DE102009027436B4

DE102009027436B4 - Verfahren zur Züchtung von Kristallen aus elektrisch leitenden Schmelzen, die in der Diamant- oder Zinkblendestruktur kristallisieren

Info

Publication number: DE102009027436B4
Application number: DE200910027436
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Czupalla Matthias; Dr. Kießling Frank-Michael; Dr. Klein Olaf; Ralph-Peter Lange; Dipl.-Kristallogr. Lux Bernd; Dipl.-Phys. Miller Wolfram; Prof. Dr. Rudolph Peter; Dipl.-Ing. Ziem Mario; Dr. Kirscht Fritz
Original assignee: CALISOLAR GmbH; Forschungsverbund Berlin FVB eV
Current assignee: CALISOLAR GmbH; Forschungsverbund Berlin FVB eV
Priority date: 2009-07-02
Filing date: 2009-07-02
Publication date: 2014-07-17
Anticipated expiration: 2029-07-03
Also published as: DE102009027436A1

Abstract

Verfahren zur Züchtung von Kristallen aus elektrisch leitenden Schmelzen, die in der Diamant- oder Zinkblendestruktur kristallisieren, wobei ein in <001>-Ziehrichtung orientierter Kristallkeim in die Schmelze (3) eingebracht wird, die in einem Tiegel (2) enthaltene Schmelze (3) beheizt, parallel zur Ziehrichtung Facettenwachstum der {110}-Flächen mit einer Facettenbreite d ausgelöst und der wachsende Kristall (1) aus der Schmelze (3) gezogen wird, wobei eine Querschnittsfläche des gezogenen Kristalls (1) senkrecht zur Ziehrichtung eine quadratische Form aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass radiale Temperaturgradienten unterhalb 10 K/cm erzeugt werden, indem mindestens zwei in vorgebbarer Richtung laufende magnetische Wanderfelder erzeugt und diese auf die Schmelze (3) zur Einwirkung gebracht werden, wobei (i) die Beheizung der Schmelze (3) und die Erzeugung der magnetischen Wanderfelder durch mindestens zwei kombinierte Heizer-Magnetfeld-Anordnungen (4, 6) ausgeführt wird, wobei die Beheizung und Erzeugung der mindestens zwei magnetischen Wanderfelder über eine Steuerung der Parameter Phasenwinkel, Frequenz und/oder Stromstärke eines eingespeisten Wechselstromes und/oder Gleichstromes ausgeführt wird; oder (ii) die Beheizung der Schmelze (3) und die Erzeugung der mindestens zwei magnetischen Wanderfelder voneinander getrennt mittels Heizeinrichtungen (13, 14) und mittels Magnetfeld-Anordnungen (4, 6) ausgeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Züchtung von Kristallen aus elektrisch leitenden Schmelzen, die in der Diamant- oder Zinkblendestruktur kristallisieren.
Silizium (Si) ist die wichtigste Substanz für Solarzellen. Germanium (Ge) ist als Substratmaterial für die Epitaxie photovoltaischer Mehrschichtanordnungen von wachsender Bedeutung. Galliumarsenid (GaAs) besitzt den höchsten photoelektrischen Wirkungsgrad, wird jedoch aus Kostengründen nur in Solarzellen für spezielle Anwendungen eingesetzt. Bekanntlich werden alle drei Materialien in einkristalliner Form, die den höchsten photovoltaischen Wirkungsgrad garantiert, mit dem Czochralski- bzw. LEC-Verfahren (Liquid Encapsulated Czochralski) aus der Schmelze gezogen, die in einem Tiegel innerhalb eines konzentrischen Heizers erzeugt wird. Gewöhnlich besitzen die damit gewonnenen Halbleiter-Kristalle eine zylindrische Form mit definiertem Durchmesser. Diese entsteht durch das Ziehen an einem in der Achse des konzentrischen Temperaturfeldes eingetauchten rotierenden Kristallkeims, wenn ein hinreichend hoher radialer Temperaturgradient vorliegt (Th. Wilke, J. Bohm, Kristallzüchtung, Dt. Vlg. D,. Wiss., Berlin 1988). Solch hohe Temperaturgefälle sind beim Czochralski- und LEC-Verfahren deshalb notwendig, um ein stabiles Kristallwachstum mit nahezu konstantem Durchmesser zu garantieren. Geringe Temperaturgradienten und deren Schwankungen auf Grund der unkontrollierten konvektiven Wärmebewegungen in der Schmelze würden schnell zu einer Durchmesserinstabilität mit Defektbildung und damit Nichtverwertbarkeit der Kristalle führen.
Die gezogenen zylindrischen Kristalle werden quer zur Ziehrichtung äquidistant in runde Wafer zerlegt. Für die Mikro- und Optoelektronik werden diese sodann in zahlreiche kleinflächige Mikrochips zerteilt, was zu keinem allzu großen Materialverlust führt. Dagegen ist die Gewinnung großflächiger quadratischer Wafer für Solarzellen aus einer zylindrischen Scheibe mit hohem Materialverlust behaftet. Standard-Solarwafer besitzen Kantenlängen von 125 mm bzw. 150 mm. Die dafür benötigten Scheiben- bzw. Kristalldurchmesser betragen 175 mm bzw. 200 mm respektive. Die bei der Waferformatierung abzutrennenden vier Kreissegmente machen pro Scheibe einen Materialverlust von ca. 10% aus. Umgerechnet auf Si-Kristalle mit einem Durchmesser von 200 mm, einer Länge von etwa 2 m und einem Gewicht von ca. 150 kg beträgt der Materialabfall ca. 15 kg pro Züchtungsvorgang. Die entsprechenden Verlustkosten werden auf den Solarzellenpreis aufgeschlagen. Ein wesentlicher ökonomischer Effekt kann erzielt werden, wenn die Kristalle von vornherein in einer rechteckigen Form mit quadratischem Querschnitt gezogen werden.
