DE4200283C2

DE4200283C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Schleudergießen von Siliziumwafern unter Nachwachsen von Silizium

Info

Publication number: DE4200283C2
Application number: DE4200283A
Authority: DE
Inventors: Franz T Geyling
Original assignee: Sematech Inc
Current assignee: Sematech Inc
Priority date: 1991-01-08
Filing date: 1992-01-08
Publication date: 1998-01-29
Anticipated expiration: 2012-01-09
Also published as: JP2625310B2; DE4200283A1; JPH06168898A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Gießen geschmolzenen Siliziums auf einen Drehteller zum Gießen eines Siliziumwafers.

Die heute vorliegende integrierte Halbleiter-Schaltkreis- Technologie basiert vornehmlich auf dem Element Silizium. Auf Silizium basierende Bauteile nehmen einen bedeutenden Prozentsatz der hergestellten Halbleiter-Bauteile ein. Eine weitbekannte Technik zur Herstellung von auf Silizium ba sierenden integrierten Schaltkreisen schließt die üblicher weise als Metall-Oxid-Halbleiter(MOS)-Technologie bezeich nete Technik ein. In der Praxis der MOS-Technologie wird Silizium als Basis- oder Substratmaterial verwendet, wobei in dem Substrat dotierte Bereiche ausgebildet werden, und wobei verschiedene Schichten und Leitungen ausgebildet wer den, welche das Substrat überlagern, um einen integrierten Schaltkreis, einen sogenannten "Chip" auszubilden.

Bei einem typischen Herstellungsprozeß für einen integrier ten Halbleiter-Schaltkreis, werden Bauteile oder Einrich tungen auf einem vorgeformten Siliziumwafer aufgebaut. Die se Wafer weisen typischerweise eine flache und kreisförmige Gestalt auf. Der Durchmesser der Wafer variiert von etwa 10,16 cm (4′′) bis 20,52 cm (8′′). Unter Anwendung einer An zahl unterschiedlicher Bearbeitungstechniken, die, um nur einige zu nennen, Dotieren, Implantieren, Niederschlagen und Ätzen umfassen, werden eine Anzahl vollständiger Chips auf einem Siliziumwafer ausgebildet. Daraufhin wird der Wafer zum Separieren jedes unabhängigen Chips geschnitten und gebrauchsfertig verpackt. Die Halbleiter-Technologie hat sich weiterentwickelt und entwickelt sich weiter, um die Größe jedes einzelnen, auf dem Substrat ausgebildeten Transistors zu reduzieren. Die Reduzierung der Abmessungs geometrie des Transistors, ebenso wie diejenige der die Transistoren verbindenden Leitungen, hat es ermöglicht, daß mehr Bauteile pro Flächeneinheit auf dem Siliziumwafer aus gebildet werden können. Darüberhinaus haben sich die Aus rüstungs- und Herstellungstechnologien dahingehend entwickelt, daß Wafer mit größerem Durchmesser hergestellt werden können, um die Anzahl der Chips zu erhöhen, die auf einem vorgegebenen Wafer hergestellt werden können.

Obwohl die Silizium-Halbleiter-Technologie seit ihrer Einführung eine enorme Entwicklung durchgemacht hat, hat sich die Technik zur Herstellung des Siliziumwafers selbst im Vergleich hierzu nicht merklich weiterentwickelt. Im we sentlichen werden sämtliche heutigen Siliziumwafer durch eine bestens bekannte Kristallwachstechnik gefertigt, die üblicherweise als Czochralski-Technik bezeichnet wird, auf die nachfolgend als CZ-Technik Bezug genommen wird. Die CZ-Technik, die bereits in den 20-er Jahren dieses Jahrhun derts entwickelt worden ist, stellt bis heute die bevorzug te Technik dar. Das CZ-Verfahren verwendet eine Vorrichtung mit ein Schmelzgefäß, in dem Klumpen oder Brocken hoch reinen Polysiliziummaterials angeordnet werden. Eine steuerbare Heizvorrichtung schmilzt das Siliziummaterial derart, daß die flüssige Form des Siliziums in dem Schmelz gefäß erhalten wird. Daraufhin wird ein länglicher Stab, der einen Keimkristall enthält, in das Schmelzgefäß abge senkt. Typischerweise besteht der Keim aus einem monokri stallinen Siliziummaterial, das verwendet wird, um das mo nokristalline Silizium aus dem flüssigen Polysilizium zu züchten. Der Stab wird unter Feinsteuerung langsam angeho ben. Wenn der Stab aus dem Schmelzgefäß angehoben wird, haftet das flüssige Polysilizium an dem Stab und wird nach oben aus dem Schmelzgefäß herausgezogen. Da das flüssige Silizium abkühlt und aushärtet, kommt es bei diesem Verfah ren zu einer Kristallisiation des Siliziums, das nach oben aus dem Schmelzgefäß herausgezogen wird. Aufgrund der Ge genwart des Monosiliziumkeims tritt ein monokristallines Kristallwachstum auf, wenn das Siliziummaterial aus dem Schmelztiegel herausgezogen wird. Sobald der Kristallwachs tumsprozeß beendet ist, liegt ein fester Zylinder aus mono kristallinem Silizium vor. Daraufhin wird dieser Silizium zylinder geschnitten bzw. unterteilt und geformt, um eine Anzahl von Siliziumwafern mit vorgegebenem Durchmesser zu erhalten. Die CZ-Technik gehört zum Stand der Technik und ist im einzelnen beschrieben in VLSI-Technology; S.M. Sze, McGraw Hill, 1988, insbesondere im Kapitel 1 mit dem Titel "Crystal Growth and Wafer Preparation" von C.W. Pearce.

