DE1619966A1

DE1619966A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Zuechten von Halbleiterkristallen

Info

Publication number: DE1619966A1
Application number: DE19671619966
Authority: DE
Inventors: Dohmen Hubert Gerardus
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1966-10-14
Filing date: 1967-10-13
Publication date: 1970-07-30
Also published as: NL6713869A; DE1619966C3; US3511610A; GB1157224A; BE705114A; DE1619966B2

Description

dr. M0LLERVbOR£ DIPCiKiG. GRALFS ε*

. dr. MANiTZ dipl.-chem. dr. DEIfFEL.'..■' ν · 99 OQ

PATENTANWÄLTE .

11. 10. 1967 En/Pa - G 1664

General Motors Corporation Detroit, Mioh., USA

Verfahren Und Vorrichtung zum Züchten von Halbleiljer-

kristallen /

Si« Erfindung besieht «ich auf das Züchten von Halbleiterkristallen, insbesondere Siliciumeinkristallen, unter Väkuumbedingungen.

Das Züchten von Halbleiterkri stallen, beispielsweise

^: - ^: I ■ ■■ ■ ■■■■■■■ ■"- ^!

Silieiuneinkristallen unter Vaki|umbedingungen_f gibt AnIaO

zu Problemen durch die Tatsache, daß unter solchen Bedingungen ein wesentlicher Verdampfungegrad von geschmolzenem Halbleiterstoff auftreten kann, insbesondere wenn der Schmelzpunkt dea betreffenden Halbleiters, wie im Falle von Silicium, hoch ist. Übermäßige Verdampfung der

1/ 1372 BAD

Si^lciumschmelz« kann zur Zwillinge bildung Anlaa geben, während der Kristall gezüchtet wird. Das heißt, die Bildung einer zweiten unterschiedlich orientierten Wacheturnesteilβ bei einem Kristall, der gesucht et wird, führt zum Nachwachsen von zwei Kristallen in einem Körper anstelle you einem. Der Effekt scheint die Folge der Kondensation des Halbleiterdampfes in kühleren Zonen des Kristallzuchtapparatee zu sein, was zur Bildung fester Teilchen führt, die nachher in die Schmelze zurücktropfen und zur Grenzfläche zwischen dem Kristall, der gezüchtet wird und der Schmelze wandern, wo sie sich an den Kristall anlagern und eine neue Stelle bilden, an der dann weiteres Kristallwachstum erfolgen kann, das Zwillingsbildung zur Folge hat. Wenn das auftritt, muß der kristalline Körper wieder geschmolzen und der Kristallzüchtungsprozeß wieder angefangen werden.

Gemäß der Erfindung wird die Zwillingsbildung eines im Wachsen befindlichen Halbleiterkristalls durch die Anwendung eines Verfahrens und eines Gerätes unterbunden, durch die die Halb^eiterschmelzdämpfe im wesentlichen gehindert werden zu kondensieren und Teilchen zu bilden, die danach in die Schmelze zurückfallen und auf den erwünschten Kristall züchtungsprozeß störend einwirken wurden.

Für diestn Zweck wird gemäß der Erfindung jede verdampfte Schmelze, während sie in einer Lage ist, in der sie - wenn

BAD

0 09831/137 2 _ ₃ _

1819966

eie kondensierte - feet« Teilchen bilden würde, die nährend des Wachsen« der Kristall· in di· Schmelze zurücktropfen kennten, in einem Dampf zustand gehalten* Bas Gerät gemäß der Erfindung ermöglicht es, nährend des Kristallzüchtungsprozesses einen hohen Halbleiterpartialdruck über der Oberfläche der Halbleiterselmelze herzustellen und aufrecht «uerhal ten* Die Verdampfung der Halbleiterechmelze wird dadurch unterdrückt und die TeilehenMldung, die auf den KristallzüchtungeprozeS störend einwirken könnte, entsprechend herabgesetzt. Durch die Anwendung eines Abdeckteils, das über der Schmelze angebracht is't und eine Öffnung hat, durch die der Kristall aus der Schmelze gezogen wird, wird die Verdampfung unterdrückt und der erwünschte Partialdruok über der Oberfläche der Schmelze aufrechterhalten. Wenn feste Teilchen aus der verdampften Schmelze kondensieren, neigen sie bei einer aolohen Anordnung dazu, auf die Abdeokung anstatt in die Schmelz« zurückzufallen, und daher das Waohsen dee Kristalle nicht ungünstig zu beeinflussen. ,- :■ ;" . . :■ : \' / ;;' ..■ _:__: ■ ■

Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben, in dieser zeigenί

Fig. 1 scheaatisch einen senkrechten Schnitt «iner bevorzugten A\iefUhrungeform eines Vakuum-Kristallzuchtapparates gemäß der Erfindung} '

009831/1372

BAD ORiQlNAL

- 1819966

Pig. 2 eine Draufsicht der Abdeckung eines Schmelztiegels des in Pig. 1 gezeigten Gerätes und

- Pig. 3 schematisch einen senkrechten Schnitt einer abgewandelten Ausfiihrungsform des in Pig. 1 gezeigten Gerätes.

Das in Fig. 1 gezeigte Gerät enthält einen Vakuumofen, der eine senkrechte Wandung 10 aus rostfreiem Stahl mit Endplatten 12 und 14 aus Stahl aufweist, in denen sich ein Widerstandsheizkörper 16 aus Graphit befindet. Ändere Ausführungen der Heizung können ebenfalls angewendet wer-* den. Sin zylindrischer Wärmerückstrahler 18 aus Quarz let zwischen dem Heizkörper 16 und der Ofenwandung 10 angeordnet. Ein Graphit schmelz tiegel 22 mit einem Schmelztiegelfutter 24 aus Quarz, in dem eine geschmolzene Halb-» leiterschmelze 26 gezeigt ist, ruht auf einem Graphit» träger 20 auf der unteren Endplatte 14. Eint Schmelz* ti egelabd eckung 28 ruht auf dem oberen Hand des Sehmelstiegelfutters 24 und hat eine zentrische öffnung 30, durch die ein Halbleitereinkristall aus der Schmelze gezogen wird. Der Einkristall wird durch progressive einkristalline Erstarrung auf einem Kristallkeim 32 gebildet, der von einem Keimhalter 34 gehalten wird, der mit einer nicht dargestellten Kristallziehvorrichtung durch eine Stange

- 5 ~ 00983 1/1372

BAD ORIGINAL

verbunden ist, die durch die obere Ofenendplatte 12 hindurchführt. Zwischen der Stange 36 und der oberen Endplatte 12 sind nicht dargestellte Dichtungen angeordnet, um die Erhaltung eines befriedigenden Grades an Vakuum innerhalb des Ofens sicherzustellen'. Ein Durchlaß 40 in der Ofenseitenwandung 10 steht mit einer Vakuumquelle in Verbindung. Der Keimhalter 34 trägt ein horizontales Absohirmelement 38, das anfangs zusammen mit der Schmelztiegelabdeokung 28 dazu beiträgt,, die AbdeckungsÖffnung 30 während der kritischen Anfangsphasen, wenn der Kristallwuohs auf dem Kristallkeim von kleinem Durchmesser beginnt, abzuschirmen, bis der Kristalldurohmesser so angewachsen ist, daß er die Abdeckungsöffnung 30 nahezu ausfüllt.

Die SchmelztiegelaMeckungsöffnung 30 ist nur so groß, um dem im Wachsen befindlichen Kristall zu gestatten, hindurchzugehen. Die Anwendung einer öffnung von solchen Abmessungen hilft bei der Herabsetzung der Möglichkeit, daß irgendwelche Teilchen, die sich außerhalb des Schmelztiegels bilden, in die Schmelze 26 fallen. Da es notwendig ist, die Berührungsfläche zwischen dem wachsenden Kristall und der Schmelze 26 zu beobachten, um den Kris tall züchtungsprozeß zu kontrollieren, ist die Schmelztiegelabdeckung vorzugsweise mit einem oder mehr radialen Schlitzen 42 ausgebildet, die sich von der Abdeckungsöffnung weg er-

