DE102005040229A1

DE102005040229A1 - Unterstützungsvorrichtung zur Unterstützung eines wachsenden Einkristalls aus Halbleitermaterial und Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls

Info

Publication number: DE102005040229A1
Application number: DE102005040229A
Authority: DE
Inventors: Dieter Knerer
Original assignee: Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 2005-08-25
Filing date: 2005-08-25
Publication date: 2007-03-08
Anticipated expiration: 2025-08-26
Also published as: JP2007055894A; KR100808929B1; KR20070024394A; TWI333003B; JP4651032B2; US7815736B2; CN1920118A; SG130135A1; CN100532657C; TW200734492A; US20070044711A1; DE102005040229B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Unterstützungsvorrichtung 1 zur Unterstützung einer Verdickung 82 am Dünnhals 81 eines Einkristalls 8, bestehend aus Halbleitermaterial in einer nach dem Tiegelziehverfahren nach Czochralski arbeitenden Kristallziehanlage, wobei die Unterstützungsvorrichtung 1 in ihrem unteren Bereich eine Auflagevorrichtung 121, 122 mit einer zentralen Öffnung aufweist, wobei sich in diese zentrale Öffnung in einer waagerechten Ebene ein Kreis mit einem Durchmesser D¶1¶ einbeschreiben lässt, dessen Mittelpunkt auf einer senkrechten Achse 16 liegt, und wobei die Auflagevorrichtung 121, 122 durch ein oder mehrere Verbindungselemente 132, 133, 134 mit wenigstens einem über der Auflagevorrichtung 121, 122 angeordneten Befestigungselement 14 verbunden ist, das sich zur Befestigung an einer Hubeinrichtung 2 der Kristallziehanlage eignet, wobei die Verbindungselemente 132, 133, 134 so angeordnet sind, dass sie im Bereich unmittelbar über der Auflagevorrichtung 121, 122 einen Raum frei lassen, in den sich in jeder beliebigen waagerechten Ebene ein Kreis mit einem Mittelpunkt auf der Achse 16 und einem Durchmesser D¶2¶ einbeschreiben lässt, der größer ist als der Durchmesser D¶1¶, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterstützungsvorrichtung 1 in sich unbeweglich ist. DOLLAR A Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls aus Halbleitermaterial, bei dem die Unterstützungsvorrichtung eingesetzt wird.

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Unterstützungsvorrichtung zur Unterstützung einer Verdickung am Dünnhals eines Einkristalls bestehend aus Halbleitermaterial in einer nach dem Tiegelziehverfahren nach Czochralski arbeitenden Kristallziehanlage sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls unter Verwendung der Unterstützungsvorrichtung.

Beim Tiegelziehverfahren nach Czochralski wird zunächst ein stark im Querschnitt verjüngter Hals gezüchtet, um ein Weiterwachsen der bereits im Impfkristall vorhandenen oder vom Ansetzen des Impfkristalls an die Schmelze herrührenden Kristallfehler wie Versetzungen in den zylindrischen Teil des Einkristalls zu unterbinden. Der verjüngte Hals wird als Dünnhals oder „Dash neck" bezeichnet.

Danach werden die Parameter des Ziehverfahrens so eingestellt, dass nach einem konusartigen Abschnitt ein zylindrischer Abschnitt mit einem viel größeren, nahezu gleich bleibenden Durchmesser folgt. Das Ziehverfahren wird wiederum mit einem konusartigen Abschnitt abgeschlossen. Als Produkt für eine Anwendung z. B. in der Elektronikindustrie ist üblicherweise nur der zylindrische Abschnitt interessant. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit wurde der Durchmesser der Einkristalle in der Vergangenheit schrittweise erhöht. Beispielsweise werden heute Silicium-Einkristalle mit einem Durchmesser von 300 mm großtechnisch hergestellt. Gleichzeitig wurde versucht, Einkristalle mit möglichst langem zylindrischem Abschnitt herzustellen. In der Summe führte dies zu ständig steigenden Massen der Einkristalle.

Dies führte zu dem Problem, dass der Dünnhals die mit den zunehmenden Massen einhergehenden Zugkräfte nicht mehr aufnehmen konnte. Der Dünnhals ist in der Regel nicht in der Lage, Silicium-Einkristalle mit einer Masse von mehr als etwa 250 bis 300 kg sicher zu tragen. Daher wurden Verfahren und Vorrichtungen entwickelt, um schwere Einkristalle während ihrer Herstellung zusätzlich abzustützen. Bei den meisten derartigen Verfahren wird der Dünnhals an einer bestimmten axialen Position so aufgeweitet, dass eine Verdickung ausgebildet wird. An dieser Verdickung kann eine Unterstützungsvorrichtung ansetzen, die einen Teil der Zugkraft aufnimmt. Mittlerweile ist eine große Anzahl verschiedener Unterstützungsvorrichtungen bekannt, die nach diesem Prinzip arbeiten, siehe beispielsweise US 5879448 oder US 6077347 . In US 5879448 sind Unterstützungsvorrichtungen beschrieben, die vertikal in der Kristallziehanlage beweglich sind und die ihren Innendurchmesser zangenartig verkleinern können. So können sie den Kristall greifen, nachdem eine Verdickung am Kristall gezogen wurde. Eine alternative Möglichkeit besteht darin, eine Unterstützungsvorrichtung mit einer U-förmigen Auflagefläche nach dem Ziehen der Verdickung unter die Verdickung zu schwenken, wie in US 6077347 offenbart.

