DE102012109181A1

DE102012109181A1 - Ziehen eines Halbleiter-Einkristalls nach dem Czochralski-Verfahren und dafür geeigneter Quarzglastiegel

Info

Publication number: DE102012109181A1
Application number: DE102012109181.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Hünermann; Thomas Kayser; Walter Lehmann
Original assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Current assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2014-03-27
Anticipated expiration: 2032-09-28
Also published as: WO2014048791A1; US9856576B2; CN104662210B; JP6456289B2; DE102012109181B4; CN104662210A; JP2015534537A; US20180112327A1; US20150267318A1; US10287705B2

Abstract

Bei einem bekannten Verfahren zum Ziehen eines Halbleiter-Einkristalls nach dem Czochralski-Verfahren wird eine Halbleiter-Schmelze in einem Quarzglas-Tiegel erzeugt und daraus der Halbleiter-Einkristall gezogen. Die Innenwandung des Quarzglas-Tiegels und die freie Schmelzoberfläche stehen dabei im Bereich einer radial an der Tiegel-Innenwandung umlaufenden Kontaktzone miteinander und jeweils mit einer Schmelzatmosphäre in Kontakt, wobei von der Kontaktzone ausgehende Primärschwingungen der Schmelze ausgelöst werden. Um hiervon ausgehend ein Verfahren anzugeben, das sich durch verminderte Schmelzvibrationen und insbesondere durch einen einfachen und kurzen Ansetzprozess auszeichnet, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass Primärschwingungen ausgelöst werden, die sich in ihrer Frequenz voneinander unterscheiden.

Description

Technischer Hintergrund
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ziehen eines Halbleiter-Einkristalls nach dem Czochralski-Verfahren, bei dem eine Halbleiter-Schmelze in einem Quarzglas-Tiegel erzeugt und daraus der Halbleiter-Einkristall gezogen wird, wobei der Quarzglas-Tiegel eine Innenwandung und die Halbleiter-Schmelze eine freie Schmelzoberfläche aufweisen, die im Bereich einer radial an der Tiegel-Innenwandung umlaufenden Kontaktzone miteinander und jeweils mit einer Schmelzatmosphäre in Kontakt sind, wobei von der Kontaktzone ausgehende Primärschwingungen der Schmelze ausgelöst werden.
Weiterhin betrifft die Erfindung einen Quarzglastiegel zum Einsatz beim Ziehen eines Halbleiter-Einkristalls nach dem Czochralski-Verfahren.
Beim so genannten Czochralski-Verfahren wird Halbleitermaterial, wie Silicium, in einem Quarzglastiegel erschmolzen und ein Impfkristall aus Siliciumeinkristall von oben an die Schmelzoberfläche herangeführt, so dass sich ein Schmelz-Meniskus zwischen Kristall und Schmelze ausbildet. Der Einkristall wird langsam unter Rotation des Tiegels und/oder des Einkristalls nach oben abgezogen, wobei der Halbleiter-Einkristall am Impfkristall anwächst. Dieser Vorgang wird im Folgenden als „Ansetzprozess“ oder kurz als „Ansetzen“ bezeichnet. An der Erstarrungsfront zwischen Einkristall und Halbleiter-Schmelze finden Wechselwirkungen zwischen flüssiger und fester Phase statt, die durch Konvektion oder Oszillation der Schmelze beeinträchtigt werden. Diese Bewegungen der Schmelze können durch Temperatur- oder Stoffgradienten innerhalb der Flüssigkeit, durch die Rotation von Schmelze und Impfkristall oder durch das Eintauchen des Impfkristalls verursacht oder verstärkt werden. Besonders nachteilig sind Oszillationen der Schmelze. Es ist bekannt, dass diese auftreten, wenn sich das chemische Potential zwischen den drei Phasen Halbleiterschmelze, Schmelzatmosphäre und Tiegelwandung periodisch ändert.
Derartige Oszillationen beeinträchtigen nicht nur die Qualität des Halbleiter-Einkristalls. Sie machen sich insbesondere beim Ansetzprozess nachteilig bemerkbar, indem sie die Nukleation erschweren, und diese um einen bis mehrere Tage hinauszögern oder sogar verhindern können. Dies verringert die Produktivität und kann so weit gehen, dass die Standzeit des Quarzglastiegels bereits beim Ansetzprozess überschritten wird, oder dass Versetzungen im Einkristall erzeugt werden, die ein Wiederaufschmelzen des erstarrten Siliciums erforderlich machen.
Die beim Czochralski-Verfahren eingesetzten Quarzglastiegel sind üblicherweise mit einer transparenten Innenschicht auf einer Poren enthaltenden, opaken Außenschicht ausgeführt. Die transparente Innenschicht steht beim Kristallziehprozess im Kontakt zur Siliciumschmelze und unterliegt hohen mechanischen, chemischen und thermischen Belastungen. Um den korrosiven Angriff der Siliciumschmelze zu verringern und damit einhergehend die Freisetzung von Verunreinigungen aus der Tiegelwandung zu minimieren, ist die Innenschicht möglichst rein, homogen und blasenarm.
Die Innenschicht aus synthetisch erzeugtem Quarzglas gewährleistet eine geringe Konzentration an Verunreinigungen im schmelznahen Bereich und wirkt sich insoweit günstig auf die Ausbeute an reinem und versetzungsfreiem Halbleiter-Einkristall aus. Es hat sich aber gezeigt, dass Tiegel mit einer Innenschicht aus synthetischem Quarzglas im Vergleich zu Quarzglastiegeln, die aus natürlich vorkommendem Quarzsand hergestellt sind, eher dazu neigen, Oszillationen der Schmelzoberfläche zu bewirken.
Stand der Technik
Dementsprechend ist eine Vielzahl unterschiedlicher Veränderungen am Quarzglastiegel vorgeschlagen worden, um Oszillationen der Schmelzoberfläche zu vermindern. Im Wesentlichen handelt es sich um Modifikationen der Oberflächenstruktur oder der chemischen Zusammensetzung im Bereich der Ansetzzone.
Mit „Ansetzzone“ wird hier und im Folgenden der umlaufende Seitenwandbereich des Quarzglastiegels verstanden, der zu Beginn des Kristallziehprozesses in der Höhe des Schmelzspiegels liegt, der also beim Anziehens des Kristalls mit der Oberfläche der Schmelze (Schmelzspiegel) in Kontakt ist. Bei kontinuierlichen Czochralski-Ziehverfahren, bei denen der Schmelzspiegel durch kontinuierliche Zufuhr von Halbleitermaterial auf einer konstanten Höhe gehalten wird, liegt die Ansetzzone in der Höhe des zeitlich konstanten Schmelzspiegels.
Modifikationen der Oberfläche im Bereich der Ansetzzone
Die DE 199 17 288 C2 beschreibt einen Quarzglastiegel, bei dem die Ansetzzone durch eine Vielzahl von Vertiefungen aufgeraut ist, die einen Abstand von maximal 5 mm, vorzugsweise maximal 0,1 mm zueinander haben. Die Aufrauung soll den Ansetzprozess erleichtern und insbesondere ein Abreißen des Impfkristalls vermeiden, indem Schwingungen des Schmelzspiegels gedämpft werden.
Bei einem Quarzglas-Schmelztiegel gemäß der EP 1 045 046 A1 ist vorgesehen, dass die Innenwandung im Bereich der Ansetzzone als umlaufende Ringfläche mit einer Vielzahl von Vertiefungen ausgebildet ist. Eine ähnliche Lehre gibt die WO 2011/074568 A1 . Hier wird in der Ansetzzone eine Vielzahl an kleinen Einbuchtungen (depressions) eingebracht.
Gemäß der WO 2011/158712 A1 weist der Quarzglastiegel eine semitransparente Basisschicht und eine transparente Innenschicht auf. Die Innenschicht hat im Bereich des Schmelzspiegels eine raue Zone mit einer Rauigkeit im Bereich von 2–9 µm.
