DE69609573T2

DE69609573T2 - Vorrichtung und Verfahren zum Drehen eines Tiegels eines Kristallzuchtapparatus

Info

Publication number: DE69609573T2
Application number: DE69609573T
Authority: DE
Inventors: Cynthia F. Hall; Steven L. Kimbel; Harold W. Korb
Original assignee: SunEdison Inc
Current assignee: SunEdison Inc
Priority date: 1995-06-09
Filing date: 1996-05-24
Publication date: 2000-12-14
Anticipated expiration: 2016-05-25
Also published as: US5593498A; KR970001606A; JPH08337494A; CN1171459A; EP0747511A2; EP0747511A3; TW300311B; US5766341A; EP0747511B1; DE69609573D1; JP3969767B2; MY132265A; SG49959A1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein Kristallziehmaschinen und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Drehen eines Tiegels einer Kristallziehmaschine.
Monokristallines Silizium, das zur Herstellung von Siliziumscheiben für die Mikroelektronikindustrie eingesetzt wird, wird überwiegend mittels Kristallziehmaschinen unter Benutzung des Czochralski- Verfahrens ("CZ-Verfahren") hergestellt. Kurz gesagt benutzt das CZ-Verfahren eine Siliziumschmelze, die durch Einschmelzen von Klumpen hochreinen, polykristallinen Siliziums in einem Quarztiegel in einem Ofen gebildet wird. Ein Keimkristall ist an einer Kristallziehmechanik oberhalb der Siliziumschmelze angebracht. Der Keimkristall wird durch die Kristallziehmechanik bis in Kontakt mit der Siliziumschmelze abgesenkt. Nachdem das Ende des Keims geschmolzen ist, wird die Siliziumschmelze abgekühlt, bis der Kristall zu wachsen beginnt. Der Tiegel wird in einer Richtung gedreht, und der Kristall wird in der entgegengesetzten Richtung gedreht, wenn der Kristall aus der Schmelze gezogen wird. Während der Kristall wächst, erstarrt auf ihm Silizium aus der Siliziumschmelze in den Tiegel.
Während des Wachsprozesses bildet sich eine Sauerstoff-Diffusionsgrenzschicht in der Siliziumschmelze nahe der Tiegelwandung. Dies hat zur Folge, dass ein bestimmter Sauerstoffgehalt in dem gezogenen Kristall vorliegt. Wenn herkömmliche Kristallziehverfahren benutzt werden, bildet sich ein Sauerstoffgradient radial in dem Kristall und entlang der Kristalllänge aus.
Um den Sauerstoffgradienten in dem gewachsenen Kristall zu verringern, wird im Stand der Technik gelehrt, den Tiegel in einem Ein/Aus-Modus oder mit einer einer konstanten Tiegeldrehzahl überlagerten, gepulsten Rechteckwelle zu drehen. Ein Beispiel der gepulsten Wellenmethode ist in US-Patent Nr. 5,215,620 angegeben, bei der während des gesamten Kristallziehverfahrens eine gepulste Rechteckwelle einer konstanten Bezugsdrehzahl für den Tiegel überlagert ist. Obgleich dies die Sauerstoffkonzentration in dem hinteren Ende des Siliziumkristallstabes erhöht, wird auch die Sauerstoffkonzentration am Frontende erhöht, wo der erhöhte Sauerstoff nur zu dem axialen Sauerstoffgradienten beiträgt. Obgleich diese bekannten Methoden den Sauerstoffgradienten in einem gezüchteten Kristall etwas verringern, bleibt Raum für Verbesserungen. Ferner verursachen diese bekannten Methoden unnötige mechanische Stöße auf den Motor und das Antriebssystem, die den Tiegel drehen. Diese mechanischen Stöße verursachen einen Energieverlust in dem Motor und dem Antriebssystem und erhöhen die Verschleißgeschwindigkeit dieser Komponenten.

