DE4212580A1 - Vorrichtung zur herstellung von silizium-einkristallen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Siliziumeinkristallen mit großen Durchmessern nach dem Czochralski-Verfahren (im fol­ genden "CZ-Verfahren" genannt).

Die auf dem Gebiet der LSI eingesetzten Siliziumein­ kristalle werden im allgemeinen nach dem CZ-Verfahren hergestellt, bei dem sich die Siliziumschmelze inner­ halb des Schmelztiegels mit dem Wachstum eines Sili­ ziumeinkristalls verringert. Daher steigt beim Wachs­ tum des Siliziumeinkristalls der Dotierungsgrad im Si­ liziumeinkristall und die Sauerstoffkonzentration nimmt ab. Das bedeutet mit anderen Worten, daß die Ei­ genschaften des Siliziumeinkristalls sich entlang sei­ ner Wachstumsrichtung verändern.

Da die an Siliziumeinkristalle gestellten Qualitätsan­ forderungen mit der zunehmenden Tendenz, das Niveau bei der Integration der LSI zu heben, von Jahr zu Jahr steigen, steht man vor dem Problem, daß die Menge ent­ sprechend abnimmt.

Zur Überwindung dieses Problems wird z. B. in der japa­ nischen Patentveröffentlichung 40-10 184 (Seite 1, rechte Spalte, Zeilen 20 bis 35) ein Verfahren offen­ bart (das kontinuierliche CZ-Verfahren), bei dem der Innenraum eines Quarzschmelztiegels des CZ-Verfahrens durch ein zylindrisches oder schmelztiegelförmiges Quarztrennelement mit wenigstens einer kleinen Öffnung unterteilt und ein Siliziumeinkristall auf der Innen­ seite (Einkristallwachstumsabschnitt) des Trennelemen­ tes gezogen wird, während Siliziumausgangsmaterial der Außenseite (Materialschmelzabschnitt) des Trennelemen­ tes zugeführt wird.

Aus dem offengelegten japanischen Patent 62-2 41 889 (Seite 2, rechte, obere Spalte, Zeilen 2 bis 160) geht jedoch hervor, daß dieses Verfahren einen erheblichen Nachteil aufweist, und zwar, daß die Siliziumschmelze, ausgehend vom Trennelement auf dessen Innenseite dazu neigt, sich zu verfestigen.

Mit anderen Worten bedeutet das, daß die Verfestigung in dem Bereich, in dem die Oberfläche der Silizium­ schmelze im Einkristallwachstumsabschnitt mit dem Trennelement in Berührung kommt, verursacht wird. Diese Verfestigung nimmt zur Mitte des Schmelztiegels hin, in der die Temperatur niedrig ist, zu und behin­ dert dadurch das Wachstum des Siliziumeinkristalls. Das hat folgende Ursachen.

Da das üblicherweise als Trennelement eingesetzte Kie­ selglas Wärmestrahlung übermittelt, und zudem aus dem Abschnitt des oberen Teils des Trennelementes, der normalerweise über der Oberfläche der Siliziumschmelze liegt, eine hohe Wärmestrahlung an die wassergekühlte Wand des Schmelzofens gelangt, wird die Wärme in der Siliziumschmelze nach oben durch das Trennelement ge­ leitet und von dem über der Oberfläche des geschmolze­ nen Siliziums gelegenen Bereich des Trennelementes ausgestrahlt. Dadurch nimmt die Temperatur der Sili­ ziumschmelze in der nahen Umgebung des Trennelementes stark ab.

Dadurch ist die das Trennelement berührende Oberfläche der Siliziumschmelze in einem Zustand, durch den das Auftreten von Verfestigungen sehr stark erhöht wird.

In der jüngsten Vergangenheit wurde die Herstellung von hochwertigem körnigem Silizium möglich, das im kontinuierlichen CZ-Verfahren relativ problemlos in die Siliziumschmelze als Siliziumausgangsmaterial kon­ tinuierlich eingebracht werden kann.

Wenn jedoch das körnige Silizium beim Zuführen auf die Oberfläche der Siliziumschmelze keine ausreichende Schmelzwärme aufweist, bleibt ein Teil des körnigen Siliziums ungeschmolzen. Dann kommt es häufig durch diesen ungeschmolzenen Anteil an körnigem Silizium zu einer sich ausbreitenden Verfestigung.

