DE1961521C3 - Kristallzieheinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kristallziehcinrichtung, mit der ein Kristall aus einer Schmelze gezogen wird, mit einem von Heizern erhitzbaren Tiegel für die Schmelze und einer Rettungseinrichtung, weiche die Stärke der Beheizung in Abhängigkeil von der Temperatur der Schmelze, die mittels eines in der Nähe der Schmelze angeordneten Temperaturfühlers gemessen wird, heeinflußt.

Bei der Herstellung von Kristallen aus Metallen oder Halbleitern mit guten Eigenschaften mit Hilfe eines Kristallzichverfahrens ist es sehr wichtig, die Temperatur der Schmelze des Rohmaterials stabil zu halten und die Temperatur an der Grenzflache zwischen dem sich bildenden Kristall und der Rohmaterialschmelze auf einem festen Wert zu halten, der von der Art des Rohmaterials abhängt. Beispielsweise hat Silicium, ein Halbleitermaterial, einen Schmelzpunkt von 1420 C, so daß Silicium den festen Zustand unterhalb dieses Schmelzpunktes annimmt, während es oberhalb dieses Schmelzpunktes flüssig ist. Der Durchmesser des sich bildenden Kristalls ist vom thermischen Gleichgewicht an der .<><j Grenzfläche /wischen dein festen und dem flüssigen Zustand bestimmt, Wird folglich die Temperatur des Rohmaterials an der Grenzfläche nicht auf dem pe nauen Wert gehallen, so kann der Durchmesser des gezogenen Kristalls auch nicht einen konstanten Wert e.s haben. Dies beeinflußt tue Eigenschaften des gezogenen Kristalls nachteilig. Wird ein Siliciumkristall gezogen, so ist es nötig, die Temperaturschwankungen an der Grenzfläche in einem äußerst geringen Bereich zu halten, nämlich im Bereich 1420 ± 0,5° C.

Bei den herkömmlichen Vorrichtungen wird daher die Temperatur des Bodens oder eines anderen Teils des Tiegels gemessen, in dem die Schmelze des Rohmaterials enthalten ist und die gemessene Temperatur des Tiegels automatisch geregelt, so daß ein konstanter Wert eingehalten ist. Bei diesen herkömmlichen Verfahren ist es wegen der Abnahme der Schmelzmenge von Rohmaterial mit fortschreitendem Ziehen des Kristalls nicht vermeidbar, daß die Temperatur der Grenzschicht von dem genauen Wert abweicht, auch wenn die Tiegeltemperatur aui einem konstanten Wert gehalten wird. Wenn die ge messcne Temperatur des Tiegels an der Meßstelk konstant bleibt,- beschreibt die Temperatur der Grenzschicht dann eine ansteigende Kurve. Da die Waensgeschwindigkeit des gezogenen Kristalls von der Temperatur der Grenzschicht zwischen dem sich bildenden festen Kristall und der Schmelze von Rohmaterial abhängt, nimmt der Durchmesser des ge zogenen Kristalls in dem Fall wegen der abnehmen den Wachsgeschwindigkeit des sich bilden 3en Kn stalls langsam ab. Um einen gleichmäßigen Durch messer des gezogenen Kristalls bei den bekannten Verfahren zu erzielen, wurde bisher eine Kompensation angewandt, durch die die gemessene Temperatur des Tiegels etwas abgesenkt wurde. Um ein derarti ges Verfahren der Kompensation jedoch durchfüh rcn /u können, muß ein Bedienungsmann eingeset/; werden, der nach und nach die gewünschten Werte einstellt, damit die Bezugswerte für die automatische Temperaturregelung des Tiegels oidnungsgemäß vorhanden sind, wobei dann jedoch der Durchmesser des gezogenen Kristalls beobachtet wird; das Durchführen eines solchen Verfahrens der Korrektur ist mühsam, und die Güte des hergestellten Kristalls hängt st hr wesentlich von der Ziehtechnik des Bi. dienungsmannes ab. Bei geringer werdender Schmclzemenge des Rohmaterials wird das Kompensieren nach diesem Verfahren immer schwieriger, denn die Zeitverzögerung, die bei der Anpassung der gemessenen Temperatur des Tiegels für die Korrektur auftritt, ist hinsichtlich des Durchmessers des gezogenen Kristalls nicht mehr vcrnachlässigbir. Γ in derartiges Kompensationsverfahren ist darum nicht zuverlässig anwendbar bei der Herstellung von Kristallen mit gleichmäßigen, guten Eigenschaften.

