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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einkristallzüchtung gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Unter mehreren Verfahren zur Einkristallzüchtung ermöglicht speziell ein
Rotationsziehverfahren, das auch als Czochralski-Verfahren (CZ-Verfahren) bekannt
ist, die Massenfertigung von Einkristallen, weshalb es in der Industrie weite
Anwendung findet.
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Fig. 5 zeigt eine Querschnittsansicht eines Apparats für ein Verfahren gemäß dem
herkömmlichen Rotationsziehverfahren (Czochralski-Verfahren). Dabei ist ein
Schmelztiegel 1 zweischichtig aufgebaut und besteht aus einer Kombination
eines inneren, aus Quarz gebildeten Schmelztiegels 1a und eines äußeren, dünnen
aus Graphit gebildeten Schmelztiegels 1b. Beide Schmelztiegel 1a, 1b
weisenjewells die Form eines Zylinders mit Boden auf, wobei der Schmelztiegel 1b eng an
den Schmelztiegel 1a angrenzt. Desweiteren sind außerhalb des Schmelztiegels 1
ein Wiederstandsheizelement 2 und ein wärmeisolierender Zylinder 11
konzentrisch angeordnet. Wie in Fig.5 ferner zu sehen, wird das geschmolzene Material
für den Kristall, nämlich die Schmelze 7 des Kristallmaterials in den aus Quarz
gebildeten Schmelztiegel 1a eingefüllt. Entlang der Mittelachse des
zweischichtigen Schmelztiegels 1 ist ein Ziehdraht 13 angeordnet, der z.B. mit
einerbestimmten Geschwindigkeit rotiert. Der Schmelztiegel 1 wird von einer
Schmelztiegelwelle 12 getragen, die konzentrisch zum Ziehdraht 13 angeordnet ist, und die mit
der bereits o.g. Geschwindigkeit rotiert. Die genannten Teile und Komponenten
sind in einer Kammer 14 enthalten und bilden zusammen einen
Rotationsziehapparat.
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Bei einem deratigen Apparat wird ein an der unteren Spitze des Ziehdrahtes 13
angeordneter Impfkristall 3 soweit gesenkt, bis er die Oberfläche der Schmelze 7
kontaktiert. Der Impfkristall 3 wird dann wieder nach oben gezogen, während er
mit einer an das Kristallwachstum angepaßten Geschwindigkeit rotiert, um so
aufgrund der Erstarrung des gezogenen Schmelzmaterials 7 einen Einkristall 6 zu
züchten.
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Soll ein auf diese Weise gezüchteter Einkristall als Halbleiter verwendet werden,
dann müssen der Schmelze vor dem Ziehvorgang Fremdelemente (Dotierstoffe)
hinzugefügt werden, um die elektrischen Eigenschaften des Zuchtkristalls, wie
etwa den elektrischen Wiederstand und den elektrischen Übertragungstyp,
anzupassen. Dajedoch vom Beginn bis zum Ende der Kristallzucht die in der Schmelze
enthaltenen Fremdelemente nicht gleichmäßig in dem Einkristall verteilt werden,
erfolgt in Kristallzuchtrichtung eine Segregation der hinzugefügten
Fremdelemente, wodurch es schwierig ist, gleichmäßige elektrische Eigenschaften in dem
Kristall zu erhalten.
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Die Segregation der Fremdelemente in dem Kristall wird durch den nicht überall
gleichen effektiven Segregationskoeffizienten Ke verursacht, also durch das
Verhältnis der Fremdelementkonzentration zu Beginn der Erstarrung zu der
Konzentration am Ende. Der effektive Segregationskoeffizient Ke kann auch durch das
Verhältnis der Fremdelementkonzentration in dem Kristall CS zu der
Fremdelementkonzentration in der Schmelze CL (CS / CL) an der Grenze zwischen der
Schmelze und dem Kristall während der Kristallzucht ausgedrückt werden. Falls
der Koeffizient Ke ungleich 1,0 ist, bedeutet dies, daß sich während der
Kristallzucht die Fremdelementkonzentration in der Schmelze und folglich auch in dem
Kristall verändert. Falls z.B. Ke kleiner als 1,0 ist, nimmt die
Fremdkörperkonzentration in der Schmelze mit dem Kristallwachstum zu. Folglich ist die
Fremdkörperkonzentration in dem zuletzt gezüchteten Bereich des Kristalls (unterer
Bereich in Kristallängsrichtung) größer.