Dies ist dadurch bedingt, daß aufgrund der unter­ schiedlichen Dichte das feste, körnige Silizium auf der Oberfläche der Siliziumschmelze schwimmt, so daß wegen des im Vergleich zur Siliziumschmelze höheren Emissionsvermögens des festen körnigen Siliziums die Wärme auf diese Weise leicht verlorengeht. Insbeson­ dere wenn das körnige Silizium an der Oberfläche der Siliziumschmelze im Materialschmelzbereich - oder bei Verfestigungen im Einkristallzüchtungsabschnitt - am Trennelement haftet und sich dort anhäuft, geht die Wärme durch das Trennelement schnell verloren und kann dadurch das Auftreten und die Verbreitung von Verfe­ stigungen verursachen.

Dieses Phänomen wird zukünftig eher noch häufiger auf­ treten, wenn die zugeführte Ausgangsmaterialmenge, gleichzeitig der Durchmesser der Siliziumeinkristalle sowie die Ziehgeschwindigkeit gesteigert wird.

Dieses Problem bleibt auch dann weitestgehend beste­ hen, wenn das als Ausgangsmaterial eingesetzte Sili­ zium in anderer als körniger Form zugeführt wird.

In dem offengelegten Patent 1-1 53 589 wird ein Verfah­ ren vorgeschlagen, bei dem das Auftreten von Verfesti­ gungen am Trennelement verhindert und das zugeführte Siliziumausgangsmaterial vollständig geschmolzen wird. In dieser Veröffentlichung wird offenbart, daß das Trennelement und der Materialschmelzabschnitt mit einer Abdeckung zur Wärmedämmung bedeckt ist, so daß die Wärmestrahlung zur wassergekühlten Ofenwand und anderen Teilen oberhalb des Schmelztiegels verhindert und die Temperatur der Siliziumschmelze um das Trenn­ element herum und im Materialschmelzabschnitt beibe­ halten wird.

Auch bei einer Vorrichtung zur Herstellung von Sili­ ziumeinkristallen nach dem herkömmlichen CZ-Verfahren ohne Trennelement und dergleichen kann die Ziehge­ schwindigkeit mittels einer andersartig gestalteten Abdeckung gesteigert werden.

Obwohl viele Materialien wie Graphit und Metalle für diese Wärmeschutzabdeckung in Frage kommen, haben Ver­ suche der Erfinder ergeben, daß das üblicherweise für die Ofenkomponenten des Siliziumeinkristallofens ein­ gesetzte Graphit ein hohes Emissionsvermögen aufweist, und dadurch der Wärmedämmeffekt nicht zufriedenstel­ lend ist. Andererseits können Metalle mit geringem Emissionsvermögen Wärmestrahlung verhindern, so daß sie hinsichtlich Wärmedämmung sehr wirksam und somit für die Anwendung als Wärmeschutzabdeckung gut geeig­ net sind.

Wird diese Wärmeschutzabdeckung mittels einer dünnen Metallplatte gebildet, wird eine beständige Ziehopera­ tion sichergestellt, ohne daß am Trennelement Verfesti­ gungen auftreten oder daß Teile des zugeführten Ausgangsmaterials im Materialschmelzbereich nicht geschmolzen werden, selbst wenn Siliziumeinkristalle mit großen Durchmessern bei hohen Geschwindigkeiten gezogen werden.

Da die Abdeckung zur Wärmedämmung jedoch in einem Be­ reich innerhalb des Einkristallziehofens eingesetzt werden soll, in dem hohe Temperaturen herrschen, muß sie aus einem Metall mit hohem Schmelzpunkt, wie z. B. Tantal, Molybdän oder Wolfram, hergestellt werden. Da­ bei handelt es sich insbesondere bei Tantal um ein Me­ tall mit ausgezeichneter Schmied- bzw. Dehnbarkeit, das auf verschiedenste Art einfach zu bearbeiten und leicht anzuwenden ist.

Die Abdeckung des Trennelementes mit einer Wärmedäm­ mung aus einem Material, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer Tantal-, Molybdän- und Wolfram­ platte ermöglicht nunmehr, die Verfestigung der Sili­ ziumschmelze am Trennelement zu verhindern und das zu­ geführte Ausgangsmaterial im Materialschmelzabschnitt vollständig zu schmelzen, so daß Siliziumeinkristalle beständig nach dem CZ-Verfahren gezogen werden können.

