CH670456A5 - - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schmelzen von reinem Silizium.

Waffeln aus monokristallinem Silizium/Einkristallsilizium sind für die Herstellung von Halbleiterschaltungselementen der heutigen und zukünftigen Spitzentechnologie sehr wichtig. Bei der Herstellung solcher Siliziumwaffeln wird im wesentlichen so verfahren, dass ein aus monokristallinem Silizium bestehender Kristallisationskern in eine Schmelze aus elementarem Silizium eingetaucht wird, die sich in einem Quarztiegel oder Quarzbehälter befindet. Weil dieser Quarztiegel oder Quarzbehälter alleine die Hitze der Siliziumschmelze nicht aushalten kann, muss dieser in einen aus Graphit oder Kohlenstoff bestehenden Aussentiegel eingesetzt sein. Tiegel und Kristallisationskern werden üblicherweise dann, wenn der Kristallisationskern aus der Schmelze herausgezogen wird, mit einer relativen Drehbewegung gedreht, was wiederum eine kontrollierte Abkühlung bewirkt, so dass der Siliziumstab, der aus der Siliziumschmelze gezogen wird oder am Kristallisationskern wächst, eine monokristalline Struktur/Einkristallstruktur hat.

Dieser Einkristall-Siliziumstab wird in Querrichtung zerteilt. Dabei entstehen Siliziumwaffeln der gewünschten Dicke. Um das Einschleppen von Verunreinigungen in den Siliziumstab, in die Siliziumschmelze und in die Waffeln möglichst klein zu halten, wird mit diesem Verfahren in kontrollierter Atmosphäre oder im Vakuum gearbeitet.

Für das Ausziehen von Siliziumstäben muss die im Quarztiegel enthaltene Siliziumschmelze im wesentlichen eine Temperatur von 1400° bis 1460°Chaben. Diese Wärme wird von einer induktiven Heizspule erzeugt, die an der Aussenwandung des Quarztiegels angeordnet ist und den stützenden und aus Kohlenstoff bestehenden Aussenbehälter umschliesst. Weil die Aufheizung von aussen nach innen erfolgt, können die Wandung des Quarztiegels und die äusseren Bereiche der Siliziumschmelze eine höhere Temperatur als die eigentliche Siliziumschmelze oder Bereiche im Inneren dieser Siliziumschmelz haben.

Bei diesen hohen und dicht am Erweichungspunkt der Schmelze liegenden Temperaturen neigt das Material des Tiegels zu einem Eindiffundieren in die Siliziumschmelze, weil der Hegel unter dem Einfluss der von den hohen Temperaturen verursachten mechanischen Beanspruchungen weich wird, und dies auch deswegen, weil diese hohen Temperaturen während des gesamten Stabziehvorganges beibehalten werden müssen. Solche Vorgänge können zig Stunden dauern.

Bei dem sich daraus ergebenden Deformieren und Zerstören der Tiegel handelt es sich um ein sehr wichtiges Problem. Diesem Problem kann mit einem Verfahren entgegengewirkt werden, bei dem Siliziumverbindungen, beispielsweise Siliziumkarbid und Siliziumnitrit an Ort und Stelle hergestellt und als eine Schutzbe-schichtung auf die Innenfläche des Quarztiegels aufgebracht werden. Diese Beschichtung, die zwar verhindert, dass Fremdstoffe vom Hegel aus in die Siliziumschmelze gelangen können, hat jedoch nur eine begrenzte Wirkung, weil sie den Erweichungseffekt nicht verhindert.

Die Erfindung stellt sich somit die Aufgaben, ein Verfahren zum Erschmelzen von hochreinem Silizium zu schaffen, das die zuvor beschriebenen Probleme und Nachteile nicht mehr aufweist und bei dem die Fremdstofïverschmutzung der Schmelze und des Siliziums durch den aufnehmenden Tiegel verringert und herabgesetzt wird, ferner, mit dem eine hochreine Siliziumschmelze fur lange Zeit auf der Kristallziehtemperatur gehalten werden kann,

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ohne dass dabei der Tiegel zerstört wird, sowie das Ziehen von Siliziumstäben zu ermöglichen, wo zumindest einige der im Zusammenhang mit der Herstellung solcher Stäbe aufkommenden Probleme und Schwierigkeiten vermieden werden.

