DE4204777A1

DE4204777A1 - Vorrichtung und verfahren zum zuechten von einkristallen

Info

Publication number: DE4204777A1
Application number: DE4204777A
Authority: DE
Inventors: Sumio Kobayashi; Shunji Miyahara; Toshiyuki Fujiwara; Takayuki Kubo; Hideki Fujiwara; Shuichi Inami
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1991-02-20
Filing date: 1992-02-18
Publication date: 1992-10-08
Also published as: US5363796A

Description

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Ver fahren zum Züchten von Einkristallen für das Züchten eines Silicium-Einkristalls, der als Halbleitermaterial verwendet wird.

Allgemein wird zum Züchten von Einkristallen das Czoch ralski(CZ)-Verfahren weitläufig angewandt.

Fig. 8 ist eine schematische Schnittzeichnung, die Vor richtung und Verfahren zum Züchten von Einkristallen auf der Grundlage des CZ-Verfahrens veranschaulicht. Fig. 8 zeigt Schmelztiegel, Kristall, Heizelement und Wärme abschirmungen. Der Schmelztiegel 1 besteht aus einem Graphit-Schmelztiegel 1a und einem Quarz-Schmelztiegel, die konzentrisch angeordnet und am oberen Ende eines drehbaren und anhebbaren Sockels 1c befestigt sind. Aus serhalb des Schmelztiegels 1 ist ein Heizelement 2 ange ordnet, und die Wärmeabschirmungen 3 und 4 befinden sich jeweils außerhalb bzw. unterhalb des Heizelements 2.

In einer solchen Vorrichtung wird das Rohmaterial für einen Kristall in den Schmelztiegel 1 eingebracht und durch das Heizelement 2 geschmolzen, das außerhalb des Schmelztiegels 1 angeordnet ist. Dann wird ein Impfkeim 7, der an einem Draht 6 aufgehängt ist, in das geschmol zene Material L eingetaucht. Unter Drehen wird der Impf keim 7 heraufgezogen, so daß am unteren Ende des Impf keims 7 ein Einkristall 8 wächst.

Soll ein Einkristall als Halbleitersubstrat etc. ver wendet werden, so wird dem geschmolzenen Material L im Schmelztiegel 1 gewöhnlich eine Verunreinigung beigege ben, wodurch spezifischer Widerstand und Leitfähigkeits typ des Einkristalls eingestellt werden. Da sich eine derartige Verunreinigung jedoch normalerweise in Rich tung der Zugrichtung des Einkristalls 8 absetzt, ist es sehr schwierig, einen Kristall zu erhalten, in dem die Konzentration der Verunreinigung über die gesamte Länge des Einkristalls 8 längs der Kristallwachstumsrichtung gleichmäßig ist.

Diese Ungleichmäßigkeit der Verunreinigung rührt von der Segregation der Verunreinigung bei der Erstarrung her. Das Verhältnis C_S/C_L, wobei C_S und C_L die Konzentration an Verunreinigung des Einkristalls an der Grenzfläche von Einkristall und geschmolzenem Material L bzw. die durchschnittliche Konzentration an Verunreinigung des geschmolzenen Materials bedeuten (d. h., der effektive Segregationskoeffizient Ke), ist nicht 1.

Bekanntermaßen wird das Zonenschmelzverfahren angewandt um die Segregation zu unterdrücken. Fig. 9 ist eine schematische Schnittzeichnung, die eine Vorrichtung zum Züchten von Einkristallen nach dem Zonenschmelzverfahren zeigt. Bei dieser Vorrichtung ist das Heizelement 2 ge regelt, so daß eine feste Schicht S, die sich am Boden des Schmelztiegels 1 bildet, mit der geschmolzenen Schicht L des Rohmaterials, die sich über der festen Schicht bildet, coexistiert, und in diesem Coexistenz zustand wird der Einkristall 8 mit Hilfe des gleichen Verfahrens wie in Fig. 8 beschrieben gezogen.

Dieses Zonenschmelzverfahren läßt sich unterteilen in das Zonenschmelzverfahren mit konstanter Dicke und das Zonenschmelzverfahren mit variabler Dicke. Ersteres ist offenbart in der japanischen Patentanmeldung Veröffent lichung (Kokoku) Nr. 34-8 24 262-880, der japanischen Patentanmeldung Offenlegung (Kokai) Nr. 63-2 52 989 etc., und letzteres in der japanischen Patentanmeldung Offen legung (Kokai) Nr. 61-2 05 691 etc. Beim Zonenschmelz verfahren mit konstanter Dicke wird das Heizelement 2 während des Vorgangs des Ziehens geregelt, so daß die Abnahme der Schmelze, verursacht durch das Ziehen des Einkristalls, durch Schmelzen der festen Schicht S aus geglichen werden kann, um die Dicke der Schmelzzone L konstant und die Konzentration an Verunreinigung in Achsenrichtung des Einkristalls gleichmäßiger als beim CZ-Verfahren zu halten. Ferner ist es möglich, eine Ver unreinigung während des Wachstums kontinuierlich zuzu geben, um die Gleichmäßigkeit zu verbessern. Dagegen wird beim Zonenschmelzverfahren mit variabler Dicke das Volumen der Schmelzzone L absichtlich verändert, so daß die Konzentration an Verunreinigung in Achsenrichtung des Einkristalls auf einem konstanten Wert gehalten werden kann. Geht man davon aus, die Bedingung der Nichtsegregation ohne Verunreinigungszusatz während des Wachstums zu realisieren, dann ist das Zonenschmelz verfahren mit variabler Dicke dem Zonenschmelzverfahren mit konstanter Dicke überlegen.

Das Prinzip der Segregationsverminderung beim vorstehend beschriebenen Zonenschmelzverfahren läßt sich anhand eines eindimensionalen Modells, gezeigt in Fig. 10, be schreiben, wobei das Gewicht des Rohmaterials, mit dem der Schmelztiegel 1 zu Beginn beschickt wird (die An fangsbeladungsmenge), "1" ist, und die Konzentration an Verunreinigung an einem Punkt des Gewichtsverhältnisses x, gemessen von der Oberfläche des Rohmaterials, als C_P(x) ausgedrückt wird.

Ist das Gewichtsverhältnis des gezogenen Kristalls für eine Anfangsbeladungsmenge 1 f_S, das Gewichtsverhältnis der Schmelze f_L, das Gewichtsverhältnis des Feststoffs im unteren Teil des Schmelztiegels f_P, und f₀ = f_S + f_L, so gilt die folgende Gleichung (1):

f₀ + f_P = f_S + f_L + f_P = 1 (1)

Nun soll der Fall beschrieben werden, daß die Konzen tration an Verunreinigung C_P nicht null ist (d. h., C_P ≠ 0). In Fig. 10 entspricht die linke Seite der Ab bildung der Oberseite des Kristalls, und die rechte Seite dem unteren Ende der festen Zone.

Fig. 10(a) veranschaulicht die Konzentrationsverteilung, die unmittelbar nach Beschickung des Schmelztiegels mit Rohmaterial erhalten wird. In diesem Zustand ist das Feststoffverhältnis f_P 1. Fig. 10(b) veranschaulicht die Konzentrationsverteilung, die am Ende des anfänglichen Schmelzvorgangs erhalten wird, wobei der obere Teil des Rohmaterials, der sich um den Abstand f_L aus der Ober fläche des Rohmaterials erstreckt, geschmolzen und eine Verunreinigung zugegeben wird. In der Abbildung gibt C₀ die Konzentration an Verunreinigung in der geschmolzenen Zone zu Beginn an, und f₀ = f_L.

Fig. 10(c) veranschaulicht die Konzentrationsänderung, die im Laufe des Wachstumsprozesses erhalten wird. Wird der Einkristall um f_S aus der Schmelzzone gezogen, wird das in der unteren Festzone befindliche Rohmaterial ge schmolzen (der geschmolzene Anteil wird durch f_L angege ben). In der Abbildung geben C_L und C_P die Konzentration an Verunreinigung in der Schmelzzone bzw. in der unteren Festzone an.

