DE1289950B - Vorrichtung zum Ziehen von Halbleiterkristallen - Google Patents

Vorrichtung zum Ziehen von Halbleiterkristallen

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DE1289950B
DE1289950B DE1963S0086355 DES0086355A DE1289950B DE 1289950 B DE1289950 B DE 1289950B DE 1963S0086355 DE1963S0086355 DE 1963S0086355 DE S0086355 A DES0086355 A DE S0086355A DE 1289950 B DE1289950 B DE 1289950B
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DE
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crucible
melt
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conductive
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DE1963S0086355
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English (en)
Inventor
Dr Heinz
Henker
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/14Heating of the melt or the crystallised materials

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Liquid Deposition Of Substances Of Which Semiconductor Devices Are Composed (AREA)

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Ziehen von Halbleiterkristallen aus einer in einem wenigstens teilweise stromdurchflossenen Tiegel gehalterten Halbleiterschmelze.
  • Gewöhnlich wird zum Ziehen von Halbleiterkristallen aus der Schmelze nach Czochralski ein aus leitendem Material, wie hochreinem Graphit, bestehender Schmelztiegel verwendet, der sich im Induktionsfeld einer ihn umgebenden Induktionsspule auf die zum Schmelzen eines eingebrachten halbleitenden Materials und Ziehen des Kristalls aus der Schmelze erforderliche hohe Temperatur erhitzt.
  • Nun ist die Maßnahme einer wirkungsvollen induktiven Beheizung des Tiegels mit der Anwendung von Hochfrequenz und deshalb einem beträchtlichen technischen Aufwand verbunden. Einfacher wäre die Anwendung einer Beheizung, bei der der Heizstrom unmittelbar dem Elektrizitätsnetz entnommen und an die Tiegelwand kontaktierenden Elektroden gelegt werden könnte.
  • Ein bekanntes Verfahren dieser Art zum Schmelzen von Metallen und Metallegierungen durch elektrische Widerstandsbeheizung, bei der der Spannungsabfall ausschließlich in einer elektrisch leitenden Schlackenschicht erfolgt, sieht vor, daß das Schmelz-Bei gut oberhalb einem solchen der Schlackenschicht Verfahren wird jedoch geschmolzen nur ein wird Teil ' der die Schmelze umgebenden Begrenzung vom elektrischen Strom durchflossen, so daß die Aufheizung der Schmelze ungleichmäßig wird. Außerdem bedeutet die Anwesenheit einer solchen Schlacke eine Gefahr für ein störungsfreies, einkristallines Wachstum des zu ziehenden Kristalls, weil sich leicht Partikel einer solchen Schlacke loslösen und in der Schmelze als Störkeime wirken können.
  • Zur Vermeidung dieser Nachteile und im Interesse der Erzielun- eines noch höheren Wirlun2sLrades der Beheizung ist bei einer Anordnung gemäß der Erflndung vorgesehen, daß die überall stromdurchflossene, gegen die Schmelze elektrisch isolierte Tiegelwand aus mindestens zwei als Heizelemente ausgebildeten, das Schmelzgut aufnehmenden, eine Mulde bildenden Teilen besteht, die hintereinander und/oder parallel geschaltet leitend mit den Polen einer Stromquelle verbunden sind.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also im Gegensatz zum bekannten die Tiegelwand ganz vom Strom durchflossen, von der Schmelze elektrisch isoliert und auch in mehrere Sektoren geteilt, die als Heizelemente ausgebildet sind und eine gute Heizwirkung trotz ihres relativ geringen spezifischen Widerstandes ergeben.
  • Die Erfindung soll an Hand der F i g. 1 und 2 näher beschrieben werden, wobei in F i g. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform und in F i g. 2 ein Meridianschnitt einer anderen Ausführungsforin einer Vorrichtung zum Schmelzen eines Halbleiters entsprechend der Lehre der Erfindung dargestellt ist.
  • Bei der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung wird das Schmelzgut von einem z. B. aus Quarz oder ähnlichem Stoff bestehenden muldenförmigen Einsatz 1 aufgenommen. Dieser muldenförmige Einsatz wird von den stromführenden leitenden Teilen 2 getragen und kann gegebenenfalls mit deren Oberfläche in Form eines Überzuges fest verbunden sein. In diesem Fall kann die Isolierschicht so dünn sein, daß sie allein nicht in der Lage ist, bei der Schmelztemperatur die Schmelze zu tragen. Die Leitergebilde 2 sind »U«-förmig gestaltet, so daß sie einen meridionalen Schlitz 2 b zwischen ihren Schenkeln aufweisen, und konzentrisch zur Achse des isolierenden Einsatzes 1 derart angeordnet, daß sie den Einsatz tragen. Die 6 Leitergebilde 2 bilden, in der aus der F i g. 1 ersichtlichen Weise zusammengesetzt, in ihrem oberen Teil 2 a eine tiegelartige Mulde, deren Wand durch 6 meridionale Schlitze aufgeteilt ist. Diese Teile 2 bilden den leitenden Tiegel, der wie im Beispielsfalle noch einen isolierenden Einsatz 1 aufnehmen kann. Wie aus F i g. 1 ferner ersichtlich, sind die leitenden Teile 2 durch elektrische Leitungen 3 hintereinander geschaltet und werden von einer Stromquelle 4 gespeist. Die in F i g. 1 dargestellte Ausgestaltung der leitenden Teile 2 führt dazu, daß die Flußrichtung des Stromes in der leitenden Tiegelwand in erheblichem Ausmaß in den Meridianebenen der Tiegelwandung fließt, so daß die Magnetfelder in der Schmelze von denen der