aufwärtsziehen aus Vorrichtung im Detail beschrieben werden. Die in der Schmelze 12 gezüchtet. Das Kristallaufwachsen den F i g. 1 und 2 dargestellte Vorrichtung dient zum 35 wird durch Eintauchen eines geeigneten Einkristall-Zuchten von Silicium-Einkristallen mit im allgemeinen keimes 25 in die Schmelze und Einsetzen eines langkreisförmigen Querschnitt, die beim Herstellen be- samen Herausziehens verursacht. Der Keim ist in stimmter Transistor- und Diodentypen Verwendung einem geeigneten Halter 28 gehaltert, an dem ein Anfinden, triebsstab 29 befestigt ist. Zum Rotieren des Stabes 28

Der Silicium-Einkristall 11 wird in einem Elektronen- 4° und damit das Einkristalls 11 während des Aufwärts-

strahlofen hergestellt, der eine vakuumdichte Ein- ziehens wird ein nicht dargestellter Motoiantriebs-

fassung 16 besitzt. Der innerhalb der Einfassung mechanismus verwendet. Auch der Tiegel 18 kann

liegende Bereich wird über einen Kanal 17 in der in entgegengesetzter Richtung mittels einer geeigneten,

Wand der Einfassung mit einer geeigneten, nicht dar- nicht dargestellten Einrichtung gedreht werden. Wäh-

gestellten Vakuumpumpe evakuiert. Der Druck inner- 45 rend des Aufwachsvorganges bildet sich zwischen dem

halb der Einfassung 16 ist vorzugsweise auf weniger Einkristall 11 und der Oberfläche der Schmelze 12

als 1 Torr reduziert. ein Meniskus 30.

In der Einfassung 16 ist ein Schmelztiegel 18 vor- Wenn der Einkristall 11 aufwärts gezogen wird, zugsweise aus rostfreiem Stahl angeordnet. Der nimmt die Berührungsfläche 31 zwischen dem erTiegel enthält die Schmelze 12, aus der der Silicium- 50 starrten Kristall und der Schmelze 12 eine sphärische Einkristall 11 gezüchtet wird. In den Wänden des Gestalt an. Wenn der Kristall nach oben gezogen wird, Tiegels 18 Kristallkühlkanäle 19 vorgesehen, durch erstarrt das geschmolzene Silicium an der Berührungsdie ein geeignetes Kühlmittel, z. B. Wasser, zirkuliert. fläche in der gewünschten einkristallinen Struktur.
Dadurch entsteht eine Schicht 21 aus erstarrtem Beim Durchführen des erfindungsgemäßen Ver-Silicium zwischen den Wänden des Tiegels 18 und der 55 fahrens wird die mittlere Temperatur der Schmelze 12 Schmelze 12. Diese Schicht verhindert jede Wechsel- etwas oberhalb des Schmelzpunktes des Siliciums gewirkung zwischen dem Tiegelmaterial und dem ge- halten. Die Temperatur in und nahe den Auftreffschmolzenen Silicium und gewährleistet, daß das bereichen ist jedoch wesentlich höher als die mittlere geschmolzene Silicium einen hohen Reinheitsgrad Temperatur der Schmelze. Daraus resultiert, daß der besitzt. 60 Elektronenstrahl 13 in der Umgebung seines Auftreff-

Die Schmelze 12 wird durch Bombardierung ihrer bereiches einen Bereich der Turbulenz wegen der

Oberfläche mit drei Elektronenstrahlea 13 erhitzt. lokalisierten Hitzeerzeugung auf der Oberfläche her-

Die Elektronenstrahlen werden in jeweils drei Elek- vorruft. Diese Turbulenz ist gekennzeichnet durch ein

tronenstrahlkanonen 22 erzeugt. In F i g. 1 ist zur Auswärtsfließen von überhitztem geschmolzenem Ma-

besseren Übersicht nur eine der Elektronenstrahl- 65 terial an und in der Nähe der Oberfläche der Schmelze

kanonen 22 dargestellt. Die drei in F i g. 2 darge- aus dem Bereich der größten Hitze in Bereiche mit

stellten Elektronenstrahlkanonen sind in Form eines geringerer Hitze. In einer geringen Tiefe in der

Blockdiagramms gezeigt. In der dargestellten Vorrich- Schmelze aus dem Bereich der größten Hitze in Be-

5 6

reiche mit geringerer Hitze. In einer geringen Schmelze zufügenden Siliciums wird in einem geeigneten Halter

kommt es zu einem Rückfluß einwärts und dann auf- 34 gehaltert und mittels eines mit dem Halter 34 ver-

wärts von kühlerem Material. Das Fließen in der bundenen Stabes 35 auf die Schmelze niedergesenkt.

