DE2652199A1

DE2652199A1 - Verfahren zum tiegelfreien zonenziehen und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2652199A1
Application number: DE19762652199
Authority: DE
Inventors: Heinz Dr Herzer; Franz Dipl Phys Koehl; Eberhard Muecke; Helmut Dipl Ing Zauhar
Original assignee: Wacker Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 1976-11-16
Filing date: 1976-11-16
Publication date: 1978-05-24
Also published as: DE2652199B2; GB1567703A; FR2370511A1; JPS5611672B2; DK439977A; FR2370511B1; JPS5383907A; IT1091784B; NL7710441A; DK152061B; DE2652199C3; US4140571A; BE860862A; DK152061C

Description

Verfahren zum tiegelfreien Zonenziehen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Gegenstand der Erfindung sind ein Verfahren zum tiegelfreien Zonenziehen eines zusammen mit einem an seinem unteren Ende eingespannten Keimkristall lotrecht gehalterten polykristallinen Stabes, in dem mittels einer den Stab umschließenden Induktionsheizspule eine Schmelzzone erzeugt wird, welche durch eine Relativbewegung von Spule und Stab, vom Keimkristall ausgehend, die volle Länge des Stabes durchwandert und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

In den letzten Jahren hat das Zonenziehen von Halbleiterstäben, insbesondere Siliciurastäben, eine stürmische Entwicklung erlebt und aufgrund zahlreicher Verbesserungen in der Ziehtechnik die Herstellung von Einkristallen mit außerordentlich großen Durchmessern erlaubt, wie sie vordem nur nach dem nach CzochreJski benannten Tiegelziehverfahren zugänglich waren. Nach letzgenanntem Verfahren wird der Kristall an einem Keimkristall hängend aus der Schmelze gezogen.

Bei der Weiterverarbeitung von Halbleitermaterial zu Halbleiterbauelementen wirken sich Kristallbaufehler, wie etwa Versetzungen, besonders nachteilig aus, da sie insbesondere die Lebensdauer der Minoritätaladungsträger verringern.

Eine verbreitete Methode, versetzungsfreie Halbleiter zu ziehen, be-

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steht nun bei beiden Verfahren darin, den Querschnitt in unmittelbarer Nähe der Verschmelzungsstelle des Halbleiterstabes mit dem Keimkristall zu verengen. Dies wird dadurch erreicht, daß nach Ansetzen des Keimkristalls an den Schmelzsee beziehungsweise an einen aufgeschmolzenen Pfropfen des polykristallinen Stabes der Wachstumsprozeß unter drehender Bewegung des Keimkristalls zügig vorangetrieben wird, wodurch im Übergangsbereich zwischen Keimkristall und konusförmigem Stabteil ein ausgedehnter, dünner Hais entsteht. Durch diese Einschnürung zwischen Keimkristall und Halbleiterstab läßt sich die Ausbreitung von Versetzungen aus dem Keimkristall in den Halbleiterstab verhindern.

Während beim Tiegelziehverfahren an diesem dünnen Hals auch größere Stabgewichte problemfrei aufgehängt werden können, ist das Zonenziehverfahren entscheidend dadurch beeinträchtigt, daß das zunehmende Stabgewicht auf dem dünnen Hals stehend rotiert. Nach Überschreitung einer bestimmten Länge genügt das Auftreten einer geringen, asymmetrischen Kraft oder Unwucht und der Stab gerät ins Pendeln, womit ein Aufschaukeln der Hochfrequenzleistung verbunden ist und der Ziehprozeß infolgedessen sofort unterbrochen werden muß.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 15 19 901 ist es bekannt, die vertikale, koaxiale Halterung des mit dem Keimkristall versehenen Stabendes mit einer relativ zur Halterung axial verschiebbaren Hülse zu versehen, an deren, dem Halbleiterstab zugewandten Rand, sich mindestens drei Stützen im gleichen Winkelabstand voneinander befinden» Die starr angebrachten Stützen halten den Halbleiterstab im kegelförmigen Übergangsstück , da dieses aber in der Regel nicht ideal gleichförmig aufwächst, ist hierdurch eine gleichmäßige Druckausübung nicht gewährleistet.

In der deutschen Offenlegungsschrift 24 55 173 wird ein Stützmechanismus beschrieben, der darin besteht, konzentrisch um den Keimkristall eine mehrteilige Trichterhülse hochzuklappen, die mit ihrem oberen Rand bis

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über den konischen Übergangsteil von Keimkristall und Halbleiterstab reicht und die mit Sand oder Metallkugeln aufgefüllt wird. Nach dieser Methode läßt sich zwar eine gewisse Stabilisierung des Systems erreichen, aber größere Erschütterungen des Stabes können durch die flexible Stützung nicht wirksam abgeblockt werden.

