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Die Erfindung betrifft einen Czochralski-Ziehapparat zum Wachsenlassen von einkristallinen Siliziumrohlingen nach dem Anspruch 1.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Monokristallines Silizium, welches das Ausgangsmaterial bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen bildet, wird mit Hilfe einer Kristallwachstumstechnik in Form eines zylinderförmigen Rohlings gezüchtet, diese Technik wird als Czochralski-(CZ)-Technik bezeichnet. Der Rohling aus dem monokristallinen Silizium wird über eine Reihe von Prozessen, wie beispielsweise Scheibenbildung, Ätzen, Reinigen, Polieren und ähnlichem, zu Wafern verarbeitet. Gemäß der CZ-Technik wird ein Keimkristall aus monokristallinem Silizium in geschmolzenes Silizium eingetaucht und nach oben gezogen und das geschmolzene Silizium wächst dann zu einem monokristallinen Rohling durch langsames Herausziehen. Das geschmolzene Silizium ist in einem Quarztiegel enthalten und ist mit einer Vielfalt an Fremdstoffen verunreinigt, von denen einer aus Sauerstoff besteht. Bei der Schmelztemperatur von Silizium durchdringt der Sauerstoff das Kristallgitter, bis er eine vorbestimmte Konzentration erreicht, die im Allgemeinen durch die Lösbarkeit von Sauerstoff in Silizium bei der Schmelztemperatur von Silizium bestimmt ist und auch durch den tatsächlichen Segregationskoeffizienten von Sauerstoff in verfestigtem Silizium bestimmt wird. Die Konzentration von Sauerstoff, welcher den Siliziumrohling während des Kristallwachstums durchdringt, ist größer als die Lösbarkeit von Sauerstoff in verfestigtem Silizium bei typischen Temperaturen, die bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen verwendet werden. Da der Kristall aus dem geschmolzenen Silizium wächst und abkühlt, nimmt die Lösbarkeit von Sauerstoff darin rapide ab, wodurch in dem abgekühlten Rohling der Sauerstoff in gesättigter Form vorhanden ist.
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Aus der
JP 11-209196 A ist ein Czochralski-Ziehapparat bekannt, bei dem eine Siliziumschmelze in einem Tiegel in einer Kammer angeordnet ist. Die Siliziumschmelze wird geheizt durch einen Heizer, der eine äußere Fläche des Tiegels umschließt. Strahlungswärme von dem Heizer wird durch ein Wärmeabschirmselement abgeschirmt, welches die äußere Oberfläche des aus der Schmelze gezogenen Siliziumeinkristalls einhüllt, wobei dessen unteres Ende in einem Abstand von der Oberfläche der Siliziumschmelze angeordnet ist. Ein konisches Wärmestrahlungs-Abschirmelement, dessen Durchmesser nach oben hin abnimmt, ist dazu benachbart angeordnet.
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Aus der
JP 11-292684 A und aus der
EP 0 591 525 A1 ist jeweils ein Czochralski-Ziehapparat bekannt, die einen Nachkühler zur Erhöhung der Abkühlrate des Siliziumeinkristalls aufweist.
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Aus der
JP 11-001393 A ist ein Czochralski-Ziehapparat bekannt, wie er in
2 gezeigt ist.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen Czochralski-Ziehapparat zum Wachsenlassen von einkristallinen Siliziumrohlingen zu schaffen, mit dem ein Siliziumwafer, der einem RTA-Prozeß unterworfen wird, aus einem Rohling hergestellt werden kann, der aus geschmolzenem Silizium in einem Heißzonenofen gezogen wird, und zwar gemäß einem Rohlingziehratenprofil, bei dem die Ziehrate des Rohlings ausreichend hoch ist, so daß die Ausbildung von Zwischenraumagglomeraten verhindert wird, die jedoch ausreichend niedrig ist, so daß die Ausbildung von Leerstellenagglomeraten innerhalb einer leerstellenreichen Zone um die Zentrumsachse des Rohlings herum begrenzt wird.
