DE69014896T2

DE69014896T2 - Verbindungsbrücke für kerndrähte für apparate zur herstellung polykristallinen siliziums.

Info

Publication number: DE69014896T2
Application number: DE69014896T
Authority: DE
Inventors: Yusuke Miyamoto; Kenichi Nagai; Minoru Ohtsuki
Original assignee: Komatsu Electronic Metals Co Ltd
Current assignee: Sumco Techxiv Corp
Priority date: 1989-11-04
Filing date: 1990-10-25
Publication date: 1995-05-11
Anticipated expiration: 2010-10-26
Also published as: EP0498887A4; JPH0729874B2; DE69014896D1; JPH03150298A; EP0498887A1; US5327454A; EP0498887B1; WO1991006507A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung von polykristallinem Silicium, bei dem geringere Schleifverluste auftreten und das als Material zur Herstellung eines Siliciumhalbleiter-Einkristalls nach dem Schwebezonenverfahren (nachstehend als FZ-Verfahren bezeichnet) verwendet wird, und insbesondere eine Brücke zum Verbinden von Kerndrähten, die in einer Ausrüstung zur thermischen Zersetzung elektrisch beheizt werden.
Mit fortschreitender Technologie auf dem Gebiet der Halbleiter besteht Bedarf an Halbleiter-Einkristallen, die nach dem FZ-Verfahren hergestellt werden, insbesondere nach Silicium-Einkristallen mit größerem Durchmesser, wobei gegenwärtig sogar Einkristalle mit einem Durchmesser von 6 Inch hergestellt werden. Der Durchmesser von polykristallinem Silicium als Stab zum Gewinnen von Einkristallen mit einem solchen großen Durchmesser ist nicht unbedingt gleich dem des zu gewinnenden Einkristalls, da z. B. bei Verwendung eines dünnen Stabs der Stabdurchmesser durch ein Verfahren mit einem Stopfvorgang vergrößert werden kann. Je kleiner jedoch der Durchmesser ist, um so länger muß der Stab sein, und beim Beschicken der FZ-Vorrichtung mit dem längeren Stab ergibt sich ein Problem dahingehend, daß ein Rohling mit einem annähernd gleichen Durchmesser wie der des zu gewinnenden Einkristalls erforderlich ist.
Gemäß der Beschreibung in den Japanischen Patentveröffentlichungen Nr. 12358/78 und 23457/80 kann das polykristalline Silicium als Stab zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls so gewonnen werden, daß z. B. ein Monosilangas auf elektrisch beheizte Kerndrähte geleitet und anschließend zur Abscheidung darauf thermisch zersetzt wird. Soll polykristallines Silicium gewonnen werden, das zur Verwendung gebrochen wird, verwendet gewöhnlich eine Brücke zum elektrischen Verbinden von Kerndrähten in der Herstellungsausrüstung in den vorgenannten Veröffentlichungen beschriebene Siliciummaterialien durch Verwendung des in der Japanischen Patentveröffentlichung Nr. 23457/80 genannten Kohlenstoffs, auch unter dem Gesichtspunkt der Verhinderung einer Brückenverunreinigung durch heterogene Materialien und der nachfolgenden Bearbeitung.
Bei der Verwendung von Siliciummaterialien scheidet sich polykristallines Silicium auf den Kerndrähten und auf der Verbindungsbrücke in gleicher Menge ab. Mit zunehmender Abscheidung und Verdickung des Verbindungsbrückenabschnitts gemäß Fig. 4 (II) ändert sich jedoch die Gasströmung im thermischen Zersetzungsofen, das sich auf den Kerndrähten abscheidende polykristalline Silicium wird besonders in der Nähe der Anschlüsse der Verbindungsbrücke mit den Kerndrähten verformt, wenn die Anschlüsse dünner als andere Abschnitte werden, und gleichzeitig verschiebt