Es wurde jedoch gefunden, daß bei einem Einkristall, der unter Einsatz einer solchen Wärmedämmung aus einer Metallplatte gezogen wurde, die Neigung besteht, die Dichte von durch Oxidation hervorgerufenen Stapelfeh­ lern (im weiteren OSF (oxidation induced stacking fault) genannt) auf etwa 10³ Fehler/cm² zu steigern, so daß die Qualität des Kristalls problematisch wird.

Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die vorstehenden Mängel des Standes der Technik erarbeitet, und die primäre Aufgabe ist es, eine Vor­ richtung zur Herstellung von Siliziumeinkristallen be­ reitzustellen, die entweder OSF-frei sind oder eine extrem niedrige OSF-Dichte aufweisen.

Zur Lösung der vorstehenden Aufgabe wird erfindungsge­ mäß eine Vorrichtung zur Herstellung von Siliziumein­ kristallen bereitgestellt, umfassend einen Quarz­ schmelztiegel für die Siliziumschmelze, eine elektri­ sche Widerstandsheizvorrichtung zur seitlichen Erwär­ mung des Quarztiegels, ein Quarztrennelement, welches die Siliziumschmelze in einen Einkristallzüchtungs- bzw. -wachstumsabschnitt und einen Materialschmelzab­ schnitt innerhalb des Quarzschmelztiegels unterteilt und wenigstens eine kleine Öffnung für den Durchfluß der Siliziumschmelze aufweist, eine Wärmedämmabdeckung zum Abschirmen des Trennelementes und des Material­ schmelzabschnitts, eine Druckmindervorrichtung zur Re­ duzierung des Drucks innerhalb des Ofens, in dem die verschiedenen Komponenten angeordnet sind, und eine Zuführeinrichtung für das Ausgangsmaterial zur konti­ nuierlichen Zufuhr von Siliziumausgangsmaterial in den Materialschmelzabschnitt, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmedämmabdeckung hergestellt ist aus einer dün­ nen Platte aus Metall, ausgewählt aus der Gruppe, be­ stehend aus Tantal, Molybdän und Wolfram mit 50 oder weniger ppm Fe und 10 oder weniger ppm Cu, wobei die Oberflächenschicht der Metallplatte aus einer silizi­ umangereicherten Schicht besteht, die Tiefe des Be­ reichs, in dem der Siliziumgehalt größer ist als die Fe- und Cu-Gehalte, nicht kleiner als 10 µm von der Oberfläche beträgt und wobei der Gehalt an Fe in der siliziumangereicherten Schicht nicht größer als 5 ppm ist.

Im folgenden werden die Figuren kurz beschrieben:

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht in Längsrichtung, die schematisch eine Ausführungsform einer erfindungs­ gemäßen Vorrichtung zur Herstellung von Siliziumein­ kristallen darstellt.

Fig. 2 ist eine grafische Darstellung, die die Kon­ zentrationsverteilungsprofile des Siliziums und des Schwermetallverunreinigungselementes (Fe) im Bereich der Oberflächenschicht der Metallplatte der Wärme­ schutzabdeckung zeigt.

Fig. 3 ist eine grafische Darstellung, die die Bezie­ hung zwischen der Dicke t der mit Silizium angerei­ cherten Schicht im Oberflächenbereich der Metallplatte (Tantal) der Wärmedämmabdeckung und der OSF-Dichte (Durchschnittswert innerhalb der Oberfläche) eines Si­ liziumeinkristalls zeigt.

Die Erfinder haben in erster Linie die Gründe für die hohe OSF-Dichte bei Siliziumeinkristallen, die nach dem kontinuierlichen Ziehverfahren mit der Metall­ platte als Wärmedämmung gezogen wurden, untersucht, sie sind dabei wie folgt vorgegangen:

Da man zunächst annahm, daß die Wirkung der Wärmeent­ wicklung des Kristalls aufgrund der Anwesenheit der Wärmedämmplatte der Grund für die OSF beim Einkristall war, wurden Einkristalle unter verschiedenen Bedingun­ gen gezogen, z. B. Veränderung der heißen Zone und der Wärmedämmabdeckung im Einkristallziehofen im Hinblick auf Konstruktion, Form usw., um die Wärmegesetzmäßig­ keiten der Kristalle zu verändern. In keinem der Fälle reduzierte sich jedoch die OSF-Dichte.