Die JP 2007-191393 A schlägt vor, über die Rauigkeit der inneren Oberfläche an der Innenwandung des Quarzglastiegels eine Oberflächenspannung von maximal 50 mN/m einzustellen, um Schmelzvibrationen zu vermeiden.
Die aufgeraute Oberfläche um den Bereich der Ansetzzone kann zur Siliciumschmelze alle möglichen Kontaktwinkel einnehmen, was ein phasengleiches Benetzen oder Nichtbenetzen der Quarzglasoberfläche verhindert und so dem Entstehen von Vibrationen entgegenwirken soll.
Bei dem Quarzglastiegel gemäß der JP 2004-250304 A ist zur Unterdrückung von Vibrationen der Siliciumschmelze in Höhe der Ansetzzone eine umlaufende Ringfläche vorgesehen, in der Blasen mit einem Volumenanteil von 0,01 bis 0,2 % enthalten sind.
Um Schmelzvibrationen zu Beginn des Schmelzprozesses zu vermeiden, schlägt die WO 2009/054529 A1 eine Variation der Blasenkonzentration entlang der Tiegelhöhe vor. Demnach soll der Blasengehalt der Innenschicht vom unteren Tiegelbereich nach oben kontinuierlich mit mindestens 0,0002 %/mm zunehmen.
Eine ähnliche Modifikation der Innenschicht des Quarzglastiegels ist auch aus der JP 2004-250305 A vorgeschlagen. Die Innenschicht erhält im Bereich der Ansetzzone einen "beltlike" Bereich, in dem die Oberfläche aus natürlichem Quarzglas besteht und einen Blasengehalt wird 0,005–0,1 % hat, wohingegen sie weiter unten und am Boden aus synthetischem Quarzglas besteht.
Eine mehrfache Modifikation im Bereich der Ansetzzone lehrt die EP 2 385 157 A1 . Demnach weist der Quarzglastiegel auf der Innenseite Markierungen auf, mit deren Hilfe sich Änderungen in der Position der Schmelzoberfläche bestimmen lassen. Im Bereich der Ansetzzone wird die transparente Innenschicht aus natürlichem Quarzglas hergestellt, während sie in den anderen Bereichen des Tiegels aus synthetischem Quarzglas besteht. Die Ansetzzone kann außerdem noch Blasen oder Unebenheiten – wie Schlitze – enthalten.
Modifikationen der chemischen Zusammensetzung im Bereich der Ansetzzone Aus der EP 1 532 297 A1 ist ein Quarzglastiegel bekannt, der eine transparente Innenschicht aus synthetischem Quarzglas aufweist, die jedoch in der Höhe der Ansetzzone von einer Zone aus natürlich vorkommendem Quarzglas unterbrochen ist. Diese Zone erstreckt sich in einem Bereich von mindestens 0,5 × H bis 0,8 × H, wobei H die Tiegelhöhe zwischen der Unterseite des Bodens und der Seitenwand-Oberkante repräsentiert.
Die WO 2001/92169 A1 schlägt vor, Hydroxylgruppen in das Quarzglas der Tiegelinnenschicht einzubauen. Dadurch verbessert sich deren Benetzbarkeit mit der Siliciumschmelze, wodurch Oszillationen an der Schmelzoberfläche vermieden werden sollen. Der Einbau der Hydroxylgruppen geschieht während der Ausbildung der Innenschicht, indem Wasserdampf in die erhitzte Atmosphäre eingeführt wird. Vorzugsweise wird damit in der Innenschicht ein Hydroxylgruppengehalt von 80–350 Gew.-ppm erzeugt.
Die WO 2004/097080 A1 empfiehlt das Vermeiden von Schmelzvibrationen durch eine Variation der Zusammensetzung der Tiegelinnenschicht entlang der Tiegelhöhe. Der Quarzglastiegel mit nichttransparenter Außenschicht wird aus natürlichem Quarzpulver hergestellt und diese mit einer transparenten Innenschicht versehen, die eine Dicke von 0,4–5 mm hat und die im oberen Teil aus einer natürlichem SiO₂-Material und im Bodenbereich aus synthetischem SiO₂-Material besteht.
Auch die JP 2006-169084 A empfiehlt das Vermeiden von Schmelzvibrationen durch eine Variation der Zusammensetzung der Tiegelinnenschicht im Bereich der Ansetzzone. Der Quarzglastiegel weist eine opake Außenschicht und eine transparente Innenschicht auf. Im oberen, geraden Teil ist die Innenschicht als Verbund aus zwei unterschiedlichen Komponenten ausgeführt, wobei die zweite Komponente punktförmig an die erste Komponente geschweißt ist. Die erste Komponente kann ein amorphes Quarzglaspulver sein, die zweite Komponente natürlicher kristalliner Quarzsand.
Gemäß der JP 2009-029652 A werden bei einem Quarzglastiegel zum Ziehen von Silicium-Einkristallen zum Vermeiden von Schmelzvibrationen der Boden und die Innenschicht im gekrümmten Bereich zwischen zylindrischer Seitenwand in einer Dicke von mindestens 1 mm aus kristallinem Ausgangsmaterial erschmolzen, wohingegen der obere Bereich der Innenschicht in einer Dicke von mindestens 1 mm aus amorphem synthetischem Quarzglaspulver erzeugt wird.
Kombinatorische Maßnahmen und andere Modifikationen
Die JP 2011-037708 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Quarzglastiegels zum Ziehen von Silicium-Einkristall, bei dem zur Vermeidung von Vibrationen der Schmelze beim Kristallziehen die Oberflächenspannung zwischen Siliciumschmelze und dem Quarzglas der Tiegel-Innenwandung beeinflusst wird. Das geschieht durch Einstellen der Oberflächen-Rauigkeit und dadurch, dass in einer Schicht von 1 mm Dicke der Hydroxylgruppengehalt und der Verunreinigungsgehalt auf definierte Werte eingestellt werden.
Die EP 1 024 118 A2 schlägt vor, Schmelzvibrationen durch Einstellen einer spezifizierten IR-Transmission zu vermeiden. Hierzu wird auf einer transluzenten Außenschicht mit strukturellen Defekten eine transparente Innenschicht erzeugt. Die IR-Transmission liegt zwischen 3 und 30 % und wird durch die strukturellen Defekte innerhalb der Tiegelwandung in Verbindung mit der Rauigkeit der Oberfläche eingestellt.
Die WO 2001/92609 A2 zielt darauf ab, Oszillationen der Siliciumschmelze zu vermeiden, indem die thermische Konvektion vermindert wird. Um dies zu erreichen, wird ein Quarzglastiegel mit einer Sandwichschicht vorgeschlagen. Die Außenschicht ist eine transluzente Schicht mit einer großen Anzahl von Poren, erzeugt aus natürlichen Quarzrohstoffen. Die Zwischenschicht ist ebenfalls transluzent und aus synthetischem Quarzglas erzeugt. Die transparente Innenschicht ist blasenarm und wird aus synthetischem Quarzglas hergestellt.
Laut WO 2004/076725 A1 soll ein Quarzglastiegel mit doppellagiger Struktur hilfreich sein, bei dem die Innenschicht porenfrei und transparent, und die Außenschicht porenhaltig ist. Die Außenschicht wird aus Quarzglaspulver hergestellt, das in einem trockenen Gas aufbewahrt wurde, um einen Hydroxylgruppengehalt von höchstens 50 ppm zu erreichen. Dadurch zeigt die Außenschicht auch eine höhere Viskosität und der Quarzglastiegel deformiert dadurch im Einsatz weniger.
