DE68916157T2

DE68916157T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Züchtung von Kristallen aus Halbleitermaterialien.

Info

Publication number: DE68916157T2
Application number: DE68916157T
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki C O Chuo-Kenkyus Arai; Michio C O Chuo-Kenkyusho Kida; Naoki C O Chuo-Kenkyusho Ono; Kensho C O Chuo-Kenkyus Sahira
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1988-10-13
Filing date: 1989-10-13
Publication date: 1994-11-24
Anticipated expiration: 2009-10-14
Also published as: US5196173A; JPH02107587A; DE68916157D1; EP0364899B1; EP0364899A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Das Gebiet der Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und auf ein Verfahren zum Züchten von Kristallen aus Halbleitermaterialien unter Verwendung eines Doppeltiegels, der einen inneren Tiegel und einen äußeren Tiegel aufweist, und bei dem das Halbleitermaterial fortwährend in einen zwischen dem inneren und äußeren Tiegel gebildeten Raum zugeführt wird.

Stand der Technik

Bei einer chargenweise arbeitenden Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zum Züchten von Silizium- Einkristallblöcken nimmt die Menge an in einem Quarztiegel enthaltenem geschmolzenem Silizium während des Wachstums des Siliziumeinkristalls ab. Als Folge davon sind Güteeigenschaften, wie beispielsweise Sauerstoffkonzentration, Kristallisationsfront und Dotierstoffkonzentration innerhalb des mit Hilfe der chargenweise arbeitenden Vorrichtung erhaltenen kristallinen Blocks in Längsrichtung nicht einheitlich. Insbesondere hängt die Sauerstoffkonzentration im Kristall von der Menge des in der Siliziumschmelze gelösten Sauerstoffs ab und verändert sich dadurch bei Veränderung der Siliziumschmelze im Quarztiegel. Da sich die Menge der Schmelze verändert, schwankt zusätzlich die Wärmeverteilung im Ofen, und die Konvektion in der Schmelze verändert sich, so daß sich die Kristallisationsfront verändert. Weiter wird der Dotierstoff, wie beispielsweise Phosphor, Bor, Antimon und dergleichen im allgemeinen der Schmelze zugegeben, um die elektrische Leitfähigkeit des Einkristalls zu steuern. Da die Entmischungskonstante derartiger Fremdstoffe nicht gleich 1 ist, verändert sich die Dotierstoffkonzentration im Kristall während des Wachstums des Kristalls.
Die Beschaffenheit des Einkristallblocks ändert sich somit in Längsrichtung, und deshalb besitzt nur ein Teil des Blocks die gewünschten Güteeigenschaften. Zusätzlich ist bei derartigen chargenweise arbeitenden Verfahren die Produktivität gering gewesen.
Der Weg zur Beseitigung der oben genannten Nachteile besteht darin, eine bereits vorgeschlagene Vorrichtung eines Typs mit fortwährender Zufuhr zu verwenden, bei welcher der Einkristallblock gezüchtet wird, während der Quarztiegel mit Material beschickt wird. Das United States Patent Nr. 2,892,739 und die erste Veröffentlichung "Kokai" der Japanischen Patentanmeldung Nr. 61-36197 beschreiben eine derartige Vorrichtung, welche den einfachsten Tiegel darstellt, der durch die Kombination eines Typs mit fortwährender Zufuhr des Materials zum Tiegel und eines doppelwandigen Tiegels gekennzeichnet ist.
Die oben genannte Vorrichtung des Typs mit fortwährender Zufuhr weist jedoch die folgenden Probleme auf. Als erstes beginnt sich der Quarz, aus dem der Tiegel besteht, bei etwa 1100ºC zu erweichen, obwohl der Schmelzpunkt des Siliziums oberhalb von 1420ºC liegt. Als Folge davon wird der von einer Graphitaufnahme gehaltene äußere Tiegel gegenüber seiner ursprünglichen Gestalt nicht sehr stark verformt, und der innere Tiegel kann verformt werden, da der innere Tiegel nicht ausreichend abgestützt ist, so daß das Züchten des Einkristalls nachteilig beeinflußt wird. Insbesondere muß der Tiegel zu Beginn des Ziehzyklus mit einer großen Wärmemenge beaufschlagt werden, um das Material im Tiegel zu schmelzen, und die Temperatur im Ofen erreicht zu diesem Zeitpunkt das Maximum. Die Verformung des inneren Tiegels ist