Obwohl die CZ-Technik für die Herstellung von Siliziumwa fern eine angemessene Technik ist, handelt es sich dabei um ein schubweise ablaufendes Verfahren (Batch-Verfahren). Außerdem gibt es eine Reihe von Nachteilen, welche dieses CZ-Verfahren einigermaßen ineffizient gestalten. Beispiels weise ist eine erhebliche Prozeßzeit erforderlich, um das Kristallwachstum an dem Stab zu erreichen, wenn diese nach oben und aus dem Schmelzgefäß heraus in eine kontrollierte Umgebung gezogen wird. Eine typische Bearbeitungszeit beträgt etwa ein bis zwei Tage, um einen Siliziumzylinder mit einer Länge von einem Meter und einem Durchmesser von 200 mm oder mehr zu züchten. Das nachfolgende Aufteilen oder Schneiden des Siliziumzylinders trägt mit weiterer Be arbeitungszeit bei. Dieses Schneiden des Siliziumzylinders erfordert ein spezialisiertes Schneidwerkzeug und resul tiert typischerweise in einem Materialabfall von mehr als 50%. Es besteht also ein Bedarf an einer, mit Bezug auf das CZ-Verfahren verbesserten Technik zur Herstellung von Siliziumwafern.

Aus der DE 25 25 571 A1 ist eine gattungsgemäße Vorrichtung bekannt. In dieser Druckschrift wird auch ein Verfahren zum Herstellen von scheibenförmigen Siliziumkörpern durch Gießen aus der Schmelze beschrieben. Dazu wird ein Schmelz gefäß verwendet, in dem Silizium erhitzt und geschmolzen wird. Zur Herstellung eines scheibenförmigen Silizium körpers kann das Silizium durch Drehung des Schmelzge fäßes ausgegossen werden.

Ähnliche Vorrichtungen zum Gießen von Silizium sind aus der US 4,762,687 und der JP-OS-Sho 64-53733 bekannt. Diese sind jedoch nicht zur Herstellung von Siliziumwafern vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstel lung von Siliziumwafern zu schaffen, mit der, bzw. mit dem Siliziumwafer effektiver produziert werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt vorrichtungsmäßig mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Verfahrensmäßig wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un teransprüchen beschrieben.

Die Erfindung sieht es vor, die dem CZ-Verfahren innewoh nenden Nachteile dadurch zu vermeiden, daß anstelle eines schubweisen Verfahrensablaufs ein Verfahren und eine Vor richtung zur Anwendung gelangen, demnach einzelne Silizium wafer durch Gießen bzw. Schleudergießen gewonnen werden.

Die Vorrichtung zum Gießen eines einzelnen Siliziumwafers umfaßt eine Quarztrommel mit einer geschlitzten Öffnung, die sich dreht, um abgemessene Mengen granulierten oder pulverisierten Siliziums in ein Quarz-Schmelzgefäß zu gießen. Lichtbogen-Heizer sind um das Schmelzgefäß herum angeordnet und schmelzen dann das feste Silizium, um in dem Schmelzgefäß eine Lache aus geschmolzenem Silizium zur Verfügung zu stellen. Wenn ein vorgegebener Pegel geschmol zenen Siliziums erreicht ist, wird die Ausgußöffnung in ih re geschlossene Stellung gedreht. Unter der Verwendung ge steuerten Gasdrucks wird das geschmolzene Silizium von dem Schmelzgefäß auf einen rotierenden Waferteller gegossen oder geleert, um einen einzelnen Siliziumwafer auszubilden. Das Schmelzgefäß weist am Boden ein U-förmiges Rohr auf, in welchem ein Vorrat geschmolzenen Siliziums verbleibt, um das Innere des Schmelzgefäßes von der Umgebung der Kammer zu isolieren.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Wafer teller verwendet, auf dem zentral ein monokristalliner Si liziumkeim angeordnet bzw. zum Verbleib angeordnet ist. Der Wafer wird außerhalb des Keims gebildet. Nach der Verfesti gung wird der Wafer erwärmt, um die monokristalline Form aus dem Keim nachwachsen zu lassen. Bei der bevorzugten Technik ist es vorgesehen, daß ein ringförmiger Laserstrahl verwendet wird, um die Kreisring-Zonen des gegossenen Sili ziumwafers zu schmelzen.

Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Gießen eines einzelnen Siliziumwafers sowie zum Nachwachsen eines Siliziumkristalls. Eine Vorrichtung zum Gießen eines ein zelnen Siliziumwafers umfaßt vorteilhafterweise eine Quarz trommel mit einer geschlitzten Öffnung, und ist dazu ausge legt, abgemessene Mengen granulierten oder pulverisierten Siliziums in ein Quarzschmelzgefäß zu gießen. Um das Schmelzgefäß herum angeordnete Lichtbogenheizungen schmel zen dann das feste Silizium, um eine Lache aus geschmolze nem Silizium in dem Schmelzgefäß auszubilden. Wenn ein vorbestimmter Pegel des geschmolzenen Siliziums erreicht ist, wird die Auslauföffnung in ihre geschlossene Posi tion gedreht. Unter Verwendung gesteuerten Gasdruckes wird das geschmolzene Silizium von dem Schmelzgefäß auf einen rotierenden Waferteller geleert, um einen einzelnen Sili ziumwafer auszubilden. Das Schmelzgefäß weist an seinem Boden ein U-förmiges Rohr auf, in welchem ein Vorrat ge schmolzenen Siliziums verbleibt, um das innere des Schmelz tiegels von der Umgebung der Kammer zu isolieren.

Vorteilhafterweise wird bei einer bevorzugten Technik ein Waferteller eingesetzt, auf dem zentral ein monokristalli ner Siliziumkeim (zum Verbleib) angeordnet ist, um den Wafer zu gießen. Das geschmolzene Silizium wird von dem Schmelzgefäß durch druckgesteuertes Gas ausgestoßen, um das Silizium auf den Gußteller zu gießen oder zu schütten, und zwar außerhalb des Keims. Nach der Verfestigung wird der Wafer erwärmt, um aus dem Keim eine monokristalline Struktur nachwachsen zu lassen.

Gemäß einer nachfolgenden Technik wird der gegossene Wafer auf einem spezialisierten Quarzteller angeordnet, um das Nachwachsen auszuführen. Der Keim und die Kante des gegos senen Wafers verbleiben oberhalb eines erhabenen oder ange hobenen Abschnitts des Tellers und werden auf diesem zweit en Teller mittels Unterdruck gehaltert. Der Rest der Unter seite des Wafers ist von der Telleroberfläche physikalisch getrennt mittels unter Druck stehendem Gas, das durch auf der oberen Fläche des Tellers angeordnete Öffnungen hin durchgedrückt wird. Ein ringförmiger Laserstrahl wird dann verwendet, um einen Ring aus Silizium außen von dem Keim zu schmelzen, um das Material in eine monokristalline Form nachzuwachsen. Das druckgesteuerte Gas verhindert, daß das geschmolzene Silizium unter die Waferebene absinkt oder ab sackt.

Nachfolgend soll die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert werden. In dieser zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Zuführen von Siliziumkörnern zu einem Schmelzgefäß und zum nachfolgenden Gießen geschmolzenen Siliziums aus dem Schmelzgefäß;

Fig. 2 einen mit der Vorrichtung in Fig. 1 verwendeten Waferteller zum Ausbilden eines einzelnen Silizium wafers;

Fig. 3 eine Querschnittsdarstellung des zum Gießen des ge schmolzenen Siliziums verwendeten Tellers in Fig. 2;

Fig. 4 einen Vakuum- oder Unterdruckteller zur Verwendung mit einem monokristallinen Siliziumkeim zum Gießen eines einzelnen Siliziumwafers, und

Fig. 5 eine Querschnittsdarstellung der Vorrichtung in Fig. 1 und des in einer Waferherstellungskammer verwendeten Wafertellers in Fig. 4.

Bei der nachfolgenden Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden zahlreiche spezifische Details angegeben, wie spezielle Formen, Materialien und Verfahrensschritte usw., um die vorliegende Erfindung zu verdeutlichen, ohne daß diese auf diese speziellen Ausführungsformen beschränkt wäre.

Wafergießen

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zum Gießen geschmolzenen Siliziums zum Gießen bzw. Ausformen eines einzelnen Wafers dargestellt. Die Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Drehausgabegerät (Drehtrommel) 11, einem Schmelzgefäß 12 und einer Heizung 13. Das Dreh ausgabegerät 11 der Vorrichtung 10 ist eine zylindrisch geformte Quarztrommel, die für das Ausgeben von pulveri siertem oder granuliertem Silizium 14, das in diesem ent halten ist, verwendet wird. Der Zweck der Trommel 11 be steht darin, einen Behälter zum Aufbewahren des pulveri sierten oder granulierten Siliziums 14 darzustellen, und das Silizium 14 in das Schmelzgefäß 12 auszugeben. Eine ge schlitzte Öffnung 15 der Trommel 11 erlaubt es, gesteuerte Mengen des pulverisierten Siliziums 14 in das Schmelzgefäß 12 auszugeben, wenn die Trommel 11 gedreht und die Öffnung 15 freigegeben ist. Die Trommel des bevorzugten Ausfüh rungsbeispiels ist eine Quarztrommel, wobei Quarz ein be kanntes Material zur Verwendung als Siliziumbehälter ist. Die Trommel 11 weist eine zylindrische Gestalt mit flachen Enden auf. Die Gestalt des Ausgabegeräts kann jedoch den speziellen Bedürfnissen angepaßt sein.