sich die anfängliche Mittelachse. Ein im FZ-Verfahren verwendeter polykristalliner Siliciumstab muß einen gleichmäßigen Durchmesser haben, so daß bei Verwendung eines solchen Stabs im FZ-Verfahren die Abscheidung solange fortschreiten muß, bis die Dünnabschnitte auf einen befriedigenden Durchmesser angewachsen sind, und anschließend muß der Außendurchmesser des Stabs so geschliffen werden, daß sich ein vorbestimmter Durchmesser ergibt. Dabei gilt natürlich, daß sich mit zunehmendem Durchmesser die Schleifverluste auch bei gleichem Schleifverhältnis erhöhen, und je stärker sich der Durchmesser über die Stablänge ändert, um so höher werden die Schleifverluste.
Beim Schleifen des Außendurchmessers geht es nicht darum, eine gleichmäßige Dicke am Stabaußenumfang zu erreichen, sondern darum, den Stab bis auf einen vorbestimmten Durchmesser so abzuschleifen, daß der spezifische Widerstand des beabsichtigten Einkristalls einen vorbestimmten Wert annehmen kann. Eingesetzt wird ein solches Schleifen immer bei eingebetteten oder beschichteten Verunreinigungen in bzw. auf der Außenfläche eines polykristallinen Stabs, dotierten gasförmigen Verunreinigungen und zum Abgleich zwischen dem spezifischen Widerstand der Kerndrähte und dem spezifischen Widerstand eines Endprodukts, dessen Durchmesser wunschgemäß vergrößert wurde.
Aus diesen Gründen müssen speziell bei polykristallinem Silicium zur Verwendung im FZ-Verfahren die Kristalle in ihrem Herstellungszustand einen gleichmäßigen Durchmesser haben, um eine geringere Wachstumszeit, einen kleineren Material- oder Stromverbrauch, weniger Bearbeitungsschritte, geringere Schleifverluste u. a. zu erreichen.
Bisher wurden jedoch noch keine ausreichenden Maßnahmen zur Lösung dieser Probleme ergriffen.
Die Erfindung zielt auf eine Lösung der bekannten Probleme ab und ist dadurch gekennzeichnet, daß in der Ausrüstung zur Abscheidung von polykristallinem Silicium auf den Kerndrähten aus elektrisch beheizten Kernen durch thermische Zersetzung von Monosilangas die Brücke zum Verbinden der Kerndrähte aus Molybdän, Wolfram oder Zirconium besteht und die Querschnittform der Verbindungsbrücke die eines umgedrehten Dreiecks, eines Tropfens oder eines Rechtecks ist.
In den beigefügten Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine senkrechte Schnittansicht einer Ausführungsform eines Ofens zur Herstellung von polykristallinem Silicium mit einer erfindungsgemäßen Verbindungsbrücke;
Fig. 2 und 3 die jeweiligen Formen von Verbindungsbrücken, die in der Erfindung genutzt werden; und
Fig. 4 die Form des polykristallinen Siliciums, das sich in der Nähe des Verbindungsabschnitts der Verbindungsbrücke mit einem Kerndraht abscheidet.
Die erfindungsgemäße Verbindungsbrücke besteht aus Molybdän, Wolfram oder Zirconium mit geringem elektrischen Widerstand, so daß auch bei Verwendung einer Brücke mit z. B. 7,5 mm Durchmesser wie im bekannten Verfahren diese durch elektrischen Strom nicht auf die Zersetzungstemperatur von Monosilangas erwärmt wird. Da Monosilangas auf der Verbindungsbrücke nicht thermisch zersetzt wird, scheidet sich folglich kein polykristallines Silicium ab. Das heißt, da sich der Durchmesser der Verbindungsbrücke im Laufe der Zeit nicht erhöht, liegt keine Umkehrbeeinflussung, z. B. ein Verweilen, der Gasströmung im Herstellungsofen vor, und das beabsichtigte polykristalline Silicium scheidet sich in einem gleichmäßigen Durchmesser nur auf den Kerndrähten ab.
