Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einkristall-
Ziehvorrichtung zum Ziehen eines Halbleitereinkristalls aus
einer Halbleiterschmelze, die in einem Doppelschmelztiegel
aufbewahrt ist.
Das CZ-Wachstumsverfahren stellt ein Beispiel für eins der
momentan verwendeten Verfahren zum Wachsenlassen von
Halbleitereinkristallen beispielsweise aus Silizium (Si) oder
Galliumarsenid (GaAs) dar.
Da das CZ-Wachstumsverfahren die einfache Erzeugung von
Einkristallen mit großem Durchmesser und hoher Reinheit
ermöglicht, die keine Versetzungsfehler aufweisen, oder
extrem geringe Ausmaße an Gitterfehlern, wird es beim
Wachsenlassen verschiedener Halbleiterkristalle häufig
eingesetzt.
In den vergangenen Jahren hat das Erfordernis, Einkristalle
mit größeren Durchmesser und höherer Reinheit mit
gleichmäßigen Pegeln an Sauerstoffkonzentration und
Verunreinigungskonzentration bereitzustellen, zu
verschiedenen Verbesserungen dieses CZ-Wachstumsverfahrens
geführt.
Eine der Verbesserungen des voranstehend geschilderten
CZ-Wachstumnsverfahrens, die vorgeschlagen wurden, ist ein
CZ-Verfahren mit angelegtem Magnetfeld (nachstehend als
CMCZ-Verfahren bezeichnet), bei welchem ein
Doppelschmelztiegel verwendet wird. Merkmale dieses
Verfahrens bestehen darin, daß es das Wachstum von
Einkristallen mit guten Schlupffreiheitsverhältnissen und mit
extrem guter Steuerung des Sauerstoffkonzentrationspegels
ermöglicht, durch Anlegen eines externen Magnetfelds an die
Halbleiterschmelze im Inneren des Schmelztiegels, wodurch die
Konvention in der Halbleiterschmelze unterdrückt wird, und
daß es die einfache Erzeugung langer Einkristalle aus dem
Halbleitermaterial dadurch gestattet, daß eine
kontinuierliche Zufuhr an Ausgangsmaterialien zu einem Ort
möglich ist, der zwischen dem äußeren und dem inneren
Schmelztiegel liegt. Daher wird dieses Verfahren als eins der
besten Verfahren zur Erzielung langer Einkristalle mit großem
Durchmesser aus Halbleitermaterialien angesehen.
Fig. 12 zeigt ein Beispiel für eine Siliziumeinkristall-
Ziehvorrichtung, die in der ersten Veröffentlichung einer
japanischen Patentanmeldung Nr. Hei-4-305091 beschrieben
wurde, und bei welcher das voranstehend erwähnte
CMCZ-Verfahren eingesetzt wird. Bei dieser Einkristall-
Ziehvorrichtung 1 sind ein Doppelschmelztiegel 3, eine
Heizvorrichtung 4 und ein Ausgangsmaterialzufuhrrohr
innerhalb einer hohlen, luftdichten Kammer 2 vorgesehen, und
ist ein Magnet 6 außerhalb der Kammer 2 angeordnet.
Der Doppelschmelztiegel 3 besteht aus einem annähernd
halbkugelförmigen äußeren Schmelztiegel 11 aus Quarz (SiO₂),
und einem inneren Schmelztiegel 12 aus Quarz, der einen
zylindrischen Trennkörper darstellt, der in den äußeren
Schmelztiegel 11 eingepaßt ist. Die Seitenwand dieses inneren
Schmelztiegels 12 enthält mehrere Verbindungsöffnungen 13,
welche den Bereich zwischen dem inneren und äußeren
Schmelztiegel 12 bzw. 11 (dem Ausgangsmaterialschmelzbereich)
mit der Innenseite des inneren Schmelztiegels 12 (dem
Kristallwachstumsbereich) verbindet.
Der Doppelschmelztiegel 3 ist auf einer Aufnahme 15
angebracht, die auf einer Vertikalwelle 14 aufsitzt, die im
Zentrum im unteren Abschnitt der Kammer 2 angeordnet ist, und
in der Horizontalebene mit einer festgelegten
Winkelgeschwindigkeit um die Achse der Welle 14 gedreht
werden kann. Die Halbleiterschmelze (das Ausgangsmaterial für
die Herstellung von Halbleitereinkristallen, geschmolzen
durch Erhitzung) 21 befindet sich innerhalb dieses
Doppelschmelztiegels 3.
Die Heizvorrichtung 4 erhitzt und schmilzt das
Halbleiterausgangsmaterial im Inneren des Schmelztiegels, und
hält die Temperatur der so erzeugten Halbleiterschmelze 21
aufrecht. Normalerweise wird eine Widerstandsheizung
eingesetzt. Das Ausgangsmaterialzufuhrrohr 5 wird dazu
verwendet, kontinuierlich ein bestimmtes Volumen an
Halbleiterausgangsmaterial 22 der Oberfläche der
Halbleiterschmelze zwischen dem äußeren Schmelztiegel 11 und
dem inneren Schmelztiegel 12 zuzuführen.
Der Magnet 6 wird dazu verwendet, von außen ein Magnetfeld an
die Halbleiterschmelze 21 im Inneren des Doppelschmelztiegels
3 anzulegen, und Lorentz-Kräfte in der Halbleiterschmelze 21
zu erzeugen, wodurch die Konvexion im Inneren der
Halbleiterschmelze 21 gesteuert wird, die
Sauerstoffkonzentration gesteuert wird,
Oberflächenfibrationen unterdrückt werden, usw.
Beispiele für Ausgangsmaterialien 22, die durch das
voranstehend geschilderte Ausgangsmaterialzufuhrrohr 5
zugeführt werden können, umfassen Polysilizium, welches in
Flocken durch Brechen in einem Brechwerk umgewandelt wurde,
oder Polysiliziumkörnchen, die aus einem gasförmigen
Ausgangsmaterial unter thermischer Zersetzung abgelagert
werden, wobei zusätzlich, soweit erforderlich, Zusatzstoffe
zugeführt werden können, die als Dotiermittel bekannt sind,
beispielsweise Bor (B) (im Falle der Erzeugung von
Siliziumeinkristallen des p-Typs) oder Phosphor (P) (im Falle
der Erzeugung von Siliziumeinkristallen des n-Tpys).
Bei der Verwendung von Galliumarsenid (GaAs) ist der Betrieb
ebenso wie voranstehend geschildert, jedoch ist in diesem
Fall der Zusatzstoff entweder Zink (ZN) oder Silizium (Si).
Bei der voranstehend geschilderten Einkristall-
Ziehvorrichtung 1 hängt ein Impfkristall 25 von einer
Ziehwelle 24 herunter, die sich oberhalb des inneren
Schmelztiegels 12 und oberhalb der Wellenachsenlinie
befindet, und wächst ein Halbleitereinkristall 26 an der
oberen Oberfläche der Halbleiterschmelze 21 um den Kern des
Impfkristalls 25 auf.
Wie in der ersten Veröffentlichung einer japanischen
Patentanmeldung Nr. Sho-63-303894 beschrieben, ist es
allerdings bei dieser Art einer Einkristall-Ziehvorrichtung
für das Wachsenlassen von Einkristallen erforderlich, daß
zuerst das polykristalline Ausgangsmaterial, beispielsweise
Klumpen aus Polysilizium, geschmolzen wird, und die sich
ergebende Halbleiterschmelze 21 im Innern des äußeren
Schmelztiegels 11 aufbewahrt wird, wobei dann der
Doppelschmelztiegel 3 dadurch ausgebildet wird, daß der
innere Schmelztiegel 12 über dem äußeren Schmelztiegel 11
angeordnet wird, und dann nach unten auf den äußeren
Schmelztiegel 11 bewegt wird.
Der Grund dafür, daß der Doppelschmelztiegel 3 ausgebildet
wird, nachdem das polykristalline Ausgangsmaterial
geschmolzen wurde, besteht darin, daß es zum vollständigen
Schmelzen des polykristallinen Ausgangsmaterials, um die
Halbleiterschmelze 21 zu erhalten, erforderlich ist, die
Temperatur des Ausgangsmaterials im Innern des äußeren
Schmelztiegels 11 zu erhöhen, unter Verwendung der
Heizvorrichtung 4, und zwar auf eine Temperatur oberhalb der
Einkristallwachstumstemperatur. Wurde andererseits der innere
Schmelztiegel 12 auf dem äußeren Schmelztiegel vor der
Schmelzstufe angebracht, so würde sich eine starke thermische
Verformung des inneren Schmelztiegels 12 ergeben.
