DE102010040464A1

DE102010040464A1 - Verfahren zur Herstellung eines versetzungsfreien einkristallinen Stabes aus Silicium

Info

Publication number: DE102010040464A1
Application number: DE201010040464
Authority: DE
Inventors: Kurt BONAUER-KLEPP
Original assignee: Wacker Chemie AG
Current assignee: Wacker Chemie AG
Priority date: 2010-09-09
Filing date: 2010-09-09
Publication date: 2012-03-15

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines versetzungsfreien einkristallinen Stabes aus Silicium, umfassend kontinuierliches Aufschmelzen eines polykristallinen Stabes, Animpfen des schmelzflüssigen Materials mit einem einkristallinen Impflingskristall und anschließende Rekristgekennzeichnet, dass ein Durchmesser des einkristallinen Stabs 10 bis 35 mm beträgt, beim Animpfen der Impflingskristall nicht geheizt wird und zu Beginn des Einkristallwachstums kein Dünnhals gezogen wird.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines versetzungsfreien einkristallinen Stabes aus Silicium.
Als Ausgangsmaterial bei der Herstellung von einkristallinem Silicium mittels Tiegelziehen (Czochralski- oder CZ-Verfahren)- oder mittels Zonenschmelzen (Floatzone- oder FZ-Verfahren) dient polykristallines Silicium (kurz: Polysilicium). Das einkristalline Silicium wird in Scheiben (Wafer) zertrennt und nach einer Vielzahl von mechanischen, chemischen und chemomechanischen Bearbeitungen in der Halbleiterindustrie zur Fertigung von elektronischen Bauelementen (Chips) verwendet.
Insbesondere wird aber polykristallines Silicium in verstärktem Maße zur Herstellung von ein- oder multikristallinem Silicium mittels Zieh- oder Gieß-Verfahren benötigt, wobei dieses ein- oder multikristalline Silicium zur Fertigung von Solarzellen für die Photovoltaik dient.
Das polykristalline Silicium wird üblicherweise mittels des Siemens-Prozesses hergestellt. Dabei werden in einem glockenförmigen Reaktor („Siemens-Reaktor”) dünne Filamentstäbe aus Silicium durch direkten Stromdurchgang erhitzt und ein Reaktionsgas enthaltend eine Silicium enthaltende Komponente und Wasserstoff wird eingeleitet.
Daneben ist es auch bekannt, kleine Siliciumpartikel in einem Wirbelschichtreaktor direkt einem solchen Reaktionsgas auszusetzen. Das dabei erzeugte polykristalline Silicium liegt in Form von Granulaten vor (Granulat-Poly).
Die Silicium enthaltende Komponente des Reaktionsgases ist in der Regel Monosilan oder ein Halogensilan der allgemeinen Zusammensetzung SiH_nX_4-n (n = 0, 1, 2, 3; X = Cl, Br, I). Bevorzugt handelt es sich um ein Chlorsilan, besonders bevorzugt um Trichlorsilan. Überwiegend wird SiH₄ oder SiHCl₃ (Trichlorsilan, TCS) im Gemisch mit Wasserstoff eingesetzt.
Beim Siemens-Prozess stecken die Filamentstäbe üblicherweise senkrecht in am Reaktorboden befindlichen Elektroden, über die der Anschluss an die Stromversorgung erfolgt. Je zwei Filamanentstäbe sind über eine waagrechte Brücke (ebenfalls aus Silicium) gekoppelt und bilden einen Trägerkörper für die Siliciumabscheidung. Durch die Brückenkopplung wird die typische U-Form der auch Dünnstäbe genannten Trägerkörper erzeugt.
An den erhitzten Stäben und der Brücke scheidet sich hochreines Polysilicium ab, wodurch der Stabdurchmesser mit der Zeit anwächst (CVD = Chemical Vapour Deposition/Gasphasenabscheidung).
Nach Beendigung der Abscheidung werden diese Polysiliciumstäbe üblicherweise mittels mechanischer Bearbeitung zu Bruchstücken unterschiedlicher Größenklassen weiterverarbeitet, gegebenenfalls einer nasschemischen Reinigung unterzogen und schließlich verpackt.
Das Polysilicium kann aber auch in Form von Stäben oder Stabstücken weiterverarbeitet werden. Dies gilt insbesondere für Verwendung des Polysiliciums in FZ-Verfahren.
Da die Qualitätsanforderungen an Polysilicium immer höher werden, sind Qualitätskontrollen unabdingbar. Untersucht wird das Material beispielsweise hinsichtlich Kontaminationen mit Metallen oder Dotierstoffen. Zu unterscheiden ist die Kontamination im Bulk und die Kontamination an der Oberfläche der Polysiliciumbruchstücke oder -stabstücke.
Es ist auch üblich, das erzeugte Polysilicium zum Zwecke der Qualitätskontrolle in einkristallines Material zu überführen. In diesem Fall wird das einkristalline Material untersucht. Auch hier spielen Metallkontaminationen, die bei den Kundenprozessen in der Halbleiterindustrie besonders kritisch einzuschätzen sind, eine besondere Rolle.
Dies kann beispielweise dadurch erfolgen, dass das FZ-Verfahren auf die produzierten Polysiliciumstäbe angewendet und somit einkristalline Siliciumstäbe erzeugt werden.
