DE2754856B2

DE2754856B2 - Verfahren zur Verhinderung unerwünschter Abscheidungen beim Kristallziehen nach Czochralski in Schutzgasatmosphäre sowie Vorrichtung hierfür

Info

Publication number: DE2754856B2
Application number: DE2754856A
Authority: DE
Inventors: David Wayne Hill; Emanuel Allentown Pa. Katz; Robert Joseph Bath Pa. Lavigna; Raymond Edward Bethlehem Pa. Reusser
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1976-12-15
Filing date: 1977-12-09
Publication date: 1981-07-23
Also published as: JPS5376177A; FR2374080A1; GB1591669A; DE2754856A1; US4141779A; FR2374080B1; DE2754856C3; CA1090479A; JPS5635635B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verhinderung unerwünschter Abscheidungen beim Kristallziehen nach Czochralski in Schutzgasatmosphäre, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Beim Kristallzieh-Verfahren nach Czochralski wird ein Impfkristall, der die gewünschte Kristallgitterorientierung besitzt, mit einer Schmelze aus dem Material des zu ziehenden Kristalls in Berührung gebracht und mit einer Geschwindigkeit in der Größenordnung von einigen cm/Std. aus der Schmelze gezogen, während die Schmelze und der Kristall gegenläufig zueinander gedreht werden. Üblicherweise wird dabei unter kontinuierlich strömendem Schutzgas, z. B. Argon, das unter einem gewissen Überdruck steht, gearbeitet. Hierdurch wird verhindert daß während des Kristallzieh-Vorgangs unerwünschte Verunreinigungen in das System eindringen, wie dieses der Fall sein könnte, wenn, wie dieses gleichfalls bekannt ist, unter Vakuum gearbeitet wird. Mit dem Verfahren lassen sich routinemäßig Kristalle mit einer Länge von einem Meter und mehr und einem Durchmesser von mehreren Zentimetern züchten.

Ein Hauptanwendungsgebiet des Kristallzieh-Verfahrens nach Czochralski ist die Herstellung von Siliciumeinkristallen für die Halbleiterbauelementenfertigung. Hierbei wird die Siliciumschmelze, die eine mittlere Temperatur von 142O⁰C ausweist, zumeist in einem Quarztiegel gehalten. Bei diesen Temperaturen kann das Quarzmaterial (SiO₂) des Tiegels mit dem schmelzflüssigen Silicium unter Bildung von Siliciummonoxid (SiO) reagieren. Das Siliciummonoxid tritt als Dampf aus der Schmelze aus und neigt dazu, sich während der Kristallzüchtung wieder an der Innenwand des Tiegels direkt oberhdb der Schmelzoberfläche abzuscheiden. Dabei bildet sich ein SiO-Aufwuchs in Form von Dendriten oder sonstigen abstehenden Teilen aus. Die von der Innenwand abstehenden Dendriten brechen häufig ab und fallen in die Schmelze zurück. Dort können diese SiO-Teilchen durch Konvektionsströmungen oder dgl. zum wachsenden Einkristall befördert werden. Bei Berührung mit dem wachsenden Kristall geht dessen angestrebte Kristallstruktur gewöhnlich verloren, und die weitere Kristallzüchtung ergibt lediglich Ausschuß.

Zur Verminderung dieser mit der Bildung von SiO-Dendriten und anderen Abscheidungen verbundenen Schwierigkeiten ist in Solid State Technology, 31—33 (1975) vorgeschlagen worden, das Kristallzieh-Verfahren nach Czochralski im Vakuum durchzuführen. Das Arbeiten unter Vakuum ist aber aus den verschiedensten Gründen nicht erstrebenswert

Aus der DE-AS 11 30 414 wird zur Vermeidung der angesprochenen unerwünschten Abscheidungen eine gerichtete kühle Schutzgasströmung kegelförmig um den Kristall auf die Phasengrenzfläche zwischen Kristall und Schmelze eingeleitet Es entsteht dadurch am Ort des Kristallwachstums eine starke Abkühlung des Materials, wodurch an dieser Stelle ein starkes Temperaturgefälle entsteht Der vom Kristall zur Tiegelwand radial nach außen über die Schmelze streichende Gasstrom sorgt dann für einen sofortigen Abtransport des SiO unmittelbar von dessen Entstehungsort und erhitzt sich dann an der Tiegelwand, so daß sich aus diesem Gasstrom wegen der zur Erreichung des höheren Temperaturgradienten heißeren Tiegelwand weniger SiO als sonst niederschlagen

2^r> kann.

