DE3005492C2 - Verfahren zur Herstellung reinster Einkristalle durch Tiegelziehen nach Czochralski - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung reinster Einkristalle durch Tiegelziehen nach Czochralski, wobei der Stab durch einen bis dicht über die Schmelzoberfläche abgesenkten Stsahlungsschirm gezogen wird.

Beim bekannten Tiegelziehen nach Czochralski lassen sich aufgrund der schlechten Wärmeabfuhr durch den Stab Ziehgeschwindigkeiten, wie sie beim tiegellosen Zonenziehen üblich sind, nicht annähernd realisieren. Die Ursache hierfür liegt in der Wärmeeinstrahlung aus der Schmelze und der Tiegelwand auf den aufwachsenden Kristallstab. Beim Ziehen von beispielsweise Siliciumstäben kommt noch hinzu, daß sich aus der Reaktion der Siliciumschmelze mit dem die Schmelze enthaltenden Quarztiegel flüchtiges Siliciummonoxid bildet, welches sich am kühleren Tiegelrand, am Siliciumstab, an der Ziehwelle sowie an der Innenwandung des Ziehreaktors niederschlägt. Um diesen Nachteilen zu begegnen und um insbesondere die Ziehgeschwindigkeiten zu erhöhen, wurde vorgeschlagen, über der Schmelze während des gesamten Prozesses eine ringförmige Blende mit einer zentrischen öffnung für den aufwachsenden Kristallstab anzuordnen (DE-PS 16 19 966) oder — um auch Wärmeeinstrahlung aus dem Tiegel und dem diesen umgebenden Heizer wirksam abzuschirmen — diese Teile sowie die Schmelze selbst mit einem topfartigen Str^hlungsschirm aus beispielsweise Molybdän abzudecken (DE-OS 28 21 481). Dabei wird auch während des Aufschmelzvorganges ein möglichst geringer Abstand zwischen dem Tiegelinhalt und der Abdeckung eingehalten.

Probleme ergeben sich bei diesen Verfahren aber dadurch, daß während der Aufschmelzphase Spritzer auf den Strahlungsschirm gelangen können, die diesen anlösen und zu unerwünschter Dotierung der Schmelze mit dem Material des Strahlungsschirmes führen. Auch kann der Strahlungsschirm — insbesondere beim Topfverfahren — die optimale Aufschmelzstellung des Tiegels bzw. Abänderungen der vertikalen Tiegelstellung während des Aufschmelzens behindern.

Aufgabe der Erfindung war es daher, die zitierten Verfahren durch Ausschaltung der beschriebenen Schwierigkeiten weiter zu optimieren.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß der Strahlungsschirm nach dem Aufschmelzen des Tiegelinhalts über den Tiegel geschwenkt und abgesenkt wird. Zu diesem Zweck wird der ring-, topf- oder zylindermantelförmige Strahlungsschirm, der eines oder mehrere der Elemente Heizer, freie Schmelztiegelinnenwand oder Schmelze bis auf die Durchtrittsöffnung für den aufwachsenden Kristallstab abdeckt, mit einem Hebe- und Schwenkmechanismus versehen, der es gestattet, den Strahlungsschirm erst nach dem vollständigen Aufschmelzen des üblicherweise im Tiegel Mückig vorgegebenen Materials über diesen einzuschwenken und bis dicht über die Schmelzoberfläche abzusenken. Das anschließende eigentliche Ziehverfahren erfolgt in der üblichen Weise, entsprechend beispielsweise den in den bereits zitierten Patentpublikationen beschriebenen Verfahrensparametern.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren treten die einleitend aufgeführten Probleme beim Tiegelziehen mit Schmelzabdeckung nicht mehr auf, außerdem werden die Ansetzzeiten, d. h. die Zeit bis am in die Schmelze eingetauchten Impfkristall ein versetzungsfreies Kristallstück angewachsen ist, deutlich reduziert, wodurch sich die Ausbringung der Ziehanlagen erheblich steigern läßt Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die im Tiegel immer zurückbleibende Restschmelze nach Abheben der partiellen Schmelzabdeckung abgesaugt werden kann und somit ein Zerbrechen des teuren Quarzglastiegels durch erstarrendes und sich hierbei ausdehnendes Silicium vermieden werden kann.