daher zu diesem Zeitpunkt am größten. Die Figuren 1 bis 4 veranschaulichen herkömmliche Vorrichtungen, von denen jede einen Doppelquarztiegel umfaßt. Der Doppelquarztiegel-Aufbau ist in einer Graphitaufnahme 103 untergebracht und umfaßt einen inneren Tiegel 101 und einen äußeren Tiegel 102, sowie eine Widerstandsheizung 104. Der Doppeltiegel-Aufbau wird mit einer Charge aus ungeschmolzenem Silizium-Ausgangsmaterial 105 gefüllt, das auf eine Erwärmung hin eine Siliziummaterialschmelze 106 bildet. Wie in den Figuren 1 und 3 dargestellt, wird die Charge durch die Heizung 104 erhitzt, bis sie völlig geschmolzen ist. Jedoch ist jeder innere Tiegel 101 beim Schmelzen des Siliziummaterials einer Verformung unterworfen, wie in den Figuren 2 bzw. 4 dargestellt.
Da Quarz eine stark wärmeisolierende Wirkung besitzt, ist zusätzlich die Temperatur auf der Innenseite des inneren Tiegels niedriger als auf dessen Außenseite. Dies kann während des Wachstums von Kristallen vorteilhaft sein, da das zwischen den inneren und äußeren Tiegel zugeführte Siliziummaterial wirkungsvoll aufgeschmolzen werden kann, es ist jedoch beim Schmelzen des anfänglich in den Tiegel zugeführten Siliziummaterials von Nachteil, da der innere Tiegel selbst verhindert, daß die von der Heizung erzeugte Wärme in sein Inneres übertragen wird, so daß der Wirkungsgrad des Schmelzens verringert wird. Falls die Wärmemenge, mit der das Material beaufschlagt wird, vergrößert werden sollte, um die für den Schmelzvorgang benötigte Zeit zu verringern, wäre der innere Tiegel einer übermäßigen Verformung unterworfen.
In der ersten Veröffentlichung "Kokai" der Japanischen Patentanmeldung Nr. 55-47300 ist eine Vorrichtung vorgeschlagen worden, wie in Figur 5 dargestellt. Die Vorrichtung umfaßt den inneren Tiegel 101, der über eine Halterung 107 starr an einem feststehenden Teilstück 108 befestigt ist. Jedoch weist eine derartige Vorrichtung den Nachteil auf, daß der innere Tiegel 101 nicht zusammen mit dem äußeren Tiegel 102 gedreht werden kann. Zum Züchten eines Einkristallblocks muß der Tiegel im allgemeinen mit einer Geschwindigkeit von 5 Umdrehungen/min bis 10 Umdrehungen/min gedreht werden. Ohne ein derartiges Drehen kann die Bildung von Einkristallen schwierig sein.
In Verbindung mit der Verwendung des Doppeltiegels offenbart die erste Veröffentlichung "Kokai" der Japanischen Patentanmeldung Nr. 58-204895 eine Vorrichtung, die einen Mechanismus umfaßt, um zu bewirken, daß sich der innere Tiegel dreht und auf- und abwärts bewegt. Jedoch weist die Vorrichtung die Nachteile auf, daß sie groß ist und einen komplizierten Aufbau aufweist, wodurch sie teuer ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Dementsprechend ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die oben genannten Probleme zu lösen und eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 bzw. 8 bereitzustellen, um Kristalle aus Halbleitermaterialien unter Verwendung eines Tiegels vom doppelwandigen Typ zu züchten, der einen inneren Tiegel und einen äußeren Tiegel aufweist, und bei welchem das Halbleitermaterial sukzessiv zwischen den inneren und äußeren Tiegel zugeführt wird. Bei Vorrichtungen zum Schmelzen von Halbleitermaterial und zum Züchten von Einkristallen aus Halbleitermaterial umfaßt die Vorrichtung:
(a) einen Ofen,
(b) einen zylindrischen Doppeltiegel-Aufbau, umfassend einen inneren Tiegel, in dem Einkristalle aus Halbleitermaterial in einer vertikalen konzentrischen Richtung desselben gezüchtet werden, wobei der innere Tiegel ein Oberteil und ein Unterteil aufweist, sowie einen äußeren Tiegel, in dem geschmolzenes Halbleitermaterial aufgenommen wird, wobei der äußere Tiegel den inneren Tiegel darin angeordnet aufweist,
(c) eine Aufnahme zum Halten des äußeren Tiegels,
(d) Dreheinrichtungen zum Drehen der Aufnahme,
(e) ein Beschickungsrohr zum Zuführen von Ausgangsmaterial in den zwischen dem inneren und äußeren Tiegel gebildeten Raum,