Bekannt sind verschiedene Formgebungsmechanismen, die den Schmelzmeniskus beim Ziehvorgang in eine gewünschte Querschnittsgeometrie zwingen (P. Rudolph, Profilzüchtung von Einkristallen, Akademie-Vlg., Berlin 1982). Dazu kann z. B. ein topfähnlicher nichtbenetzender Tauchkörper mit einer quadratischen Öffnung im Boden benutzt werden, aus der ein identisch geformter Meniskus austritt, wenn er leicht in die Schmelze gedrückt wird. Wenn dieser Meniskus angekeimt wird, kann daraus ein viereckiger Kristall mit quadratischem Querschnitt gezogen werden [Satschkov et al., lzv. AN SSSR, Ser. Fizicheskaja 33 (1969) 1996, 35 (1971) 461 und 37 (1973) 2288]. Nichtbenetzende Materialien sind für Silizium Bornitrid und für Germanium Bornitrid und Graphit, die jedoch die Schmelze kontaminieren, was eine Verwendung als Solarzellen-Material unmöglich machen kann. Von La Belle [Mat. Res. Bull. 6 (1971) 581] wird ein benetzender Formgeber (z. B. Graphit für Silizium) mit quadratischer Stirnseite (Plateau) und einer Kapillare im Zentrum verwendet, in der beim Eintauchen in die Schmelze diese auf Grund des kapillarattraktiven Effektes auf das Plateau austritt und sich wegen der Begrenzung durch die vier Plateaukanten ein quadratischer Meniskus ausbildet, aus dem dann wiederum ein viereckiger Kristall gezogen werden kann. Jedoch wird auch hier die Schmelze mit Kohlenstoff kontaminiert, was zur Siliziumkarbid-Partikelbildung führt, die in den Kristall eingebaut werden und in der Solarzelle zu Kurzschlüssen führen.
Chemisch reiner und ökonomisch günstiger ist eine berührungsfreie Formgebung des Meniskus, wie z. B. durch den elektromagnetischen Druck eines Hochfrequenzinduktors mit quadratischer Aussparung, so wie es beim floating-zone-Verfahren (ZF) von Si-Kristallen ohne Rotation erstmals von Artyschewski et al. praktiziert wurde [s. lzv. AN SSSR, Ser. Fizicheskaja 35 (1971) 469 und 37 (1973) 2271 u. 2275]. Nachteile ergeben sich bei diesem Verfahren aus der ZF-inhärenten Querschnittsbegrenzung sowie der Gefahr von Überschlägen der hochfrequenten Spannung an den Induktionsanschlüssen. Zudem erschwert die fehlende Rotation, wie auch bei den Formgeberverfahren, die Einhaltung einer thermischen Symmetrie und damit Formstabilität.
Bekannt ist das freie Wachstum vieler oxidischer Kristalle mit kristallographisch determiniertem Habitus aus wässrigen Lösungen. Unter bestimmten Milieubedingungen, wie sehr geringe Übersättigungen und Wachstumsraten sowie bestimmtem pH-Wert, wachsen sie in Form langgestreckter Polyeder mit quadratischem Querschnitt, wie z. B. KDP- oder ADP-Kristalle. Solche Polyeder werden von sogenannten singulären oder atomar glatten Flächen bzw. Facetten begrenzt, deren mikroskopische Wachstumsmode über zweidimensionale Flächenkeimbildung und anschließende ebene Stufenausbreitung abläuft (Th. Wilke, J. Bohm, Kristallzüchtung, Dt. Vlg. D,. Wiss., Berlin 1988). Bei hoher Perfektion bilden die so entstehenden Flächen einen rechteckigen Kristallkörper, der den konzentrischen Isothermeverläufen nicht mehr folgt. Halbleiterkristalle lassen sich nicht aus wässrigen Lösungen züchten. Ein Wachstum aus Schmelzlösungen ist nur für dünne Schichten praktizierbar, da die langsame Kristallisationsrate und komplizierte Abtrennung der Restschmelze keine ökonomisch sinnvolle Züchtung großer Kristalle ermöglicht.

