DE2620030A1

DE2620030A1 - Verfahren zum kristallziehen aus der schmelze

Info

Publication number: DE2620030A1
Application number: DE19762620030
Authority: DE
Inventors: Theodore Frank Ciszek
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1975-06-09
Filing date: 1976-05-06
Publication date: 1976-12-23
Also published as: GB1476915A; IT1063395B; FR2313978A1; JPS51149181A; USB584997I5; US4000030A; JPS5328389B2; FR2313978B1; DE2620030C2

Description

Verfahren zum Kristallziehen aus der Schmelze

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, wie es aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 hervorgeht.

Bekanntlich wird zum Kristallziehen aus der Schmelze ein Keimkristall in Berührung mit der in einem Tiegel enthaltenen Schmelze gebracht und anschließend langsam nach oben gezogen, um so einen durch das Kristallgitter des Keimkristalls vorgegebenen Kristall herzustellen.

Alternativ hierzu läßt sich die Kapillarwirkung auf die Schmelze ausnutzen, indem sie zwischen Wandungen speziell geformter öffnungen eines teilweise in die Schmelze eingetauchten Matrizenblocks nach oben gedrückt wird. Dieses Verfahren besitzt den Vorzug, daß die Matrizenöffnungen dazu dienen, jeweils die Querschnittskonfiguration des gezogenen Kristalls festzulegen.

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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein einfaches Verfahren bereitzustellen, bei dem sich je nach Bedarf Kristalle mit dünnem bzw. flachem Querschnitt ziehen lassen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, wie im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegeben. _t

In der USA-Patentschrift 3 033 660 ist zwar auch ein Kristallziehverfahren angegeben, bei dem ein Tiegel verwendet wird, in dessen Mitte eine Stütze angebracht ist. Gegenüber der Erfindung jedoch befindet sich hier die Stützenoberfläche unterhalb des Schmelzspiegels, um so Temperaturfluktuationen in der Schmelze speziell unterhalb des Kristallkeims, bzw. des gezogenen Kristalls, weitgehend auszuschalten. Auf diese Weise wird dann das Auftreten von Störstellen im gezogenen Kristall weitgehend vermieden. Möglichkeiten zur Herstellung besonders geformter Einkristalle oder bandförmiger Einkristalle sind aber nicht weiter angegeben. Dies läßt sich aber mit Hilfe der erfindungsgemäßen Maßnahmen verhältnismäßig leicht durchführen.

Die Erfindung geht im großen davon aus, daß die Oberflächenspannung einer Schmelze zu einer Aufwölbung des Schmelzgutes oberhalb einer auf den Tiegelboden angebrachten Stütze führt, wenn der Schmelzspiegel entsprechend unterhalb der Stützenendfläche lieot. Die Schmelzgutaufwölbung entspricht dabei im wesentlichen der Stützenendflächenform, so daß sich hierdurch die Konfiguration des gezogenen Monokristalls vorgeben läßt. Wenn so z.B. eine sich keilförmig verjüngende Stütze in der Mitte des Tiegelbodens angebracht ist, dessen Spitze sich leicht über dem Schmelzspiegel erhebt, dann läßt sich unter gewissen Voraussetzungen ein bandförmiger Einkristall ziehen. Ist hingegen eine konisch zulaufende Säule als Stütze in der Mitte des Tiegelbodens angebracht, dann läßt sich ein Einkristall in zylindrischer Form oder als Stab ziehen.

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Der Pfeiler bzw. die Säule besteht aus geeignetem Material und muß durch die Schmelze benetzbar sein wie z.B. Graphit hoher Dichte oder Siliciumkarbid bei Siliciumschmelzen. Der obere Abschluß der Stütze soll dabei die Bildung der SchmeIzgutaufwolbung begünstigen. Eine solche Schmelzgutaufwölbung bildet sich, sowie die Seitenflächen der Säule bzw. des Pfeilers durch Schmelzgut benetzt werden, bis schließlich das Schmelzgut über die Endfläche gekrochen ist. Wie bereits angedeutet, soll vorteilhafter Weise ein Pfeiler keilförmig, bzw. eine Säule konisch, zulaufen, wobei die Abmessung der jeweiligen Endfläche dem jeweils gewünschten Kristallquerschnitt des gezogenen Monokristalls entsprechen soll.

