DE3878990T2

DE3878990T2 - Vorrichtung und verfahren zur zuechtung von kristallen aus halbleitermaterialien.

Info

Publication number: DE3878990T2
Application number: DE8888108790T
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Arai; Michio Kida; Kensho Sahira
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1987-06-01
Filing date: 1988-06-01
Publication date: 1993-09-02
Anticipated expiration: 2008-06-02
Also published as: DE3878990D1; CA1305909C; US4936949A; EP0293865B1; EP0293865A1; US5009862A

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen und Verfahren zum Züchten von Kristallen aus Halbleitermaterialien, z.B. zur Verwendung beim Herstellen von integrierten Schaltkreis-Einheiten und Solarzellen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf solche Vorrichtungen und Verfahren, die gemäß einer Czochralski-Technik arbeiten, welche einen Quarz- Schmelztiegel einer mehrwandigen Art verwendet.

Stand der Technik

Bei einer diskontinuierlich arbeitenden Vorrichtung zum Züchten von Siliziumeinkristallstangen nimmt die Menge einer in einem Quarzschmelztiegel enthaltenen Siliziumschmelze während des Wachstums des Kristalls ab. Dadurch ist die Güte in Längsrichtung der durch die Vorrichtung dieser Art erhaltenen kristallinen Stange nicht gleichförmig. Insbesondere hängt die Sauerstoff-Konzentration im Kristall von der Menge des in der Siliziumschmelze gelösten Sauerstoffs ab und ändert sich dadurch bei Veränderung der Siliziumschmelze im Quarz-Schmelztiegel. Da die Menge der Schmelze sich ändert, schwankt außerdem die Wärmeverteilung im Ofen und die Konvektion in der Schmelze verändert sich, so daß sich die Kristallisationsfront verändert. Weiter werden Dotierungsstoffe wie Phosphor, Bor und Antimon im allgemeinen der Schmelze zugegeben, um die elektrische Leitfähigkeit des Einkristalls zu steuern. Da die Entmischungskonstante derartiger Fremdstoffe jedoch nicht gleich 1 ist, ändert sich während des Wachstums des Kristalls die Konzentration der Dotierungsstoffe im Kristall.
Die Güte der Einkristallstange ändert sich so in ihrer Längsrichtung, so daß es daher nur ein Teil der Stange war, der eine gewünschte Güte besitzt. Zudem ist die Leistungsfähigkeit eines derartigen diskontinuierlich arbeitenden Verfahrens niedrig gewesen.
Der Weg zur Beseitigung der obigen Nachteile liegt in der Verwendung einer hier vorgeschlagenen Vorrichtung einer kontinuierlich arbeitenden Art, bei welcher die Einkristallstange gezüchtet wird, während der Quarzschmelztiegel mit einem Material beschickt wird. Das US-Patent No. 2,892,739 oder die japanische Patentanmeldung mit der A-Offenlegungsschrift No. 61- 36197 beschreiben eine derartige Vorrichtung, die den einfachsten Aufbau aufweist und von der Kombination eines Doppel- Schmelztiegels mit dem kontinuierlichen Beschicken des Materials in Form von Pulvern, Stücken oder Granulaten Verwendung macht.
Die obige Vorrichtung der kontinuierlich arbeitenden Art weist jedoch die folgenden Schwierigkeiten auf. Obwohl die Temperatur der Silizium-Schmelze oberhalb 1420º C liegt, beginnt der Quarz, aus welchem der Schmelztiegel hergestellt ist, bei einer Temperatur von ungefähr 1100º C sich zu erweichen. Obwohl der von einer Graphit-Aufnahme gehaltene äußere Schmelztiegel sich gegenüber seiner ursprünglichen Gestalt nicht so stark verformt, ist dadurch jedoch der innere Schmelztiegel einer starken Verformung unterworfen, da er nicht ausreichend gestützt wird, so daß das Züchten des Einkristalls nachteilig beeinflußt wird.
Besonders in einem Anfangsstadium des Zug-Zyklus muß dem Schmelztiegel eine große Wärmemenge zugeführt werden, um das in den Schmelztiegel eingebrachte Material zu schmelzen, und die Temperatur im Ofen erreicht zu diesem Zeitpunkt das Maximum. Die Verformung des inneren Schmelztiegels wird daher in dieser Zeit am größten. Die Figuren 1 bis 4 der beigefügten Zeichnungen veranschaulichen in schematischer Weise herkömmliche Vorrichtungen, deren jede eine doppelte Quarz-Schmelztiegelanordnung 100 aufweist, die in einer Aufnahme 102 angeordnet ist und einen inneren und einen äußeren Schmelztiegel 100a und 100b sowie eine Widerstandsheizvorrichtung 104 einschließt, welche so angeordnet ist, daß sie die Schmelztiegelanordnung 100 umgibt. Die Doppelschmelztiegelanordnung 100 wird, wie in den Figuren 1 und 3 gezeigt, mit einer Charge aus Siliziummaterial 106 gefüllt, und die Charge durch die Heizvorrichtung 104 erhitzt, bis sie vollständig geschmolzen ist. Jedoch wird jeder innere Schmelztiegel 100a, wie in den Figuren 2 und 4 gezeigt, beim Schmelzen des Siliziummaterials einer Verformung unterworfen.
Da Quarz zum zweiten eine hohe Wärmedämmwirkung besitzt, ist die Temperatur auf der Innenseite des inneren Schmelztiegels niedriger als auf dessen Außenseite. Dies kann während des Wachstums von Kristallen vorteilhaft sein, da das zwischen den inneren und äußeren Schmelztiegel zugegebene Material wirkungsvoll geschmolzen werden kann, es ist es jedoch nachteilig, wenn das ursprünglich in den Schmelztiegel gegebene Siliziummaterial geschmolzen wird, da der innere Schmelztiegel selbst verhindert, daß die von der Heizvorrichtung erzeugte Wärme in sein Inneres übertragen wird, so daß der Wirkungsgrad des Schmelzvorgangs verringert wird. Würde man die dem Material zugeführte Wärmemenge erhöhen, um die für den Schmelzvorgang erforderliche Zeit zu verringern, würde der innere Schmelztiegel einer zu starken Verformung unterworfen.
Weiter wurde in der japanischen Patentanmeldung, A-Offenlegungsschrift No. 55-47300 eine Vorrichtung, wie in Figur 5 dargestellt, vorgeschlagen, bei welcher der innere Schmelztiegel 100a über eine Halterung 110 starr an einem festen Teil 108 befestigt ist. Jedoch weist eine derartige Vorrichtung die Nachteile auf, daß der innere Schmelztiegel 100a nicht zusammen mit dem äußeren Schmelztiegel 100b gedreht werden kann. Zum Züchten einer Einkristall-Stange muß der Schmelztiegel im allgemeinen mit einer Drehgeschwindigkeit zwischen 5 und 10 Upm gedreht werden. Ohne eine derartige Drehung kann die Bildung von Einkristallen schwierig sein.