Dies wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 erreicht.

Hierbei liegt die Erkenntnis zugrunde, dass für die Herstellung und Aufrechterhaltung einer hochreinen Siliziumschmelze und zum Ausziehen der monokristallinen Siliziumstäbe/Einkristall-Siliziumstäbe aus dieser Siliziumschmelze notwendig ist, die Schmelze zu den Wänden des das elementare Silizium enthaltenden Tiegels hin zumindest über einen ganz umfangreichen Abschnitt des Verfahrens zu isolieren und dadurch zu vermeiden, dass der Tiegel zerstört wird und dass Verunreinigungsstoffe aus dem Hegel in die Siliziumschmelze gelangen können.

Ganz allgemein gilt, dass elementares Silizium ein schlechter Wärmeleiter ist und - bei normalen Temperaturen - auch ein schlechter elektrischer Leiter. Aber - und das ist meine Entdek-kung, wenn das Silizium als eine granulare oder partikelförmige Masse zwischen zwei Elektroden in einen Quarztiegel gefüllt wird und im Bereich zwischen den beiden Elektroden erwärmt wird, erhalten die Siliziumgranulate oder Siliziumpartikel dadurch eine elektrische Leitfähigkeit, die genügend gross ist, um sie dann noch weiter zu erhitzen und zum Schmelzen zu bringen, wenn durch die sich zwischen den beiden Elektroden befindliche Siliziummasse ein elektrischer Strom gefuhrt wird.

Weil die Siliziumschmelze nun durch den Rest des granulat-förmigen Silizium zu den Wänden des Tiegels hin abgeschirmt ist und weil dieses Silizium ein schlechter Wärmeleiter ist, kann die Temperatur des Tiegels auf einer Temperatur gehalten werden, die viel niedriger ist als die Schmelzpunkttemperatur von Silizium, wobei als Folge davon der Tiegel nicht weich oder zerstört werden kann und deshalb in der Tat auch nicht mehr von einer aus Kohlenstoff bestehenden Konstruktion gestützt zu werden braucht.

Weil darüber hinaus während des Schmelz- und Kristallisierungsvorganges zwischen der Siliziumschmelze und der Tiegelwandung immer eine aus granulärem elementarem Silizium erhalten bleibt, kann diese auch als eine Sperrschicht dienen, die das Eindringen von Verunreinigungsstoffen in die entstehende Siliziumschmelze verhindert.

Was die Anwendung des Verfahrens für das Schmelzen von Silizium betrifft, so gilt, dass eine aus festem, elementarem Silizium bestehende Granulatmasse oder Partikelmasse in einen mit zwei Elektroden bestückten Quarztiegel eingesetzt wird und dass ein elektrischer Strom durch die zwischen den beiden Elektroden befindliche Masse gefuhrt wird. Diese Masse kann zur Herbeiführung der elektrischen Anfangsleitfähigkeit schon vorgewärmt sein, was mit den Elektroden aber auch auf andere Weise geschehen kann. Durch diese vorgewärmte Siliziummasse wird dann ein elektrischer Strom geführt und solange erhalten, wie die Siliziumschmelze entsteht. Der Schmelzvorgang findet statt in einem begrenzten Bereich der zwischen den Elektroden vorhandenen Masse, und zwar derart, dass mindestens eine Granulatschicht erhalten bleibt und die Schmelze zur Wandung und zum Boden des Tiegels hin abschirmt und isoliert. Zusätzliches Granulat kann nachgefüllt werden, oder die Schmelze füllt sich aus der im Tiegel vorhandenen Granulatmasse selber wieder auf, beispielsweise dann, wenn die Elektroden zurückgezogen werden. In die Siliziumschmelze kann ein monokristalliner Kristallisierungskern eingetaucht werden, und aus der Siliziumschmelze kann ein monokristalliner Siliziumstab oder Einkristall-Siliziumstab herausgezogen werden.