Ferner wurde experimentell festgestellt, daß Molybdän, Wolfram und Zirconium mit Silicium bei der thermischen Zersetzungstemperatur (750 bis 950 ºC) kaum reagieren, wenn polykristallines Silicium unter Verwendung von Monosilan hergestellt wird, und daß die jeweiligen Metalle einen niedrigen Dampfdruck haben, langsam in das Silicium diffundieren und die Siliciumeigenschaften nicht beeinträchtigen.
Obwohl die Japanische Patentveröffentlichung Nr. 25899/64 ein Beispiel offenbart, bei dem ein Tantaldraht für die Brücke verwendet wird, beschreibt sie auf keine Weise die Wiederverwendung des Tantaldrahts als Brücke für eine Massenproduktion. Experimenten zufolge reagiert Tantal kaum mit Silicium und ist mit Molybdän, Wolfram und Zirconium mit Ausnahme der Wasserstoffversprödung in dem Maße gleichwertig, daß es sich dabei um ein chemisch stabiles Metall handelt. Da jedoch die erfindungsgemäße Brücke in einer Ausrüstung zur Herstellung von polykristallinem Silicium durch das Verfahren der thermischen Zersetzung von Monosilangas verwendet wird, besteht die Atmosphäre zu über 95 % aus Wasserstoffgas, das durch die Zersetzung des Monosilangases gebildet wurde. Verglichen mit Molybdän, Wolfram oder Zirconium ist es wahrscheinlich, daß der Abschnitt, in dem die Temperatur im Brückenabschnitt besonders hoch ist, d. h., in der Nähe der Verbindung der Brücke mit den Kerndrähten, eine Wasserstoffversprödung im Tantal durch das Wasserstoffgas verursacht. Durch Verdicken des Verbindungsabschnitts der Brücke mit den Kerndrähten läßt sich die Brücke mehrmals verwenden, wobei in der Praxis eine solche Brücke jedoch nur zwei- oder dreimal verwendet werden kann. Aus Experimenten ist bekannt, daß verglichen mit Brücken aus Molybdän, die Dutzende Male verwendet werden können, jene aus Tantal weit unterlegen sind. Folglich eignet sich Tantal nicht für Brücken in Massenproduktion.
Durch Verdicken des Verbindungsabschnitts wird andererseits die Brücke schwer und es treten solche Probleme auf wie häufiger Kerndrahtbruch und gestörte Gasströmung im Ofen.
Vorstehend wurde dargestellt, daß die Verbindungsbrücke einen Querschnitt in Form eines umgekehrten Dreiecks, Tropfens oder Rechtecks hat. Mit solchen Formen sollen Turbulenzen verhindert werden, die zustande kommen, wenn gemäß Fig. 1 die aufsteigende Strömung im Ofen die Verbindungsbrücke passiert. Außerdem vergrößert sich durch Anwendung solcher Formen die Fläche gegenüber einer Rundform, wodurch die abgestrahlte Wärmemenge steigt und die Temperatur weiter abgesenkt werden kann. Ein Absenken der Temperatur bedeutet, daß eine dünnere Brücke verwendet werden kann und sich die je nach Form der Brücke verursachten Gasströmungsturbulenzen verringern. Zusätzlich wird dadurch das Hindernis für die aufsteigende Gasströmung verkleinert, was durch eine schmalere Brücke erreicht werden könnte, um die Temperatur zu senken und dadurch die Wirkung zu erhöhen. Ist der für eine bestimmte Verwendung hergestellte polykristalline Siliciumstäb schlanker, reicht natürlich auch eine schlanke runde Brücke aus. Im Verlaufe der letzten Jahren stieg jedoch das Bedürfnis nach höheren Durchmessern polykristalliner Siliciumstäbe. Dies weist die Nützlichkeit der Erfindung nach.

