DE3530231A1

DE3530231A1 - Vorrichtung zum ziehen von einkristallen

Info

Publication number: DE3530231A1
Application number: DE19853530231
Authority: DE
Inventors: Kinji Hoshi; Nobuyuki Izawa; Yasunori Tokio/Tokyo Okubo; Toshihiko Suzuki
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1984-08-24
Filing date: 1985-08-23
Publication date: 1986-02-27
Also published as: NL193666B; NL193666C; GB2163367A; FR2569430A1; IT1200719B; ATA247085A; JPS6153187A; CA1290654C; JPH0357072B2; AT400848B; MY101257A; DE3530231C2; FR2569430B1; GB8520574D0; GB2163367B; NL8502286A; SE467258B; SE8503935L; IT8521977A0; SE8503935D0

Description

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER

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Vorrichtung zum Ziehen von Einkristallen

BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Ziehen von Einkristallen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Vorrichtung besitzt üblicherweise einen Tiegel, in dem sich geschmolzenes Kristallmaterial befindet, eine Heizeinrichtung zur Erhitzung des im Tiegel befindlichen Kristallmaterials und eine Einrichtung zum Herausziehen eines gewachsenen und stabförmig ausgebildeten Einkristalls aus dem geschmolzenen Kristallmaterial.

Ein Siliziumeinkristall wird normalerweise nach dem Czochralski -Verfahren hergestellt. Figure 13 zeigt eine Vorrichtung zur Anwendung des Czochralski -Verfahrens. Geschmolzenes Einkristallmaterial liegt innerhalb eines Quarztiegels 2, der sich in einem Graphittiegel 1 befindet. Beide Tiegel 1, 2 bzw. das geschmolzene Einkristallmaterial werden mit Hilfe einer Heizeinrichtung 4 erhitzt, die den Tiegel 1 umgibt. Durch eine Spannvorrichtung 7 wird aus dem geschmolzenen Kristallmaterial 3 ein stabförmiger Einkristall 6 herausgezogen, dessen Wachstumsprozeß durch einen Kristallkeim 5 eingeleitet worden ist. Beim Herausziehen des Einkristalls 6 aus der Kristallschmelze werden die Tiegel 1 und 2 einerseits und der Einkristall 6 andererseits mit Hilfe einer Welle 8 oder der Spannvorrichtung 7 in zueinander entgegengesetzten Richtungen mit konstanter Geschwindigkeit gedreht. Die Welle 8 ist dabei mit dem Boden des Tiegels 1 verbunden. Er kann darüber hinaus durch die Welle 8 angehoben werden, so daß die Heizeinrich-0 tung 4 immer in einer bestimmten Position in bezug auf die Oberfläche der Kristallschmelze 3 gehalten wird.

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Beim Czochralski-verfahr en läßt sich die maximale Wachstumsgeschwindigkeit V des Einkristalls durch die nach-

max

folgend angegebene Gleichung unter der Annahme beschreiben, daß die Festkörper-Flüssigkeits-Grenzfläche zwischen dem Einkristall 6 und der Kristallschmelze 3 eben ist und kein Temperaturgradient in radialer Richtung des Einkristalls 6 existiert:

max h'p ^ldX^;

Hierbei sind k die thermische Leitfähigkeit des Einkristalls 6, h die Auflösungs- bzw. Schmelzwärme, f> die Dichte und dT/dX der Temperaturgradient in der Festkörperphase des Einkristalls 6 im Bereich der Festkörper-Flüssigkeits-Grenzfläche. Da in der oben genannten Gleichung die Größen k, h und ρ durch die Eigenschaften des Materials festgelegt sind, ist es erforderlich, den Wert dT/dX zu vergrößern, wenn die Wachstumsgeschwindigkeit V erhöht

IU 3. X

werden soll. Bei dem oben beschriebenen Czochralski-Verfahren wird jedoch zwangsläufig der Wert dT/dX vermindert, da der herausgezogene Einkristall 6 durch die abgestrahlte Wärme von der Oberfläche der Kristallschmelze 3, der inneren Wand des Tiegels 2 und der Heizeinrichtung 4 aufgeheizt wird. Die Kristallwachstumsgeschwindigkeit ist daher in der Praxis relativ klein.

Generell läßt sich die oben genannte Wachstumsgeschwindigkeit durch Verminderungder Temperatur der Heizeinrich-0 tung 4 erhöhen. Wie jedoch anhand der Figuren 10A und 10B zu erkennen ist, tritt eine Verfestigung der Kristallschmelze 3 im Bereich 3a auf, in dem die Oberfläche der Kristallschmelze 3 in der Nähe des Tiegels 2 liegt, wenn die Temperatur in dar Mäho der Oberfläche dor Kristallschmelze 3 bei verminderter Temperatur der Heizeinrichtung

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4 im Vergleich zur Temperatur im Zentralbereich der Kristallschmelze 3 erheblich geringer ist. Ein kontinuierlicher Ziehvorgang zur Bildung des Einkristalls 6 ist dann nicht möglich. Wird zur Durchführung des Czochralski-Verfahrens die in Fig. 13 gezeigte Vorrichtung verwendet, so wird eine V/achstumsgeschwindigkeit von höchstens 1 mm/ min erhalten. Darüber hinaus liegt entsprechend der Fig. 1OA, 11A und 12A folgender Temperaturgradient vor:

T₁ < T₂ < T₃.

