DE3805118A1 - Verfahren zum tiegelfreien zonenziehen von halbleiterstaeben und induktionsheizspule zu seiner durchfuehrung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum tiegelfreien Zonen­ ziehen von Halbleiterstäben, bei welchem ein Vorratsstab über eine vermittels einer kreisförmigen Induktionsheizspule mit durch einen Spulenschlitz voneinander getrennten Spulen­ enden erzeugte, die Kristallisationsfront kuppenförmig über­ lagernde Schmelzzone in einen einer Drehbewegung unterworfe­ nen Kristallstab übergeführt wird, sowie eine Induktions­ heizspule zu seiner Durchführung.

Die Herstellung von versetzungsfreien einkristallinen Halb­ leiterstäben mit Hilfe der Methode des tiegelfreien Zonen­ ziehens ist seit langem bekannt, ebenso wie zahlreiche In­ duktionsheizspulen, die bei solchen Verfahren eingesetzt werden können. In den meisten Fällen wird dabei in einem die Einstellung einer Arbeitsatmosphäre bestimmter Zusammen­ setzung gestattenden Rezipienten ein in der Regel polykri­ stalliner Vorratstab z.B. aus durch Gasphasenabscheidung er­ haltenem Reinstsilicium senkrecht eingespannt und von seinem unteren Ende her ggf. unter Drehung mit Hilfe einer Induk­ tionsheizspule aufgeschmolzen, die die Schmelzzone zentrisch umgibt. Unterhalb der Spule befindet sich der, zumeist eben­ falls gedrehte und im Regelfall monokristalline Produktstab, der an seinem oberen Ende kuppenförmig von geschmolzenem Material bedeckt ist, und durch die fortschreitende Kristal­ lisation des letzteren wächst. Grundsätzlich sind derartige Verfahren beispielsweise in W. Dietze, W. Keller, A. Mühl­ bauer, "Float zone grown silicon" in "Crystals" Vol. 5 (1981), Springer-Verlag Berlin-Heidelberg-New York erläu­ tert.

Die bekannten Ziehverfahren stoßen jedoch an ihre Grenzen, wenn es gilt, Kristallstäbe mit großen Durchmessern, d.h. 10-15 cm oder mehr herzustellen, wie sie bei der Herstellung von elektronischen oder Leistungsbauelementen immer häufiger eingesetzt werden. Bei solchen Stabdurchmessern treten näm­ lich einige beim Ziehen von kleineren Stäben noch vernach­ lässigbare Effekte immer stärker in den Vordergrund, was vielfach damit zusammenhängt, daß in der den Produktstab überlagernden Schmelzkuppe eine entsprechend größere Menge geschmolzenen Materials vorliegt, zu deren Erzeugung auch entsprechend höhere Leistungen erforderlich sind. Beispiels­ weise kommt es aufgrund der durch die herkömmlichen Spulen­ geometrien verursachten Inhomogenität des Hochfrequenzfeldes zu unregelmäßigem Schmelz- und Kristallisationsverhalten. So treten im Bereich des Spulenschlitzes häufiger Rückschmel­ zungen auf, die Produktstäbe neigen wegen der ungleichmäß­ igen Ausbildung der Schmelzkuppe zum "Eiern", also azentri­ schem Wachstum, und zeigen radiale Schwankungen in der Do­ tierstoffverteilung. Der letztgenannte Effekt macht sich schon bei kleineren Stabdurchmessern unangenehm bemerkbar. Das Ziehen von einwandfreien Stäben, insbesondere mit Durch­ messern von 10 cm und mehr, ist daher mit den herkömmlichen Ziehmethoden in befriedigenden und wirtschaftlich vertret­ baren Ausbeuten selbst bei sorgfältiger Arbeitsweise nicht möglich.