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Durch die Anwendung des Doppelschicht-CZ-Verfahrens bei der Kristallzucht
wird durch ein rotierendes Ziehen, wie oben erwähnt, eine
Fremdelementsegregation im Kristall verhindert.
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Fig. 2 zeigt den Grundaufbau des Doppelschicht-CZ-Verfahrens im Querschnitt.
Darin ist zu sehen, daß im oberen Bereich eine Schmelzschicht 4 und im unteren
Bereich (am Boden) eine feste Schicht 5 gebildet werden, indem der obere Bereich
des in die Schmelzpfanne 1 gegebenen Materials durch das Heizelement 2
geschmolzen wird, was bereits im Zusammenhang mit dem Czochralski-Verfahren
erklärt wurde. Der Impfkristall 3 wird dann mit der Schmelzschicht 4 kontaktiert,
wobei der von der Schmelze des Materials erstarrende Kristall 6 durch einen
rotierenden Ziehdraht 13 nach oben gezogen wird.
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Im folgenden werden zwei in dem Doppelschicht-CZ-Verfahren verwendete
Verfahren erklärt, um die Segregation der Fremdelemente in dem Kristall zu
verhindem
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Bei dem ersten Verfahren wird während der Kristallzucht, also während der
Ziehdraht nach oben gezogen wird, die Materialmenge in der Schmelzschicht im
Schmelztiegel stabil gehalten. Dieses konstante Schmelzschichtverfahren ist in
den Japanischen Patentanmeldungen 32-16224 und 54-33870 offenbart. Gemäß
diesem Verfahren wird während der Kristallzucht die weniger Fremdelemente
aufweisende feste Schicht kontinuierlich der Schmelze zugeführt. und zwar
unabhängig von den Werten des effektiven Segregationskoeffizienten Ke. Folglich kann
die Fremdelementkonzentration CL in der Schmelzschicht verringert und auf
einem relativ konstanten Pegel gehalten werden.
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Bei dem zweiten Verfahren werden der Schmelze keine Fremdelemente zugeführt,
sondern absichtlich die Schmelzmenge der Schmelzschicht verändert, um so die
Fremdkörperkonzentration auf einem konstanten Pegel zu halten. Dieses
Verfahren mit einer variablen Schmelzschichtdicke ist in den japanischen
Patentanmeldungen 60-45602 und 60-57174 offenbart.
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Die Steuerung der Schmelzschichtdicke erfolgt durch entsprechendes, vorheriges
Auswählen der Heizquellenlänge, der Wärmezufuhr, der
Schmelztiegeldimensionen (insbesondere der Länge), der Form und des Materials des wärmeisolierenden
Zylinders, der außerhalb des Heizelements angeordnet ist, um so die
Wärmeübertragung im unteren Bereiche des Schmelztiegels zu verbessern.
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Während der Zucht eines Siliziumkristalls, der meistens als Einkristall für einen
Halbleiter verwendet wird, wird bei dem Rotationsziehverfahren während des
Ziehens Sauerstoff, der sich in der Schmelze aus dem aus Quarz bestehenden
Schmelztiegel gelöst hat, in den Kristall aufgenommen. Der folglich mit Sauerstoff
angereicherte Einkristall neigt dadurch bei einer wiederholten
Wärmebehandlung während der Bauelementherstellung zu Gratbildung und schlechtem
Gleitverhalten. Der interne Sauerstoffniederschlag erzeugt während einer
Wärmebehandlung bei ungefähr 1000 ºC sehr dichte Stapelfehler und reduziert ferner die
Kristallfehler und die Schwermetallverunreinigungen im Oberflächenbereich
eines Wafers (eine sogenannte Eigengetterung), was bei der Herstellung einer
reinen, fehlerfreien Waferoberflächenschicht eine wichtige Rolle spielt.