Gemäß der JP 2004-292210 A wird der Quarzglastiegel daraufhin optimiert, dass beim Silicium-Einkristallziehen die Temperatur am unteren Ende höher ist als am oberen Oberrand. Um dies zu erreichen, wird ein Kristallisationspromotor in der Innenschicht eingesetzt, der über die Höhe des Quarzglastiegels so variiert wird, dass während des Einsatzes des Tiegels die Kristallisationsrate im Bodenbereich reduziert ist und im oberen Bereich erhöht ist, was Schmelzvibrationen vermindern soll.
Der aus der DE 10 2007 015 184 A1 bekannte Quarzglastiegel hat eine opake Außenschicht und eine transparente Innenschicht, wobei die transparente Innenschicht im Bereich der Ansetzzone dicker ist als im Rest des Quarzglastiegels.
Die EP 2 075 355 A1 schlägt vor, im Si-Ziehprozess eine hohe Dichte an braunen Ringen an die Tiegel-Innenwandung zu erreichen, die Schmelzvibrationen vermeiden sollen.
Technische Aufgabenstellung
Schmelzvibrationen beim Czochralski-Verfahren und insbesondere während des Ansetzprozesses stellen trotz aller Vorschläge und Maßnahmen über einen Zeitraum von mehr als 20 Jahren immer noch ein nicht hinreichend gelöstes technisches Problem dar.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ziehen eines Halbleiter-Einkristalls aus einem Quarzglastiegel anzugeben, das sich durch verminderte Schmelzvibrationen und insbesondere durch einen einfachen und kurzen Ansetzprozess auszeichnet.
Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Quarzglastiegel bereitzustellen, der für den Einsatz in dem Ziehverfahren geeignet ist, indem er Schmelzvibrationen verlässlich verhindert oder vermindert und so den Einkristall-Ziehprozess erleichtert.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass Primärschwingungen ausgelöst werden, die sich in ihrer Frequenz voneinander unterscheiden.
Die Amplitude der Schmelzvibrationen kann im cm-Bereich liegen. Die bekannten Maßnahmen zur Verminderung zielen auf eine Variation einer oder mehrerer Eigenschaften über die Höhe der Tiegel-Innenwandung ab, insbesondere im Höhenbereich der Ansetzzone, wobei die Rotationssymmetrie des Quarzglastiegels insgesamt erhalten bleibt. Damit einhergehend bleibt auch eine rotationssymmetrische Verteilung der für die Entstehung von Schmelzschwingungen maßgeblichen Eigenschaften erhalten, so dass sich über den Tiegelumfang gesehen Primärschwingungen mit gleicher Frequenz zu einer mehr oder weniger kohärenten und resonanzfähigen Schwingung der Schmelze überlagern können, die sich bis in den mittleren Bereich des Schmelztiegels fortsetzt und dort Abrisse oder Veränderungen der Struktur des Einkristalls verursacht.
Im Gegensatz dazu wird bei vorliegender Erfindung erstmals vorgeschlagen, Primärschwingungen zu erzwingen, deren Frequenz entlang der umlaufenden Kontaktzone örtlich variiert. Wichtig dabei ist, dass ein Auslösen gleichfrequenter und damit resonanzfähiger Primärschwingungen entlang der Kontaktzone unterbunden oder mindestens soweit vermindert wird, dass sich bei der Überlagerung keine feste Phasenbeziehung aufbauen kann.
Dadurch wird entlang des Umfangs der Kontaktzone eine Rotations-Symmetrie bei mindestens einer für die Schmelz-Oszillation maßgeblichen Eigenschaft vermieden, nämlich einer Eigenschaft, die sich auf die Frequenz der Primärschwingungen auswirkt.
Infolge der Vermeidung der Rotations-Symmetrie kann sich um die Kontaktzone eine resonanzfähige Schwingung der Halbleiter-Schmelze mit fester Phasenbeziehung nicht aufbauen. Mit anderen Worten: Die an unterschiedlichen Stellen der umlaufenden Kontaktzone entstehenden Primärschwingungen zeigen eine unterschiedliche Frequenz. Dadurch kommt es nicht zu einer konstruktiven Interferenz zwischen den einzelnen Primärschwingungen, so dass der Schmelzspiegel im mittleren Bereich des Schmelztiegels ruhig bleibt, und somit die Gefahr von Impflingsabrissen oder Beeinträchtigungen der Struktur des Einkristalls reduziert wird.
Wesentlich ist, dass die Variation der Frequenz der Primärschwingungen an der Kontaktstelle zwischen den drei Phasen Feststoff (Tiegel-Innenwandung), Flüssigkeit (Halbleiter-Schmelze) und Gas (Schmelzatmosphäre) erfolgt, also entlang der radial umlaufenden Kontaktzone. Der Effekt ist umso ausgeprägter, je größer der Unterschied zwischen maximaler und minimaler Schwingungsfrequenz ist. Eine Variation in der Schwingungsfrequenz von 5% (bezogen auf die maximale Schwingungsfrequenz) zeigt bereits eine merkliche Beruhigung der Schmelz-Oszillation.
Die Variation der Frequenz der Primärschwingungen erfolgt im bevorzugten Fall dadurch, dass die Tiegel-Innenwandung, die Schmelzatmosphäre und/oder die Halbleiter-Schmelze entlang der radial umlaufenden Kontaktzone eine Variation in mindestens einer ihrer physikalischen, chemischen oder körperlichen Eigenschaften aufweist.
Dabei wird die Ausbildung von Rotations-Symmetrie bei mindestens einer für die Schmelz-Oszillation maßgeblichen Eigenschaft des Quarzglas-Tiegels selbst oder der flüssigen oder gasförmigen Medien in der Umgebung der Kontaktzone vermieden. Um dies zu erreichen, wird die betreffende Eigenschaft entlang der radial umlaufenden Kontaktzone zwischen Halbleiterschmelze, Quarzglastiegel und Schmelzatmosphäre variiert. Infolge der Vermeidung der Rotations-Symmetrie kann sich um die Kontaktzone keine resonanzfähige Schwingung der Halbleiter-Schmelze mit fester Phasenbeziehung aufbauen.
Die betreffende Eigenschaft wird an der Kontaktstelle zwischen den drei Phasen Feststoff (Tiegel-Innenwandung), Flüssigkeit (Halbleiter-Schmelze) und Gas (Schmelzatmosphäre) variiert, genauer gesagt, entlang der radial umlaufenden Kontaktzone. Die Eigenschaft ist physikalischer, chemischer oder körperlicher Natur und einer oder mehrerer der drei genannten Phasen zuzuordnen. Es genügt in der Regel eine einzige maßgebliche Eigenschaft radial örtlich zu variieren.
Für die radiale Variation der Innenwandung des Quarzglas-Tiegels kommen beispielsweise deren geometrische Form (Krümmungsradius), ihre chemische Zusammensetzung oder die Oberflächenbeschaffenheit in Betracht. Das erfindungsgemäße Verfahren ist aber auch wirksam, wenn eine Eigenschaft der beiden anderen Phasen mit Auswirkung auf das Schwingungsverhalten der Schmelze radial variiert wird. Dabei handelt es sich in erster Linie um solche Eigenschaften, die die Oberflächenspannung beeinflussen, wie etwa Temperatur oder chemische Zusammensetzung von Halbleiter-Schmelze und/oder Schmelzatmosphäre.
Der Längenabschnitt, innerhalb dessen die betreffende Eigenschaft verändert wird, erstreckt sich über den gesamten Umfang der Kontaktzone oder über einen Teil derselben. Im einfachsten Fall nimmt die Eigenschaft einen ersten Zustand und einen zweiten Zustand ein, wobei die Variation der Eigenschaft entlang der umlaufenden Kontaktzone derart ist, dass sich der erste Zustand und zweite Zustand abwechseln.