Durch Anbringung des inneren Schmelztiegels 12 auf dem
äußeren Schmelztiegel 11 nach dem vollständigen Schmelzen des
Ausgangsmaterials, und nachfolgende Verringerung der von der
Heizvorrichtung 4 erzeugten Wärme, können daher die hohen
Temperaturen vermieden werden, die in der Anfangsstufe zum
Schmelzen des Ausgangsmaterials erforderlich sind, und kann
die Verformung des inneren Schmelztiegels 12 unterdrückt
werden.
Darüber hinaus weisen die Verbindungsöffnungen 13 des inneren
Schmelztiegels einen vorbestimmten Öffnungsdurchmesser auf,
der ausreichend klein ist um sicherzustellen, daß bei
Zugführung von Ausgangsmaterial die Halbleiterschmelze 21 nur
von dem äußeren Schmelztiegel 11 zum inneren Schmelztiegel 12
fließt. Der Grund für diese Einschränkung liegt darin, daß
dann, wenn die Öffnungsfläche der Öffnungen 13 zu groß ist,
so daß der Effekt auftritt, daß durch Konvexion die
Halbleiterschmelze von dem Kristallwachstumbereich zurück zum
Ausgangsmaterialschmelzbereich fließen kann, die Steuerung
der Verunreinigungskonzentrationen während des
Einkristallwachstums, und die Steuerung der Schmelztemperatur
schwierig würden.
In solchen Situationen, in welchen der Durchmesser der
Verbindungsöffnungen 13 zu klein ist, wird es allerdings für
die Halbleiterschmelze schwierig, ungestört von außerhalb des
inneren Schmelztiegels 12 in dessen Innenraum zu fließen, und
wird es wahrscheinlich, daß sich ein Unterschied zwischen dem
Pegel der Halbleiterschmelze außerhalb des inneren
Schmelztiegels 12 und dem Pegel im Inneren des Schmelztiegels
12 entwickelt, wodurch dann Vibrationen auf der
Schmelzoberfläche hervorgerufen werden, wenn das System
versucht, diese Pegeldifferenz auszugleichen, was wiederum
negative Einflüsse auf das Einkristallwachstum hat.
Daher müssen die Durchmesser der voranstehend geschilderten
Verbindungsöffnungen 13 auf einen Bereich eingestellt werden,
der zwischen ausreichend klein liegt, um einen Fluß in
Rückwärtsrichtung der Halbleiterschmelze 21 von innerhalb des
inneren Schmelztiegels 12 zu dessen Außenseite zu verhindern,
und ausreichend groß, um die Entwicklung einer Pegeldifferenz
zwischen der Halbleiterschmelze im Innern des Schmelztiegels
12 und der Halbleiterschmelze außerhalb zu verhindern.
Bei Einkristall-Ziehvorrichtungen wie den voranstehend
geschilderten bestehen jedoch weiterhin folgende Probleme.
Nach der Aufbewahrung der Halbleiterschmelze 21 in dem
äußeren Schmelztiegel 11 wird der innere Schmelztiegel 12 auf
dem äußeren Schmelztiegel angebracht, um den
Doppelschmelztiegel auszubilden, und es kann geschehen, daß
Gasblasen A aus einem Gas wie beispielsweise Argon, welches
zur Erzielung einer Inertgasatmosphäre verwendet wird, an den
mehreren Verbindungsöffnungen 13 des inneren Schmelztiegels
anhaften, wie in Fig. 13B gezeigt ist. In diesen
Verbindungsöffnungen 13, an denen auf die geschilderte Weise
Gasblasen A anhaften, wird der effektive Durchmesser der
Öffnung verringert, was den Schmelzflußwiderstand vergrößert,
und den Fluß der Halbleiterschmelze 21 von dem äußeren
Schmelztiegel 11 durch die Verbindungsöffnungen 13 in den
inneren Schmelztiegel 12 behindert. Der Durchmesser der
Verbindungsöffnungen 13 wird daher geringer als der zulässige
Durchmesserbereich, der voranstehend geschildert wurde, und
so wird das Wachstum von Einkristallen schwierig.
Wenn die Durchmesser der Verbindungsöffnungen vergrößert
werden, könnte man zwar erwarten, daß Einflüsse von
anhaftenden Gasblasen A verringert werden, jedoch gibt es wie
voranstehend geschildert eine Obergrenze für den Durchmesser
dieser Verbindungsöffnungen 13, was das Ausmaß begrenzt, um
welches die Durchmesser vergrößert werden können.
Die vorliegende Erfindung berücksichtigt die voranstehend
geschilderten Schwierigkeiten, und strebt an, eine
Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche das Anhaften von
Gasblasen steuert, die während der Anbringung des inneren
Schmelztiegels ausgebildet werden, und das stabile Ziehen
langer Einkristalle mit großem Durchmesser gestattet.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird
eine Einkristall-Ziehvorrichtung zur Verfügung gestellt,
welche einen äußeren Schmelztiegel zur Aufbewahrung einer
Halbleiterschmelze aufweist, und einen zylindrischen inneren
Schmelztiegel, der als Trennkörper dient, und innerhalb des
äußeren Schmelztiegels angebracht ist, um einen
Doppelschmelztiegel auszubilden, wobei der innere
Schmelztiegel einen Verbindungsabschnitt aufweist, der
ausgebildet wird, wenn der Doppelschmelztiegel ausgebildet
wird, um einen Fluß der Halbleiterschmelze in den inneren
Schmelztiegel zuzulassen, und wobei der Verbindungsabschnitt
eine Einrichtung zum Entfernen von Gasblasen aufweist, welche
sich an dem Verbindungsabschnitt festgesetzt haben.
Bei dieser Einkristall-Ziehvorrichtung weist der
Verbindungsabschnitt, an welchem leicht Gasblasen anhaften
können, eine Blasenentfernungsvorrichtung auf, und daher ist
es unwahrscheinlich, daß Gasblasen in dem
Verbindungsabschnitt übrigbleiben, und daher ist ein stabiles
Ziehen langer Einkristalle mit großem Durchmesser möglich.
Bei dieser Anordnung wird eine Vorgehensweise eingesetzt, bei
welcher der Verbindungsabschnitt, der die
Blasenentfernungsanordnung aufweist, einen gekerbten
Abschnitt aufweist, der an der Bodenkante des inneren
Schmelztiegels vorgesehen ist.
Da bei dieser Einkristall-Ziehvorrichtung der
Verbindungsabschnitt, der die Blasenentfernungsanordnung
aufweist, nicht aus einer Verbindungsöffnung in der Wand des
inneren Schmelztiegels besteht, sondern aus einem gekerbten
Abschnitt, kann dann, wenn die Unterkante des inneren
Schmelztiegels in Berührung mit der Halbleiterschmelze
gelangt, die Halbleiterschmelze sofort in den Boden des
gekerbten Abschnitts fließen, und dringt dann, wenn der
innere Schmelztiegel nach unten in die Halbleiterschmelze
eingetaucht wird, die Halbleiterschmelze allmählich in den
gekerbten Abschnitt ein, und zwingt die Luftblasen in dem
gekerbten Abschnitt heraus, wodurch das Anhaften von
Gasblasen an den gekerbten Abschnitt verhindert wird.
Weiterhin sollte der gekerbte Abschnitt vorzugsweise einen mit
einer Spitze versehenen Abschnitt aufweisen, der sich
allmählich bis zu einer Spitze an der Oberseite verengt.
Da bei dieser Einkristall-Ziehvorrichtung der gekerbte
Abschnitt einen Spitzenabschnitt aufweist, kann die Breite
über die Unterkante des gekerbten Abschnitts auf einen
größeren Wert eingestellt werden als beispielsweise dann,
wenn ein einfacher rechteckig gekerbter Abschnitt ohne
Spitzenabschnitt vorgesehen wird, und dennoch bleibt die
Öffnungsfläche des gekerbten Abschnitts auf demselben Wert.
Da die Unterkante des gekerbten Abschnitts, die das erste
Teil darstellt, welches mit der Halbleiterschmelze während
der Ausbildung des Doppelschmelztiegels in Berührung gelangt,
auf einen großen Wert eingestellt werden kann, kann die
Halbleiterschmelze einfach in den gekerbten Abschnitt
eindringen, und wird auch der Vorgang des Herausdrückens
irgendwelcher Gasblasen einfacher, die in dem gekerbten
Abschnitt festgehalten werden.
Darüber hinaus wird vorzugsweise die Breite über die
Bodenkante des gekerbten Abschnitts auf eine maximal mögliche
Breite eingestellt.