BAD ORIGINAL

009831/1372 ^Λ - 6 -

strecken, wie in Fig. 2 gezeigt. Sine Vielzahl solcher Schlitze erleichtert die Sicht auf den Kristall unter

jedem Winkel. -

Die Erstarrung des Schmelzstoffes auf der unteren Fläche der Abdeckung 28 wird verhindert durch das Halten der letzteren auf einer Temperatur, die nicht wesentlich unter der Temperatur der Schmelze liegt; das ist etwa die Schneizpunkttemperatur des Halbleiterstoffes. Im Falle von Silicium sollte die Temperatur der Abdeckung mindestens 1000° C, vorzugsweise nicht mehr als 1400° 0 sein,, um Schwierigkeiten zu vermeiden, die sich durch das Wiedereinschmelzen des frisch gewachsenen Kristalls und bei der Aufrechterhaltung der richtigen Temperatur der Schmelzet ergeben können.

Es wird vorgezogen, das Wärmefeld der Schmelze zu benutzen, um die Abdeckung 28 auf der gewünschten Temperatur zu halten, wodurch die Notwendigkeit einer getrennten Wärmequelle und einer getrennten Temperaturregelung vermieden werden/ Zu diesem Zweck ist die Abdeckung 28 anfangs so dicht wie möglich zur Oberfläche der Schmelze angeordnet, ohne mit ihr in Berührung zu kommen. Der ' enge Abstand hat den zusätzlichen Vorteil, den Bau» zwischen der Abdeckung und der Oberfläche der Schmelze, in

BAD ORiQiNAL

009831/1372 ~⁷"

den dl· Söhaelze verdampfen kaiin, zu verkleinern. Je näher die Abdeckung zur Oberfläche der Schmelze liegt, umso wirkungsvoll tr ist demgemäß die Verhütung der Verdampfung der Schmelze. Es wird vorgezogen, eine feste Stellung für die Abdeckung 28 su benutzen, us somit die zusätzliche Schwierigkeit einer Abdeckung zu vermeiden, die bewegbar let und Auf einen festen Abstand von der Oberfläche der Sekmelse gehalten wird, wenn die letztere während de« WtÄ&saai des Kristalle abfällt. Mit einem Gerät wie in Hf. t gezeigt, werden die besten Ergebnisse er-ImIten,, wenn der Acfmagsabstaad zwischen der Abdeckung unddtjr Oberfläche der Sehselse nicht grater als 6,35

Mit sli«»«r Anordnung ö«r SslaaelitiegilÄMiekung 28 fällt die f ts^ttfstar 4·γ Abdteicyag aioM wecentlieh unter die der 26, und se *efc£en *ie& kein· Teilchen an der bildes uud la Sie Schaelse «urUektröpfen. Da irgeadwtlch* Äel«küle, die au« d«r Oberfläche der

«atweichsa,, sieht mtrlrt^r irgendwelche Snergie v*rli#fen werden, w*nn si* auf die Abdeckung treffen, als la wesantliöhen dieselbe Seaperatur hat., werden sie im 2«apfK\istand swisefeea dsr Abdeskung und der Oberfläche Sö3u&«l«e !^,eibeei vmi einen' ausreichend hohen Partial- -

weitere Verdampfung von a^r Schmelze

BAD

tr

- 8 - ■

ot unterdrücken. Die Tatsaehe, daß der im Wachsen befindliche Kristall im Durchmesser nur wenig kleiner als die Äbdeckungsöffnung· 30 ist_y hilft beim Verhüten von Verlust aus der Schmelze durch Verdampfung.

