DE3732250C2 - Verfahren zum Ziehen von Einkristallen - Google Patents
Verfahren zum Ziehen von EinkristallenInfo
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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. 58-50951 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 kWs bis
mehreren 10 kWs oder von mehr als 100 kWs 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.
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