Es ist bekannt, dass sich beim Czochralski- und LEC-Ziehprozess atomar glatt wachsende Flächen in Form von Facetten auf dem Kristallumfang bilden können. Bei Halbleitermaterialien mit Diamant- und Zinkblendestruktur sind dies v. a. {111}- und {110}-Flächen. Die Facettenbreite d ist eine indirekte Funktion des Temperaturgradienten gradT gemäß Gleichung (1)

d = (2ΔTR/gradT)^1/2 (1)

mit ΔT – maximale Unterkühlung einer Facette für die Bildung eines Flächenkeimes im Facettenzentrum und R – Kristallradius [J. C. Brice, J. Crystal Growth 6 (1970) 205]. In Tabelle 1 sind die gradT-Beträge abgeschätzt, die unterschritten werden sollten, um eine entsprechende Facettenbreite d bei einem gegebenen Schmelzpunkt-Isothermenradius R zu ermöglichen [es wird eine für Silizium übliche konstante Unterkühlung einer versetzungsfreien Facette von ΔT = 3 K angenommen; siehe: O. Weinstein, S. Brandon, J. Crystal Growth 268 (2004) 299]. Tabelle 1: maximal zulässiger radialer Temperaturgradient gradT zur Erzielung einer bestimmten Facettenbreite d für einen quadratischen Querschnitt bei gegebenem Durchmesser der Schmelzpunktisotherme ⌀ und konstantem Unterkühlungswert im Facettenzentrum ΔT = 3 K

Durchmesser der Schmelzpunktisotherme ⌀ [cm]	Facettenbreite d [cm] für quadrat. Querschnitt	erforderlicher radialer Temperaturgradient gradT [K/cm]
21,2 (≈ 8 Zoll)	15,0	0,28
17,6 (≈ 7 Zoll)	12,5	0,34
14,1 (≈ 6 Zoll)	10,0	0,42
7,1 (≈ 3 Zoll)	5,0	0,82

Wie aus Tabelle 1 zu sehen ist, sind die maximal zulässigen Temperaturgradienten äußerst gering (≤ 1 K/cm). Unter normalen Czochralskizüchtungsbedingungen sind die Temperaturgradienten um bis zu zwei Größenordnungen höher, was nur sehr geringe Facettenbreiten unter 1 mm bedingt, so dass nahezu zylindrische Kristallformen entstehen, die im Umfang den konzentrischen Isothermeverläufen folgen. Eine Züchtung nach dem konventionellen Czochralski-Prinzip in solch sehr geringen Temperaturgradienten wie in Tabelle 1 wäre ohne zusätzliche Maßnahmen nicht kontrollierbar, da die stochastischen Strömungen der natürlichen Auftriebskonvektion sehr schnell zum morphologischen Stabilitätsverlust führen würden. Deshalb existieren bisher zur standardmäßigen Czochralskizüchtung von Halbleiterkristallen mit quadratischem Querschnitt keine Angaben.
Grundsätzlich kann beim Czochralskiverfahren ein geringer radialer Temperaturgradient dadurch erzeugt werden, dass innerhalb des Hochdruckkessels der wachsende Kristall von einem weiteren inneren dichten Heißwandbehälter umgeben wird. Diese modifizierte Technik wurde bei der Züchtung von Verbindungshalbleitern [z. B. GaAs; Japanese patent 60-011299 (1983), Japanese patent 60-264390 (1984); US patent 5256381 (1993)] und BGO (Bi₄Ge₃O₁₂). Kristallen [Y. A. Borovlev et al., J. Crystal Growth 229 (2001) 305] angewendet. GaAs-Kristalle wiesen deutlich vergrößerte {110}-Facetten auf, die aber auf Grund der Temperaturfluktuationen in ihrer Breite sehr inhomogen waren [s. z. B. 2 in: K. Hashio et al. J. Crystal Growth 173 (1997) 33]. Eine zusätzliche Gradientenverringerung wird beim Verzicht der schlecht wärmeleitenden Boroxidabdeckschicht erzielt. Ein Abdampfen der flüchtigen Komponente (z. B. As) wird durch Gegendruckerzeugung im Innengefäß verhindert. Dieses Verfahren wird als „Vapour Pressure Controlled Czochralski” (VCz) – Variante ohne 6203 – Abdeckschicht bezeichnet [F.-M. Kiessling et al., J. Crystal Growth 269 (2004) 218]. In einer solchen Anordnung ist die deutliche Herausbildung der {110}-Flächen als natürliche rechteckige Kristallmantelbegrenzung bei <001>-Ziehrichtung entsprechend der o. g. Proportionalität d ~ (gradT)^–1 möglich. Tatsächlich gelang auf diese Weise das Ziehen kleiner kurzer GaAs-Kristalle mit quadratischem Querschnitt [s. in: M. Neubert, P. Rudolph, Progr. Crystal Growth Charact. Mat. 43, No. 2–3 (2001)119], deren Länge und morphologische Stabilität jedoch durch fehlende Maßnahmen zur Konstanthaltung des Wärmefeldes und insbesondere des radialen Temperaturgradienten sehr begrenzt sind.
Bekannt ist die stabilisierende Wirkung von Magnetfeldern auf die natürlichen Konvektionsflüsse in elektrisch leitenden Schmelzen [D. T. J. Hurle, R. W. Series in: D. T. J. Hurle (ed.), Handbook of Crystal Growth, Vol. 2a (Elsevier, North-Holland 1994) p. 259]. Von zunehmender Bedeutung sind magnetische Wanderfelder, die in einer vertikal übereinander angebrachten Spulenfolge mit mindestens zwei Spulensegmenten, die den Züchtungskessel umschließen, achsensymmetrisch erzeugt werden [z. B. A. Krauze et al., J. Crystal Growth 266 (2004) 40]. Von besonderem Vorteil sind sogenannte Heizer-Magnet-Module, die neben der für den Schmelzvorgang erforderliche Wärme gleichzeitig wandernde Magnetfelder erzeugen, da sie wegen ihrer Nähe zum Tiegel sehr effektiv und energiesparend sind [P. Rudolph, J. Crystal Growth 310 (2008) 1298; DE 101 02 126 ; US 5,571,320 ; DE 10 2007 020 239 ; DE 10 2007 028 547 ; DE 10 2007 028 548 ].
