DE2652199C3 - Vorrichtung zum Abstützen des Kristallstabes beim tiegelfreien Zonenziehen - Google Patents
Vorrichtung zum Abstützen des Kristallstabes beim tiegelfreien ZonenziehenInfo
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Description
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Abstützen des Kristallstabes beim tiegelfreien Zonenschmelzen
mit einem Stützkörper aus nichtmetallischem Material.
In den letzten Jahren hat das Zonenziehen von Halbleiterstäben, insbesondere Siliciumstäben, eine
stürmische Entwicklung erlebt und aufgrund zahlreicher Verbesserungen in der Ziehtechnik die Herstellung von
Einkristallen mit außerordentlich großen Durchmessern erlaubt, wie sie vordem nur nach dem nach Czochralski
benannten Tiegelziehverfahren zugänglich waren. Nach letztgenanntem Verfahren wird der Kristall an einem
Keimkristall hängend aus der Schmelze gezogen.
Bei der Weiterverarbeitung von Halbleitermaterial zu Halbleiterbauelementen wirken sich Kristallbaufehler,
wie etwa Versetzungen, besonders nachteilig aus, da sie insbesondere die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger
verringern.
Eine verbreitete Methode, versetzungsfreie Halbleiter zu ziehen, besteht nun bei beiden Verfahren darin,
den Querschnitt in unmittelbarer Nähe der Verschmelzungsstelle des Halbleiterstabes mit dem Keimkristall
zu verengen. Dies wird dadurch erreicht, daß nach Ansetzen des Keimkristalls an den Schmelzsee beziehungsweise
an einen aufgeschmolzenen Pfropfen des polykristallinen Stabes der Wachstumsprozeß unter
drehender Bewegung des Keimkristalls zügig vorangetrieben wird, wodurch :m Übergangsbereich zwischen
Keimkristall und konusförmigem Stabteil ein ausgedehnter, dünner Hals entsteht. Durch diese Einschnürung
zwischen Keimkristall und Halbleiterstab läßt sich die Ausbreitung von Versetzungen aus dem Keimkristall
in den Halbleiterstab verhindern.
Während beim Tiegelziehverfahren an diesem dünnen Hals auch größere Stabgewichte problemfrei
aufgehängt werden können, ist das Zonenziehverfahren entscheiden dadurch beeinträchtigt, daß das zunehmende
Stabgewicht auf dem dü.,nen Hals stehend rotiert. Nach Überschreitung einer bestimmten Länge genügt
das Auftreten einer geringen, asymmetrischen Kraft oder Unwucht und der Stab gerät ins Pendein, womit ein
Aufschaukeln der Hochfreqüenzleistung verbunden ist und der Ziehprozeß infolgedessen sofort unterbrochen
werden muß.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift 15 19 901 ist es bekannt, die vertikale, koaxiale Halterung des mit
ίο dem Keimkristall versehenen Stabendes mit einer
relativ zur Halterung axial verschiebbaren Hülse zu versehen, an deren, dem Halbleiterstab zugewandten
Rand, sich mindestens drei Stützen im gleichen Winkelabstand voneinander befinden. Die starr angebrachten
Stützen halten den Halbleiterstab im kegelförmigen Übergangsstück, da dieses aber in der Regel nicht
ideal gleichförmig aufwächst, ist hierdurch eine gleichmäßige Druckausübung nicht gewährleistet.
In der DE-OS 23 58 300 und dem Zusatz (DE-OS 24 55 173) wird ein Stützmechanismus beschrieben, der darin besteht, konzentrisch um den Keimkristall eine mehrteilige Trichterhülse hochzufahren, die mit ihrem oberen Rand bis unter den konischen Übergangsteil von Keimkristall und Halbleiterstab reicht und die mit Sand oder Metallkugeln aufgefüllt wird oder an ihrem oberen Ende metallische Stützkörper aufweist. Nach dieser Methode läßt sich zwar eine gewisse Stabilisierung des Systems erreichen, bei einer flexiblen Stützung können aber größere Erschütterungen des Stabes nicht wirksam abgeblockt werden, während beim Heranfahren starrer metallischer Stützkörper diese sich nicht erschütterungsfrei an den Stabumfang anlegen lassen und beim Aufschmelzen nach Kontakt mit der noch heißen Stabstelle abtropfen oder diese aufgrund von Legierungsbildung unerwünscht dotieren.