Abriss der Erfindung

Unter den Aufgaben der vorliegenden Erfindung sind die Schaffung einer verbesserten Vorrichtung und eines Verfahrens zum Ziehen eines Halbleiterkristalls mit einem gewünschten Sauerstoffgehalt und -gradienten, die Schaffung einer solchen Vorrichtung und eines Verfahrens zum Ziehen eines Halbleiterkristalls mit einem verringerten radialen Sauerstoffgradienten, die Schaffung einer solchen Vorrichtung und eines Verfahrens zum Ziehen eines Halbleiterkristalls mit einem verringerten axialen Sauerstoffgradienten, die Schaffung einer Vorrichtung und eines Verfahrens zum Ziehen eines Halbleiterkristalls mit einer erhöhten Sauerstoffkonzentration, die Schaffung einer Vorrichtung und eines Verfahrens, die eine stoßfreie und kontinuierliche Variation der Drehgeschwindigkeit des die Halbleiterschmelze enthaltenden Tiegels erlauben, die Schaffung einer solchen Vorrichtung und eines Verfahrens zum Rotieren des die Halbleiterschmelze enthaltenden Tiegels bei veränderlichen Drehgeschwindigkeiten bei geringen mechanischen Stößen auf den Antriebsmechanismus, die Schaffung einer solchen Vorrichtung und eines Verfahrens, die die Wartungs- und Reparaturkosten verringern, und die Schaffung einer solchen Vorrichtung und eines Verfahrens, die zuverlässig und einfach zu benutzen sind.
Allgemein ist die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zum Züchten eines Halbleiterkristalls nach einem Czochralski-Verfahren konstruiert. Die Vorrichtung umfasst einen eine Schmelze enthaltenden Tiegel, einen Kristallziehmechanismus, der den Halbleiterkristall aus der Schmelze zieht, und einen mit dem Tiegel gekuppelten Motor. Die Vorrichtung umfasst auch einen Signalgenerator, der ein sich kontinuierlich änderndes Drehgeschwindigkeitsignal erzeugt, das ein Schwingungsprofil definiert. Eine Steuerschaltung ist an den Motor angeschlossen und empfängt und spricht an auf das von Signalgenerator erzeugte, sich kontinuierlich ändernde Geschwindigkeitssignal, um dem Motor Energie zuzuführen. Die Steuerschaltung führt dem Motor als eine Funktion des Schwingungsprofils Energie zu, um den Tiegel mit einer Drehzahl und einer Beschleunigung zu drehen, die kontinuierlich variiert, während der Kristallziehmechanismus wenigstens einen Teil des Halbleiterkristalls aus der im Tiegel befindlichen Schmelze zieht.
Vorzugsweise umfasst der Signalgenerator einen Analogsignal-Generator zur Erzeugung eines einer Sinuswelle entsprechenden, sich kontinuierlich verändernden Geschwindigkeitssignals.
Der Signalgenerator kann einen Analogsignalgenerator zur Erzeugung eines Geschwindigkeitssignals umfassen, das eine Mehrzahl von Perioden hat und in jeder Periode monoton ansteigt und abfällt und wobei die Drehzahl des Tiegels als Funktion des Geschwindigkeitssignals monoton ansteigt und abfällt. Die Vorrichtung kann so arbeiten, dass das Czochralski-Verfahren eine gepulste Rechteckwelle zur Variation der Tiegeldrehzahl benutzt, um in dem gezogenen Halbleiterkristall eine gewünschte Sauerstoffkonzentration zu erreichen. In diesem Fall kann der Signalgeneratör Mittel zur Approximierung der gepulsten Rechteckwelle enthalten durch Erzeugung eines kontinuierlich variablen Geschwindigkeitssignals mit der Grundfrequenz einer Fourier-Entwicklungsgleichung und einer Spitzenamplitude, die um einen Faktor von etwa 4 geteilt durch π größer als eine Spitzenamplitude der gepulsten Rechteckwelle ist, wobei die Steuerschaltung auf das Geschwindigkeitssignal zur Erregung des Motors so anspricht, dass die Geschwindigkeit, mit der der Tiegel gedreht wird, ein durch die Amplitude des Geschwindigkeitssignals definiertes Oszillationsprofil hat, wodurch die gewünschte Sauerstoffkonzentration in dem gezogenen Halbleiterkristall bei verringerter mechanischer Erschütterung des Motors relativ zu der mechanischen Erschütterung des Motors erreicht wird, wenn dieser in Reaktion auf die gepulste Rechteckwelle läuft. Außerdem kann der Motor einen Tachometer zur Erzeugung einer Bezugsspannung entsprechend der Drehzahl des Rotors in dem Motor haben, wobei die Steuerschaltung ein an dem Tachometer angeschlossenes, geschlossenes Regelkreissystem zur Erregung des Motors als Funktion der von dem Tachometer erzeugten Bezugsspannung und des sich kontinuierlich verändernden Geschwindigkeitssignals aufweist.
Bei einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Ziehen eines Halbleiterkristalls aus einer in einem Tiegel enthaltenden Schmelze durchgeführt, wobei der Halbleiterkristall und der Tiegel koaxial sind. Das Verfahren umfasst die Schritte Erzeugung eines sich kontinuierlich ändernden Geschwindigkeitssignals, das ein Oszillationsprofil definiert,
Rotieren des Tiegels mit einer Drehzahl und einer Beschleunigung, die kontinuierlich als Funktion des durch das sich kontinuierlich ändernde Geschwindigkeitssignal definierten Oszillationsprofils variieren, während wenigstens ein Teil des Kristalls aus der Schmelze gezogen wird, und
Rotieren des Kristalls in einer Richtung entgegengesetzt zu der Drehrichtung des Tiegels beim Wachsen des Kristalls.