Beim FZ-Verfahren wird ein polykristalliner Vorratsstab mit Hilfe einer Hochfrequenzspule nach und nach aufgeschmolzen und das schmelzflüssige Material durch Animpfen mit einem einkristallinen Impflingskristall und anschließendem Rekristallisieren in einen Einkristall überführt. Bei der Rekristallisation wird der Durchmesser des entstehenden Einkristalls zunächst kegelförmig vergrößert (Konusbildung) bis ein gewünschter Enddurchmesser erreicht ist (Stabbildung). In der Phase der Konusbildung wird der Einkristall auch mechanisch gestützt, um den dünnen Impflingskristall zu entlasten.
Grundlagen des FZ-Verfahrens sind beispielsweise in der DE-3007377 A beschrieben.
Alternativ können Silicium-Einkristalle auch mittels CZ gewachsen werden.
Beim Ziehen von Einkristallen kann es zu Slip-Versetzungen (Gleitverschiebungen) im Kristallgitter kommen. Solche Versetzungen können an zahlreichen Stellen des Kristallziehprozesses entstehen, sind aber besonders während eines ersten Teils des Ziehprozesses anzutreffen, verursacht durch einen Temperaturunterschied zwischen der Schmelzenoberfläche und des Impflingskristalls. Versetzungen sind dynamisch und neigen dazu, in Richtungen minimaler freier Energie im Kristallgitter zu propagieren.
Im Stand der Technik wurde versucht, dies dadurch zu vermeiden, dass zunächst ein sog. Dünnhals (in der Literatur auch als „Dash-Neck” bezeichnet), nämlich ein im Querschnitt verdünnter Hals, gezüchtet wird.
Dieser Dünnhals soll ein Weiterwachsen der beim Ansetzen des Impflings an die Schmelze entstehenden Versetzungen vermeiden.
US 3275417 beschreibt, dass Kristalle > ca 1 cm nicht ohne Dash Neck Versetzungsfrei zu ziehen wären
US 2961305 ist das ursprüngliche Patent über den Dash-Neck. Beschreibt, dass man nur mit Dash-Necks einen versetzungsfreien Kristall herstellen kann. Dash-Necks haben eine Breite von „0.0001–0.0025 square inch” bei einem Quadrat entspricht dies einer Kantenlänge von 0.254–1.27 mm.
US 5,828,823 lehrt, einen langen Hals mit etwa 10 mm Durchmesser zu wachsen, um Versetzungen zu reduzieren.
JP 2002137998 beschreibt die Verwendung eines Dash-Necks zur Erreichung der Einkristallinität ohne Versetzung.
Eine Alternative stellt US 5885344 dar. Hier ist ein Czochralski-Verfahren zur Herstellung versetzungsfreier Einkristalle beschrieben, bei dem der Impfling zunächst vorgewärmt wird. JP 56104794 beschreibt ein FZ-Verfahren, bei dem der Impfling ebenfalls vorgeheizt wird. Hier werden Impfling und Polysilicium gleichzeitig aufgeschmolzen.
Im Stand der Technik wird also entweder die Verwendung eines Dünnhalses oder das Vorheizen des Impflings (um den thermischen Schock zu eliminieren) beschrieben.
Insbesondere bei der Produktion von Teststäben wäre es wünschenswert, ein einfacheres und kostengünstigeres Verfahren zur Verfügung zu haben.
Daraus ergab sich die Aufgabenstellung der Erfindung.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines versetzungsfreien einkristallinen Stabes aus Silicium, umfassend kontinuierliches Aufschmelzen eines polykristallinen Stabes, Animpfen des schmelzflüssigen Materials mit einem ein kristallinen Impflingskristall und anschließende Rekristallisation in einen einkristallinen Stab, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesser des einkristallinen Stabs 10 bis 35 mm beträgt, beim Animpfen der Impflingskristall nicht geheizt wird und zu Beginn des Einkristallwachstums kein Dünnhals gezogen wird.
Anders als der Stand der Technik, der sich überwiegend auf die Herstellung großer Kristalle bezieht, wird im erfindungsgemäßen Verfahren kein Dünnhals gewachsen. Auch ein Aufheizen des Impflings, wie im Stand der Technik beschrieben, wird nicht vorgenommen.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass bei kleinen Kristallen mit einem Durchmesser von 10 bis 35 mm, vorzugsweise 12 bis 25 mm, dennoch ein versetzungsfreies Wachstum erfolgt.
Vorteilhaft am erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass einerseits die Gesamtprozesszeit deutlich reduziert werden kann und andererseits auch eine Materialersparnis erreicht wird.
Die Gesamtprozesszeit reduziert sich um ca. 25% gegenüber herkömmlichen Wachstumsprozessen unter Verwendung eines Dünnhalses (Stabdurchmesser 12 mm, Länge Dünnhals 20 mm).
Die Materialersparnis beträgt pro Kristall ca. 3,5 g Silicium (Vergleich: 20 mm langer Dünnhals, Stabdurchmesser 12 mm).
Die verwendeten Impflingskristalle weisen einen Querschnitt von wenigstens 3 mm, vorzugsweise bis zu 10–20 mm, auf. Die Herstellung solcher Impflingskristalle erfolgt dadurch, dass mittels eines Hohlbohrers Impflingskristalle aus einem einkristallinen Rohblock herausgebohrt werden. Alternativ können sie auch herausgesägt werden. Anschließend werden die Impflinge meist Form gebend bearbeitet, auf Passung geschliffen und evtl. angeätzt.
Im Folgenden wird die Erfindung auch anhand von Figuren erläutert.
1 zeigt schematisch den Ansetzprozess.
2 zeigt schematisch das Aufschmelzen der polykristallinen Probe.
3 zeigt schematisch das Ziehen eines Einkristalls.
4 zeigt schematisch das Entfernen des Einkristalls.
Bezugszeichenliste