In Verbindung mit der Verwendung des Doppelschmelztiegels offenbart die japanische Patentanmeldung, A-Offenlegungsschrift No. 58-204895 eine Vorrichtung, welche einen Mechanismus umfaßt, der bewirkt, daß der innere Schmelztiegel gedreht sowie auf- und abwärts bewegt werden kann. Jedoch besitzt die Vorrichtung die Nachteile, daß sie selbst sehr große Abmessungen und einen komplizierten Aufbau besitzt und dadurch sehr teuer ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher ein erstes Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Züchten von Halbleiterkristallen bereitzustellen, bei welchen ein Verformen eines inneren Schmelztiegels während des Schmelzens des Materials im Voraus verhindert werden kann.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, welche den Wirkungsgrad des Schmelzvorgangs ausreichend hoch aufrechterhalten können.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine derart verbesserte Vorrichtung bereitzustellen, welche einen einfacheren Aufbau aufweist und es erlaubt, den inneren Schmelztiegel während des Wachstums des Kristalls zu drehen, so daß ein Einkristall gleichmäßig gezüchtet werden kann.
Die Ziele der Erfindung werden durch eine Vorrichtung zum Schmelzen eines Halbleitermaterials und zum Züchten eines Halbleiterkristalls aus dem geschmolzenen Material gelöst, welche umfaßt: eine Aufnahme mit einem äußeren Rand; eine aus Quarz hergestellte Schmelztiegelanordnung, um das Halbleitermaterial darin aufzunehmen, wobei die besagte Schmelztiegelanordnung einen in der besagten Aufnahme untergebrachten und von dieser gehaltenen äußeren Schmelztiegel und einen innerhalb des besagten äußeren Schmelztiegels lösbar eingesetzten inneren Schmelztiegel einschließt, so daß eine mehrwandige Anordnung definiert wird; Flüssigkeitsdurchlaßmittel, um es dem geschmolzenen Material zu erlauben, zwischen dem besagten inneren Schmelztiegel und dem besagten äußeren Schmelztiegel zu fließen, wenn die mehrwandige Anordnung durch den besagten inneren Schmelztiegel und den besagten äußeren Schmelztiegel definiert ist; eine Heizvorrichtung zum Erhitzen des in der besagten Schmelztiegelanordnung enthaltenen Halbleitermaterials, die so angeordnet ist, daß sie die besagte Aufnahme umgibt; eine Halterung zum Halten des besagten inneren Schmelztiegels, die so angeordnet ist, daß sie in vertikaler Richtung bewegbar ist; Antriebsmittel, die so betätigbar sind, daß das besagte Haltemittel und/oder die besagte Aufnahme in vertikaler Richtung bewegt werden; und eine Drehvorrichtung, um die Aufnahme zu drehen; dadurch gekennzeichnet, daß die besagte Aufnahme ein am äußeren Rand gebildetes Auflagerteil einschließt, um die besagte Halterung lösbar zu tragen, daß mindestens ein oberhalb der besagten Aufnahme fest angeordnetes Haltebauteil vorgesehen ist, um die besagte Halterung lösbar zu halten, und daß die besagte Halterung zwischen einer unteren Stellung, in der die besagte Halterung so auf dem besagten Auflagerteil der besagten Aufnahme aufgenommen wird, daß der besagte, von der besagten Halterung gehaltene innere Schmelztiegel mit dem besagten äußeren Schmelztiegel zusammenwirkt, um die mehrwandige Anordnung zu definieren, und die besagte mehrwandige Anordnung mit der besagten Aufnahme drehbar ist, und einer oberen Stellung, in der die besagte Halterung auf dem besagten Haltebauteil gehalten wird, so daß der besagte, von der besagten Halterung gehaltene innere Schmelztiegel von dem besagten äußeren Schmelztiegel gelöst ist, bewegbar ist.
Die Ziele der Erfindung werden weiter durch ein Verfahren zum Schmelzen eines Halbleitermaterials und zum Züchten eines Halbleiterkristalls aus dem geschmolzenen Material gelöst, welches die Schritte umfaßt: (a) Bereitstellen einer Vorrichtung zum Züchten von Kristallen, umfassend eine Aufnahme, eine Schmelztiegelanordnung aus Quarz, die einen in der besagten Aufnahme angeordneten und von dieser gehaltenen äußeren Schmelztiegel und einen inneren Schmelztiegel einschließt, der so angepaßt ist, daß er derart innerhalb des besagten äußeren Schmelztiegels einsetzbar ist, daß eine mehrwandige Anordnung definiert wird, und Flüssigkeitsdurchlaßmittel, die es dem geschmolzen Material erlauben, zwischen dem besagten inneren und äußeren Schmelztiegel zu fließen, wenn die mehrwandige Anordnung durch den besagten inneren und äußeren Schmelztiegel definiert ist; (b) Beschicken der besagten Schmelztiegelanordnung mit dem Halbleitermaterial; (c) anschließendes Erhitzen der besagten Schmelztiegelanordnung, um dadurch das darin befindliche Halbleitermaterial zu schmelzen; (d) anschließendes Eintauchen eines Impfkristalls in die Schmelze in der besagten Schmelztiegelanordnung und Zurückziehen des besagten Impfkristalls aus der besagten Schmelze unter Drehen der besagten Schmelztiegelanordnung mit einer vorgegebenen Drehzahl, um dadurch den Halbleiterkristall zu züchten, gekennzeichnet durch die Schritte: Lösen des besagten inneren Schmelztiegels von dem besagten äußeren Schmelztiegel vor dem besagten Beschickungsschritt (b), Beschicken ausschließlich des besagten äußeren Schmelztiegels mit dem Halbleitermaterial bei dem besagten Beschickungsschritt (b), Zusammenkoppeln des besagten inneren und äußeren Schmelztiegels, um die mehrwandige Anordnung zwischen dem besagten Schmelzschritt (c) und dem besagten Zurückziehschritt (d) zu definieren, wodurch bewirkt wird, daß das in dem besagten Schmelzschritt (c) geschmolzene Halbleitermaterial in den besagten inneren Schmelztiegel fließt, und Drehen der besagten mehrwandigen Anordnung während der besagten Schmelz- (c) und Zurückziehschritte (d).