Das Verfahren kann ferner umfassen die Stufe der Erhöhung der Drehzahl des Tiegels, nachdem der Kristalldurchmesser erstellt ist, bis der Kristall bis auf etwa 20 bis 50 Prozent seiner Endziehlänge gezogen wurde. Bei diesem Verfahren kann die erstgenannte Rotationsstufe die Stufe der Drehung des Tiegels mit einer sich kontinuierlich ändernden Beschleunigung und sich kontinuierlich ändernden Drehzahl im Anschluss an die Drehzahlerhöhungsstufe umfassen, bis der Kristall auf bis wenigstens etwa 20 Prozent seiner Endziehlänge gezogen wurde. Vorzugsweise umfasst die zuerst genannte Rotationsstufe die Stufe der Drehung des Tiegels mit einer Drehzahl, die als Funktion einer Sinuswelle zu- und abnimmt. Das Verfahren kann ferner die Stufe der Erzeugung eines Geschwindigkeitssignals mit einer Mehrzahl von Perioden umfassen, wobei das Geschwindigkeitssignal während jeder Periode monoton ansteigt und abfällt, während die zuerst genannte Rotationsstufe die Stufe der Energiezuführung zu einem Motor umfasst, um den Tiegel mit einer Drehzahl zu drehen, die als Funktion des Geschwindigkeitssignals monoton ansteigt und abfällt. Das Czochralski-Verfahren verwendet vorzugsweise ein periodisches Signal zur Veränderung der Tiegeldrehzahl, um eine gewünschte Sauerstoffkonzentration in einem gezogenen Halbleiterkristall zu erreichen, und ferner die Stufen der
Durchführung einer Fourier-Analyse an dem periodischen Signal,
Erzeugung einer Sinuswelle, die einer Fourier- Grundfrequenz des periodischen Signals entspricht,
Energiezufuhr zu einem Motor, um den Tiegel mit einer Drehzahl zu drehen, die als Funktion der erzeugten Sinuswelle ansteigt und abfällt, und
Ziehen wenigstens eines Teils des Kristalls während der Tiegeldrehung in Reaktion auf die Energiezufuhrstufe.
Andere Aufgaben und Merkmale werden weiter unten teilweise offensichtlich und teilweise ausgeführt.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist eine schematische Seitenansicht einer Kristallziehmaschine mit einer Tiegelvorrichtung der Erfindung, wobei Teile der Maschine zur Detaildarstellung weggebrochen sind.
Fig. 2 zeigt ein Tiegeldrehprofil nach dem Stand der Technik;
Fig. 3 zeigt das Sauerstoffprofil für einen Kristallstab, der unter Anwendung des in Fig. 2 gezeigten Tiegeldrehprofils gezogen wurde;
Fig. 4 zeigt ein Tiegeldrehprofil der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 zeigt das Sauerstoffprofil für einen Kristallstab, der bei Anwendung des in Fig. 4 gezeigten Tiegeldrehprofils gezogen wurde.
Entsprechende Bezugszeichen bezeichnen in den verschiedenen Darstellungen der Zeichnung und in der Beschreibung entsprechende Teile.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Anhand der Fig. 1 werden nun die Hauptkomponenten einer Kristallziehmaschine 20 zum Ziehen von Einkristall- Siliziumstäben nach der Czochralski-Methode dargestellt. Insbesondere umfasst die Kristallziehmaschine 20 eine Wachstumskammer 22 und eine längliche Ziehkammer 24, die über der Wachstumskammer angebracht ist. Ein Ziehdraht 26 wird durch einen Kristallhebemechanismus 28 eingezogen, um einen Einkristall-Siliziumstab 58 zu ziehen. Der Kristallhebemechanimus 28 ist auf einer Platte 30 fest angebracht, die auf einer Drehwelle 32 montiert ist. Ein Motor 33 ist über geeignete Hardware (nicht gezeigt) mit der Welle 32 gekoppelt, um die Welle 32, die Platte 30 und den Kristallhebemechanismus 28 relativ zu der Ziehkammer 24 zu drehen. Dadurch kann der Kristallstab 58, der an dem Kristallhebemechanismus 28 aufgehängt ist, in einer vorgegebenen Richtung gedreht werden, während er gezogen wird.
Die Kristallziehmaschine 20 enthält auch einen Tiegel 34 in der Wachstumskammer 22 zur Aufnahme eines geschmolzenen Kristallausgangsmaterials M (z. B. eine Siliziumschmelze hoher Reinheit). Ein tassenförmiger Drehtisch 36 zur Aufnahme des Tiegels 34 ist auf einer Welle 38 montiert. Ein Motor 40 ist über ein Getriebe 42 mit der Welle 38 gekuppelt, um den Tiegel 34 und den Drehtisch 36 mit einer variablen Geschwindigkeit zu drehen.
Der Motor 40 hat einen Tachometer 44, der eine Bezugsspannung erzeugt, welche die Drehzahl des Rotors in dem Motor anzeigt. Die Bezugsspannung umfasst vorzugsweise ein Analogsignal einer Größe, die bei einem Anstieg der Motordrehzahl linear zunimmt. Alternativ kann die Bezugsspannung irgendeine andere Signalart umfassen, wie etwa ein Digitalsignal oder eine Folge elektrischer Impulse, die die Motordrehzahl anzeigt.
Ein Regler 46 beaufschlagt den Motor 40 über eine Leitung 48 mit elektrischem Strom. Der Regler 46 ist zum Empfangen der Bezugsspannung auch über eine Leitung 50 an den Tachometer 44 angeschlossen. Der Regler 46 hat einen Speicher 52, der mit einer Datentabelle programmiert ist, um eine gegebene Bezugsspannung von dem Tachometer 44 zu einer Drehzahl des Tiegels 34 in Beziehung zu setzen. Der Speicher 52 kann auch Daten zur Programmierung einer gewünschten Drehzahl und Anstiegswerte für den Tiegel sowie andere Betriebsdaten enthalten. Der Regler 46 benutzt ein herkömmliches geschlossenes Regelkreissystem über Leitungen 48 und 50 zur Energiezufuhr für den Motor 40, um den Tiegel 34 mit der gewünschten Geschwindigkeit zu drehen.