Beispiel 1

Fig. 1 zeigt eine senkrechte Schnittansicht eines Ofens zur Herstellung von polykristallinem Silicium nach einem Verfahren zur thermischen Zersetzung von Monosilangas, wobei der Ofen mit einer erfindungsgemäßen Verbindungsbrücke ausgerüstet ist.
In den Zeichnungen bezeichnen die Bezugszahl 1 Silicium- Kerndrähte, auf denen sich polykristallines Silicium abscheidet, die Bezugszahl 2 auf den Kerndrähten abgeschiedenes polykristallines Silicium, die Bezugszahl 3 Elektroden zum elektrischen Beheizen der Kerndrähte 1 und die Bezugszahl 4 eine Brücke zum Verbinden der jeweiligen Kerndrähte 1. Als Verbindungsbrücke zwischen den Kerndrähten dient ein Molybdänstab mit 7 mm Durchmesser.
Unter Verwendung des Ofens gemäß Fig. 1 und eines Molybdänstabs mit 7 mm Durchmesser gemäß Fig. 2(a) für die Verbindungsbrücke 4 zwischen den Kerndrähten wurde Monosilangas als Materialgas zugeführt und die Kerndrähte 1 wurden elektrisch beheizt, während sich polykristallines Silicium 2 durch das thermische Zersetzungsverfahren abschied. Die Menge des zugeführten Monosilangases wurde so eingestellt, daß die Abscheidungsgeschwindigkeit 4 bis 8 u/min betragen konnte, wodurch sich polykristallines Silicium 2 mit einem typischen Durchmesser von 73 mm ergab. Auch nach Abschluß der thermischen Zersetzung wurde gemäß Fig. 4(I) keine Abscheidung von polykristallinem Silicium auf der Molybdän-Verbindungsbrücke 4 beobachtet. Eine derartige Verbindungsbrücke aus Molybdän war wiederverwendbar und konnte kontinuierlich etwa 30 mal verwendet werden.
Tabelle 1 zeigt einen Vergleich zwischen den Ergebnissen dieses Beispiels und der bekannten Verbindungsbrücke aus Silicium.
Bei diesem Beispiel, bei dem Molybdän für die Verbindungsbrücke verwendet wurde, erfolgte ferner eine atomabsorptionsspektrometrische Analyse des so gewonnenen polykristallinen Siliciums. Dabei ergab sich, daß Molybdän in einer Konzentration von 0,1 ppma in den polykristallinen Siliciumstäben im Abstand von 2 mm von den Berührungsabschnitten mit der Verbindungsbrücke 4, nicht jedoch an anderen Abschnitten nachgewiesen wurde. Ferner wurde im FZ-Verfahren Einkristall- Silicium auf der Grundlage von polykristallinem Silicium als Material hergestellt, wobei keinerlei besondere Probleme auftraten. Tabelle 1 Vorliegendes Beispiel Bekannte Vorrichtung Durchmesser der Verbindungsbrücke Länge des Kerndrahts Solldurchmesser des Endprodukts Durchmesser des Produkts Länge des Produkts Stromverbrauch Verbrauchte Menge an Materialgas Betriebszeit

Beispiel 2

Für die Verbindungsbrücke 4 wurde ein Wolframstab mit 7 mm Durchmesser verwendet, und polykristallines Silicium wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 durch das Verfahren zur thermischen Zersetzung von Monosilangas hergestellt. Das Ergebnis entsprach Beispiel 1.

Beispiel 3

Eine Molybdänplatte mit einem Querschnitt von 2 x 19 mm gemäß Fig. 2(b) wurde für die Verbindungsbrücke 4 verwendet, und polykristallines Silicium wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 durch das Verfahren zur thermischen Zersetzung von Monosilangas hergestellt. Das Ergebnis entsprach Beispiel 1.

Beispiel 4

Eine umgedrehte dreieckförmige Molybdänplatte mit 7 mm Basis und 10 mm Höhe gemäß Fig. 2(c) wurde für die Verbindungsbrücke verwendet, und polykristallines Silicium wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 durch das Verfahren zur thermischen Zersetzung von Monosilangas hergestellt. Das Ergebnis entsprach Beispiel 1.