induktiven Beheizung der bekannten Tiegel merklich verschieden sind. Da man einem solchen Leitergebilde eine beliebige Dicke und damit eine beliebige Widerstandsverteilung geben kann, ist es möglich, Temperaturverteilungen zu schaffen, die mit Hochfrequenzheizung nicht möglich sind. Der isolierende Einsatztiegel wird, um unnötige Wärmeverluste zu vermeiden, möglichst dünnwandig gewählt. Das gleiche gilt für eine auf der leitenden Tiegelwand (d. h. den Teilen 2) festhaftenden Isolierschicht. Falls das Material der leitenden Teile oder deren Oberfläche gegen das halbleitende Schmelzgut und umgekehrt genügend resistent ist, so kann auf den Einsatz 1 bzw. auf eine ihm entsprechende Schutzschicht verzichtet werden. Die Schlitze in der Wand des Schmelztiegels brauchen dann, wenn die Schlitze genügend schmal bemessen sind, nicht unbedingt abgedichtet werden. Für eine solche Abdichtung kommt natürlich nur reines, isolierendes Material in Betracht, welches, wie auch die anderen Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung, nicht zu einer Verunreinigung des Halbleiters führen dürfen. Ein solcher Dichtungsstoff kann auch als isolierender Kitt dienen, der die leitenden, stromdurchflossenen Teile zu einem Tiegel zusammenhält.
  • Eine andere Ausführungsforrn ist in F i g. 2 dargestellt. Der die Schmelze 6 aufnehmende isolierende Einsatz 1 wird in seinem zentralen Teil von einer Stütze 5 getragen, während die vom Heizstrom durchflossenen, leitenden T -eile 2 den Tiegel nur an seinen Randteilen stützen. Die den leitenden Tiegel bildenden Teile haben im Gegensatz zur Anordnung nach F i g. 1 nicht nebeneinander angeordnete, sondern radial hintereinander angeordnete Schenkel, was im Interesse der Reduktion des radialen Wärmeflusses und damit einer Vergleichmäßigung der Temperatur an der Ziehstelle günstig ist. Die der Stromzufuhr dienenden Teile sind in F i g. 2 nicht gezeigt. Die Teile 2 können zu diesem Zwecke sowohl parallel-oder hintereinandergeschaltet mit einer Stromquelle verbunden werden.
  • Es ist auch möglich, die in F i g. 2 angedeuteten Sektoren 2 nahezu bis zur Mitte zu führen, so daß die mittlere Stütze 5 wegfallen kann.
  • Da die Temperatur mit der Stromdichte anwächst kann durch entsprechende Variation des stromdurchflossenen Querschnittes an einzelnen Stellen der Tiegelwand eine gegenüber dem übrigen Teil der Tiegelwand stark unterschiedliche Temperatur erzeugt werden. Das gleiche ist der Fall, wenn bei Verwendung eines Einsatztiegels 1 die stromführenden Teile den Einsatz nur stellenweise berühren. Bei einer Anordnung nach F i g. 2 ist dementsprechend der mit dem (unbeheizten) Stützglied 5 in Berührung stehende Teil des Einsatztiegels 1 und damit die angrenzende Schmelze erheblich kühler als die den Berührungsstellen des Einsatzes 1 und den leitenden Teilen 2 benachbarte Schmelze. Eine große Anzahl von mit schmalen Schlitzbreiten nebeneinander angeordneten Teilen 2 führt zu einer besonders intensiven Aufheizung. Andererseits kann man durch äußere Nebenschlüsse, die nach Art von Shunts die leitenden Teile 2 überbrücken, das Temperaturfeld in der Schmelze weiter beeinflussen.
  • Da man einen solchen Tiegel meist aus Graphit herstellt und zur Erreichung einer genügenden Festigkeit die Wandstärke nicht zu dünn wählen darf, ist der Widerstand eines solchen Segmentes relativ klein. Durch eine Aufteilung in viele Segmente, die man hintereinanderschalten kann, ist es möglich, einen genügend hohen Widerstand des gesamten Tiegels zu schaffen, so daß bei vorgegebener Heizleistung der benötigte Strom klein bleiben kann. Bei höheren Heizströmen macht die Zuleitung dieser Ströme Schwierigkeiten.
  • Die leitenden Teile 2 des Tieuels können aus entsprechend temperaturbeständigem Metall, aus halbleitendem Heizwiderstandsmaterial oder aus Kohle, z. B. aus Graphit, bestehen. Die verbindenden Leitungen 3 können durch getreiinte, eventuell gekühlte Bügel aus Metall oder Kohle bestehen. Solche aus sektorartigen aneinandergesetzten Teilen bestehende Schmelztiegel können auf verschiedene Weise hergestellt werden. Man formt (z. B. mittels einer Drehbank) einen kompakten, aus leitendem Material bestehenden Tiegel, z. B. einen Tiegel, dessen Mulde der Außenfläche des zu verwendenden Einsatzes angepaßt ist, und zersägt diesen in Sektoren, die dann mittels einer Führung oder Halterung (meist aus Isolierstoff) unter Beachtung der nötigen Isolation wieder zusammengesetzt werden. Beim Bruch eines solchen Tiegels kann man die Sektoren einzeln austauschen.
  • Der durch direkten Stromdurchgang, insbesondere einer Gleichstrom- oder einer niederfrequenten Wechselstromquelle, bringt im Vergleich zu einer Hochfrequenzbeheizung oder zur Heizung mittels einer stromdurchflossenen Graphitspirale eine erhebliche Energieerspamis. Experimente zeigten, daß mit einem gemäß der Erfindung hergestellten Tiegel mehr als 50% Energie eingespart werden konnten. Außerdem braucht der Sektorentiegel nur bis etwas über den Schmelzpunkt des Schmelzgutes erwärmt werden, während eine Graphitheizspirale, um den inneren Tiegel durch Strahlung heizen zu können, wesentlich höher als die Schmelztemperatur des Schmelzgutes erhitzt werden muß. Daher können leicht Verunreinigungen aus dieser Spirale in die ältere Schmelze dampfen.