In der DE-OS 23 58 300 und dem Zusatz (DE-OS 24 55 173) wird ein Stützmechanismus beschrieben, der darin besteht, konzentrisch um den Keimkristall eine mehrteilige Trichterhülse hochzufahren, die mit ihrem oberen Rand bis unter den konischen Übergangsteil von Keimkristall und Halbleiterstab reicht und die mit Sand oder Metallkugeln aufgefüllt wird oder an ihrem oberen Ende metallische Stützkörper aufweist. Nach dieser Methode läßt sich zwar eine gewisse Stabilisierung des Systems erreichen, bei einer flexiblen Stützung können aber größere Erschütterungen des Stabes nicht wirksam abgeblockt werden, während beim Heranfahren starrer metallischer Stützkörper diese sich nicht erschütterungsfrei an den Stabumfang anlegen lassen und beim Aufschmelzen nach Kontakt mit der noch heißen Stabstelle abtropfen oder diese aufgrund von Legierungsbildung unerwünscht dotieren.
Aus der US-PS 39 72 684 ist schließlich ein Verfahren bekannt, nach welchem von unten mehrere stabförmige
Stützen hydraulisch an das konusförmige Übergangsstück zwischen Keimkristall und Halbleiterstab herangefahren
werden. Der obere Teil dieser Stützen besteht dabei aus einem komprimierbaren Werkstoff, um auch
bei der üblichen Asymmetrie des konusförmigen Übergangsstückes möglichst jede stabförmige Stütze in
Berührung mit dem Halbleiterstab zu bringen. Aber
4S auch nach diesem Verfahren wird eine gleichmäßige
Druckausübung, die für eine funktionierende Stützwirkung bei großer Stablänge beziehungsweise bei großen
Stabgewichten maßgebend ist, nicht erreicht.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Stützkörper zu finden, welcher während des Ziehprozesses so an den
Stab herangeführt wird, daß der hochempfindliche Wachstumsprozeß nicht gestört und mit Fortschreiten
des Wachslumsprozesses und damit zunehmendem Stabgewicht eine feste, möglichst unelastische Stützung
des aufwachsenden Stabes erzielt wird.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß der Stützkörper aus einem Glas oder einem Kunststoff
besteht.
Derartige Stützkörper können beispielsweise aus Kunststoff bestehen, die als Kondensationsprodukte aus
Epoxiden oder deren Vorprodukten, wie Epichlorhydrin oder Dichlorpropanol mit Polyolen, Glycidestern oder
Cyanursäure, entstehen. Bevorzugte Epoxidharze sind solche, die durch Umsetzung von Epichlorhydrin mit
Phenolen, Alkoholen, Carbonsäuren, cyclischen Harnstoffen oder Triazinen hergestellt werden.
Derartige Stützkörper aus Epoxidharzen müssen dabei vor der Verwendung jeweils frisch aus den
Einzelkomponenten hergestellt werden. Werden diese Stützkörper an das etwa noch 100 bis 30O0C heiße,
konusförmige Obergangsstück zwischen Keimkristall und Halbleiterstab herangefahren, so erweichen sich
oberflächlich, wodurch sie sich problemlos an den Stab anlegen lassen und härten dann aber sehr schnell unter
Ausbildung einer starren Verbindung großer Steifheit und damit entsprechend guter Stützwirkung aus.
Neben Stützkörpern aus Kunststoff, die vor der Anwendung frisch zubereitet werden müssen. Ja der
Aushärtuiigsprozeß noch nicht abgeschlossen sein darf,
um die erfindungsgemäß geforderten Eigenschaften aufzuweisen, werden bevorzugt Stützkörper aus Glas
eingesetzt.
Diese gläsernen Stützkörper werden dem Halbleiterstab an der beabsichtigten Stelle, bevorzugt im
konusförmigen Übergangsbereich zum Keimkristall, genähert, wenn diese Stelle noch eine Temperatur
aufweist, die ausreicht, um den gläsernen Stützkörper an der dieser Stabstelle zugewandten Seite erweichen zu
lassen, so daß er sich weich an den Stab anlegt und mit der fortschreitenden Abkühlung dieser Stabstelle
aufgrund der mit der Induktionsheizspule sich nach oben entfernenden Schmelzzone zu einer festen,
unelastischen Stabstütze erstarrt.