Es zeigte sich jedoch, dass alle bekannten Unterstützungsvorrichtungen Partikel (z. B. Abrieb) generieren, die zu einer Kontamination des Einkristalls mit Metallen führen können. Dies ist bei den hohen Reinheitsanforderungen in der Elektronikindustrie nicht akzeptabel. Zudem können Partikel aus Metall oder Siliciumoxiden (SiO_x) zur Bildung von Versetzungen während des Kristallziehens führen. Weiterhin können durch kondensierendes Siliciummonoxid (SiO) in Lagern und Gelenken der Unterstützungsvorrichtung Hemmungen auftreten.

Die Aufgabe bestand somit darin, die Erzeugung von Partikeln durch die Unterstützungsvorrichtung zuverlässig zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Unterstützungsvorrichtung 1 zur Unterstützung einer Verdickung 82 am Dünnhals 81 eines Einkristalls 8 bestehend aus Halbleitermaterial in einer nach dem Tiegelziehverfahren nach Czochralski arbeitenden Kristallziehanlage, wobei die Unterstützungsvorrichtung 1 in ihrem unteren Bereich eine Auflagevorrichtung 121, 122 mit einer zentralen Öffnung aufweist, wobei sich in diese zentrale Öffnung in einer waagerechten Ebene ein Kreis mit einem Durchmesser D₁ einbeschreiben lässt, dessen Mittelpunkt auf einer senkrechten Achse 16 liegt, und wobei die Auflagevorrichtung 121, 122 durch ein oder mehrere Verbindungselemente 132, 133, 134 mit wenigstens einem über der Auflagevorrichtung 121, 122 angeordneten Befestigungselement 14 verbunden ist, das sich zur Befestigung an einer Hubeinrichtung 2 der Kristallziehanlage eignet, wobei die Verbindungselemente 132, 133, 134 so angeordnet sind, dass sie im Bereich unmittelbar über der Auflagevorrichtung 121, 122 einen Raum frei lassen, in den sich in jeder beliebigen waagerechten Ebene ein Kreis mit einem Mittelpunkt auf der Achse 16 und einem Durchmesser D₂ einbeschreiben lässt, der größer ist als der Durchmesser D₁, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterstützungsvorrichtung 1 in sich unbeweglich ist.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert.
1 und 2 zeigen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Unterstützungsvorrichtung.
3 zeigt eine Hälfte einer Montagevorrichtung, die zur Verbindung der Unterstützungsvorrichtung mit einer Hubeinrichtung der Kristallziehanlage verwendet werden kann.
4 zeigt den schematischen Aufbau eines Einkristalls und einen Ausschnitt der Unterstützungsvorrichtung mit Montagevorrichtungen im Längsschnitt. Zur Verdeutlichung ist die Montagevorrichtung auf der linken Seite um 90° gedreht dargestellt.
5 bis 12 stellen den Ablauf eines Kristallziehverfahrens unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Unterstützungsvorrichtung schematisch dar.
Die Unterstützungsvorrichtung 1 (1, 2 und 4) weist erfindungsgemäß in ihrem unteren Bereich eine Auflagevorrichtung mit einer zentralen Öffnung auf. Die Auflagevorrichtung kann beispielsweise die Form eines geschlossenen, kreisförmigen Rings 122 (2) mit einem Innendurchmesser D₁ aufweisen. In diesem Fall unterstützt der Ring 122 mit seiner oberen Innenseite den unteren Teil der Verdickung 82. Die Auflagevorrichtung kann jedoch auch, wie in 1 dargestellt, in symmetrischer Anordnung und auf gleicher Höhe mindestens zwei, vorzugsweise jedoch mehrere Auflageelemente 121 aufweisen, die nach innen in Richtung der zentralen Öffnung vorspringen, wobei die einzelnen Auflageelemente 121 an Verbindungselementen 132 angebracht sind. Die Auflageelemente 121 sind so angeordnet, dass sich in die zentrale Öffnung in einer waagerechten Ebene (d. h. einer Ebene senkrecht zur Achse 16) ein Kreis mit einem Durchmesser D₁ einbeschreiben lässt, dessen Mittelpunkt auf der Achse 16 der Unterstützungsvorrichtung 1 liegt. Die Achse 16 fällt beim Kristallziehen vorzugsweise mit der Achse des Dünnhalses 81 zusammen. Die Auflageelemente 121 können so die Verdickung 82 in geeigneter Weise von unten her abstützen, wie in 4 beispielhaft dargestellt.