Aus der amerikanischen Patentschrift 39 72 684 ist schließlich ein Verfahren bekannt, nach welchem von unten mehrere stabförmige Stützen hydraulisch an das konusförmige Übergangsstück zwischen Keimkristall und Halbleiterstab herangefahren werden. Der obere Teil dieser Stützen besteht dabei aus einem komprimierbarem Werkstoff, um auch bei der üblichen Asymmetrie des konusförmigen Übergangsstückes möglichst jede stabförmige Stütze in Berührung mit dem Halbleiterstab zu bringen. Aber auch nach diesem Verfahren wird eine gleichmäßige Druckausübung, die für eine funktionierende Stützwirkung bei großer Stablänge beziehungsweise bei großen Stabgewichten maßgebend ist, nicht erreicht«

Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren zu finden, nach welchem während des Ziehprozesses eine Stütze so an den Stab herangeführt wird, daß der hochempfindliche Wachstumsprozeß nicht gestört und mit Fortschreiten des Wachsturasprozesaes und damit zunehmendem Stabgewicht eine feste, möglichst unelastische Stützung des aufwachsenden Stabes erzielt wird.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß nach Ansetzen des Keimkristalls an den Stab ein Stützkörper unterhalb der Induktionsheizspule an den Stab herangebracht wird, der sich weich an den Stab anlegt und nach dem Anlegen unter Ausbildung einer festen Unterstützung des Stabes erstarrt.

Derartige Stützkörper können beispielsweise aus Kunststoff be-

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stehen, insbesondere aus Epoxidharzen, also Duroplasten, die als Kondensationsprodukte aus Epoxiden oder deren Vorprodukten, wie Epichlorhydrin oder Dichlorpropanol mit Polyolen, Glycidestern oder Cyanursäure, entstehen. Bevorzugte Epoxidharze sind die als Araldite bekannten Harze, die durch Umsetzung von Epichlorhydrin mit Phenolen, Alkoholen, Carbonsäuren, cyclischen Harnstoffen oder Triacinen hergestellt werden.

Derartige Stützkörper aus Epoxidharzen müssen dabei vor der Verwendung jeweils frisch aus den Einzelkomponenten hergestellt werden. Werden diese Stützkörper an das etwa noch 100 bis 300 C heiße, konusförmige Übergangsstück zwischen Keimkristall und Halbleiterstab herangefahren, so erweichen sie oberflächlich, wodurch sie sich problemlos an den Stab anlegen lassen und härten dann aber sehr schnell unter Ausbildung einer starren Verbindung großer Steifheit und damit entsprechend guter Stützwirkung aus.

Neben Stützkörpern aus Kunststoff, die vor der Anwendung frisch zubereitet werden müssen, da der Aushärtungsprozeß noch nicht abgeschlossen sein darf, um die erfindungsgeraäß geforderten Eigenschaften aufzuweisen, werden bevorzugt Stützkörper aus Glas eingesetzt.

Diese gläsernen Stützkörper werden dem Halbleiterstab an der beabsichtigten Stelle, bevorzugt im konusförmigen Übergangsbereich zum Keimkristall, genähert, wenn diese Stelle noch eine Temperatur aufweist, die ausreicht, um den gläsernen Stutzkörper an der dieser Stabstelle zugewandten Seite erweichen zu lassen, so daß er sich weich an den Stab anlegt und mit der fortschreitenden Abkühlung dieser Stabstelle aufgrund der mit der Induktionsheizspule sich nach oben entfernenden Schmelzzone zu einer festen, unelastischen Stabstütze erstarrt.

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Gläser, deren Erweichungspunkt bei relativ hohen Temperaturen liegt, die also im Bereich von etwa 600 bis 900 C in den zähflüssigen Zustand übergehen, sind für das tiegelfreie Zonenziehen von Siliciumstäben besonders geeignet, da hiermit sehr frühzeitig der Stab abgestützt werden kann, d.h., also ziemlich unmittelbar nach der Konusbildung, beziehungsweise nach dem Ansetzen des Polystabes an den Keimkristall.