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine herkömmliche Vorrichtung zum Züchten von Kristallen zeigt;
Fig. 2 ist eine ähnliche Ansicht wie Fig. 1, zeigt jedoch, wie ein innerer Schmelztiegel derselben verformt ist;
Fig. 3 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine weitere herkömmliche Vorrichtung zum Züchten von Kristallen zeigt;
Fig. 4 ist eine ähnliche Ansicht wie Fig. 3, zeigt jedoch, wie ein innerer Schmelztiegel derselben verformt ist;
Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht eines Teils einer weiteren herkömmlichen Vorrichtung zum Züchten von Kristallen;
Fig. 6 ist eine senkrechte Querschnittsansicht einer gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellten Vorrichtung zum Züchten von Kristallen;
Fig. 7 ist eine der Fig. 6 ähnliche Ansicht, zeigt jedoch eine gelöste Stellung, in der eine Halterung von einer Aufnahme gelöst ist;
Fig. 8 ist eine Draufsicht auf eine Halteplatte;
Fig. 9 ist eine Draufsicht auf eine Halterung;
Fig. 10 ist eine Querschnittsansicht der Halterung entlang der Linie X-X in Fig. 9;
Fig. 11 ist eine Draufsicht auf einen Verbindungsring;
Fig. 12 ist eine Querschnittsansicht des Rings entlang der Linie XII - XII in Fig. 11;
Fig. 13 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Rings, in der von den Pfeilen XIII - XIII in Fig. 11 angezeigten Richtung gesehen;
Fig. 14 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Teils einer veränderten Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 15 ist eine schematische Querschnittsansicht einer weiteren veränderten Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG

Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Figuren 6 bis 15 der beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei zum Bezeichnen gleicher Teile oder Bauelemente in mehreren Ansichten dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
Bezugnehmend auf die Figuren 6 bis 13 wird dort eine Vorrichtung zum Züchten einer Siliziumeinkristallstange aus einer Schmelze veranschaulicht. Die Vorrichtung umfaßt eine in einem Ofen (nicht dargestellt) angeordnete wärmedämmende Umhüllung 10, eine innerhalb der wärmedämmenden Umhüllung 10 untergebrachte Aufnahme oder Tragschüssel 12 aus Graphit, eine Schmelztiegelanordnung oder einen Doppelschmelztiegel 14, bestehend aus einem äußeren und einem inneren Schmelztiegel 16 und 18, einer Graphithalterung 20 zum Halten des inneren Schmelztiegels 18 und einer Heizeinrichtung in Form einer Widerstandsheizung 21, die so innerhalb der Umhüllung 10 angeordnet ist, daß sie die Graphit-Aufnahme 12 umgibt. Die Aufnahme 12 weist die Gestalt einer tiefen Schale mit einer ausreichenden Wandstärke auf und besitzt eine auf ihrem oberen Rand gebildete randseitige Auflageroberfläche 12a, wobei die Auflageroberfläche 12a radial nach innen und unten geneigt ist. Der äußere Schmelztiegel 16 besitzt ebenfalls die Gestalt einer tiefen Schale und ist innerhalb der Aufnahme 12 angeordnet und von dieser gehalten, wobei seine äußere Oberfläche gegen eine innere Oberfläche der Aufnahme 12 anliegt. Die innere Aufnahme 18 ist von einer zylindrischen Gestalt mit einem kleineren Durchmesser als der äußere Schmelztiegel 16 und schließt eine Mehrzahl von durch sie hindurchgehenden und in der Nachbarschaft ihres unteren Endes angeordneten Öffnungen oder Flüssigkeitsdurchlässen 18a ein. Solche Öffnungen 18a erlauben das Fließen von geschmolzenem Material aus einem ringförmigen, zwischen den den inneren und äußeren Schmelztiegel 16 und 18 umgebenden Wänden eingeschlossenen Raum in den inneren Schmelztiegel 18 bzw. aus dem inneren Schmelztiegel 18 in den ringförmigen Raum. Der innere Schmelztiegel 18 schließt weiter eine Mehrzahl von auf seiner äußeren Randoberfläche als Einheit mit dieser in radialer Richtung nach außen überstehenden, in Umfangsrichtung in gleichem Abstand voneinander und an sein oberes Ende angrenzend gebildeten Rippenteilen 18b ein.
Wie am besten in den Figuren 9 und 10 dargestellt, ist die Halterung 20 von einer allgemein zylindrischen Gestalt mit einem gleichförmigen Durchmesser und ist mit einer Mehrzahl von radial nach außen überstehenden, auf ihrem oberen Ende als Einheit mit diesem gebildeten Zungen oder Eingriffsteilen 20a, sowie einer Mehrzahl von sich radial nach innen erstreckenden, an ihrem unteren Ende als Einheit mit diesem gebildeten Armen 20b versehen. Die Halterung 20 ist um den inneren Schmelztiegel 18 herum angeordnet und durch einen Verbindungsring 22 an diesem befestigt, und so angepaßt, daß sie durch eine ringförmige Halteplatte oder -bauteil 24 von der wärmedämmenden Umhüllung 10 gehalten werden kann. Der Verbindungsring 22 besitzt, wie in den Figuren 11 und 12 dargestellt, eine Mehrzahl darin angeordneter oberer und unterer Einschnitte 22a und 22b und ist in einer solchen Weise um den inneren Schmelztiegel 18 herum angeordnet, daß die Rippenteile 18b des inneren Schmelztiegels 18 jeweils durch die oberen Einschnitte 22a eingesetzt werden. Und, mit in die unteren Einschnitte 22b des Verbindungsrings 22 eingesetzten inneren Enden der Arme 20b ist die Halterung 20 fest mit dem inneren Schmelztiegel 18 verbunden.
Die ringförmige Halteplatte 24, wie in Fig. 8 dargestellt, schließt eine Mehrzahl von radial nach innen überstehenden, in Umfangsrichtung in gleichen Abständen voneinander auf ihrem inneren Rand gebildeten Halteteilen 24a ein, und ist auf dem oberen Ende der wärmedämmenden Umhüllung 10 angeordnet und fest mit diesem verbunden. Die Halteplatte 24 ist so ausgelegt, daß ein gedachter Kreis, auf welchem die jeweiligen inneren Enden der Halteteile 24a liegen, im Durchmesser kleiner ist als ein gedachter Kreis, auf welchem die jeweiligen äußeren Enden der Eingriffsteile 20a der Halterung 20 liegen, wobei jedoch der innere Umfang der Halteplatte einen größeren Durchmesser aufweist als die Halterung 20. Bei diesem Aufbau kann die den inneren Schmelztiegel 18 tragende Halterung 20 von der Halteplatte 24 gehalten werden, wobei die Eingriffsteile 20a jeweils auf den Halteteilen 24a liegen und kann auch von der Halteplatte 24 gelöst oder aus dieser ausgerückt und vertikal durch sie hindurch bewegt werden.
