DE10025863A1 - Chargiergut und Halterungssystem für das Chargiergut - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf Chargiergut aus Halbleitermaterial zum Chargieren oder Nachchargieren eines Schmelztiegels während des Tiegelziehverfahrens nach Czochralski, gekennzeichnet durch einen polykristallinen Halbleiterstab, der an einem Ende als Nut ausgebildet ist und einen monokristallinen Halbleiterstab, der an einem Ende als Feder ausgebildet ist, die mittels einer Nut und Feder-Verbindung gekoppelt sind. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Halterungssystem zur Halterung eines polykristallinen Siliciumstabes während des Tiegelziehverfahrens nach Czochralski oder dem Floatingzoneverfahren, gekennzeichnet durch eine Nut- und Feder-Verbindung zwischen dem polykristallinen Halbleiterstab, der an einem Ende als Nut ausgebildet ist und einem monokristallinen Halbleiterstab, der an einem Ende als Feder ausgebildet ist.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Chargiergut aus Halbleiterma­ terial zum Chargieren oder Nachchargieren eines Schmelztiegels während des Tiegelziehverfahrens nach Czochralski. Gegenstand der Erfindung ist auch ein Halterungssystem für das Chargier­ gut. Gegenstand der Erfindung ist auch ein Halterungssystem zwischen zwei Halbleiterstäben.

Bei der Herstellung von Einkristallen nach dem Tiegelziehver­ fahren nach Czochralski werden Siliciumbruchstücke oder Silici­ umgranulat in einen Tiegel eingerichtet und aufgeschmolzen. Da die spezifische Schüttdichte der Bruchstücke oder des Granulats geringer ist als die theoretische spezifische Dichte von Sili­ cium, senkt sich während des Aufschmelzens der Füllgrad des Tiegels. Um jedoch eine hohe Ausbringung zu erhalten, werden polykristallines Siliciumgranulat oder polykristalline Silici­ umstäbe in die Siliciumschmelze nachgeführt und ebenfalls erschmolzen.

Ausführlich ist das Tiegelziehverfahren nach Czochralski z. B. in W. Zulehner und D. Huber, Czochralski-Grown Silicon, Crys­ tals 8, Springer Verlag, Berlin-Heidelberg, 1982, und der dort zitierten Literatur, unter besonderer Berücksichtigung des der­ zeit wichtigsten Anwendungsgebietes, nämlich des Tiegelziehens von Siliciumeinkristallen, erläutert. In vielen Fällen ist man dazu übergegangen, den Füllungsgrad der Tiegel dadurch zu ver­ bessern, daß nach dem Aufschmelzen zu der gebildeten Schmelze des vorgelegten stückigen Materials weiteres festes Schmelzgut in Form von Halbleiterstäbenzugegeben wird. Dazu werden, in der Regel vor Beginn des eigentlichen Ziehvorgangs, mittels geeigneter Halterungen oder Halterungssystemen polykristalline Stabstücke als Chagiergut oder Nachchargiergut in die freie Schmelzenoberfläche eingetaucht und nach und nach abgeschmol­ zen, bis das gewünschte Schmelzenniveau erreicht ist.

Bei der Herstellung von Einkristallen nach dem Floatzonever­ fahren werden polykristalline Siliciumstäbe mittels einer Hochfrequenzspule zonal aufgeschmolzen (H. Hadamovsky, Werk­ stoffe der Halbleitertechnik, Kapitel 6, VEB-Verlag, Leipzig, 1985).

Beiden Verfahren ist gemein, daß die polykristallinen Silicium­ stäbe in den Ziehanlagen auf sich drehenden Wellen gehaltert werden müssen.

Die US 5,888,293 offenbart ein Nachchargiergut und ein Hal­ terungssystem für das Nachchargiergut. Das Nachchargiergut besteht aus einer Vielzahl von polykristallinen Siliciumstäben, die über Verbindungsstücke miteinander verknüpft sind. Das Hal­ terungssystem besteht aus einer außen am Stabmantel des polyk­ ristallinen Siliciumstabs angebrachten umlaufenden Rille und einem Greifsystem aus verschiedenen Materialien, wie beispiel­ sweise aus Quarz, Tantal oder Molybdän. Der Nachteil dieses Halterungssystems liegt an der Verunreinigung der hochreinen Siliciumschmelze durch die im Greifsystem verwendeten Materi­ alien.

Der Nachteil des Chargierguts ist, daß Chargieren an Hal­ bleitermaterial und Ziehen eines Einkristalls aus der Schmelz nicht in einem Schritt erfolgen kann, da zunächst das Chargier­ gut aufgeschmolzen werden muß und erst anschließend ein Impfkristall an die Schmelzenoberfläche herangeführt werden kann. Wünschenswert ist aber Chargieren und Ziehen eines Eink­ ristalls in einem Schritt durchzuführen. Dazu muß Chargiergut und monokristalliner Impfkristall miteinander in Verbindung stehen. Demnach kann ein anschließender Einsatz eines monok­ ristallinen Stabhalters als Impfling bei dieser Technik nicht erfolgen.

Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Halterung von polykristallinen Stäben in Ziehanlagen offenbart. Beispiel­ sweise sind Halterungssysteme durch die Verbindung mittels einer Schweißstelle zwischen einem monokristallinen Hal­ terungsstab und dem polykristallinen Siliciumstab aus der DE 39 22 135 bekannt. Diese Verbindungstechnik ist sehr auf­ wendig. Der polykristalline Siliciumstab muß zunächst mit einer Rille und einem Konus versehen werden. Anschließend wird der polykristalline Siliciumstab an der Rille, beispielsweise in eine Floatzone-Ziehanlage eingebaut. Am anderen Ende, am Konus, wird dann der monokristalline Stabhalter mit dem polykristal­ linen Siliciumstab zusammengeschweißt. Erst dann ist eine der­ artige Halterung zu verwenden. Der angeschmolzene monokristal­ line Stabhalter kann nur nach aufwendiger Nacharbeit wiederver­ wendet werden.

Die Aufgabe der Erfindung bestand daher darin, ein Halterung­ ssystem, insbesondere für Chargiergut bereitzustellen, das sich durch hohe Festigkeit auszeichnet, und das ohne aufwendige thermische Behandlung der Halbleiterstäbe und ohne Verwendung anderer Materialien gefertigt werden kann. Aufgabe der Er­ findung war es auch ein Chargiergut zur Verfügung zu stellen, das die Nachteile des Stand der Technik vermeidet und zum Char­ gieren und Ziehen eines Einkristalls aus der Schmelze geeignet ist.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein Chargiergut aus Halbleiterma­ terial zum Chargieren oder Nachchargieren eines Schmelztiegels während des Tiegelziehverfahrens nach Czochralski, das gekenn­ zeichnet ist durch einen polykristallinen Halbleiterstab, der an einem Ende als Nut ausgebildet ist und einen monokristalli­ nen Halbleiterstab, der an einem Ende als Feder ausgebildet ist, die mittels einer Nut und Feder Verbindung gekoppelt sind.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß eine Nut und Feder Ver­ bindung zwischen sprödharten Materialien, wie beispielsweise einem polykristallinen Halbleiterstab und einem monokristalli­ nen Halbleiterstab, bevorzugt einem monokristallinen Impfkris­ tall mit hoher Festigkeit hergestellt werden kann. Überraschend war auch, daß diese Verbindung zwischen dem im Verhältnis zu dem monokristallinen Halbleiterstab kleinen und bruchgefährde­ ten Impfkristall, Biegebeanspruchung, die durch eine nicht stabachsenmittige Aufhängung zustande kommen, standhält.

Erfindungsgemäß werden durch das Halterungssystem aufwendige Prozeßschritte, wie das Impflingaufschmelzen, die Verwendung von Fremdstoffen in der Halterung oder dem Halterungssystem und somit Verunreinigung des Produkts vermieden. Darüber hinaus wird der Einbau der Stäbe in die Ziehanlagen vereinfacht und der Transport der polykristallinen Halbleiterstäbe und der mo­ nokristallinen Halbleiterstäbe, insbesondere der monokristalli­ nen Impfkristalle getrennt voneinander möglich. Auch ist die grundsätzliche Wiederverwendbarkeit und eine hohe Festigkeit der Verbindungsstelle gewährleistet.

Gegenstand der Erfindung ist demnach auch ein Halterungssystem, das es ermöglicht, polykristalline Siliciumstäbe in allen Floatingzone- und Tiegelziehverfahren, ohne aufwendige Tempera­ turbehandlung der Verbindungsstelle und ohne Fremdstoffe an der Verbindungstelle zu befestigen. Das erfindungsgemäße Halterung­ ssystem ist gekennzeichnet durch eine Nut und Feder Verbindung zwischen einem polykristallinen Halbleiterstab, der an einem Ende als Nut ausgebildet ist und einem monokristallinen Halb­ leiterstab, beispielsweise einem Impfkristall, der an einem En­ de als Feder ausgebildet ist.

Das Halterungssystem wird bevorzugt zur Halterung von polykri­ stallinen Siliciumstäben, die während des Tiegelziehverfahrens nach Czochralski in die Siliciumschmelze nachgeführt werden, verwendet. Das Halterungssystem wird bevorzugt zur Halterung von polykristallinen Siliciumstäben, die während des Floating­ zoneverfahrens zonal aufgeschmolzen werden, verwendet.