Zw ai wird auch in »IBM-Technical Disclosure Bulletin« (Vol. 10. Nr. 7, Dezember 1967) eine automatische Steuerung des Krislalldurchmessers beim Krislallziehen beschrieben. Diese Temperatursteuerung erfolgt jedoch auf Grund eines Diffcrenzsignals, zwischen dem Ausgangswert eines oberhalb drs Schmelztiegels angeordneten Pyrometers (od. dgl ). wobei dieses die Strahlung des Kristalls autnimmt und somit den Kristalldurchmesser bestimmt, und dem Ausgangswert eines die Schmelztemperatur messenden Wärmefiihlcrs. Damit wird im wesentlichen nur das oben erwähnte Kompensationsverfahren mit seinen entsprechenden Nachteilen aulomatisieii.

IiS ist daher Aufgabe der Erfindung, eine T'ristallzieheinrichuing zu schaffen, die die Möglichkeit gibt, einen Kristall mit gleichmäßigen und guten Eigenschaften zu ziehen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Kristallzichcinrichtung geschaffen wird,

die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Fühler in Höhe der Phasengrenze zwischen dem Kristall und der Schmelze angeordnet und synchron mit dem Absinken der Phasengrenze absenkbar ist. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann auch der Heizer synchron mit dem Absinken de«- Phasengrenze absenkbar sein. Ferner kann der Fühler entweder mit konstanter oder mit steuerbarer Geschwindigkeit abgesenkt werden.

Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer KamiEsrl aus rostfreiem Stahl, einer Tragplatte 2, die auf einer feststehenden Platte 35 mit Kreisöffnung35α getragen wird, einem Tiegel 3a aus Graphit, einem Tiegel 3 b aus Quarz, der im Tiegel 3α getragen wird und die Schmelze 21 des Rohmaterials enthält, einem zylindrischen Heizer 4, einem Thermoelement 5, das auf einem Gleithalter 10 sitzt, J-lektrodenöa und 6b für den Heizer 4, Führungsstangen 7a und Ib für die Führung der Gleitstange 10, einer Welle 8, die den Tiegel 3« trägt und drehbar in einem Rohr 8α gehalten ist, das auf der Tragplatte 2 befestigt ist, einer drehbar gelagerten Spindel ¹J auf einer Fundamentplatte 13, mit deren Hilfe die Gleitführung 10 abwärts und aufwärts verschoben wird, wobei die Gleitführung 10 die Elektroden 6α und 6b und das Thermoelement 5 trägt, einem Motor 11, von dem die Welle 8 über eine Keilriemenscheibe 28 und einen Keilriemen 32 sowie eine Keilriemenscheibe 27 am unteren Ende der Welle 8 angetrieben wird, einem Motor 12, der über eine Keilriemenscheibe 29, einen Keilriemen 31 und dnc weitere Keilriemenscheibe 30 an der Spindel 9 diese antreibt, und einem Fundament 13. Der Heizer 4 ist von Wärmeisolatoren 25 und 26 umgeben, am oberen Ende der Kammer 1 ist drehbai ein Ziehstab 24 gehalten. Dieser Ziehstab 24 wird in Richtung des Pfeiles Λ₅ nach oben gezogen und in Richtung des Pfeiles /I₃ über eine an sich bekannte und hier nicht gezeigte Antriebsvorrichtung in Drehung versetzt. Am unteren Ende des Ziehstabs 24 ist ein Keim 23 aus dem Rohmaterial befestigt. Die BezugszifTern 20 und 21 bezeichnen einen gezogenen Kristall in festem Zustand und eine Schmelze des Rohmaterials. In eine Öffnung 33 wird in Richtung des Pfeils A₁ Argongas eingedrückt, welches die Kammer durch die Öffnung34 in Richtung/)., wieder verläßt. Die Ausgangsspannung des Thermoelements 5 wird auf die beiden Eingangsklemmen eines Differentialverstärkers 42 gegeben, während an die beiden arideren Eingangsklcmmen eine Bezugsspannung von einer so Bezugsspannungsquelle 41 gelegt ist. Der Ausgang des Differentialverstärkers 42 ist auf eine steuerbare Energiequelle43 geschaltet. Die Leistung aus dieser Energiequelle 43 wird auf die Elektroden 6 a und 6b für die Heizung des Hebers 4 gegeben. Die Bezugsspannungsquelle 41, der Differentialverslärker 42 und die gesteuerte Energiequelle 43 bilden zusammen einen automatischen Temperaturregler 40. die in Zusammenarbeit mit dem Thermoelement 5 und dem Heizer 4 die Temperatur der Grenzebene 22 zwischen Kristall 20 und Schmelze 21 auf einem exakten Wert halten. Der automatische Temperaturregler 40 arbeitet so, daß er die Ausgangsgröße des Differentialverstärkers 42 bis auf ein Minimum verringert. Eine Gleichstromquelle 50 ist mit den Klemmen des Motors 11 verbunden. Eine Gleichstromquelle 51 steht in Verbindung mit den Kiemmen des Motors 12 über einen Spannungsregler 52.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Quarztiegel 3 b in einem Graphittiegel 3a getragen, welcher auf der Welle 8 durch den Motor 11 in Drehung versetzt wird, wie dies durch den Pfeil A_t gezeigt ist; er bewegt sich jedoch weder'nach oben noch nach unten. Folglich ist der Quarztie^l 3 b ständig in derselben Höhe bezüglich der Tragplatte 2. Auf der anderen Seite werden der Heizer 4 und dp- Fühlerteil des Thermoelementes 5 synchron mit dem .-."ι -.inken der Grenzebene 22 gesenkt, was mit dei.. Wachsen des zu ziehenden Kristalls 20 zusammenhängt. Um dies zu bewirken wird der Gleitträger 10, auf dem das Thermoelement 5 und der Heizer 4 abgestützt sind, durch Drehen der Spindel 9 mitteis des Motors 12 nach unten bewegt. Die Drehung des Motors 12 wird über die beiden Riemenscheiben 29 und 30 so übersetzt, daß der Gleitträger 10 nur sehr langsam abgesenkt wird, etwa 0,1 mm/Min. Das Zeit-Geschwindigkeitsdiagramm des Gleitträgers 10 kann entweder berechnet oder durch praktische Versuche bestimmt werden. Üblicherweise wird die Absenkgeschwindigkeit des Gleitträgers 10 auf einen konstanten Wert eingestellt, jedoch kann die ALsenkgeschwindigVeit auch innerhalb bestimmter enger Grenzen schwanken, nämlich um ein Zehntel der normalen Absenkgeschwindigkeit, was durch den Spannungsregler 52 geschehen kann.

