DE3530231C2

DE3530231C2 -

Info

Publication number: DE3530231C2
Application number: DE3530231A
Authority: DE
Inventors: Toshihiko Suzuki; Kinji Hoshi; Nobuyuki Izawa; Yasunori Tokio/Tokyo Jp Okubo
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1984-08-24
Filing date: 1985-08-23
Publication date: 1991-01-17
Also published as: JPH0357072B2; SE467258B; MY101257A; AT400848B; NL193666B; GB2163367A; NL8502286A; DE3530231A1; SE8503935D0; IT1200719B; GB8520574D0; CA1290654C; JPS6153187A; ATA247085A; FR2569430A1; IT8521977A0; SE8503935L; GB2163367B; NL193666C; FR2569430B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls nach dem Czochralski-Verfahren.

Ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 ist aus JP 56 45 890 (A) bekannt. Die verwendete Heizeinrichtung ist zweigeteilt und ihr unterer Teil wird nur mit soviel Leistung versorgt, daß im unteren Bereich des Tiegels das zu ziehende Material zwar stark erhitzt wird, jedoch nicht geschmolzen wird. Solange der Tiegel noch relativ hoch gefüllt ist, befindet sich die Schmelzenoberfläche im Bereich des oberen Teils der Heizeinrichtung. Wenn jedoch eine größere Menge an Material gezogen worden ist, fällt die Oberfläche schließlich in den Bereich des unteren Teils der Heizeinrichtung. Es treten dann verstärkt Probleme auf, wie sie im folgenden anhand der Fig. 13 sowie 10A und 10B näher erläutert werden.

Fig. 13 zeigt eine Vorrichtung zur Anwendung des Czochralski- Verfahrens z. B. zum Ziehen eines Siliziumeinkristalls. Geschmolzenes Einkristallmaterial liegt innerhalb eines Quarztiegels 2, der sich in einem Graphittiegel 1 befindet, der als Halterung für den Quarztiegel 2 dient. Die Halterung, also der Graphittiegel 1, und mit ihm der Quarztiegel 2 mit dem zu ziehenden Material werden mit Hilfe einer Heizeinrichtung 4 erhitzt, die den Graphittiegel 1 umgibt. Durch eine Spannvorrichtung 7 wird aus dem geschmolzenen Material 3 ein stabförmiger Einkristall 6 gezogen, dessen Wachstumsprozeß durch einen Kristallkeim 5 eingeleitet worden ist. Beim Ziehen des Einkristalls 6 aus der Kristallschmelze werden die beiden Tiegel 1 und 2 einerseits und der Einkristall 6 andererseits mit Hilfe einer Welle 8 bzw. der Spannvorrichtung 7 in zueinander entgegengesetzten Richtungen mit konstanter Geschwindigkeit gedreht. Die Welle 8 ist mit dem Boden des Graphittiegels 1 verbunden. Dieser kann durch die Welle 8 auch angehoben werden, so daß die Heizeinrichtung 4 immer in einer bestimmten Position in bezug auf die Oberfläche der Kristallschmelze 3 gehalten wird.

Beim Czochralski-Verfahren läßt sich die maximale Wachstumsgeschwindigkeit V_max des Einkristalls durch die nachfolgend 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:

Hierbei sind k die thermische Leitfähigkeit des Einkristalls 6, h die Schmelzwärme, ρ die Dichte und dT/dX der Temperaturgradient im Einkristall 6 im Bereich der Festkörper-Flüssigkeits- Grenzfläche. Da in der obengenannten 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_max erhöht werden soll. Bei dem mit der Vorrichtung gemäß Fig. 13 ausführbaren Verfahren wird der Wert dT/dX ständig vermindert, da der zunehmend längere Einkristall 6 immer mehr Strahlungswärme aufnimmt. Um dieses Verringern des Wertes dT/dX zu vermeiden, ist es bekannt, z. B. aus DE 30 05 492 A1, den Einkristall mit einem Wärmeschutzkörper oberhalb der Schmelzenoberfläche zu umgeben.

