DE3874219T2

DE3874219T2 - Vorrichtung zur zuechtung von kristallen aus halbleitermaterialien.

Info

Publication number: DE3874219T2
Application number: DE8888109048T
Authority: DE
Inventors: Michio Kida; Kensho Sahira
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1987-06-08
Filing date: 1988-06-07
Publication date: 1993-03-18
Anticipated expiration: 2008-06-08
Also published as: DE3874219D1; EP0294758B1; US4911895A; CA1306407C; EP0294758A1

Description

Hintergrund der Erfindung

Erfindungsgebiet

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Züchten von Kristallen von Halbleiterwerkstoffen zur Verwendung, beispielsweise, bei der Herstellung von integrierten Schaltungsanordnungen und Solarzellen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine derartige Vorrichtung, die in Einklang mit einem Verfahren nach Czochralski unter Verwendung eines Quarztiegels arbeitet.

Stand der Technik

In einer chargenweise arbeitenden Vorrichtung zum Züchten von Einkristall-Siliziumblöcken, verringert sich die Menge einer in einem Quarztiegel enthaltenen Siliziumschmelze während des Wachsen des Kristalls. Infolgedessen ist die Qualität nicht gleichmäßig in Längsrichtung innerhalb des kristallinen Blocks, der durch eine Vorrichtung dieser Art erhalten wird. Insbesondere hängt die Sauerstoffkonzentration im Kristall von der Menge des in der Siliziumschmelze gelösten Sauerstoffs ab, und ändert sich mit sich ändernder Siliziumschmelze im Quarztiegel. Da ferner die Menge der Schmelze sich ändert, schwankt die Wärmeverteilung im Ofen und die Konvektion in der Schmelze ändert sich, so daß sich die Kristallisierungsfront ändert. Ferner werden Dotierungsmittel wie Phosphor, Bor und Antimon im allgemeinen der Schmelze zugegeben, um die elektrische Leitfähigkeit des Einkristalls zu steuern. Da jedoch die Segregationskonstante derartiger Fremdstoffe nicht identisch mit 1 ist, unterscheidet sich die Dotierungsmittelkonzentration im Kristall mit fortschreitendem Wachsen desselben.
Da somit die Qualität des Einkristallblocks sich in dessen Längsrichtung ändert, ist es nur ein Teil des Blocks, der eine gewünschte Qualität aufwies. Ferner war die Produktivität in einem derartigen chargenweise arbeitenden Verfahren niedrig.
Der Versuch, die obigen Mängel zu beseitigen, liegt in der Verwendung einer kontinuierlich arbeitenden Vorrichtung, die bereits vorgeschlagen wurde, bei welcher der Einkristallblock anwächst, während der Quarztiegel mit einem Werkstoff beschickt wird. Die US-PS 2.892.739 oder die japanische Patentanmeldung A-Veröffentlichung 61-36197 beschreibt eine derartige Vorrichtung, die den einfachsten Aufbau hat und die Kombination eines Doppeltiegels und der kontinuierlichen Beschickung eines Werkstoffs in Form von Pulvern, Stücken oder Körnchen verwendet.
Bei der obigen kontinuierlich arbeitenden Vorrichtung liegt jedoch die Temperatur der Siliziumschmelze oberhalb von 1,420ºC, und der Quarz, aus dem der Tiegel besteht, beginnt sich bei etwa 1,100ºC zu erweichen. Obgleich das äußere Tiegelelement, das von einer Graphit-Aufnahmevorrichtung gehalten wird, gegenüber seiner Ausgangsform nicht so sehr verformt wird, unterliegt das innere Tiegelelement einer starken Verformung, da es nicht ausreichend gehalten wird, so daß das Wachsen des Einkristalls nachteilig beeinträchtigt wird. Die Fig. 1 und 2 der anliegenden Zeichnungen zeigen schematisch eine bekannte Vorrichtung, die einen Quarz-Doppeltiegel 100 umfaßt, der in einer Aufnahmevorrichtung 102 aufgenommen wird, und aus einem Inneren Tiegelelement 100a und einem äußeren Tiegelelement 100b besteht, sowie aus einem Widerstandsheizelement 104, das so angeordnet ist, daß es den Tiegel 100 umgibt. Der Doppeltiegel 100 ist mit einer Charge Siliziumwerkstoff gefüllt, wie in Fig. 1 angegeben ist, und die Charge wird durch das Heizelement 104 erhitzt, bis sie gründlich geschmolzen ist. Das innere Tiegelelement 100a unterliegt jedoch gemäß Fig. 2 einer Verformung, während der Siliziumwerkstoff geschmolzen wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zum Züchten von Halbleiterkristallen zu schaffen, bei der von vornherein verhindert wird, daß ein Quarztiegel während des Schmelzens des Werkstoffs verformt wird.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zum Schmelzen eines Halbleiterwerkstoffes und zum Züchten eines Halbleiterkristalls aus der Schmelze geschaffen, die eine Aufnahmevorrichtung umfaßt, einen in der Aufnahmevorrichtung untergebrachten Quarztiegel zur Aufnahme des Halbleiterwerkstoffes, und eine Heizvorrichtung, die derart angeordnet ist, daß sie die Aufnahmevorrichtung zum Erhitzen des im Tiegel enthaltenen Halbleiterwerkstoffes umgibt; dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Verstärkungsring, der nicht-einstückig mit dem Quarztiegel gefertigt ist, auf dem Quarztiegel derart angeordnet ist, daß eine Umfangsfläche des Rings an die Innenumfangsfläche des oberen Ende des Tiegels angepaßt ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht, die eine bekannte Kristallzüchtungsvorrichtung darstellt, die einen Doppeltiegel verwendet;
Fig. 2 ist eine der Fig. 1 ähnliche Ansicht, die jedoch zeigt, wie ihr inneres Tiegelelement während des Schmelzens einer Charge in dem Doppeltiegel verformt wird;
Fig. 3 ist eine vertikale Querschnittsdarstellung einer erfindungsgemäßen Kristallzüchtungsvorrichtung; und
Fig. 4 ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht einer erfindungsgemäß modifizierten Kristallzüchtungsvorrichtung.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung

Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 der anliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen die gleichen Bezugszeichen zur Bezeichnung gleicher Teile oder Elemente in den verschiedenen Darstellungen verwendet werden.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3 ist eine Vorrichtung zum Züchten eines Silizium-Einkristall-Blocks aus einer Schmelze dargestellt. Die Vorrichtung umfaßt einen wärmebewahrenden Mantel 10, der in einem (nicht dargestellten) Ofen untergebracht ist, eine Aufnahmevorrichtung oder Halteschale 12 aus Graphit, die innerhalb des wärmebewahrenden Mantels 10 untergebracht ist, einen Doppeltiegel 14, der aus einem äußeren Tiegelelement 16 und einem inneren Tiegelelement 18 besteht, und eine Heizvorrichtung in Gestalt einer Widerstandsheizung 20, die innerhalb des Mantels 10 angeordnet ist und die Graphit-Aufnahmevorrichtung 12 umgibt. Das äußere Tiegelelement 16 hat die Form eines tiefen Tellers und ist innerhalb der Aufnahmevorrichtung 12 angeordnet und wird von ihr gehalten, wobei ihre Aussenfläche in Anlage mit einer Innenfläche der Aufnahmevorrichtung 12 liegt. Das innere Tiegelelement 18 hat zylindrische Form und einen kleineren Durchmesser als das äußere Tiegelelement 16 und ist innerhalb des äußeren Tiegelelements 16 angeordnet, wobei das untere Ende auf der Innenfläche des äußeren Tiegelelement 16 aufliegt. Eine Anzahl von beispielsweise drei sich radial einwärts erstreckenden Graphitarmen 22, die an ihren äußeren Enden fest am oberen Ende der Aufnahmevorrichtung 12 befestigt sind, sind an ihren inneren Enden fest mit der äußeren Umfangsfläche des inneren Tiegelelements 18 verbunden, und somit wird das innere Tiegelelement 18 über die Graphitarme 22 fest von der Aufnahmevorrichtung 12 gehalten. Obgleich dies aus den Zeichnungen nicht ersichtlich ist, sind die Arme 22 umfangsseitig in gleichen Abstand voneinander angeordnet. Das innere Tiegelelement 18 enthält eine Anzahl Öffnungen oder Fluiddurchtrittswege 18a, die sich durch das Element erstrecken und in der Nähe seines unteren Endes angeordnet sind. Diese Öffnungen 18a gestatten eine Strömung geschmolzenen Werkstoffs zum inneren Tiegelelement 18 hin und von diesem weg, von und zu einem Ringraum, der zwischen den Umfangswänden des äusseren Tiegelelements 16 und des inneren Tiegelelements 18 gebildet wird. Am oberen Ende des inneren Tiegelelements 18 ist ein Verstärkungsring 24
aus Graphit befestigt, der einen im wesentlichen L-förmigen Querschnitt hat und ein Paar einander gegenüberliegender, im Winkel zueinander hin verlaufender Umfangsflächen. Der Ring 24 ist fest am oberen Ende des inneren Tiegelelements 18 eingepaßt, wobei eine der Umfangsflächen auf einer oberen Stirnseite des Tiegelelements aufliegt und die andere Umfangsfläche an den Randabschnitt einer inneren Umfangsfläche desselben angepaßt ist.
Die Aufnahmevorrichtung 12 ist auf einem Auflager 26 befestigt, das auf einer Achse 28 angeordnet ist, die in Antriebsverbindung mit einer Hauptantriebseinrichtung 30 steht, die eine Vertikalbewegung und axiale Drehung der Achse 28 während des Betriebs gestattet. Ferner ist eine Kristallzieheinrichtung 32 bekannter Bauart vorgesehen, die einen Ziehdraht 32, eine an ihm befestigte Haltevorrichtung 36 zur Halterung eines Kristallkeims 38 und eine (nicht dargestellte) Einrichtung zum Ziehen und Drehen des Drahts 34 umfaßt. Bei der dargestellten Ausführungsform wird der Draht, wie üblich, in einer Richtung entgegengesetzt zur Drehung des Doppeltiegels 14 gedreht. Ferner ist ein Zufuhrrohr 40 vorgesehen, um den Ringraum, der zwischen den Umfangswänden des äußeren Tiegelelements 16 und des inneren Tiegelelements 18 gebildet wird, mit neuem Siliziumwerkstoff zu beschicken.
