DE102006052961B4

DE102006052961B4 - Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterkristalls

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Publication number: DE102006052961B4
Application number: DE200610052961
Authority: DE
Inventors: Satoshi Suzuki; Masahiko Nigorikawa
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2005-11-10
Filing date: 2006-11-09
Publication date: 2012-02-16
Anticipated expiration: 2026-11-10
Also published as: DE102006052961A1; JP4677882B2; JP2007131482A

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterkristalls nach dem FZ-Verfahren, das mindestens umfasst: einen Schritt des Schmelzens und Bindens eines Halbleiterblocks, der als Rohmaterial dient, an einen Keimkristall; einen Schritt des Wachsens des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite mit einer Erhöhung von dessen Durchmesser auf einen gewünschten Wert, um einen Kegelbereich zu bilden; einen Schritt des Wachsens des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite mit dem Regulieren von dessen Durchmesser, so dass dieser einem gewünschten Wert entspricht, um einen geraden Hauptbereich zu bilden; und einen Schritt des Beendens der Zufuhr des Rohmaterials und der Verringerung eines Durchmessers des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite, um den Halbleiterblock auf der kristallisierten Seite von einem Halbleiterblock auf der geschmolzenen Seite zu trennen, wobei ein Schritt des automatischen Regulierens der Erhöhung oder Verringerung eines Durchmessers des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite mit Zufuhr des Rohmaterials zumindest im Schritt der Bildung eines geraden...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterkristalls nach dem FZ-Verfahren (das „floating zone-Verfahren” oder Zonenschmelzverfahren), wobei ein Halbleiterblock, der als Rohmaterial dient, mit einer Induktionsheizspule erhitzt und geschmolzen wird, um eine Schmelzzone zu bilden, wobei die Schmelzzone bewegt wird, um einen Halbleiterkristall herzustellen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterkristalls, durch das ein Durchmesser eines Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite reguliert wird.
Beschreibung des betreffenden Stands der Technik:
Als ein Halbleiterkristall, der nach dem FZ-Verfahren hergestellt ist, sei beispielsweise ein Silizium-Einkristall genannt.
Solch ein FZ-Silizium-Einkristall kann beispielsweise durch die folgenden Schritte hergestellt werden:

(1) ein Schritt des Schmelzens und des Bindens eines Halbleiterblocks, der als Rohmaterial dient, an einen Keimkristall („Seeding”), weiterhin die Einschnürung („Necking”) eines Kristalls, um Versetzungen zu beseitigen, die in dem Kristall während des „Seedings” entstanden sind (der Schritt des „Seedings” und „Neckings”);
(2) ein Schritt des Wachsens des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite mit dem Anstieg von dessen Durchmesser auf einen gewünschten Wert, um einen Kegelbereich zu bilden (der Schritt der Bildung eines Kegelbereichs);
(3) ein Schritt des Wachsens des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite mit dem Regulieren von dessen Durchmesser, so dass dieser einem gewünschten Wert entspricht, um einen geraden Hauptbereich zu bilden (der Schritt der Bildung eines geraden Hauptbereichs);
(4) ein Schritt des Beendens der Zufuhr des Rohmaterials und der Verringerung eines Durchmessers des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite, um den Halbleiterblock auf der kristallisierten Seite von einem Halbleiterblock auf der geschmolzenen Seite zu trennen (der Schritt des Trennens des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite); und so weiter (siehe zum Beispiel die Veröffentlichung der geprüften japanischen Patentanmeldung Nr. S 51–24964). Hierbei kann, wenn der Halbleiterkristall, der nach dem FZ-Verfahren hergestellt wird, eine polykristalline Zwischenstufe ist, das Necking weggelassen werden.

Im Fall der Herstellung eines Silizium-Einkristalls nach dem FZ-Verfahren ist es wichtig, einen Durchmesser des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite in jedem Schritt wie oben beschrieben zu regulieren. Zum Beispiel wird ein Durchmesser des Halbleiterblocks auf der kristallisiertes Seite im Schritt der Bildung eines Kegelbereichs reguliert und erhöht, so dass er einem gewünschten Wert entspricht, und ein Durchmesser des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite wird im Schritt der Bildung eines geraden Hauptbereichs reguliert und gehalten, so dass er einem konstantem Wert entspricht.
Übrigens weisen die meisten der Silizium-Einkristalle, die nach dem FZ-Verfahren hergestellt werden, gegenwärtig einen großen Durchmesser von 5 Zoll (125 mm) oder mehr auf. Und die Verluste durch die Entstehung minderwertiger Bereiche und die Verluste, die in dem Fall entstehen, dass das Züchten eines Einkristalls scheitert, haben stärker zugenommen, als die, die bei der Herstellung von Kristallen mit einem kleineren Durchmesser entstehen.
Als ein Grund für das Entstehen von Verlusten durch minderwertige Bereiche in den herzustellenden Einkristallen seien „Slips” (Versetzungen) genannt, die in Silizium-Einkristallen nach der Trennung entstehen.
Genauer gesagt, zum Zeitpunkt des Beendens der Zufuhr von Rohmaterial im Schritt der Bildung eines geraden Hauptbereichs geht dieser Schritt über in den Schritt der Trennung. In diesem Schritt der Trennung, wenn der Kristall vollständig erstarrt ist entstehen mit der Trennung der Schmelzzone vom Rohmaterial Slips (Versetzungen) vom Auslaufbereich hin zum geraden Hauptbereich des Einkristalls. Dieses Phänomen wird als „Slipback” bezeichnet. Man sagt, dass die Länge des Slips, der in einem Silizium-Einkristall entsteht, der nach dem FZ-Verfahren hergestellt wird, ungefähr der Hälfte des Durchmessers des Einkristalls entspricht. Eine Länge des Slips steigt in der Tat mit dem Grösserwerden des Durchmessers eines herzustellenden Kristalls. Ein Bereich, in dem der Slip entsteht, wird natürlich zum Verlust, der nicht als Einkristallprodukt verwendet werden kann. Und je größer ein Durchmesser eines Kristalls ist, desto stärker steigen die Verluste an ihm.
Daher wurde eine Reduktion des Slipbacks verlangt, der entsteht, wenn der Kristall mit dem Trennen der Schmelzzone vom Rohmaterial im Trennungsschritt vollständig erstarrt.
Übrigens ist es für gewöhnlich Allgemeingut, dass ein Durchmesser eines geraden Hauptbereichs eines Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite auf einen Wert festgesetzt wird und der Durchmesser so reguliert wird, dass er diesem Wert so weit als möglich während der Bildung des geraden Hauptbereichs entspricht. Daher ist es notwendig, getrennt hiervon einen weiteren Kristallblock zu züchten, um ein Produkt mit einem unterschiedlichen Durchmesser zu erhalten. Es war unmöglich, während der Bildung eines geraden Hauptbereichs eines Halbleiterblocks einen Durchmesser auf einen anderen zu regulieren und zu verändern.
DE 3882121 T2 offenbart ein Verfahren zur Regelung einer Schmelzzone, insbesondere umfassend einen Schritt des Schmelzens einer Rohmaterial-Stange mit einer Induktionsheizspule, wobei geometrische Größen der Schmelzzone durch Regeln der elektrischen Leistung, die der Induktionsspule zugeführt wird, und der Geschwindigkeit, mit der die Rohmaterial-Stange nach unten relativ zur Induktionsspule bewegt wird, kontrolliert werden. Die geometrische Größen umfassen hierbei ein Zi der axialen Länge der Schmelzzone, den Abstand (L) zwischen der Induktionsheizspule und einer Kristallisationsgrenze und den Durchmesser (Dn) eines Schmelzeansatzabschnittes, der auf der Seite der Kristallisationsgrenze in einem vorbestimmten Abstand von der Induktionsheizspule angeordnet ist, und ein Di des Durchmessers (Ds) der Kristallisationsgrenze und den Durchmesser (Dm) eines Schmelzeschulterabschnittes (34).