Die gesamte Auflagevorrichtung 121, 122 ist durch ein oder mehrere Verbindungselemente 132, 133, 134 mit wenigstens einem über der Auflagevorrichtung 121, 122 angeordneten Befestigungselement 14 verbunden. Die Verbindungselemente 132, 133, 134 sind vorzugsweise stabförmig ausgebildet. Die Verbindungselemente 132, 133, 134 sind so angeordnet, dass sie im Bereich unmittelbar über der Auflagevorrichtung 121, 122 einen Raum frei lassen, in den sich in jeder beliebigen waagerechten Ebene (d. h. senkrecht zur Achse 16) ein Kreis mit einem Mittelpunkt auf der Achse 16 und einem Durchmesser D₂ einbeschreiben lässt, der größer ist als der Durchmesser D₁. Dies bedeutet, dass die Verdickung 82 in dem freien Raum zwischen den Verbindungselementen 132, 133, 134 Platz finden kann, ohne dass die Verbindungselemente 132, 133, 134 die Verdickung 82 berühren.
Um die Unterstützungsvorrichtung 1 zu stabilisieren und ein Auseinanderbrechen unter der Last des Einkristalls zu vermeiden, sind die Auflageelemente 121 und/oder die Verbindungselemente 132, 133, 134 vorzugsweise durch weitere Verbindungselemente, beispielsweise durch Streben 131, untereinander verbunden.
Vorzugsweise bilden die Auflagevorrichtung 121, 122 und die Verbindungselemente 131, 132, 133, 134 gemeinsam eine Art Käfigstruktur, wie sie in den 1 oder 2 dargestellt ist. Die Käfigstruktur umgibt während des Kristallziehprozesses den Dünnhals 81 und die Verdickung 82, ohne den Dünnhals 81 zu berühren. Lediglich die Verdickung 82 wird ab einem vorgegebenen Zeitpunkt des Kristallziehprozesses an ihrer Unterseite von der Auflagevorrichtung 121, 122 unterstützt.
Das wenigstens eine Befestigungselement 14 ist so geformt, dass es sich zur Befestigung an einer Hubeinrichtung 2 der Kristallziehanlage eignet. Die Hubeinrichtung 2 dient zum vertikalen Verfahren, d. h. zum Absenken und Anheben der Unterstützungsvorrichtung 1 und besteht beispielsweise aus einem oder vorzugsweise mehreren Seilen. Beispielsweise kann zur Befestigung der Unterstützungsvorrichtung 1 an der Hubeinrichtung 2 eine zweiteilige Montagevorrichtung 9 verwendet werden, wie sie in 3 zur Hälfte dargestellt ist. Je zwei dieser Hälften 91 umgeben die vertikal angeordneten zylindrischen Verbindungselemente 134 so, dass das kugelförmige Befestigungselement 14 auf dem konischen Kontaktbereich 92 der Montagevorrichtung 9 aufliegt (siehe auch 4). Die beiden Hälften 91 werden durch Schrauben 93 miteinander verbunden. Schraube 94 weist eine Hohlbohrung auf, durch die ein Seil der Hubeinrichtung 2 geführt wird. Schraube 23 erlaubt eine vertikale Justierung der Montagevorrichtung, falls die Seile der Hubeinrichtung 2 eine unterschiedliche Länge aufweisen. Die Montagevorrichtung 9 und die Seile der Hubeinrichtung 2 bestehen vorzugsweise aus Molybdän. Ebenso bevorzugt ist es jedoch, die Seile aus Wolfram herzustellen.
Die gesamte Unterstützungsvorrichtung 1 ist in sich unbeweglich. Sie weist keine gegeneinander beweglichen Teile auf. Der Begriff „Unterstützungsvorrichtung" im erfindungsgemäßen Sinn umfasst nicht die Montagevorrichtung 9 und die Hubeinrichtung 2, sondern nur den einteiligen, vorzugsweise aus Quarzglas hergestellten, vorzugsweise käfigartigen Unterstützungskörper, wie er beispielhaft in 1 oder 2 dargestellt ist.
Da die Unterstützungsvorrichtung 1 während der Anfangsphase des Kristallziehprozesses in die Schmelze 4 des Halbleitermaterials eingetaucht wird (6 bis 9), besteht die Unterstützungsvorrichtung 1 vorzugsweise aus einem Material, das gegen die Schmelze 4 und die darin herrschende hohe Temperatur beständig ist.