Da bei dieser Einkristall-Ziehvorrichtung die Breite über die
Unterkante des gekerbten Abschnitts auf die maximal mögliche
Breite eingestellt ist, dringt die Halbleiterschmelze einfach
in den gekerbten Abschnitt ein, wenn der Doppelschmelztiegel
ausgebildet wird, da die Unterkante des gekerbten Abschnitts,
die den ersten Punkt darstellt, in welchen die
Halbleiterschmelze bei Berührung mit der Schmelze eindringt,
so weit wie möglich ist, so daß es noch einfacher wird,
irgendwelche anhaftenden Gasblasen herauszudrücken.
Vorzugsweise weist der gekerbte Abschnitt einen vertikal
aufrechten Abschnitt in seinem unteren Abschnitt auf.
Da der gekerbte Abschnitt eines ausgebildeten
Doppelschmelztiegels in direkten Kontakt mit dem äußeren
Schmelztiegel gelangt, und infolge der hohen Temperatur der
Halbleiterschmelze, können Verformungen infolge der
Wärmeeinwirkung leicht auftreten. Da jedoch bei dieser
Einkristall-Ziehvorrichtung der untere Abschnitt des
gekerbten Abschnitts aus einem aufrechten Abschnitt besteht,
ist der Umfang des gekerbten Abschnitts in Bezug auf die
Vertikalrichtung stabil. Selbst wenn der gekerbte Abschnitt
unter Wärmeeinwirkung geschwächt wird, ist es
unwahrscheinlich, daß eine Verformung auftritt, insbesondere
in Vertikalrichtung, und daher wird die Form beibehalten.
Vorzugsweise weist der innere Schmelztiegel einen verdickten
Abschnitt zumindest am Umfang eines unteren Abschnitts des
gekerbten Abschnitts auf, wobei der verdickte Abschnitt
dicker ist als die anderen Abschnitte.
Wie voranstehend geschildert ist der gekerbte Abschnitt eines
ausgebildeten Doppelschmelztiegels auf Verformungen infolge
Wärmeeinwirkung relativ empfindlich, aber da bei dieser
Einkristall-Ziehvorrichtung ein verdickter Abschnitt
vorgesehen ist, der dicker ist als die anderen Abschnitte, am
Umfang des unteren Abschnitts des gekerbten Abschnitts,
welcher näher am äußeren Schmelztiegel liegt, weist der
verdickte Abschnitt eine höhere Festigkeit auf als die
übrigen Abschnitte. Selbst wenn der gekerbte Abschnitt unter
Wärmeeinwirkung geschwächt wird, ist es daher
unwahrscheinlich, daß eine Verformung auftritt, so daß die
Form beibehalten wird.
Um die Gesamtfestigkeit des gekerbten Abschnitts zu erhöhen
ist es darüber hinaus wünschenswert, daß der verdickte
Abschnitt nicht nur im unteren Abschnitt der gekerbten
Abschnitte vorgesehen ist, sondern am Gesamtumfang des
gekerbten Abschnitts.
Weiterhin weist vorzugsweise der äußere Schmelztiegel eine
geneigte Oberfläche auf der Innenseite auf, welche sich nach
Innen neigt, und wird der innere Schmelztiegel so angeordnet,
daß eine Unterkante in Kontakt mit der geneigten Oberfläche
steht, und ist eine Außenumfangsoberfläche der Unterkante
eine geneigte, sich verjüngende Oberfläche, die sich in
Richtung auf die Unterkante verjüngt.
Wie voranstehend geschildert ist der gekerbte Abschnitt eines
hergestellten Doppelschmelztiegels in Bezug auf Verformung
infolge von Wärmeeinwirkung empfindlich, jedoch berührt bei
dieser Einkristall-Ziehvorrichtung, da die
Außenumfangsoberfläche der Unterkante des inneren
Schmelztiegels eine verjüngte Oberfläche ist, die
Außenumfangsoberfläche der Unterkante des inneren
Schmelztiegels die geneigte Oberfläche der Innenwand des
äußeren Schmelztiegels mit vollständiger
Oberflächenberührung, wodurch der innere Schmelztiegel
gehaltert wird. Das Totgewicht, welches auf der Unterkante
des inneren Schmelztiegels aufliegt, wird daher durch den
vollständigen Oberflächenkontakt verteilt,und es wird jede
Wärmeverformung der Unterkante verringert, und die Form des
auf der Unterkante angeordneten gekerbten Abschnitts
beibehalten.
Da die Außenumfangsoberfläche der Unterkante des inneren
Schmelztiegels in vollständige Oberflächenberührung mit der
Innenoberfläche des äußeren Schmelztiegels gelangt, wird die
Haftung an dem äußeren Schmelztiegel verbessert. Selbst wenn
beispielsweise während der Montage des inneren Schmelztiegels
eine Verschiebung der Position auftritt, ist es da
unwahrscheinlich, daß sich ein Spalt zwischen der Unterkante
des inneren Schmelztiegels und dem äußeren Schmelztiegel
entwickelt.
Bei der voranstehend geschilderten Ausführungsform weist der
äußere Schmelztiegel eine geneigte Oberfläche auf der
Innenoberfläche auf, die nach innen geneigt ist, und weist
der innere Schmelztiegel eine Verbindungsöffnung in einer
Seitenwand auf, die als Verbindungsabschnitt dient, um den
Fluß der Halbleiterschmelze ins Innere des inneren
Schmelztiegels zu gestatten, wenn der Doppelschmelztiegel
ausgebildet wird, und verwendet die Verbindungsöffnung als
Blasenentfernungsanordnung einen verjüngten Abschnitt,
zumindest auf einem Oberkantenabschnitt der Öffnung, wo sich
die Dicke allmählich verringert.
Da bei dieser Einkristall-Ziehvorrichtung der
Oberkantenabschnitt der Verbindungsöffnung aus einem
verjüngten Abschnitt besteht, der als
Blasenentfernungsvorrichtung dient, wenn der
Doppelschmelztiegel ausgebildet wird, und der innere
Schmelztiegel in die Halbleiterschmelze eingetaucht wird,
wird das Anhaften an Gasblasen in der Verbindungsöffnung
verhindert, da die Halbleiterschmelze so in die
Verbindungsöffnung eindringt, daß sie irgendwelche
anhaftenden Gasblasen herausdrängt, und die Wirkung des
oberen verjüngten Abschnitts irgendwelche Blasen herausführt.
Da die Breite der Vorderkante des Oberkantenabschnitts der
Verbindungsöffnung schmal ist, verringert sich darüber hinaus
der Oberflächenkontaktbereich zwischen der Gasblase und der
Vorderkante der gesamten Verbindungsöffnung, was zu dem
einfachen Entfernen von Gasblasen beim Eindringen der
Halbleiterschmelze in die Öffnung beiträgt.
Weiterhin enthält bei der voranstehend geschilderten
Ausführungsform der innere Schmelztiegel einen gekerbten
Abschnitt, welcher den Verbindungsabschnitt an dem Unterrand
des inneren Schmelztiegels bildet, wenn der
Doppelschmelztiegel ausgebildet wird, wodurch es ermöglicht
wird, daß die Halbleiterschmelze ins Innere des inneren
Schmelztiegels fließt, wobei der gekerbte Abschnitt zumindest
auf seinem Oberkantenabschnitt einen verjüngten Abschnitt
aufweist, bei welchem die Dicke allmählich abnimmt.
Bei dieser Einkristall-Ziehvorrichtung besteht der
Oberkantenabschnitt des gekerbten Abschnitts aus einem
verjüngten Abschnitt, und wenn die Unterkante des inneren
Schmelztiegels in Berührung mit der Halbleiterschmelze
gelangt, kann daher die Halbleiterschmelze sofort in den
Boden des gekerbten Abschnitts fließen, und dringt die
Halbleiterschmelze allmählich in den gekerbten Abschnitt ein,
wodurch sie jegliche Gasblasen nach oben herauszwingt. Da die
Gasblasen durch den sich verjüngenden oberen Abschnitt des
gekerbten Abschnitts herausgeführt werden, kann das Anhaften
von Gasblasen an dem gekerbten Abschnitt verhindert werden.
Da sich die Breite der Vorderkante des Oberkantenabschnitts
des gekerbten Abschnitts verengt, und die
Oberflächenkontaktfläche zwischen der Vorderkante des oberen
Abschnitts und der Gasblase sich verringert, wird darüber
hinaus das Entfernen von Gasblasen während des Eindringens
der Halbleiterschmelze in den gekerbten Abschnitt
erleichtert.
Sobald der Doppelschmelztiegel durch Montage des inneren
Schmelztiegels im Inneren des äußeren Schmelztiegels
ausgebildet wurde, bildet der gekerbte Abschnitt einen
Verbindungsabschnitt, der den Fluß der Halbleiterschmelze ins
Innere des inneren Schmelztiegels gestattet.