Dabei gilt T = T. und T₃ = T₅.

Vorrichtungen der genannten Art sind beispielsweise in den japanischen Patentschriften Nr. 51-47153 und Nr. 58-1080 beschrieben. Insbesondere im zuletzt genannten Fall ist eine Ausführungsform diskutiert, bei der ein Strahlungsschirm über der Einkristallschmelze liegt, um eine Wachstumsgeschwindigkeit des Einkristalls von 2 mm/min zu erhalten.

Ausgehend von dem genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Ziehen von Einkristallen zu schaffen, bei der die oben beschriebenen Nachteile bei der Erzeugung der Einkristalle nicht auftreten.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegeben. 30

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Vorrichtung zum Ziehen von Einkristallen nach der Er-5 findung besitzt einen Tiegel zur Aufnahme einer Kristallschmelze, eine Einrichtung zum Herausziehen eines Einkri-

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stalls aus der Kristallschmelze, und eine Heizeinrichtung zur Aufheizung des im Tiegel befindlichen Materials, wobei die Heizeinrichtung so ausgebildet ist, daß durch sie ein Tiegelbereich, in dan die Oberfläche der Kristallschmelze benachbart zur Innenwand des Tiegels liegt, auf eine höhere Temperatur aufheizbar ist als andere Tiegelbereiche.

Nach der Erfindung ist die Heizeinrichtung so ausgebildet, daß ein Bereich des Tiegels, in dem die Oberfläche der Kristallschmelze an dem Tiegel angrenzt, höher aufgeheizt wird im Vergleich zu anderen Bereichen des Tiegels. Hierdurch wird verhindert, daß auch bei geringerer Temperatur der Heizeinrichtung die Kristallschmelze im Randbereich ihrer Oberfläche, also in dem Bereich, in dem die Oberfläche benachbart zur Tiegelinnenwand liegt, erstarrt. Gegenüber der konventionellen Vorrichtung ist es somit möglich, einen Einkristall mit höherer Wachstumsgeschwindigkeit bzw. Ziehgeschwindigkeit herzustellen, ohne daß die Gefahr besteht, daß die Qualität des Einkristalls durch fehlerhafte Schichten bzw. Störstellen herabgesetzt wird.

Entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung besitzt die Vorrichtung zum Ziehen von Einkristallen einen Tiegel zur Aufnahme einer Kristallschmelze, eine Einrichtung zum Herausziehen eines Einkristalls aus der Kristallschmelze und eine Heizeinrichtung zur Aufheizung des im Tiegel befindlichen Materials. Die Heizeinrichtung ist so ausgebildet, daß durch sie ein Bereich, in dem die Oberfläche der Kristallschmelze benachbart zur Innenwand des 0 Tiegels liegt, auf eine höhere Temperatur aufheizbar ist als andere Tiegelbereiche, wie bereits erwähnt. Zusätzlich besitzt die Vorrichtung einen Wärmeschutzkörper, der den aus der Kristallschmelze herausgezogenen Einkristall zum Schutz vor Wärmestrahlung von der Heizeinrichtung umgibt.

Die Heizeinrichtung ist hohlzylinderförmig ausgebildet, be-

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besteht aus elektrisch leitendem Material und besitzt eine Mehrzahl von oberen Furchen sowie eine Mehrzahl von unteren Furchen, die sich jeweils in axialer Richtung der Heizeinrichtung erstrecken und abwechslend unter gleichen Winkelabständen in Umfangsrichtung der Heizeinrichtung angeordnet sind, wobei der Hohlzylinder in seinem oberen Bereich konisch ausgebildet ist. Die genannten Furchen können auch als Schlitze bezeichnet werden und durchdringen die Wandung der hohlzylinderförmig ausgebildeten Heizeinrichtung vollständig in radialer Richtung.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Heizeinrichtung hohlzylinderförmig ausgebildet, besteht aus elektrisch leitendem Material und besitzt eine Mehrzahl von oberen Furchen sowie eine Mehrzahl von unteren Furchen, die sich jeweils in axialer Richtung der Heizeinrichtung erstrecken und abwechselnd unter gleichen Winkelabständen in Umfangsrichtung der Heizeinrichtung angeordnet sind, wobei die unteren Furchen an ihren oberen Enden in jeweils zwei gabelförmig verlaufende Furchen übergehen. Die unteren Furchen erstrecken sich vom unteren Rand der Heizeinrichtung in Richtung des oberen Randes, erreichen diesen aber nicht ganz. Demgegenüber erstrecken sich die oberen Furchen vom oberen Rand der Heizeinrichtung, erreichen aber nicht den unteren Rand.

