DE19857339A1 - Einkristallzuchtgerät und Kristallzuchtverfahren - Google Patents
Einkristallzuchtgerät und KristallzuchtverfahrenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zum Ziehen eines
Halbleitereinkristalls mit dem Czochralskiverfahren und ein
Ziehverfahren. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf
ein Gerät und ein Verfahren zum Ziehen eines Kristalls un
ter Drehung in einer Halbleiterschmelze.
Einkristallwafer aus Halbleiter, die für Substrate von ul
trahochdichten elektronischen Vorrichtungen verwendet wer
den, werden durch Ziehen des Kristalls gemäß dem Czochrals
kiverfahren hergestellt, wobei der Halbleitereinkristall
aus einer sich drehenden Halbleiterschmelze gezogen wird,
während der Einkristall in der zur Schmelze entgegengesetz
ten Richtung gedreht wird. Das Halbleitermaterial, das in
einem Schmelztiegel gehalten wird, wird von einer zylindri
schen Heizung, die um den Schmelztiegel herum angeordnet
ist, geheizt. Der Schmelztiegel wird gedreht, um die Tempe
raturen in der Schmelze aufgrund der verteilten Wärme in
einer axial-symmetrischen Konfiguration mit bezug auf den
Zugschaft des Kristalls zu halten. Um die Temperaturvertei
lung in der Schmelze ausreichend axial zu gestalten, müssen
die Mitte der Schmelztiegeldrehung und die Mitte der Hei
zung mit dem Zugschaft des Kristalls übereinstimmen.
In der bekannten Technik wurden hauptsächlich mechanische
Mittel zum Drehen des Schafts, der den Schmelztiegel in der
Heizung hält, eingesetzt. Desweiteren ist ein Verfahren zum
Zuführen eines Stroms mit unterschiedlicher Phase an eine
Heizung bekannt, so daß die Halbleiterschmelze spontan auf
grund eines magnetischen Drehfeldes rotiert, das dadurch
erzeugt wird, und zwar aus Japanese Journal of Applied Phy
sics, Ausgabe 19, 1980 (L33-36). Desweiteren beschreibt die
Japanische Kokai-Veröffentlichungsnummer 63-60189 ein Ver
fahren zum Anordnen mehrerer elektromagnetischer Spulen um
einen Kristallzuchtofen, so daß die Halbleiterschmelze
spontan aufgrund eines drehenden Magnetfelds dreht, das
durch Änderung der Phase des der elektromagnetischen Spule
zugeführten Stroms erzeugt wird.
Diese bekannten Verfahren zum Drehen der Halbleiterschmelze
haben jedoch die folgenden Probleme.
Wenn bei dem Verfahren der mechanischen Drehung der
Schmelztiegelhaltewelle der zu wachsende Halbleiterkristall
einen Durchmesser von 30 cm erreicht, ist es erforderlich,
300 kg oder mehr Halbleiterschmelze zu verwenden, was zu
einem unbequem großen Gerät führt. Wenn das Gerät größer
wird, wird es schwieriger, den Schmelztiegel mit einer kon
stanten Geschwindigkeit zu drehen, ohne daß die Drehwelle
aus der Mitte abweicht.
Bei dem Verfahren der Zufuhr von wechselndem Strom an die
Heizung ändert sich die Heizungstemperatur aufgrund des
wechselnden Stroms, was andererseits Änderungen in der
Halbleiterschmelzentemperatur bewirkt. Auch zeigt dieses
Verfahren Probleme hinsichtlich der Deformation der Heizung
aufgrund des wechselnden Stroms, wodurch es erforderlich
ist, die Heizung bei großen Halbleitereinkristallen zu ver
stärken, und es ist nicht zum Ziehen von Einkristallen mit
großem Durchmesser geeignet.
Das Verfahren der Erzeugung eines magnetischen Drehfeldes
mittels der elektromagnetischen Spulen erfordert die Steue
rung der Phase des Stroms, der den Spulen zugeführt wird,
um eine konstante Drehung des Magnetfeldes zu erzielen und
die Positionsbeziehungen der Spulen genau zu steuern, und
desweiteren ist es schwierig, die Drehrate auf einen ge
wünschten Wert zu steuern.
Wenn somit ein Halbleitereinkristall mit einem großen
Durchmesser von 30 cm oder mehr mit den bekannten Techniken
zu ziehen ist, wird die Temperaturverteilung in der
Schnittfläche des Kristallwachstums asymmetrisch mit Bezug
auf den Zugschaft, wenn nicht die Drehachse der Halbleiter
schmelze vollständig mit dem Zugschaft übereinstimmt, was
zu einer asymmetrischen Temperaturverteilung an der
Schnittfläche des Kristallwachstums und zu einer ungleich
mäßigen Verteilung von Störstoffen in dem gezogenen Einkri
stall führt, was in Streifen-, Riefen- oder Wellenbildung
resultiert (Striation).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kristall
zuchtgerät und ein Kristallzuchtverfahren gemäß dem Czo
chralskiverfahren zum Ziehen von Halbleitereinkristallen zu
schaffen, bei denen die Vergrößerung des Gerätes minimiert
ist, selbst wenn ein Halbleitereinkristall mit einem großen
Durchmesser von 30 cm oder mehr gezogen wird, mit genauer
Steuerung der Drehrate und zum Erzielen einer hervorragen
den Temperaturverteilung in der Halbleiterschmelze.