Turbulenz ist in F i g. 1 mit Pfeilen 32 angedeutet. Ein geeigneter, nicht dargestellter Mechanismus

Dieser Turbulenzbereich ist ringförmig und reicht um 5 wird zum Niedersenken und Drehen des Stabes 35

den Kristall herum, der in Übereinstimmung mit der verwendet. Somit wird auch der Siliciumbarren 33

Gestalt des Strahlauftreffmusters gezogen wird. Die beim Niedersenken auf die Schmelze gedreht. Das

Geschwindigkeit des geschmolzenen Materials nimmt untere Ende des Sihciumzubrmgerbarrens 33 wird

in dem Turbulenzbereich mit wachsendem Abstand mittels eines Elektronenstrahls 36 geschmolzen. Der

vom Strahlaufprallbereich ab. io Elektronenstrahl 36 wird mit einer den Kanonen 22

Wenn der Elektronenstrahl 13 dichter an den identischen Elektronenstrahlkanone 37 erzeugt. Daher Kristall 11 bewegt wird, wird die Geschwindigkeit sind auch die verschiedenen Teile der in F i g. 1 und Temperatur des Flusses von geschmolzenem dargestellten Elektronenstrahlkanone 37 identisch Material in der Umgebung der Berührungsfläche ent- mit den entsprechenden Teilen der in der gleichen sprechend erhöht. Das bedingt eine Verringerung des 15 Figur dargestellten Elektronenstrahlkanone 22. Wie Durchmessers des zu ziehenden Kristalls, die von dem aus der Figur ersichtlich ist, ist die Kanone 37 in einer Temperaturanstieg und der auswachsenden Wirkung Lage an der Einfassung befestigt, die zu der der des überhitzten geschmolzenen Materials herrührt. Kanone 22 umgekehrt ist. Dadurch erhält man eine Umgekehrt wird die Geschwindigkeit und Temperatur gewünschte in der Figur angedeutete Elektronendes Flusses des geschmolzenen Materials an der Be- 20 Strahlrichtung.

rührungsfläche 31 verringert, wenn der Strahl 13 Wie bereits beschrieben, hat die Wärmeverteilung

vom Kristall 11 fortbewegt wird; das hat ein An- in der Schmelze 12 einen wesentlichen Einfluß auf

wachsen des Durchmessers des zu ziehenden Kristalls das Wachstum des Einkristalls 11. Daher ist es er-

zur Folge. Durch Regelung der Lage des durch Pfeile wünscht, den Einfluß auf die Wärmeverteilung in die

32 dargestellten Turbulenzbereiches (d. h. durch 25 Schmelze beim Hinzufügen des Materials wesentlich

Bewegen des Strahles auf den Kristall 11 zu oder vom zu verringern. Die Verringerung dieses Einflusses des

Kristall weg) kann der Fluß des geschmolzenen hinzugefügten Materials wird dadurch erzielt, daß der

Materials an der Berührungsfläche 31 im Hinblick Elektronenstrahl 36 so gerichtet wird, daß er die

auf die Temperatur und die Geschwindigkeit reguliert Oberfläche der Schmelze 12 nicht trifft. Dadurch

werden, um einen gewünschten Kristalldurchmesser 30 wird ein thermisches Nichtgleichgewicht vermieden,

zu erhalten. Die Steuerung der Stärke und Richtung des Elek-

Die Lage der Strahlen, die beim Durchführen des tronenstrahls 36 wird über einen in F i g. 2 darge-Verfahrens gemäß der Erfindung verwendet werden, stellten geeigneten Regelkreis 38 vorgenommen. Das ist von verschiedenen Faktoren abhängig. Zu diesen untere Ende des Nachfüllbarrens 33 wird von dem Faktoren gehören die mittlere Schmelztemperatur, 35 Elektronenstrahl 36 in einer sich nach unten zuspitzendie Stärke des Elektronenstrahls, die Geschwindigkeit, den Gestalt abgeschmolzen, und der Barren wird mit der der Kristall gezogen wird, das Format der genügend dicht über der Oberfläche der Schmelze 12 Auftreffbereiche der Elektronenstrahlen und die angebracht, so daß ein Meniskus 39 zwischen der Geschwindigkeit, mit der die Hitze durch die gekühlten Spitze des Nachfüllbarrens 33 und der Schmelze 12 Tiegelwände abgeführt wird. Die genauen Bedin- 40 gebildet wird. Die Zuführgeschwindigkeit des hinzugungen für ein zufriedenstellendes Kristallzüchten zufügenden Materials ist so gewählt, daß die Obersind empirisch begründet und können gewöhnlich fläche der Schmelze beim Zufließen des Materials nach ein paar Testläufen festgelegt werden. Einige von der schmelzenden Spitze des Barrens 33 nicht Beispiele von befriedigenden Betriebsbedingungen bewegt wird. Das Erhalten des Meniskus zwischen werden anschließend beschrieben. 45 dem geschmolzenen unteren Ende des Barrens und