Der Regler 46 ist auch über elektrische Leitungen (nicht gezeigt) an den Motor 33 angeschlossen und steuert dadurch die Drehung der Platte 30, des Kristallhebemechanismus 28 und des Kristallstabs 58. Der Regler 46 führt auch Energie dem Motor zu, der über elektrische Leitungen (nicht gezeigt) den Kristallhebemechanismus 28 antreibt. Der Regler 46 regelt dadurch die Geschwindigkeit, mit der der Ziehdraht 26 in den Kristallhebemechanismus eingezogen wird, welches die Geschwindigkeit ist, mit der der Kristallstab 58 aus der Siliziumschmelze M gezogen wird.
Das Kristallzüchtungsverfahren beginnt mit einem Keimkristall 54, der durch ein Keimspannfutter 56 an dem unteren Ende des Ziehdraht 26 gehalten wird. Der Tiegel 34 und der Keimkristall 54 werden in entgegengesetzter Richtung gedreht, wenn der Keimkristall in Kontakt mit der Silizumschmelze M abgesenkt ist. Nachdem das Ende des Keims geschmolzen ist, wird die Siliziumschmelze M gekühlt, bis der Kristall zu wachsen beginnt. Der Tiegel 34 rotiert in entgegengesetzter Richtung zu dem Keimkristall 54, wenn dieser aus der Schmelze gezogen wird. Während der Keimkristall 54 wächst, erstarrt Silizium aus der Siliziumschmelze M auf ihm unter Bildung eines Einkristall-Siliziumstabes 58.
In der Praxis ist das "Kristallzüchtungssystem" Modell Nr. CZ150, das von Ferrofluidics Corp., 40 Simon Street, Nashua, New Hampshire 03061 vertrieben wird, eine geeignete Kristallziehmaschine zur praktischen Ausführung der vorliegenden Erfindung. Das System Ferrofluidics umfasst einen Motor Electro-Craft Motomatic® Serie E-652 für die Tiegeldrehung. Die von Ferrofluidics gelieferten Kontrollkarten für die Motorregelung zur Drehregelung des Tiegels erlauben, die Tiegeldrehzahl hoch-/herunterzufahren und an-/abzuschalten. Weitere Programmierung in Übereinstimmung mit der unten angegebenen Beschreibung ist erforderlich, um die Erfindung praktisch auszuführen.
Fig. 2 zeigt ein bekanntes Rotationsprofil zum Hochfahren eines Tiegels, wie etwa Tiegel 34, von einer Drehzahl von 6 UpM, wenn das Ziehen beginnt, bis zu einer Spitzendrehzahl von 11 UpM für die Dauer des Ziehens von 400 bis 900 mm. Fig. 3 zeigt das typische Sauerstoffprofil in der Mitte und am Rand für einen mit dem Profil der Fig. 2 gezogenen Siliziumkristallstab. Ein Hauptproblem bei dem in Fig. 3 gezeigten Sauerstoffprofil besteht darin, dass der Sauerstoffgehalt in dem Siliziumstab von 300 bis 900 mm beträchtlich abnimmt. Dieser axiale Sauerstoffgradient bedeutet, dass von dem vorderen Ende des Stabes abgeschnittene Siliziumscheiben andere elektrische Eigenschaften als die von dem hinteren Ende des Stabes abgeschnittenen Scheiben haben. Es existiert ein radialer Sauerstoffgradient zwischen der Mitte und dem Rand des Siliziumstabes, der zur Folge hat, dass die elektrischen Eigenschaften in der Mitte einer Siliziumscheibe gegenüber dem Silizium nahe dem Rand derselben Scheibe variieren. Diese durch Sauerstoffgradienten verursachte Produktinhomogenität ist für Hersteller integrierter Schaltungen unerwünscht.
Fig. 4 zeigt ein neues Rotationsprofil für den Tiegel 34, das das Problem der axialen Sauerstoffgradienten im Wesentlichen löst. Der radiale Sauerstoffgradient kann ebenfalls auf akzeptable Werte verringert werden.
Wie in Fig. 4 gezeigt, wird die Drehzahl des Tiegels 34 von einer Anfangsdrehzahl von etwa 6 UpM zu Beginn des Ziehens auf eine mittlere Drehzahl oder Bezugsdrehzahl von etwa 11 UpM hochgefahren, nachdem der Kristallstab 400 mm gezogen worden ist. Die mittlere Drehzahl wird dann für den Rest des Ziehens bei etwa 11 UpM gehalten. Beginnend bei einer Ziehstrecke von etwa 300 mm wird ferner ein Schwingungsdrehprofil einer Periode von etwa 15 Sekunden zu der mittleren Drehzahl addiert. Das Schwingungsprofil hat vorzugsweise die Gestalt einer Sinuswelle und veranlasst die Tiegeldrehzahl als Funktion des Wertes der Sinuswelle zuzunehmen und abzunehmen. Da eine Sinuswelle symmetrisch zu der X-Achse ist, bleibt die mittlere Drehzahl auch nach Addition dieses Schwingungsprofils zu dem mittleren Drehzahlprofil die gleiche. Da die Amplitude der Sinuswelle kleiner als das mittlere Drehzahlprofil ist, rotiert der Tiegel 34 ersichtlich mit variabler Drehzahl in einer Richtung.
In der Praxis kann das in Fig. 4 gezeigte Tiegeldrehprofil mit der in Fig. 1 gezeigten Hardware implementiert werden. Insbesondere enthält der Regler 46 einen Sollwertsteller zum Einstellen der Drehzahl des Motors 40 und demzufolge des Tiegels 34. Wenn die an den Sollwertsteller angelegte Spannung erhöht wird, steigert der Regler 46 die Drehzahl des Motors 40. Wenn ebenso die an den Sollwert angelegte Spannung vermindert wird, verringert der Regler die Drehzahl des Motors 40. Durch Vergleich der an den Sollwertsteller angelegten Spannung gegenüber dem Bezugsspannungsausgang durch Tachometer 44 ist der Regler 46 befähigt, die Drehzahl des Motor 40 so einzustellen, dass sie mit der Drehzahl übereinstimmt, die durch die in einem herkömmlichen geschlossenen Regelkreissystem an den Sollwertsteller angelegte Spannung angezeigt wird.
