DE2140070A1 - Vorrichtung zum Ziehen von Kristallen - Google Patents
Vorrichtung zum Ziehen von KristallenInfo
- Publication number
- DE2140070A1 DE2140070A1 DE19712140070 DE2140070A DE2140070A1 DE 2140070 A1 DE2140070 A1 DE 2140070A1 DE 19712140070 DE19712140070 DE 19712140070 DE 2140070 A DE2140070 A DE 2140070A DE 2140070 A1 DE2140070 A1 DE 2140070A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- crucible
- holder
- heat
- pulling
- crystals
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
- C30B15/14—Heating of the melt or the crystallised materials
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S117/00—Single-crystal, oriented-crystal, and epitaxy growth processes; non-coating apparatus therefor
- Y10S117/90—Apparatus characterized by composition or treatment thereof, e.g. surface finish, surface coating
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
- Y10T117/00—Single-crystal, oriented-crystal, and epitaxy growth processes; non-coating apparatus therefor
- Y10T117/10—Apparatus
- Y10T117/1024—Apparatus for crystallization from liquid or supercritical state
- Y10T117/1032—Seed pulling
- Y10T117/1068—Seed pulling including heating or cooling details [e.g., shield configuration]
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Liquid Deposition Of Substances Of Which Semiconductor Devices Are Composed (AREA)
Description
DR. BERG DIPL.-ING. STAPF 214QQ7Q
PATENTANWÄLTE
8 MÜNCHEN 8O, MAUERK1RCHERSTR.
Dr. Berg Dipl.-Ing. Stapf, 8 München 80, Mauerkircherstraße 45 ·
Ihr Zeichen Ihr Schreiben Unser Zeichen Datum
21 448 10. August 1971 i
Anwaltsakte 21 448
MONSANTO COMPANY St. Louis9 Missouri /USA
Vorrichtung zum Ziehen von Kristallen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Ziehen von Kristallen und betrifft insbesondere einen
Schmelztiegel zur Verwendung beim Ziehen von Halbleiter-Kristallen. Im einzelnen richtet sich die Erfindung auf
VII/ba - 2 -
209808/1732
eine neuartige Schmelztiegelanorünung für die Aufnanme
von geschmolzenem Halbleitermaterial, bei v/elcher eine verbesserte Wärmeisolierung vorgesehen ist.
Feuerfeste Schmelztiegel sind als Bestandteile herkömmlicher Vorrichtungen zum Ziehen von Halbleiterkristallen
allgemein bekannt (siehe Fig. 1 der Zeichnung). Diese Schmelztiegel dienen zur Aufnahme einer Charge
geschmolzenen Halbleitermaterial, aus welcher Halbleiterstäbe gezogen werden, und finden beispielsweise in den
allgemein bekannten Kristall-Ziehvorrichtungen nach Czochralski Anwendung. Diese Schmelztiegel sind gewöhnlich
aus einem geeigneten feuerfesten Material vrie etwa Graphit gefertigt, um den während des Ziehens der
Kristalle entweder durch Widerstands- oder Hochfrequenz-Induktionsbeheizung erzeugten sehr hohen Kristall-Wachs
turns temperaturen widerstehen zu können. Da Graphit mit bestimmten geschmolzenen Halbleiterstoffen, beispielsweise
Silizium, in nachteiliger Weise reagiert, ist der Hohlraum des Schmelztiegels zumeist mit einer Quarzauskleidung
versehen, mit welcher allein dae geschmolzene
Halbleitermaterial beim Ziehen von Kristallen in Berührung kommt.
BAD ORIGINAL
- 3
209808/1732
2U0070
Während des Ziehens von Kristallen sollte die Temperatur
des Schmelztiegels auf einem vorbestimmten hohen Wert gehalten werden, so daß eine genügend große Wärmemenge .
vom Tiegel über die Quarzauskleidung durch Wärmeleitung
auf das darin enthaltene Halbleitermaterial übertragen werden kann. Für die sachgemäße Durchführung des Ziehens
-sollte die Temperatur des geschmolzenen Halbleitermaterials in der gesamten Charge im wesentlichen gleichförmig
und knapp oberhalb des Schmelzpunktes des Materials gehalten werden. Aus diesem Grunde sollten Verluste durch
Wärmeleitung während des Kristallziehens vom Schmelztiegel und der darin enthaltenen Schmelze des Halbleitermaterials
weg möglichst gering gehalten sein. Durch Verringerung des Wärmeflusses vom Inneren des Schmelztiegels und der
darin enthaltenen Schmelze des Halbleitermaterials weg läßt sich das Betriebsverhalten beim Ziehen von Kristallen
verbessern und das Entstehen von unerwünschten Temperaturgradienten im Schmelztiegel verringern.