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Falls Jedoch die Sauerstoffkonzentration in dem Kristall nicht mit ausreichender
Genauigkeit gesteuert wird, stellt dieser Sauerstoffniederschlag die
Hauptursache für die Entstehung von Kristallfehlern dar. Folglich stellen bei der Zucht eines
Siliziumkristalls für die Verwendung als Halbleiter die Steuerung der
Sauerstoffkonzentration in dem Kristall sowie die Homogenisierung seiner Dichteverteilung
eine sehr wichtige Aufgabe dar.
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Der in das Kristall eingebrachte Sauerstoff wird über die innere, direkt mit der
Schmelze in Kontakt stehende Oberfläche des aus Quarz bestehenden
Schmelztiegels zugeführt. Obwohl der größte Teil des in der Schmelze gelösten Sauerstoffs
von der Oberfläche des aus Quarz bestehenden Schmelztiegels in Form von SiO-
Gas während des Ziehens über die Schmelzoberfläche in die Atmosphäre
abgegeben wird, wird ein Teil des Sauerstoffs durch den Konvektionsfluß an die
Kristallzuchtgrenze übertragen und vom Kristall aufgenommen. Folglich wird bei
effektiven Mitteln zur Homogenisierung der Sauerstoffkonzentration in dem Kristall die
Konvektion innerhalb der Schmelze verhindert, wobei gleichzeitig der
Kontaktbereich zwischen der Schmelze und dem aus Quarz bestehenden Schmelztiegel
reduziert wird.
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Aufgrund des vorangegangenen wurde ein Verfahren vorgeschlagen (siehe z.B. die
Japanischen Patentanmeldungen 55-8578 und 54-121339), bei dem bei dem
Czochralski-Verfahren die Schmelze im Schmelztiegel einem Magnetfeld
ausgesetzt wird, um den vom Kristall aufgenommenen Sauerstoff zu reduzieren, indem
die Konvektion in der Schmelze verhindert und die Sauerstoffverteilung
homogenisiert wird. Diese Verfahren ermöglichen die Zucht von Kristallen mit geringem
Sauerstoffgehalt und gleichmäßiger Sauerstoffverteilung in radialer Richtung.
Falls diese Verfahren Jedoch in der industriellen Fertigung angewendet werden
sollen, sind eine neue Magnetfeldquelle, sowie ein Apparat zum Anlegen des
Magnetfelds erforderlich, wodurch für das Erzeugen und Anlegen des Magnetfelds
zusätzliche, sehr hohe laufende Kosten bezüglich der elektrischen Leistung
anfallen. Aus diesem Grund wird bei dem Czochralski-Verfahren in der Praxis kein
Magnetfeld an die Schmelze angelegt.
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Während bei dem Doppelschicht-CZ-Verfahren die Zucht eines Kristalls mit
gleichmäßiger Sauerstoffkonzentration in Kristallzuchtrichtung relativ einfach
ist, ist es dagegen sehr schwierig eine geringe und homogene radiale Verteilung
der Sauerstoffkonzentration zu erzielen. Um dies zu erreichen ist ein Verfahren
zur Erhöhung der Drehzahl des Schmelztiegels vorgeschlagen worden. Durch die
Rotation des Schmelztiegels wird die Konvektion in der Schmelze unterdrückt.
was bei dem Doppelschicht-CZ-Verfahren, bei dem eine feste Schicht am Boden
des Schmelztiegels verbleibt, sehr wünschenswert ist. Es wird gefordert, daß zur
Vermeidung der Konvektion die Drehzahl des Schmelztiegels ausreichend erhöht
wird, um so die Sauerstoffkonzentration in dem gezogenen Kristall zu verringern
(siehe die Japanische Patentanmeldung 3-26261). Auf diese Weise kann mit Hilfe
des Doppelschicht-CZ-Verfahrens ein Kristall gezüchtet werden, bei dem die
gleichmäßige radiale Verteilung der Sauerstoffkonzentration beibehalten wird.