Wird die Verunreinigung in einer Menge von C_a · Δf_S zugegeben, während der Einkristall weiter um Δf_S von f_S heraufgezogen wird wie in Fig. 10(d) gezeigt, so ändern sich f_L, C_L und f_P zu f_L+Δf_L; C_L+ΔC_L bzw. f_P+Δf_P. In der Abbildungg gibt C_S die Konzentration an Verunreinigung im Einkristall an. In diesem Falle ist die Menge an Verunreinigung im durch C_L und C_P angegebenen Bereich vor der Änderung, und C_S und C_L+ΔC_L nach der Änderung (d. h., der in der Abbildung durch A angegebene Bereich) konstant. Deswegen gilt die folgende Gleichung (2):

C_L · f_L + C_a · Δf_S + C_P · Δf₀ = C_S · Δf_S + (C_L + ΔC_L) · (f_L + Δf_L) (2)

worin C_S durch nachstehende Gleichung (3) unter Verwendung des effektiven Segregationskoeffizienten Ke definiert ist:

C_S = Ke · C_L (3)

Durch Einsetzen der Gleichung (3) in Gleichung (2) und Weglassen des kleinen Terms zweiter Ordnung erhält man die folgende Gleichung (4):

Beim gängigen CZ-Verfahren sind f_P, Δf_L + Δf_S und C_a null (f_P=0, Δf_L+Δf_S=0 und C_a=0), und daher gilt die folgende Gleichung (5):

Wird Gleichung (5) in Gleichung (3) eingesetzt, so erhält man die folgende Gleichung:

C_S = Ke · C₀ · (1-f_S)^Ke-1 (6)

Beim Zonenschmelzverfahren sind dC_L/df_S und C_P null (dC_L/df_S=0 und C_P=0, und daher wird in ähnlicher Weise Gleichung (7) aus Gleichung (4) erhalten:

Dies ist die Bedingung für die Verwirklichung des Ziehens ohne Segregation. Wird diese Bedingung auf das Zonenschmelzverfahren mit konstanter Dicke angewandt, so ist df_L/df_S null (df_L/df_S=0), und folglich wird die nachstehende Gleichung (8) erhalten:

C_a = Ke · C_L = Ke · C₀ (8)

Dann kann die Bedingung der Nichtsegregation durch kon tinuierliche Zugabe der Verunreinigung verwirklicht werden.

Bei Anwendung der Bedingung der Nichtsegregation auf das Zonenschmelzverfahren mit variabler Dicke wird, da die kontinuierliche Zugabe der Verunreinigung nicht allge mein erfolgt C_a null (C_a = 0), und daher wird die fol gende Gleichung (9) aus Gleichung (7) erhalten:

Die Dicke der Schmelzzone ändert sich im Laufe des Vorgangs des Ziehens des Einkristalls, so daß Gleichung (9) erfüllt wird, wodurch die Bedingung der Nichtsegre gation erfüllt ist.

Fig. 10(e) veranschaulicht die erhaltene Konzentrations verteilung bei vollständigem Schmelzen des unten befind lichen Feststoffs. Beim Zonenschmelzverfahren mit kon stanter Dicke wird, nachdem die Festzone S unter der Schmelzzone L vollständig geschmolzen ist und f₀ 1 wird (f₀ = 1), die Bedingung der Nichtsegregation nicht er füllt, und die Segregation setzt gemäß Gleichung (6) ein. Beim Zonenschmelzverfahren mit variabler Dicke hin gegen, wenn die folgende aus Gleichung (9) erhaltene Gleichung (10) bis zum Ende des Ziehens gilt, tritt am intakten Kristall keine Segregation ein.

f_L = f_L0 - Ke · f_S (10)

wobei f_L0 das Anfangsverhältnis der Schmelzzone ohne Kristall ist.

Beim vorstehend beschriebenen Zonenschmelzverfahren wird der Halsungsvorgang durchgeführt, der notwendig ist, um die Nichtversetzung zu erreichen, und dann wird die Schulterpartie gebildet durch Erhöhen des Einkristall durchmessers auf einen vorbestimmten Wert [etwa 154 mm für einen Einkristall von 6 inch (15,24 cm)]. Unter Ein halten des vorbestimmten Durchmessers wird der Ein kristall sodann mit konstanter Geschwindigkeit herauf gezogen [etwa 1 mm/min für einen Einkristall von 6 inch (15,24 cm)], wodurch ein zylindrischer Einkristall ge bildet wird.

Beim Vorgang des Ziehens im vorstehend beschriebenen Zonenschmelzverfahren ist es jedoch schwierig, die Schmelzmenge der Festzone S durch das einzelne Heiz element 2 zu kontrollieren und ebenso die gewünschte Festzone S stabil zu erhalten, da ein hinreichender Temperaturgradient längs der Vertikalen im Schmelztiegel 1 nicht erreicht werden kann. Dies führt zu Problemen dahingehend, daß es schwierig ist, die Konzentration an Verunreinigung im geschmolzenen Material beim Herauf ziehvorgang auf einem konstanten Wert zu halten, und daß der spezifische Widerstand in Achsenrichtung des Ein kristalls nicht konstant ist.

Des weiteren dringt beispielsweise in einem Stadium, in dem nur ein Teil des Rohmaterials geschmolzen ist und der größte Teil des Rohmaterials ungeschmolzen bleibt, das geschmolzene Material häufig in das unten befindli che, relativ kühle, feste Material im Schmelztiegel ein und verfestigt sich dort. Dadurch vergrößert sich das Volumen des festen Materials, so daß das feste Ma terial auf die Wand des Schmelztiegels 1 drückt, mit dem Ergebnis, daß der Schmelztiegel 1 bricht und das ge schmolzene Material ausläuft. Dies bringt ein weiteres Problem mit sich, daß nämlich die Vorrichtung zerbricht.

Beim Zonenschmelzverfahren wie vorstehend beschrieben befindet sich die Schmelzzone S im unteren Teil des Schmelztiegels. Da die Erfahrung zeigt, daß bei hohem Prozentanteil an Festzone S (d. h., bei geringem Prozentanteil Schmelzzone L) die Ausbeute hoch ist, muß der Schmelztiegel höher sein als derjenige beim CZ-Ver fahren. Beim CZ-Verfahren liegt das Verhältnis von Höhe zu Durchmesser eines Schmelztiegels gewöhnlich im Be reich von etwa 0,6 bis 0,8. Beim Zonenschmelzverfahren (ML-Verfahren) jedoch ist ein Verhältnis von 0,85 oder größer erforderlich.

Ein wichtiger Punkt bei der Bewertung des Einkristalls 8 ist die Sauerstoff-Konzentration im Einkristall 8. Von Bedeutung ist die Kontrolle der Sauerstoff-Konzentra tion, nämlich vom Gesichtspunkt der Verbesserung der mechanischen Festigkeit des Einkristalls 8 und der Ent fernung von Verunreinigungen wie etwa Schwermetallen aus dem geräteaktiven Bereich des Einkristall-Wafers (Get tering). Im allgemeinen wird Sauerstoff aus dem Quarz schmelztiegel 1b gemäß folgender Gleichung (11) in die Schmelzzone L eingebracht:

2 SiO₂ → 2 SiO + O₂ (11)

Da sich jedoch, wie vorstehend beschrieben, beim Zonen schmelzverfahren die Festzone S im unteren Teil des Schmelztiegels 1 befindet, ist die Kontaktfläche zwi schen Schmelztiegel 1 und Schmelzzone L klein im Ver gleich zum CZ-Verfahren. Dies führt zu dem Problem, daß die Sauerstoff-Konzentration des gezogenen Einkristalls 8 gering ist.

Hauptaufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Züchten von Einkristallen verfügbar zu machen, wodurch gleichmäßige Konzentration an Verunrei nigung in Achsenrichtung des Einkristalls bewirkt und die Ausbeute verbessert wird.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vor richtung und ein Verfahren zum Züchten von Einkristallen verfügbar zu machen, wodurch Beschädigungen des Schmelz tiegels verhindert werden.

Des weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrich tung und ein Verfahren zum Züchten von Einkristallen verfügbar zu machen, wodurch die geschmolzene Menge der festen Schicht genau kontrolliert werden kann, so daß die Konzentration an Verunreinigung in der Schmelzzone beim Vorgang des Ziehens des Einkristalls konstant ge halten wird.

Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Züchten von Einkristallen verfüg bar zu machen, die wie beim CZ-Verfahren hohe Sauer stoff-Konzentration aufweisen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Züchten von Ein kristallen, bei der der Einkristall mit Hilfe des Zonen schmelzverfahrens gezogen wird, verfügt über einen Schmelztiegel, mehrere Heizelemente, die in vertikaler Richtung angeordnet sind, so daß sie den Schmelztiegel einschließen, sowie über Wärmeabschirmungen außerhalb der Heizelemente. Die Dicke des desjenigen Teils der Wärmeabschirmung, der dem unteren Teil des Schmelztie gels gegenüberliegt, ist geringer als diejenige des Teils der Wärmeabschirmung, der dem oberen Teil des Schmelztiegels gegenüberliegt. Des weiteren verfügt die vorliegende Vorrichtung über eine Strahlungsabschirmung zum Abschirmen des Einkristalls vor Wärmestrahlung sowie über eine obere Wärmeabschirmung, die die Wärmeübertra gung aus den Heizelementen nach oben verhindert. Beim Schmelztiegel wird das Verhältnis Höhe zu Durchmesser zu 0,85 oder höher gewählt.

Erfindungsgemäß sind die Mehrfachheizelemente separat auf oberen und unteren Teilen der Peripherie des Schmelztiegels angeordnet, und daher werden oberer und unterer Teil des Schmelztiegels beim Vorgang des Schmel zens des Rohmaterials gleichmäßig durch diese Heiz elemente beheizt, wodurch Temperaturschocks vermieden und Beschädigungen des Schmelztiegels verhindert werden. Da wenigstens eines der Heizelemente, darunter das tiefstgelegene Heizelement, beim Heraufziehvorgang des Einkristalls abgeschaltet wird, fungiert dieses Heiz element als Wärmeabschirmung. Da der untere Teil der Wärmeabschirmung dünn ist, wird die Wärmeübertragung durch den unteren Teil des Schmelztiegels beschleunigt, wodurch eine feste Zone stabil gebildet werden kann.

Da die Wärmeabschirmung erfindungsgemäß oberhalb des Schmelztiegels angeordnet ist, so daß dieser, ausgenom men der Bereich zum Heraufziehen des Einkristalls, ab gedeckt ist, ist der heraufgezogene Einkristall gegen Wärmestrahlung aus Heizelement und Schmelziegel abge schirmt, so daß Deformation des Einkristalls und damit einhergehende Versetzung unterdrückt werden. Da eine obere Wärmeabschirmung zur Vermeidung der Wärmeübertra gung nach oben vorgesehen und das Verhältnis Höhe zu Durchmesser beim Schmelztiegel zu 0,85 oder größer ge wählt ist, kann die Temperaturdifferenz im Schmelztiegel längs der Vertikalen leicht eingestellt werden, mit dem Resultat, daß es leicht ist, die Temperaturdifferenz für Schmelz- und Festzone längs der Vertikalen leicht einzu stellen, und deswegen kann eine feste Zone mit großem Volumen leicht gebildet werden.

Erfindungsgemäß wird ferner, um vorstehend erwähnte Glei chung (10) zu erfüllen, die Energieversorgung für die Mehrfachheizelemente kontrolliert und die schmelzende Menge der Festzone wird genau kontrolliert in Überein stimmung mit der Bedingung der Nichtsegregation beim Zonenschmelzverfahren mit variabler Dicke.

Außerdem werden bei dieser Erfindung Drehgeschwindigkeit und -richtung von Schmelztiegel und Zugwelle zur Kon trolle der Konvektion des geschmolzenen Materials einge stellt, wodurch die Sauerstoff-Konzentration des Ein kristalls kontrolliert wird.

Die vorstehenden und weitere Aufgaben und Merkmale dieser Erfindung werden aus der folgenden eingehenden Beschreibung mit begleitenden Zeichnungen klarer er sichtlich.

Fig. 8 ist eine schematische Schnittzeichnung einer Vor richtung zum Züchten von Einkristallen wie sie beim her kömmlichen CZ-Verfahren verwendet wird.

Fig. 9 ist eine schematische Schnittzeichnung einer Vor richtung zum Züchten von Einkristallen wie sie beim Zonenschmelzverfahren verwendet wird.

Fig. 10 ist ein Diagramm, das das Prinzip des Zonen schmelzverfahrens veranschaulicht.

Fig. 1 ist eine schematische Schnittzeichnung einer er findungsgemäßen Vorrichtung zum Züchten von Einkristal len.

Fig. 2 zeigt die Größenverhältnisse der in Fig. 1 ge zeigten Vorrichtung.

Fig. 3 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen Dreh geschwindigkeit des Schmelztiegels und Sauerstoff-Kon zentration im Einkristall veranschaulicht.

Fig. 4 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen Dreh geschwindigkeit des Drahtes und Sauerstoff-Konzentration im Einkristall veranschaulicht.

Fig. 5 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen Eigen länge und Sauerstoff-Konzentration des Einkristalls ver anschaulicht.

Fig. 6 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen Kri stallisationsgeschwindigkeit und Energie der beim Vor gang des Ziehens des Einkristalls verwendeten Heizele mente veranschaulicht.

Fig. 7 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen Kri stallisationsgeschwindigkeit und spezifischem Widerstand eines gezogenen Einkristalls veranschaulicht.

Die vorliegende Erfindung soll nun beschrieben werden unter Bezugnahme auf die die Ausführungsformen veran schaulichenden Zeichnungen.

Fig. 1 ist ein schematischer Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Züchten von Einkri stallen. In der Abbildung bezeichnen 20 und 31 eine Kam mer bzw. einen Schmelztiegel. Die Kammer 20 ist in Form eines Hohlzylinders gebaut, und der Schmelztiegel 31 befindet sich im Zentrum der Kammer 20. Die Kammer 20 besteht aus einer zylindrischen Hauptkammer 21, einer zylindrischen Unterkammer 22 mit Boden, verbunden mit dem unteren Ende der Hauptkammer 21, einer obersten Kam mer 23, befestigt am oberen Ende der Hauptkammer 21, einer Zugkammer 24 etc. Diese Kammern 21 bis 24 sind so miteinander verbunden, daß der Innenraum der Kammer 20 nach außen hin isoliert ist.

Die oberste Kammer 23 besitzt eine scheibenartige Ab deckung 23a mit einem Durchmesser, der im wesentlichen dem der Hauptkammer 21 gleich ist, sowie einen zylin drischen Teil 23b mit einem geringeren Durchmesser im Zentrum der Abdeckung 23a. Die Zugkammer 24 weist einen Durchmesser auf, der im wesentlichen dem des zylindri schen Teils 23b gleich ist und damit ablösbar zusammen gefügt ist. Ein Draht 6, der in der gleichen Weise wie der in der herkömmlichen Vorrichtung verwendete angeho ben, abgesenkt und gedreht werden kann, hängt vom oberen Ende der Zugkammer 24 herunter. Am unteren Ende der Zug welle 6 ist ein Impfkeim 7 befestigt, und aus dem Impf keim 7 wächst ein Einkristall 8.