Das Schmelzgefäß 12 des bevorzugten Ausführungsbeispiels ist ein in vertikaler Richtung länglich verlaufender Be hälter, der an seinem oberen Ende eine ausladende, flansch artige Öffnung 20 und an seinem unteren Ende eine U-förmige rohrartige Struktur (U-Rohr) 21 aufweist. Dieses U-Rohr 21 weist eine Gießöffnung oder Gießdüse 22 auf, die in eine Öffnung 25 mündet, und das Ausgußende des Schmelzgefäßes 12 darstellt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel des Schmelzgefäßes ist die Ausgußöffnung 25 der Gießdüse 22 in einer Stellung angeordnet, die geringfügig höher liegt als der unterste Abschnitt des U-Rohres 21, wenn der Schmelz tiegel 12 sich in seiner vertikal ausgerichteten stehenden Position befindet. Das erfindungsgemäße Schmelzgefäß 12 besteht aus Quarz. Quarzmaterial ist aufgrund seiner Fähig keit bevorzugt, höheren Temperaturen zu widerstehen, die beim Aufnehmen geschmolzenen Siliziums auftreten, wobei dieses Material gleichzeitig nicht wechselwirkt mit dem ge schmolzenen Silizium und dieses nicht kontaminiert.

Die Heizung 13 ist entlang eines vertikalen Abschnitts des Schmelzgefäßes 12 angeordnet, um dem pulverisierten Sili zium 14 die zum Schmelzen benötigte Energie zur Verfügung zu stellen. Obwohl unterschiedliche Heizvorrichtungen als Heizung 13 verwendet werden können, besteht die Heizung 13 bevorzugt aus einem elektrischen Lichtbogenheizer mit Heiz elementen, die in längsgerichteterweise um das Äußere des vertikalen Abschnitts des Schmelzgefäßes 12 angeordnet sind.

Wie in der Zeichnung dargestellt, ist das Quarztrommelaus gabegerät 11 auf der oberen flanschartigen Öffnung 20 des Schmelzgefäßes 12 angeordnet. Ein Reibverminderungsbelag 16 ist entlang des flanschartigen Bereichs vorgesehen und der art angeordnet, daß die Trommel 11 gut auf den Reibvermin derungsbelag 16 paßt. Die Trommel 11 ist eng an dem Schmelzgefäß 12 derart angeordnet, daß zwischen dem Ausga begerät 11 und dem Schmelzgefäß 12 ein druckdichter Sitz aufrecht erhalten ist. Der Reibverminderungsbelag 16 stellt eine Oberfläche mit reduzierter Reibung dar, um ein Drehen der Quarztrommel 11 mit Bezug auf das Schmelzgefäß 12 zu gewährleisten. Bevorzugt ist als Material für den Belag 16 ein Tetrafluorethylenpolymer, wie beispielsweise TEFLON (TEFLON ist ein eingetragenes Warenzeichen der E. I. Dupont de Nemours and Co.). Nicht dargestellt ist die Ankopplung der Trommel 11 an das Schmelzgefäß 12, um eine Druckdich tung zu bilden; für diesen Zweck können jedoch ohne weite res entsprechende bekannte Kupplungseinrichtungen verwendet werden. Im Falle der vorliegenden Erfindung ist das Schmelzgefäß 12 innerhalb der Kammer mechanisch an Ort und Stelle gehalten und die Trommel 11 ist durch eine Drehwelle mechanisch fixiert. Ebenfalls nicht dargestellt sind Ein richtungen zum Drehantrieb des Ausgabegeräts 11, wie bei spielsweise ein Motor oder ein anderweitig geeignetes Aggregat. Bevorzugt sorgt eine zentrale Drehwelle 18, die an ein Ende der Trommel 11 angeschlossen ist, für die Dreh bewegung der Trommel 11.

Außerdem angekoppelt an den oberen Abschnitt des Schmelzge fäßes 12, nächstgelegen zu dem flanschartigen Bereich 20, ist eine Gasleitung 23, die zum Inneren des Schmelzgefäßes 12 hin eine Öffnung 24 aufweist. Der Zweck der Gasleitung 23 besteht darin, den Innenbegrenzungen des Schmelzgefäßes zu vorgegebenen Zeiten ein ausgesuchtes Gas zuzuführen.

Im Betrieb ist die Trommel 11 mit hochreinem Siliziumpulver oder -körnern 14 gefüllt. Ein Beispiel eines zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeigneten Siliziummaterials sind Siliziumkörner, die von der Ethyl Corporation of Baton Ruge, Louisiana, kommerziell vertrieben werden.