Die maximale Erhebung der Pfeiler- bzw.. Säulenspitze oberhalb des SchmeIzspiegeis ergibt sich aus nachstehend angegebener Beziehung :

dg
Hierin bedeuten:

"b" die maximale Erhebung der Stützenspitze, gemessen vom Schmelzspiegel, unter Annahme einer vollkommenen Benetzbarkeit, also einem Kontaktwinkel von 0°. Bei unvollkommener Benetzung ist b entsprechend kleiner anzusetzen.

"F" die Oberflächenspannung der Schmelze in dyn/cm, mit

2
1 dyn = 1 g . cm/s

"d" die Dichte der Schmelze in g/cm

ι 2

,"g" die Gravitationskonstante in cm/s .

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Typischerweise läßt sich beim Ziehen von Siliciumeinkristallen aus einer Schmelze mit einer Oberflächenspannung von 720 dyn/cm und einer Dichte von
folgt errechnen:

einer Dichte von 2,56 g/cm die maximale Erhebung der Stütze wie

! 2

b _"\/2(72O g cm/cm see )

2,56 g/cm³) (981 cm/sec²)

■V

b =γ 0,573 cm² = 0,76 cm
= 7,6 mm

Die Keil- bzw. Konusspitze oberhalb des Schemlzspiegels kann also bis zu 7,6 mm lang sein.

Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß das Schmelzgut nur bis zur Spitze des Konuses oder des Keiles aufsteigen muß, wobei dann der Kristallkeim mit der Konus- oder Keilspitze in Berührung gebracht wird und dabei partiell aufgeschmolzen wird, so daß die Schmelze aus dem Tiegel neben der Stützenspitze auch noch den wachsenden Kristall überzieht.

Nach Bildung der Schmelzgutaufwölbung oberhalb der Stützenspitze wird der Kristallkeim, der aus dem gleichen Material wie die Schmelze besteht, in Kontakt mit dieser Aufwölbung gebracht und dann langsam nach oben gezogen, so wie sich die Schmelze verfestigt und an den Kristallkeim ankristallisiert, wie es an sich auch bei bisher üblichen Verfahren der Fall ist. Entsprechend der Materialentnahme aus der Schmelze zur Bildung des gezogenen Einkristalls wird die Schmelze nachgefüllt, um eine kontinuierliche Benetzung der Seitenflächen der Stützenspitze sicherzustellen. Alle erdenklichen Mittel können herangezogen werden, um einen gleichmäßigen Schmelzspiegel bei für das Kristallwachstum benötigter Materialentnahme zu gewährleisten, wie es z.B. schon in der genannten USA-Patentschrift 3 033 660 angegeben ist.

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Dank Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich Kristalle ziehen, deren Querschnitte beträchtlich geringere Abmessungen als es bisher besitzen, wobei sich durch entsprechende Gestaltgebung der Stützenspitze oberhalb des Schmelzspiegels außerdem noch beliebige Querschnittsformen herstellen lassen. Da eine Keilspitze bzw. Konusspitze sehr dünn auslaufend gestaltet sein kann, lassen sich verhältnismäßig dünne Einkristallbänder bzw. -stäbe ziehen. Bei Vorliegen entsprechend gestalteter konisch zulaufender Stützen lassen sich sogar Einkristallstäbe extrem geringen Durchmessers ziehen.

Es folgt eine Ausführungsbeispielsbeschreibung der Erfindung anhand unten aufgeführter Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schema der erfindungsgemäß verwendeten

Kristallziehanlage,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den in Fig. 1 gezeigten

Tiegel,

Fig. 2A die Ansicht der Spitze eines im Tiegel nach Fig.2

angebrachten Keiles,

Fig. 3 einen Querschnitt durch den Tiegel nach Fig. 1

bei Verwendung einer Säule als Stütze,

Fig. 3A die Ansicht des spitz zulaufenden Konusende der

Säule,

Fig. 1 zeigt den Tiegel 1 mit der Bodenwandung und den Seitenwandungen 3. Von der Bodenwandung 2 ragt eine Stütze 4 in Form eines Pfeilers oder Säule nach oben, wobei sich zumindest der über den Schmelz spiegel 9 erhebende Teil bis zur Gipfelfläche 5 verjüngt;, also konusförmig, keilförmig oder pyramidenstumpfförmig ausge-

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bildet ist. An dieser Stelle sei betont, daß es für die Zwecke der Erfindung vollkommen unbeachtlich ist, wie der obere Teil der Stütze gestaltet bzw. aufgehängt ist; bedeutsam für die Erfindung ist lediglich, daß der aus dem Schmelzgut 6 hervorragende Teil nach oben verjüngt zuläuft.

