DE3743880A1

DE3743880A1 - Silicon single-crystal pull-up device

Info

Publication number: DE3743880A1
Application number: DE19873743880
Authority: DE
Inventors: Shuitsu Matsuo; Kazuo Ito; Masayuki Saito
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 1986-12-26
Filing date: 1987-12-23
Publication date: 1988-07-14
Also published as: KR920003612B1; KR880008412A; DE3743880C2; JPS63166790A

Abstract

In a silicon single-crystal pull-up device a quartz glass melting crucible is provided for holding a molten silicon material, as is a cylinder for covering an outer surface of a cylindrical section of the melting crucible, a rotary shaft for rotating the melting crucible, and a melting crucible support which is provided separate of the cylinder and is attached to an upper end of the rotary shaft in order to support the melting crucible and the cylinder.

Description

Die Erfindung betrifft eine Siliziumeinkristall-Hochzieh vorrichtung.The invention relates to a silicon single crystal pull-up contraption.

Ein Siliziumeinkristall, der als Material für ein Substrat für eine Halbleitervorrichtung verwendet wird, wird haupt sächlich durch ein Czochralski-(CZ-)Verfahren hergestellt, in welchem ein Einkristallblock aus Silizium grundsätzlich durch drehbares Stützen eines Schmelztiegels innerhalb einer Kammer, Schmelzen eines Siliziummaterials in dem Schmelz tiegel, Eintauchen eines Impfkristalls, welcher drehbar auf gehängt ist, von oben in die Oberfläche des geschmolzenen Siliziums, und Hochziehen des Impfkristalls hergestellt wird.A silicon single crystal used as a material for a substrate is used for a semiconductor device at all actually manufactured by a Czochralski (CZ) process, in which a single crystal block made of silicon basically by rotatably supporting a crucible within one Chamber, melting a silicon material in the melt crucible, immersing a seed crystal, which rotates on is hung from above into the surface of the melted Silicon, and pulling up the seed crystal is made.

Der Schmelztiegelträger des bekannten Siliziumeinkristall- Hochziehgerätes umfaßt eine Drehwelle, welche sich von einer unteren Öffnung in der Kammer in diese hinein erstreckt, und einen schmelztiegelförmigen Schutzteil aus isotropem Kohlenstoff (sogenannter Kohlenstoff-Schmelztiegel), welcher an einem oberen Ende der Drehwelle befestigt ist. Ein Schmelz tiegel aus Quarzglas ist innerhalb des Schutzteils aufge nommen. Der Kohlenstoff-Schmelztiegel ist genügend dick, um eine thermische Deformation des Schmelztiegels zu ver hindern.The crucible carrier of the well-known silicon single crystal Hoist includes a rotating shaft, which is from a lower opening in the chamber extends into this, and a crucible-shaped protective part made of isotropic Carbon (so-called carbon crucible), which is attached to an upper end of the rotary shaft. A melt The quartz glass crucible is placed inside the protective part taken. The carbon crucible is thick enough to ver a thermal deformation of the crucible prevent.

Der konventionelle Kohlenstoff-Schmelztiegel bedeckt den gesamten Quarzglas-Schmelztiegel mit demselben Material, so daß beide thermische Ausdehnungskoeffizienten dieser Materialien einander ähnlich sein müssen. Daher kann nur isotroper Kohlenstoff mit einer bestimmten physikalischen Eigenschaft verwendet werden; also sind die Arten auswähl barer Materialien begrenzt. Der konventionelle Kohlenstoff- Schmelztiegel wird durch Bohren eines isotropen Kohlenstoff blocks hergestellt, so daß die Herstellungskosten hoch sind. Darüber hinaus gibt ein derartiger isotroper Kohlenstoff block eine große Menge eingeschlossenen Gases aus seinen Poren ab, wodurch der Siliziumeinkristall verunreinigt und die physikalischen Eigenschaften des Siliziumeinkristalls ungünstig beeinflußt werden.The conventional carbon crucible covers that entire quartz glass crucible with the same material, so that both thermal expansion coefficients of this Materials have to be similar to each other. Therefore only isotropic carbon with a certain physical Property to be used; so the species are selectable limited materials. The conventional carbon Crucible is made by drilling an isotropic carbon blocks are manufactured so that the manufacturing costs are high. In addition, there is such an isotropic carbon block a large amount of trapped gas from its Pores, which contaminates the silicon single crystal and the physical properties of the silicon single crystal be adversely affected.

