DE19538020A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Einkristallen aus Silicium - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von stabförmigen Silicium-Einkristallen mit großen Durchmessern, bei dem auf einem Impfkristall mit Hilfe einer ringförmigen Induktionsheizspule eine Schmelzkuppe aus flüssigem Silicium erzeugt wird, und der Impfkristall mit einer bestimmten Ziehgeschwindigkeit abgesenkt wird, wobei von der Schmelzkuppe stammendes Silicium auf dem Impfkristall zu einem Einkristall erstarrt. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Herstellung von Silicium-Einkristallen mit Hilfe einer Induktionsheizspule ist in der Fachwelt als "tiegelfreies Zonenziehen" ("FZ-Verfahren") bekannt. Ein Nachteil des Verfahrens ist der Umstand, daß die Masse des herzustellenden Einkristalls von der Masse des als Ausgangsprodukt verwendeten, polykristallinen Stabs ("Polystab") abhängig ist. Da es sich als vorteilhaft erwiesen hat, daß die Durchmesser des Polystabs und des herzustellenden Einkristalls im ungefähren Verhältnis von 1 : 1 stehen sollten, werden zur Herstellung von größeren Einkristallen auch Polystäbe mit größeren Durchmessern benötigt. Es ist jedoch feststellbar, daß von den Rändern großer Polystäbe mit Durchmessern ab 150 mm, die üblicherweise durch Abscheiden von Silicium auf einem sogenannten Dünnstab hergestellt werden, aufgrund der Sprödigkeit des Halbleitermaterials schon bei geringster mechanischer oder thermischer Belastung Teile absplittern können. Geschieht dies während des Ziehens eines Einkristalls, droht die Ausbildung von Versetzungen im Kristallgitter, so daß der Einkristall für elektronische Anwendungen unbrauchbar wird.

In der Patentschrift US-5,108,720 ist ein modifiziertes FZ- Verfahren beschrieben, bei dem an die Stelle eines Polystabs feine Siliciumteilchen als hauptsächliche Siliciumquelle zur Herstellung von Einkristallen treten. Diese werden aus einem Vorratsbehälter durch ein aus Silicium gefertigtes Führungsrohr in eine sich auf der Stirnseite eines wachsenden Einkristalls befindende Schmelzkuppe befördert. Die Kristallzüchtung wird dadurch eingeleitet, daß der Boden des Führungsrohrs zunächst geschmolzen wird, und anschließend das schmelzflüssige Material mit einem Impfkristall in Kontakt gebracht wird. Aus dem Versuchsbeispiel der genannten Patentschrift ist ersichtlich, daß sich das beschriebene Verfahren nur zur Herstellung von Einkristallen mit sehr kleinen Durchmessern eignet. Die Herstellung von Einkristallen mit Durchmessern von 50 mm und darüber ist mit wirtschaftlichen Ziehzeiten nach diesem Verfahren nicht möglich, weil die dafür von der Induktionsheizspule zu erbringende Heizleistung das aus Silicium bestehende Führungsrohr zum Schmelzen brächte. Beim Wegschmelzen des Führungsrohrs würde aber nicht nur das kontrollierte Nachchargieren von Silicium behindert, sondern auch die Gefahr erhöht, daß die Schmelzenmenge auf dem wachsenden Einkristall so zunimmt, daß ein Teil des schmelzflüssigen Siliciums am Rand des Einkristalls ausbricht und abläuft.

Eine weitere Variante des FZ-Verfahrens ist in der US- 5,367,981 beschrieben. Nachdem auf einem Impfkristall eine Schmelzkuppe erzeugt worden ist, wird der Impfkristall abgesenkt und der Schmelzkuppe festes Material in Form von Granulat zugeführt. Nachteilig an diesem Verfahren ist, daß das zugeführte Granulat der Schmelzkuppe Schmelzwärme entzieht. Von der Induktionsheizspule kann dieser Wärmeverlust insbesondere dann nicht ausgeglichen werden, wenn Einkristalle mit großen Durchmessern zu ziehen sind und die Menge an Granulat, die der Schmelzkuppe pro Zeiteinheit zugeführt werden muß, entsprechend hoch ist. In diesem Fall wird durch die Granulat-Zuführung das flüssige Schmelzkuppen-Material unterkühlt, spontane Keimbildung induziert und so das einkristalline Kristallwachstum beendet.