DE 2247651 A1 offenbart ein Verfahren zum tiegellosen Zonenschmelzen eines Halbleiterstabes, bei dem die Schmelzzone mittels einer Fernsehkamera unter konstant gehaltenen Aufnahmebedingungen überwacht wird und aus den durch die Fernsehkamera von der Schmelzzone aufgenommenen Bildern über die optoelektrische Bildwandlung elektrische Impulse abgeleitet werden, wobei diese Impulse Informationen liefern, die zur Abstandsänderung der die Schmelzzone begrenzenden Stablenden und zur Änderung der zugeführten Energie benutzt werden US 4,002,523 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Siliziumkristallen mit <110> Orientierung, umfassend das Ziehen eines kristallinen Siliziumstamms aus einer Siliziumschmelze, wobei der Kristall während des Verfahrens auf unterschiedliche Durchmesser vergrößert bzw. reduziert wird um Verwerfungen zu vermeiden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung erfolgte, um die oben erwähnten Probleme zu lösen und ein Zweck der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterkristalls nach dem FZ-Verfahren bereitzustellen, in dem eine Regulierung des Durchmessers während der Bildung eines geraden Hauptbereichs verändert wird, wodurch es ermöglicht wird, den Slipback zu reduzieren, der entsteht, wenn der Kristall mit dem Trennen einer Schmelzzone von einem Rohmaterial im Trennungsschritt vollständig erstarrt, um einen Halbleiterblock mit einem geraden Hauptbereich mit unterschiedlichen Durchmessern zu züchten, oder um einen Kristall-Auslaufbereich zu bilden, der eine gewünschte Form aufweist.
Die vorliegende Erfindung erfolgte, um die oben erwähnten Probleme zu lösen und sie stellt ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterkristalls nach dem FZ-Verfahren bereit, das zumindest umfasst:
einen Schritt des Schmelzens und Bindens eines Halbleiterblocks, der als Rohmaterial dient, an einen Keimkristall;
einen Schritt des Wachsens des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite mit dem Anstieg von dessen Durchmesser auf einen gewünschten Wert, um einen Kegelbereich zu bilden;
einen Schritt des Wachsens des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite mit dem Regulieren von dessen Durchmesser, so dass dieser einem gewünschten Wert entspricht, um einen geraden Hauptbereich zu bilden; und
einen Schritt des Beendens der Zufuhr des Rohmaterials und der Verringerung eines Durchmessers des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite, um den Halbleiterblock auf der kristallisierten Seite von einem Halbleiterblock auf der geschmolzenen Seite zu trennen,
wobei ein Schritt des automatischen Regulierens der Erhöhung oder Verringerung eines Durchmessers des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite mit Zufuhr des Rohmaterials zumindest im Schritt der Bildung eines geraden Hauptbereichs erfolgt.
Wenn, wie oben erwähnt, der Schritt des automatischen Regulierens der Erhöhung oder Verringerung eines Durchmessers des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite mit Zufuhr von Rohmaterial im Schritt der Bildung eines geraden Hauptbereichs durchgeführt wird, kann ein Halbleiterkristall, in dem ein gerader Hauptbereich eines Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite in eine gewünschte Form geändert wird, einfach und stabil hergestellt werden. Dadurch kann beispielsweise durch automatisches Verringern eines Durchmessers der Slipback reduziert werden oder es kann durch das automatische Erhöhen eines Durchmessers ein Kristall-Auslaufbereich in eine passende Form für einen gegebenen Kristallhalter gebracht werden. Außerdem kann ein Kristall gezüchtet werden, der ein Halbleiterblock auf der kristallisierten Seite ist, der einen geraden Hauptbereich mit unterschiedlichen Durchmessern aufweist.
Übrigens bedeutet der Ausdruck „Beenden der Zufuhr des Rohmaterials” dass das Absenken des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite gestoppt wird, beispielsweise durch das Stoppen der Drehungen eines Motors mit einstellbarer Geschwindigkeit zum Anheben und Absenken, der den Halbleiterblock auf der kristallisierten Seite absenkt.
Außerdem wird bevorzugt, dass in dem Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterkristalls gemäß der vorliegenden Erfindung der Schritt des automatischen Regulierens der Erhöhung oder Verringerung eines Durchmessers des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite mit Zufuhr des Rohmaterials am Ende des Schritts der Bildung eines geraden Hauptbereichs vor dem Schritt der Trennung des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite durchgeführt wird.
Gemäß diesem Verfahren kann beispielsweise ein Durchmesser eines geraden Hauptbereichs beim Übergang zum Schritt der Trennung verringert werden, wodurch der Slipback, der entsteht, wenn der Kristall mit dem Trennen der Schmelzzone vom Rohmaterial im Schritt der Trennung vollständig erstarrt, reduziert werden kann.
In diesen Fällen wird bevorzugt, dass im Schritt des automatischen Regulierens der Erhöhung oder Verringerung eines Durchmessers des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite mit Zufuhr des Rohmaterials der Durchmesser des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite automatisch um 25 mm oder mehr verringert wird. Außerdem wird bevorzugt, dass im Schritt des automatischen Regulierens der Erhöhung oder Verringerung des Durchmessers des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite mit Zufuhr des Rohmaterials die Länge des Wachstums des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite während der Verringerung des Durchmessers des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite 30–40 mm beträgt.
Gemäß diesen Verfahren kann der Slipback, der entsteht, wenn ein Kristall beim Trennen einer Schmelze von einem Rohmaterial im Schritt der Trennung vollständig erstarrt, ausreichend verringert werden. Darüber hinaus können die Verluste an Produkten weiter reduziert werden. Die Verluste können auch reduziert werden bei der Änderung eines Durchmessers während der Bildung eines geraden Hauptbereichs, bei der Änderung der Form des Kristall-Auslaufbereichs, und so weiter.
Weiterhin kann ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterkristalls gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellt werden, wobei der Halbleiterkristall, der erzeugt wird, ein Silizium-Einkristall oder eine polykristalline Zwischenstufe ist.
Gemäß dem Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterkristalls der vorliegenden Erfindung kann ein Silizium-Einkristall oder eine polykristalline Zwischenstufe, wobei die Form eines geraden Hauptbereichs in eine gewünschte verändert wird, einfach und stabil hergestellt werden.
Weiterhin ermöglicht die vorliegende Erfindung die Herstellung eines Silizium-Einkristalls oder einer polykristalline Zwischenstufe.
Die vorliegende Erfindung kann einen Silizium-Einkristall oder eine polykristalline Zwischenstufe bereitstellen, wobei die Form eines geraden Hauptbereichs mit hoher Ausbeute in eine gewünschte Form verändert wird.
Die vorliegende Erfindung kann unter Verwendung einer Vorrichtung zur Herstellung eines Halbleiterkristalls nach dem FZ-Verfahren durchgeführt werden, die zumindest umfasst:
einen Züchtungsofen, der einen Halbleiterblock, der als Rohmaterial dient, enthält;
eine Induktionsheizspule als Wärmequelle, die den Halbleiterblock schmilzt, um eine Schmelzzone zu bilden; und
ein Mittel zum Messen und Regulieren eines Durchmessers des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite,
wobei das Mittel zum Regulieren eines Durchmessers mindestens eines oder mehrere aus einer Zufuhrrate des Halbleiterblocks, der als Rohmaterial dient, einer Wachstumsrate des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite und einem Umfang der elektrischen Leistungszufuhr zur Induktionsheizspule reguliert, und es automatisch die Erhöhung oder Verringerung eines Durchmessers des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite mit Zufuhr des Rohmaterials in einem Schritt der Bildung eines geraden Hauptbereichs des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite regulieren kann.
