DE102012213506A1

DE102012213506A1 - Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls aus Silizium

Info

Publication number: DE102012213506A1
Application number: DE201210213506
Authority: DE
Inventors: Georg Raming; Ludwig Altmannshofer; Rupert Krautbauer; Waldemar Stein
Original assignee: Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 2012-07-31
Filing date: 2012-07-31
Publication date: 2014-02-06
Also published as: WO2014019789A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls aus Silizium, umfassend das Bereitstellen einer ersten Schmelzen-Zone; das Schmelzen von Granulat aus Silizium und das Zuführen des geschmolzenen Granulats zur ersten Schmelzen-Zone; das Kristallisieren eines ersten Kristalls an der ersten Schmelzen-Zone; das Bereitstellen einer zweiten Schmelzen-Zone; das Schmelzen von Silizium vom ersten Kristall und das Zuführen des geschmolzenen Siliziums zur zweiten Schmelzen-Zone; und das Kristallisieren eines zweiten Kristalls an der zweiten Schmelzen-Zone, wobei der zweite Kristall ein Einkristall ist.

Description

Gegenstand der Erfindung ist die Herstellung eines Einkristalls aus Silizium.
Einkristalle aus Silizium werden in Form von sogenannten Wafern als Grundmaterial für elektronische Bauteile benötigt. Zur industriellen Herstellung der Einkristalle werden überwiegend das CZ-Verfahren und das FZ-Verfahren verwendet. Beim CZ-Verfahren wird eine Schmelze aus Silizium, die in einem Tiegel aus Quarz enthalten ist, mit einem einkristallinen Keimkristall in Kontakt gebracht. Anschließend wird der Keimkristall von der Schmelze weggezogen und Silizium aus der Schmelze auf der mit der Schmelze in Kontakt gebrachten Seite des Keimkristalls kristallisiert, wobei schließlich ein Einkristall entsteht. Da sich im Verlauf des CZ-Verfahrens Material des Tiegels in der Schmelze löst und teilweise in das Kristallgitter des Einkristalls gelangt, enthalten nach dem CZ-Verfahren hergestellte Einkristalle aus Silizium stets eine beachtliche Menge an Sauerstoff.
Für manche Anwendungen, insbesondere Anwendungen in der Leistungselektronik, werden Wafer verlangt, die keinen vom Tiegelmaterial stammenden Sauerstoff enthalten dürfen. In solchen Fällen wird zur Herstellung der Einkristalle üblicherweise auf das FZ-Verfahren zurückgegriffen, das Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist. Bei diesem Verfahren wird eine Schmelzen-Zone erzeugt, an der der Einkristall kristallisiert. Beim klassischen FZ-Verfahren wird als Rohstoff ein polykristalliner Stab („feed rod“) aus Silizium an dessen unteren Ende mittels einer HF-Induktionsheizspule angeschmolzen und ein einkristalliner Keimkristall mit dem entstandenen Schmelzen-Tropfen in Kontakt gebracht. Im Anschluss daran werden der Keimkristall und der Rohstoff-Stab abgesenkt, wobei schließlich ein Einkristall an einer Schmelzen-Zone kristallisiert, die durch fortgesetztes Schmelzen des Rohstoff-Stabs erzeugt und aufrechterhalten wird.
Grundzüge des FZ-Verfahrens sind beispielsweise in der DE 3007377 A1 beschrieben.
Die Herstellung eines Einkristalls nach dem FZ-Verfahren ist vergleichsweise teuer, insbesondere wegen der Kosten für den Rohstoff-Stab, der selbst in einem aufwändigen Verfahren hergestellt werden muss. Es gibt daher Bestrebungen, die Herstellungskosten von nach dem FZ-Verfahren hergestellten Einkristallen zu senken.
Eine Möglichkeit der Kostensenkung besteht darin, anstelle eines polykristallinen Stabs einen Einkristall als Rohstoff-Stab zu verwenden, der nach dem CZ-Verfahren hergestellt worden ist. In der EP 2 058 420 A1 wird vorgeschlagen, einen Einkristall aus Silizium nach dem CZ-Verfahren herzustellen, der mit einem Dotierstoff vom P-Typ oder N-Typ dotiert ist, und diesen mittels FZ-Verfahren umzuschmelzen.
Nachteilig an diesem Vorschlag ist, dass die damit zu erreichende Kostensenkung eher bescheiden ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine demgegenüber vorteilhaftere Vorgehensweise aufzuzeigen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls aus Silizium, das die folgenden Schritte umfasst:
das Bereitstellen einer ersten Schmelzen-Zone;
das Schmelzen von Granulat aus Silizium und das Zuführen des geschmolzenen Granulats zur ersten Schmelzen-Zone;
das Kristallisieren eines ersten Kristalls an der ersten Schmelzen-Zone;
das Bereitstellen einer zweiten Schmelzen-Zone;
das Schmelzen von Silizium vom ersten Kristall und das Zuführen des geschmolzenen Siliziums zur zweiten Schmelzen-Zone; und
das Kristallisieren eines zweiten Kristalls an der zweiten Schmelzen-Zone, wobei der zweite Kristall ein Einkristall ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zwei nacheinander durchgeführte FZ-Verfahren, wobei im ersten FZ-Verfahren als Rohstoff polykristallines Silizium in Form von Granulat verwendet wird und im zweiten FZ-Verfahren Silizium in Form des im ersten Verfahren hergestellten Kristalls oder Einkristalls.
