DE3519632A1

DE3519632A1 - Verfahren und vorrichtung fuer das ziehen von monokristallinen siliziumstaeben

Info

Publication number: DE3519632A1
Application number: DE19853519632
Authority: DE
Inventors: Eduard Mount Vernon N.Y. Pinkhasov
Original assignee: Wedtech Corp
Current assignee: Vapor Technologies Inc
Priority date: 1984-06-07
Filing date: 1985-05-31
Publication date: 1986-01-02
Also published as: IL75150A0; GB2159728B; FR2565604A1; GB2159728A; SE8502375L; US4575401A; JPS6163595A; SE8502375D0; GB8512471D0; IL75150A; CA1241257A; CH670456A5; IT8521054A0; IT1184580B; JPH0114169B2

Description

74 467 -bh 23.5.1985

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Verfahren und Vorrichtung für das Ziehen von monokristallinen Siliziumstäben

Die Erfindung betrifft das Schmelzen von elementarem Silizium, das Herstellen von Siliziumschmelzen aus hochreinem elementaren Silizium und das Ausziehen von monokristallinen Si 1iziumstäben/Einkristall-SiIiziumstäben, aus denen dann durch Zerschneiden Siliziumwaffeln für Halbleiter, integrierte Schaltungen usw. hergestellt werden.

Waffeln aus monokristallinem Si 1izum/Einkristal1 si 1izium sind- für die Herstellung von Halbleiterschaltungselementen der heutigen und zukünftigen Spitzentechnologie sehr wichtig. Bei der Herstellung solcher Siliziumwaffeln wird im wesentlichen so verfahren, daß ein aus monokristal1inem Silizium bestehender Kristallisationskern in eine Schmelze aus elementarem Silizium eingetaucht wird, die sich in einem Quarztiegel oder Quarzbehälter befindet. Weil dieser Quartiegel oder Quarzbehälter alleine die Hitze der Si 1iziumschmelze nicht aushalten kann, muß dieser in einen aus Graphit oder Kohlenstoff bestehenden Außentiegel eingesetzt sein. Tiegel und Kristallisationskern werden üblicherweise dann, wenn der Kristall siationskern aus der Schmelze herausgezogen wird, mit einer relativen Drehbewegung gedreht, was wiederum eine kontrollierte Abkühlung bewirkt, so daß der Siliziumstab, der aus der Siliziumschmelze gezogen wird oder am Kristallisationskern Wächst, eine monokristalline Struktur/Einkristal 1 struktur hat.

Dieser Einkristal1-Si 1iziumstab wird in Querrichtung zerteilt. Dabei entstehen Siliziumwaffeln der gewünschten Dicke. Um das Einschleppen von Verureinigungen in den Siliziumstab, in die Siliziumschmelze und in die Waffeln

ORiGiNAL IMSFE

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möglichst klein zu halten, wird mit diesem Verfahren in
kontrollierter Atmosphäre oder im Vakuum gearbeitet.

Für das Ausziehen von Siliziumstäben muß die im Quarztiegel enthaltene Siliziumschmelze im wesentlichen eine Temperatur von 1400⁰C bis 1460⁰C haben. Diese Wärme wird
von einer induktiven Heizspule erzeugt, die an der Außenwandung des Quarztiegel angeordnet ist und den stützenden und aus Kohlenstoff bestehenden Außenbehälter umschließt. Weil die Aufheizung von außen nach innen erfolgt, können die Wandung des Quarztiegels und die äußeren Bereiche
der Siliziumschmelze eine höhere Temperatur als die eigentliche Siliziumschmelze oder Bereiche im Inneren dieser Siliziumschmelz haben.

Bei diesen hohen und dicht am Erweichungspunkt der Schmelze liegenden Temperaturen neigt das Material des Tiegels zu einem Eindifundieren in die SiIiziumschmeize, weil der Tiegel unter dem, Einfluß der von den hohen Temperaturen verursachten mechanischen Beanspruchungen weich wird, und dies auch deswegen, weil diese hohen Temperaturen während des gesamten Stabziehvorganges beibehalten werden müssen. Solche Vorgänge können zig Stunden dauern.