Zumindest für die Anfangserwärmung kann die Entdeckung genutzt werden, dass dann, wenn eine elektrische Spannung an eine lose gestapelte Masse aus Siliziumgranulaten angelegt wird, die geringe Leitfähigkeit der Siliziumgranulatmasse örtlichen Stromwiderständen zwischen den Granulaten derart überlagert wird, so dass für einen durch diese Übergangswiderstände R fliessenden gegebenen Strom das Produkt I2R genügend gross ist und die Erwärmung der Siliziumgranulate gewährleistet. Dies wiederum bewirkt eine Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit, zu einem besseren Stromübergang, so dass letztendlich das Fliessen eines genügend starken Stromes und damit das Fliessen der Siliziumgranulate gewährleistet ist.

Zur Herstellung von hochreinen Siliziumstäben wird eine aus Siliziumgranulaten bestehende Masse in einem Tiegel derart geschmolzen, dass diese Masse die Siliziumschmelze ringsum zu den Wänden des Tiegels hin abschirmt und dadurch verhindert, dass aus dem Tiegel Verunreinigungsstoffe in die Siliziumschmelze gelangen können und dass der Tiegel unter dem Ein-fluss der Wärme nicht weich werden kann. Der Stromfluss wird durch die Erwärmung der Siliziumgranulate und/oder der Elektrode gefordert. In die Siliziumschmelze kann ein Kristallisationskern eingetaucht werden, was wiederum zur Folge hat, dass aus der Siliziumschmelze ein Siliziumstab herausgezogen werden kann, der schliesslich in Siliziumwaffeln für die Herstellung von Halbleiterelementen zerschnitten wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein für die Realisierung des Verfahrens geeignetes System;

Fig. 2 das Funktionsprinzip für eine modifizierte Anfangserwärmung der Siliziumgranulate;

Fig. 3 einen Schnitt durch einen anderen Tiegel für die Durchfuhrung des Verfahrens; und

Fig. 4 einen in die Linie IV-IV von Fig. 3 gelegten Teilschnitt.

Zu dem mit Fig. 1 dargestellten System gehört ein Qüarztie-gel 10. Anders als dies bisher beim Schmelzen von elementarem Silizium notwendig ist, weist dieser Quarztiegel 10 keinen stützenden Aussentiegel aus Graphit auf. Das elementare Silizium wird als Granulat 11 in den vorerwähnten Tiegel gegeben, der auf eine Drehscheibe 12 aufgesetzt ist und von einem Motor 29 gedreht werden kann.

Durch die Wandung des Tiegels 10 geführt sind die beiden Siliziumelektroden 13 und 14. Diesen Elektroden sind jeweils die Heizvorrichtungen 15 und 16 zugeordnet, mit denen die Elektroden derart aufgeheizt und erwärmt werden, dass deren elektrische Leitfähigkeit so gross wird, dass durch sie ein elektrischer Strom zu der zwischen den beiden Elektroden vorhandenen Masse fliessen kann. Zu Beginn stehen, wie dies mit den Strichpunktlinien 17 angedeutet ist, die beiden Elektroden in Berührungskontakt miteinander. Wenn ein elektrischer Strom zu fliessen beginnt, dann werden, weil ein Stromübergangspunkt vorhanden ist, entweder die Elektroden weggedreht oder abgeschmolzen und die benachbarten Siliziumgranulate zum Schmelzen gebracht. Die weitere Zuführung von Strom, der frei durch die Siliziumschmelze fliessen kann, bewirkt, dass weitere Mengen von Siliziumgranulaten geschmolzen werden, was wiederum zur Folge hat, dass dadurch ein Schmelzbad 18 entsteht, das ringsum von einem Körper oder von einer Schicht 19 von Siliziumgranulat umgeben ist. Bei diesem Körper oder dieser Schicht 19 handelt es sich um eine Isolierschicht, die zwischen der Siliziumschmelze und dem Quarztiegel angeordnet ist. Der für den Schmelzvorgang notwendige Strom wird den Elektroden 13 und 14 über die Bürsten 20 der Welle 21 und des Motors 13 zugeführt. Die Bürsten 20 sind ihrerseits wiederum mit einem Starkstromversorgungssystem 21 verbunden.