Danach wurde die Verunreinigung des Einkristalls durch Fremdstoffe als Grund für das Auftauchen der OSF be­ trachtet. In die Siliziumschmelze aufgrund des Quarz­ schmelzvorgangs eingeschmolzene Schwermetallfremd­ stoffe, die im Quarztiegel und im Quarztrennelement enthalten sind, wurden als Verunreiniger angenommen, daher wurden Einkristalle unter Veränderung der Quarz­ qualitäten (Veränderungen der enthaltenen Fremdstoff­ mengen) gezogen, es wurden jedoch keinerlei Verände­ rungen der OSF-Dichte festgestellt.

Sodann wurden Einkristalle nach dem CZ-Verfahren ohne Quarztrennelement und ohne Zufuhr von Siliziumaus­ gangsmaterial, aber unter Verwendung der Wärmedämm-Me­ tallplatte gezogen; die entstandenen Einkristalle wie­ sen ebenfalls eine hohe OSF-Dichte auf.

Als Ergebnis der verschiedenen Untersuchungen wurde gefunden, daß der Grund für die hohen OSF-Dichten bei den Siliziumeinkristallen, die unter Einsatz der Wär­ medämmabdeckung gezogen wurden, darin lag, daß, wenn Schwermetallverunreinigungen, wie Fe und Cu, auch wenn sie nur in Spuren in der Metallplatte der Wärmedämmab­ deckung vorhanden sind, den hohen Temperaturen direkt oberhalb der Siliziumschmelze unter dem verminderten Druck von 0,01 bis 0,5 at ausgesetzt wurden, die Fremdstoffe verdampften, durch die Dampfphasen-Diffu­ sion diffundierten und sich auf der Oberfläche des wachsenden Siliziumeinkristalls absetzten und von der Oberfläche durch Festphasen-Diffusion in das Innere eindrangen und dadurch die Metallverunreinigung des Einkristalls verursachten.

Obwohl nicht klar ist, daß das häufige Auftreten der OSF verursacht wird, wenn die Gehalte an Metallverunreinigungen des Einkristalls einen bestimm­ ten Umfang aufweisen, können Gehalte von etwa 10¹⁰ Atomen/cm³ oder weniger die OSF verursachen.

Die handelsüblichen, für die Wärmedämmplatte geeigne­ ten hochreinen Tantalbleche enthalten normalerweise Metallfremdkörper, wie Fe, Cu oder Ni. Ihre Gehalte sollen 50 oder weniger ppm Fe und 10 oder weniger ppm Cu betragen. Die Analysenergebnisse der Erfinder haben ergeben, daß zwar im inneren Bereich der Platte die Metallfremdstoffe nur in extremen Spuren enthalten sind, z. B. Fe 10 ppm oder weniger und Cu 1 ppm oder weniger, diese aber in der Oberflächenschicht der Platte in gesteigertem Maße vorhanden sind, z. B. Fe 100 ppm und mehr und Cu 10 ppm und mehr.

Man geht davon aus, daß bei dem verminderten Druck diese Metallfremdstoffe direkt über der Silizium­ schmelze einer Umgebung mit hohen Temperaturen ausge­ setzt sind und verdampfen, durch die Dampfphasen-Dif­ fusion diffundieren, sich auf der Oberfläche des wach­ senden Siliziumeinkristalls absetzen und von der Ober­ fläche in den Innenbereich durch Festphasen-Diffusion eindringen.

In diesem Zusammenhang wird berücksichtigt, daß das Material der Wärmeschutzabdeckung, d. h. Tantal selbst hat einen hohen Schmelzpunkt, schwer verdampft und eine sehr niedrige Diffusionsgeschwindigkeit im Sili­ zium aufweist, so daß es praktisch nicht in das Innere des Einkristalls eindringt und somit keine Möglichkeit besteht, daß es das Auftreten von OSF verursacht.

Andererseits liegen im Kristallwachstumstemperaturbe­ reich die Diffusionsfaktoren in Silizium, z. B. von Fe, Cu usw., bei 10^-4 bis 10^-6 cm²/s, so daß sie leicht von der Oberfläche zum Inneren des Einkristalls hin diffundieren und zu Verunreinigern, die das Auftreten von OSF verursachen, werden können.

Die Richtigkeit der Studien der Erfinder wird dadurch belegt, daß die radiale OSF-Dichteverteilung eines Si­ liziumeinkristalls, der mit Hilfe einer handelsübli­ chen dünnen Tantalplatte als Wärmedämmabdeckung herge­ stellt wurde, sich von der Struktur her besonders gut mit den Konzentrationsprofilen derartiger Metalle, wie Fe und Cu, deckt, wenn diese der Festphasen-Diffusion ausgesetzt werden.