Claims (2)

  1. Patentansprüche: 1. Vorrichtung zum Ziehen von Halbleiterkristallen aus einer in einem wenigstens teilweise stromdurchflossenen Tiegel g ehaltenen Halbleiterschmelze, dadurch gekennzeichnet, daß die überall stromdurchflossene, gegen die Schmelze(6) elektrisch isolierte Tiegelwand(2a) aus mindestens zwei als Heizelemente ausgebildeten, das Schmelzgut aufnehmenden, eine Mulde bildenden Teilen besteht, die hintereinander und/ oder parallel geschaltet leitend mit den Polen einer Stromquelle (4) verbunden sind.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die stromdurchflossene Tiegelwand bildenden leitenden Teile (2, 2 a) sektorartig angeordnet sind. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung zwischen Schmelzgut (6) und stromführender Tiegelwand (2 a) aus Quarz besteht. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden, die Tiegelwand bildenden Teile (2, 2 a) zweischenkelig ausgebildet sind, wobei der die beiden Schenkel trennende Schlitz (2 b) etwa mit einer Meridianebene des Tiegels zusammenfällt. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden, die Tiegelwand bildenden Teile (2, 2 a) im Bereich der unmittelbaren Tiegelwand durch Shunts zwecks Erzielung bestimmter Temperaturverteilungen miteinander leitend verbunden sind.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3530231A1 (de) * 1984-08-24 1986-02-27 Sony Corp., Tokio/Tokyo Vorrichtung zum ziehen von einkristallen

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE541333C (de) * 1928-05-21 1932-01-11 Karl Gustaf Wennerstroem Verfahren und elektrischer Ofen zum Schmelzen von Metallen und Metallegierungen

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