Mit dem bekannten Verfahren mag es zwar möglich sein, unerwünschte, zu Störungen des Kristallwachstums Anlaß gebende Niederschläge am oberen Tiegelrand zu vermeiden, es ist dieses aber nur im Wege einer

JO gleichzeitigen Beeinflussung der Kristallwachstumsbedingungen selber möglich. Man ist also mit Rücksicht auf die Vermeidung solcher unerwünschter Abscheidungen nicht länger frei in der Wahl optimaler Kristallwachstumsbedingungen mit der Folge, daß hier

y> Kompromisse geschlossen werden müssen.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, unerwünschte Abscheidungen beim Kristallziehen nach Czochralski am oberen Tiegelrand generell zu vermeiden, ohne daß dieses durch einen gezielten Eingriff in die Kristall-

ίο Wachstumsbedingungen zu erfolgen hätte. Letztere sollen daher nach wie vor einer kompromißlosen Optimierung zugänglich bleiben.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist für das Verfahren der einleitend beschriebenen Art dadurch gekennzeichnet, daß an der Innenwand des Tiegels über der Schmelzoberfläche Schutzgas abgesaugt wird.

Zweckmäßig wird dabei der Tiegel relativ zur Absaugstelle gedreht.

Eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß eine Gasleitung, die an der Tiegelinnenwand endigt und mit einer Unterdruckeinrichtung verbunden ist, vorgesehen ist.

Nachstehend sind das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung zu seiner Durchführung anhand eines — auch zeichnerisch dargestellten — speziell für Züchtung von Siliciumeinkristallen zugeschnittenen Beispiels beschrieben.

Wie dargestellt, befindet sich eine Siliciumschmelze li in einem Quarztiegel 12. Die Siliciumschmelze kann wie üblich dotiert sein, um den Leitungstyp und den spezifischen Widerstand des fertigen Einkristalls festzulegen. Der Tiegel 12 ist von einem thermisch leitfähigen Gehäuse 13, das als schwarzer Körper wirkt, umgeben.

Das Gehäuse dient auch zur Halterung des Tiegels und besteht zumeist aus Graphit. Dem Gehäuse 13 ist die erforderliche Heizeinrichtung (nicht dargestellt) beigegeben. Letztere kann eine Hochfrequenzheizung oder,

wie es für größere Chargen bevorzugt ist, eine Widerstandsheizung sein.

Am unteren Ende eines Impfkristallhalters 15 ist ein Impfkristall 14 befestigt. Der Impfkristallhalter 15 ist seinerseits von einer Vorrichtung 16 gehe'ten, die den impfkristallhalter 15 zu drehen und in vertikaler Richtung zu verschieben vermag. Das freie Ende des Impfkristalls 14 wird in die Oberfläche der Siliciumschmelze 11 in Berührung gebracht, wobei Tiegel 12 und Impfkristallhalter 15 gegensinnig zueinander gedreht werden. Bei Einhaltung eines geeigneten Temperaturgradienten und anderer bekannter Züchtungsparameter beginnt Material aus der Schmelze am Impfkristall 14 in der gleichen Gitterorientierung wie der Impfkristall zu erstarren. Durch langsames Emporziehen des Impfkristalls, typischerweise mit einer Geschwindigkeit von einigen cm/Std, und durch Drehen des Impfkristallhalters 15 wird ein einkristalliner Rohling 17 aus der Schmelze gezogen.