Bei dem sich daraus ergebenden Deformieren und Zerstören der Tiegel handelt es sich um ein sehr wichtiges Problem. Diesem Problem kann mit einem Verfahren entgegengewirkt
werden, das in einer gleichzeitg eingereichten Patentanmeldung

Nr. 614,434, eingereicht am 25.5.1984,
Patent Nr. 4.545.948, erteilt am 19.3.1985

unter der Überschrift "METHOD OF COATING CERAMICS AND
QUARTZ CRUCIBLES WITH MATERIAL ELECTRICALLY TRANSFORMED
INTO A VAPOUR PHASE (Verfahren zur Beschichtung von Keramik-

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6 oc ι neon²³·⁵·

und Quarztiegeln mit einem Material, das zuvor elektrisch in die Dampfphase gebracht worden ist)" (Patentanwaltnr. 14546) beschrieben worden ist. Diese Patentanmeldung ist eine Weiterführung der Patentanmeldung Nr. 493,302, die am 13. Mai 1983 als eine Weiterführung der Patentanmeldung Nr. 358.186 vom 15. März 1982 (U.S.-Patent Nr. 4.438.183) eingereicht worden ist und ihrerseits wiederum eine Weiterführung der Patentanmeldung Nr. 237.670 vom 24. Februar 1981 (U.S.-Patent Nr. 4.351.855) dargestellt. In ihr enthalten ist der Gegenstand der Offenlegungsschriften Nr. 078.337, Nr. 078.334 und 078.329, alle vom 29. Februar 1979, und der Offenlegungsschrift Nr. 082.283 vom 5. Juli 1979. Damit ist darauf hingewiesen worden, daß Siliziumverbindungen, beispielsweise Siliziumkarbid und Siliziumnitrit an Ort und Stelle hergestellt und als eine Schutzbeschichtung auf die Innenfläche des Quarztiegels aufgebracht werden können. Diese Beschichtung, die zwar verhindert das Fremdstoffe vom Tiegel aus in die Siliziumschmelze gelangen können, hat jedoch nur eine bgrenzte Wirkung, weil sie den Erweichungseffekt nicht verhindert.

Die Erfindung stellt sich somit die nachstehend angeführten Aufgaben:-

Ein Verfahren zum Erschmelzen von hochreinem Silizium zu schaffen, das die zuvor beschriebvenen Problemen und Nachteile nicht mehr aufweist und bei dem die Fremdstoffverschmutzung der Schmelze und des Siliziums durch den aufnehmenden Tiegel verringert und herabgesetzt wird.

Ein Verfahren zu schaffen, mit dem eine hochreine Siliziumschmelze für lange Zeit auf der Kristallziehtemperatur gehalten werden kann, ohne daß dabei der Tiegel zerstört wird.

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Ein verbessertes Verfahren für das Ziehen von Siliziumstäben zu schaffen, mit dem zumindest einige der im Zusammenhang mit der Herstellung solcher Stäbe aufkommenden Probleme und Schwierigkeiten vermieden werden.

Schließlich auch noch eine leistungsstarke Vorrichtung für die Durchführung des Verfahrens zu schaffen.

Die Erfindung löst die ihr gestellten Aufgaben dadurch, daß sie für die Herstellung und Aufrechterhaltung einer hochreinen Siliziumschmelze und zum Ausziehen der monokristallinen Siliziumstäbe/Einkristall-Siliziumstäbe aus dieser Siliziumschmelze ein Verfahren vorsieht, welches auf der Entdeckung beruht, daß die Schmelze zu den Wänden des das elementare Silizium enthaltenden Tiegels hin zumindest über einen ganz umfangreichen Abschnitt des Verfahrens zu isolieren und dadurch zu vermeiden, daß der Tiegel zerstört wird und das Verunreigungsstoffe aus dem Tiegel in die Siliziumschmelze gelangen können.