Wenn solch eine Vorrichtung zur Herstellung eines Halbleiterkristalls nach dem FZ-Verfahren verwendet wird und ein Schritt des automatischen Regulierens der Erhöhung oder Verringerung eines Durchmessers eines Halbleiterblocks auf der kristalisierten Seite mit Zufuhr von Rohmaterial zumindest in einem Schritt der Bildung eines geraden Hauptbereichs durchgeführt wird, um einen Halbleiterkristall herzustellen, kann ein Halbleiterkristall, in dem eine Form eines geraden Hauptbereichs des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite in eine gewünschte Form verändert wird, einfach und stabil hergestellt werden, ohne dass die Arbeitsbelastung für die bedienenden Personen erhöht wird. Dadurch kann beispielsweise der Slipback reduziert werden, ein „Nasenüberstand” unterdrückt werden oder ein Kristall-Auslaufbereich in eine passende Form für einen gegebenen Kristallhalter gebracht werden, und so weiter.
Wie oben beschrieben, wird gemäß der vorliegenden Erfindung bei einem Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterkristalls nach dem FZ-Verfahren ein Schritt des automatischen Regulierens der Erhöhung oder Verringerung eines Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite mit Zufuhr von Rohmaterial zumindest im Schritt der Bildung eines geraden Hauptbereichs durchgeführt. Daher kann ein Halbleiterkristall, in dem ein Durchmesser eines geraden Hauptbereichs des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite in einen gewünschten verändert wird, einfach und leicht hergestellt werden, ohne die Arbeitsbelastung für die bedienenden Personen zu erhöhen. Dadurch kann beispielsweise der Slipback reduziert werden, ein „Nasenüberstand” unterdrückt werden, ein Kristall-Auslaufbereich in eine passende Form für einen gegebenen Kristallhalter gebracht werden oder ein Halbleiterblock mit verschiedenen Graden an Durchmessern gezüchtet werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels der Vorrichtung zur Herstellung eines Halbleiterkristalls.
2 sind Diagramme von Musterbeispielen zur Verringerung eines Durchmessers eines geraden Hauptbereichs eines kristallisierten Kristalls.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG UND EINE BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM
Im Folgendes wird die Erfindung weiter im Detail beschrieben.
Wie oben erwähnt, kann ein FZ-Halbleiterkristall durch (1) den Schritt des Seedings und Neckings; (2) den Schritt der Bildung eines Kegelbereichs; (3) den Schritt der Bildung eines geraden Hauptbereichs; (4) den Schritt der Trennung eines Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite; und so weiter hergestellt werden. Es entstehen jedoch Slips (Versetzungen) vom Auslaufbereich hin zum geraden Hauptbereich eines Einkristalls, wenn der Kristall mit Trennung der Schmelzzone vom Rohmaterial im Schritt der Trennung vollständig erstarrt. Eine Reduktion der Slips wurde verlangt. Insbesondere steigt die Länge der Slipbacks an, da Kristalldurchmesser in den letzten Jahren zugenommen haben, und dies stellte ein Problem dar.
Die Erfinder des hier Vorliegenden haben intensiv geforscht, um den Slipback zu reduzieren. Als Ergebnis fanden sie, dass ein Kristall gezüchtet wird mit der Verringerung eines Durchmessers eines Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite mit Zufuhr von Rohmaterial im Schritt der Bildung eines geraden Hauptbereichs, insbesondere am Ende des Schritts der Bildung eines geraden Hauptbereichs vor dem Schritt der Trennung des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite, gefolgt vom Beenden der Zufuhr des Rohmaterials und der Trennung des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite, wodurch der Slipback reduziert werden kann. Wie oben beschrieben, wird der Schritt der Bildung eines geraden Hauptbereichs herkömmlich so durchgeführt, dass der Durchmesser eines Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite konstant gehalten wird. Daher wird in diesem Schritt eine Regulation zur Änderung eines Durchmessers eines Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite mit Zufuhr vor Rohmaterial für gewöhnlich nicht durchgeführt.
Anschließend haben die Erfinder des hier Vorliegenden versucht, den Schritt der Verringerung eines Durchmessers manuell zu regulieren, um Slips vom Ende des Schritts der Bildung eines geraden Hauptbereichs zum Schritt der Trennung zu reduzieren. Sie haben herausgefunden, dass es notwendig ist, die Wachstumsbedingungen mit Präzision normal zu halten, um das Einkristallwachstum zu beenden ohne Transformation des Kristalls in einen Polykristall oder ein Tropfen der Schmelze; und einige Erfahrung der bedienenden Personen ist erforderlich und die Arbeitsbelastung für die bedienenden Personen ist hoch. Um die Reproduzierbarkeit des Wachstums zu erzielen, ist mehr Erfahrung erforderlich und die Arbeitsbelastung steigt weiter.
In diesem Zusammenhang wurde in den Schritten (1) bis (4) eine Automatisierung der Regulierung des Durchmessers vorangetrieben (siehe beispielsweise die Veröffentlichung der geprüften japanischen Patentanmeldung Nr. H06-51598 , Nr. H06-51599 oder Nr. H06-57630 , oder die Offenlegungsschrift der japanischen Patentanmeldung (Kokai) Nr. 2000-44380 ). Beispielsweise wird im Schritt (2) der Bildung eines Kegelbereichs ein Durchmesser eines Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite automatisch reguliert, um ihn auf einen gewünschten Durchmesser zu erhöhen; im Schritt (3) der Bildung eines geraden Hauptbereichs wird ein Durchmesser eines Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite automatisch kontrolliert, um einem konstanten Durchmesser zu entsprechen.
Auf Grundlage dieses Wissens haben die Erfinder des hier Vorliegenden weiter geforscht und fanden heraus, dass das automatische Durchführen eines Schritts des Regulierens der Verringerung eines Durchmessers eines Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite mit Zufuhr von Rohmaterial am Ende des Schritts der Bildung eines geraden Hauptbereichs vor dem Schritt der Trennung des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite die Arbeitsbelastung für die bedienenden Personen verringert und den Slipback mit guter Reproduzierbarkeit reduziert.
Außerdem haben die Erfinder des hier Vorliegenden eine solche automatische Regulierung eines Durchmessers im Schritt der Bildung eines geraden Hauptbereichs angewendet. Und sie haben herausgefunden, dass nicht nur die Verringerung sondern auch die automatische Erhöhung eines Durchmessers eines Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite mit Zufuhr von Rohmaterial im Schritt der Bildung eines geraden Hauptbereichs es ermöglicht, eine Form des geraden Hauptbereichs des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite in eine gewünschte zu verändern, wodurch der Slipback reduziert werden kann und zusätzlich hierzu ein „Nasenüberstand” unterdrückt werden kann oder ein Kristall-Auslaufbereich in eine passende Form für einen gegebenen Kristallhalter gebracht werden kann, außerdem dass ein Kristall, der einen geraden Hauptbereich mit unterschiedlichen Durchmessern aufweist, durch automatische Regulierung gezüchtet werden kann. Somit haben sie die vorliegende Erfindung geschaffen.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf 1 erklärt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt.
1 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels der Vorrichtung zur Herstellung eines Halbleiterkristalls.
Diese Vorrichtung zur Herstellung eines Halbleiterkristalls umfasst einen Züchtungsofen 70, der einen Halbleiterblock 14 enthält, der als Rohmaterial dient; eine Induktionsheizspule 12 als eine Wärmequelle, die den Halbleiterblock 14 schmilzt, um eine Schmelzzone 20 zu bilden; ein Mittel zum Messen und Regulieren eines Durchmessers des Halbleiterblocks 18 auf der kristallisierten Seite. In 1 umfasst das Mittel zum Regulieren eines Durchmessers des Halbleiterblocks 18 auf der kristallisierten Seite: eine gewerbliche Fernsehkamera 30; eine Schaltung zur Bildverarbeitung 32; einen Steller des Abschnürungsdurchmessers 40; einen Steller der Zonenlänge 41; einen Differenzverstärker 42, 44, 48 und 66; einen PID-Regler 43 und 60; einen Geschwindigkeitsdetektor 45; einen Geschwindigkeitsregler 46; einen Steuerkreis 47; einen Steller der Durchmesseränderung 53; einen Auswahlschalter 58 und 59; einen Wechselschaltkreis 62; einen Steller des Durchmessers der Schmelzflanke 64. Und die Vorrichtung zur Herstellung eines Halbleiterkristalls umfasst einen Oszillator 10; einen Motor mit einstellbarer Geschwindigkeit 22 und 26 zum Anheben und Absenken; einen Steller des Kegelbereichdurchmessers 51; und einen Steller des Durchmessers des geraden Hauptbereichs 52.
