DE3732250A1 - Verfahren zum ziehen von einkristallen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ziehen von Einkristallen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Allgemein bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Ziehen eines Halbleiter-Einkristalls aus Si, GaAs oder der­ gleichen, und insbesondere auf ein solches Verfahren, bei dem ein Kristall innerhalb eines angelegten Magnetfeldes wächst.

Verfahren zum Ziehen eines Kristalls innerhalb eines Ma­ gnetfeldes werden bereits industriell angewandt, da mit Hilfe derartiger Verfahren Kristalle aus Si, GaAs oder der­ gleichen mit hoher Qualität gezüchtet werden können.

Eines dieser Verfahren ist bereits in der japanischen Pa­ tentveröffentlichung Nr. 58-50 951 beschrieben. Dieses kürz­ lich vorgeschlagene Verfahren zum Ziehen von Einkristallen wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Ziehen von Einkri­ stallen, die sich auch zur Durchführung des oben beschrie­ benen Kristallzuchtverfahrens eignet. Diese Vorrichtung 1 enthält einen Container 3, z. B. einen Quarztiegel, in dem sich eine Schmelze 2 des noch unbehandelten bzw. rohen Ma­ terials befindet. Diese Schmelze kann z. B. eine Silicium­ schmelze sein. An der äußeren Umfangsseite des Containers 3 befindet sich um diesen herum angeordnet eine Heizeinrich­ tung 4, die aus elektrischen Heizelementen 5 besteht, die z. B. mäander- oder zickzackförmig angeordnet sind. Diese elektrischen Heizelemente 5 bilden eine zylindrische Fläche um den äußeren Rand des Containers 3 herum. Die zylindri­ sche Fläche liegt dabei koaxial zum Container 3. An der Au­ ßenseite des Heizeinrichtung 4 befindet sich ein Mantel 6, welcher durch Wasser oder dergleichen gekühlt wird. Außer­ halb des Mantels 6 befindet sich eine Einrichtung 7 zur Er­ zeugung eines Magnetfeldes, also ein Elektromagnet, der ein magnetisches Gleichfeld erzeugt. Dieser Elektromagnet kann beispielsweise ein konstant leitender Elektromagnet mit ei­ nem Eisenkern oder ein Elektromagnet sein, der eine kon­ stant leitende Solenoid- bzw. Zylinderspule aufweist. Mit dem Bezugszeichen 8 ist ein Einkristallkeim bezeichnet, während ein Einspannfutter zum Ziehen des Einkristalls das Bezugszeichen 9 trägt.

Im folgenden wird beschrieben, wie mit Hilfe dieser Vor­ richtung ein Einkristall gezogen wird.

Sobald mittels der Vorrichtung 7 zur Erzeugung eines Ma­ gnetfeldes ein magnetisches Gleichfeld in einer vorbestimm­ ten Richtung an die Schmelze 2 des Rohmaterials angelegt worden ist, wird der Einkristallkeim 8 in die Oberfläche der Rohmaterialschmelze 2 hineingetaucht und nach oben ge­ zogen. Ein Trägerteil des Einkristallkeims 8, genauer ge­ sagt eine nach oben verschiebbare Drehachse mit dem Ein­ spannfutter 9, und der Container bzw. Tiegel 3 drehen sich dabei relativ zueinander, während ausgehend vom Einkri­ stallkeim 8 ein Einkristall 10 wächst.

Beim Wachsen des Kristalls unter Anlegung eines mit Hilfe der Vorrichtung 7 erzeugten magnetischen Gleichfeldes an die leitfähige Rohmaterialschmelze 2 wird die scheinbare Viskosität der leitfähigen Rohmaterialschmelze 2 größer, und zwar infolge des magnetofluiden Effekts, so daß einer­ seits die Oberflächenspannung der Rohmaterialschmelze 2 an­ steigt, während andererseits die Konvektion der Rohmate­ rialschmelze 2 abnimmt. Temperaturänderungen und Oberflä­ chenvibrationen der Rohmaterialschmelze 2 werden auf diese Weise unterdrückt. Dies ist in vielerlei Hinsicht vorteil­ haft. So lassen sich Einkristalle 10 mit hoher Kristallgüte ziehen. Die von der Schmelze 2 aufgenommene Menge des Con­ tainer- bzw. Tiegelmaterials läßt sich verringern. Darüber hinaus läßt sich die von der Schmelze 2 aufgenommene Menge bestimmter Container- bzw. Tiegelmaterialien, z. B. Sauer­ stoff, einstellen, und zwar durch Auswahl der Intensität des angelegten Magnetfeldes, usw.

