DE112017001711B4

DE112017001711B4 - Kristallzüchtungsvorrichtung und diesbezügliche Verfahren

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Publication number: DE112017001711B4
Application number: DE112017001711.4T
Authority: DE
Inventors: William Lynn Luter
Original assignee: Corner Star Ltd
Current assignee: Corner Star Ltd
Priority date: 2016-03-29
Filing date: 2017-03-24
Publication date: 2022-05-19
Anticipated expiration: 2037-03-25
Also published as: JP6908620B2; SA518400107B1; EP3436624A1; MY191240A; DE112017001711T5; EP3436624B1; KR20180126545A; CN108884587A; WO2017172530A1; KR102338006B1; US20190085480A1; JP2019509970A

Abstract

Eine Kristallzüchtungsvorrichtung für die kontinuierliche Herstellung eines Siliziumingots aus einer Siliziumschmelze, wobei die Vorrichtung eine vertikale Ache hat und ein Siliziumingot relativ zu dieser Ache nach oben gezogen wird, die Kristallzüchtungsvorrichtung umfassend:eine Basis zur Aufnahme eines festen Siliziumträgers, welcher eine obere Oberfläche hat, die so geformt ist, dass sie einen Silizium-Schmelzpool, einen Silizium-Stabilisierungspool und einen Silizium-Wachstumspool aufnehmen kann;einen Speisereinlass, um eine kontinuierliche Quelle für Siliziummaterial in den Silizium-Schmelzpool einzubringen;eine erste ringförmige Heizvorrichtung, die über dem Silizium-Schmelzpool angebracht ist, um das Siliziummaterial zu schmelzen, oder um das Siliziummaterial in einem geschmolzenen Zustand zu erhalten;eine zweite ringförmige Heizvorrichtung, die über dem Silizium-Stabilisierungspool angebracht ist, wobei sich die zweite ringförmige Heizvorrichtung innerhalb der ersten ringförmigen Heizvorrichtung befindet;wenigstens eine dritte ringförmige Heizvorrichtung, die über dem Silizium-Wachstumspool angebracht ist, wobei sich die dritte ringförmige Heizvorrichtung innerhalb der zweiten ringförmigen Heizvorrichtung befindet;eine Isolierung, welche sich über die Heizvorrichtungen erstreckt;eine äußere Trennwand, welche sich von der Isolierung nach unten erstreckt, zwischen der ersten ringförmigen Heizvorrichtung und der zweiten ringförmigen Heizvorrichtung, um Gas dazu zu zwingen, über eine Oberfläche des geschmolzenen Siliziums zu strömen;eine innere Trennwand, welche sich von der Isolierung nach unten erstreckt, zwischen der zweiten ringförmigen Heizvorrichtung und der dritten ringförmigen Heizvorrichtung, um Gas dazu zu zwingen, über eine Oberfläche des geschmolzenen Siliziums zu strömen;einen ersten Gaseinlass in Fluidkommunikation mit einer Öffnung in der Isolierung, durch die der Ingot nach oben gezogen wird; undeinen zweiten Gaseinlass, welcher Gas in einen Raum abgibt, der durch die äußere Trennwand und die innere Trennwand gebildet wird.

Description

Das technische Gebiet der Offenbarung betrifft Kristallzüchtungsvorrichtungen und speziell Kristallzüchtungsvorrichtungen zum kontinuierlichen Ziehen von Siliziumingots, in welchem das geschmolzene Silizium keinen sauerstoffhaltigen Tiegel berührt.
HINTERGRUND
Einkristall-Silizium mit HalbleiterQualität wird zur Herstellung verschiedener elektronischer Vorrichtungen verwendet. Einkristallines Silizium kann durch das sogenannte Czochralski-Verfahren hergestellt werden, bei dem ein Siliziumingot aus einer Schmelze von Silizium herausgezogen wird, die sich in einem Tiegel innerhalb der Kristallziehvorrichtung befindet. Spezifikationen für Einkristallsilizium mit Halbleiterqualität erfordern zunehmend niedrigere Grenzwerte für eingebauten Sauerstoff und erfordern niedrigere und engere Grenzwerte für Kohlenstoff. Solche Spezifikationen können durch Czochralski-Verfahren schwierig zu erreichen sein, da der Tiegel, der zur Aufnahme des geschmolzenen Siliziums verwendet wird, typischerweise aus Siliziumdioxid besteht, das Sauerstoff enthält. Bei Kontakt mit geschmolzenem Silizium kann Sauerstoff aus dem Siliziumdioxidtiegel in die Schmelze gelangen. Sauerstoff kann von dem wachsenden Ingot aufgenommen werden, was zu „eingewachsenem“ Sauerstoff führt. Der Sauerstoff kann auch mit Kohlenstoff reagieren, der durch das Polysilizium-Startmaterial selbst oder durch einen Suszeptor, der den Schmelztiegel hält, in das System eingeführt wird, so dass Kohlenstoffoxide erzeugt werden, die in dem geschmolzenen Silizium löslich sind. Die Kohlenstoffoxide werden auch von dem wachsenden Ingot aufgenommen, was die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung verringert.
US 4,650,540 A beschreibt eine Czochralski-Ziehvorrichtung mit Schmelz- und Wachstumspool und sie darüber befindenden Heizvorrichtungen.
US 2012/0285369 A1 beschreibt eine Czochralski-Ziehvorrichtung mit mehreren Heizvorrichtungen, bei der der Ingot aus einem teilweise angeschmolzenen Silizium-Träger gezogen wird.