Die Erfindung schafft ein Halbleitereinkristallzuchtgerät
gemäß dem Czochralskiverfahren mit einer Vorrichtung zum
Erzeugen eines Magnetfelds in einer Halbleiterschmelze und
einer Vorrichtung zum Zuführen eines Stroms in die Halblei
terschmelze in einer Richtung rechtwinklig zu dem Magnet
feld.
Die Erfindung schafft weiterhin ein Halbleitereinkristall
zuchtverfahren gemäß dem Czochralskiverfahren mit der Er
zeugung eines Magnetfeldes in einer Halbleiterschmelze und
der Zuführung eines Stroms in die Halbleiterschmelze in ei
ner Richtung rechtwinklig zum Magnetfeld.
Wenn der Halbleitereinkristall gemäß dem Czochralskiverfah
ren gezogen wird, kann durch Erzeugen des Magnetfeldes in
der Halbleiterschmelze und durch Zuführen eines Stroms in
einer Richtung rechtwinklig zu dem Magnetfeld erfindungsge
mäß der Kristall gezogen werden, während die Halbleiter
schmelze spontan rotiert, ohne daß der Schmelztiegel ge
dreht wird.
Desweiteren kann erfindungsgemäß die Drehrate der Halblei
terschmelze durch Ändern der Intensität des Magnetfeldes
und der Größe des Stroms wie gewünscht frei eingestellt
werden.
Erfindungsgemäß kann weiterhin die Verteilung der Drehraten
in der Halbleiterschmelze geändert werden durch Ändern der
Position einer Elektrode oder einer vorstehenden Elektro
denschutzröhre, die in die Halbleiterschmelze eingeführt
wird. Dies macht es möglich, die Änderungen der Konzentra
tionen von Störstoffelementen, die in den Kristall gemischt
werden, zu steuern.
Da bei dem Verfahren gemäß der Erfindung, bei dem ein spon
tanes Drehen der Halbleiterschmelze verursacht wird, die
Drehachse der Halbleiterschmelze vollständig mit dem Zug
schaft des Kristalls übereinstimmt, wird die Temperaturver
teilung in der Schmelze symmetrisch mit bezug auf den Kri
stallzugschaft, und somit wird eine Streifenbildung im ge
zogenen Kristall nicht erzeugt.
Fig. 1 ist ein Diagramm des Aufbaus des erfindungsgemäßen
Zuchtgerätes.
Fig. 2 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Eintauchposi
tion der Elektrode, wenn ein Siliziumeinkristall
mit einem Durchmesser von 3,0 cm in Beispiel 1 des
erfindungsgemäßen Zuchtgerätes gezogen wird.
Fig. 3 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Eintauchposi
tion der Elektrode, wenn ein Siliziumeinkristall
mit einem Durchmesser von 3,0 cm in Beispiel 2 des
erfindungsgemäßen Zuchtgerätes gezogen wird.
Fig. 4 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Eintauchposi
tion der Elektrode, wenn ein Siliziumeinkristall
mit einem Durchmesser von 3,0 in Beispiel 3 des
Zuchtgerätes gemäß der Erfindung gezogen wird.
Fig. 5 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Eintauchposi
tion der Elektrode, wenn ein Siliziumeinkristall
mit einem Durchmesser von 3,0 cm in Beispiel 4 des
erfindungsgemäßen Zuchtgerätes gezogen wird.
Fig. 6 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Eintauchposi
tion der Elektroden, wenn ein Siliziumeinkristall
mit einem Durchmesser von 30,0 cm in Beispiel 5 des
erfindungsgemäßen Zuchtgerätes gezogen wird.
Fig. 7 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Eintauchposi
tion der Elektroden, wenn ein Siliziumeinkristall
mit einem Durchmesser von 30,0 cm in Beispiel 6 des
erfindungsgemäßen Zuchtgerätes gezogen wird.
Fig. 8 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Eintauchposi
tion der Elektroden, wenn ein Siliziumeinkristall
mit einem Durchmesser von 30,0 gemäß Beispiel 7 des
erfindungsgemäßen Zuchtgerätes gezogen wird.
Fig. 9 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Elektroden und
der Eintauchposition der Elektrode, wenn ein
Siliziumeinkristall mit einem Durchmesser von 40,0
cm in Beispiel 8 des erfindungsgemäßen Zuchtgerätes
gezogen wird.
Fig. 10 ist ein Diagramm der Ergebnisse der Beobachtung
der drehenden Siliziumschmelze in einem Einkri
stallzuchtprozeß (Beispiele 1 bis 9) gemäß der Er
findung. Die Länge des Pfeils bezeichnet die Größe
der Bewegungsgeschwindigkeit.
Fig. 11 ist ein Diagramm zur Erläuterung des Aufbaus eines
spitz zulaufenden Magnetfelds, wenn ein Silizi
umeinkristall mit einem Durchmesser von 30,0 cm in
Beispiel 12 des erfindungsgemäßen Zuchtgerätes ge
zogen wird.
Fig. 12 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Position ei
nes horizontalen Magnetfeldes, wenn ein Silizi
umeinkristall mit einem Durchmesser von 30,0 cm in
Beispiel 13 des erfindungsgemäßen Zuchtgerätes ge
zogen wird.