Bei dieser Verfahrensweise wird die Rotationssymmetrie der umlaufenen Kontaktzone durch lokale Änderungen der betreffenden Eigenschaft vermieden, indem der Grad ihrer Ausprägung zwischen dem ersten und dem zweiten Zustand mindestens einmal, vorzugsweise mehrfach verändert wird. Der erste Zustand der Eigenschaft kann als Grundzustand betrachtet werden und der zweite Zustand kennzeichnet eine Abweichung vom Grundzustand. Die lokalen Veränderungen des Grundzustandes sind über die Länge der Kontaktzone gleichmäßig, vorzugsweise aber ungleichmäßig verteilt.
Die betreffenden Eigenschaftsänderungen wirken sich auf das Schwingungsverhalten der Halbleiter-Schmelze umso deutlicher aus, je größer der Unterschied zwischen erstem und zweitem Zustand ist, und umso größer der Längenanteil um die Kontaktzone ist, der dem geänderten, zweiten Zustand zuzuordnen ist.
In dem Zusammenhang hat es sich bewährt, wenn die Eigenschaft ihren zweiten Zustand über mindestens ein Zehntel, vorzugsweise über mindestens ein Drittel der Kontaktzonen-Umfangslänge einnimmt.
Bei einer dazu alternativen und gleichermaßen geeigneten Verfahrensweise nimmt die Eigenschaft einen ersten Zustand und einen zweiten Zustand ein, wobei die Variation der Eigenschaft entlang der umlaufenden Kontaktzone derart ist, dass sie sich vom ersten Zustand schrittweise oder graduell zum zweiten Zustand hin verändert.
Hierbei wird die Rotationssymmetrie der umlaufenen Kontaktzone durch eine allmähliche Änderung der betreffenden Eigenschaft vermieden, indem der Grad ihrer Ausprägung zwischen dem ersten und dem zweiten Zustand schrittweise oder graduell verändert wird.
Die betreffenden Eigenschaftsänderungen wirken sich auf das Schwingungsverhalten der Halbleiter-Schmelze umso deutlicher aus, je größer der Unterschied zwischen erstem und zweitem Zustand ist, und umso größer der Längenanteil um die Kontaktzone ist, in dem die Eigenschaftsänderung stattfindet.
In dem Zusammenhang hat es sich bewährt, wenn sich die schrittweise oder graduelle Veränderung vom ersten zum zweiten Zustand der Eigenschaft über mindestens ein Zehntel, vorzugsweise über mindestens ein Drittel der Kontaktzonen-Umfangslänge erstreckt.
Im einfachsten Fall ist die entlang der umlaufenden Kontaktzone variierende Eigenschaft die chemische Zusammensetzung der Schmelzatmosphäre und/oder deren Temperatur.
Zusammensetzung und Temperatur der Schmelzatmosphäre sind Parameter des Einkristall-Ziehprozesses, die die Oberflächenspannung im Bereich der Kontaktzone und damit auch das Schwingungsverhalten der Schmelze maßgeblich beeinflussen. Durch eine radiale Variation dieser Parameter um die Kontaktzone wird somit die Rotationssymmetrie einer für die Schmelz-Oszillation maßgeblichen Eigenschaft gestört. Eine Variation der chemischen Zusammensetzung erfolgt beispielsweise durch einen lokal auf die Kontaktzone einwirkenden Gasstrom mit einer Zusammensetzung, die sich von derjenigen der Schmelztiegel-Atmosphäre unterscheidet. Eine lokale Änderung der Temperatur ist ebenfalls durch einen Gasstrom einstellbar, der eine andere Temperatur als die Schmelztiegel-Atmosphäre hat und der vorzugsweise direkt auf einen Abschnitt der Kontaktzone gerichtet ist.
Alternativ oder ergänzend dazu ist die entlang der umlaufenden Kontaktzone variierende Eigenschaft die innere Struktur, die chemische Zusammensetzung, die Oberflächenbeschaffenheit und/oder die Temperatur der Tiegel-Innenwandung.
Auch die innere Struktur, die chemische Zusammensetzung, die Oberflächenbeschaffenheit und die Temperatur der Tiegelwandung sind Parameter die die Oberflächenspannung im Bereich der Kontaktzone und damit auch das Schwingungsverhalten der Schmelze maßgeblich beeinflussen. Erfindungsgemäß ist eine Variation von einem oder mehrere dieser Parameter vorgesehen, und zwar in radialer Richtung, entlang der umlaufenden Kontaktzone. Auch dadurch wird der rotationssymmetrische Verlauf der für die Schmelz-Oszillation maßgeblichen Eigenschaft gestört.
Eine Variation der chemischen Zusammensetzung erfolgt dabei vorzugsweise durch den Hydroxylgruppengehalt des Quarzglases der Tiegel-Innenwandung, indem dieser zwischen einer Maximal-Konzentration C_OH,max und einer Minimal-Konzentration C_OH,min entlang der umlaufenden Kontaktzone variiert wird.
Die Wirkung hinsichtlich der Unterdrückung resonanzfähiger Schwingungen der Halbleiter-Schmelze mit fester Phasenbeziehung ist umso ausgeprägter, je deutlicher der Unterschied zwischen C_OH,max und C_OH,min ist, und umso größer der Längenabschnitt der Kontaktzone ist, über den sich die Variation erstreckt. Im Hinblick hierauf hat es sich bewährt, wenn die Minimal-Konzentration C_OH,min weniger als 80%, vorzugsweise weniger als 60% der Maximal-Konzentration C_OH,max beträgt.
Alternativ oder ergänzend dazu wird die chemische Zusammensetzung im Bereich der Kontaktzone bestimmt durch die Art des Quarzglases für die Tiegel-Innenwandung, das entweder synthetisch erzeugtes Quarzglas oder aus natürlich vorkommendem Rohstoff erzeugtes Quarzglas ist oder eine Mischung dieser Quarzglas-Arten, und dass sich die Konzentration der Quarzglas-Arten entlang der umlaufenden Kontaktzone mindestens einmal verändert.
Quarzglas aus natürlich vorkommendem Rohstoff und synthetisch erzeugtes Quarzglas sind unterschiedliche Quarzglas-Arten. Deren Variation über die Höhe der Tiegelwandung ist aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt. Im Unterschied dazu erfolgt gemäß vorliegender Erfindung eine Variation der Anteile von Quarzglas aus natürlich vorkommendem Rohstoff und von synthetisch erzeugtem Quarzglas in Umfangsrichtung, und zwar mindestens in Höhe der umlaufenden Kontaktzone. So gelingt es reproduzierbar, eine rotationssymmetrische Eigenschaftsverteilung und eine damit einhergehende Gefahr einer resonanzfähigen und sich verstärkenden Schmelz-Oszillation zu vermindern.
Alternativ oder ergänzend zur chemischen Zusammensetzung wird die Oberflächenbeschaffenheit der Tiegel-Innenwandung entlang der umlaufenden Kontaktzone variiert. Eine Variation der Oberflächenbeschaffenheit erfolgt dabei bevorzugt durch die Veränderung der Rauigkeit der Oberfläche. Hierzu wird ein über eine Messlänge von 1 cm ermittelter Wert für die mittlere Oberflächenrauigkeit R_a der Tiegel-Innenwandung bestimmt, wobei die mittlere Oberflächenrauigkeit zwischen einem Maximalwert R_a,max und einem Minimalwert R_a,min entlang der umlaufenden Kontaktzone variiert. Die Rauigkeit wird beispielsweise durch Kratzer, Dellen oder eine offene Porosität des Quarzglases lokal verändert.
Auch hier ist die Wirkung hinsichtlich der Unterdrückung resonanzfähiger Schwingungen der Halbleiter-Schmelze mit fester Phasenbeziehung umso ausgeprägter, je deutlicher der Unterschied zwischen R_a,max und R_a,min ist, und umso größer der Längenabschnitt der Kontaktzone ist, über den sich die Variation erstreckt. Idealerweise beträgt der Minimalwert R_a,min weniger als 80%, vorzugsweise weniger als 60% des Maximalwerts R_a,max.