US 2014/0261155 A1 beschreibt eine Czochralski-Ziehvorrichtung mit ineinander befindlichen Tiegeln.
Es besteht das Bedürfnis nach Kristallzüchtungsvorrichtungen, die Czochralski-Ziehtechniken verwenden können, um einen Einkristall-Siliziumingot zu züchten, der weniger eingewachsenen Sauerstoff und Kohlenstoff enthält.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Kristallzüchtungsvorrichtung zum kontinuierlichen Herstellen eines Siliziumingots aus einer Siliziumschmelze. Die Vorrichtung hat eine vertikale Achse, und ein Siliziumingot wird relativ zu der vertikalen Achse nach oben gezogen. Die Kristallzüchtungsvorrichtung umfasst eine Basis, die einen festen Siliziumträger hält, der eine obere Oberfläche hat, welche so geformt ist, dass sie einen Siliziumschmelze-Pool, einen Silizium-Stabilisierungspool und einen Silizium-Wachstumspool aufnehmen kann. Die Kristallzüchtungsvorrichtung umfasst einen Zufuhreinlass, der eine kontinuierliche Quelle für das Siliziummaterial im Siliziumschmelze-Pool darstellt. Eine erste ringförmige Heizvorrichtung ist über dem Siliziumschmelze-Pool angebracht, um das Siliziummaterial zu schmelzen oder um das Siliziummaterial in einem geschmolzenen Zustand zu halten. Eine zweite ringförmige Heizvorrichtung ist über dem Silizium-Stabilisierungspool angebracht. Die zweite Heizvorrichtung befindet sich innerhalb der ersten ringförmigen Heizvorrichtung. Wenigstens eine dritte ringförmige Heizvorrichtung ist über dem Silizium-Wachstumspool angebracht. Die dritte Heizvorrichtung befindet sich innerhalb der zweiten ringförmigen Heizvorrichtung.
Des Weiteren umfasst die Kristallzüchtungsvorrichtung:

eine Isolierung, welche sich über die Heizvorrichtungen erstreckt;
eine äußere Trennwand, welche sich von der Isolierung nach unten erstreckt, zwischen der ersten ringförmigen Heizvorrichtung und der zweiten ringförmigen Heizvorrichtung, um Gas dazu zu zwingen, über eine Oberfläche des geschmolzenen Siliziums zu strömen;
eine innere Trennwand, welche sich von der Isolierung nach unten erstreckt, zwischen der zweiten ringförmigen Heizvorrichtung und der dritten ringförmigen Heizvorrichtung, um Gas dazu zu zwingen, über eine Oberfläche des geschmolzenen Siliziums zu strömen;
einen ersten Gaseinlass in Fluidkommunikation mit einer Öffnung in der Isolierung, durch die der Ingot nach oben gezogen wird; und
einen zweiten Gaseinlass, welcher Gas in einen Raum abgibt, der durch die äußere Trennwand und die innere Trennwand gebildet wird.

Es können verschiedene Merkmale, die unten in Bezug auf irgendeine der dargestellten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung diskutiert werden, in irgendeinen der oben beschriebenen Aspekte der vorliegenden Offenbarung, allein oder in irgendeiner Kombination, integriert werden.
Figurenliste

1 ist ein schematischer Querschnitt durch eine Kristallzüchtungsvorrichtung mit einem festen Siliziumträger;
2 ist ein detailliertes Schema eines unteren Teils der Kristallzüchtungsvorrichtung; und
3 ist ein schematischer Querschnitt durch eine Kristallzüchtungsvorrichtung mit einer Kühlkammer unter der Basis.

Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Zeichnungen stets gleiche Teile.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Mit Bezug auf 1 wird eine Kristallzüchtungsvorrichtung (die hierin auch einfach als „Kristallziehvorrichtung“ bezeichnet werden kann) allgemein mit „1“ bezeichnet. Die Kristallzüchtungsvorrichtung 1 umfasst ein Gehäuse 5 und eine Basis 9 innerhalb des Gehäuses 5 zum Halten eines festen Siliziumträgers 13. Ein Sockel 14 trägt die Basis 9 und den festen Siliziumträger 13. Der Sockel 14 kann sich während des Kristallziehens drehen, um die Temperatur- und Komponentengradienten während des Kristallwachstums zu verbessern.
Die Kristallziehvorrichtung 1 umfasst eine zentrale vertikale Achse A, die parallel zu der Richtung ist, in die der Ingot 15 gezogen wird. Die Ziehvorrichtung 1 umfasst auch einen Kühlmantel 19, der den Ingot 15 umgibt, um bevorzugte Temperaturgradienten in dem Ingot 15 beizubehalten. Ein offener Bereich 17 trennt den Kühlmantel von der Isolierung 23. Andere Kristallziehanordnungen können verwendet werden, einschließlich Ausführungsformen in denen ein Hitzeschild (nicht gezeigt) den Ingot 15 zumindest teilweise umgibt oder in denen der Kühlmantel 19 weggelassen ist und die Isolierung 23 sich weiter zu dem Ingot 15 erstreckt. Unabhängig von der Anordnung ist eine Öffnung 78 nahe dem Ingot angeordnet, für den Eintritt von Inertgas in das Tiegelziehsystem.