Das Siliziumgrundmaterial kann gegebenenfalls in der benötigten Weise dotiert werden. Dieses Dotieren kann zum Zeitpunkt der Herstellung des Siliziumpulvers oder alterna tiv hierzu nachfolgend an die Herstellung des Silizium grundmaterials erfolgen, jedoch vor dem Einführen des Sili ziumgrundmaterials 14 in die Vorrichtung 10. Sobald das Si liziumgrundmaterial 14 in das Ausgabegerät 11 geladen ist, wird die gesamte Vorrichtung 10 in einer ausgewählten Gas umgebung angeordnet. Obwohl unterschiedlichste inerte Gase verwendet werden können, ist die Verwendung einer Argongas umgebung bevorzugt. Während des Ladens des Siliziums 14 be findet sich die geschlitzte Öffnung 15 in einer geschlosse nen Stellung, d. h., der Schlitz 15 befindet sich nicht in Gegenüberlage zu dem Inneren des Schmelzgefäßes. Daraufhin wird die Drehtrommel 11 so gedreht, daß das Silizium 14 durch Schwerkraft in das Schmelzgefäß 12 über die Öffnung 15 ausgetragen wird. Für eine vorgegebene Größe der Öffnung 15 kann die Menge des auszugebenden Siliziums 14 ge steuert werden durch Steuern der Zeitperiode, während wel cher die Öffnung 15 offengehalten wird. Die Öffnung 15 kann zum Ausgeben des Siliziums 14 durch Drehen der Öffnung 15 in eine stationär offene Stellung bereitgemacht werden, oder durch kontinuierliches Drehen der Trommel 11 oder durch eine Vor- und Zurückbewegung.

Wenn die Siliziumkörner 14 in das Schmelzgefäß 12 ausgetra gen sind, wird die Heizung 13 aktiviert, um das Silizium 14 zu schmelzen. Sobald sich am Boden des Schmelzgefäßes 12 ein See oder eine Lache geschmolzenen Siliziums 17 aus zu bilden beginnt, wird nachfolgendes Siliziumpulver 14 durch Kontakt mit der Lache geschmolzen. Das körnige Silizium 14 wird so lange in das Schmelzgefäß 12 ausgetragen, bis ein vorgegebener Pegel 26 erreicht ist. Dieser vorgegebene Pegel 26 ist unterhalb der Öffnung 24 angeordnet. Eine der vielen bekannten Überwachungstechniken wird eingesetzt, um den Pegel des geschmolzenen Siliziums 17 zu überwachen, vor allem den oberen Pegel 26 und einen unteren Schwellenpegel 27. Bevorzugt ist die Verwendung eines optischen Sensors, um den Pegel des geschmolzenen Siliziums 17 zu erfassen, wenn dieser den oberen Pegel 26 erreicht. Um zu verhindern, daß geschmolzenes Silizium 17 über die Öffnung 25 der Gieß düse 22 freikommt, wird der Druck der Gaszuführung 23 der art reduziert, daß der externe Gasdruck an der Düse 22 aus reicht, um den internen Druck auszugleichen, der von dem geschmolzenen Silizium an der Düse 22 ausgeübt wird.

Sobald das geschmolzene Silizium 17 den oberen Pegel 26 erreicht, wird die Trommel 11 zum Verschließen der Öff nung 15 gedreht. D. h., die Öffnung 15 ist anschließend an die Leitung 16 so angeordnet, daß Silizium 14 nicht weiter hin in das Schmelzgefäß 12 ausgetragen wird. Wenn sich der Pegel des geschmolzenen Siliziums 17 am Pegel 26 befin det, ist die Vorrichtung 10 nunmehr in einem zum Gießen des Siliziumwafers geeigneten Zustand. Ein Gas, vorzugsweise das der Umgebung entsprechende Gas wird dem Schmelzgefäß über die Gasleitung 23 durch die Öffnung 24 zugeführt, wo durch der Druck im Bereich des Schmelzgefäßes oberhalb des Pegels des geschmolzenen Siliziums 17 ansteigt. Dieser Druck wird kontinuierlich erhöht, wenn geschmolzenes Sili zium 17 von der Öffnung 25 ausläuft, um den Verlust des "hydrostatischen Drucks" in der Schmelze zu kompensieren, wenn deren Pegel unterhalb des Pegels 26 fällt.

In mathematischer Ausdrucksweise machen die Siliziumkörner 14 eine Temperaturtransformation durch von T₀ (Umge bungstemperatur) bis T₁ (Temperatur des geschmolzenen Siliziums 17), und zwar aufgrund der Einleitung von Wärme energie durch die Heizungen 13.

T₀ ist wie folgt definiert:

T₀ = T_M - xC°,

wobei T_M der Schmelzpunkt des Siliziums ist, der un gefähr bei 1412°C liegt und wobei x eine beliebige Konstan te darstellt.

T₁ ist wie folgt definiert:

T₁ = T_M + yC°,

wobei y ebenfalls eine beliebige Konstante darstellt.