Weiterhin weist vorzugsweise der Oberkantenabschnitt eine
geneigte Oberfläche auf, die sich nach innen zur
Verbindungsöffnung oder zum gekerbten Abschnitt hin neigt,
von der Außenoberfläche des inneren Schmelztiegels zur
Innenoberfläche hin.
Da bei dieser Einkristall-Ziehvorrichtung der
Oberkantenabschnitt der Verbindungsöffnung oder des gekerbten
Abschnitts eine geneigte Oberfläche aufweist, die sich von
der Außenoberfläche des inneren Schmelztiegels zur
Innenoberfläche hin nach unten neigt, werden daher bei
Ausbildung des Doppelschmelztiegels irgendwelche Gasblasen
durch die Halbleiterschmelze nach oben gedrückt, und werden
durch die geneigte Oberfläche aus dem inneren Schmelztiegel
herausgeführt. Daher wird der Fluß der Gasblasen ins Innere
des inneren Schmelztiegels hinein, also den
Kristallwachstumsbereich, unterdrückt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch
dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus
welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer ersten
Ausführungsform einer Einkristall-
Ziehvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 2A und 2B eine Perspektivansicht eines inneren
Schmelztiegels der ersten Ausführungsform der
Einkristall-Ziehvorrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung bzw. eine vergrößerte
Seitenansicht der wesentlichen Bauteile des
inneren Schmelztiegels;
Fig. 3 eine Ansicht des inneren Schmelztiegels bei
einer zweiten Ausführungsform der Einkristall-
Ziehvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 4 eine vergrößerte Querschnittsansicht der
wesentlichen Bauteile des äußeren
Schmelztiegels und des inneren Schmelztiegels
der zweiten Ausführungsform der Einkristall-
Ziehvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 5 eine vergrößerte Querschnittsansicht der
wesentlichen Bauteile eines inneren
Schmelztiegels einer dritten Ausführungsform
der Einkristall-Ziehvorrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 eine Querschnittsansicht einer vierten
Ausführungsform der Einkristall-
Ziehvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 7 eine Perspektivansicht eines inneren
Schmelztiegels der vierten Ausführungsform der
Einkristall-Ziehvorrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung;
Fig. 8A und 8B eine vergrößerte Ansicht der wesentlichen
Bauteile des inneren Schmelztiegels der
vierten Ausführungsform der Einkristall-
Ziehvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung bzw. eine Querschnittsansicht
entlang der Linie X-X in Fig. 8A;
Fig. 9A und 9B eine vergrößerte Ansicht der wesentlichen
Bauteile eines inneren Schmelztiegels gemäß
einer fünften Ausführungsform der Einkristall-
Ziehvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung bzw. eine Querschnittsansicht
entlang der Linie Y-Y, die in Fig. 9 gezeigt
ist;
Fig. 10 eine Perspektivansicht eines inneren
Schmelztiegels gemäß einer sechsten
Ausführungsform der Einkristall-
Ziehvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 11A und 11B eine vergrößerte Ansicht der wesentlichen
Bauteile des inneren Schmelztiegels der
sechsten Ausführungsform der Einkristall-
Ziehvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung bzw. eine Querschnittsansicht
entlang der Linie Z-Z in Fig. 11A;
Fig. 12 eine Querschnittsansicht eines Beispiels für
eine konventionelle Einkristall
ziehvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
Fig. 13A und 13B eine Perspektivansicht eines inneren
Schmelztiegels der konventionellen
Einkristall-Ziehvorrichtung, soweit sie in
Bezug auf die vorliegende Erfindung relevant
ist, bzw. eine vergrößerte Ansicht der
wesentlichen Bauteile.
Nachstehend erfolgt unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2
eine Beschreibung einer ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. In diesen Figuren bezeichnet das
Bezugszeichen 31 eine Silizium-Einkristall-Ziehvorrichtung,
32 einen gekerbten Abschnitt, und 33 einen inneren
Schmelztiegel.
Bei der Einkristall-Ziehvorrichtung 31 gemäß der ersten
Ausführungsform wird der innere Schmelztiegel 12 der
voranstehend erläuterten, momentan verwendeten,
beispielhaften Einkristall-Ziehvorrichtung 1, welcher
Verbindungsöffnungen 13 aufweist, durch einen inneren
Schmelztiegel 33 ersetzt, der gekerbte Abschnitte 32 enthält,
wie in Fig. 1 gezeigt ist, wobei jene Bauteile, die in Fig.
1 die gleichen sind wie in Fig. 12, mit denselben
Bezugszeichen bezeichnet sind, und insoweit keine erneute
Beschreibung erfolgt.
Die Einkristall-Ziehvorrichtung 31 weist eine
Doppelschmelztiegelkonstruktion auf, bei welcher ein innerer
Schmelztiegel 33, der aus einem zylindrischen Trennkörper aus
Quarz besteht, wie in Fig. 2A gezeigt, im Inneren eines
äußeren Schmelztiegels 11 angebracht wird, in welchem eine
Halbleiterschmelze 21 aufbewahrt wird.
Der innere Schmelztiegel 33 weist zwei gekerbte Abschnitte 32
auf der Unterkante des Schmelztiegels auf, die an
entgegengesetzten Seiten des Schmelztiegels in Bezug auf die
Achse angeordnet sind. Die gekerbten Abschnitte 32 bilden die
Verbindungsabschnitte, welche es gestatten, daß die
Halbleiterschmelze 21 von außerhalb des inneren
Schmelztiegels 33 in dessen Innenraum fließt, wenn der
Doppelschmelztiegel ausgebildet wird.
Die gekerbten Abschnitte 32 enthalten einen aufrechten
Abschnitt 32A im Bodenabschnitt des gekerbten Abschnitts, der
senkrecht nach oben geht, und einen Spitzenabschnitt 32B in
dem oberen Abschnitt des gekerbten Abschnitts, in welchem
sich die Breite allmählich bis zu einer 90°-Spitze oben
verringert, wie in Fig. 2B gezeigt ist.
Darüber hinaus ist die Breite W über die Unterkante der
gekerbten Abschnitte 32 auf den Maximalwert eingestellt.
Die Breite W über die Unterkante der gekerbten Abschnitte 32
ist auf eine Breite von 5 mm oder mehr eingestellt. Ist die
Breite W der Unterkante kleiner als 5 mm, so wird es für die
Halbleiterschmelze 21 schwierig, von dem äußeren
Schmelztiegel 11 ins Innere des inneren Schmelztiegels 33 zu
fließen, und entwickelt sich eine Differenz der Pegel der
Schmelze innerhalb und außerhalb des inneren Schmelztiegels
33.
Berücksichtigt man Phänomene wie den entgegengesetzten Fluß
der Halbleiterschmelze 21 von innerhalb des inneren
Schmelztiegels 33 zurück zum äußeren Schmelztiegel 11, dann
sind besonders geeignete Werte für die Breite W der
Unterkante folgendermaßen: 0,050<W/ϕ<0,055, wobei ϕ der
Innendurchmesser des inneren Schmelztiegels 33 ist.
Weiterhin ist die Gesamtöffnungsfläche S aller gekerbten
Abschnitte 32 auf einen Wert in folgendem Bereich
eingestellt: W²/2S2W². Ist der Wert kleiner als die
Untergrenze dieses Bereiches, dann ist der Fluß der
Halbleiterschmelze 21 aus den gekerbten Abschnitten nicht
dazu ausreichend, daß Einkristallwachstum aufrechtzuerhalten,
und entwickelt sich eine problematische Differenz der
Schmelzpegel innerhalb und außerhalb des inneren
Schmelztiegels 33.
Daher wird die Anzahl an gekerbten Abschnitten 32, und die
Öffnungsfläche eines einzelnen gekerbten Abschnitts 32, durch
die Werte festgelegt, die für die Gesamtöffnungsfläche S und
die Unterkantenbreite W eingestellt sind.
Als nächstes erfolgt eine Beschreibung des Verfahrens,
welches unter Verwendung der ersten Ausführungsform der
Einkristall-Ziehvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
eingesetzt wird, um Einkristalle aus Halbleitermaterial, wie
beispielsweise Silizium aufwachsen zu lassen.
