DE10137857B4

DE10137857B4 - Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls

Info

Publication number: DE10137857B4
Application number: DE10137857A
Authority: DE
Inventors: Ludwig Dipl.-Ing. Altmannshofer
Original assignee: Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 2001-08-02
Filing date: 2001-08-02
Publication date: 2006-11-16
Anticipated expiration: 2021-08-03
Also published as: DE10137857A1; DK176921B1; DK200201059A; JP3740446B2; JP2003112992A; US20030024468A1; US7011704B2

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls, bei dem der aus einer Schmelze kristallisierende Einkristall einer Drehung mit wechselnder Drehrichtung unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Einkristall periodisch um eine Abfolge von Drehwinkeln gedreht wird, und die Drehrichtung nach jeder Drehung um einen Drehwinkel der Abfolge gewechselt wird, wobei ein Wechsel der Drehrichtung einen Umkehrpunkt auf dem Umfang des Einkristalls definiert, und mindestens ein wiederkehrendes Muster von Umkehrpunkten entsteht, bei dem die Umkehrpunkte auf 4 bis 48 Geraden verteilt liegen, die parallel zur z-Achse ausgerichtet und gleichmäßig voneinander beabstandet sind, und wobei der Einkristall mit einer Präzision gedreht wird, die in der Summe einen Winkelfehler von +/– 1° nicht überschreitet.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls, bei dem der aus einer Schmelze kristallisierende Einkristall einer Drehung mit wechselnder Drehrichtung unterworfen wird. Gegenstand der Erfindung sind insbesondere Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls durch tiegelloses Zonenziehen und durch Ziehen des Einkristalls aus einer in einem Tiegel vorgelegten Schmelze.
Das Ziehen von Einkristallen aus Halbleitermateralien wie beispielsweise Silicium, Germanium, Galiumarsenid, Galium-phosphid, Indiumphosphid wird in den meisten Fällen entweder nach dem tiegelloses Zonenziehen (floting zone crystal growth, FZ-Verfahren) oder nach dem Tiegelziehverfahren (Czochalski-Methode, CZ-Verfahren) durchgeführt.
Beim FZ-Verfahren wird ein polykristalliner Vorratsstab mit Hilfe einer Hochfrequenzspule nach und nach aufgeschmolzen und das schmelzflüssige Material durch Animpfen mit einem einkristallinen Impflingskristall und anschließendem Rekristallisieren in einen Einkristall überführt. Bei der Rekristallisation wird der Durchmesser des entstehenden Einkristalls zunächst kegelförmig vergrößert (Konusbildung) bis ein gewünschter Enddurchmesser erreicht ist (Stabbildung). In der Phase der Konusbildung wird der Einkristall auch mechanisch gestützt, um den dünnen Impflingskristall zu entlasten. Grundlagen des FZ-Verfahrens sind beispielsweise in der DE-3007377 A beschrieben.
Beim CZ-Verfahren wird eine Schmelze des Halbleitermaterials in einem Tiegel bereitgestellt, ein Impflingskristall mit der Schmelzenoberfläche in Kontakt gebracht und langsam von der Schmelze gehoben, wobei der Einkristall auf der Unterseite des Impflingskristalls zu wachsen beginnt.
Es ist sowohl beim FZ- als auch beim CZ-verfahren üblich, den Einkristall zeitgesteuert zu drehen, um ein möglichst gleichmäßiges und störungsfreies Kristallwachstum zu erreichen.