Der feste Siliziumträger 13 ist aus einem multikristallinen Siliziumblock, einem Einkristall-Siliziumblock oder Siliziumplatten hergestellt. Wenn hierin erwähnt, besteht ein „Siliziumträger“ aus elementarem Silizium und soll keine Verbindungen von Silizium (z. B. Siliziumdioxid, Siliziumcarbid) enthalten. Der feste Siliziumträger 13 kann verschiedene Verunreinigungen enthalten; die Menge an Verunreinigungen sollte jedoch eine Menge nicht überschreiten, die die Qualität des Siliziumingots unter akzeptable Werte verschlechtert. Der feste Siliziumträger 13 umfasst eine obere Oberfläche 24, die zum Aufnehmen von drei Pools aus Siliziummaterial geformt ist. Der feste Siliziumträger 13 kann durch gezieltes Schmelzen des Siliziumträgers (z. B. in der Kristallziehvorrichtung 1 oder vor dem Einsetzen in die Ziehvorrichtung 1) oder durch Bearbeiten des Siliziumträgers geformt werden.
Die Basis 9, die den festen Siliziumträger 13 hält, hat eine Mitte 62 (2), durch die die vertikale Achse A verläuft, und hat eine umlaufende Kante 66. Wie in den 1 und 2 gezeigt, verläuft die Basis 9 von der Umfangskante 66 zu ihrer Mitte 62 nach unten. In anderen Ausführungsformen verläuft die Basis nicht nach unten (z. B. kann sie horizontal sein). Die Basis 9 kann konturiert sein, um die Form der verschiedenen Schmelzpools, die unten beschrieben werden, zu optimieren und das Wärmemanagement des Kristallziehers zu verbessern.
Wie in 1 gezeigt, umfasst die obere Oberfläche 24 mindestens drei Vertiefungen zur Aufnahme des geschmolzenen Siliziummaterials - eine ringförmige Siliziumschmelzpool-Vertiefung 25, eine ringförmige Stabilisierungspool-Vertiefung 41 und eine Wachstumspool-Vertiefung 47. Die ringförmige Schmelzpool-Vertiefung 25 enthält einen Pool aus Siliziumschmelze 27. Silizium wird durch einen Zufuhreinlass 30 zugegeben, um eine kontinuierliche Quelle für Siliziummaterial in den Schmelzpool 27 zu liefern. Silizium kann in fester Form (z. B. granuläres Silicium) zugegeben werden, wobei das Silizium im Schmelzbad 27 schmilzt. Ein kontinuierlicher Speiser (nicht gezeigt) kann verwendet werden, um granuläres Silizium zu liefern. In anderen Ausführungsformen kann ein Vorschmelzer (nicht gezeigt), der innerhalb oder außerhalb des Kristallziehgehäuses 5 sein kann, verwendet werden, um geschmolzenes Silizium dem Pool 27 zuzuführen, in welchem Fall das geschmolzene Siliziummaterial im Pool in einem geschmolzenen Zustand gehalten wird.
Der Siliziumträger 13 enthält den Stabilisierungspool, um zu ermöglichen, dass Silizium vollständig schmilzt und vor dem Eintritt in den Wachstumspool 45 eine konstante Temperatur beibehält. Der feste Siliziumträger 13 kann auch mehr als drei Siliziumpools enthalten, was die Temperatur- und Partikelkontrolle verbessern , jedoch die Kosten des Systems erhöhen könnte.
Der Siliziumschmelzpool 27 wird von einer äußeren Kante 31 (2) und eine inneren Kante 33 begrenzt, welche die Vertiefung 25 definieren. Die äußere Kante 31 kann Teil eines äußeren Rands 32 des festen Siliziumträgers 13 sein. Die innere Kante 33 ist relativ zu der vertikalen Achse A niedriger als die äußere Kante 31, um dem geschmolzenen Material den Übertritt über die innere Kante 33 in den Stabilisierungspool 39 zu erlauben. Die obere Oberfläche 24 des festen Trägers 13 umfasst eine äußere Kante 33 des Stabilisierungspools (welche die innere Kante des Schmelzpool 27 ist), und eine innere Kante 43 des Stabilisierungspools 43, welche die ringförmige Stabilisierungsvertiefung 41 definieren. Die innere Kante 43 ist relativ zu der vertikalen Achse A niedriger als die äußere Kante 31 der Schmelzpoolvertiefung 25, um dem geschmolzenen Silizium den Übertritt über die innere Kante 43 und in den Siliziumwachstumspool 45 zu erlauben. Die innere Kante 43 kann niedriger, auf gleicher Höhe oder sogar höher als die äußere Kante 33 des Stabilisierungspools sein. In einigen Ausführungsformen werden die relativen Höhen der inneren Kante 43 und der äußeren Kante 33 des Stabilisierungspools während des Kristallziehens verändert, um die Dynamik des Ziehsystems zu ändern.
Die Vertiefung 47 des Wachstumspools enthält den Wachstumspool 45 aus geschmolzenem Silizium, aus dem ein Ingot 15 (1) gezogen wird. Die Wachstumspool-Vertiefung 47, die den Wachstumspool 45 enthält, ist innerhalb der inneren Spitze 43 des Stabilisierungspools ausgebildet.
Die Vertiefung 25 des Schmelzpools hat eine Breite W₂₅, die sich von der äußeren Kante 31 zu der inneren Kante 33 erstreckt, und hat eine Tiefe D₂₅, die der vertikale Abstand von ihrer äußeren Kante 31 zum Boden 52 der Vertiefung 25 ist (d.h. zum tiefste Punkt der Vertiefung). Die Stabilisierungspool-Vertiefung 41 hat eine Breite W₄₁, die sich zwischen ihrer äußeren Kante 33 und ihrer inneren Kante 43 erstreckt, und hat eine Tiefe D₄₁, die der vertikale Abstand von der äußeren Kante 31 der Schmelzpool-Vertiefung 25 zum Boden 54 des Stabilisierungspool-Vertiefung 41 ist. Die Vertiefung 47 des Wachstumspools hat eine Breite W₄₇ (d.h. einem Durchmesser) und hat eine Tiefe D₄₇, die der vertikale Abstand von der äußeren Kante 31 der Schmelzpoolvertiefung 25 zum Boden 56 der Wachstumspool-Vertiefung 47 ist.