Zur Verringerung der Wärmeverluste des Schmelztiegels einer Vorrichtung zum Ziehen von Halbleiterkristallen
durch Wärmeleitung weist eine bekannte Anordnung eine langgestreckte, dünne Halterung auf, mittels welcher der
Schmelztiegel an einer vorbestimmten Stelle in einer Kristall-Wachstumskammer gehalten ist (siehe die Halterung
28 in Fi,g, 1). Die Halterung ist gewöhnlich aus einem
2 0 9 808/1732 BÄD original
2U0070
feuerfesten Werkstoff gefertigt, um den in der Kristall-I/achstumskammer
herrschenden hohen Temperaturen widerstehen zu können. Eine derartige freitragende Halterung
des Schmelztiegels begrenzt die auf Wärmeleitung beruhenden Wärmeverluste des Schmelztiegels auf die durch die
Halterung abgeleitete Wärmemenge. Die Wärmeableitung vom Schmelztiegel über die Halterung hängt dabei von der
Größe der Querschnittsfläche und der Wärmeleitfähigkeit der Halterung sowie von der Lage der Befestigungsstelle der Halterung am Boden des Schmelztiegels ab.
Größe der Querschnittsfläche und der Wärmeleitfähigkeit der Halterung sowie von der Lage der Befestigungsstelle der Halterung am Boden des Schmelztiegels ab.
Die vorstehend erläuterte herkömmliche Anordnung des
Schmelztiegels erfüllt zwar den angestrebten Zweck weitgehend, es treten jedoch aufgrund der Geometrie und der räumlichen Anordnung der Halterung noch beträchtliche, störende Verluste durch Wärmeleitung vom Schmelztiegel weg auf. Durch die Anbringung der langen, dünnen Halterung in satter Berührung mit dem geometrischen Mittelpunkt des Bodens des Schmelztiegels ergibt sich nämlich eine beträchtliche Wärmeableitung von der geschmolzenen HaIbleitercharge im Inneren des Tiegels über die Quarzauskleidung und den Boden des Schmelztiegels zur zylindrischen Halterung. Wie man aus Fig. 1 erkennt, ist die zylindrische Halterung 28 in der Mitte der Unterseite des Schmelztiegels befestigt. Bei der Befestigung an dieser Stelle erhält die Halterung mehr Wärme aus dem Inneren des Schmelztiegels
Schmelztiegels erfüllt zwar den angestrebten Zweck weitgehend, es treten jedoch aufgrund der Geometrie und der räumlichen Anordnung der Halterung noch beträchtliche, störende Verluste durch Wärmeleitung vom Schmelztiegel weg auf. Durch die Anbringung der langen, dünnen Halterung in satter Berührung mit dem geometrischen Mittelpunkt des Bodens des Schmelztiegels ergibt sich nämlich eine beträchtliche Wärmeableitung von der geschmolzenen HaIbleitercharge im Inneren des Tiegels über die Quarzauskleidung und den Boden des Schmelztiegels zur zylindrischen Halterung. Wie man aus Fig. 1 erkennt, ist die zylindrische Halterung 28 in der Mitte der Unterseite des Schmelztiegels befestigt. Bei der Befestigung an dieser Stelle erhält die Halterung mehr Wärme aus dem Inneren des Schmelztiegels
209808/1732
BAD ORIGINAL- 5 -
2H0070
zugeführt, und leitet sie ab, als bei einer- beliebigen exzentrischen Anordnung an der Unterseite des Schmelztiegels.
Andererseits ist es jedoch aus Gründen der sicheren Befestigung und des Gleichgewichts des Schmelztiegels
zweckmäßiger, bei Verwendung einer solchen langen, dünnen Halterung diese im oder nahe dem geometrischen
Mittelpunkt des Tiegelbodens anzuordnen.
bei einem übermäßigen v/ärmefluß vom Schmelztiegel zu
seiner Halterung tritt eine Unterkühlung des Tiegelbodens ein, wodurch sich zxtfischen den beheizten Seitenwandungen
des Tiegels und dem den Innenraum unten abschließenden Boden ein unerwünschter Temperaturgradient
einstellt. Die Unterkühlung des Tiegelbodens bewirkt häufig ein Absinken der Temperatur der im Tiegel enthaltenen
Halbleiterschmelze auf einen Wert, bei dem sich an dem aus der Schmelze gezogenen Halbleiterkristall Dendriten
bilden. Zur Vermeidung der Bildung von Dendriten muß der Halbleiterkristall sehr schnell aus der Schmelze gezogen
iverden. Bei derartig schnellem, plötzlichem Zieheriverbleiben
jedoch durchschnittlich 10 % der Halbleiterschmelze
im Schmelztiegel, woraus sich eine Materialvergeudung und Verschlechterung des V/irkungsgrades beim Ziehen der
Kristalle ergibt» Hoch schwerwiegender ist jedoch der
beim schnellen Ziehen des Kristalls aus der Schmelze darin auftretende Warmeschocks durch welchen die gewünschte
209808/1732 bad
2H0070
Kristallstruktur in bestimmten Bereichen gestört wird.
Daraus ergeben sich v/eitere Ilaterialverluste aus der zum
Ziehen verwendeten Charge. Bei der Verwendung der vorstehend beschriebenen und in Pig. I gezeigten bekannten
Schmelztiegelanordnung zum Ziehen von mit Antimon versetzten Siliziumkristallen stellte sich ferner heraus,
daß das Antimon aufgrund der durch Wärmeleitung entstehenden ΐ/ärmeVerluste der Schmelze nach dem Ziehen von etwa
55 % der Charge seine feste Löslichkeit in Silizium überschreitet. An diesem Funkt beginnt das Antimon dann auszufallen,
so daß die verbleibenden 45 % der Charge nicht
mehr zum Ziehen von Kristallen verwendbar sind.