Fig. 13 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Position des
Eintauchens der Elektrode, wenn ein Siliziumeinkri
stall mit einem Durchmesser von 30,0 cm in Beispiel
13 des erfindungsgemäßen Kristallzuchtgerätes gezo
gen wird.
Die vorliegende Erfindung nutzt das Prinzip aus, daß ein in
einer Halbleiterschmelze, die in einem Magnetfeld angeord
net ist, fließender Strom eine Lorentzkraft verursacht, die
sich auf die Halbleiterschmelze auswirkt, wodurch eine spon
tane Rotation der Halbleiterschmelze verursacht wird.
Dies macht es möglich, die Halbleiterschmelze zu drehen,
ohne den Schmelztiegel zu drehen.
Selbst wenn eine Halbleiterschmelze von 300 kg oder mehr
verwendet wird, um einen Halbleitereinkristall von einem
Durchmesser von 30 cm oder mehr zu ziehen, kann folglich
die Halbleiterschmelze einfach um die Drehachse gedreht
werden, die mit dem Kristallzugschaft übereinstimmt, ohne
das Gerät zu vergrößern.
Desweiteren kann die Drehrate der Halbleiterschmelze frei
durch Ändern der Intensität des Magnetfeldes und der Größe
des Stroms geändert werden. Die Intensität des Magnetfeldes
und die Größe des Stroms können unabhängig voneinander ge
ändert werden, was es möglich macht, die Drehrate genauer
zu steuern.
Wenn weiterhin Strom durch den Halbleitereinkristall und
die Halbleiterschmelze geführt wird, kann die Verteilung
der Drehrate in der Halbleiterschmelze durch Ändern der Po
sition einer Elektrode oder eines vorstehenden Elektroden
rohrs, das in die Halbleiterschmelze eingebracht wird, ge
ändert werden.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im fol
genden beschrieben.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Einkristall
zuchtgerätes umfaßt eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Ma
gnetfeldes, das rechtwinklig zur Schnittfläche des Kri
stallwachstums ist und axial-symmetrisch mit Bezug auf
einen Zugschaft des Kristalls, und eine Vorrichtung zum Zu
führen eines Stroms in die Halbleiterschmelze in einer
Richtung rechtwinklig zum Magnetfeld.
Die Vorrichtung zum Zuführen von Strom umfaßt beispiels
weise eine Vorrichtung mit einer Elektrode zum Eintauchen
in die Halbleiterschmelze und eine Elektrode zum Zuführen
von Strom an den Kristall, der hochzuziehen ist.
Die Elektrode zum Eintauchen in die Halbleiterschmelze kann
mehrfach vorgesehen sein, wobei die Elektroden in einer
axialsymmetrischen Konfiguration mit Bezug auf den Zug
schaft für den Kristall angeordnet sind.
Die in die Halbleiterschmelze eingetauchte Elektrode kann
auch in einer geschlossenen Kurve mit einer symmetrischen
Konfiguration mit Bezug auf den Zugschaft des Kristalls
ausgebildet sein.
Das erfindungsgemäße Kristallzuchtgerät kann auch einen
solchen Aufbau haben, in dem die Spitze der Elektrode in
die Halbleiterschmelze in der Nähe der Oberfläche mit einer
konstanten Tiefe eingetaucht wird, wenn der Kristall hoch
gezogen wird.
Das erfindungsgemäße Zuchtgerät kann auch einen solchen
Aufbau haben, daß die vorstehende Elektrodenröhre, die in
die Halbleiterschmelze eintaucht, auf einer konstanten
Tiefe gehalten wird, wenn der Kristall hochgezogen wird.
Das Einkristallzuchtgerät gemäß der Erfindung kann auch so
aufgebaut sein, daß das Verhältnis der vorstehenden Elek
trodenschutzröhre, die in die Halbleiterschmelze einge
taucht ist, zur Tiefe der Halbleiterschmelze konstant ge
halten wird, wenn der Kristall hochgezogen wird.
Das erfindungsgemäße Einkristallzuchtgerät kann auch so
aufgebaut sein, daß eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Ma
gnetfeldes, das parallel zur Schnittfläche des Kristall
wachstums ist, und eine Vorrichtung zum Zuführen von Strom
vorgesehen sind, der in einer Richtung rechtwinklig zum Ma
gnetfeld in der Halbleiterschmelze fließt.
Das erfindungsgemäße Einkristallzuchtgerät kann auch so
aufgebaut sein, daß eine Vorrichtung zum Erzeugen eines
spitz zulaufenden Magnetfeldes und eine Vorrichtung zum Zu
führen von Strom vorgesehen sind, der in einer Richtung
rechtwinklig zum Magnetfeld in der Halbleiterschmelze
fließt.
In einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Einkri
stallzuchtverfahrens wird ein Magnetfeld rechtwinklig zur
Schnittfläche des Kristallwachstums erzeugt, und ein Strom
wird zugeführt, um in einer Richtung rechtwinklig zum Ma
gnetfeld in der Halbleiterschmelze zu fließen.
Das Magnetfeld, das rechtwinklig zur Schnittfläche des Kri
stallwachstums verläuft, kann in einer Konfiguration gebil
det werden, die axialsymmetrisch mit Bezug auf den Kri
stallzugschaft ist.