Im Zusammenhang mit dem FZ-Verfahren ist in der JP-2820027 auch beschrieben worden, daß der Einkristall während des FZ-Ziehens einsinnig oder mit wechselnder Drehrichtung um seine Achse gedreht wird. Diese Wechselrotation soll eine effektive Durchmischung der Schmelze und damit eine homogene Verteilung von Dotierstoffen bewirken. In der US-4851628 ist ein FZ-Verfahren beschrieben, bei dem eine Wechselrotation durchgeführt wird, wobei ein Wechsel der Drehrichtung einen Umkehrpunkt auf dem Umfang des Einkristalls definiert, und die Umkehrpunkte möglichst statistisch auf dem Umfang des Einkristalls verteilt sein sollen. Trotz langjähriger Erfahrungen besteht insbesondere im Hinblick auf die Herstellung von Einkristallen mit Durchmessern von 100 mm und größer eine Schwierigkeit darin, ein formstabiles Wachstum des Einkristalls zu erreichen. Der Einkristall soll möglichst zylinderförmig wachsen. Bricht die Wachstumsfront in radialer Richtung aus, entsteht ein durch Wülste unförmiger, schwer oder gar nicht zu Scheiben verarbeitbarer Einkristall. Weiterhin ist es erwünscht und nicht ohne weiteres zu realisieren, daß die entstehenden Ziehkanten am Umfang des Einkristalls möglichst schmal und gleichmäßig sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Verfahren anzugeben, welches das Ausbrechen von Einkristallen verhindert und ein zylindrisches Erscheinungsbild des Einkristalls realisiert.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls, bei dem der aus einer Schmelze kristallisierende Einkristall einer Drehung mit wechselnder Drehrichtung unterworfen wird, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Einkristall periodisch um eine Abfolge von Drehwinkeln gedreht wird, und die Drehrichtung nach jeder Drehung um einen Drehwinkel der Abfolge gewechselt wird, wobei ein Wechsel der Drehrichtung einen Umkehrpunkt auf dem Umfang des Einkristalls definiert, und mindestens ein wiederkehrendes Muster von Umkehrpunkten entsteht, bei dem die Umkehrpunkte auf 4 bis 48 Geraden verteilt liegen, die parallel zur z-Achse ausgerichtet und gleichmäßig voneinander beabstandet sind, und wobei der Einkristall mit einer Präzision gedreht wird, die in der Summe einen Winkelfehler von +/– 1° nicht überschreitet.
Die Erfindung gewährleistet sowohl das gewünschte zylinderförmige Wachstum als auch das Entstehen schmaler Ziehkanten. Sie ist im FZ-Verfahren und auch im CZ-Verfahren anwendbar und wird vorzugsweise zur Herstellung von Halbleitermaterial, insbesondere Silicium eingesetzt. Beim FZ-Verfahren läßt sie sich ohne weiteres realisieren, da der Einkristall ohnehin schon während der Konusbildung abgestützt wird und die torsionssteife Stütze zum Übertragen der Wechseldrehung verwendet werden kann. Beim CZ-Verfahren muß eine entsprechende Stütze an den Anfangskonus des Einkristalls angebracht werden. Geeignet sind torsionssteife Stützen, die üblicherweise zur Entlastung des Dünnhalses von schweren Einkristallen eingesetzt werden. Dazu gehören auch Vorrichtungen, die an einen sogenannten Bikonus angesetzt werden.
Die nähere Erläuterung der Erfindung erfolgt nachfolgend an Hand von Figuren.
In 1 und 2 sind Abfolgen von Drehwinkeln dargestellt.
Die 3, 4 und 5 zeigen in Polarkoordinaten-Darstellung Muster von Umkehrpunkten gemäß der beanspruchten Erfindung.
6 zeigt in Spurbild-Darstellung Umkehrpunkte, die bezüglich ihres zeitlichen Erscheinens und ihrer Lage bevorzugt sind.
In 7 ist ein Gegenbeispiel zu 6 dargestellt.
8 ist ein Gegenbeispiel zu den Darstellungen in den 3, 4 und 5.
9 ist eine Darstellung zur technischen Realisierung der Erfindung.
Die Lösung der Aufgabe erfordert eine besondere Art der Wechseldrehung. Erfindungsgemäß wird der Einkristall um eine Abfolge von Drehwinkeln gedreht, wobei die Drehrichtung nach jeder Drehung der Abfolge wechselt. Nachdem der Einkristall um den letzten Drehwinkel der Abfolge gedreht wurde, beginnt eine neue Periode, indem der Einkristall wieder um den ersten Drehwinkel der Abfolge gedreht wird. Eine Abfolge von Drehwinkeln umfaßt vorzugsweise 2 bis 10 Drehwinkel. In 1 ist die zeitliche Entwicklung für eine Abfolge von 2 Drehwinkeln α₁ und α₂ dargestellt. Eine solche Abfolge wird vereinfachend 2- Winkelschema genannt. Entsprechend handelt es sich bei der in 2 dargestellten Abfolge um ein 10-Winkelschema mit den Drehwinkeln α₁ bis α₁₀. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel wird der Einkristall zunächst mit einer Drehzahl N1 im Uhrzeigersinn um den Winkel α₁ gedreht. Dann folgen ein Wechsel der Drehrichtung und eine Drehung mit einer Drehzahl N2 entgegen dem Uhrzeigersinn um den Winkel α₂ und periodisch wiederkehrende Drehungen um α₁ und α₂. Der Zeitpunkt, bei dem ein Wechsel der Drehrichtung erfolgt, wird Umkehrpunkt genannt. Im Laufe des Wachstums des Einkristalls wird eine Vielzahl von Umkehrpunkten durchlaufen.