Ein hochfrequenter Strom wird vom Oszillator 10 der Induktionsheizspule 12 in der Vorrichtung zur Herstellung eines Halbleiter-Kristalls zugeführt und ein Teil des Halbleiterblocks 14, der als Rohmaterial dient, wird erhitzt und geschmolzen. Dadurch wird die Schmelzzone 20 zwischen einem Halbleiterblock 16 auf der geschmolzenen Seite und dem Halbleiterblock 18 auf der kristallisierten Seite gebildet.
Der Halbleiterblock 18 auf der kristallisierten Seite ist vertikal angeordnet und wird durch den Motor mit einstellbarer Geschwindigkeit 22 zum Anheben und Absenken mit einer Geschwindigkeit Vs nach unten bewegt. Der Halbleiterblock 18 auf der kristallisierten Seite wird auch durch einen Motor (nicht gezeigt) um seine Achse gedreht, so dass die Temperaturverteilung in der Umgebung einer Kristallisationsgrenze 24 zwischen dem Halbleiterblock 18 auf der kristallisierten Seite und der Schmelzzone 20 sich in Rotationssymmetrie befindet.
Auf der anderen Seite ist der Halbleiterblock 16 auf der geschmolzenen Seite ebenfalls vertikal angeordnet und wird durch den Motor mit einstellbarer Geschwindigkeit 26 zum Anheben und Absenken mit einer Geschwindigkeit Vp nach unten bewegt. Der Halbleiterblock 16 auf der geschmolzenen Seite wird auch durch einen Motor (nicht gezeigt) gedreht, so dass die Temperaturverteilung in der Umgebung einer Schmelzgrenze 28 zwischen dem Halbleiterblock 16 auf der geschmolzenen Seite und der Schmelzzone 20 rotationssymmetrisch ist.
Die Schmelzzone 20 und deren Umstände werden durch die gewerbliche Fernsehkamera 30 aufgezeichnet und die Videosignale hiervon werden zur Schaltung zur Bildverarbeitung 32 geleitet, so dass ein Durchmesser Ds an der Kristallisationsgrenze 24, ein Durchmesser Dn der Schmelzeinschnürung 36 auf der kristallisierten Seite der Schmelzzone 20, ein Durchmesser Dm der Schmelzflanke 34 auf der kristallisierten Seite zwischen der Schmelzeinschnürung 36 auf der kristallisierten Seite und der Kristallisationsgrenze 24, und eine Zonenlänge L gemessen werden.
Der Durchmesser der Schmelzeinschnürung Dn ist ein Durchmesser der Schmelze in einer Position in einer gegebenen Entfernung hn nach unten von der Oberfläche der unteren Seite der Induktionsheizspule 12. Der Durchmesser der Schmelzflanke Dm ist ein Durchmesser der Schmelze in einer Position in einer gegebenen Entfernung hm nach oben von der Kristallisationsgrenze. Die Zonenlänge L ist eine Entfernung zwischen der Oberfläche der Unterseite der Induktionsheizspule 12 und der Kristallisationsgrenze 24.
Der Durchmesser der Schmelzflanke Dm und der Durchmesser der Schmelzeinschnürung Dn werden als Längen von Rasterstrichen gemessen, die den jeweiligen Positionen entsprechen, die einen Wert der Helligkeitsamplitude aufweisen, der größer ist als der Standardwert auf dem Bildschirm. Zudem werden die Positionen der Kristallisationsgrenze 24 und der Oberfläche der Unterseite der Induktionsheizspule 12 als die Positionen gemessen, an denen die Helligkeitsamplitude in vertikaler Richtung der Rasterstriche sich scharf ändert. Des weiteren entsprechen die Entfernungen hn und hm den Entfernungen zwischen den Rasterstrichen, die der Oberfläche der Unterseite der Induktionsheizspule 12 und der Kristallisationsgrenze 24 entsprechen, und den Rasterstrichen, die sich in einer Entfernung von mehreren Strichen von den Rasterstrichen befinden, die der Oberfläche der Unterseite der Induktionsheizspule 12 bzw. der Kristallisationsgrenze 24 entsprechen. Die Entfernung hm beträgt vorzugsweise etwa 3 bis 5 mm.
Zum Beispiel kann durch Verwendung der Vorrichtung zur Herstellung eines Halbleiterkristalls, wie etwa in 1 gezeigt, das Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterkristalls gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden. Das Verfahren ist wie folgt: Ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterkristalls nach dem FZ-Verfahren, das mindestens umfasst: einen Schritt des Schmelzens und Bindens eines Halbleiterblocks, der als Rohmaterial dient, an einen Keimkristall; einen Schritt des Wachsens des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite mit der Erhöhung von dessen Durchmesser auf einen gewünschten Wert, um einen Kegelbereich zu bilden; einen Schritt des Wachsens des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite mit dem Regulieren von dessen Durchmesser, so dass dieser einem gewünschten Wert entspricht, um einen geraden Hauptbereich zu bilden; und einen Schritt des Beendens der Zufuhr des Rohmaterials und der Verringerung eines Durchmessers des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite, um den Halbleiterblock auf der kristallisierten Seite von einem Halbleiterblocks auf der geschmolzenen Seite zu trennen, wobei ein Schritt des automatischen Regulierens der Erhöhung oder Verringerung des Durchmessers des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite mit Zufuhr des Rohmaterials zumindest im Schritt der Bildung eines geraden Hauptbereichs durchgeführt wird. Ein Beispiel zur Durchführung des Verfahrens ist nachstehend beschrieben.
(Regulierung des Durchmessers)
Wie in der Veröffentlichung der geprüften japanischen Patentanmeldung Nr. H06-51598 , Nr. H06-51599 , Nr. H06-57630 und so weiter offenbart, weist der Durchmesser der Schmelzflanke Dm eine Korrelation mit einem Durchmesser nach einer gegebenen Zeit, das heißt dem Durchmesser des kristallisierten Kristalls Ds, auf. Und die rasche Reaktion und Stabilität der Regulierung wird durch das Regulieren des Durchmessers der Schmelzflanke Dm verbessert, um indirekt den Durchmesser des kristallisierten Kristalls Ds zu regulieren, anstelle des direkten Regulierens des Durchmessers des Kristalls der kristallisierten Seite Ds. Daher wird in der Vorrichtung zur Herstellung eines Halbleiterkristalls in 1 der Durchmesser der Schmelzflanke Dm reguliert, um indirekt den Durchmesser des kristallisierten Kristalls Ds zu regulieren.
Wenn im Schritt der Bildung eines geraden Hauptbereichs ein Durchmesser des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite so reguliert wird, dass er konstant ist, ändert sich der Durchmesser des kristallisierten Kristalls Ds des geraden Hauptbereichs nicht. Um einen Schritt des automatischen Regulierens der Erhöhung oder Verringerung eines Durchmessers des Halbleiterblocks 18 auf der kristallisierten Seite mit Zufuhr des Rohmaterials im Schritt der Bildung eines geraden Hauptbereichs auszuführen, wird daher folgendes Verfahren angewendet: eine Länge Y des Halbleiterblocks 18 auf der kristallisierten Seite wird an den Wechselstromkreis 62 geleitet und wenn die Länge einen gewünschten Wert erreicht, wird der Auswahlschalter 59 vom Steller des Durchmessers des geraden Hauptbereichs 52 zum Steller der Durchmesseränderung 53 umgeschalten.