Die Aufgabe der Erfindung lag also darin, ein zuverlässiges und gute Ausbeuten ermöglichendes Verfahren zum tiegelfreien Zonenziehen anzugeben, das die genannten Nachteile während des Ziehprozesses vermeidet und die Herstellung von einwand­ freien Stäben insbesondere mit Durchmessern von 10 und mehr cm gestattet, ohne den apparativen Aufwand gegenüber den herkömmlichen Verfahren unvertretbar zu erhöhen. Weiterhin sollten Induktionsheizspulen zur Durchführung dieses Verfah­ rens angegeben werden.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß die Schmelzkuppe im Randbereich in einer dem Spulenschlitz gegenüberliegenden, höchstens 3/4 des Stabumfanges umfassenden Ringzone mit Hilfe elektromag­ netischer Kräfte nach innen gedrückt wird.

Induktionsheizspulen zur Durchführung dieses Verfahrens sind gekennzeichnet durch eine ebene, der Schmelzkuppe zugewandte Spulenfläche mit einem oder mehreren, aus dieser Fläche her­ vortretenden, oberhalb des Randbereiches der Schmelzkuppe umlaufenden ringförmigen Segmenten mit nach außen zunehmen­ der Dicke, die innerhalb eines dem Spulenschlitz gegenüber­ liegenden, bis zu 3/4 des Spulenumfanges einnehmenden Sek­ tors angeordnet sind.

In den Fig. 1 und 2 ist eine mögliche Ausführungsform einer solchen Induktionsheizspule schematisch dargestellt, wobei Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch einen Ausschnitt aus einer Anordnung zum Zonenziehen, Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Spulenunterseite zeigt. An Hand dieser Figuren werden im folgenden das erfindungsgemäße Verfahren sowie Induktionsheizspulen zu seiner Durchführung näher er­ läutert. Einander entsprechende Elemente sind in beiden Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.

Die der Fig. 1 entsprechende Anordnung zeigt einen Vorrats­ stab 1, beispielsweise aus polykristallinem, durch Gaspha­ senabscheidung erhaltenem Reinstsilicium, der in der Regel während des Ziehvorganges eine Drehbewegung um seine Längs­ achse ausführt. Der Stab wird an seiner Unterseite mit Hilfe einer Induktionsheizspule 2 aufgeschmolzen, wobei das ge­ schmolzene Material in einer schmalen Schmelzensäule 3 durch die Spulenöffnung 4 tritt und den Produktstab 5, beispiels­ weise einen einkristallinen Siliciumstab, mit einer gewölb­ ten Schmelzkuppe 6 überlagert. Die Induktionsheizspule 2, die über die Zuleitungen 7 mit der erforderlichen Leistung versorgt wird, trägt auf der Spulenunterseite ein beispiels­ weise einen keilförmigen Querschnitt aufweisendes ringförmi­ ges Segment 8, das innerhalb eines dem Spulenschlitz gegen­ überliegenden, etwa 2/3 des Spulenumfanges einnehmenden Sek­ tors angeordnet ist und in diesem Sektor den Randbereich der Schmelzkuppe 6 überstreicht.

Das Segment 8, welches auch in Form von zwei oder mehreren, durch Zwischenräume getrennten Einzelsegmenten vorliegen kann, bewirkt in seinem Bereich einen Verlauf des von der Spule ausgehenden elektromagnetischen Feldes, durch den die Schmelzkuppe im Randbereich gegenüber dem Spulenschlitz, dem Bereich mit der höchsten Feldstärke, nach innen gedrückt wird. Diese nach innen gerichtete Kraftwirkung ist um so stärker ausgeprägt, je mehr sich die Schmelze dem Segment 8 annähert, je mehr die Schmelzkuppe also sich nach außen aus­ wölbt, so daß das System letztlich selbsttätig eine optimale Position der Schmelzkuppe einstellt, in der die radial auf die Schmelze einwirkenden Kräfte, verglichen mit herkömmli­ chen Spulen, erheblich gleichförmiger sind.