(f) Flüssigkeitsdurchlaßeinrichtungen, um es dem geschmolzenen Halbleitermaterial zu ermöglichen, zwischen dem inneren und dem äußeren Tiegel zu strömen, wobei die Flüssigkeitsdurchlaßeinrichtungen am Unterteil des inneren Tiegels angeordnet sind, und
(g) Heizeinrichtungen zum Erhitzen des im Doppeltiegel enthaltenen Halbleitermaterials, die so angeordnet sind, daß sie die Aufnahme umgeben;
mindestens zwei Verbindungseinrichtungen, um den inneren Tiegel innerhalb des Ofens konzentrisch im Inneren des äußeren Tiegels einzusetzen, wobei die Verbindungseinrichtungen mindestens an zwei Umfangsstellen hinsichtlich des inneren Tiegels angeordnet sind, die durch Umfangsabstände getrennt sind;
mit einem oberen Ende des inneren Tiegels verbundene Kupplungseinrichtungen, wobei die Kupplungseinrichtungen jeweils mit den Verbindungseinrichtungen (26) im Eingriff steht, wenn der innere Tiegel in einem ersten vorbestimmten Winkel um seine vertikale Achse positioniert ist, und wobei sich die Kupplungseinrichtungen von den Verbindungseinrichtungen lösen, wenn der innere Tiegel in einem zweiten vorbestimmten Winkel positioniert ist; und
Antriebseinrichtungen, um die Verbindungseinrichtungen innerhalb des Ofens in vertikaler Richtung zwischen einer unteren Stellung, in welcher der innere Tiegel innerhalb des äußeren Tiegels plaziert ist, und einer oberen Stellung, in welcher der innere Tiegel vom äußeren Tiegel abgenommen ist, zu bewegen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Schmelzen von Halbleitermaterial und zum Züchten von Einkristallen aus dem Halbleitermaterial vorgesehen, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:
(a) Bereitstellen einer Kristallzüchtvorrichtung mit einem zylindrischen Doppeltiegel-Aufbau, umfassend einen inneren Tiegel, in dem Einkristalle aus dem Halbleitermaterial in einer konzentrischen Richtung darin gezüchtet werden, sowie einen äußeren Tiegel, der den inneren Tiegel in einer abnehmbaren Weise darin angeordnet aufweist, eine Aufnahme zum Halten des äußeren Tiegels, eine Dreheinrichtung zum Drehen der Aufnahme, und Flüssigkeitsdurchlaßeinrichtungen, um es dem geschmolzenen Halbleitermaterial zu ermöglichen, zwischen dem inneren und dem äußeren Tiegel zu strömen, wobei die Flüssigkeitsdurchlaßeinrichtungen an einem Unterteil des inneren Tiegels angeordnet sind;
(b) Beschicken des Tiegel-Aufbaus mit dem Halbleitermaterial;
(c) anschließendes Erwärmen des äußeren Tiegels, um das Halbleitermaterial darin zu schmelzen;
(d) anschließendes Eintauchen eines Impfkristalls in die Schmelze im Tiegel-Aufbau und Zurückziehen des Impfkristalls aus der Schmelze unter Drehung des Tiegel-Aufbaus, um dadurch den Halbleiterkristall zu züchten,
Bereitstellen mindestens zweier Verbindungseinrichtungen, die innerhalb des Ofens mindestens an zwei Umfangsstellen hinsichtlich des inneren Tiegels angeordnet sind;
Bereitstellen von Kupplungseinrichtungen, die mit einem oberen Ende des inneren Tiegels verbunden sind, wobei die Kupplungseinrichtungen jeweils mit den Verbindungseinrichtungen im Eingriff stehen, wenn der innere Tiegel in einem ersten vorbestimmten Winkel um seine vertikale Achse positioniert ist, und wobei sich die Kupplungseinrichtungen von den Verbindungseinrichtungen lösen, wenn der innere Tiegel in einem zweiten vorbestimmten Winkel positioniert ist;
Einrücken der Verbindungseinrichtungen mit den Kupplungseinrichtungen und Anheben des inneren Tiegels aus dem äußeren Tiegel vor dem Schritt des Beschickens (b) durch Aufwärtsziehen der Verbindungseinrichtungen;
Beschicken lediglich des äußeren Tiegels mit dem Halbleitermaterial beim Schritt des Beschickens (b);
Absenken der Verbindungseinrichtungen und Verbinden des inneren und äußeren Tiegels miteinander, um den Doppeltiegel- Aufbau zwischen dem Schritt des Schmelzens (c) und dem Schritt des Zurückziehens (d) zu bilden; und
Lösen der Verbindungseinrichtungen von den Kupplungseinrichtungen durch Drehen des Doppeltiegel-Aufbaus und Aufwärtsziehen der Verbindungseinrichtungen vor dem Schritt des Zurückziehens (d).