Im Fall offener Porosität kann beispielsweise eine glatte, dichte Innenwandung mit einem Minimalwert R_a,min nahe Null unterbrochen sein von Bereichen mit offener Porosität. Es können sich aber Längenabschnitte mit unterschiedlicher offener Porosität entlang der Kontaktzone abwechseln, oder die offene Porosität ändert sich über die Länge der Kontaktzone (oder einen Teil dieser Länge) graduell oder schrittweise zwischen R_a,min und R_a,max.
Alternativ oder ergänzend dazu wird die innere Struktur der Tiegel-Innenwandung entlang der umlaufenden Kontaktzone variiert, indem der Blasengehalt des Quarzglases lokal verändert ist. Hierzu wird ein über eine Messlänge von 1 cm ermittelter Wert für den Blasengehalt des Quarzglases innerhalb der Tiegel-Innenwandung bestimmt, wobei der Blasengehalt zwischen einem Maximalwert P_max und einem Minimalwert P_min entlang der umlaufenden Kontaktzone variiert.
Die Frequenz von Primärschwingungen wird dabei in erster Linie durch den Anteil an geschlossenen Blasen beeinflusst, der sich unmittelbar unterhalb der geschlossenen Oberfläche im Bereich der Kontaktzone befindet. Nur zur Klarstellung wird unter „Blasengehalt“ in diesem Sinne der Volumenanteil an geschlossenen Blasen definiert, der sich bis zu einer Tiefe von 1 cm unterhalb der Tiegel-Innenwandung befindet. Der Blasenanteil kann durch Auszählen ermittelt werden. Im einfachsten Fall ist eine transparente, blasenfreie Innenwandung mit einem Minimalwert P_min = Null unterbrochen von Bereichen mit einem höheren Blasenanteil. Es können sich aber Längenabschnitte mit unterschiedlichem Blasengehalt entlang der Kontaktzone abwechseln, oder der Blasengehalt ändert sich über die Länge der Kontaktzone (oder einen Teil dieser Länge) graduell oder schrittweise zwischen P_max und P_min.
Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der Minimalwert P_min weniger als 50%, vorzugsweise weniger als 30% des Maximalwerts P_max beträgt.
Die Oberflächenbeschaffenheit und/ oder die chemische Zusammensetzung der Innenwandung ändert sich vorzugsweise in einem umlaufenden Variationsband, das sich von der Kontaktzone über eine Breite von mindestens 5 mm, vorzugsweise mindestens 10 mm in Richtung eines Tiegelbodens erstreckt.
Für die Anregung von Schwingungen in der Halbleiter-Schmelze und für die Einstellung der Schwingungsfrequenz ist neben der eigentlichen Kontaktzone insbesondere der Bereich der Tiegelwandung entscheidend, der mit der Schmelze in Berührung ist, also der Wandungsbereich unterhalb der Kontaktzone. Daher ist vorzugsweise auch in diesem Wandungsbereich eine Variation der betreffenden Oberflächen-Eigenschaft vorgesehen.
Hinsichtlich des Quarzglastiegels für den Einsatz zum Ziehen eines Halbleiter-Einkristalls nach dem Czochralski-Verfahren wird die oben angegebene Aufgabe ausgehend von einem Quarzglastiegel der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass er eine Tiegel-Innenwandung aufweist, entlang der eine radial umlaufende Kontaktzone vorgesehen ist, die eine Variation in mindestens einer ihrer physikalischen, chemischen oder körperlichen Eigenschaften aufweist.
Beim erfindungsgemäßen Quarzglastiegel ist im Gegensatz zum Stand der Technik eine Aufhebung der Rotations-Symmetrie bezüglich mindestens einer für die Schmelz-Oszillation maßgeblichen Eigenschaft vorgesehen. Um dies zu erreichen, wird eine physikalische, chemische oder körperliche Eigenschaften des Quarzglas-Tiegels entlang einer radial umlaufenden Kontaktzone variiert. Die Kontaktzone entspricht dabei der Ansetzzone gemäß oben angegebener Definition. Infolge der Aufhebung der Rotations-Symmetrie kann sich beim bestimmungsgemäßen Einsatz des Quarzglas-Tiegels eine resonanzfähige Schwingung der Halbleiter-Schmelze mit fester Phasenbeziehung nicht aufbauen. Denn infolge der nicht-rotationssymmetrischen Ausprägung der betreffenden Eigenschaft zeigen die sich an unterschiedlichen Stellen der umlaufenden Kontaktzone entstehenden Schwingungen eine unterschiedliche Frequenz. Dadurch kommt es nicht zu einer konstruktiven Interferenz zwischen den einzelnen Primärschwingungen, so dass der Schmelzspiegel im mittleren Bereich des Schmelztiegels ruhig bleibt, und somit die Gefahr von Impflingsabrissen oder Beeinträchtigungen der Struktur des Einkristalls reduziert wird.
Wesentlich ist, dass die betreffende Eigenschaft an der Kontaktstelle zwischen den drei Phasen Feststoff (Tiegel-Innenwandung), Flüssigkeit (Halbleiter-Schmelze) und Gas (Schmelzatmosphäre) variiert wird, genauer gesagt, entlang der radial umlaufenden Kontaktzone. Ob sich die Variation an der Tiegelwandung nach oben oder unten fortsetzt, ist nicht erforderlich aber auch nicht hinderlich.
Die Eigenschaft ist physikalischer, chemischer oder körperlicher Natur und einer oder mehrerer der drei genannten Phasen zuzuordnen. Es genügt in der Regel eine einzige maßgebliche Eigenschaft radial zu variieren.
Für die radiale Variation der Innenwandung des Quarzglas-Tiegels kommen beispielsweise deren geometrische Form, ihre chemische Zusammensetzung oder die Oberflächenbeschaffenheit in Betracht. Der Längenabschnitt, innerhalb dessen die betreffende Eigenschaft verändert wird, erstreckt sich über den gesamten Umfang der Kontaktzone oder über einen Teil derselben. Der erfindungsgemäße Quarzglas-Tiegel ist besonders für den Einsatz beim erfindungsgemäßen Verfahren geeignet. Aus der Beschreibung dieses Verfahrens ergeben sich besonders vorteilhafte Ausgestaltungen des Quarzglas-Tiegels, die hiermit als bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Tiegels einbezogen werden und auf deren Beschreibung hiermit hingewiesen wird.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert. In schematischer Darstellung zeigt
1 eine Kristallziehanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Einkristall-Ziehverfahrens,
2 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Quarzglastiegels im Schnitt in einer Ansicht auf die Innenwandung, die eine ringförmige Kontaktzone mit einer in Umfangsrichtung hochfrequent variierenden Oberflächen-Eigenschaft zeigt,
3 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Quarzglastiegels im Schnitt in einer Ansicht auf die Innenwandung, die eine ringförmige Kontaktzone mit einer in Umfangsrichtung niederfrequent variierenden Oberflächen-Eigenschaft zeigt,
4 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Quarzglastiegels im Schnitt in einer Ansicht auf die Innenwandung, über deren gesamte Höhe eine Oberflächen-Eigenschaft variiert und die in Umfangsrichtung gesehen mehrere Maxima und Minima hat,
5 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Quarzglastiegels im Schnitt in einer Ansicht auf die Innenwandung, über deren gesamte Höhe eine Oberflächen-Eigenschaft variiert und die in Umfangsrichtung gesehen ein Maximum und ein Minimum hat, und
6 eine Vorrichtung zur Herstellung eines Quarzglastiegels gemäß der Erfindung.