Die in der Fig. 2 dargestellte Draufsicht auf eine Induk­ tionsheizspule 2 zeigt die Spulenunterseite mit der Zu- bzw. Ableitung 7 bzw. 9, dem zwischen den Spulenenden verlaufen­ den Spulenschlitz 10 sowie der Spulenöffnung 4. Das im vor­ liegenden Fall beispielsweise einen keilförmigen Querschnitt aufweisende Segment 8 liegt dem Spulenschlitz gegenüber in­ nerhalb eines etwa 2/3 des Spulenumfanges entsprechenden Sektors. Die Größe dieses Sektors kann jedoch variiert wer­ den; bewährt haben sich Spulen, bei denen das Segment inner­ halb eines Sektors angeordnet ist, der 1/4 bis 3/4 des Spu­ lenumfanges entspricht. Dies gilt auch für den Fall, daß das Segment 8 aus mehreren Einzelsegmenten zusammengesetzt ist, zwischen denen beispielsweise Zuleitungen für Dotierstoffe oder Erdungen verlegt sein können. Der Einfachheit halber soll im folgenden nur noch von dem Segment 8 die Rede sein; die gemachten Angaben gelten jedoch analog auch für derarti­ ge Gruppen von Einzelsegmenten.

Der Innen- und Außenradius des Segmentes S wird zweckmäßig nach Maßgabe des Radius des Produktstabes gewählt. Vorteil­ haft entspricht der Innenradius mindestens dem 0,5fachen, der Außenradius höchstens dem 1,5fachen dieses Wertes. Die Differenz zwischen Außen- und Innenradius entspricht zweck­ mäßig mindestens dem 0,1fachen, bevorzugt dem 0,3- bis 0,8fachen Stabradius. Die Höhe 11, mit der das Segment S an seinem Außenumfang über die eigentliche Spulenunterseite hinausragt, beträgt vorteilhaft das 0,1- bis 2fache der maximalen Spulendicke.

Die der Schmelzkuppe zugewandte Fläche wird vorteilhaft eben, d.h. in der Form der Außenfläche eines Kegelstumpfes ausgebildet, wobei ihre Neigung bezüglich der Stabachse vor­ zugsweise 50-80°, insbesondere 60-70° beträgt, so daß das Segment letztlich einen keilförmigen Querschnitt auf­ weist. Gleichermaßen kann diese Fläche aber auch konkav oder konvex gewölbt sein.

Zweckmäßig wird für das Segment 8 dasselbe Material verwen­ det, aus dem auch der Spulengrundkörper gefertigt ist, in erster Linie also Silber, Kupfer oder versilberte Metalle, aus denen üblicherweise die Induktionsheizspulen gefertigt werden. In den meisten Fällen wird man Spulengrundkörper und Segment zunächst getrennt herstellen und dann beispielsweise durch Verschweißen miteinander verbinden. Auf diese Weise lassen sich auch herkömmliche Spulen mit ebener Unterseite nachträglich mit einem derartigen Segment versehen. Es ist jedoch auch nicht ausgeschlossen, Spulengrundkörper und Seg­ ment aus einem einzigen Werkstück zu fertigen. Dabei be­ schränkt sich die Erfindung nicht auf die in den Figuren aus Gründen der Übersichtlichkeit dargestellten einwindigen Spu­ len, sondern kann gleichermaßen auch bei mehrwindigen Spulen eingesetzt werden.