In der Abbildung ist schematisch eine Ziehvorrichtung dargestellt, in welcher das erfindungsgemäße Verfahrensbeispiel durchgeführt wurde:

In einem Rezipienten 1 ist ein über die Tiegelwelle 2 vertikal beweglicher, in einem Graphittiegel 3 eingebetteter und auf einer Graphitplatte 4 aufsitzender Quarztiegel 5 angeordnet, in welchem sich das vermittels der Heizelemente 6 für die Herstellung der jeweiligen Einkristalle erforderliche, aufgeschmolzene Material 7, beispielsweise Silicium, befindet. Diese Anordnung wird von einem Graphitrohr 8 umschlossen, auf welchem am oberen Ende ein Graphitring 9 aufliegt. Die partielle Schmeizabdeckung besteht in diesem speziellen Fall aus einem topfartigen, konisch sich nach unten verjüngenden Strahlungsschirm 10 aus beispielsweise Molybdänblech, welcher am oberen Ende einen nach außen gerichteten ringförmigen Vorsprung 11 aufweist, mit welchem er auf dem Graphitring 9 aufliegt. Am unteren Ende ist der Strahlungsschirm ein wenig nach innen gekrümmt unter Ausbildung einer für den Durchtritt des aufwachsenden Kristallstabes ausreichenden kreisförmigen öffnung 12. Am oberen Ende des Strahlungsschirmes 10 befindet sich eine Halterung 13, welche über ein Gestänge 14 und einer weiteren Halterung 15 mit einem vertikal beweglichen, um seine zentrale Achse drehbaren Rohr 16 verbunden ist, in welches ein zweites dünnes Rohr 17 einmündet, durch welches über die Schlauchführung 18 ein Kühlmittel, beispielsweise Wasser, eingeführt werden kann, welches über die Abführung 19 wieder austritt. Dieser innengekühlte Stab 16 für die Realisierung der Heb- und Schwenkbewegungen der partiellen Schmelzabdeckung 10 kann in einer speziellen, gasdichten Durchführung 20 am oberen Ende des Rezipienten 1, vermittels einer Stellschraube 21 in der jeweils gewünschten Position arretiert werden. Aus dem am oberen Ende des Rezipienten 1 über den Flansch 22 angebrachten, rohrförmigen Aufbau 23 läßt sich der an der Ziehwelle 24 über das Ansatzstück 25 befestigte Keimkristall 26 in die Schmelze 7 absenken.

Beispiel

In einem Quarztiegel mit einer Höhe von 165 mm und einem Durchmesser von 270 mm wurden 15,5 kg polykristallines Silicium eingewogen. Nach dem Einsetzen des Tiegels in die Ziehanlage, wie sie in der Abbildung dargestellt und vorstehend beschrieben wurde, wurde das polykristalline Silicium bei einem Druck von lOmbar Argon und einem Durchsatz von

800 Normallitern pro Stunde aufgeschmolzen. Während des Aufschmelzens wurde der Tiegel mehrere Male um den Betrag hochgefahren, den das polykristalline Silicium infolge Aufschmelzens im Tiegel absank.

Nach Beendigung des Aufschmelzens wurde ein Strahlungsschirm aus Molybdän, wie in der Abbildung dargestellt mit einer Höhe von 155 mm, einer Breite — gemessen am oberen Ende — von 240 mm und einem Durchmesser der Ziehöffnung für den aufwachsenden Kristallstab am unteren Ende von 145 mm über den Tiegel geschwenkt und über der Schmelze abgesenkt, bis er mit dem nach außen gerichteten ringförmigen Vorsprung am oberen Ende auf dem Graphitring des die Tiegelanordnung umhüllenden Graphitrohres auflag. Durch Nachregulieren der vertikalen Tiegelstellung is wurde ein Abstand zwischen unterem Rand der partiellen Schmelzabdeckung und Schmelzoberfläche von etwa 15 mm eingestellt.

Anschließend wurde während ca. 3 Stunden der Impfkristall in die Schmelze eingetaucht und der Einkristal! in der üblichen Technik angesetzt und bis auf einen Durchmesser von ca. 104 mm aufgebaut.

Im zylindrischen Stabbereich wurde der Kristall mit einer Geschwindigkeit von 2 mm pro Minute, einer Kristalldrehung von 20 Umdrehungen pro Minute und einer gegenläufigen Tiegeldrehung von 5 Umdrehungen pro Minute gezogen.

Nach Beendigung des Stabtiehens wurde ein versetzungsfreier Stab mit einer zylindrischen Stablänge von 69 mm erhalten, der nach oben aus dem Rezipienten ausgefahren wurde. Anschließend wurde die partielle Schmelzabdeckung hochgefahren, zur Seite geschwenkt und ein am Ende eines Edelstahlstabes befestigter quaderförmiger Kohlenstoff-Filz mit den Abmessungen 25 · 10-2,5 cm schräg von oben in die Restschmelze eingetaucht, bis er den Tiegelboden berührte. Nachdem der Kohlenstoff-Filz in wenigen Minuten die Restschmelze quantitativ aufgesaugt hatte, wurd-2 er einige Zentimeter über den Tiegelboden angehoben und die Temperatur in der Anlage auf Zimmertemperatur abgesenkt. Der von der Restschmelze befreite Quarztiegel war nach Spülung mit einem Säuregemisch für einen zweiten Ansatz wieder verfügbar.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zur Herstellung reinster Einkristalle durch Tiegelziehen nach Czochralski, wobei der Stab durch einen bis dicht über die Schmelzoberfläehe abgesenkten Strahlungsschirm gezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsschirm nach dem Aufschmelzen des Tiegelinhalts über den Tiegel geschwenkt und abgesenkt wird.