Das Ganze ist in einer geschlossenen Kammer untergebracht, um unter strömendem Schutzgas, das unter einem gewissen Überdruck steht, arbeiten zu können. Die diesbezüglichen Einrichtungen sind nicht dargestellt; weitere Einzelheiten des Czochralski-Verfahrens, sowie von Vorrichtungen zu dessen Durchführung, sind z. B. aus den US-PS 36 79 370 und 36 98 872 bekannt

Wie erwähnt, bilden sich beim Betrieb der Apparatur während des Kristallwachstums häufig an der Innenfläche des Tiegels 12 gerade oberhalb der Schmelze μ abstehende Abscheidungen 18 (gewöhnlich als Whisker bezeichnet) aus Siliciummonoxid. Diese Whisker 18 fallen häufig von der Tiegelwand ab und in die Schmelze. Dort werden sie von Konvektionsströmungen und dgl. mitgenommen und können zur Fest/Flüs- J5 sigphasengrenze am wachsenden Kristall 17 gelangen, wo sie die angestrebte einkristalline Kristallstruktur zerstören können und damit das weitere Kristallwachstum wertlos machen.

Die Bildung bzw. Abscheidung von Whiskern 18 wird nun vorliegend dadurch verhindert, daß deren chemischen Entstehungsbedingungen dort gestört werden, wo das Auftreten solcher Whisker ^u erwarten ist. Zu diesem Zweck ist ein Rohr 19 z. B. aus Quarz so angeordnet, daß seine Auslaßöffnung 20 auf den aufwuchsverdächtigen Bereich 21 gerichtet ist. Das Rohr ist mit einer Unterdruckeinrichtung (nicht dargestellt) verbunden und saugt demgemäß Schutzgas bei der Tiegelinnenwand ab. Hierdurch erreicht man, wie gefunden wurde, eine so weitgehende Störung der Whiskerbildungsbedingungen im Bereich 21. daß keine störenden Abscheidungen mehr zu beabachten sind. Beispielsweise wurde ein Rohr 19 benutzt, das einen Innendurchmesser von etwa 6,4 mm hatte und etwa 12,1 mm von der Innenwand des Tiegels 12 entfernt endigte. Durch dieses Rohr wurden mit einer mechanisch arbeitenden Vakuumpumpe aus einem System, das mit etwa 4,25 mVStd. Argon gespült wurde, etwa 0,5i mVStd. Argon abgezogen. Bei Anwendung dieser Maßnahme konnte kein merkliches Whiskerwachstum festgestellt werden.

Das Rohr 19 ist üblicherweise feststehend angeordnet; durch eine Drehung des Tiegels 12 kann das Rohr 19 die chemischen Wachstumsbedingungen der Whisker in einer ringförmigen Zone 21 rundum die Innenwand des Tiegels 12 wirksam stören. Sofern größere oder noch ausgedehntere Störungen der chemischen Bi!- dungsbedingungen für unerwünschte Abscheidungen angestrebt werden, können statt eines einzelnen Rohrs 19 auch mehrere Rohre vorgesehen werden, die längs des Innenumfangs des Tiegels 12 verteilt sind. Alternativ kann auch statt des einzelnen Rohrs 19 eine Rohrverzweigungsanordnung vorgesehen werden, um eine Störung in einem breiter gestreuten Winkel zu erzeugen. Das Rohr 19 braucht auch nicht unbedingt aus Quarz zu bestehen, die Materialanforderungen sind lediglich davon diktiert, daß durch das Rohrmaterial keine Verunreinigungen eingeführt werden und daß es den Arbeitstemperaturen standhält. Statt Argon als Schutzgas können auch andere Schutzgase benutzt werden. Als Beispiele hierfür seien Wasserstoff, Helium und Gemische, die ihrerseits Argon, Wasserstoff und/oder Helium enthalten, genannnt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Verhinderung unerwünschter Abscheidungen beim Kristallziehen nach Czochralski in Schutzgasatmosphäre, dadurch gekennzeichnet, daß an der Innenwand des Tiegels über der Schmelzoberfläche Schutzgas abgesaugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel relativ zur Absaugstelle gedreht wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2 mit einem Tiegel, einer Heizeinrichtung, einer Kristallhalterung und einer Gasleitung innerhalb des Tiegels, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasleitung (19) an der Tiegelinnenwand endet und mit einer Unterdruckeinrichtung verbunden ist

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Drehung des Tiegeis (12) relativ zur Gasleitung (19).