Es bestand daher die Aufgabe, ein modifiziertes FZ-Verfahren anzugeben, mit dem stabförmige Silicium-Einkristalle mit großen Durchmessern hergestellt werden können und mit dem die geschilderten Nachteile vermieden werden. Ferner bestand die Aufgabe darin, eine Vorrichtung anzugeben, die zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung von stabförmigen Silicium-Einkristallen mit großen Durchmessern, bei dem auf einem Impfkristall mit Hilfe einer ringförmigen Induktionsheizspule eine Schmelzkuppe aus flüssigem Silicium erzeugt wird, und der Impfkristall mit einer bestimmten Ziehgeschwindigkeit abgesenkt wird, wobei von der Schmelzkuppe stammendes Silicium auf dem Impfkristall zu einem Einkristall erstarrt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß festes Silicium in einer Schmelzstation geschmolzen wird und in flüssiger Form der Schmelzkuppe zugeführt wird.

Zunächst wird zwischen einem Opferkörper und einem Impfkristall eine Schmelzzone aus flüssigem Silicium erzeugt. Der auf dem Impfkristall aufliegende Teil der Schmelzzone bildet eine Schmelzkuppe. Beim Absenken des Impfkristalls erstarrt schmelzflüssiges Silicium an der Fest/Flüssig-Phasengrenze zum Impfkristall unter Bildung eines wachsenden Einkristalls. Der Schmelzkuppe wird flüssiges Silicium zugeführt, um den Verbrauch an Silicium, der durch das Wachsen des Einkristalls bedingt ist, auszugleichen.

Der Opferkörper liegt in einem, vorzugsweise trichterförmigen Behälter, der oberhalb der Induktionsheizspule angeordnet ist. Prinzipiell ist als Opferkörper ein beliebiger Formkörper aus mono- oder polykristallinem Silicium geeignet, wobei er vorzugsweise der Form des Behälters angepaßt ist. Als Induktionsheizspule wird vorzugsweise eine tellerförmige Flachspule mit zentralem Innenloch verwendet. Der Boden des Behälters weist eine Öffnung auf, die als Düse ausgebildet ist und gegebenenfalls mit einem überlauf verbunden ist, durch den das flüssige Silicium dosiert in die Düse gelangt.

Zum Erzeugen einer Schmelzzone aus flüssigem Silicium zwischen dem Opferkörper und dem Impfkristall wird der Opferkörper erhitzt, damit sich an seiner Unterseite ein Schmelztropfen bildet. Dafür wird der Opferkörper zunächst mit Hilfe einer im FZ-Verfahren gebräuchlichen Vorheizung auf ca. 600°C vorerhitzt. Wenn dies geschehen ist, wird der Schmelztropfen mit Hilfe der Induktionsheizspule erzeugt. Anschließend wird der Impfkristall, der an der Spitze einer Ziehwelle befestigt ist, von einer Position unterhalb der Induktionsheizspule angehoben und durch das Innenloch der Induktionsheizspule geführt, bis er schließlich in den Schmelztropfen taucht. Das schmelzflüssige Silicium zwischen dem Opferkörper und dem Impfkristall bildet die, noch kleine Schmelzzone. Die eigentliche Herstellung eines Einkristalls wird dadurch eingeleitet, daß der Impfkristall mit einer bestimmten Geschwindigkeit (Ziehgeschwindigkeit) abgesenkt wird. Üblicherweise wird er dabei um seine Längsachse gedreht. Dabei vergrößert sich die Schmelzzone und erstreckt sich schließlich von der Unterseite des Opferkörpers durch das Innenloch der Induktionsheizspule bis zur Fest/Flüssig- Phasengrenze auf der Stirnseite des wachsenden Einkristalls, wo sie eine Schmelzkuppe ausbildet. Beim Absenken erstarrt von der Schmelzkuppe stammendes Silicium an der Fest/Flüssig-Phasengrenze zum Impfkristall unter Bildung des wachsenden Einkristalls. Der Bedarf an flüssigem Silicium in der Schmelzkuppe als Ersatz für an der Phasengrenze erstarrtes Silicium wird zunächst durch kontinuierliches Aufschmelzen des Opferkörpers gedeckt.