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Heizeinrichtung hohlzylinderförmig ausgebildet ist, 0 aus elektrisch leitendem Material besteht und eine Mehrzahl von oberen Furchen sowie eine Mehrzahl von unteren Furchen besitzt, die sich jeweils in axialer Richtung der Heizeinrichtung erstrecken und abwechselnd unter gleichen Winkelabständen in Umfangsrichtung der Heizeinrichtung angeordnet 5 sind, wobei die Querschnittsfläche der Heizeinrichtung so

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konisch bzw. keilförmig ausgebildet ist, daß sie sich nach oben linear bzw. gleichmäßig verjüngt. Als Querschnittsfläche ist in diesem Fall ein Teil derjenigen Fläche durch die Heizeinrichtung anzusehen, in deren Ebene die Zylinderachse der Heizeinrichtung liegt. Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist die Heizeinrichtung hohlzylinderförmig ausgebildet, besteht aus elektrisch leitendem Material und weist eine Mehrzahl von oberen Furchen sowie eine Mehrzahl von unteren Furchen auf, die sich jeweils in axialer Richtung der Heizeinrichtung erstrecken und abwechslend unter gleichen Winkelabständen in Umfangsrichtung der Heizeinrichtung angeordnet sind, wobei der obere Bereich der Heizeinrichtung zur Verminderung seiner Querschnittsfläche wenigstens eine bogenförmige Ausnehmung besitzt. Die bogenförmige Ausnehmung verläuft dabei im oberen Bereich in Umfangsrichtung der Heizeinrichtung, und kann sowohl an der Außen- und/oder Innenseite der Heizeinrichtung liegen. In jedem verbleibenden Steg zwischen den genannten Furchen ist also eine entsprechende Ausnehmung vorhanden.

Gemäß einer anderen Ausbildung der Erfindung ist die Heizeinrichtung hohlzylinderförmig ausgebildet, besteht aus elektrisch leitendem Material und besitzt eine Mehrzahl von oberen Furchen sowie eine Mehrzahl von unteren Furchen, die sich jeweils in axialer Richtunq der Heizeinrichtung erstrecken und abwechselnd unter gleichen Winkelabständen in Umfangsrichtung der Heizeinrichtung angeordnet sind, wobei der obere Bereich der Heizeinrichtung eine Mehr-0 zahl rechteckförmiger Ausnehmungen zur Verminderung der Querschnittsfläche der Heizeinrichtung aufweist. Die rechteckförmigen Ausnehmungen verlaufen ebenfalls im oberen Bereich in Umfangsrichtung der Heizeinrichtung, und zwar an ihrer Innen- und/oder Außenseite. Die Ausnehmungen können 5 darüber hinaus unterschiedlich groß sein. Jeder verbleibende

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Steg zwischen den genannten Furchen besitzt also eine oder mehrere derartiger Ausnehmungen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Heizeinrichtung hohlzylinderförmige ausgebildet ist, aus elektrisch leitendem Material besteht und eine Mehrzahl von oberen Furchen sowie eine Mehrzahl von unteren Furchen besitzt, die sich jeweils in axialer Richtung der Heizeinrichtung erstrecken und abwechselnd unter gleichen Winkelabständen in Umfangsrichtung mit der Heizeinrichtung angeordnet sind, und daß die Breite der verbleibenden Stege im oberen Bereich geringer ist als die Breite der Stege im unteren Bereich der Heizeinrichtung. Die Breite der verbleibenden Stege wird dabei in Umfangsrichtung der Heizeinrichtung gemessen.

Selbstverständlich sind auch Kombinationen der genannten Ausbildungen der Heizeinrichtung möglich.

Die Heizeinrichtung ist vorzugsweise in einen oberen und einen unteren hohlzylinderartigen Teil aufgeteilt, wobei der obere Teil auf eine höhere Temperatur aufheizbar ist als der untere Teil.

Die Heizeinrichtung kann sowohl eine Widerstandsheizeinrichtung als auch eine Hochfrequenzheizeinrichtung, bestehend aus einer oder mehreren Spulen, sein.

Vorzugsweise besitzt die Vorrichtung zum Ziehen von Ein-0 kristallen eine magnetische Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes, in welchem Tiegel und Heizeinrichtung anordbar sind. Hierdurch wird erreicht, daß der Einkristall mit besonders hoher Geschwindigkeit gezogen werden kann.