Ebenfalls bekannt ist, dass unter dem Boden eines Czochralski-Tiegels eine Heizspirale angeordnet werden kann, die bei gleichzeitiger Einspeisung eines Gleichstromes zur Wärmeerzeugung und eines Wechselstromes zur induktiven Einkopplung eines konstanten Magnetfeldes dient ( DE 196 52 543 A1 ). Ein magnetisches Wanderfeld wird unter Mitnutzung dieser einen Spirale in dieser Schrift nicht beschrieben.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Züchtung von Kristallen mit solcher Morphologie bereitzustellen, mit der Materialverlust bei der Wafer-Herstellung deutlich reduziert werden kann.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Züchtung von Kristallen aus elektrisch leitenden Schmelzen, die in der Diamant- oder Zinkblendestruktur kristallisieren, wobei ein in <001>-Ziehrichtung orientierter Kristallkeim in die Schmelze eingebracht wird, die in einem Tiegel enthaltene Schmelze beheizt, parallel zur Ziehrichtung Facettenwachstum der {110}-Flächen mit einer Facettenbreite d ausgelöst und der wachsende Kristall aus der Schmelze gezogen wird, wobei eine Querschnittsfläche des gezogenen Kristalls senkrecht zur Ziehrichtung eine quadratische Form aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass radiale Temperaturgradienten unterhalb 10 K/cm erzeugt werden, indem mindestens zwei in vorgebbarer Richtung laufende magnetische Wanderfelder erzeugt und diese auf die Schmelze zur Einwirkung gebracht werden, wobei

(i) die Beheizung der Schmelze und die Erzeugung der magnetischen Wanderfelder durch mindestens zwei kombinierte Heizer-Magnetfeld-Anordnungen ausgeführt wird, wobei die Beheizung und Erzeugung der mindestens zwei magnetischen Wanderfelder über eine Steuerung der Parameter Phasenwinkel, Frequenz und/oder Stromstärke eines eingespeisten Wechselstromes und/oder Gleichstromes ausgeführt wird; oder
(ii) die Beheizung der Schmelze und die Erzeugung der mindestens zwei magnetischen Wanderfelder voneinander getrennt mittels Heizeinrichtungen und mittels Magnetfeld-Anordnungen ausgeführt wird.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird der Züchtungsvorgang mit einer solchen magnetischen Wanderfeldkonfigurationen ausgeführt, mit der in freien Ziehprozessen aus der Schmelze ohne Zuhilfenahme spezieller zusätzlicher Formgeber, sehr geringe homogene radiale und zeitlich hochstabile Temperaturdifferenzen zwischen Tiegelwand und wachsendem Kristall erzeugt werden, so dass sich bei Diamant- und Zinkblendestruktur parallel zur <001>-Ziehrichtung die vier zueinander rechtwinklig orientierten {110}-Facetten gleich großer Breite ausbilden können und diese dem Kristall über seine gesamte Länge eine stabile polyedrische Form mit konstantem nahezu quadratischen Querschnitt verleihen.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung sind insbesondere für Züchtungsverfahren nach der Czochralski-, LEC- und der dampfdruckkontrollierten Czochralski-Methode (VCz) geeignet.
Infolge der Erzeugung mindestens zweier in vorgegebener Wanderrichtung laufende magnetischer Wanderfelder wird bewirkt, dass ein Lorentzkraftfeld in die Schmelze derart eingekoppelt wird, so dass unterhalb einer freien Oberfläche der Schmelze, im Bereich zwischen der Tiegelwand und dem wachsenden Kristall, rotierende Strömungsrollen (Strömungstoroide) gebildet werden und dadurch die für das Facettenwachstum erforderlichen sehr geringen radialen Temperaturgradienten erzeugt werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass radiale Temperaturgradienten unterhalb 1 K/cm erzeugt werden.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass Facettenwachstum der {110}-Flächen mit einer Facettenbreite d ausgelöst wird, wobei eine Querschnittsfläche des gezogenen Kristalls senkrecht zur Ziehrichtung eine (im Wesentlichen) quadratische Form aufweist.
Die durch das erfindungsgemäße Verfahren gezüchteten Kristalle weisen eine von der üblichen zylindrischen Form mit kreisrundem Querschnitt abweichende Morphologie auf. Sie besitzen einen im Wesentlichen quadratischen Querschnitt. Dieser Querschnitt erlaubt die Materialeinsparungen, wenn kreisrunde Wafer aus dem gezüchteten „quadratischem” Material herausgeschnitten werden.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass in der Schmelze ein von oben nach unten verlaufendes oder ein von unten nach oben verlaufendes magnetisches Wanderfeld erzeugt wird und ein von innen nach außen oder von außen nach innen verlaufendes magnetisches Wanderfeld erzeugt wird.
Mit der Formulierung „von oben nach unten” bzw. „von unten nach oben” wird die Wander-Richtung des magnetischen Wanderfeldes, beginnend an der Oberfläche der Schmelze zum Tiegelboden hin verlaufend bzw. umgekehrt beschrieben. Die Bezeichnung „von innen nach außen oder von außen nach innen” beschreibt die Wanderrichtung des Magnetfeldes beginnend im Bereich der Mitte des Tiegels in Tiegelbodennähe zum Rand des Tiegels hin verlaufend.
Vorzugsweise werden zwei magnetische Wanderfelder mit definierter Wanderrichtung erzeugt und auf die Schmelze zur Einwirkung gebracht.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Beheizung der Schmelze und die Erzeugung der magnetischen Wanderfelder durch mindestens zwei kombinierte Heizer-Magnetfeld-Anordnungen ausgeführt wird, wobei die Beheizung und Erzeugung der mindestens zwei magnetischen Wanderfelder über eine Steuerung der Parameter Phasenwinkel, Frequenz und/oder Stromstärke eines eingespeisten Wechselstromes und/oder Gleichstromes ausgeführt wird.