Zunächst wird der im FZ-Verfahren übliche Dünnhals gezogen, um zu einem versetzungsfreien Kristallwachstum zu kommen. Anschließend wird der Durchmesser des wachsenden Einkristalls kontinuierlich gesteigert und der sogenannte Anfangskonus gezogen. Es ist vorgesehen, einen Ring, vorzugsweise ein Quarzring, der zwischen der Induktionsheizspule und der Schmelzkuppe angeordnet ist, so weit abzusenken, daß er in die Schmelzkuppe taucht. Der Durchmesser des wachsenden Einkristalls sollte allerdings bereits mindestens 20 mm größer als der Durchmesser des Rings sein. Der Ring unterdrückt die Bildung von Wellen auf der Oberfläche der Schmelzkuppe, trägt zur Vergleichmäßigung der Temperatur der Schmelzkuppe bei und verhindert, daß nicht aufgeschmolzene Si-Partikel an die Phasengrenze gelangen können.

Die Masse des Opferkörpers ist vorzugsweise so gewählt, daß sie während des Ziehens des Anfangskonus, aber nach dem Eintauchen des Ringes, verbraucht ist. Besonders bevorzugt wird ein Opferkörper verwendet, dessen Masse ausreicht, um 50 bis 90% des Anfangskonus herzustellen. Allerdings können auch größere Opferkörper eingesetzt werden, deren Masse ausreicht, um noch einen Teil des zylindrischen Abschnitts des Einkristalls, der sich an den Anfangskonus anschließt, ziehen zu können.

Kurz bevor der Opferkörper vollständig aufgeschmolzen ist, wird Silicium, das für das weitere Wachstum des Einkristalls benötigt wird, aus einem Vorratsbehälter über eine Förderleitung in eine Schmelzstation gefördert, geschmolzen und der Schmelzkuppe zugeführt. Im Vorratsbehälter wird zweckmäßigerweise Silicium in Form kleinkörniger Siliciumteilchen bereitgestellt, beispielsweise Siliciumbruch, der beim Zerkleinern größerer mono- oder polykristalliner Siliciumkörper entsteht oder Siliciumgranulat, das durch Abscheidung in einer Wirbelschicht hergestellt werden kann. Gegebenenfalls werden nur klassierte Fraktionen mit einer bestimmten mittleren Korngröße eingesetzt. Der bevorzugte mittlere Durchmesser der Siliciumteilchen liegt im Bereich von 0.1 bis 15 mm, besonders bevorzugt 2 bis 5 mm.

Eine Dotierung des Einkristalls erfolgt in üblicher Weise, entweder über die Gasphase oder durch Zumischen von Dotierperlen oder hoch dotiertem Siliciumgranulat zu den Siliciumteilchen, wobei der Dotierstoff vorzugsweise aus einem getrennten Vorratsbehälter geregelt zugemischt wird. Die Beheizung der Schmelzstation erfolgt vorzugsweise mit Hilfe einer Widerstandsheizung. In der bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der Behälter für den Opferkörper auch als Schmelzstation genutzt. Es ist auch von Vorteil, eine rechnergestützte Regel- und Steuereinheit vorzusehen, mit deren Hilfe in Abhängigkeit der vorgesehenen Ziehgeschwindigkeit und des vorgesehenen Einkristall- Durchmessers die von der Induktionsheizspule und der Widerstandsheizung abzugebende Heizleistung und die Siliciummenge berechnet und gesteuert werden kann, die pro Zeiteinheit geschmolzen und der Schmelzkuppe zugeführt werden muß.

Nach dem Anfangskonus wird der zylindrische Abschnitt des Einkristalles gezogen. Wenn der wachsende Einkristall eine vorbestimmte Länge erreicht hat, wird die Zufuhr von flüssigem Silicium zur Schmelzkuppe gedrosselt und schließlich unterbrochen, so daß sich der Durchmesser des Einkristalls verringert und ein Endkonus entsteht. Sobald der fertige Einkristall abgekühlt ist, wird er aus der Ziehanlage ausgebaut. Die Ziehanlage ist nach kurzer Zeit wieder einsatzfähig, da nur ein neuer Impfkristall eingesetzt und ein neuer Opferkörper in den Behälter gelegt und gegebenenfalls der Silicium-Vorrat im Vorratsbehälter aufgefüllt werden muß. Gegebenenfalls kann der Endkonus als Opferkörper für die Herstellung eines der folgenden Einkristalle verwendet werden.

