DE2754856C3 - Verfahren zur Verhinderung unerwünschter Abscheidungen beim Kristallziehen nach Czochralski in Schutzgasatmosphäre sowie Vorrichtung hierfür - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Veränderung unerwünschter Abscheidungen beim Kristallziehen nach Czochralski in Schutzgasatmosphäre, iowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verlahrens. so

Beim Kristallzieh-Verfahren nach Czochralski wird ein Impfkristal), der die gewünschte Kristallgitterorientierung besitzt, mit einer Schmelze aus dem Material des Eu ziehenden Kristalls in Berühiung gebracht und mit einer Geschwindigkeit in der Größenordnung von !5 einigen cm/Std. aus der Schmelze k-Jzogen, 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, -tn Hierdurch wird verhindert, daD 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 Siliciu- w fneinkristallen für die Halbleiterbauelementenfertigung. Hierbei wird die Siliciumschmelze. die eine mittlere Temperatur von 1420⁰C ausweist, zumeist in einem Quarztiegel gehalten. Bei diesen Temperaturen kann das Quarzmaterial (SiO?) des Tiegels mit dem lchmel. flüssigen 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 oberhalb der Schmelzoberfläche ibzuscheiden. Dabei bildet sich ein SiO-Aufwuchs in Form von Dendriten oder sonstigen absiehenden Teilen aus. Die von der Innenwand abstehenden Dendriten brechen häufig ab und fallen in die Schmelze zurück. Dort können diese SiO-Teilchen durch Konvektions* strömungen oder dgl, zum wachsenden Einkristall befördert werden, Bei Berührung mit dem wachsenden Kristall geht dessen angestrebte Kristallsmikiur ge^ wohnlich 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 KristaU 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 kann.

Mil dem bekannten Verfahren mag es zwar möglich sein, unerwünschte, zu Störungen des K ristallwachstums Anlaß gebende Niederschläge am oberen Tiegelrand zu verme.den, es ist dieses aber nur im Wege einer 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 Kompromisse geschlossen werden müssen.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, unerwünschte Abscheidungen beim Krisiallziehen nach Czochralski am oberen Tiegelrand generell zu vermeiden, ohne daß dieses durch einen gezielten Fingriff in die Kristallwachstumsbedingungen zu erfoi₀en 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 gedrehi.

Eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß eine Gasleitung, die an der Tiegelinnenwand endigt und mit einer Wnterdruckeinrichtung 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 11 in einem Qiiarztiegel 12. Die Siliciumschmelze kann wie üblich dotiert sein, um den Leitungstyp und den spezifischen Widerstand des fertigen Einkristalls festzu' legen. Der Tiegel 12 ist Von einem thermisch leitfälligen 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 gehalten, 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 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/Flüssigphasengrenze 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 zu 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 btabachten 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 0,51 mVStd. Argon abgezogen. Bei Anwendung dieser Maßnahme konnte kein merkliches Whiskerwachstum festgestellt werden.

Das Rohr 19 ist üblicherweise feststehend angeordnet; durch eine Drehung des Ttege¹' 12 kann das Rohr 19 die chemischen Wachstumsbeding'rnfen der Whisker in einer ringförmigen Zone 21 rundum die Innenwand des Tiegels 12 wirksam stören. Sofern größere oder noch ausgedehntere Störungen der chemischen Biidungsbedingungen 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 (1)

1. Patentansprüche:

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

   Z Verfahren nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel relativ zur Absaugstelle to gedreht wird.

   3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2 mit einem Tiegel, einer Heizeinrichtung, einer Kxistallhalterung und einer Gasleitung innerhalb des Tiegels, dadurch gekenn- ΐϊ zeichnet, 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).