DE2620030C2

DE2620030C2 - Verfahren zum Ziehen von Einkristallstäben oder -bändern

Info

Publication number: DE2620030C2
Application number: DE2620030A
Authority: DE
Inventors: Theodore Frank Salt Point N.Y. 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: 1983-03-10
Also published as: FR2313978B1; US4000030A; FR2313978A1; GB1476915A; DE2620030A1; JPS51149181A; IT1063395B; JPS5328389B2; USB584997I5

Description

(2£\^m
\dg)

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gehalten wird, wobei

»Zx< den Abstand der Endfläche vom Schmelzspiegel,

»F« die Oberflächenspannung des Schmelzgutes in dyiufcm,

»de. die Dichte des Schmelzgutes in g/cm³,

»g« die Gravitationskonstante in cm/s² bedeuten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß beim Ziehen von Siliciumeinkristallen der Abstand (b) !deiner/gleich 7,6 mm und die Temperatur in der Schmelzenaufwölbung (10) auf 1420° C gehalten werden.

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

Bekanntlich wird zum Kristalle ;hen 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 gedruckt wird. Dieses Verfahren besitzt den Vorzug, daß die Matrizenöffnungen dazu dienen, jeweils die Querschnittskonfiguration des gezogenen Kristalls festzulegen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein so 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.

In der US-PS 30 33 660 ist zwar auch ein Kristallziehve?fahren 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.

Pie 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 liegt. Die Schroelzgutaufwölbung 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 (vgL DE-AS12 45 318).

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 Schmelzgutaufwölbung 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 vorteilhafterweise 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 Schmelzspiegels ergibt sich aus nachstehend angegebener Beziehung:

b < /—.
V ag

Hierin bedeuten:

»6« 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 1 dyn = 1 g · cm/s²

»£/« die Dichte derSchmelze in g/cm³

ng« die Gravitationskonstante in cm/s².

Typischerweise läßt sich beim Ziehen von Siliciumeinkristallen aus einer Schmelze mit einer Oberflächenspannung von 720 dyn/cm und einer Dichte von 2,56 g/cm³ die maximale Erhebung der Stütze wie folgt errechnen:

'h.

2 (720 g cm/cm see²)

56 g/cm³) (981 cm/sec²)'

b = Vü\573 cm² = 0,76 cm = 7,6 mm.

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

Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß das Schmelzgut

;,, nur bis zur Spitze des Konus oder <jes Keiles aufsteigen ;· muß, wobei dann der Kristankeim mit der Konus- oder "t Keilspitze in Berührung gebracht wird und dabei «j partiell aufgeschmolzen wird, so daß die Schmelze aus dem Tiegel neben der Slützenspitze auch noch den wachsenden Kristall überzieht, -

Nach Bildung der Schmekgutaufwölbung oberhalb ιϊ der Stützenspitze wird der, Kristallkeim, der aus dem «ι gleichen Material wie die Schmelze besteht, in Kon-'' takt mit dieser Aufwölbung gebracht und dann ι ο 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 Materiailentnahme aus der Schmelze ■ zur Bildung des gezogenen Einkristalls wird die is 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 US-PS 30 33 660 angegeben ist

Dank Anwendung des erfindungsgemäßei Verfahrens lassen sich Kristalle ziehen, deren Querschnitte beträchtlich geringere Abmessungen als 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 ziehea

Es folgt eine Ausführüngsbeispielsbeschreibung der Erfindung anhand unten aufgeführter Zeichnungen. Es zeigt

F i g. 1 ein Schema der erfindungsgemäß verwendeten Kristallziehanlage,

F i g. 2 einen Querschnitt durch den in F i g. 1 gezeigten Tiegel,

F i g. 2A die Ansicht der Spitze eines im Tiegel nach F i g. 2 angebrachten Keiles,

Fig.3 einen Querschnitt durch den Tiegel nach F i g. 1 bei Verwendung einer Säule als Stütze,

F i g. 3A die Ansicht des spitz zulaufenden Konusendes der Säuie.

F i g. 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 Schmelzspiegel 9 erhebende Teil bis zur Gipfelfläche 5 verjüngt, also konusförmig, keilförmig oder pyramidenstumpfförmig ausgebildet 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 Schmelzgutaufu älbung oberhalb der Gipfelfläche 5 auszubilden vermag. Um z.B. monpkristalline Siliciumkörper herzustellen, kann die SIuIe bzw* der Pfeiler 4 aus hochdichtem Graphit oder Sjiicjumkarbid bestehen. Zur Herstellung von GranateinktistaUen 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 Schmelzspiegel 9 unterhalb der Gipfelfläche 5 des Pfeilers bzw. der Säule 4 im erforderlichen Abstand gehalten w^:-:d, entsprechend oben angegebener Beziehung. Wie oten im einzelnen diskutiert ist der Abstand der Gipfelfläche 5 vom Schmelzspiegel 9 derart eingestellt daß die Oberflächenspannung des 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 Schmelzgutaufwölbung 10, aus der der Kristall gezogen werden kann, zur Ausbildung gelangt Wie ebenfalls berei's erwähnt kann bei keilförmiger Ausbildung der verjüngend zulaufenden Stützenspitze 4 A, wie in F i g. 2 und 2A gezeigt, ein bandförmiger Kristall aus der Schmelze gezogen werden, dessen Querschnitt in gewünschter Form durch entsprechende Dimensionierung der Gipfelfläche SA der Keilspitze bzw. Kegeistumpfspitze der Stütze 4 vorteilhaft bestimmt werden kann.

Läuft das Stützenende wie in Fig.3A gezeigt konisch entsprechend 4ß zu, dann läßt sich ein Monokristall in Stabform ziehen, dessen Durchmesser ähnlich wie oben durch geeignete Dimensionierung der KoTtUsendfläche 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, wobdi 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 Schmelzgutaufwölbung 10 mit einem in einer Aushängevorrichtung 12 befestigten Kristallkeim in Kontakt gebracht wird, wobei die Aufhängevorrichtung 12 ihrerseits mit einer Heb-Drehvornchtung 13 in Verbindung steht, um den Kristall, so wie er wächst, aus der Schmelze zu ziehen und zwar in langsamen und kontrollierten Rz'en wie es für das gewünschte Kristallwachstum erforderlich ist.

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

Zum Ziehen eines einkristallinen Siliciumstreifens

bzw. -bandes läßt si:h ein Graphitpfeiler 4/1 hoher Dichte mit einer Keilspit/e und der Endfläche 5A anwenden, deren Abmessungen I mm χ 6 mm beträgt, wobei die Keilspitze um 3 mm aus dem Siliciumschmelzgut hervorragt. Ein (110)-Siliciumkristallkeim 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 eingerich

Das durch die Induktionsspule 8 erzeugte elektromagnetische Feld ist so gesteuert, daß die Schmelzgutaufwölbung oberhalb der Endfläche SA bei einer Temperatur von angenähert M20°C beibehalten bleibt. Unter diesen Bedingungen läßt sich ein einkristalliner Siliciumstreifen mit einem Querschnitt von 5 · 2 mm ziehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1, Verfahren zum Ziehen von Einkristallstäben oder -bändern von einer durch die Schmelze benetzten, den Schmelzspiegel überragenden Endfläche einer vom Tiegelboden au& konisch nach oben sich verjüngenden Stütze, dadurch gekennzeichnet, daß während des Ziehvorgangs der Abstand (b) der Endfläche (5) vom Schmelzspiegel (9) kleiner/gleich