Bei der Auswahl geeigneter Glassorten ist zu bedenken, daß Glas allgemein durch Erhöhung des Quarzgehaltes und Erniedrigung der basischen Bestandteile, wie etwa Natrium-, Kalium- oder Calciumoxid, schwerer schmelzbar wird. . Besonders geeignete Gläser, die zwischen 600 bis 900 C erweichen sind beispielsweise Alurao- und Borosilicatgläser, die unter den Handelsnaraen Duran, Solidex oder Pyrex leicht erhältlich sind und aufgrund ihrer geringen Sprödigkeit und Unerapfindlichkeit gegen rasches Erhitzen oder Abkühlen als Laborglas viel verwendet werden.

Für höhere Temperaturen, also beispielsweise für Temperaturen zwischen 900 bis 1200 C eignen sich Gläser mit hohem Aluminiumoxidanteil (etwa 20 bis 26 Gew.?4) und hohem Boroxidanteil (etwa 7 bis 10 Gew.%) ," die als Supremax-Gläser bezeichnet werden, und Gläser mit einem Quarzanteil über 90 Gew.%, wie etwa Vycorglas.

Alle genannten Gläser haben den Vorteil, daß sie Silicium gut benetzen und beim anschließenden Abkühlen nicht springen oder reißen, sondern innig mit dem Silicium verbunden bleiben und nach dem Abkühlen eine feste, unelastische Stützung ausbilden.

Stützkörper aus derartigen Gläsern müssen nicht unmittelbar vor ihrem Einsatz hergestellt werden, sondern lassen sich bequem auf Lager legen.

Allgemein können Stützkörper in vielerlei Formen eingesetzt werden,

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beispielsweise in Form ein- oder mehrerer Stäbe, in Form eines Trichters oder bevorzugt in Form eines Ringes mit beispielsweise kreisförmigem, quadratischem oder rechteckigem Querschnitt.

Der Stützkörper kann durch eine geeignete Vorrichtung von der Seite oder von unten an die gewünschte Unterstützungsstelle am Stab herangeführt werden. Das Heranbringen an den erstarrten Stabteil kann dabei beispielsweise durch eine Schraubbewegung oder bevorzugt hydraulisch oder hydropneumatisch erfolgen.

Eine geeignete Vorrichtung zum Heranbringen des Stützkörpers an den Stab besteht beispielsweise darin, daß in der Kreisfläche der Antriebswelle,die in der Mitte eine zentrale Keimkristallhalterung aufweist, hydraulisch in vertikaler Richtung bewegbare Trägerstangen in Führungshülsen gelagert und vakuumdicht abgedichtet sind, die an ihrem oberen Ende den Stützkörper tragen.

Die Druckausübung auf die über eine Drehzuführung in die beispielsweise am unten Ende der Antriebswelle befindlichen Hydraulikzylinder einströmende nicht komprimierbare Flüssigkeit erfolgt dabei über einen luftbewegten Stempfei oder bevorzugt direkt durch Preßluft.

Anhand der Abbildungen soll die bevorzugte Ausführung des Verfahrens, sowie eine für die Durchführung des Verfahrens bevorzugte Vorrichtung beispielhaft beschrieben werden:

Abbildung 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zum Heranfahren des StUtzkörpers an die Unterstützungsstelle im konusförmigen Übergangsstück zwischen Keimkristall und Stab.

Abbildungen 2 bis 4 zeigen abschnittsweise den Vorgang des Ansetzens eines gläsernen, ringförmigen Stützkörpers an den Stab.

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Zu Beginn des Ziehprozesses wird in üblicher Weise ein PoIystab an den in der Halterung 1 des als Hohlwelle ausgebildeteten oberen Teils 2 der unteren Ziehwelle befindlichen Keimkristalls 3 angesetzt. Nachdem der Keimkristall 3 mit dem vermittels einer Induktionsheizspule unteren aufgeschmolzenen Ende des polykristallinen Vorratstabes in Kontakt gebracht wurde, wird entsprechend dem von W.C. Dash entwickelten Verfahren durch rasches Auseinanderziehen der sogenannte Flaschenhals 4 erzeugt. Nach der Wiederverdickung über das konusförmige Zwischenstück 5 wächst der Einkristall 6 mit gleichmäßigem Durchmesser versetzungsfrei weiter.