Da es beim erfindungsgemäßen Verfahren in erster Linie darauf ankommt, als Endprodukt einen Einkristall aus Silizium zu erhalten, kann der im ersten FZ-Verfahren erhaltene Kristall auch Versetzungen enthalten und daher teilweise oder vollständig polykristallin sein.
Das Produkt des ersten FZ-Verfahrens, der erste Kristall, kann also ein Einkristall aus Silizium sein oder ein Einkristall aus Silizium, der polykristalline Anteile enthält, oder ein Kristall aus Silizium, der vollständig polykristallin ist. Vorzugsweise handelt es sich um einen Einkristall.
An das im ersten FZ-Verfahren als Rohstoff verwendete Granulat müssen keine besonderen Ansprüche gestellt werden. Es kann sogar Verunreinigungen enthalten, die es für die Verwendung als Rohstoff im CZ-Verfahren ungeeignet machen. Das Granulat kann bereits Dotierstoff vom p-Typ oder n-Typ enthalten. Dotierstoff kann im Verlauf des ersten FZ-Verfahrens und/oder des zweiten FZ-Verfahrens zur Schmelzen-Zone hinzudotiert werden. Bevorzugt ist es, Granulat zu verwenden, das keinen den Widerstand bestimmenden Dotierstoff enthält, und erst im Verlauf des zweiten FZ-Verfahrens mit dem Dotieren mit Dotierstoff vom p-Typ oder vom n-Typ zu beginnen.
Das als Rohstoff im ersten FZ-Verfahren verwendete Granulat wird vorzugsweise durch chemische Gasphasen-Abscheidung (CVD) hergestellt, beispielsweise durch Zerlegen von Silan oder Trichlorsilan. Die US4820587 und die US6007869 sind Vertreter von Quellen, die Verfahren zur Herstellung von Granulat beschreiben, das erfindungsgemäß verwendet werden kann.
Das erste FZ-Verfahren wird vorzugsweise in einer Weise durchgeführt, die sich vom eingangs beschriebenen klassischen FZ-Verfahren im Detail unterscheidet. Ein Unterschied besteht darin, dass zum Schmelzen des Granulats eine erste obere HF-Induktionsspule und zum Kontrollieren des Temperaturfelds in der Schmelzen-Zone eine zweite untere HF-Induktionsheizspule eingesetzt wird. Ein zweiter Unterschied besteht darin, dass zwischen den beiden HF-Induktionsheizspulen eine Platte vorhanden ist, auf die das Granulat aus Silizium geschüttet wird, bevor es geschmolzen und in diesem Zustand durch ein zentrales Loch in der Platte der Schmelzen-Zone zugeführt wird. Eine Beschreibung dieses abgewandelten FZ-Verfahrens, das auch GFZ-Verfahren genannt wird, ist beispielsweise in der US 20110095018 A1 enthalten.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders zum Herstellen von Einkristallen aus Silizium, die einen vergleichsweise großen Durchmesser haben, insbesondere von solchen mit einem Durchmesser von mindestens 200 mm. Zu deren Herstellung ist es bevorzugt, im ersten FZ-Verfahren einen Kristall oder Einkristall herzustellen, dessen Durchmesser vorzugsweise nicht weniger als 100 mm und nicht mehr als 330 mm und besonders bevorzugt nicht weniger als 130 mm und nicht mehr als 200 mm ist, und diesen im zweiten FZ-Verfahren zu einem Einkristall mit einem Durchmesser von 200 mm oder größer umzukristallisieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren kommt ohne den Einsatz eines Tiegels aus, ist daher kostengünstiger und bietet eine Reihe weiterer Vorteile. Die Ausbeuten sind höher, weil variable Mengen an Silizium eingesetzt werden können, die nicht durch Tiegelvolumina beschränkt sind. Dadurch, dass auf den Einsatz eines Tiegels mit einer Schmelze verzichtet wird, in der sich Dotierstoff anreichert, wird vermieden, dass sich über die Segregation eine im Kristall axial ansteigende Dotierstoffkonzentration einstellt. Weiterhin entfallen lange Phasen der thermischen Stabilisierung der Schmelze im Tiegel und die Notwendigkeit, die Energie aufzubringen, eine große Menge an Silizium im Tiegel zu schmelzen und geschmolzen zu halten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3007377 A1 [0004]
EP 2058420 A1 [0006]
US 4820587 [0014]
US 6007869 [0014]
US 20110095018 A1 [0015]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls aus Silizium, umfassend das Bereitstellen einer ersten Schmelzen-Zone; das Schmelzen von Granulat aus Silizium und das Zuführen des geschmolzenen Granulats zur ersten Schmelzen-Zone; das Kristallisieren eines ersten Kristalls an der ersten Schmelzen-Zone; das Bereitstellen einer zweiten Schmelzen-Zone; das Schmelzen von Silizium vom ersten Kristall und das Zuführen des geschmolzenen Siliziums zur zweiten Schmelzen-Zone; und das Kristallisieren eines zweiten Kristalls an der zweiten Schmelzen-Zone, wobei der zweite Kristall ein Einkristall ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kristall und der zweite Kristall Durchmesser haben und der Durchmesser des ersten Kristalls kleiner ist, als der Durchmesser des zweiten Kristalls.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schmelzen-Zone mit Dotierstoff dotiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schmelzen-Zone mit Dotierstoff dotiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Schmelzen-Zone mit Dotierstoff dotiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kristall ein Einkristall ist oder ein Einkristall ist, der polykristalline Anteile enthält, oder ein Kristall ist, der vollständig polykristallin ist.