Ganz allgemein gilt, daß elementares Silizium ein schlechter Wärmeleiter ist und - bei normalen Temperaturen auch ein schlechter elektrischer Leiter. Aber - und das ist meine Entdeckung, wenn das Silizium als eine grannulare oder partikelförmige Masse zwischen zwei Elektroden in einen Quarztiegel gefüllt wird und im Bereich zwischen den beiden Elektroden erwärmt werden, erhalten die SiIiziumgrannulate oder Siliziumpartikel dadurch eine elektrische Leitfähigkeit, die geügend groß ist, um sie dann noch weiter zu erhitzen und zum Schmelzen zu bringen, wenn durch die sich zwischen den beiden Elektroden befindliche Siliziummasse ein elektrischer Strom geführt wird.

Weil die Siliziumschmelze nun durch den Rest der grannulat-

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förmigen Silizium zu den Wänden des Tiegels hin abgeschirmt ist und weil dieses Silizium ein schlechter Wärmeleiter ist, kann die Temperatur des Tiegels auf einer Temperatur gehalten werden, die viel niedriger ist als die Schmelzpunkttemperatur von Silizium, wobei als Folge davon der Tiegel nicht weich werden oder zerstört werden werden kann und deshalb in der Tat auch nicht mehr von einer aus Kohlenstoff bestehenden Konstruktion gestützt zu werden braucht.

Weil darüber hinaus während des Schmelz-und Kristallisierungsvorganges zwischen der Si 1 i z.iumschmel ze und der Tiegelwandung immer eine aus grannularem elementaren Silizium erhalten bleibt, kann diese auch als eine Sperrschicht dienen, die das Eindringen von Verunreinigungsstoffen in die entstehende Siliziumschmelze verhindert.

Was die Verwendung der Erfindung für das Schmelzen von Silizium betrifft, so gilt, daß eine aus festem, elementaren Silizium bestehnde Grannulatmasse oder Partikelmasse in einen mit zwei Elektroden bestückten Quarztiegel eingesesetzt wird und daß ein elektrischer Strom durch die zwischen den beidenElektroden befindliche Masse geführt wird. Diese Masse kann zur Herbeiführung der elektrischen Anfangsleitfähigkeit schon vorgewärmt sein, was mit den Elektroden, aber auch auf andere Weise geschehen kann. Durch diese vorgewärmte Siliziummasse wird dann ein elektrischer Strom geführt und solange erhalten, wie die Siliziumschmelze entsteht. Der Schmelzvorgang findet statt in einem begrenzten Bereich der zwischen den Elektroden vorhandenen Masse und zwar derart, daß mindestens eine Grannulatschicht erhalten bleibt und die Schmelze zur Wandung und zum Boden des Tiegels hin abschirmt und isoliert. Zusätzliches Gran-

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nulat kann nachgefüllt werden oder die Schmelze füllt sich aus der im Tiegel vorhandenen Grannulatmasse selber wieder auf, beispielweise dann, wenn die Elektroden zurückgezogen werden. In die Siliziumschmelze kann ein monokristalliner Kristallisierungskern eingetaucht werden und aus der Siliziumschmelze kann ein monokristalliner Siliziumstab oder Einkristall-Si 1iziumstab herausgezogen werden.

Zumindest für die Anfangserwärmung kann die Entdeckung genutzt werden, daß dann, wenn'eine elektrische Spannung an eine lose gestapelte Masse aus Si 1iziumgrannulaten angelegt wird, die geringe Leitfähigkeit der Si-1iziumgrannulatmasse örtlichen Stromwiderständen zwischen den Grannulaten derart überlagert wird, so daß für einen durch diese Übergangswiderstände R fließenden gegebenen Strom das Produkt I²R genügend groß ist und die Erwärmung der Si 1iziumgrannulate gewährleistet. Dies wiederum bewirkt eine Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit, zu einem besseren Stromübergang, so daß letztendlich das Fließen eines geüngend starken Stromes und damit auch das Schmelzen der Si 1iziumgrannulate gewährleistet ist.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Herstellung von hochreinen Siliziumstäben. Eine aus Si 1iziumgrannulaten bestehende Masse wird in einem Tiegel derart geschmolzen, daß diese Masse die Siliziumschmelze ringsum zu den Wänden des Tiegel hin abschirmt und dadurch verhindert, daß aus dem Tiegel Verunreinigungsstoffe in die Siliziumschmelze gelangen können und daß der Tiegel unter dem Einfluß der Wärme nicht weich