Das eigentliche Ziehverfahren kann grundsätzlich in der be­ kannten und beispielsweise in dem eingangs genannten Artikel beschriebenen Weise durchgeführt werden, z.B. im Hinblick auf Verfahrensparameter wie Stabdrehung, Arbeitsatmosphäre, oder Vorstabvorbereitung. Besonders gute Ergebnisse werden jedoch erzielt, wenn die Drehung des Produktstabes mit wech­ selndem Drehsinn durchgeführt wird. Dies gilt, insbesondere im Hinblick auf eine verbesserte radiale Dotierstoffvertei­ lung, bereits für Stabdurchmesser ab ca. 7,5 cm. Als vor­ teilhaft hat es sich erwiesen, dabei den Drehsinn jeweils nach 0,1 bis 20 Umdrehungen des Produktstabes zu wechseln. Besonders günstig wird die Umkehrung so variiert, daß der Umkehrpunkt sich im Verlauf des Ziehvorganges statistisch über den Stabumfang verteilt. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Verfahrensvarianten mit gleichsinniger Stabdrehung, Stabdrehung mit wechselnder Geschwindigkeit oder auch perio­ dischem Anhalten nicht ausgeschlossen.

Durch die erfindungsgemäße Induktionsheizspule, insbesondere in Verbindung mit dem Ziehverfahren mit wechselndem Drehsinn des Produktstabes, werden vor allem bei großen Stabdurchmes­ sern von ca. 10 cm und mehr die durch die Inhomogenität des Feldes im Spulenschlitz hervorgerufenen nachteiligen Effekte wie Rückschmelzungen, "Eiern" des Stabes oder radiale Do­ tierstoffschwankungen deutlich verringert, da die Schmelz­ kuppe durch die elektromagnetischen Kräfte nach innen ge­ drückt wird und somit ihre schädlichen Auswölbungen verhin­ dert werden. Bei den vom Wachstumsverhalten her weniger kri­ tischen Stäben mit kleineren Stabdurchmessern von ca. 7,5- 10 cm wird die radiale Verteilung der Dotierstoffe deutlich gleichmäßiger. Letztlich wird also beim tiegelfreien Zonen­ ziehen das Ziehverhalten der Stäbe verbessert und somit die Ausbeute an einwandfreien Stäben gesteigert und/oder deren Qualität erhöht.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Ausführungsbei­ spielen näher erläutert:

Beispiel 1

In einer üblichen Zonenziehanlage (vgl. hierzu z.B. W. Kel­ ler, A. Mühlbauer, "Floating-zone silicon", Marcel Dekker, Inc., New York and Basel, (1981), Seiten 44-65) wurde unter den herkömmlichen Ziehbedingungen ein Siliciumeinkristall (Durchmesser ca. 7,5 cm, 1-1-1-Orientierung, Ziehgeschwin­ digkeit ca. 2,5 mm/min) gezogen. Im Rezipienten war ein Argon-Überdruck von etwa 2 bar eingestellt; das Silicium war Phosphor-dotiert (spezifischer Widerstand ca. 3 Ohm cm). Der Durchmesser des polykristallinen Vorratsstabes lag bei ca. 7,5 cm.

Als Induktionsheizspule wurde eine einwindige, aus Vollsil­ ber gedrehte Flachspule mit gefrästem Kühlkanal verwendet, deren Innenlochdurchmesser ca. 36 mm bei einem Außendurch­ messer von etwa 170 mm betrug. In die flache Spulenuntersei­ te war in einem dem Spulenschlitz gegenüberliegenden, ca. 2/3 des Spulenumfanges einnehmenden Sektor ein ringförmiges Segment mit nach außen keilförmig zunehmendem Querschnitt eingearbeitet. Der Innenradius des Segmentes entsprach mit ca. 30 mm etwa dem 0,8fachen, der Außenradius mit ca. 45 mm etwa dem 1,2fachen des Produktstabradius. An seinem Außen­ rand besaß das Segment eine Höhe von ca. 0,6 cm gegenüber der eigentlichen Spulenunterseite, entsprechend etwa dem 0,5fachen der maximalen Spulendicke.