(Anfänglicher Schmelzvorgang für das Ausgangsmaterial)
Zuerst wird ein vorbestimmtes Volumen an polykristallinem
Ausgangsmaterial wie beispielsweise Polysilizium in dem
äußeren Schmelztiegel 11 angebracht, und wird die Kammer 2
durch eine Vakuumpumpe und dergleichen evakuiert, um ein
Vakuum zu erzeugen. Dann wird ein, Inertgas wie etwa Argon
(Ar) in die Kammer 2 eingelassen, und wenn der äußere
Schmelztiegel 11 mit einer vorbestimmten
Winkelgeschwindigkeit durch Drehen der Welle 14 in der
Horizontalebene um ihre Achse bei einer vorbestimmten
Winkelgeschwindigkeit gedreht wird, wird die Heizvorrichtung
4 aktiviert, und wird das polykristalline Ausgangsmaterial
innerhalb des Doppelschmelztiegels 11 auf eine Temperatur
erhitzt, welche die Einkristallwachstumstemperatur
überschreitet, um das Ausgangsmaterial vollständig zu
schmelzen.
(Doppelschmelztiegelerzeugungsvorgang)
Nachdem das Ausgangsmaterial vollständig geschmolzen wurde,
wird die von der Heizvorrichtung 4 aufgebrachte Wärme etwas
verringert, und wird der innere Schmelztiegel 33 in die
Halbleiterschmelze 21 abgesenkt und auf dem konzentrischen
äußeren Schmelztiegel 11 angebracht, wodurch der
Doppelschmelztiegel ausgebildet wird.
Da der innere Schmelztiegel 33 keine Verbindungsöffnungen
aufweist, sondern die gekerbten Abschnitte 32, fließt zu
diesem Zeitpunkt sobald dann, wenn die Unterkante des inneren
Schmelztiegels 33 die Halbleiterschmelze 21 berührt, die
Halbleiterschmelze 21 sofort ins Innere der gekerbten
Abschnitte 32, und allmählich dringt die Halbleiterschmelze
21 in die gekerbten Abschnitte 32 ein, wodurch irgendwelche
Gasblasen herausgedrückt werden, wodurch verhindert wird, daß
Gasblasen an den gekerbten Abschnitten 32 anhaften. Wenn der
innere Schmelztiegel 33 auf dem äußeren Schmelztiegel 11 zur
Ausbildung des Doppelschmelztiegels angebracht wird, bilden
darüber hinaus die gekerbten Abschnitte 32 die
Verbindungsabschnitte, wodurch die Halbleiterschmelze 21 in
den inneren Schmelztiegel hineinfließen kann.
Da jeder gekerbte Abschnitt 32 einen Spitzenabschnitt 32B
enthält, kann die Unterkantenbreite W auf einen größeren Wert
eingestellt werden als beispielsweise bei einem einfachen,
rechteckig gekerbten Abschnitt, der keinen Spitzenabschnitt
aufweist, wobei dennoch die Öffnungsfläche des gekerbten
Abschnitts auf demselben konstanten Wert gehalten wird. Da
die Breite des unteren Abschnitts jedes gekerbten Abschnitts
32, welcher der Abschnitt ist, der zuerst in Berührung mit
der Halbleiterschmelze 21 gelangt, auf einen großen Wert
eingestellt ist, kann die Halbleiterschmelze 21 einfach in
die gekerbten Abschnitte 32 eindringen, was das Herauszwingen
irgendwelcher anhaftender Gasblasen erleichtert.
Da die Breite W über die Bodenkante der gekerbten Abschnitte
32 auf den Maximalwert eingestellt ist, weist der untere
Abschnitt jedes gekerbten Abschnitts 32, welcher den
Abschnitt darstellt, der zuerst in Berührung mit der
Halbleiterschmelze 21 gelangt, die maximale Breite auf, was
das Entfernen irgendwelcher anhaftenden Gasblasen noch
einfacher macht.
(Einkristallwachstumsvorgang)
Nach der Ausbildung des Doppelschmelztiegels wird ein
elektrischer Strom durch den Magneten 6 geleitet, wodurch ein
Magnetfeld mit vorbestimmter Stärke angelegt wird, es wird
die elektrische Energie für die Heizvorrichtung 4 so
eingestellt, daß die Oberflächentemperatur am Umfang des
mittleren Bereichs 23 der Halbleiterschmelze 21 auf der
Einkristallwachstumstemperatur gehalten wird, und nachdem der
Impfkristall 25, der von der Ziehwelle 24 herabhängt, in
Berührung mit der Halbleiterschmelze 21 gelangt ist, wächst
ein Halbleitereinkristall 26 um den Kern des Impfkristalls 25
herum auf. Nach der Herstellung eines Impfkristalls, der
keine Versetzungen aufweist, steigt daher der Durchmesser des
Einkristalls allmählich an, um einen Halbleitereinkristall 26
mit vorgegebenem Durchmesser zu erzeugen.
Bei diesem Kristallwachtumsvorgang wird das Ausgangsmaterial
22, welches aus Siliziumkörnern besteht, ständig dem System
hinzugefügt, in einer Menge proportional zur Wachstumsrate
(Zugrate) des Halbleitereinkristalls 26 (es werden auch
Dotiermittel hinzugefügt), und dieses hinzugefügte
Ausgangsmaterial 22 schmilzt in dem äußeren Schmelztiegel 11,
außerhalb des inneren Schmelztiegels 33, und gelangt durch
die gekerbten Abschnitte 32, welche die Verbindungsabschnitte
bilden, und wird so ständig der Innenseite des inneren
Schmelztiegels 33 zugeführt. Das voranstehend geschilderte
Verfahren kann dazu verwendet werden, Halbleitereinkristalle
26 wachsen zu lassen.
Bei dem voranstehend geschilderten Doppelschmelztiegelaufbau
besteht der untere Abschnitt der gekerbten Abschnitte 32 aus
einem aufrechten Abschnitt 32A, und obwohl der Einfluß der
Wärme groß ist, wenn die gekerbten Abschnitte in direkte
Berührung mit dem äußeren Schmelztiegel 11 auf hoher
Temperatur gelangen, ist es infolge der Tatsache, daß die
gekerbten Abschnitte in Vertikalrichtung eine große
Festigkeit aufweisen, selbst wenn sie unter Wärmeeinwirkung
geschwächt werden, unwahrscheinlich, daß eine Verformung in
Vertikalrichtung auftritt, so daß ihre Form beibehalten wird.
Nachstehend erfolgt unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4
eine Beschreibung einer zweiten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. In diesen Figuren bezeichnet das
Bezugszeichen 41 einen inneren Schmelztiegel, und 42 einen
gekerbten Abschnitt.
Der Punkt, in welchem sich die zweite und die erste
Ausführungsform unterscheiden, besteht darin, daß die
Außenoberfläche 41A der Unterkante des inneren Schmelztiegels
41 bei der zweiten Ausführungsform aus einer sich
verjüngenden Oberfläche besteht, die sich über die Kante an
der Innenseite hin neigt. Der innere Schmelztiegel 41 ist
daher so angeordnet, daß die Unterkante die geneigte
Oberfläche an der Innenseite des äußeren Schmelztiegels 11
berührt, und die Außenoberfläche 41A der Unterkante, die aus
einer verjüngten Oberfläche besteht, welche an die verjüngte
Oberfläche angepaßt ist, in vollständige Oberflächenberührung
mit der geneigten Oberfläche gelangt, wodurch der innere
Schmelztiegel 41 gehaltert wird. Das Totgewicht, welches auf
der Unterkante des inneren Schmelztiegels 41 aufliegt, wird
daher durch den vollständigen Oberflächenkontakt verteilt,
und es wird jede Verformung infolge von Wärmeeinwirkung der
Unterkante verringert, und es kann die Form der gekerbten
Abschnitte 42 an der Unterkante aufrechterhalten werden.
Weiterhin weisen die gekerbten Abschnitte 42, wie die
gekerbten Abschnitte 32 bei der ersten Ausführungsform, einen
aufrechten Abschnitt 42A und einen Spitzenabschnitt 42B auf,
wobei der Umfang des aufrechten Abschnitts eine verjüngte
Oberfläche hat.
Da die Außenoberfläche 41A der Unterkante des inneren
Schmelztiegels 41 in vollständige Oberflächenberührung mit
der Innenoberfläche des äußeren Schmelztiegels 11 gelangt,
wird die Haftung an dem äußeren Schmelztiegel 11 verbessert.
Selbst wenn daher beispielsweise während der Montage des
inneren Schmelztiegels 41 eine Verschiebung der Position
auftritt, ist es unwahrscheinlich, daß sich ein Spalt
zwischen der Unterkante des inneren Schmelztiegels 41 und dem
äußeren Schmelztiegel 11 entwickelt.
Nachstehend erfolgt unter Bezugnahme auf Fig. 5 eine
Beschreibung einer dritten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung. In dieser Figur bezeichnet das Bezugszeichen 51
einen inneren Schmelztiegel, und das Bezugszeichen 52 einen
gekerbten Abschnitt.