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werden kann. Der Stromfluß wird durch die Erwärmung der Si 1iziumgrannulate und/oder der Elektrode gefördert. In die Siliziumschmelze kann ein Kristallisationskern eingetaucht werden, was wiederum zur Folge hat, daß aus der Siliziumschmelze einSi1iziumstab herausgezogen werden kann, der schließlich in Siliziumwaffeln für die Herstellung von Halbleiterelementen zerschnitten wird.

Die Erfindung wird nachstehend nun anhand des in Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles (der in Zeichnung dargestellten Ausf ührungsb'ei spiel e) näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in ...

Fig. 1 Einen Schnitt durch ein für die Realisierung des Verfahrens geeignetes System.

Fig. 2 Das Funktionsprinzip für eine modifizierte Anfangserwärmung der SiIiziumgrannulate.

Fig. 3 Einen Schnitt durch einen anderen Tiegel für die Durchführung des Verfahrens.

Fig. 4 Einen in die Linie IV-IV von Fig. 3 gelegten Teil schni tt.

Zu dem mit Fig. 1 dargestellten System gehört ein Quarztiegel 10. Anders als dies bisher beim Schmelzen von elementarem Silizium notwendig ist, weist dieser Quarztiegel 10 keinen stützenden Außentiegel aus Graphit auf. Das elementare Silizium wird als Grannulat 11 in den vorerwähnten Tiegel gegeben, der auf eine Drehscheibe 12 aufgesetzt ist und von einem Motor 29 gedreht werden kann.

Durch die Wandung des Tiegels 10 geführt sind die beiden SiIiziumelektroden 13 und 14. Diesen Elektroden sind jeweils die Heizvorrichtungen 15 und 16 zugeordnet, mit denen die Elektroden derart aufgeheizt und erwärmt werden, daß deren elektrische Leitfähigkeit so groß wird, daß

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durch sie ein elektrischer Strom zu der zwischen den beiden Elektroden vorhandenen Masse fließen kann. Zu Beginn stehen, wie dies mit den Strichpunktlinien'angedeutet ist, die beiden Elektroden in Berührungskontakt miteinander. Wenn ein elektrischer Strom zu fließen beginnt, dann werden, weil ein Stromübergangspunkt vorhanden ist, entweder die Elektroden weggedreht oder abgeschmolzen und die benachbarten Si 1iziumgrannulate zum Schmelzen gebracht. Die weitere Zuführung von Strom, der nun frei durch die Siliziumschmelze fließen kann, bewirkt, daß weitere Mengen von SiTiziumgrannulaten geschmolzen werden, was wiederum zur Folge hat, daß dadurch ein Schmelzbad 18 entsteht, das ringsum von einem Körper oder von einer Schicht 19 von Si 1iziumgrannulat umgeben ist. Bei diesem Körper oder dieser Schicht 19 handelt es sich um eine Isolierschicht, die zwischen der Siliziumschmelze und dem Quarztiegel angeordnet ist. Der für den Schmelzvorgang notwendige Strom wird den Elektroden 13 und 14 über die Bürsten 20 der Welle 21 und des Motors 13 zgueführt. Die Bürsten 20 sind ihrerseits wiederum mit einer Starkstromversorgungssystem 21 verbunden.