Im Fall der Herstellung eines Silicium-Einkristalls wird die Unterstützungsvorrichtung 1 bevorzugt aus Quarzglas gefertigt. Bei der Verwendung von Quarzglas ist darauf zu achten, dass Kristallisations- und Korrosionsvorgänge nur eine begrenzte Zahl von Einsätzen zulassen, sodass die Unterstützungsvorrichtung 1 nach einer bestimmten Zahl von Einsätzen erneuert werden muss.
Um den Wachstumsprozess des Einkristalls 8 nicht durch Tropfen der Schmelze zu stören, die beim Anheben der Unterstützungsvorrichtung 1 aus der Schmelze 4 an der Unterstützungsvorrichtung 1 haften bleiben und später in die Schmelze 4 zurückfallen, ist die Unterstützungsvorrichtung 1 vorzugsweise so geformt, dass sich an der Oberfläche aller die Schmelze 4 kontaktierenden Bereiche keine hängenden Tropfen der Schmelze bilden können. Vorzugsweise hat die gesamte Unterstützungsvorrichtung 1 eine Form, die das Ablaufen der Schmelze von der Oberfläche erleichtert.
Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Oberfläche der Unterstützungsvorrichtung 1 keine waagerechten Flächen aufweist, d. h. keine Flächen, die in einer Ebene senkrecht zur Achse 16 liegen. Beispielsweise sind die in 1 dargestellten Streben 131 nicht waagerecht, sondern schräg angeordnet. Die schräge Anordnung erleichtert ein Ablaufen der Schmelze und verhindert die Bildung von Tropfen, die an den Streben 131 haften. Aus demselben Grund sind die Verbindungselemente 133 nicht waagerecht, sondern schräg angeordnet. An ihren tiefstgelegenen Stellen treffen die Verbindungselemente 133 auf vertikal oder schräg verlaufende Verbindungselemente 132, an denen die Schmelze weiter nach unten ablaufen kann. Auch die Auflageelemente 121 weisen keine waagerechten Flächen auf und sind so geformt, dass ein Ablaufen der Schmelze erleichtert wird.
Vorzugsweise weist die Unterstützungsvorrichtung zudem wenigstens eine Ablaufvorrichtung 15 auf, die beim Anheben der Unterstützungsvorrichtung 1 aus der Schmelze 4 für ein Ablaufen der Schmelze 4 sorgt. Vorzugsweise trägt jedes vertikale oder schräge Verbindungselement 132 am unteren Ende eine Ablaufvorrichtung 15, die vorzugsweise als eine konische Verlängerung des Verbindungselements 132 ausgebildet ist. Dadurch kann auch verhindert werden, dass an den letzen die Schmelze 4 berührenden Stellen der Unterstützungsvorrichtung 1 Reste der Schmelze an der Unterstützungsvorrichtung 1 erstarren. Erstarrte Reste der Schmelze könnten im weiteren Verlauf abplatzen und auf diese Weise den Kristallisationsprozess stören.
Die Herstellung einer erfindungsgemäßen Unterstützungsvorrichtung obliegt dem fachmännischen Können eines Glasbläsers und wird daher nicht beschrieben.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls 8 bestehend aus Halbleitermaterial mit Hilfe des Tiegelziehverfahrens nach Czochralski, umfassend folgende Schritte:

a) teilweises Eintauchen einer erfindungsgemäßen Unterstützungsvorrichtung 1 in eine Schmelze 4 des Halbleitermaterials, sodass sich die Auflagevorrichtung 121, 122 unter der Oberfläche der Schmelze 4 befindet,
b) Ziehen eines Dünnhalses 81 mit einem Durchmesser D₃ durch Herausziehen eines Impfkristalls 7 aus der Schmelze 4, wobei die Unterstützungsvorrichtung 1 den Dünnhals 81 umgibt, ohne ihn zu berühren,
c) Ziehen einer Verdickung 82 mit einem maximalen Durchmesser D₄ mit D₁ < D₄ < D₂ und eines darunter liegenden verjüngten Bereichs 83 mit einem minimalen Durchmesser D₅ mit D₃ < D₅ < D₁, wobei die Unterstützungsvorrichtung 1 die Verdickung 82 umgibt, ohne sie zu berühren,
d) Anheben der Unterstützungsvorrichtung 1 aus der Schmelze 4, sodass die Unterstützungsvorrichtung 1 die Schmelze 4 nicht mehr berührt,
e) Ziehen eines Einkristallstücks 84 mit kontinuierlich zunehmendem Durchmesser,
f) Ziehen eines zylindrischen Einkristallstücks 85 mit einem Durchmesser D₆ mit D₆ > D₅ und
g) Anheben der Unterstützungsvorrichtung 1, sodass die Auflagevorrichtung 121, 122 die Verdickung 82 von unten her berührt und unterstützt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist in den 5 bis 12 schematisch dargestellt. Der Einkristall 8 mit seinen verschiedenen Bereichen und Durchmessern sowie deren Beziehung zur erfindungsgemäßen Unterstützungsvorrichtung ist in 4 vergrößert dargestellt.