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Diese Aufgabe wird von einem Czochralski-Ziehapparat gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Czochralski-Ziehapparat zum Wachsenlassen von einkristallinen Siliziumrohlingen kann ein Siliziumwafer, der einem RTA-Prozeß unterworfen wird, aus einem Rohling hergestellt werden, der aus geschmolzenem Silizium in einem Heißzonenofen gezogen wird, und zwar gemäß einem Rohlingsziehratenprofil, bei dem die Ziehrate des Rohlings ausreichend hoch ist, so daß die Ausbildung von Zwischenraumagglomeraten verhindert wird, die jedoch ausreichend niedrig ist, so daß die Ausbildung von Zwischenraumagglomeraten verhindert wird und die Ausbildung von Leerstellenagglomeraten verhindert wird.
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Ferner kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Czochralski-Ziehapparats zum Wachsenlassen von einkristallinen Siliziumrohlingen ein Siliziumwafer, der einem RTA-Prozeß unterworfen wird, aus einem Rohling hergestellt werden, der aus einem geschmolzenen Silizium in einem Heißzonenofen gemäß einem Rohlingziehratenprofil gezogen wird, wobei die Ziehrate des Rohlings ausreichend hoch ist, so daß Leerstellenagglomerate durch den Durchmesser des Rohlings hindurch ausgebildet werden, ohne daß dabei Zwischenraumagglomerate gebildet werden.
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Der erfindungsgemäße Czochralski-Ziehapparat zum Wachsenlassen eines monokristallinen Siliziumrohlings oder -blocks gemäß Anspruch 1 enthält eine Kammerumschließung, einen Tiegel in der Kammerumschließung, der geschmolzenes Silizium enthält, einen Keimhalter in der Kammerumschließung benachbart dem Tiegel, um einen Keimkristall zu halten, und eine Heizvorrichtung in der Kammerumschließung, die den Tiegel umgibt. Ein ringförmig gestaltetes Hitzeschildgehäuse ist ebenfalls in der Kammerumschließung vorgesehen. Es weist trapezförmige Gestalt auf und enthält innere und äußere Hitzeschildgehäusewände, die voneinander getrennt sind und vertikal verlaufen, und ein Hitzeschildgehäuseoberteil und einen Hitzeschildgehäuseboden, welche die inneren und die äußeren Hitzeschildgehäusewände verbinden, wobei das Hitzeschildgehäuseoberteil von der inneren Hitzeschildgehäusewand zu der äußeren Hitzeschildgehäusewand hin nach oben zu schräg verläuft und wobei der Hitzeschildgehäuseboden von der inneren Hitzeschildgehäusewand zu der äußeren Hitzeschildgehäusewand nach unten hin schräg abfällt. Ein Halterungsteil stützt das Hitzeschildgehäuse innerhalb des Tiegels ab.
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Der Czochralski-Ziehapparat zieht den Keimhalter aus dem Tiegel, um das geschmolzene Silizium in dem zylinderförmigen monokristallinen Siliziumblock wachsen zu lassen, der entlang und um seine zentrale Achse in einer zylinderförmigen Gestalt wächst und eine Rohlingssiliziumschmelze-Zwischenschicht mit dem geschmolzenen Silizium bildet. Wenigstens eine der Längen der inneren und der äußeren Hitzeschildgehäusewände des Hitzeschildgehäuses, die Neigungswinkel des Hitzeschildgehäuseoberteiles und -gehäusebodens, der Abstand zwischen dem Rohling und der inneren Hitzeschildgehäusewand, der Abstand zwischen dem Tiegel und der äußeren Hitzeschildgehäusewand, der Abstand zwischen dem geschmolzenen Silizium und der inneren Hitzeschildgehäusewand und die Stelle der Hitzeschildplatte sind derart ausgewählt, daß der gezogene Rohling in einer Rate von wenigstens 1,4°K/min basierend auf der Temperatur des Rohlings am Zentrum desselben von der Temperatur bei der Rohlingssiliziumschmelze-Zwischenschicht auf eine Temperatur des Rohlings abgekühlt wird.