Das Thermoelement 5 wird zwischen Heizer 4 und thermischer Isolation 25 angesetzt, so daß sein Fühlerteil der Grenzebene 22 gegenüberliegt, denn die Temperatur eines Abschnitts des Heizers 4, der der Grenzebenc 22 gegenüberliegt, hängt sehr eng von der Temperatur der Grenzebene 22 ab.

Beispiel 1

Innendurchmesser des Quarztiegels 3 b 10 cm

Rohmaterial Silicium

Gewicht des Rohmaterials 1,3 kg

Durchmesser des gezogenen Kristalls.. 48 mm

Ziehgeschwindigkeit des Gleitträgers.. 0,8 mm/Min.

Zichgeschwindigkeit des Kristalls ... 0,1 mm/Min.

Durchmesser-ibweichung des Kristalls + 4⁰O

Beispiel 2

Innendurchmesser de·, Quarztiegels 3 b 15 cm

Rohmaterial Silicium

Gewicht des Rohmaterials 4,3 kg

Weitere Bedingungen und Ergebnisse entsprechend

Beispiel 1

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Kristallzieheinrichtung, mit der ein Kristall aus einer Schmelze gezogen wird, mit einem von Heizern erhitzbaren Tiegel für die Schmelze und einer Regelungseinrichtung, welche die Stärke der Beheizung in Abhängigkeit von der Temperatur der Schmelze, die mittels eines im Bereich der Erstarrungsstelle angeordneten Temperaturfiihlers gemessen wird, beeinflußt, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler (5) in Höhe der Phasengrenze (22) zwischen dem Kristall (20) und der Schmelze (21) angeordnet und synchron mit dem Absinken der Phasengrenze absenkbar ist.

2. -Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizer (4) gleichfalls synchron mit dem Absinken der Phasengrenze (22) absenkbar ist.

3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Temperaturfühler ein Thermoelement (5) zwischen dem Tiegel (3a, 3b) und dem Heizer (4) angeordnet ist.

4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Temperaturfühler ein Thermoelement (5) an der Außenseite des Heizers (4) angeordnet ist.

5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler (5) mit konstanter Geschwindigkeit absenkbar ist.

6. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler (5) mit steuerbarer Geschwindigkeit absenkbar ist.

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