Vor Beginn des eigentlichen Kristallziehverfahrens wird das im Tiegel 3 befindliche, in der Regel polykristalline Halbleitermaterial gemäß dem Stand der Technik geschmolzen. 5 zeigt den Zustand der Kristallziehanlage nach dem Schmelzen des Halbleitermaterials. Die an einer Hubeinrichtung 2 innerhalb der Kristallziehanlage befestigte Unterstützungsvorrichtung 1 befindet sich in einer Warteposition über dem Tiegel 3.
In Schritt a) des Verfahrens wird die Unterstützungsvorrichtung 1 teilweise in die Schmelze 4 des Halbleitermaterials eingetaucht, sodass sich die Auflagevorrichtung 121, 122 unter der Oberfläche der Schmelze 4 befindet (6). Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, die Unterstützungsvorrichtung 1 aus einem Material herzustellen, das unter den herrschenden Temperaturbedingungen gegen die Schmelze 4 weitgehend beständig ist. Handelt es sich bei der Schmelze 4 um Silicium, so eignet sich beispielsweise Quarzglas als Material für die Unterstützungsvorrichtung 1. Es ist denkbar, die Unterstützungsvorrichtung 1 beim Eintauchen nicht um ihre vertikale Achse 16 rotieren zu lassen oder die Rotation der Unterstützungsvorrichtung um ihre vertikale Achse 16 mit der Rotation des Tiegels 3 zu synchronisieren, was bevorzugt ist. Besonders bevorzugt ist es jedoch, die Rotation der Unterstützungsvorrichtung 1 vor dem Eintauchen in die Schmelze mit der Rotation der Schmelze 4 zu synchronisieren.
In Schritt b) wird gemäß dem Stand der Technik ein an einem Impfkristallhalter 5 befestigter Impfkristall 7 in die Schmelze 4 eingetaucht (7) und mit einer definierten Geschwindigkeit wieder angehoben. (Der Impfkristallhalter 5 ist an einer Vorschubeinrichtung 6 befestigt. Die Vorschubeinrichtung 6 dient zum Halten und vertikalen Verfahren, d. h. zum Absenken und Anheben des Impfkristallhalters 5. Die Vorschubeinrichtung 6 ist beispielsweise eine Welle oder sie besteht aus einem oder mehreren Seilen.) Die Ziehgeschwindigkeit, d. h. die Geschwindigkeit, mit der die Vorschubeinrichtung 6 den Impfkristall 7 vertikal nach oben bewegt, wird dabei so eingestellt, dass sich an den Impfkristall 7 anschließend ein Bereich mit reduziertem Durchmesser D₃, der Dünnhals 81, ausbildet (8). Die Zusammenhänge zwischen Ziehgeschwindigkeit, sonstigen Parametern des Ziehprozesses und dem Durchmesser des wachsenden Einkristalls 8 sind dem Fachmann bekannt und werden daher nicht näher erläutert. Der Dünnhals wächst an der Oberfläche der Schmelze 4 innerhalb der eingetauchten Unterstützungsvorrichtung 1, ohne die Unterstützungsvorrichtung 1 zu berühren. Vorzugsweise sind der Impfkristall 7 und die Unterstützungsvorrichtung 1 so ausgerichtet, dass die Achse des Impfkristalls mit der Achse 16 der Unterstützungsvorrichtung 1 zusammenfällt. Dies gilt für den gesamten weiteren Verlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Vorzugsweise wird mit Schritt b) erst begonnen, wenn Schritt a) bereits abgeschlossen ist. Demzufolge wird vorzugsweise zuerst die Unterstützungsvorrichtung in die Schmelze 4 eingetaucht und erst danach der Impfkristall 7 an die Schmelze 4 angesetzt bzw. darin eingetaucht.
In Schritt c) wird eine Verdickung 82 mit einem maximalen Durchmesser D₄ gezogen. Dies geschieht in der Regel durch eine Reduzierung der Ziehgeschwindigkeit, sodass der Durchmesser des wachsenden Einkristalls 8 bis auf einen Maximalwert D₄ zunimmt und einer darauf folgenden Steigerung der Ziehgeschwindigkeit, sodass der Durchmesser wieder abnimmt. Auf diese Weise kann eine Verdickung, z. B. ein Bikonus, erzeugt werden. Der maximale Durchmesser D₄ der Verdickung 82 genügt der Bedingung D₁ < D₄ < D₂. Der maximale Durchmesser D₄ der Verdickung 82 ist also größer als der Durchmesser D₁ der zentralen Öffnung der Unterstützungsvorrichtung 1 im Bereich der Auflagevorrichtung 121, 122, gleichzeitig aber kleiner als der Durchmesser D₂ der zentralen Öffnung der Unterstützungsvorrichtung 1 im Bereich über der Auflagevorrichtung 121, 122. Dies bedeutet, dass die Verdickung 82 innerhalb der Unterstützungsvorrichtung 1 wachsen und Platz finden kann, ohne die Unterstützungsvorrichtung 1 zu berühren.