Wassergekühlte Ummantelungen 21c, 22c, 22d, 23c und 23d befinden sich jeweils an der Außenwand der Hauptkammer 21, der Außenwand und unteren Wand der Unterkammer 22, und an der Abdeckung 23a und dem zylindrischen Teil 23b der obersten Kammer 23. Am oberen und unteren Teil der Peripherie des Schmelztiegels 31 befinden sich ein Hauptheizelement 32 und ein Nebenheizelement 33 jeweils konzentrisch im Schmelztiegel angeordnet. Außen um die Heizelemente 32 und 33, sowie längs der Innenwand der Hauptkammer 21 befinden sich obere Wärmeabschirmungen 34 und 35, sowie eine Wärmeabschirmung 36. Untere Wärme abschirmungen 37 und 38 befinden sich längs der Innen wand der Unterkammer 22 bzw. an der unteren Wand der Unterkammer 22.

Der Schmelztiegel 31 besitzt eine Doppelstruktur, wobei ein Quarz-Schmelztiegel 31b in einen Graphit-Schmelztie gel 31a eingesetzt wird. Der Boden des Schmelztiegels 31 wird über einen Schmelztiegelträger 31d vom oberen Ende des Sockels 31d gestützt, der durch die Bodenwand der Unterkammer 22 hindurch reicht. Das untere Ende des Sockels 31c ist mit einem Elektromotor (nicht gezeigt) gekoppelt, so daß, wenn der Sockel 31c durch den Motor in Drehung versetzt wird, der Schmelztiegel während des Drehens angehoben oder abgesenkt werden kann.

Hauptheizelement 32 und Nebenheizelement 33 sind vom Typ Widerstandsheizung und sind von gleicher Form und Größe. Im einzelnen sind diese Heizelemente als kurze Zylinder ausgebildet, deren Durchmesser nur wenig größer ist als der Außendurchmesser des Schmelztiegels 31. Die Heiz elemente 32 und 33 liegen der Zone gegenüber, in der der Schmelztiegel 31 senkrechte Bewegungen ausführt und sind in der Vertikalen um einen vorbestimmten Abstand längs der Vertikalrichtung voneinander getrennt. Das Haupt heizelement 32 verfügt über ein Paar Verbindungsschenkel 32a, 32b, die sich nach außen und nach unten erstrecken und verbunden sind mit einem Paar Endelektroden 32e durch ein Paar Stützelemente 32c und ein Paar Elektroden 32d. Ebenso besitzt das Nebenheizelement 33 ein Paar Verbindungsschenkel 33a, 33b, die jeweils mit einem Paar Endelektroden 33e durch ein Paar Stützelemente 33c und ein Paar Elektroden 33d verbunden sind. In Fig. 1 ist jeweils nur ein Element dieser Paare gezeigt.

Die Schenkel 32b und 33b besitzen an ihrem oberen Ende eine Vertiefung, in die die Spitze der entsprechenden Verbindungsschenkel 32a und 33a eingesetzt wird, um ein rasten zu können. Die Endelektroden 32e und 33e sind an eine Gleichstromenergiequelle (nicht gezeigt) ange schlossen, so daß Hauptheizelement 32 und Nebenheiz element 33 gleichzeitig oder selektiv angeschaltet werden.

Die oberen Wärmeabschirmungen 34 und 35, Wärmeabschir mung 36 und die unteren Wärmeabschirmungen 37 und 38 sind aus einem Material von geringer Wärmeleitfähigkeit.

Die oberen Wärmeabschirmungen 34 und 35 und Wärmeab schirmung 36 sind nacheinander aufgestapelt und werden von Verankerungen 21d und 21e getragen, die aus der Innenwand der Hauptkammer 21 herausragen, und zwar so, daß diese Abschirmungen durch einen schmalen Spalt von der Innenwand der Hauptkammer 21 getrennt sind und ver tikal benachbarte Abschirmungen einander berühren. Die unteren Wärmeabschirmungen 37 und 38 werden von Veranke rungen 22e getragen, mit denen die Seitenwand und untere Bodenwand der Unterkammer 22 versehen sind, und sind durch einen schmalen Spalt von diesen Wänden getrennt.

Ein Stützzylinder 34a aus Graphit, dessen Länge über die Achse größer ist als die der oberen Wärmeabschirmungen 34, 35, ist an der Innenseite der Abschirmungen 34, 35 derart befestigt, daß das obere Ende des Stützzylinders 34a höher liegt als dasjenige der oberen Wärmeabschir mung 34. Am Stützzylinder 34a ist eine Strahlungsab schirmung 41 aus Graphit befestigt, die das obere Ende des Schmelztiegels 31 mit Ausnahme des Zugbereichs für den Einkristall 8 abdeckt. Die Strahlungsabschirmung 41 verfügt über einen Trichterteil 41a und einen Flansch teil 41b, der sich vom oberen Ende des Trichterteils 41a nach außen erstreckt. Das obere Ende des Stützzylinders 34a, der sich an der Innenseite der oberen Wärmeabschir mung 34 befindet, ist fest in den Flanschteil 41b einge rückt, so daß das untere Ende des Trichterteils 41a so positioniert ist, daß es auf die Oberfläche der Schmelz zone L im Schmelztiegel 31 weist.

Der Außendurchmesser der Wärmeabschirmung 36 ist zwar konstant, doch besteht die Wärmeabschirmung 36 aus einem dicken Teil 36a, der den mittleren und oberen Teil der Abschirmung einnimmt und einen kleinen Innendurchmesser aufweist, sowie aus einem dünnen Teil 36b, der den un teren Teil der Abschirmung einnimmt und einen großen Innendurchmesser aufweist. Der dicke Teil 36a ist mit einer Längsvertiefung 36c zum Einsetzen und Verbinden der Schenkel 32a des Hauptheizelements 32 versehen. Der Grund warum der untere Teil der Wärmeabschirmung 36 dem unteren Teil des Schmelztiegels 31 gegenüberliegend aus gebildet ist, besteht darin, die Wärmestrahlung aus dem unteren Teil des Schmelztiegels 31 zu fördern.

An der Innenfläche der Wärmeabschirmung 36 ist ein Graphit-Zylinder 36d befestigt. Ein dachrinnenartiges Abschirmelement 42 liegt zwischen der Fläche am oberen Ende der Wärmeabschirmung 36 und der Fläche am unteren Ende der Wärmeabschirmung 35, so daß das obere Ende des Hauptheizelements 32 und Nebenheizelement 33 abgedeckt sind. Beim Abschirmelement 42 ist die Innenkante dick, und der der Strahlungsabschirmung gegenüberliegende Teil ist als Konusfläche 42a ausgebildet. Eine Vertiefung 42b, in die die Oberkante des Zylinders 38d einrückt, ist an der unteren Fläche des Abschirmelements 42 aus gebildet. Das Abschirmelement 42 wird durch Einrücken der Oberkante des Zylinders 36d in die Vertiefung 42b gegen die Wärmeabschirmung 36 positioniert.

Durch die Zugkammer wird Ar-Gas zugeführt. Das Versor gungssystem ist in Fig. 1 nicht gezeigt. Der Absaugvor gang wird von einer Basiskammer mittels einer Vakuum pumpe durchgeführt (nicht gezeigt).

Fig. 2 zeigt die Größenverhältnisse der Vorrichtung von Fig. 1. Innendurchmesser und Höhe des inneren Quarz- Schmelztiegels 31b sind zu 16 inch (40,64 cm) bzw. 14 inch (35,56 cm) gewählt, und folglich beläuft sich das Verhältnis von Höhe zu Innendurchmesser auf 0,875.

Dadurch wird es möglich die Temperaturdifferenz längs der Vertikalen leicht zu wählen und die feste Zone S stabil zu bilden.

Das Verhältnis von Höhe zu Innendurchmesser ist nicht auf auf 0,875 beschränkt, sondern kann irgendein Wert größer als 0,85 sein. Ist das Verhältnis von Höhe zu Innendurchmesser des inneren Schmelztiegels 31b kleiner als 0,85, ist es sehr schwierig, die vorbestimmte feste Zone S im Frühstadium des Heraufziehvorgangs zu bilden.