Alternativ ist vorgesehen, dass die Beheizung der Schmelze und die Erzeugung der mindestens zwei magnetischen Wanderfelder voneinander getrennt mittels Heizeinrichtungen und mittels Magnetfeld-Anordnungen ausgeführt wird.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der magnetischen Wanderfelder jeweils eine Frequenz im Bereich von 5 bis 1000 Hz sowie ein Phasenwinkel im Bereich von 1 bis 120° eingestellt wird.
Für die Erzeugung der magnetischen Wanderfelder wird vorzugsweise eine Frequenz im Bereich von 250 bis 450 Hz und ein Phasenwinkel von 90 bis 110° eingestellt. Die Wahl der Parameter wird jeweils gleich gewählt, d. h. werden zwei magnetische Wanderfelder erzeugt, dann werden vorzugsweise jeweils dieselben Werte für Frequenz und Phasenwinkel in den in den Magnetfeldanordnungen eingestellt. Möglich sind jedoch auch unterschiedliche Parametereinstellungen.
In einer nächsten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass zur Erzeugung der magnetischen Wanderfelder die Steuerung der Parameter Phasenwinkel, Frequenz und/oder Stromstärke eines eingespeisten Wechselstromes und/oder Gleichstromes zeitlich konstant oder zeitlich variierbar ausgeführt wird.
Die Parametereinstellungen können beispielsweise über geeignete Computerprogramme vorgenommen werden. Die Parameter können während des Züchtungsvorganges sowohl konstant gehalten als auch zeitlich veränderbar programmiert werden.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass zwei magnetische Wanderfelder erzeugt werden, die aufeinander zulaufen, wobei ein die Schmelze von oben nach unten durchlaufendes Magnetfeld erzeugt und ein weiteres nach außen zur Tiegelwand hin verlaufendes Magnetfeld erzeugt wird.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass zwei magnetische Wanderfelder erzeugt werden, die voneinander weglaufen, wobei ein die Schmelze von unten nach oben durchlaufendes Magnetfeld erzeugt und ein weiteres nach innen zur Tiegelachse hin verlaufendes Magnetfeld erzeugt wird.
In einer nächsten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass ein elektrischer Gleichstrom durch Schmelze, Phasengrenze und Kristall eingespeist wird.
Zur Stabilisierung des Facettenwachstums kann ein elektrischer Gleichstrom durch Schmelze, Phasengrenze und Kristall geschickt werden.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass im Falle der Züchtung von Verbindungshalbleiterkristallen eine Einrichtung zur Verringerung der Temperaturgradienten eingebracht wird.
Die Einrichtung wird bei der Züchtung von beispielsweise GaAs-Halbleiterkristallen nach dem dampfdruckkontrollierten Czochralski-Verfahren (VCz) eingebracht.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Tiegel während des Ziehvorganges mit einer vorgebbaren Geschwindigkeit rotiert.
Das Züchtungsverfahren wird beispielsweise mit einem zylinderförmigen Tiegel zur Aufnahme der Schmelze ausgeführt. Der Tiegel rotiert mit definierter Geschwindigkeit, was zur Stabilisierung und Beeinflussung der thermischen Konvektionsströme erforderlich ist. Die Rotation des Tiegels (wie auch des Kristalles) bei der Schmelzzüchtung ist grundsätzlich unverzichtbar, da sie dem Ausgleich thermischer Asymmetrien dient. Die Rotationsrate des Tiegels kann nach einem vorgegebenem Programm während des Ziehvorganges ab- oder zunehmen. Bei Einsatz eines zylindrischen Tiegels mit kreisrundem Tiegelboden wird eine zylinderförmige Heizer-Magnetanordnung bzw. Heizeinrichtung verwendet.
Schließlich ist in einer anderen bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass der Tiegel während des Ziehvorganges nicht rotiert.
In diesem Fall wird zur Aufnahme der Schmelze ein Tiegel mit einer quadratischen Bodenfläche verwendet, der von einer quadratischen Heizer-Magnet-Anordnung bzw. Magnetfeld- und Heizer-Anordnung seitlich umgeben wird.
Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeingte Vorrichtung sieht vor, dass die Einrichtung einen geschlossenen Behälter, eine Quelle zur Erzeugung eines Gegendampfdruckes und eine Zusatzheizeinrichtung umfasst.
Die Einrichtung ist für die Züchtung von Verbindungshalbleiterkristallen, z. B. GaAs-Kristallen, nach der dampfdruckkontrollierten Czochralski-Methode (Vapour Pressure Controlled Czochralski, VCz) vorgesehen. Bei der Züchtung von GaAs tritt das Problem auf, dass die Komponente Arsen sich während des Prozesses verflüchtigt. In die Züchtungsapparatur wird ein geschlossener Behälter mit einer Arsenquelle und einer zusätzlichen Heizeinrichtung für diese Quelle eingebracht. Das sich verflüchtigende Arsen sammelt sich an der kältesten Stelle im Behälter. Die Arsenquelle wird an dieser Stelle des Behälters angebracht und Arsen zum Ausgleich dem Züchtungsprozess wieder zugeführt. Auf diese Weise wird eine Kontrolle der flüchtigen Komponente (Arsen) in der Schmelze und damit die Kontrolle der Zusammensetzung der Schmelze erreicht.