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Bei der Anwendung des Doppelschicht-CZ-Verfahrens wird jedoch durch die
Rotation des Schmelztiegels mit einer spezifischen Drehzahl eine
Temperaturänderung in der Schmelze erheblich vergrößert. Folglich stellt im frühen Stadium der
Kristallzucht (dem sogenannten Nackenbildungs- oder Schulterbildungsprozeß)
die Erzeugung von Versetzungen im Kristallgitter des gezüchteten Kristalls ein
erhebliches Problem dar, was sich insbesondere bei einer Änderung der
Flüssigkeitstemperatur bemerkbar macht.
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Da selbst während des Kristallziehens nach dem Anfangsstadium der
Kristallzucht die Durchschnittstemperatur der Schmelzschicht erheblich schwankt, falls
sich die Drehzahl des Schmelztiegels über eine längere Periode verändert, ist die
Temperatur der Schmelze entsprechend der Rotationsänderung des
Schmelztiegels instabil. Folglich ist eine Steuerung des Kristalls während der
Kristallzucht (z.B. die Steuerung des Krlstalldurchmessers, u.s.w.) nicht besonders
effektiv, da Probleme auftreten, wie etwa die Überwachung des Prozesses über
einen langen Zeitraum durch einen Operator, um die Qualität des gezogenen
Kristalls zu gewährleisten.
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Aufgrund der o.g. Probleme ist es schwierig mit dem herkömmlichen
Doppelschicht-CZ-Verfahrens einen Kristall zu züchten, bei dem sichergestellt ist, daß
über einen weiten Kristallbereich, sowohl in radialer Richtung des
Krlstallsquerschnitts, als auch in Kristallzuchtrichtung eine gleichmäßige Verteilung der
Sauerstoffkonzentration vorliegt.
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Die DE-A 42 04 777 offenbart eine herkömmliche Doppelschicht-Czochralski-
Technik zur Einkristallzüchtung, mit einer gleichmäßigen
Fremdelementkonzentration
und einer relativ hohen Sauerstoffkonzentration.
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Bei einem anderen bekannten Verfahren zur Einkristallzüchtung (Journal of
Crystal Growth, Ausgabe 121,(4), August 1992) DP 775-780) wird eine
herkömmliche Czochralski-Technik verwendet, wobei die Schmelze in einem Schmelztiegel
während des Kristallziehens einem relativ geringen axialen Magnetfeld ausgesetzt
wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es ein weiteres Verfahren zur Einkristallzüchtung zur
Verfügung zu stellen, bei dem insbesondere über einen weiten Bereich eines
gezüchteten Kristalls eine gleichmäßige Sauerstoffkonzentration vorliegt, wobei die
Herstellungskosten reduziert werden, während die Produktivität der Herstellung
erhöht wird.
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Die Lösung dieser Aufgabe ist dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1
zu entnehmen.
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Durch das Verfahren gemäß der Erfindung ist es möglich, unabhängig von der
Drehzahländerung des Schmelztiegels Einkristalle mit einer gleichmäßigeren
Sauerstoffkonzentration zu züchten. Folglich können Produktionskosten einge
spart werden, während andererseits durch die Erfindung die Produktivität bei der
Herstellung von Einkristallen erhöht wird.
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Fig. 1 zeigt einen schematischen Schnitt eines Beispiels für einen Apparat gemäß
der Erfindung.
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Fig. 2 zeigt einen schematischen Schnitt, der die Grundstruktur desapparates
gemäß dem Doppelschicht-CZ-Verfahren zeigt.