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Demzufolge kann ein Wafer einer RTA in einer Atmosphäre aus einem Gasgemisch ausgesetzt werden, welches ein Gas enthält, welches einem Zwischenrauminjektionseffekt liefert, und ein Gas enthält, welches einen Leerstelleninjektionseffekt in Verbindung mit dem Wafer liefert, was zu einem Profil der Sauerstoffausfällkeimzentren führt, welches zwei Spitzen in vorbestimmten Tiefen von jeder der Oberflächen des Wafers aus aufweist.
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Auch können die RTA-Prozesse in einer Gasatmosphäre durchgeführt werden, die einen Zwischenrauminjektionseffekt an der Waferoberfläche liefert, so dass, obwohl Leerstellen, wie beispielsweise D-Störstellen, in dem Wafer existieren können, die D-Störstellen innerhalb der Tiefen der DZs aufgelöst werden, um dadurch eine reine aktive Zone in einer Halbleitervorrichtung zu ermöglichen.
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Zusätzlich können die Ausführungsformen des Czochralski-Ziehapparates nach der vorliegenden Erfindung schnell den gezogenen Rohling abkühlen, so daß die Größe der Leerstellen, die während des Wachstums des Rohlings ausgebildet werden können, kleiner gemacht werden kann. Solche kleinen Leerstellen, die in den DZs vorhanden sind, können über den RTA-Prozeß aufgelöst werden, während Leerstellen in dem Hauptkörper bzw. der Hauptzone des Wafers zurück bleiben.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein konzeptmäßiges Diagramm, welches eine Beziehung zwischen einer relativen Punktdefekt-Verteilung in einem Siliziumrohling und dem V/G-Verhältnis (die Ziehrate des Rohlings/der Temperaturgradienten) veranschaulicht;
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2 ist eine schematische Ansicht, die einen herkömmlichen Czochralski-(CZ)-Ziehapparat zeigt;
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4 ist eine schematische Ansicht, die CZ-Ziehapparate gemäß Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht;
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5 ist ein Diagramm, welches die Hauptteile des CZ-Ziehapparates von 4 veranschaulicht;
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2 zeigt eine schematische Ansicht eines herkömmlichen CZ-Ziehapparates, in welchem das Kristallwachstum durchgeführt wird. Wie in 2 gezeigt ist, enthält der CZ-Ziehapparat 100 einen Ofen, einen Kristallziehmechanismus, einen Umgebungsregler und ein computergestütztes Steuersystem. Der CZ-Ofen wird allgemein als ein Heißzonenofen bezeichnet. Der Heißzonenofen enthält eine Heizvorrichtung 104, einen Tiegel 106, der aus Quarz hergestellt sein kann, einen Succeptor 108, der aus Graphit hergestellt sein kann, und eine Drehwelle 110, die sich um eine Achse in einer ersten Richtung 112 dreht, wie dies gezeigt ist.
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Ein Kühlmantel oder Port 132 wird mit Hilfe einer externen Kühleinrichtung, wie beispielsweise einer Wasserkühlung, gekühlt. Ein Hitzeschild 114 kann eine zusätzliche thermische Verteilung liefern. Eine Hitzepackung 102 ist mit einem hitzeabsorbierenden Material 116 gefüllt, um eine zusätzliche thermische Verteilung zu erzeugen.
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Der Kristallziehmechanismus enthält eine Kristallziehwelle 120, die sich um die Achse in einer zweiten Richtung 122 drehen kann, und zwar entgegengesetzt zu der ersten Richtung 112, wie dies dargestellt ist. Die Kristallziehwelle 120 enthält einen Keimhalter 120a an dem Ende derselben. Der Keimhalter 120a hält Keimkristalle 124, die aus einem geschmolzenen Silizium 126 in dem Tiegel 106 gezogen werden, um einen Block oder Rohling 128 zu bilden.
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Das Umgebungssteuersystem kann eine Kammerumschließung 130, den Kühlmantel 132 und andere Strömungsregler und Vakuumauslaßsysteme haben, die nicht gezeigt sind. Ein computergestütztes Steuersystem kann dazu verwendet werden, um die Heizelemente, den Ziehapparat und andere elektrische und mechanische Elemente zu steuern.