Folglich wird im Schritt des automatischen Regulierens der Erhöhung oder Verringerung eines Durchmessers des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite der Durchmesser des kristallisierten Kristalls Ds als eine Funktion der Länge Y des Halbleiterblocks 18 auf der kristallisierten Seite im Steller der Durchmesseränderung 53 definiert, der ein Programmsteller ist. Die Länge Y des Halbleiterblocks 18 auf der kristallisierten Seite wird an den Steller der Durchmesseränderung 53 geleitet und ein Zieldurchmesser des kristallisierten Kristalls Dt, der dem Y entspricht, wird von dem Steller der Durchmesseränderung 53 an den Steller des Durchmessers der Schmelzflanke 64 geleitet. Die Länge Y des Halbleiterblocks 18 auf der kristallisierten Seite kann durch Integrieren der Absenkgeschwindigkeit Vs erhalten werden.
Der Steiler des Durchmessers der Schmelzflanke 64 gibt einen Zieldurchmesser der Schmelzflanke Dm0 aus, der um einen konstanten Wert geringer ist als der Zieldurchmesser des kristallisierten Kristalls Dt, den der Steller der Durchmesseränderung 53 liefert. Der Differenzverstärker 66 führt einen Vergleich zwischen einem gemessenen Durchmesser der Schmelzflanke Dmi, der von der Schaltung zur Bildbearbeitung 32 geliefert wird und dem Zieldurchmesser der Schmelzflanke Dm0, der von dem Steller des Durchmessers der Schmelzflanke 64 geliefert wird, durch und verstärkt das Vergleichsergebnis, um das verstärkte Ergebnis als Betriebssignal an den PID-Regler 60 zu leiten. Ein Ausgabesignal des PID-Reglers 60 wird an den Oszillator 10 geleitet. Der Umfang der elektrischen Leistungszufuhr P an die Induktionsheizspule 12 wird reguliert. Der Schmelzdurchmesser Dmi wird reguliert, so dass er einem Zielwert entspricht. Dadurch wird indirekt der Durchmesser des kristallisierten Kristalls Ds reguliert, so dass dieser einem Zielwert entspricht.
Im Folgenden wird die Regulierung des Durchmessers im Schritt der Bildung eines Kegelbereichs und so weiter kurz beschrieben.
Im Schritt der Bildung eines Kegelbereichs wird der Durchmesser des kristallisierten Kristalls Ds als eine Funktion der Länge Y des Halbleiterblocks 18 auf der kristallisierten Seite im Steller des Kegelbereichdurchmessers 51 definiert, der ein Programmsteller ist. Die Länge Y des Halbleiterblocks 18 auf der kristallisierten Seite wird an den Steller des Kegelbereichdurchmessers 51 geleitet und ein Zieldurchmesser des kristallisierten Kristalls Dc, der dem Y entspricht, wird vom Steller des Kegelbereichdurchmessers 51 an den Steller des Durchmessers der Schmelzflanke 64 geliefert. Die Länge Y des Halbleiterblocks 18 auf der kristallisierten Seite kann durch Integrieren der Absenkgeschwindigkeit Vs erhalten werden. Nachfolgende Prozesse zur Regulierung eines Durchmessers sind genauso wie beim Schritt des automatischen Regulierens der Erhöhung oder Verringerung eines Durchmessers des Halbleiterblocks 18 auf der kristallisierten Seite mit Zufuhr von Rohmaterial im Schritt der Bildung eines geraden Hauptbereichs.
Und in 1 werden Werte eines Zieldurchmessers eines geraden Hauptbereichs Db und eines gemessenen Durchmessers des kristallisierten Kristalls Dsi an den Wechselstromkreis 62 geleitet. Wenn Dsi gleich Db ist, wird der Auswahlschalter 59 aktiviert, um die Verbindung vom Steller des Kegelbereichdurchmessers 51 zum Steller des Durchmessers des geraden Kegelbereichs zu wechseln. Dadurch wird von der Regulierung eines gemessenen Durchmessers des kristallisierten Kristalls Dsi zur Regulierung in einem geraden Hauptbereich umgeschalten.
Im Schritt zur Bildung eines geraden Hauptbereichs gibt der Steller des Durchmessers der Schmelzflanke 64 einen Zieldurchmesser der Schmelzflanke Dm0 aus, der um einen konstanten Wert geringer ist als der Zieldurchmesser des geraden Hauptbereichs Db, der vom Steller des Durchmessers des geraden Hauptbereich geliefert wird. Daraufhin erfolgt die Regulierung des Durchmessers wie bei der oben erwähnten um den Durchmesser der Schmelze Dmi zu regulieren, so dass er einem konstanten Wert entspricht, wodurch indirekt der Durchmesser des kristallisierten Kristalls Ds reguliert wird, so dass dieser einem konstanten Wert entspricht.
(Regulierung der Zonenlänge)
Um den Durchmesser des kristallisierten Kristalls Ds zu regulieren, ist es zudem notwendig, die Zonenlänge L genau zu regulieren.
Wie in der Veröffentlichung der geprüften japanischen Patentanmeldung Nr. H06-51598 , Nr. H06-51599 , Nr. H06-57630 und so weiter offenbart, weist in diesem Zusammenhang der Durchmesser der Schmelzeinschnürung Dn eine Korrelation zu der Zonenlänge L nach einer gegebenen Zeit auf. Und es ist offenbart, dass die rasche Reaktion und Stabilität der Regulierung durch das Regulieren des Durchmessers der Schmelzeinschnürung Dn verbessert wird, um indirekt die Zonenlänge L zu kontrollieren, anstelle des direkten Regulierens der Zonenlänge L.
Im Schritt des automatischen Regulierens der Erhöhung oder Verringerung eines Durchmessers des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite mit Zufuhr von Rohmaterial im Schritt der Bildung eines geraden Hauptbereichs und im Schritt der Bildung eines Kegelbereichs ist jedoch eine Zielzonenlänge L0 nicht konstant sondern variabel und die Form der Schmelzzone 20 variiert. Dementsprechend variiert auch ein optimaler Wert für hn, um eine Messposition zu bestimmen, bzw. die Stabilität der Regulierung neigt dazu, verloren zu gehen. Aus dem oben dargelegten Grund wird in der vorliegenden Erfindung die Zonenlänge L direkt im Schritt des automatischen Regulierens der Erhöhung oder Verringerung eines Durchmessers des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite mit der Zufuhr von Rohmaterial im Schritt der Bildung eines geraden Hauptbereichs oder im Schritt der Bildung eines Kegelbereichs reguliert.
In der Vorrichtung zur Herstellung eines Halbleiterkristalls in 1 ist die zeitliche Regulierung des Wechsels an die zeitliche Regulierung des Durchmessers geknüpft. Das heißt, wenn die Regulierung des Durchmessers vom Schritt der Bildung eines Kegelbereichs zum Schritt der Bildung eines geraden Hauptbereichs umgeschalten wird, aktiviert der Wechselstromkreis 62 den Auswahlschalter 58, um die Regulierung von der direkten Regulierung der Zonenlänge zur direkten Regulierung der Abschnürung umzuschalten.
Wenn der Schritt darüber hinaus zum Schritt des automatischen Regulierens der Erhöhung oder Verringerung eines Durchmessers des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite mit Zufuhr von Rohmaterial im Schritt der Bildung eines geraden Hauptbereichs umgeschalten wird, aktiviert der Wechselstromkreis 62 den Auswahlschalter 58, um die Regulierung zur direkten Regulierung der Zonenlänge wieder umzuschalten.