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Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen der Drehzahl des Schmelztiegels und der
Sauerstoffkonzentration in dem Kristall bei der Verwendung des Doppelschicht-
CZ-Verfahrens (mit und ohne Anlegen eines Magnetfelds)
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Fig. 4 zeigt einen Vergleich zwischen der effektiven Intensität des angelegten
Magnetfelds bei dem Czochralski-Verfahren und bei dem Verfahren gemäß der
Erfindung, und
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Fig. 5 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Apparats für ein Verfahren zur
Erzeugung eines Kristalls gemäß dem herkömmlichen Rotationsziehverfahren
(Czochralski-Verfahren).
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Die Erfinder haben die genauen Beziehungen zwischen der Drehzahl des
Schmelztiegeis und den Bedingungen für das Anlegen des Magnetfelds an die
Schmelzschicht untersucht, um das Problem der Steuerung der Sauerstoffkonzentration
bei Anwendung des Doppelschicht-CZ-Verfahrens zu lösen, da sich bei diesem
Verfahren die Temperaturänderung der Schmelze erhöht, wenn der Schmelztiegel
mit einer spezifischen Drehzahl rotiert.
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Man hat festgestellt, daß durch das Anlegen eines Magnetfelds die
Temperaturänderung an der Oberfläche der Schmelzschicht gesteuert werden kann. Dies ist
selbst bei einer hohen Umdrehungszahl (rpm) des Schmelztiegels möglich, bei der
üblicherweise die Flüssigkeitstemperatur verändert wird. Man hat ferner
festgestellt, daß durch die Steuerung der Flüssigkeitstemperaturänderung eine
gleichmäßige Verteilung des Sauerstoffs in radialer Richtung, sowie eine gleichmäßige
Konzentrationsverteilung anderer Fremdelemente in dem Kristall erfolgt.
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Die aufgrund der o.g. Feststellungen geschaffene Erfindung zeichnet sich
dadurch aus, daß die Schmelze in der Schmelzschicht gemäß dem Doppelschicht-
CZ-Verfahren einem Magnetfeld ausgesetzt wird. Durch das Anlegen des
Magnetfelds gemäß der Erfindung werden Jedoch im Vergleich zum herkömmlichen
Czochralski-Verfahren nur geringe Kosten bei der Einkristallherstellung
verursacht, da im Gegensatz zum Czochralski-Verfahren lediglich ein Magnetfeld von
geringer Intensität benötigt wird. Mit anderen Worten braucht in Anbetracht der
Kosten und der Produktivität bei der Herstellung von Einkristallen gemäß der
Erfindung die Intensität des angelegten Magnetfelds nicht größer als 500 Oe zu sein.
Jedoch sollte die Intensität des Magnetfelds mindestens 100 Oe betragen, um eine
Änderung der Flüssigkeitstemperatur zu vermeiden. Zu empfehlen ist ein
Magnetfeld mit einer Intensität zwischen 200 Oe und 500 Oe, um zusätzlich zum
Konvektlonsvermeidungseffekt des Doppelschicht-CZ-Verfahrens die Konvektion in der
Schmelze ausreichend zu unterdrücken.
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Da es unterschiedliche Magnetfeldtypen gibt, z.B. Transversalfeld-,
Longitudinalfeld-, Kurventypen, u.s.w., ist das anzulegende Magnetfeld auf keinen
speziellen Typ beschränkt.
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Fig. 1 zeigt eine schematisch Darstellung des Querschnitts eines Beispiels für den
Apparat gemaß der Erfindung. Darin ist eine Kammer 14 gezeigt, die aus einem
zylindrischen Vakuumgefäß gebildet ist, das vertikal entlang der
Kristallzuchtrichtung angeordnet ist, wobei die Kühlung über einen Wasserkühlmechanismus
erfolgt, der in der Figur nicht gezeigt ist. In der Mitte der Kammer 14 ist ein
Schmelztiegel 1 angeordnet, der einen inneren aus Quarz gebildeten Schmelztiegel 1a,
sowie einen äußeren aus Graphit gebildeten und eng an den Schmelztiegel 1a
angrenzenden Schmelztiegel 1b enthält. Der innere und äußere Schmelztiegel 1a, 1b
weisen dabei jeweils die Form eines Zylinders mit einem Boden auf. Der Boden des
äußeren Schmelztiegels 1b ist mit einer Schmelztiegelwelle 12 zur Erhöhung und
Erniedrigung der Umdrehungsgeschwindigkeit des Schmelztiegels verbunden.