Nun kann ein monokristalliner Kristallisationskern 22, der an einer Stange 23 befestigt ist, in das Siliziumschmelzbad 18 eingetaucht werden. Sodann wird, wenn der Motor 29 arbeitet und eine Drehbewegung verursacht, die Stange 23 wieder hochgefahren, desgleichen drehen sich auch der Tiegel 10 und die Stange 23, damit ein Stab aus monokristallinem Silizium/Einkristallsilizium ausgezogen und unter Einwirkung des Systems 24 kontrolliert abgekühlt werden kann. Ist der Stab bis zur Maximallänge ausgezogen worden, dann kann er abgeschnitten und in der

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üblichen Weise in Siliziumwaffeln zerlegt werden.

Mit Hg. 2 ist ein anderes Prinzip für die Einleitung des Schmelzvorganges dargestellt. In diesem Falle sind die Elektroden 113 und 114 von der Masse der Siliziumgranulate überbrückt. Nach dem Einschalten des Stromes konzentriert sich der Stromfluss auf die Stromübergangspunkte 130. Zwischen den Granulaten besteht ein Übergangswiderstand. Diese Punkte haben einen vergleichsweise hohen Widerstandswert, so dass es zu einer Stromwärmeentwicklung kommt. Diese wiederum erhöht die elektrische Leitfähigkeit der Partikel, was wiederum zur Folge hat, dass dann ein stärkerer Strom fliessen kann und dass die Heizwirkung überall erhöht wird und sich ein Schmelzanfang einstellt. Dieser Schmelzvorgang resultiert wiederum in einer besseren elektrischen Leitfähigkeit - das geschmolzene Silizium hat eine viel bessere Leitfähigkeit als die Granulatmasse - und die Schmelze entsteht so, wie dies zuvor beschrieben worden ist. Wird dieses System verwendet, dann bleibt zwischen der Wandung des Tiegels und der oberen Tiegelöffnung eine Schicht von granulärem und nicht geschmolzenem Silizium erhalten.

Auch mit den Tiegeln, die mit Fig. 3 und Fig. 4 dargestellt sind, kann das Verfahren durchgeführt werden. Auch in diesem Falle - der Pfeil 229 deutet dies an - wird der Tiegel 210 gedreht. Auch in diesem Falle weist der Tiegel 210 die beiden bogenförmigen Elektroden 213 und 214 auf. Damit die Drehbewegung zustande kommen kann, sind den bogenförmigen Elektroden 21! und 214 jeweils die Stangen 231 und 232 zugeordnet. Diese Stan gen laufen in den ringförmigen Stromschienen 233 und 234, die ihrerseits wiederum mit der Schmelzstromquelle verbunden sind, s In diesem Falle kann der zwischen den Elektroden eingesetzte Granulatstoff vorher erwärmt werden, beispielsweise mit einer Zündlanze oder mit einer Strahlungsheizquelle, um dadurch die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen. Das eingesetzte Material kann aber auch dadurch erwärmt werden, dass unter Anwendung io des Funktionsprinzipes nach Fig. 2 elektrischer Strom durch die Masse geführt wird. Auf diese Weise ist beispielsweise entdeckt worden, dass in Quarztiegeln Siliziumgranulat mit einem Durchmesser von 4" bis 16" geschmolzen werden kann, und dies mit einer Spannung von 80 Volt bis 100 Volt und mehr und mit einer 's Stromstärke von 80 Ampères bis 100 Ampères auf die Siliziumgranulatmasse. Sodann wird mit einer Spannung von 70 Volt bis 80 Volt und mit einer Stromstärke von 30 Ampères die Schmelze für die Dauer des Ausziehens der monokristallinen Siliziumstäbe/Einkristall-Siliziumstäbe aufrecht erhalten. Die Sili 20 ziumgranulate können eine Grösse von 1 mm bis im wesentlicher 10 mm haben, aber auch grössere und kleinere Siliziumgranulate von regelmässiger oder unregelmässiger Form können verwendet werden.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