Die Höhe (die Dimension in axialer Richtung) des Haupt heizelements 32 beträgt 150 mm, und beim Heraufziehvor gang liegt das obere Ende des Hauptheizelements 32 um wenigstens 20 mm oder mehr tiefer als dasjenige des Schmelztiegels 31. Wird das obere Ende des Hauptheiz elements 32 so positioniert, daß es höher liegt als das jenige des Schmelztiegels 31, ist es leicht, die Fest zone S zu bilden, doch wird der Einkristall 8 bei erhöh ter Temperatur der Innenwand des Schmelztiegels 31 direkt und indirekt beheizt, wodurch sich die Zugge schwindigkeit deutlich vermindert.

Im frühen Stadium des Ziehens des Einkristalls liegt das untere Ende des Hauptheizelements 32 höher als der Boden des inneren Schmelztiegels 31b, das untere Ende des Nebenheizelements 33 (beim Heraufziehvorgang nicht ver wendet) liegt niedriger als das untere Ende des inneren Schmelztiegels 31b, und das obere Ende des Nebenheiz elements 33 liegt höher als das untere Ende des inneren Schmelztiegels 31b. Dadurch wird verhindert, daß der untere Teil des inneren Schmelztiegels 31b erhitzt wird, wodurch die Bildung der festen Zone S erleichtert wird.

Das obere Ende des dünnen Teils 36b der Wärmeabschirmung 36 ist so angeordnet, daß es im Bereich der Position des unteren Endes des inneren Schmelztiegels 31b ± 0,3 X (die Höhe des inneren Schmelztiegels 31b) liegt. Der Innendurchmesser des dünnen Teils 36b der Wärmeabschir mung 36 ist um etwa 120 mm größer als der des dicken Teils 36a, und die axiale Länge des dünnen Teils 36b beträgt 174 mm. Diese Anordnung fördert den Wärmeüber gang vom unteren Teil des inneren Schmelztiegels 31b, wodurch die Bildung der festen Zone S erleichtert wird.

Unter Angabe spezifischer Werte soll nun die Arbeits weise beim Züchten eines Einkristalls mit Hilfe der so angeordneten Vorrichtung und des Verfahrens zum Züchten eines Einkristalls beschrieben werden.

Zunächst wird der Schmelztiegel 31 mit etwa 65 kg poly kristallinem Silicium (35 kg als Klumpen und 30 kg Späne) als Rohmaterial für einen Kristall beschickt. Nachdem das Innere der Kammer 20 unter Ar-Atmosphäre von etwa 10 Torr gesetzt ist, werden Hauptheizelement 32 und Nebenheizelement 33 mit einer Energie von jeweils 50 kW (insgesamt 100 kW) aktiviert, so daß alles Rohmaterial geschmolzen wird.

Dann wird die Leistung des Hauptheizelements 32 auf 70 kW gesteigert und die des Nebenheizelements 33 auf 0 kW reduziert, wodurch die feste Zone S im unteren Teil des Schmelztiegels 31 zu wachsen beginnt. Sobald die feste Zone S nicht mehr wächst und stabil wird, setzt man Phosphor (Segregationskoeffizient 0,35) als Dotierungs mittel vom n-Typ zu. Hierauf wird das untere Ende des Impfkeims 7 in die Schmelzzone L eingetaucht, während das Nebenheizelement 33 inaktiv bleibt. Der Einkri stall 8 wird heraufgezogen, während Schmelztiegel 31 und Draht 6 mit einer vorgegebenen Drehgeschwindigkeit ro tieren. In diesem Falle wurden Schmelztiegel 31 und Draht 6 gleichsinnig gedreht, und zwar mit 1 U/min bzw. 15 U/min. Da sich das Oberflächenniveau der Schmelzzone L beim Ziehen des Einkristalls 8 absenkt, wird der Schmelztiegel 31 angehoben, so daß die Oberfläche der Schmelzzone L auf einem Niveau fixiert bleibt. Bei der Aufwärtsbewegung des Schmelztiegels 31 ändert sich die positionelle Beziehung zwischen den Heizelementen 32 und 33 und dem Schmelztiegel 31, und daher schmilzt die Festzone S. Im Laufe dieses Vorgangs fungiert das Neben heizelement 33 als Strahlungsabschirmung.

Bei diesem Vorgang des Hochziehens des Einkristalls 8 wird der Wärmeübergang vom Hauptheizelement 32 nach oben durch das Abschirmelement 42 verhindert, und die Strah lungsabschirmung 41 verhindert, daß Wärme von den Heiz elementen 32 und 33, dem Schmelztiegel 31 und der Schmelzzone L direkt auf den Einkristall abgestrahlt wird, mit Ausnahme derjenigen, die den durch Einkristall 8 und Strahlungsabschirmung 41 gebildeten schmalen Spalt passiert.

Auf diese Weise wird erfindungsgemäß, sobald alles Roh material geschmolzen ist, der untere Teil des Schmelz tiegels 31 und das in den unteren Teil eingebrachte Roh material durch das Nebenheizelement 33 in ähnlicher Weise wie der obere Teil des Schmelztiegels 31 und das in den oberen Teil eingebrachte Rohmaterial erhitzt. Somit wird verhindert, daß sich das vom oberen Teil des Schmelztiegels 31 fließende geschmolzene Material im unteren Teil des Schmelztiegels 31 verfestigt. Da außer dem die Temperatur des oberen Teils des Schmelztiegels 31 hoch ist, wird der Temperaturschock abgeschwächt, wodurch verhindert wird, daß der Schmelztiegel 31 wäh rend des Vorgangs des Rohmaterialschmelzens bricht.

Nachdem alles in den unteren Teil des Schmelztiegels 31 eingebrachte Rohmaterial geschmolzen ist, wird die Ener giezufuhr zum Nebenheizelement 33 gestoppt, womit das Nebenheizelement 33 als Strahlungsabschirmung fungiert, die den unteren Teil des Schmelztiegels 31 vor der Wärme abschirmt, die vom Hauptheizelement 32 auf diesen Teil abgestrahlt wird. Dies dient der leichten Bildung der festen Zone S im unteren Teil.

Erfindungsgemäß wird alles in den Schmelztiegel 31 ein gebrachte Rohmaterial mit Hilfe von Hauptheizelement 32 und Nebenheizelement 33 geschmolzen, und das geschmol zene Material wird allmählich in Richtung vom Boden des Schmelztiegels 31 zu dessen oberem Teil verfestigt, um die feste Zone S aus Polykristallen zu bilden; danach läßt man das Wachstum des Einkristalls aus der Schmelz zone L beginnen, mit der Bedingung, daß eine große Zahl der Luftzwischenräume, die in dem Rohmaterial vorhanden sind, mit dem der Schmelztiegel beschickt ist, beseitigt sind. Dann werden, sobald alles Rohmaterial geschmolzen ist, die Oxide auf der Oberfläche des Rohmaterials ent fernt - da die Oxide versetzungsfreies Kristallwachstum verhindern - und die Zuggeschwindigkeit unter Nichtver setzung wird erhöht. Da sich die schmelzende Menge der Festzone S beim Vorgang des Hochziehens des Einkristalls mit Hilfe der Heizelmente 32, 33 so kontrollieren läßt, daß die vorerwähnte Gleichung (10) erfüllt ist, kann die schmelzende Menge der Festzone S beim Vorgang des Hoch ziehens des Einkristalls 8 gemäß der Bedingung der Nichtsegregation des Zonenschmelzverfahrens mit varia bler Dicke genau kontrolliert werden.