Gläser, deren Erweichungspunkt bei relativ hohen Temperaturen liegt, die also im Bereich von etwa 600 bis
9000C in den zähflüssigen Zustand übergehen, sind für
das tiegelfreie Zonenziehen von Siliciumstäben besonders geeignet, da hiermit sehr frühzeitig der Stab
abgestützt werden kann, d. h., also ziemlich unmittelbar
nach der Konusbildung, beziehungsweise nach dem Ansetzen des Polystabes an den Keimkristall.
Bei der Auswahl geeigneter Glassorten ist zu bedenken, das Glas allgemein durch Erhöhung des
Quarzgehaltes und Erniedrigung der basischen Bestandteile, wie etwa Natrium-, Kalium- oder Calciumoxid,
schwerer schmelzbar wird. Besonders geeignete Gläser, die zwischen 600 bis 9000C erweichen sind beispielsweise
Alumo- und Borosilicatgläser, die im Handel leicht erhältlich sind und aufgrund ihrer geringen Sprödigkei:
und Unempfindlichkeit gegen rasches Erhitzen oder Abkühlen als Laborglas viel verwendet werden.
Für höhere Temperaturen, also beispielsweise für Temperaturen zwischen 900 bis 1200° C eignen sich
Gläser mit hohem Aluminiumoxidanteii (etwa 20 bis 26 Gew.%) und hohem Boroxidanteil (etwa 7 bis
10 Gew.%), und Gläser mit einem Quarzanteil über 90 Gew.%.
Alle genannten Gläser haben den Vorteil, daß sie Silicium gut benetzen und beim anschließenden
Abkühlen nicht springen oder reißen, sondern innig mit dem Silicium verbunden bleiben und nach dem
Abkühlen eine feste, unelastische Stützung ausbilden.
Stützkörper aus derartigen Gläsern müssen nicht unmittelbar vor ihrem Einsatz hergestellt werden,
sondern lassen sich bequem auf Lager legen.
Allgemein können Stützkörper in vielerlei Formen eingesetzt werden, beispielsweise in Form von Stäben,
in Form eines Trichters oder bevorzugt in Form eines Ringes mit beispielsweise kreisförmigem, quadratischem
oder rechteckigem Querschnitt.
Der Stützkörper kann durch eine entsprechende Einrichtung von der Seite oder von unten an die
gewünschte Unterstützungsstelle am Stab herangeführt es
werden. Das Heranbringen an den erstarrten Stabteil kann dabei beispielsweise durch eine Schraubbewegung
oder bevorzugt hydraulisch oder hydropneumatisch erfolgen.
Die entsprechende Einrichtung zum Heranbringen des Stützkörpers an den Stab besteht beispielsweise
darin, daß in der Kreisfläche der Antriebswelle, die in der Mitte eine zentrale Keimkristallhalterung aufweist,
hydraulisch invertikaler Richtung bewegbare Trägerstangen in Führungshüisen gelagert und vakuumdicht
abgedichtet sind, die an ihrem oberen Ende den Stützkörper tragen.
Die Druckausübung auf die über eine Drehzuführung in die beispielsweise am unteren Ende der Antriebswelle
befindlichen Hydraulikzylinder einströmende nicht komprimierbare Flüssigkeit erfolgt dabei über einen
luftbewegten Stempel oder bevorzugt direkt durch Preßluft.
Anhand der Figuren soll die Erfindung hinsichtlich ihrer bevorzugten Ausführungsform näher beschrieben
werden:
F i g. 1 zeigt schematisch eine Einrichtung zum Heranfahren des Stützkörpers an die Unterstützungsstelie
im konusförmigen Übergangsstück zwischen Keimkristall und Stab.
F i g. 2 bis 4 zeigen abschnittsweise den Vorgang des Ansetzens eines gläsernen, ringförmigen Stützkörpers
an den Stab.
Zu Beginn des Ziehprozesses wird in üblicher Weise ein Polystab an den in der Halterung 1 des als Hohlwelle
ausgebildeten oberen Teils 2 der unteren Ziehwelle befindlichen Keimkristalls 3 angesetzt. Nachdem der
Keimkristall 3 mit dem vermittels einer Induktionsheizspule unteren aufgeschmolzenen Ende des polykristallinen
Vorratstabes in Kontakt gebracht wurde, wird entsprechend dem von W. C. Dash entwickelten
Verfahren durch rasches Auseinanderziehen der sogenannte Flaschenhais 4 erzeugt. Nach der Wiederverdikkung
über das konusförmige Zwischenstück 5 wächst der Einkristall 6 mit gleichmäßigem Durchmesser
versetzungsfrei weiter.