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Die Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung zum Ziehen von Kristallen aus einer Kristallschmelze,

Fig. 2 eine vergrößert dargestellt Perspektivansicht einer Heizeinrichtung für die Vorrichtung nach Fig. 1,
10

Fig. 3 den Zusammenhang zwischen der Störschichtdichte

und der Sauerstoffkonzentration innerhalb des gezogenen Einkristalls bei verschiedenen Kristallwachstumsgeschwindigkeiten, 15

Fig. 4 bis 6 Querschnitte durch geeignete Abwandlungen der Heizeinrichtung für die Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 7 eine ebene Ansicht einer weiteren Abwandlung der Heizeinrichtung für die Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 8 und 9 Querschnitte durch weitere Vorrichtungen zum Ziehen von Einkristallen aus einer Kristallschmelze,
25

Fig. 1OA eine konventionelle Temperaturverteilung in einer Einkristallschmelze mit Kurven .gleicher Temperatur,

Fig. 10B eine konventionelle Temperaturverteilung in einer 0 Einkristallschmelze in Richtung der Zentralachse

der Schmelzflüssigkeit,

Fig. 11A ein Modell der Temperaturverteilung in einer Einkristallschmelze entsprechend der vorliegenden 5 Erfindung mit Kurven gleicher Temperatur,

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Fig. 11B die Temperaturverteilung der Einkristallschmelze nach Fig. 11A in Richtung der Zentralachse der Kristallschmelze,

Fig. 12A ein Modell der Temperaturverteilung in einer Einkristallschmelze entsprechend der Erfindung mit Kurven gleicher Temperatur, wobei die Einkristallschmelze in einem Magnetfeld liegt,

Fig. 12B die Temperaturverteilung der Einkristallschmelze nach Fig. 12A in Richtung der Zentralachse der Schmelzflüssigkeit bei vorhandenem Magnetfeld, und
Fig. 13 einen Querschnitt durch eine zum Stand der Technik gehörende Vorrichtung zum Ziehen von Einkristallen nach dem Czochralski -Verfahren.

Im nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Gleiche Elemente wie in Fig. 13 sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zum Ziehen von Einkristallen, die der Fig. 13 ähnlich ist. Die Kristallschmelze 3, beispielsweise geschmolzenes Silizium, befindet sich innerhalb eines Quarztiegels 2, der seinerseits innerhalb eines Graphittiegels 1 liegt. Eine Heizeinrichtung 4 aus Graphit und eine Schutzschicht 9 sind so angeordnet, daß sie den Graphittiegel 1 umgeben. Die Heizeinrichtung 4 liegt dabei zwischen dem Graphittiegel 1 und der Schutzschicht 9. Tiegel, Heizeinrichtung und Schutzschicht sind konzentrisch zueinander angeordnet. Um die Schutzschicht 9 herum liegen weitere Schutz- bzw. Kühlmantel 10a, 10b und 10c. Im Kühlmantel 10b befindet sich ein Fenster 12, durch das hindurch ein aus der Kristallschmelze 3 heraus-5 gezogener Einkristall 6 beobachtet werden kann. Im Boden

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des Kühlmantels 10a befindet sich ein Auslaßrohr 13, durch das hindurch von oben in die Kühlmäntel 10a, 10b und 10c eingeleitetes Inert- bzw. Schutzgas (atmosphärisches Gas) wieder austreten kann. Der untere Bereich des Tiegels 1 steht im Kontakt mit einer Welle 8, die frei durch eine Öffnung 10d im Boden des Kühlmantels 10a hindurchläuft, und durch die der Tiegel 1 gedreht und/oder nach oben bzw. nach unten verschoben werden kann. Das untere Ende der Heizeinrichtung 4 ist an einer ringförmigen Platte 14 befestigt.

Mit dem unteren Bereich dieser ringförmigen Platte 14 sind zwei Achsen 15 verbunden, die frei durch zwei öffnungen 10e und 1Of im Boden des Kühlmantesl 10a hindurchlaufen. Über diese Achsen 15 ist die Heizeinrichtung 4 ebenfalls nach oben oder nach unten verschiebbar. Über der Kristallschmelze 3 befindet sich andererseits ein zylindrisch ausgebildeter Wärmeschutzkörper 16 aus Molybdän, dessen Innendurchmesser ein wenig größer als der Außendurchmesser des aus der Einkristallschmelze herausgezogenen Einkristalls 6 ist. Oberhalb des Wärmeschutzkörpers 16 wird ein Kristallkeim 5 mit Hilfe einer Einspannvorrichtung 7 gehalten, die mit dem unteren Ende einer Welle 17 für den Kristallziehvorgang verbunden ist, wobei mit Hilfe des Kristallkeimes 5 der Wachstumsvorgang des stabförmigen Einkristalls 6 eingeleitet wird.

In der Fig. 2 ist die genauere Ausbildung der Heizeinrichtung 4 dargestellt. Die Heizeinrichtung 4 besteht aus leitendem Material, beispielsweise aus Graphit, und besitzt eine hohl zylindrische Form. Der obere Bereich 4a der Heizeinrichtung 4 ist konisch ausgebildet. Sie besitzt ferner 0 eine Mehrzahl von oberen Furchen 4b und eine Mehrzahl von unteren Furchen 4c, die sich jeweils in axialer Richtung der Heizeinrichtung 4 erstrecken und sich in gleichmäßigen WinkelIntervallen in Umfangsrichtung der Heizeinrichtung gegenseitig abwechseln. Das obere Ende der unteren Furchen 4c ist darüber hinaus gabelförmig ausgebildet, so daß zwei kur-

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ze Furchen 4d und 4e vorhanden sind, die unter einem Winkel von jeweils 45 in bezug zu einer Furche 4c geneigt sind. Durch jeden durch die unteren und oberen Furchen 4c und 4b definierten Bereiche fließt ein Strom zur Erzeugung joul¹scher Wärme aufgrund des Ohm'sehen Widerstandes .