Die vorliegende Erfindung ist so angelegt, daß eine siliziumangereicherte Schicht im Oberflächenbereich einer Metallplatte gebildet wird, so daß die Verdamp­ fung von Schwermetallfremdkörpern, wie Fe und Cu, von der Metallplatte reduziert und die Menge der in den wachsenden Siliziumeinkristall eindringenden Schwerme­ tallfremdstoffe verringert wird.

Dies wird anhand der Fig. 2, die sich auf eine Aus­ führungsform der vorliegenden Erfindung bezieht, näher erläutert.

Fig. 2 ist eine grafische Darstellung, die schema­ tisch die Konzentrationsverteilungsprofile von Sili­ zium und einem Schwermetallfremdkörper (Fe) im Bereich der Oberflächenschicht der wärmedämmenden Metallplatte zeigt. Dabei stellt die Ordinate die Konzentration und die Abszisse die Tiefe von der Oberfläche dar. Fig. 2 zeigt, daß, während auf der rechten Seite des Punktes X der Tiefe t von der Oberfläche oder auf der Innen­ schichtseite der Metallplatte der Gehalt an Schwermetallfremdstoffen höher ist als der Siliziumge­ halt, der Siliziumgehalt auf der linken Seite vom Punkt X oder auf der Oberflächenschichtseite der Me­ tallplatte größer ist als der Gehalt an Schwermetall­ verunreinigungen.

Vorausgesetzt, daß t die Tiefe des Punktes X von der Oberfläche der Metallplatte darstellt, wird durch Aus­ wahl des Wertes von t auf 10 µm oder darüber die Ver­ dampfung des Metallfremdstoffs aus der Metallplatte durch Si reduziert.

Die Beschreibung bezieht sich im folgenden auf eine Metallplatte, die aus einer Tantalplatte und auf einen Schwermetallfremdstoff, der aus Fe besteht. Die Fe- Verdunstung von der Oberfläche des Tantalblechs kann in Form eines Ta-Fe-Systems und der Gleichgewichts­ dampfdruck von in Ta enthaltenem Fe im Bereich von 10^-6 atm betrachtet werden.

Wenn die siliziumangereicherte Schicht der Dicke t sich in der Oberflächenschicht des Tantalblechs befin­ det, entsteht ein Ta-Si-Fe-System, und die Aktivität von Fe in Ta ist aufgrund der Anwesenheit von Si ver­ ringert. Dadurch ändert sich der Dampfdruck von Fe auf 10^-8 atm oder weniger, und die Menge an Fe-Dampf aus der Tantalplatte nimmt erheblich ab. Wenn jedoch die Dicke t der siliziumangereicherten Schicht nicht grö­ ßer als 10 µm ist, wird die Verdampfung der Metallver­ unreinigungen nicht zufriedenstellend verhindert.

Selbstverständlich ist es um so vorteilhafter für die Reduzierung der Verdampfung von Schwermetallverunrei­ nigungen je geringer der Gehalt an Schwermetallfremd­ stoffen in der siliziumangereicherten Schicht ist.

Wird der Schwermetallfremdstoffgehalt, z. B. von Fe in der siliziumangereicherten Schicht, auf 5 oder weniger ppm reduziert, wird die Verdampfung von Schwermetall­ verunreinigungen vollständig verhindert. Die Kurve c der Fig. 2 zeigt die Verteilung der Schwermetall­ fremdstoffe, nachdem eine Behandlung zur Reduzierung der Schwermetallverunreinigungen in der Oberflächen­ schicht durchgeführt wurde.

Dabei ist anzumerken, daß die Tantalplatte zwar häufig Fremdstoffe wie Molybdän, Wolfram usw. enthält, diese Metalle mit hohem Schmelzpunkt von über 2000°C aller­ dings schwer verdampfen und zudem ihre Diffusionsge­ schwindigkeiten im Silizium sehr niedrig sind. Das heißt, selbst wenn diese Metallelemente als Verunrei­ nigungen im Tantalblech enthalten sind, sie kaum Ver­ unreinigungen des Siliziumeinkristalls darstellen wer­ den.