Während das konusförmige Zwischenstück 5 sich beispielsweise im Falle von Silicium noch auf einer Temperatur von 600 bis 900° C befindet, wird ein in der Mitte mit einer Durchtrittsöffnung für den Keimkristall 3 versehener Drehteller 7i der auf einem weiteren Stahlring 8 aufliegt, emporgefahren. Diese Aufwärtsbewegung erfolgt über beispielsweise drei Stahlstangen 9» die in den Stahlring 8 eingelassen sind, den gleichen Winkelabstand voneinander aufweisen, innerhalb der Kreisfläche des als Hohlwelle ausgebildeten oberen Teils 2 der Ziehwelle in den Führungshülsen 10 mit geeigneten Dichtungen 11 vakuumdicht geführt werden und durch die Druckkolben 12 der drei am Wellenansatz 13 der Ziehwelle sich mitdrehenden Hydraulikzylinder l4 hochgedrückt werden. Die Ölzuführung erfolgt bei der beabsichtigten Aufwärtsbewegung beispielsweise in der Art, daß der ÖlVorratbehälter 15 mit Preßluft über einen geeigneten pneumatischen Steuerraechanismus beschickt wird, so daß Öl aus diesem Behältnis 15 in die am untersten Ende der Ziehwelle befindliche starre und mit geeigneten Dichtungen l6 versehene Drehzuführung 17 gedrückt wird, welches in der Ziehwelle in das Ölverteilerstück 18, welches ein Teil der Ziehwelle ist und sich infolgedessen entsprechend der Drehung der Ziehwelle dreht, hochsteigt und dort gleichmäßig auf die drei sich ebenfalls raitdrehenden Hydrau-

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likzylinder l4 verteilt wird, unter Auswirkung von Druck auf die Druckkolben 12. Durch die hierdurch bedingte Aufwärtsbewegung der Druckkolben 12 wird das Öl im oberen Teil der Hydraulikzylinder l4 über das Ölverteilerstück l8 und die Drehzuführung 17 in das zweite ÖlVorratsgefäß 19 zurückgefördert. Soll der Drehteller 7, auf dem der Stützkörper 20 aufliegt, dagegen zurückgefahren werden, so wird der Ölvorratbehälter 19 entsprechend mit Preßluft beschickt, so daß sich der Ölfluß im System umkehrt.

Durch diesen bevorzugt eingesetzten hydropneumatxschen Bewegungsmechanismus wirkt die Stützkraft des Stützkörpers 20 absolut gleichmäßig nach oben, die Bewegung der den Drehteller 7 tragenden Stangen 9 erfolgt absolut synchron, ruckfrei und elastisch.

Der eigentliche Stützkörper 20 ist vorzugsweise ein gläsernes zylindrisches Rohrstück, dessen Innendurchmesser kleiner als der Außendurchmesser des Halbleiterstabes aber größer als der Außendurchmesser des Keimkristalls ist, wobei seine Wandstärke etwa 10 bis 30 % des Außendurchmessers des Halbleiterstabes beträgt, während seine Höhe völlig unkritisch ist und bei der bevorzugten Vorrichtung, wie sie in Abb. dargestellt ist beispielsweise ein Zehntel bis ein Drittel des Außendurchmessers des Halbleiterstabes beträgt. Dieser ringförmige Stützkörper 20 wird entweder zentrisch auf dem am oberen Ende der Trägerstangen 9 angebrachten und mit einer zentrischen Ausnehmung für den Durchtritt der Keimkristallhalterung 1 versehenen Stahlteller 7 befestigt oder bevorzugt schwimmend, d.h., unbefestigt zentriert aufgelegt. Bei der zweiten bevorzugten Art, bei welcher der Stützkörper schwimmend aufgelegt wird, sorgt eine ringförmige Nut 21, deren Außendurchmesser etwa 5 bis IO % größer ist als der des ringförmigen Stützkörpers 20 dafür, daß der ringförmige Stützkörper 20 nicht zu weit aus dem Zentrum

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verrutschen kann. Die nicht fixierte, schwimmende Auflage des Stützkörpers 20 hat den Vorteil, daß Schwingungsenergie des einkristallinen Stabes 6 nach der Fixierung des Stützkörpers 20 an das konische Übergangsstück 5 des einkristallinen Stabes 6 in Reibungsenergie des Stützkörpers 20 durch Reibung auf dem Stahlteller 7 verwandelt und somit wirksam vernichtet wird. Der Stahlteller 7 hat außerdem noch die Funktion, vom Stab 6 gegebenenfalls abtropfende Schmelze aufzufangen.