Um mit Hilfe der genannten Vorrichtung einen Einkristall 6 unter Verwendung eines Kristallkeimes 5 aus einer SiIiziumschmelze ziehen zu können, werden die beiden Tiegel 1 und 2 mit Hilfe der Welle 8 beispielsweise in Uhrzeigerrichtung gedreht. Der Einkristall 6 wird dann über die Welle 17 im Gegenuhrzeigersinn gedreht. Selbstverständlich kann der Drehsinn der Wellen 8 und 17 auch umgekehrt sein.

Die Welle 17 wird allmählich mit Hilfe einer nicht dargestellten Antriebseinrichtung nach oben gezogen, um den Einkristall 6 aus der Kristallschmelze zu ziehen. Zusätzlich werden die beiden Tiegel 1 und 2 allmählich nach oben verschoben, so daß die Oberfläche der Kristallschmelze 3 relativ zur Heizeinrichtung 4 immer an einer vorbestimmten Position gehalten wird.

Die oben beschriebene Vorrichtung besitzt folgende Vorteile: Da der konische Bereich 4a an der oberen Seite der Heizeinrichtung 4 liegt und zusätzlich gabelförmige Furchen 4d und 4e am oberen Ende der unteren Furchen 4c vorhanden sind, sind die Querschnittsbereiche im konischen Bereich 4a im Vergleich zu den anderen Bereichen der Heizeinrichtung 4 klein. Besonders klein sind die Querschnittsbereiche in der Nähe der gabelförmig verlaufenden Furchen 4d und 4e. Fließt daher ein Strom durch die Heizeinrichtung 4, so werden die konischen Bereiche 4a der Heizeinrichtung 4 auf eine höhere Temperatur aufgeheizt, als die anderen Bereiche der Heizeinrichtung 4. Das bedeutet, daß die Differenz zwischen der 5 Temperatur des Bereichs 3a, der auf der Höhe des konischen

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Bereichs 4a liegt, und an dem die Oberfläche der Kristallschmelze die innere Wand des Tiegels 2 berührt, und der Maximaltemperatur innerhalb der Kristallschmelze 3 klein ist, wie ein Vergleich der Figuren 11A und 11B mit den Fig. 1OA und 1OB für den konventionellen Fall zeigt.

Da ferner der konische Bereich 4a innerhalb der Heizeinrichtung 4 gebildet ist, wird der gesamte elektrische Widerstand der Heizeinrichtung 4 höher gegenüber dem Widerstand der konventionellen Heizeinrichtung, so daß die Temperatur der Heizeinrichtung 4 bei gleichem Stromwert im Vergleich zur konventionellen Heizeinrichtung höher ist. Das bedeutet, daß beim vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung der durch die Heizeinrichtung 4 fließende Strom im Vergleich zur konventionellen Heizeinrichtung kleiner sein kann.

Wie bereits beschrieben, ist es zur Vergrößerung der maximalen Wachstumsgeschwindigkeit V notwendig, den Temperaturgradienten dT/dX innerhalb der Festkörperphase des Einkristalls 6 im Bereich der Festkörper-Flüssigkeits-Grenzfläche zu erhöhen. Es ist daher vorteilhaft, die Temperatur der Heizeinrichtung 4 herabzusetzen, da der gezogene Einkristall durch die Strahlungswärme von der Heizeinrichtung 4 erwärmt wird.

Wird bei der Vorrichtung nach der Erfindung die Temperatur der Heizeinrichtung 4 herabgesetzt, um den Temperaturgradienten dT/dX zu erhöhen, so wird aufgrund der oben erwähn-0 ten kleinen Temperaturdifferenz zwischen dem Bereich 3a und dem Bereich mit maximaler Temperatur innerhalb der Kristallschmelze 3 verhindert, daß sich die Kristallschmelze 3 an ihrer Oberfläche im Bereich 3a in der Nähe der inneren Wand des Tiegels 2 verfestigt. Mit anderen Worten ist es möglich, 5 die Temperatur der Heizeinrichtung 4 um diesen Betrag zu re-

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duzieren, so daß die Wärmestrahlung von der Heizeinrichtung 4 herabgesetzt wird und sich dadurch der Tempraturgradient dT/dX erhöht. Hieraus folgt, daß die Wachstumsgeschwindigkeit, verglichen mit der bei der konventionellen Vorrichtung.um bis zu 0,2 mm/min erhöht werden kann. Zusätzlich ist es möglich, den Einkristall 6 gleichmäßiger wachsen zu lassen, was zu einer höheren Herstellungsrate und zu niedrigeren Produktionskosten führt.