Während das konusförmige Zwischenstück 5 sich beispielsweise im Falle von Silicium noch auf einer
Temperatur von 600 bis 900° C befindet, wird ein in der Mitte mit einer Durchtrittsöffnung für den Keimkristall
3 versehener Drehteller 7, der auf einem weiteren Stahlring 8 aufliegt, emporgefahren. Diese Aufwärtsbewegung
ei folgt über beispielsweise drei Stahlstangen 9, die in den Stahlring 8 eingelassen sind, den gleichen
Winkelabstand voneinander aufweisen, innerhalb der Kreisfläche des als Hohlwelle ausgebildeten oberen
Teils 2 der Ziehwelle in den Führungshülsen 10 mit geeigneten Dichtungen 11 vakuumdicht geführt werden
und durch die Druckkolben 12 der drei am Wellenansatz
13 der Ziehwelle sich mitdrehenden Hydraulikzylinder
14 hochgedrückt werden. Die Ölzuführung erfolgt bei
der beabsichtigten Aufwärtsbewegung beispielsweise in der Art, daß der (^vorratsbehälter 15 mit Preßluft über
einen geeigneten pneumatischen Steuermechanismus beschickt wird, so daß öl aus diesem Behältnis 15 in die
am untersten Ende der Ziehwelle befindliche starre und mit geeigneten Dichtungen 16 versehene Drehzuführung
17 gedrückt wird, welches in der Ziehwelle in das ölverteilerstück 18, welches ein Teil der Ziehwelle ist
und sich infolgedessen entsprechend der Drehung der Ziehwelle dreht, hochsteigt und dort gleichmäßig auf die
drei sich ebenfalls mitdrehenden Hydraulikzylinder 14 verteilt wird, unter Auswirkung von Druck auf die
Druckkolben 12. Durch die hierdurch bedingte Aufwärtsbewegung der Druckkolben 12 wird das öl im
oberen Teil der Hydraulikzylinder 14 über das
ölverteilerstück 18 und die Drehzuführung 17 in das zweite ölvorratsgefäß 19 zurückgefordert. Soli der
Drehteller 7, auf dem der Stützkörper 20 aufliegt, dagegen zurückgefahren werden, so wird der ölvorratbehälter
19 entsprechend mit Preßluft beschickt, so daß sich der ölfluß im System umkehrt.
Durch diesen bevorzugt eingesetzten hydropneumatischen Bewegungsmechanismus wirkt die Stützkraft
des Stützkörpers 20 absolut gleichmäßig nach oben, die Bewegung der den Drehteller 7 tragenden Stangen 9
erfolgt absolut synchron, ruckfrei und elastisch.
Der eigentliche Stützkörper 20 ist vorzugsweise ein gläsernes zylindrisches Rohrstück, dessen Innendurchmesser
kleiner als der Außendurchmesser des Halbleiterstabes aber größer als der Außendurchmesser des
Keimkristalls ist, wobei seine Wandstärke etwa 10 bis 30% des Außendurchmessers des Halbleiterstabes
beträgt, während seine Höhe völlig unkritisch ist und bei der bevorzugten Vorrichtung, wie sie in F i g. 1
dargestellt ist beispielsweise ein Zehntel bis ein Drittel des Außendurchmessers des Halbleiterstabes beträgt.
Dieser ringförmige Stützkörper 20 wird entweder zentrisch auf dem am oberen Ende der Trägerstangen 9
angebrachten und mit einer zentrischen Ausnehmung für den Durchtritt der Keimkristallhalterung 1 versehenen
Stahlteller 7 befestigt oder bevorzugt schwimmend, d. h. unbefestigt zentriert aufgelegt. Bei der zweiten
bevorzugten Art, bei welcher der Stützkörper schwimmend aufgelegt wird, sorgt eine ringförmige Nut 21.