Es hat sich herausgestellt, daß das Verhältnis der der Schmelze erleichtert das Hinzufügen des Materials Abstandsänderung der Strahlauftreffgebiete 14 von ohne Störung der Oberfläche der Schmelze,
der Kristallachse zu der dadurch verursachten Kri- Ein anderer für die Verkleinerung des Einflusses Stalldurchmesseränderung ungefähr 3 oder 4 : 1 be- der Materialzugabe auf die Wärmeverteilung in der trägt; zur gleichen Zeit, zu der das Format und die 50 Schmelze bedeutender Faktor ist die Lage des Bemittlere Temperatur der Schmelze relativ konstant reiches, wo das Material hinzugefügt werden soll, gehalten werden können, kann dennoch eine Ände- Wie aus den F i g. 1 und 2 ersichtlich ist, findet die rung der Auftreffstelle und des Hitzeausgleiches durch Materialzugabe in einem außerhalb des ringförmigen Einstellen der Gesamtstrahlstärke (d. h. durch Ein- Bereiches der thermischen Turbulenz in der Schmelze stellen des Stromes oder der Emittertemperatur oder 55 (d. h. des Auftreffbereiches des Elektronenstrahls) beiden) erreicht werden. Die konstanten Bedingungen befindlichen Bereiches statt. Die thermischen Ströme der Reinheit, der Temperatur, des Umfanges der in der turbulenten Zone wirken als ein Damm und Schmelze usw. haben die Produktion eines Kristalls verhindern, daß das hinzugefügte Material geschmolzur Folge, der symmetrisch in seiner innerkristallinen zen und vermischt wird, bevor es in die zentrale Struktur ist und der im wesentlichen frei von Ver- 60 Region eintritt. Dadurch ist es möglich, in vielen Setzungen ist, vorausgesetzt, daß die einkristalline Fällen bestimmtes Material direkt in die Schmelze Struktur des Keimkristalls auch versetzungsfrei ist. außerhalb des Turbulenzringes ohne eine schädliche Zum Auffüllen der Schmelze 12 für das während des Auswirkung einzugeben. Dotierungsstoffe zum Be-Aufwachsens des Einkristalls verbrauchte Silicium wirken der Halbleitereigenschaften des gezogenen wird der Schmelze neues Material zugefügt. In der 65 Kristalls können auch auf diese Weise hinzugegeben dargestellten Vorrichtung wird Silicium in Form eines werden, um die gründliche Mischung zu gewährleisten, festen Barrens 33 in kommerziell erhältlicher poly- Zur genauen Steuerung der Lage der Auftreffkristallhier Form zugefügt. Der Barren 33 des hinzu- bereiche 14 ist ein Regelkreis 40 (F i g. 2) vorgesehen,

7 8

der mit jeder der drei Elektronenstrahlkanonen 22 Zeit werden die Elektronenstrahlen 13 so geschwenkt,

geeignet verbunden ist. Der Regelkreis dient der daß ihre Auftreffbereiche in die in F i g. 5 darge-

Steuerung der Feldstärken der in den Elektromagneten stellte Lage »C« gelangen. In der Stellung »C« sind

27 erzeugten Magnetfelder und damit der Steuerung die Auftreffbereiche etwa 0,32 cm dichter an der

des Kurvenradius der Bahn, der die Elektronen in 5 Achse des Kristalls als in der Stellung »B«, und auch

einem Strahl folgen. Durch Feldstärkeänderung der die mit dem Pfeil 32 angedeutete Turbulenz liegt

von den Elektromagneten 27 erzeugten Magnetfelder dichter am Kristall.

kann daher der Betrag der Ablenkung der Strahlen In der in F i g. 5 dargestellten Stellung »C« des und damit die Lage des Auftreffbereiches 14 variiert Strahles spitzt sich die auf dem Keim 25 aufwachsende werden. Der Regelkreis ist bezüglich der Änderung io Oberfläche des Einkristalls in der Zone 42 nach innen der Feldstärken der einzelnen Elektromagneten 27 in einem Winkel Φ zu, der um mehr als 30° von der in den Elektronenkanonen vorzugsweise so kon- Vertikalen abweicht. Wenn der aufwachsende Kristall struiert, daß die Lageveränderung der Auftreff- im Durchmesser schmaler wird, dann hat der Keim gebiete 14 untereinander und zur Achse des Ein- einen Winkel zur neuen Oberfläche, der um mehr als kristalle 11 gleich und symmetrisch vorgenommen 15 30° von der Vertikalen abweicht. Kristallkernbildende werden kann. Mit den Mitteln letzterer Technik Medien, die sich auf der Oberfläche des Keims bekann die Wärmeverteilung in der Schmelze 12 wie finden können, wachsen aus dem Kristall aus, weil gewünscht symmetrisch verändert werden. Ein in der maximale Winkel, unter dem sie aufwachsen dem in den F i g. 1 und 2 dargestellten System ver- können, ungefähr 30° beträgt. Solche kristallisationswendbarer Regelkreis ist im USA.-Patent 3 235 647 20 kernbildenden Medien können aus Belagblättchen, offenbart. Kondensat auf der Keimoberfläche und von mangel-