Der Regler 46 ist über eine Leitung 62 an einen Signalgenerator 60 angeschlossen. Der Signalgenerator 60 erzeugt ein Schwingungsprofil zur Einstellung der Drehzahl des Tiegels 34. Das Schwingungsprofil kann die Form eines digitalen Signal annehmen, das Datenpunkte hat, die auf einer Sinuskurve liegen. Alternativ kann der Signalgenerator ein Analogsignal-Generator zur Erzeugung eines Schwingungsprofils in Form einer analogen Sinuswelle sein. Der Signalgenerator 60 erzeugt auch ein mittleres Geschwindigkeitsprofil, wie etwa das in Fig. 4 gezeigte mittlere Geschwindigkeitsprofil. Der Signalgenerator 60 summiert dann das Schwingungsprofil und das mittlere Geschwindigkeitsprofil zur Bildung eines Geschwindigkeitssignals, das auf den Sollwertsteller des Reglers 46 gegeben wird, um die Geschwindigkeit des Motors 40 zu regeln. Der Fachmann erkennt, dass andere herkömmliche Methoden zur Erzeugung eines Geschwindigkeitssignals mit den in Fig. 4 gezeigten Profil im Rahmen der Erfindung ebenfalls zur Anwendung kommen können.
Das Geschwindigkeitssignal hat vorzugsweise allgemeine Form des in Fig. 4 gezeigten Rotationsprofils. In dem vereinfachten Fall, wo jede Zunahme um 1 Volt, die durch den Signalgenerator 60 an den Sollpunktwertsteller des Reglers 46 angelegt wird, einen Zuwachs der Tiegeldrehzahl um ein UpM verursacht, wird das Geschwindigkeitssignal zur Herstellung des Rotationsprofils der Fig. 4 einfach ein Spannungssignal sein, dessen Spannung der vertikalen Skala in Fig. 4 (jedoch in Volt anstatt in UpM gemessen) folgt. Beispielsweise wird vom Beginn des Ziehens bis etwa 300 mm das Geschwindigkeitssignal eine ansteigende Spannung von etwa 6 Volt bis etwa 10 Volt sein. Von etwa 300 mm bis etwa 400 mm wird das Geschwindigkeitssignal die Summe sein aus einer von etwa 10 Volt bis etwa 11 Volt ansteigenden Spannung und einer sinusförmigen Spannung mit einer Periode von etwa 15 Sekunden und einer Amplitude (gemessen von der Grundspannung aus), die von etwa 0 Volt bis etwa 300 mm bis etwa 1 Volt bei etwa 400 mm ansteigt. Von etwa 400 mm bis zum Ende wird das Geschwindigkeitssignal die Summe einer im Wesentlichen Gleichstromspannung von etwa 11 Volt und einer sinusförmigen Spannung mit einer Periode von etwa 15 Sekunden und einer Amplitude (gemessen von der Grundspannung aus) sein, die gemäß der in Fig. 4 gezeigten Kontur geneigt verläuft. Der Fachmann erkennt, dass die Spannung des Geschwindigkeitssignal in geeigneter Weise für andere Verhältnisse von Geschwindigkeitssignalspannung zu Tiegeldrehzahl maßstäblich verändert werden kann.
Wenn das Schwingungsprofil des Geschwindigkeitssiganle die Form einer Sinuswelle annimmt, ist ersichtlich, dass es eine sich kontinuierlich ändernde Größe hat, die den Tiegel 34 zu einer Drehung mit einer sich kontinuierlich verändernden Beschleunigung und einer sich kontinuierlich verändernden Drehzahl veranlasst. Da eine Sinuswelle von sich aus gleichförmig und periodisch ist, ist auch ersichtlich, dass das Geschwindigkeitssignal mehrere Perioden hat, in denen es monoton ansteigt und abfällt. Dies veranlasst den Tiegel 34 zu einer Drehung mit einer Drehzahl, die als Funktion des Geschwindigkeitssignals monoton ansteigt und abfällt, während wenigstens ein Teil des Kristallstabs gezogen wird.
Fig. 5 zeigt das Sauerstoffprofil in der Mitte und am Rand eines gezogenen Silizium-Kristallstabs bei dem in Fig. 4 gezeigten Tiegel-Drehprofil unter Benutzung eines Tiegels mit einem Durchmesser von 22 Zoll. Der axiale Sauerstoffgradient und der radiale Sauerstoffgradient sind ersichtlich verringert und ergeben einen erwünschten Silizium-Kristallstab.
Die Arbeitstheorie für das in Fig. 4 gezeigte Tiegel-Drehprofil ist die, dass der durch das Schwingungsprofil verursachte schnelle Wechsel in der Beschleunigung und Geschwindigkeit des Tiegels die Dicke der Sauerstoffdiffusionsgrenzschicht in der Siliziumschmelze nahe der Tiegelwandung verringert. Dies reichert die Siliziumschmelze mit Sauerstoff an und erhöht die Sauerstoffkonzentration in dem wachsenden Kristall durch Absonderung an der Fest-/Flüssig- Grenzfläche des Siliziums. Demgemäß addiert sich das Schwingungsprofil zu dem Geschwindigkeitssignal während den Teilen dea Ziehvorgang, bei denen die Sauerstoffkonzentration in dem Stab niedrig ist. Da die Sauerstoffkonzentration am höchsten während der Eingangsphase des Ziehens ist, wenn die Tiegeldrehung von der Anfangs-UpM ansteigt, besteht keine Notwendigkeit zur Erhöhung der Sauerstoffkonzentration, und somit wird das Schwingungsprofil nicht zu dem Geschwindigkeitssignal addiert. Im Anschluss an den frühen Ziehbereich beginnt die Sauerstoffkonzentration jedoch abzunehmen; damit wird das Schwingungsprofil langsam in Phase gebracht, um die Sauerstoffkonzentration zu vergrößern und den axialen Sauerstoffgradienten wesentlich zu verringern, wie aus Fig. 5 ersichtlich ist.