deren Außendurchmesser etwa 5 bis 10% größer ist als der des ringförmigen Stützkörpers 20 dafür, daß der
ringförmige Stützkörper 20 nicht zu weit aus dem Zentrum verrutschen kann. Die nicht fixierte, schwimmende
Auflage des Stützkörpers 20 hat den Vorteil, daß Schwingungsenergie des einkristallinen Stabes 6 nach
der Fixierung des Stützkörpers 20 an das konische Übergangsstück 5 des einkristallinen Stabes 6 in
Reibungsenergie des Stützkörpers 20 durch Reibung auf dem Stahlteller 7 verwandelt und somit wirksam
vernichtet wird. Der Stahlteller 7 hat außerdem noch die Funktion, vom Stab 6 gegebenenfalls abtropfende
Schmelze aufzufangen.
Die Fixierung des Stützkörpers 20 an den Stab 6 erfolgt nun in der Weise, daß der ringförmige gläserne
Stützkörper 20 stufenweise an das noch beispielsweise rotglühende, konusförmige Übergangsstück 5 des
Stabes 6 herangefahren wird. In der Position, entsprechend der Fig. 2, ist der gläserne Stützkörper 20 noch
so weit von dem rotglühenden, konusförmigen Übergangsstück 5 entfernt, daß sich seine äußere Form nicht
ändert. Anschließend wird der Stützkörper zügig in die
ίο Position gemäß F i g. 3 hochgefahren und angehalten, so
daß die der heißen Oberfläche des konusförmigen Übergangsstücks 5 des Stabes 6 nahen Teile des
gläsernen Stützkörpers 20 weich und zähflüssig werden. Nun wird anschließend der Stützkörper 20 langsam
'5 weiter nach oben gefahren, bis eine Benetzung gemäß
F i g. 4 und ein weiches Anlegen des Stützkörpers 20 an das konusförmige Übergangsstück 5 des Stabes 6
erfolgt.
Der Zonenschmelzvorgang wird währenddessen unbeeinflußt weitergeführt, so daß durch das Weiterwandern
der Schmelzzone eine Abkühlung des konusförmigen Übergangsstücks 5 auftritt und mit der
hierdurch bedingten Erstarrung des gläsernen Stützkörpers 20 der gewünschte stabile Stützeffekt realisiert
wird. Der Druck, der von den Druckkolben 12 über die Trägerstangen 9 letztlich auf den Stützkörper 20
übertragen wird, wird dann so eingestellt, daß der Stützkörper 20 während des gesamten Ziehvorganges
eine Kraft von vorzugsweise 50 bis 100 kp auf den Stab 6 ausübt. Die Obergrenze der auf den Stab 6 ausCbbaren
Kraft wird dabei allgemein durch die Reißfestigkeit der
engsten Stelle des flaschenförmigen Überganges 4
zwischen Keimkristall 3 und Konus 5 bestimmt
Das tiegelfreie Zonenziehen von Kristallen jeglicher Art kann somit aufgrund der vorliegenden Erfindung
nunmehr auf nahezu unbegrenzte Stablängen und Stabgewichte ausgedehnt werden, da sich die Intensität
der Benetzung beziehungsweise die unterstützte Stabfläche durch entsprechende Formgebung und Materialauswahl
der erfindungsgemäß einsetzbaren Stützkörper leicht den jeweiligen Erfordernissen anpassen läßt
Claims (5)
1. Vorrichtung zum Abstützendes Kristallstabes
beim tiegelfreien Zonenschmelzen mit einem Stützkörper aus einem nichtmetallischen Material, dadurch
gekennzeichnet, daß der Stützkörper aus einem Glas oder einem Kunststoff besteht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper (20) die Form eines
zylindrischen Rohrstückes aufweist, dessen Innendurchmesser
kleiner als der Außendurchmesser des Kristallstabes, aber größer als der Außendurchmesser
des Keimkristalls ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des zylindrisehen
Rohrstückes 10 bis 30% des Außendurchmessers des Kristallstabes beträgt.
4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper (20)
auf einem mit einer zentrischen Ausnehmung versehenen Teller (7) am oberen Ende der
Trägerstangen aufliegt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Teller (7) mit hydraulisch in
vertikaler Richtung bewegbaren Trägerstangen (9) versehen ist, die in Führungshülsen gelagert und
vakuumdicht abgedichtet sind.
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FR (1) | FR2370511A1 (de) |
GB (1) | GB1567703A (de) |
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