Um die Wirkung der Mehrfachheizelemente zu bestätigen, wurden die nachstehend beschriebenen Versuche durchge führt. Bei diesen Versuchen wurde ein Silicium-Einkri stall gemäß dem Zonenschmelzverfahren mit variabler Dicke mit den oben beschriebenen Schritten gezogen. Die Bedingungen bei diesem Ziehverfahren sind in der nach stehenden Tabelle 1 zusammengestellt. Zum Vergleich wurden Vergleichsversuche unter den gleichen Bedingungen durchgeführt, außer daß das Nebenheizelement nicht vor handen war und das Erhitzen mit einem einzelnen Heiz element durchgeführt wurde.

Gezogener Kristall
N-Typ-Silcium-Einkristall mit 6 inch (15,24 cm)
Silicium-Rohmaterial	65 kg
Hauptheizelement 32	460 mm (Innend.), 508 mm (Außend.), 150 mm (H)
Nebenheizelement 33	460 mm (Innend.), 508 mm (Außend.), 150 mm (H)
Abstand zwischen den Heizelementen 32 u. 33	20 mm
Kammer 20	845 mm (D), 660 mm (H)

Das Rohmaterial wurde unter den obigen Bedingungen ge schmolzen. Die Vergleichsversuche wurden zehnmal aus geführt. Bei zwei dieser zehn Vergleichsversuche brach der Schmelztiegel 31 beim Schmelzen des Rohmaterials. Bei diesen Versuchen betrug die Energie des einzelnen Heizelements 110 kW, und es dauerte 10 h, um alles Roh material zu schmelzen, und bei all diesen Versuchen wurde beobachtet, daß in der letzten Hälfte der Zeit des Schmelzvorgangs klumpiges festes Material mit einem Durchmesser von 100 mm oder mehr flotierte. Es wurden fünfzehn Versuche unter praktischer Anwendung der Er findung durchgeführt, wobei sich die Energien von Haupt heizelement 32 und Nebenheizelement 33 auf 47 kW bzw. 55 kw beliefen. Bei diesen Versuchen trat kein Bruch des Schmelztiegels 31 auf, und Flotieren von klumpigem fe sten Material mit einem Durchmesser von 100 mm oder mehr wurde in der letzten Hälfte der Zeit des Schmelzvorgangs nicht beobachtet. Nur ein paarmal wurde Flotieren von Klumpen mit kleinem Durchmesser beobachtet, was aber kein Problem darstellte. Es dauerte 8 h, um alles Roh material zu schmelzen. Die Einkristalle, die bei den Versuchen unter praktischer Anwendung der Erfindung er halten wurden, waren nahezu im Nichtsegregationszustand, verglichen mit den Einkristallen, die bei den Ver gleichsversuchen erhalten wurden.

Um die Wirkung der Strahlung zu bestätigen, wurden Ver suche mit den nachstehend beschriebenen Ergebnissen durchgeführt. Der Schmelztiegel 31 bestand aus dem Quarz-Schmelztiegel 31b (Innendurchmesser: 390 mm, Tiefe: 350 mm, Dicke: 8 mm), dem Graphit-Schmelztiegel 31a und dem Sockel 31c. Die Strahlungsabschirmung war aus Graphit, und der Trichterteil 41a hatte die Form eines umgekehrten Kegelstumpfes (Innendurchmesser am unteren Ende: 200 mm, Innendurchmesser am oberen Ende: 420 mm, Höhe: 200 mm). Es wurde ein Einkristall gezogen gemäß dem Zonenschmelzverfahren mit variabler Dicke, wobei mit 65 kg Polysilicium als Rohmaterial beschickt wurde und der Impfkeim 7 Silicium (100) war. Etwa 40% der Einkristalle, die bei einem Vergleichsversuch er halten wurden, bei dem die Strahlungsabschirmung 41 nicht vorhanden war, wiesen Versetzung auf. Dagegen war bei erfindungsgemäßen Versuchen, bei denen die Strah lungsabschirmung 41 vorhanden war, die Deformation der Einkristalle während des Vorgangs der Schulterbildung stark vermindert, und es bestätigte sich, daß Versetzun gen, von denen man annimmt, daß sie von dieser Deforma tion herrühren, nahezu beseitigt waren.

Aufgrund des adiabatischen Effekts der oberen Wärmeab schirmungen 34, 35 kann die Leistung des Hauptheiz elements 32 deutlich verringert und die Temperatur des Heizelements abgesenkt werden. Dies führt dazu, daß die Temperatur des inneren Schmelztiegels 31b fällt, so daß die Temperatur im Innenraum des Schmelztiegels 31 abge senkt wird, wodurch die Temperatur der Schmelzzone L fällt und die Festzone S größer wird. Diese Vergrößerung der Festzone S bewirkt, daß die Festzone S während der Kristallzüchtung in größerer Menge schmilzt, so daß die Segregation der Verunreinigung verhindert wird, wodurch sich die Ausbeute verbessert.

Um die Wirkung der oberen Wärmeabschirmungen 34, 35 zu bestätigen, wurden Versuche wie nachstehend beschrieben durchgeführt. Es wurde ein Vergleichsversuch durchge führt, bei dem ein Einkristall gezüchtet wurde unter Verwendung einer Vorrichtung mit dem gleichen Aufbau wie in Fig. 1 gezeigt, außer daß sie nicht mit den oberen Wärmeabschirmungen 34, 35 ausgestattet war. Tabelle 2 zeigt Wachstumsbedingungen und Ergebnisse.

Tabelle 2

Wie aus obiger Tabelle 2 hervorgeht, bewirkt die Austat tung mit oberen Wärmeabschirmungen 34, 35 zur Vermeidung von Wärmeverlusten eine Zunahme der Höhe der festen Zone S um 20 mm, eine Verringerung der Energie des Hauptheiz elements 32 um 14%, sowie eine Steigerung der Produkt ausbeute um 11%.

Erfindungsgemäß beträgt das Verhältnis Höhe zu Durchmes ser des inneren Schmelztiegels 31 0,85 oder mehr, und es ist daher möglich, die Temperaturdifferenz längs der Vertikalen leicht herzustellen und die feste Zone S stabil zu bilden.

Da der untere Teile der Wärmeabschirmung 36 teilweise zurückweicht um den dünnen Teil 36b zu bilden, wird der Wärmeübergang vom unteren Teil des inneren Schmelztie gels 31b gefördert, wodurch die Bildung der festen Zone S erleichtert wird. Das Verfahren zur Züchtung eines Einkristalls wurde auch durchgeführt unter Verwendung einer Vorrichtung, bei der der untere Teile der Wärme abschirmung 36 nicht teilweise zurückweicht (d. h., eine Vorrichtung mit einer Wärmeabschirmung, deren Innen durchmesser über die gesamte Länge der Vertikalen gleichbleibt). In diesem Falle ließ sich zeigen, daß die Dicke der festen Zone S selbst im Anfangsstadium des Ziehvorgangs etwa 40 mm betrug, und daß eine effektive Durchführung des Zonenschmelzverfahrens nicht einfach möglich war.

Als nächstes soll nun die Kontrolle der Drehgeschwindig keit und Drehrichtung von Schmelztiegel 31 und Draht 6 beschrieben werden, die vorgenommen wird, um die Sauer stoff-Konzentration im gezogenen Einkristall 8 zu er höhen.

Fig. 3 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen Dreh geschwindigkeit des Schmelztiegels 31 und Sauerstoff- Konzentration im Einkristall 8 veranschaulicht. Die dar gestellte Beziehung wird erhalten für den Fall, daß der Draht 6 mit 15 U/min rotiert. Der durch die beiden ge strichelten Linien definierte Bereich der Sauerstoff- Konzentration ist der Bereich der Sauerstoff-Konzentra tion eines Einkristalls, der mit Hilfe des üblichen CZ-Verfahrens (13-18·10¹⁷ Atome/cm³, nach früherer ASTM) gezogen wurde. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, variiert die Sauerstoff-Konzentration eines Einkristalls stark in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit des Schmelztiegels 31. Werden Schmelztiegel 31 und Draht 6 gleichsinnig gedreht, und beträgt die Drehgeschwindig keit des Schmelztiegels 31 etwa 1 U/min, so kann höchste Sauerstoff-Konzentration erreicht werden. Bei irgend einer anderen Kombination von Drehgeschwindigkeit und Richtung ist die Sauerstoff-Konzentration gering. Es wird bestätigt, daß die Sauerstoff-Konzentration des herkömmlichen CZ-Verfahrens erhalten wird durch Drehen des Schmelztiegels im Bereich um 1 U/min.