T₀ wird in einem Temperaturbereich von 1000 bis 1100°C gehalten, um die Siliziumkörner 14 mit einer minimalen Wär me-Energieeinleitung problemlos schmelzen zu können. T₁ wird zwischen 10 und 20°C oberhalb T_M eingestellt, um ein schnelles Abkühlen und eine Verfestigung zu gewähr leisten, sobald das geschmolzene Silizium 17 freigegeben wird.

In den Fig. 2 und 3 ist ein Basisteller 30 zum Gießen eines Siliziumwafers dargestellt. Der Waferteller 30 ähnelt den bekannten Wafertellern, die dazu verwendet werden, darauf abgelegte Wafer für unterschiedliche Arten von Halbleiter- Bearbeitungsarten zur Verfügung zu stellen. Der Teller 30 weist eine Ebene oder flache obere Fläche 31 kreisförmiger Gestalt auf. Eine Welle 32 erstreckt sich von der Untersei te des Tellers 30. Beim Stand der Technik werden Wafertel ler verwendet, um die hergestellten Siliziumwafer darauf für die nachfolgende Bearbeitung des Wafers zur Herstellung integrierter Schaltkreisbauteile anzuordnen. Im vorliegen den Fall wird der Teller 30 verwendet, um darauf einen Si liziumwafer durch Gießen des geschmolzenen Siliziums 17 herzustellen.

Sobald mit Bezug auf die Fig. 1, 2 und 3 das geschmolzene Silizium zum Ausgießen aus dem Schmelzgefäß 12 zur Verfü gung stehen, wird die Gieß- oder Gußdüse 22 über dem Zen trum 33 des Tellers 30 angeordnet. Der Teller 30 wird dreh angetrieben, sobald die Gießsequenz zum Gießen des Silizi umwafers einsetzt. Sobald der Druck innerhalb des Schmelz gefäßes 12 über den Pegel 26 ansteigt, wird das geschmolze ne Silizium 17 in gesteuerter Weise aus der Öffnung 25 der Düse 22 herausgedrängt. Sobald das geschmolzene Silizium 17 aus der Düse 22 ausläuft, wird die Stellung der Düse 22 aus dem Zentrum 33 des Tellers 30 herausbewegt, wie in Fig. 3 durch den Pfeil 34 dargestellt. Die relative Bewegung der Düse in Richtung auf den Außenumfang des Tellers 30 kann entweder durch Bewegen des Tellers gegenüber einer fest stehenden Düse oder alternativ dadurch erfolgen, daß die Vorrichtung 10 in Bezug auf einen stationären (aber rotie renden) Teller 30 bewegt wird. Die genaue Steuerung der Drehung des Tellers 30, der Relativbewegung der Düse 34 aus dem Zentrum 33 heraus auf den Außenumfang des Tellers 30 zu und die gleichmäßige Flußrate des geschmolzenen Siliziums 17 aus der Düse 22 führt zur Ausbildung eines im wesentli chen ebenen, kreisförmigen Siliziumwafers auf der oberen Fläche 31 des Tellers 30.

Die Vorrichtung 10 ist dazu ausgelegt, eine vorgegebene Menge geschmolzenen Siliziums 17, das auf dem Teller 30 gießgeformt werden soll, zur Verfügung zu stellen, wobei diese Menge abhängig ist von der Größe, dem Durchmesser und der Dicke des herzustellenden Wafers. Der Gießprozeß ist abgeschlossen, sobald das geschmolzene Silizium den unteren Pegel 27 in dem Schmelzgefäß erreicht. An diesem Punkt hört der Gasdruck oberhalb des geschmolzenen Siliziums 27 auf anzusteigen, wodurch der Ausfluß des Siliziums 17 gestoppt wird. Der untere Pegel 27 wird dabei oberhalb des oberen Abschnitts des U-förmigen Rohres 21 eingestellt, um eine Barriere geschmolzenen Siliziums 17 aufrechtzuerhalten. D. h., das umgebende Gas an der Öffnung 25 vermag nicht in das Schmelzgefäß einzudringen (außer, gegebenenfalls an der Düse 22), wodurch das Innere des Schmelzgefäßes 12 frei von Umgebungsverunreinigung bleibt. Obwohl nicht unbedingt er forderlich, können bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel zusätzliche Heizungen 19 verwendet werden, die um das U- Rohr 21 angeordnet sind, um das verbleibende Silizium auf der voreingestellten Temperatur T₁ zu halten, und um dadurch eine Barriere geschmolzenen Siliziums in dem U-Rohr aufrecht zu erhalten, während dieses Silizium außer dem in einem geschmolzenen Zustand gehalten wird, um nach folgend körniges Silizium für das nächste Gießen auszutra gen.

Außerdem ist der Teller 30 mit einer geeigneten Kühlanord nung versehen, um das geschmolzene Silizium, sobald es auf dem Teller gegossen ist, schnell abzukühlen. Die Verwendung von Fluiden zum Kühlen von Wafertellern ist aus dem Stand der Technik bekannt, wobei es vorzugsweise vorgesehen ist, den Teller 30 zu kühlen. Die Tatsache, daß T₁ nahe an T_M liegt, sorgt für eine schnelle Erhärtung oder Ver festigung des geschmolzenen Siliziums 17, sobald dieses auf den Teller 30 gegossen ist.