Der Punkt, an welchem sich die dritte und die erste
Ausführungsform unterscheiden, besteht darin, daß in dem
inneren Schmelztiegel 51 bei der dritten Ausführungsform der
Umfang des unteren Abschnitts der gekerbten Abschnitte 52 aus
einem verdickten Abschnitt 51A besteht, bei welchem die
Schmelztiegelwand dicker ist als in den anderen Abschnitten.
Der Umfang des unteren Abschnitts der gekerbten Abschnitte
52, der nahe an dem äußeren Schmelztiegel 11 liegt, besteht
daher aus dem verdickten Abschnitt 51A, und der verdickte
Abschnitt 51A weist eine größere Festigkeit auf als der
übrige Abschnitt. Selbst wenn die gekerbten Abschnitte 52
unter Wärmeeinwirkung geschwächt werden, ist es daher
unwahrscheinlich, daß eine Verformung auftritt, und daher
wird ihre Form aufrechterhalten. Weiterhin bestehen die
gekerbten Abschnitte 52, wie die gekerbten Abschnitte 32 bei
der ersten Ausführungsform, aus einem aufrechten Abschnitt
52A und einem Spitzenabschnitt 52B, und der Umfang des
aufrechten Abschnitts 52A entspricht dem verdickten Abschnitt
51A.
Als nächstes erfolgt unter Bezugnahme auf die Fig. 6 bis
8A, 8B eine Beschreibung einer vierten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
In diesen Figuren bezeichnet das Bezugszeichen 131 eine
Silizium-Einkristall-Ziehvorrichtung, das Bezugszeichen 132
eine Verbindungsöffnung und das Bezugszeichen 133 einen
inneren Schmelztiegel.
Bei der Einkristall-Ziehvorrichtung 131 gemäß der vierten
Ausführungsform ist der innere Schmelztiegel 12 der
voranstehend erläuterten, momentan verwendeten, beispielhaft
genannten Einkristall-Ziehvorrichtung 1, welcher
Verbindungsöffnungen 13 aufweist, durch einen inneren
Schmelztiegel 133 ersetzt, der Verbindungsöffnungen 132 mit
anderer Form enthält als bei den Verbindungsöffnungen 13, wie
in Fig. 6 gezeigt, wobei derartige Bauteile, die in Fig. 6
ebenso wie in Fig. 12 ausgebildet sind, mit denselben
Bezugszeichen bezeichnet sind, und insoweit hier keine
erneute Beschreibung erfolgt.
Die Einkristall-Ziehvorrichtung 131 verwendet einen
Doppelschmelztiegelaufbau, bei welchem ein innerer
Schmelztiegel 133, der aus einem zylindrischen Trennkörper
aus Quarz besteht, wie in Fig. 7 gezeigt, im Inneren eines
äußeren Schmelztiegels 11 angebracht wird, in welchem eine
Halbleiterschmelze 21 aufbewahrt wird.
Der innere Schmelztiegel 133 weist drei Verbindungsöffnungen
132 im unteren Abschnitt der Seitenwand des Schmelztiegels
auf, die in gleichen Abständen voneinander angeordnet sind,
und um die Achse herum zentriert sind. Bei diesen
Verbindungsöffnungen 132 besteht ein oberer Kantenabschnitt
132A in der oberen Hälfte der Öffnung aus einem verjüngten
Abschnitt, an welchem sich die Schmelztiegelwand zur Richtung
der Innenseite der Öffnung 132 herunter allmählich verengt,
wobei die minimale Öffnung kreisförmig ist.
Der obere Kantenabschnitt 132A ist ein verjüngter Abschnitt,
in welchem sowohl die Innenoberfläche als auch die
Außenoberfläche des inneren Schmelztiegels 133 geneigt
ausgebildet sind, und sich eine Vorderkante 132B des
verjüngten Abschnitts innerhalb der Verbindungsöffnung 132
befindet.
Weiterhin ist der Öffnungsdurchmesser der
Verbindungsöffnungen 132 auf innerhalb eines Bereiches
eingestellt, durch welchen sichergestellt wird, daß sich
keine Differenz der Schmelzpegel zwischen der Innenseite und
der Außenseite des inneren Schmelztiegels 133 einstellt, und
der Effekt eines Rückwärtsflusses nicht auftritt, bei welchem
die Halbleiterschmelze 21 von der Innenseite des inneren
Schmelztiegels 133 zurück zur Außenseite des inneren
Schmelztiegels 133 fließt.
Nachstehend erfolgt eine Beschreibung des
Doppelschmelztiegelausbildungsvorgangs, der bei dem Verfahren
zum Wachsenlassen von Silizium-Halbleitereinkristallen unter
Verwendung der vierten Ausführungsform der Einkristall-
Ziehvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung auftritt.
Der anfängliche Schmelzvorgang für das Ausgangsmaterial und
der Einkristallwachstumsvorgang sind ebenso, wie voranstehend
bezüglich der ersten Ausführungsform beschrieben.
(Doppelschmelztiegelausbildungsvorgang)
Nachdem das Ausgangsmaterial vollständig geschmolzen ist,
wird die von der Heizvorrichtung 4 entwickelte Wärme etwas
verringert, und wird der innere Schmelztiegel 133 in die
Halbleiterschmelze 21 abgesenkt, und auf dem konzentrischen
äußeren Schmelztiegel 11 angebracht, wodurch der
Doppelschmelztiegel ausgebildet wird.
Da der Oberkantenabschnitt 132A jeder der
Verbindungsöffnungen 132 aus einem verjüngten Abschnitt
besteht, wird zu diesem Zeitpunkt dann, wenn der innere
Schmelztiegel 133 in die Halbleiterschmelze 21 abgesenkt
wird, das Anhaften von Gasblasen A in den
Verbindungsöffnungen 132 verhindert, da die
Halbleiterschmelze 21 in die Verbindungsabschnitte 132
eindringt, irgendwelche anhaftenden Gasblasen A nach oben
herausdrückt, und die oberen Kantenabschnitte 132A, die aus
verjüngten Abschnitten bestehen, dann die Gasblasen nach
außen herausführen, entweder zur Innenseite oder zur
Außenseite des inneren Schmelztiegels hin.
Da sich die Breite der Vorderkante 132B des oberen
Kantenabschnitts 132A der Verbindungsöffnungen 132 verengt,
verringert sich die Kontaktfläche zwischen der Gasblase A und
der Vorderkante, was zu dem einfachen Entfernen von Gasblasen
A beiträgt, wenn die Halbleiterschmelze 21 in die Öffnung
eindringt.
Bei dem Kristallwachstumsvorgang wird nach der Ausbildung des
Doppelschmelztiegels das Ausgangsmaterial 22, welches aus
Siliziumkörner besteht, ständig dem System zugeführt, in
einer Menge proportional zur Wachstumsrate (Ziehrate) des
Halbleitereinkristalls 26 (Dotiermittel werden hinzugefügt,
soweit erforderlich), und das zugeführte Ausgangsmaterial 22
schmilzt in dem äußeren Schmelztiegel 11, außerhalb des
inneren Schmelztiegels 133, gelangt durch die
Verbindungsöffnungen 132, und wird ständig dem Innenraum des
inneren Schmelztiegels 133 zugeführt.
Als nächstes erfolgt unter Bezugnahme auf die Fig. 9A und
9B eine Beschreibung einer fünften Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. In diesen Figuren bezeichnet das
Bezugszeichen 141 einen inneren Schmelztiegel, und 142 eine
Verbindungsöffnung.
Der Punkt, in welchem sich die fünfte und die vierte
Ausführungsform unterscheiden, besteht darin, daß der
Umgebungsrandabschnitt jeder Verbindungsöffnung 142 in dem
inneren Schmelztiegel 141 bei der fünften Ausführungsform aus
einem oberen Kantenabschnitt 142A und einem unteren
Kantenabschnitt 142B besteht, die beide verjüngte Abschnitte
darstellen, an welchen sich die Schmelztiegelwand allmählich
in Richtung auf die Innenseite der Verbindungsöffnung 142
herunter verengt.
Weiterhin besteht der obere Randabschnitt 142A aus einer
geneigten Oberfläche 142C, die nach innen zur
Verbindungsöffnung 142 hin geneigt ist, von der
Außenoberfläche 141A des inneren Schmelztiegels 141 aus bis
zur Innenoberfläche 141B, und der untere Kantenabschnitt 142B
besteht aus einer geneigten Oberfläche 142D, die sich nach
Innen zur Verbindungsöffnung 142 hin neigt, von der
Außenoberfläche 141A des inneren Schmelztiegels 141 aus zur
Innenoberfläche 141B hin.