Der Kohlenstoff-Schmelztiegel weist Einrichtungen zur Ver hinderung eines Bruchs auf, beispielsweise zur Verhinderung einer Konzentration mechanischer Belastung eine Aufteilung des Körpers in beispielsweise drei Teile. Jedoch ist die Standzeit nicht notwendig lang, der Schmelztiegel muß nach etwa zwanzigfacher Benutzung ausgetauscht werden, und daher sind die Betriebskosten hoch.The carbon crucible has facilities for ver preventing a break, for example to prevent it a concentration of a mechanical load of the body in three parts, for example. However, that is Tool life is not necessarily long, the crucible has to be be exchanged about twenty times, and therefore the operating costs are high.

Der Quarzglas-Schmelztiegel ist mit dem dicken Kohlenstoff- Schmelztiegel bedeckt, so daß seine thermische Reaktion auf eine Änderung der Ausgangsleistung der Heizvorrichtung gering ist, und eine schnelle Steuerung der Temperatur des geschmolzenen Siliziums ist schwierig. Dieses Problem wird noch deutlicher, wenn sich der Durchmesser des Schmelztiegels vergrößert.The quartz glass crucible is coated with the thick carbon Melting pot covered so that its thermal reaction upon a change in heater output power is low, and quick control of the temperature of the molten silicon is difficult. This problem will even clearer if the diameter of the crucible enlarged.

Die vorliegende Erfindung dient zur Lösung der voranstehend angegebenen Probleme. In vorteilhafter Weise wird gemäß der Erfindung eine Siliziumeinkristall-Hochziehvorrichtung bereit gestellt, welche die Betriebskosten verringert.The present invention serves to solve the above specified problems. Advantageously, according to the Invention a silicon single crystal pull up device ready provided, which reduces the operating costs.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird in vorteilhafter Weise ein Siliziumeinkristall-Hochziehgerät zur Verfügung gestellt, welches einen Quarzglas-Schmelztiegel zur Aufnahme geschmol zenen Siliziummaterials umfaßt sowie einen Zylinder zur Abdeckung einer äußeren Oberfläche eines zylindrischen Abschnitts des Schmelztiegels, eine Drehwelle zum Drehen des Schmelztiegels, und einen Schmelztiegelträger, welcher getrennt von dem Zylinder bereitgestellt und an einem oberen Ende der Drehwelle befestigt ist, um den Schmelztiegel und den Zylinder zu stützen.According to the present invention, it is advantageous provided a silicon single crystal pull-up device, which melted a quartz glass crucible to hold it zenen silicon material and a cylinder for Covering an outer surface of a cylindrical Section of the crucible, a rotating shaft for turning of the crucible, and a crucible carrier, which Provided separately from the cylinder and on an upper one End of the rotating shaft is attached to the crucible and to support the cylinder.

Bei einer Siliziumeinkristall-Hochziehvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist es nur erforderlich, wenn entwe der der zylindrische Körper oder der Schmelztiegelträger gebrochen ist, nur den gebrochenen Teil auszuwechseln, wo durch sich die Betriebskosten verringern.In a silicon single crystal pull-up device according to the present invention, it is only necessary if either the cylindrical body or the crucible support broken, replace only the broken part where by reducing operating costs.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Zylinder vorzugs weise ein Kohlenstoff-Kompositteil, welcher beispielsweise eine Kohlenstoff- oder Siliziumcarbidfaser umfaßt, welche zu einem Zylinder gewunden, mit einem Kunstharz getränkt und gebrannt ist.According to the present invention, the cylinder is preferred as a carbon composite part, which for example a carbon or silicon carbide fiber, which wound into a cylinder, impregnated with a synthetic resin and burned.