In Fig. 3 ist die sogenannte Störschichtdichte aufgetragen. Die graphische Darstellung zeigt, daß die Dichte fehlerhafter Schichten im Einkristall 6 bei einer konventionellen Wachsturcsgeschwindigkeit von etwa 1 mm/min außerordentlich hoch ist. Liegt dagegen die Wachstumsgeschwindigkeit bei etwa 2 mm/min, so ist die Dichte der Störschichten innerhalb des Einkristalls 6 sehr klein, so daß bei dieser hohen Wachstumsgeschwindigkeit ein Einkristall 6 von besserer Qualität erhalten wird.

Durch den Wärmeschutzkörper 16 oberhalb der Kristallschmelze 3 wird verhindert, daß der Einkristall 6 zusätzlich durch Wärmestrahlung von der Heizeinrichtung 4 erwärmt wird. Der Temperaturgradient dT/dX erhöht sich daher, so daß die Wachstumsgeschwindigkeit des Einkristalls 6 gesteigert werden kann.

Da die Querschnittsbereiche im oberen Teil der Heizeinrichtung 4 kleiner sind als bei der konventionellen Heizeinrichtung, ist der gesamte elektrische Widerstand der Heizeinrich-0 tung 4 relativ hoch. Dadurch ist es möglich, die Kristallschmelze 3 auf eine Temperatur zu erhitzen, die der Temperatur in der konventionellen Vorrichtung entspricht, wozu jedoch eine geringere elektrische Leistung als bei der konventionellen Vorrichtung erforderlich ist, so daß die Leistungs-5 aufnahme der Heizeinrichtung 4 herabgesetzt wird.

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Die Vorrichtung kann selbstverständlich in vielerlei Weise modifiziert werden, ohne daß der Bereich der Erfindung verlassen wird. Beispielsweise kann es genügen, nur konische bzw. keilförmig ausgebildete Bereiche 4a vorzusehen, die keine gabelförmigen Furchen 4d oder 4e besitzen. Andererseits ist es möglich, nur gabelförmige Furchen 4d oder 4e in die Heizeinrichtung 4 einzubringen, ohne daß diese konische bzw. keilförmig verlaufende Bereiche 4a besitzt.

Wie in Fig. 4 gezeigt, ist der Querschnittsbereich der gesamten Heizeinrichtung 4 konisch bzw. keilförmige ausgebildet, so daß der obere Bereich linear bzw. gleichmäßig reduziert wird. Gemäß der Fig. 5 sind im oberen Bereich der Heizeinrichtung 4 Ausnehmungen 4f vorhanden. Nach Fig. 6 können im oberen Bereich der Heizeinrichtung auch mehrere Furchen 4g mit unterschiedlicher Tiefe eingebracht sein. Darüber hinaus ist es möglich, wie in Fig. 7 dargestellt, die Breite t.. am oberen Bereich der Heizeinrichtung 4 kleiner zu wählen als die Breite t„ im unteren Bereich der Heizeinrichtung. Ferner kann auch das Material, selbst im oberen Bereich der Heizeinrichtung 4 einen höheren Widerstand als das Material im unteren Bereich der Heizeinrichtung 4 besitzen.

In der Fig. 8 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum Ziehen von Einkristallen dargestellt, bei dem die Heizeinrichtung 4 in zwei Elemente unterteilt ist, und zwar in eine obere Heizeinrichtung 18 und in eine untere Heizeinrichtung 19. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Tem-0 peratur der oberen Heizeinrichtung 18 höher als die Temperatur der unteren Heizeinrichtung 19. Wird die Kristallschmelze 3 durch Induktionswärme erhitzt, die durch Hochfrequenzspulen erzeugt wird, so ist es ferner möglich, die Anzahl der Windungen pro Längeneinheit im oberen Bereich der 5 Hochfrequenzspule höher zu wählen als im unteren Bereich der

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Hochfrequenzspule.

Bei dem in Fig. 9 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum Ziehen von Einkristallen liegt ein Elektromagnet 21 in der Nähe des Kühlmantels 10a, um den Einkristall 6 unter Einwirkung eines magnetischen Feldes zu ziehen, daß die Kristallschmelze 3 durchsetzt. Dieses Verfahren wird als sogenanntes magnetisches Czochralski-Verfahren (MCZ-Verfahren) bezeichnet. Da die eine elektrische Leitfähigkeit besitzende Kristallschmelze 3 einer elektromagnetischen Kraft ausgesetzt ist, ist es möglich, die thermische Konvektion zu unterdrücken. Im Fall der Unterdrückung der thermischen Konvektion ist es außerdem möglich, die Temperatur der Kristallschmelze im Zentralbereich zu reduzieren, da in diesem Fall die Temperaturverteilung der Heizeinrichtung 4 zu einer entsprechenden Temperaturverteilung in der Kristallschmelze 3 führt, wie anhand der Fig. 12A und 12B zu erkennen ist. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 11A verlaufen jetzt die Kurven T_ kon- stanter Temperatur praktisch parallel zu den Tiegelwänden. Dies führt zu einer höheren Temperatur der Kristallschmelze in den Randbereichen. Weiterhin wird in diesem Fall erreicht, daß die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur im Zentralbereich und der Temperatur desjenigen Bereichs, der in der Nähe der Oberfläche der Kristallschmelze 3 liegt, gegenüber dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel vermindert wird. Das hat zur Folge, daß im Vergleich zu einer Vorrichtung, bei der kein magnetisches Feld erzeugt wird, die Wachstumsgeschwindigkeit des Einkristalls 6 noch weiter er-0 höht werden kann. Entsprechend der Fig. 9 verläuft das magnetische Feld in lateraler bzw. horizontaler Richtung der Vorrichtung, also senkrecht zur Längsrichtung der Wellen 8, 17. Es kann aber auch in longitudinaler Richtung verlaufen, also parallel zu den Wellen 8, 17.