Das Halterungssystem ist eine wiederlösbare mechanische Ver­ bindung zwischen einem polykristallinen Halbleiterstab, insbe­ sondere einem Siliciumstab, und einem monokristallinen Halblei­ terstab, insbesondere einem Siliciumstab, bevorzugt einem mono­ kristallinen Siliciumimpfkristall, die ohne zusätzliche Werkzeuge oder Materialien erhältlich ist.

Das Halterungssystem zeichnet sich durch die vollständige Wiederverwendbarkeit, gegebenenfalls nach einer Reinigung des Halterungsstabes aus monokristallinem Silicium, in Prozessen, in denen der monokristalline Halbleiterstab nicht als Impfkristall verwendet wird, aus.

Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Halterungssystem ist auch eine getrennt voneinander transportierbare Halterung aus Rein­ stsilicium, insbesondere aus monokristallinem Reinstsilicium, die erst beim Einbau des polykristallinen Halbleiterstabes in Floatingzone- oder Tiegelziehvorrichtungen, montiert werden muß.

Fig. 1 zeigt schematisch die Halterung bei der ein polykristal­ liner Siliciumstab 1 mit einer Nut 3 an einem monokristallinem Stab 2 mit einem konischen Ansatz 4 aufgehängt ist.

Weiterer Vorteil ist die leicht automatisierbare Fertigung der Nut, bei der eine Vielzahl von Polysiliciumstäben in einem Maschinenschritt verarbeitet werden können.

Herstellung der Nut und Federverbindung 1. Schwalbenschwanz-Nut

Der abgelängte Polysiliciumstab wird senkrecht zu seiner Stirn­ seite mit einem Sägeblatt über den gesamten Stabdurchmesser in der Mitte eingeschnitten. Dies soll verhindern, daß bei der Herstellung der eingentlichen Schwalbenschwanznut eine inhomo­ gene Spannungsverteilung im Polysiliciumstab entsteht. Diese inhomogene Spannungsverteilung würde zum Zerreißen des Poly­ siliciumstabes führen (Fig. 2a). Nach diesem Entspannung­ sschnitt wird mit einem Kegelfräßkopf die Nut gefertigt (Fig. 2b). Weiterer Vorteil des Vorschneidens mit dem Sägeblatt ist die wesentlich höhere Vorschubgeschwindigkeit des Fräskopfes, da weniger Material zerspant werden muß. Die beiden Werkzeuge Sägeblatt und Fräskopf können unmittelbar hintereinander den Stab bearbeiten.

2. Schwalbenschwanz-Feder

Ein monokristalliner Impfkristall wird an einer Stirnseite mit zwei Winkelfräsungen am Druchmesser versehen. (Fig. 3)

3. Erfindungsgemäßes Halterungssystem Zusammenführung von Nut und Feder

Um die Verbindung zwischen Mono- und Polysiliciumstab zu schaf­ fen, werden Nut und Feder ineinandergeschoben. Der Monostab sollte dabei vorzugsweise bis zur Stabachse des Polysilicium­ stabes eingeschoben werden. Der Polysiliciumstab wird abgesenkt und über die Flächenpressung zwischen Nut und Feder sicher ge­ haltert. (Fig. 1)

Das erfindungsgemäße Halterungssystem entspricht demnach einer mechanischen Verbindung zwischen einem monokristallinen Hal­ terungsstab und einem polykristallinen Siliciumstab, die ohne Verwendung thermischer Fertigungsschritte und anderen Ver­ bindungsmaterialien erhältlich ist, und vorzugsweise als Char­ giergut zum Chargieren oder Nachchargieren eines Schmelztiegels bei der Herstellung von Halbleitermaterialien eingesetzt wird.

Claims (4)

1. Chargiergut aus Halbleitermaterial zum Chargieren oder Nachchargieren eines Schmelztiegels während des Tiegelziehver­ fahrens nach Czochralski, gekennzeichnet durch einen polykri­ stallinen Halbleiterstab, der an einem Ende als Nut ausgebildet ist und einen monokristallinen Halbleiterstab, der an einem En­ de als Feder ausgebildet ist, die mittels einer Nut und Feder Verbindung gekoppelt sind.

2. Chargiergut nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der monokristalline Halbleiterstab als Impfkristall ausgebildet ist.

3. Halterungssystem zur Halterung eines polykristallinen Siliciumstabes während des Tiegelziehverfahrens nach Czoch­ ralski oder dem Floatingzoneverfahren, gekenzeichnet durch eine Nut und Feder Verbindung zwischen dem polykristallinen Halblei­ terstab, der an einem Ende als Nut ausgebildet ist und einem monokristallinen Halbleiterstab, der an einem Ende als Feder ausgebildet ist.

4. Halterungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der monokristalline Halbleiterstab als Impfkristall ausge­ bildet ist.