DE2245250A1

DE2245250A1 - Vorrichtung zum ziehen von kristallen, vorzugsweise einkristallen aus der schmelze

Info

Publication number: DE2245250A1
Application number: DE19722245250
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr Mateika
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1972-09-15
Filing date: 1972-09-15
Publication date: 1974-03-21

Description

Vorrichtung zum Ziehen von Kristallen, vorzugsweise Einkristallen aus der Schmelze Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ziehen von Kristallen, vorzugsweise Einkristallen aus der Schmelze mit einem Tiegel mit zwei untereinander in Verbindung stehenden Tiegelräumen und einer Zuführungsvorrichtung für in den Tiegelraum einzuleitende Substanzen.
Bei dem Czochralski-Verfahren wird das einkristallin herzustellende Material in einem Tiegel aufgeschmolzen, die Schmelze mit einem Impfkristall angeimpft und anschließend die Temperatur und Ziehgeschwindigkeit derartig gesteuert, daß ein zylindrischer Kristall mit gleichem Durchmesser erhalten wird.
Um Kristalle, vorzugsweise Einkristalle hoher Perfektion herstellen zu können, ist es wichtig, ein möglichst homogenes und symmetrisches Temperaturfeld in der Schmelze aufzubauen.
FUr die E4erstellung von Halbleiterkristallen mit einstellbarer, konstanter Fremdstoffkonzentration durch Ziehen aus einer Schmelze ist es bekannt, die Schmelze auf zwei miteinander durch eine Leitung verbundene, vorzugsweise zylindrische GeSäße unterschiedlichen Volumens aufzuteilen und den Kristall aus dem das kleinere Volumen aufweisende Gefäß, welches innerhalb des größeren Gefäßes angeordnet ist, zu ziehen und das Volumen der Schmelze im kleineren Gefäß fortlaufend durch Relativbewegungen der beiden Gefäße gegeneinander und damit durch Ergänzung des geschmolzenen Halbleitermaterials aus dem als Vorratsgefäß dienenden größeren Gefäß konstant zu halten.
Aus der DT-AS 1 101 775 ist ein Verfahren bekannt, bei dem der Ziehtiegel in einem größeren, das Ausgangsmaterial enthaltenden Vorratsgefäß angeordnet ist, Das Nachfließen der Schmelze aus dem Vorratsgefaß wird durch eine Verbindungskapillare, die im Boden des inneren Gefäßes angeordnet ist, ermöglicht. Das kleinere, als Ziehtiegel bezeichnete Gefäß schwimmt-dabei in der im größeren Gefäß befindlichen Schmelze. Die axiale Verschiebung des Ziehtiegels erfolgt damit aufgrund der Schwerkraft. Bei diesem Verfahren macht es sich als störend bemerkbar, daß die Bewegung des Ziehtiegels innerhalb der im Vorratsgefäß befindlichen Schmelze verhältnismäßig willkürlich ist, so daß eine exakte Justierung des Ziehtiegels nicht möglich ist. Es kann hier also vorkommen, daß der thermische Mittelpunkt der im Ziehtiegel befindlichen Schmelze nicht dem geometrischen Mittelpunkt entspricht, d.h., die-.Schmelze kann an Stellen, die nicht für das Kristall.wachstum vorgesehen sind, kühler sein als an den dem Keim benachbarten Stellen, so daß es auch an diesen Stellen zu einer spontanen Kristallisation kommen kann, was sich in erheblichen Kri stallbaufehl ern bemerkbar macht.
Aus der US-PS 2 892 739 ist ein Schmelztiegel bekannt, der ebenfalls aus zwei Tiegeln aufgebaut ist, wobei ein innerer, kleinerer Tiegel innerhalb eines äußeren größeren Tiegels auf hohen Füßen steht und mit der im äußeren Tiegel befindlichen Schmelze über eine zentrale Öffnung in seinem Boden in Verbindung steht.
Um eine möglichst homogene Temperaturverteilung zu erhalten, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, möglichst wenig Material zu gleicher Zeit zu erschmelzen. Für diese Bedingung wäre der Tiegel nach der US-PS 2 892 739 nicht verwendbar, denn bei einem im Verhältnis zur Größe des Tiegels niedrigen Schmelzenpegel würde ein Innentiegel, der auf hohen Füßen in der Schmelze steht, entweder ganz mit se-inem Boden über dem Schmelzenpegel des äußeren Tiegels liegen oder doch so wenig in die Schmelze des Außentiegels eintauchen, daß das Ziehen eines Kristalls aus dem Innentiegel nicht möglich wäre.
Nachteilig bei der Vorrichtung nach der US-PS 2 892 739 ist außerdem, daß der Tiegel bei einem Ziehprozeß nicht-vollständig von Schmelze geleert wird, was ein kompliziertes und langwieriges Reinigungsverfahren des Tiegels erforderlich macht.
Die Temperaturverhältnisse in der Schmelze und am gezogenen Kristall werden nicht nur durch Turbulenzen in der Schmelze ungünstig beeillflußt, sondern auch durch eine oft erforderliche Scllutzgaseinleitung in den Tiegel, die den Zweck hat, eine bestimmte Atmosphäre herzustellen oder den Wärmeabfluß zu erhöhen. Es ist bekannt, einen Schutzgasstrom auf die Schmelze oder auf den wachsenden Kristall zu leiten, wobei der Gaseintritt an der Ziehvorrichtung erfolgt. Diese Gaszufuhr an der Ziehvorrichtung hat den Nachteil, daß neben der Störung der Temperaturverteilung in der Schmelze in unmittelbarer Nähe des Kristalls das Anblasen des wachsenden Kristalls zu Spannungen und zum Zerspringen des Kristalls führen kann.