Auslegungsmäßig bevorzugt man, das mittlere Geschwindigkeitsprofil zuerst auszulegen, da es den radialen Sauerstoffgradienten in dem gezogenen Kristall überwiegend bestimmt. Wenn das mittlere Geschwindigkeitsprofil einmal innerhalb des zulässigen radialen Sauerstoffgradienten maximiert worden ist, ist das Schwingungsprofil auf die Minimierung des axialen Sauerstoffgradienten fein abgestimmt. In der Regel wird durch Erhöhung der mittleren Tiegeldrehzahl, d. h. des mittleren Geschwindigkeitsprofils, ohne sinusförmige Amplitudenschwankungen der radiale Sauerstoffgradient erhöht. Ferner führt eine Vergrößerung der Amplitude der sinusförmigen Drehung, d. h. des Oszillationprofils ohne Steigerung der mittleren Tiegel-Drehzahl zu einer Erhöhung der Sauerstoffkonzentration längs der Mittelachse und des äußeren Radius, was den radialen Sauerstoffgradienten verbessert und bei Implementierung im späteren Teil des Ziehvorgangs den axialen Sauerstoffgradienten wesentlich reduziert.
Insgesamt sollte die durch das mittlere Geschwindigkeitsprofil eingestellte mittlere Tiegel- Drehzahl für irgendeinen gegebenen Betriebszeitpunkt in den Bereich von etwa 1 UpM bis etwa 20 UpM fallen. Die maximale Amplitude der Drehzahlzunahme, die für irgendeinen gegebenen Betriebszeitpunkt durch das Schwingungsprofil eingestellt wird, sollte in den Bereich von etwa 0 UpM bis etwa 12 UpM fallen. In jedem Falle sollte die Amplitude des Schwingungsabfalls bei durch das Schwingungsprofil eingestellter Drehzahl die dann existierende, durch das mittlere Geschwindigkeitsprofil eingestellte mittlere Drehzahl nicht übersteigen, so dass der Tiegel trotz variabler Geschwindigkeiten immer in der gleichen Richtung rotiert.
Als weitere Sache der Auslegung sollten Kristallstäbe mit wenig Sauerstoff im Allgemeinen bei einem Schwingungsprofil mit niedriger Amplitude gezogen werden, und Kristallstäbe mit hohem Sauerstoffgehalt sollten im Allgemeinen mit einem Schwingungsprofil mit großer Amplitude gezogen werden. Die Modulationsfrequenz muss genügend hoch sein, um thermische und mechanische Schwankungen des Schmelzeniveaus zu verhindern, die den wachsenden Keim oder Kristall beeinträchtigen könnten. Ein Schwingungsperiode von etwa 15 Sekunden bis etwa 1 Minute hat sich für einen Tiegel mit einem Durchmesser von 22 Zoll als bevorzugter Bereich erwiesen.
In der Praxis hat sich gezeigt, dass bevorzugt das mittlere Geschwindigkeitsprofil des Geschwindigkeitssignals so einzustellen ist, dass die mittlere Tiegeldrehzal nach Etablierung eines Kristallstabdurchmesser zunimmt, bis der Stab bis auf einen Bereich von etwa 20 bis etwa 50% seiner Endziehlänge gezogen wurde. Etwa da wird der Tiegel vorzugsweise mit einer sich kontinuierlich ändernden Beschleunigung und sich kontinuierlich ändernden Drehzahl gedreht, bis der Stab auf wenigstens etwa 20% seiner Endziehlänge gezogen wurde. Der mit einem sich kontinuierlich ändernden Geschwindigkeitssignal gezogene Kristallstab kann mit einer kleineren mittleren Tiegel- Drehzahl gezogen werden und hat einen geringeren Sauerstoffgradienten und eine höhere Sauerstoffkonzentration als ein Kristallstab, der ohne ein sich kontinuierlich änderndes Geschwindigkeitssignal gezogen wurde. Alternativ kann der Tiegel im Anschluss an die Anfangsphase des Ziehens während mehrerer Perioden variabel rotieren, wobei die Tiegel-Drehzahl während der Periode monoton ansteigt und abfällt, bis der Stab auf wenigstens etwa 20% seiner Endziehlänge gezogen worden ist. Der durch Anwendung dieser monotonen Perioden gezogene Kristallstab kann bei einer geringeren mittleren Tiegel-Drehzahl gezogen werden und hat einen geringeren Sauerstoffgradienten und eine höhere Sauerstoffkonzentration als ein Kristallstab, der ohne ein periodisches, monoton ansteigendes und abfallendes Signal gezogen wurde.
Bei einer weiteren Alternative wurde auch gefunden, dass es zu bevorzugen ist, das mittlere Geschwindigkeitsprofil des Geschwindigkeitssignals so einzustellen, dass die mittlere Tiegel-Drehzahl nach Etablierung eines Kristallstabdurchmessers ansteigt, bis der Stab auf einen Bereich von etwa 20 bis etwa 50 Prozent seiner Endziehlänge gezogen wurde, wonach die Tiegel-Drehzahl eine Bezugsdrehzahl erreicht. Etwa da wird die Tiegel-Drehzahl vorzugsweise über und unter die Bezugsdrehzahl erhöht und abgesenkt, bis der Stab auf wenigstens etwa 20 Prozent seiner Endziehlänge gezogen wurde. Der Kristallstab, der bei einer solchen variablen, um die Bezugsdrehzahl schwingenden Tiegel-Drehzahl gezogen wurde, kann bei einer niederen Tiegel-Drehzahl gezogen werden und hat einen kleineren Sauerstoffgradienten und eine höhere Sauerstoffkonzentration als ein Kristallstab, der ohne eine solche variable Tiegel-Drehzahl gezogen wurde.