Zusätzlich zur Steuerung der Lagen der Strahlauf- hafter Keimbehandlung herrührendem Schmutz betreff bereiche ist der Regelkreis 40 auch zur Regelung stehen. Zusätzlich zur Verringerung der Auswirkungen der Stärke des Elektronenstrahls geeignet konstruiert. der kristallisationskernbildenden auf der Oberfläche Das kann durch Regelung des Strahlenstromes, durch 25 des Keims befindlichen Medien beseitigen die in der Variation der Emittertemperatur in den Kanonen Zone 42 herrschenden Aufwachsbedingungen jeg- oder durch Variation des Stromes in der Stromver- liehen Einfluß von Störbedingungen an der Originalsorgung der Kanonen realisiert werden. In jedem oberfläche des Keims. Damit ist die Oberfläche des Fall wird der Betrag der durch die Strahlen der zu züchtenden Einkristalls 11 von der gleichen Quali-Schmelze zugeführten Energie gesteuert und damit 30 tat wie die der Keimoberfläche,
die Einhaltung konstanter Schmelzbadbedingungen Die in der in F i g. 5 dargestellten Zone 42 herrerleichtert, sehenden Wachstumbedingungen werden fortgesetzt,

In den Fig. 3 bis 7 wird eine spezielle Ausführungs- bis der Durchmesser des zu ziehenden Kristalls 11 form der Erfindung beschrieben, obwohl das Ver- um ungefähr 0,32 cm schmaler ist als der Durchfahren gemäß der Erfindung nicht darauf beschränkt 35 messer des Keims 25. Nach der Verringerung des ist, nur in dieser Weise durchgeführt zu werden. Die Durchmessers um etwa 0,32 cm wird ein Aufwachsen F i g. 3 bis 7 zeigen schematisch verschiedene Schritte mit konstantem Durchmesser begonnen. Sobald das unter Verwendung der in den F i g. 1 und 2 darge- Aufwachsen mit konstantem Durchmesser beginnt, stellten Vorrichtung. Zur Vereinfachung ist nur eine werden die Stellungen der Auftreffbereiche 14 der der drei Strahlen dargestellt, es ist jedoch selbstver- 40 Strahlen 13 radial nach außen um etwa 0,32 cm bis ständlich, daß alle drei Strahlen in der gleichen Weise 0,96 cm in die in F i g. 6 dargestellte Stellung Φ« bewegt werden. Der in dem Halter 28 gehalterten verschoben. Das verringert das Schmelzen des Kristalls Kristallkeim 25 wird der Oberfläche der Schmelze 12 und verursacht ein Anwachsen des zu züchtenden auf etwa 0,64 cm genähert. Diese Stellung ist in F i g. 3 Kristalls 11 in einem Winkel von etwa 20° zur Oberdargestellt. Die Lagen der Strahlen werden in Rieh- 45 fläche wie das in F i g. 6 in der Zone 43 angedeutet ist. tung der Achse des Keims 25 bis zu einer Stellung »A« Sobald die an der Region 43 angedeutete Wachsbewegt, die Strahlen sind dann ungefähr 0,96 cm bis tumgsbedingung beginnt, wird die Ziehgeschwindigkeit 2,54 cm vom Keim entfernt. Wenn die Strahlen 13 des Verbindungsstabes 29 (F i g. 1) langsam erhöht, so dicht an den Keim herangebracht werden, wird z. B. über eine Periode von etwa 5 Minuten auf etwa der Keim durch das Elektronenbombardement und 5° 10,16 bis 12,7 cm pro Stunde. Das führt zu einer die anwachsende Hitzestrahlung erhitzt. Wenn die Änderung des Aufwachswinkels des Kristalls 11 auf Temperatur an der Keimspitze etwa 900°C erreicht etwa 40° gegenüber der Vertikalen, wie das in der hat, wird der Keim in die Schmelze ungefähr 0,16 cm Region 44 der F i g. 6 angedeutet ist.
tief eingetaucht. Diese Stellung ist in F i g. 4 gezeigt. Das Wachstum des Einkristalls 11 unter den in der Zu ungefähr der gleichen Zeit werden die Strahlen 13 55 Region 44 herrschenden Bedingungen wird fortgesetzt, bezüglich der Achse des Keims radial nach außen bis der Kristall den gewünschten Durchmesser erbewegt über einen Abstand von ungefähr 0,64 cm reicht. Die geeignete Einstellung der Strahlposition von der Stellung »A« in eine in F i g. 4 angedeutete »D« führt zu einem langsamen Ändern des Wachs-Stellung »5«. tumswinkels auf 0°, und damit wird das Erhalten eines