Beim Betrieb wird der Doppeltiegel 14 zuerst mit einer Charge polykristallinen Siliziumwerkstoffs gefüllt. Dann wird die Luft im Ofen gründlich durch Argongas ersetzt, und elektrische Leistung wird der Heizung 20 zugeführt, um die Temperatur im Ofen zu erhöhen. Infolgedessen wird die Charge auf eine vorgeschriebene Temperatur erhitzt und schmilzt, wie bei 42 dargestellt ist. Nachdem der Siliziumwerkstoff vollständig geschmolzen ist, wird die Temperatur der Siliziumschmelze 42 im Doppeltiegel 14 optimal durch die Heizung 20 reguliert, und das Wachsen eines Einkristall-Blocks wird in üblicher Weise begonnen. Während dabei der Doppeltiegel 14 mit einer vorgeschriebenen Geschwindigkeit gedreht wird, wird der Kristallkeim 38 abgesenkt und in Kontakt mit der Oberfläche der Schmelze 42 gebracht, bis der Kristallkeim ein Keimen zuwege bringt, zu welchem Zeitpunkt der Keimkristall 38 mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit und unter Drehen zurückgezogen wird. Infolge dessen wird ein Einkristallblock 44 gezüchtet und in der Reihenfolge eines Halsabschnitts 44a, eines Schulterabschnitts 44b und eines Hauptstababschnitts 44c entnommen. Wenn der Kristall wächst, verringert sich der Pegel der Schmelze 42. Jedoch wird neuer Siliziumwerkstoff 46 in Granulatform kontinuierlich in den Ringraum durch das Zuführrohr 40 eingeführt und somit wird der Werkstoff im Doppeltiegel 14 erneuert, so daß der Pegel der Schmelze im wesentlichen konstant bleibt.
Beim beschriebenen Vorgang wird eine große Wärmemenge während des Schmelzens der Charge, die anfangs im Doppeltiegel 14 enthalten ist, diesem zugeführt. Falls der Verstärkungsring 24 nicht vorgesehen wäre, würde der obere Abschnitt des inneren Tiegelelements 18 einwärts und abwärts desselben wellenformig in der Zeichenebene verformt. In der vorstehend beschriebenen Vorrichtung ist jedoch dank der Anordnung des Graphit-Verstärkungsrings 24 das innere Tiegelelement 18 keiner derartigen Verformung ausgesetzt. Die Anordnung eines derartigen Rings 24 ist sehr einfach, aber sehr effektiv zur Erhöhung der Festigkeit des inneren Tiegelelements 18 während des Betriebs. Ferner hat der Graphitring 24 einen zusätzlichen, anschließend beschriebenen Vorteil. Die Siliziumschmelze 42 wirkt nämlich auf den Quarztiegel ein und es wird flüchtiges Siliziummonoxid während des Betriebs erzeugt. Wäre kein derartiger Ring vorgesehen, so würde sich Siliziummonoxiddampf wahrscheinlich auf dem oberen Ende des inneren Tiegelelements abscheiden, da das obere Ende verhältnismäßig kalt und beträchtlich abgegradet ist, obgleich es abgeschrägt ist. Das somit auf dem oberen Ende des inneren Tiegelelements abgeschiedene Siliziummonoxid kann infolge seines eigenen Gewichts oder der im Ofen vorhandenen Argongasströmung in die Schmelze fallen, und kann an der Festkörper-Flüssigkeit-Grenzfläche anhaften, wodurch die Qualität des Einkristalls verschlechtert wird, oder in einigen Fällen eine Bildung eines Polykristalls resultiert. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung reagiert jedoch der Siliziummonoxiddampf, der in Anlage mit dem Graphitring 14 kommt, mit Graphit, um entsprechend der folgenden Substituierungsreaktion Kohlenmonoxidgas zu erzeugen:
2C + SiO → SiC + CO↑
Das somit erzeugte Kohlenmonoxidgas wird niemals am Tiegel abgeschieden, so daß der Einkristallblock hoher Qualität dort gezüchtet werden kann.
Zwar wurde die Erfindung hier in spezifischer Weise dargestellt und beschrieben, doch sind im Lichte der vorstehenden Lehre Modifizierungen und Änderungen möglich. Obgleich beispielsweise bei der vorstehenden Ausführungsform der Ring 24 aus Graphit hergestellt ist, kann er aus einem Übergangsmetall mit hohem Schmelzpunkt gefertigt werden, beispielsweise aus Niob, Molybdän, Tantal und Wolfram, oder aus einem Carbid eines geeigneten Elements aus diesen Metallen. Falls Germaniumblöcke gezüchtet werden, kann auch Stahl oder Nickel verwendet werden. Um jedoch die Schwierigkeiten mit dem Siliziummonoxiddampf zu umgehen, kann Graphit oder Carbid am empfehlenswertesten sein. Insbesondere kann der Ring vorzugsweise aus einem porösen Werkstoff aus Graphit oder Metallcarbid bestehen, um das Auffangen des Siliziummonoxiddampfes zu gewährleisten.
Obgleich ferner bei der vorstehenden Ausführungsform der Verstärkungsring 24 auf dem inneren Tiegelelement einer Bauart befestigt ist, die von der Aufnahmevorrichtung 12 über die Arme 22 gehalten wird, kann er auf einem inneren Tiegelelement gemäß Fig. 1 befestigt sein, bei dem nur das untere Ende fest mit dem äußeren Tiegelelement befestigt ist. Da sich ein derartiges inneres Tiegelelement derart verformen würde, daß es gemäß Fig. 2 geneigt verliefe, würde sein oberer Endabschnitt in eine im wesentlichen elyptische Form verformt werden. Die Anordnung des Verstärkungsrings verhindert jedoch eine derartige Verformung sehr wirksam. Obgleich ferner der Ring bei der Ausführungsform am oberen Ende des inneren Tiegels angeordnet ist, kann er an einem anderen Abschnitt vorgesehen werden. Er sollte jedoch vorzugsweise auf jenem Abschnitt des Quarztiegels angebracht werden, der sich über dem Pegel des geschmolzenen Werkstoffs befindet.
Ferner kann eine Kappe aus Siliziumcarbid oder Quarz auf jedem Arm 22 aufgebracht sein, um den Siliziumwerkstoff an einem Kontakt mit der Oberfläche des Arms zu hindern, der aus Graphit besteht. Um den gleichen Zweck zu erzielen kann der Arm mit einem derartigen Werkstoff überzogen sein.
Ferner kann, obgleich dies durch die Zeichnungen nicht dargestellt ist, ein inneres Tiegelelement mit flachem Boden anstelle des inneren Tiegelelements 18 verwendet werden. Schließlich kann der Doppeltiegel durch einen bekannten einwandigen Tiegel oder einen Mehrwandtiegel mit mehr als zwei Wänden ersetzt werden.
Fig. 4 zeigt schematisch einen derartigen einwandigen Tiegel, bei dem ein Verstärkungsring 50 aus einem Werkstoff, wie beispielsweise Graphit, Metallcarbid und dergleichen, auf einem oberen Ende 52a der Umfangswand eines Tiegels 52 befestigt ist. Ferner kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch bei einem chargenweise arbeitenden Verfahren eingesetzt werden, obgleich bei dem chargenweise arbeitenden Verfahren der Tiegel während der Kristallzüchtung allmählich angehoben werden muß, um eine im wesentlichen fest liegende Kristallisierungsfront aufrecht zu erhalten.