In der eingangs erwähnten japanischen Patentveröffentli­ chung ist es als wichtig herausgestellt worden, Welligkei­ ten desjenigen Stroms zu unterdrücken, der den elektrischen Heizelementen 5 der Heizeinrichtung 4 zugeführt wird. Diese Welligkeit sollte kleiner als 4% sein, um Kristalle mit hoher Kristallgüte zu erhalten.

Allerdings treten bei dem oben beschriebenen Verfahren Kri­ stalldefekte in relativ hoher Dichte auf, beispielsweise Schichtdefekte und dergleichen.

Es wurde herausgefunden, daß das Auftreten von Kristallde­ fekten von der Welligkeit oder Pulsation des Stroms ab­ hängt, der durch den Elektromagneten fließt, welcher die Vorrichtung zur Erzeugung des Magnetfeldes bildet. Ist die Welligkeit des durch den Elektromagneten fließenden Stroms groß, so ändert sich die Intensität des Magnetfeldes in Ab­ hängigkeit der Zeit, was zur Folge hat, daß ein Strom in der Kristallziehvorrichtung induziert wird. Es treten daher Vibrationen in der Oberfläche der Rohmaterialschmelze 2 auf, so daß Kristalldefekte hervorgerufen werden.

Um Fluktuationen in der Intensität des Magnetfeldes zu ver­ meiden, die durch die Welligkeit des Gleichstroms entste­ hen, welcher durch die Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung oder dergleichen zur Erzeugung eines Magnetfeldes fließt, und der wenigstens die genannten Fluktuationen hervorruft, kann eine Batterie als Stromversorgungsquelle für den Elek­ tromagneten zum Einsatz kommen. Allerdings ist eine solche Batterie nur bedingt geeignet, um als Stromversorgungsquel­ le für den Elektromagneten verwendet zu werden, da dieser eine elektrische Leistung im Bereich von mehreren kW bis mehreren 10 kW oder von mehr als 100 kW benötigt.

Demzufolge kommt bei der Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung ein Gleichrichter zum Einsatz, der als Gleichstrom-Versor­ gungsquelle angesehen werden kann. Dieser Gleichrichter kann beispielsweise ein Silicium-Gleichrichter sein, und zwar ein solcher vom Dreiphasen-Vollwellentyp, ein solcher vom Sechsphasen-Halbwellentyp, einer vom Doppelstern-Typ mit einer Ausgleichsdrossel, usw. Das Pulsationsverhältnis (pulsation ratio) oder die Welligkeit eines derartigen Gleichrichters kann theoretisch auf 4,2% heruntergedrückt werden. Dieser Pulsationsverhältniswert wird jedoch in ei­ nem Fall erhalten, in welchem der Gleichrichter im Bereich der maximalen Ausgangsleistung der Gleichstromquelle arbei­ tet. Liegt die Ausgangsleistung der Gleichstromquelle un­ terhalb des maximalen Werts, so treten stärkere Verzerrun­ gen in der Ausgangswellenform auf, was in der Praxis eine Erhöhung des Pulsationsverhältnisses zur Folge hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der oben beschriebenen Art zum Ziehen eines Einkristalls unter Einsatz eines Magnetfeldes so weiterzubilden, daß das Auf­ treten von Kristalldefekten weiter verringert wird.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegeben. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dem Unteranspruch zu ent­ nehmen.

Das Verfahren nach der Erfindung zum Ziehen eines Einkri­ stalls mit Hilfe einer Vorrichtung, die einen Container zur Aufnahme einer Kristall-Rohmaterialschmelze, eine den Con­ tainer umschließende Heizeinrichtung, einen Magnetfeldgene­ rator, der die Rohmaterialschmelze mit einem Magnetfeld be­ aufschlagt, sowie eine Einrichtung zum Ziehen des Einkri­ stalls aus der Rohmaterialschmelze aufweist, zeichnet sich durch folgende Verfahrensschritte aus:

• a) Anlegen eines Gleichstroms mit einem Pulsdauerverhältnis von weniger als 5% an den Magnetfeldgenerator zwecks Erzeugung eines Magnetfeldes, das die Rohmaterialschmel­ ze in einer vorbestimmten Richtung beaufschlagt, und
• b) Ziehen des Einkristalls aus der Rohmaterialschmelze, während dieses Magnetfeld an der Rohmaterialschmelze an­ liegt.