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Um einen monokristallinen Siliziumblock wachsen zu lassen, wird der Keimkristall 124 mit der Siliziumschmelze 126 in Berührung gebracht und wird allmählich in axialer Richtung (nach oben) gezogen. Es tritt ein Abkühlen und Aushärten des geschmolzenen Siliziums 126 in Form eines einkristallinen Siliziums an der Zwischenschicht 131 zwischen dem Rohling 128 und der Siliziumschmelze 126 auf. Wie in 2 gezeigt ist, ist die Zwischenschicht 131 relativ zu dem geschmolzenen Silizium 126 konkav.
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Um die Störstellen der Siliziumwafer zu verhindern, haben sich viele praktische Anstrengungen auf einen Kristallwachstumsprozeß für einen hochreinen Block oder Rohling konzentriert. Beispielsweise ist es bekannt, daß die Ziehrate des Keimkristalls und die Temperaturgradienten in der Heißzonenstruktur gesteuert werden sollten. Die Steuerung der Ziehrate (V) des Rohlings und die Temperaturgradienten (G) der Rohlingssiliziumschmelze-Zwischenschicht werden in Einzelheiten in ”The Mechanism of Swirl Defects Formation in Silicon” von Voronkov, Journal of Crystal Growth, Vol. 59, 1982, Seiten 625–643, beschrieben. Auch kann eine Anwendung von Voronkov's Theorie in einer Veröffentlichung von dem vorliegenden Erfinder et al. mit dem Titel ”Effect of Crystal Defects an Device Characteristics”, Proceedings of the Second International Symposium an Advanced Science and Technology of Silicon Material, November 25–29, 1996, Seite 519, gefunden werden. Diese Publikation offenbart, daß dann, wenn das Verhältnis von V zu G (als V/G-Verhältnis bezeichnet) unter einem kritischen Verhältnis (V/G)* liegt, eine zwischenraumreiche Zone ausgebildet wird, während dann, wenn die V/G-Verhältnisse über dem kritischen Verhältnis (V/G)* liegen, eine leerstellenreiche Zone ausgebildet wird.
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Insbesondere zeigt 1 eine konzeptmäßige Ansicht, welche die Beziehung zwischen einer relativen Punktdefektverteilung in einem Siliziumrohling und dem V/G-Verhältnis veranschaulicht. Wie in 1 gezeigt ist, wird während des Rohlingswachstums für ein V/G-Verhältnis über einem kritischen V/G-Verhältnis (V/G)* eine leerstellenreiche Zone ausgebildet. Auch für ein V/G-Verhältnis, bei dem die Leerstellenkonzentration über einer kritischen Leerstellenkonzentration CV* liegt, werden Leerstellenagglomerate gebildet, während für ein V/G-Verhältnis, bei dem die Zwischenraumkonzentration über einer kritischen Zwischenraumkonzentration Cl* liegt, Zwischenraumagglomerate gebildet werden. Auch gibt in 1 (V/G)B* ein B-Band wieder, welches aus einem Ring besteht, der dem Zwischenraumsilizium zugeordnet ist, und (V/G)P* gibt ein P-Band an, welches aus einem O.S.F.-Ring besteht.
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Es können RTA-Prozesse bei einem perfekten Wafer ohne Störstellen angewendet werden, der ein V/G-Verhältnis zwischen dem BBand und dem P-Band während des Rohlingswachstums besitzt, bei einem halb-perfekten Wafer angewendet werden, der ein V/G-Verhältnis innerhalb des B-Bandes besitzt, und bei einem Wafer angewendet werden, bei dem die Leerstellenagglomerate durch den Wafer hindurch ausgebildet sind, und zwar auf Grund dessen, daß das V/G-Verhältnis über dem kritischen V/G-Verhältnis (V/G)v* entsprechend der kritischen Leerstellenkonzentration Cv* liegt.