Die Tiefe D₄₇ der Wachstumspool-Vertiefung 47 ist größer als die beiden Tiefen D₂₅, D₄₁ der Schmelzpool-Vertiefung 25 und der Stabilisierungspool-Vertiefung 41, um der Wachstumspool-Vertiefung 47 zu erlauben, ein größeres Volumen an geschmolzenem Silizium aufzunehmen. In zahlreichen Ausführungsformen kann die Tiefe D₄₇ der Wachstumspool-Vertiefung 47 mindestens etwa das Doppelte oder sogar mindestens das etwa Dreifache der Tiefen D₂₅, D₄₁ von jeweils der Schmelzpool-Vertiefung 25 und der Stabilisierungspool-Vertiefung 41 betragen. Die Tiefe D₂₅ der Schmelzpool-Vertiefung 25, die Tiefe D₄₁ der Stabilisierungspool-Vertiefung 41 und die Tiefe D₄₇ der Wachstumspool-Vertiefung 47 kann durch die Temperaturgradienten des Systems reguliert werden, welche ausgewählt werden, um ein stabiles Kristallwachstum zu erzielen.
In ähnlicher Weise ist die Breite W₄₇ der Wachstumspool-Vertiefung 47 größer als die Breiten W₂₅, W₄₁ der Schmelzpool-Vertiefung 25 und der Stabilisierungspool-Vertiefung 41, um eine ausreichende Oberflächen-Fläche für das Ziehen des Ingots 15 zu erzeugen (1), und damit der Wachstumspool ein ausreichendes Volumen an geschmolzenem Silizium enthält. In zahlreichen Ausführungsformen kann die Breite W₄₇ der Wachstumspool-Vertiefung 47 mindestens etwa das Doppelte oder sogar mindestens das etwa Dreifache der Breiten W₂₅, W₄₁ von jeweils der Schmelzpool-Vertiefung 25 und der Stabilisierungspool-Vertiefung 41 betragen. Die Schmelzpool-Vertiefung 25 und die Stabilisierungspool-Vertiefung 41 können die gleichen oder verschiedene Tiefen D₂₅, D₄₁ und Breiten W₂₅, W₄₁ haben.
Der feste Siliziumträger 13 und die Siliziumpools 27, 39, 45 und der Ingot 15 (1) werden hier gezeigt, um die Verwendung der Vorrichtung 1 zu illustrieren und sind keine Komponenten der Vorrichtung, sofern nicht anders angegeben. In einigen Ausführungsformen ist der Siliziumträger 13 Teil der Vorrichtung.
Die Vorrichtung umfasst erste, zweite und dritte ringförmige Heizvorrichtungen 63, 65, 67 zum Steuern der Temperaturprofile in dem Schmelzpool 27, dem Stabilisierungspool 39 bzw. dem Wachstumspool 45. Die erste ringförmige Heizvorrichtung 63 ist über dem Schmelzpool 27 angebracht, um granuliertes Silizium zu schmelzen, das in den Pool 27 eingeführt wird (oder um das Silizium in einem geschmolzenen Zustand zu halten, wenn geschmolzenes Silizium in den Pool eingeführt wird). Die erste ringförmige Heizvorrichtung 63 kann eine Öffnung enthalten, durch die das feste oder geschmolzene Silizium hindurchtritt.
Innerhalb dieser ersten ringförmigen Heizvorrichtung 63 (d.h. innerhalb der zentralen Öffnung der Heizvorrichtung 63) befindet sich die zweite ringförmige Heizvorrichtung 65. Die zweite ringförmige Heizvorrichtung 65 ist über dem Stabilisierungspool 39 angebracht. Die zweite ringförmige Heizvorrichtung 65 wird gesteuert, um die Aufrechterhaltung einer konstanten Temperatur des Siliziums vor dem Eintritt in den Wachstumspool 45 zu erreichen, und um jegliches festes Silizium zu schmelzen, das aus dem Schmelzpool 27 übertritt. Die dritte ringförmige Heizvorrichtung 67 befindet sich innerhalb der zweiten ringförmigen Heizvorrichtung 65 (innerhalb der zentralen Öffnung der Heizvorrichtung 65) und ist über dem Schmelzpool 45 angebracht. Der Ingot 15 wird durch die zentrale Öffnung der dritten Heizvorrichtung 67 gezogen. Die dritte Heizvorrichtung 67 wird gesteuert, um bevorzugte Temperaturgradienten in dem Ingot 15 beizubehalten.
Die drei Heizvorrichtungen 63, 65, 67 werden unabhängig voneinander gesteuert, um dem Siliziumschmelzpool 27, dem Stabilisierungspool 39 und dem Wachstumspool 45 ausreichend Wärme zuzuführen, ohne den festen Siliziumträger 13 zu schmelzen. Die Heizvorrichtungen 63, 65, 67 sollten beabstandet sein von den Pools 27, 39, 45, und zwar in einer Entfernung, die geeignete Schmelz- und Stabilisierungstemperaturen ermöglicht, ohne dass die Heizvorrichtungen eine Verunreinigung der Schmelze verursachen (z. B. durch Eintauchen von Heizvorrichtungen in der Schmelze), und ohne dass überschüssige Wärme zu benachbarten Heizzonen (d.h. zu benachbarten Pools) übertragen wird.