Der rotierende Keim 25 wird wegen der hohen 60 konstanten gewünschten Durchmessers während des

Temperatur der Schmelze an der Berührungsfläche 31 restlichen größeren Abschnitts des Kristallaufwachsens

leicht schmelzen, und es wird ein Meniskus 30 an der ermöglicht. Einige kleinere innere Einstellungen der

Oberfläche der Schmelze 12 gebildet. Wenn dieser Strahlposition sind nötig, um das Kristallwachstum

Meniskus zwischen dem rotierenden Keim und der so zu beeinflussen, daß der Kristall mit einem kon-

Schmelze gebildet ist, wird der Keim mit dem Ver- 65 stanten Durchmesser weiter wächst. Diese Situation

bindungsstab 29 (F i g. 1) mit einer geringen Ge- ist mit der in F i g. 7 dargestellten Region 46 ange-

schwindigkeit von beispielsweise etwa 5,08 cm pro deutet.

Sekunde nach oben gezogen. Zu etwa der gleichen Erfolgreiche Ergebnisse beim Aufwachsen von

Silicium-Einkristallen werden bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in folgenden Bei-. spielen erzielt.

Beispiel 1

Keimkristalldurchmesser

Siliciumkristallenddurchmesser

Ofen-Vakuum

Mittlere Elektronenstrahlleistung

Schmelzbaddurchmesser

Badtiefe

Schmelzbadvolumen

Keimkristalltemperatur beim Eintauchen

Mittlere Oberflächentemperatur

Maximale Oberflächentemperatur

Anfangsziehgeschwindigkeit

Endziehgeschwindigkeit

Geschwindigkeit der Kristallrotation

Siliciumzuteilungsgeschwindigkeit

Materialabtrennungsstrahl-Ieistung

Geschwindigkeit der Tiegelrotation

0,51 cm

3,81 cm 2,K)-⁵ Torr

16 kW

20,32 cm

2,54 cm im Mittel

etwa 350 ecm

900⁰C 1435°C

etwa 1600⁰C

5,08 cm pro Stunde

15,24 cm pro Stunde

16UpM

390 g pro Stunde

2,IkW

10 UpM

(entgegengesetzt zum Kristall)

Beispiel 2

Keimkristalldurchmesser Siliciumkristallenddurch-

messer

Ofen-Vakuum

Mittlere Elektronenstrahlleistung

Schmelzbaddurchmesser

Badtiefe

Badvolumen

Keimkristalltemperatur beim Eintauchen

Mittlere Oberflächentemperatur

Maximale Oberflächentemperatur

Anfangsziehgeschwindigkeit

Endziehgeschwindigkeit

Geschwindigkeit der Kristallrotation

Siliciumzuteilungsgeschwindigkeit

Materialabtrennungsstrahlleistung

4,5 mm

20 mm

4 · ΙΟ-⁵ Torr

4,2 Watt

90 mm

15 mm (im Mittel)

etwa 75 ecm

600⁰C 1435°C

1625°C

5 cm/Std. 15 cm/Std.

20UpM 5 mm/Std. 1,5 kW

Beispiel 3

Material Nickel

Keimkristalldurchmesser 0,64 cm

Endkristalldurchmesser 6,35 cm

Ofen-Vakuum 8-10"⁵Torr

Mittlere Elektronenstrahl-

leistung 23 kW

Schmelzbaddurchmesser 20,32 cm

Badtiefe 1,91 cm (im Mittel)

Keimkristalltemperatur beim

Eintauchen 300⁰C

Mittlere Oberflächen-

temperatur etwa 1550⁰C

Maximale Oberflächentemperatur etwa 1800⁰C

Anfangsziehgeschwindigkeit 15,24 cm/Std.
Endziehgeschwindigkeit 30,48 cm/Std.

In F i g. 8 ist eine andere Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens gemäß der Erfindung dargestellt. Das Aufwachsen eines Einkristalls 11 aus einer Schmelze 12 in einem Tiegel 18 und einer Schicht 21 wird unter Verwendung des Halters 28 und des Verbindungsstabes 29 in Übereinstimmung mit dem vorher beschriebenen Verfahren durchgeführt. In der in F i g. 8 dargestellten Vorrichtung ist jedoch die Elektronenstrahlkanone ringförmig ausgebildet.

