DE2548046B2

DE2548046B2 - Verfahren zum Ziehen einkristalliner Siliciumstäbe

Info

Publication number: DE2548046B2
Application number: DE2548046A
Authority: DE
Inventors: Adalbert 8265 Seibersdorf Ellbrunner; Horst Dipl.-Phys. 8263 Burghausen Stock
Original assignee: Wacker Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 1975-10-27
Filing date: 1975-10-27
Publication date: 1978-11-16
Also published as: JPS5253777A; BE847618A; DE2548046C3; NL7609889A; GB1524604A; DE2548046A1; FR2329343B1; DK403776A; FR2329343A1; US4097329A; JPS546511B2; IT1066265B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ziehen eines einkristallinen Siliciumstabes aus der Schmelze, bei dem in den Ziehraum durch einen von der Ziehwelle bzw. den aufwachsenden Stab und einem diese umgebenden Rohr gebildeten Ringspalt Schutzgas eingeleitet wird.

Beim Ziehen von Siliciumeinkristallen aus der Schmelze nach dem bekannten »Czochralski-Verfahren« bildet sich aus der Reaktion der Siliciumschmelze mit dem die Schmelze enthaltenden Quarztiegel flüchtiges Siliciummonoxid, welches sich am kühleren Tiegelrand, am Siliciumkristall, an der Ziehwelle und an der Innenwand des Ziehraumes niederschlägt. Beim langsamen Hochfahren der Ziehwelle wird durch die abschließende Simmeringdichtung auf der Ziehwelle abgeschiedenes Siliciummonoxid abgestreift, welches in die darunter befindliche Schmelze fällt und auf der Oberfläche treibend Wachstumsfehler verursacht, die zu einer starken Qualitätsminderung führen. Derartige Wachstumsfehler, die zu einem polykristallinen Wachstum des Kristalls führen können, stellen sich auch ein, wenn am Tiegelinnenrand sich ausbildende Siliciumoxidagglomerate abbrechen und in die Schmelze fallen.

Es ist versucht worden, diesem Mißstand durch Beheizen der sich beschlagenden Teile abzuhelfen. Diese Arbeitsweise ist aber nur für bestimmte Teile der Ziehapparatur, wie beispielsweise für die Tiegelwand, realisierbar, so daß das erreichbare Ergebnis weithin unbefriedigend bleibt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu finden, bei welchem Störungen durch die Bildung von Siliciummonoxid ausgeschlossen werden.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß beim Ziehen eines Siliciumeinkristallstabes durch den 150 bis 350 mm über der Schmelzoberfläche endenden Ringspalt mit einer radialen Breite von 15 bis 35 mm das Schutzgas in Mengen von 300 bis 800 Nl/Stunde in den bei einem Druck von 1 bis 100 Torr gehaltenen Ziehraum geleitet wird.

Anhand der Abbildung werden die Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert:

Die Abbildung zeigt schematisch eine mit einer Zusatzvorrichtung versehene, bekannte Anlage zum Ziehen von Kristallen aus der Schmelze, wie sie für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft eingesetzt werden kann.

In einem Quarztiegel I₁ der sich in einem Graphittiegel 2 befindet und über die Welle 3 angehoben, abgesenkt oder um die vertikale Achse gedreht werden kann, wird beispielsweise über die Gasabscheidung erhaltenes polykristallines Silicium in kompakten Stücken eingefüllt Anschließend wird der Ziehraum 4 hermetisch abgeschlossen und bis auf einen Druck von vorzugsweise 10~³ bis 10~⁵ Torr über den Gasaustrittsstutzen 5 evakuiert Anschließend wird das Silicium vermittels einer Heizeinrichtung 6, beispielsweise einer

ίο Widerstandsheizung, die außen von einem Strahlenschutzmantel 7 abgeschirmt wird, in einer Inertgasatmosphäre von beispielsweise Wasserstoff, Helium oder bevorzugt Argon aufgeschmolzen. Das Schutzgas strömt dabei durch den Gaseinlaßstutzen 8 durch ein die Ziehwelle 9 zentrisch umgebendes Rohr 11, aus beispielsweise Edelstahl in den Rezipienten ein. Der am unteren Ende der Ziehwelle 9 in der Halterung 12 befestigte Impfkristall ί3 wird in die Oberfläche der Schmelze 14 eingetaucht unc um seine Längsachse mit beispielsweise 10 bis 100 U/min drehend unter üblichen Ziehgeschwindigkeiten von etwa 1 bis 5 mm/min aus der Schmelze 14 gezogen.

Während des Ziehvorganges läßt man ständig Schutzgas durch das die Ziehwelle 9 und den aufwachsenden Siliciumstab 15 konzentrisch umgebende Rohr 11 in Richtung auf die Schmelzoberfläche einströmen. Durch den Gasaustrittsstutzen 5 wird das Schutzgas in der Weise wieder abgepumpt, daß sich im Rezipienten 4 ein verminderter Druck von 1 bis 100 Torr einstellt