Die Erfindung löst im wesentlichen die Aufgabe, eine neue und verbesserte Schmelztiegelanordnung zu schaffen, welche
sämtliche Vorteile der Schmelztiegelanordnungen für entsprechende Zwecke aufweist, ohne daß die vorstehend angeführten
Nachteile bekannter Anordnungen da.bei auftreten. Zu diesem Zweck ist zwischen dem Schmelztiegel und einer
langgestreckten, dünnen Tiegelhalterung eine neuartige Tiegelfassung eingesetzt. Diese sehwach wärmeleitende
Tiegelfassung ist in dem den Tiegel beheizenden Ilochfrequenzfeld angeordnet, so daß ihre Induktive Erwärmung
Wärmeverluste des Tiegels durch Wärmeleitung verringert. Da die Tiegelfassung das Unterteil des Tiegels umschließt,
bewirkt sie auch eine Verringerung der Wärmeverluste des Tiegels durch Strahlung. In dieser Weise schafft die Er-
209808/1732
BAD ORIGINAL
2H0070
findung eine neuartige und verbesserte Schmelztiegelanordnung
für eine Vorrichtung zum Ziehen von Halbleiterkristallen.
Die Schmelztiegelanordnung weist verbesserte Eigenschaften hinsichtlich der Wärmeübertragung auf,
arbeitet mit einem hohen Wirkungsgrad und begünstigt die Einhaltung der gewünschten hohen Temperatur eines Schmelz-•tiegelü
und der darin enthaltenen geschmolzenen Halbleiter charge.
Lin wesentlicher Vorteil bei der Verwendung der erfindungsgemäßen
Sciiinelztiegelanordnung beim Ziehen von Kristallen
besteht in der Vermeidung des Entstehens von Dendriten am gezogenen Halbleiterkristall.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet den weiteren Vorteil,
daß bei ihrer Verwendung die Halbleiterschmelze im v;e s ent liehen vollständig aus dem Tiegel gezogen werden
kann, so daß durch in Tiegel zurückbleibendes Material keine Llaterialvergeudung stattfindet. Bei der Verwendung
der erfindungsgemäßen Schmelztiegelanordnung zum Ziehen
von Halbleiterkristallen läßt sich das Auftreten von viarmes chocks und die sich daraus ergebenden Strukturschädigungen
des Kristalls in vorteilhafter Weise vermeiden.
Ferner bietet die erfindungsgemäße Anordnung den Vorteil,
daß sich damit der Zeitpunkt des Ausfällens verzögern läßt,
BAD ORIGINAL 209808/1732
wenn stark mit anderen Stoffen versetzte Siliziumkristalle gezogen werden sollen.
Im wesentlichen schafft die Erfindung eine Schmelztiegelanordnung für eine Vorrichtung zum Ziehen von Halbleiterkristallen
mit einem Schmelztiegel, welcher eine Höhlung für die Aufnahme eines zu.ziehenden, geschmolzenen Halbleitermaterials
aufweist. In einem bestimmten Bereich liegt am unterteil des Tiegels eine Passung an, mit einer unterhalb
des Schmelztiegels verlaufenden, eine öffnung umgebenden Wandung. Die Tiegelfassung begrenzt die Wärmeableitung
vom Tiegel auf ein Mindestmaß und beschränkt ferner die Wärmeabstrahlung vom Inneren des Tiegels.
Gemäß einem Merkmal der Erfindung sind in einer Wandung der Tiegelfassung mehrere langgestreckte öffnungen gebildet.
Die öffnungen bewirken eine beträchtliche Verringerung.der Größe des in der Fassung vorhandenen Wärmeleitungsweges und
damit der WärmeVerluste des Schmelztiegels durch Wärmeleitung.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist sowohl der Schmelztiegel als auch seine Passung im Wirkungsbereich
einer zugeordneten Kochfrequenz-Induktionsheizspule angeordnet. Die gleichzeitige Induktionsbeheizung der beiden
Teile bewirkt eine weitere Verringerung der Wärmeverluste des Tiegels durch Wärmeleitung.
209808/1732
BAD ORIGINAL
2U007Q
Weitere Merkmale, Linzelheiten und Vorteile der Erfindung
ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Äusführungsbeispiels
anhand der Zeichnung. Darin zeigt:
Fig. 1 eine teilweise isometrisch und teilweise im Schnitt dargestellte bekannte Ausführung einer
Vorrichtung zum Ziehen von Kristallen,
Fig» 2 eine zerlegt und auseinandergezogen dargestellte
Schrägansicht einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Schmelztiegelanordnung und
Fig. 3 eine Schnittansicht der aus den Teilen von Fig 2
zusammengesetzten Schmelztiegelanordnung entsprechend der Linie 3-3 in Fig. 2.