Die Wahl der Drehwinkel hat erfindungsgemäß nicht zufällig zu erfolgen, sondern in einer Weise, daß die Umkehrpunkte mindestens ein wiederkehrendes Muster bilden, das sie homogen auf dem Umfang des Einkristalls verteilt, wobei sie auf Geraden liegen, die Parallelen zur z-Achse sind. Dieses Erfordernis läßt sich am besten mit Hilfe einer Polarkoordinaten-Darstellung wie in 3 veranschaulichen. Der Radius des Koordinatensystems entspricht in der gewählten Darstellung einer Zeitachse, die die Dauer des Kristallwachstums repräsentiert. Die Dauer des Kristallwachstums könnte stattdessen aber auch als Kristalllänge in Richtung der z-Achse angegeben werden. Die Winkel des Koordinatensystems bezeichnen Positionen auf dem Umfang des Einkristalls. Umkehrpunkte sind in der Darstellung mit den Buchstaben R und L markiert, wobei R für einen Wechsel der Drehrichtung zu einer Drehung im Uhrzeigersinn und L einen Wechsel der Drehrichtung zu einer Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn bedeuten. Die Umkehrpunkte bilden bei den gewählten Drehzahlen nach 360 Sekunden ein rosettenförmiges Muster aus. Dieses Muster ensteht beispielsweise bei einer Drehung, der ein 2-Winkelschema mit Drehwinkeln von α₁= 400° und α₂ = 260° und Drehzahlen von N_R = 20 U/min und N_L= –20 U/min zu Grunde liegt. Die Umkehrpunkte liegen auf Geraden verteilt, die in gleichen Abständen von 20° auf dem Umfang des Einkristalls in z-Richtung ausgerichtet sind. 4 zeigt die Situation nach 720 Sekunden. Man kann erkennen, daß das Muster winkeltreu wiederkehrt. Das erste vollständige Muster, das periodisch und winkeltreu wiederkehrt, wird als Grundmuster (Spektralfrequenz) bezeichnet. Es können auch mehrere Muster überlagert sein, wie beispielsweise die Muster in 5, die von den Umkehrpunkten R, L, R2 und L2 eines 4-Winkelschemas gebildet werden. Die Geraden eines Musters haben gleiche Abstände zueinander, so daß die Umkehrpunkte eines Musters gleichmäßig auf dem Umfang des Einkristalls verteilt liegen.
Die Umkehrpunkte liegen auf 4 bis 48, vorzugsweise 8–48 Geraden. Besonders bevorzugt ist auch, wenn die Zahl der Geraden einem Vielfachen der Zahl der Ziehkanten entspricht. Die Zahl der Ziehkanten ist durch die Symmetrie der Kristallstruktur vorgegeben.
6 entpricht der Darstellung in 3 mit dem Unterschied, daß die Umkehrpunkte durch Spuren verbunden dargestellt sind und der Radius nur einen Zeitraum von 60 Sekunden abdeckt. Diese Spurbild-Darstellung zeigt einen sogenannten überlappenden Betrieb, der bevorzugt ist, weil er das Ausbilden schmaler Ziehkanten begünstigt und der Versetzungsbildung entgegenwirkt.
Beim überlappenden Betrieb wird nach einem Wechsel der Drehrichtung um einen Drehwinkel gedreht, der n·360° + ∘ beträgt, wobei n eine natürliche Zahl, vorzugsweise 1 oder 2 ist und ∘ einen positiven Wert bis 90° annehmen kann. In der Spurbild-Darstellung äußert sich dies dadurch, daß sich die Spuren zeitlich benachbarter Umkehrpunkte, die in einem 90° großen Segment betrachtet werden, überdecken. Zum Unterschied dazu wird auf 7 hingewiesen, die einen nicht-überlappenden, Lücken aufweisenden Betrieb repräsentiert.
Um ein möglichst zylindrisches Kristallwachstum zu erreichen, ist ferner bevorzugt, die Abfolge der Drehwinkel so zu wählen, daß die Umkehrpunkte bereits beim Aufbau des Grundmusters möglichst gleichmäßig auf dem Umfang des Einkristalls verteilt werden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn zeitlich aufeinander folgende Paare von Umkehrpunkten, wie in 6 gezeigt, sich versetzt gegenüberliegen.