Weiter schließt die Halterung 20 eine an ihrem unteren Ende gebildete und darauf nach innen und unten geneigte Positionier-Umfangsfläche 20e ein, und ist so angepaßt, daß sie von der Aufnahme 12 fest aufgenommen wird, wobei die geneigte Positionieroberläche 20e passend auf der Auflageroberfläche 12a der Aufnahme 12 aufliegt. Wie am besten in Fig. 6 dargestellt ist, berührt, wenn die Halterung 20 auf der Aufnahme 12 aufliegt, das untere Ende des inneren Schmelztiegels 18 die innere Oberfläche des äußeren Schmelztiegels 16.
Die Aufnahme 12 ist auf einem Sockel 26 montiert, der auf einer Welle 28 angeordnet ist, die antreibbar mit einem Hauptantriebsmechanismus 30 verbunden ist, der während des Betriebs die vertikale Bewegung und die axiale Drehung der Welle 28 zuläßt. Ein derartiger Hauptantriebsmechanismus 30 ist herkömmlicherweise auch in einer Vorrichtung zum Züchten von Kristallen nach dem Stand der Technik vorgesehen, und dank dieses Mechanismus kann die Aufnahme 12 in vertikaler Richtung zwischen einer gekoppelten Stellung, in welcher die Halterung 20 von der Aufnahme 12 so gehalten wird, daß der innere Schmelztiegel 18 innerhalb des äußeren Schmelztiegels 16 angeordnet ist und einer gelösten Stellung, in welcher die Halterung 20 aus der Aufnahme 12 ausgerückt ist, so daß der innere Schmelztiegel 18 aus dem äußeren Schmelztiegels 16 entfernt ist, bewegt werden.
Weiter ist ein Kristall-Zug-Mechanismus 32 einer herkömmlichen Art vorgesehen, welcher einen Zugdraht 34, daran befestigte Haltemittel 36 zum Halten eines Impfkristalls 38 und eine Antriebsvorrichtung (nicht dargestellt) zum Ziehen und Drehen des Drahtes 34 umfaßt. Bei der veranschaulichten Ausführungsform wird der Draht wie üblich in einer der Drehrichtung des Doppelschmelztiegels 14 entgegengesetzten Richtung gedreht.
Wie in den Figuren 6 und 7 dargestellt, ist weiter ein Zuführrohr 39 zum Beschicken des zwischen den äußeren Wänden des äußeren und inneren Schmelztiegels 16 und 18 eingeschlossenen ringförmigen Raums mit einem neuen Siliziummaterial vorgesehen, und eine aus einem Material wie beispielsweise Graphit, Quarz und Siliziumkarbid hergestellte zylindrische Wand 40 ist auf dem Verbindungsring 22 montiert, um zu verhindern, daß das durch das Zuführrohr 39 zugegebene Siliziummaterial während des Wachstums des Einkristalls unmittelbar in die Schmelze im inneren Schmelztiegel 18 fällt. Zusätzlich ist der untere Teil der inneren Randoberfläche der Halterung 20 mit einer aus Quarz hergestellten zylindrischen Wand 42 ausgekleidet, welche verhindern soll, daß das Siliziummaterial die innere Oberfläche der aus Graphit hergestellten Halterung 20 berührt. Aus dem gleichen Grund kann jeder Arm 20b der Halterung 20 mit Siliziumkarbid oder dergleichen verkleidet oder eine Abdeckung aus einem derartigen Material darauf angebracht sein.
Das verbesserte Verfahren der vorliegenden Erfindung kann zweckdienlicherweise in der oben beschriebenen Vorrichtung wie folgt ausgeführt werden. Im Betrieb wird die Halterung 20, wie durch A in Fig. 7 gekennzeichnet, im Voraus auf der Halteplatte 24 angeordnet, so daß der innere Schmelztiegel 18 oberhalb des äußeren Schmelztiegels 16 abgesetzt wird. Andererseits wird die Aufnahme 12 in einem unteren Teil der Heizeinrichtung 24 angeordnet, um das wirkungsvolle Schmelzen des Siliziummaterials sicherzustellen. In einer derartigen Lage wird der äußere Schmelztiegel 16 mit einer Beladung aus polykristallinem Siliziummaterial gefüllt. Dann wird die Luft im Ofen vollständig durch gasförmiges Argon ersetzt und der Heizeinrichtung 2 l eine elektrische Leistung zugeführt, um die Temperatur im Ofen zu erhöhen. Dadurch wird die Beladung auf eine vorgeschriebene Temperatur erhitzt und wird, wie durch das Bezugszeichen 44 dargestellt, schmelzflüssig. Nachdem das Siliziummaterial vollständig geschmolzen ist, wird die Hauptantriebsvorrichtung 30 in Gang gesetzt, wodurch bewirkt wird, daß sich die Welle 28 und somit die Aufnahme 12 nach oben bewegen, um die Auflageroberläche 12a der Aufnahme 12 in Tragkontakt mit der Positionieroberfläche 20e der Halterung 20 zu bringen, bis die Halterung 20, wie durch B in Fig. 7 gekennzeichnet, über die Halteplatte 24 angehoben wird, wobei die Eingriffsteile 20a aus dieser entfernt werden. Danach wird die Aufnahme 12 von der Antriebsvorrichtung 30 ein wenig um ihre Achse gedreht und in einer Winkelstellung angehalten, in welcher die Vertikalbewegung der Halterung 20 durch die Halteplatte 24 ermöglicht wird. Danach wird veranlaßt, daß sich die Aufnahme 12 nach unten bewegt, so daß der Doppelschmelztiegel 14, wie in Fig. 6 gezeigt, in einer angemessenen Stellung angeordnet ist.