In der Vorrichtung zur Herstellung eines Halbleiterkristalls in 1 ist der Steller der Zonenlänge 41 ein Programmsteller. Der Steller der Zonenlänge 41 reagiert auf einen Durchmesser der Schmelzflanke Dmi, der durch die Schaltung zur Bildverarbeitung 32 geliefert wird, und gibt die Zielzonenlänge 10 aus, die eine Funktion des Durchmessers der Schmelzflanke Dm ist. Ein Wert der Zielzonenlänge 10 wird in einem Bereich konstant gehalten, in dem ein konstanter Durchmesser bei der Bildung eines geraden Hauptbereichs beibehalten wird. Der Wert der Zielzonenlänge 10 wird jedoch nicht in einem Bereich konstant gehalten, in dem ein Durchmesser bei der Bildung eines geraden Hauptbereichs oder in einem Kegelbereich erhöht oder verringert wird. Der Grund warum der Wert der Zielzonenlänge 10 nicht konstant gehalten wird, ist folgender: ein Bereich, in dem ein Durchmesser bei der Bildung eines geraden Hauptbereichs oder eines Kegelbereichs erhöht oder verringert wird, wird unter unsteten Bedingungen mit einer Erhöhung des Durchmessers des kristallisierten Kristalls Dsi gezüchtet, und es ist notwendig, die Zielzonenlänge 10 entsprechend dem Durchmesser des kristallisierten Kristalls zu diesem Zeitpunkt zu ändern. Um das Tropfen der Schmelze oder die Bildung von Versetzungen in einem Kristall zu verhindern oder ein Problem, das ein Schmelzbereich abgetrennt wird ohne gehalten zu werden, ist es übrigens notwendig, den Wert der Zielzonenlänge 10 in einem geeigneten Bereich zu halten.
Die gemessene Zonenlänge Li wird von der Schaltung zur Bildverarbeitung 32 an den Differenzialverstärker 48 geleitet, um verglichen und verstärkt zu werden, und wird an den PID-Regler 43 geleitet. Der Differenzialverstärker 44 führt einen Vergleich zwischen einer Rotationsrate eines Motors mit einstellbarer Geschwindigkeit 26 zum Anheben und Absenken, die durch den Geschwindigkeitsdetektor 45 gemessen wird, und einer Ausgabe des PID-Reglers 43 durch und verstärkt das Vergleichsergebnis, um das verstärkte Ergebnis als Betriebsanweisung an den Geschwindigkeitsregler 46 zu leiten. Dadurch wird eine Rotationsrate des Motors mit einstellbarer Geschwindigkeit 26 zum Anheben und Absenken über den Steuerkreis 47 eingestellt, und die gemessene Zonenlänge Li wird reguliert, so dass sie der Zielzonenlänge 10 entspricht.
Andererseits stellt der Steller des Abschnürungsdurchmessers 40 den Zieldurchmesser der Schmelzabschnürung Dn0 in dem Fall, dass die Schmelzabschnürung Dn reguliert wird, um die Zonenlänge L indirekt im Schritt der Bildung eines geraden Hauptbereich zu regulieren. Der Differenzialverstärker 42 führt einen Vergleich zwischen dem gemessenen Durchmesser der Schmelzabschnürung Dni, der von der Schaltung zur Bildverarbeitung 32 geliefert wird, und dem Zieldurchmesser der Schmelzabschnürung Dn0, der von dem Steller des Abschnürungsdurchmessers 40 geliefert wird, durch und verstärkt das Vergleichsergebnis, um das verstärkte Ergebnis an den PID-Regler 43 zu leiten, Der Differenzialverstärker 44 führt einen Vergleich zwischen einer Rotationsrate des Motors mit einstellbarer Geschwindigkeit 26 zum Anheben und Absenken, die durch den Geschwindigkeitsdetektor 45 gemessen wird, und einer Ausgabe des PID-Reglers 43 durch und verstärkt das Vergleichsergebnis, um das verstärkte Ergebnis als Betriebsanweisung an den Geschwindigkeitsregler 46 zu leiten. Dadurch wird eine Rotationsrate des Motors mit einstellbarer Geschwindigkeit 26 zum Anheben und Absenken über den Steuerkreis 47 eingestellt, und der gemessene Durchmesser der Schmelzabschnürung Dni wird reguliert, so dass er dem Zieldurchmesser Dn0 entspricht. Dadurch wird die Zonenlänge L indirekt reguliert, so dass sie im Schritt der Bildung eines geraden Hauptbereichs einem gegebenen Wert entspricht.
Wie oben beschrieben wird der Zieldurchmesser des kristallisierten Kristalls Dt im Schritt der Bildung eines geraden Hauptbereichs bei einer gegebenen Länge Y des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite verändert, wodurch ein Schritt des automatischen Regulierens der Erhöhung oder Verringerung des Durchmessers Ds des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite mit Zufuhr des Rohmaterials durchgeführt werden kann. Übrigens wird in der obigen Ausführungsform die Regulierung des Durchmessers des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite durch Regulieren einer Zufuhrrate des Halbleitermaterialblocks, einem Umfang der elektrischen Leistungszufuhr zur Induktionsheizspule und der Zonenlänge L durchgeführt, Außerdem kann die Regulierung des Durchmessers durch Regulieren eines Motors mit einstellbarer Geschwindigkeit zum Anheben und Absenken durchgeführt werden, um eine Wachstumsrate des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite automatisch zu regulieren.
Wie oben beschrieben, kann durch die Durchführung eines Schritts der automatischen Regulierung der Erhöhung oder Verringerung eines Durchmessers eines Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite mit Zufuhr von Rohmaterial im Schritt der Bildung eines geraden Hauptbereichs die Arbeitsbelastung für die bedienenden Personen reduziert werden, und ein Halbleiterkristall, bei dem eine Form eines geraden Hauptbereichs des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite in eine gewünschte Form verändert wird, kann einfach und stabil hergestellt werden.
Wie oben beschrieben, kann in der vorliegenden Erfindung eine Form eines geraden Hauptbereichs des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite einfach und Leicht in eine gewünschte Form verändert werden. Daher können beispielsweise, wie nachstehend beschrieben, der Slipback und Kristallverluste reduziert werden. Außerdem kann folgendes Phänomen („Nasenüberstand”) unterdrückt werden: Die Schmelzbedingungen eines Halbleitermaterialblocks werden in der letzten Phase des Wachstums uneinheitlich und der Gussblock, der nicht ausreichend geschmolzen ist und restliches überstehendes Material aufweist, nähert sich der Induktionsheizspule. Zudem kann, wenn eine polykristalline Zwischenstufe als Halbleiterkristall gezüchtet wird, deren Kristall-Auslaufbereich in eine passende Form für einen gegebenen Kristallhalter gebracht werden. Des weiteren kann, wenn ein Schritt des automatischen Regulierens der Erhöhung oder Verringerung eines Durchmessers des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite mit Zufuhr des Rohmaterials an einem Punkt in der Mitte des Schritts der Bildung eines geraden Hauptbereichs durchgeführt wird, ein Halbleiterkristall mit unterschiedlichen Durchmessern einfach in einem Satz erhalten werden.
(Slip-Reduktion)
Im Folgenden wird ein Verfahren zur Reduzierung von Slipbacks und Kristallverlusten mit der Vorrichtung zur Herstellung eines Halbleiterkristalls aus 1 erklärt.
Bei der Kristallherstellung nach dem FZ-Verfahren variiert eine Länge eines Slips (einer Versetzung), der (die) erzeugt wird, wenn die Schmelze nach der Trennung eines Kristalls in einem Kristall-Auslaufbereich erstarrt, entsprechend den Ziehbedingungen, wie etwa Kristalldurchmesser, Wachstumsrate eines Kristalls und Kristallrotation. Insbesondere steigt eine Sliplänge mit größenwerdendem Kristalldurchmesser deutlich an. Während eine Sliplänge in einem Kristall mit einem Durchmesser von 4 Zoll (100 mm) 2 bis 3 cm beträgt, verdoppelt sich die Sliplänge grob und erreicht in einem Kristall mit einem Durchmesser von 5 Zoll (125 mm) 5 bis 7 cm. Die Kristallbereiche, in denen Slips entstehen, können natürlich nicht als Produkte verwendet werden und diese Bereiche werden zu Verlusten. Daher gilt: je größer ein Kristalldurchmesser wird, desto stärker steigen die Produktverluste.