Anhand der Fig. 4 ist eine alternative Technik zur Ausbil dung eines einzelnen Wafers dargestellt. Anstelle des Tel lers 30 in Fig. 3 ist ein alternativer Teller 40 dabei ver wendet. Der Teller 40 ist äquivalent zum Teller 30, bis auf ein zentrales Rohr 41, das sich durch die zentrale Welle erstreckt und eine Öffnung 42 an der oberen Fläche des Tel lers 40 aufweist. Vorausgehend zu dem Gießprozeß, wird ein monokristalliner Siliziumkeim 44 im Zentrum des Tellers 40 oberhalb der Öffnung 42 angeordnet. Ein Unterdruck in dem Rohr 41 sorgt dafür, daß der Keim 42 auf der Fläche des Tellers 40 in Stellung gehalten wird. Sobald dann der Gieß prozeß eingeleitet wird, wird die Düse 22 zunächst an der äußeren Kante 45 des Keims 42 angeordnet, und die Düse 22 wird relativ nach außen auf den Außenumfang des Tellers 40 zubewegt, um einen im wesentlichen ebenen und kreisförmi gen Wafer auszubilden, in dessen Zentrum ein monokristalli ner Keim eingebettet ist. Die Gestalt des Keims ist nicht kritisch für die Ausbildung des Wafers. Bevorzugt ist je doch ein kreisförmiger Keim, um eine Konzentrizität zu gewährleisten, wenn das geschmolzene Silizium ausgegossen wird. Obwohl der Teller 30 in Fig. 3 gut geeignet ist, um Wafer zu gießen, ist der Teller 40 in Fig. 4 zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung bevorzugt. Es ist mehr als wahrscheinlich, daß das (geschmolzene) ausgegossene Silizi um eine Polysilizium-Kristallstruktur aufweist, und zwar deshalb, weil die kommerziell erhältlichen Siliziumpulver in Gestalt von Polysilizium vorliegen. Da es jedoch bevor zugt ist, als Substratmaterial einen monokristallinen Wafer zu verwenden, ist die Verwendung des Keims 44 zur Ausbild ung des Wafers auf dem Teller 40 bevorzugt, wobei der Keim 44 dazu verwendet werden kann, den gegossenen Wafer in eine monokristalline Form oder Gestalt um- oder nachzuwachsen.

Fig. 5 zeigt die Vorrichtung 10 und den Teller 40 in einer Kammer 49, durch deren Inneres die Umgebung für die Her stellung des Wafers festgelegt ist. Das geschmolzene Sili zium wird zur Ausbildung eines Wafers 50 auf den Teller 40 von der bewegten Vorrichtung auf den drehenden Teller 40 gegossen.

Obwohl die Ausbildung der Vorrichtung von der Größe des herzustellenden Siliziumwafers ebenso wie von anderen Her stellungsbedingungen abhängt, soll nachfolgend zur Verdeut lichung der Erfindung eine speziell dimensionierte Vor richtung beschrieben werden.

Die Trommel 11 ist aus Quarzmaterial hergestellt und weist einen Durchmesser von 8 bis 10 cm und eine Stärke (Breite) von etwa 2 cm auf. Die Trommel 11 wird auf der Außenfläche präzisionsgeschliffen und weist einen einzigen Entlade schlitz 15 auf. Ein Ende der Trommel 11 ist an eine Zen tralachse 18 zum Drehantrieb der Trommel 11 angeschlossen. Das andere Ende der Trommel 11 ist an ein zentrales Zuführ rohr zum Nachfüllen von Siliziumpulver 14 angeschlossen.

Auf diese Weise können abgemessene Mengen an Siliziumpulver 14 in die Trommel 11 eingespeist werden, um die Trommel 11 für jeden getrennten Gießvorgang nachzufüllen. Alternativ hierzu kann es vorgesehen sein, anstelle eines zentralen Zuführrohres eine Öffnung 15 vorzusehen, die in eine Stel lung oberhalb der oberen Lippe des Schmelzgefäßes gedreht werden kann, wobei Siliziumkörner in diese freigestellte Öffnung 15 über einen trichterförmigen Kasten zugeführt werden. Das obere Ende des Schmelzgefäßes 12 weist einen Durchmesser von 2 bis 3 cm auf und ist etwa 10 cm lang. Das Schmelzgefäß 12 ist aus Quarz hergestellt, und die Leitung 16, die zwischen das obere Ende des Schmelzgefäßes 12 und die Trommel 11 eingefügt ist, besteht aus TEFLON.