Wie bereits erwähnt, kann die Stütze 4 aus irgendeinem geeigneten Material hergestellt sein, wobei wiederum für die Erfindung bedeutsam ist, daß zumindest der aus dem Schmelzgut 6 hervorragende, sich verjüngende Teil durch das Schmelzgut benetzbar ist, so daß das Schmelzgut infolge seiner Oberflächenspannung an den verjüngend zulaufenden Seitenflächen der Säule bzw. des Pfeilers 4 hochkriechen kann, so daß sich eine Schmelzgutaufwölbung oberhalb der Gipfelfläche 5 auszubilden vermag. Um z.B. monokristalline Siliciumkörper herzustellen, kann die Säule bzw. der Pfeiler 4 aus hochdichtem Graphit oder Siliciumkarbid bestehen. Zur Herstellung von Granateinkristallen könnte der Pfeiler bzw. die Säule 4 aus Iridium und zum Ziehen von Saphireinkristallen aus Iridium oder Molybdän bestehen.

Der Tiegel 1 enthält also das Schmelzgut 6, bestehend aus dem Material für die hieraus zu ziehenden Kristalle wie z.B. Silicium, Germanium, Granat, Aluminiumoxide, intermetallische Verbindungen und dergl. Dieses Material wird mit Hilfe einer Hochfrequenzspule 8, die bei Erregung die Seitenwandungen 3 des Tiegels 1 aufheizt, um sie auf die im Tiegel 1 enthaltene Charge zu übertragen, in das Schmelzgut 6 überführt Es versteht sich natürlich, daß auch jede andere übliche Methode zum Erhitzen der Charge verwendet werden kann, wie z.B. Widerstandsheizung. Die Chargenzufuhr ist derart gesteuert, daß der Schmelzspieg*! unterhalb der Gipfelfläche 5 des Pfeilers bzw. der Säule 4 im erforderlichen Abstand gehalten wird, entsprechend oben angegebener

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Beziehung. Wie oben im einzelnen diskutiert, ist der Abstand der Gipfelfläche 5 vom Schmelzspiegel 9 derart eingestellt, daß die Oberflächenspannung dee Schmelzgutes an den verjüngend zulaufenden Seitenflächen des Pfeilers bzw. der Säule 4 emporkriechen kann, um dann über der Gipfelfläche 5 zu verlaufen, so daß sich die SchmeIzgutaufwolbung 10, aus der der Kristall gezogen werden kann, zur Ausbildung gelangt. Wie ebenfalls bereits erwähnt, kann bei keilförmiger Ausbildung der verjüngend zulaufenden Stützenspitze 4A, wie in Fign. 2 und 2A gezeigt, ein bandförmiger Kristall aus der Schmelze gezogen werden, dessen Querschnitt in gewünschter Form durch entsprechende Dimensionierung der Gipfelfläche 5A der Keilspitze bzw. Kegelstumpfspitze der Stütze 4 vorteilhaft bestimmt werden kann.

Läuft das Stützenende wie in Fig. 3A gezeigt _f konisch entsprechend 4b zu, dann läßt sich ein Monokristall in Stabform ziehen, dessen Durchmesser ähnlich wie oben durch geeignete Dimensionierung der Konusendfläche einstellbar ist. Wie bereits erwähnt, kann die Stütze 4 in ihrer Spitze jede gewünschte Konfiguration besitzen, um die erfindungsgemäße Wirkung zu erzielen; so kann z.B. auch eine Pyramidenstumpfform vorgesehen sein, wobei die Endfläche dann wiederum entsprechend der Dimensionierung des gezogenen Einkristalls ausgebildet werden kann. Ganz allgemein läßt sich sagen, daß jede beliebige Querschnittsform der Endfläche 5 zur Erzielung einer gewünschten Einkristallstabform eingestellt werden kann.

Das Ziehen des Kristalles wird durchgeführt, indem die Schmelz- ' gutaufwolbung 10 mit einem in einer Aushängevorrichtung 12 be- ^! festigten Kristallkeim in Kontakt gebracht wird, wobei die Aufhängevorrichtung 12 ihrerseits mit einer Heb-Drehvorrichtung in Verbindung steht, um den Kristall, so wie er wächst, aus der Schmelze zu ziehen und zwar in langsamen und kontrollierten Raten wie es für das gewünschte Kristallwachstum erforderlich ist.