670 456 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Schmelzen von reinem Silizium, gekennzeichnet durch das Einfüllen eines Granulats aus reinem Silizium in einen Schmelztiegel und das Hindurchleiten eines elektrischen Stroms durch einen Teil des Granulats mit einer Stromstärke, die nur diesen Granulatteil schmelzen lässt, während mindestens eine Schicht aus Siliziumgranulat zwischen der Schmelze und den Wänden des Tiegels verbleibt, die die Tiegelwände von der Schmelze isoliert und als Sperrschicht dient, um die Schmelze vor Verunreinigungen durch den Schmelztiegel zu schützen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Granulatteil vor dem Hindurchleiten des elektrischen Stroms vorgewärmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Granulatteil vor dem Schmelzen erwärmt wird, indem ein elektrischer Strom an den Übergangspunkten zwischen den zu diesem Granulatteil gehörenden Siliziumgranulaten eine Widerstandserwärmung bewirkt.

4. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, zur Produktion von Siliziumstäben für die Herstellung von Siliziumblättchen, gekennzeichnet durch a) das Einfüllen einer Granulatmasse aus reinem Silizium in einen Schmelztiegel,

b) das Einfuhren zweier Elektroden in die Granulatmasse, so dass sich ein Teil des Granulats zwischen den beiden Elektroden befindet,

c) das Hindurchleiten eines elektrischen Stroms durch den Granulatteil mit einer Stromstärke, die bewirkt, dass der Granulatteil so geschmolzen wird, dass ein Schmelzbad entsteht, welches von mindestens einer Schicht aus nicht geschmolzenem Siliziumgranulat umgeben ist, die das Schmelzbad zum Schmelztiegel hin abschirmt und ihn isoliert,

d) und das Aufrechterhalten des Schmelzzustandes durch kontinuierliches Hindurchleiten eines elektrischen Stroms durch das Schmelzbad, während ein kristalliner Siliziumstab aus dem Schmelzbad herausgezogen wird.

5. Anwendung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Granulatteil vor dem Hindurchleiten des elektrischen Stroms erwärmt wird, um dessen elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen.

6. Anwendung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden aus Silizium bestehen und zur Erhöhung ihrer elektrischen Leitfähigkeit beheizt werden.

7. Anwendung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelztiegel aus Quarz besteht.

8. Anwendung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Stab und der Schmelztiegel relativ zueinander drehen, während der Stab aus dem Schmelzbad herausgezogen wird.

9. Anwendung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Herausziehen des Stabes aus dem Schmelzbad dadurch erfolgt, dass ein monokristalliner Silizium-Kristallisationskeim in das Schmelzbad eingetaucht und anschliessend mit dem entstehenden Stab wieder aus dem Schmelzbad herausgezogen wird.

10. Vorrichtung zur Durchführung der Anwendung nach Anspruch 4 des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Quarztiegel (10), der mit Siliziumgranulat (11) gefüllt ist, zwei Elektroden (13,14),ie in das Siliziumgranulat hineingeführt sind, eine Vorrichtung (21), die mit den Elektroden (13, 14) verbunden ist und das Hindurchleiten von elektrischem Strom durch einen Teil des Granulats (11) ermöglicht, damit ein Schmelzbad (18) entstehen kann, das zumindest von einer Schicht aus Siliziumgranulat (11) umgeben ist, wobei es sich bei dieser Schicht um eine Stützschicht zum Halten des Schmelzbades und um eine Isolierschicht handelt, die das Schmelzbad zum Tiegel hin isoliert und abschirmt, eine Vorrichtung (23), die den monokristallinen Siliziumkristallisationskern (22) in das Schmelzbad (8) einführt, und durch eine Vorrichtung (29), die den Kristallisationskern (22) und durch den aus dem geschmolzenen Silizium bestehenden Stab aus dem Schmelzbad (18) herauszieht, während das Schmelzbad durch fortgesetzte Stromzuführung noch weiter beheizt wird.