Die Heizvorrichtungen 63, 65, 67 können Widerstands- oder RF-Heizvorrichtungen sein. Obzwar die Heizvorrichtungen 63, 65, 67 hier als getrennte Heizvorrichtungen beschrieben werden, können die Heizvorrichtungen 63, 65, 67 in einer einzigen Heizeinheit kombiniert werden, die es ermöglicht, drei separate Teile unabhängig voneinander zu steuern, um den Wärmeeintrag in den Siliziumschmelzpool 27, Stabilisierungspool 39 und Wachstumspool 45 zu steuern.
Isolierung 23 (1) erstreckt sich über die Heizvorrichtungen 63, 65, 67. Der Ingot 15 wird durch die Isolierung 23 hindurch nach oben gezogen. Eine äußere Trennwand 72 erstreckt sich von der Isolierung 23 nach unten, zwischen die erste ringförmige Heizvorrichtung 63 und die zweite ringförmige Heizvorrichtung 65. Eine innere Trennwand 74 erstreckt sich ebenfalls von der Isolierung nach unten, zwischen die zweite ringförmige Heizvorrichtung 65 und die dritte ringförmige Heizvorrichtung 67. Ein erster Gaseinlass 76 steht in Fluidverbindung mit der Öffnung 78, durch die der Ingot 15 gezogen wird. Das Gas wandert um den Ingot 15 herum nach unten, über die Oberfläche des Wachstumspools 45, und an dem Stabilisierungspool 39 und dem Schmelzpool 27 vorbei. Die Trennwände 72, 74 erstrecken sich in Umfangsrichtung um die Achse A des Kristallziehers 1 und zwingen das Gas dazu, mit relativ hoher Gasgeschwindigkeit über die Oberflächen des geschmolzenen Siliziums zu fließen, um Teilchen wie Staub aus der Zufuhr von körnigem Silizium und jedwedes gekühltes und ausgefälltes Siliziummonoxid wegzutragen.
Die Kristallziehvorrichtung 1 enthält einen zweiten Gaseinlass 75, der Gas in den Raum abgibt, der sich zwischen der äußeren Trennwand 72 und der inneren Trennwand 74 befindet. Düsen (nicht gezeigt) können verwendet werden, um Gase über die Oberfläche des Wachstumspools 45, Stabilisierungspools 39 und Schmelzpools 27 zu dirigieren. Gase treten durch einen Auslass 79 aus dem System aus und können gekühlt und zur Wiederverwendung weiterverarbeitet werden. Der Auslass 79 kann an anderen Teilen des Kristallziehgeräts 1 wie etwa im Bereich des Bodens der Ziehvorrichtung 1 positioniert sein.
Gase, die in der Kristallziehvorrichtung 1 verwendet werden können und durch den ersten Einlass 76 und den zweiten Einlass 75 eingeführt werden, sind Gase, die in Bezug auf Silizium inert sind und Argon, Stickstoff oder sogar Krypton oder Helium umfassen können.
Die Basis 9 kann aus einem beliebigen Material bestehen, das den festen Siliziumträger 13 und die Siliziumpools 27, 39, 45 bei Temperaturen und Beanspruchungen tragen kann, denen die Basis 9 typischerweise in Kristallwachstumsumgebungen ausgesetzt ist. Geeignete Materialien können Siliciumcarbid, Kohlenstoff, Graphit, Graphitisolierung und feuerfeste Metalle, wie Aluminiumoxid oder Zirkoniumdioxid, einschließen. Die Basis 9 ist eingebaut, um dem Kristallziehsystem eine ausreichende Struktur und Steifigkeit zu verleihen. Die Basis 9, der Träger 13, die Isolierung (falls vorhanden) und die Heizvorrichtungen 63, 65, 67 sollten so konfiguriert sein, dass sie verhindern, dass sich die Siliziumpools 27, 39, 45 zu der Basis 9 erstrecken, während gleichzeitig der Wärmeverlust minimiert wird, um den Energieverbrauch zu reduzieren.
Die Basis 9 kann Kühlkanäle 77 (2) aufweisen, die darin ausgebildet sind, um die Basis 9 und den festen Siliziumträger 13 zu kühlen. In anderen Ausführungsformen und wie in 3 gezeigt steht die Basis 9 in Fluidkontakt mit einer Kühlkammer 80 (d.h. einem Kühlmantel), in der ein Kühlfluid zirkuliert wird, um die Basis 9 und den festen Siliziumträger 13 zu kühlen.
Vorzugsweise enthält die Vorrichtung keine Heizvorrichtungen oder Isolierungen unterhalb der Basis 9, um eine ordnungsgemäße Kühlung der Basis zu ermöglichen. Eine Isolierung (nicht gezeigt) kann zwischen der Basis 9 und dem festen Siliziumträger 13 vorhanden sein, um den Wärmeverlust zu reduzieren.
Heizvorrichtungen (nicht gezeigt) können in den festen Siliziumträger 13 und insbesondere unterhalb des Wachstumspools 45 eingebettet sein, um dazu beizutragen, den Wachstumspool 45 in einem geschmolzenen Zustand zu halten. Solche Heizvorrichtungen können Widerstandsheizungen sein, oder das Silizium kann direkt mit einem induktiv gekoppelten HF-Heizer erhitzt werden. Temperatursensoren (nicht gezeigt) können in die Basis 9 oder in den Siliziumträger 13 eingebettet sein, um ein Temperaturfeld bereitzustellen, das als Rückmeldung für die Leistungseinspeisung in die Heizelemente verwendet wird.