In jeder der obigen drei Alternativen kann etwas Überlappung bestehen zwischen dem Betrieb, wo das mittlere Geschwindigkeitsprofil die mittlere Tiegel- Drehzahl erhöht, und dem Betrieb, wo das Schwingungsprofil mit der Schwingung der momentanen Tiegel-Drehzahl um die wahre mittlere Drehzahl beginnt. Diese Überlappung ist in dem Profil der Fig. 4 gezeigt. Das Maß der Überlappung kann erhöht werden, wenn das Schwingungsprofil bei einer kleinen Amplitude beginnt und während des späteren Teils des Ziehvorgangs langsam zu höheren Amplituden ansteigt. Beginnend mit dem Ziehen des Kristallkörpers bei einer Tiegel-Anfangsdrehung von 6 UpM, einer Schwingungsamplitude von 0,3 UpM und einer Drehzyklusperiode des Tiegels von 31 s, können beispielsweise die folgenden Veränderungswerte auf Basis der Ziehlänge benutzt werden:
Die Daten in der obigen Tabelle können in Verbindung mit einer Keim-Zieldrehung von 19 UpM zu Beginn des Kristallstabkörpers benutzt werden. Die Keimdrehung kann bei einem Kristallstab von 200 mm Durchmesser in einem Bereich von etwa 17 bis etwa 19 UpM erfolgen, um das Wachstum großer Facetten und eine Durchwirbelung der Schmelze zu verhindern. Ein Tiegel mit einem Durchmesser von 22 Zoll (55,9 cm) kann ebenfalls eingesetzt werden. Bei dieser Kombination von Betriebsbedingungen können axiale und radiale Sauerstoffgradienten von weniger als 6 Prozent erreicht werden.
Einige Veröffentlichungen lehren die Anwendung von gepulsten Rechteckwellen oder Dreieckwellen für die Drehung eines Tiegels beim Kristallwachstum. Ein Problem bei diesen Wellenformen besteht darin, dass ihre "Ecken" unnötige mechanische Erschütterungen und Beanspruchungen des Antriebsapparats für den Tiegel herbeiführen. Dies verursacht einen Energieverlust und beschleunigt die Verschleißrate des Antriebsapparats.
Eine Methode zum Übergang von diesen gepulsten oder dreieckigen Wellenformen zum Tiegelantrieb mit einer sinusförmigen Wellenform erfolgt durch Fourier-Analyse. Durch Annäherung der gepulsten oder dreieckigen Wellenform durch die Grundfrequenz der Fourier- Entwicklung werden die Komponenten höherer Ordnung entfernt, und das Antriebssignal für den Tiegelmotor enthält eine Sinuswelle. Dies verringert die mechanische Erschütterung und den Verschleiß des Antriebsapparats.
Für eine gepulste Rechteckwelle, die nach Veröffentlichung oder in anderer Weise bekanntlich eine Spitzenamplitude von "A" (gemessen von Null für eine Gesamtschwingung von 2 A) hat, bei t = 0 beginnt und mit einer Halbperiode von "a", folgt beispielsweise die Fourierentwicklung
{g(t)} = (4A/π) (1/n)sin(nπt/a) [1]
for n = 1,3,5,7...∞
Um demgemäß das Kristallwachstum, das bei dieser gepulsten Rechteckwelle, aber unter Benutzung einer Sinuswelle erfolgt, zu simulieren, sollte das Schwingungsprofil des Geschwindigkeitssignals mit der Grundfrequenz der Gleichung [1] aufgestellt werden und eine Spitzenamplitude haben, die 4/π x größer als die Spitzenamplitude der gepulsten Rechteckwelle ist. Es ist zu bemerken, dass die Impulsdauer und die Frequenz der gepulsten Rechteckwelle und die Grundfrequenz in vielen Fällen etwa die gleichen sind.
Für eine Dreieckwelle, die nach einer Publikation oder sonstwie bekanntlich eine Halbperiode von "a" und eine Spitzenamplitude von "A" (gemessen von Null ab für eine Gesamtschwingung von 2A) bei t = a/2 hat, folgt die Fourier-Entwicklung ebenfalls:
{g(t)} = (8A/π²) Σ /(2n+1)²sin[(2n + 1)πt/a] [2]
Um demgemäß das Kristallwachstum, das bei dieser Dreieckwelle, jedoch unter Benutzung einer Sinuswelle erfolgt zu simulieren, sollte das Schwingungsprofil des Geschwindigkeitsignals mit der Grundfrequenz der Gleichung [2] aufgestellt werden und eine Spitzenamplitude haben, die 8/π² x kleiner als die Spitzenamplitude der Dreieckwelle ist. Es ist zu bemerken, dass die Impulsdauer und die Frequenz der Dreieckwelle und die Grundfrequenz in vielen Fällen etwa die gleichen sind.
Es ist ersichtlich, dass eine Fourier-Grundfrequenz für jedes für den Tiegelantrieb benutzte periodische Signal, insbesondere ein periodisches Signal zur Variation der Tiegeldrehzahl bestimmt werden kann, um eine gewünschte Sauerstoffkonzentration und einen gewünschten Sauerstoffgradienten in einem gezogenen Halbleiterkristall zu erreichen. Die Stufen sind die Durchführung einer Fourier-Analyse an dem periodischen Signal, die Generierung einer Sinuswelle, die der Fourier-Grundfrequenz des periodischen Signals entspricht, die Energiezufuhr zu dem Tiegelmotor, um den Tiegel mit einer Drehzahl zu drehen, die als Funktion der erzeugten Sinuswelle ansteigt und abfällt, und das Ziehen wenigstens eines Teils des Halbleiterkristalls, während der Tiegel in Folge der Stufe der Energiezuführung rotiert.
Im Hinblick auf das oben Gesagte, ist ersichtlich, dass mehrere Ziele der Erfindung erreicht werden und andere vorteilhafte Ergebnisse erzielt werden.
Da verschiedene Änderungen bei den oben genannten Konstruktionen ohne Abweichung von der beanspruchten Erfindungsidee vorgenommen werden können, soll der gesamte Inhalt der obigen Beschreibung und das in der beiliegenden Zeichnung Dargestellte als beispielhaft und nicht in einem beschränkenden Sinne verstanden werden.