Durch Ändern der Intensität des Magnetfelds während des
Kristallwachstums kann gemäß dem erfindungsgemäßen Kri
stallwachstumsverfahren der Kristall ferner hochgezogen
werden, während die Oberfläche der Halbleiterschmelze in
einer optimalen Konfiguration verbleibt. Der Kristall kann
auch hochgezogen werden, während die Oberfläche der Halb
leiterschmelze in einer optimalen Konfiguration verbleibt,
durch Ändern der Größe des Stroms während des Kristall
wachstums. Gemäß dem erfindungsgemäßen Kristallwachstums
verfahren kann der Kristall auch hochgezogen werden, wäh
rend die Tiefe der Spitze der Elektrode, die in die Halb
leiterschmelze eingetaucht ist, konstant verbleibt, in der
Nähe der Oberfläche der Halbleiterschmelze.
Der Kristall kann auch hochgezogen werden, während die vor
stehende Elektrodenschutzröhre, die in die Halbleiter
schmelze eingetaucht ist, nahe ihrer Oberfläche bei einer
konstanten Tiefe verbleibt.
Der Kristall kann auch hochgezogen werden, während das Ver
hältnis der Tiefe der vorstehenden Elektrodenschutzröhre,
die in die Halbleiterschmelze eingetaucht ist, zur Tiefe
der Halbleiterschmelze konstant gehalten wird.
Die Drehrate der Halbleiterschmelze kann ferner in Radial
richtung oder in Tiefenrichtung des Schmelztiegels variiert
werden, der mit der Halbleiterschmelze gefüllt ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Kristallwachstumsverfahren kann
das Magnetfeld parallel zur Schnittfläche des Kristall
wachstums erzeugt werden, während der Strom zugeführt wird,
um in einer Richtung rechtwinklig zum Magnetfeld in der
Halbleiterschmelze zu fließen.
Bei dem erfindungsgemäßen Kristallwachstumsverfahren kann
ein spitz zulaufendes Magnetfeld erzeugt werden, während
der Strom in einer Richtung rechtwinklig zu dem Magnetfeld
in der Halbleiterschmelze zugeführt wird.
Ein Ausführungsbeispiel des Einkristall-Zuchtgerätes der
Erfindung wird nun mit Bezug auf die Fig. 1 erläutert.
Ein Schmelztiegel 3 ist in einer Heizung 2 in einem Kri
stallzuchtofen 1 plaziert, um eine Halbleiterschmelze 4 zu
erzeugen. Der Halbleitereinkristall 5 wird aus der Halblei
terschmelze mittels eines Ziehschaftes 6 aus einem elek
trisch leitfähigen Material gezogen. Während ein Keimkri
stall und der Zugschaft in normaler Weise wie beim Ziehen
eines Kristalls gemäß dem Czochralskyverfahren eingesetzt
wird, ist es vorzuziehen, einen großen Kontaktbereich zwi
schen dem Keimkristall und dem Zugschaft zu schaffen, um
zufriedenstellende elektrische Übergänge zu erzielen.
Während der Halbleitereinkristall gezogen wird, wird ein
Strom zugeführt, um zwischen dem wachsenden Halbleiterein
kristall und der Halbleiterschmelze im Schmelztiegel zu
fließen. Aus diesem Grund wird eine Elektrode 7, deren ei
nes Ende in eine offene Schutzröhre 8 aus Quarz oder p-BN
(pyrolytisches Bornitrid) gefertigt ist, in die Halbleiter
schmelze eingeführt, und Strom wird von der externen Ver
sorgungsquelle 9 zugeführt, während der Halbleitereinkri
stall wächst. Bei diesem Prozeß wird ein Magnetfeld 11, das
rechtwinklig zur Schnittfläche des Kristallwachstums ist
und axialsymmetrisch mit Bezug auf den Zugschaft ist, von
einer elektromagnetischen Spule 10 erzeugt, die um den Kri
stallzuchtofen herum angeordnet ist, so daß das Magnetfeld
in die Halbleiterschmelze eindringt. Die Drehung der Halb
leiterschmelze und das Wachstum des Kristalls werden mit
tels einer CCD-Kamera 12 überwacht, die am oberen Ende des
Kristallzuchtofens 1 angeordnet ist, um die Intensität des
Magnetfelds und den Strom so zu steuern, daß die Halblei
terschmelze mit einer gewünschten Geschwindigkeit rotiert.
Auch wird die Querschnittskonfiguration der Halbleiter
schmelze mittels einer Röntgenstrahlquelle 13 und einer
Röntgenstrahlkamera 14 überwacht, die an Seitenwandungen
des Kristallzuchtofens 1 angeordnet sind, um die Intensität
des Magnetfeldes und den Strom so zu steuern, daß die Halb
leiterschmelzenoberfläche in einer gewünschten Form gehal
ten wird.
Beispiele, die mittels des oben beschriebenen Gerätes
durchgeführt wurden, werden im folgenden beschrieben.
0,3 kg Siliziumschmelze wurden in einem Schmelztiegel mit
einem Durchmesser von 7,5 cm hergestellt, und ein Elektro
denstab aus Graphit mit einem Durchmesser von 0,4 cm, der
in ein Schutzrohr aus Quarz eingebracht war, wurde in die
Siliziumschmelze eingetaucht. Auf diese Weise wurde ein
Einkristall aus Silizium mit einem Durchmesser von 3 cm ge
zogen, während der Effekt der vorliegenden Erfindung bestä
tigt wurde, daß die Halbleiterschmelze spontan rotierte.