Der aus einem derartigen Kohlenstoff-Kompositteil hergestellte Zylinder verursacht geringere Herstellungskosten und weist eine mechanische Festigkeit auf, die einen Bruch erschwert. Der Zylinder gibt keine nennenswerte eingeschlossene Gas menge ab und verringert einen nachteiligen Einfluß auf die physikalischen Eigenschaften des Siliziumeinkristalls. Zu sätzlich verhindert der Zylinder hauptsächlich eine Defor mierung des Schmelztiegels, so daß es nicht erforderlich ist, dem Unterschied in der thermischen Ausdehnung zwischen dem Schmelztiegelträger und dem Schmelztiegel große Aufmerk samkeit zu widmen. Der Zylinder kann nicht nur aus isotropem Kohlenstoff hergestellt werden, sondern auch aus gebranntem Siliziumnitrid oder gebranntem Kohlenstoffcarbid, welches mit einem Siliziumnitridfilm beschichtet ist. Der Zylinder kann wesentlich ausgedünnt werden, so daß seine thermische Reaktionsfähigkeit hoch ist, um derart eine schnelle Tem peratursteuerung des geschmolzenen Siliziums in Übereinstim mung mit einer Änderung der Ausgangsleistung der Kohlenstoff- Heizvorrichtung zu gestatten.The one made from such a carbon composite part Cylinder causes lower manufacturing costs and exhibits a mechanical strength that makes breakage difficult. The cylinder does not emit any significant gas quantity and reduces an adverse influence on the physical properties of silicon single crystal. To In addition, the cylinder mainly prevents deformation lubrication of the crucible so that it is not required is the difference in thermal expansion between great attention to the crucible support and the crucible dedication to dedication. The cylinder can not only be made of isotropic Carbon are made, but also from burned Silicon nitride or burned carbon carbide, which is coated with a silicon nitride film. The cylinder can be significantly thinned out so that its thermal Responsiveness is high to such a fast tem temperature control of the molten silicon in accordance with a change in the output power of the carbon Allow heater.

Vorzugsweise besteht das Material des erfindungsgemäßen Schmelztiegelträgers aus isotropem Kohlenstoff, gesintertem Siliziumnitrid oder gesintertem Siliziumcarbid, welches beispielsweise mit einem Siliziumnitridfilm beschichtet ist, um hierdurch noch weitgehender die Abgabe von in dem Schmelz tiegelträger eingeschlossenem Gas zu verhindern.The material of the invention preferably consists Crucible support made of isotropic carbon, sintered Silicon nitride or sintered silicon carbide, which is coated with a silicon nitride film, for example, to thereby more extensively the release of in the enamel crucible carrier to prevent trapped gas.

Zusätzlich ist der Zylinder gemäß der vorliegenden Erfindung von geringerer Dicke als der Schmelztiegelträger.In addition, the cylinder is in accordance with the present invention of less thickness than the crucible support.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch darge stellter Ausführungsbeispiele näher geschildert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen.The invention is illustrated below with reference to drawings illustrated embodiments, out of which further advantages and features emerge.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Siliziumeinkristall-Hochziehvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; Fig. 1 is a cross-sectional view of one embodiment of a silicon single crystal pulling-up apparatus according to the present invention;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform eines Schmelztiegelträgers, welcher in der erfindungs gemäßen Vorrichtung verwendet wird. Fig. 2 is a cross-sectional view of another embodiment of a crucible support, which is used in the device according to the Invention.

Die nachfolgend geschilderten Ausführungsformen sind nur ein Mittel, um ein klares Verständnis der Erfindung zu er möglichen. Verschiedene Änderungen und Modifikationen können durch Fachleute auf diesem Gebiet vorgenommen werden, ohne von dem Umfang dieser Erfindung abzuweichen, welcher eben falls deutlich in den Patentansprüchen angegeben ist. The embodiments described below are only a means of gaining a clear understanding of the invention possible. Various changes and modifications can be made by professionals in this field without to depart from the scope of this invention, which is if clearly stated in the claims.