Die in Fig. 1 gezeigte, insgesamt mit 7 bezeichnete bekannte Vorrichtung zum Ziehen von Kristallen weist eine
Kristall-V/achstumskammer 8 auf, in welcher der aus Graphit
gefertigte Schmelztiegel 10 angeordnet ist« Bei Anwendung von Hochfrequenz-Induktionsbeheizung wird der Tiegel 10
im Fachgebiet des Halbleiter-Kristallziehens vielfach als "Kerntiegel" bezeichnet. Dementsprechend kann der
Schmelztiegel in der nachstehend anhand von Fig, 2 und 3 erläuterten Ausführung der Lrflndung sowie in der bekannten
Ausführung nach B1I^9 1 auch als "Kerntiegel" bezeichnet
werden. Der Ausdruck "SchraelKtiegelanordnung" umfaßt
BAD ORfGINAL
2U0070
In der hier angewandten Bedeutung unter anderem den eigentlichen Schmelztiegel, sämtliche den Tiegel haltenden
Teile sowie die zugeordneten Induktions-Heizeinrichtungen für den Tiegel. Die Höhlung des araphit-Tiegola la
kann mit einer auswechselbaren Quarzauskleidung 12 versehen sein, welche chemisch nicht mit einer bei relativ
hohen Temperaturen aus der Höhlung su ziehenden, geschmolzenen Silizium-halbleitercharge 1'4 reagiert.
Der aus der polykristallinen Halbleitercharge 14 gezogene
monokristalline Halbleiterstab bildet beim Ziehen aus der Charge 14 durch Anhaften an einem nonokristallinen
Kristallkeim 17 einen Ansatz 16. Der Kristallkeim 17 ist
in einem Futter 18 eingesetzt, welches seinerseits an einem drehbaren Ziehstab 20 befestigt ist. Eine Ilochfrequenz-Induktions-
oder auch "Arbeits"spule 22 zum Beheizen
der Halbleitercharge Ik ist zweckmäßig in einer
ein geeignetes Kühlmittel 24 enthaltenden Kühlmittelkammer
26 angeordnet, welche ihrerseits im wesentlichen konzentrisch zur Kristall-Wachstumskammer 0 verläuft.
Die Kühlmittelkammer 26 und die Kristall-T.7achstumskammer 3
sind auf einem Sockel 30 angeordnet, über welchen eine den
Schmelztiegel 10 in vorbestimmter Höhe innerhalb der Wachstumskammer ο und in bezug auf die zugeordnete
Induktions-Heizspule 22 tragende Halterung 28 hervorsteht.
209808/1732
BAD OBiGlNAL _
ürrefjung der Spule 22 durch einen hochfrequenten
Strom entstehen im Graphit-Schmelztiegel 10 Wirbelströme, unter deren Vlirkung die geschmolzene Charge lH beheizt
und auf einer erhöhten Temperatur gehalten wird.
Die langgestreckte, zylindrische Halterung 28 greift im mittleren Bereich 32 des Bodens des Tiegels 10 an. Die
Summe der Längen sämtlicher wärme-Leltwege zwischen dem
Bereich 32 und allen Teilen der geschmolzenen Halbleitercharge l'l ist kleiner als die Summen der entsprechenden
Leitwege zu irgendwelchen anderen Stellen am Boden des Tiegels 10. Diese geometrische Ausbildung der bekannten
Schmelztiegelanordnung nach Fig. 1 bewirkt beträchtliche Wärmeverluste des Tiegels 10 durch Wärmeableitung entlang
der Halterung 28. Diese unerwünschte Wärmeableitung vom Tiegel 10 bewirkt das Absinken der Temperatur der geschmolzenen
Halbleitercharge 14 und übt damit die nachstehend beschriebenen nachteiligen Wirkungen auf das
Ziehen der Kristalle aus.
Zum besseren Verständnis der durch die Erfindung erzielten bemerkenswerten Vorteile gegenüber dem Stand der Technik
ist zunächst die Hochfrequenz-Induktionsbeheizung des Tiegels 10 in Fig. 1 in Betracht zu ziehen. Die durch die
Spule 25 erzeugte Induktionsbeheizung kommt im wesentlichen
BAD ORIGINAL
209808/1732 - 12 -
- 12 - 2H0070
vollständig an der zylindrischen Außenwandung 29 des Tiegels 10 zur Wirkung. Deren Erwärmung beruht auf
induzierten Wirbelströmen, welche im wesentlichen auf die senkrechten Außenbereiche des Tiegels 10 beschränkt sind.
Die Erwärmung der Oberfläche wird durch Wärmeleitung auf andere Bereiche des Tiegels 10 übertragen. Der lüttelbereich
32 des Bodens des. Tiegels 10 mit der darin vorgesehenen Bohrung ist dabei nahezu vollständig von jeglicher
Induktionsbeheizung des Tiegels 10 ausgeschlossen. Daher besteht - zunächst unter Vernachlässigung der Wärmeableitung
durch die Halterung 28 - zwischen der Außenwandung 29 des Tiegels 10 und seinem Boden 31 ein Temperaturgradient,
welcher darauf beruht, daß die Induktionsbeheizung des Tiegels 10 im wesentlichen im Oberflächenbereich
der senkrechten Wandung 29 wirksam ist. Selbst ohne die in Fig. 1 gezeigte Halterung 28 wäre die Temperatur
des Bodens 31 des Tiegels 10 daher niedriger als. die der senkrechten Seitenwandung 29. Dieser Temperaturunterschied
teilt sich auch der Schmelze Ik mit, aus welcher der Halbleiterstab gezogen wird. Da jedoch die Temperatur
der Schmelze 14 jeweils auf einem geringfügig über dem Schmelzpunkt des zu ziehenden Halbleitermaterials liegenden
Viert gehalten werden soll, besteht für die Erwärmung der Schmelze Ik eine obere Grenze. Eine Unterkühlung des
Bodens 31 kann daher nicht einfach durch Steigerung der Energiezufuhr zur Spule 25 ausgeglichen werden, da dadurch
die Schmelze Ik im oberen Bereich zu stark erwärmt würde.