1 zeigt schematisch eine Einkristall-Ziehvorrichtung. Sie weist einen Quarzglastiegel 1 auf, der von einem Stütztiegel 2 stabilisiert ist und der eine Silicium-Schmelze 3 enthält, die von einem seitlich an der Tiegelwandung vorgesehen Heizer 4 auf Schmelztemperatur gehalten wird.
Der Quarzglastiegel 1 ist um eine Rotationsachse 5 rotierbar. Der Silicium-Einkristall 6 wird nach oben aus der Schmelze 3 gezogen und dabei in Gegenrichtung zum Tiegel 1 rotiert, wie vom Richtungspfeil 7 angedeutet.
Der nach oben abgezogene Einkristall 6 ist von einem Hitzeschild 8 umgeben. Durch den Spalt zwischen Hitzeschild 8 und Einkristall 6 wird kontinuierlich Argon zugeführt, das die Schmelzatmosphäre 11 innerhalb der (in der Figur nicht gezeigten) Ziehkammer bildet und zur Gasspülung dient.
Die Schmelzoberfläche 9 im Quarzglastiegel 1 wird im Laufe des Ziehprozesses auf konstantem Niveau gehalten. Zu diesem Zweck wird der Quarzglastiegel 1 nach oben nachgefahren, wie der Richtungspfeil 10 zeigt. An dieser Position, die hier als Kontaktzone 13 bezeichnet wird, stehen die Innenwandung 12 des Quarzglastiegels 1, die Silicium-Schmelze 3 und die Schmelzatmosphäre 11 somit in direktem Kontakt miteinander.
Die Erfindung zielt darauf ab, mindestens im Bereich der Kontaktzone 13 eine Eigenschaft der Oberfläche der Quarzglastiegel-Innenwandung 12 in radial umlaufender Richtung zu variieren. Die radial variierende Oberflächen-Eigenschaft ist beispielsweise der Hydroxylgruppengehalt, der Oberflächenrauigkeit, der Blasengehalt oder Quarzglas-Qualität in dem Sinne, dass es sich um Quarzglas aus natürlich vorkommendem oder aus synthetisch erzeugtem Ausgangsmaterial handelt.
Die 2 bis 5 zeigen schematisch geeignete Quarzglas-Tiegel mit radial umlaufenden Profilen einer Oberflächen-Eigenschaft. Die Variation der Eigenschaft erfolgt in Höhe der radial umlaufenden Linie der Kontaktzone 13, die hier der Höhe der Ansetzzone entspricht.
Über die Ansicht auf die Tiegel-Innenwandung 12 ist in den Figuren jeweils ein Koordinatenkreuz gelegt, in dem das Maß der Ausprägung oder die Konzentration K der betreffenden Oberflächen-Eigenschaft gegen die Umfangslänge L der Kontaktzone 13 aufgetragen ist, wobei die Figuren nur den halben Gesamt-Umfang zeigen. Der Ordinatenwert 100 von K entspricht dem sinnvollen oder technologisch machbaren Maximalwert der betreffenden Eigenschaft in ihrer Ausprägung A; und der Ordinatenwert 0 von K symbolisiert den sinnvollen oder technologisch machbaren Minimalwert der betreffenden Eigenschaft in ihrer Ausprägung A oder den technologisch machbaren oder sinnvollen Wert der betreffenden Eigenschaft in ihrer Ausprägung B.
Ist die Oberflächen-Eigenschaft der Hydroxylgruppengehalt des Quarzglases, so variiert dieser beispielsweise sinnvollerweise zwischen 80 Gew.-ppm (Minimalwert) und 150 Gew.-ppm (Maximalwert).
Ist die Oberflächen-Eigenschaft die Oberflächenrauigkeit R_a der Innenwandung, so variiert diese zwischen 5 µm (Minimalwert) und 200 µm (Maximalwert). Der Wert für die Oberflächenrauigkeit wird entsprechend DIN 4768 als mittlere Rautiefe R_a ermittelt
Ist die Oberflächen-Eigenschaft der Blasengehalt des Quarzglases innerhalb der Tiegelwandung im Bereich der Kontaktzone 13, so variiert dieser zwischen % 0,01(Minimalwert) und % 0,03 (Maximalwert), und zwar als Mittelwert, gemessen über eine Schichtdicke von 2 mm.
Im Fall der Quarzglas-Qualität variiert die Oberflächen-Eigenschaft zwischen Quarzglas aus natürlich vorkommendem Ausgangsmaterial und Quarzglas aus synthetisch erzeugtem Ausgangsmaterial.
Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform variiert die Oberflächen-Eigenschaft um die Kontaktzone 13, wie vom Profil angezeigt. Dasselbe oder zumindest ein dem dargestellten Profil ähnliches Profil findet sich auch in einem gewissen Flächenbereich der Tiegel-Innenwandung 12 unterhalb der Kontaktzone 13. Dieser Flächenbereich, der als „Variationsband“ 14 bezeichnet wird, ist im Diagramm als grau hinterlegte Fläche erkennbar. Beim Ausführungsbeispiel erstreckt sich das Variationsband 14 von der Kontaktzone 13 etwa 30 mm nach unten in Richtung Tiegelboden.
Die Ausprägung/Konzentration K der Oberflächen-Eigenschaft verändert sich innerhalb der Kontaktzone 13 (beziehungsweise innerhalb des radialen Umlaufs des Variationsbandes 14) unregelmäßig aber stetig. Die Variationsbreite der Änderung entspricht nur einem kleinen Bereich der gesamten möglichen Skala von K. Das radial umlaufende Profil von K zeigt mehrere relative Maxima und Minima, die eine mittlere Variationsfrequenz (Abstand von Maximum zu Maximum) von etwa 0,04 cm^–1 definieren.
Im Unterschied zu 2 variiert bei der in 3 gezeigten Ausführungsform die Oberflächen-Eigenschaft innerhalb der Kontaktzone 13 beziehungsweise innerhalb des 50 mm breiten Variationsbandes 14 nahezu regelmäßig sinusförmig und mit einer deutlich geringeren Frequenz von etwa 0,014 cm^–1, jedoch ebenfalls nur in einem schmaleren Bereich der gesamten Skala von K.
Die in den 2 und 3 gezeigten Profile eignen sich insbesondere für radial umlaufende Variationen des Hydroxylgruppengehalts des Quarzglases sowie der Oberflächenrauigkeit und des Blasengehalts der Tiegel-Innenwandung.
Bei der in 4 gezeigten Ausführungsform variiert die Oberflächen-Eigenschaft der Tiegel-Innenwandung nicht nur im Umlauf um die Kontaktzone 13, sondern gleichzeitig über nahezu die gesamte Höhe der Tiegel-Innenwandung in ähnlicher Weise. Die angedeutete Kontaktzone 13 entspricht auch hier der maximalen Höhe des Schmelzspiegels (= Höhe der Ansetzzone) zu Beginn des Einkristall-Ziehprozesses. Die Variationsbreite entspricht hierbei nahezu 100 % der gesamten Skala von K, das bedeutet, die betreffende Eigenschaft variiert fast vollständig zwischen ihren zwei Ausprägungen A und B beziehungsweise zwischen den oben definierten Minimal- beziehungsweise Maximalwerten.
Ähnlich wie bei dem Profil von 4 variiert auch bei der in 5 gezeigten Ausführungsform die Oberflächen-Eigenschaft zwischen zwei Eigenschafts-Ausprägungen A und B. Hierbei findet jedoch über den gesamten radialen Umfang ein stetiger, gradueller Übergang von der einen zur anderen Ausprägung statt, wobei der Konzentrationsverlauf K bei jeder Ausprägung nur ein Maximum und nur ein Minimum hat. Über den Umfang der Innenwandung finden somit nur zwei allmähliche Wechsel statt, und zwar über eine Hälfte der Umfangslänge ein allmählicher Wechsel von der Ausprägung A zu B und über die andere Hälfte der Umfangslänge ein allmählicher Wechsel von Ausprägung B zu A.