In Fig. 1 ist eine Kammer 1 mit einer Ziehkammer 2 an ihrem Oberende versehen. Eine Drehwelle 3 erstreckt sich in die Kammer 1 durch eine untere Öffnung in der Kammer 1, und an ihrem unteren Ende ist ein Schmelztiegelträger 4 aus iso tropem Kohlenstoff befestigt. Auf dem Träger 4 sind ein Quarzglasschmelztiegel 5 und ein Zylinder 6 angeordnet, welcher eine äußere Oberfläche eines zylindrischen Abschnitts des Schmelztiegels 5 bedeckt. Der Zylinder 6 besteht aus einem Kohlenstoff-Kompositteil, welcher eine Kohlenstof faser aufweist, die in Zylinderform gewunden, mit einem Kunstharz getränkt und gebrannt ist. Der Zylinder ist dün ner als der Schmelztiegelträger 4. Der Zylinder 6 ist von einer zylindrischen Kohlenstoff-Heizvorrichtung 7 umgeben, die mit Elektroden 8 verbunden ist, welche sich durch den Boden der Kammer 1 erstrecken. Die Heizvorrichtung 7 ist wiederum durch eine zylindrische Wärmeisolierung 9 umgeben. Eine Wärmeisolierung aus beispielsweise kohlenstoffhaltiger Keramik oder mehreren zylindrischen, aufrecht stehenden Quarz glasröhren ist vorzugsweise zwischen der Wärmeisolierung 9 und der Kammer 1 vorgesehen, um den thermischen Wirkungs grad der Heizvorrichtung 7 zu verbessern.In Fig. 1, a chamber 1 is provided with a drawing chamber 2 at its upper end. A rotary shaft 3 extends into the chamber 1 through a lower opening in the chamber 1 , and at its lower end a crucible support 4 made of isotropic carbon is attached. On the carrier 4, a quartz glass crucible 5 and a cylinder 6 are arranged, which covers an outer surface of a cylindrical portion of the crucible. 5 The cylinder 6 consists of a carbon composite part which has a carbon fiber which is wound in a cylindrical shape, soaked with a synthetic resin and burned. The cylinder is thinner than the crucible support 4 . The cylinder 6 is surrounded by a cylindrical carbon heater 7 connected to electrodes 8 which extend through the bottom of the chamber 1 . The heating device 7 is in turn surrounded by a cylindrical thermal insulation 9 . A heat insulation made of, for example, carbon-containing ceramic or several cylindrical, upright quartz glass tubes is preferably provided between the heat insulation 9 and the chamber 1 in order to improve the thermal efficiency of the heating device 7 .

Das Hochziehen eines Siliziumeinkristallblocks wird wie nachstehend angegeben unter Verwendung der voranstehenden Silizium-Hochziehvorrichtung vorgenommen. Ein polykristal lines Siliziummaterial wird in den Schmelztiegel 5 einge füllt, die Heizvorrichtung 7 wird in Gang gesetzt, um das Material in dem Schmelztiegel 5 zu schmelzen, und ein lmpf kristall 13, der an einer Impfhalterung 12 befestigt ist, die an einem unteren Ende einer Hochziehwelle 14 befestigt ist, ist oberhalb der Ziehkammer 2 aufgehängt, wird in ge schmolzenes Silizium 10 eingetaucht und nach oben gezogen, um einen Siliziumeinkristallblock 14 zu erzeugen. The pulling up of a silicon single crystal ingot is carried out using the above silicon pulling-up device as shown below. A polycrystalline silicon material is filled in the crucible 5, the heater 7 is started to melt the material in the crucible 5 , and a vaccine crystal 13 which is attached to an inoculation holder 12 which is attached to a lower end of one Pull-up shaft 14 is attached, is suspended above the pulling chamber 2 , is immersed in molten silicon 10 and pulled up to produce a silicon single crystal block 14 .

Bei dieser Vorrichtung besteht der Zylinder 6, welcher den zylindrischen Abschnitt des Schmelztiegels 5 umgibt, aus einem Kohlenstoff-Kompositteil aus horizontal gewickelten Kohlenstoffasern und so weiter, und daher sind die Herstel lungskosten für den Zylinder 6 gering. Der Zylinder 6 weist eine mechanische Festigkeit auf, die genügend hoch ist, um einen Bruch zu erschweren. Wenn nur entweder der Zylinder 6 oder der Schmelztiegelträger 4 gebrochen ist, so muß nur der gebrochene Teil ausgetauscht werden, was zu niedrigen Betriebskosten führt.In this device, the cylinder 6 , which surrounds the cylindrical portion of the crucible 5 , consists of a carbon composite part made of horizontally wound carbon fibers and so on, and therefore the manufacturing costs for the cylinder 6 are low. The cylinder 6 has a mechanical strength that is sufficiently high to make breakage difficult. If only either the cylinder 6 or the crucible support 4 is broken, only the broken part has to be replaced, which leads to low operating costs.