209808/1732
BAD ORIGINAL
- 13 -
2U0070
Nun ist jedoch noch der wärmeleitende Kontakt zwischen der Halterung 23 und der Ausnehmung 32 im Boden 31 des
Tiegels 10 in Betracht zu ziehen. Aufgrund ihrer Wärmeleitfähigkeit verstärkt nämlich die Graphit-Halterung
den zwischen der senkrechten Seitenwandung 29 des Tiegels 10 und dem Boden 31 bestehenden Temperaturgradienten,
wobei dieser Temperaturgradient sich auch auf die Halbleiterschmelze 14 überträgt. Bei der Abnahme der Schmelze
während des Wachstums des Kristalls sinkt ihr Spiegel fortlaufend weiter in den halbkugeligen Boden der Auskleidung
12 ab, wodurch sich die Schmelze 14 im unteren Bereich ständig weiter abkühlt. Aufgrund dieser Erscheinung
und der WärmeVerluste des Tiegels 10 durch Ableitung über die Halterung 28 tritt am unteren Bereich der
Schmelze 14 in Fig. 1 in der Endphase des Kristallwachstums
eine Unterkühlung und in deren Gefolge eine unerwünschte Kristallkernbildung auf. Die Halterung 28
bewirkt also einen relativ großen Temperaturgradienten zwischen den oberen und unteren Bereichen der Schmelze 14,
welcher in der Endphase des Kristall-Ziehvorganges die Bildung von Dendriten begünstigt. Die durch die Bildung
von Dendriten bewirkten Nachteile und Materialvergeudung wurden bereits vorstehend dargelegt.
BAD ORIGINAL
_- IH -
200008/1732
2HQ070
Bei der in Fig. 2 und 3 gezeigten bevorzugten Ausfühi-unrsform
der Erfindung weist ein aus Graphit gefertigter, feuerfester Schmelztiegel 3^ eine durch eine zylindrische
Sextenwandung 39 begrenzte Höhlung 36 auf, welclie im
Unterteil in einen halbkugelig geformten Boden 43 übergeht.
Die zylindrische Außenv/anclung Jo ces Tiegels 3^
kann in gleicher Weise wie bei der Anordnung nacii Flg.
mittels einer Hochfrequenz-Induktionsspule 45 induktiv
beheizbar sein. Entlang dem unteren Rand des Schmelztiegels ~$k ist ein einwärts gerichteter Absatz 4ö gebildet,
mittels dessen der Tiegel unter ReibungsSchluß in eine
im folgenden beschriebene Fassung 42 einsetzbar ist.
Die Tiegelfassung 42 hat eine zylindrische 'Jandung 44, welche eine Ausnehmung 46 zum passenden Einsetzen des
Absatzes 40 des Tiegels J>k umgrenzt. In der Passung
sind mehrere langgestreckte öffnungen oder Durchbrüche 50, 52 gebildet, zwischen Vielehen sich sehr schmale Wärmeleiterbrücken
5^» 56» 58 erstrecken. Die V/ärmeleiterbrücken
haben im Vergleich zur Länge der Durchbrüche 50, 52 kleine Querschnittsflächen. Die in der zylindrischen
Wandung 44 vom Tiegel 34 abfließende wärme ist in ihrem
Fluß auf die schmalen Brücken beschränkt» Die Tiegelfassung pk hat einen ebenen Boden OQ, welcher einstückig
BAD ORtGfNAL - 15 209808/1732
2U0070
mit der zylindrischen Wandung 44 verbunden ist. Die
zylindrische Jandung 4 4 und der Boden 60 der Tiegelfassung
42 bilden eine Abschirmung gegen Wärmeverluste des Tiegels 34 durch Strahlung.
In eine öffnung 37 im ebenen Boden 60 der Tiegelfassung 1st eine längliche,, hohle, zylindrische Halterung 62 satt
eingepaßt. Der Boden 60 der Fassung 42 ruht dabei auf einer Stufe 66 an der zylindrischen Außenwandung 64 der
halterung 62.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung finden Wärmeverluste
des Tiegels 34 durch Wärmeleitung nur über einen Leitungsweg
statt, welcher jeweils durch ein seitliches Segment des Eodenteils des Tiegels 34 und die zylindrische
Wandung 44 der Tiegelfassung 42 gebildet ist. Dabei muß die durch die Wandung 44 der Passung 42 abfließende Wärme I
eine der zwischen den langgestreckten Durchbrüchen 50,
gebildeten Brücken 54, 56 oder 58 passieren. Der Wärmeabfluß
vom Tiegel 34 ist somit vor dem übergang auf das zylindrische Oberteil 68 der Halterung 62 durch die neuartige
Ausbildung der zylindrischen Wandung 44 gebremst.