Um die Produktverluste zu reduzieren, wird dementsprechend bevorzugt, den Schritt des automatischen Regulierens, um einen Durchmesser des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite mit Zufuhr von Rohmaterial zu verringern, am Ende des Schritts der Bildung eines geraden Hauptbereichs vor dem Schritt der Trennung des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite durchzuführen. Sliplängen können somit reduziert werden, indem das Kristallwachstum mit einer Verringerung eines Kristalldurchmessers fortgesetzt und graduell die Menge an Schmelze am Ende des Schritts der Bildung eines geraden Hauptbereichs verringert wird, und indem der Schritt der Trennung durchgeführt wird, wenn der Kristalldurchmesser ausreichend klein geworden Ist.
In diesem Fall wird bevorzugt, im Schritt des automatischen Regulierens den Durchmesser um 25 mm oder mehr automatisch zu verringern, um einen Durchmesser des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite mit Zufuhr von Rohmaterial zu verringern. Denn je stärker der Kristalldurchmesser verringert wird, desto stärker können Slipback und Produktverluste reduziert werden. Hierbei liegt ein Durchmesser eines Halbleiterblocks auf der geschmolzenen Seite, der üblicherweise als Rohmaterial dient, nahe an einem Zieldurchmesser eines Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite. Und wenn ein Kristalldurchmesser eines Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite auf einen extrem kleinen Durchmesser verringert wird, können aufgrund einer relativen Beziehung zum Durchmesser eines Halbleiterblocks auf der geschmolzenen Seite Phänomene wie das Tropfen von Schmelze, das Abtrennen von Schmelze und die Transformation von einem Einkristall zu einem Polykristall aufgrund der Entstehung von Versetzungen auftreten. Wenn solche Phänomene auftreten, können Sliplängen eher zunehmen. Daher ist ein Kristalldurchmesser eines Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite vorzugsweise groß genug, um Phänomene wie etwa das Tropfen von Schmelze, das Abtrennen von Schmelze und die Transformation von einem Einkristall zu einem Polykristall aufgrund der Entstehung von Versetzungen zu unterdrücken.
Außerdem können Produktverluste eher wieder ansteigen, wenn ein Kristall zu lange gezüchtet wird, um einen Kristalldurchmesser eines Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite zu verringern. Daher beträgt eine Wachstumslänge des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite während der Verringerung eines Durchmessers des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite im Schritt der automatischen Verringerung des Durchmessers des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite mit Zufuhr von Rohmaterial vorzugsweise 30 bis 40 mm. Und der Durchmesser der dabei verringert wird, beträgt vorzugsweise etwa 25 bis 30 mm, um Phänomene, wie etwa das Tropfen von Schmelze, das Abtrennen von Schmelze und die Transformation von einem Einkristall zu einem Polykristall aufgrund der Entstehung von Versetzungen, mit größerer Gewissheit zu unterdrücken.
Eine Form eines Kristalls während der Verringerung eines Kristalldurchmessers wird im Vorhinein in einem Steller der Durchmesseränderung festgelegt, beispielsweise als eine Funktion einer Länge Y eines kristallisierten Kristalls, wie in 2(a) und (b) gezeigt. Um eine große Veränderung der Schmelzbedingungen zu vermeiden, ist es wichtig, die Stabilität der Regulierung sicherzustellen. Und es wird bevorzugt, den Kristalldurchmesser linear ohne Wendepunkt zu verringern. Die Form kann jedoch exponentiell verringert werden.
Um das Kristallwachstum fortzusetzen und dabei mit größerer Gewissheit Phänomene wie etwa das Tropfen von Schmelze, das Abtrennen von Schmelze und die Transformation von einem Einkristall zu einem Polykristall aufgrund der Entstehung von Versetzungen zu unterdrücken beim Übergang zum Schritt des automatischen Regulierens, um einen Durchmesser des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite mit Zufuhr von Rohmaterial im Schritt der Bildung eines geraden Hauptbereichs zu verringern, wird bevorzugt, eine Kristallwachstumsrate um ungefähr 5 bis 20%, verglichen zum geraden Hauptbereich, zu erhöhen, um eine Zonenlänge zu halten, die ungefähr 7,5 bis 9 mm beträgt, und den Durchmesser der Schmelzeinschnürung innerhalb eines geeigneten Bereichs zu verringern.
Unter den oben erwähnten Bedingungen kann beispielsweise, wenn ein Silizium-Einkristall gezüchtet wird, ein FZ-Silizium-Einkristall, bei dem Sliplängen und Produktverluste reduziert sind, einfach erhalten werden.
(Reduktion des „Nasenüberstands”)
In der letzten Phase des Wachstums eines Halbleiterkristalls kann folgendes Phänomen auftreten: Die Schmelzbedingungen eines Halbleitermaterialblocks werden uneinheitlich und die Oberfläche der Schmelze des Gussblocks in Richtung der Wachstumsachse wird uneben. Insbesondere im Fall, dass ein Durchmesser eines Halbleiterblocks auf der geschmolzenen Seite größer ist als der eines Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite, im Fall dass eine Form eines Halbleitermaterialblocks irregulär ist, und so weiter, neigen die Schmelzbedingungen dazu, in der letzten Phase des Kristallwachstums uneinheitlich zu werden. Und aufgrund dieses Phänomens bildet sich ein Überhang, der „Nasenüberstand” genannt wird. Wenn der Überhang wächst, kann am Ende der Überhang eine Induktionsheizspule berühren, was zur Entladung der Spule führt, wodurch der ganze Prozess zum Stillstand kommen kann.
Es wird vermutet, dass der Überhang aus folgendem Grund entsteht: die Menge an Rohmaterial, die bereitgestellt wird, verringert sich und die Hitze, die bis dahin durch Wärmeleitung nach oben entwichen ist, wird nun im Rohmaterial gespeichert. Andererseits kann eine Menge mit geringerer elektrischer Leistung als vorher in der Schmelze gehalten werden und die elektrische Leistung, die der Induktionsheizspule zugeführt wird, sinkt allmählich. Dadurch bleiben einige Bereiche des Rohmaterials ungeschmolzen, obwohl die Menge an Schmelze erhalten bleibt.
Dieses Phänomen kann dadurch vermieden werden, dass ein Schritt des Regulierens durchgeführt wird, um einen Durchmesser eines Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite mit Zufuhr des Rohmaterials am Ende des Schritts der Bildung eines geraden Hauptbereichs zu erhöhen. So steigen die Zufuhrrate des Rohmaterials und der Durchmesser der Schmelzabschnürung auf der kristallisierten Seite in einer Schmelzzone an. Dadurch wird der Umfang der elektrischern Leistungszufuhr zur Induktionsheizspule konstant gehalten und die Schmelzbedingungen stabilisieren sich.
Daher kann gemäß dem Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterkristalls der vorliegenden Erfindung ein Schritt des automatischen Regulierens, um einen Durchmesser des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite mit Zufuhr von Rohmaterial zu erhöhen, im Schritt der Bildung eines geraden Hauptbereichs durchgeführt werden. Dadurch kann folgendes Phänomen einfach unterdrückt werden: Die Schmelzbedingungen eines Halbleitermaterialblocks werden in der letzten Phase des Wachstums uneinheitlich und der Gussblock, der nicht ausreichend geschmolzen ist und restliches überstehendes Material aufweist, nähert sich der Induktionsheizspule.