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine herkömmliche Kristallzüchtvorrichtung zeigt;
Fig. 2 ist eine Ansicht ähnlich Fig. 1, zeigt jedoch wie ein innerer Tiegel der Kristallzüchtvorrichtung nach dem Erhitzen verformt ist;
Fig. 3 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine andere herkömmliche Kristallzüchtvorrichtung zeigt;
Fig. 4 ist eine Ansicht ähnlich Fig. 3, zeigt jedoch, wie ein innerer Tiegel der Kristallzüchtvorrichtung dieser Fig. nach dem Erhitzen verformt ist;
Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht eines Teils einer dritten herkömmlichen Kristallzüchtvorrichtung;
Fig. 6 ist eine vertikale Querschnittsansicht einer gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bereitgestellten Kristallzüchtvorrichtung in einem Zustand, in dem ein innerer Tiegel aus einem äußeren Tiegel herausgenommen ist;
Fig. 7 ist eine Ansicht ähnlich Fig. 6, zeigt jedoch eine eingesetzte Stellung, in der ein innerer Tiegel in einen äußeren Tiegel eingesetzt ist;
Fig. 8 ist eine vertikale Querschnittsansicht eines Mechanismus zum Auf- und Abwärtsbewegen des inneren Tiegels;
Fig. 9 ist eine Seitenansicht eines Teils des in Fig. 8 dargestellten Mechanismus;
Fig. 10 ist eine Draufsicht, die zeigt, wie Kupplungselemente mit Haltern im Eingriff stehen, die mit Halterverbindungselementen verbunden sind;
Fig. 11 ist eine Ansicht ähnlich Fig. 10, zeigt jedoch den aus dem äußeren Tiegel herausgenommenen inneren Tiegel;
Fig. 12 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Teils einer abgewandelten Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 13 ist eine Draufsicht auf dieselbe Vorrichtung wie in Fig. 12 dargestellt;
Fig. 14 ist eine Draufsicht eines Teils einer anderen abgewandelten Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 15 ist eine Draufsicht auf einen Teil einer dritten abgewandelten Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 16 ist eine Seitenansicht eines Teils einer vierten abgewandelten Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 17 ist eine Seitenansicht eines Teils einer fünften abgewandelten Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 18 ist eine vertikale Querschnittsansicht einer sechsten abgewandelten Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 19 ist eine vertikale Querschnittsansicht einer siebenten abgewandelten Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 20 ist eine vertikale Querschnittsansicht einer achten abgewandelten Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 21 ist eine Draufsicht auf einen Verbindungsrings zum Verbinden eines inneren Tiegels der in Fig. 20 dargestellen Vorrichtung; und
Fig. 22 ist eine vertikale Querschnittsansicht des entlang der Pfeile XVII-XVII geschnittenen Rings.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG

Bezugnehmend auf die Figuren 6 bis 11 ist dort eine Vorrichtung zum Züchten von Einkristallen aus Halbleitermaterialien gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Die Vorrichtung umfaßt einen aus einem Oberteil 10A und einem Unterteil 10B bestehenden Ofen 10, einem aus Quarz bestehenden äußeren Tiegel 13, einen aus Quarz bestehenden inneren Tiegel 16 zur lösbaren Anbringung innerhalb des äußeren Tiegels 13, eine aus Graphit bestehende Aufnahme 12, um den äußeren Tiegel 13 starr zu halten, eine an der darüber angeordneten Aufnahme 12 befestigte Welle 11, um den äußeren Tiegel 13 zu drehen und ihn auf- und abwärts zu bewegen, eine die Aufnahme 12 umgebende Heizung 14, und einen die Heizung 14 umgebenden wärmedämmenden Mantel 15. Der innere Tiegel 16 ist von zylindrischer Form mit einem kleineren Durchmesser als der äußere Tiegel 13 und enthält eine Mehrzahl von Öffnungen von Flüssigkeitsdurchlässen 16A, die durch ihn hindurch ausgebildet und seinem unteren Ende benachbart angeordnet sind. Derartige Vorrichtungen 16A ermöglichen den Fluß von geschmolzenem Material in Richtung des inneren Tiegels 16 und von diesem weg aus und zu einem zwischen den Umfangswänden des äußeren und inneren Tiegels 13 und 16 gebildeten ringförmigen Volumen. Ein Paar aus Quarz bestehender Kupplungselemente 17 ist auf entgegengesetzten Seiten des oberen Umfangsteils des inneren Tiegels 16 nach außen zu angeordnet. Ein Beschickungsrohr 18 zum Zuführen von Silizium- Ausgangsmaterialien zwischen den inneren Tiegel 16 und den äußeren Tiegel 13 ist in den Ofen 10 von dessen Außenseite her eingesetzt. Ein Antriebsmechanismus (nicht dargestellt) zum Ziehen und Drehen eines Drahtes zum Festhalten eines Impfkristalls ist oberhalb des Ofens 10 vorgesehen. Der Draht muß sowohl zum inneren als auch zum äußeren Tiegel konzentrisch sein.
Das Oberteil 10A des Ofens 10 ist an seinem einen Ende am Unterteil 10B befestigt und an seinem anderen Ende an einem zylindrischen Einsatzteil 20 zum Ziehen des Drahtes befestigt. Ein Paar aus nichtrostendem Stahl bestehender Hohlstäbe 21 ist in vertikaler Richtung durch ein Schulterteil 10C des Oberteils 10A eingesetzt. Jeder Hohlstab 21 wird von einer luftdichten und luftgekühlten Dichtung 22 gehalten, so daß der Hohlstab 21 auf- und abwärts bewegt werden kann. Wie in Fig. 8 dargestellt, ist ein Rohr 21A aus nichtrostendem Stahl in den Hohlstab 21 eingesetzt. Gekühltes Wasser wird aus einer zwischen dem Hohlstab 21 und dem Rohr 21A angeordneten Einlaßdüse 21B zugeführt, tritt nach oben durch das Rohr 21 hindurch und wird dann aus einer mit dem Rohr 21A verbundenen Auslaßdüse 21C nach außen abgezogen.
Zusätzlich ist parallel zu jedem Hohlstab 21 durch eine Wellenaufnahme 24 eine Schraubenwelle 23 zum Auf- und Abwärtsbewegen des inneren Tiegels 16 eingesetzt und wird von einer am Schulterteil 10C des Ofens 10 befestigten Tragplatte 23A gehalten. Die Schraubenwelle 23 weist ein mit einem Außengewinde versehenes Teilstück auf, und die Wellenaufnahme 24 weist ein mit einem Innengewinde versehenes Teilstück auf, welches mit dem mit dem Außengewinde versehenen Teilstück der Schraubenwelle 24 im Eingriff steht. Auf einem oberen Ende der Schraubenwelle 23 ist ein Griff 25 befestigt, um die Schraubenwelle 23 zu drehen, so daß jeder Hohlstab 21 durch Drehen des Griffs 25 auf- und abwärts bewegt werden kann.
Ein unteres Endteil jedes Hohlstabs 21 ist an einem horizontalen Teil 26A eines Halterverbindungselementes 26 zum konzentrischen Einsetzen des inneren Tiegels 16 im äußeren Tiegel 13 befestigt, und ein an einem Ende des horizontalen Teils 26A an diesem befestigtes vertikales Teil 26B ist an einem Halter 27 zum Halten des Kupplungsteils 17 des inneren Tiegels 16 befestigt. Das Beschickungsrohr 18 ist so angeordnet, daß das Rohr 18 das Halterverbindungselement 26 nicht stört. Als Material für das Halterverbindungselement 26 wird ein hitzebeständiger Simplex, wie beispielsweise Mo, Ta, W, C, SiC oder dergleichen oder ein Verbundmaterial eingesetzt. Weiter ist, falls erforderlich, eine aus SiC oder dergleichen bestehende Beschichtung auf der Oberfläche des Halterverbindungselements 26 angeordnet.
Wie in den Figuren 10 und 11 dargestellt, ist das jeweils an dem Paar Halterverbindungselemente 26 befestigte Halterpaar 27 in einem Abstand angeordnet, der kürzer ist, als der Abstand zwischen äußeren Enden des Kupplungselementepaars 17 und länger als der Außendurchmesser des inneren Tiegels 16. Um den inneren Tiegel 16 aufwärts zu bewegen, werden die Kupplungselemente jeweils 17 so ausgerichtet, daß sie jeweils mit den Haltern 27 übereinstimmen, wie in Fig. 10 dargestellt, und der Griff 25 wird gedreht, um die Schraubenwelle 23 aufwärts zu bewegen. Um die Halter 27 jeweils von den Kupplungselementen 17 zu lösen, wird die mittelbar mit dem äußeren Tiegel 13 verbundene Welle 11 in den Zustand gedreht, in welchem der innere Tiegel 16 wie in Fig. 11 dargestellt im äußeren Tiegel 13 gehalten wird. Zwischen den Oberflächen von Kupplungselement 17 und Halter 27 muß eine Reibung vorhanden sein, so daß sie sich nicht voneinander lösen, wenn der innere Tiegel 16 auf- und abwärts bewegt wird. Ein konkav-konvexer Mechanismus kann jeweils zwischen dem jeweiligen Kupplungselement 17 und dem jeweiligen Halter 27 verwendet werden.
Als nächstes wird ein Verfahren zur Benutzung der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung dargestellt.