Anschließend wird die Temperatur der Siliziumschmelze 44 im Doppelschmelztiegel 14 in optimaler Weise durch die Heizeinrichtung 21 geregelt und in üblicher Weise mit der Züchtung einer Einkristall-Stange begonnen. Während der Doppelschmelztiegel 14 mit einer vorgeschriebenen Geschwindigkeit gedreht wird, wird nämlich der Impfkristall 38 abgesenkt und mit der Oberfläche der Schmelze 44 in Berührung gebracht, bis sich der Kristall um den Keim zu bilden beginnt, zu welchem Zeitpunkt der Impfkristall 38 unter Drehen mit einer vorgeschriebenen Geschwindigkeit zurückgezogen wird. Dadurch wird eine Einkristall-Stange 48 mit einem Halsteil 48a, einem Schulterteil 48b und einem Stangenhauptteil 48c in dieser Reihenfolge gezüchtet. Mit dem Wachsen des Kristalls sinkt der Spiegel der Schmelze 44 ab. Jedoch wird, wie in Fig. 6 gezeigt, neues Siliziummaterial 46 in Granulatform kontinuierlich durch das Zuführrohr 39 in den ringförmigen Raum eingebracht und somit das Material im Doppelschmelztiegel 14 ergänzt, so daß der Schmelzspiegel im wesentlichen konstant bleibt.
Wie oben beschrieben, wird bei dem verbesserten Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung der innere Schmelztiegel 18 in einer vorgeschriebenen Stellung abgestellt, wenn das in den äußeren Schmelztiegel 16 eingefüllte Siliziummaterial erhitzt und geschmolzen wird. Obwohl während des Schmelzens des Materials dem Schmelztiegel eine große Wärmemenge zugeführt wird, wird dementsprechend der innere Schmelztiegel 18, der bis jetzt einer übermäßigen Verformung unterworfen war, kaum erhitzt, wodurch er nun weniger anfällig für eine Verformung ist.
Bei der bekannten Vorrichtung ändert sich zudem während jedem Arbeitsablauf die zum Schmelzen der ursprünglichen Materialbeladung erforderliche Zeit, so daß damit auch der Grad der Verformung des inneren Schmelztiegels bei jedem Arbeitsablauf unterschiedlich war. Bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung wird jedoch der Grad der Verformung des inneren Schmelztiegels konstant gehalten, und folglich kann ein Silizium-Einkristall mit einer gleichbleibenden Güte gleichmäßig gezüchtet werden. Weil außerdem der innere Schmelztiegel, dessen Wärmeleitfähigkeit gering ist, beim Schmelzen der ursprünglichen Materialbeladung nicht innerhalb des äußeren Schmelztiegels angeordnet ist, kann die Materialbeladung wirkungsvoll aufgeschmolzen werden, so daß die zum Schmelzen erforderliche Zeit beträchtlich verringert und dadurch die Leistungsfähigkeit deutlich verbessert werden kann.
Überdies wird ein Antriebsmechanismus, mit welchem die Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik ausgerüstet ist, verwendet, um die Aufnahme wie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erforderlich zu bewegen, so daß folglich die erfindungsgemäße Vorrichtung einfach aufgebaut ist und leicht überholt werden kann.
Während die vorliegende Erfindung hier konkret gezeigt und beschrieben worden ist, sind angesichts der obigen Lehren viele Abweichungen und Änderungen möglich. Obwohl die Halterung 20 zum Beispiel in der obigen Ausführungsform so angepaßt ist, daß sie von der starr an der wärmedämmenden Umhüllung 10 befestigten Halteplatte lösbar gehalten wird, kann sie auch, wie in Fig. 14 dargestellt, von einer Mehrzahl länglicher, L-förmiger, an einem Schulterteil eines Ofens 52 aufgehängter Trägerbauteile 50 lösbar gehalten werden. Derartige Trägerbauteile können durch ein einziges ringförmiges Bauteil ersetzt werden. Zusätzlich kann, wie in Fig. 15 schematisch dargestellt, an Stelle des zylindrischen inneren Schmelztiegels 18 ein innerer Schmelztiegel 54 mit einem flachen Boden verwendet werden. Weiter kann an Stelle der oben genannten Halterung eine modifizierte Halterung, wie z.B. diejenige, die mit dem Bezugszeichen 56 bezeichnet ist, verwendet werden, und zum Bewegen des inneren Schmelztiegels können Mittel, wie beispielsweise die mit dem Bezugszeichen 58 bezeichneten, vorgesehen sein. In dem Fall, wo derartige Mittel 58 vorgesehen sind, können sowohl die Aufnahme und der innere Schmelztiegel zum Bewegen zwischen dem gekoppelten und dem gelösten Zustand gleichzeitig angetrieben werden. Außerdem kann die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung auch bei einem diskontinuierlichen Verfahren anwendbar sein. Jedoch muß beim diskontinuierlichen Verfahren der Doppelschmelztiegel während des Kristallwachstums angehoben werden, um eine im wesentlichen feststehende Kristallisationsfront beizubehalten. Weiter kann der Doppelschmelztiegel durch einen vielwandigen Schmelztiegel mit mehr als zwei Wänden ersetzt werden. Die im inneren Schmelztiegel gebildeten Öffnungen können durch im unteren Rand des inneren Schmelztiegels gebildete Einschnitte ersetzt werden, oder der zylindrische innere Schmelztiegel so eingesetzt werden, daß sein unteres Ende einen geringen Abstand vom Boden des äußeren Schmelztiegels aufweist und einen Randspalt begrenzt, der als Flüssigkeitsdurchlaß dient, um das Innere des inneren Schmelztiegels mit dem zwischen dem inneren Schmelztiegel und der äußeren Wand des äußeren Schmelztiegels eingeschlossenen Ringraum zu verbinden.