Beispiel 5

Eine Molybdänplatte mit tropfenförmigem Querschnitt gemäß Fig. 3 wurde für die Verbindungsbrücke verwendet, und polykristallines Silicium wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 durch das Verfahren zur thermischen Zersetzung von Monosilangas hergestellt. Das Ergebnis entsprach bis zu etwa 70 mm Produktdurchmesser Beispiel 1, bei Produkten mit einem Durchmesser über 70 mm konnten jedoch etwas längere Produktlängen (30 bis 40 mm länger) als bei Verwendung einer Brücke mit rundem Querschnitt erreicht werden.
Als Ergebnis der Verwendung von Molybdän, Wolfram oder Zirconium mit niedrigem Widerstand erzeugt die erfindungsgemäße Brücke weniger Wärme, so daß sich auch nach Ablauf der Zeit für die Abscheidung des polykristallinen Siliciums auf einem Kerndraht bis zu einem vorbestimmten Durchmesser das polykristalline Silicium nicht auf der Verbindungsbrücke abscheidet. Daher ändert sich die Materialgasströmung im Ofen von der Anfangsstufe des Aufwachsens bis zur Endstufe nicht, und durch eine höhere Temperatur oder einen höheren Durchmesser werden keine Turbulenzen verursacht. Eine ständige Stabilität der aufsteigenden Materialgasströmung in der Nähe der Stäbe führt zur Abscheidung des polykristallinen Siliciums mit einer Geschwindigkeit, die lediglich durch die Bewegungsgeschwindigkeit des Materialgases bestimmt ist, das auf die Kerndrähte trifft, so daß von vornherein von einer guten Gleichmäßigkeit des Durchmessers auszugehen ist. Ferner wird bei Verwendung einer erfindungsgemäßen Verbindungsbrücke die Materialgasströmung nicht gestört, so daß sich polykristallines Silicium mit einem gleichmäßigeren Durchmesser gewinnen läßt.
Außerdem kommt es bei Verwendung einer Verbindungsbrücke mit solchen Querschnittformen wie einem umgedrehten Dreieck, Tropfen oder Rechteck kaum zu Störungen der Materialgasströmung, wobei sich jedoch insbesondere die Brücke mit tropfenförmigem Querschnitt sich ausgezeichnet auswirkt und zu polykristallinem Silicium mit außerordentlich gleichmäßigem Durchmesser führt.
Da sich ferner kein Silicium auf der Verbindungsbrücke abscheidet, wird weniger Materialgas verbraucht und es kommt kaum zu Änderungen der Materialgaskonzentration; da weiterhin die Brücke durch Wasserstoffversprödung kaum beeinträchtigt wird, kann die Brücke vielmals wiederverwendet werden.
Aus diesen Gründen verringert sich der Durchmesser des so gewonnenen polykristallinen Siliciums nicht in der Nähe der Verbindungsbrücke, und es tritt keine Außermittigkeit auf. Die Länge des Produkts übersteigt die bekannter Produkte, es ergeben sich Einsparungen im Strom- und Materialgasverbrauch zur Herstellung der polykristallinen Siliciumstäbe sowie ein geringerer Bearbeitungsverlust, wobei sich auch die Schleifzeit verkürzt und somit die Produktivität verbessert.
Bei der Verwendung von Silicium für die Verbindungsbrücke im herkömmlichen Verfahren ist außerdem das Abtrennen der Brücke schwierig. Da die in der erfindungsgemäßen Verbindungsbrücke verwendeten Metallwerkstoffe einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten als Silicium haben, läßt sich die Brücke jedoch leicht abtrennen.
Aufgrund dessen, daß die Brücke vielfach wiederverwendet werden kann, trägt die Erfindung zur Einsparung von Ressourcen und zu einer höheren Wirtschaftlichkeit bei.

Claims

1. Brücke zum Verbinden von Kerndrähten in einer Ausrüstung zur Herstellung von polykristallinem Silicium, dadurch gekennzeichnet, daß beim Herrichten von elektrisch in einem Ofen zu beheizenden Kerndrähten zur Herstellung von polykristallinem Silicium nach einem Verfahren zur thermischen Zersetzung eines Monosilangases, auf deren Oberfläche polykristallines Silicium aus der Dampfphase abzuscheiden ist, die Brücke zum Verbinden der Kerndrähte aus Molybdän, Wolfram oder Zirconium besteht und die Querschnittform der Verbindungsbrücke die eines umgedrehten Dreiecks, eines Tropfens oder eines Rechtecks ist.