Nach Erzeugung der Verdickung 82 wird ein verjüngter Bereich 83 gezogen. Dieser weist an seiner dünnsten Stelle einen Durchmesser D₅ auf, der die Bedingung D₃ < D₅ < D₁ erfüllt. Der Durchmesser D₅ des verjüngten Bereichs 83 muss größer sein als der Durchmesser D₃ des Dünnhalses 81, da die zusätzliche Unterstützung des wachsenden Einkristalls 8 an der Verdickung 82 erfolgen wird. Daher muss der verjüngte Bereich 83 so dick sein, dass er die gesamte Masse des Einkristalls 8 sicher tragen kann. Der Durchmesser D₅ des verjüngten Bereichs 83 muss jedoch andererseits kleiner sein als der Durchmesser D₁ der zentralen Öffnung der Unterstützungsvorrichtung 1 im Bereich der Auflagevorrichtung 121, 122, damit der verjüngte Bereich 83 innerhalb dieser Öffnung berührungsfrei wachsen und Platz finden kann. 9 zeigt die Situation nach dem Ziehen der Verdickung 82 während des Ziehens des verjüngten Bereichs 83. Der untere Teil der Unterstützungsvorrichtung 1 ist dabei noch immer in der Schmelze 4 eingetaucht.
In Schritt d) wird die Unterstützungsvorrichtung 1 mit der Hubeinrichtung 2 so weit angehoben, dass sie die Schmelze 4 nicht mehr berührt (10). Die Bildung hängender Tropfen der Schmelze an der Unterstützungsvorrichtung 1 während des Anhebens aus der Schmelze 4 kann durch die oben beschriebene Gestaltung der Unterstützungsvorrichtung 1 vermieden werden. In die Schmelze 4 zurückfallende Tropfen könnten den Kristallisationsprozess stören und zu Kristallfehlern führen. Aufgrund der wie oben beschrieben aufeinander abgestimmten Durchmesser D₁, D₂, D₄ und D₅ ist sichergestellt, dass die Unterstützungsvorrichtung 1 den wachsenden Einkristall 8 in keinem Bereich seitlich berührt. Vorzugsweise wird die Unterstützungsvorrichtung 1 in Schritt d) nur so weit angehoben, dass die Auflagevorrichtung 121, 122 die Verdickung 82 auch von unten her noch nicht berührt (10), da sich die Unterstützungsvorrichtung noch immer in einem Bereich mit sehr hoher Temperatur befindet und daher mechanisch noch nicht stabil ist. Vorzugsweise erfolgt Schritt d) während des Schritts c), besonders bevorzugt in der Endphase des Schritts c), d. h. während des Ziehens des verjüngten Bereichs 83.
In Schritt e) wird, vorzugsweise durch Verringerung der Ziehgeschwindigkeit, ein Einkristallstück 84 mit kontinuierlich zunehmendem Durchmesser gezogen (10), bis der gewünschte Durchmesser D₆ erreicht ist. Das Einkristallstück 84 kann beispielsweise eine konische Form annehmen. Es wird daher auch als Anfangskonus bezeichnet. Während dieses Schritts wird die Unterstützungsvorrichtung 1 vorzugsweise kontinuierlich angehoben, sodass die Unterstützungsvorrichtung 1 die Verdickung 82 weiterhin nicht berührt. Beispielsweise kann die Geschwindigkeit, mit der die Unterstützungsvorrichtung 1 angehoben wird, mit der Ziehgeschwindigkeit identisch sein.
Schließlich wird in Schritt f) ein zylindrisches Einkristallstück 85 mit einem konstanten Durchmesser D₆ gezogen. Während der ersten Phase dieses Schritts wird die Unterstützungsvorrichtung 1 vorzugsweise weiterhin kontinuierlich angehoben, sodass die Unterstützungsvorrichtung 1 die Verdickung 82 noch nicht berührt, bis die Unterstützungsvorrichtung 1 genügend abgekühlt und mechanisch stabil ist, um einen Teil des Gewichts des Einkristalls 8 tragen zu können.