Aus den vorstehenden Ausführungen geht hervor, daß zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe eine Metallplatte als Wärmedämmabdeckung für eine Vorrichtung zur Her­ stellung von Siliziumeinkristallen bereitgestellt wird, wobei diese Metallplatte aus einem Material, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Tantal, Molybdän und Wolfram ausgewählt ist und 50 oder weniger ppm Fe sowie 10 oder weniger ppm Cu enthält. Die Ober­ flächenschicht der Metallplatte besteht aus einer si­ liziumangereicherten Schicht und ist derart begrenzt, daß die Tiefe von der Oberfläche eines Bereichs, in dem der Siliziumgehalt größer ist als die Fe- und Cu- Gehalte, an der gleichen Stelle in der siliziumangerei­ cherten Schicht nicht weniger als 10 µm beträgt und daß der Fe-Gehalt der siliziumangereicherten Schicht nicht größer als 5 ppm ist.

Verfahren zur Bildung der siliziumangereicherten Schicht in der Oberflächenschicht der Metallplatte um­ fassen bspw. Verdampfung des Siliziums auf der Metall­ platte und Wärmebehandlung der Metallplatte in einem Gas, das Silizium oder SiO enthält.

Soweit die Erfordernisse der vorliegenden Erfindung erfüllt werden, gehört auch ein Verfahren, bei dem die Metallplatte unter Anlegen eines reduzierten Drucks erwärmt wird, zu den Verfahren, die Schwermetallfremd­ stoffgehalte der Oberflächenschicht der Metallplatte zu reduzieren, dabei wird ebenfalls eine OSF-reduzie­ rende Wirkung erzielt, auch wenn die Gehalte an Schwermetallfremdstoffen nicht wirklich reduziert wer­ den und das Metallblech selbst verwendet wird.

Mit der erfindungsgemäßen Konstruktion der Vorrichtung zur Herstellung von Siliziumeinkristallen in der oben beschriebenen Art und Weise ist es nunmehr möglich, hochwertige Siliziumeinkristalle mit großen Durchmes­ sern von 15,24 bis 25,40 cm (6 bis 10 inches) und einer OSF-Dichte von nicht mehr als 10 Fehlern/cm² be­ ständig herzustellen, während Siliziumausgangsmaterial in einer der Ziehgeschwindigkeit des Einkristalls ent­ sprechenden Menge zugeführt wird, ohne daß Verfesti­ gungen am Trennelement an der Oberfläche der Silizium­ schmelze auftreten und nichtgeschmolzene Reste des zu­ geführten Siliziumausgangsmaterials verbleiben.

Bei der Herstellung von Siliziumeinkristallen nach dem herkömmlichen CZ-Verfahren kann durch die erfindungs­ gemäße Vorrichtung zur Herstellung von Siliziumeinkri­ stallen zudem eine stetige Herstellung von hochwer­ tigen Siliziumeinkristallen mit großen Durchmessern und OSF-Dichten von nicht mehr als 10 Fehlern/cm² si­ chergestellt und die gewünschte Beschleunigung der Ziehgeschwindigkeit erreicht werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Er­ findung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht in Längsrich­ tung, die schematisch eine Vorrichtung zur Herstellung von Siliziumeinkristallen, die in einer Ausführungs­ form der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.

Bezugsziffer (1) der Fig. 1 bezeichnet einen Quarz­ schmelztiegel mit einem Durchmesser von 50,8 cm (20 inches), der von einem Graphittiegel (2) gestützt wird, welcher seinerseits durch einen Sockel (4) mit Drehmechanismus abgestützt wird.

Bezugsziffer (3) bezeichnet eine den Graphittiegel um­ gebende elektrische Widerstandsheizvorrichtung, (5) einen Siliziumeinkristall und (6) ein die elektrische Widerstandsheizeinrichtung (3) umgebendes Wärmeiso­ liermaterial; diese Bestandteile sind in einer Kammer (11) angeordnet. Bezugsziffer (7) bezeichnet die im Quarztiegel (1) befindliche Siliziumschmelze (Menge der Siliziumschmelze: 25 kg), der Siliziumeinkristall (5) wird aus der Siliziumschmelze (7) gezogen.

In dieser Ausführungsform ist der Siliziumeinkristall p-dotiert (n-leitend) mit einem Widerstandswert von 10 Ωcm, einem Durchmesser von 15,24 cm (6 inches), seine Ziehgeschwindigkeit beträgt durchschnittlich 1,2 mm/min.

In den Ofen wird durch einen im oberen Bereich der Ziehkammer (13) angeordneten Gaseinlaß (nicht darge­ stellt) ein atmosphärisches Gas (Argongas) eingeleitet und durch eine Auslaßöffnung (12) im Boden des Ofens mittels einer Druckreduziereinheit (16) abgeführt. Der Druck innerhalb des Ofens beträgt 0,02 atm.