In Ausübung der Erfindung mit dem zuvor beschriebenen Gerät wird der Kristall durch die Anwendung der normalen Technik für das Ziehen eines Einkristalls aus einer Halbleiterschmelze gezüchtet, beispielsweise durch die Czochralski Technik, bei der die Halbleiteröchmelze auf etwa der. Schmelzpunkttemperatur des Halbleiters gehalten, dann ein Kristallkeim zur Berührung mit der Schmelze niedergelassen und die Schmelze auf dem Kristallkeim abgeschieden wird. Ein einkristalliner Körper wird durch progressive einkristalline Erstarrung der Schmelze auf dem einkristallinen Keim gebildet.

Ein kleiner schmaler Kristallkeim 32 (Figuren 1 und 2) wird zur Berührung mit der Schmelze niedergelassen und ihm ermöglicht, leicht zurückzuschmelzen oder anzuschmelzen, um guten Oberflächonkontakt zwischen dem Kristall und der Schmelze zu sichern. Bei diesem Schritt ist der Schutzschild 38 an dem Keimhalter 34 gerade über der Abdeckungs-8fi.fnung 30 angeordnet, wobei der Kristallkeim wesentlich

009831/1372 - 9 -

im Snrcbm©ss@r als €i@ Öffnung 30 ist _? die groß genug sein maß, mi &&& Bu&rchlad des gewaeh.s©ß.©a Kristalls 2usi£L©ssen. Der SetatzscMlä 3S"wirkt' dalier dieser kritisehen Hiase der KristaXlgüektwig mit der kung 28' - susamtaien., -um Verlmst - äurcM. Verdampftmg ams Sölimelze land den Eintritt ¥on feilchgn in die;Schmelze dtarek die AMeckiaiigsöffnyng 30 %u

Das %wrü.ck&ohmelzML oder JbisetoEti©lz@n des Kristallkeims 32 wird dureh. leichtes Erhöhen!.der Suhmelztemperatur-bewirkt. Die lemperattur wird dann- h.eral>gesr&st und ä@y Kristallkeim langsam aus der Sehmslz® 26 mit einer Geseliwindigkeit oder - Hate im" Verhältnis zu Sor S-es0nwinä,igkeit ödtr Rate gezogen_fmit der ein einkristallines Gebilde am Ende des Kristallkeims 32 im Berührung mit der Schmelze geformt.-wird, Die Schmelztemperatur und die Gesehwindigkeit oder Rate., mit der der Kristall gezogen wird, werden dann abgestimmt, um den erwünschten einkristallinen. Block zu erhalten.

Palis gewünscht, kann der Kristall während der Kristallzüchtung gedreht werden. Bevor mit der Beheizung begonnen wird, wird der Ofen normalerweise auf. einen Düuck von 3 xW Torr evakuiert. Falls erwünscht, kann jedoch ein niedrigerer Grad des Vakuums angewendet werden, um einen Kristall von noch höherer Qualität zu erhalten, ohne auf

00983 1/1372

.- 10 -.

die Probleme zu stoßen, die für gewöhnlich mit der Kristallzucht unter äußeret niedrigen Druckbedingungen verbunden sind, während mit der Methode und dem Gerät, gemäß der Erfindung, Verdampfung der Schmelze noch bei den niedrigeren Brücken wirkungsvoll unterdrückt wird.

Pig. 3 zeigt eine Abwandimg des in Pig'. 1 gezeigten Gerätes., in der jedoch die Schmelztiegelabdeckung 28 nicht selber auf dem Schmelztiegelfutter 24 ruht. Die Abdeckung 28 ist über der Schmelze durch mehrere Stützteile 44 aufgehängt, von denen jedes einen sich radial erstreckenden Arm 46 aufweist, der auf dem oberen Band des Schmelztiegelfutters 24 aufliegt. Über der Abdeckung 28 ist ein Wärmeschutzschild 48 angeordnet. Dieser Doppelaufbau der Abdeckung wird in Pullen bevorzugt, in denen Strahlung von der oberen Pläche der Abdeckung 28 einen zu großen Wärmeverlust für den bevorzugten, zu haltenden Temperaturbereich erzeugt. In diesem Fall reflektiert der Wärmeschutzschild 48, wegen seines AbstShdes über der Abdeckung 28, Wärme zurück zur Abdeckung, um die letztere auf eine höhere Temperatur zu halten. In diesem Pail ist die Öffnung 30 in der Abdeckung 28 kreisförmig mä nicht radial geschlitzt und muß deshalb etwas größer sein als die Abdecklffnung 30* um die Sicht auf die Berührungsfläche des wachenden Kristalls zu erleichtern. Wahlweise können

