DE19654248B4

DE19654248B4 - Einkristall-Ziehvorrichtung

Info

Publication number: DE19654248B4
Application number: DE19654248A
Authority: DE
Inventors: Takashi Atami; Hisashi Furuya; Michio Omiya Kida
Original assignee: Mitsubishi Materials Silicon Corp; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 1995-12-27
Filing date: 1996-12-23
Publication date: 2008-06-19
Anticipated expiration: 2016-12-24
Also published as: DE19654248A1; TW430699B; CN1083019C; CN1163950A; KR100462137B1; KR970042342A; US5873938A

Abstract

Einkristall-Ziehvorrichtung, bei welcher eine Halbleiterschmelze in einem äußeren Schmelztiegel aufbewahrt wird, und ein zylindrischer innerer Schmelztiegel, der als Trennkörper dient, im Inneren des äußeren Schmelztiegels angebracht ist, um so einen Doppelschmelztiegel auszubilden, und ein Halbleitereinkristall aus der Halbleiterschmelze im Inneren des inneren Schmelztiegels gezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Schmelztiegel einen Verbindungsabschnitt aufweist, der ausgebildet wird, wenn der Doppelschmelztiegel hergestellt wird, damit die Halbleiterschmelze in den inneren Schmelztiegel fließen kann, wobei der Verbindungsabschnitt einen gekerbten Abschnitt als Vorrichtung zum Entfernen von Gasblasen aufweist, die sich an dem Verbindungsabschnitt festgesetzt haben, der gekerbte Abschnitt auf einer Unterkante des inneren Schmelztiegels vorgesehen ist, und der innere Schmelztiegel einen verdickten Abschnitt zumindest am Umfang eines unteren Abschnitts des gekerbten Abschnitts aufweist, der dicker ist als die anderen Abschnitte.

Description

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-Wachstumsverfahrens, 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 möglicht 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.
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 (8102), 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 Konvektion im Inneren der Halbleiterschmelze 21 gesteuert wird, die Sauerstoffkonzentration gesteuert wird, Oberflächenvibrationen 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-Typs).
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 Konvektion die Halbleiterschmelze von dem Kristallwachstumsbereich 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 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:
1 eine Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform einer Einkristall-Ziehvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
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;
3 eine Ansicht des inneren Schmelztiegels bei einer zweiten Ausführungsform der Einkristall-Ziehvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 eine vergrößerte Querschnittsansicht der wesentlichen Bauteile des äußeren Schmelztiegels und des inneren Schmelztiegels der zweiten Ausführungsform der Einkristall-Ziehvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
5 eine vergrößerte Querschnittsansicht der wesentlichen Bauteile eines inneren Schmelztiegels einer dritten Ausführungsform der Einkristall-Ziehvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
6 eine Querschnittsansicht einer vierten Ausführungsform der Einkristall-Ziehvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
7 eine Perspektivansicht eines inneren Schmelztiegels der vierten Ausführungsform der Einkristall-Ziehvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
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 8A;
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 9 gezeigt ist;
10 eine Perspektivansicht eines inneren Schmelztiegels gemäß einer sechsten Ausführungsform der Einkristall-Ziehvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
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 11A;
12 eine Querschnittsansicht eines Beispiels für eine konventionelle Einkristall-Ziehvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; und
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 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 1 gezeigt ist, wobei jene Bauteile, die in 1 die gleichen sind wie in 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 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 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: W²/2 < S < 2W². 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 Kristallwachstumsvorgang 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 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 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 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 6 gezeigt, wobei derartige Bauteile, die in 6 ebenso wie in 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 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 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 1413, 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 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 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 herausführt, 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.

Claims

Einkristall-Ziehvorrichtung, bei welcher eine Halbleiterschmelze in einem äußeren Schmelztiegel aufbewahrt wird, und ein zylindrischer innerer Schmelztiegel, der als Trennkörper dient, im Inneren des äußeren Schmelztiegels angebracht ist, um so einen Doppelschmelztiegel auszubilden, und ein Halbleitereinkristall aus der Halbleiterschmelze im Inneren des inneren Schmelztiegels gezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Schmelztiegel einen Verbindungsabschnitt aufweist, der ausgebildet wird, wenn der Doppelschmelztiegel hergestellt wird, damit die Halbleiterschmelze in den inneren Schmelztiegel fließen kann, wobei der Verbindungsabschnitt einen gekerbten Abschnitt als Vorrichtung zum Entfernen von Gasblasen aufweist, die sich an dem Verbindungsabschnitt festgesetzt haben, der gekerbte Abschnitt auf einer Unterkante des inneren Schmelztiegels vorgesehen ist, und der innere Schmelztiegel einen verdickten Abschnitt zumindest am Umfang eines unteren Abschnitts des gekerbten Abschnitts aufweist, der dicker ist als die anderen Abschnitte.
Einkristall-Ziehvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gekerbte Abschnitt einen Spitzenabschnitt aufweist, der sich allmählich zu einer Spitze an der Oberseite verengt.
Einkristall-Ziehvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der gekerbte Abschnitt an der Unterkante des inneren Schmelztiegels eine maximal mögliche Breite aufweist.
Einkristall-Ziehvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gekerbte Abschnitt einen vertikal aufrechtenden Abschnitt in seinem unteren Abschnitt enthält.
Einkristall-Ziehvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Schmelztiegel eine geneigte Oberfläche auf der Innenseite aufweist, die sich nach innen neigt, wobei der innere Schmelztiegel so angeordnet ist, daß eine Unterkante in Kontakt mit der nach innen geneigten Oberfläche des äußeren Schmelztiegels steht, wobei eine Außenoberfläche der Unterkante eine geneigte, sich verjüngende Oberfläche ist, welche zur Innenseite der Unterkante hin geneigt ist.
Einkristall-Ziehvorrichtung, bei welcher eine Halbleiterschmelze in einem äußeren Schmelztiegel aufbewahrt wird, und ein zylindrischer innerer Schmelztiegel, der als Trennkörper dient, im Inneren des äußeren Schmelztiegels angebracht ist, um so einen Doppelschmelztiegel auszubilden, und ein Halbleitereinkristall aus der Halbleiterschmelze im Inneren des inneren Schmelztiegels gezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Schmelztiegel eine Verbindungsöffnung in einer Seitenwand aufweist, die als Verbindungsabschnitt dient, der ausgebildet wird, wenn der Doppelschmelztiegel hergestellt wird, um den Fluß der Halbleiterschmelze in das Innere des inneren Schmelztiegels zu gestatten, wenn der Doppelschmelztiegel hergestellt wird, und die Verbindungsöffnung als Vorrichtung zum Entfernen von Gasblasen, die sich an dem Verbindungsabschnitt festgesetzt haben, einen verjüngten Abschnitt einsetzt, zumindest auf einem oberen Randabschnitt der Verbindungsöffnung, an welchem die Dicke sich allmählich zur Innenseite der Verbindungsöffnung hin verringert.
Einkristall-Ziehvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gekerbte Abschnitt zumindest auf einem oberen Randabschnitt einen verjüngten Abschnitt aufweist, an welchem die Dicke allmählich zum Inneren des gekerbten Abschnitts hin abnimmt.
Einkristall-Ziehvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Kantenabschnitt eine geneigte Oberfläche aufweist, die sich nach innen in Richtung auf die Verbindungsöffnung oder den gekerbten Abschnitt hin neigt, von der Außenoberfläche des inneren Schmelztiegels zur Innenoberfläche hin.