Ein weiterer Faktor, der zu instabilen Temperaturverhältnissen im Tiegelinnenraum und in der Schmelze fahrt, ist, daß das Tiegelsystem gegenüber der Außenwelt nicht vollkommen abgeschlossen werden kann, da Beobachtungsfenster und Öffnungen für Zuleitungen erforderlich sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Vorrichtungen auszuschalten und eine Vorrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, Kristalle, vorzugsweise Einkristalle sehr hoher Perfektion zu züchten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Gesamtraum des Tiegels durch Anordnen eines Trennkörpers in einen inneren Tiegelraum (Wachstumsraun des Kristalls) und einen äußeren, den inneren Tiegelraum umgebenden Tiegelraum aufgeteilt ist, wobei der Trennkörper bis zum Boden einer im Tiegel befindlichen Schmelze reicht und mit einer oder mehreren Öffnungen versehen ist, die eine Verbindung zwischen dem inneren Tiegelraum und dem äußeren Tiegelraum darstellen und daß die Zuführungsvorrichtung für in den'Tiegelraum einzuleitende Substanzen aus einer oder mehreren, voneinander getrennten Zuführungsleitungen besteht, die im äußeren Tiegelraum münden.
Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist der Trennkörper ein Hohlzylinder (Rohr). Der Tiegel kann mit einem Deckel verschlossen sein und ist mit einer Isolierummantelung versehen, die zwischen der Tiegelaußenwand und einer Heizquelle, z.B. einer Hochfrequenzspule angeordnet ist.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung Kri-.
stalle hoher Kristallperfektion, d.h. nahezu versetzungs-, spannungs-'und einschluß freie Kristalle gezogen werden können, da der eigentliche Wachstumsraum (der innere Tiegelraum), aus dem der Kristall gezogen wird, dank seiner Abschirmung vom äußeren Tiegelraum in einem homogenen und symmetrischen Temperaturfeld liegt. Turbulenzen in der Schmelze können weitgehend unterdrückt werden.
Durch die Abschirmung des Wachstumsraumes vom äußeren Tiegelraum ergibt sich als weiterer sehr wesentlicher Vorteil, daß in den Tiegelrauen einzuleitende Substanzen, z.B. Schutzgase, in den äußeren Tiegelraum eingeleitet werden können und damit das Wachstum des Kristalls nicht beeinträchtigen.
Ein weiterer, wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, daß in den Tiegelraum einzuleitende Substanzen über getrennte Regelkreise zugeführt werden können. Bei der Zufuhr von z.B. Schutzgasen, die gleichzeitig der Wärmeableitung dienen, haben getrennte Regelkreise den Vorteil, daß Temperaturinhomo genii tWten in der ' Schmelze durch unterschiedliche Einstellung der Strömungsgeschwindigkeiten ausgeglichen werden können, so daß sich ein symmetrisches Temperaturfeld in der Schmelze und damit um den wachsenden Kristall einstellt.
Der thermische Mittelpunkt in der Schmelze kann auf diese l^!eise also besonders einfach zentriert werden.
Ein weiterer, wesentlicher Vorteil dieser vom Wachstumsraum abgeschirmten Zufiihrungsleitungen ist darin zu sehen, daß durch eine entsprechend hohe Strömungsgeschwindigkeit bei der ZuftShrung von beispielsweise Schutzgasen in gesättigter Dampfphase iiber der Schmelze befindliche Fremdstoffe, z.B. Tiegel material, von der Schmelzenoberfläche weggeblasen werden und sich in den oberen, kühleren Tiegelbereichen an der Tiegelwand wieder abscheiden können. Eine Verunreinigung der Schmelze durch Fremdstoff kann auf diese Weise unterbunden werden.
Die Zufuhr von Schutzgasen in einen vom Wachstumsraum abgetrennten Tiegelraum hat den weiteren Vorteil, daß keine gesonderte Vorheizvorrichtung für das Schutzgas erforderlich ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 den Schnitt durch eine Vorrichtung nach der Erfindung, Fig. 2 die Ansicht des Rohres der in Fig. 1 dargestellten Vcrichtung als Ausschnittvergrößerung.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zum Ziehen von Kristallen, vorzugsweise Einkristallen aus der Schmelze enthält einen Tiegel 1, in den ein Rohr 2 (vergleiche auch Fig. 2) so eingesetzt ist, daß es auf dem Tiegelboden steht. Auf diese Weise wird der Gesamtraum des Tiegels 1 in einen inneren Tiegelraum (Wachstumsraum für den zu ziehenden Kristall) 6 und einen äußeren Tiegelraum 7 aufgeteilt. Eine im Tiegel 1 be findliche Schmelze 5 kann durch schartenförmige Öffnungen 4, die sich am unteren Rand des Rohres 2 befinden in den inneren Tiegelraum 6 gelangen, aus dem ein zu ziehender Kristall mit Hilfe einer Kristallziehvorrichtung 3 aufgezogen werden kann.