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Es versteht sich von selbst, daß die Kristallziehvorrichtung unter geeigneten Umgebungsbedingungen betrieben wird, unter anderem auch unter Einstellung von Atmosphärenbedingungen, wie sie auch normalerweise für die Kontrolle eines einwandfreien Zustandes des gezogenen Einkristalls üblich sind.

Die Anwendung der Erfindung zum Ziehen eines monokristallinen Siliciumstreifens bzw. -bandes läßt sich ein Graphitpfeiler 4A hoher Dichte mit einer Keilspitze und der Endfläche 5A anwenden, deren Abmessungen 1 ram χ 6 mm beträgt, wobei die Keilspitze um 3 mm aus dem Siliciumschiaelzgut hervorragt. Ein 0*1°^ -SiIiciumkristallkeim dient zum Einleiten des Kristallwachstums aus der Schmelzgutaufwölbung 10 heraus, welche sich oberhalb der Endfläche 5A ausbildet. Der Ziehvorgang ist dabei auf eine Wachstumsrate von etwa 13 mm pro Minute eingerichtet.

Das durch die Induktionsspule 8 erzeugte elektromagnetische Feld ist so gesteuert, daß die Schmelzgutaufwölbung oberhalb der Endfläche 5A bei einer Temperatur von angenähert 1420 C beibehalten bleibt. Unter diesen Bedingungen läßt sich ein monokristalliner Siliciumstreifen mit einem Querschnitt von 5 . 2 mm ziehen.

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Claims

?_^aJL_^e_n_ JL A JLJSJLJl JLAJL 3.

j 1. Verfahren zum Ziehen von Einkristallstäben oder -bändern ι • aus der Schmelze in einem Tiegel, der im Schirieisgut eine ; nach oben gerichtete Stütze enthält., oberhalb der der Kristallkeim in die dadurch bedingte verringerte Schmelzguttiefe angesetzt wird,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Stütze (4) mit sich nach oben verjüngender Spitze (4A bzw. 4B) und einer Endfläche (5) aus dem Schmelzgut 6 heraushebend, derart angebracht wird, daß aufgrund der Benetzbarkeit der Spitze (4A bzw. 4B) und der Oberflächenspannung des Schmelzgutes (6) eine den Schmelzspiegel (9) überragende Schmelzgutaufwölbung (10) oberhalb \ der Endfläche 5 ausgebildet wird und daß der Keimkristall ; zur Einleitung des Ziehvorgangs mit dieser auf Schmelz- : temperatur gehaltenen SchmelzgutaufwoIbung (10) in Kontakt gebracht wird, um dann wie an sich bekannt, den Einkristall unter Drehen aus der Schmelze zu ziehen. j

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß '

als Schmelzgut ein Halbleitermaterial, insbesondere SiIi- j ! cium im Tiegel (1) erschmolzen wird.

3. Verfahren mindestens nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet:, daß die Endfläche (5A) derart ausgebildet wird, daß ein | einkristalliner Streifen bzw. ein einkristallines Band ί aus der Schmelze gezogen werden kann.

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4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stütze (4) mit einer aus dem Schmelzgut (6) konisch herausragenden, oben abgeflachten Spitze (4B) versehen wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Schmelzgut (6) herausragende, sich verjüngende Spitze (4A bzw. 4B) bei einer Siliciumschmelze auf etwa 3 mm oberhalb des Schmelzspiegeis (9) eingestellt und gehalten wird und daß die Temperatur in der Schmelzgut;
gehalten wird.

der Schmelzgutaufwölbung (10) bei Silicium auf 1420° C

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß während des Ziehvorgangs der Abstand der Endfläche (5) vom Schmelzspiegel (9) durch entsprechend gesteuerte Schmelzgutzufuhr bzw. Chargenzugabe konstant gehalten wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Endfläche vom Schmelzspiegel gemäß folgender Beziehung gewählt wird:

κ <■ ■ ^2F

£> — ν j—

f dg

worin bedeuten

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"b" der Abstand der Endfläche vom Schmelzspiegel

"F" die Oberflächenspannung des Schmelzguts in dyn/cm

"d" die Dichte des Schmelzguts in g/cm

2 "g" die Gravitationskonstante in cm/s

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Silicium der Abstand b nicht größer gewählt wird als 7,6 mm.

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