Die Menge des zuströmenden Schutzgases von beispielsweise Wasserstoff, Helium oder bevorzugt Argon richtet sich im wesentlichen nach der Siliciummenge, der Größe der Schmelzoberfläche bzw. der Größe und Oberfläche des aufwachsenden Siliciumstabes 15 und beträgt 300 bis 800Nl/h bei den heute üblichen Stabdurchmessern von 30 bis 100 mm und ca. 800 bis 1200 mm Länge. Durch diese Maßnahme wird verhindert, daß sich das aus der Reaktion der Schmelze 14 mit dem Quarztiegel 1 stammende flüchtige Siliciummonoxid auf der Ziehwelle 9 niederschlägt und beim Hochfahren der Ziehwelle 9 an der Simmeringdichtung 10 abgestreift wird und in die Schmelze 1 fällt. Da aber gleichzeitig vermieden werden soll, daß sich am aufwachsenden Siliciumstab 15 und am Innenrand des Quarztiegels 1 Siliciummonoxid mit seinen nachteiligen Folgen abscheidet, muß das die Ziehwelle 9 konzentrisch umgebende Rohr 11 je nach Größe der Anlage erst 150 bis 350 mm über der Oberfläche der Siliciumschmelze 14 enden. Die Schmelzoberfläche wird während des gesamten Ziehvorganges bevorzugt auf konstanter Höhe gehalten, indem der in dem Graphittiegel 2 befindliche Schmelztiegel 1 durch die Welle 3 entsprechend der der Abnahme der Schmelzmenge nachgefahren wird. Der Schutzgasstrom streicht an der Oberfläche der Ziehwelle 9 und des aufwachsenden Siliciumstabes 15 entlang über die Oberfläche der Siliciumschmelze 14, bis er am Innenrand des Quarztiegels wieder hochsteigt und somit die Abscheidung von Siliciummonoxid an diesen Stellen wirksam unterbindet. Der größte Teil des Siliciummonoxids wird mit dem Schutzgas abgepumpt und verläßt den Ziehraum 1 durch den Gasaustrittsstutzen 5. Die Breite des Rohres 11 beziehungsweise der Hohlquerschnitt wird so gewählt, daß der durch den aufwachsenden Siliciumstab 15 und das den Stab 15 konzentrisch umgebende Rohr 11 ausgebildete Ringspalt eine radiale Breite von 15 bis 35 mm aufweist.

Neben den bevorzugt eingesetzten Rohren 11 aus Edelstahl können natürlich auch solche aus anderen Materialien, wie beispielsweise Quarz, Graphit, Kupfer oder Silber, verwendet werden.

Das Verfahren ist auch hervorragend geeignet zur Herstellung homogendotierter Siliciumstäbe. Der Dotierstoff wird hierbei in bekannter Art und Weise dem polykristallinen Silicium vor oder nach dem Aufschmelzen zugesetzt Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen gelingt es nun, die jeweilige Dotierstoffmenge in der Schmelze zu beeinflussen. Dies wird dadurch erreicht, daß während des Ziehvorganges Druck und/oder Menge des zugeführten Schutzgases variiert werden. Durch die kontrollierte Strömung über die Oberfläche der Schmelze gelingt es, die Verdampfung des Dotierstoffs zu beschleunigen und somit die durch den Verteilungskoeffizienten bedingte Anreicherung des Dotierstoffes in der Schmelze zu verhindern. Dieser Effekt wirkt sich besonders vorteilhaft bei schwer verdampfbaren Dotierstoffen aus.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt es, dotierte und undotierte, einkristalline Siliciumstäbe höchster Qualität mit insbesondere großen Stabdurchmessern und großer Länge zu ziehen.

Beispiel

Eine Tiegelziehanlage, wie sie schematisch in der Abbildung dargestellt ist, wurde mit 15,5 kg mit Phosphor versetztem, polykristallinem Silicium beschickt und auf circa 10~⁴ Torr evakuiert. Durch eine geeignete Regelung von Schutzgaszufuhr und Schutzgasabzug wurde vor dem Aufschmelzen des Siliciums und dem eigentlichen Ziehvorgang ein Gasdurchsatz von 600 Nl/h bei einem Druck von circa 15 Torr eingestellt Das als Schutzgas verwendete Argon strömte dabei durch ein die Ziehwelle umgebendes Edelstahlrohr mit einem Innendurchmesser von 12 cm in den Ziehraum ein. Der Abstand zwischen der Schmelzoberfläche und dem unteren Ende des Rohres betrug dabei 300 mm. Nach dem Eintauchen des am unteren Ende der Ziehwelle befestigten Impfkristalls in die Oberfläche des mit einer Widerstandsheizung aufgeschmolzenen Siliciums wurde mit einer Ziehgeschwindigkeit von 2 mm/min unter einer Drehung um die Kristallängsachse von 15 U/min ein einkristalliner, homogen phosphordotierter Siliciumstab mit einer zylindrischen Länge von 1200 mm, einem Durchmesser von 80 mm und einem Gewicht von 15,5 kg gezogen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zum Ziehen eines einkristallinen Halbleiterstabes aus der Schmelze, bei dem in den Ziehraum durch einen von der Ziehwelle bzw. dem aufwachsenden Halbleiterstab und einem diese umgebenden Rohr gebildeten Ringspalt Schutzgas eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß beim Ziehen eines Siliciumeinkristallstabes durch den 150 bis 350 mm über der Schmelzoberfläche endenden Ringspalt mit einer radialen Breite von 15 bis 35 mm das Schutzgas in Mengen von 300 bis 800 Nl/Stunde in den bei einem Druck von 1 bis 100 Torr gehaltenen Ziehraum geleitet wird.