Fig. 4 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Drehgeschwindigkeit des Drahtes 6 und der Sauerstoff- Konzentration im Einkristall 8 veranschaulicht. Die dar gestellte Beziehung wird erhalten für den Fall, daß der Schmelztiegel 31 mit 1 U/min in gleicher Richtung wie der Draht 6 rotiert. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, ist die Schwankung der Sauerstoff-Konzentration im Einkristall, verursacht durch die Variation der Drehgeschwindigkeit des Drahtes 6, nicht so erheblich wie die vorerwähnte Schwankung, die durch Variation der Drehgeschwindigkeit des Schmelztiegels 31 verursacht wird, doch nimmt die Sauerstoff-Konzentration durch Erhöhung der Drehge schwindigkeit des Drahtes 6 leicht ab.

Wie aus diesen Ergebnissen ersichtlich, läßt sich die Sauerstoff-Konzentration im gezogenen Einkristall 8 durch Einstellen von Drehgeschwindigkeit und -richtung des Schmelztiegels 31 kontrollieren. Im einzelnen wird bevorzugt, daß Schmelztiegel 31 und Zugwelle 6 gleich sinnig rotieren, und daß die Drehgeschwindigkeiten von Schmelztiegel 31 und Draht 6 zu 1 U/min bzw. 15 U/min gewählt werden.

Fig. 5 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen Eigen länge und Sauerstoff-Konzentration des Einkristalls 8 veranschaulicht, der unter den Bedingungen der vorer wähnten Drehgeschwindigkeit und -richtung von Schmelz tiegel 31 und Draht 6 gezogen wurde. Es wurden Ver gleichsversuche durchgeführt, bei denen der Schmelz tiegel 31 mit 5 U/min gegensinnig zum Draht 6 rotierte. In Fig. 5 gibt "O" die Ergebnisse an, die bei erfin dungsgemäßen Versuchen erhalten wurden, und "Δ" die jenigen bei Vergleichsversuchen erhaltenen. Wie aus Fig. 5 hervorgeht, war bei den Vergleichsversuchen die Sauerstoff-Konzentration für jede der Eigenlängen des Einkristalls 8 sehr gering (11-12·10¹⁷ Atome/cm³), während bei erfindungsgemäßen Versuchen hohe Sauerstoff- Konzentrationen von 17-18·10¹⁷ Atome/cm³ für jede der Eigenlängen des Einkristalls 8 erhalten wurden, mithin auf gleichem Niveau wie bei einem mit Hilfe des her kömmlichen CZ-Verfahrens hergestellten Einkristall 8.

Im vorstehend erwähnten Ausführungsbeispiel wird die Leistung des Nebenheizelements 33 beim Ziehvorhang auf null gesetzt. Als Alternative kann, um die Schmelzge schwindigkeit zu erhöhen, das Nebenheizelement 33 beim Vorgang des Ziehens des Einkristalls 8 mit Energie ver sorgt werden. Dieses Ausführungsbeispiel soll nun be schrieben werden. Natürlich ist es bei diesem Ausfüh rungsbeispiel notwendig, die Leistung von Hauptheiz element 32 und Nebenheizelement 33 im Laufe der Zeit zu verändern, um die Bedingung der Nichtsegregation beim Zonenschmelzverfahren mit variabler Dicke zu erfüllen, wie sie durch die vorerwähnte Gleichung (10) gegeben ist.

Die Vorgänge der Beschickung des Schmelztiegels 31 mit Rohmaterial (polykristallines Silicium), Schmelzen des Rohmaterials, Bildung der Festzone S, und Zugabe des Dotierungsmittels (Phosphor) sind die gleichen wie bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen, weswegen ihre Beschreibung weggelassen wird. Im Anschluß an diese Vorgänge wird das untere Ende des Impfkeims 7 in die Schmelzzone L eingetaucht, und der Einkristall 8 wird heraufgezogen, während Schmelztiegel 31 und Draht 6 mit den Drehgeschwindigkeiten 1 U/min bzw. 15 U/min rotie ren. Nachdem Halsung und Schulterteil des Einkristalls 8 gebildet sind, und sobald der Vorgang des Ziehens des Einkristalls 8 zur Bildung des massiven Teils fort schreitet, werden die Energien von Hauptheizelement 32 und Nebenheizelement 33 verändert, um die Bedingung der Nichtsegreagtion beim Zonenschmelzverfahren mit vari abler Dicke zu erfüllen, die durch die vorerwähnte Glei chung (10) gegeben ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Leistung der Heizelemente 32 und 33 verändert, so daß die Zuggeschwindigkeit von 1 mm/min und der Durchmesser des gezogenen Kristalls von 154 mm beibe halten werden.

Fig. 6 zeigt die Heizprofile der Heizelemente 32 und 33 beim Vorgang des Ziehens des Einkristalls 8. Die durch gezogene Linie und die gestrichelte Linie in Fig. 6 geben die Heizprofile von Hauptheizelement 32 bzw. Nebenheizelement 33 an. In der Abbildung gibt die Ordi nate die Leistung eines jeden der Heizelemente 32 und 33 an und die Abszisse die Kristallisationsgeschwindigkeit. Die in Fig. 6 gezeigten Heizprofile sind so eingestellt, daß sie die vorerwähnte Gleichung (10) experimentell und analytisch erfüllen.

Fig. 7 veranschaulicht die Verteilung des spezifischen Widerstands in Achsenrichtung bezüglich Kristallisa tionsgeschwindigkeit, die erhalten wird, wenn die Fest zone S gemäß dem in Fig. 6 gezeigten Heizprofil beim Vorgang des Ziehens des Einkristalls geschmolzen wird.

Da die Heizprofile der beiden Heizelemente 32 und 33 unter gebührender Berücksichtigung der Gleichung (10) gewählt werden, ist die Konzentration an Verunreinigung in der Schmelzzone L konstant, und wenn die Kristal lisationsgeschwindigkeit f_S 0,65 ist, ist der spezifi sche Widerstand in Achsenrichtung des gezogenen Einkri stalls 8 0,94 oder höher als bei der Geschwindigkeit im Anfangszustand.

Bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen, bei denen das Zonenschmelzverfahren mit variabler Dicke an gewandt wird, wird das verunreinigende Dotierungsmittel nach der Bildung der festen Zone S zugesetzt. Alternativ kann das Verfahren auch in der folgenden Reihenfolge durchgeführt werden: Zunächst wird das gesamte Rohmate rial geschmolzen; ein verunreinigendes Dotierungsmittel wird der Flüssigkeit zugesetzt; und dann wird die feste Zone S gebildet. Mit diesem Ausführungsbeispiel läßt sich ähnliche Wirkung erzielen wie mit den vorbeschrie benen Ausführungsbeispielen.

Die Erfindung wurde zwar beschrieben durch die Veran schaulichung der Ausführungsbeispiele, bei denen ein Silicium-Einkristall gezüchtet wurde, doch ist es nahe liegend, daß die Erfindung angewandt werden kann auf die Züchtung der verschiedensten Einkristalle, die als Halb leitermaterial brauchbar sind.