Die Tiegelfassung 42 und die durch sie betfirkte Verringerung
des Temperaturgradienten zwischen der senkrechten
BAD ORIGINAL
209808/1732 - i(5 -
2H0070
Seitenwandung- 38 und dem Boden 40 des Tiegels 34 stellt
ein bedeutsames Merkmal der Erfindung dar. Durch diese Anordnung wird dem Boden 40 des Schmelztiegels 34 im
mittleren Bereich keine Wärme durch Ableitung direkt über eine Halterung entzogen, so daß dieser Bereich,.wie
nachstehend erläutert, im wesentlichen auf die gleiche Temperatur erwärmt wird wie die senkrechte Seitenwandung
des Tiegels. Der auf Wärmeleitung beruhende Wärmeverlust verläuft nun von allen Bereichen des Tiegels 34 zur senkrechten
Wandung 44 der Tiegelfassung 42, im unteren Bereich des Tiegels also in waagerechter Richtung, was zur
Folge hat, daß der Gesamtwärrae verlust des Tiegels 34 in
relativ gleichförmiger Verteilung in allen Teilen desselben auftritt. Der bei bekannten Anordnungen zwischen den oberen
und unteren Bereichen der Halbleiterschmelze 47 auftretende
Temperaturgradient ist dadurch beträchtlich verringert oder gar beseitigt. Da außerdem die zylindrische
Innenwandung der Wandung 44 der Tiegelfassung 42 die vom unteren Teil des Tiegels darauf abgestrahlte Wärme wieder
zurückstrahlt, verringert sich ein zwischen dem Boden 40 und der senkrechten Seitenwandung 38 des Tiegels 34 möglicherweise
noch vorhandener Temperaturgradient noch weiterhin* Aus diesem neuartigen Merkmal der Tiegelfassung 42
BAD ORIGJNAL
209808/173 2
2H0070
ergibt sich eine relativ gleichmäßige Temperaturverteilung in allen Teilen des Tiegels 34 und der darin enthaltenen
Halbleiterschmelze.
Die aus Graphit gefertigte zylindrische Halterung 62 weist einen kleineren Durchmesser auf als die Tiegelfassung 42,
und die Querschnittsfläche der Wandung 64 der Halterung 62
ist beträchtlich kleiner als die Gesamtquerschnittsfläche des oberen Teils der zylindrischen Wandung 44 der Fassung
42. Die Halterung 62 ist koaxial mit dem Tiegel 34 und
der Tiegelfassung 42 angeordnet und besitzt ausreichende Festigkeit, um diese beiden Teile in einer in Fig« 3 gezeigten
Stellung in bezug auf die Hochfrequenz-Induktionsheizspule 45 zu haltern. Die relativ dünne zylindrische
Wandung 6% der Halterung 62 ergibt eine weitere Verringerung
der Wärmeableitung von der Fassung 42 über die Halterung 62.
Die Länge des Wärmeleitungsweges vom Tiegel 34 über die
Fassung 42 und die zylindrische Wandung 64 der Halterung 62 ist beträchtlich größer als die des i/ärmeleitungsweges vom
Mittelbereich 32 des Tiegelbodens über die Halterung 28
zum Sockel 30 bei der bekannten Anordnung nach Fig. 1. Die langgestreckten Durchbrüche 50, 52 bewirken eine weitere
BAD ORIGINAL
18 - . -
209808/1732
- 16 -
Verringerung der Wärmeableitung, ao dajo die- combination
dieser beiden neuartigen Ilerkmale der Lrfinaung eine
gegenüber der bekannten Tiegelanoränung nach Fig· 1 beträchtlich
vorteilhaftere Schnelztiegelanoranung ermöglicht.
Bei dieser Anordnung beeinflußt das durch den der Spule 45 zugeführten hochfrequenten Strom erzeugte Hochfrequenzfeld
neben dem eigentlichen Tiegel 34 auch die Passung 42, wodurch sich WärmeVerluste des Tiegels 34
durch Ableitung über die Fassung 42 weiterhin verringern.
Ein weiteres· bedeutsames Merkmal der Erfindung liegt in
der Ausbildung des Bodenteils der Tiegelfassung 42, durch welche deren Verwendung mit vorhandenen Schmelztiegeln
und Halterungen 62 erleichtert ist. lüan betrachte zum
Beispiel die bekannte Schmelztiegelanordnung nach Fig. 1, bei der eine Halterung 28 direkt in eine zylindrische
Ausnehmung 32 in der Unterseite des Tiegels 10 eingesetzt ist. Für die Anwendung der erfindungsgemäßen Ausbildung
ist es daher nicht notwendig, einen besonderen Tiegel und eine besondere Halterung 62 herzustellen, sondern man
kann vorhandene Tiegel und halterungen in der in Fig. 3 dargestellten weise verwenden. Die bevorzugte Ausführung
der Erfindung ist somit von einfachem und wirtschaftlichem
Aufbau und weist gleichwohl die vorstehend beschriebenen verbesserten wärmedämmenden Eigenschaften auf.