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Beispiel 1:

20 kg eines polykristallinen Siliziummaterials werden in einem Tiegel von 304,8 mm Durchmesser gegeben und nach Schmelzen des Materials zur Erzeugung des Einkristalls 6 herangezogen. Beim konventionellen Verfahren verfestigt sich die Kristallschmelze 3 bei einer Wachstumsgeschwindigkeit von 1,2 mm/min (Ziehgeschwindigkeit) im Bereich 3a der Oberfläche der Kristallschmelze bzw. Kristallflüssigkeit, der in der Nähe der inneren Wand des Tiegels 2 liegt. Bei dem Verfahren nach der Erfindung, bei dem oberhalb der Kristallschmelze 3 der Wärmeschutzkörper 16 angeordnet ist, wird dagegen eine Wachstumsgeschwindigkeit des Einkristalls 6 bzw. eine Ziehgeschwindigkeit von 1,5 mm/min erhalten.

Liegt der Wärmeschutzkörper 16 oberhalb der Kristallschmelze 3, und ist zusätzlich die Heizeinrichtung 4 so ausgebildet, daß sie einen konischen bzw. keilförmigen Bereich 4a und gabelartige Furchen 4d und 4e besitzt, so ist es möglich, einen Einkristall 6 mit einem Durchmesser von 101,6 mm bei einer Wachstumsgeschwindigkext bzw. Ziehgeschwindigkeit von 2,0 mm/min zu erzeugen.

Beispiel 2:

20 kg eines polykristallinen Siliziummaterials werden in einem Tiegel mit 304,8 mm Durchmesser gegeben und nach Schmelzen des Materials zur Bildung des Einkristalls 6 herangezogen. Liegt der Wärmeschutzkörper 16 oberhalb der Kristallschmelze 3, und ist zusätzlich die Heizeinrichtung 4 so ausgebildet, daß sie einen konischen bzw. keilförmigen Bereich 4a und gabelförmige Furchen 4d und 4e besitzt, so kann ein Einkristall 6 bei einer Wachstums- bzw. Ziehgeschwindigkeit von 2,0 mm/min gebildet werden. Liegt die Kristallschmelze innerhalb eines magnetischen Feldes, wie in 5 Fig. 9 dargestellt, so wird eine noch höhere Wachstums- bzw. Ziehgeschwindigkeit bis zu 2,3 mm/min erhalten.

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Claims

TER MEER-MÜLLER-STEINMEISTER PATENTANWÄLTE - EUROPEAN PATENT ATTORNEYS Dipl.-Chem. Dr. N. ter Meer Dipl. Ing. H. Steinmeister O 0 0 U / 0 I Dipl. Ing. F. E. Müller Artur-Ladebeck-Strasse 51 Mauerkircherstrasse 45 D-8000 MÜNCHEN 80 D-4800 BIELEFELD 1 S 85P177 Mü/ür/sm 23. August 1985 SONY CORPORATION 7-35, Kitashinagawa 6-chome, Shinagawa-ku, Tokyo / Japan Vorrichtung zum Ziehen von Einkristallen Priorität: 24. August 1984, Japan, Ser. No. 59-17642G (P) PATENTANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zum Ziehen von Einkristallen, mit

- einem Tiegel (2) zur Aufnahme einer Kristallschmelze (3),

- einer Einrichtung (7, 17) zum Herausziehen eines Einkristalles (6) aus der Kristallschmelze (3), und mit

- einer Heizeinrichtung (4) zur Aufheizung des im Tiegel

(2) befindlichen Materials,

dadurch gekennzeichnet, daß
die Heizeinrichtung (4) so ausgebildet ist, daß durch sie ein Tiegelbereich, in dem die Oberfläche der Kristallschmelze (3) benachbart zur Innenwand des Tiegels (2) liegt, auf eine höhere Tempratur aufheizbar ist als andere Tiegelbereiche.