Die Züchtung von GaAs-Kristallen ist dann auch ohne Boroxid-Abdeckschmelze möglich. Vorteilhafterweise lassen sich bei Züchtung ohne Boroxid-Abdeckschmelze Bor-Verunreinigungen im Kristall vermeiden.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung sieht vor, dass die Einrichtung als eine am Tiegel angeordnete Ummantelung ausgeführt ist.
Im einfachsten Fall genügen zur Verringerung der Temperaturgradienten Isolationsummantelungen um den Tiegel.
In einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung ist vorgesehen, dass der Behälter und die Ummantelung aus Keramik oder Graphit gebildet sind.
In einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung ist vorgesehen, dass die den Tiegel seitlich umschließende Mehrspulen-Anordnung als kombinierte Heizer-Magnetfeld-Anordnung oder als Magnetfeld-Anordnung mit mindestens zwei übereinander angeordneten Spulen-Segmenten ausgeführt ist, wobei das mindestens eine Spulen-Segment mindestens eine Windung aufweist.
Die Beheizung der Schmelze kann durch eine separate Graphitheizeinrichtung übernommen werden, die um die Spulenanordnung zur Erzeugung der magnetischen Wanderfelder herum angeordnet ist. Eine weitere Graphitheizeinrichtung befindet sich dann unterhalb der am Tiegelboden angeordneten Spulenanordnung. Die Magnetfeldspulen sind in dieser Anordnungsvariante autark zu den Heizerspulen/Heizerspiralen ausgeführt. Möglich ist auch, dass die Heizeinrichtung innerhalb der Magnetspulen angeordnet ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung ist vorgesehen, dass die unterhalb des Tiegels angeordnete Spulen-Anordnung aus mindestens einem Spulen-Segment mit mindestens einer Windung gebildet ist.
Eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung sieht vor, dass die Windungen des mindestens einen Spulensegmentes ineinander angeordnet sind.
In einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung ist vorgesehen, dass eine von den Spulen-Segmenten der Mehrspulen-Anordnung und Spulen-Anordnung umschlossene Fläche eine quadratische oder kreisrunde Form aufweist.
Die Mehrspulenanordnung besteht gewöhnlich aus mindestens zwei übereinander angeordneten zylinderförmigen Spulen. Zur Magnetfelderzeugung kann auch eine Spulenkonfiguration von übereinander angeordneten Spulen, deren umschlossene Fläche eine quadratische oder eine andere geometrische Form aufweist, herangezogen werden.
Schließlich ist in einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung vorgesehen, dass die Windungen der Spulen-Segmente spiralförmig oder mäanderförmig verlaufen und eine quadratische oder runde Querschnittsfläche aufweisen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen und Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen
1 eine vereinfachte und schematische Darstellung der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 eine Darstellung berechneter Verläufe der Lorentzkraftdichten in der Schmelze für den Fall zwei aufeinander zulaufender magnetischer Wanderfelder,
3 eine Darstellung der Strömungsrollen in der Schmelze für den Fall zwei aufeinander zulaufender magnetischer Wanderfelder gemäß 2,
4 eine vereinfachte und schematische Darstellung einer Ausführungsvariante der Vorrichtung mit zwei kombinierten Heizer-Magnetfeldanordnungen,
5 eine schematische Darstellung einer am Tiegelboden angeordneten Spulen-Anordnung,
6 eine vereinfachte und schematische Darstellung einer Ausführungsvariante der Vorrichtung mit einer Einrichtung zur Verringerung der Temperaturgradienten und
7 eine vereinfachte und schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsvariante der Vorrichtung mit einer Einrichtung zur Verringerung der Temperaturgradienten.
1 zeigt eine vereinfachte und schematische Darstellung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dargestellt sind ein eine Schmelze 3 enthaltener Tiegel 2, der von einer Mehr-Spulen-Anordnung 4 mit drei übereinander angeordneten Spulen mit jeweils drei Windungen 17 und einer Seitenheizeinrichtung 13 seitlich umschlossen ist. Am Tiegelboden 2b sind eine weitere Spulen-Anordnung 6 mit ineinander liegenden Spulenwindungen und ein Bodenheizer 14 angeordnet. Ferner ist ein wachsender Kristall 1 dargestellt. Bezugszeichen 5 kennzeichnet den Kristallumfang des Kristalls 1, der die Facettenbreite d aufweist.
Mit Hilfe der den Tiegel 2 seitlich umschließenden Mehr-Spulen-Anordnung 4 und der am Tiegelboden 2b angeordneten Spulen-Anordnung 6 werden wandernde Magnetfelder erzeugt, die auf die Schmelze 3 zur Einwirkung gebracht werden. Die jeweilige Wander-Richtung der wandernden Magnetfelder sind durch die Pfeile 18 und 19 angedeutet. In der Mehr-Spulen-Anordnung 4 wird ein von oben nach unten wanderndes Magnetfeld und in der Spulen-Anordnung 6 ein von innen nach außen, d. h. von einer Tiegelachse 2c nach außen zur Tiegelwand 2a wanderndes Magnetfeld erzeugt. Die Beheizung der Schmelze erfolgt durch die Seitenheizeinrichtung 13 und durch die Bodenheizeinrichtung 14.
In 2 sind – durch Pfeile symbolisiert – berechnete Verläufe der Lorentzkraftdichten in der Schmelze 3 dargestellt. Abgebildet ist eine Hälfte des Tiegels 2. 2 zeigt den Fall, dass zwei magnetische Wanderfelder erzeugt werden und diese aufeinander zulaufen. Frequenz und Phasenwinkel sind so gewählt, dass die Hauptrichtung der Lorentzkraft von der unteren Tiegelwand 2a in Richtung Peripherie des wachsenden Kristalls 1 zeigt, um eine hohe Temperaturstabilität zu erzeugen.