Die Änderungsprofile der 4 und 5 bewähren sich insbesondere für radial umlaufende Wechsel der Zusammensetzung der Tiegel-Innenwandung zwischen Abschnitten aus Quarzglas aus natürlich vorkommendem Ausgangsmaterial und Abschnitten aus Quarzglas aus synthetisch erzeugtem Ausgangsmaterial. Sie sind aber gleichermaßen auch für radial umlaufende Variationen des Hydroxylgruppengehalts des Quarzglases sowie der Oberflächenrauigkeit und des Blasengehalts der Tiegel-Innenwandung geeignet.
Im Folgenden wird die Herstellung eines erfindungsgemäßen Quarzglastiegels anhand eines Beispiels und anhand der in 6 dargestellten Schmelzvorrichtung näher erläutert. Dabei wird entlang einer radial umlaufenden Kontaktzone der Tiegel-Innenwandung der Hydroxylgruppengehalt des Quarzglases variiert.
Die in 6 schematisch dargestellte Tiegel-Schmelzvorrichtung umfasst eine Schmelzform 61 aus Metall mit einem Innendurchmesser von 78 cm, einem gewölbten Boden und einer Seitenwand mit einer Höhe von 50 cm. Die Schmelzform 61 ist um ihre Mittelachse 62 rotierbar gelagert. In den Innenraum 63 der Schmelzform 61 ragen Elektroden 64 aus Graphit, die innerhalb des Innenraums 63 in allen Raumrichtungen verfahrbar sind, wie von den Blockpfeilen 78 angedeutet.
Im Bodenbereich 73 und im Bereich der unteren Wandungshälfte 75 der Schmelzform 61 ist eine Vielzahl von Durchlässen 66 vorgesehen, über die ein an der Außenseite der Schmelzform 61 anliegendes Vakuum in den Innenraum 63 durchgreifen kann. Im oberen Wandungsdrittel 74 der Schmelzform 61 sind weitere Durchlässe 68 vorgesehen, über die ein Gas in Richtung Schmelzform-Innenraum 63 geleitet werden kann. Die Durchlässe 68 münden in einer gemeinsamen Nut 69, die von oben in die eine Hälfte der Oberseite der Schmelzformwandung bis auf die Höhe der Ansetzzone „Z“ (entspricht der Höhe der Kontaktzone 13 beim bestimmungsgemäßen Einsatz) eingestochen ist. Die Durchlässe 66; 68 sind jeweils mit einem Stopfen aus porösem Graphit verschlossen, der das Austreten von SiO₂-Körnung aus dem Innenraum 63 verhindert.
In einem ersten Verfahrensschritt wird in die Schmelzform 61 kristalline Körnung aus natürlichem, mittels Heißchlorierung gereinigtem Quarzsand eingebracht. Der Quarzsand hat eine Korngröße im Bereich von 90 µm bis 315 µm. Unter der Wirkung der Zentrifugalkraft und unter Einsatz einer Formschablone wird an der Innenwandung der um die Längsachse 62 rotierenden Schmelzform 61 eine rotationssymmetrische, tiegelförmige Körnungsschicht 72 aus mechanisch verfestigtem Quarzsand ausgeformt. Die Schichtdicke der Körnungsschicht 72 ist im Bodenbereich 73 und im unteren Seitenbereich 75 und im oberen Seitenbereich 74 ungefähr gleich und beträgt etwa 25 mm. Die Höhe der Körnungsschicht 72 im Seitenwandbereich entspricht der Höhe der Schmelzform, also 50 cm.
In einem zweiten Verfahrensschritt werden die Elektroden 64 in die weiterhin um ihre Längsachse 62 rotierende Schmelzform 61 in der Nähe der Körnungsschicht 72 positioniert und zwischen den Elektroden 64 ein Lichtbogen gezündet.
Die Elektroden 64 werden dabei mit einer Leistung von 600 kW (300 V, 2000 A) beaufschlagt, so dass sich im Schmelzform-Innenraum 63 eine Hochtemperatur-Atmosphäre einstellt. Auf diese Weise wird auf der Quarzkörnungsschicht 72 eine Hautschicht 77 aus dichtem, transparentem Quarzglas mit einer Dicke von etwa 0,5 mm erzeugt. Dabei wird auch die freie Oberseite 65 der Körnungsschicht 72 verdichtet.
Nach Ausbildung der Hautschicht 74 wird in einem dritten Verfahrensschritt über die Durchlässe 66 ein Vakuum (100 mbar Absolutdruck) an die Körnungsschicht 72 im Bodenbereich 73 und im unteren Wandungsbereich 75 angelegt. Gleichzeitig wird Wasserdampf über die Durchlässe 68 in die eine Hälfte der noch porösen Körnungsschicht 72 eingeleitet. Die jeweiligen Gasflüsse beim Absaugen und Einleiten von Wasserdampf sind in den 1 bis 3 durch Pfeile angedeutet.
Wegen des Strömungswiderstands der Körnungsschicht 72 verteilt sich der halbseitig eingeleitete Wasserdampf im Wesentlichen nur in der einen Hälfte der Körnungsschicht 72 und auch im Wesentlichen nur im oberen Seitenbereich 74 um die Ansetzzone Z, so dass es in diesem Bereich der Körnungsschicht zu einer relativ starken Beladung der SiO₂-Körnung mit Wasserdampf kommt.
Beim weiteren Verglasen unter Vakuum wandert eine Schmelzfront von Innen nach Außen durch die Körnungsschicht 72. Dabei bildet sich infolge der stärkeren Wasserbeladung in der einen Hälfte der Körnungsschicht 72 eine verglaste Zone mit höherem Hydroxylgruppengehalt aus als in der anderen Hälfte.
Sobald die Schmelzfront noch etwa 4 cm von der Schmelzform-Wandung entfernt ist, wird das Evakuieren beendet. Dadurch verglasen die rückwärtige Seite der Körnungsschicht 72 auch im Boden- und unteren Seitenwandbereich zu opakem, blasenhaltigem Quarzglas. Das Verglasen wird gestoppt, bevor die Schmelzfront die Schmelzform 61 erreicht.
Über den Umfang in Höhe der Ansetzzone Z gesehen ergibt sich der größte Unterschied im Hydroxylgruppengehalt des Quarzglases zwischen 90Gew.-ppm im Bereich der vorangegangenen Luft-Einleitung – und zwar in der Mitte der Länge der Nut 69 – und dem genau gegenüberliegenden Bereich der Seitenwand. Dort beträgt er 130 Gew.-ppm. Das sich dabei über den Umfang der Ansetzzone Z einstellende OH-Gruppen-Konzentrationsprofil gleicht demjenigen von 5.
Beim bestimmungsgemäßen Einsatz des Quarzglastiegels löst sich die dünne Hautschicht 74 innerhalb kurzer Zeit auf. Die dann freiliegende freie Oberfläche der Tiegel-Innenwandung zeichnet sich durch Hydroxylgruppen aus, deren Konzentration in Höhe der Ansetzzone Z (= Kontaktzone 13) in radial umlaufender Richtung variiert, wie anhand 5 erläutert. Aufgrund dessen ergibt sich für jede Stelle zwischen Siliciumschmelze und Tiegelwandung eine andere Oberflächenspannung und damit eine andere Anregungsbedingungen für Schwingungen, so dass Schmelzvibrationen unterdrückt werden.
Alternativ zu dem beschriebenen Verfahren wird ein entlang der Kontaktzone inhomogener, das heißt, örtlich unterschiedlicher Hydroxylgruppengehalt unter Einsatz einer wasserstoffhaltigen Brennerflamme erzeugt, wie etwa einer Knallgasflamme. Durch den Grad der Einwirkung (Temperatur und Dauer) der Brennerflamme ist der Hydroxylgruppengehalt örtlich unterschiedlich einstellbar. Diese Methode erlaubt auch bei einem Quarzglas-Tiegel mit homogener Tiegelwandung die nachträgliche Erzeugung einer chemischen Variation der chemischen Zusammensetzung.