Der genannte Gradient dT/dX, und mit ihm die Wachstumsgeschwindigkeit, läßt sich auch durch Vermindern der Temperatur der Heizeinrichtung 4 erhöhen. Wie jedoch anhand der Fig. 10A und 10B zu erkennen ist, tritt eine Verfestigung der Kristallschmelze 3 in demjenigen Bereich auf, in dem ihre Oberfläche an die Tiegelwand stößt, wenn die Heizleistung zu sehr verringert wird. Die Temperatur im Zentralbereich der Kristallschmelze 3 ist dann zwar noch so hoch, daß dort das Material geschmolzen bleibt, ein kontinuierlicher Ziehvorgang zum Bilden des Einkristalls 6 ist jedoch nicht mehr möglich. Die Temperaturverteilung in Richtung der Zentralachse der Schmelzflüssigkeit ist in Fig. 10B dargestellt. Der Temperaturverlauf im Querschnitt ist aus Fig. 10A erkennbar. Es gilt T₁<T₂<T₃ mit T₄=T₂ und T₅=T₃.

Wird ein Strahlungsschirm über der Einkristallschmelze angewendet, wie dies z. B. aus der japanischen Patentschrift 58-1080 bekannt ist, läßt sich eine Wachstumsgeschwindigkeit von 2 mm/min erzielen.

Eine Vorrichtung gemäß dem den nebengeordneten Vorrichtungsansprüchen 6 und 7 gemeinsamen Oberbegriff ist, wie es aus dem vorstehenden hervorgeht, aus der eingangs genannten JP 56-45890 (A) bekannt. Eine in einen oberen und einen unteren Teil unterteilte Heizeinrichtung ist auch in JP 57-106598 (A) beschrieben. Es ist angegeben, daß sich ein Graphitheizer mit Silizium beschichten läßt, wodurch eine dünne Schicht von SiC gebildet ist. Damit läßt sich ein gewünschter Temperaturverlauf in axialer Richtung einstellen. Ein Temperaturverlauf mit höherer Temperatur im oberen Bereich als im unteren Bereich ist nicht angegeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ziehen eines Einkristalles nach dem Czochralski-Verfahren anzugeben, das eine besonders hohe Wachstumsgeschwindigkeit ermöglicht. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Ausführen eines solchen Verfahrens anzugeben.

Die Erfindung ist für das Verfahren durch die Merkmale von Anspruch 1 und für die Vorrichtung durch die Merkmale der nebengeordneten Ansprüche 6 und 7 gegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche 2-5. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Vorrichtungsansprüche sind Gegenstand der Unteransprüche 8-14.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß während des gesamten Ziehvorgangs, also bei dauernd fallender Schmelzenoberfläche im Tiegel, derjenige Tiegelbereich, in dem die Schmelzenoberfläche die Innenwand des Tiegels berührt, auf eine höhere Temperatur aufgeheizt wird als andere Tiegelbereiche. Dazu wird der obere, besonders heiße Bereich der Heizeinrichtung so relativ zum Tiegel verstellt, daß er sich dauernd in Höhe der Schmelzenoberfläche befindet. Außerdem wird der gezogene Kristall oberhalb der Schmelzenoberfläche in bekannter Weise von einem Wärmeschutzkörper umgeben.

Dadurch, daß auf besonders hohe Temperatur im Bereich der Schmelzenoberfläche geachtet wird, ist gewährleistet, daß es dort auch dann noch nicht zu einem Auskristallisieren von der Tiegelwand her kommt, wenn die Heizleistung insgesamt weiter verringert wird, als dies bisher möglich war. Bei insgesamt verringerter Heizleistung muß aber weniger Wärme über den Kristall abgeführt werden, so daß sich bei vorgegebener Kühlleistung ein höherer Temperaturgradient dT/dX erzielen läßt als bisher. Dies bedeutet eine höhere Wachstumsgeschwindigkeit, die wiederum ein geringeres Ausmaß an Störstellen und fehlerhaften Schichten zur Folge hat.