Während des Ziehvorganges wurde der Vorratsstab einer kon­ stanten Drehung mit einer Geschwindigkeit von 1 UPM unter­ worfen, während der Produktstab einen Drehzyklus mit wech­ selnder Drehrichtung ausführte. Dabei wurde er zunächst für 7 sec mit einer Maximalgeschwindigkeit von 16 UPM in Gegen­ richtung zum Vorratsstab gedreht, abgestoppt, für weitere 7 sec mit 18 UPM Maximalgeschwindigkeit mit dem Vorratsstab gedreht, erneut abgestoppt, unter Drehsinnumkehr 7 sec mit 15 UPM Maximalgeschwindigkeit gedreht und schließlich einer weiteren Gegendrehung mit 17 UPM Maximalgeschwindigkeit und 7 sec Dauer unterworfen. Danach wurde dieser Zyklus wieder von vorne durchlaufen und somit im Verlauf des Ziehvorganges eine statistische Verteilung des Umkehrpunktes über den Stabumfang erreicht. Bei einer Stablänge von 1000 mm wurde der Ziehprozeß beendet und der erhaltene Stab entnommen.

Anschließend wurde der Stab mittels Innenlochsäge in Schei­ ben von ca. 350 µm Dicke zersägt. Als wichtiges Kennzei­ chen für die Qualität des erhaltenen Materials wurde nun bei 9 im Abstand von jeweils 10 cm entnommenen Scheiben die Größenordnung der radialen Widerstandsschwankungen ermit­ telt, aus der auf die radialen Schwankungen der Dotierstoff­ verteilung geschlossen werden kann. Dies geschah anhand von gemäß der ASTM-Vorschrift F 525 (1977) mit Hilfe der "sprea­ ding resistance"-Methode ermittelten Profilen des Ausbrei­ tungswiderstandes (vgl. hierzu z.B. W. Dietze, W. Keller und A. Mühlbauer, "Float-Zone Grown Silicon" in Crystals, Growth, Properties and Applications, Vol. 5, S. 34-36, Springer-Verlag Berlin Heidelberg (1981)).

Aus den ermittelten Profilen konnte ersehen werden, daß bei keiner Scheibe dieser Widerstand um mehr als 20% um den je­ weiligen Mittelwert schwankte.

In einem Vergleichsversuch wurde ein weiterer Stab unter ge­ nau den gleichen Bedingungen gezogen mit dem Unterschied, daß anstelle der erfindungsgemäßen Induktionsheizspule eine Spule eingesetzt wurde, die bei ansonsten gleichen Ausmaßen eine völlig ebene Unterseite ohne ringförmige Segmente mit nach außen zunehmender Dicke besaß, so daß in diesem Bereich die Schmelzkuppe nicht mit Hilfe elektromagnetischer Kräfte nach innen gedrückt werden konnte.

Der erhaltene Stab wurde ebenfalls in Scheiben zersägt. Von denselben Positionen wurden neun dieser Scheiben entnommen und vermessen. Bei jeder von ihnen schwankte der ermittelte Ausbreitungswiderstand nach oben und unten um bis zu 30% um den jeweiligen Mittelwert.

Beispiel 2

Eine handelsübliche Zonenziehanlage wurde mit einer einwin­ digen Induktionsheizspule (Innenlochradius ca. 20 mm, Außen­ radius ca. 90 mm, Material Silber, maximale Spulendicke ca. 15 mm) ausgerüstet, auf deren flacher Unterseite in einem dem Spulenschlitz gegenüberliegenden, ca. 3/5 des Spulenum­ fanges umfassenden Sektor konzentrisch ein ringförmig umlau­ fendes Segment mit keilförmig nach außen zunehmender Dicke aufgeschweißt war. Der Innenradius dieses Segmentes betrug 45 mm, der Außenradius 75 mm, die Dicke am Außenrand 10 mm. Die der Schmelzkuppe zugewandte Oberfläche des Segmentes schloß damit bezüglich der Stabachse einen Winkel von ca. 71° ein.