Die Graphitelektrode wurde in Kontakt mit der Silizium
schmelze innerhalb des Quarzschutzrohrs gebracht.
In den Beispielen 1 bis 4 wurde eine Elektrode in die Sili
ziumschmelze eingebracht, und ein Kristall wurde gezogen,
während die Position der Elektrode oder des Schutzrohres
geändert wurde. Die Positionen der Spitze des Schutzrohres,
das die Elektrode in den unterschiedlichen Beispielen auf
genommen hat, wurden wie folgt und wie in den Fig. 2 bis
5 dargestellt eingestellt. In Beispiel 1 (Fig. 2) wurde das
Schutzrohr auf einem Abstand von 1 cm von der Schmelztie
gelwandung und in einer Tiefe von 1 cm von der Oberfläche
der Schmelze gehalten. In Beispiel 2 (Fig. 3) wurde das
Schutzrohr in einem Abstand von 1 cm von der Schmelztiegel
wandung und bei einer Tiefe von der Hälfte (h/2) der Tiefe
der Schmelze (h) gehalten. In Beispiel 3 (Fig. 4) wurde das
Schutzrohr in einem Abstand von der Hälfte (r/2) des Radius
der Siliziumschmelze (r) und bei einer Tiefe von 1 cm von
der Oberfläche der Schmelze gehalten. In Beispiel 4 (Fig.
5) wurde das Schutzrohr in einem Abstand von der Hälfte
(r/2) des Radius der Siliziumschmelze (r) und bei einer
Tiefe von der Hälfte (h/2) der Tiefe der Schmelze (h) ge
halten.
300 kg Siliziumschmelze wurden in einem Schmelztiegel mit
einem Durchmesser von 75 cm hergestellt, und ein Elektro
denstab aus Graphit mit einem Durchmesser von 0,4 cm, der
in ein Schutzrohr aus Quarz eingebracht war, wurde in die
Siliziumschmelze eingebracht, um einen Einkristall aus Si
lizium mit 30 cm Durchmesser zu ziehen.
In diesen Beispielen wurden Kristalle gezogen, wobei die
Anzahl der Elektroden, die in die Schmelze eintauchten, wie
folgt geändert wurden. In Beispiel 5 wurden zwei Schutzröh
ren, die Elektroden aufnehmen, in eine Tiefe von 1 cm von
der Oberfläche der Schmelze eingetaucht, wobei ihre Mitten
bei der Hälfte (r/2) des Radius der Siliziumschmelze (r)
eingetaucht waren und auf einem Durchmesser des Schmelztie
gels angeordnet waren, wie in Fig. 6 dargestellt ist. Im
Beispiel 6 wurden drei Schutzröhren mit darin aufgenommenen
Elektroden in eine Tiefe von 1 cm von der Oberfläche der
Schmelze eingetaucht, wobei ihre Mitten bei der Hälfte
(r/2) des Radius (r) der Siliziumschmelze positioniert wa
ren und mit gleichen Abständen von 120° um die Mitte des
Schmelztiegels beabstandet waren, wie in Fig. 7 dargestellt
ist. In Beispiel 7 wurden sechs Schutzröhren mit innenlie
genden Elektroden in eine Tiefe von 1 cm von der Oberfläche
der Schmelze eingetaucht, wobei ihre Mitten bei der Hälfte
(r/2) des Radius der Siliziumschmelze (r) positioniert wa
ren und sie mit gleichen Intervallen von 60° um die Mitte
des Schmelztiegels beabstandet angeordnet waren, wie in
Fig. 8 dargestellt ist.
In diesem Beispiel wurde ein kreisförmiger Ring mit einem
Innenradius, der die Hälfte (r/2) des Radius der Silizium
schmelze (r) betrug, als Elektrode 7 verwendet, wie in Fig.
9 dargestellt ist. Die Mitte dieses Rings korrespondierte
mit dem Zugschaft des Kristalls. Ein Schutzrohr 8 wurde in
die Siliziumschmelze eingetaucht, wobei sein unteres Ende
in einer Tiefe von 1 cm von der Oberfläche der Schmelze
entfernt war, wodurch ein Kristall gezogen wurde.
Bei diesem Beispiel wurde ein Einkristall aus Silizium mit
40 cm Durchmesser unter Verwendung eines Quarzschmelztie
gels mit einem Durchmesser von 100 cm gezogen. Drei Schutz
röhren, die Kohlenstoffelektroden mit einem Durchmesser von
0,4 mm aufgenommen hatten, wurden in eine Tiefe von 1 cm
von der Oberfläche der Schmelze eingetaucht, wobei ihre
Mitten bei der Hälfte (r/2) des Radius der Siliziumschmelze
(r) positioniert waren und sie in gleichen Intervallen von
120° um die Mitte des Schmelztiegels beabstandet waren,
ebenso wie im Fall des sechsten Beispiels (Fig. 7), womit
ein Kristall gezogen wurde.
Die Intensität des Magnetfeldes, die Größe des Stroms und
andere Bedingungen des Kristallwachstums in den oben be
schriebenen Beispielen sind in Tabelle 1 zusammengefaßt.