Für dieses Ausführungsbeispiel sind am unteren Rand des Rohres 2 vier, gleichmäßig auf den Umfang des Rohres verteilte schartenförmige Öffnungen 4 angebracht; diese Zahl und Anordnung kann aber je nach Bedarf variierten. In den äußeren Tiegelraum 7 ragen zwei Zuführungsleitungen 8 hinein, die aus zwei unterschiedlichen Quellen (nicht dargestellt) mit vorzugsweise gasförmigen Substanzen beschickt werden können. Die Zuführungsleitungen enden bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung kurz nach Eintritt in den äußeren Tiegelraum 7, sie können jedoch auch tiefer in diesen Tiegelraum 7 hineinragen, falls dies erforderlich ist. Der Tiegel 1 kann erforderlichenfalls mit einem Deckel 12 nach oben abgeschlossen werden, der lediglich Durchtrittsöffnungen für die Zuführungsleitungen 8 und eine Öffnung für den zu ziehenden Kristall aufweist. Der Deckel 12 ist aus gleichem Material wie der Tiegel 1 und das Rohr 2, für dieses Ausführungsbeispiel aus Iridium; er sollte jedoch eine etwas größere lZandstärke aufweisen als der Tiegel 1 und das Rohr 2, um eine zu schnelle Aufheizung des Deckels und damit die Ausbildung einer unerwünschten Wärmequelle von oben zu vermeiden.
Um eine zu hohe Wärm.eabstrahlung des Tiegels zu verhindern und die Temperaturverlwältnisse zu stabilisieren, ist der Tiegel 1 von einer Isolierummantelung 10 umgeben, die zwischen einer für die Aufheizung des Tiegels durch Hochfrequenzinduktion angeordneten Hochfrequenzspule 9 und der Außenwand des Tiegels 1 angeordnet ist. Die Hochfrequenzspule 9 ist so angeordnet, daß der obere Rand des Tiegels 1 etwas aus ihr herausragt. Die Isolierummantelung 10 ist mit Öffnungen 13, 14, 15 für die Zuführungsleitungen, den gezogenen Kristall und ein Beobachtungsfenster versehen.
Die Temperatur im Tiegelbereich wird über ein Thermoelement 11 gemessen Die Zuführungsleitungen 8 sind für dieses Ausführungsteispiel aus zwei Teilen 81 und 82 unterschiedlichen Materials aufgebaut; der Teil 82 innerhalb der Isolierummantelung 10 besteht aus Au203, der Teil 81 außerhalb der Isolierummantelung 10 besteht aus SiO2; es sind aber auch andere hochtemperaturbeständige Werkstoffe anwendbar.
Das gesamte in Fig. 1 dargestellte System kann nach außen durch z.B. einen doppelwandigen' wassergekühlten Stahlkessel (nicht-dargestellt) abgeschlossen sein, der mit-Durchführungen für die erforderlichen Zuführungsleitungen, die Ziehvorrichtung und Beobachtungsfenster versehen ist.
Mit der Vorrichtung nach der Erfindung wurden Granateinkristalle gezogen (Gadolinium-Gallium-Granatj Samarium-Gallium-Granat und Yttrium-Gallium-Granat), die eine hohe Kristallperfektion aufwiesen, wobei eine sehr gute Reproduzierbarkeit der Kristall-Qualität erreicht wurde. Es ist in diesem Zusammenhang hervorzuheben, daß die Vorrichtung nach der Erfindung selbstverständlich nicht auf die ZUchtung von Granateinkristallen beschränkt ist.
Zur Darstellung von Gadolinium-Gallium-Granat (Gd3-Ga5-012) werden 92,67g Ga203 und 107,32g Gd203 in Form von Tabletten im inneren Iridiwnrohr abwechselnd übereinander gestapelt. Nach Aufsetzen des oberen Teils der Isolierummantelung 10 aus A1203 werden die Zuführungsleitungen 8 eingeführt, durch welche ein Gasgemisch aus 95o N2 und 5% O2 eingeleitet wird, das als Schutzgas und gleichzeitig zur Wärmeableitung dient.
Die Strömungsgeschwindigkeit beträgt ca. 30 l/h. Der Tiegel 1 wird induktiv auf eine Temperatur von ca. 18000i: aufgeheizt und die Substanz aufgeschmolzen. Nach dem Aufschmelzen wird die Gaszufuhr so eingeregelt, daß ein symmetrisches Flußlinienbild erhalten wird. Der Mittelpunkt der Flußlinien fällt hierbei mit dem Mittelpunkt des Tiegels zusammen. Nach dem Animpfen wird der Ziehprozeß in bekannter Weise fortgeführt.
Der für dieses Ausführungsbeispiel verwendete Tiegel 1 hat einen Durclxnesser von 60 mm, eine Höhe von 40 mm bei einer Wandstärke von 1,5 m; das in den Tiegel 1 eingesetzte Rohr 2 hat einen Durchmesser von 40 mm, eine Höhle von etwa 36 mm bei gleicher Wandstärke wie der des Tiegels 1. Die schartenförmigen Öffnungen 4 am unteren Rand des Rohres 2 haben eine Größe von 3 x 2 mm2.
Wie schon hervorgehoben, iat es besonders vorteilhaft im Hinblick auf die Ausbildung einer homogenen Temperaturverteilung im Wachstumsraum, wenn der Pegel der Schmelze 5 im Tiegel 1 verhältnismäßig niedrig gehalten wird. Für das beschriebene Ausführungsbeispiel betrug die ilöhe der Schmelze bei einem Tiegel der angegebenen Abmessungen etwa 10 mm.
Zu den Fig. 1 und 2 ist hervorzuheben, daß es sich nicht um eine maßstäbliche sondern um eine schematische Darstellung der Vorrichtung nach der Erfindung handelt.
Patentansprüche:

Claims

Patentansprüche: 1. Vorrichtung zum Ziehen von Kristallen, vorzugsweise Einkristallen aus der Schmelze mit einem Tiegel mit zwei untereinander in Verbindung stehenden Tiegeiräumen und einer Zuführungsvorrichtung für in den Tiegelraum einzuleitende Substanzen, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtraum des Tiegels (1) durch Anordnen eines Trennkörpers in einen inneren Tiegelraum (6) (Wachstumsraum des Kristalls) und einen äußeren, den inneren Tiegelraum (6) umgebenden Tiegelraum (7) aufgeteilt ist, wobei der Trennkörper bis zum Boden einer im Tiegel (1) befindlichen Schmelze (5) reicht und mit einer oder mehreren Öffnungen (4) versehen ist, die eine Verbindung zwischen dem inneren Tiegelraum (6) und dem äußeren Tiegelraum (7) darstellen und daß die Zuführungsvorrichtung für in den Tiegelraum einzuleitende Substanzen aus einer oder mehreren, voneinander getrennten Zuführungsleitungen (8) besteht, die im äußeren Tiegelraum (7) münden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trennkörper ein Hohlzylinder (Rohr) (2) ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trennkörper vom Boden der Schmelze (5) bis zur Oberkante der Schmelze reicht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trennkörper vom Boden der Schmelze (5) bis zur Oberkante des Tiegels (1) reicht.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung(en) (4) sich am unteren, dem Boden der Schmelze (5) benachbarten Rand des Trennkörpers befindet (befinden).
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel (1) mit einem Deckel (12) verschlossen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (12) des Tiegels (1) Öffnungen (13, 14) für die Zuführungsleitungen (8) und für den zu ziehenden Kristall hat.
8. Vorrichtui;ig nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (12) eine Wandstärke hat, die über der Tiegelwandstärke liegt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel (1) eine Isolierummantelung (10) hat, die zwischen seiner Außenwand und einer Heizquelle angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizquelle eine Hochfrequenzspule (9) ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Tiegels (1) Iridium ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Tiegels (1) eine Platin-Legierung ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeiciulet, daß das Material des Tiegels (1) Platin ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Trennkörpers Iridium ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Trelmkörpers-eine Platin-Legierung ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekelnnzeicE-met, daß das Material des Trennkörpers Platin ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch rekennzeichnet, daß das Material der Isolierummantelung (10) Magnesiumoxid ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenazeichnet, daß das Material der Isolierummantelung (10) Aluminiumoxid ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Zuführungsleitungen (8) Quarz ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Zuführungsleitungell (8) Aluminiumoxid ist.
21. Anwendung der Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung von Granat-Einkristallen.