In dem Zustand, in dem der innere Tiegel 16 wie in Fig. 6 dargestellt aus dem äußeren Tiegel 13 herausgenommen ist, wird das Silizium-Ausgangsmaterial aus Silizium unter einer Argonatmosphäre aus dem Beschickungsrohr 18 in den äußeren Tiegel 13 eingebracht, indem Argongas aus dem Einsatzteil 20 in den Ofen injiziert wird, und die Heizung 14 wird angestellt, nachdem die Position des äußeren Tiegels 13 durch Verstellen der mit der Aufnahme 12 verbundenen Welle ausgerichtet ist.
Nachdem das im äußeren Tiegel 13 enthaltene Silizium- Ausgangsmaterial aufgelöst ist, wird der innere Tiegel 16 durch Drehen des Griffs 25 abwärts bewegt, so daß der innere Tiegel 16 und der äußere Tiegel 13 in einer geeigneten Stellung ineinandergepaßt werden, derart, daß beide Tiegel konzentrisch positioniert sind. Die Kupplungselemente 17 des inneren Tiegels 16 werden jeweils von den Haltern 27 gelöst, indem die mit der am äußeren Tiegel 13 befestigten Aufnahme 12 verbundene Welle 11 einschließlich des inneren Tiegels 16 in einen 90º-Winkel gedreht wird. Der Halter 27 wird angehoben, indem der Griff 25 gedreht wird, um die mittelbar mit dem Halter 27 verbundene Schraubenwelle 23 nach oben zu bewegen. Das Züchten eines Einkristallblocks wird in einer üblichen Weise begonnen, wenn die Schmelze des Siliziummaterials in Bewegung gesetzt wird.
Wie oben beschrieben, wird bei der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung der innere Tiegel 16 aus dem äußeren Tiegel 13 herausgenommen, wenn das Silizium-Ausgangsmaterial bei einer hohen Temperatur geschmolzen wird, so daß eine übermäßige Verformung des inneren Tiegels 16 durch Wärme verhindert wird und der Wirkungsgrad des Schmelzens des Ausgangsmaterials größer ist als im inneren Tiegel 16. Die für den Schmelzvorgang erforderliche Zeit kann daher beträchtlich verringert werden, wodurch die Produktivität bedeutend erhöht wird.
Weiter werden die Tiegel als Doppeltiegel gehandhabt und gedreht, sobald der innere Tiegel 16 in die vorgeschriebene Position im äußeren Tiegel 13 bewegt worden ist. Daher kann ein Siliziumeinkristall mit einer einheitlichen Beschaffenheit reibungslos gezüchtet werden, und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist einfach im Aufbau und leicht zu warten.
Beim Züchten eines Siliziumeinkristalls werden das Halterverbindungselement 26 und der Halter 27 unter Verwendung der mittelbar mit ihnen verbundenen Schraubenwelle 23 nach oben zu freigegeben. Es ergeben sich daher solche Vorteile wie derjenige, daß das Halterverbindungselement 26 nicht mit dem Beschickungsrohr 18 zusammentrifft, und daß die auf das Halterverbindungselement 26 auftreffenden Stücke des Silizium- Ausgangsmaterials bewirken, daß der wachsende Einkristall zerbricht. Außerdem kann der innere Tiegel 16 zum oberen Ofeninneren 10 hin entfernt werden, so daß die Verformung des inneren Tiegels 16 durch Wärme kleiner ist als in dem Fall, wo das Halterverbindungselement 26 und der Halter 27 am Ofen 10 befestigt sind. Der äußere Tiegel 13 wird durch Verstellen der Welle 11 in einer geeigneten Stellung ausgerichtet, wenn das in den äußeren Tiegel 13 eingefüllte Silizium-Ausgangsmaterial erhitzt und geschmolzen ist. Dementsprechend kann eine gute Stellung des äußeren Tiegels 13 ausgewählt werden, so daß der Wirkungsgrad des Schmelzens des Ausgangsmaterials optimal ist.
Während die vorliegende Erfindung hier im besonderen dargestellt und beschrieben worden ist, sind im Licht der obigen Lehren viele Abwandlungen und Veränderungen möglich. Obwohl die Halter 27 bei der oben beschriebenen Ausführungsform jeweils die Kupplungselemente 17 des inneren Tiegels 16 außerhalb des inneren Tiegels 16 und in radialer Richtung nach innen zu halten, können die Halter 27 die Kupplungselemente 17 jeweils innerhalb des inneren Tiegels 16 und in radialer Richtung nach außen zu halten, wie in den Figuren 12 und 13 dargestellt. Wie in Fig. 14 schematisch dargestellt, können zusätzlich an Stelle eines in Fig. 11 dargestellten Paars von Kupplungselementen 17 zwei Paare von Kupplungselementen 17 des inneren Tiegels 16 benutzt werden. Zwei Paare von Haltern 27, von denen jeder Halter 27 mit dem Halterverbindungselement 26 verbunden ist, werden benötigt, so daß die Halter jeweils mit den Kupplungselementen zusammentreffen. In diesem Fall weist die Vorrichtung insofern einen Vorteil auf, als der innere Tiegel 16 auf- und abwärts bewegt werden kann, während er gleichzeitig in horizontaler Richtung stabil bleibt. Wenn jedes Kupplungselement 17 in Umfangsrichtung verlängert und der Rand des inneren Tiegels 16 zu einem Flansch erweitert wird, wie in Fig. 15 dargestellt, wird der Rand des inneren Tiegels 16 verstärkt, so daß er weniger verformbar ist.
Zusätzlich wird ein Kupplungselement hergestellt, indem der obere Teil des inneren Tiegels 16 so ausgeschnitten wird, daß er eine L-förmige oder T-förmige Rinne oder Eintiefung bildet, wie in Fig. 16 dargestellt. Überdies umfaßt ein innerer Tiegel 16 ein aus Quarz bestehendes zylindrisches Element 30, sowie ein Paar aus hitzebeständigem Material bestehende Kupplungselemente 31 in Form eines umgekehrten L, die durch Schrauben lösbar am oberen Teil des zylindrischen Elements 30 befestigt sind. Obwohl das zylindrische Element 30 nach einem Gebrauch wegwerfbar ist, können in diesem Fall die Kupplungselemente 31 wiederverwendet werden. Daher werden die Kosten der Vorrichtung verringert.