Die bisher aufgeführten Komponenten entsprechen denen der konventionellen Vorrichtung zur Herstellung von Siliziumeinkristallen nach dem einfachen Czochralski- Verfahren.

Bezugsziffer (8) bezeichnet ein Trennelement mit einem Durchmesser von 40,64 cm (16 inches), welches aus einem hochreinen Quarz hergestellt und innerhalb des Schmelztiegels (1) so angeordnet ist, daß es mit die­ sem eine gemeinsame Achsenmitte bildet.

Das Trennelement (8) weist wenigstens eine kleine Öffnung (9) mit einem Durchmesser von 3 mm auf, so daß das geschmolzene Silizium in einem Materialschmelzab­ schnitt (A) (auf der Außenseite des Trennelementes (8)) in einen Einkristallwachstumsabschnitt (B) (auf der Innenseite des Trennelementes (8)) durch diese kleine Öffnung (9) fließt.

Der obere Bereich des Trennelementes (8) liegt über der Oberfläche der Siliziumschmelze, der untere Kan­ tenbereich ist vorher an den Quarztiegel (1) ange­ schmolzen worden oder durch die bei der Herstellung der Siliziumschmelze durch Schmelzen des Ausgangsmaterials zu Beginn des Vorgangs entstehende Wärme angeschmolzen.

In ein Ausgangsmaterial-Zufuhrrohr (15) wird von einem Vorratsbehälter (nicht dargestellt) innerhalb einer Ausgangsmaterial-Zufuhrkammer (14) körniges Silizium durch eine Zuführeinheit (nicht dargestellt) einge­ bracht, so daß das körnige Silizium kontinuierlich dem Materialschmelzabschnitt (A) zugeführt wird. Die Zu­ fuhrgeschwindigkeit liegt konstant bei etwa 55 g/min, was der Einkristallziehgeschwindigkeit aus dem Einkri­ stallwachstumsabschnitt (B) entspricht.

In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, daß er­ findungsgemäß selbstverständlich Steuereinheiten vor­ gesehen sind (obwohl diese nicht dargestellt sind), die die Temperatur im Materialschmelzabschnitt (A) und im Einkristallzüchtungsabschnitt (B), die Einkristall­ zieh- und -drehvorrichtungen, die Schmelztiegeldreh­ vorrichtungen sowie die Zufuhreinrichtungen für das atmosphärische Gas sicher regeln.

Ebenso wird in geeigneter Weise ein Dotierstoff mit dem körnigen Silizium durch die gleiche Ausgangsmate­ rialzufuhrleitung (15) eingebracht, um die Konzentra­ tion der Siliziumschmelze konstant zu halten.

Bezugsziffer (10) bezeichnet eine Wärmedämmabdeckung aus einer hochreinen, 0,2 mm starken Tantalplatte. Die Silizium- bzw. Fe-Gehalte betragen an der Oberfläche 50 ppm bzw. 1 ppm, der Siliziumgehalt ist im Bereich von 20 µm von der Oberfläche größer als der Fe-Gehalt und der Cu-Gehalt.

Fig. 2 ist eine grafische Darstellung, die die Kon­ zentrationsverteilungsprofile des Siliziums und des Schwermetallfremdstoffs (Fe) im Oberflächenbereich der wärmedämmenden Metallplatte zeigt, dabei stellt die Ordinate die Konzentration und die Abszisse den Ab­ stand von der Oberfläche dar. Die Kurve a zeigt die Konzentrationsverteilung der Schwermetallverunreini­ gung in der Metallplatte, die Kurve b die Konzentrati­ onsverteilung des Siliziums in der Oberflächenschicht der Metallplatte und Kurve c die Verteilung der Schwermetallverunreinigung, nachdem ein Verfahren zur Reduzierung des Schwermetallfremdstoffs in der Ober­ flächenschicht durchgeführt wurde.

Mit anderen Worten: in dem Bereich der Oberflächen­ schicht der Wärmedämmabdeckung aus der Tantalmetall­ platte, bei der der Schwermetallfremdstoff (Fe) eine Konzentrationsverteilung, dargestellt durch Kurve a der Fig. 2, aufweist, wird die siliziumangereicherte Schicht aus der Oberfläche mit einer Siliziumkonzen­ trationsverteilung, dargestellt durch Kurve b der Fig. 2, gebildet.