Die Drehraten der Halbleiterschmelze und die beobachtete
Streifenbildung in den Kristallen, die gemäß den Beispielen
1 bis 9 gezogen wurden, sind in Tabelle 2 zusammengefaßt.
Die Drehung der Halbleiterschmelze wurde durch Beobachten
von Spurpartikeln überwacht, die in der Oberfläche der
Halbleiterschmelze suspendiert waren, und zwar mit einer
CCD-Kamera, die im oberen Teil des Ofens installiert war.
Die Ergebnisse der Beobachtungen der drehenden Halbleiter
schmelze sind in Fig. 10 zusammengefaßt, zusammen mit der
Bewegungsgeschwindigkeit der Spurpartikel, die durch die
Länge von Pfeilen für jede Position der Elektrode, die die
Schmelze eingetaucht ist, wiedergegeben sind.
Die Fig. 10a zeigt Beispiel 1, bei dem die Spitze der Elek
trodenschutzröhre in einem Abstand von 1 cm von der
Schmelztiegelwandung und in einer Tiefe von 1 cm angeordnet
war und zeigt, daß jeder Teil der Halbleiterschmelze im we
sentlichen mit der gleichen Geschwindigkeit dreht.
Fig. 10b zeigt Beispiel 2, bei dem die Spitze der Elektro
denschutzröhre in einem Abstand von 1 cm von der Tiegelwan
dung und bei einer Tiefe von (h/2) der Hälfte der Halblei
terschmelzentiefe (h) angeordnet war. Die Drehrate der
Schmelze war geringer als im Beispiel 1 nahe der Oberflä
che, aber vergleichbar mit dem des Beispiels 1 in den tie
feren Bereichen der Schmelze.
Fig. 10c zeigt Beispiel 3 und die Beispiele 5 bis 10, bei
denen das Elektronenschutzrohr bei der Hälfte (r/2) des Ra
dius (r) der Schmelze und bei einer Tiefe von 1 cm positio
niert waren. Die Drehrate der Schmelze war höher als im
Beispiel 1 nahe der Oberfläche in der Nähe des einkristal
linen Silizium, war aber sehr gering nahe der Tiegelwan
dung.
Fig. 10d zeigt das Beispiel 4, bei dem die Spitze des Elek
trodenschutzrohres bei der Hälfte (r/2) des Radius (r) der
Schmelze von der Tiegelwandung und bei einer Tiefe (h/2)
von der Hälfte der Tiefe der Schmelze (h) angeordnet waren.
Die Drehrate der Schmelze war gering in der Nähe der Ober
fläche in der Nähe des Siliziumeinkristalls, und die
Schmelze drehte nahe der Tiegelwandung kaum. Tiefer in der
Schmelze rotierte die Schmelze in der Nähe des Siliziumein
kristalls schneller, aber kaum in der Nähe der Tiegelwan
dung.
Diese Beispiele zeigen, daß das erfindungsgemäße Verfahren
in der Lage ist, die Halbleiterschmelze in einem Bereich
von bis zu 5000 Umdrehungen pro Minute (U/min; rpm) mit ei
ner Genauigkeit von 0,01 Umdrehungen pro Minute drehen zu
lassen. Desweiteren zeigt der durch das erfindungsgemäße
Verfahren gezogene Halbleitereinkristall keine darin er
zeugte Streifenbildung, was anzeigt, daß die Halbleiter
schmelze um eine Achse dreht, die vollständig mit dem Kri
stallzugschaft übereinstimmt.
Aus der Fig. 10, die die Beobachtungen der Drehung der
Schmelze zeigt, ist verifiziert, daß die Verteilung der
Drehraten in der Halbleiterschmelze mit der Position des
Eintauchens der Elektrode oder des Elektrodenschutzrohres
variiert werden kann.
Um den Effekt der vorliegenden Erfindung zu bestätigen,
werden die Ergebnisse des Wachstums von Siliziumeinkristal
len, die mit dem vorbekannten Verfahren gezogen wurden, wo
bei der Schmelztiegel mechanisch gedreht wurde, wie im fol
genden beschrieben wird, als Vergleichsbeispiele beschrie
ben.
Im Vergleichsbeispiel 1 wurde ein Siliziumeinkristall mit
einem Durchmesser von 3,0 cm unter Einsatz eines Quarztie
gels mit einem Durchmesser von 7,5 cm gezogen. Die Drehrate
des Tiegels wurde zwischen 0,1 Umdrehungen pro Minute bis
20 Umdrehungen pro Minute (rpm) geändert.
In Vergleichsbeispiel 2 wurde ein Siliziumeinkristall mit
einem Durchmesser von 30 cm unter Einsatz eines Quarztiegels
mit einem Durchmesser von 75 cm gezogen, ähnlich wie im
Beispiel 5. Die Drehrate des Schmelztiegels wurde von 0,1
Umdrehungen pro Minute auf 20 Umdrehungen pro Minute geän
dert.
Im Vergleichsbeispiel 3 wurde ein Siliziumeinkristall mit
einem Durchmesser von 40 cm durch Einsatz eines Quarztie
gels mit einem Durchmesser von 100 cm gezogen, ähnlich wie
im Beispiel 9, während die Drehrate des Tiegels von 0,1 bis
20 Umdrehungen pro Minute geändert wurden.
Die Kristallwachstumsbedingungen und die Ergebnisse der be
obachteten Streifenbildung in den so gewachsenen Kristallen
sind in Tabelle 3 zusammengefaßt.