BAD ORfQiNAL - 19 -
209808/1732 mL
. 2Η0070
- 19 -
Der Tiegel 34, die Passung 42 und die Halterung 62 sind
vorzugsweise aus einem feuerfesten oder hitzebeständigen I-Iaterial wie Graphit gefertigt, welches den typischen
hohen Temperaturen im Bereich von l600°C beim Ziehen von Kristallen zu widerstehen vermag. Anderenfalls kann anstelle
von Graphit auch ein hitzebeständiges Metall wie .Molybdän, Tantal oder Wolfram oder hitzebeständige keramische
werkstoffe wie Tonerde (Al2O^) verwendet werden,
ohne damit den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Ferner läßt sich die X1UUmIiClIe Gestalt der beschriebenen
Schmelstiegelanordnung im Rahmen, der Erfindung abwandeln.
So können die einzelnen Teile der in Fig. 2 und 3 gezeigten Anordnung eine andere als die dargestellte zylindrische
Form erhalten, mit öffnungen oder Durchbrüchen, die der vorstehend beschriebenen Ausbildung wirkungsmäßig entsprechen.
Die langgestreckten Durchbrüche 50, 52 sind nicht auf die in Fig. 2 gezeigte Anzahl, Größe und Gestalt
beschränkt, sondern können beträchtlich abgeändert werden, ohne damit die Verkleinerung des Querschnitts der Wärmebrücken
in einem oder mehreren Teilen der Wandung 44 der Tiegelfassung 42 zu beeinträchtigen.
BAD ORIGINAL
- 20 -
09808/173
Die "erfindungsgemäße Schmelztiegelanordnung ist nicht
auf die Anwendung bei Hochfrequenz-Induktionsbeheizung beschränkt, sondern kann auch bei Widerstandsbeheizung
Verwendung finden, wobei die allgemein bekannten Kohlen-Heizwiderstände benutzt x^erden. Diese Heizwiderstände
werden gewöhnlich nahe der senkrechten Wandung des Schmelztiegels angeordnet und erwärmen diesen durch
Strahlung. Man erkennt daraus, daß die Erfindung äußerst vorteilhaft bei Widerstandsbeheizung verwendbar ist, da
die Heizwiderstände dazu neigen, einen dem vorstehend anhand von Fig. 1 erläuterten entsprechenden Temperaturgradienten
hervorzurufen.
Die Anwendung der Erfindung beschränkt sich nicht auf das Kristallziehen von Silizium, sondern eignet sich auch für
das Ziehen von einzelnen Kristallen aus Germanium sowie aus bestimmten für Laser geeigneten Werkstoffen wie Granat
und Rubin. Beim Ziehen von einzelnen Germaniumkristallen
ist eine Quarzauskleidung 12 des Tiegels nach Pig. I nicht nötig, da das Graphit des Tiegels 3^ nicht in unerwünschter
Weise mit dem geschmolzenen Germanium reagiert. Aus diesem Grunde ist die in Fig. 1 gezeigte Quarzauskleidung 12 des
Tiegels in Fig. 2 und 3 nicht dargestellt. Findet die Anordnung nach Fig. 2 und 3 jedoch zum Ziehen von mono-
ORlGfNAL 209808/1732
kristallinem Silizium Anwendung, so kann der Schmelztiegel
32J selbstverständlich auch eine Quarzauskleidung
erhalten.
- 22 -
209808/1732
Claims (6)
1. Vorrichtung zum Ziehen von Kristallen, gekennzeichnet
durch eine Kristall-Wachstumskammer (8), durch eine Beheizungseinrichtung (25 bzw. 45) zum Beheizen eines Teils
der Wachstumskammer, durch eine zunächst der Heizeinrichtung
in der Wachstumskammer befindliche Schmelztiegelanordnuhg
(10 bzv;. 34) und durch eine Halterung (28 bzv/. C2)
für den Schmelztiegel zur Verringerung von Wärmeverlusten
durch Warmeleitung.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung des Tiegels (34) eine den Tiegel entlang
seinem Umfang umschließende Passung (42) sowie eine die Fassung in bezug auf die Heizeinrichtung einstellbar
halternde Halterung (62) aufweist und daß die Fassung den Wärmeverlust des Tiegels durch Strahlung begrenzt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Passung (42) in Anlage an dem Tiegel (34) befindliche Wandungen (44) aufweist, in Vielehen eine Anzahl
in gegenseitigem Abstand angeordneter Durchbrüche (50, 52) gebildet sind, so daß die Wärmeleitfähigkeit der
Passung eingeschränkt ist.