Die Kristallziehvorrichtung 1 kann durch kontinuierliches (oder intermittierendes) Zuführen einer Siliziumquelle zu dem Zufuhreinlass 30 betrieben werden, während der Ingot aus dem Wachstumspool 45 gezogen wird. Die Kristallziehvorrichtung 1 kann in einem halbkontinuierlichen Zustand betrieben werden, in dem das Ingotwachstum nur gestoppt wird, wenn die Gewichtsgrenze für den Ingothals näher rückt oder sich der Ingot der vollen Länge der Ziehkammer nähert. Sobald das Ingot-Wachstum gestoppt ist, wird der Ingot aus der Wachstumskammer entfernt, der Zieher wird mit einem neuen Seedkristall versehen, und das Ingot-Wachstum wird wieder begonnen.
Wenn festes Silizium zugeführt wird (z.B. granuläres Silizium), wird das Silizium geschmolzen, nachdem es in den Schmelzpool 27 gefallen ist. Wenn geschmolzenes Silizium zugeführt wird (z.B. bei Verwendung einer Vorschmelz-Vorrichtung), wird das Silizium im Pool 27 in seinem geschmolzenen Zustand erhalten. Die erste ringförmige Heizvorrichtung 63 wird so betrieben, dass sie Silizium schmilzt und/oder das zugeführte Silizium in einem geschmolzenen Zustand erhalten kann, jedoch nicht den festen Siliziumträger 13 einschließlich der äußeren Kante 33 der Schmelzpool-Vertiefung schmilzt. Zugabe von Silizium zum Pool 27 veranlasst geschmolzenes Silizium, über die innere Kante 33 (2) und in den Stabilisierungspool 39 zu fließen. Die zweite ringförmige Heizvorrichtung 65 wird so betrieben und eingestellt, dass sie eine gleichbleibende Temperatur im Stabilisierungspool 39 erzeugt (z.B. durch Feedback von einem Feld aus Temperatursensoren), was eine engere Temperaturkontrolle im Wachstumspool 45 erlaubt. Silizium fließt über die innere Kante 43 des Stabilisierungspools und in den Wachstumspool 45. Die dritte ringförmige Heizvorrichtung 67 wird so betrieben, dass die Konvektionen und Temperaturgradienten im Pool so gesteuert werden, dass ein richtiges Ingotwachstum möglich ist.
Wenn es erwünscht ist, den Ingot 15 zu dotieren (z.B. um N-Typ- oder P-Typ-Silizium herzustellen), kann der Dotierstoff kontinuierlich mit dem Silizium hinzugefügt werden oder kann durch einen separaten Einlass (nicht gezeigt) hinzugefügt werden.
Im Allgemeinen werden die erste, zweite und dritte ringförmige Heizvorrichtung 63, 65, 67 kontinuierlich mit Strom versorgt. Die Leistung, die den Heizvorrichtungen 63, 65, 67 zugeführt wird, kann variiert werden, um das Schmelzen, die Stabilisierung und die Wachstumsbedingungen basierend auf der Rückkopplung von den Temperatursensoren zu steuern. Wenn der innere Peak 33 des Schmelzpools oder der innere Peak 43 des Stabilisierungspools versehentlich geschmolzen wird, kann er für einen geeigneten Transfer von Silizium aus dem Schmelzpool 27 in den Stabilisierungspool 39 und in den Wachstumspool 45 wieder hergestellt werden.
Im Vergleich zu herkömmlichen Kristallziehvorrichtungen hat die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung mehrere Vorteile. Die Basis und der feste Siliziumträger ermöglichen es, dass die Ziehvorrichtung ohne einen Schmelztiegel betrieben werden kann (d.h. ohne einen Behälter mit einem Boden und einer Seitenwand, der herkömmlicherweise aus Siliciumdioxid besteht). Weil das geschmolzene Silicium in Kontakt mit dem festen Siliziumträger ist, anstatt in Kontakt mit einem Tiegel (z.B. Siliziumoxidtiegel, der Sauerstoff enthält), tritt weniger oder kein Sauerstoff in die Schmelze ein. Es ist weniger Sauerstoff verfügbar, um mit Kohlenstoff zu reagieren, so dass Kohlenstoffoxide entstehen, die in geschmolzenem Silizium löslich sind. Weniger gelöster Sauerstoff und Kohlenstoff ermöglichen die Herstellung eines Ingots mit weniger Sauerstoff und Kohlenstoff. Solche Ingots, die durch Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung hergestellt werden, können weniger als etwa 3 ppm Sauerstoff aufweisen, und in einigen Ausführungsformen enthält der resultierende Ingot Sauerstoff in einer Menge, die unter der Nachweisgrenze von Sauerstoff liegt. Alternativ oder zusätzlich können die Ingots weniger als etwa 0,001 ppm Kohlenstoff enthalten und können sogar Kohlenstoff in einer Menge unterhalb der Nachweisgrenze von Kohlenstoff enthalten.
Durch Verwendung eines kontinuierlichen Prozesses kann ein gleichmäßiger axialer und radialer Widerstand durch kontinuierliches Dotieren erreicht werden. Wenn Sauerstoff in dem Ingot erwünscht ist, obwohl kein Sauerstoff durch den Tiegel in das System eingeführt wird, kann die Schmelze mit Oxiden dotiert werden, um eingewachsenen Sauerstoff zu erzeugen und zu regulieren.