Die Vorrichtung gemäß Anspruch 6 zeichnet sich dadurch aus, daß sie einen Wärmeschutzkörper aufweist und daß die Heizeinrichtung in mehr als zwei Abschnitte unterteilt ist, die in ihren Heizleistungen einstellbar und wahlweise abschaltbar sind. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 7 unterscheidet sich von derjenigen gemäß Anspruch 6 dadurch, daß die Heizeinrichtung nicht notwendigerweise in mehr als zwei Abschnitte unterteilt ist, daß aber dafür eine Verschiebeeinrichtung zum relativen Verschieben von Tiegelhalterung und Heizeinrichtung in vertikaler Richtung vorhanden ist. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 6 hat den Vorteil, daß weniger bewegte Teile vorhanden sind als bei derjenigen gemäß Anspruch 7, dafür ist bei der letzteren die Heizeinrichtung einfacher aufgebaut.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn im letzteren Fall die Heizeinrichtung hohlzylinderförmig ausgebildet ist und aus einem elektrisch leitenden Material besteht, in das abwechselnd von oben und unten Furchen eingebracht sind, wobei der Querschnitt zumindest des im oberen Bereich der Heizeinrichtung zwischen den Furchen verbleibenden Materials nach oben hin im Querschnitt verjüngt ist. Unter Anwendung einer solchen Heizeinrichtung ist die Anordnung des Tiegels innerhalb der Heizeinrichtung relativ unproblematisch, wenn das Verfahren gemäß Anspruch 1 ausgeführt werden soll. Demgegenüber ist eine Heizeinrichtung einfacher ausgebildet, die aus einem oberen und einem unteren Abschnitt besteht, von denen der obere auf eine höhere Temperatur aufheizbar ist als der untere. Jedoch hat eine solche Heizeinrichtung gegenüber der vorgenannten den Nachteil, daß beim Ausführen des Verfahrens nach Anspruch 1 dauernd sehr genau darauf geachtet werden muß, daß die Schmelzenoberfläche während des gesamten Ziehvorgangs nicht aus ihrer optimalen Lage relativ zum oberen Bereich der Heizeinrichtung gerät.

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

Vorzugsweise besitzt die Vorrichtung zum Ziehen von Einkristallen einen Magneten, der um die Heizeinrichtung herum angeordnet ist. Das vom Magneten erzeugbare Magnetfeld vermag in einem geeigneten Material, insbesondere in Silizium, die thermische Konvektion stark zu behindern, was dazu führt, daß die Schmelzenoberfläche nicht vom Tiegelboden her gekühlt wird, was aus den obengenannten Gründen eine besonders hohe Ziehgeschwindigkeit ermöglicht.

Eine Czochralski-Kristallziehvorrichtung mit einem Magneten um die Heizeinrichtung herum ist bereits aus GB 21 09 267 A bekannt. Dort wird hervorgehoben, daß es bei Anwenden eines Magnetfeldes aufgrund verringerter Konvektion zu geringerem Herauslösen von Verunreinigungen aus dem Tiegel kommt. Es ist nicht angegeben, daß die verringerte Konvektion zusammen mit weiteren Maßnahmen dazu genutzt werden kann, eine besonders hohe Ziehgeschwindigkeit zu erzielen.

Die Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Es zeigt

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

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

Fig. 3 den Zusammenhang zwischen der Störschichtdichte und der Sauerstoffkonzentration innerhalb des gezogenen Einkristalls bei verschiedenen Kristallwachstumsgeschwindigkeiten,

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,

Fig. 10A eine konventionelle Temperaturverteilung in einer Einkristallschmelze mit Kurven gleicher Temperatur,

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

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

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. Kühlmäntel 10a, 10b und 10c. Im Kühlmantel 10b befindet sich ein Fenster 12, durch das hindurch ein aus der Kristallschmelze 3 herausgezogener Einkristall 6 beobachtet werden kann. Im Boden 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 Kühlmittels 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 10f im Boden des Kühlmantels 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 hohlzylindrische Form. Der obere Bereich 4a der Heizeinrichtung 4 ist konisch ausgebildet. Sie besitzt ferner 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 4 gegenseitig abwechseln. Das obere Ende der unteren Furchen 4c ist darüber hinaus gabelförmig ausgebildet, so daß zwei kurze 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 joul'scher Wärme aufgrund des Ohm'schen Widerstandes.

Um mit Hilfe der genannten Vorrichtung einen Einkristall 6 unter Verwendung eines Kristallkeimes 5 aus einer Siliziumschmelze 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 Temperatur des Bereichs 3a, der auf der Höhe des konischen 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 Fig. 11A und 11B mit den Fig. 10A und 10B 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_max 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 erwähnten 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, die Temperatur der Heizeinrichtung 4 um diesen Betrag zu reduzieren, so daß die Wärmestrahlung von der Heizeinrichtung 4 herabgesetzt wird und sich dadurch der Temperaturgradient 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 Wachstumsgeschwindigkeit 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 Heizeinrichtung 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 Leistungsaufnahme der Heizeinrichtung 4 herabgesetzt wird.

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. keilförmig ausgebildet, so daß der obere Bereich linear bzw. gleichmäßig reduziert wird. Gemäß 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 t₁ am oberen Bereich der Heizeinrichtung 4 kleiner zu wählen als die Breite t₂ 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 Temperatur 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 Hochfrequenzspule höher zu wählen als im unteren Bereich der 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 T₂ konstanter 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 erhöht 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.