Ferner ist der Schmelztiegel 1 von einem Widerstandsheizelement 2 mit einem
kurzen Heizbereich von ungefähr 90 mm umgeben, das konzentrisch zum
Ziehdraht 13 angeordnet ist. Bei dem Doppelschicht-CZ-Verfahren kann z.B. durch
Änderung der relativen Position des Heizelements zum Schmelztiegel oder durch
Änderung der Eingangsleistung des Heizelements die Menge der Schmelzschicht 4
und der festen Schicht 5 im Schmelztiegel entsprechend gesteuert werden.
Desweiteren ist das Heizelement 2 von einem wärmeisolierenden Zylinder 11
umgeben.
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Andererseits ist über einen Führungszylinder 15, der im Verhältnis zur Kammer
14 einen kleinen zylindrischen Durchmesser aufweist, ein über dem
Schmelztiegel 1 hängender Ziehdraht 13 befestigt. Der Ziehdraht, an dessen Ende ein
Impfkristall 3 angeordnet ist. kann rotieren, gehoben und gesenkt werden. Der
Impfkristall wird soweit gesenkt. bis sein unteres Ende die Oberfläche der
Schmelzschicht 4 kontaktiert, um dann rotierend wieder nach oben gezogen zu werden, so
daß von seinem unteren Ende ausgehend ein Kristall 6 wächst.
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Außerhalb der Kammer 14 ist ein einfacher Apparat zur Erzeugung eines
transversaten Magnetfelds 16 angeordnet, dessen Achse mit der des Ziehdrahts
zusammenfällt.
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Im folgenden werden Vorteile des Verfahrens gemäß der Erfindung gegenüber dem
herkömmlichen Verfahren (Doppelschicht-CZ-Verfahren oder
Czochralski-Verfahren) gezeigt, indem zum Vergleich ein Silizium-Einkristall in
Übereinstimmung mit der Erfindung und in Übereinstimmung mit dem
Czochralksi-Verfahren
gezüchtet wird.
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Folgende Bedingungen werden für die Silizium-Einkristallzüchtung gemäß der
Erfindung gewählt, wobei ebenso zu Vergleichszwecken Silizium-Einkristalle
gemäß dem Doppelschicht-CZ-Verfahren ohne Magnetfeld gezüchtet werden.
[1] Einbringen des Ausgangsmaterials
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Bildung eines Schmelztiegels, indem ein inneres, aus Quarz bestehendes Gefäß
(400 mm Innendurchmesser, 350 mm Tiefe) mit einem äußeren aus Graphit
bestehenden Behälter verbunden wird, wobei hochreines polykristallines Silizium mit
einem Gewicht von 65 kg als Krlstallmaterial in den Schmelztiegel gegeben wird.
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Dem o.g. Material wird dann 0,6 Gramm einer Phosphor (III)-Siliziumlegierung
als Dortiermaterial eines N-Typs zugegeben.
[2] Vorbereitung des Doppelschicht-CZ-Verfahrens
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Die Luft im inneren der Kammer wird durch eine Argon Atmosphäre von 1333 Pa
(10 Torr) ersetzt, wobei nach dem Schmelzen des Materials mit einer Heizlelstung
von 75 kW die Heizleistung des Heizelements auf 60 kW reduziert wird, um so
unterhalb der Schmelzschicht eine feste Schicht zu erhalten.