Die Fixierung des Stützkörpers 20 an den Stab 6 erfolgt nun in der Weise, daß der ringförmige gläserne Stützkörper 20 stufenweise an das noch beispielsweise rotglühende, konusförmige Übergangsstück 5 des Stabes 6 herangefahren wird. In der Position, entsprechend der Abb. 2, ist der gläserne Stützkörper 20 noch so weit von dem rotglühenden, konusförmigen Übergangsstück 5 entfernt, daß sich seine äußere Form nicht ändert. Anschließend wird der Stützkörper zügig in die Position gemäß Abb. 3 hochgefahren und angehalten, so daß die der heißen Oberfläche des konusförmigen Übergangsstücks 5 des Stabes 6 nahen Teile des gläsernen Stützkörpers

weich und zähflüssig werden. Nun wird anschließend der Stützkörper langsam weiter nach oben gefahren, bis eine Benetzung gemäß Abb. und ein weiches Anlegen des Stützkörpers 20 an das konusförmige Übergangsstück 5 des Stabes 6 erfolgt.

Der Zonenschmelzvorgang wird währenddessen unbeeinflußt weitergeführt, so daß durch das Veiterwandern der Schmelzzone eine Abkühlung des konusförmigen Übergangsstücks 5 auftritt und mit der hierdurch bedingten Erstarrung des gläsernen Stützkörpers 20 der gewünschte stabile Stützeffekt realisiert wird. Der Druck, der von den Druckkolben über die Trägerstangen 9 letzlich auf den Stützkörper 20 übertragen wird, wird dann so eingestellt, daß der Stützkörper 20 während des gesamten Ziehvorganges eine Kraft von vorzugsweise 50 bis 100 kp auf den

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Stab 6 ausübt. Die Obergrenze der auf den Stab 6 ausübbaren Kraft wird dabei allgemein durch die Reißfestigkeit der engsten Stelle des flaschenförmigen Überganges 4 zwischen Keimkristall 3 und Konus 5 bestimmt.

Das tiegelfreie Zonenziehen von Kristallen jeglicher Art kann somit aufgrund der vorliegenden Erfindung nunmehr auf nahezu unbegrenzte Stablängen und Stabgewichte ausgedehnt werden, da sich die Intensität der Benetzung beziehungsweise die unterstützte Stabfläche durch entsprechende Formgebung und Materialauswahl der erfindungsgemäß einsetzbaren Stützkörper leicht den jeweiligen Erfordernissen anpassen läßt.

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eerseife

Claims

P_a t e n_t_a n_s_g_r_ü_c_h_e

f 1.)Verfahren zum tiegelfreien Zonenziehen eines zusammen mit einem an seinem unteren Ende eingespannten Keimkristall lotrecht gehalterten polykristallinen Stabes, in dem mittels einer den Stab umschließenden Induktionsheizspule eine Schmelzzone erzeugt wird, welche durch eine Relativbewegung von Spule und Stab vom Keimkristall ausgehend, die volle Länge des Stabes durchwandert, dadurch gekennzeichnet, daß nach Ansetzen des Keimkristalls an den Stab ein Stützkörper unterhalb der Induktionsheizspule an den Stab herangebracht wird, der sich weich an den Stab anlegt und nach dem Anlegen unter Ausbildung einer festen Unterstützung des Stabes erstarrt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stützkörper aus Glas langsam an eine Stelle des Stabes herangeführt wird, die eine zur Erweichung der gewählten Glassorte ausreichende Temperatur aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Stützkörper an den konusförmigen Übergang zwischen Keimkristall und Stab herangebracht wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3i dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper die Form eines zylindrischen Rohrstückes aufweist, dessen Innendurchmesser kleiner als der Außendurchmesser des Halbleiterstabes, aber größer als der Außendurchmesser des Keimkristalles ist.

5· Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des zylindrischen Rohrstückes 10 bis 30 % des Außendurchmessers des Halbleiterstabes beträgt.

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ORIGINAL INSPECTED

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5j dadurch gekennzeichnet , daß in der Kreisfläche der Antriebswelle, die in der Spitze eine zentrale Keimkristallhalterung aufweist, hydraulisch in vertikaler Richtung bewegbare Trägerstangen in Führungshülsen gelagert und vakuumdicht abgedichtet sind, die an ihrem oberen Ende den Stützkörper tragen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß mit Preßluft nach einem geeigneten pneumatischen Steuermechanismus Druck auf die über eine Orehzuführung in die am unteren Ende der Antriebswelle befindlichen Hydraulikzylinder einströmende nicht komprimiert»are Flüssigkeit ausgeübt wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Trägerstangen an ihrem oberen Ende einen mit einer zentrischen Ausnehmung versehenen Teller tragen, auf dem der Stützkörper aufliegt.

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