Claims

1. Vorrichtung zum Schmelzen von Halbleitermaterial und zum Züchten von Einkristallen aus Halbleitermaterial, umfassend:

(a) einen Ofen (10),

(b) einen zylindrischen Doppeltiegel-Aufbau, umfassend einen inneren Tiegel (16), in dem Einkristalle aus Halbleitermaterial entlang einer vertikal-konzentrischen Richtung desselben gezüchtet werden, wobei der innere Tiegel (16) ein Oberteil und ein Unterteil aufweist, sowie einen äußeren Tiegel (13), der Halbleitermaterial aufnimmt, wobei der äußere Tiegel (13) den inneren Tiegel (16), der in Berührung mit einem Boden des äußeren Tiegels (13) angeordnet ist, in abnehmbarer Weise aufweist;

(c) eine Aufnahme (12) zum Halten des äußeren Tiegels (13);

(d) Dreheinrichtungen (11) zum Drehen der Aufnahme (12);

(e) ein Beschickungsrohr (18) zum Zuführen von Ausgangsmaterial in den zwischen dem inneren und dem äußeren Tiegel (13, 16) gebildeten Raum;

(f) Flüssigkeitsdurchlaßeinrichtungen (16A), um es dem geschmolzenen Halbleitermaterial zu ermöglichen, zwischen dem inneren und dem äußeren Tiegel (13, 16) zu strömen, wobei die Flüssigkeitsdurchlaßeinrichtungen (16A) am Unterteil des inneren Tiegels (16) angeordnet sind; und

(g) Heizeinrichtungen (14) zum Erhitzen des Halbleitermaterials im Doppeltiegel-Aufbau (13, 16), die so angeordnet sind, daß sie die Aufnahme (12) umgeben;

dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung weiter umfaßt:

mindestens zwei Verbindungseinrichtungen (26), um den inneren Tiegel (16) innerhalb des Ofens (10) konzentrisch im Inneren des äußeren Tiegels (16) einzusetzen, wobei die Verbindungseinrichtungen (26) mindestens an zwei Umfangsstellen hinsichtlich des inneren Tiegels (16) angeordnet sind, die durch Umfangsabstände getrennt sind;

mit einem oberen Ende des inneren Tiegels (16) verbundene Kupplungseinrichtungen (17), wobei die Kupplungseinrichtungen (17) jeweils mit den Verbindungseinrichtungen (26) im Eingriff stehen, wenn der innere Tiegel (16) in einem ersten vorbestimmten Winkel um seine vertikale Achse positioniert ist, und wobei sich die Kupplungseinrichtungen (17) von den Verbindungseinrichtungen (26) lösen, wenn der innere Tiegel (16) in einem zweiten vorbestimmten Winkel positioniert ist; und

Antriebseinrichtungen (21, 23, 25), um die Verbindungseinrichtungen (26) innerhalb des Ofens (10) in vertikaler Richtung zwischen einer unteren Stellung, in welcher der innere Tiegel (16) innerhalb des äußeren Tiegels (13) plaziert ist, und einer oberen Stellung, in welcher der innere Tiegel (16) vom äußeren Tiegel (13) abgenommen ist, zu bewegen.

2. Vorrichtung zum Schmelzen eines Halbleitermaterials und zum Züchten eines Einkristalls aus Halbleitermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsdurchlaßeinrichtung eine im unteren Teil des inneren Tiegels (16) ausgebildete Öffnung (16A) ist.

3. Vorrichtung zum Schmelzen eines Halbleitermaterials und zum Züchten eines Einkristalls aus Halbleitermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsdurchlaßeinrichtung eine in einem unteren Rand des inneren Tiegels (16) ausgebildete Kerbe ist.

4. Vorrichtung zum Schmelzen eines Halbleitermaterials und zum Züchten eines Einkristalls aus Halbleitermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungseinrichtungen Kupplungselemente (17) sind, die auf einem inneren oder äußeren Umfang des Oberteils des inneren Tiegels (16) befestigt sind, und daß die Kupplungselemente (17) aus einem wärmebeständigen Material bestehen.