Claims

1. Vorrichtung zum Schmelzen eines Halbleiterwerkstoffes und zum Züchten eines Halbleiterkristalls aus der Schmelze, die eine Aufnahmevorrichtung umfaßt, einen in der Aufnahmevorrichtung untergebrachten Quarztiegel zur Aufnahme des Halbleiterwerkstoffes, und eine Heizvorrichtung, die derart angeordnet ist, daß sie die Aufnahmevorrichtung zum Erhitzen des im Tiegel enthaltenen Halbleiterwerkstoffes umgibt;

dadurch gekennzeichnet, daß

mindestens ein Verstärkungsring der nicht-einstückig mit dem Quarztiegel gefertigt ist, auf dem Quarztiegel derart angeordnet ist, daß eine Umfangsfläche des Rings an die Innenumfangsfläche des oberen Ende des Tiegels angepaßt ist.

2. Vorrichtung zum Züchten eines Halbleiterkristalls nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (24, 50) an jenem Abschnitt des Quarztiegels (14, 52) angeordnet ist, der sich oberhalb eines Pegels des geschmolzenen Werkstoffs befindet.

3. Vorrichtung zum Züchten eines Halbleiterkristalls nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (24, 50) an einem oberen Ende des Quarztiegels (14, 52) angeordnet ist.

4. Vorrichtung zum Züchten eines Halbleiterkristalls nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsring (24) einen im wesentlichen L-förmigen Querschnitt hat, mit einem Paar sich gegenüberliegender, im Winkel zueinander hin konvergierender Umfangsflächen, der Ring auf dem oberen Ende des Tiegels eingepaßt ist, wobei eine der Umfangsflächen auf einer oberen Stirnseite desselben aufliegt und die andere Umfangsfläche an eine Innenumfangsfläche des Tiegels angepaßt ist.

5. Halbleiterkristallzüchtungsvorrichtung nach irgendeinem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (24, 50) aus einem Werkstoff gefertigt ist, der aus Graphit, Carbid, Niob, Molybdän, Tantal und Wolfram ausgewählt ist.

6. Halbleiterkristallzüchtungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (24, 50) aus einem porösen Werkstoff besteht.

7. Halbleiterkristallzüchtungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel (14) ein äußeres Tiegelelement (16) enthält, das in der Aufnahmevorrichtung (12) aufgenommen und von ihr gehalten wird, und ein inneres Tiegelelement (18), das innerhalb des äußeren Tiegelelements (16) derart angeordnet ist, daß eine Mehrwandanordnung gebildet wird, und der Ring (24) auf dem inneren Tiegelelement (18) angeordnet ist.

8. Halbleiterzüchtungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Tiegelelement (18) eine Ringform hat und ferner eine Anzahl Halteelemente (22), wovon jedes ein Ende aufweist, das fest mit der Aufnahmevorrichtung (12) verbunden ist und das andere Ende fest mit dem inneren Tiegelelement (18) verbunden ist, so daß das innere Tiegelelement (18) von der Aufnahmevorrichtung (12) durch die Halteelemente (22) g nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Tiegelelement (18) eine Ringform hat und ferner eine Anzahl Halteelemente (22), wovon jedes ein Ende aufweist, das fest mit der Aufnahmevorrichtung (12) verbunden ist und das andere Ende fest mit dem inneren Tiegelelement (18) verbunden ist, so daß das innere Tiegelelement (18) von der Aufnahmevorrichtung (12) durch die Halteelemente (22) gehalten wird.