1: Vorheizer
2: Polysilicium
21: Restschmelze Polysilicium
3: Anschmelzkonus
4: Hochfrequenzspule
5: Impfkristall
6: Schmelze
61: Schmelzzone
7: Einkristall
71: Endkonus Einkristall

1 zeigt das Ankoppeln der Probe von Polysilicium 2. Probe wird in den Vorheizer 1 zur Hochfrequenzspule 4 mit gefahren. Die Heizspannung wird eingeschaltet. Anschließend wird die obere Drehung einschalten: beispielsweise mit 5 U/min. (Die Drehung kann alternativ auch erst nach Einkoppeln der Probe von Polysilicium 2, wenn Vorheizer 1 schon ausgefahren ist, eingeschaltet werden.) Dann wird der Generator eingeschaltet, das Potentiometer wird auf ca. 55% oder bei Bedarf auch mehr gestellt. Beim Ankoppeln fällt die Spannung. Anschließend wird der Vorheizer 1 ausgefahren. Dann wird das Potentiometer auf 0 zurückgestellt, eine konstante Spannung eingestellt und schließlich Potentiometer auf 33 ... 35% gestellt. Schließlich werden Probe aus Polysilicium 2 und Impfkristall 5 zur Spule gefahren. 3 zeigt den Anschmelzkonus.
2 zeigt das Aufschmelzen der Probe aus Polysilicium 2. 6 zeigt die Schmelze, 4 die Hochfrequenzspule und 5 den Impfkristall. Das Potentiometer wird zunächst auf 50% gestellt (2A). Ist der Tropfen angeschmolzen, wird das Potentiometer zügig auf 33 bis 35% gestellt (2B). Dann wird die untere Drehung eingeschaltet, beispielsweise auf 25 min.^–1
3 veranschaulicht den Ziehprozess. 61 zeigt die Schmelzzone. Polysilicium 2 mit Anschmelzkonus 3 werden z. B. mit einer Geschwindigkeit von 3,2 mm/min bewegt (durch Pfeil veranschaulicht) und dabei z. B. mit 5 min^–1 gedreht. Der entstehenden Einkristall 7 wird z. B. mit einer Geschwindigkeit von 8,0 mm/min bewegt und z. B. mit 25 min^–1 gedreht.
4 zeigt das Abreißen des Einkristalls 7. Dazu wird der obere Transport gestoppt. Die Leistung wird reduziert (4A). Ist die Schmelze dünn genug, erfolgt eine Bewegung in die Gegenrichtung z. B. mit 3,2 mm/min (4B). Ist die Schmelze abgerissen, wird das Potentiometer auf 0 gedreht. Generator und Heizspannung werden ausgeschaltet. 7 zeigt den Einkristall mit Endkonus 71.
Der Einkristall wird anschließend vorzugsweise auf Metallkontaminationen, Dotierstoffkonzentration, Kohlenstoffgehalt sowie Ladungsträgerlebensdauern untersucht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3007377 A [0015]
US 3275417 [0020]
US 2961305 [0021]
US 5828823 [0022]
JP 2002137998 [0023]
US 5885344 [0024]
JP 56104794 [0024]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines versetzungsfreien einkristallinen Stabes aus Silicium, umfassend kontinuierliches Aufschmelzen eines polykristallinen Stabes, Animpfen des schmelzflüssigen Materials mit einem einkristallinen Impflingskristall und anschließende Rekristallisation in einen einkristallinen Stab, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesser des einkristallinen Stabs 10 bis 35 mm beträgt, beim Animpfen der Impflingskristall nicht geheizt wird und zu Beginn des Einkristallwachstums kein Dünnhals gezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Durchmesser des einkristallinen Stabs 12 bis 25 mm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Impflingskristalle einen Querschnitt von wenigstens 3 × 3 mm² aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das einkristalline Silicium hinsichtlich Kontaminationen und Ladungsträgerlebensdauern untersucht wird.