Während der Schwermetallfremdstoffgehalt auf der rech­ ten Seite des Punktes X der Tiefe t von der Oberflä­ chenschicht in Fig. 2 größer ist als der Siliziumge­ halt, ist der Siliziumgehalt auf der linken Seite des Punktes X (auf der Seite der Oberflächenschicht) grö­ ßer als der Gehalt des Schwermetallfremdstoffs.

Wenn t die Tiefe des Punktes X von der Oberfläche der Metallplatte darstellt, kann die Verdampfung der Me­ tallverunreinigung aus der Metallplatte durch Auswahl des Wertes von t von 10 µm und darüber reduziert wer­ den.

Es wurde ein Siliziumeinkristall nach dem kontinuier­ lichen CZ-Verfahren mittels einer Vorrichtung zur Her­ stellung von Siliziumeinkristallen nach Fig. 1 herge­ stellt, wobei die Tantalmetallplatte mit der Konzen­ trationsverteilung der Kurven von Fig. 2 eingesetzt wurde.

Aus diesem Siliziumeinkristall wurden Siliziumscheiben hergestellt, nach einer 3stündigen Wärmebehandlung der Scheiben bei 800°C und 15 Min. bei 1000°C in einer trockenen O₂-Atmosphäre (zur Qualitätsauswertung) wurde die Messung der OSF-Dichten durchgeführt, die Dichten von 2 bis 9 Fehlern/cm² ergab.

Außerdem wurde ein Siliziumeinkristall auf die oben beschriebene Art und Weise und mit der vorstehend be­ schriebenen Wärmebehandlung zur Qualitätsprüfung gezo­ gen und die OSF-Dichten gemessen; dabei wurde die Wär­ medämmabdeckung (10) aus einer Tantalplatte mit einer anderen Dicke t als der des Bereichs, in dem die Si- Konzentration höher war als die Konzentration an Me­ tallfremdstoff, gemessen von der Oberfläche der Tan­ talplatte, eingesetzt. Die dabei erhaltenen Ergebnisse sind in Fig. 3 dargestellt.

Fig. 3 ist eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Dicke t der siliziumangereicherten Schicht im Bereich der Oberflächenschicht in der Me­ tall(Tantal)platte der Wärmedämmabdeckung und der OSF-Dichte (Fehler/cm², Mittelwert innerhalb der Ober­ fläche je Siliziumscheibe).

Fig. 3 zeigt, daß bei einer Dicke t der siliziumange­ reicherten Schicht in der Metallplattenoberfläche von nicht größer als 10 µm, OSF von 10¹ bis 10³ Feh­ lern/cm² vorhanden waren. Wenn, im Gegensatz dazu, die Dicke t der siliziumangereicherten Schicht der Ober­ flächenschicht der Metallplatte größer als 10 µm war, betrugen die entstehenden OSF-Dichten nicht mehr als 10 Fehler/cm².

Claims (1)

1. Vorrichtung zur Herstellung von Siliziumeinkristal­ len, umfassend einen Quarztiegel für die Silizium­ schmelze, eine elektrische Widerstandsheizvorrichtung zur seitlichen Erwärmung des Quarztiegels, ein Quarz­ trennelement, welches die Siliziumschmelze in einen Einkristallzüchtungsabschnitt und einen Material­ schmelzabschnitt innerhalb des Quarztiegels unterteilt und wenigstens eine kleine Öffnung für das Durchflie­ ßen der Siliziumschmelze aufweist, eine Wärmedämmab­ deckung zum Abschirmen des Trennelements und des Mate­ rialschmelzabschnitts, eine Druckmindereinheit zur Re­ duzierung des Innendrucks eines Ofens, in dem diese Bestandteile angeordnet sind, sowie eine Ausgangsmate­ rial-Zufuhreinrichtung für die kontinuierliche Zufuhr von Siliziumausgangsmaterial in den Materialschmelzab­ schnitt, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmedämmab­ deckung hergestellt ist aus einer Platte aus Metall, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Tantal, Molybdän und Wolfram mit 50 oder weniger ppm Fe und 10 oder weniger ppm Cu, wobei eine Oberfläche der Metall­ platte aus einer siliziumangereicherten Schicht be­ steht, ein Bereich dieser siliziumangereicherten Schicht, in dem an der gleichen Stelle ein Siliziumge­ halt größer ist als die Fe- und Cu-Gehalte, eine Tiefe von 10 µm oder mehr von dieser Oberfläche aufweist und der Fe-Gehalt der siliziumangereicherten Schicht nicht größer als 5 ppm ist.