Die Kanone 47 umfaßt eine ringförmige Kathode 48 und eine ringförmige Elektrode 49, die einen Querschnitt ähnlich dem der in F i g. 1 dargestellten Ablenkelektrode 26 besitzt. Die Beschleunigungsanode 51 besitzt auch ringförmige Gestalt und hat einen Querschnitt ähnlich dem der Anode 24 in F i g. 1. Es wird ein ringförmiger Elektromagnet 52 mit vielfachen Windungen verschiedenen mittleren Durchmessers verwendet, um eine Änderung des mittleren Durchmessers des ringförmigen, von der Kanone 47 erzeugten Elektronenstrahls 53 zu erreichen. Das resultierende Auftreffgebiet 54 ist von entsprechender ringförmiger Gestalt. Das bedeutet, daß durch Variation der Feldstärke des durch den Elektromagneten 52 hervorgerufenen Feldes und durch Variieren des effektiven Durchmesser der Spulenwindungen des Elektromagneten durch geeignete (nicht dargestellte Regelkreise) der mittlere Durchmesser des Auftreffgebietes 54 geändert werden kann, um eine entsprechende Veränderung in der Wärme-Verteilung in der Schmelze 12 hervorzurufen. Diese Veränderung kann dazu verwendet werden, ein Aufwachsen eines Einkristalls, wie es in Verbindung mit den F i g. 3 bis 7 beschrieben wurde, zu erreichen. Um konstante Bedingungen der Schmelze zu erhalten, kann, wie im Falle der Kanonen 22, eine Regulierung der Strahlleistung vorgenommen werden.

In F i g. 9 ist eine weitere Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens gemäß der Erfindung dargestellt. Das Aufwachsen eines Einkristalls 11 aus einer Schmelze 13 wird unter Verwendung der Halterung 28 und des Verbindungsstabes 29 ,durchgeführt, die mit denen des bereits beschriebenen Verfahrens übereinstimmen. Die Vorrichtung wird in einer nicht dargestellten Vakuumeinfassung angeordnet, und die Schmelze 13 befindet sich im obersten Ende eines vertikalen zylindrischen Sockels aus polykristallinem Nachschubmaterial, z. B. Silicium. Der Sockel 61 besitzt vorzugsweise einen wesentlich größeren Durchmesser als den des Enddurchmessers des Einkristalls und wird mit einer Geschwindigkeit nach oben bewegt, die ausreicht, um die Materialmenge nachzuliefern, die beim Kristallziehen aus der Schmelze verlorengeht. Die Wärmeverteilung in der Schmelze wird so gesteuert, daß die Schmelze an ihrer Peripherie 62 durch die Oberflächenspannung festgehalten wird. Die Peripherie der Schmelze besitzt dabei nahezu den gleichen Durchmesser wie der Sockel 61. Obwohl eine Sockel-Typ-Nachfüllanordnung dargestellt

ist, kann sich die Schmelze selbstverständlich auch in einem in den bisher beschriebenen Vorrichtungen beschriebenen gekühlten Tiegel befinden.

Bei der Vorrichtung ist wie bei der in F i g. 8 dargestellten eine ringförmige Elektronenstrahlkanone 47 vorgesehen. Die Teile der Elektronenstrahlkanone der F i g. 9 sind identisch mit denen der der F i g. 8 und sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Elektronen werden auf die Oberfläche der Schmelze 13 geschleudert und bilden auf dieser einen ringförmigen Auftreffbereich 63 aus, wobei die Elektronen einen Strahl bilden, der hohl und kegelstumpfförmig ausgebildet ist.

In der Vorrichtung nach F i g. 9 wird der von der Kanone 47 erzeugte Elektronenstrahl fokussiert und gesteuert, um sowohl die Schärfe als auch den mittleren Durchmesser des ringförmigen Auftreffbereiches 63 auf der Oberfläche der Schmelze 13 zu regeln. Das wird mittels einem Paar elektromagnetischer Spulen 64 und 66 und mittels eines Paares mit den Spulen 64 und 66 verbundenen Regelkreisen 67 und 68 durchgeführt. Die allgemeine Ausbildung der Vorrichtung ist ähnlich der im USA.-Patent 3 105 275 dargestellten und beschriebenen Vorrichtung, und das Verfahren gemäß der Erfindung stellt eine neue Betriebsweise dieser Vorrichtung dar. Die elektromagnetische Spule 64 besteht aus einem ringförmigen Weicheisenkern 69, der von elektrisch leitenden Windungen 71 umgeben ist. Der Aufbau der elektromagnetischen Spule 66 ist ähnlich dem der Spule 64. Auch diese besteht aus einem ringförmigen von Windungen 73 umschlossenen Weicheisenkern 72. Die Windungen 71 der elektromagnetischen Spule 64 werden durch den Regelkreis 67 erregt, der die Stromstärke in den Windungen steuert. Auf ähnliche Weise werden die Windungen 73 der elektromagnetischen Spule 66 über den Regelkreis 68 erregt, der die Stromstärke in den Windungen 73 steuert.