Claims

1. Vorrichtung zum Züchten eines Halbleiterkristalls (58) gemäß einem Czochralski-Verfahren, wobei die Vorrichtung umfaßt:

einen Tiegel (34) zum Enthalten einer Schmelze (M);

einen Kristallziehmechanismus (26, 28) zum Ziehen des Halbleiterkristalls (58) aus der Schmelze (M) in dem Tiegel (34);

einen mit dem Tiegel (34) gekoppelten Motor (40);

einen Signalgenerator (60) zum Erzeugen eines kontinuierlich variierenden Geschwindigkeitssignals, welches ein Oszillationsprofil definiert; und

eine Steuerschaltung (46), die mit dem Motor (40) verbunden ist und die durch den Signalgenerator (60) erzeugten, sich kontinuierlich variierenden Geschwindigkeitssignale empfängt und auf sie reagiert, um den Motor (40) zu erregen, wobei die genannte Steuerschaltung (46) den Motor (40) als eine Funktion des Oszillationsprofils erregt, um den Tiegel (34) bei einer Drehgeschwindigkeit und einer Beschleunigung zu drehen, die kontinuierlich variieren, während der Kristallziehmechanismus (26, 28) wenigstens einen Teil des Halbleiterkristalls (58) aus der Schmelze (M) in dem Tiegel (34) zieht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Signalgenerator (60) einen analogen Signalgenerator zum Erzeugen eines kontinuierlich variierenden Geschwindigkeitssignals aufweist, das einer Sinuswelle entspricht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der der Signalgenerator (60) einen analogen Signalgenerator zum Erzeugen eines Geschwindigkeitssignals aufweist, das eine Vielzahl von Perioden aufweist und monoton während jeder Periode zunimmt und abnimmt, und bei der die Drehgeschwindigkeit des Tiegels (34) als eine Funktion des Geschwindigkeitssignals monoton zunimmt und abnimmt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das Czochralski-Verfahren eine gepulste Rechteckwelle zum Variieren der Drehgeschwindigkeit des Tiegels (34) verwendet, um eine gewünschte Sauerstoffkonzentration in dem gezogenen Halbleiterkristall (58) zu erreichen, wobei der Signalgenerator (60) Mittel aufweist zum Annähern der gepulsten Rechteckwelle durch Erzeugen eines kontinuierlich variierenden Geschwindigkeitssignals mit der Grundfrequenz einer Fourier-Entwicklungsgleichung und einer Spitzenamplitude, die um einen Faktor von etwa vier geteilt durch π größer als eine Spitzenamplitude der gepulsten Rechteckwelle ist, und bei der die Steuerschaltung (46) auf das Geschwindigkeitssignal zum Erregen des Motors (40) reagiert, so daß die Geschwindigkeit, bei der der Tiegel (34) gedreht wird, ein durch die Amplitude des Geschwindigkeitssignals definiertes Oszillationsprofil aufweist, wodurch die gewünschte Sauerstoffkonzentration in dem gezogenen Halbleiterkristall (58) bei verringerter mechanischer Erschütterung des Motors (40) im Verhältnis zur mechanischen Erschütterung des Motors (40) erreicht wird, wenn dieser in Reaktion auf die gepulste Rechteckwelle arbeitet.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der Motor (40) ein Tachometer (44) zum Erzeugen einer Bezugsspannung umfaßt, die einer Drehgeschwindigkeit eines Rotors im Motor (40) entspricht, und bei der die Steuerschaltung (46) einen Regelkreis umfaßt, der mit dem Tachometer (44) zum Erregen des Motors (40) als eine Funktion der durch das Tachometer (44) erzeugten Bezugsspannung und des kontinuierlich variierenden Geschwindigkeitssignals verbunden ist.

6. Verfahren zum Ziehen eines Halbleiterkristalls (58) aus einer in einem Tiegel (34) enthaltenen Schmelze (M), wobei der Halbleiterkristall (58) und der Tiegel (34) koaxial sind und das Verfahren die Schritte umfaßt:

ein kontinuierlich variierendes Geschwindigkeitssignal zu erzeugen, das ein Oszillationsprofil definiert;

den Tiegel (34) bei einer Drehgeschwindigkeit und einer Beschleunigung zu drehen, die kontinuierlich als eine Funktion des durch das kontinuierlich variierende Geschwindigkeitssignal definierten Oszillationsprofils variieren, während wenigstens ein Teil des Kristalls (58) aus der Schmelze (M) gezogen wird; und

den Kristall (58) in einer Richtung zu drehen, die der Drehrichtung des Tiegels (34) bei Züchtung des Kristalls (58) entgegengesetzt ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, das weiter die Schritte umfaßt:

eine Drehgeschwindigkeit des Tiegels (34) zu erhöhen, nachdem ein Durchmesser des Kristalls (58) hergestellt ist, bis der Kristall (58) bis zu etwa zwanzig bis etwa fünfzig Prozent seiner Endziehlänge gezogen worden ist;

wobei der erste genannte Drehschritt den Schritt der Drehung des Tiegels (34) bei einer kontinuierlich variierenden Beschleunigung und kontinuierlich variierenden Drehgeschwindigkeit nach dem Zunahmeschritt umfaßt, bis der Kristall (58) bis zu mindestens etwa zwanzig Prozent seiner Endziehlänge gezogen worden ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, bei dem der erste genannte Drehschritt den Schritt umfaßt, den Tiegel (34) bei einer Drehgeschwindigkeit zu drehen, die als eine Funktion einer Sinuswelle zunimmt und abnimmt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, das weiter den Schritt aufweist, ein Geschwindigkeitssignal mit einer Vielzahl von Perioden zu erzeugen, wobei das Geschwindigkeitssignal monoton während jeder Periode zunimmt und abnimmt, und wobei der erste genannte Drehschritt den Schritt zum Erregen eines Motors (40) umfaßt, um den Tiegel (34) bei einer Drehgeschwindigkeit zu drehen, die monoton als eine Funktion des Geschwindigkeitssignals zunimmt und abnimmt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem das Czochralski-Verfahren ein periodisches Signal zum Variieren einer Drehgeschwindigkeit des Tiegels (34) verwendet, um eine gewünschte Sauerstoffkonzentration in einem gezogenen Halbleiterkristallkristall (58) zu erreichen, und das weiter die Schritte umfaßt:

eine Fourier-Analyse anhand des periodischen Signals durchzuführen;

eine Sinuswelle zu erzeugen, die einer Fourier- Grundfrequenz des periodischen Signals entspricht;

einen Motor (40) zu erregen, um den Tiegel (34) bei einer Drehgeschwindigkeit zu drehen, die als eine Funktion der erzeugten Sinuswelle zunimmt und abnimmt; und

wenigstens einen Teil des Kristalls (58) zu ziehen, wenn sich der Tiegel (34) als Reaktion auf den Erregungsschritt dreht.