Vorzugsweise wird ein Pulsdauerverhältnis gewählt, das zwi­ schen 0,01% und 0,5% liegt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Kristallzieh­ vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung,

Fig. 2 ein Blockdiagramm einer Stromversorgungseinrich­ tung für die Kristallziehvorrichtung nach Fig. 1, und

Fig. 3 eine graphische Darstellung der gemessenen Kri­ stalldefektdichte in Abhängigkeit des Strompulsa­ tionsverhältnisses.

Die Fig. 2 zeigt eine Stromversorgungseinrichtung für den Elektromagneten der Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung 7, die zur Kristallziehvorrichtung nach Fig. 1 gehört. Ein Wech­ selstrom (AC) von einer Wechselstromquelle S fließt durch eine Gleichrichterschaltung 11 und eine Filterschaltung 12, die eine Induktivität L und eine Kapazität C aufweist (LC- Schaltung) hindurch und als Gleichstrom zu einer Spule 13 des Elektromagneten, der sich innerhalb der Magnetfeld-Er­ zeugungseinrichtung 7 der Kristallziehvorrichtung 1 befin­ det. Aufgrund der Filterschaltung 12, die als LC-Schaltung ausgebildet ist, kann in diesem Fall das Pulsationsverhält­ nis (pulsation ratio) des Gleichstroms auf 0,5 bis 5% her­ untergedrückt werden.

Die Filterschaltung 12 in Fig. 2 ist als einstufige LC- Schaltung ausgebildet. Liegt sie dagegen als zweistufige LC-Schaltung vor, so läßt sich das Pulsationsverhältnis des Gleichstroms auf 0,01 bis 0,5% herunterdrücken. Das Pulsa­ tionsverhältnis des Gleichstroms kann noch weiter herabge­ senkt werden, indem LC-Schaltungen zum Einsatz kommen, die mehr als zwei Stufen aufweisen.

Die Fig. 3 zeigt Meßergebnisse bezüglich der Kristallde­ fektdichte in Abhängigkeit des Pulsationsverhältnisses des Gleichstroms, der an den Elektromagneten der Magnetfeld-Er­ zeugungseinrichtung 7 angelegt worden ist, und zwar beim Ziehen eines Siliciumkristalls mit Hilfe der Vorrichtung nach Fig. 1. Es ist deutlich zu erkennen, daß die Kristall­ defektdichte stark vermindert ist, wenn das Pulsationsver­ hältnis des Gleichstroms in Übereinstimmung mit der Erfin­ dung auf weniger als 5 % herabgedrückt ist.

Wie oben beschrieben, beruht die Erfindung auf der Bezie­ hung zwischen den Änderungen des durch die Magnetfeld-Er­ zeugungseinrichtung erzeugten Magnetfeldes und den Kri­ stalldefekten, die bisher noch nicht in Betracht gezogen worden ist. Die Kristalldefektdichte in einem gezogenen Kristall läßt sich daher durch Herunterdrücken des Pulsa­ tionsverhältnisses des an die Magnetfeld-Erzeugungseinrich­ tung angelegten Gleichstroms auf weniger als 5% in starkem Umfang reduzieren. Halbleitereinrichtungen, die aus einem nach der Erfindung gezogenen Halbleitereinkristall herge­ stellt werden, weisen somit eine verbesserte Charakteristik auf. Sie lassen sich darüber hinaus mit hoher Ausbeute er­ zeugen, so daß die Herstellungskosten gesenkt werden kön­ nen.

Claims (2)

1. Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls (10) mit Hilfe einer Vorrichtung (1), die einen Container (3) zur Aufnahme einer Kristall-Rohmaterialschmelze (2), eine den Container (3) umschließende Heizeinrichtung (4), einen Ma­ gnetfeldgenerator (7), der die Rohmaterialschmelze (2) mit einem Magnetfeld beaufschlagt, sowie eine Einrichtung (9) zum Ziehen des Einkristalls (10) aus der Rohmaterial­ schmelze (2) aufweist, gekennzeichnet durch folgende Ver­ fahrensschritte:

• a) Anlegen eines Gleichstroms mit einem Pulsdauerverhältnis von weniger als 5% an den Magnetfeldgenerator (7) zwecks Erzeugung eines Magnetfeldes, das die Rohmate­ rialschmelze (2) in einer vorbestimmten Richtung beauf­ schlagt, und
• b) Ziehen des Kristalls (10) aus der Rohmaterialschmelze, während dieses Magnetfeld an der Rohmaterialschmelze (2) anliegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulsdauerverhältnis zwischen 0,01% und 0,5% liegt.