Die zwei elektromagnetischen Spulen 64 und 66 wirken wie eine Kondensorlinse analog den Glaslinsen zum Fokussieren von Lichtstrahlen. Durch geeignete Regelung der beiden Linsen erhält man einen großen Variationsbereich für den mittleren Durchmesser des Auftreffbereiches bei gleichzeitigem Aufrechterhalten der Schärfe der Abbildung des Emitters (d. h. der Auftreffbereichsbreite).

Durch Verringerung des mittleren Durchmessers einer oder mehrerer der elektromagnetischen Linsen kann das Bildformat, d. h. die Breite des ringförmigen

ίο Auftreffgebietes 63, sogar kleiner als die Dicke des Emitters 48 gemacht werden. So kann eine Vielzahl konzentrischer Spulen an Stelle einer oder mehrerer elektromagnetischer Spulen 64 und 66 vorgesehen sein, wobei jede der konzentrischen Spulen für ein gewünschtes Bildformat getrennt erregt werden kann. Die folgende Kombination der magnetischen Induktion der Spulen 64 und 66 ergibt bei einer scharfen Abbildung des Emitters 48 auf die Oberfläche der Schmelze die folgenden aufgeführten mittleren Durchmesser des Auftreff bereiches 63. Verwendet wird eine Elektronenstrahlkanone mit einem mittleren Emitterdurchmesser von 17,78 cm, die 17,15 cm über der horizontalen Mittelebene der Spule 64 und 36,83 cm über der Oberfläche der Schmelze 13 angeordnet ist, wobei der Innendurchmesser der Spule 64 27,94 cm und der der Spule 66 16,51 cm beträgt und sich der Oberteil der Spule 66 2,54 cm unter der Oberfläche der Schmelze 13 befindet.

Spule 64	Spule 66	Mittlerer Durchmesser
Amper-	Amper-	des Auf treff bereiches
windungen	windungen	cm
6,6 · 10³	4,5 -10²	3,81
5 -10³	10,5 -10²	7,62
4,6 · 10³	1,1 -10³	8,89
4 -10³	1,3 -10³	10,16
2,4 · 10³	1,6 -10³	12,7
1,5 · 10³	1,7 -10³	13,97
50	1,75 · 10³	15,24

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

flächenkristaUisationskerne aus der Oberfläche »her-

Patentanspruch: auszuwachsen«, die Einschnürung hervorzurufen ist

jedoch sehr schwierig, da hierfür die Temperatur

Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls aus an der Phasengrenze gezielt verändert werden muß, einer Schmelze, bei dem in die Oberfläche der 5 was meist nicht schnell genug möglich ist.
Schmelze ein Einkristallkeim zur Bildung einer Zusätzlich kann die Veränderung der Bedingungen

Berührungsfläche zwischen dem Keim und der ein unsymmetrisches Wachstum des Kristalls und Schmelze getaucht wird, auf die Oberfläche der daraus resultierende Versetzungen hervorrufen. In Schmelze wenigstens ein Elektronenstrahl zur bisher bekannten Verfahren zum Kristallziehen kön-Erhitzung der Schmelze gerichtet wird, wobei ein io nen auch Schwierigkeiten beim Zustandebringen eines turbulent strömender, den Keim umschließender gewünschten Kristalldurchmessers auftreten, und das Bereich in der Schmelze erzeugt wird, der durch Hinzufügen von erwünschten Verunreinigungen kann Ablenkung des Strahles radial bewegbar ist und auch erschwert sein.

der Keim mit einer solchen Geschwindigkeit aus Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher,

der Schmelze gezogen wird, daß an ihm ein Ein- 15 ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines Einkristall aus dem Material der Schmelze anwächst, kristalls hoher Qualität anzugeben, bei dem die dadurch gekennzeichnet, daß der Bildung von Kristallisationskernen auf der Keim-Elektronenstrahl (13) während des Ziehvorganges oberfläche wesentlich vermindert ist und bei dem der zunächst derart bewegt wird, daß sich der Bereich Querschnitt des Einkristalls während des Wachsens (32) dem Einkristall (11) nähert und ihn unter ao leicht variiert werden kann.

einem Winkel von mehr als 30° zur Ziehrichtung Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der ein-

einschnürt und daß der Elektronenstrahl (13) gangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, während des Ziehvorganges dann zur Steuerung daß der Elektronenstrahl während des Ziehvorganges des Abstandes des Bereichs (32) von der Be- zunächst derart bewegt wird, daß sich der Bereich riihrungsfläche (31) zwischen dem Einkristall (11) 25 dem Einkristall nähert und ihn unter einem Winkel und der Schmelze (12) nach Maßgabe des ge- von mehr als 30° zur Ziehrichtung einschnürt und daß wünschten Durchmessers des Einkristalls (11) der Elektronenstrahl während des Ziehvorganges radial bewegt wird. dann zur Steuerung des Abstandes des Bereichs von

der Berührungsfläche zwischen dem Einkristall und

30 der Schmelze nach Maßgabe des gewünschten Durchmessers des Einkristalls radial bewegt wird.