[3] Anfangszustand der Kristallzucht bei dem Doppelschicht-CZ-Verfahren
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Nach ausreichender Züchtung der festen Schicht und Stabilisierung der
Schmelzschicht werden vier Zustände für den rotierenden Schmelztiegel gewählt (0, 5, 10,
15 rpm) wobei die Drehzahl des Zlehdrahts konstant 10 rpm in entgegengesetzter
Richtung beträgt. Die untere Spitze des Impfkristalls wird dann in die
Schmelzschicht eingetaucht.
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Im frühen Wachstumsstadlum des Einkristalls, also vor dem
Nackenbildungsprozeß, wird die Schmelzschicht mittels eines einfachen, ein Magnetfeld erzeugenden
Apparats, vorbestimmten Magnetfeldintensitäten von 50 Oe, 100 Oe, 200 Oe, 500
Oe und 2000 Oe ausgesetzt.
[4] Kristallzucht durch das Doppelschicht-CZ-Verfahren
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Nach dem Anfangsstadium einer Einkristallzüchtung (Vollendung des
Nackenbildungsprozesses-Bildung der Schulter-Änderung der Schulter), folgt die Bildung
eines Körpers, um einen fehlerfreien Einkristall mit einem Durchmesser von 6
5 inch und einer Länge von bis zu 1000 mm zu züchten.
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Um die Gleichmäßigkeit der Kristalloberfläche in radialer Richtung zu bestätigen,
wurde die Beziehung zwischen der Intensität des Magnetfelds und der Änderung
der Flüssigkeitstemperatur untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
Darin bedeutet die Temperaturänderung in der Schmelze die
Temperaturänderung an der Oberfläche der Schmelze, die durch die höchste
Flüssigkeitsoberilächentemperatur (die niedrigste Flüssigkeitsoberflächentemperatur) während
einer Zeiteinheit (1 Minute) im Mittelpunkt der Schmelzilüssigkeitsoberfläche
repräsentiert
wird.
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Anmerkung: Temperaturänderung bedeutet die Temperaturänderung während
einer Zeiteinheit (1 Minute) im Mittelpunkt der Flüssigkeltsoberfläche.
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Wie Tabelle 1 verdeutlicht, kann die Änderung der
Flüssigkeitsoberflächentemperatur auf effektive Weise gesteuert werden, indem die Schmelzschicht einem
Magnetfeld von geringer Intensität (ungefähr 100 Oe) ausgesetzt wird. Oberhalb
von 500 Oe ist eine Sättigung dieses Effekts zu beobachten, da durch das
Magnetfeld Konvektion in der Schmelze erzeugt wird. Folglich sollte bei der Anwendung
eines geringen Magnetfelds die Intensität desselbigen unter 500 Oe liegen.
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Als nächstes hat man die Beziehung zwischen der Drehzahl des Schmelztiegels
und der Sauerstoffkonzentration in dem Kristall untersucht. Die Ergebnisse
dieser Untersuchung sind in Fig. 3 dargestellt. Dabei wurde für den Fall gemäß dem
herkömmlichen Doppelschicht-CZ-Verfahren Jeweils ein Magnetfeld bei den
Intensitätspegeln 50 Oe, 100 Oe und 200 Oe angelegt. Man hat dann im Mittelpunkt
des Kristallquerschnitts für Jede vorgesehene Drehzahl die
Sauerstoffkonzentration in einem Querschnitt des Kristalls bei beiden Verfahren bestimmt.
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Fig. 3 verdeutlicht, daß die Sauerstoffkonzentration bei dem Verfahren gemäß der
Erfindung unabhängig von der Zahl der Umdrehungen der Schmelzpfanne relativ
stabil ist (100 Oe, 200 Oe). Andererseits hängt bei dem herkömmlichen Verfahren
ohne Anlegen eines Magnetfelds die Sauerstoffkonzentration von der Zahl der
Umdrehungen des Schmelztiegels ab, wobei sich die Sauerstoffkonzentration
unterhalb von 10 rpm erheblich vergrößert. Dieser Effekt wird durch die
Intensitätserhöhung des Magnetfelds noch offensichtlicher, wobei bei einem Magnetfeld mit
einer Intensität von über 200 Oe eine Sättigung für eine Drehzahl des
Schmelztiegels zwischen 0 und 15 rpm eintritt.