Diese Vergleichsbeispiele zeigen, daß Siliziumeinkristalle,
die mit dem konventionellen Verfahren des Drehens des Tie
gels gezogen wurden, Streifenbildung zeigen, die durch die
Temperaturverteilung in der Siliziumschmelze im asymmetri
schen Aufbau mit Bezug auf den Zugschaft des Kristalls er
zeugt werden, und daß es schwierig ist, eine exakt axial
symmetrische Verteilung der Temperatur in der Schmelze
durch Drehung des Tiegels zu schaffen.
Um zu verifizieren, daß die vorliegende Erfindung auf das
Ziehen von Einkristallen von anderen Halbleitern als Sili
zium anwendbar ist, wurde ein Einkristall aus GaAs mit ei
nem Durchmesser von 15 cm unter Verwendung eines p-BN-
Schmelztiegels mit einem Durchmesser von 30 cm als Beispiel
10 gezogen, wobei das Elektrodenarrangement ähnlich zu dem
des Beispiels 7 war. Als Beispiel 11 wurde ein Einkristall
aus GaP mit einem Durchmesser von 10 cm unter Verwendung
eines p-BN-Schmelztiegels mit einem Durchmesser von 25 cm
gezogen, wobei die Elektroden vergleichbar angeordnet wa
ren. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 zusammengefaßt.
Diese Ergebnisse zeigen, daß die Halbleiterschmelze spontan
in Drehung versetzt werden kann, wenn ein Einkristall eines
anderen Halbleiters als Silizium gemäß der Erfindung gezo
gen wird. Es konnte ebenso verifiziert werden, daß die Er
zeugung von Streifenbildung in dem Halbleitereinkristall
unterdrückt werden kann.
Das Verfahren zum Erzeugen des Magnetfeldes, die in die
Schmelze eingetauchte Elektrode und die mit dem Kristall
verbundene Elektrode gemäß der Erfindung sind nicht auf die
Strukturen, Materialien und Verfahren in den oben beschrie
benen Beispielen beschränkt, und die vorliegende Erfindung
deckt alle Strukturen, Materialien und Verfahren ab, die es
ermöglichen, ein Magnetfeld zu erzeugen, das rechtwinklig
zur Schmelzoberfläche ist, und einen Strom zuzuführen, der
in einer Richtung senkrecht zum Magnetfeld fließt.
Obwohl die Beispiele 1 bis 11 sich hauptsächlich mit den
Fällen beschäftigen, in denen ein Magnetfeld in einem rech
ten Winkel zur Kristallwachstumsfläche gerichtet ist, gibt
es keine Beschränkung der Richtung des Magnetfeldes solange
ein Strom in der Halbleiterschmelze in einer Richtung
rechtwinklig zum Magnetfeld fließt, und ein spitz zulaufen
des Magnetfeld oder ein horizontales Magnetfeld können bei
spielsweise erfindungsgemäß eingesetzt werden.
Um dies zu verifizieren, wurde in Beispiel 12 ein Einkri
stall aus Silizium mit 30 cm Durchmesser unter Einsatz ei
nes Quarzschmelztiegels mit einem Durchmesser von 75 cm ge
zogen, während ein spitz zulaufendes Magnetfeld erzeugt
wurde, wobei die Elektroden ähnlich zu denen des Beispiels
7 angeordnet waren. Das spitz zulaufende Magnetfeld wurde
in drei unterschiedlichen Konfigurationen erzeugt, wie in
den Fig. 11a bis 11c dargestellt ist. Als Beispiel 13,
das in Fig. 12 dargestellt ist, wurde ein Einkristall aus
Silizium mit einem Durchmesser von 30 cm unter Verwendung
eines Quarzschmelztiegels mit einem Durchmesser von 75 cm
verwendet, während ein horizontales Magnetfeld erzeugt
wurde, das rechtwinklig zur Richtung des Hubes des Kri
stalls angeordnet war, wobei die Elektroden wie in Fig. 13
dargestellt, angeordnet waren. Fig. 12a ist eine Draufsicht
und Fig. 12b ist eine Seitenansicht des Gerätes.
Die Ergebnisse der Beispiele 12 und 13 sind in Tabelle 5
zusammengefaßt. Aus diesen Ergebnissen kann verifiziert
werden, daß der Effekt der Erfindung erzielt werden kann,
solange ein Strom in der Halbleiterschmelze in einer Rich
tung rechtwinklig zum Magnetfeld fließt, unabhängig vom
Aufbau des Magnetfelds.
Claims (21)
1. Halbleiter-Einkristall-Zuchtvorrichtung für das Czo
chralski-Verfahren mit einer Vorrichtung zur Erzeugung ei
nes Magnetfeldes in einer Halbleiterschmelze und einer Vor
richtung zum Zuführen eines Stroms in die Halbleiter
schmelze in einer Richtung rechtwinklig zum Magnetfeld.
2. Zuchtvorrichtung nach Anspruch 1,
mit einer Vorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes, das
rechtwinklig zu einer Kristallwachstumsschnittfläche ist
und axialsymmetrisch mit Bezug auf einen Kristallzugschaft
in der Halbleiterschmelze, und einer Vorrichtung zum Zufüh
ren eines Stroms in die Halbleiterschmelze in einer Rich
tung rechtwinklig zum Magnetfeld.