Es ist zwar aus der deutschen Auslegeschrift

Viele elektronische Bauelemente wie Transistoren 1 243 146 bereits ein Verfahren und eine Vorrichtung und Dioden werden aus dünnen Scheiben aus Halb- zum Ziehen von Kristallen bekanntgeworden, wobei leitermaterial in einkristalhner Form hergestellt. 35 um die Ziehstelle eine gleichmäßig ausgebildete Zone Darüber hinaus werden Teile, die hohen Beanspru- des Schmelzgutes ausgebildet ist, weiterhin kann chungen und hohen Temperaturen ausgesetzt sind, gemäß der Lehre der britischen Patentschrift 875 399 z. B. Turbinenschaufeln aus bestimmten hochver- durch Ablenkung der erhitzten Strahlen die Eredelten Metallen, in einkristalliner Form hergestellt. hitzungszone radial nach außen bewegt werden.

Eine bekannte Technik, die zum Herstellen von 40 Dabei erfolgt jedoch die radiale Bewegung der Einkristallen entwickelt wurde, betrifft das Ziehen von Elektronenstrahlen nach außen und damit die Verim allgemeinen zylindrischen Einkristallen aus einer änderung des durch die Wirkung der Elektronen-Schmelze, strahlen beeinflußten Bereichs der Schmelze nicht Die vorhegende Erfindung betrifft ein derartiges während des Kristallziehens, sondern vor dem eigent-Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls aus einer 45 liehen Ziehvorgang. Die Regelung und Korrektur Schmelze, bei dem in die Oberfläche der Schmelze der Temperatur der geschmolzenen Zone erfolgt ein Einkristallkeim zur Bildung einer Berührungs- dabei nicht durch Änderung der Einwirkungsstelle fläche zwischen dem Keim und der Schmelze getaucht der Elektronenstrahlen, sondern durch Änderung der wird, auf die Oberfläche der Schmelze wenigstens ein Strahlenenergie.

Elektronenstrahl zur Erhitzung der Schmelze gerichtet 5° Wird dagegen der Kristalldurchmesser erfindungswird, wobei ein turbulent strömender, den Keim um- gemäß durch Änderung der Einwirkungsstelle der schließender Bereich in der Schmelze erzeugt wird, der Elektronenstrahlen während des Kristallziehvorganges durch Ablenkung des Strahles radial bewegbar ist geregelt, so bleibt die durch die Elektronenstrahlen und der Keim mit einer solchen Geschwindigkeit aus zur Erhitzung der Schmelze aufgebrachte Gesamtder Schmelze gezogen wird, daß an ihm ein Ein- 55 energie konstant. Damit bleiben auch die Bedingungen kristall aus dem Material der Schmelze anwächst. der Schmelze im Einwirkungsbereich der Elektronen-

Bei bisher bekannten Verfahren zum Kristallziehen strahlentiefe, Volumen und Temperatur dieses Teils können aber Belagblättchen, Kondensat und Schmutz der Schmelze konstant, wobei gleichzeitig der Durchauf der Keimoberfläche die Bildung von Kristalli- messer des wachsenden Kristalls regelbar ist. Darüber sationskernen und das Wachsen eines anderen Kristalls 60 hinaus ist beim erfindungsgemäßen Verfahren dieser verursachen, der die einkristalline Struktur des End- Regeleffekt sehr schnell, da die Ansprechzeit für die Produktes zerstört. Die Störbedingungen an der Änderung des Kristalldurchmessers unmittelbar auf Ursprungsoberfläche des Keimlings können eine eine Änderung der Einwirkungsstelle der Elektronenschlechte Oberflächenqualität in dem zu züchtenden strahlen bezogen ist. Dies ist deshalb der Fall, weil Kristall zur Folge haben. Durch Einschnüren des 65 der Effekt des Turbulenzströmungsbereichs die Rege-Kristalldurchmessers auf einen Winkel der neuen lung des Durchmessers des wachsenden Kristalls Oberfläche, zur Kristallachse der größer als 30° ist, zusätzlich zur Veränderung der lokalen Temperatur können zwar Oberflächenfehlordnungen und Ober- im Bereich des Kristalls unterstützt.