Die in 6 dargestellte Tiegel-Schmelzvorrichtung eignet sich auch zur Erzeugung einer Kontaktzone Z mit radial umlaufender Variation im Blasengehalt innerhalb der Tiegelwandung. Zu diesem Zweck wird beim dritten Verfahrensschritt anstelle von Wasser, das in Quarzglas vergleichsweise gut löslich ist, ein schwerer lösliches Gas, wie beispielsweise Stickstoff oder – im Ausführungsbeispiel – Luft über die Durchlässe 68 in die eine Hälfte der noch porösen Körnungsschicht 72 eingeleitet.
Wegen des Strömungswiderstands der Körnungsschicht 72 verteilt sich die halbseitige eingeleitete Luft im Wesentlichen nur in der einen Hälfte der Körnungsschicht 72 und auch im Wesentlichen nur im oberen Seitenbereich 74 um die Ansetzzone Z, so dass es in diesem Bereich der Körnungsschicht zu einer relativ hohen Konzentration an schwer löslichem Stickstoff kommt.
Beim weiteren Verglasen unter Vakuum wandert eine Schmelzfront von Innen nach Außen durch die Körnungsschicht 72. Dabei bildet sich infolge der stärkeren Stickstoffbeladung in der einen Hälfte der Körnungsschicht 72 eine verglaste Zone mit höherem Blasengehalt aus als in der anderen Hälfte.
Über den Umfang und in Höhe der Ansetzzone Z gesehen ergibt sich der größte Unterschied im Blasengehalts zwischen 0,01% im Bereich der vorangegangenen Luft-Einleitung – und zwar in der Mitte der Länge der Nut 69 – und dem genau gegenüberliegenden Bereich der Seitenwand. Dort beträgt er 0,03%. Das sich dabei über den Umfang der Ansetzzone Z innerhalb der Tiegelwandung einstellende Blasen-Konzentrationsprofil gleicht demjenigen von 5.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19917288 C2 [0009]
EP 1045046 A1 [0010]
WO 2011/074568 A1 [0010]
WO 2011/158712 A1 [0011]
JP 2007-191393 A [0012]
JP 2004-250304 A [0014]
WO 2009/054529 A1 [0015]
JP 2004-250305 A [0016]
EP 2385157 A1 [0017]
EP 1532297 A1 [0018]
WO 2001/92169 A1 [0019]
WO 2004/097080 A1 [0020]
JP 2006-169084 A [0021]
JP 2009-029652 A [0022]
JP 2011-037708 A1 [0023]
EP 1024118 A2 [0024]
WO 2001/92609 A2 [0025]
WO 2004/076725 A1 [0026]
JP 2004-292210 A [0027]
DE 102007015184 A1 [0028]
EP 2075355 A1 [0029]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 4768 [0087]

Claims

Verfahren zum Ziehen eines Halbleiter-Einkristalls nach dem Czochralski-Verfahren, bei dem eine Halbleiter-Schmelze in einem Quarzglas-Tiegel erzeugt und daraus der Halbleiter-Einkristall gezogen wird, wobei der Quarzglas-Tiegel eine Innenwandung und die Halbleiter-Schmelze eine freie Schmelzoberfläche aufweisen, die im Bereich einer radial an der Tiegel-Innenwandung umlaufenden Kontaktzone miteinander und jeweils mit einer Schmelzatmosphäre in Kontakt sind, wobei von der Kontaktzone ausgehende Primärschwingungen der Schmelze ausgelöst werden, dadurch gekennzeichnet, dass Primärschwingungen ausgelöst werden, die sich in ihrer Frequenz voneinander unterscheiden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiegel-Innenwandung, die Schmelzatmosphäre und/oder die Halbleiter-Schmelze entlang der radial umlaufenden Kontaktzone eine Variation in mindestens einer ihrer physikalischen, chemischen oder körperlichen Eigenschaften aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaft einen ersten Zustand und einen zweiten Zustand einnimmt, und dass die Variation der Eigenschaft entlang der umlaufenden Kontaktzone derart ist, dass sie sich vom ersten Zustand schrittweise oder graduell zum zweiten Zustand hin verändert.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die schrittweise oder graduelle Veränderung vom ersten zum zweiten Zustand der Eigenschaft über mindestens ein Zehntel, vorzugsweise über mindestens ein Drittel der Kontaktzonen-Umfangslänge erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaft einen ersten Zustand und einen zweiten Zustand einnimmt, und dass die Variation der Eigenschaft entlang der umlaufenden Kontaktzone derart ist, dass sich ihr erster Zustand und ihr zweiter Zustand abwechseln.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaft ihren zweiten Zustand über mindestens ein Zehntel, vorzugsweise über mindestens ein Drittel der Kontaktzonen-Umfangslänge einnimmt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die entlang der umlaufenden Kontaktzone variierende Eigenschaft die chemische Zusammensetzung der Schmelzatmosphäre und/oder deren Temperatur ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die entlang der umlaufenden Kontaktzone variierende Eigenschaft die innere Struktur, die chemische Zusammensetzung, die Oberflächenbeschaffenheit und/oder die Temperatur der Tiegel-Innenwandung ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Zusammensetzung durch den Hydroxylgruppengehalt des Quarzglases der Tiegel-Innenwandung bestimmt wird, der zwischen einer Maximal-Konzentration C_OH,max und einer Minimal-Konzentration C_OH,min entlang der umlaufenden Kontaktzone variiert.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Minimal-Konzentration C_OH,min weniger als 80%, vorzugsweise weniger als 60% der Maximal-Konzentration C_OH,max beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Zusammensetzung bestimmt wird durch die Art des Quarzglases für die Tiegel-Innenwandung, das entweder synthetisch erzeugtes Quarzglas oder aus natürlich vorkommendem Rohstoff erzeugtes Quarzglas ist oder eine Mischung dieser Quarzglas-Arten, und dass sich die Konzentration der Quarzglas-Arten entlang der umlaufenden Kontaktzone mindestens einmal verändert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschaffenheit der Tiegel-Innenwandung durch einen über eine Messlänge von 1 cm ermittelten Wert für die mittlere Oberflächenrauigkeit R_a der Tiegel-Innenwandung bestimmt wird, wobei die mittlere Oberflächenrauigkeit zwischen einem Maximalwert R_a,max und einem Minimalwert R_a,min entlang der umlaufenden Kontaktzone variiert.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Minimalwert R_a,min weniger als 80%, vorzugsweise weniger als 60% des Maximalwerts R_a,max beträgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Struktur durch einen über eine Messlänge von 1 cm ermittelten Blasengehalt des Quarzglases der Tiegel-Innenwandung bestimmt wird, wobei der Blasengehalt zwischen einem Maximalwert P_max und einem Minimalwert P_min entlang der umlaufenden Kontaktzone variiert.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Minimalwert P_min weniger als 50%, vorzugsweise weniger als 30%des Maximalwerts P_max beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass sich die innere Struktur und/oder die Oberflächenbeschaffenheit und/ oder die chemische Zusammensetzung der Innenwandung in einem umlaufenden Variationsband ändert, das sich von der Kontaktzone über eine Breite von mindestens 5mm, vorzugsweise mindestens 10mm, in Richtung eines Tiegelbodens erstreckt.
Quarzglastiegel für den Einsatz zum Ziehen eines Halbleiter-Einkristalls nach dem Czochralski-Verfahren, mit einer Tiegel-Innenwandung entlang der eine radial umlaufende Kontaktzone vorgesehen ist, die eine Variation in mindestens einer ihrer physikalischen, chemischen oder körperlichen Eigenschaften nach einem der Ansprüche 1 bis 16 aufweist.