Der Zylinder 6 gibt wenig eingeschlossenes Gas ab. Isotro per Kohlenstoff, der bezüglich eingeschlossenen Gases ein Problem darstellt, wird nur für den Schmelztiegelträger 4 verwendet, so daß ein negativer Einfluß auf die physika lischen Eigenschaften des Siliziumeinkristalls verringert wird. Es ist unnötig, der Differenz der thermischen Ausdeh nung des Schmelztiegelträgers 4 und des Schmelztiegels 5 große Aufmerksamkeit zu schenken. Der Schmelztiegelträger 4 kann aus gesintertem Siliziumnitrid oder gesintertem Sili ziumcarbid hergestellt werden, welches mit einem Silizium nitridfilm beschichtet ist, um derart die Abgabe eingeschlos senen Gases zu verringern.The cylinder 6 releases little trapped gas. Isotro per carbon, which is a problem with enclosed gas, is used only for the crucible support 4 , so that a negative influence on the physical properties of the silicon single crystal is reduced. It is unnecessary to pay close attention to the difference in thermal expansion between the crucible support 4 and the crucible 5 . The crucible support 4 can be made of sintered silicon nitride or sintered silicon carbide, which is coated with a silicon nitride film, so as to reduce the emission of enclosed gas.

Der den zylindrischen Abschnitt des Schmelztiegels 5 bedecken de Zylinder 6 ist dünn, so daß seine thermische Reaktion hoch ist, um hierdurch eine schnelle Temperatursteuerung des geschmolzenen Siliziums 10 in Reaktion auf eine Ände rung der Ausgangsleistung der Heizvorrichtung 7 zu ermögli chen. Daher werden die Eigenschaften des Siliziumeinkristalls verbessert.The covering the cylindrical portion of the crucible 5 de cylinder 6 is thin so that its thermal response is high, thereby enabling rapid temperature control of the molten silicon 10 in response to a change in the output of the heater 7 . Therefore, the properties of the silicon single crystal are improved.

Wie in Fig. 2 dargestellt ist, kann der Zylinder 6, welcher die äußere Oberfläche des zylindrischen Abschnitts des Schmelz tiegels 5 bedeckt, an seinem unteren Ende in den Schmelz tiegelträger 4 eingebettet sein.As shown in Fig. 2, the cylinder 6 , which covers the outer surface of the cylindrical portion of the crucible 5 , can be embedded in the crucible carrier 4 at its lower end.

Der Schmelztiegel 5 kann unterschiedliche Formen aufweisen und ist nicht auf die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Formen beschränkt. Die Form kann sich verjüngend ausgebildet sein, mit nach oben wachsendem Abstand. In diesem Fall kann der Zylinder 6 eine Form annehmen, welche der Form des Schmelz tiegels 5 entspricht.The crucible 5 can have different shapes and is not limited to the shapes shown in FIGS. 1 and 2. The shape can be tapered, with an increasing distance. In this case, the cylinder 6 can take a shape which corresponds to the shape of the crucible 5 .

Claims

1. silicon single crystal pull-up device, characterized by a quartz glass crucible ( 5 ) for receiving a molten silicon material ( 10 ); a cylinder ( 6 ) for covering an outer surface of a cylindrical portion of the crucible ( 5 ); a rotating shaft ( 3 ) for rotating the crucible ( 5 ); and a crucible support ( 4 ) which is separate from the cylinder ( 6 ) and fixed to an upper end of the rotating shaft ( 3 ) to support the crucible ( 5 ) and the cylinder ( 6 ).

2. Device according to claim 1, characterized in that the crucible carrier ( 4 ) is made of isotropic carbon, sintered silicon nitride or sintered silicon carbide, which is coated with a silicon nitride film.

3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the cylinder is made of a cylindrical carbon composite part ( 6 ) which comprises a fiber of carbon or silicon carbide which is wound into a cylinder, impregnated with synthetic resin and fired.

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the cylinder ( 6 ) has a smaller thickness than the crucible carrier ( 4 ).