In Schritt g) wird die Unterstützungsvorrichtung 1 schließlich so weit angehoben, dass die Auflagevorrichtung 121, 122 die Verdickung 82 von unten her berührt und einen Teil der Gewichtskraft des wachsenden Einkristalls 8 aufnimmt (11). Vorzugsweise wird das Anheben an einem vorgegebenen Zeitpunkt oder bei einer vorgegebenen Länge des zylindrischen Einkristallstücks 85 oder bei einem vorgegebenen Gewicht des Einkristalls 8 ausgelöst. Das Anheben wird vorzugsweise automatisch beendet, wenn die auf die Unterstützungsvorrichtung wirkende Gewichtskraft einen vorbestimmten Wert erreicht.
Schritt g) kann prinzipiell zu einem beliebigen Zeitpunkt nach Herstellung der Verdickung 82 in Schritt c), also während der Schritte d), e) oder f) erfolgen. Schritt g) wird jedoch vorzugsweise erst dann eingeleitet, wenn die Unterstützungsvorrichtung 1 so weit abgekühlt ist, dass sie belastet werden kann. Die Unterstützungsvorrichtung sollte bei Einleitung des Schritts g) bereits elastische Eigenschaften haben, aber auf Punktlast noch mit Verformung reagieren. Eine geringfügige Verformung auf Punktlast gewährleistet eine optimale, gleichmäßige Unterstützung der Verdickung 82 durch die Auflagevorrichtung 121, 122. Der genaue Zeitpunkt, an dem Schritt g) durchgeführt wird, wird also vorzugsweise an die Materialeigenschaften der Unterstützungsvorrichtung 1 angepasst. In der Regel wird Schritt g) jedoch im Laufe des Schritts f), d. h. während des Ziehens des zylindrischen Einkristallstücks 85, erfolgen. Es ist bevorzugt, die Rotation der Unterstützungsvorrichtung 1 um ihre vertikale Achse 16 mit der Rotation des Einkristalls um seine Längsachse zu synchronisieren, bevor die Unterstützungsvorrichtung die Verdickung 82 von unten her berührt.
Im weiteren Verlauf des Schritts f), mit wachsender Länge des zylindrischen Einkristallstücks 85, wird die Unterstützungsvorrichtung 1 vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit angehoben, die mit der Ziehgeschwindigkeit identisch ist. Durch das weitere Anheben entfernt sich die Unterstützungsvorrichtung stetig weiter von der heißen Schmelze 4 und kühlt zunehmend ab. Daher kann die Unterstützungsvorrichtung im Laufe des Schritts f) zunehmend stärker belastet werden.
Der Kristallziehprozess wird gemäß dem Stand der Technik abgeschlossen, indem ein Einkristallstück 86 mit abnehmendem Durchmesser gezogen wird. Dieses Einkristallstück wird in der Regel als Endkonus bezeichnet. 12 veranschaulicht die Situation in der Kristallziehanlage nach dem Ende des Kristallziehprozesses. Um den Einkristall 8 aus der Kristallziehanlage auszubauen, wird er vorzugsweise mit Hilfe einer geeigneten Vorrichtung von unten und von der Seite her unterstützt und der verjüngte Bereich 83 des Einkristalls durchtrennt. Nach der Entnahme des unteren Teils des Einkristalls 8 mit den Bereichen 84, 85 und 86 kann der Impfkristall 7 mit den oberen Bereichen 81 und 82 des Einkristalls ausgebaut werden.
Durch den erfindungsgemäßen Verzicht auf beweglich zueinander gelagerte Teile der Unterstützungsvorrichtung kann die Bildung von Abrieb und damit die Entstehung störender Partikel unterbunden werden. Zudem können Ablagerungen, beispielsweise von Siliciummonoxid-Staub, nicht zur Hemmung von Lagern oder Drehverbindungen führen.
Unterstützungsvorrichtungen gemäß dem Stand der Technik sind während des gesamten Kristallziehprozesses (d. h. auch während des Aufschmelzens des im Tiegel befindlichen Halbleitermaterials, des Stabilisierens, des Ansetzens des Impfkristalls und der Herstellung der ersten Bereiche des Einkristalls) der Atmosphäre in der Ziehanlage ausgesetzt. Deshalb scheiden sich Siliciumoxide auf diesen Unterstützungsvorrichtungen ab. Teile dieser abgeschiedenen Siliciumoxide können abfallen, sobald die Unterstützungsvorrichtung bewegt wird. Dagegen befinden sich beim erfindungsgemäßen Verfahren während der Anfangsphase des Kristallziehprozesses große Teile der Oberfläche der Unterstützungsvorrichtung unter der Oberfläche der Schmelze und haben daher keinen Kontakt zur Atmosphäre. Deshalb können sich kaum Siliciumoxide auf der Oberfläche der Unterstützungsvorrichtung abscheiden. Vor dem Eintauchen in die Schmelze abgeschiedene Siliciumoxide werden beim Eintauchen wieder gelöst.