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3 zeigt eine schematische Ansicht eines modifizierten CZ-Ziehapparates, welcher in den beiden letztgenannten Schriften offenbart ist, bei dem ein Hitzeschild 214 verglichen mit dem CZ-Ziehapparat, welcher in 2 gezeigt ist, modifiziert ist. Kurz gesagt, enthält der modifizierte CZ-Ziehapparat 200, wie in 3 dargestellt ist, einen Ofen, einen Kristallziehmechanismus, einen Umgebungsregler und ein computergestütztes Steuersystem. Der Heißzonenofen enthält eine Heizvorrichtung 204, einen Tiegel 206, einen Succeptor 208 und eine Drehwelle 210, die sich um eine Achse in einer ersten Richtung 212 dreht, wie dies dargestellt ist. Ein Kühlmantel 232 und ein Hitzeschild 214 können zusätzlich für eine thermische Verteilung vorgesehen sein, und eine Hitzepackung 202 enthält ein wärmeabsorbierendes Material 216, um eine zusätzliche thermische Verteilung zu erzeugen.
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Der Kristallziehmechanismus enthält eine Kristallziehwelle 220, die sich um die Achse in einer zweiten Richtung 222, entgegengesetzt zur ersten Richtung 212, dreht, die wie dies gezeigt ist. Die Kristallziehwelle 220 enthält einen Keimhalter 220a am Ende derselben. Der Keimhalter 220a hält einen Keimkristall 224, der aus der Siliziumschmelze in dem Tiegel 206 gezogen wird, um einen Block oder Rohling 228 herzustellen.
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Das Umgebungssteuersystem kann eine Kammerumschließung 230 enthalten, ebenso den Kühlmantel 232 und andere Strömungsregler und Vakuumentlüftungssysteme, die nicht gezeigt sind. Das computergestützte Steuersystem kann dazu verwendet werden, um die Heizelemente, den Ziehapparat und andere elektrische und mechanische Elemente zu steuern.
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Um einen monokristallinen Siliziumblock wachsen zu lassen, wird ein Keimkristall 224 in Berührung mit der Siliziumschmelze 226 gebracht und wird allmählich in der axialen Richtung (aufwärts) gezogen. Das Abkühlen und das Aushärten des geschmolzenen Siliziums 226 in das monokristalline Silizium erfolgt an der Zwischenschicht 231 zwischen dem Block 228 und der Siliziumschmelze 226. Im Gegensatz zu dem CZ-Ziehapparat von 2, enthält der CZ-Ziehapparat 200 der 3 ferner ein Hitzeschildgehäuse 234 in dem Hitzeschild 214, welches eine genauere Steuerung des V/G-Verhältnisses ermöglicht.
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4 zeigt eine schematische Ansicht eines modifizierten CZ-Ziehapparates gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und 5 veranschaulicht Einzelheiten von modifizierten Teilen des CZ-Ziehapparates von 4. In den 4 und 5 sind gleiche Bezugszeichen, die in 3 verwendet sind, dazu verwendet, um gleiche Elemente zu bezeichnen, und lediglich die Unterschiede gegenüber dem CZ-Ziehapparat von 3 werden beschrieben. Wie in den 4 und 5 gezeigt ist, umfassen die Änderungen in dem CZ-Ziehapparat von 3 die Gestalt eines Hitzeschildgehäuses 300 und die zusätzliche Installation einer Hitzeschildplatte 360. Das Hitzeschildgehäuse 300, welches eine um 90° gedrehte Trapezgestalt hat, ähnlich einem Ring, enthält eine innere Hitzeschildgehäusewand 310 und eine äußere Hitzeschildgehäusewand 330, die erfindungsgemäß vertikal verlaufen, und einen Hitzeschildgehäuseoberabschnitt 340 und einen Hitzeschildgehäuseboden 320, welche die inneren und die äußeren Hitzeschildgehäusewände 310 und 330 verbinden. Hierbei verläuft das Hitzeschildgehäuseoberteil 340 schräg nach oben in einem Winkel von β und zwar von der Horizontalen von der inneren Hitzeschildgehäusewand 310 aus zu der äußeren Hitzeschildgehäusewand 330 hin, während der Hitzeschildgehäuseboden 320 nach unten schräg abfällt in einem Winkel von α von der Horizontalen von der inneren Hitzeschildgehäusewand 310 zur äußeren Hitzeschildgehäusewand 330 hin, wobei die trapezförmige Gestalt, wie sie dargestellt ist, gebildet wird.