Das vorstehend beschriebene Verfahren eignet sich besonders zur Herstellung von Silicium-Einkristallen mit Durchmessern von 100 bis 200 mm und darüber, wobei die Länge der Kristalle bis zu 2 m und darüber betragen kann. Ferner können auf die beschriebene Weise mehrere Einkristalle in Folge gezogen werden, wobei nur kurze Pausen zwischen zwei Ziehvorgängen notwendig sind.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Sie ist kennzeichnet durch eine oberhalb der Induktionsheizspule angeordnete Schmelzstation zum Aufschmelzen von Silicium, einen Vorratsbehälter mit festem Silicium, der über eine geneigte Förderleitung mit der Schmelzstation verbunden ist, und eine Öffnung in der Schmelzstation, durch die in der Schmelzstation geschmolzenes Silicium durch die Induktionsheizspule der Schmelzkuppe zugeführt werden kann.

Die Figur zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung. Es sind nur die Vorrichtungsmerkmale dargestellt, die zur Erklärung der Erfindung notwendig sind.

Die Ziehvorrichtung ist in einem gas- und vakuumdichten Rezipienten 1 untergebracht, der während des Verfahrens mit Schutzgas gespült, mit Dotiergas beaufschlagt oder evakuiert werden kann. Dazu stehen folgende Gasanschlüsse zur Verfügung: Eine Schutzgaszuleitung 2, eine Abgasleitung 3 und eine Dotiergaszuleitung 4. An den Rezipienten 1 ist ein gas- und staubdichtes Gehäuse 5 zur Aufnahme eines Vorratsbehälters 6 für festes Silicium 7 angeflanscht. Der Vorratsbehälter 6 kann bei geöffneter Tür 8, vorzugsweise über eine Schleuse, mit Silicium aus einem Reservoir befüllt werden. Das Reservoir und die Schleuse sind in der Figur nicht dargestellt. Die Schleuse ist dann von besonderem Vorteil, wenn das Fassungsvermögen des Vorratsbehälters relativ klein gehalten ist und Silicium während des Ziehens des Einkristalls in den Vorratsbehälter nachgefüllt werden soll. Zwischen dem Rezipienten 1 und dem Gehäuse 5 besteht zum Zweck des Druckausgleichs eine Rohrverbindung, auf die verzichtet werden kann, wenn das Gehäuse 5, wie gezeigt, an einer Schutzgasleitung 2a angeschlossen ist. Der Vorratsbehälter 6 ist über die geneigte Förderleitung 10 mit dem Behälter 11 verbunden. Die Neigung der Förderleitung 10 muß dem Rollwiderstand der Teilchen angepaßt sein, um zu verhindern, daß Siliciumteilchen in der Förderleitung liegen bleiben und diese schließlich blockieren. Der Innendurchmesser der Förderleitung sollte mindestens das Dreifache des Korndurchmessers der Siliciumteilchen betragen, damit die Siliciumteilchen sich nicht verkeilen können oder stecken bleiben. Durch eine mit einem staubdichten Deckel 12 verschließbare Öffnung kann ein Opferkörper vor Beginn des Ziehverfahrens in den Behälter 11 hineingelegt werden. Bodenseitig weist der Behälter eine Öffnung 13 auf, die als Düse 13a ausgebildet ist. Der Behälterboden gleicht im Vertikalquerschnitt einem trichterförmigen Gebilde. Über die Abgasleitung 14, die vom Behälter 11 aus dem Rezipienten 1 führt, können im Behälter entstehende Gase oder Staubpartikel während des Ziehvorgangs abgesaugt werden. Unterhalb des Behälters 11 sind eine ringförmige Induktionsspule 15 und ein mittels einer Höhenverstellung 16a in seiner axialen Position veränderbarer Ring 16 befestigt. Die Induktionsspule 15 ist an einen Hochfrequenzgenerator 17 angeschlossen. Die Öffnung 13 im Boden des Behälters 11, das Innenloch der Induktionsspule 15 und der Ring 16 liegen konzentrisch zur Längsachse einer üblichen, heb-, senk-, und drehbaren Ziehwelle 18, an deren Spitze der Impfkristall 19 befestigt ist. Darüber hinaus ist es zweckmäßig, die über einen Antrieb 20 bewegte Ziehwelle mit einer in der Figur nicht dargestellten Stützvorrichtung zum Abstützen des wachsenden Einkristalls auszustatten.