Claims

1. Eine Vorrichtung zum Schmelzen eines Halbleitermaterials und Züchten eines Halbleiterkristalls aus dem geschmolzenen Material, umfassend:

eine Aufnahme (12) mit einem äußeren Rand;

eine aus Quarz hergestellte Schmelztiegelanordnung (14), um das Halbleitermaterial darin aufzunehmen, wobei die besagte Schmelztiegelanordnung (14) einen in der besagten Aufnahme (12) untergebrachten und von dieser gehaltenen äußeren Schmelztiegel (16) und einen innerhalb des besagten äußeren Schmelztiegels (16) lösbar eingesetzten inneren Schmelztiegel (18, 54) einschließt, so daß eine mehrwandige Anordnung definiert wird;

Flüssigkeitsdurchlaßmittel (18a), um es dem geschmolzenen Material zu erlauben, zwischen dem besagten inneren Schmelztiegel (18) und dem besagten äußeren Schmelztiegel (16) zu fließen, wenn die mehrwandige Anordnung durch den besagten inneren Schmelztiegel (18, 54) und den besagten äußeren Schmelztiegel (16) definiert ist;

eine Heizvorrichtung (21) zum Erhitzen des in der besagten Schmelztiegelanordnung (14) enthaltenen Halbleitermaterials, die so angeordnet ist, daß sie die besagte Aufnahme (12) umgibt;

eine Halterung (20) zum Halten des besagten inneren Schmelztiegels (18, 54), die so angeordnet ist, daß sie in vertikaler Richtung bewegbar ist;

Antriebsmittel (30, 58), die so betätigbar sind, daß das besagte Haltemittel und/oder die besagte Aufnahme (12) in vertikaler Richtung bewegt werden; und

eine Drehvorrichtung (28, 30), um die Aufnahme (12) zu drehen;

dadurch gekennzeichnet, daß die besagte Aufnahme (12) ein am äußeren Rand gebildetes Auflagerteil (12a) einschließt, um die besagte Halterung lösbar zu tragen, daß mindestens ein oberhalb der besagten Aufnahme fest angeordnetes Haltebauteil (24, 50) vorgesehen ist, um die besagte Halterung lösbar zu halten, und daß die besagte Halterung zwischen einer unteren Stellung, in der die besagte Halterung so auf dem besagten Auflagerteil (12a) der besagten Aufnahme (12) aufgenommen wird, daß der besagte, von der besagten Halterung (20) gehaltene innere Schmelztiegel (18, 54) mit dem besagten äußeren Schmelztiegel (15) zusammenwirkt, um die mehrwandige Anordnung zu definieren, und die besagte mehrwandige Anordnung mit der besagten Aufnahme drehbar ist, und einer oberen Stellung, in der die besagte Halterung (20) auf dem besagten Haltebauteil (24, 50) gehalten wird, so daß der besagte, von der besagten Halterung (20) gehaltene innere Schmelztiegel (18, 54) von dem besagten äußeren Schmelztiegel (16) gelöst ist, bewegbar ist.

2. Eine Vorrichtung zum Züchten von Halbleiterkristallen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte Haltebauteil (24) von ringförmiger Gestalt ist, die eine Mehrzahl von Halteteilen (24a) besitzt, welche derart darauf gebildet sind, daß sie radial nach innen darüber überstehen; wobei die besagte Halterung (20) von einer im allgemeinen ringförmigen Gestalt ist, die eine Mehrzahl von auf einem oberen Ende darauf vorgesehenen Eingriffsteilen (20a) besitzt, wobei die besagte Halterung (20) von dem besagten Haltebauteil (24) lösbar gehalten wird und wobei der besagte Eingriffsteil (20a) jeweils auf den besagten Halteteilen (24a) liegt.

3. Eine Vorrichtung zum Züchten von Halbleiterkristallen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte Auflagerteil (12a) der besagten Aufnahme (12) eine randseitige, bezüglich der besagten Aufnahme (12) nach innen und unten geneigte Auflageroberfläche (12a) besitzt, wobei die besagte Halterung (20) eine auf einem unteren Ende derselben so gebildete Positionieroberfläche (20e) besitzt, daß sie nach innen und unten geneigt ist, und wobei die besagte Positionieroberfläche (20e) der besagten Halterung (20) und die besagte randseitige Auflageroberfläche (12a) der besagten Aufnahme (12) in der besagten gekoppelten Stellung miteinander gepaart sind.

4. Eine Vorrichtung zum Züchten von Halbleiterkristallen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die besagten Antriebsmittel (30) eine Drehvorrichtung zum Drehen der besagten Aufnahme (12) während des Wachstums des Halbleiterkristalls definieren.

5. Eine Vorrichtung zum Züchten von Halbleiterkristallen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner eine Drehvorrichtung zum Drehen der besagten Aufnahme (12) während des Wachstums des Halbleiterkristalls umfaßt.

6. Eine Vorrichtung zum Züchten von Halbleiterkristallen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner eine wärmedämmende Umhüllung (10) umfaßt, die so angeordnet ist, daß sie die besagte Aufnahme (12) umgibt, wobei das besagte Haltebauteil (24) fest mit der besagten wärmedämmenden Umhüllung (10) verbunden ist.