3. Zuchtvorrichtung nach Anspruch 2,
mit einer Elektrode zum Eintauchen in die Halbleiter
schmelze und einer Elektrode zum Zuführen eines Stroms an
den hochzuziehenden Kristall.
4. Zuchtvorrichtung nach Anspruch 3,
wobei die Elektrode zum Eintauchen in die Halbleiter
schmelze mehrfach vorgesehen ist, wobei die Elektroden in
einer axialsymmetrischen Konfiguration unter Bezug auf den
Zugschaft des Kristalls angeordnet sind.
5. Zuchtvorrichtung nach Anspruch 3,
wobei die Elektrode zum Eintauchen in die Halbleiter
schmelze eine geschlossene Kurve aufweist mit einer axial
symmetrischen Konfiguration mit Bezug auf den Zugschaft des
Kristalls.
6. Zuchtvorrichtung nach Anspruch 3,
wobei die Spitze der Elektrode in die Halbleiterschmelze
nahe der Oberfläche in einer Tiefe eingetaucht wird, die
konstant ist, während der Kristall hochgezogen wird.
7. Zuchtvorrichtung nach Anspruch 3,
wobei die Tiefe eines Elektrodenschutzrohres, das in die
Halbleiterschmelze eingetaucht wird, konstant gehalten
wird, während der Kristall hochgezogen wird.
8. Zuchtvorrichtung nach Anspruch 3,
wobei das Verhältnis der Tiefe des Elektrodenschutzrohres,
das in die Halbleiterschmelze eingetaucht ist, zur Tiefe
der Schmelze konstant gehalten wird, während der Kristall
hochgezogen wird.
9. Halbleitereinkristallzuchtverfahren gemäß dem Czo
chralski-Verfahren mit der Erzeugung eines Magnetfeldes in
einer Halbleiterschmelze und der Zuführung eines Stroms in
die Halbleiterschmelze in einer Richtung rechtwinklig zum
Magnetfeld.
10. Zuchtverfahren nach Anspruch 9,
wobei das Magnetfeld rechtwinklig zu einer Kristallwachs
tumsfläche erzeugt wird und der Strom in die Halbleiter
schmelze in einer Richtung rechtwinklig zum Magnetfeld zu
geführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10,
wobei das Magnetfeld rechtwinklig zur Kristallwachstums
schnittfläche eine Konfiguration aufweist, die mit Bezug
auf den Kristallzugschaft axialsymmetrisch ist.
12. Verfahren nach Anspruch 10,
wobei die Halbleiterschmelzenoberfläche während des Kri
stallwachstums durch Ändern der Intensität des Magnetfelds
in einer optimalen Konfiguration gehalten wird, während der
Kristall hochgezogen wird.
13. Verfahren nach Anspruch 10,
wobei die Halbleiterschmelzenoberfläche während des Kri
stallwachstums durch Ändern des Stroms in einer optimalen
Konfiguration gehalten wird, während der Kristall hochgezo
gen wird.
14. Verfahren nach Anspruch 10,
wobei während des Kristallwachstums die Spitze der Elek
trode in die Halbleiterschmelze nahe ihrer Oberfläche ein
getaucht wird und auf einer konstanten Tiefe gehalten wird,
während der Kristall hochgezogen wird.
15. Verfahren nach Anspruch 10,
wobei die Tiefe des Elektrodenschutzrohres zum Eintauchen
in die Halbleiterschmelze konstant gehalten wird, während
der Kristall hochgezogen wird.
16. Verfahren nach Anspruch 10,
wobei das Verhältnis der Tiefe des Elektrodenschutzrohres
zum Eintauchen in die Halbleiterschmelze zur Tiefe der
Schmelze konstant gehalten wird, während der Kristall hoch
gezogen wird.
17. Verfahren nach Anspruch 10,
wobei die Drehrate der Halbleiterschmelze in Radialrichtung
des mit Halbleiterschmelze gefüllten Tiegels oder in der
Tiefenrichtung geändert wird.
18. Halbleitereinkristallzuchtvorrichtung nach Anspruch 1,
mit einer Vorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes, das
parallel zu einer Kristallwachstumsschnittfläche ist, und
einer Vorrichtung zum Zuführen eines Stroms in die Halblei
terschmelze in einer Richtung rechtwinklig zum Magnetfeld.
19. Zuchtvorrichtung nach Anspruch 1,
mit einer Vorrichtung zum Erzeugen eines spitz zulaufenden
Magnetfeldes und einer Vorrichtung zum Zuführen eines
Stroms in die Halbleiterschmelze in einer Richtung recht
winklig zum Magnetfeld.
20. Zuchtverfahren nach Anspruch 9,
wobei ein Magnetfeld parallel zur Kristallwachstumsschnitt
fläche erzeugt wird und ein Strom in die Halbleiterschmelze
in einer Richtung rechtwinklig zum Magnetfeld zugeführt
wird.
21. Zuchtverfahren nach Anspruch 9,
wobei ein spitz zulaufendes Magnetfeld erzeugt wird und ein
Strom in die Halbleiterschmelze in einer Richtung recht
winklig zum Magnetfeld zugeführt wird.
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