Weniger Sauerstoff in der Schmelze ermöglicht die Bildung von weniger Siliziumoxid (SiO), wobei SiO mit kohlenstoffhaltigen Systemkomponenten im Abgas reagieren kann, was zu weiterer CO- und SiC-Bildung führt, die die Lebensdauer von Systemkomponenten wie zum Beispiel Heizvorrichtungen verringern können. Weniger SiO im System kann es ermöglichen, dass einige Systemkomponenten, wie etwa Abgasfiltrationssysteme, Vakuumpumpen und Inertgasdurchflussregler, in der Größe reduziert oder weggelassen werden. Durch Reduzieren von Sauerstoff aus der Schmelze können die Systemkomponenten aufgrund von weniger SiO-Verschmutzung länger arbeiten, und das kontinuierliche System kann länger arbeiten, so dass die Betriebskosten verringert werden.
Durch Reduzieren oder Eliminieren des Kontakts der Schmelze mit einem sauerstoffhaltigen Schmelztiegel tritt weniger Sauerstoff in die Schmelze ein und der Systemdruck muss nicht so niedrig eingestellt werden wie bei herkömmlichen Systemen (z.B. unter 66,6 mBar (50 Torr), in denen der Druck relativ niedrig ist, damit Sauerstoff aus der Schmelze herausdiffundieren kann. Da weniger Sauerstoffausdiffusion benötigt wird, kann das System bei einem höheren Druck betrieben werden, was ermöglicht, dass die Strömungsrate von Inertgas (z.B. Argon) verringert wird weil bei dem höheren Druck mehr Gas vorhanden ist.
Die Kristallziehvorrichtung weist Trennwände auf, die sich nach unten zur Schmelze hin erstrecken Die Trennwände wirken so, dass sie Gas zur Oberfläche der Schmelze zwingen und die Geschwindigkeit des Gases (das in Vakuumsystemen spärlich vorhanden ist) erhöhen, um Partikel aus dem Wachstumspool, dem Stabilisierungspool und dem Schmelzpool wegzubewegen. Die Verwendung eines zweiten Gaseinlasses zwischen einer inneren und einer äußeren Trennwand trägt dazu bei, die Gasgeschwindigkeit aufrechtzuerhalten, wenn sich Gas über den zunehmenden Kristallziehquerschnitt nach außen bewegt. In Ausführungsformen, in denen die Kristallziehvorrichtung eine Basis aufweist, die sich zu ihrer Mitte hin nach unten neigt, können die Abstände zwischen der Basis und dem Wachstumspool, dem Stabilisierungspool und dem Schmelzpool einheitlicher sein, was zu einer gleichmäßigeren Erwärmung der Pools führt.
Wie hierin verwendet, sollen die Ausdrücke „etwa“, „hauptsächlich“, „im Wesentlichen“ und „ungefähr“, wenn sie in Verbindung mit Bereichen von Dimensionen, Konzentrationen, Temperaturen oder anderen physikalischen oder chemischen Eigenschaften oder Charakteristika verwendet werden, Variationen umfassen, welche innerhalb den oberen und/oder unteren Grenzen der Bereiche der Eigenschaften oder Charakteristika existieren, einschließlich von zum Beispiel Variationen, die sich aus Rundungen, Messmethoden oder anderen statistischen Variationen ergeben.
Wenn Elemente der vorliegenden Offenbarung oder die Ausführungsform(en) davon beschrieben werden, sollen die Artikel „ein“, „ein“, „der/die/das“ und „dieser/diese/dieses“ bedeuten, dass eines oder mehrere der Elemente vorhanden sind. Die Begriffe „umfassend“, „einschließlich“, „enthaltend“ und „mit“ sollen umfassend sein und bedeuten, dass es andere Elemente als die aufgelisteten Elemente geben kann. Die Verwendung von Begriffen, die eine bestimmte Orientierung angeben (z. B. „oben“, „unten“, „Seite“ usw.) dient der Einfachheit der Beschreibung und fordert keine spezifische Orientierung des beschriebenen Gegenstands.

Claims

Eine Kristallzüchtungsvorrichtung für die kontinuierliche Herstellung eines Siliziumingots aus einer Siliziumschmelze, wobei die Vorrichtung eine vertikale Ache hat und ein Siliziumingot relativ zu dieser Ache nach oben gezogen wird, die Kristallzüchtungsvorrichtung umfassend: eine Basis zur Aufnahme eines festen Siliziumträgers, welcher eine obere Oberfläche hat, die so geformt ist, dass sie einen Silizium-Schmelzpool, einen Silizium-Stabilisierungspool und einen Silizium-Wachstumspool aufnehmen kann; einen Speisereinlass, um eine kontinuierliche Quelle für Siliziummaterial in den Silizium-Schmelzpool einzubringen; eine erste ringförmige Heizvorrichtung, die über dem Silizium-Schmelzpool angebracht ist, um das Siliziummaterial zu schmelzen, oder um das Siliziummaterial in einem geschmolzenen Zustand zu erhalten; eine zweite ringförmige Heizvorrichtung, die über dem Silizium-Stabilisierungspool angebracht ist, wobei sich die zweite ringförmige Heizvorrichtung innerhalb der ersten ringförmigen Heizvorrichtung befindet; wenigstens eine dritte ringförmige Heizvorrichtung, die über dem Silizium-Wachstumspool angebracht ist, wobei sich die dritte ringförmige Heizvorrichtung innerhalb der zweiten ringförmigen Heizvorrichtung befindet; eine Isolierung, welche sich über die Heizvorrichtungen erstreckt; eine äußere Trennwand, welche sich von der Isolierung nach unten erstreckt, zwischen der ersten ringförmigen Heizvorrichtung und der zweiten ringförmigen Heizvorrichtung, um Gas dazu zu zwingen, über eine Oberfläche des geschmolzenen Siliziums zu strömen; eine innere Trennwand, welche sich von der Isolierung nach unten erstreckt, zwischen der zweiten ringförmigen Heizvorrichtung und der dritten ringförmigen Heizvorrichtung, um Gas dazu zu zwingen, über eine Oberfläche des geschmolzenen Siliziums zu strömen; einen ersten Gaseinlass in Fluidkommunikation mit einer Öffnung in der Isolierung, durch die der Ingot nach oben gezogen wird; und einen zweiten Gaseinlass, welcher Gas in einen Raum abgibt, der durch die äußere Trennwand und die innere Trennwand gebildet wird.