7. Eine Vorrichtung zum Züchten von Halbleiterkristallen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiter einen Ofen umfaßt, in dem die besagte Aufnahme (12), die besagte Schmelztiegelanordnung (14), das besagte Haltemittel und die besagte Heizvorrichtung (21) angeordnet sind, wobei das besagte Haltebauteil (50) fest mit dem besagten Ofen verbunden ist.

8. Eine Vorrichtung zum Züchten von Halbleiterkristallen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der besagte innere Schmelztiegel (18) eine Mehrzahl von radial nach außen überstehenden, auf einer äußeren Randoberfläche desselben gebildeten Rippenteilen (18b) einschließt, wobei besagtes Haltemittel einen Verbindungsring (22) umschließt, der eine Mehrzahl von darin ausgebildeten und um den besagten inneren Schmelztiegel herum derart angepaßten oberen und unteren Einschnitten (22a und 22b) besitzt, daß jeweils die besagten Rippenteile (18b) in die besagten obere Einschnitte (22a) eingesetzt sind, wobei die besagte Halterung (20) eine Mehrzahl von Armen (20b) besitzt, die so am unteren Ende vorgesehen sind, daß sie radial nach innen darüber überstehen, und wobei die besagte Halterung (20) fest mit dem besagten inneren Schmelztiegel (18) verbunden ist, wobei die besagten Arme (20b) jeweils in die besagten unteren Einschnitte (22b) eingesetzt sind.

9. Eine Vorrichtung zum Züchten von Halbleiterkristallen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die besagte Halterung (20) eine zylindrische Wand (42) aus Quarz einschließt, die so in einen inneren Rand derselben eingesetzt und daran befestigt ist, daß mindestens der Teil des inneren Randes bedeckt wird, der an das untere Ende angrenzend angeordnet ist.

10. Eine Vorrichung zum Züchten von Halbleiterkristallen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiter Zuführmittel (39) zum Beschicken des besagten äußeren Schmelztiegels (16) mit einem neuen Halbleitermaterial, und eine auf dem besagten Verbindungsring (22) montierte zylindrische Wand (40) aufweist, um zu verhindern, daß das Material in das geschmolzene Material in dem besagten inneren Schmelztiegel (18, 54) fällt.

11. Eine Vorrichtung zum Züchten von Halbleiterkristallen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der besagte innere Schmelztiegel (18) von einer ringförmigen randseitigen Wand umgrenzt wird.

12. Eine Vorrichtung zum Züchten von Halbleiterkristallen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der besagte innere Schmelztiegel (54) von einem Boden und einer davon ausgehenden ringförmigen randseitigen Wand umgrenzt wird.

13. Ein Verfahren zum Schmelzen eines Halbleitermaterials und Züchten eines Halbleiterkristalls aus dem geschmolzenen Material, umfassend die Schritte:

(a) Bereitstellen einer Vorrichtung zum Züchten von Kristallen, umfassend eine Aufnahme (12), eine Schmelztiegelanordnung (14) aus Quarz, die einen in der besagten Aufnahme (12) angeordneten und von dieser gehaltenen äußeren Schmelztiegel (16) und einen inneren Schmelztiegel (18, 54) einschließt, der so angepaßt ist, daß er derart innerhalb des besagten äußeren Schmelztiegels (16) einsetzbar ist, daß eine mehrwandige Anordnung definiert wird, und Flüssigkeitsdurchlaßmittel (18a), die es dem geschmolzen Material erlauben, zwischen dem besagten inneren und äußeren Schmelztiegel (18,54 und 16) zu fließen, wenn die mehrwandige Anordnung durch den besagten inneren und äußeren Schmelztiegel (18,54 und 16) definiert ist;

(b) Beschicken der besagten Schmelztiegelanordnung (14) mit dem Halbleitermaterial;

(c) anschließendes Erhitzen der besagten Schmelztiegelanordnung (14), um dadurch das darin befindliche Halbleitermaterial zu schmelzen;

(d) anschließendes Eintauchen eines Impfkristalls in die Schmelze in der besagten Schmelztiegelanordnung und Zurückziehen des besagten Impfkristalls aus der besagten Schmelze unter Drehen der besagten Schmelztiegelanordnung mit einer vorgegebenen Drehzahl, um dadurch den Halbleiterkristall zu züchten,

gekennzeichnet durch die Schritte: Lösen des besagten inneren Schmelztiegels (18, 54) von dem besagten äußeren Schmelztiegel (16) vor dem besagten Beschickungsschritt (b), Beschicken ausschließlich des besagten äußeren Schmelztiegels mit dem Halbleitermaterial bei dem besagten Beschickungsschritt (b), Zusammenkoppeln des besagten inneren und äußeren Schmelztiegels, um die mehrwandige Anordnung zwischen dem besagten Schmelzschritt (c) und dem besagten Zurückziehschritt (d) zu definieren, wodurch bewirkt wird, daß das in dem besagten Schmelzschritt (c) geschmolzene Halbleitermaterial in den besagten inneren Schmelztiegel fließt, und Drehen der besagten mehrwandigen Anordnung während der besagten Schmelz- (c) und Zurückziehschritte (d).

14. Ein Kristallzüchtungsverfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß es weiter ein kontinuierliches Beschicken des besagten äußeren Schmelztiegels (16) mit dem Halbleitermaterial in Granulatform in dem besagten Schritt (d) einschließt.