Claims

1. Vorrichtung zum Züchten von Einkristallen durch Hoch ziehen von geschmolzenem Material, während festes Mate rial im unteren Teil eines Schmelztiegels vom oberen Teil des festen Materials hin zum unteren Teil geschmol zen wird, umfassend:

- einen Schmelztiegel;
- Mehrfachheizvorrichtungen zum Heizen des Schmelz tiegels, angeordnet an der Außenseite des Schmelz tiegels längs der Vertikalen; und
- Wärmeabschirmvorrichtungen, die sich an der Außen seite der Heizvorrichtungen befinden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, umfassend

- Strahlungsabschirmvorrichtungen zum Abschirmen des Einkristalls vor Wärmestrahlung aus dem Schmelztiegel und dem geschmolzenen Material im Schmelztiegel, die sich zwischen Schmelztiegel und wachsendem Einkri stall befinden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, umfassend

- erste Wärmeabschirmvorrichtungen, die sich an der Außenseite der Heizvorrichtungen befinden; und
- zweite Wärmeabschirmvorrichtungen, die sich oberhalb der Heizvorrichtungen befinden, zur Verhinderung des Wärmeübergangs aus den Heizvorrichtungen nach oben.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, umfassend

- Wärmeabschirmvorrichtungen, bei denen der untere Teil dünner ist als der obere Teil, die sich an der Außen seite der Heizvorrichtungen befinden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, umfassend

6. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 5, umfassend

- erste Wärmeabschirmvorrichtungen, bei denen der unte re Teil dünner ist als der obere Teil, die sich an der Außenseite der Heizvorrichtungen befinden.

7. Vorrichtung zum Züchten von Einkristallen nach Anspruch 6, wobei der Schmelztiegel die Form eines Zylinders mit Boden hat und das Verhältnis Höhe zu Durchmesser des Schmelztiegels 0,85 oder größer ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, umfassend

- Heizvorrichtungen zum Heizen des Schmelztiegels, an geordnet an der Außenseite des Schmelztiegels längs der Vertikalen;
- Wärmeabschirmvorrichtungen, bei denen der untere Teil dünner ist als der obere Teil.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, umfassend

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, umfassend

- erste Wärmeabschirmvorrichtungen bei denen der un tere Teil dünner ist als der obere Teil, die sich an der Außenseite der Heizvorrichtungen befinden; und
- zweite Wärmeabschirmvorrichtungen, die sich oberhalb der Heizvorrichtungen befinden, zur Verhinderung des Wärmeübergangs aus den Heizvorrichtungen nach oben.

11. Verfahren zum Züchten von Einkristallen durch Hochziehen von geschmolzenem Material, während festes Material im unteren Teil eines Schmelztiegels vom oberen Teil des festen Materials hin zum unteren Teil geschmolzen wird, umfassend die Schritte:

- Beschicken des Schmelztiegels mit Rohmaterial;
- Schmelzen des gesamten eingebrachten Rohmaterials durch Mehrfachheizvorrichtungen, die an der Außensei te des Schmelztiegels längs der Vertikalen angeordnet sind;
- Verfestigen des im unteren Teil des Schmelztiegels befindlichen geschmolzenen Materials, um eine feste Schicht zu bilden, durch Deaktivierung wenigstens einer der Mehrfachheizvorrichtungen, einschließlich der untersten Heizvorrichtung; und
- Züchten des Einkristalls aus dem geschmolzenen Mate rial im Schmelztiegel unter Schmelzen der gebildeten festen Schicht.

12. Verfahren zum Züchten von Einkristallen nach Anspruch 11, wobei es sich bei den Mehrfachheizvorrichtungen um zwei Heizelemente handelt, die an der Außenseite des Schmelztiegels längs der Vertikalen angeordnet sind, und der Einkristall gezüchtet wird unter Schmelzen der fe sten Schicht durch Aktivieren nur des oberen Heizele ments, während die Leistung des unteren Heizelements auf null gesetzt wird.

13. Verfahren zum Züchten von Einkristallen nach Anspruch 12, wobei beim Schmelzen der festen Zone durch Akti vieren des oberen Heizelements das untere Heizelement den unteren Teil des Schmelztiegels vor Strahlungswärme aus dem oberen Heizelement abschirmt.

14. Verfahren zum Züchten von Einkristallen nach Anspruch 11, wobei die Schmelzmenge der festen Zone durch Ver wendung von Mehrfachheizvorrichtungen kontrolliert wird.

15. Verfahren zum Züchten von Einkristallen nach Anspruch 14, wobei es sich bei den Mehrfachheizvorrichtungen um zwei Heizelemente handelt, die an der Außenseite des Schmelztiegels längs der Vertikalen angeordnet sind, und die Schmelzmenge der festen Zone durch Einstellen der Heizprofile der beiden Heizelemente kontrolliert wird.

16. Verfahren zum Züchten von Einkristallen, bei dem ein Schmelztiegel und ein Kristall unabhängig voneinander gedreht werden können, im unteren Teil des Schmelztie gels gebildetes festes Material während des Wachstums vom oberen Teil des festen Materials hin zum unteren Teil geschmolzen wird, und Schmelztiegel sowie Kristall während des Wachstums gedreht werden, wobei die Sauer stoff-Konzentration des wachsenden Einkristalls kontrol liert wird durch Einstellen der Drehgeschwindigkeit des Schmelztiegels von 2 U/min gleichsinnig zum Kristall bis 2 U/min im Gegensinn zum Kristall.

17. Verfahren zum Züchten von Einkristallen nach Anspruch 16, wobei die Drehgeschwindigkeit des Kristalls 5 U/min bis 15 U/min beträgt.

18. Verfahren zum Züchten von Einkristallen, bei dem ein Schmelztiegel und ein Kristall unabhängig voneinander gedreht werden können, im unteren Teil des Schmelztie gels gebildetes festes Material während des Wachstums vom oberen Teil des festen Materials hin zum unteren Teil geschmolzen wird, und Schmelztiegel sowie Kristall während des Wachstums gedreht werden, umfassend:

- einen ersten Schritt des Beschickens des Schmelztie gels mit Rohmaterial;
- einen zweiten Schritt des Schmelzens des gesamten eingebrachten Rohmaterials durch Mehrfachheizvorrich tungen, die an der Außenseite des Schmelztiegels längs der Vertikalen angeordnet sind;
- einen dritten Schritt des Verfestigens des im unteren Teil des Schmelztiegels befindlichen geschmolzenen Materials, um eine feste Zone zu bilden, durch Deak tivierung wenigstens einer der Mehrfachheizvorrich tungen, einschließlich der untersten Heizvorrichtung; und
- einen vierten Schritt des Züchtens des Einkristalls aus dem geschmolzenen Material im Schmelztiegel unter Schmelzen der gebildeten festen Zone, und Kontrollie ren der Drehgeschwindigkeit und Drehrichtung von Schmelztiegel und Kristall.

19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Verhältnis Höhe zu Durchmesser des Schmelztiegels 0,85 oder größer ist, der Schmelztiegel beim zweiten, dritten und vierten Schritt warm gehalten wird durch an der Außenseite der Heizvor richtung befindliche erste Wärmeabschirmvorrichtungen, die Strahlungswärme vom Schmelztiegel und dem geschmol zenen Material im Schmelztiegel zum wachsenden Einkri stall beim vierten Schritt abgeschirmt wird durch Strah lungsabschirmvorrichtungen, die sich zwischen Schmelz tiegel und wachsendem Einkristall befinden, und der Wärmeübergang aus den Heizvorrichtungen nach oben beim zweiten, dritten und vierten Schritt verhindert wird durch zweite Wärmeabschirmvorrichtungen, die sich ober halb der Heizvorrichtung befinden.

20. Verfahren zum Züchten von Einkristallen nach Anspruch 19, wobei der untere Teil der ersten Wärmeabschirmvor richtung dünner ist als der obere Teil, und beim dritten Schritt die Menge des Strahlungswärmeverlustes aus dem unteren Teil des Schmelztiegels sehr viel größer ist als diejenige aus dem oberen Teil.