Nun kann ein monokristalliner Kristallisationskern 22, der an einer Stange 23 befestigt ist, in das Siliziumschmelzbad 18 eingetaucht werden. Sodann wird, wenn der Motor 29 arbeitet und eine Drehbewegung verursacht, die Stange 23 wieder hochgefahren, desgleichen drehen sich auch der Tiegel 10 und die Stange 23, damit ein Stab aus monokristallinem Si 1izium/Einkristall si 1izium ausgezogen und unter Einwirkung des Systems 24 kontrolliert abgekühlt werden kann. Ist der Stab bis zur Maximallänge ausgezogen worden, dann kann er abgeschnitten und in der üblichen Weise in Siliziumwaffeln zerlegt werden.

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Mit Fig. 2 ist ein anderes Prinzip für die Einleitung des Schmelzvorganges dargestellt. In diesem Falle sind die Elektroden 113 und 114 von der Masse der Si 1iziumgrannulate überbrückt. Nach dem Einschalten des Stromes konzentriert sich der Stromfluß auf die Stromübergangspunkte 130. Zwischen denGrannulaten besteht ein übergangswiderstand. Diese Punkte haben einen vergleichsweise hohen Widerstandswert, so daß es zu einer Stromwärmeentwicklung kommt. Diese wiederum erhöht die elektrische Leitfähigkeit der Partikel, was wiederum zur Folge hat, daß dann ein stärkerer Strom fließen kann und das die Heizwirkung überall erhöht wird und sich ein Schmelzanfang einstellt. Dieser Schmelzvorgang resultiert wiederum in einer besseren elektrischen Leitfähigkeit - das geschmolzene Silizium hat eine viel bessere Leitfähigkeit als die Grannulatmasse - und die Schmelze entsteht so, wie dies zuvor beschrieben worden ist. Wird dieses System verwendet, dann bleibt zwischen der Wandung des Tiegels und der oberen Tiegel öffnung eine Schicht von grannularem und nicht geschmolzenem Silizium erhalten.

Auch mit den Tiegeln, die mit Fig. 3 und Fig. 4 dargestellt sind, kann das Verfahren durchgeführt werden. Auch in diesem Falle - der Pfeil 229 deutet dies an - wird der Tiegel 210 gedreht. Auch in diesem Falle weist der Tiegel 210 die beiden bogenförmigen Elektroden 213 und 214 auf. Damit die Drehbewegung Zustandekommen kann, sind den bogenförmigen Elektroden 213 und 214 jeweils die Stangen 231 und 232 zugeordnet. Diese Stangen laufen in den ringförmigen Stromschienen 233 und 234, die ihrerseits wiederum mit der Schmelzstromquelle verbunden sind. In diesem Falle kann der

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der zwischen den Elektroden eingesetzte Grannulatstoff vorher erwärmt werden, beispielsweise mit einer Zündlanze oder mit einer Strahlungsheizquelle, um dadurch die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen. Das eingesetzte Material kann aber auch dadurch erwärmt werden, daß unter Anwendung des Funktionsprinzipes nach Fig. 2 elektrischer Strom durch die Masse geführt wird. Auf diese Weise ist beispielsweise entdeckt worden, daß in Quarztiegeln Si 1iziumgrannulat mit einem Durchmesser von 4" bis 16" geschmolzen werden kann, und dies mit einer Spannung von 80 Volt bis Volt und mehr und mit einer Stromstärke von 80 Amperes bis 100 Amperes auf die Si 1iziumgrannulatmasse. Sodann wird mit einer Spannung von 70 Volt bis 80 Volt und mit einer Stromstärke von 30 Amperes bis 40 Amperes die Schmelze für die Dauer desAusziehen der monokristallinen Siliziumstäbe/Einkristall-Siliziumstäbe aufrecht erhalten. Die Si 1iziumgrannulate können eine Größe von 1 mm bis im wesentlichen 10 mm haben, aber auch größere und kleinere SiIiziumgrannulate von regelmäßiger oder unregelmäßiger Form, können verwendet werden.