In dieser Anlage wurde nun aus einem polykristallinen Vor­ ratsstab mit ca 12,5 cm Durchmesser ein einkristalliner Siliciumstab mit ca. 12,5 cm Durchmesser gezogen. Dabei wur­ de der Vorratsstab mit ca 1 UPM gedreht, während der Pro­ duktstab analog der in Beispiel 1 beschriebenen Verfahrens­ weise einen Zyklus mit wechselnden Drehrichtungen durchlief. Während des gesamten Ziehvorganges zeigte der Stab ein ein­ wandfreies Wachstumsverhalten, und im Bereich der Schmelz­ kuppe konnten keine Rückschmelzungen und/oder Überhänge festgestellt werden. Bei einer Stablänge von 75 cm wurde der Ziehvorgang beendet und der Stab entnommen.

In einem Vergleichsversuch wurde nun unter den gleichen Be­ dingungen der Ziehvorgang wiederholt, wobei eine ansonsten identische Spule eingesetzt wurde, die jedoch auf ihrer ebe­ nen Unterseite nicht mit einem ringförmigen Segment mit keilförmigem Querschnitt versehen war. Bereits bei einer Stablänge von 10 cm traten im Bereich des Spulenschlitzes deutliche Rückschmelzungen auf, die im gegenüberliegenden Bereich wiederum zu immer größeren Überhängen der Schmelz­ kuppe führten, die ihrerseits beim Erstarren zu einer immer stärkeren Abweichung des Produktstabes aus der zentrischen Position führten. Bei einer Stablänge von ca. 20 cm mußte der Ziehvorgang abgebrochen werden.

Claims (10)

1. Verfahren zum tiegelfreien Zonenziehen von Halbleiterstäben, bei welchem ein Vorratsstab über eine vermittels einer kreis­ förmigen Induktionsheizspule mit durch einen Spulenschlitz voneinander getrennten Spulenenden erzeugte, die Kristallisa­ tionsfront kuppenförmig überlagernde Schmelzzone in einen einer Drehbewegung unterworfenen Produktstab übergeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzkuppe im Randbe­ reich in einer dem Spulenschlitz gegenüberliegenden, höch­ stens 3/4 des Stabumfanges umfassenden Ringzone mit Hilfe elektromagnetischer Kräfte nach innen gedrückt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehbewegung des Produktstabes mit wechselndem Drehsinn durchgeführt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Drehsinn der Drehbewegung nach 0,1 bis 20 Umdre­ hungen des Produkstabes umgekehrt wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die den Randbereich der Schmelzkup­ pe nach innen drückenden elektromagnetischen Kräfte in einem 1/4 bis 3/4 des Spulenumfanges umfassenden Sektor zur Wirkung gebracht werden.

5. Induktionsheizspule zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine ebene, der Schmelzkuppe zugewandte Spulenfläche mit einem oder mehreren, aus dieser Fläche hervortretenden, oberhalb des Randbereiches der Schmelzkuppe umlaufenden ring­ förmigen Segmenten mit nach außen zunehmender Dicke, die in­ nerhalb eines dem Spulenschlitz gegenüberliegenden, bis zu 3/4 des Spulenumfanges einnehmenden Sektors angeordnet sind.

6. Induktionsheizspule nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Segment einen Innenradius von mindestens dem 0,5fachen und einen Außenradius von höchstens dem 1,5fachen des Produktstabradius aufweist.

7. Induktionsheizspule nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen Innen- und Außenradius dem 0,3- bis 0,8fachen Produktstabradius entspricht.

8. Induktionsheizspule nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Segment an seinem Außenrand eine dem 0,2- bis 2fachen der maximalen Spulendicke entsprechende Höhe aufweist.

9. Induktionsheizspule nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Segment einen keilför­ migen Querschnitt aufweist.

10. Induktionsheizspule nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die der Schmelzkuppe zuge­ wandte Oberfläche des Segmentes bezüglich der Stabachse einen Winkel von 50 bis 80° einschließt.