Die Heizung 13 ist eine elektrische Heizung, die dazu aus gelegt ist, das gesamte Schmelzgefäß 12 oberhalb des Schmelzpunktes von Silizium zu halten, und zwar bei einem Energieverbrauch in der Größenordnung von etwa einem Kilo watt. Eine Zusatzheizung 19 ist nahe dem U-förmigen Bereich 21 des Schmelzgefäßes 12 angeordnet, um den geschmolzenen Siliziumvorrat in dem U-förmigen Bereich flüssig zu halten. Die Argonumgebung wird auf eine Atmosphäre oder weniger eingestellt. Der Teller 40 besteht aus Quarz und ist flüs sigkeitsgekühlt. Der Steuerdruck des Gases über dem ge schmolzenen Silizium und des geschmolzenen Siliziums 17 in dem Schmelzgefäß 12 wird in einem Bereich unterhalb des Um gebungsdrucks eingeregelt.

Die Gießplatte 30 und/oder 40 kann aus einem für herkömmli che Waferteller verwendeten Material hergestellt werden, bevorzugt wird jedoch Quarz wegen der Beständigkeit gegen Wärmeschock sowie zur Herabsetzung von Kontamination ver wendet. Eine typische Abmessung für den Teller und den Keim 44 sind 22 cm und 2 cm, und zwar für den Guß eines Wafers mit 200 mm Durchmesser.

Obwohl in der Zeichnung nicht dargestellt, sind Überwa chungsvorrichtungen vorgesehen, wie beispielsweise elek tro-optische Fühler herkömmlicher Bauart zum Überwachen des geschmolzenen Siliziums in dem Schmelzgefäß 12. Außerdem können andere herkömmliche Fühler zur Erfassung der Tempe ratur und des Drucks in der Vorrichtung, auf dem Teller und in der Kammer der Anordnung in Fig. 5 verwendet werden.

Wie bereits vorstehend ausgeführt, wird ein Nach- oder Um wachsen des gegossenen Wafers vorgenommen, um ihn in eine monokristalline Struktur zu überführen. Das Nachwachsen er folgt ausgehend von dem Keim.

Claims

1. Vorrichtung zum Gießen geschmolzenen Siliziums auf ei ne rotierende Platte zur Ausbildung eines Siliziumwa fers mit einem Schmelzgefäß zur Aufnahme des geschmol zenen Siliziums und einer an das Schmelzgefäß ange schlossenen Heizung dadurch gekennzeichnet,
daß das Schmelzgefäß (12) an seinem oberen Ende eine flanschartige Öffnung und an seinem unteren Ende eine Ausgießöffnung (25) aufweist,
wobei das untere Ende des Schmelzgefäßes (12) derart U-förmig ausgebildet ist, daß die Ausgießöffnung (25) ein Ende der U-Form bildet und das Innere des Schmelz gefäßes (12) das andere Ende der U-Form bildet, wobei ein im untersten Abschnitt des Schmelzgefäßes (12) verbleibender Vorrat an geschmolzenem Silizium an der Ausgießöffnung eine Flüssigkeitsbarriere gegen Umgebungsgas bildet,
daß eine Ausgabeeinrichtung (11) zum Fassen fester Si liziumkörner (14) sowie zum Ausgeben einer abgemesse nen Menge der Siliziumkörner in das Schmelzgefäß (12) an die flanschartige Öffnung des Schmelzgefäßes (12) angeschlossen ist,
daß das Schmelzgefäß (12) eine nahe der flanschartigen Öffnung angeordnete Gaseinlaßöffnung (24) aufweist zum Einleiten eines druckgesteuerten Gases in das Schmelzgefäß (12) oberhalb des einen vorbestimmten oberen Pegel in dem Schmelzgefäß (12) aufweisenden ge schmolzenen Siliziums, um geschmolzenes Silizium (17) aus der Ausgießöffnung (25) zu verdrängen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgabeeinrichtung (11) drehbar ist und einen Schlitz (15) zum Austragen der Siliziumkörner (14) aufweist, wenn der Schlitz sich in einer Drehstellung befindet, in welcher er dem Inneren des Schmelzgefäßes (12) gegenüberliegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgabeeinrichtung (11) eine Trommel ist, die sich innerhalb der flanschartigen Öffnung dreht.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der flanschartigen Öffnung (20) und der Trommel ein reibungsfreier Belag (16) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmelzgefäß (12) und die Ausgabeeinrichtung (11) aus Quarz hergestellt sind.

6. Verfahren zum Gießen geschmolzenen Siliziums auf einen Drehteller zum Gießen eines Siliziumwafers, mit folgenden Schritten:
Austragen fester Siliziumkörner aus einem drehenden Ausgabegerät in ein Schmelzgefäß,
Erwärmen des Schmelzgefäßes zum Schmelzen der Silizi umkörner,
Einleiten eines unter Druck stehenden Gases in das Schmelzgefäß oberhalb des geschmolzenen Siliziums zum Austreiben des geschmolzenen Siliziums aus dem Schmelzgefäß und
Ausgießen des geschmolzenen Siliziums auf den Dreh teller zum Gießformen des Siliziumwafers.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgießen und Erwärmen gleichzeitig erfolgt, bis ein vorbestimmter Pegel des geschmolzenen Silizi ums erreicht ist, bei dem die Siliziumkörner nicht weiter ausgetragen werden.