Wenn die Abfolge der Drehwinkel feststeht, muss die Drehung des Einkristalls möglichst präzise gesteuert werden, damit sich das gewünschte zylinderförmige Wachstum des Einkristalls einstellt. Die bei der Steuerung der Drehbewegung mit wechselnder Drehrichtung gemachten Winkelfehler dürfen in der Summe einen Winkelfehler von +/–1° nicht überschreiten. Werden die vorbestimmten Winkelpositionen der Umkehrpunkte nicht eingehalten, kann das dazu führen, daß die Drehbewegungen den Einkristall zu einem Wachstum veranlassen, das auf seiner Oberfläche die Struktur eines langwelligen Schraubengewindes erzeugt. Eine solche Struktur kann auch mit Absicht herbeigeführt werden, indem ein Winkelschema verwendet wird, bei dem die Umkehrpunkte auf schraubenförmigen Linien zu liegen kommen. 8 zeigt eine entsprechende Darstellung im Polarkoordinaten-Diagramm.
Im Hinblick auf die technische Realisierung der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Drehen eines Einkristalls vorgeschlagen, mit einem Positionsaufnehmer mit einer Auflösung von mindestens 10000 Impulse/Umdrehung, der mit einer Ziehwelle sowie mit einer Zählerbaugruppe gekoppelt ist, die Impulse je nach Drehrichtung vor- oder rückwärts zählt.
Der normierte Zählerinhalt beinhaltet die momentane Lageposition. Der Wechsel der Drehrichtung erfolgt vorzugsweise mit konstanter Winkelbeschleunigung (9). Aus den Drehzahlniveaus N_1...10 und der Winkelbeschleunigung φ1, φ2 ergeben sich die Verzögerungswinkel β_1...10°. Aus den Drehwinkeln α_1...10 und den bekannten Verzögerungswinkeln β_1...10 ergibt sich der fest definierte Zeitpunkt, zu dem durch die Zählerbaugruppe der Interrupt zur Drehzahlumkehr aktiviert werden muß, um bei Nulldurchgang der Drehzahl die vorbestimmten Drehwinkel α_1...10 zu erreichen. Damit das gewünschte Grundmuster realisiert wird und der Kristall nicht ausbricht, sollte der Winkelfehler δ° im betrachteten Zeitraum unter +/–1° gehalten werden. Dies wird mit einem Winkelregelkreis erreicht, der den Interrupteinsatzpunkt bei einem gegebenen Winkelschema nach folgenden Kriterien verändert:

– IRα1°neu(t) = IRα1°alt(t) + δα1°alt·Kpα
– IRα2°neu(t) = IRα2°alt(t) + δα2°alt·Kpα .....
– IRα10°neu(t) = IRα10°alt(t) + δα1°alt·Kpα mit (→ 0.1 < Kp < 0.3)

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls, bei dem der aus einer Schmelze kristallisierende Einkristall einer Drehung mit wechselnder Drehrichtung unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Einkristall periodisch um eine Abfolge von Drehwinkeln gedreht wird, und die Drehrichtung nach jeder Drehung um einen Drehwinkel der Abfolge gewechselt wird, wobei ein Wechsel der Drehrichtung einen Umkehrpunkt auf dem Umfang des Einkristalls definiert, und mindestens ein wiederkehrendes Muster von Umkehrpunkten entsteht, bei dem die Umkehrpunkte auf 4 bis 48 Geraden verteilt liegen, die parallel zur z-Achse ausgerichtet und gleichmäßig voneinander beabstandet sind, und wobei der Einkristall mit einer Präzision gedreht wird, die in der Summe einen Winkelfehler von +/– 1° nicht überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl der Geraden einem Vielfachen der Zahl von Ziehkanten entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfolge von Drehwinkeln 2 bis 10 verschiedene Winkel umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Einkristall in einem überlappenden Betrieb gedreht wird, wobei nach einem Wechsel der Drehrichtung um einen Drehwinkel gedreht wird, der n·360° + Δ beträgt, und n eine natürliche Zahl ist und Δ einen positiven Wert bis 90° annehmen kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das wiederkehrende Muster von Umkehrpunkten von Paaren von Umkehrpunkten in einer bestimmten Zeit aufgebaut wird, wobei zeitlich aufeinander folgende Paare sich versetzt gegenüberliegen, wenn die Umkehrpunkte in einer Polarkoordinaten-Darstellung betrachtet werden, bei der der Radius der Darstellung die Zeitachse und der Winkel der Darstellung die Lage der Umkehrpunkte am Umfang des Einkristalls beschreiben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Einkristall von einer Stütze abgestützt und mit Hilfe der Stütze gedreht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kontrolle der Drehung des Einkristalls ein Positionsaufnehmer mit einer Auflösung von mindestens 10000 Impulse/Umdrehung verwendet wird, der mit einer Ziehwelle und einer Zählerbaugruppe gekoppelt ist, die je nach Drehrichtung Impulse vor- oder rückwärts zählt.