BAD

- 11 009831/1372

ti

e, iio

-2

lee&ilfi «".. is - dor

g 28

-Itell .."is "wtsent Sas ia@lit anr '

werden

asm

Der Bloels

tut ©s

009831/1372

- Pateatanspriielie -

BAD ORIGINAL

Claims

Patentansprüche:

1. Gerät für das Züchten von Silicium-Einkristallen unter Vakuumbedingungen mit einem Gehäuse, das für den An- · Schluß an eine Vakuumquelle eingerichtet ist; einem Gefäß in dem Getäuse für die Aufnahme einer Siliciumsohmelze; Einrichtungen» um die Schmelze auf einer für Kristallzüchtung erforderlichen Temperatur zu halten und einer Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls aus der Schmelze an einer Berührungsfläche zwischen Kristall und Schmelze, gekennzeichnet durch eine Abdeckung (28) für die Schmelze (26), die so angeordnet ist, daß die Bildung fester Teilchen aus verdampfter Schmelze und das Zurücktropfen dieser Teilchen in die an die Berührungsfläche angrenzende Schmelze verhindert wird.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e ti , daß die Abdeckung (28.) eine Öffnung (30) aufweist, die nur geringfügig größer ist als der herzustellende Kristallblock und daß die Abdeckung während der Kristallzüchtung auf einer Temperatur über der Schmelzpunkttemperatur der Schmelze gehalten wird.

- 13 009831/1372

;■:■■ ; ■ 4619966

3* Gerät nach Anspruch 2, dadurch g e* k β η η ζ e i e h net, daß die Abdeckung (28) hinreichend nahe der Oberfläche der Schmelze während des Ziehens eines Kristalls aus der Schmelze angeordnet ist, um sie auf der gewünschten Temperatur durch das Wärmefeld der Schmelze zu halten.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η ze i c h -η et , daß die Vorrichtung für das Ziehen des Kristalls einen Schutzschild (38) für die Abdeckungsöffnung (30) aufweist, die so angeordnet ist, daß die Öffnung während der Anfangsphasen der Kristallzüchtung abgedeckt ist.

5. Gerät nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η ζ ei c h net, daß die Abdeckung ein zusammengesetzter Aufbau von zwei eng angeordneten oberen und unteren ringförmigen Teilen (28, 48) aus Molybdän ist, und daß die Öffnung (50) in dem oberen Teil größer ist als die Öffnung (30) in dem unteren Teil. / ____:.

6. Gerät nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η ze i c h η e t , daß die Abdeckungsöffnung (30) der Schmelze wenigstens einen Schlitz (42) aufweist, der sich von dieser radial erstreckt, um die Beobachtung der Berühr rungsfläehe der Kristallschmelze zu ermöglichen.

0 0 9831 /1372

7. Verfahren zur Züchtung von Siliciumeinkristallen unter Vakuumbedingungen, . gekennzeichnet durch Evakuierung eines Gehäuses auf einen Druck von weniger als 3 χ 10 Torr, Aufrechterhaltung einer Siliciumschmelze in dem Gehäuse auf einer Kristallzüchtungstemperatur, Ziehen eines einzelnen Kristalls aus dieser Schmelze und gleichzeitiger Haltung aller Teile des Gefäßes auf einer Temperatur, die nicht bedeutend geringer als die Schmelzpunkttemperatur des Siliciums während der Kristallzüchtung ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliciumdampfentwicklung durch Herstellung eines Siliciumdampf-Plüssigkeits- . Phasengleichgewichts in einem verhältnismäßig kleinen Bereich unmittelbar über der Oberfläche der Schmelze unterdrückt wird.

00983 1/ 137 2

Ik- ■

Leefseite