Dies führt zusammen mit der Vermeidung beweglicher Teile zu einer deutlichen Reduktion der Partikelhäufigkeit gegenüber dem Stand der Technik, der ausschließlich Unterstützungsvorrichtungen mit beweglichen Teilen kennt.
Trotz des Verzichts auf bewegliche Teile ermöglicht die Erfindung eine sichere Unterstützung des wachsenden Einkristalls an einer Verdickung im Halsbereich.

Claims

Unterstützungsvorrichtung (1) zur Unterstützung einer Verdickung (82) am Dünnhals (81) eines Einkristalls (8) bestehend aus Halbleitermaterial in einer nach dem Tiegelziehverfahren nach Czochralski arbeitenden Kristallziehanlage, wobei die Unterstützungsvorrichtung (1) in ihrem unteren Bereich eine Auflagevorrichtung (121, 122) mit einer zentralen Öffnung aufweist, wobei sich in diese zentrale Öffnung in einer waagerechten Ebene ein Kreis mit einem Durchmesser D₁ einbeschreiben lässt, dessen Mittelpunkt auf einer senkrechten Achse (16) liegt, und wobei die Auflagevorrichtung (121, 122) durch ein oder mehrere Verbindungselemente (132, 133, 134) mit wenigstens einem über der Auflagevorrichtung (121, 122) angeordneten Befestigungselement (14) verbunden ist, das sich zur Befestigung an einer Hubeinrichtung (2) der Kristallziehanlage eignet, wobei die Verbindungselemente (132, 133, 134) so angeordnet sind, dass sie im Bereich unmittelbar über der Auflagevorrichtung (121, 122) einen Raum frei lassen, in den sich in jeder beliebigen waagerechten Ebene ein Kreis mit einem Mittelpunkt auf der Achse (16) und einem Durchmesser D₂ einbeschreiben lässt, der größer ist als der Durchmesser D₁, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterstützungsvorrichtung (1) in sich unbeweglich ist.
Unterstützungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem Material besteht, das gegen eine Schmelze (4) des Halbleitermaterials beständig ist.
Unterstützungsvorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus Quarzglas besteht.
Unterstützungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie so geformt ist, dass sich an ihrer Oberfläche keine hängenden Tropfen einer Schmelze (4) des Halbleitermaterials bilden können.
Unterstützungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ihre Oberfläche keine waagerechten Flächen aufweist.
Unterstützungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens eine Ablaufvorrichtung (15) umfasst, die beim Anheben der Unterstützungsvorrichtung (1) aus der Schmelze (4) für ein Ablaufen der Schmelze (4) sorgt.
Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls (8) bestehend aus Halbleitermaterial mit Hilfe des Tiegelziehverfahrens nach Czochralski, umfassend folgende Schritte: a) teilweises Eintauchen einer Unterstützungsvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 in eine Schmelze (4) des Halbleitermaterials, sodass sich die Auflagevorrichtung (121, 122) unter der Oberfläche der Schmelze (4) befindet, b) Ziehen eines Dünnhalses (81) mit einem Durchmesser D₃ durch Herausziehen eines Impfkristalls (7) aus der Schmelze (4), wobei die Unterstützungsvorrichtung (1) den Dünnhals (81) umgibt, ohne ihn zu berühren, c) Ziehen einer Verdickung (82) mit einem maximalen Durchmesser D₄ mit D₁ < D₄ < D₂ und eines darunter liegenden verjüngten Bereichs (83) mit einem minimalen Durchmesser D₅ mit D₃ < D₅ < D₁, wobei die Unterstützungsvorrichtung (1) die Verdickung (82) umgibt, ohne sie zu berühren, d) Anheben der Unterstützungsvorrichtung (1) aus der Schmelze (4), sodass die Unterstützungsvorrichtung (1) die Schmelze (4) nicht mehr berührt, e) Ziehen eines Einkristallstücks (84) mit kontinuierlich zunehmendem Durchmesser, f) Ziehen eines zylindrischen Einkristallstücks (85) mit einem Durchmesser D₆ mit D₆ > D₅ und g) Anheben der Unterstützungsvorrichtung (1), sodass die Auflagevorrichtung (121, 122) die Verdickung (82) von unten her berührt und unterstützt.
Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet; dass die Unterstützungsvorrichtung (1) in Schritt d) nur so weit angehoben wird, dass sie die Verdickung (82) noch nicht berührt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterstützungsvorrichtung (1) während des Schritts e) kontinuierlich angehoben wird, sodass die Unterstützungsvorrichtung (1) die Verdickung (82) weiterhin nicht berührt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt g) erfolgt, sobald die Unterstützungsvorrichtung (1) so weit abgekühlt ist, dass sie belastet werden kann.
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt g) im Laufe des Schritts f) erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterstützungsvorrichtung (1) im Lauf des Schritts f) nach Durchführung des Schritts g) laufend stärker belastet wird.