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 Wachstumsgeschwindigkeit 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 Fig. 9 dargestellt, so wird eine noch höhere Wachstums- bzw. Ziehgeschwindigkeit bis zu 2,3 mm/min erhalten.

Claims

1. Verfahren zum Ziehen eines Einkristalles nach dem Czochralski- Verfahren, bei dem

- ein Tiegel mit dem Kristallmaterial in einer Heizeinrichtung angeordnet wird, die in einem oberen Bereich stärker heizt als in einem unteren,
- das Material geschmolzen und in geschmolzenem Zustand gehalten wird, und
- der Einkristall aus der Schmelze gezogen wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

- während des gesamten Ziehvorgangs, also bei dauernd fallender Schmelzenoberfläche im Tiegel, derjenige Tiegelbereich, in dem die Schmelzenoberfläche die Innenwand des Tiegels berührt, auf eine höhere Temperatur aufgeheizt wird als andere Tiegelbereiche, wozu
- - der obere, besonders heiße Bereich der Heizeinrichtung so relativ zum Tiegel verstellt wird, daß er sich dauernd in Höhe der Schmelzenoberfläche befindet und
- - der gezogene Kristall oberhalb der Schmelzenoberfläche von einem Wärmeschutzkörper umgeben ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstellen der Lage des oberen Bereichs der Heizeinrichtung relativ zum Tiegel dadurch erfolgt, daß eine Heizeinrichtung verwendet wird, die in axialer Richtung in mehr als zwei Abschnitte unterteilt ist, und jeweils derjenige Abschnitt auf eine höhere Temperatur aufgeheizt wird, in dessen Höhe die Schmelzenoberfläche die Innenwand des Tiegels berührt, und die oberhalb der Schmelzenoberfläche liegenden Abschnitte abgeschaltet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstellen der Lage des oberen Bereichs der Heizeinrichtung relativ zum Tiegel dadurch erfolgt, daß die gesamte Heizeinrichtung abgesenkt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstellen der Lage des oberen Bereichs der Heizeinrichtung relativ zum Tiegel dadurch erfolgt, daß der Tiegel angehoben wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß an die Schmelze ein Magnetfeld angelegt wird.

6. Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalles nach dem Czochralski- Verfahren, mit

- einem Tiegel (2) zur Aufnahme des Kristallmaterials,
- einer Heizeinrichtung (4; 18, 19), die in einem oberen Bereich stärker heizt als in einem unteren und
- einer Zieheinrichtung

dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausführen des Verfahrens nach Anspruch 2

- die Heizeinrichtung in vertikaler Richtung in mehr als zwei Abschnitte unterteilt ist, die in ihrer Heizleistung einstellbar und wahlweise abschaltbar sind, und
- ein Wärmeschutzkörper (16) oberhalb der Oberfläche geschmolzenen Materials um einen gezogenen Kristall herum angeordnet ist.

7. Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalles nach dem Czochralski- Verfahren, mit

- einem Tiegel (2) zur Aufnahme des Kristallmaterials
- einer Heizeinrichtung (4; 18, 19), die in einem oberen Bereich stärker heizt als in einem unteren, und
- einer Zieheinrichtung,

dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 3 oder 4

- eine Verschiebeeinrichtung (8, 15) zum relativen Verschieben von Tiegelhalterung (1) und Heizeinrichtung (4) in vertikaler Richtung und
- ein Wärmeschutzkörper (16) vorhanden sind, der oberhalb der Oberfläche geschmolzenen Materials um einen gezogenen Kristall herum angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (4) hohlzylinderförmig ausgebildet ist und aus einem elektrisch leitenden Material besteht, in das abwechselnd von oben und unten Furchen (4b, 4c) eingebracht sind, wobei der Querschnitt mindestens des im oberen Bereich der Heizeinrichtung zwischen den Furchen verbleibenden Materials nach oben hin verjüngt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verjüngung in einer Dickenverringerung besteht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verjüngung in einer Furchenverbreiterung (t₁→t₂) besteht.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verjüngung durch Ausnehmungen (4f, 4g) gebildet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verjüngung durch sich nach oben erstreckende gabelförmige Furchen (4d, 4e) gebildet ist, die sich an das obere Ende der sich von unten erstreckenden Furchen (4c) anschließen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung aus einem oberen Abschnitt (18) und einem unteren Abschnitt (19) besteht, von denen der obere auf höhere Temperatur aufheizbar ist als der untere.

14. Vorrichtung nach einem derAnsprüche 6 bis 13, gekennzeichnet durch einen um die Heizeinrichtung (4) herum angeordneten Magneten (21).