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Es folgt nun für Vergleichszwecke die Beschreibung eines anderen Beispiels.
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In Übereinstimmung mit dem Czochralski-Verfahren werden
Silizium-Einkristalle gezüchtet, wobei die Schmelze im Schmelztiegel einem Magnetfeld ausgesetzt
wird. Die Bedingungen hierfür werden, zusammen mit anderen Bedingungen, die
bereits bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung erwähnt wurden,
weiter unten genannt.
[1] Einbringen des Ausgangsmaterials
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Das Material für den Kristall (40 kg hochreines polykristallines Silizium) wird in
einen Schmelztiegel gegeben, der ähnlich aufgebaut ist wie bei dem o.g.
Ausführungsbeispiel
(400 mm Durchmesser, 350 mm Tiefe).
[2] Bedingungen für die Kristallzüchtung gemäß dem Czochralski-Verfahren
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Zuerst wird die Drehzahl des Schmelztiegels auf 15 rpm und die des Ziehdrahts
auf 10 rpm in entgegengesetzter Richtung gesetzt. Es wird dann ein fehlerfreier
Einkristall von 6 Inch Durchmesser bis zu einer Länge von 1000 mm gezüchtet,
wobei die Intensität des an die Schmelze angelegten Magnetfelds zwischen 0 und
5000 Oe variiert.
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Die effektive Intensität des angelegten Magnetfelds gemäß der Erfindung wird
dann, basierend auf den Ergebnissen des Ausführungbeispiels und des
Vergleichs mit der effektiven Intensität gemäß dem Czochralski-Verfahren
verglichen. Dabei steht die effektive Intensität des angelegten Magnetfelds für die
Intensität des angelegten Magnetfelds, bei dem ein Kristall mit einer
Sauerstoffkonzentration von unter 5 X 10¹&sup7; Atome/cm³ gezüchtet werden kann.
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Fig. 4 zeigt die Ergebnisse des Vergleichs zwischen der effektiven Intensität des
bei der Erfindung und beim Czochralski-Verfahren angelegten Magnetfelds (bei
einer Schmelztiegeldrehzahl von 15 rpm und einer Umdrehung des Ziehdrahts
von 10 rpm für beide Fälle). Die Ergebnisse verdeutlichen die Vor- und Nachteile
beim Anlegen des Magnetfelds bei dem Doppelschicht-CZ-Verfahren und dem
Czochralski-Verfahren. Das Verfahren gemäß der Erfindung ist dabei mit
"Doppelschicht-CZ-Verfahren" und das Czochralski-Verfahren mit "CZ-Verfahren" in
FIG.4 gekennzeichnet.
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Fig. 4 zeigt ferner, daß bei dem Verfahren gemäß der Erfindung (100-500 Oe) ein
schwächeres Magnetfeld als bei dem Czochralski-Verfahren verwendet werden
kann. Folglich können mit dem Verfahren gemäß der Effindung Einkristalle sehr
viel kostengünstiger hergestellt werden.
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Die o.g. Beispiele wurden anhand der Züchtung von Siliziumeinkristallen
beschrieben, Jedoch ktnnen bei dem Verfahren gemäß der Erfindung zur
Einkristallzüchtung statt Silizium auch andere Materialien verwendet werden.
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Wie bereits oben beschrieben, schafft die Erfindung ein Verfahren zur Züchtung
von Einkristallen mit einer gleichmäßigen Verteilung der
Sauerstoffkonzentration in Radial- und Kristallwachstumsrichtung, wobei durch die Erfindung mit
einer hohen Produktivität und geringen Kosten speziell Siliziumeinkristalle
hergestellt werden können.