Das Wachstum des Einkristalls ist gemäß der Darstellung in der Figur soweit fortgeschritten, daß der Dünnhals 21, der Anfangskonus 22 und ein Teil des zylinderförmigen Abschnittes 23 des Einkristalls bereits gezogen sind und das zum weiteren Wachstum des Einkristalls benötigte Silicium aus dem Vorratsbehälter 6 in den als Schmelzstation fungierenden Behälter 11 chargiert wird. Zu diesem Zweck ist der Vorratsbehälter mit einer Wägeeinrichtung 24 und einer Dosiereinrichtung 25, beispielsweise einem Schüttelrinnen-, Schwing- oder Rotationsförderer, ausgestattet. Um den Behälter 11 herum ist ein Widerstands-Heizelement 27 angeordnet, mit dessen Hilfe festes Silicium geschmolzen werden kann. Die Öffnung 13 im Boden des Behälters 11 ist als Düse 13a mit einem Durchmesser von vorzugsweise 3-15 mm ausgeführt. Zusätzlich kann im Behälter auch eine Überlaufkonstruktion integriert werden. Eine in der Figur nicht dargestellte rechnergestützte Regel- und Steuereinheit steuert den Kristallzug so, daß zumindest annähernd die gleiche Menge flüssiges Silicium durch die Düse 13a zur Schmelzkuppe 26 geführt wird, die durch das Kristallwachstum an der Fest/Flüssig-Phasengrenze erstarrt. Um Kontaminationen im Einkristall zu vermeiden, sollten insbesondere Teile der Vorrichtung, die mit flüssigem Silicium in Kontakt kommen aus nicht-kontaminierenden Stoffe wie Quarz, Silicium oder Keramiken wie Siliciumnitrid gefertigt oder zumindest mit Quarz beschichtet sein. Siliciumteile können selbstverständlich nur dann eingesetzt werden, wenn sie während des Verfahrens nicht auf Temperaturen erhitzt werden, bei denen sie ihre Formstabilität verlieren.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung von stabförmigen Silicium- Einkristallen mit großen Durchmessern, bei dem auf einem Impfkristall mit Hilfe einer ringförmigen Induktionsheizspule eine Schmelzkuppe aus flüssigem Silicium erzeugt wird, und der Impfkristall mit einer bestimmten Ziehgeschwindigkeit abgesenkt wird, wobei von der Schmelzkuppe stammendes Silicium auf dem Impfkristall zu einem Einkristall erstarrt, dadurch gekennzeichnet, daß festes Silicium in einer Schmelzstation geschmolzen wird und in flüssiger Form der Schmelzkuppe zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Zuführung von flüssigem Silicium zur Schmelzkuppe begonnen wird, wenn 50 bis 90% eines Anfangskonus des herzustellenden Einkristalls gewachsen sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Silicium in Form von Granulat oder Bruchstücken von einem Vorratsbehälter in die Schmelzstation chargiert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rechnersteuerung eingesetzt wird, die das Zuführen von flüssigem Silicium zur Schmelzkuppe in Abhängigkeit von der vorgesehenen Ziehgeschwindigkeit und des vorgesehenen Durchmessers des Einkristalls berechnet und steuert.

5. Vorrichtung zur Herstellung von stabförmigen Silicium- Einkristallen mit großen Durchmessern, mit einer Induktionsheizspule zum Erzeugen einer Schmelzkuppe aus flüssigem Silicium auf einem Impfkristall, und mit Mitteln zum Drehen, Heben und Senken des Impfkristalls, wobei von der Schmelzkuppe stammendes Silicium beim Absenken des Impfkristalls mit einer bestimmten Ziehgeschwindigkeit unter Bildung eines Einkristalls erstarrt, gekennzeichnet durch eine oberhalb der Induktionsheizspule angeordnete Schmelzstation zum Aufschmelzen von Silicium, einen Vorratsbehälter mit festem Silicium, der über eine geneigte Förderleitung mit der Schmelzstation verbunden ist, und eine Öffnung in der Schmelzstation, durch die in der Schmelzstation geschmolzenes Silicium durch die Induktionsheizspule der Schmelzkuppe zugeführt werden kann.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Ring, der zwischen der Induktionsheizspule und der Schmelzkuppe angeordnet ist und dessen axiale Position veränderbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung als Düse ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch eine mit der Schmelzstation verbundene Abgasleitung, durch die Gase und Staubpartikel abgesaugt werden können.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, gekennzeichnet durch eine rechnergestützte Regel- und Steuereinheit zum Steuern der Zuführung von flüssigem Silicium zur Schmelzkuppe in Abhängigkeit der vorgesehenen Ziehgeschwindigkeit und des vorgesehenen Durchmessers des Einkristalls.