TER MEER · MÜLLER ■ STEINMEISTER

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet , daß sie einen Wärmeschutzkörper (16) besitzt, der den aus der Kristallschmelze (3) herausgezogenen Einkristall (6) zum Schutz vor Wärmestrahlung von der Heizeinrichtung (4) umgibt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Heizeinrichtung (4) hohlzylinderförmig ausgebildet ist, aus elektrisch leitendem Material besteht und eine Mehrzahl von oberen Furchen (4b) sowie eine Mehrzahl von unteren Furchen (4c) besitzt, die sich jeweils in axialer Richtung der Heizeinrichtung (4) erstrecken und abwechselnd unter gleichen Winkelabständen in Umfangsrichtung der Heizeinrichtung (4) angeordnet sind, und daß der Hohlzylinder in seinem oberen Bereich konisch ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet , daß die Heizeinrichtung (4) holilzylinderförmig ausgebildet ist, aus elektrisch leitendem Material besteht und eine Mehrzahl von oberen Furchen (4b) sowie eine Mehrzahl von unteren Furchen (4c) besitzt, die sich jeweils in axialer Richtung der Heizeinrichtung (4) erstrecken und abwechselnd unter gleichen Winkelabständen in umfangsrichtung der Heizeinrichtung (4) angeordnet sind, und daß die unteren Furchen (4c) an ihrem oberen Ende in jeweils zwei gabelförmig verlaufende Furchen (4d, 4e) übergehen.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Heizeinrichtung (4) hohlzylinderförmig ausgebildet ist, aus elektrisch leitendem Material besteht und eine Mehrzahl von oberen Furchen (4b) sowie eine Mehrzahl von unteren Furchen (4c) 5 besitzt, die sich jeweils in axialer Richtung der Heiz-

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einrichtung (4) erstrecken und abwechselnd unter gleichen Winkelabständen in Umfangsrichtung der Heizeinrichtung (4) angeordnet sind, und daß die Querschnittsflache der Heizeinrichtung (4) so konisch bzw. keilförmig ausgebildet ist, daß sie sich nach oben linear bzw. gleichmäßig verjüngt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Heizeinrichtung (4) hohlzylinderförmig ausgebildet ist, aus elektrisch leitendem Material besteht und eine Mehrzahl von oberen Furchen (4b) sowie eine Mehrzahl von unteren Furchen (4c) besitzt, die sich jeweils in axialer Richtung der Heizeinrichtung (4) erstrecken und abwechselnd unter gleichen Winkelabständen in Umfangsrichtung der Heizeinrichtung (4) angeordnet sind, und daß der obere Bereich der Heizeinrichtung (4) zur Verminderung seiner Querschnittsfläche wenigstens eine bogenförmige Ausnehmung (4f) besitzt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Heizeinrichtung (4) hohlzylinderförmig ausgebildet ist, aus elektrisch leitendem Material besteht und eine Mehrzahl von oberen Furchen (4b) sowie eine Mehrzahl von unteren Furchen (4c) besitzt, die sich jeweils in axialer Richtung der Heizeinrichtung (4) erstrecken und abwechselnd unter gleichen Winkelabständen in Umfangsrichtung der Heizeinrichtung (4) angeordnet sind, und daß der obere Bereich der Heizeinrichtung (4) eine Mehrzahl rechteckförmiger Ausnehmungen (4g) zur Verminderung der Querschnittsfläche der Heizeinrichtung (4) besitzt.

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Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch g e kennzeichnet , daß die Heizeinrichtung (4) hohlzyiinderförmig ausgebildet ist, aus elektrisch leitendem Material besteht und eine Mehrzahl von oberen Furchen (4b) sowie eine Mehrzahl von unteren Furchen (4c) besitzt, die sich jeweils in axialer Richtung der Heizeinrichtung (4) erstrecken und abwechselnd unter gleichen Winkelabständen in tJinfangsrichtung der Heizeinrichtung (4) angeordnet sind, und daß die Ereite (t..) der verbleibenden Stege im oberen Bereich geringer ist als die Breite (t ) <
Heizeinrichtung (4).

als die Breite (t„) der Stege im unteren Bereich der

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (4) in einen oberen (18) und einen unteren hohlzylindrischen Teil (19) aufgeteilt ist, und daß der obere Teil auf eine höhere Temperatur aufheizbar ist als der untere Teil.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß an die Heizeinrichtung (4) bzw. den Tiegel (2) ein magnetisches Feld anlegbar ist.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche

1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Tiegel (2) und/oder Heizeinrichtung (4) in axialer Richtung so relativ zueinander verschiebbar sind, daß die Oberfläche der Kristallschmelze (3) immer im oberen Bereich der Heizeinrichtung (4) liegt.

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12. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (4) in axialer Richtung in mehr als zwei Abschnitte unterteilt ist, jeweils der Abschnitt auf eine höhere Temperatur als die anderen Abschnitte aufheizbar ist, in dem die Oberfläche der Kristallschmelze (3) die Innenwand des Tiegels (2) berührt, und daß die Abschnitte oberhalb der Oberfläche der Kristallschmelze (3) der Reihe nach abschaltbar sind.

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