(Einstellung der Form des Auslaufbereichs)
Wie oben erwähnt, kann ein Auslaufbereich eines geraden Hauptbereichs des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite gemäß der vorliegenden Erfindung automatisch verbreitert oder geschmälert werden. Daher kann durch Anwendung dieses Verfahrens beispielsweise im Fall der Züchtung einer polykristallinen Zwischenstufe der Kristall-Auslaufbereich in eine passende Form für einen Halter gebracht werden, der die polykristalline Zwischenstufe anschließend hält, wenn die polykristalline Zwischenstufe als Halbleitermaterialblock verwendet wird, um einen Einkristall nach dem FZ-Verfahren zu bilden. Das heißt für den Fall, dass ein Durchmesser zu groß ist, kann der Durchmesser verringert werden, um gehalten zu werden, oder der Kristall-Auslaufbereich kann in eine gestufte Form gebracht werden, um einfach zu befestigen zu sein.
(Kristall mit geradem Hauptbereich mit mehreren Durchmessern)
Wie oben erwähnt, kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein Durchmesser eines Halbleiterkristalls auf der kristallisierten Seite mit Zufuhr von Rohmaterial automatisch erhöht oder verringert werden. Dieser Schritt kann natürlich nicht nur am Ende des Schritts der Bildung eines geraden Hauptbereichs durchgeführt werden, sondern auch an einem Punkt in der Mitte des Schritts der Bildung eines geraden Hauptbereichs. Daher kann durch Anwendung der vorliegenden Erfindung ein Durchmesser eines geraden Hauptbereichs zwischen der ersten Hälfte und der zweiten Hälfte des Schritts der Bildung eines geraden Hauptbereichs verändert werden. Natürlich ist die Anzahl unterschiedlicher Durchmesser bei der Bildung eines geraden Hauptbereichs nicht auf 2 beschränkt und 3 oder mehr Durchmesser können in einem geraden Hauptbereich gebildet werden. Beispielsweise kann ein Kristall mit einem Durchmesser von 150 mm in der ersten Hälfte und mit einem Durchmesser von 125 mm in der zweiten Hälfte gebildet werden. Dadurch kann der Slipback im Vergleich zur Bildung eines Kristalls mit nur einem Durchmesser von 150 mm reduziert werden. Außerdem können Kristalle entsprechend einer Bestellmenge gezüchtet werden und eine Bestellung geringer Menge kann in geeigneter Weise angenommen werden.
BEISPIEL
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung detailliert unter Bezugnahme auf ein Beispiel und ein Vergleichsbeispiel weiter erklärt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt.
(Beispiel 1)
{Mit Verringerung eines Durchmessers eines Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite durch automatische Regulierung am Ende des Schritts der Bildung eines geraden Hauptbereichs}
Mit der Vorrichtung zur Herstellung eines Halbleiterkristalls durch das FZ-Verfahren, wie in 1 gezeigt, wurde ein Silizium-Einkristall mit einem Durchmesser von 5 Zoll (125 mm) und einer <111> Orientierung hergestellt. Das heißt, der Silizium-Einkristall wurde wie folgt hergestellt: ein Halbleiterblock, der als Rohmaterial dient, wurde geschmolzen und an einen Keimkristall gebunden; ein Kegelbereich wurde durch Wachstum des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite gebildet, wobei dessen Durchmesser auf 5 Zoll (125 mm) erhöht wurde; ein gerader Hauptbereich wurde durch Wachstum des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite gebildet, wobei dessen Durchmesser reguliert wird, so dass er 5 Zoll (125 mm) beträgt; Trennen des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite von einem Halbleiterblock auf der geschmolzenen Seite, wobei die Zufuhr des Rohmaterials beendet wird und ein Durchmesser des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite verringert wird. Bei der Herstellung wurde ein Schritt der automatischen Regulierung durchgeführt, um einen Durchmesser des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite mit Zufuhr des Rohmaterials am Ende des Schritts der Bildung des geraden Hauptbereichs vor dem Schritt der Trennung des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite zu verringern. Dadurch wurde der Durchmesser von 5 Zoll (125 mm) auf 4 Zoll (100 mm) verringert. Zu diesem Zeitpunkt betrug die Wachstumslänge des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite während der Verringerung des Durchmessers des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite 4 cm.
Als Ergebnis wurde der Silizium-Einkristall ohne Probleme wie etwa das Tropfen von Schmelze oder die Transformation von einem Einkristall zu einem Polykristall hergestellt. Eine Sliplänge betrug 3,7 cm und das Gewicht an Kristallverlusten betrug 1530 g. Daher waren die Produktverluste extrem gering.
Außerdem wurde das Regulieren, um einen Durchmesser des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite am Ende des Schritts der Bildung eines geraden Hauptbereichs zu verringern, autamatisch durchgeführt. Daher war die Arbeitsbelastung für die bedienenden Personen gering und die Herstellung einfach.
Darüber hinaus wurde die Herstellung eines Silizium-Einkristalls, bei dem der Endbereich eines geraden Hauptbereichs wie in dem oben erwähnten Verfahren geschmälert wurde, zehnmal wiederholt. Diese Kristalle wurden mit großer Reproduzierbarkeit hergestellt.
(Vergleichsbeispiel 1)
{Ohne Verringerung eines Durchmessers eines Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite zur Bildung eines geraden Hauptbereichs}
Mit Ausnahme des Nichtdurchführens eines Schritts der automatischen Regulierung, um einen Durchmesser des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite mit Zufuhr des Rohmaterials im Schritt der Bildung eines geraden Hauptbereichs zu verringern, wurde ein Silizium-Einkristall wie in Beispiel 1 hergestellt.
Als Ergebnis betrug eine Sliplänge 5 bis 7 cm und das Gewicht an Kristallverlusten betrug durchschnittlich 2300 g. Daher waren die Produktverluste größer als die in Beispiel 1.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterkristalls nach dem FZ-Verfahren, das mindestens umfasst: einen Schritt des Schmelzens und Bindens eines Halbleiterblocks, der als Rohmaterial dient, an einen Keimkristall; einen Schritt des Wachsens des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite mit einer Erhöhung von dessen Durchmesser auf einen gewünschten Wert, um einen Kegelbereich zu bilden; einen Schritt des Wachsens des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite mit dem Regulieren von dessen Durchmesser, so dass dieser einem gewünschten Wert entspricht, um einen geraden Hauptbereich zu bilden; und einen Schritt des Beendens der Zufuhr des Rohmaterials und der Verringerung eines Durchmessers des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite, um den Halbleiterblock auf der kristallisierten Seite von einem Halbleiterblock auf der geschmolzenen Seite zu trennen, wobei ein Schritt des automatischen Regulierens der Erhöhung oder Verringerung eines Durchmessers des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite mit Zufuhr des Rohmaterials zumindest im Schritt der Bildung eines geraden Hauptbereichs durchgeführt wird, um den Halbleiterblock mit geradem Hauptbereich mit mehreren verschiedenen Durchmessern zu züchten.
Das Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterkristalls gemäß Anspruch 1, wobei der Schritt des automatischen Regulierens der Erhöhung oder Verringerung eines Durchmessers des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite mit Zufuhr des Rohmaterials am Ende des Schritts der Bildung eines geraden Hauptbereichs vor dem Schritt der Trennung des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite durchgeführt wird.
Das Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterkristalls gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei im Schritt des automatischen Regulierens der Erhöhung oder Verringerung eines Durchmessers des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite mit Zufuhr des Rohmaterials der Durchmesser des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite automatisch um 25 mm oder mehr verringert wird.
Das Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterkristalls gemäß einem der Ansprüche 1–3, wobei im Schritt des automatischen Kontrollierens der Erhöhung oder Verringerung eines Durchmessers des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite mit Zufuhr des Rohmaterials eine Wachstumslänge des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite während der Verringerung des Durchmessers des Halbleiterblocks auf der kristallisierten Seite 30 bis 40 mm beträgt.
Das Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterkristalls gemäß einem der Ansprüche 1–4, wobei der herzustellende Halbleiterkristall ein Silizium-Einkristall oder eine polykristalline Zwischenstufe ist.