Wenn der Doppelschmelztiegel ausgebildet wird, werden daher
irgendwelche Gasblasen in den Verbindungsöffnungen 142 durch
den Fluß der Halbleiterschmelze 21 nach oben gedrückt, durch
die geneigte Oberfläche 142C des oberen Kantenabschnitts 142A
geführt, und dann nach außerhalb des inneren Schmelztiegels
141 gezwungen. Daher kann der Fluß von Gasblasen ins Innere
des inneren Schmelztiegels 141, wo sich der
Kristallwachstumsbereich befindet, unterdrückt werden.
Da nicht nur der obere Kantenabschnitt 142A jeder
Verbindungsöffnung 142, sondern auch der untere
Kantenabschnitt 142B verjüngt ausgebildet ist, verschmälert
sich die Breite der Vorderkante des Umgebungsrandabschnitts,
und wird die Kontaktoberfläche zwischen den Gasblasen und der
Vorderkante wesentlich verringert, was zusätzlich zum
einfachen Entfernen von Gasblasen beiträgt, wenn die
Halbleiterschmelze 21 in die Verbindungsöffnungen eindringt.
Als nächstes erfolgt unter Bezugnahme auf die Fig. 10, 11A
und 11B eine Beschreibung einer sechsten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
In diesen Figuren bezeichnet das Bezugszeichen 151 einen
inneren Schmelztiegel, und das Bezugszeichen 152 einen
gekerbten Abschnitt.
Der Punkt, in welchem sich die sechste und die fünfte
Ausführungsform unterscheiden, besteht darin, daß die
Verbindungsabschnitte in dem inneren Schmelztiegel 151,
welche das Fließen der Halbleiterschmelze 21 ins Innere des
Schmelztiegels gestatten, nicht aus Verbindungsöffnungen
bestehen, sondern aus gekerbten Abschnitten 152. Der innere
Schmelztiegel 151 weist daher zwei gekerbte Abschnitte 152
auf der Unterkante des Schmelztiegels auf, die in Bezug auf
die Achse an entgegengesetzten Seiten des Schmelztiegels
liegen, und diese gekerbten Abschnitte 152 bilden die
Verbindungsabschnitte, welche es zulassen, daß die
Halbleiterschmelze 21 ins Innere des inneren Schmelztiegels
fließt, wenn der Doppelschmelztiegel hergestellt wird.
Die gekerbten Abschnitte 152 enthalten einen aufrechten
Abschnitt 152B im Bodenabschnitt des gekerbten Abschnitts,
der senkrecht nach oben steht, und einen Spitzenabschnitt
152C in dem oberen Abschnitt des gekerbten Abschnitts, in
welchem sich die Breite allmählich zu einer Spitze von 90°
oben verringert, wie in Fig. 11A gezeigt ist.
Die Umgebungskante 152D des aufrechten Abschnitts 152B und
des Spitzenabschnitts 152C besteht aus einem verjüngten
Abschnitt, der sich herunter in Richtung auf die Innenseite
des gekerbten Abschnitts 152 verengt.
Da der Umgebungskantenabschnitt 152D jedes dieser
Verbindungsabschnitte 152 aus einem verjüngten Abschnitt
besteht, kann dann, wenn die Unterkante des inneren
Schmelztiegels 151 in Berührung mit der Halbleiterschmelze
121 gelangt, die Halbleiterschmelze 21 sofort in den
Bodenabschnitt der gekerbten Abschnitte 152 fließen, und
dringt die Halbleiterschmelze 21 allmählich in die gekerbten
Abschnitte 152 ein, und zwingt irgendwelche Gasblasen nach
oben heraus. Da die Gasblasen außerhalb des inneren
Schmelztiegels 151 durch den verjüngten
Umgebungskantenabschnitt 152D des gekerbten Abschnitts
geführt werden, wird an diesem Punkt das Anhaften von
Gasblasen an den gekerbten Abschnitten 152 verhindert.
Der minimale Öffnungsdurchmesser der gekerbten Abschnitte
152, wenn der innere Schmelztiegel 151 im Inneren des äußeren
Schmelztiegels 11 angebracht wird, wird darüber hinaus auf
innerhalb eines Bereiches eingestellt, welcher sicherstellt,
daß sich keine Differenz der Schmelzpegel zwischen der
Innenseite und der Außenseite des inneren Schmelztiegels 151
entwickelt, und daß nicht der Effekt des Rückfließens
auftritt, also die Halbleiterschmelze 21 von innerhalb des
inneren Schmelztiegels 151 zurück zur Außenseite des inneren
Schmelztiegels 151 fließt.
Die vorliegende Erfindung umfaßt weiterhin folgende Arten von
Ausführungsformen.
- (1) Die inneren Schmelztiegel 33, 41, 51, 133, 141 und 151
sind zylindrische Trennkörper, jedoch sind auch andere
formen als Zylinder möglich. Beispielsweise kann ein
Trennkörper ebenfalls verwendet werden, der als
geschlossener Zylinder mit einer abgeschlossenen
Bodenfläche ausgebildet ist.
- (2) Die oberen Abschnitte der gekerbten Abschnitte 32, 42
und 52 bestehen jeweils aus einem Abschnitt mit einer
spitze von 90°, nämlich 32B, 42B bzw. 52B, jedoch sind
auch Spitzenabschnitte mit unterschiedlichen Formen
möglich. Beispielsweise können auch gekerbte Abschnitte
verwendet werden, bei denen der obere Abschnitt aus
einem Abschnitt in Form eines Kreisbogens besteht.
- (3) Die inneren Schmelztiegel 33, 41 und 51 enthalten
jeweils zwei gekerbte Abschnitte 32, 42 bzw. 52, jedoch
sind auch Schmelztiegel möglich, die einen einzigen
gekerbten Abschnitt oder mehr als zwei gekerbte
Abschnitte aufweisen. Weiterhin weisen die inneren
Schmelztiegel 133 und 141 jeweils drei
Verbindungsöffnungen 132 bzw. 142 auf, und enthält der
innere Schmelztiegel 151 zwei gekerbte Abschnitte,
jedoch sind auch Schmelztiegel möglich, die entweder
eine einzige Verbindungsöffnung 132, 142 aufweisen, oder
einen einzigen gekerbten Abschnitt 152, oder alternativ
eine größere Anzahl dieser Teile als voranstehend
geschildert aufweisen. Insbesondere dann, wenn der
Durchmesser des Schmelztiegels vergrößert wird, damit
Einkristalle mit größerem Durchmesser aufwachsen können,
ist es wünschenswert, mehrere Verbindungsöffnungen oder
gekerbte Abschnitte in dem inneren Schmelztiegel zur
Verfügung zu haben.
- (4) Die voranstehend geschilderte Einkristall-
Ziehvorrichtung verwendete das CZ-Verfahren mit
angelegtem konstanten Magnetfeld (CMCZ-Verfahren), oder
es können auch andere Einkristallerzeugungsverfahren
verwendet werden, unter der Voraussetzung, daß die
Vorrichtung eine Doppelschmelztiegelanordnung aufweist.
Es kann beispielsweise das CZ-Wachstumsverfahren mit
kontinuierlicher Bestückung (CCZ-Verfahren) verwendet
werden, bei welchem kein Magnetfeld angelegt wird.
- (5) Bei der dritten Ausführungsform enthält der innere
Schmelztiegel 51 einen verdickten, vorspringenden
Abschnitt 51A sowohl auf der Innen- als auch auf der
Außenoberfläche, jedoch ist auch ein innerer
Schmelztiegel möglich, der einen verdickten
vorspringenden Abschnitt entweder auf der
Innenoberfläche oder auf der Außenoberfläche aufweist.
Weiterhin ist es zur Erhöhung der Gesamtfestigkeit der
gekerbten Abschnitte 52 wünschenswert, daß der verdickte
Abschnitt nicht nur im unteren Abschnitt der gekerbten
Abschnitte vorgesehen wird, sondern am Gesamtumfang der
gekerbten Abschnitte.
- (6) Die oberen Kantenabschnitte 132A der
Verbindungsöffnungen 132, die Umgebungskantenabschnitte
142A der Verbindungsöffnungen 142, und die
Umgebungskantenabschnitte 152D der gekerbten Abschnitte
152 bestehen sämtlich aus verjüngten Abschnitten, die im
Schnittprofil jeweils dreieckig sind, jedoch sind auch
verjüngte Abschnitte möglich, die im Schnitt
trapezförmig ausgebildet sind.
Die vorliegende Erfindung stellt folgende Auswirkungen zur
Verfügung.
Bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
weisen die Verbindungsabschnitte, an welchen einfach
Gasblasen anhaften können, eine Blasenentfernungsvorrichtung
auf, und daher ist es unwahrscheinlich, daß Gasblasen in den
Verbindungsabschnitten übrigbleiben, und aus diesem Grund ist
das stabile Ziehen langer Einkristalle mit großem Durchmesser
möglich.
Da bei dieser Ausführungsform die Verbindungsabschnitte,
welche eine Blasenentfernungsvorrichtung aufweisen, gekerbte
Abschnitte auf der Unterkante des inneren Schmelztiegels
aufweisen, drückt dann, wenn der Doppelschmelztiegel
hergestellt wird, die Halbleiterschmelze irgendwelche
Gasblasen aus den gekerbten Abschnitten heraus, wodurch das
Anhaften von Gasblasen an den gekerbten Abschnitten
verhindert wird, und eine Erhöhung des Flußwiderstands für
die Halbleiterschmelze unterdrückt werden kann, wenn sie
durch die gekerbten Abschnitte fließt. Daher behält die
tatsächliche Öffnungsfläche der Verbindungsabschnitte den
Nominalwert bei, was ein vorteilhaftes Einkristallwachstum
gestattet.
Bei dieser Ausführungsform ist es möglich, wenn ein
Spitzenabschnitt in den gekerbten Abschnitten vorgesehen
wird, die Breite über die Unterkante jedes gekerbten
Abschnitts auf einen größeren Wert einzustellen, als
beispielsweise bei einem einfachen rechteckigen gekerbten
Abschnitt ohne einen Spitzenabschnitt, und daher dringt, wenn
der Doppelschmelztiegel hergestellt wird, die
Halbleiterschmelze einfach in die gekerbten Abschnitte ein,
was es vereinfacht, irgendwelche anhaftenden Gasblasen
herauszudrücken.
Wenn die Breite über die Unterkante der gekerbten Abschnitte
auf die maximal mögliche Breite eingestellt wird, dringt
dann, wenn der Doppelschmelztiegel ausgebildet wird, die
Halbleiterschmelze einfach in die gekerbten Abschnitte ein,
was es noch einfacher macht, irgendwelche anhaften Gasblasen
herauszudrücken.
Wenn der untere Abschnitt der gekerbten Abschnitte aus einem
aufrechten Abschnitt besteht, dann weist der Umfang des
unteren Abschnitts der gekerbten Abschnitte eine erhöhte
Festigkeit in Vertikalrichtung auf, und selbst dann, wenn die
gekerbten Abschnitte unter Wärmeeinwirkung geschwächt werden,
ist es unwahrscheinlich, daß eine Verformung auftritt, so daß
ihre Form aufrechterhalten werden kann. Daher ist es möglich,
Änderungen der Öffnungsfläche der Verbindungsabschnitte zu
unterdrücken, die durch Wärmeverformung der gekerbten
Abschnitte hervorgerufen werden.
Wenn ein verdickter Abschnitt, der dicker als die anderen
Abschnitte ist, in der Innenwand des Schmelztiegels am Umfang
des unteren Abschnitts der gekerbten Abschnitte vorgesehen
wird, welcher den Abschnitt darstellt, der sich nahe an dem
äußeren Schmelztiegel befindet, so ist die Festigkeit des
verdickten Abschnitts größer als jene des übrigen Abschnitts,
und selbst wenn die gekerbten Abschnitte unter
Wärmeeinwirkung geschwächt werden, ist es unwahrscheinlich,
daß eine Verformung auftritt, und daher kann die Form der
gekerbten Abschnitte aufrechterhalten werden. Daher ist es
möglich, Änderungen der Öffnungsfläche der
Verbindungsabschnitte zu unterdrücken, die durch
Wärmeverformung der gekerbten Abschnitte hervorgerufen
werden.
Wenn die Außenumfangsoberfläche der Unterkante des inneren
Schmelztiegels aus einer verjüngten Oberfläche besteht, so
berührt die Außenumfangsoberfläche der Unterkante des inneren
Schmelztiegels die geneigte Oberfläche auf der Innenwand des
äußeren Schmelztiegels in einem vollflächigen Kontakt,
wodurch der innere Schmelztiegel gehaltert wird, und so wird
jegliche Wärmeverformung der Unterkante verringert, und wird
die Form der gekerbten Abschnitte aufrechterhalten, die sich
auf der Unterkante befindet.
Da die Außenumfangsoberfläche der Unterkante des inneren
Schmelztiegels in vollflächige Berührung mit der
Innenoberfläche des äußeren Schmelztiegels gelangt, wird die
Haftung an dem äußeren Schmelztiegel verbessert, und selbst
wenn beispielsweise während der Montage des inneren
Schmelztiegels eine Verschiebung der Position auftritt, ist
es unwahrscheinlich, daß sich ein Spalt zwischen der
Unterkante des inneren Schmelztiegels und dem äußeren
Schmelztiegel einstellt, so daß es möglich ist, jede
Vergrößerung der Öffnungsfläche der Verbindungsabschnitte zu
unterdrücken, die durch derartige Spalte hervorgerufen wird.
Da bei anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
der obere Kantenabschnitt der Verbindungsöffnungen aus einem
verjüngten Abschnitt besteht, der als
Blasenentfernungsanordnung dient, ist es dann, wenn der
Doppelschmelztiegel ausgebildet wird, infolge der Tatsache,
daß die Halbleiterschmelze in die Verbindungsöffnungen
eindringt und jede anhaftenden Gasblasen herausdrückt, und
die Wirkung des oberen verjüngten Abschnitts jegliche Blasen
heraus führt, möglich, das Anhaften von Gasblasen an den
Verbindungsöffnungen zu unterdrücken.
Da sich die Breite der Vorderkante des oberen
Kantenabschnitts jeder Verbindungsöffnung verringert,
verkleinert sich darüber hinaus die Kontaktoberfläche
zwischen der Gasblase und der Vorderkante des oberen
Abschnitts, was zum einfachen Entfernen von Gasblasen
beiträgt.
Daher werden jegliche Gasblasen einfach von den
Verbindungsöffnungen entfernt, und daher ist es möglich, jede
Vergrößerung des Flußwiderstands für die Halbleiterschmelze
zu unterdrücken, wenn diese durch die Verbindungsöffnungen
fließt, und die tatsächliche Öffnungsfläche der
Verbindungsabschnitte bleibt auf dem Nominalwert, was ein
vorteilhaftes Einkristallwachstum gestattet.
Wenn bei diesen Ausführungsformen der obere Kantenabschnitt
des gekerbten Abschnitts aus einem verjüngten Abschnitt
besteht, ist es möglich, das Anhaften von Gasblasen an den
gekerbten Abschnitten zu verhindern, wenn der
Doppelschmelztiegel hergestellt wird, da die
Halbleiterschmelze allmählich in die gekerbten Abschnitte
eindringt und irgendwelche anhaftenden Gasblasen
herausdrückt, und die Wirkung des oberen verjüngten
Abschnitts irgendwelche Blasen hinausführt.
Da die Breite der Vorderkante des oberen Kantenabschnitts
jedes gekerbten Abschnitts sich verengt, verringert sich
darüber hinaus die Kontaktfläche zwischen der Gasblase der
Vorderkante des oberen Abschnitts, was zum einfachen
Entfernen von Gasblasen beiträgt.
Daher werden irgendwelche Gasblasen einfach von den gekerbten
Abschnitten entfernt, und daher ist es möglich, eine Erhöhung
des Flußwiderstandes zu unterdrücken, wenn die
Halbleiterschmelze durch die gekerbten Abschnitte fließt, und
die tatsächliche Öffnungsfläche der gekerbten Abschnitte,
wenn der Doppelschmelztiegel ausgebildet wird, bleibt auf dem
eingestellten Wert, was ein günstigeres Kristallwachstum
ermöglicht.
Wenn darüber hinaus die oberen Kantenabschnitte aus geneigten
Oberflächen bestehen, wobei die Neigung nach innen zur
Verbindungsöffnung oder zum gekerbten Abschnitt von der
Außenoberfläche des inneren Schmelztiegels zur
Innenoberfläche geht, so können dann, wenn der
Doppelschmelztiegel hergestellt wird, irgendwelche Gasblasen
durch diese geneigten Oberflächen geführt und nach außerhalb
des inneren Schmelztiegels herausgezwungen werden. Daher wird
der Fluß von Gasblasen ins Innere des inneren Schmelztiegels
unterdrückt, wo sich der Kristallwachstumsbereich befindet,
und können die Auswirkungen derartiger Gasblasen auf das
Kristallwachstum verringert werden.