3 zeigt eine Darstellung der Querschnitte der sich bildenden Strömungsrollen 16a, 16b bzw. Strömungstoroiden 16a, 16b in der Schmelze 3 für den Fall, dass zwei aufeinander zulaufende magnetische Wanderfelder gemäß 2 erzeugt werden. Dargestellt ist wiederum eine Hälfte des Tiegels 2. Eingezeichnet ist eine Haupt-Lorentzkraftkomponente 20. Die stabilen Strömungstoroide 16a, 16b werden durch die magnetischen Wanderfelder im Bereich zwischen Tiegelwand 2a und Kristall 1 unterhalb einer freien Oberfläche 7 der Schmelze 3 erzeugt, wobei der obere Strömungstoroid 16a eine sehr hohe Flussrate besitzt und dadurch die Temperatur zwischen Tiegelwand 2a und wachsendem Kristall 1, als Voraussetzung für eine breite Facettenausbildung, homogenisiert.
In 4 ist eine vereinfachte und schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsvariante der Vorrichtung mit zwei kombinierten Heizer-Magnetfeldanordnungen 4, 6 dargestellt.
In dieser Ausführungsvariante werden sowohl die Beheizung als auch die Erzeugung der wandernden Magnetfelder durch die als Mehr-Spulenanordnung aufgebaute Heizer-Magnetfeldanordnung 4 und der am Tiegelboden 2b angeordneten Spulen-Anordnung 6 vorgenommen. Die Richtung der erzeugten magnetischen Wanderfelder ist durch Pfeile 18, 19 dargestellt.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer am Tiegelboden 2b angeordneten Spulen-Anordnung 6. Die Spulen-Anordnung 6 besteht aus einem Spulensegment, deren Windungen 17 ineinander angeordnet sind. Eine die Spulenanordnung umschließende Fläche bildet einen quadratischen Querschnitt.
In 6 ist eine vereinfachte und schematische Darstellung einer Ausführungsvariante der Vorrichtung für die Züchtung von Verbindungshalbleiterkristallen dargestellt. Die Vorrichtung nach 6 weist eine Einrichtung 15 zur Verringerung der Temperaturgradienten auf. Die Einrichtung 15 umfasst einen den Tiegel 2 und den wachsenden Kristall 1 vollständig umschließenden Behälter 9, ferner eine Quelle 11 zur Erzeugung eines Gegendampfdruckes und eine Zusatzheizeinrichtung 12 zur Beheizung der Quelle 11.
7 zeigt eine vereinfachte und schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsvariante der Vorrichtung für die Züchtung von Verbindungshalbleiterkristallen. Zur Verringerung der Temperaturgradienten ist hier – alternativ zur Einrichtung 15 – eine am Tiegel angeordnete Ummantelung 8 vorgesehen.
Die Erfindung wird in zwei Ausführungsbeispielen erläutert.
Beispiel 1
Ein polyedrischer versetzungsarmer Siliziumeinkristall 1 mit quadratischem Querschnitt wird in <001>-Ziehrichtung gezogen, der von seinen vier kristallographischen {110}-Facetten mit Kantenlängen 6 cm begrenzt wird. Der 6-Zoll-Schmelztiegel 2 wird von einer aus Graphit gefertigten Heizer-Magnet-Anordnung 4, 6 umgeben, die aus drei übereinanderliegenden Seitenspulensegmenten und zwei in Reihe geschalteten Spiralen 6 unter dem Tiegelboden 2b besteht. Die elektrische Verschaltung erfolgt so, dass ein von oben nach unten laufendes magnetisches Wanderfeld in den Seitenspulen und ein weiteres von innen nach außen laufendes in den Bodenspiralen erzeugt wird. Bei hinreichend hoher gleicher Feldfrequenz und gleichem Phasenversatz beider Teilfelder liegt ihr gemeinsamer Stoßpunkt an der Peripherie des Tiegelbodens, wodurch eine Haupt-Lorentzkraftkomponente 20 in die Schmelze 3 eingekoppelt wird, die von der Tiegelbodenperipherie schräg nach oben zum Mantel des wachsenden Kristalls gerichtet ist (2). Da diese Kraft rotationssymmetrisch generiert wird, entsteht ein stabiler Kraftschirm, der die Strömungsrollen 16a, 16b unter der Schmelzoberfläche 7 von den unter der Phasengrenze stattfindenden Auftriebsströmungen separiert. Im vorliegenden Beispiel wurden eine Felderfrequenz von 300 Hz und ein Phasenwinkel von 90° eingestellt. Die Kristallziehrate betrug 30 mm/h, die Keimrotation 4 U/min und die entgegengesetzt verlaufende Tiegelrotation 15 U/min. Entsprechend den Resultaten der numerischen Modellierung entstehen bei einer solchen Konfiguration unter der Schmelzoberfläche 7 sehr stabile, nach außen hin sehr schnell rotierende Strömungsrollen 16a, 16b mit Fließgeschwindigkeiten um 10 cm/s (3), die eine homogene, sehr stabile Temperaturverteilung mit nahezu verschwindender Temperaturdifferenz zwischen Tiegelwand 2a und besonders am Rande des Kristalls 1 ausprägt (3). Dies stellt eine sehr günstige Bedingung zur Herausbildung von Facetten der Breite d entsprechend dem oben beschriebenen Wachstumsmechanismus dar. Der so gezogene Kristall 1 weist einen konstanten quadratischen Querschnitt mit vier Kanten der Breite d = 6 cm über eine Länge von 10 cm auf.