Die Kristallzüchtungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Basis eine Mitte und eine Umfangskante umfasst, wobei die Basis so konturiert ist, dass sie der Form von wenigstens einem von Silizium-Schmelzpool, Silizium-Stabilisierungspool und Silizium-Wachstumspool entspricht, oder von der Umfangskante zu ihrer Mitte hin abwärts verläuft.
Die Kristallzüchtungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2 in Kombination mit dem festen Siliziumträger, wobei der Träger eine obere Oberfläche hat, die so geformt ist, dass sie den Silizium-Schmelzpool, den Silizium-Stabilisierungspool und den Silizium-Wachstumspool aufnehmen kann.
Die Kristallzüchtungsvorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei der feste Siliziumträger eine äußere Kante des Schmelzpools und eine innere Kante des Schmelzpools umfasst, wobei die innere Kante relativ zu der vertikalen Ache niedriger als die äußere Kante ist, um es geschmolzenem Silizium zu ermöglichen, über die innere Kante aus dem Silizium-Schmelzpool in den Stabilisierungspool zu fließen.
Die Kristallzüchtungsvorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei der feste Siliziumträger eine äußere Kante des Stabilisierungspools und eine innere Kante des Stabilisierungspools umfasst, wobei die innere Kante relativ zu der vertikalen Ache niedriger als die äußere Kante des Schmelzpools ist, um es geschmolzenem Silizium zu ermöglichen, über die innere Kante aus dem Silizium-Stabilisierungspool in den Silizium-Wachstumspool zu fließen.
Die Kristallzüchtungsvorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei die innere Kante des Schmelzpools und die äußere Kante des Stabilisierungspools dieselbe Kante sind.
Die Kristallzüchtungsvorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei der feste Träger eine Wachstumspool-Vertiefung umfasst, um den Silizium-Wachstumspool aufzunehmen, und wobei sich die Vertiefung innerhalb der inneren Kante des Stabilisierungspools befindet.
Die Kristallzüchtungsvorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei die äußere Kante und innere Kante des Schmelzpools eine ringförmige Schmelzpool-Vertiefung zwischen der äußeren Kante und der inneren Kante definieren, wobei die Schmelzpool-Vertiefung eine Tiefe hat, welche der vertikale Abstand von der äußeren Kante zum Boden der Schmelzpool-Vertiefung ist, wobei die äußere Kante und innere Kante des Stabilisierungspools eine ringförmige Stabilisierungspool-Vertiefung zwischen der äußeren Kante und der inneren Kante definieren, wobei die Stabilisierungspool-Vertiefung eine Tiefe hat, welche der vertikale Abstand von der äußeren Kante des Schmelzpools zum Boden der Stabilisierungspool-Vertiefung ist, wobei der Wachstumspool-Vertiefung eine Tiefe hat, welche der vertikale Abstand von der äußeren Kante des Schmelzpools zum Boden der Wachstumspool-Vertiefung ist, wobei die Tiefe des Wachstumspools größer ist als die Tiefe der Schmelzpol-Vertiefung und die Tiefe der Stabilisierungspool-Vertiefung.
Die Kristallzüchtungsvorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Basis (1) Kühlkanäle umfasst, die darin ausgebildet sind, um die Basis zu kühlen, (2) in thermischem Kontakt mit einer Kühlkammer ist, um Wärme mit der Basis auszutauschen.
Die Kristallzüchtungsvorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Vorrichtung keine Heizvorrichtung unterhalb der Basis umfasst.
Die Kristallzüchtungsvorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Basis aus Siliziumcarbid, Kohlenstoff, Graphit, Graphitisolierung oder feuerfesten Metallen besteht.
Die Kristallzüchtungsvorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Vorrichtung keine sauerstoffhaltigen Tiegel umfasst.
Ein Verfahren zur Züchtung eines Siliziumingots in der Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 12, das Verfahren umfassend: Kontinuierliches Zuführen einer Quelle für Siliziummaterial in den Siliziumschmelzpool; Betreiben der ersten ringförmigen Heizvorrichtung, so dass Siliziummaterial geschmolzen wird, oder dass das Siliziummaterial in einem geschmolzenen Zustand erhalten wird, wobei geschmolzenen Silizium aus den Schmelzpool über eine Kante in den Stabilisierungspool fließt; Betreiben der zweiten ringförmigen Heizvorrichtung, so dass eine Temperatur im Stabilisierungspool aufrechterhalten wird, wobei geschmolzenes Silizium aus dem Stabilisierungspool über eine Kante in den Wachstumspool fließt; und Betreiben der dritten ringförmigen Heizvorrichtung, so dass die Ingot-Wachstumsbedingungen kontrolliert werden, wobei der Ingot aus dem Wachstumspool nach oben gezogen wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei die erste ringförmige Heizvorrichtung, die zweite ringförmige Heizvorrichtung und die dritte ringförmige Heizvorrichtung kontinuierlich betrieben werden.