5. Vorrichtung zum Schmelzen eines Halbleitermaterials und zum Züchten eines Einkristalls aus Halbleitermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungseinrichtungen auf einem inneren oder äußeren Umfang des Oberteils des inneren Tiegels (16) ausgebildete überstehende Teile (17) sind.

6. Vorrichtung zum Schmelzen eines Halbleitermaterials und zum Züchten eines Einkristalls aus Halbleitermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungseinrichtungen auf dem Oberteil des inneren Tiegels (16) ausgebildete Rinnen oder Eintiefungen (17) sind.

7. Vorrichtung zum Schmelzen eines Halbleitermaterials und zum Züchten eines Einkristalls aus Halbleitermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtungen Verbindungselemente (26) mit Hakenteilstücken (27) in einem unteren Ende derselben sind, und die Verbindungselemente (26) aus wärmebeständigem Material bestehen.

8. Verfahren zum Schmelzen von Halbleitermaterial und zum Züchten von Einkristallen aus dem Halbleitermaterial, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:

(a) Bereitstellen einer Kristallzüchtvorrichtung mit einem zylindrischen Doppeltiegel-Aufbau, umfassend einen inneren Tiegel (16), in dem Einkristalle aus dem Halbleitermaterial in einer konzentrischen Richtung darin gezüchtet werden, sowie einen äußeren Tiegel (13), der den inneren Tiegel (16) in einer abnehmbaren Weise darin angeordnet aufweist, eine Aufnahme (12) zum Halten des äußeren Tiegels (13), eine Dreheinrichtung (11) zum Drehen der Aufnahme (12), und Flüssigkeitsdurchlaßeinrichtungen (16A), um es dem geschmolzenen Halbleitermaterial zu ermöglichen, zwischen dem inneren und dem äußeren Tiegel (13, 16) zu strömen, wobei die Flüssigkeitsdurchlaßeinrichtungen (16A) an einem Unterteil des inneren Tiegels (16) angeordnet sind;

(b) Beschicken des Tiegel-Aufbaus (13, 16) mit dem Halbleitermaterial;

(c) anschließendes Erwärmen des äußeren Tiegels (13), um das Halbleitermaterial darin zu schmelzen;

(d) anschließendes Eintauchen eines Impfkristalls in die Schmelze im Tiegel-Aufbau (13, 16) und Zurückziehen des Impfkristalls aus der Schmelze unter Drehung des Tiegel-Aufbaus (13, 16), um dadurch den Halbleiterkristall zu züchten,

gekennzeichnet durch die Schritte:

Bereitstellen mindestens zweier Verbindungseinrichtungen (26), die innerhalb des Ofens (10) mindestens an zwei Umfangsstellen hinsichtlich des inneren Tiegels (16) angeordnet sind;

Bereitstellen von Kupplungseinrichtungen (17), die mit einem oberen Ende des inneren Tiegels verbunden sind, wobei die Kupplungseinrichtungen (17) jeweils mit jeder der Verbindungseinrichtungen (26) im Eingriff stehen, wenn der innere Tiegel (16) in einem ersten vorbestimmten Winkel um seine vertikale Achse positioniert ist, und wobei sich die Kupplungseinrichtungen (17) von den Verbindungseinrichtungen (26) lösen, wenn der innere Tiegel (16) in einem zweiten vorbestimmten Winkel positioniert ist;

Einrücken der Verbindungseinrichtungen (26) mit den Kupplungseinrichtungen (17) und Anheben des inneren Tiegels (16) aus dem äußeren Tiegel (13) vor dem Schritt des Beschickens (b) durch Aufwärtsziehen der Verbindungseinrichtungen (26);

Beschicken lediglich des äußeren Tiegels (13) mit dem Halbleitermaterial beim Schritt des Beschickens (b);

Absenken der Verbindungseinrichtungen (26) und Verbinden des inneren und äußeren Tiegels (16, 13) miteinander, um den Doppeltiegel-Aufbau zwischen dem Schritt des Schmelzens (c) und dem Schritt des Zurückziehens (d) zu bilden; und

Lösen der Verbindungseinrichtungen (26) von den Kupplungseinrichtungen (17) durch Drehen des Doppeltiegel- Aufbaus (13, 16) und Aufwärtsziehen der Verbindungseinrichtungen (26) vor dem Schritt des Zurückziehens (d).

9. Verfahren zum Schmelzen von Halbleitermaterial und zum Züchten von Einkristallen aus dem Halbleitermaterial nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Verbindungseinrichtungen (26) unabhängig durch eine Antriebseinrichtung (21, 23, 25) bewegt wird, wenn sich die Vorrichtung im Gebrauch befindet.