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Das ringförmig gestaltete Hitzeschildgehäuse 300 kann mit einem wärmeabsorbierenden Material (nicht gezeigt) gefüllt sein. Es ist bevorzugt aus Kohlenstoff-Ferrit hergestellt.
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Auch ist das Hitzeschildgehäuse 300 an dem oberen Teil der Hitzepackung 202 durch ein Halterungsteil 350 befestigt. Die Hitzeschildplatte 360 ist zwischen dem Hitzeschildgehäuseoberteil 340 des Hitzeschildgehäuses 300 und dem Kühlmantel 232 um den Rohling herum, der gezogen wird, angeordnet.
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Die Konfiguration des erfindungsgemäßen CZ-Ziehapparates, welche in den 4 und 5 gezeigt ist, schafft die Möglichkeit, die Abkühlrate des Rohlings zu erhöhen. Die Größe der Leerstellen (voids), die in dem gezogenen Rohling vorhanden sind, ist allgemein proportional der Quadratwurzel aus der anfänglichen Leerstellenkonzentration an der Zwischenschicht zwischen Rohling und Siliziumschmelze, ist jedoch umgekehrt proportional zu der Quadratwurzel aus der Abkühlrate des Rohlings. Es gilt, solange die Größe der Leerstellen, die in dem Rohling vorhanden sind, die während des Kristallwachstums ausgebildet werden, kleiner ist als eine vorbestimmte Größe, obwohl der gezogene Rohling Leerstellen enthält, können die Leerstellen von der DZ durch den RTA-Prozeß aufgelöst werden.
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Um daher die Große der Leerstellen in dem Rohling oder Block zu reduzieren, was wünschenswert ist, kann die Abkühlrate des Rohlings oder Blockes erhöht werden. Wenn die Abkühlrate des Blockes oder Rohlings erhöht wird, nimmt ein Temperaturgradient Gc am Zentrum des Blockes zu. Wenn daher das V/G-Verhältnis für eine vorbestimmte Störstellenverteilung konstant ist, sollte die Ziehrate des Blockes oder Rohlings (V) erhöht werden.
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Um bei den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Abkühlrate des Rohlings auf wenigstens 1,4°K/Minute oder mehr basierend auf der Temperatur des Rohlings am Zentrum desselben zu erhöhen, um den Rohling von der Temperatur an der Grenzschicht zwischen Rohling und Siliziumschmelze aus abzukühlen, und zwar auf eine vorbestimmte Temperatur des Rohlings, kann wenigstens eine der Größen gemäß der Länge a der inneren Hitzeschildgehäusewand 310, die Länge c der äußeren Hitzeschildgehäusewand 330, der Winkel 13 des Hitzeschildgehäuseoberteiles 340, der Winkel α des Hitzeschildgehäusebodens 320, der Abstand d zwischen dem Rohling 228 und der inneren Hitzeschildgehäusewand 310, der Abstand f zwischen dem Tiegel 206 und der äußeren Hitzeschildgehäusewand 330, der Abstand e zwischen der inneren und der äußeren Hitzeschildgehäusewand 310 und 330, der Abstand b zwischen der inneren Hitzeschildgehäusewand 310 und der Siliziumschmelze 226 und die Position der Hitzeschildplatte 260 variiert werden.
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Bei dem CZ-Ziehapparat von 4 kann auf Grund der hohen Abkühlrate des gezogenen Rohlings die Ziehrate des Rohlings erhöht werden, beispielsweise in dem Bereich von 0,50 bis 1,00 mm/Minute, so daß die Produktivität des Rohlings erhöht werden kann. Zusätzlich können Verarbeitungsrandbedingungen für das Erzielen von perfekten Wafern oder halb-perfekten Wafern, die mit Hilfe des CZ-Ziehapparates von 3 hergestellt werden, für das Wachstum des Rohlings oder Blockes vorgesehen werden.