Beispiel 2:
Es wird ein GaAs-Kristall mit quadratischem Querschnitt in einer VCz-Anordnung ohne Boroxidabdeckung in einem diesmal nur aus drei Seitenspulen bestehenden spiralförmigen Graphitheizer gezogen. Zur Erzeugung eines die Schmelzströmungen stabilisierenden Lorentzkraftfeldes wird der Heizer ausschließlich mit Wechselstrom einer Frequenz von 400 Hz und einem Phasenwinkel von 110° betrieben. Die Lorentzkraftdichteverteilung dämpft die natürliche Auftriebskonvektion und verringert den radialen Temperaturgradienten, welche Ursache für das quadratische Wachstum sind. Der Kristall wird mit 6 mm/h bei 6 Umdrehungen pro Minute und einer entgegengesetzt eingestellten Tiegelrotation von –25 U/min gezogen. Diese Bedingungen erlauben ein facettiertes Wachstum mit Kantenlängen bis zu 5 cm bei einer Kristalllänge von 5 cm.
Bezugszeichenliste

1: Kristall
2: Tiegel
2a: Tiegelwand
2b: Tiegelboden
2c: Tiegelachse
3: Schmelze
4: Mehrspulen-Anordnung
5: Kristallumfang/Kristallmantel
6: Spulen-Anordnung
7: freie Oberfläche der Schmelze
8: Ummantelung
9: Behälter
10: Züchtungskessel
11: Quelle
12: Zusatzheizeinrichtung
13: Seitenheizeinrichtung
14: Bodenheizeinrichtung
15: Einrichtung
16: Strömungsrollen
17: Windungen der Spulensegmente
18: Richtung magnetisches Wanderfeld
19: Richtung magnetisches Wanderfeld
20: Richtung Haupt-Lorentzkraftkomponente
d: Facettenbreite

Claims

Verfahren zur Züchtung von Kristallen aus elektrisch leitenden Schmelzen, die in der Diamant- oder Zinkblendestruktur kristallisieren, wobei ein in <001>-Ziehrichtung orientierter Kristallkeim in die Schmelze (3) eingebracht wird, die in einem Tiegel (2) enthaltene Schmelze (3) beheizt, parallel zur Ziehrichtung Facettenwachstum der {110}-Flächen mit einer Facettenbreite d ausgelöst und der wachsende Kristall (1) aus der Schmelze (3) gezogen wird, wobei eine Querschnittsfläche des gezogenen Kristalls (1) senkrecht zur Ziehrichtung eine quadratische Form aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass radiale Temperaturgradienten unterhalb 10 K/cm erzeugt werden, indem mindestens zwei in vorgebbarer Richtung laufende magnetische Wanderfelder erzeugt und diese auf die Schmelze (3) zur Einwirkung gebracht werden, wobei (i) die Beheizung der Schmelze (3) und die Erzeugung der magnetischen Wanderfelder durch mindestens zwei kombinierte Heizer-Magnetfeld-Anordnungen (4, 6) ausgeführt wird, wobei die Beheizung und Erzeugung der mindestens zwei magnetischen Wanderfelder über eine Steuerung der Parameter Phasenwinkel, Frequenz und/oder Stromstärke eines eingespeisten Wechselstromes und/oder Gleichstromes ausgeführt wird; oder (ii) die Beheizung der Schmelze (3) und die Erzeugung der mindestens zwei magnetischen Wanderfelder voneinander getrennt mittels Heizeinrichtungen (13, 14) und mittels Magnetfeld-Anordnungen (4, 6) ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass radiale Temperaturgradienten unterhalb 1 K/cm erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schmelze (2) ein von oben nach unten verlaufendes oder ein von unten nach oben verlaufendes magnetisches Wanderfeld erzeugt wird und ein von innen nach außen oder von außen nach innen verlaufendes magnetisches Wanderfeld erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der magnetischen Wanderfelder jeweils eine Frequenz im Bereich von 5 bis 1000 Hz sowie ein Phasenwinkel im Bereich von 1 bis 120° eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der magnetischen Wanderfelder die Steuerung der Parameter Phasenwinkel, Frequenz und/oder Stromstärke eines eingespeisten Wechselstromes und/oder Gleichstromes zeitlich konstant oder zeitlich variierbar ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei magnetische Wanderfelder erzeugt werden, die aufeinander zulaufen, wobei ein die Schmelze (3) von oben nach unten durchlaufendes Magnetfeld erzeugt und ein weiteres nach außen zur Tiegelwand (2a) hin verlaufendes Magnetfeld erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei magnetische Wanderfelder erzeugt werden, die voneinander weglaufen, wobei ein die Schmelze (3) von unten nach oben durchlaufendes Magnetfeld erzeugt und ein weiteres nach innen zur Tiegelachse (2c) hin verlaufendes Magnetfeld erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Gleichstrom durch Schmelze (3), Phasengrenze und Kristall (1) eingespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle der Züchtung von Verbindungshalbleiterkristallen eine Einrichtung (15) zur Verringerung der Temperaturgradienten eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiegel (2) während des Ziehvorganges mit einer vorgebbaren Geschwindigkeit rotiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiegel (2) während des Ziehvorganges nicht rotiert.