BAD ORIGINAL - 23 -
209808/1732
2H0070
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3a dadurch gekennzeichnet,
daß die Fassung (42) einen Boden (60) mit einer in bezug auf die Wandung (44) in der Mitte angeordneten
öffnung darin (37) aufweist und daß in die Öffnung eine zum Haltern des Tiegels (34) und seiner
Passung (42) in bestimmter Stellung in bezug auf eine zugeordnete Induktions-Heizspule (45) dienende Halterung
(62) einsetzbar ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in eine in der Tiegelfassung (42) gebildete
öffnung (37) eine langgestreckte zylindrische Halterung (62) einsetzbar ist, welche von einem Durchlaß
von einem beträchtlich geringeren Durchmesser als ein die Passung (42) durchsetzender Durchlaß durchsetzt ist, wobei
der Tiegel mittels der Halterung in einer bestimmten Stellung halterbar ist und Wärmeverluste des Tiegels und der
Kugelfassung aufgrund der Länge der Halterung und der relativ kleinen Querschnittsfläche der Wandungen (64) der
Halterung auf ein I-ündestmaß begrenzt sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch
gekennzeichnet, daß die/ E'assung (42) einen zu den Wandungen
(44) hin verlaufenden und eine öffnung (37) für
BAD ORiGfNAL - 24 209808/1732
die Aufnahme der Halterung (62) aufweisenden Boden (60) hat und daß der Schmelztiegel (31O9 die Tiegelfassung (42)
und die Halterung (62) aus einem hitzebeständigen Werkstoff bestehen, welcher den beim Ziehen von Halbleiterkristallen
auftretenden hohen Temperaturen zu widerstehen vermag.
BAD ORIGINAL
209808/1732
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US6293870A | 1970-08-11 | 1970-08-11 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2140070A1 true DE2140070A1 (de) | 1972-02-17 |
Family
ID=22045846
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19712140070 Pending DE2140070A1 (de) | 1970-08-11 | 1971-08-10 | Vorrichtung zum Ziehen von Kristallen |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US3694165A (de) |
BE (1) | BE771188A (de) |
DE (1) | DE2140070A1 (de) |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2259353C3 (de) * | 1972-12-04 | 1975-07-10 | Heraeus-Quarzschmelze Gmbh, 6450 Hanau | Tiegel aus Quarzglas oder Quarzgut zur Verwendung beim Züchten von Einkristallen |
US4159891A (en) * | 1975-03-12 | 1979-07-03 | Prolizenz Ag | Crucible |
EP0591525B1 (de) * | 1991-06-24 | 1997-09-03 | Komatsu Electronic Metals Co., Ltd | Vorrichtung zum ziehen eines einkristalls |
CN105132865B (zh) * | 2015-08-20 | 2017-12-08 | 京东方科技集团股份有限公司 | 蒸发源装置及蒸镀设备 |
US9988740B1 (en) * | 2016-08-16 | 2018-06-05 | Northrop Grumman Systems Corporation | Shaped induction field crystal printer |
-
1970
- 1970-08-11 US US62938A patent/US3694165A/en not_active Expired - Lifetime
-
1971
- 1971-08-10 DE DE19712140070 patent/DE2140070A1/de active Pending
- 1971-08-11 BE BE771188A patent/BE771188A/xx unknown
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US3694165A (en) | 1972-09-26 |
BE771188A (fr) | 1972-02-11 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE60003639T2 (de) | Hitzeschild für eine kristallziehungsvorrichtung | |
DE2949446C2 (de) | ||
DE3316547C2 (de) | Kalter Tiegel für das Erschmelzen nichtmetallischer anorganischer Verbindungen | |
DE2242111A1 (de) | Verfahren und vorrichtung zum giessen von gegenstaenden mit gerichtet erstarrtem gefuege | |
DE69902911T2 (de) | Widerstandsheizung fur eine kristallzüchtungsvorrichtung und verfahren zu ihrer verwendung | |
CH530818A (de) | Verfahren zum Züchten von langgestreckten einkristallinen Körpern und Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens | |
DE2609949C3 (de) | Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Gußstücks aus in einer Richtung erstarrter Metallegierung | |
DE69706589T2 (de) | Vorrichtung zur Herstellung Silizium-Einkristallen | |
DE102004058547B4 (de) | Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Einkristallen mit großem Durchmesser | |
DE2538854C3 (de) | ||
EP1107646B1 (de) | Vorrichtung zum Beheizen von Schmelztiegeln | |
DE3530231C2 (de) | ||
DE2140070A1 (de) | Vorrichtung zum Ziehen von Kristallen | |
DE10194625B3 (de) | Vorrichtung zum Züchten eines Kristalls | |
DD275709A5 (de) | Schale zur bewehrung eines quarztiegels | |
DE60017324T2 (de) | Verfahren zur Kristallzüchtung | |
DE2358300C3 (de) | Vorrichtung zum senkrechten Halten eines Halbleiterkristallstabes beim tiegelfreien Zonenschmelzen | |
DE102005037393B4 (de) | Verfahren sowie Vorrichtung zur Züchtung von grossvolumigen Einkristallen unter Ausbildung einer konvexen Phasengrenzfläche während des Kristallisationsprozesses | |
DE3625669A1 (de) | Induktionsheizer zum tiegelfreien zonenschmelzen | |
DE3627764A1 (de) | Verfahren zur herstellung von erstarrten legierungskoerpern | |
DE2137330C3 (de) | Gießvorrichtung zur Herstellung von Gußstücken mit definierter Erstarru ngsrichtung | |
DE3031747C2 (de) | Vorrichtung zur Gruppenzüchtung von Einkristallen | |
DE1719500A1 (de) | Verfahren zur Zuechtung von Einkristallen | |
DE2538832C3 (de) | Vorrichtung zum Herstellen von Metalleinkristallen | |
DE1912379A1 (de) | Verfahren zum Giessen von Materialien in Einkristallformen |