Claims

PATENTANWÄLTE F.W. HEMMERICH · GERD MÖLLER · D. GROSSE · F. POLLMEIER ** 23. Mai 1985 gr.la 74 467 "* Patentansprüche

1. Verfahren zum Schmelzen von reinem Silizium,
gekennzeichnet durch

das Einfüllen eines Granulats aus reinem Silizium in einen Schmelztiegel,

und das Hindurchleiten eines elektrischen Stroms durch einen Teil des Granulats mit einer Stromstärke, die nur diesen Granulatteil schmelzen
läßt, während mindestens eine aus Siliziumgranulat zwischen der Schmelze und den Wänden des Tiegels verbleibt, die die Tiegelwände von der Schmelze isoliert und als Sperrschicht dient um die Schmelze vor Verunreinigungen durch den Schmelztiegel zu schützen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, \ dadurch gekennzeichnet,

daß der Granulatteil vor dem Hindurchleiten des elektrischen Stroms vorgwärmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Granulatteil vor dem Schmelzen erwärmt
wird, indem ein elektrischer Strom an den Übergangspunkten zwischen den zu diesem Granulatteil gehörenden Siliziumgranulaten eine Widerstandserwärmung bewirkt.

4. Verfahren zur Produktion von Siliziumstäben für die Herstellung von Siliziumbiättchen,
gekennzeichnet durch

a) das Einfüllen einer Granulatmasse aus reinem Silizium in einen Schmelztiegel,

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- b) das Einführen zweier Elektroden in die Granulatmasse, so daß sich ein Teil des Granulats zwischen den beiden Elektroden befindet,

c) das Hindurchleiten eines elektrischen Stroms durch den Granulatteil mit einer Stromstärke, die bewirkt, daß der Granulatteil so geschmolzen wird, daß ein Schmelzbad entsteht, welches von mindestens einer Schicht aus nicht geschmolzenem Siliziumgranulat umgeben ist, die das Schmelzbad zum Schmelztiegel hin abschirmt und ihn isoliert,

d) und das Aufrechterhalten des Schmelzζustandes durch kontinuierliches Hindruchleiten eines elektrischen Stroms durch das Schmelzbad, während ein kristalliner Siliziumstab aus dem Schmelzbad herausgezogen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Granulatteil vor dem Hindurchleiten des elektrischen Stroms erwärmt wird, um dessen elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen.

6. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus Silizium bestehen und zur Erhöhung ihrer elektrischen Leitfähigkeit beheizt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelztiegel aus Quarz besteht.

8. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß sich der Stab und der Schmelztiegel relativ zueinander drehen während der Stab aus dem Schmelzbad herausgezogen wird.

PATENTANWÄLTE F.W. HEMMERICH · GERD MÖLLER · D. GROSSE · F. POLLMEIER ■

9. Verfahren nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß das Herausziehen des Stabes aus dem Schmelzbad dadurch erfolgt, daß ein monokristalliner Silizium-Kristallisationskeim in das Schmelzbad eingetaucht und anschließend mit dem entstegenden Stab wieder aus dem Schmelzbad herausgezogen wird.

10. Vorrichtung zum Herstellen eines Siliziumstabes nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch einen Quarztiegel, der mit Siliziumgranulat gefüllt ist, zwei Elektroden, die in das Siliziumgranulat hineingeführt sind,

eine Vorrichtung die mit den! .Elektroden verbunden ist und das Hindurchleiten von elektrischem Strom durch einen Teil des Granulats ermöglicht, damit ein Schmelzbad entstehen kann, das zumindest von einer Schicht aus < Siliziumgranulat umgeben ist, wobei es sich bei dieser \ Schicht um eine Stützschicht zum Halten des Schmelzbades und um eine Isolierschicht handelt, die das Schmelzbad zum Tiegel hin isoliert und abschirmt, eine Vorrichtung die den monokristallinen Siliz.iumkristallisationskeim in das Schmelzbad einführt, und durch eine Vorrichtung, die den Kristallisationskeim und den aus dem geschmolzenen Silizium bestehenden Stab aus dem Schmelzbad herauszieht, während das Schmelzbad durch fortgesetzte Stromzuführung noch weiter beheizt wird.